(57)【要約】  ＣＯｘＥｙ（式中、Ｅは、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅのうちの少なくとも１つから選択され、ｘは０．１以下であり、ｙは０．００５〜０．３である）の表面を有する炭素基材を含むろ過材、前記ろ過材を備えるろ過装置、及び水溶液からクロラミンを除去する方法が、本明細書に記載される。【選択図】  図１
2014530087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体入口を流体出口に流体接続する流体導管、及び
前記流体導管内に配置されたろ過材を備えるろ過装置であって、
前記ろ過材が、ＣＯｘＥｙ（式中、Ｅは、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅのうちの少なくとも１つから選択され、ｘは０．１以下であり、ｙは０．００５〜０．３である）の表面を有する炭素基材を含む、
ろ過装置。
【請求項２】
ｘが０．０１〜０．１である、請求項１に記載のろ過装置。
【請求項３】
Ｅが硫黄であり、前記硫黄が炭素と化学的に結合している、請求項１又は２に記載のろ過装置。
【請求項４】
前記ろ過材が、ＣＯｘＥｙの表面を有する前記炭素基材と、バインダーとを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のろ過装置。
【請求項５】
前記ろ過材が、ＣＯｘＥｙの表面を有する前記炭素基材と、ウェブとを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のろ過装置。
【請求項６】
前記炭素基材が、前記炭素基材の合計質量に基づいて、０．９０質量％未満の窒素を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のろ過装置。
【請求項７】
前記炭素基材が、前記炭素基材の合計質量に基づいて、２．０質量％を超える硫黄を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のろ過装置。
【請求項８】
前記ろ過装置が、水ろ過装置である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のろ過装置。
【請求項９】
クロラミンを含む水溶液を用意する工程と、
前記水溶液と、ＣＯｘＥｙ（式中、Ｅは、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅのうちの少なくとも１つから選択され、ｘは０．１以下であり、ｙは０．００５〜０．３である）の表面を有する炭素基材を含む組成物とを接触させる工程と
を含む、水溶液からクロラミンを除去する方法。
【請求項１０】
ｘが０．０１〜０．１である、請求項９に記載の水溶液からクロラミンを除去する方法。
【請求項１１】
炭素基材をカルコゲン含有化合物と接触させる工程と、
酸素の存在下で、３００℃〜１２００℃の温度まで加熱する工程とを含み、
前記酸素の形態が、二原子酸素、二酸化硫黄、水、二酸化炭素、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、カーボンオキシカルコゲナイドの製造方法。
【請求項１２】
前記カルコゲン含有化合物が、単体硫黄、ＳＯ２、ＣＳ２、Ｈ２Ｓ、硫化エチレン、単体セレン、ＳｅＯ２及びＳｅＳ２、単体テルル、ＴｅＯ２、（ＨＯ）６Ｔｅ、並びにこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ろ過材として使用される、カーボンオキシカルコゲナイドを含む表面を有する組成物が、その製造方法及び使用方法と共に記載される。
【背景技術】
【０００２】
クロラミンは、遊離塩素による塩素消毒に代わる二次的な消毒剤として、都市用水配水システムにおいて、低濃度で一般的に使用されている。クロラミンにより処理された水の味と臭いに関する懸念に伴い、クロラミン除去能を持つろ水器の需要が増大した。
【０００３】
水溶液流からのクロラミン除去には、活性炭粒子等の炭素粒子が用いられている。クロラミン除去は、炭素の平均粒子径を小さくしたり、カーボンベッドとの接触時間を増やすことにより、改善することができる。接触時間及び平均粒子径等の要因が、クロラミン除去効率に影響することは知られているが、除去性能についてはあまりよく理解されておらず、また別段効果的というわけでもない。
【０００４】
米国特許第５，３３８，４５８号（Ｃａｒｒｕｂｂａ  ｅｔ  ａｌ．）は、ガス又は液体媒体と、触媒活性な炭素質チャーとを接触させることにより、その媒体からクロラミンを除去する、改良されたプロセスを開示している。
【０００５】
米国特許第６，６９９，３９３号（Ｂａｋｅｒ  ｅｔ  ａｌ．）は、触媒活性な炭素質チャーに対比して改良された、窒素含有分子の存在下で熱分解をされた活性炭に流動体が接触した場合の、流動体からのクロラミン除去を記載している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在入手可能なろ過材よりも、より費用がかからず及び／又はより効率的にクロラミンを除去する、ろ過材を提供することが望まれている。場合によっては、クロラミン除去のための、固形ブロック活性炭の形状をした炭素系のシステムを提供することも望まれている。別の場合では、充填層に使用してもよい粒状材料を得ることも望まれている。また別の場合では、ウェブ状で使用してもよい材料を提供することも望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様において、流体入口と流体出口とを流体接続する流体導管、及び流体導管に配置されたろ過材を備えるろ過装置であって、ろ過材が、ＣＯｘＥｙ（式中、Ｅは、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅのうちの少なくとも１つから選択され、ｘは０．１以下であり、ｙは０．００５〜０．３である）の表面を有する炭素基材を含む、ろ過装置が提供される。
【０００８】
別の一態様において、液体入口と液体出口とを流体接続する液体導管、及び流体導管に配置されたろ過材を備える水ろ過装置であって、ろ過材が、ＣＯｘＥｙ（式中、Ｅは、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅのうちの少なくとも１つから選択され、ｘは０．１以下であり、ｙは０．００５〜０．３である）の表面を有する炭素基材を含む、水ろ過装置が提供される。
【０００９】
また別の一態様において、クロラミンを含む水溶液を用意する工程と、前記水溶液と、ＣＯｘＥｙ（式中、Ｅは、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅのうちの少なくとも１つから選択され、ｘは０．１以下であり、ｙは０．００５〜０．３である）の表面を有する炭素基材を含む組成物とを接触させる工程とを含む、水溶液からクロラミンを除去する方法が提供される。
【００１０】
更に別の一態様において、炭素基材をカルコゲン含有化合物と接触させる工程と、酸素の存在下で、３００℃〜１２００℃の温度まで加熱する工程とを含む、カーボンオキシカルコゲナイドの製造方法であって、前記酸素の形態が、不活性希釈ガス、水、蒸気、及びこれらの組み合わせからなる群より選ばれる、カーボンオキシカルコゲナイドの製造方法が提供される。
【００１１】
また別の一態様において、酸化炭素基材を形成するために、炭素基材を酸化剤と接触させる工程と、カルコゲン含有化合物を用意する工程と、酸化炭素基材をカルコゲン含有化合物と接触させて、３００℃〜１２００℃の温度まで加熱する工程とを含む、カーボンオキシカルコゲナイドの製造方法が提供される。
【００１２】
別の一態様において、ＣＯｘＥｙ（式中、Ｃ、Ｏ、及びＥは、化学的に相互作用し、Ｅは、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅのうちの少なくとも１つから選択され、ｘは０．０１〜０．１であり、ｙは０．００５〜０．３である）を含む表面を有する炭素基材を含む組成物が提供される。
【００１３】
上記の概要は、各実施形態を説明することを目的とするものではない。本発明の１つ以上の実施形態の詳細を以下の説明文においても記載する。他の特徴、目的、及び利点は、説明文及び「特許請求の範囲」から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】比較例Ｂ、実施例６〜７、及び実施例２６〜２７における、％クロラミン減少量対時間のグラフである。
