用于捕获物质的材料的制作方法

一般地描述了用于捕获物质的材料例如离子交换材料，以及相关的方法和系统。

背景技术：

1、存在多种可能污染环境和/或造成健康风险的潜在有害物质。例如，全氟烷基物质和多氟烷基物质(per-and poly-fluoroalkyl substances，pfas)来源于多个行业，例如防水织物到消防泡沫，并且它们的累积可能导致长期的不良健康后果。作为另一个实例，金属(例如，重金属)和类金属也可能是有害的污染物。本公开内容的某些实施方案涉及用于改善用于捕获和处理物质的材料的性能和/或特性的本发明的组合物、材料、系统和相关方法。

技术实现思路

1、一般地描述了用于捕获物质的材料例如离子交换材料，以及相关的方法和系统。在一些情况下，本发明的主题涉及相关产品、特定问题的替代解决方案和/或一种或更多种系统和/或制品的复数种不同用途。

2、在一个方面中，描述了吸附剂材料。在一些实施方案中，吸附剂材料包含陶瓷颗粒，其中：所述陶瓷颗粒包含与陶瓷颗粒的表面共价键合的官能团；陶瓷颗粒的平均最大截面尺寸大于或等于100纳米且小于或等于3000微米；并且陶瓷颗粒不含经由含亚芳基的连接基团与任何其他金属或类金属原子结合的任何金属或类金属原子，或者在陶瓷颗粒中以小于或等于50mol％的金属或类金属原子的量包含经由含亚芳基的连接基团直接键合其他金属或类金属原子的金属或类金属原子。在一些实施方案中，所述陶瓷颗粒的平均最大截面尺寸大于或等于10微米且小于或等于3000微米。

3、在一些实施方案中，吸附剂材料包含陶瓷颗粒，其中：所述陶瓷颗粒包含与陶瓷颗粒的表面共价键合的官能团；陶瓷颗粒的平均最大截面尺寸大于或等于100纳米且小于或等于3000微米；并且在暴露于液体之后，吸附剂材料不经历体积膨胀或经历小于1.5倍的体积膨胀。在一些实施方案中，所述陶瓷颗粒的平均最大截面尺寸大于或等于10微米且小于或等于3000微米。

4、在另一个方面中，提供了用于处理包含含氟分子的流体混合物的系统。在一些实施方案中，所述系统包括：容器和被配置成从容器接收固体材料的机械化学装置，所述容器包括：用于接收流体混合物的入口，和容器内的吸附剂材料，所述吸附剂材料包含对含氟分子具有亲和力的官能团。

5、在另一个方面中，提供了用于处理包含含有含氟分子的目标物质的流体混合物的方法。在一些实施方案中，所述方法包括：使包含自由陶瓷颗粒的吸附剂材料暴露于流体混合物，其中陶瓷颗粒包含与陶瓷键合的对目标物质具有亲和力的官能团；以及至少部分地通过用利用所述官能团的陶瓷颗粒捕获目标物质来从流体混合物中去除一定量的目标物质。

6、在另一个方面中，提供了用于处理包含目标物质的流体混合物的方法。在一些实施方案中，所述方法包括：使包含自由陶瓷颗粒的吸附剂材料暴露于流体混合物，其中陶瓷颗粒包含与陶瓷颗粒的表面键合的官能团，所述官能团对目标物质具有亲和力，其中吸附剂材料具有大于或等于0.01m3的体积；以及至少部分地通过用利用所述官能团的陶瓷颗粒捕获目标物质分子来从流体混合物中去除一定量的目标物质。

7、在另一个方面中，提供了用于处理含氟分子的方法。在一些实施方案中，所述方法包括使包含含氟分子的由与吸附剂材料共价键合的官能团捕获的目标物质经受机械化学转化。

8、在另一个方面中，提供了用于处理目标物质的方法。在一些实施方案中，所述方法包括使由与吸附剂材料的陶瓷颗粒的表面共价键合的官能团捕获的目标物质经受机械化学转化，其中陶瓷颗粒的平均最大截面尺寸大于或等于100纳米且小于或等于3000微米。在一些实施方案中，陶瓷颗粒的平均最大截面尺寸大于或等于10微米且小于或等于3000微米。

9、当结合附图考虑时，本发明的其他优点和新特征将从以下对本发明的多个非限制性实施方案的详细描述中变得明显。在本说明书和通过引用并入的文件包括冲突和/或不一致的公开内容的情况下，应以本说明书为准。

