專利名稱：含有可膨脹物質(zhì)的復(fù)合材料的制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景技術(shù)1、發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料以及使用這些材料來過濾溶液以及其它流體的設(shè)備。這些濾料可用于過濾設(shè)備、流體處理設(shè)備(主要是水溶液過濾以及水凈化)、工藝排出的廢氣和其它水成液的設(shè)備，這種設(shè)備能夠去除流過其中的氣體或水合液中含有的污染物。更特別的是，本發(fā)明涉及去除化學(xué)污染物和微生物污染物的設(shè)備，去除的污染物包括有殺蟲劑、金屬、溶解固體、包囊、細(xì)菌、病毒以及來自水或水合液中的這些污染物成分。
2、相關(guān)技術(shù)的描述可以采用許多不同的技術(shù)來制備復(fù)合材料，比如，燒結(jié)或焙燒，熔化和冷卻，擠壓和成型。通常，復(fù)合材料由兩種或兩種以上的化學(xué)物質(zhì)制成，由一種或一種以上的物質(zhì)形成基質(zhì)，并且與其它物質(zhì)(分散相)均勻地凝固。在現(xiàn)有技術(shù)中有很多制作復(fù)合材料的技術(shù)。
從水的安全性以及可飲用性到包括有發(fā)酵處理以及從生物液體中分離物質(zhì)的生物技術(shù)應(yīng)用角度考慮，水或其它水溶液的凈化、過濾和處理都具有廣泛的應(yīng)用。同樣地，過濾介質(zhì)還有一個(gè)重要的應(yīng)用，就是在需要超純凈空氣的醫(yī)院和潔凈的房間中以及環(huán)境中的空氣需要循環(huán)的比如航空器或太空船中，從其中的呼吸空氣中去除微生物。近幾年來，人們逐漸認(rèn)識(shí)到家里的空氣需要過濾和凈化，不斷地關(guān)心能量效率和室內(nèi)的空氣質(zhì)量，因此產(chǎn)生了許多空氣過濾產(chǎn)品，比如HEPA過濾器等，這些都是用于從空氣中去除小顆粒，過敏原甚至是微生物。
目前有很多眾所周知的凈化水的方法，比如蒸餾、離子交換、化學(xué)吸收、過濾或滯留，這些方法都是物理的方法吸收顆粒。通過使用膜或粒狀材料層可以實(shí)現(xiàn)顆粒過濾，但是所有的情況下，材料的孔徑以及粒狀材料的空隙空間都控制著截留的粒子的尺寸工。其它凈化介質(zhì)包括有進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的材料，這種材料能夠改變流體中待凈化的化學(xué)物質(zhì)的狀態(tài)和性質(zhì)。比如基于金屬催化劑的排放控制。
在去除、固化和轉(zhuǎn)化化學(xué)物質(zhì)方面以及去除或鈍化微生物方面具有很好效果的材料應(yīng)用很廣泛，但是顆粒的應(yīng)用只包括有產(chǎn)生凈化水，處理化學(xué)流出物以及利用催化劑、生物技術(shù)以及發(fā)酵方法來轉(zhuǎn)化化學(xué)流出物。目前，在處理以上的每一個(gè)領(lǐng)域中產(chǎn)生流體的很多階段，復(fù)合材料都非常有用。
在采用顆粒材料處理流體以及處理應(yīng)用中，為了完全地處理流體排放物，需要將方法與技術(shù)結(jié)合起來。例如，在處理飲用水或食品用水中，使用前都需要化學(xué)凈化和微生物凈化。通過將單一設(shè)備中的功能結(jié)合起來或者將每一個(gè)設(shè)備都具有不同功能的設(shè)備串聯(lián)起來使用，就可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)的結(jié)合。例如，采用如下的技術(shù)結(jié)合，采用既能夠去除陽離子又能夠去除陰離子的混合型離子交換樹脂以及采且采用機(jī)械過濾與化學(xué)方法或輻射氧化方法結(jié)合起來使用。
在以上列出的流體處理應(yīng)用中，為了把流體中的成分轉(zhuǎn)化成不同的物質(zhì)，去除污染物和/或分離出有價(jià)值的成分，采用粒狀物質(zhì)的容器來處理流體、液體和氣體。眾所周知，利用粒狀吸收材料可以去除微生物以及有機(jī)和無機(jī)的化學(xué)污染物。粒狀吸收材料包括離子交換樹脂以及活化和鈍化的含碳材料。大家還知道，可以采用自然生成的礦物質(zhì)比如磷灰石、磷酸三鈣和氧化鋁礦及其粒狀、顆?；蚶w維狀的衍生物作為水處理材料。磷灰石和氧化鋁可以采用市場銷售的由WaterVisions International Inc.制造生產(chǎn)的產(chǎn)品以及專利申請US5755969中所描述的現(xiàn)有技術(shù)。
應(yīng)用粒狀材料處理流體的最常用方法之一是將粒狀材料放置在一個(gè)帶有格柵用于防止粒狀材料流失的適當(dāng)容器中。許多不同的設(shè)備都裝有顆粒材料。用戶和商業(yè)團(tuán)體利用這些設(shè)備來進(jìn)行化學(xué)分析化學(xué)排放物的處理，廢物及廢氣處理，生物技術(shù)和飲用水的處理。
盡管采用粒狀材料設(shè)備的設(shè)計(jì)非常簡單，但是很少設(shè)備具有極好的性能從而廣泛應(yīng)用。例如，簡單的點(diǎn)使用的流體凈化設(shè)備，比如安裝到室內(nèi)供水管上的濾水器，不具備微生物凈化水的功能，從而不能達(dá)到安全使用的標(biāo)準(zhǔn)。
導(dǎo)致含有粒狀材料的設(shè)備以及粒狀材料性能上的缺點(diǎn)的原因在于隨著時(shí)間的消失，容器內(nèi)粒狀材料的流動(dòng)性能降低。顆粒的接觸以及磨擦都會(huì)導(dǎo)致顆粒尺寸的減小。隨著時(shí)間的流失，流體中含有的污染物污染顆粒的表面，從而導(dǎo)致顆粒聚集。以上這些情況所導(dǎo)致的最后結(jié)果是顆粒材料的流體分流。
改進(jìn)流體與顆粒的接觸以及限制流體分流的方法主要是顆粒固化。采用Teflon(US5071610和US4194040)的原纖化作用以及利用US5249948、US5189092、US5147722、US5019311專利申請所描述的聚合物粘合劑，并且使用由3M Corp.、Fibredyne Inc.和WaterVisions International Inc.生產(chǎn)的材料就可以對顆粒進(jìn)行固化。然而，在每一個(gè)例子中，制備復(fù)合材料都需要昂貴的工業(yè)設(shè)備。
此外，如果大規(guī)模的生產(chǎn)可用的復(fù)合材料，就需要特殊的技術(shù)秘密和專門的技能。最后，在解決目前廣泛存在的流體處理的問題中，很難將這些技術(shù)廣泛應(yīng)用于不同類型的顆粒材料的的固化和混合。
此外，在工業(yè)上需要簡化和迅速固化不同的粒狀材料，從而改進(jìn)流體與顆粒材料的接觸。此外，這些復(fù)合材料必須經(jīng)濟(jì)并且有利于裝到目前廣泛存在的流體處理狀況中的不同形狀和尺寸的設(shè)備中去。
有機(jī)超吸收材料目前有兩種主要用途。這些使用包括有用于個(gè)人護(hù)理/衛(wèi)生用品，比如尿布，失禁用品和女性護(hù)理用品，還包括有用作保護(hù)性涂層的成分，其中超吸收材料阻止水滲透，比如可以與電導(dǎo)體結(jié)合使用。第二種應(yīng)用包括用作水處理的離子交換樹脂，用作農(nóng)業(yè)土壤的添加劑，從而由吸收劑保持住植物所需要的水分。在密封池塘以及液體容器的洞和裂縫時(shí)使用無機(jī)膨脹物質(zhì)比如膨潤土。在這些現(xiàn)有的應(yīng)用膨脹物質(zhì)的技術(shù)中，要么是從某處去除水，從而干燥某一位置從而防止水的滲透，如防止水流過保護(hù)電子部件的擋板，要么是儲(chǔ)存或隔絕水供以后使用或處理。這些使用中沒有一個(gè)涉及到在可控制的狀況下為了利于流體的流通和化學(xué)/生物處理而制成的合成材料。
發(fā)明概述本發(fā)明人發(fā)明了一種新穎的用于流體處理的復(fù)合材料以及制備復(fù)合材料的新型設(shè)備。復(fù)合材料是通過將在待處理的流體或其它流體中基本上不膨脹的材料與膨脹的材料結(jié)合起來而制成的。膨脹材料形成一個(gè)基體，將膨脹材料和非膨脹材料固定下來從而形成復(fù)合材料。本發(fā)明可應(yīng)用于各種類型的不溶于流體的顆粒及其混合物中。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于具有特殊的用戶和工業(yè)應(yīng)用的設(shè)備中。在優(yōu)選實(shí)施例中，復(fù)合材料可以制成塊狀、管狀、片狀或膜狀，并且在流體流過采用兩種材料制成的復(fù)合材料時(shí)，用于改變流體的特性。非膨脹材料至少能夠去除、改變或鈍化一種或多種污染物或不希望的成分。
