ФИЛЬТРЫ С УЛУЧШЕННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ И ВОЗМОЖНОСТЯМИ УДАЛЕНИЯ ВИРУСОВ
FILTERS WITH IMPROVED PERMEABILITY AND POSSIBILITY OF REMOVING VIRUSES

Область техники
Данное изобретение относится к области фильтровальных материалов, фильтров, изготовленных из этих материалов, и, в частности, к области фильтров для воды.
Уровень техники
Вода может содержать много различных видов загрязнений, включая, например, частицы, химические и микробиологические организмы, такие как бактерии, вирусы и простейшие. Во многих обстоятельствах эти загрязнения должны быть полностью удалены или уменьшена их концентрация перед тем, как вода может быть использована. Например, во многих медицинских приложениях и в производстве некоторых электронных компонентов требуется чрезвычайно чистая вода. В качестве более общего примера, любые вредные загрязнения должны быть удалены из воды, перед тем как она станет питьевой, т.е. готовой к употреблению.
Качество воды варьируется широко во всем мире. В Соединенных Штатах и в других развитых странах питьевая вода обычно обрабатывается муниципалитетами. При такой обработке загрязнения, такие как взвешенные твердые частицы, органические вещества, тяжелые металлы, хлориды, бактерии, вирусы и простейшие удаляют из воды, перед тем как она поступает в дома потребителей. Однако неисправность оборудования и (или) нарушение в инфраструктуре и другие проблемы с водоснабжающими предприятиями могут привести к неполному удалению загрязнений.
Во многих развивающихся странах отсутствуют водоснабжающие предприятия. При этом существуют смертельные последствия, связанные с незащищенностью от загрязненной воды, так как многие развивающиеся страны имеют увеличивающуюся плотность населения и все более скудные водные ресурсы, и в них отсутствуют водоснабжающие предприятия. Для источников питьевой воды обычным является то, что они находятся в тесной близости к человеческим или животным отходам, так что микробиологическое загрязнение является главным беспокойством здоровья.
Результат передающегося через воду микробиологического загрязнения оценивается в 6 миллионов смертей людей ежегодно, половина из которых дети до 5 лет. В 1987 Агентство по Защите Окружающей среды (здесь «ЕРА») Соединенных Штатов представило «Руководящий стандарт и протокол для микробиологического водного тестирования очистных сооружений». Этот руководящий стандарт и протокол обеспечивает руководство и эксплуатационные требования к системам обработки питьевой воды, которые разработаны, чтобы снизить определенные связанные со здоровьем загрязнения в общественных или частных источниках воды. Эти требования состоят в том, чтобы выход после водоснабжающих систем обнаруживал 99,99% (что эквивалентно, 4 log) удаления вирусов, 99,9999% (что эквивалентно, 6 log) удаления бактерий и 99,9% (что эквивалентно, 3 log) удаления простейших (цист) относительно контрольного.
7
8
По руководящему стандарту и протоколу ЕРА в случае вирусов концентрация поступающего потока должна быть около 1×10 вирусов на литр (PFU/L), а в случае бактерий концентрация поступающего потока должна быть 1×10 бактерий на литр (CFU/L). Из-за распространенности Escherichia coli (E.Coli, бактерия) в источниках воды и опасностей, связанных с ее потреблением, этот микроорганизм используется в качестве бактерии в большинстве исследований. Аналогично, бактериофаг MS-2 (или просто, фаг MS-2) обычно используется как представительный микроорганизм для удаления вирусов, потому что его размер и форма (около 26 нм и двадцатигранные) похожи на многие вирусы. Таким образом, возможности фильтров по удалению бактериофагов MS-2 показывают их возможности по удалению других вирусов.
Специалисты в уровне техники считают, что малые взвешенные частицы, например, бактерии и вирусы, лучше всего фильтруются фильтрами с малым промежуточным пространством между фильтровальными частицами. Малое пространство между фильтровальными частицами лучше всего достигается плотной упаковкой фильтровальных частиц. Один способ достижения плотной упаковки описывается в опубликованной заявке РСТ WO 00/71467 на имя Tremblay et al., которая раскрывает использование малых частиц для заполнения пространства между большими частицами. Это обеспечивает плотную упаковку с использованием фильтровальных частиц, имеющих бимодальное распределение по размерам. Кроме того, патенты США №5922803 и 6368504, выданные на имя Koslow et al., и Kuennen et al., соответственно, раскрывают общий принцип использования фильтровальных частиц, имеющих ограниченное распределение по размерам частиц, т.е. частицы, которые в общем все равного размера, для того, чтобы промежуточное пространство между частицами было относительно однородно. Средний размер частицы из этих двух патентов с ограниченным распределением по размерам частиц находится в диапазоне от 80 мкм до 45 мкм. Эти патенты описывают фильтры, которые обеспечивают либо относительно высокий уровень удаления вирусов при падении высокого давления через фильтр, либо низкое удаление вирусов, поскольку средний размер фильтровальных частиц относительно велик, хотя распределение частиц по размерам ограничено.
Высокое падение давления через фильтр может вызвать уменьшение потока и другие проблемы, отрицательно рассматривающиеся пользователями фильтров. Считалось, что при переходе к меньшим размерам частиц, к примеру, менее чем 45 мкм, усилится падение давления через фильтр. Кроме того, специалисты оценят, что падение давления прямо воздействует на скорость потока через фильтровальный блок. Потребителям обычно доставляют воду в их дома при фиксированном давлении (например, от муниципалитета или от насоса в их скважине). Таким образом, фильтровальный блок с высоким падением давления будет иметь более медленную скорость потока, чем фильтровальный блок с малым падением давления. Как нетрудно понять, потребители не любят ждать свою воду долгое время, так что предпочтительны высокие скорости потока. Как таковые, фильтровальные блоки с низким падением давления неизбежно предпочтительнее для потребителей. Таким образом, существует необходимость в фильтрах, способах производства фильтровальных материалов и в фильтровальных материалах, которые способны удалять бактерии и (или) вирусы из жидкости без неблагоприятного увеличения в падении давления, проявляемого существующими фильтрами.
