DE602004007898T2

DE602004007898T2 - Reinigung von fluiden medien mit nanomaterialien

Info

Publication number: DE602004007898T2
Application number: DE200460007898
Authority: DE
Inventors: Christopher H. Windsor COOPER; Alan G. Hartland CUMMINGS; Mikhail Y. Hanover STAROSTIN; Charles P. Windsor HONSINGER
Original assignee: SELDONTECHNOLOGIES LLC; SeldonTechnologies Windsor LLC
Current assignee: Seldontechnologies Windsor Vermot Us LLC
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: US7815806B2; ES2291859T3; US20080041791A1; JP2006524177A; US20070084797A1; EP1603662B1; JP4520983B2; ATE474658T1; HK1097793A1; ATE368505T1; CN1867392B; CN1867392A; DE602004028298D1; DE602004007898D1; WO2004080578A1; US7211320B1; EP1603662A1

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Zeitrang der inländischen Priorität der vorläufigen US Patentanmeldung Nr. 60/452,530 , eingereicht am 7. März 2003, der vorläufigen US Patentanmeldung Nr. 60/468,109 , eingereicht am 6. Mai 2003 und der vorläufigen US Patentanmeldung Nr. 60/439,375 , eingereicht am 3. September 2003.
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Reinigung von Fluiden wie beispielsweise Flüssigkeiten und Gasen, mittels eines nanostrukturierten Materials, umfassend defekte Kohlenstoffnanoröhren, ausgewählt von imprägnierten, funktionalisierten, dotierten, geladenen, beschichteten und bestrahlten Nanoröhren. Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner die Reinigung von Wasser mittels des nanostrukturierten Materials.
Es gibt viele Vorgehensweisen und Verfahren, um Fluide für den Verbrauch, die Verwendung, die Entsorgung und andere Bedürfnisse zu behandeln. Unter den am weitesten verbreiteten sind die Pasteurisierung zum Sterilisieren von Nahrungsmitteln, chemische Behandlungen zum Sterilisieren von Wasser, die Destillation zum Reinigen von Flüssigkeiten, die Zentrifugation und Filtration zum Entfernen von Partikeln, das Dekantieren zum Trennen von zwei Fluidphasen, Umkehrosmose zum Entsalzen von Flüssigkeiten, die Elektrodialyse zum Entsalzen von Flüssigkeiten und katalytische Verfahren, um unerwünschte Recktanten in nützliche Produkte umzuwandeln. Jedes dieser Verfahren ist für spezielle Anwendungen gut geeignet, so dass üblicherweise eine Kombination von Verfahren für ein Endprodukt verwendet wird.
Eine Erwartung von Nanotechnologie-Materialien ist, dass sie dabei helfen, Dinge kosteneffektiver als ihre herkömmlichen Pendants zu bewerkstelligen. Auf dem Gebiet der Flüssigkeitsreinigung wäre jede beliebige Technologie, die die Gesamtkosten senken, ein Verfahren vereinfachen und die Effizienzen verbessern kann, sehr vorteilhaft.
Viele dieser Verfahren würden durch Verwendung von Nanomaterial-Reinigungstechnologien verbessert werden. Nanoporöse Materialien wären nützlich, um Mikroorganismen, mikrometergroße Partikel und andere sehr feine Materialien zu entfernen. Umkehrosmosemembranen, die mit Nanomaterialien hergestellt sind, könnten beim Verbessern des Flusses von Wasser durch die Membran helfen. Das Einarbeiten von starken Nanomaterialien in jedes Beliebige der obigen Verfahren würde das Gewicht von allen diesen Komponenten verringern. Jedoch scheinen zwei Verfahren besonders wahrscheinlich für Nanomaterial-Fluidreinigung: Sterilisation und Entsalzung.
Sterilisation
Es sind viele verschiedene Technologien für die Sterilisation einer Flüssigkeit verfügbar. Adsorption, chemische Behandlungen, Ozondesinfektion und UV-Bestrahlung funktionieren alle sehr gut für die Entfernung von pathogenen Mikroben. Jedoch weist jede dieser Technologien Beschränkungen auf, einschließlich Gesamteffektivität, Anlauf- und Betriebskosten, Nebenproduktrisiko, notwendige Vorbehandlung der Flüssigkeit, gefährliche Komponenten, die verwendet oder erzeugt werden, sowie andere Beschränkungen.
Obwohl chemische Verfahren die am weitesten verbreitet in Verwendung sind, weisen sie eine Reihe von Unzulänglichkeiten auf. Derartige Nachteile umfassen die zunehmende mikrobiologische Anpassung an ihre Zerstörungswirkungen (z. B. Cryptosporidium parvum), Sicherheitsrisiken in Verbindung mit der Verwendung und Speicherung von Chlor, sowie Auswirkungen auf die Umwelt. UV nimmt an Popularität zu, jedoch muss die Flüssigkeit klar sein, damit es wirksam ist, es zerstört nicht jede beliebige Biofilm-Formation und es ist sehr teuer zu installieren und zu betreiben.
In industriellen und kommunalen Anwendungen wie beispielsweise Wasser- und Abwasseranlagen sind die drei am weitesten verwendeten Verfahren der Flüssigkeitssterilisation: Ozon, Chlor und Ultraviolett-Bestrahlung. Kürzliche Veröffentlichungen der U. S. Environmental Protection Agency haben die Vorteile und Nachteile von jedem Verfahren identifiziert.
Ozon ist effektiver als Chlor beim Zerstören von Viren und Bakterien, weist eine kurze Kontaktzeit (10 bis 30 Minuten) für die Wirksamkeit auf, hinterlässt keine gefährlichen Rückstände, da es sich schnell zersetzt, und wird vor Ort erzeugt, so dass es keine Transportrisiken gibt. Andererseits kann Ozon bei niedrigen Dosierungen nicht wirksam sein, es ist komplexer als entweder UV oder Chlor, es ist sehr reaktiv und korrosiv, es ist toxisch, die Investitionskosten können hoch sein und die Energieerfordernisse können hoch sein.
Chlor ist kosteneffektiver als Ozon oder UV, sein Rückstand kann eine Desinfektion verlängern, es ist verlässlich und effektiv gegen eine Reihe von pathogenen Organismen und es bietet eine flexible Dosierungssteuerung. Chlor jedoch bringt signifikante Risiken mit sich, einschließlich der Tatsachen, dass ein Chlorrückstand toxisch für das Leben im Wasser ist, Chlor korrosiv und toxisch ist, die Chloroxidation von organischen Substanzen gefährliche Verbindungen erzeugt und manche parasitäre Spezies Resistenz gezeigt haben. Zudem kann sich Chlor mit natürlichem organischem Material verbinden, um Karzinogene, für den Verbrauch gefährliche Verbindungen zu ergeben.
Ultraviolettbestrahlung wurde für eine gewisse Zeit verwendet, da sie effektiv die meisten Sporen, Viren und Zysten inaktiviert, die Risiken der Handhabung von Chemikalien beseitigt, keinen Rückstand hinterlässt, der gefährlich sein kann, benutzerfreundlich für Bediener ist, eine sehr kurze Kontaktzeit (20 bis 30 Sekunden) für die Wirksamkeit benötigt und weniger Platz benötigt. Die Nachteile der UV-Bestrahlung umfassen: dass sie bei niedrigen Dosierungen nicht wirksam ist; dass Organismen sich manchmal zurückentwickeln und ihren UV-Schaden reparieren können; dass Röhren verschmutzen können, was eine häufige präventive Wartung erfordert; dass Trübung UV unwirksam machen kann, dass die Energieerfordernisse sehr hoch sind. Ferner kann die Entsorgung von gefährlichen UV-Lampen teuer sein.
In Antwort auf die Nachteile von bekannten Desinfektionsverfahren wurde eine Reihe von neuen Ansätzen ausprobiert. Beispielsweise offenbart das US Patent Nr. 6,514,413 die Verwendung eines zusammengesetzten bakteriziden Adsorptionsmaterials. Derartige bakterizide Adsorptionsmaterialien jedoch haben sich als anfällig für Bioverschmutzung und bakterielles Durchwachsen für eine kontinuierliche Reproduktion gezeigt. Die US Patentanmeldung Nr. 09/907092 offenbart einen tragbaren Oxidationsmittelgenerator zum Erzeugen einer Chlor- oder Chlor-Sauerstoff-Lösung zum Sterilisieren von kontaminiertem Trinkwasser. Das US Patent Nr. 6,495,052 offenbart ein System und ein Verfahren zur Behandlung von Wasser, das ein Bakterizid in das Wasser einführt und dieses dann vor dem Verbrauch entfernt. Die US Patentanmeldung Nr. 10/029444 offenbart ein Verfahren, bei dem Wasser Licht von einem Laser als Desinfektionsmittel ausgesetzt wird.
Diese Ansätze jedoch beruhen wieder auf hohen Zuführungen von Elektrizität, toxischen Chemikalien, oder langen Kontaktzeiten zur Wirksamkeit. Was immer noch benötigt wird ist ein Verfahren, das minimale Energieerfordernisse aufweist, keine toxischen Chemikalien verwendet und eine sehr kurze Kontaktzeit benötigt, und das in einer tragbaren Vorrichtung verkörpert werden kann.
Entsalzung
Die Entsalzung von Flüssigkeiten wäre höchst nützlich für Trinkwasser, biologische Fluide, Medikamente, Chemikalien, Erdöl und dessen Derivate, sowie viele andere Flüssigkeiten. Zusätzlich wäre die Entsalzung von Wasser vorteilhaft, da weniger als 0,5 % des Wassers der Erde direkt für den menschlichen Verbrauch, die Landwirtschaft oder industrielle Anwendungen geeignet sind. Folglich findet die Entsalzung zunehmende Zustimmung überall auf der Welt, um trinkbares Wasser von ungenießbarem Grundwasser und Meerwasser zu erzeugen, da dies die anderen annähernd 99,5 % des verfügbaren Wassers ausmacht.
Es gibt geschätzte 4000 Wasserentsalzungsanlagen weltweit mit einer kombinierten Kapazität von über 3500 Millionen Gallonen pro Tag (mgd). Ungefähr 55 % dieser Kapazität befinden sich im mittleren Osten und 17 % befinden sich in den USA, von denen viele zur industriellen Verwendung dienen. Entsalztes Wasser macht nun ca. 1,4 % des in den Vereinigten Staaten für Privat- und Industriezwecke verbrauchten Wassers aus.
Es gibt im Wesentlichen fünf grundlegende Entsalzungsverfahren: thermisch, Umkehrosmose, Elektrodialyse, Ionenaustausch und Gefrieren. Thermische und Gefrierverfahren entfernen Frischwasser von Salzlösung, wobei konzentrierte Sole zurückgelassen wird. Umkehrosmose und Elektrodialyse setzen Membranen ein, um Salze von Frischwasser zu trennen. Ionenaustausch bezieht das Passieren von Salzwasser über Harze ein, die weniger erwünschte gelöste Ionen durch erwünschtere Ionen ersetzen. Nur thermische und Umkehrosmoseverfahren sind gegenwärtig kommerziell realisierbar.
Wie im US Patent Nr. 5217581 und im US Patent Nr. 6299735 erklärt, beziehen thermische Verfahren das Sieden oder anderweitige Verdampfen von Salzwasser und das Kondensieren des Dampfes als Frischwasser ein, wobei eine konzentriertere Solelösung zurückgelassen wird. Das Energieerfordernis für die Destillation ist relativ hoch verglichen mit anderen Verfahren. Zum Teil, da die für die Destillation benötigte Energie nicht nennenswert mit der steigenden Salzhaltigkeit des Zufuhr- bzw. Speisewassers steigt, wird es im mittleren Osten weithin verwendet, um Meerwasser zu behandeln.
Wie im US Patent Nr. 3,462,362 beschrieben, ist die Umkehrosmose ein Membranverfahren, das die Tendenz von Frischwasser ausnutzt, durch eine semipermeable Membran in eine Salzlösung zu passieren, wobei das salzhaltigere Wasser verdünnt wird. Das Frischwasser bewegt sich durch die Membran als ob Druck darauf wäre, was osmotischer Druck genannt wird. Durch Anwenden von sehr hohem Druck auf Salzwasser auf einer Seite einer semipermeablen Membran kann Frischwasser durch die Membran in die Richtung entgegengesetzt der des osmotischen Flusses gedrängt werden. Dieses Verfahren wird Umkehrosmose genannt. Obwohl es energieintensiv ist (um den hohen Druck zu erzeugen), sind die Energieerfordernisse der Umkehrosmose im Allgemeinen niedriger als jene der Destillation, obwohl ihre Verwendung von Speisewasser ineffizienter als andere Verfahren ist. Zusätzlich sind die Membranen sehr teuer, fein und anfällig für Verschmutzung.
Entsalzung mittels Elektrodialyse ist ein Membranverfahren, das Verunreinigungssubstanzen und Salz von Flüssigkeiten durch Verwendung eines elektrischen Stroms entfernt, um ionische Unreinheiten durch innenselektive Membranen hindurch und weg von den behandelten Flüssigkeiten zu ziehen. Zwei Typen von innenselektiven Membranen werden verwendet – eine erlaubt das Passieren von positiven Ionen und eine erlaubt das Passieren von negativen Ionen zwischen den Elektroden einer elektrolytischen Zelle. Elektrizität wird verwendet, um den Widerstand des Ions durch die innenselektive Membran zu überwinden. Je größer der Widerstand, desto höher der Energiebedarf, und folglich werden die Energiekosten steigen, wenn der Widerstand steigt. Wenn ein elektrischer Strom angelegt wird, um die Ionen anzutreiben, wird eine frische Flüssigkeit zwischen den Membranen zurückgelassen. Die für Elektrodialyse benötigte Menge an Elektrizität, und damit die Betriebskosten, steigen mit zunehmender Salzhaltigkeit der Zufuhr- bzw. Speiseflüssigkeit.
Ionenaustauschharze ersetzen Wasserstoff- und Hydroxidionen mit Salzionen. Eine Reihe von Gemeinden verwendet Ionenaustausch zum Enthärten von Wasser, und Industrien verwenden gewöhnlich Ionenaustauschharze als Endbehandlung nach der Umkehrosmose oder Elektrodialyse, um sehr reines Wasser zu erzeugen. Die Primärkosten des Ionenaustauschs liegen beim Warten oder Ersetzen der Harze. Je höher die Konzentration der in dem Wasser gelösten Salze ist, desto häufiger werden die Harze regeneriert werden müssen und folglich wird Ionenaustausch selten für die Salzentfernung in großem Maßstab verwendet.
Gefrierverfahren beziehen drei Stufen ein: teilweises Gefrieren des Salzwassers, in welchem Eiskristalle von Frischwasser gebildet werden, Trennen dieser Eiskristalle von der Sole und dann Schmelzen der Eiskristalle (z. B. US Patent Nr. 4,199,961 ). Gefrieren weist manche Vorteile gegenüber anderen Verfahren auf, da es weniger Energie benötigt und seine niedrigen Betriebstemperaturen Korrosions- und Kesselsteinbildungsprobleme minimiert. Der Energiebedarf des Gefrierverfahrens ist hoch und ist im Allgemeinen vergleichbar mit dem der Umkehrosmose. Gefriertechnologien werden noch erforscht und entwickelt und werden nicht weithin eingesetzt. Gefriertechnologie ist keine kompatible Technologie für tragbare Entsalzungsvorrichtungen.
Es wurde ferner eine Reihe von Kondensatoren für den Zweck der Entsalzung erfunden. Das US Patent Nr. 4,948,514 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen bzw. Separieren von Ionen von Flüssigkeit. Das US Patent Nr. 5,192,432 offenbart ein ähnliches "Fluss-durch-Kondensator"-Verfahren zum Trennen von Ionen von Flüssigkeit.
