JP2006520270A - 微生物阻止能力が向上した濾材 - Google Patents

Abstract

本発明は、流入液中の微生物汚染物質が実質的に負に帯電した状態で維持されるように流入液のｐＨを上昇させることができるｐＨ変化材料を有する複合濾材に関し、これによって、複合濾材内部の正帯電媒体が、微生物汚染物質をより効率的に捕捉することができる。

Description

本発明は、複合濾材によって微生物汚染物質をより効率的に捕捉することが可能なｐＨ変化材料を有する複合濾材、またはそれを使用した濾過システムに関する。

本発明は、第１の態様において、正帯電媒体を含む複合濾材であって、ｐＨ変化材料を含み、このｐＨ変化材料が、流入液中に存在する微生物汚染物質が負電荷を維持し、正帯電媒体が正電荷を維持し、微生物汚染物質の阻止が向上するように、流入液のｐＨを変化させる複合濾材に関する。ｐＨ変化材料は、流入液のｐＨを約１０．５未満、より好ましくは約７〜約９に変化させるように適合されている。好ましくは、ｐＨ変化材料が無機炭酸塩を含む。

正帯電媒体は固体複合ブロックを含むことができ、ｐＨ変化材料は、正帯電媒体に巻き付けられたフラットシート構造である。正帯電媒体は、ｐＨ変化材料およびバインダーと混合し、押出成形して固体複合ブロックを形成することもできる。

ｐＨ変化材料は、正帯電媒体の上流に位置するフラットシート構造を含むことができる。ｐＨ変化材料は定期的に再生することができる。本発明の複合濾材は、正帯電媒体の上流にある電荷減少性汚染物質を除去するための吸着剤をさらに含むことができる。

別の態様において、本発明は、微生物汚染物質の阻止を向上させることができる帯電媒体と；帯電媒体の上流に配置されたｐＨ変化層と；帯電媒体の上流に配置された、電荷減少性汚染物質を除去するための媒体とを含む、複合濾材に関する。帯電媒体は、バインダーと混合し、基材上で融着させて帯電層を形成させることができ、流入液が帯電層と接触する前に、ｐＨ変化層が流入液に曝露されるように、帯電層とｐＨ変化層とがらせん状に巻き付けられる。ｐＨ変化層を基材の第２の表面に融着させることもできる。

さらに別の態様においては、本発明は、正に帯電した微生物阻止剤で処理された活性粒子と；バインダーと；ｐＨ変化材料であって、活性粒子、バインダー、およびｐＨ変化材料が混合されて固体複合ブロックに押出成形されるｐＨ変化材料と；固体複合ブロックの上流の電荷減少性汚染物質を除去するための材料とを含む複合濾材に関する。

さらに別の態様においては、本発明は、正に帯電した微生物阻止剤で処理された活性粒子と；バインダーであって、活性粒子とバインダーとが混合されて固体複合ブロックに押出成形されるバインダーと；固体複合ブロックに巻き付けられたフラットシート構造を有するｐＨ変化材料と；固体複合ブロックの上流の電荷減少性汚染物質を除去するための材料とを含む複合濾材に関する。電荷減少性汚染物質を除去するための材料は、ｐＨ変化材料を有するフラットシート構造に組み込むことができる。

別の態様においては、本発明は、流体中の微生物汚染物質を除去する方法であって、帯電した濾材の上流にｐＨ変化材料を供給することによって、微生物汚染物質が負に帯電したままとなるように、流入液のｐＨを変化させるステップと；帯電した濾材を流体が通過するときに微生物汚染物質の少なくとも約４のｌｏｇ減少を得るステップとを含む方法に関する。この方法は、流入液のｐＨを変化させるステップと連係させて、流入液中の電荷減少性汚染物質を除去するステップをさらに含むことができる。

さらに別の態様においては、本発明は、正帯電媒体とｐＨ変化材料とを有する複合濾材を含む濾過システムであって、ｐＨ変化材料が、濾過システムを通過した流体のｐＨを、流体中に存在する対象有機体の等電点よりも高いｐＨまで十分に上昇させ、それによって、対象有機体が負電荷を有するようになり、正帯電媒体が正電荷を維持すると、対象有機体と正帯電媒体の表面との間に実質的な電気的引力が生じる濾過システムに関する。

