專利名稱：過濾裝置和使用方法
相關(guān)申請的交叉引用在美國法律下，本申請要求2000年5月16日提出的美國專利No.60/204,714的優(yōu)先權(quán)，該申請在此全文引入作為參考。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明通常涉及溶液和流體過濾器或凈化設(shè)備的領(lǐng)域，主要涉及水溶液過濾器和水的凈化，用于氣和水及其他含水液體的裝置的領(lǐng)域，該裝置從通過的氣體或水溶液中除去污染物。在更具體的方面，本發(fā)明涉及那些從水或水溶液中除去包括細(xì)菌和病毒的微生物污染物的裝置的領(lǐng)域。
2.相關(guān)領(lǐng)域的說明凈化或過濾水或其它的水溶液是許多應(yīng)用所必需的，該應(yīng)用包括從供應(yīng)安全或可飲用的水到包括發(fā)酵過程和從生物流體中分離組分的生物學(xué)應(yīng)用。類似地，在需要超純空氣的醫(yī)院和凈化室中，和在需循環(huán)空氣的環(huán)境中，如飛行器或宇宙飛船中，從可呼吸的空氣中除去微生物有機體也是過濾媒介的重要應(yīng)用。近年來，在室內(nèi)對空氣過濾和凈化的需要已經(jīng)成為共識，并且對能源利用率和室內(nèi)空氣質(zhì)量的矛盾觀念已經(jīng)導(dǎo)致眾多的空氣過濾產(chǎn)品，如HEPA濾菌器等的出現(xiàn)，這些產(chǎn)品旨在從空氣中除去小微粒，過敏原，甚至微生物。
有許多眾所周知的方法現(xiàn)在被用于水的凈化，如蒸餾，離子交換，化學(xué)吸附，過濾或滯留，滯留是微粒的物理性阻塞。微粒過濾通過使用膜或顆粒狀材料層來實現(xiàn)，然而在所有情況下該材料的孔徑與顆粒狀材料間隙控制了滯留的顆粒大小。其他的凈化媒介包括那些發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料，該材料改變在待凈化的流體中的化學(xué)物質(zhì)的狀態(tài)或特性。
在大多數(shù)情況下需要將多種方法結(jié)合使用以便完全地凈化流體，如水。將多種方法結(jié)合使用通過將單一裝置中的功能結(jié)合或若干裝置串聯(lián)使用來實現(xiàn)，其中若干裝置中的每一個執(zhí)行不同的功能。這些實踐的例子包括混合樹脂的使用，其除去負(fù)電性的和正電性的化學(xué)物質(zhì)以及不帶電的化學(xué)物質(zhì)。
許多這些水的凈化方法與實踐是昂貴的，能效低和/或需要大量技術(shù)訣竅與精密化。簡化這些復(fù)雜性的傳統(tǒng)方法需要大量的加工或特別設(shè)計的裝置。不幸的是，低成本方法的開發(fā)沒有充分注重除去有害的微生物污染，細(xì)菌和病毒。例如，簡單的即用凈化設(shè)備，如連接室內(nèi)供水導(dǎo)管的過濾器或給露營者和徒步旅行者的便攜式元件，無法充分地除去細(xì)菌和病毒，除非使用相對昂貴的膜技術(shù)或強化學(xué)氧化劑，如鹵素或活性氧物質(zhì)。
環(huán)境保護局(EPA)規(guī)定了用作微生物凈水器的裝置的最低可接受標(biāo)準(zhǔn)。常見的大腸桿菌總數(shù)，由大腸桿菌和土生克雷伯氏菌來表示，其必須從進口濃度1×107個/100毫升最少降低6個數(shù)量級，將生物體的99.9999％除去。常見的病毒，由脊髓灰質(zhì)炎病毒1(LSc)和輪狀病毒(Wa或SA-11)來表示，其必須從進口濃度從1×107/升最少降低4個數(shù)量級，將生物體的99.99％除去。包囊用賈第鞭毛蟲屬muris或腸蘭伯式鞭毛蟲來代表，他們遍布廣、能誘導(dǎo)疾病并且耐化學(xué)消毒。那些宣稱能除去包囊的裝置應(yīng)從分別為1×106/升或1×107/升的進口濃度最少降低3個數(shù)量級，將包囊的99.9％除去。EPA接受了將適當(dāng)尺寸范圍的其它顆粒用于宣稱具有此功能的試驗裝置的應(yīng)用。
能高效率除去和固定微生物的材料有許多用途，在生物技術(shù)和發(fā)酵工業(yè)就是一個特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。這種材料不僅對把發(fā)酵培養(yǎng)液進行處理來循環(huán)或再使用發(fā)揮功效，而且可用作對發(fā)酵過程有益的微生物的微生物固定材料。
已知使用粒狀或微粒狀氧化鋁和三氧化鋁作為化學(xué)粘合劑，更特別是高純度氧化鋁用于從飲用水中除去氟化物和重金屬離子。與其它的水處理方法相比，使用氧化鋁的方法是昂貴的。
礬土礦和高嶺土形式的鋁硅酸鹽可以通過濕式化學(xué)合成或從采礦/對全球都能找到的未加工礦石進行處理而獲得。鋁硅酸鹽通過配合過程起到生物水體凈化劑的功能，這包括對生物材料和微生物的化學(xué)吸附。礬土礦是一種自然存在的礦物質(zhì)，其通常是氫氧化鋁、鋁氧化物和硅酸鋁的配合物。該混合物的其它成分包括過渡金屬氧化物，二氧化硅，二氧化鈦和微量礦物質(zhì)。大多數(shù)礬土礦主要消耗在先溶解再分離/凈化氧化鋁來生產(chǎn)鋁。主要步驟之一被稱為Bayer法。
還沒有加入了鋁硅酸鹽成分的市售微生物過濾或凈化設(shè)備。有文章指出鋁硅酸鹽也許能用作過濾材料，還沒有證明在裝置中使用或加入鋁硅酸鹽能滿足上述EPA最低要求。
在美國專利5,271,848中討論過使用礬土礦來處理水。參考文獻描述了為了降低磷酸鹽含量，采用50目的礬土礦顆粒來處理廢水的應(yīng)用。參考文獻未揭示使用礬土礦從廢水流中除去微生物有機體。
在美國專利4,167,479中公開了一種使用粉狀礦物質(zhì)活性媒介(小于50目)和活性微生物來凈化廢水的方法?；钚悦浇榕c廢水混合并循環(huán)以便允許生物化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。礦物質(zhì)在這個處理中用作粒狀添加劑加入水系統(tǒng)中，并分散在流體各處，而不是作為待處理的水將流過的粘合劑材料的一部分。這個參考文獻沒有提供或建議用于從廢水除去微生物的方法。實際上，它其實用活性微生物作為處理的一部分，但沒有考慮它們的除去。此外，該參考文獻特別強調(diào)了礦物質(zhì)提供金屬離子來沉淀磷酸鹽，從而減少或消除為沉淀磷酸鹽而使用其它類型化學(xué)藥品如明礬的需要。
另外，在陶瓷和生物植入領(lǐng)域的材料是已知的。然而這些材料并非制造用于為過濾流體目的而使該流體通過，流體也不能通過它們。
因此在本領(lǐng)域中，仍然需要簡單的、廉價的液體凈化和過濾方法，以及加入了從礬土礦中獲得、高嶺土和相關(guān)天然材料的鋁硅酸鹽的裝置。本發(fā)明和技術(shù)的意圖是使用含鋁礦物質(zhì)而不必需要通過溶解和分離方法如Bayer法來加工該礦物質(zhì)，Bayer法是用來產(chǎn)生純氧化鋁的方法。還需要實用的液體凈化和過濾裝置，以及容許利用礬土礦和高嶺土礦石形式的鋁硅酸鹽，礬土礦和高嶺土礦石容易獲得并且一般可通過各種不同的方法找到或合成。本領(lǐng)域還需要一種方法和裝置，其不僅滿足而是顯著超過EPA對微生物凈水器的最低要求，因此該裝置不僅適用于用戶和工業(yè)即用應(yīng)用場合。