Diese Vorrichtungen jedoch haben noch keine Anwendung in großem Ausmaß gefunden, da sie nicht wirtschaftlich realisierbar sind.
Die US 6,538,262 offenbart einen Nanobereich-Metallhalbleiter, umfassend Kohlenstoffnanoröhren mit topologischen oder chemischen Defekten in der Atomstruktur der Nanoröhre.
Die US 2002/0150524 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen eines Composits von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung löst die zuvor erwähnten Probleme, da sie Fluidreinigungsverfahren basierend auf Nanotechnologiematerialien betrifft. Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Fluiden, umfassend Kontaktieren eines verunreinigten Fluids mit einem nanostrukturierten Material, umfassend defekte Kohlenstoff-Nanoröhren, ausgewählt aus imprägnierten, funktionalisierten, dotierten, geladenen, überzogenen und bestrahlten Nanoröhren, und Zerstören, Modifizieren, Entfernen oder Abtrennen von mindestens einer Verunreinigung von diesem Fluid. "Nanostrukturiert" betrifft eine Struktur in einem Nano-Maßstab (z. B. ein Milliardstel Meter), wie beispielsweise auf atomarem oder molekularem Niveau. "Nanostrukturiertes Material" ist ein Material, das zumindest eine der oben erwähnten Kohlenstoffnanoröhren-Komponenten umfasst. "Nanomembran" ist eine Membran, aufgebaut aus nanostrukturiertem Material. Defekte Kohlenstoffnanoröhren sind jene, die eine Gitterverzerrung in zumindest einem Kohlenstoffring enthalten. Eine Gitterverzerrung bedeutet jede beliebige Verzerrung des Kristallgitters von Kohlenstoffnanoröhrenatomen, die die röhrenförmige Lagenstruktur bilden. Nichtbeschränkende Beispiele umfassen beliebige Verlagerungen von Atomen aufgrund von unelastischer Deformation oder das Vorliegen von 5- und/oder 7-gliedrigen Kohlenstoffringen, oder chemische Interaktion, gefolgt von einer Veränderung in der sp²-Hybridisierung von Kohlenstoffatombindungen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf verlängerte Nanoröhren gerichtet, die im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen, wobei die Nanoröhre durch kristalline Defekte verzerrt ist, ähnlich jenen, die oben beschrieben sind. In dieser Ausführungsform sind die Nanoröhren, aufgrund der Defekte, zu einem Grad verzerrt, dass die Nanoröhren, wenn sie behandelt werden, eine signifikant größere chemische Aktivität aufweisen, die es der Nanoröhre erlaubt, mit chemischen Spezies zu reagieren oder an diese zu binden, die nicht mit unverzerrten und/oder unbehandelten Nanoröhren reagieren würden oder daran binden würden.
In einem Aspekt der Erfindung liegen die Kohlenstoffnanoröhren in dem nanostrukturiertem Material in einer Menge vor, die ausreichend ist, um im Wesentlichen Verunreinigungen in Fluid zu zerstören, zu modifizieren, zu entfernen oder zu separieren, das in Kontakt mit dem nanostrukturiertem Material kommt. Die Kohlenstoffnanoröhren werden behandelt, um derartige Eigenschaften zu erzielen. Beispielsweise können chemische Behandlungen der Kohlenstoffnanoröhren zu den resultierenden Nanoröhren mit zumindest einem Ende, das zumindest teilweise offen ist, führen. Nanoröhren mit derartigen Enden können einzigartige Eigenschaften bereitstellen, entweder von einer Fluidflussperspektive oder von einer Funktionalisierungsperspektive, z. B. wobei beispielsweise die Möglichkeit besteht, dass dieses Ende speziell funktionalisiert wird.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt das Material, das verwendet wird, um die Kohlenstoffnanoröhren zu imprägnieren, zu funktionalisieren, zu dotieren oder zu beschichten bzw. überziehen in einer Menge vor, die ausreichend ist, um einen aktiven und/oder selektiven Transport von Fluiden oder Komponenten davon in die Kohlenstoffnanoröhren, aus diesen heraus, durch diese hindurch, entlang dieser oder um diese herum zu erzielen. Dieses Material kann dasselbe Material umfassen, das selektiv in die Kohlenstoffnanoröhren, aus diesen heraus, durch diese hindurch, entlang dieser oder um diese herum transportiert wird.
Beispielsweise kann ein Nanostrukturmaterial, das verwendet wird, um Arsen von Fluid zu entfernen, zuerst mit Arsenionen imprägniert werden. Diese Arsenionen werden als das "Zielion" bezeichnet. Ein "Zielion" umfasst im Allgemeinen ein Ion, das in die Kohlenstoffnanoröhre imprägniert (funktionalisiert, dotiert oder beschichtet) ist und das dasselbe ist wie das Ion der Verunreinigung, zu finden in dem zu reinigenden oder aufzubereitenden Fluid.
Wie hierin verwendet, bedeutet "imprägniert", dass die Kohlenstoffnanoröhren zumindest teilweise mit dem Material von Interesse gefüllt sind, welches, wie oben gezeigt, dasselbe Ion der Verunreinigung umfassen kann, die von dem kontaminierten Fluid zu entfernen ist. Durch Imprägnieren eines Zielions in die Kohlenstoffnanoröhren werden die Nanoröhren, und in der Tat die aus den Nanoröhren hergestellte Nanostruktur, vorbereitet oder „herausgefordert" um jene selben Ionen, die sich innerhalb des kontaminierten Fluids finden, aufzunehmen und/oder anzuziehen.
Während das obige Beispiel imprägnierte Ionen betrifft, treffen dieselben Verfahren auf das Herausfordern oder Vorbereiten der Kohlenstoffnanoröhren mit gewünschten Ionen durch jedes Beliebige der beschriebenen Verfahren, z. B. Funktionalisierung, Dotierung, Beschichtung und eine Kombination davon, zu. Eine dotierte Kohlenstoffnanoröhre betrifft das Vorliegen von Atomen, anders als Kohlenstoff, im nanostrukturierten Material.
Bezüglich der Imprägnierung kann eine innenspezifische Separationsvorrichtung, zusammengesetzt aus einer Zielionen-imprägnierten Kohlenstoffnanoröhre hergestellt werden. Für diese Vorrichtung werden imprägnierte Nanoröhren derart hergestellt, dass ein Elektronen- oder Phononen-Strom entweder durch elektromagnetische oder akustische Mittel oder durch direkte elektrische oder physikalische Verbindung induziert werden kann, und weisen defekte Stellen auf, die durch Funktionalisierungschemie geöffnet werden können, um Ionenkanäle zu erzeugen.
Beim Herausfordern der Kohlenstoffnanoröhren durch zumindest teilweises Füllen von Kohlenstoffnanoröhren mit Zielverunreinigungsionen, werden innenspezifische Quantenschächte innerhalb der hohlen Region der Nanoröhre aufgrund der quasi-eindimensionalen Natur der Kohlenstoffnanoröhre, definiert durch ihre Morphologie, erzeugt. Dies wird eine "vorprogrammierte" oder ionenspezifische Falle erzeugen, wenn das Ion durch die Nanoröhre bewegt oder indiziert wird. Wenn das Ion innerhalb der Nanoröhre bewegt wird, wird die innenspezifische Falle zurückgelassen in der quasi-eindimensionalen Quantenstruktur der Nanoröhre.
Wenn das ionisch verunreinigte Fluid in Kontakt mit dem behandelten "vorprogrammierten" nanostrukturierten Material kommt, das die Zielionen enthält, wird es dem Zielion möglich sein, seine freie Energie durch Adsorption und Füllen der innenspezifischen Falle innerhalb der Nanoröhre zu minimieren. Das Hinzufügen des Zielions in der Nanoröhre wird eine Veränderung im Widerstand bewirken, was eine elektrische und/oder phononische Stromantwort auslösen wird, die zumindest ein Ion durch die Nanoröhre und aus dem System heraus bewegen wird. Das Material kann programmiert und neu programmiert werden, abhängig davon, mit welchem Ion die Nanoröhre, die nanostrukturierte Vorrichtung gefüllt worden ist.
Wenn sich die Innenkonzentration ändert, wird die Vorrichtung keine Energie verbrauchen müssen, da Energie lediglich benötigt wird, wenn Zielionen vorliegen. Das eingebaute selbstbeschränkende Verfahren wird einen Nutzen aus der Tatsache ziehen, dass wenn keine Zielionen im Fluid vorliegen, keine Energie benötigt wird, um diese zu entfernen.
Abhängig von der vom kontaminierten Fluid zu entfernenden Verunreinigung kann das Zielmaterial oder das Material, das verwendet wird, um die Kohlenstoffnanoröhren zu imprägnieren, zu funktionalisieren, zu dotieren oder zu beschichten, zumindest eine Verbindung ausgewählt aus Sauerstoff, Wasserstoff, ionischen Verbindungen, halogenierten Verbindungen, Zuckern, Alkoholen, Peptiden, Aminosäuren, RNA, DNA, Endotoxinen, metallorganischen Verbindungen, Oxiden, Boriden, Carbiden, Nitriden und elementaren Metallen und Legierungen davon umfassen.
Die Oxide umfassen, beliebige gut bekannte Oxide, die im Allgemeinen im Stand der Technik verwendet werden, wie beispielsweise Oxide von Kohlenstoff, Schwefel, Stickstoff, Chlor, Eisen, Magnesium, Silicium, Zink, Titan oder Aluminium.
In einem Aspekt umfasst das nanostrukturierte Material die Kohlenstoffnanoröhren platziert in, und optional mittels Ultraschall dispergiert in, einer Flüssigkeit, einem Feststoff oder einem gasförmigen Medium. Die Kohlenstoffnanoröhren können in solch einem Medium mittels einer mechanischen Kraft oder eines Feldes ausgewählt von mechanischen, chemischen, elektromagnetischen, akustischen und optischen Feldern oder Kombinationen davon gehalten werden. Ein Fachmann würde verstehen, dass akustische Felder gewisse Geräuschfrequenzen innerhalb eines Hohlraums zum Bilden von stehenden Wellen umfassen würden, die die Kohlenstoffnanoröhren in einer im Wesentlichen statischen Position halten.
Ebenso kann ein optisches Feld eine einzelne oder ein aktives Array von optischen Pinzetten, erzeugt durch Passieren von Laserlicht durch ein Hologramm, umfassen.
Das feste Medium, in welchem die Kohlenstoffnanoröhren gefunden werden können, umfasst im Allgemeinem zumindest einen Bestandteil ausgewählt aus Fasern, Substraten und Partikeln, wobei jedes davon metallische, keramische und/oder polymere Materialien umfassen kann. In einem festen Medium sind die Kohlenstoffnanoröhren miteinander verbunden und/oder mit Fasern, Substraten und Partikeln wie beispielsweise jene, die einen Durchmesser von bis zu 100 Mikrometern aufweisen, verbunden, um eine Nanomembran zu bilden.
Die Partikelgröße wird durch eine Zahlenverteilung bestimmt, z. B. durch die Zahl von Partikeln mit einer bestimmten Größe. Das Verfahren wird typischerweise durch mikroskopische Verfahren gemessen, wie beispielsweise durch ein kalibriertes optisches Mikroskop, durch kalibrierte Polystyrol-Kügelchen und durch ein kalibriertes abtastendes Kraftmikroskop oder abtastendes Elektronenmikroskop oder abtastendes Tunnelmikroskop und abtastendes Elektronenmikroskop. Verfahren zum Messen von Partikeln der hierin beschriebenen Größen werden gelehrt in Walter C. McCrone's et al., The Particle Atlas, (An encyclopedia of techniques for small particle identification – einer Enzyklopädie der Verfahren zur Kleinpartikelidentifikation), Band 1, Principles and Techniques, Zweite Ausgabe (Ann Arbor Science Pub.).
In verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung umfasst das polymere Material des festen Mediums Ein- oder Mehrkomponentenpolymere (vorteilhafterweise, wo die Mehrkomponentenpolymere zumindest zwei unterschiedliche Glasübergangs- oder Schmelztemperaturen umfassen) Nylon, Polyurethan, Acrylsäure, Methacrylsäure, Polycarbonat, Epoxy, Silicongummis, natürliche Gummis, synthetische Gummis, vulkanisierte Gummis, Polystyrol, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Nomex (Polyparaphylenter-ephtalamid), Kevlar Polyp-phenylenterephtalamid), PEEK (Polyesteresterketen), Mylar (Polyethylenterephthalat), Viton (Viton-Fluorelastomer), Polyetrafluorethylen, Polyetrafluorethylen, halogenierte Polymere wie beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC), Polyester (Polyethylenterephthalat), Polypropylen und Polychlorpren.
Die zumindest zwei unterschiedlichen Glasübergangs- oder Schmelztemperaturen der hierin beschriebenen Mehrkomponentenpolymere werden gemessen durch Erwärmen auf eine Temperatur, bei der das Material eine unelastische Deformation aufweist.
In einem Aspekt der Erfindung umfasst das keramische Material des festen Mediums zumindest eines der Folgenden: Borcarbid, Bornitrid, Boroxid, Borphosphat, Verbindungen mit einer Spinell- oder Granatstruktur, Lanthanfluorid, Calciumfluorid, Siliciumcarbid, Kohlenstoff und seine Allotropen, Siliciumoxid, Glas, Quartz, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirconiumoxid, Zirconiumcarbid, Zirconiumborid, Zirconiumnitrit, Hafniumborid, Thoriumoxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Phosphoroxid, Cordierit, Mullit, Siliciumnitrid, Ferrit, Saphir, Steatit, Titancarbid, Titannitrid, Titanborid und Kombinationen davon.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das metallische Material des festen Mediums zumindest eines der Folgenden Elemente: Aluminium, Kupfer, Cobalt, Gold, Platin, Silicium, Titan, Rhodium, Indium, Eisen, Palladium, Germanium, Zinn, Blei, Wolfram, Niob, Molybdän, Nickel, Silber, Zirconium, Yttrium und Legierungen davon, einschließlich einer Legierung von Eisen, d. h. Stahl.
Das flüssige Medium, in welchem die Kohlenstoffnanoröhren gefunden werden können, umfasst Wasser, Öl, organische und anorganische Lösungsmittel, sowie die flüssige Form von Stickstoff und Kohlendioxid.
Das gasförmige Medium, in welchem die Kohlenstoffnanoröhren gefunden werden können, umfasst die Luft oder ein Gas ausgewählt aus Argon, Stickstoff, Helium, Ammoniak und Kohlendioxid.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren, die geschnörkelte röhrenförmige oder nicht-röhrenförmige Nanostrukturen aus Kohlenstoffringen aufweisen. Diese Kohlenstoffnanoröhren sind üblicherweise einwandig, mehrwandig oder Kombinationen davon und können eine Vielzahl von Morphologien annehmen. Beispielsweise können die in der vorliegenden Offenbarung verwendeten Kohlenstoffnanoröhren eine Morphologie aufweisen, ausgewählt aus Nanohörnern, Nanospiralen, Dendriten, Bäumen, Spinnen-Nanoröhren-Strukturen, Nanorohr-Y-Verbindungen und Bambusmorphologie. Derartige Formen tendieren im Allgemeinen dazu, bei der Verwendung der Kohlenstoffnanoröhren für Nanomembranen zu helfen. Die oben beschriebenen Formen sind spezieller definiert in M.S. Dresselhaus.G. Dresselhaus und P.Avouris, Herausgeber, Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, Properties, and Applications, Topics in Applied Physics. Band 80. 2000, Springer-Verlag; und "A Chemical Route to Carbon Nanoscrolls", Lisa M. Viculis, Julia J. Mack, und Richard B. Kaner; Science, 28. Februar 2003; 299.
