ФИЛЬТРЫ ДЛЯ ВОДЫ И СПОСОБЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК B01J20/20 C02F1/28 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области фильтров для воды и способам их применения, и, более конкретно, к области фильтров для воды, содержащих частицы активированного угля.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вода может содержать множество различных видов загрязняющих веществ, включающих, например, частицы, вредные химикаты и микробиологические организмы, такие как бактерии, паразиты, простейшие и вирусы. В различных обстоятельствах эти загрязнения должны быть устранены до момента употребления воды. Например, во многих медицинских приложениях и при производстве определенных электронных компонентов требуется особо чистая вода. В качестве наиболее общего примера, любые вредные химикаты должны быть устранены из воды до того, как она станет питьевой, т.е. подготовленной к употреблению. Несмотря на современные средства очистки воды основная масса населения подвергается риску и, в частности, заметному риску подвергаются младенцы и люди с ослабленной иммунной системой.

В США и других развитых странах вода, обрабатываемая муниципальными властями, обычно включает один или несколько из следующих видов загрязнений: твердые взвеси, бактерии, паразиты, вирусы, органические вещества, тяжелые металлы и хлор. Аварии и другие проблемы, связанные с системами обработки воды, иногда приводят к неполному удалению бактерий и вирусов. В других странах последствия, связанные с воздействием загрязненной воды, могут быть смертоносными, поскольку в некоторых из них имеют место увеличивавшаяся плотность населения, возрастающий дефицит водных ресурсов и отсутствие водоочистных сооружений. Обычно источники питьевой воды находятся в непосредственной близости от отходов человека и животных, и, таким образом, микробиологическое загрязнение имеет наибольшую опасность для здоровья. Как результат микробиологического загрязнения, переносимого водой, ежегодно, по оценкам, умирает шесть миллионов человек, половина из которых - дети младше пяти лет.

В 1987 U.S. Environmental Protection Agency (EPA) ввело "Guide Standard and Protocol for Testing Microbiological Water Purifiers". Протокол устанавливает минимальные требования к эксплуатационным качествам систем обработки питьевой воды, которые разработаны для уменьшения конкретных загрязнений, влияющих на здоровье, в системах общественного и частного водоснабжения. Требования являются такими, что выход источника водоснабжения характеризуется 99,99% (или, аналогично, 4 log) удаления вирусов и 99,9999% (или, аналогично, 6 log) удаления бактерий относительно начальных условий. По протоколу ЕРА, в случае вирусов входная концентрация может составлять 1х10⁷ вирусов на литр, а в случае бактерий входная концентрация может составлять 1х10⁸ бактерий на литр. Из-за преобладания Escherichia coli (E. Coli, бактерия) в источниках водоснабжения и рисков, связанных с загрязнением этим микроорганизмом, в большинстве исследований этот микроорганизм используется в качестве бактерии. Аналогично, в качестве репрезентативного микроорганизма при удалении вирусов обычно используется бактериофаг MS-2 (или просто MS-2 фаг), поскольку он по размеру и форме (т.е. примерно 26 нм и икосаэдральная форма) сходен со многими вирусами. Таким образом, способность фильтра удалять бактериофаг MS-2 показывает его способность удалять другие вирусы.

В связи с указанными требованиями и общим интересом к улучшению качества питьевой воды существует постоянная потребность обеспечения эффективными фильтрующими веществами, способными удалять из жидкости бактерии и/или вирусы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предоставлен фильтр для обеспечения питьевой водой. Фильтр включает в себя корпус, имеющий подводящий патрубок и отводящий патрубки, фильтрующее вещество, расположенное внутри корпуса, которое сформировано, по меньшей мере, частично из множества фильтрующих частиц. Фильтрующие частицы имеют точку нулевого заряда большую, чем примерно 7, и сумму объемов мезопор и макропор множества фильтрующих частиц большую, чем примерно 0,12 мл/г.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Несмотря на то что настоящее описание завершается формулой изобретения, детально описывающей объем изобретения, предполагается, что настоящее изобретение будет понято лучше из нижеследующего описания, рассматриваемого совместно с сопутствующими чертежами, в которых:

Фиг. 1 представляет собой БЭТ изотерму адсорбции азота мезопористых и кислых частиц активированного угля СА-10 и мезопористых и основных частиц активированного угля ТА4-СА-10;

Фиг. 2 представляет собой распределение объемов мезопор частиц по Фиг. 1;

Фиг. 3 представляет собой график точки нулевого заряда частиц по Фиг.1;

Фиг. 4 представляет собой вид сбоку сечения фильтра с осевым потоком, изготовленного согласно настоящему изобретению;

Фиг. 5 иллюстрирует концентрацию Е. coli в растворе как функцию от времени для фильтрующих частиц по Фиг.1; и

Фиг. 6 иллюстрирует концентрацию MS-2 в растворе как функцию от времени для фильтрующих частиц по Фиг.1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Определения

Как применяется в данном описании, термины "фильтр" и "фильтрация" означают соответственно структуры и процессы, связанные с удалением микроорганизмов (и/или удалением других загрязнений), либо посредством адсорбции, и/либо эксклюзии.

Как применяется в данном описании, фраза "фильтрующее вещество" означает совокупность фильтрующих частиц. Совокупность фильтрующих частиц, формирующих фильтрующее вещество, может быть либо гомогенной, либо гетерогенной. Фильтрующие частицы могут быть распределены равномерно или неравномерно (например, слои различных фильтрующих частиц) внутри фильтрующего вещества. Также не требуется, чтобы фильтрующие частицы, формирующие фильтрующее вещество, были идентичными по форме и по размеру, и они могут быть либо в свободном, либо в связанном виде. Например, фильтрующий материал может содержать мезопористые и основные частицы активированного угля в сочетании с волокнами активированного угля, и такие фильтрующие частицы могут предоставляться либо в свободной ассоциации, либо частично или полностью связанными при помощи полимерного связующего вещества или другими средствами для образования цельной структуры.

