分离器的制造方法

分离器的制造方法
【专利摘要】分离器，所述分离器用于从水和一种或多种组分的混合物或从极性液体和一种或多种组分的混合物中分离所述一种或多种组分，所述组分选自颗粒材料、疏水材料、非极性材料、微生物或病毒，所述分离器包括金属氢氧化物水合物的层。
【专利说明】
分离器
技术领域
[0001] 本发明涉及分离器。在一个方面，本发明涉及用于从水或水溶液或从水混溶液体 中分离颗粒物质和/或疏水材料的分离器。在另一个方面，本发明涉及用于从水或水溶液或 从水混溶液体中分离颗粒物质和/或疏水材料的方法。
【背景技术】
[0002] 许多不同的工业中需要从水或水溶液中分离固体，例如颗粒材料。为了从水中分 离固体，已经开发了大量不同的技术。这些技术包括过滤、沉降、沉积、澄清、增稠、旋风分离 等。
[0003] 过滤涉及使水(例如污染水）穿过过滤介质。过滤介质可以包含微细材料(例如砂 或硅藻土)的床或饼。水中的大于过滤介质的颗粒之间的孔隙空间的颗粒捕获在过滤介质 内并且从水中除去。水穿过过滤介质并且通常被回收。然而，水中的小于过滤介质的颗粒之 间的孔隙空间的颗粒穿过过滤介质并且未从水中除去。
[0004] 随着过滤器的连续使用，过滤介质开始变得被从水中保留的颗粒填充和堵塞。在 过滤介质上开始形成颗粒饼，并且颗粒饼还用于从水中过滤额外颗粒。随着水过滤的连续， 过滤介质上的颗粒饼的厚度增加。
[0005] 最后，过滤器变得被颗粒堵塞并且需要清理。清理通常涉及反冲洗布置，其中高压 水以相反方向穿过过滤介质从而从过滤器中除去保留的颗粒。
[0006] 传统过滤器通常允许非常微细的颗粒和微生物穿过过滤器使得从过滤器回收的 水仍然包含非常微细的颗粒和微生物。在许多情况下，这造成水在使用之前需要进一步的 处理。例如，在饮用水的情况下，显然非常不希望水中存在微生物。因此，经过滤的水一般经 受加氯步骤从而杀灭水中的微生物。
[0007] 为了除去微生物(例如细菌和病毒），还有可能使水穿过纳米孔膜。尽管这些纳米 孔膜非常有效地除去微生物，它们的安装昂贵并且通常需要较大压降才能实现合理的流 速。因此，纳米孔膜未在饮用水源的处理中得到广泛使用。
[0008] 在从水或水溶液中分离疏水材料(特别是疏水液体)时也存在困难。就此而言，困 难的具体示例是在清理游轮中的原油或燃油泄漏时遭遇的困难。游轮中的原油和炼油泄漏 事故造成阿拉斯加州、墨西哥湾、加拉巴哥群岛和许多其它地方的自然生态系统的重大损 害。例如，由于1979年墨西哥湾的Ixtoc I Explorer勘探钻井平台的爆炸导致的漏油造成 向环境中释放三百万桶油。泄漏影响了260km的美国海岸。由于2010年Deepwater Horizon II钻探平台的爆炸导致的漏油造成向墨西哥湾释放四百九十万桶油。再次出现巨大的环境 损害。
[0009] 目前使用大量技术尝试清理漏油。这些技术包括生物修复、受控燃烧、施加分散 剂、撇沫和离心分离。然而，这些技术各自存在一个或多个困难。生物修复需要较长时间才 能起作用并且不能除去所有漏油。燃烧仅减少油的量并且不能在多风条件下进行。其还造 成空气污染。分散剂是毒性的并且增加毒性烃的水平并且杀灭鱼卵。撇沫的过程中始终需 要使水平静。离心分离不能分离所有的油并且通常一定量的油保留在从离心分离回收的水 中。美国法规限制了可以送回海洋的水中的油量，这限制了离心分离的有用性。此外，目前 用于清洁漏油的技术的成本极高。
[0010] 其它液体材料通常希望分离成多个组分部分，使得可以回收高价组分部分或者可 以减小待运输的组分部分的体积，或者可以形成更长寿命的产品。例如，通过从牛奶中蒸发 水由牛奶制备奶粉。分离需要加热牛奶，由于通过暴露于热造成的焦糖化，这可能造成奶粉 具有蒸煮味。由于加热也可能损失牛奶中的许多有价值的营养物。乳清可能由于加热而变 性。高温(例如与巴氏灭菌相关的高于72°C的持续高温)使得乳清蛋白变性。在加热过程中 也可能损失一些维生素、矿物质和有益菌。在乳品工业中使用喷雾干燥和超滤从而产生奶 粉并且回收牛奶蛋白。然而，由于需要高于，这两种方法具有高的资本成本和操作成本。
[0011] 其它液体产品也可能包含高价组分。例如，保健食品市场庞大并且迅速扩大。仅举 一个示例，类胡萝卜素全球市场目前达到14亿美元/年。从天然来源中提取高价产品例如β_ 胡萝卜素非常困难。为了该目的使用昂贵过程，例如超临界二氧化碳提取。这些过程昂贵并 且不容易扩大规模。可能也需要从天然来源或人造混合物中提取其它有价值的组分从而提 供用于药物工业或化妆品和美容工业的组分。同样地，这些组分可能难以分离。
[0012] 本说明书中对任何现有技术的引用不被视为承认或以任何形式暗示所述现有技 术形成公知常识的一部分。

【发明内容】

[0013] 本发明提供用于从液体中分离组分或微生物的低成本和高效的分离器和方法。
[0014] 在第一方面，本发明提供分离器，所述分离器用于从水和一种或多种组分的混合 物或从极性液体和一种或多种组分的混合物中分离所述一种或多种组分，所述组分选自颗 粒材料、疏水材料、非极性材料、微生物或病毒，所述分离器包括金属氢氧化物水合物的层。
[0015] 在第二方面，本发明提供方法，所述方法用于从水和一种或多种组分的混合物或 从极性液体和一种或多种组分的混合物中分离所述一种或多种组分，所述组分选自颗粒材 料、疏水材料、微生物或病毒，所述方法包括使来自混合物中的水或极性液体穿过金属氢氧 化物水合物的层同时使所述一种或多种组分保留在金属氢氧化物水合物的层上。
[0016] 在一个实施方案中，金属氢氧化物水合物包括氢氧化铝水合物。在另一个实施方 案中，金属氢氧化物水合物可以选自氢氧化镁、氢氧化锌、氢氧化锰、氢氧化钴和氢氧化镍 的水合物的一种或多种。
[0017] 在一些实施方案中，通过在水中或在水溶液中产生金属氢氧化物因此形成金属氢 氧化物水合物从而制备金属氢氧化物水合物。本发明人发现原位产生金属氢氧化物水合物 造成实现非常有效的分离。
[0018] 在一些实施方案中，通过将两种或更多种反应物混合在一起因此形成金属氢氧化 物水合物从而制备金属氢氧化物水合物。在一些实施方案中，通过将两种或更多种反应溶 液混合在一起因此形成金属氢氧化物水合物从而制备金属氢氧化物水合物。
[0019] 在其它实施方案中，通过电解形成金属氢氧化物水合物。
[0020] 本发明的分离器包括金属氢氧化物水合物的层。可以通过多孔保持器保持金属氢 氧化物水合物的层。多孔保持器用于保持金属氢氧化物水合物层同时还允许液体穿过。多 孔保持器可以包括织物、纺织材料、小孔材料、具有一个或多个洞或孔的固体材料、多孔陶 瓷材料等。对多孔保持器的唯一的要求是(a)其不与金属氢氧化物水合物不利地反应；（b) 其不与来自混合物的极性液体或水或水溶液不利地反应;和(c)孔不能太大使得金属氢氧 化物水合物可以穿过其中。多孔保持器合适地设置在金属氢氧化物水合物层的下游（贯穿 本说明书，根据液体在使用过程中的一般流动方向确定术语"下游"和"上游"）。
[0021] 在一个实施方案中，多孔保持器可以包括土工织物。
[0022] 在一些实施方案中，分离器可以包括入口和出口，混合物可以通过所述入口进入 分离器，穿过氢氧化物水合物的层的水或极性液体可以通过所述出口离开分离器。
[0023]将理解分离器被构造成液体必须穿过金属氢氧化物水合物的层之后才能离开分 离器。通过这种方式，只有穿过金属氢氧化物水合物的层的液体可以离开分离器。通过这种 方式，不能穿过金属氢氧化物水合物的层的组分不能随着穿过分离器的水或极性液体离开 分离器，因此保证水或极性液体与一种或多种组分的分离。
[0024] 本发明人出人意料地发现金属氢氧化物水合物的层非常有效地分离水或极性液 体与一种或多种组分。然而，分离器不从水或极性液体中分离溶解在水或极性液体中的材 料。发现溶解的材料随着极性液体中的水穿过分离器。例如，如果混合物包含与一种或多种 组分混合的盐溶液，溶解的盐将随着水(盐溶解于水)穿过分离器。
[0025] 在一些实施方案中，混合物包含水溶液和一种或多种组分的混合物。
[0026] 在一些实施方案中，保持器设置在金属氢氧化物水合物的层的上方或上游。保持 器可以包括织物、纺织材料、小孔材料、其中具有一个或多个洞或孔的固体材料、多孔陶瓷 材料、网状材料等。设置在金属氢氧化物水合物的层的上游或顶部的保持器可以避免在层 的顶部加入混合物的过程中的层的毁坏。位于顶部的保持器还可以用于提供分离层，所述 分离层从金属氢氧化物水合物的层分离保留的材料。在希望回收保留的材料的情况下（例 如如果分离器用于从混合物中分离有价值的组分），这可以允许从金属氢氧化物水合物的 层容易地除去保留的组分。在其它实施方案中，上游保持器可以允许分离器反冲洗而在反 冲洗步骤的过程中不会损失金属氢氧化物水合物的层。在其它实施方案中，可以翻转或倒 转设置在两个保持器之间的金属氢氧化物水合物层从而允许滤液进一步流过其中从而清 理积累的材料。
[0027] 在本发明的优选的实施方案中，金属氢氧化物水合物的层为金属氢氧化物水合物 凝胶的层的形式。金属氢氧化物水合物凝胶可以包括厚/稠凝胶或薄/稀凝胶。
[0028]金属氢氧化物水合物的层可以具有任何希望的厚度。本发明人证实金属氢氧化物 水合物的层可以薄至1微米并且仍然产生良好结果。金属氢氧化物水合物的层可以具有1微 米至1米或更大，或1微米至50cm，或1微米至30cm或更大，或1微米至10cm，或1微米至5cm，或 1微米至IOmm，或1微米至5mm，或1微米至Imm的厚度。本发明人发现滤液通过金属氢氧化物 水合物的层的流速随着金属氢氧化物水合物的层的厚度的减小而增加。金属氢氧化物水合 物的层可以具有1微米，或5微米，或10微米，或50微米，或100微米，或250微米，或500微米或 Imm的最小厚度。
[0029]希望地，金属氢氧化物水合物的层包括连续的金属氢氧化物水合物的层。设置所 述连续的层意味着很可能避免通过金属氢氧化物水合物的层的短路、绕过或开槽，因此保 证所有滤液穿过金属氢氧化物水合物的层。
[0030] 不希望受限于理论，本发明人相信本发明的分离器的操作模式相当不同于过滤器 的操作。金属氢氧化物水合物和特别是金属氢氧化物水合物凝胶包含金属氢氧化物分子， 所述金属氢氧化物分子在氢氧化物分子的网络之间捕获许多水分子。然而，相信水分子不 强烈结合至氢氧化物分子。水分子极小并且具有18g/mol的极低分子量和约2.75 A的极小 分子直径。
[0031] 图1显示了氢氧化铝水合物的分子结构的假想模型。当水合物干燥时转化成硬质 晶体形状而非金属氢氧化物粉末的事实进一步支持该假想。氢氧化铝的分子用附图标记 "a"显示。水分子（图1中的"b"和"c"）连接至氢氧化铝分子的正电荷和负电荷。因此，水分子 不强烈结合至氢氧化铝分子，并且可以容易和自然地离开氢氧化铝水合物。因此，本发明人 相信水可以容易地穿过氢氧化铝水合物的层而无需真空或压力，而其它次微米和纳米或皮 米尺寸的杂质(例如藻类、细菌、真菌、病毒、孢子和其它小型单细胞或多细胞生物体和颗粒 材料)不能穿过氢氧化铝水合物的层。施加至液体混合物的重力和/或压力帮助驱使水穿过 液体混合物。相信氢氧化错分子的电荷也是另一种驱动力。氢氧化错分子的电荷吸引水分 子接近氢氧化铝水合物的层的上表面。当水分子移动进入水合物的层时，层底部的水分子 被迫通过重力和/或上方水柱的压力和/或层底部的负压离开并且可以被回收。该循环继续 直至几乎没有水分子保留在金属氢氧化物水合物的层的顶部。金属氢氧化物水合物的层仅 允许水分子和其它极性分子穿过所述层。如果处于纳米或皮米范围（或更大），所有不容固 体颗粒被层捕获。溶解在水中的极性液体分子或极性分子(例如盐、糖和叶绿素)也穿过金 属氢氧化物水合物的层。然而，不溶于水的所有非极性液体烃(例如油、煤油和己烷)和其它 疏水化合物（即使部分溶于水;例如胡萝卜素)不能穿过水合物的层，因此保留在金属氢氧 化物水合物的层的顶部。
[0032] 在一些实施方案中，与水合物中的每个金属氢氧化物分子相关的水分子的数目可 以变化，因为随着时间的推移，水可以从水合物中自然分离或者水可以进入水合物。例如， 通过盐水电解制备的稀释的新鲜氢氧化铝水合物的每个氢氧化铝分子包含几乎约300个水 分子。然而，当用于从混合物中分离水时水合物的层被压缩并且水合物的层可以转变成乳 脂状凝胶状材料，该情况由于每个氢氧化铝分子的水分子数目减少而产生。还相信用于进 行金属氢氧化物水合物的条件可能影响与每个金属氢氧化物分子相关的水分子的数目。
[0033] 在一些实施方案中，金属氢氧化物水合物可以为凝胶形式。凝胶可以具有与稀霜 (例如稀面霜)相似的外观。当在表面上展开时(例在手指之间摩擦），凝胶感觉湿润，与稀霜 相似，但是之后水迅速蒸发而仅剩下金属氢氧化物。
[0034] 在一些实施方案中，金属氢氧化物水合物可以具有至少10个与每个金属氢氧化物 分子相关的水分子。优选地，金属氢氧化物水合物可以具有至少16个与每个金属氢氧化物 分子相关的水分子，更优选至少20个与每个金属氢氧化物分子相关的水分子，甚至更优选 至少30个与每个氢氧化物分子相关的水分子，甚至更优选30至400个与每个金属氢氧化物 分子相关的水分子，甚至更优选37至300个与每个金属氢氧化物分子相关的水分子，或37至 90个与每个金属氢氧化物分子相关的水分子。
