Материалы фильтров для воды и фильтры для воды, содержащие смесь микропористых и мезопористых углеродных частиц

Материалы фильтров для воды и фильтры для воды, содержащие смесь микропористых и мезопористых углеродных частиц

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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, вкус, запах, 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, на котором представлен 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 1×10⁸ 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 фильтры 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 №PCT7US03/05416 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 500Å).

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

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 относится 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 надперекись, гидроперекись 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 на 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