(57)【要約】  【解決手段】  他の有毒化合物の中でも、塩素とクロラミンの除去性能が向上した吸着剤が記載されている。吸着剤材料は、酸化、窒素含有化合物の添加、および吸着剤の焼成の工程を含むプロセスによって形成される。吸着剤材料を形成するプロセスも開示されている。吸着剤材料は、クロラミンおよび／または塩素の破壊数で測定すると優れた性能を発揮し、吸着剤は高い窒素エッジ濃度を保持する。吸着剤材料は、フィルター組立品などの装置に組み込むこともできる。  【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着剤を製造するための方法であって、
吸着剤原材料を提供する工程と、
前記吸着剤原材料を酸化する工程と、
前記吸着剤原材料に窒素含有前駆体を添加する工程であって、前記窒素含有前駆体は還元窒素化合物である、添加する工程と、
前記吸着剤原材料を不活性雰囲気下で少なくとも約４００℃の温度に加熱する工程と
を有する方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記窒素含有前駆体が−３の酸化状態を有する、方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、前記窒素含有前駆体は、アンモニア、アンモニウム塩、炭酸アンモニウムおよび重炭酸アンモニウム、チオシアン酸アンモニウム、アゾジカルボンアミド、リン酸二アンモニウム、ジシアンジアミド、塩酸グアニジン、チオシアン酸グアニジン、グアニン、メラミン、チオ尿素、尿素、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、前記加熱する工程が少なくとも約７００℃の温度で行われる、方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、前記酸化された吸着剤原材料は、炭素質チャー、活性炭、再活性化炭素、カーボンブラック、グラファイト、ゼオライト、シリカ、シリカゲル、アルミナ粘土、金属酸化物、グラフェン、カーボンナノチューブ、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、前記吸着剤原材料は活性炭であり、前記活性炭は、歴青炭、亜歴青炭、褐炭、無煙炭、泥炭、ナッツ殻、種、ココナッツ殻、ババスナッツ、マカダミアナッツ、デンデナッツ、ピーチ種、チェリー種、オリーブ種、クルミ殻、木材、リグニン、ポリマー、窒素含有ポリマー、樹脂、石油ピッチ、籾殻、バガス、トウモロコシの茎、小麦殻、グラフェン、カーボンナノチューブ、およびそれらの組み合わせから形成される、方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、前記酸化する工程、前記窒素含有前駆体を添加する工程および前記加熱する工程が、それぞれ個別に１〜６回実行される、方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、前記吸着剤原材料が約１μｍ〜約４ｍｍの平均粒子直径を有する、方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、前記形成された吸着剤は少なくとも約４．０のクロラミン破壊数（ＣＤＮ）を有するものであり、
前記ＣＤＮは、時間に対する水中のクロラミン濃度の自然対数に適用される、１０００倍した一次線形運動適合度の絶対値であり、
クロラミンの初期濃度は約１５０分にわたって減少する、方法。
【請求項１０】
請求項９記載の方法において、前記形成された吸着剤は約１０．０〜約３０．０のＣＤＮを有する、方法。
【請求項１１】
請求項９記載の方法において、前記ＣＤＮがモノクロラミンの破壊に基づくものである、方法。
【請求項１２】
請求項１記載の方法において、前記形成された吸着剤は少なくとも約８０．０の塩素破壊数（Ｃ１−ＤＮ）を有するものであり、
前記Ｃ１−ＤＮは、時間に対する水中の塩素濃度の自然対数に適用される、１０００倍した一次線形運動適合度の絶対値であり、
塩素の初期濃度は約１５０分にわたって減少する、方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法において、前記Ｃ１−ＤＮ値は約８０．０〜約１００．０である、方法。
【請求項１４】
請求項１記載の方法において、前記形成された吸着剤は、少なくとも約０．２０原子％の窒素エッジ濃度を有する、方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、前記形成された吸着剤は、約０．２０原子％〜約１．２原子％の窒素エッジ濃度を有する、方法。
【請求項１６】
請求項１記載の方法において、前記吸着剤原材料を酸化する工程は、約４００℃〜約９００℃の温度範囲で実施される、方法。
【請求項１７】
請求項１記載の方法において、前記吸着剤原材料を酸化する工程は、乾燥雰囲気で行われる、方法。
【請求項１８】
請求項１記載の方法において、前記吸着剤原材料を酸化する工程は、加湿雰囲気で行われる、方法。
【請求項１９】
請求項１記載の方法において、前記提供する工程、前記酸化する工程、前記添加する工程、および前記加熱する工程は、列挙された順序で実行される、方法。
【請求項２０】
請求項１記載の方法であって、処理されていない吸着剤原材料を、前記形成された吸着剤の総量に基づいて約５重量％〜約９５重量％の量で添加する工程をさらに有する、方法。
【請求項２１】
吸着剤であって、前記吸着剤は、
吸着剤原材料を提供する工程と、
前記吸着剤原材料を酸化する工程と、
前記吸着剤原材料に窒素含有前駆体を添加する工程であって、前記窒素含有前駆体は還元窒素化合物である、添加する工程と、
前記吸着剤原材料を不活性雰囲気下で少なくとも約４００℃の温度に加熱する工程と
を有する方法から形成されるものである、吸着剤。
【請求項２２】
請求項２１記載の吸着剤において、前記窒素含有前駆体が−３の酸化状態を有する、吸着剤。
【請求項２３】
請求項２２記載の吸着剤において、前記窒素含有前駆体は、アンモニア、アンモニウム塩、炭酸アンモニウムおよび重炭酸アンモニウム、チオシアン酸アンモニウム、アゾジカルボンアミド、リン酸二アンモニウム、ジシアンジアミド、塩酸グアニジン、チオシアン酸グアニジン、グアニン、メラミン、チオ尿素、尿素、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、吸着剤。
【請求項２４】
請求項２１記載の吸着剤において、前記吸着剤原材料が約１μｍ〜約４ｍｍの平均粒子直径を有する、吸着剤。
【請求項２５】
請求項２１記載の吸着剤において、前記吸着剤は少なくとも約４．０のクロラミン破壊数（ＣＤＮ）を有するものであり、
