專利名稱：水過濾材料、相應的水過濾器及其使用方法
技術領域：
本發明涉及水過濾材料和水過濾器領域以及水過濾材料和水過濾器的使用方法。更具體地講，本發明涉及包含中孔隙活性炭顆粒的水過濾器領域。
背景技術：
水中可能包含有許多不同種類的污染物，其中包括如顆粒、有害化學物質以及如細菌、寄生蟲、原生動物和病毒微生物有機物。在很多情況下，必須要將這些污染物除去后，水才能夠使用。例如，在許多醫療應用領域和在某些電子元件的制造過程中，都需要使用高度純凈的水。另外一個更為普遍的實施例是，水在可飲用(即適于飲用)之前必須將任何有害污染物除去。盡管已有現代化的水凈化方法，但對于普通人而言仍存在風險，特別是對于嬰兒和免疫系統受損的人具有相當大的風險。
在美國和其它發達國家，市政處理過的水中典型地包括以下一種或多種雜質懸浮固體、細菌、寄生蟲、病毒、有機物質、重金屬和氯。有時候，水處理系統的故障和其它問題會導致水中的細菌和病毒不能被完全清除。在其它國家，由于一些地區人口密度不斷增加、水源不斷減少并且沒有水處理設備，與污染水接觸已經導致了致命的后果。由于飲用水源普遍與人和動物的排泄物相鄰，因此微生物污染是影響健康的主要問題。水中滋生微生物所產生的污染估計每年會造成大約六百萬人死亡，其中有一半是5歲以下的兒童。
1987年，美國環境保護署(EPA)提出了“測試微生物水凈化器的指導標準和議定書”。該議定書對飲用水處理系統的性能制定了最低要求，而這些水處理系統的作用是減少公共水源和個人水源中某些影響健康的特殊污染物。要求供應水源中流出的水中病毒清除率為99.99％(或相當于4log)，細菌清除率為99.9999％(或相當于6log)才能夠滿足要求。按照EPA議定書，病毒在流入的水中其濃度應為1×107每升，細菌在流入的水中其濃度應為1×108每升。由于大腸桿菌(E.coli，細菌)在供水中普遍存在，且其被飲用后將產生相關風險，因此將這種微生物作為大多數研究中的細菌。類似地，MS-2菌噬菌體(或簡稱為MS-2噬菌體)是一種典型地用于病毒清除的代表性微生物，因為其大小和形狀(即約26nm，且為二十面體)與很多病毒相似。因此，可以用水過濾器對MS-2細菌噬菌體的清除能力來表示其清除其他病毒的能力。
由于這些要求和對提高飲用水質量的普遍關注，因此仍需要一種能夠清除流體中細菌和/或病毒的過濾材料及過濾器的制造方法。
發明概述本發明提供可飲用水的過濾器。該過濾器包括具有一個入口和一個出口的外殼，過濾材料設置在該外殼內，并且該過濾材料至少部分形成于多個中孔隙活性炭過濾顆粒。
附圖簡述雖然本說明書通過特別指出并清楚地要求保護本發明的權利要求作出結論，但應該相信由下列說明并結合附圖可更好地理解本發明，其中

圖1a為中孔隙酸性活性炭顆粒CA-10和中孔隙堿性還原氧活性炭顆粒TA4-CA-10的BET氮吸附等溫線；圖1b為中孔隙堿性活性炭顆粒RGC和中孔隙堿性還原氧活性炭THe4-RGC的BET氮吸附等溫線；圖2a為圖1a中顆粒的中孔體積分布。
圖2b為圖1b中顆粒的中孔體積分布。
圖3a為圖1a中顆粒的零電荷點圖表。
圖3b為圖1b中顆粒的零電荷點圖表。
圖4為依照本發明制造的軸流式過濾器的橫截面側視圖。
圖5a圖示說明圖1a中的活性炭顆粒的大腸桿菌浴濃度對于時間的函數。
圖5b圖示說明圖1b中的活性炭顆粒的大腸桿菌浴濃度對于時間的函數。
圖6a圖示說明圖1a中的活性炭顆粒的MS-2浴濃度對于時間的函數。
圖6b圖示說明圖1b中的活性炭顆粒的MS-2浴濃度對于時間的函數。
圖7a圖示說明大腸桿菌流動濃度關于通過2個過濾器后水的累積體積的函數；其中一個過濾器包含RGC中孔隙堿性活性炭，另一個則包含椰子微孔隙活性炭顆粒。
圖7b圖示說明MS-2流動濃度對于通過2個過濾器后水的累積體積的函數；其中一個過濾器包含RGC中孔隙堿性活性炭，另一個則包含椰子微孔隙活性炭顆粒。
優選實施方案的詳細描述所有引用的文獻的相關部分均引入本文以供參考。任何文獻的引用都不可解釋為是對其作為本發明的現有技術的認可。
I.定義本文所用術語“過濾器”和“過濾”是指分別與通過主要吸附和/或尺寸排除方式清除微生物(和/或清除其它污染物)至較少程度相關的結構或機理。
本文所用短語“過濾材料”意指過濾顆粒的聚集體。形成過濾材料的過濾顆粒的該聚集體可為同類或異類。在過濾材料內過濾顆粒可為均勻或非均勻分布(如不同過濾顆粒組成的層)。形成過濾材料的過濾顆粒也無需具有相同的形狀或尺寸，并可以松散或相互連接的形式提供。例如，過濾材料可包括與活性炭纖維結合的中孔隙堿性活性炭顆粒，這些過濾顆粒或可以松散關聯形式提供，或由聚合體粘合劑或以其它方式部分或全部粘結形式形成整體結構。
本文所用短語“過濾顆粒”意指用于形成至少部分過濾材料的獨立構件或條片。例如，一根纖維、一顆微粒、一個小珠等在本發明中都被認為是一個過濾顆粒。此外，過濾顆粒的大小可改變，從感觸不到的過濾顆粒(如非常細的粉末)到可觸知的過濾顆粒。
本文所用短語“過濾材料孔體積”是指過濾材料中尺寸大于0.1μm的粒間孔的總體積。
本文所用短語“過濾材料總體積”是指粒間孔體積和被過濾顆粒占據的體積之和。
本文所用術語“微生物”、“微生物有機物”和“病菌”可以相互替代。這些術語指具有細菌、病毒、寄生蟲、原生動物和病菌特征的各種微生物。
本文所用短語過濾器顆粒的“細菌清除指數”(BRI)定義為BRI＝100×[1-大腸桿菌均衡狀態浴濃度/大腸桿菌對照濃度)]，其中“大腸桿菌均衡狀態浴濃度”是指細菌在浴槽中均衡狀態下的濃度，浴槽中包含大量過濾顆粒，其總外表面積為1400cm2，且Sauter平均直徑小于55μm，如下文更詳細所述。在相隔2小時的兩個時間點進行測試，當大腸桿菌濃度變化保持在半個數量級之內時，則可達到均衡。短語“大腸桿菌對照濃度”是指對照浴槽中大腸桿菌的濃度，其等于約3.7×109CFU/L。Sauter平均直徑指其面積容量比與整個顆粒分布相同的顆粒的直徑。注意術語“CFU/L”是指“每升中菌落形成單位”，其為用于大腸桿菌計數的典型術語。BRI指數是在未使用具有殺菌效果的化學劑的情況下測得的。表達過濾顆粒除菌能力的一種相當的方法是采用“細菌對數清除指數”(BLRI)，其定義為BLRI＝-log[1-(BRI/100)]。
該BLRI指數為“log”單位(這里“log”代表對數)。例如，過濾顆粒的BRI指數等于99.99％時，即相當于BLRI指數等于4log。下文中給出了BRI和BLRI兩種指數的測試步驟。
本文所用短語過濾顆粒的“病毒清除指數”(VRI)定義為
VRI＝100×[1-(MS-2噬菌體均衡狀態浴濃度/MS-2噬菌體對照濃度)]，其中“MS-2噬菌體均衡狀態浴濃度”是指噬菌體在浴槽中均衡狀態下的濃度，浴槽中包含大量過濾顆粒，其總外表面積為1400cm2，且Sauter平均直徑小于55μm，如下文更詳細所述。在相隔2小時的兩個時間點進行測試，當MS-2濃度保持不變處于半個數量級之內時，則可達到均衡。短語“MS-2噬菌體對照濃度”是指對照浴槽中MS-2噬菌體的濃度，其等于約6.7×107PFU/L。注意，術語“PFU/L”表示“每升中噬菌體形成單位”，其為用于MS-2計數的典型術語。該VRI指數是在未使用具有殺菌效果的化學劑的情況下測得的。表達過濾顆粒除菌能力的一種相當的方法是采用“病毒對數清除指數”(VLRI)，其定義為VLRI＝-log[1-(VRI/100)]。
該VLRI指數為“log”單位(這里“log”代表對數)。例如，過濾顆粒的VRI等于99.9％，則其VLRI等于3log。下文中給出了VRI和VLRI值的測試步驟。
本文所用短語“過濾器細菌對數清除(F-BLR)”是指流過最初2,000個過濾材料孔體積后過濾器的細菌清除能力。F-BLR定義和計算如下F-BLR＝-log[(大腸桿菌的流出濃度)/(大腸桿菌的流入濃度)]，其中在整個測試中將“大腸桿菌的流入濃度”持續設定為約1×108CFU/L，并在約2,000個過濾材料孔體積流過過濾器后測量“大腸桿菌的流出濃度”。該F-BLR為“log”單位(這里“log”代表對數)。注意如果流出濃度低于化驗技術的檢測極限，則認為用于計算F-BLR的該流出濃度為檢測極限。同樣，注意F-BLR是在未使用具有殺菌效果的化學劑的情況下測得的。
