Фильтрующее устройство для питьевой воды
Изобретение предназначено для фильтрации. Устройство для очистки питьевой воды имеет, по меньшей мере, одну волокнистую структуру. Предпочтительно, чтобы в устройстве имелась вышерасположенная волокнистая структура и нижерасположенная волокнистая структура. Каждая волокнистая структура является смесью нановолокон из оксида алюминия и вторых волокон, расположенных в матрице для создания асимметричных пор. Технический результат: эффективное удаление из движущегося потока растворенных загрязняющих веществ, снижение мутности, обеспечение возможности задерживать бактерии и вирусы. 2 н. и 28 з.п. ф-лы, 20 ил., 30 табл.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Это заявка является частично продолжающейся заявкой на патент США № 11/677705, озаглавленной "Нетканый материал, включающий ультрамелкие или наноразмерные частицы", поданной 22 февраля 2007 г., которая является частично продолжающейся заявкой на патент США № 11/531107, озаглавленной "Электростатический воздушный фильтр", поданной 12 сентября 2006 г., которая испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 60/716218, озаглавленной "Электростатический воздушный фильтр", поданной 12 сентября 2005 г., и которая также испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США №60/744043, озаглавленной "Композиция волокна из нанооксида алюминия, импрегнированного металлом", поданной 31 марта 2006 г.
ЗАЯВЛЕНИЕ О ПРАВАХ ГОСУДАРСТВА
Изобретение создано в результате выполнения научно-исследовательского проекта по контракту FA8650-0-0.5-Ms5822, заключенному с ВВС США. В связи с этим правительство имеет бесспорные права на это изобретение.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к фильтрующему устройству и в частности к фильтрующему устройству, включающему источник противомикробного действия и волокнистую структуру, включающую порошкообразный активированный уголь, для фильтрации растворенных и в виде твердых частиц загрязняющих веществ, включая хлор, йод, галогенированные углеводороды, пестициды, муть, оболочки спор, бактерии и вирусы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известный уровень техники предлагает много типов материалов, которые улавливают растворенные в воде загрязняющие вещества, а также твердые частицы. Эти фильтры, будучи достаточно эффективными при применении в областях, для которых они были специально разработаны, в случае применения в других областях не снижают в достаточной мере концентрацию загрязняющего вещества. Необходимо, чтобы такие фильтры удовлетворяли нормам по охране окружающей среды, при этом обладая более высокой грязеемкостью, более низким перепадом давления, более низкой стоимостью и более высокой прочностью. Они включают фильтры, устанавливаемые по месту ввода воды (МВ, например, в дом или здание), по месту использования (МИ, например, на конкретном водопроводном кране), в кувшине или в переносном устройстве. Кувшины и многие переносные устройства требуют низкого перепада давления, так как поток должен создаваться за счет ручного насоса, силы тяжести или разрежения, как в случае устройства типа соломинки для питья. По мере того как повышаются требования по снижению содержания твердых частиц, становится необходимым применение фильтров большей толщины с соответственно большим перепадом давления.
В настоящее время быстро растет потребность в удовлетворяющей санитарным нормам питьевой воде, особенно в развивающихся странах. Быстрый рост населения в Китае приводит к большой нагрузке системы водоснабжения, но улучшению общественных систем водоснабжения, в частности в сельских районах, уделяется мало внимания. В течение многих лет местные жители в качестве питьевой воды и воды для орошения используют речную воду. Сейчас, однако, многие из этих людей умирают от рака. В китайских средствах массовой информации многие небольшие деревни стали называть отечественными "раковыми деревнями".
Еще хуже ситуация в африканских государствах, где очень часто водоснабжение отсутствует или нет местных источников воды, и питьевую воду привозят из сильно загрязненных поверхностных водных источников. В этих районах смертность от желудочно-кишечных заболеваний носит характер эндемии, и миллионы людей, в частности дети, умирают от заболеваний, передаваемых через воду.
Для удаления микробных патогенов используют волокнистый материал. Активированный уголь способен удалять неприятный вкус и запах воды, так же как удалять хлор и другие реакционноспособные химические вещества, такие как галогенированные углеводороды и пестициды, которые могут быть канцерогенами. Ионообменные смолы используют для удаления из воды ионов металлов и других ионов. Однако не существует одного единственного материала или химического вещества, которое бы было способно удалять все загрязняющие вещества.
В частности, гранулированный активированный уголь (ГАУ), используемый для улавливания растворенных загрязняющих веществ, неудобно применять в конструкциях фильтров, когда устройство является переносимым и подвергается вибрации и перемещению. Подвижные частицы мигрируют, вызывая образование сквозных протоков и забивание слоя. Блоки угольного фильтра легко забиваются мелкими частицами и для предотвращения забивки угольного фильтра мелкими частицами необходимо использование фильтра предварительной очистки.
Нетканый волокнистый материал широко используют для фильтрации воды как от твердых частиц, так и от химических загрязняющих веществ. Такая структура сводит к минимуму образование сквозных протоков и также позволяет иметь больше степеней свободы при конструировании фильтров. Нетканые материалы получают недорогими технологическими методами, такими как те, которые применяют для получения бумаги, и их широко используют в устройствах для очистки воды в быту и промышленности.
При приблизительно равной (BET) площади поверхности и йодном числе порошкообразный активированный уголь (ПАУ) имеет более высокую площадь внешней поверхности, чем ГАУ, и обычно считают, что он обеспечивает значительно более высокую скорость адсорбции, чем ГАУ. Однако объединение ПАУ с нетканой матрицей вызывает затруднения, так как для прикрепления его к волокнистой матрице требуются связующие. В патентном документе Patent 5759394 заявлено, что "Само по себе использование адгезива для удерживания частицы приводит к тому, что часть поверхности частицы порошка загрязняется адгезивом и поэтому становится неэффективной для фильтрации. Следует соблюдать баланс между прочностью фиксации и сохранением эффективности слоя порошка. Для сведения к минимуму этого загрязнения часто используют более крупные частицы с целью уменьшения площади контакта между поверхностью адгезива и поверхностью частицы порошка. При обычном применении активированного угля для очистки газовых потоков размер его частиц часто составляет 100 микрон и больше, а тонко измельченный порошкообразный активированный уголь в основном применяют только для обесцвечивания жидкостей несмотря на то, что тонкодисперсный порошкообразный активированный уголь характеризуется значительно более высокой скоростью адсорбции".
Предпочтительные фильтры должны удалять малые молекулы, придающие вкус и запах, оболочки спор, таких бактерий как Cryptosporidium, вирус, мутность (которая может быть токсичной и может также таить в себе патогены), хлор и галогенированные органические соединения, образующиеся при хлорировании патогенов, и органическое вещество. В руководстве по стандартам Агентства по охране окружающей среды США приводятся критерии для механических фильтров для питьевой воды. Улавливание должно составлять > 6 LRV (логарифм величины улавливания) для бактерий, > 4 LRV для вируса и > 3 LRV для оболочек спор на фоне A2 дисперсной испытательной пыли, органического загрязняющего вещества и при неблагоприятных условиях солености, pH и температуры.
Для стерилизации питьевой воды уже длительное время применяют йод. Проблемы возникают в связи с тем, что в воде необходимо создать высокую концентрацию йода (по меньшей мере, 1 мг/л). Йод должен находиться в контакте с водой в течение длительного времени и затем следует удаление йода из выходящего потока воды. При концентрациях йода в воде, превышающих 4 мг/л, вода приобретает специфический запах йода. Длительное потребление йодированной воды отрицательно воздействует на щитовидную железу. Необходимо улавливание йода в выходящем потоке на фильтре для обеспечения его концентрации ниже 0,5 мкг/л.
Ввиду вышеизложенного, у потребителей имеется потребность в фильтрующих устройствах для питьевой воды с более высокой эффективностью адсорбции растворенных загрязняющих веществ, отличным улавливанием микробов и твердых частиц, и также характеризующихся низким перепадом давления, и предпочтительно, чтобы этот достаточно низкий перепад давления позволял бы прохождение воды через фильтр самотеком.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено на удовлетворение этих потребностей. В одном варианте осуществления настоящим изобретением является новый фильтр для улавливания твердых частиц или фильтрующий материал для газообразной среды, который проявляет высокую эффективность и высокую емкость при улавливании твердых частиц, болезнетворных микроорганизмов и других твердых частиц из воздушных или газовых потоков, включая аэролизированные жидкостью твердые частицы, и который также характеризуется при этом низким перепадом давления.
В другом варианте осуществления настоящее изобретение удовлетворяет потребность в нетканом волокнистом материале, в котором можно зафиксировать ультрамелкие или наночастицы без необходимости использования связующих или адгезивов.
Соответственно, целью является осуществление настоящего изобретения для обеспечения эффективности фильтрации, которая, по меньшей мере, была бы такой же высокой, как у фильтров HEPA, и которая была бы устойчива к забиванию жидким аэрозолем.
Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка материала, который задерживает аэролизованные бактерии и вирусы.
Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка воздушного фильтра, который имеет высокую пористость и поэтому является более устойчивым к адсорбции водяных туманов, чем традиционный фильтрующий материал.
Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка материала, который имеет, по меньшей мере, такую же высокую эффективность фильтрации, как и у традиционных фильтров ULPA или Super ULPA.
Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка фильтрующего материала, который характеризуется более низким перепадом давления, чем тот, который возникает на традиционных фильтрах.
Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка фильтрующего материала, который имеет большую величину размера пор и более высокую пористость, чем в фильтрах HEPA, тем самым обеспечивая более высокую емкость по каплям воды до момента захлебывания.
Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка фильтрующего материала, который является энергосберегающим.
Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, который имеет более продолжительный срок службы фильтра по сравнению с обычными фильтрами.
Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, который характеризуется низкими эксплуатационными расходами.
Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, который задерживает опасные отходы и требует связанных с этим минимальных затрат.
Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, который является достаточно прочным при сгибании.
Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка способа получения фильтра или фильтрующего материала для очистки газообразной среды, эффективность фильтрации которого, по меньшей мере, такая же высокая, как и у традиционных фильтров HEPA, и который устойчив к забиванию жидким аэрозолем.
Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка способа применения фильтра или фильтрующего материала для удаления частиц и аэрозолей из газовой среды.
Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка нетканой волокнистой матрицы, в которой формируют наноструктуры при низких производственных затратах.
Кроме того, целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка нетканого материала, который позволяет удалять растворимые и летучие органические соединения и галогены из жидких и газовых потоков при высокой эффективности, высокой емкости и при низком перепаде давления.
Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка хемосорбционного материала, который также задерживает из жидкой среды твердые частицы, включая микробные патогены.
Кроме того, целью в варианте осуществления настоящего изобретения является введение порошкообразных наноразмерных катализаторов, включая фотокатализаторы, катализаторы окисления или порошкообразного активированного угля, импрегнированного катализаторами, в нетканый материал путем прикрепления катализаторов или порошкообразного активированного угля к нетканой основе.
Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка нетканого материала, содержащего ультрамелкий или наноразмерный порошок, который удерживается на материале с целью сведения к минимуму пылеобразования.
Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является введение в нетканый материал тонко измельченных или наноразмерных ионообменных смол и макропористых полимеров.
Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является введение в нетканый материал биологически активных компонентов, таких как ДНК или РНК.
Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка способа введения в нетканый материал наноразмерных пигментов, цветных реагирующих химических веществ и тонкодисперсных абразивов.
Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка устройства для очистки питьевой воды, которое улавливает растворенные и в виде твердых частиц загрязняющие вещества из питьевой воды.
Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка устройства, через которое можно пропускать воду самотеком.
Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка устройства, которое позволяет дезинфицировать воду до более чем 6 LRV бактерий, 4 LRV вируса и 3 LRV оболочек спор.
В целом, настоящим изобретением является фильтр или волокнистая структура для движущихся сред, которая включает нановолокна из оксида алюминия, адсорбирующие частицы из движущейся среды и множество вторых волокон, расположенных в матрице с нановолокнами из оксида алюминия для создания асимметричных пор. В одном примере вторые волокна представляют собой волокна, чей минимальный размер является большим, чем минимальный размер нановолокон из оксида алюминия примерно на один порядок величины. Вторые волокна вводят вместе с нановолокнами из оксида алюминия с целью обеспечения основы для создания пор или обеспечения внутри их, или на них, больших межволоконных пространств для диспергирования нановолокон из оксида алюминия. В примерах размер асимметричных пор составляет приблизительно более чем 5 мм. В одном варианте осуществления для улучшения удаления загрязняющих веществ из жидкой среды на нановолокна из оксида алюминия наносят множество мелких, ультрамелких или наноразмерных частиц.
Крупные волокна обеспечивают или формируют более крупные поры, в которые или на которые диспергируют нановолокна из оксида алюминия. Однако крупные волокна имеют меньшую площадь поверхности на единицу объема или массы и поэтому количество диспергированного на них или в поры нанооксида алюминия значительно уменьшается. Поэтому в другом варианте осуществления вторые волокна представляют собой комбинацию крупных и дисперсных волокон. Введение дисперсных волокон обеспечивает дополнительную площадь поверхности, в результате чего больше нановолокон из оксида алюминия может быть загружено внутрь материала или на материал.
Не углубляясь в теорию, тем не менее, можно утверждать, что ультрамелкие и наноразмерные частицы с диаметрами меньше, чем средний размер пор фильтрующего материала, задерживаются на нановолокнах из оксида алюминия за счет электроадгезионных сил. Частицы большие, чем размер пор материала, удерживаются в основном за счет механического захвата. В волокнистой структуре не используют никаких связующих, которые обволакивали бы или же снижали чувствительность частиц, нанесенных на нановолокна из оксида алюминия.
В другом варианте осуществления изобретением является фильтрующее устройство для воды, включающее, по меньшей мере, одну волокнистую структуру. Каждая волокнистая структура включает нановолокна из оксида алюминия и смешанные с ними вторые волокна, при этом вторые волокна располагают так, чтобы они образовывали асимметричные поры. Предпочтительно, чтобы фильтрующее устройство для воды включало 1+y расположенных выше волокнистых структур, где y является любым целым числом от 0 до y, и предпочтительно, от 0 до 5, и 1+n расположенных ниже волокнистых структур, где n является любым целым числом от 0 до n, и предпочтительно, от 0 до 10. В одном примере вышерасположенные волокнистые структуры и нижерасположенные волокнистые структуры объединены в одну единственную волокнистую структуру. В предпочтительном примере, по меньшей мере, одна из вышерасположенных волокнистых структур и/или нижерасположенных волокнистых структур дополнительно включает множество частиц, нанесенных на волокна из нанооксида алюминия. Предпочтительно, чтобы частицы, содержащиеся, по меньшей мере, в одной вышерасположенной волокнистой структуре, являлись противомикробными веществами, такими как йод или серебро. В одном примере порошкообразный активированный уголь пропитывают противомикробным веществом. В более предпочтительном примере, по меньшей мере, одна из нижерасположенных волокнистых структур также включает множество частиц, таких как порошкообразный активированный уголь, нанесенных на нановолокна из оксида алюминия, для улавливания любых частиц, которые выходят из вышерасположенной волокнистой структуры во время фильтрации. В другом примере, по меньшей мере, одна из нижерасположенных волокнистых структур включает нановолокна из оксида алюминия и смешанные с ними вторые волокна для того, чтобы улавливать любые частицы, которые выходят во время фильтрации.
В другом варианте осуществления изобретение относится к способам получения фильтрующего материала или волокнистой структуры.
В другом варианте осуществления изобретение относится к способам применения фильтрующего материала из нанооксида алюминия или волокнистой структуры для удаления токсичных загрязняющих веществ и других твердых частиц из потоков жидкостей или газов.
Эти и другие подробности, и цели и преимущества настоящего изобретения станут более понятными или очевидными из следующих описаний, примеров и чертежей, иллюстрирующих варианты его осуществлений.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 приведена графическая зависимость скоростей потока воздуха через заявляемые фильтры из нанооксида алюминия и фильтр HEPA от перепада давления на фильтрах.
На фиг.2 приведена графическая зависимость мутности от пропущенного объема в процессе фильтрации суспендированных в воде латексных сфер размером 0,2 мкм через заявляемые фильтры из нанооксида алюминия и фильтр HEPA.
На фиг.3 приведена графическая зависимость проницаемости заявляемых фильтров из нанооксида алюминия и фильтра HEPA при непрерывной фильтрации через них аэрозолей NaCl с размером частиц 0,3 мкм.
На фиг.4 приведена графическая зависимость сопротивления воздуха для заявляемых фильтров из нанооксида алюминия и фильтра HEPA при непрерывной фильтрации через них аэрозолей NaCl с размером частиц 0,3 мкм.
На фиг.5 приведена графическая зависимость скорости потока воздуха через заявляемые фильтры из нанооксида алюминия, предварительно обработанные латексными сферами размером 0,5 и 1 мкм, от перепада давления.
На фиг.6 приведена графическая зависимость проницаемости заявляемых фильтров из нанооксида алюминия, предварительно обработанных латексными шариками, в сравнении с фильтром из нанооксида алюминия, не подвергнутого предварительной обработке, и фильтром HEPA при фильтрации через них аэрозолей NaCl с размером частиц 0,3 мкм.
На фиг.7 приведена графическая зависимость сопротивления воздуха для заявляемых фильтров из нанооксида алюминия, предварительно обработанных латексными шариками, в сравнении с фильтром из нанооксида алюминия, не подвергнутого предварительной обработке, и фильтром HEPA.
На фиг.8 приведена графическая зависимость проницаемости заявляемых фильтров из нанооксида алюминия и фильтра HEPA при фильтрации через них аэрозолей NaCl с размером частиц 0,3 мкм.
На фиг.9 приведена графическая зависимость сопротивления воздуха для заявляемых фильтров из нанооксида алюминия и фильтра HEPA при исследовании их емкости по аэрозоли NaCl.
На фиг.10 приведена графическая зависимость эффективности заявляемых фильтров из нанооксида алюминия, выраженной в процентах, от размера аэролизованных капель KCl.
На фиг.11 приведена графическая зависимость противомикробного действия заявляемых фильтров из нанооксида алюминия, импрегнированных серебром, при размножении бактерий от времени экспозиции.
На фиг.12 схематически изображена система, используемая для испытания заявляемых фильтров из нанооксида алюминия для обезвреживания аэрозолей, содержащих передаваемые через воду бактерии.
На фиг.13 приведена графическая диаграмма зависимости между перепадом давления и размером пор от диаметра волокна.
На фиг.14 приводится сравнение перепада давления заявляемого фильтрующего материала из нанооксида алюминия и фильтра pre-HEPA.
На фиг.15 приведена электронная микрофотография в проходящем свете волокна из нанооксида алюминия на микростекловолокне, покрытого наносферами из диоксида кремния.
На фиг.16 приведена графическая зависимость адсорбции растворенного йода на заявляемых нановолокнах из оксида алюминия в сравнении с адсорбцией на выпускаемом в промышленности материале, содержащем активированный уголь.
На фиг.17 приведена электронная микрофотография в проходящем свете волокна из нанооксида алюминия, прикрепленного к микростекловолокну.
На фиг.18 графически показано осуществление адсорбции йода с помощью трех слоев фильтрующего материала.
На фиг.19 приведена схема примера заявляемого фильтрующего устройства.
На фиг.20 приведена схема примера заявляемого фильтрующего устройства.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Определения
Для того чтобы как следует понять раскрытие заявляемого изобретения, в следующем параграфе даются определения используемым в описании конкретным терминам. При определении авторами изобретения следующих терминов они ни коим образом не имели намерения отрицать общепринятые и привычные значения этих терминов.
Используемый здесь термин "электростатический" относится к какому-либо материалу, имеющему электрические заряды, или к электрическим зарядам.
Используемый здесь термин "отношение размеров" означает отношение длины волокна к диаметру поперечного сечения волокна.
Используемый здесь термин "нанооксид алюминия" обозначает волокна с отношением размеров примерно более 5, где наименьший размер составляет примерно менее чем 50 нм. Поперечное сечение волокна может быть по форме или круглым (цилиндрическое волокно), или прямоугольным (пластинчатым). Волокна представляют собой оксид алюминия с различными содержаниями связанной воды, которые в результате являются композициями главным образом АlOОН с различными количествами Аl(ОН)3 с возможными примесями гамма и альфа оксида алюминия.
Используемый здесь термин "лиосел" относится к волокну из фибриллированной целлюлозы, осажденной из органического раствора, в котором не происходит замещение гидроксильных групп и не образуется промежуточных химических соединений (Courtaulds, Ltd.).
Термин "High Efficiency Particle Air" (HEPA) относится к марке фильтрующего материала, который способен задерживать > 99,97% частиц размером 0,3 мкм.
Термин "Ultra Low Penetration Air" (ULPA) относится к марке фильтрующего материала, который способен задерживать > 99,99% частиц конкретного размера при конкретной скорости среды.
Термин "Super ULPA" относится к марке фильтрующего материала, который способен задерживать > 99,9999% частиц конкретного размера при конкретной скорости среды.
Используемый здесь термин "адсорбент" означает любой материал, способный адсорбировать примеси на своей поверхности главным образом в результате физической адсорбции.
Термин "абсорбент" означает любой материал, способный захватывать вещество в свою внутреннюю структуру.