前記ＣＤＮは、時間に対する水中のクロラミン濃度の自然対数に適用される、１０００倍した一次線形運動適合度の絶対値であり、
クロラミンの初期濃度は約１５０分にわたって減少する、吸着剤。
【請求項２６】
請求項２５記載の吸着剤において、前記ＣＤＮは約１０．０〜約３０．０である、吸着剤。
【請求項２７】
請求項２６記載の吸着剤において、前記ＣＤＮはモノクロラミンの破壊に基づく、吸着剤。
【請求項２８】
請求項２１記載の吸着剤において、前記吸着剤は少なくとも約８０．０の塩素破壊数（Ｃ１−ＤＮ）を有するものであり、
前記Ｃ１−ＤＮは、時間に対する水中の塩素濃度の自然対数に適用される、１０００倍した一次線形運動適合度の絶対値であり、
塩素の初期濃度は約１５０分にわたって減少する、吸着剤。
【請求項２９】
請求項２８記載の吸着剤において、前記ＣＤＮは約８０．０〜約１００．０である、吸着剤。
【請求項３０】
請求項２１記載の吸着剤において、前記吸着剤は、少なくとも約０．２０原子％の窒素エッジ濃度を有する、吸着剤。
【請求項３１】
請求項３０記載の吸着剤において、前記吸着剤は、約０．２０原子％〜約１．２原子％の窒素エッジ濃度を有する、吸着剤。
【請求項３２】
請求項２１記載の吸着剤であって、前記吸着剤の総量に基づいて約５重量％〜約９５重量％の量で、処理されていない吸着剤原材料をさらに有する、吸着剤。
【請求項３３】
請求項２１の吸着剤を含むフィルター組立品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照：
この出願は、２０１７年２月１３日に提出された米国仮出願６２／４５８，３７１の優先権を主張し、その内容全体が参照により組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
表面積が大きく、触媒特性を持つように化学修飾された吸着剤材料は、酸化特性と分解特性でよく知られている。これらの特性は、さまざまな分野、特に塩素、クロラミン、トリハロメタン、ハロ酢酸、および水の消毒時に形成される過酸化水素の除去と破壊に使用される。吸着剤材料は、典型的には、窒素含有前駆体で熱処理された後、活性化されて触媒活性炭を生成する様々な活性炭と炭素質チャーから形成される。あるいは、窒素含有前駆体を炭化して活性化することができる。活性化は通常、蒸気（水）、二酸化炭素、または酸素などの活性化ガスを使用して高温で行われる。これらの方法は、米国特許第６，３４２，１２９号、米国特許第６，７０６，１９４号、米国特許第５，３５６，８４９号、米国特許第５，３３８，４５８号、および米国特許第９，１７４，２０５号を含むいくつかの米国特許に記載され、これらはすべて、その全体が参照により組み込まれている。
【０００３】
従来技術の窒素前処理および活性化技術には欠点がある。活性化プロセスは、炭素質チャーまたは他の吸着剤材料の表面部分をガス化し、吸着剤粒子の表面上で炭素または他の材料が気化するにつれて小さな細孔が形成される。これらの細孔は、吸着剤材料の高い総表面積、したがってその高性能をもたらす。しかしながら、活性化プロセス中のこのガス化は、気化によって表面から除去される材料に対して選択的ではない。結果として、活性化プロセス中に、触媒活性に関与し、吸着剤材料の表面骨格の一部である組み込まれた窒素の多くが除去される。これは逆効果であり、吸着剤の触媒特性を低下させるため、水から有害な化合物を除去および破壊する性能が低下する。
【０００４】
吸着剤特性を提供する高い表面積を有する吸着剤材料が形成されることを可能にするだけでなく、吸着剤材料が増加した触媒機能性を有することを可能にするプロセスが必要である。本発明は、高い表面積と優れた触媒活性の両方を有する吸着剤を形成することを可能にする新規プロセスにより、上記および他の問題を解決する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、吸着剤の製造方法、および本発明のプロセスにより製造される吸着剤を開示する。本発明は、本明細書に開示される吸着剤を含むことにより形成されるフィルター組立品をさらに開示する。開示された実施形態は以下を含む：
１．吸着剤を製造するための方法であって、前記方法は、
吸着剤原材料を提供する工程と、
前記吸着剤原材料を酸化する工程と、
前記吸着剤原材料に窒素含有前駆体を添加する工程であって、前記窒素含有前駆体は還元窒素化合物である、添加する工程と、
前記吸着剤原材料を不活性雰囲気下で少なくとも約４００℃の温度に加熱する工程とを、
有する方法。
２．実施形態１の方法において、前記窒素含有前駆体が−３の酸化状態を有する、方法。
３．実施形態２の方法において、前記窒素含有前駆体は、アンモニア、アンモニウム塩、炭酸アンモニウムおよび重炭酸アンモニウム、チオシアン酸アンモニウム、アゾジカルボンアミド、リン酸二アンモニウム、ジシアンジアミド、塩酸グアニジン、チオシアン酸グアニジン、グアニン、メラミン、チオ尿素、尿素、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、方法。
４．実施形態１の方法において、前記加熱する工程が少なくとも約７００℃の温度で行われる、方法。
５．実施形態１の方法において、酸化された前記吸着剤原材料は、炭素質チャー、活性炭、再活性化炭素、カーボンブラック、グラファイト、ゼオライト、シリカ、シリカゲル、アルミナ粘土、金属酸化物、グラフェン、カーボンナノチューブおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される、方法。
６．実施形態１の方法において、前記吸着剤原材料は活性炭であり、前記活性炭は、歴青炭、亜歴青炭、褐炭、無煙炭、泥炭、ナッツ殻、種、ココナッツ殻、ババスナッツ、マカダミアナッツ、デンデナッツ、ピーチ種、チェリー種、オリーブ種、クルミ殻、木材、リグニン、ポリマー、窒素含有ポリマー、樹脂、石油ピッチ、籾殻、バガス、トウモロコシの茎、小麦殻、グラフェン、カーボンナノチューブ、およびそれらの組み合わせから形成される、方法。
７．実施形態１の方法において、前記酸化する工程、前記窒素含有前駆体を添加する工程および前記加熱する工程が、それぞれ個別に１〜６回実行される、方法。
８．実施形態１の方法において、前記吸着剤原材料が約１μｍ〜約４ｍｍの平均粒子直径を有する、方法。
９．実施形態１の方法において、形成された前記吸着剤は少なくとも約４．０のクロラミン破壊数（ＣＤＮ）を有するものであり、
前記ＣＤＮは、時間に対する水中のクロラミン濃度の自然対数に適用される、１０００倍した一次線形運動適合度の絶対値であり、