Сущность изобретения
-9
2
-9
2
-9
2
-9
2
-9
2
В одном объекте настоящего изобретения обеспечивается фильтровальный блок с проницаемостью больше 3,0×10 см и F-VLR более 99%. Предпочтительно проницаемость составляет больше 3,5×10 см, еще предпочтительнее больше 4×10 см, даже еще предпочтительнее больше 4,5×10 см и наиболее предпочтительно больше 5×10 см. Предпочтительно F-VLR больше 99,9%, еще предпочтительнее больше 99,99% и даже еще предпочтительнее больше 99,999%, а наиболее предпочтительно больше 99,9999%.
В другом объекте настоящего изобретения предпочтительная проницаемость фильтра, полученная при производстве фильтровального блока из фильтровальных частиц, имеющих средний размер частиц меньше чем примерно 50 мкм, предпочтительно меньше чем примерно 40 мкм, лучше предпочтительно меньше чем примерно 37,5 мкм и даже еще предпочтительнее меньше чем примерно 35 мкм. В еще одном объекте настоящего изобретения фильтровальные частицы имеют распределение частиц по размерам примерно 1,8 или менее, предпочтительно 1,5 или менее, еще предпочтительнее 1,4 или менее и даже еще предпочтительнее 1,3 или менее.
Неожиданно обнаружено, что проницаемость фильтра - важный параметр для регулирования падения давления через фильтр при одновременном улучшении удаления малых взвешенных частиц, таких как бактерии и вирусы. Как обсуждалось выше, в общем считалось, что усовершенствования в удалении малых взвешенных частиц получаются только за счет свойств потока из фильтра. Настоящее изобретение доказывает, что это не так, и как таковое обеспечивает существенный выигрыш над существующими указаниями. Конкретнее, настоящее изобретение предоставляет производителям и проектировщикам фильтров параметры фильтров, которые оптимизируют удаление малых взвешенных частиц с небольшими снижениями или без снижений в характеристиках потока из фильтра. Кроме того, раскрываются способы производства фильтров и фильтровальных материалов, используемых в них.
Краткое описание чертежей
Хотя описание заканчивается формулой изобретения, конкретно указывающей и отчетливо заявляющей изобретение, считается, что настоящее изобретение будет лучше понято из следующего описания, взятого вместе с сопровождающими чертежами, на которых:
Фиг.1 является условным представлением потока через радиальный фильтровальный блок;
Фиг.2 является условным представлением потока через осевой фильтровальный блок;
Фиг.3 является условным представлением устройства управления давлением / потоком, пригодного для использования с фильтрами настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Все процитированные документы в релевантной части включены сюда посредством ссылки. Цитирование любого документа не должно толковаться как его признание в качестве прототипа в отношении настоящего изобретения.
I. Определения
Как используется здесь, термины «фильтр» и «фильтрация» относятся к структурам и механизмам, соответственно, связанным с удалением микроорганизмов (и (или) удалением других загрязнителей), через первичную адсорбцию и (или) исключение по размерам до меньшей величины.
Как используется здесь, словосочетание «фильтровальный материал» относится к совокупности фильтровальных частиц. Совокупность фильтровальных частиц, образующая фильтровальные материалы, может быть или однородной, или разнородной (гетерогенной). Фильтровальные частицы могут быть однородно или неоднородно распределены (например, слои разных фильтровальных частиц) внутри фильтровального материала. Фильтровальные частицы, образующие фильтровальный материал, также не обязательно должны быть одинаковыми по форме или размеру и могут быть предоставлены или в свободной, или в связанной форме. Например, фильтровальный материал может содержать мезопористые и активированные основаниями углеродные частицы в комбинации с активированными углеродными волокнами, и эти фильтровальные частицы могут быть либо предоставлены в свободном объединении, либо частично или полностью соединены полимерной связью или другими средствами для образования составной структуры.
Как используется здесь, словосочетание «фильтрующая частица» относится к отдельному элементу или кусочку, который используется для формирования части фильтровального материала. Например, волокно, гранула, шарик и т.д. каждый считаются здесь фильтровальными частицами. Далее фильтровальные частицы могут различаться по размеру, от мельчайших (неосязаемых) фильтровальных частиц (например, очень мелкий порошок) до крупных (осязаемых) фильтровальных частиц.
Как используется здесь, словосочетание «фильтровальный блок» относится к смеси фильтровальных частиц, связанных вместе для формирования структуры, которая способна фильтровать жидкость, например воду, воздух, углеводороды и тому подобное. Как таковой, фильтровальный блок может содержать фильтровальные частицы, связывающие частицы и другие частицы или волокна для удаления конкретных загрязнителей, таких как свинец, ртуть, мышьяк, и т.д. Фильтровальный блок может различаться по геометрии и конфигурациям потока. Примеры фильтровальных блоков радиального потока и осевого потока описываются здесь (смотри, например, фиг.1 и 2), но другие конфигурации фильтров, например, пластинчатые и конические, будут известны специалистам. Примеры, приведенные здесь, являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения настоящего изобретения. Часто, но не всегда, фильтровальный блок упаковывается в «фильтровый корпус», который защищает фильтровальный блок от повреждений и обеспечивает изоляцию между «грязной» жидкостью, которую фильтруют, и «чистой» жидкостью, выходящей из фильтра в качестве желательного продукта. Хотя эти изолирующие поверхности могут быть постоянно присоединены к фильтровальному блоку или встроены в него и необходимы для отделения чистой жидкости от грязной жидкости, они не являются частью фильтровального блока для целей проводимых вычислений здесь.
v,0,50
v,0,50
v,0,10
v,0,90
v,0,90
v,0,10
v,0,50
Как используется здесь, словосочетание «средний размер частиц» относится к диаметру частиц, ниже или выше которого находится 50% от общего объема частиц. Этот средний размер частиц обозначен как D. Хотя специалистам известно много способов и устройств для разделения частиц на дискретные размеры, просеивание является одним из самых легких, наименее дорогих и общедоступных способов для измерения размеров частицы и распределения частиц по размерам. Альтернативным предпочтительным способом для определения распределения размера частиц является способ с рассеиванием света. Далее словосочетание «распределение частиц по размерам» представляет собой статистическое представление данного образца частиц и может быть вычислено следующим образом. Во-первых, вычисляется средний размер частиц, D, как описано выше. Затем подобным же способом определяется размер частиц, который отделяет образец частиц при 10% объемного содержания, D, а затем определяется размер частиц, который отделяет образец частиц при 90% объемного содержания, D. Распределение частиц по размерам равно: (D-D)/D.