本文所用短語“過濾器病毒對數清除(F-VLR)”是指流過最初2,000個過濾材料孔體積后，過濾器的病毒清除能力。
F-VLR定義和計算如下F-VLR＝-log[(MS-2的流出濃度)/(MS-2的流入濃度)]，其中在整個測試中將“MS-2的流入濃度”持續設定為約1×107PFU/L，并在約2,000個過濾材料孔體積流過過濾器后測量“MS-2的流出濃度”。該F-VLR為“log”單位(這里“log”代表對數)。注意如果流出濃度低于化驗技術的檢測極限，則認為用于計算F-VLR的該流出濃度為檢測極限。同樣，注意F-VLR是在未使用具有殺菌效果的化學劑的情況下測得的。
本文所用短語“總外表面積”意指一個或多個過濾顆粒的總幾何外表面積，如下文更詳細所述。
本文所用短語“比外表面積”意指每單位質量過濾顆粒的總外表面積，如下文更詳細所述。
本文所用術語“微孔”意指寬度或直徑小于2nm(或者相當于20)的顆粒內的孔。
本文所用術語“中孔”意指寬度或直徑介于2nm和50nm之間(或者相當于介于20和500之間)的顆粒內的孔。
本文所用術語“大孔”意指寬度或直徑大于50nm(或者相當于500)的顆粒內的孔。
本文所用短語“總孔體積”及其派生詞意指所有顆粒內的孔，即微孔、中孔和大孔的體積。總孔體積計算為在相對壓力為0.9814條件下，通過本領域所熟知的BET方法(ASTM D 4820-99標準)測得的氮吸附體積。
本文所用短語“微孔體積”及其派生詞意指所有微孔的體積。微孔體積計算為在相對壓力為0.15條件下，通過本領域所熟知的BET方法(ASTM D 4820-99標準)測得的氮吸附體積。
本文所用短語“中孔和大孔體積之和”及其派生詞意指所有中孔和大孔的體積。中孔與大孔體積之和等于總孔體積與微孔體積之差，或相當于，計算為在相對壓力分別為0.9814和0.15時，通過本領域所熟知的BET方法(ASTM D 4820-99標準)測得的氮吸附體積之差。
本文所用短語“中孔范圍孔徑分布”意指通過本領域所熟知的Barrett、Joyner和Halenda(BJH)方法計算得到的孔徑分布。
本文所用術語“碳化”及其派生詞意指減少含碳物質中非碳原子的方法。
本文所用術語“活化”及其派生詞意指一種使碳化物質變得更為多孔的方法。
本文所用術語“活性炭顆粒”或“活性炭過濾顆粒”以及它們的派生詞意指已經歷活化過程的碳化顆粒。
本文所用短語“零電荷點”意指一臨界pH值，高于該值則碳化顆粒的總表面荷上負電。測定零電荷點的眾所周知的測試步驟將在下文闡述。
本文所用術語“堿性”意指過濾顆粒的零電荷點大于7。
本文所用術語“酸性”意指過濾顆粒的零電荷點小于7。
本文所用短語“中孔隙活性炭過濾顆粒”意指一種活性炭過濾顆粒，其中中孔和大孔體積之和大于0.12mL/g。
本文所用短語“微孔隙活性炭過濾顆粒”意指一種活性炭過濾顆粒，其中中孔和大孔體積之和小于0.12mL/g。
本文所用短語“中孔隙堿性活性炭過濾顆粒”意指一種活性炭過濾顆粒，其中中孔和大孔體積之和大于0.12mL/g，且零電荷點大于7。
本文所用短語“中孔隙堿性還原氧活性炭過濾顆粒”意指一種活性炭過濾顆粒，其中中孔和大孔體積之和大于0.12mL/g，零電荷點大于7，且本體氧重量百分比為1.5％或更小。
本文所用短語“中孔隙酸性活性炭過濾顆粒”意指一種活性炭過濾顆粒，其中中孔和大孔體積之和大于0.12mL/g，且零電荷點小于7。
本文所用短語“原料”是指包含中孔和大孔或碳化及/或活化期間能夠產生中孔和大孔的任何前體。
本文所用短語“軸流”是指流過一個平表面并垂直于該表面。
本文所用短語“徑流”典型地是指流過基本圓柱形的或基本圓錐形的表面，并垂直于那些表面。
本文所用短語“正面區域”是指過濾材料最初暴露于流入水的區域。例如，在軸流式過濾器中，正面區域是過濾材料在流體入口處的橫截面區域，而在徑流式過濾器中，正面區域為過濾材料的外部區域。
本文所用短語“過濾深度”是指流入水從入口流至過濾材料出口的直線距離。例如，在軸流式過濾器中，過濾深度是過濾材料的厚度，而在徑流式過濾器中，過濾深度是過濾材料的外徑和內徑差的一半。
本文所用短語“平均流體駐留時間”和/或“平均流體接觸時間”是指當流體流過過濾材料時，其與過濾器內過濾顆粒接觸的平均時間，并被計算為過濾材料孔體積與流體流速的比率。
本文所用短語“過濾器孔隙率”和/或“過濾床層孔隙率”是指過濾材料孔體積與過濾材料總體積的比率。
本文所用短語“入口”是指流體由其能夠進入過濾器或過濾材料的部件。例如，入口可為過濾器的部分結構，或為過濾材料正面區域。
本文所用“出口”是指流體由其能夠流出過濾器或過濾材料的部件。例如，出口可為過濾器的部分結構，或為流體出口處過濾材料的橫截面區域。
II.中孔隙活性炭過濾顆粒出乎意料地發現，與微孔隙活性炭過濾顆粒相比，中孔隙活性炭過濾顆粒能吸附更多量的微生物。同樣出乎意料地發現，與中孔隙酸性活性炭過濾顆粒吸附相比，中孔隙堿性活性炭過濾顆粒能吸附更多量的微生物。此外，還意外地發現，與沒有還原本體氧重量百分比的中孔隙堿性活性炭過濾顆粒吸附相比，中孔隙堿性還原氧活性炭過濾顆粒能吸附更多量的微生物。
盡管不受任何理論的約束，但是關于孔隙率，申請者假定大量的中孔和/或大孔為病原體、它們的菌毛及構成病原體外膜、衣殼和包膜的表面聚合物(如蛋白質、脂多糖、低聚糖和多糖)提供更方便的吸附位置(中孔/大孔的開口或入口)，這是因為此類物質的典型尺寸類似于中孔和大孔的入口尺寸。此外，中孔隙率和大孔隙率可能與碳的一種或多種表面性質如表面粗糙度有關。
此外，不受理論的約束，申請者假定堿性活性炭表面包含為吸引更多量的微生物而必需的官能度類型，更多量是相對酸性活性炭表面吸引的微生物而言。吸附至堿性活性炭表面的能力增強可能歸因于堿性活性炭表面吸引典型地荷上負電的微生物及其表面上的官能團的事實。申請者進一步假定，當堿性活性炭被放置于水中時，其能夠通過還原分子氧產生消毒劑。盡管還原的最終產物為氫氧化物，但申請者認為形成了反應氧中間產物如過氧化物、過氧化氫物和/或羥基，且它們壽命足夠長以從碳擴散至本體溶液中。
此外，申請者認為隨著本體氧重量百分比減少，碳變得更具堿性。低的本體氧重量百分比可導致改進的細菌/病毒吸附，這是因為(1)更少的羧酸并因此更少的負表面以抵制細菌/病毒；和(2)更少的水合表面使得當細菌/病毒試圖吸附至表面上時水更容易被其置換(即，細菌/病毒置換已占據表面位置的其它種類時更少的能量損失)。后一個原因(即，更少的水合表面)還與下面觀點相符，即理想表面(將在下文討論)應稍微疏水(換句話講，理想表面應有足夠的氧取代到邊緣碳原子上以使其被潤濕，但也不能取代太多而使其過分親水)。
過濾顆粒可以制成各種形狀和尺寸。例如，過濾顆粒可以制成簡單的形狀，例如粉末、微粒、纖維和小珠狀。過濾顆粒可以制成球形、多面體、圓柱狀，以及其它對稱的、不對稱的和不規則的形狀。而且，過濾顆粒也可形成復合物形式，如網、幕、柵網、無紡材料、織成材料，及粘合嵌段，其可以是或不是由上述簡單形式形成。
過濾顆粒的形狀和尺寸可以不同，而且任何單個過濾器中使用的過濾顆粒其尺寸不必統一。實際上，在單個過濾器中的過濾顆粒具有不同的大小也是可取的。通常，過濾顆粒的尺寸介于約0.1μm至約10mm之間，優選介于約0.2μm至約5mm之間，更優選介于約0.4μm至約1mm之間，最優選介于約1μm至約500μm之間。對于球形和圓柱狀顆粒(如纖維和小珠等)，上述尺寸是指過濾顆粒的直徑。對于形狀基本不同的過濾顆粒，上述尺寸是指其最大尺寸(例如長度、寬度或者高度)。