Термин "снижение загрязнения" означает снижение содержания примеси в движущейся среде, в которой примесь задерживают, удаляют или превращают в химически или биологически неактивное вещество с целью повышения полезности движущейся среды, например, в результате превращения движущейся среды в более безопасную для использования человеком или более подходящую для применений в промышленности.
Термин "NanoCeram" относится к смесям нановолокон из оксида алюминия и крупных волокон, в которых крупные волокна служат в качестве основы для нановолокон из оксида алюминия для создания структуры с асимметричными порами.
Термин "тонкодисперсный порошок" означает порошок, имеющий средний размер частиц значительно меньше 100 меш, и, предпочтительно, меньше 325 меш (44 мкм).
Термин "ультрамелкая частица" означает частицу, имеющую средний размер от 0,1 до 10 мкм.
Термин "наночастица" означает частицу, имеющую средний размер менее 0,1 мкм, включая, но этим не ограничивая, нуклеиновые кислоты (например, ДНК и РНК), белки, плохо растворимые или труднолетучие лекарственные средства, высокомолекулярные частицы, функционализованные полимеры, лиганды с введенной в них функциональностью и углеродные трубки.
Термин "микроорганизм" означает живой организм, который может быть суспендирован в движущейся среде, включая, но этим не ограничивая, бактерии, вирусы, грибки, простейшие и их репродуктивные формы, включающие защитные оболочки и споры.
Термин "бумага" или "бумагоподобный" обычно означает плоский, волокнистый слой или коврик из материала, полученный с помощью способа мокрого формования.
Термин "частица" означает твердое вещество или микроинкапсулированную жидкость, имеющие размер в интервале от коллоидного до макроскопического вне зависимости от формы.
Термин "сорбент" означает частицу любого порошка, которая способна удалять загрязняющие вещества из потока жидкости или газа, включая катализаторы, которые способны превращать загрязняющие вещества в другую менее опасную форму. Термин "сорбент" также включает порошкообразный катализатор или катализатор, который наносят на твердый порошкообразный или гранулированный носитель, такой как активированный уголь.
Термин "структура для медицинского применения" означает нетканый материал, пригодный для применения в медицине, например для защиты от инфекции, в качестве раневой повязки и других подобных применений.
Термин "волокнистая масса" означает состав, используемый для формования волокнистой структуры.
Термин "POE" означает место входа трубопровода в отдельный дом, здание или подобное сооружение.
Термин "POU" означает место использования в конкретном устройстве, таком как отдельный водопроводный кран, переносное очистное устройство или другое подобное устройство.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает фильтрующий материал для удаления частиц, включающих жидкие и особенно аэролизованные водой частицы, из движущейся среды, которую пропускают через материал с целью уменьшения в ней содержания загрязняющих веществ. В примерах частицами являются патогены, такие как бактерии, вирусы, плесень, грибки, милдью, органическое вещество, неорганическое вещество, микроорганизмы, углеродистые частицы, туманы из используемых при металлообработке жидкостей, красочные туманы, пестициды, чернильные туманы или кислотные туманы. В примерах поток жидкости или газа содержит аэролизованные жидкостью частицы, такие как аэролизованные водой частицы. В одном примере фильтрующим материалом является нетканый электростатический материал. Фильтрующий материал включает нановолокна из оксида алюминия, смешанные со вторыми волокнами. В одном примере нанооксид алюминия не является сферическим. Вторые волокна располагают в матрице с целью создания асимметрических пор. В одном примере тонкодисперсный порошок металлического алюминия взаимодействует со вторыми волокнами с образованием электростатического материала. Реакцию осуществляют путем добавления аммиака к смеси алюминия и второго волокна. Смесь нагревают до температуры кипения воды. В другом примере тригидроксид алюминия нагревают в условиях высокой температуры и давления в присутствии вторых волокон с образованием электростатического материала. Реакцию проводят при температуре около 175°C и давлении около 5 бар в течение приблизительно тридцати минут.
Вторыми волокнами может быть любое волокно, которое достаточно устойчиво к изгибанию, включая микростекло, целлюлозу или фибриллированную целлюлозу. В одном примере вторые волокна имеют меньший из размеров, который больше, чем меньший из размеров нановолокон из оксида алюминия, по меньшей мере, на один порядок величины. В примерах для воздушного или газового фильтра средний размер пор находится в интервале от 4 до примерно 48 мкм. Предпочтительно, чтобы средний размер пор был больше, чем примерно 10 мкм. Более предпочтительно, чтобы средний размер пор составлял не более чем около 20 мкм. Обычно размер пор связан с диаметром вторых волокон. Поэтому множество вторых волокон, имеющих небольшой диаметр, будут создавать множество асимметрических пор, имеющих малый размер, в то время как множество вторых волокон, имеющих диаметр большего размера, будут создавать множество асимметрических пор, имеющих относительно более крупный размер. См., например, таблицу 1 и фиг.13. Однако по мере увеличения диаметра второго волокна снижается отношение площади поверхности к единице объема и в результате меньшее количество нановолокон из оксида алюминия диспергируется на вторых волокнах и/или в порах. Поэтому в предпочтительном примере множество вторых волокон представляет собой комбинацию множества крупных и множества дисперсных волокон. Дисперсные волокна могут все иметь практически одинаковый средний диаметр, или часть дисперсных волокон может иметь различные диаметры. Введение дисперсных волокон приводит к соответствующему уменьшению размера пор. См., например, таблицу 1 и фиг.13.
Размер пор определяет перепад давления на фильтрующем материале. В предпочтительном примере перепад давления составляет менее чем примерно 35 мм H2O для готового композитного фильтра или фильтровальной установки при скорости потока около 3,2 м/мин.
В одном примере заявляемый фильтрующий материал дополнительно включает частицы сорбента, предпочтительно, коллоидные частицы, которые добавляют в фильтрующий материал. С целью обеспечения более быстрой адсорбции, чем в случае более крупных гранулированных углей, при абсорбции летучих органических соединений, нервно-паралитических отравляющих веществ или иприта добавляют активированный уголь в виде тонкодисперсного порошка (например, мелких частиц с размером около 1 мкм и средним размером около 28 мкм).
В одном примере заявляемый фильтрующий материал дополнительно включает связующее. Связующее может иметь волокнистую форму (Invista T104) или может быть смолой, такой как Rhoplex HA-16 фирмы Rohm and Haas. Введение связующего повышает прочность и/или способность к сгибанию волокнистого материала, хотя для связывания частиц в структуре связующее не требуется.
В одном примере фильтрующий материал может дополнительно включать противомикробный агент, который смешивают со множеством волокон из нанооксида алюминия и вторых волокон. В процессе производства, с целью использования фильтрующего материала в качестве противомикробного агента, после того как приготавливают суспензию, и перед тем как смесь просеивают на сите, добавляют противомикробный агент и адсорбируют его на нановолокнах из оксида алюминия. В одном примере противомикробным агентом является серебро. В других примерах такие ионы, как ионы меди и цинка, или те или другие, обеспечивают синергетический эффект с серебром в качестве противомикробного агента, в еще одном примере такие ионы, как ионы меди и цинка, действуют сами по себе в качестве противомикробного агента.
В одном примере настоящего изобретения фильтрующий материал является электрически заряженным, в результате чего нановолокна из оксида алюминия захватывают частицы, такие как патогены, и другие вещества. В одном примере фильтрующим материалом является гомогенный нетканый фильтр.
В одном примере фильтрующий материал предварительно обрабатывают или предварительно кондиционируют путем пропускания через него множества частиц. Частицы могут иметь диаметры в интервале от 0,3 до примерно 1,5 мкм. Введение этих частиц блокирует, по меньшей мере, часть из самых крупных пор из множества асимметрических пор, с целью снижения начального проскока через фильтрующий материал. Кроме того, предварительное кондиционирование помогает создать или получить характеристику HEPA или ULPA в течение всего времени использования фильтра. В одном примере множеством частиц является множество латексных сфер, хотя множество частиц может быть изготовлено из любого вещества, которое способно блокировать, по меньшей мере, часть самых крупных пор.
В одном примере заявляемый фильтрующий материал из нанооксида алюминия имеет эффективность улавливания, по меньшей мере, такую же, как и HEPA. В другом примере заявляемый фильтрующий материал имеет эффективность улавливания, по меньшей мере, такую же высокую, как и ULPA.
В другом варианте осуществления заявляемым изобретением является способ получения фильтра для движущейся среды из нанооксида алюминия. Способ получения включает стадии формования нановолокна из оксида алюминия в присутствии множества вторых волокон. Вторые волокна располагают для образования множества асимметрических пор. В одном примере фильтрующий материал из нанооксида алюминия формуют в один гомогенный слой. В другом примере фильтрующий материал из нанооксида алюминия формуют в более чем один слой. В еще одном примере фильтрующий материал из нанооксида алюминия гофрируют.
Фильтрующий материал может быть использован в фильтрационной системе. При использовании через фильтрующий материал пропускают поток воздуха или газа и удаляют из него твердые частицы в результате улавливания частиц в фильтрующем материале. В одном примере движущаяся среда включает суспензию капель воды. Примеры применения фильтра включают, но этим не ограничивая, использование для очистки воздуха в помещении, использование в респираторах или противогазах, использование в воздушных фильтрах автомобилей, использование в помещении с особо чистой атмосферой, использование в операционной или использование в промышленной установке, например, для удаления краски или другого конкретного вещества, содержащегося в промышленных туманах. В одном примере фильтрующий материал используют в окружающей среде с относительной влажностью больше чем примерно 75%.
В другом варианте осуществления настоящее изобретение имеет широкое применение в нанотехнологии и предлагает волокнистую структуру для фиксации частиц, которые очень трудно диспергировать и включать в волокнистые ткани. В примерах диспергированными частицами являются сорбенты или катализаторы, которые могут удалять загрязняющие вещества из потоков жидкостей или газов. Примеры загрязняющих веществ включают органические соединения, такие как галогенированные органические соединения, пестициды и летучие органические соединения. В других примерах загрязняющими веществами являются бактерии и вирусы, плесень, грибки, милдью, органическое вещество, неорганическое вещество, микроорганизмы, углеродистые частицы, туманы из жидкостей, используемых при металлообработке, красочные туманы, пестициды, чернильные туманы или кислотные туманы.
Волокнистой структурой является тканое изделие или ткань, или другой материал, имеющий структуру индивидуальных волокон, которые переплетаются неупорядочным образом. Предпочтительно, чтобы волокнистую структуру получали влажным формованием, но она может быть также получена другими способами, хорошо известными в технике, включая воздушное формование, аэродинамический способ из расплава, способ формования волокна с эжектированием высокоскоростным потоком воздуха и кардочесание. Волокнистая структура включает нановолокна из оксида алюминия, смешанные с вторыми волокнами и прикрепленные к ним, как описано выше, и дополнительно включая множество мелких, ультрамелких или наноразмерных частиц (описываемых более подробно ниже), расположенных на нановолокнах из оксида алюминия. Вторые волокна компонуют в матрице для создания асимметрических пор. Как описано выше, тонкодисперсный порошок металлического алюминия взаимодействует с вторыми волокнами с образованием волокнистой структуры. Реакцию осуществляют путем добавления аммиака к смеси алюминия и вторых волокон. Смесь нагревают до температуры кипения воды. Мелкие, ультрамелкие или наночастицы добавляют к смеси или до взаимодействия алюминия с водой, или во время взаимодействия с водой при кипении, или после того как смесь охлаждают до комнатной температуры. Образующийся волокнистый материал (композицию) превращают в волокнистую структуру путем отсасывания влаги с сеточной стороны сетки-формы, как это делают при отливке листа бумаги вручную или на бумагоделательной машине, способами, которые хорошо известны для формования нетканого материала с помощью влажного формования.
На нановолокне из оксида алюминия размещают множество мелких, ультрамелких или наночастиц. В примерах множеством частиц является хемосорбент, адсорбент с высокой площадью поверхности или катализатор, который превращает загрязняющее вещество в менее опасное соединение. Примеры сорбентов включают активированный уголь; диоксид кремния, силикаты, алюмосиликаты, силикат титана, свинцовый адсорбент и силикагель; цеолиты; активированный оксид алюминия; метал и оксиды металлов, включая диоксид титана; катализаторы, такие как благородные металлы, и катализаторы из переходных металлов, включая платину, палладий, серебро и оксид серебра, иридий, родий и золото и медь, активированную двуокисью марганца; костяной уголь; гидроксиапатит кальция; оксид магния; перлит; тальк; полимерные частицы; глину; ионообменные смолы; керамику; и их комбинации.
В другом примере множеством мелких, ультрамелких или наночастиц является РНК, микро- или наноразмерный полимер, биологически активная макромолекула, такая как ДНК, функционализированная макромолекула или микроинкапсуланты веществ, которые регулируют высвобождение содержащегося внутри материала, такие как микроинкапсулированные красители, лекарственные средства, которые могут высвобождаться из нетканой раневой повязки, лекарственные средства, которые способны испаряться в потоке лекарственной формы для ингаляции, или средства, которые способны нейтрализовывать токсичные вещества, такие как боевые отравляющие вещества.
В другом примере множеством ультрамелких или наночастиц является активированный уголь. Заявляемая волокнистая структура, включающая порошкообразный активированный уголь, обеспечивает более быструю адсорбцию загрязняющих веществ, чем материал, заполненный выпускаемым в промышленности активированным углем. Примеры заявляемой волокнистой структуры, включающей порошкообразный активированный уголь, могут применяться для защиты военного и гражданского персонала от воздействия биологических и химических атак, которые осуществляются в виде аэрозоля или через загрязнение водных ресурсов.
В одном примере волокнистую структуру применяют в медицинских целях, например, в качестве раневой повязки или ингалятора.
В другом варианте осуществления заявляемым изобретением является способ получения волокнистой структуры. Способ получения включает стадии формования нановолокна из оксида алюминия в присутствии множества вторых волокон. Вторые волокна располагают с формированием множества асимметрических пор. К смеси добавляют множество мелких, ультрамелких или наноразмерных частиц для нанесения на нановолокна. В одном примере из смеси удаляют воду. В одном примере волокнистую структуру формуют в единственный гомогенный слой. В другом примере волокнистую структуру формуют в более чем один слой. В еще одном примере волокнистую структуру гофрируют.
При использовании, поток жидкости или газа пропускают через волокнистую структуру и загрязняющие вещества удаляют из него в результате задержания загрязняющих веществ в волокнистой структуре. Примеры применения заявляемой волокнистой структуры включают, но этим не ограничивая, очистку питьевой воды или подаваемого воздуха. Конкретные примеры включают применение волокнистой структуры в фильтрационной системе очистки воздуха внутри помещений, в респираторах, в воздушных фильтрах автомобилей, в помещении с особо чистой атмосферой, в операционной и в промышленных установках, например, для удаления краски или других твердых частиц, содержащихся в промышленных туманах. Кроме того, заявляемая волокнистая структура может быть использована для удаления из питьевой воды или из систем притока воздуха боевых биологических средств, таких как вирус сибирской язвы или оспы, отравляющих веществ, таких как газ нервно-паралитического действия, или радиоактивных веществ, таких как те, которые могут быть доставлены с помощью "радиационно-грязной" бомбы. Способность удалять ядерные, биологические и химические вещества (ЯБХ) необходима в персональных респираторах и защитных сооружениях, и в ЯБХ защитных костюмах, которые дают возможность защищать человека от действия этих веществ.
В другом примере использования слой композита из нанооксида алюминия и крупного волокна помещают в потоке сразу за заявляемой волокнистой структурой для улавливания любых частиц или загрязняющих веществ, которые во время использования проскочили волокнистую структуру.
В другом варианте осуществления заявляемым изобретением является фильтрующее устройство для воды, включающее, по меньшей мере, одну волокнистую структуру. Каждая волокнистая структура включает нановолокна из оксида алюминия и вторые волокна, смешанные с нановолокнами из оксида алюминия. Как описано выше, вторые волокна располагают так, чтобы они образовывали асимметричные поры. Предпочтительно, чтобы устройство включало 1+y расположенных выше волокнистых структур и 1+n расположенных ниже волокнистых структур. В одном примере вышерасположенные волокнистые структуры и нижерасположенные волокнистые структуры объединяют в одну единственную волокнистую структуру. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одна из расположенных выше волокнистых структур и расположенных ниже волокнистых структур включала множество мелких, ультрамелких или наноразмерных частиц, нанесенных на нановолокна из оксида алюминия, как описано выше. В предпочтительном примере частицами являются порошкообразный активированный уголь и/или противомикробный агент, такой как галоген, хлорамины, серебро, цинк, медь, органические противомикробные жидкости, такие как триклозан, противомикробный агент общего действия или их комбинация. Предпочтительно, чтобы галогеном являлся йод, но им могут также быть хлор или бром. В одном примере порошкообразный активированный уголь импрегнируют описанным выше противомикробным агентом. В других примерах для удаления из потока свинца, мышьяка, растворенного алюминия и/или меди частицы, включенные в вышерасположенные волокнистые структуры и/или нижерасположенные волокнистые структуры, являются неорганическими сорбентами, такими как диоксид титана или силикат титана.
При использовании, нижерасположенная волокнистая структура включает описанные выше частицы для улавливания любых частиц, которые проскочили во время фильтрации из структур, расположенных до этой волокнистой структуры. В предпочтительном варианте осуществления частицами, включенными в нижерасположенную волокнистую структуру, является порошкообразный активированный уголь.
Перепад давления на волокнистых структурах, входящих в заявляемое устройство, минимизируют для того, чтобы возникали значительные скорости потока под действием силы тяжести. Устройство, включающее волокнистые структуры, способно задерживать с высокой эффективностью и при высокой емкости растворенные органические и неорганические вещества, такие как пестициды, гербициды и загрязняющие вещества, каждое из которых может придавать жидкости неприятный вкус и запах, токсичные металлы, микробные патогены и твердые частицы и загрязняющие вещества, включая субмикронный коллоидальный материал. Заявляемое устройство способно адсорбировать галогены и потоков жидкостей или газов при более высоких степенях динамической адсорбции, чем для существующих устройств, в которых применяют другой наполненный углем фильтр. Предпочтительно, чтобы устройство дезинфицировало питьевую воду до логарифма величины улавливания бактерий около 6 (LRV), около 4 LRV вирусов и около 3 LRV оболочек спор.
Схема примеров заявляемого устройства приведена на фиг.19 и 20. Однако эти примеры не следует воспринимать в качестве ограничения. Волокнистые структуры, входящие в состав заявляемого устройства, могут быть собраны или в виде гофрированной секции (не показана), изогнутой в спираль многослойной секции, которая обмотана вокруг перфорированного сердечника (фиг.20, описываемая более подробно ниже), или в виде гибрида гофрированной и спиральной секций (фиг.19, описываемая более подробно ниже). Может быть использовано любое количество волокнистых структур при условии, что используемое количество отрицательно не влияет на предполагаемое функционирование заявляемого устройства. Как описано выше, предпочтительно, чтобы имелось 1+y расположенных выше волокнистых структур, где y является целым числом от 0 до y, и предпочтительно от 0 до 5, и чтобы имелось 1+n расположенных ниже волокнистых структур, где n целым числом от 0 до n, и предпочтительно от 0 до 10.
В другом примере перед заявляемым устройством помещают серебро или источник галогена, такой как источник йода, включающий элементарный йод, нанесенный на керамические подложки или включенный в другие физические структуры, гранулированный активированный уголь, импрегнированный галогеном или серебром, йодированные ионообменные смолы, или мелкая частица и волокнистые смолы, не обладающие противомикробным действием, которые могут удалять следы металлов, и смолы, нанесенные на ПАУ.
Другие подсоединения устройства при его применениях включают применение по месту использования, то есть при установке на водопроводном кране. Устройству потребовалось бы иметь только примерно 6 слоев материала, состоящего из ПАУ-I(0)-NC и ПАУ-NC, для того чтобы оно могло бы соответствовать требованиям Национального фонда санитарной защиты и Американского национального института стандартов NSF/ANSI 53 (Установки для обработки питьевой воды - влияния на состояние здоровья) по удалению оболочек спор, пестицидов и твердых частиц, а также было бы способным задерживать более чем 6 LRV бактерий и более чем 4 LRV вирусов в более чем 800 л воды (исходя из воды для городского потребления при <1 NTU).
Применения самотека требуют, чтобы перепад давления составлял менее чем 1 бар, и предпочтительно менее чем 0,2 бар, но их ожидаемый объем и требуемые дебеты по воде являются существенно более низкими, чем для системы с поточной линией. Например, известный в технике требуемый расход при применении по месту использования при производстве 30 литров чистой воды для африканских деревень в течение ночи составляет только 0,06 литра в минуту при гидростатическом напоре 0,15 бар. Заявляемое фильтрующее устройство может дезинфицировать и обеспечить такие дебеты даже в случае, если гидростатический напор составляет только 1,5 метра воды.