Как используется здесь, словосочетание «объем пор фильтровального блока» относится к общему объему межчастичных пор (также называемых промежуточными пространствами) в фильтровальном блоке с размерами больше 0,1 мкм.
r
2
1
a
a
2
2
2
Как используется здесь, словосочетание «объем фильтровального блока» относится к сумме объема пор фильтровального блока и объема, занятого фильтровальными частицами. Т.е. объем фильтровального блока - это общий объем фильтровального блока, рассчитанный на основе внешних размеров фильтровального блока. Например, на фиг.1 объем фильтровального блока рассчитывается как: πL(r -r ), а на фиг.2 объем фильтровального блока рассчитывается как: πL r . Использующимися здесь единицами являются, в основном, см, но специалисты поймут, что для L и r можно использовать любые соответствующие единицы длины.
Как используется здесь, термины «микроорганизм», «микробиологический организм», «микробный» и «патоген» используются равнозначно. Эти термины относятся к различным типам микроорганизмов, которые можно характеризовать как бактерии, вирусы, паразиты, простейшие и зародыши.
Как используется здесь, словосочетание «логарифмическое удаление бактерий фильтром (F-BLR)» относится к способности удаления бактерий фильтром после того, как весь объемный поток жидкости равен по меньшей мере 10 объемам фильтровального блока и скорость жидкостного потока через фильтровальный блок равна по меньшей мере 600 мл/мин. Величина F-BLR определяется и рассчитывается как
F-BLR=-log [(выходная концентрация Е.coli)/(входная концентрация Е.coli)],
8
где «входная концентрация Е.coli» устанавливается на примерно 1×10 CFU/L в течение всего эксперимента, а «выходная концентрация Е.Coli» измеряется после того, как объемный поток жидкости через фильтровальный блок равен по меньшей мере 10 объемам фильтровального блока. F-BLR имеет единицы «log» (где «log» - это логарифм). Отметим, что если выходная концентрация ниже предела обнаружения используемого для проверки метода, тогда выходная концентрация для расчетов F-BLR считается пределом обнаружения.
Отметим также, что F-BLR измеряется без применения химических веществ, которые обеспечивают бактерицидные эффекты.
Как используется здесь, словосочетание «логарифмическое удаление вирусов фильтром (F-VLR)» относится к способности удаления вирусов фильтром после того как весь объемный поток жидкости равен по меньшей мере 10 объемам фильтровального блока и скорость жидкостного потока через фильтровальный блок равна по меньшей мере 600 мл/мин. F-VLR определяется и рассчитывается как:
F-VLR=-log [(выходная концентрация MS-2)/(входная концентрация MS-2)],
7
где «входная концентрация MS-2» устанавливается на примерно 1×10 PFU/L в течение всего эксперимента, а «выходная концентрация MS-2» измеряется после того, как объемный поток жидкости через фильтровальный блок равен по меньшей мере 10 объемам фильтровального блока. F-VLR имеет единицы «log» (где «log» - это логарифм). Отметим, что если выходная концентрация ниже предела обнаружения используемого для проверки метода, тогда выходная концентрация для расчетов F-VLR считается пределом обнаружения. Отметим также, что F-VLR измеряется без применения химических веществ, которые обеспечивают бактерицидные эффекты.
Как используется здесь, термин «микропора» предназначен для указания на межчастичную пору, имеющую ширину или диаметр менее чем 2 нм (или 20 Å).
Как используется здесь, термин «мезопора» предназначен для указания на межчастичную пору, имеющую ширину или диаметр между 2 нм и 50 нм (или между 20 Å и 500 Å).
Как используется здесь, термин «макропора» предназначен для указания на межчастичную пору, имеющую ширину или диаметр более 50 нм (или 500 Å).
Как используется здесь, словосочетание «полный объем пор» и его производные предназначены для указания на объем всех межчастичных пор, т.е. микропор, мезопор и макропор. Полный объем пор рассчитывается как объем азота, адсорбированного при относительном давлении 0,9814 с помощью BET процесса (стандарт ASTM D 4820-99), общеизвестного в технике процесса.
Как используется здесь, словосочетание «объем микропор» и его производные предназначены для указания на объем всех микропор. Объем микропор рассчитывается как объем азота, адсорбированного при относительном давлении 0,15 с помощью BET процесса (стандарт ASTM D 4820-99), общеизвестного в технике процесса.
Как используется здесь, словосочетание «сумма объемов мезопор и макропор» и его производные предназначены для указания на объем всех мезопор и макропор. Сумма объемов мезопор и макропор равна разности между общим объемом пор и объемом микропор, или, эквивалентно, вычисляется из разности между объемом адсорбированного азота при относительном давлении 0,9814 и 0,15 с помощью BET процесса (ASTM D 4820-99 стандарт), общеизвестного в технике процесса.
Как используется здесь, словосочетание «распределение размеров пор в диапазоне мезопор» предназначено для указания на распределение размеров пор как рассчитанное процессом (BJH) Barrett, Joyner и Helenda, общеизвестного в технике процесса.
Как используется здесь, термин «карбонизация» и его производные предназначены для указания на процесс, в котором количество неуглеродных атомов в карбонатной среде сокращается.
Как используется здесь, термин «активация» и его производные предназначены для указания на процесс, в котором углеродная среда становится более пористой.
Как используется здесь, термин «активированные углеродные частицы» или «активированные углеродные фильтровальные частицы» и их производные предназначены для указания на углеродные частицы, которые подвергаются процессу активации.
Как используется здесь, словосочетание «мезопористая активированная углеродная фильтрующая частица» относится к активированной углеродной фильтрующей частице, в которой сумма объемов мезопор и макропор может быть больше чем 0,12 мл/г.
Как используется здесь, словосочетание «микропористая активированная углеродная фильтрующая частица» относится к активированной углеродной фильтрующей частице, в которой сумма объемов мезопор и макропор может быть меньше чем 0,12 мл/г.