【図２】比較例Ａ〜Ｂ、及び実施例２８Ａ〜Ｄにおける、％クロラミン減少量対時間のグラフである。
【図３】比較例Ｂ、実施例２８Ｃ、２９、及び３０における、％クロラミン減少量対時間のグラフである。
【図４】比較例Ｂ、実施例２９Ｃ及び３１における、％クロラミン減少量対時間のグラフである。
【図５】実施例３５及び３６、並びに炭素基材Ｍ及びＮにおける、流出液中のクロラミン濃度対流量のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書で使用するとき、用語
「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は互換可能に使用され、１又はそれよりも多くを意味する。
「及び／又は」は、記載される事例の一方又は両方が起こりうることを示すために使用され、例えば、Ａ及び／又はＢは、（Ａ及びＢ）と（Ａ又はＢ）とを含む。
【００１６】
本明細書においては更に、端点による範囲の記載には、その範囲内に含まれる全ての数値が含まれる（例えば、１〜１０には、１．４、１．９、２．３３、５．７５、９．９８等が含まれる）。
【００１７】
本明細書においては更に、「少なくとも１」の記載には、１以上の全ての数値が含まれる（例えば、少なくとも２、少なくとも４、少なくとも６、少なくとも８、少なくとも１０、少なくとも２５、少なくとも５０、少なくとも１００等）。
【００１８】
本開示は、カーボンオキシカルコゲナイドの表面を含む炭素基材に関する。そのような組成物が、水溶液からクロラミンを除去するのに有用であり得るということが見出された。
【００１９】
炭素は、ダイアモンド、グラファイト、及び非晶質炭素を含む複数の同素体を持つ。一実施形態において、炭素基材はｓｐ２混成炭素を多く含む。すなわち、この炭素基材は、２０％以下、１５％以下、１２％以下、又更には１０％以下のｓｐ３混成炭素を含む。ｓｐ３混成炭素の含有量が増えるにつれ、ｓｐ２混成炭素基材は、次第に、密集した等方性のネットワークを持つ正四面体炭素へと変化する。
【００２０】
炭素基材の形態は、特に限定されるものではないが、非粒子状、粒子状、又は凝集体状であってもよい。形態の例としては、炭素ブロック、炭素モノリス、発泡体、フィルム、繊維、ナノチューブ、及びナノオニオンが挙げられる。非粒子とは、識別可能な別々の粒子により構成されていない基材である。粒子状基材とは、識別可能な粒子を有し、この粒子の形状は球状でも不規則であってもよく、平均粒子径が０．１μｍ（マイクロメートル）以上、１μｍ以上、５μｍ以上、１０μｍ以上、２０μｍ以上、又更には４０μｍ以上であり、７５μｍ以下、１００μｍ以下、５００μｍ以下、１ｍｍ（ミリメートル）以下、２ｍｍ以下、４ｍｍ以下、６．５ｍｍ以下、又更には７ｍｍ以下の基材である。凝集体（又は複合体）は、細かい粒子同士の、又は細かい粒子とより大きな担体粒子又は面との結合、若しくは細かい粒子同士を、又は細かい粒子とより大きな担体粒子又は面を集塊状に集めることにより形成される。この凝集体は自立（重力に対し自己支持）していてもよい。
【００２１】
一般的に、炭素基材の形態は用途に基づき選択される。例えば、本開示の組成物が、低い圧力損失が要求される用途（例えば、気体又は液体を通過させる層）に使用される場合には、粒径の大きな粒子が望ましい。Ｍｅａｄ  Ｗｅｓｔｖａｃｏ  Ｃｏｒｐ．（Ｒｉｃｈｍｏｎｄ，ＶＡ）より商品名「ＲＧＣ」で入手可能な粒状活性炭は、水処理において好ましい場合があり、一方、クラレケミカル株式会社（日本、岡山県）より商品名「ＫＵＲＡＲＡＹ  ＧＧ」で入手可能なヤシガラ活性炭（２０×２５メッシュ）は、その大きな粒子径に伴う、より低い圧力損失のために、空気清浄用途において好ましい場合があり、また、Ｃａｂｏｔ  Ｃｏｒｐ．（Ａｌｐｈａｒｅｔｔａ，ＧＡ）より商品名「ＢＬＡＣＫ  ＰＥＡＲＬＳ  ２０００」で入手可能な微細な粒子径のカーボンブラックは、その高い導電性のために、電気的触媒として好ましい場合がある。
【００２２】
炭素基材の孔径は、その用途に応じて選択することができる。炭素基材は、ミクロポーラス炭素、マクロポーラス炭素、メソポーラス炭素、又はこれらの混合物であってもよい。
【００２３】
特に有用な炭素基材は、実質的に不規則であり、高い表面積をもつ炭素基材である（例えば、ＢＥＴ（ブルナウアー−エメット−テラー法）窒素吸着に基づき、１００ｍ２／ｇ以上、５００ｍ２／ｇ以上、６００ｍ２／ｇ以上、又更には７００ｍ２／ｇ以上であり、１０００ｍ２／ｇ以下、１２００ｍ２／ｇ以下、１４００ｍ２／ｇ以下、１５００ｍ２／ｇ以下、又更には１８００ｍ２／ｇ以下である）。本明細書に使用される「実質的に不規則」とは、炭素基材が、約１０〜５０Å（オングストローム）の面内ドメインサイズを有することを意味する。
【００２４】
一実施形態において、炭素基材は活性炭、言い換えれば、高い表面積を持たせるように高多孔質（すなわち、単位体積あたり多数の孔を有すること）化処理をされた炭素、により構成される。
【００２５】
本開示において、炭素基材の表面は、ＣＯｘＥｙ（式中、Ｅは、硫黄、セレン、テルル、又はこれらの組み合わせであり、ｘは０．１以下であり、ｙは０．００５〜０．３である）を含む。一実施形態において、ｘは０、又は０．００５以上、０．０１以上、０．０２以上、０．０３以上、０．０４以上、又更には０．０５以上であり、０．０７以下、０．０８以下、０．０９以下、０．１以下、０．１２以下、０．１５以下、又更には０．２以下である。一実施形態において、ｙは０．００１以上、０．００５以上、０．０１以上、０．０２以上、０．０３以上、０．０４以上、０．０５以上、又更には０．０６以上であり、０．１２以下、０．１４以下、０．１５以下、０．１６以下、０．１８以下、０．２以下、０．２２以下、０．２５以下、０．３以下、０．３５以下、又更には０．４以下である。
【００２６】
一実施形態において、炭素基材は、ＣＯｘＥｙを主成分とした表面を有する。これは、この表面が炭素、酸素、及びＥを必ず含み、本発明の基本的な性質及び新規な性質に実質的に影響しない限り、他の原子も含んでいてもよいという意味である。言い換えれば、炭素、酸素、及びカルコゲンの他にも、基材の表面は、合計で１０％未満、又更には５％未満の他の原子を含む。これらの他の原子は、出発物質に由来してよい。例えば、炭素基材は、本開示に記載されているように、製造中に取り除かれず、したがって最終生成物中にも存在する、カリウム又は少量の他の元素を反応前に含んでいてもよい。
【００２７】
硫黄がカルコゲナイドとして使用される場合、炭素基材の合計質量に基づいて、１．２質量％を超える、１．３質量％を超える、１．５質量％を超える、１．８質量％を超える、２．０質量％を超える、４．０質量％を超える、６．０質量％を超える、８．０質量％を超える、又更には１０．０質量％を超える量の硫黄を含んでいてもよい。
【００２８】
一実施形態において、本開示の組成物は、炭素基材の合計質量に基づいて、０．９０質量％未満、０．８０質量％未満、０．７０質量％未満、０．５０質量％未満、０．３０質量％未満、０．１０質量％未満、０．０５質量％未満、０．０１質量％未満、又更には０．００５質量％未満の窒素を含む。
【００２９】
一実施形態において、本開示の組成物は実質的に水素を含まず、炭素基材の合計質量に基づいて、０．４０質量％未満、０．３０質量％未満、０．２０質量％未満、０．１０質量％未満、０．０５質量％未満、又更には０．０１質量％未満の水素を含む。
【００３０】
本開示の組成物は、炭素基材を、カルコゲン又はカルコゲン含有化合物、及び任意で酸素、に曝すことで調製される。本明細書において、硫黄、セレン、テルルのことを指すために使用される、カルコゲンは、加熱条件下で、固体、液体、又は気体状のカルコゲン又はカルコゲン含有化合物を炭素基材に曝すことで、炭素基材に反応させられる。
【００３１】
有用な硫黄含有化合物としては、限定されるものではないが、単体硫黄、ＳＯ２、ＳＯＣｌ２、ＳＯ２Ｃｌ２、ＣＳ２、ＣＯＳ、Ｈ２Ｓ、及び硫化エチレンが挙げられる。
【００３２】
有用なセレン化合物としては、限定されるものではないが、単体セレン、ＳｅＯ２、及びＳｅＳ２が挙げられる。
【００３３】
有用なテルル化合物としては、限定されるものではないが、単体テルル、ＴｅＯ２、及び（ＨＯ）６Ｔｅが挙げられる。
【００３４】