Как применяется в данном описании, фраза "фильтрующие частицы" означает отдельные элементы или части, которые используются для формирования, по меньшей мере, части фильтрующего вещества. Например, волокно, гранула, шарик и т.п. каждая рассматривается в настоящем описании как фильтрующие частицы. Более того, фильтрующие частицы могут отличаться размером от едва различимых фильтрующих частиц (например, очень мелкий порошок) до фильтрующих частиц заметного размера.

Как применяется в настоящем описании, термины "микроорганизм" и "микробиологический организм" и "патоген" применяются как взаимозаменяемые. Эти термины означают различные типы микроорганизмов, которые могут быть охарактеризованы как бактерии, вирусы, паразиты, простейшие и микробы.

Как применяется в данном описании, фраза "Индекс Удаления Бактерий" (ИУБ) фильтрующих частиц определяется как:

ИУБ=100х[1-(равновесная концентрация бактерии E. coli в растворе)/(контрольная концентрация бактерии E.coli)],

где "равновесная концентрация бактерии E. coli в растворе" означает равновесную концентрацию бактерии в растворе, который содержит некоторую массу фильтрующих частиц, имеющих общую площадь внешней поверхности 1400 см² и средний диаметр Саутера менее чем 55 мкм, как обсуждается более полно ниже. Равновесие достигается, когда концентрация E. coli, измеряемая в два момента времени с интервалом 2 часа, остается неизменной в пределах половины порядка величины. Фраза "контрольная концентрация бактерии E.coli" означает концентрацию бактерии E. coli в контрольном растворе и соответствует 3,7х10⁹ КОЕ/л. Средний диаметр Саутера представляет собой диаметр частицы, у которой отношение поверхности к объему совпадает с таковым всего распределения частиц. Необходимо отметить, что термин "КОЕ/л" обозначает "колониеобразующие единицы на литр", что является обычным термином, применяемым при подсчете E. coli. Индекс ИУБ измеряется без применения химических реактивов, обладающих бактерицидным эффектом. Равнозначным способом для выражения удаляющей способности фильтрующих частиц является "Логарифмический Индекс Устранения Бактерий" (ЛИУБ), который определяется как:

ЛИУБ=-log[1-(ИУБ/100)].

Единицей ЛИУБ является "log" (где "log" означает логарифм). Например, фильтрующие частицы, которые имеют ИУБ, равный 99,99%, имеют ЛИУБ, равный 4 log. Процедура тестирования для определения значений ИУБ и ЛИУБ представлена в данном описании ниже.

Как применяется в данном описании, фраза "Индекс Удаления Вирусов" (ИУВ) для фильтрующих частиц определяется как:

ИУВ=100х[1-(равновесная концентрация MS-2 фагов в растворе)/(контрольная концентрация MS-2 фагов)],

где "равновесная концентрация MS-2 фагов в растворе" означает равновесную концентрацию фагов в растворе, который содержит некоторую массу фильтрующих частиц, имеющих общую площадь внешней поверхности от 1400 см², и средний диаметр Саутера, меньший, чем 55 мкм, как обсуждается более полно ниже. Равновесие достигается, когда концентрация MS-2, как, например, измеряемая в два момента времени с интервалом 2 часа, остается неизменной в пределах половины порядка величины. Фраза "контрольная концентрация MS-2 фагов" означает концентрацию MS-2 фагов в контрольном растворе и соответствует 2,07х10⁹ БОЕ/л. Необходимо отметить, что термин "БОЕ/л" обозначает "бляшкообразующие единицы на литр", что является обычным термином, применяемым при подсчете MS-2. Индекс ИУВ измеряется без применения химических реактивов, обладающих вируцидным эффектом. Равнозначным способом для выражения удаляющей способности фильтрующих частиц является "Логарифмический Индекс Удаления Вирусов" (ЛИУВ), который определяется как:

ЛИУВ=-log[100-(ИУВ/100)].

ЛИУВ имеет единицы "log" (где "log" означает логарифм). Например, фильтрующие частицы, которые имеют ИУВ, равный 99,9%, имеют ЛИУВ, равный 3 log. Процедура тестирования для определения значений ИУВ и ЛИУВ представлена ниже.

Как применяется в данном описании, фраза "общая площадь внешней поверхности" означает общую геометрическую площадь внешней поверхности одной или нескольких фильтрующих частиц, как обсуждается более полно ниже.

Как применяется в данном описании, фраза "удельная площадь внешней поверхности" означает общую площадь внешней поверхности на единицу массы фильтрующих частиц, как обсуждается более полно ниже.

Как применяется в данном описании, термин "микропора" означает пору, имеющую ширину или диаметр менее чем 2 нм (или, аналогично, 20Å).

Как применяется в данном описании, термин "мезопора" означает пору, имеющую ширину или диаметр между 2 нм и 50 нм (или, аналогично, между 20 и 500Å).

Как применяется в данном описании, термин "макропора" означает пору, имеющую ширину или диаметр более чем 50 нм (или, аналогично, 500Å).

Как применяется в данном описании, фраза "общий объем пор" и ее производные означает объем всех пор, т.е. микропор, мезопор и макропор. Общий объем пор вычисляется как объем адсорбированного азота при относительном давлении 0,9814, применяя способ БЭТ (стандарт ASTM D 4820-99), способ, хорошо известный в данной области техники.

