EA032043B1

EA032043B1 - Сепаратор

Info

Publication number: EA032043B1
Application number: EA201691163A
Authority: EA
Inventors: Пиир Мартин Филипп Шенк; Али Малекизадех
Original assignee: Дзе Юниверсити Оф Квинсленд
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2019-03-29
Also published as: BR112016012494A2; EA201691163A1; DK3077071T3; CN105934263A; JP2016539792A; EP3077071B1; WO2015081384A1; US11866347B2; NZ721504A; ES2908318T3; AU2020256448A1; EP3077071A1; AU2020256448B2; BR112016012494B1; CN105934263B; EP3077071A4; JP6647201B2; AU2019201090A1; CL2016001315A1; AU2014360673A1

Abstract

Сепаратор для отделения одного или нескольких компонентов, выбранных из материала в виде твердых частиц, гидрофобного материала, неполярного материала, микроорганизмов или вирусов, от смеси воды и одного или нескольких компонентов или от смеси полярной жидкости и одного или нескольких компонентов, где данный сепаратор содержит слой гидрата гидроксида металла.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к сепаратору. В одном из аспектов изобретение относится к сепаратору для отделения твердых частиц и/или гидрофобного материала от воды, или водного раствора, или от водорастворимой жидкости. В другом аспекте изобретение относится к способам для отделения твердых частиц и/или гидрофобного материала от воды, или водного раствора, или от водорастворимой жидкости.

Предшествующий уровень техники

Отделение твердой фазы, такой как материал в виде твердых частиц, от воды или водных растворов требуется во множестве различных отраслей промышленности. Множество различных способов было разработано для отделения твердой фазы от воды. Эти способы включают фильтрацию, седиментацию, отстаивание, осветление, уплотнение, циклонное отделение и т.п.

Фильтрация включает пропускание воды, такой как загрязненная вода, через фильтрующую среду. Фильтрующая среда может содержать слой или осадок мелкозернистого материала, такого как песок или диатомовая земля. Частицы в воде, которые больше по размеру, чем пустоты между частицами фильтрующей среды, захватываются внутрь фильтрующей среды и удаляются из воды. Вода проходит через фильтрующую среду и обычно удаляется. Однако частицы в воде, которые по размеру меньше, чем пустоты между частицами фильтрующей среды, могут проходить через фильтрующую среду и не удаляются из воды.

Когда фильтр продолжает использоваться, фильтрующая среда начинает заполняться и блокируется частицами, удержанными из воды. Поверх фильтрующей среды образуется осадок частиц, и данный осадок частиц также действует для отфильтровывания дополнительных частиц из воды. Осадок частиц поверх фильтрующей среды увеличивается в толщине по мере того, как фильтрация воды продолжается.

В конечном счете, фильтр становится блокированным частицами, будет требоваться его очистка. Очистка обычно включает размещение для промывки обратным потоком, при котором воду под высоким давлением пропускают в обратном направлении через фильтрующую среду, чтобы удалить с нее удерживаемые частицы.

Обычные фильтры, как правило, допускают прохождение через них очень тонких частиц и микроорганизмов, так что вода, которая выходит из фильтра, все еще содержит очень тонкие частицы и микроорганизмы. Во многих случаях это приводит к тому, что вода требует дополнительной обработки перед тем, как она может быть использована. Например, в случае питьевой воды, безусловно, крайне нежелательно иметь микроорганизмы, присутствующие в воде. Поэтому профильтрованную воду обычно подвергают стадии хлорирования, чтобы убить микроорганизмы в воде.

Для того чтобы удалить микроорганизмы, такие как бактерии и вирусы, также можно пропускать воду через нанопористые мембраны. Хотя эти нанопористые мембраны являются очень эффективными при удалении микроорганизмов, они могут быть дорогими в установк и часто требуют больших перепадов давления, чтобы достигать надлежащих скоростей потока через них. Вследствие этого нанопористые мембраны не нашли широкого применения в обработке ресурсов питьевой воды.

Трудности также имеют место при отделении гидрофобных материалов, особенно гидрофобных жидкостей, от воды или водных растворов. Конкретный пример затруднений в этом отношении может быть продемонстрирован затруднениями, с которыми сталкиваются при очистке разлива неочищенной нефти или топлива из транспортирующих их танкеров. Неочищенная нефть и очищенное топливо, разливаемые в случаях аварий танкеров, нанесли значительный ущерб природным экосистемам на Аляске, в Мексиканском заливе, на Галапагосских островах и во многих других местах. Например, разлив нефти, вызванный взрывом на буровой нефтеразведочной платформе Ixtoc I в Мексиканском заливе в 1979 г., привел к высвобождению 3 миллионов баррелей (500000 м³) нефти в окружающую среду. Этот разлив оказал воздействие на 260 км морского берега США. Разлив нефти, вызванный взрывом на буровой платформе Deepwater Horizon II в 2010 г., привел к высвобождению 4,9 миллионов баррелей (800000 м³) нефти в Мексиканский залив. Опять-таки, был нанесен значительный ущерб окружающей среде.

Ряд технологий применяют в настоящее время для того, чтобы постараться выполнить очистку от разлитой нефти. Эти технологии включают биологическую очистку, контролируемое выжигание, применение диспергирующих агентов, сбор нефти с поверхности воды и центрифугирование. Однако каждая из этих технологий страдает от одного или нескольких затруднений. Биологическая очистка требует длительного времени, чтобы принести желательный результат, и не удаляет всю разлитую нефть. Выжигание только уменьшает количество нефти и не работает в ветреных условиях. Оно также вызывает загрязнение воздуха. Диспергирующие агенты являются токсичными и будут увеличивать уровни содержания токсичных углеводородов, а также убивать икру. Сбор нефти с поверхности воды требует спокойной воды во все время выполнения процесса. Центрифугирование не отделяет всю нефть, и обычно некоторое количество нефти остается в воде, отделенной центрифугированием. Нормативные документы США ограничивают количество нефти в воде, которое может быть возвращено в океан, и это ограничивает применимость центрифугирования. Кроме того, затраты на современные технологии, применяемые для очистки от разлитой нефти, являются очень высокими.

Другие жидкие материалы часто желательно разделять на составные части таким образом, чтобы могли быть отделены высокоценные составные части, или таким образом, чтобы объем составных час- 1 032043 тей, подлежащий транспортировке, мог быть уменьшен, или таким образом, чтобы мог быть образован продукт длительного пользования. Например, сухое молоко готовят из молока посредством испарения воды из молока. Процесс отделения требует, чтобы молоко было нагрето, и это может приводить к тому, что сухое молоко имеет вареный привкус вследствие карамелизации, вызванной подверганием нагреванию. Многие ценные питательные вещества в молоке могут также быть потеряны вследствие нагревания. Сыворотка может быть денатурирована посредством нагревания. Значительное нагревание (такое как продолжительные высокие температуры выше 72°С, связанные с пастеризацией) денатурирует белки сыворотки. Некоторые витамины, минералы и полезные бактерии могут также быть потеряны во время процесса нагревания. Сушку распылением и ультрафильтрацию применяют в молочной промышленности, чтобы получить сухое молоко и восстанавливать белки молока. Однако оба процесса имеют высокие капитальные и эксплуатационные затраты, вследствие необходимости применения высоких давлений.

Другие жидкие продукты могут также содержать высокоценные компоненты. Например, рынок продуктов здорового питания является большим и быстро расширяется. Для того чтобы привести лишь один пример, мировой рынок каротиноидов в настоящее время составляет 1,4 миллиардов долларов в год. Извлечение высокоценных продуктов, таких как бета-каротин, из природных продуктов очень затруднено. Для этой цели применяют дорогостоящие процессы, такие как сверхкритическая экстракция диоксидом углерода. Эти процессы являются дорогостоящими и не подходят для увеличения масштабов. Другие ценные компоненты могут также нуждаться в извлечении из природных продуктов или искусственных смесей, чтобы предложить компоненты для применения в фармацевтической промышленности или косметических средствах и косметической промышленности. С другой стороны, отделение этих компонентов может быть затруднено.

Ссылка на любой известный уровень техники в данном описании не является и не должно приниматься в качестве подтверждения или любой формы предположения, что известный уровень техники образует часть общеизвестных сведений.

Сущность изобретения

Изобретение предлагает сепаратор и способ отделения компонентов или микроорганизмов от жидкостей, которые являются низкозатратными и высокоэффективными.

В первом аспекте данное изобретение предлагает сепаратор для отделения одного или нескольких компонентов, выбранных из материала в виде твердых частиц, гидрофобного материала, неполярного материала, микроорганизмов или вирусов, от смеси воды и одного или нескольких компонентов или от смеси полярной жидкости и одного или нескольких компонентов, причем данный сепаратор содержит слой гидрата гидроксида металла.

Во втором аспекте данное изобретение предлагает способ отделения одного или нескольких компонентов, выбранных из материала в виде твердых частиц, гидрофобного материала, микроорганизмов или вирусов, от смеси воды и одного или нескольких компонентов или от смеси полярной жидкости и одного или нескольких компонентов, причем данный способ включает пропускание воды или полярной жидкости из смеси через слой гидрата гидроксида металла, при том что один или несколько компонентов остаются на слое гидрата гидроксида металла.

В одном варианте осуществления гидрат гидроксида металла содержит гидрат гидроксида алюминия. В других вариантах осуществления гидрат оксида металла может быть выбран из одного или нескольких гидратов гидроксида магния, гидроксида цинка, гидроксида марганца, гидроксида кобальта и гидроксида никеля.

В некоторых вариантах осуществления гидрат гидроксида металла получают посредством формирования гидроксида металла в воде или в водном растворе, чтобы тем самым образовать гидрат гидроксида металла. Авторы данного изобретения нашли, что образование гидрата гидроксида металла in situ приводит к достижению очень эффективного отделения.

В некоторых вариантах осуществления гидрат гидроксида металла получают посредством совместного смешивания двух или более реагентов, чтобы тем самым образовать гидрат гидроксида металла. В некоторых вариантах осуществления гидрат гидроксида металла получают посредством совместного смешивания двух или более реакционных растворов, чтобы тем самым образовать гидрат гидроксида металла.

В других вариантах осуществления, гидрат гидроксида металла образуют посредством электролиза. Сепаратор по данному изобретению содержит слой гидрата гидроксида металла. Слой гидрата гидроксида металла может поддерживаться посредством пористого держателя. Пористый держатель действует таким образом, что поддерживает слой гидрата гидроксида металла при том, что он также делает возможным прохождение через него жидкости. Пористый держатель может содержать ткань, тканый материал, перфорированный материал, сплошной материал, имеющий одно или несколько отверстий или пор, пористый керамический материал или т.п. Единственными требованиями к пористому держателю являются лишь то, что (а) он не должен реагировать неблагоприятным образом с гидратом гидроксида металла; (b) он не должен реагировать неблагоприятным образом с водой или водными растворами или же полярной жидкостью из смеси; и (с) поры не должны быть такими большими, чтобы гидрат гидроксида металла мог проходить через них. Пористый держатель располагают подходящим образом ниже по тече- 2 032043 нию потока от слоя гидрата гидроксида металла (на протяжении этого описания, термины ниже по течению потока и выше по течению потока определены в соответствии с обычным направлением протекания жидкости во время применения).

В одном варианте осуществления пористый держатель может содержать геотекстильную ткань.

В некоторых вариантах осуществления сепаратор может содержать впускное отверстие, через которое смесь может вводиться в сепаратор, и выпускное отверстие, через которое вода или полярная жидкость, которые прошли через слой гидроксида гидрата, могут быть выпущены из сепаратора.

Следует принимать во внимание, что сепаратор будет структурирован таким образом, что жидкость должна проходить через слой гидрата гидроксида металла прежде, чем она может быть выпущена из сепаратора. Таким образом, лишь жидкость, которая прошла через слой гидрата гидроксида металла может быть выпущена из сепаратора. Таким образом, компоненты, которые не могут пройти через слой гидрата гидроксида металла не могут оставить сепаратор вместе с водой или полярной жидкостью, которая прошла через сепаратор, обеспечивая тем самым отделение воды или полярной жидкости от одного или нескольких компонентов.

Авторы данного изобретения неожиданно обнаружили, что слой гидрата гидроксида металла является очень эффективным при отделении одного или нескольких компонентов от воды или полярной жидкости. Однако данный сепаратор не отделяет растворенные материалы, которые находятся в воде или полярной жидкости, от воды или полярной жидкости. Было найдено, что растворенные материалы проходят через сепаратор вместе с водой в полярной жидкости. Например, если смесь содержит солевой раствор, смешанный с одним или несколькими компонентами, растворенная соль будет проходить через сепаратор вместе с водой, в которой эта соль растворена.

В некоторых вариантах осуществления смесь содержит смесь водного раствора и одного или нескольких компонентов.

В некоторых вариантах осуществления держатель размещают с верхней стороны или выше по течению потока от слоя гидрата гидроксида металла. Держатель может содержать ткань, тканый материал, перфорированный материал, сплошной материал, имеющий одно или несколько отверстий или пор, пористый керамический материал, сетчатый материал или т.п. Держатель выше по течению потока или с верхней стороны слоя гидрата гидроксида металла может предотвращать разрушение слоя во время добавления смеси поверх слоя. Держатель с верхней стороны может также быть использован, чтобы предоставлять разделительный слой, отделяющий удержанный материал от слоя гидрата гидроксида металла. Это может делать возможным удаление простым образом удержанных компонентов от слоя гидрата гидроксида металла при таких обстоятельствах, когда желательно извлекать удержанный материал (например, если сепаратор применяют, чтобы выделять ценные компоненты из смеси). В других вариантах осуществления держатель выше по течению потока может делать возможной для сепаратора промывку обратным потоком без потери слоя гидрата гидроксида металла во время стадии промывки обратным потоком. В другом варианте осуществления слой гидрата гидроксида металла, при расположении между двумя держателями, может быть перевернут или инвертирован, чтобы тем самым сделать возможным дополнительный поток фильтрата через него, чтобы удалить и аккумулировать материал.

В предпочтительных вариантах осуществления данного изобретения слой гидрата гидроксида металла находится в форме слоя геля гидрата гидроксида металла. Гель гидрата гидроксида металла может содержать густой гель или жидкий гель.

Слой гидрата гидроксида металла может иметь любую желательную толщину. Авторы изобретения доказали, что слой гидрата гидроксида металла может быть таким тонким как 1 мкм и тем не менее давать хорошие результаты. Слой гидрата гидроксида металла может иметь толщину от 1 мкм до 1 м или более, или от 1 мкм до 50 см, или от 1 мкм до 30 см или более, или от 1 мкм до 10 см, или от 1 мкм до 5 см, или от 1 мкм до 10 мм, или от 1 мкм до 5 мм, или от 1 мкм до 1 мм. Авторы изобретения нашли, что расход потока фильтрата через слой гидрата гидроксида металла увеличивается, когда толщина слоя гидрата гидроксида металла уменьшается. Слой гидрата гидроксида металла может иметь минимальную толщину 1 мкм или 5 мкм, или 10 мкм, или 50 мкм, или 100 мкм, или 250 мкм, или 500 мкм, или 1 мм.

Желательно, слой гидрата гидроксида металла содержит непрерывный слой гидрата гидроксида металла. Предоставление такого непрерывного слоя означает, что закорачивания пути, обхода или каналирования через слой гидрата гидроксида металла возможно избежать, обеспечивая тем самым что весь фильтрат прошел через слой гидрата гидроксида металла.

Без намерения установления связи с теорией авторы данного изобретения полагают, что режим функционирования сепаратора по данному изобретению совершенно отличается от функционирования фильтра. Гидраты гидроксидов металлов и особенно гели гидратов гидроксидов металлов содержат атомы гидроксида металла имеющие некоторое количество молекул воды, захваченных в промежутки сетки из молекул гидроксида. Однако полагают, что молекулы воды не связаны прочно с молекулами гидроксида. Молекулы воды являются очень небольшими при очень низкой молекулярной массе 18 г/моль и очень малом диаметре молекулы примерно 2,75 А.

Фиг. 1 показывает гипотетическую модель молекулярной структуры гидрата гидроксида алюминия. Тот факт, что, когда гидрат высушен, он преобразуется в твердую кристаллическую форму вместо по- 3 032043 рошка гидроксида металла, дополнительно поддерживает это предположение. Молекулы гидроксида алюминия обозначены как а. Молекулы воды (b и с на фиг. 1) притянуты к положительным и отрицательным зарядам молекул гидроксида алюминия. Поэтому молекулы воды не связаны прочно с молекулами гидроксида алюминия и могут легко и естественным образом оставлять гидрат гидроксида алюминия. Поэтому авторы данного изобретения полагают, что вода может легко проходить через слой гидрата гидроксида алюминия без необходимости применения вакуума или давления, в то время как другие субмикронные и нано- или пикоразмерные загрязняющие вещества (такие как водоросли, бактерии, плесневые грибки, вирусы, споры и другие одноклеточные или многоклеточные организмы малого размера и материал в виде твердых частиц) не могут проходить через слой гидрата гидроксида алюминия. Сила тяжести и/или давление, приложенные к жидкой смеси, способствуют перемещению воды через жидкую смесь. Как также полагают, электрические заряды молекул гидроксида алюминия являются другой движущей силой. Электрические заряды молекул гидроксида алюминия притягивают молекулы воды близко к верхней поверхности слоя гидрата гидроксида алюминия. Когда молекулы воды перемещаются в слой гидрата, молекулы воды на нижней части слоя принуждаются к удалению под действием силы тяжести и/или давления посредством водяного столба выше и/или пониженного давления на нижней части слоя и могут быть извлечены. Этот цикл продолжается до тех пор, пока почти не остается молекул воды поверх слоя гидрата гидроксида металла. Слой гидрата гидроксида металла делает возможным прохождение лишь молекул воды и других полярных молекул через слой. Все нерастворимые твердые частицы захватываются слоем, если они находятся в нанометровом или пикометровом интервале (или более). Полярные молекулы жидкости или полярные молекулы, которые растворяются в воде, такие как соль, сахар и хлорофилл, также проходят через слой гидрата гидроксида металла. Однако все неполярные жидкие углеводороды, которые нерастворимы в воде (такие как масла, керосин и гексан) и другие гидрофобные соединения (даже если они частично растворимы; такие как бета-каротин) не могут проходить через слой гидрата и поэтому будут удерживаться поверх слоя гидрата гидроксида металла.

В некоторых вариантах осуществления число молекул воды, связанных с каждой молекулой гидроксида металла в гидрате, может варьироваться, поскольку со временем вода может естественным образом отделяться от гидрата, или вода может вводиться в гидрат. Например, разбавленный свежий гидрат гидроксида алюминия, который был изготовлен при электролизе соленой воды, содержит почти примерно 300 молекул воды для каждой молекулы гидроксида алюминия. Однако слой гидрата будет сжиматься, когда его применяют для отделения воды от смесей, и слой гидрата может быть преобразован в материал в виде кремообразного геля, что происходит по той причине, что число молекул воды для каждой молекулы гидроксида алюминия будет уменьшаться. Также полагают, что условия, используемые для производства гидрата гидроксида металла, могут влиять на число молекул воды, связанных с каждой молекулой гидроксида металла.

В некоторых вариантах осуществления гидрат гидроксида металла может находиться в форме геля. Гель может иметь внешний вид, подобный разжиженному крему, такому как жидкий крем для лица. При распределении по поверхности (например, при растирании между пальцами) данный гель ощущается как влажный, подобно разжиженному крему, однако затем вода быстро испаряется, оставляя после этого лишь гидроксид металла.