技术特征：

1.一种吸附剂材料，所述吸附剂材料包含陶瓷颗粒，其中：

2.一种吸附剂材料，所述吸附剂材料包含陶瓷颗粒，其中：

3.一种用于处理包含含氟分子的流体混合物的系统，所述系统包括：

4.一种用于处理包含含有含氟分子的目标物质的流体混合物的方法，所述方法包括：

5.一种用于处理包含目标物质的流体混合物的方法，所述方法包括：

6.一种用于处理含氟分子的方法，包括使包含含氟分子的由与吸附剂材料共价键合的官能团捕获的目标物质经受机械化学转化。

7.一种用于处理目标物质的方法，包括使由与吸附剂材料的陶瓷颗粒的表面共价键合的官能团捕获的目标物质经受机械化学转化，其中所述陶瓷颗粒的平均最大截面尺寸大于或等于100纳米且小于或等于3000微米。

8.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述吸附剂材料包含陶瓷。

9.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述吸附剂材料包含陶瓷颗粒。

10.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷包含金属或类金属。

11.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述金属或类金属为si、al、ti或zn。

12.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷颗粒的平均最大截面尺寸大于或等于100纳米且小于或等于3000微米。

13.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷颗粒的平均最大截面尺寸大于或等于10微米且小于或等于3000微米。

14.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷颗粒的平均最大截面尺寸大于或等于10微米且小于或等于1500微米。

15.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷具有小于或等于10nm的平均孔直径。

16.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷包括基于二氧化硅的陶瓷。

17.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述目标物质包含含氟分子。

18.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述目标物质包含含金属或类金属的离子。

19.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述目标物质包含含氧阴离子。

20.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述含氧阴离子为硝酸根。

21.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述目标物质包含金属氧化物或类金属氧化物。

22.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述官能团对含氟分子具有亲和力。

23.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述含氟分子包含亲水性头基。

24.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述亲水性头基包括磺酸根和/或磺酸基团或者羧酸根和/或羧酸基团。

25.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述含氟分子包含疏水性尾基。

26.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述含氟分子包括全氟烷基物质或多氟烷基物质。

27.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟烷基物质或多氟烷基物质包括全氟烷基羧酸。

28.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟或多氟全氟烷基羧酸包括全氟丁酸、全氟戊酸、全氟己酸、全氟庚酸、全氟辛酸、全氟壬酸、全氟癸酸、全氟十一烷酸、全氟十二烷酸、全氟十三烷酸和/或全氟十四烷酸。

29.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟烷基物质或多氟烷基物质包括全氟烷基磺酸。

30.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟烷基磺酸包括全氟丁烷磺酸、全氟戊烷磺酸、全氟己烷磺酸、全氟庚烷磺酸、全氟辛烷磺酸、全氟壬烷磺酸、全氟癸烷磺酸和/或全氟十二烷磺酸。

31.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟烷基物质或多氟烷基物质包括氟调磺酸。

32.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述氟调磺酸包括1h,1h,2h,2h-全氟己烷磺酸、1h,1h,2h,2h-全氟辛烷磺酸、和/或1h,1h,2h,2h-全氟癸烷磺酸。

33.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟烷基物质或多氟烷基物质包括全氟辛烷磺酰胺。

34.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟辛烷磺酰胺包括全氟辛烷磺酰胺、n-甲基全氟辛烷磺酰胺、和/或n-乙基全氟辛烷磺酰胺。

35.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟烷基物质或多氟烷基物质包括全氟辛烷亚磺酰氨基乙酸。

36.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟辛烷亚磺酰氨基乙酸包括n-甲基全氟辛烷亚磺酰氨基乙酸和/或n-乙基全氟辛烷亚磺酰氨基乙酸。

37.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟烷基物质或多氟烷基物质包括全氟辛烷磺酰胺乙醇。

38.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟辛烷磺酰胺乙醇包括n-甲基全氟辛烷亚磺酰氨基乙醇和/或n-乙基全氟辛烷亚磺酰氨基乙醇。

39.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟烷基物质或多氟烷基物质包括全氟醚羧酸或多氟醚羧酸。

40.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟醚羧酸或多氟醚羧酸包括六氟环氧丙烷二聚酸、4,8-二氧杂-3h-全氟壬酸、全氟-3-甲氧基丙酸、全氟-4-甲氧基丁酸、和/或九氟-3,6-二氧杂庚酸。

41.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟烷基物质或多氟烷基物质包括醚磺酸。

42.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述醚磺酸包括9-氯十六氟-3-氧杂壬烷-1-磺酸、11-氯二十氟-3-氧杂十一烷-1-磺酸、和/或全氟(2-乙氧基乙烷)磺酸。

43.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟烷基物质或多氟烷基物质包括氟调羧酸。

44.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述氟调羧酸包括3-全氟丙基丙酸、2h,2h,3h,3h-全氟辛酸、和/或3-全氟庚基丙酸。

45.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述全氟烷基物质或多氟烷基物质包括六氟环氧丙烷二聚酸(hfpo-da)、hfpo-da的盐、和/或已知用于生产hfpo-da或hfpo-da的盐的含氟化合物。

46.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述官能团包含离子交换官能团。

47.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述官能团包含胺基和/或铵基、或者咪唑基和/或咪唑基。

