KR20190124322A - 다공성 나노복합재료 - Google Patents

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KR20190124322A
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아브데노어 압바스
존 브로크그레이튼스
스노버 아메드
파테메 헤이다리
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리전츠 오브 더 유니버시티 오브 미네소타
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Abstract

물품은 복수의 지지체를 포함하는 다공성 스캐폴드 구조물을 포함한다. 물품은 지지체들 중 적어도 하나의 지지체 위에 위치하는 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질을 또한 포함한다. 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질 각각은 지지체들 중 적어도 하나에 직접 결합되어 있다.

Description

다공성 나노복합재료
본 출원은 2017년 3월 24일자로 출원된 발명의 명칭이 "다중오염물 포획을 위한 다공성 나노복합 흡착제"인 미국 가특허 출원 제62/476,166호의 이익을 주장하며, 이의 전체 내용은 본 출원에 참조로 포함된다.
본 출원은 일반적으로 다공성 나노복합재료 및 다공성 나노복합재료 제조 방법 및 용도에 관한 것이다.
다양한 유체 매질에서 오염 물질이 발견될 수 있다. 오염 물질 제거는 여러 이유로 바람직할 수 있습니다. 그러나 오염 물질을 제거하는 데 있어서의 문제점은 오염 물질을 제거하기 위한 장치를 제조하는 데에 드는 비용 및 그러한 장치의 효율을 포함한다.
본 출원은 오염 물질 제거를 위한 다공성 나노복합재료 및 다공성 나노복합재료 제조 방법 및 용도를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시에 따른 물품은 복수의 지지체를 포함하는 다공성 스캐폴드 구조를 포함한다. 물품은 지지체들 중 하나 이상에 배치된 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질을 추가로 포함한다. 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질 각각은 지지체 중 적어도 하나에 직접 결합된다.
본 개시는 유체 매체로부터 오염 물질을 제거하기 위한 시스템을 추가로 포함한다. 시스템은 유체 매체 내에 적어도 부분적으로 배치된 물품을 포함한다. 물품은 복수의 지지체를 포함하는 다공성 스캐폴드 구조를 포함한다. 물품은 지지체 중 하나 이상에 배치된 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질을 추가로 포함한다. 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질 각각은 지지체 중 적어도 하나에 직접 결합된다.
본 개시는 다공성 나노복합재료 제조 방법을 추가로 포함한다. 이 방법은 다공성 물품을 유체 매체에 적어도 부분적으로 침지시키는 단계를 포함한다. 유체 매매체는 하나 이상의 비금속, 금속, 금속염, 금속 산 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 이 방법은 하나 이상의 비금속, 금속, 금속염, 금속 산 또는 이들의 혼합물을 환원시키기 위해 다공성 물품을 가열하는 단계를 추가로 포함한다. 이 방법은 하나 이상의 비금속, 금속, 금속염, 금속 산 또는 이들의 혼합물로부터 다공성 물품 위에 복수의 금속 또는 비금속 나노물질을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
개시되어 있는 물품, 시스템 및 방법을 사용하는 것에는 몇 가지 장점이 있지만, 그 중 일부는 예상치 못한 것이다. 예를 들어, 본 개시의 다양한 실시형태에 따르면, 유체를 흡수하고 그 위에 금속성 또는 비금속성 나노 물질을 형성하는 데에 스펀지와 같은 다공성 물품이 사용될 수 있다. 다양한 실시형태에 따르면, 유체 내의 금속 이온은 스펀지 재료 내로 확산되고 스펀지 매트릭스에 의해 지지되어 안정화될 수 있다. 가열 시에 작은 입자들이 스펀지의 표면 위에 그리고 스펀지 섬유 내에 형성된다. 지지 구조가 없으면, 입자는 작은 입자와 동일한 바람직한 특성, 즉 오염 물질 종과의 반응성이 더 낮은 응집체를 형성할 것이다. 본 명세서에 기재되어 있는 최종적인 다공성 나노복합재료 물품은 오염 물질 제거, 화학 합성 및 촉매 작용, 오염 방지 등을 포함하는 다양한 분야에 사용될 수 있다.
이하의 발명의 상세한 설명과 도면에서 하나 이상의 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 본 개시의 다른 특징들, 목적들 및 이점들은 상세한 설명 및 도면 및 청구 범위로부터 명백할 것이다.
도면들은 일반적으로 본 문헌에서 논의되어 있는 다양한 실시형태를 예시하지만 제한적으로 도시하지는 않는다.
도 1은 다양한 실시형태들에 따른 스펀지의 단면도이다.
도 2는 다양한 실시형태들에 따른 다공성 나노복합재료의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3a는 가요성 다공성 스캐폴드 구조물(32)로부터 가요성 금속 및/또는 비금속 나노복합재료 물품(40)을 제조하기 위한 시스템(30)을 설명하는 예시적 다이어그램이다.
도 3b는 강성 다공성 스캐폴드 구조물(52)로부터 강성 금속 및 비금속 나노복합재료 물품(60)을 제조하기위한 시스템(50)을 설명하는 예시적 다이어그램이다.
도 4a는 다양한 실시형태들에 따른 폴리우레탄 지지체 상의 나노 물질 환원 및 입자 성장의 개략도이다.
도 4b는 다양한 실시형태들에 따른 폴리우레탄 스펀지의 사진 및 현미경 사진이다.
도 4c는 다양한 실시형태들에 따른 철 나노입자 흡착제의 사진 및 현미경 사진이다.
도 5는 다양한 실시형태들에 따른, 다양한 금속 이온 전구체로 열 환원된 폴리우레탄(PU) 스펀지 사진 및 스펀지 표면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도시한다.
도 6a는 다양한 실시형태들에 따라, 인 포획(%)을 시간(들)의 함수로 도시하는 그래프이다.
도 6b는 다양한 실시형태들에 따라, 인 포획(%)을 농도의 함수(mg·L-1)로 나타내는 그래프이다.
도 6c는 다양한 실시형태들에 따라, 인 포획(%)을 pH의 함수로 나타내는 그래프이다.
도 6d는 다양한 실시형태들에 따른, 오염물질이 처리되지 않은 호숫물 및 처리된 다양한 호숫물 샘플의 농도(mg·L-1)를 나타내는 그래프이다.
도 6e는 다양한 실시형태들에 따른, 오염물질이 처리되지 않은 호숫물 및 처리된 다양한 호숫물 샘플의 농도(mg·L-1)를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 다양한 실시형태들에 따라 비소 포획(%)을 시간(들)의 함수로 나타내는 그래프이다.
도 7b는 다양한 실시형태들에 따라 비소 포획(%)을 pH의 함수로 나타내는 그래프이다.
도 8a는 다양한 실시형태들에 따른, 폴리우레탄 스펀지 지지체 상에 배치되어 있는 철 나노입자 물질 상의 시아노박테리아 성장 사진이다.
도 8b는 다양한 실시형태들에 따라 80% 폴리에스테르 및 20% 면으로 이루어진 의복 재료 상에서 합성된 은 입자들의 사진이다.
도 8c는 다양한 실시형태들에 따라 80% 폴리에스테르 및 20% 면으로 이루어진 의복 재료의 실 위에 합성된 은 입자들의 사진이다.
도 9a는 다양한 실시형태들에 따른 다공성 세라믹 지지체의 사진이다.
도 9b는 다양한 실시형태들에 따른 철 나노물질 다공성 세라믹 지지체의 사진이다.
도 10a는 다양한 실시형태들에 따른 황산제1철7수산화물(ferrous sulfate heptahydrate)로부터 다공성 철 나노복합재료 물품을 제조하는 하나의 예시적인 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10b는 다양한 실시형태들에 따른 염화제2동(copper(Ⅱ) chloride)으로부터 다공성 구리 나노복합재료 물품을 제조하기 위한 하나의 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 10c는 다양한 실시형태들에 따른, 셀레노우스산으로부터 다공성 셀레늄 나노복합재료 물품을 제조하기 위한 하나의 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 10d는 다양한 실시형태들에 따른, 황산 암모늄 알루미늄으로부터 다공성 알루미늄 나노복합재료 물품을 제조하기 위한 하나의 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 10e는 다양한 실시형태들에 따른, 황산니켈(II)로부터 다공성 니켈 나노복합재료 물품을 제조하기 위한 하나의 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 10f는 다양한 실시형태들에 따른, 질산아연6수화물(zinc nitrate hexahydrate)로부터 다공성 아연 나노복합재료 물품을 제조하기 위한 하나의 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 10g는 다양한 실시형태들에 따른, 황산티타늄 수화물로부터 다공성 티타늄 나노복합재료 물품을 제조하기 위한 하나의 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 11은 다양한 실시형태들에 따른 질산은으로부터 은 나노복합재료 직물을 제조하기 위한 하나의 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
이제부터 개시되어 있는 주제의 특정 실시형태를 참조할 것이며, 그들의 실시예들이 첨부 도면에 부분적으로 도시되어 있다. 개시된 주제는 열거되어 있는 청구범위와 관련하여 설명할 것이지만, 예시된 주제는 청구범위를 개시된 주제로 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다.
본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 다공성 나노복합재료 물품은 그 안에 복수의 지지체를 포함하는 다공성 스캐폴드 구조물을 포함할 수 있다. 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질이 지지체들 중 하나 이상 위에 배치된다.
많은 적당한 재료 또는 이들 재료의 조합으로 다공성 스캐폴드 구조물이 형성될 수 있다. 적당한 재료의 비 제한적인 예로서, 다공성 스캐폴드 구조물은 유기 재료 또는 무기 재료로 형성될 수 있다. 유기 재료 또는 무기 재료는 수지, 금속, 유리, 세라믹, 실리콘, 활성 탄소, 텍스타일(textile) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 직물은 지지체로 복수의 토우(tow)를 포함할 수 있고, 스펀지는 지지체로 복수의 섬유를 포함할 수 있으며, 세라믹은 지지체로 미세공들(pores) 사이에 복수의 섬유 또는 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 다공성 스캐폴드 구조물은 과립형 다공성 물질에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 다공성 스캐폴드 구조물의 지지체를 나타내는 다공성 물질의 과립들이 함께 유지되어 다공성 스캐폴드 구조물을 형성할 수 있다. 활성 탄소, 폴리머 비드, 실리카 샌드, 지르코니아, 알루미나, 무연탄 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 과립상 다공성 물질이 사용될 수 있다.
