(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
濾過媒体混合物であって、
ナノファイバー；および
粒状濾過媒体、
を含み、
前記ナノファイバーが、１種より多くの異なる粒状粒子を含む前記粒状濾過媒体と共に前記混合物中に含まれ、前記粒状粒子が、少なくとも、粒状活性炭および粒状イオン交換樹脂を含み、前記ナノファイバーが、少なくとも、ポリマーナノファイバーを含み、そして前記ナノファイバーが、乾燥重量で、前記濾過媒体混合物の２％未満を構成する、
濾過媒体混合物。
【請求項２】
前記粒状粒子が、１００ミクロンから２，０００ミクロンの平均粒子サイズを有し、前記ナノファイバーが、５ナノメートルから２ミクロンの平均直径を有する、請求項１に記載の濾過媒体混合物。
【請求項３】
前記ナノファイバーが、乾燥重量で、前記濾過媒体混合物の１％未満を構成する、請求項１または２に記載の濾過媒体混合物。
【請求項４】
前記濾過媒体混合物が、３重量％から７０重量％の含水量を有する、請求項１から３のいずれかに記載の濾過媒体混合物。
【請求項５】
前記粒状濾過媒体が、粒状活性アルミナ、粒状珪藻土、粒状シリカゲル、粒状ゼオライト、粒状シリケート、粒状合成モレキュラーシーブ、粒状鉱物粘土、粒状アルミノシリケート、粒状チタネート、粒状骨炭、粒状ＫＤＦプロセス媒体、粒状ヨウ素化樹脂、粒状セラミック、粒状パーライト、粒状砂、イオン交換樹脂と金属酸化物との粒状混成体、活性炭と金属酸化物との粒状混成体、機能化粒状活性炭、ポリマー吸着樹脂、またはこれらの任意の組合せから選択される粒状粒子をさらに含み得る、請求項１から４のいずれかに記載の濾過媒体混合物。
【請求項６】
前記濾過媒体混合物が、前記粒状濾過媒体とナノファイバーとのブレンドされた混合物である、請求項１から５のいずれかに記載の濾過媒体混合物。
【請求項７】
ナノファイバーを溶媒に分散させるステップと、
１種より多くの異なる粒状粒子を含む粒状濾過媒体を前記溶媒に添加するステップと、
前記溶媒と前記ナノファイバーおよび前記粒状濾過媒体とを混合するステップと、
前記溶媒を分離して、濾過媒体混合物を作製するステップと
を含む、請求項１から６のいずれかに記載の濾過媒体混合物を作製する方法。
【請求項８】
前記濾過媒体混合物を乾燥させるステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
不純物を含む流体を、請求項１に記載の濾過媒体混合物を含むフィルターに通過させるステップを含む、流体から不純物を除去する方法。
【請求項１０】
前記不純物が鉛である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
不純物を含む流体を、請求項１に記載の濾過媒体混合物を含むフィルターに通過させるステップを含む、流体から不純物を除去する方法であって、
前記不純物が、鉛、銅、酸化鉄、酸化水酸化鉄、シリカ、銅、水銀、カドミウム、亜鉛、またはこれらの任意の組合せである、方法。
【請求項１２】
前記流体が空気または水である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の濾過媒体混合物を含むフィルターチャンバーを含む、フィルター。
【請求項１４】
空気または水から不純物を除去するための、請求項１３に記載のフィルターの使用。
【請求項１５】
ＮＳＦ  ４２／５３のコンプライアンスを満たすように、重力送りまたは低圧送りフィルターで銅、亜鉛、水銀、カドミウム、鉛を除去するための、重力送りおよび／または低圧送り濾過システムにおける、請求項１３に記載のフィルターの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１４年８月１５日に出願された米国仮出願番号第６２／０３８，０６８号；２０１５年２月１８日に出願された米国仮出願番号第６２／１１７，９３２号；および２０１５年８月１０に出願された米国仮出願番号第６２／２０３，２９４号の利益を主張しており、これら仮出願の開示は、参考として本明細書中に明示して援用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明の実施形態は、水精製の適用例に向けた、飲料水などの水源から汚染物質を除去するための、粒状濾過媒体とナノファイバーとの混合物を含む複合粒状濾過媒体に関する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
安全できれいな飲料水は、人の発育、健康、および安寧のために根本的に必要なものである。地球規模での産業化および経済発展が増し続けるにつれ、水の汚染に関連した懸念がより深刻になり、対処する必要に迫られている。汚染された水を人が消費する量の増大も、健康に関連した社会的関心をますます引き付けている。したがって、水精製技術を改善する必要性が、米国および米国外で劇的に増し続けている。
【０００４】
一般に、水中の汚染物質は、化学的汚染物質と生物学的汚染物質とに分類することができる。水質汚濁の出現率が増大するにつれ、水中の化学的汚染物質に関連した潜在的な健康および安全性の課題が、より顕著な世界的関心事になりつつある。化学的汚染物質のいくつかの例には、毒性アニオン（フッ化物イオン、亜ヒ酸イオン、ヒ酸イオン、硝酸イオン、クロム酸イオン、亜セレン酸イオン、セレン酸イオンなど）；金属；重金属（鉛、水銀、カドミウム、亜鉛、銅、クロムなど）；合成または天然の有機物質；などが含まれる。重金属のほとんどは人間に有毒であり、飲料水から除去されるべきであることが周知である。
【０００５】
さらに、多くの水処理の適用例は、放出前にこれらの種の除去に関する特定の規制要件を満たす必要がある。これらの規制は、科学的知見ならびに改善された検出／分析技法の結果により変わる可能性がある。例えば、２００７年には、ＮＳＦ  Ｉｎｔｌ．  Ｄｒｉｎｋｉｎｇ  Ｗａｔｅｒ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ  Ｊｏｉｎｔ  Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅが、鉛粒子の性質に関する研究に基づいて、ｐＨ８．５鉛低減に関してＮＳＦ／ＡＮＳＩ基準５３プロトコールを改訂した。この新しいプロトコールは、これまで定義されなかったコロイドまたは微細粒子部分のサイズ範囲を指定する（０．１〜１．２ミクロン）。この変化は、加圧フィルター（例えば、炭素ブロック）に関して著しい問題を提起せず、コロイド材料との間で支障が生じる低圧（３０ｐｓｉ未満）および重力流フィルターに関して追加の難題をもたらした。
【０００６】
重力流または低圧流濾過システムは、それらが概してより低いコストであり、かつ使用者に便利であるので、当技術分野で周知である。そのようなシステムは、ポアスルー型カラフェ、水冷器、および冷蔵庫の水タンクを含み、Ｃｌｏｒｏｘ  Ｃｏｍｐａｎｙ（登録商標）、Ｃｕｌｌｉｇａｎ（登録商標）、Ｒｕｂｂｅｒｍａｉｄ（登録商標）、およびＧｌａｃｉｅｒ  Ｐｕｒｅ（登録商標）らにより開発されたものである。典型的には、これらのシステムは、上水道からの水道水または地方の井戸からの水で満たされるが、それは使用者が、塩素および／または鉛またはその他の化学的汚染物質を除去すること、あるいは一般に水の化学的安全性および水の味／臭いを改善することを望むからである。これらのデバイスに対する市場の要求は、特により健康で安全な飲料水に重点がおかれることに鑑み、さらに購入する瓶詰め水の費用および不便さに鑑みて、急速に増し続けている。
【０００７】
重力送りまたは低圧流フィルターのほとんどは、粒状活性炭（ＧＡＣ：ｇｒａｎｕｌａｒ−ａｃｔｉｖａｔｅｄ  ｃａｒｂｏｎ）およびイオン交換樹脂（ＩＥＲ：ｉｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｒｅｓｉｎ）などの、粒状濾過媒体の組合せを利用する。これらのデバイスは、規制基準のコンプライアンスの範囲内で、有機物、銅、水銀、カドミウム、亜鉛、および残留塩素などの汚染物質を除去するのに効果的であることが判明している。商用として、これらの濾過デバイスは、水精製デバイスに挿入され、かつ通常使用で数週間使用される、比較的小さな使い捨てのかつ交換可能なフィルターカートリッジであることを、典型的には特色とする。しかし、粒状活性炭とイオン交換樹脂との混合物を含有するフィルターに関連した１つの問題は、それらの汚染物質除去能に限りがあることである。大きい顆粒がまとめて充填された場合、大きい間隙空隙が顆粒間に形成される可能性があり、コロイド粒子よりも大きい有効孔サイズが得られる。これらの粒子は、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ  ５３プロトコールにより指定されたもののように、これらの空隙を通過して流出液に入る可能性があり、したがって規制基準を満たすことができない場合がある。
【０００８】
結合剤を含むか、もしくは含まない、または鉛捕捉剤などの様々なその他の添加剤を含むか、もしくは含まない粒状活性炭が、十分開発されており、水精製フィルターの濾過媒体として何年にもわたり広く使用されている。粒状活性炭は、典型的にはフィルターハウジング内の区画に投入されて、フィルターまたは炭素「床」として働く。ハウジングおよび内部構造は、ばらばらの顆粒を区画内の所定位置に含有し、床の入口に水を分配し、床の出口で水を収集するように設計される。一般に、ＧＡＣの床は、任意選択のその他の粒状媒体または添加剤と共に、低圧または重力流の適用例に選択された典型的な媒体組成物であり、その理由は、他の媒体よりも顆粒の床を経る圧力降下が比較的低いからである。
【０００９】
フィルターを通る良好な水流量は、新たに水が満たされたデバイスから急速に濾過された水をどのように使用すれば消費者の期待に応えることができるかに影響を及ぼすので、水ピッチャーデバイス、水冷器デバイス、または同様のものなどの低圧または重力流水システムの、別の主要な関心事である。そのような理由で、粒状濾過媒体混合物が、それらのタイプのフィルターに満たされるのに頻繁に選択される。
【００１０】
全体として、重力送りまたは低圧デバイスに理想的なフィルターは、汚染物質除去での高い効率、および高い流量をもたらす。既存の重力流または低圧流フィルターは、一般に、良好な流量を実現することができるが、前述のように、水源から微粒子汚染物質を除去するための汚染物質除去能が、やはりいくらか制限されている。したがって、既存の重力流および低圧流粒状濾過媒体混合物は、特にコロイド状および懸濁した粒子に関して、より高い汚染物質除去効力が実現されるように、改善される必要がある。
【００１１】
