專(zhuān)利名稱(chēng)：摻入活性炭顆粒和表面碳納米絲的水過(guò)濾器和方法
摻入活性炭顆粒和表面碳納米絲的水過(guò)濾器和方法 發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及水過(guò)濾器，具體地講涉及使用包含活性炭顆粒和顆粒表面 上碳納米絲的過(guò)濾材料的水過(guò)濾器，以及制造和使用這種水過(guò)濾器的方 法。更具體地講，所述水過(guò)濾器旨在通過(guò)從水流中除去污染物來(lái)提供飲用水。發(fā)明背景水可包含很多不同種類(lèi)的污染物，包括例如顆粒、有害化學(xué)物質(zhì)和微 生物有機(jī)體如細(xì)菌、寄生蟲(chóng)、原生動(dòng)物和病毒。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(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域和在某些電 子元件的制造過(guò)程中，需要使用高度純凈的水。另外一個(gè)更為普遍的實(shí)施 例是，在水可飲用(即適于飲用)之前，必須將任何有害污染物從水中除 去。盡管已有現(xiàn)代化的水凈化方法，但對(duì)于普通人而言仍存在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于 嬰兒和免疫系統(tǒng)受損的人尤其具有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。在美國(guó)和其它發(fā)達(dá)國(guó)家中，市政處理水典型包括各種含量的一種或多種以下雜質(zhì)懸浮固體、化學(xué)污染物，如有機(jī)物以及重金屬；和微生物污 染物，如細(xì)菌、寄生蟲(chóng)和病毒。水處理體系故障以及其它問(wèn)題有時(shí)也會(huì)導(dǎo) 致未完全除去這些污染物。在其它國(guó)家中，由于其中某些國(guó)家人口密度不 斷增加，水資源日益匱乏，并且沒(méi)有水處理設(shè)施，因此與受污染的水接觸 會(huì)帶來(lái)致命的后果。由于飲用水源普遍與人和動(dòng)物的排泄物非常接近，因 此微生物污染是影響健康的一個(gè)主要問(wèn)題。水生微生物污染，估計(jì)每年會(huì) 造成大約六百萬(wàn)人死亡，其中有一半是5歲以下的兒童。飲用水中總污染物濃度的減少發(fā)生在具有入口點(diǎn)(P0E)和/或使用點(diǎn) (P0U)水過(guò)濾器的市政處理廠和家中。家庭水過(guò)濾器中的這種濃度減少通 過(guò)機(jī)械過(guò)濾(即，某些微粒、寄生蟲(chóng)和細(xì)菌的尺寸排除)和吸附(即，化 學(xué)品、某些微粒、寄生蟲(chóng)、細(xì)菌和病毒)。對(duì)于家庭水過(guò)濾器，濃度減少水平取決于流量、過(guò)濾器體積和形狀、注入濃度水平、以及過(guò)濾介質(zhì)的俘 獲動(dòng)力學(xué)和能力。為了本發(fā)明的目的，介質(zhì)的俘獲動(dòng)力學(xué)和能力包括在術(shù) 語(yǔ)"俘獲效率"中。此外，如果由家庭水過(guò)濾器獲得的濃度減少量達(dá)到各國(guó)內(nèi)或國(guó)際組織(如，美國(guó)環(huán)保署-EPA,國(guó)家衛(wèi)生基金會(huì)-NSF，和世界衛(wèi)生組織_ WHO)在相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和議定書(shū)要求的含量，則該水過(guò)濾器可由這些組織注冊(cè)并標(biāo)注申請(qǐng)注冊(cè)號(hào)。類(lèi)似的測(cè)試和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于空氣過(guò)濾 哭6口 0例如，EPA于1987年提出了 "Guide Standard and Protocol for Testing Microbiological Water Purifiers"。