一実施形態において、硫黄化合物、セレン化合物、及びテルル化合物は、複数のカルコゲン元素（例えば、硫黄とセレン）を含むカーボンオキシカルコゲナイドを生成するために、互いに組み合わせて使用してもよい。
【００３５】
カルコゲンに加え、炭素基材の表面は、酸素も含む。そのままの状態の炭素基材は、表面の炭素原子に付着した、化学的に重要な量の酸素を含んでいてもよい。例えば、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）分析によれば、ＲＧＣは約２．９原子％の酸素を含む。この酸素量は本開示にとっては十分な量としてもよいが、より多くの量の表面酸素が望ましい場合には、追加の酸素がその炭素に組み込まれてもよい。
【００３６】
一実施形態において、追加の酸素は、カルコゲン含有化合物に曝される前に炭素基材に追加されてもよい。例えば、炭素基材は空気中で加熱することもでき、又は硝酸水溶液、過硫酸アンモニウム水溶液、オゾン水溶液、過酸化水素水溶液、過マンガン酸カリウム水溶液、フェントン試薬、又はその他の公知の酸化剤で処理することもできる。
【００３７】
別の一実施形態において、追加の酸素は、空気又は水の存在下で、炭素基材とカルコゲン含有化合物との反応を行うことで、本開示の組成物に組み込むことができる。炭素の燃焼を防ぐために、使用される空気の量は制限されなければならない。追加の酸素は、水又は蒸気を加えることで供給されてもよく、この水又は蒸気は、加熱反応中に加えることもでき、又は炭素基材の表面に存在していてもよい（例えば、水を化学吸着する高表面積の炭素質材料、特に親水性の酸化炭の場合）。酸素は、加熱反応中に、二原子酸素、二酸化硫黄、二酸化炭素、又はこれらの組み合わせの形態で追加されてもよい。
【００３８】
炭素とカルコゲンの加熱中に酸素源を加えるほかに、一代替的実施形態において、加熱は追加の酸素の非存在下で行われる。
【００３９】
単体炭素の反応は、一般的に、高い活性化エネルギーを示すため、高温で行われる。カルコゲン、及び任意で酸素、を炭素基材表面に導入するために使用される反応は、２００℃以上、２５０℃以上、３００℃以上、４００℃以上、又更には５００℃以上であり、６５０℃以下、７００℃以下、８００℃以下、９００℃以下、１０００℃以下、１２００℃以下、又更には１４００℃以下の温度で行われてもよい。実施例で示されるように、一実施形態において、反応温度が高くなるにつれ、本開示の組成物はクロラミン除去に、より効率的になる。
【００４０】
熱化学反応は空気中で起きてもよいが、燃焼を制御するため、真空下、パージしながら（例えば、窒素パージ）、又は吸引機（vacuum）を用いて空気を反応器から引き抜き、それから乾燥窒素を反応器に充填した不活性雰囲気下で、熱化学反応を行う事も可能である。
【００４１】
カルコゲン含有化合物は、固体、液体、又は気体状で使用されてもよい。カルコゲン含有化合物の沸点よりも高い反応温度が使用され、固−気反応（solid-gas reaction chemistry）に至る。
【００４２】
一実施形態において、炭素基材は液状カルコゲン含有化合物で湿潤させ、その後、反応温度、及び任意で酸素、に曝して、カーボンオキシカルコゲナイド表面を形成する。これらの反応は炭素基材の表面で起こる。多孔質の炭素基材の場合、カーボンオキシカルコゲナイドは、その多孔質の炭素基材の孔の表面を被覆して（すなわち、覆って）いてもよい。
【００４３】
本開示の組成物は、固−気化学（すなわち、固−蒸気化学）により得られる。この種類の反応では、炭素基材の外側部分だけが反応性ガスに曝される。生成物の被覆層が、そのガスの内側への拡散を抑制するため、そのような反応は自ずと制限できる。そのような場合、生成される新たな化合物は、表面付近の範囲に限られ、表面の化合物を含む。一般的に、これは、反応が炭素基材上の深さ１０ｎｍ（ナノメートル）以下で起こり、ＣＯｘＥｙコーティングを形成することを意味する。
【００４４】
炭素基材が大径粒子である場合、コアシェル構造が結果として生じ、ここで、コアは、カーボンオキシカルコゲナイドを含むシェル（すなわち、第二層）に被覆された炭素基材である。
【００４５】
本明細書で開示される反応は表面反応であるため、炭素材料が高表面積の小径粒子状（例えば、名目−３２５メッシュ、名目表面積１４００〜１８００ｍ２／ｇを有するＲＧＣ  Ｐｏｗｄｅｒ）である場合、粒子の表面と内部は、同等の面積を持つことができる。一例において、粒子の外側表面と内部の間に明白な化学的差異がなくてもよい。別の一例において、容積中のカルコゲン含有量は、表面のカルコゲン含有量に近づく、又更には超えることができる。
【００４６】
本開示の固−蒸気処理は、小分子反応物質のミクロ細孔への浸透を可能とし、また、非常に不規則な表面により窪みを形成する。これが結果として、有利な、カルコゲンの均一な分布を生じる。
【００４７】
カルコゲン含有化合物からの全てのカルコゲナイドが炭素基材表面に組み込まれるわけではないため（例えば、一部は、ＣＯＥ又はＨ２Ｅに変換される）、炭素基材表面上の炭素、酸素、及びカルコゲンの原子分率を測定するために、生じた組成物を分析することは重要である。
【００４８】
本開示において、炭素基材表面の炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、及びカルコゲン（Ｅ）の原子分率は、ＣＯｘＥｙとして示される。ここで、一実施形態において、ｘは０、又は０．００５以上、０．０１以上、０．０２以上、０．０３以上、０．０４以上、又更には０．０５以上であり、０．０７以下、０．０８以下、０．０９以下、０．１以下、０．１２以下、０．１５以下、又更には０．２以下であり、ｙは０．００１以上、０．００５以上、０．０１以上、０．０２以上、０．０３以上、０．０４以上、０．０５以上、又更には０．０６以上であり、０．１２以下、０．１４以下、０．１５以下、０．１６以下、０．１８以下、０．２以下、０．２２以下、０．２５以下、０．３以下、０．３５以下、又更には０．４以下である。
【００４９】
本開示の一実施形態において、本開示の組成物の炭素、酸素、及びカルコゲンは化学的に相互作用し合っている、つまり、これらの元素が化学的に互いに結合されてもよい（すなわち、隣接した元素間の共有化学結合）、あるいは、隣接していない元素間に、水素結合等の、より弱い結合が存在してもよいということである。
【００５０】
本開示の組成物の分析によると、少なくとも一実施形態において、酸素及びカルコゲンは炭素基材の表面上で化学的に結合されている。酸素及び炭素は炭素基材の表面の必須部分であり、４００℃まで加熱することでは容易に取り除かれない。カーボンオキシカルコゲナイドの構造と結合の性質は複雑である。本開示で得られた組成物の、慎重にデコンボリューションを行ったＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）スペクトルは、硫黄が、約１６２．０ｅＶ、１６４．３ｅＶ、１６５．８ｅＶ、及び１６８．９ｅＶ（Ｃ（１ｓ）＝２８５．０ｅＶ）のＳ２ｐ３／２結合エネルギーを有する４つの異なる化学環境（chemical environments）にあることを明らかにした。したがって、これらは４つの異なる化学環境にあり、３つの形式価数（Ｓ（ＶＩ）、Ｓ（ＩＶ）、及びＳ（ＩＩ））にある、化学的に結合された硫黄を含む。これらの化学環境とは、（１）ＳＯ４２−又は有機スルホン（Ｃ−ＳＯ２−Ｃ）のようなＳ（ＶＩ）、（２）有機スルホキシド（Ｃ−ＳＯ−Ｃ）のようなＳ（ＩＶ）、（３）チオフェンのようなＳ（ＩＩ）、及び（４）有機スルフィド（Ｃ−Ｓ−Ｃ）又はジスルフィド（Ｃ−Ｓ−Ｓ−Ｃ）のようなＳ（ＩＩ）、である。
【００５１】
一実施形態において、本開示の組成物は高い熱安定性を有する。例えば、カーボンオキシスルフィドでは、窒素下での著しい重量減少は、硫黄の沸点よりもかなり高い約２００℃まで始まらず、本開示の組成物が出発物質の単なる物理的混合物ではないことを示している。
【００５２】
カーボンオキシカルコゲナイド表面を炭素基材上に組み込むために固−蒸気処理を用いることで、いくつかの利点を実現できる。反応は、無溶媒であってもよく、又は少なくとも有機溶媒を用いなくともよいため、生成物を分離するために乾燥作業が必要とされない。更に、残留して固体の細孔に詰まる不揮発性の副生成物が、通常存在しない。溶媒が使用されない場合、本明細書に記載の処理は、費用の低減及び／又は処理能力の増加を可能とする連続処理として行うことを想定できる。