Ｋｎｉｐｍｅｙｅｒの米国特許第８，１６７，１４１号は、活性炭および鉛捕捉剤を含む、重力送り炭素ブロック水フィルターを開示し、このフィルターは、鉛除去要求の改訂されたＮＳＦ基準を満たすように、１５１リットルの源水濾過後に１０ｐｐｂ未満を含有する最終流出水を送出することができる。しかし、加圧システム用に設計された炭素ブロックが重力流システムに適用される場合、しばしばより多くのコストがかかり、経時的に一貫した所望の流量を得ることができない。
【００１２】
２０１１年８月２３日にＳｃｈｒｏｅｄｅｒに発行された米国特許第８，００２，９９０号は、可溶性および不溶性の粒子を流体から除去するために、イオン交換樹脂など、フィルター媒体の、フィブリル化ナノファイバーが投入された微粉末を使用したフィルターを開示している。しかし、媒体が重力送りまたは低圧濾過システムに使用される場合、流量は、粒状濾過媒体に比べて著しく低減することになる。さらに、粒状濾過媒体で満たされた現在市販されている重力送りまたは低圧送りフィルターに比べ、コストもさらに高くなる。
【００１３】
Ｋｏｓｌｏｗの米国特許第６，８７２，３１１号；第６，９１３，１５４号は、濾過効率を改善するための、ナノファイバーの使用を開示する。これらの特許は、セルロース繊維など、既存の規格のフィルター媒体の性能を高めることができるフィブリル化物理プロセスについて教示し、さらに、ナノファイバーが組み込まれた、改善された空気フィルター媒体を作製する方法を教示する。しかしこの発明は、ナノファイバーを使用することによって汚染水から微粒子を除去する目的で、既存の粒状濾過媒体をどのように改善するかについて教示していない。
Ｈａｌｂｆｏｓｔｅｒの米国特許第４，１９０，５３２号は、水から、シリカや酸化鉄などの懸濁およびコロイド粒子を除去するのに使用される、イオン交換樹脂粒子およびセルロースフィルター助剤の混合物を含む、濾材組成物について記述している。この発明は、高品質水供給プロセスで長期にわたり商用として実施されてきたが、粒子除去効力は、依然として改善される必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第８，１６７，１４１号明細書
【特許文献２】米国特許第８，００２，９９０号明細書
【特許文献３】米国特許第６，８７２，３１１号明細書
【特許文献４】米国特許第６，９１３，１５４号明細書
【特許文献５】米国特許第４，１９０，５３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
高い汚染物質除去を維持しながら適切な流量が実現されるように、重力流および低圧フィルターで使用される既存の粒状媒体（および組合せ）を、改善する必要があると考えられる。特に、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ  ５３に指定されるような微粒子鉛などのコロイドおよび懸濁粒子を、水から除去することができる媒体が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（発明の要旨）
粒状濾過媒体と、乾燥重量ベースで５重量％未満のナノファイバーを含み、さらに３重量％から７０重量％の範囲の含水量を有する、粒状濾過媒体混合物が提供される。
【００１７】
一実施形態では、粒状濾過媒体は、１００〜２０００ミクロンの範囲内の粒子サイズを有し、多孔質または非多孔質の乾燥または含水粒状粒子を含むが、これに限定するものではない。
【００１８】
別の実施形態では、ナノファイバーは、合成ポリマーナノファイバー、天然ポリマーナノファイバーおよび天然ポリマーナノファイバーの誘導体、無機ナノファイバー、またはこれらの任意の組合せを含み、平均直径が５ナノメートルから２ミクロンの範囲内にあるが、これらに限定するものではない。
【００１９】
本発明の追加の実施形態では、下記のステップを含む、粒状濾過媒体混合物を調製する方法が提供される：
１）ナノファイバーを溶媒組成物中に分散させて、ナノファイバー分散体を調製するステップ。
２）粒状濾過媒体をナノファイバー分散体に添加し、それらを一緒にブレンドし、それらを濾過によって分離するステップ。最終粒状媒体生成物は、そのままで、または３％以上の含水量までさらに乾燥させて、使用することができる。
【００２０】
別の実施形態では、水精製の適用例を目的として、水と粒状濾過媒体混合物とを、その他の濾過媒体の組合せと共に、またはなしで接触させることにより、水（例えば、飲料水、工業用水、環境水、レクリエーション水）から汚染物質を除去するために、本発明によって提供された粒状濾過媒体混合物を使用する方法が提供される。
【００２１】
本発明の一実施形態では、粒状濾過媒体混合物を単独で、またはその他の既存の濾過媒体との組合せで含む、水フィルターが提供され、このフィルターは、微粒子粒子、コロイド粒子、微小粒子、懸濁粒子、有機物、残留ハロゲン、セレン、金属、重金属（鉛、銅、水銀、カドミウム、亜鉛、クロム）などの汚染物質を除去するために、上水道からの水道水または地方の井戸からの水；使用点；受水点；上水処理；プールまたはスパからのレクリエーション水；環境水；工業用プロセス水；工業廃水；下水、および農業潅漑用水に使用されてもよい。
【００２２】
一実施形態では、粒状濾過媒体混合物は、粒状濾過媒体およびナノファイバーを含み、粒状濾過媒体は、１００ミクロンから２０００ミクロンの範囲内の平均粒子サイズを有し、ナノファイバーは、５ナノメートルから２．０ミクロンの範囲内の平均直径を有する。
【００２３】
一実施形態では、粒状濾過媒体混合物は、粒状濾過媒体、および乾燥重量で前記濾過媒体の５％未満の量のナノファイバーを含む。
【００２４】
一実施形態では、粒状濾過媒体混合物は、粒状濾過媒体およびフィブリル化ナノファイバーを含み、混合物は、３％から７０％の範囲の含水量を有する。
【００２５】
一実施形態では、粒状濾過媒体混合物は、粒状濾過媒体およびナノファイバーを含み、粒状濾過媒体は、１００ミクロンから２０００ミクロンの範囲の平均粒子サイズを有し、粒状活性炭、粒状活性アルミナ、粒状珪藻土、粒状シリカゲル、粒状ゼオライト、粒状シリケート、粒状合成モレキュラーシーブ、粒状イオン交換樹脂粒子、粒状鉱物粘土、粒状アルミノシリケート、粒状チタネート、粒状骨炭、粒状ＫＤＦプロセス媒体、粒状ヨウ素化樹脂、粒状セラミック、粒状パーライト、粒状砂、イオン交換樹脂と金属酸化物との粒状混成体、活性炭と金属酸化物との粒状混成体、機能化粒状活性炭、ポリマー吸着樹脂、またはこれらの任意の組合せの群から選択される。ここで５ナノメートルから２．０ミクロンの範囲の平均直径を有する前記ナノファイバーは、合成ポリマーナノファイバー、天然ポリマーナノファイバー、天然ポリマーナノファイバーの誘導体、無機ナノファイバー、またはこれらの任意の組合せから選択される。
【００２６】
一実施形態では、粒状濾過媒体混合物を作製する方法は：ナノファイバーを分散させるステップと；粒状濾過媒体をナノファイバー分散体に添加するステップと；混合するステップと；濾過によって分離するステップと；湿潤媒体または乾燥によって乾燥媒体を得るステップとを含む。
【００２７】
一実施形態では、粒状濾過媒体含有フィルターの性能を高める方法は、下記のステップを含む：
【００２８】
フィブリル化ナノファイバー分散体を提供し；フィルターの濾過媒体の最上面に、分散体を湿式層状化または配置し、フィブリル化ナノファイバーの総量が、乾燥重量でフィルターの全粒状濾過媒体の５％以下であるステップ。
【００２９】
一実施形態では、粒状濾過媒体およびフィブリル化ナノファイバーの混合物を含む粒状濾過媒体を、流体系から不純物を除去する際に使用する。
【００３０】
一実施形態では、精製される流体系が、水である。一実施形態では、精製される流体系が空気である。
【００３１】
一実施形態では、水または空気の流体系から除去される不純物は、残留ハロゲン、重金属イオン、コロイド粒子、微小粒子、有機汚染物質、またはこれらの任意の組合せの群から選択される。
【００３２】
一実施形態では、水または空気の流体系から除去される不純物は、微粒子鉛である。
【００３３】
一実施形態では、水または空気の流体系から除去される不純物は、鉛、銅、酸化鉄、酸化水酸化鉄、およびシリカの、コロイド状および微小粒子から選択される。
【００３４】
一実施形態では、水または空気の流体系から除去される不純物は、銅、水銀、鉛、カドミウム、および亜鉛の群から選択される。
【００３５】
一実施形態では、水または空気の流体系から除去される不純物は、水中の全ての利用可能な残留ハロゲン（例えば、塩素または臭素）である。
【００３６】
一実施形態では、水精製フィルターは、第１の粒状濾過媒体と、スクリーンセパレーターと、粒状濾過媒体およびナノファイバーの濾過媒体混合物とを含む。
【００３７】
一実施形態では、第１の粒状濾過媒体と、スクリーンセパレーターと、粒状濾過媒体およびナノファイバーの濾過媒体混合物とを含む水精製フィルターは、ＮＳＦ  ４２／５３のコンプライアンスを満たすように、重力送りまたは低圧送りフィルターで銅、亜鉛、水銀、カドミウム、鉛を除去するための、重力送りまたは低圧送り濾過システムにおいて使用される。
【００３８】
一実施形態では、水精製フィルターは、粒状活性炭、イオン交換樹脂、およびフィブリル化ナノファイバーを含む、濾過媒体の混合物を含む。
【００３９】
一実施形態では、粒状活性炭、イオン交換樹脂、およびフィブリル化ナノファイバーを含む、濾過媒体の混合物を含む水精製フィルターは、残留ハロゲン、銅、亜鉛、カドミウム、水銀、鉛、有機汚染物質を含むがこれらに限定されない水汚染物質を除去するために、重力送りおよび／または低圧送り濾過システムにおいて使用される。
【００４０】
一実施形態では、水精製フィルターは、粒状活性炭およびイオン交換樹脂の濾過媒体混合物の最上部に、湿式堆積フィブリル化ナノファイバー分散体を含む。
【００４１】
一実施形態では、粒状活性炭およびイオン交換樹脂の濾過媒体混合物の最上部に、湿式堆積フィブリル化ナノファイバー分散体を含む、水精製フィルターは、残留ハロゲン、銅、亜鉛、カドミウム、水銀、鉛、有機物を含むがこれらに限定されない水汚染物質を除去するために、重力送りおよび／または低圧送り濾過システムにおいて使用される。
【００４２】
一実施形態では、水を精製する方法は、下記を含む：
【００４３】
汚染水を、フィブリル化ナノファイバーと混合した粒状濾過媒体で構成されたフィルターに通して流動させ、その後、イオン交換樹脂で構成されたフィルターに通して流動させて、残留ハロゲン、銅、亜鉛、カドミウム、水銀、鉛、有機物を含むがこれらに限定されない水汚染物質を除去する。
【００４４】
一実施形態では、水精製フィルターを作製する方法は、下記を含む：
【００４５】
最初に、粒状濾過媒体を、フィルターチャンバーまたは床の底部に配置し、その後、スクリーンセパレーターを配置し、かつフィブリル化ナノファイバーとの混合粒状濾過媒体を最上部に配置し、密封する。
【００４６】
一実施形態では、水精製フィルターを作製する方法は、粒状活性炭、イオン交換樹脂、およびフィブリル化ナノファイバーの混合濾過媒体を、フィルターカートリッジまたはフィルター床に満たすステップを含む。
