Способ очищения жидкости с использованием магнитных наночастиц

Способ очищения жидкости с использованием магнитных наночастиц

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Приоритет по данной формуле изобретения принадлежит предварительной патентной заявке США No. 61/108,821, зарегистрированной 27 октября 2008 года, предварительной патентной заявке США No 61/211,008, зарегистрированной 26 марта 2009 года, и предварительной патентной заявке США No 61/271,158, зарегистрированной 20 июля 2009 года, содержание каждой из которых включено в настоящий документ ссылкой.

ЗАЯВЛЕНИЕ, КАСАЮЩЕЕСЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЛИ РАЗРАБОТОК, ФИНАНСИРУЕМЫХ НА ФЕДЕРАЛЬНОМ УРОВНЕ

Данное изобретение было выполнено при поддержке правительства США в рамках решения No. ПР-0930768, выданного Национальным научным фондом. Правительство США имеет определенные права на настоящее изобретение.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к магнитным наночастицам и методам использования наночастиц для избирательного удаления биопрепаратов, малых молекул, аналитов, ионов или молекул, представляющих интерес, из жидкости.

Описание уровня техники

Селен представляет собой микроэлемент, необходимый в малых количествах для жизнеобеспечения людей, животных и растений; однако в большой концентрации селен может оказывать пагубное влияние на живые организмы. Повышенные концентрации селена были и продолжают оставаться главной проблемой в западных регионах США, других районах США и по всему миру.

Оксианионы селена были выявлены как токсины, загрязняющие окружающую среду, в дренажных водах с орошаемых сельскохозяйственных земель, содержащих селен. Экологическая проблема в отношении селена заключается в том, что в очень узком интервале концентраций он способен вызывать либо эффект токсичности, либо дефицит в организме человека, животных и некоторых растений. Было обнаружено, что концентрация селената (SeO₄ ²'') в воде ниже чем 10 частей на миллиард может привести к смерти и к врожденным порокам у водоплавающих птиц. В результате Агентство по охране окружающей среды США (U.S. ЕРА) определило стандартное содержание селена в питьевой воде в количестве 0,1 мг/л. Высокие концентрации селената были обнаружены в западных районах США, при этом работы по орошению могут привести к переносу селената в подземные или поверхностные воды.

В процессе орошения и дренажа селен вымывается из почв, богатых селеном, и попадает в подземные и поверхностные воды. Водный селен преимущественно существует в виде селената (SeO₄ ²'') и селенита (SeO₃ ^2-). Из данных двух видов селенат более стабилен в водных растворах и, таким образом, его сложнее удалить. Концентрация и химические формы селена в почвах или в дренажных водах обуславливаются различными физико-химическими факторами, включающими окислительно-восстановительный уровень, pH и сорбирующие поверхности.

Селен может встречаться, помимо прочего, в виде селенида, элементарного селена, селенита, селената и селен-комплексов с кианитовым или органическим основанием. В настоящее время для удаления Se из сточных вод в основном используются такие физико-химические методы, как химическое осаждение, каталитическое восстановление и ионный обмен. Из этих видов ионный обмен способствует образованию в первую очередь селеноцианата, затем селената и, затем, селенита, поскольку адсорбция гидроксида железа не обладает сродством с селенцианатом и способствует образованию сначала селенита, а затем селената. Поскольку большая часть нефтезаводских полностью очищенных стоков и природных вод содержат смесь селенатных и селенитных форм селена, трудно обеспечить полное удаление селена из нефтезаводских стоков или природной воды за один этап. Более того, процесс окисления до состояния селената или восстановления из данного состояния является крайне медленным кинетическим процессом, что еще больше задерживает оптимизацию. Ионный обмен также не стал успешной методикой удаления селена, поскольку селенат демонстрирует практически полное химическое сродство со смолой, как и сульфат, концентрация которого обычно на несколько порядков выше, чем концентрация селената. Таким образом, сульфат преимущественно просто вытесняет селен из смолы. Более того, ионообменные смолы загрязняются при использовании их для очистки сточных вод, загрязненных селеном, и методы восстановления часто не отвечают требованиям, а их результаты не поддаются прогнозированию.