Wie zuvor beschrieben können Kohlenstoffnanoröhren funktionalisiert werden, um gewünschte chemische oder biologische Aktivität zu erreichen. Wie hierin verwendet, ist eine funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhre eine, die anorganische und/oder organische Verbindungen an der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren befestigt umfasst.
Die organischen Verbindungen können lineare oder verzweigte, gesättigte oder ungesättigte Gruppen umfassen. Nichtbeschränkende Beispiele von solchen organischen Verbindungen umfassen zumindest eine chemische Gruppe ausgewählt aus: Carboxyl, Amin, Polyamid, Polyamphiphilen, Diazoniumsalzen, Pyrenyl, Silan und Kombinationen davon.
Nichtbeschränkende Beispiele der anorganischen Verbindungen umfassen zumindest eine Fluorverbindung von Bor, Titan, Niob, Wolfram und Kombinationen davon. Die anorganischen Verbindungen sowie die organischen Verbindungen können ein Halogenatom oder eine halogenierte Verbindung umfassen.
In einem Aspekt der Erfindung umfassen funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren eine Beliebige oder eine beliebige Kombination der oben beschriebenen anorganischen oder organischen Gruppen. Diese Gruppen sind im Allgemeinen an den Enden der Kohlenstoffnanoröhren angeordnet und sind optional polymerisiert.
Beispielsweise können die funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren eine Nicht-Gleichförmigkeit in der Zusammensetzung und/oder Dichte von funktionellen Gruppen über die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren und/oder über zumindest eine Dimension des nanostrukturierten Materials umfassen. Gleichfalls können die funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren einen im Wesentlichen gleichförmigen Gradienten von funktionellen Gruppen über die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren und/oder über zumindest eine Dimension des nanostrukturierten Materials umfassen.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung werden die Kohlenstoffnanoröhren geladen, wie beispielsweise mit einem elektromagnetischen Wechselstrom- oder Gleichstromfeld, auf ein Niveau, welches ausreichend ist, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Gewünschte Eigenschaften umfassen das Erleichtern der Beschichtung einer Oberfläche der Nanoröhren oder das Helfen bei der Zerstörung, Modifikation, Entfernung oder Abtrennung von Verunreinigungen, die in Fluiden gefunden werden, die in Kontakt mit oder in der Nähe von den Kohlenstoffnanoröhren sind. "Entfernung" wird derart verstanden, dass sie zumindest einen der folgenden Mechanismen umfasst: Größenausschluss, Absorption und Adsorption.
Zusätzlich kann das Laden unter Verwendung eines Beliebigen der folgenden Verfahren stattfinden: chemisch, Bestrahlung, kapazitives Laden oder Fluid, das angrenzend und/oder durch die Kohlenstoffnanoröhren hindurch fließt. Das Laden der Nanoröhren kann vor oder gleichzeitig mit dem oben beschriebenen Funktionalisierungsverfahren stattfinden.
Das Laden der Nanoröhren tendiert dazu, deren Beschichtung mit metallischen und/oder polymeren Materialien zu erleichtern. Beispiele derartiger metallischer Materialien, die verwendet werden können, um die Kohlenstoffnanoröhren zu beschichten, umfassen Gold, Platin, Titan, Rhodium, Iridium, Indium, Kupfer, Eisen, Palladium, Gallium, Germanium, Zinn, Blei, Wolfram, Niob, Molybdän, Silber, Nickel, Kobalt, Metalle der Lanthangruppe und Legierungen davon..
Beispiele von derartigen polymeren Materialien, die verwendet werden können, um die Kohlenstoffnanoröhren zu beschichten, umfassen Mehrkomponenten-Polymere (vorteilhafterweise, wo die Mehrkomponentenpolymere zumindest zwei unterschiedliche Glasübergangs- oder Schmelztemperaturen aufweisen), Nylon, Polyurethan, Acrylsäure, Methacrylsäure, Polycarbonat, Epoxy, Silicongummis, natürliche Gummis, synthetische Gummis, vulkanisierte Gummis, Polystyrol, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Nomex (Polyparaphylenter-ephtalamid), Kevlar Poly(p-phenylenterephtalamid), PEEK (Polyesteresterketen), Mylar (Polyethylenterephthalat), Viton (Viton-Fluorelastomer), Polyetrafluorethylen, Polyetrafluorethylen, halogenierte Polymere wie beispielsweise Polyvinyichlorid (PVC), Polyester (Polyethylenterephthalat), Polypropylen und Polychlorpren.
Wenn Bestrahlung verwendet wird, um die Kohlenstoffnanoröhren zu behandeln und/oder das Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierte Material zu verschmelzen trifft zumindest ein Partikeltyp ausgewählt von Photonen, Elektronen, Kern- und Ionenpartikeln auf der Kohlenstoffnanoröhre in einer Menge auf, die ausreichend ist, um zumindest eine Kohlenstoff-Kohlenstoff- und/oder Kohlenstoff-Dotiersubstanz-Bindung zu brechen, die Nanostruktur zu aktivieren oder die Ionenimplantation durchzuführen.
Verunreinigungen, von denen Fluide gereinigt werden können, umfassen Pathogene, mikrobiologische Organismen, DNA, RNA, natürliche organische Moleküle, Schimmel, Pilze, natürliche und synthetische Toxine (wie beispielsweise chemische und biologische Kriegsmittel), Schwermetalle (wie beispielsweise Arsen, Blei, Uran, Thallium, Cadmium, Chrom, Selen, Kupfer und Thorium), Endoxine, Proteine, Enzyme und Mikro- und Nanopartikelverunreinigungen.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Fluiden, was sowohl Flüssigkeiten als auch Gase umfasst, durch Entfernen von zumindest einer dieser Verunreinigungen von dem Fluid. In einem derartigen Verfahren wird kontaminiertes bzw. verunreinigtes Fluid mit dem oben beschriebenen nanostrukturiertem Material in Kontakt gebracht, z. B. dem nanostrukturierten Material, das defekte Kohlenstoffnanoröhren umfasst, ausgewählt von imprägnierten, funktionalisierten, dotierten, geladenen, beschichteten und bestrahlten Nanoröhren sowie Kombinationen davon.
Gemäß einem hierin beschriebenen Verfahren kann das aktivierte nanostrukturierte Material mit Bestandteilen behandelt und/oder aktiviert werden, die die biologische oder chemische Aktivität des zu reinigenden Fluids modifizieren.
Zusätzlich gestattet das Verfahren, dass Verunreinigungen zumindest teilweise von den behandelten Fluiden getrennt werden, um unterschiedliche Fluidströme von Verunreinigungen und behandeltem Fluid zu bilden.
In einer Ausführungsform ist das zu reinigende Fluid eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, natürliches und/oder synthetisches Erdöl bzw. Mineralöl und dessen Nebenprodukte, biologische Fluide, Nahrungsmittel, alkoholische Getränke und Arzneimittel.
Bezüglich der Erdölprodukte ist ein Hauptproblem das latente Wachstum von Bakterium im Erdöl während der Lagerung. Dies war ein Problem insbesondere mit Luftfahrttreibstoff. Die Anwesenheit solcher Bakterien kann den Treibstoff stark verunreinigen und letztendlich zerstören. Folglich ist ein Hauptbereich des Interesses im Bereich der Flüssigkeitsreinigung im Entfernen von Bakterien von natürlichen und/oder synthetischen Erdölprodukten. Natürliches und/oder synthetisches Erdöl und seine Nebenprodukte umfassen Luftfahrt-, Kraftfahrzeug-, Marine- und Lokomotivtreibstoffe, Raketentreibstoffe, Industrie- und Maschinenöle und Schmiermittel, sowie Heizöle und Gase.
Die hierin beschriebenen biologischen Fluide sind abgeleitet von einem Tier, einem Menschen, einer Pflanze, oder umfassen eine Wachstumsbrühe, verwendet in der Verarbeitung eines biotechnologischen oder pharmazeutischen Produkts. In einer Ausführungsform umfassen die biologischen Fluide Blut, menschliche Milch und Komponenten von beiden.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen Nahrungsmittel tierische Nebenprodukte wie beispielsweise Eier und Milch, Fruchtsaft, Sirups und natürliche und synthetische Öle, die in der Speisezubereitungs- oder Nahrungsmittelindustrie verwendet werden, einschließlich jedoch nicht beschränkt auf Olivenöl, Erdnussöl, Blütenöle (Sonnenblume, Saflor), Pflanzenöle und dergleichen.
Zusätzlich zu Nahrungsmitteln bezieht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Behandlung von alkoholischen Getränken ein. Von Natur aus resultiert die Fermentation von alkoholischen Getränken in Verunreinigungen im Endprodukt. Beispielsweise ist Sauerstoff eine unerwünschte Verunreinigung des Weinherstellungsverfahrens. Da Sauerstoff bewirken kann, dass der Wein verdirbt, während er sich in der Flasche befindet, werden normalerweise Sulfite zugegeben, um diesen überschüssigen Sauerstoff zu absorbieren oder zu entfernen. Aufgrund von Gesundheitsbedenken jedoch sollten Sulfite vermieden werden. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Behandeln von Wein, um unerwünschte Verunreinigungen wie beispielsweise Sauerstoff unter Verwendung des oben beschriebenen Nanostrukturmaterials zu entfernen. Da dieses Verfahren den Bedarf an Sulfiten im Wein beseitigen oder wesentlich verringern würde, würde die Weinindustrie vom hierin beschriebenen Reinigungsverfahren profitieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Reinigen der Luft, um die oben erwähnten Verunreinigungen zu entfernen.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner ein Verfahren zum Reinigen von Wasser durch Kontaktieren eines verunreinigten Wassers mit einem hierin beschriebenen aktivierten nanostrukturierten Material. Es wurde gezeigt, dass Verunreinigungen wie beispielsweise Salze, Bakterien und Viren von Wasser entfernt werden können bis zu einem Niveau von zumindest 3 Logarithmen (99,9 %), wie beispielsweise zumindest 4 Logarithmen (99,99 %) und zumindest 5 Logarithmen (99,999 %) und bis zum Niveau der gegenwärtig verfügbaren Detektion, d. h. bis zu 7 Logarithmen (99,99999 %).
Die Verunreinigungen umfassen wiederum Krankheitserreger, mikrobiologische Organismen, DNA, RNA, natürliche organische Moleküle, Schimmel, Pilze, natürliche und synthetische Toxine, Schwermetalle (z. B. Arsen, Blei, Uran, Thallium, Cadmium, Chrom, Selen, Kupfer und Thorium), Endotoxine, Proteine, Enzyme und Mikro- und Nanopartikelverunreinigungen. Ebenfalls von Interesse ist die Entsalzung von Wasser (d. h. wo die Verunreinigungen Salze umfassen).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein optisches Bild von Probe 1: E.coli ohne Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material (nicht ultraschallbehandelt; Fixierung nach 48 Stunden).
2 ist ein optisches Bild von Probe 2: E.coli ohne Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material (ultraschallbehandelt; Fixierung nach 48 Stunden).
3 ist ein optisches Bild von Probe 3: E.coli mit Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material; ultraschallbehandelt; Fixierung innerhalb von 3 Stunden.
4 ist ein optisches Bild von Probe 4: E.coli mit Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material (ultraschallbehandelt; Fixierung nach 48 Stunden).
5 ist ein AFM-Bild von Probe 2: E.coli ohne Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material (ultraschallbehandelt; keine Fixierung).
6 ist ein AFM-Bild von Probe #3: E.coli mit Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material (ultraschallbehandelt; Fixierung innerhalb von 3 Stunden).
7 ist ein AFM-Bild von Probe #3: dreidimensionale Transformation von 6.
8 ist ein AFM-Bild von Probe #3: E.coli mit Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material (ultraschallbehandelt; Fixierung innerhalb von 3 Stunden).
9 ist ein AFM-Bild von Probe #3: dreidimensionale Transformation von 8.
10 ist ein AFM-Bild von Probe #4: E.coli mit Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material (ultraschallbehandelt: keine Fixierung).
11 ist ein AFM-Bild von Probe #4: dreidimensionale Transformation von 10.
12 ist eine Photographie, die eine vertikale Nanoröhre in Ruhe (links) und vibrierend (rechts) aufgrund von Fluidfluss zeigt.
13 ist eine Mikroaufnahme der Kante eines nanostrukturiertem Materials, befestigt an einer 20-Mikrometer-Metallgittersuperstruktur.
14 ist eine Mikroaufnahme, die Nanoröhren in einer Pore einer tragenden Superstruktur (Zelluloseacetat) zeigt, die sich selbst um die Fasern der Trägerstruktur wickeln.
15 ist eine Mikroaufnahme der zerrissenen Kante eines Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierten Materials.
16 ist ein Mikroaufnahme einer verbundenen bzw. verschmolzenen Monoschicht von Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material, gestreckt und verschmolzen, um Drähte zu tragen, die eine 25 × 25 Mikrometer-Öffnung überspannen.
17 ist eine Photographie von selbstgewobenem Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material.
18 ist eine Mikroaufnahme von freistehenden Kohlenstoffnanoröhren, verschmolzen bei den Schnittpunkten, um ein nanostrukturiertes Material zu bilden.
19 ist eine Mikroaufnahme von freistehendem, selbstverwobenem nanostrukturierten Material.
20 ist eine Simulierung von Fluidflussdynamiken um eine Kohlenstoffnanoröhre in einem nanostrukturierten Material herum.
21 ist ein Bild, das die Ergebnisse eines Bakterienentfernungstests zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fluidsterilisation
Wie hierin beschrieben, wird angenommen, dass eine Fluidsterilisation, die Nanostrukturen wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren, Metalloxidnanodrähte und Metallnanodrähte einarbeitet, ein Ergebnis zumindest teilweise in der Bildung einer einzigartigen nanoskopischen Tötungszone ist, die fokussierte Kräfte verwendet, um Mikroben und andere Pathogene bzw. Krankheitserreger zu töten.
Beispielsweise wird angenommen, dass während der Sterilisierung von Fluiden Mikroorganismen in Kontakt mit dem hierin beschriebenen Nanomaterial kommen, was bewirkt, dass fokussierte Kräfte auf die Mikroorganismen angewendet werden, die die Zellmembranen aufbrechen und einen internen Zellschaden bewirken, was folglich die Mikroorganismen zerstört oder deren Fähigkeit zur Reproduktion zerstört. Auf diese Weise können Flüssigkeiten von Mikroorganismen gereinigt bzw. sterilisiert werden. Gewöhnliche Mikroorganismen sind 1 bis 5 Mikrometer lang und sind somit zumindest 100 mal größer als eine Nanostruktur wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren. Bekannte Beispiele dieser Organismen umfassen E.coli, Cryptosporidium parvum, Giardia lamblia, Entamoeba histolytica, und viele andere.
Aufgrund der großen Größendifferenzen können Kräfte im Nanomaßstab angewendet werden, die um ein Vielfaches, z. B. in Größenordnungen, konzentrierter sind als jene, die auf mikroskopischen Technologien basieren. In im Wesentlichen derselben Art und Weise, wie fokussiertes Licht die Intensität an einen Laser verleiht, verleihen fokussierte Kräfte die Intensität an die Zerstörung in Nanomaßstab von Mikroben. Folglich können mechanische und elektrische Kräfte, die in anderen Größenordnungen entweder zu klein sind, um wirksam zu sein, oder sehr energieintensiv sind, im Nanomaßstab verwendet werden, um effektiv und effizient Mikroorganismen zu zerstören.