В одном примере заявляемым фильтрующим устройством является небольшой фильтрующий картридж, смонтированный внутри пластмассовой бутылки. Давление, обеспечиваемое пользователем, является достаточным для прокачивания загрязненной воды через фильтр с получением достаточных объемов пригодной для питья и дезинфицированной воды. В другом примере заявляемым фильтрующим устройством является небольшой картридж, смонтированный в оболочке с диаметром 29 мм и длиной 215 мм (то есть трубочке в виде соломинки), которая имеет входное отверстие для загрязненной воды и выходное отверстие, которое помещают в рот пользователя. Всасывание через трубочку в виде соломинки обеспечивает достаточную силу для обеспечения достаточного потока дезинфицированной воды объемом, по меньшей мере, нескольких сотен литров до момента необходимой замены фильтра.
В одном примере заявляемое устройство является переносным. В примерах устройство для очистки или дезинфицирования воды предназначено для использования туристами, путешественниками, участниками боевых действий, бедняками и другими людьми, которые не имеют доступа к источникам водоснабжения и/или городскому водоснабжению. В других примерах заявляемое устройство применяют в комбинации с кувшином с образованием фильтрующего кувшина, с водопроводным краном или с водовыпускным отверстием с образованием устройства по месту использования, или с системой очистки с образованием устройства по месту ввода, таким, которое применяют в зданиях высшего класса для защиты от биологических возбудителей болезни, таких как, например, сибирская язва, вирус натуральной оспы, и/или от химических или радиоактивных веществ, таких, например, как те, которые могут быть доставлены с помощью радиологической грязной бомбы.
ПРИМЕРЫ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Примеры - Фильтрующий материал для очистки воздуха
Следующие примеры иллюстрируют несколько вариантов осуществлений настоящего изобретения. Эти примеры не следует истолковывать в качестве ограничения. Все проценты являются массовыми процентами. Расчеты для определения размера пор приводятся в разделе, следующем за примерами.
ПРИМЕР 1
Целью изложенных ниже экспериментов являлась разработка материала из нанооксида алюминия, имеющего перепад давления практически такой же, как и у материала HEPA, а эффективность фильтрации значительно выше, чем у HEPA. Целью экспериментов также являлось сопоставление характеристики фильтрующего материала из нанооксида алюминия по адсорбции воды с этой же характеристикой для известного фильтрующего материала HEPA (далее "фильтр Donaldson HEPA") с целью оптимизации фильтрации воздуха на основе данных по адсорбции воды.
Двадцать четыре суспензии смесей нанооксида алюминия на микростекле получали в результате реакции порошка оксида алюминия диаметром 5 мкм (Valimet Corp, №H-S) в воде при 100°C в присутствии мульчированной ваты из боросиликатного стекловолокна различной длины (Lauscha). Нетканый волокнистый материал, содержащий нанооксид алюминия, формовали на форме для отливки листа размером 1x1 фут и упрочняли с помощью 17-23% бикомпонентных волокон (Invista T104, диаметр 20 мкм, длина ½ дюйма), которые служили в качестве связующего. Добавляли также около 2% по массе связующего марки Rhoplex в жидкой форме. Листы маркировали AF1-AF24.
Фильтры испытывали в виде одного слоя в воздушном потоке, имеющем скорость потока в интервале от 5,6 до примерно 23 м/мин. Площадь поверхности, доступной для фильтрации, составляла около 8,2 см2. Фильтры сравнивали с водяным фильтром NanoCeram® и фильтром Donaldson HEPA с целью сравнения характеристик фильтра изобретения для воздуха или газа из нанооксида алюминия с водяным фильтром и традиционным фильтром HEPA.
В таблице 1 приведен состав, пористость, перепад давления и средний размер пор для каждого отлитого вручную листа и для материалов NanoCeram и HEPA. На фиг.13 приведены также размер пор и перепад давления для нескольких фильтров из нанооксида алюминия, которые подвергали испытанию. Каждый фильтрующий материал, приведенный в таблице 1 на фиг.13, подвергали испытанию в виде однослойного материала. Однако при использовании характеристика может быть улучшена путем формирования структуры, содержащей более чем один слой.
Как показано в таблице 1, фильтры AF1-AF12 состояли из нановолокон из оксида алюминия, смешанного с микростекловолокном с одним средним диаметром, или около 0,6 мкм, или около 1,5 мкм, или около 2,5 мкм. Фильтры AF13-AF24 состояли из нановолокон из оксида алюминия, смешанных со следующей комбинацией крупных и мелких микростекловолокон: около 0,6 мкм + около 1,5 мкм; около 0,6 мкм + около 2,5 мкм; или около 1,5 мкм + около 2,5 мкм. Содержание волокна каждого размера, входящего в данный фильтрующий материал из нанооксида алюминия, указано в таблице 1.
| Таблица 1 Состав и свойства испытуемых фильтров из нанооксида алюминия |
||||||||
| Nano Ceram % | % Двух-компо-нентные волокна, % Целлюлоза |
Микро-стекло-волокна, % | Диаметр микро-стекло-волокон, мкм | Плот-ность листов, г/м2 | Порис-тость, доли | ΔP воздуха при 3,2 м/мин, мм H2O |
Средний размер пор (урав-нение (3)), мкм | |
| Nano Ceram | 35 | 13/21 | 31 | 0,6 | 160 | 0,88 | 130 | 3,8 |
| AF1 | 3,8 | 24/0 | 72,2 | 1,5 | 156 | 0,93 | 10,4 | 19 |
| AF2 | 11,7 | 22/0 | 66,3 | 1,5 | 170 | 0,92 | 12,3 | 17 |
| AF3 | 20 | 20/0 | 60 | 1,5 | 178 | 0,91 | 13,0 | 16 |
| AF4 | 3,8 | 24/0 | 72,2 | 2,5 | 155 | 0,95 | 4,1 | 35 |
| AF5 | 7,7 | 23/0 | 69,3 | 2,5 | 150 | 0,96 | 4,0 | 37 |
| AF6 | 11,7 | 22/0 | 66,3 | 2,5 | 160 | 0,96 | 4,3 | 38 |
| AF7 | 7,7 | 23/0 | 69,3 | 0,6 | 164 | 0,92 | 125 | 5,2 |
| AF8 | 20 | 20/0 | 60 | 0,6 | 198 | 0,90 | 151 | 4,8 |
| AF9 | 33,3 | 16,7/0 | 50 | 0,6 | 240 | 0,88 | 204 | 4,2 |
| AF10 | 11,7 | 22/13,3 | 53 | 1,5 | 164 | 0,93 | 10,4 | 21 |
| AF11 | 7,7 | 23/13,9 | 55,4 | 2,5 | 144 | 0,94 | 3,4 | 37 |
| AF12 | 20 | 20/12 | 48 | 0,6 | 178 | 0,90 | 134 | 5,1 |
| AF13 | 11,7 | 22/0 | 16,6 | 0,6 | 162 | 0,92 | 34,0 | 10 |
| 49,7 | 1,5 | |||||||
| AF14 | 11,7 | 22,0 | 33,2 | 0,6 | 168 | 0,91 | 95 | 5,7 |
| 33,1 | 1,5 | |||||||
| AF15 | 11,7 | 22/0 | 49,7 | 0,6 | 172 | 0,90 | 105 | 5,4 |
| 16,6 | 1,5 | |||||||
| AF16 | 7,7 | 23/0 | 17,3 | 1,5 | 160 | 0,94 | 5,7 | 28 |
| 52 | 2,5 | |||||||
| AF17 | 7,7 | 23/0 | 34,6 | 1,5 | 154 | 0,94 | 7,6 | 24 |
| 34,6 | 2,5 | |||||||
| AF18 | 7,7 | 23/0 | 52 | 1,5 | 160 | 0,94 | 9,2 | 22 |
| 17,3 | 2,5 | |||||||
| AF19 | 7,7 | 23/0 | 17,3 | 0,6 | 168 | 0,92 | 16,6 | 14 |
| 52 | 2,5 | |||||||
| AF20 | 7,7 | 23/0 | 34,6 | 0,6 | 158 | 0,90 | 46,6 | 8,7 |
| 34,6 | 2,5 | |||||||
| AF21 | 7,7 | 23/0 | 52 | 0,6 | 158 | 0,91 | 75,5 | 6,4 |
| 17,3 | 2,5 | |||||||
| AF22 | 11,7 | 22/13,3 | 26,5 | 0,6 | 168 | 0,92 | 48,2 | 8,8 |
| 26,5 | 1,5 | |||||||
| AF23 | 7,7 | 23/13,9 | 27,7 | 1,5 | 146 | 0,93 | 6,7 | 25 |
| 27,7 | 2,5 | |||||||
| AF24 | 7,7 | 23/13,9 | 26,5 | 0,6 | 156 | 0,90 | 43,3 | 8,5 |
| 26,5 | 2,5 | |||||||
| НЕРА | NA | NA | NA | NA | 48 | 0,84 | 15,5 | 6,0 |
| Примечание: NA - не использовали |
Зависимость между диаметром микростекловолокна и пористостью материала
Из данных таблицы 1 видно, что материал, состоящий из микростекловолокон малого диаметра, также имеет более низкую пористость и малый размер пор. Эти зависимости дополнительно проиллюстрированы на фиг.13. Например, материал, состоящий из микростекловолокон размером 0,6 мкм, имел пористость около 90% и размер пор в интервале от 4,2 до 10 мкм. Материал, состоящий из микростекловолокон размером 1,5 мкм, имел пористость около 92,3% и размер пор в интервале от 16 до 21 мкм. И, наконец, материал, состоящий из микростекловолокон размером 2,5 мкм, имел пористость около 95,3% и размер пор в интервале от 35 до 38 мкм.
Данные таблицы 1 и фиг.13 также показывают, что материал, имеющий самый большой размер пор или самую большую пористость, также имел самые маленькие перепады давления. Например, материал, имеющий величины пористости около 95%, имел перепады давления примерно от 3,4 до примерно 4,3 мм H2O, в сравнении с перепадами давления примерно от 125 до примерно 204 мм H2O для величин пористости около 90%.
В примерах, в которых фильтрующий материал состоял из комбинации крупных и дисперсных волокон, размер пор не увеличивался так резко, как это происходило в случае присутствия только крупных волокон. См., например, таблицу 1 и фиг.13. Например, волокна размером 2,5 мкм, объединенные с волокнами размером 1,5 мкм, имеют размер пор в интервале 22-28 мкм и величину пористости порядка 94%, при этом соответствующий перепад давления составляет примерно от 5,7 до примерно 9,2 мм H2O.
Следует отметить, что большинство образцов AF1-AF24 имели размер пор, который был больше, чем размер пор в фильтре Donaldson HEPA. Например, AF6 имел размер пор, который был более чем в шесть раз большим, чем размер пор фильтра Donaldson HEPA.
Характеристики фильтрации воздушного потока
Фильтры из набора испытываемых фильтров AF1-AF24 разделяли на основе их характеристики в воздушном потоке. Данные для фильтров, имеющих перепад давления менее чем 10 мм H2O при скорости потока 3,2 м/мин, приведены на фиг.1. Сплошная линия соответствует скорости потока 3,2 м/мин. Результаты показывают, что существует несколько вариантов составов заявляемого материала из нановолокон оксида алюминия, которые имеют более низкий перепад давления, чем фильтры HEPA. Полагают, что эти результаты являются следствием более крупного размера пор нового фильтрующего материала.
Оценка фильтрации твердых частиц при испытании с монодисперсным латексом
Обычно при оценке материала воздушного фильтра для моделирования жидких аэрозолей используют аэрозоли на основе углеводородов, таких как ДОФ (диоктилфталат), и для моделирования твердых частиц используют аэрозоли хлорида натрия (NaCl) или хлорида калия (KCl). Авторы изобретения сравнивали адсорбцию ультрамелких монодисперсных латексных сфер в воде с фильтрами HEPA и затем на основе данных испытаний для ДОФ и NaCl пытались установить соответствующую зависимость. В частности, воздушные фильтры AF3 (средний размер пор 16 мкм, см. таблицу 1), AF6 (средний размер пор 38 мкм, см. таблицу 1), и фильтр Donaldson HEPA, имеющий диаметр около 25 мм и площадь эффективной поверхности около 3,7 см3, подвергали действию потока чистой (RO) воды, содержащей латексные сферы размером 1 мкм при постоянной скорости потока около 0,1 м/мин. Хотя в таблице 1 приведен фильтрующий материал в виде одного слоя, в этом эксперименте использовали наборы от одного до четырех слоев для оптимизации характеристики фильтрующего материала при применениях для очистки воздуха и воды. Мутность входящей и выходящей воды (в единицах NTU или единицах нефелометрической мутности) измеряли с помощью нефелометра LaMotte Model 2020.
На фиг.2 приведена графическая зависимость мутности потока, выходящего из фильтров, состоящих из нанооксида алюминия и микростекловолокон, в сравнении с традиционным фильтром HEPA. Как видно, фильтры изобретения, включающие нанооксид алюминия и стекловолокна, характеризовались фактически необнаруживаемой мутностью в выходящем потоке по сравнению с фильтром HEPA.
Результаты этого эксперимента были неожиданными, так как фильтры изобретения задерживали частицы размером 0,2 мкм, даже если фильтры AF3 и AF16 имели средний размер пор примерно 16 и 38 мкм соответственно. Ожидалось, что фильтры, имеющие такой большой средний размер пор, не должны были ли бы задерживать частицы, которые были намного меньше по размеру. Также было удивительным очень низкое задерживание частиц фильтром HEPA в водной среде, что указывало на то, что фильтры HEPA характеризуются значительно более низким задержанием частиц в воде, чем в воздухе, и поэтому ведут себя различным образом в этих двух окружающих средах.
Не было установлено наличия корреляции между данными по адсорбции воды и характеристикой очистки воздуха и поэтому в последующих экспериментах получали данные испытаний воздушного фильтра.
ПРИМЕРЫ 2-10
В примерах 2-10 фильтрующий материал из нанооксида алюминия, маркированный как AF3, AF6, AF11 и AF16, использовали для дополнительной характеристики фильтрующего материала изобретения из нанооксида алюминия в сравнении с фильтром Donaldson HEPA. Как указано в таблице 1, AF3 состоял из микростекловолокон размером 1,5 мкм, AF6 и AF11 состояли из микростекловолокон размером 2,5 мкм и AF16 состоял из комбинации микростекловолокон с размерами 1,5 и 2,5 мкм.
ПРИМЕР 2
Начальная проницаемость частиц ДОФ и NaCl
Фильтры AF3 (средний размер пор 16 мкм), AF6 (средний размер пор 38 мкм), AF11 (средний размер пор 37 мкм) и AF16 (средний размер пор 28 мкм), приготовленные в примере 1, и фильтр HEPA отсылали в лаборатории Nelson Laboratories, находящиеся в городе Солт-Лейк-Сити, штат Юта, США, для испытаний с аэрозолем ДОФ и аэрозолем нейтрализованного монодисперсного NaCl. Концентрации при испытании составляла 1,5×106 частицы/см3 при скорости потока 32 л/мин через фильтры с площадью 100 см2. Аэрозоли имели средний размер частиц порядка 0,3 мкм, который считали самым проникающим размером. Испытуемые образцы приготавливали в форме квадратов 10×10 см или дисков с диаметром около 4-5 дюймов. Три слоя или трехслойные плоские листы закрепляли в испытательном устройстве и подвергали действию потока воздуха при скорости 32 л/мин. Данные представлены в таблице 2.
| Таблица 2 Начальная проницаемость частиц ДОФ и NaCl |
||||
| Образец | № слоев | ДОФ/NaCl | Начальное сопротивление воздушному потоку (мм, H2O) |
Проницаемость частиц, % |
| HEPA | 1 | ДОФ | 32,8 | 0,02 |
| NaCl | 32,8 | 0,025 | ||
| AF16 | 3 | ДОФ | 29,1 | 0,513 |
| NaCl | 32,1 | 0,323 | ||
| AF6 | 4 | ДОФ | 23,4 | 1,27 |
| NaCl | 23,6 | 0,755 | ||
| AF11 | 4 | ДОФ | 19,5 | 2,72 |
| NaCl | 19,4 | 1,60 | ||
| AF3 | 1 | ДОФ | 21,2 | 4,12 |
| NaCl | 21,3 | 2,61 |
Фильтр AF16 имел самую низкую начальную проницаемость аэрозоли NaCl и ДОФ, хотя даже эта проницаемость была несопоставима с проницаемостью для фильтра HEPA. Этот образец состоит из смеси микростекла размером 1,5 и 2,5 микрона и содержит только 7,7% нанооксида алюминия. Он имеет размер пор около 28 мкм. Результаты показывают, что многие из композиций нанооксида алюминия имели проницаемость выше проницаемости HEPA.
ПРИМЕР 3
Определение емкости по аэрозолю NaCl
Фильтры AF3, AF6, AF11 и AF16 и фильтр HEPA (испытуемая площадь 100 см2) подвергали каждый действию аэрозоли NaCl при скорости потока 32 л/мин в течение приблизительно 3 часов. Около 0,0067 мг/мин/см2 NaCl поступало на каждый фильтр, что эквивалентно примерно 40 мг/ч. Как описано выше, обычно три слоя AF16 (1,2 мм каждый, суммарно 3,6 мм) были необходимы для достижения такого же перепада давления, как для HEPA, поэтому для сравнения с HEPA испытание проводили с тремя слоями.
На фиг.3 приведена графическая зависимость проницаемости для каждого фильтра, подвергаемого испытанию с помощью аэрозолей NaCl, от времени. Как показано, фильтр AF16 имел самую низкую начальную проницаемость по аэрозоли NaCl, но все же она была все еще значительно выше, чем для HEPA. AF16 имел самую низкую проницаемость и поэтому его использовали для дальнейшего исследования.
Емкость
На фиг.4 приведена графическая зависимость сопротивления воздуха на фильтрах от времени. Емкость (или срок службы фильтра) в этом примере определяется как время (в минутах), требующееся для достижения перепада давления (ΔP) порядка 50 мм H2O. Как показано на фиг.4, все подвергнутые испытаниям фильтры изобретения из нанооксида алюминия имели емкость, которая, по меньшей мере, была в десять раз больше емкости фильтра HEPA. Фильтры AF6 и AF11 имели емкости, которые превышали емкость HEPA примерно в 30 раз. Эти данные являются важными, так как "срок службы" фильтра обычно определяется в соответствии с выбранным предельным перепадом давления на фильтре. Нарастание давления на фильтре определяет срок службы при заданном уровне для данного применения или конструкции. Так как нарастание давления является результатом нагрузки, для систем с равной эффективностью более долгий срок службы обычно непосредственно связан с более высокой емкостью. Эффективностью является склонность материала задерживать, а не пропускать частицы. Обычно, чем более эффективным является фильтрующий материал при удалении частиц из потока газа, тем более быстро в большинстве случаев фильтрующий материал будет достигать разницу давления, определяющую "срок службы", предполагая, что другие переменные поддерживаются постоянными.
Фильтр, имеющий повышенную емкость, имеет значительное преимущество, так как это снижает затраты на частую замену фильтра. Кроме того, многие фильтры, включая те, которые улавливают бактерии и вирусы или ядерные материалы, должны удаляться как опасные отходы. Поэтому снижение частоты, с которой фильтры, представляющие собой опасные отходы, должны быть заменены и удалены, представляет собой дополнительную экономическую выгоду.
В таблице 3 представлены результаты испытаний с аэрозолем NaCl при скорости воздушного потока 3,2 м/мин для фильтров, раскрытых в патентном документе US №6872431, Kohlbaugh, и волокон изобретения, включающих нанооксид алюминия и микростекловолокна, для 0,3 мкм частиц при "pre-HEPA" уровне, где "pre-HEPA" определяется как эффективность материала, изменяющаяся в пределах от примерно 98,9% до 99,6%. В таблице 3 также представлены результаты испытания одного из фильтров изобретения (один слой фильтра AF16) для наиболее проникающих частиц нейтрализованного KCl с размером 0,33-0,40 мкм при скорости потока около 4,6 м/мин.
| Таблица 3 Проницаемость по аэрозолю NaCl (0,3 мкм) через испытываемые образцы при уровне "pre-HEPA"b |
||||||
| Материал | Начальная проницаемость частиц, % | Количество слоев | Эффективность одного слоя, % | Толщина, мм | Время достиже-ния 125 мм Н2О, мин | Время достиже-ния 50 мм Н2О, мин |
| US 6872431 | 0,6a | 10 | 40 | 0,54b | <170C | <80C |
| US 6872431 | 0,4d | 14 | 28 | 0,75b | <230C | <125C |
| US 6872431 | 0,4a | 25 | 20 | 1,4b,c | <260C | <170C |
| AF6 | 0,76 | 4 | 80f | 1,8 | 320f | 160 |
| AF16 | 1,1g | 1 | 98,9g | 1,2 | 170f | 100f |
| Примечания: (a) это оцененное значение на основе уравнений, приведенных в патентном документе US №6872431 на страницах 23-24; (b) - это оцененные значения на основе данных, приведенных в патентном документе US №6872431 на странице 35, строках 1-10; (c) - это оцененные значения на основе данных, приведенных в патентном документе US №6872431 на странице 43; (d) - это оцененное значение на основе данных, приведенных в патентном документе US №6872431 на странице 39; (e) - оцененная толщина превышает ограничение для устройства из фильтрующего материала (см. пункт 14 формулы изобретения патентного документа US №6872431); (f) - это оцененные значения; (g) - этот фильтр подвергали испытанию с наиболее проникающими частицами нейтрализованного KCl с размером 0,33-0,40 мкм при скорости потока около 4,6 м/мин. |
Результаты, приведенные в таблице 3, указывают, что при уровне "pre-HEPA":
1. Материал AF6, который можно гофрировать, имеет более высокую емкость до достижения перепада давления около 125 мм H2О и около 50 мм H2О по сравнению с материалом, раскрытым в патентном документе US №6872431, включающем или 10, или 14, или 25 слоев. Ожидаемый срок службы при 125 и 50 мм H2O повышен примерно на 40%, 28% и 20% соответственно.