Как применяется в данном описании, фраза "объем микропор" и ее производные означают объем всех микропор. Объем микропор вычисляется из объема адсорбированного азота при относительном давлении от 0,15, используя способ БЭТ (стандарт ASTM D 4820-99), способ, хорошо известный в данной области техники.

Как применяется в данном описании, фраза "сумма объемов мезопор и макропор" и ее производные означает объем всех мезопор и макропор. Суммарный объем мезопор и макропор равен разнице между общим объемом пор и объемом микропор, или аналогично, вычисляется из разницы между объемами азота, адсорбированного при относительных давлениях 0,9814 и 0,15, используя способ БЭТ (стандарт ASTM D 4820-99), способ, хорошо известный в данной области техники.

Как применяется в данном описании, фраза "распределение пор по размеру в области мезопор" означает распределение пор по размеру, вычисляемое способом Barrett, Joyner и Halenda (BJH), способом, хорошо известным в данной области техники.

Как применяется в данном описании, термин "карбонизация" и его производные означают процесс, в котором уменьшается содержание неуглеродных компонентов в углеродсодержащем веществе.

Как применяется в данном описании, термин "активация" и его производные означают процесс, в котором карбонизированное соединение становится более пористым.

Как применяется в данном описании, термин "активированный" и его производные означает частицы, подвергнутые процессу активации.

Как применяется в данном описании, фраза "точка нулевого заряда" и ее производные означает величину рН, выше которой вся поверхность частиц углерода заряжена отрицательно. Широко известная процедура тестирования для определения точки нулевого заряда приводится ниже.

Как применяется в данном описании, термин "основной" означает фильтрующие частицы с точкой нулевого заряда большей, чем 7.

Как применяется в данном описании, термин "кислый" означает фильтрующие частицы с точкой нулевого заряда меньшей, чем 7.

Как применяется в данном описании, фраза "мезопористая и основная фильтрующая частица активированного угля" означает фильтрующую частицу активированного угля, которая имеет множество мезопор и имеет точку нулевого заряда большую, чем 7.

Как применяется в данном описании, фраза "мезопористая и кислая фильтрующая частица активированного угля" означает фильтрующую частицу активированного угля, которая имеет множество мезопор и имеет точку нулевого заряда меньшую, чем 7.

Как применяется в данном описании, фраза "агент преобразования" означает агент, который уменьшает количество кислородсодержащих функциональных групп и/или увеличивает количество азотсодержащих функциональных групп в веществе.

II Мезопористые и основные фильтрующие частицы активированного угля.

Случайно было установлено, что частицы активированного угля, которые являются мезопористыми и основными, адсорбируют большее количество микроорганизмов по сравнению с тем, которое адсорбируется частицами активированного угля, которые являются мезопористыми, но кислыми. Не имея намерения быть связанными какой-либо теорией, заявитель предполагает, что: 1) большое количество мезопор и/или макропор обеспечивает более подходящие адсорбционные центры для патогенных микроорганизмов, их фимбрий и поверхностных полимеров (например, белки, липополисахариды, олигосахариды и полисахариды), которые входят в состав внешних мембран, капсидов и оболочек патогенных микроорганизмов, и 2) основные поверхности активированного угля содержат типы функциональных групп, которые необходимы для притягивания большего количества микроорганизмов по сравнению с кислой углеродной поверхностью. Такое увеличение адсорбции на мезопористых и основных углеродных поверхностях может быть следствием того факта, что обычный размер фимбрий и поверхностных полимеров является сходным с размером мезопор и макропор и что основная углеродная поверхность притягивает обычно отрицательно заряженные микроорганизмы и функциональные группы на их поверхности.

Фильтрующие частицы могут предоставляться с различными формами и размерами. Например, фильтрующие частицы могут предоставляться в простых формах, таких как гранулы, волокна и шарики. Фильтрующие частицы могут предоставляться в форме сферы, многогранника, цилиндра, так же, как в других, симметричной, асимметричной и неправильной формах. Более того, фильтрующие частицы могут также формироваться в сложные формы, такие как решетки, сита, сетки, нетканые материалы, тканые материалы и связанные блоки, которые могут быть образованы или могут не быть образованы из простых форм, описанных выше.

Подобно форме размер фильтрующей частицы также может меняться, и размер фильтрующих частиц, применяемых в любом простом фильтре, не должен с необходимостью быть одинаковым. Фактически может оказаться желательным предоставлять в одном фильтре фильтрующие частицы, имеющие разные размеры. Обычно размер фильтрующих частиц находится примерно между 0,1 мкм и примерно 10 мм, предпочтительно примерно между 0,2 мкм и примерно 5 мм, более предпочтительно примерно между 0,4 мкм и примерно 1 мм, и наиболее предпочтительно примерно между 1 мкм и примерно 500 мкм. Для сферических и цилиндрических частиц (например, волокна, шарики и т.п.) приведенные выше размеры относятся к диаметру фильтрующих частиц. Для мезопористых и основных частиц активированного угля, имеющих значительно различающиеся формы, вышеописанные размеры относятся к наибольшему размеру (например, длина, ширина или высота).

Фильтрующие частицы могут быть изготовлены из любого предшественника, в котором образуются мезопоры и макропоры во время карбонизации и активации. В качестве примера, но не ограничения, фильтрующие частицы могут быть частицами активированного угля на основе древесины, частицами активированного угля на основе каменного угля, частицами активированного угля на основе торфа, частицами активированного угля на основе пека, частицами активированного угля на основе гудрона и их смеси.