如上所述，由流體(比如流過處理材料的水和水合溶液)的壓力以及顆粒腐蝕和聚結(jié)所產(chǎn)生的分流效應(yīng)可能會(huì)影響采用松散材料的流體處理設(shè)備的處理效率。流體通過與處理材料直接接觸，可以去除、轉(zhuǎn)化或鈍化化學(xué)物質(zhì)、病素和細(xì)菌，隨著時(shí)間的進(jìn)行，水壓、水流、顆粒腐蝕或顆粒聚結(jié)會(huì)在顆粒材料內(nèi)形成相對較小的通道，即使小的通道也足以使不希望的化學(xué)污染物和微生物污染物流過處理設(shè)備。
本發(fā)明可以通過以下方法和設(shè)備來解決這一問題，本發(fā)明提供一種多孔流體處理復(fù)合材料，包含有這些材料的流體處理設(shè)備，以及利用這些材料處理或去除流體中的化學(xué)污染物(比如有機(jī)物和無機(jī)物，以及包括有細(xì)菌、包囊和病毒)的方法，同時(shí)通過將設(shè)備中的非膨脹處理材料和膨脹處理材料結(jié)合使用，就可以解決流體分流和污染物分流。
本發(fā)明一方面是提供一種處理、凈化和過濾水溶液或氣體以及氣體混合物的方法和設(shè)備，尤其是水(比如飲用水或游泳池水或洗澡水)，或其它水溶液(比如發(fā)酵肉湯和細(xì)胞培養(yǎng)所使用的溶液)，氣體和氣體混合物(比如可呼吸的空氣，清潔房間、醫(yī)院、潛水設(shè)備、飛行器或宇宙飛船中所使用的氣體)以及用于噴射、凈化或去除表面顆粒物的氣體。該方法也可以很容易地用于處理使用催化劑進(jìn)行處理過的氣流，這些催化劑用于石油工業(yè)和氣體排放物凈化工業(yè)，將有毒氣體或環(huán)境不能接收的氣體轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì)。使用本發(fā)明的設(shè)備可以極高效率地去除微生物污染物，包括有細(xì)菌和病毒及其混合物。特別地，使用本發(fā)明的方法和設(shè)備可以使凈化水達(dá)到EPA標(biāo)準(zhǔn)。
在典型的實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一用于處理流體的復(fù)合凈化材料，復(fù)合材料中包括有顆粒碳、磷灰石，氧化鋁或鋁矽材料，并且由于其含有膨脹材料所以呈多孔狀。碳通常是標(biāo)準(zhǔn)的活性碳顆粒。通常，至少一部分磷灰石是羥磷灰石，由天然材料(例如骨炭)或合成材料(比如含有磷灰石的鈣磷酸鹽混合物)制成。通常，至少一部分鋁矽酸鹽是氧化鋁或礬土，由天然材料或合成材料制成。還有，膨脹材料通常是聚合材料或低聚材料，在與水或其它流體接觸時(shí)能夠充分地膨脹，并且能夠?qū)㈩w粒磷灰石或鋁矽酸鹽固定到復(fù)合材料上。這樣，就可以將復(fù)合材料制成理想的形狀，如易于裝入帶有入口和出口的過濾設(shè)備中。這樣一種設(shè)備構(gòu)成了本發(fā)明的另一實(shí)施例。聚合物或低聚物除了能夠?qū)⑻?、磷灰石、氧化鋁或鋁矽酸鹽顆粒固定在復(fù)合材料上以外，還可以使設(shè)備具有一種特殊的功能，就是可以根據(jù)所使用的聚合材料或低聚材料的量和類型來決定合成材料是堅(jiān)硬的或者是有彈性的。另外，膨脹材料還可以凈化水。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，涉及一種制成片狀或膜狀的流體處理復(fù)合凈化材料，其包括有利用膨脹材料固定其上的顆粒碳、磷灰石、氧化鋁或鋁矽酸鹽。
本發(fā)明還涉及一種過濾液體(比如水、水溶液)和氣體的方法，通過使流體與本發(fā)明的復(fù)合凈化材料接觸，去除其中含有的一種或幾種大部分化學(xué)污染物和微生物污染物。本發(fā)明的這一實(shí)施例的特殊之處在于，流體與凈化復(fù)合材料的接觸是在以上所述的設(shè)備中進(jìn)行的，從入口流入的未過濾的水在一個(gè)室中或幾個(gè)室中與復(fù)合凈化材料接觸，而且濾過水流出出水口，這時(shí)微生物和/或化學(xué)物質(zhì)的濃度明顯降低。
利用本發(fā)明制備的復(fù)合凈化材料可以凈化飲用水，凈化用于消遣娛樂的水(比如游泳池，熱浴盆和溫泉)，凈化工藝用水(比如冷卻塔用水)，凈化水溶液，其中水溶液包括有以下部分但不限于這些，發(fā)酵肉湯和細(xì)胞培養(yǎng)液(如發(fā)酵或其它細(xì)胞培養(yǎng)工藝中循環(huán)使用的溶液)和外科手術(shù)循環(huán)使用的水溶液，該復(fù)合材料還可以凈化氣體和氣體混合物(比如可呼吸空氣，象醫(yī)院通風(fēng)或工業(yè)潔凈房間所用的空氣，潛水設(shè)備所用的空氣或者如飛機(jī)或宇宙飛船循環(huán)使用的空氣以及用于從表面、容器或器皿表面噴射、凈化或去除揮發(fā)性或顆粒物質(zhì)的氣體)。這種方法還以容易地應(yīng)用于處理比如石油工業(yè)和排放氣體凈化工業(yè)使用催化劑的氣流。本發(fā)明的復(fù)合凈化材料以及利用這些材料的設(shè)備所具備的其它優(yōu)點(diǎn)在于能夠充分利用很容易得到的含碳材料、磷灰石和/鋁矽酸鹽，還包括有一些能夠高效去除化學(xué)物質(zhì)以及微生物的天然材料。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可以將流體凈化材料作為固定生物技術(shù)應(yīng)用中所采用的微生物的介質(zhì)，比如發(fā)酵工藝和細(xì)胞培養(yǎng)工藝，流體凈化材料也就是由膨脹材料與非膨脹材料制成的復(fù)合材料或片狀的復(fù)合材料。在這個(gè)實(shí)施例中，將微生物固定在復(fù)合材料中，使生物處理流體(比如營養(yǎng)肉湯，培養(yǎng)基溶液等等)以這樣一種方式流過本發(fā)明的固定材料，即使流體與復(fù)合材料中固定的微生物接觸，流出物可以根據(jù)需要去除合成材料并且再做進(jìn)一步處理。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可以將流體凈化材料作為固定化學(xué)和生物技術(shù)應(yīng)用中所采用的催化劑的介質(zhì)，比如發(fā)酵工藝和工業(yè)排放控制工藝，石油工業(yè)和化學(xué)工藝，流體凈化材料也就是由膨脹材料與非膨脹材料制成的復(fù)合材料或片狀的復(fù)合材料。在這個(gè)實(shí)施例中，化學(xué)和生物工藝流體(比如氣流、含烴溶液等)以這樣一種方式流過本發(fā)明的固定材料，即使流體與復(fù)合材料中固定的催化劑接觸。催化劑使流體中的活性反應(yīng)組分進(jìn)行反應(yīng)，從而降低流出物中的污染物的濃度，流出物可以根據(jù)需要去除其中的復(fù)合材料并且再做進(jìn)一步處理。
本發(fā)明特殊實(shí)施例的詳細(xì)描述在以上所述的概述中，本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種作為濾料的凈化流體復(fù)合材料，其包含有顆粒碳、磷灰石、氧化鋁或鋁矽酸鹽以及膨脹材料，膨脹材料在一種典型的在與水或其它流體接觸時(shí)膨脹的聚合材料。本發(fā)明的特別之處在于本發(fā)明涉及一種含有分布相的混合物并且與固定的基質(zhì)相結(jié)合的復(fù)合濾料，分布相中含有一種或幾種粒狀磷灰石及其 生物，顆?；钚蕴?GAC)，氧化鋁，或其它的吸收介質(zhì)(比如礬土，水合硅酸鋁，或離子交換樹脂)，基質(zhì)相包含有在與水或其它流體接觸時(shí)體積膨脹的材料，比如聚丙烯酸材料。分布相由膨脹材料固定，因此在流體處理期間就不會(huì)發(fā)生分流現(xiàn)象。將每一種顆粒隨意地混合在一起就可以容易地制成本發(fā)明的流體凈化復(fù)合材料。在流體引入復(fù)合材料中時(shí)，膨脹材料和非膨脹材料的混合物形成一個(gè)方塊、片、膜或涂層。設(shè)備可以制成任何尺寸或形狀，可以是鋼性的也可以是柔性的。復(fù)合濾料的孔徑影響著流過濾器的流體的流速，是混入合成濾料的顆粒的尺寸以及膨脹材料與非膨脹材料的相對比例的函數(shù)。這里使用的術(shù)語“復(fù)合材料”不表示任何特殊的幾何形狀。所使用的術(shù)語“復(fù)合材料”的非限制性的例子包括有管或環(huán)孔以及更常用的幾何形態(tài)。形成柔性復(fù)合材料的材料特別適用于液體過濾介質(zhì)管。