過濾顆粒可為任何前體的產物，所述前體包含中孔和大孔或碳化及/或活化期間能夠產生中孔和大孔。例如，但不是為了限制，過濾顆粒可為木基活性炭顆粒、煤基活性炭顆粒、泥煤基活性炭顆粒、瀝青基活性炭顆粒、焦油基活性炭顆粒、豆基活性炭顆粒、其它木質纖維基活性炭顆粒，以及它們的混合物。
活性炭可表現為酸性、中性或堿性。酸性與含氧的官能物或官能團相關，例如，但不是為了限制，苯酚、羧基、內酯、對苯二酚、酸酐及酮。迄今為止，堿性與下列官能物相關，如吡喃酮、苯并吡喃、醚、羰基，以及基面π電子。活性炭顆粒的酸性或堿性由“零電荷點”方法(Newcombe，G.等人，Colloids and Surfaces APhysicochemical andEngineering Aspects，第78卷，第65至71頁(1993年))確定，在此引入本文以供參考。該技術在此后的第VI節中進一步描述。本發明的過濾顆粒可具有的零電荷點介于1和14之間，優選大于約4，優選大于約6，優選大于約7，優選大于約8，更優選大于約9，最優選介于約9和約12之間。
活性炭的零電荷點與本體氧重量百分比反向相關。本發明的過濾顆粒可具有的本體氧重量百分比小于約5％，優選小于約2.5％，優選小于約2.3％，優選小于約2％，更優選小于約1.2％，最優選小于約1％，并/或大于約0.1％，優選大于約0.2％，更優選大于約0.25％，最優選大于約0.3％。活性炭顆粒的零電荷點還與包含顆粒的水的氧化還原電位(ORP)有關，這是因為零電荷點是碳還原氧的能力的量度(至少對堿性碳如此)。本發明過濾顆粒可具有的氧化還原電位(ORP)小于約570mV，優選小于約465mV，優選小于約400mV，優選小于約360mV，優選小于約325mV，最優選介于約290mV和約175mV之間。
活性炭過濾顆粒或過濾材料的電阻是其重要性質之一，這是由于電阻涉及到它們形成過濾塊的能力。例如，可利用電阻加熱方法形成過濾塊，其中通過在過濾材料的2個末端施加電流對其進行加熱。過濾材料的電阻將控制其在短時間內進行加熱的能力。通過利用如上述實施例3和4所提及的條件形成過濾塊以測量電阻，并通過將過濾塊的2個面與伏特計的2個電極接觸測量2個面間的電阻。實施例3和4中過濾器的示例性電阻分別為約350Ω和約40Ω。還有，分別用上述實施例1中的CARBOCHEM CA-10和上述實施例2中的TA4-CA10制成的過濾器電阻各自為約1.3MΩ和約100Ω。
通過處理如下所述的原料可獲得過濾顆粒。該處理條件可包括大氣組成、壓力、溫度和/或時間。本發明的大氣可為還原性氣氛或惰性氣氛。在還原性氣氛、水汽或惰性氣氛存在下加熱過濾顆粒可得到具有還原表面氧官能度的過濾材料。合適還原性氣氛的實施例可包括氫、氮、解離氨、一氧化碳和/或它們的混合物。合適惰性氣氛的實施例可包括氬、氦和/或它們的混合物。
當活性炭顆粒不包含任何貴金屬催化劑(如鉑、金、鈀)時，處理溫度可介于約600℃和約1,200℃之間，優選介于約700℃和約1,100℃之間，更優選介于約800℃和約1,050℃之間，最優選介于約900℃和約1,000℃之間。如果活性炭顆粒包含貴金屬催化劑，處理溫度可介于約100℃和約800℃之間，優選介于約200℃和約700℃之間，更優選介于約300℃和約600℃之間，最優選介于約350℃和約550℃之間。
處理時間可介于約2分鐘和約10小時之間，優選介于約5分鐘和約8小時之間，更優選介于約10分鐘和約7小時之間，最優選介于約20分鐘和約6小時之間。氣體流速可介于約0.25標準L/h.g(即標準升每小時每克碳；0.009標準ft3/h.g)和約60標準L/h.g(2.1標準ft3/h.g)之間，優選介于約0.5標準L/h.g(0.018標準ft3/h.g)和約30標準L/h.g(1.06標準ft3/h.g)之間，更優選介于約1.0標準L/h.g(0.035標準ft3/h.g)和約20標準L/h.g(0.7標準ft3/h.g)之間，最優選介于約5標準L/h.g(0.18標準ft3/h.g)和約10標準L/h.g(0.35標準ft3/h.g)之間。處理期間壓力可保持大于、等于或小于大氣壓。應認識到，也可采用其它方法制造中孔隙堿性還原氧活性炭過濾材料。
還有，為獲得過濾材料，取決于所用原料，可對如上所述原料的此類處理重復多次。
原料可商業獲得或用本領域熟知的方法制備，例如Jagtoyen，M.和F.Derbyshire的Carbon，第36卷(第7至8期)，第1085至1097頁(1998年)、Evans等人的Carbon，第37卷，第269至274頁(1999年)、以及Ryoo等人的J.Phys.Chem B，第103卷(第37期)，第7743至7746頁(1999年)中所述，其內容引入本文以供參考。用于活化/碳化的典型化學物質包括磷酸、氯化鋅、磷酸銨等，它們可與兩種剛剛引用的期刊中所述的方法聯合使用。
Brunauer，Emmett和Teller(BET)比表面積和Barrett、Joyner和Halenda(BJH)孔徑分布可用于表示顆粒的孔結構的特征。優選地，過濾顆粒的BET比表面積介于約500m2/g和約3,000m2/g之間，優選介于約600m2/g和約2,800m2/g之間，更優選介于約800m2/g和約2,500m2/g之間，最優選介于約1,000m2/g和約2,000m2/g之間。參見圖1a，所示為利用BET方法測得的中孔隙堿性還原氧木基活性炭(TA4-CA-10)和中孔隙酸性木基活性炭(CA-10)的典型氮吸附等溫線。參見圖1b，所示為利用BET方法測得的中孔隙堿性木基活性炭(RGC)和中孔隙堿性還原氧木基活性炭(THe4-RGC)的典型氮吸附等溫線。
BET氮吸附過程中可測量得到中孔隙堿性活性炭顆粒的總孔體積，并計算為相對壓力P/Po等于0.9814時的氮吸附體積。更具體地講，且如本領域所熟知，總孔體積通過相對壓力為0.9814條件下“以mL(STP)/g為單位的氮吸附體積”，乘以轉換因子0.00156計算得到，這時在STP(標準溫度與壓力)條件下將一定體積的氮轉換為液體。過濾顆粒的總孔體積大于約0.4mL/g，或大于約0.7mL/g，或大于約1.3mL/g，或大于約2mL/g，并/或小于約3mL/g，或小于約2.6mL/g，或小于約2mL/g，或小于約1.5mL/g。
BET氮吸附過程中可測量得到中孔和大孔體積之和并計算為在P/Po等于0.15時的總孔體積與氮吸附體積的差值。過濾顆粒的中孔和大孔體積之和可大于約0.12mL/g，或大于約0.2mL/g，或大于約0.4mL/g，或大于約0.6mL/g，或大于約0.75mL/g，并/或小于約2.2mL/g，或小于約2mL/g，或小于約1.5mL/g，或小于約1.2mL/g，或小于約1mL/g。
BJH孔徑分布可利用Barrett，Joyner和Halenda(BJH)方法進行測量，其在J.Amer.Chem.Soc.第73卷，第373至380頁(1951年)和“ADSORPTION，SURFACE AREA，AND POROSITY”(Gregg和Sing，第二版，Academic Press，New York 1982年)中作了說明，其內容引入本文以供參考。在一個實施方案中，任一孔徑介于約4nm和約6nm之間時，孔體積可為至少約0.01mL/g。在一個可供選擇的實施方案中，任一孔徑介于約4nm和約6nm之間時，孔體積可介于約0.01mL/g和約0.04mL/g之間。在另一實施方案中，對于孔徑介于約4nm和約6nm之間時，孔體積可為至少約0.03mL/g，或介于約0.03mL/g和約0.06mL/g之間。在一優選實施方案中，對于孔徑介于約4nm和約6nm之間時，孔體積可介于約0.015mL/g和約0.06mL/g之間。圖2a圖示說明了利用BJH方法計算得到的中孔隙堿性還原氧活性炭(TA4-CA-10)和中孔隙酸性木基活性炭(CA-10)的典型中孔體積分布。圖2b圖示說明了利用BJH方法計算得到的中孔隙堿性木基活性炭(RGC)和中孔隙堿性還原氧木基活性炭(THe4-RGC)的典型中孔體積分布。