다공성 스캐폴드 구조물은 많은 적당한 구조일 수 있는데, 그 중 비 제한적인 예가 스펀지이다. 스펀지는 유체를 강력하게 흡수하고 보유하는 능력이 특징인 연질의 다공성 물질을 포함할 수 있다. 스펀지의 일 예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1은 스펀지(10)의 단면도이다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 스펀지(10)는 섬유(12)를 포함한다. 섬유(12)는 부분적으로 스펀지 내에 미세공(14)을 형성한다. 도시되어 있는 바와 같이, 미세공(14)의 크기(예컨대 직경)는 약 100 나노미터이다. 다른 실시예에서, 스펀지(10) 또는 기타 다른 구조물에서 미세공(14)의 크기는 약 50 나노미터 내지 약 500 나노미터 사이, 약 150 나노미터 내지 약 450 나노미터 사이, 약 200 나노미터 내지 약 400 나노미터 사이, 또는 약 250 나노미터 내지 약 350 나노미터 사이일 수 있다. 각각의 미세공(14)은 동일한 크기이거나 또는 다른 크기일 수 있다. 미세공(14)은 스펀지(10)를 통해 부분적으로 또는 전체적으로 연장될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이. 스펀지(10)의 미세공(14)의 표면적은 스펀지(10)의 부피에 비해 상대적으로 크다. 미세공(14)의 상대적으로 큰 표면적은 미세공(14)의 표면 위에 배치된 금속성 또는 비금속성 나노물질의 대응하는 큰 표면적을 노출시킨다. 예를 들어, 스펀지(10)는 미세공(14)을 포함하지 않는 기판에 비해 상대적으로 높은 표면적 대 부피 비를 가질 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 섬유(12) 표면 위 또는 섬유(12) 벌크 매트릭스 내 금속성 또는 비금속성 나노물질이 스폰지(10) 내로 유체 매체의 침투 속도가 더 빠르게 되도록, 미세공(14)은 유체 매체 내로의 유체 매질의 전달을 더 크게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 미세공(14)의 크기는 100nm보다 클 수 있다.
스펀지(10) 내에, 스캐폴드 또는 지지체 각각은 섬유(12)로 형성된다. 섬유(12)는 스펀지(10)와 동일한 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서 스펀지(10) 전체가 섬유(12)로 형성된다. 섬유(12)가 포함할 수 있는 적당한 재료가 많이 존재한다. 일부 실시예에서, 섬유(12)는 하나 이상의 폴리머를 포함한다. 적당한 폴리머의 예는 폴리우레탄, 셀룰로오스, 폴리아미드, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 이들의 폴리프로필렌 공중합체 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이. 스펀지(10)는 섬유(12) 상에 배치된 금속성 또는 비금속성 나노물질(16)을 추가로 포함한다. 금속성 또는 비금속성 나노물질(16)은 스펀지(10)의 외부 및 내부에 위치하는 섬유(12) 상에 배치될 수 있다. 금속성 또는 비금속성 나노물질(16)의 크기(예를 들어, 직경)는 나노미터 범위이다. 예를 들어, 나노물질의 직경은 약 10 나노미터 내지 약 500 나노미터, 약 20 나노미터, 약 200 나노미터, 약 30 나노미터 내지 약 100 나노미터, 또는 약 40 나노미터 내지 약 50 나노미터의 범위 일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속성 또는 비금속성 나노물질(16) 각각의 크기는 동일할 수도 있고 다를 수도 있다.
도 1은 스펀지(10)와 관련하여 설명되었지만, 일부 실시예에서 다공성 스캐폴드 구조물은 다공성 세라믹과 같은 강성 다공성 구조물일 수 있다. 예를 들어, 스펀지(10)는 부피의 변화(즉, 압축)를 통해 유체 매체를 흡수할 수 있지만, 다공성 세라믹은 부피의 변화없이 유체 매체의 흐름을 수용하면서 실질적으로 강성을 유지할 수 있다. 이러한 다공성 세라믹은 예를 들어 유체 매체의 유량이 많은 고정형 베드 정화 시스템에 유용할 수 있다.
금속성 또는 비금속성 나노물질은 나노 구, 나노 필름, 나노 로드, 나노 와이어, 나노스타, 나노 돔 등과 같은 다양한 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질 표면의 적어도 일부는 다공성 스캐폴드 구조물의 지지체 표면과 일치한다. 예를 들어, 후술되는 바와 같이, 금속성 또는 비금속성 나노물질은 다공성 스캐폴드 구조물의 지지체 위에 형성되어, 금속성 또는 비금속성 나노물질의 적어도 일부의 성장이 다공성 스캐폴드 구조물의 내부 또는 외부 표면을 따라 일어나서, 금속성 또는 비금속성 나노입자의 표면이 지지체의 표면과 정합될 수 있다.
일부 실시예에서, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질 각각은 다공성 스캐폴드 구조물의 복수의 지지체 중 적어도 하나의 지지체 위 또는 적어도 하나의 지지체 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 아래에 더 설명되는 바와 같이, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 용액 중의 금속 이온으로부터 형성될 수 있다. 금속성 또는 비금속성 나노물질을 형성하기 전에, 이들 금속 이온은 다공성 스캐폴드 구조물의 지지체 내로 그리고 지지체 주위로 확산 될 수 있다. 다공성 스캐폴드 구조 전체에 걸쳐 구성 금속 이온의 이러한 높은 분산의 결과로, 생성된 금속성 또는 비금속성 나노물질은 (1) 다공성 스캐폴드 구조의 외부 표면상의 지지체 상에 배치될 수 있고(즉, 다공성 스캐폴드 구조물의 벌크 매트릭스의 표면 위 지지체 표면 위에 배치될 수 있고). (2) 다공성 구조물의 내부 표면상의 지지체 상에 배치 될 수 있고(즉, 다공성 스캐폴드 구조물의 벌크 매트릭스 내의 지지체의 표면), 및 및/또는 (3) 다공성 스캐폴드 구조물의 지지체 내에(즉, 지지체의 매트릭스 내에) 배치될 수 있다.
이러한 높은 분산으로 인해, 본 명세서에 기재된 소정의 부피의 다공성 나노 복합재료 물품은, 분산된 금속 이온 용액으로부터 금속성 또는 비금속성 나모재료를 형성하지 않은 금속성 또는 비금속성 나노복합재료에 비해 더 많은 수의 금속성 또는 비금속성 나노물질, 더 큰 농도의 금속성 또는 비금속성 나노물질, 보다 균일한 금속성 또는 비금속성 나노물질 및/또는 지지체에 더 강력하게 부착된 금속성 또는 비금속성 나노물질을 가질 수 있다. 예를 들어, 금속 이온은 복수의 지지체의 표면에 한정되지 않고, 더 많은 수의 나노물질이 소정의 체적 내에 형성되어서 오염 물질 제거율이 더 높아진다(예를 들어, 도 5a 내지 도 5c 참조). 다른 예로서, 지지체의 내부 표면 위에 또는 다공성 스캐폴드 구조물의 지지체 내에 배치된 나노물질이 포획될(entrapped) 수 있으며, 이는 다공성 나노복합재료 물품으로부터의 나노물질의 접착력을 증가시키고 침출을 감소시킬 수 있다.
복수의 지지체는 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질을 지지하는 다공성 스캐폴드 구조물의 임의의 구조를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 다공성 스캐폴드 구조물의 복수의 지지체는 다공성 스캐폴드 구조물의 표면 위 또는 벌크 물질내와 같은 결합 사이트(binding site) 및/또는 핵 형성 사이트(nucleation site)를 포함할 수 있으며, 이는 다공성 스캐폴드 구조의 복수의 지지체의 표면에 대한 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질의 접착, 핵 생성 및/또는 부착을 촉진한다. 예를 들어, 복수의 지지체는 금속성 또는 비금속성 나노물질의 열적 환원 및 금속성 또는 비금속성 나노물질의 형성 전에 금속성 또는 비금속성 나노물질의 구성 금속 이온에 결합하는 다양한 작용기를 포함할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
결합 사이트 및/또는 핵 형성 사이트를 제공함으로써, 다공성 스캐폴드 구조물의 복수의 지지체들은 다공성 스캐폴드 구조물의 지지체들의 표면에 직접 접합 및/또는 정합되어 금속성 또는 비금속성 나노물질이 성장할 수 있게 한다. 이렇게 강력한 접착 및/또는 정합(conformity)은 다공성 스캐폴드 구조물에서 금속성 또는 비금속성 나노물질이 침출되는 것을 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 금속성 또는 비금속성 나노물질은 수산화물 작용기를 구비하는 모노머 같이 작용기를 구비하는 화합물로부터 형성되고, 반면 다른 실시예에서는, 다공성 스캐폴드 구조물의 표면이 사전처리를 통해 기능화된다. 일부 실시예에서, 재료들 또는 다공성 스캐폴드 구조물의 재료들은 구성 금속성 또는 비금속성 나노물질의 준금속 또는 구성 금속에 대한 친밀도(affinity)가 있다.
