МАТЕРИАЛЫ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ВОДЫ И ФИЛЬТРЫ ДЛЯ ВОДЫ, СОДЕРЖАЩИЕ СМЕСЬ МИКРОПОРИСТЫХ И МЕЗОПОРИСТЫХ УГЛЕРОДНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2009 года по МПК B01J20/20 B01D39/20 C02F1/28 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области материалов фильтров для воды, фильтрам для воды и процессам по их использованию и, в частности, к области фильтров для воды, содержащих микропористые и мезопористые углеродные частицы.

Уровень техники

В воде может содержаться много разнообразных загрязняющих примесей, в том числе, например, частицы, вредные химические вещества и микробиологические организмы, такие как бактерии, паразиты, простейшие организмы и вирусы. Существуют различные обстоятельства, при которых эти загрязняющие примеси необходимо перед использованием воды удалить. Например, во многих применениях в медицинских целях и при производстве некоторых электронных компонентов требуется чрезвычайно чистая вода. Если обратиться к более привычному примеру, то вредные примеси, имеющиеся в воде, необходимо удалять, сокращать до безопасного уровня или дезактивировать (что иногда называется «нейтрализовать»), чтобы вода стала питьевой, то есть пригодной к употреблению. Несмотря на современные средства водоочистки население в целом подвергается риску, и, в частности, дети и лица с ослабленной иммунной системой подвергаются значительному риску.

В США и других развитых странах централизованным образом очищенная вода обычно содержит одну или несколько следующих примесей: взвешенные твердые частицы, бактерии, паразиты, вирусы, органические вещества, тяжелые металлы и хлор. Аварии и другие неисправности систем водоочистки иногда приводят к неполному удалению бактерий и вирусов. В других странах воздействие загрязненной воды влечет смертельно опасные последствия, поскольку в некоторых из них увеличивается плотность населения, источники воды становятся все более скудными и отсутствуют установки по водоочистке. Распространена ситуация, когда источники питьевой воды расположены в непосредственной близости от отходов жизнедеятельности людей и животных, так что микробиологическое загрязнение представляет серьезную проблему здравоохранения. По оценкам, в результате переносимого водой микробиологического загрязнения ежегодно умирает шесть миллионов человек, половину из которых составляют дети в возрасте до 5 лет.

Другими источниками загрязнения систем снабжения питьевой водой являются химические загрязняющие примеси, такие как хлор, свинец, мышьяк, летучие органические соединения (ЛОС) (VOC), тригалогенметаны (ТГМ) (ТНМ), хром и т.д. Например, тригалогенметаны (ТГМ), являющиеся побочными продуктами, которые могут образовываться, когда остаточный хлор от процессов водоочистки реагирует с органическими веществами, имеющимися в воде, находят во многих источниках воды по всему миру. Эти вещества могут возникать естественным образом и могут непреднамеренно образовываться в системах водоснабжения, когда органические соединения, например промышленные отходы, выносятся в водную массу, которая затем обрабатывается хлором. В отраслях очистки и фильтрации воды ТГМ представляют широкий класс соединений и обычно называются «полными тригалогенметанами» (ПТГМ) (ТТНМ). ПТГМ могут быть канцерогенными и могут оказывать более непосредственное влияние на здоровье, такое как сыпь или кожные раздражения. Кроме того, ПТГМ могут оказывать и зачастую оказывают крайне негативное влияние на вкус питьевой воды. Таким образом, крайне желательно удалить ПТГМ из воды.

Известны способы и фильтры для удаления из воды ПТГМ и других органических соединений. Но эти способы и фильтры отличны от удаления мелких частиц, таких как бактерии и вирусы, а зачастую несовместимы с ним. Таким образом, потребителям воды часто требуется иметь два или более фильтров, или один многоступенчатый фильтр, чтобы удовлетворить все требования, предъявляемые к фильтрации. Многоступенчатые фильтры и множество фильтров зачастую требуют больше места и дороже, чем единственный фильтр.

Следовательно, существует потребность в одноступенчатом фильтре, который может удалять различные загрязняющие примеси, имеющие различные свойства. Иными словами, фильтр, который можно изготовить из единого материала, пусть даже материала, являющегося смесью различных компонентов, в одноступенчатом процессе, что приводит к одноступенчатому фильтру, имеющему множественную способность к удалению. Более конкретно, существует потребность в одноступенчатом фильтре, который может одновременно удалять мелкие частицы, такие как вирусы и бактерии, а также органические соединения, такие как ПТГМ. Это и другие преимущества обеспечиваются настоящим изобретением.

Сущность изобретения

Представлен фильтр для обеспечения или очистки питьевой воды. Фильтр содержит корпус, имеющий впускное и выпускное отверстия, и фильтрующий материал, находящийся внутри корпуса. Фильтрующий материал образован множеством микропористых частиц активированного угля, от примерно 25% по массе до примерно 75% по массе, и множеством мезопористых фильтрующих частиц активированного угля, от примерно 25% по массе до примерно 75% по массе. В одном объекте настоящего изобретения микропористые фильтрующие частицы активированного угля, мезопористые фильтрующие частицы активированного угля или и те и другие покрыты по меньшей мере частично или полностью катионным полимером. А в другом объекте настоящего изобретения по меньшей мере часть микропористых фильтрующих частиц активированного угля, мезопористых фильтрующих частиц активированного угля или и те и другие покрыты серебром или серебросодержащим материалом.

К фильтрующим материалам по настоящему изобретению могут быть добавлены другие материалы, такие как порошки из активированного угля, гранулы активированного угля, волокна из активированного угля, углеродные нанотрубки, нанотрубки из активированного угля, одностенные углеродные нанотрубки (OCHT) (SWNT), многостенные углеродные нанотрубки (MCHT) (MWNT), цеолиты, активированный оксид алюминия, оксид магния, активированный оксид магния, диатомовая земля, активированный диоксид кремния, гидроталькиты, материалы с металлорганической основой (MOF), стеклянные частицы или волокна, нановолокна из синтетических полимеров, нановолокна из натуральных полимеров, полиэтиленовые волокна, полипропиленовые волокна, волокна из сополимера этилена и малеинового ангидрида, песок, глина и их смеси. Эти другие материалы, такие как частицы активированного угля, которые непосредственно обсуждались выше, могут быть покрыты по меньшей мере частично или полностью катионным полимером, серебром, серебросодержащим материалом или их смесями.

В другом объекте настоящего изобретения представлен комплект, содержащий фильтр для обеспечения питьевой водой. Фильтр содержит корпус, имеющий впускное и выпускное отверстия, и фильтрующий материал, находящийся внутри корпуса, который образуют по меньшей мере частично множество микропористых и мезопористых фильтрующих частиц активированного угля, причем по меньшей мере часть этих частиц покрыта катионным материалом. Комплект дополнительно содержит упаковку для фильтра, и либо упаковка, либо корпус фильтра содержит информацию о том, что фильтр или фильтрующий материал: сокращает количество бактерий, сокращает количество вирусов, сокращает количество микроорганизмов, сокращает ПТГМ, сокращает количество химических веществ или любого сочетания вышеперечисленного.

Краткое описание чертежа

Хотя описание завершается формулой изобретения, которая специально выделяет и отчетливо характеризует изобретение, предполагается, что настоящее изобретение будет более понятно из нижеследующего описания совместно с прилагаемым чертежом, который представляет собой вид сбоку в сечении фильтра радиального потока, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Все цитируемые документы, в соответствующей части, включены в настоящее описание посредством ссылки. Цитирование любого документа не должно считаться признанием того, что этот документ представляет собой предшествующий уровень техники по отношению к настоящему изобретению.

I. Определения

В настоящем документе термины «фильтры» и «фильтрация» относятся к конструкциям и механизмам, связанным с удалением микроорганизмов (и (или) с удалением других загрязняющих примесей) преимущественно посредством адсорбции и (или), в меньшей степени, посредством исключения по размеру.

В настоящем документе термины «удаление», «сокращать», «сокращение» и производные от них относятся к частичному сокращению количества или концентрации загрязняющих примесей.

В настоящем документе словосочетание «фильтрующий материал» относится к совокупности фильтрующих частиц. Совокупность фильтрующих частиц, образующих фильтрующий материал, может быть либо гомогенной, либо гетерогенной. Фильтрующие частицы могут иметь однородное или неоднородное распределение в фильтрующем материале. Кроме того, фильтрующие частицы, образующие фильтрующий материал, необязательно являются одинаковыми по форме и размеру и могут иметь либо несвязанную, либо взаимосвязанную форму. Например, фильтрующий материал может содержать микропористые, мезопористые и основные частицы активированного угля в сочетании с волокнами активированного угля, и эти фильтрующие частицы могут либо иметь несвязанную форму, либо быть частично или полностью связанными полимерным связующим веществом или другим средством для образования целостной структуры.

В настоящем документе словосочетание «фильтрующая частица» относится к отдельному элементу или части, которая используется для образования по меньшей мере части фильтрующего материала. Например, волокно, гранула, бусинка и т.д. являются в настоящем документе фильтрующими частицами. Кроме того, фильтрующие частицы могут быть разного размера, от неосязаемых фильтрующих частиц (например, очень мелкий порошок) до осязаемых фильтрующих частиц.

В настоящем документе словосочетание «объем пор фильтрующего материала» относится к суммарному объему межчастичных пор в фильтрующем материале, имеющих размер более 0,1 мкм.

В настоящем документе словосочетание «полный объем фильтрующего материала» относится к сумме объема межчастичных пор и объема, занимаемого фильтрующими частицами.

В настоящем документе термины «микроорганизм», «микробный организм», «микробиологический организм» и «патоген» являются взаимозаменяемыми. Эти термины относятся к различных типам микроорганизмов, которые можно охарактеризовать как бактерии, вирусы, паразиты, простейшие организмы и микробы.

В настоящем документе словосочетание «коэффициент удаления бактерий» (КУБ) (BRI) для фильтрующих частиц определен как:

КУБ=100×[1-(концентрация в ванне бактерий Е.coli в равновесии)/(контрольная концентрация бактерий Е.coli],

где «концентрация в ванне бактерий Е.coli в равновесии» относится к концентрации бактерий, находящихся в равновесии в ванне, которая содержит массу фильтрующих частиц, имеющих суммарную площадь внешней поверхности 1400 см² и средний диаметр по Заутеру менее 55 мкм, о чем более подробно сказано ниже. Равновесие считается достигнутым, когда концентрация Е.coli, измеренная в два момента времени с интервалом в 2 часа, остается неизменной в пределах половины порядка величины. Словосочетание «контрольная концентрация бактерий Е.coli» относится к концентрации бактерий Е.coli в контрольной ванне, она равна примерно 3.7×10 КОЕ/л (CFU/L). Средний диаметр по Заутеру - это такой диаметр частицы, при котором отношение площади поверхности к объему равно этому отношению для всего распределения частиц. Заметим, что термин «КОЕ/л» означает «колониеобразующих единиц на литр» и является стандартным термином, используемым для счета бактерий Е.coli. КУБ измеряют в отсутствие применения химических веществ, обладающих бактерицидным эффектом. Эквивалентный способ описания удаляющей способности фильтрующих частиц использует «логарифмический коэффициент удаления бактерий» (ЛКУБ), который определен как:

ЛКУБ=-log[1-(КУБ/100)].

