DE4327981A1

DE4327981A1 - Mischfilterbettzusammensetzung und Verwendungsverfahren

Info

Publication number: DE4327981A1
Application number: DE4327981A
Authority: DE
Inventors: Jun Donald H White
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1992-08-20
Filing date: 1993-08-19
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2013-08-20
Also published as: IT1261242B; FR2694928B1; ITTO930624A1; FR2694928A1; GB2269815A; JPH06254546A; CA2079820A1; ITTO930624A0; US5178768A; GB9315363D0; DE4327981C2; JP2706658B2; GB2269815B; CA2079820C

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Filtrationszu sammensetzungen zur Wasseraufbereitung.

Vier Hauptkategorien von Schmutzstoffen liegen in der Trinkwasserversor gung vor: organisches, mikrobiologisches, anorganisches und teilchenförmi ges Material.

Auf dem Gebiet der Wasseraufbereitung ist es wohl bekannt, daß teil chenförmiges Material mittels Sieben, faserstoffartigen Filtern, Sandbetten, mit granuliertem Anthrazit gepackten Betten und Diatomeenerdefiltern entfernt werden kann. Jedoch ist die gegenwärtige Erfindung speziell mit der Entfernung der ersten drei Kategorien von Schmutzstoffen befaßt, die typischerweise in teilchenförmige Filter eindringen, nämlich organische und anorganische gelöste Verbindungen und Mikroben.

In heutigen Wassersystemen vorhandene organische Verbindungen um fassen Kohlenwasserstoffe, wie Humin-, Fulvin- bzw. Fulvo- und Gerbsäu ren, Erdölprodukte wie Öl, Benzin und Kerosin, und flüchtige organische Verbindungen ("VOC′s") wie Chloroform, Benzol, Aldehyde, Trichlorethy len, Toluol, Chloral, Chlorethan und Vinylchlorid. Andere organische Verbindungen umfassen Pestizide, Herbizide, Algizide, Dioxin, Phenole, Huminsäure die granulierten Sorptionsmittelbetten den angelagerten Mikroben auch Nährstoffe zur Verfügung stellen. Die Anwesenheit von Nährstoffen fördert das biologische Wachstum der Mikroben. Mikroben, z. B. anaerobe Bakterien erzeugen dann wieder Sulfidgase.

Daher kann die Verwendung granulierter Sorptionsmittel allein die biologische Kontamination der Wasserversorgung sowie die Zunahme der Erzeugung von unerwünschten, schädlichen Sulfidgasen erhöhen. Weiter würde der Einsatz eines derartigen Filtersystems eine zusätzliche Des infektionsstufe wie UV-Bestrahlung erfordern.

Ein biologisches Wachstum wird in der vorliegenden Erfindung durch die Anwesenheit eines Siliciumdioxidhydrogelsorptionsmittels verzögert. Dieses Sorptionsmittel schafft in seiner wäßrigen Umgebung einen sauren Zu stand, insbesondere während nichtströmender Perioden. Spurenmengen von Aluminiumionen aus dem Sorptionsmittel von aktiviertem Aluminium oxid, sowie Kupfer, Zink, Messing, Mangan und Silber verzögern auch das biologische Wachstum.

In Wassersystemen gelöste anorganische Schmutzstoffe umfassen Radikale wie Chlor, Fluor, Nitrate, Sulfate und Phosphate, sowie Metalle wie z. B. Quecksilber, Blei, Arsen, Kupfer, Zink, Chrom und Eisen. Anorganische Verbindungen werden aus Trinkwasser üblicherweise durch die Verfahren der Umkehr- oder Reversosmose ("RO"), Deionisation ("DI"), Destillation, Elektrodialyse und Kristallisation (oder Gefrieren) entfernt.

Im Stand der Technik ist das US-Patent 4,238,334, Halbfoster; auf ein Filterbett zur Entfernung von Verunreinigungen aus Flüssigkeiten gerich tet, wie z. B. zur Entfernung von Chlor aus einer wäßrigen Suspension, das ein Gemisch von behandeltem faserstoffartigem Filterhilfsmaterial und polychlorierte Biphenyle ("PCB′s"), Schwefelwasserstoff, Ammo niak und Harnstoff.