금속성 또는 비금속성 나노물질은 다공성 스캐폴드 구조물의 지지체에 직접 결합될 수 있다. 금속성 또는 비금속성 나노물질은 금속성 또는 비금속성 결합, 이온 결합 및 공유 결합 같은 분자 내 결합(intramolecular bonding), 쌍극자 결합(dipole dipole bonding), 반데르발스 결합, 수소 결합 등과 같은 분자간 결합(intermolecular bonding)을 포함하는 다양한 방식으로 복수의 지지체의 내부 또는 외부에 직접 결합될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
금속성 또는 비금속성 나노물질이 복수의 지지체에 직접 결합함으로써, 금속성 또는 비금속성 나노물질은, 코팅이나 다른 접착제를 통해 기판에 결합되는 금속성 또는 비금속성 나노물질보다 접근 가능한 표면이 더 커지고 및/또는 흡수율이 더 높아질 수 있다. 예를 들면, 용액 내 금속 이온으로부터 형성되지 않은 금속성 또는 비금속성 나노물질은 안정화 또는 부착을 위해 폴리머 쉘 또는 코팅을 이용할 수 있으며, 이는 금속성 또는 비금속성 나노물질의 결합 사이트로의 오염물질의 전달 및 후속된 흡수를 감소시킬 수 있다. 결합 유형과는 관계없이, 금속성 또는 비금속성 나노물질은 지지체 표면의 분자들과 큰 계면을 구비하여, 금속성 또는 비금속성 나노물질이 섬유 표면 위에 형성되어 있지 않은 동일하거나 유사한 금속성 또는 비금속성 나노물질보다 지지체 표면에 더 강력하게 결합될 수 있게 된다. 예를 들면, 본 명세서에서 논의되어 있는 다공성 나노복합재료 물품의 나노재료 보유율(retention)은 95%를 상회할 수 있다.
각 금속성 또는 비금속성 나노물질(16)은 하나 또는 그 이상의 비금속, 금속 또는 금속 산화물을 포함한다. 각 금속성 또는 비금속성 나노물질(16)에서, 하나 또는 그 이상의 금속 또는 비금속의 양은 금속성 또는 비금속성 나노물질(16)의 약 1중량% 내지 약 100중량% 범위에 이르고, 약 10중량% 내지 약 95중량%, 약 15중량% 내지 약 90중량%, 약 20중량% 내지 약 85중량%, 약 25중량% 내지 약 80중량%, 약 30중량% 내지 약 75중량%, 약 35중량% 내지 약 70중량%, 약 40중량% 내지 약 65중량%, 약 45중량% 내지 약 60중량% 또는 약 50중량% 내지 55중량%이다. 금속성 또는 비금속성 나노물질은 임의의 적당한 금속, 비-제한적인 예시로 금속성 또는 비금속성 나노물질은 실리콘 및 보론 같은 메탈로이드; 구리, 아연, 철, 니켈, 망간, 은 및 티타늄 같은 전이 금속; 알루미늄 같은 포스트-전이 금속; 칼슘 및 마그네슘 같은 알칼리 희토류 금속; 탄소 및 셀레늄 같은 특정 비-금속; 및 루비듐 같은 알칼리 금속을 포함한다. 이들 금속 중 어느 하나는 기본 원소 형태 또는 합금일 수 있다. 또한, 금속성 또는 비금속성 나노물질(16)은 이들의 기본 금속 또는 합금의 혼합물을 포함할 수 있다. 금속성 나노물질(16)에 포함될 수 있는 금속 산화물의 비-제한적 예시는 철산화물, 산화제이구리, 알루미나, 아연산화물, 니켈산화물 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
본 명세서에 기재되어 있는 다공성 나노복합재료 물품은 유체 매체에서 오염물질을 실질적으로 제거하기 위한 시스템 내에 포함될 수 있다. 제거될 수 있는 오염물질의 비-제한적 예시는 수은, 납, 비소, 카드뮴, 크롬 같은 중금속, 질산염, 인산염 같은 영양소(nutrient)에서 선택되는 오염물질을 포함한다. 오염물질은 퍼플루오로옥탄산(PFOA), 퍼플루오로옥탄술폰산, 다이옥신, 폴리염화 바이페닐, 다핵 방향족 탄화수소, 내분비 교란물질 같은 유기 오염물질일 수도 있다. 오염물질은 포름알데히드, 황산화물, 아산화질소 또는 이들의 혼합물 같은 가스 분자일 수도 있다. 유체 매체는 물 같은 액체, 대기 같은 가스 또는 플루가스, 또는 이들의 조합(예를 들면 구조물의 일부는 액체 내에 침지되어 있고, 구조물의 일부는 공기에 노출되어 있음)에서 선택될 수 있다.
작동할 때에, 다공성 스캐폴드 구조물의 미세공을 통해 유체가 흡수된다. 유체가 흡수됨에 따라, 오염물질이 금속성 또는 비금속성 나노물질과 반응할 수 있다. 비-제한적인 예시로, 이 반응은 오염물질 내에서 화학 변화를 일으키거나(예를 들어 오염물질이 산화 상태로 변하거나 덜 유해한 유사체로 변할 수 있음) 또는 오염물질이 금속성 또는 비금속성 나노물질과 반응하여 나노물질 상에 유지될 수 있다. 비-제한적인 예시들 중에서, 그 결과는 유체에서 오염물질이 효과적으로 제거된다는 것이다. 유체 내의 모든 오염물질이 완전하게 제거되는 정도는 약 50중량 내지 약100 중량%, 약 55중량% 내지 약 100중량%, 약 60중량% 내지 약 100중량%, 약 65중량% 내지 약 100중량%, 약 70중량% 내지 약 100중량%, 약 75중량% 내지 약 100중량%, 약 80중량% 내지 약 100중량%, 약 85중량% 내지 약 100중량%, 약 90중량% 내지 약 100중량% 또는 약 95중량% 내지 100중량%이다.
시스템은 오염물질 제거가 요망될 수 있는 많은 적당한 환경 내에 위치할 수 있다. 비-제한적인 예시로, 시스템은 중앙집중형 하수처리 시스템 또는 수면 아래 하수 처리 시스템, 가정 폐수 시스템, 대형 워터, 스트림, 지류 또는 산업 폐수 처리 공정에 위치할 수 있다.
일부 실시예에서, 금속성 또는 비금속성 나노물질의 금속 또는 금속산화물은 특정 오염물질과 반응하게 선택될 수 있다. 비-제한적인 예시로, 셀레늄을 포함하는 금속성 또는 비금속성 나노물질은 수은 또는 납 같은 오염물질과 반응할 수 있다. 추가적인 비-제한적인 예시로, 구리를 포함하는 금속성 또는 비금속성 나노물질은 비소 같은 오염물질과 반응할 수 있다. 추가적인 비-제한적인 예시로, 철을 포함하는 금속성 또는 비금속성 나노물질은 비소 또는 인산염 같은 오염물질과 반응할 수 있다.
전술한 바와 같이, 금속성 또는 비금속성 나노물질의 금속 또는 금속산화물이 특정 오염물질에 대해 친밀도가 있도록 금속성 또는 비금속성 나노물질이 선택될 수 있다. 금속성 또는 비금속성 나노물질은 예컨대 금속 나노물질의 단위 그램 당 오염물질을 100밀리그램을 상회하는 정도로 특정 오염물질을 제거할 수 있는 능력 또는 최대 부하를 나타낼 수 있다. 최대 부하 또는 제거 능력은 다음 식 1로 표기될 수 있다.
Figure pct00001
[식 1]
위 식 1에서, Qe는 평형 상태에서 금속 나노물질의 단위 그램 당 흡수된 오염물질의 양(mg)을 나타내고, Ci는 용액 내 오염물질의 초기 농도(mg/L)를 나타내고, Cf는 용액 내 오염물질의 최종 농도(mg/L)를 나타내며, m은 금속 나노물질의 질량(g) 그리고 V는 용액의 체적(L)이다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서 논의되어 있는 다공성 나노복합재료 물품은 촉매 또는 화학 합성을 위해서도 사용될 수 있다. 예를 들면, 다공성 나노복합재료 물품의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 아연, 티타늄, 망간 또는 화학 반응을 촉진할 수 있는 다른 금속 또는 비금속을 포함할 수 있다. 다공성 나노복합재료 물품은 패킹 베드 리액터 같은 리액터의 일부일 수 있으며, 반응물질을 함유하는 액체 또는 가스 스트림 같은 유체 스트림이 리액터를 통과할 수 있다. 다공성 나노복합재료 물품의 높은 분산도(high dispersion), 표면적 및 흡수 능력은 다공성 스캐폴드 구조물 상에서 용액으로부터 금속성 또는 비금속성 나노물질을 형성하지 않는 다공성 금속 또는 비금속 촉매보다 더 빠른 반응 속도를 나타낼 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서 논의되어 있는 다공성 나노복합재료 물품은 수 담수화를 위해서도 사용될 수 있다. 예를 들면, 다공성 나노복합재료 물품의 금속성 및/또는 비금속성 나노물질은 망간, 알루미늄 또는 소금물 스트림으로부터 염을 제거할 수 있는 다른 금속 또는 비금속을 포함할 수 있다. 다공성 나노복합재료 물품은 담수 플랜트의 일부일 수 있으며, 소금물 스트림이 다공성 나노복합재료 물품을 관통할 수 있다. 다공성 나노복합재료 물품의 높은 분산도, 표면적 및 흡수 능력은 다공성 스캐폴드 구조물 상에서 용액으로부터 금속성 또는 비금속성 나노물질을 형성하지 않는 다공성 금속 또는 비금속 담수화 물질보다 염 제거 속도가 더 빠를 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에서 논의되어 있는 다공성 나노복합재료 물품은 침투 또는 의복 같은 오염 방지 또는 항균물질 또는 표면 등에도 사용될 수 있다. 예를 들면, 다공성 나노복합재료 물품의 금속성 및/또는 비금속성 나노물질은 은, 구리 또는 다른 항균 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 다공성 나노복합재료 물품은 여과 시스템의 일부일 수 있으며, 미생물 또는 미립자를 포함하는 유체 스트림이 다공성 나노복합재료 물품을 관통할 수 있다. 다공성 나노복합재료 물품의 높은 분산도, 표면적 및 흡수 능력은 다공성 스캐폴드 구조물 상에서 용액으로부터 금속성 또는 비금속성 나노물질을 형성하지 않는 다공성 금속 또는 비금속 항균물질 또는 오염 방지 물질보다 미생물 분해 및/또는 억제(inhibition)가 더 클 수 있다. 일부 실시예에서, 다공성 나노복합재료 물품은 의복 아이템 같은 텍스타일 수 있다. 텍스타일의 표면은, 다공성 스캐폴드 구조물 상에서 용액으로부터 금속성 또는 비금속성 나노물질을 형성하지 않는 다공성 금속 또는 비금속 항균물질 보다 항균력이 더 클 수 있다.