ЛКУБ измеряется в единицах, называемых log (где «log» означает логарифм). Например, фильтрующие частицы, в которых КУБ равен 99,99%, имеют ЛКУБ, равный 4 log. Процедуру измерений, используемую для определения этих величин, можно найти в международной заявке № PCT/US03/05416 от 21 февраля 2003 г., а также в международной заявке № PCT/US03/05409, поданной 21 февраля 2003 г., содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки.

В настоящем документе словосочетание «коэффициент удаления вирусов» (КУВ) (VRI) для фильтрующих частиц фильтра определено как:

КУВ=100×[1-(концентрация в ванне фагов MS-2 в равновесии)/(контрольная концентрация фагов MS-2)],

где «концентрация в ванне фагов MS-2 в равновесии» относится к концентрации фагов, находящихся в равновесии в ванне, которая содержит массу фильтрующих частиц, имеющих суммарную площадь внешней поверхности 1400 см² и средний диаметр по Заутеру менее 55 мкм, о чем более подробно сказано ниже. Равновесие считается достигнутым, когда концентрация MS-2, измеренная в два момента времени с интервалом в 2 часа, остается неизменной в пределах половины порядка величины. Словосочетание «контрольная концентрация фагов MS-2» относится к концентрации фагов MS-2 в контрольной ванне, и она равна примерно 6,7×10⁷ БОЕ/л (PFU/L). Заметим, что термин «БОЕ/л» означает «бляшкообразующие единицы на литр», который является стандартным термином, используемым при подсчете MS-2. КУВ измеряют в отсутствие химических веществ, обладающих вирулицидным эффектом. Эквивалентный способ описания удаляющей способности фильтрующих частиц использует «логарифмический коэффициент удаления вирусов» (ЛКУВ), который определен как:

ЛКУВ=-log[1-(КУВ/100)].

ЛКУВ измеряется в единицах «log» (где «log» - это логарифм). Например, фильтрующие частицы, у которых КУВ равен 99,9%, имеют ЛКУВ, равный 3 log. Измерительные процедуры, используемые для определения этих величин, могут быть основаны на международной заявке № PCT/US03/05416 от 21 февраля 2003 г., а также на международной заявке № PCT/US03/05409, поданной 21 февраля 2003 г., содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки.

В настоящем документе словосочетание «логарифмическая степень удаления бактерий фильтром» (ЛСУБ-Ф) (F-BLR) относится к способности фильтра удалять бактерии после протекания через него первых 2000 объемов пор фильтрующего материала. ЛСУБ-Ф определяется и вычисляется как:

ЛСУБ-Ф=-log[(выходная концентрация бактерий Е.coli)/(входная концентрация Е.coli)]

где «входная концентрация бактерий Е.coli» установлена равной примерно 1×10 КОЕ/л на все время измерения, а «выходная концентрация Е.coli» измеряется после протекания через фильтр 2000 объемов пор фильтрующего материала. ЛСУБ-Ф измеряется в единицах «log» (где «log» - это логарифм). Заметим, что если выходная концентрация ниже предела обнаружения метода, используемого для измерений, то выходную концентрацию для вычисления ЛСУБ-Ф принимают равной пределу обнаружения. Заметим также, что ЛСУБ-Ф измеряется в отсутствие химических веществ, обладающих бактерицидным эффектом. Процедуры измерения, используемые для определения этих величин, можно найти в международной заявке № PCT/US03/05416 от 21 февраля 2003 г., а также в международной заявке № PCT/US03/05409, поданной 21 февраля 2003 г., содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки.

В настоящем документе словосочетание «логарифмическая степень удаления вирусов фильтром» (ЛСУВ-Ф) (F-VLR) относится к способности фильтра удалять вирусы после протекания первых 2000 объемов пор пространства фильтрующего материала. ЛСУВ-Ф определяется и вычисляется как:

ЛСУВ-Ф=-log[(выходная концентрация MS-2)/(входная концентрация MS-2)],

где «выходная концентрация MS-2» установлена равной примерно 1×10⁷ БОЕ/л на протяжении всего измерения, а «выходная концентрация MS-2» измеряется после протекания через фильтров примерно 2000 объемов пор фильтрующего материала. ЛСУВ-Ф измеряется в единицах «log» (где «log» - это логарифм). Заметим, что если выходная концентрация ниже предела обнаружения метода, используемого для измерений, то выходную концентрацию для вычисления ЛСУВ-Ф принимают равной пределу обнаружения. Заметим также, что ЛСУВ-Ф измеряется в отсутствие химических веществ, обладающих вирулицидным эффектом. Процедура измерений, используемая для определения этих величин, может быть основана на международной заявке № PCT/US03/05416 от 21 февраля 2003 г., а также на международной заявке № PCT/US03/05409, поданной 21 февраля 2003 г., содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки.

В настоящем документе словосочетание «полная площадь внешней поверхности» относится к полной геометрической площади внешней поверхности одной или более фильтрующих частиц, о чем более подробно сказано ниже.

В настоящем документе словосочетание «удельная площадь внешней поверхности» относится к суммарной площади внешней поверхности, приходящейся на единицу массы фильтрующих частиц, о чем более подробно сказано ниже.

В настоящем документе термин «микропора» относится к внутричастичной поре шириной или диаметром менее 2 нм (или, что то же самое, 20Å).

В настоящем документе термин «мезопора» относится к внутричастичной поре шириной или диаметром от 2 нм до 50 нм (или, что то же самое, от 20Å до 500 Å).

В настоящем документе термин «макропора» относится к внутричастичной поре шириной или диаметром более 50 нм (или, что то же самое, 500 Å).

В настоящем документе словосочетание «суммарный объем пор» и производные от него относятся к объему всех внутричастичных пор, то есть микропор, мезопор и макропор. Суммарный объем пор вычисляют по объему азота, адсорбированного при относительном давлении 0,9814 с использованием процесса БЭТ (BET) (стандарт ASTM D 4820-99), известного из уровня техники.

В настоящем документе словосочетание «объем микропор» и производные от него относятся к объему всех микропор. Объем микропор вычисляют по объему азота, адсорбированного при относительном давлении 0,15 с использованием процесса БЭТ (стандарт ASTM D 4820-99), известного из уровня техники.

В настоящем документе словосочетание «сумма объемов мезопор и макропор» и производные от него относятся к объему всех мезопор и макропор. Сумма объемов мезопор и макропор равна разности между суммарным объемом пор и объемом микропор, или, что то же самое, вычисляется по разности между объемами азота, адсорбированного при относительных давлениях 0,9814 и 0,15 с использованием процесса БЭТ (стандарт ASTM D 4820-99), известного из уровня техники.

В настоящем документе словосочетание «распределение пор по размеру в диапазоне мезопор» относится к распределению пор по размеру, вычисленному посредством процесса Барретта, Джойнера и Халенды (BJH), известного из уровня техники.

В настоящем документе термин «карбонизация» и производные от него относятся к процессу, в котором уменьшается содержание неуглеродных атомов в углеродсодержащем веществе.

В настоящем документе термин «активация» и производные от него относятся к процессу, в котором карбонизированное вещество делается более пористым.

В настоящем документе термин «частицы активированного угля» или «фильтрующие частицы активированного угля» и производные от него относятся к углеродным частицам, которые были подвергнуты процессу активации.

В настоящем документе словосочетание «точка нулевого заряда» относится к рН, выше которого суммарная поверхность углеродных частиц является отрицательно заряженной. Процедура измерений, используемая для определения этой величины, может быть основана на международной заявке № PCT/US03/05416 от 21 февраля 2003 г., а также на международной заявке № PCT/US03/05409, поданной 21 февраля 2003 г., содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки.

В настоящем документе термин «основный» относится к фильтрующим частицам, точка нулевого заряда которых превышает 7.

В настоящем документе термин «кислотный» относится к фильтрующим частицам, точка нулевого заряда которых меньше 7.

В настоящем документе словосочетание «мезопористая фильтрующая частица активированного угля» относится к фильтрующей частице активированного угля, у которой сумма объемов мезопор и макропор может превышать 0,12 мл/г.

В настоящем документе словосочетание «микропористая фильтрующая частица активированного угля» относится к фильтрующей частице активированного угля, у которой сумма объемов мезопор и макропор может быть менее 0,12 мл/г.

В настоящем документе словосочетание «мезопористая и основная фильтрующая частица активированного угля» относится к фильтрующей частице активированного угля, у которой сумма объемов мезопор и макропор может превышать 0,12 мл/г и точка нулевого заряда превышает 7.

В настоящем документе словосочетание «мезопористая и основная фильтрующая частица активированного угля с восстановленным кислородом» относится к фильтрующей частице активированного угля, у которой сумма объемов мезопор и макропор может превышать 0,12 мл/г, точка нулевого заряда превышает 7 и общая массовая доля кислорода составляет 1,5% или менее.

В настоящем документе словосочетание «мезопористая и кислотная фильтрующая частица активированного угля» относится к фильтрующей частице активированного угля, у которой сумма объемов мезопор и макропор может превышать 0,12 мл/г и точка нулевого заряда меньше 7.

В настоящем документе словосочетание «исходный материал» относится к исходному веществу, содержащему мезопоры и макропоры или образующему мезопоры и макропоры при карбонизации и (или) активации.

В настоящем документе словосочетание «осевой поток» относится к потоку, проходящему через плоскую поверхность перпендикулярно этой поверхности.

В настоящем документе словосочетание «радиальный поток» обычно относится к потоку, проходящему через по существу цилиндрическую или по существу коническую поверхность перпендикулярно к этим поверхностям.

В настоящем документе словосочетание «лицевая площадь» относится к площади фильтрующего материала, первоначально подвергающейся воздействию поступающей воды. Например, в случае фильтров осевого потока лицевой площадью является площадь поперечного сечения фильтрующего материала в месте поступления жидкости, а в случае фильтра радиального потока лицевой площадью является наружная площадь фильтрующего материала.

В настоящем документе словосочетание «глубина фильтра» относится к линейному расстоянию, которое проходит поступающая вода от входа до выхода фильтрующего материала. Например, в случае фильтров осевого потока глубина фильтра - это толщина фильтрующего материала, а в случае фильтра радиального потока глубина фильтра - это половина разности между внешним и внутренним диаметрами фильтрующего материала.

В настоящем документе словосочетания «среднее время нахождения жидкости» и (или) «среднее время контакта жидкости» относятся к среднему времени, в течение которого жидкость контактирует с фильтрующими частицами внутри фильтра, когда она проходит через фильтрующий материал, и вычисляется как отношение объема пор фильтрующего материала к скорости протекания жидкости.

В настоящем документе словосочетания «пористость фильтра» и (или) «пористость тела фильтра» относятся к отношению объема пор фильтрующего материала к полному объему фильтрующего материала.

В настоящем документе словосочетание «впускное отверстие» относится к средству, через которое жидкость может поступить в фильтр или фильтрующий материал. Например, впускное отверстие может быть конструктивным элементом, который является частью фильтра или лицевой площади фильтрующего материала.

