水过滤材料和水过滤器的制造方法

专利名称：水过滤材料和水过滤器的制造方法
技术领域：
本发明涉及水过滤材料和水过滤器制造方法的领域。更具体地讲，本发明涉及包含中孔隙活性炭颗粒的水过滤器制造方法的领域。
背景技术：
水中可能包含有许多不同种类的污染物，其中包括如颗粒、有害化学物质以及如细菌、寄生虫、原生动物和病毒微生物有机物。在很多情况下，必须要将这些污染物除去后，水才能够使用。例如，在许多医疗应用领域和在某些电子元件的制造过程中，都需要使用高度纯净的水。另外一个更为普遍的实施例是，水在可饮用(即适于饮用)之前必须将任何有害污染物除去。尽管已有现代化的水净化方法，但对于普通人而言仍存在风险，特别是对于婴儿和免疫系统受损的人具有相当大的风险。
在美国和其它发达国家，市政处理过的水中典型地包括以下一种或多种杂质悬浮固体、细菌、寄生虫、病毒、有机物质、重金属和氯。有时候，水处理系统的故障和其它问题会导致水中的细菌和病毒不能被完全清除。在其它国家，由于一些地区人口密度不断增加、水源不断减少并且没有水处理设备，与污染水接触已经导致了致命的后果。由于饮用水源普遍与人和动物的排泄物相邻，因此微生物污染是影响健康的主要问题。水中滋生微生物所产生的污染估计每年会造成大约六百万人死亡，其中有一半是5岁以下的儿重。
1987年，美国环境保护署(EPA)提出了“测试微生物水净化器的指导标准和议定书”。该议定书对饮用水处理系统的性能制定了最低要求，而这些水处理系统的作用是减少公共水源和个人水源中某些影响健康的特殊污染物。要求供应水源中流出的水中病毒清除率为99.99％(或相当于4log)，细菌清除率为99.9999％(或相当于6log)才能够满足要求。按照EPA议定书，病毒在流入的水中其浓度应为1×107每升，细菌在流入的水中其浓度应为1×108每升。由于大肠杆菌(E.coli，细菌)在供水中普遍存在，且其被饮用后将产生相关风险，因此将这种微生物作为大多数研究中的细菌。类似地，MS-2细菌噬菌体(或简称为MS-2噬菌体)是一种典型地用于病毒清除的代表性微生物，因为其大小和形状(即约26nm，且为二十面体)与很多病毒相似。因此，可以用水过滤器对MS-2细菌噬菌体的清除能力来表示其清除其他病毒的能力。
由于这些要求和对提高饮用水质量的普遍关注，因此仍需要一种能够清除流体中细菌和/或病毒的过滤材料及过滤器的制造方法。
发明概述本发明提供水过滤材料的制造方法。该方法包括以下步骤提供多个中孔隙活性炭颗粒，处理所述多个中孔隙活性炭颗粒以制备多个本体氧重量百分比小于约5％的中孔隙活性炭颗粒。
附图简述虽然本说明书通过特别指出并清楚地要求保护本发明的权利要求作出结论，但应该相信由下列说明并结合附图可更好地理解本发明，其中

图1a为中孔隙酸性活性炭颗粒CA-10和中孔隙碱性还原氧活性炭颗粒TA4-CA-10的BET氮吸附等温线；图1b为中孔隙碱性活性炭颗粒RGC和中孔隙碱性还原氧活性炭THe4-RGC的BET氮吸附等温线；图2a为图1a中颗粒的中孔体积分布。
图2b为图1b中颗粒的中孔体积分布。
图3a为图1a中颗粒的零电荷点图表。
图3b为图1b中颗粒的零电荷点图表。
图4为依照本发明制造的轴流式过滤器的横截面侧视图。
图5a图示说明图1a中的活性炭颗粒的大肠杆菌浴浓度对于时间的函数。
图5b图示说明图1b中的活性炭颗粒的大肠杆菌浴浓度对于时间的函数。
图6a图示说明图1a中的活性炭颗粒的MS-2浴浓度对于时间的函数。
图6b图示说明图1b中的活性炭颗粒的MS-2浴浓度对于时间的函数。
图7a图示说明大肠杆菌流动浓度关于通过2个过滤器后水的累积体积的函数；其中一个过滤器包含RGC中孔隙碱性活性炭，另一个则包含椰子微孔隙活性炭颗粒。
图7b图示说明MS-2流动浓度对于通过2个过滤器后水的累积体积的函数；其中一个过滤器包含RGC中孔隙碱性活性炭，另一个则包含椰子微孔隙活性炭颗粒。
优选实施方案的详细描述所有引用的文献的相关部分均引入本文以供参考。任何文献的引用都不可解释为是对其作为本发明的现有技术的认可。
I.定义本文所用术语“过滤器”和“过滤”是指分别与通过主要吸附和/或尺寸排除方式清除微生物(和/或清除其它污染物)至较少程度相关的结构或机理。
本文所用短语“过滤材料”意指过滤颗粒的聚集体。形成过滤材料的过滤颗粒的该聚集体可为同类或异类。在过滤材料内过滤颗粒可为均匀或非均匀分布(如不同过滤颗粒组成的层)。形成过滤材料的过滤颗粒也无需具有相同的形状或尺寸，并可以松散或相互连接的形式提供。例如，过滤材料可包括与活性炭纤维结合的中孔隙碱性活性炭颗粒，这些过滤颗粒或可以松散关联形式提供，或由聚合体粘合剂或以其它方式部分或全部粘结形式形成整体结构。
本文所用短语“过滤颗粒”意指用于形成至少部分过滤材料的独立构件或条片。例如，一根纤维、一颗微粒、一个小珠等在本发明中都被认为是一个过滤颗粒。此外，过滤颗粒的大小可改变，从感触不到的过滤颗粒(如非常细的粉末)到可触知的过滤颗粒。
本文所用短语“过滤材料孔体积”是指过滤材料中尺寸大于0.1μm的粒间孔的总体积。
本文所用短语“过滤材料总体积”是指粒间孔体积和被过滤颗粒占据的体积之和。
本文所用术语“微生物”、“微生物有机物”和“病菌”可以相互替代。这些术语指具有细菌、病毒、寄生虫、原生动物和病菌特征的各种微生物。
本文所用短语过滤器颗粒的“细菌清除指数”(BRI)定义为BRI＝100×[1-大肠杆菌均衡状态浴浓度/大肠杆菌对照浓度)]，其中“大肠杆菌均衡状态浴浓度”是指细菌在浴槽中均衡状态下的浓度，浴槽中包含大量过滤颗粒，其总外表面积为1400cm2，且Sauter平均直径小于55μm，如下文更详细所述。在相隔2小时的两个时间点进行测试，当大肠杆菌浓度变化保持在半个数量级之内时，则可达到均衡。短语“大肠杆菌对照浓度”是指对照浴槽中大肠杆菌的浓度，其等于约3.7×109CFU/L。Sauter平均直径指其面积容量比与整个颗粒分布相同的颗粒的直径。注意术语“CFU/L”是指“每升中菌落形成单位”，其为用于大肠杆菌计数的典型术语。BRI指数是在未使用具有杀菌效果的化学剂的情况下测得的。表达过滤颗粒除菌能力的一种相当的方法是采用“细菌对数清除指数”(BLRI)，其定义为BLRI＝-log[1-(BRI/100)]。该BLRI指数为“log”单位(这里“log”代表对数)。例如，过滤颗粒的BRI指数等于99.99％时，即相当于BLRI指数等于4log。下文中给出了BRI和BLRI两种指数的测试步骤。
本文所用短语过滤颗粒的“病毒清除指数”(VRI)定义为VRI＝100×[1-(MS-2噬菌体均衡状态浴浓度/MS-2噬菌体对照浓度)]，其中“MS-2噬菌体均衡状态浴浓度”是指噬菌体在浴槽中均衡状态下的浓度，浴槽中包含大量过滤颗粒，其总外表面积为1400cm2，且Sauter平均直径小于55μm，如下文更详细所述。在相隔2小时的两个时间点进行测试，当MS-2浓度保持不变处于半个数量级之内时，则可达到均衡。短语“MS-2噬菌体对照浓度”是指对照浴槽中MS-2噬菌体的浓度，其等于约6.7×107PFU/L。注意，术语“PFU/L”表示“每升中噬菌体形成单位”，其为用于MS-2计数的典型术语。该VRI指数是在未使用具有杀菌效果的化学剂的情况下测得的。表达过滤颗粒除菌能力的一种相当的方法是采用“病毒对数清除指数”(VLRI)，其定义为VLRI＝-log[1-(VRI/100)]。该VLRI指数为“log”单位(这里“log”代表对数)。例如，过滤颗粒的VRI等于99.9％，则其VLRI等于3log。下文中给出了VRI和VLRI值的测试步骤。
本文所用短语“过滤器细菌对数清除(F-BLR)”是指流过最初2,000个过滤材料孔体积后过滤器的细菌清除能力。F-BLR定义和计算如下F-BLR＝-log[(大肠杆菌的流出浓度)/(大肠杆菌的流入浓度)]，其中在整个测试中将“大肠杆菌的流入浓度”持续设定为约1×108CFU/L，并在约2,000个过滤材料孔体积流过过滤器后测量“大肠杆菌的流出浓度”。该F-BLR为“log”单位(这里“log”代表对数)。注意如果流出浓度低于化验技术的检测极限，则认为用于计算F-BLR的该流出浓度为检测极限。同样，注意F-BLR是在未使用具有杀菌效果的化学剂的情况下测得的。