【００４７】
一実施形態では、水精製フィルターを作製する方法は、最初に、フィルターカートリッジに粒状濾過媒体の混合物を満たし、その後、フィブリル化ナノファイバー分散体をフィルターの最上部に湿式堆積するステップを含む。
【００４８】
一実施形態では、水精製フィルターを作製する方法は、最初に粒状濾過媒体をフィルターカートリッジの底部に配置し、その後、第１の濾過媒体の最上部にスクリーンを配置し、次いで多数の粒状濾過媒体とフィブリル化ナノファイバーとの混合濾過媒体を配置するステップを含む。
【００４９】
一実施形態では、水精製フィルターは、粒状濾過媒体およびナノファイバーを含む第１の媒体混合物と；第２の粒状濾過媒体とを、これらの第１の媒体および第２の媒体を分離するスクリーンと共に、もしくはなしで含み、または第１および第２の媒体を一緒にブレンドしただけの状態で含む。
【００５０】
一実施形態では、第１の媒体混合物は、活性炭粒子、ゼオライト、イオン交換樹脂、またはシリカの任意の組合せと混合したナノファイバーの組合せから選択され；第２の濾過媒体は、イオン交換樹脂、ゼオライトから選択される。
【００５１】
一実施形態では、粒状濾過媒体およびナノファイバーを含んだ第１の媒体混合物と、第２の粒状濾過媒体とを含む水フィルターを、重力流および／または低圧流カートリッジに使用して、飲料水源中の、有機物質、銅、亜鉛、水銀、カドミウム、鉛、残留塩素や残留臭素などの残留ハロゲンを含むがこれらに限定されない化学的汚染物質を、除去することができる。
【００５２】
これらおよび他の実施形態は、以下の詳細な説明および実施例を参照することによって、さらに理解されよう。
本発明の実施形態において、例えば以下の項目が提供される。
（項目１）
粒状粒子およびナノファイバーを含む混合物を含む、粒状濾過媒体混合物。
（項目２）
前記粒状粒子が、１００ミクロンから２，０００ミクロンの平均粒子サイズを有し、前記ナノファイバーが、５ナノメートルから２ミクロンの平均直径を有する、項目１に記載の粒状濾過媒体混合物。
（項目３）
前記ナノファイバーが、乾燥重量で、前記粒状濾過媒体の５％未満、４％未満、３％未満、２％未満、または１％未満を構成する、項目１または２に記載の粒状濾過媒体混合物。
（項目４）
前記粒状濾過媒体が、３重量％から７０重量％の含水量を有する、項目１から３のいずれかに記載の粒状濾過媒体混合物。
（項目５）
前記粒状粒子が、粒状活性炭、粒状活性アルミナ、粒状珪藻土、粒状シリカゲル、粒状ゼオライト、粒状シリケート、粒状合成モレキュラーシーブ、粒状イオン交換樹脂粒子、粒状鉱物粘土、粒状アルミノシリケート、粒状チタネート、粒状骨炭、粒状ＫＤＦプロセス媒体、粒状ヨウ素化樹脂、粒状セラミック、粒状パーライト、粒状砂、イオン交換樹脂と金属酸化物との粒状混成体、ポリマー吸着樹脂、またはこれらの任意の組合せから選択され、前記ナノファイバーが、合成ポリマーナノファイバー、天然ポリマーナノファイバー、天然ポリマーナノファイバーの誘導体、無機ナノファイバー、またはこれらの任意の組合せから選択される、項目１から４のいずれかに記載の粒状濾過媒体混合物。
（項目６）
重力濾過媒体が、前記粒状粒子とナノファイバーとのブレンドされた混合物である、項目１から５のいずれかに記載の粒状濾過媒体混合物。
（項目７）
ナノファイバーを溶媒に分散させるステップと、
粒状粒子を前記溶媒に添加するステップと、
前記溶媒と前記ナノファイバーおよび前記粒状粒子とを混合するステップと、
前記溶媒を分離して、粒状濾過媒体混合物を作製するステップと
を含む、粒状濾過媒体混合物を作製する方法。
（項目８）
前記粒状濾過媒体混合物を乾燥させるステップをさらに含む、項目７に記載の方法。
（項目９）
前記粒状粒子が、１００ミクロンから２，０００ミクロンの平均粒子サイズを有し、前記ナノファイバーが、５ナノメートルから２ミクロンの平均直径を有する、項目７または８に記載の方法。
（項目１０）
前記ナノファイバーが、乾燥重量で、前記粒状濾過媒体混合物の５％未満を構成する、項目７から９のいずれかに記載の方法。
（項目１１）
前記粒状粒子が、粒状活性炭、粒状活性アルミナ、粒状珪藻土、粒状シリカゲル、粒状ゼオライト、粒状シリケート、粒状合成モレキュラーシーブ、粒状イオン交換樹脂粒子、粒状鉱物粘土、粒状アルミノシリケート、粒状チタネート、粒状骨炭、粒状ＫＤＦプロセス媒体、粒状ヨウ素化樹脂、粒状セラミック、粒状パーライト、粒状砂、イオン交換樹脂と金属酸化物との粒状混成体、ポリマー吸着樹脂、またはこれらの任意の組合せから選択され、前記ナノファイバーが、合成ポリマーナノファイバー、天然ポリマーナノファイバー、天然ポリマーナノファイバーの誘導体、無機ナノファイバー、またはこれらの任意の組合せから選択される、項目７から１０のいずれかに記載の方法。
（項目１２）
不純物を含む流体を、粒状濾過媒体混合物を含むフィルターに通過させるステップであって、前記粒状濾過媒体混合物が粒状粒子およびナノファイバーを含むステップを含む、流体から不純物を除去する方法。
（項目１３）
前記粒状粒子が、１００ミクロンから２，０００ミクロンの平均粒子サイズを有し、前記ナノファイバーが、５ナノメートルから２ミクロンの平均直径を有する、項目１２に記載の方法。
（項目１４）
前記不純物が、ハロゲン、重金属イオン、有機化合物、コロイド粒子である、項目１２または１３に記載の方法。
（項目１５）
前記不純物が鉛である、項目１２から１４のいずれかに記載の方法。
（項目１６）
前記不純物が、鉛、銅、酸化鉄、酸化水酸化鉄、シリカ、銅、水銀、カドミウム、亜鉛、またはこれらの任意の組合せである、項目１２から１５のいずれかに記載の方法。
（項目１７）
前記流体が空気または水である、項目１２から１６のいずれかに記載の方法。
（項目１８）
粒状濾過媒体とナノファイバーとを含む混合物を有するフィルターチャンバーを含む、フィルター。
（項目１９）
イオン交換樹脂をさらに含む、項目１８に記載のフィルター。
（項目２０）
前記混合物が、前記イオン交換樹脂上に堆積している、項目１８または１９のいずれかに記載のフィルター。
（項目２１）
前記混合物が、第２の粒状濾過媒体をさらに含む、項目１９または２０に記載のフィルター。
（項目２２）
前記フィルターチャンバーが、粒状粒子およびイオン交換樹脂を含む混合物と、イオン交換樹脂上に湿式堆積したナノファイバーとを有する、項目１８から２１のいずれかに記載のフィルター。
（項目２３）
ＮＳＦ  ４２／５３のコンプライアンスを満たすように、重力送りまたは低圧送りフィルターで銅、亜鉛、水銀、カドミウム、鉛を除去するための、重力送りおよび／または低圧送り濾過システムにおける、項目１８から２２のいずれかに記載のフィルターの使用。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、フィルターの実施形態の概略図である。
【００５４】
【図２】図２は、フィルターの実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
（発明の説明）
本発明の目的は、粒状濾過媒体およびナノファイバーを含む粒状濾過媒体混合物組成物と、それを使用した、水精製の適用例での水汚染物質の低減または除去効力の改善を、提供することである。
【００５６】
従来技術の粒状濾過媒体は、高い流量の利益のためだけではなく、便宜上および費用効果のためにも、水精製で広く使用されてきたが、水からの微粒子粒子の除去効力は、改善する必要があることが周知である。
【００５７】
（定義）
「水からの不純物または汚染物質」という用語は、化学的汚染物質および／または生物学的汚染物質を意味するものとする。生物学的汚染物質には、消毒技術により対処してきた。化学的汚染物質は：微粒子粒子、コロイド粒子、微小粒子、懸濁粒子、有機化合物、残留ハロゲン、セレン、アルセネート、アルセナイト、フッ化物、ジクロメート、マンガン、スズ、白金、鉄、コバルト、クロメート、モリブデート、セレナイト、セレネート（ｓｅｎｅｌａｔｅ）、ウラン、バナジウム、バナデート、ルテニウム、アンチモン、モリブデン、タングステン、バリウム、セリウム、ランタン、ジルコニウム、チタン、および／またはラジウム、亜鉛、銅、鉛、水銀、カドミウム、ならびに天然有機物質（ＮＯＭ：ｎａｔｕｒａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｍａｔｔｅｒ）、殺虫剤、および除草剤残留物、内分泌撹乱物質、医薬品残留物、および工業廃棄物を通して放出された有機化合物を含むことになるが、これらに限定するものではない。例えば、重金属のほとんどは人間に有毒であり、濾過または精製プロセスによって除去されるべきである。
【００５８】
「粒子および微粒子」という用語は、実質的に同義に使用されている。一般に、粒子は、小片または個々の部分である。微粒子は、複数の粒子に関係するか、または複数の粒子から形成される。本発明の実施形態で使用される複数の粒子は、分離されたままであるか、または凝集し得るか、物理的に噛み合うか、静電的に会合するか、もしくはその他の手法で会合して、微粒子を形成し得る。微粒子は、懸濁粒子、コロイド粒子、または微小粒子を、粒子サイズ５０ｎｍから１００ミクロンの範囲内で含むことができる。
【００５９】
本明細書で使用される「コロイドまたは微小粒子」という用語は、水中で、サイズ範囲が５０ナノメートルから２ミクロン（１ミクロンは０．００１ミリメートルである）である微粒子の複数の粒子の一部を指し、例えば、ＮＳＦは、鉛粒子サイズの微小な微粒子部分を水中で０．１から１．２ミクロンの間に定義する。
【００６０】
「懸濁粒子」という用語は、２ミクロンよりも大きい微粒子サイズを指す。
【００６１】
「重力送りまたは重力流」濾過という用語は、濾過媒体を通る流体の流れであって、重力が、流体を濾過媒体に通すように流体に作用する実質的に唯一の原動力である流れを指す。
【００６２】
「低圧流」濾過という用語は、濾過媒体を通る流体の流れであって、３０ｐｓｉまたはそれ未満の範囲内の流体圧力が、流体を濾過媒体に通すための原動力である流れを指す。
【００６３】
「ナノファイバー」または「ナノファイバー（複数）」という用語は、約２．０ミクロン未満の直径または平均直径を有する繊維を指す。好ましい実施形態では、ナノファイバーの直径または平均直径は、１０００ナノメートル未満である。
【００６４】
「ナノファイバーの分散体」という用語は、水、水性、有機溶媒、またはその中での任意の組合せを含む溶媒に分散されたナノファイバーまたはナノファイバー（複数）を意味するものとし、分散体中の全ナノファイバーは、乾燥重量で１０％以下であり、好ましくは５％以下である。
【００６５】
「粒状濾過媒体」（ＧＦＭ：ｇｒａｎｕｌａｒ  ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  ｍｅｄｉａ）という用語は、１００〜２０００ミクロンの範囲の粒子サイズまたは平均粒子サイズを有する、多孔質または非多孔質の、乾燥または含水粒状濾過媒体粒子を意味するものとする。
