Фильтрующее устройство для питьевой воды

Фильтрующее устройство для питьевой воды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Это заявка является частично продолжающейся заявкой на патент США № 11/677705, озаглавленной "Нетканый материал, включающий ультрамелкие или наноразмерные частицы", поданной 22 февраля 2007 г., которая является частично продолжающейся заявкой на патент США № 11/531107, озаглавленной "Электростатический воздушный фильтр", поданной 12 сентября 2006 г., которая испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 60/716218, озаглавленной "Электростатический воздушный фильтр", поданной 12 сентября 2005 г., и которая также испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США №60/744043, озаглавленной "Композиция волокна из нанооксида алюминия, импрегнированного металлом", поданной 31 марта 2006 г.

ЗАЯВЛЕНИЕ О ПРАВАХ ГОСУДАРСТВА

Изобретение создано в результате выполнения научно-исследовательского проекта по контракту FA8650-0-0.5-Ms5822, заключенному с ВВС США. В связи с этим правительство имеет бесспорные права на это изобретение.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к фильтрующему устройству и в частности к фильтрующему устройству, включающему источник противомикробного действия и волокнистую структуру, включающую порошкообразный активированный уголь, для фильтрации растворенных и в виде твердых частиц загрязняющих веществ, включая хлор, йод, галогенированные углеводороды, пестициды, муть, оболочки спор, бактерии и вирусы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известный уровень техники предлагает много типов материалов, которые улавливают растворенные в воде загрязняющие вещества, а также твердые частицы. Эти фильтры, будучи достаточно эффективными при применении в областях, для которых они были специально разработаны, в случае применения в других областях не снижают в достаточной мере концентрацию загрязняющего вещества. Необходимо, чтобы такие фильтры удовлетворяли нормам по охране окружающей среды, при этом обладая более высокой грязеемкостью, более низким перепадом давления, более низкой стоимостью и более высокой прочностью. Они включают фильтры, устанавливаемые по месту ввода воды (МВ, например, в дом или здание), по месту использования (МИ, например, на конкретном водопроводном кране), в кувшине или в переносном устройстве. Кувшины и многие переносные устройства требуют низкого перепада давления, так как поток должен создаваться за счет ручного насоса, силы тяжести или разрежения, как в случае устройства типа соломинки для питья. По мере того как повышаются требования по снижению содержания твердых частиц, становится необходимым применение фильтров большей толщины с соответственно большим перепадом давления.

В настоящее время быстро растет потребность в удовлетворяющей санитарным нормам питьевой воде, особенно в развивающихся странах. Быстрый рост населения в Китае приводит к большой нагрузке системы водоснабжения, но улучшению общественных систем водоснабжения, в частности в сельских районах, уделяется мало внимания. В течение многих лет местные жители в качестве питьевой воды и воды для орошения используют речную воду. Сейчас, однако, многие из этих людей умирают от рака. В китайских средствах массовой информации многие небольшие деревни стали называть отечественными "раковыми деревнями".

Еще хуже ситуация в африканских государствах, где очень часто водоснабжение отсутствует или нет местных источников воды, и питьевую воду привозят из сильно загрязненных поверхностных водных источников. В этих районах смертность от желудочно-кишечных заболеваний носит характер эндемии, и миллионы людей, в частности дети, умирают от заболеваний, передаваемых через воду.

Для удаления микробных патогенов используют волокнистый материал. Активированный уголь способен удалять неприятный вкус и запах воды, так же как удалять хлор и другие реакционноспособные химические вещества, такие как галогенированные углеводороды и пестициды, которые могут быть канцерогенами. Ионообменные смолы используют для удаления из воды ионов металлов и других ионов. Однако не существует одного единственного материала или химического вещества, которое бы было способно удалять все загрязняющие вещества.