本發(fā)明的凈化復(fù)合材料的其中一個(gè)特征是設(shè)備可以制成各種需要的形狀。這樣就易于處理并且具有極高的可測量性。例如，凈化復(fù)合材料可以制成獨(dú)石或有包裝的片，將其裝入常用的殼體中用作過濾材料?？梢允箖艋牧铣尚停鳛轱嬘盟蚝粑^濾系統(tǒng)的一部分。復(fù)合材料也可以制成幾種不同的塊狀，水流過串聯(lián)或并聯(lián)的塊狀材料。復(fù)合材料也可以制成片或膜。無論是塊狀或片/膜狀的復(fù)合材料，其硬度或設(shè)備的硬度都可以通過改變包含有膨脹材料和非膨脹材料的柔性支撐結(jié)構(gòu)的成分來改變。
顆粒固定或鎖定機(jī)理膨脹材料的顆粒尺寸為0.1μm到10mm，纖維直徑為0.5μm到10mm，紡織材料或無紡材料片的厚度為0.5μm到10mm。膨脹材料優(yōu)選用于形成復(fù)合材料。優(yōu)選地，膨脹材料與非膨脹材料的顆粒尺寸相似，從而減小顆粒形狀的差別。
在不希望受任何理論的約束的情況下，相信固定兩種類型顆粒的機(jī)理涉及到可膨脹材料在與液體通常是水或水合溶液接觸時(shí)的膨脹性能。膨脹導(dǎo)致在所有顆粒上以及支撐結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生很大的物理應(yīng)力。只要這些顆粒部分或全部保持膨脹狀態(tài)，膨脹顆粒所產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)一直存在。在優(yōu)選實(shí)施例中，非膨脹顆粒以及支撐結(jié)構(gòu)的存在限制了膨脹顆粒的完全膨脹。
膨脹材料與非膨脹材料的表面接觸在其它的材料中，粘結(jié)劑和功能顆粒之間的表面接觸包括有俘獲以及表面點(diǎn)粘結(jié)。在本發(fā)明中，利用很多不同的技術(shù)可以使顆粒之間進(jìn)行直接接觸，這些技術(shù)包括有具有不同電荷特性的表面之間的點(diǎn)壓力靜電反應(yīng)，具有相似的表面極性和分子結(jié)構(gòu)的材料之間疏水粘結(jié)，分子鎖定機(jī)理，包括有特殊的分子粘結(jié)點(diǎn)或接受體以及已知的形成永久或暫時(shí)的化學(xué)粘結(jié)的化學(xué)反應(yīng)。例如，膨脹材料和非膨脹材料之間的接觸點(diǎn)涉及到一種材料的酸部分與二價(jià)物質(zhì)(如鈣、鎂、銅、銀等)、或者酸部分與多價(jià)物質(zhì)(如鐵、鋁、鉻和其它的多價(jià)金屬離子)之間的離子反應(yīng)。
不同類材料的空間配置兩種顆粒的空間配置可以改變。在優(yōu)選實(shí)施例中，隨意將膨脹顆粒與非膨脹顆?；旌显谝黄?，膨脹顆粒與非膨脹顆粒的周圍隔離開，或者包在用于包容非膨脹顆粒的支撐結(jié)構(gòu)中。對熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，也可以利用產(chǎn)生相似效果的纖維材料以及具有膨脹性能的紡織材料片或無紡材料片，這一點(diǎn)應(yīng)該是顯而易見的。
復(fù)合材料的孔隙率在制備復(fù)合材料的技術(shù)中，眾所周知，孔的密度以及孔的尺寸是材料的一個(gè)重要參數(shù)，它可以根據(jù)其用途進(jìn)行改變。流過材料的流體、液體和氣體的通道取決于孔的特性。在所述的技術(shù)中，通過控制顆粒尺寸、纖維尺寸或膨脹材料與非膨脹材料的單片厚度以及膨脹材料與非膨脹材料的比例可以控制或調(diào)節(jié)復(fù)合材料的孔的特性。利用膨脹顆粒固定所有的顆粒從而制備出復(fù)合材料，其中在相似或不同的顆粒之間產(chǎn)生有孔或空隙。需要指出的是，每一顆粒材料都有特殊的孔結(jié)構(gòu)，這將有助于或參與特殊液體的處理。
優(yōu)選以及適用的非膨脹材料在該技術(shù)中，可以固定的非膨脹顆粒包括有活性碳或非活性碳，金屬氧化物(比如鋁、二氧化鈦)和由這些物質(zhì)制成的催化材料，本領(lǐng)域有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，在支撐材料表面上沉積有含有活性部位的分子以及金屬和半金屬的毫微物質(zhì)明顯屬于本發(fā)明的范圍，其中活性部位包括有金屬和原子。
在這一技術(shù)中，也可以固定其它的天然或合成的礦物質(zhì)，包括眾所周知的鋁矽酸鹽(比如礬土、高嶺土和斜發(fā)沸石)以及含有礦物質(zhì)(比如磷灰石)的磷酸鹽。更具體地說，可以應(yīng)用的磷酸鹽礦物質(zhì)包括羥磷灰石和含有骨炭的羥磷灰石材料。
利用現(xiàn)有技術(shù)也可以固定純金屬顆粒以及包括有黃銅、銅、鋅和貴重金屬的合金。
此外，采用相同的常用方法也可以固定所有這些顆粒的混合物。這樣，可以固定涂有氧化物并且用作催化劑的金屬，如鉑和銠。也可以將包括有離子交換樹脂、藥傳送顆粒以及緩釋肥料顆粒的合成顆粒固定在許多混合物中。
優(yōu)選以及適用的膨脹流體處理材料由于吸收流體(要么氣體要么液體)而膨脹的材料可由廣泛的合成材料或天然材料制成。這些材料包括合成的聚合物或天然的聚合物，例如某種粘土。
稱為“超吸收劑”的那種材料特別適用于這里。超吸收劑是天然的、合成的或無完全交聯(lián)的混合聚合物。這些超吸收劑可以分為聚合電解質(zhì)或非聚合電解質(zhì)，最好是共價(jià)的、離子或物理凝膠材料。這些材料吸收流體的體積是自身體積的幾倍。例如，合成材料包括有聚丙烯酸，聚丙烯酰胺、聚乙醇，聚胺和聚環(huán)氧乙烷。天然材料包括有纖維素 生物、幾丁質(zhì)和凝膠。此外，可以利用具有不同鏈或共聚物形式的合成聚合物和天然聚合物的混合物來制備這些吸收材料。例如包括有淀粉聚丙烯酸，聚乙烯醇和聚丙烯酸，淀粉和聚丙烯腈，羧甲基纖維素，角叉膠，由海藻分離出來的褐藻酸，多糖，膠質(zhì)，黃原膠，聚(二烯丙基二甲基氯化銨)，聚乙烯吡啶，聚乙烯苯甲基三甲銨鹽。本領(lǐng)域有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員都會(huì)理解交聯(lián)由一種物源或兩種物源衍生的聚合物鏈的工藝是可以改變的，而且也會(huì)影響流體吸收量以及吸收的流體的類型。另外，本領(lǐng)域有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員都會(huì)理解象聚合物鏈的分子量及其分布這些分子特性都會(huì)影響其性質(zhì)，而且技術(shù)人員也知道怎樣修改這些參數(shù)從而改變所產(chǎn)生的與本發(fā)明的宗旨相一致的物質(zhì)的特性。
膨脹顆粒的無機(jī)源物質(zhì)包括有在吸收流體時(shí)體積增大的膨潤土和其它泥土以及鋁矽酸鹽。
固定“功能”顆粒的其它方法要么使用含有原纖維成分要么使用能夠被熔化的合成聚合物粘合劑，從而誘捕和點(diǎn)粘合顆粒材料。要實(shí)現(xiàn)這些方法需要復(fù)雜且昂貴的設(shè)備以及技術(shù)秘密和專門的技術(shù)。在這些應(yīng)用中，粘合劑單一的作用是固定“功能”顆粒。
由于只要以任一比例或組成簡單地混合非膨脹材料和膨脹材料并把其添加到具有足夠尺寸和強(qiáng)度并且包容膨脹材料的支撐結(jié)構(gòu)中，因此本發(fā)明不需要昂貴的儀器或設(shè)備或?qū)＠夹g(shù)。這樣簡化了具有不同形狀和尺寸的復(fù)合材料的制造。相反，使用至今已知的熔化聚合物(熱塑性塑料)需要詳細(xì)地了解聚合物的特性，并且需要昂貴的設(shè)備，比如擠壓機(jī)，模具，注模等。為了改變復(fù)合材料的形狀和尺寸，需要相當(dāng)昂貴的新擠壓模具。而在本發(fā)明中不需要改變配件。