Mechanismen, von denen angenommen wird, dass sie in der Lage sind, Mikroorganismen in diesem Nanobereich zu zerstören, können unabhängig oder in Zusammenwirkung agieren. Nichtbeschränkende Bespiele von solchen Mechanismen umfassen:

– Mechanische Zerstörung der Zellwand durch fokussierte Kräfte, ähnlich dem Aufbrechen eines Ballons mit einer Nadel;
– Vibrationswellen, die einen internen Zellschaden der DNA, RNA, der Proteine, der Organellen etc. bewirken
– Vibrationswellen, die einen Schaden der Zellenwand und Transportkanäle bewirken;
– van der Waals-Kräfte;
– elektromagnetische Kräfte;
– Beschädigung der Zellwände und DNA durch das Aufbrechen von Wasserstoffbindungen in der Nähe der Nanostrukturen; und
– Blasen-Hohlraumbildungen aufgrund von Schockwellen in der Flüssigkeit, die die Zellstruktur beschädigen.

Da der osmotische Druck innerhalb einer typischen Mikrobenzelle höher ist als der des umgebenden Fluids, unter der Annahme von nicht physiologischen Bedingungen, kann selbst eine geringe Beschädigung der Zellwand ein totales Aufbrechen bewirken, da der Inhalt der Zelle vom hohen zum niedrigen Druck fließt.
MS2, was gewöhnlich als ein Ersatzstoff beim Bewerten von Behandlungsmöglichkeiten von Membranen verwendet wird, die für die Behandlung von Trinkwasser entworfen sind, ist ein einsträngiger RNA-Virus mit einem Durchmesser von 0,025 μm und einer Ikosaederform. Seine Größe und Form sind ähnlich zu anderen wasserbezogenen Viren wie beispielsweise dem Poliovirus und Hepatitis.
Flüssigkeitsentsalzung
Ein Verfahren der Flüssigkeitsentsalzung gemäß der vorliegenden Offenbarung basiert ebenfalls auf Nanomaterialien wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren, Metalloxidnanodrähten und Metallnanodrähten. Ein Mechanismus, von dem angenommen wird, dass er in der Lage ist, Flüssigkeit mit Nanomaterialien zu entsalzen, ist die Erzeugung eines Ionenseparationsgradienten zwischen zwei Nanomaterialmembranen. Wenn eine Nanomaterialmembran eine positive Ladung und die andere Membran eine negative Ladung trägt, erzeugt die Ladungsdifferenz zwischen diesen zwei Platten einen Ionenseparationsgradienten, der bewirkt, dass Kationen zur einen Seite der Zone wandern und Anionen in Richtung der anderen wandern. Der enorme Oberflächenbereich der Nanomaterialmembranen wird verwendet, um eine sehr hohe Kapazität zu erzeugen, was die Erzeugung eines sehr effizienten Ionengradienten ermöglicht.
Eine Entsalzungseinheit könnte zwei oder mehrere parallele Schichten von getragenen leitfähigen Nanomaterialmembranen einarbeiten, die elektrisch voneinander isoliert sind. Dieses schichtartige nanostrukturierte Material könnte am Schnittpunkt eines Y-Verbindungskanals montiert werden. Die zwei oder mehr Schichten können elektrisch geladen sein, in einem statischen Modus, oder in einem aktiven Modus, in welchem die Ladung auf jeder Platte sequentiell von positiv zu neutral zu negativ zu neutral indiziert – eines positiv und eines negativ – um entweder eine Salzfalle zwischen ihnen zu erzeugen oder um elektrisch einen sich bewegenden Kondensator in der Struktur zu erzeugen, die bewirkt, dass das Salz in einer anderen Richtung als der des Wasserflusses wandert. Das konzentrierte Salzwasser würde aus einem Bein der Y-Verbindung herausgeleitet werden und das Frischwasser aus dem anderen.
Die Geometrie, Kapazität und Morphologie der Vorrichtung kann für den hydrodynamischen Fluss unter Verwendung von komplexer Analyse wie beispielsweise dem Verfahren bezüglich Rückständen, Fitnessfunktionen und Optimierungsalgorithmen optimiert werden. Die Basiseinheit der Vorrichtung wird eine Variante bezüglich der breiten Verbindungsgeometrie sein, in welcher die meiste Flüssigkeit weiter entlang des Hauptkanals fließen wird, während eine geringere Menge von Flüssigkeit durch den Auslasskanal herausgenommen wird.
Viele solcher Basiseinheiten können parallel und/oder in Serie verwendet werden, um die Salzkonzentration zu reduzieren und um die gesamte verarbeitete Flüssigkeit zu erhöhen. Um den Salzflüssigkeitsablauf weiter zu konzentrieren, wird vorgesehen, eine Wärmepumpe zu verwenden, um die annähernd übersättigte Salzflüssigkeit zu kühlen und um die einströmende Rohflüssigkeit zu erwärmen. Ein derartiges System kann aktiv überwacht werden, um eine geeignete Konzentration sicherzustellen, bevor Kühlen angewendet wird. Salzkristallisation wird auftreten, wenn die Lösung gekühlt wird, da die gesättigte Lösung in kühlerer Temperatur schneller in einen übersättigten Zustand übergehen wird. In Salzwasser wird dies dem Effekt haben, dass die Kristallisierung des Salzes in der Sole beschleunigt wird.
Die Endprodukte des Entsalzungsverfahrens werden eine annähernd salzfreie Flüssigkeit sein, wie beispielsweise frei von Verunreinigungen, einschließlich jedoch nicht beschränkt auf kristallisierte Salze oder eine konzentrierte Solemischung, zu einem Grad von zumindest Logarithmus 4 (99,99 %) und bis zu und einschließlich Logarithmus 7 (99,99999) mit Zwischenniveaus einer Reinheit von Logarithmus 5 und Logarithmus 6. In einer Ausführungsform wird ein gekühlter Soleauffangtank die Kristallisierung beschleunigen und verbleibender Flüssigkeit erlauben, nochmals durch das Verfahren geführt zu werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung können Oberflächen, die empfänglich für Biomaterialien und andere Unreinheiten oder Verunreinigungen sind, in einer Schicht von Nanomaterialien beschichtet werden, um das Wachstum von Mikroben zu verhindern. Nichtbeschränkende Beispiele von solchen Nanomaterialien umfassen funktionalisiertes Nanoröhren- nanostrukturiertes Material, das mit Elementen oder Verbindungen funktionalisiert wurde, die antibakterielle Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise Silber oder Aluminiumoxid.
Die Erfindung betrifft ferner Verfahren zur Herstellung von hierin beschriebenen Nanostrukturmaterialien. Derartige Verfahren umfassen ein Verdampfungsverfahren von organischem Lösungsmittel, ein Metalloxidnanodrahtverfahren, ein geometrisches Webverfahren, ein Vakuumfiltrationsverfahren und ein Nanostrukturpolymerisationsverfahren. Jedes dieser Verfahren kann eine Nanostruktur mit darin eingebetteten Nanomaterialien oder aus diesen zusammengesetzt erzeugen. Und jede dieser Membranen ermöglicht die hierin offenbarten Fluidreinigungsbehandlungstechnologien.
In einer Ausführungsform weisen gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellte Membranen ein hohe Permeabilität auf, um hohe Fluidflussraten zu erlauben. Die Permeabilität einer Nanomaterialmembran wird im Allgemeinen gesteuert durch ihre Dicke und Faserdichte. Folglich wird eine ultradünne ultrastarke Nanomaterialmembran von niedriger Faserdichte viel transparenter gegenüber dem Fluss von Fluiden sein, als es eine dicke Nanomaterialmembran sein würde. Deshalb ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf eine verschmolzene Nanomaterialmembran gerichtet, die in erster Linie aus Kohlenstoffnanoröhren hoher Stärke zusammengesetzt ist.
Um ihr strukturelles Tragen und das Binden an andere Einheiten zu verbessern, kann die gesamte Nanomaterialmembran mit einem Metall, einem Kunststoff oder einer Keramik beschichtet werden. Defekte können von der Nanomaterialmembran mittels chemischer, elektrischer, thermischer oder mechanischer Mittel entfernt werden, um ihre strukturelle Integrität zu verbessern.
Die gesamte Nanomaterialmembran kann mit statischen oder dynamischen elektromagnetischen Feldern stimuliert werden, um eine spezifische Absorption oder Abstoßung von gewissen Molekülen zu bewirken, wenn sie fein eingestellt wird. Eine hochfrequente elektrische Stimulierung kann einen Ultraschall-Selbstreinigungseffekt erzeugen. Durch Ausnutzen der Stärke, des Youngschen Modul, der Leitfähigkeit, und des piezo-elektrischen Effekts des Nanoröhren-, nanostrukturierten Materials, kann man das Material als Ganzes zum Vibrieren stimulieren und dazu, Verunreinigungen von der Oberfläche auszuwerfen, um damit das Verschmutzen zu reduzieren.
Die Start-Kohlenstoffnanoröhren enthalten im Allgemeinen rückständige Eisenpartikel oder andere katalytische Partikel, die nach der Herstellung der Nanoröhren verbleiben. In manchen Ausführungsformen wird gewünscht, die Kohlenstoffnanoröhren mit einem starken oxidierenden Mittel wie beispielsweise Säuren und/oder Peroxiden oder Kombinationen davon vor dem Bilden eines nanostrukturierten Materials zu waschen. Nach dem Waschen mit einem starken oxidierenden Mittel ist das Eisen, das im Allgemeinen in den Kohlenstoffnanoröhren gefunden wird, zu Fe++ und Fe+++ oxidiert. Zusätzlich hat das Säurewaschen den Vorteil, dass amorpher Kohlenstoff entfernt wird, der mit der Oberflächenchemie der Nanoröhre interferiert.
Es wird angenommen, dass das passivierte oder positiv geladene Eisen eine Rolle in der Entfernung von Mikroorganismen spielt, von denen bekannt ist, dass sie eine negative Netto-Ladung aufweisen. Unter dieser Theorie werden die Mikroorganismen an die funktionalisierte positiv geladene Nanoröhre angezogen. Das resultierende elektrische Feld der nun geladenen Kohlenstoffnanoröhren, die teilweise mit Eisen gefüllt oder dotiert sind, wird biologische Krankheitserreger zerstören. Beliebige positiv geladene Wasserstoffionen, die vom Säurewaschen übrig bleiben und innerhalb der Nanoröhre gefangen sind, werden ebenfalls zu dem elektrischen Feld beitragen.
Es wird auch angenommen, dass dieses Säurewaschverfahren zum hohen Grad der Hydrophilie dieser funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren und des resultierenden kohlenstoffnanostrukturierten Materials beiträgt. Die gewaschenen Kohlenstoffnanoröhren werden im Allgemeinen in ein nanostrukturiertes Material unter Verwendung von einem der folgenden Verfahren verarbeitet. Es wird betont, dass jedes Beliebige der folgenden Verfahren, sowie jene, die in den Beispielen beschrieben sind, verwendet werden können, um ein hierin beschriebenes nanostrukturiertes Material zu erzeugen, ob mehr- oder einlagig.
Verdampfungsverfahren von organischem Lösungsmittel
Im Verdampfungsverfahren von organischem Lösungsmittel kann ein Nanostrukturmaterial wie beispielsweise eine Sterilisationsmembran hergestellt werden durch Binden von Nanomaterialien mit einem Haftmittel. Beispiele von Haftmitteln sind chemische Haftmittel wie beispielsweise Klebstoff, metallische Haftmittel wie beispielsweise Gold, und keramische Haftmittel wie beispielsweise Aluminiumoxid. Beispiele von Nanomaterialien sind Kohlenstoffnanoröhren, Silicium- oder andere metallische Nanodrähte und Metalloxidnanodrähte.
Gemäß diesem Verfahren können Kohlenstoffnanoröhren mit einem Lösungsmittel wie beispielsweise Xylol gemischt werden. In einer Ausführungsform wird diese Dispersion als Nächstes in einem Ultraschallbad für 5 bis 10 Minuten platziert, um die Kohlenstoffnanoröhren zu ent-agglomerieren. Die resultierende Dispersion wird als Nächstes auf ein Faserpapier gegossen, um dem organischen Lösungsmittel zu erlauben, zu verdampfen, optional mit der Zuführung von moderatem Erwärmen. Nach der Verdampfung setzen sich die Kohlenstoffnanoröhren auf dem Faserpapier ab. Zusätzlich können andere polymere Materialien zum organischen Lösungsmittel zugegeben werden, um die mechanische Stabilität der resultierenden Struktur zu verbessern; die Konzentration dieses Haftmittelmaterials kann bei 0,001 bis 10 % des Gewichts des verwendeten Lösungsmittels sein.
Metalloxidnanodrahtverfahren
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Sterilisationsmembran mit Metalloxidnanodrähten hergestellt. In diesem Verfahrenstyp werden Metallnetze auf eine Temperatur im Bereich von 230 bis 1000 °C in einer oxidativen Umgebung erwärmt, um Metalloxidnanodrähte auf den Metalldrähten des Metallnetzes zu erzeugen. Die Metallnetze können ein Metall ausgewählt aus Kupfer, Aluminium und Silizium umfassen. Die Metalloxidnanodrähte können in einer Größe im Bereich von 1 bis 100 Nanometern im Durchmesser, wie beispielsweise 1 bis 50 Nanometern im Durchmesser einschließlich 10 bis 30 Nanometern im Durchmesser sein. Vorteilhaft wird die Oberfläche des Netzes abgeschliffen, um eine Oberflächentextur bereitzustellen, um die Nanoröhrenaliquotabscheidung aufzunehmen und zu halten, um eine bessere Substratbefestigung zu erzeugen.
Eine gemäß diesem Verfahren hergestellte Membran kann selbst verwendet werden, um Flüssigkeit zu sterilisieren, kann behandelt werden, um ihre Gesamtstruktur zu stärken oder kann mit Kohlenstoffnanoröhren oder anderen Strukturen für eine weitere Aktivität beschichtet werden. In den Beschichtungen von Kohlenstoffnanoröhren werden Lösungen mit gut dispergierten ein- oder mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren durch das Netz hindurch passiert, wo sie an der Metalloxidoberfläche anhaften. Dieses resultierende Netz kann thermisch, mechanisch (z. B. wie beispielsweise durch hydraulischen Druck), chemisch oder durch schnelles Lasererwärmen behandelt werden oder auch nicht, um die strukturelle Integrität zu verbessern. Es kann ferner mit einem Metall, einer Keramik, einem Kunststoff oder Polymeren beschichtet werden oder auch nicht, um seine strukturelle Aktivität zu verbessern. Das resultierende Netz kann auch dieser Nanoröhrenlösungsbehandlung mehrmals unterzogen werden, bis die geeigneten Designkriterien erreicht sind. Eine weitere Modifikation der Kohlenstoffnanoröhren und/oder dem Träger dieser Membran kann durchgeführt werden, um die Materialien zu funktionalisieren, so dass sie chemisch mit biologischen Molekülen reagieren, um diese zu zerstören, zu modifizieren, zu entfernen oder zu separieren.
In diesem Verfahren werden Metallnetze wie beispielsweise Kupfernetze in einer chemischen Aufdampfkammer in einer oxidativen Umgebung platziert. Die Reaktionszone wird auf eine Temperatur im Bereich von 230 bis 1000 °C erwärmt, um die Erzeugung von Metalloxidnanodrähten zu bewirken, während die Kammer sich in einer Atmosphäre für eine Dauer im Bereich von 30 Minuten bis 2 Stunden befindet. In manchen Ausführungsformen kann eine Dispersion von Kohlenstoffnanoröhren in Flüssigkeit dann durch die gebildete Struktur passiert werden. Nach dieser Behandlung kann die gesamte Struktur thermisch im Vakuum bei 1000 °C getempert werden, um die Gesamtstruktur zu stärken. Die Kohlenstoffnanoröhren können optional in einer Lösung von Stickstoff- und Schwefelsäuren behandelt werden, um funktionelle Carboxylgruppen auf den Kohlenstoffnanoröhren zu erzeugen.