В частности, гранулированный активированный уголь (ГАУ), используемый для улавливания растворенных загрязняющих веществ, неудобно применять в конструкциях фильтров, когда устройство является переносимым и подвергается вибрации и перемещению. Подвижные частицы мигрируют, вызывая образование сквозных протоков и забивание слоя. Блоки угольного фильтра легко забиваются мелкими частицами и для предотвращения забивки угольного фильтра мелкими частицами необходимо использование фильтра предварительной очистки.

Нетканый волокнистый материал широко используют для фильтрации воды как от твердых частиц, так и от химических загрязняющих веществ. Такая структура сводит к минимуму образование сквозных протоков и также позволяет иметь больше степеней свободы при конструировании фильтров. Нетканые материалы получают недорогими технологическими методами, такими как те, которые применяют для получения бумаги, и их широко используют в устройствах для очистки воды в быту и промышленности.

При приблизительно равной (BET) площади поверхности и йодном числе порошкообразный активированный уголь (ПАУ) имеет более высокую площадь внешней поверхности, чем ГАУ, и обычно считают, что он обеспечивает значительно более высокую скорость адсорбции, чем ГАУ. Однако объединение ПАУ с нетканой матрицей вызывает затруднения, так как для прикрепления его к волокнистой матрице требуются связующие. В патентном документе Patent 5759394 заявлено, что "Само по себе использование адгезива для удерживания частицы приводит к тому, что часть поверхности частицы порошка загрязняется адгезивом и поэтому становится неэффективной для фильтрации. Следует соблюдать баланс между прочностью фиксации и сохранением эффективности слоя порошка. Для сведения к минимуму этого загрязнения часто используют более крупные частицы с целью уменьшения площади контакта между поверхностью адгезива и поверхностью частицы порошка. При обычном применении активированного угля для очистки газовых потоков размер его частиц часто составляет 100 микрон и больше, а тонко измельченный порошкообразный активированный уголь в основном применяют только для обесцвечивания жидкостей несмотря на то, что тонкодисперсный порошкообразный активированный уголь характеризуется значительно более высокой скоростью адсорбции".

Предпочтительные фильтры должны удалять малые молекулы, придающие вкус и запах, оболочки спор, таких бактерий как Cryptosporidium, вирус, мутность (которая может быть токсичной и может также таить в себе патогены), хлор и галогенированные органические соединения, образующиеся при хлорировании патогенов, и органическое вещество. В руководстве по стандартам Агентства по охране окружающей среды США приводятся критерии для механических фильтров для питьевой воды. Улавливание должно составлять > 6 LRV (логарифм величины улавливания) для бактерий, > 4 LRV для вируса и > 3 LRV для оболочек спор на фоне A2 дисперсной испытательной пыли, органического загрязняющего вещества и при неблагоприятных условиях солености, pH и температуры.

Для стерилизации питьевой воды уже длительное время применяют йод. Проблемы возникают в связи с тем, что в воде необходимо создать высокую концентрацию йода (по меньшей мере, 1 мг/л). Йод должен находиться в контакте с водой в течение длительного времени и затем следует удаление йода из выходящего потока воды. При концентрациях йода в воде, превышающих 4 мг/л, вода приобретает специфический запах йода. Длительное потребление йодированной воды отрицательно воздействует на щитовидную железу. Необходимо улавливание йода в выходящем потоке на фильтре для обеспечения его концентрации ниже 0,5 мкг/л.

Ввиду вышеизложенного, у потребителей имеется потребность в фильтрующих устройствах для питьевой воды с более высокой эффективностью адсорбции растворенных загрязняющих веществ, отличным улавливанием микробов и твердых частиц, и также характеризующихся низким перепадом давления, и предпочтительно, чтобы этот достаточно низкий перепад давления позволял бы прохождение воды через фильтр самотеком.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на удовлетворение этих потребностей. В одном варианте осуществления настоящим изобретением является новый фильтр для улавливания твердых частиц или фильтрующий материал для газообразной среды, который проявляет высокую эффективность и высокую емкость при улавливании твердых частиц, болезнетворных микроорганизмов и других твердых частиц из воздушных или газовых потоков, включая аэролизированные жидкостью твердые частицы, и который также характеризуется при этом низким перепадом давления.

