ES2291859T3 - Purificacion de fluidos con nanomateriales. - Google Patents
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Abstract
Un método para purificar fluidos que comprende poner en contacto un fluido contaminado con un material nanoestructurado que comprende nanotubos de carbono defectuosos elegidos entre nanotubos impregnados, funcionalizados, dopados, cargados, recubiertos, e irradiados, y destruir, modificar, retirar, o separar al menos un contaminante de dicho fluido.
Description
Purificación de fluidos con nanomateriales.
Esta solicitud reivindica el beneficio de
prioridad nacional a la Solicitud de Patente Provisional de Estados
Unidos Número de Serie 60/452.530 presentada el 7 de marzo de 2003,
la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos Número de
Serie 60/468.109 presentada el 6 de mayo de 2003, y la Solicitud de
Patente Provisional de Estados Unidos Número de Serie 60/439.375
presentada el 3 de septiembre de 2003.
La presente descripción se refiere a la
purificación de fluidos, tales como líquidos y gases, usando un
material nanoestructurado que comprende nanotubos de carbono
defectuosos elegidos entre nanotubos impregnados, funcionalizados,
dopados, cargados, recubiertos, e irradiados. La presente
descripción también se refiere a la purificación de agua usando el
material nanoestructurado.
Hay muchos procedimientos y procesos para tratar
fluidos para su consumo, uso, eliminación, y otras necesidades.
Entre los más frecuentes están la pasteurización para esterilizar
productos alimenticios, tratamientos químicos para esterilizar
agua, destilación para purificar líquidos, centrifugación y
filtración para retirar particulados, decantado para separar dos
fases de fluidos, ósmosis inversa para desalinizar líquidos,
electrodiálisis para desalinizar líquidos, y procesos catalíticos
para convertir reactivos indeseables en productos útiles. Cada uno
de estos métodos es muy adecuado para aplicaciones particulares de
modo que habitualmente se usa una combinación de métodos para un
producto final.
Los materiales nanotecnológicos son prometedores
porque ayudarán a hacer cosas de forma más rentable que sus
equivalentes tradicionales. En el área de la purificación de
líquidos, sería muy ventajosa cualquier tecnología que pueda
disminuir el coste global, simplifique un proceso, y mejore la
eficacia.
Muchos de estos procesos se mejorarían usando
tecnologías de purificación con nanomateriales. Los materiales
nanoporosos serían útiles para retirar microorganismos, particulados
de tamaño micrométrico, y otros materiales muy finos. Las membranas
de ósmosis inversa fabricadas con nanomateriales podrían ayudar a
mejorar el flujo de agua a través de la membrana. Incorporar
nanomateriales fuertes en cualquiera de los procesos anteriores
disminuiría el peso de todos estos componentes. Pero dos procesos
parecen especialmente prometedores para la purificación de fluidos
con nanomateriales: esterilización y desalinización.
Hay muchas tecnologías diferentes disponibles
para la esterilización de líquidos. La adsorción, tratamientos
químicos, desinfección con ozono, e irradiación UV funcionan todos
muy bien para la retirada de microbios patogénicos. Sin embargo,
cada una de estas tecnologías tiene limitaciones, incluyendo la
eficacia global, coste inicial y de funcionamiento, riesgo de
subproductos, necesidad de pretratamiento de líquidos, uso o
producción de compuestos peligrosos, y otras limitaciones.
Aunque los métodos químicos son los de uso más
extendido, tienen varias deficiencias. Dichos inconvenientes
incluyen el aumento de la adaptación microbiológica a sus efectos
destructivos (por ejemplo, Cryptosporidium parvum),
cuestiones de seguridad asociadas con el uso y almacenamiento de
cloro, y el impacto medioambiental. La irradiación UV está ganando
popularidad pero el líquido debe ser transparente para que sea
eficaz, no debe romper ninguna formación de biopelícula, y es muy
caro de instalar y hacer funcionar.
En aplicaciones industriales y municipales tales
como plantas de agua y agua residual, los tres métodos más
ampliamente usados de esterilización de líquidos son: ozono, cloro,
e irradiación ultravioleta. Las recientes publicaciones de la U.S.
Environmental Protection Agency han identificado las ventajas y
desventajas de cada método.
El ozono es más eficaz que el cloro para
destruir virus y bacterias, tiene un corto tiempo de contacto
(10-30 minutos) para su eficacia, no deja residuos
dañinos ya que se descompone rápidamente, y se genera en el sitio
de modo que no hay riesgos de transporte. Por otro lado, a bajas
dosificaciones el ozono puede no ser eficaz, es más complejo que
los UV o el cloro, es muy reactivo y corrosivo, es tóxico, los
costes capitales pueden ser elevados y las necesidades energéticas
pueden ser elevadas.
El cloro es más rentable que el ozono o los UV,
sus residuos pueden prolongar la desinfección, es fiable y eficaz
contra un intervalo de organismos patogénicos, y ofrece un control
de dosificación flexible. El cloro, sin embargo, tiene riesgos
significativos que incluyen el hecho de que los residuos de cloro
son tóxicos para la vida acuática, el cloro es corrosivo y tóxico,
la oxidación del cloro de materia orgánica crea compuestos
peligrosos, y algunas especies parasitarias han mostrado
resistencia. Además, el cloro puede unirse a material orgánico
natural para crear compuestos carcinogénicos peligrosos para su
consumo.
La irradiación ultravioleta se ha usado durante
algún tiempo porque inactiva de forma eficaz la mayoría de las
esporas, virus, y quistes, elimina riesgos de manipular compuestos
químicos, no deja residuos que puedan ser dañinos, es fácil de usar
para los operarios, requiere un tiempo de contacto muy corto
(20-30 segundos) para su eficacia y requiere menos
espacio. Los inconvenientes de la irradiación UV incluyen: que a
bajas dosificaciones puede no ser eficaz; que los organismos a
veces pueden revertir y reparar el daño de los UV; que los tubos
pueden contaminarse lo que requiere un frecuente mantenimiento
preventivo; que la turbidez puede volver a la irradiación UV
ineficaz, las necesidades energéticas son muy elevadas. Además, la
eliminación de las lámparas UV peligrosas puede ser cara.
En respuesta a los inconvenientes de los métodos
de desinfección conocidos, se han intentado varios enfoques nuevos.
Por ejemplo, la Patente de Estados Unidos Nº 6.514.413, describe el
uso de un material de adsorción de bacterias, compuesto. Dicho
material de adsorción de bacterias, sin embargo, ha demostrado ser
propenso a biocontaminación y al crecimiento bacteriano en su
interior para una reproducción continuada. La Solicitud de Patente
de Estados Unidos Nº de serie 09/907.092 describe un generador de
oxidante portátil para generar una solución de cloro o
cloro-oxígeno para esterilizar el agua potable
contaminada. La Patente de Estados Unidos Nº 6.495.052 describe un
sistema y método para el tratamiento de agua que introduce un
bactericida en el agua y después lo retira antes del consumo. La
Solicitud de Patente de Estados Unidos Nº de serie 10/029.444
describe un método por el que el agua se somete a la luz de un láser
como medio de desinfección.
De nuevo, sin embargo, estos enfoques dependen
de elevados aportes de electricidad, compuestos químicos tóxicos, o
tiempos de contacto largos para su eficacia. Lo que aún se necesita
es un método que tenga necesidades energéticas mínimas, no utilice
compuestos químicos tóxicos, y requiera un tiempo de contacto muy
corto, y pueda realizarse en un dispositivo portátil.
La desalinización de líquidos sería muy útil
para agua potable, fluidos biológicos, medicinas, compuestos
químicos, petróleo y sus derivados, y muchos otros líquidos. Además,
la desalinización del agua sería beneficiosa ya que menos del 0,5%
del agua de la tierra es directamente adecuada para usos de consumo
humano, agrícola, o industrial. Por consiguiente, la desalinización
está encontrado un apoyo creciente en todo el mundo para producir
agua potable a partir de agua subterránea salobre y agua de mar ya
que compone aproximadamente el otro 99,5% del agua
disponible.
disponible.
Se estima que hay unas 4.000 plantas de
desalinización de agua en el mundo con una capacidad combinada de
más de 13.249 millones de litros por día (3.500 millones de galones
por día (mgd)). Aproximadamente el 55% de esta capacidad está en
Oriente Medio y el 17% está en los Estados Unidos, mucho de lo cual
es para uso industrial. El agua desalinizada ahora representa
aproximadamente el 1,4% del agua consumida en los Estados Unidos
para propósitos domésticos e industriales.
Hay esencialmente cinco métodos básicos de
desalinización: térmico, por ósmosis inversa, por electrodiálisis,
por intercambio iónico, y por congelación. Los procesos térmico y de
congelación retiran agua dulce de una solución salina dejando
salmuera concentrada. La ósmosis inversa y la electrodiálisis
emplean membranas para separar las sales del agua dulce. El
intercambio iónico implica pasar agua salina sobre resinas que
intercambian iones más deseables por iones menos deseables.
Solamente los procesos térmico y de ósmosis inversa están
actualmente disponibles en el mercado.
Como se ha explicado en la Patente de Estados
Unidos Nº 5.217.581 y la Patente de Estados Unidos Nº 6.299.735,
los procesos térmicos implican hervir o evaporar de otro modo el
agua salina y condensar el vapor como fresca dulce, dejando una
solución de salmuera más concentrada. La necesidad energética para
la destilación es relativamente elevada en comparación con otros
métodos. En parte porque la energía necesaria para la destilación no
aumenta apreciablemente con la salinidad creciente del agua de
suministro, se usa ampliamente en Oriente Medio para tratar agua de
mar.
Como se ha descrito en la Patente de Estados
Unidos Nº 3.462.362, la ósmosis inversa es un proceso de membrana
que emplea la tendencia del agua dulce de pasar a través de una
membrana semipermeable en una solución salina, diluyendo de este
modo el agua más salina. El agua dulce se mueve a través de la
membrana como si se presionara sobre ella, lo que se llama presión
osmótica. Aplicando presión muy elevada al agua salina en un lado de
una membrana semipermeable, puede forzarse al agua dulce a través
de la membrana en la dirección opuesta a la del flujo osmótico.
Este proceso se llama ósmosis inversa. Aunque requiere mucha energía
(para crear la elevada presión), las necesidades energéticas de la
ósmosis inversa generalmente son inferiores que las de la
destilación aunque el uso de su agua de suministro es más ineficaz
que otros métodos. Además, las membranas son muy caras, delicadas,
y propensas a contaminación.
La desalinización por electrodiálisis es un
proceso de membrana que retira contaminantes y sal de líquidos
usando una corriente eléctrica para extraer las impurezas iónicas a
través de membranas selectivas para iones y alejarlas de los
líquidos tratados. Se usan dos tipos de membranas selectivas para
iones - una permite el paso de iones positivo y una permite el paso
de iones negativos entre los electrodos de una célula electrolítica.
Se usa electricidad para superar la resistencia del ión a través de
la membrana selectiva para iones. Cuanto mayor es la resistencia,
mayor es la demanda de energía, y por tanto los costes energéticos
aumentarán según aumente la resistencia. Cuando se aplica una
corriente eléctrica para dirigir los iones, el líquido limpio se
queda entre las membranas. La cantidad de electricidad necesaria
para la electrodiálisis, y por lo tanto su coste de funcionamiento,
aumenta con la salinidad creciente del líquido de suministro.
Las resinas de intercambio iónico remplazan
iones hidrógeno e hidróxido con iones salinos. Varios municipios
usan el intercambio iónico para ablandar el agua, y las industrias
usan habitualmente resinas de intercambio iónico como tratamiento
final después de la ósmosis inversa o electrodiálisis para producir
agua muy pura. El coste principal del intercambio iónico es en
mantener o reemplazar las resinas. Cuanto mayor es la concentración
de las sales disueltas, más frecuentemente tendrán que regenerarse
las resinas y por consiguiente el intercambio iónico se usa
raramente para la retirada de sal a gran escala.
Los procesos de congelación implican tres fases:
congelación parcial del agua salina en la que se forman cristales
de hielo de agua dulce, separación de estos cristales de hielo de la
salmuera, y después fusión de los cristales de hielo (por ejemplo,
la Patente de Estados Unidos Nº 4.199.961). La congelación tiene
algunas ventajas sobre otros procesos ya que requiere menos energía
y sus bajas temperaturas de funcionamiento minimizan la corrosión y
problemas de formación de costras. Las necesidades energéticas de
los procesos de congelación son elevadas y generalmente son
comparables a las de la ósmosis inversa. Las tecnologías de
congelación aún se están investigando y desarrollando y no se
utilizan ampliamente. La tecnología de congelación no es una
tecnología compatible para dispositivos de desalinización
portátiles.
Se han inventado también varios condensadores
para el propósito de desalinización. La Patente de Estados Unidos
Nº 4.948.514 describe un método y aparato para separar iones de un
líquido. La Patente de Estados Unidos Nº 5.192.432 describe un
método de "condensador de flujo continuo" para separar iones de
un líquido. Sin embargo, estos dispositivos no han encontrado uso a
gran escala porque no son económicamente viables. El documento US
6.538.262 describe un semiconductor metálico a nanoescala que
comprende nanotubos de carbono que tienen defectos topológicos o
químicos en la estructura atómica del nanotubo. El documento US
2002/0150524 describe un método para producir un compuesto de
nanotubos de carbono de pared única.