Известно, что микробиальное восстановление селената (Se⁶⁺) в элементарный селен (Se⁰) посредством соды Satoshi Soda (Se⁴⁺) играет главную роль в детоксикации растворимого Se в естественной среде. Поскольку элементарный Se имеет малую токсичность или не имеет ее вовсе и легко удаляется из водной фазы вследствие того, что он нерастворим, данный восстановительный процесс может использоваться для разработки систем очистки сточных вод для поведения детоксикации и удаления растворимого Se, в особенности селената.

Современные методы очистки воды имеют невысокую эффективность при наращивании масштабов использования, являются энергоемкими и сопряжены с высокими затратами. Предыдущие пробные методики по восстановлению селена из водных источников включают в себя использование биологических процессов (анаэробно-бактериальный процесс, факультативно-бактериальный процесс, бактериальный процесс на основе микроводорослей и др.), микробиального выпаривания, геомеханической иммобилизации, процесса адсорбции тяжелых металлов, процесса образования гидроокиси железа, мембранных процессов (обратного осмоса, прямого осмоса), ионообменных колонн и других методов. Ввиду недостаточной эффективности в данной области реализуются только немногие из современных методик, при этом обычным методом решения проблемы селена в сельскохозяйственных областях, таких как долина реки Сан-Хоакин штата Калифорния, были большие бассейны для выпаривания или выдувания почвы.

Современные методы водоочистки являются энергоемкими и используют мембранные технологии или другую сложную аппаратуру водоочистки. Настоящее изобретение упрощает методики очистки воды и предлагает эффективный метод ослабления воздействия селена на окружающую среду с меньшими энергозатратами, чем это требуется для других предложенных методик для водоочистки, ограничивая, в то же время, вредное воздействие растворов солей и других вредных биопродуктов на окружающую среду. Настоящее изобретение является экономически целесообразным и оказывает положительное влияние на окружающую среду. Данное новое изобретение представляет собой элементарное, ионное или молекулярное специальное, безопасное, с высокой степенью повторяемости результатов, экономически целесообразное средство для удаления селена, являющееся надежным и потребляющим минимум электричества, а также оказывающее минимальное воздействие на окружающую среду.

Опреснение относится к любому из нескольких процессов, удаляющих соль или другие минералы из воды. Воду опресняют для преобразования ее в пресную питьевую воду. В настоящее время основная проблема опреснения состоит в разработке экономически эффективных способов снабжения людей пресной водой в тех районах, где наличие пресной воды ограничено.

Согласно информации, указанной в статье газеты «Уолл-стрит джорнал» от 17 января 2008 года, во всем мире 13080 опреснительные установки производят более 12 миллиардов галлонов в воды в день. При крупномасштабном опреснении обычно используется большое количество энергии, а также специализированная дорогостоящая инфраструктура. Ряд факторов определяет капитальные и эксплуатационные расходы по опреснению: вместимость и тип объекта, местоположение, питательная вода, рабочая сила, финансирование и удаление концентрата.

Вода, содержащая умеренное количество солей, может использоваться для орошения и сельскохозяйственных нужд там, где не требуется применение строгих стандартов для питьевой воды. Однако, на сегодняшний день, необходимая энергия и высокая стоимость опреснения солоноватой и морской воды являются основными препятствиями для крупномасштабного производства пресной воды из соленой.

По оценкам требования по затратам энергии и электричества сократились ~ на 70%, тем самым допуская использование опресненной воды для орошения большинства сельскохозяйственных культур. Оценка затрат базируется на том факте, что сепарация осуществляется путем приложения градиентов магнитного поля от постоянного магнита из редкоземельных металлов, и, следовательно, для питательных насосов высокого давления, используемых в настоящее время в опреснительных процессах, не требуется огромного расхода электроэнергии для обеспечения их работы под давлением 40-80 бар. Минимальные затраты энергии, используемой для опреснения с помощью функционализированных наночастиц, будут использованы для первоначальной закачки питательной воды в первый реактор с мешалкой и для непрерывного перемешивания в каждом реакторе.