中孔與大孔體積之和與總孔體積的比率大于約0.3，優選大于約0.4，優選大于約0.6，最優選介于約0.7和約1之間。
總外表面積通過將比外表面積乘以過濾顆粒質量計算得到，并以過濾顆粒的尺寸為基礎。例如，通過計算纖維面積(忽略纖維末端2個橫截面的面積)與纖維重量的比率可得到單分散(即具有相同直徑)纖維的比外表面積。這樣，纖維的比外表面積等于4/Dρ，其中D為纖維直徑且ρ為纖維密度。對于單分散的球形顆粒，通過類似計算得到的比外表面積等于6/Dρ，其中D為顆粒直徑且ρ為顆粒密度。對于多分散的纖維、球形或不規則形狀的顆粒，比外表面積的計算通過由D3,2替代D，并采用與上述各自相同的公式計算得到，其中D3,2為Sauter平均直徑，是其面積容量比與整個顆粒分布相同的顆粒的直徑。本領域熟知的測量Sauter平均直徑的方法為激光衍射法，例如可采用Malvern設備(獲自位于英國Malvern的Malvern Instruments Ltd.)。過濾顆粒的比外表面積可介于約10cm2/g和約100,000cm2/g之間，優選介于約50cm2/g和約50,000cm2/g之間，更優選介于約100cm2/g和約10,000cm2/g之間，最優選介于約500cm2/g和約7,000cm2/g之間。
當按照本文提出的測試步驟進行測量時，中孔隙、或中孔隙堿性、或中孔隙堿性還原氧活性炭顆粒的BRI值可大于約99％，優選大于約99.9％，更優選大于約99.99％，最優選大于約99.999％。這相當于，中孔隙、或中孔隙堿性、或中孔隙堿性還原氧活性炭顆粒的BLRI值大于約2log，優選大于約3log，更優選大于約4log，最優選大于約5log。當按照本文提出的測試步驟進行測量時，中孔隙、或中孔隙堿性、或中孔隙堿性還原氧活性炭顆粒的VRI值可大于約90％，優選大于約95％，更優選大于約99％，最優選大于約99.9％。這相當于，中孔隙、或中孔隙堿性、或中孔隙堿性還原氧活性炭顆粒的VLRI值大于約1log，優選大于約1.3log，更優選大于約2log，最優選大于約3log。
用于軸流式過濾器(Yao等人，Environ.Sci.Technol.第5卷，第1102至1112頁(1971年))的穩態、一維、“清潔”床層過濾理論(假定微生物的分散傳送和解吸可忽略不計)的內容引入本文以供參考，其描述了C/Co＝exp(-λL) (1)其中C為流出物濃度，Co為流入物濃度，λ為過濾系數，其單位為長度的倒數，且L為過濾深度。注意基于上述定義，當未粘附微生物在過濾器內流過距離L時，其所經歷的碰撞數將為(λ/α)L，其中α為“清潔”床層粘附系數(也稱為碰撞率)，其定義為粘附到捕集表面的微生物數目與碰撞捕集表面的微生物數目之比。如果公式1中的L被Ro-RI取代，則該式也適用于徑流式過濾器，其中Ro為外徑，Ri為內徑，且過濾系數在過濾器的整個厚度上取平均。包含顆粒的床層(而非纖維)的過濾系數如下λ＝(3(1-ε)ηα)/2dc(2)
其中ε為過濾床層孔隙率，η為單捕集率，其定義為碰撞捕集表面的微生物數目與流向捕集表面的微生物數目之比，且dc為捕集顆粒直徑。上式中的因子(3/2)對球形或似球形顆粒是有效的。對圓柱形顆粒(例如纖維)，該項變成(4/π)，則dc為圓柱體的直徑。還有，要注意術語“清潔”床層意味著捕集表面還沒有因累積足量的微生物而造成新微生物沉積效率的下降(即阻塞)。
基于上述“清潔”床層過濾模型，F-BLR和F-VLR可計算如下F-BLR或F-VLR＝-log(C/C0)＝(λL/2.3) (3)利用Rajagopalan和Tien模型(RT模型；AIChE J.，第22卷(第3期)，第523至533頁(1976年)，和AIChE J.，第28卷，第871至872頁(1982年))計算單捕集率η如下η＝4As1/3Pe-2/3+AsLo1/8R15/8+0.00338AsG6/5R-2/5(4)其中AS=2(1-γ5)2-3γ+3γ5-2γ6,]]>γ＝(1-ε)1/3，Pe為無量綱佩克萊特(Peclet)數Pe=3μπUdcdmkT,]]>Lo為無量綱倫敦(London)-范德華數Lo=4H9πμdm2U,]]>R為無量綱攔截數
R=dmdc,]]>G為無量綱沉淀數G=g(ρm-ρf)dm218μU,]]>μ為動態流體粘度(對于水等于1mPa·s)，U為表面流體速度(計算為對軸流式過濾器，U＝4Q/πD2，其中Q為流體流速，D為過濾器正面區域的直徑；對徑流式過濾器，U(R)＝Q/2πRX，其中X為過濾器的長度，R為Ri和R0間的徑向位置)，dm為微生物直徑(或者若微生物為非球形的，則為相當于球體的直徑)，k為玻耳茲曼常數(等于1.38×10-23kg·m2/s2·K)，T為流體溫度，H為Hamaker常數(其典型地等于10-20J)，g為重力常數(等于9.81m/s2)，ρm為微生物的密度，ρf為流體密度(對于水等于1g/mL)。對本發明的目的和材料而言，H等于10-20J，T等于298K，ρm等于1.05g/mL，μ等于1mPa·s。還有，對本發明而言，dc為體積中值粒徑Dv，0.5，其為使總顆粒體積的50％在較小直徑顆粒內的顆粒直徑。還有，平均流體駐留時間計算為對軸流式過濾器，τ=ϵπD2L4Q,]]>對徑流式過濾器，τ=ϵπ(R02-Ri2)XQ---(5)]]>粘附系數，α，典型地用實驗方法計算，例如使用“microbe andradiolabel kinesis”(MARK)技術，其描述于Gross等人的(WaterRes.，第29卷(第4期)，第1151至1158頁(1995年))。本發明過濾器的單捕集率η可大于約0.002，優選大于約0.02，優選大于約0.2，優選大于約0.4，更優選大于約0.6，最優選介于約0.8和約1之間。本發明過濾器的過濾系數λ可大于約10m-1，優選大于約20m-1，更優選大于約30m-1，最優選大于約40m-1，并/或小于約20,000m-1，優選小于約10,000m-1，更優選小于約5,000m-1，最優選小于約1,000m-1。
當按照本文提出的測試步驟進行測量時，包含中孔隙、或中孔隙堿性、或中孔隙堿性還原氧活性炭顆粒的本發明過濾器的F-BLR值可大于約2log，優選大于約3log，更優選大于約4log，最優選大于約6log。當按照本文提出的測試步驟進行測量時，包含中孔隙、或中孔隙堿性、或中孔隙堿性還原氧活性炭顆粒的本發明過濾器的F-VLR值可大于約1log，優選大于約2log，更優選大于約3log，最優選大于約4log。
在本發明的一個優選實施方案中，過濾顆粒包括木基活性炭顆粒的中孔隙活性炭顆粒。這些顆粒的BET比表面積介于約1,000m2/g和約2,000m2/g之間，總孔體積介于約0.8mL/g和約2mL/g之間，中孔與大孔體積之和介于約0.4mL/g和約1.5mL/g之間。
在本發明的另一個優選實施方案中，過濾顆粒包括木基活性炭顆粒的中孔隙堿性活性炭顆粒。這些顆粒的BET比表面積介于約1,000m2/g和約2,000m2/g之間，總孔體積介于約0.8mL/g和約2mL/g之間，中孔與大孔體積之和介于約0.4mL/g和約1.5mL/g之間。
在本發明另一優選實施方案中，過濾顆粒包括初始為酸性但在解離氨氣氛下處理為堿性還原氧的中孔隙堿性還原氧活性炭顆粒。這些顆粒為木基活性炭顆粒。處理溫度介于約925℃和約1,000℃之間，氨氣流速介于約1標準L/h.g和約20標準L/h.g之間，處理時間介于約10分鐘和約7小時之間。這些顆粒的BET比表面積介于約800m2/g和約2,500m2/g之間，總孔體積介于約0.7mL/g和約2.5mL/g之間，且中孔和大孔體積之和介于約0.21mL/g和約1.7mL/g之間。轉化為堿性還原氧活性炭的酸性活性炭的非限定性實施例將在下面闡述。
