CN106040174A - 用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂、碳/聚合物复合物以及吸附板 - Google Patents

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Abstract

[目的]提供用于吸附病毒的吸附剂、吸附板和碳/聚合物复合物，其中，可进一步改善病毒吸附能力。[技术手段]本发明的用于吸附病毒的吸附剂基于氮BET法的比表面积值为10m2/g以上；以及基于BJH法的孔容积为0.1cm3/g以上。本发明的用于吸附病毒的吸附板提供了包含多孔碳材料的板状部件，所述多孔碳材料基于氮BET法的比表面积值为10m2/g以上；以及基于BJH法的孔容积为0.1cm3/g以上。本发明的用于吸附病毒的碳/聚合物复合物包含多孔碳材料和粘合剂，所述多孔碳材料基于氮BET法的比表面积值为10m2/g以上；以及基于BJH法的孔容积为0.1cm3/g以上。

Description

用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂、碳/聚合物复合物以及吸 附板
本申请是申请日为2012年2月3日、发明名称为“用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂、碳/聚合物复合物以及吸附板”的申请号为201280008921.1的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂、碳/聚合物复合物以及吸附板。
背景技术
由传统的椰子壳和石油沥青制得的活性炭被用作许多过滤器的材料，并作为用于吸附病毒的吸附剂引起了人们的注意(参见，例如，日本专利申请特开2008-273914)。
引用文献列表
专利文献1：日本专利申请特开2008-273914
发明内容
技术问题
由于使用传统活性炭的病毒吸附剂所包含的活性碳主要具有大小为2nm以下的微孔，因此病毒吸附能力和细菌吸附能力不足。通过本发明人的研究，显示出应当进一步改善吸附能力。
相应地，本发明的目的为提供具有进一步改善的病毒吸附能力和/或细菌吸附能力的、用于吸附病毒和/或细菌(即，吸附病毒、或吸附细菌、或吸附病毒和细菌)的吸附剂；使用所述吸附剂的碳/聚合物复合物；以及吸附板。
解决技术问题的技术手段
为实现上述目的，根据本发明的第1方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂包含多孔碳材料，所述多孔碳材料基于氮BET法测得的比表面积值为10m2/g以上；以及基于BJH法测得的孔容积为0.1cm3/g以上。
为实现上述目的，根据本发明的第2方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂包含多孔碳材料，所述多孔碳材料基于氮BET法测得的比表面积值为10m2/g以上；以及由非局域密度泛函理论法(Non Localized Density Functional Theory)获得的直径为1×10-9m至5×10-7m的孔的总孔容积为0.1cm3/g以上。
为实现上述目的，根据本发明的第3方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂包含多孔碳材料，所述多孔碳材料基于氮BET法测得的比表面积值为10m2/g以上；以及由非局域密度泛函理论法获得的孔直径分布在3nm-20nm范围内至少有一个峰，其中孔直径为3nm-20nm的孔的总孔容积与全部孔的总孔容积的比值为0.2以上。
为实现上述目的，根据本发明的第1方面的用于吸附病毒和/或细菌的碳/聚合物复合物包含根据本发明的第1方面的多孔碳材料和粘合剂(binder)。
为实现上述目的，根据本发明的第2方面的用于吸附病毒和/或细菌的碳/聚合物复合物包含根据本发明的第2方面的多孔碳材料和粘合剂。
为实现上述目的，根据本发明的第3方面的用于吸附病毒和/或细菌的碳/聚合物复合物包含根据本发明的第3方面的多孔碳材料和粘合剂。
为实现上述目的，根据本发明的第1方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附板包含根据本发明的第1方面的多孔碳材料和支持件(support member)。
为实现上述目的，根据本发明的第2方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附板包含根据本发明的第2方面的多孔碳材料和支持件。
为实现上述目的，根据本发明的第3方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附板包含根据本发明的第3方面的多孔碳材料和支持件。
技术效果
在根据本发明的第1方面-第3方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂、碳/聚合物复合物、以及吸附板中，由于对所使用的多孔碳材料的比表面积值、孔容积值、以及孔直径分布进行了规定，从而能够高效率地吸附病毒和/或细菌。