前記クロラミンの初期濃度は約１５０分にわたって減少する、方法。
１０．実施形態９の方法において、形成された前記吸着剤は約１０．０〜約３０．０のＣＤＮを有する、方法。
１１．実施形態９の方法において、前記ＣＤＮがモノクロラミンの破壊に基づくものである、方法。
１２．実施形態１の方法において、形成された前記吸着剤は少なくとも約８０．０の塩素破壊数（Ｃ１−ＤＮ）を有するものであり、
前記Ｃ１−ＤＮは、時間に対する水中の塩素濃度の自然対数に適用される、１０００倍した一次線形運動適合度の絶対値であり、
前記塩素の初期濃度は約１５０分にわたって減少する、方法。
１３．実施形態１２の方法において、前記Ｃ１−ＤＮ値は約８０．０〜約１００．０である、方法。
１４．実施形態１の方法において、形成された前記吸着剤は、少なくとも約０．２０原子％の窒素エッジ濃度を有する、方法。
１５．実施形態１４の方法において、形成された前記吸着剤は、約０．２０原子％〜約１．２原子％の窒素エッジ濃度を有する、方法。
１６．実施形態１の方法において、前記吸着剤原材料を酸化する工程は、約４００℃〜約９００℃の温度範囲で実施される、方法。
１７．実施形態１の方法において、前記吸着剤原材料を酸化する工程は、乾燥雰囲気で行われる、方法。
１８．実施形態１の方法において、前記吸着剤原材料を酸化する工程は、加湿雰囲気で行われる、方法。
１９．実施形態１の方法において、前記提供する工程、前記酸化する工程、前記添加する工程および前記加熱する工程は、列挙された順序で実行される、方法。
２０．実施形態１の方法であって、処理されていない吸着剤原料を、形成された前記吸着剤の総量に基づいて約５重量％〜約９５重量％の量で添加する工程をさらに有する、方法。
２１．吸着剤であって、前記吸着剤は、
吸着剤原材料を提供する工程と、
前記吸着剤原材料を酸化する工程と、
前記吸着剤原材料に窒素含有前駆体を添加する工程であって、前記窒素含有前駆体は還元窒素化合物である、添加する工程と、
前記吸着剤原材料を不活性雰囲気下で少なくとも約４００℃の温度に加熱する工程とを、有する方法から形成されるものである、
吸着剤。
２２．実施形態２１の吸着剤において、前記窒素含有前駆体が−３の酸化状態を有する、吸着剤。
２３．実施形態２２の吸着剤において、前記窒素含有前駆体は、アンモニア、アンモニウム塩、炭酸アンモニウムおよび重炭酸アンモニウム、チオシアン酸アンモニウム、アゾジカルボンアミド、リン酸二アンモニウム、ジシアンジアミド、塩酸グアニジン、チオシアン酸グアニジン、グアニン、メラミン、チオ尿素、尿素、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、吸着剤。
２４．実施形態２１の吸着剤において、前記吸着剤原材料が約１μｍ〜約４ｍｍの平均粒子直径を有する、吸着剤。
２５．実施形態２１の吸着剤において、前記吸着剤は少なくとも約４．０のクロラミン破壊数（ＣＤＮ）を有するものであり、
前記ＣＤＮは、時間に対する水中のクロラミン濃度の自然対数に適用される、１０００倍した一次線形運動適合度の絶対値であり、
前記クロラミンの初期濃度は約１５０分にわたって減少する、吸着剤。
２６．実施形態２５の吸着剤において、前記ＣＤＮは約１０．０〜約３０．０である、吸着剤。
２７．実施形態２６の吸着剤において、前記ＣＤＮはモノクロラミンの破壊に基づく、吸着剤。
２８．実施形態２１の吸着剤において、前記吸着剤は少なくとも約８０．０の塩素破壊数（Ｃ１−ＤＮ）を有するものであり、
前記Ｃ１−ＤＮは、時間に対する水中の塩素濃度の自然対数に適用される、１０００倍した一次線形運動適合度の絶対値であり、
前記塩素の初期濃度は約１５０分にわたって減少する、吸着剤。
２９．実施形態２８の吸着剤において、前記ＣＤＮは約８０．０〜約１００．０である、吸着剤。
３０．実施形態２１の吸着剤において、前記吸着剤は、少なくとも約０．２０原子％の窒素エッジ濃度を有する、吸着剤。
３１．実施形態３０の吸着剤において、前記吸着剤は、約０．２０原子％〜約１．２原子％の窒素エッジ濃度を有する、吸着剤。
３２．実施形態２１の吸着剤において、形成された前記吸着剤の総量に基づいて約５重量％〜約９５重量％の量で処理されていない吸着剤原料をさらに有する、吸着剤。
３３．実施形態２１の吸着剤を含むフィルター組立品。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本発明の吸着剤にさらされた場合の経時的な水中のクロラミンの破壊のプロットである。
【図２】図２は、本発明の吸着剤にさらされたときの経時的な水中のクロラミンの一次破壊速度の正規化されたプロットである。
【図３】図３は、総窒素含有量のプロットであり、水中のクロラミンの破壊に対応してプロットされている。
【図４】図４は、ＸＰＳ分析により測定され、水中のクロラミンの破壊に対応してプロットされた窒素含有量のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の組成物および方法が記載される前に、本発明は記載された特定のプロセス、組成物または方法論に限定されず、これらは変化し得ることが理解されるべきである。また、説明で使用される用語は、特定のバージョンまたは実施形態を説明することのみを目的としており、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される本発明の範囲を限定することを意図しないことも理解されたい。別に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載されたものと類似または同等の任意の方法および材料を本発明の実施形態の実施または試験に使用することができるが、好ましい方法、装置、および材料をここで説明する。本書に記載されているすべての出版物は、その全体が参照により組み込まれる。本明細書のいかなるものも、本発明が先行発明のおかげでそのような開示に先行する権利がないことを認めるものと解釈されるべきではない。
【０００８】
本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数参照を含むことにも留意しなければならない。したがって、例えば、「燃焼室（ａ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｃｈａｍｂｅｒ）」への言及は、「１つ以上の燃焼室」への言及であり、当業者に知られているその同等物などである。
【０００９】
本明細書で使用される場合、「約」という用語は、それが使用されている数の数値のプラスまたはマイナス１０％を意味する。したがって、約５０％は４５％〜５５％の範囲を意味する。
【００１０】