La presente descripción resuelve los problemas
mencionados anteriormente ya que se refiere a métodos de
purificación de fluidos basados en materiales nanotecnológicos. Un
aspecto de la presente descripción se refiere a un método para
purificar fluidos, que comprende poner en contacto un fluido
contaminado con material nanoestructurado que comprende nanotubos
de carbono defectuosos elegidos entre nanotubos impregnados,
funcionalizados, dopados, cargados, recubiertos, e irradiados, y
destruir, modificar, retirar o separar al menos un contaminante de
dicho fluido. "Nanoestructurado" se refiere a una estructura en
una nanoescala (por ejemplo, una billonésima de un metro), tal como
a nivel atómico o molecular. "Material nanoestructurado" es un
material que comprende al menos uno de los componentes de nanotubo
de carbono mencionados anteriormente. "Nanomembrana" es una
membrana compuesta por un material nanoestructurado. Los nanotubos
de carbono defectuosos son aquellos que contienen una distorsión de
red en al menos un anillo de carbono. Una distorsión de red
significa cualquier distorsión de la red cristalina de los átomos
del nanotubo de carbono que forman la estructura de lámina tubular.
Los ejemplos no limitantes incluyen cualquier desplazamiento de
átomos a causa de la deformación inelástica, o la presencia de
anillos de carbono de 5 y/o 7 miembros, o la interacción química
seguida por el cambio en la hibridación sp^{2} de los enlaces de
los átomos de carbono.
Otro aspecto de la invención se refiere a
nanotubos alargados constituidos esencialmente de carbono, donde el
nanotubo está distorsionado por defectos cristalinos, similares a
los descritos anteriormente. En esta realización, los nanotubos
están distorsionados, debido a los defectos, a un grado que los
nanotubos, cuando se tratan, tengan actividad química
significativamente mayor que permita que el nanotubo reaccione con,
o se una a, especies químicas que no reaccionarían con o se unirían
a nanotubos no distorsionados y/o no tratados.
En un aspecto de la invención, los nanotubos de
carbono están presentes en el material nanoestructurado en una
cantidad suficiente para destruir, modificar, retirar, o separar
sustancialmente contaminantes en un fluido que entra en contacto
con el material nanoestructurado. Los nanotubos de carbono se tratan
para conseguir dichas propiedades. Por ejemplo, tratamientos
químicos de los nanotubos de carbono pueden conducir a que los
nanotubos resultantes tengan al menos un extremo que está al menos
parcialmente abierto. Los nanotubos que tienen dichos extremos
pueden proporcionar propiedades únicas, desde el punto de vista del
flujo de fluido o desde el punto de vista de la funcionalización,
por ejemplo, tener la capacidad de que ese extremo esté
particularmente funcionalizado, por ejemplo.
En otro aspecto de la invención, el material que
se usa para impregnar, funcionalizar, dopar, o recubrir los
nanotubos de carbono está presente en una cantidad suficiente para
conseguir el transporte activo y/o selectivo de fluidos o
componentes de los mismos al interior de, fuera de, a través de, a
lo largo de o alrededor de los nanotubos de carbono. Este material
puede comprender el mismo material que se transporta selectivamente
al interior de, fuera de, a través de, a lo largo de o alrededor de
los nanotubos de carbono.
Por ejemplo, un material nanoestructurado usado
para retirar arsénico de un fluido, primero puede impregnarse con
iones arsénico. Estos iones arsénico se mencionan como el "ión
diana." Un "ión diana" generalmente incluye un ión que está
impregnado (funcionalizado, dopado o recubierto) en el nanotubo de
carbono, y que es igual que el ión del contaminante encontrado en
el fluido a limpiar o purificar.
\newpage
Como se usa en este documento, "impregnado"
significa que los nanotubos de carbono están al menos parcialmente
cargados con el material de interés que, como se ha mostrado
anteriormente, puede comprender el mismo ión del contaminante a
retirar del fluido contaminado. Impregnando un ión diana en los
nanotubos de carbono, los nanotubos, y de hecho la nanoestructura
fabricada de los nanotubos, se impriman o "estimulan" a aceptar
y/o atraer los mismos iones encontrados en el fluido
contaminado.
Aunque el ejemplo anterior se refiere a iones
impregnados, se aplican los mismos métodos para estimular o
imprimar los nanotubos de carbono con iones deseados por cualquiera
de los procedimientos descritos, por ejemplo, funcionalización,
dopado, recubrimiento, y combinación de los mismos. Un nanotubo de
carbono dopado se refiere a la presencia de átomos, diferentes de
carbono, en el material nanoestructurado.
Con respecto a la impregnación, puede fabricarse
un dispositivo de separación específica de iones compuesto de un
nanotubo de carbono impregnado con el ión diana. Para este
dispositivo, los nanotubos impregnados se fabrican de tal modo que
pueda inducirse una corriente de electrones o fotones por un medio
electromagnético, o un medio acústico o por conexión eléctrica o
física directa, y tengan sitios defectuosos que puedan abrirse a
través de la química de funcionalización para crear canales
iónicos.
En la estimulación de los nanotubos de carbono
cargando al menos parcialmente los nanotubos de carbono con iones
contaminantes diana, se crearán pozos cuánticos específicos de iones
en la región hueca del nanotubo debido a la naturaleza
cuasi-monodimensional del nanotubo de carbono
definida por su morfología. Esto creará una trampa
"pre-programada" o específica de iones cuando
el ión se mueve o cataloga a través del nanotubo. Cuando el ión se
mueve en el nanotubo, la trampa específica de iones se deja atrás,
en la estructura cuántica cuasi-monodimensional del
nanotubo.
Como el fluido contaminado iónico entra en
contacto con el material nanoestructurado tratado
"pre-programado" que contiene los iones diana,
el ión diana será capaz de minimizar su energía libre adsorbiendo y
cargando la trampa específica de iones en el nanotubo. La adición
del ión diana en el nanotubo causará un cambio en la resistencia,
que desencadenará una respuesta de corriente eléctrica y/o fonónica
que moverá al menos un ión a través del nanotubo y fuera del
sistema. El material puede programarse o reprogramarse dependiendo
del ión con que se ha cargado el dispositivo nanoestructurado de
nanotubos.
Como la concentración iónica cambia, el
dispositivo no tendrá que consumir energía porque solamente se
requiere energía cuando están presentes iones diana. La
construcción en procesos auto-limitantes tendrá la
ventaja del hecho de que cuando no hay iones diana en el fluido no
se requiere energía para retirarlos.
Dependiendo del contaminante a retirar del
fluido contaminado, el material diana o el material que se usa para
impregnar, funcionalizar, dopar, o recubrir los nanotubos de carbono
puede comprender al menos un compuesto elegido entre oxígeno,
hidrógeno, compuestos iónicos, compuestos halogenados, azúcares,
alcoholes, péptidos, aminoácidos, ARN, ADN, endotoxinas, compuestos
metalo-orgánicos, óxidos, boruros, carburos,
nitruros, y metales elementales y aleaciones de los mismos.
Los óxidos comprenden cualquier óxido bien
conocido generalmente usado en la técnica, tal como un óxido de
carbono, azufre, nitrógeno, cloro, hierro, magnesio, silicio, zinc,
titanio, o aluminio.
En un aspecto, el material nanoestructurado
comprende los nanotubos de carbono que se colocan en, y
opcionalmente se dispersan mediante ultrasonicación, en un medio
líquido, sólido, o gaseoso. Los nanotubos de carbono pueden
mantenerse en dicho medio por una fuerza mecánica o un campo elegido
entre, campos mecánicos, químicos, electromagnéticos, acústicos, y
ópticos o combinaciones de los mismos. Un especialista en la técnica
entendería que los campos acústicos comprenden ciertas frecuencias
de ruido en el interior de una cavidad para formar ondas permanentes
que mantienen los nanotubos de carbono en una posición
sustancialmente estática.
De forma similar, un campo óptico puede
comprender una serie única o activa de pinzas ópticas generadas por
el paso de luz láser a través de un holograma.
El medio sólido en que pueden encontrarse los
nanotubos de carbono generalmente comprende al menos un componente
elegido entre fibras, sustratos, y partículas, cada una de las
cuales puede comprende materiales metálicos, cerámicos, y/o
poliméricos. En un medio sólido, los nanotubos de carbono están
interconectados y/o conectados a fibras, sustratos, y partículas,
tales como las que tienen un diámetro de hasta 100 micrómetros, para
formar una nanomembrana.
El tamaño de partícula se determina por un
número de distribución, por ejemplo, por el número de partículas
que tienen un tamaño particular. El método típicamente se mide por
técnicas microscópicas, tales como por un microscopio óptico
calibrado, por perlas de poliestireno calibradas y por un
microscopio de fuerza de barrido calibrado o un microscopio
electrónico de barrido o un microscopio de barrido de efecto túnel y
un microscopio electrónico de barrido. Los métodos para medir las
partículas de los tamaños descritos en este documento se muestran
en Walter C. McCrone's et al., The Particle Atlas, (An
encyclopedia of techniques for small particle identification), Vol.
1, Principles and Techniques, Ed. Two (Ann Arbor Science Pub.).
En diferentes aspectos de la presente invención,
el material polimérico del medio sólido comprende polímeros de un
único o múltiples componentes (ventajosamente donde los polímeros de
múltiples componentes tienen al menos dos temperaturas de
transición vítrea o fusión diferentes), nylon, poliuretano,
compuestos acrílicos, compuestos metacrílicos, policarbonato,
epoxi, gomas de silicona, gomas naturales, gomas sintéticas, gomas
vulcanizadas, poliestireno, tereftalato de polietileno, tereftalato
de polibutileno, Nomex (poli-parafilen
tereftalamida), Kevlar poli(p-fenilen
tereftalamida), PEEK (poliéster de éster de ceteno), Mylar
(tereftalato de polietileno), viton (fluoroelastómero viton),
polietrafluoroetileno, polímeros halogenados, tales como
poli(cloruro de vinilo) (PVC), poliéster (tereftalato de
polietileno), polipropileno, y policloropreno.
Las al menos dos temperaturas de transición
vítrea o fusión diferentes de los polímeros de múltiples componentes
descritos en este documento se miden calentando a una temperatura a
la que el material tenga deformación inelástica.
En un aspecto de la invención, el material
cerámico del medio sólido comprende al menos uno de los siguientes:
carburo de boro, nitruro de boro, óxido de boro, fosfato de boro,
compuestos que tienen una estructura en espinela o granate,
fluoruro de lantano, fluoruro cálcico, carburo de silicio, carbono y
sus alótropos, óxido de silicio, vidrio, cuarzo, óxido de aluminio,
nitruro de aluminio, óxido de circonio, carburo de circonio, boruro
de circonio, nitruro de circonio, boruro de hafnio, óxido de torio,
óxido de itrio, óxido de magnesio, óxido de fósforo, cordierita,
mulita, nitruro de silicio, ferrita, zafiro, esteatita, carburo de
titanio, nitruro de titanio, boruro de titanio, y combinaciones de
los mismos.
En otro aspecto de la invención, el material
metálico del medio sólido comprende al menos uno de los siguientes
elementos: aluminio, cobre, cobalto, oro, platino, silicio, titanio,
rodio, indio, hierro, paladio, germanio, estaño, plomo, tungsteno,
niobio, molibdeno, níquel, plata, circonio, itrio, y aleaciones de
los mismos, incluyendo una aleación de hierro, es decir, acero.
El medio líquido en el que los nanotubos de
carbono pueden encontrarse incluye agua, aceite, disolventes
orgánicos e inorgánicos, así como el líquido de nitrógeno y dióxido
de carbono.
El medio gaseoso en el que los nanotubos de
carbono pueden encontrarse incluye el aire, o un gas elegido entre
argón, nitrógeno, helio, amoniaco, y dióxido de carbono.
Un aspecto de la presente descripción se refiere
al uso de nanotubos de carbono que tienen una nanoestructura
enrollada tubular o no tubular de anillos de carbono. Estos
nanotubos de carbono habitualmente son de pared única, de múltiples
paredes o combinaciones de los mismos, y pueden adoptar una
diversidad de morfologías. Por ejemplo, los nanotubos de carbono
usados en la presente descripción pueden tener una morfología
elegida entre nanocuernos, nanoespirales, dendritas, árboles,
estructuras de nanotubo en forma de araña, uniones en Y de
nanotubos, y morfología de bambú. Dichas formas generalmente tienden
a añadirse en el uso de los nanotubos de carbono para
nanomembranas. Las formas descritas anteriormente están más
particularmente definidas en M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, y P.
Avouris, eds. Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, Properties,
and Applications, Topics in Applied Physics. Vol. 80. 2000,
Springer-Verlag; y "A Chemical Route to Carbon
Nanoscrolls", Lisa M. Viculis, Julia J. Mack, y Richard B.
Kaner; Science 28 de febrero de 2003; 299.
Como se ha descrito previamente, los nanotubos
de carbono pueden funcionalizarse para conseguir actividad química
o biológica deseada. Como se usa en este documento, un nanotubo de
carbono funcionalizado es uno que comprende compuestos inorgánicos
y/u orgánicos unidos a la superficie de los nanotubos de
carbono.
Los compuestos orgánicos pueden comprender
grupos lineales o ramificados, saturados o insaturados. Los ejemplos
no limitantes de dichos compuestos orgánicos incluyen al menos un
grupo químico elegido entre: carboxilo, amina, poliamida,
polianfífilos, sales diazonio, pirenilo, silano y una combinación de
los mismos.