Abscheidungsverfahren
In diesem Verfahren kann eine Sterilisationsmembran durch Vakuumabscheidung von Kohlenstoffnanoröhrendispersionen hergestellt werden, um Schichten von Kohlenstoffnanoröhren auf zumindest einem Substrat abzulegen. Ultraschallbehandlung kann verwendet werden, um beim Dispergieren und/oder Ent-Agglomerieren der Kohlenstoffnanoröhren während der Abscheidung zu helfen.
Ein angedachtes Verfahren des Abscheidungsverfahrens umfasst das Platzieren von Kohlenstoffnanoröhren in einem geeigneten organischen Lösungsmittel oder entsprechenden Flüssigkeit sowie das Ultraschallbehandeln, um die Kohlenstoffnanoröhren während der Abscheidung zu dispergieren. Die Lösung kann in einer Vakuumfiltrationsvorrichtung, ausgerüstet mit Ultraschallbehandlung, platziert werden, um weiter sicherzustellen, dass die Kohlenstoffnanoröhren ent-agglomeriert werden. Das Nanomaterial in der Lösung kann auf ein Substrat abgeschieden werden, dessen Porosität klein genug ist, um Kohlenstoffnanoröhren zu fangen, jedoch größer als die aus dem kontaminierten Fluid zu entfernenden Mikroorganismen. Das resultierende NanoMesh^☐ kann mit der Hilfe der Verwendung eines tragenden Metallnetzes entfernt werden, um die Flachheit während der Entfernung aufrecht zu erhalten. Das poröse Substrat, das verwendet wird, um die Kohlenstoffnanoröhren zu fangen, kann ebenfalls durch Auflösen in einer Säure oder Base entfernt werden, oder oxidiert werden, um eine freistehende Kohlenstoffnanoröhrenmembran zurückzulassen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das Vakuumfiltrationsverfahren durch Verwendung von elektromagnetischen Feldern zum Ausrichten der Nanostrukturen während der Abscheidung modifiziert werden. Wie im zuvor beschriebenen Verfahren werden die Nanostrukturen in einem geeigneten Lösungsmittel (organischen Lösungsmittel oder Flüssigkeit) platziert, ultraschallbehandelt um sie im Lösungsmittel zu dispergieren, welches dann in einer Vakuumfiltrationsvorrichtung platziert wird, die mit einer Ultraschallsonde ausgerüstet ist, um sie davor zu bewahren, dass sie während der Abscheidung agglomeriert werden. Anders als im zuvor beschriebenen Verfahren, wenn die Mischung auf ein poröses Substrat aufgedampft wird, wie beispielsweise eines mit einer Porengröße bis zur Zentimetergröße, wird ein elektromagnetisches Feld angelegt, um die Nanostrukturen während ihrer Abscheidung auszurichten. Dieses elektromagnetische Feld kann auch beliebig im Raum moduliert werden, justiert und in einer gewobenen oder teilweise gewobenen – teilweise nicht gewobenen Struktur resultieren. Die resultierende Membran wird dann mit der Hilfe eines tragenden Metallnetzes entfernt und die gesamte Membran wird in Säure eingetaucht, um das anfängliche Substrat zu entfernen, welches als Opferträger agierte.
Das Vakuumfiltrationsverfahren kann modifiziert werden, um die Erzeugung von mehreren Schichten von Nanostrukturen zu erlauben. Eine Suspension von Nanostrukturen kann in einem organischen Lösungsmittel oberhalb eines Substrats gebildet werden. Beispielsweise wird mit sehr niedrigem Vakuumdruck das Lösungsmittel entfernt, was eine sehr dünne Schicht von Nanoröhren auf einem Stahlnetz zurücklässt, wie beispielsweise einem 20-Mikrometer-Stahlnetz. Diese Schicht kann dann gehärtet und getrocknet werden. Dieses Verfahren kann mehrere Male wiederholt werden, um mehrere Schichten von NanoMesh^☐ zu erzeugen.
Luftabscheidungs-Herstellungsverfahren
In diesem Verfahren können Nanostrukturen gleichmäßig dispergiert werden, sei es in einer Gas- oder einer flüssigen Lösung. In einer begrenzten Kammer beispielsweise wird eine Menge von Nanostrukturen freigesetzt, während ein Ventilator das Gas rührt, um eine Dispersion der Kohlenstoffnanoröhren in der Kammer zu bewirken. Dieses Gas kann auch mechanisch bei Frequenzen moduliert werden, die ausreichend sind, um eine Dispersion zu bewirken. Wenn die Kohlenstoffnanoröhren zur Kammer hinzugegeben werden, werden sie auf eine Spannung geladen, die ausreichend ist, um die anziehenden von der Waals Kräfte zu überwinden, durch Passieren der Nanoröhren durch eine Elektrode mit hohem Oberflächenbereich. Dies wird eine Agglomeration verhindern. Das Nanoröhren-imprägnierte Gas ist nun bereit für die Gasphasenabscheidung. Durch Anlegen einer Druckdifferenz, wobei das Gas durch eine geerdete Netzelektrode passiert, werden die Nanoröhren an diese geerdete Netzelektrode anhaften. Bei diesem Punkt befindet sich das Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierte Material in seinem zerbrechlichsten Zustand. Das nanostrukturierte Material kann nun einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt werden, um zu bewirken, dass die Struktur zusammenschmilzt und/oder um die Oberfläche mittels Verarbeitungsverfahren des chemischen Aufdampfens (CVD), des plasmaunterstützten chemischen Aufdampfens PECVD oder des physikalischen Aufdampfens (PVD), oder durch chemische Verschmelzungsverfahren zu beschichten. Die Oberfläche kann dann entfernt werden und einem Sputter-Verfahren ausgesetzt werden, das ausreichend ist, um die Nanostrukturen zu bedecken und zu bewirken, dass sie sich ineinander verklammern. Die resultierende Membran kann dann von der Oberfläche entfernt werden, indem die Ladung der Oberfläche umgekehrt wird, was bewirkt, dass die Membran abfällt.
Nanostrukturpolymerisationsverfahren
Im Polymerisationsverfahren wird eine Nanomaterialmembran durch Verbinden von Nanostrukturen miteinander durch Polymerbindung hergestellt.
Ein angedachtes Verfahren dieses Verfahrens bezieht zuerst das Ultraschallbehandeln einer Menge von Nanostrukturen (wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren) in einer Säurelösung ein. Wenn Kohlenstoffnanoröhren verwendet werden, wird die Säure dahingehend wirken, dass sie die Längen der Nanoröhren abschneidet, um deren Enden freizulegen, und um Carboxylionen (COOH) zu erlauben, daran zu pfropfen. Das resultierende carboxylfunktionalisierte Produkt wird dann mit konzentrierter Säure behandelt, um Carboxylgruppen (COOH) zu erzeugen, die reaktiver für Quervernetzungsreaktionen sind, wie beispielsweise Kondensation. Diese COOH-funktionalisierte Nanostruktur wird dann mit den Carboxylgruppen zur Reaktion gebracht, um zwei Nanostrukturen miteinander zu vernetzen. Der Mischung wird dann erlaubt, zu reagieren, bis ein vollständig quervernetztes Netzwerk auf einer verschmolzenen Nanomaterialmembran gebildet ist.
Verfahren zum Messen von Bakterien in Wasser
Mehrere Tests wurden auf Proben durchgeführt, die hergestellt wurden unter Verwendung der oben allgemein beschriebenen Verfahren mittels Bakterien wie beispielsweise E.coli-Bakterien und einem MS-2-Krankheitserreger. MS-2 ist ein spezifisch männlicher einsträngiger RNA-Virus mit einem Durchmesser von 0,025 μm und einer Ikosaederform. Seine Größe und Form sind ähnlich zu anderen wasserbezogenen Viren wie beispielsweise dem Poliovirus und Hepatitis und er ist ein nichtmenschlicher Krankheitserreger.
Das Protokoll, das zum Testen der Entfernung von E.coli und MS-2-Krankheitserreger und Bakterien von Wasser in den folgenden Beispielen verwendet wurde, war konsistent mit und hielt sich im Allgemeinen an: (i) Standard Operating Procedure for MS-2 Bacteriophage 40 Propogation/Enumeration. Margolin, Aaron, 2001 University of New Hampshire, Durham, NH und (ii) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20th Edition, Standard Methods, 1998. APHA, AWWA, WEF, Washington, D.C. Diese Standards umfassten im Allgemeinen das folgende Verfahren:

1) Platzieren des nanostrukturierten Materials in einem Testgehäuse, das entworfen ist, um das herauszufordernde bzw. zu untersuchende nanostrukturierte Material zu halten.
2) Verbinden eines sterilen Abflussrohrs mit einem sterilen Erlenmeyerkolben mittels eines Gummistoppers.
3) Öffnen einer Zustromöffnung und Einführen eines Herausforderungs- bzw. Probenmaterials durch die offene Öffnung.
4) Nach dem Einführen der Probe, Schließen der Zustromöffnung, pumpend, über eine kommerziell erhältliche Pumpe, eines konsistenten Flusses durch den mit dem Gehäuse verbundenen Abflussschlauch.
5) Kontinuierliches Pumpen, bis das gesamte Probenmaterial in den sterilen Erlenmeyerkolben passierte, zu welcher Zeit die Pumpe ausgeschalten wurde.
6) Platzieren von 0,1 ml von Probenmaterial in 9,9 ml Wasser oder phosphatgepufferter Salzlösung (kommerziell erhältlich) in einer 15 ml konischen Zentrifugenröhre.
7) Platzieren der 15 ml konischen Zentrifugenröhre in einem kommerziell erhältlichen Wirbelmixer und Mischen dieser für ca. 15 Sekunden.
8) Entfernen von ca. 0,1 ml der Mischung von der Zentrifugenröhre und Hinzugeben dieser zu einer zweiten Zentrifugenröhre, die 9,9 ml Wasser oder phosphatgepufferte Salzlösung (kommerziell erhältlich) enthält und Wiederholen des oben beschriebenen Wirbelmischens.
9) Entfernen von 0,1 ml der Mischung von der Zentrifugenröhre und Platzieren dieser auf einer Trypsin-Sojaagar (TSA)-Platte, (Remel Kat. Nr. 01917), wo sie mit einem sterilen Verteiler über der Agaroberfläche verteilt werden kann. Trocknen der Oberfläche für 15 Sekunden bevor sie in einen kommerziell erhältlichen Inkubator bei 36 °C platziert wird und für 18 bis 24 Stunden inkubiert wird.
10) Nach der Inkubation, Entfernen der Platten vom Inkubator und Platzieren dieser auf einem hintergrundbeleuchteten Plattenzähler. Zählen jener Platten, die zwischen 25 bis 300 cfu/Platte (1:10000 Verdünnung) pro Platte aufzuweisen schienen. Die Kostroll- und Testplatten wurden auf dieselbe Art und Weise gezählt.
11) Aufnehmen der gezählten Anzahl von Viren oder Bakterien und des Verdünnungsfaktors, bei welchem sie gezählt wurden, wobei ein Mittelwert der Plattenzählungen mit ihrem jeweiligen Verdünnungsfaktor multipliziert werden und durch die Menge der pro Platte verwendeten Verdünnung dividiert werden. Diese Berechnung, die unten gezeigt ist, ergibt die Menge an Viren oder Bakterien in der ursprünglichen Probe.

Das Folgende ist eine detailliertere Beschreibung eines Verfahrens, das beim Durchführen des Tests mit MS-2 verwendet wurde.
Eine 1 % Lösung MgCl₂ (oder CaCl₂) wird zuerst hergestellt durch Zugeben zu einer gewünschten Menge von entionisiertem Wasser von MgCl₂ (oder CaCl₂). Ein typisches Beispiel ist 1,0 g MgCl₂/99 ml entionisiertes Wasser. Diese Lösung wird autoklaviert und gekühlt.
Eine Zubereitung von phosphatgepufferter Salzlösung (1 × PBS) wird als Nächstes durch Hinzugeben zu einer gewünschten Menge entionisiertem Wasser von phosphatgepuffertem Salinepuderkonzentrat hergestellt. Ein typisches Beispiel ist 4,98 g PBS/500 ml entionisiertes Wasser. Diese Lösung wird ebenfalls autoklaviert und gekühlt.
Eine Zubereitung von Streptomycin/Ampicillin-Antibiotikalösung (Strep/Amp) wird als Nächstes hergestellt durch Zugeben zu einer gewünschten Menge entionisiertem Wasser von Streptomycinsulfat. Ein typisches Beispiel ist 0,15 g Strep/100 ml entionisiertes Wasser. Ampicillinnatriumsalz wird dann zur Lösung hinzugegeben. Ein typisches Beispiel ist 0,15 g Amp/100 ml entionisiertes Wasser. Diese Lösung wird durch 0,22 μm Spritzenfilter in einen sterilen Behälter filtriert.
Ein Präparat von E.coli-Zuchtkultur wird hergestellt, indem zuerst ein gewünschtes Volumen einer Trypsin-Sojabrühe hergestellt wird. Die zuvor hergestellte Streptomycin/Ampicillin-Antibiotikalösung wird dann mit dem T-Soja im Verhältnis 1:100 gemischt. (1,0 ml Strep/Amp/100 ml T-Soja).
Als Nächstes wird 1 % Lösung von MgCl₂ in einem Verhältnis 1:200 hinzugegeben. (0,5 ml MgCl₂/100 ml T-Soja), gefolgt von der Zugabe von E.coli im Verhältnis 1:10. (10 ml E.coli/100 ml T-Soja). Der hierin verwendete E.coli-Stamm ist der HS(pF Amp.)R-Stamm (E.coli mit einem eingefügten Strep/Amp-Resistenzplasmid). Der E.coli-Stamm C3000, der kommerziell erhältlich ist (American Type Culture Collection (ATCC)) kann ebenfalls verwendet werden.
Die T-Soja-Brühe/E.coli-Kultur wird dann in ein Schüttelwasserbad bei 37 °C gegeben (oder in einen Orbitalschüttler in einem 37 Grad Inkubator), wobei kräftig über 2,5 bis 3,0 Stunden geschüttelt wird (oder zu einer Zeit, bei der die E.coli die mid-log-Phase in ihrem Wachstumszyklus erreichen). Dieser Schüttelschritt dient dazu, Sauerstoff zur gesamten Kultur bereitzustellen, so dass sie nicht anaerob wird und das Wachstum gehemmt wird. Die Kultur wird dann vom Inkubator entnommen und bei 10 °C g.
MS2-Bakteriophagenvermehrung wurde durchgeführt, indem zuerst eine flüssige Kultur von MS2 (annähernd 1 × 10¹⁰ bis 1 × 10¹¹ MS2/500 ml T-Sojabrühe) zur T-Sojabrühe hinzugegeben wurde und dann bei 37 °C für 12 bis 18 Stunden inkubiert wurde. Der verwendete MS2-Stamm war ein kommerziell erhältliches Exemplar (ATCC (American Type Culture Collection), Katalog #15597-B1)).
Die Kultur wird auf eine Zentrifugenröhre von angemessener Größe übertragen und unter den folgenden Bedingungen zentrifugiert: 10000 Umdrehungen pro Minute, 4 °C für 10 Minuten. Nach dem Zentrifugieren kann der Überstand dekantiert werden wobei vorsichtig vorgegangen wird um den Niederschlag nicht zu stören. Der MS2-Bestand wird im Allgemeinen bei 10 °C gelagert.