В настоящем документе словосочетание «выпускное отверстие» относится к средству, через которое жидкость может выйти из фильтрующего материала или фильтра. Например, выпускное отверстие может быть конструктивным элементом, который является частью фильтра или площади поперечного сечения материала фильтра в месте выхода жидкости.

В настоящем документе термин «текучие свойства частиц» и производные от него относятся к перепаду давлений, который вызывают эти частицы, когда между ними протекает вода. Например, при сравнении двух типов частиц, имеющих одинаковые размер и распределение частиц, один из них обладает лучшими текучими свойствами по сравнению с другим, если он создает меньший перепад давлений.

II. Микропористые и мезопористые фильтрующие частицы активированного угля

Фильтрующий материал по настоящему изобретению содержит смесь микропористых и мезопористых частиц активированного угля. Описанный здесь мезопористый материал из активированного угля обладает превосходной способностью удалять малые частицы, такие как бактерии и имеющие наноразмеры вирусы, тогда как микропористые частицы активированного угля обладают превосходной способностью удалять химические вещества, такие как полные тригалогенметаны (ПТГМ). Мезопористые частицы активированного угля обладают также гораздо лучшими текучими свойствами по сравнению с микропористыми частицами активированного угля, и, таким образом, мезопористые частицы активированного угля вызывают меньший перепад давления по сравнению с микропористыми частицами активированного угля. В одном варианте осуществления фильтрующий материал содержит множество микропористых частиц активированного угля в количестве от примерно 25% по массе до примерно 75% по массе, и множество мезопористых фильтрующих частиц активированного углерода в количестве от примерно 25% по массе до примерно 75% по массе. Как более подробно сказано ниже, фильтрующие частицы активированного угля предпочтительно покрыты по меньшей мере частично или полностью катионным полимером и, более предпочтительно, мезопористые частицы активированного угля покрыты по меньшей мере частично катионным полимером.

Фильтрующие частицы могут иметь различные формы и размеры. Например, фильтрующие частицы могут иметь простую форму, такую как порошок, гранулы, волокна и дробинки. Фильтрующие частицы могут иметь форму сферы, многогранника, цилиндра, а также другие симметричные, асимметричные или неправильные формы. Кроме того, фильтрующие частицы могут также образовывать сложные формы, такие как холсты, решета, сетки, нетканые материалы, тканые материалы и связанные блоки, которые могут быть или не быть образованы из описанных выше простых форм.

Аналогично форме может быть различным и размер частиц, причем размер частиц в одном фильтре необязательно должен быть одинаковым. В действительности может быть желательно иметь в одном фильтре фильтрующие частицы разных размеров. В целом размер фильтрующих частиц может быть между примерно 0,1 мкм и примерно 10 мм, предпочтительно между примерно 0,2 мкм и примерно 5 мм, более предпочтительно между примерно 0,4 мкм и примерно 1 мм и наиболее предпочтительно между примерно 1 мкм и примерно 500 мкм. Для сферических и цилиндрических частиц (например, волокон, дробинок и т.д.) вышеописанные размеры относятся к диаметру фильтрующих частиц. Для фильтрующих частиц, имеющих существенно различающиеся формы, вышеописанные размеры относятся к наибольшему измерению (например, длине, ширине или высоте).

Микропористые частицы активированного угля

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения множество микропористых частиц активированного угля присутствуют в концентрации от примерно 30% по массе до примерно 55% по массе и более предпочтительно от примерно 30% по массе до примерно 50% по массе. Типичными примерами микропористого активированного угля являются кокосовый активированный уголь, активированный уголь на основе битуминозного каменного угля, активированный уголь, активированный физически, на древесной основе, активированный уголь, активированный физически, на основе пека и т.д. Предпочтительными микропористыми частицами активированного угля являются кокосовые частицы активированного угля.

Мезопористые частицы активированного угля

Микропористые углеродные частицы настоящего изобретения обладают хорошими свойствами по удалению химических веществ, таких как ПТГМ. Но мезопористые углеродные фильтрующие частицы адсорбируют большее количество микроорганизмов по сравнению с микропористыми фильтрующими частицами активированного угля. Кроме того, неожиданно было обнаружено, что мезопористые и основные фильтрующие частицы активированного угля адсорбируют большее количество микроорганизмов по сравнению с тем, что адсорбируют мезопористые и кислотные фильтрующие частицы активированного угля. Кроме того, неожиданно было обнаружено, что мезопористые и основные фильтрующие частицы активированного угля с восстановленным кислородом адсорбируют большее количество микроорганизмов по сравнению с тем, что адсорбируют мезопористые и основные фильтрующие частицы активированного угля, у которых полная массовая доля кислорода не снижена.

Хотя заявители не желают связывать себя какой-либо теорией, по их гипотезе, учитывающей пористость, большое число мезопор и (или) макропор обеспечивает более удобные центры адсорбции (отверстия или входы мезопор/макропор) для патогенов, их фимбрий и поверхностных полимеров (например, белков, липополисахаридов, олигосахаридов и полисахаридов), которые составляют внешние мембраны, капсиды и оболочки патогенов, поскольку их типичный размер подобен размеру входов мезопор и макропор. Кроме того, мезопористость и макропористость могут коррелировать с одним или нескольким свойствами поверхности угля, такими как шероховатость поверхности.

Кроме того, заявители, не желая связывать себя теорией, предполагают, что поверхности основного активированного угля содержат такие типы функциональных групп, которые необходимы для притягивания большего количества микроорганизмов по сравнению с притягиваемыми кислотной углеродной поверхностью. Эту повышенную адсорбцию на основные углеродные поверхности, возможно, следует приписать тому, что основные углеродные поверхности притягивают обычно отрицательно заряженные микроорганизмы и функциональные группы на их поверхности. Заявители далее предполагают, что основный углерод при помещении в воду способен образовывать дезинфицирующие вещества посредством реакции восстановления молекулярного кислорода. Хотя конечным продуктом восстановления является гидроокись, заявители полагают, что образуются промежуточные продукты реакционноспособного кислорода, такие как надперикись, гидроперикись и (или) гидроксильные радикалы, и они могут быть достаточно долгоживущими, чтобы диффундировать из углерода в основной объемный раствор.

Кроме того, заявители полагают, что углерод становится более основным по мере сокращения массовой доли технического кислорода. Низкая массовая доля технического кислорода может приводить к улучшенной адсорбции бактерий/вирусов, поскольку при этом получится: (1) меньше карбоновых кислот и, следовательно, менее отрицательная поверхность, отталкивающая бактерии/вирусы; и (2) менее гидратированная поверхность, так что вода легче поддается вытеснению со стороны бактерий/вирусов, когда те пытаются адсобрироваться в поверхность (то есть бактериям/вирусам требуется меньше затрат энергии, чтобы вытеснить другие экземпляры, уже занимающие места на поверхности). Эта последняя причина (то есть менее гидратированная поверхность) также имеет отношение к идее, что идеальная поверхность, рассматриваемая ниже, должна быть несколько гидрофобной (то есть замещение кислорода на граничных атомах углерода должно быть достаточным, чтобы поверхность увлажнилась, но не слишком сильно, чтобы она не стала чрезмерно гидрофильной).

Мезопористые фильтрующие частицы могут быть продуктом любого исходного вещества, которое содержит мезопоры и макропоры или создает мезопоры и макропоры в процессе карбонизации и (или) активации. Например, в частности, мезопористые фильтрующие частицы могут быть частицами активированного угля на древесной основе, частицами активированного угля на каменноугольной основе, частицами активированного угля торфяной основе, частицами активированного угля на основе пека, частицами активированного угля на основе дегтя, частицами активированного угля на основе мелкого угля, другими частицами активированного угля на основе лигноцеллюлозы и их смеси.

Активированный уголь может проявлять кислотные, нейтральные или основные свойства. Кислотные свойства связаны с кислородсодержащими функциональными свойствами или функциональными группами, такими как, в частности, фенолы, карбоксилы, лактоны, гидрохиноны, ангидриды и кетоны. Основные свойства до настоящего времени были связаны с такими функциональными группами, как пироны, хромоны, эфиры, карбонилы, а также π-электроны базисной плоскости. Кислотность или основность частиц активированного углерода определяется методом «точки нулевого заряда» (Newcombe, G., et al. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering aspects, 78, 65-71 (1993)), сущность которого включена в настоящий документ посредством ссылки. Описание метода приводится ниже в разделе VII. Точка нулевого заряда мезопористых фильтрующих частиц настоящего изобретения может находиться между 1 и 14, предпочтительно быть больше примерно 4, предпочтительно быть больше примерно 6, предпочтительно быть больше примерно 7, предпочтительно быть больше примерно 8, более предпочтительно быть больше примерно 9 и наиболее предпочтительно находиться между 9 и 12.

Точка нулевого заряда активированного угля имеет обратную корреляцию с массовой долей технического кислорода. Мезопористые частицы активированного угля по настоящему изобретению могут иметь массовую долю технического кислорода менее примерно 5%, предпочтительно менее примерно 2,5%, предпочтительно менее примерно 2,3%, предпочтительно менее примерно 2%, более предпочтительно менее примерно 1,2% и наиболее предпочтительно менее примерно 1% и (или) более примерно 0,1%, предпочтительно более примерно 0,2%, предпочтительно более примерно 0,25% и наиболее предпочтительно более примерно 0,3%. Кроме того, точка нулевого заряда частиц активированного угля коррелирует с окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП) (ORP) воды, содержащей частицы, поскольку точка нулевого заряда - это мера способности углерода восстанавливать кислород (по меньшей мере, для основного углерода). Фильтрующие частицы по настоящему изобретению могут иметь ОВП менее примерно 570 мВ, предпочтительно менее примерно 465 мВ, предпочтительно менее примерно 400 мВ, предпочтительно менее примерно 360 мВ, предпочтительно менее примерно 325 мВ и наиболее предпочтительно между примерно 290 мВ и примерно 175 мВ.

Активация частиц

Электрическое сопротивление фильтрующих частиц или фильтрующего материала из активированного угля является одним из важнейших свойств, поскольку оно относится к их способности образовывать фильтрующие блоки. Например, для образования фильтрующих блоков можно использовать способ резистивного нагревания, в котором фильтрующий материал нагревается посредством пропускания электрического тока между 2 концами фильтрующего материала. Электрическое сопротивление измеряется посредством образования фильтрующих блоков и измерения электрического сопротивления между двумя торцами блока путем приложения к ним 2 электродов от вольтметра.

Фильтрующие частицы можно получить посредством обработки исходного материала описанным ниже способом. Условия, при которых производится обработка, могут включать в себя состав газовой среды, давление, температуру и (или) время. Газовые среды по настоящему изобретению могут быть восстановительными или инертными. При нагревании фильтрующих частиц в восстановительной газовой среде, паре или инертной газовой среде получается фильтрующий материал с восстановленной функциональной группой поверхностного кислорода. Примеры подходящей восстановительной газовой среды могут включать в себя водород, азот, диссоциированный аммиак, окись углерода и (или) смеси. Примеры подходящей инертной газовой среды могут включать в себя аргон, гелий и (или) их смеси.