Около 70% земной поверхности покрыто водой, большую часть которой составляет мировой океан, следовательно, эта вода не пригодна для использования без опреснения. Пресная вода составляет менее 3% от общего объема воды на планете, однако большая часть содержится в полярных ледниках. Поэтому для использования человеком доступно менее 1% пресной воды. Растущий спрос на питьевую и ирригационную воду приобретает все большее социально-экономическое значение по всему миру, в связи с чем возникает необходимость использования морской, солоноватой и соленой воды из скважин для поставок пресной воды. Все чаще ученые и инженеры, занимающиеся проблемами воды, ставят под сомнение эффективность существующих методик решения проблем обеспечения всех нуждающихся водой, соответствующей ужесточившимися стандартам. Высокая свободная энергия гидратации высокогидрофильных ионов натрия, калия, фтора и хлора делает процесс удаления этих ионов из водных растворов крайне сложным.

Мембранный процесс разделения на основе обратного осмоса (RO) является стандартным способом опреснения воды по всему миру. Процесс опреснения воды путем обратного осмоса исторически был капиталоемким и энергоемким процессом в основном ввиду необходимости поддерживать высокое давление (40-80 бар) для просачивания воды сквозь мембраны обратного осмоса (RO). Таким образом, хотя обратный осмос зарекомендовал себя как надежный способ опреснения воды, высокие энергозатраты являются основным ограничивающим фактором для длительного использования данного метода опреснения воды. Кроме того, связанная с этим значительная выработка парниковых газов, замедленные темпы восстановления, а также биологическое и коллоидное обрастание мембран - вот некоторые проблемы, связанные с мембранной технологией сепарации.

Альтернативой обратному осмосу для опреснения может стать технология, потребляющая значительно меньше энергии для данного использования без ущерба для эффективности удаления солей.

Мембранные процессы развивались очень быстро, и для большинства новых объектов использовались технологии обратного осмоса. Мембранные системы, обычно, потребляют меньше энергии, чем термическая перегонка, что привело к общему снижению затрат на опреснение за последнее десятилетие. Процесс опреснения остается энергоемким, однако будущие затраты будут все так же зависеть от цен на энергию и на методику опреснения.

В статье газеты «Уолл-стрит джорнал» от 17 января 2008 года утверждается, что «В ноябре корпорация «Poseidon Resources Corp.» из штата Коннектикут получила официальное разрешение на строительство опреснительной установки, стоимостью 300 миллионов долларов США, в Карлсбаде к северу от Сан-Диего. Объект станет крупнейшим в Западном полушарии, производя 50 миллионов галлонов [190000 м] питьевой воды в день, достаточной для снабжения около 100000 домов… стоимостью по 3,06 доллара США за 1000 галлонов».

Эксплуатационные расходы по опреснению воды в Израиле составляют 0,53 долл. США за кубический метр. Расходы на опреснение воды в Сингапуре составляют 0,49 долл. США за кубический метр. В соответствии со статьей из журнала «Форбс» «компания под названием «Energy Recovery Inc.» из Сан-Леандро, штат Калифорния, производила работы по опреснению воды по 0,46 долларов США за кубический метр». «Гидро-Алхимия, Форбс, 9 мая 2008 года».

Несоответствующие затраты на потребление на энергию существующих технологий привели к тому, что возникла необходимость в новых технологиях, что, в свою очередь, привело к поиску различных новых технологий опреснения. Ранее с различной степенью успеха было найдено множество новых технологий по опреснению. Правительство США работает над разработкой технологии солнечного опреснения.

Научно-исследовательские работы, проведенные в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, показали, что нанотрубочные мембраны могут быть эффективными для фильтрации воды и могут стать жизнеспособным процессом опреснения воды, для которого потребуются значительно меньшие затраты энергии, чем для обратного осмоса. «Работа по связям с общественностью Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (2006-05-18). «Нанотрубочные мембраны - возможность удешевить процесс опреснения». Пресс-релиз, http://www.llnl.gov/pao/news/news_releases/2006/NR-06-05-06.html.

Как сообщают, компанией Siemens Water Technologies была разработана новая технология, по которой для опреснения одного кубического метра воды требуется всего 1,5 кВт·ч энергии, которая, как сообщают, равняется половине энергии, используемой другими процессами. «Команда выиграла грант на 4 миллиона долларов США за разработку передовой технологии опреснения морской воды, Стрейтс Таймс, июнь 2008 года».