Активированный уголь может проявлять кислотные или основные свойства. Кислотные свойства связаны с количеством кислородсодержащих функциональных групп или функциональными группами, такими как фенолы, карбоксилы, лактоны, гидрохиноны, ангидриды и кетоны, не рассматриваемые в качестве ограничения. Основные свойства связаны с функциональными группами, такими как пироны, хромены, эфиры, карбонилы, так же, как и с π электронами базисной плоскости. Кислотные или основные свойства активированного угля определяются способом "точка нулевого заряда" (Newcombe. G. и др., Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 78, 65-71 (1993)), содержание которого включено в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки. Способ излагается более подробно ниже, в секции IV данного описания. Фильтрующие частицы настоящего изобретения имеют "точку нулевого заряда" большую, чем 7, предпочтительно большую, чем примерно 8, более предпочтительно большую, чем примерно 9, и наиболее предпочтительно находящуюся между примерно 9 и примерно 12.

После карбонизации и активации кислые и мезопористые частицы активированного угля могут быть превращены в основные, будучи подвергнуты обработке в печи. Условия обработки включают в себя температуру, время, давление и воздействие преобразующего агента. Преобразующий агент может обеспечиваться в виде предварительной обработки жидкостью или газом и/или как часть атмосферы печи. Например, преобразующий агент может представлять собой азотсодержащую жидкость, такую как мочевина, метиламин, диметиламин, триэтиламин, пиридин, пиролидин, этилендиамин, диэтилентриамин, мочевина, ацетонитрил и диметилформамид, не рассматриваемые в качестве ограничения. Азотсодержащая жидкость может быть нанесена на фильтрующие частицы или фильтрующие частицы могут быть пропитаны ей перед помещением фильтрующих частиц в печь. Атмосфера печи также может содержать азот, инертные газы, восстанавливающие газы или преобразующие агенты, описанные выше.

Температура обработки в случае, если частицы угля не содержат катализаторов из благородных металлов (например, платина, золото, палладий), находится примерно между 600°С и примерно 1200°С, предпочтительно находится примерно между 700°С и примерно 1100°С, более предпочтительно находится примерно между 800°С и примерно 1050°С и наиболее предпочтительно находится примерно между 900°С и примерно 1000°С. Если частицы углерода содержат катализаторы из благородных металлов, температура обработки находится примерно между 100°С и примерно 800°С, предпочтительно находится примерно между 200°С и примерно 700°С, более предпочтительно находится примерно между 300°С и примерно 600°С и наиболее предпочтительно находится примерно между 350°С и примерно 550°С. Время обработки находится между примерно 2 минутами и примерно 10 часами, предпочтительно находится между примерно 5 минутами и примерно 8 часами, более предпочтительно находится между примерно 10 минутами и примерно 7 часами и наиболее предпочтительно находится между примерно 20 минутами и примерно 6 часами. Обрабатывающая атмосфера содержит водород, угарный газ или газообразный аммиак. Скорость расхода газа находится между примерно 0,25 стандартных л/ч·г (т.е. стандартные литры на час и на грамм углерода; 0,009 стандартных ft³/h·g) и примерно 60 стандартных л/ч·г (т.е. 2,1 стандартных ft³/h·g), предпочтительно находится между примерно 0,5 стандартных л/ч·г (т.е. 0,018 стандартных ft³/h·g) и примерно 30 стандартных л/ч·г (т.е. 1,06 стандартных ft³/h·g), более предпочтительно находится между примерно 1,0 стандартных л/ч·г (т.е. 0,035 стандартных ft³/h·g) и примерно 20 стандартных л/ч·г (т.е. 0,7 стандартных ft³/h·g) и наиболее предпочтительно находится между примерно 5 стандартных л/ч·г (т.е. 0,18 стандартных ft³/h·g) и примерно 10 стандартных л/ч·г (т.е. 0,35 стандартных ft³/h·g). Очевидно, что для производства основных и мезопористых фильтрующих веществ активированного угля могут применяться другие процессы.

Для характеристики структуры мезопористых и основных частиц активированного угля могут использоваться удельная площадь поверхности Брунауэра-Эммета-Тэллера (Brunauer, Emmett и Teller) (БЭТ) и распределение пор по размеру Barrett, Joyner и Halenda (BJH). Предпочтительно удельная площадь поверхности фильтрующих частиц БЭТ находится между примерно 500 м²/г и примерно 3000 м²/г, предпочтительно между примерно 600 м²/г и примерно 2800 м²/г, более предпочтительно между примерно 800 м²/г и примерно 2500 м²/г и наиболее предпочтительно между примерно 1000 м²/г и примерно 2000 м²/г. Ссылаясь на Фиг. 1, показана обычная изотерма адсорбции азота при использовании способа БЭТ, мезопористого и основного активированного угля на основе древесины (ТА4-СА-10), мезопористого и кислого активированного угля на основе древесины (СА-10).

Общий объем пор мезопористых и основных частиц активированного угля измеряется в процессе БЭТ адсорбции азота и вычисляется как объем адсорбированного азота при относительном давлении Р/Р₀, равном 0,9814. Более конкретно и, как хорошо известно в данной области техники, общий объем пор вычисляется путем умножения "объема адсорбированного азота в мл(СТД)/г" при относительном давлении 0,9814 с переводным коэффициентом 0,00156, который приводит объем азота при СТД (стандартные температура и давление) к жидкости. Общий объем пор мезопористых и основных частиц активированного угля больше, чем примерно 0,4 мл/г, или больше, чем примерно 0,7 мл/г, или больше, чем примерно 1,3 мл/г, или больше, чем примерно 2 мл/г, и/или меньше, чем примерно 3 мл/г, или меньше, чем примерно 2,6 мл/г, или меньше примерно 2 мл/г, или меньше, чем примерно 1,5 мл/г.