Organische Verbindungen werden derzeit aus Trinkwasser mittels der Verwendung von granulierter Aktivkohle ("GAC") und/oder Druck(luft)- oder Füll(körper)turmbelüftung entfernt. Obwohl GAC, ähnlich anderen kohlenstoffhaltigen Sorptionsmitteln, VOC′s entfernen kann, ist es zur Entfernung anderer schädlicher Schmutzstoffe wie Schwefelwasserstoff und Ammoniak nicht wirksam. Es ist auch wohlbekannt, daß Aktivkohle zur Bildung dichtgepackter Betten neigt, insbesondere in ihrem feinverteilten Zustand, in dem sie am wirksamsten ist. Bei diesen dichtgepackter Bet ten tritt Druckverlust auf, was den Flüssigkeitsfluß inhibiert. Daher ist es schwierig, GAC bei der Durchführung einer kontinuierlichen Filtration von Flüssigkeitsströmen einzusetzen. Mikrobielle Schmutzstoffe existieren auch gewöhnlich in Wassersystemen, insbesondere in ländlichen Gebieten, denen keine Chlorierung zugute kommt. Diese Schmutzstoffe umfassen Bakterien, Algen, Pilze, Hefen und Viren. Mikrobiologische Schmutzstoffe werden derzeit mit Keramikfiltern, chemischer Desinfektion oder Ultravio lett("UV")-Bestrahlung entfernt.

Bezüglich der Entfernung mikrobieller Schmutzstoffe sind gepackter Betten von ausreichend kleinen Partikeln zur Reduzierung mikrobieller Kontami nation in Wasser hilfreich. Cholera, zum Beispiel, wurde in New York in den 1800-er Jahren teilweise durch die Einrichtung von Sandbettfiltern im ganzen Staat ausgerottet. Granulierte Sorptionsbetten können auch Bakterien und Algen aus Wasser entfernen; jedoch sind sie der biologi schen Kolonalisation viel förderlicher als Sand wegen ihrer unregelmäßi gen, gezackten Oberflächen, die sichere, stillstehende Spalt für Mikro benanlagerung und -wachstum bereitstellen. Weiter können als Ergebnis der Sorption von bestimmten anderen Schmutzstoffen wie Sulfaten und ein aktives teilchenförmiges Material aufweist. Das aktive teilchenförmige Material soll dabei aus einem organischen polymeren Absorptionsmittel, Zeolit, Bentonit, Zirkonoxid, Zirkonphosphat, aktiviertem Aluminiumoxid, Eisen(II)-sulfid, Aktivkohle und Diatomeenerde ausgewählt werden. Trink wasser wird dort nicht erörtert.

Das US-Patent 4,081,365, Eugene B. White et al., ist auf ein Verfahren und ein Gerät zur Behandlung von Abwasser- und Abfallmaterialien gemäß einem spezifischen Verfahren gerichtet. Bei dem Verfahren kann eine Regenerationsstufe eingesetzt werden, wodurch ein Tertiärbehand lungsgerät reaktiviert wird durch ein Naßoxidationsverfahren unter Ver wendung von Luft und Wasser, das auf eine erwünschte Temperatur erwärmt worden ist, wobei das Wasser aus einem Reservoir zugeführt wird und dann erwärmt wird. Von dem Sorptionsmittelbett wird beschrie ben, daß es Mineralien, wie roten Feuerstein, enthält, auf dem bzw. denen oben eine Adsorptionsschicht angeordnet ist, die ein hydraulisches Gemisch von Aktivkohle und Quarz aufweist. Das ′365-Patent deutet darauf hin, daß es denkbar ist, daß der Austrag als Trinkwasser ver wendet werden kann bei Zugabe von Chlor, was klar anzeigt, daß es sich dann bei dem Wasser in der Tertiärbehandlung um nicht geeigne tes oder trinkbares Wasser handelt. Weiter kann eine Chlorierung des Wassers zur Erzeugung von potentiell schädlichen chlorierten Kohlen wasserstoffen wie Chloroform und Trihalomethanen ("THM′s") durch die Reaktion von Chlor mit Huminsubstanzen führen.

Das US-Patent 4,661,256, Johnson, ist auf die Entfernung von Spuren mengen von kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen aus einem wäßrigen Strom mittels Adsorbieren von Kohlenwasserstoffverunreinigungen auf ein regenerierbares Adsorptionsmittel gerichtet. Gemäß dem Patent wird der wäßrige Strom mit einem Adsorptionsmittel, z. B. einem Molekularsieb, amorphem Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Gel, Aktivkohle, aktiviertem Aluminiumoxid, Siliciumdioxidgel (Silicagel) oder Ton in Berührung gebracht. Jedoch wird die Verwendung eines Gemisches derartiger Ad sorptionsmittel in dem ′256-Patent nicht erwähnt.