本明細書で使用される場合、「〜してもよい」という用語は、後述の要素が存在する可能性があるか、除外できることを意味する。例えば、吸着剤に添加剤を含んでもよいという記述は、添加剤を含めることができること、または添加剤を除外できることを意味する。
【００１１】
一部の実施形態では、本発明は、吸着剤を使用してクロラミン、塩素、過酸化物、および他の有害な化合物を除去するための組成物、およびそのような吸着剤を製造する方法を開示する。他の実施形態では、本発明は、触媒吸着材料を含むフィルターなどの装置および器械を開示する。装置と器械には、水フィルターと人工呼吸器が含まれる。他の実施形態では、本発明は、クロラミン、塩素、および過酸化物などの有害な化合物を除去するためのこれらの装置および器械の使用方法に関する。
【００１２】
様々な実施形態は、吸着剤を製造する方法およびそのような方法によって調製された吸着剤に関する。この方法は、一般に、窒素含有前駆体を添加する前に原料を酸化する工程を含んでもよい。酸化する工程は、さまざまな手段によって実行できる。例えば、いくつかの実施形態では、酸化する工程は、原材料を酸素含有環境に曝露し、原材料を約１５０℃〜約１０５０℃の温度に加熱することにより実施することができる。酸化する工程の温度は、約１５０℃〜約２５０℃、約２５０℃〜約３５０℃、約３５０℃〜約４５０℃、約４５０℃〜約５５０℃、約５５０℃〜約６５０℃、約６５０℃〜約７５０℃、約７５０℃〜約８５０℃、約８５０℃〜約９５０℃、約９５０℃〜約１０５０℃、またはそれらのいずれか開示された終点、または上記の範囲またはそれらの範囲内の値のいずれかの組み合わせで構成される範囲であり得る。
【００１３】
酸化する工程は、大気、酸素、蒸気、オゾン、酸素プラズマ、窒素酸化物、および過酸化水素、二酸化炭素、または上記の任意の組み合わせを含む酸素含有環境で実行することができる。いくつかの実施形態では、酸素含有環境は乾燥しており、水分を含まないか、測定可能な水分を実質的に含まない。上記化合物の酸化環境は加湿することもできます。加湿のレベルは、１０〜２０％、２０〜４０％、４０〜６０％、６０〜８０％、８０〜１００％、１００％または飽和、または上記の終点または範囲の任意の組み合わせから派生した値と範囲である。上記の湿度値は、１気圧の標準圧力において２５℃で測定された加湿レベルである。酸化は電気化学的にも達成することができる。炭素は室温で水分の有無にかかわらず空気の存在をゆっくり酸化し、この酸化はゆっくりではあるが、最終的に酸化炭素前駆体を生成するのに十分であることは明記されるべきである。代わりに、炭素は、過酸化水素、オゾン、塩素、過硫酸塩、過炭酸塩、硝酸などの酸化酸、空気、純酸素、またはそれらの任意の組み合わせを液相または気相で使用する非熱プロセスで、約１００℃未満の温度で酸化される。いくつかの実施形態において、酸化する工程は省略される、すなわち、吸着剤原材料は、通常の条件下において室温で自然に起こる上記の遅い酸化よりも速い工程によって酸化されない。
【００１４】
実施形態の吸着剤原材料は、炭素質チャー、活性炭、再活性化炭素、カーボンブラック、グラファイト、ゼオライト、シリカ、シリカゲル、アルミナ粘土、珪藻土、金属酸化物、またはそれらの組み合わせを含む、当技術分野で公知の任意の吸着剤材料であり得る。いくつかの実施形態では、吸着剤は活性炭または再活性化炭素であってもよい。様々な実施形態において、活性炭または再活性化炭素は、これに限定されないが、歴青炭、亜歴青炭、褐炭、無煙炭、泥炭、ナッツ殻、種、ココナッツ殻、ババスナッツ、マカダミアナッツ、デンデナッツ、ピーチ種、チェリー種、オリーブ種、クルミ殻、木材、リグニン、ポリマー、窒素含有ポリマー、樹脂、石油ピッチ、バガス、籾殻、トウモロコシの茎、小麦の外皮および籾殻、グラフェン、カーボンナノチューブ、その他の炭素質材料、またはそれらの組み合わせを含む当技術分野で知られている任意の前駆炭素質材料から調製することができる。加えて、炭素質材料は、使用され、その後再活性化および／または再生された様々な前駆体から生成された活性炭に由来してもよい。いくつかの実施形態では、吸着剤原材料は、予備酸化状態で提供される。他の実施形態では、吸着剤原料は非酸化状態で提供される。
【００１５】
様々な実施形態において、酸化が完了した後、酸化された原材料は、アンモニア、アンモニウム塩、炭酸アンモニウムおよび重炭酸塩、チオシアン酸アンモニウム、アゾジカルボンアミド、リン酸二アンモニウム、ジシアンジアミド、塩酸グアニジン、チオシアン酸グアニジン、グアニン、メラミン、チオ尿素、および尿素などの還元窒素含有化合物と接触されてもよい。接触させる工程は、任意の方法で実行できる。例えば、酸化された原材料を接触させることは、原材料と還元窒素含有化合物を乾式混合すること、例えば、含浸、または、原材料をガス状還元窒素含有化合物と接触させるように、原材料と還元窒素含有化合物の溶液と混合することであり得る。
【００１６】
他の実施形態では、窒素源は、単独で、または添加された還元窒素含有原材料および／または上記の様々な吸着剤および吸着剤原材料と組み合わせた原材料そのものであり得る。そのような原材料は、典型的には、窒素含有モノマーおよびポリマーを含み得る。窒素含有原材料は、アクリロニトリル、ポリアクリロニトリル、ウレタン、ポリウレタン、アミド、ポリアミド、ニトリルゴム、およびそれらの組み合わせであり得る。窒素含有原材料が選択される場合、これらは、さらなる窒素前駆体を添加する開示された工程と組み合わせることができ、または、これらは、窒素前駆体を添加するさらなる工程を省略して単独で使用することができる。あるいは、窒素含有原材料の活性化により生成される吸着剤は、他の未処理吸着剤を混合する代わりに、本発明に従って処理された吸着剤と混合されてもよい。
【００１７】
種々の実施形態において、窒素含有化合物への曝露の前、最中、またはその前後に約７００℃を超える温度まで加熱することにより、原材料を焼成することができ、特定の実施形態では、加熱する工程は、原材料を窒素含有化合物と接触させる工程の後に実施することができる。焼成は、一般的に、炭素質チャーまたは触媒活性炭を、炭素質チャー上の表面酸化物の存在を低減するのに十分な温度に加熱することにより実行される。表面酸化物が除去される温度は、約４００℃〜約１０５０℃、約４００℃〜約１０００℃、約６００℃〜約１０５０℃、約８００℃〜約１０５０℃、約８５０℃〜約９５０℃、または上記の終点を組み込んだ温度範囲、または上記の範囲の範囲内の温度範囲であり得る。加熱および／または焼成の温度は、約３５０℃、約４００℃、約４５０℃、約５００℃、約５５０℃、約６００℃、約６５０℃、約７００℃、約７５０℃、約８００℃、約８５０℃、約９００℃、約９５０℃、約１０００℃、約１０５０℃、約１１００℃、約１１５０℃、約１２００℃、またはこれらの値のいずれか２つから終点として形成される範囲であり得る。焼成プロセスの雰囲気には、不活性窒素ガスまたは希ガスヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、およびラドンが含まれる。加熱および／または焼成は、約１〜約１２０分の期間にわたって実施することができる。加熱および／または焼成に続いて、原材料は不活性および／または希ガス雰囲気で冷却されてもよい。