Как используется здесь, словосочетание «мезопористая и активированная основанием углеродная фильтрующая частица» относится к активированной углеродной фильтрующей частице, в которой сумма объемов мезопор и макропор может быть больше чем 0,12 мл/г и иметь точку нулевого заряда больше чем 7.
Как используется здесь, словосочетание «осевой поток» относится к потоку через плоскую поверхность и перпендикулярно к этой поверхности.
Как используется здесь, словосочетание «радиальный поток» относится к потоку через по существу цилиндрическую или по существу конусную поверхность и перпендикулярно к этим поверхностям.
Как используется здесь, словосочетание «лицевая область» относится к области фильтровального материала, первоначально подставленную для входящей воды. Например, в случае фильтров осевого потока лицевая область - это область поперечного сечения фильтровального материала на входе жидкости, а в случае фильтра радиального потока лицевая область - это наружная область фильтровального материала.
II. Проницаемость
Неожиданно обнаружено, что ключевым параметром проекта фильтровального блока является проницаемость фильтра. Как обсуждалось выше, предшествующие попытки сделать фильтровальные блоки, которые удаляют малые, то есть субмикронные взвешенные частицы, приводили к фильтровальным блокам с плохими потоковыми характеристиками, и в особенности, высокому падению давления через фильтровальный блок. Выяснилось, что эти предшествующие фильтровальные блоки имеют низкую проницаемость, смотри, например, таблицу 1 в разделе Примеры.
Проницаемость представляет собой внутреннее свойство фильтровального блока, который может быть рассчитан для заданной скорости потока, падения давления через фильтровальный блок, вязкости фильтруемой жидкости и общих геометрических размеров фильтровального блока. Следующие две формулы могут быть использованы для расчета проницаемости для фильтровальных блоков радиального и осевого потоков, которые представляют собой наиболее часто используемые фильтровальные блоки, и здесь раскрывается предпочтительная конфигурация фильтровального блока. Специалисты легко смогут применить эти формулы к фильтровальным блокам иной геометрии.
Проницаемость фильтровального блока радиального потока рассчитывается как:
,
а проницаемость фильтровального блока осевого потока рассчитывается как:
,
p
o
o
2
1
p
о
p
o
3
2
2
где Q - скорость радиального потока, Q - скорость осевого потока (в мл/с или см/с), µ - вязкость (в пуазах или дин/см), ln - натуральный логарифм, r - радиус фильтра осевого потока, r - внешний радиус фильтра радиального потока, r - внутренний радиус фильтра радиального потока (все в см), ΔР - падение давления фильтра радиального потока, ΔР - падение давления фильтра осевого потока (в дин/см), L - длина фильтра радиального потока, и L - длина фильтра осевого потока (в см).
p
2
1
p
На Фиг.1, на которой схематически представлен фильтровальный блок 10 радиального потока согласно данному изобретению, впускной или «грязный» поток 12, обозначенный как Q, показан входящим во внешнюю поверхностную область 14, которая имеет внешний или наружный радиус 15, обозначенный как r. Поток 12 проходит через фильтровальный блок 10 к внутреннему полому ядру 16, которое имеет внутренний радиус 17, обозначенный как r. Отфильтрованный или «чистый» поток 18 затем продвигается через пустое ядро 16 в накопительную емкость (не показана). Фильтровальный блок 10 имеет длину 11, обозначенную как L.
o
о
o
На Фиг.2, на которой схематически представлен фильтровальный блок 20 осевого потока согласно данному изобретению, впускной или «грязный» поток 22, обозначенный как Q, показан входящим в верхнюю поверхностную, или лицевую область 24, которая имеет радиус 25, обозначенный как r. Поток 22 проходит сквозь фильтровальный блок 20 к нижней поверхности 26. Отфильтрованный или «чистый» поток 28 затем продвигается в накопительную емкость (не показана). Фильтровальный блок 20 имеет длину 21, обозначенную как L. Внешняя поверхностная область 23 осевого фильтровального блока 20 обычно герметизируется, так что жидкость, будучи отфильтрованной, должна проходить всю осевую длину фильтровального блока 20.
о
2
В предпочтительном аспекте настоящего изобретения внешний радиус фильтровального блока, r или r, меньше чем примерно 10 см, предпочтительно меньше чем примерно 7,5 см и еще предпочтительнее меньше чем примерно 5 см. Кроме того, предпочтительно, чтобы объем фильтровального блока был меньше чем примерно 2000 мл, предпочтительно меньше чем примерно 1000 мл, еще предпочтительнее менее чем примерно 200 мл и еще предпочтительнее менее чем примерно 100 мл, и даже более предпочтительно - менее чем примерно 50 мл. Специалисты оценят, так что объем радиального фильтровального блока исключает объем полого ядра.
III. Фильтровальные частицы
Предпочтительными фильтровальными частицами для использования в данном изобретении являются углеродные частицы, более предпочтительно активированные углеродные частицы. Для подробного описания и дальнейшего определения мезопористых активированных углеродных фильтровальных частиц смотри следующие печатные публикации и совместно рассматриваемые патентные заявки: заявки РСТ US 02/27000, US 02/27002, US 03/05416, US 03/05409, заявки на патент США 10/464.210, 10/464.209, 10/705572 и 10/705174, которые все поданы на имя Mitchell et al. и все принадлежат Procter&Gamble Co. Все вышеупомянутые заявки во всей своей полноте включены сюда посредством ссылки.
Неожиданно обнаружено, что мезопористые активированные углеродные фильтровальные частицы адсорбируют большее количество микроорганизмов по сравнению с микропористыми активированными углеродными фильтровальными частицами. Также неожиданно обнаружено, что мезопористые и основные активированные углеродные фильтровальные частицы адсорбируют большее количество микроорганизмов по сравнению с адсорбированными мезопористыми и кислотными активированными углеродными фильтровальными частицами. Кроме того, неожиданно обнаружено, что мезопористые, основные и восстановленные кислородом активированные углеродные частицы адсорбируют большее количество микроорганизмов по сравнению с адсорбированными мезопористыми и основными активированными углеродные фильтровальными частицами без снижения процентного содержания технического кислорода по массе.