Температура обработки в случае, когда частицы активированного угля не содержат катализаторов из благородных металлов (например, платины, золота, палладия), может находиться между примерно 600°С и примерно 1200°С, предпочтительно между примерно 700°С и примерно 1100°С, более предпочтительно между примерно 800°С и примерно 1050°С, и наиболее предпочтительно между примерно 900°С и примерно 1000°С. Если частицы активированного угля содержат катализаторы из благородных металлов, температура обработки может находиться между примерно 100°С и примерно 800°С, предпочтительно между примерно 200°С и примерно 700°С, более предпочтительно между примерно 300°С и примерно 600°С и наиболее предпочтительно между примерно 350°С и примерно 550°С.

Время обработки может быть между примерно 2 минутами и примерно 10 часами, предпочтительно между примерно 5 минутами и примерно 8 часами, более предпочтительно между примерно 10 минутами и примерно 7 часами и наиболее предпочтительно между примерно 20 минутами и примерно 6 часами. Расход газа может быть между примерно 0,25 стандартных л/ч·г (то есть стандартных литров в час на грамм углерода; 0,009 стандартных футов/ч·г) и примерно 60 стандартных л/ч·г (2,1 стандартных футов/чт), предпочтительно между примерно 0,5 стандартных л/ч·г (0,018 стандартных футов/ч·г) и примерно 30 стандартных л/ч·г (1,06 стандартных футов/ч·г), более предпочтительно между примерно 1,0 стандартных л/ч·г (0,035 стандартных футов/ч·г) и примерно 20 стандартных л/ч·г (0,7 стандартных футов/ч·г) и наиболее предпочтительно между примерно 5 стандартных л/ч·г (0,18 стандартных футов/ч·г) и примерно 10 стандартных л/ч·г (0,35 стандартных футов/ч·г). В течение времени обработки давление может поддерживаться больше атмосферного, равным атмосферному или меньше атмосферного. Следует иметь в виду, что могут применяться и другие процессы для получения мезопористого основного фильтрующего материала из активированного угля с восстановленным кислородом. Кроме того, для получения фильтрующего материала такая описанная выше обработка исходного материала может повторяться многократно в зависимости от исходного материала.

Исходный материал может быть приобретен на рынке или может быть изготовлен известными из уровня техники способами, например описанными в статьях: Jagtoyen, M. and F. Derbyshire. Carbon, 36 (7-8), 1085-1097 (1998), и Evans et al. Carbon, 37, 269-274 (1999), и Ryoo et al. J. Phys. Chem. B, 103 (37), 7743-7746 (1999), содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки. Типичные химические вещества, используемые для активации/карбонизации, включают в себя фосфорную кислоту, хлорид цинка, фосфат аммония и т.д., которые могут использоваться в сочетании со способами, описанными в двух цитируемых выше журналах.

Размер и объем пористости частиц

Удельную площадь поверхности по Брунауэру, Эммету и Теллеру (БЭТ) и распределение пор по размеру по Барретту, Джойнеру и Халенде (BJH) можно использовать для характеристики структуры пор как для микропористых, так и для мезопористых частиц активированного угля. Удельная площадь поверхности по БЭТ мезопористых и основных фильтрующих частиц активированного угля предпочтительно может быть 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.

Суммарных объем пор мезопористых и основных частиц активированного угля измеряется в процессе адсорбции азота по БЭТ и рассчитывается как объем азота, адсорбированного при относительном давлении Р/Р₀ 0,9814. Более конкретно, суммарный объем пор, как известно из уровня техники, вычисляется посредством умножения «объема абсорбированного азота в мл/г (при нормальных условиях)» при относительном давлении 0,9814 на коэффициент пересчета 0,00156, который преобразует объем азота при нормальных условиях (при нормальной температуре и давлении) к жидкости. Суммарный объем пор мезопористых фильтрующих частиц активированного угля может быть больше примерно 0,4 мл/г, или более примерно 0,7 мл/г, или более примерно 1,3 мл/г, или более примерно 2 мл/г, и (или) менее примерно 3 мл/г, или менее примерно 2,6 мл/г, или менее примерно 2 мл/г, или менее примерно 1,5 мл/г.

Сумма объемов мезопор и макропор измеряется в процессе адсорбции азота по БЭТ и вычисляется как разность между суммарным объемом пор и объемом азота, адсорбированного при Р/Р₀ 0,15. Сумма объемов мезопор и макропор фильтрующих частиц активированного угля может быть более примерно 0,12 мл/г, или более примерно 0,2 мл/г, или более примерно 0,4 мл/г, или более примерно 0,6 мл/г, или более примерно 0,75 мл/г, и (или) менее примерно 2,2 мл/г, или менее примерно 2 мл/г, или менее примерно 1,5 мл/г, или менее примерно 1,2 мл/г, или менее примерно 1 мл/г.

Распределение пор по размерам по BJH можно измерить при помощи процесса Барретта, Джойнера и Халенды (BJH), который описан в J. Amer. Chem. Soc., 73, 373-80 (1951) и в книге Gregg and Sing, ADSORBTION, SURFACE AREA, AND POROSITY, 2-nd edition. Academic Press, New-York (1982), содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки. В одном варианте осуществления объем пор мезопористых частиц активированного угля может составлять по меньшей мере примерно 0,01 мл/г для любого диаметра пор между примерно 4 нм и примерно 6 нм. В альтернативном варианте осуществления объем пор мезопористых частиц активированного угля может составлять между примерно 0,01 мл/г и примерно 0,04 мл/г для любого диаметра пор между примерно 4 нм и примерно 6 нм. В еще одном варианте осуществления объем пор мезопористых частиц активированного угля может составлять по меньшей мере примерно 0,03 мл/г для диаметров пор между примерно 4 нм и примерно 6 нм, или составлять между примерно 0,03 мл/г и примерно 0,06 мл/г. В предпочтительном варианте осуществления объем пор мезопористых частиц активированного угля может составлять между примерно 0,015 мл/г и примерно 0,06 мл/г для диаметров пор между примерно 4 нм и примерно 6 нм.

Отношение суммы объемов мезопор и микропор к суммарному объему пор мезопористых частиц активированного угля может быть больше примерно 0,3, предпочтительно больше примерно 0,4, предпочтительно больше примерно 0,6 и наиболее предпочтительно между примерно 0,7 и примерно 1.

Полная площадь внешней поверхности вычисляется посредством умножения удельной площади внешней поверхности на массу фильтрующих частиц и зависит от размеров фильтрующих частиц. Например, удельная площадь внешней поверхности монодисперсных волокон (то есть имеющих одинаковый диаметр) вычисляется как отношение площади волокон (при этом пренебрегают 2 площадями поперечного сечения на концах волокон) к весу волокон. Таким образом, удельная внешняя площадь поверхности волокон равна: 4/Dρ, где D - диаметр волокон, а ρ - плотность волокон. Для монодисперсных сферических частиц аналогичные вычисления дают следующую формулу для удельной площади внешней поверхности: 6/Dρ, где D - диаметр частицы, а ρ - плотность частиц. Для полидисперсных волокон, сферических частиц или частиц неправильной формы удельная площадь внешней поверхности вычисляется при помощи тех же приведенных выше соответствующих формул с заменой D на , где - средний диаметр по Заутеру, который представляет собой диаметр частицы, у которой отношение «поверхности к объему» равно этому отношению для всего распределения частиц. Известный из уровня техники процесс для измерения среднего диаметра по Заутеру - это лазерная дифракция, например, при помощи оборудования Malvern (Malvern Instruments Ltd., Malvern, Великобритания). Удельная внешняя поверхность фильтрующих частиц, либо микропористых, либо мезопористых, может быть 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 7000 см²/г.

В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения фильтрующие частицы содержат мезопористые частицы активированного угля, которые являются частицами активированного угля на древесной основе. Эти частицы имеют удельную площадь поверхности по БЭТ между примерно 1000 м²/г и примерно 2000 м²/г, суммарный объем пор между примерно 0,8 мл/г и примерно 2 мл/г, и сумму объемов 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 являются частицами активированного угля на древесной основе. Эти частицы имеют удельную площадь поверхности по БЭТ между примерно 1000 м²/г и примерно 2000 м²/г, суммарный объем пор между примерно 0,8 мл/г и примерно 2 мл/г и сумму объемов мезопор и микропор между примерно 0,4 мл/г и примерно 1,5 мл/г.

Коэффициенты удаления

Величина КУБ мезопористых, или мезопористых и основных, или мезопористых, основных и с восстановленным кислородом частиц активированного угля при измерении в соответствии с процедурой измерений, изложенной в настоящем документе, может быть более примерно 99%, предпочтительно более примерно 99,9%, более предпочтительно более примерно 99,99% и наиболее предпочтительно более примерно 99,999%. Эквивалентная величина ЛКУБ мезопористых, или мезопористых и основных, или мезопористых, основных и с восстановленным кислородом частиц активированного угля может быть более примерно 2 log, предпочтительно более примерно 3 log, более предпочтительно более примерно 4 log и наиболее предпочтительно более примерно 5 log. Величина КУВ мезопористых, или мезопористых и основных, или мезопористых, основных и с восстановленным кислородом частиц активированного угля при измерении в соответствии с процедурой измерения, изложенной в настоящем документе, может быть более примерно 90%, предпочтительно большее примерно 95%, более предпочтительно более примерно 99% и наиболее предпочтительно более примерно 99,9%. Эквивалентная величина ЛКУВ мезопористых, или мезопористых и основных, или мезопористых, основных и с восстановленным кислородом частиц активированного угля может быть более примерно 1 log, предпочтительно более примерно 1,3 log, более предпочтительно более примерно 2 log и наиболее предпочтительно более примерно 3 log.