【００６６】
本発明の一実施形態では、粒状濾過媒体（ＧＦＭ）と、乾燥重量ベースで５％未満のナノファイバーとの混合物を含む、粒状濾過媒体混合物が提供され、含水量は、３重量％から７０重量％の範囲にある。
【００６７】
粒状濾過媒体（ＧＦＭ）は、３％〜７０％の範囲の含水量を有し、１００〜２０００ミクロンの範囲の粒子サイズまたは平均粒子サイズを有する、多孔質および／または非多孔質の、乾燥または含水粒状濾過媒体粒子であってもよい。好ましい実施形態では、含水量は３％〜６０％の範囲にあり、粒子サイズまたは平均粒子サイズ分布は２００〜２０００ミクロンの範囲にある。本発明の最も好ましい実施形態では、粒子サイズまたは平均粒子サイズ分布は３００〜１５００ミクロンの範囲にある。粒状濾過媒体の例には、活性炭粒子、粒状活性炭（ＧＡＣ）、機能化粒状活性炭、シリカゲル、砂、破砕無煙炭、イオン交換樹脂ビーズ、米国特許第７，５０４，０３６号；第７，２９１，５７８号；第７，７０８，８９２号に記載されている酸化水酸化鉄混成イオン交換混成体などのイオン交換ベースの混成粒子、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＴＭ  ＸＡＤ型のポリマー吸着剤などのポリマー吸着樹脂、活性アルミナ、ゼオライト、粘土鉱物、合成モレキュラーシーブ、ＫＤＦプロセス濾過媒体（Ｃｕ−Ｚｎ調合物）、アルミノシリケート、チタネート、骨炭、セラミック、珪藻土（ＤＥ：ｄｉａｔｏｍａｃｅｏｕｓ  ｅａｒｔｈ）、または金属酸化水酸化物を含浸させたＤＥ（商標名−ＮＸＴ−２媒体、米国特許第８，１１０，５２６号にさらに記載されている）、またはこれらの任意の組合せが含まれるが、これらに限定するものではない。好ましい実施形態では、粒状濾過媒体は、イオン交換樹脂粒子；ゼオライト；活性炭粒子（粒状活性炭）；合成モレキュラーシーブ粒子；珪藻土；シリカ；粘土などから選択される。
【００６８】
ナノファイバーには、合成ポリマーナノファイバー、天然ポリマーナノファイバー、天然ポリマーナノファイバーの誘導体、無機ナノファイバー、またはこれらの任意の組合せが含まれるが、これらに限定するものではない。ナノファイバーまたはナノファイバー（複数）は、５ナノメートルから２．０ミクロンの範囲の直径または平均直径を有する；好ましい実施形態では、１０から１０００ナノメートルの範囲の直径または平均直径を有する；最も好ましい実施形態では、２０から８００ナノメートルの範囲、１００から７００ナノメートルの間、２００から５００ナノメートルの間、または３００から４００ナノメートルの間の直径または平均直径を有する繊維を指す。実施形態では、ナノファイバーの長さは、１ｍｍから２０ｍｍの間、２ｍｍから１０ｍｍの間、３ｍｍから８ｍｍの間、または４から６ｍｍの間である。一実施形態では、粒状濾過媒体混合物中のナノファイバーは、乾燥重量で０．０１％から５％の範囲にあり、好ましくは乾燥重量で０．０４〜３％の範囲にある。
【００６９】
「粒状濾過媒体混合物」は、本明細書に記述される粒状濾過媒体の１種または複数のタイプと、ナノファイバーの１種または複数のタイプとを含むことができる。
【００７０】
本発明に関するナノファイバーの例には、ナノ合成ポリマー繊維、ナノ設計樹脂繊維、ナノセラミック繊維、ナノフィブリル化もしくはミクロフィブリル化セルロース繊維、ナノキチン繊維、ナノキトサン繊維、ナノセルロース繊維の誘導体、ナノレーヨン繊維、ナノガラス繊維、ナノアルミナ繊維、ナノアルミナヒドロキシド繊維、ナノチタニア繊維、ナノカーボンチューブ、ナノカーボンファイバー、もしくはナノ活性炭繊維、ナノシリカ繊維、ナノゼオライト繊維、またはこれらの任意の組合せが含まれるが、これらに限定するものではない。
【００７１】
ナノファイバーは、一般に、異なる材料からの界面重合、エレクトロスピニング、およびフォーススピニングによって生成することができる。ナノファイバー調製のための最も一般的なプロセスは、静電スピニングとしても公知のエレクトロスピニングであり、流体動力学、帯電表面、および帯電液体の間の相互作用を使用して、ポリマー溶液またはポリマー融解物から繊維を生成する技術を指す。Ｙ．Ｆｉｌａｔｏｖ、Ａ．Ｂｕｄｙｋａ、およびＶ．Ｋｉｒｉｃｈｅｎｋｏによる書籍「Ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏ−  ａｎｄ  Ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ；  Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」は、エレクトロスピニングプロセスの科学的および技術的態様をテーマにしている。１００種を超える合成および天然の種々のポリマーは、ほとんどをポリマー溶液からエレクトロスピニングしてナノファイバーにすることができ、いくつかの例には、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ（塩化ビニル）（ＰＶＣ）、ナイロン−６、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリ（Ｅ−カプロラクトン）（ＰＣＬ）、Ｋｅｖｉｌａｒ［ポリ（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）またはＰＰＴＡ］、ポリ（フッ化ビニリデン）（ＰＶＤＦ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリ（ビニルフェノール）（ＰＶＰ）、ミクロ繊維状（ｍｉｃｒｏｆｉｂｕｒｏｕｓ）セルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリ乳酸、キチン、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、ポリアニリン、スチレン−ブタジエン−スチレントリブロックコポリマーの例に関して示されるようなブロックコポリマー、ナノカーボンファイバー、エレクトロスピニングされたチタニア（ＴｉＯ２）ナノファイバー、アルミナナノファイバー、セラミックナノファイバーなどが含まれるがこれらの限定するものではない。
【００７２】
本発明の好ましい実施形態では、ナノファイバーまたはナノファイバー（複数）は、ナノセルロース繊維、ナノフィブリル化セルロース繊維（ＮＦＣ）、ミクロフィブリル化セルロース繊維（ＭＦＣ）、ナノキチン繊維、ナノキトサン繊維、ナノコラーゲン繊維、ナノゼラチン繊維、セルロースナノファイバーの誘導体、ナノポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）繊維、ナノポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維、ナノカーボンファイバー、エレクトロスピニングされたチタニア（ＴｉＯ２）ナノファイバー、アルミナナノファイバー、水酸化アルミナナノファイバー、セラミックナノファイバー、またはこれらの任意の組合せから選択される。
【００７３】
本発明のより好ましい実施形態では、ナノファイバーまたはナノファイバー（複数）は、ナノセルロース繊維、ナノフィブリル化セルロース繊維（ＮＦＣ）、ミクロフィブリル化セルロース繊維（ＭＦＣ）、ナノセルロース繊維の誘導体、セルロースナノファイバーの誘導体、ナノキチン繊維、ナノキトサン繊維、またはこれらの任意の組合せから選択される。
【００７４】
本発明の最も好ましい実施形態では、ナノファイバーまたはナノファイバー（複数）は、ナノセルロース繊維、ナノフィブリル化セルロース繊維（ＮＦＣ）、ミクロフィブリル化セルロース繊維（ＭＦＣ）、ナノセルロース繊維の誘導体、セルロースナノファイバーの誘導体、またはこれらの任意の組合せから選択される。高いアスペクト比を持つナノサイズのセルロースフィブリルを含むナノセルロース繊維は、ミクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）；セルロースミクロフィブリル；フィブリル化セルロース；ナノフィブリル状セルロース（ＮＦＣ）；フィブリル凝集体；ナノスケールセルロースフィブリル；ミクロフィブリル化セルロースナノファイバー；セルロースフィブリル凝集体；セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）；セルロースナノフィブリル；セルロースミクロ繊維；ミクロフィブリル凝集体；セルロースミクロフィブリル凝集体；セルロースフィブリル；ナノフィブリル化セルロース（ＮＦＣ）；ミクロフィブリル状セルロース；ナノウィスカー；ナノ結晶質セルロース（ＮＣＣ）とも呼ばれる。ナノフィブリル化セルロース繊維（ＮＦＣ）は、パルプ繊維の均質化；研削ディスク、凍結粉砕；高強度超音波処理；エレクトロスピニング（ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｐｉｎｎｉｎｇ）などを含めた方法によって調製することができる。その調製および性質は、米国特許第４，３７４，７０２号；第４，４８３，７４３号；第４，４８１，０７７号にも開示されており、様々な使用が、米国特許第４，３４１，８０７号および第４，３７８，３８１号などに記載され、参照により本明細書に組み込まれる。
【００７５】
本発明の一実施形態では、ブレンドまたは混合された粒状濾過媒体およびナノファイバー中の含水量は、３重量％から７０重量％の範囲にあり；好ましくは５から６５％の範囲にあり；より好ましくは５％から６０％の範囲、１０％から６０％の範囲、２０％から５０％の範囲、３０％から４０％の範囲、または３５％から４５％の範囲にある。
【００７６】
別の実施形態では、下記のステップを含む、粒状濾過媒体混合物を調製する方法が、さらに提供される：
ａ．ナノファイバーを溶媒組成物中に分散させて、ナノファイバー分散体を調製するステップ。乾燥ナノファイバーまたは湿潤ケーキナノファイバーを添加し、激しく撹拌または混合することによって、例えばホモジナイザーで溶媒組成物中に２〜６０分間にわたり撹拌または混合することによって、さらに分散させる。溶媒組成物には、水、水溶液、有機溶媒、またはこれらの任意の組合せであって、最初に分散剤が添加されたか、または添加されない状態のものが含まれるが、これらに限定するものではない。最終分散体中のナノファイバーの濃度は、分散体中１０％以下であり、好ましくは５％以下である。
ｂ．従来の粒状濾過媒体をナノファイバー分散体に添加し、それらを一緒に２〜６０分間にわたり混合するステップ。次いでブレンドされた粒状媒体を、濾過によって分離する。最終粒状濾過媒体混合生成物は、そのままで、またはさらに乾燥させて９０％、８０％、７５％、７０％、６５％、６０％、５５％、５０％、４５％、４０％、３５％、３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、５％、もしくは３％以上の含水量にして使用することができる。