[0035] 参考如下附图和实施例描述本发明的实施方案的其它特征。
[0036] 本文描述的任何特征可以与本文描述的一个或多个其它特征任意组合同时落入 本发明的范围内。
【附图说明】
[0037]图1显示了氢氧化铝水合物的分子结构的假想模型；
[0038]图2显示了实施例2中使用的分离系统的照片；
[0039]图3显示了细菌和真菌生长试验的照片，其中图3a显示了对布里斯班河水进行的 细菌生长试验，图3b显示了对从穿过氢氧化铝水合物的层的布里斯班河水回收的滤液进行 的细菌生长试验，图3c显示了对布里斯班河水进行的真菌生长试验，图3d显示了对从穿过 氢氧化铝水合物的层的布里斯班河水回收的滤液进行的真菌生长试验；
[0040] 图4显示了实施例4中陈述的实验的相对于时间的水高度变化和水高度变化速率 的曲线图；
[0041] 图5为显示氢氧化铝水合物凝胶的层和布里斯班河水过滤通过凝胶之后位于凝胶 顶部的分离固体的层的照片；
[0042]图6显示了并入根据本发明的实施方案的分离技术的水处理装置的可能设计的立 体图；
[0043]图7显示了图6中所示的水处理装置的侧视图；
[0044]图8显示了由实施例5获得的PCR结果；
[0045] 图9显示了在实施例7的实验运行结束时拍摄的照片；
[0046] 图10显示了牛奶穿过氢氧化铝水合物的层的过滤过程结束时拍摄的照片；
[0047] 图11显示了使用根据本发明的实施方案的水合物过滤从胡萝卜汁中分离β-胡萝卜 素和固体；
[0048]图12显示了使用根据本发明的实施方案的水合物过滤分离石榴汁色素；
[0049] 图13显示了使用根据本发明的实施方案的水合物过滤技术从水中分离的番茄汁 的番茄红素红色素；
[0050] 图14显示了使用根据本发明的实施方案的水合物过滤技术通过水合物过滤提取 和过滤的薄荷汁，其中甲醇和色素收集在凝胶的顶部；
[0051] 图14a显示了不施加压力过滤咖啡之后从金属氢氧化物水合物的层的顶部回收的 浓缩咖啡的照片；
[0052]图14B显示了压力过滤咖啡之后在金属氢氧化物水合物的层的顶部积累的浓缩咖 啡的照片；
[0053]图15显示了分离藻类细胞之后保留在水合物凝胶的顶部的藻类细胞的照片；
[0054]图15A显示了收集在氢氧化铝水合物过滤器顶部的来自水包油乳液的尼罗红染色 油的照片；
[0055] 图16显示了除去栅藻属藻类细胞之后的水合物凝胶的侧视图的照片；
[0056] 图17显示了使用根据本发明的一个实施方案的分离器的实验的滤液通量对压力 的曲线图；
[0057] 图18显示了不同金属氢氧化物水合物的自然非强制蒸发的曲线图；
[0058]图19A显示了使用40psig的施加压力和Imm的水合物厚度过滤布里斯班河水的滤 液体积对时间的曲线图；
[0059]图19B显示了使用40psig的施加压力和Imm的水合物厚度过滤布里斯班河水的滤 液通量对时间的曲线图；
[ΟΟ?Ο]图19C显示了使用40psig的施加压力和IOmm的水合物厚度过滤布里斯班河水的滤 液体积对时间的曲线图；
[0061 ]图19D显示了使用40psig的施加压力和IOmm的水合物厚度过滤布里斯班河水的滤 液通量对时间的曲线图；
[0062]图20A显示了本发明的一个实施方案中使用的过滤单元的底部部段的图；
[0063]图20B显示了具有密封在分离器容器中的烧结钛盘的图20A中所示的底部部段的 图；
[0064]图20C为显示在烧结钛盘上形成的厚度小于500微米的极薄水合物的层的照片； [0065]图20D为显示烧结钛盘的孔的显微镜照片(放大率X100);
[0066]图20E为显示通过图20A至20D中所示的分离器使用厚度小于500微米的水合物的 层过滤胡萝卜汁获得的渗余物的照片；
[0067]图21显示分离瓶部件的图，所述分离瓶部件可以用于制备适合产生用于紧急情况 的消毒水的设备；
[0068]图22显示了连接在一起用于正常使用的图17的瓶部件；
[0069]图23显示图18的瓶，其中顶部和底部拧开，顶部倒转然后连接至底部从而允许过 滤水并且将干净滤液收集在瓶的底部；
[0070] 图24显示了图17中所示的瓶的顶部的细节图，其中除去了盖子；
[0071] 图25显示了具有密封在可除去密封件下方的金属氢氧化物水合物凝胶的盖子的 细节；
[0072] 图26显示了根据本发明的任何实施方案的过滤单元的侧视图；
[0073] 图27显示了根据本发明的实施方案的基于水合物的分离器的基本设计；
[0074]图28显示了根据本发明的实施方案的替代性分离器设计的示意图；
[0075]图29显示了根据本发明的实施方案的另一个分离器设计的示意图；和 [0076]图30显示了根据本发明的实施方案的另一个分离器设计的示意图。 实施例
[0077]在如下实施例中，通过在水中或在水溶液中产生金属氢氧化物从而原位制备金属 氢氧化物水合物。金属氢氧化物水合物为凝胶的形式。在如下实施例中，术语"水合物凝 胶"、"凝胶"和相似术语与术语"金属氢氧化物水合物"可互换使用。在如下实施例描述中， 所有使用这些术语的情况应当被视为是引用用于从混合物中分离组分的金属氢氧化物水 合物的层。相似地，术语"过滤"、"水合物过滤体系"、"凝胶体系"、"凝胶过滤"和"凝胶过滤 体系"（和相似术语例如"过滤"和"分离"）用于表示使水或极性液体或水溶液穿过金属氢氧 化物水合物的层而其它组分(例如颗粒材料、藻类、细菌、真菌、病毒、非极性或疏水液体和 固体)被金属氢氧化物水合物的层保留。
[0078]实施例1-氢氧化铝水合物的制备
[0079]氢氧化铝为不溶于水并且分子量为78的无机非毒性化合物。每年生产超过一亿吨 氢氧化铝并且超过90%的氢氧化铝转化成氧化铝用于制备金属铝(大多数氢氧化铝使用拜 耳方法制备，所述氢氧化铝煅烧从而形成氧化铝然后转化成金属铝）。氢氧化铝用作制备其 它铝化合物(例如煅烧氧化铝、硫酸铝、聚合氯化铝、氯化铝、沸石、氯酸钠、活性氧化铝和硝 酸铝）的原料。
[0080] 可以使用铝电极和直流电流通过海水(具有通常在千分之30至70份(PPT)范围内 的盐度）的电解制备氢氧化铝。可以使用3至12V (优选9V)和1安培电流的直流电流。将理解 可以使用宽范围的条件。
[0081] 也可以通过混合硫酸铝（用于降低园艺土壤pH以及作为胃灼热的抗酸剂的盐）和 碳酸氢钠(小苏打)溶液制备氢氧化铝。硫酸铝和碳酸氢钠成本极低并且是非常无毒性的化 学试剂。将发生如下反应：
[0082] Al2(S〇4)3+6NaHC〇3^3Na2S〇4+2Al(OH)3+6C〇2(l)
[0083] 由于氢氧化铝在水溶液中形成，氢氧化铝水合物迅速形成。取决于用于形成氢氧 化铝的硫酸铝溶液和碳酸氢钠溶液的摩尔浓度(浓度），可以针对不同应用制备具有不同化 学式、浓度和厚度的水合物。例如，在20 °C下，硫酸铝和碳酸氢钠在IOOmL水中的溶解度分别 为36.4g和1.6g。因此，在20°C下，为了制备用于等式（1)的化学计量混合物并且使用饱和溶 液，在IOOmL水中混合36.4g硫酸错并且在560mL水中混合53.76g碳酸氢钠。向碳酸氢钠溶液 中加入硫酸错溶液将造成形成化学计量反应混合物，并且在反应结束时溶液中不剩余过量 的硫酸铝或碳酸氢钠。
[0084] 还有可能通过在高温下在水中混合反应物从而制备更厚/稠或更致密的氢氧化铝 水合物。例如，在1 〇〇 °C下，硫酸铝和碳酸氢钠在IOOmL水中的溶解度分别增加至89g和 23.6g。因此，在100 °C下，为了制备用于等式（1)的化学计量混合物，在I OOmL热水中混合89g 硫酸铵并且在555mL热水中混合130.98g碳酸氢钠(热水接近KKTC)。如果混合这些溶液，形 成更厚/稠氢氧化铝水合物。相比于在20°C下制备的水合物，该氢氧化铝水合物更为压缩并 且每个氢氧化铝分子具有更少的水分子。相比于在20°C下制备的氢氧化铝水合物，氢氧化 铝与水分子的比例更高，因此每个水分子上的氢氧化铝的电荷更高并且水分子的保留更 强。还有可能在加压加热反应器中混合成分从而增加成分的溶解度以制备极浓且高负载的 金属氢氧化物水合物。
[0085]本发明人进行的实验通过在20 °C和100 °C下混合硫酸铝溶液和碳酸氢钠溶液制备 氢氧化铝。在20°C(室温)下制备的氢氧化铝水合物具有大致为Al(OH)3x 90H20的化学式（即 每个氢氧化铝分子约90个水分子）。在100°C下制备的氢氧化铝水合物具有大致为Al (OH)3X 37H20的化学式（即每个氢氧化铝分子约37个水分子）。在该实验中，通过在冻干之前和之后 称重不同样品确定不同水合物化学式的水分子和氢氧化铝分子的数目。氢氧化铝水合物看 起来像是极轻的水霜并且其物理状态与冷香米布丁相似。其在接触时感觉像是接触水。 [0086]在如下实施例中，术语"普通水合物"或"普通凝胶"用于表示在20°C下形成的水合 物。术语"更厚/稠水合物"或"更厚/稠凝胶"用于表示接近100 °c形成的水合物。
[0087] 实施例2-水纯化
[0088] 全世界六个人中就有一个人不能获得净水。每年三百四十万人死于与水相关的疾 病，大多在发展中国家。目前通用的水纯化技术包括凝结和絮凝，之后是溶气浮选和砂滤、 加氯杀菌和污泥浓缩。这些常规技术生产高品质饮用水但是在资本成本和操作成本方面较 为昂贵。希望开发更廉价和更简单的水处理过程从而生产饮用水。
[0089] 使用硫酸铝和碳酸氢钠的溶液制备氢氧化铝水合物。氢氧化铝水合物保持在多孔 土工织物上。设置具有开放顶部和开放底部的玻璃壳体使得土工织物延伸穿过开放底部。 通过这种方式，氢氧化铝水合物的层设置在玻璃壳体的底部。收集烧杯设置在土工织物的 下方从而收集穿过氢氧化铝水合物的层的任何液体。
[0090]水取自布里斯班河。布里斯班河水非常浑浊并且包含大量的悬浮固体和胶质固 体。将布里斯班河水的样品倒入玻璃壳体并且水穿过氢氧化铝水合物的层。该水收集在收 集烧杯中。收集的水被称为"滤液"。滤液具有与蒸馏水相同的〇. 〇〇〇的测量的光学密度(在 450nm下）。这意味着几乎所有悬浮固体和微细颗粒有效地捕获在氢氧化铝水合物的层的顶 部。用于支撑氢氧化铝水合物的层的土工织物具有90微米的孔径(聚丙烯260gsm无纺土工 织物），并且为非常廉价的土工织物。然而，基于具体应用设计流速和保持介质需要的强度， 也可以使用其它介质或织物来支撑水合物的层。
[0091 ]实施例3-滤液上的细菌和真菌试验
[0092]在从根据实施例2中所述的方法处理布里斯班河水回收的滤液水上进行多个细菌 和真菌生长试验。这些试验表明布里斯班河水中的所有细菌和真菌被氢氧化铝水合物的层 捕获。为了评估使用该过程进行大规模饮用水纯化的可行性，还在布里斯班河水上进行管 试验。
[0093]为了评估该分离系统如何捕获细菌和真菌，使用不同的水合物配方进行多个LB细 菌和HM真菌试验。Lennox LB为用于大肠杆菌和细菌培养的高度参考的微生物生长介质。 该富含营养物的微生物培养基包含低盐配方的多肽、氨基酸、水溶性维生素和碳水化合物。 琼脂的加入提供了用于微生物生长的固体介质。LB介质通过在950mL去离子水中混合IOg胰 胨、5g酵母提取物、15g琼脂、IOg NaCl而制得。溶液在15psi和121°C下高压蒸汽处理20分 钟，冷却至55°C之后倒入培养皿，并且在+4°C下储存于冷暗空间。为了测量滤液中的真菌生 长，使用马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)介质。PDA为用于真菌培养的最广泛使用的介质。PDA介质 通过在IL纯化水中加入4g马铃薯提取物(200g马铃薯浸液）、20g葡萄糖和15g琼脂而制得。 溶液在121°C下高压蒸汽处理，冷却至55°C之后倒入培养皿，并且在+4 °C下储存于冷暗空 间。
[0094] 氢氧化铝水合物通过使用铝电极（或至少铝阳极）电解浓度为70PPT的海水(溶解 在IL蒸馏水中的70g NaCl)而制得。在电解过程中使用9V和1安培的直流电流。氢氧化铝水 合物还通过混合在室温(20 °C )下制备的硫酸铝和碳酸氢钠的饱和溶液而制得。将36.4g硫 酸铝混入IOOmL蒸馏水并且将53.76g碳酸氢钠混入560mL蒸馏水。将硫酸铝溶液逐渐加入碳 酸氢钠溶液。使混合溶液静置约2小时从而允许所有CO 2分子分离。在土工织物的顶部加入 基于反应的凝胶溶液并且用蒸馏水冲洗从而除去任何未反应的硫酸铝。每个实验使用20mL 的相同量的基于电解的氢氧化铝水合物和基于反应的氢氧化铝水合物。用于试验的简单的 过滤设备显示于图2。90微米无纺土工织物固定至直径为76mm的圆形塑料容器的底部。
[0095]浑浊的布里斯班河水取自接近昆士兰大学的布里斯班河。所有过滤设备在试验之 前进行高压蒸汽处理和冷却。为了避免交叉污染，所有试验在层流下进行。在土工织物的顶 部加入氢氧化铝水合物的层并且在水合物凝胶的顶部加入布里斯班河水。前50mL滤液不收 集从而允许除去水合物中已经存在的水分子。向每个LB和TOA板加入相同体积（100微升）的 过滤之前和过滤之后的布里斯班河水。将LB板放入培养箱24小时，用铝箱包覆TOA板并且在 室中静置一周。