該議定書(shū)對(duì)飲用水處理 系統(tǒng)的性能制定了最低要求，而這些水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于減少公共水源和 個(gè)人水源中影響健康的具體污染物。要求供水系統(tǒng)源中流出的水中病毒清 除率為99.99% (或相當(dāng)于41og),細(xì)菌清除率為99.9999% (或相當(dāng)于 61og)才能夠滿足要求。按照EPA議定書(shū)，在病毒的情況下，流入濃度 應(yīng)為1x10'個(gè)病毒每升，而在細(xì)菌的情況下，流入濃度應(yīng)為lxlO8個(gè)細(xì) 菌每升。由于大腸桿菌(E. coli，細(xì)菌)在供水系統(tǒng)中普遍存在，并且 與其飲用相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，因而將這種微生物在大多數(shù)研究中被用作細(xì)菌。類(lèi) 似地，MS-2細(xì)菌噬菌體(或簡(jiǎn)稱(chēng)為MS-2噬菌體)典型地用作病毒去除 的代表性微生物，因?yàn)樗拇笮『托螤?即，約26nra和為二十面體)與 很多病毒相似。因此，過(guò)濾器去除MS-2噬菌體的能力可證明它去除其它 病毒的能力。關(guān)于化學(xué)品和顆粒濃度的減少量，存在由NSF制定的類(lèi)似議定書(shū)和/ 或標(biāo)準(zhǔn)。例如，NSF/緒SI標(biāo)準(zhǔn)42包括設(shè)計(jì)用于減少具體的與美觀或非 健康相關(guān)的污染物如氯、味道和氣味，以及顆粒的P0U和P0E體系的美 觀效果。類(lèi)似地，NSF/ANSI標(biāo)準(zhǔn)53包括設(shè)計(jì)為減少具體的與健康相關(guān) 的污染物，如隱性芽胞蟲(chóng)菌、賈第鞭毛蟲(chóng)、鉛、揮發(fā)性有機(jī)化合物(V0C) 和曱基叔丁基醚(MTBE)的POU和POE體系的健康效果。由于這些要求和提高飲用水質(zhì)量的總體重要性， 一直需要提供能夠從 水流中除去污染物的改進(jìn)的過(guò)濾器和過(guò)濾材料，以及需要提供制造和使用 過(guò)濾材料的改進(jìn)方法和摻入過(guò)濾材料的過(guò)濾器。發(fā)明概述如第一實(shí)施例所述，提供了一種用于生產(chǎn)飲用水的過(guò)濾器。所述過(guò)濾 器包括一個(gè)具有進(jìn)水口和出水口的外殼以及排列在該外殼內(nèi)的過(guò)濾材料。 所述過(guò)濾材料包含活性炭顆粒和多個(gè)設(shè)置在活性炭顆粒表面上的碳納米 絲。過(guò)濾器是可操作的以便通過(guò)從外殼的進(jìn)水口流向出水口的液體水流中 除去污染物來(lái)提供飲用水。如第二實(shí)施例所述，提供了一種用于生產(chǎn)飲用水的方法。所述方法包 括提供一個(gè)過(guò)濾器，所述過(guò)濾器包括一個(gè)具有進(jìn)水口和出水口的外殼以及 排列在外殼內(nèi)的過(guò)濾材料。所述過(guò)濾材料包括設(shè)置在活性炭顆粒表面上的 多個(gè)碳納米絲。所述方法還包括使水流通過(guò)過(guò)濾材料以除去污染物，從而 生產(chǎn)飲用水。如第三實(shí)施例所述，提供了 一種制造用于生產(chǎn)飲用水的過(guò)濾材料的方 法。所述方法包括提供活性炭顆粒，將一種或多種納米絲前體至少部分地 沉積在活性炭顆粒表面上，在存在碳蒸氣的情況下攪拌活性炭顆粒和沉積 的納米絲前體，然后在存在碳蒸氣的情況下，以足以生產(chǎn)包含在顆粒表面沉積的納米絲前體。如第四實(shí)施例所述，提供了 一種制造用于生產(chǎn)飲用水的過(guò)濾材料的方 法。所述方法包括提供碳化的碳顆粒，將一種或多種納米絲至少部分地沉 積在碳化碳顆粒表面上，在存在碳蒸氣的情況下攪拌碳化碳顆粒和沉積的 納米絲前體，在存在碳蒸氣的情況下，以足以在碳化碳顆粒表面上產(chǎn)生碳 納米絲的溫度和時(shí)間，加熱>暖化石友顆粒和沉積的納米絲前體，然后通過(guò)加 熱或化學(xué)處理碳化顆粒和碳納米絲來(lái)活化碳化碳顆粒來(lái)生產(chǎn)包含在顆粒表 面上具有碳納米絲的活性炭顆粒的過(guò)濾材料。用于生產(chǎn)飲用水的過(guò)濾器以及制造和使用摻入如本文所述的過(guò)濾器中 的過(guò)濾材料的方法在從水流中除去污染物方面是有利的。本發(fā)明的過(guò)濾 器、過(guò)濾材料及方法所提供的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)以下具體實(shí)施方式