附图说明
图1为显示实施例1-A、实施例1-B和比较例1的吸附剂的累计孔容积的测量结果的图。
图2为显示实施例1-A、实施例1-B和比较例1的吸附剂的累计孔容积的测量结果的图。
图3为显示通过非局域密度泛函理论法测定的实施例1-A、实施例1-B和比较例1的孔直径分布的测量结果的图。
图4为显示实施例1-A和比较例1的吸附剂的病毒感染滴度相对于作用时间的变化的图。
图5为显示实施例1-A、实施例1-B的吸附剂；以及比较例2-比较例4的遮罩(mask)的病毒感染滴度相对于作用时间的变化的图。
图6为显示实施例1的吸附板的示意断面结构的图。
图7为显示实施例2的吸附剂的每分钟的各种细菌的残余细菌数(以对数表示)的比较的图。
具体实施方式
下文中将参照附图对本发明的实施方式进行描述。然而，本发明并不限于所述实施方式，实施方式中的各种数值和材料均为示例。另外，将以下列顺序对实施方式进行描述。
1.对根据本发明的第1方面-第3方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂、碳/聚合物复合物、吸附板的总体说明
2.实施例1(根据本发明的第1方面-第3方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂、碳/聚合物复合物、吸附板)
3.实施例2(实施例1的其它应用例)
4.实施例3(实施例1的另一其它应用例)
5.实施例4(实施例1的另一其它应用例)及其它
在以下说明中，可将根据本发明的第1方面-第3方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂简称为“本发明的吸附剂”。可将根据本发明的第1方面-第3方面的碳/聚合物复合物简称为“本发明的碳/聚合物复合物”。可将根据本发明的第1方面-第3方面的吸附板简称为“本发明的吸附板”。可将本发明的吸附剂、本发明的碳/聚合物复合物和本发明的吸附板简称为“本发明”。可将构成本发明的吸附剂、本发明的碳/聚合物复合物和本发明的吸附板的多孔碳材料称为“本发明中的多孔碳材料”。
[对根据本发明的第1方面-第3方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂、碳/聚合物复合物、吸附板的总体说明]
在本发明中，多孔碳材料由植物来源材料制成。所述植物来源材料的非限制性实例为：稻(稻类作物)、大麦、小麦、黑麦、稗或粟等的谷壳或秸秆；咖啡豆；茶叶，例如绿茶或红茶等的叶子；甘蔗，更具体而言为甘蔗渣；玉米，更具体而言为玉米芯；果皮，例如蜜柑皮等柑橘类的皮或香蕉皮等；芦苇；裙带菜海藻茎(Wakame seaweed stem)(Undariapinnatifida)；陆生的维管植物；蕨类植物；苔藓类植物；藻类植物；以及海草。可将这些材料单独用作原料，或者将多种上述材料的组合用作原料。植物来源材料的形状和形态无特别限定。例如，植物来源材料可为谷壳或秸秆本身、或者干燥产物。另外，可使用在啤酒或洋酒(liqueur)等饮食品加工中进行过各种处理(包括发酵处理、烘焙处理或提取处理等)的材料。特别地，从工业废料回收再利用的角度来说，特别优选使用例如脱粒等工艺后的谷壳和秸秆。这些加工后的谷壳和秸杆可容易地从例如农业企业、酒精饮料生产商、食品公司或食品加工公司大量获得。
在包括上述优选实施方式的本发明的吸附板中，可使用织造布(woven fabric)和非织造布(non-woven fabric)作为支持件。可使用纤维素、聚丙烯和聚酯作为支持件的材料。另外，所述吸附板可具有如下的实施方式：将本发明中的多孔碳材料夹在支持件之间，且使多孔碳材料与支持件相捏合(kneaded)。作为在本发明的碳/聚合物复合物中包含的粘合剂，例如可使用醋酸硝化纤维素(carboxyl nitrocellulose)。
本发明可用于净化水或空气，通常用于净化流体。本发明的吸附剂可作为板状形态使用、装填入柱或筒(cartridge)中使用、利用粘合剂(binding agent)成型至期望形状使用、或作为粉末使用。当净化剂或吸附剂分散于溶液中使用时，可对其表面进行亲水处理或疏水处理后再投入使用。可将本发明的吸附板或本发明的碳/聚合物复合物制成空气净化装置的过滤器、遮罩、防护手套或防护靴。
在本发明中的多孔碳材料由含硅(Si)的植物来源材料制成的情况下，优选但不限于所述多孔碳材料由硅(Si)含量为5wt％以上的植物来源材料制成，且多孔碳材料具有5wt％以下、优选3wt％以下、更优选1wt％以下的硅(Si)。
本发明中的多孔碳材料可通过例如下述步骤获得：使植物来源材料在400℃至1400℃下碳化后，用酸或碱对经碳化的材料进行处理。在此类生产本发明的多孔碳材料的方法(在下文中简称为“生产多孔碳材料的方法”)中，将通过使植物来源材料在400℃至1400℃下碳化、但尚未经过酸或碱处理而得到的材料称为“多孔碳材料前体”或“碳质物质(carbonaceous substance)”。