Los ejemplos no limitantes de los compuestos
inorgánicos incluyen al menos un compuesto fluorado de boro,
titanio, niobio, tungsteno, y una combinación de los mismos. Los
compuestos inorgánicos así como los compuestos orgánicos pueden
comprender un átomo de halógeno o compuesto halogenado.
En un aspecto de la invención, los nanotubos de
carbono funcionalizados comprenden uno cualquiera o cualquier
combinación de los grupos inorgánicos y orgánicos descritos
anteriormente. Estos grupos están generalmente localizados en los
extremos de los nanotubos de carbono y están opcionalmente
polimerizados.
Por ejemplo, los nanotubos de carbono
funcionalizados pueden comprender una no uniformidad en la
composición y/o densidad de los grupos funcionales a través de la
superficie de los nanotubos de carbono y/o a través de al menos una
dimensión del material nanoestructurado. De forma similar, los
nanotubos de carbono funcionalizados pueden comprender un gradiente
sustancialmente uniforme de grupos funcionales a través de la
superficie de los nanotubos de carbono y/o a través de al menos una
dimensión del material nanoestructurado.
De acuerdo con un aspecto de la descripción, los
nanotubos de carbono están cargados, tal como con un campo
electromagnético AC o DC, a un nivel suficiente para conseguir
propiedades deseadas. Las propiedades deseadas incluyen facilitar
el recubrimiento de una superficie de los nanotubos o ayudar en la
destrucción, modificación, retirada, o separación de contaminantes
que se encuentran en los fluidos que están en contacto o en
proximidad a los nanotubos de carbono. Se entiende que
"retirada" significa al menos uno de los siguientes mecanismos:
exclusión de tamaño, absorción, y adsorción.
Además, la carga puede suceder usando uno
cualquiera de los siguientes métodos: químico, por irradiación,
carga capacitiva, o por flujo del fluido adyacente y/o a través de
los nanotubos de carbono. La carga de los nanotubos puede suceder
antes de o simultáneamente con el procedimiento de funcionalización
descrito anteriormente.
La carga de los nanotubos tiende a facilitar su
recubrimiento con materiales metálicos y/o poliméricos. Los
ejemplos de dichos materiales metálicos que pueden usarse para
recubrir los nanotubos de carbono incluyen oro, platino, titanio,
rodio, iridio, indio, cobre, hierro, paladio, galio, germanio,
estaño, plomo, tungsteno, niobio, molibdeno, plata, níquel,
cobalto, metales del grupo del lantano, y aleaciones de los
mismos.
Los ejemplos de dicho material polimérico que
pueden usarse para recubrir los nanotubos de carbono incluyen
polímeros de múltiples componentes (ventajosamente donde los
polímeros de múltiples componentes tienen al menos dos temperaturas
de transición vítrea o fusión diferentes), nylon, poliuretano,
compuestos acrílicos, compuestos metacrílicos, policarbonato,
epoxi, gomas de silicona, gomas naturales, gomas sintéticas, gomas
vulcanizadas, poliestireno, tereftalato de polietileno, tereftalato
de polibutileno, Nomex (poli-parafilen
tereftalamida), Kevlar poli(p-fenilen
tereftalamida), PEEK (poliéster de éster de ceteno), Mylar
(tereftalato de polietileno), viton (fluoroelastómero viton),
polietrafluoroetileno, polímeros halogenados, tales como
poli(cloruro de vinilo) (PVC), poliéster (tereftalato de
polietileno), polipropileno, y policloropreno.
Cuando se usa irradiación para tratar los
nanotubos de carbono y/o fundir el material nanoestructurado de
nanotubos de carbono, al menos un tipo de partícula elegida entre
fotones, electrones, partículas nucleares, e iones afectan al
nanotubo de carbono en una cantidad suficiente para romper al menos
un enlace carbono-carbono y/o
carbono-dopante, para activar la nanoestructura, o
para realizar el implante de iones.
Los contaminantes que pueden limpiarse de los
fluidos incluyen patógenos, organismos microbiológicos, ADN, ARN,
moléculas orgánicas naturales, mohos, hongos, toxinas naturales y
sintéticas (tal como agentes de armas químicas y biológicas),
metales pesados (tal como arsénico, plomo, uranio, talio, cadmio,
cromo, selenio, cobre, y torio), endotoxinas, proteínas, enzimas, y
contaminantes micro y nanoparticulados.
La presente descripción se refiere a un método
para purificar líquidos, que incluye tanto líquidos como gases
retirando al menos uno de estos contaminantes del fluido. En dicho
método, el fluido contaminado se pone en contacto con el material
nanoestructurado descrito anteriormente, por ejemplo, el material
nanoestructurado que comprende nanotubos de carbono defectuosos
elegidos entre nanotubos impregnados, funcionalizados, dopados,
cargados, recubiertos, e irradiados, y combinaciones de los
mismos.
De acuerdo con un método descrito en este
documento, el material nanoestructurado activado puede tratarse y/o
activarse con constituyentes que modifican la actividad biológica o
química del fluido a limpiar.
Además, el método permite separar al menos
parcialmente los contaminantes de los fluidos tratados para formar
corrientes de fluido distintas de contaminantes y fluido
tratado.
En una realización, el fluido a limpiar es un
líquido, tal como agua, petróleo natural y/o sintético y sus
subproductos, fluidos biológicos, productos alimenticios, bebidas
alcohólicas, y medicinas.
Con respecto a productos de petróleo, un
problema principal es el crecimiento latente de bacterias en el
petróleo durante el almacenamiento. Esto ha sido un problema
particularmente con combustible para aviones. La presencia de
dichas bacterias puede contaminar gravemente y finalmente estropear
el combustible. Por consiguiente, un área principal de preocupación
en el área de la purificación de líquidos es limpiar bacterias de
productos de petróleo natural y/o sintético. El petróleo natural
y/o sintético y sus subproductos incluyen combustibles de aviones,
automóviles, barcos, y locomotoras, combustible para cohetes,
aceites y lubricantes industriales y de maquinaria, y aceites y
gases de calefacción.
Los fluidos biológicos descritos en este
documento se obtienen de un animal, ser humano, planta, o comprenden
un caldo de cultivo usado en el procesamiento de un producto
biotecnológico o farmacéutico. En una realización, los fluidos
biológicos comprenden sangre, leche humana y componentes de
ambas.
En otra realización, los productos alimenticios
comprende subproductos animales, tales como huevos y leche, zumo de
frutas, jarabes naturales, y aceites naturales y sintéticos usados
en la cocina o industria alimentaria, incluyendo, aunque sin
limitación, aceite de oliva, aceite de cacahuete, aceites de flores
(girasol, cártamo), aceite vegetal, y similares.
Además de productos alimenticios, una
realización de la presente invención implica el tratamiento de
bebidas alcohólicas. Por su naturaleza, la fermentación de bebidas
alcohólicas provoca contaminantes en el producto acabado. Por
ejemplo, el oxígeno es un contaminante indeseado del proceso de
fabricación del vino. Como el oxígeno puede causar que el vino se
estropee en el frasco, normalmente se añaden sulfitos para absorber
o retirar este exceso de oxígeno. Debido a cuestiones de salud, sin
embargo, deben evitarse los sulfitos. Un aspecto de la presente
invención incluye tratar el vino para retirar contaminantes no
deseados, tales como oxígeno, usando el material nanoestructurado
descrito anteriormente. Como el proceso eliminaría o reduciría
sustancialmente la necesidad de sulfitos en el vino, la industria
del vino se beneficiaría del proceso de purificación descrito en
este documento.
Otro aspecto de la presente invención incluye un
método para limpiar el aire para retirar los contaminantes
mencionados anteriormente.
La presente descripción también se refiere a un
método para purificar agua poniendo en contacto agua contaminada
con un material nanoestructurado activado descrito en este
documento. Se ha demostrado que contaminantes, tales como sales,
bacterias y virus, pueden retirarse del agua, a un nivel de al menos
3 log (99,9%), tal como al menos 4 log (99,99%), y al menos 5 log
(99,999%), y hasta un nivel de detección actualmente disponible, es
decir, hasta 7 log (99,99999%).
Los contaminantes de nuevo comprenden patógenos,
organismos microbiológicos, ADN, ARN, moléculas orgánicas
naturales, mohos, hongos, toxinas naturales y sintéticas, metales
pesados (por ejemplo, arsénico, plomo, uranio, talio, cadmio,
cromo, selenio, cobre, y torio), endotoxinas, proteínas, enzimas, y
contaminantes micro y nanoparticulados. También es de interés la
desalinización del agua (es decir, donde los contaminantes
comprenden sales).
La Fig. 1 es una imagen óptica de la muestra 1:
E. coli sin material nanoestructurado de nanotubos de
carbono (no sonicado; fijación después de 48 horas).
La Fig. 2 es una imagen óptica de la muestra 2:
E. coli sin material nanoestructurado de nanotubos de
carbono (sonicado; fijación después de 48 horas).
La Fig. 3 es una imagen óptica de la muestra 3:
E. coli con material nanoestructurado de nanotubos de
carbono; sonicado; fijación en 3 horas.
La Fig. 4 es una imagen óptica de la muestra 4:
E. coli con material nanoestructurado de nanotubos de
carbono (sonicado; fijación después de 48 horas).
La Fig. 5 es una imagen AFM de la muestra 2:
E. coli sin material nanoestructurado de nanotubos de carbono
(sonicado; sin fijación).
La Fig. 6 es una imagen AFM de la muestra Nº 3:
E. coli con material nanoestructurado de nanotubos de
carbono (sonicado; fijación en 3 horas).
La Fig. 7 es una imagen AFM de la muestra Nº 3:
transformación tridimensional de la Fig. 6.
La Fig. 8 es una imagen AFM de la muestra Nº 3:
E. coli con material nanoestructurado de nanotubos de
carbono (sonicado; fijación en 3 horas).
La Fig. 9 es una imagen AFM de la muestra Nº 3:
transformación tridimensional de la Fig. 8.
La Fig. 10 es una imagen AFM de la muestra Nº 4:
E. coli con material nanoestructurado de nanotubos de
carbono (sonicado; sin fijación).
La Fig. 11 es una imagen AFM de la muestra Nº 4:
transformación tridimensional de la Fig. 10.
La Fig. 12 es una fotografía que muestra un
nanotubo vertical en reposo (izquierda) y vibrando (derecha) debido
al flujo de fluido.
La Fig. 13 es una micrografía del borde de un
material nanoestructurado unido a una superestructura de malla
metálica de 20 micrómetros.
La Fig. 14 es una micrografía que muestra
nanotubos en un poro de una superestructura de soporte (acetato de
celulosa) envolviéndose a sí misma alrededor de las fibras de la
estructura de soporte.
La Fig. 15 es una micrografía del borde rasgado
del material nanoestructurado de nanotubos de carbono.
La Fig. 16 es una micrografía de una monocapa
fundida de material nanoestructurado de nanotubos de carbono
extendido y fundido a alambres de soporte que abarcan una abertura
de 25x25 micrómetros.
La Fig. 17 es una fotografía de material
nanoestructurado de nanotubos de carbono
auto-tejido.
La Fig. 18 es una micrografía de nanotubos de
carbono independientes fundidos a los puntos de intersección para
formar un material nanoestructurado.
La Fig. 19 es una micrografía de material
nanoestructurado auto-tejido, independiente.
La Fig. 20 es una simulación de la dinámica de
flujo de fluidos alrededor de nanotubos de carbono en un material
nanoestructurado.
La Fig. 21 es una imagen que muestra los
resultados de un ensayo de retirada de bacterias.
Como se ha descrito en este documento, se cree
que la esterilización de fluidos incorporando nanoestructuras tales
como nanotubos de carbono, nanoalambres de óxido metálico, y
nanoalambres metálicos es el resultado, al menos en parte, de la
formación de una zona de eliminación nanoscópica única que usa
fuerzas centradas para eliminar microbios y otros patógenos.
Por ejemplo, se cree que durante la
esterilización de fluidos, los microorganismos entran en contacto
con el nanomaterial descrito en este documento, causando que se
apliquen fuerzas centradas a los microorganismos que abren las
membranas celulares y causan daño celular interno, destruyendo de
este modo los microorganismos o destruyendo su capacidad de
reproducirse. De este modo, los líquidos pueden esterilizarse de
microorganismos. Los microorganismos habituales son de
1-5 micrómetros de longitud y como tales son al
menos 100 veces más grandes que una nanostructura tal como
nanotubos de carbono. Los ejemplos conocidos de estos organismos
incluyen E. coli, Cryptosporidium parvum, Giardia
lamblia, Entamoeba histolytica, y muchos otros.
Debido a las grandes diferencias de tamaño,
pueden aplicarse fuerzas a escala nanoscópica, que son muchas
veces, por ejemplo de órdenes de magnitud, más concentradas que las
basadas en tecnologías microscópicas. Del mismo modo en que la luz
centrada da la intensidad a un láser, las fuerzas centradas dan la
intensidad a la destrucción a nanoescala de microbios. Por tanto,
las fuerzas mecánica y eléctrica que están en otras escalas
demasiado pequeñas para ser eficaces o de mucha intensidad de
energía, pueden usarse en la nanoescala para destruir de forma
eficaz y eficiente los microorganismos.