[0096] 所有试验结果表明滤液水中没有细菌和真菌生长。因此，滤液被氢氧化铝水合物 的层完全消毒。图3显示了在通过由电解制得的氢氧化铝水合物过滤之前和之后布里斯班 河水的LB细菌和HM真菌试验结果。24小时之后，过滤之前的水（图3a)观察到数百细菌菌落 的生长，而滤液（图3b)未出现细菌菌落的生长。一周之后在TOA真菌试验板上观察到相似的 结果。过滤之前的布里斯班河水（图3c)出现一些真菌生长，但是滤液（图3d)未出现真菌生 长并且所有真菌被该系统捕获。因此，布里斯班河水中的所有悬浮固体和细菌和真菌被捕 获并且在氢氧化铝水合物过滤之后在所有试验中未观察到细菌菌落或真菌生长。因此，认 为水通过穿过氢氧化铝水合物的均质层而被完全消毒。
[0097] 通过使布里斯班河水穿过通过硫酸铝和碳酸氢钠的溶液之间的反应制得的氢氧 化铝水合物的层进行相似试验。获得相似结果，当将滤液水施加至培养皿时，介质上未观察 到细菌和真菌生长的迹象。
[0098] 从氢氧化铝水合物的层的上方除去布里斯班河水的上清液并且进行细菌试验，细 菌在LB板上形成菌落。这证实氢氧化铝水合物未杀灭细菌。相反，由于滤液中未检测到细 菌，氢氧化铝水合物的层避免细菌穿过所述层。
[0099] 这些试验表明所有细菌和真菌被氢氧化铝水合物的层捕获。穿过所述层的水被有 效消毒。因此，使布里斯班河水穿过氢氧化铝水合物的层不仅分离了水中的所有悬浮固体 而且捕获了所有微生物。滤液为净水。无需进一步的处理(例如加氯）。
[0100]对比实施例
[0101 ]在通过在高温下迅速混合氢氧化铝粉末和水制得的过滤介质过滤的布里斯班河 水上进行多个LB和PDA试验。不形成凝胶。不同于通过电解或反应原位形成氢氧化铝水合物 的层的情况，水未被消毒并且滤液中仍然存在一些可培养细菌。
[0102 ]实施例4-水合物凝胶过滤中的水柱的压力的影响(大规模计算(管试验））
[0103] 该实验使用一个带有刻度的PVC管，所述PVC管具有平行安装的透明管从而测量水 柱的高度。管具有150cm的高度和0.00567m 2(56.7cm2)的横截面积。使用90微米聚丙烯 260gsm无纺土工织物作为水合物的层的支撑过滤介质。记录水柱高度每降低10厘米的时 间。还随着时间测量滤液的光学密度(OD)。用不同配方和不同厚度的水合物层和不同高度 和不同河水浑浊度进行多个不同的试验。
[0104] 该实验使用已经储存多于6个月（从而证明其不随时间劣化）的200mL水合物凝胶 (基于电解和基于反应）。随着时间的水高度变化和水高度变化速率显示于图4。还计算了每 个部段的流速和通量。这些数据可以用于放大计算。使用布里斯班河水样品以不同浑浊度 进行试验。河水OD从低浑浊度水(0D 450nm 0.120)至高浑浊度(0D 450nm0.550)无论河水 的浑浊度和水柱的高度如何，滤液水始终清澈，450nm下的OD为0.000。成功结果还证实了凝 胶不随着长时间而劣化，并且只要在水中在湿润非干燥条件下即可工作。
[0105] 使用凝胶层过滤10个样品之后，尽管由于悬浮固体在凝胶上的积累导致流速略微 降低，未出现阻塞并且分离系统仍然工作。所有悬浮固体(例如微小土壤或木质颗粒和淤 泥)收集和压缩在凝胶的顶部并且形成厚/稠的褐色糊料(参见图5)。在图5中，白色层包括 氢氧化铝水合物凝胶的层而顶部的褐色层包括从河水中除去的悬浮固体和颗粒材料。水处 理装置具有污泥增稠单元用于污泥脱水从而易于运输。该厚/稠的脱水污泥还证实使用该 方法使得未来的基于本发明的大规模水处理装置无需污泥增稠单元。市售水处理装置可以 使用厚（例如1米厚或甚至更厚）的金属氢氧化物层。可以通过从层顶部铲掉或刮掉积聚的 材料从而清理该层。其它应用中也可以使用厚的金属氢氧化物水合物的层。
[0106] 图4显示即使使用厚(5cm深度）的水合物凝胶层，滤液流速仍然相当快。随着水柱 高度的增加，压力和滤液流速增加。由于柱高度的减小和降低的水头压力，流速随时间减 小。平均柱高度每小时减小13cm。使用该技术可以纯化约3136L/(d.m 2)的河水而无任何能 量输入。因此，该技术可以容易地以单步水纯化和杀菌过程的形式用于各种应用尺寸。该技 术可以实现农村和偏远地区的小规模水处理。该技术还可以用于大规模城市水处理。该技 术可以将常规的过度复杂和昂贵的水处理过程简化成简单的单步过程。可以使用简单的沉 降槽或相似区室（例如具有小的表面面积从而易于操作并且具有低凝胶消耗的漏斗状塔） 代替目前复杂的水处理装置。
[0107] 对于使用根据本发明的水合物过滤的水纯化来说，可以使用从简单的桶至使用真 空或转鼓过滤器的更复杂的过滤设备的各种不同的结构。例如，一个简单的桶可以解决发 展中国家的大家庭的安全饮用水问题。水合物凝胶可以保持在两种织物或过滤介质之间。 底部的小孔径织物保持凝胶而顶部的大孔径织物(为了避免堵塞和阻塞)保持悬浮固体和 污染物并且避免凝胶层在填充过程中破裂。从另一个相似桶剪切的环可以将顶部织物装配 在系统中。
[0108] 使用该技术，能够将多个水处理阶段简化成一个阶段。与水处理装置的常规沉降 澄清器相似的简单概念的设计显示于图6。随着水高度的增加，流速也增加，因此需要更小 表面面积的水合物凝胶。有可能将沉降槽分离地设置在水合物凝胶过滤单元的上游从而分 离自然沉积的土壤颗粒、淤泥和相似的固体颗粒。然而，也有可能将所有阶段封装在一个阶 段中，如图6中所示。中间部段13为水合物凝胶过滤部段。水处理可以连续进行或每日分批 循环进行。首先，使用管12将水合物凝胶栗入中间部段。然后使用管11栗入水。一些固体随 着时间沉积。由于该沉降澄清器倾斜或使用常规橡胶滚轴15(其在旋转运动中收集沉积的 污泥），通过污泥管14除去可沉降固体。相似的橡胶滚轴系统可以收集积累在水合物过滤部 段顶部的悬浮固体。图6的水处理装置的侧视图显示于图7。
[0109] 可以基于水合物过滤技术建立具有不同的分批、半连续或连续系统的不同尺寸的 该简单水纯化系统。也可以设计不同的沉积固体除去系统(例如连续或周期性橡胶滚轴或 手动除去或在凝胶顶部放置织物或相似介质）。还可以设计从数十万升至数百万升的不同 尺寸的水处理装置。例如，对于约314百万升的自然(无抽吸和/或压力）日常过滤(这对城市 日常消耗来说是足够的）来说，可以设计直径为200m并且高度为IOm的沉降槽。其还可以与 常规水处理系统组合使用。其可以作为用于消毒和澄清的最终阶段从而除去水中残留的任 何痕量的悬浮固体和细菌、病毒和病原体。由于一些病原体耐氯，相比于氯杀菌的水，使用 该技术的最终杀菌产物可以更安全饮用。
[0110] 实施例5-通过水合物过滤捕获病毒
[0111] 全世界一半的医院床位占用由缺乏安全饮用水而造成。不安全的水是88%的全球 腹泻情况的原因并且90%的五岁以下儿童的死亡由腹泻病造成。病毒是人类水传播和水相 关疾病的主要原因。水传播疾病通过被人类和动物的包含致病微生物的尿液和粪便污染的 水造成。人类可能通过接触或消耗污染水而感染。
[0112] 对于地表水(来自湖、河或储水池的水)的处理，凝结、絮凝和沉降和常规的过滤过 程主要除去泥土、大颗粒和悬浮固体。这解释了为什么需要氯杀菌的最后步骤。然而，许多 水传播的病原体耐氯并且在常规水处理装置的纯化水中定期发现。这些耐氯病原体包含可 能造成肝炎、肠胃炎、隐孢子虫病和军团病的大量病毒、寄生虫和细菌。因此，实质上需要寻 找更有效并且问题更少的水杀菌过程。仅允许水分子穿过的水合物凝胶过滤是从水中除去 病原体的新型潜在过程。
[0113] 为了观察水合物凝胶是否可以捕获病毒，在水中加入噬菌体并且进行聚合酶链反 应(PCR)以放大滤液中的任何病毒从而观察滤液中是否出现任何痕量的病毒。
[0114] 在20mL蒸馏水中加入3yL Ml3K07辅助噬菌体病毒（来自NEB Biolabs)并且混合并 且加至更厚/稠水合物凝胶(在100 °C下制得)的顶部。基于M13K07的DNA序列，设计正向引物 和反向引物。
[0115] 这些试验使用Phusion PCR。通过混合7.2yL水、4yL 5*HF缓冲液、1.6yL dNTPs、2y L正向引物、2yL反向引物和0.2yL Phusion聚合酶(Thermo Scientific)制备主混合物。将3 yL每种样品加入主混合物并且倒入PCR管并且置入PCR机器。Phusion PCR程序为98°C下 3〇8，之后是35个周期（98°(：下1〇8、65°(：下3〇8，和72°(：下3〇8)和72°(：下10分钟，16°(：下延长 时间。
[0116] PCR之后，使用凝胶电泳进行尺寸分离和DNA分析。该实验使用包含溴化乙锭的厚/ 稠(2 % w/v)的琼脂糖凝胶。向每个PCR管中加入4yL负载染料。在琼脂糖凝胶孔中加入5yL宽 范围DNA梯和IOyL每种样品。凝胶在IOOV下经受琼脂糖凝胶电泳达15分钟。电泳之后，将凝 胶放置在紫外线上用于DNA可视化。图8显示了结果。
[0117] PCR结果（图8)表明滤液中没有痕量的病毒DNA，而对照样表明噬菌体DNA容易放 大。图8.1显示了宽范围DNA梯。图8.2、图8.9、图8.11显示了对照样(无过滤）中的放大的噬 菌体DNA。其它列（图8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.10)包含的不同滤液样品未显示痕量的 噬菌体DNA放大。图8.2为过滤液体对照样(3yL噬菌体溶液+20mL水）。在过滤时间内将其保 持在冰上而不用于过滤。图8.9为在过滤过程中保持在室温（25°C)下的相同的对照样。图 8.11为通过在Phusion PCR主混合物（17yL)中加入3yL噬菌体溶液制备的另一个高浓度噬 菌体对照样。
[0118] 这些结果证实均质水合物凝胶可以捕获病毒。因此，水合物过滤不仅捕获细菌、真 菌和大型微生物，而且使用该技术也捕获约IOnm的小型病毒(例如噬菌体）。因此，相比于常 规水处理系统，可以捕获病原体，造成滤液水被完全消毒并且可以安全饮用。因此，该技术 可以用作除去所有悬浮固体和致病微生物的新型单步水处理系统。可以使用该过程代替常 规的有问题和有毒性的氯杀菌。
[0119] 实施例6:漏油(从游轮至环境的原油释放）
[0120] 游轮中的原油和炼油泄漏事故损坏了阿拉斯加州、墨西哥湾、加拉巴哥群岛、法国 和许多其它地方的自然生态系统。例如，仅一次漏油事故(Ixtoc I)向环境释放了三百万桶 油并且影响了 260km的美国海岸。其对环境造成不能挽回的长期负面影响。
[0121] 目前解决该问题的技术(例如生物修复、受控燃烧、分散剂、撇沫和离心分离)并不 有效。此外，目前技术的成本极高。例如，仅清理1979年的一次事故(Ixtoc I漏油)就耗费了 一亿美元。
[0122] 相比于用于清理漏油的常规技术，根据本发明的水合物过滤技术的成本极低。所 述技术可以在不同船舶上实施并且处理的水可以直接栗入海洋，而从水中分离的油可以收 集在储存槽中。也可以设计用于该系统的特定船舶。水合物过滤器可以打破油水乳液，因此 除去漏油。因此，不同于离心分离过程，使用本发明的技术获得的滤液水可以栗入海洋。该 技术还回收油，这是相比于其它常规方案(例如生物修复、燃烧和分散剂)的主要优点。基于 增加的用油量和漏油量，该技术的潜在市场容量可观。其还具有保护环境、挽救珍贵沿海地 区和保护旅游业和渔业和食品工业的其它间接的有形和无形益处。此外，全世界数千个化 学精炼厂、石油化学精炼厂和炼油厂以及船港可以使用该技术来处理其漏油问题。
[0123] 该实验使用通过在100°C下混合硫酸铝和碳酸氢钠的化学计量的饱和溶液制得的 更厚/稠水合物凝胶。将30mL该水合物凝胶加入多孔土工织物的顶部并且放置在具有开放 顶部和开放底部的容器中。剧烈搅拌50mL of Shell Helix HX3 20-50车用机油与水(50% 油+50%水)从而形成部分水包油乳液。将所得油水混合物加入水合物凝胶的顶部并且允许 过滤。
[0124] 水合物凝胶过滤器分离水乳液中的油并且分离的油相保留在凝胶的顶部。滤液为 没有油滴迹象的净水。即使在过程结束24小时之后，没有油滴穿过水合过滤器，并且所有的 油保留在凝胶顶部。结果还证实了水合物过滤理论，其中仅水分子或小的极性分子可以穿 过而其它非极性无水液体(例如水和烃)不能穿过水合物过滤器。因此，该技术可以用于解 决许多工业中的油水问题和漏油问题。例如，其也可以用于炼油厂和化学工厂和石油化学 工厂从而从水中分离油或者从非极性油中分离极性油。使用普通水合物凝胶(在20°C下制 得）以及当使用其它水包油乳液(例如使牛奶脱脂或从油质微藻中分离脂质体;实施例9和 12)时观察到相似的结果。
[0125] 实施例7:基于极性的分离