2. Один слой материала AF16 имеет ожидаемый срок службы и эффективность удаления наиболее проникающих частиц (KCl, 0,33-0,4 мкм), которые превышают эти показатели для фильтров, раскрытых в патентном документе US №6872431, из 10 и 14 слоев композитов.
Эти данные являются важными, так как они показывают, что волокнистый материал из нанооксида алюминия имеет повышенный ожидаемый срок службы по сравнению с фильтром патентного документа US №6872431, так как их эффективность удаления частиц превышает эффективность удаления частиц для фильтра патентного документа US №6872431. Таким образом, заявляемые фильтры из нанооксида алюминия являются не только более экономичными, но они также лучше работают. Кроме того, значительно дешевле производить однослойный материал, чем материал с 10-14 различными слоями, и в последнем случае материал может иметь склонность к расслоению.
В таблице 4 представлены результаты испытаний с помощью NaCl аэрозоля при скорости потока воздуха 3,2 м/мин для фильтров, раскрытых в патентном документе US №6872431, и волокон изобретения, включающих нанооксид алюминия и микростекловолокна, для удаления частиц размером 0,3 мкм при уровне HEPA.
| Таблица 4 Результаты испытаний с аэрозолем NaCl при уровне HEPA |
||||||
| Материал | Эффектив-ность компо-зита, % | Количество слоев | Эффективность одного слоя, % | Толщина, мм | Время достиже-ния 125 мм Н2О, мин | Время дости-жения 50 мм Н2О, мин |
| US 6872431 | 99,97a | 16 | 40 | 0,89b | <170c | <80c |
| US 6872431 | 99,97a | 25 | 28 | 1,4b | <230с | <125c |
| AF 6 | 99,97d | 5 | 80d | 1,8 | 300d | 140d |
| AF 11 | 99,976d | 6 | 75d | 2,5 | 310d | 120d |
| Donald-son HEPA | 99,975 | 1 | 99,975 | 0,2 | 24 | 3,5 |
| Примечания: (a) - это оцененные значения на основе уравнений, приведенных в патентном документе US №6872431 на страницах 23-24; (b) - это оцененные значения на основе данных, приведенных в патентном документе US №6872431 на странице 35, строках 1-10 (следует отметить, что оцененная величина толщины превышает ограничение для конструкции из материала фильтра для пункта формулы изобретения 14 патентного документа US №6872431); (c) - это оцененное значение на основе данных, раскрытых в патентном документе US №6872431 на странице 39, строках 39-45; (d) - это оцененное значение. |
Данные, приведенные в таблице 4, указывают, что материалы AF6 и AF11 имеют большие величины емкости для достижения перепада давления 125 или 50 мм H2О по сравнению с материалом, раскрытым в патентном документе US №6872431, который имеет 16 или 25 слоев. Материал изобретения повышает ожидаемый срок службы фильтра, по меньшей мере, на 80% до конечного давления 125 мм H2О по сравнению с материалом патентного документа US №6872431, хотя материал патентного документа US №6872431, имеющий 25 слоев, имеет сопоставимый ожидаемый срок службы в случае перепада давления 50 мм H2О.
ПРИМЕР 4
Предварительное кондиционирование
Целью этого примера являлось предотвращение начального проскока при протоколе HEPA. Было предположено, что поры самого большого размера в фильтрующем материале (который содержит поры с широким интервалом размеров вследствие асимметричного расположения волокон) были ответственны за начальный проскок. Кроме того, было предположено, что введение инородной частицы в фильтр с целью кондиционирования фильтра перед использованием приведет к ее попаданию в самые крупные поры, блокированию их и в результате к снижению этого проскока и повышению эффективности фильтра.
Для того чтобы проверить это предположение, фильтры предварительно загружали кондиционирующим средством с целью закупоривания пор перед использованием. В этом испытании использовали образец AF16 (фильтр диаметром 25 мм). Для кондиционирования фильтров использовали монодисперсные латексные сферы (фирмы Duke Scientific), так как эти сферы стабильны в воздухе и на них не влияет влажность воздушного потока. Эксперименты проводили с латексными сферами диаметров 0,2, 0,5 или 1 мкм. Загружали сферами фильтр и измеряли сопротивление воздуха.
Сопротивление воздушного потока измеряли, как описано выше. Предварительная загрузка сферами размером 0,2 мкм практически не влияла на перепад давления на фильтрах изобретения (данные не приводятся) и после нескольких предварительных загрузок измеряли мутность выходящего потока.
На фиг.5 приведена графическая зависимость скорости воздуха и изменение давления после предварительной загрузки фильтров изобретения латексными сферами размером 0,5 или 1 мкм. Во время предварительной загрузки было отмечено, что мутность выходящего потока была ниже предела обнаружения 0,01 NTU, что означало количественную адсорбцию этих более крупных частиц фильтрующим материалом. Данные позволяют сделать вывод, что латексные сферы размером 0,5 и 1 мкм подходят для предварительного кондиционирования фильтров сферами.
В заключение, результаты примера 4 показывают, что:
1) инородные частицы, такие как монодисперсные частицы, могут быть использованы для кондиционирования фильтрующего материала из нанооксида алюминия;
2) измерение мутности во время предварительной загрузки является эффективным способом для наблюдения и контроля над процессом предварительной загрузки;
3) образцы могут быть загружены латексными шариками размером 0,5 и 1 мкм, что влияет на перепад давления (ΔP), который возникает при проведении испытания с аэрозолем NaCl;
4) латексная частица размером 0,2 мкм слишком мала для достижения требуемого ΔP.
В качестве альтернативы дорогим латексным частицам, для предварительного кондиционирования фильтров могут быть использованы менее дорогие и предпочтительно субмикронные частицы, включая, например, ультрамелкий гранулированный уголь, агломераты коллоидального диоксида кремния (Cab-O-Sil) или оксиды металлов.
ПРИМЕР 5
Испытания проницаемости по NaCl и емкости предварительно загруженных образцов AF16
Испытуемые образцы приготавливали путем предварительной загрузки латексными сферами размером 0,5 мкм на одну поверхность фильтра, состоящего из 3 слоев материала AF16. Материал приготавливали в виде круглых дисков с площадью 175 см2. Образцы (площадь испытания 100 см2) подвергали (в лаборатории Nelson Laboratories) действию аэрозоля NaCl при скорости потока 32 л/мин в течение около 3 часов каждый. Приблизительная масса NaCl, которую доставляли к фильтру, составляла 0,0067 мг/мин/см2 или 40 мг/ч или 0,5%/ч от массы подвергаемого воздействию фильтра. При скорости потока 32 л/мин, линейная скорость составляла 3,2 м/мин. Толщина фильтра из трех слоев AF16 составляла около 0,36 см, в результате чего рассчитанное время пребывания составляло около 0,07 с.
На фиг.6 приведена графическая зависимость сопротивления воздуха для фильтров из нанооксида алюминия, предварительно кондиционированных латексными сферами, во время испытаний с NaCl. Как видно, на протяжении 3 часов испытания сопротивление воздуха для всех испытываемых образцов нанооксида алюминия было намного меньше, чем для HEPA. В случае фильтра HEPA ΔP достигало значения 50 мм H2О примерно через 4 минуты, в то время как для образцов нанооксида алюминия для достижения такого же ΔP требовалось около 40 минут (один фильтр из нанооксида алюминия, который содержал 9 мас.% латекса, достигал ΔP 50 мм H2O через примерно 30 мин). Это повышение срока службы фильтра, который составлял в 7-10 раз больше, чем для HEPA, является преимуществом при применениях, при которых используют высоэффективные фильтры, включая фильтры для больниц, для военных средств коллективной защиты, для местной безопасности, для автомобилей и респираторов.
На фиг.7 приведена графическая зависимость проницаемости по NaCl для фильтров из нанооксида алюминия, предварительно кондиционированных с помощью латексных шариков. Хотя начальная проницаемость не снижалась ниже 0,03%, захват частиц увеличивался при постоянной загрузке частицами NaCl. Все предварительно кондиционированные образцы AF 16 имели более низкую проницаемость по NaCl, чем проницаемость не подвергнутого обработке образца AF 16. Наблюдается тенденция в сторону улучшения характеристики при повышенной предварительной загрузке латексными шариками размером 0,5 мкм, при самом низком значении проницаемости 0,047% для 9 мас.% латекса по сравнению с 0,03% проницаемостью, которая определяется HEPA.
ПРИМЕР 6
Фильтрующий материал испытывали на улавливание аэрозоля NaCl в лабораториях Nelson Laboratories, так же как в примере 2. На фиг.8 приведена графическая зависимость проницаемости аэрозоли NaCl размером 0,3 мкм через испытываемый материал. В этом примере сравнивали следующие образцы: HEPA, один слой AF16 без предварительной загрузки, который использовали в качестве фильтра предварительной очистки перед фильтром HEPA, и три слоя AF16, предварительно кондиционированных латексными частицами. Как видно, только фильтр HEPA не мог быть классифицирован по эффективности в качестве ULPA. В отличие от этого, предварительно кондиционированный фильтр AF16 имел начальное и длительное улавливание порядка > 99,99%, в силу чего его квалифицировали по эффективности в качестве фильтра ULPA. Кроме того, как показано на фиг.8, добавление одного слоя AF16 (не подвергнутого предварительному кондиционированию) в качестве фильтра предварительной очистки к фильтру HEPA также приводило к квалификации ULPA. Эти данные показывают, что заявляемый фильтрующий материал из нанооксида алюминия имеет улавливание, которое превышает улавливание традиционных фильтров HEPA, таких как фильтр Donaldson HEPA filter, и что использование нанооксида алюминия в качестве фильтра предварительной очистки повышает квалификацию HEPA до квалификации ULPA.
На фиг.9 приведена графическая зависимость сопротивления воздуха для испытуемых фильтров во время испытания на емкость по аэрозоли NaCl для описанных выше образцов. Добавление одного слоя AF16, который не подвергали предварительному кондиционированию, продлевало срок службы фильтра HEPA примерно на 700% для достижения ΔP 50 мм, что могло бы приводить к значительной экономии, если это применялось бы на практике.
Таким образом, заявляемые фильтры являются более эффективными при захвате частиц и имеют более продолжительный ожидаемый срок службы, чем традиционные фильтры HEPA, и поэтому эти заявляемые фильтрующие материалы из нанооксида алюминия являются более экономически эффективными.
ПРИМЕР 7
Образцы материала AF16 подвергали испытаниям на фирме LMS Technologies, Inc. (Edina, MN) в соответствии с методом 319 нормативных документов Агентства по охране окружающей среды США (EPA Method 319 regulations), которые относятся к измерению фильтрационных систем для улавливания избыточно распыляемой краски в авиакосмической промышленности. При отделочных операциях в промышленности США 30% распыляемой краски, что составляет 90 миллионов галлонов, распыляется избыточно, большая часть которой диспергируется в атмосфере.
Один слой материала AF 16 подвергали испытанию при скорости потока 15 фут/мин. Начальный перепад давления составлял 22 мм H2O. На фиг.10 приведена графическая зависимость улавливания или выраженной в процентах эффективности испытуемого фильтра от размера частиц. Эти же данные представлены в таблице 5.
Фильтр также сравнивали с выпускаемым в промышленности sub-HEPA фильтром (Trinitex K903-70, фирмы Ahlstrom). На фиг.14 приведено сравнение перепада давления на фильтре Trinitex с перепадом давления на фильтре AF16. Показано, что перепад давления на двух фильтрах является почти одинаковым. Важно, что улавливание с помощью AF16 было намного лучше, чем в случае спецификации EPA, так же как и материала Ahlstrom, для всех размеров частиц в интервалах сравнения. Данные показывают, что новый материал может значительно улучшить характеристику материала sub-HEPA без необходимости предварительного кондиционирования.
| Таблица 5 Улавливание аэрозоля KCl в зависимости от размера частиц |
|||
| Интервал размера частиц (мкм) | Начальное улавливание одним слоем фильтрующего материала из нанооксида алюминия AF16 (%) | Спецификация EPA 319 | Ahls-trom Trinitex |
| 0,33-0,40 | 98,923 | 52% | |
| 0,40-0,50 | 99,365 | > 75% | 59% |
| 0,50-0,60 | 99,743 | 63% | |
| 0,60-0,80 | 99,989 | > 85% | 68% |
| 0,80-1,00 | 99,955 | 74% | |
| 1,00-1,50 | 99,983 | 90% | |
| 1,50-2,00 | 99,995 | > 95% | 95% |
ПРИМЕР 8
Одновременно рассматриваемая патентная заявка посвящена использованию серебра для контроля над размножением бактерий. Поэтому здесь проводили эксперимент по включению серебра в материал для фильтрации воздуха. Из порошка алюминия готовили вручную три листа нанооксида алюминия, как описано для образца HF0404 в примере 1, за исключением того, что к суспензии добавляли нитрат серебра (0,1%, 0,3% и 1 мас.%, считая на серебро от массы сухой суспензии). Образцы (диаметром 25 мм) закрепляли в держателе фильтра и загружали 10 мл суспензии, содержащей 8×107 CFU/мл бактерий Klebsiella terrigena в буферированном водном растворе. Бактерии элюировали из фильтров в обратном направлении с помощью 3 мл раствора, содержащего 3% говяжьего экстракта и 0,35% раствора глицина, при рН 7,5 сразу же после загрузки и затем после 1, 5, и 18 часов выдержки.
На фиг.11 приведена графическая зависимость противомикробного действия введения ионов серебра на нановолокна из оксида алюминия от времени экспозиции для фильтра. Как показано, фильтры из нанооксида алюминия, импрегнированные серебром, контролируют размножение бактерий, при этом контроль улучшается по мере роста содержания нитрата серебра.
Испытания также показали, что 1% серебра не имел ощутимого действия на фильтрацию вируса MS2, тем самым демонстрируя, что вирусная эффективность фильтрующего материала не изменялась после адсорбции 1% серебра.
Эти результаты показывают, что добавление нитрата серебра к фильтру минимизирует любой вторичный унос бактерий или вируса из фильтра, так как он действует как противомикробный агент. Выход серебра из фильтров, которые были им импрегнированны, составлял около 30 мкг/л, значительно ниже 100 мкг/л, требуемых EPA для питьевой воды. После использования фильтр может быть удален в качестве бытового отхода, а не опасного отхода, требующего дорогой переработки.
ПРИМЕР 9
Испытание образцов материала с аэролизованными бактериями кишечной палочки (E. Coli)
Установка, первоначально разработанная Henderson (1), была собрана и использована в испытании с бактериями кишечной палочки (E. сoli). В установке, схема которой приведена на фиг.12, 5 мл суспензии E. coli 1,4×109 CFU/мл в буферном растворе распыляли с помощью аэрозольного аппарата DeVilbiss PulmoMate Nebulizer (Model SR4650D). Второй аэрозольный аппарат работал с равным количеством буферного раствора. Генерируемые аэрозоли впрыскивали в трубку диаметром 5 см и длиной 90 см. Относительную влажность корректировали путем смешения воздуха, который пропускали через секции увлажнения и осушки установки кондиционирования воздуха перед подачей в распылительную трубку. Относительная влажность и температура воздуха вблизи конца трубки измеряли с помощью влагомера. Приблизительно 1/3 потока из выходного отверстия трубы для аэрозоля пропускали через импинджер AG1-30. Остальной поток пропускали через систему труб с внутренним диаметром 12 мм и затем объединяли с воздухом, выходящим из импинджера. Воздушный поток пропускали через фильтр HEPA (Whatman, PolyVent-1000 Cat №6713-1075).
Суммарный поток составлял 38 литров воздуха в минуту. Два аэрозольных аппарата производили поток 12 л/мин (6 л/мин каждый) и 26 л/мин воздушного потока подавали с помощью воздушного компрессора. Поток воздуха через импинджер составлял 12 л/мин.
Эффективность фильтра вычисляли как
где концентрацию E. coli выше по потоку фильтра определяли до попадания в фильтр воздушного потока, содержащего E. Coli, и концентрацию E. coli выше по потоку фильтра определяли после фильтрации воздушного потока, содержащего E. Coli, при приблизительно 100% относительной влажности.
В первом эксперименте в держателе фильтра диаметром 90 мм устанавливали три слоя фильтрующего материала AF16 (без предварительного кондиционирования с помощью частиц). Во втором эксперименте один слой Donaldson HEPA устанавливали в таком же держателе фильтра. Как показано в таблице 6, фильтрующий материал AF16 продемонстрировал улавливание бактерий, которое было примерно в 50 раз больше, чем улавливание для фильтра HEPA.
| Таблица 6 Выраженная в процентах эффективность фильтра из нанооксида алюминия против аэролизованных бактерий кишечной палочки (E. Coli) (Условия - 32 литра в минуту, относительная влажность 100%, температура 23,9°C) |
|||||
| Фильтрующий материал | Толщина, мм, (число слоев ÷ толщина) | Средний размер пор,* мкм |
Фильтр/Без фильтра | Количество бактерий E.coli, определенных в AGI-30 буферном растворе, CFU | Эффектив-ность улавливания E.coli,% |
| AF16 | 3,6 | 28 | Фильтр | < 1 | > 99,9998 |
| (=3x1,2) | Без фильтра | 5,9×105 | |||
| AF6 | 7,2 | 38 | Фильтр | < 4 | > 99,9992 |
| (=4x1,8) | Без фильтра | 5,2×105 | |||
| AF3 | 0,9 | 16 | Фильтр | < 4 | > 99,9992 |
| (=1x0,9) | Без фильтра | 5,2×105 | |||
| AF11 | 1,3 | 37 | Фильтр | 4 | 99,994 |
| (=1x1,3) | Без фильтра | 6,7×104 | |||
| Donald-son HEPA | 0,4 | 6 | Фильтр | 40 | 99,992 |
| (=1x0,4) | Без фильтра | 5×105 | |||
| * Данные из таблицы 1 |
Каждый образец AF имеет размер пор, который значительно больше, чем размер пор традиционного воздушного фильтра HEPA. Известно, что при фильтрации больший размер пор материала меньше склонен к забивке. Эта стойкость к забивке также может переноситься на способность фильтров изобретения быть менее устойчивыми к захлебыванию каплями воды.
Продемонстрированная способность нановолокон из оксида алюминия удалять высокие концентрации бактерий была неожиданным результатом и является важным преимуществом, особенно когда фильтр используют для коллективной защиты в больнице, где лечат больных СПИДом, или для защиты во время применения биологического оружия. Такой материал был бы также выгодным для улучшения улавливания бактерий с помощью респираторного фильтра. Дополнительным преимуществом является более низкий перепад давления для фильтра изобретения по сравнению с фильтром HEPA, особенно по мере загрузки фильтра. И, наконец, еще одним преимуществом является то, что размер пор фильтрующего материала из нанооксида алюминия является довольно большим, что дает значительно более пористый фильтр, который позволяет улавливать значительно больше воды, в результате чего его можно подвергать действию длительной загрузки каплями воды или туманов.
ПРИМЕР 10
Два эксперимента проводили так же, как описано в примере 9, за исключением того, что аэрозоль содержал вирус MS2 (размером 25 нм), и испытание осуществляли при двух различных значениях относительной влажности. В этом случае испытываемые образцы имели небольшой размер пор (~2 мкм) и толщину 0,4 мм.
| Таблица 7 Выраженная в процентах эффективность фильтра из нанооксида алюминия против аэролизованного вируса MS2 |
||||||
| Относи-тельная влаж-ность, % | Исследуемая концентрация, PFU/млa | Фильтр/ без фильтра |
Количество вирусов MS2, определенных в AGI-30 буферном растворе, CFU | Предел обнару-жения, PFU/мл | Степень очистки от MS2 в импинджере, % |
Эффективность улавли-вания MS2, % |
| 94 | 2,6×107 | Фильтрb | < 150 | 100 | NA | > 99,96 |
| Без фильтраc | 4,2×105 | 100 | 2,1 | |||
| 60 | 1,3×107 | Фильтрd | < 1 | 1 | NA | > 99,999 |
| Без фильтраe | 1,1×105 | 100 | 1,3 | |||
| Примечания: a) 2 мл исследуемого раствора MS2 были аэролизованы; b) Время испытания - 6 минут; собранный объем раствора вируса - 1,5 мл; c) Время испытания - 10 минут; собранный объем раствора вируса - 2,2 мл; d) Время испытания - 6 минут; собранный объем раствора вируса - 1,0 мл; e) Время испытания - 6 минут; собранный объем раствора вируса - 1,5 мл. |
В таблице 7 показано, что фильтр имел высокую степень очистки по аэролизованному вирусу. Эти результаты являются важными, так как вирусы, которые обычно на один или два порядка по размеру меньше, чем бактерии, очень трудно улавливать за счет толщины фильтрующего материала. Улавливание вируса с помощью HEPA является также проблематичным, так как многие патогенные вирусы имеют размер меньше чем 0,1 мкм, что значительно меньше испытательных частиц размером 0,3 мкм, используемых для установления характеристики HEPA. Эффективная фильтрация монодисперсного вируса была бы очень неэффективной. Если вирус обволакивается водным аэрозолем, то тогда фильтры HEPA, которые обычно гидрофобны, теряют эффективность, по мере того как в фильтре накапливается вода. Заявляемый фильтрующий материал из нанооксида алюминия обеспечивает более высокую эффективность и емкость и поэтому мог бы быть использован в фильтрующих противогазах и системах коллективной защиты, например в больницах, и для защиты от биологического оружия.