發(fā)明概述為此，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在將氧化鋁加入過濾器裝置的已知應(yīng)用中有重大的問題，即鋁材料是昂貴的，這是由于生產(chǎn)純化形式的氧化鋁三氧化物要進行復(fù)雜的方法。
此外，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在已知的將鋁硅酸鹽加入過濾器裝置中還有其他的重大問題，即該鋁硅酸鹽無論是粒狀、微?；蚶w維，都呈松散的形式。以松散形式的材料產(chǎn)生的過濾效果被由流過過濾介質(zhì)的流體，特別是水和水溶液的壓力所引起的渠道效應(yīng)和繞流效應(yīng)，以及顆粒的侵蝕和聚集作用所損害。因為病毒和細(xì)菌是通過與吸附材料密切接觸而被除去，所以隨著時間的推移而在粒狀材料中由水壓力、水流、顆粒侵蝕或顆粒聚集作用形成的甚至是相對小的渠道或通道都很容易足以允許不希望的微生物污染物通過該過濾器。
例如，用水作為示范流體并用本發(fā)明的材料作為用于微生物有機體的過濾介質(zhì)，基于病毒流入濃度為1×106/L的計算表明將可能發(fā)生4個數(shù)量級的降低，但是只要在過濾期間有0.01％的水由于通過在過濾介質(zhì)中形成的渠道而繞過處理，那么實際上僅能降低3.7個數(shù)量級。如果0.1％的水通過而未經(jīng)處理，那么僅降低3個數(shù)量級。如果1％的通過未經(jīng)處理，那么僅降低2個數(shù)量級，而如果10％的通過未經(jīng)處理，那么僅降低1個數(shù)量級。如果預(yù)計降低6個數(shù)量級，那么形成渠道的有害結(jié)果更嚴(yán)重，在0.01％的水繞過處理時實際上將僅降低4個數(shù)量級。本發(fā)明通過提供一種用于除去污染物包括細(xì)菌和病毒的微生物過濾器和方法解決了這個問題，其中將鋁硅酸鹽及其他粒狀吸附性過濾介質(zhì)固定在化學(xué)粘合材料中，以便形成能消除形成渠道和讓活化劑繞流的可能性的多孔過濾材料。
總的來說，本發(fā)明是一種凈化和過濾的裝置和方法，用于凈化和過濾含水流體特別是水(如飲用水或游泳用水或洗浴用水)，或其它水溶液(如發(fā)酵的液體培養(yǎng)基和用于細(xì)胞培養(yǎng)的溶液)，或在凈化室、醫(yī)院、潛水裝置室、飛行器或宇宙飛船中找到的氣體和混合氣體如可呼吸的空氣，以及用于鼓泡、吹掃或從表面除去顆粒物質(zhì)的氣體。本發(fā)明裝置和方法的應(yīng)用導(dǎo)致對微生物污染物包括細(xì)菌和病毒以及其組分有極高百分率的除去。特別是，本發(fā)明裝置和方法的應(yīng)用導(dǎo)致水的凈化達到滿足并超過微生物凈水器的EPA標(biāo)準(zhǔn)的水平。在一個實施方案中，本發(fā)明涉及用于流體的凈化材料，其包含鋁硅酸鹽微粒，并由于存在粘合劑而呈現(xiàn)多孔濾塊的形式。
一般，至少一部分鋁硅酸鹽來自于礬土礦、高嶺土或相關(guān)的含鋁礦物質(zhì)，并且已經(jīng)從天然來源例如從采礦獲得，或從合成來源如將鋁與含硅酸鹽化合物進行攪拌而獲得。
一般，粘合劑是聚合材料或低聚材料，其能將鋁硅酸鹽微粒保持呈塊狀構(gòu)造。這允許凈化材料被模制或擠壓成任何想要的形狀，例如適用于裝入過濾裝置腔體的形狀，該過濾裝置有流體流入和流出，并且裝置有一個或多個室用于流體與凈化材料的接觸。這樣的裝置形成了本發(fā)明的另一個實施方案。除了保持鋁硅酸鹽顆粒固定在均一的塊中，聚合粘合劑也為該過濾材料提供所希望的物理性質(zhì)，例如給予其勁度或韌性，這取決于所使用的聚合粘合劑的類型和數(shù)量。
在另一個實施方案中，本發(fā)明涉及用于流體的凈化材料，其為片材或薄膜的形式，包含用粘合劑固定的鋁硅酸鹽微粒。
本發(fā)明也涉及過濾流體如水、水溶液和氣體，以便除去大部分其中包含的一種或多種微生物的方法，這是通過將該流體與本發(fā)明的凈化材料相接觸來進行的。在本發(fā)明這一實施方案的一個具體方面，接觸發(fā)生在上述裝置內(nèi)，過濾液流過進口，接觸在一個或多個室內(nèi)的凈化材料，而濾過液再從出口流出該室。
本發(fā)明的凈化材料可用于純化飲用水；可用于純化用于娛樂目的的水，如游泳池、熱水浴和溫泉療養(yǎng)地的水；可用于純化工業(yè)用水例如用于冷卻塔的水；可用于純化水溶液，包括但不局限于發(fā)酵用液體培養(yǎng)基和細(xì)胞培養(yǎng)溶液(例如用于在發(fā)酵或其它細(xì)胞培養(yǎng)工藝中循環(huán)的溶液)，以及用于外科手術(shù)的含水流體，以便將其循環(huán)或再利用；以及可用于純化氣體和混合氣體如可呼吸的空氣，例如用于為醫(yī)院或工業(yè)凈化室通風(fēng)的空氣、用于潛水裝置的空氣、或例如在飛機或宇宙飛船中的循環(huán)空氣，以及用于從表面、容器或器皿鼓泡、吹掃或除去揮發(fā)性或顆粒物質(zhì)的氣體。本發(fā)明的凈化材料的其他優(yōu)點是使用容易獲得的鋁硅酸鹽材料(包括從天然源中獲得的那些材料)而仍保持高凈化效率。
在本發(fā)明的另一實施方案中，本發(fā)明的材料即鋁硅酸鹽和任選的其它吸附性材料在粘合劑基質(zhì)中并形成塊或片材，其能被用作微生物的固定媒介，用于生物技術(shù)應(yīng)用如發(fā)酵過程和細(xì)胞培養(yǎng)。在這個實施方案中，生物工藝流體如液體培養(yǎng)基、基材溶液等被通過本發(fā)明的固定材料，其方式使得該流體與固定在其中的微生物接觸，流出物從該材料上除下來，并且根據(jù)需要進一步加工。
附圖簡述

圖1是舉例說明本發(fā)明一個具體實施方案的剖視圖，即根據(jù)本發(fā)明的濾水器腔體，包含加入到粘合劑基質(zhì)中的鋁硅酸鹽和顆粒狀活性炭(GAC)的過濾塊。
圖2a和2b是本發(fā)明一個具體實施方案的示意圖，即薄膜或片材形式的過濾材料，其包含鋁硅酸鹽和粘合劑基質(zhì)。
發(fā)明詳述如上所述，本發(fā)明的一個實施方案涉及過濾塊形式的凈化材料，其包含在粘合劑中的顆粒狀鋁硅酸鹽，粘合劑一般是聚合材料。在這個實施方案的一個具體方面，本發(fā)明涉及一種剛性過濾塊，其包含在粘合材料如熱塑性材料中的顆粒狀鋁硅酸鹽和氧化鋁衍生物的混合物以及顆粒狀活性炭(GAC)或骨炭或其它吸附性過濾介質(zhì)，這樣使得所述鋁硅酸鹽和衍生物以及GAC固定在粘合劑基質(zhì)中，而且在水處理期間無法發(fā)生由于流動產(chǎn)生的渠道。本發(fā)明的凈化材料可以通過擠出、模制(包括注射模塑)或通過壓縮法生產(chǎn)。纖維化作用也可以用來將粘合劑聚合物和鋁硅酸鹽的混合物制成小纖維，后者能形成片材、薄膜或塊。可以以任何形狀或尺寸生產(chǎn)，并可以是剛性的或韌性的。