Die MS2-Auszählung wird im Allgemeinen in der folgenden Art und Weise durchgeführt. Ein 1 × Overlay wird hergestellt durch Mischen des folgenden in 1000 ml entionisiertem Wasser und zum Sieden bringen.

a. 15 Gramm T-Soja-Brühe
b. 7,5 Gramm Baktoagar
c. 5 Gramm Hefeextrakt
d. 2,5 Gramm NaCl
e. 0,075 Gramm CaCl₂

Vier bis fünf ml des Overlays werden als Nächstes in Teströhren verteilt und bei 121 °C für 15 Minuten autoklaviert, nach welcher Zeit die Teströhren vom Autoklaven entfernt und in ein 57 °C Wasserbad für die unmittelbare Verwendung platziert oder bei Raumtemperatur für eine zukünftige Verwendung gelagert werden. Wenn es im Speicher platziert wird, wird das Overlay härten, was es erforderlich macht, dass es erneut autoklaviert wird. Das Overlay kann lediglich wenige Male wiederautoklaviert werden, bis es sehr dunkel, beinahe schwarz, in der Farbe wird.
Ein Fachmann würde wissen, wie zehnfache Serienverdünnungen auf der Probe in PBS durchzuführen sind, um einen gewünschten Verdünnungspunkt zu erreichen. Bald nach der Entfernung der zuvor beschriebenen Teströhre, die das Overlay vom Wasserbad enthält, können annähernd 0,1 ml der gewünschten Probenlösung und 0,2 ml des zuvor beschriebenen E.coli-Wirts in das Overlay zugeführt werden. Ca. 30 μl der Streptomycin/Ampicillin-Antibiotikalosung können für die gemischten Kulturproben zugegeben werden. Es ist wichtig anzumerken, dass die Injektion bzw. Zugabe von 0,1 ml verdünnter Probe eine zusätzliche zehnfache Verdünnung darstellt.
Deshalb, wenn 0,1 ml der 10^–1 Verdünnung im Overlay platziert werden, ist die resultierende Verdünnung auf der T-Sojaplatte 10^–2. Um eine 10^–1-Verdünnung auszuplattieren, injiziert man 0,1 ml der ursprünglichen unverdünnten Probe in das Overlay. Um eine 10⁰ Verdünnung auszuplattieren, injiziert man 1,0 ml der ursprünglichen unverdünnten Probe in das Overlay unter Verwendung desselben Volumens des E.coli-Wirts (0,2 ml).
Ohne Schütteln werden die verdünnte Probe und MS2 im gesamten Overlay gemischt. Das Overlay und seine Inhalte werden auf eine T-Sojaplatte zugegeben, die in einer kreisförmigen Bewegung gewirbelt wird, um das Overlay gleichmäßig über die Oberfläche des Agar zu verteilen. Nach wenigen Minuten härtet das Overlay, zu welcher Zeit es bei 37 °C für 12 bis 18 Stunden inkubiert wird.
Wenn die Inkubation vollständig ist, werden MS2-Plaques als kreisförmige Lichtungszonen im E.coli-Rasen erscheinen.
Negative und positive Kontrollen werden im Allgemeinen in dieser Untersuchung verwendet. Die negative Kontrolle umfasst die Zugabe von lediglich den E.coli zum Overlay (keine Probe), um zu bestimmen, ob das E.coli richtig wächst, und ob eine beliebige Phagen- oder Bakterienverunreinigung vorliegt. Eine zusätzliche Kontrolle, die auch verwendet werden kann, um diese Faktoren zu bestimmen, kann durchgeführt werden durch Platzieren eines kleinen Volumens des E.coli-Wirts (kein MS2 oder Overlay) auf einer T-Sojaplatte und Prüfen der resultierenden Kolonienmorphologie.
Die positive Kontrolle umfasst die Zugabe von lediglich dem E.coli zum Overlay (keine Probe) und anschließendes Ausplattieren. Nachdem das Overlay gleichmäßig über die Oberfläche der Platte verteilt ist, wird ein kleines Volumen des MS2 Bestands auf verschiedenen Punkten überall auf der Oberfläche des Overlays platziert. Nach Inkubation zeigt die Anwesenheit von Plaques in diesen Punkten, dass der E.coli-Wirt effektiv von der MS2-Phage infiziert werden kann.
Bestimmen von PFU/ml (Plaquebildungseinheiten/ml) in der ursprünglichen unverdünnten Probe:
Beispielsweise wenn 35 Plaques auf einer Platte mit einem Verdünnungsfaktor von 10^–8 beobachtet wurden, wären die PFU:
Unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren und wie in den folgenden Beispielen exemplarisch dargestellt, bestehen starke Haltekräfte zwischen Bakterien und Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material. Die Bakterien hafteten an die Kohlenstoffnanoröhre-nanostrukturierte Metalloberfläche bei Ultraschallbehandlung an. Es wird angenommen, dass dieselbe Anhaftung von E.coli-Suspension auftritt, wenn sie durch ein Nanogitter von Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material passiert wird.
Zusätzlich wird angenommen, dass die Integrität der Bakterienzelle zerstört wird nach Interaktion mit dem Kohlenstoffnanoröhren-, nanostrukturierten Material. Beispielsweise zeigten Bakterientests unter Verwendung des hierin beschriebenen nanostrukturierten Materials einen zerstörerischen Mechanismus, in dem die Hülle/Zellwand vollständig zerstört wurde. Diese Zerstörung tritt offensichtlich aufgrund eines Bruchs in der Integrität der Zellwand auf, was zu einem katastrophalen Fehler der Zellwand aufgrund der Differenz im osmotischen Druck zwischen dem Inneren einer kompletten Zelle und dem osmotischen Druck außerhalb der Zelle führt. Folglich, wenn die Integrität der Zellwand/Hülle gefährdet ist, resultieren jene osmotischen Druckdifferenzen in einem Zerfall der Bakterien.
Beispielsweise zeigt Beispiel 3 die Zerstörung von E.coli-Bakterien, wie nachgewiesen durch die Anwesenheit von freier Bakterien DNA und Protein, die im Filtrat gefunden wurden. Beschädigte Zellen werden durch Wasserfluss wie in Beispiel 3 zu sehen verteilt. Deshalb zerstört das erfinderische Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierte Material nicht nur vollständig Bakterien, sondern das erfinderische Material verunreinigt nicht aufgrund der Bildung von Biolast, was eine längere Lebensdauer als jene Materialien, die gegenwärtig verwendet werden, bereitstellen sollte.
Die Erfindung wird näher durch die folgenden nichtbeschränkenden Beispiele klargestellt, die rein exemplarisch für die Erfindung sein sollen.
Beispiel 1: Herstellung eines aktivierten defekten nanostrukturierten Materials
Ein aktiviertes nanostrukturiertes Material wurde aus kommerziell verfügbaren gereinigten Kohlenstoffnanoröhren hergestellt. Diese Nanoröhren wurden in einer 50 ml konischen Zentrifugenröhre platziert, zu welcher konzentrierte Salpetersäure auf ein Volumen von 45 ml zugegeben wurden. Die Röhre wurde kräftig für 2 bis 3 Minuten geschüttelt, um die Säure und die Nanoröhren zu mischen, und dann bei 2500 Umdrehungen pro Minute für fünf Minuten zentrifugiert, um die Nanoröhren niederzuschlagen.
Ein gelber Überstand wurde dekantiert und die Salpetersäurewaschung wurde wiederholt. Die Kohlenstoffnanoröhren wurden dann 2 bis 3 mal mit Wasser gewaschen, um die Säurekonzentration unter einem Punkt zu verringern, bei dem die Säure nicht mit dem in den folgenden Schritten verwendeten Isopropanol reagierte.
100 mg von Salpetersäure-gewaschenen/Wasser-gespülten Kohlenstoffnanoröhren wurden als Nächstes zu 400 ml kommerziell erhältlichem reinen Isopropanol zugegeben und in einem Branson 900B Ultrasonikator bei 80 % Leistung ultraschallbehandelt, bis die Kohlenstoffnanoröhren gut dispergiert waren (ca. 10 Minuten). Die Mischung wurde weiter verdünnt durch Zugeben von 2 Litern Isopropanol derart, dass das Gesamtvolumen der resultierenden Mischung 2,4 Liter war. Die verdünnte Mischung wurde ultraschallbehandelt für zusätzliche 10 Minuten.
Als Nächstes wurden 800 mg von kommerziell erhältlichem Siliziumoxidnanodraht mit 200 nm Durchmesser in einem kommerziell erhältlichen Mischer bei voller Leistung für 10 Minuten in 500 ml kommerziell erhältlichem reinen Isopropanol homogenisiert. Die homogenisierte Mischung wurde dann verdünnt durch Zugeben von zusätzlich 1 Liter kommerziell erhältlichen reinen Isopropanol.
Die zuvor hergestellte Mischung von Kohlenstoffnanoröhren und Siliziumoxidnanofaser wurde gemischt und dann wurden quantitätsausreichende (Q. S.) Mengen von Isopropanol zugegeben, um 4 Liter zu erhalten. Diese 4-Liter-Lösung wurde dann mit einem "Branson 900B Ultrasonikator" bei 80 % Leistung für 15 Minuten ultraschallbehandelt, was bewirkte, dass das Kohlenstoffnanoröhrennanomaterial gleichförmig dispergierte.
Die gesamte 4-Liter-Lösung wurde dann auf einen 16 Quadratzollbereich auf einem kommerziell erhältlichen 5 Mikrometer nichtgewobenen verschmolzenen Polypropylengewebe abgeschieden.
Ungefähr die Hälfte der Lösung wurde durch das Polypropylengewebe unter einhalb Zoll Hg Vakuumdruck passiert. Die verbleibenden 2 Liter der Lösung wurden dann durch das Gewebe unter einem Druck von 5 Zoll Hg passiert, bis die verbleibende Lösung durch das Polypropylengewebe passierte und die Kohlenstoffnanoröhren-Siliziumoxid-Suspension auf dem Gewebe abgeschieden war.
Das resultierende Nanostrukturmaterial (NanoMesh^☐ genannt) wurde vom Fabrikstor entfernt und ihm wurde erlaubt, an Luft bei Raumtemperatur für 2 Stunden zu trocknen, um ein aktiviertes Kohlenstoffnanoröhren-, nanostrukturiertes Material zu bilden.
Beispiel 2: Reinigungstest von nanostrukturiertem Material mit E.coli-Bakterien
Dieses Beispiel beschreibt einen Reinigungstest bei Wasser, kontaminiert mit E.coli-Bakterienzuchtkultur, die von American Type Culture Collection (ATCC) erworben wurde.
Eine Bakterienuntersuchung wurde durchgeführt durch Untersuchen des Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierten Materials, das gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde, mit einer Herausforderungsprobe bzw. Probe von (4 × 10⁷ ± 2 × 10⁷ koloniebildenden Einheiten pro ml (cfu/ml)) von E.coli Zellkultur ATCC #25922, die zuerst wiederhergestellt wurde. Unter Verwendung einer sterilen biologischen Öse (kommerziell erhältlich) wurde ein Loop des wiederhergestellten Bestands entfernt und auf einer kommerziell erhältlichen Blutagarplatte ausgestrichen und für 12 bis 18 Stunden bei 36 °C inkubiert. Die Kultur wurde dann vom Inkubator entfernt und auf Reinheit geprüft.
Unter Verwendung einer sterilen biologischen Öse (kommerziell erhältlich) wurde ein Loop der inkubierten Kultur entfernt und in 10 ml steriler kommerziell erhältlicher Trypsin-Sojabrühe (Remel Kat. Nr. 07228) platziert. E.coli wurde dann in der resultierenden Trypsin-Sojabrühe über Nacht gezüchtet, um eine Zuchtkultur von 1 × 10⁹ cfu/ml zu bilden. 1 ml der Zuchtkultur wurde zu 100 ml Wasser, das für den Herausforderungs- bzw. Probentest verwendet wurde, zugegeben. Das resultierende Herausforderungs- bzw. Probenwasser wurde dann durch das gemäß Beispiel 1 hergestellte Kohlenstoffnanoröhren-, nanostrukturierte Material passiert.
Der Test wurde gemäß den oben zitierten "Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water" durchgeführt. Die Ergebnisse der Tests, den oben beschriebenen Protokollen folgend, ermittelten eine konsistente Entfernung von E.coli-Bakterien größer als 6 Logarithmen (> 99,99995 %) bis größer als 7 Logarithmen (> 99,999995 %), wenn Herausforderungs- bzw. Probenmaterial durch das gemäß Beispiel 1 hergestellte Kohlenstoffnanoröhren-, nanostrukturierte Material passiert wurde.
Die Testergebnisse mittelten Entfernungsraten, die die EPA-Trinkwasserstandards für die Bakterienentfernung von Wasser überschritten. Die EPA-Standards diktieren eine Entfernung von 6 Logarithmen (> 99,99995 %) von E.coli-Bakterien, um trinkbares Wasser zu erzielen. Eine verbesserte Reinigung durch Entfernungen von E.coli-Bakterien in größerem Logarithmus wurden in derartigen Tests erzielt, durch Herausfordern bzw. Testen des Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierten Materials mit höheren Konzentrationen von E.coli-Bakterien-Probematerial, das wie oben beschrieben hergestellt wurde. Derartige Tests mit höheren Konzentrationen bestätigen Entfernungsraten von mehr als 7 Logarithmen. Unabhängige Tests unter Verwendung der in diesem Beispiel beschriebenen Testverfahren von Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material, das gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde, etablierten dieses Material als eine komplette Barriere für E.coli-Bakterien.
Beispiel 3: chemische Analyse von sterilisiertem Nachuntersuchungsfiltrat.
Dieses Beispiel beschreibt die chemische Analyse des Filtrats von einem E.coli-Herausforderungstest, der wie in Beispiel 2 beschrieben durchgeführt wurde, auf dem Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material, das gemäß Anspruch 1 hergestellt wurde. Dieses Beispiel stellte eine Verifizierung der Reinigung durch die Zerstörung von E.coli-Bakterien bereit, die durch das erfinderische Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierte Material passierten. Ein Beweis der Reinigung durch die Zerstörung der Verunreinigung (E.coli-Bakterien) wurde durch die Anwesenheit von DNA und von Protein im Herausforderungs- bzw. Untersuchungsfiltrat ermittelt.
Ein Herausforderungstest wurde gemäß Beispiel 2 durchgeführt, mit der Ausnahme, dass die Zusammensetzung des Herausforderungs- bzw. Untersuchungsmaterials 1 × 10⁸ cfu/ml E.coli war. Insgesamt 100 ml (total = 1 × 10¹⁰ cfu) dieser Untersuchungslösung wurden durch das Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierte Material unter Verwendung von 1/2 Zoll Hg Vakuumdruck gezogen. Ein Kontrollfiltrat wurde erhalten durch Passieren des E.coli-Herausforderungs- bzw. Untersuchungsfiltrats durch einen kommerziell erhältlichen 0,45 Mikrometer Milliporfilter. Die resultierende Filtrate der Kontrolle und der Untersuchung wurden dann mit einem kommerziell erhältlichen Spektrophotometer analysiert, um die Anwesenheit von Protein und DNA zu bestimmen. Das Testuntersuchungsfiltrat war nicht konzentriert. Jedoch ergab die Analyse des Filtrats mit einem kommerziell erhältlichen Spektrophotometer 40 μg/ml DNA und 0,5 mg/ml Protein. Konzentrationen von Protein und von DNA bei diesen Niveaus in einem nichtkonzentrierten Herausforderungs- bzw. Untersuchungsfiltrat waren 6-mal höher als das Kontrolltestmaterial. Diese Konzentrationen bestätigten die Zerstörung von E.coli in der Herausforderung bzw. Probe durch das Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierte Material.