來(lái) 更充分地理解。附圖簡(jiǎn)述雖然本說(shuō)明書(shū)通過(guò)特別指出并清楚地要求保護(hù)本發(fā)明的權(quán)利書(shū)要求作出結(jié)論，但應(yīng)該相信由下列說(shuō)明并結(jié)合附圖可更好地理解本發(fā)明，其中

圖1是現(xiàn)有技術(shù)活性炭顆粒的掃描電鏡(SEM)圖象； 圖2a是如本發(fā)明的一種或多種實(shí)施例所述的活性炭顆粒的SEM圖象；圖2b是如本發(fā)明的一種或多種實(shí)施例所述的活性炭顆粒的另一個(gè) SEM圖象；圖2c是如本發(fā)明的一種或多種實(shí)施例所述的活性炭顆粒的高倍放大 SEM圖象；和圖3是如本發(fā)明的一種或多種實(shí)施例所述的過(guò)濾器的橫截面?zhèn)纫晥D。發(fā)明詳述 I.定義本文所用術(shù)語(yǔ)"過(guò)濾器"和"過(guò)濾"分別是指與通過(guò)吸附和/或尺寸 排除減少污染物(即，顆粒、化學(xué)和微生物污染物)濃度有關(guān)的結(jié)構(gòu)和裝置。本文所用短語(yǔ)"過(guò)濾材料"旨在指過(guò)濾顆粒的聚集體或集合。形成過(guò) 濾材料的過(guò)濾顆粒的聚集體或集合可以是均勻的或不均勻的并且可采用任 何形狀或形式。過(guò)濾顆粒可以均勻地或非均勻地分布(例如，不同過(guò)濾顆 粒的層)在過(guò)濾材料內(nèi)。形成過(guò)濾材料的過(guò)濾顆粒也無(wú)需具有相同的形狀 或大小并且可以松散或相互連接的形式提供。例如，過(guò)濾材料可包含具有 表面生長(zhǎng)納米絲的活性炭顆粒與活性炭纖維或中孔和堿性活性炭顆粒的組 合，并且這些過(guò)濾顆粒可松散締合的形式或者用聚合粘合劑或其它方法部 分地或完全地粘合形成整體結(jié)構(gòu)來(lái)提供。本文所用短語(yǔ)"過(guò)濾顆粒"旨在指用于形成至少部分過(guò)濾材料的獨(dú)立 構(gòu)件或條片。例如，纖維、微粒、小珠等在本文都被認(rèn)為是過(guò)濾顆粒。此 外，過(guò)濾顆粒的大小可變化，從不可觸知的過(guò)濾顆粒(例如，非常細(xì)的粉 末)到可觸知的過(guò)濾顆粒。本文所用術(shù)語(yǔ)"納米絲"及其派生詞是指橫向尺寸(如，直徑、寬度或厚度)在納米(nm)尺度，而縱向尺寸(如，長(zhǎng)度)從幾納米至幾百微米 (pm)的碳中空或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)，其從活性炭顆粒的表面散發(fā)和突出。本發(fā)明的 納米絲實(shí)例的非限制性列表包括單壁納米管(SWNT)、雙壁納米管(DWNT)、 多壁納米管(MWNT)、納米纖維、納米帶、納米角、或它們的組合。本文所用術(shù)語(yǔ)"污染物"及其派生詞可指以下三個(gè)種類(lèi)中的任何一 種顆粒(如，混濁和不溶解的無(wú)機(jī)顆粒如碳酸鈣)、化學(xué)品(如，氯、 味道、氣味、V0C、石棉、阿特拉津、MTBE、砷和鉛)、微生物生物體 (如，細(xì)菌、病毒、藻類(lèi)和寄生蟲(chóng))、或它們的組合。本文也設(shè)想了其它 污染物。本文所用術(shù)語(yǔ)"碳化"及其派生詞旨在指減少含碳物質(zhì)中非碳物質(zhì)的 方法。本文所用術(shù)語(yǔ)"活化"及其派生詞旨在指使碳化物質(zhì)更為多孔的方法。本文所用術(shù)語(yǔ)"活性顆粒"及其派生詞旨在指已經(jīng)歷活化過(guò)程的碳顆粒。本文所用術(shù)語(yǔ)"沉積"及其派生詞是指遞送顆?；蛞话闶俏镔|(zhì)至基質(zhì) 內(nèi)或上的過(guò)程。沉積過(guò)程的非限制性實(shí)例是吸附和攪拌。