濾塊的孔徑大小影響通過該過濾器的流體的流量，并是加入濾塊的顆粒的尺寸的函數(shù)。本發(fā)明所用的術(shù)語“塊”不表示任何具體的幾何形狀，但該材料不是片材或薄膜。作為術(shù)語“塊”的非限定性例子將包括管、環(huán)以及更傳統(tǒng)的幾何固體。形成韌性塊的物質(zhì)特別適用于以管或筒的形式使用，作為液體過濾器介質(zhì)。
本發(fā)明凈化物質(zhì)的一個所希望的特征是其可以形成任何想要的形狀，因此容易處理和使用。例如，凈化材料可以形成整料或塊，其適合作傳統(tǒng)的過濾媒介腔體，或者它可以進行成型以便提供凈化作用，作為便攜式或個人用過濾裝置的一部分。另一選擇，該材料也可形成若干不同的片，水串聯(lián)或并聯(lián)流過這些片。也可以形成凈化材料的片材或薄膜。凈化材料無論是塊狀或片材/薄膜形狀，其剛性都可以通過將韌性聚合物加入粘合材料來改變。
雖然不希望束縛于任何理論，但我們相信本發(fā)明的凈化材料在從流體除去微生物方面能獲得異乎尋常的高效率，這部分因為將鋁硅酸鹽顆粒固定在粘合劑中，以及使流過凈化材料的流體必需沿延伸和彎曲的路徑流過，而不會如同在先的含鋁硅酸鹽凈化材料那樣形成通過凈化材料的渠道。這一路徑保證流體接觸鋁硅酸鹽顆粒的大部分表面積，并防止流體的持續(xù)層流通過過濾材料。后者效應(yīng)被認(rèn)為有助于防止含微生物的流體層避免持續(xù)與過濾器中的鋁硅酸鹽顆粒持續(xù)接觸。凈化材料使用一段時間以后，吸附材料堆積在凈化材料的小孔中將發(fā)生閉塞而造成額外的濾過作用。
熟悉流體過濾領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，可以為不同的應(yīng)用操縱凈化材料的孔徑大小和外形尺寸，并且這些變量的變化將改變流量、回壓和微生物污染物的除去程度。在本領(lǐng)域中同樣得到承認(rèn)的是，凈化材料每個成分的百分比變化將提供某些在效用上的變化。例如，增大鋁硅酸鹽在凈化材料中的百分比將導(dǎo)致材料具有數(shù)目增多的用于化學(xué)和生物學(xué)物質(zhì)的相互作用位置，而增大粘合劑的百分比將導(dǎo)致凈化材料具有更接近于粘合材料的材料性能和機械性能，具有減少的相互作用位置。
在本發(fā)明的一個具體實施方案中，所使用的鋁硅酸鹽為礬土礦形式，礬土礦和GAC材料存在量近似相等，而粘合材料的百分比保持在最低限度。然而，用于本發(fā)明的鋁硅酸鹽可以從其它天然或合成/工業(yè)來源中獲得，并且不同衍生物的混合物可能使凈化材料的特性產(chǎn)生差異。例如，將氟化物加至濾塊中，則水用作流體時將導(dǎo)致出水中的氟化物的減少降低。在例如以維持所希望氟含量在其中的方式來純化含氟水時，這可能有用。過濾材料中的氟化物可以如下獲得，通過夾雜含氟化物的鋁硅酸鹽、夾雜氟化鹽和氟化化合物，或者通過將含氟化物溶液通過該凈化材料將其預(yù)調(diào)濕處理。
同樣，通過使用不同的晶體結(jié)構(gòu)和不同晶面的取向而增大了結(jié)合位置的數(shù)目，也可以增大對金屬離子、放射性同位素和微生物的束縛。通常，暴露于升高的溫度下允許在晶體和無定形形態(tài)之間轉(zhuǎn)化。
本領(lǐng)域有經(jīng)驗的技術(shù)人員也將理解，鋁硅酸鹽、氧化鋁可能是不同結(jié)晶的或無定形的，也可能在本發(fā)明使用其它吸附性材料，這些變化將使所得的凈化材料特性有差異，如某些晶體結(jié)構(gòu)改善和抑制了與微生物及其他生物材料的相互作用。這些特性差異產(chǎn)生于在微生物及其他生物材料之間的相互作用不同，以及包括在晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的那些正離子和負(fù)離子的不同。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，凈化材料被構(gòu)造成經(jīng)得起殺菌作用。殺菌過程包括熱過程，如蒸汽滅菌或其它過程，其中凈化材料暴露于高溫或高壓或者暴露于高溫和高壓下；電阻加熱；輻射消毒，其中凈化材料暴露于高的輻射水平下，這包括使用紫外線、紅外線、微波和電離輻射的方法；以及化學(xué)滅菌，其中凈化材料暴露于高含量的氧化劑或還原劑或者其它化學(xué)物質(zhì)，化學(xué)滅菌是利用化學(xué)制品如鹵素、反應(yīng)性氧物質(zhì)、甲醛、表面活性劑、金屬以及氣體如環(huán)氧乙烷、溴甲烷、β-丙內(nèi)酯和環(huán)氧丙烷進行的。
另外，殺菌可能利用電化學(xué)方法來完成，后者通過微生物組分的直接氧化或還原，或者間接通過氧化性或還原性化學(xué)物質(zhì)形成電化學(xué)物質(zhì)來完成。基于慣例也可以結(jié)合使用這些方法。也應(yīng)該理解，在凈化材料使用時可以連續(xù)或偶爾應(yīng)用殺菌過程。
總之，本發(fā)明包括一種裝置和方法，用于過濾和凈化流體特別是水溶液或者水，以便除去存在于該水中的有機和無機元素以及化合物，如顆粒材料。具體地說，該裝置和方法可用于從供人或其它動物消耗或其它使用的水或者其它流體或者氣體中除去微生物污染物，包括細(xì)菌和病毒以及其組分。本發(fā)明的方法和裝置在以下應(yīng)用中特別有用，本發(fā)明可能實現(xiàn)的微生物污染物濃度的減少顯著地超過EPA對凈化水用微生物裝置的標(biāo)準(zhǔn)，也顯著地超過其它已知的過濾和凈化設(shè)備的效率，已知的過濾和凈化設(shè)備中加入了含鋁硅酸鹽的顆粒狀吸附介質(zhì)，如從礬土礦或高嶺土中獲得的鋁硅酸鹽。在本發(fā)明的一個具體實施方案中，凈化材料是由顆粒狀或微粒狀鋁硅酸鹽形成的多孔濾板，在本發(fā)明中鋁硅酸鹽定義為包括礬土礦或高嶺土及其他任選的吸附性顆粒狀材料(其在下文中更詳細(xì)地描述)如顆粒狀活性炭(GAC)，其保留在聚合物粘合劑基質(zhì)內(nèi)。在與該具體實施方案相當(dāng)?shù)姆椒ㄖ校?dāng)水由流入側(cè)的水壓壓過或通過出水側(cè)的真空抽過濾塊的多孔濾板時，微生物污染物被從水中除掉。
在本發(fā)明的一個實施方案中，凈化材料由鋁硅酸鹽和吸附性粒狀過濾介質(zhì)例如GAG(這樣的組分可以任意方式分散在濾塊各處)的混合物組成。凈化材料也可以形成帶有明顯的空間梯度或隔離層。例如，鋁硅酸鹽和GAC顆粒可用固體粘合劑基質(zhì)固定在隔離層中，固體粘合劑例如聚合物熱塑性塑料如聚乙烯等，以便杜絕鋁硅酸鹽和GAC顆粒的移動，并防止流體輸送通過濾塊時產(chǎn)生有害的通道效應(yīng)。如果上述組分存在于分開的位置，那么流體流將連續(xù)通過這些位置。在這個實施方案的一個具體實例中，所存在的至少一部分鋁硅酸鹽來源于礬土礦或高嶺土或其混合物。適用材料的例子是被命名為礬土礦，并由CEMinerals出售的材料。材料可磨成所希望的粒度，例如80-325目。這種材料的典型分析顯示有45-99％的鋁三氧化物，高達50％的二氧化硅，高達5％的水分。據(jù)報道，這些材料對成分有粘結(jié)特性，這類成分包括氯、氟、鋁、鎘、鉛、汞(有機的和無機的)、銅、鋅、鐵、鎳、鍶、砷、鉻、錳和某些放射性核素。據(jù)報道也有有機分子粘結(jié)能力，能粘結(jié)復(fù)雜有機分子、成色化合物、為流體提供味道的化合物、為流體提供氣味的化合物，以及三鹵代甲烷前體。