本發(fā)明除了具有低成本和應(yīng)用簡單以外，還具有其它的優(yōu)點(diǎn)。包括省去了由熱塑性塑料和人造橡膠制備液體粘合劑所需的加熱步驟，而且具有不同性能的新產(chǎn)品也在不斷地發(fā)展。例如，在使用擠壓機(jī)時(shí)，針對每一種擠壓材料，都要優(yōu)化螺旋回轉(zhuǎn)速度，入筒溫度以及模具形狀和尺寸。要制備出穩(wěn)定且一致的材料需要技術(shù)秘密而且還需要進(jìn)行試錯(cuò)。
利用本發(fā)明的材料不需要采用試錯(cuò)法。目前的科學(xué)知識(shí)就可以清楚地理解在膨脹材料與非膨脹材料之間如何產(chǎn)生直接的接觸。
本發(fā)明還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，膨脹材料的使用量少于現(xiàn)有技術(shù)中使用的粘合劑的量。這樣提高了每單位體積內(nèi)的非膨脹材料的量。在應(yīng)用中，膨脹材料除了固定更多的功能材料以外沒有其它的作用，這是一個(gè)很顯著的優(yōu)點(diǎn)。在這里所述的幾個(gè)實(shí)施例中，膨脹材料的含量在1％至5％之間，占膨脹材料和非膨脹材料總重量的2-2.5％。這與引證的現(xiàn)有技術(shù)中使用粘合劑含量在10-30％通常占濾料總重量的15-25％相比，低的多。
然而，本發(fā)明除了“粘合”非膨脹材料以外還具有其它的功能。在將含有活性物質(zhì)或活性分子的流體輸入到流過復(fù)合材料的流體中時(shí)，具有固定作用的膨脹材料也會(huì)膨脹。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道可以使用藥液、藥品和水調(diào)節(jié)劑。另外，能夠使不同的顆粒與結(jié)構(gòu)支撐體之間進(jìn)行直接接觸的相同化學(xué)官能團(tuán)也可以在活化用量內(nèi)作用，從而有利于離子交換和顆粒粘合。在一個(gè)特殊的實(shí)施例中，利用基于聚丙烯酸和聚丙烯酰胺制成的超吸收劑。這些材料具有一個(gè)或多個(gè)表面帶電的官能團(tuán)，能夠提供附加的化學(xué)活性部位和生物活性部位。例如，帶有正電荷或負(fù)電荷的官能團(tuán)可以使藥和藥劑結(jié)合起來，可以控制束縛物質(zhì)的濃度和釋放速度，控制流體中溶解固體的停留時(shí)間以及水或其它流體中的細(xì)菌和病毒的停留時(shí)間，束縛物質(zhì)包括金屬，離子以及具有殺菌性能或抗病毒性能的顆粒。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)涉及的是制造復(fù)合材料所采用的方法中所需要的溫度。本發(fā)明中為了固定非膨脹顆粒不需要熔化或纖維化粘合劑顆粒。這與已知的工藝中極敏感的溫度相反。因此，在顆粒和用于膨脹的流體都處于穩(wěn)定狀態(tài)的任何溫度下都可以制造復(fù)合材料。合成材料也可以在很低的溫度下制作，這有利于加入對溫度很敏感的化學(xué)物質(zhì)以及生物物質(zhì)。
在不預(yù)受任何理論約束的同時(shí)，由于利用膨脹材料將非膨脹材料固定下來，而且流過復(fù)合凈化材料的流體需要流過凈化材料內(nèi)的延伸的曲折路徑，而不是流過現(xiàn)有的顆粒凈化濾料中所形成的通道，因此，相信本發(fā)明的復(fù)合凈化材料能夠高效率地去除部分流體中的化學(xué)污染物和微生物。這種延伸的路徑保證流體與顆粒的大部分表面接觸，尤其是非膨脹顆粒材料的表面，并且還可以防止流過凈化材料的流體發(fā)生持續(xù)的層流。相信后一效果可以防止含有化學(xué)物質(zhì)以及微生物的流體層流不與過濾設(shè)備中的顆粒持續(xù)接觸。在復(fù)合凈化材料使用一段時(shí)間以后，由于吸收的物質(zhì)聚集在復(fù)合凈化材料的孔中，因此將會(huì)產(chǎn)生另外的堵塞過濾。
熟悉流體過濾技術(shù)的人員都知道，根據(jù)不同的應(yīng)用可以控制復(fù)合凈化材料的孔的尺寸和物理尺寸，這些變量的改變將會(huì)改變流速，吸入壓力以及化學(xué)物質(zhì)和/或微生物污染物的去除率。同樣，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也會(huì)認(rèn)識(shí)到復(fù)合凈化材料中每一種成分的百分比的改變將會(huì)改變其使用。例如，提高復(fù)合凈化材料中膨脹物質(zhì)的百分比將會(huì)增加壓降，降低流速，而降低復(fù)合凈化材料中膨脹物質(zhì)的百分比將會(huì)使壓降和流速接近于顆粒材料的壓降和流速。
在本發(fā)明的一個(gè)特殊實(shí)施例中，非膨脹處理材料包含有以骨炭形式使用的磷灰石以及活性碳(GAC)，活性碳的百分含量與膨脹物質(zhì)的最低含量大約相同。然而可以看出的是，本發(fā)明中使用的磷灰石可以取自于或衍生于其它的天然或合成物質(zhì)，這些不同的衍生物可以導(dǎo)致復(fù)合凈化材料的性質(zhì)的不同。例如，如果流體是水，相對于復(fù)合濾料如果礦石中硅含量高將會(huì)導(dǎo)致出水中氟化物的去除率降低。鍛燒，凈化和熱處理都可以提高復(fù)合材料的表面積和離子去除能力。這對于使其中保持需要的離子濃度來凈化含氟廢水是非常有用的。如果流體為水，向復(fù)合濾料中加入氟化物將會(huì)使出水中的氟化物的去除率降低。這對于使其中保持需要的氟濃度來凈化含氟廢水是非常有用的。過濾材料中的氟化物的加入可以通過加入富含氟的磷灰石混合物，加入氟化物鹽和化合物，或者使合成材料通過含氟溶液從而預(yù)調(diào)節(jié)由膨脹材料固定的復(fù)合凈化材料。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以明白，磷灰石礦和鋁矽酸鹽礦以及本發(fā)明所用的其它吸收材料都可以具有不同的晶格，由于某一種晶體結(jié)構(gòu)會(huì)提高或抑制化學(xué)物質(zhì)、微生物和其它生物材料之間的互相作用，因此晶格的變化將會(huì)導(dǎo)致制備出的復(fù)合材料的性質(zhì)的差異。復(fù)合材料的特性的差異將會(huì)導(dǎo)致微生物與其它生物材料以及包在晶體結(jié)構(gòu)中且?guī)в胁煌栯x子和陰離子的化學(xué)污染物之間的相互作用的差異。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，復(fù)合凈化材料的結(jié)構(gòu)要能夠?qū)ζ溥M(jìn)行消毒殺菌。消毒殺菌工藝包括熱處理和化學(xué)殺菌，熱處理包括有蒸汽殺菌或?qū)?fù)合材料曝露于高溫或高壓或高溫高壓下的其它方法，電阻加熱，將復(fù)合材料曝露于高輻射環(huán)境中的輻射殺菌，輻射殺菌包括有利用紫外線、紅外線、微波和致電離輻射，化學(xué)殺菌是將復(fù)合材料曝露于高含量的氧化劑或還原劑或其它的化學(xué)物質(zhì)中，使化學(xué)物質(zhì)(如鹵素，反應(yīng)氧，甲醛，表面活性劑，金屬)與氣體(乙撐氧，溴化甲烷，β-丙內(nèi)酯和環(huán)氧丙烷)發(fā)生反應(yīng)進(jìn)行殺菌消毒。此外，可以利用電化學(xué)方法直接氧化或還原微生物成分或者通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧化劑或還原劑來間接的進(jìn)行殺菌消毒。也可以將這些方法結(jié)合起來使用。還可以理解的是在使用復(fù)合材料的同時(shí)也可以連接地或間斷地對其進(jìn)行消毒殺菌。