Величина ЛСУБ-Ф для фильтров по настоящему изобретению, содержащих мезопористые, или мезопористые и основные, или мезопористые, основные и с восстановленным кислородом частицы активированного угля, при измерении в соответствии с изложенной в настоящем документе процедурой измерений может быть более примерно 2 log, предпочтительно более примерно 3 log, более предпочтительно более примерно 4 log и наиболее предпочтительно более примерно 6 log. Величина ЛСУВ-Ф для фильтров по настоящему изобретению, содержащих мезопористые, или мезопористые и основные, или мезопористые, основные и с восстановленным кислородом частицы активированного угля, при измерении в соответствии с изложенной в настоящем документе процедурой измерений может быть более 1 log, предпочтительно более примерно 2 log, более предпочтительно более примерно 3 log и наиболее предпочтительно более примерно 4 log.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения фильтрующие частицы содержат мезопористые и основные частицы активированного угля с восстановленным кислородом, которые первоначально были кислотными и становились основными с восстановленным кислородом в процессе обработки в среде диссоциированного аммиака. Эти частицы являются частицами активированного угля на древесной основе. Температура обработки составляет между примерно 925°С и примерно 1000°С, расход аммиака - между примерно 1 стандартным л/ч·г и примерно 20 стандартными л/ч·г, и время обработки - между примерно 10 минутами и примерно 7 часами. Эти частицы имеют удельную площадь поверхности по БЭТ между примерно 800 м²/г и примерно 2500 м²/г, суммарный объем пор между примерно 0,7 мл/г и примерно 2,5 мл/г, и сумму объемов мезопор и макропор между примерно 0,21 мл/г и примерно 1,7 мл/г. Неограничивающий пример кислотного активированного угля, который превращается в основный активированный уголь с восстановленным кислородом, приведен ниже.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения фильтрующие частицы содержат мезопористые, основные частицы активированного углерода с восстановленным кислородом, которые первоначально были мезопористыми и основными и которые были обработаны в инертной (то есть гелиевой) газовой среде. Эти частицы представляют собой частицы активированного угля на древесной основе. Температура обработки составляет между примерно 800°С и примерно 1000°С, расход гелия - между примерно 1 стандартным л/ч·г и примерно 20 стандартными л/ч·г, и время обработки - между примерно 10 минутами и примерно 7 часами. Эти частицы имеют удельную площадь поверхности по БЭТ - между примерно 800 м²/г и примерно 2500 м²/г, суммарный объем пор - между примерно 0,7 мл/г и примерно 2,5 мл/г и сумму объемов мезопор и макропор - между примерно 0,21 мл/г и примерно 1,7 мл/г. Неограничивающий пример основного активированного угля, превращенного в основный активированный уголь с восстановленным кислородом, приведен ниже.

Измерение доли восстановления кислорода (ДВК) осуществляется при помощи окислительно-восстановительного электрода, модель 96-78-00 от компании Orion Research, Inc (Беверли, штат Массачусетс), и в соответствии со стандартом Американского общества по испытаниям материалов ASTM D 1498-93. Процедура заключается в получении суспензии примерно 0,2 г углерода в 80 мл водопроводной воды и считывании показаний на концах электрода (в мВ) после примерно 5 минут легкого перемешивания.

III. Серебро и серебросодержащее материалы

Известно, что наличие металлов в активном углероде может значительно повысить эффективность и избирательность действия активного углерода при его применении для целей фильтрации. В частности, наличие серебра может улучшить удаление микроорганизмов в фильтрах для воды на углеродной основе. Еще более конкретно, внесение серебра может повысить как коэффициент удаления бактерий (КУБ), так и коэффициент удаления вирусов (КУВ).

Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что материалы для покрытия и другие фильтрующие добавки, помимо фильтрующих частиц, увеличивают стоимость фильтра. Кроме того, материалы для покрытия могут перейти с частиц в питьевую воду, что потенциально может привести к неблагоприятному воздействию. Таким образом, хотя материалы для покрытия и другие добавки, описанные в настоящем документе, обеспечивают определенные преимущества, в высшей степени желательно получить те же самые преимущества без каких-либо добавок к частицам активированного угля настоящего изобретения.

Так, в одном предпочтительном объекте настоящее изобретение направлено на создание фильтра для обеспечения питьевой воды. Фильтр содержит корпус, имеющий впускное и выпускное отверстия, и фильтрующий материал, находящийся внутри указанного корпуса, который образован по меньшей мере частично из множества фильтрующих частиц активированного угля и частиц, выбранных из группы, состоящей из микропористых или мезопористых фильтрующих частиц активированного угля, покрытых полностью серебром или серебросодержащим материалом, микропористых или мезопористых фильтрующих частиц активированного угля, частично покрытых серебром или серебросодержащим материалом, серебряных частиц и смесей вышеперечисленного.

Более конкретно, фильтрующий материал по настоящему изобретению может содержать, помимо прочего, примесь серебра к микропористым и мезопористым фильтрующим частицам активированного угля, микропористые или мезопористые фильтрующие частицы активированного угля, покрытые частично или полностью серебром и (или) серебросодержащим материалом; микропористые или мезопористые фильтрующие частицы активированного угля, покрытые частично или полностью серебром или серебросодержащим материалом; или примесь микропористых частиц активированного угля, мезопористых фильтрующих частиц активированного угля, микропористых или мезопористых фильтрующих частиц активированного угля, покрытых частично или полностью серебром и (или) серебросодержащим материалом. Предпочтительно, массовая доля серебра или серебросодержащего материала относительно микропористых и мезопористых фильтрующих частиц активированного угля составляет от примерно 1:10000 до примерно 1:1, где за единицу принята соответственно масса серебра или серебросодержащего материала, при площади поверхности по БЭТ по меньшей мере 800 м²/г и плотности по меньшей мере 0,1 г/мл.

Известны способы добавления серебра к матрице на углеродной основе, и любой из этих способов пригоден для получения фильтрующего материала по настоящему изобретению. См., например, патенты США №4.482.641 и 4.045.553, выданные соответственно Wennerberg 13 ноября 1984 г. и Mitsumori et al. 30 августа 1977 г.См. также Dimitry, патент США №3.886.093, в котором раскрыты активированные угли, имеющие равномерно распределенные места для активного металла, и способ получения таких активированных углей. Способ Dimitry заключается в смешивании водного раствора соли лигнина с водным раствором соли переходного металла для осаждения переходного металла и лигнина в виде лигната металла. Переходной металл должен быть способен образовывать химическую связь с лигнином и при этом осаждаться с лигнином из раствора в виде лигната металла. Dimitry раскрывает, что время, требуемое для завершения осаждения, составляет менее одного часа, и что обычно для этой цели достаточно 30 минут. Согласно Dimitry, осажденный влажный лигнат металла может быть затем соответствующим образом высушен в распылительной сушилке. Затем осадок карбонизируют при температуре между 371°С и 983°С и, наконец, активируют при температуре между 760°С и 1065°С. По утверждению Dimitry, хотя высушивание осажденного лигната металла не является существенным для получения продукта активированного угля, высушивание необходимо для получения большой площади поверхности конечного продукта. Патенты Dimitry, Mitsumori et al. и Wennerberg полностью включены в настоящий документ посредством ссылки.

Один способ получения по существу однородной дисперсии серебра или серебросодержащего материала на матрице из пористого углерода, не предполагающий ограничения настоящего изобретения, содержит этапы, на которых: образуют однородный сокристаллит исходного вещества для серебра или серебросодержащего материала, или указанного выше углеродного исходного вещества; образуют однородную порошкообразную смесь сокристаллита и органических твердых веществ, содержащих гидроксид щелочного металла; пиролизуют порошкообразную смесь в инертной газовой среде при температуре в диапазоне от примерно 400°С до примерно 980°С для образования углеродной матрицы, имеющей серебро или серебросодержащий материал, по существу равномерно диспергированный в ней; и отделяют непрореагировавший неорганический материал и неорганические продукты реакции, отличные от диспергированного серебра или серебросодержащего материала, от матрицы из пористого углерода.

Для образования сокристаллита в способе по настоящему изобретению может применяться любая из множества известных методик, которые допускают однородную сокристаллизацию, а именно одновременная кристаллизация углеродного исходного вещества и исходного вещества для серебра или серебросодержащего материала и образование из них по существу однородного сокристаллита. Гомогенность сокристаллитной смеси имеет существенное значение для окончательного образования однородной дисперсии серебра или серебросодержащего материала на активированном угле с большой площадью поверхности. Предпочтительная методика образования однородного сокристаллита из углеродного исходного вещества и исходного вещества для серебра или серебросодержащего материала по способу настоящего изобретения включает в себя образование стабильного раствора обоих исходных веществ в соответствующем растворителе и высушивание такого раствора распылением до сухости. При такой методике удаление растворителя должно выполняться достаточно быстро для обеспечения максимально быстрой, одновременной и однородной сокристаллизации обоих исходных веществ из раствора. Высушивание распылением обеспечивает требуемое быстрое испарение, что обеспечивает быструю, одновременную и однородную сокристаллизацию и образование гомогенного сокристаллита обоих исходных веществ. В системе сушки распылением, которая подходит для выполнения этапа высушивания распылением при получении фильтрующего материала по настоящему изобретению, в сушильную камеру через патрубок вводится раствор углеродного исходного вещества и исходного вещества для серебра и серебросодержащего материала. Горячий инертный газ, такой как азот, вводится к сушильную камеру через линию, распложенную вокруг патрубка, и способствует распылению раствора, вводимого в сушильную камеру через патрубок, ускоряет распыленные капли раствора и повышает их температуру и тем самым способствует по существу мгновенному испарению с них растворителя, что ведет к образованию гомогенного сокристаллитного порошка. В сушильную камеру вводится воздух, чтобы вытеснить сокристаллитный порошок и азот вниз в сушильной камере, при этом масса сокристаллитного порошка падает на дно сушильной камеры, где он накапливается и откуда его впоследствии удаляют для использования на последующих этапах способа по настоящему изобретению. Из сушильной камеры проходит газ и попадает затем в циклонную систему, где сокристаллитный порошок, захваченный потоком газа, отделяется от газа и проходит вниз через накопительную линию. Массовая доля диспергированного металла или металлсодержащего материала по отношению к матрице активного углерода в композиции настоящего изобретения составляет предпочтительно от 1:10000 до 1:1, где за единицу принимается соответственно масса металла или металлсодержащего материала.

IV. Катионные материалы для покрытия

Изоэлектрическая точка углерода обычно находится ниже 6, поскольку на его поверхности обычно имеется избыток кислотных функциональных групп. Поэтому углерод часто имеет отрицательный поверхностный заряд при рН выше 6 и, следовательно, является анионным при рН питьевой воды, который обычно лежит в пределах между 6 и 9. В некоторых случаях желательно, чтобы углерод имел положительный поверхностный заряд. Было обнаружено, что поверхностный заряд углерода можно инвертировать, адсорбируя к его поверхности некоторые катионные полимеры. Более конкретно, желательно покрыть по меньшей мере часть микропористых или мезопористых фильтрующих частиц активированного угля имеющегося фильтрующего материала одним или несколькими катионными полимерами, перечисленными ниже. Еще более желательно покрыть по меньшей мере часть микропористых или мезопористых фильтрующих частиц активированного угля имеющегося фильтрующего материала одним или несколькими катионными полимерами, перечисленными ниже, и серебром или серебросодержащим материалом.

Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что материалы для покрытия и другие добавки к фильтру, помимо непосредственно фильтрующих частиц, увеличивают стоимость фильтра. Кроме того, материалы для покрытия могут попадать с частиц в питьевую воду, что потенциально ведет к неблагоприятному воздействию. Таким образом, хотя описанные здесь материалы для покрытия и другие добавки обеспечивают определенные преимущества, крайне желательно получить те же самые преимущества без каких-либо добавок к частицам активированного угля по настоящему изобретению.