[0126] 根据本发明的水合物凝胶过滤器不允许非水溶性的非极性液体穿过。因此，由于 大多数液体烃为非极性的并且不溶于水，它们可以通过水合物过滤捕获。该技术的一种应 用是从喷气燃料(其为煤油）中除去水。使用目前的技术不能从喷气燃料中除去所有的水。 喷气燃料中的水是严重问题并且存在一些事故，例如由于喷气燃料中的水冻结而造成的英 国航空38号班机坠毁。本发明的分离系统可以从喷气燃料中除去最后一滴水。使用该技术， 可以基于相对极性从水中分离多种其它液体。
[0127] 该实验使用通过混合硫酸铝和碳酸氢钠的化学计量的饱和溶液制得的更厚/稠水 合物凝胶(在l〇〇°C下制得）。将30mL该更厚/稠凝胶加入过滤设备的顶部。水合物凝胶支撑 在土工织物上。将IOOmL煤油(包含蓝色素）和水的混合物(剧烈混合的50 %煤油和50 %水） 加入水合物凝胶过滤器的顶部。实验结束时在底部收集净水并且没有任何煤油迹象，而所 有煤油捕获在水合物凝胶的顶部。即使在24小时之后也没有煤油穿过水合物凝胶。图9显示 了在实验运行结束时拍摄的照片。在图9中，可以看到底部的净水并且可以看到保留在水合 物凝胶的层的上方的蓝色煤油层。
[0128] 实施例8-极性液体的穿过
[0129] 为了证实极性水溶性液体穿过水合物凝胶，使用无水极性液体进行其它实验。尽 管叶绿素为具有疏水尾部区域的化合物，其也具有极性亲水头部基团并且为水溶性的。将 IOOmL叶绿素加入50mL更厚/稠水合物凝胶(接近100°C制得）的顶部。该试验中使用与之前 实验中使用的相同的过滤设备。叶绿素分子如预期地穿过水合物凝胶。
[0130]己烷为非极性无色烃液体，因此应该不穿过水合物过滤器。混合己烷和水并且加 入水合物凝胶的顶部。由于己烷在通风橱下非常迅速地蒸发，过滤设备的顶部部段用铝箱、 封口胶带和保鲜膜密封。与煤油实验相似，水分子穿过水合物过滤器但是己烷分子不能穿 过水合物并且保留在水合物层上。将过滤设备长时间放置在通风橱下，但是即使在一周之 后仍然没有己烷液滴穿过水合物过滤器。使用普通氢氧化铝水合物凝胶(在20°C下制得)观 察到相似结果。
[0131]这些实验也证实了作为本发明的基础的水合物过滤理论。因此，有可能基于相对 极性和分子电荷分离不同的烃和化学试剂。不溶于水的非极性组分(例如烃和煤油)不能穿 过水合物过滤器但是极性水溶性组分(例如叶绿素）穿过过滤器。基于使用不同的化学试剂 作为液体水合物和不同配方和厚度的水合物的水合物过滤器的这些性质，可以开拓建立新 型化学炼油厂和化学工厂的可行性。
[0132] 煤油和己烷即使在长时间之后也不穿过水合物凝胶过滤器的事实证实了该技术 也可以用于水/烃分离单元，或烃储存器。可以设计特定的烃储存器并且可以将水合物凝胶 设置在储存器的底部。应当从储存槽的底部除去所有的水。
[0133] 实施例9:乳品和牛奶加工工业(制备奶粉和作为副产物的乳清蛋白）
[0134] 许多人定期消耗牛奶、奶酪和其它乳制品。每年生产超过两千万公吨的奶酪。全世 界许多人还使用乳清蛋白。乳清蛋白市场增长迅速，在2005-2008年之间，市场价值增加高 达24%达到38亿美元。本发明有潜力广泛用于乳品工业。在制备奶酪和制备作为副产物的 乳清蛋白之前，其可用于牛奶的浓缩。
[0135] 通过目前的蒸发和加热干燥(例如转鼓干燥)制得的奶粉由于暴露于热造成的焦 糖化而具有蒸煮味。由于加热也可能损失牛奶中的许多有价值的营养物。乳清也可能由于 加热而变性。高温(例如与巴氏灭菌过程相关的高于72°C的持续高温)使得乳清蛋白变性。 例如，由于灭菌过程中的加热，可能损失一些维生素、矿物质和有益菌(或益生菌）（维生素 Bl和维生素 B12减少10%，维生素 C减少20%)。常规奶粉生产商使用蒸发器然后喷至加热室 进行干燥。将牛奶以膜形式施加至加热鼓的表面，然后刮掉干燥的牛奶固体。该过程造成不 希望的蒸煮味并且可能损失牛奶中的许多营养物。超滤是乳品工业中使用的新型技术，但 是与该昂贵技术相关的极高的资本成本和操作成本阻碍了该技术的广泛使用。由于需要高 压，其还具有非常高的操作成本。然而，使用根据本发明的实施方案的水合物过滤仅需要非 常简单的设备并且无需高压和能量输入。其可能仅需要极低压力或中等压力。液体柱的自 然压力可能足以产生这些低压力或中等压力。相比于使用超滤过程制备的奶酪，通过传统 奶酪制备过程制备的奶酪具有较低品质。冻干保存了奶粉的易腐材料。然而，由于冷冻和真 空过程使用的高电力和极高的设备成本和维修成本，该过程对于大规模应用来说非常昂 贵。
[0136] 使用根据本发明的实施方案的水合物过滤处理的牛奶产品是极厚/稠的乳脂状糊 料，其可以使用简单的自然空气干燥利用未加热强迫空气或日光干燥容易地干燥。因此，通 过水合物过滤制备的奶粉不具有如同目前市场上销售的常规奶粉的令人不悦的蒸煮味。相 比于常规过程，通过该过程和超滤制备的乳制品具有更好的保健品质，因为其保持了产品 中的热敏组分。与水合物过滤相似，超滤技术制备高品质产品。然而，超滤技术非常昂贵并 且不能在小型工厂和偏远农场实施，而根据本发明的简单的水合物过滤系统可以以极低成 本在各地实施而无需昂贵设备。
[0137] 在该实验中，使用通过混合硫酸铝和碳酸氢钠的化学计量的饱和溶液制得的更 厚/稠水合物凝胶(接近100°c制得）。将30mL该厚/稠凝胶加入过滤设备的顶部。通过根据本 发明的水合物过滤器过滤150mL半脱脂牛奶。
[0138] 图10显示了在过滤过程结束时拍摄的照片。相比于过滤之前的牛奶，滤液水更清 澈。浓缩牛奶固体和脂肪捕获在水合物凝胶的顶部。使用普通水合物凝胶(在20°C下制得） 观察到相似结果。
[0139] 牛奶的水合物凝胶过滤证实了水合物凝胶可以打破水包油乳液并且从牛奶中分 离油。获得与牛奶超滤相似的结果而无需任何极高的设备成本和过程成本。捕获在水合物 凝胶顶部的牛奶固体和脂肪的浓缩糊料可以使用常规非加热干燥过程(例如强迫空气风扇 干燥)容易地转化成奶粉。这造成不同于目前市场上的奶粉的新型更高品质的奶粉，不具有 由于在加热转鼓干燥过程中暴露于热造成的焦糖化而令人不悦的蒸煮味。
[0140] 由于乳清蛋白为水溶性的因此穿过水合物过滤器，滤液具有乳清蛋白。通过干燥 滤液(使用常规干燥过程例如喷雾干燥)制备乳清蛋白。乳清蛋白可以作为有价值的副产物 销售。
[0141] 实施例10:提取天然高价产物和色素(例如β-胡萝卜素）
[0142] 本发明提供基于极性和水溶性从天然来源中分离高价产物的新型低成本过程。保 健食品市场庞大并且增长迅速。例如，类胡萝卜素全球市场为14亿美元/年。从天然来源中提 取高价产品例如胡萝卜素非常困难。可以使用本发明的技术制备不同的新型药物产品（例 如药品和保健产品和美容产品）。化妆品工业也是大型商业并且目前产生1700亿美元的估 计年营业额。可以由使用本发明的技术获得的成分制备各种不同的新型化妆品（例如护肤 霜、乳液、粉末、香水、唇膏和天然源彩妆腮红）。相比于基于石油的化妆品，相信这些产品具 有更好的保健和营养护肤效果。
[0143] 在该实施例中，使用通过混合硫酸铝和碳酸氢钠的化学计量的饱和溶液制得的更 厚/稠水合物凝胶(接近l〇〇°C制得）。如同之前的试验，使用30mL的该厚/稠凝胶将其加入相 同过滤设备的顶部。将IOOmL胡萝卜汁、石榴汁、番茄汁和薄荷汁加入凝胶顶部并且允许过 滤。
[0144] 图11显示了使用水合物过滤从胡萝卜汁中分离包含β-胡萝卜素的固体。β-胡萝卜素 的有机色素捕获在水合物凝胶的顶部。胡萝卜素为非极性分子并且因此不能穿过水合物 过滤器。常规分离技术(例如离心分离)不能从胡萝卜汁中分离胡萝卜素;高温蒸发胡萝卜汁 使胡萝卜素分子变性并且产生胶状材料。
[0145] 水合物过滤也分离石榴汁色素（图12)。番茄红素是在番茄和其它红色水果和植物 (例如红萝卜、红柿子椒、西瓜、gac和木瓜）（但是不包括草莓）中发现的另一种有价值的亮红 色类胡萝卜色素。番茄红素分子为非极性的因此不能穿过水合物过滤器并且在过滤之后收 集在水合物凝胶的顶部。使用水合物过滤技术也容易从水中分离番茄汁的番茄红素红色素 (参见图13)。已经表明番茄红素也有利于皮肤健康、紫外线防护、皮肤癌预防并且充当抗老 化和抗皱纹的试剂。番茄红素片剂是昂贵的（30个片剂约50美元）。在通过过滤不同的富含 番茄红素的汁液(例如番茄或西瓜)分离番茄红素之后，可以制备各种不同的化妆品，例如 抗老化或抗皱纹的霜、肥皂、沐浴露和香波，或牙膏。许多常规彩妆品和化妆品涉及健康危 害。使用水合物过滤，可以制备许多天然成分的彩妆品，例如腮红和唇膏。可以特别制备这 些高价彩妆品用于奢侈品市场。浓缩番茄汁也可以进行空气干燥并且以番茄红素片剂的形 式销售。
[0146] 薄荷脑是可以使用该技术提取的另一种不溶性有机化合物。薄荷脑供不应求并且 具有包括口香糖和糖果产品的较大市场。通过水合物过滤提取和过滤薄荷汁。薄荷脑和其 它色素收集在凝胶顶部(图14)。使用普通水合物凝胶(在20°C下制得)观察到相似结果。
[0147] 也试验大量其它产品。在一个实验中，从红辣椒汁中分离辣椒素。粉碎红辣椒并且 根据本发明分离和过滤红色汁液。将50mL红辣椒汁加入水合物凝胶的顶部并且允许过滤。 这造成从红辣椒汁中分离包含辣椒素的固体。滤液清澈而无任何红色素的迹象。红色素不 能渗透进入水合物的深度并且全部浓缩在水合物层的顶部。
[0148] 使用水合物过滤器分离西瓜汁。将50mL西瓜汁加入水合物凝胶的顶部并且允许过 滤。这造成从西瓜汁中分离包含番茄红素的固体。相似地，滤液清澈而无任何红色素的迹 象。红色素不能渗透进入水合物的深度并且全部浓缩在水合物层的顶部。
[0149] 杏是另一种富含类胡萝卜素的水果。使用水合物过滤器分离/浓缩杏汁。将50mL杏 汁加入凝胶的顶部并且允许过滤。这造成从杏汁中分离包含β-胡萝卜素的固体。相似地，滤 液清澈而无任何黄色素的迹象。黄色素不能渗透进入水合物的深度并且全部浓缩在水合物 层的顶部。
[0150] 木瓜是另一种富含β_胡萝卜素和番茄红素的水果。使用水合物过滤器浓缩/分离木 瓜汁。将50mL木瓜汁加入凝胶的顶部并且允许过滤。这造成从木瓜汁中分离包含β-胡萝卜素 和番茄红素的胶状固体。相似地，滤液清澈而无任何色素的迹象。色素不能渗透进入水合物 的深度并且全部浓缩在水合物层的顶部。
[0151] 芒果是另一种富含β-胡萝卜素的水果。使用水合物过滤器浓缩/分离芒果汁。将 50mL芒果汁加入凝胶的顶部并且允许过滤。这造成从芒果汁中分离包含β-胡萝卜素的固体。 相似地，滤液清澈而无任何黄色素的迹象。黄色素不能渗透进入水合物的深度并且全部浓 缩在水合物层的顶部。
[0152] 哈密瓜是另一种富含β-胡萝卜素的水果。使用水合物过滤器分离/浓缩哈密瓜汁。 将50mL哈密瓜汁加入凝胶的顶部并且允许过滤。这造成从哈密瓜汁中分离包含β-胡萝卜素 的固体。相似地，滤液清澈而无任何黄色素的迹象。黄色素不能渗透进入水合物的深度并且 全部浓缩在水合物层的顶部。
[0153] 使用水合物过滤器浓缩/分离百香果汁。将50mL百香果汁加入凝胶的顶部并且允 许过滤。这造成从百香果汁中分离包含胡萝卜素的固体。相似地，滤液清澈而无任何黄色 素的迹象。黄色素不能渗透进入水合物的深度并且全部浓缩在水合物层的顶部。
[0154] 使用水合物过滤器分离/浓缩番石榴汁。将50mL番石榴汁加入凝胶的顶部并且允 许过滤。浓缩的番石榴汁收集在水合物凝胶层的顶部。相似地，滤液清澈而无任何色素的迹 象。色素不能渗透进入水合物的深度并且全部浓缩在水合物层的顶部。
[0155] 还获得桃枝、梨汁、油桃汁和苹果汁的相似的成功的分离/浓缩。
[0156] 来自花、叶和植物的其它部分的提取色素、疏水性组分和药物
[0157] 有可能使用该技术从大量植物及其部分(例如其叶和花）中提取有价值的化合物、 色素、药物和甚至是类胡萝卜素。例如，使用该技术提取Tipuanatipu树的花的黄色素。从昆 士兰大学的花园收集Tipuanatipu树的花。用件粉碎并且通过加入少量水从叶中分离黄色 汁液。首先使用小孔织物过滤50mL提取的黄色液体，然后加入凝胶(在IOOtC下制得的更厚/ 稠水合物凝胶)顶部并且允许过滤。造成黄色素的分离。相似地，滤液清澈而无任何黄色素 的迹象。黄色素不能渗透进入水合物的深度并且全部浓缩在水合物层的顶部。
[0158] 咖啡浓缩
[0159] 咖啡中的大多数香料是疏水的。因此，其不能穿过水合物过滤器。因此，水合物过 滤器可以用于咖啡过滤。从过滤器顶部回收的浓缩咖啡包含有价值的咖啡油、酚类化合物 和大多数香料。使用水合物过滤器获得的浓缩咖啡是粘性材料。可以将其加入热水或冷水 从而制备咖啡饮品。其富含天然抗氧化剂和酚类化合物。该糊料可以用作食品或化妆品。其 可以用作用于制备各种新型食品、保健食品和美容品或化妆品的基础，例如咖啡早餐涂抹 酱(与Nutella?巧克力涂抹酱相似）、美容霜、保湿霜、防晒霜、洗手液、沐浴露、剃须泡沫、 美黑喷雾和香波。其可以容易地干燥从而制备与Nescafe?.相似的物质。该干燥的浓缩咖 啡可以作为与Nescafe?相似的速溶咖啡销售。