В некоторых вариантах осуществления гидрат гидроксида металла может иметь по меньшей мере 10 молекул воды, связанных с каждой молекулой гидроксида металла. Предпочтительно, гидрат гидроксида металла может иметь по меньшей мере 16 молекул воды, связанных с каждой молекулой гидроксида металла, более предпочтительно по меньшей мере 20 молекул воды, связанных с каждой молекулой гидроксида металла, даже более предпочтительно по меньшей мере 30 молекул воды, связанных с каждой с каждой молекулой гидроксида, даже более предпочтительно от 30 до 400 молекул воды, связанных с каждой молекулой гидроксида металла, даже более предпочтительно от 37 до 300 молекул воды, связанных с каждой молекулой гидроксида металла, или от 37 до 90 молекул воды, связанных с каждой молекулой гидроксида металла.

Дополнительные особенности вариантов осуществления данного изобретения будут описаны со ссылками на представленные ниже чертежи и примеры.

Любой из признаков, описанный в данном документе, может быть объединен в любой комбинации с любым одним или несколькими другими признаками, описанными в данном документе, в пределах объема данного изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает гипотетическую модель молекулярной структуры гидрата гидроксида алюминия; фиг. 2 - фотографию системы отделения, применяемой в примере 2;

фиг. 3 - фотографии испытаний на размножение бактерий и грибковый рост, при этом фиг. 3 а показывает испытания на размножение бактерий, проведенные на воде из реки Брисбен, фиг. 3b - испытания на размножение бактерий, проведенные на фильтрате, полученном от воды из реки Брисбен, которая прошла через слой гидрата гидроксида алюминия, фиг. 3 с - испытания на грибковый рост, проведенные на воде из реки Брисбен, и фиг. 3d - испытания на грибковый рост, проведенные на фильтрате, полученном от воды из реки Брисбен, которая прошла через слой гидрата гидроксида алюминия;

- 4 032043 фиг. 4 - график изменения высоты воды и скорости изменения высоты воды в зависимости от времени для эксперимента, представленного в примере 4;

фиг. 5 представляет собой фотографию, показывающую слой геля гидрата гидроксида алюминия и слой отделенной твердой фазы поверх геля после фильтрации воды из реки Брисбен через гель;

фиг. 6 показывает перспективный вид возможной конструкции водоочистной установки с применением технологии отделения в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения;

фиг. 7 - вид сбоку водоочистной установки, показанной на фиг. 6;

фиг. 8 - результаты полимеразной цепной реакции (PCR), полученные из примера 5;

фиг. 9 - фотографию, сделанную в конце экспериментального испытания примера 7;

фиг. 10 - фотографию, сделанную в конце процесса фильтрации, в котором молоко пропускают через слой гидрата гидроксида алюминия;

фиг. 11 - отделение бета-каротина и твердой фазы от морковного сока при применении фильтрации гидратом в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения;

фиг. 12 - отделение пигментов гранатового сока при применении фильтрации гидратом в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения;

фиг. 13 - красный пигмент ликопин томатного сока, отделенный от воды при применении технологии фильтрации гидратом в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения;

фиг. 14 - мятный сок, извлеченный и отфильтрованный посредством фильтрации гидратом при применении технологии фильтрации гидратом в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения, с ментолом и пигментами, собранными поверх геля;

фиг. 14А - фотографию концентрированного кофе, который был извлечен с верхней стороны слоя гидрата гидроксида металла после фильтрации кофе без приложенного давления;

фиг. 14В - фотографию концентрированного кофе, который был накоплен поверх слоя гидрата гидроксида металла после фильтрации кофе под давлением;

фиг. 15 - фотографию клеток водорослей, удержанных поверх геля гидрата с последующим отделением клеток водорослей;

фиг. 15 А - фотографию масла, подкрашенного красителем Nile red, которое было собрано на верхней стороне фильтра из гидрата гидроксида алюминия из эмульсии масла в воде;

фиг. 16 - фотографию вида сбоку геля гидрата после удаления клеток водорослей Scenedesmus;

фиг. 17 - график зависимости плотность потока фильтрата от давления для эксперимента с применением сепаратора в соответствии с одним из вариантов осуществления данного изобретения;

фиг. 18 - график, представляющий естественное невынужденное испарение различных гидратов гидроксида металла;

фиг. 19А - график зависимости объема фильтрата от времени для фильтрации воды из реки Брисбен при применении приложенного давления 40 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (276 кПа) и толщине гидрата 1 мм;

фиг. 19В - график зависимости плотности потока фильтрата от времени для фильтрации воды из реки Брисбен при применении приложенного давления 40 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (276 кПа) и толщине гидрата 1 мм;

фиг. 19С - график зависимости объема фильтрата от времени для фильтрации воды из реки Брисбен при применении приложенного давления 40 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (276 кПа) и толщине гидрата 10 мм;

фиг. 19D - график зависимости плотности потока фильтрата от времени для фильтрации воды из реки Брисбен при применении приложенного давления 40 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (276 кПа) и толщине гидрата 10 мм;

фиг. 20А - вид нижней секции фильтровального узла, применяемого в одном из вариантов осуществления данного изобретения;

фиг. 20В представляет вид, показывающий нижнюю секцию, показанную на фиг. 20А, имеющую диск из спеченного титана, заключенный в резервуар сепаратора;

фиг. 20С - фотографию, показывающую очень тонкий слой гидрата толщиной менее 500 мкм, сформированный на диске из спеченного титана;

фиг. 20D - фотографию, показывающую поры диска из спеченного титана под микроскопом (увеличение Х100);

фиг. 20Е - фотографию, показывающую ретентат, полученный фильтрацией морковного сока посредством сепаратора, показанного на фиг. 20A-20D, со слоем гидрата толщиной менее 500 мкм;

фиг. 21 показывает вид отдельных частей сосуда, которые могут быть использованы, чтобы сделать устройство, подходящее для образования санированной воды для применения в чрезвычайных ситуациях;

фиг. 22 - части сосуда по фиг. 17, соединенные вместе для обычного применения;

фиг. 23 - сосуд по фиг. 18, в котором верхняя и нижняя части были развинчены, верхняя часть перевернута и затем соединена с нижней частью, чтобы сделать возможными фильтрацию воды и сбор чистого фильтрата в нижней части сосуда;

- 5 032043 фиг. 24 - более детальный вид верхней части сосуда, показанного на фиг. 17, с удаленной крышкой;

фиг. 25 - детали крышки, имеющей гель гидрата гидроксида металла, герметически закрытый снизу удаляемым уплотнением;

фиг. 26 - вид сбоку фильтрующего узла в соответствии с любым вариантом осуществления данного изобретения;

фиг. 27 - базовую конструкцию сепаратора на основе гидрата в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения;

фиг. 28 - схематический вид альтернативной конструкции сепаратора в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения;

фиг. 29 - схематический вид другой конструкции сепаратора в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения; и фиг. 30 - схематический вид другой конструкции сепаратора в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

Примеры

В представленных ниже примерах гидрат гидроксида металла изготавливали in situ посредством образования гидроксида металла в воде или в водном растворе. Гидрат гидроксида металла находился в форме геля. В представленных ниже примерах термины гель гидрата, гель и подобные термины используют взаимозаменяемым образом с термином гидрат гидроксида металла. Все случаи применения этих терминов в представленном ниже описании образцов должны приниматься как являющиеся ссылкой на слой гидрата гидроксида металла, который применяют для отделения компонентов от смеси. Подобным образом, термины фильтрация, система фильтрации гидратом, гелевая система, фильтрация гелем и система фильтрации гелем (и подобные термины, такие как фильтр и отделение) используют в отношении протекания или вызывания процесса прохождения воды или полярных жидкостей или водных растворов через слой гидрата гидроксида металла, в то время как другие компоненты, такие как материал в виде твердых частиц, водоросли, бактерии, плесневые грибки, вирусы, неполярные или гидрофобные жидкости и твердая фаза, удерживаются слоем гидрата гидроксида металла.

Пример 1. Приготовление гидрата гидроксида алюминия.

Гидроксид алюминия является неорганическим, нетоксичным соединением, которое нерастворимо в воде, с молекулярной массой 78. Более 100 миллионов тонн гидроксида алюминия производят каждый год, и более 90% его преобразуют в оксид алюминия для применения в производстве металлического алюминия (объем такого гидроксида алюминия, который прокаливают, чтобы образовать оксид алюминия, и затем преобразуют в металлический алюминий, производят при применении процесса Байера). Гидроксид алюминия применяют в качестве сырья для производства других соединений алюминия, таких как прокаленный оксид алюминия, сульфат алюминия, хлорид полиалюминия, хлорид алюминия, цеолиты, алюминат натрия, активированный оксид алюминия и нитрат алюминия.

Гидроксид алюминия может быть произведен посредством электролиза соленой воды (имеющей соленость обычно в интервале от 30 до 70 частей на тысячу (РРТ)) при применении алюминиевых электродов и постоянного тока. Может быть использован постоянный ток при напряжении от 3 до 12 В (предпочтительно 9 В) и величине тока 1 А. Следует принимать во внимание, что может быть использован широкий интервал условий.

Гидроксид алюминия может также быть произведен смешиванием растворов сульфата алюминия (соли, которую применяют для уменьшения рН грунта в садоводстве и также в качестве антацида при изжоге) и бикарбоната натрия (пищевой соды). Как сульфат алюминия, так и бикарбонат натрия являются очень дешевыми и в высшей степени нетоксичными химикатами. Будет происходить следующая реакция:

А1₂ (SO₄) з+бНаНСОз - 3Na₂SO₄+2Al(ОН)з+6СО₂ (1)

Когда гидроксид алюминия формируют в водном растворе, гидрат гидроксида алюминия будет быстро образовываться. В зависимости от молярности (концентрации) раствора сульфата алюминия и раствора бикарбоната натрия, применяемых для формирования гидроксида алюминия, гидраты различных составов, концентрации и толщин могут быть произведены для разных видов применения. Например, при 20°С растворимость сульфата алюминия и бикарбоната натрия в 100 мл воды составляет 36,4 г и 1,6 г соответственно. Поэтому при 20°С, для того чтобы сделать стехиометрическую смесь для применения в уравнении (1) и при применении насыщенных растворов, 36,4 г сульфата алюминия примешивают к 100 мл воды и 53,76 г бикарбоната натрия примешивают к 560 мл воды. Добавление раствора сульфата алюминия к раствору бикарбоната натрия будет приводить к образованию стехиометрической реакционной смеси и избыток сульфата алюминия или бикарбоната натрия не будет оставаться в растворе при окончании реакции.

Также возможно сделать более густой или более плотный гидрат гидроксида алюминия посредством смешивания реагентов в воде при высоких температурах. Например, при 100°С растворимость сульфата алюминия и бикарбоната натрия в 100 мл воды увеличивается до 89 и 23,6 г соответственно. Поэтому при 100°С, чтобы сделать стехиометрическую смесь для применения в уравнении (1), 89 г сульфа- 6 032043 та алюминия примешивают к 100 мл горячей воды и 130,98 г бикарбоната натрия примешивают к 555 мл горячей воды (данная горячая вода находится вблизи 100°С) . Если эти растворы смешивают, то образуется более густой гидрат гидроксида алюминия. Этот гидрат гидроксида алюминия является более сжатым и имеет меньше молекул воды для каждой молекулы гидроксида алюминия по сравнению с гидратом, изготовленным при 20°С. Отношение гидроксида алюминия к молекулам воды выше, и поэтому электрические заряды гидроксида алюминия на каждой молекуле воды выше и удерживание молекул воды сильнее, чем в гидрате гидроксида алюминия, который изготовлен при 20°С. Может также являться возможным смешивание ингредиентов в нагреваемом реакторе повышенного давления, чтобы увеличивать растворимость ингредиентов и изготавливать очень плотный и высокозаряженный гидрат гидроксида металла.

В экспериментах, проведенных авторами изобретения, был изготовлен гидроксид алюминия посредством смешивания растворов сульфата алюминия и растворов бикарбоната натрия при 20°С и 100°С. Гидрат гидроксида алюминия, полученный при 20°С (комнатной температуре) имел формулу приблизительно А1(ОН)₃ х 90Н₂О (т.е. примерно 90 молекул воды для каждой молекулы гидроксида алюминия). Гидрат гидроксида алюминия, изготовленный при 100°С, имел формулу приблизительно А1(ОН)₃ х 37Н2О (т.е. примерно 37 молекул воды для каждой молекулы гидроксида алюминия). В этом эксперименте число молекул воды и молекул гидроксида алюминия различных составов гидрата определяли посредством взвешивания разных образцов перед сублимационной сушкой и после нее. Гидрат гидроксида алюминия выглядит как очень светлый увлажняющий крем и сходен с холодным рисовым пудингом в своем физическом состоянии. При прикосновении к нему он ощущается подобно касанию воды.

В приведенных ниже примерах термины нормальный гидрат или нормальный гель используют для указания на гидрат, который сформирован при 20°С. Термины более густой гидрат или более густой гель используют для указания на гидрат, который сформирован вблизи 100°С.

Пример 2. Очистка воды.

Каждый шестой человек в мире не имеет доступа к чистой воде. 3,4 миллиона людей умирают каждый год от болезней, связанных с водой, главным образом в развивающихся странах. Современные общепринятые технологии очистки воды включают коагуляцию и флокуляцию, с последующей флотацией растворенным воздухом и фильтрацией через песок, дезинфекцией хлором и уплотнением осадка. Эти обычные технологии производят питьевую воду высокого качества, однако они являются дорогими как в отношении капитальных затрат, так и в отношении эксплуатационных затрат. Желательна разработка более дешевых и более простых процессов обработки воды для получения хозпитьевой и питьевой воды.

Гидрат гидроксида алюминия приготавливали при применении растворов сульфата алюминия и бикарбоната натрия. Гидрат гидроксида алюминия удерживали на пористой геотекстильной ткани. Стеклянный корпус, имеющий открытую верхнюю часть и открытую нижнюю часть, располагали таким образом, чтобы геотекстильная ткань перекрывала открытую нижнюю часть. Таким образом, слой гидрата гидроксида алюминия был расположен на нижней части стеклянного корпуса. Стакан для сбора располагали с нижней стороны геотекстильной ткани, чтобы собирать любую жидкость, которая прошла через слой гидрата гидроксида алюминия.

Воду отбирали из реки Брисбен. Вода из реки Брисбен является очень мутной и содержит значительные количества твердой фазы во взвешенном состоянии и коллоидной твердой фазы. Образец воды из реки Брисбен заливали в стеклянный корпус и пропускали воду через слой гидрата гидроксида алюминия. Эту воду собирали в стакан для сбора. Собранная вода будет называться как фильтрат. Фильтрат имел измеренную оптическую плотность (при 450 нм) 0,000, которая является такой же, что и для дистиллированной воды. Это означает, что эффективным образом почти вся твердая фаза во взвешенном состоянии и тонкие частицы были захвачены на верхней стороне слоя гидрата гидроксида алюминия. Геотекстильная ткань, которая была использована для поддерживания слоя гидрата гидроксида алюминия, имела размер пор 90 мкм (полипропиленовый нетканый геотекстиль 260 г/м²) и она является очень дешевой геотекстильной тканью. Однако другие среды или ткани также могут быть использованы, с учетом проектных расходов жидкости для конкретного применения и требуемой прочности удерживающей среды, чтобы поддерживать слой гидрата.

Пример 3. Испытания на бактерии и плесневые грибки на фильтрате.

Несколько испытаний на размножение бактерий и рост плесневых грибков выполняли на фильтрате воды, полученном от обработки воды реки Брисбен в соответствии со способом, описанным в примере 2. Эти испытания показали, что все бактерии и плесневые грибки в воде реки Брисбен были захвачены слоем гидрата гидроксида алюминия. Для того чтобы оценить возможность применения этого процесса для крупномасштабной очистки питьевой воды, испытания для трубы также выполняли на воде из реки Брисбен.

Для того чтобы оценить, насколько эта система отделения улавливает бактерии и плесневые грибки, несколько испытаний в отношении бактерий в среде LB и плесневых грибков в среде PDA (картофельно-декстрозного агара) выполняли при применении различных составов гидрата. Lennox LB является часто упоминаемой средой для микробного роста, используемой для Е.ооБ и выращивания бактерий.

- 7 032043

Этот микробный бульон, обогащенный питательными веществами, содержит пептиды, аминокислоты, водорастворимые витамины и углеводы в составе с низким содержанием соли. Добавление агара предоставляет твердотельную среду для микробного роста. LB среду изготавливали смешиванием 10 г триптона, 5 г дрожжевого экстракта, 15 г агара, 10 г NaCl в 950 мл деионизированной воды. Раствор стерилизовали в автоклаве в течение 20 мин при 15 фунтах/кв. дюйм (103 кПа), 121°С, и после охлаждения до 55°С заливали в чашки Петри, и хранили в холодном темном месте при +4°С. Для определения роста плесневых грибков в фильтрате применяли среду из картофельно-декстрозного агара (PDA). Картофельнодекстрозный агар (PDA) является наиболее широко применяемой средой для выращивания плесневых грибков. Среду картофельно-декстрозного агара (PDA) приготавливали добавлением 4 г картофельного экстракта (200 г экстракта из картофеля), 20 г декстрозы и 15 г агара к 1 л очищенной воды.

Раствор стерилизовали в автоклаве при 121°С, и после охлаждения до 55°С заливали в чашки Петри, и хранили в холодном темном месте при +4°С.

Гидрат гидроксида алюминия изготавливали посредством электролиза соленой воды с концентрацией 70 частей на тысячу (РРТ) (70 г NaCl, растворенного в 1 л дистиллированной воды) при применении алюминиевых электродов (или по меньшей мере алюминиевого анода). Постоянный ток при 9 В и 1 А использовали во время электролиза. Гидрат гидроксида алюминия также приготавливали смешиванием насыщенных растворов сульфата алюминия и бикарбоната натрия, приготовленных при комнатной температуре (20°С). 36,4 г сульфата алюминия примешивали к 100 мл дистиллированной воды и 53,76 г бикарбоната натрия примешивали к 560 мл дистиллированной воды. Раствор сульфата алюминия добавляли постепенно к раствору бикарбоната натрия. Смешанные растворы оставляли примерно на 2 ч, чтобы предоставить возможность отделения всех молекул СО₂. Полученный посредством реакционного взаимодействия гель-раствор добавляли поверх геотекстильной ткани и промывали дистиллированной водой, чтобы удалить непрореагировавший сульфат алюминия. Одно и то же количество, составляющее 20 мл, гидрата гидроксида алюминия, полученного посредством электролиза, и гидрата гидроксида алюминия, полученного посредством реакционного взаимодействия, использовали для каждого эксперимента. Простое оборудование для фильтрации, применяемое для испытаний, показано на фиг. 2. Нетканый геотекстиль с размером пор 90 мкм закрепляли на дне круглого пластикового контейнера диаметром 76 мм.

Мутную воду из реки Брисбен отбирали из реки Брисбен вблизи Университета Квинсленда. Все оборудование для фильтрации стерилизовали в автоклаве и охлаждали перед испытаниями. Для того чтобы избежать вторичного загрязнения, все испытания выполняли при ламинарном потоке. Слой гидрата гидроксида алюминия добавляли поверх геотекстильной ткани, и воду реки Брисбен добавляли поверх геля гидрата. Первые 50 мл фильтрата не отбирали, чтобы сделать возможным удаление молекул воды, которые уже присутствовали в гидрате. Одинаковый объем (100 мкл) воды из реки Брисбен перед фильтрацией и после фильтрации добавляли к каждой из чашек со средой LB и средой картофельнодекстрозного агара (PDA). Чашки со средой LB помещали в инкубатор на 24 ч, а чашки с картофельнодекстрозным агаром (PDA) заворачивали в алюминиевую фольгу и оставляли в комнате на одну неделю.