【００５３】
一実施形態において、本開示の組成物はクロラミンの除去に用いられてもよい。
【００５４】
一実施形態において、本開示の組成物は流動体、特に液体流動体、からのクロラミンの除去に用いられてもよい。クロラミンは、アンモニアと塩素（次亜塩素酸塩）との水性反応により生成される。したがって、アンモニア（ＮＨ３）が塩素消毒システムに加えられると、塩素はクロラミンに変換される。具体的には、低濃度のモノクロラミン（以下「クロラミン」と呼ぶ）は、飲用水源の消毒により発生する。
【００５５】
理論に縛られることを望むものではないが、カルコゲンがクロラミンにより酸化可能な１種以上の形態で存在するように、炭素基材の表面上の炭素原子、カルコゲン原子、酸素原子が、特定の化学的部分を形成すると考えられる。これがクロラミンの分解と除去という結果になる。
【００５６】
一実施形態において、本開示の組成物はろ過材として使用されてもよい。本開示の組成物のクロラミン除去能のために、本開示の組成物はろ過材として使用されてもよい。当該技術分野において周知のろ過方法が使用可能である。
【００５７】
カーボンオキシカルコゲナイドの表面を有する炭素基材は、単独で使用されてもよく、又は不活性希釈剤若しくは吸着剤等の機能的に活性な材料と混合して使用してもよい。例えば、ＲＧＣ炭素から調製されたオキシスルフィドは、揮発性有機化合物の吸着容量がより高い炭素と混和されてもよく、又はその炭素とのベッドの層にされてもよい。このように、複数の機能性を有する吸着システムを製造することができる。
【００５８】
本開示の組成物は、粉体状、粒状、又は任意の形状に成形して使用されてもよい。例えば、本開示の組成物は、カーボンオキシカルコゲン及びバインダー材（例えば、超高分子量ＰＥ又は高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）等のポリエチレン）を含む炭素基材の圧縮混合物であってもよい。別の一実施形態において、本開示の組成物は、本明細書にその内容全体を引用された米国特許第２００９／００３９０２８号（Ｅａｔｏｎ  ｅｔ  ａｌ．）に記載されているような、圧縮された又は圧縮されていないブロー極細繊維等のウェブに付着させてもよい。
【００５９】
一実施形態において、カーボンオキシカルコゲナイドを含む炭素基材は、流体入口と流体出口を有し、それらの間にろ過材（例えば、カーボンオキシカルコゲナイドを含む炭素基材）を配置する流体導管の中に配置されてもよい。クロラミン含有溶液は、その後、ろ過材と接触させるために、流体入口から流体導管の中を通されてもよい。ろ液（流体出口を通り過ぎた溶液）は、１ｐｐｍ（パーツ・パー・ミリオン）未満、０．５ｐｐｍ未満、０．１ｐｐｍ未満、又更には０．０５ｐｐｍ未満のクロラミンを含むべきである。
【００６０】
本開示の実施形態としては、以下が挙げられる。
項目１．流体入口と流体出口とを流体接続する流体導管、及び前記流体導管に配置されたろ過材を備えるろ過装置であって、前記ろ過材が、ＣＯｘＥｙ（式中、Ｅは、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅのうちの少なくとも１つから選択され、ｘは０．１以下であり、ｙは０．００５〜０．３である）の表面を有する炭素基材を含む、ろ過装置。
【００６１】
項目２．ｘが０．０１〜０．１である、項目１に記載のろ過装置。
【００６２】
項目３．Ｅが硫黄であり、前記硫黄が炭素と化学的に結合している、項目１又は２に記載のろ過装置。
【００６３】
項目４．前記ろ過材が、ＣＯｘＥｙの表面を有する前記炭素基材と、バインダーとを含む、項目１〜３のいずれか一項に記載のろ過装置。
【００６４】
項目５．前記ろ過材が、ＣＯｘＥｙの表面を有する前記炭素基材と、ウェブとを含む、項目１〜３のいずれか一項に記載のろ過装置。
【００６５】
項目６．液体入口と液体出口とを流体接続する液体導管、及び前記液体導管に配置されたろ過材を備える水ろ過装置であって、前記ろ過材が、ＣＯｘＥｙ（式中、Ｅは、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅのうちの少なくとも１つから選択され、ｘは１以下であり、ｙは０．００５〜０．３である）の表面を有する炭素基材を含む、水ろ過装置。
【００６６】
項目７．ｘが０．０１〜０．１である、項目１に記載の水ろ過装置。
【００６７】
項目８．Ｅが硫黄であり、前記硫黄が炭素と化学的に結合している、項目６〜７のいずれか一項に記載の水ろ過装置。
【００６８】
項目９．前記ろ過材が、ＣＯｘＥｙの表面を有する前記炭素基材と、バインダーとを含む、項目６〜８のいずれか一項に記載の水ろ過装置。
【００６９】
項目１０．前記ろ過材が、ＣＯｘＥｙの表面を有する前記炭素基材と、ウェブとを含む、項目６〜８のいずれか一項に記載の水ろ過装置。
【００７０】
項目１１．クロラミンを含む水溶液を用意する工程と、前記水溶液と、ＣＯｘＥｙ（式中、Ｅは、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅのうちの少なくとも１つから選択され、ｘは０．１以下であり、ｙは０．００５〜０．３である）の表面を有する炭素基材を含む組成物とを接触させる工程とを含む、水溶液からクロラミンを除去する方法。
【００７１】
項目１２．ｘが０．０１〜０．１である、項目１１に記載の水溶液からクロラミンを除去する方法。
【００７２】
項目１３．Ｅが硫黄であり、前記硫黄が炭素と化学的に結合している、項目１１〜１２のいずれか一項に記載の水溶液からクロラミンを除去する方法。
【００７３】
項目１４．前記炭素基材が、ミクロポーラス炭素、メソポーラス炭素、マクロポーラス炭素、又はこれらの混合物である、項目１１〜１３のいずれか一項に記載の水溶液からクロラミンを除去する方法。
【００７４】
項目１５．炭素基材をカルコゲン含有化合物に接触させる工程と、酸素の存在下で、３００℃から１２００℃の間の温度まで加熱する工程とを含む、カーボンオキシカルコゲナイドの製造方法であって、前記酸素の形態は、不活性希釈ガス、水、蒸気、及びこれらの組み合わせからなる群より選ばれる、カーボンオキシカルコゲナイドの製造方法。
【００７５】
項目１６．前記酸素の形態が、二原子酸素、二酸化硫黄、水、二酸化炭素、及びこれらの組み合わせからなる群より選ばれる、項目１５に記載の方法。
【００７６】
項目１７．前記カルコゲン含有化合物が、単体硫黄、ＳＯ２、ＣＳ２、Ｈ２Ｓ、硫化エチレン、単体セレン、ＳｅＯ２及びＳｅＳ２、単体テルル、ＴｅＯ２、（ＨＯ）６Ｔｅ、並びにこれらの組み合わせからなる群より選ばれる、項目１５〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【００７７】
項目１８．酸化炭素基材を形成するために、炭素基材を酸化剤に接触させる工程と、カルコゲン含有化合物を用意する工程と、酸化炭素基材とカルコゲン含有化合物とを接触させて、３００℃〜１２００℃の温度まで加熱する工程とを含む、カーボンオキシカルコゲナイドの製造方法。
【００７８】
項目１９．前記酸化剤が、空気、過硫酸アンモニウム、硝酸水溶液、オゾン水溶液、過酸化水素水溶液、過マンガン酸カリウム水溶液、及びフェントン試薬のうちの少なくとも１つから選択される、項目１８に記載の方法。
【００７９】
項目２０．前記カルコゲン含有化合物が、単体硫黄、ＳＯ２、ＣＳ２、Ｈ２Ｓ、Ｃ２Ｈ４Ｓ、単体セレン、ＳｅＯ２及びＳｅＳ２、単体テルル、ＴｅＯ２、（ＨＯ）６Ｔｅ、並びにこれらの組み合わせからなる群より選ばれる、項目１８〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【００８０】
項目２１．ＣＯｘＥｙ（式中、Ｃ、Ｏ、及びＥは、化学的に相互作用し、Ｅは、Ｓ、Ｓｅ、及びＴｅのうちの少なくとも１つから選択され、ｘは０．０１〜０．１であり、ｙは０．００５〜０．３である）を含む表面を有する炭素基材を含む組成物。
【００８１】
項目２２．Ｅが硫黄であり、前記硫黄が炭素と化学的に結合している、項目２１に記載の組成物。
【００８２】
項目２３．前記炭素基材が、ミクロポーラス炭素、メソポーラス炭素、又はマクロポーラス炭素である、項目２１〜２２のいずれか一項に記載の組成物。
【００８３】
項目２４．前記炭素基材が、前記炭素基材の合計質量に基づいて、０．９０質量％未満の窒素を含む、項目１〜５のいずれか一項に記載のろ過装置。
【００８４】