在這個實施方案中，鋁硅酸鹽(礬土礦、高嶺土等)和GAC以近似相等數(shù)量混合，并混合少量組成整塊凈化材料所必需的粘合材料。然而，鋁硅酸鹽、GAC和粘合劑的濃度基本上可變化，并且本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員不必進行過度的試驗就可以以類似方式使用這些材料濃度不同的材料。然而，通常在GAC或骨炭用作額外的吸附材料時，它在混合物中的濃度基于該組合物在進行任何干燥或壓實之前的重量，通常小于50重量％。另外，不是GAC的吸附劑可用于完全取代多組分混合物中的GAC，或與其混合使用。這些吸附劑的例子包括各種離子粘結(jié)材料，如合成的離子交換樹脂、沸石(合成的或天然的)、硅藻土和一種或多種其它含磷酸鹽材料，如磷酸鹽類礦物質(zhì)(其在下文中更詳細(xì)描述)，特別是本文中描述的鋁硅酸鹽礦物質(zhì)。
具體地說，所述鋁硅酸鹽礦物質(zhì)，即一類含鋁的礦物，如礬土礦、高嶺土、硅酸鋁鈉、白鉛礦、斜發(fā)沸石，剛玉、水鋁石、三水鋁礦、hallosite、赤鐵礦、藍晶石、針鎳礦、合成的富鋁紅柱石、硅線石斜長巖、明礬石及其混合物，以及具有具有本文指明的通式的礦物質(zhì)特別適用于該本發(fā)明。這些材料可進行鍛燒，但不需要先溶解并且加工，以便形成純形式的氧化鋁，如鋁制造業(yè)使用的那樣。
包含鋁的礦物質(zhì)發(fā)現(xiàn)為氫氧化物和氧化物類型，并包括氧化鋁、礬土礦和高嶺土。氧化鋁被稱為剛玉，并且工業(yè)上的重要晶體結(jié)構(gòu)，如紅寶石和藍寶石為大家所熟知。
剛玉是第二硬的天然礦物質(zhì)。剛玉的基本結(jié)構(gòu)是Al2O3，又名氧化鋁。有關(guān)的礦物質(zhì)包括方解石、黝簾石、長石、云母和石榴石。黝簾石是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的礦物質(zhì)，其具有兩個單硅酸鹽四面體SiO4和復(fù)硅酸鹽四面體Si2O7。黝簾石的化學(xué)式可以如此表示以便反映其結(jié)構(gòu)Ca2AlOAl2(SiO4)(Si2O7)(OH)。普通長石的通式是XAl(1-2)Si(3-2)O8。該化學(xué)式中的X可能是鈉和/或鉀，和/或鈣。當(dāng)在X位置的陽離子帶有正一價電荷時，例如帶有鈉或者鉀，那么該化學(xué)式包含一個鋁離子和三個硅離子。如果該化學(xué)式含正二價鈣，則該化學(xué)式會包含兩個鋁離子和僅兩個硅離子。
長石的差異是通過結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)來判別的。鉀長石或者K長石是多晶型物，這意味著它們具有相同的化學(xué)性質(zhì)，KAlSi3O8，但是結(jié)構(gòu)不同，因此它們是不同的礦物質(zhì)。斜長巖長石是一組礦物質(zhì)，其為從富含鈉端員礦物(鈉長石)到富含鉀的端員礦物(鈣長石)的一系列礦物質(zhì)。該系列的中間礦物基于基于其鈉或鈣的百分?jǐn)?shù)來賦予任意的邊界。
長石類是具有許多已知礦物的一大類。其中有九種是大家所熟知和常見的。斜長巖長石類的例子包括鈉長石(硅酸鋁鈉)、奧長石(硅酸鋁鈣鈉)、中長石(硅酸鋁鈣鈉)、拉長石(硅酸鋁鈉鈣)、倍長石(硅酸鋁鈉鈣)和鈣長石(硅酸鋁鈣)。
鉀長石或堿性長石的例子包括微斜長石(硅酸鋁鉀)、透長石(硅酸鋁鈉鉀)和正長石(硅酸鋁鉀)。
云母的通式是AB2-3(Al，Si)Si3O10(F，OH)2。大多數(shù)云母中，A通常是鉀K，但可能是鈣Ca、或鈉Na、或鋇Ba、或在少數(shù)云母中才有的其它元素。在大多數(shù)云母中的B可能是鋁Al和/或鋰Li、和/或鐵Fe、和/或鎂Mg。云母類具有許多成員。常見的云母礦物質(zhì)的例子包括黑云母、鉻云母、鋰云母、白云母、金云母、鐵鋰云母。
石榴石也是可用于本發(fā)明的礦物質(zhì)的例子。石榴石的通式是A3B2(SiO4)3。A代表二價金屬，如鈣、鐵、鎂和錳。B代表三價金屬，如鋁、鉻、鐵和在該類物質(zhì)的少數(shù)成員中發(fā)現(xiàn)的其它元素。石榴石是是一大類這樣的物質(zhì)，例子包括貴榴石、鈣鐵榴石、鈣鋁榴石、鎂鋁榴石、錳鋁榴石、鈣鉻榴石。
三水鋁石是一種重要的鋁礦石，其是構(gòu)成巖石礬土礦的三種礦物質(zhì)之一。礬土礦常被認(rèn)為是一種礦物質(zhì)，但它是一種由氧化鋁和氫氧化物礦物質(zhì)以及粘土、淤泥和鐵氧化物和鐵氫氧化物組成的巖石(鐵礬土)，所述氫氧化物礦物質(zhì)如三水鋁石、勃姆石Al0(OH)和一硬水鋁石HAlO2。三水鋁石的結(jié)構(gòu)類似于云母的基本結(jié)構(gòu)。相連的氫氧化鋁八面體的層疊片形成上述基本結(jié)構(gòu)。該八面體由鍵合到八面體型配位的氫氧化物上的鋁離子組成。
三水鋁石常作為其它礦物質(zhì)的一部分結(jié)構(gòu)而被找到，在重要的粘土類物質(zhì)如伊利石、高嶺石和蒙脫土/蒙脫石中，其夾在硅酸鹽片之間。
伊利石(粘土-云母)類物質(zhì)基本上是水合的微小白云母。伊利石礦是唯一常見的有代表性礦物質(zhì)，然而它是一種重要的造巖礦物，是頁巖和其它的泥質(zhì)巖的主要成分。通式為(K，H)Al2(Si，Al)4O10(OH)2-xH2O，其中x代表這類物質(zhì)可能包含的可變的含水量。
高嶺石類具有三個成員(高嶺石、地開石和珍珠石)，化學(xué)式為Al2Si2O5(OH)4。高嶺石類的通用結(jié)構(gòu)由硅酸鹽片(Si2O5)組成，所述硅酸鹽片鍵合到被叫作氫氧化鋁八面體層的氧化鋁/氫氧化物層(Al2(OH)4)上。
蒙脫土/蒙脫石類由若干礦物質(zhì)組成，包括壽山石、滑石、蛭石、鋅蒙脫石、滑石粉、綠脫石和蒙脫石，它們的不同之處主要在于化學(xué)含量不同。通式為(Ca，Na，H)(Al，Mg，F(xiàn)e，Zn)2(Si，Al)4O10(OH)2-xH2O，其中x代表這類物質(zhì)可能包含的可變的含水量。