【００７７】
本発明の一実施形態では、水精製の目的で、水と粒状濾過媒体混合物とを、その他の濾過媒体と組み合わせ、または組み合わせずに接触させることによって、水源（例えば、飲料水、工業用水、環境水、レクリエーション水）から汚染物質を除去するために、ナノファイバーで構成された粒状濾過媒体混合物を使用する方法が提供される。
【００７８】
本発明の混合媒体と接触させることによって除去することができる汚染物質には：微粒子粒子、コロイド粒子、微小粒子、懸濁粒子、有機物、残留塩素や残留臭素などの残留ハロゲン、セレン、アルセネート、アルセナイト、フッ化物、ジクロメート、マンガン、スズ、白金、鉄、コバルト、クロメート、モリブデート、セレナイト、セレネート、ウラン、バナジウム、バナデート、ルテニウム、アンチモン、モリブデン、タングステン、バリウム、セリウム、ランタン、ジルコニウム、チタン、および／またはラジウム、亜鉛、銅、鉛、水銀、カドミウム、ならびに天然有機物質（ＮＯＭ）、殺虫剤、および除草剤残留物、内分泌撹乱物質、医薬品残留物、および工業廃棄物を通して放出された有機化合物が含まれるが、これらに限定するものではない。粒子には：鉛、銅、酸化鉄、オキシ水酸化鉄、シリカなどの粒子が含まれるが、これらに限定するものではない。汚染水源には：上水道からの水道水または地方の井戸からの水；上水処理；プールまたはスパからのレクリエーション水；環境水；工業用プロセス水；工業廃水；下水、および農業潅漑用水が含まれるが、これらに限定するものではない。処理された水は、飲料、工業プロセス、農業の適用例、または廃水放出に使用することができる。粒状濾過媒体およびナノファイバーを含む粒状濾過媒体混合物の使用に好ましい水処理の適用例は、使用点、受水点、および飲料水精製のための上水処理である。
【００７９】
好ましい実施形態では、金属汚染物質は、亜鉛、銅、鉛、水銀、カドミウム、鉄、コバルト、クロメート、ジクロメート、マンガン、スズなどを含むが、これらに限定するものではない。
【００８０】
水源からの汚染物質粒子には、微粒子粒子、コロイド粒子、微小粒子、懸濁粒子であって、汚染水中に広く存在するものが含まれるが、これらに限定するものではない。それらの汚染物質粒子は、下記に由来する可能性がある：
・  水源中の、遊離した土壌、鉱物、または汚染物質の粒子。
・  注入または浸透した表面水との混合からの、レドックス条件の変化に起因した、地球化学的沈殿を受ける溶質。
・  水中の自由相炭化水素からの、微小液滴のエマルジョン。
・  水中の、フミン酸などの高分子が種となったミセルを形成する凝集。
・  埋立て地またはその他の表面源からの地下水に直接導入されたコロイド。
【００８１】
例えば、質量ベースで、地下水中のコロイド濃度は１から７５ｍｇ／Ｌに及ぶ可能性がある。
【００８２】
より好ましくは、水源からの汚染物質粒子は、酸化鉄、酸化水酸化鉄、シリカ、鉛、銅などを含むが、これらに限定するものではない。
【００８３】
本発明の最も好ましい実施形態では、水中の重金属汚染物質の微粒子粒子は、様々な無機形態で水中に存在する鉛である。水中の無機微粒子鉛の最も一般的な形は、炭酸鉛（ＰｂＣＯ３）、水酸化鉛［Ｐｂ（ＯＨ）２］、およびヒドロキシ炭酸鉛［Ｐｂ３（ＯＨ）２（ＣＯ３）２］である。水中に存在し得る鉛のイオン形態は、Ｐｂ２＋、ＰｂＯＨ＋、およびＰｂ（ＯＨ）３−である。鉛イオンは、水中で、フミン酸、タンニン、およびフルボ酸などの天然有機物質（ＮＯＭ）と錯体を形成する。さらに、鉛は、水中で粒子上に吸着され、粘土粒子とイオン交換する。飲料水のｐＨの範囲内のｐＨおよび水中のカーボネートの濃度が上昇するにつれ、鉛の溶解度は減少し、不溶性微粒子鉛をさらに発生させる。
【００８４】
より詳細には、水中の鉛を決定するプロトコールを定めたＮＳＦ／ＡＮＳＩ  ５３プロトコール（２０１１ａ公開２０１２年４月）によれば、全鉛［Ｐｂｔ］試料（流入液または流出液から）を表す第１の部分は、全鉛決定のために試料のｐＨを２．０よりも低く低下させるのに適切な硝酸が入っている試料瓶に即座に移さなければならない。収集された試料（同じ流入液または流出液から）の第２の部分は、０．１ミクロンのアブソリュートフィルターを即座に通過させ、試料のｐＨを２．０よりも低く低下させるのに適切な硝酸が入っている試料瓶に収集しなければならない。この試料は、０．１ミクロンの濾液鉛、［ｆＰｂ０．１］を決定するために収集される。試料（同じ流入液または流出液から）の第３の部分は、１．２ミクロンのアブソリュートフィルターを即座に通過させ、試料のｐＨを２．０よりも低く低下させるのに適切な硝酸が入っている試料瓶に収集しなければならない。この試料は、１．２ミクロンの濾液鉛試料、［ｆＰｂ１．２］である。
【００８５】
全微粒子鉛［Ｐｂｔｐ］は、下記の通り計算される：
［ＰＢＴＰ］＝［ＰＢＴ］−［ＦＰＢ０．１］。
【００８６】
全微粒子鉛のパーセント％［Ｐｂｔｐ］は、下記の通り計算される：
％［ＰＢＴＰ］＝｛［ＰＢＴ］−［ＦＰＢ０．１］｝／［ＰＢＴ］×１００。
【００８７】
微小な微粒子鉛［Ｐｂｆ］は、サイズが０．１から１．２ミクロンの間（微小）にある全微粒子鉛の部分と定義され、下記の通り計算される：
［ＰＢＦ］＝［ＦＰＢ１．２］−［ＦＰＢ０．１］。
【００８８】
微小な微粒子鉛のパーセント％［Ｐｂｆ］は、下記の通り計算される：
％［ＰＢＦ］＝｛［ＰＢＦ］／［ＰＢＴＰ］｝×１００。
【００８９】
基準ＮＳＦ  ５３  ｐＨ８．５微粒子鉛試験水も、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ  ５３プロトコール（２０１１ａ公開２０１２年４月）で特に定義されている。ＮＳＦ／ＡＮＳＩ  ５３プロトコール（２０１１ａ公開２０１２年４月）による例示的な源水仕様は、下記の通り記述される：硬度９０〜１１０ｍｇ／Ｌ、アルカリ度９０〜１１０ｍｇ／Ｌ、全塩素０．２５〜０．７５ｍｇ／Ｌ、ｐＨ８．３〜８．６。試験水は、全平均１５０±１５ｐｐｂの全鉛を含有しなければならず、試験水中の全微粒子鉛（鉛％［Ｐｂｔｐ］）は、全平均で２０〜４０％になり、試験水は、サイズが０．１から１．２ミクロンの間（微小粒子サイズ）にある全微粒子鉛の部分である、全平均２０％超の％［Ｐｂｆ］も含有しなければならない。
【００９０】
図１を参照すると、一部の実施形態によるフィルター１００が、概略的に示されている。フィルター１００は、第１の上部チャンバー１０６と、スクリーン１０８によって隔てられた第２の下部チャンバー１１０とを含む。スクリーン１０８は、一部の実施形態において任意選択である。矢印によって示されるように、濾過される水は、フィルターの最上部から流れて、フィルターの底部から出て行くことができる。フィルター１００は、例えば収集ジャグの入口に接続することができ、濾過されていない水をフィルター１００の最上部に注いで、水が重力の下でフィルター１００を通ってジャグ内に流れるようにすることができる。
【００９１】
一部の実施形態では、上部チャンバー１０６は、粒状濾過媒体１０４とナノファイバー１０２との混合物を含む、第１の媒体層を有する。ナノファイバー１０２は、個々の粒状粒子１０４の間の間隙空間に配置することができる。他の実施形態では、下部チャンバー１１０が、粒状濾過媒体１０６とナノファイバー１０２との混合物を含むことができる。一部の実施形態では、フィルター１００は、粒状濾過媒体１０４とナノファイバー１０２との混合物を有する単一チャンバーを含むことができる。図１に見られるように、ナノファイバー１０２は、粒状濾過媒体１０４の間に創出された空隙を部分的に満たす。例えば、ナノファイバーがない粒状濾過媒体単独の空隙分率は、０．０２（２％）から０．０７（７０％）の範囲にすることができる。しかし、ナノファイバーを粒状濾過媒体と組み合わせた場合、空隙分率は０．０１（１％）から０．６５（６５％）の範囲に低減する。実施形態では、空隙分率は、０．０２（２％）から０．５（５０％）の範囲に低減する。別の実施形態では、空隙分率は、０．３０（３０％）から０．４（４０％）の範囲に低減する。ナノファイバーの利点は、粒状濾過媒体単独での空隙空間により、通常なら濾過されないまま通過し得るある特定の微小粒子およびコロイド粒子を保持できることである。またナノファイバーは、フィルターを通る流れを著しく減少させない。したがって、水の適切な流れを、単に重力によってまたは低圧を加えることによって、誘発することができる。
【００９２】
一部の実施形態では、下部チャンバー１１０に第２の粒状濾過媒体を満たし、第２の粒状濾過媒体は、第２のスクリーン１１２上に支持される。
【００９３】
上部チャンバー１０６の粒状濾過媒体１０４は、本明細書に記述される粒状濾過媒体のいずれかであって、やはり本明細書に記述される性質を有する粒状濾過媒体のいずれかを含むことができるが、これらに限定するものではない。ナノファイバー１０２は、本明細書に記述されるナノファイバーのいずれかであって、やはり本明細書に記述される性質を有するナノファイバーのいずれかを含むことができる。第２の下部チャンバー１１０の第２の濾過媒体は、ゼオライト、イオン交換樹脂、およびシリカを含むことができるがこれらに限定するものではない。
【００９４】
図２を参照すると、一部の実施形態による別のフィルター２００が示されている。図２に見られるように、フィルター２００は、濾過媒体の単層がスクリーン２１２によって支持されている単一チャンバー２０６を含む。図２の実施形態では、第１および第２の濾過媒体のスクリーン分離が除去されている。
【００９５】
図１の実施形態のように、図２の実施形態も、粒状濾過媒体２０４とナノファイバー２０２との混合物を含む。さらに、濾過媒体は、図１の第２のチャンバーの濾過媒体１１０に該当する追加の濾過媒体２１０を含むことができる。即ち、ゼオライト、イオン交換樹脂、およびシリカなどの追加の濾過媒体を、粒状濾過媒体２０４およびナノファイバー２０２と組み合わせることができる。
【００９６】
粒状濾過媒体２０４は、本明細書に記述される粒状濾過媒体のいずれかであって、やはり本明細書に記述される性質を有する粒状濾過媒体のいずれかを含むことができるが、これらに限定するものではない。ナノファイバー２０２は、本明細書に記述されるナノファイバーのいずれかであって、やはり本明細書に記述される性質を有するナノファイバーのいずれかを含むことができる。濾過媒体２１０は、図１に示される第２の下部チャンバー１１０の濾過媒体に該当する。即ち、濾過媒体２１０は、ゼオライト、イオン交換樹脂、およびシリカを含むことができるがこれらに限定するものではない。
【００９７】