在生产多孔碳材料的方法中，可在用酸或碱进行处理后施以活化处理。或者，可在施以活化处理后用酸或碱进行处理。在包括上述有利形态的生产多孔碳材料的方法中，尽管取决于所使用的植物来源材料，在使植物来源材料碳化前，可将植物来源材料在低于碳化温度的温度(例如，400℃至700℃)中、在隔绝氧气的条件下进行热处理(预碳化处理)。作为对碳化过程中产生的焦油组分进行提取的结果，可使得在碳化过程中产生的焦油组分减少或消除。可通过利用例如提供非活性气体(如氮气或氩气)气氛、提供真空气氛、或通过某一方式蒸烤植物来源材料来获得隔绝氧气的条件。在生产多孔碳材料的方法中，尽管取决于所用的植物来源材料，为减少矿物质组分或水分、或防止碳化过程中产生异味，可将植物来源材料浸于醇(例如，甲醇、乙醇和异丙醇)中。此外，在生产多孔碳材料的方法中，预碳化处理可在上述步骤之后进行。优选在非活性气体气氛中进行热处理的材料的实例包括生成大量焦木酸(焦油和轻质原油组分)的植物来源材料。此外，优选用醇进行预处理的材料的实例包括含有大量碘和各种矿物质的海藻类植物来源材料。
在生产多孔碳材料的方法中，使植物来源材料在400℃至1400℃下碳化。本文中，“碳化”通常是指将有机材料(对于本发明所述多孔碳材料的情况，为植物来源材料)通过加热处理转化成碳质物质(参见例如JIS M0104-1984)。碳化气氛的实例包括隔绝氧气的气氛。具体而言，包括真空气氛、非活性气体(包括氮气或氩气)气氛、以及在其中通过某一方式来蒸烤植物来源材料的气氛。在此类气氛下，温度升高至碳化温度的升温速率的实例包括但不限于1℃/min以上、优选3℃/min以上、更优选5℃/min以上。碳化时间段的上限的实例包括但不限于10h、优选7h、更优选5h。碳化时间段的下限可设定为能确保植物来源材料被碳化的时间。可将植物来源材料粉碎成具有期望粒径的颗粒，或者必要时可进行分级。植物来源材料可预先清洗。或者，可将所获得的多孔碳材料前体或多孔碳材料粉碎成具有期望粒径的颗粒，或在必要时可进行分级。此外，可将活化处理后的多孔碳材料粉碎成具有期望粒径的颗粒，或在必要时可进行分级。此外，可对最终得到的多孔碳材料进行灭菌处理。用于碳化的炉的形式、构造和结构并不受限制，可使用连续式炉或分批处理炉。
在上述的生产多孔碳材料的方法中，活化处理可以增加孔直径小于2nm的微孔(下文将加以描述)的数量。活化处理方法的实例包括气体活化法和化学活化法。在气体活化法中，可将氧气、水蒸气、二氧化碳气或空气等用作活化因子。将多孔碳材料在此类气体气氛中，在700℃至1400℃、优选700℃至1000℃、更优选800℃至1000℃下加热数十分钟到数小时，从而通过多孔碳材料中的碳分子或挥发性成分发展出微结构。需要更加具体指出的是，加热温度可根据植物来源材料的种类、气体的种类和浓度等适当选择。在化学活化法中，使用氯化锌、氯化铁、磷酸钙、氢氧化钙、碳酸镁、碳酸钾或硫酸等代替气体活化方法中所用的氧气和水蒸气对植物来源材料进行活化，并将所得到的产物用盐酸洗涤。用碱性水溶液调节多孔碳材料的pH。随后，将多孔碳材料进行干燥。
可对本发明中的多孔碳材料的表面进行化学处理或分子修饰。化学处理的实例包括如下处理：通过硝酸处理使得在表面上生成羧基基团。通过类似于使用水蒸气、氧气或碱等进行的活化处理而进行处理，可在多孔碳材料的表面产生各种官能团，例如羟基、羧基、酮基或酯基。另外，还可通过与化学物质(chemical species)或蛋白质进行化学反应来进行分子修饰，所述化学物质或蛋白质具有能够与多孔碳材料反应的基团(例如羟基、羧基和氨基等)。
在生产多孔碳材料的方法中，通过用酸或碱进行处理，除去了碳化后的植物来源材料中的硅组分(silicon component)。硅组分可为硅氧化物，例如二氧化硅、氧化硅和氧化硅的盐。通过除去碳化后的植物来源材料中的硅组分，能够得到具有高比表面积的多孔碳材料。在一些情况下，可利用干法刻蚀法来除去碳化后的植物来源材料中的硅组分。
本发明中的多孔碳材料可含有：镁(Mg)、钾(K)、钙(Ca)；非金属元素，例如磷(P)和硫(S)；或诸如过渡元素等的金属元素。例如，镁(Mg)含量可为0.01wt％以上且3wt％以下；钾(K)含量可为0.01wt％以上且3wt％以下；钙(Ca)含量可为0.05wt％以上且3wt％以下；磷(P)含量可为0.01wt％以上且3wt％以下；硫(S)含量可为0.01wt％以上且3wt％以下。从增高比表面积值的角度出发，优选这些元素的含量较低。无需赘言的是，多孔碳材料可包含除上述元素以外的其它元素，并且可调整上述各元素的含量。
在本发明中的多孔碳材料中，对各种元素的分析可通过使用例如能量色散X射线分析仪(例如，JEOL Ltd.制造的JED-2200F)，根据能量色散法(EDS)进行。测量条件例如可包括15kV的扫描电压和10μA的照射电流。
本发明中的多孔碳材料具有大量的孔。所述孔包括孔直径为2nm-50nm的“介(meso)孔”、孔直径小于2nm的“微(micro)孔”以及孔直径大于50nm的“大(macro)孔”。具体而言，介孔包含例如大量的孔直径为20nm以下的孔、特别是大量的孔直径为10nm以下的孔。本发明的多孔碳材料通过BJH法测得的孔容积优选为0.1cm3/g以上、更优选为0.2cm3/g以上、更进一步优选为0.3cm3/g以上、甚至更优选为0.5cm3/g以上。