Пример 11: Сформованные вручную листы из "лиосел/NC" и "целлюлоза/NC"
Восемьдесят граммов очищенного волокна лиосел (20% твердых частиц) фирмы Fiber Innovation Technology диспергировали в 0,75 л очищенной с помощью обратного осмоса воды бытовым блендером (12-скоростной блендер Osterizer) в режиме "мелкое дробление льда" в течение 2 минут. Количество порошка алюминия, добавляемое к смеси (1 г), было таким, чтобы после реакции твердые вещества состояли бы из 12 частей AlOOH и 88 частей волокон лиосел (образец AF34 в таблице 16a). Аналогично, количества порошка алюминия, добавляемого к смеси (2 г), и 1 г сухих порошков коллоидального диоксида кремния перед реакций алюминий-вода были такими, чтобы после реакции твердые вещества состояли бы из 20 частей AlOOH, 5% коллоидального диоксида кремния и 7,5 частей волокон лиосел (образец AF35 в таблице 8). В качестве контроля приготавливали сформованные вручную листы из чистого лиосела (AF33), целлюлозы (AF28) и смеси 72% целлюлозы и 28% AlOOH (AF32).
| Таблица 8 Состав и свойства сформованных вручную листов, содержащих лиосел/целлюлозу и результаты улавливания MS2 |
|||||||
| Образец № | Состав | Плотность листов, г/м2 | Разрывная длина, м | Пористость, в долях | Средний размер пор, мкм | Количество слоев | Улавливаниеa MS2, % |
| AF28 | 100% Целлюлоза | 166 | 460±28 | 0,82 | 8 | 3 | 0% |
| AF32 | 72% Целлюлоза+28% NCb | 229 | < 10 | 0,89 | 13 | 3 | 20% |
| AF33 | 100% Лиосел | 166 | 1022±136 | 0,50 | 1,8 | 1 | 0% |
| 2 | 10% | ||||||
| 3 | 20% | ||||||
| AF34 | 88% Л+12% NCb | 188 | 1013±19 | 0,50 | 2,0 | 1 | 99,9994 |
| 2 | > 99,9997 | ||||||
| 3 | > 99,9997 | ||||||
| AF35 | 75% Лиосел+ 5% Cab-O-Sil+ 20% NCb |
183 | 906±44 | 0,50 | 1,8 | 1 | > 99,9997 |
| 2 | > 99,9997 | ||||||
| 3 | > 99,9997 | ||||||
| Примечания: a) для исследования был приготовлен раствор MS2 2,0×107 PFU/мл. Аликвоты по 10 мл суспензии MS2 фильтровали через диски диаметром 25 мм при скорости потока 40 мл/мин; b) NanoCeram |
Диски (25 мм) вырезали из описанных выше образцов и испытывали с вирусами MS2 при исходной концентрации 2,0×107 PFU/мл и скорости потока 40 мл/мин. В таблице 8 показано, что сформованные вручную листы, изготовленные из чистой целлюлозы, микрофибриллированной целлюлозы (лиосел), или смеси 72% целлюлозы/28% NC, не обладали эффективностью, или имели очень низкую эффективность по удалению вируса MS2. Смеси 88% лиосел/12% NC и 75% лиосел/ 5%Cab-O-Sil/ 20%NC имели эффективность даже большую, чем один слой NC (99,5%, см. таблицу 16), тем самым указывая на то, что лиосел является отличным волокнистым носителем для нанооксида алюминия.
Примеры - Волокнистая структура
Приведенные ниже примеры иллюстрируют введение мелких, ультрамелких или наноразмерных частиц в нетканую фильтрующую структуру. Примеры включают сорбент, катализатор, порошкообразный активированный уголь, наноразмерный уголь, РНК, частицы TiO2 (50 нм) и коллоидальный диоксид кремния (начальный размер частиц около 15 нм, по мере агломерации нескольких сотен нанометров). В каждом случае время формования значительно меньше, чем в случае, когда используют нанооксид алюминия, что делает целесообразным производство нового материала с помощью способов мокрого формования (способов производства бумаги).
Приводятся также примеры, в которых сравнивают заявленную волокнистую структуру, содержащую порошкообразный активированный уголь, с производимым в промышленности материалом из активированного угля путем сравнения проскока растворимого йода через соответствующий материал. Проскок через один слой производимого в промышленности материала с приблизительно такой же плотностью происходит практически мгновенно, в то время как заявляемый фильтрующий материал имеет срок службы примерно в 800 раз больше.
ПРИМЕР 12: Исходные материалы
Суспензии нанооксида алюминия на крупных волокнах, таких как микростекло или лиосел, приготавливали из порошка алюминия. В нескольких словах, два грамма микростекловолокон (фирмы Lauscha Fiber International, боросиликатное стекло, марка B-06-F, диаметр 0,6 мкм) диспергировали в 0,75 л фильтрата, полученного из генератора для обратного осмоса воды, с помощью бытового блендера (12-скоростной блендер Osterizer) в режиме "неполное измельчение" в течение 2 минут. Количества 1,36 г и 0,61 г соответственно порошка алюминия (фирмы Atlantic Equipment Engineers, марка AL-100, 1-5 мкм) добавляли к микростекловолокнам так, чтобы после реакции они давали бы соответственно 60 частей AlOOH/40 частей микростекла и 40 частей AlOOH/60 частей микростекла.
Гидроксид аммония (8 мл 36% на 750 мл мульчи) добавляли для инициирования реакции алюминия с водой с образованием AlOOH и водорода. Смесь нагревали до кипения и выдерживали при температуре кипения 10 минут до тех пор, пока цвет смеси не становился белым (если добавляемые частицы черного цвета) и затем охлаждали и нейтрализовывали до pH около 7 с помощью хлористоводородной кислоты. Результатом является нанооксид алюминия, сформованный на более крупном волокне (далее смесь "NC"), таком как микростекло или лиосел, описанных в последующих примерах.
Затем добавляли частицы сорбента в виде сухого порошка или в виде суспензии порошков (например, TiO2) в воде к суспензии нановолокон и крупных волокон, или до или после реакции алюминий-вода. Затем суспензии смешивали вручную.
Следующие примеры иллюстрируют заявляемую волокнистую структуру, содержащую наноразмерные частицы, которая включает: аморфный коллоидальный диоксид кремния (средний размер частиц (СРЧ) ~15 нм, фирмы Cabot Corp., Cab-О-Sil, марки M5), порошки TiO2 со СРЧ ~50 нм, которые производят в России и поставляет фирма Argonide Corp, и рибонуклеиновую кислоту (РНК), наименьший размер которой составляет примерно менее 1 нанометра. Приведены другие примеры, в которых частицей является сорбент (ПАУ), поставляемый фирмой Calgon Carbon (марка WPH, 99%-100 меш, 95%-200 меш и 90%-325 меш, СРЧ ~28 мкм) и угольные нанопорошки размером 30 нанометров, поставляемые фирмой Aldrich (Cat. №633100).
В других примерах к смесям NC добавляли испытательные пыли пустыни Аризона (Arizona test dusts), состоящие главным образом из диоксида кремния. Использовали две различных марки испытательных пылей пустыни Аризона (Arizona test dusts), 0-3 мкм (СРЧ ~1,13 мкм) и 0-5 мкм (СРЧ ~2 мкм), обе поставляемые фирмой PT1 Powder Technology Inc.
В примере также приведен добавляемый к смеси NC катализатор Carulite-400 (type C), который является медью, активированной порошком двуокиси марганца (типа гопкалита), с размером частиц 3-8 мкм, поставляемый фирмой Cams Chemical Company.
Отношение частиц к сетке из нанооксида алюминия/крупного волокна ("NC") зависит от требуемых эксплуатационных характеристик материала. Например, приходится находить компромисс между способностью композита ПАУ-NC удалять органические вещества и способностью удалять загрязняющие вещества в форме частиц, на которые влияет выбранное содержание ПАУ. Композит ПАУ-NC, который содержит пониженное количество ПАУ, повышает способность волокнистой структуры удалять бактерии, вирусы и другие загрязняющие вещества из потока жидкости или газа, тем самым позволяя получать, например, питьевую воду, которая практически дезинфицирована от микробов, а также удаляя растворимые загрязняющие вещества, включая хлор, галогенированные углеводороды и токсичные растворимые металлы.
Другие волокна, такие как целлюлоза или полиэфирное бикомпонентное волокно, могут быть добавлены с целью упрочнения волокнистой структуры и превращения ее в более эластичную.
ПРИМЕР 13: Формование волокнистых материалов
В этом примере 2 г или 1,3 г описанных в примере 12 частиц (то есть аморфного коллоидального диоксида кремния, РНК, Carulite, дисперсной испытательной пыли, наноуглерода и ПАУ, и TiO2) добавляли к суспензиям 60/40 или 40/60 NC, приготовленным, как описано в примере 12, с получением NC-суспензий, содержащих 28 мас.% порошков частиц. Суспензии перемешивали вручную. Аналогично, 5 г и 3,33 г перечисленных выше порошков добавляли к суспензиям 60/40 и 40/60 с получением 50 мас.% загрузки порошками частиц. За исключением структуры NC, загруженной TiO2 (см. ниже), порошок добавляли после того, как начинала протекать реакция. Во всех примерах для оценки оптимального момента времени добавления частиц в смесь эксперименты проводили, добавляя частицы до и после того, как начиналась реакция. Однако когда частицы включают дисперсную пыль (Таблица 9), Carulite (таблица 11) или РНК (таблица 13), частицы добавляют после начала реакции с целью исключить изменение естественных свойств частиц. В случае ПАУ (таблицы 14, 15) частицы добавляли или до, или после начала реакции.
Смеси затем разбавляли очищенной с помощью обратного осмоса водой в соотношении 2000:1. Аликвоту суспензии объемом 500 мл выливали в держатель для вакуумного фильтра диаметром 47 мм. Волокнистый материал отфильтровывали через фильтровальный диск диаметром 47 мм, вырезанный из тканевого материала Teflon (размером 70 меш), помещенный на держателе фильтра. Создавали вакуум в резервуаре для сбора воды с помощью ротационного насоса и регистрировали в качестве времени формования время от начала стадии фильтрования до момента, когда вся жидкость проходила через формуемый диск. Готовые диски затем сушили в сушильном шкафу, взвешивали после охлаждения и после достижения равновесия с воздухом лаборатории. В некоторых случаях, для того чтобы оценить выход частиц на субстрате из NC, последнюю массу регистрировали и суммарную массу сравнивали с массой исходных компонентов.
ПРИМЕР 14: Волокнистые структуры из нано TiO 2 /нанооксида алюминия/микростекла
Пять (5) г нанопорошка TiO2 размером 50 нм диспергировали в стеклянном стакане, наполненном 1 л очищенной с помощью обратного осмоса воды, и затем перемешивали ультразвуковым генератором (Fisher Scientific, Model F20) в течение 30 мин. После отстаивания в течение 24 часов верхнюю часть (~0,6 л) надосадочной жидкости медленно декантировали с целью отделения суспендированных частиц от любых осаждающихся агломератов.
Аликвоты приведенной выше суспензии TiO2 объемом 100 мл добавляли к 0,75 л NanoCeram 60/40, которые были сформованы ранее в примере 12. Использовали две контрольных смеси, одну, содержащую TiO2 в 0,85 л воды (для измеряемой массы), и вторую, содержащую микростекло (в отсутствии нанооксида алюминия) в 0,85 л воды. Концентрацию нанопорошков TiO2 определяли путем испарения воды и взвешивания остатка. Аналогично аликвоты приведенной выше суспензии TiO2 объемом 200 мл добавляли к 0,75 л волокнистого материала 60/40 до начала реакции алюминий-вода. Контрольные смеси TiO2 в 0,95 л воды (для измерения массы) и вторая, содержащая микростекло (в отсутствии нанооксида алюминия) в 0,95 л воды. Концентрацию нанопорошков TiO2 в контрольных образцах определяли также путем испарения воды и взвешивания остатка.
В таблице 9 приведен состав волокнистых материалов, время их формования и мутность собранного выходящего потока.
| Таблица 9 Формование нетканого материала, содержащего нанопорошка TiO2 |
|||||
| Образец № | Нанооксид алюминияa, % |
Стекломикро-волокноa,% | Частицы TiO2, % | Время формования, мин | Мутность выходящего потока, NTU |
| 628 | 56 | 38 | 7b | 0,7±0,2 | 20 |
| 629 | 0 | 94 | 7b | 2,2±0,6 | 114 |
| 643 | 53 | 35 | 12с | 1,0±0,2 | 40 |
| 644 | 0 | 88 | 12с | 23±6 | 132 |
| Примечания: a) отношение нанооксид алюминия/микростекло составляет 60 %/40 %; b) порошки TiO2 добавляли к волокнистому материалу 60/40, который был сформован ранее; c) порошки TiO2 добавляли до того, как инициировали реакцию алюминий-вода. |
Образцы 628 и 643, которые включали нанооксид алюминия в смеси, имели значительно меньшее время формования, чем образцы 629 и 644, которые не содержали нанооксида алюминия, добавленного в смесь. Сравнение мутности соответствующих выходящих потоков показывает, что когда присутствует нанооксид алюминия, наблюдается большая величина удерживания наночастицы в волокнистой структуре.
На основе измерений водного потока, приведенных выше в примерах 1-10, был оценен средний размер волокнистой структуры, содержащей диоксид титана, который составлял около 3 мкм. Кроме того, волокнистая структура способна содержать около 7-12% от ее сухого веса частицу, которая почти на два порядка величины меньше, чем размер пор готового материала. Не углубляясь в теорию, тем не менее можно утверждать, что время формования уменьшается в силу того, что наночастицы прочно связаны с NC структурой и не суживают поток, в то время как при отсутствии нанооксида алюминия наночастицы свободно образуют агломераты внутри пористой структуры, сгущая смесь и создавая препятствия потоку.
Другие нанооксиды и тугоплавкие соединения, такие как карбиды, нитриды или наноалмаз, могли бы аналогично удерживаться в такой структуре. Например, пигментные оксиды и светочувствительные наноматериалы могли бы быть введены в такую волокнистую структуру, а волокнистая структура, содержащая наноалмаз или нанокарбид вольфрама, могла бы быть использована в качестве ткани для полировки при высокоточной обработке поверхности. Структура может служить не только для распределения и суспендирования абразивного материала, но она также могла бы служить в качестве коллектора отходов, образующихся в процессе полировки.
ПРИМЕР 15: Фильтрующая волокнистая структура из диоксида кремния/NC/микростекла
Волокнистую структуру, содержащую диоксид кремния (таблица 10), готовили, как описано в примере 13. В двух образцах (образец 630 и 642) к волокнистому материалу добавляли коллоидальный диоксид кремния. Известно, что коллоидальный диоксид кремния образует коллоидные суспензии, которые очень трудно отфильтровать. Его широко используют в качестве загустителя.
В образце 630 добавляли коллоидальный диоксид кремния до начала реакции. Из исходных твердых частиц, эквивалентных примерно 200 гм/м2, только 63 г/м2 задерживались на фильтре. Это составляет приблизительно 90% от добавляемого исходного оксида алюминия и коллоидального диоксида кремния, позволяя быть удержанными на фильтре размером 70 меш только микростекловолокном. Мы предполагаем, что добавление коллоидального диоксида кремния вначале приводит к его соединению с нанооксидом алюминия по мере того как он образуется, в результате чего наблюдается слабое сцепление или полностью отсутствует сцепление нанооксида алюминия с микростеклом, приводя к потере как диоксида кремния, так и нанооксида алюминия, с выходящим потоком.
| Таблица 10 Формование нетканых материалов из NC с частицами диоксида кремния |
||||||||
| Частица | Размер частицы, мкм |
Образец № | Нанооксид алюминияa, % | Стекло-микро- волокнаa, % |
Исходный диоксид кремния, мас.% | Время формования, мин | Плотность материала, г/м2 | Потери частиц, % |
| Коллоидальный диоксид кремния | 0,01 | 630 | 43 | 29 | 28b | 1,3 | 63c | ~90d |
| 631 | 0 | 72 | 28 | > 100c | NAf | NAf | ||
| 642 | 43 | 29 | 28g | 1,2 | 212c | 0 | ||
| Дисперсная испыта-тельная пыль, 0-3 мкм | 1 | 632 | 43 | 29 | 28b | 1,5 | 2I7c | 0 |
| 633 | 0 | 72 | 28 | 35 | 140c | ~80h | ||
| Дисперсная испыта-тельная пыль, 0-5 мкм | 2 | 634 | 43 | 29 | 28b | 0,6 | 200c | 0 |
| 635 | 0 | 72 | 28 | 13 | 140c | ~80h | ||
| Примечания: a) отношение NC/микростекло составляет 60%/40%; b) порошки добавляли до начала реакции алюминий-вода; c) требуемая плотность материала 200 г/м2; d) и NC и диоксид кремния теряли в виде агрегатов NC-диоксид кремния; e) фильтрацию прерывали после 100 мин, когда только 40% смеси проходило через фильтрующий диск; f) данные отсутствуют; g) порошки добавляли после реакции алюминий-вода; h) почти все частицы диоксида кремния были потеряны. |
В образце 642 коллоидальный диоксид кремния добавляли после протекания реакции алюминий-вода. В этом случае время формования было очень коротким и не было потери массы. Это демонстрирует способ удерживания в волокнистой структуре коллоидального диоксида кремния с его очень высокой площадью поверхности (200±25 м2/г).
На фиг.15 приведена электронная микрофотография в проходящем свете этого образца 642. Из этой и других микрофотографий было оценено, что нановолокна в виде усов имеют диаметр 2-3 нанометра и длину в несколько сотен нанометров. Сферы нанодиоксида кремния появляются вдоль оси, полностью обволакивая композит из нанооксида алюминия/микростекла.
В образце 631, контрольном образце без нанооксида алюминия, коллоидальный диоксид кремния образовывал коллоид, который забивал отверстия, значительно увеличивая время формования до более чем 100 минут.
Образцы 632-636 представляют материал, получаемый путем добавления испытательных пылей, которые широко используют при разработке фильтра, и которые состоят в основном из диоксида кремния микронного размера. Испытательную пыль добавляли до реакции алюминия. Когда пыль не добавляли к смеси, потеря частиц с выходящим потоком было практически полной, и когда добавляли к смеси пыль, имеющую размер 0,3 или 0,5 мкм, потеря частиц с выходящим потоком была практически равна нулю. Кроме того, время формования было в 35 и в 22 раза больше соответственно для пылей размером 0,3 и 0,5 мкм без нанооксида алюминия, чем когда он присутствовал в волокнистом материале.
Прикрепленный коллоидальный диоксид кремния может действовать в качестве сорбента или он может быть химически обработан с помощью соответствующей реакции с целью прикрепления к нему органических лигандов.
ПРИМЕР 16: Катализатор
Испытание образца 634, приведенное выше в примере 15, было повторено в этом примере за исключением того, что вместо диоксида кремния использовали Carulite, катализатор из меди, активированной MnO2. Время формования, приведенное в таблице 11, показывает, что добавление катализатора Carulite к волокнистому материалу NC приводит к значению времени формования, которое составляет часть времени формования волокнистого материала без нанооксида алюминия. Короткое время формования связано со скоростью обезвоживания и является крайне важным для непрерывного производства нетканого материала путем способа мокрого формования.
Получающийся катализатор должен был бы быть более эффективным, чем гранулированные формы, что позволяло бы осуществлять окисление монооксида углерода или озона в слое меньшей толщины, так как большая величина площади поверхности катализатора по сравнению с площадью большой гранулы приводит к большей скорости реакции, например компонентов в газовой фазе.