Offensichtlich gab es vordem keine einzige Filtrationseinrichtung, die zur Behandlung von Wasser in der Lage ist, das einen oder mehrere aus einer Vielzahl von Schmutzstoffen enthält, einschließlich organischen, anorganischen und mikrobiellen Schmutzstoffen, um das Wasser trinkbar zu machen. Eine Vorrichtung, die zur Behandlung einer derartigen weiten Vielfalt von Schmutzstoffen in der Lage ist, ist insbesondere wünschens wert zum Einsatz in Anwendungen, in denen die Beschaffenheit der Schmutzstoffe und deren Menge täglich oder stündlich variieren kann, wie es für geschlossene Umgebungswasseraufbereitungsanwendungen zutrifft, wie sie bei Unterwasserexplorationsschiffen und ähnlichem vor liegen. Ein ähnlicher Verwendungsbedarf existiert auch in der Frage einer Verwendung einer Filtration in der Nähe von Supertund-Lagen; das kann dazu führen, daß der Austrag irgendeine breite Vielfalt von Schmutzstoffen enthält, die sich häufig ändern können in Abhängigkeit von der unterirdischen Wasserströmung, der Oberflächenwasserströmung und ähnlichem.

Somit besteht ein Bedarf für eine Vorrichtung und ein Verfahren, die in der Lage sind, Trinkwasser bereitzustellen mittels wirksamen Entfernens von im wesentlichen allen organischen, anorganischen und mikrobiellen Bestandteilen in einem Einstufenverfähren. Eine derartige Vorrichtung sollte auch jede erhöhte biologische Kontamination des Wassers während des Filtrationsprozesses verhindern.

Die vorliegende Erfindung überwindet die mit früheren Filtrationszusam mensetzungen verbundenen Nachteile, indem es eine neue Filterzusam mensetzung bereitstellt, die bei Verwendung zur Behandlung von Wasser Trinkwasser, das im wesentlichen frei von organischen, anorganischen und mikrobiellen Schmutzstoffen ist, in einem Einstufenverfahren bereitstellt.

Die vorliegende Erfindung gewährt auch die erwünschten Filtrations charakteristiken traditioneller Adsorptionsmittel, während sie eine erhöhte biologische Kontamination von Trinkwasser während des Filtrationsprozes ses vermeidet.

Im allgemeinen handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Mischfilterbettzusammensetzung, die anorganische und kohlenstoffhaltige Sorptionsmittel aufweist, die trinkbares Wasser mittels Entfernen an organischer, organischer und mikrobieller Schmutzstoffe aus Wasser bereitstellen. Die Sorptionsmittel ergänzen sich in dieser Anordnung miteinander.

In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Mischfilterbettzusammensetzung zur Entfernung von allgemeinen Schmutzstoffen aus Trinkwasser, die aufweist: (a) etwa 60 bis etwa 80%, vorzugsweise etwa 70% kohlenstoffhaltige Sorptionsmittel; (b) etwa 5 bis etwa 15%, vorzugsweise etwa 10% aktiviertes Aluminiumoxid; (c) etwa 5 bis etwa 15%, vorzugsweise etwa 10% Siliciumdioxidhydrogel; (d) etwa 5 bis etwa 15%, vorzugsweise etwa 10% Zeolit; und (e) etwa 0 bis etwa 5%, vorzugsweise etwa 0 bis etwa 1% metallische Bestand teile, die metallische Kationen erzeugen, wobei alle Prozentsätze auf das Gesamtgewicht des Mischfilterbettes bezogen sind.

Im allgemeinen handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um ein Mischfilterbett, das anorganische und kohlenstoffhaltige Sorptionsmittel zur Aufbereitung kontaminierten Wassers aufweist, das anorganische, organi sche und mikrobielle Schmutzstoffe aus Trinkwasser enthält. Die ver schiedenen Sorptionsmittel ergänzen sich in der Filterbettanordnung mitein ander.

Die verschiedenen Klassen von Sorptionsmitteln, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, unterscheiden sich in ihrem Sorptionsmecha nismus, ihrer Porosität und Oberflächenaktivität. Zum Beispiel, entfernen kohlenstoffhaltige Sorptionsmittel Schmutzstoffe primär mittels Chemisorp tion innerhalb der Kohlenstoff-Sauerstoff-funktionellen Gruppen, gebildet auf den inneren Oberflächen der mikroporösen Körnchen. Im Gegensatz dazu entfernen die anorganischen Sorptionsmittel, wie aktiviertes Alumi niumoxid, Siliciumdioxidhydrogel und Zeolit, Schmutzstoffe primär mittels Adsorption durch die physikalische Anziehung von Molekülen an polare und ionische Oberflächen durch Van-der-Waals-Kräfte.

Bei den "Van-der-Waals-Kräften" handelt es sich um einen Sammelbegriff, der alle die Anziehungskräfte umfaßt, die ionische, polare und London- Dispersionskräfte einschließen. In rein physikalischen Adsorptionsprozessen finden keine chemische Reaktionen auf den Oberflächen des Adsorptions mittels statt, außer bei der Möglichkeit einer Wasserstoffbindung, und der Prozeß ist reversibel, ohne daß die chemische Zusammensetzung des Adsorbats beeinflußt wird oder die physikalische Struktur des Adsorp tionsmittels permanent beeinflußt wird.