도 2는 다공성 나노복합재료를 제조하기 위한 방법(20)을 설명하는 흐름도이다. 방법(20)은 다공성 물품(예컨대 스펀지(10))을 용액(22)에 적어도 일부를 침지하는 단계를 포함한다. 용액은 궁극적으로 금속성 또는 비금속성 나모물질을 형성하는 금속 또는 비-금속을 포함한다. 용액은 하나 또는 그 이상의 비-금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 물품이 용액 내에 침지되어 있는 중에, 물품의 벌크 매트릭스 내에서(예컨대 스펀지 섬유(12)들 사이 또는 스펀지 섬유 내에) 하나 또는 그 이상의 비-금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 혼합물의 흡수가 일어난다. 물품은 임의의 적당한 시간 종안 유체 내에 침지될 수 있다. 비-제한적인 예시로, 물품은 약 1분 내지 약 24시간, 약 30분 내지 약 20시간, 약 1시간 내지 약 15시간, 약 5시간 내지 약 12시간, 또는 약 10시간 내지 약 11시간 동안 유체 내에 침지될 수 있다. 궁극적으로 다공성 물품의 외부 및 내부 표면 중 적어도 하나 위에 금속 나노물질이 형성되도록, 용액의 빠른 흡수가 물품 전반에 금속이 실질적으로 균일하게 분산되게 하는 데에 도움을 줄 수 있다.
황산제1철7수화물, 염화제이동, 셀레노우스산, 황산 알루미늄 암모늄, 황산 니켈, 질산아연6수화물, 황산티탄수화물 또는 이들의 조합을 포함하는, 다만 이들만으로 한정되는 것은 아님, 여러 비금속, 금속, 금속 염 및/또는 금속 산이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 비-금속, 금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 조합의 농도가 약 0.001M 내지 약 5M 사이일 수 있다. 예를 들면, 금속, 금속 염 및/또는 금속 산의 농도가 5M을 상회하는 것과 같이 지나치게 높거나 0.001M 미만과 같이 지나치게 낮으면, 금속성 또는 비금속성 나노물질이 지나치게 컴팩트하거나 지나치게 분산되기 때문에, 금속성 또는 비금속성 나노물질의 표면적이 약 0.001 내지 약 5M 사이의 농도보다 작을 수 있다. 일부 실시예에서, 용액의 pH는 약 2 내지 약 9 사이이다. 예를 들면, pH가 2 미만이거나 9를 상회하면 금속, 비금속, 금속 염 및/또는 금속 산의 용해도가 낮을 수 있다.
방법(20)은 다공성 물품(24) 가열 단계를 포함한다. 다공성 물품이 용액 내에 침지되어 있는 동안에 또는 용액에서 제거된 후에, 다공성 물품이 가열될 수 있다. 다공성 물품이 가열되어 하나 또는 그 이상의 비-금속, 금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 조합이 환원되고 궁극적으로 금속성 또는 비금속성 나노물질을 형성한다. 다공성 물품은 임의의 적당한 온도로 가열될 수 있다. 비-제한적인 예시로, 적당한 온도는 약 100℃ 내지 약 500℃, 약 150℃ 내지 약 450℃, 약 200℃ 내지 약 400℃ 또는 약 250℃ 내지 약 350℃ 사이일 수 있다.
다공성 물품이 가열됨에 따라, 환원을 통해 금속성 또는 비금속성 나노물질의 성장이 완료된다. 환원은 화학종에 의한 전자의 획득이다. 금속성 또는 비금속성 나모물질 형성에서, 이온 금속 또는 금속산화물 종들을 중성으로 환원하는 데에 환원이 사용되고, 금속 또는 비금속이 용해되어 있는 종들과는 물성이 다른 고체 구조물을 형성한다. 이러한 유형의 환원은 열 환원이다. 이는 화학적 환원제에 의존하는 다른 환원 기법과는 다르다. 임의의 이론에 얽매이지 않을 의도로, 가열은 다공성 물품에서 물이 증발되어 금속 이온들이 함께 강제되게 하는 동시에 이온들을 금속성 또는 비금속성 입자로 환원되게 한다. 물이 실질적으로 제거되고 금속 이온들이 함께 강제된 후에, 금속성 또는 비-금속성 나노물질들이 형성된다(26).
도 3a는 가용성 다공성 스캐폴드 구조물(32)로부터 가요성 금속 및/또는 비금속 나노복합재료 물품(40)을 제조하기 위한 시스템(30)을 설명하는 예시적인 다이어그램이다. 시스템(30)은 이온조(ion bath)(34), 가열 요소(38A 및 38B)(총체적으로 "가열 요소들(38)"들로 호칭됨), 및 공정 제어 요소(42A, 42B 및 42C)(총체적으로 "공정 제어 요소들(42)"들로 호칭됨)를 포함하는 금속 또는 비금속 이온 적용 시스템을 포함한다.
도 3a의 실시예에서, 스펀지 같은 가요성 다공성 스캐폴드 구조물(32)이 이온조(34) 내로 소킹(soaking) 같이 약 10분 내지 약 60분 동안 침지될 수 있다. 이온조(34)는 예컨대 pH가 약 2 내지 약 9 사이인 용액 내에 약 0.001M 내지 약 5M의 농도로 금속 또는 비금속을 포함한다. 이온조(34)로부터 이온들이 가요성 다공성 스캐폴드 구조물(32)의 미세공과 지지체에 침투하여 이온이 침투된 스캐폴드 구조물(36)을 형성할 수 있다. 이온이 침투된 스캐폴드 구조물(36)은 가열 요소들(38)에 의해 약 1시간 내지 약 8시간 또는 12시간 동안 100℃를 상회하는 온도로 가열될 수 있다. 이온이 침투된 스캐폴드 구조물(36)이 가열됨에 따라, 금속 및/또는 비금속 이온들이 열 환원되어 가요성 다공성 스캐폴드 구조물의 표면 위에 그리고 가요성 다공성 스캐폴드 구조물의 지지체 내에 복수의 금속 및/또는 비금속 나노물질이 형성되어 가요성 금속 및/또는 비금속 나노복합재료 물품(40)을 형성하게 된다. 공정 제어 요소들(42)은 컨베이어 벨트, 롤러 등과 같은 시스템(30)을 통해 가요성 다공성 스캐폴드 구조물(32), 이온이 침투된 스캐폴드 구조물(36) 및/또는 가요성 금속 및/또는 비금속 나노복합재료 물품(40)들을 이동시키기 위한 임의의 설비를 포함할 수 있다.
도 3b는 강직한 다공성 스캐폴드 구조물(52)로부터 강직한 금속 및 비금속 나노복합재료 물품(60)을 제조하기 위한 시스템(50)을 설명하는 예시적 다이어그램이다. 시스템(50)은 이온 적용기(ion applicator)(54), 가열 요소(58A 및 58B)(총체적으로 "가열 요소들(58)"들로 호칭됨), 및 공정 제어 요소(62A, 62B 및 62C)(총체적으로 "공정 제어 요소들(62)"들로 호칭됨)를 포함하는 금속 및/또는 비금속 이온 적용 시스템을 포함한다.
도 3b의 실시예에서, 다공성 세라믹 같은 강직한 다공성 스캐폴드 구조물(52)이 이온 적용기(54)에 의해 약 10분 내지 약 60분 동안 분사법(spraying) 의해 침지될 수 있다. 이온 적용기(54)는 예컨대 pH가 약 2 내지 약 9 사이인 용액 내에 약 0.001M 내지 약 5M의 농도로 금속 또는 비금속을 포함한다. 이온 적용기(54)로부터 이온들이 강직한 다공성 스캐폴드 구조물(52)의 미세공과 지지체에 침투하여 이온이 침투된 스캐폴드 구조물(56)을 형성할 수 있다. 이온이 침투된 스캐폴드 구조물(56)은 가열 요소들(58)에 의해 약 1시간 내지 약 8시간 또는 12시간 동안 100℃를 상회하는 온도로 가열될 수 있다. 이온이 침투된 스캐폴드 구조물(56)이 가열됨에 따라, 금속 및/또는 비금속 이온들이 열 환원되어 강직한 다공성 스캐폴드 구조물의 표면 위에 그리고 강직한 다공성 스캐폴드 구조물의 지지체 내에 복수의 금속 및/또는 비금속 나노물질이 형성되어 가요성 금속 및/또는 비금속 나노복합재료 물품(60)을 형성하게 된다. 공정 제어 요소들(62)은 컨베이어 벨트, 롤러 등과 같은 시스템(50)을 통해 강직한 다공성 스캐폴드 구조물(52), 이온이 침투된 스캐폴드 구조물(56) 및/또는 강직한 금속 및/또는 비금속 나노복합재료 물품(60)들을 이동시키기 위한 임의의 설비를 포함할 수 있다.
실시예들
설명을 위한 목적으로 제공되는 아래의 실시예들을 참고하면 본 개시의 다양한 실시형태들이 더 잘 이해될 수 있다. 본 개시는 본 명세서에 제시된 실시예들로 한정되지 않는다.