通常來說，本發(fā)明包括一種方法和裝置，利用顆粒材料過濾和凈化流體(尤其是水合溶液或水)來去除水中的有機(jī)和無機(jī)成分和混合物。特別地，使用這種方法和設(shè)備可以從需要回用并且將由人或其它動(dòng)物使用的水中去除化學(xué)物質(zhì)，比如有機(jī)物，殺蟲劑和重金屬以及包括有細(xì)菌和病毒及其混合物的微生物污染物。本發(fā)明的這種方法和設(shè)備特別適用于以下這幾種情況，微生物污染物的濃度降低至符合微生物水凈化的EPA標(biāo)準(zhǔn)，而且其去除效果明顯優(yōu)于其它的現(xiàn)有裝有顆粒吸收劑的過濾和復(fù)合凈化設(shè)備。在本發(fā)明的一個(gè)特殊實(shí)施例中，復(fù)合凈化材料是由顆粒磷灰石和其它的保留在聚合物基體中的吸收顆粒材料制成的多孔合成材料，磷灰石限于羥磷灰石，氯磷灰石和/或氟磷灰石，吸收顆粒材料具體為顆?；钚蕴?GAC)，鋁和礬土。在這一實(shí)施例對應(yīng)的方法中，在過濾材料的進(jìn)水側(cè)的水壓或出水側(cè)的真空迫使水流過多孔材料時(shí)，從而從水中去除微生物污染物。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合凈化材料由羥磷灰石和吸收顆粒過濾介質(zhì)比如活性炭GAC的混合物制成，這些成分可以自由地分散在復(fù)合材料中。復(fù)合凈化材料也可以制成立體的具有不同梯度或是層層分開，例如，羥磷灰石與GAC顆粒是利用膨脹材料(比如聚合物超吸收劑聚丙烯酸或聚丙烯酰胺等)分層隔開固定的，阻礙羥磷灰石和GAC顆粒的移動(dòng)，從而防止了流體穿過復(fù)合材料期間產(chǎn)生的不利的分流效應(yīng)。如果各成分保留在隔開的位置上，流體就要順序流過這些位置。
在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，至少一部分磷灰石是以骨炭或骨木炭形式加入的羥磷灰石。一種適用材料的例子有指定的并且由Tate&Lyle Process Technology銷售的BRIMAC216。材料的理想的顆粒尺寸是80-325目。這種材料的通常分析結(jié)果是碳9-11％，高達(dá)3％的不溶于酸的灰分，高達(dá)5％的水分，大約70-76％羥磷灰石(磷酸三鈣)，7-9％碳酸鈣，0.1-0.2％的硫酸鈣以及小于0.3％的鐵(以Fe2O3計(jì))。這種材料呈顆粒狀，總比表面積至少為100m2/g，碳比表面積至少為50m2/g，孔尺寸分布從7.5-60000nm，孔隙量為0.225cm3/g。這種材料的元素粘合特性已說明過，包括有氯，氟，鋁，鎘，鉛，汞(有機(jī)的和無機(jī)的)，銅，鋅，鐵，鎳，鍶，砷，鉻，鎂和某種放射性核素。這種材料的有機(jī)分子粘合特性已說明過，包括有復(fù)雜的有機(jī)分子，成色物質(zhì)，加入流體中的入味物質(zhì)，加入流體中的入嗅氣物質(zhì)，三鹵甲烷前體，染料和丁蝸錫。
在這個(gè)例子中，將大約相同量的骨炭(含磷灰石)和GAC與構(gòu)成整體復(fù)合凈化材料所必需的最少量的膨脹材料混合在一起。然而，羥磷灰石HA，GAC以及膨脹材料的濃度基本上都是可變的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員只要經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)就可以利用分別具有不同濃度的復(fù)合材料。然而，在GAC用作附加的吸收材料時(shí)，其占干燥前或壓縮前的成分重量的百分比通常小于50％，。此外，除了GAC以外的其它吸收劑可以全部替換，或與GAC混合成多種成分的混合物。這些吸收劑包括各種離子粘合材料(如合成離子交換樹脂)，沸石(天然或合成的)，硅藻土以及一種或多種其它的含有磷酸鹽的材料(如磷酸鹽礦物質(zhì)，特別是磷灰石礦)。
特別地，磷灰石礦比如磷酸鹽，砷酸鹽和礬酸鹽，具有相似的六邊形或模擬六邊形的單斜晶結(jié)構(gòu)，通式為X5(ZO4)3(OH，F(xiàn)，或Cl)，其中每一個(gè)X獨(dú)立地代表陽離子鈣，鋇，鈉，鉛，鍶，鑭，和/或鈰陽離子，其中每一個(gè)Z代表陽離子比如磷，釩或特別適用于本發(fā)明的砷。
此外，可以使用包括有衍生的苯乙烯樹脂和二乙烯基苯以及甲基丙烯酸鹽的聚合物材料進(jìn)行離子粘合。衍生物包括官能化的聚合物，該聚合物在季胺、伯胺和仲胺上有陰離子粘合部位，有氨丙基，二乙基氨基乙基和二乙基氨基丙基的取代基。包括有陰離子粘合部位的衍生物包括有與磺酸，苯磺酸，丙基磺酸，膦酸和/羧酸官能化的聚合物。
也可以利用天然或合成的沸石作為離子粘合材料，例如包括象斜發(fā)沸石的天然鋁矽酸鹽，礬土，高嶺土及其它物質(zhì)。
適用的膨脹材料包括有能夠固定顆粒材料并且能將固定狀態(tài)一直保持在使用狀態(tài)的聚合物材料。其在全部凈化復(fù)合材料的含量大約為0.1wt％到99.9wt％，更好的約為0.25wt％到10wt％。適用的聚合物材料包括有天然的和合成的聚合物材料，以及利用天然產(chǎn)生的聚合物的人工合成物質(zhì)。聚合物膨脹材料通常包括有聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙醇、聚胺和聚環(huán)氧乙烷中的一種或多種。天然材料包括有纖維素衍生物，幾丁質(zhì)和明膠。此外，由于天然聚合物和合成聚合物的不同鏈進(jìn)行共聚，所以其混合物也可以用于制備這些吸附材料。例如，包括有淀粉聚丙烯酸，聚乙烯醇和聚丙烯酸，淀粉和聚丙烯腈，羧甲基纖維素，褐藻酸，由海藻分離出來的角又膠，多糖，膠質(zhì)，黃原膠，聚(二烯丙基二甲基氯化銨)，聚乙烯嘧啶，聚乙烯苯甲基三胺鹽或者它們的組合，這主要取決于制備出的復(fù)合凈化材料的特性。
通常，特別適用的聚合物是每克聚合物吸附1克以上的流體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，吸附流體時(shí)體積膨脹的相似的聚合物都可以用于本發(fā)明中。
通?？梢允褂脽o機(jī)粘土和鋁矽酸鹽作為膨脹材料。例如膨潤土和相似的粘土。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，吸附流體時(shí)體積膨脹的相似的無機(jī)物質(zhì)都可以用于本發(fā)明中，而且大多數(shù)情況下單位重量的無機(jī)材料吸附流體的量小。
適用于本發(fā)明的天然的和合成處理過的天然聚合物包括有以下部分但不限于這些，天然的和合成處理過的纖維素，比如棉花，膠原質(zhì)和有機(jī)酸。適用于本發(fā)明的可降解的聚合物包括有以下物質(zhì)但不限于這些，聚乳酸，聚乙烯醇，聚交酯乙交酯共聚物，淀粉，羧甲基纖維素，褐藻酸，從海藻中分離出來的角叉膠，聚糖，膠質(zhì)，黃原膠等。
在本發(fā)明的可以對其進(jìn)行消毒的濾料的具體實(shí)施例中，使用的磷灰石是骨炭形式的，活性碳的百分含量與膨脹物質(zhì)的最低含量大約相同。所使用的膨脹物質(zhì)必須適應(yīng)溫度、壓力、電化學(xué)、輻射以及消毒處理時(shí)所處的化學(xué)條件，否則將不能進(jìn)行消毒處理。適用于采用曝露于高溫下消毒方法(如蒸汽消毒或高壓消毒)的膨脹材料包括聚丙烯酸及其衍生物以及結(jié)合的各種抗衡離子。在采用已知的標(biāo)準(zhǔn)制備膨脹材料時(shí)，應(yīng)該能對由這些膨脹材料制成的復(fù)合凈化材料進(jìn)行高壓消毒。理想的情況下，由于采用蒸汽消毒或高壓消毒與化學(xué)消毒或與氧化劑或還原劑接觸這些消毒方法或?qū)⑦@些消毒步驟組合起來尤其適用于復(fù)合凈化材料的有效再生，所以復(fù)合凈化材料應(yīng)當(dāng)適應(yīng)于以上這些消毒方法。
在本發(fā)明的該實(shí)施例中，由于消毒至少一部分是采用氧化或還原化學(xué)物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的，所以使用復(fù)合凈化材料本身作為一個(gè)電極從而獲得產(chǎn)生所述的化學(xué)物質(zhì)所需的電勢。例如，通過在復(fù)合凈化材料中加入高含量的導(dǎo)電顆粒(如GAC，碳黑，或金屬顆粒)，就可以使含有不導(dǎo)電的聚合物材料的復(fù)合凈化材料導(dǎo)電?？蛇x擇地，如果所需的碳或其它顆粒的含量不夠高，不能使絕緣的聚合物導(dǎo)電，這時(shí)就使用固有的導(dǎo)電聚合物或金屬或者與膨脹材料混合在一起使用。本發(fā)明適用的固有導(dǎo)電聚合物包括有摻有雜質(zhì)的聚苯胺，聚噻吩和其它公知的固有導(dǎo)電聚合物?？梢詫⒆銐蛄康倪@些材料摻入膨脹材料中或作為膨脹材料加入，使復(fù)合材料的電阻小于約1千歐，更具體地說小于約300歐。
本發(fā)明的復(fù)合凈化材料可以是塊狀，片狀或膜狀，但不是必須制成這些形狀。在本發(fā)明的特殊實(shí)施例中，將片狀或膜狀的合成材料放在如聚合物的有紡或無紡網(wǎng)中。用于制備有紡或無紡網(wǎng)的聚合物可以是通常用于制作織品的任何熱塑或熱固性樹脂。比如聚丙烯和聚乙烯這些聚烯烴特別適用于這里。