本文所用短语“过滤器病毒对数清除(F-VLR)”是指流过最初2,000个过滤材料孔体积后，过滤器的病毒清除能力。
F-VLR定义和计算如下F-VLR＝-log[(MS-2的流出浓度)/(MS-2的流入浓度)]，其中在整个测试中将“MS-2的流入浓度”持续设定为约1×107PFU/L，并在约2,000个过滤材料孔体积流过过滤器后测量“MS-2的流出浓度”。该F-VLR为“log”单位(这里“log”代表对数)。注意如果流出浓度低于化验技术的检测极限，则认为用于计算F-VLR的该流出浓度为检测极限。同样，注意F-VLR是在未使用具有杀菌效果的化学剂的情况下测得的。
本文所用短语“总外表面积”意指一个或多个过滤颗粒的总几何外表面积，如下文更详细所述。
本文所用短语“比外表面积”意指每单位质量过滤颗粒的总外表面积，如下文更详细所述。
本文所用术语“微孔”意指宽度或直径小于2nm(或者相当于20)的颗粒内的孔。
本文所用术语“中孔”意指宽度或直径介于2nm和50nm之间(或者相当于介于20和500之间)的颗粒内的孔。
本文所用术语“大孔”意指宽度或直径大于50nm(或者相当于500)的颗粒内的孔。
本文所用短语“总孔体积”及其派生词意指所有颗粒内的孔，即微孔、中孔和大孔的体积。总孔体积计算为在相对压力为0.9814条件下，通过本领域所熟知的BET方法(ASTM D 4820-99标准)测得的氮吸附体积。
本文所用短语“微孔体积”及其派生词意指所有微孔的体积。微孔体积计算为在相对压力为0.15条件下，通过本领域所熟知的BET方法(ASTM D 4820-99标准)测得的氮吸附体积。
本文所用短语“中孔和大孔体积之和”及其派生词意指所有中孔和大孔的体积。中孔与大孔体积之和等于总孔体积与微孔体积之差，或相当于，计算为在相对压力分别为0.9814和0.15时，通过本领域所熟知的BET方法(ASTM D 4820-99标准)测得的氮吸附体积之差。
本文所用短语“中孔范围孔径分布”意指通过本领域所熟知的Barrett、Joyner和Halenda(BJH)方法计算得到的孔径分布。
本文所用术语“碳化”及其派生词意指减少含碳物质中非碳原子的方法。
本文所用术语“活化”及其派生词意指一种使碳化物质变得更为多孔的方法。
本文所用术语“活性炭颗粒”或“活性炭过滤颗粒”以及它们的派生词意指已经历活化过程的碳化颗粒。
本文所用短语“零电荷点”意指一临界pH值，高于该值则碳化颗粒的总表面荷上负电。测定零电荷点的众所周知的测试步骤将在下文阐述。
本文所用术语“碱性”意指过滤颗粒的零电荷点大于7。
本文所用术语“酸性”意指过滤颗粒的零电荷点小于7。
本文所用短语“中孔隙活性炭过滤颗粒”意指一种活性炭过滤颗粒，其中中孔和大孔体积之和大于0.12mL/g。
本文所用短语“微孔隙活性炭过滤颗粒”意指一种活性炭过滤颗粒，其中中孔和大孔体积之和小于0.12mL/g。
本文所用短语“中孔隙碱性活性炭过滤颗粒”意指一种活性炭过滤颗粒，其中中孔和大孔体积之和大于0.12mL/g，且零电荷点大于7。
本文所用短语“中孔隙碱性还原氧活性炭过滤颗粒”意指一种活性炭过滤颗粒，其中中孔和大孔体积之和大于0.12mL/g，零电荷点大于7，且本体氧重量百分比为1.5％或更小。
本文所用短语“中孔隙酸性活性炭过滤颗粒”意指一种活性炭过滤颗粒，其中中孔和大孔体积之和大于0.12mL/g，且零电荷点小于7。
本文所用短语“原料”是指包含中孔和大孔或碳化及/或活化期间能够产生中孔和大孔的任何前体。
本文所用短语“轴流”是指流过一个平表面并垂直于该表面。
本文所用短语“径流”典型地是指流过基本圆柱形的或基本圆锥形的表面，并垂直于那些表面。
本文所用短语“正面区域”是指过滤材料最初暴露于流入水的区域。例如，在轴流式过滤器中，正面区域是过滤材料在流体入口处的横截面区域，而在径流式过滤器中，正面区域为过滤材料的外部区域。
本文所用短语“过滤深度”是指流入水从入口流至过滤材料出口的直线距离。例如，在轴流式过滤器中，过滤深度是过滤材料的厚度，而在径流式过滤器中，过滤深度是过滤材料的外径和内径差的一半。
本文所用短语“平均流体驻留时间”和/或“平均流体接触时间”是指当流体流过过滤材料时，其与过滤器内过滤颗粒接触的平均时间，并被计算为过滤材料孔体积与流体流速的比率。
本文所用短语“过滤器孔隙率”和/或“过滤床层孔隙率”是指过滤材料孔体积与过滤材料总体积的比率。
本文所用短语“入口”是指流体由其能够进入过滤器或过滤材料的部件。例如，入口可为过滤器的部分结构，或为过滤材料正面区域。
本文所用“出口”是指流体由其能够流出过滤器或过滤材料的部件。例如，出口可为过滤器的部分结构，或为流体出口处过滤材料的横截面区域。
II.中孔隙活性炭过滤颗粒出乎意料地发现，与微孔隙活性炭过滤颗粒相比，中孔隙活性炭过滤颗粒能吸附更多量的微生物。同样出乎意料地发现，与中孔隙酸性活性炭过滤颗粒吸附相比，中孔隙碱性活性炭过滤颗粒能吸附更多量的微生物。此外，还意外地发现，与没有还原本体氧重量百分比的中孔隙碱性活性炭过滤颗粒吸附相比，中孔隙碱性还原氧活性炭过滤颗粒能吸附更多量的微生物。
尽管不受任何理论的约束，但是关于孔隙率，申请者假定大量的中孔和/或大孔为病原体、它们的菌毛及构成病原体外膜、衣壳和包膜的表面聚合物(如蛋白质、脂多糖、低聚糖和多糖)提供更方便的吸附位置(中孔/大孔的开口或入口)，这是因为此类物质的典型尺寸类似于中孔和大孔的入口尺寸。此外，中孔隙率和大孔隙率可能与碳的一种或多种表面性质如表面粗糙度有关。
此外，不受理论的约束，申请者假定碱性活性炭表面包含为吸引更多量的微生物而必需的官能度类型，更多量是相对酸性活性炭表面吸引的微生物而言。吸附至碱性活性炭表面的能力增强可能归因于碱性活性炭表面吸引典型地荷上负电的微生物及其表面上的官能团的事实。申请者进一步假定，当碱性活性炭被放置于水中时，其能够通过还原分子氧产生消毒剂。尽管还原的最终产物为氢氧化物，但申请者认为形成了反应氧中间产物如过氧化物、过氧化氢物和/或羟基，且它们寿命足够长以从碳扩散至本体溶液中。
此外，申请者认为随着本体氧重量百分比减少，碳变得更具碱性。低的本体氧重量百分比可导致改进的细菌/病毒吸附，这是因为(1)更少的羧酸并因此更少的负表面以抵制细菌/病毒；和(2)更少的水合表面使得当细菌/病毒试图吸附至表面上时水更容易被其置换(即，细菌/病毒置换已占据表面位置的其它种类时更少的能量损失)。后一个原因(即，更少的水合表面)还与下面观点相符，即理想表面(将在下文讨论)应稍微疏水(换句话讲，理想表面应有足够的氧取代到边缘碳原子上以使其被润湿，但也不能取代太多而使其过分亲水)。
过滤颗粒可以制成各种形状和尺寸。例如，过滤颗粒可以制成简单的形状，例如粉末、微粒、纤维和小珠状。过滤颗粒可以制成球形、多面体、圆柱状，以及其它对称的、不对称的和不规则的形状。而且，过滤颗粒也可形成复合物形式，如网、幕、栅网、无纺材料、织成材料，及粘合嵌段，其可以是或不是由上述简单形式形成。
过滤颗粒的形状和尺寸可以不同，而且任何单个过滤器中使用的过滤颗粒其尺寸不必统一。实际上，在单个过滤器中的过滤颗粒具有不同的大小也是可取的。通常，过滤颗粒的尺寸介于约0.1μm至约10mm之间，优选介于约0.2μm至约5mm之间，更优选介于约0.4μm至约1mm之间，最优选介于约1μm至约500μm之间。对于球形和圆柱状颗粒(如纤维和小珠等)，上述尺寸是指过滤颗粒的直径。对于形状基本不同的过滤颗粒，上述尺寸是指其最大尺寸(例如长度、宽度或者高度)。
过滤颗粒可为任何前体的产物，所述前体包含中孔和大孔或碳化及/或活化期间能够产生中孔和大孔。例如，但不是为了限制，过滤颗粒可为木基活性炭颗粒、煤基活性炭颗粒、泥煤基活性炭颗粒、沥青基活性炭颗粒、焦油基活性炭颗粒、豆基活性炭颗粒、其它木质纤维基活性炭颗粒，以及它们的混合物。