Результаты всех испытаний показали отсутствие размножения бактерий и грибкового роста из фильтрата воды. Следовательно, фильтрат был полностью санирован слоем гидрата гидроксида алюминия. фиг. 3 показывает результаты испытаний в отношении бактерий в среде LB и плесневых грибков в среде картофельно-декстрозного агара (PDA) для воды из реки Брисбен перед фильтрацией и после нее посредством гидрата гидроксида алюминия, полученного посредством электролиза. Через 24 ч рост от сотен бактериальных колоний наблюдали от воды перед фильтрацией (фиг. 3а), однако не происходил рост бактериальных колоний, происходящий от фильтрата (фиг. 3b) . Подобные результаты наблюдали для плесневых грибков в чашках со средой картофельно-декстрозного агара (PDA) по прохождении одной недели. Некоторый грибковый рост происходил от воды реки Брисбен перед фильтрацией (фиг. 3с), однако грибковый рост не происходил от фильтрата (фиг. 3d) и все плесневые грибки были также захвачены этой системой. Следовательно, вся твердая фаза во взвешенном состоянии и бактерии и плесневые грибки в воде реки Брисбен были захвачены, и не наблюдались бактериальные колонии или грибковый рост во всех испытаниях после фильтрации гидратом гидроксида алюминия. Поэтому воду рассматривали как полностью стерилизованную посредством пропускания через гомогенный слой гидрата гидроксида алюминия.

Подобные испытания выполняли посредством пропускания воды реки Брисбен через слой гидрата гидроксида алюминия, изготовленного посредством реакционного взаимодействия между растворами сульфата алюминия и бикарбоната натрия. Аналогичные результаты были получены без признаков бактериального или грибкового роста при наблюдении на средах при нанесении фильтрата воды на чашки Петри.

Надосадочную жидкость от воды реки Брисбен удаляли с верхней стороны слоя гидрата гидроксида алюминия и испытывали на бактерии, которые образовывали колонии в чашках со средой LB. Это показывает, что гидрат гидроксида алюминия не убивает бактерии. Вместо этого, поскольку бактерии не были обнаружены в фильтрате, слой гидрата гидроксида алюминия предотвращает прохождение бактерий через этот слой.

- 8 032043

Эти испытания показывают, что все бактерии и плесневые грибки захватываются слоем гидрата гидроксида алюминия. Вода, которая прошла через данный слой, стерилизована эффективным образом.

Таким образом, пропускание воды реки Брисбен через слой гидрата гидроксида алюминия не только отделяет всю твердую фазу во взвешенном состоянии в воде, но также и улавливает все микроорганизмы.

Фильтрат является чистой водой. Дополнительная обработка (такая как хлорирование) не требуется.

Сравнительный пример.

Несколько испытаний в среде LB и среде из картофельно-декстрозного агара (PDA) выполняли на воде реки Брисбен, профильтрованной через фильтрующие среды, полученные быстрым смешиванием порошка гидроксида алюминия и воды при высокой температуре. Гель не был сформирован. В отличие от случая, когда слой гидрата гидроксида алюминия был сформирован in situ посредством электролиза или реакционного взаимодействия, вода не была стерилизована, и имелось еще некоторое количество поддающихся культивированию бактерий в фильтрате.

Пример 4. Эффект давления водяного столба в фильтрации гелем гидрата (крупномасштабные расчеты (испытание для трубы)).

Трубу из поливинилхлорида (ПВХ), имеющую шкалу, с прозрачной трубой, установленной параллельно, чтобы измерять высоту водяного столба, применяли для этого эксперимента. Труба имела высоту 150 см и площадь поперечного сечения 0,00567 м² (56,7 см²). Полипропиленовый нетканый геотекстиль 260 г/м² с размером пор 90 мкм использовали в качестве поддерживающей фильтрующей среды для слоя гидрата. Время регистрировали для каждых 10 см уменьшения высоты водяного столба. Оптическую плотность (OD) фильтрата также измеряли на протяжении времени. Несколько разных испытаний выполняли для разных составов и разных толщин слоя гидрата, разных высот и разных величин мутности речной воды.

200 мл геля гидрата (как полученного посредством электролиза, так и посредством реакционного взаимодействия), который хранили в течение более 6 месяцев (для того чтобы доказать, что он не будет деградировать с течением времени) применяли для этого эксперимента. Изменения высоты воды и скорости изменения высоты воды со временем показаны на фиг. 4. Также вычисляли расход и плотность потока каждой секции. Эти данные могут быть использованы для крупномасштабных расчетов. Образцы воды из реки Брисбен использовали для испытаний при разных величинах мутности. Оптическая плотность (0D) речной воды находилась в интервале от менее мутной воды (оптическая плотность (0D) 0,120 при 450 нм) до высокомутной (оптическая плотность (OD) 0,550 при 450 нм). Независимо от мутности речной воды и высоты водяного столба, фильтрат воды был всегда прозрачный с оптической плотностью (OD) 0,000 при 450 нм. Успешные результаты также подтверждают, что гель не будет деградировать на протяжении длительного периода времени, и он функционирует, пока находится во влажном, а не в высушенном состоянии.

После применения слоя геля для фильтрации 10 образцов, хотя расход потока уменьшился немного вследствие накапливания твердой фазы во взвешенном состоянии на геле, засорение не происходило, и система отделения все еще функционировала. Вся твердая фаза во взвешенном состоянии, такая как очень маленькие частицы грунта или древесные частицы и частицы ила, были собраны и сжаты поверх геля и образовывали плотную коричневую пасту (см. фиг. 5). На фиг. 5, белый слой содержит слой геля гидрата гидроксида алюминия, и коричневый слой поверх содержит твердую фазу во взвешенном состоянии и материал в виде твердых частиц, которые были удалены из речной воды. Водоочистные установки имеют узлы для уплотнения осадка для обезвоживания осадка для простоты транспортировки. Этот уплотненный обезвоженный осадок также подтверждает, что при применении этого процесса может отсутствовать необходимость в узле для уплотнения осадка для будущих крупномасштабных водоочистных установок, основанных на данном изобретении. Промышленные водоочистные установки могут использовать толстый слой гидроксида металла, например, толщиной 1 м, или даже более толстый. Этот слой может быть очищен вычерпыванием или оскребкой налипшего материала с верхней стороны слоя. Толстые слои гидрата гидроксида металла могут также быть использованы в других видах применения.

Фиг. 4 показывает, что даже при толстом (5 см толщиной) слое геля гидрата расход потока фильтрата является достаточно большой. Когда высота водяного столба увеличивается, давление и расход потока фильтрата увеличивается. Со временем расход потока уменьшается вследствие уменьшения высоты колонны и пониженного давления, обусловленного гидростатическим напором воды. Среднее уменьшение высоты колонны в час составляло 13 см. Примерно 3136 л/(день-м²) речной воды может быть очищено при применении этой технологии без какого-либо потребления энергии. Поэтому эта технология может быть использована простым образом в качестве одностадийного процесса очистки воды и дезинфекции для различных масштабов применения. Эта технология может быть реализована для маломасштабной обработки воды в сельских и удаленных районах. Эта технология может также быть использована для крупномасштабной муниципальной обработки воды. Эта технология может упрощать обычные чрезмерно сложные и дорогостоящие процессы обработки воды до простого одностадийного процесса. Простой отстойный резервуар или подобные камеры (такие как воронкообразная башня с меньшей площадью поверхности для простоты эксплуатации и меньшего потребления геля) могут быть использованы

- 9 032043 вместо современных сложных водоочистных установок.

Множество различных форм, которые варьируются от простого бачка до более сложного фильтрующего оборудования с применением вакуумирования или барабанных вращающихся фильтров, может быть использовано для очистки воды при применении фильтрации гидратом в соответствии с данным изобретением. Например, один простой бачок может решить проблему с безопасной питьевой водой для большой семьи в развивающихся странах. Гель гидрата может поддерживаться между двумя видами тканей или фильтрующих сред. Нижняя ткань с порами малого размера поддерживает гель, а верхняя ткань с порами большого размера (чтобы избежать засорения и закупоривания) поддерживает твердую фазу во взвешенном состоянии и загрязняющие вещества и предотвращает образование разрывов слоя геля во время заполнения. Кольцо, которое вырезано из другого подобного бачка, может поддерживать верхнюю ткань в размещенном в системе состоянии.

При применении этой технологии возможно упростить многостадийный процесс обработки воды до одностадийного процесса. Пример концептуального проекта, подобного обычным седиментационным осветлителям водоочистных установок, показан на фиг. 6. Когда высота воды увеличивается, расход потока также увеличивается, и поэтому требуется меньшая площадь поверхности геля гидрата. Возможно размещение отстойного резервуара отдельно перед узлом для фильтрации гелем гидрата, чтобы отделять частицы грунта, частицы ила и подобные твердые частицы, которые оседают естественным образом. Однако также возможно объединение все стадий в одну стадию, как показано на фиг. 6. Средняя секция 13 является секцией фильтрации гелем гидрата. Обработка воды может происходить непрерывно или в виде ежедневных периодических циклов. Первоначально, гель гидрата закачивают в среднюю секцию при применении трубы 12. Затем воду закачивают при применении труб 11. Некоторое количество твердой фазы осаждается с течением времени. Вследствие наклона этого седиментационного осветлителя или применения обычных резиновых скребков 15 (которые собирают осевший осадок при вращательном перемещении) способная к осаждению твердая фаза удаляется через трубу 14 для отвода отстоя. Аналогичная система с резиновым скребком может собирать твердую фазу во взвешенном состоянии, которая накапливается поверх секции фильтрации гидратом. Вид сбоку водоочистной установки фиг. 6 показан на фиг. 7.

Различные размеры этой простой системы очистки воды с разной одноразовой загрузкой, системы полунепрерывного или непрерывного действия могут быть конструктивно реализованы на основе технологии фильтрации гидратом. Различные системы удаления осажденной твердой фазы (например, резиновым скребком непрерывного или периодического действия или вручную или с размещением ткани или подобных сред поверх геля) могут также быть сконструированы. Также могут быть сконструированы водоочистные установки различных размеров, от сотен тысяч литров до миллионов литров. Например, для естественной (без отсасывания и/или приложения давления) ежедневной фильтрации примерно 314 миллионов литров (что может быть достаточно для ежедневного потребления города) может быть сконструирован отстойный резервуар диаметром 200 м с высотой 10 м. Он может быть также использован в комбинации с обычными системами обработки воды. Он может быть добавлен в качестве заключительной стадии для обеззараживания и осветления, чтобы удалять любые оставшиеся следовые количества твердой фазы во взвешенном состоянии и бактерии, вирусы и патогены в воде. Поскольку некоторые патогены устойчивы к хлору, конечный продукт дезинфекции с применением этой технологии может быть более безопасным для питья по сравнению с водой, дезинфицированной хлором.

Пример 5. Улавливание вирусов фильтрацией гидратом.

Занятость половины больничных коек в мире обусловлена отсутствием безопасной питьевой воды. Небезопасная вода является причиной 88% мировых случаев диареи, и 90% смертей вызваны диарейными инфекционными болезнями у детей младше пяти лет. Вирусы являются основной причиной болезней, передающихся человеку через воду и связанных с водой. Болезни, передающиеся через воду, вызваны водой, которая загрязнена мочой и фекалиями людей и животных, содержащими патогенные микроорганизмы. Люди могут заразиться посредством контакта с загрязненной водой или ее потребления.

При обработке поверхности воды (воды из озер, рек или резервуаров) процессы коагуляции, флокуляции и седиментации и обычной фильтрации в основном удаляют загрязнения, крупные частицы и твердую фазу во взвешенном состоянии. Поэтому в качестве последней стадии применяют дезинфекцию хлором. Однако многие передающиеся через воду патогены устойчивы к хлору, и их регулярно находили в очищенной воде обычных водоочистных установок. Эти устойчивые к хлору патогены включают множество вирусов, паразитов и бактерий, которые могут вызывать гепатит, гастроэнтерит, криптоспоридиоз и болезнь легионеров. Поэтому имеет место важнейшая потребность в нахождении более эффективного и менее проблематичного процесса дезинфекции воды. Фильтрация гелем гидрата, которая делает возможным прохождение лишь молекул воды, является новым потенциально возможным процессом для удаления патогенов из воды.

Для того чтобы определить, может ли гель гидрата захватывать вирусы, бактериофаг добавляли к воде и выполняли испытания с полимеразной цепной реакцией (PCR), чтобы амплифицировать любой вирус в фильтрате, с тем, чтобы определить любые следовые количества вируса, находящегося в фильтрате.

- 10 032043 мкл хелперного фага М13К07 (от NEB Biolabs) добавляли к 20 мл дистиллированной воды, перемешивали и добавляли поверх более густого геля гидрата (изготовленного при 100°С). На основе последовательности ДНК М13К07 конструировали прямые и обратные праймеры.

Полимеразу Phusion в полимеразной цепной реакции (PCR) использовали для этих испытаний. Мастер-микс изготавливали смешиванием 7,2 мкл воды, 4 мкл буфера 5*HF Buffer, 1,6 мкл дНТФ (дезоксинуклеозидтрифосфатов), 2 мкл прямого, 2 мкл обратного праймеров и 0,2 мкл энзима полимеразы Phusion (Thermo Scientific). 3 мкл каждого образца добавляли к мастер-миксу и заливали в трубки для полимеразной цепной реакции (PCR) и помещали в PCR-машину (амплификатор) для выполнения полимеразной цепной реакции (PCR). Программа полимеразной цепной реакции (PCR) полимеразы Phusion включала 98°С в течение 30 с, с последующими 35 циклами (98°С в течение 10 с, 65°С в течение 30 с и 72°С в течение 30 с) и 72°С в течение 10 мин, после чего 16°С в течение продолжительного времени.

После полимеразной цепной реакции (PCR) электрофорез геля использовали для разделения по размерам и анализа ДНК. Густой (2% мас./об.) агарозный гель, содержащий бромид этидия, применяли для этого эксперимента. 4 мкл загрузки являлись красителем, добавленным в каждую трубку для полимеразной цепной реакции (PCR). 5 мкл широкодиапазонного маркера длины ДНК и 10 мкл каждого образца добавляли в лунки агарозного геля. Гель подвергали электрофорезу в агарозном геле и выполняли его при 100 В в течение 15 мин. После электрофореза гель помещали на прибор, излучающий ультрафиолетовый свет, для визуализации ДНК. Фиг. 8 показывает результаты.

Результаты полимеразной цепной реакции (PCR) (фиг. 8) показывают отсутствие следовых количеств ДНК-вируса в фильтрате, в то время как контрольные образцы показывают, что ДНК-содержащий фаг был легко амплифицирован. Фиг. 8.1 показывает широкодиапазонный маркер длины ДНК. Фиг. 8.2, фиг. 8.9, фиг. 8.11 показывают амплифицированный ДНК-содержащий фаг в контрольных образцах (без фильтрации). Другие колонки (фиг. 8.3, 8.4, 8.5, 8.6, 8.7, 8.8, 8.10) содержали различные образцы фильтрата, которые не показывают следовых количеств амплификации ДНК-содержащего фага. Фиг. 8.2 представляет контрольный образец жидкости для фильтрации (3 мкл раствора фага+20 мл воды). Его поддерживали на льду во время фильтрации и не применяли для фильтрации. Фиг. 8.9 представляет такой же контрольный образец, который поддерживали при комнатной температуре (25°С) во время фильтрации. Фиг. 8.11 представляет другой контрольный образец с более высокой концентрацией фага, изготовленный добавлением 3 мкл раствора фага к мастер-миксу (17 мкл) для полимеразной цепной реакции (PCR) полимеразы Phusion.

Эти результаты показывают, что гомогенный гель гидрата может захватывать вирусы. Поэтому фильтрация гидратом не только улавливает бактерии, плесневые грибки и более крупные микроорганизмы, но также и вирусы малого размера приблизительно 10 нм (такие как бактериофаги) захватываются при применении этой технологии. Поэтому патогены могут быть захвачены, приводя к получению фильтрата воды, который полностью санирован и безопасен для питья по сравнению с обычными системами для обработки воды. Поэтому эта технология может быть использована в качестве новой одностадийной системы обработки воды, которая удаляет всю твердую фазу во взвешенном состоянии и патогенные микроорганизмы. Этот процесс может быть использован обычной и токсичной дезинфекции хлором.

Пример 6. Разливы нефти (высвобождение неочищенной нефти из танкеров в окружающую среду).

Неочищенная нефть и очищенное топливо, разливаемые в случаях аварий танкеров, наносили ущерб природным экосистемам на Аляске, в Мексиканском заливе, на Галапагосских островах, во Франции и во многих других местах. Например, только в одном случае разлива нефти (Ixtoc I) было высвобождено 3 миллиона баррелей (500000 м³) нефти в окружающую среду и оказано воздействие на 260 км морского берега США. Это оказало долговременное не поддающееся оценке негативное воздействие на окружающую среду.

Современные технологии для решения этой проблемы, такие как биологическая очистка, контролируемое выжигание, диспергирующие агенты, сбор нефти с поверхности воды и центрифугирование, не являются эффективными. Кроме того, стоимость современных технологий является очень высокой. Например, 100 миллионов долларов было затрачено на очистку только в одном случае, при разливе нефти на платформе Ixtoc I в 1979 г.

Стоимость технологи фильтрации гидратом в соответствии с данным изобретением является очень низкой по сравнению с обычными технологиями для очистки разливов нефти. Она может быть реализована на различных судах, и обработанная вода может закачиваться непосредственно обратно в океан, в то время как нефть, отделенная от воды, может быть собрана в резервуары для хранения. Специальные суда для этой системы также могут быть сконструированы. Гидратные фильтры могут разрушать водонефтяные эмульсии, так что они смогут удалять разливы нефти. Поэтому в отличие от процессов центрифугирования фильтрат воды, полученный при применении технологии по данному изобретению, может закачиваться обратно в океан. Эта технология также извлекает нефть, что является основным преимуществом по сравнению с другими обычными решениями, такими как биологическая очистка, выжигание и диспергирующие агенты. Учитывая увеличение количества используемой нефти и ее разливов, размер возможного рынка для этой технологии является значительным. Она также имеет другие непрямые выгоды,

- 11 032043 поддающиеся и не поддающиеся измерению, в отношении защиты окружающей среды, сохранения ценных прибрежных районов и защиты туристической индустрии, а также рыболовной и пищевой индустрии. Кроме того, тысячи химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводов во всем мире и гавани для небольших судов могут использовать эту технологию, чтобы справляться с их проблемами с разливом нефти.

Более густой гель гидрата, изготовленный смешиванием стехиометрическим образом насыщенных растворов сульфата алюминия и бикарбоната натрия при 100°С, применяли для этого эксперимента. 30 мл этого геля гидрата добавляли поверх пористой геотекстильной ткани и помещали в резервуар, имеющий открытую верхнюю часть и открытую нижнюю часть. 50 мл моторного масла Shell Helix HX3 20-50 энергично смешивали с водой (50% масла+50% воды), чтобы образовать частичную эмульсию нефти в воде. Полученную смесь масло-вода добавляли поверх геля гидрата и предоставляли возможность фильтрации.

Фильтр из геля гидрата разделял эмульсию нефти в воде и отделенная масляная фаза удерживалась поверх геля. Фильтрат являлся чистой водой без признаков капель масла. Даже через 24 ч после окончания процесса капли масла не проходили через гидратный фильтр, и все масло удерживалось поверх геля. Результаты также подтверждают теорию фильтрации гидратом, согласно которой только молекулы воды или небольшие полярные молекулы могут проходить через гидратный фильтр, а другие неполярные неводные жидкости, такие как масла и углеводороды, не могут проходить через гидратный фильтр. Поэтому, эта технология может быть использована для решения проблем с нефтесодержащей водой и разливом нефти во многих отраслях промышленности. Например, она может также быть использована на нефтеперерабатывающих, химических и нефтехимических заводах, чтобы отделять нефть от воды или чтобы отделять полярные масла от неполярных масел. Аналогичные результаты наблюдали при применении нормального геля гидрата (изготовленного при 20°С) и при использовании других эмульсий масла в воде (например, чтобы обезжирить молоко или чтобы отделить липидные тела от масличных микроводорослей; примеры 9 и 12).