В другом варианте осуществления настоящее изобретение удовлетворяет потребность в нетканом волокнистом материале, в котором можно зафиксировать ультрамелкие или наночастицы без необходимости использования связующих или адгезивов.

Соответственно, целью является осуществление настоящего изобретения для обеспечения эффективности фильтрации, которая, по меньшей мере, была бы такой же высокой, как у фильтров HEPA, и которая была бы устойчива к забиванию жидким аэрозолем.

Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка материала, который задерживает аэролизованные бактерии и вирусы.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка воздушного фильтра, который имеет высокую пористость и поэтому является более устойчивым к адсорбции водяных туманов, чем традиционный фильтрующий материал.

Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка материала, который имеет, по меньшей мере, такую же высокую эффективность фильтрации, как и у традиционных фильтров ULPA или Super ULPA.

Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка фильтрующего материала, который характеризуется более низким перепадом давления, чем тот, который возникает на традиционных фильтрах.

Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка фильтрующего материала, который имеет большую величину размера пор и более высокую пористость, чем в фильтрах HEPA, тем самым обеспечивая более высокую емкость по каплям воды до момента захлебывания.

Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка фильтрующего материала, который является энергосберегающим.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, который имеет более продолжительный срок службы фильтра по сравнению с обычными фильтрами.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, который характеризуется низкими эксплуатационными расходами.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, который задерживает опасные отходы и требует связанных с этим минимальных затрат.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, который является достаточно прочным при сгибании.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка способа получения фильтра или фильтрующего материала для очистки газообразной среды, эффективность фильтрации которого, по меньшей мере, такая же высокая, как и у традиционных фильтров HEPA, и который устойчив к забиванию жидким аэрозолем.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка способа применения фильтра или фильтрующего материала для удаления частиц и аэрозолей из газовой среды.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка нетканой волокнистой матрицы, в которой формируют наноструктуры при низких производственных затратах.

Кроме того, целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка нетканого материала, который позволяет удалять растворимые и летучие органические соединения и галогены из жидких и газовых потоков при высокой эффективности, высокой емкости и при низком перепаде давления.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка хемосорбционного материала, который также задерживает из жидкой среды твердые частицы, включая микробные патогены.

Кроме того, целью в варианте осуществления настоящего изобретения является введение порошкообразных наноразмерных катализаторов, включая фотокатализаторы, катализаторы окисления или порошкообразного активированного угля, импрегнированного катализаторами, в нетканый материал путем прикрепления катализаторов или порошкообразного активированного угля к нетканой основе.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка нетканого материала, содержащего ультрамелкий или наноразмерный порошок, который удерживается на материале с целью сведения к минимуму пылеобразования.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является введение в нетканый материал тонко измельченных или наноразмерных ионообменных смол и макропористых полимеров.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является введение в нетканый материал биологически активных компонентов, таких как ДНК или РНК.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка способа введения в нетканый материал наноразмерных пигментов, цветных реагирующих химических веществ и тонкодисперсных абразивов.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка устройства для очистки питьевой воды, которое улавливает растворенные и в виде твердых частиц загрязняющие вещества из питьевой воды.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка устройства, через которое можно пропускать воду самотеком.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка устройства, которое позволяет дезинфицировать воду до более чем 6 LRV бактерий, 4 LRV вируса и 3 LRV оболочек спор.