綠泥石類是巨大并常見的一類礦物質(zhì)，可用于本發(fā)明。通式是X4-6Y4O10(OHn)8，X代表鋁、鐵、鋰、鎂、錳、鎳、鋅或很少見的鉻。Y代表鋁、硅、硼或鐵，但主要代表鋁和硅。例子包括鎂綠泥石(Mg，F(xiàn)e)4Al4Si2O10(OH)8、貝氏綠泥石(Zn，F(xiàn)e+2，Al，Mg)6(Al，Si)4O10(O，OH)8、鮞綠泥石(Fe，Mg)3Fe3AlSi3O10(OH)8、斜綠泥石(鉻斜綠泥石)(Fe，Mg)3Fe3AlSi3O10(OH)8、鋰綠泥石LiAl5Si3O10(OH)8、脆綠泥石(Mg，F(xiàn)e，Al)6(Al，Si)4O10(OH)8、鐵綠泥石(Fe，Mg)3(Fe，Al)3(Al，Si)4O10(OH)8、鐵葉綠泥石(Mg，F(xiàn)e+2，F(xiàn)e+3，Al)6(Al，Si)4O10(O，OH)8、錳綠泥石(Mn，Mg)5(Fe+2)2Si3O10(OH)8、鎳綠泥石 (Ni，Mg，F(xiàn)e，Al)6AlSi3O10(OH)8、鈦云母(Al，F(xiàn)e+2，F(xiàn)e+3，Mg)5(Al，Si)4O10(O，OH)8、正鮞綠泥石(Fe+2，Mg，F(xiàn)e+3)5Al2Si3O10(O，OH)8、葉綠泥石(Mg，F(xiàn)e，Al)6(Al，Si)4O10(OH)8、Pannantite(Mn，Al)6(Al，Si)4O10(OH)8、Rhipidolite(prochlore)(Mg，F(xiàn)e，Al)6(Al，Si)4O10(OH)8、須藤石(Mg，F(xiàn)e，Al)4-5(Al，SiO10(O，OH)8、鱗綠泥石(Fe+2，F(xiàn)e+3，Mg)6(Al，Si)4O10(O，OH)8。
其他的示范性礦物質(zhì)包括以下這些冰晶石(氟化鋁鈉)、黃磷鐵礦(水合的鐵鋁磷酸鹽氧化物氫氧化物)、白榴石(硅酸鋁鉀)、壽山石(硅酸鋁氫氧化物)、剛玉(氧化鋁)、尖晶石(鎂鋁氧化物)、鋰磷鋁石(鋰鈉鋁磷酸鹽氟化物氫氧化物)、貴榴石(硅酸鋁鐵)、淡紅沸石(水合的硅酸鋁鈣)、黃玉(鋁的硅酸鹽氟化物氫氧化物)、明礬石(硫酸鋁鉀氫氧化物)碳酸鉛鋁礦(水合的鉛鋁碳酸鹽氫氧化物)、硼銫銣礦(鉀銫鈹鋁硼酸鹽)、霜晶石(水合的氟化鋁鈣鈉)、方霜晶石(水合的氟化鋁鈣鈉)、板磷鋁礦(磷酸鋁)、磷鋁鐵石(水合的鐵錳鋁磷酸鹽氫氧化物)、磷鋁錳礦(水合的錳鐵鋁磷酸鹽氫氧化物)、羥磷鋁鋰石(鋰鈉鋁磷酸鹽氫氧化物氟化物)、副磷鐵鉛礦(水合的鐵鋁磷酸鹽氫氧化物)、褐簾石(鈣稀土鋁鐵硅酸鹽氫氧化物)、輝石(鈣鈉鎂鐵鋁硅酸鹽)、黑云母(鉀鐵鎂鋁硅酸鹽氫氧化物氟化物)、斜發(fā)沸石(水合的硅酸鋁鈣鉀鈉)、鈣鋁榴石(硅酸鋁鈣)、片沸石(水合的氟化鋁鈉鈣)、角閃石(鈣鎂鐵鋁硅酸鹽氫氧化物)、和羥磷鋁鋰石(鋰鈉鋁磷酸鹽氟化物氫氧化物)；鋁硅酸鹽類礦物質(zhì)，如鈉磷錳鐵礦(鈉鈣鐵錳磷酸鹽)、光彩石(鋁的磷酸鹽氫氧化物)、板磷鋁礦(磷酸鋁)、bolivarite(水合的鋁磷酸鹽氫氧化物)、brazilianite(鈉鋁磷酸鹽氫氧化物)黃磷鐵礦(水合的鐵鋁磷酸鹽氧化物氫氧化物)、磷鋁鐵石(水合的鐵錳鋁磷酸鹽氫氧化物)、鈣銀星石(水合的鈣鋁磷酸鹽氫氧化物)、水磷鉀石(水合的鉀鈣鋁磷酸鹽氫氧化物)、磷鋁錳礦(水合的錳鋁磷酸鹽氫氧化物)、核磷鋁石(水合的鋁磷酸鹽氫氧化物)、鋅綠松石(水合的鋅銅鋁磷酸鹽氫氧化物)、florencite(鈰鋁磷酸鹽氫氧化物)、磷鋇鋁礦(水合的鋇鋁磷酸鹽氫氧化物)、基性磷鋁石(水合的鎂鋁磷酸鹽氫氧化物)、哥磷鐵鋁石(水合的鐵鋁磷酸鹽氫氧化物)、磷鍶鋁石(鍶鋁磷酸鹽氫氧化物)、疑難榴石(鈉鋁鈣鐵錳磷酸鹽氫氧化物)、磷鋁鐵釩石(鋇鐵錳鎂鋁磷酸鹽氫氧化物)、天藍石(鎂鐵鋁磷酸鹽氫氧化物)、變磷鋁石(水合的磷酸鋁)、變藍磷鋁鐵礦(水合的鐵鋁磷酸鹽氫氧化物)、montbrasite(鋰鈉鋁磷酸鹽氫氧化物氟化物)、磷鋁鎂鈣石(水合的鈣鋁磷酸鹽氫氧化物)、natramblygonite(鈉鋰鋁磷酸鹽氟化物氫氧化物)、水磷鋁鈣石(水合的鈣鎂鋁磷酸鹽氫氧化物)、柱磷鍶鋰礦(鋰鈉鍶鈣鋁磷酸鹽氫氧化物)、副磷鐵鉛礦(水合的鐵鋁磷酸鹽氫氧化物)、水磷鋁鉛礦(鉛鋁氫化磷酸鹽氫氧化物)、磷鋁高鐵錳鈉石(鈉鈣錳鐵鎂鋁磷酸鹽)、多鐵天藍石(鐵鎂鋁磷酸鹽氫氧化物)、羥磷鋁石(鋁磷酸鹽氫氧化物)、綠松石(水合的銅鋁磷酸鹽氫氧化物)、磷鋁石(水合的磷酸鋁)、藍磷鋁鐵礦(水合的鐵鋁磷酸鹽氫氧化物)、水磷鋁鈉石(水合的鈉鋁磷酸鹽氫氧化物)、銀星石(水合的鋁磷酸鹽氫氧化物氟化物)、磷鋁鎂鐵鈣石(水合的鈣鎂鐵錳鋁磷酸鹽氫氧化物)、硫磷鋁鐵鈾礦(水合的鐵鋁鈾酰磷酸鹽硫酸鹽氫氧化物)、柱磷鈣鈾礦(水合的鋁鈾酰磷酸鹽氫氧化物)、和鋁鈾云母鋁鈾云母(水合的鋁鈾酰氫化磷酸鹽)。
另外，用于離子粘結(jié)的聚合材料包括苯乙烯和二乙烯基苯二乙烯苯衍生的樹脂，也可以使用甲基丙烯酸酯。衍生物包括具有陰離子粘結(jié)位置的官能化聚合物，其基于季胺、伯胺和仲胺，氨基丙基，二乙氨基乙基和二乙氨基丙基取代基。包含陽離子結(jié)合位置的衍生物包括用磺酸、苯磺酸、丙磺酸、膦酸和/或羧酸部分來官能化的聚合物。也可以使用天然或合成沸石作為離子粘結(jié)材料，這包括例如天然鋁硅酸鹽，如斜發(fā)沸石。適合的粘合劑材料包括任何能將顆粒材料聚集在一起并且在使用條件下保持這種聚集作用的聚合材料。它們通常的包含量基于凈化材料總重量為約10-99.9wt％，更特別是15-50wt％。
適用的聚合材料包括天然和合成聚合物，以及對天然聚合物的合成改性物。聚合物粘合劑材料一般包括一種或多種熱固性、熱塑性、高彈性材料或其結(jié)合，這取決于所得到的凈化材料所希望的機械性能。
通常，適用于本發(fā)明的聚合物粘合劑是在約50-500℃，特別是在約75-350℃，更特別是在80-200℃下熔融的聚合物。例如，作為適用物質(zhì)可以特別提及在約85-180℃熔融的聚烯烴、在約200-300℃熔融的聚酰胺、在約300-400℃熔融的氟化的聚合物。在本發(fā)明中適用于作為粘合劑的聚合物的類型的例子包括但不限于，熱塑性物質(zhì)、聚乙二醇或其衍生物、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯和聚乳酸。適用的熱塑性物質(zhì)包括但不限于，尼龍和其它聚酰胺、聚乙烯，包括LDPE、LLDPE、HDPE和聚乙烯與其它聚烯烴的共聚物、聚氯乙烯(增塑的和未增塑的)、碳氟化合物，如聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、纖維素樹脂，如乙酸丁酸纖維、丙烯酸樹脂，如聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯、熱塑性共混物或接枝物，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯或丙烯腈-苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙酸乙烯酯、乙烯乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚甲醛、聚甲醛、聚縮醛、聚酯，如聚對苯二甲酸乙二酯、聚醚醚酮和酚醛樹脂，如可溶性酚醛樹脂和線型酚醛清漆。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，可以按照相似的方式將其它熱塑性聚合物應(yīng)用于本發(fā)明。