Используемые полимеры должны содержать аминный или четверичный азот или смесь и того и другого и могут быть приготовлены в процессах цепной полимеризации или ступенчатой полимеризации с соответствующими мономерами. При желании эти мономеры могут быть сополимеризированы с другими мономерами. Кроме того, полимер может быть синтезированным или встречающимся в природе биополимером. Если какой-либо из этих полимеров, независимо от источника, не содержит аминного или четверичного азота, эти функциональные группы могут быть добавлены соответствующей прививочной химической реакцией. Когда полимеру не достает четверичного азота, но он содержит аминные азоты, аминная функциональная группа должна быть в достаточной степени основной, чтобы присоединять в воде протон и делать полимер достаточно катионным для преодоления анионного заряда, введенного углеродом. Если азоты не являются достаточно основными, полимеры, содержащие аминные азоты, могут быть кватернизированы посредством реакции с метилхлоридом, диметилсульфатом и другими обычными алкилирующими веществами. В настоящем документе словосочетание «катионный материал для покрытия» означает катионный полимер, используемый для покрытия фильтрующих частиц.

Примеры катионных полимеров, подходящих для использования в настоящем изобретении, которые приготовлены цепной полимеризацией, включают в себя, в частности: поливиниламин, поли(N-метилвиниламин), полиаллиламин, полиаллилдиметиламин, полидиаллилметиламин, хлорид полидиаллилдиметиламмония, хлорид поливинилпиридина, поли(2-винилпиридин), поли(4-винилпиридин), поливинилимидазол, поли(4-аминометилстирол), поли(4-аминостирол), поливинил(акриламид-содиметиламинопропилакриламид) и поливинил(акриламид-содиметиламиноэтилметакрилат).

Примеры катионных полимеров, пригодных для использования в настоящем изобретении, которые приготовлены ступенчатой полимеризацией, включают в себя, в частности: полиэтиленимин, полилизин, дендримеры DAB-Am и РАМАМ (или гиперразветвленные полимеры, содержащие функциональную группу аминного или четверичного азота), полиаминоамиды, полигексаметиленбигуанид, полидиметиламин-эпихлорогидрин и любой из множества полиаминосилоксанов, который может быть построен из мономеров, таких как аминопропилтриэтоксисилан, N-(2-аминоэтил)-3-аминопропилтриэтоксисилан, хлорид N-триметоксисилилпропил-N,N,N-триметиламмония и бис(триметоксисилилпропил)амин.

Примеры катионных полимеров, пригодных для использования в настоящем изобретении, которые являются биополимерами, включают в себя хитозан и крахмал, причем последний прививается при помощи таких реагентов, как диэтиламиноэтилхлорид.

Примеры катионных полимеров, пригодных для использования в настоящем изобретении, которые содержат аминный азот, но которые сделаны более основными посредством кватернизации, включают в себя алкилирование полиэтиленимина метилхлоридом и алкилирование полиаминоамидов эпихлорогидрином.

Другими категориями катионных полимеров, пригодных для использования в настоящем изобретении, являются вообще коагулянты и флокулянты. А также катионный полиакриламид с катионными мономерами диметиламиноэтилакрилатметил хлорид (АЕТАС), диметиламиноэтилметакриламетил хлорид (МЕТАС), акриламидопропилтриметиламмоний хлорид (АРТАС), метакриламидопропилтриметиламмоний хлорид (МАРТАС) и диаллилдиметиламмоний хлорид (DADMAC). Наконец, в данном случае можно также использовать ионены и силаны.

Предпочтительные катионные полимеры для использования в настоящем изобретении включают в себя полиаминоамиды, полиэтиленимин, поливиниламин, хлорид полидиаллилдиметиламмония, полидиметиламин-эпихлоргидрин, полигексаметилен-бигуанид, хлорид поли[2-(2-этокси)-этоксиэтил-гуанидина].

Катионные полимеры по настоящему изобретению могут быть прикреплены к поверхности углерода физической сорбцией или химическим сшиванием. Физическую сорбцию можно выполнить при помощи распыления раствора полимера на поверхность углерода или добавления раствора полимера к суспензии углерода в воде. Этот способ нанесения применим ко всем полимерам настоящего изобретения. Химическое сшивание в целом применимо только к тем полимерам, которые способны вступать в реакции сшивания. Это исключает, например, гомополимер хлорида диаллилдиметиламмония и любой другой полимер, у которого отсутствует реакционноспособная функциональная группа. Если реакционноспособный полимер был термоотвержающимся (например, полиаминоамид, привитый эпихлорогидрином), его можно было просто добавить к поверхности углерода одним из двух вышеуказанных способов и нагреванием. Если реакционноспособный полимер не является термоотверждающимся, тогда перед нанесением на поверхность углерода в раствор полимера необходимо ввести подходящую сшивающую молекулу. В полимерах по настоящему изобретению (которые все содержат реакционноспособные нуклеофильные функциональные группы) сшивающие молекулы должны быть электрофильными и могут включать в себя лимонную кислоту, этиленгликоль диглицилид эфир, 3-глицидоксипропилтриэтоксисилан и т.п. Во время реакции сшивания полимер может образовывать с углеродом ковалентные связи, но это не является обязательным требованием настоящего изобретения. Предпочтительно, массовая доля катионного материала для покрытия по отношению к фильтрующим частицам активированного угля составляет от 1:10000 до 1:1.

V. Фильтры по настоящему изобретению

Далее описан пример фильтра, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, со ссылкой на чертеж. Фильтр 20 содержит корпус 22 в форме цилиндра, имеющий впускное 24 и выпускное 26 отверстия. Корпус 22 может иметь различную форму, размеры и компоновку в зависимости от предполагаемого использования и требуемых характеристик фильтра 20, известных из уровня техники. Например, фильтр 20 может быть фильтром осевого потока, в котором впускное отверстие 24 и выпускное отверстие 26 расположены таким образом, чтобы жидкость протекала вдоль оси корпуса 22. В альтернативном варианте фильтр 20 может быть фильтром радиального потока, в котором впускное отверстие 24 и выпускное отверстие 26 расположены так, чтобы текучая среда (например, либо жидкость, газ, либо их смесь) протекала вдоль радиуса корпуса 22. В обеих конфигурациях, осевого и радиального потока, фильтр 20 может быть предпочтительно выполнен с возможностью наличия лицевой площади по меньшей мере примерно 0,5 квадратных дюймов (3,2 см²), более предпочтительно по меньше мере примерно 3 квадратных дюйма (19,4 см²) и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 5 квадратных дюймов (32,2 см²), и предпочтительно глубины фильтра по меньшей мере примерно 0,125 дюйма (0,32 см), по меньшей мере примерно 0,25 дюйма (0,64 см), более предпочтительно по меньшей мере примерно 0,5 дюйма (1,27 см) и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 1,5 дюйма (3,81 см). Для фильтров радиального потока длина фильтра может составлять по меньшей мере 0,25 дюйма (0,64 см), более предпочтительно по меньшей мере примерно 0,5 дюйма (1,27 см) и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 1,5 дюйма (3,81 см). Кроме того, фильтр 20 может включать в себя сегменты осевого потока и сегменты радиального потока.

В объеме настоящего изобретения корпус также может быть выполнен в виде части другой конструкции. Хотя фильтры по настоящему изобретению в особенности подходят для использования с водой, понятно, что можно использовать и другие текучие среды (например, воздух, газ и смеси воздуха и жидкостей). Таким образом, фильтр 20 представляет собой универсальный фильтр для жидкости или газа. Размер, форму, расстояние, взаимное расположение и положение впускного отверстия 24 и выпускного отверстия 26 можно выбрать, как известно из уровня техники, чтобы обеспечить скорость протекания и предполагаемое использование фильтра 20. Предпочтительно фильтр 20 выполнен с возможностью использования для бытового и коммерческого получения питьевой воды, в том числе, в частности, в качестве общедомовых фильтров, фильтров для холодильных установок, устройств для получения питьевой воды (например, в туристических приспособлениях, таких как бутылки с водой), фильтров, устанавливаемых на водопроводный кран, фильтров, устанавливаемых под раковину, фильтров для медицинских приборов, промышленных фильтров, воздушных фильтров и т.д. Примеры конструкций фильтров, устройств для питьевой воды, бытовых приборов и других устройств для фильтрации воды, приходных для использования с настоящим изобретением, раскрыты в патентах США №№5.527.451, 5.536.394, 5.709.794, 5.882.507, 6.103.114, 4.969.996, 5.431.813, 6.214.224, 5.957.034, 6.145.670, 6.120.685 и 6.241.899, сущность которых включена в настоящий документ посредством ссылки. В случае применения для получения питьевой воды фильтр 20 может быть предпочтительно выполнен с возможностью обеспечения скорости протекания менее примерно 8 л/мин, или менее примерно 6 л/мин, или между примерно 2 л/мин и примерно 4 л/мин, и фильтр может содержать менее примерно 2 кг фильтрующего материала, или менее примерно 1 кг фильтрующего материала, или менее примерно 0,5 кг фильтрующего материала. Кроме того, в случае применения для получения питьевой воды фильтр 20 может быть предпочтительно выполнен с возможностью обеспечения среднего времени нахождения жидкости по меньшей мере примерно 1 с, предпочтительно по меньшей мере примерно 3 с, предпочтительно по меньшей мере примерно 5 с, более предпочтительно по меньшей мере примерно 10 с и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 15 с. Кроме того, в случае применения для получения питьевой воды фильтр 20 может быть предпочтительно выполнен с возможностью обеспечения объема пор фильтрующего материала по меньшей мере примерно 0,4 см³, предпочтительно по меньшей мере примерно 4 см³, более предпочтительно по меньшей мере примерно 14 см³ и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 25 см³.

Фильтр 20 содержит также фильтрующий материал 28, который может использоваться в сочетании с другими фильтрующими системами, включающими в себя системы обратного осмоса, системы облучения ультрафиолетовым светом, ионообменные системы, системы электролизованной воды и другие системы водоочистки, известные специалистам в данной области техники.

Фильтр 20 содержит также фильтрующий материал, причем фильтрующий материал содержит одну или несколько фильтрующих частиц (например, волокон, гранул и т.д.). В дополнение к микропористым частицам фильтрующих материалов по настоящему изобретению одна или несколько фильтрующих частиц могут быть мезопористыми, более предпочтительно мезопористыми и основными и наиболее предпочтительно мезопористыми, основными и с восстановленным кислородом и обладать ранее рассмотренными характеристиками. Фильтрующий материал 28 из микропористого; мезопористого; или мезопористого и основного; или мезопористого, основного и с восстановленным кислородом активированного угля может быть покрыт либо частично, либо полностью серебром, серебросодержащим материалом, любым из вышеуказанных катионных полимерных материалов для покрытия или сочетанием вышеперечисленного. Фильтрующий материал 28 из микропористого; мезопористого; или мезопористого и основного; или мезопористого, основного и с восстановленным кислородом активированного угля может сочетаться с другими материалами, выбранными из группы, состоящей из порошкообразного активированного угля, гранул активированного угля, волокон активированного угля, углеродных нанотрубок, одностенных углеродных нанотрубок (ОСНТ), многостенных углеродных нанотрубок (МСНТ), цеолитов, активированного оксида алюминия, оксида магния, активированного оксида магния, диатомовой земли, частиц серебра, активированного диоксида кремния, гидроталькитов, стекла, материалов с металлорганической основой (MOF), стеклянных частиц или волокон, нановолокон из синтетических полимеров, нановолокон из натуральных полимеров, полиэтиленовых волокон, полипропиленовых волокон, волокон из сополимера этилена и малеинового ангидрида, песка глины и их смесей.