Beispiel 4: Reinigungstest von Wasser, kontaminiert mit MS-2 bakteriophage Virus
Dieses Beispiel beschreibt einen Reinigungstest von Wasser, das mit MS-2 bakteriophage Virus kontaminiert war, unter Verwendung des oben und in "Standard Operating Procedure for MS-2 Bacteriophage Propagation/Enumeration, Margolin, Aaron, 2001, An EPA Reference Protocol." beschriebenen Verfahrens. Das MS-2 bakteriophage Virus wird gewöhnlich verwendet beim Bewerten von Behandlungsfähigkeiten von Membranen, die für die Behandlung von Trinkwasser (NSF 1998) entworfen sind. Die Druckuntersuchungen bzw. -herausforderungen für dieses Beispiel wurden durchgeführt mit 100 ml Herausforderungs- bzw. Probenlösungen mittels der oben beschriebenen Protokolle. Die MS-2 Untersuchungsmaterialien wurden gemäß jenen oben aufgezählten Schritten hergestellt.
In diesem Test wurden achtzig (80) Membranen, die aus dem gemäß Beispiel 1 hergestellten Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material zusammengesetzt waren, untersucht. Das verwendete Herausforderungs- bzw. Untersuchungsmaterial war Wasser, kontaminiert mit MS-2 bakteriophage Virus zu der Konzentration von 4 × 10⁶ ± 2 × 10⁶ pfu/ml.
Von den 80 getesteten Einheiten erzielten 50 Einheiten eine MS-2 Entfernung von 5 Logarithmen (99,999 %) oder größer als 5 Logarithmen (> 99,9995 %). Die verbleibenden 30 Einheiten demonstrierten 4 Logarithmen (99,99 %) oder größer als 4 Logarithmen (> 99,995 %) Entfernung von MS-2. Während die EPA-Standards 4 Logarithmen der Entfernung von MS-2 bakteriophage empfehlen, um Trinkwasser zu erzielen, wird angenommen, dass eine bessere Sensitivität (höherer Logarithmus der Entfernung) erzielt werden kann durch Herausfordern bzw. Untersuchen mit höheren logarithmischen Herausforderungen bzw. Untersuchungen von MS-2. Eine verbesserte Reinigung durch größere logarithmische Entfernungen von MS-2 bakteriophage wurden in solchen Tests erzielt durch Herausfordern bzw. Untersuchen des Kohlenstoffnanoröhren- nanostruktuierten Materials, das gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde, mit höheren Konzentrationen von MS-2 bakteriophage Herausforderungs- bzw. Untersuchungsmaterial, das wie oben ausgeführt hergestellt wurde. Unabhängige Tests des Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierten Materials, das gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde, etablieren dieses Material als eine komplette Barriere für MS-2 bakteriophage.
Beispiel 5: Reinigungstest bei Wasser, kontaminiert mit Arsen (As)
Dieses Beispiel beschreibt einen Reinigungstest bei Wasser, kontaminiert mit Arsen. In diesem Test wurde eine Stammlösung von 150 Teilen pro Milliarde Arsen in 100 ml Wasser durch das gemäß Beispiel 1 hergestellte Kohlenstoffnanoröhren-, nanostrukturierte Material passiert. Eine Probe des so behandelten Wassers wurde gemäß dem EPA-Verfahren #SM1831136 analysiert. Die Analyse des Probenfiltrats bestätigt eine Reduktion des Arsenniveaus um 86 % ± 5 %; nach dem Passieren des so behandelten Herausforderungs- bzw. Probenwassers einmal durch das erfinderische Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierte Material.
Beispiel 6: Entfernung von Verunreinigungen von Flugzeugtreibstoff
Eine Probe von kontaminiertem Düsentreibstoff (JP8) wurde von einem 33000 Gallonen Speichertank der sich bei der United States Airforce Research Einrichtung bei der Wright Patterson Air Force Base befindet, erhalten. Nach der Abholung wurde die Probe auf Trypsin-Sojaagar kultiviert und es wurde herausgefunden, dass sie drei Arten von Bakterien enthält: zwei Bazillusspezies und eine Mikrokokkusspezies. Die Probe wurde in zwei Behälter von jeweils 2 Litern separiert. Beide Behälter zeigten zwei getrennte Schichten, Düsentreibstoff oben und Wasser am Boden. Der Behälter A enthielt eine stark kontaminierte Wachstumsschicht an der Grenzfläche zwischen dem Wasser und dem Treibstoff. Der Behälter B zeigte lediglich eine geringe Kontamination. Die Herausforderungstestbakterien wurden von der Grenzfläche des Treibstoffs und Wassers von Behälter B erhalten.
Nachdem sie homogenisiert wurde, was bewerkstelligt wurde durch Schütteln der Herausforderungstest-Treibstoff/Wasser-Bakterien kräftig für 1 Minute, wurden 200 ml der Treibstoff/Wasser-Bakterien-Herausforderungsmischung einmal unter Verwendung von 3 Zoll Hg Vakuumdruck durch das gemäß Beispiel 1 hergestellte Kohlenstoffnanoröhren-, nanostrukturierte Material passiert.
Der Treibstoff/Wasser/Bakterien-Herausforderungsfiltratprobe wurde erlaubt, sich in ihre Treibstoff-Wasser-Komponenten zu trennen und vier Untersuchungsproben wurden von jeder Komponente erhalten. Jede Testprobe wurde auf Agar ausplattiert. Es wurden dann Proben inkubiert, um das Bakterienwachstum bei 37 °C zu analysieren, und Proben wurden bei Raumtemperatur inkubiert, um Schimmelwachstum zu analysieren. Kein Bakterien- oder Schimmelkulturwachstum wurde auf den Herausforderungsfiltrattestplatten nach Inkubieren der Proben für 24 und 48 Stunden beobachtet. Die Kontrollproben zeigten kräftige Bakterienkolonien und kräftiges Schimmelwachstum nach Inkubation bei 24 und 48 Stunden. Die Ergebnisse bestätigen, dass das Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierte Material, das gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde, eine komplette Barriere für Bakterien in Treibstoff war, da es eine Entfernung von Bakterien und Schimmel vom Treibstoff oberhalb der Messgrenzen mit Testprotokolls bewerkstelligte.
Beispiel 7: eine Studie von E.coli-Interaktion mit Kohlenstoffnanoröhren- nanostruktuiertem Material
Das Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierte Material, das gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde, wurde 6-mal mit entionisiertem Wasser gespült. Das gespülte Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierte Material wurde auf eine Konzentration von 10000 ppm in entionisiertem Wasser verdünnt.
Herstellung der E.coli-Suspension:
Eine Kultur von E.coli wie oben beschrieben wurde zu einer Konzentration von 5 × 10⁹ CFU/ml in reinem Wasser hergestellt.
Herstellung der Kontrollobjektträgerprobe #1:
Ein Tropfen der hergestellten E.coli-Suspension wurde auf einem kommerziell erhältlichen Glasmikroskopobjektträger (American Scientific Products, Micro Slides, Plane, Kat. M6145, Größe 75 × 25 mm) platziert, der mit Schwefelsäure gereinigt wurde und mit entionisiertem Wasser gespült wurde. Der Tropfen der E.coli-Suspension wurde ausgestrichen und ihm wurde erlaubt, an Luft zu trocknen, und er wurde bei 4 Grad Celsius für 48 Stunden gekühlt. Der hergestellte Objektträger wurde dann wärmefixiert durch Passieren durch eine Flamme in einer im Stand der Technik bekannten Art und Weise.
Herstellung der Testsuspensionen:
Die verbleibende E.coli-Suspension, hergestellt wie oben ausgeführt, wurde dann in zwei gleiche Teile aufgeteilt durch Separieren in zwei Erlenmeyerkolben (Suspension #1 und #2).
Herstellung der Suspension #1:
Suspension #1 wurde mit entionisiertem Wasser auf eine Konzentration von 2 × 10⁹ CFU/ml E.coli verdünnt.
Herstellung von Suspension #2:
Das Kohlenstoffnanoröhren-, nanostrukturierte Material, das gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde, wurde zu Suspension #2 zugegeben. Die Suspension #2 wurde mit entionisiertem Wasser auf dieselbe Konzentration an E.coli wie Suspension #1 verdünnt. Die Konzentration des Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierten Materials, das gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde, war 625 ppm.
Ultraschallbehandlung und Zentrifugation:
Die Suspensionen #1 und #2 wurden simultan ultraschallbehandelt mit einem Branson-2510-Sonikator für 3 Minuten. Diese Suspensionen wurden in einer kommerziell erhältlichen Zentrifuge bei 2500 Umdrehungen pro Minute für 2 Minuten zentrifugiert, um diese niederzuschlagen, und anschließend dekantiert, wobei 1 ml des Überstands zurückgelassen wurden (und um den Niederschlag in Suspension #1 und #2 zu suspendieren). Der Niederschlag von Suspension #1 und #2 wurde dann in den unten beschriebenen Proben verwendet.
Probe #2:
Probe 2 wurde separiert durch Platzieren eines Tropfens von Suspension #1, platziert auf einem oben beschriebenen Glasobjektträger, und für 19 Stunden gekühlt. Nachdem sie für 19 Stunden gekühlt wurde, wurde ein Rasterkraftmikroskop (AFM) verwendet, um die Probe ohne Fixierung zu untersuchen. Die Probe #2 wurde dann in einem Kühlschrank für 24 Stunden bei derselben oben erwähnten Temperatur platziert. Nachdem sie 24 Stunden gekühlt wurde, wurde Probe #2 mittels im Stand der Technik bekannter Verfahren thermisch fixiert. Probe #2 wurde durch im Stand der Technik bekannte Verfahren gefärbt, unter Verwendung eines Gram-Crystal-Violett-Farbstoffs. Anschließend wurde mit Lichtmikroskopie untersucht.
Probe #3:
Probe 3 wurde hergestellt durch Platzieren (und Ausstreichen) eines Tropfens von Suspension #2 auf einem Glasobjektträger. Eine thermische Fixierung wurde durchgeführt innerhalb von 3 Stunden nach Ultraschallbehandlung. Probe #3 wurde durch im Stand der Technik bekannte Verfahren unter Verwendung eines Gram-Crystal-Violett-Farbstoffs gefärbt. Probe #3 wurde in einem Kühlschrank bei derselben oben erwähnten Temperatur platziert. Nach 19 Stunden wurde Probe #3 vom Kühlschrank entfernt und mit einem AFM ohne Fixierung analysiert. Probe #3 wurde zurück in den Kühlschrank für 24 Stunden platziert, nach welcher Zeit eine Lichtmikroskopie durchgeführt wurde.
Probe #4:
Probe #4 wurde hergestellt in der für Probe #2 beschriebenen Art und Weise, mit der Ausnahme, dass die Suspension #2 (und nicht Suspension #1) verwendet wurde.
Lichtmikroskopie
Die Proben wurden unter einem Olympus Lichtmikroskop bei 1000 × Vergrößerung und unter Immersionsöl untersucht. Digitalbilder wurden aufgenommen mit einer Olympus DP10 CCD.
Beide Proben #1 und #2 (Suspension von Bakterien ohne Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material) zeigten das Bild von E.coli-Zellen gleichförmig verteilt über die gesamte Oberfläche des Objektträgers (siehe 1 und 2). Die Bilder stellen Bakterien als wohl definierte Kanten aufweisend dar, was nahelegt, dass die Bakterienzellen intakt waren. Keine Veränderung in ihrer Form wurden nach 2 Tagen, gespeichert in einem trockenen Zustand im Kühlschrank, gefunden. Es gab keine detektierbaren Veränderungen in der Bakterienzellenmorphologie zwischen den Proben, die wärmefixiert wurden und nach 3 Stunden nach der Probenherstellung gefärbt wurden, oder wärmefixiert und nach 2 Tagen gespeichert in einem trockenen Zustand im Kühlschrank gefärbt wurden.
Probe #3 zeigte eine komplette Abwesenheit von Bakterien auf den Bereichen des Objektträgers, wo keine Nanoröhren beobachtet wurden. Es wurde lediglich wenig Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertes Material an der Peripherie des Ausstrichs beobachtet. Die Mehrheit des Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierten Materials wurde vom Objektträger abgewaschen, wenn der überschüssige violette Farbstoff vom Objektträger gewaschen wurde. Bakterienkonzentration wurde bei Grenzflächen des Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierten Materials beobachtet (3). Die Bakterienbereiche trennen Partikel, wie in Violett gezeigt.
Probe #4 zeigte auch die Anwesenheit von E.coli an Grenzflächen von Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material, jedoch erscheinen sie im Bild als verschwommene Punkte (4).
Rasterkraftmikroskop-Analyse
Rasterkraftmikroskopie (AFM) wurde durchgeführt mit einem Veeco Dimension 3100 Scanning Probe System im Tapping-Modus.
Probe #2 zeigte E.coli eng zusammengepackt (5). Alle Zellen hatten scharfe Begrenzungen. Man beachte, dass die Abnahme in der Größe und Packungsdichte von Bakterien gesehen werden kann, wenn das AFM Bild von Probe #2 vor der Wärmebehandlung (5) und das optische Bild dieser Probe nach der Wärmebehandlung (2) verglichen wird.
Probe #3 zeigte manche Zellen innerhalb von Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material (6). Die Anwesenheit von zumindest einer individuellen Zelle im oberen mittleren Teil des Bildes ist offensichtlich. Die Begrenzung der E.coli-Zellenwand ist diffus.
Die sich auflösende Struktur der E.coli-Zelle ist auch erkennbar im 3D-Bild (7). Auch hier können wir etwas diffuses Material innerhalb des Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierten Materials sehen.
Ein größerer Oberflächenbereich von Probe #4, der in 10 gezeigt ist, wurde untersucht und alle der E.coli-Zellen sind zersetzt bzw. aufgelöst jenseits des Punkts der Wiedererkennung. Wir können jedoch die Anwesenheit von diffusen E.coli-Fragmenten innerhalb des Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturierten Materials sehen.
Nach Ultraschallbehandlung in entionisiertem Wasser vom E.coli und Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material agglomerierten die zwei Komponenten aufgrund von elektrostatischen und van der Waals Kräften. Bis zur Detektionsgrenze wurde beobachtet, dass alle Bakterien in Suspension in Kontakt mit Kohlenstoffnanoröhren- nanostrukturiertem Material waren und daran anhafteten. Es gab keine freien E.coli-Zellen in Suspension #2 mehr.
Die Zersetzung der E.coli-Zellen begann unmittelbar oder bald nachdem die Zellen in engen Kontakt mit den Nanoröhren kamen. Als ein Ergebnis schienen die Bakterien ihre scharten Begrenzungen zu verlieren und der innere Inhalt der Bakterien schien sich aus der Zelle heraus zu verteilen. Der Beginn dieses Prozesses resultierte nach 3 Stunden der Fixierung (6 und 8) und nach 22 Stunden ging das Verteilen so weit, dass es schwierig ist, einzelne Bakterien zu erkennen (10).
Sofern nicht anders angegeben, verstehen sich alle Zahlen, die Mengen von Bestandteilen, Reaktionsbedingungen usw. angeben, die in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, als modifiziert in allen Fällen durch den Begriff "ungefähr". Folglich sind, sofern nicht anders angegeben, die numerischen Parameter, die in der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen ausgeführt sind, Näherungen, die variieren können abhängig von den gewünschten Eigenschaften, die von der vorliegenden Erfindung erzielt werden sollen.