其它沉積實(shí)例包 括電化學(xué)沉積、電子束蒸發(fā)、熱氣相沉積、和/或射頻磁控管濺射。II.實(shí)施例根據(jù)如圖3所示的一個(gè)實(shí)施例，提供了用于生產(chǎn)飲用水的過(guò)濾器 20。所述過(guò)濾器20包括一個(gè)具有進(jìn)水口 24和出水口 26的外殼22。 圖3的實(shí)施例圖示說(shuō)明了一個(gè)圓柱形的實(shí)施例。然而，所述外殼22可 以多種形式、形狀、尺寸和排列提供，這取決于過(guò)濾器的預(yù)期用途，如本 領(lǐng)域所已知。例如，所述過(guò)濾器可為軸流過(guò)濾器，其中將入口和出口設(shè)置 成使得液體沿著外殼的軸線流動(dòng)。作為另外一種選擇，所述過(guò)濾器可為徑 流過(guò)濾器，其中所述入口和出口的排列使得流體沿外殼的徑向流動(dòng)。此 外，所述過(guò)濾器可既包括軸流又包括徑流。在不背離本發(fā)明范圍的條件 下，所述外殼還可形成為另一結(jié)構(gòu)的一部分。如本領(lǐng)域所知，為了適應(yīng)過(guò)濾器20的流量和預(yù)期用途，可以對(duì)入口24和出口 26的大小、形狀、間距、排列和位置進(jìn)行選^^。優(yōu)選地，所 述過(guò)濾器20被成形用于住宅或商業(yè)飲用水應(yīng)用。過(guò)濾器構(gòu)型、飲用水裝 置、消費(fèi)者器具和適用于本發(fā)明的其它水過(guò)濾裝置的實(shí)施例公開(kāi)于美國(guó)專(zhuān) 利 5, 527,451 、 5,5 36,394 、 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中，其內(nèi)容以引用方式并入本文中。如多個(gè)々欠用水實(shí)施例 所述，所述過(guò)濾器20可被成形為能夠適應(yīng)小于約8L/min水，或小于約 6L/min,或約2L/min至約4L/min的流量。參見(jiàn)圖3，所述過(guò)濾器20包括排列在外殼22內(nèi)的過(guò)濾材料28。 所述外殼22可包含過(guò)濾應(yīng)用所需那么多的過(guò)濾材料28。所述外殼可包 含小于約2kg的過(guò)濾材料，或小于lkg的過(guò)濾材料，或小于0. 5kg的 過(guò)濾材料。過(guò)濾材料28中存在的過(guò)濾顆粒是活性炭顆粒，其具有多個(gè)設(shè) 置在所述活性炭顆粒表面上的碳納米絲。所述過(guò)濾顆?？砂ǘ喾N形狀和 尺寸。例如，所述過(guò)濾顆?？梢灾T如顆粒、纖維和小珠之類(lèi)的簡(jiǎn)單形狀提 供。過(guò)濾顆?？梢郧蛐?、多面體形、圓柱形存在，以及以其它對(duì)稱(chēng)、不對(duì) 稱(chēng)和不規(guī)則的形狀提供。此外，所述過(guò)濾顆粒還可形成復(fù)雜的形式，如纖 維網(wǎng)、篩網(wǎng)、網(wǎng)孔、非織造材料、織造材料以及鍵合嵌段，其可由或不由 上述簡(jiǎn)單形式構(gòu)成。類(lèi)似于形狀，過(guò)濾顆粒的尺寸也可不同。用于任何單個(gè)過(guò)濾器中的過(guò) 濾顆粒之間尺寸不需要是均勻的。實(shí)際上，期望在單個(gè)過(guò)濾器中提供具有 不同尺寸的過(guò)濾顆粒。過(guò)濾顆?？删哂屑s0. ljam至約10mra的尺寸。在 示例性實(shí)施方案中，所述過(guò)濾顆?？删哂屑s0. 2pm至約5mm，約0. 4pm 至約lmni，或約lpm至約500jLim的尺寸。對(duì)球形和圓柱形顆粒(如纖 維、小珠等)而言，上述尺寸是指過(guò)濾顆粒的直徑。對(duì)于具有完全不同形 狀的過(guò)濾顆粒，上述尺寸是指最大尺寸(如，長(zhǎng)度、寬度或高度)。過(guò)濾顆?？砂ㄈ魏魏线m的活性炭顆粒，或在一些實(shí)施方案中，預(yù)活 化的碳化碳顆粒。例如且不是為了限制，所述活性炭顆粒可為微孔的、中 孔的或它們的組合。此外，活性炭顆?？砂净钚蕴款w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、或它們的組合。