Los mecanismos que se cree que son capaces de
destruir microorganismos en este nano-régimen pueden
funcionar independientemente o en concierto entre sí. Los ejemplos
no limitantes de dichos mecanismos incluyen:
\bullet Destrucción mecánica de la pared
celular a través de fuerzas centradas, muy parecido a un alfiler
rompiendo un globo;
\bullet Ondas vibratorias que causan daño
celular interno al ADN, ARN, proteínas, orgánulos, etc.;
\bullet Ondas vibratorias que causan daño a la
pared celular y canales de transporte;
\bullet Fuerzas de Van der Waals;
\bullet Fuerzas electromagnéticas;
\bullet Daño de las paredes celulares y el ADN
a través de la alteración de los enlaces de hidrógeno en las
cercanías de nanoestructuras; y
\bullet Cavitaciones de burbujas de ondas de
choque en el líquido que dañan la estructura celular.
Como la presión osmótica en una célula
microbiana típica es mayor que la del fluido adyacente, suponiendo
condiciones no fisiológicas, incluso un ligero daño a la pared
celular puede causar la ruptura total ya que los contenidos de la
célula fluyen de presión alta a baja.
MS2, que se usa habitualmente como equivalente
para evaluar las capacidades de tratamiento de las membranas
diseñadas para tratar el agua potable, es un virus ARN
monocatenario, con un diámetro de 0,025 \mum y una forma
icosaédrica. Su tamaño y forma son similares a otros virus
relacionados con el agua tales como el virus de la polio y la
hepatitis.
Un proceso de desalinización de líquidos de
acuerdo con la presente descripción también se basa en
nanomateriales tales como nanotubos de carbono, nanoalambres de
óxido metálico, y nanoalambres metálicos. Un mecanismo que se cree
que es capaz de desalinizar un líquido con nanomateriales es la
creación de un gradiente de separación iónica entre dos membranas
de nanomaterial. Cuando una membrana de nanomaterial lleva una carga
positiva y la otra membrana una carga negativa, la diferencia de
carga entre estas dos placas crea un gradiente de separación iónica
que causa que los cationes migren a un lado de la zona y los aniones
migren hacia el otro. La tremenda área superficial en las membranas
de nanomaterial se usa para crear una capacitancia muy elevada,
posibilitando la creación de un gradiente iónico muy eficaz.
Una unidad de desalinización podría incorporar
dos o más capas paralelas de membrana de nanomaterial conductor
soportado que están eléctricamente aisladas entre sí. Este material
nanoestructurado estratificado puede ensamblarse en la intersección
de un canal de unión en Y. Las dos o más capas pueden estar cargadas
eléctricamente, en un modo estático, o en un modo activo, en el que
la carga en cada placa cataloga secuencialmente de positivo a
neutro a negativo a neutro - uno positivamente y uno negativamente -
para crear una trama salina entre ellas o para crear
electrónicamente un condensador en movimiento en la estructura que
causa la migración de la sal en una dirección diferente que el
flujo del agua. El agua salina concentrada se canalizaría desde un
brazo de la unión en Y y el agua dulce desde el otro.
La geometría, capacitancia, y morfología del
dispositivo pueden optimizarse para el flujo hidrodinámico usando
análisis complejo tal como un método de restos, funciones de
idoneidad y algoritmos de optimización. La unidad base del
dispositivo será una variante en la amplia geometría de la unión en
la que la mayoría del líquido continuará fluyendo a lo largo del
canal principal mientras que una cantidad más pequeña de líquido se
capta a través del canal de salida.
Muchas de dichas unidades base pueden usarse en
paralelo y/o serie para reducir la concentración salina y aumentar
el líquido total procesado. Para concentrar adicionalmente la
extracción de líquido salino se prevé usar una bomba de calor para
enfriar el líquido salino casi supersaturado y para calentar el
líquido sin procesar entrante. Dicho sistema puede controlarse
activamente para asegurar una concentración apropiada antes de que
se aplique la refrigeración. La cristalización de la sal sucederá
cuando la solución se enfría porque la solución satura sufrirá una
transición a un estado supersaturado más rápidamente a temperatura
más fría. En agua salina, esto tendrá el efecto de acelerar la
cristalización de la sal en la salmuera.
Los productos finales del proceso de
desalinización serán un líquido casi sin sal, tal como contaminantes
que se retiran, incluyendo aunque sin limitación, sales
cristalizadas o una mezcla de salmuera concentrada, a un nivel de
al menos log 4 (99,99%) y hasta e incluyendo log 7 (99,99999), con
niveles intermedios de log 5 y log 6 de pureza. En una realización,
un tanque de mantenimiento de salmuera refrigerado acelerará la
cristalización y permitirá que cualquier líquido restante pase de
nuevo al proceso.
De acuerdo con un aspecto de la presente
descripción, las superficies susceptibles a biomateriales y otras
impurezas o contaminantes pueden recubrirse en una capa de
nanomaterial para evitar el crecimiento de microbios. Los ejemplos
no limitantes de dichos nanomateriales incluyen material
nanoestructurado de nanotubos funcionalizados que se han
funcionalizado con elementos o compuestos que tienen propiedades
antibacterianas, tales como plata, u óxido de aluminio.
La invención además se refiere a métodos para la
fabricación de los materiales nanoestructurados descritos en este
documento. Dichos métodos incluyen un proceso de evaporación de
disolvente orgánico, un proceso de nanoalambre de óxido metálico,
un proceso de onda geométrica, un proceso de filtración al vacío, y
un proceso de polimerización de nanoestructura. Cada uno de estos
procesos puede crear una nanoestructura con nanomateriales
embebidos en ella o compuesta de ellos. Y cada una de estas
membranas posibilita las tecnologías de tratamiento para la
purificación de fluidos descritas en este documento.
En una realización, las membranas fabricadas de
acuerdo con la presente descripción tienen elevada permeabilidad
para permitir elevados caudales de fluido. La permeabilidad de una
membrana de nanomaterial está generalmente controlada por su grosor
y densidad de fibras. Por consiguiente, una membrana de nanomaterial
ultradelgada, ultrafuerte de baja densidad de fibras será mucho más
transparente al flujo de fluidos que lo que sería una membrana de
nanomaterial gruesa. Por lo tanto, una realización de la presente
invención se refiere a una membrana de nanomaterial fundida
principalmente compuesta por nanotubos de carbono de elevada
resistencia.
Para potenciar su soporte estructural y unión a
otras entidades, la membrana de nanomaterial completa puede
recubrirse con un metal, un plástico, o un compuesto cerámico. Los
defectos pueden retirarse de la membrana de nanomaterial por medios
químicos, eléctricos, térmicos, o mecánicos para potenciar su
integridad estructural.
La membrana de nanomaterial completa puede
estimularse con campos electromagnéticos estáticos o dinámicos para
causar la absorción específica o rechazo de ciertas moléculas cuando
se ha refinado de forma precisa. La estimulación eléctrica de
elevada frecuencia puede crear un efecto de
auto-limpieza ultrasónica. Adoptando la ventaja de
la resistencia, módulo de Young, conductividad, y efecto
piezoeléctrico del material nanoestructurado de nanotubos, se puede
estimular el material como un conjunto para que vibre, y para
expulsar contaminantes de la superficie, para reducir la
contaminación.
Los nanotubos de carbono de partida generalmente
contienen partículas de hierro residuales u otras partículas
catalíticas que permanecen después de la producción de los
nanotubos. En ciertas realizaciones, se desea lavar los nanotubos
de carbono con un agente oxidante fuerte tal como ácidos y/o
peróxidos o combinaciones de los mismos antes de formar un material
nanoestructurado. Después del lavado con un agente oxidante fuerte,
el hierro generalmente encontrado en los nanotubos de carbono se
oxida a Fe^{++} y Fe^{+++}. Además, el lavado con ácido tiene
el beneficio de retirar el carbono amorfo que interfiere con la
química de superficie del nanotubo.
Se cree que el hierro cargado pasivamente, o
positivamente desempeña un papel en la retirada de microorganismos
que se sabe que tienen una carga negativa neta. Según esta teoría,
los microorganismos se unen al nanotubo cargado positivamente
funcionalizado. El campo eléctrico resultante de los nanotubos de
carbono ahora cargados, que están parcialmente cargados y dopados
con hierro, destruirán los patógenos biológicos. Cualquier ión
hidrógeno cargado positivamente que ha sobrado del lavado ácido y
está atrapado dentro del nanotubo también contribuirá al campo
eléctrico.
También se cree que el procedimiento de lavado
con ácido contribuye al elevado grado de hidrofilicidad de estos
nanotubos de carbono funcionalizados y el material nanoestructurado
de carbono resultante. Los nanotubos de carbono lavados
generalmente se fabrican en un material nanoestructurado usando uno
de los siguientes procesos. Se aprecia que uno cualquiera de los
siguientes procesos, así como los descritos en los Ejemplos, puede
usarse para crear un material nanoestructurado descrito en este
documento, sea multi o monoestratificado.
En el Proceso de Evaporación de Disolvente
Orgánico, puede fabricarse un material nanoestructurado, tal como
una membrana de esterilización, uniendo nanomateriales con un
adhesivo. Ejemplos de adhesivos son adhesivos químicos, tales como
cola, adhesivos metálicos, tales como oro, y adhesivos cerámicos,
tales como alúmina. Ejemplos de nanomateriales son nanotubos de
carbono, nanoalambres de silicio y otros metales, y nanoalambres de
óxido
metálico.
metálico.
De acuerdo con este proceso, los nanotubos de
carbono pueden mezclarse con un disolvente, tal como xileno. En una
realización, está dispersión después se coloca en un baño
ultrasónico durante 5-10 minutos para
des-aglomerar los nanotubos de carbono. La
dispersión resultante después se vierte en un papel de fibra para
permitir que el disolvente orgánico se evapore, opcionalmente con
la adición de calentamiento moderado. Después de la evaporación,
los nanotubos de carbono se depositan en el papel de fibra. Además,
pueden añadirse otros materiales poliméricos al disolvente orgánico
para potenciar la estabilidad mecánica de la estructura resultante;
la concentración del material adhesivo puede ser al
0,001-10% del peso del disolvente usado.
En otro aspecto de la presente descripción, se
fabrica una membrana de esterilización con nanoalambres de óxido
metálico. En este tipo de proceso, las mallas metálicas se calientan
a una temperatura que varía de 230-1000ºC en un
entorno oxidante para crear nanoalambres de óxido metálico en los
alambres metálicos de la malla metálica. Las mallas metálicas
pueden comprender un metal elegido entre cobre, aluminio, y silicio.
Los nanoalambres de óxido metálico pueden ser de un tamaño que
varía de 1-100 nanómetros de diámetro, tal como
1-50 nanómetros de diámetro, incluyendo
10-30 nanómetros de diámetro. De forma ventajosa, la
superficie de la malla se erosiona para proporcionar una textura
superficial que acepte y mantenga la deposición de la alícuota de
nanotubos para crear una mejor unión del sustrato.
Puede usarse una membrana fabricada de acuerdo
con este proceso por sí misma para esterilizar líquidos, puede
tratarse para potenciar su estructura global, o puede recubrirse con
nanotubos de carbono u otras nanoestructuras para actividad
adicional. En el recubrimiento de nanotubos de carbono, se pasan
soluciones de nanotubos de carbono de una o múltiples paredes bien
dispersada a través de la malla donde se adhieren a la superficie
de óxido metálico. Esta malla resultante puede tratarse o no de
forma térmica, mecánica (por ejemplo, tal como por presión
hidráulica), química, o a través de calentamiento rápido con láser
para potenciar la integridad estructural. También puede recubrirse
o no con metal, cerámica, plástico, o polímero para potenciar su
actividad estructural. La malla resultante también puede someterse
a este tratamiento con solución de nanotubos varias veces hasta que
se alcancen los criterios de diseño apropiados. Puede hacerse una
modificación adicional a los nanotubos de carbono y/o el soporte de
esta membrana para funcionalizar los materiales de modo que
reaccionen químicamente con moléculas biológicas para destruirlas,
modificarlas, retirarlas, o separarlas.
En este proceso, se colocan mallas metálicas,
tales como mallas de cobre en una cámara de deposición química por
vapor en un entorno oxidante. La zona de reacción se calienta a una
temperatura que varía de 230-1000ºC para causar la
creación de nanoalambres de óxido metálico mientras la cámara está
en una atmósfera durante un periodo que varía de 30 minutos a 2
horas. En ciertas realizaciones, después puede pasarse una
dispersión de nanotubos de carbono en líquido a través de la
estructura formada. Después de este tratamiento, la estructura
completa puede hibridarse térmicamente al vacío a 1000ºC para
reforzar la estructura global. Los nanotubos de carbono pueden
tratarse opcionalmente en una solución de ácidos nítrico y sulfúrico
para crear grupos con funcionalidad carboxilo en los nanotubos de
carbono.
En este proceso, puede fabricarse una membrana
de esterilización por deposición al vacío de dispersiones de
nanotubos de carbono para aplicar capas de nanotubos de carbono en
al menos un sustrato. Puede usarse ultrasonicación para ayudar a
dispersar y/o desaglomerar los nanotubos de carbono durante la
deposición.
Un proceso previsto del método de deposición
comprende colocar nanotubos de carbono en un disolvente orgánico
adecuado o líquido y ultrasonicarlo para dispersar los nanotubos de
carbono durante la deposición. La solución puede colocarse en un
dispositivo de filtración al vacío equipado con ultrasonicación para
asegurar adicionalmente que los nanotubos de carbono se
desaglomeran. El nanomaterial en la solución puede depositarse en un
sustrato cuya porosidad es suficientemente pequeña para atrapar
nanotubos de carbono pero más grande que los microorganismos a
retirar del fluido contaminado. La NanoMesh^{TM} resultante puede
retirarse con la ayuda del uso de una malla metálica de soporte
para mantenerse plana durante la retirada. El sustrato poroso usado
para atrapar los nanotubos de carbono también puede retirarse
disolviéndolo en ácido o base, u oxidándolo para dejar una membrana
de nanotubos de carbono independiente.