新規性があると考えられる本発明の特徴、および本発明の特徴的要素は、特に添付の請求項に記載されている。図面は説明のみを目的としており、一定の縮尺では描かれていない。しかし、本発明自体は、構成および操作方法の両方に関しては、添付の図面と関連している好ましい実施形態の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

本発明の好ましい実施形態の説明において、図面の図１Ａおよび１Ｂを参照しており、これらの図面において類似の番号は本発明の類似の特徴を示している。本発明の特徴は、必ずしも一定の縮尺で示されているのではない。

（定義）
単数形または複数形のいずれかの形態の以下の用語は、規定の以下の意味を有するものとする。

本明細書において使用される場合、「吸収剤」は、主としてその内部構造に不純物を引き込むことによって不純物を吸収することができるあらゆる材料を意味するものとする。

本明細書において使用される場合、「吸着剤」は、主としてその表面に物理的に吸着させることによって不純物を吸着することができるあらゆる材料を意味するものとする。

本明細書において使用される場合、「吸着濾材」または「吸着プレ濾材」は、活性炭などの吸着剤で製造された濾材を意味するものとする。吸着濾材の例は、コネティカット州オレンジ（Ｏｒａｎｇｅ，Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ）のＫＸインダストリーズＬ．Ｐ．（ＫＸ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｌ．Ｐ．）より市販されるＰＬＥＫＸ（登録商標）である。

本明細書において使用される場合、「バインダー」は、主として他の材料を合わせて維持するために使用される材料を意味するものとする。

本明細書において使用される場合、「帯電媒体」は、濾材の製造中に使用される材料に依存して正電荷または負電荷を有する濾材、あるいは濾材表面の少なくとも一部の上に電荷を生じさせる化学処理を行うことができる濾材を意味するものとする。

本明細書において使用される場合、「複合濾材」は、プレフィルターと、吸着プレ濾材と、微生物阻止を向上させるための帯電媒体と、本発明のｐＨ変化材料とを１つの複合構造中に併せ持つ濾材を意味するものとする。ある実施形態においては、プレフィルターが存在しないか、吸着プレ濾材に想定される機能がないかであってよい。ｐＨ変化材料を、吸着プレ濾材中に組み込むこともできる。

本明細書において使用される場合、「汚染物質の減少」は、たとえば人間の使用、またはより有用なものとして工業用途として流体をより安全にするために、阻止される、除去される、あるいは化学的または生物学的に不活性にされる流体中の不純物の減少を意味するものとする。

本明細書において使用される場合、「繊維」は、長さ対直径の高いアスペクト比、たとえば数百対１を特徴とする固体を意味するものとする。繊維に関するあらゆる議論にはウィスカーが含まれる。

本明細書において使用される場合、「濾材」は、流体の濾過を行う材料を意味するものとする。

本明細書において使用される場合、「流体」は、液体、気体、またはそれらの組み合わせを意味するものとする。

本明細書において使用される場合、「成形」は、遊離して構造化されていない物質を凝集性の均一構造に変化させることを意味するものとする。たとえば、遊離した繊維の紙への変化。

本明細書において使用される場合、「阻止する」または「阻止」は、影響を与える、除去する、不活性化する、または支配するために、妨害する、または通過を中断することを意味するために使用される。

本明細書において使用される場合、「ｌｏｇ減少値」または「ＬＲＶ」は、流入液中の有機体数をフィルターの流出液中の有機体数で割った値のｌｏｇ_１０を取った値を意味するものとする。

本明細書において使用される場合、「膜」は、構造が、連続した細孔構造を有する１つの連続固相である薄く多孔質の媒体を意味するものとする。

本明細書において使用される場合、「微生物」は、あらゆる生体を意味するものとし、たとえば、限定するものではないが細菌、ウイルス、真菌、原生動物、および嚢子および胞子などのそれらの生殖型をが挙げられる。