为获得更出色的功能，本发明中的多孔碳材料优选具有50m2/g以上、更优选100m2/g以上、进一步更优选以及最优选400m2/g以上的比表面积值，所述比表面积值通过氮BET法进行测量(下文中可简称为“比表面积值”)。
氮BET法为如下方法：通过使吸附分子(admolecules)(即氮气)吸附至吸附剂(本文中为多孔碳材料)并从吸附剂中脱附来测量吸附等温线，并将所测得的数据根据由式(1)表示的BET公式进行分析。可根据这一方法计算比表面积或孔容积等。具体而言，在通过氮BET法计算比表面积值的情况下，首先，通过使吸附分子(即氮气)吸附至多孔碳材料并从多孔碳材料中脱附得到吸附等温线。其后，根据式(1)或式(1′)(通过式(1)变型得到)，由所得到的吸附等温线计算出[p/{Va(p0-p)}]，并将计算结果根据平衡相对压力(p/p0)绘图。然后，把所绘图看作直线，根据最小二乘法计算出斜率s(s＝[(C-1)/(C·Vm)])和截距i(i＝[1/(C·Vm)])。之后，根据式(2-1)和式(2-2)，由所得到的斜率s和截距i计算出Vm和C。根据式(3)由Vm计算出比表面积asBET(参见由BEL JAPAN INC.制造的BELSORP-mini和BELSORP分析软件的手册第62-66页)。氮BET法为根据JIS R 1626-1996“通过气体吸附BET法测量细陶瓷粉末的比表面积的方法”的测量方法。
Va＝(Vm·C·p)/[(p0-p){1+(C-1)(p/p0)}] (1)
[p/{Va(p0-p)}]＝[(C-1)/(C·Vm)](p/p0)+[1/(C·Vm)] (1′)
Vm＝1/(s+i) (2-1)
C＝(s/i)+1 (2-2)
asBET＝(Vm·L·σ)/22414 (3)
其中，
Va为吸附量；
Vm为单分子层吸附量；
p为平衡状态下的氮气压力；
p0为氮气的饱和蒸汽压；
L为阿伏伽德罗常数；以及
σ为氮气的吸附截面积。
在通过氮BET法计算孔容积Vp的情况下，例如，所得到的吸附等温线的吸附数据通过线性内插运算，以测定在相对压力(为计算孔容积而设定的相对压力)下的吸附量V。孔容积Vp可根据式(4)由吸附量V计算得到(参见由BEL JAPAN INC.制造的BELSORP-mini和BELSORP分析软件的手册，第62-65页)。可将根据氮BET法测得的孔容积简称为“孔容积”。
Vp＝(V/22414)×(Mg/ρg) (4)
其中，
V为相对压力下的吸附量；
Mg为氮气的分子量；以及
ρg为氮气的密度。
例如，根据BJH法，由孔容积相对于孔直径的变化率可将介孔的孔直径计算为孔的分布。BJH法为广泛用作孔直径分布分析的方法。在根据BJH法进行孔直径分布分析的情况下，首先，通过使吸附分子(即氮气)吸附至多孔碳材料并从多孔碳材料中脱附而得到吸附等温线。其后，根据所得到的吸附等温线，当吸附分子(例如氮)从孔填充有吸附分子的状态中逐渐吸附/脱附时，得到吸附层的厚度和在该情况下所生成的孔的内直径(芯半径的2倍)。孔半径rp根据式(5)计算。孔容积根据式(6)计算。然后，由孔半径和孔容积，通过绘制孔容积相对于孔直径(2rp)的变化率(dVP/drp)，得到孔分布曲线(参见由BEL JAPAN INC.制造的BELSORP-mini和BELSORP分析软件的手册，第85-88页)。
rp＝t+rk (5)
Vpn＝Rn·dVn-Rn·dtn·c·ΣApj (6)
其中，
Rn＝rpn 2/(rkn-1+dtn)2 (7)
其中，
rp为孔半径；
rk为在该压力下，厚度为t的吸附层吸附至孔半径为rp的孔的内壁时的芯半径(内直径/2)；
Vpn为发生氮的第n次吸附/脱附时的孔容积；
dVn为发生氮的第n次吸附/脱附时的变化量；
dtn为发生氮的第n次吸附/脱附时吸附层厚度tn的变化量；
rkn为发生氮的第n次吸附/脱附时的芯半径；
c为固定值；以及
rpn为发生氮的第n次吸附/脱附时的孔半径。
另外，ΣApj表示从j＝1到j＝n-1的孔壁表面积的积分值。
根据例如MP法，由孔容积相对于孔直径的变化率可将微孔的孔直径计算为孔的分布。在通过MP法进行孔分布分析的情况下，首先，通过使氮气吸附至多孔碳材料而得到吸附等温线。其后，将该吸附等温线转换为孔容积与吸附层厚度t的关系(相对于t绘制)。然后，基于所绘图的曲率(相对于吸附层厚度t变化量的孔容积变化量)得到孔分布曲线(参见由BEL JAPAN INC.制造的BELSORP-mini和BELSORP分析软件的手册，第72-73页和第82页)。
将附至自动比表面积/孔分布测量装置“BELSORP-MAX”(由BEL JAPAN INC.制造)的软件在如下所述的非局域密度泛函理论法(NLDFT法)中用作分析软件：JIS Z8831-2:2010“粉末(固体)的孔分布和孔特性第2部分：通过气体吸附进行的介孔和大孔的测定方法”以及JIS Z8831-3:2010“粉末(固体)的孔分布和孔特性第3部分：通过气体吸附进行的微孔的测定方法”。假定所形成的模型具有圆柱形形状和炭黑(CB)作为前提而进行分析。随后，将孔分布参数的分布函数设定为“非假设(no-assumption)”，并对所得到的分布数据进行10次平滑处理(smoothing)。