在本發(fā)明中適合用作粘合劑或包含于粘合劑中的適合的熱固性聚合物包括但不限于，聚氨酯、硅氧烷、氟硅氧烷、酚醛樹脂、三聚氰胺樹脂、三聚氰胺-甲醛樹脂和脲醛樹脂。在本發(fā)明中適合用作粘合劑或包含于粘合劑中的適合的彈性體包括但不限于，天然和/或合成橡膠，如丁苯橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠、丁基橡膠、硅氧烷、聚氨酯、烷基化氯磺酸化聚乙烯、聚烯烴、氯磺酸化聚乙烯、全氟彈性體、聚氯丁烯(氯丁橡膠)、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物、氯化的聚乙烯、VITON(含氟彈性體)和ZALAK(Dupont-Dow彈性體)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員也將認(rèn)識到，如上提出的某些熱塑性物質(zhì)也可以是熱固性的，這取決于交聯(lián)的程度；并且其中的一些可以是彈性體，這取決于其機械性能；并應(yīng)認(rèn)識到上述具體的類別是為了易于理解的目的，決不能看作是進行限制或控制。適用于本發(fā)明的天然或合成改性的天然聚合物包括但不限于，天然和合成改性的纖維素如棉、膠原蛋白和有機酸。適用于本發(fā)明的可生物降解聚合物包括但不限于，聚乙二醇、聚乳酸、聚乙烯醇、交酯乙交酯共聚物等。
在能殺菌的過濾材料的具體實施方案中，來源于礬土礦或高嶺土的鋁硅酸鹽、礬土礦或高嶺土以及GAC或骨炭材料以大約相等的量存在，而使粘合劑材料的百分?jǐn)?shù)最小。所用的粘合劑應(yīng)當(dāng)對于溫度、壓力、電化學(xué)、輻射和殺菌過程中存在的化學(xué)條件穩(wěn)定，否則應(yīng)當(dāng)與殺菌方法相容。對于包括暴露于高溫的殺菌方法(如蒸汽殺菌和高壓釜法)適用的粘合劑的例子包括硝酸纖維素、聚醚砜、尼龍、聚丙烯、聚四氟乙烯(teflon)和混合的纖維素酯。當(dāng)粘合劑聚合物根據(jù)公知標(biāo)準(zhǔn)制備時，用這些粘合劑制備的凈化材料可以進行高壓釜法。理想的是，凈化材料對于蒸汽殺菌或高壓釜法、以及化學(xué)殺菌或與氧化性或還原性化學(xué)物質(zhì)的接觸穩(wěn)定，因為將殺菌步驟結(jié)合使用特別適合有效和高效再生凈化材料。另外，對加入鋁硅酸鹽材料的裝置的殺菌和再生可以通過將明礬溶液、酸和/或堿通過該濾器來進行。
在本發(fā)明的一個實施方案中，殺菌至少部分通過電化學(xué)生成氧化性或還原性化學(xué)物質(zhì)來進行，可以通過將該凈化材料本身作為電極之一而獲得生成所述物質(zhì)所需的電壓。例如，含有聚合物粘合劑的凈化材料可以獲得導(dǎo)電性，即通過加入足夠高含量的導(dǎo)電性顆粒如GAC、碳黑或金屬顆粒來為通常絕緣性的聚合物材料賦予導(dǎo)電性。另一選擇，如果碳或其它顆粒的希望含量沒有高到足以為絕緣性聚合物帶來導(dǎo)電性時，可以將本身導(dǎo)電的聚合物用作粘合劑或混入粘合劑中。本身導(dǎo)電的聚合物的例子包括摻雜的聚苯胺、聚噻吩和其它公知的本身導(dǎo)電性聚合物。這些材料可以以足夠的量加入粘合劑中，以便提供低于約1kΩ，更特別是低于約300Ω的電阻值。
本發(fā)明的凈化材料為塊狀形式，但也可以是片或薄膜的形式。在具體的實施方案中，片或薄膜可以布置在例如聚合物制成的織造或非織造網(wǎng)上。用于形成織造或非織造網(wǎng)的聚合物可以是任何通常用于形成織物的熱塑性或熱固性樹脂。在這方面，聚烯烴如聚乙烯和聚丙烯特別適用。
該凈化材料以及用其來降低通過該材料的流體的微生物污染物和流量的效率是濾塊內(nèi)的孔徑和入流流體壓力的函數(shù)。流體壓力恒定時，流量是濾塊內(nèi)孔徑的函數(shù)，濾塊內(nèi)的孔徑可以通過控制鋁硅酸鹽和GAC顆粒的尺寸來調(diào)整。例如，大的顆粒尺寸形成密度較小的、導(dǎo)致流量較快的更開放凈化材料；而小的顆粒尺寸形成密度較大的、導(dǎo)致流量較慢的比較不開放凈化材料。用相對較大鋁硅酸鹽顆粒形成的濾塊17將具有更小的表面積，并且作用點比用較小顆粒形成的濾塊更少。因此，大顆粒形成的凈化材料必須更厚，以便達到等同的微生物污染物去除率。因為這些因素都是在加工過程中可控制的，所以可以通過改變孔徑、濾塊體積、濾塊外表面積和幾何形狀來定制凈化材料，以便符合不同的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。在一個具體實施方案中將平均孔徑控制在幾個微米以下，更特別是在約1微米以下，以防止包囊通過。應(yīng)注意，本申請所述的孔徑不是指鋁硅酸鹽或者其它吸附性顆粒內(nèi)的孔，而是指在顆粒被粘合劑聚集在一起時在凈化材料中的孔。
總的方面，制備本發(fā)明材料的方法包括，在使得至少部分粘合劑為液體形式并且使得在所述粘合劑在顆粒周圍和/或之間固化時顆粒能壓實的溫度和壓力條件下，將顆粒狀鋁硅酸鹽(和任選的顆粒狀吸附性材料)用粘合劑結(jié)合在一起。生產(chǎn)過程的確切性質(zhì)在某種程度上取決于粘合劑材料的性質(zhì)。
例如，如果粘合劑材料是以液體溶液、懸浮體或乳液(例如在揮發(fā)性溶劑中)的形式提供的，那么可以通過浸涂或噴涂與顆粒接觸，并將潤濕的顆粒在模具中壓實。任選加熱模具，以便蒸發(fā)任何必要的溶劑。然后干燥所得到的模制材料，形成本發(fā)明的凈化材料。
另一方面，如果粘合劑是聚合物樹脂，那么將其以丸劑形式與吸附性材料的顆?；旌?，并將所得混合物加熱并擠出或模制形成所希望的形狀。適合的顆粒/粘合劑擠出方法和設(shè)備公開在美國專利5,189,092、5,249,948和5,331,037中。也可以使用其它擠出設(shè)備和方法。另外，可以將混合物加熱并注塑，而不必任何擠出。另外，粘合劑、熱固性物質(zhì)可以通過由化學(xué)方法、電化學(xué)方法、輻射來引入引發(fā)作用的交聯(lián)過程而形成，以及通過溫度和壓力之類物理參數(shù)的變化而形成。
參考附圖，現(xiàn)在就一個具體實施方案來描述本發(fā)明及其實施方式，該實施方案大大超過了微生物濾器的EPA標(biāo)準(zhǔn)。圖1舉例說明包含本發(fā)明的凈化材料的過濾裝置的一個典型的具體實施方案，其加入了剛性多孔濾塊?？梢苿拥那惑w11裝有端蓋12，端蓋12上有入流口13和出流口14。供水導(dǎo)管15連接入流口13以便將未處理的水提供給該裝置，而出水導(dǎo)管16連接出流口14以便將處理過的水引導(dǎo)出該裝置。水通過腔體11。水流的壓力迫使其通過多孔塊狀過濾元件17，如圖所示，元件17形成帶有軸向孔18的中空圓柱形狀。然后，處理過的水通入連接著出水口14的軸向孔18。圖1是作為一種可能的結(jié)構(gòu)的有代表性示例而提供的。應(yīng)理解，使水通過多孔濾塊(其可以有多種不同幾何形狀和/或不同流動特性)的其它結(jié)構(gòu)應(yīng)被認(rèn)為處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。濾塊17可以通過多種公知方法中的一種來形成，如擠出、壓實、模制、煅燒或其它技術(shù)。