Das folgende Diagramm veranschaulicht die Adsorptionswirksamkeit typischer, in Wassersystemen gefundener Schmutzstoffe mittels verschiede ner Klassen von Sorptionsmitteln. Eine Bewertung von "Gut" zeigt an, daß das einzelne Sorptionsmittel etwa 75 bis etwa 100% wirksam ist; eine Bewertung von "Mäßig" zeigt an, daß das Sorptionsmittel etwa 25 bis etwa 75% wirksam ist und; eine Bewertung von "Schlecht" zeigt an, daß das Sorptionsmittel etwa 0 bis etwa 25% wirksam ist beim Entfer nen eines einzelnen Schmutzstoffes aus Wasser.

Relatives Abnehmen einiger gelöster Schmutzstoffe in Wassersystemen mittels verschiedener Klassen von Sorptionsmitteln

In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Mischfilterbettzusammensetzung zur Entfernung all gemeiner Schmutzstoffe aus Trinkwasser, wobei die Zusammensetzung aufweist: (a) etwa 60 bis etwa 80%, vorzugsweise etwa 70% kohlenstoff haltige Sorptionsmittel; (b) etwa 5 bis etwa 15%, vorzugsweise etwa 10% aktiviertes Aluminiumoxid; (c) etwa 5 bis etwa 15%, vorzugsweise etwa 10% Siliciumdioxidhydrogel; (d) etwa 5 bis etwa 15%, vorzugsweise 10% Zeolit; und (e) etwa 0 bis etwa 5%, vorzugsweise etwa 0 bis etwa 1% metallische Bestandteile, die metallische Kationen erzeugen. Bei allen in dieser Anmeldung bezeichneten Prozentsätzen handelt es sich um Ge wichtsprozent, sofern nichts anderes angegeben ist.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Mischfilterbettzusammensetzung zur Entfernung allgemeiner Schmutzstoffe sowie biologischer Schmutzstoffe aus Trinkwasserversorgung, wobei die Zusammensetzung aufweist: (a) etwa 50 bis etwa 70%, vorzugsweise etwa 60% kohlenstoffhaltiges Sorp tionsmittel; (b) etwa 5 bis etwa 15%, vorzugsweise etwa 10% aktiviertes Aluminiumoxid; (c) etwa 10 bis etwa 20%, vorzugsweise etwa 15% Siliciumdioxidhydrogel; (d) etwa 5 bis etwa 15%, vorzugsweise etwa 10% Zeolit; und (e) etwa 0 bis etwa 10%, vorzugsweise etwa 5% metallische Bestandteile, die metallische Kationen erzeugen.

In einer zusätzlichen bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Mischfilterbettzusammensetzung zur Entfernung chemischer Schmutzstoffe sowie allgemeiner Schmutzstoffe und biologischer Schmutzstoffe aus Nichttrinkwasserversorgung, wobei die Zusammensetzung aufweist: (a) etwa 40 bis etwa 60%, vorzugsweise etwa 50% kohlenstoffhaltiges Sorptionsmittel; (b) etwa 10 bis etwa 20%, vorzugsweise etwa 15% aktiviertes Aluminiumoxid; (c) etwa 10 bis etwa 20%, vorzugsweise etwa 15% Siliciumdioxidhydrogel; (d) etwa 10 bis etwa 20%, vorzugsweise etwa 15% Zeolit; und (e) etwa 0 bis etwa 10%, vorzugsweise etwa 5% metallische Bestandteile, die metallische Kationen erzeugen.

Kohlenstoffhaltige, in der vorliegenden Erfindung typisch verwendete Sorptionsmittel umfassen Materialien auf Kohlebasis, Fruchtschalen wie Kokosnußschalen, Materialien auf Holzbasis, Materialien auf Erdölbasis, Aktivkohlen, synthetische Kohlenstoffmaterialien und Gemische davon. Einige kohlenstoffhaltige Sorptionsmittel werden in Dampf aktiviert und andere in inertem Gas. Die Temperatur und Dauer der Einwirkung beeinflussen signifikant die Adsorptionsmitteleigenschaften der Aktivkohle.

Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten metallischen Bestandteile umfassen Kupfer, Zink, Messing, Mangan, Silber und Gemische davon.

Die Körnchengrößen der Adsorptionsmittel und Bestandteile, die für die Mischfilterbettzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung gewählt werden, liegen allgemein im Bereich von einem halben bis fünf Millime ter. Dieser Größenbereich stellt einen Kompromiß zwischen den un erwünschten Druckverlustcharakteristiken und den erwünschten Übergangs eigenschaften von gepackten Betten dar. Kleinere Partikel ergeben größe re Übergangsraten, aber die Druckverluste können übermäßig hoch werden.