采用本發(fā)的方法制成的復(fù)合凈化材料的去除微生物污染物的效率與復(fù)合材料的孔尺寸以及流入的流體壓力有關(guān)，流入流體的壓力就是流過材料的流體的流速。當(dāng)流入流體是常壓時(shí)，流速與孔尺寸有關(guān)，通過控制HA和GAC顆粒的尺寸可以限制合成材料中孔的尺寸，顆粒尺寸大時(shí)形成的復(fù)合材料的密度小，孔隙多，流速快，顆粒尺寸小時(shí)形成的復(fù)合材料的密度大，孔隙少，流速慢。利用相對較大的HA顆粒制成的復(fù)合材料與利用相對較小的HA顆粒制成的復(fù)合材料相比，其比表面積和相互作用的部位少，如果要實(shí)現(xiàn)相同的微生物污染物去除效率，所需要的大顆粒復(fù)合凈化材料尺寸就厚。由于制作工藝中這些因素是可控制的，通過改變孔尺寸，復(fù)合材料體積和外表面積以及幾何形狀都可以定做復(fù)合凈化材料，從而滿足不同的應(yīng)用需求。在特殊實(shí)施例中，平均孔徑小于幾個(gè)微米，更具體地說約小于1微米，從而堵塞了包囊的通道。需要指出的是，這里所述的孔尺寸不涉及到吸收劑或吸收顆粒自身的孔尺寸，而是膨脹材料將顆粒固定在一起時(shí)形成的復(fù)合凈化材料中的孔的尺寸。
本發(fā)明中制備材料的方法包括有將非膨脹材料(和可選擇的其它顆粒吸附材料)和膨脹材料混合在一起并把其添加到適當(dāng)?shù)娜萜髦?。在某一時(shí)候，向容器中添加能夠使膨脹材料膨脹的流體，從而使混合物形成復(fù)合材料。添加流體直到混合物交付使用時(shí)才進(jìn)行，但是也可以早一些。
現(xiàn)在將參照一個(gè)特殊的實(shí)施例以及實(shí)現(xiàn)該實(shí)施例的方式來詳細(xì)說明本發(fā)明，采用該方式可以達(dá)到或超過微生物過濾的EPA要求。一種特殊的過濾裝置裝有本發(fā)明的多孔合成濾料。一個(gè)可移動(dòng)的殼體與蓋緊密裝配在一起，蓋上有一入水口和出水口。供水管與入水口相連，將未處理的水送入設(shè)備中，排水管與出水口相連，從而將處理過的水從設(shè)備中排出。待處理的水流入設(shè)備中，水流的壓力迫使水流過制成中空圓柱體并有一中心軸筒的多孔復(fù)合濾料單元，處理過的水流入與出水口相連的中心軸筒?？梢岳斫猓瑢⑺鬟^的多孔復(fù)合濾料制成其它的形狀(可以有其它的幾何形狀和/或流動(dòng)特性)也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。通過將膨脹介質(zhì)和非膨脹介質(zhì)放置在兩個(gè)封口的多孔管中就可以制成復(fù)合材料，其中外管限定了外部直徑，內(nèi)管就是中心軸筒。兩根管上的孔徑小于使用的顆粒的直徑。在這一具體實(shí)施例中，管的孔徑小于300微米，管的成分是聚乙烯。
預(yù)想有兩個(gè)實(shí)施例，其中本發(fā)明使用的復(fù)合凈化材料是片狀或膜狀的。用于通常的過濾中的復(fù)合凈化材料是使流體流過片或膜的通道實(shí)現(xiàn)過濾的?？蛇x擇的是，也可以將復(fù)合凈化材料用于交叉流動(dòng)過濾中。
實(shí)施例1作為一個(gè)完全功能化的設(shè)計(jì)的例子，采用大約48.7％的來自于Tate和Lyle的BRIMAC216骨炭材料，大約48.75％的顆?；钚蕴家约按蠹s2.5％的由來自于Chemdal的聚丙烯酸鈉(也可以使用鋰抗衡離子)組成的膨脹材料來制備圓柱形濾料。
圓柱形或環(huán)形復(fù)合材料大約9.8英寸長，外徑大約2.5英寸，內(nèi)徑(中心管)大約1.25英寸。這種形狀的過濾材料裝入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的家用或工業(yè)用的濾水外殼中。過濾材料的電阻約為300歐。支持顆粒介質(zhì)的外部容器由來自于Porex的多孔聚乙烯構(gòu)成。管的底部封口，并且將其頂部與容器蓋適當(dāng)連接。對這種原型進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)其有利于去除水中的食物染色以及去除水中的氯。
實(shí)施例2通過將例1所制成的濾料放置于自來水中來評價(jià)其特性，先用活性碳對自來水進(jìn)行過濾，然后利用每升大腸埃希氏菌液中含有2.3×108個(gè)菌落以及每升脊髓灰質(zhì)炎病毒1液中含有1.0×107個(gè)噬菌區(qū)的微生物液進(jìn)行接種。然后接種水以大約2升/分鐘的流速流過過濾材料達(dá)3分鐘，接著收集500毫升的出水水樣。通過膜過濾法在m-Endo瓊脂平板上分析大腸埃希氏菌，同時(shí)通過形成噬菌區(qū)的方法在BGM單元上分析脊髓灰質(zhì)炎病毒1。
實(shí)施例3作為一個(gè)完全功能化的設(shè)計(jì)的例子，采用97.5％的KDF，市場有售的由細(xì)小的黃銅顆粒組成的材料，以及大約2.5％的由來自于Chemdal的聚丙烯酸鈉組成的膨脹材料制備成圓柱形的濾料。
圓柱形或環(huán)形復(fù)合材料大約9.8英寸長，外徑大約2.5英寸，內(nèi)徑(中心管18)大約1.25英寸。這種形狀的過濾材料裝入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的家用或工業(yè)用的濾水外殼中。過濾材料的電阻約為300歐。支持顆粒介質(zhì)的外部容器由來自于Porex的多孔聚乙烯構(gòu)成。管的底部封口，并且將其頂部與容器蓋適當(dāng)連接。
實(shí)施例4通過將例3所制成的濾料放置于自來水中來評價(jià)其特性，先用活性碳對自來水進(jìn)行過濾，然后利用每升大腸埃希氏菌液中含有2.3×108個(gè)菌落以及每升脊髓灰質(zhì)炎病毒1液中含有1.0×107個(gè)噬菌區(qū)的微生物液進(jìn)行接種。然后接種水以大約2升/分鐘的流速流過過濾材料達(dá)3分鐘，接著收集500毫升的出水水樣。通過膜過濾法在m-Endo瓊脂平板上分析大腸埃希氏菌，同時(shí)通過形成噬菌區(qū)的方法在BGM單元上分析脊髓灰質(zhì)炎病毒1。
實(shí)施例5通過將例1所制成的濾料放置于含有氯的自來水中來評價(jià)其特性。利用市場銷售的氯(游泳池)比色儀來測試循環(huán)水中氯的去除率。通過向水中(10加侖)加入次氯酸鈉使其氯濃度提高到10-20ppm。將水再循環(huán)流過過濾材料幾分鐘后，氯的含量就檢測不出來。
如上所述，本發(fā)明的復(fù)合材料特別適用于水的凈化，特別適用于凈化飲用水。由于本發(fā)明的復(fù)合材料從水中去除微生物的效率特別高，因此滿足或超過了微生物凈化的EPA標(biāo)準(zhǔn)。除了具有凈化飲用水的功能以外，本發(fā)明的復(fù)合材料也可以用于凈化娛樂用水，比如游泳池、，熱浴盆和溫泉用水。
由于本發(fā)明的復(fù)合材料能夠有效地從水溶液中去除和固定微生物以及其它細(xì)胞，因此可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域。例如，可以使用本發(fā)明的材料從血液中分餾出某種成分，從其它生理流體中去除微生物，如從血液中分離出血漿。本發(fā)明的復(fù)合材料可以用作反滲透的材料。
本發(fā)明的復(fù)合材料還可應(yīng)用于需要微生物含量極低且高度潔凈的空氣的醫(yī)院或工業(yè)領(lǐng)域，如生病監(jiān)護(hù)區(qū)，手術(shù)室以及用于治療抵制免疫病人的潔凈房間，或者工業(yè)中制造電子和半導(dǎo)體設(shè)備的潔凈房間。
本發(fā)明的復(fù)合材料還可廣泛應(yīng)用于發(fā)酵和細(xì)胞培養(yǎng)中，用于去除水溶液(比如發(fā)酵肉湯或處理液)中的微生物，從而使這些溶液更有效地使用和循環(huán)，例如，用于處理沒有微生物交叉污染的流體。此外，由于這種材料能夠有效地去除微生物并且一旦去除又能夠保留住，所以可以用作酶的固定介質(zhì)以及用于其它需要使用微生物的工藝。首先使含有需要的微生物的接種溶液強(qiáng)制流過本發(fā)明的材料，然后使基質(zhì)溶液如含有蛋白質(zhì)或其它用作酶基質(zhì)的物質(zhì)的溶液流過接種過的材料。在這些基質(zhì)溶液流過材料時(shí)，其中懸浮的或溶解的基質(zhì)與固定的微生物接觸，更重要的是與這些微生物產(chǎn)生的酶接觸，這些酶能夠催化基質(zhì)分子的反應(yīng)。使用另一種水溶液清洗材料就可以從材料中排放出反應(yīng)產(chǎn)物。