Катализатором также мог бы быть благородный металл, такой как наноразмерная платина, прикрепленная к нанооксиду алюминия. Подложки и из нанооксида алюминия, и из микростекла стабильны при примерно 150°C и выше, так что структура NC/платиновый катализатор также является стабильной. При температурах, начиная примерно от 150°C, наноразмерная платина способна окислять загрязняющие вещества, такие как монооксид углерода и несгоревшие углеводороды из газов, включая выхлопные газы автомобилей.
| Таблица 11 Формование нетканого NC с катализатором |
||||||
| Частица | Основной размер частиц, мкм | Образец № | Нанооксид алюми-нияa, % | Стекло-микро-волок-ноa, % | Частицы Caru-lite, масс.% | Время формо-вания, мин |
| Carulite 400, Type C |
3-8 | 624 | 43 | 29 | 28b | 1,1±0,4 |
| 625 | 0 | 72 | 28 | 4±1 | ||
| Примечания: a) отношение NC/микростекло составляет 60%/40%; b) порошки добавляли до начала реакции алюминий-вода. |
ПРИМЕР 17: Наноуглерод
Испытание образца 634, приведенное выше в примере 15, было повторено в этом примере, за исключением того, что вместо диоксида кремния использовали частицы наноуглерода. В таблице 12 показано, что волокнистый материал NC, загруженный наноуглеродом, имеет время формования, которое является частью времени формования волокнистого материала без нанооксида алюминия. Не отмечалось различия во времени формования, когда наноуглерод добавляли или до, или после формования NC.
Такие формы углерода, суспендированного в нетканом материале, должны были бы иметь сорбционные свойства, превышающие сорбционные свойства ГАК, и, возможно, также и сорбционные свойства ПАУ.
| Таблица 12 Формование NC, содержащего наноуглерод |
||||||
| Частица | Основной размер частиц, мкм | Образец № | Нанооксид алюминияa, % | Стекломикро-волокноa, % | Наноуглерод, мас.% | Время формо-вания, мин |
| Наноуглерод | 0,3 | 645 | 43 | 29 | 28b | 0,45±0,10 |
| 646 | 0 | 72 | 28 | 2,0±0,5 | ||
| 647 | 43 | 29 | 28с | 0,5±0,1 | ||
| Примечания: a) отношение NC/микростекло составляет 60%/40%; b) порошки добавляли до формования NC; c) порошки добавляли после формования NC |
ПРИМЕР 18: РНК
Испытание образца 634, приведенное выше в примере 15, было повторено в этом примере, за исключением того, что вместо диоксида кремния использовали РНК (рибонуклеиновую кислоту из дрожжей Торула, поставляемую фирмой Sigma, Cat № R6625). Как показано в таблице 13, волокнистый материал NC, загруженный РНК, имеет время формования, которое составляет 8% от времени формования волокнистого материала без нанооксида алюминия.
| Таблица 13 Формование сконструированной бионаноструктуры |
||||||
| Частица | Основной размер частиц, мкм | Образец № | Нанооксид алюминияа, % | Стекломикрово-локнаа, % | РНК, мас.% | Время формо-вания, мин |
| RNA | 0,001с | 648 | 43 | 29 | 28b | 0,45±0,10 |
| 649 | 0 | 72 | 28 | 5,5±0,5 | ||
| Примечания: a) отношение NC/микростекло составляет 60%/40%; b) порошки добавляли после проведения реакции алюминий-вода, c) минимальный размер РНК |
Этот пример демонстрирует, что нановолокна из оксида алюминия могут присоединять элементарные биологические частицы, которые можно было бы включать в волокнистую структуру для осуществления биологического действия. В одном примере биологически активные компоненты, такие как факторы роста, вводят в структуры для медицинского применения, такие как нетканые раневые повязки, для ускорения процесса заживления. В дополнительном примере к таким повязкам добавляют наночастицы серебра для придания им противомикробного действия. В другом примере волокнистую структуру используют для доставки питательных веществ и лекарственных средств для проникновения через эпидермис. В еще ряде других примеров волокнистая структура могла бы быть использована в качестве сенсора, когда конкретная нуклеиновая кислота или белок, прикрепленный к нетканому материалу, может взаимодействовать с конкретным биологическим или химическим реагентом.
В еще ряде других примеров, на нетканой форме также распределяют и фиксируют искусственные макромолекулярные частицы, включая, например, полимерные частицы, имеющие специфические функциональные группы. В примерах для использования в качестве биокатализатора прикрепляют бактерии. Бактерии, суспендированные в нетканом материале, сохраняют жизнеспособность вследствие легкости перфузии кислорода, диоксида углерода и продуктов жизнедеятельности через материал.
ПРИМЕР 19: Порошкообразный активированный уголь
Испытание образца 634, приведенное выше в примере 15, было повторено в этом примере, за исключением того, что вместо диоксида кремния использовали порошкообразный активированный уголь (ПАУ). Как показано в таблице 12, волокнистая структура, включающая ПАУ, имеет время формования, которое меньше чем 5% времени формования волокнистого материала без нанооксида алюминия.
| Таблица 14 Формование смесей ПАУ |
||||||
| Частица | Образец № | Нанооксид алюминия, % | Микростекло-волокно, % | Оцениваемые вначале частицы, % | Время формо-вания, мин. | Плотность материала г/м2 |
| Calgon ПАУ | 650 | 43а | 29а | 28 | 0,6 | 198b |
| 651 | 0 | 72 | 28 | 13 | 200b | |
| Примечания: a) отношение NC/микростекло составляет 60%/40%; b) требуемая плотность материала 200 г/м2 |
ПРИМЕР 20: Волокна лиосел
Два грамма очищенных волокон лиосел, поставляемых фирмой Fiber Innovation Technology, диспергировали в 0,75 л очищенной с помощью обратного осмоса воды блендером, описанным в примере 12, при режиме "мелкое дробление льда" в течение 2 минут. Количество порошка алюминия, добавляемого к смеси, (0,61 г), было таким, чтобы после реакции твердые вещества состояли бы из 40 частей AlOOH и 60 частей волокон лиосел. Сухие порошки ПАУ добавляли до начала реакции алюминий-вода, и суспензии затем вручную перемешивали в стакане емкостью 1 л, и реакцию алюминий-вода проводили так же, как в примере 12.
В таблице 15 приведен состав волокнистого материала, содержащего ПАУ, и волокнистого материала, содержащего ПАУ, без нанооксида алюминия. Время формования варианта материала с ПАУ составляет 16% от варианта, когда он содержит нанооксид алюминия. Мутность входящего потока в ПАУ-NC волокнистый материал составляла величину 10 по сравнению с мутностью входящего потока 360 NTU без нанооксида алюминия, по-видимому, в результате быстрой интеграции ПАУ с другими волокнами. Наблюдалось образование макроволокнистых агломератов в исходном растворе, когда присутствовал нанооксид алюминия. Было отмечено, что отстаивание было очень быстрым, когда пол-литра исходного раствора ПАУ-NC смешивали в стакане емкостью 750 мл, и отстаивание происходило в стакане в течение 30-40 секунд, в конечном счете приводя к осветлению около 80% объема надосадочной жидкости до мутности менее чем 10 NTU, в то время как смесь ПАУ/лиосел (без нанооксида алюминия) не отстаивалась в течение нескольких часов. Было также отмечено, что мутность выходящего потока в случае ПАУ-NC была примерно в 12 раз меньше, чем в случае, когда отсутствовал нанооксид алюминия в результате проскока большей части частиц активированного угля. По-видимому, это были самые маленькие частицы, и весьма вероятно, что они способствуют высокой скорости адсорбции. Способность NC образовывать агрегаты с ПАУ, приводящая к высокому выходу образования композита, была четко продемонстрирована в случае замены микростекла на лиосел.
| Таблица 15 Формование смесей ПАУ с волокнами лиосел |
|||||||
| Частица | Образец № | Нанооксид алюминия, % |
Волокна лиосел, % |
ПАУ, % | Время формования, мин | Мутность входящего потока, NTU |
Мутность выходящего потока, NTU |
| Calgon ПАУ | 652 | 29 | 43 | 28 | 0,8±0,1 | 10±2 | 1,1±0,2 |
| 653 | 0 | 72 | 28 | 5,0±1,4 | 360±40 | 13±2 |
ПРИМЕР 21: Сформованные вручную листы ПАУ
В этом примере приготавливали из волокнистых материалов различные сформованные вручную листы, так же как в примере 20, за исключением того, что использовали большие количества компонентов для получения испытуемых образцов с большей площадью. Кроме того, в этом примере для повышения эластичности и прочности добавляли бикомпонентное волокно (Invista T105) и целлюлозу. Целлюлозу добавляли до того, как инициировали реакцию алюминий-вода, и бикомпонентное волокно добавляли после того, как волокнистый материал охлаждали и нейтрализовывали до примерно pH 7. И, наконец, в этом примере волокнистый материал разбавляли до 500:1, а не до 2000:1.
Сформованные вручную листы размером 12×12 дюймов приготавливали с помощью напорного ящика с отсосом воды через сетку с формованием бумагоподобного листа. Сформованный вручную лист сушили воздухом при комнатной температуре. В образцах, в которых использовали полимерное волокно, такое как бикомпонентное волокно, сформованные вручную листы сушили в сушильном шкафу и отверждали при 160°C в течение двадцати минут. Аналогичным образом получали сформованный вручную лист с чистым материалом NanoCeram без угля, обозначаемый как NC в таблице 16.
| Таблица 16 Состав и свойства сформованных вручную листов, содержащих ПАУ |
||||||||
| Материал | AlOOH, % |
Целлюлоза, % | Полиэфир-ные волок-на, % |
Слекло-микро-волокна, % | ПАУ, % | Толщина, мм | Плотность листов, г/м2 | Средний размер пор, мкм |
| 616 | 15 | 9 | 8 | 16 | 52 | 1,2 | 276 | 3,8 |
| 617 | 14 | 8 | 8 | 13 | 57 | 1,2 | 269 | 3,7 |
| 618 | 15 | 9 | 16 | 14 | 46 | 1,5 | 287 | 4,8 |
| 619 | 12 | 7 | 25 | 12 | 44 | 2,2 | 356 | 5,8 |
| 620 | 12 | 7 | 14 | 12 | 55 | 1,2 | 297 | 3,9 |
| 621 | 11 | 7 | 27 | 11 | 44 | 1,9 | 322 | 6,8 |
| NC | 37 | 20 | 13 | 30 | 0 | 0,8 | 220 | 2,4 |
Размер пор определяли, как описано выше в примерах 1-10. Размер пор всех испытуемых образцов был больше, чем размер пор фильтров из нанооксида алюминия/микростекла, что приводило к меньшему перепаду давления и к способности выдерживать более высокую скорость потока.
ПРИМЕР 22
Целью этих экспериментов было измерение улавливания микробов волокнистой структурой и ее сравнение с фильтрами, включающими только нанооксид алюминия/микростекло. Диск диаметром 25 мм вырезали из образца номер 617, описанного выше в примере 21 и таблице 16. Другой диск диаметром 25 мм вырезали из материала NC. Диски подвергали действию раствора бактерии Brevundimonas diminuta (поставляемой ATCC, Cat. No 11568). B. diminuta являются самыми маленькими культивируемыми бактериями, имея наименьший размер порядка только 0,3 мкм. Оба типа образцов исследовали с помощью аликвоты бактерий 10 мл при скорости 40 мл/мин, собирали в стерильные пробирки и затем анализировали на B. diminuta. В то время как ПАУ-NC был способен обеспечить 99% улавливания (таблица 17), NC без ПАУ превосходил этот результат. Снижение ПАУ от его начального уровня (57%) повышало улавливание бактерий. Оба типа фильтров также исследовали с вирусами MS2 (поставляемых ATCC, Cat. No 1S597-B1), которые имели размер 25 нанометров. В таблице 18 показано, что ПАУ-NC характеризуется почти таким же улавливанием вируса, как и NC.
| Таблица 17 Улавливание бактерии B. Diminuta с помощью материала NC и материала ПАУ/NC |
||||
| Материал | Толщина, мм | Плотность листов, г/м2 | Исходная концентра-ция, CFUa/мл | Удалениеb
B. Diminuta, % |
| 617c | 1,2 | 269 | 1×104 | 99 |
| NC | 0,8 | 220 | 7×105 | 99,95 |
| Примечания: a) колониеобразующие единицы (CFU); b) аликвоты объемом 10 мл пропускали через диски диаметром 25 мм при скорости 40 мл/мин и собирали в стерильные пробирки; c) 57 мас.% ПАУ (см. таблицу 16). |
| Таблица 18 Улавливание MS2 с помощью материала NC и материала ПАУ/NC |
||||
| Материал | Толщина, мм | Плотность листов, г/м2 | Исходная концентрация MS2, CFUa/мл | Удалениеb MS2, % |
| 616c | 1,2 | 276 | 6×106 | 99 |
| 617c | 1,2 | 269 | 1,8×106 | 99 |
| NC | 0,8 | 220 | 6×105 | 99,5 |
| Примечания: a) бляшкообразующие единицы (PFU); b) аликвоты объемом 10 мл пропускали через диски диаметром 25 мм при скорости 40 мл/мин и собирали в стерильные пробирки; c) см. таблицу 16. |
ПРИМЕР 23
Целью этих экспериментов было измерение эффективности динамической адсорбции растворенного загрязняющего вещества из водного потока. В качестве имитатора загрязняющего вещества использовали йод, так как емкость активированных углей оценивается производителями ГАУ и ПАУ по йодному числу. Йод также является удобным заменителем для хлора, который специально добавляют в качестве дезинфицирующего средства в потоки воды, но он придает питьевой воде плохой вкус и запах. Для удаления хлора в фильтрах для питьевой воды используют активированные угли.
В этом примере растворы с концентрацией йода 20 ppm пропускали через один слой дисков диаметром 25 мм из различных волокнистых материалов ПАУ-NC при скорости потока 50 мл/мин. Аликвоты объемом 2 мл собирали в кюветы (толщиной 1 см). Оптические плотности и исходного раствора, и выходящего потока измеряли при длине волны 290 нм с помощью спектрофотометра для ультрафиолетовой и видимой области Genesys-10. Метод имел предел обнаружения около 0,3 ppm.
Данные в таблице 19 показывают, что объем выходящего потока достигает 0,5 ppm (выше 0,5 ppm вкус йода обнаруживается обычным человеком) и 10 ppm (50% от содержания 20 ppm во входящем потоке).
Эффективность структуры ПАУ/NC улавливать йод при таких динамических условиях сравнивают с эффективностью материалов от трех производителей (A, B, и C). Материал (диаметром 2,5 дюйма и длиной 10 дюймов) вырезали из производимых в промышленности картриджей.
Проскок был почти моментальный в случае производимого в промышленности фильтрующего материала, в то время как структура ПАУ-NC длительно сохраняла емкость по йоду. На фиг.16 показана кривая проскока для образца 617 в сравнении с материалом трех производителей. Полулогарифмическую зависимость используют для более детального изображения кривых проскока, в частности для фильтрующего материала, производимого в промышленности.
Данные также показывают, что применение одного слоя материала, выпускаемого в промышленности, приводило бы к немедленному попаданию йода в выходящий поток, что определялось бы по вкусу и по запаху. В отличие от этого новая структура ПАУ-NC была способна пропускать около 800 мл раствора, содержащего 20 ppm йода до тех пор, пока содержание йода в выходящем потоке не достигало 0,5 ppm. Такая необычайная динамическая емкость при такой высокой скорости адсорбции по сравнению с выпускаемым в промышленности материалом (больше чем 800 к 1) стала неожиданностью. Не углубляясь в теорию этого вопроса, тем не менее, можно утверждать, что, по-видимому, мелкие частицы порошкообразного активированного угля задерживаются в структуре и не вымываются из нее.
В таблице 19 приведен объем раствора, очищенный от йода до концентрации 0,5 и 10 ppm. Приведено количество йода, адсорбированного до 10 ppm, наряду с вычисленным значением емкости по йоду, сравнивая массу йода, удаленного в динамических условиях со статической емкостью адсорбции, рассчитанной по величинам йодных чисел, сообщаемых производителями. Все образцы ПАУ/NC имели аналогичные кривые проскока, при этом каждый удерживал около 55%-72% от статической емкости для йода до обнаружения проскока йода, в то время как емкость, обеспечиваемая промышленным материалом, составляла только 3,4%. Эти данные подчеркивают преимущества использования для физической адсорбции или хемосорбции загрязняющих веществ из потока жидкости чрезвычайно мелких твердых частиц, которые удерживаются внутри структуры.
| Таблица 19 Адсорбция 20 ppm I2 с помощью одного слоя материала |
||||||
| Материал | Плотность мате-риала, г/м2 | Содержание угля в материале, % |
Объем (мл) I2 до 0,5 ppm | Объем (мл) I2 до 10 ppm | Количество адсорбиро-ванного I2 для снижения на 50% его содержания во входящем потоке, мг (I2)/г угля |
% от стати-ческой емкости сорбции |
| ПАУ/NC,№617 | 269 | 57 | 850 | 1700 | 443 | 55а |
| ПАУ/NC,№618 | 287 | 46 | 750 | 1850 | 533 | 67а |
| ПАУ/NC,№619 | 356 | 44 | 600 | 1760 | 553 | 67а |
| ПАУ/NC, №620 |
297 | 55 | 850 | 2110 | 517 | 65а |
| ПАУ/NC, №621 | 322 | 44 | 850 | 2050 | 579 | 72а |
| Производи-тель "A" | 350 | 50b | < 1d | 10d | 2b | 0,4b,с |
| Производи-тель "В" | 242 | 20-30b | < 1d | 20d | 11-17b | 2,2-3,4b,с |
| Производи-тель "С" | 237 | 20-30b | < 1d | 5d | 3-4b | 0,6-0,9b,с |
| Примечания: a) йодное число для Calgon WPH ПАУ составляет >800 мг/г. В этом примере его принимают равным 800 мг/г; b) оцененное значение; c) йодное число 500 мг/г полагали для оцененной массы угля для материала A, B, и C; d) три серии измерений, воспроизводимых внутри каждой серии. Для исключения любой возможности байпаса вследствие отсутствия смачивания, каждый образец замачивали в течение 2 часов и затем промывали как обычно струей, очищенной с помощью обратного осмоса воды. |
ПРИМЕР 24
Испытание образцов, такое же, как в примере 23, повторяли в этом примере за исключением того, что входящей поток содержал 500 ppm по сравнению с 20 ppm. Для повышения предела обнаружения использовали две различные длины волны: 290 нм для выходящих потоков с низкой концентрацией и 450 нм - для более высоких концентраций, где предел обнаружения также составлял около 3 ppm. Достигалась более высокая используемая емкость (от 76% до 147%) (таблица 20), приближаясь и превышая нижнее значение статического предела, определенного с помощью йодного числа. Более высокая степень использования емкости для более высоких исследуемых концентраций может быть объяснена с помощью изотерм адсорбции Лангмюра или Фрейндлиха, которые пересказывают более высокое улавливание сорбируемого вещества при более высоких концентрациях (C. Tien, Adsorption Calculations and Modeling, Butterworth-Heinemann, Boston, 2001). Значения статической емкости больше чем 100% объясняются тем, что йодное число, определяемое фирмой Calgon Carbon, то есть производителем, составляет больше чем 800 мг/г. При вычислении эту величину принимали равной 800 мг/г.
| Таблица 20 Адсорбция йода при его концентрации во входящем потоке 500 ppm с помощью одного слоя материала ПАУ |
|||||
| Материал | Плотность материала, г/м2 |
Содержание угля в мате-риале, % |
Объем (мл) раствора, в котором после адсорбции иода оставалось 250 ppm (50%) | Количество адсорбиро-ванного I2 для снижения на 50% его содержания во входящем потоке, мг (I2)/г угля | % от статичес-кой емкости сорбции |
| ПАУ/NC, №617 | 269 | 57 | 180 | 1170 | 147a |
| ПАУ/NC, №618 | 287 | 46 | 94 | 712 | 89a |
| ПАУ/NC, №619 | 356 | 44 | 95 | 607 | 76a |
| ПАУ/NC, №620 | 297 | 55 | 103 | 630 | 79a |
| ПАУ/NC, №621 | 322 | 44 | 150 | 1060 | 133a |
| Примечания: a) йодное число для Calgon Carbon Corp. WPH ПАУ составляет > 800 мг/г. В этом примере оно принимается равным 800 мг/г. |
Высокую емкость адсорбции ПАУ-NC по растворенным загрязняющим веществам можно непосредственно относить и к воздушному фильтру, на котором с помощью ПАУ, который вводят в воздушный фильтр, способны адсорбироваться летучие органические молекулы.
Кроме того, материал ПАУ-NC, используемый или в воздухе, или в воде, способен удалять хлор и бром так же быстро, как он удаляет йод. Этот фильтрующий материал мог бы быть использован в химической технологии, в которой в качестве реагента используют хлор. Следует отметить, что улавливание хлора с целью предотвращения его утечки в атмосферу, например, через отходящий газ является очень важным, так как он обнаруживается человеком по запаху при его содержании около 0,3 частей на миллион и выше и имеет порог раздражения около 0,5 частей на миллион. Кроме того, заявляемый материал ПАУ-NC используют для предотвращения утечки хлора при его транспортировке.