活性炭可表现为酸性、中性或碱性。酸性与含氧的官能物或官能团相关，例如，但不是为了限制，苯酚、羧基、内酯、对苯二酚、酸酐及酮。迄今为止，碱性与下列官能物相关，如吡喃酮、苯并吡喃、醚、羰基，以及基面π电子。活性炭颗粒的酸性或碱性由“零电荷点”方法(Newcombe，G.等人，Colloids and Surfaces APhysicochemical andEngineering Aspects，第78卷，第65至71页(1993年))确定，在此引入本文以供参考。该技术在此后的第VI节中进一步描述。本发明的过滤颗粒可具有的零电荷点介于1和14之间，优选大于约4，优选大于约6，优选大于约7，优选大于约8，更优选大于约9，最优选介于约9和约12之间。
活性炭的零电荷点与本体氧重量百分比反向相关。本发明的过滤颗粒可具有的本体氧重量百分比小于约5％，优选小于约2.5％，优选小于约2.3％，优选小于约2％，更优选小于约1.2％，最优选小于约1％，并/或大于约0.1％，优选大于约0.2％，更优选大于约0.25％，最优选大于约0.3％。活性炭颗粒的零电荷点还与包含颗粒的水的氧化还原电位(ORP)有关，这是因为零电荷点是碳还原氧的能力的量度(至少对碱性碳如此)。本发明过滤颗粒可具有的氧化还原电位(ORP)小于约570mV，优选小于约465mV，优选小于约400mV，优选小于约360mV，优选小于约325mV，最优选介于约290mV和约175mV之间。
活性炭过滤颗粒或过滤材料的电阻是其重要性质之一，这是由于电阻涉及到它们形成过滤块的能力。例如，可利用电阻加热方法形成过滤块，其中通过在过滤材料的2个末端施加电流对其进行加热。过滤材料的电阻将控制其在短时间内进行加热的能力。通过利用如上述实施例3和4所提及的条件形成过滤块以测量电阻，并通过将过滤块的2个面与伏特计的2个电极接触测量2个面间的电阻。实施例3和4中过滤器的示例性电阻分别为约350Ω和约40Ω。还有，分别用上述实施例1中的CARBOCHEM CA-10和上述实施例2中的TA4-CA10制成的过滤器电阻各自为约1.3MΩ和约100Ω。
通过处理如下所述的原料可获得过滤颗粒。该处理条件可包括大气组成、压力、温度和/或时间。本发明的大气可为还原性气氛或惰性气氛。在还原性气氛、蒸汽或惰性气氛存在下加热过滤颗粒可得到具有还原表面氧官能度的过滤材料。合适还原性气氛的实施例可包括氢、氮、解离氨、一氧化碳和/或它们的混合物。合适惰性气氛的实施例可包括氩、氦和/或它们的混合物。
当活性炭颗粒不包含任何贵金属催化剂(如铂、金、钯)时，处理温度可介于约600℃和约1,200℃之间，优选介于约700℃和约1,100℃之间，更优选介于约800℃和约1,050℃之间，最优选介于约900℃和约1,000℃之间。如果活性炭颗粒包含贵金属催化剂，处理温度可介于约100℃和约800℃之间，优选介于约200℃和约700℃之间，更优选介于约300℃和约600℃之间，最优选介于约350℃和约550℃之间。
处理时间可介于约2分钟和约10小时之间，优选介于约5分钟和约8小时之间，更优选介于约10分钟和约7小时之间，最优选介于约20分钟和约6小时之间。气体流速可介于约0.25标准L/h.g(即标准升每小时每克碳；0.009标准ft3/h.g)和约60标准L/h.g(2.1标准ft3/h.g)之间，优选介于约0.5标准L/h.g(0.018标准ft3/h.g)和约30标准L/h.g(1.06标准ft3/h.g)之间，更优选介于约1.0标准L/h.g(0.035标准ft3/h.g)和约20标准L/h.g(0.7标准ft3/h.g)之间，最优选介于约5标准L/h.g(0.18标准ft3/h.g)和约10标准L/h.g(0.35标准ft3/h.g)之间。处理期间压力可保持大于、等于或小于大气压。应认识到，也可采用其它方法制造中孔隙碱性还原氧活性炭过滤材料。
还有，为获得过滤材料，取决于所用原料，可对如上所述原料的此类处理重复多次。
原料可商业获得或用本领域熟知的方法制备，例如Jagtoyen，M.和F.Derbyshire的Carbon，第36卷(第7至8期)，第1085至1097页(1998年)、Evans等人的Carbon，第37卷，第269至274页(1999年)、以及Ryoo等人的J.Phys.Chem B，第103卷(第37期)，第7743至7746页(1999年)中所述，其内容引入本文以供参考。用于活化/碳化的典型化学物质包括磷酸、氯化锌、磷酸铵等，它们可与两种刚刚引用的期刊中所述的方法联合使用。
Brunauer，Emmett和Teller(BET)比表面积和Barrett、Joyner和Halenda(BJH)孔径分布可用于表示颗粒的孔结构的特征。优选地，过滤颗粒的BET比表面积介于约500m2/g和约3,000m2/g之间，优选介于约600m2/g和约2,800m2/g之间，更优选介于约800m2/g和约2,500m2/g之间，最优选介于约1,000m2/g和约2,000m2/g之间。参见图1a，所示为利用BET方法测得的中孔隙碱性还原氧木基活性炭(TA4-CA-10)和中孔隙酸性木基活性炭(CA-10)的典型氮吸附等温线。参见图1b，所示为利用BET方法测得的中孔隙碱性木基活性炭(RGC)和中孔隙碱性还原氧木基活性炭(THe4-RGC)的典型氮吸附等温线。
BET氮吸附过程中可测量得到中孔隙碱性活性炭颗粒的总孔体积，并计算为相对压力P/Po等于0.9814时的氮吸附体积。更具体地讲，且如本领域所熟知，总孔体积通过相对压力为0.9814条件下“以mL(STP)/g为单位的氮吸附体积”，乘以转换因子0.00156计算得到，这时在STP(标准温度与压力)条件下将一定体积的氮转换为液体。过滤颗粒的总孔体积大于约0.4mL/g，或大于约0.7mL/g，或大于约1.3mL/g，或大于约2mL/g，并/或小于约3mL/g，或小于约2.6mL/g，或小于约2mL/g，或小于约1.5mL/g。
BET氮吸附过程中可测量得到中孔和大孔体积之和并计算为在P/Po等于0.15时的总孔体积与氮吸附体积的差值。过滤颗粒的中孔和大孔体积之和可大于约0.12mL/g，或大于约0.2mL/g，或大于约0.4mL/g，或大于约0.6mL/g，或大于约0.75mL/g，并/或小于约2.2mL/g，或小于约2mL/g，或小于约1.5mL/g，或小于约1.2mL/g，或小于约1mL/g。
BJH孔径分布可利用Barrett，Joyner和Halenda(BJH)方法进行测量，其在J.Amer.Chem.Soc.第73卷，第373至380页(1951年)和“ADSORPTION，SURFACE AREA，AND POROSITY”(Gregg和Sing，第二版，Academic Press，New York 1982年)中作了说明，其内容引入本文以供参考。在一个实施方案中，任一孔径介于约4nm和约6nm之间时，孔体积可为至少约0.01mL/g。在一个可供选择的实施方案中，任一孔径介于约4nm和约6nm之间时，孔体积可介于约0.01mL/g和约0.04mL/g之间。在另一实施方案中，对于孔径介于约4nm和约6nm之间时，孔体积可为至少约0.03mL/g，或介于约0.03mL/g和约0.06mL/g之间。在一优选实施方案中，对于孔径介于约4nm和约6nm之间时，孔体积可介于约0.015mL/g和约0.06mL/g之间。图2a图示说明了利用BJH方法计算得到的中孔隙碱性还原氧活性炭(TA4-CA-10)和中孔隙酸性木基活性炭(CA-10)的典型中孔体积分布。图2b图示说明了利用BJH方法计算得到的中孔隙碱性木基活性炭(RGC)和中孔隙碱性还原氧木基活性炭(THe4-RGC)的典型中孔体积分布。
中孔与大孔体积之和与总孔体积的比率大于约0.3，优选大于约0.4，优选大于约0.6，最优选介于约0.7和约1之间。