図２の実施形態では、ナノファイバー２０２は、粒状濾過媒体および第２の媒体２１０によって創出された多孔率および空隙空間を低減させることができる。例えば、ナノファイバーがない粒状濾過媒体単独の空隙分率は、０．０２（２％）から０．０７（７０％）の範囲にすることができる。しかし、ナノファイバーを粒状濾過媒体と組み合わせた場合、空隙分率は０．０１（１％）から０．６５（６５％）の範囲に低減する。実施形態では、空隙分率は、０．０２（２％）から０．５（５０％）の範囲に低減する。別の実施形態では、空隙分率は、０．３０（３０％）から０．４（４０％）の範囲に低減する。ナノファイバーの利点は、粒状濾過媒体単独での空隙空間により、通常なら濾過されないまま通過し得るある特定の微小粒子およびコロイド粒子を保持できることである。またナノファイバーは、フィルターを通る流れを著しく減少させない。したがって、水の適切な流れを、単に重力によってまたは低圧を加えることによって、誘発することができる。
【００９８】
本発明の一実施形態では、上述の粒状濾過媒体とナノファイバーとの混合媒体を単独で含むか、あるいは多孔質および／または非多孔質の乾燥または含水状態であってもよく、その粒子サイズまたは平均粒子サイズが１００〜２０００ミクロンの範囲にあるその他の粒状濾過媒体成分との任意の組合せで含む、水フィルターが提供される。好ましい実施形態では、その他の粒状濾過媒体の粒子サイズまたは平均粒子サイズ分布は、２５０〜２５００ミクロンの範囲にあり、より好ましくは、粒子サイズまたは平均粒子サイズ分布は３００〜１０００ミクロンの範囲にある。その他の濾過媒体の例には、活性炭粒子、粒状活性炭（ＧＡＣ）、シリカゲル、砂、破砕無煙炭、イオン交換樹脂ビーズ、活性炭と金属酸化物との粒状混成体、機能化粒状活性炭、米国特許第７，５０４，０３６号；第７，２９１，５７８号；第７，７０８，８９２号に記載されている酸化水酸化鉄混成イオン交換混成体などのイオン交換ベースの混成粒子、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＴＭ  ＸＡＤ型のポリマー吸着剤などのポリマー吸着樹脂、活性アルミナ、ゼオライト、粘土鉱物、合成モレキュラーシーブ、ＫＤＦプロセス濾過媒体（Ｃｕ−Ｚｎ調合物）、アルミノシリケート、チタネート、骨炭、セラミック、珪藻土（ＤＥ）、または金属酸化水酸化物を含浸させたＤＥ（商標名−ＮＸＴ−２媒体、米国特許第８，１１０，５２６号にさらに記載されている）、またはこれらの任意の組合せが含まれるが、これらに限定するものではない。好ましい実施形態では、粒状濾過媒体は、イオン交換樹脂粒子；ゼオライト；活性炭粒子（機能化された、または機能化されていない）；合成モレキュラーシーブ粒子；珪藻土；シリカ；粘土から選択される。
【００９９】
本発明の水フィルターは、粒状濾過媒体およびナノファイバーを含む混合物を、スクリーンを用いてまたは用いずに、１層または多層をその他の濾過媒体と組み合わせてまたは組み合わせずに、フィルターカートリッジチャンバーまたはフィルター床または濾過槽に満たすことによって調製することができる。水汚染物質は、水精製の目的で汚染物質が除去されるように、汚染水をフィルターカートリッジまたはフィルター床内に流すことによって、除去することができる。より詳細には、水フィルターは、水精製の適用例のために水から汚染物質が除去されるように、重力送りまたは低圧送り濾過カートリッジ、濾床、および／または濾過カラムとして設計しまたは提供することができる。
【０１００】
詳細には、本発明の水フィルターを、上水道からの水道水または地方の井戸からの水；使用点；受水点；上水処理；プールまたはスパからのレクリエーション水；環境水；工業用プロセス水；工業廃水；下水、および農業潅漑用水に使用して：微粒子粒子、コロイド粒子、微小粒子、懸濁粒子、有機物、残留ハロゲン、セレン、アルセネート、アルセナイト、フッ化物、ジクロメート、マンガン、スズ、白金、鉄、コバルト、クロメート、モリブデート、セレナイト、セレネート、ウラン、バナジウム、バナデート、ルテニウム、アンチモン、モリブデン、タングステン、バリウム、セリウム、ランタン、ジルコニウム、チタン、および／またはラジウム、亜鉛、銅、鉛、水銀、カドミウム、ならびに天然有機物質（ＮＯＭ）、殺虫剤、および除草剤残留物、内分泌撹乱物質、医薬品残留物、および工業廃棄物を通して放出された有機化合物を含むがこれらに限定されない汚染物質を除去することができる。
【０１０１】
１つの好ましい実施形態では、本発明は、２種の異なる粒状濾過媒体とナノファイバーとを混合することによる第１の層媒体と、粒状濾過媒体の第２の層とで構成された、水精製フィルターであって、第１の媒体と第２の媒体とを分離するスクリーンを備えたもしくは備えていない、または第１および第２の媒体層をブレンドしただけの、水精製フィルターを提供する。好ましくは、本発明によって提供される第１の濾過媒体層は、活性炭粒子（機能化および／または処理されたものを含む）、ゼオライト、イオン交換樹脂、またはシリカなどの任意の組合せと混合したナノファイバーの、任意の混合物の組合せから選択される。第２の濾過媒体層は、イオン交換樹脂、ゼオライトから選択される。第１の媒体と第２の媒体とを分離するスクリーンは、７０超のメッシュサイズを有する。このフィルターを、重力流および／または低圧流カートリッジにさらに設計し、生成し、または使用して、飲料水源中の有機物質、銅、亜鉛、水銀、カドミウム、鉛、残留塩素や残留臭素などの残留ハロゲンを含むがこれらに限定されない化学的汚染物質を除去することができる。このフィルターは、使用点および受水点で使用することができ、いくつかの例には、ポアスルー型カラフェ、水冷器、および冷蔵庫の水タンク、およびピッチャーなどが含まれるが、これらに限定するものではない。
【０１０２】
一態様では、本明細書に記述される本発明は、重力送りまたは低圧デバイスを使用して、飲料水から特定の可溶性鉛を除去するのに使用することができる。実施形態では、精製水中の全鉛量は、水３００Ｌに対して１０ｐｐｂよりも低い。
【０１０３】
可溶性の鉛種と微粒子の鉛種との間には動的平衡があるので、微粒子の鉛種は前後にシフトして可溶性鉛になる。この平衡は、溶液中の可溶性鉛の濃度によって影響を受け、水のｐＨによっても影響を受ける。サイズに応じて、可溶性鉛をコロイド状と呼ぶことができる。
【０１０４】
態様では、本発明は、粒状濾過媒体およびナノファイバーの粒状濾過媒体混合物であって、より小さいサイズの鉛を粒状濾過媒体の細孔内に捕捉し、かつより大きいサイズの鉛粒子を粒状濾過媒体混合フィブリルメッシュに捕捉するという利点を有する粒状濾過媒体混合物について記述する。実施形態では、より小さい鉛はメッシュにも捕捉される。
【０１０５】
態様では、本明細書に記述される本発明は、この平衡を利用して、微粒子およびコロイド状の鉛を水から除去することができる。粒状濾過媒体混合物を使用して、微粒子鉛を、それらが可溶性になるまで粒状濾過媒体混合物に吸着させる。その時点で、例えばイオン交換媒体（「ＩＸＲ」）などの第３の媒体は、可溶性鉛とナトリウムまたは水素とを交換することができる。粒状濾過媒体混合物は、コロイド状および微粒子鉛を保持しまたは結合するネットまたはマトリックスまたはメッシュを形成する。態様では、ＮＦＣは、例えばリオセル繊維（木材パルプから）にすることができ、長さ３〜６ｍｍ、フィブリル化度４０〜３００ｍＬ、および平均直径０．３ミクロンである。その他の形のＮＦＣを使用することもできる。ＧＡＣメッシュサイズは、１つのシングルメッシュ（即ち、１８、２０、２５、または３０）またはレンジ（例えば、８×５０、１２×４０、または２０×５０）のいずれかにすることができ、１６×５０が好ましい。粒状濾過媒体混合物の生成中に形成された、フィブリルのネット／マトリックス／メッシュは、とりわけ、最終複合体中に存在する水分の量（「ＭＣ％」）に関係する。ＭＣ％が高くなるほど、ネットによる鉛除去は増大するが、ネットを通過する水の流量は遅くなる。理想的なＭＣ％は、約４０から約７０％の範囲にある。ＭＣ％は、ＭＣが約４５％からＭＣが約６５％の範囲；ＭＣが約５０％からＭＣが約６０％の範囲；またはＭＣが約６５％にすることもできる。ＩＸＲ粒子サイズは、約５００から８００ミクロン；約５５０から７５０ミクロン；約６００から７００ミクロン；約６５０から９００ミクロン；約６５０から７９０ミクロン；または約７３０から７８０ミクロン；を使用することができる。実施形態では、粒状濾過媒体混合複合体は、組成が非常に均一であり、または組成が均一ではない。
【０１０６】
実施形態では、微粒子鉛は、粒状濾過媒体混合物の生成中に形成されたフィブリルネット／マトリックス／メッシュに捕捉され、可溶性鉛に変換され、次いでＩＸＲによってナトリウムおよび水素に交換される。別の実施形態では、カリウム緩衝剤が、鉛の除去または低減に有利であり得る。
【０１０７】
別の態様では、混合物のナノファイバーは、粒状濾過媒体混合物１３０ｍＬ当たりのナノファイバーが約０．０５から約０．８ｇの間である。実施形態では、粒状濾過媒体混合物１３０ｍＬ当たり、ナノファイバーの範囲の下限が約０．０６から約０．３であり、範囲の上限が約０．３１から約５．０ｇである。
【０１０８】
実施形態では、得られた濾過水中の鉛の量は、約５０ｐｐｂよりも低く、約４７ｐｐｂよりも低く、約４５ｐｐｂよりも低く、約４２ｐｐｂよりも低く、約４０ｐｐｂよりも低く；約３７ｐｐｂよりも低く；約３５ｐｐｂよりも低く；約３２ｐｐｂよりも低く；約３０ｐｐｂよりも低く；約２７ｐｐｂよりも低く；約２５ｐｐｂよりも低く；約２２ｐｐｂよりも低く；約２０ｐｐｂよりも低く；約１９ｐｐｂよりも低く；約１８ｐｐｂよりも低く；約１７ｐｐｂよりも低く；約１６ｐｐｂよりも低く；約１５ｐｐｂよりも低く；約１４ｐｐｂよりも低く；約１３ｐｐｂよりも低く；約１２ｐｐｂよりも低く；約１１ｐｐｂよりも低く；約１０ｐｐｂよりも低く、約９ｐｐｂよりも低く、約８ｐｐｂよりも低く、約７ｐｐｂよりも低く、約６ｐｐｂよりも低く、約５ｐｐｂよりも低く、約４ｐｐｂよりも低く、約３ｐｐｂよりも低く、約２ｐｐｂよりも低く、または約１ｐｐｂよりも低い。
【０１０９】
例示的な実施形態について、例示し記述してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、そこに様々な変更を行うことができることが理解されよう。
【実施例】
【０１１０】
（実施例１）
ＧＡＣおよびＮＦＣの混合物の微粒子鉛除去試験
【０１１１】
１）材料および試薬：
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ＬＬＣにより供給されるナノフィブリル化セルロース（ＮＦＣ）湿潤ケーキ。
粒状活性炭（ＧＡＣ）：１２×４０メッシュ、酸洗浄済み、Ｆｉｌｔｒｅｘ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（インド）から供給。
硝酸鉛（ＩＩ）：Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ、ＡＣＳ試薬
重炭酸ナトリウム：ＶＷＲ、ＡＣＳ試薬
硫酸マグネシウム七水和物：Ｓｉｇｍａ−Ａｌｉｃｈ、ＡＣＳ試薬
塩化物二水和物：ＥＭＤ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ、＞９９．０％  １．０Ｎ水酸化ナトリウム溶液、実験室で作製。