De acuerdo con un aspecto de la presente
descripción, el proceso de filtración al vacío puede modificarse
usando campos electromagnéticos para alinear las nanoestructuras
durante la deposición. Como en el proceso descrito previamente, las
nanoestructuras se colocan en un disolvente adecuado (disolvente o
líquido orgánico), se ultrasonican para dispersarlas en el
disolvente, que después se coloca en un aparato de filtración al
vacío equipado con una sonda ultrasónica para evitar que lleguen a
aglomerarse durante la deposición. A diferencia del proceso
descrito previamente, cuando la mezcla se deposita al vacío en un
sustrato poroso, tal como uno que tenga un tamaño de poro de hasta
centímetros, se aplica un campo electromagnético para alinear las
nanoestructuras durante su deposición. Este campo electromagnético
también puede modularse arbitrariamente en tres espacios ajustados
y para producir una estructura tejida o parcialmente tejida -
parcialmente no tejida. La membrana resultante después se retira
con la ayuda de una malla metálica de soporte y la membrana completa
se sumerge en ácido para retirar el sustrato inicial, que funciona
como soporte de sacrificio.
El proceso de filtración al vacío puede
modificarse para permitir la creación de múltiples capas de
nanoestructuras. Puede formarse una suspensión de nanoestructuras
en un disolvente orgánico por encima de un sustrato. Por ejemplo,
con presión de vacío muy baja el disolvente se retira dejando una
capa muy delgada de nanotubos en una malla de acero, tal como una
malla de acero de 20 micrómetros. Esta capa después puede curarse y
secarse. Este proceso puede repetirse múltiples veces para crear
varias capas de NanoMesh^{TM}.
En este proceso, las nanoestructuras pueden
dispersarse uniformemente, sea en un gas o una solución líquida. En
una cámara confinada, por ejemplo, se libera una cantidad de
nanoestructuras como un ventilador para agitar el gas para causar
la dispersión de los nanotubos de carbono en la cámara. Este gas
también puede modularse mecánicamente a frecuencias suficientes
para causar la dispersión. Según se están añadiendo los nanotubos
de carbono a la cámara, se cargan a un voltaje suficiente para
superar las fuerzas de Van der Waals atrayentes, pasando los
nanotubos a través de un electrodo de una elevada área superficial.
Esto impedirá la aglomeración. El nanotubo impregnado de gas ahora
está listo para la deposición en fase gaseosa. La aplicación de una
presión diferente, pasa el gas a través de un electrodo de malla de
tierra. Los nanotubos se adherirán a este electrodo de malla de
tierra. En este punto, el material nanoestructurado de nanotubos de
carbono está en su estado más frágil. El material nanoestructurado
ahora puede exponerse a radiación ionizante para causar que la
estructura se funda y/o para recubrir la superficie por técnicas de
procesamiento por deposición química por vapor (CVD), deposición
química por vapor potenciada en plasma (PECAD), o deposición física
por vapor (PVD), o por técnicas de condensación química. La
superficie después puede retirarse y exponerse a un proceso de
metalizado por bombardeo suficiente para cubrir las nanoestructuras
y causar que se bloqueen juntas. La membrana resultante después
puede retirarse de la superficie invirtiendo la carga de la
superficie lo que causa que la membrana se derrumbe.
En el proceso de polimerización, se produce una
membrana de nanomaterial uniendo nanoestructuras entre sí a través
de enlaces poliméricos.
Un proceso previsto de este método implica
ultrasonicar primero una cantidad de nanoestructuras (tal como
nanotubos de carbono) en una solución ácida. Cuando se usan
nanotubos de carbono, el ácido funcionará cortando las longitudes
de los nanotubos, para exponer sus extremos, y permitir que los
iones carboxilo (COOH) se injerten a los mismos. El producto
funcionalizado con carboxilo resultante después se trata con ácido
concentrado para crear grupos carboxilo (COOH) que son más
reactivos para las reacciones de reticulación, tales como
condensación. Esta nanoestructura funcionalizada con COOH después
se hace reaccionar en los grupos carboxilo para que se reticulen
las dos nanoestructuras juntas. La mezcla después se deja reaccionar
hasta que se forma una red reticulada completa en una membrana
condensada de nanomaterial.
Se realizaron múltiples ensayos en las muestras
preparadas usando los métodos descritos en líneas generales
anteriormente usando bacterias, tales como bacterias E. coli
y el bacteriófago MS-2. MS-2 es un
virus ARN monocatenario, específico macho, con un diámetro de 0,025
\mum y una forma icosaédrica. Su tamaño y forma son similares a
otros virus relacionados con el agua tales como los virus de la
polio y la hepatitis y es un patógeno no
humano.
humano.
El protocolo usado para ensayar la retirada de
E. coli y el bacteriófago MS-2 y bacterias
del agua en los siguientes ejemplos fueron coherentes con y
adheridos en líneas generales a: (i) Standard Operating Procedure
for MS-2 Bacteriophage Propogation/Enumeration.
Margolin, Aaron, 2001 University of New Hampshire, Durham, NH y
(ii) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater,
20^{th} Edition, Standard Methods, 1998. APHA, AWWA, WEF,
Washington, D.C. Estas normas generalmente incluían el siguiente
procedimiento:
1) Colocar el material nanoestructurado en una
carcasa de ensayo diseñada para mantener el material
nanoestructurado a estimular. Sujetar la carcasa para evitar fugas
de la solución de estimulación.
2) Conectar un tubo de efluente estéril a un
matraz Erlenmeyer estéril usando un tapón de goma.
3) Abrir un acceso de influente e introducir un
material de estimulación a través de un acceso abierto.
4) Después de introducir la estimulación, cerrar
el acceso de influente bombeando, mediante una bomba disponible en
el mercado, un flujo uniforme a través de la manguera de efluente
conectada a la carcasa.
5) Bombear de forma continua hasta que todo el
material de estimulación ha pasado al matraz Erlenmeyer estéril,
momento en que se apaga la bomba.
6) Colocar 0,1 ml de material de estimulación en
9,9 ml de agua o solución salina tamponada con fosfato (disponible
en el mercado) en un tubo de centrífuga de 15 ml.
7) Colocar el tubo de centrífuga cónico de 15 ml
en una mezcladora de vórtice disponible en el mercado y mezclarlo
durante aproximadamente 15 segundos.
8) Retirar aproximadamente 0,1 ml de la mezcla
del tubo de centrífuga y añadirlo a un segundo tubo de centrífuga
que contiene 9,9 ml de agua o solución salina tamponada con fosfato
(disponible en el mercado), y repetir la mezcla con vórtice
descrita anteriormente.
9) Retirar 0,1 ml de la mezcla del tubo de
centrífuga y colocarlo en una placa de agar tripticasa soja (TSA),
(Remel Nº Cat. 01917), donde puede extenderse con una espátula
estéril sobre la superficie de agar. Secar la superficie durante 15
segundos antes de colocarla en una incubadora disponible en el
mercado a 36ºC e incubarla durante 18 - 24 horas.
10) Después de la incubación, retirar las placas
de la incubadora y colocarlas en un contador de placas con
iluminación de fondo. Contar las placas que parece que tienen entre
25-300 cfu/placa (dilución 1:10.000) por placa. Las
placas de control y ensayo se contaron del mismo modo.
11) Registrar la cantidad de virus o bacterias
contadas y el factor de dilución al que se contaron, multiplicándose
el promedio de los recuentos de placa por su correspondiente factor
de dilución y dividiéndose por la cantidad de dilución usada por
placa. Este cálculo, que se muestra a continuación, da la cantidad
de virus o bacterias en la muestra original.
A continuación se proporciona una descripción
más detallada de un procedimiento usado para realizar un ensayo con
MS-2.
Primero se prepara una solución al 1% de
MgCl_{2} (o CaCl_{2}) añadiendo a una cantidad deseada de agua
Dl MgCl_{2} (o CaCl_{2}). Un ejemplo típico es 1,0 g de
MgCl_{2}/99 ml de agua Dl. Esta solución se esteriliza en
autoclave y se refrigera.
Después se prepara un preparación de Solución
Salina Tamponada con Fosfato (1x PBS) añadiendo a una cantidad
deseada de agua Dl Concentrado en Polvo de Solución Salina Tamponada
con Fosfato. Un ejemplo típico es 4,98 g de PBS/500 ml de agua Dl.
Esta solución también se esteriliza en autoclave y se refrigera.
A continuación se prepara una preparación de
solución de antibiótico estreptomicina/ampicilina (Estrep/Amp)
añadiendo a una cantidad deseada de agua Dl Sulfato de
Estreptomicina. Un ejemplo típico es 0,15 g de Estrep/100 ml de
agua Dl. Después se añade sal sódica de Ampicilina a la solución. Un
ejemplo típico es 0,15 g de Amp/100 ml de agua Dl. Esta solución se
filtra a través de un filtro de jeringa de 0,22 \mum en un
recipiente estéril.
Se preparara una preparación de Cultivo Madre de
E. coli preparando primero un volumen deseado de caldo
tripticasa soja. La solución de antibiótico
estreptomicina/ampicilina previamente preparada se mezcla con el
T-soja en proporción 1:100 (1,0 ml de estrep/amp/100
ml de T-soja).
A continuación se añade una solución al 1% de
MgCl_{2} en proporción 1:200 (0,5 ml de MgCl_{2}/100 ml de
T-soja), seguido de la adición de E. coli en
proporción 1:10 (10 ml de E. coli/100 ml de
T-soja). La cepa de E. coli usada en este
documento es la cepa HS(pF amp)R (E. coli con
un plásmido de resistencia a estrep/amp insertado). También puede
usarse la cepa de E. coli C3000, que está disponible en el
mercado (American Type Culture Collection (ATCC)).
El cultivo de caldo T-soja/E.
coli después se coloca en un baño de agua en agitación a 37ºC (o
un agitador orbital en una incubadora a 37ºC), agitando
vigorosamente durante 2,5-3,0 horas (o en un momento
en el que E. coli alcanza la fase semi-log
en su ciclo de crecimiento). Esta etapa de agitación es para
proporcionar oxígeno al cultivo completo de modo que no llegue a
ser anaeróbico e inhiba el crecimiento. El cultivo después se saca
de la incubadora y se almacena a 10ºC.
La Propagación del Bacteriófago MS2 se realizó
añadiendo primero cultivo líquido de MS2 (aproximadamente 1 x
10^{10}-1 x 10^{11} MS2/500 ml de caldo
T-soja) al caldo T-soja y después
incubando a 37ºC durante 12-18 horas. La cepa MS2
usada era una muestra disponible en el mercado (ATCC (American Type
Culture Collection), Nº catalog. 15597-B1)).
El cultivo se transfiere a un tubo de centrífuga
de tamaño apropiado, y se centrifuga en las siguientes condiciones:
10.000 rpm, 4ºC, durante 10 minutos. Después de centrifugar, puede
decantarse el sobrenadante, teniendo cuidado de no alterar el
sedimento. La solución madre de MS2 generalmente se almacena a
10ºC.
La Enumeración de MS2 generalmente se realiza
del siguiente modo. Se prepara una capa de recubrimiento 1X
mezclando lo siguiente en 1000 ml de agua Dl y llevándolo a
ebullición.
- a.
- 15 gramos de caldo T-soja
- b.
- 7,5 gramos de bacto agar
- c.
- 5 gramos de extracto de levadura
- d.
- 2,5 gramos de NaCl
- e.
- 0,075 gramos de CaCl_{2}
Después se suministran de cuatro a cinco ml de
la capa de recubrimiento en tubos de ensayo y se esterilizan en
autoclave a 121ºC durante 15 minutos, tiempo después del cual se
retiran los tubos de ensayo del autoclave y se colocan en un baño
de agua a 57ºC para su uso inmediato o se almacenan a temperatura
ambiente para su futuro uso. Si se coloca en almacenamiento, la
capa de recubrimiento se endurecerá, lo que requiere que se vuelva
a esterilizar en autoclave. La capa de recubrimiento puede volver a
esterilizarse en autoclave solamente unas pocas veces antes de que
llegue a volverse de color muy oscuro, casi negro.
Un especialista en la técnica sabría cómo
realizar diluciones en serie de 10 veces de la muestra en PBS para
conseguir un punto de dilución deseado. Poco después de retirar el
tubo de ensayo descrito previamente que contiene la capa de
recubrimiento del baño de agua, se pueden suministrar
aproximadamente 0,1 ml de la dilución de muestra deseada y 0,2 ml
del hospedador E. coli descrito previamente en la capa de
recubrimiento. Pueden añadirse aproximadamente 30 \mul de la
solución de antibiótico estreptomicina/ampicilina a las muestras de
cultivo mezcladas. Es importante observar que la inyección de 0,1 ml
de muestra diluida representa una dilución de 10 veces adicional.