总外表面积通过将比外表面积乘以过滤颗粒质量计算得到，并以过滤颗粒的尺寸为基础。例如，通过计算纤维面积(忽略纤维末端2个横截面的面积)与纤维重量的比率可得到单分散(即具有相同直径)纤维的比外表面积。这样，纤维的比外表面积等于4/Dρ，其中D为纤维直径且ρ为纤维密度。对于单分散的球形颗粒，通过类似计算得到的比外表面积等于6/Dρ，其中D为颗粒直径且ρ为颗粒密度。对于多分散的纤维、球形或不规则形状的颗粒，比外表面积的计算通过由D3，2替代D，并采用与上述各自相同的公式计算得到，其中D3，2为Sauter平均直径，是其面积容量比与整个颗粒分布相同的颗粒的直径。本领域熟知的测量Sauter平均直径的方法为激光衍射法，例如可采用Malvern设备(获自位于英国Malvern的Malvern Instruments Ltd.)。过滤颗粒的比外表面积可介于约10cm2/g和约100,000cm2/g之间，优选介于约50cm2/g和约50,000cm2/g之间，更优选介于约100cm2/g和约10,000cm2/g之间，最优选介于约500cm2/g和约7,000cm2/g之间。
当按照本文提出的测试步骤进行测量时，中孔隙、或中孔隙碱性、或中孔隙碱性还原氧活性炭颗粒的BRI值可大于约99％，优选大于约99.9％，更优选大于约99.99％，最优选大于约99.999％。这相当于，中孔隙、或中孔隙碱性、或中孔隙碱性还原氧活性炭颗粒的BLRI值大于约2log，优选大于约3log，更优选大于约4log，最优选大于约5log。当按照本文提出的测试步骤进行测量时，中孔隙、或中孔隙碱性、或中孔隙碱性还原氧活性炭颗粒的VRI值可大于约90％，优选大于约95％，更优选大于约99％，最优选大于约99.9％。这相当于，中孔隙、或中孔隙碱性、或中孔隙碱性还原氧活性炭颗粒的VLRI值大于约1log，优选大于约1.3log，更优选大于约2log，最优选大于约3log。
用于轴流式过滤器(Yao等人，Environ.Sci.Technol.第5卷，第1102至1112页(1971年))的稳态、一维、“清洁”床层过滤理论(假定微生物的分散传送和解吸可忽略不计)的内容引入本文以供参考，其描述了C/Co=exp(-λL) (1)其中C为流出物浓度，Co为流入物浓度，λ为过滤系数，其单位为长度的倒数，且L为过滤深度。注意基于上述定义，当未粘附微生物在过滤器内流过距离L时，其所经历的碰撞数将为(λ/α)L，其中α为“清洁”床层粘附系数(也称为碰撞率)，其定义为粘附到捕集表面的微生物数目与碰撞捕集表面的微生物数目之比。如果公式1中的L被Ro-RI取代，则该式也适用于径流式过滤器，其中Ro为外径，Ri为内径，且过滤系数在过滤器的整个厚度上取平均。包含颗粒的床层(而非纤维)的过滤系数如下λ＝(3(1-ε)ηα)/2dc(2)其中ε为过滤床层孔隙率，η为单捕集率，其定义为碰撞捕集表面的微生物数目与流向捕集表面的微生物数目之比，且dc为捕集颗粒直径。上式中的因子(3/2)对球形或似球形颗粒是有效的。对圆柱形颗粒(例如纤维)，该项变成(4/π)，则dc为圆柱体的直径。还有，要注意术语“清洁”床层意味着捕集表面还没有因累积足量的微生物而造成新微生物沉积效率的下降(即阻塞)。
基于上述“清洁”床层过滤模型，F-BLR和F-VLR可计算如下F-BLR或F-VLR＝-log(C/C0)＝(λL/2.3) (3)利用Rajagopalan和Tien模型(RT模型；AIChE J.，第22卷(第3期)，第523至533页(1976年)，和AIChE J.，第28卷，第871至872页(1982年))计算单捕集率η如下η＝4As1/3Pe-2/3+AsLo1/8R15/8+0.00338AsG6/5R-2/5(4)其中AS=2(1-r5)2-3r+3r5-2r6,]]>γ＝(1-ε)1/3，Pe为无量纲佩克莱特(Peclet)数Pe=3μπUdcdmkT,]]>Lo为无量纲伦敦(London)-范德华数Lo=4H9πμdm2U,]]>R为无量纲拦截数R=dmdc,]]>G为无量纲沉淀数
G=g(ρm-ρf)dm218μU,]]>μ为动态流体粘度(对于水等于1mPa·s)，U为表面流体速度(计算为对轴流式过滤器，U＝4Q/πD2，其中Q为流体流速，D为过滤器正面区域的直径；对径流式过滤器，U(R)＝Q/2πRX，其中X为过滤器的长度，R为Ri和R0间的径向位置)，dm为微生物直径(或者若微生物为非球形的，则为相当于球体的直径)，k为玻耳兹曼常数(等于1.38×10-23kg·m2/s2·K)，T为流体温度，H为Hamaker常数(其典型地等于10-20J)，g为重力常数(等于9.81m/s2)，ρm为微生物的密度，ρf为流体密度(对于水等于1g/mL)。对本发明的目的和材料而言，H等于10-20J，T等于298K，ρm等于1.05g/mL，μ等于1mPa·s。还有，对本发明而言，dc为体积中值粒径Dv，0.5，其为使总颗粒体积的50％在较小直径颗粒内的颗粒直径。还有，平均流体驻留时间计算为对轴流式过滤器，τ=ϵπD2L4Q,]]>对径流式过滤器，τ=ϵπ(R02-Ri2)XQ]]>粘附系数，α，典型地用实验方法计算，例如使用“microbe andradiolabel kinesis”(MARK)技术，其描述于Gross等人的(WaterRes.，第29卷(第4期)，第1151至1158页(1995年))。本发明过滤器的单捕集率η可大于约0.002，优选大于约0.02，优选大于约0.2，优选大于约0.4，更优选大于约0.6，最优选介于约0.8和约1之间。本发明过滤器的过滤系数λ可大于约10m-1，优选大于约20m-1，更优选大于约30m-1，最优选大于约40m-1，并/或小于约20,000m-1，优选小于约10,000m-1，更优选小于约5,000m-1，最优选小于约1,000m-1。
当按照本文提出的测试步骤进行测量时，包含中孔隙、或中孔隙碱性、或中孔隙碱性还原氧活性炭颗粒的本发明过滤器的F-BLR值可大于约2log，优选大于约3log，更优选大于约4log，最优选大于约6log。当按照本文提出的测试步骤进行测量时，包含中孔隙、或中孔隙碱性、或中孔隙碱性还原氧活性炭颗粒的本发明过滤器的F-VLR值可大于约1log，优选大于约2log，更优选大于约3log，最优选大于约4log。
在本发明的一个优选实施方案中，过滤颗粒包括木基活性炭颗粒的中孔隙活性炭颗粒。这些颗粒的BET比表面积介于约1,000m2/g和约2,000m2/g之间，总孔体积介于约0.8mL/g和约2mL/g之间，中孔与大孔体积之和介于约0.4mL/g和约1.5mL/g之间。
在本发明的另一个优选实施方案中，过滤颗粒包括木基活性炭颗粒的中孔隙碱性活性炭颗粒。这些颗粒的BET比表面积介于约1,000m2/g和约2,000m2/g之间，总孔体积介于约0.8mL/g和约2mL/g之间，中孔与大孔体积之和介于约0.4mL/g和约1.5mL/g之间。
在本发明另一优选实施方案中，过滤颗粒包括初始为酸性但在解离氨气氛下处理为碱性还原氧的中孔隙碱性还原氧活性炭颗粒。这些颗粒为木基活性炭颗粒。处理温度介于约925℃和约1,000℃之间，氨气流速介于约1标准L/h.g和约20标准L/h.g之间，处理时间介于约10分钟和约7小时之间。这些颗粒的BET比表面积介于约800m2/g和约2,500m2/g之间，总孔体积介于约0.7mL/g和约2.5mL/g之间，且中孔和大孔体积之和介于约0.21mL/g和约1.7mL/g之间。转化为碱性还原氧活性炭的酸性活性炭的非限定性实施例将在下面阐述。
在本发明另一优选实施方案中，过滤颗粒包括初始为中孔隙碱性并用惰性气氛(即氦气)处理的中孔隙碱性还原氧活性炭颗粒。这些颗粒为木基活性炭颗粒。处理温度介于约800℃和约1,000℃之间，氦气流速介于约1标准L/h.g和约20标准L/h.g之间，处理时间介于约10分钟和约7小时之间。这些颗粒的BET比表面积介于约800m2/g和约2,500m2/g之间，总孔体积介于约0.7mL/g和约2.5mL/g之间，且中孔和大孔体积之和介于约0.21mL/g和约1.7mL/g之间。转化为碱性还原氧活性炭的碱性活性炭的非限定性实施例将在下面阐述。