В относительно новом процессе «Низкотемпературное тепловое опреснение» (LTTD) используется низкое давление внутри камер, создаваемое вакуумным насосом, и принцип данного процесса заключается в том, что кипение воды при низком давлении происходит даже при температуре окружающей среды.

В другой области очистки воды, в системах, используемых в настоящее время в качестве этапа процесса производства питьевой воды, в качестве ультрафильтрационных мембран используются мембраны из полимеров с микроскопическими порами, через которые вода под давлением проходит через фильтр.

В системах ионного обмена используется ионообменная смола или насадочные колонны с цеолитом для замены нежелательных ионов, обычно для удаления ионов Са²⁺ и Mg²⁺ и замены их благоприятными ионами Na⁺ или К⁺. Ионообменная смола также используется для удаления токсичных ионов нитрата, нитрита, свинца, ртути и мышьяка.

Дезинфекция в настоящее время осуществляется как за счет фильтрации опасных микробов, так и за счет добавления дезинфицирующих химических веществ.

На последнем этапе очистки питьевой воды проводится ее дезинфекция для ликвидации любых патогенных организмов, проходящих через фильтры. Общие патогенные организмы включают вирусы, бактерии, такие как кишечная палочка (Escherichia coli), кампилобактеры (Campylobacter) и шигеллы (Shigella), и простейшие, включающие лямблию кишечную (Giardia lamblia) и другие криптоспоридии.

В районах с природной кислой водой вода может растворять свинец в свинцовых трубах, который переносится в малых количествах вместе с фосфат-ионом, при этом рН слегка увеличивается, что способствует значительному уменьшению количества ионов свинца путем образования нерастворимых солей свинца на внутренней поверхности труб.

Некоторые грунтовые воды содержат радий. Такие типовые источники включают многочисленные источники грунтовых вод к северу от реки Иллинойс в штате Иллинойс. Радий обычно удаляется путем ионного обмена или путем водоподготовки.

Хотя фтор добавляется в воду во многих областях, в природной воде некоторых районов, например во Флориде, уровень природного фтора чрезмерно высок. Избыток фтора может быть токсичен и может вызывать нежелательные косметические эффекты, например окрашивание зубов. Одним из методов снижения уровней фторидов является использование активированного оксида алюминия.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к магнитным наночастицам и методам использования магнитных наночастиц для избирательного удаления биопрепаратов, малых молекул, аналитов, ионов или молекул, представляющих интерес, из жидкости.

Предпочтительно, чтобы наночастицы являлись синтетическими аналогами природных магнитных минералов. Минералы и их аналоги могут демонстрировать различные магнитные свойства, включая, помимо прочего, диамагнитные, парамагнитные, суперпарамагнитные, ферромагнитные, ферримагнитные, антиферромагнитные и электромагнитные свойства, а также свойства спинового стекла.

Предпочтительно, чтобы магнитные наночастицы являлись синтетическими аналогами любых подходящих магнитных материалов или комбинаций этих материалов, таких как магнетит, ульвошпинель, гематит, ильменит, маггемит, якобсит, треворит, магнезиоферрит, пирротит, грейгит, троилит, гетит, лепидокрокит, фероксигит, железо, никель, кобальт, аваруит, уайрауит или любые их комбинации.

Магнитные наночастицы могут иметь различные размеры и формы.

Магнитные частицы могут использоваться самостоятельно, с покрытием или в комплексе с одним или несколькими материалами, которые повышают избирательность или химическое сродство магнитных наночастиц с нужной молекулой-мишенью.

В одном раскрытом варианте осуществления процесса магнитные частицы смешиваются с жидкостью, содержащей примеси-мишени, на период, достаточный для того, чтобы магнитная частица образовала комплекс или соединилась с мишенью.

После формирования комплекса или соединения с мишенью жидкость подвергается воздействию внешнего магнитного поля достаточной силы для того, чтобы собрать наночастицы в одной части жидкости. Часть жидкости без наночастиц и связанная мишень отделяются от части жидкости, содержащей наночастицы.

Наночастицы, соединенные с мишенью или образовавшие с ней комплекс, восстанавливаются благодаря тому, что подвергаются воздействию условий, которые приводят к освобождению мишени от наночастиц.