本發(fā)明的材料還有其它的工業(yè)用途，如過濾冷卻系統(tǒng)的用水。冷卻水通常要流過塔，池或其它處理設(shè)備，其中微生物與水接觸，獲得營養(yǎng)物質(zhì)并且繁殖。水中的微生物增長勢頭很強(qiáng)，從而處理設(shè)備就會(huì)堵塞或破壞，并且需要大量的化學(xué)處理。在微生物繁殖之前使用本發(fā)明的復(fù)合材料去除微生物，有助于降低與冷卻流體有關(guān)的健康危險(xiǎn)，降低與化學(xué)處理有關(guān)的成本和危險(xiǎn)。
同樣地，在運(yùn)輸系統(tǒng)中要么是為了降低成本(商用客機(jī))要么是由于可用的空氣有限(潛水艇和宇宙飛船)，經(jīng)常需要循環(huán)呼吸空氣。有效去除空氣中的微生物從而使空氣更安全地循環(huán)使用。此外，使用本發(fā)明的復(fù)合材料連同空氣循環(huán)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)還可以提高家中或辦公室的室內(nèi)空氣質(zhì)量。本發(fā)明的復(fù)合凈化材料還可以用于凈化其它類型的氣體，比如外科或牙科使用的麻醉氣體(如一氧化二氮)，碳酸飲料工業(yè)使用的氣體(如二氧化碳)，清洗工藝設(shè)備和/或去除表面顆粒等使用的氣體(如氮?dú)猓趸?，氬?。
本發(fā)明的復(fù)合材料還可以用于制成基于化學(xué)物質(zhì)如金屬和生化物質(zhì)如酶的催化設(shè)備。利用這些設(shè)備來處理排放出的氣體，比如化工、采礦、發(fā)電和制造業(yè)產(chǎn)生的氣體，以及由用戶產(chǎn)品如由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品產(chǎn)生的氣體。
在每一種應(yīng)用中，使用本發(fā)明材料的方法相對比較簡單，對過濾領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是非常清楚的。只要將待濾的流體引到本發(fā)明的通常置于外殼中的合成材料一側(cè)或合成材料片中，并因流過復(fù)合凈化材料的壓降迫使流體流過復(fù)合材料。然后將凈化的、過濾過的流體從過濾器的“干凈”側(cè)引出并且進(jìn)一步處理或使用。
參照幾個(gè)具體的實(shí)施例，對本發(fā)明做了說明，顯然，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)的情況下，可以對實(shí)施例進(jìn)行各種修改，但都在附加的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種過濾流體的多孔復(fù)合凈化材料，包括有顆粒流體處理材料和膨脹材料，膨脹材料在遇到流體時(shí)充分膨脹從而固定顆粒流體處理材料，其中合成材料有流體流過的孔。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于復(fù)合凈化材料是多孔塊狀的。
3.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于多孔塊狀復(fù)合材料采用容器或支撐結(jié)構(gòu)的形狀。
4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于復(fù)合凈化材料是多孔線性片狀的。
5.如權(quán)利要求4所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于多孔片狀復(fù)合材料采用容器或支撐結(jié)構(gòu)的形狀。
6.如權(quán)利要求4所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于多孔片狀復(fù)合材料和容器都是柔性的。
7.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于至少一部分所述的膨脹材料是超吸收劑。
8.如權(quán)利要求7所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于超吸收劑包括有聚合物材料。
9.如權(quán)利要求8所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于超吸收劑是交聯(lián)的聚合物，交聯(lián)度從約1％到約99％。
10.如權(quán)利要求9所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于聚合物在消毒殺菌條件下是穩(wěn)定的。
11.如權(quán)利要求8所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于超吸收劑包括以下組中的一種材料，該組中包括有聚丙烯酸，聚丙烯酰胺、聚乙醇，聚胺，聚環(huán)氧乙烷，纖維素、幾丁質(zhì)，明膠，淀粉，聚乙烯醇和聚丙烯酸，聚丙烯腈，羧甲基纖維素，褐藻酸，由海藻分離出來的角叉膠，多糖，膠質(zhì)，黃原膠，聚(二烯丙基二甲基氯化銨)，聚乙烯吡啶，聚乙烯苯甲基三甲銨鹽，聚乙酸乙烯酯，和聚乳酸或其組合物。
12.如權(quán)利要求7所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于超吸收劑選自由共聚丙烯酸得到的樹脂和共聚丙酰胺得到的樹脂中的一種材料。
13.如權(quán)利要求8所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于聚合物材料包括天然產(chǎn)生的聚合物，纖維素，褐藻酸，由海藻分離出來的角叉膠，多糖，膠質(zhì)，黃原膠、淀粉及其組合物。
14.如權(quán)利要求7所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于超吸收劑材料具有一電離充電的表面。
15.如權(quán)利要求14所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于超吸收劑材料的電離充電表面占材料表面的1-100％。
16.如權(quán)利要求13所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于天然產(chǎn)生的聚合物選自天然纖維素和合成修正的纖維素，膠原質(zhì)和有機(jī)酸。
17.如權(quán)利要求8所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于超吸收劑材料包括有可生物降解的聚合物。
18.如權(quán)利要求7所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于超吸收劑材料包括粘土或鋁矽酸鹽。
19.如權(quán)利要求7所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于超吸收劑材料包括膨潤土地。
20.如權(quán)利要求16所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于天然產(chǎn)生的聚合物是選自以下材料的可生物降解的聚合物，包括有聚乙二醇，聚丙烯酸，聚乙烯醇，聚交酯乙交酯共聚物，纖維素，褐藻酸，從海藻中分離出來的角叉膠，聚糖，膠質(zhì)，黃原膠，淀粉及其組合物。
21.如權(quán)利要求8所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于復(fù)合凈化材料是片狀并且置于有紡網(wǎng)上。
22.如權(quán)利要求8所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于復(fù)合凈化材料是片狀并且置于無紡網(wǎng)上。