Специалисты оценят, что фильтровальные частицы, подходящие для использования в данном изобретении, включают в себя предпочтительные частицы, перечисленные непосредственно выше, а также другие материалы, выбранные из группы, состоящей из активированных углеродных порошков, активированных углеродных гранул, активированных углеродных волокон, цеолитов, активированного глинозема, активированной окиси магния, диатомовой земли, частиц серебра, активированного кремнезема, гидроталькитов, стекла, полиэтиленовых волокон, полипропиленовых волокон, волокон сополимеров этилена и малеинового ангидрида, песка, глины и их смесей.
Один предпочтительный, но не единственный метод получения желаемой проницаемости для фильтровальных блоков настоящего изобретения представляет собой управление средним размером частицы и уменьшение распределения частиц по размерам фильтровальных частиц. В особенности, предпочтительная проницаемость может быть получена изготовлением фильтровального блока из фильтровальных частиц, имеющих средний размер частиц менее чем примерно 50 мкм, предпочтительно менее чем примерно 40 мкм, более предпочтительно меньше чем примерно 37,5 мкм и даже более предпочтительно меньше чем примерно 35 мкм. Кроме того, также предпочтительно, чтобы фильтровальные частицы имели распределение частиц по размерам примерно 1,8 или менее, предпочтительно 1,5 или менее, более предпочтительно 1,4 или менее и даже более предпочтительно 1,3 или менее.
Как описано здесь, фильтровальный блок настоящего изобретения в общем содержит фильтровальные частицы и связующий материал. В одном предпочтительном аспекте настоящего изобретения по меньшей более предпочтительно по меньшей мере примерно 70% и даже более предпочтительно по меньшей мере примерно 80% по массе из фильтровальных частиц активированных углеродных частиц. Специалисты оценят, что активированные углеродные частицы не включают в себя активированные углеродные волокна, хотя и те, и другие являются поднаборами более широкой категории фильтровальных частиц. Различие между волокнами и частицами лучше всего устанавливается соотношением длины к ширине, т.е. фильтровальная частица, которая имеет это соотношение больше, чем 4:1, в общем классифицируется как волокно, тогда как фильтровальная частица с соотношением 4:1 или меньше в общем рассматривается как частица.
IV. Покрытые фильтровальные частицы
Фильтровальные частицы, используемые для создания фильтровальных блоков и фильтров настоящего изобретения, могут быть покрыты разнообразными материалами, которые обеспечивают определенные преимущества. Например, заявки США 10/705572 и 10/705174 на имя Mitchell et al. описывают множество металлических и катионных покрытий, подходящих для использования в данном изобретении. Эти покрытия обеспечивают преимущества в удалении вирусов и бактерий.
Когда используются покрытые фильтровальные частицы, предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть фильтровальных частиц покрывалась материалом, выбранным из группы, состоящей из серебра, серебросодержащего материала, катионного полимера и их смесей. Предпочтительные катионные полимеры для использования в данном изобретении выбираются из группы, состоящей из поли(N-метилвиниламина), полиалиламина, полиалилдиметиламина, и полидиалилметиламина, полидиалилдиметиламмоний хлорида, поливинилпиридиний хлорида, поли(2-винилпиридина), поли(4-винилпиридина), поливинилимидазола, поли(4-аминометилстирола), поли(4-аминостирола), поливинил(акриламид-со-диметиламинопропилакриламида), поливинил(акриламид-со-диметиламиноэтилметакрилата), полиэтиленимина, полилизина, дендримеров DAB-Am и РАМАМ, полиаминоамидов, полигексаметиленбигуандида, полидиметиламин-эпихлорогидрина, аминопропилтриэтоксисилана, N-(2-аминоэтил)-3-аминопропилтриметоксисилана, N-триметоксисилилпропил-N,N,N-триметиламмоний хлорида, бис(триметоксисилилпропил)амина, хитозана, трансплантированного крахмала, продукта алкилирования полиэтиленимина метилхлоридом, продукта алкилирования полиаминоамида эпихлорогидрином, катионного полиакриламида с катионными мономерами, диметил аминоэтил акрилат метил хлорида (АЕТАС), диметил аминоэтил метакрилат метил хлорида (МЕТАС), акриламидопропил триметил аммоний хлорида (АРТАС), метакрил амодопропил триметил аммоний хлорида (МАРТАС), диалил диметил аммоний хлорида (DADMAC), ионенов, силанов и их смесей. Предпочтительно катионные полимеры выбираются из группы, состоящей из полиаминоамидов, полиэтиленимина, поливиниламина, полидиалилдиметиламмоний хлорида, полидиметиламинэпихлоргидрина, полигексаметиленбигуанида, поли-[2-(2-этокси)-этоксиэтил-гуанидин] хлорида.
В дополнение к покрытиям, описанным выше, которые могут помочь в удалении или уничтожении вирусов и бактерий, покрытия могут также добавляться для улучшения потоковых характеристик фильтровального блока, тем самым влияя на проницаемость фильтровальных блоков. Например, полимеры, уменьшающие тягучесть, могут быть применены к фильтровальному блоку для уменьшения падения давления через фильтр. Не ограничивающие примеры полимеров, уменьшающих тягучесть, включают в себя линейные полимеры, такие как поливиниламин, поливиниловый спирт, полиакриламид, частично гидролизированный полиакриламид и полиэтиленоксид.
Другие примеры будут известны специалистам.
V. Фильтры настоящего изобретения
Примеры конфигураций фильтров, устройств питьевой воды, потребительских приборов и других устройств фильтрации воды, подходящих для использования с настоящим изобретением, раскрыты в патентах США №5527451, 5536394, 5882507, 6103114, 4969996, 5431813, 6214224, 5957034, 6145670, 6120685 и 6241899, сущность которых включена здесь посредством ссылки. Помимо этого, патенты и заявки, указанные выше и включенные сюда посредством ссылки, описывают фильтры, которые могут быть приемлемы для использования с настоящим изобретением. Один предпочтительный способ изготовления фильтровальных блоков настоящего изобретения описывается ниже в разделе Примеров.