Пример 7. Отделение на основании полярности.

Фильтры из геля гидрата в соответствии с данным изобретением не позволяют проходить неполярным жидкостям, которые не являются водорастворимыми. Поэтому, поскольку большинство жидких углеводородов являются неполярными и нерастворимыми в воде, они могут быть захвачены посредством фильтрации гидратом. Одним из видов применения для этой технологии является удаление воды из топлива для реактивных двигателей (которое является керосином). Удаление всей воды из топлива для реактивных двигателей является непрактичным при применении современных технологий. Вода в топливе для реактивных двигателей является значительной проблемой, и имели место несколько катастроф, таких как крушение самолета рейса 38 авиакомпании British Airways, которые происходили, поскольку вода в топливе для реактивных двигателей замерзала. Система отделения по данному изобретению может удалять остаточные капли воды из топлива для реактивных двигателей. При применении этой технологии многочисленные другие жидкости могут быть отделены на основании их относительной полярности.

Более густой гель гидрата, изготовленный смешиванием стехиометрическим образом насыщенных растворов сульфата алюминия и бикарбоната натрия, применяли для этого эксперимента (изготовлен при 100°С). 30 мл этого более густого геля добавляли на верхнюю часть оборудования для фильтрации. Гель гидрата поддерживали на геотекстильной ткани. 100 мл смеси керосина (содержащего синие пигменты) и воды (50% керосина и 50% воды), которая была энергично перемешана, добавляли поверх фильтра из геля гидрата. В конце эксперимента чистая вода была собрана в нижней части без каких-либо признаков керосина, в то время как весь керосин был захвачен поверх геля гидрата. Даже по прошествии 24 ч керосин не проходил через гель гидрата. Фиг. 9 показывает фотографию, сделанную в конце экспериментального испытания. На фиг. 9 чистая вода может быть видна в нижней части, и синий слой керосина может быть виден как удерживаемый поверх слоя геля гидрата.

Пример 8. Прохождение полярных жидкостей.

Для подтверждения того, что полярные водорастворимые жидкости проходят гель гидрата, другие эксперименты были выполнены с применением неводных полярных жидкостей. Хотя хлорофилл является соединением, которое имеет гидрофобную хвостовую часть, он также имеет полярную гидрофильную головную группу и является водорастворимым. 100 мл хлорофилла а добавляли поверх 50 мл более густого геля гидрата (изготовленного при примерно 100°С). Такое же оборудование для фильтрации, что было использовано для предшествующих экспериментов, использовали для этого испытания. Молекулы хлорофилла проходили через гель гидрата, как и следовало ожидать.

Гексан является неполярной бесцветной углеводородной жидкостью; поэтому он не должен проходить через гидратный фильтр. Гексан смешивали с водой и добавляли поверх геля гидрата. Поскольку гексан испаряется очень быстро под вытяжным колпаком, верхнюю часть оборудования для фильтрации герметически закрывали алюминиевой фольгой, маскировочной липкой лентой и парафильмом. Аналогично эксперименту с керосином, молекулы воды прошли через гидратный фильтр, а молекулы гексана

- 12 032043 не смогли пройти через гидрат и были удержаны на слое гидрата.

Оборудование для фильтрации оставляли в течение длительного периода времени под вытяжным колпаком, однако даже спустя одну неделю капли гексана не прошли через гидратный фильтр. Аналогичные результаты наблюдали при применении нормального геля гидрата гидроксида алюминия (изготовленного при 20°С).

Эти эксперименты также служат доказательством новой теории фильтрации гидратом, которая является основой этого изобретения. Поэтому возможно отделять различные углеводороды и химикаты на основании их относительной полярности и их молекулярных зарядов. Неполярные компоненты, которые нерастворимы в воде, такие как углеводороды и керосин, не могут проходить через гидратный фильтр, однако полярные водорастворимые компоненты, такие как хлорофилл, будут проходить через фильтр. Это может открыть возможность создания новых нефтеперерабатывающих заводов химического профиля и химических заводов на основании этих свойств гидратного фильтра при применении различных химикатов в качестве жидких гидратов и различных составов и толщин гидратов.

Тот факт, что керосин и гексан не проходят через фильтр из геля гидрата даже после длительного периода времени, показывает, что эта технология может также быть использована для аппаратов для разделения смесей вода/углеводород или хранилищ углеводородов. Конкретные хранилища углеводородов могут быть сконструированы, и гель гидрата может быть размещен в нижней части хранилища. Вся вода должна быть удалена из нижней части резервуара для хранения.

Пример 9. Отрасли промышленности для производства молочных продуктов и переработки молока (изготовления сухого молока и белка молочной сыворотки в качестве побочного продукта).

Большинство людей регулярно потребляют молоко, сыр и другие молочные продукты. Более 20 миллионов метрических тонн сыра производится каждый год. Много людей во всем мире также используют белок молочной сыворотки. Рынок белка молочной сыворотки является быстрорастущим, при этом между 2005 и 2008 годами объем рынка увеличился на 24% до 3,8 миллиардов долларов. Данное изобретение обладает потенциальными возможностями для широкого применения в отраслях промышленности для производства молочных продуктов. Оно может быть использовано для концентрирования молока перед изготовлением сыра и изготовления белка молочной сыворотки в качестве побочного продукта.

Сухое молоко, изготовленное сушкой испарением с применением тока и термической сушкой, такой как сушка в барабанной сушилке, имеет вареный привкус вследствие карамелизации, вызванной подверганием нагреванию. Многие ценные питательные вещества в молоке могут также быть потеряны вследствие нагревания. Сыворотка может также быть денатурирована посредством нагревания. Значительное нагревание (такое как продолжительные высокие температуры выше 72°С, связанные с процессом пастеризации) денатурирует белки сыворотки. Например, вследствие нагревания во время пастеризации некоторые витамины, минералы и полезные (или пробиотические) бактерии могут быть потеряны (содержание тиамина и витамина В12 уменьшается на 10%, а витамина С на 20%). Производители обычного сухого молока применяют выпарные аппараты с последующей сушкой распылением в тепловую камеру. Молоко наносится в виде тонкой пленки на поверхность нагретого барабана, и твердые частицы высушенного молока затем снимаются шабером. Этот процесс вызывает нежелательный вареный привкус, и многие питательные вещества в молоке могут быть потеряны. Ультрафильтрация является новой технологией, используемой в отраслях промышленности для производства молочных продуктов, однако очень высокие капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с этой дорогостоящей технологией, препятствуют широкораспространенному применению этой технологии. Она имеет также очень высокие эксплуатационные затраты вследствие необходимости применения высоких давлений. Однако при применении фильтрации гидратом в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения требуется лишь очень простое оборудование и отсутствует необходимость в высоком давлении и потреблении энергии. Оно может нуждаться лишь в очень низком или среднем давлении. Естественное давление столба жидкости может быть достаточным для создания этого низкого или среднего давления. Сыр, изготовленный посредством традиционных сыродельных процессов, имеет более низкое качество по сравнению с сыром, изготовленным при применении процессов с ультрафильтрацией. Сублимационная сушка сохраняет скоропортящиеся продукты для сухого молока. Однако этот процесс является очень дорогостоящим для крупномасштабных видов применения вследствие высокого потребления электроэнергии для замораживания и вакуумных процессов и очень высоких затрат на оборудование и эксплуатационные расходы.

Продукт молока, обработанного при применении фильтрации гидратом в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения, является очень плотной кремообразной пастой, которая может быть легко высушена при применении простой сушки атмосферным воздухом с помощью ненагретого нагнетаемого воздуха или солнечной сушкой. Поэтому сухое молоко, произведенное фильтрацией гидратом, не имеет неприятного вареного привкуса, подобного привкусу обычных видов сухого молока, которые в настоящее время доступны на рынке. Молочные продукты, изготовленные посредством этого процесса и ультрафильтрацией, являются в большей степени продуктами здорового питания, чем те, что изготовлены посредством обычных процессов, поскольку в них сохраняются термочувствительные компо- 13 032043 ненты. Технология ультрафильтрации изготавливает продукты высокого качества подобно фильтрации гидратом. Однако технология ультрафильтрации является очень дорогостоящей и не может быть реализована на небольших предприятиях и удаленных фермах, в то время как простая система фильтрации гидратом в соответствии с данным изобретением может быть реализована при очень низких затратах в любом месте без необходимости в дорогостоящем оборудовании.

В этом эксперименте применяли более густой гель гидрата, изготовленный смешиванием стехиометрическим образом насыщенных растворов сульфата алюминия и бикарбоната натрия (изготовленный при примерно 100°С). 30 мл этого густого геля добавляли на верхнюю часть оборудования для фильтрации. 150 мл полуснятого молока фильтровали через гидратный фильтр в соответствии с данным изобретением.

Фиг. 10 показывает фотографию, сделанную в конце процесса фильтрации. Фильтрат воды является более прозрачным по сравнению с молоком перед фильтрацией. Твердая фаза концентрированного молока и жиры захвачены поверх геля гидрата. Аналогичные результаты наблюдаются при применении нормального геля гидрата (изготовленного при 20°С).

Фильтрация молока гелем гидрата подтверждает, что гель гидрата может разрушать эмульсии масла в воде и отделять масло от молока. Это дает результаты, аналогичные с результатами ультрафильтрации молока, без какой-либо необходимости в дорогостоящем оборудовании и высоких производственных затратах. Концентрированная паста из твердой фазы молока и жиров захваченная поверх геля гидрата, может быть легко преобразована в сухое молоко при применении обычных процессов сушки без нагревания, таких как сушка воздухом, нагнетаемым вентилятором. Это будет приводить к новому повышенному качеству сухого молока, которое в отличие от сухого молока на современном рынке не имеет неприятного вареного привкуса, обусловленного карамелизацией, вызванной подверганием нагреванию в процессе сушки с нагреванием в барабанной сушилке.

Поскольку белки молочной сыворотки являются водорастворимыми и поэтому проходят через гидратный фильтр, фильтрат содержит белки молочной сыворотки. Посредством сушки фильтрата (при применении обычных процессов сушки, таких как сушка распылением) будет получен порошок белка молочной сыворотки. Он может быть продан в качестве ценного побочного продукта.

Пример 10. Экстрагирование натуральных высокоценных продуктов и пигментов, таких как бетакаротин.

Данное изобретение предлагает новый низкозатратный процесс для отделения высокоценных продуктов от природных продуктов на основании их полярности и растворимости в воде. Рынок продуктов здорового питания является большим и быстрорастущим. Например, мировой рынок каротиноидов составляет 1,4 миллиардов долларов в год. Извлечение высокоценных продуктов, таких как бета-каротин, из природных продуктов очень затруднено. Различные новые фармацевтические продукты, такие как лекарственные препараты, средства для ухода за телом и косметические средства, могут быть изготовлены при применении технологии по данному изобретению. Косметическая промышленность также является крупным бизнесом и в настоящее время ее примерный годовой оборот составляет 170 миллиардов долларов США. Множество различных новых косметических средств, таких как кремы для ухода за кожей, лосьоны, пудры, духи, губные помады и румяна для макияжа, из природных продуктов может быть изготовлено из ингредиентов, полученных при применении технологии по данному изобретению. По сравнению с косметическими средствами на основе нефтяных продуктов эти средства, как полагают, оказывают улучшенное действие в отношении здоровья и питания кожи при уходе за ней.

В этом примере применяли более густой гель гидрата, изготовленный смешиванием стехиометрическим образом насыщенных растворов сульфата алюминия и бикарбоната натрия (изготовленный при примерно 100°С). 30 мл этого густого геля добавляли поверх такого же оборудования для фильтрации, которое было использовано для предыдущих испытаний. 100 мл морковного, гранатового, томатного и мятного соков добавляли поверх гелей и предоставляли возможность фильтрации.

Фиг. 11 показывает отделение твердой фазы, содержащей бета-каротин, от морковного сока при применении фильтрации гидратом. Оранжевые бета-каротиновые пигменты захвачены поверх геля гидрата. Бета-каротин имеет неполярные молекулы и поэтому не может проходить через гидратный фильтр. Обычные технологии отделения, такие как центрифугирование, не могут отделять молекулы бетакаротина от морковного сока; испарение морковного сока при высокой температуре денатурирует молекулы бета-каротина и образует камедеобразный материал.

Фильтрация гидратом также отделяет пигменты гранатового сока (фиг. 12). Ликопин является другим ценным яркокрасным каротиноидным пигментом, обнаруженным в томатах и других красных фруктах и овощах, таких как красная морковь, красные стручковые перцы, арбуз, гак (момордика кохинхинская) и плоды папайи (однако не клубника и земляника). Молекулы ликопина являются неполярными и поэтому не могут проходить через гидратный фильтр и будут собраны поверх геля гидрата после фильтрации. Ликопиновые красные пигменты томатного сока также легко отделяются от воды при применении технологии фильтрации гидратом (см. фиг. 13). Ликопин, как было установлено, также хорошо подходит для поддержания здорового состояния кожи, защиты от УФ излучения, предотвращения рака кожи

- 14 032043 и действует в качестве омолаживающего и предотвращающего появление морщин агента. Ликопиновые таблетки являются дорогостоящими (примерно 50 долларов США за 30 таблеток). После отделения ликопина посредством фильтрации различных соков, обогащенных ликопином, таких как томатный или арбузный сок, множество различных косметических средств, таких как кремы от старения кожи или кремы, препятствующие появлению морщин, мыло, гели и шампуни для душа или зубные пасты, могут быть изготовлены. Факторы риска для здоровья касаются многих обычных средств для макияжа и косметических средств. При применении фильтрации гидратом может быть получено множество природных ингредиентов, составляющих такие средства, как румяна для макияжа и губные помады. Эти высокоценные средства для макияжа могут быть получены конкретно для рынков предметов элитного потребления. Концентрированный томатный сок может также быть высушен воздушной сушкой и продаваться в качестве таблеток ликопина.

Ментол является другим нерастворимым органическим соединением, которое может быть извлечено при применении этой технологии. Спрос на ментол превышает предложение, и он имеет большой рынок, включающий жевательную резинку и леденцы. Мятный сок экстрагировали и фильтровали фильтрацией гидратом. Ментол и другие пигменты были собраны поверх геля (фиг. 14). Аналогичные результаты наблюдали при применении нормального геля гидрата (изготовленного при 20°С).

Был испытан также ряд других продуктов. В одном эксперименте капсаицин отделяли от сока красного чилийского перца. Красные перцы измельчали, и красный сок отделяли и фильтровали в соответствии с данным изобретением. 50 мл сока красного перца добавляли поверх геля гидрата и предоставляли возможность фильтрации. Это приводило к отделению твердой фазы, содержащей капсаицин, от сока красного перца. Фильтрат был прозрачным без каких-либо признаков красных пигментов. Красный пигмент не мог проникать в глубину гидрата, и весь он концентрировался поверх слоя гидрата.

Арбузный сок отделяли при применении гидратного фильтра. 50 мл арбузного сока добавляли поверх геля гидрата и предоставляли возможность фильтрации. Это приводило к отделению твердой фазы, содержащей ликопин, от арбузного сока. Подобным образом, фильтрат был прозрачным без каких-либо признаков красных пигментов. Красный пигмент не мог проникать в глубину гидрата, и весь он концентрировался поверх слоя гидрата.

Абрикос является другим фруктом, богатым каротиноидом. Абрикосовый сок отделяли/концентрировали при применении гидратного фильтра. 50 мл абрикосового сока добавляли поверх геля и предоставляли возможность фильтрации. Это приводило к отделению твердой фазы, содержащей бета-каротин, от абрикосового сока. Подобным образом, фильтрат был прозрачным без каких-либо признаков желтых пигментов. Желтый пигмент не мог проникать в глубину гидрата, и весь он концентрировался поверх слоя гидрата.

Плоды папайи являются другим фруктом, богатым бета-каротином и ликопином. Сок плодов папайи концентрировали/отделяли при применении гидратного фильтра. 50 мл сока плодов папайи добавляли поверх геля и предоставляли возможность фильтрации. Это приводило к отделению студенистой твердой фазы, содержащей бета-каротин и ликопин, от сока плодов папайи. Подобным образом, фильтрат был прозрачным без каких-либо признаков пигментов. Пигмент не мог проникать в глубину гидрата, и весь он концентрировался поверх слоя гидрата.

Манго является другим фруктом, богатым бета-каротином. Сок манго концентрировали/отделяли при применении гидратного фильтра. 50 мл сока манго добавляли поверх геля и предоставляли возможность фильтрации. Это приводило к отделению твердой фазы, содержащей бета-каротин, от сока манго. Подобным образом, фильтрат был прозрачным без каких-либо признаков желтых пигментов. Желтый пигмент не мог проникать в глубину гидрата, и весь он концентрировался поверх слоя гидрата.

Канталупа является другим овощем, богатым бета-каротином. Сок канталупы отделяли/концентрировали при применении гидратного фильтра. 50 мл сока канталупы добавляли поверх геля и предоставляли возможность фильтрации. Это приводило к отделению твердой фазы, содержащей бета-каротин, от сока канталупы. Подобным образом, фильтрат был прозрачным без каких-либо признаков желтых пигментов. Желтый пигмент не мог проникать в глубину гидрата, и весь он концентрировался поверх слоя гидрата.

Сок плодов маракуйи концентрировали/отделяли при применении гидратного фильтра. 50 мл сока плодов маракуйи добавляли поверх геля и предоставляли возможность фильтрации. Это приводило к отделению твердой фазы, содержащей бета-каротин, от сока плодов маракуйи. Подобным образом, фильтрат был прозрачным без каких-либо признаков желтых пигментов. Желтый пигмент не мог проникать в глубину гидрата, и весь он концентрировался поверх слоя гидрата.

Сок плодов гуайявы отделяли/концентрировали при применении гидратного фильтра. 50 мл сока плодов гуайявы добавляли поверх геля и предоставляли возможность фильтрации. Концентрированный сок гуайявы сок собирали поверх слоя геля гидрата. Подобным образом, фильтрат был прозрачным без каких-либо признаков пигментов. Пигмент не мог проникать в глубину гидрата, и весь он концентрировался поверх слоя гидрата.

Также было достигнуто подобное успешное отделение/концентрирование персикового сока, грушевого сока, нектаринового сока и яблочного сока.

- 15 032043

Извлечение пигментов, гидрофобных компонентов и лекарственных средств из цветов, листьев и других частей растений.

Возможно извлечение ценных соединений, пигментов, лекарственных средств и даже каротиноидов из различных растений, их частей (например, их листьев и цветов) при применении этой технологии. Например, желтые пигменты цветов дерева Типуана типу извлекали при применении этой технологии. Цветы дерева Типуана типу собирали в садах при Университете Квинсленда. Их измельчали растиранием пестом в ступе и посредством добавления небольшого количества воды желтый сок отделяли от листьев. 50 мл извлеченной желтой жидкости первоначально фильтровали при применении низкопористой ткани и затем добавляли поверх геля (более густого геля гидрата, изготовленного при 100°С) и предоставляли возможность фильтрации. Это приводило к отделению желтых пигментов. Подобным образом, фильтрат был прозрачным без каких-либо признаков желтых пигментов. Желтый пигмент не мог проникать в глубину гидрата, и весь он концентрировался поверх слоя гидрата.

Концентрирование кофе.