Um brauchbare Körnchengrößen zu erhalten, werden die Adsorptions mittel entweder granuliert oder agglomeriert beim Herstellungsverfahren. Kohlenstoffe werden üblicherweise gemahlen und gesiebt vor Aktivierung, um die gewünschten Körnchengrößen zu erhalten, und Siliciumdioxidhy drogelkörnchen werden mittels (Grob-)Zerkleinerns und Siebens herge stellt. Aktiviertes Aluminiumoxid und Zeolit, die allgemein im Größenbe reich von 3 bis 7 µm hergestellt werden, werden oft zu Perlen geformt oder pelletisiert, um größere Körnchen zu erhalten.

Zu Perlen geformte Körnchen von Adsorptionsmitteln sind bevorzugt, da sie bessere Massenübergangsraten als unregelmäßig geformte Körnchen bei gleichen Druckverlustbedingungen bereitstellen. Unregelmäßig geform te Körnchen bilden Nichtströmungshohlräume und Totvolumina innerhalb von gepackten Betten, was den Widerstand sowohl gegenüber Strömungs als auch Übergangsprozessen erhöht. Ähnlich ist eine enge Verteilung von Körnchengrößen bevorzugt, da sie bessere Übergangsraten als eine breite Verteilung bei der gleichen Druckverlustbedingung ergibt. Bei Betten mit breiter Verteilung tendieren kleinere Körnchen dazu, einige der Durchgänge zwischen den größeren Körnchen zu blockieren, was Totvolumina oder "unwirksame Hohlräume" erzeugt. Diese unwirksamen Hohlräume senken die Massenübergangsrate und erhöhen den Strömungs widerstand.

Ein primäres Merkmal eines Adsorptionsmittels ist seine Kapazität zum Entfernen der Schmutzstoffe im gesamten Konzentrationsbereich vom Eintragszustand bis zum gewünschten Austragszustand. Die Kapazität eines Adsorptionsmittels zum Entfernen von Schmutzstoffen hängt von seiner Porosität und Oberflächenaktivität ab. Diese Charakteristiken können berechnet werden gemäß den Verfahren wie sie beschrieben sind in D. White, "Regenerable Pressure-Swing Adsorption Systems For Conti nuous Chemical Warfare Collection Protection", dem Naval Research Laboratory vorgelegt, Washington, D.C., 1986, Seite 10 bis 17.

Die Porosität eines Adsorptionsmittelpartikels wird durch sein Hohlraum volumen, seine Porengrößenverteilung und sterische Struktur, und seine innere Oberfläche beschrieben. Die Oberflächenaktivität ist definiert als die Wirksamkeit der Adsorptionsmitteloberflächen, Schmutzstoffmoleküle anzuziehen und zu halten. Die maximale Kapazität eines Adsorptions mittelpartikels wird durch das Gesamthohlraumvolumen bestimmt. In der vorliegenden Erfindung sollten die verschiedenen Absorptionsmittel Hohl raumvolumina in den folgenden Bereichen besitzen:
Kohlenstoff (Aktivkohle): 0,60 bis 0,80 cm³/g
Siliciumdioxidhydrogel: 0,30 bis 0,50 cm³/g
Aktiviertes Aluminiumoxid: 0,30 bis 0,50 cm³/g
Zeolit: 0,14 bis 0,36 cm³/g.

Typische Porenvolumina für kohlenstoffhaltige, kieselsäurehaltige und aluminiumoxidhaltige Adsorptionsmittel sind in Industrial Gas Cleaning, von W. Strauss, Seite 108, Tabelle 3.7 zu finden. Die Porenvolumina für Zeolit sind in Tabelle 1 von "Crystalline Molecular Sieves" von D. W. Breck vorgesehen.

Porengrößen und Oberflächenaktivität beeinflussen die Stärke der Anzie hungskräfte für die Schmutzstoffmoleküle. Kleine Poren erhöhen die Anziehung, da die hineindrängenden Moleküle durch Kräfte beeinflußt werden, die von allen Seiten der Poren ausstrahlen. Polare Moleküle und ionische Bindungen auf der Oberfläche des Adsorptionsmittels erhöhen auch die Anziehung. Obwohl alle Oberflächen einen gewissen Grad an Adsorptionsstärke zeigen, besitzen jene von metallischem Oxid und jene mit Sauerstoffkomplexen, die auf ihren Oberflächen gebildet sind bzw. werden, einen höheren Grad an Anziehung.