【００１８】
特定の実施形態において、炭素質チャーおよび活性炭は、プロセスの様々な工程を繰り返すことにより調製することができる。例えば、酸化の工程、窒素含有化合物への曝露の工程、焼成の工程は、いくつかの実施形態では、２、３、４、５、または６回繰り返されてもよく、他の例示的な実施形態では、焼成の工程、活性化の工程、および不活性冷却の工程は、２、３、４、５、または６回繰り返すことができる。あるいは、高温チャーで触媒活性を生成することが知られている他の任意の方法を結果の生成物に適用して、その触媒活性をさらに高めることができる。
【００１９】
上記の様々な実施形態は、これに限定されないが、活性炭の調製プロセス中の原材料および／または炭素質チャーの凝集粒子、またはプロセス終了時の活性炭自体を粉砕する工程、例えば、窒素含有化合物、または、結合剤またはピッチのような追加成分と炭素質チャーまたは活性炭と混合する工程、炭素質チャーまたは活性炭をブリケット化する工程または形成する工程、および炭素質チャーまたは活性炭をサイジングする工程およびそれらの任意の組み合わせのような任意の数の追加工程を含むことができる。このような追加の工程は、プロセス中の任意の時点で実行でき、必要に応じて個々の工程またはこのような工程の特定の組み合わせを繰り返すことができる。
【００２０】
吸着剤は、約４ｍｍ以下の平均粒子直径（ＭＰＤ）を有してもよく、特定の実施形態では、吸着剤は、約１μｍ〜約４ｍｍ、約１００μｍ〜約４ｍｍ、約０．１ｍｍ〜約４ｍｍ、約０．５ｍｍ〜約４ｍｍ、約１．０ｍｍ〜約４ｍｍ、約４．０μｍ〜約１．５ｍｍ、約２．０μｍ〜約３．５ｍｍ、約１μｍ〜約３ｍｍ、これらの範囲のいずれかに含まれるサブ範囲、またはそれらの範囲の終点の組み合わせから形成される範囲のＭＰＤを有してもよい。吸着剤の細孔形状は実施形態によって異なり、吸着剤はマクロ細孔（直径５０ｎｍを超える）、メソ細孔（直径２ｎｍから５０ｎｍ）、およびミクロ細孔（直径２ｎｍ未満）を含む細孔の分布を持つ。
【００２１】
細孔サイズ分布は、吸着剤によって吸着され得る材料の種類に影響を及ぼし得る。特に炭化水素分子の場合、活性炭に吸着される分子の傾向は細孔サイズに依存する。したがって、細孔サイズ、および細孔サイズの分布を選択して、どの化学種が吸着剤に吸着されるかまたは吸着されないかを決定することができる。狭い細孔サイズ分布を使用すると、選択したわずかな汚染物質のみを吸着することができるが、広い細孔サイズ分布を使用すると、さまざまな化合物を吸着できる。
【００２２】
上記の様々な実施形態の吸着剤は、水浄化システム、特に飲料水の浄化に使用される水浄化システムでの使用に有用であり得る。本発明のさらなる実施形態は、例えば、上記の吸着材料および吸着材料ブレンドが含まれる、フィルター、フィルターカートリッジ、ビーズ、および微粒子または粉末カーボンなどの装置に関する。
【００２３】
フィルター、特に様々な実施形態の消費者フィルターは、任意の設計を有することができ、本発明の吸着剤を保持するように構成された区画を含む筐体を少なくとも含むことができる。吸着剤は、顆粒状、粉末状、または固体構造などのさまざまな形態であってもよい。全体を通して説明したように、これらのさまざまな形態は、活性炭やその他の吸着剤材料などの吸着剤に使用できる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、フィルターで使用される吸着剤は、吸着剤材料と結合剤との混合物から形成される固体モノリス、ブロック、または押出形状の形態で提供される。結合剤は、吸着剤材料によって固体構造を生成するために、様々なポリマー、接着剤、炭化可能な材料、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含んでもよい。結合剤材料には、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ポリ酢酸ビニル、アクリルおよびアクリレート、ナイロンおよび他のポリエステル、ならびにそれらの組み合わせが含まれ得る。
【００２５】
フィルターは、例えば、仕切り内に活性炭を保持するためのスクリーンまたは他の手段、または濾過膜などの追加の精製装置など、さまざまな追加の構成要素を含むことができる。いくつかの実施形態では、筐体は、水が１つのコンパートメントから別のコンパートメントに流れ、移動中にフィルターを通過するピッチャーまたはボトル装置などの装置、水道管または蛇口に取り付けられ、蛇口から排出される前、またはそうでなければ水分配装置に配送される前に水がフィルターを通過するようにする装置にフィルターを統合するために必要なさまざまな要素を含むことができる。特に、フィルターは、フィルターに水を導入するための入口ポートと、フィルターから濾過または処理された水を分配するための出口ポートとを含み得る。いくつかの実施形態では、フィルターは、流入口で、流しパイプ、ホース、管継手、蛇口、噴水などの水源に接続するための取り外し可能な接続手段を含んでもよい。
【００２６】
いくつかの実施形態では、フィルターは、低接触ｐＨ活性炭または低接触ｐＨ活性炭と中性活性炭の混合物を保持するためにフィルター筐体内に配置される、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、シリコーン、架橋ポリエチレン（ＰＥＸ）、または任意の組み合わせなどの不活性プラスチック材料で構成される細長い覆いを有するフィルター筐体を含み得る。フィルター筐体は、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、マグネシウム、およびそれらの組み合わせなど、任意の適切な金属で作られていてもよい。フィルター筐体は、電気めっきまたは無電解めっきまたは蒸着されたアルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、マグネシウム、クロム、およびそれらの組み合わせを備えた上記ポリマーのような金属化プラスチックで形成されてもよい。フィルター筐体と覆いは、互いに間隔をあけることができ、いくつかの実施形態では、活性炭に関連する塵を保持するために、例えばフィルター紙などの微粒子フィルターを空間内に配置することができる。特定の実施形態では、カーボンクロスなどの追加の吸着剤を空間内に配置することができる。いくつかの実施形態では、フィルターは、多孔板、スロット付き格子、メッシュグリル、スクリーン、または筐体内に覆いを固定し、筐体を通る流体の自由な流れを可能にする他の手段を含み得る。