項目２５．前記炭素基材が、前記炭素基材の合計質量に基づいて、２．０質量％を超える硫黄を含む、項目１〜５のいずれか一項に記載のろ過装置。
【００８５】
項目２６．前記炭素基材が、前記炭素基材の合計質量に基づいて、０．９０質量％未満の窒素を含む、項目６〜１０のいずれか一項に記載の水ろ過装置。
【００８６】
項目２７．前記炭素基材が、前記炭素基材の合計質量に基づいて、２．０質量％を超える硫黄を含む、項目６〜１０のいずれか一項に記載の水ろ過装置。
【００８７】
項目２８．前記炭素基材が、前記炭素基材の合計質量に基づいて、０．９０質量％未満の窒素を含む、項目１１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【００８８】
項目２９．前記炭素基材が、前記炭素基材の合計質量に基づいて、２．０質量％を超える硫黄を含む、項目１１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【００８９】
項目３０．前記炭素基材が、前記炭素基材の合計質量に基づいて、０．９０質量％未満の窒素を含む、項目２１〜２３のいずれか一項に記載の組成物。
【００９０】
項目３１．前記炭素基材が、前記炭素基材の合計質量に基づいて、２．０質量％を超える硫黄を含む、項目２１〜２３のいずれか一項に記載の組成物。
【実施例】
【００９１】
本開示の利点及び実施形態を以降の実施例によって更に例示するが、これら実施例において列挙される特定の材料及びそれらの量、並びに他の条件及び詳細は、本発明を不当に制限するものと解釈されるべきではない。これらの実施例では、比率、割合及び比は全て、特に断らない限り重量に基づいたものである。
【００９２】
材料はいずれも市販されているもの（例えば、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，ＷＩ）より市販）か、あるいは特に断らない限り、又は明らかでない限り、当業者には既知のものである。
【００９３】
以降の実施例において下記略称が使用される。ｃｃ＝立方センチメートル、ｇ＝グラム、ｈｒ＝時間、ｉｎ＝インチ、ｋｇ＝キログラム、ｍｉｎ＝分、ｍｏｌ＝モル、Ｍ＝モーラー、ｃｍ＝センチメートル、ｍｇ／Ｌ＝ミリグラム毎リットル、ｍｍ＝ミリメートル、ｍＬ＝ミリリットル、Ｌ＝リットル、Ｎ＝ノルマル、ｐｓｉ＝圧力毎平方インチ、ＭＰａ＝メガパスカル、及びｗｔ＝重量。
【００９４】
方法
見掛け密度測定
炭素基材サンプル（本開示の比較例又は実施例に従って調製）の見掛け密度は、もっとも密な充填が成されるまで、秤量したサンプルをメスシリンダーに軽く叩いて入れることで、測定した。軽く叩いても炭素基材サンプルの体積がそれ以上減少しなかったときに、もっとも密な充填が成されたとみなした。
【００９５】
炭素ブロックの作製
４０ｃｍ３の炭素材料（炭素−オキシカルコゲナイドサンプル又は炭素基材のどちらか）を、混合機に入れた。最大の非圧縮密度における炭素材料の体積を測定した。最大の非圧縮密度状態で４０ｃｃの超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）粉体（Ｔｉｃｏｎａ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａ（Ｆｌｏｒｅｎｃｅ，ＫＹ）より、商品名「ＧＵＲ  ＵＨＭＷ−ＰＥ  ２１２６」で入手可能）を秤量し、混合機に仕込んだ。炭素材料とＵＨＭＷＰＥを３分間混合した。その後、混合物を、外径１．３５ｉｎ（３４．３ｍｍ）、内径０．３７５ｉｎ（９．５ｍｍ）、長さ３．６ｉｎ（９１．４ｍｍ）の寸法を有する、コアが円筒状の中空である円筒状の型に定量的に移した。米国特許第８，２０６，６２７（Ｓｔｏｕｆｆｅｒ  ｅｔ  ａｌ．）に記載されたインパルス充填を用いて、最大の非圧縮密度で型を充填した。型に蓋をし、その後、熱対流炉で５０分間、１８０℃で加熱した。加熱後、型を所定のブロックの長さ３．１ｉｎ（７８．７ｍｍ）まで、ピストンを用いて直ちに圧縮した。型を室温まで冷まし、得られたカーボンブロックを型から外した。ホットメルト接着剤を使用して、エンドキャップをカーボンブロックに接着し、端キャップ付きカーボンサンプルを作製した。
【００９６】
クロラミン試験
水サンプル中の全塩素含有量から、水サンプル中のクロラミン含有量を求めた。全塩素（ＯＣｌ−及びクロラミン）濃度は、Ｈａｃｈ  Ｃｏｍｐａｎｙが米国環境保護庁公定法（USEPA Method）３３０．５に相当すると主張するＨａｃｈ  Ｍｅｔｈｏｄ  ８１６７及び全塩素分析ＤＰＤ法（DPD Total Chlorine Method）により測定した。遊離塩素（ＯＣｌ−）濃度は、Ｈａｃｈ  Ｃｏｍｐａｎｙが米国環境保護庁公定法３３０．５に相当すると主張するＨａｃｈ  Ｍｅｔｈｏｄ  ８０２１及び遊離クロラミン分析ＤＰＤ法（DPD Free Chloramine Analysis）により定期的に測定した。遊離塩素は無視できる程の低濃度（＜０．２ｐｐｍ）に保たれたため、全塩素分析は、水中のクロラミン濃度の良い推量となると考えられた。全ての試薬及び器具は、Ｈａｃｈ  Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｌｏｖｅｌａｎｄ，ＣＯ）より入手可能であり、ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｈａｃｈ  Ｍｅｔｈｏｄに記載されたものであった。
【００９７】
クロラミンの調製
３ｐｐｍのクロラミンは、脱イオン水に適量の市販の漂白剤（５．２５％のＮａＯＣｌ）を添加して調製した。攪拌しながら、１．５当量の塩化アンモニウム水溶液を漂白剤溶液に加え、１時間攪拌した。ＮａＯＨ又はＨＣｌを加えてｐＨを７．６に調整し、ｐＨはｐＨ計（Ｔｈｅｒｍｏ  Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｉｎｃ．（Ｗａｌｔｈａｍ，ＭＡ）より、商品名「ＯＲＩＯＮ  ３−ＳＴＡＲ」で入手）を用いて測定した。
【００９８】
クロラミン除去試験
２７℃にてｐＨ  ７．６の、ＮＨ２Ｃｌ（上記のとおり調製）を３ｐｐｍ含むクロラミン水溶液試験液を調製した。試験の直前に、上記クロラミン試験で記載されたとおり、クロラミン水溶液試験液の初期全塩素含有量を計測した。攪拌し続けながら、１．５ｍＬの分量の炭素基材サンプル（すなわち、本開示の比較例又は実施例に従って調製したサンプル）をクロラミン水溶液試験液に加えた。その一定分量の炭素基材サンプルの質量は、上記のとおり計測した炭素基材の見掛け密度（約０．３ｇ／ｍＬ）に基づいて求められた。混合の直後、ストップウォッチを開始した。３０秒後に、２５ｍＬの分量の混合物を取り出し、懸濁した固体を取り除くため、取り出し後５秒以内にその混合物を１μｍのシリンジフィルターに通した。２５ｍＬの分量を上記のとおり取り出してから３０秒以内に、そのろ過した一定分量中のクロラミン含有量を計測した。一定分量を３分間に亘って混合物から定期的に取り出し、その一定分量を上記のとおりクロラミン試験を用いて分析した。クロラミン除去効率を下記数式により求め、％クロラミン減少量として報告した。
【００９９】
【数１】
2014530087.tif 000003
【０１００】
クロラミン除去試験２（流動システム方法）
流動システムのクロラミン容量を、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ規格４２（飲料水処理装置味・臭・色への影響（Drinking Water Treatment-Aesthetic Effects））に基づいた方法により、クロラミン低減について評価した。ｐＨが９．０±０．２５、総溶解固形物が２００〜５００ｍｇ／Ｌ、硬度がＣａＣＯ３換算で１７０ｍｇ／Ｌ未満、濁度が１比濁計濁度単位未満、温度が２０±３℃である、クロラミン水溶液試験液を３ｍｇ／Ｌ、調製した。次亜塩素酸ナトリウム溶液を加え、その後塩化アンモニウム溶液を加えて、クロラミン濃度を２．７〜３．３ｍｇ／Ｌに調整した。ｐＨは、必要により、水酸化ナトリウムを加えることで調整した。
【０１０１】
その後、端キャップ付きカーボンサンプル（上記のとおり調製）を、ろ過材の外側から内側に放射状に流れることが可能な、一般的なろ過容器の中に設置した。容器は入口と出口を備えていた。０．１３ガロン／分（０．４９Ｌ／分）の流量で、クロラミン水溶液試験液をろ過システムに通した。この試験中、加速試験をするために水の流量は一定に保った。つまり、ＮＳＦ規格に規定されたデューティサイクル（duty cycle）又は停止期間（shutdown period）は無かった。