Claims

Verfahren zum Reinigen von Fluiden, umfassend Kontaktieren eines verunreinigten Fluids mit einem nanostrukturierten Material, umfassend defekte Kohlenstoff-Nanoröhren, ausgewählt aus imprägnierten, funktionalisierten, dotierten, geladenen, überzogenen und bestrahlten Nanoröhren, und Zerstören, Modifizieren, Entfernen oder Abtrennen von mindestens einer Verunreinigung von besagtem Fluid.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner Bilden eines gereinigten Fluidstroms und eines verunreinigten Stroms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin besagtes flüssiges Medium Wasser, Öl, organische oder anorganische Lösungsmittel, die flüssige Form von Stickstoff und Kohlendioxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin besagte Verunreinigungen Pathogene, mikrobiologische Organismen, DNA, RNA, natürliche organische Moleküle, Schimmel, Pilze, natürliche und synthetische Toxine, Schwermetalle Endotoxine, Proteine, Enzyme und Mikro- und Nanopartikel Verunreinigungen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 4, worin besagte natürliche und synthetische Toxine und Schwermetalle Arsen, Blei, Uran, Thallium, Cadmium, Chrom, Selen, Kupfer Thorium einschließen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin besagte Fluide mindestens eine Flüssigkeit oder ein Gas umfassen.
Verfahren nach Anspruch 6, worin besagte Flüssigkeit Wasser ist.
Verfahren nach Anspruch 6, worin besagte Flüssigkeit ausgewählt wird aus Erdöl und seinen Nebenprodukten, biologischen Fluiden, Nahrungsmitteln, alkoholischen Getränken und Medikamenten.
Verfahren nach Anspruch 8, worin besagtes Erdöl und seine Nebenprodukte Flug-, Kraftfahrzeug-, Schiffs- und Lokomotiventreibstoffe, Raketentreibstoffe, Industrie- und Maschinenöle und Schmiermittel und Heizöle und Gase umfassen.
Verfahren nach Anspruch 9, worin besagtes Erdöl und seine Nebenprodukte Flugtreibstoff umfassen und besagte Verunreinigungen Bakterien umfassen.
Verfahren nach Anspruch 8, worin besagte biologische Fluide aus Tieren, Menschen, Pflanzen abgeleitet werden oder eine Wachstumsbrühe umfassen, welche in der Verarbeitung eines biotechnologischen oder pharmazeutischen Produkts verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, worin besagte biologische Fluide Blut, Milch und Bestandteile von beiden umfassen.
Verfahren nach Anspruch 8, worin besagte Nahrungsmittel ausgewählt werden aus Tier-Nebenprodukten, Fruchtsaft, natürlichen Sirupen und natürlichen und synthetischen Ölen, welche in der Speisezubereitungs- oder Nahrungsmittelindustrie verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, worin besagte Tier-Nebenprodukte Milch und Eier einschließen.
Verfahren nach Anspruch 13, worin besagte in der Speisezubereitungs- oder Nahrungsmittelindustrie verwendeten natürlichen und synthetischen Öle Olivenöl, Erdnussöl, Blütenöle und Pflanzenöle umfassen.
Verfahren nach Anspruch 8, worin besagte alkoholische Getränke Bier, Wein oder Branntweine umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin besagte Verunreinigungen ausgewählt werden aus mindestens einer der Folgenden: Salze, Metalle, Pathogene, mikrobiologische Organismen, DNA, RNA, natürliche organische Moleküle, Schimmel, Pilze und natürliche und synthetische Toxine, Endotoxine, Proteine und Enzyme.
Verfahren nach Anspruch 17, worin besagte natürliche und synthetische Toxine chemische und biologische Kampfstoffe umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin besagtes Gas die Luft umfasst.
Verfahren des Reinigens von Wasser, umfassend: Kontaktieren eines verunreinigten Wassers mit einem nanostrukturierten Material, umfassend defekte Kohlenstoff-Nanoröhren, ausgewählt aus imprägnierten, funktionalisierten, dotierten, geladenen, überzogenen und bestrahlten Nanoröhren, und worin besagtes verunreinigtes Wasser für eine Zeit kontaktiert wird, welche ausreichend ist, mindestens eine Verunreinigung von besagtem Wasser zu zerstören, modifizieren, entfernen oder abzutrennen.
Verfahren nach Anspruch 20, worin besagte Verunreinigungen zu einem Grad von mindestens 3 log (99,9%), vorzugsweise zu einem Grad von mindestens 4 log (99,99%), vorzugsweise zu einem Grad von mindestens 5 log (99,999%) entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, worin besagtes nanostrukturiertes Material mit Bestandteilen behandelt ist, die die biologische oder chemische Wirksamkeit von besagtem Wasser modifizieren.
Verfahren nach Anspruch 20, welches ferner Bilden eines sauberen Wasserstroms umfasst, der von einem Verunreinigung enthaltenden Strom verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 20, worin besagte defekte Kohlenstoff-Nanoröhren einen Defekt enthalten, welcher eine Gitterstörung in mindestens einem Kohlenstoffring ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 20, worin besagte Kohlenstoff-Nanoröhren mindestens ein Ende haben, welches mindestens teilweise offen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 20, worin besagtes nanostrukturiertes Material mit Bestandteilen behandelt ist, die die biologische oder chemische Wirksamkeit von besagtem Fluid oder Wasser modifizieren.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 20, worin besagtes nanostrukturiertes Material besagte Kohlenstoff-Nanoröhren in einem flüssigen, festen oder gasförmigen Medium in einer Menge umfassen, welche ausreichend ist, Verunreinigungen in besagtem Fluid oder Wasser im Wesentlichen zu zerstören, modifizieren, entfernen oder abzutrennen.
Verfahren nach Anspruch 27, worin besagte Kohlenstoff-Nanoröhren in besagtem Medium durch eine mechanische Kraft oder ein Feld erhalten werden, ausgewählt aus elektromagnetischen, akustischen und optischen Feldern oder Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 27, worin besagtes festes Medium mindestens einen Bestandteil umfasst, ausgewählt aus Fasern, Substraten und Partikeln.
Verfahren nach Anspruch 29, worin besagte Kohlenstoff-Nanoröhren zu Fasern, Substraten und Partikeln miteinander verbunden und/oder verbunden sind, um eine Nanomembran zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 27, worin besagtes flüssiges Medium Wasser, Öl, organisches Lösungsmittel, die flüssige Form von Stickstoff und Kohlendioxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 27, worin besagtes gasförmiges Medium die Luft oder ein Gas umfasst, ausgewählt aus Argon, Stickstoff, Helium, Ammoniak und Kohlendioxid.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 20, worin besagte Kohlenstoff-Nanoröhren eine geschnörkelte röhrenförmige oder nicht-röhrenförmige Nanostruktur aus Kohlenstoffringen haben.
Verfahren nach Anspruch 33, worin besagte Kohlenstoff-Nanoröhren mit einer geschnörkelten röhrenförmigen oder nicht-röhrenförmigen Nanostruktur aus Kohlenstoffringen einwandig, mehrwandig, nano-geschnörkelt oder Kombinationen davon sind.
Verfahren nach Anspruch 34, worin besagte Kohlenstoff-Nanoröhren mit einer geschnörkelten röhrenförmigen oder nicht-röhrenförmigen Nanostruktur eine Morphologie haben, ausgewählt aus Nanohörnern, Zylinder-, Nanospiralen-, Dendriten-, Bäumen-, Spinnen-Nanoröhren-Strukturen, Nanorohr-Y-Verbindungen und Bambus-Morphologie.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 20, worin das Material, das imprägniert, funktionalisiert, dotiert und/oder auf besagte Kohlenstoff-Nanoröhre übergezogen wird, in einer Menge gefunden wird, welche ausreichend ist, um wirksamen und/oder selektiven Transport von Fluiden oder Bestandteilen davon in, aus, durch, entlang oder um besagte Nanoröhren herum zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 36, worin besagtes Material das gleiche Material umfasst, das verwendet wird, um selektiv in, aus, durch, entlang oder um besagte vorbehandelte, defekte Nanoröhren herum zu transportieren.
Verfahren nach Anspruch 36, worin besagtes Material mindestens eine Verbindung umfasst, ausgewählt aus Sauerstoff, Wasserstoff, ionischen Verbindungen, halogenierten Verbindungen, Zuckern, Alkoholen, Peptiden, Aminosäuren, RNA, DNA, Endotoxinen, metallorganischen Verbindungen, Oxiden, Boriden, Carbiden, Nitriden und elementaren Metallen und Legierungen davon.
Verfahren nach Anspruch 36, worin besagte Oxide ein Oxid von Kohlenstoff, Schwefel, Stickstoff, Chlor, Eisen, Magnesium, Silicium, Zink, Titan oder Aluminium umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 20, worin besagte Kohlenstoff-Nanoröhren, die funktionalisiert sind, an die Oberfläche der besagten Kohlenstoff-Nanoröhren angefügte anorganische oder organische Verbindungen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 40, worin besagte organische Verbindungen lineare oder verzweigte, gesättigte oder ungesättigte Gruppen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 40, worin besagte organische Verbindungen mindestens eine chemische Gruppe umfassen, ausgewählt aus Carboxylen, Aminen, Polyamiden, Polyamphiphilen, Diazoniumsalzen, Pyrenylen, Silanen und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 42, worin sich besagte mindestens eine chemische Gruppe an mindestens einem Ende von besagten Kohlenstoff-Nanoröhren befindet und gegebenenfalls polymerisiert sind.
Verfahren nach Anspruch 40, worin besagte anorganische Verbindungen mindestens eine Fluorverbindung von Bor, Titan, Niob, Wolfram und Kombinationen davon umfassen.
Verfahren nach Anspruch 40, worin besagte anorganische oder organische Verbindungen ein Halogenatom oder halogenierte Verbindung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 40, worin besagte funktionalisierte Kohlenstoff-Nanoröhren eine nicht-Gleichförmigkeit in der Zusammensetzung und/oder Dichte von funktionalen Gruppen über der Oberfläche von besagten Kohlenstoff-Nanoröhren und/oder über mindestens einer Dimension von besagtem nanostrukturierten Material umfassen.
Verfahren nach Anspruch 40, worin besagte funktionalisierte Kohlenstoff-Nanoröhren einen im Wesentlichen gleichförmigen Gradienten von besagten anorganischen oder organischen Gruppen über der Oberfläche von besagten Kohlenstoff-Nanoröhren und/oder über mindestens einer Dimension von besagtem nanostrukturierten Material umfassen.
Verfahren nach Anspruch 20, welches ferner Laden besagter Kohlenstoff-Nanoröhren auf ein Niveau umfasst, welches ausreichend ist, die Zerstörung, Modifikation, Entfernung oder Abtrennung besagter Verunreinigungen zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 48, worin besagte Kohlenstoff-Nanoröhren durch chemische Methodiken, Bestrahlung, kapazitives Laden oder Wasser, welches angrenzend an und/oder durch besagte Kohlenstoff-Nanoröhren fließt, geladen werden, worin Laden vor oder gleichzeitig mit besagter Funktionalisierung und/oder besagtem Überziehen stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 20, worin besagte bestrahlte Kohlenstoff-Nanoröhren durch mindestens eine Partikelart bestrahlt werden, ausgewählt aus Photonen, Elektronen, Kern- und Ionenpartikeln, besagte Bestrahlung in einer Menge ist, welche ausreichend ist, mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff- und oder Kohlenstoff-Dotiersubstanz-Bindungen zu brechen oder besagte Struktur zu aktivieren.
Verfahren nach Anspruch 29, worin besagte Fasern, Substrate und Partikel ausgewählt werden aus mindestens einem metallischen, keramischen und polymeren Material.
Verfahren nach Anspruch 51, worin besagtes polymeres Material Ein- oder Mehrkomponenten-Polymere, Nylon Polyurethan, Acrylsäure, Methacrylsäure, Polycarbonat, Epoxy, Silicongummis, natürliche Gummis, synthetische Gummis, vulkanisierte Gummis, Polystyrol, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyparaphylenterephtalamid, Poly(p-phenylenterephtalamid), Polyesteresterketen, Polyethylenterephthalat, Viton-Fluorelastomer, Polyetrafluorethylen, Polyetrafluorethylen, Polyvinylchlorid, Polyester (Polyethylenterephthalat), Polypropylen und Polychlorpren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 52, worin besagte Mehrkomponenten-Polymere mindestens zwei unterschiedliche Glasübergangs- oder Fließtemperaturen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 52, worin besagtes keramisches Material ausgewählt wird aus mindestens einem der Folgenden: Borcarbid, Bornitrid, Boroxid, Borphosphat Spinell, Granat, Lanthanfluorid, Calciumfluorid, Siliciumcarbid, Kohlenstoff und seinen Allotropen, Siliciumoxid, Glas, Quartz, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirconiumoxid, Zirconiumcarbid, Zirconiumborid, Zirconiumnitrit, Hafniumborid, Thoriumoxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Phosphoroxid, Cordierit, Mullit, Siliciumnitrid, Ferrit, Saphir, Steatit, Titancarbid, Titannitrid, Titanborid und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 52, worin besagtes metallisches Material ausgewählt wird aus mindestens einem der Folgenden: Aluminium, Bor, Kupfer, Cobalt, Gold, Platin, Silicium, Stahl, Titan, Rhodium, Indium, Eisen, Palladium, Germanium, Zinn, Blei, Wolfram, Niob, Molybdän, Nickel, Silber, Zirconium, Yttrium und Legierungen davon.
Verfahren nach Anspruch 29, worin besagte Partikel einen Durchmesser von bis zu 100 Mikron haben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 20, worin der Überzug auf besagten überzogenen Kohlenstoff-Nanoröhren ein metallisches oder polymeres Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 57, worin besagtes metallisches Material mindestens ein Metall umfasst, ausgewählt aus Gold, Platin, Titan, Rhodium, Iridium, Indium, Kupfer, Eisen, Palladium, Gallium, Germanium, Zinn, Blei, Wolfram, Niob, Molybdän, Silber, Nickel, Cobalt, Metallen der Lanthangruppe und Legierungen davon.
Verfahren nach Anspruch 57, worin besagtes polymeres Material ausgewählt wird aus Mehrkomponenten-Polymeren, Nylon, Polyurethan, Acrylsäure, Methacrylsäure, Polycarbonat, Epoxy, Silicongummis, natürlichen Gummis, synthetischen Gummis, vulkanisierten Gummis, Polystyrol, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyparaphylenterephtalamid, Poly(p-phenylenterephtalamid), Polyesteresterketen, Polyethylenterephthalat, Viton-Fluorelastomer, Polyetrafluorethylen, Polyetrafluorethylen), Polyvinylchlorid, Polyester (Polyethylenterephthalat), Polypropylen und Polychlorpren.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 20, worin Entfernen und/oder Abtrennen von besagten Verunreinigungen einen Mechanismus umfasst, ausgewählt aus Größenausschluss, Absorption und Adsorption.
Verfahren nach Anspruch 20, worin besagte Verunreinigungen Pathogene, mikrobiologische Organismen, DNA, RNA, natürliche organische Moleküle, Schimmel, Pilze, natürliche und synthetische Toxine, Schwermetalle, Endotoxine, Proteine, Enzyme und Mikro- und Nanopartikel Verunreinigungen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 61, worin besagte natürliche und synthetische Toxine und Schwermetalle Arsen, Blei, Uran, Thallium, Cadmium, Chrom, Selen, Kupfer Thorium, chemische und biologische Kampfstoffe einschließen.
Verfahren nach Anspruch 20, worin besagte Verunreinigungen Salz umfassen.