Большинство ароматических и вкусовых веществ в кофе являются гидрофобными. Поэтому они не могут проходить через гидратный фильтр. Соответственно, гидратный фильтр может быть использован для концентрирования кофе. Концентрированный кофе, извлеченный с верхней стороны фильтра, содержит ценные кофейные масла, фенольные вещества и большинство ароматических и вкусовых веществ. Концентрированный кофе, полученный при применении гидратного фильтра, является вязким материалом. Он может быть добавлен к горячей или к холодной воде, чтобы сделать кофейные напитки. Он является богатым источником природных антиоксидантов и фенольных соединений. Эта паста может быть использована в качестве пищи или косметического средства. Она может быть использована в качестве основы для изготовления различных видов новой пищи, здоровой пищи и средств для ухода за телом или косметических средств, таких как кофейный продукт для намазывания на бутерброды за завтраком (подобный шоколадным пастам Nutella®), косметические кремы, увлажняющие кремы, солнцезащитные кремы, жидкости для мытья рук, гели для душа, пена для бритья, спреи для загара и шампуни. Она может быть легко высушена, чтобы получить вещество, подобное Nescafe®. Этот высушенный концентрированный кофе может быть продвинут на рынок в качестве растворимого кофе, подобного Nescafe®.

Он может также быть изготовлен из спитого кофе. Спитой кофе пропитывают погружением в теплую или горячую воду, чтобы сделать возможным отделение остатка масел, гидрофобных ароматических и вкусовых веществ и фенольных веществ и антиоксидантов. В одном эксперименте после отстаивания в течение нескольких часов, 15 л жидкости с верхней стороны отделяли от осажденной твердой фазы. Жидкость добавляли поверх гидратного фильтра в оборудовании, изготовленном при применении бачка, снабженного геотекстильной тканью в нижней части, и предоставляли возможность фильтрации. Для простоты эксплуатации и отделения концентрированного кофе фильтровальную бумагу размещали поверх слоя гидрата, после того как гидраты были осаждены и слой гидрата сформирован. Поэтому в конце процесса концентрированный кофе накапливался поверх бумаги и мог быть легко собран посредством вычерпывания или другого подобного процесса сбора. Фиг. 14 А показывает фотографию концентрата кофе, извлеченного с верхней стороны слоя гидрата. Аналогичным образом, конечный продукт может быть использован для изготовления различных пищевых продуктов или косметических средств. Например, различные дозы концентрированного спитого кофе добавляли и смешивали с различными основами для крема, не имеющими аромата, гелями для душа, жидкостями для мытья рук или другими косметическими составами без отдушки для изготовления косметических средств, и различными косметическими продуктами. Конечный продукт имеет аромат и запах свежего кофе и различные аспекты пользы для здоровья по сравнению с обычной косметической продукцией на основе нефтяных продуктов. Косметические средства, которые мы изготовили таким образом, являются очень стабильными после очень продолжительных периодов времени, и не происходило плесневение и рост бактерий. По прошествии нескольких месяцев они еще имели аромат свежего кофе, поскольку составы мыла, геля для душа, косметического крема сохраняют концентрированный кофе.

Концентрирование кофе без приложения давления происходило медленно на протяжении ночи. Однако приложение давления может сделать процесс отделения более быстрым. 500 мл густого геля гидрата (изготовленного при 100°С) добавляли к 1500 мл воды, и раствор добавляли в тупиковый обогатительный лабораторный напорный фильтрующий узел производства Amdel Company с площадью поперечного сечения 0,01887 м². Через 15 мин, когда частицы гидрата в растворе были осаждены, фильтровальную бумагу помещали поверх слоя гидрата. Измеренная толщина слоя гидрата составляла 10 мм. Затем добавляли 500 мл жидкого кофе, который был отделен от спитого кофе, и прикладывали давление 40 фунтов/кв. дюйм (276 кПа). Через примерно 45 мин процесс заканчивали, и все гидрофобные компоненты были накоплены и легко вычерпаны с верхней стороны фильтровальной бумаги. Фиг. 14В показывает фотографию концентрированного кофе, который был накоплен поверх слоя гидрата гидроксида металла. Рассчитанная средняя плотность потока составляла 1586,97 (мл/мин-м²).

Множество новых продуктов, таких как природные пигменты, добавки для здоровой пищи и новые косметические кремы для ухода за кожей из природных продуктов, может быть изготовлено на основе

- 16 032043 технологии по данному изобретению. Также возможно извлекать и выявлять новые компоненты из природных продуктов. Другие новые концентрированные пищевые продукты могут также быть изготовлены при применении этой технологии. Например, обычные процессы для изготовления томатной пасты применяют высокую температуру, которая разрушает некоторые полезные питательные вещества и витамины. Термочувствительные витамины и питательные вещества будут сохранены в новых видах томатной пасты, изготовленной при применении технологии фильтрации гидратом.

Для того чтобы показать преимущества данного изобретения, морковный сок центрифугировали в течение 10 мин при 4000 об/мин (10000 g), и не было обнаружено удаление бета-каротинового пигмента. Поэтому центрифугирование при этих скоростях не может отделять оранжевые бета-каротиновые пигменты от морковного сока. Аналогичные результаты наблюдали при центрифугировании других соков, таких как гранатовый и томатный. Морковный сок также оставляли в сушильной печи (65°С), чтобы испарить воду. Однако нагревание разрушает оранжевые бета-каротиновые пигменты, и бета-каротиновые пигменты были денатурированы до камедеобразного клейкого вещества. Поэтому технология фильтрации гидратом в соответствии с данным изобретением представляется наиболее подходящей низкозатратной и простой технологией, чтобы концентрировать соки и отделять бета-каротин и другие пигменты от различных природных продуктов и соков.

Пример 11. Фильтрация плазмидной ДНК.

Для того чтобы определить, могут ли длинные молекулы, которые растворимы в воде, пропускаться при фильтрации гидратом, плазмидную ДНК длиной примерно 3000 п.о. использовали для этого эксперимента. Гель гидратного фильтра улавливает неполярные нерастворимые в воде молекулы, такие как бета-каротин. Однако водорастворимые неорганические молекулы, такие как соль, сахар и хлорофилл, проходят через фильтр из геля гидрата. Этот эксперимент определяет, может ли гель гидрата захватывать длинные растворимые молекулы, такие как ДНК. Плазмид добавляли к воде, и испытания полимеразной цепной реакции (PCR) выполняли, чтобы амплифицировать плазмид в фильтрате для того, чтобы определить имеются ли какие-либо любые следовые количества плазмидной ДНК, которые могли бы быть амплифицированы из фильтрата, или проходит ли какой-нибудь плазмид фильтр из геля гидрата.

Плазмид pGreen со встроенным геном Arabidopsis thaliana HVA22d применяли для этого эксперимента. Праймер GFP применяли в качестве прямого праймера, и праймер гена HVA22d применяли в качестве обратного праймера. 70 мкл плазмида (1 мг/мкл) добавляли к 50 мл дистиллированной воды в пробирке Falcon и смешивали. Использовали такое же оборудование для фильтрации, что и в предшествующих экспериментах. Смесь добавляли поверх густого геля (изготовленного при примерно 100°С) и предоставляли возможность фильтрации. Шесть образцов разного фильтрата отбирали на протяжении времени. Два контрольных образца без фильтрации также добавляли к образцам полимеразной цепной реакции (PCR).

Полимеразу Phusion в полимеразной цепной реакции (PCR) снова использовали для этих испытаний. Мастер-микс изготавливали смешиванием 7,2 мкл воды, 4 мкл буфера 5*HF Buffer, 1,6 мкл дНТФ (дезоксинуклеозидтрифосфатов), 2 мкл прямого, 2 мкл обратного праймеров и 0,2 мкл энзима полимеразы Phusion (Thermo Scientific). 3 мкл каждого образца добавляли к мастер-миксу и переносили в трубки для полимеразной цепной реакции (PCR) и помещали в PCR-машину (амплификатор) для выполнения полимеразной цепной реакции (PCR). Программа полимеразной цепной реакции (PCR) полимеразы Phusion включала 98°С в течение 30 с, с последующими 35 циклами (98°С в течение 10 с, 65°С в течение 30 с и 72°С в течение 30 с) и 72°С в течение 10 мин, после чего 16°С С в течение продолжительного периода времени.

После завершения полимеразной цепной реакции (PCR) метод электрофореза геля использовали для разделения по размерам и анализа ДНК. 100 мл (2% мас./об.) агарозного геля бромидом этидия применяли для этого эксперимента. 4 мкл 6-кратной загрузки красителя добавляли в каждую трубку для полимеразной цепной реакции (PCR). 5 мкл маркера 1 т.п.н. и 10 мкл каждого образца добавляли в лунки агарозного геля. Гель подвергали электрофорезу в геле и при 100 В в течение 40 мин. После завершения электрофореза гель помещали под ультрафиолетовый свет для визуализации ДНК.

Результаты полимеразной цепной реакции (PCR) показали отсутствие следовых количеств плазмидной ДНК в фильтрате, наряду с тем, что позитивный контроль показал, что плазмидная ДНК была амплифицирована. Поэтому эти результаты показывают, что молекулы плазмидной ДНК захватываются фильтром из геля гидрата. Соответственно, может быть сделан вывод, что гель гидратного фильтра может также захватывать длинные водорастворимые молекул, такие как ДНК. Предполагают, что длинные водорастворимые молекулы не могут входить между частицами гидроксида в геле гидрата и поэтому не могут проходить через слой геля. Множество нового и различного лабораторного оборудования для отделения ДНК может быть изготовлено при применении этой технологии. Лабораторные фильтры из геля гидрата могут создавать новую и простую альтернативу более дорогостоящим и сложным коммерческим комплектам для очистки ДНК, доступным в настоящее время (например, тем, что основаны на осаждении ДНК).

Пример 12. Сбор и уплотнение микроводорослей, разделение эмульсии масла микроводорослей в

- 17 032043 воде после влажной экстракции.

Накапливание парниковых газов в атмосфере является основной экологической проблемой, стоящей перед всем миром. Виды микроводорослей имеют потенциальные возможности для того, чтобы являться новым возобновляемым источником сырья для биотоплива и также предоставлять высокоценные продукты здорового питания, такие как омега-3 и каротиноиды. Масло, экстрагированное из микроводорослей, может быть легко преобразовано в биодизельное топливо посредством трансэстерификации. Биомасса может быть использована в качестве богатого источника белка для питания людей, корма для животных или она может продаваться в качестве корма для разведения и выращивания рыбы и других водных животных и растений. Рынок биодизельного топлива является быстрорастущим. Например, в США к концу 2006 г. производство биодизельного топлива увеличилось в четыре раза (с 2004 г.) до более чем одного миллиарда галлонов США (3,8 миллиона куб. метров). Высокоценные продукты здорового питания из микроводорослей являются другой быстрорастущей областью. Например, жирные кислоты омега-3 занимают рынок в 13 миллиардов долларов. Каротиноид, который может быть извлечен из микроводорослей, имеет рынок в 1,4 миллиарда долларов. Фитостерины имеют рынок в 300 миллионов долларов. Рынок аквакультуры достиг 86 миллиардов долларов в 2009 г. Микроводоросли важны для заводов для выращивания креветок, устриц и гребешков. Например, водоросли Tetraselmis продаются при цене примерно 800 долларов/кг сухой биомассы, вследствие высоких затрат на выращивание и центрифугирование урожая.

Обычные процессы сбора микроводорослей имеют некоторые проблемы, которые могут быть решены при применении технологии фильтрации гидратом в соответствии с данным изобретением.

Обычные процессы центрифугирования микроводорослей для сбора микроводорослей являются слишком дорогостоящими, чтобы сделать биотопливо из микроводорослей рентабельным. Кроме того, обезвоживание, сушка и извлечение растворителем являются также проблематичными и дорогостоящими, поэтому влажная экстракция масла была предложена, чтобы решить эту проблему, при применении различных технологий, таких как нагревание, электролиз или обработка ультразвуком. Влажная экстракция масла не является пока что практичной вследствие образования эмульсий масла в воде.

Некоторые виды технологий сбора микроводорослей, такие как обычные технологии фильтрации, зависят от вида водорослей. Например, разные флокулянты требуются для разных видов водорослей. Мультикультивирование является очень затрудненным, поскольку сбор различных видов водорослей требует разных технологий сбора. Перекрестное загрязнение в культивировании водорослей является весьма критической проблемой. Однако технология фильтрации гидратом не является зависимой от водорослей и не требует какой-либо предварительной обработки, такой как флокуляция. Размножение бактерий и загрязнение является серьезной проблемой для повторного использования воды для рекультивации водорослей. Размножение бактерий в культурах водорослей является главной проблемой систем культивирования на открытом воздухе. Система фильтрации гелем гидрата может также решить эту проблему посредством улавливания бактерии и плесневых грибков в воде. Этот процесс может быть использован для обработки воды на заводах для крупномасштабного выращивания водорослей.

В отличие от системы центрифугирования и мембранной системы системы фильтрации гидратом в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения могут функционировать без потребления энергии и не имеют подвижных частей. Их простота и низкая стоимость делают их подходящей альтернативой для обычных процессов сбора микроводорослей. Такая система может также решить основную проблему с влажной экстракцией масла посредством разрушения эмульсий масла в воде. Она не зависит от вида водорослей и может обеспечивать сбор любого типа микроводорослей, поэтому проблемы мультикультивирования и перекрестного загрязнения решены при применении этой технологии. Она также санирует воду, поэтому фильтрат воды может быть рециркулирован и повторно использован для выращивания микроводорослей несколько раз.

Различные виды микроводорослей, такие как Tetraselmis striata, Chaetoceros muelleri и Dunaliella salina были успешно отделены и собраны поверх слоя геля гидрата гидроксида алюминия при применении этой технологии. Даже очень малые их виды, такие как клетки Nannochloropsis (примерно 2 мкм диаметром), которые очень трудно отделять обычными технологиями, были легко отделены при применении этой технологии. Фильтрат воды был чистым без какой-либо твердой фазы во взвешенном состоянии или микроводорослей. В отличие от обычных процессов сбора микроводорослей, которые зависят от вида водорослей, любой вид микроводорослей может быть отделен при применении этой технологии. Этот процесс не требует какой-либо предварительной обработки, такой как флокуляция, и все загрязняющие вещества и микроводоросли легко собираются поверх геля гидрата. Неклейкая природа слоя гидрата гидроксида металла делает возможным простое отделение собранных водорослей, и это может быть дополнительно улучшено посредством добавления тонкого слоя мелкопористой ткани или сетки поверх фильтра из геля гидрата.

Высокие электрические заряды молекул гидроксида алюминия в геле гидрата являются другой важной движущей силой для обезвоживания. Гель гидрата не только собирает виды водорослей и предотвращает их прохождение через фильтр, но также естественным образом обезвоживает собранную пасту в большей степени по сравнению с обычными системами фильтрации. Электрические заряды геля

- 18 032043 гидрата гидроксида металла естественным образом втягиваются в молекулы воды, которые расположены близко к поверхности геля, что приводит к более густой (с меньшим содержанием воды) пасте из водорослей поверх геля. Это облегчает последующую обработку, такую как сушка и экстракция масла.

Фиг. 15 показывает, как гидратный фильтр отделяет микроводоросли микронного размера (Nannochloropsis) от воды. Нетканый геотекстиль Bidim A64 с размером пор 80 мкм и проницаемостью 0,8 с^-1применяли под гелем гидрата гидроксида алюминия, который был изготовлен посредством электролиза (9 В, 1 А) соленой воды (70 частей на тысячу (РРТ) ) или был изготовлен посредством реакционного взаимодействия геля гидрата, изготовленного смешиванием стехиометрическим образом насыщенных растворов сульфата алюминия и бикарбоната натрия (1 моль сульфата алюминия+6 молей бикарбоната натрия). Фиг. 15 показывает, что вследствие неклейкой природы геля, паста из водорослей свободно отделяется от геля. Однако более практичным решением является применение цилиндрического оборудования для фильтрации, подобного оборудованию, применяемому при испытаниях фильтрации предшествующих примеров. Это делает возможным однородное распределение пасты из водорослей (при одной и той же глубине вдоль верхней поверхности слоя геля) для простоты последующей обработки, такой как сушка. Поэтому уплотнение и накапливание пасты, а также ее распределение могут быть упрощены с выполнением в виде единственного этапа. Это способствует дальнейшим процессам сушки, таким как солнечная сушка. Кроме того, давление водяного столба и поглощение молекул воды гелем дополнительно обезвоживает пасту. Кусок ткани (или подобной среды) может быть помещен поверх геля перед фильтрацией. Это препятствует разрушению геля во время заполнения. Это также будет облегчать отбор пасты из водорослей после каждого цикла сбора, когда достигнута желательная толщина пасты, посредством простого подъема верхнего куска ткани.

Нагревание или обработка ультразвуком может вызывать разрыв клеток водорослей и высвобождение их липидных тел в качестве масла в окружающую воду. Эмульсия масла в воде не может быть собрана с поверхности. Отделение масла от эмульсии масла в воде является актуальной проблемой, которая может быть решена при применении технологии фильтрации гидратом. Клетки водорослей предварительно обрабатывали таким образом, что клетки разрывались, и масло высвобождалось в воду, приводя к образованию эмульсии масла в воде. 50 мл этой эмульсии фильтровали при применении 30 мл густого геля (изготовленного при примерно 100°С) в качестве слоя. Микроскопическое испытание с окрашиванием липида красителем Nile red показывает, что липиды из эмульсии водорослевого масла были отделены и захвачены поверх геля. Фильтрат являлся кристально-чистой водой без признаков водорослей или капель масла. Фотография масла, подкрашенного красителем Nile red, которое было собрано на верхней стороне фильтра из гидрата гидроксида алюминия из такой эмульсии масла в воде, показана на фиг. 15 А.

Водоросли Haematococcus pluvialis имеют высокое содержание сильного антиоксиданта астаксантина, который является каротиноидом с множеством аспектов пользы для здоровья и который имеет повышенный спрос в отраслях промышленности, производящих продукты здорового питания, аквакультуры, фармацевтические продукты и косметические средства. Рыночная стоимость астаксантина является очень высокой и составляет примерно 3000 долларов США за килограмм. 150 мл водорослей Haematococcus pluvialis добавляли поверх геля гидрата гидроксида алюминия (изготовленного при 20°С). Клетки Haematococcus cells были отделены, и фильтрат являлся чистой водой. Аналогичным образом, 150 мл штамма Scenedesmus sp. NT8C добавляли поверх геля гидрата гидроксида алюминия (изготовленного при 20°С). Опять же, клетки Scenedesmus были захвачены поверх слоя гидрата. Фиг. 16 показывает вид поперечного сечения геля после фильтрации. Она показывает клетки водорослей, собранные поверх геля. Клетки водорослей не проникали в гель, а они накапливались поверх геля. Это облегчает дальнейшее отделение клеток водорослей. Самоподдерживающаяся природа геля гидрата гидроксида алюминия также показана на фиг. 16. Гель показан как белая масса на фиг. 16. Темная геотекстильная ткань может быть видна с нижней стороны геля на фиг. 16.

Пример 13. Пропускание спиртов через гидратный фильтр.

Спирты, такие как метанол и этанол, являются полярными и водорастворимыми. Поэтому они должны проходить через гель гидрата. Для проверки этого 50 мл чистого этанола и метанола добавляли поверх геля гидрата гидроксида алюминия, изготовленного при примерно 100°С (формула (1). Это испытание подтвердило, что молекулы как метанола, так и этанола проходят через гидратный фильтр. Однако они проходили медленнее, чем вода, вследствие их другой полярности, по сравнению с молекулами воды. Это испытание показало, что даже через 2 ч, хотя все молекулы воды контрольного испытания с водой прошли через фильтр, некоторая часть спирта все еще оставалась поверх гидрата. Молекулярная полярность является относительной величиной по отношению к одной молекуле, просто являющейся более полярной или более неполярной, чем другая молекула. Этот показатель может быть использован, чтобы определять и измерять относительные полярности различных молекул по сравнению с водой. Различное новое лабораторное оборудование, такое как измерители молекулярной полярности, может быть изготовлено на основе системы фильтрации гидратом. В зависимости от скоростей фильтрации различных полярных молекул может быть определена их относительная полярность по сравнению с водой.