Сумма объемов мезопор и макропор измеряется во время БЭТ адсорбции азота и вычисляется как разница между общим объемом пор и объемом адсорбированного азота при Р/Р₀, равном 0,15. Сумма объемов мезопор и макропор мезопористого и основного активированного угля больше, чем примерно 0,12 мл/г, или больше, чем примерно 0,2 мл/г, или больше, чем примерно 0,4 мл/г, или больше, чем примерно 0,6 мл/г, или больше, чем примерно 0,75 мл/г, и/или меньше, чем примерно 2,2 мл/г, или меньше, чем примерно 2 мл/г, или меньше примерно 1,5 мл/г, или меньше, чем примерно 1,2 мл/г, или меньше, чем примерно 1 мл/г.

BJH распределение пор по размеру может измеряться с использованием способа Barrett, Joyner и Halenda (BJH), который описывается в J. Amer. Chem. Soc., 73,373-80 (1951) Gregg and Sing, ADSORPTION, SURFACE AREA, AND POROSITY, 2-ое издание, Academic Press, New York (1982), содержание которого включено в данное описание во всей своей полноте в качестве ссылки. В одном из вариантов осуществления изобретения объем пор составляет, по меньшей мере, примерно 0,01 мл/г для любого диаметра поры между примерно 4 нм и примерно 6 нм. В альтернативном варианте осуществления изобретения объем поры составляет между примерно 0,01 мл/г и примерно 0,04 мл/г для любого диаметра поры между примерно 4 нм и примерно 6 нм. Еще в одном варианте осуществления изобретения объем пор составляет, по меньшей мере, примерно 0,03 мл/г для диаметров пор между примерно 4 нм и примерно 6 нм, или находится между примерно 0,03 мл/г и примерно 0,06 мл/г. В предпочтительном варианте осуществления изобретения объем поры находится между примерно 0,015 мл/г и примерно 0,06 мл/г для диаметров пор между примерно 4 нм и примерно 6 нм. Фиг. 2 иллюстрирует обычные распределения объемов мезопор, вычисленные при помощи способа BJH, мезопористого и основного активированного угля на основе древесины (ТА4-СА-10), и мезопористого и кислого активированного угля на основе древесины (СА-10).

Отношение суммы объемов мезопор и макропор к общему объему пор составляет больше, чем примерно 0,3, предпочтительно находится между примерно 0,4 и примерно 0,9, более предпочтительно между примерно 0,5 и примерно 0,8, и наиболее предпочтительно между примерно 0,6 и примерно 0,7.

Общая площадь внешней поверхности вычисляется путем умножения удельной площади внешней поверхности на массу фильтрующих частиц и основывается на размерах фильтрующих частиц. Например, удельная площадь внешней поверхности монодисперсных (т.е. с одинаковым диаметром) волокон вычисляется как отношение площади волокон (пренебрегая 2 площадями поперечного сечения на концах волокон) и веса волокон. Таким образом, удельная площадь внешней поверхности волокон равна: 4/Dρ, где D является диаметром волокна и ρявляется плотностью этого волокна. Для монодисперсных сферических частиц похожие вычисления дают удельную площадь внешней поверхности, равную: 6/Dρ, где D является диаметром частицы и ρ является плотностью этой частицы. Для полидисперсных волокон, сферических частиц или частиц неправильной формы удельная площадь внешней поверхности вычисляется с использованием таких же соответствующих формул, как приведенные выше, подставляя вместо D, где является средним диаметром Саутера, который представляет собой диаметр частицы, у которой отношение поверхности к объему совпадает с таковым для всего распределения частиц. Хорошо известный в данной области техники способ для измерения среднего диаметра Саутера использует дифракцию лазерного излучения, например, применяя оборудование Malvern (Malvern Instruments Ltd., Malvern, U.K.). Удельная площадь внешней поверхности фильтрующих частиц находится между примерно 10 см²/г и примерно 100000 см²/г, предпочтительно между примерно 50 см²/г и примерно 50000 см²/г, более предпочтительно между примерно 100 см²/г и примерно 10000 см²/г и наиболее предпочтительно между примерно 500 см²/г и примерно 5000 см²/г.

ИУБ мезопористых и основных частиц активированного угля при измерении согласно процессу испытания партии, излагаемому в данном описании, превышает примерно 99%, предпочтительно превышает примерно 99,9%, более предпочтительно превышает примерно 99,99% и наиболее предпочтительно превышает примерно 99,999%. Аналогично, ЛИУБ мезопористых и основных частиц активированного угля превышает примерно 2 log, предпочтительно превышает примерно 3 log, более предпочтительно превышает примерно 4 log и наиболее предпочтительно превышает примерно 5 log. ИУВ мезопористых и основных частиц активированного угля при измерении согласно процессу испытания партии, излагаемому в данном описании, превышает примерно 90%, предпочтительно превышает примерно 95%, более предпочтительно превышает примерно 99% и наиболее предпочтительно превышает примерно 99,9%. Аналогично ЛИУВ мезопористых и основных частиц активированного угля превышает примерно 1 log, предпочтительно превышает примерно 1,3 log, более предпочтительно превышает примерно 2 log и наиболее предпочтительно превышает примерно 3 log.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения фильтрующие частицы содержат мезопористые и основные частицы активированного угля, которые представляют собой частицы активированного угля на основе древесины. Такие частицы имеют БЭТ удельную площадь поверхности между примерно 1000 м²/г и примерно 2000 м²/г, общий объем поры между примерно 0,8 мл/г и примерно 2 мл/г, и суммарный объем мезопор и макропор между примерно 0,4 мл/г и примерно 1,5 мл/г.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения фильтрующие частицы содержат мезопористые и основные частицы активированного угля, которые изначально были кислыми и затем были превращены в основные обработкой в атмосфере аммиака. Такие частицы представляют собой частицы активированного угля на основе древесины. Температура обработки находится между 925°С и 1000°С, скорость расхода аммиака находится между примерно 1 стандартным л/ч·г и примерно 2 стандартными л/ч·г и время обработки находится между примерно 10 минутами и 7 часами. Такие частицы имеют БЭТ удельную площадь поверхности между примерно 800 м²/г и примерно 2500 м²/г, общий объем пор между примерно 0,7 мл/г и примерно 2,5 мл/г, и суммарный объем мезопор и макропор между примерно 0,21 мл/г и примерно 1,7 мл/г. Не ограничивающие примеры кислого активированного угля, который преобразован в основной активированный уголь, изложены ниже.