本明細書において使用される場合、「ＰＦＵ」は、プラーク形成単位を意味するものとする。

本明細書において使用される場合、「ｐＨ変化材料」は、このようなｐＨ変化材料と接触する流入液のｐＨを所望のｐＨ範囲まで上昇または低下させることができる材料を意味するものとする。ｐＨ変化材料は、ｐＨ変化材料と接触する流入液に対して緩衝効果を与えることができる。

本明細書において使用される場合、「シート」は、その厚さよりも有意に大きい長さおよび幅を有するほぼ二次元の構造を意味するものとする。

本明細書において使用される場合、「ウィスカー」は、限定されたアスペクト比を有し、粒子と繊維とのアスペクト比の間にあるフィラメントを意味するものとする。繊維について議論する場合にはいつもウィスカーが含まれる。

（複合濾材）
本発明は、帯電媒体と、第２の電荷を有する帯電媒体とは反対の第１の電荷を、流入液中に存在する微生物汚染物質が維持するように、流入液のｐＨを変化させるｐＨ変化材料とを含む複合濾材を提供する。たとえば、ｐＨ変化材料は、流入液のｐＨを約１０未満、好ましくは約７〜約９に上昇させることができる。このｐＨ範囲内で、すなわちある種の微生物有機体の等電点よりも高いと、このような有機体は負電荷になる。このｐＨ範囲内で、濾材の電荷が大きく正になるよう構成することができ、濾材の等電点は約９を超え、好ましくは約１０を超え、そのため対象有機体と濾材表面との間に実質的な電気的引力が生じる。

大部分の微生物汚染物質は、大部分の非飲用水源中で約６〜約８のｐＨにおいて負に帯電している。微生物汚染物質が負電荷を維持する場合、これらは、正に帯電した濾材と動電学的方法を使用して容易に阻止される。しかし、正に帯電した微生物では、正に帯電した濾材を使用した捕捉が大きく低減される。ポリオウイルスはｐＨ約７において等電点を有するため、アルカリ性ｐＨにおいてのみポリオウイルスは負電荷を有する。したがって、対象微生物が負に帯電しており濾材が正電荷を維持するｐＨ範囲、すなわち、微生物と濾材との等電点の間のｐＨ範囲で、あらゆるフィルターを操作すると好都合となる。本発明の複合濾材は、流入液ｐＨのｐＨを約１０未満に変化させることで、流入液中の微生物汚染物質が十分負に帯電し、そのため正に帯電した濾材はこれらの汚染物質を効率的に捕捉することができる。濾過される流体に依存して、帯電した濾材を、流入液を緩衝するためのｐＨ変化材料と併用することで、より効率的に微生物汚染物質が減少する。

（帯電媒体）
本発明の複合濾材の帯電媒体は、当業者に周知のあらゆる帯電媒体であってよい。このような帯電媒体は、膜、押出成形された炭素ブロック固体複合濾材、ナノファイバー濾材などを含むことができる。帯電媒体の電荷は、媒体の製造に使用される材料の化学的処理によって、または本来電荷を有する材料を使用することによって得ることができる。

十分な微生物阻止を実現するために、流体から濾材表面までの拡散距離が短くなるよう、複合濾材が十分に密集した密集した細孔構造、または微孔構造を有する必要がある。帯電媒体によって得られる電荷は、微生物汚染物質の動電学的な阻止を促進し、一方、密集した細孔構造によって短い拡散経路が得られ、それによって、流体が複合濾材表面に流れる場合に汚染物質の拡散運動が迅速になる。さらに、密集した細孔構造によって、補足的であるが、微生物汚染物質が直接機械的に阻止される。非常に小さい粒子、すなわち、濾材の細孔よりも有意に小さい粒子を阻止するためには拡散が主要な役割を果たすため、濾材の厚さへの依存よりも、多くの小さなウイルス粒子のｌｏｇ減少値と、濾材内部の流入液の接触時間との間に直接相関がある。