圖2顯示了兩個實施方案，其中將本發(fā)明的凈化材料以片或薄膜的形式來應(yīng)用。圖2a顯示了與常規(guī)流過式過濾相關(guān)使用的凈化材料1，流過式過濾如箭頭2所示，代表通過流過片材或薄膜1來過濾的流體。圖2b顯示了與錯流式過濾相關(guān)使用的凈化材料1。沿濾器流動的流體用雙箭頭3表示，而穿過凈化材料流動的流體用箭頭2來表示。箭頭3表示的沿濾器流動流體橫掃過凈化材料的表面，降低了顆粒狀物質(zhì)在其上沉淀的程度。
實施例1用約42.5％從CE Minerals獲得的鋁硅酸鹽、約42.5％從KXIndustries獲得的GAC和約15％選自一種或多種上述熱塑性物質(zhì)的熱塑性粘合劑材料形成的材料組合物來制備如圖1所示形狀的圓柱形濾塊17。
然后在能提供鋁硅酸鹽、GAC和熱塑性粘合劑的均勻混合物的溫度下，將該材料擠出。圓柱形或復(fù)曲面成型的濾塊17長為約9.8英寸，外徑約為2.5英寸，內(nèi)(軸向孔18)徑約為1.25英寸。這一外形的濾器適用作用于家庭和工業(yè)場合的標(biāo)準(zhǔn)水過濾腔體。該過濾材料的電阻值為約300Ω。
實施例2將實施例1中制備的濾器如下進行侵襲，暴露于用活性炭過濾，然后播種2.3×108菌落形成單位/升大腸桿菌和1.0×107噬斑形成單位/升1型脊髓灰質(zhì)炎病毒的自來水。將播種后的水以約2升/分鐘的流量通過濾塊17，共3分鐘；隨后收集500ml流出液。通過膜過濾步驟在m-Endo瓊脂上分析大腸桿菌，而1型脊髓灰質(zhì)炎病毒可以通過在BGM細(xì)胞上形成噬斑的方法來分析。
實施例3用微生物污染物的不同混合物來進行第二個系列的試驗。自來水通過活性炭過濾，然后播種4.6×108菌群形成單位/升土生克雷伯氏菌和2.4×108噬斑形成單位/升抗菌素MS-2。將無機和有機溶解固體調(diào)整為EPA侵襲水規(guī)范。將該侵襲過的水以約2升/分鐘的流量通過單個濾塊17，共3分鐘；隨后收集500ml流出液樣品。通過通過膜過濾步驟在m-Endo瓊脂上分析土生克雷伯氏菌，而MS-2可以通過雙瓊脂層來分析。結(jié)果證明該裝置和方法超過了EPA對微生物濾器的要求。
如上所述，本發(fā)明的材料在水凈化領(lǐng)域，特別是飲用水凈化領(lǐng)域極其有用。由于本發(fā)明的材料對從水中去除微生物極其高效，所以其達到并超過EPA對于用作微生物凈水器的材料的要求。除了起到飲用水凈水器的作用，本發(fā)明的材料也可以用來凈化用于娛樂目的的水，如用于游泳池、熱水浴和溫泉療養(yǎng)地的水。
由于本發(fā)明的材料能有效從水溶液中去除和固定微生物和其它細(xì)胞，所以其在制藥和醫(yī)療領(lǐng)域具有多種應(yīng)用。例如，本發(fā)明的材料可用于通過將血液組分例如血漿與血細(xì)胞分離來分餾血液，以及從其它生理流體中去除微生物。
該材料可用于要求微生物含量極低的凈化空氣的醫(yī)院或工業(yè)場合，例如用于重病特護病房、手術(shù)室和用于治療免疫受抑制病人的凈化室，或用于制造電子和半導(dǎo)體裝置的工業(yè)凈化室。
本發(fā)明的材料在發(fā)酵應(yīng)用和細(xì)胞培養(yǎng)中有多種用途，其中可以用其來去除含水流體(如發(fā)酵培養(yǎng)液或工藝流體)中的微生物，以便使得這些流體能更有效地應(yīng)用并且回收，而沒有微生物菌株的交叉污染。另外，因為該材料在去除微生物和去除微生物后對其進行保留方面有高效率，所以其可以用作固定介質(zhì)，用于酶加工和其它需要使用微生物的加工。含有所希望的微生物的接種溶液首先受壓通過本發(fā)明的材料，然后將基材溶液(例如含有蛋白質(zhì)或其它用作酶基材的材料)通過已經(jīng)接種的材料。當(dāng)這些基材溶液通過所述材料時，溶解或懸浮在溶液中的基材與固定的微生物相接觸，更重有的是，由這些微生物產(chǎn)生的酶隨后可以催化基材分子的反應(yīng)。然后通過用另一種水溶液沖洗將反應(yīng)產(chǎn)物從所述材料洗脫出來。
本發(fā)明的材料具有許多其它工業(yè)應(yīng)用，例如過濾用于冷卻系統(tǒng)用的水。冷卻水通常通入塔、塘或其它加工裝置，微生物在這里與流體接觸，獲得營養(yǎng)并進行繁殖。在這種水中生長的微生物通常十分健壯，足以阻塞或破壞加工裝置，因而需要精心的化學(xué)處理。通過在微生物大量增殖之前將其除去，本發(fā)明有助于降低與冷卻流體相關(guān)的健康危害，并降低與化學(xué)處理相關(guān)的成本和危險。
類似的是，可呼吸的空氣經(jīng)常在輸送系統(tǒng)中循環(huán)，這是為了降低成本(商業(yè)客機就是如此)，或者是由于只能獲得有限的供應(yīng)(潛艇和宇宙飛船就是這種情況)。有效去除微生物使得這種空氣能更安全地循環(huán)。另外，本發(fā)明的材料可以用于與已經(jīng)使用的空氣循環(huán)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合使用來增加房屋或辦公室內(nèi)的室內(nèi)空氣質(zhì)量。
本發(fā)明的凈化材料也可以用于凈化其它類型的氣體，如用于外科或牙科的麻醉氣體(例如一氧化二氮)、用于碳酸飲料工業(yè)的氣體(例如二氧化碳)、用于凈化加工設(shè)備和/或用于從表面等上面除去顆粒的氣體(例如氮氣、二氧化碳、氬氣)。
在每一種應(yīng)用中，使用本發(fā)明材料的方法是相對簡單的，并且對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。僅僅將待過濾的流體或氣體引到本發(fā)明材料形成的濾塊或片材(其一般為某些腔體的形式)的一側(cè)，并由于凈化材料兩側(cè)的壓降而使其通過該材料。然后將凈化了的濾過流體或氣體從濾器的“純凈”側(cè)引走，并進一步加工或使用。
通過參考本發(fā)明某些具體實施方案對本發(fā)明進行了描述，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)可對這些實施方案進行變化和修改，這都落入本發(fā)明所附權(quán)利要求書及其等同方案所確定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于流體的凈化材料，其中該材料包含鋁硅酸鹽及其使用的粘合劑，并且為多孔濾板或片材的形式。
2.權(quán)利要求1的凈化材料，其為多孔濾板形式。
3.權(quán)利要求2的凈化材料，其中多孔濾板是剛性的。
4.權(quán)利要求1的凈化材料，其為多孔片材形式。
5.權(quán)利要求4的凈化材料，其中多孔片材是剛性的。
6.權(quán)利要求4的凈化材料，其中多孔片材為有韌性的。
7.權(quán)利要求1的凈化材料，其中至少一部分所述鋁硅酸鹽是礬土礦、高嶺土或其它含氧化鋁的礦物質(zhì)的形式。
8.權(quán)利要求1的凈化材料，其中粘合劑是聚合物材料。
9.權(quán)利要求8的凈化材料，其中該粘合劑是在約50-500℃下熔融的聚合物。
10.權(quán)利要求9的凈化材料，其中該聚合物在殺菌條件下穩(wěn)定。