脱イオン水（ＤＩ）：抵抗率＞１．０ＭΩ−ｃｍ（導電率＜１μＳ／ｃｍ）
ＶＷＲ濾紙４１７（孔径４０μｍ）、ＶＷＲから供給。
Ｐａｌｌ  Ａｒｃｏｄｉｓｃ  ３２ｍｍシリンジフィルター、０．１μｍ  Ｓｕｐｅｒ  ｍｅｍｂｒａｎｅ、Ｐａｌｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎプラスチックカラム：直径７．５ｃｍ。
【０１１２】
２）微粒子鉛溶液調製用の原液
【０１１３】
下記の原液を、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ  ５３  プロトコール（２０１１ａ公開２０１２年４月）に従い超純水で調製した。塩化カルシウム溶液（３８ｇ／Ｌ）；硫酸マグネシウム溶液（３２ｇ／Ｌ）；重炭酸ナトリウム溶液（６３ｇ／Ｌ）；可溶性鉛原液（３．６ｇ／Ｌ、１：１の希硝酸４ｍＬで）；不溶性鉛原液（１．６ｇ／Ｌ、ｐＨ＜６．５）。
【０１１４】
３）基準ＮＳＦ５３  ｐＨ８．５微粒子鉛試験水の調製
【０１１５】
基準ＮＳＦ５３  ｐＨ８．５微粒子鉛試験水を、ＮＡＦ／ＡＮＳＩ  ５３  プロトコール（２０１１ａ公開２０１２年４月）で定められた通りに調製する。ＮＳＦ／ＡＮＳＩ  ５３  プロトコール（２０１１ａ公開２０１２年４月）による例示的な源水仕様は、下記の通りである：硬度９０〜１１０ｍｇ／Ｌ、アルカリ度９０〜１１０ｍｇ／Ｌ、全塩素０．２５〜０．７５ｍｇ／Ｌ、ｐＨ８．３〜８．６。
【０１１６】
試験水は、平均１５０±１５ｐｐｂの全鉛を含有し、全鉛の２０〜４０％は、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ  ５３  プロトコール（２０１１ａ公開２０１２年４月）により０．１μｍよりも大きい微粒子鉛である。
【０１１７】
試験水５Ｌを調製する手順を、下記の通り記述する：
１）５Ｌのプラスチック容器に、ＤＩ水５Ｌを添加し、適度な速度で撹拌した。
２）硫酸マグネシウム溶液、塩化カルシウム溶液、および重炭酸ナトリウム溶液のそれぞれ１３．２ｍＬを順次、５Ｌの溶液に、適度な速度で混合しながら添加した。
３）商用の漂白剤５５μＬを溶液に添加した。
４）溶液のｐＨを、１．０Ｎ水酸化ナトリウム溶液で、混合しながらｐＨ８．５（ｐＨ８．３〜ｐＨ８．６）に調節した。
５）全有効塩素（ＴＡＣ：ｔｏｔａｌ  ａｖａｉｌａｂｌｅ  ｃｈｌｏｒｉｎｅ）を、ＨＡＣＨ分光光度計を使用して０．２５〜０．７５ｍｇ／ＬのＴＡＣ範囲になるよう確認した。
６）可溶性鉛原液２６４μＬを、混合しながら溶液に添加した。
７）溶液１３．２ｍＬを、２５ｍＬのプラスチック容器に移した。
８）２５ｍＬのプラスチック容器内の溶液を素早く混合し、その後、不溶性鉛原液２６４μＬを２５ｍＬのプラスチック容器に添加し、６０秒間素早く混合し続け、次いで即座に、溶液を適度に混合しながら５Ｌのプラスチック容器に移した。
９）５Ｌのプラスチック容器内の微粒子鉛試験水５Ｌを、新鮮なまま即座に鉛除去試験に使用した。
【０１１８】
４）微粒子鉛試験水調合物の調製
【０１１９】
微粒子鉛を初期試験水に添加する上記と同じ手順に従うことにより、追加の微粒子鉛を、上記基準ＮＳＦ  ５３  ｐＨ８．５微粒子鉛試験水に添加して微粒子鉛濃度をさらに増加させることができる。最終微粒子鉛試験水を、新鮮なまま、鉛除去試験に使用する。
【０１２０】
５）ＧＡＣおよびＮＦＣの混合物の調製
【０１２１】
脱イオン水１５０ｍＬに、激しく撹拌しながらＮＦＣ湿潤ケーキ１．０ｇ（乾燥重量０．２ｇのＮＦＣ）を添加し、次いでその激しい混合をさらに３０分間維持し、ＮＦＣ−水の分散体を得た。その後、ＧＡＣを５０グラム添加し、適度な撹拌をさらに１０分間維持して、ＧＡＣおよびＮＦＣを水中にブレンドした。ＧＡＣおよびＮＦＣの最終混合物が、濾過によって得られ、これをさらに下記のカラム試験の通り試験をした。別のブランクＧＡＣ試料を、ＧＡＣを脱イオン水１５０ｍＬに添加し、その後１０分間適度に混合することによって作製し、最終ブランクＧＡＣ試料が、濾過によって得られ、これをさらに下記のカラム試験の通り試験をした。
【０１２２】
６）微粒子鉛除去のカラム試験用のカラム設定。
【０１２３】
直径７．５ｃｍのプラスチックカラム内で、孔径４０ミクロンの濾紙をカラムの底部に配置して、粒子またはＮＦＣがカラムから逃げるのを防止しかつ流出液がさらに汚染されるのを防止した。その後、上述のように調製されたＧＡＣおよびＮＦＣの全混合物を配置し、次いで同じ濾紙を、プラスチックカラム内の媒体の最上部にも配置した。ブランクＧＡＣ試験カラムは、ＧＡＣおよびＮＦＣの混合媒体を上記調製されたように調製されたブランクＧＡＣによって置き換えただけで、同じ手順で設定した。
【０１２４】
７）微粒子鉛除去のカラム試験
【０１２５】
ＮＳＦ／ＡＮＳＩ  ５３  プロトコール（２０１１ａ公開２０１２年４月）により、全鉛［Ｐｂｔ］試料（流入液または流出液から）を表す第１の部分を、試料のｐＨを２．０よりも低く下げるのに適切な硝酸が入っている非ガラス試料瓶に、即座に移さなければならない。非ガラス試料槽から収集された試料（同じ流入液または流出液から）の第２の部分を、０．１ミクロンのアブソリュートフィルターに即座に通過させ、試料のｐＨを２．０よりも低く下げるのに適切な硝酸が入っている非ガラス試料瓶に収集しなければならない。この試料は、０．１ミクロン濾液鉛試料［ｆＰｂ０．１］である。
【０１２６】
全微粒子鉛［Ｐｂｔｐ］は、下記の通り計算されることになる：
［Ｐｂｔｐ］＝［Ｐｂｔ］−［ｆＰｂ０．１］。
【０１２７】
微粒子鉛試験水は、上記項目３の通りに調製した。カラム試験の第１のリットルに関する初期流入液を、カラム試験を開始する前に保存剤として硝酸が入っているプラスチック容器内に、全鉛および全微粒子鉛分析のために最初にサンプリングし、その直後に、第１のリットルの流入液微粒子鉛試験水を、ＧＡＣおよびＮＦＣの混合物で満たされた、またはブランクＧＡＣで満たされたカラムにそれぞれ重力送りし、次いで試験水を、重力送りによってカラム内に流した。全流出液試料を、各カラムからそれぞれ１Ｌのプラスチック容器に収集し、全鉛および全微粒子鉛分析用の試料をさらに調製した。
【０１２８】
第１のリットルの鉛試験水試料がカラムを完全に通過した後、直ぐに同じ手順を繰り返して、第２のリットルの試験水をカラム内に流した。
【０１２９】
鉛の決定は、「誘導結合プラズマ−質量分光法による水および廃棄物中の微量元素の決定（Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔｒａｃｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ｗａｔｅｒｓ  ａｎｄ  ｗａｓｔｅｓ  ｂｙ  ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ  −  ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）」と称するＥＰＡ  ２００．８法によって実施した。
【０１３０】
下記の表１は、ＧＡＣおよびＮＣの混合物からの微粒子鉛除去の結果を列挙した。
【表１】
0006728133.tif 000002
【０１３１】
表１の結果は、ＧＡＣおよびＮＦＣの混合物が、ブランクＧＡＣよりも非常に高い全微粒子鉛除去効力を示すことを、明らかに実証した。
（実施例２）
ゼオライトおよびＮＦＣの混合物の微粒子鉛除去試験。
【０１３２】
この実施例では、原材料ゼオライトが、Ｚｅｏｂｒｉｔｅという商標名でＺｅｏｔｅｃｈ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより供給されたが、これは粒状天然ゼオライトである。ゼオライトおよびＮＦＣの混合物は、上記実施例１と同じ方法に従って、ＧＡＣをゼオライトに置き換えただけで調製した。ブランクゼオライトは、ゼオライトを脱イオン水１５０ｍＬに添加し、その後１０分間適度に混合することによって調製し、最終ブランクゼオライト試料は濾過によって得られ、さらにカラム試験によって試験した。
【０１３３】
全ての微粒子鉛試験水試料を調製して新鮮なまま使用し、全てのカラム試験設定および試験手順は実施例１のように繰り返した。
【０１３４】
下記の表２は、ゼオライトおよびＮＦＣの混合物からの微粒子鉛除去結果を列挙した。
【表２】
0006728133.tif 000003
【０１３５】
表２の結果は、ゼオライトおよびＮＦＣの混合物が、ブランクゼオライトよりも非常に高い微粒子鉛除去効力を示すことを、明らかに実証した。
（実施例３）
イオン交換樹脂およびＮＦＣの混合物の微粒子鉛除去試験。
【０１３６】
この実施例では、原材料イオン交換樹脂（ＩＥＲ）ビーズＡｍｂｅｒｌｙｓｔ  １５（強酸性カチオン交換体）が、Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．から供給された。Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ  １５は、１Ｎの水酸化ナトリウム溶液中に混合することによって、最初にプロトン型からナトリウム型に変換された。
【０１３７】
木質セルロース微粉末Ｆｉｂｅｒ  Ｃｌｅａｒ（ＦＣ）は、Ｆｉｂｅｒ  Ｃｌｅａｒ，Ｉｎｃ．から供給された。ＩＥＲおよびＮＦＣの媒体混合物と、ＩＥＲおよびＦｉｂｅｒ  Ｃｌｅａｒ（ＦＣ）の混合媒体とは、それぞれ、実施例１の項目５の手順を繰り返すことにより、それぞれＧＡＣをＩＥＲに置き換えまたはＮＦＣをＦＣに置き換えただけで調製した。
【０１３８】
ブランクＩＥＲは、ＩＥＲを脱イオン水１５０ｍＬに添加し、その後１０分間適度に混合することによってそれぞれ調製し、最終ブランクＩＥＲは濾過によって得られ、カラム試験によってさらに試験をした。
【０１３９】
全ての微粒子鉛試験水試料を調製し、新鮮なまま使用し、全てのカラム試験設定および手順を、実施例１のように繰り返した。
【０１４０】
下記の表３は、ＩＥＲおよびＮＦＣの混合物と、ＩＥＲおよびＦｉｂｅｒ  Ｃｌｅａｒの混合物との、微粒子鉛除去結果を列挙した。
【表３】
0006728133.tif 000004
【０１４１】
表３の結果は、ＩＥＲとＮＦＣとの混合物が、ブランクＩＥＲよりも、またはＩＥＲとＦｉｂｅｒ  Ｃｌｅａｒにより供給されたセルロース微粉末との混合物に比べ、非常に高い微粒子鉛除去パーセンテージを示すことを、明らかに実証した。
（実施例４）
ＮＦＣにより湿式堆積された最上層の微粒子鉛除去試験。
【０１４２】
この実施例では、原材料ＧＡＣを実施例１と同じように使用した。Ｆｉｂｅｒ  Ｃｌｅａｒ（ＦＣ）により供給された原材料セルロース微粉末を、実施例３と同じように使用した。
【０１４３】
ＧＡＣおよびＮＦＣの混合媒体と、ＧＡＣおよびＦｉｂｅｒ  Ｃｌｅａｒの混合媒体とのカラム調製の後、やはり実施例１の手順を繰り返した。
【０１４４】