所述過(guò)濾材料28可以松散或互連(如，用聚合物粘合劑或 其它方法部分或全部粘合形成整體結(jié)構(gòu))的形式提供。具有表面生長(zhǎng)的納米絲的活性炭顆粒具有比無(wú)納米絲的活性炭顆粒更 高的污染物俘獲效率。無(wú)長(zhǎng)絲的活性炭顆粒的掃描電子顯微照片(SEM)顯 示于圖1中，而有表面生長(zhǎng)納米絲的活性炭顆粒的SEM顯示于圖2a和 2b中。在許多設(shè)想過(guò)濾器實(shí)施例中的一個(gè)中，大量的表面生長(zhǎng)納米絲可 產(chǎn)生更多的吸附位點(diǎn)和大量各種污染物的尺寸排除位點(diǎn)。在操作所述過(guò)濾 器20的過(guò)程中，水流從過(guò)濾器20的進(jìn)水口 24流至出水口 26。當(dāng)水 流經(jīng)過(guò)過(guò)濾材料28時(shí)，污染物被除去，以便從過(guò)濾器20的出水口 26 提供飲用水。在一個(gè)實(shí)施例中，這種污染物去除是由于污染物吸附在過(guò)濾 顆粒的吸附位點(diǎn)上。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，提供了一種制造用于生產(chǎn)飲用水的過(guò)濾材料28 的方法。所述方法包括提供活性炭顆粒，然后將一種或多種納米絲前體至 少部分地沉積在所述活性炭顆粒的表面上。所述納米絲可借助本領(lǐng)域技術(shù) 人員已知的任何合適的常規(guī)方法來(lái)沉積。沉積方法的實(shí)例在上述定義部分 提供。在一個(gè)實(shí)施例中，這些納米絲前體包含催化劑，并且可以固相、液 相或氣相存在。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，所述納米絲前體包含催化劑，所 述催化劑包括過(guò)渡金屬的鹽。這些過(guò)渡金屬的鹽可包括Fe、 Co、 Mo和 Ni、或它們的混合物。納米絲前體的實(shí)施例包括但不限于硫酸鐵 ((Fe2(SOJ3)、氯化鐵(FeC丄3)、 二茂鐵(Fe (C5H5) 2) 、 二茂鈷(Co (C5H5) 2) 、 二 茂鎳(Ni(C5H5)2)、氧化鐵(Fe力3)、五羰基鐵(Fe(CO)》、以及酞菁鎳 (C32H16NsNi)。所述方法還包括在存在含碳蒸氣的情況下，攪拌所述活性炭顆粒和沉 積的納米絲前體，然后在存在含碳蒸氣的情況下，以足以產(chǎn)生包含顆粒表炭顆粒和沉積納米絲。根據(jù)所述方法，在加熱環(huán)境如爐子或反應(yīng)器中，含 碳蒸氣接觸活性炭顆粒和沉積的納米絲前體并與之反應(yīng)。如果活性炭顆粒 和沉積納米絲以固定的構(gòu)型排列，例如在固定床流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)，則含碳蒸 氣將可能僅接觸顆粒的頂層或暴露在蒸氣中的顆粒的頂部表面。這可能限 制在活性碳顆粒表面上產(chǎn)生的碳納米絲的量，因?yàn)椴皇撬泄潭ɑ钚蕴款w粒的表面都可暴露在含碳蒸氣中。與固定構(gòu)型相對(duì)比，攪拌或流化所述活 性炭顆粒和沉積納的米絲前體將確保含碳蒸氣接觸活性碳和沉積前體的更 多表面區(qū)域，從而在活性碳顆粒表面上產(chǎn)生更多的碳納米絲。適于攪拌活 性炭顆粒的反應(yīng)器可包括但不限于流化床反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)床反應(yīng)器、包括攪 拌或混合組件的常規(guī)固定床反應(yīng)器等。含碳蒸氣可包括有效提供所需反應(yīng)產(chǎn)物的任何含碳蒸氣。在一個(gè)實(shí)施 例中，含碳蒸氣可包括乙炔、苯、二曱苯、乙烯、曱烷、乙醇、 一氧化 碳、樟腦、萘、或它們的混合物。溫度、時(shí)間和氣氛等反應(yīng)條件可變化， 并且不同的組合適于促進(jìn)所需的反應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，溫度可從約40CTC至約1500°C變化。在示例性實(shí)施例中，溫度范圍可包括小于約 120(TC,小于約IOO(TC,或小于約800°C的上限，和大于約400°C,大 于約500°C,大于約600°C,或大于約700°C的下限。