[0160] 其也可以由咖啡残渣制得。咖啡残渣在温水或热水中浸泡从而允许分离剩余的 油、疏水香料和酚类化合物和抗氧化剂化合物。在一个实验中，在沉积数小时之后，从沉积 固体中成功分离15L液体。将液体加入使用底部装配有土工织物的桶制成的水合物过滤设 备的顶部并且允许过滤。为了容易操作和分离浓缩咖啡，在水合物层的顶部放置滤纸，水合 物沉积之后形成水合物层。因此，在过程结束时，浓缩咖啡积累在纸上并且可以通过铲掉或 其它相似的收集方法容易地收集。图14A显示了从水合物层的顶部回收的咖啡浓缩物的照 片。相似地，最终产品可以用于制备各种食品或化妆品。例如，加入不同剂量的浓缩咖啡残 渣并且混合至不同的无香味粉底霜、沐浴露、洗手液或用于制备化妆品的其它无香味化妆 品配方和不同的化妆品。相比于常规石油基化妆品，最终产品具有现磨咖啡的香味和气味 以及各种保健益处。通过这种方式制得的化妆品在极长时间之后非常稳定并且没有发生霉 菌和细菌生长。由于肥皂、沐浴露、美容霜配方保存了浓缩咖啡，数月之后仍然具有现磨咖 啡的气味。
[0161]无压力咖啡浓缩缓慢进行过夜。然而，施加压力可以使得分离过程更快。将500mL 厚/稠水合物凝胶(在100 °C下制得)加入1500mL水中并且将溶液加入由Amdel公司制造的横 截面积为〇.〇1887m2的死端矿物加工实验室压力过滤单元。15分钟之后当溶液中的水合物 颗粒沉积时，在水合物层的顶部放置滤纸。测得水合物层的厚度为l〇mm。然后加入从咖啡残 渣中分离的500mL液体咖啡并且施加40psi的压力。约45分钟之后过程完成，所有疏水组分 积累并且容易地从滤纸顶部铲掉。图14B显示了在金属氢氧化物水合物的层的顶部积累的 浓缩咖啡的照片。计算平均通量为1586.97(mL/min.m 2)。
[0162] 基于本发明的技术可以生产来自天然来源的各种新产品，例如天然色素、保健食 品添加剂和新型护肤美容霜。还有可能从天然来源中提取和发现新组分。使用该技术还可 以制备其它新型浓缩食品。例如，用于制备番茄酱的常规过程使用高温，高温破坏多种保健 营养物和维生素。在使用水合物过滤技术制备的新型番茄酱中，保存了热敏维生素和营养 物。
[0163] 为了显示本发明的益处，胡萝卜汁以4000rpm离心分离10分钟（10,000x g)，没有观 察到β-胡萝卜色素的除去。因此，以这些速度离心分离不能从胡萝卜汁中分离有机β-胡萝卜色 素。通过离心分离其它汁液(例如石榴和番茄)观察到相似结果。胡萝卜汁也放置在干燥箱 (65°C)中从而蒸发水。然而加热使有机β-胡萝卜色素劣化并且β-胡萝卜色素变性成胶状粘性 物质。因此，根据本发明的水合物过滤技术似乎是用于浓缩汁液并且从不同的天然来源和 汁液中分离胡萝卜素和其它色素的唯一的低成本且简单的技术。
[0164] 实施例11:质粒DNA过滤
[0165] 为了确定溶于水的长链分子是否可以穿过水合物过滤，该实验使用长度为约 3000bp的质粒DNA。水合物过滤凝胶捕获非极性非水溶性分子，例如β-胡萝卜素。但是水溶性 无机分子(例如盐、糖和叶绿素）穿过水合物凝胶过滤器。该实验评估水合物凝胶是否可以 捕获长链可溶性分子，例如DNA。将质粒加入水中并且进行聚合酶链反应(PCR)试验从而放 大滤液中的质粒以观察是否有任何痕量的质粒DNA可以从滤液中放大或者是否有任何质粒 穿过水合物凝胶过滤器。
[0166] 该实验使用包含拟南芥HVA22d基因的质粒pGreen。使用GFP引物作为正向引物，并 且使用HVA22d基因引物作为反向引物。将70yL质粒（IygAiL)加入50mL蒸馏水的Falcon管并 且混合。使用与之前实验相同的过滤设备。将混合物加入厚/稠凝胶(接近l〇〇°C制得）的顶 部并且允许过滤。随着时间收集六个不同的滤液样品。还将两种无过滤的对照样加入PCR样 品。
[0167] 这些试验再次使用Phusion PCR。通过混合7.2yL水、4yL 5xHF缓冲液、1.6yL dNTPs、2yL正向引物、2yL反向引物和0.2yL Phusion聚合酶制备主混合物。将3yL每种样品 加入主混合物并且转移至PCR管并且置入PCR机器。Phusion PCR程序为98°C下30s，之后是 35个周期(98 °C下10s、65 °C下30s，和72 °C下30s)和72 °C下10分钟，16 °C下延长时间。
[0168] PCR完成之后，使用凝胶电泳法进行尺寸分离和DNA分析。该实验使用IOOmL具有溴 化乙锭的（2 %w/v)琼脂糖凝胶。向每个PCR管中加入4yL 6x负载染料。在琼脂糖凝胶孔中加 入5yL Ikb梯和IOyL每种样品。凝胶在100V下经受凝胶电泳40分钟。电泳完成之后，将凝胶 放置在紫外线下用于DNA可视化。
[0169] PCR结果表明滤液中没有痕量的质粒DNA，而正对照样表明质粒DNA放大。因此，这 些结果证实质粒DNA分子被水合物凝胶过滤器捕获。因此，可以推断水合物过滤凝胶也可以 捕获长链水溶性分子，例如DNA。推测长链水溶性分子不能配合在水合物凝胶的氢氧化物颗 粒之间，因此不能穿过凝胶层。使用该技术可以制备用于DNA分离的各种新型且不同的实验 室设备。水合物凝胶实验室过滤器可以形成目前可得的更昂贵且复杂的市售DNA纯化试剂 盒(例如依靠 DNA沉淀的那些)的新型且简单的替代品。
[0170] 实施例12:微藻收获和增稠，湿提取之后的水乳液中的微藻油的分离
[0171] 大气中温室气体的积累是世界面临的主要的环境问题。微藻物种具有成为新型可 再生的生物燃料原料来源的潜力，并且也提供高价保健食品，例如Ω -3和类胡萝卜素。从微 藻中提取的油可以通过酯交换容易地转化成生物柴油。生物质可以用作富含蛋白质的人体 营养、动物饲料或者可以作为水产饲料销售。生物柴油市场增长迅速。例如，截止到2006年， 美国生物柴油产量增加四倍(从2004年开始)达到十亿美制加仑以上。来自微藻的高价保健 食品是另一个迅速增长的领域。例如，Ω-3脂肪酸占据了 130亿美元的市场。可以从微藻中 提取的类胡萝卜素具有14亿美元的市场。植物留醇具有3亿美元的市场。水产养殖市场在 2009年达到860亿美元。微藻对于虾、牡蛎和扇贝的孵卵处是重要的。例如，由于养殖和离心 分离收获的高成本，扁澡以约800美元/kg干生物质的价格销售。
[0172] 微藻的常规收获过程具有一些问题，使用根据本发明的水合物过滤技术可以解决 所述问题。用于微藻收获的常规微藻离心分离过程过于昂贵因此从微藻制备生物燃料无利 可图。进一步的脱水、干燥和溶剂提取也是有问题并且昂贵的，因此提出了湿油提取从而使 用不同技术(例如加热、电解或超声波降解)解决该问题。由于水包油乳液的形成，湿油提取 尚不实际。
[0173] -些类型的微藻收获技术(例如常规过滤技术)是藻类特异性的。例如，不同的藻 类物种需要不同的絮凝剂。由于不同类型的藻类的收获需要不同的收获技术，多重收获极 其困难。藻类养殖中的交叉污染是非常严重的问题。然而，水合物过滤技术不是藻类特异性 的，并且不需要任何预处理(例如絮凝）。细菌生长和污染是藻类再养殖的循环水的严重问 题。藻类养殖中的细菌生长是户外养殖系统的主要问题。水合物凝胶过滤系统也可以通过 捕获水中的细菌和真菌从而解决该问题。该过程可以用于大规模藻类养殖工厂的水处理。
[0174] 不同于离心分离和膜系统，根据本发明的实施方案的水合物过滤系统可以运行而 无需能量并且没有移动部件。其简单性和低成本使其成为常规微藻收获过程的合适替代 品。其还可以通过打破水包油乳液解决湿油提取的主要问题。其不是藻类特异性的并且可 以收获任何类型的微藻，因此使用该技术解决了多重养殖和交叉污染的问题。其还给水消 毒，因此滤液水可以循环并且多次用于微藻养殖。
[0175] 使用该技术，不同类型的微藻物种（例如四另藻、牟氏角毛藻和杜氏藻)被成功收 获并且收集在氢氧化铝水合物凝胶层的顶部。即使通过常规技术极难收获的非常小的物种 (例如微绿球藻细胞）（直径约2微米)也可以使用该技术容易地收获。滤液水清澈而无任何 悬浮固体或微藻。不同于藻类特异性的常规微藻收获过程，使用该技术可以收获任何类型 的微藻。该过程不需要任何预处理(例如絮凝)并且所有污染物和微藻容易地收集在水合物 凝胶的顶部。金属氢氧化物水合物的层的非粘性本性允许容易地分离经收获的藻类，并且 通过在水合物凝胶过滤器的顶部加入微细织物或网眼的薄层进一步改进。
[0176] 水合物凝胶中的氢氧化铝分子的高电荷是脱水的另一个重要驱动力。水合物凝胶 不仅收集藻类物种并且避免其穿过过滤器，而且相比于常规过滤系统使收集的糊料更高程 度地自然脱水。金属氢氧化物水合物凝胶的电荷在接近凝胶表面的水分子中自然牵引，造 成凝胶顶部的更稠(水更少)的藻类糊料。这促进了进一步加工，例如干燥和油提取。
[0177] 图15显示了水合物过滤器如何从水中分离微米尺寸的微藻(微绿球藻）。在通过电 解(9V，1安培)海水(70PPT)制得的氢氧化铝水合物凝胶或通过混合硫酸铝和碳酸氢钠的化 学计量的饱和溶液(1摩尔硫酸铝+6摩尔碳酸氢钠)制得的基于反应的水合物凝胶的下方使 用孔径为80微米并且电容率为0.SiT 1的Bidim无纺A64土工织物。图15显示了由于凝胶的非 粘性本性，藻类糊料从凝胶中自然分离。然而，更实际的方案是使用与之前实施例的过滤试 验中使用的设备相似的圆柱形过滤设备。其允许均匀铺展藻类糊料(横穿凝胶层的顶部的 相同深度)从而易于进一步加工，例如干燥。因此，增稠和收集糊料并且铺展可以简化成单 个步骤。其促进了进一步干燥过程，例如日光干燥。此外，水柱的压力和凝胶的水分子抽吸 使得糊料更高程度地脱水。在过滤之前可以在凝胶顶部放置一片织物(或相似介质）。这防 止了填充过程中凝胶的破坏。其还使得在每个收获周期之后当达到希望的糊料厚度时通过 简单提起顶部织物片从而更容易地收集藻类糊料。
[0178] 热或声波降解可能造成藻类细胞破裂并且在周围水中释放油形式的脂质体。水包 油乳液不能从表面撇去。从水包油乳液中分离油是目前的问题，使用水合物过滤技术可以 解决所述问题。预处理藻类细胞使得细胞破裂并且在水中释放油，造成水包油乳液。使用层 形式的30mL厚/稠凝胶(在100°C下制得)过滤50mL该乳液。微观尼罗红脂质染色试验表明脂 质从藻类油乳液中分离并且捕获在凝胶顶部。滤液为完全透明的水而没有藻类或油滴迹 象。图15A中显示了收集在氢氧化铝水合物过滤器顶部的来自水包油乳液的尼罗红染色油 的照片。
[0179] 雨生红球藻具有高含量的强抗氧化剂虾青素，虾青素为具有各种保健益处的类胡 萝卜素并且在保健食品、水产养殖、药物和化妆品工业中具有高需求。虾青素的市场价格极 高，每千克约3000美元。将150mL雨生红球藻加入氢氧化铝水合物凝胶(在20 °C下制得)的顶 部。收获红球藻细胞并且滤液为净水。相似地，将150mL栅藻株NT8C加入氢氧化铝水合物凝 胶(在20°C下制得）的顶部。栅藻细胞再次捕获在水合物层的顶部。图16显示了过滤之后的 凝胶的横截面图。其显示了收集在凝胶顶部的藻类细胞。藻类细胞不能渗透进入凝胶而是 积累在凝胶的顶部。这进一步促进了藻类细胞的分离。图16中还显示了氢氧化铝水合物凝 胶的自支撑本性。凝胶在图16中以白色物料的形式显示。在图16可见凝胶下方的深色土工 织物。
[0180] 实施例13-醇穿过水合物过滤器
[0181 ] 醇（例如甲醇和乙醇)为极性和水溶性的。因此它们应当穿过水合物过滤器。为了 试验，将50mL纯乙醇和甲醇加入接近100°C制得的氢氧化铝水合物凝胶(配方（1))的顶部。 该试验证实甲醇和乙醇分子均穿过水合物过滤器。然而由于它们相比于水分子的不同的极 性，它们比水更慢地穿过。该试验显示即使在2小时之后，尽管对照水试验的全部水分子穿 过过滤器，一些醇仍然留在水合物的顶部。分子极性是相对术语，一个分子简单地比另一个 分子更有极性或更无极性。可以使用该现象量化和测量不同分子相比于水的相对极性。基 于水合物过滤系统可以制备不同的新型实验室设备，例如分子极性仪。取决于不同极性分 子的过滤速率，可以量化它们相比于水的相对极性。
[0182] 为了试验醇分子是否穿过水合物或代替水合物中的水分子;将过滤之后的凝胶放 置在通风橱下约20小时。甲醇和乙醇的沸点极低，如果放置在通风橱下，它们在数分钟内蒸 发。如果水合物凝胶转化成醇水合物凝胶，醇应当迅速蒸发并且在数分钟或数小时之后应 当留下干燥的氢氧化铝。然而，该试验显示在约20小时之后，用于水过滤的对照水合物凝胶 和用于醇过滤的水合物凝胶之间不存在差别。因此，醇分子应当穿过水合物凝胶但是似乎 没有替代水合物中的水分子。
[0183] 实施例14: BSA蛋白穿过水合物过滤器
[0184] 牛血清白蛋白（也被称为BSA或"馏分V"）为源自牛的血清白蛋白。其通常用作蛋白 质浓度标准。结晶BSA粉末与蒸馏水混合从而形成BSA溶液。将50mL 1毫摩尔/L(3.3g/50cc) BSA溶液加入超厚/稠水合物凝胶(接近100°C制得)的顶部。然而，滤液为黄色并且不完全清 澈，表明BSA分子可以穿过水合物过滤器。
[0185] 实施例15-其它金属氢氧化物水合物
[0186] 尽管氢氧化铝水合物凝胶由于其无毒本性、极为均质的凝胶层、迅速脱水速率和 可用性和低成本，以及容易通过混合两种无毒化学试剂(硫酸铝和碳酸氢钠)制得，因此是 用于水纯化和工业应用的第一材料选择，对于毒性不是关键问题的一些工业应用也可以使 用其它金属氢氧化物水合物。