В целом, настоящим изобретением является фильтр или волокнистая структура для движущихся сред, которая включает нановолокна из оксида алюминия, адсорбирующие частицы из движущейся среды и множество вторых волокон, расположенных в матрице с нановолокнами из оксида алюминия для создания асимметричных пор. В одном примере вторые волокна представляют собой волокна, чей минимальный размер является большим, чем минимальный размер нановолокон из оксида алюминия примерно на один порядок величины. Вторые волокна вводят вместе с нановолокнами из оксида алюминия с целью обеспечения основы для создания пор или обеспечения внутри их, или на них, больших межволоконных пространств для диспергирования нановолокон из оксида алюминия. В примерах размер асимметричных пор составляет приблизительно более чем 5 мм. В одном варианте осуществления для улучшения удаления загрязняющих веществ из жидкой среды на нановолокна из оксида алюминия наносят множество мелких, ультрамелких или наноразмерных частиц.

Крупные волокна обеспечивают или формируют более крупные поры, в которые или на которые диспергируют нановолокна из оксида алюминия. Однако крупные волокна имеют меньшую площадь поверхности на единицу объема или массы и поэтому количество диспергированного на них или в поры нанооксида алюминия значительно уменьшается. Поэтому в другом варианте осуществления вторые волокна представляют собой комбинацию крупных и дисперсных волокон. Введение дисперсных волокон обеспечивает дополнительную площадь поверхности, в результате чего больше нановолокон из оксида алюминия может быть загружено внутрь материала или на материал.

Не углубляясь в теорию, тем не менее, можно утверждать, что ультрамелкие и наноразмерные частицы с диаметрами меньше, чем средний размер пор фильтрующего материала, задерживаются на нановолокнах из оксида алюминия за счет электроадгезионных сил. Частицы большие, чем размер пор материала, удерживаются в основном за счет механического захвата. В волокнистой структуре не используют никаких связующих, которые обволакивали бы или же снижали чувствительность частиц, нанесенных на нановолокна из оксида алюминия.

В другом варианте осуществления изобретением является фильтрующее устройство для воды, включающее, по меньшей мере, одну волокнистую структуру. Каждая волокнистая структура включает нановолокна из оксида алюминия и смешанные с ними вторые волокна, при этом вторые волокна располагают так, чтобы они образовывали асимметричные поры. Предпочтительно, чтобы фильтрующее устройство для воды включало 1+y расположенных выше волокнистых структур, где y является любым целым числом от 0 до y, и предпочтительно, от 0 до 5, и 1+n расположенных ниже волокнистых структур, где n является любым целым числом от 0 до n, и предпочтительно, от 0 до 10. В одном примере вышерасположенные волокнистые структуры и нижерасположенные волокнистые структуры объединены в одну единственную волокнистую структуру. В предпочтительном примере, по меньшей мере, одна из вышерасположенных волокнистых структур и/или нижерасположенных волокнистых структур дополнительно включает множество частиц, нанесенных на волокна из нанооксида алюминия. Предпочтительно, чтобы частицы, содержащиеся, по меньшей мере, в одной вышерасположенной волокнистой структуре, являлись противомикробными веществами, такими как йод или серебро. В одном примере порошкообразный активированный уголь пропитывают противомикробным веществом. В более предпочтительном примере, по меньшей мере, одна из нижерасположенных волокнистых структур также включает множество частиц, таких как порошкообразный активированный уголь, нанесенных на нановолокна из оксида алюминия, для улавливания любых частиц, которые выходят из вышерасположенной волокнистой структуры во время фильтрации. В другом примере, по меньшей мере, одна из нижерасположенных волокнистых структур включает нановолокна из оксида алюминия и смешанные с ними вторые волокна для того, чтобы улавливать любые частицы, которые выходят во время фильтрации.

В другом варианте осуществления изобретение относится к способам получения фильтрующего материала или волокнистой структуры.

В другом варианте осуществления изобретение относится к способам применения фильтрующего материала из нанооксида алюминия или волокнистой структуры для удаления токсичных загрязняющих веществ и других твердых частиц из потоков жидкостей или газов.