Por lo tanto, cuando se colocan 0,1 ml de la dilución 10^{-1} en
la capa de recubrimiento, la dilución resultante de la placa
T-soja es 10^{-2}. Para sembrar una dilución
10^{-1}, se inyectan 0,1 ml de la muestra sin diluir original en
la capa de recubrimiento. Para sembrar una dilución 10º, se
inyectan 1,0 ml de la muestra sin diluir original en la capa de
recubrimiento usando el mismo volumen de hospedador E. coli
(0,2 ml).
Sin agitar, la muestra diluida y MS2 se mezclan
en toda la capa de recubrimiento. La capa de recubrimiento y sus
contenidos se añaden en una placa T-soja, que se
gira en un movimiento circular para distribuir uniformemente la
capa de recubrimiento a través de la superficie del agar. Después de
unos pocos minutos, la capa de recubrimiento se endurece, momento
en el que se incuba a 37ºC durante 12-18 horas.
Cuando la incubación se completa, aparecerán
placas MS2 como zonas claras circulares en el césped de E.
coli.
Generalmente se usan controles negativos y
positivos en este ensayo. El control negativo incluye la adición de
solamente E. coli a la capa de recubrimiento (sin muestra)
para determinar si E. coli está creciendo apropiadamente, y
si está presente alguna contaminación con fagos o bacterias. Un
control adicional que también puede usarse para determinar estos
factores puede realizarse colocando un pequeño volumen del
hospedador E. coli (sin MS2 o capa de recubrimiento) en una
placa T-soja y examinando la morfología de colonia
resultante.
El control positivo incluye la adición de
solamente E. coli a la capa de recubrimiento (sin muestra) y
su posterior siembra. Una vez que la capa de recubrimiento se ha
distribuido uniformemente a través de la superficie de la placa, se
coloca un pequeño volumen de solución madre de MS2 en diversos
puntos en toda la superpie de la capa de recubrimiento. Después de
la incubación, la presencia de placas en estos puntos demuestra que
el hospedador E. coli puede infectarse de forma eficaz por el
fago MS2.
Determinación de PFU/ml (Unidades Formadoras de
Placa/ml) en la muestra no diluida, original:
PFU/ml =
\frac{N^{o}\ \text{de placas observadas en la placa}}{\text{Factor
de dilución de la
placa}}
\newpage
Por ejemplo, si se observaron 35 placas en una
placa que tiene un factor de dilución de 10^{-8}, las PFU
serían:
\frac{35\
placas}{10^{-8}} = 3.5\ x\ 10^{9}\ PFU/ml\ en\ la\ muestra\
original
Usando los métodos descritos anteriormente, y
que se ejemplifican en las siguientes muestras, existen fuertes
fuerzas de adherencia entre las bacterias y el material
nanoestructurado de nanotubos de carbono. Las bacterias se adhieren
a la superficie del material nanoestructurado de nanotubos de
carbono en la sonicación. Se cree que sucede la misma adherencia de
la suspensión de E. coli cuando se pasa a través de la
nanomalla del material nanoestructurado de nanotubos de
carbono.
Además, se cree que la integridad de la célula
bacteriana se destruye después de la interacción con el material
nanoestructurado de nanotubos de carbono. Por ejemplo, los ensayos
de bacterias usando el material nanoestructurado descrito en este
documento mostraron un mecanismo destructivo en el que la
envuelta/pared celular se destruía completamente. Esta destrucción
sucede aparentemente debido a una brecha en la integridad de la
pared celular, que conduce a un fallo catastrófico de la pared
celular, debido a la diferencia en la presión osmótica entre el
interior de una célula completa y la presión osmótica en el exterior
de la célula. Por tanto, cuando la integridad de la pared
celular/envuelta se compromete, esas diferencias de presión osmótica
provocan la desintegración de las bacterias.
Por ejemplo, el Ejemplo 3 muestra la destrucción
de bacterias E. coli, como es evidente por la presencia de
ADN y proteínas bacterianas libres encontradas en el filtrado. Las
células dañadas se disipan por el flujo de agua como se observa en
el Ejemplo 3. Por lo tanto, el material nanoestructurado de
nanotubos de carbono de la invención no solamente destruye
completamente las bacterias sino que el material de la invención no
se contamina debido a la composición de carga biológica, que debe
proporcionar una vida más larga que los materiales actualmente
usados.
La invención se aclarará adicionalmente por los
siguientes ejemplos no limitantes, que se pretende que sean
simplemente ejemplares de la invención.
Ejemplo
1
Se fabricó un material nanoestructurado activado
a partir de nanotubos de carbono purificados disponibles en el
mercado. Estos nanotubos se colocaron en un tubo de centrífuga
cónico de 50 ml al que se añadió ácido nítrico concentrado hasta un
volumen de 45 ml. El tubo se agitó vigorosamente durante
2-3 minutos para mezclar el ácido y los nanotubos,
y después se centrifugó a 2.500 RPM durante cinco minutos para
sedimentar los nanotubos.
Se decantó un sobrenadante amarillo y se repitió
el lavado con ácido nítrico. Los nanotubos de carbono después se
lavaron 2-3 veces con agua para reducir la
concentración de ácido por debajo de un punto en el que el ácido no
reaccionaba con el isopropanol usado en las siguientes etapas.
Después se añadieron 100 mg de los nanotubos de
carbono lavados con ácido nítrico/aclarados con agua a 400 ml de
isopropanol neto disponible en el mercado y se ultrasonicaron en un
ultrasonicador Branson 900B a una potencia del 80% hasta que los
nanotubos de carbono se dispersaron bien (aproximadamente 10
minutos). La mezcla se diluyó adicionalmente añadiendo 2 litros de
isopropanol de modo que el volumen total de la mezcla resultante
fuera 2,4 litros. Esta mezcla diluida se ultrasonicó durante 10
minutos adicionales.
Después, se homogeneizaron 800 mg de
nano-fibra de óxido de silicio de 200 nm de diámetro
disponible en el mercado en una mezcladora disponible en el mercado
a toda potencia durante 10 minutos en 500 ml del isopropanol neto
disponible en el mercado. La mezcla homogeneizada después se diluyó
añadiendo 1 litro adicional de isopropanol neto disponible en el
mercado.
La mezcla de nanotubos de carbono y
nano-fibra de óxido de silicio preparada previamente
se mezcló y después se añadieron cantidades suficientes (C.S.) de
isopropanol para obtener 4 litros. Esta solución de 4 litros
después se ultrasonicó con un "ultrasonicador Branson 900B" a
una potencia del 80% durante 15 minutos, que causó que el
nanomaterial de nanotubos de carbono se dispersara
uniformemente.
La solución completa de 4 litros después se
depositó en un área de 13,22 cm^{2} (16 pulgadas cuadradas) en
una tela fundida no tejida de polipropileno de 5 micrómetros
disponible en el mercado. Aproximadamente la mitad de la solución
se pasó a través de la tela de polipropileno en 12,70 mm (½
pulgadas) de Hg de presión de vacío. Los 2 litros restantes de la
solución después se pasaron a través de la tela a una presión de 127
mm (5 pulgadas) de Hg hasta que la solución restante pasó a través
de la tela de polipropileno y la suspensión de nanotubos de carbono
óxido de silicio se depositara en la tela.
El material nanoestructurado resultante (llamado
NanoMesh^{TM}) se retiró del aparato de fabricación y se dejó
secar al aire a temperatura ambiente durante 2 horas para formar un
material nanoestructurado de nanotubos de carbono activado.
Ejemplo
2
Este ejemplo describe un ensayo de purificación
en agua contaminada con cultivo madre de bacterias E.coli,
que se adquirió de la American Type Culture Collection (ATCC).
Se realizó un ensayo de bacterias estimulando el
material nanoestructurado de nanotubos de carbono, fabricado de
acuerdo con el Ejemplo 1, con una estimulación de ((4 x 10^{7}
\pm 2 x 10^{7} unidades formadoras de colonias por ml (cfu/ml))
de cultivo madre de E. coli ATCC Nº 25922, que primero se
reconstituyó. Usando un asa de siembra biológica estéril
(disponible en el mercado) se retiró una carga de la solución madre
reconstituida y se sembró en estrías en una placa de agar sangre
disponible en el mercado y se incubó durante 12-18
horas a 36ºC. El cultivo después se retiró de la incubadora y se
examinó para su pureza.
Usando un asa de siembra biológica estéril
(disponible en el mercado) se retiró una carga del cultivo incubado
y se colocó en 10 ml de caldo de tripticasa soja estéril disponible
en el mercado (Remel Nº cat. 07228). Después se cultivó E.
coli en el caldo de tripticasa soja resultante durante una noche
para formar un cultivo madre de 1 x 10^{9} cfu/ml. Se añadió 1 ml
del cultivo madre a 100 ml del agua usada para el ensayo de
estimulación. El agua estimulada resultante después se pasó a
través del material nanoestructurado de nanotubos de carbono,
fabricado de acuerdo con el Ejemplo 1.
El ensayo se realizó de acuerdo con "Standard
Methods for the Examination of Water and Waste Water" citado
anteriormente. Los resultados de los ensayos que siguen los
protocolos descritos anteriormente establecieron una retirada
uniforme de bacterias E. coli de más de 6 log (>99,99995%)
a más de 7 log (>99,999995%) cuando el material de estimulación
se pasó a través del material nanoestructurado de nanotubos de
carbono, fabricado de acuerdo con el Ejemplo 1.
Los resultados de ensayo establecieron índices
de retirada que excedían las normas EPA de agua potable para la
retirada de bacterias del agua. Las normas EPA dictan una retirada
de 6 log (>99,99995%) de bacterias E. coli para conseguir
agua potable. Se ha conseguido una purificación mejorada por
retiradas de mayores log de bacterias E. coli en dichos
ensayos, estimulando el material nanoestructurado de nanotubos de
carbono con mayores concentraciones de material de estimulación de
bacterias E. coli, fabricado como se ha descrito
anteriormente. Dichos ensayos con mayores concentraciones confirman
índices de retirada mayores de 7 log. Ensayos independientes,
usando los procedimientos de ensayo descritos en este ejemplo, del
material nanoestructurado de nanotubos de carbono, fabricado de
acuerdo con el Ejemplo 1, establecen este material como una barrera
completa a las bacterias E. coli.
Ejemplo
3
Este ejemplo describe el análisis químico del
filtrado de una ensayo de estimulación de E. coli, realizado
como se ha descrito en el Ejemplo 2, en el material nanoestructurado
de nanotubos de carbono, fabricado de acuerdo con el Ejemplo 1.
Este ejemplo proporcionó verificación de la purificación a través de
la destrucción de bacterias E. coli que pasan a través del
material nanoestructurado de nanotubos de carbono de la invención.
Se establecieron evidencias de purificación a través de la
destrucción del contaminante, (bacterias E. coli) por la
presencia de ADN y proteínas en el filtrado estimulado.
Se realizó un ensayo de estimulación de acuerdo
con el Ejemplo 2, excepto en que la composición del material de
estimulación era 1x10^{8} cfu/ml de E. coli. Se extrajo un
total de 100 ml (total=1x10^{10} cfu) de esta solución de
estimulación a través del nanotubo de carbono, de material
nanoestructurado usando 12,70 mm (½ pulgadas) de Hg de presión de
vacío. Se obtuvo un filtrado de control pasando el filtrado de
estimulación de E. coli a través de un filtro Millipore de
0,45 micrómetros disponible en el mercado. Los filtrados
resultantes, del control y la estimulación, se analizaron después
con un espectrofotómetro disponible en el mercado para determinar
la presencia de proteína y ADN. El filtrado del ensayo de
estimulación no se concentró. Sin embargo, el análisis del filtrado
con un espectrofotómetro disponible en el mercado reveló 40
\mug/ml de ADN y 0,5 mg/ml de proteína. Las concentraciones de
proteína y ADN a estos niveles en el filtrado de estimulación no
concentrado fueron 6 veces mayores que en el material de ensayo de
control. Estas concentraciones confirmaron la destrucción de E.
coli en la estimulación por el material nanoestructurado de
nanotubos de carbono.
Ejemplo
4
Este ejemplo describe un ensayo de purificación
en agua contaminada con virus bacteriófago MS-2
usando el procedimiento descrito anteriormente y en "Standard
Operating Procedure for MS-2 Bacteriophage
Propagation/ Enumeration, Margolin, Aaron, 2001, An EPA
Reference Protocol". El virus bacteriófago MS-2
se usa habitualmente para evaluar las capacidades de tratamiento de
membranas diseñadas para tratar agua potable (NSF 1998). Las
estimulaciones de presión para este ejemplo se realizaron con 100
ml de soluciones de estimulación usando los protocolos descritos
anteriormente. Los materiales de estimulación de
MS-2 se prepararon de acuerdo con las etapas
enumeradas anteriormente.
En este ensayo, se estimularon ochenta (80)
membranas compuestas del material nanoestructurado de nanotubos de
carbono fabricado de acuerdo con el Ejemplo 1. El material de
estimulación usado era agua contaminada con virus bacteriófago
MS-2 a la concentración de 4 x 10^{6} \pm 2 x
10^{6} pfu/ml.
De las 80 unidades ensayadas, 50 unidades
consiguieron la retirada de MS-2 de 5 log (99,999%)
o más de 5 log (>99,9995%). Las 30 unidades restantes mostraron
4 log (99,99%) o más de 4 log (>99,995%) de retirada de
MS-2. Aunque las normas EPA recomiendan una retirada
de 4 log de Bacteriófago MS-2 para conseguir agua
potable, se cree que puede conseguirse mejor sensibilidad (mayor log
de retirada) estimulando con estimulaciones de mayor log de
MS-2. Se ha conseguido una purificación mejorada por
retiradas de mayor log de Bacterófago MS-2 en
dichos ensayos, estimulando el material nanoestructurado de
nanotubos de carbono, fabricado de acuerdo con el Ejemplo 1, con
concentraciones mayores de material de estimulación de Bacteriófago
MS-2, fabricado como se ha expuesto anteriormente.