48.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述官能团包含伯胺基团。

49.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述官能团包含仲胺基团。

50.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述官能团包含叔胺基团。

51.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述官能团包含季铵基团。

52.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述官能团包含两个或更多个胺基和/或铵基。

53.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述官能团包含磺酸根和/或磺酸基团和/或羧酸根和/或羧酸基团。

54.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述官能团包含任选地经取代或未经取代的、支化或未支化的c1至c18烷基。

55.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述官能团包含氟烷基。

56.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述官能团以每克所述陶瓷大于或等于0.01mmol的量存在于所述陶瓷中。

57.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷颗粒不含经由含亚芳基的连接基团与任何其他金属或类金属原子结合的任何金属或类金属原子，或者在所述陶瓷颗粒中以小于或等于50mol％的金属或类金属原子的量包含经由含亚芳基的连接基团直接结合其他金属或类金属原子的所述金属或类金属原子。

58.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷颗粒不含经由含亚烷基或亚芳基的连接基团与任何其他金属或类金属原子结合的任何金属或类金属原子，或者在所述陶瓷颗粒中以小于或等于50mol％的金属或类金属原子的量包含经由含亚烷基或亚芳基的连接基团直接结合其他金属或类金属原子的所述金属或类金属原子。

59.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷颗粒不含经由含脂族基团、杂脂族基团、亚芳基或亚杂芳基的连接基团与任何其他金属或类金属原子结合的任何金属或类金属原子，或者在所述陶瓷颗粒中以小于或等于50mol％的金属或类金属原子的量包含经由含脂族基团、杂脂族基团、亚芳基或亚杂芳基的连接基团直接结合其他金属或类金属原子的所述金属或类金属原子。

60.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中在暴露于液体之后，所述吸附剂材料不经历体积膨胀或经历小于1.5倍的体积膨胀。

61.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中在暴露于液体之后，所述吸附剂材料不经历体积膨胀或者经历小于或等于1.05倍的体积膨胀。

62.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述吸附剂材料具有大于或等于0.01m3的体积。

63.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中相对于所述吸附剂材料的总重量，所述陶瓷颗粒以大于或等于25重量％的量存在于所述吸附剂材料中。

64.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述吸附剂材料包含：

65.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷颗粒中的至少一些包含：

66.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述第一官能团包含离子交换基团，以及所述第二官能团包含不同的第二离子交换基团。

67.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述第一官能团包含离子交换基团，以及所述第二官能团包含螯合基团。

68.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述第一官能团包含磺酸根和/或磺酸基团，以及所述第二官能团包含胺基。

69.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述吸附剂材料呈树脂和/或珠的形式。

70.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷为来源于溶胶-凝胶的。

71.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷来源于包含所述官能团或含有离去基团的部分的含金属或类金属的前体的共缩合。

72.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷来源于包含具有结构(i)的化合物的混合物：

73.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中所述陶瓷来源于包含具有结构(ii)的化合物的混合物：

74.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中m为si、al、ti或zn。

75.根据前述权利要求中任一项所述的吸附剂材料、系统或方法，其中m为si。

76.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述机械化学装置包括球磨机。

77.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述球磨机为行星式球磨机。

78.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括使至少一些量的从所述流体混合物中去除的所述目标物质经受机械化学转化。

79.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在至少一些所述经受步骤期间，经受所述机械化学转化的所述至少一些所述目标物质由所述陶瓷颗粒捕获。

80.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述机械化学转化至少部分地经由对所述至少一些所述目标物质分子进行球磨来进行。

81.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述机械化学转化至少部分地经由对由与吸附剂材料共价键合的官能团捕获的所述目标物质进行球磨来进行。

82.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述球磨为行星式球磨。

83.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述球磨包括使至少一些所述含氟分子暴露于碱。

84.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碱为包含氢氧化物的盐。

85.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述包含氢氧化物的盐为氢氧化钾。

技术总结一般地描述了用于捕获物质的材料例如离子交换材料，以及相关的方法和系统。在一些情况下，提供了可以从流体混合物例如废料流中捕获不期望的物质的吸附剂材料。所述吸附剂材料可以包含陶瓷颗粒(例如，作为树脂)，所述陶瓷颗粒经官能化用于有效和/或选择性地捕获诸如全氟烷基物质和多氟烷基物质(PFAS)和/或含金属或类金属的离子(包括重金属)的物质。还提供了用于对由吸附剂材料捕获的物质进行进一步处理的系统和方法。例如，一些实施方案旨在对与吸附剂材料相关的捕获物质进行机械化学处理。使捕获的物质例如PFAS经受机械化学转化可以以相对廉价且可分配的方式破坏潜在有害的污染物。技术研发人员：格雷戈里·马修·纽布卢姆,奥利维娅·玛丽·伦茨,艾玛·卡韦受保护的技术使用者：门布里翁有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/12