III.处理实施例实施例1处理中孔隙酸性活性炭以制备中孔隙碱性还原氧活生炭将由购自位于Ardmore，PA的Carbochem，Inc.的质量为约2kg的CARBOCHEMCA-10中孔隙酸性木基活性炭颗粒，置于型号为BAC-M的熔炉传送带上，熔炉由位于Cranston，RI的C.I.Hayes Inc.制造。炉内温度设定为约950℃，处理时间为约4小时，且气氛为解离氨，其流动的体积流速为约12,800标准L/h(即450标准ft3/h，或相当于约6.4标准L/h.g)。处理后的活性炭颗粒称为TA4-CA-10，其BET等温线、中孔体积分布及零电荷点分析分别示于图1a、2a和3a中。BET数值、中孔和大孔体积之和、零电荷点、BRI/BLRI、VRI/VLRI、本体氧重量百分比和氧化还原电位(ORP)示于第VI节。
实施例2处理中孔隙碱性活性炭以制备中孔隙碱性还原氧活性炭将由购自位于Covington，VA的MeadWestvaco Corp.的质量为约2kg的MeadWestvaco NucharRGC中孔隙碱性木基活性炭颗粒，置于型号为BAC-M的熔炉传送带上，熔炉由位于Cranston，RI的C.I.HayesInc.制造。炉内温度设定为约800℃，处理时间为4小时，且气氛为氦气，其流动的体积流速为约12,800标准L/h(即450标准ft3/h，或相当于约6.4标准L/h.g)。处理后的活性炭颗粒称为THe4-RGC，其BET等温线、中孔体积分布及零电荷点分析分别示于图1b、2b和3b中。BET数值、中孔和大孔体积之和、零电荷点、BRI/BLRI、VRI/VLRI、本体氧重量百分比和氧化还原电位(ORP)示于第VI节。
IV.本发明过滤器参见图4，所述为依照本发明制造的一个示例性过滤器。过滤器20包括一个具有入口24和出口的26的圆柱状外壳22。如本领域所知，取决于过滤器20的设计用途和所需性能，外壳22可以多种形式、形状、大小和排列提供。例如，过滤器20可为轴流式过滤器，其中将入口24和出口26设置成使得液体沿着外壳22的轴线流动。可供选择地，过滤器20可为径流式过滤器，其中将入口24和出口26排列成使得流体(如液体、气体或其混合物)沿着外壳22的径向流动。无论是轴流式还是径流式构型，过滤器20可优选被配置成提供至少约0.5in.2(3.2cm2)的正面区域，更优选至少约3in.2(19.4cm2)，最优选至少约5in.2(32.2cm2)，且过滤深度优选为至少约0.125in.(0.32cm)，优选至少约0.25in.(0.64cm)，更优选至少约0.5in.(1.27cm)，最优选至少约1.5in.(3.81cm)。对径流式过滤器，过滤器长度可为至少0.25in.(0.64cm)，更优选至少约0.5in.(1.27cm)，最优选至少约1.5in.(3.81cm)。更进一步，过滤器20可既包括轴流式部分，又包括径流式部分。
不偏离本发明的范围，外壳也可制成为另一结构的部件。尽管本发明中的过滤器特别适用于水，但应认识到其也适用于其它的流体(例如空气、气体，以及气体和液体的混合物)。这样，则过滤器20旨在代表普通的液体过滤器或气体过滤器。如本领域所知，为了适应过滤器20的流速和设计用途，可以对入口24和出口26的大小、形状、间距、排列和位置进行选择。优选地，将过滤器20设计成应用于住宅或商业饮用水，包括，但不限于，家用过滤器、电冰箱过滤器、便携式水组合部件(例如，野营用具，如水壶)、安装在水龙头上的过滤器、洗碗池下的过滤器、医用装置过滤器、工业过滤器、空气过滤器等。过滤器构型、饮用水装置、饮用者器具和其它适用于本发明的水过滤装置的实施例公开于美国专利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；和6,241,899，据此引入本文以供参考。对于饮用水应用，过滤器20优选配置为使流速小于约8L/分钟，或小于约6L/分钟，或介于约2L/分钟和约4L/分钟之间，且过滤器可包含小于约2kg的过滤材料，或小于约1kg的过滤材料，或小于约0.5kg的过滤材料。此外，对于饮用水应用，过滤器20可优选被配置成使平均流体驻留时间为至少约3s，优选至少约5s，优选至少约7s，更优选至少约10s，最优选至少约15s。还有，对于饮用水应用，过滤器20可优选被配置成使过滤材料孔体积为至少约0.4cm3，优选至少约4cm3，更优选至少约14cm3，最优选至少约25cm3。
过滤器20还包括可与其它过滤系统联合使用的过滤材料28，其它过滤系统包括反渗透系统、紫外光系统、离子交换系统、电解水系统和其它本领域技术人员已知的水处理系统。
过滤器20还包含过滤材料28，其中过滤材料28包含一种或多种过滤颗粒(例如纤维、颗粒等)。一种或多种过滤颗粒可为中孔隙，更优选为中孔隙碱性，最优选为中孔隙碱性还原氧，并具有前面所论述的特征。中孔隙、或中孔隙碱性、或中孔隙碱性还原氧活性炭过滤材料28可与形成于其它材料或材料组合的颗粒组合，其它材料或材料组合如活性炭粉末、活性炭颗粒、活性炭纤维、沸石、无机物(包括活性矾土、氧化镁、硅藻土、二氧化硅、混合氧化物如水滑石、玻璃等)、阳离子物质(包括聚合物如聚酰胺(polyaminoamides)、聚乙烯亚胺、聚乙烯胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚二甲基胺-环氧氯丙烷、聚六亚甲基缩二胍、可结合到纤维(包括聚乙烯、聚丙烯、乙烯马来酸酐共聚物、碳、玻璃等)的聚-[2-(2-乙氧基)-乙氧基乙基]-氯化胍)、和/或不规则形状的材料(包括碳、硅藻土、沙子、玻璃、粘土等)以及它们的混合物。可使中孔隙碱性活性炭与之结合的过滤材料及过滤材料组合的实施例公开于引入本文以供参考的美国专利6,274,041、5,679,248，和同样引入本文以供参考的美国专利申请09/628,632。如前所述，过滤材料可以松散或互联的形式(如由聚合粘合剂或其它方式部分或全部粘合形成的整体结构)提供。
通过改变上述过滤颗粒的大小、形状、络合物形成、电荷、孔隙率、表面结构、官能团等可使过滤材料用于不同的用途(如用作预过滤器或后过滤器)。如刚刚描述的，过滤材料还可与其它材料混合以适用于特殊用途。不管过滤材料是否与其它材料混合，其均可用作松散床层、过滤块(包括引入本文以供参考的美国专利5,679,248所述的共挤出块)以及它们的混合物。可用于过滤材料的优选方法包括形成通过陶瓷-碳混合制造的过滤块(其中结合力来自于陶瓷制品的烘烤)、利用描述于引入本文以供参考的美国专利6,077,588中的无纺材料间的粉末、利用描述于引入本文以供参考的美国专利5,928,588中的湿强度方法、使形成过滤块的树脂粘合剂活化(其引入本文以供参考)、或者通过描述于PCT申请系列WO 98/43796的电阻加热方法。
V.过滤器实施例实施例3包含中孔隙碱性活性炭颗粒的过滤器将购自位于Covington，VA的MeadWestvaco Corp.的约18.3gNucharRGC中孔隙碱性活性炭粉末(Dv，0.5等于约45μ)与购自位于Cincinnati，OH的Equistar Chemicals，Inc.的约7g Microthene低密度聚乙烯(LDPE)FN510-00粘合剂以及购自位于Norcross，GA的Select，Inc.的约2g Alusil70硅铝酸盐粉末混合。然后将混合粉末倒入一圆形铝制模具中，该模具内径约3in.(约7.62cm)，深度约0.5in.(约1.27cm)。将模具密封并放置于具有滚筒的加热压力机内，在温度约204℃下保持1小时。然后，将模具冷却至室温、打开，并移除轴流式过滤器。该过滤器的特征为正面区域约45.6cm2；过滤深度约1.27cm；过滤器总体积约58mL；过滤器孔隙率(对大于约0.1μm的孔)约0.43；和过滤材料孔体积(对大于约0.1μm的孔)约25mL(由压汞法测得)。如下面测试步骤中所述将过滤器放置于Teflon外壳内。当流速为约200mL/分钟时，对大约最初2,000个过滤器孔体积，该过滤器的压力降为约17psi(约1.2bar，0.12MPa)。F-BLR、F-VLR、η和α的数值示于第VI节。