Ensayos independientes del material nanoestructurado de nanotubos de
carbono, fabricado de acuerdo con el Ejemplo 1, establecen este
material como una barrera completa a Bacteriófago
MS-2.
Ejemplo
5
Este ejemplo describe un ensayo de purificación
en agua contaminada con arsénico. En este ensayo, se pasó una
solución madre de 150 partes por billón de arsénico en 100 ml de
agua a través del material nanoestructurado de nanotubos de
carbono, fabricado de acuerdo con el Ejemplo 1. Se analizó una
muestra del agua tratado con as de acuerdo con el Método EPA Nº SM
183113B. El análisis del filtrado de estimulación confirma una
reducción del nivel de arsénico en un 86% \pm 5%; después de
pasar el agua tratada con as de estimulación, una vez a través del
material nanoestructurado de nanotubos de carbono de la
invención.
Ejemplo
6
Se obtuvo una muestra de combustible de aviones
contaminado (JP8) a partir de un tanque de almacenamiento de 124,92
m^{3} (33.000 galones) localizado en las instalaciones del United
States Air Force Research en la base Wright Patterson Air Force.
Después de la recogida, la muestra se cultivó en agar tripticasa
soja y se descubrió que contenía tres tipos de bacterias: dos
especies de bacilos y una especia de micrococos. La muestra se
separó en dos recipientes de 2 litros cada uno. Ambos recipientes
presentaban dos capas distintas, el combustible para reactores en
la parte superior y agua en la parte inferior. El recipiente A
contenía una capa de crecimiento contaminada pesada en la
superficie de contacto entre el agua y el combustible. El recipiente
B mostraba solamente ligera contaminación. Las bacterias del ensayo
de estimulación se obtuvieron de la superficie de contacto del
combustible y el agua del Recipiente B.
Después de homogeneizarse, que se consiguió
agitando el combustible/agua/bacterias del ensayo de estimulación
vigorosamente durante 1 minuto, se pasaron 200 ml de la mezcla de
estimulación de combustible/agua/bacterias una vez, usando 76,20 mm
(3 pulgadas) de Hg de presión de vacío, a través del material
nanoestructurado de nanotubos de carbono, fabricado de acuerdo con
el Ejemplo 1.
La muestra de filtrado de estimulación de
combustible/agua/bacterias se dejó separar en sus componentes
combustible - agua, y se obtuvieron cuatro muestras de ensayo de
cada componente. Cada muestra de ensayo se sembró en placas de
agar. Las muestras después se incubaron para analizar el crecimiento
de las bacterias a 37ºC y las muestras se incubaron a temperatura
ambiente para analizar el crecimiento de moho. No se observó
crecimiento del cultivo de bacterias o moho en las placas de ensayo
de filtrado de estimulación después de incubar las muestras durante
24 y 48 horas. Las muestras de control presentaron colonias
vigorosas de crecimiento de bacterias y moho después de incubación
a 24 y 48 horas. Los resultados confirman que el material
nanoestructurado de nanotubos de carbono, fabricado de acuerdo con
el Ejemplo 1, era una barrera completa a las bacterias en
combustible por conseguir la retirada de las bacterias y el moho
del combustible más allá de los límites de medida con protocolos de
ensayo.
Ejemplo
7
El material nanoestructurado de nanotubos de
carbono, fabricado de acuerdo con el Ejemplo 1, se aclaró 6 veces
con agua Dl. El material nanoestructurado de nanotubos de carbono
aclarado se diluyó a una concentración de 10.000 ppm en agua
Dl.
Se preparó un cultivo de E. coli como se
ha descrito anteriormente, a una concentración de 5x10^{9} CFU/
ml en agua pura.
Se colocó una gota de la suspensión de E.
coli preparada en un portaobjetos de microcopio, de vidrio,
disponible en el mercado (American Scientific Products, Micro
Slides, sencillo, Cat. M6145, tamaño 75 x 25 mm) que se limpió con
ácido sulfúrico y se aclaró con agua Dl. La gota de suspensión de
E. coli se frotó y se dejó secar al aire, y se refrigeró a 4
grados Celsius durante 48 horas. El portaobjetos preparado se fijó
al calor pasándolo a través de una llama de un modo conocido en la
técnica.
El resto de la suspensión de E. coli,
preparada como se ha mostrado anteriormente, se dividió después en
dos partes iguales separándolas en dos matraces Erlenmeyer
(Suspensión Nº 1 y Nº 2).
La suspensión Nº 1 se diluyó con agua Dl a una
concentración de 2x10^{9} CFU/ml de E. coli.
Se añadió material nanoestructurado de nanotubos
de carbono, fabricado de acuerdo con el Ejemplo 1, a la Suspensión
Nº 2. La Suspensión Nº 2 se diluyó con agua Dl a la misma
concentración de E. coli que la Suspensión Nº 1. La
concentración de material nanoestructurado de nanotubos de carbono,
fabricado de acuerdo con el Ejemplo 1, era 625 ppm.
Las Suspensiones Nº 1 y Nº 2 se ultrasonicaron
simultáneamente con un sonicador Branson-2510
durante 3 min. Estas suspensiones se centrifugaron en una
centrífuga disponible en el mercado a 2500 rpm durante 2 minutos
para sedimentarlas, y posteriormente se decantaron dejando 1 ml de
sobrenadante (y para suspender el sedimento en la Suspensión Nº 1 y
Nº 2). El sedimento de la Suspensión Nº 1 y Nº 2 se usó después en
las muestras descritas a continuación.
La Muestra 2 se preparó colocando una gota de
Suspensión Nº 1 en un portaobjetos de vidrio descrito anteriormente,
y se refrigeró durante 19 horas. Después de refrigerarse durante 19
horas, se usó un microscopio de fuerza atómica (AFM) para
investigar la muestra sin fijación. La Muestra Nº 2 después se
colocó en un refrigerador durante 24 horas a la misma temperatura
indicada anteriormente. Después de refrigerarse durante 24 horas,
la Muestra Nº 2 se fijó térmicamente, por métodos conocidos en la
técnica. La Muestra Nº 2 se tiño por métodos conocidos en la
técnica, usando tinción de Gram con Violeta de Cristal.
Posteriormente se investigó por microscopía óptica.
La Muestra 3 se preparó colocando (y frotando)
una gota de Suspensión Nº 2 en un portaobjetos de vidrio. Se
realizó fijación térmica en 3 horas después de tratamiento
ultrasónico. Se tiñó la Muestra Nº 3, por métodos conocidos en la
técnica, usando tinción de Gram con Violeta de Cristal. La Muestra
Nº 3 se colocó en un refrigerador a la misma temperatura indicada
anteriormente. Después de 19 horas, la Muestra Nº 3 se retiró del
refrigerador y se analizó con un AFM sin fijación. La Muestra Nº 3
se colocó de nuevo en el refrigerador durante 24 horas, tiempo
después del cual se realizó la microscopía óptica.
La Muestra Nº 4 se preparó del modo descrito
para la Muestra Nº 2, con la excepción de que se usó Suspensión Nº
2 (y no Suspensión Nº 1).
Las muestras se investigaron en un microscopio
óptico Olympus a un aumento 1000x y en aceite de inmersión. Las
imágenes digitales se hicieron con Olympus DP10 CCD.
Tanto la muestra Nº 1 como la Nº 2 (suspensión
de bacterias sin material nanoestructurado de nanotubos de carbono)
mostraron la imagen de células E. coli distribuidas
uniformemente en la superficie completa del portaobjetos (véase la
Fig. 1 y 2). Las imágenes ilustran bacterias que tienen bordes bien
definidos lo que sugiere que las células bacterianas estaban
intactas. No se encontraron cambios en su forma después de 2 días
almacenadas en estado seco en el refrigerador. No hubo cambios
detectables en la morfología de la célula bacteriana entre muestras
que se fijaron por calor y se tiñeron 3 horas después de la
preparación de la muestra o que se fijaron por calor y se tiñeron
después de 2 días almacenadas en estado seco en el refrigerador.
La Muestra Nº 3 mostró ausencia completa de
bacterias en las áreas del portaobjetos en que no se observaron
nanotubos. Se observaron solamente un poco de material
nanoestructurado de nanotubos de carbono en la periferia del
frotis. La mayoría del material nanoestructurado de nanotubos de
carbono se había lavado del portaobjetos cuando se lavó el exceso
de tinte violeta del portaobjetos. La concentración de bacterias se
observó en los límites del material nanoestructurado de nanotubos
de carbono (Fig. 3). Las áreas de bacterias diferencian partículas
que se muestran en violeta.
La Muestra Nº 4 también mostró la presencia de
E. coli en los límites del material nanoestructurado de
nanotubos de carbono pero aparecen en la imagen en forma de manchas
borrosas (Fig. 4).
La microscopía de fuerza atómica (AFM) se hizo
en un Veeco Dimension 3100 Scanning Probe System en modo de
pulsos.
La Muestra Nº 2 mostró células E. coli
estrechamente compactadas entre sí (Fig. 5). Todas las células
tenían bordes afilados. Obsérvese que la disminución en el tamaño y
la densidad de compactación de las bacterias puede verse cuando se
compara una imagen AFM de la Nº 2 antes del tratamiento por calor
(Fig. 5) y la imagen óptica de esta muestra después del tratamiento
por calor (Fig. 2).
La Muestra Nº 3 muestra algunas células en el
interior del material nanoestructurado de nanotubos de carbono
(Fig. 6). Es evidente la presencia de al menos una célula individual
en la parte central superior de la imagen. Los bordes de la pared
de la célula E. coli están difusos.
La estructura en desintegración de la célula
E. coli también se puede reconocer en imagen 3D (Fig. 7).
Además, puede verse algo de material difuso en los materiales
nanoestructurados de nanotubos de carbono.
Se investigó un área superficial mayor de la
muestra Nº 4 que la que se muestra en la Fig. 10 y todas las
células E. coli se desintegraron más allá del punto de
reconocimiento. Sin embargo, puede observarse la presencia de
fragmentos de E. coli difusos en el material nanoestructurado
de nanotubos de carbono.
En la ultrasonicación en agua Dl de E.
coli y material nanoestructurado de nanotubos de carbono, los
dos componentes se aglomeran debido a las fuerzas electrostáticas y
de Van der Waals. Al límite de detección, se observó que todas las
bacterias en suspensión estaban en contacto con el material
nanoestructurado de nanotubos de carbono, y adheridas. Ya no había
células E. coli libres en la Suspensión Nº 2.
La desintegración de las células E. coli
comenzó inmediatamente, o en cuanto las células entraron en contacto
íntimo con los nanotubos. Como resultado, pareció que las bacterias
perdían sus bordes afilados y pareció que los contenidos internos
de las bacterias se propagaron desde la célula. El comienzo de este
proceso sucedió después de 3 horas de fijación (Fig. 6 y 8), y
después de 22 horas la propagación llegó tan lejos que era difícil
reconocer bacterias individuales (Fig. 10).
Salvo que se indique otra cosa, todos los
números que expresan cantidades de ingredientes, condiciones de
reacción, y etc. usados en la memoria descriptiva y las
reivindicaciones deben entenderse como modificados en todos los
casos por el término "aproximadamente". Por consiguiente, salvo
que se indique lo contrario, los parámetros numéricos expuestos en
la memoria descriptiva y las reivindicaciones adjuntas son
aproximaciones que pueden variar dependiendo de las propiedades
deseadas que se busca obtener por la presente invención.
Claims (63)
1. Un método para purificar fluidos que
comprende
poner en contacto un fluido contaminado con un
material nanoestructurado que comprende nanotubos de carbono
defectuosos elegidos entre nanotubos impregnados, funcionalizados,
dopados, cargados, recubiertos, e irradiados,
y
y
destruir, modificar, retirar, o separar al menos
un contaminante de dicho fluido.
2. El método de la reivindicación 1, que
comprende adicionalmente formar una corriente de fluido purificado
y una corriente contaminada.
3. El método de la reivindicación 1, en el que
dicho medio líquido comprende agua, aceite, disolventes orgánicos o
inorgánicos, la forma líquida de nitrógeno y dióxido de carbono.
4. El método de la reivindicación 1, en el que
dichos contaminantes comprenden patógenos, organismos
microbiológicos, ADN, ARN, moléculas orgánicas naturales, mohos,
hongos, toxinas naturales y sintéticas, metales pesados,
endotoxinas, proteínas, enzimas, y contaminantes micro y
nanoparticulados.
5. El método de la reivindicación 4, en el que
dichas toxinas naturales y sintéticas y metales pesados incluyen
arsénico, plomo, uranio, talio, cadmio, cromo, selenio, cobre,
torio.
6. El método de la reivindicación 1, en el que
dichos fluidos comprenden al menos un líquido o gas.
7. El método de la reivindicación 6, en el que
dicho líquido es agua.
8. El método de la reivindicación 6, en el que
dicho líquido se elige entre petróleo y sus subproductos, fluidos
biológicos, productos alimenticios, bebidas alcohólicas y
medicinas.