Если мишень представляется собой ценную молекулу, то освобожденная мишень собирается для дальнейшей обработки.

Восстановленные наночастицы подходят для повторного использования в описанном выше процессе.

В одном варианте осуществления раскрытия предмета изобретения синтезируются новые функционализированные магнитные наноструктурные материалы (NM) для удаления различных ионов солей из соленой воды для сельскохозяйственного использования, а также для использования такой воды в качестве питьевой.

Наночастицы смешиваются с соленой водой на различных этапах, что обеспечивает выборочное связывание растворенных ионов соли с функционализированными частицами. В слабом магнитном поле (~1 Тл) частицы, связанные с солью, притягиваются и отделяются с помощью магнитов, предпочтительно постоянных магнитов из редкоземельных металлов.

Процесс повторяется несколько раз до тех пор, пока в обработанной воде не будет достигнута нужная концентрация соли. Функционализированные наночастицы используются повторно, путем элюирования связанных солей и отделения их от частиц с помощью воды или других специальных реагентов. Самое главное, что процесс изменяется посредством использования линейно изменяемых непрерывных реакторов с мешалкой с водным потоком под воздействием гравитации или процесса, протекающего в одном реакторе, как будет раскрыто в дальнейшем.

В некоторых вариантах осуществления изобретения связывающие молекулы будут избирательными для аналитов, катионов, анионов, ионов и/или молекул в жидкостях.

Настоящее изобретение относится к магнитным наночастицам и методам использования магнитных наночастиц для избирательного удаления биопрепаратов, малых молекул, аналитов, ионов или молекул, представляющих интерес, из жидкости.

В некоторых вариантах осуществления изобретения настоящее изобретение представляет собой метод очистки воды, где несоединенные или соединенные наночастицы смешиваются с водой и аналитами, катионами, анионами, ионами или молекулами, связанными с заряженными наночастицами или соединенными со связанными молекулами, образующими комплексы связанных наночастиц.

В других вариантах осуществления изобретения процесс очистки воды по настоящему изобретению повторяется до тех пор, пока аналиты, катионы, анионы, ионы и/или молекулы не будут избирательно отделены от воды.

В некоторых вариантах осуществления по настоящему изобретению избирательно удаляют селен (в элементарной форме, селенат, селенит, селенид, ионные формы, оксиленные формы, присутствующий в таких органических составах, как диметилселенид, селенометионин, селеноцистеин и метилселеноцистеин, изотопы селена и в комбинациях селена с другими веществами).

Раскрываемый процесс также пригоден для использования в системах водоочистки. Методом наночастиц производится вода с очень низким уровнем питательных веществ, который очень редко может быть достигнут физическими методами очистки. Очень низкие уровни питательных веществ позволяют обеспечить безопасное перемещение воды через распределительные системы с очень низким содержанием дезинфицирующих средств, снижая, тем самым, нежелательное воздействие вредных уровней хлора и его побочных продуктов на потребителя.

Целью настоящего изобретения является создание более эффективного, экономичного процесса 1) для опреснения воды; 2) для очищения воды и 3) для удаления селена и его соединений.

Предпочтительно, чтобы магнитные наночастицы являлись синтетическими аналогами любых подходящих магнитных материалов или комбинаций этих материалов, таких как магнетит, ульвошпинель, гематит, ильменит, маггемит, якобсит, треворит, магнезиоферрит, пирротит, грейгит, троилит, гетит, лепидокрокит, фероксигит, железо, никель, кобальт, аваруит, уайрауит или любые их комбинации.

Сами минеральные наночастицы могут обладать некоторыми связывающими свойствами благодаря гидроксилу или другим поверхностным группам, но не обладают достаточной функциональностью для того, чтобы быть пригодными к эксплуатации в раскрываемых процессах. Функциональность достигается путем быстрого изменения поверхностных групп либо путем предельного увеличения числа заряженных групп на поверхности наночастицы или путем покрытия полимером или другим материалом для получения поверхности, функционализированной карбоксилом, амином или другими реактивными группами. Для разделения определенных катионов и анионов предпочтительными являются процессы отделения с участием поверхностно функционализированных наночастиц без рецепторов.