- 19 032043

Для проверки того, проходили ли молекулы спирта через гидрат или заменяли молекулы воды в гидрате, гели после фильтрации оставляли под вытяжным колпаком на период времени примерно 20 ч. Температура кипения метанола и этанола являются очень низкими, и они испаряются в течение нескольких минут, когда их оставляют под вытяжным колпаком. Если гель гидрата преобразован в гель спиртового гидрата, спирт должен испаряться быстро, и высушенный гидроксид алюминия должен оставаться по прохождении нескольких минут или часов. Однако это испытание показало, что по прохождении примерно 20 ч отсутствовала разница между контрольным гелем гидрата, использованным для фильтрации воды, и гелем гидрата, использованным для фильтрации спирта. Поэтому молекулы спирта могут проходить через гель гидрата, однако не заменяют молекулы воды в гидрате.

Пример 14. Пропускание белков BSA через гидратный фильтр.

Бычий сывороточный альбумин (также известный как BSA или Фракция V) является белком альбумина сыворотки, производного от крупного рогатого скота. Его часто используют в качестве стандарта концентрации белка. Кристаллический порошок BSA смешивали с дистиллированной водой, чтобы изготовить раствор BSA. 50 мл раствора BSA концентрацией 1 миллимоль/л (3,3 г/50 см³) добавляли поверх сверхгустого геля гидрата (изготовленного при примерно 100°С). Однако фильтрат был желтый и не совсем прозрачный, и это показывает, что молекулы BSA могут проходить через гидратный фильтр.

Пример 15. Гидраты гидроксидов других металлов.

Хотя гель гидрата гидроксида алюминия является наиболее предпочтительным материалом для очистки воды и промышленного применения вследствие его нетоксичной природы, прочного гомогенного желатиноподобного слоя, быстрого обезвоживания, доступности и низкой стоимости, а также простоты изготовления смешиванием двух нетоксичных химикатов (сульфата алюминия и бикарбоната натрия), гидраты гидроксидов других металлов могут также быть использованы для некоторых видов промышленного применения, где токсичность не является ключевым вопросом.

Гидроксиды других металлов могут быть токсичными и опасными, и также могут не быть изготовлены посредством реакционного взаимодействия их сульфатов с бикарбонатом натрия.

Они могут быть изготовлены главным образом смешиванием их солей (таких как их сульфаты, нитратов и хлоридов) с гидроксидом натрия (каустической содой). Они могут быть также изготовлены посредством электролиза. Например, гидрат гидроксида меди может быть изготовлен посредством электролиза насыщенного раствора сульфата магния с применением медных электродов и постоянного тока.

Такая же молекулярная структура, которая была разъяснена для гидроксида алюминия, также применима для гидратов гидроксидов других металлов. Когда гидрат формируется, молекулы воды захватываются в промежутки сетки из молекул гидроксида металла, однако не связываются с гидроксидами металла. Захваченные молекулы воды притягиваются к положительным и отрицательным зарядам молекул гидроксида металл, и поэтому они не связываются с молекулами гидроксида металла и могут легко и естественным образом оставлять гидрат. Поэтому вода может проходить через сетку. Примеси, такие как бактерии, плесневые грибки, вирусы, твердая фаза во взвешенном состоянии и неполярные гидрофобные молекулы, также отделяются поверх геля гидрата, вследствие сильных электрических зарядов геля гидрата.

Эта гипотеза также применима для гидратов гидроксидов других металлов, таких как гель гидрата гидроксида магния, гель гидрата гидроксида марганца, гель гидрата гидроксида кобальта или гель гидрата гидроксида никеля. Однако свойства различных гелей гидрата различаются вследствие разной природы и разных химических свойств разных металлов. Например, расход потока, толщина и размеры пор гидратных фильтрующих слоев, изготовленных из разных гелей гидрата, являются разными. Поэтому разные материалы могут быть отделены при применении разных фильтрующих слоев из геля гидрата. Однако вследствие высокотоксичной природы гидратов гидроксидов других металлов и применения опасных химикатов (например, гидроксида натрия) для их изготовления, их применение будет ограничиваться некоторыми конкретными видами применения, например на химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводах. Морковный сок (для отделения бета-каротина) использовали для исследования гидратов гидроксидов разных металлов в приведенных ниже примерах, поскольку он предоставляет возможность простой визуализации.

Гидроксид магния.

Гидрат гидроксида магнм может быть изготовлен в соответствии со следующим уравнением:

MgSO₄+2NaOH—Na₂SO₄+Mg (ОН) ₂ (2)

Раствор сульфата магния изготавливали смешиванием 86,68 г гептагидрата сульфата магния с 500 мл дистиллированной воды. 11,59 г гидроксида натрия смешивали с 50 мл дистиллированной воды. Посредством добавления раствора гидроксида натрия к раствору сульфата магния изготавливали гель гидрата гидроксида магния. Использовали такое же оборудование для фильтрации, что было использовано в предшествующих экспериментах. Однако использовали другую ткань с очень малым размером пор (ткань boardshort) под геотекстильной тканью, чтобы захватывать весь гель гидрата гидроксида магния. Гель гидрата добавляли поверх геотекстильной ткани. Морковный сок добавляли поверх геля гидрата и предоставляли возможность фильтрации.

Хотя гидрат гидроксида магния осаждался очень медленно по сравнению с гидратом гидроксида

- 20 032043 алюминия, фильтрат был прозрачным вследствие применения ткани с меньшим размером пор под гидратом. Все видимые молекулы бета-каротина были отделены или захвачены поверх геля гидрата гидроксида магния. Фильтрат был очень прозрачным без признаков бета-каротиновых пигментов.

Гидроксид цинка.

Гидрат гидроксвда цинка может быть изготовлен в соответствии со следующим уравнением:

ZnSO₄ + 2NaOH^Na₂SO₄ + Zn (ОН) ₂ (3)

Раствор сульфата цинка изготавливали смешиванием 10,27 г гептагидрата сульфата цинка с 50 мл дистиллированной воды. 1,39 г гидроксида натрия смешивали с 10 мл дистиллированной воды. Посредством добавления раствора гидроксида натрия к раствору сульфата цинка изготавливали гель гидрата гидроксида цинка. Использовали такое же оборудование для фильтрации, что было использовано в предшествующих экспериментах. Гель гидрата добавляли поверх геотекстильной ткани. Морковный сок добавляли поверх геля гидрата и предоставляли возможность фильтрации.

Все видимые молекулы бета-каротина были отделены и захвачены поверх геля гидрата гидроксида цинка. Расход потока при обезвоживании был очень большим. Керосин также добавляли поверх геля гидрата гидроксида цинка. Подобно гидрату гидроксида алюминия, результаты показывали, что керосин не проходил через гидрат гидроксида цинка. Другим интересным поведением гидрата гидроксида цинка является то, что после нахождения под керосином в течение длительного времени слой гидрата будет более уплотненным и более твердым по сравнению с гидратами гидроксидов других металлов. Уплотненный слой все еще делает возможным прохождение только лишь молекул воды. Даже резкое повторное пополнение слоя гидрата гидроксида цинка не разрушало слой. Поэтому гидрат гидроксида цинка обладает очень высоким потенциалом для применения в аппаратах для разделения смесей вода/углеводород или применения при очень высоком давлении или применения в нижней части резервуары для хранения керосина и других углеводородов для отделения воды и других полярных примесей от углеводородов, таких как керосин.

Гидроксид меди.

Соединения меди являются токсичными. Гель гидрата гидроксида меди изготавливали посредством следующей реакции:

Раствор сульфата меди изготавливали смешиванием 24,96 г пентагидрата сульфата меди(11) с 200 мл дистиллированной воды. 7,998 г гидроксида натрия смешивали с 10 мл дистиллированной воды. Посредством добавления раствора гидроксида натрия к раствору сульфата меди изготавливали гель гидрата гидроксида меди. Однако влажные образцы гидроксида меди(11) становились черными вследствие формирования оксида меди(11). Поэтому фильтрующий слой проходил через ткань, и гели гидрата на основе меди не могут быть использованы для различных видов промышленного применения.

Гидроксид марганца.

Соединения марганца являются токсичными. Гель гидрата гидроксида марганца изготавливали посредством следующей реакции:

MnSO₄+2NaOH-Mn (ОН) ₂+Na₂SO₄ (5)

Раствор сульфата марганца изготавливали смешиванием 16,89 г моногидрата сульфата марганца с 50 мл дистиллированной воды. 7,998 г гидроксида натрия смешивали с 10 мл дистиллированной воды. Посредством добавления раствора гидроксида натрия к раствору сульфата марганца изготавливали гель гидрата гидроксида марганца. Использовали такое же оборудование для фильтрации, что было использовано в предшествующих экспериментах. Гель гидрата добавляли поверх геотекстильной ткани. Морковный сок добавляли поверх геля гидрата и предоставляли возможность фильтрации.

Гидроксид марганца быстро окисляется, если он не в воде и открыт воздействию воздуха. Поэтому нахождение реального вида промышленного применения весьма затруднено для этого геля гидрата. Обезвоживание происходит очень медленно, однако на протяжении ночи все бета-каротиновые пигменты были отделены и захвачены поверх геля, и фильтрат был очень прозрачным. Однако гель гидрата на основе марганца был более мягким. Цвет бета-каротиновых пигментов поверх гидрата также изменялся от оранжевого до темно-коричневого.

Гидроксид кобальта.

Соединения кобальта являются токсичными. Гель гидрата гидроксида кобальта(П) изготавливали посредством следующей реакции:

Раствор хлорида кобальта изготавливали смешиванием 4,34 г гексагидрата хлорида кобальта(П) с 100 мл дистиллированной воды. 0,7998 г гидроксида натрия смешивали с 10 мл дистиллированной воды. Посредством добавления раствора гидроксида натрия к раствору хлорида кобальта изготавливали гель гидрата гидроксида кобальта. Морковный сок добавляли поверх геля гидрата и предоставляли возможность фильтрации.

Гель гидрата кобальта не осаждался быстро. Расход потока при обезвоживании был очень небольшим. Однако на протяжении ночи молекулы бета-каротина были отделены или захвачены поверх геля

- 21 032043 гидрата гидроксида кобальта. Цвет бета-каротинового пигмента также изменялся на темно-коричневый.

Фильтрат был светло-красный вследствие следовых количеств избыточного хлорида кобальта.

Гидроксид никеля.

Соединения никеля являются высокотоксичными и могут вызывать рак или наследуемые генетические повреждения. Гель гидрата гидроксида никеля изготавливали посредством следующей реакции:

NiSO₄+2NaOH—Ni (ОН) ₂+Na₂SO₄ (7)

Раствор сульфата никеля изготавливали смешиванием 8,94 г гексагидрата сульфата никеля с 150 мл дистиллированной воды. 1,279 г гидроксида натрия смешивали с 20 мл дистиллированной воды. Посредством добавления раствора гидроксида натрия к раствору сульфата никеля изготавливали гель гидрата гидроксида никеля. Морковный сок добавляли поверх геля гидрата и предоставляли возможность фильтрации.

В отличие от геля гидрата гидроксида алюминия гель гидрата гидроксида никеля не осаждался быстро и не образовывал быстро гомогенный слой геля. Расход потока при обезвоживании был очень небольшим. Однако на протяжении ночи молекулы бета-каротина были отделены или захвачены поверх геля гидрата гидроксида никеля. Цвет бета-каротинового пигмента также изменялся на темнокоричневый.

Сравнительный пример. Реакция с бикарбонатом натрия.

Одним из наиболее важных преимуществ геля гидрата гидроксида алюминия по сравнению с гидратами гидроксидов других металлов является то, что он может быть изготовлен очень простым образом посредством реакции раствора его сульфата с раствором нетоксичного бикарбоната натрия (пищевой соды). Гели гидратов гидроксидов других металлов могут быть изготовлены при применении гидроксида натрия или посредством более дорогостоящего и более медленного электролиза. Однако гели гидратов гидроксидов других металлов не могут быть изготовлены при применении пищевой соды. Например, раствор сульфата магния добавляли к раствору бикарбоната натрия и не наблюдали образования гидрата гидроксида магния.

Сульфат цинка реагирует с бикарбонатом натрия в соответствии со следующей реакцией:

ZnSO₄+2NaHCO₃^ZnCO₃+Na₂SO₄+H₂O+CO₂ (8)

Однако в отличие от реакции сульфата алюминия с пищевой содой не получали гель гидрата гидроксида цинка. Карбонат цинка осаждался. Осадок карбоната цинка добавляли поверх геотекстильной ткани, однако, в отличие от геля гидрата гидроксида цинка гомогенный гелеобразный слой не образовывался на ткани. В отличие от гелей гидратов гидроксидов металлов, которые являются высокозаряженными и удерживают молекулы бета-каротина поверх геля гидрата, карбонат цинка не мог отделять бетакаротин. Все молекулы бета-каротина проходили в глубину слоя осадка карбоната цинка и проходили через слой. В конце процесса весь слой в целом был оранжевым, в отличие от гидратов гидроксидов металлов, где лишь верхняя часть была оранжевой, и все молекулы бета-каротина были отделены на поверхности. Это является основным различием между обычными осадками и гелями гидратов гидроксидов металлов.

Пример 16. Другие пути изготовления геля гидрата гидроксида алюминия.

Хотя изготовление геля гидрата гидроксида алюминия предпочтительно выполняют смешиванием нетоксичных химикатов сульфата алюминия и пищевой соды или электролизом соленой воды вследствие их нетоксичной природы, имеются две другие реакции, которые позволяют изготовить гель гидрата гидроксида алюминия при применении токсичных и опасных химикатов

200 мл полуснятого молока добавляли поверх геля гидрата, изготовленного смешиванием растворов хлорида алюминия и гидроксида аммония (NH4OH). Наблюдали те же самые результаты, что были получены в подобных испытаниях с применением геля гидрата гидроксида алюминия, изготовленного смешиванием сульфата алюминия. Молоко было концентрировано поверх геля гидрата, и фильтрат был достаточно прозрачным. Следовательно, гель гидрата гидроксида алюминия, изготовленный посредством вышеуказанной реакции, имеет такие же фильтрационные свойства, что и гели гидрата гидроксида алюминия, образованные из нетоксичных химикатов.

Другим путем изготовления гелей гидрата гидроксида алюминия является смешивание нитрата алюминия, который является очень нестабильным химикатом, и сильного окислителя с раствором гидроксида натрия в соответствии со следующим уравнением.

Хотя посредством реакций (9) и (10) возможно изготовить гель гидрата гидроксида алюминия, они не могут быть использованы для видов применения, связанных с обработкой воды и продуктами питания, вследствие токсичности используемых ингредиентов.

Пример 17. Концентрирование водных жидкостей, таких как фруктовые соки.

Транспортировка и сохранение свежих фруктовых соков являются очень дорогостоящими. По этой причине многие соки подвергают процессу концентрирования, например посредством испарения с применением нагревания. Нагревание часто изменяет питательная ценность, поскольку многие витамины и ароматические и вкусовые вещества теряются во время этого процесса. Концентрированный сок иногда

- 22 032043 имеет вареный или горький привкус вследствие нагревания. Кроме того, нагревание нежелательно для некоторых соков, таких как морковный сок, поскольку теплота денатурирует бета-каротин, и морковный сок будет преобразован в клейкий камедеобразный материал, который не может быть разбавлен снова до морковного сока.

Однако концентрирование соков фильтрацией гидратом в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения обладает потенциальной возможностью сохранять большинство питательных веществ, пигментов, ароматических и вкусовых веществ и ароматов в концентрате. Например, восстановленный морковный сок имеет аромат, очень сходный со свежим морковным соком. Гидратный фильтр может концентрировать морковный сок с уменьшением объема примерно до 70 раз до пастообразного материала. Паста может быть упакована в различные контейнеры для разных продуктов, таких как ультраконцентрированная паста морковного сока, нутрицевтики, сырье для экстракции бетакаротина, природные косметические кремы для ухода за кожей или иные косметические средства и другие подобные косметические товары или пищевые продукты. Она может также быть добавлена в различных концентрациях в качестве добавок к различным видам продуктов питания или косметических средств.

Концентрированная паста может быть повторно растворена в воде или смешана с водой, например, для изготовления восстановленного сока. Образованный продукт подобен свежему морковному соку, хотя соли и сахара проходили через гидратный фильтр и должны быть добавлены для восстановления их прежнего содержания. Этот сок не имеет тенденции осаждаться со временем, в отличие от многих восстановленных соков, изготовленных из нагретого концентрата. Подобные концентрированные пасты производили из других соков, таких как томатный и гранатовый. Концентрированная паста может также быть быстро высушена на воздухе, чтобы сделать порошок, который может быть использован в качестве натуральных пищевых пигментов и/или добавок для здоровой пищи. Этот порошок может быть смешан с водой, чтобы сделать напитки, подобные морковному соку.

Другие жидкости также были испытаны с аналогичными результататами. Они включают кофе и чай, чтобы сделать концентрированную пасту или порошок без потери неотъемлемых ароматических и вкусовых веществ.

Ограничения для этой технологии для концентрирования жидкостей имеют место для небольших гидрофильных соединений, которые могут свободно проходить через гидратный фильтр. Они включают водорастворимые соли, сахара, спирты и некоторые гидрофильные вторичные метаболиты, такие как хлорофилл. Другое ограничение имеет место для жидкостей с высокой кислотностью, таких как некоторые лимонные и апельсиновые соки, которые могут реагировать с гидроксидом алюминия.

Пример 18. Сравнение более густого геля гидрата (изготовленного при примерно 100°С) с нормальным гелем гидрата (изготовленного при 20°С).

Более густые гели гидрата (изготовленные при примерно 100°С) имеют меньше молекул воды по сравнению с нормальными гелями гидрата (изготовленными при 20°С), поэтому электрические заряды молекул гидроксида алюминия на каждой молекуле воды выше. Поэтому обезвоживание происходит медленнее при применении более густого геля гидрата. Однако испытания показывают, что качество фильтрата является одинаковым. Поэтому вследствие простоты изготовления нормальный гель является предпочтительным для обычных видов применения. Однако для видов промышленного применения, таких как некоторые виды применения с приложением давления или вакуума, более густой гель может являться предпочтительным.

Для того чтобы сравнить эксплуатационные качества более густого и нормального гелей, 55 мл густого геля и нормального (жидкого) геля добавляли поверх ткани. Одинаковый объем воды (400 мл) добавляли поверх соответствующих гелей гидрата. Время регистрировали для каждого уменьшения на 50 мл уровня воды. Как и следовало ожидать, обезвоживание происходило более медленно при применении густого геля. Результаты показывают, что обезвоживание происходит приблизительно в 2 раза быстрее при применении нормального геля гидрата (изготовленного при 20°С) по сравнению с более густым гелем (изготовленным при примерно 100°С).

Для сравнения эксплуатационных качеств разных гелей одинаковый объем морковного сока добавляли поверх густого геля (изготовленного при примерно 100°С) и нормального геля (изготовленного при 20°С) гидратных гелей. Отсутствовала разница между качеством фильтрата и удержанными пигментами между фильтраций при применении густого геля гидрата и нормального геля гидрата.

Фильтрация гидратом под давлением.

Для промышленного применения желательными являются более быстрые процессы. Гидратный фильтр испытывали под давлением вплоть до 100 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (690 кПа). Обогатительный лабораторный напорный фильтр, изготовленный в соответствии со стандартом AS 1210 класс 3 компанией Amdel company, применяли для испытаний фильтрации под давлением. Давление является регулируемым вплоть до 100 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (690 кПа) (6,8 атм). Низкопористую ткань помещают на нижнюю часть фильтра. Фильтровальную бумагу с размером пор 2 мкм (Macherey Nagel, MN1640D, 185 мм диаметром) также помещали поверх ткани, чтобы удерживать гидрат под давлением. Диаметр и пло- 23 032043 щадь поперечного сечения этого оборудования составляли 0,155 м и 0,01887 м² соответственно. Фильтрат отводился через отверстие в середине.