在本發明另一優選實施方案中，過濾顆粒包括初始為中孔隙堿性并用惰性氣氛(即氦氣)處理的中孔隙堿性還原氧活性炭顆粒。這些顆粒為木基活性炭顆粒。處理溫度介于約800℃和約1,000℃之間，氦氣流速介于約1標準L/h.g和約20標準L/h.g之間，處理時間介于約10分鐘和約7小時之間。這些顆粒的BET比表面積介于約800m2/g和約2,500m2/g之間，總孔體積介于約0.7mL/g和約2.5mL/g之間，且中孔和大孔體積之和介于約0.21mL/g和約1.7mL/g之間。轉化為堿性還原氧活性炭的堿性活性炭的非限定性實施例將在下面闡述。
III.處理實施例實施例1處理中孔隙酸性活性炭以制備中孔隙堿性還原氧活性炭將由購自位于Ardmore，PA的Carbochem，Inc.的質量為約2kg的CARBOCHEMCA-10中孔隙酸性木基活性炭顆粒，置于型號為BAC-M的熔爐傳送帶上，熔爐由位于Cranston，RI的C.I.Hayes Inc.制造。爐內溫度設定為約950℃，處理時間為約4小時，且氣氛為解離氨，其流動的體積流速為約12,800標準L/h(即450標準ft3/h，或相當于約6.4標準L/h.g)。處理后的活性炭顆粒稱為TA4-CA-10，其BET等溫線、中孔體積分布及零電荷點分析分別示于圖1a、2a和3a中。BET數值、中孔和大孔體積之和、零電荷點、BRI/BLRI、VRI/VLRI、本體氧重量百分比和氧化還原電位(ORP)示于第VI節。
實施例2處理中孔隙堿性活性炭以制備中孔隙堿性還原氧活性炭將由購自位于Covington，VA的MeadWestvaco Corp.的質量為約2kg的MeadWestvaco NucharRGC中孔隙堿性木基活性炭顆粒，置于型號為BAC-M的熔爐傳送帶上，熔爐由位于Cranston，RI的C.I.HayesInc.制造。爐內溫度設定為約800℃，處理時間為4小時，且氣氛為氦氣，其流動的體積流速為約12,800標準L/h(即450標準ft3/h，或相當于約6.4標準L/h.g)。處理后的活性炭顆粒稱為THe4-RGC，其BET等溫線、中孔體積分布及零電荷點分析分別示于圖1b、2b和3b中。BET數值、中孔和大孔體積之和、零電荷點、BRI/BLRI、VRI/VLRI、本體氧重量百分比和氧化還原電位(ORP)示于第VI節。
IV.本發明過濾器參見圖4，所述為依照本發明制造的一個示例性過濾器。過濾器20包括一個具有入口24和出口的26的圓柱狀外殼22。如本領域所知，取決于過濾器20的設計用途和所需性能，外殼22可以多種形式、形狀、大小和排列提供。例如，過濾器20可為軸流式過濾器，其中將入口24和出口26設置成使得液體沿著外殼22的軸線流動。可供選擇地，過濾器20可為徑流式過濾器，其中將入口24和出口26排列成使得流體(如液體、氣體或其混合物)沿著外殼22的徑向流動。無論是軸流式還是徑流式構型，過濾器20可優選被配置成提供至少約0.5in.2(3.2cm2)的正面區域，更優選至少約3in.2(19.4cm2)，最優選至少約5in.2(32.2cm2)，且過濾深度優選為至少約0.125in.(0.32cm)，優選至少約0.25in.(0.64cm)，更優選至少約0.5in.(1.27cm)，最優選至少約1.5in.(3.81cm)。對徑流式過濾器，過濾器長度可為至少0.25in.(0.64cm)，更優選至少約0.5in.(1.27cm)，最優選至少約1.5in.(3.81cm)。更進一步，過濾器20可既包括軸流式部分，又包括徑流式部分。
不偏離本發明的范圍，外殼也可制成為另一結構的部件。盡管本發明中的過濾器特別適用于水，但應認識到其也適用于其它的流體(例如空氣、氣體，以及氣體和液體的混合物)。這樣，則過濾器20旨在代表普通的液體過濾器或氣體過濾器。如本領域所知，為了適應過濾器20的流速和設計用途，可以對入口24和出口26的大小、形狀、間距、排列和位置進行選擇。優選地，將過濾器20設計成應用于住宅或商業飲用水，包括，但不限于，家用過濾器、電冰箱過濾器、便攜式水組合部件(例如，野營用具，如水壺)、安裝在水龍頭上的過濾器、洗碗池下的過濾器、醫用裝置過濾器、工業過濾器、空氣過濾器等。過濾器構型、飲用水裝置、飲用者器具和其它適用于本發明的水過濾裝置的實施例公開于美國專利5,527,451；5,536,394；5,709,794；5,882,507；6,103,114；4,969,996；5,431,813；6,214,224；5,957,034；6,145,670；6,120,685；和6,241,899，據此引入本文以供參考。對于飲用水應用，過濾器20優選配置為使流速小于約8L/分鐘，或小于約6L/分鐘，或介于約2L/分鐘和約4L/分鐘之間，且過濾器可包含小于約2kg的過濾材料，或小于約1kg的過濾材料，或小于約0.5kg的過濾材料。此外，對于飲用水應用，過濾器20可優選被配置成使平均流體駐留時間為至少約3s，優選至少約5s，優選至少約7s，更優選至少約10s，最優選至少約15s。還有，對于飲用水應用，過濾器20可優選被配置成使過濾材料孔體積為至少約0.4cm3，優選至少約4cm3，更優選至少約14cm3，最優選至少約25cm3。
過濾器20還包括可與其它過濾系統聯合使用的過濾材料28，其它過濾系統包括反滲透系統、紫外光系統、離子交換系統、電解水系統和其它本領域技術人員已知的水處理系統。
過濾器20還包含過濾材料28，其中過濾材料28包含一種或多種過濾顆粒(例如纖維、顆粒等)。一種或多種過濾顆粒可為中孔隙，更優選為中孔隙堿性，最優選為中孔隙堿性還原氧，并具有前面所論述的特征。中孔隙、或中孔隙堿性、或中孔隙堿性還原氧活性炭過濾材料28可與形成于其它材料或材料組合的顆粒組合，其它材料或材料組合如活性炭粉末、活性炭顆粒、活性炭纖維、沸石、無機物(包括活性礬土、氧化鎂、硅藻土、二氧化硅、混合氧化物如水滑石、玻璃等)、陽離子物質(包括聚合物如聚酰胺(polyaminoamides)、聚乙烯亞胺、聚乙烯胺、聚二烯丙基二甲基氯化銨、聚二甲基胺-環氧氯丙烷、聚六亞甲基縮二胍、可結合到纖維(包括聚乙烯、聚丙烯、乙烯馬來酸酐共聚物、碳、玻璃等)的聚-[2-(2-乙氧基)-乙氧基乙基]-氯化胍)、和/或不規則形狀的材料(包括碳、硅藻土、沙子、玻璃、粘土等)以及它們的混合物。可使中孔隙堿性活性炭與之結合的過濾材料及過濾材料組合的實施例公開于引入本文以供參考的美國專利6,274,041、5,679,248，和同樣引入本文以供參考的美國專利申請09/628,632。如前所述，過濾材料可以松散或互聯的形式(如由聚合粘合劑或其它方式部分或全部粘合形成的整體結構)提供。
通過改變上述過濾顆粒的大小、形狀、絡合物形成、電荷、孔隙率、表面結構、官能團等可使過濾材料用于不同的用途(如用作預過濾器或后過濾器)。如剛剛描述的，過濾材料還可與其它材料混合以適用于特殊用途。不管過濾材料是否與其它材料混合，其均可用作松散床層、過濾塊(包括引入本文以供參考的美國專利5,679,248所述的共擠出塊)以及它們的混合物。可用于過濾材料的優選方法包括形成通過陶瓷-碳混合制造的過濾塊(其中結合力來自于陶瓷制品的烘烤)、利用描述于引入本文以供參考的美國專利6,077,588中的無紡材料間的粉末、利用描述于引入本文以供參考的美國專利5,928,588中的濕強度方法、使形成過濾塊的樹脂粘合劑活化(其引入本文以供參考)、或者通過描述于PCT申請系列WO 98/43796的電阻加熱方法。