实施例4包含微孔隙碱性活性炭颗粒的过滤器将约26.2g椰子微孔隙碱性活性炭粉末(Dv.0.5等于约92μ)与购自位于Cincinnati，OH的Equistar Chemicals，Inc.的7g Microthene低密度聚乙烯(LDPE)FN510-00粘合剂，以及购自位于Norcross，GA的Selecto，Inc.的约2g Alusil70硅铝酸盐粉末混合。然后将混合粉末倒入一圆形铝制模具中，该模具内径约3in.(约7.62cm)，深度约0.5in.(约1.27cm)。将模具密封并放置于具有滚筒的加热压力机内，在温度约204℃下保持1小时。然后，将模具冷却至室温、打开，并移除轴流式过滤器。该过滤器的特征为正面区域约45.6cm2；过滤深度约1.27cm；过滤器总体积约58mL；过滤器孔隙率(对大于约0.1μm的孔)约0.44；过滤材料孔体积(对大于约0.1μm的孔)约25.5mL(由压汞法测得)。如下面测试步骤中所述将过滤器放置于Teflon外壳内。当流速为约200mL/分钟时，对大约最初2,000个过滤器孔体积，该过滤器的压力降为约17psi(约1.2bar，约0.12MPa)。F-BLR、F-VLR、η和α的数值示于第VI节。
VI.测试及计算步骤以下测试步骤用于计算本文所述的BET、零电荷点、BRI/BLRI、VRI/VLRI、本体氧重量百分比、氧化还原电位(ORP)、F-BLR和F-VLR值。本文还描述了用于单捕集率、过滤系数、平均流体驻留时间和F-BLR值的计算步骤。
虽然测量BRI/BLRI值和VRI/VLRI值针对含水介质，但是无需限定本发明中过滤材料的最终使用，尽管BRI/BLRI值和VRI/VLRI值对于含水介质计算，但过滤材料可最终与其它流体如前所述一起使用。而且，以下所选择以说明测试步骤使用的过滤材料并不限制本发明中的加工和/或过滤材料组成的范围，也不限制使用该测试步骤时可评估本发明中所使用的过滤材料种类。
BET测试步骤利用氮吸附技术(如描述于ASTM D 4820-99中的技术，其内容引入本文以供参考)用位于Miami，FL的Coulter Corp.制造的CoulterSA3100系列表面积和孔径分析仪在约77K下进行多点氮吸附来测量BET比表面积和孔体积分布。该方法还可得到微孔、中孔和大孔体积。对于实施例1中的TA4-CA-10过滤颗粒，BET区域为约1,038m2/g，微孔体积为约0.43mL/g，中孔与大孔体积之和为约0.48mL/g。对于实施例2中的THe4-RGC过滤颗粒，BET区域为约2,031m2/g，微孔体积为约0.81mL/g，中孔与大孔体积之和为约0.68mL/g。注意原料CA-10和RGC的各自值为分别为约1,309m2/g、约0.54mL/g、约0.67mL/g；和约1,745m2/g、约0.70mL/g、约0.61mL/g。实施例1和2中过滤材料的典型BET氮等温线和中孔体积分布分别示于图1a和1b中。如本领域所知，应认识到可由其它仪器替代进行BET测量。
零电荷点测试步骤由试剂级别KCl与水可制备约0.010M的KCl水溶液，水在氩气中新蒸馏而得。用于蒸馏的水利用连续反渗透和离子交换进行去离子处理。将约25.0mL体积的KCl水溶液分装至六个约125mL的烧瓶中，每一烧瓶配有24/40磨砂玻璃塞。每一烧瓶中加入微升量的标准含水HCl或NaOH溶液，使其初始pH值范围介于约2和约12之间。然后利用Orion 420A型pH计记录每一烧瓶的pH值，该pH计带有Orion 9107BN型三极管组合pH/ATC电极，其由位于Beverly，MA的Thermo Orion Inc.制造，该pH值称为“初始pH值”。将约0.0750±0.0010g活性炭颗粒加入六个烧瓶中的每一烧瓶中，在记录“最终pH值”之前，对室温下封塞约24小时的含水悬浮液进行搅拌(速度为约150rpm)。图3a显示利用CA-10和TA4-CA-10活性炭材料试验测得的最初和最终pH值，图3b显示利用RGC和The4-RGC活性炭材料试验测得的最初和最终pH值。CA-10、TA4-CA-10、RGC和THe4-RGC的零电荷点分别为约5.0、约9.7、约8.8和约8.6。如本领域所知，应认识到可由其它仪器替代进行该测试步骤。
BRI/BLRI测试步骤使用位于Richmomd，VA的Phipps & Bird，Inc.制造的PB-900TMProgrammable JarTester测试装置，该装置带有2个或多个Pyrex玻璃烧杯(由测试材料数量决定)。烧杯的直径为约11.4cm(约4.5″)，高度为约15.3cm(约6″)。每个烧杯包含约500mL受大肠杆菌微生物污染的市政供应的脱氯自来水和以约60rpm速度旋转的搅棒。该搅棒为不锈钢叶片，其长度为约7.6cm(约3″)，高度为约2.54cm(约1″)，厚度为约0.24cm(约3/32″)。将搅棒放置在距烧杯底约0.5cm(约3/16″)处。第一烧杯不包含任何过滤材料，并用作对照，其它烧杯包含足量的过滤材料，其Sauter平均直径小于约55μm，使得烧杯中材料的总几何外表面积为约1400cm2。该Sauter平均直径由以下方法得到a)筛分出具有宽尺寸分布和高Sauter平均直径的样本；或b)利用本领域的技术人员熟知的减缩尺寸技术，减小过滤颗粒(如，若过滤颗粒尺寸大于约55μm，或若过滤材料为集成或粘合形式)的尺寸。例如，但不作为限制，减缩尺寸技术包括压碎、研磨和碾磨。用于减缩尺寸的典型设备包括颚式粉碎机、回转破碎机、滚压碎机、粉碎机、重型冲挤式研磨、中型碾磨机和液能研磨机，如离心喷射器、对冲型射流器或带有砧的喷射器。尺寸减缩可用于松散或粘合的过滤颗粒。在进行测试之前，应除去任一过滤颗粒或过滤材料中的生物杀灭剂涂层。可供选择地，测试中可以无涂层过滤颗粒替代。
在将过滤颗粒加入烧杯中之后，在不同时间从每个烧杯收集每个体积约5mL的水的复制样本用于分析，直至包含过滤颗粒的烧杯中达到平衡。典型的抽样时间为约0、约2、约4和约6小时。也可以使用本领域所知的其它设备来代替。
使用的大肠杆菌为ATCC# 25922，由位于Rockville，MD的American Type Culture Collection(美国物种培养集合)提供。将对照烧杯中的目标大肠杆菌浓度设定为约3.7×109CFU/L。可利用膜过滤技术按照位于Washington，DC的American Public Health Association(APHA)出版的“Standard Processes for the Examination of Waterand Wastewater”第20版中所述的#9222方法对大肠杆菌进行化验，其内容引入本文以供参考。检测极限(LOD)为约1×103CFU/L。
实施例1和2中过滤材料的示例性BRI/BLRI结果示于图5a和图5b中。CA-10中孔隙酸性活性炭材料的量为约0.75g，TA40-CA-10中孔隙碱性还原氧活性炭材料的量为约0.89g。RGC中孔隙碱性活性炭材料的量为约0.28g，THe4-RGC中孔隙碱性还原氧活性炭材料的量为约0.33g。所有四个量对应约1,400cm2的外表面积。图5a中对照烧杯内的大肠杆菌浓度为约3.7×109CFU/L，图5b中则为约3.2×109CFU/L。包含CA-10、TA4-CA-10、RGC和THe4-RGC样本的烧杯内的大肠杆菌浓度在约6小时内达到平衡，它们的值分别为约2.1×106CFU/L、约1.5×104CFU/L、约3.4×106CFU/L和约1.2×106CFU/L。然后，各自的BRI值计算为约99.94％、约99.9996％、约99.91％和约99.97％，各自的BLRI值计算为约3.2log、约5.4log、约3.0log和约3.5log。
VRI/VIRI的测试步骤所采用的测试设备和测试步骤与测定BRI/BLRI值时相同。第一烧杯不包含过滤材料，并作为对照，其它烧杯包含足量过滤材料，材料的Sauter平均直径小于约55μm，使得烧杯中总几何外表面积为约1400cm2。在进行测试之前，应除去任一过滤颗粒或过滤材料中的生物杀灭剂涂层。可供选择地，测试中可以无涂层过滤颗粒或过滤材料替代。