В добавление к фильтровальному блоку, раскрытому здесь, фильтры настоящего изобретения могут также содержать другие фильтровальные системы, в том числе системы обратного осмоса, системы с ультрафиолетовыми лучами, озонные системы, ионообменные системы, системы электролиза воды и другие системы обработки воды, известные специалистам. Кроме того, фильтры настоящего изобретения могут содержать фильтры предварительной очистки, обернутые вокруг фильтровального блока для предотвращения от засорения фильтровальных блоков взвешенными частицами. Далее фильтры настоящего изобретения могут содержать индикаторные системы и (или) запорные системы для указания потребителю оставшегося срока службы/вместимости фильтра и для запирания фильтра, когда оставшейся срок службы/вместимость фильтра равна нулю.
Как обсуждалось выше, фильтровальный материал может быть предоставлен в любой свободной или соединенной форме (к примеру, частично или полностью связанные полимерным связующим материалом или другими средствами для формирования интегральной структуры).
Фильтровальный материал может быть использован для разных приложений (фильтры предварительной очистки или пост фильтры) путем варьирования размера, формы, комплексообразования, загрузки, пористости, структуры поверхности, функциональных групп и т.п. для фильтровальных частиц, как обсуждалось выше. Фильтровальный материал может быть также смешан с другими материалами, как только что описано, для приспособления его к частному использованию. Независимо от того, смешан ли фильтровальный материал с другими материалами, он может быть использован как разрыхленный пласт, блок (включающий в себя совместно экструдированный блок, который описан в патенте США №5679248, который здесь включен сюда посредством ссылки) и их смеси. Предпочтительные способы, которые можно использовать с фильтровальными материалами, включают в себя формирование блокового фильтра, сделанного из углеродно-керамической смеси (в которой связывание получается из-за обжига керамики), использование порошка между неткаными волокнами, как описано в патенте США №6077588, который включен сюда посредством ссылки, использование способа прочности материала в сыром виде, как описано в патенте США №5928588, который включен сюда посредством ссылки, активирование связующей смолы, которая формирует блок, что включено сюда посредством ссылки, или за счет использования способа резистивного нагрева, как описано в заявке РСТ №WO 98/43796. Фильтровальный блок настоящего изобретения может быть изготовлен по стандартным процессам экструдирования, известным специалистам. Такие процессы описаны в патенте США №5331037 на имя Koslow et al., который включен сюда посредством ссылки.
Скорость потока при высокой проницаемости фильтровальной системы может управляться устройством управления потоком или давлением. Устройство управления потоком / давлением включает в себя регуляторы давления, которые управляют входным давлением или падением давления через фильтр. Устройства управления прямым потоком создают переменное падение давления, зависящее от скорости потока. Наиболее общим устройством управления потоком является, например, шайба 30, как показано на Фиг.3. Шайба 30 обычно представляет собой тонкую эластичную прокладку 31 с отверстием 32 в центре. Шайба 30 поддерживается по своему периметру 33 и отклоняется в углубленную форму в ответ на впускной поток 34. Чем больше скорость потока, тем больше отклонение. Когда шайба 30 отклоняется, это заставляет обращенную к потоку поверхность отверстия 35 уменьшаться в размере (увеличивать падение давления), благодаря этому управляя скоростью выпускного потока 36.
VI. Примеры фильтровальных блоков
Ниже приведены примеры фильтровальных блоков, изготовленных согласно данному изобретению. Эти примеры не предназначены для ограничения настоящего изобретения каким-либо образом. Проницаемость и другие вычисленные параметры для Примеров 1-4 даны ниже в Таблице 1. Кроме того. Таблица 1 включает в себя три сравнительных примера из предыдущих публикаций. Эти три сравнительных примера не предназначены для исчерпывающего представления уровня техники.
Фильтровальные блоки в приведенных ниже Примерах 1-4 изготовлены с помощью следующего процесса и оборудования литья под давлением. Используется пневматический фильтровый пресс, который состоит из двухконечного вертикально расположенного цилиндрического пресса, нижнего поршня и верхнего поршня. Отверстие цилиндрического пресса имеет диаметр 2'' (5,1 см) и длину 3'' (7,6 см). Нижний поршень приводится в движение пневматическим цилиндром с диаметром 1,5'' (3,8 см) и длиной 4'' (10,2 см) (Mosier Fluid Power of Ohio, Майамисбург, Огайо; Модель № EJO155A1), а верхний поршень приводится в движение пневматическим цилиндром с диаметром 1,5'' (3,8 см) и длиной 4'' (10,2 см) (Mosier Fluid Power of Ohio, Майамисбург, Огайо; Модель № EJO377A3). Верхний и нижний поршни нагреваются тепловым контроллерами Omron Corp. (Шаумбург, Иллинойс; Модель № E5CS), а цилиндрический пресс нагревается полосовыми нагревателями от Fast Heat, Inc. (Ельмхерст, Иллинойс; Модель № BW 020000). Контроллер полосовых нагревателей представляет собой трансформатор с плавной регулировкой Statco Energy Products, Co., Дайтон, Огайо (Модель № 3PN1010).
Примерно 42 г углерода смешиваются с примерно 13,2 г связующего вещества из полиэтилена низкой плотности (LDPE) Microthene FN510-00 от Equistar Chemicals, Inc. (Цинциннати, Огайо) и примерно 4.8 г алюминосиликатного порошка Alusil 70 от Selecto, Inc. (Норкросс, Джорджия). Таким образом, полная углеродная смесь составляет примерно 60 г. При полностью втянутом верхнем поршне и при нижнем поршне полностью в нижнем положении цилиндрический пресс заполняется углеродной смесью, и стенка цилиндрического пресса плавно накладывается для осаживавания смеси. Цилиндрический пресс заполняется полностью, а излишки удаляются для выравнивания смеси. Верхний поршень медленно опускается, полностью контактируя при давлении 60 psi (фунт/кв.дюйм) (0,41 МПа), и выдерживается несколько секунд. Затем давление понижается до близкого к нулю, и верхний поршень медленно втягивается. Опять цилиндрический пресс заполняется большим количеством углеродной смеси, стенка цилиндра плавно накладывается для осаживания смеси, верхний поршень медленно опускается до полного контакта, и давление повышается до 60 psi (0,41 МПа). Эта процедура повторяется еще один раз до полного заполнения цилиндрического пресса углеродной смесью. После третьего заполнения на верхнем поршне поддерживается давление 60 psi (0,41 МПа). Затем включаются контролеры обогрева цилиндра, и температура устанавливается на 400°F (204°С). Полосной нагреватель также включается, и трансформатор с плавной регулировкой устанавливается на 70% или приблизительно 550°F (288°С). Цикл нагрева длится 10 минут. В конце цикла нагрева три нагревателя выключаются, позволяя прессу охлаждаться приблизительно 10 минут воздухом через верхний и нижний поршни, и фильтр извлекается из цилиндрического пресса. Габариты извлекаемого фильтра таковы: наружный диаметр 2'' (5,1 см) и длина около 2,5'' (6,4 см). Наконец, фильтры делаются фильтрами радиального потока путем высверливания центрального отверстия, а наружный диаметр фильтров уменьшается до конечного диаметра в станке.