ПРИМЕР 1

Преобразование мезопористого и кислого активированного угля в мезопористый и основной активированный уголь

2 кг CARBOCHEM® CA-10 мезопористых и кислых частиц активированного угля на основе древесины от Carbochem, Inc., Ardmore, PA, поместили на конвейер печи модели BAC-M производства C.I. Hayes, Inc., Cranston, RI. Температуру печи установили равной 950°С, время обработки составило 4 часа и атмосфера представляла собой диссоциированный аммиак, протекающий с объемным расходом потока 12800 стандартных л/ч (т.е. 450 стандартных ft³/h, или аналогично, 6,4 стандартных л/ч·г). Обработанные частицы углерода называются ТА4-СА-10, и результаты анализа их БЭТ изотермы, распределения объема мезопор и точки нулевого заряда показаны на Фиг. 1, 2 и 3 соответственно.

III. Фильтры настоящего изобретения

Обращаясь к Фиг. 4, в качестве примера будет описан фильтр, изготовленный согласно настоящему изобретению. Фильтр 20 содержит корпус 22 в форме цилиндра, имеющего подводящий патрубок 24 и отводящий патрубок 26. Корпус 22 может быть предоставлен в различных видах, формах, размерах и конструкциях в зависимости от требуемого применения фильтра, что хорошо известно в данной области техники. Например, фильтр может представлять собой фильтр с осевым потоком, в котором подводящий патрубок и отводящий патрубок расположены таким образом, что жидкость течет вдоль оси корпуса. В качестве альтернативы фильтр может представлять собой фильтр с радиальном потоком, в котором подводящий патрубок и отводящий патрубок расположены таким образом, что текучая субстанция (например, жидкость, газ, или их смесь) течет по радиальным направлениям корпуса. Более того, фильтр может включать в себя как осевой, так и радиальный потоки. Также корпус может быть сформирован как часть другой структуры без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Хотя фильтры настоящего изобретения являются в высокой степени пригодными для использования с водой, очевидно, что могут использоваться другие жидкости (например, воздух, газ и смесь воздуха и жидкостей). Таким образом, фильтр 20 может использоваться в качестве фильтра общего назначения для жидкостей или фильтра для газов. Размер, форма, разнесение, относительное положение и расположение подводящего патрубка 24 и отводящего патрубка 26 могут выбираться, как известно в данной области техники, для согласования скорости потока с предполагаемым применением фильтра 20. Предпочтительно фильтр 20 сконфигурирован для применения в жилых или коммерческих системах снабжения питьевой водой. Примеры конфигураций фильтра, устройств производства питьевой воды, потребительских устройств и других устройств для фильтрации воды, пригодных для применения с настоящим изобретением, приведены в заявках на патент США № 5527451; 5536394; 5709794; 5882507; 6103114; 4969996; 5431813; 6214224; 5957034; 6145670; 6120685 и 6241899, содержание которых включено в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки. Для систем снабжения питьевой водой фильтр 20 предпочтительно конфигурируют для обеспечения скорости потока меньшей, чем примерно 8 л/мин, или меньшей, чем примерно 6 л/мин, или примерно между 2 л/мин и примерно 4 л/мин, и фильтр содержит менее чем 2 кг фильтрующего вещества или менее чем 1 кг фильтрующего вещества или менее чем 0,5 кг фильтрующего вещества. Фильтр 20 также содержит фильтрующее вещество 28, причем фильтрующее вещество 28 включает в себя один или несколько типов фильтрующих частиц (например, волокна, гранулы и т.п.). Один или несколько типов фильтрующих частиц могут быть мезопористыми и основными частицами активированного угля и обладать вышеописанными характеристиками. Фильтрующее вещество может также содержать частицы, сформированные из других веществ, таких как порошок активированного угля, гранулы активированного угля, волокна активированного угля, цеолиты и их смеси. Как обсуждалось выше, фильтрующее вещество может предоставляться или в свободном виде, или в связанном виде (например, частично или полностью связанное при помощи полимерного связующего вещества или другим способом, образуя цельные структуры).

IV. Процедуры тестирования

Представленная далее процедура тестирования применяется для вычисления точки нулевого заряда, значений БЭТ, ИУБ/ЛИУБ и ИУВ/ЛИУВ, обсуждаемых в настоящем описании. Хотя измерение значений ИУБ/ЛИУБ и ИУВ/ЛИУВ приведено в отношении водной среды, это не должно рассматриваться в качестве ограничения максимально широкого применения фильтрующих веществ настоящего изобретения, напротив, фильтрующие вещества могут максимально широко применяться с другими жидкостями, как описывалось выше, даже если значения ИУБ/ЛИУБ и ИУВ/ЛИУВ вычислялись в отношении водной среды. Более того, фильтрующие вещества, выбранные ниже для иллюстрации применения процедур тестирования, не должны рассматриваться в качестве ограничения объема изобретения в отношении производства и/или состава фильтрующих веществ настоящего изобретения или в качестве ограничения, или для ограничения видов фильтрующих веществ настоящего изобретения, которые могут оцениваться в процедурах тестирования.