在另一個(gè)實(shí)施例 中，反應(yīng)時(shí)間為約2分鐘至約10小時(shí)。在示例性實(shí)施例中，反應(yīng)時(shí)間 為約5分鐘至約8小時(shí)，約10分鐘至約7小時(shí)，或約20分鐘至約 6小時(shí)。在一個(gè)實(shí)施方案中，在所述方法的初始階段，所述納米絲前體可在活 性炭顆粒表面上的表面上產(chǎn)生納米顆粒。例如，硫酸鐵將在活性炭顆粒表 面上分解并產(chǎn)生Fe納米顆粒。當(dāng)含碳蒸氣被引到催化劑顆粒上以建立碳 納米絲時(shí)，這些納米顆粒將催化碳納米絲的形成。此外，所述方法還可包括一種載氣用于將含碳蒸氣遞送至碳顆粒的表和納米絲前體的載氣。載氣可以是惰性的或還原性的，并且在一個(gè)實(shí)施例 中，它可包含少量蒸氣。這種載氣的典型和非限制性實(shí)例為氮。氬和氦是 載體的兩種其它實(shí)例。然而，本文還設(shè)想了許多其它合適的載氣。爐子中 載氣的面速度為約lcm/h.g(即，厘米每小時(shí)和每克活性炭顆粒)至約 35 0cm/h. g，并且在示例性實(shí)施例，約2cm/h. g至約180cm/h. g，約 4cm/h. g至約90cm/h. g，或約20cm/h. g至約40cra/h. g。根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例，本文描述了 一種制造用于生產(chǎn)飲用水的 過(guò)濾材料28的可供選擇方法。所述方法包括提供碳化的碳顆粒。如上所 述，碳化顆粒是過(guò)濾顆粒，其尚未經(jīng)歷活化步驟。與上述其它方法類(lèi)似，所述方法還包括至少部分地將一種或多種納米絲前體沉積在碳化的碳顆粒 的表面上，然后在存在含碳蒸氣的情況下，攪拌所述碳化的碳顆粒和沉積 的納米絲前體。然后在存在含碳蒸氣的情況下，以足以在碳化的碳顆粒表 面上產(chǎn)生碳納米絲的溫度和時(shí)間，加熱所述碳化的碳顆粒和沉積的納米絲 前體。另外，所述方法包括活化所述碳化的碳顆粒。在活化過(guò)程中，加熱 或化學(xué)處碳化顆粒和碳納米絲理制得過(guò)濾材料，其包含在顆粒表面上具有 碳納米絲的活性炭顆粒。碳化的碳可在本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的各種處理?xiàng)l件下加熱活化。例 如，加熱活化可發(fā)生在包含蒸氣、C02、或它們的混合物的氣氛中進(jìn)行。此 外，活化溫度和持續(xù)時(shí)間可根據(jù)使用的過(guò)濾顆粒而變化。碳化的碳也可用 本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何合適的化學(xué)試劑來(lái)化學(xué)活化。例如，碳化的碳可用K0H或H3P04處理?；罨襟E可在上述方法的任何階段加入?；罨?可用一步或多步進(jìn)行，并且活性炭顆?？蛇M(jìn)行進(jìn)一步活化。在另一個(gè)實(shí)施例中，上述方法還可包括清潔步驟，用來(lái)清潔碳納米絲 以及隨后在加熱步驟后除去任何殘余的納米絲前體。類(lèi)似于活化，清潔步 驟可加入熱處理或化學(xué)處理以清潔納米絲并除去納米絲前體?？墒褂萌魏?清潔方法。在一個(gè)化學(xué)清潔的實(shí)施例中，可使用酸性溶液。在一個(gè)示例性 實(shí)施方案，在清潔步驟中可使用強(qiáng)酸溶液，例如硝酸或硫酸溶液。設(shè)想如 上所述，形成碳納米絲后利用的活化步驟可作為清潔步驟或部分清潔步 驟。在另一個(gè)實(shí)施例中，上述方法可包括處理碳化的或活化的碳顆粒然后 在加熱步驟之前用還原劑沉積納米絲前體。在此還原步驟過(guò)程中，所述顆粒和沉積的納米絲前體在存在還原劑的情況下處理以使顆粒表面官能化。 通過(guò)使表面官能化，過(guò)濾顆?？商岣咂鋵?duì)水流中目標(biāo)污染物的吸附。還原 劑的非限制性實(shí)例包括氫、氨或它們的混合物。例如，包含氨的還原劑可 與顆粒表面反應(yīng)在顆粒表面上生成氮，其中氮可粘結(jié)或吸附待過(guò)濾的污染 物。III.