使用的MS-2细菌噬菌体为ATCC# 15597B，由位于Rockville，MD的American Type Culture Collection(美国物种培养集合)提供。对照烧杯中的目标MS-2浓度设定为约2.07×109PFU/L。可以按照C.J.Hurst在Appl.Environ.Microbiol.，第60卷(第9期)，第3462页(1994年)中所述的步骤进行MS-2化验，其内容引入本文以供参考。也可以采用本领域所知的其它化验方法来代替。检测极限(LOD)为约1×103PFU/L。
实施例1和2中过滤材料的示例性VRI/VLRI结果示于图6a和图6b中。CA-10中孔隙酸性活性炭材料的量为约0.75g，TA40-CA-10中孔隙碱性还原氧活性炭材料的量为约0.89g。RGC中孔隙碱性活性炭材料的量为约0.28g，THe4-RGC中孔隙碱性还原氧活性炭材料的量为约0.33g。所有四个量对应约1,400cm2的外表面积。图6a中对照烧杯内的MS-2浓度为约6.7×107PFU/L，图6b中则为约8.0×107PFU/L。包含CA-10、TA4-CA-10、RGC和THe4-RGC样本的烧杯内的MS-2浓度在6小时内达到平衡，它们的值分别为约4.1×104PFU/L、约1×103PFU/L、约3×103PFU/L和小于约1.0×103PFU/L(检测极限)。然后，各自的VRI值计算为约99.94％、约99.999％、约99.996％和大于约99.999％，各自的VLRI值计算为约3.2log、约5log、约4.4log和大于约5log。
本体氧重量百分比测试步骤利用PerkinElmer的型号为240的Elemental Analyzer(OxygenModification；PerkinElmer，Inc.；Wellesley，MA)测量本体氧重量百分比。该技术是基于在镀铂碳上约1000℃时氦气流中样本的高温分解。碳样本在真空炉内干燥过夜，温度为约100℃。如本领域所知，应认识到可由其它仪器替代进行该测试步骤。过滤材料CA-10、TA4-CA-10、RGC和THe4-RGC的示例性本体氧重量百分比数值分别为约8.3％、约1.1％、约2.3％和约0.8％。
氧化还原电位(ORP)测试步骤利用购自Orion Research，Inc.(Beverly，MA)的型号为96-78-00的铂氧化还原电极测量氧化还原电位(ORP)，并遵循ASTM标准D1498-93。该步骤涉及约0.2g碳在约80mL自来水中的悬浮液，并在轻微搅拌约5分钟后读取电极读数，单位为mV。如本领域所知，应认识到可由其它仪器替代进行该测试步骤。过滤材料CA-10、TA4-CA-10、RGC和THe4-RGC的示例性氧化还原电位(ORP)值分别为约427mV、约285mV、约317mV和约310mV。
F-BIR测试步骤具有中孔隙碳的轴流式过滤器的外壳由Teflon制成，并且是由2部分即封盖和基座组成。两部分的外径均为约12.71cm(约5″)，内径均为约7.623cm(约3″)。用O形环(约7.623cm(约3″)的内径和约0.318cm(约1/8″)的厚度)压应力封接将封盖反向安置于基座内。用约0.159cm(约1/16″)的NPT管螺纹将入口和出口软管有勾槽连接器串到封盖和基座内。将约1.27cm(约″)厚乘约6.99cm(约 ″)外径的不锈钢分流器(在上游侧具有约0.482cm(约3/16″)的孔和下游侧具有约6个筛孔的筛网)反向安置于外壳的封盖内。分流器的作用是将入口流分布在过滤器的所有正面上。外壳的封盖和基座相互啮合使得存在压应力封接，从而将过滤器密封在外壳内。利用四个约0.635(约″)的扣件将封盖和基座结合在一起。
将过滤器安装在外壳内，被约1×108CFU/L的大肠杆菌污染过的水以约200mL/分钟的流速流经该过滤器。流入的水总量可为约2,000过滤材料孔体积或更多。使用的大肠杆菌为ATCC# 25922，由Rockville，MD的American Type Culture Collection(美国物种培养集合)提供。可利用膜过滤技术按照位于Washington，DC的American Public HealthAssociation(APHA)出版的“Standard Processes for theExamination of Water and Wastewater”第20版中所述的#9222方法对大肠杆菌进行化验，其内容引入本文以供参考。也可以采用本领域所知的其它化验方法来代替(如COLILERT)。当用膜过滤技术测量时，检测极限(LOD)为约1×102CFU/L，当用COLILERTO技术测量时则为约10CFU/L。当水流过约最初2,000个过滤材料孔体积后，将流出水收集并化验以对存在的大肠杆菌细菌计数，并利用定义计算F-BLR值。
对实施例3和实施例4的轴流式过滤器，用于计算F-BLR值的示例性结果示于图7a中。用于图7a中的流速为约200mL/分钟，大肠杆菌的流入浓度在约1×108和约1×109CFU/L之间变化。每周(每周二)用约20L的量检验过滤器，并如上所述对流出水进行化验。RGC过滤器的平均流体驻留时间为约7.5s，而椰子过滤器的为约7.65s。实施例3中RGC过滤器的F-BLR值计算为约6.8log。对实施例4中的椰子过滤器，流出水的收集停留在约40L(其相当于约1,570个过滤材料孔隙体积)，这是因为在该水体积处过滤器显示出几乎完全的穿透。在约1,570个过滤材料孔隙体积时，F-BLR值计算为约1.9log。
F-VIR测试步骤具有中孔隙碳的轴流式过滤器的外壳与上面F-BLR步骤中所述相同。用约1×107PFU/L MS-2污染过的水流经外壳/过滤器系统，流速为约200mL/分钟。流入的水总量为约2,000个过滤材料孔体积或更多。使用的MS-2细菌噬菌体为ATCC# 15597B，由Rockville，MD的AmericanType Culture Collection(美国物种培养集合)提供。可以按照C.J.Hurst的Appl.Environ.Microbiol.，第60卷(第9期)，第3462页(1994年)中所述的程序进行MS-2化验，其内容引入本文以供参考。也可以采用本领域所知的其它化验方法来替代。检测极限(LOD)为1×103PFU/L。当水流过约最初2,000个过滤材料孔体积后，将流出水收集并化验以对存在的MS-2细菌噬菌体计数，并利用定义计算F-VLR值。
对实施例3和实施例4的轴流式过滤器，用于计算F-VLR值的示例性结果示于图7b中。用于图7b中的流速为约200mL/分钟，MS-2的流入浓度在约1×107PFU/L附近变化。每周(每周二)用约20L的量检验过滤器，并如上所述对流出水进行化验。实施例3中RGC过滤器的F-VLR值计算为大于约4.2log。对实施例4中的椰子过滤器，流出水的收集停留在约40L(其相当于约1,570个过滤材料孔体积)，这是因为在该水体积处过滤器显示出几乎完全的穿透。在约1,570个过滤材料孔体积时，F-BLR值计算为约0.3log。
单捕集率、过滤系数、平均流体驻留时间和F-BLR值的计算步骤利用公式4计算过滤器的单捕集率，无量纲数描述于该公式后。使用以下参数对实施例3中的轴流式RGC过滤器进行示例性计算ε＝0.43，dm，＝1μm，dc＝45μm，H＝10-20J，ρm，＝1.058g/mL，ρf＝1.0g/mL，μ＝1mPa·s，T＝298K，水流速Q＝200mL/分钟，过滤器直径D＝7.623cm，U＝0.0007m/s，给定η＝0.01864。参数相同且α＝1，过滤系数可根据公式2计算为λ＝354.2m-1。此外，相同过滤器的F-BLR值可根据公式3计算为约1.95log。使用与上面相同的参数对实施例4中的椰子过滤器进行类似的示例性计算，给定η＝0.00717和λ＝65.5m-1。最后，相同过滤器的F-BLR值可根据公式3计算为约0.36log。