V.過濾器實施例實施例3包含中孔隙堿性活性炭顆粒的過濾器將購自位于Covington，VA的MeadWestvaco Corp.的約18.3gNucharRGC中孔隙堿性活性炭粉末(Dv，0.5等于約45μ)與購自位于Cincinnati，OH的Equistar Chemicals，Inc.的約7g Microthene低密度聚乙烯(LDPE)FN510-00粘合劑以及購自位于Norcross，GA的Select，Inc.的約2g Alusil70硅鋁酸鹽粉末混合。然后將混合粉末倒入一圓形鋁制模具中，該模具內徑約3in.(約7.62cm)，深度約0.5in.(約1.27cm)。將模具密封并放置于具有滾筒的加熱壓力機內，在溫度約204℃下保持1小時。然后，將模具冷卻至室溫、打開，并移除軸流式過濾器。該過濾器的特征為正面區域約45.6cm2；過濾深度約1.27cm；過濾器總體積約58mL；過濾器孔隙率(對大于約0.1μm的孔)約0.43；和過濾材料孔體積(對大于約0.1μm的孔)約25mL(由壓汞法測得)。如下面測試步驟中所述將過濾器放置于Teflon外殼內。當流速為約200mL/分鐘時，對大約最初2,000個過濾器孔體積，該過濾器的壓力降為約17psi(約1.2bar，0.12MPa)。F-BLR、F-VLR、η和α的數值示于第VI節。
實施例4包含微孔隙堿性活性炭顆粒的過濾器將約26.2g椰子微孔隙堿性活性炭粉末(Dv，0.5等于約92μ)與購自位于Cincinnati，OH的Equistar Chemicals，Inc.的7g Microthene低密度聚乙烯(LDPE)FN510-00粘合劑，以及購自位于Norcross，GA的Selecto，Inc.的約2g Alusil70硅鋁酸鹽粉末混合。然后將混合粉末倒入一圓形鋁制模具中，該模具內徑約3in.(約7.62cm)，深度約0.5in.(約1.27cm)。將模具密封并放置于具有滾筒的加熱壓力機內，在溫度約204℃下保持1小時。然后，將模具冷卻至室溫、打開，并移除軸流式過濾器。該過濾器的特征為正面區域約45.6cm2；過濾深度約1.27cm；過濾器總體積約58mL；過濾器孔隙率(對大于約0.1μm的孔)約0.44；過濾材料孔體積(對大于約0.1μm的孔)約25.5mL(由壓汞法測得)。如下面測試步驟中所述將過濾器放置于Teflon外殼內。當流速為約200mL/分鐘時，對大約最初2,000個過濾器孔體積，該過濾器的壓力降為約17psi(約1.2bar，約0.12MPa)。F-BLR、F-VLR、η和α的數值示于第VI節。
VI.測試及計算步驟以下測試步驟用于計算本文所述的BET、零電荷點、BRI/BLRI、VRI/VLRI、本體氧重量百分比、氧化還原電位(ORP)、F-BLR和F-VLR值。本文還描述了用于單捕集率、過濾系數、平均流體駐留時間和F-BLR值的計算步驟。
雖然測量BRI/BLRI值和VRI/VLRI值針對含水介質，但是無需限定本發明中過濾材料的最終使用，盡管BRI/BLRI值和VRI/VLRI值對于含水介質計算，但過濾材料可最終與其它流體如前所述一起使用。而且，以下所選擇以說明測試步驟使用的過濾材料并不限制本發明中的加工和/或過濾材料組成的范圍，也不限制使用該測試步驟時可評估本發明中所使用的過濾材料種類。
BET測試步驟利用氮吸附技術(如描述于ASTM D 4820-99中的技術，其內容引入本文以供參考)用位于Miami，FL的Coulter Corp.制造的CoulterSA3100系列表面積和孔徑分析儀在約77K下進行多點氮吸附來測量BET比表面積和孔體積分布。該方法還可得到微孔、中孔和大孔體積。對于實施例1中的TA4-CA-10過濾顆粒，BET區域為約1,038m2/g，微孔體積為約0.43mL/g，中孔與大孔體積之和為約0.48mL/g。對于實施例2中的THe4-RGC過濾顆粒，BET區域為約2,031m2/g，微孔體積為約0.81mL/g，中孔與大孔體積之和為約0.68mL/g。注意原料CA-10和RGC的各自值為分別為約1,309m2/g、約0.54mL/g、約0.67mL/g；和約1,745m2/g、約0.70mL/g、約0.61mL/g。實施例1和2中過濾材料的典型BET氮等溫線和中孔體積分布分別示于圖1a和1b中。如本領域所知，應認識到可由其它儀器替代進行BET測量。
零電荷點測試步驟由試劑級別KCl與水可制備約0.010M的KCl水溶液，水在氬氣中新蒸餾而得。用于蒸餾的水利用連續反滲透和離子交換進行去離子處理。將約25.0mL體積的KCl水溶液分裝至六個約125mL的燒瓶中，每一燒瓶配有24/40磨砂玻璃塞。每一燒瓶中加入微升量的標準含水O或NaOH溶液，使其初始pH值范圍介于約2和約12之間。然后利用Orion 420A型pH計記錄每一燒瓶的pH值，該pH計帶有Orion 9107BN型三極管組合pH/ATC電極，其由位于Beverly，MA的Thermo Orion Inc.制造，該pH值稱為“初始pH值”。將約0.0750±0.0010g活性炭顆粒加入六個燒瓶中的每一燒瓶中，在記錄“最終pH值”之前，對室溫下封塞約24小時的含水懸浮液進行攪拌(速度為約150rpm)。圖3a顯示利用CA-10和TA4-CA-10活性炭材料試驗測得的最初和最終pH值，圖3b顯示利用RGC和The4-RGC活性炭材料試驗測得的最初和最終pH值。CA-10、TA4-CA-10、RGC和THe4-RGC的零電荷點分別為約5.0、約9.7、約8.8和約8.6。如本領域所知，應認識到可由其它儀器替代進行該測試步驟。
BRI/BLRI測試步驟使用位于Richmomd，VA的Phipps & Bird，Inc.制造的PB-900TMProgrammable JarTester測試裝置，該裝置帶有2個或多個Pyrex玻璃燒杯(由測試材料數量決定)。燒杯的直徑為約11.4cm(約4.5″)，高度為約15.3cm(約6″)。每個燒杯包含約500mL受大腸桿菌微生物污染的市政供應的脫氯自來水和以約60rpm速度旋轉的攪棒。該攪棒為不銹鋼葉片，其長度為約7.6cm(約3″)，高度為約2.54cm(約1″)，厚度為約0.24cm(約3/32″)。將攪棒放置在距燒杯底約0.5cm(約3/16″)處。第一燒杯不包含任何過濾材料，并用作對照，其它燒杯包含足量的過濾材料，其Sauter平均直徑小于約55μm，使得燒杯中材料的總幾何外表面積為約1400cm2。該Sauter平均直徑由以下方法得到a)篩分出具有寬尺寸分布和高Sauter平均直徑的樣本；或b)利用本領域的技術人員熟知的減縮尺寸技術，減小過濾顆粒(如，若過濾顆粒尺寸大于約55μm，或若過濾材料為集成或粘合形式)的尺寸。例如，但不作為限制，減縮尺寸技術包括壓碎、研磨和碾磨。用于減縮尺寸的典型設備包括顎式粉碎機、回轉破碎機、滾壓碎機、粉碎機、重型沖擠式研磨、中型碾磨機和液能研磨機，如離心噴射器、對沖型射流器或帶有砧的噴射器。尺寸減縮可用于松散或粘合的過濾顆粒。在進行測試之前，應除去任一過濾顆粒或過濾材料中的生物殺滅劑涂層。可供選擇地，測試中可以無涂層過濾顆粒替代。
在將過濾顆粒加入燒杯中之后，在不同時間從每個燒杯收集每個體積約5mL的水的復制樣本用于分析，直至包含過濾顆粒的燒杯中達到平衡。典型的抽樣時間為約0、約2、約4和約6小時。也可以使用本領域所知的其它設備來代替。
使用的大腸桿菌為ATCC#25922，由位于Rockville，MD的American Type Culture Collection(美國物種培養集合)提供。將對照燒杯中的目標大腸桿菌濃度設定為約3.7×109CFU/L。可利用膜過濾技術按照位于Washington，DC的American Public Health Association(APHA)出版的“Standard Processes for the Examination of Waterand Wastewater”第20版中所述的#9222方法對大腸桿菌進行化驗，其內容引入本文以供參考。檢測極限(LOD)為約1×103CFU/L。