Процедура тестирования БЭТ

БЭТ удельная площадь поверхности и распределение объемов пор измерялись с применением способа адсорбции азота, подобного описанному в ASTM D 4820-99, при помощи многоточечной адсорбции азота, при 77К с анализатором площади поверхности и размера пор Coulter SA3100 производства Coulter Corp., Miami, FL. Этот метод также может предоставлять объемы микропор, мезопор и макропор. Для фильтрующих частиц ТА4-СА-10 Примера 1 площадь БЭТ составляет 1038 м²/г, объем микропор составляет 0,43 мл/г и сумма объемов мезопор и макропор составляет 0,48 мл/г. Необходимо отметить, что соответствующие значения в исходном веществе СА-10 составляют: 1309 м²/г, 0,54 мл/г и 0,67 мл/г. Обычная БЭТ изотерма азота и распределение объемов мезопор для фильтрующего вещества Примера 1 проиллюстрированы на Фиг. 1 и 2 соответственно. Очевидно, что для БЭТ измерений могут использоваться другие инструменты, как известно в данной области техники.

Процедура тестирования точки нулевого заряда

0,010 М водный раствор KCl приготовили из химически чистого KCl и свежедистиллированной под аргоном воды. Воду, используемую для дистилляции, деионизировали посредством последовательной обработки способом обратного осмоса и ионного обмена. 25,0 мл объема водного раствора KCl поместили в шесть 125 мл флаконов, каждый закрытый 24/40 притертой стеклянной пробкой. Микролитровые количества стандартизированного водного раствора HCl или NaOH добавили в каждый флакон таким образом, чтобы исходный рН находился между 2 и 12. Затем регистрировали рН каждого флакона, используя pH-метр модели Orion 420А с электродом модели Orion 9107BN Triode Combination pH/ATC производства Thermo Orion Inc., Beverly, MA, что обозначалось как "исходный рН". В каждый из шести флаконов добавили 0,0750±0,0010 г частиц активированного угля, и водные суспензии взбалтывали (примерно при 150 об/мин) в закупоренном состоянии в течение 24 часов при комнатной температуре, перед регистрацией "конечного рН". На Фиг. 3 показаны исходное и конечное значения рН для экспериментов, проведенных с активированным углем СА-10 и ТА4-СА-10. Точка нулевого заряда для СА-10 и ТА4-СА-10 равна примерно 4,7 и 10 соответственно. Очевидно, что в данном тесте могут применяться другие инструменты, как известно в данной области техники.

Процедура тестирования ИУБ/ЛИУБ

Использовали РВ-900^тм программируемый JarTester производства Phipps&Bird, Inc., Richmomd, VA, с 2 или большим количеством лабораторных стаканов из стекла Pyrex® (в зависимости от количества тестируемых веществ). Диаметр стакана составлял 11,4 см (4,5") и высота составляла 15,3 см (6"). Каждый стакан содержал 500 мл дехлорированной воды из муниципального источника водоснабжения, загрязненной микроорганизмами Е. coli, и мешалка, которая вращалась при 60 об/мин. Мешалки представляли собой лопасти из нержавеющей стали 7,6 см (3") в длину, 2,54 см (1") в высоту и толщиной 0,24 см (3/32"). Миксеры установили на 0,5 см (3/16") от дна стаканов. Первый стакан не содержал фильтрующего вещества и использовался в качестве контрольного, а другие стаканы содержали достаточное количество фильтрующего вещества, имеющего средний диаметр Саутера меньший, чем 55 мкм, так что общая площадь внешней геометрической поверхности вещества в стаканах составила 1400 см². Такой средний диаметр Саутера достигался посредством: а) просеивания образцов с широким распределением размеров и более высоким средним диаметром Саутера или б) уменьшением размера фильтрующих частиц (например, если фильтрующие частицы больше, чем 55 мкм, или если фильтрующее вещество находится в виде объединений или в связанном виде) посредством любых способов, уменьшающих размер, которые хорошо известны специалистам в данной области техники. В качестве примера, но не в качестве ограничения, способами уменьшения размера являются дробление, размалывание и измельчение. Обычное оборудование, которое применяется для уменьшения размера, включает в себя щековые дробилки, конусные дробилки, валковые дробилки, шредеры, ударные мельницы, мельницы с мелющими телами, струйные мельницы, такие как струйно-роторные, противоточные и с налетающей струей. Уменьшение размера может применяться для свободных или связанных фильтрующих частиц. Любое биоцидное покрытие фильтрующих частиц или фильтрующего вещества следует удалить до проведения этого теста. В качестве альтернативы, в указанном тесте могут использоваться фильтрующие частицы без покрытия.

Сдвоенные образцы воды, каждые объемом по 5 мл, отбирали из каждого стакана для проведения анализа в разное время после внесения фильтрующих частиц в стаканы, до тех пор, пока не было достигнуто равновесие в стаканах, которые содержали фильтрующие частицы. Обычное время отбора образцов составляет: 0, 2, 4 и 6 часов. Может использоваться другое оборудование, как известно в данной области техники.

Использовались бактерии E. coli ATCC#25922 (American Type Culture Collection, Rockville, MD). Исходная концентрация E. coli в контрольном стакане была установлена 3,7х10⁹. Анализ E. coli проводили, используя способ мембранного фильтра согласно способу #9222 20-го издания "Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater", опубликованного American Public Health Association (APHA), Washington, DC. Предел регистрации (ПР) составлял 1х10³ КОЕ/л.