實(shí)驗(yàn)實(shí)施例以下的非限制性實(shí)例描述了過(guò)濾材料，以及根據(jù)本發(fā)明的 一種或多種 實(shí)施例制造過(guò)濾材料的方法。實(shí)施例1形成具有表面生長(zhǎng)納米絲的活性炭顆粒。 使用二茂鐵100g NUCHAR RGC 80x325木基活性炭顆粒(購(gòu)自MeadWestvaco Corp., Covington, VA )與500mL 10% 二茂鐵(Fe (C5H5) 2) 二甲苯溶液混 合。所得吸附有二茂鐵的活性炭于室溫下干燥過(guò)夜。然后將活性炭放入平 管爐Lindberg / Blue M (型號(hào)HTF55667C; SPX Corp.; Muskegon, MI)的托盤(pán)內(nèi)。管爐的直徑為15. 25cm(6in.)。在0. 12L/s (15f t3/h)的氮 氣流中將爐子加熱至 800 °C 。 一旦達(dá)到所需的爐溫，就用 0. 12L/s(15ft3/h)(即，面速度為約23cm/h. g)的氮?dú)饬鲗OmL/min的 10% 二茂鐵二曱苯溶液引入管爐中1小時(shí)。在該時(shí)段末，讓材料在氮?dú)?氛中冷卻至室溫。所得活性炭顆粒包含表面生長(zhǎng)納米絲。實(shí)施例2形成具有表面生長(zhǎng)納米絲的活性炭顆粒。 使用硫酸鐵和二茂鐵100g微孔椰子活性炭顆粒80x325 (購(gòu)自Calgon Carbon Corp., Pittsburgh, PA)與lOOmL 20%硫酸鐵(Fe2 (S04) 3)去離子水溶液混合。所 得吸附有疏酸鐵的活性炭在烘箱中于130°C干燥過(guò)夜。然后將活性炭放 入平管爐Lindberg / Blue M (型號(hào) HTF55667C ; SPX Corp.; Muskegon, MI)的托盤(pán)內(nèi)。管爐的直徑為15. 25cm(6in.)。 在 0. 12L/s(l5ft7h)的氮?dú)饬髦袑t子加熱至800°C。 一旦達(dá)到所需爐溫， 就將活性炭保持在該溫度約45分鐘。然后，用0. 04L/s(5ftVh)(即， 面速度為約8cm/h. g)的氮?dú)饬鲗?mL/min的10% 二茂鐵二曱苯溶液帶 入管爐中1小時(shí)。在該時(shí)段結(jié)束時(shí)，讓材料在氮?dú)夥罩欣鋮s至室溫。所 得活性炭顆粒包含表面生長(zhǎng)納米絲。注意在本文中未使用類(lèi)似"具體地講"、"優(yōu)選地"、"典型地，，和 "通常"的術(shù)語(yǔ)來(lái)限制受權(quán)利要求書(shū)保護(hù)的發(fā)明的范圍或暗示某些特性對(duì) 于受權(quán)利要求書(shū)保護(hù)的發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能是關(guān)鍵的、必需的或甚至重要 的。更確切地說(shuō)，這些術(shù)語(yǔ)僅旨在突出可以或不可以利用在本發(fā)明的特定 實(shí)施例中的可供選擇的或另外的特征。還應(yīng)注意，本文使用類(lèi)似"基本上"和"約"的術(shù)語(yǔ)來(lái)表示可屬于任何定量比較、值、量度或其它表示的 不確定性的內(nèi)在程度。文獻(xiàn)的引用不可理解為是對(duì)其作為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)的認(rèn)可。盡管已用具體實(shí)施方案來(lái)說(shuō)明和描述了本發(fā)明，但對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員顯而易見(jiàn)的是，在不背離本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍的情況下可作出許 多其他的變化和修改。因此，有意識(shí)地在附加的權(quán)利要求書(shū)中包括屬于本 發(fā)明范圍內(nèi)的所有這些變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)飲用水的過(guò)濾器，其特征在于包括進(jìn)水口和出水口的外殼；和排列在所述外殼內(nèi)的過(guò)濾材料，所述過(guò)濾材料的特征在于，活性炭顆粒；和設(shè)置在所述活性炭顆粒表面上的多個(gè)碳納米絲，其中所述過(guò)濾器是可操作的以便通過(guò)從所述外殼的進(jìn)水口流向出水口的液體水流中除去污染物來(lái)提供飲用水。