[0187] 其它金属氢氧化物可能是毒性且有害的，并且也不能通过其硫酸盐与碳酸氢钠的 反应制得。它们多数可以通过混合其盐(例如其硫酸盐、硝酸盐和氯化物)与氢氧化钠(苛性 钠）制得。它们也可以通过电解制得。例如，氢氧化铜水合物可以通过使用铜电极和直流电 流电解硫酸镁的饱和溶液制得。
[0188] 针对氢氧化铝解释的相同的分子结构也适用于其它金属氢氧化物水合物。当水合 物形成时，水分子被捕获在金属氢氧化物分子的网之间而不结合至金属氢氧化物。被捕获 的水分子被金属氢氧化物分子的正电荷和负电荷吸引，因此它们不结合至金属氢氧化物分 子并且可以容易和自然地离开水合物。因此，水可以穿过所述"网"。由于水合物凝胶的强烈 电荷，杂质（例如细菌、真菌、病毒、悬浮固体和非极性疏水分子)也被驱逐至水合物凝胶的 顶部。
[0189] 该假设也适用于其它金属氢氧化物水合物，例如氢氧化镁水合物凝胶、氢氧化锰 水合物凝胶、氢氧化钴水合物凝胶或氢氧化镍水合物凝胶。然而，由于不同金属的不同本性 和化学性质，不同水合物凝胶的性质不同。例如，由不同水合物凝胶制成的水合物预涂层的 流速、厚度和孔径不同。因此可以使用不同的水合物凝胶预涂层分离不同材料。然而，由于 其它金属氢氧化物水合物的高毒性本性并且其生产使用有危险的化学试剂（例如氢氧化 钠），它们的应用将限制于一些特定用途，例如化学精炼厂或石油化学精炼厂或炼油厂。在 如下实施例中使用胡萝卜汁(用于胡萝卜素的分离)检查不同的金属氢氧化物水合物，因为 其允许容易的可视化。
[0190] 氢氧化镁
[0191] 氢氧化镁水合物可以通过下式制得。
[0192] MgS〇4+2NaOH^Na2S〇4+Mg(OH)2 (2)
[0193] 通过在500mL蒸馏水中混合86.68g硫酸镁七水合物制得硫酸镁溶液。在50mL蒸馏 水中混合11.59g氢氧化钠。通过将氢氧化钠溶液加入硫酸镁溶液中制得氢氧化镁水合物凝 胶。使用与之前实验相同的过滤设备。然而，在土工织物下使用另一种极小孔径的织物(沙 滩裤织物)从而捕获所有的氢氧化镁水合物凝胶。将水合物凝胶加入土工织物的顶部。将胡 萝卜汁加入水合物凝胶的顶部并且允许过滤。
[0194] 尽管氢氧化镁水合物凝胶相比于氢氧化铝水合物非常缓慢地沉积，由于在水合物 的下方使用小孔径织物因此滤液清澈。所有可见的胡萝卜素分子被驱逐或捕获在氢氧化 镁水合物凝胶的顶部。滤液非常清澈而无胡萝卜色素的迹象。
[0195] 氢氧化锌
[0196] 氢氧化锌水合物可以通过下式制得。
[0197] ZnS〇4+2NaOH^Na2S〇4+Zn(OH)2 (3)
[0198] 通过在500mL蒸馏水中混合10.27g硫酸锌七水合物制得硫酸锌溶液。在IOmL蒸馏 水中混合1.39g氢氧化钠。通过将氢氧化钠溶液加入硫酸锌溶液中制得氢氧化锌水合物凝 胶。使用与之前实验相同的过滤设备。将水合物凝胶加入土工织物的顶部。将胡萝卜汁加入 水合物凝胶的顶部并且允许过滤。
[0199] 所有可见的β-胡萝卜素分子被驱逐和捕获在氢氧化锌水合物凝胶的顶部。脱水流 速极快。还将煤油加入氢氧化锌水合物凝胶的顶部。与氢氧化铝水合物相似，结果表明煤油 不穿过氢氧化锌水合物。氢氧化锌水合物的另一个感兴趣的行为是在煤油下方长时间之 后，水合物层相比于其它金属氢氧化物水合物更紧实并且更硬。紧实的层仅允许水分子穿 过。即使氢氧化锌水合物层的剧烈再填充也不能破坏所述层。因此氢氧化锌水合物具有非 常高的用在水烃分离单元中，或用在极高压力下，或用在煤油和其它烃储槽的底部从而从 烃(例如煤油）中分离水和其它极性杂质的潜力。
[0200] 氢氧化铜
[0201] 铜化合物为毒性的。氢氧化铜水合物凝胶通过如下反应制得：
[0202] CuS〇4+2NaOH^Cu(OH)2+Na2S〇4 (4)
[0203] 通过在200mL蒸馏水中混合24.96g硫酸铜（I I)七水合物制得硫酸铜溶液。在IOmL 蒸馏水中混合7.998g氢氧化钠。通过将氢氧化钠溶液加入硫酸铜溶液中制得氢氧化铜水合 物凝胶。然而潮湿的氢氧化铜（II)样品由于氧化铜（II)的形成而变黑。因此，预涂层穿过织 物并且铜基氢氧化物凝胶不能用于不同的工业应用。
[0204]氢氧化锰
[0205] 锰化合物为毒性的。氢氧化锰水合物凝胶通过如下反应制得：
[0206] MnS〇4+2NaOH-Mn(OH)2+Na2S〇4 (5)
[0207] 通过在50mL蒸馏水中混合16.89g硫酸锰一水合物制得硫酸锰溶液。在IOmL蒸馏水 中混合7.998g氢氧化钠。通过将氢氧化钠溶液加入硫酸猛溶液中制得氢氧化猛水合物凝 胶。使用与之前实验相同的过滤设备。将水合物凝胶加入土工织物的顶部。将胡萝卜汁加入 水合物凝胶的顶部并且允许过滤。
[0208] 如果不在水中并且暴露于空气，氢氧化锰迅速氧化。因此该水合物凝胶极难找到 实际的工业应用。脱水非常缓慢，然而一夜之后所有β-胡萝卜色素被驱逐和捕获在凝胶顶部 并且滤液非常清澈。然而，锰基水合物凝胶更软。水合物顶部的胡萝卜色素的颜色也从橙 色变成深棕色。
[0209]氢氧化钴
[0210] 钴化合物为毒性的。氢氧化钴(II)水合物凝胶通过如下反应制得：
[0211] CoCl2+2Na0H-Co(0H)2+2NaCl (6)
[0212] 通过在I OOmL蒸馏水中混合4.34g氯化钴（I I)六水合物制得氯化钴溶液。在I OmL蒸 馏水中混合0.7998g氢氧化钠。通过将氢氧化钠溶液加入氯化钴溶液中制得氢氧化钴水合 物凝胶。将胡萝卜汁加入水合物凝胶的顶部并且允许过滤。
[0213] 钴水合物凝胶不迅速沉积。脱水流速极慢。然而，一夜之后β-胡萝卜素分子被驱逐 和捕获在氢氧化钴水合物凝胶的顶部。胡萝卜色素的颜色也变成深棕色。由于痕量的过量 氯化钴，滤液为亮红色。
[0214]氢氧化镍
[0215] 镍化合物为高度毒性的并且可能造成癌症或可遗传基因的损坏。氢氧化镍水合物 凝胶通过如下反应制得：
[0216] NiS04+2Na0H^Ni (OH)2+Na2S〇4 (7)
[0217] 通过在150mL蒸馏水中混合8.94g硫酸镍六水合物制得硫酸镍溶液。在20mL蒸馏水 中混合1.279g氢氧化钠。通过将氢氧化钠溶液加入硫酸镍溶液中制得氢氧化镍水合物凝 胶。将胡萝卜汁加入水合物凝胶的顶部并且允许过滤。
[0218]不同于氢氧化铝水合物凝胶，氢氧化镍水合物凝胶不迅速沉积也不迅速形成均质 凝胶层。脱水流速极慢。然而，一夜之后胡萝卜素分子被驱逐和捕获在氢氧化镍水合物凝 胶的顶部。胡萝卜色素的颜色也变成深棕色。
[0219]对比实施例-与碳酸氢钠的反应
[0220]相比于其它金属氢氧化物水合物，氢氧化铝水合物凝胶的一个最重要的优点是其 可以通过其硫酸盐溶液与非毒性碳酸氢钠(小苏打)溶液的反应非常简单地制得。其它金属 氢氧化物水合物凝胶可以使用氢氧化钠或者通过更昂贵和更缓慢的电解制得。然而，其它 金属氢氧化物水合物凝胶不能使用小苏打制得。例如，将硫酸镁溶液加入碳酸氢钠溶液并 且不能观察到氢氧化镁水合物的形成。
[0221 ]硫酸锌通过如下反应与碳酸氢钠反应：
[0222] ZnS〇4+2NaHC〇3^ZnC〇3+Na2S〇4+H2 (8)
[0223] 然而，不同于硫酸铝与小苏打的反应，没有制得氢氧化锌的水合物凝胶。碳酸锌沉 淀。将碳酸锌沉淀物加入土工织物的顶部，但是不同于氢氧化锌水合物凝胶，织物上没有形 成均质凝胶状层。不同于高度带电荷并且将胡萝卜素分子保留在水合物凝胶顶部的金属 氢氧化物水合物凝胶，碳酸锌不能分离胡萝卜素。所有胡萝卜素分子穿过碳酸锌沉淀层 的深度并且穿过所述层。不同于仅顶部部段为橙色并且所有胡萝卜素分子被驱逐至顶部 的金属氢氧化物水合物，过程结束时整个层为橙色。这是普通沉淀物和金属氢氧化物水合 物凝胶之间的主要区别。
[0224] 实施例16-制备氢氧化铝水合物凝胶的其它方式
[0225] 尽管由于非毒性本性优选通过混合硫酸铝和小苏打的非毒性化学试剂或电解海 水制备氢氧化铝水合物凝胶，存在两种使用毒性和有危险的化学试剂制备氢氧化铝水合物 凝胶的不同反应：
[0226] Al(Cl)3+3NH4〇H-Al(OH)3+3NH4Cl (9)
[0227] 将200mL半脱脂牛奶加入通过混合氯化铝和氢氧化铵(NH4OH)溶液制得的水合物 凝胶的顶部。观察到使用通过混合硫酸铝制得的氢氧化铝水合物凝胶的相似试验获得的相 同结果。牛奶浓缩在水合物凝胶的顶部并且滤液相当清澈。因此通过上述反应制得的氢氧 化铝水合物凝胶具有与由无毒性化学试剂产生的氢氧化铝水合物凝胶相同的过滤性质。
[0228] 制备氢氧化铝水合物凝胶的其它方式是通过下式混合硝酸铝和氢氧化钠溶液，硝 酸铝是非常不稳定的化学试剂和强氧化剂。
[0229] Al(NO3) 3+3Na0H^Al (OH) 3+3NaN03 (10)
[0230] 尽管反应(9)和（10)可以制备氢氧化铝水合物凝胶，由于使用的成分的毒性，它们 不能用于水处理和食品相关应用。
[0231 ]实施例17-水基液体(例如果汁)的浓缩
[0232]新鲜果汁的运输和保存是非常昂贵的。出于该原因，许多汁液例如通过使用热蒸 发而进行浓缩过程。热通常改变营养价值，因为许多维生素和香料在该过程中损失。浓缩汁 液有时由于加热具有蒸煮味或苦味。此外，对于一些汁液(例如胡萝卜汁)来说加热是不希望 的，因为热使胡萝卜素变性，并且胡萝卜汁转化成不能重新稀释成胡萝卜汁的粘性胶状材 料。
[0233] 然而，根据本发明的实施方案通过水合物过滤浓缩汁液具有保持浓缩物中的大多 数营养物、色素、香料和气味的潜力。例如，恢复原状的胡萝卜汁具有与新鲜胡萝卜汁相似的 气味。水合物过滤器可以浓缩胡萝卜汁约至多70倍形成糊料状材料。糊料可以包装在各种容 器中用于各种产品，例如超浓缩胡萝卜汁糊料、保健品、用于胡萝卜素提取的原料、自然护 肤品或美容品和其它相似的化妆品或食品。还可以将其作为添加剂以不同浓度加入各种食 品或化妆品。
[0234] 浓缩糊料可以再溶解或混合在水中，例如用于制备恢复原状的汁液。尽管盐和糖 已经穿过水合物过滤器并且需要加入盐和糖从而恢复原状，产品的外观与新鲜胡萝卜汁相 似。不同于许多由加热的浓缩物制得的恢复原状的汁液，该汁液不倾向于随着时间沉积。由 其它汁液(例如番茄和石榴)制得相似的浓缩糊料。浓缩糊料也可以迅速空气干燥从而制得 粉末，所述粉末可以用作天然食品色素和/或保健食品添加剂。该粉末可以与水混合从而制 备胡萝卜汁状饮品。
[0235] 也试验其它液体并且获得相似结果。这些液体包括咖啡和茶从而制得浓缩糊料或 粉末而不损失基本味道。
[0236] 用于浓缩液体的该技术的限制在于小分子亲水化合物可以不受阻碍地穿过水合 物过滤器。这些化合物包括水溶性盐、糖、醇和一些亲水性次级代谢产物，例如叶绿素。其它 限制在于高酸性液体(例如一些柠檬汁或橘子汁)可以与氢氧化铝反应。
[0237] 实施例18-更厚/稠水合物凝胶(接近HKTC制得)与普通水合物凝胶(在20°C下制 得)的对比
[0238] 更厚/稠水合物凝胶(接近HKTC制得)具有比普通水合物凝胶(在20°C下制得)更 少的水分子，因此每个水分子上的氢氧化铝分子的电荷更高。这解释了为什么使用更厚/稠 水合物凝胶时脱水更缓慢地进行。然而，试验表明滤液的品质相同。因此，由于容易制备，普 通应用优选普通凝胶。然而，对于工业应用例如一些压力或真空应用，优选更厚/稠凝胶。 [0239]为了对比更厚/稠凝胶和普通凝胶的性能，将55mL厚/稠凝胶和普通(薄)凝胶加入 织物的顶部。将相同体积的水(400mL)加入各个水合物凝胶的顶部。记录水平面每降低50mL 的时间。正如预期，使用厚/稠凝胶时脱水更缓慢地进行。结果表明，使用普通水合物凝胶 (在20°C下制得)比更厚/稠凝胶(接近HKTC制得)脱水快接近2倍。
[0240] 为了对比不同凝胶的性能，将相同体积的胡萝卜汁加入厚/稠凝胶(接近100°C制 得)和普通凝胶(在20°C下制得)水合物凝胶的顶部。在使用厚/稠水合物凝胶和普通水合物 凝胶的过滤之间，滤液品质和保留的色素之间没有差别。
[0241] 压力下的水合物过滤
[0242] 对于工业应用来说，希望更快的过程。在至多IOOpsig的压力下试验水合物过滤 器。使用由Amdel公司以AS 1210第3类标准制得的开采加工实验室压力过滤器进行压力过 滤试验。压力可调节至l〇〇psig(6.8atm)。将小孔织物放置在过滤器的底部。还将2微米孔径 滤纸(Macherey Nagel，MN1640D，185mm Dia)放置在织物的顶部从而保持水合物在压力下。 该设备的直径和横截面积分别为〇. 155m、0.01887m2。滤液通过中间的孔排出。
[0243]为了选择每个过滤过程的最佳操作压力，使用压力通量曲线。对于每个实验，首先 将IOOmL稠水合物溶液(在100C下制得)加入2L去矿物质水。将该溶液加入压力过滤设备并 且允许水合物颗粒沉积10分钟。水合物颗粒沉积并且形成厚度为约Imm的均匀水合物层之 后，施加不同压力。将滤液收集在烧杯中并且随时间称重。基于该数据计算通量。在每个过 滤试验的过程中，在2分钟周期内计算11次通量。图17中显示了由于压力造成的平均通量的 变化。