Для того чтобы выбрать наилучшее рабочее давление для каждого процесса фильтрации, используют кривую давление-плотность потока. Для каждого эксперимента первоначально мы добавляли 100 мл раствора густого гидрата (изготовленного при 100°С) к 2 л деминерализованной воды. Этот раствор добавляли к оборудованию для фильтрации под давлением и предоставляли возможность осаждения частицам гидрата в течение 10 мин. После того как частицы гидрата были осаждены и плотный слой гидрата толщиной примерно 1 мм был сформирован, прикладывали различные давления. Фильтрат собирали в стакан и взвешивали на протяжении определенного периода времени. На основании этих данных рассчитывали величины плотности потока. Во время каждого испытания фильтрации плотность потока рассчитывали 11 раз через промежутки времени 2 мин. Изменение в средней величине плотностей потока в зависимости от давления представлено на фиг. 17.

Эта кривая показывает, что гидратный фильтр функционирует очень быстро при очень низких давлениях. Она показывает, что при повышении давления от 10 до 80 фунтов/кв. дюйм (69-552 кПа) не происходит увеличения в плотности потока. Поэтому на основании этой кривой наилучшее рабочее давление для этой технологии должно находиться между 0 и 10 фунтов/кв. дюйм (0-69 кПа). Однако дополнительные испытания в отношении зависимости плотность потока-давление требуются при применении оборудования с более высоким давлением (выше 100 фунтов/кв. дюйм (690 кПа) вплоть до 1000 фунтов/кв. дюйм (6900 кПа) или более). Эти результаты подтверждают, что, поскольку большая часть гидрата является водой, он функционирует в высшей степени быстро при очень низких давлениях. Только лишь небольшое избыточное давление требуется, чтобы умеренным образом проталкивать молекулы воды через слой гидрата. Поэтому в отличие от обычных мембран которые функционируют лишь под очень высокими давлениями, посредством применения этой технологии мы можем сберечь большой объем затрат (например, это экономия огромных затрат на капитальные и эксплуатационные расходы на оборудование, энергию, безопасность, содержание и техническое обслуживание, связанных с применением обычных мембран высокого давления).

Сравнение скоростей испарения различных гидратов.

Хотя очень трудно определить структуру гидрата под электронным микроскопом, возможно изучить эффекты сил, действующих в гидрате гидроксида металла, посредством исследования скорости испарения воды из гидрата гидроксида металла, изготовленного посредством реакционного взаимодействия или электролиза, по сравнению с гидратами гидроксидов металлов, изготовленными посредством замачивания порошка гидроксида металла в холодной воде или замачивания и перемешивания порошка гидроксида металла в горячей воде. Фиг. 18 показывает естественную непринудительную сушку разных образцов гидрата в центрифужных пробирках с крышкой с течением времени при комнатной температуре. Результаты показывают, что гидраты, изготовленные замачиванием, полностью высыхали через 60 ч. Однако гели гидратов все еще содержали некоторое количество молекул воды и они высыхали по прошествии примерно 160 ч. Кроме того, и это более важно, в конце процесса замоченные гидраты гидроксида алюминия были высушены до порошка гидроксида алюминия белого цвета, однако гели гидрата гидроксида алюминия были преобразованы в твердый кристаллический материал после потери молекул воды вследствие испарения. Результаты показывают, что некоторые внутренние молекулярные силы или кристаллическая, матричная или окончательная форма геля гидрата поддерживает молекулы воды в геле гидрата и предотвращает быстрое испарение молекул воды в гидрате.

Влияние давления и толщины гидрата на фильтрацию.

Влияние давления и толщины гидрата были исследованы. Оборудование для фильтрации включало крышку, которая могла быть закрыта, чтобы сделать возможным повышение давления посредством сжатого воздуха. Для каждого эксперимента первоначально мы добавляли раствор гидрата. Затем, после того как гидраты осаждались и формировался слой гидрата, добавляли жидкую смесь (1800 мл воды из реки Брисбен или 200 мл морковного или арбузного соков). Затем крышку закрывали и прикладывали и регулировали давление сжатого воздуха. Фильтрат собирали в стакан и взвешивали на протяжении некоторого периода времени, чтобы измерить расход потока и плотность потока.

Мы добавляли мутную воду из реки Брисбен с оптической плотностью (при 440 нм) 0,203 поверх слоя гидрата гидроксида алюминия при применении густого гидрата (изготовленного при 100°С) толщиной 10 мм. Результаты представлены на фиг. 19С и 19D. Измеренные средний расход потока и средняя плотность потока составляли 106,1 (мл/мин) и 5622,1 (мл/мин-м²) соответственно. Хотя время фильтрации было очень коротким, фильтрат был прозрачным с оптической плотностью (при 440 нм) 0,000. Гидрат не высыхал при высоком давлении вследствие его специфичной желатиноподобной природы. Даже при высоком давлении примеси не могли проникать в глубину слоя гидрата. Эксперимент повторяли при применении более тонкого слоя гидрата толщиной 1 мм. Результаты представлены на фиг. 19А и 19В. Подобным образом, фильтрат был прозрачным, однако расход потока и плотность потока были примерно в 5 раз больше по сравнению со слоем гидрата толщиной 10 мм. Измеренные средний расход потока и средняя плотность потока составляли 21,3 (мл/мин) и 1128,6 (мл/мин-м²) соответственно.

- 24 032043

Подобным образом мы добавляли морковный и арбузный соки для более быстрого отделения и концентрирования. Даже при очень высоком давлении (100 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (690 кПа) ) молекулы бета-каротина или ликопина не могли проникать в глубину геля гидрата. Соки были концентрированы до очень плотной оранжевой или красной пасты поверх слоя гидрата. Это делает возможным простое отделение концентрированных соков. Фильтрат был прозрачным. Например, фильтрат арбузного сока был таким прозрачным как деминерализованная вода с оптической плотностью (при 440 нм) 0,000. Расход потока был достаточно большим даже при низком или среднем давлении. Например, для фильтрации арбузного сока только лишь при 10 фунтах/кв. дюйм изб. давл. (69 кПа) (0,68 атм) измеренные средние расход потока и плотность потока составляли 30,7 (мл/мин), 1625 (мл/мин-м²) соответственно. Эти результаты подтверждают, что этот процесс может быть использован в промышленном масштабе при повышенных величинах давления, чтобы получить более высокие скорости фильтрации. Эта технология обладает потенциальной возможностью являться новым поколением технологий фильтрации и отделения. При применении различных видов гидрата гидроксида металла, с разной молярностью ингредиентов и разными условиями приготовления (например, при изготовлении различных перенасыщенных растворов ингредиентов при разных величинах температуры и давления), или даже при смешивании гидратов различных металлов, многочисленные виды гидратов гидроксидов металлов могут быть изготовлены. Эти гидраты будут обладать разными фильтрационными свойствами. Поэтому при различной относительной молекулярной полярности и гидрофобности разных молекул, разные молекулы будут проходить или удерживаться на гидратах разных видов. Одна лишь сила тяжести может приводить к эффективному отделению, хотя процесс может быть ускорен посредством приложения давления для промышленных целей.

Фильтрация под давлением соков и процесс изготовления новых полезных фруктовых паст.

700 мл морковного сока подвергали фильтрации гидратом под давлением. Фильтровальную бумагу (с порами 2 мкм) помещали поверх оборудования для фильтрации под давлением. 50 мл густого геля гидрата (изготовленного при 100°С) смешивали с 1500 мл деминерализованной воды и заливали поверх фильтровальной бумаги. Давление 40 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (276 кПа) прикладывали в течение 4 мин. Это предоставляло возможность отстаивания гидратов в растворе и образования тонкого (толщиной примерно 1 мм) и плотного и стабильного слоя гидрата поверх фильтровальной бумаги. Во время этой стадии примерно 750 мл воды раствора проходили через фильтр, однако 750 мл воды все еще оставались поверх гидрата. Добавляли 700 мл морковного сока. Затем прикладывали давление 80 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (552 кПа). В конце процесса оранжевая паста в виде густого масла была накоплена поверх слоя гидрата. Эта паста (или другие подобные концентрированные пасты из других фруктов или овощей) может быть использована для изготовления разнообразных новых видов продуктов питания и косметических продуктов. Например, могут быть изготовлены новые пастообразные продукты для завтрака, такие как морковная, арбузная, томатная, гранатовая пасты, паста из кайенского перца, абрикосовая паста, пасты из плодов папайи, из манго, канталупы, маракуйи, гуайявы, персиковая, грушевая, нектариновая и подобные фруктовые пасты. Эти полезные пасты могут быть заменой обычного неполезного молока или паст на основе масла, которые содержат в высоких количествах вредные насыщенные жиры и трансжиры. В отличие от молочного жира, они не только не увеличивают уровень холестерина, который вызывает болезни сердца, но также полезны для здоровья во многих отношениях. Они могут также быть добавлены к другим пастообразным продуктам, таким как пасты для окрашивания или добавления питательной ценности или вкуса. Подобным образом эта паста может быть использована для изготовления новых косметических средств, таких как косметические кремы, маски, мыло или гели для душа, шампуни, солнцезащитные кремы или природные продукты для нанесения загара распылителем. Высокое давление также делало слой гидрата более плотным, чем оранжевая паста, собранная поверх. Поэтому отделение собранной пасты из морковного сока являлось незатруднительным и могло быть выполнено просто вычерпыванием.

Другой эксперимент также показал, что молоко может быть успешно концентрировано при применении фильтрации гидратом под давлением.

Тонкие слои гидрата.

Поскольку загрязняющие вещества или отделенные материалы не могут проникать в глубину гидрата, можно сделать слой гидрата таким тонким, насколько это возможно. Это не только уменьшает стоимость процесса, но также увеличивает расход потока во время фильтрации. Мы сделали толщину слоя гидрата такой малой как микронный размер (например, менее 500 мкм или порядка десятков микрон, или даже менее 10 мкм) посредством приведенного ниже процесса. Представленный ниже процесс также делает толщину слоя гидрата постоянной на протяжении фильтрующей среды.

Нижняя секция напорного фильтрующего узла Amdel, который был использован для предшествующих испытаний фильтрации под давлением, показана на фиг. 20 А. Эту секцию модернизировали при применении плоского фильтрующего диска из спеченного титана. Низкие дозы гидрата, смешанные с водой, использовали, чтобы сделать очень разбавленный раствор гидрата. Очень плоская и гладкая пористая фильтрующая среда может быть размещена под слоем гидрата. Например, мы использовали диск

- 25 032043 из спеченного титана (размер пор менее 2 мкм) под слоем гидрата и герметизировали при применении водонепроницаемого герметизирующего клея (другое герметизирующее средство, такое как резина, также может быть использовано) (фиг. 20В). Спеченный титан, закрепленный на нижней части оборудования для фильтрации под давлением, делает возможным пропускание воды наряду с тем, что гидрат образует тонкий слой поверх него. Другие подобные спеченные фильтрующие среды или тонкопористые фильтрующие среды, такие как пористые пластики, или мелкопористые ткани, мембраны или фильтровальная бумага, могут также быть использованы. Этот спеченный титан является очень твердым и устойчивым к высокому давлению. Он также имеет очень ровную форму, которая делает возможным образование на нем очень тонкого (порядка менее чем 500 мкм или менее чем десятки микрон, или даже менее чем 10 мкм) и плотного слоя гидрата (фиг. 20С). Он также устойчив к воздействию кислот и щелочей. Поэтому возможна промывка его простым образом кислотой в конце фильтрации, чтобы избежать накапливания каких-либо отложений внутри фильтра. Поры фильтра из спеченного титана под микроскопом (увеличение 100 раз) показаны на фиг. 20D.

Разбавленный раствор гидрата добавляли поверх фильтрующей среды для удерживания гидрата и предоставляли возможность осаждения. Если раствор является очень разбавленным, то гидрат может не осаждаться естественным образом. Поэтому мы прикладывали давление при низких величинах (10-40 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (69-276 кПа)) в течение нескольких минут после заливания разбавленного раствора гидрата. Эта стадия вызывает осаждение всех гидратов в растворе и создает очень тонкий плотный пленочный слой гидрата на поддерживающей фильтрующей среде. Расход потока при фильтрации гидратом с помощью очень тонкого слоя гидрата является очень высокой, и результаты фильтрации морковного сока без приложения какого-либо давления представлены на фиг. 20Е. Они показывают, что даже очень тонкий слой гидрата может быть успешно применен для фильтрации. Выгодным образом, скорости фильтрации являются очень высокими при применении очень тонкого слоя гидрата.

Испытания, проведенные авторами данного изобретения, показали, что плотности потока при фильтрации значительно выше при применении сепараторов в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения по сравнению с технологиями отделения известного уровня техники. Например, известные технологии отделения включают микрофильтры, фильтры, нанофильтры и технологию обратного осмоса. Стандартные средние ультрафильтры показывают плотность потока при фильтрации 30 л/м²/ч, стандартные нанофильтры (например, имеющие размер пор менее 2 нм и рабочее давление 220510 фунтов/кв. дюйм (1517-3516 кПа)) показывают плотность потока при фильтрации примерно 20 л/м²/ч, мембраны обратного осмоса имеют среднюю плотность потока при фильтрации примерно 15 л/м²/ч при 250 фунтов/кв. дюйм (1724 кПа) и стандартные мембранные биореакторы показывают плотность потока от 10 до 20 л/м²/ч. В сравнении с этим плотности потока, полученные при применении вариантов осуществления данного изобретения, представлены в таблице ниже.

- 26 032043

Выполненные испытания плотности потока для гидратной мембраны	Средняя измеренная плотность потока (л/м²/ч)	Интервал плотностей потока для стандартной мембраны (л/м²/ч)	Величина, показывающая во сколько раз гидратная мембрана быстрее, чем обычные мембраны
фильтрация деминерализованной воды (толщина гидрата 1 мм, 10-80 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (€9-552 кПа))	1672,3	10-30	167,2-55,7
фильтрация деминерализованной воды (толщина гидрата 1 мм, без приложения давления, только сила тяжести)	647,6	10-30	64,8-21,6
фильтрация мутной воды из реки Брисбен (толщина гидрата 1 мм, 40 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (276 кПа))	337,3	10-30	33,7-11,2
фильтрация мутной воды из реки Брисбен (толщина гидрата 10 мм, 4 0 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (276 кПа))	67,7	10-30	6,8-2,3
концентрирование кофе (толщина гидрата 10 мм, 40 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (276 кПа))	95,2	10-30	9,5-3,2
фильтрация арбузного сока (толщина гидрата 1 мм, 40 фунтов/кв. дюйм изб. давл. (276 кПа))	91, 9	10-30	9,2-3

Данные, представленные в таблице, показывают, что гидратный фильтр функционирует значительно быстрее, чем обычные мембраны высокого давления (такие ультрафильтры, нанофильтры, мембраны обратного осмоса и мембранные биореакторы). В некоторых случаях даже гидратный фильтр при очень низком или нулевом приложенном давлении функционирует значительно быстрее, чем обычные мембраны высокого давления. Без намерения установления связи с теорией предполагают, что это обусловлено тем фактом, что слой гидрата в основном состоит из воды.

Применение - аварийные комплекты для получения питьевой воды.

Простая система для обработки воды требуется для чрезвычайных ситуаций. Выяснено, что диарея является одним из наиболее распространенных заболеваний, поражающих распространенных заболеваний в Соединенных Штатах Америки. Современные аварийные комплекты, имеющиеся в продаже, такие как таблетки для очистки воды, фильтры из активированного угля и микрофильтры, являются более дорогостоящими и менее эффективными, чем технология фильтрации гидратом. Например, хлорные таблетки, которые убивают патогены, не удаляют твердую фазу во взвешенном состоянии, и вода является небезопасной для потребления в течение длительного времени. Их активными ингредиентами являются хлор и диоксид хлора, которые имеют факторы риска для здоровья. Вода не является незамедлительно готовой для питья. Обработанная вода должна находиться в незакрытом состоянии в течение часов таким образом, чтобы хлор мог испаряться. Вода, обработанная хлорными таблетками, является все еще мутной после обработки. Хлорные таблетки также оставляют после себя неприятное послевкусие. В противоположность этому фильтрат от фильтрации гидратом гидроксида алюминия не только не содержит микроорганизмов (включая патогены), но также является кристально-прозрачным и приятным для питья.

- 27 032043

После первоначальной промывки для удаления избыточных солей из произведенного геля гидрата, фильтрат от фильтрации гидратом является также легкодоступным для питья. Кроме того, некоторые патогены устойчивы к хлору, в то время как гидратный фильтр может удалять бактерии, плесневые грибки, микроводоросли (включая сине-зеленые водоросли) и вирусы. Фильтры из активированного угля нуждаются в большем пространстве, чем небольшое количество геля, поэтому они всегда являются непрактичными для перевозки путешественниками или военным персоналом. Микрофильтры являются слишком сложными и имеют несколько частей, и их также трудно перевозить. Кроме того, современные аварийные комплекты являются более дорогостоящими по сравнению с гидратными фильтрами.

В отличие от других продуктов на рынке аварийные комплекты с гидратным фильтром захватывают всю твердую фазу во взвешенном состоянии и микробы, и обработанная вода является такой прозрачной как дистиллированная вода для питья. Для них процесс изготовления и упаковки является очень простым. Поэтому заводы массового производства могут легко их производить при минимально возможных капитальных и эксплуатационных затратах, с помощью простого оборудования. Например, тюбик геля, подобный зубной пасте, который может быть легко перемещен любым, может сохранить жизнь в чрезвычайных ситуациях. Он может быть легко доставлен вертолетом и другими средствами во время стихийных бедствий, таких как наводнение. Гидратный фильтр может захватывать вредные бактерии и вирусы и может предотвращать опасные болезни, такие как диарея, среди путешественников и вооруженных сил. В качестве альтернативы, гель гидрата может быть изготовлен на требуемом месте при применении сульфата алюминия и бикарбоната натрия, как представлено в формуле (1).

Множество различных аварийных комплектов может быть изготовлено на основе этой технологии. Одна простая упаковка геля в виде тюбика зубной пасты может быть включена в любой аварийный комплект и быть использована несколько раз. Другая простая упаковка геля гидрата может включать размещение геля на любой доступной ткани во время экстренного случая. Например, нижняя часть рукава может быть завязана, чтобы сделать минисумку, затем может быть добавлен гель гидрата, и после этого грязная вода может быть профильтрована.

Преобразование сосуда для воды в устройство для очистки воды гидратом геля.

Очень простой аварийный комплект может быть изготовлен всего лишь модификациями обычных пластиковых сосудов для воды. Требуемыми модификациями являются всего лишь разрезание обычного сосуда для воды на две части и нарезание одной внутренней резьбы на нижней секции (см. фиг. 17, цифровое обозначение 21) и двух внешних резьб на верхней секции (фиг. 17, цифровые обозначения 22 и 23). Для обычного применения сосуд является таким же, что и обычный пластиковый сосуд для воды. Это показано на фиг. 18. Однако в критическом случае верхняя секция сосуда может быть открыта посредством вращения и затем перевернута и соединена в перевернутом положении с нижней секцией, как показано на фиг. 19. Крышка снабжена тканью, подобной фильтрующей среде (см. фиг. 20, цифровое обозначение 24), которая будет удерживать гель. Гель будет залит внутрь, и после добавления загрязненной воды фильтрат, который очищает воду, будет собран в нижней секции. После того как нижняя секция заполнена, порция безопасного фильтрата воды без какой-либо мутности и патогенов готова для питья. Этот цикл может быть повторен несколько раз.