Эти и другие подробности, и цели и преимущества настоящего изобретения станут более понятными или очевидными из следующих описаний, примеров и чертежей, иллюстрирующих варианты его осуществлений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 приведена графическая зависимость скоростей потока воздуха через заявляемые фильтры из нанооксида алюминия и фильтр HEPA от перепада давления на фильтрах.

На фиг.2 приведена графическая зависимость мутности от пропущенного объема в процессе фильтрации суспендированных в воде латексных сфер размером 0,2 мкм через заявляемые фильтры из нанооксида алюминия и фильтр HEPA.

На фиг.3 приведена графическая зависимость проницаемости заявляемых фильтров из нанооксида алюминия и фильтра HEPA при непрерывной фильтрации через них аэрозолей NaCl с размером частиц 0,3 мкм.

На фиг.4 приведена графическая зависимость сопротивления воздуха для заявляемых фильтров из нанооксида алюминия и фильтра HEPA при непрерывной фильтрации через них аэрозолей NaCl с размером частиц 0,3 мкм.

На фиг.5 приведена графическая зависимость скорости потока воздуха через заявляемые фильтры из нанооксида алюминия, предварительно обработанные латексными сферами размером 0,5 и 1 мкм, от перепада давления.

На фиг.6 приведена графическая зависимость проницаемости заявляемых фильтров из нанооксида алюминия, предварительно обработанных латексными шариками, в сравнении с фильтром из нанооксида алюминия, не подвергнутого предварительной обработке, и фильтром HEPA при фильтрации через них аэрозолей NaCl с размером частиц 0,3 мкм.

На фиг.7 приведена графическая зависимость сопротивления воздуха для заявляемых фильтров из нанооксида алюминия, предварительно обработанных латексными шариками, в сравнении с фильтром из нанооксида алюминия, не подвергнутого предварительной обработке, и фильтром HEPA.

На фиг.8 приведена графическая зависимость проницаемости заявляемых фильтров из нанооксида алюминия и фильтра HEPA при фильтрации через них аэрозолей NaCl с размером частиц 0,3 мкм.

На фиг.9 приведена графическая зависимость сопротивления воздуха для заявляемых фильтров из нанооксида алюминия и фильтра HEPA при исследовании их емкости по аэрозоли NaCl.

На фиг.10 приведена графическая зависимость эффективности заявляемых фильтров из нанооксида алюминия, выраженной в процентах, от размера аэролизованных капель KCl.

На фиг.11 приведена графическая зависимость противомикробного действия заявляемых фильтров из нанооксида алюминия, импрегнированных серебром, при размножении бактерий от времени экспозиции.

На фиг.12 схематически изображена система, используемая для испытания заявляемых фильтров из нанооксида алюминия для обезвреживания аэрозолей, содержащих передаваемые через воду бактерии.

На фиг.13 приведена графическая диаграмма зависимости между перепадом давления и размером пор от диаметра волокна.

На фиг.14 приводится сравнение перепада давления заявляемого фильтрующего материала из нанооксида алюминия и фильтра pre-HEPA.

На фиг.15 приведена электронная микрофотография в проходящем свете волокна из нанооксида алюминия на микростекловолокне, покрытого наносферами из диоксида кремния.

На фиг.16 приведена графическая зависимость адсорбции растворенного йода на заявляемых нановолокнах из оксида алюминия в сравнении с адсорбцией на выпускаемом в промышленности материале, содержащем активированный уголь.

На фиг.17 приведена электронная микрофотография в проходящем свете волокна из нанооксида алюминия, прикрепленного к микростекловолокну.

На фиг.18 графически показано осуществление адсорбции йода с помощью трех слоев фильтрующего материала.

На фиг.19 приведена схема примера заявляемого фильтрующего устройства.

На фиг.20 приведена схема примера заявляемого фильтрующего устройства.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Определения

Для того чтобы как следует понять раскрытие заявляемого изобретения, в следующем параграфе даются определения используемым в описании конкретным терминам. При определении авторами изобретения следующих терминов они ни коим образом не имели намерения отрицать общепринятые и привычные значения этих терминов.