好ましい帯電媒体は、同時係属中の特許出願である、ナノファイバーまたは膜濾材に関する米国特許出願第１０／２８６，６９５号明細書、および固体複合ブロック濾材に関する第１０／２９０，８０３号明細書に開示されており、これら両方の種類の濾材は微生物阻止を向上させるための微孔構造を有する。微孔構造の表面の少なくとも一部の上に正電荷を発生させることができる微生物阻止向上剤で微孔構造が処理される。繊維または膜を陽イオン性化合物で処理した後、陽イオン性表面処理と関連する陰イオンを有する金属が沈殿することによって、繊維または膜の少なくとも一部の表面の少なくとも一部の上に陽イオン性金属錯体が形成される。固体複合ブロック濾材においては、活性粒子表面上に正電荷を発生させることができる微生物阻止向上剤で、微孔構造の活性粒子が化学的に処理される。同様に、活性粒子を陽イオン性化合物で処理した後、陽イオン性表面処理と関連する陰イオンを有する金属が沈殿することによって、陽イオン性金属錯体を、活性粒子の表面の少なくとも一部の上に形成させることができる。この化学的処理によって、処理表面上に強い正電荷が発生し、これは流動電位分析を使用して測定され、この正電荷約１０．５未満のｐＨ値で維持される。

（ｐＨ変化材料）
好ましくは、ｐＨ変化材料は、流入液のｐＨを約１０．５未満、好ましくは約７〜約９に上昇させ、流入液中に存在する微生物汚染物質を全て実質的に負に帯電させる徐溶性アルカリ性材料を含む。有用なアルカリ性材料は、炭酸マグネシウム、重炭酸ナトリウム、および炭酸カルシウム、石灰石などの無機炭酸塩であり、炭酸カルシウムが最も好ましい。ヒト腸内ウイルスの最高等電点よりも高いｐＨまで流入液のｐＨを変化させることによって、対象となる実質的に全ての微生物汚染物質が負電荷を維持し、それによって正帯電媒体が微生物汚染物質をより効率的に捕捉することができる。

ｐＨ変化材料は、当分野において周知の方法を使用して複合濾材中に組み込むことができる。ｐＨ変化材料は、帯電媒体中に直接組み込むことができる。ｐＨ変化材料が組み込まれたフラットシート構造は、バインダーを使用してまたは使用せずに、このようなｐＨ変化材料の粒子を、不織繊維層または膜の中に埋め込むことによって作製することができる。繊維層または膜の表面上に正電荷を発生させることができる微生物阻止向上剤で、不織繊維層または膜を化学的に処理して帯電媒体を形成することもできる。コスロー（Ｋｏｓｌｏｗ）に付与された米国特許第５，７９２，５１３号明細書（’５１３号特許）（本明細書に組み入れられる）により、粒子状ｐＨ変化材料をバインダーと混合し、基材に融着させて、帯電媒体の上流のプレフィルターを形成するためのフラットシート構造を形成することができる。’５１３号特許の方法を実施する場合、同時係属中の米国特許出願第１０／２８６，６９５号明細書に開示されるナノファイバー濾材、または他の帯電媒体を、ｐＨ変化材料およびバインダーが融着される基材として使用することができる。

図１Ａおよび１Ｂは、吸着剤プレフィルター層１１と微生物阻止層１９とを含む本発明の複合濾材１０の断面図である。複合濾材１０は、図１Ａに示されるように複数の分離した層から作製することができる。図１Ａにおいて、複合濾材１０は、微生物阻止能力を有する帯電媒体２０の上に吸着プレフィルター層１１を有する。吸着プレフィルター層１１は、吸着剤を支持する基材１２を含む。基材１２の少なくとも一部は、ｐＨ変化材料１４、吸着剤粒子１６、およびバインダー粒子１８でコーティングされており、これらは互いに融着し、基材１２の表面とも融着している。吸着剤を支持する基材１２の上のコーティングは、’５１３号特許に記載される方法によって得られる。’５１３号特許において基本的に記載されているように、このコーティングは、ｐＨ変化材料の粒子、吸着剤粒子、およびバインダー粒子の混合物を調製することによって得られる。好ましくは、バインダー粒子は約８０μｍ以下の平均粒径を有する。この混合物が、吸着剤を支持する基材１２の一部または全面に適用されて、前面上に粗い粉末コーティングが形成される。この粗い粉末コーティングは、少なくともバインダー粒子の軟化温度であるが、吸着剤を支持する基材１２、ならびにｐＨ変化材料および吸着剤の粒子の溶融温度よりも低い温度に加熱されて、軟化したバインダー粒子１８が形成される。ウェブ基材１２に圧力を加えることで、軟化したバインダー粒子１８がｐＨ変化材料１４、吸着剤粒子１６と融着し、吸着剤を支持する基材１２に融着する。粉末コーティングを少なくともバインダー粒子１８の軟化温度まで加熱した後または最中に、軟化したバインダー粒子が冷却される前に、第２の基材１５を粉末コーティングの上に載せて、粉末混合物と接着させることができる。図１Ａに示されるような微生物阻止層１９は、複数のナノファイバー２２を含む帯電媒体２０を含む。