Также возможно предварительное заполнение крышки гелем и размещение внутри наклейки или т.п., чтобы поддерживать гель в крышке и избежать высыхания геля (фиг. 21, цифровое обозначение 25). Гель может быть герметически закрыт при применении различных материалов, таких как сургуч для герметизации сосуда или агарозный гель, или другой пластиковой крышки внутри, которая может быть размещена в процессе изготовления сосуда. Во время чрезвычайной ситуации наклейка на крышке может быть удалена, и может происходить фильтрация. Также возможно просто поставлять крышку, которая предварительно заполнена гелем, в комплекте со стандартными пластиковыми сосудами. В случае чрезвычайной ситуации пользователь всего лишь просто заменит крышку и затем разрежет сосуд, чтобы собирать фильтрат, или будет собирать фильтрат в другой сосуд или чашку. Крышка, которая заполнена гелем гидрата, может также быть навинчена на верхний конец сжимающихся сосудов для воды.

Пластиковые сосуды для воды являются серьезной экологической проблемой в мире. Так много горючих полезных ископаемых растрачивается понапрасну во время их производства и транспортировки. Они обычно оказываются в конце концов на мусорных свалках, и требуется вплоть до 1000 лет, чтобы они были разрушены. Эта технология может также косвенным образом помочь окружающей среде. Она помогает людям повторно использовать их сосуды для воды. Люди и путешественники не могут выбрасывать их сосуд для воды, поскольку он является их ценным аварийным комплектом и может спасти их жизнь в чрезвычайных ситуациях.

Эта простая модификация обычных пластиковых сосудов является практичной при очень низких затратах, преобразует проблематичный пластиковый сосуд для воды в полезный аварийный комплект. Он также может продаваться в качестве более полезной замены стандартных пластиковых сосудов для воды в сетях рынков во всем мире. Кроме того, качество водопроводной воды является очень низким для безопасного питья во многих городах и сельских регионах во всем мире, особенно в развивающихся странах. Поэтому люди покупают обычные пластиковые сосуды с водой каждый день. Посредством внедрения этих новых сосудов для воды многие люди могут иметь небольшое, дешевое и простое оборудо- 28 032043 вание для обработки питьевой воды дома. Они могут фильтровать водопроводную воду несколько раз и экономить деньги.

Применение - новые лабораторные фильтры из геля гидрата.

Большинство современных лабораторных фильтров на рынке являются фильтрами в интервале микронного размера пор. Отсутствует современный лабораторный фильтр, который может удалять все бактерии и плесневые грибки и разрушать водомасляные эмульсии и отделять растворенные пигменты и наноразмерные частицы из различных растворов. Фильтры с малым размером пор фильтры являются дорогостоящими и поэтому не практичными для функционирования регулярным образом в повседневной лабораторной работе. Современными лабораторными фильтрами на рынке являются фильтровальные бумаги, капсульные фильтры, картриджные фильтры и мембраны из смеси сложных эфиров целлюлозы (МСЕ). Они не могут захватывать бактерии и вирусы и разрушать эмульсии масла в воде подобно гидратным фильтрам. Гидратные фильтры могут достигать всех этих результатов. Гидратные лабораторные фильтры являются также очень дешевыми по сравнению с доступными в настоящее время нанофильтрами для лабораторий.

Для того чтобы сформировать лабораторный фильтр из геля гидрата, густой гель может быть инжектирован между двумя приклеенными фильтровальными бумагами (или другими подобными средами и тканями с малым размером пор) и может быть использован несколько раз. Он может быть герметически закрыт в корпусе, подходящем для предотвращения потери воды и высыхания гидратного лабораторного фильтра. При применении этих видов герметизации лабораторный фильтр может храниться в течение нескольких лет. Также возможно продавать тюбики различных видов густого геля в качестве фильтрующих слоев для фильтровальной бумаги. 200 мл мутной воды из реки Брисбен очищали при применении этого вида лабораторного фильтра. Результаты являются аналогичными другим испытаниям, и фильтрат являлся чистой водой. Твердая фаза во взвешенном состоянии и бактерии были захвачены поверх фильтра, и они могут быть собраны. Возможно повторное использование этого фильтра несколько раз посредством лишь простой промывки. После промывки все загрязняющие вещества, захваченные на фильтровальной бумаге, были удалены, и фильтровальная бумага была возвращена подобным образом к первоначальному состоянию. Этот гидратный лабораторный фильтр повторно использовали несколько раз без каких-либо проблем. Также возможно инжектирование различных видов гелей гидрата для разных видов применения и испытаний.

Применение - небольшие фильтры, такие как фильтры для плавательных бассейнов.

Технология фильтрации гидратом обладает также потенциалом для использования в маломасштабных видах применения, таких как плавательные бассейны, и использования в качестве нового способа дезинфекции и обеззараживания. Надлежащее обеззараживание требуется для поддержания визуальной чистоты водного бассейна и для предотвращения передачи инфекционных болезней. В настоящее время фильтрацию применяют для удаления загрязняющих веществ, таких как грязь и мусор, а также хлора, используемого, чтобы убивать инфекционные организмы. Обычные фильтры из песка или диатомовой земли, как правило, применяют в качестве фильтров для плавательных бассейнов. Обычные процессы фильтрации не являются достаточными, чтобы полностью дезинфицировать воду бассейна; поэтому хлор и бром используют в качестве дезинфицирующих средств для плавательных бассейнов. Воду принуждают к прохождению через фильтр и затем возвращают в бассейн. Песчаный фильтр с подачей под давлением будет обычно фильтровать мутную воду с твердыми частицами размером не менее чем 10 мкм, в то время как гидратный фильтр может отделять наноразмерные частицы. Песчаные фильтры обычно не будут удалять водоросли или вирусы из воды бассейна.

Соединения, образующие хлор, используемые для дезинфекции, являются токсичными. Химикаты для дезинфекции, такие как хлор и другие материалы, присутствующие в воде, могут образовывать побочные продукты дезинфекции (DBP). Побочные продукты дезинфекции (DBP) создаются вследствие реакционных взаимодействий между органическим и неорганическим веществом в воде и агентом для химической обработки во время процесса дезинфекции воды. Побочные продукты дезинфекции (DBP) связывают с негативными эффектами на здоровье человека. Хлорамин производит N-нитрозодиметиламин (NDMA), которыя является возможным человеческим канцерогеном, а также в высокой степени генотоксичные иодированные побочные продукты дезинфекции (DBP), такие как иодуксусная кислота, когда иодид присутствует в исходной воде. Остаточный хлор (и другие дезинфицирующие средства) может также дополнительно реагировать внутри распределительной сети, посредством дополнительных реакций как с растворенным природным органическим веществом, так и с биопленками, имеющимися в трубах. Кроме того, некоторые патогены устойчивы к хлору, в то время как гидратные фильтры могут удалять все бактерии, микроводоросли (включая сине-зеленые водоросли) и плесневые грибки и вирусы.

В отличие от обычных песчаных фильтров, система отделения для плавательного бассейна, основанная на технологии отделения гидратом улавливает всю твердую фазу во взвешенном состоянии, и фильтрат является чистой водой. На единственной стадии вся твердая фаза во взвешенном состоянии и бактерии и плесневые грибки захватываются, так что отсутствует необходимость в дополнительных проблематичных процессах дезинфекции. При применении технологии фильтрации гидратом отсутствует необходимость в применении токсичной дезинфекции хлором, так что токсичные побочные продукты

- 29 032043 дезинфекции хлором (DBP) не образуются при применении этой технологии. Рынок плавательных бассейнов является большим, например 11,7% домов в Австралии имеют плавательные бассейны. Кроме того, вследствие очень высокого качества фильтрата по сравнению с другими фильтрами на рынке эта технология определенно может быть использована для публичных плавательных бассейнов или бассейнов элитных домов, пятизвездочных отелей и курортов.

Гель гидрата может быть применен во множестве обычных фильтрационных систем и различных их формах, таких как барабанные вращающиеся фильтры, вакуумные фильтры и ленточные фильтры. Однако также возможно просто увеличить масштаб маломасштабного оборудования для испытания фильтрации, использованного в предшествующих примерах, подробно описанных выше. Прочная конструкция требуется для поддерживания нижней ткани, например с применением перфорированного гальванизированного металлического листа или металлической сетки. Для того чтобы избежать разрушения геля, возможно тонкое распыление жидкости в резервуар до тех пор, пока глубина воды не станет достаточно большой, чтобы сделать возможным быстрое заполнение резервуара. Также возможно размещение ткани или подобного твердого пористого металла или пластика поверх геля гидрата, или же размещение некоторого числа направляющих лопаток под подающей трубой. Другая конструкция показана на фиг. 22, где область 28 меньшего диаметра содержит гель гидрата. Воды подается на наклонное дно 30 и протекает вниз по наклонному дну 30 на гель гидрата в секции 28. Соответственно, эта конструкция может не требовать тонкого распыления или других мер для предотвращения разрушения геля, поскольку вода протекает по наклонной металлической секции. Для того чтобы увеличить расход потока этой конструкции для некоторых определенных видов применения, также возможно размещение вакуумной камеры с нижней стороны резервуара или введение сжатого воздуха в верхнюю часть резервуара через трубу, аналогичную тем, что используют в обычных компрессорах. Эта простая система может быть изготовлена при очень низких затратах посредством простой модификации обычных водных резервуаров. Она функционирует без какого-либо потребления энергии и подачи электричества, если вода подается и удаляется посредством силы тяжести. Эта система может предоставлять обработку питьевой воды для небольшого поселка или удаленной шахты или рудника или же для удаленной военной базы. Она может также быть легко установлена на грузовом автомобиле в качестве простой мобильной установки для обработки питьевой воды. Фильтрация и обеззараживание плавательного бассейна, подобные фиг. 23, являются не только очень низкозатратными, и их содержание и техническое обслуживание является простым и потребляет меньше электроэнергии, но также не требуется проблематичная дезинфекция хлором, и поэтому они являются более безопасными для применения.

Альтернативные конструкции.

Гидратная мембрана сепараторов может быть сконструирована в виде различных форм и систем. Она может также быть сконструирована подобно обычным мембранам обратного осмоса (фиг. 28). В этой конструкции молекулы воды находятся на обеих сторонах слоя гидрата, и все секции слоя гидрата будут полностью замочены в воде во все время в течение процесса фильтрации. Поэтому отношение числа молекул воды к числу молекул гидроксида металла будет более подходящим в каждой секции гидрата. Это может являться преимуществом в некоторых видах применения. Один возможный крупномасштабный, концептуальный проект этой системы показан на фиг. 28. Компрессор или другое подобное оборудование для создания давления прикладывает давление к одной стороне фильтра. На фиг. 28 молекулы воды и гидрофильные соединения перемещаются к правой стороне гидратной мембраны, в то время как загрязняющие вещества (воды) или гидрофобные соединения и пигменты (соков) накапливаются и концентрируются на левой стороне гидратной мембраны. Поскольку гидратный фильтр функционирует относительно быстро по сравнению с обычными мембранами при очень низком давлении, даже гидростатического напора в большинстве случаев достаточно, чтобы обеспечивать адекватную скорость фильтрации в этой конструкции, хотя очевидно, что давление также может быть приложено для увеличения скорости фильтрации. Другая подобная конструкция показана на фиг. 29.

Другая конструкция гидратного фильтрующего узла может являться конструкцией с поперечным (тангенциальным) потоком. В этой конструкции подаваемый поток перемещается тангенциальным образом вдоль поверхности гидратного фильтра, а не в фильтр (фиг. 30). Основное преимущество этой конструкции заключается в том, что в отличие от тупикового фильтра периодического действия отфильтрованный осадок уносится, делая возможным протекание процесса в виде непрерывного, а не периодического процесса. При применении этой конструкции закупоривание происходит в меньшей степени по сравнению с тупиковой конструкцией. Насос может повторно использовать и рециркулировать подаваемый материал несколько раз вокруг узла до тех пор не будет достигнута желательная концентрация, и затем концентрированный ретентат выводят из узла.

Другие виды применения.

Имеются тысячи химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводов во всем мире, которые могут использовать эту технологию отделения. Тысячи небольших и среднего размера заводов могут также использовать эту технологию вследствие ее низких капитальных и эксплуатационных затрат.

Данная технология может также быть использована в промышленных микробиологических процес- 30 032043 сах и фармацевтических процессах, особенно в отношении дорогостоящих технических требований для обезвоживания и отделения, чтобы отделить желательные продукты.

Данная технология может также быть использована, чтобы обрабатывать шахтные сточные воды, а также для обработки сточных вод. Кроме того, некоторые высокоценные компоненты, такие как золото, могут быть потеряны в качестве твердой фазы во взвешенном состоянии в шахтных сточных водах. Также возможно извлечение высокоценных суспендированных твердых материалов, таких как малые частицы золота, или угольной пыли из шахтных сточных вод.

Сравнительные примеры. Другие виды гелей, такие как агарозный гель.

Агарозный гель (2%) изготавливают смешиванием 2 г агара в 100 мл дистиллированной воды и нагреванием в течение одной минуты в микроволновой печи. В нагретом состоянии жидкость проходит через геотекстильную ткань, которая была использована, чтобы поддерживать слои гидрата гидроксида в примерах, представленных выше в данном описании. Оборудование для фильтрации затем замачивали и предоставляли возможность агарозному гелю загустевать посредством охлаждения. Воду из реки Брисбен добавляли поверх гелей. В то время как вода проходила быстро через фильтры из геля гидрата гидроксида алюминия, даже ни капли воды не проходило через агарозный гель. Даже по прошествии нескольких дней ни капли воды не проходило через агарозный гель.

Этот эксперимент показывает, что гель гидрата гидроксида алюминия отличается от обычных гелей, таких как агарозный гель. Поэтому в терминологии данному он был назван гидрат, а не гель. Хотя его внешний вид сходен с обычными гелями, его текстура при прикосновении ощущается сходной с легким водным кремом. Молекулы воды являются несвязанными и могут легко оставлять гидрат. Обычные гели являются твердыми при низких температурах, и молекулы воды прочно соединены с агарозой и не могут оставлять гель. Если обычные гели, подобные агарозным гелям, нагревают, они будут преобразовываться в жидкость, и поэтому не могут быть использованы в качестве фильтрующего слоя. Однако структура геля гидрата не изменяется посредством нагревания. Если гидрат гидроксида алюминия нагревают, его внешний вид и физические и химические свойства не будут изменяться, и он все еще может быть использован в качестве фильтрующего слоя. По этой причине термин гидрат гидроксида алюминия является более подходящим, чем гель гидроксида алюминия.

Пример. Базовая конструкция сепаратора с применением геля гидрата.

Фиг. 23 показывает базовую конструкцию сепаратора на основе геля гидрата в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения. Компоненты, показанные на фиг. 23, которые расположены выше чистой воды, будут обычно размещены внутри корпуса. Корпус будет обычно иметь боковые стенки, которые удерживают поддерживающую ткань, фильтр из геля гидрата, поверхностную ткань и смесь воды с частицами. Корпус будет обычно иметь пористое или проницаемое дно, расположенное непосредственно под поддерживающей тканью.

Сепаратор содержит поддерживающую ткань, которая может являться геотекстильной тканью или любой другой тканью, которая имеет достаточно малый размер пор, чтобы удерживать гель гидрата. Слой геля гидрата поддерживается поверх поддерживающей ткани и удерживается посредством поддерживающей ткани. Необязательная поверхностная ткань может быть расположена поверх слоя геля гидрата, если это желательно, чтобы извлекать частицы или другие компоненты, отделенные от смеси. Смесь воды и частиц (или других компонентов, таких как микроорганизмы или неполярные молекулы или гидрофобные молекулы) расположена над слоем геля гидрата. Вода, растворенные соли и полярные жидкости могут проходить через слой геля гидрата, и в результате эти компоненты отделены от других компонентов, которые не могут проходить через слой геля гидрата. Компоненты, которые проходят через слой геля гидрата, могут быть собраны в чистой воде ниже слоя геля гидрата. Компоненты, которые не могут проходить через слой геля гидрата, накапливаются поверх поверхностной ткани (когда поверхностная ткань присутствует) или, в случае отсутствия поверхностной ткани, поверх слоя геля гидрата.

В данном описании и формуле изобретения (если это имеет место) слово содержащий и его производные, включая содержит и содержат, подразумевают включение в состав каждого из приведенных элементов, однако не исключают включение одного или нескольких дополнительных элементов.

Ссылка в данном описании на один из вариантов осуществления или вариант осуществления означает, что специфические особенности, структуры или характеристики, описанные в связи с данным вариантом осуществления, включены по меньшей мере в один из вариантов осуществления данного изобретения. Соответственно, фразы в одном из вариантов осуществления или в варианте осуществления в различных местах данного описания не обязательно относятся к одному и тому же варианту осуществления. Кроме того, специфические особенности, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одну или несколько комбинаций.

В соответствии с законодательством данное изобретение было описано языком, более или менее характерным для структурных признаков или методических особенностей. Следует понимать, что данное изобретение не ограничивается конкретными признаками, показанными или описанными, поскольку средства, описанные в данном документе, включают в себя предпочтительные формы достижения эффекта данного изобретения. Данное изобретение поэтому заявляется в любой из его форм или модификаций в рамках истинного объема приложенной формулы изобретения (если это имеет место), интерпре

- 31 032043 тируемой соответствующим образом специалистами в данной области техники.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Сепаратор для отделения одного или нескольких компонентов, выбранных из материала в виде твердых частиц, гидрофобного материала, неполярного материала, микроорганизмов или вирусов, от смеси воды и одного или нескольких данных компонентов, причем данный сепаратор содержит слой геля гидрата гидроксида алюминия.
2. Сепаратор по п.1, где гель гидрата гидроксида алюминия изготовлен посредством смешивания водных растворов сульфата алюминия и гидроксида натрия, чтобы тем самым образовать гель гидрата гидроксида алюминия, или гель гидрата гидроксида алюминия сформирован посредством электролиза.
3. Сепаратор по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий пористый держатель для удерживания слоя гидрата гидроксида алюминия.
4. Сепаратор по п.3, где пористый держатель содержит ткань, тканый материал, перфорированный материал или пористый керамический материал.
5. Сепаратор по любому из предшествующих пунктов, где сепаратор содержит впускное отверстие, через которое смесь вводится в сепаратор, и выпускное отверстие, через которое вода, которая прошла через слой геля гидрата гидроксида алюминия, выпускается из сепаратора.
6. Сепаратор по любому из предшествующих пунктов, где сепаратор дополнительно содержит держатель, размещенный выше по потоку по отношению к слою геля гидрата гидроксида алюминия.
7. Сепаратор по п.6, где держатель выше по потоку содержит ткань, тканый материал, перфорированный материал или пористый керамический материал или сетчатый материал.
8. Сепаратор по любому из предшествующих пунктов, где слой геля гидрата гидроксида алюминия имеет толщину от 1 мкм до 30 см или более, или от 1 мкм до 10 см, или от 1 мкм до 5 см, или от 1 мкм до 10 мм, или от 1 мкм до 5 мм, или от 1 мкм до 1 мм.
9. Сепаратор по любому из предшествующих пунктов, где слой геля гидрата гидроксида алюминия является непрерывным.
10. Способ отделения одного или нескольких компонентов, выбранных из материала в виде твердых частиц, гидрофобного материала, микроорганизмов или вирусов, от смеси воды и одного или нескольких данных компонентов, включающий пропускание воды из смеси через слой геля гидрата гидроксида алюминия, где один или несколько компонентов остаются на слое геля гидрата гидроксида алюминия.
11. Способ по п.10, где к смеси прикладывают давление.
12. Способ по любому из пп.10 или 11, где выше по потоку по отношению к слою геля гидрата гидроксида алюминия расположен держатель.