【００２７】
いくつかの実施形態では、本発明に従って処理された吸着剤は、本発明の工程によって処理されていない他の吸着剤原材料と混合されてもよい。未処理吸着剤には、炭素質チャー、活性炭、再活性化カーボン、カーボンブラック、グラファイト、ゼオライト、シリカ、シリカゲル、アルミナ粘土、珪藻土、金属酸化物、またはそれらの組み合わせが含まれる。いくつかの実施形態では、これらの吸着剤は活性炭または再活性化炭素であってもよい。様々な実施形態において、活性炭または再活性化炭素は、これに限定されないが、歴青炭、亜歴青炭、褐炭、無煙炭、泥炭、ナッツ殻、種、ココナッツ殻、ババスナッツ、マカダミアナッツ、デンデナッツ、ピーチ種、チェリー種、オリーブ種、クルミ殻、木材、リグニン、ポリマー、窒素含有ポリマー、樹脂、石油ピッチ、バガス、籾殻、トウモロコシの茎、小麦の外皮および籾殻、グラフェン、カーボンナノチューブ、その他の炭素質材料、またはそれらの組み合わせから調製することができる。加えて、炭素質材料は、使用され、その後再活性化および／または再生された様々な前駆体から生成された活性炭に由来してもよい。
【００２８】
本発明の処理済み吸着剤に混合される、処理されていない吸着剤の量は、所望の最終性能を達成するのに有用な任意の量であり得る。未処理の量は、処理済みおよび未処理の吸着剤材料の混合物全体の１００％に基づいて、約５〜９５重量％、約２０〜９５重量％、約４０〜９５重量％、約６０〜９５重量％、約８０〜９５重量％、または前述の範囲の任意の組み合わせであり得る。いくつかの実施形態では、未処理の吸着剤の量は、組成物全体の１００重量％に基づいて、約１０重量％、約２０重量％、約３０重量％、約４０重量％、約５０重量％、約６０重量％、約７０重量％、約８０重量％、約９０重量％であり得る。％、約８０重量％、約９０重量％、または約９５重量％であり得る。少なくとも２つの上記の量を組み合わせて、範囲の終点を形成することができる。
【００２９】
商業用または地方自治体の水処理装置には、処理中に自然の水源から水を受け取るように配置されたベッドを提供する大きな高流量水パイプに取り付けるように設計された、より大きなフィルター装置またはタンクを含み得る。そのような装置は当技術分野で周知であり、塩素およびクロラミンを破壊する活性炭をそのような装置に含めることができる。さまざまな実施形態において、粒状活性炭を含むベッドまたはタンクは、処理プラントの流路に沿ったさまざまな場所に配置することができ、上記の塩素およびクロラミン破壊活性炭は、これらのベッドまたはタンクのいずれかまたはすべてで使用できる。特定の実施形態では、水は、処理経路の１つ以上の場所で粉末活性炭と接触してもよく、そのような実施形態では、粉末活性炭は塩素およびクロラミン破壊活性炭であってもよい。上記のように、このような処理装置では、粒状または粉末状の塩素およびクロラミン破壊活性炭を単独で、または塩素とクロラミン破壊活性炭および非塩素およびクロラミン破壊活性炭を混合して使用できる。処理装置および設備は、例えば、均等化槽、浄化槽、生物処理槽またはタンク、砂ろ過装置、膜ろ過装置など、およびそれらの組み合わせなど、さまざまな追加の槽および構成要素を含んでもよい。あるいは、処理設備は、処理される水に粉末活性炭が加えられ、その後吸着後に収集される吸着保持タンクを含んでもよい。
【００３０】
さらなる実施形態は、上記の塩素およびクロラミン破壊活性炭を使用して水を浄化する方法に関する。接触の工程は、例えば、塩素およびクロラミン破壊活性炭または塩素およびクロラミン破壊活性炭および非塩素およびクロラミン破壊活性炭の混合物のベッドの上に水を流す工程、塩素およびクロラミン破壊活性炭または塩素およびクロラミン破壊活性炭および非塩素およびクロラミン破壊活性炭の混合物を含むフィルター上に水を導入する工程、塩素およびクロラミン破壊活性炭または塩素およびクロラミン破壊活性炭および非塩素およびクロラミン破壊活性炭の混合物を有する活性炭を、水を保持するための容器内に導入する工程を含む任意の手段によって実行することができ、いくつかの実施形態では、そのような接触手段を組み合わせることができる。他の実施形態では、この方法は追加の工程を含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態では、水を浄化する方法は、粒子を除去するために、塩素およびクロラミン破壊活性炭または塩素およびクロラミン破壊活性炭および非塩素およびクロラミン破壊活性炭の混合物と接触する工程の前、後、または前後両方において、スクリーンまたは砂フィルターを使用して水をろ過する工程を含み得る。さらなる実施形態では、この方法は、細菌または他の微生物などの生物学的汚染物質を除去するために水を消毒する工程を含むことができ、いくつかの実施形態では、方法は消毒剤を水に導入する工程を含むことができる。さらに別の実施形態では、この方法は、水を浄化する工程、水のｐＨを調整する工程など、およびそれらの組み合わせの工程を含むことができる。
【００３１】
本発明の吸着剤の性能は、以下の実験セクションで定量化される「クロラミン破壊数」または「塩素破壊数」を含む様々な方法で測定される。これらの値は、本発明の吸着剤により水から除去できるクロラミンおよび／または塩素の量を定量化する。ＣＤＮまたはクロラミン破壊数について、本発明は、約３．０、約３．５、約４．０、約４．５、約５．０、約５．５、約６．０、約６．５、約７．０、約７．５、約８．０、約８．５、約９．０、約９．５、約１０．０、約１０．５、約１１．０、約１２．０、約１２．５、約１３．０、約１３．５、約１４．０、約１４．５、約１５．０、約１５．５、約１６．０、約１６．５、約１７．０、約１７．５、約１８．０、約、１８．５、約１９．０、約１９．５、約２０．０、約２０．５、約２１．０、約２１．５、約２２．０、約２２．５、約２３．０、約２３．５、約２４．０、約２４．５、約２５．０、約２５．５、約２６．０、約２６．５、約２７．５、約２８．０、約２８．５、約２９．０、約２９．５、約３０．０、またはこれらの値の少なくとも２つを終点として含む任意の範囲の値を想定している。あるいは、ＣＤＮは、少なくとも約４．０、少なくとも約４．５、少なくとも約５．０、少なくとも約１０．０、少なくとも約１５．０、少なくとも約２０．０、または少なくとも約２３．０など、パフォーマンスの下限としてこれらの数値を有する範囲であり得る。いくつかの実施形態では、クロラミン破壊数は、モノクロラミンに関して測定される。