В некоторых вариантах осуществления по настоящему изобретению избирательно удаляют биопрепараты, малые молекулы, аналиты, катионы, анионы, ионы или молекулы, представляющие интерес, из воды.

В других вариантах осуществления по настоящему изобретению избирательно удаляют биопрепараты, малые молекулы, аналиты, катионы, анионы, ионы или молекулы, представляющие интерес, для получения питьевой воды.

В некоторых вариантах осуществления настоящее изобретение относится к синтезу магнитных наночастиц или другой поверхности магнитных наноматериалов, функционализированной путем получения поверхностного заряда или соединения со связывающими молекулами, такими как рецепторы.

В некоторых вариантах осуществления изобретения процесс очистки воды по настоящему изобретению повторяется до тех пор, пока аналиты, катионы, анионы, ионы и/или молекулы не будут избирательно удалены из воды.

В некоторых вариантах осуществления по настоящему изобретению избирательно удаляют селен (в элементарной форме, селенат, селенит, селенид, ионные формы, оксиленные формы, присутствующий в таких органических составах, как диметил селенид, селенометионин, селеноцистеин и метилселеноцистеин, изотопы селена и в комбинациях селена с другими веществами).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1. Пример наночастицы, функционализированной для связывающего рецептора молекулы избирательно для аналита, иона или молекулы.

Фигура 2. Пример наночастицы, функционализированной для рецептора связывающей молекулы избирательно для аналита, иона или молекулы.

Фигура 3. Схематическое изображение магнитной наночастицы с функционализацией амином, поперечно связанной с COOH-PEG-OH спейсера различной длины (х) (PEG - полиэтиленгликоль (ПЭГ)).

Фигура 4. Схематическое изображение магнитных наночастиц с поверхностно-активным веществом олеиновой кислоты, замененным на поверхностно-активное вещество PEG-OH для адсорбции селената.

Фигуры 5А и 5B. Передача изображений, полученных на электронном микроскопе методом яркого поля, монодисперсных магнитных наночастиц размером приблизительно 7-13 нм.

Фигура 6. Динамическое рассеяние света термического разложения монодисперсных наночастиц оксида железа радиусом 4 нм (диаметр 8 нм).

Фигура 7. Инфракрасная спектроскопия на основе преобразования Фурье (FTIR) суперпарамагнитных наночастиц оксида железа, соединенных с амином.

Фигура 8. Изображение FTIR функционализированных наночастиц оксида железа PEG-OH для удаления селенита.

Фигура 9. Связывающая способность функционализированных наночастиц по сравнению с нефункционализированными и функционализированными амином наночастицами.

Фигура 10. Последовательное удаление хлорида с помощью наночастиц, функционализированных для рецепторов хлорида.

Фигура 11. Связывающая способность при последовательном удалении хлорида с первоначальной концентрацией 1000 мг/л до получения конечной концентрации 0,01 мг/л. Связывающая способность наночастицы стабильна на величине приблизительно 62 мг/г, демонстрирует стабильную возможность повторного использования.

Фигура 12. Эффективность связывания наночастиц, функционализированных для рецептора хлорида, с последующим удалением хлорида. Предпочтительна эффективность, которая больше, чем отношение наночастиц к концентрации хлорида.

Фигура 13. Соединение магнитных наночастиц с отдельными связанными с амидом рецепторами катионов, способными к связыванию с ионами натрия, и с рецепторами анионов, соединенными с триазином, способными к связыванию с хлорид-ионами.

Фигура 14. Наночастицы, функционализированные амином.

Фигуры 15А и 1B. Спейсеры ПЭГ из 4-24 элементов, 18,1-108,6 Å или длиннее (обозначено символом х), используются в качестве связывающих агентов между наночастицами и рецепторами ионов. Отдельные рецепторы катиона и аниона, а также полимерные рецепторы (не показаны) также могут соединяться с помощью спейсеров ПЭГ (А). Двойные полиэтиленгликолированные (PEGylated) наночастицы с переменной длиной ионных цепочек ПЭГ с рецептором и метилом на конце (В).

Фигура 16. Схема нового процесса очистки воды путем восстановления с помощью магнитных наночастиц.