Die Porosität und Oberflächenaktivität in porösen Adsorptionsmitteln können durch verschiedene Techniken bestimmt werden, wie Quecksilber porosimetrie, B.E.T., Stickstoffadsorption, statische und dynamische Ad sorptionstestanlagen, Kalorimetrie, kernmagnetische Resonanzspektroskopie und Elektronenmikroskopie, die brauchbare Verfahren zur sowohl quanti tativen als auch qualitativen Abschätzung von Adsorptionsphänomenen sind.

Das kontaminierte, mit der vorliegenden Erfindung zu behandelnde Wasser wird mit den Sorptionsmitteln in einer Adsorptionszone in Berüh rung gebracht. Die Sorptionsmittel können in der Adsorptionszone auf jede geeignete Weise angeordnet werden. Ein bevorzugtes Verfahren zur Anordnung der Sorptionsmittel ist eine Mischsorptionsmittelfestbettanord nung. Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur Anordnung der Sorptions mittel besteht im schichtweisen Anordnen der Sorptionsmittel in einer Festbettanordnung. Die Reihenfolge der Schichten von Sorptionsmittel ist nicht wesentlich, solange eine wirksame Mengen an jedem Sorptionsmittel existiert, um wirksam die Schmutzstoffe aus dem Wasser zu entfernen.

Üblicherweise mit gepackten Filterbettsystemen verbundene Probleme umfassen Fluidisation und Abrieb. Da die Körnchen in normal gepackten Betten nicht fest zusammengeschlossen sind, ist die Anwendung von Kraft am Ende des Bettes entweder mit Gittern oder komprimierten Faserkis sen unzureichend, um Abrieb zu verhindern. Lose Körnchen innerhalb des mit Druck beladenen Bettes können frei vibrieren und benachbarte eingeklemmte Körnchen abreiben. Fluidisation und Abrieb können in der vorliegenden Erfindung mittels Immobilisieren des Adsorptionsmittels bewältigt werden, wodurch eine Bewegung des Granulats verhindert wird.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Immobilisierung von Adsorptionsmittel körnchen besteht in der Anwendung eines Bindemittels im ganzen Bett, um alle Körnchen zu einer gemeinsamen Masse physikalisch zusammen zuschließen. Eine derartige Immobilisierung erlaubt die Auslegung von Adsorptionsmittelbetten mit viel höheren Geschwindigkeiten und höheren Wärme- und Massenübergangsraten, bei denen es sich um erwünschte Merkmale handelt. Die unerwünschte Zunahme im Differentialdruck, die aus der Immobilisierung der Körnchen resultiert, kann durch die Ver wendung von flachen Betten größeren Durchmessers kompensiert werden.

Flachbettauslegungen werden durch ungleichmäßige Strömungsverteilung und durch Randeffekte behindert, die zu vorzeitigen Durchbrüchen der Übergangsfront führen können. Derartige Betten müssen sorgfältig ausge legt und konstruiert werden, um diese Tendenzen zu bewältigen. Die Strömungsverteilung in derartigen Betten kann gleichförmiger gemacht werden durch ein Versehen mit Prallflächen, um Randeffekte zu reduzie ren, und durch Verwendung von geordneten perforierten Stützsieben, die weniger oder kleinere Perforationen in den Hochgeschwindigkeitsgebieten enthalten. Dies erzeugt einen höheren Differentialdruck in diesen Gebie ten und reduziert lokal die Geschwindigkeit. Derartige Modifikationen können in großem Maße die Lebensdauer des Adsorptionsmittelbettes und die brauchbare Kapazität erhöhen.

In sowohl der gemischten als auch der geschichteten Filterbettanordnung kann das Adsorptionsmittel in einem oder mehreren Gefäßen und entwe der in seriellem oder parallelem Strömungsduplex angeordnet werden. Die Strömung des kontaminierten Wassers durch die Adsorptionszone wird vorzugsweise auf parallele Weise durchgeführt, so daß, wenn eines der Adsorptionsmittelbetten oder -kammern durch die Akkumulation von Schmutzstoffen darauf verbraucht ist, die verbrauchte Adsorptionsmittel zone (über einen Bypass) umgangen wird, während der Betrieb ununter brochen durch die parallele Adsorptionszone fortgesetzt wird.

Das Potential für biologisches Wachstum in Filterzusammensetzungen wird in der vorliegenden Erfindung auch signifikant reduziert. Insbesondere Siliciumdioxidhydrogelsorptionsmittel erzeugen einen sauren Zustand in ihrer wäßrigen Umgebung, besonders während Nichtströmungsperioden. Zusätzlich tragen auch Spurenmengen von Aluminiumionen, die in der Filterzusammensetzung aufgrund der Anwesenheit von aktiviertem Alumi niumoxid in der Filterbettzusammensetzung vorliegen, zur Biostase bei. Weiterhin werden Metalladditive wie Kupfer, Zink, Messing, Mangan und Silber für das Sorptionsmittelgemisch für Wasserfilteranwendungen em pfohlen, die größeren biologischen Schutz erfordern.