【００３２】
塩素破壊数による性能は、約７０．０、約７５．０、約８０．０、約８５．０、約９０．０、約９５．０、約１００．０、またはこれらの値の少なくとも２つを終点として形成される任意の範囲であってもよい。塩素破壊数による性能は、少なくとも約７０．０、少なくとも約７５．０、少なくとも約８０．０、少なくとも約８５．０、少なくとも約９０．０、少なくとも約９５．０、少なくとも約１００．０、またはこれらの範囲の任意の組み合わせでもあり得る。
【００３３】
以下の実施例で説明するように、本発明の吸着剤の性能における測定可能な因子は、「エッジ」窒素の量であると考えられ、「エッジ」窒素は、「エッジ」窒素原子がグラファイトシートまたは平面のエッジにあるピロールまたはピリジン基の一部であるという点で、「センター」窒素とは異なる。これらの窒素原子は最も不安定で、クロラミンや塩素原子など、吸着剤が接触するさまざまな化合物と相互作用する。エッジ窒素の量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）などの表面分析技術によって特定できる。ＸＰＳまたはその他の表面分析技術で測定されるエッジ窒素の量は、約０．１ａｔ．％〜約１．２ａｔ．％、約０．２ａｔ．％〜約１．０ａｔ．％、約０．２ａｔ．％〜約０．８ａｔ．％、または約０．２ａｔ．％〜約０．６ａｔ．％、または上記の範囲の任意の組み合わせであり得る。ＸＰＳまたはその他の表面分析手法で測定されるエッジ窒素の量は、約０．１ａｔ．％、約０．２ａｔ．％、約０．３ａｔ．％、約０．４ａｔ．％、約０．５ａｔ．％、約０．６ａｔ．％、約０．７ａｔ．％、約０．８ａｔ．％、約０．９ａｔ．％、約１．０ａｔ．％、約１．１ａｔ．％、約１．２ａｔ．％、またはこれらの値の２つを範囲の終点として組み合わせて形成される範囲であり得る。
【００３４】
実施例
本発明は、その特定の好ましい実施形態を参照してかなり詳細に説明されてきたが、他のバージョンも可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の精神および範囲は、本明細書に含まれる説明および好ましいバージョンに限定されるべきではない。本発明の様々な態様は、以下の非限定的な例を参照して説明される。
【００３５】
実施例１
活性炭試料を塩素およびクロラミンの除去について試験した。クロラミンは、モノクロラミン、ジクロラミン、およびトリクロラミンを指す。アンモニアが溶液中の塩素と平衡状態にあるとき、クロラミンの形態はｐＨに依存する。クロラミン溶液は塩化アンモニウムを有し；次亜塩素酸ナトリウムと脱イオン水を混合して、ｐＨ９．０のクロラミン３００ｐｐｍの１Ｌ溶液を得た。ｐＨ値が９．０の場合、平衡状態で存在するクロラミン種はモノクロラミン形態であり、これは破壊するのが最も困難である。評価中に溶液のｐＨを維持するために、炭酸ナトリウムを使用して溶液を緩衝化した。塩素溶液は次亜塩素酸ナトリウムと脱イオン水を有し、１Ｌの３００ｐｐｍ塩素溶液を得た。３００ｐｐｍの各溶液１リットルを、２０℃に制御された水浴に入れた三角フラスコに加えた。一定量の２．０ｍＬ活性炭（８０×３２５メッシュの大きさ）を、攪拌した１Ｌのクロラミンまたは塩素溶液に各試料分析用に追加した。使用した炭素の体積は、ＡＳＴＭ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｄ−２８５４で測定した８０×３２５炭素の見掛け密度から決定した。溶液中の全塩素の濃度は、アリコートを採取し、全塩素について標準的なＨＡＣＨ比色ＥＰＡ承認メソッド１００７０を使用して分析することにより、１５０分間にわたってさまざまな時点で測定した。クロラミンの濃度は、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ−４２（２０１５）を使用して測定された。
【００３６】
活性炭を実験的に分析した後、各活性炭サンプルの濃度対時間データ（図１）を総塩素濃度対時間の自然対数として再プロットし、一次反応速度論に従ってデータを線形化する（図２）。次に、線形フィットがデータに適用され、線形フィットの勾配が決定される。総塩素の初期濃度は１５０分間にわたって減少したため、勾配は常に負であった。結果として、勾配の絶対値に１０００を掛けて、クロラミンと塩素の破壊（除去）の速度を定量化するのに使用した。絶対勾配が大きいほど、活性炭は塩素とクロラミンの除去に効果的である。これらの実験では、一次の速度論的実験データの線形フィット合から生じる勾配（再び１０００倍）を「クロラミン破壊数」またはＣＤＮと呼ぶ。塩素破壊の場合、この速度はＣｌ−ＤＮの「塩素破壊数」と呼ばれる。
【００３７】
クロラミンに加えて、本発明は、水性流から塩素を除去するのにも有効である。焼成活性炭の塩素除去能力を上記のように評価したが、試験溶液は塩化アンモニウムを添加せずに作成されたため、溶液には塩素３００ｐｐｍが含まれている。塩素分析用の活性炭粒子の大きさは９５％−３２５メッシュであった。塩素濃度対時間データとその一次速度勾配の分析は同じままであるが、このデータの線形フィットの勾配は「塩素破壊数」またはＣｌ−ＤＮと呼ばれる。
【００３８】
実施例２
２種類の石炭ベースの活性炭が原材料として使用された。Ｆ４００は石炭ベースの活性炭（Ｃａｌｇｏｎ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｏｒｐ）であり、ＣＥＮＴＡＵＲ（Ｃａｌｇｏｎ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｏｒｐ）は米国特許第６，３４２，１２９号に従って調製された石炭ベースの活性炭である。酸化されていると特定された表１の試料は、空気を使用して５００℃の管状炉で１時間酸化された。試料が冷却された後、尿素が添加されていることが確認された試料に、４ｍＬの尿素溶液と１０グラムの炭素の比率で、５０％尿素水溶液を含浸させた。焼成は、９５０℃の管状炉で１時間、窒素中で冷却した後、窒素で冷却した。活性化は、蒸気環境で９５０℃の管状炉で１５分間行った。活性炭の予備酸化は、活性炭の最終窒素含有量を増加させる。これを表１に示す。それぞれの場合、元素分析（Ｇａｌｂｒａｉｔｈ  Ｌａｂｓ）で測定すると、非酸化試料よりも多くの窒素（総窒素、重量％）が予備酸化試料に含まれていた。すべての試料を同量の尿素前駆体で処理した。さらに、予備酸化された試料はより高いＣＤＮ値を持っていたため、クロラミンを破壊するのにより効果的であった。
【表１】
2020508852.tif 000002
【００３９】