Фигуры 17А и 17B. Схема прибора для восстановления воды с помощью магнитных наночастиц. Смесительный бак, бак для чистой воды и бак для отходов. Постоянный магнит, не показан, должен располагаться ниже смесительного бака. Мешалка, не показана, расположение - в смесительном баке. Двухходовые водяные насосы обеспечивают перемещение воды из бака в бак во время многократных циклов. Все числа представлены в лабораторном масштабе и могут быть увеличены или уменьшены при необходимости.

Фигура 18. Изображение смесительного бака с системой труб, насосом и электромагнитом для захвата проходящих наночастиц и извлечения их из раствора до попадания их в другие баки.

Фигура 19. Схема лабораторного аппарата на магнитном корпусе со скользящей крышкой для магнитного корпуса. Мешалка показана над смесительным баком.

Фигура 20. Магнитный корпус с домкратом для подъема и опускания постоянного магнита или электромагнита. Магнит располагается в блок-контейнере с рычагом для перемещения постоянного магнита вправо и влево.

Фигура 21. Вид сверху магнита в блок-контейнере и рычага для перемещения магнита вправо и влево для надлежащего осаждения магнитных наночастиц.

Фигура 22. Схема последовательности операций нового процесса опреснения, использующего функционализированные магнитные наночастицы, и серийного процесса.

Фигура 23. Схема, показывающая магнитные характеристики наночастиц из оксида железа, покрытых олеиновой кислотой. Характеристики определены магнитометрией, проведенной с помощью сверхпроводящего устройства квантовой интерференции (SQUID).

Фигура 24. Схема, показывающая полное удаление иона селената из водного раствора посредством двух последовательных обработок с использованием PEG-OH поверхностно функционализированных наночастиц из оксида железа. Первоначальная концентрация составляла 234,6 мкг/л. В 5 мл раствора селената использовалось 15 мг (+/-3 мг) материала. После первого удаления было проведено восстановление наночастиц с использованием очищающего раствора NaOH.

Фигура 25. Схема, показывающая удаление иона селената из жидкого раствора с первоначальной концентрацией селената 782 мкг/л. Для очистки воды использовалось 15 мг (+/-3 мг) функционализированных PEG-OH, функционализированных галактозой, функционализированных декстраном/галактозой с отношением 0,2:1, функционализированных декстраном/галактозой с отношением 2:1 и «непокрытых» наночастиц оксида железа. Все образцы по 15 мг (+/-3 мг) материала в 5 мл раствора селената.

Фигура 26. Схема, показывающая удаление ионов селената в процентах при последовательном очищении жидкого раствора с использованием 15 мг функционализированных наночастиц с поверхностью PEG-OH в 5 мл раствора. После первого удаления было проведено восстановление наночастиц с использованием очищающего раствора NaOH.

Фигура 27. Схема, показывающая удаление ионов селената в процентах с использованием функционализированных PEG-OH, функционализированных галактозой, функционализированных декстраном/галактозой с отношением 0.2:1, функционализированных декстраном/галактозой с отношением 2:1 и «непокрытых» наночастиц оксида железа для очистки воды, при этом во всех образцах использовалось 15 мг (+/-3 мг) материала в форме наночастиц в 5 мл раствора селената.

Фигура 28. Таблица, показывающая различные концентрации и процентные соотношения при удалении селената. Образцы представляли собой чистую деионизированную воду с солевым раствором селената натрия в первоначальной концентрации 234,6 мкг/л и 782 мкг/л соответственно, и для всех образцов использовалось 15 мг (+/-3 мг) материала в форме наночастиц в 5 мл раствора селената.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Использование нанотехнологии в сочетании с магнитным разделением уже привлекло огромное внимание в таких областях техники, как биосенсоры, магнитная направленная терапия, новейшие диагностические устройства, отделение биомассы, а также в других областях, связанных со здравоохранением.

Наночастицы, содержащие железо, являются предпочтительным магнитным наноматериалом для данного использования, поскольку они не токсичны и одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, в отличие от агентов МРТ-диагностики. Центральное место в успехе магнитных наночастиц занимает удобство управления магнитными наночастицами путем воздействия магнитными полями, которые позволяют преодолеть противодействующие силы, такие как Броуновское движение, вязкое сопротивление и осаждение.