ＮＦＣまたはＦｉｂｅｒ  Ｃｌｅａｒ（ＦＣ）によって湿式堆積された最上層のカラムは、乾燥重量で０．２ｇのＮＦＣまたは乾燥重量で０．２ｇのＦｉｂｅｒ  Ｃｌｅａｒを脱イオン水１００ｍｌに添加し、その後３０分間激しく混合することによって、最初にＮＦＣ分散体１００ｍｌおよびＦｉｂｅｒ  Ｃｌｅａｒスラリー１００ｍｌを調製し；次いでその後に、ＮＦＣの分散体またはＦＣのスラリーを、底部に４０ミクロンの濾紙が最初に配置され次いでＧＡＣ  ５０グラムでさらに満たされたプラスチックカラムにそれぞれ注ぐことによって、調製した。最後に、別の４０ミクロンの濾紙を、カラム内に湿式堆積されたＮＦＣまたはＦＣの最上部にそれぞれ配置した。
【０１４５】
微粒子鉛試験水を、実施例１に記述したものと同じ手順で調製した。
【０１４６】
全てのサンプリングおよび微粒子鉛除去カラム試験は、実施例１に記述したものと同じ手順に従った。
【０１４７】
全ての微粒子鉛試験水試料を調製し、新鮮なまま使用した。
【０１４８】
下記の表４は、ＧＡＣと、ＮＦＣおよびＦＣによる最上部湿式堆積カラムからの、微粒子鉛除去結果を列挙した。
【表４】
0006728133.tif 000005
【０１４９】
結果は、ＮＦＣによって湿式堆積された最上層が、対照ＧＡＣ単独よりもまたはＦｉｂｅｒ  Ｃｌｅａｒから供給された微小セルロース繊維によって湿式堆積された最上層よりも、流出液中で著しく低い全鉛を示しかつ著しく高い微粒子鉛除去％を示すことを、明らかに実証した。
（実施例５）
Ｂｒｉｔａピッチャーチャンバーにおける混合媒体の流量試験。
【０１５０】
原材料、
【０１５１】
この実施例では、実施例で使用されるナノフィブリル化セルロース（ＮＦＣ）および粒状活性炭（ＧＡＣ）、脱イオン水およびＶＷＲ濾紙４１７は、実施例１により記述されたものと同じである。
【０１５２】
Ｂｒｉｔａスリムモデル（４０ｏｚ容量）およびＢｒｉｔａピッチャーフィルターモデルＯＢ０３を、共にＦｒｅｄ  Ｍｅｙｅｒから購入した。
【０１５３】
試験フィルター試料の調製
【０１５４】
ＧＡＣとナノフィブリル化セルロースとの混合物を調製して、上述の実施例１で述べた手順を追跡した。脱イオン水３００ｍＬに、所定量のナノフィブリル化セルロースを添加し、３０分間高速混合することによってさらに分散させ、その後、ＧＡＣを３７グラム添加し、さらに１０分間混合し続けた。ＧＡＣとナノフィブリル化セルロースとの最終混合物を、濾過によって分離し、使用できる状態にした。
【０１５５】
Ｂｒｉｔａピッチャーフィルター（型番ＯＢ０３）の最上部を切断して開口を設け、その後、フィルターハウジングの媒体を空にした。フィルターの空のハウジング内で、最初にＧＡＣ媒体８グラムを底部に満たし、その後、上述のように調製したＧＡＣとナノフィブリル化セルロースとの混合物３７グラムで満たした。
【０１５６】
別のブランクフィルターを、ＧＡＣ  ４５グラムを空のＢｒｉｔａピッチャーフィルター（型番ＯＢ０３）ハウジング内に満たすことによって調製した。
【０１５７】
流量測定
【０１５８】
Ｂｒｉｔａピッチャースリムモデルを、流量測定に使用した。上記調製されたＢｒｉｔａフィルターをＢｒｉｔａピッチャー内に配置し、脱イオン水１Ｌを、ピッチャーの上部リザーバーに満たした。水１Ｌがピッチャーフィルターを完全に通過するのに要する時間を、７回繰り返すことによって測定した。
【表５】
0006728133.tif 000006
【０１５９】
表５の結果は、重力送りピッチャーフィルターカートリッジの流量が、粒状活性炭とＮＦＣとの混合媒体中のナノフィブリル化セルロースの量によって有意に決定されることを、明らかに実証した。ＮＦＣの量が増加するにつれ、流量は著しく減少することになる。ナノフィブリル化セルロースは、粒状活性炭を満たした重力送りフィルターの流量を調節するための、有効成分として使用することができる。
（実施例６）
改良型ＢｒｉｔａピッチャーフィルターのＳＦ５３  ｐＨ８．５鉛低減試験。
【０１６０】
１．材料および試薬
【０１６１】
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ＬＬＣにより供給されたナノフィブリル化セルロース（ＮＦＣ）湿潤ケーキ。
【０１６２】
ＧＡＣ：Ｒｅｓｉｎ  Ｔｅｃｈ  ＡＧＣ−５０−ＣＳＡＤ、Ｒｅｓｉｎ  Ｔｅｃｈ  Ｉｎｃ．により供給された顆粒活性炭。
【０１６３】
ＢｒｉｔａピッチャーフィルターＯＢ０３：Ｆｒｅｄ  Ｍｙｅｒから購入、
【０１６４】
Ｂｒｉｔａピッチャー：Ｆｒｅｄ  Ｍｙｅｒから購入。
【０１６５】
イオン交換樹脂（ＩＥＲ）：Ｒｅｓｉｎ  Ｔｅｃｈ  ＷＡＣＧ−ＨＰ、弱酸イオン交換樹脂、Ｒｅｓｉｎ  Ｔｅｃｈ  Ｉｎｃ．により供給、さらに、ｐＨ３．７緩衝液に浸漬し、その後、脱イオン水中で３サイクル濯ぐことによって前処理済みであり、試験できる状態にある。
【０１６６】
硝酸鉛（ＩＩ）：Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ、ＡＣＳ試薬；重炭酸ナトリウム：ＶＷＲ、ＡＣＳ試薬；硫酸マグネシウム七水和物：Ｓｉｇｍａ−Ａｌｉｃｈ、ＡＣＳ試薬；塩化カルシウム二水和物：ＥＭＤ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ  ９９．０％、１．０Ｎ水酸化ナトリウム溶液、実験室で作製；脱イオン水（ＤＩ）：抵抗率＞１．０ＭΩ−ｃｍ（導電率＜１μＳ／ｃｍ）；ＶＷＲ濾紙４１７（孔径４０μｍ）、ＶＷＲから供給。
【０１６７】
２．ＧＡＣとナノフィブリル化セルロース（ＮＦＣ）との混合媒体の調製
【０１６８】
脱イオン水１００ｍｌに、乾燥重量０．１４ｇのＮＦＣを添加し、高速混合することによってさらに分散させることにより、スラリーが得られた。スラリーに、ＧＡＣ  ４０ｍｌを添加し、さらに１５分間混合し、次いで混合媒体を濾過によって分離した。全媒体は、フィルターハウジングに満たす準備ができた。
【０１６９】
３．改良型Ｂｒｉｔａピッチャーフィルターの調製
【０１７０】
ＢｒｉｔａピッチャーフィルターＯＢ０３を切断してフィルターの最上部を開放し、さらに、全ての媒体を除去することによって空にして、空のＢｒｉｔａピッチャーフィルターハウジングを得た。空のハウジングに、前処理したＲｅｓｉｎ  Ｔｅｃｈ  ＷＡＣＧ−ＨＰ  ９０ｍｌを最初に配置し、その後、ＧＡＣとＮＦＣとの混合媒体４０ｍｌを添加した。次いでフィルター開口を糊付けし、ＮＳＦ  ５３  ｐＨ８．５鉛低減試験ができる状態にした。別の対照フィルターを、ＧＡＣとＮＦＣとの混合媒体４０ｍｌをＧＡＣ  ４０ｍｌで置き換えるだけで調製した。
【０１７１】
４．改良型Ｂｒｉｔａピッチャーフィルターの、ＮＳＦ  ５３  ｐＨ８．５鉛低減試験
【０１７２】
ＮＳＦ５３  ｐＨ８．５鉛試験水を調製する詳細な手順は、実施例１に記述した。
【０１７３】
改良型Ｂｒｉｔａピッチャーフィルターを、Ｂｒｉｔａピッチャー内に緊密に挿入した後、試験水１Ｌを各Ｂｒｉｔａピッチャー容器に注いだ。流出液をＢｒｉｔａピッチャーに収集した。最初の１Ｌの水試料を、試験水２リットルがピッチャーを通過した後に収集し、次いで流出液試料１Ｌを、３００Ｌの全試験容量中、試験体積３０リットルごとに収集し、サンプリングを、ピッチャー試験体積３０Ｌ、６０Ｌ、９０Ｌ、１２０Ｌ、１５０Ｌ、１８０Ｌ、２１０Ｌ、２４０Ｌ、２７０Ｌ、または３００Ｌでそれぞれ実施した。流入液および流出液のｐＨと、ピッチャーを通る試験水の流量とを測定した。収集された流入および流出水試料の鉛濃度を、ＥＰＡ  ２００．８プロトコールにより決定した。
【０１７４】
５．改良型ＢｒｉｔａピッチャーフィルターのＮＳＦ  ５３  ｐＨ８．５鉛低減試験結果
【０１７５】
下記の表６は、改良型ＢｒｉｔａピッチャーフィルターのＮＳＦ  ５３  ｐＨ８．５鉛低減試験結果を実証した。ＧＡＣとＮＦＣとの混合媒体で満たされたフィルターは、流出液中の全鉛が平均１．９ｐｐｂであるのに対して、対照試料の流出液中の全鉛が平均２７．７ｐｐｂを示し、前者の全鉛１．９ｐｐｂは、最大１０．０ｐｐｂを設定するＮＳＦ  ５３基準をはるかに下回る。当初の対照フィルターは、ＮＳＦ  ５３基準には不十分であるが、ＧＡＣとＮＦＣとの混合媒体を満たした改良型Ｂｒｉｔａピッチャーフィルターは、ｐＨ８．５鉛低減に関してＮＳＦ５３試験基準に首尾良く合格した。
【表６】
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（実施例７）
改良型ＢｒｉｔａピッチャーフィルターのＮＳＦ５３  ｐＨ６．５鉛低減試験。
【０１７６】
この実施例で使用される全ての原材料および試薬は、実施例６に記述されたものと同じであった。ＧＡＣおよびナノフィブリル化セルロース（ＮＦＣ）の混合媒体の調製手順と、改良型Ｂｒｉｔａピッチャーフィルターの調製手順を、実施例６に記述されるように繰り返す。
【０１７７】
試験水の調製手順は、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ  ５３プロトコール（２０１１ａ公開２０１２年４月）に従って実施し、当地の水道水を試験に使用した。
【０１７８】
鉛原液は、濃硝酸１０滴が添加された脱イオン水５００ｍｌに、硝酸鉛０．０７２０ｇを溶解することによって調製した。
【０１７９】
改良型Ｂｒｉｔａピッチャーフィルターを、Ｂｒｉｔａピッチャー内に緊密に設置した後、試験水３０Ｌを５５Ｌのプラスチック容器に調製し、これを、自動連続フィーダーを使用してＢｒｉｔａピッチャーに自動的に送った。流入および流出水試料１Ｌを、流出液の全体積が以下のサンプリング点：２Ｌ、７５Ｌ、１５０Ｌ、２２５Ｌ、２７０Ｌ、および３００Ｌに到達したときに収集した。収集された流出水試料からのｐＨおよび残留鉛を分析した。流量も、試験水がフィルター内を流れる間に測定した。収集された流入および流出水試料の鉛濃度を、ＥＰＡ  ２００．８法により決定した。
【０１８０】
以下の表７は、改良型ＢｒｉｔａピッチャーフィルターのＮＳＦ  ５３  ｐＨ６．５鉛低減試験結果を実証する。ＧＡＣとＮＦＣとの混合媒体で満たされたフィルターは、流出液中の全鉛が平均３．５ｐｐｂであるのに対して、流入液中には平均１４３．８ｐｐｂが見出されることを示した。流出液中に見出される平均３．５ｐｐｂの鉛は、最大１０．０ｐｐｂを設定するＮＳＦ  ５３基準をはるかに下回る。したがって、改良型Ｂｒｉｔａピッチャーフィルターは、鉛低減要求に応じて、鉛を効率的に低減させることもできる。
【表７】
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排他的な性質または特権が主張される本発明の実施形態は、下記の通り定義される。
【図１】
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【図２】
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