[0244] 该曲线表明水合物过滤器在极低压力下工作更迅速。其表明通过将压力从10增加 至SOpsi时没有出现通量的增加。因此，基于该曲线，该技术的最佳操作压力应当在0至 IOpsi之间。然而，更多通量压力试验需要使用更高压力的设备(高于IOOpsi直至1000 psi或 更高）。这些结果证实由于水合物层大部分为水，其在极低压力下工作明显更迅速。仅需要 少量压力即可温和推动水分子通过水合物层。因此，不同于仅在极高压力下工作的常规膜， 通过使用该技术可以节约大量成本。（例如节约与使用常规高压膜相关的设备、能量、安全 和维修的巨大的资本成本和操作成本）。
[0245] 对比不同水合物的蒸发速率
[0246] 尽管非常难以在电子显微镜下判断水合物结构，有可能通过研究通过反应或电解 制得的金属氢氧化物水合物相比于通过将金属氢氧化物粉末浸渍在冷水中或将金属氢氧 化物粉末浸渍和混合在热水中制得的金属氢氧化物水合物的蒸发速率来研究金属氢氧化 物水合物的力的效果。图18显示了不同水合物样品在离心管盖子中在室温下随时间的自然 非强制干燥。结果表明通过浸渍制得的水合物在60小时之后完全干燥。然而，水合物凝胶仍 然保留一些水分子并且在约160小时之后干燥。此外更重要的是，在过程结束时，浸渍的氢 氧化铝水合物干透形成白色氢氧化铝粉末，然而氢氧化铝水合物凝胶在通过蒸发失去水分 子之后转变成硬质晶体材料。结果表明水合物凝胶的一些内分子力或晶体、基质或网络形 状将水分子保留在水合物凝胶中并且避免水合物中的水分子快速蒸发。
[0247] 压力和水合物厚度对过滤的效果
[0248] 研究压力和水合物厚度的效果。过滤设备包括盖子，所述盖子可以关闭从而允许 通过压缩空气加压。对于每个实验首先加入水合物溶液。然后在水合物沉积并且形成水合 物层之后，加入液体混合物（1800ml布里斯班河水或200ml胡萝卜汁或西瓜汁）。然后关闭盖 子并且施加和调节压缩空气压力。将滤液收集在烧杯中并且随时间称重从而测量流速和通 量。
[0249] 将光学密度（在440nm下）为0.203的浑浊的布里斯班河水加入使用稠水合物（在 HKTC下制得）的厚度为IOmm的氢氧化铝水合物层的顶部。结果显示在图19C和19D中。测量 的平均流速和平均通量分别为106.1(ml/min)、5622.1(ml/min.m 2)。尽管过滤时间非常迅 速，滤液清澈并且光学密度(在440nm下)为0.000。由于其独特的凝胶状本性，水合物在高压 下不干透。即使在高压下也没有杂质可以渗透进入水合物层的深度。使用厚度为1mm的薄水 合物层重复所述实验。结果显示在图19A和19B中。相似的，滤液清澈但是流速和通量约为厚 度为IOmm的水合物层的5倍。测量的平均流速和平均通量分别为21.3(ml/min)、1128.6(ml/ min.m2)〇
[0250] 相似地，加入胡萝卜汁和西瓜汁用于更快的分离和浓缩。即使在极高压力 (IOOpsig)下也没有β-胡萝卜素或叶绿素分子可以渗透进入水合物凝胶的深度。汁液在水合 物层的顶部浓缩成极稠的橙色或红色糊料。这允许容易地分离浓缩汁液。滤液清澈。例如， 西瓜汁的滤液与光学密度(在440nm下)为0.000的去矿物质水一样清澈。即使在低压或中等 压力下，流速仍然相当迅速。例如，对于仅在10psig(0.68atm)下的西瓜汁过滤，测量的平均 流速和通量分别为30.7(ml/min)、1625(ml/min .m2)。这些结果证明该过程可以用于高压工 业规模从而获得更高的过滤速率。该技术具有成为新一代过滤和分离技术的潜力。使用不 同类型的具有不同成分摩尔浓度的金属氢氧化物水合物和不同的制备条件(例如在不同温 度和压力下制备不同成分的超饱和溶液），或甚至混合不同金属的水合物，可以制备各种类 型的金属氢氧化物水合物。这些水合物具有不同的过滤性质。因此，由于不同分子的不同的 相对分子极性和疏水性，不同分子将穿过不同类型的水合物或保留在水合物上。尽管出于 工业目的可以通过施加压力加速过程，重力本身可以造成有效分离。
[0251 ]汁液的压力过滤并且制备新型健康水果奶油
[0252] 使700mL胡萝卜汁经受压力水合物过滤。将滤纸(2微米孔)放置在压力过滤设备的 顶部。将50mL厚/稠水合物凝胶(在100°C下制得)混入1500mL去矿物质水并且倒在滤纸的顶 部。施加40psig压力4分钟。这允许溶液中的水合物沉积并且在滤纸的顶部形成薄(厚度约 Imm)且均匀且稳定的水合物层。在该阶段的过程中，溶液中约750mL的水穿过过滤器，然而 仍然有750mL的水留在水合物的顶部。加入700mL的胡萝卜汁。然后施加80psig的压力。过程 结束时在水合物层的顶部积累稠的奶油状橙色糊料。该糊料(或来自其它水果的其它相似 的浓缩糊料)可以用于制备各种新型食品和化妆品。例如可以制备新型早餐涂抹酱，例如胡 萝卜、西瓜、番茄、石榴、辣椒、杏、木瓜、芒果、哈密瓜、百香果、番石榴、桃、梨、油桃和相似水 果奶油。这些健康奶油可以代替基于牛奶和油的具有大量不健康反式脂肪的传统奶油。不 同于牛奶奶油，其不仅不增加胆固醇水平造成心脏病，而且具有大量保健益处。其也可以被 加入至其它涂抹酱(例如奶油）用于着色或增加营养价值或味道。相似地，该糊料可以用于 制备新型化妆品，例如美容霜、遮瑕膏、肥皂或沐浴露、香波、防晒霜，或自然喷黑产品。高压 还使得水合物层比收集在顶部的橙色糊料更硬。因此，仅通过铲掉容易分离收集的胡萝卜汁 糊料。
[0253] 其它实验还表明使用加压水合物过滤可以成功浓缩牛奶。
[0254] 薄水合物层
[0255] 由于没有污染物或收获材料可以穿透进入水合物的深度，有可能制备尽可能薄的 水合物层。这不仅降低过程成本，而且增加过滤过程中的流速。通过如下过程制备厚度为微 米尺寸(例如低于500微米，或约数十微米，或甚至是低于10微米）的薄水合物层。如下过程 还使得水合物层的厚度横穿过滤介质恒定。
[0256] 图20A中显示了用于之前的压力过滤的Amdel压力过滤单元的底部部段。使用平坦 的烧结钛滤片升级该部段。使用混合在水中的低剂量的水合物从而制备极稀水合物溶液。 可以在水合物层的下方放置非常平坦和平滑的多孔过滤介质。例如，在水合物层的下方使 用烧结钛片(孔径低于2微米)并且使用防水密封胶(也可以使用其它密封设备例如橡胶)进 行密封（图20B)。固定在压力过滤设备的底部的烧结的钛允许水穿过但是水合物在顶部形 成薄层。也可以使用其它相似的烧结过滤介质或微细过滤介质例如多孔塑料，或微细织物、 膜或滤纸。该烧结的钛极硬并且耐高压。其还具有非常平滑的形状从而允许在其上方形成 极薄(约小于500微米，或小于数十微米，或甚至小于10微米)和一致的水合物层（图20C)。其 还耐酸并且耐碱。因此，有可能在过滤结束时容易地酸洗从而避免过滤器内任何沉积物的 积累。图20D中显示了烧结的钛过滤器在显微镜(放大100倍)下的孔。
[0257] 将稀水合物溶液加入水合物保持过滤介质的顶部并且允许沉积。如果溶液极稀， 水合物不能自然沉积。因此，在倒入稀水合物溶液之后施加低压（10-40psig)数分钟。该步 骤造成溶液中的所有水合物沉积并且在保持过滤介质上形成极薄的一致水合物层膜。极薄 水合物层的水合物过滤的流速极高。图20E中显示了不施加任何压力的胡萝卜汁过滤的结 果。结果表明即使极薄的水合物层也可以成功用于过滤。有利地，使用极薄水合物层时过滤 速率极高。
[0258] 本发明进行的试验表明，相比于现有技术的已知分离技术，使用根据本发明的实 施方案的分离器的过滤通量率明显更高。例如，已知的分离技术包括微过滤器、过滤器、纳 米过滤器和反渗透技术。标准平均超滤器具有30LMH(升/m 2/小时）的过滤通量，标准纳米过 滤器(例如具有低于2nm的孔径和220至510psi的操作压力）具有约20LMH的过滤通量，反渗 透膜在250psi下具有约15LMH的平均过滤通量，标准膜微反应器具有10至20LMH的通量。相 比之下，下表1中显示了使用本发明的实施方案获得的通量。
[0259] 表1:
[0260]
[0261] 表1中显示的数据表明，水合物过滤器比常规高压膜(例如超滤器、纳米过滤器、反 渗透膜和膜生物反应器）明显更迅速地工作。在一些情况下，水合物过滤器即使在极低压力 或零压力下仍然比常规高压膜明显更迅速地工作。不希望限制于理论，假定这是由于水合 物层大部分由水制成的事实。
[0262] 用途-饮用水求生包
[0263] 紧急情况需要简单的水处理系统。发现腹泻是感染美国远途背包客的最常见的疾 病之一。目前市场上的求生包（例如净水片、活性炭过滤器和微型过滤器）比水合物过滤技 术更昂贵并且更低效。例如，杀灭病原体的氯片不能除去悬浮固体并且水对于长期消耗来 说不安全。其活性成分为具有健康危害的氯和二氧化氯。水不能直接饮用。经处理的水应当 保持不被覆盖数小时使得氯可以蒸发。氯片处理的水在处理之后仍然浑浊。氯片还留下令 人不悦的味道。相反，氢氧化铝水合物过滤器的滤液不仅没有微生物(包括病原体)而且完 全透明并且可以愉悦饮用。在最初冲洗从而从水合物凝胶制造中除去过量的盐之后，水合 物过滤的滤液也可以即刻饮用。此外，一些病原体是耐氯的，而水合物过滤器可以除去细 菌、真菌、微藻(包括蓝绿藻)和病毒。活性炭过滤器比小量凝胶需要更多的空间，因此背包 客或军事人员始终携带活性炭过滤器是不切实际的。微过滤器过于复杂并且具有多个部件 并且难以携带。此外，目前的求生包比水合物过滤器更昂贵。
[0264] 不同于市场上的其它产品，水合物过滤器求生包捕获所有悬浮固体和微生物并且 经处理的水与蒸馏水一样清澈可以饮用。其具有非常简单的制备过程和包装过程。因此，生 产厂可以以可能最低的资本成本和操作成本使用简单设备容易地实施。例如，任何人都可 以容易携带的凝胶牙膏管可以在紧急情况下救命。其可以在灾时(例如洪水)通过直升机和 其它装置容易地供应。水合物过滤器可以捕获有害细菌和病毒并且可以避免背包客和武装 部队的危险疾病，例如腹泻。替代性地，可以在需要地区使用硫酸铝和碳酸氢钠如式（1)中 所示制备水合物凝胶。
[0265] 可以基于该技术制备各种不同的求生包。可以将一个简单的凝胶牙膏管包装放置 在任何求生包中并且使用数次。其它简单的水合物凝胶包装可以涉及在紧急情况的过程中 将凝胶放置在任何可用织物上。例如，可以系紧袖子底部从而形成小袋，可以加入水合物凝 胶然后可以过滤脏水。
[0266] 将水瓶转化成水合物凝胶净水设备
[0267] 仅通过改变普通塑料水瓶就可以制备非常简单的求生包。唯一需要的改变是将普 通水瓶切成两片并且在底部部段放置一个内螺纹(thread)(参见图17,附图标记21)并且在 顶部部段放置两个外螺纹（图17,附图标记22和23)。对于普通应用，瓶与普通塑料水瓶相 同。这显示于图18。然而，在紧急情况下，可以拧开瓶的顶部部段然后颠倒并且倒置连接至 底部部段，如图19中所示。盖子装配有保持凝胶的织物状过滤介质（参见图20,附图标记 24)。倒入凝胶然后加入脏水，净水形式的滤液收集在底部部段中。底部部段充满之后，一杯 没有任何浑浊和病原体的安全滤液水即可饮用。该循环可以重复数次。
[0268] 还有可能用凝胶预先填充盖子并且在内部放置贴纸从而将凝胶保持在盖子中并 且避免凝胶干燥（图21，附图标记25)。可以使用不同材料(例如瓶密封蜡或琼脂糖胶或可以 在瓶制造过程中放置的其它塑料内盖)密封凝胶。在紧急情况的过程中，可以除去盖子上的 贴纸并且可以进行过滤。还有可能仅销售用凝胶预先填充的盖子从而匹配标准塑料瓶。在 紧急情况下，使用者可以仅简单地更换盖子，然后切开瓶从而收集滤液或在另一个瓶或杯 中收集滤液。填充有水合物凝胶的盖子也可以放置在挤压式水瓶的顶部。
[0269] 塑料水瓶是世界上严重的环境问题。因此在其制备和运输的过程中浪费了许多化 石燃料。它们大多数最终填埋并且需要1000年才能降解。该技术也可以间接帮助环境。其帮 助人类重新使用水瓶。由于是有价值的求生包并且可以在紧急情况下救命，人类和背包客 不会扔掉水瓶。
[0270] 这种对标准塑料瓶的简单改变是可行的并且成本极低，将成问题的塑料水瓶转化 成可用的求生包。其还可以在全世界市场链中作为标准塑料水瓶的更有用的替代品进行销 售。此外，在全世界许多城市和农村地区，特别是发展中国家，对于安全饮用来说自来水品 质极低。因此，人们每天购买常规塑料水瓶。通过引入这些新型水瓶，许多人们可以在家中 具有小型、廉价和简单的饮用水处理设备。它们可以过滤自来水数次并且省钱。
[0271 ]用途-新型水合物凝胶实验室过滤器
[0272] 目前市场上的大多数实验室过滤器为微米尺寸范围。目前的实验室过滤器不能除 去所有细菌和真菌并且打破油水乳液并且从不同溶液中分离溶解的色素和纳米尺寸的颗 粒。小孔径过滤器昂贵，因此日常实验室工作中的定期操作不可行。目前市场上的实验室过 滤器为滤纸、滤囊、滤筒和混合纤维素酯(MCE)膜。它们不能像水合物过滤器那样捕获细菌 和病毒并且打破水包油乳液。水合物过滤器可以实现所有这些效果。相比于目前可用的实 验室纳米过滤器产品，水合物实验室过滤器还成本极低。