将多孔碳材料前体用酸或碱进行处理。例如，可将多孔碳材料前体浸于酸或碱的水溶液中。或者，可将多孔碳材料前体与酸或碱在气相中彼此反应。更具体而言，可使用酸性的氟化合物作为酸以进行酸处理，如氟化氢、氢氟酸、氟化铵、氟化钙或氟化钠。在使用氟化合物的情况下，氟元素的量可为多孔碳材料前体中所含的硅组分中的硅元素的量的4倍，并且氟化合物水溶液的浓度优选为10wt％以上。在通过氢氟酸除去多孔碳材料前体中所含的硅组分(如二氧化硅)的情况下，如化学式(A)或化学式(B)所示，二氧化硅与氢氟酸发生反应，并作为六氟硅酸(H2SiF6)或作为四氟化硅(SiF4)被除去。由此得到多孔碳材料。其后，可对所得材料进行清洗和干燥。
SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O (A)
SiO2+4HF→SiF4+2H2O (B)
在用碱(碱基)对所述前体进行处理的情况下，碱可为氢氧化钠。在使用碱的水溶液的情况下，水溶液的pH值可为11以上。在通过氢氧化钠水溶液除去多孔碳材料前体中所含的硅组分(例如二氧化硅)的情况下，如化学式(C)所示，通过加热氢氧化钠水溶液使二氧化硅与氢氧化钠反应，并作为硅酸钠(Na2SiO3)被除去。由此得到多孔碳材料。在通过于气相中与氢氧化钠反应来对所述前体进行处理的情况下，如化学式(C)所示，通过加热处于固态的氢氧化钠使二氧化硅与氢氧化钠反应，并作为硅酸钠(Na2SiO3)被除去。由此得到多孔碳材料。之后，可对所得材料进行清洗和干燥。
SiO2+2NaOH→Na2SiO3+H2O (C)
本发明中的多孔碳材料可为例如日本专利申请特开2010-106007中所公开的具有三维规则排列的孔的多孔碳材料(具有所谓的反蛋白石(inverted opal)结构的多孔碳材料)。具体而言，所述多孔碳材料为包含平均直径为1×10-9m至1×10-5m且表面积为3×102m2/g以上的三维排列球型孔的多孔碳材料。优选具有下述孔的多孔碳材料：以对应于晶体结构的排列状态宏观排列的孔。或者，所述多孔碳材料具有以对应于面心立方结构中的(111)平面取向的排列状态在其表面上宏观排列的孔。
实施例
实施例1
实施例1涉及根据本发明的第1方面-第3方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂、根据本发明的第1方面-第3方面的碳/聚合物复合物和根据本发明的第1方面-第3方面的吸附板。
根据本发明的第1方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂，实施例1的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂(以下简称为“吸附剂”)包含多孔碳材料，所述多孔碳材料基于氮BET法测得的比表面积值为10m2/g以上；以及基于BJH法测得的孔(介孔至大孔)容积为0.1cm3/g以上。
根据本发明的第2方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂，实施例1的吸附剂包含多孔碳材料，所述多孔碳材料基于氮BET法测得的比表面积值为10m2/g以上；以及由非局域密度泛函理论法测得的直径为1×10-9m至5×10-7m的孔的总孔容积为0.1cm3/g以上。
此外，根据本发明的第3方面的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂，实施例1的吸附剂包含多孔碳材料，所述多孔碳材料基于氮BET法测得的比表面积值为10m2/g以上；以及由非局域密度泛函理论法获得的孔直径分布在3nm-20nm范围内至少有一个峰，其中孔直径为3nm-20nm的孔的总孔容积与全部孔的总孔容积的比值为0.2以上。
在实施例1中，所述多孔碳材料由作为植物来源材料的稻(稻类作物)的谷壳制成。通过将作为植物来源材料的谷壳碳化使之转化为碳质物质(多孔碳材料前体)，再对其施以酸处理，从而得到实施例1中的多孔碳材料。下文中，将描述生产实施例1中的吸附剂的方法。
实施例1的多孔碳材料通过如下步骤获得：使植物来源材料在400℃至1400℃下碳化，然后将所得到的产物用酸或碱进行处理。也就是说，首先，将谷壳在非活性气体气氛中进行热处理(预碳化处理)。具体而言，将谷壳在500℃下于氮气流中加热5h以使之碳化，由此得到碳化物(carbide)。通过此类处理，能够减少或除去将在接下来的碳化处理中产生的焦油组分。其后，将10g的碳化物放入氧化铝坩埚中，在氮气流(5L/min)中，使温度以5℃/min的速度升至800℃。在800℃下碳化1h以将碳化物转化为碳质物质(多孔碳材料前体)，然后，将碳质物质冷却至室温。在碳化和冷却期间保持氮气流动。之后，通过浸入46vol％的氢氟酸水溶液中过夜，对多孔碳材料前体进行酸处理，随后用水和乙醇对所述前体进行洗涤至pH达到7。随后，在120℃下干燥所述前体并使所述前体的温度在氮气流中升至900℃。接下来，通过在水蒸气流中于900℃下加热3h对前体进行活化处理。由此可得到实施例1中的吸附剂。将如此获得的吸附剂称为实施例1-A的吸附剂。