Эти другие материалы могут быть покрыты или частично или полностью серебром, серебросодержащим материалом, любым из указанных выше катионных материалов для покрытия или их сочетаниями. Примеры фильтрующих материалов и сочетаний фильтрующих материалов, с которыми может сочетаться микропористый и мезопористый и основный активированный уголь, раскрыты в патентах США №№6.274.041, 5.679.248, которые включены в настоящий документ посредством ссылки, и в заявке на получение патента США 09/628.632, которая включена в настоящий документ посредством ссылки. Как рассматривалось выше, фильтрующий материал можно получить либо в несвязанной, либо во взаимосвязанной форме (например, частично или полностью связанным полимерным связующим веществом или другим средством для образования целостной структуры).

Фильтрующий материал может использоваться для различных применений (например, использоваться в качестве предварительного фильтра или постфильтра) посредством изменения размера, формы, комплексообразования, заряда, пористости, структуры поверхности, функциональных групп и т.д. фильтрующих частиц, как рассматривалось выше. Фильтрующий материал может также быть смешан с другими описанными выше материалами, чтобы приспособить его для определенного применения. Независимо от того, смешан материал фильтра с другими материалами или нет, его можно использовать в виде несвязанного пласта, в виде блока (в том числе в качестве соэкструдированного блока, описанного в патенте США №5.679.248, включенного в настоящий документ посредством ссылки) и в виде их смесей. Предпочтительные способы, которые можно использовать с фильтрующим материалом, включают в себя образование блок-фильтра, выполненного из керамико-углеродной смеси (при этом связи образуются при обжиге керамики), применение порошка между неткаными материалам, как описано в патенте США №6.077.588, который включен в настоящий документ посредством ссылки, применения способа дообжиговой прочности, описанного в патенте США 5.928.588, который включен в настоящий документ посредством ссылки, активирования связующей смолы, которая образует блок, или использования способа резистивного нагревания, описанного в заявке РСТ №WO 98/43796, которая включена в настоящий документ посредством ссылки.

VI. Примеры фильтров

ПРИМЕР 1

Фильтр, содержащий микропористые и мезопористые частицы активированного угля

Примерно 5,5 г микропористого угля из кокосового ореха, поставляемого компанией Barnebey Sutcliffe, смешивают с 13,0 г мезопористого и основного порошкообразного активированного угля Nuchar® RGC (D_V,0,5 равно примерно 45 мкм) от компании MeadWestvaco Corp., Ковингтон, штат Вирджиния, который затем смешивают примерно с 7 г связующего вещества FN510-00 из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) (LDPE) Microthene® от компании Equistar Chemicals, Inc, Цинциннати, штат Огайо, и примерно 2 г алюмосиликатного порошка Alusil® 70 от компании Selecto, Inc, Норкросс, штат Джорджия. Перед смешиванием мезопористые частицы активированного угля покрывают хлоридом полидиаллилдиметиламмония (polyDADMAC), и покрытие высушивают. Смешанные порошки засыпают затем в круглую алюминиевую форму с внутренним диаметром примерно 3 дюйма (около 7,62 см) и глубиной примерно 0,5 дюйма (около 1,27 см). Форму закрывают и помещают в нагретый пресс, у рабочего стола которого поддерживают температуру примерно 204°С в течение 1 ч. Затем форме дают остыть до комнатной температуры, открывают ее и извлекают фильтр осевого потока. Характеристики фильтра: лицевая площадь - примерно 45,6 см²; глубина фильтра - примерно 1,27 см; полный объем фильтра - примерно 58 мл; пористость фильтра (для пор более примерно 0,1 мкм) - примерно 0,43; и объем пор фильтрующего материала (для пор более примерно 0,1 мкм) - примерно 25 мл (при измерении методом ртутной порометрии). Фильтр помещают в корпус из тефлона®, описанный ниже при описании измерительных процедур. Когда объемная скорость потока составляет примерно 200 мл/мин, перепад давления для этого фильтра составляет примерно 17 фунтов на квадратный дюйм (около 1,2 бар, 0,12 мПа) примерно для первых 2000 объемов пор фильтра.

ПРИМЕР 2

Фильтр, содержащий микропористые и мезопористые частицы активированного угля

Примерно 13,0 г микропористого угля из кокосового ореха, поставляемого компанией Barnebey Sutcliffe, смешивают с 13,0 г мезопористого основного порошкообразного активированного угля (D_V,0,5 равно примерно 92 мкм), смешивают с 7 г связующего вещества FN510-00 из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) Microthene® от компании Equistar Chemicals, Inc, Цинциннати, штат Огайо, и примерно 2 г алюмосиликатного порошка Alusil®70 от компании Selecto, Inc, Норкросс, штат Джорджия. Перед смешиванием мезопористые частицы активированного угля покрывают хлоридом полидиаллилдиметиламмония (polyDADMAC), и покрытие высушивают. Смешанные порошки засыпают затем в круглую алюминиевую форму с внутренним диаметром примерно 3 дюйма (около 7,62 см) и глубиной примерно 0,5 дюйма (около 1,27 см). Форму закрывают и помещают в нагретый пресс, у рабочего стола которого поддерживают температуру примерно 204°С в течение 1 ч. Затем форме дают остыть до комнатной температуры, открывают ее и извлекают фильтр осевого потока. Характеристики фильтра: лицевая площадь - примерно 45,6 см²; глубина фильтра - примерно 1,27 см; полный объем фильтра - примерно 58 мл; пористость фильтра (для пор более примерно 0,1 мкм) - примерно 0,44; и объем пор фильтрующего материала (для пор более примерно 0,1 мкм) - примерно 25,5 мл (при измерении методом ртутной порометрии). Фильтр помещают в корпус из тефлона®, описанный ниже при описании измерительных процедур. Когда объемная скорость потока составляет примерно 200 мл/мин, перепад давления для этого фильтра составляет примерно 17 фунтов на квадратный дюйм (около 1,2 бар, около 0,12 мПа) для примерно первых 2000 объемов пор фильтра.

ПРИМЕР 3

Удаление ПТГМ, вирусов и бактерий для фильтров, содержащих микропористые и мезопористые частицы активированного угля

Фильтры, выполненные в соответствии с вышеприведенными Примерами 1 и 2, и фильтры, выполненные аналогичными способами, но с использованием иных смесей микропористых и мезопористых частиц активированного угля, испытывают на способность удалять ПТГМ, бактериофаги MS-2 и бактерии Raoultella terrigena (R.t). Фильтры были обернуты одним слоем незаряженного нейлона, имеющего отверстия 0,65 мкм (BLA 065, поставляемый компанией Cuno, Inc., Мериден, штат Коннектикут). Испытывались также фильтр, содержащий только мезопористый активированный уголь, и фильтр, содержащий только микропористый активированный уголь. Результаты такого испытания приведены ниже в Таблице. Специалистам в области производства фильтров для воды должно быть понятно, что условия проведения такого испытания зависят от объема фильтра, типа потока (например, осевого, радиального или иного) и типа используемого угля. Один такой протокол представлен в выпущенных в 1987 г. рекомендациях Агентства США по охране окружающей среды «Guide Standard and Protocol for Testing Microbiological Water Purifiers». Протокол устанавливает минимальные требования в отношении характеристик систем очистки питьевой воды, которые разработаны для уменьшения количества влияющих на здоровье загрязняющих веществ в общественных и частных источниках водоснабжения. Бактериофаг MS-2 (или просто фаг MS-2) обычно используют в качестве типичного микроорганизма для проверки удаления вирусов, поскольку его размеры и форма (а именно, около 26 нм, форма икосаэдрическая) схожи со многими вирусами. Таким образом, способность фильтра удалять бактериофаг MS-2 характеризует способность удалять другие вирусы. Аналогично, способность фильтра удалять ПГТМ характеризует в целом его способность удалять химические вещества из жидкостей.

В Таблице мезопористые частицы активированного угля являются различными разновидностями угля RGC, поставляемого компанией MeadWestvaco Co. Уголь уРЧР (nPSD) - это активированный уголь Nuchar® RGC, который был подвергнут обработке с целью удаления некоторых больших и малых частиц для получения множества частиц, имеющих узкое распределение частиц по размеру (уРЧР). Микропористый уголь - это уголь на основе кокосового ореха, который поставляется компанией Barnebey Sutcliffe. В фильтры вводят хлороформ (что является заменой ПТГМ, предлагаемой стандартом ANSI 53-2002), бактерии R.t. и бактериофаги MS-2, и измеряют эффективность удаления в различные моменты времени, некоторые из которых приведены ниже.

Эффективность по ПТГМ измеряют по прорыву, или по тому, сколько галлонов загрязненной воды проходит через фильтр, прежде чем на выходе обнаружатся ПТГМ. Как можно видеть из Таблицы, для фильтров, содержащих 0-20% микропористых частиц активированного угля, через фильтры проходит в среднем 70 галлонов воды, прежде чем будут обнаружены ПТГМ. Но когда микропористых частиц активированного угля 30%, количество воды, проходящей через фильтр до обнаружения ПТГМ, в одном испытании более чем удвоилось, составив 160 галлонов, а для других фильтров составило 100 галлонов и более. Эти результаты, особенно резкое увеличение степени удаления ПТГМ при содержании микропористого активированного угля примерно 25 %, являются для специалистов в данной области техники удивительными и неожиданными.

Степень удаления R.t. и MS-2 измеряется по описанной выше логарифмической степени удаления. Как можно видеть, логарифмическая степень удаления для R.t. составляет примерно 7 log для всех фильтров с 1 дня по 16 день, если не считать фильтр, содержащий 100% микропористых частиц активированного угля. Для этого фильтра удаление R.t. падало примерно с 6 log в 1 день до примерно 3,7 к 5 дню, до примерно 2,3 к 9 дню, до примерно 1,3 log к 16 дню. Аналогично, логарифмическая степень удаления для MS-2 составляла приблизительно 4-5 log для всех фильтров с 1 дня по 16 день, если не считать фильтр, содержащий 100% микропористых частиц активированного угля. Для этого фильтра степень удаления MS-2 изначально составляла 1 log и оставалась на этом уровне на протяжении всего испытания. Хотя относительно низкая степень удаления MS-2 и R.t. в случае фильтра из 100% микропористого активированного угля не должна удивлять специалистов в данной области техники, но удивительным и неожиданным является то, что фильтры, содержащие более 50% микропористых углеродных частиц, сохраняют превосходную способность удалять эти вирусы и бактерии. Иными словами, поистине удивительно и неожиданно, что смесь микропористых и мезопористых частиц активированного угля в определенных долях может сохранять свойства частиц каждого типа.