ПРИМЕР 25: Грязеемкость
Грязеемкость образца ПАУ-NC (образец 621) для A2 дисперсной испытательной пыли (фирмы PTI, Inc) измеряли и сравнивали (таблица 21) с материалом NC. Испытание включало обработку дисков диаметром 25 мм суспензией A2 дисперсной пыли в очищенной с помощью обратного осмоса воде с мутностью 250 NTU до тех пор, пока перепад давления не достигал 40 psi. При испытании мутность выходящего потока в каждом случае была меньше порога обнаружения 0,01 NTU, тем самым указывая, что выделение порошка в выходящий поток было минимальным. При удалении такой пыли материал, заполненный новым углем, был таким же эффективным, как и материал NC. Это было неожиданным результатом, так как ранее предполагали, что ПАУ снижает способность материала NC адсорбировать частицы.
| Таблица 21 Грязеемкость при вводимой концентрации 250 NTUa |
|
| Материал | Емкость, мг/см3 |
| PA C/NC №621 | 118 |
| NC | 110 |
| Примечания: a) соответствует загрузке A2 дисперсной пыли ~350 ppm. |
Примеры: Фильтрующее устройство
Следующие примеры иллюстрируют несколько вариантов осуществлений заявленного устройства. Эти примеры не следует воспринимать в качестве ограничения. Все проценты рассчитаны по массе.
Волокнистые структуры, входящие в состав устройства, получали из микростекловолокна, поставляемого фирмой Lauscha Fiber International (боросиликатное стекло, марка B-06-F, диаметр 0,6 мкм), порошка алюминия фирмы Atlantic Equipment Engineers (AL-100, 1-5 мкм), массы линтера хлопковой целлюлозы (марка 512) фирмы Buckeye Technologies Inc., ПАУ фирмы Calgon Carbon (марка WPH, 99%-100 меш, 95%-200 меш и 90%-325 меш, APS ~28 мкм), бикомпонентного полиэфирного волокна (марка T105, денье-титр 3.0, длина 0,25 дюймов) фирмы Invista, смолы Rhoplex HA-16 фирмы Rohm and Haas company, импрегнированного йодом (0,1%) ПАУ (90%-325 меш) фирмы Carbon, Inc., и суспензии очищенных волокон лиосел (20% в воде) фирмы Fiber Innovation Technology.
ПРИМЕР 26: Волокнистая масса наноксид алюминия/микростекло/серебро
В следующих примерах волокнистые массы нанооксида алюминия на микростекле получали путем смешения 2,89 г микростекловолокон с 1,92 г целлюлозы и диспергировали их в 0,8 л очищенной с помощью обратного осмоса воды, используя бытовой блендер (12-скоростной блендер Osterizer) в режиме "неполное измельчение" в течение 2 минут. Добавляли к смеси порошок алюминия (1,61 г), который затем перемешивали вручную.
Для инициирования реакции алюминия с водой с целью образования волокон нанооксида алюминия (AlOOH) и водорода добавляли гидроксид аммония (8 мл 36% раствора на 800 мл волокнистой массы). Смесь кипятили в течение 10 минут до тех пор, пока смесь не становилась белого цвета, и затем охлаждали и нейтрализовывали примерно до pH 7 с помощью хлористоводородной кислоты. На электронной микрофотографии в проходящем свете, приведенной на фиг.17, показан пример волокна из нанооксида алюминия, прикрепленного к микростекловолокну, который являлся результатом описанной выше смеси. Нановолокна из оксида алюминия имеют диаметр около 2-3 нм и длину около нескольких сотен нанометров.
Затем для повышения прочности образцов, после того как смесь нанооксид алюминия/микростекло охлаждали и нейтрализовывали, гомогенизировали бикомпонентное полиэфирное волокно (1,25 г) в блендере Osterizer при режиме "неполное измельчение" в течение 30 секунд и добавляли его к волокнистой массе вместе с 0,1 г Rhoplex. Частицы, включающие компоненты серебра, смешивали с суспензией или в то время, когда суспензия была горячей, или после ее охлаждения, но перед смешением. Волокнистую массу разбавляли 15 л очищенной с помощью обратного осмоса воды и затем отжимали на сите с получением волокнистой структуры толщиной около 0,8 мм и с плотностью 220±20 г/м2.
В таблице 22 приведено улавливание в динамических условиях вируса MS2 и бактерий E. coli с помощью различных устройств, содержащих описанные выше волокнистые структуры. Не наблюдалось заметного противомикробного действия в случае металлического серебра (образцы 196 и 197) при сравнении с контрольным фильтром, не содержащим серебра (образец 195). Данные анализа бактерий, приведенные в последней колонке таблицы, относятся к жидкости, которую получали с внешней поверхности фильтра в результате обратной промывки. В отличие от этого, когда жидкости фильтровали через устройства, включающие волокнистые структуры, которые содержали частицы ионов серебра, нанесенные на нановолокна из оксида алюминия, смешанные с микростекловолокнами, наблюдалось значительное снижение (примерно на 2-4 порядка величины) количества E. coli на волокнистой структуре (образцы 201-203).
| Таблица 22 Улавливание вирусов и улавливание/элюирование бактерий фильтрами, обработанными серебром |
||||||
| Образец № | Толщина, мм | Волокна, мас.% | Добавка | Удаление MS2, % | Удаление E. Coli, % | E. coli в обратной промывке фильтра спустя 24 часа (cfu/мл) |
| 188 | 0,8 | 0 | нет | 21 | 86 | 32000 |
| 189 | 1,5 | 0 | нет | 24 | 90 | 28000 |
| 190 | 0,4 | 0 | нет | 17 | 70 | 56000 |
| 191 | 0,8 | 0 | нет | 19 | 95 | 78000 |
| 194 | 1,6 | 40 | нет | 99,992 | > 99,9999 | 65000 |
| 195 | 1,5 | 40 | Ag гель | 99,994 | > 99,9999 | 45000 |
| 196 | 1,5 | 40 | Ag гель | 99,998 | > 99,9999 | 11000 |
| 197 | 1,6 | 40 | Ag коллоид | 99,92 | > 99,9999 | 35000 |
| 199 | 1,2 | 40 | Ag2О+ NH4OH |
99,999 | 99,9998 | 4500 |
| 201 | 0,9 | 40 | AgClO4 | 99,3 | 99,9998 | 51 |
| 202 | 0,9 | 40 | AgNO3 | 98 | 99,9991 | 2300 |
| 203 | 0,9 | 40 | AgNO3 | 85 | > 99,9999 | 300 |
ПРИМЕР 27: Формование волокнистой массы ПАУ/лиосел
Десять граммов очищенных волокон лиосел (20% сухой массы) диспергировали в 0,75 л очищенной с помощью обратного осмоса воды, используя такой же блендер, как описанный в примере 26, в режиме "мелкое дробление льда", в течение 2 минут. Количество порошка алюминия, добавляемое к смеси (0,61 г), было таким, чтобы после реакции твердые вещества состояли из 40 частей AlOOH и 60 частей волокон лиосел. Добавляли сухие порошки ПАУ перед реакцией алюминий-вода, и суспензии перемешивали вручную в стакане емкостью 1 л, и реакцию алюминий-вода проводили так же, как в примере 26.
В таблице 23 приведен состав волокнистых масс, содержащих ПАУ, в присутствии и в отсутствии нановолокон из оксида алюминия. Как видно из таблицы, время формования в присутствии нанооксида алюминия составляет около 16% от времени формования в отсутствии нанооксида алюминия. Мутность входящего потока для ПАУ-NC волокнистой массы была значительно ниже, чем мутность в случае отсутствия нанооксида алюминия, по-видимому, в результате быстрого прикрепления ПАУ к NC. В случае волокнистых масс, содержащих нанооксид алюминия, образовывались макроволокнистые агломераты, которые обнаруживались визуально в исходном растворе. При перемешивании пол-литра исходного раствора волокнистой массы волокон лиосел в стакане емкостью 750 мл отстаивание происходило быстро в течение 30-40 секунд, в результате чего осветлялось около 80% объема надосадочной жидкости до величины мутности менее чем 10 NTU, в то время как волокнистая масса ПАУ/лиосел (без нанооксида алюминия) не отстаивалась в течение нескольких часов.
В таблице 23 также показано, что мутность выходящего потока в случае ПАУ-NC была примерно в 12 раз меньше, чем мутность в случае отсутствия нанооксида алюминия. При отсутствии нанооксида алюминия вымывается большая доля частиц активированного угля. Наверняка это должны были быть самые маленькие из частиц, и весьма вероятно, что это те частицы, которые обеспечивают высокую скорость адсорбции. Способность NC образовывать агрегаты с ПАУ была продемонстрирована на волокнах лиосел, которыми в NC заменяли микростекло.
| Таблица 23 Формование волокнистых масс ПАУ/лиосел |
||||||||
| Частица | Образец № | Нанооксид алюминия, % | Волокна лиосел, % | ПАУ вначале |
Время формования | Мутность входящего потокаa, NTU | Мутность входя-щего пото-каb, NTU | Мутность входя-щего потокаc, NTU |
| Cal-gon ПАУ | 652 | 29 | 43 | 28 | 0,8 | 10 | < 0,01 | 1,1 |
| 653 | 0 | 72 | 28 | 5,0 | 360 | 38 | 13 | |
| Примечания: a) мутность, измеренная через 1 минуту после смешения; b) мутность, измеренная после 15 минут после смешения c) мутность, измеренная сразу после отбора пробы выходящего потока |
ПРИМЕР 28: Сформованные вручную листы ПАУ
В таблице 24 приведены состав и свойства образцов при использовании достаточно больших количеств компонентов при ручном формовании листов размером 30 см×30 см. Образцы ПАУ-NC приготавливали так же, как в примере 26, за исключением того, что целлюлозу добавляли до нагревания смеси. ПАУ добавляли после того, как смесь NC охлаждали и нейтрализовывали, вместе с бикомпонентными полиэфирными волокнами для повышения прочности образцов. В отличие от образцов 26 и 27, к волокнистой массе не добавляли связующее Rhoplex-16 во избежание известного в технике ухудшения свойств ПАУ.
В примерах волокнистая структура, включающая ПАУ-NC, имеет толщину примерно от 1,2 до 2,0 мм, которая частично зависит от колебаний составов волокнистой массы и количества ПАУ, добавляемого в смесь. Размер пор волокнистой структуры ПАУ-NC имеет тенденцию к увеличению по сравнению со структурами, которые включают только NC, позволяя волокнистым структурам ПАУ-NC иметь пониженное сопротивление потоку и работать при повышенных скоростях потока.
| Таблица 24 Состав и свойства испытуемых фильтров ПАУ/NC |
|||||||||
| Мате-риал | ALOOH, % | Целлю-лоза, % | Полиэфир-ные волок-на, % | Стекло-микро- волокна, % |
ПАУ % | Толщи-на, мм | Плотность, г/м2 | Разрывная длина в сухом состоянии, м | Средний размер пор, мкм |
| 616 | 15 | 9 | 8 | 16 | 52 | 1,2 | 276 | 117±4 | 3,8 |
| 617 | 14 | 8 | 8 | 13 | 57 | 1,2 | 269 | 111±12 | 3,7 |
| 618 | 15 | 9 | 16 | 14 | 46 | 1,5 | 287 | 217±6 | 4,8 |
| 619 | 12 | 7 | 25 | 12 | 44 | 2,0 | 356 | 691±50 | 5,8 |
| 620 | 12 | 7 | 14 | 12 | 55 | 1,2 | 297 | 345±50 | 3,9 |
| 621 | 11 | 7 | 27 | 11 | 44 | 1,9 | 322 | 651±110 | 6,8 |
| NCb | 35 | 21 | 13 | 31 | 0 | 0,8 | 200 | 242±20 | 2,3 |
| Примечания: a) разрывная длина, измеренная с помощью метода испытания TAPPI T-494 om-96; b) формуемые вручную листы из NC материала получали, как описано в примере 26, за исключением того, что в смесь не добавляли частицы серебра. |
ПРИМЕР 29
Целью этой серии опытов было измерение эффективности динамической адсорбции волокнистой структуры из вводимых потоков, содержащих 20 ppm йода в очищенной с помощью обратного осмоса воде. Йодное число по стандарту ASTM, которое характеризует насыщение адсорбента йодом при статических условиях, является самым распространенным показателем качества активированных углей. В этом примере эффективность динамической адсорбции йода для ПАУ/NC сравнивают с материалом от трех производителей (A, B, и C), которые вырезали из картриджей (диаметром 64 мм и длиной 250 мм), выпускаемых в промышленности.
Растворы йода пропускали при скорости потока 50 мл/мин через один слой диска диаметром 25 мм из материала, вырезанного из сформованных вручную листов (таблица 24). Аликвоты объемом два миллилитра собирали в кювету (толщиной 1 см) и измеряли концентрацию йода с помощью спектрофотометра для ультрафиолетовой и видимой области спектра Genesys-10 (предел обнаружения йода 0,3 ppm). Для испытаний с концентрацией 20 ppm йода значения оптических плотностей и для исходного раствора, и для выходящего потока измеряли при длине волны 290 нм.
В таблице 19 приведен объем жидкости, который прошел через фильтры до момента достижения 0,5 ppm и 10 ppm (50% от содержания йода во входящем потоке). Уровень 0,5 ppm йода в питьевой воде обнаруживается средним человеком и выше этого уровня вода становится неприятной на вкус. На фиг.16 приведена кривая для образца 617, которая иллюстрирует адсорбцию йода одним слоем волокнистых структур в сравнении с выпускаемыми в промышленности материалами A, B, и C, описанными ранее. Для того чтобы исключить любую возможность байпаса вследствие недостаточной смачиваемости, каждый образец вымачивали в течение 2 часов и затем, как принято, промывали струей очищенной с помощью обратного осмоса воды.
Как показано в таблице 19, через один слой любого из выпускаемого в промышленности материала A, B, и C (с приблизительно такой же плотностью, что и у заявляемых волокнистых структур ПАУ-NC) йод почти мгновенно проникает в выходящий поток при концентрации, которая обнаруживается на вкус и по запаху. В отличие от этого, волокнистые структуры, включающие ПАУ-NC, обеспечивали прохождение через них около 800 мл раствора, содержащего 20 ppm йода, до того как уровень йода в выходящем потоке достигал 0,5 ppm. Эта удивительная динамическая емкость по сравнению с выпускаемым в промышленности материалом (более чем 800 к 1) была неожиданной, и особенно удивительной является данная высокая скорость потока и то, что волокнистый материал включал только один слой смеси ПАУ-NC.
Количество адсорбированного йода, при котором содержание йода в растворе снижалось до 10 ppm, также приведено в таблице 19 наряду с вычисленным значением емкости по йоду при сопоставлении массы удаленного йода в динамических условиях со статической адсорбционной емкостью в форме величин йодных чисел, публикуемых производителями. Все образцы, приготовленные из волокнистых структур, включающих смесь ПАУ/NC, имели аналогичные кривые проскока, при этом каждый образец задерживал приблизительно 55%-72% от величины йодного числа, в то время как емкости выпускаемого в промышленности материала при снижении концентрации йода в растворе до 10 ppm (50% от концентрации во входящем потоке) составляли в самом лучшем случае только 1,4%.
ПРИМЕР 30
Пример 29 повторяли для нескольких образцов, за исключением того, что испытанию подвергали три слоя образца 617 (волокнистая структура, включающая смесь ПАУ/NC) в сравнении с производимым в промышленности материалом A, B, и C. В таблице 25 приведен объем выходящего потока, при котором достигаются содержания 0,5 ppm и 10 ppm (50% от содержания йода во входящем потоке), и на фиг.18 приведены кривые проскока для образца 621 и выпускаемого промышленностью материала A, B, и C, иллюстрирующие адсорбцию йода тремя слоями заявляемой волокнистой структуры.
Данные показывают, что через три слоя производимого в промышленности материала йод почти мгновенно (при прохождении 5-8 мл) проникает в выходящий поток при концентрациях, которые обнаруживаются по вкусу и запаху. В отличие от этого, данные показывают, что примерно 3800 мл раствора, содержащего 20 ppm йода, пропускали через заявляемую волокнистую структуру, включающую смесь ПАУ-NC, до того как содержания йода в выходящем потоке достигало 0,5 ppm, то есть достигается улучшение примерно 500 к 1.
Количество адсорбированного йода, при котором содержание йода в выходящем потоке снижалось до 10 ppm, также приведено в таблице 25 вместе с вычисленным значением емкости по йоду, при сравнении массы йода, удаленного с помощью заявляемой волокнистой структуры, включающей смесь ПАУ/NC, со статической адсорбционной емкостью из данных по величинам йодных чисел от производителей. Для ПАУ/NC (образец 621) адсорбция йода составляла примерно 91% от статической емкости. Для двух производимых в промышленности материалов она достигала 59% и 85% от статической емкости, но только при концентрациях йода значительно больше, чем 0,5 ppm, например при 10 ppm в выходящем потоке, то есть при 50% от исходной концентрации и выше.
| Таблица 25 Адсорбция 20 ppm йода тремя слоями материала |
||||||
| Материал | Плотность слоя, г/м2 |
Уголь в материа-ле, % | Объем (мл) раствора йода до 0,5 ppm | Объем (мл) раствора йода до 10 ppm | Адсорби-рованный йод при снижении на 50% его содержания в потоке, мг йода/г угля | % от стати-ческой сорбци-онной емкости |
| ПАУ/NC, №621 | 322 | 44 | 3800 | 7800 | 734 | 91а |
| Производитель «А» | 350 | 50b | 5d | 1600d | 122b | 15b,c |
| Производитель «В» | 242 | 30b | 8d | 3700d | 680b | 85b,с |
| Производитель «C» | 237 | 30b | 5b | 2500b | 470b | 59b,с |
| Примечания: йодное число для Calgon WPH ПАУ составляет > 800 мг/г. При вычислениях принимали, что оно равно 800 мг/г; b) оцененное значение; c) йодное число 800 мг/г принимали для суммарной массы материала A, B и C; d) три серии измерений, воспроизводимых внутри каждой серии. |
ПРИМЕР 31: Влияние на улавливание присутствия соли и высокой щелочности
В таблице 26 приведены данные по улавливанию бактерий B. Diminuta с помощью дисков из материала NC. Диски непрерывно подвергали воздействию жидкости, содержащей большое количество бактерий, при этом аликвоты для анализа отбирались в начальный момент времени и через два более поздних интервала времени. Данные показывают, что при увеличении количества бактерий в условиях высокого pH или на фоне морской соли снижение эффективности адсорбции является минимальным.
| Таблица 26 Улавливание бактерий B. diminuta одним слоем NC |
||||||||
| Материал | Толщина, мм | Плотность, г/м2 | Исследуемая вода | Улавливание B. diminuta,% | ||||
| РН | TDSa г/л | BD, CFUc мл |
0-10 мл | 60-70 мл | 130-140 мл | |||
| Нанооксид алюминия | 0,8 | 200 | 7,2 | 0 | 7×105 | 99,997 | 99,97 | 99,93 |
| 9,2 | 0 | 1,3×106 | 99,99 | 99,9 | ||||
| 7,2 | 30 | 1,2×106 | 99,9 | 99,7 | ||||
| Примечания: a) суммарно растворенные твердые вещества (TDS) в виде NaCl. |
В таблице 27 приведены данные по улавливанию вируса MS2 такими дисками при аналогичном режиме. Наблюдалась большая потеря эффективности по сравнению с той, которая наблюдалась для бактерий B. diminuta. Тем не менее, улавливание все же превышало 90% во всех случаях. Улавливание как бактерий, так и вирусов существенно повышается при увеличении количества слоев волокнистой структуры. Например, устройство, включающее три слоя волокнистой структуры, содержащей NC (приготовленной так же, как в примере 26, за исключением того, что не добавляли соль серебра), способно обеспечить 6 LRV бактерий и 4 LRV вирусов в чистой воде. Дополнительные слои требуются для компенсации отрицательного действия фоновых природных органических веществ, таких как гуминовая кислота, которая конкурирует с микробами за центры адсорбции.
| Таблица 27 Улавливание вируса MS2 одним слоем NC |
||||||||
| Материал | Толщина, мм | Плотность, г/м2 | Исследуемая вода | Удаление MS2,% | ||||
| РН | TDSa г/л | MS2b, PFU/мл | 0-10 млс | 60-70 млс | 130-140 млс | |||
| Нанооксид алюминия | 0,8 | 220 | 7,2 | 0 | 6×105 | 99,5 | 99,5 | 99,8 |
| 9,2 | 0 | 5×105 | 99,0 | 96,6 | ||||
| 7,2 | 30 | 5×105 | 99,4 | 98,6 | ||||
| 9,2 | 30 | 4×105 | 97 | 90 | ||||
| Примечания: a) суммарно растворенные твердые вещества (TDS) - морские соли; b) исходная концентрация MS2, бляшкообразующие единицы (PFU); c) аликвоты объемом 10 мл пропускали через диски диаметром 25 мм при 60 мл/мин и собирали в стерильные пробирки. |
ПРИМЕР 32: Устройство, включающее йодированные ПАУ/NC//ПАУ/NC волокнистые структуры в спирально намотанном картридже
На фиг.20 схематично изображена внутренняя конструкция используемого для очистки питьевой воды фильтровального картриджа, включающего заявленные спирально намотанные волокнистые структуры. В одном примере в качестве сердечника используют перфорированную полипропиленовую трубку (1), поставляемую фирмой Bentonville Plastics и имеющую диаметр около 33 мм и длину около 125 мм. Устройство имеет первый слой (2), который состоит из двух обмоток холста Typar (выпускаемого в промышленности фирмой BBA Fiberweb). Две выше расположенные волокнистые структуры (то есть y=2), включающие смесь ПАУ/NC (3) для фильтрации йода из первого слоя, располагают перед десятью ниже расположенными волокнистыми структурами (то есть n=10), включающими смесь ПАУ/NC (4) с около 0,1% йода в ПАУ и с ПАУ, составляющего около 57% в NC. Необязательно, вокруг вышерасположенного импрегнированного йодом слоя ПАУ/NC оборачивают наружный слой материала из стекла (5), имеющего размер пор около 8 мкм. В этом примере внешний диаметр обмотки составляет около 68 мм. Внешний слой (5) выполняет функции фильтра предварительной очистки для удаления крупных частиц.