2
Во всех примерах ниже используемой жидкостью была вода, которая имеет вязкость 0,01 пуаз или 0,01 дин с/см.
Пример 1
v,0,50
v,0,10
v,0,90
2
1
p
р
3
2
3
6
2
-9
2
Образец RGC мезопористых и основных древесных активированных углеродных частиц Nuchar получен от MeadWestvaco Corp.(Ковингтон, Вирджиния). Распределение углеродных частиц по размеру частиц измеряется общим методом рассеивания света, который известен в технологии, и результаты следующие: D=33,2 мкм, D=15,6 мкм, D=63,4 мкм, и распределение частиц по размерам = 1,44. Фильтровальные частицы не покрыты. Они смешиваются со связующим материалом и отливаются под давлением для формирования фильтровального блока радиального потока со следующими габаритами: наружный радиус (r)=0,75'' (1,9 см), внутренний радиус (r)=0,188'' (0,48 см) и длина = 2,3'' (5,8 см). Объем фильтровального блока равен 62 см (62 мл), а его лицевая область составляет 70 см. Для измерения проницаемости фильтровального блока взяты следующие условия: скорость потока Q=625 мл/мин (10,4 см/с) и падение давления ΔР=18 psi (0,12 МПа, или 1,24·10 дин/см). Проницаемость фильтровального блока вычислена как 3,30×10 см. F-VLR фильтровального блока измеряется с помощью способа, описанного здесь, и результат этого измерения таков: снижение вирусов 4,3 log, то есть больше чем 99,99% удаления вирусов.
Пример 2
v,0,50
v,0,10
v,0,90
2
1
p
p
3
2
3
6
2
-9
2
Образец RGC мезопористых и основных древесных активированных углеродных частиц Nuchar получен от MeadWestvaco Corp. Распределение углеродных частиц по размеру частиц измеряется общим методом рассеивания света, который известен в технологии, и результаты следующие: D=33,2 мкм, D=15,6 мкм, D=63,4 мкм, и распределение частиц по размерам = 1,44. Углеродные частицы покрыты поливиниламином (PVAm). Они смешиваются со связующим материалом и отливаются под давлением для формирования фильтровального блока радиального потока со следующими габаритами: наружный радиус (r)=0,75'' (1,9 см), внутренний радиус (r)=0,188'' (0,48 см) и длина = 2,3'' (5,8 см). Объем фильтровального блока равен 62 см (62 мл), а его лицевая область составляет 70 см. Для измерения проницаемости фильтровального блока взяты следующие условия: скорость потока Q=940 мл/мин (15,7 см/с) и падение давления ΔР=15 psi (0,10 МПа, или 1,03·10 дин/см). Проницаемость фильтровального блока вычислена как 5,72×10 см. F-VLR фильтровального блока измеряется с помощью способа, описанного здесь, и результат этого измерения таков: снижение вирусов 4,0 log, то есть больше чем 99,99% удаления вирусов.
Пример 3
v,0,50
v,0,10
v,0,90
p
р
3
6
2
-9
Образец RGC мезопористых и основных древесных активированных углеродных частиц Nuchar получен от MeadWestvaco Corp. Углеродные частицы разделяются по размеру частиц общим методом просеивания, который известен в технологии, для получения следующего распределения частиц по размерам, что проверяется рассеянием света: D=48,8 мкм, D=18,2 мкм, D=78,2 мкм, и распределение частиц по размерам = 1,23. Фильтровальные частицы не покрыты. Они смешиваются со связующим материалом и отливаются под давлением для формирования фильтровального блока радиального потока с теми же самыми габаритами, объемом фильтровального блока и площадью поверхности, что и в Примерах 1 и 2. Для измерения проницаемости фильтровального блока взяты следующие условия: скорость потока Q=625 мл/мин (10,4 см/с) и падение давления ΔР=12 psi (0,08 МПа, или 0,83·10 дин/см). Проницаемость фильтровального блока вычислена как 4,75×10 см. F-VLR фильтровального блока измеряется с помощью способа, описанного здесь, и результат этого измерения таков: снижение вирусов 4,2 log, то есть больше чем 99,99% удаления вирусов.
Пример 4
v,0,50
v,0,10
v,0,90
p
р
3
6
2
-9
2
Два образца RGC мезопористых и основных древесных активированных углеродных частиц Nuchar с различными распределения по размерам частиц получены от MeadWestvaco Corp. Эти два образца смешиваются вместе и результирующее распределение частиц по размерам измеряется рассеиванием света со следующими результатами: D=103,6 мкм, d=23,8 мкм, D=233,1 мкм, и распределение частиц по размерам = 2,02. Углеродные частицы покрываются поливиниламином (PVAm). Они смешиваются со связующим материалом и отливаются под давлением для формирования фильтровального блока радиального потока с теми же самыми габаритами, объемом фильтровального блока и площадью поверхности, что и в Примерах 1, 2 и 3. Для измерения проницаемости фильтровального блока взяты следующие условия: скорость потока Q=625 мл/мин (10,4 см/с) и падение давления ΔР=8 psi (0,055 МПа, или 0,55·10 дин/см). Проницаемость фильтровального блока вычислена как 7,13×10 см. F-VLR фильтровального блока измеряется с помощью способа, описанного здесь, и результат этого измерения таков: снижение вирусов 4,2 log, то есть больше чем 99,99% удаления вирусов.
Таблица 1 ниже показывает проницаемость четырех фильтровальных блоков, продемонстрированных выше, и трех фильтровальных блоков из предыдущих публикаций. Дается также дополнительная информация о фильтровальных блоках.