通过改变煅烧条件(如煅烧温度)，获得实施例1-B的吸附剂。
作为比较例1，使用了由椰子壳活性炭制成的市售吸附剂(Wako Pure ChemicalIndustries Ltd.制)。作为比较例2，使用了市售的聚丙烯非织造布遮罩。作为比较例3，使用了市售的聚丙烯非织造布遮罩。作为比较例4，使用了市售的聚酯非织造布遮罩。
为得到比表面积和孔容积，使用BELSORP-mini(BEL JAPAN INC.制造)作为测量设备进行了氮气吸附和脱附试验。作为测量条件，将测量平衡相对压力(p/p0)设定为0.01-0.99。使用上述测量设备进行氮气吸附和脱附试验，根据BJH法和MP法，通过使用BELSORP分析软件来计算介孔和微孔的孔直径分布。通过压汞法(mercury intrusion method)测量多孔碳材料的孔。具体而言，通过使用水银孔隙度计(由Thermo Electron Corporation制造的PASCAL440)来进行压汞法。更进一步，在基于非局域密度泛函理论(NLDFT)法进行的分析中，使用附至自动比表面积/孔分布测量仪器“BELSORP-MAX”(由BEL JAPAN INC.制造)的软件。在进行测量前，将样品在200℃下干燥3h作为其预处理。
对实施例1-A、实施例1-B和比较例1的吸附剂；以及比较例2-比较例4的遮罩各自的比表面积和孔容积进行了测量。表1示出了结果。在表1中，“比表面积”和“总孔容积”是指通过氮BET法测定的比表面积和总孔容积。单位分别为m2/g和cm3/g。“MP法”、“BJH法”和“压汞法”分别是指通过MP法测量的孔容积(微孔)的测量结果、通过BJH法测量的孔容积(介孔至大孔)的测量结果、以及通过压汞法测量的孔容积的测量结果。孔容积的单位为cm3/g。图1和图2显示了实施例1-A、实施例1-B和比较例1各自的累计孔容积的测量结果。此外，图3示出了通过非局域密度泛函理论法确定的孔直径分布的测量结果。孔直径为3nm-20nm的孔的总孔容积与全部孔的总孔容积的比值如下：
实施例1-A：0.407(全部孔的总孔容积：2.16cm3/g)
实施例1-B：0.479(全部孔的总孔容积：1.33cm3/g)
比较例1：0.134(全部孔的总孔容积：0.756cm3/g)
表1
显示出与比较例1的吸附剂相比，实施例1-A和实施例1-B的吸附剂在介孔至大孔的孔容积方面、以及在由压汞法测得的孔容积方面具有更高的值。
评价了实施例1-A、实施例1-B和比较例1的吸附剂；以及比较例2-比较例4的遮罩各自对A型流感病毒的抗病毒特性。A型流感病毒的大小为80nm-120nm。
具体而言，根据TCID50法对A型流感病毒的病毒感染滴度进行了测定。表2和表3中示出了结果。病毒感染滴度的单位为TCID50/ml。感染滴度的对数下降值通过log10确定(初始感染滴度/作用时间中的感染滴度)。吸附剂浓度由每5ml缓冲溶液中添加的吸附剂的量(单位：mg)来表示。在参考例中并未添加吸附剂。图4和图5各自显示了病毒感染滴度相对于作用时间的变化。
表2
表3
当向5ml缓冲溶液中添加5mg吸附剂时，在60分的作用时间中，实施例1-A的吸附剂的感染滴度对数下降值显示为“2.2”和“3.9”。当向5ml缓冲溶液中添加5mg吸附剂时，在60分的作用时间中，实施例1-B的吸附剂的感染滴度对数下降值显示为“3.7”。另外，已经发现抗病毒特性依赖于吸附剂浓度。证明了与比较例1相比，实施例1-A和实施例1-B各自都具有较高的抗病毒特性，这可归因于介孔区域的孔直径分布和大孔区域的孔直径分布间的区别。换言之，实施例1-A和实施例1-B的吸附剂的介孔区域和大孔区域发达，有效吸附约80nm-120nm大小的单个病毒和/或病毒表面存在的刺突蛋白(spike protein)。因此，推测可提供高的抗病毒效果。另一方面，由于比较例1的吸附剂具有极小的介孔区域和大孔区域、而主要具有微孔区域，因此不能有效吸附约80nm-120nm大小的单个病毒和/或病毒表面存在的刺突蛋白。推测仅可提供低的抗病毒效果。
神经氨酸酶(neuraminidase)为流感病毒表面上存在的刺突蛋白，将其溶解于磷酸盐缓冲液中，使得神经氨酸酶的浓度为20mg/ml。向5ml的神经氨酸酶溶液分别添加3mg的实施例1-A的吸附剂和比较例1的吸附剂。在1小时和3小时后，测定神经氨酸酶的除去率。其结果在以下表4中示出。与比较例1相比，实施例1-A的吸附剂具有显著更高的神经氨酸酶除去率。
表4
图6显示了根据实施例1的吸附板的断面结构示意图。实施例1的吸附板包含实施例1的多孔碳材料和支持件。具体而言，实施例1的吸附板具有下列结构：板状形式的多孔碳材料(即碳/聚合物复合物1)夹在纤维素支持件(非织造布2)和支持件(非织造布2)之间。所述碳/聚合物复合物1包含实施例1的多孔碳材料和粘合剂。所述粘合剂例如为醋酸硝化纤维素。此外，所述吸附板可具有下列实施方式：实施例1的多孔碳材料可被涂布于支持件；或实施例1的多孔碳材料可与支持件相捏合。