셀레늄, 철 및 구리 나노입자 스펀지 제작
실시예에서, 황산철7수화물, 염화철, 셀레노우스산 및 염화구리의 금속 염 또는 산 전구체들이 용액 내에서 용해될 수 있다. 그런 다음, 폴리우레탄, 셀루로오스, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌 텔레프탈레이트, 폴리프로필렌 또는 폴리아미드로 형성된 스펀지 재료가 금속 이온들이 스펀지 내로 분리될 수 있는 시간 동안 용액 내에 침지될 수 있다.
이어서, 100℃를 상회하는 온도의 표준 컨벡션 오븐이나 진공 오브 내에 스펀지들을 위치시킬 수 있다. 스펀지를 오븐 내에 위치시킴으로써, 스펀지로부터 물이 증발되어 금속 이온들이 함께 강제되는 동시에 이들 이온들이 금속성 또는 비금속성 입자들로 환원된다. 이것이 도 4a에 개략적으로 도시되어 있다. 도 4a는 폴리우레탄 지지체 상에서의 나노물질의 환원과 입자 성장을 나타낸다. 스펀지는 이온 전구체 용액 내에 여전히 현탁되어 있는 중에 오븐 내에 위치하거나 포화된 스펀지가 이온 용액에서 제거된 후에 오브 내에 위치할 수도 있다. 스펀지 지지체 위와 용액 내 모두에서 환원이 일어남에 따라 입자 성장이 더 크게 이루어지도록 오븐 내에서 용액 내 스펀지가 가열될 수 있다. 도 4b는 다양한 실시형태들에 따른 폴리우레탄 스펀지의 사진 및 현미경사진이다. 도 4c는 다양한 실시형태들에 따른 철 나노입자 흡착제의 사진 및 현미경사진이다.
셀레늄(Se), 철산화물(Fe2O3/Fe3O4), 산화구리(CuO), 알루미나(Al2O3) 산화아연(ZnO) 및 산화니켈(NiO) 입자들을 사용하여, 금속성 또는 비금속성 나노물질을 합성하기 위해 다중 화학종들에 열 환원 방법이 적용될 수 있다. 이 방법이 사용되는 다른 화학종들은 칼슘, 마그네슘 및 티타늄을 포함한다. 이 방법은 열 환원을 하는 것으로 알려져 있는 모든 금속 및 금속산화물 종들에 적용될 수도 있다. 도 5는 다양한 금속 이온 전구체들로 열 환원한 후의 폴리우레탄(PU) 스펀지 사진과, 스펀지 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 이미지들은 스펀지 표면 상에 작은 입자들과 입자 응집체 모두를 보여준다.
제작된 나노물질 스펀지는 물 샘플 내 다양한 오염물질(표 1)에 적용될 수 있다. 먼저, 화학 및 열 환원법을 조합하여 합성된 것과 같은 방식으로 열 환원만이 수행되어 준비된 셀레늄 스펀지는 용액 내에서 구리의 99%를 포획하였다. 이 스펀지는 납(Pb)에 대해서도 친밀도를 나타내고 있다. 추가로, 구리 및 철로 생성된 스펀지는 물에서 비소를 포획할 수 있다. 용액 내에서 무기질 인산염을 포획하는 데에 철 스펀지가 사용될 수 있다. 이들 스펀지들은 연속적으로 적용되거나 물 내에서 다중오염물질에 대한 복합 물질로 적용될 수 있다. 이 열 환원법을 사용하여, 다양한 주요 수질 오염물질을 타겟으로 하는 스펀지들의 포트폴리오가 생성될 수 있다.
스펀지 나노물질 타겟 오염물질 포획 효율(%)
Se 수은(Hg) 100%
Se+폴리우레탄 납(Pb) 100%
Se 납(Pb) >57%
Cu 비소(As) >91%
Fe 비소(As) >61-80%
Fe 인산염(PO3 -, PO4 -) >98%
임의의 금속 나노물질(5% 미만)이 있는 폴리우레탄 퍼플루오로옥탄산염(PFOA) 100%
임의의 금속 나노물질(5% 미만)이 있는 폴리우레탄 퍼플루오로옥탄술폰산염 100%
철 나노입자 흡착제로 인 제거
전술한 바와 같이, 폴리우레탄 지지체 위에 철 나노입자들이 분산되어 있는 철 나노입자 흡착제를 제조하였다. 철 나노입자 흡착제의 성능을 철 나노입자를 포함하지 않는 폴리우레탄 스펀지와 비교하였다. 철 나노입자 흡착제 및 폴리우레탄 스펀지 각각을 인산염 이온을 함유하는 용액 내에 침지하였고, 폐수 분석을 하였다.
도 6a는 다양한 실시형태들에 따른, 철 나노입자 흡착제 및 폴리우레탄 스펀지의 인 포획(%)을 시간의 함수로 설명하는 그래프이다. 도 6a에서 볼 수 있듯이, 약 10초의 짧은 시간이 경과한 후에, 철 나노입자 흡착제는 용액 내 인을 거의 100% 흡착할 수 있다. 반면, 폴리우레탄 스펀지는 용액 내 인을 겨우 약 20% 흡수할 수 있을 뿐이다.
도 6b는 다양한 실시형태들에 따른, 철 나노입자 흡착제 및 폴리우레탄 스펀지의 인 로딩 능력(mg·g-1)을 농도(mg·L-1)의 함수로 설명하는 그래프이다. 도 6b에서 볼 수 있듯이, 철 나노입자 흡착제는 약 982.9mg·g-1·분-1의 로딩 속도로 흡착제 단위 그램 당 약 120mg의 인산염 로딩 능력에서 인산염을 흡착할 수 있다. 반면, 폴리우레탄 스펀지는 스펀지 단위 그램 당 약 50mg의 인산염의 로딩 능력으로 인산염을 흡착할 수 있을 뿐이다.
도 6c는 다양한 실시형태들에 따른, 철 나노입자 흡착제 및 폴리우레탄 스펀지의 인 포획(%)을 pH의 함수로 설명하는 그래프이다. 도 6c에서 볼 수 있듯이, 철 나노입자 흡착제는 약 1(~60% 인산염 제거) 내지 약 13 사이의 pH에서 인산염을 흡수할 수 있고, 약 3 내지 약 13 사이의 pH에서는 인산염을 거의 100% 제거할 수 있다. 반면, 폴리우레탄 스펀지는 pH 약 1에서 (~15% 인산염 제거) 인산염을 흡수할 수 있고, 약 2 내지 약 13 사이의 pH에서는 인산염을 거의 0% 제거할 수 있을 뿐이다.
다양한 경쟁 오염물질이 존재하는 상태에서 인 제거의 선택도(selectivity)를 시험하기 위해, 철 나노입자 흡착제를 천연 용수 샘플과 산업 폐수 샘플에 침지하였다. 철 나노입자 흡착제로 처리하기 전에(미처리) 그리고 철 나노입자 흡착제로 처리한 후에(처리) 인과 다양한 경쟁 오염물질의 농도를 측정하였다.
도 6d는 다양한 실시형태들에 따른, 철 나노입자 흡착제를 사용하여 미처리 및 처리 호숫물 샘플 내에서 다양한 오염물질의 농도(mg·L-1)를 설명하는 그래프이다. 도 6d에서 볼 수 있듯이, 철 나노입자 흡착제로 제거된 인은 검출할 수 없는 레벨로 떨어진, 반면 다른 이온들은 실질적으로 미처리 농도와 동일한 정도를 유지하였다.
도 6e는 다양한 실시형태들에 따른, 철 나노입자 흡착제를 사용하여 미처리 및 처리 폐수 샘플 내에서 다양한 오염물질의 농도(mg·L-1)를 설명하는 그래프이다. 도 6e에서 볼 수 있듯이, 철 나노입자 흡착제로 제거된 인은 검출할 수 없는 레벨로 떨어지고 알루미늄은 낮은 레벨로 떨어진, 반면 다른 이온들은 실질적으로 미처리 농도와 동일한 정도를 유지하였다.
구리 나노입자 흡착제에 의한 비소 제거
전술한 바와 같이 폴리우레탄 지지체 위에 구리 나노입자들이 배치되어 있는 구리 나노입자 흡착제를 제조하였다. 구리 나노입자 흡착제의 성능을 구리 나노입자들을 포함하고 있지 않은 폴리우레탄 스펀지와 비교하였다. 구리 나노입자 흡착제와 폴리우레탄 스펀지 각각을 인산염 이온을 함유하는 용액 내에 침지하여 최종 폐수 분석 하였다.
도 7a는 다양한 실시형태들에 따른, 구리 나노입자 흡착제의 비소 포획(%)을 시간(들)의 함수로 설명하는 그래프이다. 도 7a에서 볼 수 있듯이, 약 100초의 짧은 시간이 경과한 후에, 구리 나노입자 흡착제는 용액 내 비소의 거의 75% 흡착할 수 있다.
도 7b는 다양한 실시형태들에 따른, 구리 나노입자 흡착제 및 폴리우레탄 스펀지의 비소 포획(%)을 pH의 함수로 설명하는 그래프이다. 도 7b에서 볼 수 있듯이, 구리 나노입자 흡착제는 약 1(~60% 비소 제거) 내지 약 12(~60% 비소 제거) 사이의 pH에서 비소를 흡수할 수 있고, 약 3 내지 약 9 사이의 pH에서는 비소를 거의 100% 제거할 수 있다. 반면, 폴리우레탄 스펀지는 pH 약 1 내지 약 12 사이에서 비소를 약 55% 흡수할 수 있을 뿐이다.
철 나노입자 재료의 항균력
다양한 금속 나노입자 흡착제들은 침투, 위생, 개인 위생 용품 및 의복에서 오염을 방지하는 데에 중요할 수 있는 항균 특성을 나타낸다. 도 8a는 다양한 실시형태에 따른, 폴리우레탄 스펀지 지지체 위에 배치되어 있는 철 나노입자 재료 위에서 남세균 성장에 대한 사진이다. 도 8a로부터 알 수 있듯이, 미처리된 폴리우레탄 스펀지(좌측) 위에서 남세균이 성장하지만, 철 나노입자 흡착제(우측) 위에서는 남세균 성장이 거의 존재하지 않는다.