23.如權(quán)利要求7所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于超吸收劑占復(fù)合凈化材料總重的約0.1wt％到99.9wt％。
24.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于還包括一種或多種另外的吸附材料，包括有吸附樹脂，活性碳，活性氧化鋁，磷灰石，金屬顆粒和礦石。
25.如權(quán)利要求24所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于所述的另外的吸附材料包括粒狀的活性炭。
26.如權(quán)利要求25所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于還包括骨炭形式的磷灰石。
27.如權(quán)利要求26所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于骨炭和粒狀炭的含量大約相同。
28.如權(quán)利要求27所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于骨炭和粒狀炭分別占復(fù)合凈化材料總重量的約48.75wt％，所述的膨脹材料占復(fù)合凈化材料總重量約為2.5wt％。
29.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于還包括有含有離子粘合物質(zhì)的吸附材料，該吸附材料選自合成離子交換樹脂，沸石，鋁礦和磷酸鹽礦。
30.如權(quán)利要求29所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于磷酸鹽礦為磷灰石礦石。
31.如權(quán)利要求29所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于鋁礦是氧化鋁礦。
32.如權(quán)利要求29所述的合成凈化材料，其特征在于復(fù)合離子交換樹脂是官能化的苯乙烯，氯乙烯，二乙烯基苯，甲基丙烯酸鹽，丙烯酸鹽及其混合物，共聚物和混合物。
33.如權(quán)利要求29所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于沸石是含有稱為斜發(fā)沸石礦的硅酸鹽。
34.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合凈化材料，其特征在于還包括一種或多種能夠在水溶液中或水合流體中進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)的物質(zhì)。
35.一種過濾水或水合流體中的微生物污染物的設(shè)備，包括有一個(gè)外殼一個(gè)由權(quán)利要求1的復(fù)合凈化材料制成的多孔合成材料。
36.如權(quán)利要求35所述的設(shè)備，其特征在于外殼包括有一入水口，一出水口，以及一個(gè)接觸室，所述的多孔復(fù)合材料置于接觸室中，從而使流體從入水口流入外殼中，流過多孔復(fù)合材料，然后從出水口流出外殼。
37.一種過濾流體從而去除其中的微生物的方法，其中包括使流體流過權(quán)利要求1中的復(fù)合凈化材料從而對流體進(jìn)行過濾。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其持征在于所述的流體是水。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其持征在于濾過水是可飲用的。
40.如權(quán)利要求37所述的方法，其持征在于所述的流體是水合溶液。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其持征在于所述的水合溶液是血液。
42.如權(quán)利要求40所述的方法，其持征在于所述的水合溶液是發(fā)酵骨湯。
43.如權(quán)利要求40所述的方法，其持征在于所述的水合溶液是化學(xué)或生物工藝中的循環(huán)液流。
44.如權(quán)利要求40所述的方法，其持征在于所述的水合溶液是細(xì)胞培養(yǎng)工藝中的循環(huán)液流。
45.如權(quán)利要求40所述的方法，其持征在于所述的水合溶液用于外科過程。
46.如權(quán)利要求37所述的方法，其持征在于流體包括呼吸空氣。
47.如權(quán)利要求37所述的方法，其持征在于流體包括清洗的氣體。
48.如權(quán)利要求47所述的方法，其持征在于清洗的氣體選自氧氣，二氧化碳，氮?dú)饣驓鍤狻?br> 49.如權(quán)利要求37所述的方法，其持征在于流體是麻醉氣體。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其持征在于麻醉氣體包括一氧化二氮。
51.如權(quán)利要求37所述的方法，其持征在于還包括通過消毒再生所述的復(fù)合凈化材料。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，其持征在于消毒包括將合成凈化材料曝露于高溫、高壓、輻射環(huán)境或化學(xué)氧化劑或還原劑中或采用其組合方式。
53.如權(quán)利要求52所述的方法，其持征在于所述的消毒包括高壓滅菌。
54.如權(quán)利要求52所述的方法，其持征在于所述的消毒包括將化學(xué)氧化和高壓滅菌結(jié)合起來。
55.如權(quán)利要求52所述的方法，其持征在于所述的消毒包括將化學(xué)氧化和高壓滅菌結(jié)合起來。
56.如權(quán)利要求37所述的方法，其持征在于所述的流體是氣體混合物。
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其持征在于濾過的氣體是空氣。
58.如權(quán)利要求37所述的方法，其持征在于所述液體是不參加化學(xué)反應(yīng)的氣體。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，其持征在于所述氣體是氧氣，二氧化碳，氮?dú)?，氬氣或二氧化氮?br> 60.如權(quán)利要求58所述的方法，其持征在于所述氣體用來加壓密封腔室。
61.如權(quán)利要求58所述的方法，其持征在于所述氣體是為了提高溶液中噴射氣體的濃度用來噴射或凈化水溶液的。
62.如權(quán)利要求58所述的方法，其持征在于所述氣體是為了降低溶液中起初存在的氣體的濃度用來噴射或凈化水溶液的。
63.如權(quán)利要求58所述的方法，其持征在于所述氣體用于去除表面的顆粒。
64.一種微生物的固定和接觸介質(zhì)，其包括磷灰石和膨脹材料，膨脹材料遇到流體時(shí)充分地膨脹從而固定磷灰石，該介質(zhì)是堅(jiān)硬、多孔的合成材料或復(fù)合材料片。
65.如權(quán)利要求64所述的固定和接觸介質(zhì)，其持征在于還包括一種或多種置于孔中的微生物。
66.如權(quán)利要求7所述的復(fù)合凈化材料，其持征在于超吸收材料可以用作水溶液處理介質(zhì)。
67.如權(quán)利要求7所述的復(fù)合凈化材料，其持征在于超吸收材料是共聚物。
68.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合凈化材料，其持征在于還包括一種用于化學(xué)工藝流進(jìn)行化學(xué)變化的催化劑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備復(fù)合材料的方法以及由這些材料制成的設(shè)備，從而對流體、水或其它含有微生物或化學(xué)污染物的溶液進(jìn)行過濾、凈化和處理，比如流體中含有包囊，細(xì)菌和/或病毒和無機(jī)和/或有機(jī)的污染物，其中，流體流過復(fù)合凈化材料，復(fù)合凈化材料由非膨脹材料和膨脹材料組成，膨脹材料吸附流體而膨脹。
文檔編號(hào)B01J20/28GK1441751SQ01811515
公開日2003年9月10日 申請日期2001年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月21日
發(fā)明者A·W·約翰斯頓, A·F·約翰斯頓, F·A·威廉斯, K·D·胡赫斯 申請人:沃特維森斯國際公司