实施例2
在实施例2中，评价了对多种细菌的细菌吸附能力。在实施例2中，使用了实施例1-A的吸附剂。向5ml的各测试菌液中添加5mg的实施例2的吸附剂以提供测试液。然后，在25℃下，将所述测试液在预定时间内振荡(120rpm)，并随后立即进行离心分离(2000rpm，10秒)，从而使吸附剂沉淀。随后，取1ml的上清液，并将其添加至9ml的SCDLP肉汤培养基(EikenChemical Co.，Ltd.)。对由此获得的样品液进行测量并确定每ml上清液的细菌数。最低测定限为100CFU/ml。重复类似操作，但不添加吸附剂，从而提供对照。表5示出了所得的测试结果。图7示出了在实施例2的吸附剂中，每分钟的多种细菌的残余细菌数(对数表示)的比较。在图7中，每一时间示出了5个柱形图。由左至右为关于金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、肠出血性大肠杆菌(Enterohemorrhagic E.coli)、乳酸菌(lactic acid bacteria)、柠檬酸杆菌(Citrobacter)以及肠球菌(enterococci)的测试结果。作为对照，0min时的值为4.0×107；5min时的值为2.8×106。
表5
时间 0分 1分 2分 3分 4分 5分
金黄色葡萄球菌 4.8×106 1.6×107 1.1×106 2.9×105 2.8×105 9.0×104
肠出血性大肠杆菌 1.1×106 3.3×105 3.2×104 3.8×104 1.3×104 4.4×104
乳酸菌 1.1×107 2.7×106 2.2×106 1.6×106 1.6×106 3.1×106
柠檬酸杆菌 1.2×107 1.5×106 7.0×105 3.4×105 1.1×105 4.8×104
肠球菌 3.6×106 2.4×106 2.1×106 2.9×106 5.6×105 2.3×105
测试结果显示实施例2的吸附剂吸附细菌并减少残余细菌数。另外，残余细菌数在短时间内(如1至5分钟内)即得以降低。因此，当以实施例2的吸附剂对含有细菌的水进行处理时，细菌数可在短时间有效地得以降低，从而改善水质。特别地，所述吸附剂很好地吸附金黄色葡萄球菌(引发感染的细菌)、肠出血性大肠杆菌(产生毒素的细菌)、柠檬酸杆菌(污染性细菌)；并较少吸附乳酸菌(肠内良性细菌)和肠球菌(正常栖居菌)。证实了所述吸附剂具有选择性。
实施例3
在实施例3中，使用实施例1-A的吸附剂对大肠杆菌进行了吸附试验。具体而言，向1ml灭菌蒸馏水中添加100mg实施例3的吸附剂，并进一步添加0.1ml的测试菌液。将如此获得的测试液在25℃下振荡(100rpm)。使用膜过滤器过滤1ml测试液，并随后以2ml灭菌蒸馏水洗涤。随后，向其中添加与实施例2中相同的SCDLP肉汤培养基至总体积为10ml，从而提供样品液。对每ml样品液的大肠杆菌数进行测定。最低测定限为100CFU/ml。对比较例1的吸附剂进行同样的测试。结果在下述表6中示出。显示实施例3的吸附剂有效吸附了大肠杆菌。
表6
时间 0分 5分
实施例3 4.8×104 1.0×10
比较例1 4.8×104 1.5×103
对照 4.8×104 7.4×104
实施例4
在实施例4中，使用实施例1-A的吸附剂来评价对猫杯状病毒(felinecaliciviruses)(大小：约30nm-40nm)的吸附能力，所述猫杯状病毒是诺如病毒(noroviruses)(大小：约30nm)的替代物。诺如病毒是具有约7500个碱基且无包膜的病毒，其被归类为正单链RNA病毒。具体而言，与实施例1相同，基于TCID50法对病毒感染滴度进行测定。表7示出了所得测试结果。病毒感染滴度的单位为TCID50/ml。感染滴度的对数下降值通过log10确定(初始感染滴度/作用时间中的感染滴度)。吸附剂浓度由每5ml缓冲溶液中添加的吸附剂的量(单位：mg)来表示。对比较例1的吸附剂进行了同样的测试。
表7
由于病毒较小，实施例4的感染滴度对数下降值在60min后与比较例1较为接近。然而，与比较例1中相比，实施例4中30min后的感染滴度对数下降值约小1。显示出与比较例1相比，实施例4显出更高的吸附能力。并且显示出，实施例4不仅对于流感病毒、对于较小的病毒也同样显出优异的吸附能力。
基于上述实施方式对本发明进行了描述，但本发明并不限于这些实施方式，并可以进行多种变型。在实施例中，描述了将谷壳用作多孔碳材料的原料的情况，然而，还可使用其它植物作为原料。例如，其它可用的植物包括：秸秆、芦苇、裙带菜海藻茎、陆生的维管植物、蕨类植物、苔藓植物、藻类和海草等。可将这些植物单独使用，或者可将多种上述植物组合使用。具体而言，例如，可将稻秸秆(例如，在日本，产自Kagoshima的Isehikari)用作作为多孔碳材料原料的植物来源材料。通过碳化使其转化成碳质物质(多孔碳材料前体)，接下来可对碳质物质进行酸处理，由此得到多孔碳材料。或者，将禾本科芦苇用作作为多孔碳材料原料的植物来源材料。通过碳化使其转化成碳质物质(多孔碳材料前体)，接下来可对碳质物质进行酸处理，由此得到多孔碳材料。在通过用碱(碱基)(如氢氧化钠水溶液)代替氢氟酸水溶液进行处理所得到的多孔碳材料中，得到了与上文所述类似的有益结果。