本发明可附加包括信息，该信息将通过文字和/或图画告知消费者使用本发明的碳过滤颗粒和/或过滤材料将提供包括除去微生物的有益效果，且该信息可包括优越于其它过滤产品的权利要求。在高度所需的变化中，该信息可包括利用本发明使纳米尺寸的微生物含量减少。因此，使用印有信息的包装很重要，该信息将通过文字和/或通过图画告知消费者利用本发明将提供如本文所述的诸如饮用水、更适合饮用水等有益效果。该信息可包括如在所有普通媒体里的广告以及包装上或过滤器本身上的说明和图标来告知消费者。
本发明对实施方案的选择和描述用以对本发明的原理及其实际应用提供最佳举例说明，从而使本领域普通技术人员能够在各种实施方案中使用本发明，并且在为适应具体应用而设想进行各种修改。当依照公平、合法、平等的原则对所授权的外延进行解释时，所有这些修改和改变均在本发明的附加权利要求书中限定的范围之内。
权利要求
1.一种制造过滤材料的方法，所述方法包括以下步骤(a)提供第一材料，其中所述第一材料包括多个中孔隙活性炭过滤颗粒；和(b)处理所述第一材料以制备第二材料，所述第二材料包括多个中孔隙活性炭过滤颗粒，其中所述第二材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒的本体氧重量百分比小于约5％。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述处理步骤(b)包括将所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒暴露于约600℃和约1,200℃之间的温度下。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第二材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒的零电荷点大于约6。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第二材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒的氧化还原电位(ORP)小于约400mV。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第二材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒的本体氧重量百分比小于约2％。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括插入步骤(c)，所述插入步骤(c)由插入所述第二材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒至过滤器外壳内组成，所述外壳具有水入口和水出口。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第二材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒的BRI值大于约99％。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述第二材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒的VRI值大于约90％。
9.一种制造过滤材料的方法，所述方法包括以下步骤(a)提供第一材料，其中所述第一材料包括多个中孔隙活性炭过滤颗粒；和(b)处理所述第一材料以制备第二材料，所述第二材料包括多个中孔隙活性炭过滤颗粒，其中所述第二材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒的本体氧重量百分比小于约2.3％。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述处理步骤(b)包括处理气氛，所述处理气氛选自氢、解离氨、一氧化碳、氩、氮、蒸汽、氦以及它们的混合物。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述处理步骤(b)包括介于约600℃和约1,200℃之间的温度。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述处理步骤(b)包括介于约100℃和约800℃之间的温度，并且其中所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒包含贵金属催化剂。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述第二材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒的零电荷点介于约9和约12之间。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述第二材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒的氧化还原电位(ORP)介于约290mV和约175mV之间。
15.如权利要求9所述的方法，其中所述第二材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒的本体氧重量百分比介于约1.2％和约0.1％之间。
16.一种制造过滤材料的方法，所述方法包括以下步骤(a)提供原料；(b)处理所述原料以制备第一材料，所述第一材料包括多个中孔隙活性炭过滤颗粒；和(c)处理所述第一材料以制备第二材料，所述第二材料包括多个中孔隙活性炭过滤颗粒，其中所述第二材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒的本体氧重量百分比小于约5％。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述原料至少部分包括木基颗粒、煤基颗粒、泥煤基颗粒、沥青基颗粒、焦油基颗粒、豆基颗粒、其它木质纤维基颗粒以及它们的混合物，其中所述处理步骤(b)包括将所述原料暴露于约300℃和约600℃之间的温度下，其中所述处理步骤(c)包括将所述第一材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒暴露于600℃和约1200℃之间的温度下。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述方法还包括在所述处理步骤(c)之前洗涤所述第一材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述处理步骤(b)包括暴露所述原料约1小时至约3小时的时间，其中所述处理步骤(c)包括暴露所述第一材料的所述多个中孔隙活性炭过滤颗粒约1小时至约6小时的时间。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述处理步骤(b)包括酸的存在，所述酸选自磷酸、氯化锌、磷酸铵以及它们的混合物。
21.一种制造过滤材料的方法，所述方法包括以下步骤(a)提供第一材料，其中所述第一材料包括多个中孔隙活性炭过滤颗粒；和(b)处理所述第一材料以制备第二材料，所述第二材料包括多个中孔隙碱性活性炭过滤颗粒，其中所述第二材料的所述多个中孔隙碱性活性炭过滤颗粒的本体氧重量百分比小于约2.3％，中孔和大孔体积之和大于约0.6mL/g，零电荷点大于约8，氧化还原电位(ORP)小于约325mV，BRI值大于约99.9％，并且VRI值大于约99.99％。
全文摘要
本发明提供水过滤材料的制造方法。该方法包括以下步骤提供多个中孔隙活性炭颗粒，并处理所述多个中孔隙活性炭颗粒以制备多个本体氧重量百分比小于约2.3％的中孔隙活性炭颗粒。
文档编号B01D39/20GK1741965SQ03825946
公开日2006年3月1日 申请日期2003年2月21日 优先权日2003年2月21日
发明者M·D·米切尔, D·I·科里亚斯, D·W·比约克奎斯特, P·N·扎弗里, M·M·沃利, T·J·韦麦尔 申请人:宝洁公司