【０１０２】
カーボンブロックサンプルを湿潤させるために、上記のクロラミン水溶液試験液を、ろ過システムに５分間流し込んだ。その後、流出液のサンプル（カーボンブロックサンプルからの流出物）を定期的に採取し、ガロンで流量を記録した。上記のクロラミン試験を用いて、流出液サンプルをクロラミンについて分析した。クロラミン流出液濃度を、その後、クロラミン水溶液試験液の流量の関数としてプロットした。ＮＳＦ  ４２による流出液の最大クロラミン濃度は０．５ｍｇ／Ｌである。カーボンブロックサンプルの容量は、流出液中のクロラミン濃度が上昇して０．５ｍｇ／Ｌを超える前に達した流量として報告した。
【０１０３】
炭素基材サンプル
炭素基材Ａは、更なる処理無しにそのまま使用した活性炭粉末（名目−３２５メッシュ、ＭｅａｄＷｅｓｔｖａｃｏ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（Ｎｏｒｔｈ  Ｃｈａｒｌｅｓｔｏｎ，ＳＣ）より、商品名「ＡＱＵＡＧＵＡＲＤ  ＰＯＷＤＥＲ」で入手）であった。
【０１０４】
炭素基材Ｂ（ＲＧＣ粉末）は、更なる処理無しにそのまま使用した、灰含有量が２．９重量％の活性炭粉末（名目−３２５メッシュ、ＭｅａｄＷｅｓｔｖａｃｏ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（Ｎｏｒｔｈ  Ｃｈａｒｌｅｓｔｏｎ，ＳＣ）より、商品名「ＲＧＣ  ＰＯＷＤＥＲ」で入手）であった。
【０１０５】
炭素基材Ｃは次のとおり調製した。炭素基材Ｂ（５００ｇ）を、還流凝縮器及び機械攪拌器を備えた５Ｌの反応釜（kettle）内の、２Ｌの７．５Ｍ  ＨＮＯ３に加えた。茶色のＮＯｘの放出の停止後、混合物を一晩、還流及び攪拌した。その後、混合物を室温まで冷まし、ガラスろ過器により固体を採取した。固体を、１Ｌの量の脱イオン水で１０回洗った後、１３０℃のオーブンで１６時間乾燥した。収量は５３２ｇであった。
【０１０６】
炭素基材Ｄは次のとおり調製した。機械攪拌下、３０ｇの（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８を１Ｌの２Ｎ  Ｈ２ＳＯ４に含む溶液に、炭素基材Ｂ（１５０ｇ）を何回かに分けて加えた。２０時間後、ガラスろ過器で固体を採取した。固体を、１Ｌの量の脱イオン水で４回洗った後、１３０℃で１６時間乾燥した。収量は１５８ｇであった。
【０１０７】
炭素基材Ｅは次のとおり調製した。炭素基材Ｂ（４００ｇ）を３つのバッチに分けた。各バッチをセラミックボートに仕込み、空気中にて５００℃で加熱した。３つのバッチをまとめ、完全に混合した。収量は３６８ｇであった。
【０１０８】
炭素基材Ｆは、更なる処理無しにそのまま使用したカーボンブラック粉末（Ｃａｂｏｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ）より、商品名「ＢＬＡＣＫ  ＰＥＡＲＬ」で入手）であった。
【０１０９】
炭素基材Ｇは、更なる処理無しにそのまま使用した活性炭粉末（Ｋｕｒａｒａｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｗｏｏｄｌａｎｄ  Ｈｉｌｌ，ＣＡ）より、商品名「ＫＵＲＡＲＡＹ  ＧＧ」で入手）であった。
【０１１０】
炭素基材Ｈは次のとおり調製した。４９８ｇの炭素基材Ｇを、１１０ｇの（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８を１Ｌの２Ｎ  Ｈ２ＳＯ４に含む攪拌された溶液に加えた。１６時間に亘る機械攪拌の後、固体をろ過により分離し、２Ｌの量の脱イオン水で３回洗い、その後１３０℃のオーブンで乾燥した。酸化粒状炭素の収量は４３８ｇであった。
【０１１１】
炭素基材Ｉは次のとおり調製した。機械攪拌器を備えた３Ｌの反応釜内に、１７０ｇの炭素基材Ｂ及び１Ｌの脱イオン水を仕込んだ。１．４Ｌの脱イオン水に１７ｇの臭素を含む溶液を、１時間に亘り攪拌しながら滴下した。攪拌を１時間継続した後、混合物をろ過し、固体を１Ｌの量の脱イオン水で３回洗った。１３０℃で２時間乾燥後、臭素化炭素は重さが２１４ｇであった。分析を行い、その結果、臭素化炭素はＢｒを３．０％含むことがわかった。
【０１１２】
炭素基材Ｋは次のとおり調製した。１６ｇの水酸化ナトリウムを３００ｍＬの脱イオン水に含む、氷冷され、攪拌された溶液に、３４ｇの液体臭素を滴下して、次亜臭素酸ナトリウム（ＮａＯＢｒ）溶液を調製した。
【０１１３】
１７０ｇの炭素基材Ｂ、１Ｌの脱イオン水、及び６００ｇの砕いた氷の混合物を、氷浴中の３Ｌの反応釜に仕込んだ。上記次亜臭素酸ナトリウム溶液を攪拌しながら３０分に亘り加えた。攪拌を１時間継続した後、固体生成物をろ過により分離し、１Ｌの量の蒸留水で３回洗い、１３０℃で２時間乾燥した。収量は２０４ｇであった。分析を行い、その結果、Ｂｒを１．４％含むことがわかった。
【０１１４】
炭素基材Ｌは次のとおり調製した。炭素基材Ｂ（４００ｇ）を、セラミックボートに仕込み、窒素流下、４００℃に加熱（すなわち、か焼）し、その後、窒素雰囲気下で冷ました。
【０１１５】
炭素中の、炭素、酸素、及び灰含有量は昇温酸化によって測定できる。これは、原則的にはＴＧＡ装置内での燃焼である。重量減少は、ＣＯ２として炭素を失うことによるものであり、それに伴い、サンプル中の酸素の割合（％）も変わる。炭素基材Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥが、それぞれ、０．２％、６．０％、１．９％、及び０．４±０．２％の酸素を含むことがわかる。
【０１１６】
炭素基材Ｍ（ＲＧＣ  ３２５）は、更なる処理無しにそのまま使用した木質活性炭（名目８０×３２５メッシュ、ＭｅａｄＷｅｓｔｖａｃｏ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（Ｎｏｒｔｈ  Ｃｈａｒｌｅｓｔｏｎ，ＳＣ）より、商品名「ＲＧＣ  ３２５」で入手）であった。
【０１１７】
炭素基材Ｎは、更なる処理無しにそのまま使用した木質活性炭（名目８０×３２５メッシュ、ＭｅａｄＷｅｓｔｖａｃｏ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（Ｎｏｒｔｈ  Ｃｈａｒｌｅｓｔｏｎ，ＳＣ）より、商品名「ＡＱＵＡＧＵＡＲＤ  ３２５」で入手）であった。炭素基材Ｎは、クロラミン除去用途で現在市販されている。炭素基材Ｎは、レーザ散乱により計測された粒度分布が炭素基材Ｍと同様であった。
【０１１８】
炭素基材Ｏは、ヤシガラ活性炭（クラレケミカル株式会社（日本、大阪）より、商品名「ＰＧＷ１００ＭＰ」で入手）であった。ヤシガラ活性炭は名目８０×３２５メッシュの粒径を有していた。
【０１１９】
カーボンオキシカルコゲナイドの一般的な調製プロセス：１０ｇの炭素基材を、１ｇの微粉末状硫黄（名目的には１０重量％）と完全に混合し、２０ｍｍのＳｏｌｖ−Ｓｅａｌジョイント（Solv-Seal joint）（Ａｎｄｒｅｗｓ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．，Ｖｉｎｅｌａｎｄ，ＮＪ）により、１０ｍｍのグリースレス高真空コック及び真空ライン接合部分に接続された１５×１．５ｉｎ（３８１ｍｍ×３８．１ｍｍ）のガラス管を備える反応器へと移した。巻き込まれた固体の損失を防ぐため、コックの手前に、ガラスウールの栓を差し込んだ。３０分間の脱気後、反応器及び内容物を垂直炉で１時間、４００℃にて加熱した。室温まで冷ました後、反応器を再び液体窒素冷却トラップにより１５分間真空化し、その後生成物を分離するために開封した。
【０１２０】
熱安定性を確かめるため、実施例２、３、５、６、及び７の材料を熱重量分析（ＴＧＡ）により分析した。各材料は、２１１〜２２℃５及び３０７〜３５１℃（Ｔｍａｘ）の温度範囲で最大の重量減少が起きる、２段階の重量減少を示した。最大値は、重量減少対温度の一次導関数をプロットすることで求められた。
【０１２１】
実施例５の材料のＴｍａｘは、２１１℃及び３２９℃で現れた。また、実施例７の材料のＴｍａｘは、２２１℃及び３５１℃で現れた。これらの２つのサンプルをそれぞれ、１７０℃及び３１５℃にて加熱し、放出された揮発性物質を質量分析法により分析した。二酸化硫黄だけが検知された。
【０１２２】
実施例１〜２４及び比較例Ａ〜Ｄ