實施例1和2中過濾材料的示例性BRI/BLRI結果示于圖5a和圖5b中。CA-10中孔隙酸性活性炭材料的量為約0.75g，TA40-CA-10中孔隙堿性還原氧活性炭材料的量為約0.89g。RGC中孔隙堿性活性炭材料的量為約0.28g，THe4-RGC中孔隙堿性還原氧活性炭材料的量為約0.33g。所有四個量對應約1,400cm2的外表面積。圖5a中對照燒杯內的大腸桿菌濃度為約3.7×109CFU/L，圖5b中則為約3.2×109CFU/L。包含CA-10、TA4-CA-10、RGC和THe4-RGC樣本的燒杯內的大腸桿菌濃度在約6小時內達到平衡，它們的值分別為約2.1×106CFU/L、約1.5×104CFU/L、約3.4×106CFU/L和約1.2×106CFU/L。然后，各自的BRI值計算為約99.94％、約99.9996％、約99.91％和約99.97％，各自的BLRI值計算為約3.2log、約5.4log、約3.0log和約3.5log。
VRI/VLRI測試步驟所采用的測試設備和測試步驟與測定BRI/BLRI值時相同。第一燒杯不包含過濾材料，并作為對照，其它燒杯包含足量過濾材料，材料的Sauter平均直徑小于約55μm，使得燒杯中總幾何外表面積為約1400cm2。在進行測試之前，應除去任一過濾顆粒或過濾材料中的生物殺滅劑涂層。可供選擇地，測試中可以無涂層過濾顆粒或過濾材料替代。
使用的MS-2細菌噬菌體為ATCC#15597B，由位于Rockville，MD的American Type Culture Collection(美國物種培養集合)提供。對照燒杯中的目標MS-2濃度設定為約2.07×109PFU/L。可以按照C.J.Hurst在Appl.Environ.Microbiol.，第60卷(第9期)，第3462頁(1994年)中所述的步驟進行MS-2化驗，其內容引入本文以供參考。也可以采用本領域所知的其它化驗方法來代替。檢測極限(LOD)為約1×103PFU/L。
實施例1和2中過濾材料的示例性VRI/VLRI結果示于圖6a和圖6b中。CA-10中孔隙酸性活性炭材料的量為約0.75g，TA40-CA-10中孔隙堿性還原氧活性炭材料的量為約0.89g。RGC中孔隙堿性活性炭材料的量為約0.28g，THe4-RGC中孔隙堿性還原氧活性炭材料的量為約0.33g。所有四個量對應約1,400cm2的外表面積。圖6a中對照燒杯內的MS-2濃度為約6.7×107PFU/L，圖6b中則為約8.0×107PFU/L。包含CA-10、TA4-CA-10、RGC和THe4-RGC樣本的燒杯內的MS-2濃度在6小時內達到平衡，它們的值分別為約4.1×104PFU/L、約1×103PFU/L、約3×103PFU/L和小于約1.0×103PFU/L(檢測極限)。然后，各自的VRI值計算為約99.94％、約99.999％、約99.996％和大于約99.999％，各自的VLRI值計算為約3.2log、約5log、約4.4log和大于約5log。
本體氧重量百分比測試步驟利用PerkinElmer的型號為240的Elemental Analyzer(OxygenModification；PerkinElmer，Inc.；Wellesley，MA)測量本體氧重量百分比。該技術是基于在鍍鉑碳上約1000℃時氦氣流中樣本的高溫分解。碳樣本在真空爐內干燥過夜，溫度為約100℃。如本領域所知，應認識到可由其它儀器替代進行該測試步驟。過濾材料CA-10、TA4-CA-10、RGC和THe4-RGC的示例性本體氧重量百分比數值分別為約8.3％、約1.1％、約2.3％和約0.8％。
氧化還原電位(ORP)測試步驟利用購自Orion Research，Inc.(Beverly，MA)的型號為96-78-00的鉑氧化還原電極測量氧化還原電位(ORP)，并遵循ASTM標準D1498-93。該步驟涉及約0.2g碳在約80mL自來水中的懸浮液，并在輕微攪拌約5分鐘后讀取電極讀數，單位為mV。如本領域所知，應認識到可由其它儀器替代進行該測試步驟。過濾材料CA-10、TA4-CA-10、RGC和THe4-RGC的示例性氧化還原電位(ORP)值分別為約427mV、約285mV、約317mV和約310mV。
F-BLR測試步驟具有中孔隙碳的軸流式過濾器的外殼由Teflon制成，并且是由2部分即封蓋和基座組成。兩部分的外徑均為約12.71cm(約5″)，內徑均為約7.623cm(約3″)。用O形環(約7.623cm(約3″)的內徑和約0.318cm(約1/8″)的厚度)壓應力封接將封蓋反向安置于基座內。用約0.159cm(約1/16″)的NPT管螺紋將入口和出口軟管有勾槽連接器串到封蓋和基座內。將約1.27cm(約1/2″)厚乘約6.99cm(約23/4″)外徑的不銹鋼分流器(在上游側具有約0.482cm(約3/16″)的孔和下游側具有約6個篩孔的篩網)反向安置于外殼的封蓋內。分流器的作用是將入口流分布在過濾器的所有正面上。外殼的封蓋和基座相互嚙合使得存在壓應力封接，從而將過濾器密封在外殼內。利用四個約0.635(約1/4″)的扣件將封蓋和基座結合在一起。
將過濾器安裝在外殼內，被約1×108CFU/L的大腸桿菌污染過的水以約200mL/分鐘的流速流經該過濾器。流入的水總量可為約2,000過濾材料孔體積或更多。使用的大腸桿菌為ATCC#25922，由Rockville，MD的American Type Culture Collection(美國物種培養集合)提供。可利用膜過濾技術按照位于Washington，DC的American Public HealthAssociation(APHA)出版的“Standard Processes for theExamination of Water and Wastewater”第20版中所述的#9222方法對大腸桿菌進行化驗，其內容引入本文以供參考。也可以采用本領域所知的其它化驗方法來代替(如COLILERT)。當用膜過濾技術測量時，檢測極限(LOD)為約1×102CFU/L，當用COLILERTO技術測量時則為約10CFU/L。當水流過約最初2,000個過濾材料孔體積后，將流出水收集并化驗以對存在的大腸桿菌細菌計數，并利用定義計算F-BLR值。
對實施例3和實施例4的軸流式過濾器，用于計算F-BLR值的示例性結果示于圖7a中。用于圖7a中的流速為約200mL/分鐘，大腸桿菌的流入濃度在約1×108和約1×109CFU/L之間變化。每周(每周二)用約20L量檢驗過濾器，并如上所述對流出水進行化驗。RGC過濾器的平均流體駐留時間為約7.5s，而椰子過濾器的為約7.65s。實施例3中RGC過濾器的F-BLR值計算為約6.8log。對實施例4中的椰子過濾器，流出水的收集停留在約40L(其相當于約1,570個過濾材料孔隙體積)，這是因為在該水體積處過濾器顯示出幾乎完全的穿透。在約1,570個過濾材料孔隙體積時，F-BLR值計算為約1.9log。
F-VLR測試步驟具有中孔隙碳的軸流式過濾器的外殼與上面F-BLR步驟中所述相同。用約1×107PFU/L MS-2污染過的水流經外殼/過濾器系統，流速為約200mL/分鐘。流入的水總量為約2,000個過濾材料孔體積或更多。使用的MS-2細菌噬菌體為ATCC#15597B，由Rockville，MD的AmericanType Culture Collection(美國物種培養集合)提供。可以按照C.J.Hurst的Appl.Environ.Microbiol.，第60卷(第9期)，第3462頁(1994年)中所述的程序進行MS-2化驗，其內容引入本文以供參考。也可以采用本領域所知的其它化驗方法來替代。檢測極限(LOD)為1×103PFU/L。當水流過約最初2,000個過濾材料孔體積后，將流出水收集并化驗以對存在的MS-2菌噬菌體計數，并利用定義計算F-VLR值。
對實施例3和實施例4的軸流式過濾器，用于計算F-VLR值的示例性結果示于圖7b中。用于圖7b中的流速為約200mL/分鐘，MS-2的流入濃度在約1×107PFU/L附近變化。每周(每周二)用約20L的量檢驗過濾器，并如上所述對流出水進行化驗。實施例3中RGC過濾器的F-VLR值計算為大于約4.2log。對實施例4中的椰子過濾器，流出水的收集停留在約40L(其相當于約1,570個過濾材料孔體積)，這是因為在該水體積處過濾器顯示出幾乎完全的穿透。在約1,570個過濾材料孔體積時，F-BLR值計算為約0.3log。