철 나노입자 흡착제 외에도, 구리 나노입자 흡착제 및 은 나노입자 예컨대 은 나노입자는 80% 폴리에스테르 및 20% 면직물로 된 직물 위에서 합성된다. 질산은의 이온 염들이 용액 내에 용해되고, 직물에 은 용액이 부가된다. 직물을 밤새 건조시키고 철저하게 세탁한다. 도 8b는 다양한 실시형태들에 따른, 80% 폴리에스테르 및 20% 면직물로 된 의복 재료 상에서 합성된 은 입자들의 사진이다. 도 8c는 다양한 실시형태들에 따른, 80% 폴리에스테르 및 20% 면직물로 된 의복 재료 실 위에서 합성된 은 입자들의 사진이다.
나노입자들은 텍스타일, 직물 및 다른 소재들 내로 함침되어 그 구역의 위킹(wicking), 온도 조절 및 소재 강도 같은 성능을 향상시킬 수 있다. 의복 또는 다른 제품에 대하여 위에서 서술한 공정을 사용하여 아연, 알루미노규산염 및 다른 금속/금속 하이브리드 입자들 같은 다양한 입자들이 제작될 수 있다.
세라믹 지지체 상의 철 나노입자 재료
압축성 스펀지 외에도, 본 명세서에 기재되어 있는 금속성 또는 비금속성 나노재료들이 다공성 세라믹 지지체를 포함하는 다른 다공성 재료들 위에서 성장할 수 있다. 이러한 다공성 세라믹 지지체는 유동이 큰 분야 및/또는 체적이 고정된 분야에 적당할 수 있도록 강직할 수 있다. 도 9a는 다양한 실시형태들에 따른 다공성 세라믹 지지체의 사진이다. 도 9a의 다공성 세라믹 지지체는 금속성 또는 비금속성 나노재료를 포함하지 않는다. 도 9b는 다양한 실시형태들에 따른 셀레늄 나노재료 다공성 세라믹 지지체의 사진이다. 도 9b의 다공성 세라믹 지지체는 셀레늄 나노재료를 포함한다. 도 9b에서 볼 수 있듯이, 어두운 색으로 지시되어 있는 셀레늄 나노재료가 실질적으로 다공성 세라믹 지지체 전반에 걸쳐 분산되어 있다.
철 나노입자 스펀지 제조
도 10a는 다양한 실시형태들에 따른 황산제1철7수화물(ferrous sulfate heptahydrate)로부터 다공성 철 나노복합재료 물품을 제조하고, 철 나노복합재료 물품을 사용하여 인을 제거하고, 철 나노복합재료 물품에서 인을 제거하기 위한 예시적인 방법(30)을 설명하는 흐름도이다. 도 10a의 실시예에서, 폴리우레탄 스펀지 같은 다공성 스캐폴드 구조물이 제공된다(71). 다른 스펀지나 다른 다공성 스캐폴드 구조물을 포함하는 다른 재료들이 사용될 수도 있다. 다공성 스캐폴드 구조물을 세척하고 건조시킨다(72). 다공성 스캐폴드 구조물을 농도가 약 0.001 내지 약 5M이고, pH가 약 2 내지 약 9인 황산제1철7수화물 용액에 약 10분 내지 약 60분 동안 침지시킨다(73). 약 100℃를 상회하는 오븐에서 약 1시간 내지 약 8시간 동안 건조시켜(74) 다공성 철 나노복합재료 물품을 형성한다. 다공성 철 나노복합재료 물품을 세척하고 건조시킨다(75).
인 같은 오염물질을 제거하기 위해, 다공성 철 나노복합재료 물품을 오염물질을 포함하고 있는 유체 용액 내에 침지시킨다(76). 오염물질을 제거한 후, 다공성 철 나노복합재료 물품으로부터 인을 수거하기 위해 pH가 약 12를 상회하는 용액 내에 다공성 철 나노복합재료 물품을 침지한다(77).
구리 나노입자 스펀지 제조
도 10b는 다양한 실시형태들에 따른 염화제2구리(copper (II) chloride)로부터 다공성 구리 나노복합재료 물품을 제조하기 위한 예시적인 방법(30)을 설명하는 흐름도이다. 도 10b의 실시예에서, 다공성 스캐폴드 구조물이 제공된다(81). 다공성 스캐폴드 구조물을 세척하고 건조시킨다(82). 다공성 스캐폴드 구조물을 농도가 약 0.001 내지 약 5M이고, pH가 약 2 내지 약 9인 염화제2구리 용액에 약 10분 내지 약 60분 동안 침지시킨다(83). 약 100℃를 상회하는 오븐에서 약 1시간 내지 약 8시간 동안 건조시켜(84) 다공성 구리 나노복합재료 물품을 형성한다. 다공성 구리 나노입자 스펀지를 세척하고 건조시킨다(85).
셀레늄 나노입자 스펀지 제조
도 10c는 다양한 실시형태들에 따른 셀레노우스 산으로부터 다공성 셀레늄 나노복합재료 물품을 제조하기 위한 예시적인 방법(30)을 설명하는 흐름도이다. 도 10c의 실시예에서, 다공성 스캐폴드 구조물이 제공된다(91). 다공성 스캐폴드 구조물을 세척하고 건조시킨다(92). 다공성 스캐폴드 구조물을 농도가 약 0.001 내지 약 5M이고, pH가 약 2 내지 약 9인 셀레노우스 산 용액에 약 10분 내지 약 60분 동안 침지시킨다(93). 약 100℃를 상회하는 오븐에서 약 1시간 내지 약 8시간 동안 건조시켜(94) 다공성 셀레늄 나노복합재료 물품을 형성한다. 다공성 셀레늄 나노복합재료 물품을 세척하고 건조시킨다(95).
알루미늄 나노입자 스펀지 제조
도 10d는 다양한 실시형태들에 따른 황산 알루미늄 암모늄으로부터 다공성 나노복합재료 물품을 제조하기 위한 예시적인 방법(100)을 설명하는 흐름도이다. 도 10d의 실시예에서, 다공성 스캐폴드 구조물이 제공된다(101). 다공성 스캐폴드 구조물을 세척하고 건조시킨다(102). 다공성 스캐폴드 구조물을 농도가 약 0.001 내지 약 5M이고, pH가 약 2 내지 약 9인 황산 알루미늄 암모늄 용액에 약 10분 내지 약 60분 동안 침지시킨다(103). 약 100℃를 상회하는 오븐에서 약 1시간 내지 약 8시간 동안 건조시켜(104) 다공성 알루미늄 나노복합재료 물품을 형성한다. 다공성 알루미늄 나노복합재료 물품을 세척하고 건조시킨다(105).
니켈 나노입자 스펀지 제조
도 10e는 다양한 실시형태들에 따른 황산 니켈 II로부터 다공성 니켈 나노복합재료 물품을 제조하기 위한 예시적인 방법(110)을 설명하는 흐름도이다. 도 10e의 실시예에서, 다공성 스캐폴드 구조물이 제공된다(111). 다공성 스캐폴드 구조물을 세척하고 건조시킨다(112). 다공성 스캐폴드 구조물을 농도가 약 0.001 내지 약 5M이고, pH가 약 2 내지 약 9인 황산 니켈 II 용액에 약 10분 내지 약 60분 동안 침지시킨다(113). 약 100℃를 상회하는 오븐에서 약 1시간 내지 약 8시간 동안 건조시켜(114) 다공성 니켈 나노복합재료 물품을 형성한다. 다공성 니켈 나노복합재료 물품을 세척하고 건조시킨다(115).
아연 나노입자 스펀지 제조
도 10f는 다양한 실시형태들에 따른 질산아연6수화물로부터 다공성 니켈 나노복합재료 물품을 제조하기 위한 예시적인 방법(120)을 설명하는 흐름도이다. 도 10f의 실시예에서, 다공성 스캐폴드 구조물이 제공된다(121). 다공성 스캐폴드 구조물을 세척하고 건조시킨다(122). 다공성 스캐폴드 구조물을 농도가 약 0.001 내지 약 5M이고, pH가 약 2 내지 약 9인 질산아연6수화물 용액에 약 10분 내지 약 60분 동안 침지시킨다(123). 약 100℃를 상회하는 오븐에서 약 1시간 내지 약 8시간 동안 건조시켜(124) 다공성 아연 나노복합재료 물품을 형성한다. 다공성 아연 나노복합재료 물품을 세척하고 건조시킨다(125).
티타늄 나노입자 스펀지 제조
도 10g는 다양한 실시형태들에 따른 황산티타늄수화물(titanium sulfate hydrate)로부터 다공성 티타늄 나노복합재료 물품을 제조하기 위한 예시적인 방법(130)을 설명하는 흐름도이다. 도 10g의 실시예에서, 다공성 스캐폴드 구조물이 제공된다(131). 다공성 스캐폴드 구조물을 세척하고 건조시킨다(132). 다공성 스캐폴드 구조물을 농도가 약 0.001 내지 약 5M이고, pH가 약 2 내지 약 9인 황산티타늄수화물 용액에 약 10분 내지 약 60분 동안 침지시킨다(133). 약 100℃를 상회하는 오븐에서 약 1시간 내지 약 8시간 동안 건조시켜(134) 다공성 티타늄 나노복합재료 물품을 형성한다. 다공성 티타늄　 나노복합재료 물품을 세척하고 건조시킨다(135).