Таблица R.t.   Содержание микропористого углерода ПТГМ Перепад давления при 2 л/мин Объемная скорость течения 1 день 5 день 9 день 16 день   % от всего углерода гал фунтов на кв. дюйм л/м log log log log 100% уРЧР RGC, покрытый pDADМАС 0 80 24 ~2 7 6,6 6,8 6,6 100% RGC-55, покрытый pDADMAC 0 60 56 ~2 7 6,7 6,8 7 80% уРЧР RGC, покрытый pDADМАС 20 70 ~28 ~2 7,3 6,6 7,3 7 70% уРЧР RGC, покрытый pDADМАС 30 160 34 2 7,2 7,1 6,9 7,3 35% 80Х325 RGC+35% RGC-55, оба покрытые pDADMAC 30 100 37 ~2 7,3 6,6 7,3 7 50% уРЧР RGC, покрытый pDADМАС 50 110 30 2,2 7,1 6,9 6,2 7 50% уРЧР RGC, покрытый pDADМАС 50 110 32 2,2 7,1 7,2 6,8 7 0% уРЧР RGC, покрытый pDADМАС* 100 150 26 2,1 6,6 3,7 2,3 1,5

MS-2   Содержание микропористого углерода ПТГМ Перепад давления при 2 л/мин Объемная скорость течения 1 день 5 день 9 день 16 день   % от всего углерода гал фунтов на кв. дюйм л/м log log log log 100% уРЧР RGC, покрытый pDADMAC 0 80 24 ~2 5 5 4,8 4,6 100% RGC-55, покрытый pDADMAC 0 60 56 ~2 4,7 4,8 4,1 5,1 80% уРЧР RGC, покрытый pDADMAC 20 70 ~28 ~2 5,1 4,9 5 4,7 70% уРЧР RGC, покрытый pDADMAC 30 160 34 2 4 4,6 4,6 4,7 35% 80Х325 RGC+35% RGC-55, оба покрытые pDADMAC 30 100 37 ~2 5,1 4,9 5 4,7 50% уРЧР RGC, покрытый pDADMAC 50 110 30 2,2 4,9 4,5 <4 4,6 50% уРЧР RGC, покрытый pDADMAC 50 110 32 2,2 4,6 4,6 4,1 5,7 0% уРЧР RGC, покрытый pDADMAC* 100 150 26 2,1 1 1,1 1,2 1,2 *В этом испытании нейлоновая обертка на фильтре не применялась.

VII. Комплекты

Настоящее изобретение может дополнительно включать в себя информацию, которая сообщит потребителю при помощи слов и (или) изображений, что использование углеродных фильтрующих частиц и (или) фильтрующего материала по настоящему изобретению обеспечит преимущества, которые включают в себя удаление микроорганизмов, и эта информация может включать в себя утверждение о превосходстве над другими фильтрующими изделиями. В крайне желательном варианте информация может включать в себя сообщение о том, что использование изобретения обеспечивает пониженные уровни микроорганизмов, имеющих наноразмеры. Соответственно очень важно применять упаковки совместно с информацией, которая сообщит потребителю, при помощи слов или изображений, что использование изобретения обеспечивает рассмотренные в настоящем документе преимущества, такие как пригодная для питья или более пригодная для питья вода. С целью информирования потребителя информация может включать в себя, например, рекламные объявления во всех обычных средствах массовой информации, а также сообщения и пиктограммы на упаковке или на самом фильтре. Более конкретно, либо упаковка, либо корпус фильтра может содержать информацию о том, что фильтр или фильтрующий материал обеспечивает: уменьшение количества бактерий; уменьшение количества вирусов; уменьшение количества микроорганизмов; удаление бактерий; удаление вирусов; удаление микроорганизмов; уничтожение бактерий; уничтожение вирусов; уничтожение микроорганизмов; удаление ПГТМ; сокращение количества ПГТМ или любое сочетание вышеперечисленного.

Описанные в настоящем документе варианты осуществления были выбраны и описаны с целью наилучшей иллюстрации принципов изобретения и его практического применения с тем, чтобы тем самым позволить обычному специалисту в данной области техники использовать изобретение в различных вариантах осуществления и в различных модификациях, которые наиболее подходят для конкретного предполагаемого применения. Все такие модификации и видоизменения не выходят за пределы объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения, интерпретируемой со степенью широты, на которую она дает право с точки зрения справедливости, законности и беспристрастности.

Изобретение относится к области очистки воды фильтрованием. Представлен фильтр и фильтрующий материал для очистки питьевой воды. Фильтр содержит корпус, имеющий впускное и выпускное отверстия, фильтрующий материал, находящийся внутри корпуса, причем фильтрующий материал образован множеством микропористых частиц активированного угля от примерно 25% до примерно 75% по массе и множеством мезопористых фильтрующих частиц активированного угля от примерно 25% до примерно 75% по массе. Предпочтительно, некоторые из мезопористых частиц активированного угля покрыты катионным полимером, и еще более предпочтительно, некоторые частицы покрыты катионным полимером и серебром или серебросодержащим материалом. Изобретение позволяет обеспечить удаление бактерий, вирусов, микроорганизмов и различных органических соединений из питьевой воды. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Фильтр для обеспечения питьевой воды, содержащий:
(a) корпус, имеющий впускное и выпускное отверстия; и
(b) фильтрующий материал, находящийся внутри указанного корпуса, причем указанный фильтрующий материал содержит множество микропористых частиц активированного угля от примерно 25% до примерно 75% по массе и множество мезопористых фильтрующих частиц активированного угля от примерно 25% до примерно 75% по массе.

2. Фильтр по п.1, в котором множество микропористых частиц активированного угля присутствует в концентрации от примерно 30% до примерно 55% по массе, более предпочтительно от примерно 30% до примерно 50% по массе.

3. Фильтр по п.1, в котором множество микропористых частиц активированного угля являются частицами активированного угля на основе кокосового ореха.

4. Фильтр по п.1, в котором множество фильтрующих частиц активированного угля покрыты, по меньшей мере частично, катионным полимером, выбранным из группы, состоящей из: поливиниламина, поли(N-метилвиниламина), полиаллиламина, полиаллилдиметиламина, полидиаллилметиламина, хлорида полидиаллилдиметиламмония, хлорида поливинилпиридина, поли(2-винилпиридина), поли(4-винилпиридина), поливинилимидазола, поли(4-аминометилстирола), поли(4-аминостирола), поливинил(акриламид-содиметиламинопропилакриламида), поливинил(акриламид-содиметиламиноэтилметакрилата), полиэтиленимина, полилизина, дендримеров DAB-Am и РАМАМ, полиаминоамидов, полигексаметиленбигуанида, полидиметиламин-эпихлоргидрина, аминопропилтриэтоксисилана, N-(2-аминоэтил)-3-аминопропилтриметоксисилана, хлорид N-триметоксисилилпропил-N,N,N-триметиламмония, бис(триметоксисилилпропил)амина, хитозана, привитого крахмала, продукта алкилирования полиэтиленимина метилхлоридом, продукта алкилирования полиаминомидов эпихлорогидрином, катионного полиакриламида с катионными мономерами, хлорида диметиламиноэтилакрилатметила (АЕТАС), хлорида диметиламиноэтилметилметакрилата (МЕТАС), хлорида акриламидопропилтриметиламмония (АРТАС), хлорида метакриламидопропилтриметиламмония (МАРТАС), хлорида диаллилдиметиламмония (DADMAC), ионенов, силанов и смесей вышеперечисленного.

5. Фильтр по п.4, в котором катионный полимер выбран из группы, состоящей из: полиаминоамидов, полиэтиленимина, поливиниламина, хлорида полидиаллилдиметиламмония, полидиметиламин-эпихлоргидрина, полигексаметиленбигуанида, хлорида поли-[2-(2-этокси)-этоксиэтил-гуанидина].

6. Фильтр по п.1, в котором по меньшей мере часть микропористых фильтрующих частиц активированного угля, мезопористых фильтрующих частиц активированного угля или и те и другие покрыты серебром или серебросодержащим материалом.

7. Фильтр по п.1, в котором сумма объемов мезопор и макропор упомянутого множества мезопористых фильтрующих частиц активированного угля находится между примерно 0,2 мл/г и примерно 2 мл/г.

8. Фильтр по п.1, в котором фильтрующий материал имеет КУБ (коэффициент удаления бактерий) (BRI) больше, чем примерно 99%, а КУВ (коэффициент удаления вирусов) (VRI) больше, чем примерно 90%.

9. Фильтр по п.1, в котором фильтрующий материал имеет ЛСУБ-Ф (логарифмическая степень удаления бактерий фильтром) (F-BLR) больше, чем примерно 2 log, а ЛСУВ-Ф (логарифмическая степень удаления вирусов фильтром) (F-VLR) больше, чем примерно 1 log.

10. Фильтр по п.1, в котором упомянутое множество мезопористых фильтрующих частиц активированного угля являются основными и имеют точку нулевого заряда между примерно 9 и примерно 12, а ОВП (окислительно-восстановительный потенциал) (ORP) между примерно 290 мВ и примерно 175 мВ.

11. Фильтр по п.1, дополнительно содержащий по меньшей мере один другой материал, выбранный из группы, состоящей из порошкообразного активированного угля, гранул активированного угля, волокон активированного угля, цеолитов, активированного оксида алюминия, активированного оксида магния, диатомовой земли, активированного диоксида кремния, гидроталькитов, стекла, полиэтиленовых волокон, полипропиленовых волокон, волокон сополимера этилена и малеинового ангидрида, песка, глины и смесей вышеперечисленного.

12. Фильтр по п.11, в котором по меньшей мере часть другого материала покрыта материалом, выбранным из группы, состоящей из: серебра, серебросодержащего материала, катионного полимера и их смесей.

13. Фильтрующий материал, содержащий множество микропористых частиц активированного угля от примерно 25% до примерно 75% по массе, и множество мезопористых фильтрующих частиц активированного угля от примерно 25% до примерно 75% по массе.

14. Фильтрующий материал по п.13, дополнительно содержащий другие материалы, выбранные из группы, состоящей из порошкообразного активированного угля, гранул активированного угля, волокон активированного угля, цеолитов, активированного оксида алюминия, активированного оксида магния, диатомовой земли, активированного диоксида кремния, гидроталькитов, стекла, полиэтиленовых волокон, полипропиленовых волокон, волокон сополимера этилена и малеинового ангидрида, песка, глины и смесей вышеперечисленного.

15. Фильтрующий материал по п.13, в котором по меньшей мере часть других материалов, микропористых частиц активированного угля или мезопористых частиц активированного угля покрыты материалом, выбранным из группы, состоящей из серебра, серебросодержащего материала, катионного полимера и их смесей.

16. Комплект, содержащий:
i) фильтр по п.1; и
ii) упаковку для помещения фильтра; и
при этом либо упаковка, либо корпус фильтра содержит информацию о том, что фильтр или фильтрующий материал: сокращает количество бактерий; сокращает количество вирусов; сокращает количество микроорганизмов, сокращает полные тригалогенметаны (ПТГМ), сокращает количество химических веществ или любого сочетания вышеперечисленного.

17. Комплект, содержащий:
i) фильтрующий материал по п.13; и
ii) упаковку для помещения фильтра; и
при этом либо упаковка, либо корпус фильтра содержит информацию о том, что фильтр или фильтрующий материал: сокращает количество бактерий; сокращает количество вирусов; сокращает количество микроорганизмов, сокращает ПТГМ, сокращает количество химических веществ или любого сочетания вышеперечисленного.