11.權(quán)利要求8的凈化材料，其中所述粘合劑選自熱塑性塑料、聚乙二醇或其衍生物、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯并且聚乳酸。
12.權(quán)利要求11的凈化材料，其中熱塑性塑料選自尼龍、聚乙烯、聚氯乙烯、碳氟化合物樹脂、聚苯乙烯、聚丙烯、纖維素樹脂和丙烯酸樹脂。
13.權(quán)利要求8的凈化材料，其中聚合物材料包括天然聚合物。
14.權(quán)利要求8的凈化材料，其中聚合物材料包括導(dǎo)電性聚合物。
15.權(quán)利要求13的凈化材料，其中天然聚合物選自天然和合成改性的纖維素、膠原蛋白和有機酸。
16.權(quán)利要求8的凈化材料，其中聚合物材料包括可生物降解的聚合物。
17.權(quán)利要求16的凈化材料，其中可生物降解的聚合物是聚乙二醇、聚乳酸、聚乙烯醇或交酯乙交酯共聚物。
18.權(quán)利要求8的凈化材料，其中凈化材料是片材的形式，并且布置在織造網(wǎng)上。
19.權(quán)利要求8的凈化材料，其中凈化材料是片材的形式，并且布置在非織造網(wǎng)上。
20.權(quán)利要求1的凈化材料，其中粘合劑存在量為該凈化材料總重的約10-99.9wt％。
21.權(quán)利要求1的凈化材料，其還包括不同于鋁硅酸鹽的一種或多種其他吸附性材料。
22.權(quán)利要求21的凈化材料，其中所述的其他吸附性材料包括顆粒狀活性炭或磷灰石。
23.權(quán)利要求22的凈化材料，其中所述吸附性材料包括骨炭形式的磷灰石。
24.權(quán)利要求22的凈化材料，其中至少一部分所述鋁硅酸鹽是以氧化鋁的形式存在。
25.權(quán)利要求24的凈化材料，其中所述氧化鋁和所述顆粒狀活性炭或磷灰石以近似相等的量存在。
26.權(quán)利要求25的凈化材料，其中所述氧化鋁和所述顆粒狀活性炭各自的存在量為所述凈化材料總重的約42.5wt％，所述粘合劑的存在量為約15wt％。
27.權(quán)利要求25的凈化材料，其中所述氧化鋁和所述顆磷灰石各自的存在量為所述凈化材料總重的約42.5wt％，所述粘合劑的存在量為約15wt％。
28.權(quán)利要求21的凈化材料，其中所述的其他吸附性材料包括離子粘合劑，其選自合成離子交換樹脂、沸石和磷酸鹽礦物質(zhì)。
29.權(quán)利要求28的凈化材料，其中磷酸鹽礦物質(zhì)是磷酸鹽類礦物質(zhì)的成員。
30.權(quán)利要求28的凈化材料，其中磷酸鹽礦物質(zhì)是鋁硅酸鹽類礦物質(zhì)的成員。
31.權(quán)利要求28的凈化材料，其中合成離子交換樹脂是官能化的苯乙烯、氯乙烯、二乙烯基苯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯和其混合物、共聚物和共混物。
32.權(quán)利要求28的凈化材料，其中天然的或合成沸石是被稱為斜發(fā)沸石的含硅酸鹽礦物質(zhì)。
33.權(quán)利要求1的凈化材料，其還包括一種或多種在水或含水流體存在下進行氧化或還原的材料。
34.一種用于從水或含水流體中過濾微生物污染物的裝置，其包含腔體；由權(quán)利要求1的凈化材料制成的多孔濾板。
35.權(quán)利要求34的裝置，其中腔體包含進口、出口和兩者之間的接觸室，其中所述剛性多孔濾板布置在該接觸室內(nèi)，使得流體可以從進口流入腔體，通過多孔濾板，然后通過出口流出該腔體。
36.一種用于過濾流體以便從中除去所有微生物的方法，其包括使該流體流過權(quán)利要求1的凈化材料，由此獲得濾過的流體。
37.權(quán)利要求36的方法，其中所述流體是水。
38.權(quán)利要求37的方法，其中濾過的水是可飲用的。
39.權(quán)利要求36的方法，其中所述流體是水溶液。
40.權(quán)利要求39的方法，其中所述水溶液是血。
41.權(quán)利要求39的方法，其中所述水溶液是發(fā)酵用液體培養(yǎng)基。
42.權(quán)利要求39的方法，其中所述水溶液是在化學(xué)或生物處理法中的再循環(huán)液流。
43.權(quán)利要求42的方法，其中水溶液是在細(xì)胞培養(yǎng)加工中的再循環(huán)液流。
44.權(quán)利要求42的方法，其中水溶液已在外科操作中使用過。
45.權(quán)利要求36的方法，其中流體包括可呼吸的空氣。
46.權(quán)利要求36的方法，其中流體包括吹掃用氣體。
47.權(quán)利要求46的方法，其中吹掃用氣體選自O(shè)2、CO2、N2或Ar。
48.權(quán)利要求36的方法，其中流體是麻醉用氣體。
49.權(quán)利要求48的方法，其中麻醉用氣體包括一氧化二氮。
50.權(quán)利要求36的方法，其還包括通過殺菌再生所述凈化材料。
51.權(quán)利要求50的方法，其中所述殺菌包括將凈化材料暴露于高溫、高壓、高輻射水平或化學(xué)氧化劑或還原劑，或者將它們結(jié)合使用。
52.權(quán)利要求51的方法，其中所述殺菌包括高壓釜法。
53.權(quán)利要求51的方法，其中所述殺菌包括電化學(xué)處理法。
54.權(quán)利要求51的方法，其中所述殺菌包括化學(xué)氧化和高壓釜法相結(jié)合。
55.權(quán)利要求36的方法，其中所述流體是氣體混合物。
56.權(quán)利要求55的方法，其中濾過的氣體是空氣。
57.權(quán)利要求36的方法，其中所述流體是化學(xué)惰性氣體。
58.權(quán)利要求57的方法，其中所述氣體是氧、二氧化碳、氮、氬或氮氧化物。
59.權(quán)利要求57的方法，其中所述氣體用來為艙室加壓。
60.權(quán)利要求57的方法，其中所述氣體用來鼓泡或吹掃水溶液，以便增加鼓泡氣在該溶液中的濃度。
61.權(quán)利要求57的方法，其中所述氣體用來鼓泡或吹掃水溶液，以便降低最初存在于該溶液中的氣體的濃度。
62.權(quán)利要求57的方法，其中所述氣體用來從表面上除去顆粒材料。
63.一種用于微生物的固定化和接觸性介質(zhì)，其包含鋁硅酸鹽及其使用的粘合劑，并且該介質(zhì)為剛性多孔濾板或片材的形式。
64.權(quán)利要求63的固定化和接觸性介質(zhì)，其還包含一種或多種布置在其小孔內(nèi)的微生物。
65.通過使用含有明礬、酸或堿的溶液來再生權(quán)利要求1的材料的方法。
全文摘要
一種用于過濾和/或凈化流體、水或其它含微生物污染物的溶液的方法和裝置，例如流體包含細(xì)菌和/或病毒，其中使流體通過由鋁硅酸鹽組成的凈化材料。更優(yōu)選的是，該凈化材料由在固定的粘合劑基質(zhì)中的礬土礦和吸附介質(zhì)組成。
文檔編號B01D39/20GK1596147SQ01812861
公開日2005年3月16日 申請日期2001年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月16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