Таблица 1
№ примера
1
2
3
4
5*
6*
7*
F-VLR
4,3
4,0
4,2
4,2
4,2
<<3
6
Проницаемость [× 10<sup>-9</sup> см<sup>2</sup>]
3,30
5,72
4,75
7,13
2,49
0,73/1,36
1,20
Поток радиальный?
Да
Да
Да
Да
Нет
Да
Да
Объем фильтровального блока [мл]
62
62
62
62
58
263
2482
Наружный диаметр [см]
3,8
3,8
3,8
3,8
7,6
5,1
12,9
Лицевая площадь [см<sup>2</sup>]
70
70
70
70
45,6
405
811
Распределение частиц по размерам
1,44
1,44
1,23
2,02
2,01
неизвестно
2,8
D<sub>v,0,50</sub> [мкм]
33,2
33,2
48,8
103,6
45
>45
30
* Примеры взяты из опубликованных патентов и заявок
Пример 5 = Пример №3 из заявки США 2003/0217963 на имя Mitchell et al.
Пример 6 = Из Примера в патенте США №6.395.190 на имя Koslow et al.
Пример 7 = первый вариант осуществления из заявки США 2003/0034290 на имя Tochikubo et al.
Для Примеров 5, 6 и 7 распределения частиц по размеру раскрыты как массовые, а не объемные части. Но специалисты оценят, что для образца одного типа частиц, как в случае каждого из этих трех примеров, плотность частиц будет такая же и, следовательно, объемное распределение частиц по размерам будет таким же, как распределение частиц по размеру на основе массы.
Неизвестно = эти параметры не могут быть определены из информации в опубликованной ссылке.
Все блоки в Таблице 1 были отлиты под давлением, кроме Примера 6, который был изготовлен процессом экструзии.
Никакие металлические биоциды не использовались ни в одном из примеров.
VII. Процедуры тестирования и вычисления
Следующие процедуры тестирования используются для вычисления F-VLR и F-BLR.
Процедура тестирования F-BLR
8
2
Подлежащий тестированию фильтровальный блок устанавливают внутри корпуса, приспособленного для фильтровального блока и его потоковых характеристик (осевой, радиальной и т.д.), и вода, загрязненная Е.coli с концентрацией примерно 1×10 CFU/L, протекает при скорости потока по меньшей мере примерно 600 мл/мин. Измерения выходящего потока делаются после того, как объемный поток жидкости через фильтровальный блок равен по меньшей мере 10 объемам фильтровального блока. Используемые бактерии Е.coli - это АТСС # 25922 (Американская коллекция типов культур, Роквиль, Мерилэнд). Анализ на Е.coli может быть проведен с помощью метода мембранного фильтра согласно процессу # 9222 из 20-го издания «Standard Processes for the Examination of Water and Wastewater» («Стандартные процессы для проверки воды и сточной воды»), опубликованного Американской ассоциацией общественного здоровья (АРНА), Вашингтон, округ Колумбия, сущность которого включена сюда посредством ссылки. Другие анализы, известные из уровня техники, тоже могут быть использованы (COLILERT). Предел обнаружения (LOD) составляет примерно 1·10 CFU/L при измерении методом мембранного фильтра и примерно 10 CFU/L при измерении методом COLILERT. Выходящая вода собирается после того, как поток наберет примерно первых 2.000 объемов пор фильтровального материала, анализируется для подсчета содержания бактерий Е.coli и F-BLR вычисляется с помощью этого определения.
Процедура тестирования F-VLR
7
3
Корпуса такие же, как описанные выше в процедуре F-BLR. Вода, загрязненная MS-2 с концентрацией примерно 1×10 PFU/L, протекает через корпус / фильтровую систему при скорости потока по меньшей мере примерно 600 мл/мин. Измерения выходящего потока делаются после того, как объемный поток жидкости через фильтровальный блок равен по меньшей мере 10 объемам фильтровального блока. Используется бактериофаг MS-2 АТСС # 15597 В (25922 (Американская коллекция типов культур, Роквиль, Мерилэнд). Анализ на MS-2 может быть проведен согласно процедурам С.J.Hurst, Appl. Environ. Microbiol, 60(9), 3462 (1994), сущность которой включена сюда посредством ссылки. Другие анализы, известные из уровня техники, тоже могут быть использованы. Предел обнаружения (LOD) составляет примерно 1×10 PFU/L. Выходящая вода собирается после того, как поток наберет примерно первых 2.000 объемов пор фильтровального материала, анализируется для подсчета содержания присутствующих бактериофагов MS-2, и F-VLR вычисляется с помощью этого определения.
Настоящее изобретение может дополнительно включать в себя информацию, которая будет сообщать потребителю, словами и (или) рисунками, так что использование углеродных фильтровальных частиц и (или) фильтровального материала настоящего изобретения обеспечит преимущества, которые включают в себя удаление микроорганизмов, и эта информация может содержать заявление приоритета над другими продуктами. В весьма желательном варианте информация может включать в себя то, что использование настоящего изобретения обеспечивает уменьшение уровня микроорганизмов, имеющих нано-размеры. Соответственно, важно, что использование упаковок совместно с информацией, которая будет сообщать потребителю, словами и (или) рисунками, что использование изобретения будет обеспечивать преимущества такие же, как питьевая вода или более чистая питьевая, как здесь обсуждалось. Эта информация может также включать в себя, к примеру, рекламу во всех обычных средствах информации, так же как сообщения и значки на упаковке или на самом фильтре, для информирования потребителя.
Все документы, процитированные в подробном описании изобретения, включены сюда в своей релевантной части посредством ссылки, цитирование любого документа не должно рассматриваться как признание того, что это прототип по отношению к настоящему изобретению.
Варианты осуществления, описанные здесь, были выбраны и описаны для предоставления наилучшей иллюстрации принципов изобретения и его практического применения, чтобы тем самым позволить специалисту использовать изобретение в различных вариантах осуществления и с различными изменениями, которые пригодны для предусмотренного частного использования. Все такие изменения и варианты находятся в объеме изобретения, как определено приложенной формулой изобретения при интерпретации в соответствии с широтой, до которой они фактически, легально и справедливо представлены.