実施例１〜２４を、上記のカーボンオキシカルコゲナイドの一般的な調製プロセスに従って調製した。比較例Ａ〜Ｄは、上記のとおり入手又は調製した炭素基材Ａ〜Ｄであった。下記表１は、比較例Ａ〜Ｄ及び実施例１〜２４のそれぞれのサンプルの調製に用いられた材料（例えば、炭素基材及びカルコゲン化合物、またそれらの相対組成）及びプロセス条件を要約する。一般条件から外れる事は、注記される。
【０１２３】
（実施例２５）
実施例２５のサンプルは次のとおり調製した。６１ｇの炭素基材Ｈ及び６．３ｇの微粉末状硫黄を、回転（tumbling）により混合し、その後ガラス製の管状反応器に移した。２０分の真空排気の後、反応器を炉に設置して４００℃に加熱した。１．５時間後、反応器を室温まで冷まし、揮発性物質を真空下で取り除いた。得られた生成物の重さは６２．５ｇであった。
【０１２４】
下記表１は、比較例Ａ〜Ｄ及び実施例１〜２５のそれぞれのサンプルの調製に用いられた材料（例えば、炭素基材及びカルコゲン化合物、またそれらの相対組成）及びプロセス条件を要約する。一般条件から外れる事は、注記される。一部のサンプルのために調製されたサンプルのクロラミン減少も、表１に含まれている。表１に報告されるクロラミン減少は、１５０秒後に上記のプロセスを用いて測定した。
【０１２５】
【表１】
2014530087.tif 000004
＊  空気中で実施した
†  真空中で実施した
＃  ほぼ非晶質の生成物の粉末Ｘ線回折分析は、Ｔｅ及びＴｅＯ２に起因する線が、弱い線でしか現れず、仕込まれたＴｅの大部分が消費されたことを示した。１．５時間に亘る回転（tumbling）により為された、Ｔｅ及びＣの混合は、この実験において重要である。
ＮＡ  該当なし
【０１２６】
上記比較例Ｂ（Ｃｏｍｐ．Ｂ）及び実施例２〜７のサンプルをＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により分析し、Ｃ（１ｓ）、Ｏ（１ｓ）、及びＳ（２ｐ３／２）のピークを積分して、表面組成を測定した。下記表２はこれらのサンプルのＸＰＳデータを要約する。なお、表２の値は、サンプル中の３つの別々の範囲の測定の平均値を表す。理論に縛られることを望むものではないが、これらのデータは得られた材料中の酸素の定量と、その酸素の直接的な実験的証明となると考えられる。
【０１２７】
【表２】
2014530087.tif 000005
ＮＡ＝＞０．１％の検出限界未満
【０１２８】
上記の一部実施例のサンプルのバルクカルコゲン含有量は、燃焼分析により計測した。多少の揮発性カルコゲン副生成物が生成し得るため、また、カーボンオキシカルコゲナイドは少量の、しかし不定量の、雰囲気中の水分を吸収できるため、単体組成は質量バランスでは測定できない。結果を表３に示す。
【０１２９】
【表３】
2014530087.tif 000006
【０１３０】
理論に縛られることを望むものではないが、得られたカーボンオキシカルコゲナイドサンプルは、残留して細孔を詰まらせる、不揮発性副生成物を含まないと考えられる。例えば、下記表４に示されるとおり、得られたままの炭素基材Ｂは、ＢＥＴ表面積が１６３７ｍ２ｇ−１であった。炭素基材Ｄの調製のために上述されたプロセスを用いて炭素基材Ｂが予め酸化されていた場合、炭素基材ＢのＢＥＴ表面積は１６３２ｍ２ｇ−１であった。得られた炭素基材Ｄが、１０重量％の粉末硫黄と共に真空下にて４００℃で加熱された（実施例５と同様のプロセス）場合、得られたカーボンオキシスルフィドサンプルもまた、非常に高いＢＥＴ表面積（１４２５ｍ２ｇ−１）を有していた。なお、サンプルは、ＢＥＴ表面積を計測する前に、１５０℃にて脱気された。また、Ｎ２がプローブ分子であった。
【０１３１】
【表４】
2014530087.tif 000007
【０１３２】
（実施例２６）
実施例２６のサンプルは次のとおり調製した。１２ｇの炭素基材Ｉを１．２ｇの粉末硫黄と混合した。混合物を、室温にて２時間脱気し、その後、真空下にて４００℃で１時間加熱した。室温まで冷ました後、揮発性物質を真空下で取り除いた。生成物は、重さが９．２ｇであった。分析を行い、その結果、生成物がＳを１０．３±０．７％、Ｂｒを１．０±０．０９％含むことがわかった。
【０１３３】
（実施例２７）
実施例２７のサンプルは次のとおり調製した。１２ｇの炭素基材Ｋを、１．２ｇの粉末硫黄と混合し、真空下にて４００℃で１時間脱気及び加熱した。冷ました後、揮発性物質を真空下で取り除いた。生成物は、重さが１０．２ｇであった。分析を行い、その結果、生成物がＳを９．７±１．０％、Ｂｒを０．７±０．０５％含むことがわかった。
【０１３４】
上記クロラミン除去試験を用いて、実施例６、７、２６、及び２７、並びに比較例Ｂのサンプルを、時間に応じた％クロラミン減少量について検査した。結果を図１に示す。なお、実施例６及び７の％クロラミン減少量は、比較例Ｂの％クロラミン減少量よりも高かった。同様に、異なる酸化剤を用いて調製した実施例２６及び２７も、比較例Ｂよりも高い％クロラミン減少量を有した。図２に示されるとおり、実施例６、７、２６、及び２７は全て、同じ炭素基材（ＲＧＣ）を使用したが、炭素基材の異なる処理が、異なるクロラミン除去反応速度を有する材料をもたらした。理論に縛られることを望むものではないが、この結果は、熱化学反応中に存在した酸素濃度と、プロセス中に生成された官能基（例えば、ＣＯ２Ｈ、Ｃ＝Ｏ、又はＣ−ＯＨ）の量及び種類の点から遡及的に理論付けることができると考えられる。
【０１３５】
（実施例２８）
実施例２８のサンプルは、まず、炭素基材Ｂ（４０．０ｇ）をるつぼに入れて１８０℃まで加熱し、その後、単体硫黄（１０．０ｇ、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒより入手、−３２５メッシュ、９９．５％）を攪拌しながら加えることで調製した。硫黄は溶融し、炭素基材Ｂ内に組み込まれた。
【０１３６】
上記からの炭素基材−硫黄混合物の４つの少量のサンプル（それぞれ約２ｇ）を、更に小さい、ゆるい蓋付きのるつぼに移し、実施例２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、及び２８Ｄを用意した。実施例２８Ａ〜Ｄのるつぼを、その後、窒素パージしたマッフル炉の中で、それぞれ１８０℃、３５０℃、５５０℃、及び７５０℃で１０分間、それぞれ個別に加熱した。加熱処理の後、各るつぼを、窒素パージした容器の中に移して、室温近くまで冷ました。
【０１３７】
上記の調製された実施例２８Ａ〜Ｄのサンプルと、比較例Ａ及びＢのサンプルを、上記のとおり、時間に応じた％クロラミン減少量について検査した。結果を図２に示す。５５０℃で調製された実施例２８Ｃの％クロラミン減少率は、クロラミン減少に非常に高活性な基材として市販されている特殊な炭素である比較例Ａの％クロラミン減少率と類似していた。理論に縛られることを望むものではないが、硫黄の存在下における炭素基材の加熱工程の間、温度が上昇するにつれて、硫黄蒸気中の非環式のＳｘ（ｘ＝２〜８）類の分布に、更に小さく、より反応的なオリゴマーへのシフトが生じると考えられる。
【０１３８】
実施例２８ＣのサンプルをＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により分析し、Ｃ（１ｓ）、Ｏ（１ｓ）、及びＳ（２ｐ３／２）のピークを積分して、表面組成を測定した。実施例２８Ｃのサンプルの表面組成は、Ｃが９０．４ａｔ（原子）％、Ｏが２．８ａｔ％、及びＳが６．８ａｔ％であった。なお、これらの値は、サンプル中の３つの別々の範囲の測定の平均値を表す。
【０１３９】
（実施例２９）
実施例２９のサンプルは、炭素基材Ｂの代わりに炭素基材Ｄを使用した以外は、実施例２８Ｃと同様に調製した。
【０１４０】
（実施例３０）
実施例３０のサンプルは、炭素基材Ｂの代わりに炭素基材Ｅを使用した以外は、実施例２８Ｃと同様に調製した。
【０１４１】
上記の調製された実施例２８Ｃ、２９、及び３０のサンプルと、比較例Ｂのサンプルを、上記のとおり時間に応じた％クロラミン減少量について検査した。結果を図３に示す。
【０１４２】
（実施例３１）
実施例３１のサンプルは、炭素基材Ｂの代わりに炭素基材Ｌを使用した以外は、実施例２８Ｃと同様に調製した。
【０１４３】
上記の調製した実施例２８Ｃ及び３１のサンプルと、比較例Ｂのサンプルを、上記のとおり時間に応じた％クロラミン減少量について検査した。結果を図４に示す。
【０１４４】
（実施例３２）