Используемый здесь термин "электростатический" относится к какому-либо материалу, имеющему электрические заряды, или к электрическим зарядам.

Используемый здесь термин "отношение размеров" означает отношение длины волокна к диаметру поперечного сечения волокна.

Используемый здесь термин "нанооксид алюминия" обозначает волокна с отношением размеров примерно более 5, где наименьший размер составляет примерно менее чем 50 нм. Поперечное сечение волокна может быть по форме или круглым (цилиндрическое волокно), или прямоугольным (пластинчатым). Волокна представляют собой оксид алюминия с различными содержаниями связанной воды, которые в результате являются композициями главным образом АlOОН с различными количествами Аl(ОН)₃ с возможными примесями гамма и альфа оксида алюминия.

Используемый здесь термин "лиосел" относится к волокну из фибриллированной целлюлозы, осажденной из органического раствора, в котором не происходит замещение гидроксильных групп и не образуется промежуточных химических соединений (Courtaulds, Ltd.).

Термин "High Efficiency Particle Air" (HEPA) относится к марке фильтрующего материала, который способен задерживать > 99,97% частиц размером 0,3 мкм.

Термин "Ultra Low Penetration Air" (ULPA) относится к марке фильтрующего материала, который способен задерживать > 99,99% частиц конкретного размера при конкретной скорости среды.

Термин "Super ULPA" относится к марке фильтрующего материала, который способен задерживать > 99,9999% частиц конкретного размера при конкретной скорости среды.

Используемый здесь термин "адсорбент" означает любой материал, способный адсорбировать примеси на своей поверхности главным образом в результате физической адсорбции.

Термин "абсорбент" означает любой материал, способный захватывать вещество в свою внутреннюю структуру.

Термин "снижение загрязнения" означает снижение содержания примеси в движущейся среде, в которой примесь задерживают, удаляют или превращают в химически или биологически неактивное вещество с целью повышения полезности движущейся среды, например, в результате превращения движущейся среды в более безопасную для использования человеком или более подходящую для применений в промышленности.

Термин "NanoCeram" относится к смесям нановолокон из оксида алюминия и крупных волокон, в которых крупные волокна служат в качестве основы для нановолокон из оксида алюминия для создания структуры с асимметричными порами.

Термин "тонкодисперсный порошок" означает порошок, имеющий средний размер частиц значительно меньше 100 меш, и, предпочтительно, меньше 325 меш (44 мкм).

Термин "ультрамелкая частица" означает частицу, имеющую средний размер от 0,1 до 10 мкм.

Термин "наночастица" означает частицу, имеющую средний размер менее 0,1 мкм, включая, но этим не ограничивая, нуклеиновые кислоты (например, ДНК и РНК), белки, плохо растворимые или труднолетучие лекарственные средства, высокомолекулярные частицы, функционализованные полимеры, лиганды с введенной в них функциональностью и углеродные трубки.

Термин "микроорганизм" означает живой организм, который может быть суспендирован в движущейся среде, включая, но этим не ограничивая, бактерии, вирусы, грибки, простейшие и их репродуктивные формы, включающие защитные оболочки и споры.

Термин "бумага" или "бумагоподобный" обычно означает плоский, волокнистый слой или коврик из материала, полученный с помощью способа мокрого формования.

Термин "частица" означает твердое вещество или микроинкапсулированную жидкость, имеющие размер в интервале от коллоидного до макроскопического вне зависимости от формы.

Термин "сорбент" означает частицу любого порошка, которая способна удалять загрязняющие вещества из потока жидкости или газа, включая катализаторы, которые способны превращать загрязняющие вещества в другую менее опасную форму. Термин "сорбент" также включает порошкообразный катализатор или катализатор, который наносят на твердый порошкообразный или гранулированный носитель, такой как активированный уголь.

Термин "структура для медицинского применения" означает нетканый материал, пригодный для применения в медицине, например для защиты от инфекции, в качестве раневой повязки и других подобных применений.