은 나노입자 텍스타일 제조
도 11은 다양한 실시형태들에 따른 질산은으로부터 은 나노복합재료 텍스타일을 제조하기 위한 예시적인 방법(140)을 설명하는 흐름도이다. 도 11의 실시예에서, 텍스타일이 제공된다(141). 텍스타일을 세척하고 건조시킨다(142). 텍스타일을 농도가 약 0.001 내지 약 5M이고, pH가 약 2 내지 약 9인 질산은 용액에 약 10분 내지 약 60분 동안 침지시킨다(143). 텍스타일을 약 100℃를 상회하는 오븐에서 약 1시간 내지 약 8시간 동안 건조시켜(144) 은 나노복합재료 텍스타일을 형성한다. 은 나노복합재료 텍스타일을 세척하고 건조시킨다(145).
다공성 나노복합재료 물품의 적용
전술한 바와 같이, 아래의 표 2에 도시되어 있듯이, 다양한 분야에 본 명세서에 기재되어 있는 다공성 나노복합재료 물품이 사용될 수 있다.
다공성 지지체 위에서 성장한 나노물질 적용
셀레늄 최대 100%의 포획 효율로 수은 흡착
셀레늄 최대 57%의 포획 효율로 납 흡착
구리 최대 91%의 포획 효율로 비소 흡착
철 최대 61%의 포획 효율로 비소 흡착
철 80%를 상회하는 포획 효율로 인산염 흡착
은 항균성 물질 및 표면
망간, 알루미늄 담수화
망간, 아연, 티타늄 화학 촉매 및 합성
채용되어 있는 용어 및 표현은 설명을 위한 용어로 사용하고 있는 것으로 한정하기 위한 것이 아니고, 그러한 용어 및 표현이 기재되어 있는 구성요소의 어떠한 등가물을 제외하려는 것도 아니다. 본 개시의 실시형태들의 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 개시가 특별하게 특정 실시형태들과 선택적인 구성요소만을 개시하고 있지만, 본 명세서에 기재되어 있는 개념의 변형과 변경이 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게는 자명하며, 그러한 변형 및 변경은 본 개시의 실시형태들의 범위에 속하는 것으로 간주된다.
본 문헌 전반에 걸쳐, 범위로 표현되어 있는 수치들은 명확하게 범위의 한계로 기재되어 있는 것일 뿐만 아니라 각 수치 값과 하위 범위가 명백하게 기재되어 있는 바와 같이 그 범위 내에 포함되는 하위 범위들의 개별 수치 값들을 포함한다. 예를 들면, "약 0.1% 내지 약 5%"의 범위 또는 "약 0.1% 내지 약 5%"는 정확하게 약 0.1% 내지 약 5%를 포함할 뿐만 아니라 개별 수치(예컨대 1%, 2%, 3% 및 4%) 그리고 하위 범위들(예컨대 0.1% 내지 0.5%, 1.1% 내지 2.2%, 3.3% 내지 4.4%)을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 특별히 다르게 언급하지 않는 한은, "약 X 내지 Y"라는 표현은 "약 X 내지 약 Y"라는 표현과 같은 의미를 가진다. 이와 마찬가지로, 특별히 다르게 언급하지 않는 한은, "약 X, Y 또는 약 Z"라는 표현은 "약 X, 약 Y 또는 약 Z"라는 표현과 같은 의미를 가진다.
본 문헌에서, "a", "an" 또는 "the"는 문맥에서 특별히 다르게 해석되지 않는 한은, 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것으로 사용된다. "또는"이라는 용어는 특별히 언급하지 않은 한은 배타적이지 않은 "또는"을 가리킨다. "A 및 B 중 적어도 하나"라는 표현은 "A, B 또는 A 및 B"와 동일한 의미를 가진다. 또한, 본 명세서에서 사용되어 있는 어법 및 용어들은 특별히 다르게 규정되어 있지 않은 한은, 설명을 위한 것이지 한정하기 위한 것이 아님을 이해하여야 한다. 섹션 머리말의 사용은 문헌을 독해하는 데에 도움을 주기 위한 것이지 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안 된다. 섹션 머리말과 관련된 정보가 특정 섹션 범위 내에 또는 범위 밖에 있을 수 있다.
본 명세서에 기재되어 있는 방법에서, 시간적으로 또는 작동 순서가 명백하게 기재되어 있는 경우를 제외하면, 본 개시의 원리를 벗어나지 않으면서 임의의 순서로 행위가 이루어질 수 있다. 또한, 서술된 행위들이 별개로 수행되어야 한다고 명확하게 기재되어 있지 않은 이들 행위들이 동시에 수행될 수도 있다. 예를 들면, 청구된 행위 X와 청구된 행위 Y가 한 번에 동시에 수행될 수 있으며, 최종적인 공정은 청구된 공정의 문언적인 범위에 속하게 될 것이다.
본 명세서에 사용되어 있는 "약"이라는 용어는 수치 내에서 또는 범위 내에서 어느 정도 변할 수 있다. 예를 들면, 10% 내 또는 서술한 값의 1% 내 또는 범위 서술한 한계 및 정확하게 서술된 수치 또는 범위를 포함한다.
본 명세서에 사용되어 있는 "실질적으로"라는 용어는 적어도 약 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 99.99% 또는 적어도 약 99.999% 또는 그 이상 또는 100%와 같이 대부분의 또는 주로를 가리킨다.
추가의 실시형태들
이하에 예시적인 실시형태들이 제공된다. 이들 실시형태들의 번호가 중요도를 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시형태 1은, 물품으로, 복수의 지지체를 포함하는 다공성 스캐폴드 구조물 및 상기 지지체들 중 적어도 하나의 지지체 위에 배치되어 있는 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질을 포함하는 물품을 제공한다.
실시형태 2는 실시형태 1의 물품을 제공하되, 다공성 스캐폴드 구조물은 수지, 금속, 유리, 세라믹, 실리콘, 활성 탄소 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시형태 3은 실시형태 1의 물품을 제공하되, 다공성 스캐폴드 구조물이 스펀지이다.
실시형태 4는 실시형태 3의 물품을 제공하되, 스펀지는 복수의 섬유(fiber)를 포함한다.
실시형태 5는 실시형태 4의 물품을 제공하되, 복수의 섬유는 폴리우레탄, 셀룰로오스, 폴리아미드, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌 텔레프탈레이트, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 폴리머를 포함한다.
실시형태 7은 실시형태 1 내지 6 중 어느 하나의 물품을 제공하되, 다공성 물품의 적어도 하나의 미세공의 크기는 약 100nm 내지 약 500nm 사이이다.
실시형태 8은 실시형태 1 내지 7 중 어느 하나의 물품을 제공하되, 적어도 하나의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 하나 또는 그 이상의 비금속, 금속 또는 금속 산화물을 포함한다.
실시형태 9는 실시형태 8의 물품을 제공하되, 하나 또는 그 이상의 비금속, 금속 또는 금속산화물은 금속성 또는 비금속성 나노물질의 약 5 중량% 내지 약 100중량% 사이이다.
실시형태 10은 실시형태 9의 물품을 제공하되, 적어도 하나의 금속, 비금속이 셀레늄, 구리, 알루미늄, 아연, 철, 니켈, 칼슘, 마그네슘, 티타늄, 이들의 혼합물 또는 이들의 합금으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 물품.
실시형태 11은 실시형태 9의 물품을 제공하되, 금속 산화물의 적어도 하나는 철산화물, 구리산화물, 알루미나, 산화아연, 산화니켈 또는 이들의 혼합물로부터 선택된다.
실시형태 10은 유체 매체로부터 오염물질을 제거하기 위한 시스템을 제공하되, 상기 시스템은 유체 매체 내에 적어도 일부가 위치하는 물품을 포함하되, 상기 물품은 복수의 지지체를 포함하는 다공성 스캐폴드 구조물 및 지지체들 중 적어도 하나의 위에 위치하는 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질을 포함한다.
실시형태 11은 실시형태 10의 시스템을 제공하되, 다공성 스캐폴드 구조물은 수지, 금속, 유리, 세라믹, 실리콘, 활성 탄소 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시형태 12는 실시형태 10의 시스템을 제공하되, 다공성 스캐폴드 구조물이 스펀지이다.
실시형태 13은 실시형태 12의 시스템을 제공하되, 스펀지는 복수의 섬유를 포함한다.
실시형태 14는 실시형태 13의 시스템을 제공하되, 복수의 섬유는 폴리우레탄, 셀룰로오스, 폴리아미드, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌 텔레프탈레이트, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 폴리머를 포함한다.
실시형태 15는 실시형태 10 내지 14 중 어느 하나의 시스템을 제공하되, 다공성 물품의 적어도 하나의 미세공의 크기는 약 100nm 내지 약 500nm 사이이다.
실시형태 16은 실시형태 10 내지 15 중 어느 하나의 시스템을 제공하되, 적어도 하나의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 하나 또는 그 이상의 비금속, 금속 또는 금속 산화물을 포함한다.
실시형태 17은 실시형태 16의 시스템을 제공하되, 하나 또는 그 이상의 비금속, 금속 또는 금속산화물은 금속성 또는 비금속성 나노물질의 약 5 중량% 내지 약 100중량% 사이이다.
실시형태 18은 실시형태 17의 시스템을 제공하되, 적어도 하나의 금속, 비금속이 셀레늄, 구리, 알루미늄, 아연, 철, 니켈, 칼슘, 마그네슘, 티타늄, 이들의 혼합물 또는 이들의 합금으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 물품.
실시형태 19는 실시형태 16의 시스템을 제공하되, 금속 산화물의 적어도 하나는 철산화물, 구리산화물, 알루미나, 산화아연, 산화니켈 또는 이들의 혼합물로부터 선택된다.
실시형태 20은 실시형태 10 내지 19 중 어느 하나의 시스템을 제공하되, 유체 매체가 액체, 가스 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.
실시형태 21은 실시형태 20의 시스템을 제공하되, 액체가 물이다.
실시형태 22는 실시형태 20의 시스템을 제공하되, 가스가 대기 또는 연도가스이다.