Магнитные наночастицы могут быть соединены с биологическими рецепторами, являющимися избирательными для специфических молекул, имеющих иммунологическое взаимодействие с клетками/тканями/сыворотками/белками, как указано в находящейся на одновременном рассмотрении опубликованной в США патентной заявке, публикация No. 2009/024019 A1, USSN 12/175,147, включенной в данный документ ссылкой и составляющей его часть.

Наноразмерный подход может использоваться для удаления специфических загрязняющих веществ из сточных вод. Благодаря последним достижениям в области нанотехнологии была установлена эффективность и экономическая целесообразность удаления мышьяка под воздействием слабых магнитных полей, если он адсорбируется на наночастицах оксида железа. Г.Д. Куото, Разработка недорогого надежного фильтра для воды: Исследование удаления веществ, загрязняющих воду, As (V) и Pb (II) с использованием магнитных наночастиц, Бюллетень SJWP (США) (2008), том 1, стр.32-47, включенный в настоящий документ и составляющий часть данного раскрытия.

В одном из вариантов раскрытия настоящего изобретения данное раскрытие относится к новейшему нанофункционализированному материалу, содержащему суперпарамагнитные наночастицы оксида железа, соединенные с современными рецепторами синтезированных ионов с высокой специфической связывающей способностью для ионов натрия и хлора. Итоговый нанофункционализированный материал будет способен связывать хлорид натрия при смешивании его с соленой водой. Будучи единожды связанными с хлоридом натрия, функционализированные наночастицы могут быть изъяты из раствора посредством воздействия внешнего магнитного поля, в результате получается опресненная вода без высоких затрат на энергоносители или нанесения ущерба окружающей среде.

В другом варианте осуществления изобретения данное раскрытие относится к новейшему нанофункционализированному материалу, состоящему из суперпарамагнитных наночастиц из оксида железа, поверхностно функционализированному поверхностно-активным веществом с высокой связывающей способностью для ионов селената. Итоговый нанофункционализированный материал, после смешивания его с загрязненной водой, будет способен связывать селенат. Будучи единожды связанными селенатом, функционализированные наночастицы могут быть изъяты из раствора посредством воздействия внешнего магнитного поля, в результате получается опресненная вода без высоких затрат на энергоносители или нанесения ущерба окружающей среде.

В одном из вариантов раскрытия настоящего изобретения данное раскрытие относится к новейшему наноматериалу, содержащему суперпарамагнитные наночастицы оксида железа, имеющие высокий коэффициент поверхностного натяжения, являющемуся монодисперсным и не имеющему поверхностно-активных веществ с высокой связывающей способностью для ионов селената. Итоговый нанофункционализированный материал после смешивания его с загрязненной водой будет способен связывать селенат. Будучи единожды связанными селенатом, функционализированные наночастицы могут быть изъяты из раствора посредством воздействия внешнего магнитного поля, в результате получается опресненная вода без высоких затрат на энергоносители или нанесения ущерба окружающей среде.

В одном из вариантов раскрытия настоящего изобретения данное раскрытие относится к новейшему нанофункционализированному материалу, содержащему поверхность из суперпарамагнитных наночастиц оксида железа, функционализированную поверхностно-активным веществом с высокой связывающей способностью для ионов натрия. Итоговый нанофункционализированный материал, после смешивания его с загрязненной водой, будет способен связывать натрий. Будучи единожды связанными селенатом, функционализированные наночастицы могут быть изъяты из раствора посредством воздействия внешнего магнитного поля, в результате получается опресненная вода без высоких затрат на энергоносители или нанесения ущерба окружающей среде.

Настоящее изобретение также относится к магнитным наночастицам и методам использования магнитных наночастиц для избирательного удаления биопрепаратов, малых молекул, аналитов, катионов, анионов, ионов или молекул, представляющих интерес, из жидкости.

Магнитные наночастицы, применимые в процессах, раскрытых в настоящее время, могут демонстрировать различные магнитные свойства, включая, помимо прочего, диамагнитные, парамагнитные, суперпарамагнитные, ферромагнитные, ферримагнитные, антиферромагнитные и электромагнитные свойства, а также свойства спинового стекла.

Магнитные наночастицы изготавливаются из любых подходящих магнитных материал