Термин "волокнистая масса" означает состав, используемый для формования волокнистой структуры.

Термин "POE" означает место входа трубопровода в отдельный дом, здание или подобное сооружение.

Термин "POU" означает место использования в конкретном устройстве, таком как отдельный водопроводный кран, переносное очистное устройство или другое подобное устройство.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает фильтрующий материал для удаления частиц, включающих жидкие и особенно аэролизованные водой частицы, из движущейся среды, которую пропускают через материал с целью уменьшения в ней содержания загрязняющих веществ. В примерах частицами являются патогены, такие как бактерии, вирусы, плесень, грибки, милдью, органическое вещество, неорганическое вещество, микроорганизмы, углеродистые частицы, туманы из используемых при металлообработке жидкостей, красочные туманы, пестициды, чернильные туманы или кислотные туманы. В примерах поток жидкости или газа содержит аэролизованные жидкостью частицы, такие как аэролизованные водой частицы. В одном примере фильтрующим материалом является нетканый электростатический материал. Фильтрующий материал включает нановолокна из оксида алюминия, смешанные со вторыми волокнами. В одном примере нанооксид алюминия не является сферическим. Вторые волокна располагают в матрице с целью создания асимметрических пор. В одном примере тонкодисперсный порошок металлического алюминия взаимодействует со вторыми волокнами с образованием электростатического материала. Реакцию осуществляют путем добавления аммиака к смеси алюминия и второго волокна. Смесь нагревают до температуры кипения воды. В другом примере тригидроксид алюминия нагревают в условиях высокой температуры и давления в присутствии вторых волокон с образованием электростатического материала. Реакцию проводят при температуре около 175°C и давлении около 5 бар в течение приблизительно тридцати минут.

Вторыми волокнами может быть любое волокно, которое достаточно устойчиво к изгибанию, включая микростекло, целлюлозу или фибриллированную целлюлозу. В одном примере вторые волокна имеют меньший из размеров, который больше, чем меньший из размеров нановолокон из оксида алюминия, по меньшей мере, на один порядок величины. В примерах для воздушного или газового фильтра средний размер пор находится в интервале от 4 до примерно 48 мкм. Предпочтительно, чтобы средний размер пор был больше, чем примерно 10 мкм. Более предпочтительно, чтобы средний размер пор составлял не более чем около 20 мкм. Обычно размер пор связан с диаметром вторых волокон. Поэтому множество вторых волокон, имеющих небольшой диаметр, будут создавать множество асимметрических пор, имеющих малый размер, в то время как множество вторых волокон, имеющих диаметр большего размера, будут создавать множество асимметрических пор, имеющих относительно более крупный размер. См., например, таблицу 1 и фиг.13. Однако по мере увеличения диаметра второго волокна снижается отношение площади поверхности к единице объема и в результате меньшее количество нановолокон из оксида алюминия диспергируется на вторых волокнах и/или в порах. Поэтому в предпочтительном примере множество вторых волокон представляет собой комбинацию множества крупных и множества дисперсных волокон. Дисперсные волокна могут все иметь практически одинаковый средний диаметр, или часть дисперсных волокон может иметь различные диаметры. Введение дисперсных волокон приводит к соответствующему уменьшению размера пор. См., например, таблицу 1 и фиг.13.

Размер пор определяет перепад давления на фильтрующем материале. В предпочтительном примере перепад давления составляет менее чем примерно 35 мм H₂O для готового композитного фильтра или фильтровальной установки при скорости потока около 3,2 м/мин.

В одном примере заявляемый фильтрующий материал дополнительно включает частицы сорбента, предпочтительно, коллоидные частицы, которые добавляют в фильтрующий материал. С целью обеспечения более быстрой адсорбции, чем в случае более крупных гранулированных углей, при абсорбции летучих органических соединений, нервно-паралитических отравляющих веществ или иприта добавляют активированный уголь в виде тонкодисперсного порошка (например, мелких частиц с размером около 1 мкм и средним размером около 28 мкм).