9. El método de la reivindicación 8, en el que
dicho petróleo y sus subproductos comprenden combustible de
aviones, automóviles, barcos, y locomotoras, combustibles de
cohetes, aceites y lubricantes industriales y de maquinaria, y
aceites y gases de calefacción.
10. El método de la reivindicación 9, en el que
dicho petróleo y sus subproductos comprenden combustible de aviones
y dichos contaminantes comprenden bacterias.
11. El método de la reivindicación 8, en el que
dichos fluidos biológicos se obtienen de animales, seres humanos,
plantas, o comprenden un caldo de cultivo usado en el procesamiento
de un producto biotecnológico o farmacéutico.
12. El método de la reivindicación 8, en el que
dichos fluidos biológicos comprenden sangre, leche y componentes de
ambas.
13. El método de la reivindicación 8, en el que
dichos productos alimenticios se eligen entre subproductos
animales, zumo de frutas, jarabes naturales, y aceites naturales y
sintéticos usados en la cocina o industria alimentaria.
14. El método de la reivindicación 13, en el que
dichos subproductos animales incluyen leche y huevos.
15. El método de la reivindicación 13, en el que
los aceites naturales y sintéticos usados en la cocina o industria
alimentaria comprenden aceite de oliva, aceite de cacahuete, aceites
de flores, y aceites vegetales.
16. El método de la reivindicación 8, en el que
dichas bebidas alcohólicas comprenden cerveza, vino, o licores.
17. El método de la reivindicación 1, en el que
dichos contaminantes se eligen entre al menos uno de los siguientes:
sales, metales, patógenos, organismos microbiológicos, ADN, ARN,
moléculas orgánicas naturales, mohos, hongos, y toxinas naturales y
sintéticas, endotoxinas, proteínas, y enzimas.
18. El método de la reivindicación 17, en el que
dichas toxinas naturales y sintéticas comprenden agentes de armas
químicas y biológicas.
19. El método de la reivindicación 1, en el que
dicho gas comprende el aire.
20. Un método para purificar agua que
comprende:
poner en contacto agua contaminada con un
material nanoestructurado que comprende nanotubos de carbono
defectuosos elegidos entre nanotubos impregnados, funcionalizados,
dopados, cargados, recubiertos, e irradiados, y
en el que dicha agua contaminada se pone en
contacto durante un tiempo suficiente para destruir, modificar,
retirar, o separar al menos un contaminante de dicha agua.
21. El método de la reivindicación 20, en el que
dichos contaminantes se retiran a un nivel de al menos 3 log
(99,9%), preferiblemente a un nivel de al menos 4 log (99,99%),
preferiblemente a un nivel de al menos 5 log (99,999%).
22. El método de la reivindicación 20, en el que
dicho material nanoestructurado se trata con constituyentes que
modifican la actividad biológica o química de dicha agua.
23. El método de la reivindicación 20, que
comprende adicionalmente formar una corriente de agua limpia que es
distinta de una corriente que contiene contaminante.
24. El método de la reivindicación 1 o
reivindicación 20, en el que dichos nanotubos de carbono defectuosos
contienen un defecto que es una distorsión de red en al menos un
anillo de carbono.
25. El método de la reivindicación 1 o
reivindicación 20, en el que dichos nanotubos de carbono tienen al
menos un extremo que está al menos parcialmente abierto.
26. El método de la reivindicación 1 o
reivindicación 20, en el que dicho material nanoestructurado se
trata con constituyentes que modifican la actividad biológica o
química de dicho fluido o agua.
27. El método de la reivindicación 1 o
reivindicación 20, en el que dicho material nanoestructurado
comprende dichos nanotubos de carbono en un medio líquido, sólido,
o gaseoso en una cantidad suficiente para destruir, modificar,
retirar o separar sustancialmente contaminantes en dicho fluido o
agua.
28. El método de la reivindicación 27, en el que
dichos nanotubos de carbono se mantienen en dicho medio por una
fuerza mecánica o un campo elegido entre campos electromagnéticos,
acústicos, y ópticos o combinaciones de los mismos.
29. El método de la reivindicación 27, en el que
dicho medio comprende al menos un componente elegido entre fibras,
sustratos, y partículas.
30. El método de la reivindicación 29, en el que
dichos nanotubos de carbono están interconectados y/o conectados a
fibras, sustratos, y partículas para formar una nanomembrana.
31. El método de la reivindicación 27, en el que
dicho medio líquido comprende agua, aceite, disolventes orgánicos,
la forma líquida de nitrógeno y dióxido de carbono.
32. El método de la reivindicación 27, en el que
dicho medio gaseoso comprende el aire, o un gas elegido entre
argón, nitrógeno, helio, amoniaco, y dióxido de carbono.
33. El método de la reivindicación 1 o
reivindicación 20, en el que dichos nanotubos de carbono tienen una
nanoestructura enrollada tubular o no tubular de anillos de
carbono.
34. El método de la reivindicación 33, en el que
dichos nanotubos de carbono que tienen una a nanoestructura
enrollada tubular o no tubular de anillos de carbono son de pared
única, múltiples paredes, están nanoenrollados o combinaciones de
los mismos.
35. El método de la reivindicación 34, en el que
dichos nanotubos de carbono que tienen una nanoestructura enrollada
tubular o no tubular tienen una morfología elegida entre
nanocuernos, cilíndrica, nanoespirales, dendritas, árboles,
estructuras de nanotubo en forma de araña, uniones en Y de
nanotubos, y morfología de bambú.
36. El método de la reivindicación 1 o
reivindicación 20, en el que el material que está impregnado,
funcionalizado, dopado, y/o recubierto en dicho nanotubo de carbono
se encuentra en una cantidad suficiente para conseguir el
transporte activo y/o selectivo de fluidos o componentes de los
mismos al interior de, fuera de, a través de, a lo largo de o
alrededor de dichos nanotubos.
37. El método de la reivindicación 36, en el que
dicho material comprende el mismo material que se usa para
transportar selectivamente al interior de, fuera de, a través de, a
lo largo de o alrededor de dichos nanotubos de carbono defectuosos,
pretratados.
38. El método de la reivindicación 36, en el que
dicho material comprende al menos un compuesto elegido entre
oxígeno, hidrógeno, compuestos iónicos, compuestos halogenados,
azúcares, alcoholes, péptidos, aminoácidos, ARN, ADN, endotoxinas,
compuestos metalo-orgánicos, óxidos, boruros,
carburos, nitruros, y metales elementales y aleaciones de los
mismos.
\newpage
39. El método de la reivindicación 36, en el que
dichos óxidos comprenden un óxido de carbono, azufre, nitrógeno,
cloro, hierro, magnesio, silicio, zinc, titanio, o aluminio.
40. El método de la reivindicación 1 o
reivindicación 20, en el que dichos nanotubos de carbono que están
funcionalizados comprenden compuestos inorgánicos u orgánicos unidos
a la superficie de dichos nanotubos de carbono.
41. El método de la reivindicación 40, en el que
dichos compuestos orgánicos comprenden grupos lineales o
ramificados, saturados o insaturados.
42. El método de la reivindicación 40, en el que
dichos compuestos orgánicos comprenden al menos un grupo químico
elegido entre carboxilos, aminas, poliamidas, polianfífilos, sales
diazonio, pirenilos, silanos y combinaciones de los mismos.
43. El método de la reivindicación 42, en el que
dicho al menos un grupo químico está localizado en al menos un
extremo de dichos nanotubos de carbono y está opcionalmente
polimerizado.
44. El método de la reivindicación 40, en el que
dichos compuestos inorgánicos comprenden al menos un compuesto
fluorado de boro, titanio, niobio, tungsteno, y combinaciones de los
mismos.
45. El método de la reivindicación 40, en el que
dichos compuestos inorgánicos u orgánicos comprenden un átomo de
halógeno o compuesto halogenado.
46. El método de la reivindicación 40, en el que
dichos nanotubos de carbono funcionalizados comprenden una no
uniformidad en la composición y/o densidad de los grupos funcionales
a través de la superficie de dichos nanotubos de carbono y/o a
través de al menos una dimensión de dicho material
nanoestructurado.
47. El método de la reivindicación 40, en el que
dichos nanotubos de carbono funcionalizados comprenden un gradiente
sustancialmente uniforme de dichos grupos inorgánicos u orgánicos a
través de la superficie de dichos nanotubos de carbono y/o a través
de al menos una dimensión de dicho material nanoestructurado.
48. El método de la reivindicación 20, que
comprende adicionalmente cargar dichos nanotubos de carbono a un
nivel suficiente para potenciar la destrucción, modificación,
retirada, o separación de dichos contaminantes.
49. El método de la reivindicación 48, en el que
dichos nanotubos de carbono se cargan mediante metodologías
químicas, irradiación, carga capacitiva, o flujo de agua adyacente
y/o a través de dichos nanotubos de carbono, donde la carga sucede
antes de o simultáneamente con dicha funcionalización y/o dicho
recubrimiento.
50. El método de la reivindicación 1 o
reivindicación 20, en el que dichos nanotubos de carbono irradiados
se irradian por al menos un tipo de partícula elegido entre fotones,
electrones, partículas nucleares, e iónicas, siendo dicha
irradiación en una cantidad suficiente para romper al menos un
enlace carbono-carbono y/o
carbono-dopante, o para activar dicha
estructura.
51. El método de la reivindicación 29, en el que
dichas fibras, sustratos, y partículas se eligen entre al menos un
material metálico, cerámico, y polimérico.
52. El método de la reivindicación 51, en el que
dicho material polimérico comprende polímeros de uno o múltiples
componentes, nylon, poliuretano, compuestos acrílicos, compuestos
metacrílicos, policarbonato, epoxi, gomas de silicona, gomas
naturales, gomas sintéticas, gomas vulcanizadas, poliestireno,
tereftalato de polietileno, tereftalato de polibutileno,
poli-parafilen tereftalamida,
poli(p-fenilen tereftalamida), poliéster de
éster de ceteno, tereftalato de polietileno, fluoroelastómero
viton, polietrafluoroetileno, poli(cloruro de vinilo),
poliéster (tereftalato de polietileno), polipropileno, y
policloropreno.
53. El método de la reivindicación 52, en el que
dichos polímeros de múltiples componentes muestran al menos dos
temperaturas de transición vítrea o fusión diferentes.
54. El método de la reivindicación 52, en el que
dicho material cerámico se elige entre al menos uno de los
siguientes: carburo de boro, nitruro de boro, óxido de boro, fosfato
de boro, espinela, granate, fluoruro de lantano, fluoruro cálcico,
carburo de silicio, carbono y sus alótropos, óxido de silicio,
vidrio, cuarzo, óxido de aluminio, nitruro de aluminio, óxido de
circonio, carburo de circonio, boruro de circonio, nitruro de
circonio, boruro de hafnio, óxido de torio, óxido de itrio, óxido de
magnesio, óxido de fósforo, cordierita, mulita, nitruro de silicio,
ferrita, zafiro, esteatita, carburo de titanio, nitruro de titanio,
boruro de titanio, y combinaciones de los mismos.
55. El método de la reivindicación 52, en el que
el material metálico se elige entre al menos uno de los siguientes:
aluminio, boro, cobre, cobalto, oro, platino, silicio, acero,
titanio, rodio, indio, hierro, paladio, germanio, estaño, plomo,
tungsteno, niobio, molibdeno, níquel, plata, circonio, itrio, y
aleaciones de los mismos.
56. El método de la reivindicación 29, en el que
dichas partículas tienen un diámetro de hasta 100 micrómetros.
57. El método de la reivindicación 1 o
reivindicación 20, en el que el recubrimiento en dichos nanotubos de
carbono recubiertos comprende un material metálico o
polimérico.
58. El método de la reivindicación 57, en el que
dicho material metálico comprende al menos un metal elegido entre
oro, platino, titanio, rodio, iridio, indio, cobre, hierro, paladio,
galio, germanio, estaño, plomo, tungsteno, niobio, molibdeno,
plata, níquel, cobalto, metales del grupo del lantano, y aleaciones
de los mismos.
59. El método de la reivindicación 57, en el que
dicho material polimérico se elige entre polímeros de múltiples
componentes, nylon, poliuretano, compuestos acrílicos, compuestos
metacrílicos, policarbonato, epoxi, gomas de silicona, gomas
naturales, gomas sintéticas, gomas vulcanizadas, poliestireno,
tereftalato de polietileno, tereftalato de polibutileno,
poli-parafilen tereftalamida,
poli(p-fenilen tereftalamida), poliéster de
éster de ceteno, tereftalato de polietileno, fluoroelastómero
viton, polietrafluoroetileno, poli(cloruro de vinilo),
poliéster (tereftalato de polietileno), polipropileno, y
policloropreno.
60. El método de la reivindicación 1 o
reivindicación 20, en el que retirar y/o separar dichos
contaminantes comprende un mecanismo elegido entre exclusión de
tamaño, absorción, y adsorción.
61. El método de la reivindicación 20, en el que
dichos contaminantes comprenden patógenos, organismos
microbiológicos, ADN, ARN, moléculas orgánicas naturales, mohos,
hongos, toxinas naturales y sintéticas, metales pesados,
endotoxinas, proteínas, enzimas, y contaminantes micro y
nanoparticulados.
62. El método de la reivindicación 61, en el que
dichas toxinas naturales y sintéticas y metales pesados incluyen
arsénico, plomo, uranio, talio, cadmio, cromo, selenio, cobre,
torio, agentes de armas químicas y biológicas.
63. El método de la reivindicación 20, en el que
dichos contaminantes comprenden sales.
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