Biologische Wachstumsverzögerung und biologische Zerstörung aufgrund der Anwesenheit von Metallionen in der vorliegenden Erfindung sind das Ergebnis einer elektrochemischen Reaktion innerhalb der Plasmamembran von lebenden Zellen. Das fortdauernde Leben einer mikrobiellen Zelle ist abhängig vom Transport von Nährstoffen und Nebenprodukten des Stoffwechsels ("Excreta") durch die Oberfläche von Mikroorganismen, bekannt als die Plasmamembran. Die Plasmamembran ist selektiv per meabel und enthält Proteine, die zum Transportieren bestimmter Nähr stoffe in die Zelle und Excreta aus der Zelle heraus in der Lage sind.

Metallionen im Wasser werden durch Van-der-Waals-Kräfte zur Plasma membran angezogen. Jeder einzelne Typ von mikrobieller Zelle besitzt eine bestimmte Kapazität für ein spezifisches Metallion. Wenn die Kapa zität einer mikrobiellen Zelle für das spezifische Metallion bereits gesät tigt ist, weist die Zelle das herannahende Ion zurück, indem es eine polarisierte Oberfläche im Gebiet um das Metallion herum aufbaut. Eine Polarisation wird erzielt durch eine nach außen gerichtete Verschiebung von negativen Ionen, prinzipiell Chlorionen, und eine nach innen gerich tete Verschiebung von positiven Ionen, primär Kaliumionen aus der mikrobiellen Zelle.

Die Plasmamembran in dem polarisierten Gebiet wird nicht-permeabel, was den Transport von Nährstoffen in die Zelle inhibiert sowie den Transport von Excreta aus einer Zelle heraus einschränkt. Im Ergebnis findet eine Abnahme im Stoffwechsel und Wachstum der mikrobiellen Zelle statt.

Die Abnahme im Stoffwechsel und Wachstum einer mikrobiellen Zelle hängt in hohem Maße ab von der Menge an Metallionen, die in der Zellumgebung vorhanden sind, und dem Prozentsatz an oberflächenpolari siertem Plasmamembran. Wenn eine ausreichende Menge an Metallionen vorhanden ist, können sich lethale Niveaus an Excreta im Cytoplasma einer Zelle innerhalb weniger Stunden akkumulieren.

Die Zahl an Metallionen, die zur Zerstörung einer mikrobiellen Zelle erforderlich ist, hängt vom spezifischen Typ des Organismus und dem Typ des Metallions ab. Zum Beispiel, ist ein Bedecken von nur von 1/10 000stel der gesamten Oberfläche einer Hefezelle mit Silberionen ausreichend, um eine Zellzerstörung zu verursachen. Darüber hinaus sind weniger Arsenionen als Silberionen zur Zerstörung einer Hefezelle erforderlich.

Die Menge an in der Filterbettzusammensetzung der vorliegenden Erfin dung verwendeten Metallionen muß sorgfältig aufrechterhalten werden. Während Menschen Spurenmengen an Metallionen für normale Körper funktionen benötigen, können extrem hohe Mengen Zellzerstörung in der gleichen Weise verursachen, wie Mikroben zerstört werden. Diese Zellzer störung führt zu beeinträchtigter Gesundheit und möglicherweise zum Tod.

Typischerweise scheidet der menschliche Körper überschüssige Metallionen im Urin, in Exkretion, Galle, Schweiß und Haarwachstum aus. Die Rate der Entfernung hängt vom spezifischen Metallion ab. Zum Beispiel, werden Blei und Arsen sehr langsam aus dem menschlichen Körper ausgeschieden.

Wenn der Entfernungsprozeß überhand nimmt, verursachen die über schüssigen Metallionen eine Funktionsstörung und mögliche Zerstörung menschlicher Zellen. Zum Beispiel, ist es wohlbekannt, daß Blei die Zellen im zentralen Nervensystem beeinflußt, was potentiell zu geistiger Retardation führt. Zusätzlich können die Wände des Dünndarms durch Einwirkung extremer Mengen an Zink und Kupfer geschädigt werden.

In der Mischfilterbettzusammensetzung der vorliegenden Erfindung werden überschüssige Metallionen bei Niveaus, die für die menschliche Gesund heit von Belang sind, durch die anorganischen Sorptionsmittel adsorbiert. Anorganische Sorptionsmittel wie aktiviertes Aluminiumoxid und Zeolit ziehen Metallionen an und halten diese auf ihren inneren Oberflächen mittels Van-der-Waals-Kräften.