Иллюстративные результаты ИУБ/ЛИУБ для фильтрующего вещества Примера 1 показан на Фиг.5. Количество мезопористого и кислого активированного угля СА-10 составляло 0,75 г, а количество мезопористого и основного активированного угля ТА4-СА-10 составляло 0,89 г. И то, и другое количество соответствует площади внешней поверхности 1400 см². Концентрация E. coli в контрольном стакане составила 3,7х10⁹ КОЕ/л. Концентрации E. coli в стаканах, содержащих образцы СА-10 и ТА4-СА-10, достигла равновесия за 6 часов, и их значения составили 2,1х10⁶ КОЕ/л и 1,5х10⁴ КОЕ/л соответственно. Затем вычислили соответствующие ИУБ, составляющие 99,94% и 99,9996%, и вычислили соответствующие ЛИУБ, составляющие 3,2 log и 5,4 log.

Процедура тестирования ИУВ/ЛИУВ

Оборудование и процедура тестирования являлись такими же, как и для процедуры ИУБ/ЛИУБ. Первый стакан не содержал фильтрующее вещество и использовался как контрольный, а другие стаканы содержали достаточное количество фильтрующего вещества, имеющего средний диаметр Саутера меньше, чем 55 мкм, так что в стаканах общая площадь внешней геометрической поверхности в стаканах составляла 1400 см². Любое биоцидное покрытие фильтрующих частиц или фильтрующего вещества следует удалить до проведения этого теста. В качестве альтернативы для этого теста могут применяться фильтрующие частицы или фильтрующее вещество без покрытия.

Использовались MS-2 бактериофаги ATCC#15597B из American Type Culture Collection, Rockville, MD. Исходная концентрация MS-2 в контрольном стакане была установлена 2,07х10⁹ БОЕ/л. Анализ MS-2 вели согласно процедуре C. J. Hurst, Appl. Environ. Microbiol., 60(9), 3462(1994). Могут применяться другие способы анализа, известные в данной области техники. Предел регистрации (ПР) составлял 1х10³ БОЕ/л.

Иллюстративные ИУВ/ЛИУВ результаты для фильтрующего вещества Примера 1 показаны на Фиг.6. Количество мезопористого и кислого активированного угля СА-10 составляло 0,75 г, а количество мезопористого и основного активированного угля ТА4-СА-10 составляло 0,89 г. Оба значения соответствуют площади внешней поверхности 1400 см². Концентрация MS-2 в контрольном стакане составила 2,07х10⁹ БОЕ/л. Концентрация MS-2 в стаканах, содержащих образцы СА-10 и ТА4-СА-10, достигла равновесия за 6 часов, и их значения составили 1,3х10⁶ БОЕ/л и 5,7х10⁴ БОЕ/л соответственно. Затем вычислили соответствующие ИУВ, составляющие 99,94% и 99,997%, и вычислили соответствующие ЛИУВ, составляющие 3,2 log и 4,5 log.

Варианты осуществления изобретения, представленные в данном описании, были выбраны и описаны для предоставления лучшей иллюстрации принципов настоящего изобретения и его практического применения, что позволяет любому специалисту в данной области техники использовать настоящее изобретение в различных вариантах осуществления и с различными модификациями, такими, которые являются подходящими для рассмотренного конкретного применения. Все эти модификации и изменения находятся в пределах объема настоящего изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения, при интерпретации настолько широкой, насколько они являются ясными, юридически законными и справедливыми.

Предложен фильтр для питьевой воды, содержащий корпус с подводящим и отводящим патрубками и фильтрующее вещество, сформированное из фильтрующих частиц, имеющих точку нулевого заряда большую, чем 7, и сумму объемов мезо- и макропор частиц большую, чем 0,12 мл/г. Фильтр эффективно удаляет микроорганизмы. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Фильтр для обеспечения питьевой водой, содержащий корпус, имеющий подводящий патрубок, отводящий патрубок и фильтрующее вещество, расположенное внутри указанного корпуса, отличающийся тем, что указанное фильтрующее вещество формируется, по меньшей мере, частично из множества фильтрующих частиц, имеющих точку нулевого заряда большую 7 и сумма объемов мезопор и макропор указанных фильтрующих частиц является большей 0,12 мл/г.2. Фильтр по п.1, в котором сумма объемов мезопор и макропор указанного множества фильтрующих частиц находится между примерно 0,2 и примерно 2 мл/г.3. Фильтр по п.2, в котором указанное множество фильтрующих частиц имеет точку нулевого заряда между примерно 9 и примерно 12.4. Фильтр по п.3, в котором отношение суммы объемов мезопор и макропор указанного множества фильтрующих частиц к общему объему пор указанных фильтрующих частиц составляет больше, чем примерно 0,3.5. Фильтр по п.4, в котором указанное множество фильтрующих частиц выбирается из группы, состоящей из частиц активированного угля на основе древесины, частиц активированного угля на основе каменного угля, частиц активированного угля на основе торфа, частиц активированного угля на основе пека, частиц активированного угля на основе гудрона и их смесей.6. Фильтр по п.5, в котором указанное множество фильтрующих частиц имеет индекс удаления бактерий (ИУБ) больше, чем примерно 99,99%.7. Фильтр по п.6, в котором указанное множество фильтрующих частиц имеет ИУБ больше, чем примерно 99%.8. Способ получения питьевой воды, содержащий этапы

обеспечения фильтрующим веществом, сформированным, по меньшей мере, частично из множества фильтрующих частиц, имеющих точку нулевого заряда большую, чем примерно 7, и сумма объемов мезопор и макропор указанных фильтрующих частиц больше 0,12 мл/г;

пропускания воды через указанное фильтрующее вещество и

удаления микроорганизмов из указанной воды.