[0273] 为了形成水合物凝胶实验室过滤器，可以将稠凝胶注入两个胶合滤纸(或其它相 似的小孔径介质和织物)之间并且可以使用数次。可以将其密封在适合于避免水损失和水 合物实验室过滤器的干燥的包装中。使用这些类型的包装，实验室过滤器可以储存数年。还 可销售不同类型的稠凝胶的管作为滤纸预涂层。使用这种实验室过滤器纯化200mL浑浊的 布里斯班河水。结果与其它试验相似并且滤液为净水。悬浮固体和细菌被捕获在过滤器的 顶部并且可以收集。有可能仅通过简单清洗重新使用该过滤器数次。在清洗之后，除去捕获 在滤纸上的所有污染物并且回收的滤纸与全新滤纸相似。该水合物实验室过滤器重新使用 数次而没有任何问题。还有可能针对不同应用和试验注入不同类型的水合物凝胶。
[0274] 用途-小型过滤器例如游泳池过滤器
[0275] 水合物过滤技术还具有用于小规模应用（例如游泳池)并且用作新型杀菌和消毒 方法的潜力。需要合适的消毒来维持泳池水的视觉清澈并且避免传染病的传播。目前使用 过滤除去污染物(例如污垢和碎片)并且使用氯杀灭传染生物体。常规的砂过滤器或硅藻土 过滤器通常用作游泳池过滤器。常规过滤过程不足以完全消毒泳池水；因此使用氯和溴作 为游泳池的消毒剂。水被迫通过过滤器然后返回至泳池。挤压式砂过滤器通常过滤颗粒不 小于10微米的浑浊水，而水合物过滤器可以分离纳米颗粒。砂过滤器通常不能从泳池水中 除去藻类和病毒。
[0276] 用于杀菌的产氯化合物是毒性的。水中存在的杀菌化学制剂(例如氯和其它材料） 可能产生杀菌副产物(DBP) JBP源自水杀菌过程中水中的有机和无机物质和化学处理剂之 间的反应。DBP对人体健康产生负面影响。当水源中存在碘化物时，氯胺产生N-亚硝基二甲 胺(NDM)(其为可能的人体致癌物质）以及高遗传毒性碘化DBP(例如碘乙酸）。残留的氯(和 其它杀菌剂)也可以通过与溶解的天然有机物质和与管道中存在的生物膜进一步反应从而 在分配网内进一步反应。此外，一些病原体是耐氯的，而水合物过滤器可以除去所有细菌、 微藻(包括蓝绿藻)和真菌和病毒。
[0277] 不同于常规的砂过滤器，基于水合物分离技术的游泳池分离系统捕获所有悬浮固 体并且滤液为净水。在简单的阶段中，所有悬浮固体和细菌和真菌被捕获，因此无需其它成 问题的杀菌过程。使用水合物过滤技术，无需使用毒性氯杀菌，因此使用该技术不产生毒性 氯杀菌副产物(DBP)。游泳池市场庞大，例如11.7 %的澳大利亚家庭具有游泳池。此外，由于 滤液产品的极高品质，相比于市场上的其它过滤器，该技术特别可以用于公共游泳池或豪 宅、五星级宾馆和度假村的游泳池。
[0278] 水合物凝胶可以用于各种常规过滤系统和不同类型，例如转鼓过滤器、真空过滤 器和传送过滤器。然而，还有可能简单地扩大上文描述的之前实施例中使用的小规模过滤 试验设备。需要坚固结构从而支撑底部织物，例如有孔的镀锌金属片或金属网。为了避免凝 胶破坏，有可能将液体微细喷入槽中直至水深度足够高从而能够迅速填充槽。还有可能在 水合物凝胶的顶部放置织物或相似的硬质多孔金属或塑料，或者在进料管的下方放置一些 挡板。图22中显示了其它设计，其中较小直径的区域28容纳水合物凝胶。水被供应至斜面30 并且从斜面30流到部段28中的水合物凝胶。因此，由于水流到倾斜的金属部段，该设计不需 要微细喷射或其它手段来避免凝胶破坏。对于一些特定应用来说，为了增加该设计的流速， 还有可能在槽的下方放置真空室或者通过与常规压缩机中使用的相似的管在槽的顶部引 入压缩空气。该简单系统可以通过对常规水槽进行简单改变以极低成本制得。如果水通过 重力供应和除去，其不需要任何能量和电力输入即可工作。该系统能够为村庄或偏远采矿 地点或军事基地提供饮用水处理。其还可以以简单移动的饮用水处理设施的形式容易地安 装在卡车上。与图23相似的游泳池过滤和消毒不仅成本极低并且其维修简单并且消耗更少 的电力，而且不需要成问题的氯杀菌，因此使用更安全。
[0279] 替代性设计
[0280] 水合物膜分离器可以设计成各种形状和系统。其还可以与常规反渗透膜相似的方 式设计（图28)。在该设计中，水分子在水合物层的两侧，并且水合物层的所有部段在过滤过 程中的任何时刻都完全浸泡在水中。因此，在水合物的每个部段中，水分子的数目与金属氢 氧化物分子的数目的比例恒定。这在一些应用中是有利的。图28中显示了该系统的一种可 能的大规模概念设计。压缩机或其它相似的压力设备在过滤器的一侧施加压力。在图28中， 水分子和亲水性化合物到达水合物膜的右侧，而污染物（来自水)或疏水性化合物和色素 (来自汁液)积累并且浓缩在水合物膜的左侧。由于水合物过滤器相比于常规过滤器在极低 压力下相当迅速地工作，即使压头也非常有可能足以保证该设计中的适当的过滤速率，尽 管显然也可以施加压力来增加过滤速率。图29中显示了其它相似的设计。
[0281] 水合物过滤单元的其它设计可以为交叉流(正切）。在该设计中，进料流正切地经 过水合物过滤器的表面，而不是进入过滤器（图30)。该设计的主要优点是，不同于分批式死 端过滤器，滤饼被冲走，允许过程连续进行而不是分批进行。相比于死端设计，使用该设计 出现更少的阻塞。栗可以围绕单元循环和再循环进料数次直至实现希望的浓缩并且从单元 中输出浓缩的渗余物。
[0282] 其它用途
[0283] 全世界存在数千个可以使用该分离技术的化学工厂、石油化学工厂和炼油厂。由 于其低资本成本和操作成本，数千个小型和中型工厂也可以使用该技术。
[0284] 所述技术也可以用于工业微生物过程和制药过程，特别用于解决极为昂贵的脱水 和分离需要从而分离希望的产品。
[0285] 所述技术还可以用于处理矿坑排出水和废水处理。此外，一些珍贵组分(例如金） 可能在矿坑排出水中以悬浮固体的形式损失。还有可能从矿坑排出水中回收珍贵的悬浮固 体材料，例如小金颗粒或煤尘。
[0286] 对比实施例-其它类型的凝胶例如琼脂糖凝胶
[0287] 通过将2g琼脂混合在IOOmL蒸馏水中并且在微波炉中加热1分钟制得琼脂糖凝胶 (2 % )。其在加热的液体状态下穿过本说明书中提供的之前实施例的用于保持氢氧化物水 合物层的土工织物。然后浸泡过滤设备并且允许琼脂糖凝胶通过冷却凝固。将布里斯班河 水加入凝胶的顶部。虽然氢氧化铝水合物凝胶迅速过滤水，没有一滴水穿过琼脂糖凝胶。即 使在数天之后也没有水滴穿过琼脂糖凝胶。
[0288] 该实验表明氢氧化铝水合物凝胶不同于常规凝胶例如琼脂糖凝胶。这解释了为什 么其在本发明中被称为水合物而非凝胶。尽管其外观与常规凝胶相似，当触摸时其质地的 感觉与轻质保湿霜相似。水分子松脱并且可以容易地离开水合物。常规凝胶在低温下为固 体并且水分子强烈结合至琼脂糖并且不能离开凝胶。如果加热常规凝胶例如琼脂糖凝胶， 它们转化成液体因此不能用作预涂层。然而，水合物凝胶结构在加热时不改变。如果加热氢 氧化铝水合物，其外观和物理和化学性质不改变，并且仍然可以用作过滤预涂层。这解释了 为什么术语氢氧化铝水合物比氢氧化铝凝胶更合适。
[0289] 实施例-水合物凝胶分离器的基本设计
[0290]图23显示了根据本发明的实施方案的水合物凝胶分离器的基本设计。图23中显示 的设置在净水上方的构件通常位于壳体内。壳体通常具有侧壁，所述侧壁保持支撑织物，水 合物凝胶过滤器，表面织物和水与颗粒的混合物。壳体通常具有直接位于支撑织物下方的 多孔或可渗透的底部。
[0291] 分离器包括支撑织物，所述支撑织物可以为土工织物或孔径足够小从而保持水合 物凝胶的任何其它织物。水合物凝胶层保持在支撑织物的顶部并且通过支撑织物保持。如 果希望回收从混合物中分离的颗粒或其它组分，可以在水合物凝胶层的顶部设置任选的表 面织物。水和颗粒(或其它组分，例如微生物或非极性分子或疏水性分子）的混合物设置在 水合物凝胶层的顶部。水、溶解的盐和极性液体可以穿过水合物凝胶层，因此这些组分与不 能穿过水合物凝胶层的其它组分分离。穿过水合物凝胶层的组分可以收集在水合物凝胶层 下方的"净水"中。不能穿过水合物凝胶层的组分积累在表面织物(如果存在表面织物)的顶 部，或者在不存在表面织物时积累在水合物凝胶层的顶部。
[0292] 在本说明书和权利要求书（如果有的话）中，词语"包括"及其衍生形式"包含"和 "含有"包括所述整数的每一者但是不排除包括一个或多个其它整数。
[0293] 当该说明书中提到"一个实施方案"或"实施方案"时，表示关于实施方案描述的特 定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在本说明书的各个位置 处，表述"在一个实施方案中"或"在实施方案中"的出现不必全部涉及相同实施方案。此外， 特定特征、结构特性或可以在一个或多个组合中以任何合适的方式组合。
[0294] 按照法规，通过或多或少特定于结构特征或方法特征的语言描述本发明。应理解 本发明不限于显示或描述的特定特征，因为本文描述的含义包括实施本发明的优选形式。 因此本发明在落入所附权利要求(如果有的话）的由本领域技术人员适当解释的合适范围 内以其任何形式或改变形式要求保护。
【主权项】
1. 分离器，所述分离器用于从水和一种或多种组分的混合物或从极性液体和一种或多 种组分的混合物中分离所述一种或多种组分，所述组分选自颗粒材料、疏水材料、非极性材 料、微生物或病毒，所述分离器包括金属氢氧化物水合物的层。2. 根据权利要求1所述的分离器，其中所述金属氢氧化物水合物选自氢氧化铝水合物、 氢氧化镁水合物、氢氧化锌水合物、氢氧化锰水合物、氢氧化钴水合物和氢氧化镍水合物的 一种或多种。3. 根据权利要求1或权利要求2所述的分离器，其中通过在水中或在水溶液中产生金属 氢氧化物因此形成金属氢氧化物水合物从而制备金属氢氧化物水合物。4. 根据权利要求3所述的分离器，其中通过将两种或更多种反应物混合在一起因此形 成金属氢氧化物水合物从而制备金属氢氧化物水合物，或者通过电解形成金属氢氧化物水 合物。5. 根据前述权利要求任一项所述的分离器，所述分离器进一步包括用于保持金属氢氧 化物水合物的层的多孔保持器。6. 根据权利要求5所述的分离器，其中所述多孔保持器包括织物、纺织材料、小孔材料、 具有一个或多个洞或孔的固体材料、多孔陶瓷材料，或网状材料。7. 根据前述权利要求任一项所述的分离器，其中所述分离器包括入口和出口，所述混 合物通过所述入口进入所述分离器，穿过所述氢氧化物水合物的层的水或极性液体通过所 述出口尚开所述分尚器。8. 根据前述权利要求任一项所述的分离器，其中所述分离器进一步包括设置在所述金 属氢氧化物水合物的层的上游的上游保持器。9. 根据权利要求8所述的分离器，其中所述上游保持器包括织物、纺织材料、小孔材料、 具有一个或多个洞或孔的固体材料、多孔陶瓷材料，或网状材料。10. 根据前述权利要求任一项所述的分离器，其中所述金属氢氧化物水合物的层为金 属氢氧化物水合物凝胶的层的形式。11. 根据前述权利要求任一项所述的分离器，其中所述金属氢氧化物水合物的层具有1 微米至1米，或1微米至50cm，或1微米至30cm或更大，或1微米至10cm，或1微米至5cm，或1微 米至10mm，或1微米至5mm，或1微米至Imm的厚度。12. 根据前述权利要求任一项所述的分离器，其中所述金属氢氧化物水合物的层包括 连续的金属氢氧化物水合物的层。13. 根据前述权利要求任一项所述的分离器，其中所述金属氢氧化物水合物具有至少 10个与每个金属氢氧化物分子相关的水分子，或至少16个与每个金属氢氧化物分子相关的 水分子，或至少20个与每个金属氢氧化物分子相关的水分子，或至少30个与每个氢氧化物 分子相关的水分子，或30至400个与每个金属氢氧化物分子相关的水分子，或37至300个与 每个金属氢氧化物分子相关的水分子，或37至90个与每个金属氢氧化物分子相关的水分 子。14. 方法，所述方法用于从水和一种或多种组分的混合物或从极性液体和一种或多种 组分的混合物中分离所述一种或多种组分，所述组分选自颗粒材料、疏水材料、微生物或病 毒，所述方法包括使来自所述混合物中的水或极性液体穿过金属氢氧化物水合物的层同时 使所述一种或多种组分保留在所述金属氢氧化物水合物的层上。15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述金属氢氧化物水合物选自氢氧化铝水合物、 氢氧化镁水合物、氢氧化锌水合物、氢氧化锰水合物、氢氧化钴水合物和氢氧化镍水合物的 一种或多种。16. 根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其中所述金属氢氧化物水合物的层包 括金属氢氧化物水合物凝胶的层。17. 根据权利要求14至16任一项所述的方法，其中向所述混合物施加压力。18. 根据权利要求14至17任一项所述的方法，其中上游保持器设置在所述金属氢氧化 物水合物的层的上游。
【文档编号】B01D39/00GK105934263SQ201480074319
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2014年12月2日
【发明人】P·M·P·申克, A·马勒基扎德赫
【申请人】昆士兰大学