Предпочтительно, чтобы картридж имел сквозную конструкцию с отверстиями на двух концах, одно из которых закрыто с помощью одобренной Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США двухкомпонентной эпоксидной смолы 7227 (фирмы Epic Resins) или пластизоля (фирмы International Coatings, Inc). Картридж затем помещают в кожух с входным отверстием, позволяющим потоку загрязненной воды проходить из внешнего диаметра через несколько слоев волокнистых структур и затем выходить по центральной оси в виде чистой и дезинфицированной воды.
Устройство, показанное на фиг.20, может быть использовано для удаления микробов в системе водопровода, в которой давление поставляемой муниципальной воды составляет около 3,5-5 бар. Данные, приведенные в таблице 28, относятся к версии фильтра уменьшенного размера, описанного выше, и в котором используют множество дисков диаметром 25 мм в качестве слоев, показанных схематично на фиг.19. Кроме того, данные в таблице 28 показывают, что заявляемое устройство способно задерживать больше чем около 6 LRV бактерий, больше чем около 4 LRV вирусов и больше чем около 3 LRV латексных шариков диаметром 4,3 мкм (используемых в качестве имитаторов оболочки споры) на фоне воды, содержащей дисперсную испытательную пыль, а также 10 ppm суммарного органического углерода в виде гуминовой кислоты с суммарной мутностью более чем 30 NTU (см. таблицу 28).
Экстраполирование данных, полученных для устройства уменьшенного размера (см. фиг.20), предполагает, что устройство в натуральную величину способно обеспечить очистку 9100 л, начиная со скорости потока более чем около 20 л/м и снижая до около 8 л/мин при 8000 л и затем 2 л/мин при 9100 л.
| Таблица 28 Улавливание микробов с помощью импрегнированного йодом ПАУa/NC фильтраb уменьшенного размера по протоколу Агентства по защите окружающей среды СШАc |
||||||||
| Момент испытания | Перепад давленияd, бар | Испытываемая вода | MS2, PFU/мл | E. coli, CFU/мл | ||||
| Тип | Мут-ность NTU | рН | Входящий поток, PFU/мл | LRV | Входящий поток, CFU/мл | LRV | ||
| Начальный момент времени | 0,9 | Очищенная с помощью обратного осмоса вода | < 0,01 | 7,0 | 5,0×04 | > 4,7 | 2,3×106 | > 6,7 |
| 3-й день (сере-дина) | 1,5 | Очищенная с помощью обратного осмоса вода | < 0,01 | 7,0 | 3,3×104 | > 4,5 | 3,3×106 | 6,2 |
| 6-й день (сере-дина) | 2,2 | Очищенная с помощью обратного осмоса вода | < 0,01 | 7,0 | 1,5×105 | 4,9 | 3,0×106 | 6,2 |
| После 48 часов остано-вки | 2,2 | Очищенная с помощью обратного осмоса вода | < 0,01 | 7,0 | 6,0×105 | > 5,5 | 2,2×106 | > 6,3 |
| 7-й день (сере-дина) | 2,7 | ЕРА №3 | 30,8 | 8,8 | 1,2×106 | > 5,8 | 2,1×106 | > 6,3 |
| 8-й день (ближе к концу) | 2,7с | ЕРА №3 | 31,8 | 9,2 | 1,3×106 | 6,1 | 1,3×106 | > 6,1 |
| После 48 часов остано-вки | 2,7f | ЕРА №3 | 31,0 | 9,0 | 2,1×106 | > 6,0 | 1,5×106 | > 6,2 |
| На 10,5 день | 2,7g | ЕРА №3 | 31,0 | 9,0 | 3,0×106 | > 6,2 | 1,5×106 | > 6,5 |
| Примечания: a) 0,1 мас.% йода в ПАУ (Cameron Carbon); b) 10 слоев NC, содержащего 0,1% мас.% йода в ПАУ (57% ПАУ в NC) с последующими 2 слоями ПАУ(57%)/NC; c) схема исследования: 33 ppm гуминовой кислоты (Na соли) использовали для корректировки суммарного содержания органических веществ в стандартной воде №3 Агентства по защите окружающей среды до >10 ppm; d) @ 11 мл/см2/мин; e) @ 7 мл/см2/мин; f) @ 5 мл/см2/мин; g) @ 5 мл/см2/мин. |
ПРИМЕР 33: Устройство, включающее волокнистые структуры йодированного ПАУ/NC//NC//ПАУ/NC, расположенные в спиральной компоновке
Был повторен описанный выше пример 32, за исключением того, что волокнистые структуры располагали в следующей конфигурации: четыре вышерасположенные волокнистые структуры (то есть y=4), включающие смесь ПАУ/NC, были импрегнированны 0,1% йода, за которыми следовали шесть нижерасположенных волокнистых структур (то есть, n=6), включающих смесь NC. Необязательно, внешний (выше расположенный) слой материала из стекла (5), имеющий размер пор около 8 мкм, наматывали вокруг вышерасположенной импрегнированной йодом волокнистой структуры ПАУ/NC.
Экстраполяция данных, полученных для устройства уменьшенного размера (см. фиг.20), предполагает, что устройство в натуральную величину способно улавливать около 6 LRV бактерий, около 4 LRV вирусов и около 3 LRV имитаторов оболочек спор (латексные шарики размером 4,3 мкм) по протоколу Агентства по защите окружающей среды США (см. таблицу 29).
| Таблица 29 Улавливание микробов с помощью импрегнированного йодом ПАУa/NanoCeram фильтраb уменьшенного размера по протоколу Агентства по защите окружающей среды СШАc |
||||||||
| Момент испытания | Перепад давленияd бар | Испытываемая вода | MS2, PFU/мл | E. coli, CFU/мл | ||||
| Тип | Мут-ность NTU | рН | Входящий поток PFU/мл | LRV | Входящий поток CFU/мл | LRV | ||
| Начальный момент времени | 0,9 | Очищенная с помощью обратного осмоса вода | < 0,01 | 7,0 | 5,0×104 | > 4,7 | 2,3×106 | > 6,7 |
| 3-й день (сере-дина) | 1,5 | Очищенная с помощью обратного осмоса вода | < 0,01 | 7,0 | 3,3×104 | > 4,5 | 3,3×106 | > 6,8 |
| 6-й день (сере-дина) | 2,2 | Очищенная с помощью обратного осмоса вода | < 0,01 | 7,0 | 1,5×105 | > 5,2 | 3,0×106 | > 6,8 |
| После 48 часов остано-вки | 2,2 | Очищенная с помощью обратного осмоса вода | < 0,01 | 7,0 | 6,0×105 | > 5,5 | 2,2×106 | > 6,3 |
| 7-й день (сере-дина) | 2,7 | ЕРА №3 | 30,8 | 8,8 | 1,2×106 | > 5,8 | 2,1×106 | > 6,3 |
| 8-й день (ближе к концу) | 2,7с | ЕРА №3 | 31,8 | 9,2 | 1,3×106 | 4,6 | 1,3×106 | > 6,1 |
| После 48 часов остановки |
2,7f | ЕРА №3 | 31,0 | 9,0 | 2,1×106 | > 6,0 | 1,5×106 | 6,2 |
| На 10,5 день | 2,7g | ЕРА №3 | 31,0 | 9,0 | 3,0×106 | > 6,2 | 1,5×106 | 6,2 |
| Примечания: a) 0,1 мас.% йода в ПАУ; b) четыре слоя (a), содержащих 57% ПАУ в NC, за которыми следовали 6 слоев NC и затем 2 слоя 57% ПАУ/NC; c) схема исследования такая же, как в примере 32; d) @ 11 мл/см2/мин; e) @ 3 мл/см2/мин; f) @ 2 мл/см2/мин; g) @ 1 мл/см2/мин. |
ПРИМЕР 34: Устройство, включающее импрегнированные серебром волокнистые структуры NC, расположенные в картридже гибридной конструкции
Данные, приведенные в таблице 30, иллюстрируют улавливание бактерий E. coli и вируса MS2 с помощью фильтра уменьшенных размеров, в котором используется фильтр предварительной очистки с размером пор 7 мкм перед волокнистой структурой, включающей NC и импрегнированной серебром (1%, см. пример 8). На фиг.19 схематично изображена внутренняя конструкция картриджа гибридного фильтра, имеющего гофрированную волокнистую структуру, которая окружает восемь спиральных обмоток выше расположенных волокнистых структур (то есть, y=8), включающих смесь NC, импрегнированную серебром. В другом примере вышерасположенная спиральная обмотка из волокнистой структуры включает смесь ПАУ/NC и дополнительно включает ПАУ, импрегнированный серебром или противомикробным агентом, таким как серебро, или, по меньшей мере, одним галогеном. В примере ПАУ поставлялся в импрегнированной серебром форме (фирмы Cameron Carbon или фирмы Calgon Carbon), или волокнистая структура ПАУ-NC может быть обработана раствором йода или до сборки, или даже после сборки фильтровального картриджа. В другом примере вышерасположенный слой ПАУ импрегнируют другим галогеном, таким как хлор, бром, или металлом, который обычно применяют для обезвреживания микробов (цинк и медь).
Схема устройства показана на фиг.19. Одну вышерасположенную волокнистую структуру (то есть, y=1), включающую NC и частицы серебра, нанесенные на нановолокна из оксида алюминия (так же, как в примере 27 выше), вставляли в держатель фильтра диаметром 51 мм с эффективной площадью фильтрации 26 см2 для моделирования гофрированной секции. Восемь нижерасположенных волокнистых структур (то есть, n=8), включающих смесь NC, имеющих диаметр 25 мм, использовали для моделирования секции спиральной намотки. Диски диаметром 25 мм с эффективной площадью 3,7 см2 поддерживали с помощью держателей фильтров.
В таблице 30 приведены результаты испытаний гибридного устройства уменьшенного размера, схематично изображенного на фиг.19. Как видно из таблицы, устройство способно удалять более чем 5 LRV бактерий и 4 LRV вирусов на фоне пыли и природного органического вещества. Устройство также способно фильтровать и дезинфицировать (с помощью йода) оболочки спор, размер которых составляет около 4 мкм.
Экстраполяция полученных и описанных выше данных показывает, что картриджи в натуральную величину с диаметрами 63 мм и длинами 250 мм были способны обеспечивать, например, скорость потока 16 л/мин в начале потока, 8 л/мин при 4000 л пропущенной воды и 4 л/мин при 8000 л. Кроме того, данные показывают, что один картридж для очистки воды, такой как изображен схематично на фиг.19 и 20, имеющий, например, традиционный кожух и размеры 63 мм диаметр и 250 мм длину, может удалить оболочки спор, бактерии и вирусы до величин стандарта Агентства по защите окружающей среды США и соответствовать требованиям этого стандарта для больших (например, 8000 литров) объемов воды при приемлемых скоростях потоков. Устройство, способное достигать таких результатов, неизвестно в технике.
| Таблица 30 Испытание материала ПАУ/NC материала уменьшенного размера для улавливания MS2 и E. coli |
|||||
| Время замера (литры) | Перепад давления, psi |
E. coli во входящем потоке, CFU/мл |
E. coli, LRVa | MS2 во входящем потоке, CFU/мл |
MS2, LRVa |
| 8,9b | 30 | 2,9×105 | > 6,0 | 1,5×104 | > 4,2 |
| После 63 часов остановкиc | 27 | 2,9×105 | > 5,8 | 1,5×104 | > 4,2 |
| 19,8b | 36 | 1,3×105 | > 5,0 | 7×104 | > 4,8 |
| После 15 часов остановкиc | 36 | 1,3×105 | > 5,4 | 7×104 | > 4,8 |
| 28,1b | 36 | 6,8×105 | > 6,1 | 6,9×104 | > 4,8 |
| После 15 часов остановкиc | 36 | 6,8×105 | > 6,1 | 6,9×104 | > 4,8 |
| 40,0b | 27 | 1,8×105 | > 5,6 | 6,9×104 | > 5,1 |
| После 15 часов остановкиc | 26 | 1,8×105 | >5,6 | 6,9×104 | > 4,8 |
| 54,9b | 40 | 4,9×105 | > 6,3 | 3,9×104 | 4,7 |
| После 15 часов остановкиc | 40 | 4,9×105 | > 6,0 | 3,9×104 | 4,5 |
| 62,5b | 34 | 1,0×105 | > 5,3 | 1,9×104 | > 4,4 |
| После 15 часов остановкиc | 34 | 1,0×105 | > 5,3 | 1,9×104 | > 4,3 |
| 72b | 40 | 1,0×105 | > 5,3 | 1,0×104 | > 4,0 |
| После 15 часов остановкиc | 40 | 1,0×105 | > 5,3 | 1,0×104 | > 4,0 |
| Примечания: a) логарифм величины удаления; b) аликвоту объемом 100 мл собирали в стерильную пробирку при скорости потока 30 мл/мин; c) аликвоту объемом 50 мл собирали сразу после начала фильтрации. |
РАСЧЕТЫ
Из данных, приведенных в таблице 1, воздухопроницаемость B (м2) для образцов определяли как:
| B=vµz/ΔP | (2) |
где v - скорость потока м/с при заданном ΔP,
µ - вязкость воздуха; для воздуха - µ=18,6×10-6 Па·с,
z - толщина материала,
ΔP - перепад давления на материале, Па.
Уравнение 2 предполагает, что поток через фильтр характеризуется вязким режимом течения. Кроме того, в случае измерений газового потока требуется выполнение двух дополнительных условий (2): (i) диаметры пор больше чем 1 микрон; (ii) абсолютное давление на входе потока в фильтр не больше чем в 1,1 раза абсолютного давления на выходе потока из фильтра, то есть избыточное давление на входе потока в фильтр должно составлять не более 40 дюймов H2O, когда избыточное давление на выходе потока из фильтра равняется нулю (то есть абсолютное давление 400 дюймов H2O). Когда эти два условия соблюдаются, уравнение 2 может быть использовано для оценки проницаемости.
Из уравнения (2) и данных, приведенных на фиг.1, была определена проницаемость фильтрующего материала. Из значения проницаемости и пористости определяли усредненный диаметр потока, d, следующим образом:
| d2=32B/ε2, | (3) |
где ε - пористость.
Диаметры потока d приведены в таблице 1. Средний размер пор материала из нанооксида алюминия изменялся от 4,2 до 38 мкм.
Из фиг.1, а также из аналогичных графических зависимостей для других образцов была определена зависимость линейной скорости воздуха через материал от приложенного перепада давления и она показана в таблице 1. Из этих уравнений ΔP воздуха (в мм воды, избыточное) при линейной скорости потока 3,2 м/мин сравнивают с ΔP воздуха для HEPA.
Несмотря на то, что выше было приведено очень подробное описание, следует иметь в виду, что примеры и подробные варианты осуществления представлены для разъяснения, а не для ограничения. Могут быть сделаны конструктивные изменения, особенно это касается формы, размера и схемы расположения, но в рамках сущности изобретения. Для специалистов в этой области очевидно, что такие изменения или модификации изобретения, или комбинации элементов, варианты, эквиваленты или усовершенствования в нем подпадают под объем изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения, и что настоящее изобретение может быть легко осуществлено при отсутствии какого-либо ограничения, не описанного в явной форме в этом документе.
1. Фильтрующее устройство, включающее в себя, по меньшей мере, один картридж, который имеет опорный элемент, поддерживающий, по меньшей мере, одну волокнистую структуру, причем каждая указанная волокнистая структура включает нановолокна из оксида алюминия и вторые волокна, смешанные с указанными нановолокнами из оксида алюминия, при этом указанные вторые волокна расположены так, чтобы создавать асимметрические поры.
2. Фильтрующее устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, одна из указанных волокнистых структур дополнительно включает множество частиц, нанесенных на указанные нановолокна из оксида алюминия.
3. Фильтрующее устройство по п.2, в котором указанные частицы выбирают из группы, состоящей из мелких частиц, ультрамелких частиц и наноразмерных частиц.
4. Фильтрующее устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, один из указанных картриджей включает 1+у расположенных выше волокнистых структур и 1+n расположенных ниже волокнистых структур, где у является целым числом от 0 до у, и где n является целым числом от 0 до n.
5. Фильтрующее устройство по п.2, в котором частицы включают противомикробный агент.
6. Фильтрующее устройство по п.5, в котором указанный противомикробный агент выбирают из группы, состоящей из порошкообразного активированного угля, импрегнированного порошкообразного активированного угля, серебра, меди, цинка, по меньшей мере, одного галогена, органических химических порошков и их комбинации.
7. Фильтрующее устройство по п.6, в котором указанный импрегнированный порошкообразный активированный уголь импрегнируют с помощью импрегнирующего вещества, выбранного из группы, состоящей, по меньшей мере, из одного галогена, серебра, цинка, меди, хлорамина и их комбинации.
8. Фильтрующее устройство по п.6, в котором указанный импрегнированный порошкообразный активированный уголь импрегнируют йодом.
9. Фильтрующее устройство по п.1, применяемое для очистки воды.
10. Фильтрующее устройство по п.1, в котором указанные нановолокна из оксида алюминия имеют соотношение размеров, которое больше, чем примерно 5, и наименьший размер, который меньше, чем примерно 50 нм.
11. Устройство для очистки питьевой воды, включающее 1+у расположенных выше волокнистых структур и 1+n расположенных ниже волокнистых структур, где у является целым числом от 0 до у, и где n является целым числом от 0 до n, где каждая волокнистая структура включает нановолокна из оксида алюминия и вторые волокна, смешанные с указанными нановолокнами из оксида алюминия, где указанные вторые волокна расположены так, чтобы образовывать асимметричные поры, где указанные 1+у расположенные выше волокнистые структуры дополнительно включают множество частиц, нанесенных на указанные нановолокна из оксида алюминия.
12. Устройство по п.11, которое соединено с противомикробным источником, расположенным выше по потоку указанного устройства.
13. Устройство по п.11, в котором указанные частицы выбирают из группы, состоящей из мелких частиц, ультрамелких частиц и наноразмерных частиц.
14. Устройство по п.11, в котором указанные частицы выбирают из группы, состоящей из противомикробного агента, порошкообразного активированного угля, импрегнированного порошкообразного активированного угля, серебра, меди, цинка, по меньшей мере, одного галогена, органических химических порошков и их комбинации.
15. Устройство по п.11, в котором указанными частицами является йод.
16. Устройство по п.11, в котором указанными частицами является противомикробный агент.
17. Устройство по п.11, в котором указанными частицами является порошкообразный активированный уголь.
18. Устройство по п.17, в котором указанный порошкообразный активированный уголь является импрегнированным.
19. Устройство по п.18, в котором указанный импрегнированный порошкообразный активированный уголь импрегнируют с помощью импрегнирующего вещества, выбранного из группы, состоящей из противомикробного агента, серебра, меди, цинка, хлорамина, по меньшей мере, одного галогена и их комбинации.
20. Устройство по п.18, в котором указанный импрегнированный порошкообразный активированный уголь импрегнируют йодом.
21. Устройство по п.11, в котором указанные 1+n расположенные ниже волокнистые структуры дополнительно включают множество частиц, нанесенных на указанные нановолокна из оксида алюминия.
22. Устройство по п.21, в котором указанные частицы выбирают из группы, состоящей из мелких частиц, ультрамелких частиц и наноразмерных частиц.
23. Устройство по п.21, в котором указанные частицы выбирают из группы, состоящей из противомикробного агента, порошкообразного активированного угля, импрегнированного порошкообразного активированного угля, серебра, меди, цинка, по меньшей мере, одного галогена и их комбинации.
24. Устройство по п.11, выполненное с возможностью дезинфицировать воду, по меньшей мере, до одного из следующих показателей: а. более чем примерно 6 LRV (логарифмический показатель снижения концентрации) бактерий; b. более чем примерно 4 LRV вируса; и с. более чем примерно 3 LRV оболочек спор.
25. Устройство по п.11, в котором, по меньшей мере, одна из указанных волокнистых структур выполнена с возможностью задерживать, по меньшей мере, около 99,9% мелких частиц пыли.
26. Устройство по п.11, в котором указанные расположенные выше волокнистые структуры и расположенные ниже волокнистые структуры являются одинаковыми.
27. Устройство по п.11, дополнительно включающее фильтр предварительной очистки.
28. Фильтрующее устройство по п.4, в котором указанные выше расположенные волокнистые фильтры и ниже расположенные волокнистые фильтры объединены в одну волокнистую структуру.
29. Фильтрующее устройство по п.1, которое является переносным.
30. Фильтрующее устройство по п.29, которое работает без использования насоса.