実施例３２Ａ〜３２Ｇは、炭素基材Ｂ（１０．０ｇ）、及び灰色のセレン（１．０ｇ、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒより入手、−２００メッシュ）を用いて、サンプルを、実施例３２Ａを４００℃まで加熱、実施例３２Ｂを５００℃まで加熱、実施例３２Ｃを６００℃まで加熱、実施例３２Ｄを７００℃まで加熱、実施例３２Ｅを８００℃まで加熱、実施例３２Ｆを９００℃まで加熱、実施例３２Ｇを１０００℃まで加熱した以外は、上記のカーボンオキシカルコゲナイドの一般的な調製プロセスに従って調製した。実施例３２Ａ〜３２ＧのサンプルのＸＲＤパターンは、Ｓｅ又はＳｅＯ２のピークを含まず、全てのＳｅが反応中に消費されたことを示した。実施例３２Ａ〜３２Ｇのサンプルのバルクカルコゲン含有量は、ＩＣＰ発光分光分析装置（型：Ｐｅｒｋｉｎ  Ｅｌｍｅｒ  Ｏｐｔｉｍａ  ３３００ＶＰ、Ｐｅｒｋｉｎ  Ｅｌｍｅｒ，Ｉｎｃ．（Ｗａｌｔｈａｍ，ＭＡ）より入手）を用いて測定した。実施例３２Ａ〜３２Ｇのサンプルは、Ｓｅをそれぞれ４．２重量％、５．８重量％、５．５重量％、７．１重量％、７．３重量％、６．０重量％、及び３．６重量％含んだ。上記の調製された実施例３２Ａ〜３２Ｇのサンプルと、比較例Ｂのサンプルを、上記のとおり時間に応じた％クロラミン減少量について検査した。検査の３００秒後に、比較例Ｂのサンプルは５１．５％のクロラミンを取り除いた。実施例３２Ａ〜３２Ｇのサンプルは、検査の３００秒後に、それぞれ６２．５％、５９．４％、５４．５％、５３．１％、５３％、４０．６％、及び２５％のクロラミンを取り除いた。
【０１４５】
（実施例３３）
実施例３３Ａ〜３３Ｅは、炭素基材Ｂ（１０．０ｇ）及びＣＳ２（１．２ｇ）を用いて、加熱前に反応器から空気を取り除かなかった以外は、上記のカーボンオキシカルコゲナイドの一般的な調製プロセスに従って調製した。サンプルを、実施例３３Ａのために４００℃まで加熱、実施例３３Ｂのために５００℃まで加熱、実施例３３Ｃのために６００℃まで加熱、実施例３３Ｄのために７００℃まで加熱、実施例３３Ｅのために８００℃まで加熱、９００℃まで加熱した。実施例３３Ａ〜３３Ｅのサンプルのバルクカルコゲン含有量を、燃焼分析を用いて計測した。実施例３３Ａ〜３３Ｅのサンプルは、Ｓをそれぞれ２．４重量％、３．０重量％、３．５重量％、３．９重量％、４．０重量％含んだ。上記の調製された実施例３３Ａ〜３３Ｅのサンプルと、比較例Ｂのサンプルを、上記のとおり時間に応じた％クロラミン減少量について検査した。検査の３００秒後に、比較例Ｂのサンプルは５３．３％のクロラミンを取り除いた。実施例３３Ａ〜３３Ｅのサンプルは、検査の３００秒後に、それぞれ６３．３％、６６．７％、６３．３％、６３．３％、及び６０％のクロラミンを取り除いた。
【０１４６】
（実施例３４）
実施例３４Ａ〜３４Ｅは、炭素基材Ｂ（８．０ｇ）及び粉末状ＳｅＯ２（１．０ｇ）を用いて、脱気後に、反応器を１気圧の窒素で充填し、サンプルを、実施例３４Ａのために５００℃まで加熱、実施例３４Ｂのために６００℃まで加熱、実施例３４Ｃのために７００℃まで加熱、実施例３４Ｄのために８００℃まで加熱、実施例３４Ｅのために９００℃まで加熱、９００℃まで加熱した以外は、上記のカーボンオキシカルコゲナイドの一般的な調製プロセスに従って調製した。実施例３４Ａ〜３４ＥのサンプルのＸＲＤパターンは、Ｓｅ又はＳｅＯ２のピークを含まず、全てのＳｅＯ２が反応中に消費されたことを示した。実施例３４Ａ〜３４Ｅのサンプルのバルクカルコゲン含有量は、ＩＣＰ発光分光分析装置（型：Ｐｅｒｋｉｎ  Ｅｌｍｅｒ  Ｏｐｔｉｍａ  ３３００ＶＰ、Ｐｅｒｋｉｎ  Ｅｌｍｅｒ，Ｉｎｃ．（Ｗａｌｔｈａｍ，ＭＡ）より入手）を用いて測定した。実施例３４Ａ〜３４Ｅのサンプルは、Ｓｅをそれぞれ８．０重量％、５．１重量％、５．６重量％、５．８重量％、５．３重量％含んだ。上記の調製された実施例３４Ａ〜３４Ｅのサンプルと、比較例Ｂのサンプルを、上記のとおり時間に応じた％クロラミン減少量について検査した。
【０１４７】
（実施例３５）
実施例３５のサンプルは、まず、炭素基材Ｍ（＞４０ｃｃ）をるつぼに入れて１８０℃まで加熱し、その後、単体硫黄（１ｇの炭素あたり０．２ｇの硫黄、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒより入手、−３２５メッシュ、９９．５％）を攪拌しながら加えることで調製した。硫黄は溶融し、炭素基材Ｍ内に組み込まれた。
【０１４８】
上記からの炭素基材−硫黄混合物のサンプル（約４０〜１００ｃｃ）を、ゆるい蓋付きのるつぼに移した。るつぼを、その後、窒素パージしたマッフル炉に設置し、５５０℃に平衡させて、その温度で１０分間保持した。るつぼを、炉から取り出し、窒素パージした容器の中に移して、室温近くまで冷ました。
【０１４９】
（実施例３６）
実施例３６のサンプルは、炭素基材Ｍの代わりに炭素基材Ｏを使用した以外は、実施例３５と同様に調製され、検査された。
【０１５０】
実施例３５及び３６のカーボン−オキシカルコゲナイドサンプル、並びに炭素基材Ｍ及びＮを、上記の炭素ブロックの作製法に従って、個別でカーボンブロックに加工した。カーボンブロックをそれぞれ、上記クロラミン除去試験２（流動システム方法）に従って、クロラミン除去について検査した。炭素基材Ｎを含む３つのカーボンブロックを調製し、クロラミン除去について分析した。また、実施例３５のカーボンオキシカルコゲンを含む３つのカーボンブロックを調製し、クロラミン除去について分析した。図５に結果を示す。図５において、炭素基材Ｍで作製されたカーボンブロックはＣＳ−Ｍ、炭素基材Ｎで作製されたカーボンブロックはＣＳ−Ｎ、実施例３５で作製されたカーボンブロックは実施例３５、及び実施例３６で作製されたカーボンブロックは実施例３６と示す。図５は、流出液に存在するクロラミン量（単位：ｐｐｍ）対流量（すなわち、カーボンブロック中に、何ガロンのクロラミン含有水を流したか）を示す。
【０１５１】
下記表５に示されるのは、０．５ｍｇ／Ｌの最大流出液濃度に基づき検査したカーボンブロックのクロラミン容量の概算平均である。
【０１５２】
【表５】
2014530087.tif 000008
【０１５３】
水素、窒素、硫黄の分析
ＬＥＣＯ  ＴｒｕＳｐｅｃ  Ｍｉｃｒｏ  ＣＨＮＳ単体分析装置（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｃｏ．（Ｓｔ．Ｊｏｓｅｐｈ，ＭＩ））を用いて、燃焼により、実施例３５及び３６を、炭素、水素、窒素、及び硫黄の重量％について分析した。手短に言えば、サンプルを装置に設置し、雰囲気ガスでパージした。その後、サンプルを酸素存在下で１０００℃超まで加熱して、サンプルを燃焼した。その後、更なる酸化、還元、及び粒子除去のために、サンプルを第二炉に通した。その後、炭素、水素、窒素、及び硫黄の含有量を測定するために、燃焼ガスを各種検知器に通した。
【０１５４】
スルファメタジン標準物質（＞９９％、ＬＥＣＯより入手）を、スルファメタジン１ｍｇ〜２．６ｍｇの範囲の検量線作成のために希釈した。装置は、ＣＨＮＳ検知器が安定するまで、周囲空気で基準を定められた。その後、３〜４個の空のるつぼを測定し、器具ブランクとして設定した。次に、スルファメタジン標準物質を分析し、検量線を作成した。各元素に対するスルファメタジン標準物質の絶対標準偏差（純粋で均質な材料に対し許容できる精度）は、水素に関して＜±０．３重量％、窒素に関して＜±０．３重量％、及び硫黄に関して＜±０．３重量％であった。また、各元素に対する検出限界は０．１０重量％であった。実施例３５及び３６は、その後、炭素、水素、窒素、及び硫黄含有量について分析された。実施例３５は、１４．４２重量％の硫黄を有し、水素及び窒素は検出限界未満であった。実施例３６は、８．４４重量％の硫黄、及び０．１２重量％の窒素を有し、水素は検出限界未満であった。
【０１５５】
本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく本発明に予測可能な改変及び変更を行いうることは当業者には明らかであろう。本発明は、説明を目的として本出願に記載される各実施形態に限定されるべきものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2014530087.tif 000016
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