실시형태 23은 실시형태 10 내지 22 중 어느 하나의 시스템을 제공하되, 오염물질이 수은, 납, 비소, 인산염 또는 이들의 혼합물로부터 선택된다.
실시형태 24는 다공성 나노복합재료 제조 방법을 제공하되, 상기 방법은 다공성 물품의 적어도 일부를 하나 또는 그 이상의 비금속, 금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 혼합물을 포함하는 용액 내에 침지하는 단계, 하나 또는 그 이상의 비금속, 금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 혼합물을 환원하기 위해 다공성 물품을 가열하는 단계, 및 하나 또는 그 이상의 비금속, 금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 혼합물로부터 다공성 물품 위에 복수의 금속 나노물질을 형성하는 단계를 포함한다.
실시형태 25는 실시형태 24의 방법을 제공하되, 금속 나노물질은 다공성 물품의 외부 및 내부 표면 중 적어도 하나의 위에 형성된다.
실시형태 26은 실시형태 24의 방법을 제공하되, 금속 나노물질은 셀레늄, 구리, 아연, 철, 니켈, 칼슘, 마그네슘, 티타늄, 이들의 혼합물 또는 이들의 합금으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함한다.
실시형태 27은 실시형태 24의 방법을 제공하되, 금속 나노물질은 철산화물, 산화구리, 알루미나, 산화아연, 산화니켈 또는 이들의 혼합물에서 선택되는 금속 산화물을 포함한다.
실시형태 27은 실시형태 24의 방법을 제공하되, 다공성 물품을 약 100℃ 내지 약 500℃ 사이의 온도로 가열한다.
다양한 실시예들을 기재하였다. 이들 실시예와 다른 실시예는 첨부된 특허청구범위 내에 속한다.

Claims (32)

  1. 물품으로,
    복수의 지지체를 포함하는 다공성 스캐폴드 구조물 및
    상기 지지체들 중 적어도 하나의 지지체 위에 배치되어 있는 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질을 포함하고,
    복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질 각각은 지지체들 중 적어도 하나의 지지체에 직접 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 물품.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질 각각의 직경이 약 5nm 내지 약 500nm 사이인 것을 특징으로 하는 물품.
  3. 제1항에 있어서,
    다공성 스캐폴드 구조물이 스펀지이고, 상기 스펀지는 복수의 섬유(fiber)를 포함하고, 복수의 나노물질의 적어도 일부분은 섬유들 중 적어도 하나의 표면 위에 배치되어 있고, 복수의 나노물질의 적어도 일부분은 섬유들 중 적어도 하나의 내부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 물품.
  4. 제3항에 있어서,
    복수의 섬유들은 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌 텔레프탈레이트, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  5. 제1항에 있어서,
    다공성 스캐폴드 구조물이 다공성 세라믹인 것을 특징으로 하는 물품.
  6. 제1항에 있어서,
    복수의 나노물질이 하나 또는 그 이상의 금속, 비금속 또는 금속산화물을 포함하되, 금속성 또는 비금속성 나노물질의 약 1 중량% 내지 약 100 중량%만큼 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  7. 제6항에 있어서,
    적어도 하나의 금속, 비금속이 셀레늄, 구리, 알루미늄, 아연, 철, 니켈, 칼슘, 마그네슘, 티타늄, 은, 망간, 이들의 혼합물 또는 이들의 합금으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 물품.
  8. 제5항에 있어서,
    금속산화물의 적어도 하나가 철산화물, 산화구리, 알루미나, 산화아연, 산화니켈, 산화망간, 산화마그네슘 또는 이들의 혼합물에서 선택되는 것을 특징으로 하는 물품.
  9. 제1항에 있어서,
    다공성 스캐폴드 구조물이 텍스타일을 포함하고, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질이 은 또는 구리 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
  10. 다공성 나노복합재료를 제조하는 방법으로, 상기 방법은,
    다공성 스캐폴드 구조물의 적어도 일부를 하나 또는 그 이상의 비금속, 금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 혼합물을 포함하는 용액 내에 침지하는 단계,
    하나 또는 그 이상의 비금속, 금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 혼합물을 환원시키기 위해 다공성 스캐폴드 구조물을 가열하는 단계, 및
    하나 또는 그 이상의 비금속, 금속, 금속 염, 금속산 또는 이들의 혼합물로부터 다공성 나노복합재료를 형성하기 위해 다공성 스캐폴드 구조물의 복수의 지지체들 중 적어도 하나의 지지체 위에 복수의 금속 나노물질을 형성하는 단계를 포함하고,
    복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질 각각은 지지체들 중 적어도 하나에 직접 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 다공성 나노복합재료 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    하나 또는 그 이상의 금속, 비금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 혼합물은 황산제1철7수화물, 염화제이구리, 셀레노우스 산, 황산 알루미늄 암모늄, 황산 니켈, 질산아연6수화물, 황산티탄수화물, 질산은 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 나노복합재료 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    하나 또는 그 이상의 금속, 비금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 혼합물의 농도가 약 0.001M 내지 약 5M 사이인 것을 특징으로 하는 다공성 나노복합재료 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    다공성 스캐폴드 구조물의 적어도 일부가 pH가 약 2 내지 약 9 사이인 용액 내에 침지되는 것을 특징으로 하는 다공성 나노복합재료 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    금속 나노물질이 다공성 스캐폴드 구조물의 외부 및 내부 표면 중 적어도 하나 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 다공성 나노복합재료 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    다공성 물품을 약 100℃ 내지 약 500℃ 사이의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 다공성 나노복합재료 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    다공성 스캐폴드 구조물이 텍스타일을 포함하고, 하나 또는 그 이상의 금속이 질산은을 포함하며, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 은 나노물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 나노복합재료 제조 방법.
  17. 다공성 나노복합재료 제조를 위한 시스템으로,
    다공성 스캐폴드 구조물의 적어도 일부를 하나 또는 그 이상의 비금속, 금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 혼합물을 포함하는 용액 내에 침지하게 구성된 금속 또는 비금속 이온 적용 시스템, 및
    하나 또는 그 이상의 비금속, 금속, 금속 염, 금속 산 또는 이들의 혼합물을 환원시키기 위해 다공성 스캐폴드 구조물을 가열하고, 이에 따라 하나 또는 그 이상의 비금속, 금속, 금속 염, 금속산 또는 이들의 혼합물로부터 다공성 나노복합재료를 형성하기 위해 다공성 스캐폴드 구조물의 복수의 지지체들 중 적어도 하나의 지지체 위에 복수의 금속 나노물질을 형성하도록 구성된 가열 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 나노복합재료 제조 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    금속 또는 비금속 이온 적용 시스템은 이온조를 포함하고, 다공성 스캐폴드 구조물은 가요성 다공성 스캐폴드 구조물인 것을 특징으로 하는 다공성 나노복합재료 제조 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    금속 또는 비금속 이온 적용 시스템은 이온 적용기(applicator)를 포함하고, 다공성 스캐폴드 구조물은 강직한 다공성 스캐폴드 구조물인 것을 특징으로 하는 다공성 나노복합재료 제조 시스템.
  20. 유체 스트림 처리 방법으로,
    상기 방법은 다공성 나노복합재료를 유체 스트림에 침지하는 단계를 포함하되, 다공성 나노복합재료는,
    복수의 지지체를 포함하는 다공성 스캐폴드 구조물; 및
    상기 지지체들 중 적어도 하나의 위에 위치하는 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질을 포함하고,
    복수의 나노물질 각각이 지지체들 중 적어도 하나에 직접 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 스트림 처리 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    유체 스트림이 수은을 포함하고, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 셀레늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 스트림 처리 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    유체 스트림이 비소를 포함하고, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 구리 또는 구리산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 스트림 처리 방법.
  23. 제20항에 있어서,
    유체 스트림이 인산염을 포함하고, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 철 또는 철산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 스트림 처리 방법.
  24. 제20항에 있어서,
    유체 스트림이 반응물질을 포함하고, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 아연, 티타늄 또는 망간 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 스트림 처리 방법.
  25. 제20항에 있어서,
    유체 스트림이 소금물을 포함하고, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 망간 또는 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 스트림 처리 방법.
  26. 제20항에 있어서,
    유체 스트림이 미립자(particulates)를 포함하고, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 은과 구리 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 스트림 처리 방법.
  27. 제20항에 있어서,
    다공성 나노복합재료를 pH가 약 12를 상회하는 용액 내에 침지하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 스트림 처리 방법.
  28. 유체 매체를 처리하기 위한 시스템으로, 상기 시스템은,
    유체 매체 내에 적어도 일부가 위치하는 물품을 포함하되, 상기 물품은,
    복수의 지지체를 포함하는 다공성 스캐폴드 구조물 및
    상기 지지체들 중 적어도 하나 위에 위치하는 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질을 포함하며,
    복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질 각각은 지지체들 중 적어도 하나에 직접 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 매체 처리 시스템.
  29. 제28항에 있어서,
    유체 스트림이, 수은, 납, 비소, 카드뮴, 크롬, 질산염, 인산염, 퍼플루오로옥탄산염(PFOA), 퍼플루오로옥탄술폰산염, 다이옥신, 폴리염화 바이페닐, 다핵 방향족 탄화수소, 내분비 교란물질, 포름알데히드, 산화황, 아산화질소, 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 오염물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 매체 처리 시스템.
  30. 제28항에 있어서,
    유체 스트림이 미생물(microbe)을 포함하고, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 은 또는 구리 나노물질 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 매체 처리 시스템.
  31. 제28항에 있어서,
    유체 스트림이 반응물질을 포함하고, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 망간, 아연 또는 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 매체 처리 시스템.
  32. 제28항에 있어서,
    유체 스트림이 소금물을 포함하고, 복수의 금속성 또는 비금속성 나노물질은 망간 또는 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 매체 처리 시스템.
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