單捕集率、過濾系數、平均流體駐留時間和F-BLR值的計算步驟利用公式4計算過濾器的單捕集率，無量綱數描述于該公式后。使用以下參數對實施例3中的軸流式RGC過濾器進行示例性計算ε＝0.43，dm，＝1μm，dc＝45μm，H＝10-20J，ρm，＝1.058g/mL，ρf＝1.0g/mL，μ＝1mPa·s，T＝298K，水流速Q＝200mL/分鐘，過濾器直徑D＝7.623cm，U＝0.0007m/s，給定η＝0.01864。參數相同且α＝1，過濾系數可根據公式2計算為λ＝354.2m-1。此外，相同過濾器的F-BLR值可根據公式3計算為約1.95log。使用與上面相同的參數對實施例4中的椰子過濾器進行類似的示例性計算，給定η＝0.00717和λ＝65.5m-1。最后，相同過濾器的F-BLR值可根據公式3計算為約0.36log。
本發明可附加包括信息，該信息將通過文字和/或圖畫告知消費者使用本發明的碳過濾顆粒和/或過濾材料將提供包括除去微生物的有益效果，且該信息可包括優越于其它過濾產品的權利要求。在高度所需的變化中，該信息可包括利用本發明使納米尺寸的微生物含量減少。因此，使用印有信息的包裝很重要，該信息將通過文字和/或通過圖畫告知消費者利用本發明將提供如本文所述的諸如飲用水、更適合飲用水等有益效果。該信息可包括如在所有普通媒體里的廣告以及包裝上或過濾器本身上的說明和圖標來告知消費者。
本發明對實施方案的選擇和描述用以對本發明的原理及其實際應用提供最佳舉例說明，從而使本領域普通技術人員能夠在各種實施方案中使用本發明，并且在為適應具體應用而設想進行各種修改。當依照公平、合法、平等的原則對所授權的外延進行解釋時，所有這些修改和改變均在本發明的附加權利要求書中限定的范圍之內。
權利要求
1.一種提供可飲用水的過濾器，所述過濾器包括(a)具有入口和出口的外殼，和(b)設置在所述外殼內的過濾材料，所述過濾材料至少部分形成于多個中孔隙活性炭過濾顆粒。
2.如權利要求1所述的過濾器，其中所述多個中孔隙活性炭過濾顆粒的中孔與大孔體積之和介于約0.2mL/g和約2mL/g之間。
3.如權利要求1所述的過濾器，其中所述多個中孔隙活性炭過濾顆粒的BRI值大于約99％，VRI值大于約90％。
4.如權利要求1所述的過濾器，其中所述過濾材料的F-BLR值大于約2log，F-VLR值大于約1log。
5.如權利要求1所述的過濾器，其中所述過濾材料設置在所述外殼內以軸向流動，其中所述過濾材料的正面區域為至少1.5in.2，過濾深度為至少0.25in。
6.如權利要求1所述的過濾器，其中所述過濾材料設置在所述外殼內以徑向流動，其中所述過濾材料的外徑為至少0.5in.，內徑為至少0.25in.，過濾深度為至少0.125in.，長度為至少0.5in。
7.如權利要求1所述的過濾器，其中所述過濾材料的平均流體駐留時間為至少3秒。
8.如權利要求1所述的過濾器，其中所述過濾材料的單捕集率η介于約0.005和0.25之間，過濾系數λ介于約40m-1和約14,000m-1之間。
9.一種提供可飲用水的過濾器，所述過濾器包括(a)具有入口和出口的外殼；和(b)設置在所述外殼內的過濾材料，所述過濾材料至少部分形成于多個中孔隙堿性活性炭過濾顆粒。
10.如權利要求9所述的過濾器，其中所述多個中孔隙堿性活性炭過濾顆粒的零電荷點介于約9和約12之間，氧化還原電位(ORP)介于約290mV和約175mV之間。
11.如權利要求9所述的過濾器，其中所述多個中孔隙堿性活性炭過濾顆粒的中孔和大孔體積之和介于約0.2mL/g和約2mL/g之間。
12.如權利要求9所述的過濾器，其中所述多個中孔隙堿性活性炭過濾顆粒的BRI值大于約99.99％，VRI值大于約99％。
13.如權利要求9所述的過濾器，其中所述過濾材料的F-BLR值大于約2log，F-VLR值大于約1log。
14.如權利要求9所述的過濾器，其中所述過濾材料設置在所述外殼內以軸向流動，其中所述過濾材料的正面區域為至少1.5in.2，過濾深度為至少0.25in。
15.如權利要求9所述的過濾器，其中所述過濾材料設置在所述外殼內以徑向流動，其中所述過濾材料的外徑為至少0.5in.，內徑為至少0.25in.，過濾深度為至少0.125in.，長度為至少0.5in。
16.如權利要求9所述的過濾器，其中所述過濾材料的平均流體駐留時間為至少3秒。
17.如權利要求9所述的過濾器，其中所述過濾材料的單捕集率η介于約0.005和0.25之間。
18.如權利要求9所述的過濾器，其中所述過濾材料的過濾系數λ介于約40m-1和約14,000m-1之間。
19.一種提供可飲用水的過濾器，所述過濾器包括(a)具有入口和出口的外殼；和(b)設置在所述外殼內的過濾材料，所述過濾材料至少部分形成于多個中孔隙堿性還原氧活性炭過濾顆粒。
20.如權利要求19所述的過濾器，其中所述多個中孔隙堿性還原氧活性炭過濾顆粒的零電荷點大于約8，氧化還原電位(ORP)小于約325mV。
21.如權利要求19所述的過濾器，其中所述多個中孔隙堿性還原氧活性炭過濾顆粒的中孔和大孔體積之和大于約0.2mL/g。
22.如權利要求19所述的過濾器，其中所述多個中孔隙堿性還原氧活性炭過濾顆粒的本體氧重量百分比小于約1.2％。
23.如權利要求19所述的過濾器，其中所述多個中孔隙堿性還原氧活性炭過濾顆粒的BRI值大于約99％，VRI值大于約90％。
24.如權利要求19所述的過濾器，其中所述過濾材料的F-BLR值大于約2log，F-VLR值大于約1log。
25.如權利要求19所述的過濾器，其中所述過濾材料設置在所述外殼內以軸向流動，其中所述過濾材料的正面區域為至少1.5in.2，過濾深度為至少0.25in。
26.如權利要求19所述的過濾器，其中所述過濾材料設置在所述外殼內以徑向流動，其中所述過濾材料的外徑為至少0.5in.，內徑為至少0.25in.，過濾深度為至少0.125in.，長度為至少0.5in。
27.如權利要求19所述的過濾器，其中所述過濾材料的平均流體駐留時間為至少3秒。
28.如權利要求19所述的過濾器，其中所述過濾材料的單捕集率η大于約0.005。
29.如權利要求19所述的過濾器，其中所述過濾材料的過濾系數λ大于約40m-1。
30.一種提供可飲用水的過濾器，所述過濾器包括(a)具有入口和出口的外殼；和(b)設置在所述外殼內的過濾材料，所述過濾材料至少部分形成于多個中孔隙活性炭過濾顆粒，其中所述過濾材料的多個中孔隙活性炭過濾顆粒的本體氧重量百分比小于約2.3％，所述中孔和大孔體積之和大于約0.61mL/g，零電荷點大于約8，氧化還原電位(ORP)小于約325mV，VRI值大于約99.99％，BRI值大于約99.9％，F-VLR值大于約4log，F-BLR值大于約6log，平均流體駐留時間大于約3秒，過濾深度為至少0.5in，正面區域為至少10in.2。
31.如權利要求30所述的過濾器，其中所述過濾材料的單捕集率η大于約0.007。
32.如權利要求30所述的過濾器，其中所述過濾材料的過濾系數λ大于約65m-1。
33.如權利要求30所述的過濾器，其中所述過濾器還包括信息，所述信息告知使用者所述過濾器可用于除去微生物。
全文摘要
本發明提供可飲用水的過濾器。該過濾器包括具有一個入口和一個出口的外殼，設置在該外殼內的過濾材料，并且該過濾材料至少部分形成于多個中孔隙堿性還原氧活性炭過濾顆粒。
文檔編號C02F1/00GK1738771SQ03825901
公開日2006年2月22日 申請日期2003年2月21日 優先權日2003年2月21日
發明者M·D·米切爾, D·I·科里亞斯, D·W·比約克奎斯特, P·N·扎弗里, M·M·沃利, T·J·韋麥爾 申請人:寶潔公司