2. 如權(quán)利要求1所述的過(guò)濾器，其中所述活性炭顆粒包括微孔、中 孑L、或它們的組合。
3. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的過(guò)濾器，其中所述活性炭顆粒包括木 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、或它們的組合。
4. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的過(guò)濾器，其中所述活性炭顆粒包括纖 維、球體、不規(guī)則形狀顆粒、或它們的組合。
5. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的過(guò)濾器，其中所述活性炭顆粒具有 0. 1,至10mm的尺寸。
6. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的過(guò)濾器，其中所述碳納米絲包括單壁 納米管(SWNT)、雙壁納米管(DWNT)、多壁納米管(MWNT)、納米絲、 納米帶、納米角、或它們的組合。
7. 如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的過(guò)濾器，其中所述過(guò)濾器被成形為能 夠適應(yīng)最大8L/min水的流量。
8. —種生產(chǎn)飲用水的方法，其特征在于提供根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求 所述的過(guò)濾器，并且使水流通過(guò)所述過(guò)濾材料來(lái)移除污染物，因此 生產(chǎn)飲用水。
9. 一種制造用于生產(chǎn)飲用水的過(guò)濾材料的方法，其特征在于 提供活性炭顆粒；將一種或多種納米絲前體至少部分地沉積在所述活性炭顆粒的表面 上；在存在含碳蒸氣的情況下，攪拌所述活性炭顆粒和沉積的納米絲前體；和在存在含碳蒸氣的情況下，以足以生產(chǎn)包含所述顆粒表面上具有碳 納米絲的活性炭顆粒的過(guò)濾材料的溫度和時(shí)間，加熱所述活性炭顆 粒和所述沉積的納米絲前體。
10. —種制造用于生產(chǎn)飲用水的過(guò)濾材料的方法，其特征在于 提供碳化的碳顆粒；上；在存在含碳蒸氣的情況下，攪拌所述碳化的碳顆粒和沉積的納米絲 前體；在存在含碳蒸氣的情況下，以足以在所述碳化的碳顆粒表面上產(chǎn)生 碳納米絲的溫度和時(shí)間，加熱所述碳化的碳顆粒和所述沉積的納米絲前體；和通過(guò)加熱或化學(xué)處理所述碳化顆粒和碳納米絲來(lái)活化所述碳化的碳 顆粒，以生產(chǎn)包含所述顆粒表面上具有碳納米絲的活性炭顆粒的過(guò) 濾材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于生產(chǎn)飲用水的過(guò)濾器(20)，所述過(guò)濾器包括一個(gè)具有進(jìn)水口(24)和出水口(26)的外殼(22)，以及排列在所述外殼(22)內(nèi)的過(guò)濾材料(28)。所述過(guò)濾材料(28)包含活性炭顆粒和設(shè)置在所述活性碳顆粒表面上的多個(gè)碳納米絲。所述過(guò)濾器(20)是可操作的以便通過(guò)從所述外殼(22)的進(jìn)水口(24)流向出水口(26)的液體水流中除去污染物來(lái)提供飲用水。
文檔編號(hào)C02F1/28GK101277903SQ200680036553
公開(kāi)日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2006年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月7日
發(fā)明者季米特里斯·揚(yáng)尼斯·科利亞斯, 邁克爾·多諾萬(wàn)·米切爾 申請(qǐng)人:Pur水純化產(chǎn)品公司