В одном примере заявляемый фильтрующий материал дополнительно включает связующее. Связующее может иметь волокнистую форму (Invista T104) или может быть смолой, такой как Rhoplex HA-16 фирмы Rohm and Haas. Введение связующего повышает прочность и/или способность к сгибанию волокнистого материала, хотя для связывания частиц в структуре связующее не требуется.

В одном примере фильтрующий материал может дополнительно включать противомикробный агент, который смешивают со множеством волокон из нанооксида алюминия и вторых волокон. В процессе производства, с целью использования фильтрующего материала в качестве противомикробного агента, после того как приготавливают суспензию, и перед тем как смесь просеивают на сите, добавляют противомикробный агент и адсорбируют его на нановолокнах из оксида алюминия. В одном примере противомикробным агентом является серебро. В других примерах такие ионы, как ионы меди и цинка, или те или другие, обеспечивают синергетический эффект с серебром в качестве противомикробного агента, в еще одном примере такие ионы, как ионы меди и цинка, действуют сами по себе в качестве противомикробного агента.

В одном примере настоящего изобретения фильтрующий материал является электрически заряженным, в результате чего нановолокна из оксида алюминия захватывают частицы, такие как патогены, и другие вещества. В одном примере фильтрующим материалом является гомогенный нетканый фильтр.

В одном примере фильтрующий материал предварительно обрабатывают или предварительно кондиционируют путем пропускания через него множества частиц. Частицы могут иметь диаметры в интервале от 0,3 до примерно 1,5 мкм. Введение этих частиц блокирует, по меньшей мере, часть из самых крупных пор из множества асимметрических пор, с целью снижения начального проскока через фильтрующий материал. Кроме того, предварительное кондиционирование помогает создать или получить характеристику HEPA или ULPA в течение всего времени использования фильтра. В одном примере множеством частиц является множество латексных сфер, хотя множество частиц может быть изготовлено из любого вещества, которое способно блокировать, по меньшей мере, часть самых крупных пор.

В одном примере заявляемый фильтрующий материал из нанооксида алюминия имеет эффективность улавливания, по меньшей мере, такую же, как и HEPA. В другом примере заявляемый фильтрующий материал имеет эффективность улавливания, по меньшей мере, такую же высокую, как и ULPA.

В другом варианте осуществления заявляемым изобретением является способ получения фильтра для движущейся среды из нанооксида алюминия. Способ получения включает стадии формования нановолокна из оксида алюминия в присутствии множества вторых волокон. Вторые волокна располагают для образования множества асимметрических пор. В одном примере фильтрующий материал из нанооксида алюминия формуют в один гомогенный слой. В другом примере фильтрующий материал из нанооксида алюминия формуют в более чем один слой. В еще одном примере фильтрующий материал из нанооксида алюминия гофрируют.

Фильтрующий материал может быть использован в фильтрационной системе. При использовании через фильтрующий материал пропускают поток воздуха или газа и удаляют из него твердые частицы в результате улавливания частиц в фильтрующем материале. В одном примере движущаяся среда включает суспензию капель воды. Примеры применения фильтра включают, но этим не ограничивая, использование для очистки воздуха в помещении, использование в респираторах или противогазах, использование в воздушных фильтрах автомобилей, использование в помещении с особо чистой атмосферой, использование в операционной или использование в промышленной установке, например, для удаления краски или другого конкретного вещества, содержащегося в промышленных туманах. В одном примере фильтрующий материал используют в окружающей среде с относительной влажностью больше чем примерно 75%.

В другом варианте осуществления настоящее изобретение имеет широкое применение в нанотехнологии и предлагает волокнистую структуру для фиксации частиц, которые очень трудно диспергировать и включать в волокнистые ткани. В примерах диспергированными частицами являются сорбенты или ка