或者，将裙带菜海藻茎(在日本，产自Iwate的Sanriku)用作作为多孔碳材料原料的植物来源材料。可通过碳化使裙带菜海藻茎转化成碳质物质(多孔碳材料前体)，并可对碳质物质进行酸处理，由此得到多孔碳材料。具体而言，首先，例如将裙带菜海藻茎在约500℃下加热并碳化。在加热前，例如可用醇对充当原料的裙带菜海藻茎进行处理。处理方法的具体实例包括酒精浸泡法等。据此，减少了原料中所含的水，并能够洗脱最终得到的多孔碳材料中所含的除碳以外的元素或矿物质组分。通过用醇进行处理，减少了碳化期间气体的生成。更具体而言，将裙带菜海藻茎浸于乙醇中48h。优选在乙醇中对材料施以超声处理。接下来，将裙带菜海藻茎在500℃下于氮气流中加热5h以进行碳化，由此得到碳化物。通过进行此类处理(预碳化处理)，能够减少或除去将在接下来的碳化工序中产生的焦油组分。之后，将10g的碳化物放入氧化铝坩埚中，在氮气流(10L/min)中，使温度以5℃/min的升温速率升高至1000℃。然后，将碳化物在1000℃下进行碳化5h以转化成碳质物质(多孔碳材料前体)之后，将碳质物质冷却到室温。在碳化和冷却期间保持氮气流动。接下来，通过将多孔碳材料前体浸于46vol％氢氟酸水溶液中过夜，对所述多孔碳材料前体进行酸处理，然后用水和乙醇对所述前体进行清洗直至pH＝7。最后，通过对所述前体进行干燥而得到多孔碳材料。
附图标记说明
1 碳/聚合物复合物
2 非织造布

Claims (10)

1.一种用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂，所述吸附剂包含多孔碳材料，其中，
所述多孔碳材料基于氮BET法的比表面积值为10m2/g以上；以及基于BJH法的孔容积为0.1cm3/g以上。
2.一种用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂，所述吸附剂包含多孔碳材料，其中，
所述多孔碳材料基于氮BET法的比表面积值为10m2/g以上；以及由非局域密度泛函理论法获得的直径为1×10-9m至5×10-7m的孔的总孔容积为0.1cm3/g以上。
3.一种用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂，所述吸附剂包含多孔碳材料，其中，
所述多孔碳材料基于氮BET法的比表面积值为10m2/g以上；以及由非局域密度泛函理论法获得的孔直径分布在3nm-20nm范围内至少有一个峰，其中孔直径为3nm-20nm的孔的总孔容积与全部孔的总孔容积的比值为0.2以上。
4.如权利要求1-3中任一项所述的用于吸附病毒和/或细菌的吸附剂，其中，
所述多孔碳材料由植物来源材料制造；并且
所述植物来源材料选自于下列材料所组成的组中的至少一种：谷壳、秸秆、咖啡豆、茶叶、甘蔗、玉米、果皮、芦苇以及裙带菜海藻茎。
5.一种用于吸附病毒和/或细菌的碳/聚合物复合物，所述碳/聚合物复合物包含多孔碳材料和粘合剂，其中，
所述多孔碳材料基于氮BET法的比表面积值为10m2/g以上；以及基于BJH法的孔容积为0.1cm3/g以上。
6.一种用于吸附病毒和/或细菌的碳/聚合物复合物，所述碳/聚合物复合物包含多孔碳材料和粘合剂，其中，
所述多孔碳材料基于氮BET法的比表面积值为10m2/g以上；以及由非局域密度泛函理论法获得的直径为1×10-9m至5×10-7m的孔的总孔容积为0.1cm3/g以上。
7.一种用于吸附病毒和/或细菌的碳/聚合物复合物，所述碳/聚合物复合物包含多孔碳材料和粘合剂，其中，
所述多孔碳材料基于氮BET法的比表面积值为10m2/g以上；以及由非局域密度泛函理论法获得的孔直径分布在3nm-20nm范围内至少有一个峰，其中孔直径为3nm-20nm的孔的总孔容积与全部孔的总孔容积的比值为0.2以上。
8.如权利要求5-7中任一项所述的用于吸附病毒和/或细菌的碳/聚合物复合物，其中，
所述多孔碳材料由植物来源材料制造；并且
所述植物来源材料选自于下列材料所组成的组中的至少一种：谷壳、秸秆、咖啡豆、茶叶、甘蔗、玉米、果皮、芦苇以及裙带菜海藻茎。
9.一种用于吸附病毒和/或细菌的吸附板，所述吸附板包含多孔碳材料和支持件，其中，
所述多孔碳材料基于氮BET法的比表面积值为10m2/g以上；以及基于BJH法的孔容积为0.1cm3/g以上。
10.一种用于吸附病毒和/或细菌的吸附板，所述吸附板包含多孔碳材料和支持件，其中，
所述多孔碳材料基于氮BET法的比表面积值为10m2/g以上；以及由非局域密度泛函理论法获得的直径为1×10-9m至5×10-7m的孔的总孔容积为0.1cm3/g以上。
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