Die durch durch das Wasser im Sorptionsmittelbett durchgehenden Metallionen erzeugten Metallionen verbinden sich mit der Plasmamem bran der mikrobiellen Zellen im Sorptionsmittelbett. Die Metallionen lagern sich selbst an die Adsorptionsmitteloberfläche der anorganischen Sorptionsmittel an.

Die vorliegende Erfindung wird weiter in Form der folgenden nicht beschränkenden Beispiele beschrieben. Anwendung "A" steht für das typische Trinkwasserfilter, das für Tiefbrunnen- oder Stadtwasserversor gungssysteme verwendet wird, Anwendung "B" wird für ein ländliches Wasserversorgungssystem vorgeschlagen, das üblicherweise biologische Kontamination enthält. Anwendung "C" steht für Grauwassersysteme wie für Stollen und Waschwasserabläufe an Bord vieler Schiffe.

Claims

1. Mischfilterbettzusammensetzung zur Aufbereitung von Wasser für menschlichen Gebrauch, die aufweist:

a) etwa 40 bis etwa 80 Gewichts-% kohlenstoffhaltiges Sorptions mittel;
b) etwa 5 bis etwa 20 Gewichts-% aktiviertes Aluminiumoxid;
c) etwa 5 bis etwa 20 Gewichts-% Siliciumdioxidhydrogel;
d) etwa 5 bis etwa 20 Gewichts-% Zeolit; und
e) etwa 0 bis etwa 10 Gewichts-% metallische Bestandteile, die metallische Kationen erzeugen.

2. Mischfilterbettzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das metalli sche Sorptionsmittel aus Kupfer, Zink, Messing, Mangan, Silber und Gemischen davon ausgewählt ist.

3. Mischfilterbettzusammensetzung zur Entfernung allgemeiner Schmutz stoffe aus Wasser, die aufweist:

a) etwa 70 Gewichts-% kohlenstoffhaltige Sorptionsmittel;
b) etwa 10 Gewichts-% aktiviertes Aluminiumoxid;
c) etwa 10 Gewichts-% Siliciumdioxidhydrogel;
d) etwa 10 Gewichts-% Zeolit; und
e) etwa 0 Gewichts-% metallische Bestandteile, die metallische Kationen erzeugen.

4. Mischfilterbettzusammensetzung nach Anspruch 3, wobei das metal lische Sorptionsmittel aus Kupfer, Zink, Messing, Mangan, Silber und Gemischen davon ausgewählt ist.

5. Mischfilterbettzusammensetzung zur Entfernung biologischer Schmutzstoffe aus Wasser, die aufweist:

a) etwa 60 Gewichts-% kohlenstoffhaltige Sorptionsmittel;
b) etwa 10 Gewichts-% aktiviertes Aluminiumoxid;
c) etwa 15 Gewichts-% Siliciumdioxidhydrogel;
d) etwa 10 Gewichts-% Zeolit; und
e) etwa 5 Gewichts-% metallische Bestandteile, die metallische Kationen erzeugen.

6. Mischfilterbettzusammensetzung zur Entfernung chemischer Schmutz stoffe aus Trinkwasser, die aufweist:

a) etwa 50 Gewichts-% kohlenstoffhaltige Sorptionsmittel;
b) etwa 15 Gewichts-% aktiviertes Aluminiumoxid;
c) etwa 15 Gewichts-% Siliciumdioxidhydrogel;
d) etwa 15 Gewichts-% Zeolit; und
e) etwa 5 Gewichts-% metallische Bestandteile, die metallische Kationen erzeugen.

7. Verfahren zur Aufbereitung kontaminierten Wassers, das organische, anorganische und mikrobiologische Schmutzstoffe enthält, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

1) Einbringen einer Filterzusammensetzung in eine Filterbettanord nung, wobei die Zusammensetzung aufweist:
- a) etwa 40 bis etwa 80 Gewichts-% kohlenstoffhaltige Sorp tionsmittel;
- b) etwa 5 bis etwa 20 Gewichts-% aktiviertes Aluminiumoxid;
- c) etwa 5 bis etwa 20 Gewichts-% Siliciumdioxidhydrogel;
- d) etwa 5 bis etwa 20 Gewichts-% Zeolit; und
- e) etwa 0 bis etwa 10 Gewichts-% metallische Bestandteile, die metallische Kationen erzeugen; und
2) Inberührungbringen des zu behandelnden Wassers mit der Filter zusammensetzung in einer Adsorptionszone.

8. Verfahren zur Erzeugung von Trinkwasser nach Anspruch 7, wobei der metallische Bestandteil, der metallische Kationen erzeugt, aus Kupfer, Zink, Messing, Mangan, Silber und Gemischen davon ausge wählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser durch eine Mischfilterbettzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 geleitet wird.