先行技術では、高温での活性化ガスまたは酸化ガスの存在は、高温での酸素による炭素構造の攻撃により生成物の収率を低下させ、潜在的に最終生成物の窒素含有量を低下させるというマイナスの効果を有する。表１は、すべての焼成試料のＣＤＮ値が活性化試料のＣＤＮ値よりも高いため、焼成工程の有効性と利点を示している。これは、非酸化活性炭と予備酸化活性炭の両方に当てはまったが、活性炭を予備酸化すると最高のＣＤＮ値が得られた。図３は、総窒素値とＣＤＮ値の関係をグラフで示している。
【００４０】
実施例３
Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）を使用して、活性炭に組み込まれた窒素のタイプをさらに特徴付けることができる。この方法は、表１に記載されている活性炭試料に適用された。活性炭に存在する窒素の種類は、「エッジ」窒素または「センター」窒素のいずれかとして特徴付けられる。「エッジ」窒素では、窒素原子はグラファイトシートまたはグラファイトプレーンの端またはエッジにあるピロールまたはピリジン基の一部であり、「エッジ」窒素は−３９９ｅＶの結合エネルギーを持つことによってＸＰＳ分析中に識別される。
【００４１】
「センター」窒素において、窒素原子は、いくつかの縮合芳香環の内部構造の一部として結合している。センター窒素は、ＸＰＳを使用して分析した場合、−４０１ｅＶの特徴的な結合エネルギーを有している。開示された実施形態では、表１の尿素処理Ｆ４００またはＣｅｎｔａｕｒ活性炭に存在する窒素の種類を調べると、試料が蒸気活性化に対して焼成されたときに「エッジ」形態窒素の割合が顕著に増加する。この傾向を表２に示す。
【表２】
2020508852.tif 000003
【００４２】
すべての実施形態において、焼成活性炭は、蒸気活性化された活性炭と比較した場合、センター形態に対してエッジ形態で増加した窒素の割合を示す。焼成された試料はすべて、蒸気活性化された試料よりも高いＣＤＮ値も有している。場合によっては、ＣＤＮ値は、焼成された試料と蒸気のみで活性化された試料でほぼ２倍になることがある。本発明の新規かつ予想外の発見は、活性炭が不活性に焼成されるとエッジ窒素の大部分が生成され、これらの試料が蒸気で活性化された（したがってガス化された）対応物よりも優れた、より速いクロラミン除去速度を示すことである。
【００４３】
図４は、ＣＤＮに対する様々な形態の窒素の効果を示している。各インスタンスの窒素量は、ＸＰＳによって決定された。総窒素原子が増加すると、ＣＤＮ値も増加した。特筆すべきは、ＸＰＳによる全原子窒素の増加は、主に、センター窒素ではなくエッジ窒素の増加によるものであるということである。エッジ窒素は、ガス化または活性化工程で最も化学的に不安定な窒素である。ただし、焼成中に、エッジ窒素は炭素構造とともに残る傾向がある。
【００４４】
理論に拘束されることを望まないが、提案された窒素処理がエッジ窒素の増加をもたらし、そして、センター窒素とエッジ窒素を含む全窒素またはバルク窒素の増加の大部分は、エッジ窒素へのこの添加の結果であると、結果は示しているように見える。これは、吸着剤の表面相互作用、したがって吸着剤の性能に影響を与えるのはエッジ窒素であるため重要である。
【００４５】
実施例４
表３は、酸化に使用される空気雰囲気への水または蒸気の添加の効果を示している。この効果を試験するために、Ｆ４００カーボンを最初に空気を加えずに５００℃で１時間、管状炉にて空気中で酸化し、続いて尿素溶液を含浸させ、上記の実施例２のように焼成した。この試験の結果は、表３に「乾燥空気」試料として示されている。
【００４６】
次に、Ｆ４００カーボンが、２５℃の水蒸気で飽和された加湿空気とともに提供された。次いで、Ｆ４００カーボンおよび加湿空気を管状炉で５００℃に１時間加熱し、続いて尿素溶液を含浸させ、上記の実施例２で提供されるように焼成した。このテストの結果は、「加湿空気」試料として表３に示されている。表３は、水を一次酸化剤、この場合は空気と組み合わせて使用すると、炭素のＣＤＮが大幅に改善されることを示している。
【表３】
2020508852.tif 000004
【００４７】
実施例５
異なる窒素含有前駆体の効果および活性炭に対する触媒活性を付与する能力を表４に示す。これらの試験では、すべての窒素含有前駆体を、活性炭からの１０モルの炭素に対する１モルの窒素の比率でＦ４００カーボンに添加した。この実験では、窒素含有前駆体を介して追加する窒素のモル量を計算するために、活性炭は完全に、または１００％の炭素原子で構成されていると仮定した。
【００４８】
表４において「乾燥」と識別された窒素含有前駆体は、水溶性の欠如のために酸化活性炭に乾燥混合物として添加された。「気体」としてリストされているものは、活性炭の空気酸化後の気体の形態で使用された。材料は、実施例２に示されるように熱処理された。表４に示す実験データから、−３酸化状態の窒素を含む窒素含有前駆体のみが、他の酸化状態のＣＤＮ値よりも大幅に増加した。
【００４９】
窒素源を原材料自体にまたは原材料自体の中に添加することも考えられる。ある実験では、乾燥混合物として炭素を含む窒素前駆体としてポリアクリロニトリルが提供された。これにより、４．６のＣＤＮが得られた。理論に拘束されることを望まないが、ポリアクリロニトリルポリマーの熱分解により、窒素化合物が炭素骨格と反応し、クロラミンおよび類似化合物の破壊に影響すると考えられている。
【表４】
2020508852.tif 000005
【００５０】
実施例６
予備酸化され、焼成された活性炭も塩素破壊について評価され、Ｃｌ−ＤＮ値によって特徴付けられた。表３は、原材料としてのＣＥＮＴＡＵＲの性能を示している。材料は、上記の実施例２で提供されているように調製された。
【表５】
2020508852.tif 000006
【００５１】
表５において、蒸気活性化Ｃｅｎｔａｕｒ原材料のＣｌ−ＤＮは７２．８であった。ＣＥＮＴＡＵＲを予備酸化した後、尿素窒素含有前駆体を添加せずに焼成すると、Ｃｌ−ＤＮはほぼ８５に改善される。しかし、クロラミンの場合と同様に、Ｃｅｎｔａｕｒ活性炭を出発材料として使用し、予備酸化され、尿素と混合され、その後に焼成されると、Ｃｌ−ＤＮは１４５．９まで劇的に増加する。このＣ１−ＤＮ値の大幅な増加は、活性炭を予備酸化し、−３酸化状態の窒素源と混合し、焼成すると、塩素の除去に非常に効果的であることを示している。
【図１】
2020508852.tif 000007
【図２】
2020508852.tif 000008
【図３】
2020508852.tif 000009
【図４】
2020508852.tif 000010
【国際調査報告】
2020508852.tif 000011