図１Ｂにおいて、吸着プレフィルター層１１と微生物阻止層１９とを有する複合濾材１０は、支持基材として帯電媒体２０を使用して作製することができ、帯電媒体２０の表面の少なくとも一部が、互いに融着し帯電媒体２０の表面とも融着するｐＨ変化材料１４、吸着剤粒子１６、およびバインダー１８でコーティングされる。図１Ａの前述した方法での製造中に粉末コーティング上に基材（図示されていない）を重ねることができる。

軸流装置中の帯電媒体の上流に配置される場合、ｐＨ変化材料は、単独で、または他の吸着剤と組み合わせて、複合濾材中のフラットシート構造として組み込むことができる。放射状流装置の場合、フラットシート構造は、固体濾材、たとえば押出成形された炭素ブロックの周囲に巻き付けたり、丸めてそれらのコアとしたりすることができ、それによって流入液は、炭素ブロック濾材と接触する前にｐＨ変化材料と接触する。あるいは、固体押出成形濾材では、コスロー（Ｋｏｓｌｏｗ）に付与された米国特許第５，０１９，３１１号明細書（本明細書に組み入れられる）により、固体複合ブロックなどに押出成形される吸着剤および／または吸収剤、添加剤、およびバインダーの混合物に、ｐＨ変化材料を直接組み込むことができる。

好ましくは、電荷減少性天然有機物を除去する吸着剤も含有する吸着プレ濾材中にｐＨ変化材料が組み込まれる。ポリアニオン性フミン酸およびフルボ酸などの天然有機物は、正に帯電した構造を被覆し錯形成することによって正帯電媒体上の電荷を減少させ、それによって、負に帯電した微生物汚染物質を除去するためのフィルターの有効性が低下する。流入液のｐＨがｐＨ７を超えるまで上昇させることによって、フミン酸などのポリアニオン酸が、活性炭などの吸着剤によってより効率的に除去される。

ｐＨ変化材料は、流入液のｐＨを所望の目標値まで変化させるのに十分な量および形態で存在するべきである。流入液のｐＨを約１０未満、好ましくは約７〜約９まで上昇させるためにプレフィルター中に組み込まれる場合、プレ濾材の約１０〜約５０重量％、好ましくは約３０重量％で無機炭酸塩を使用することができる。無機炭酸塩の平均粒径は好ましくは、複合濾材の有効寿命中に多量の水に曝露しても容易に溶解しないのに十分な大きさであるが、比較的短い接触時間が可能となるのに十分な小ささである。ｐＨ変化材料は、好ましくは約−５０〜約−１５０メッシュの平均粒径を有し、より好ましくは約−１００メッシュの平均粒径を有する。好ましい無機炭酸塩は、約−１００メッシュの平均粒径を有するドロマイト質石灰石である。

都市の水処理システムまたは他のインライン処理方法では、帯電媒体と接触する前に、流入液のｐＨを、ｐＨ変化材料の注入または直接噴射または添加によって変化させることができる。好ましくは、ｐＨ変化材料は水溶液または分散液として加えられる。

場合によっては、流出液中の目標ｐＨを維持する好適な緩衝剤またはイオン交換樹脂を使用してｐＨ調整を実現することができる。イオン交換材料の場合、これらは、アルカリ性溶液を使用して定期的に再生することができる。

（ｐＨ変化材料が組み込まれた濾過システム）
加圧流システムまたは重力流システムのいずれかの本発明の濾過システムは、約２μｍ未満の平均流路を有する微孔構造を有する帯電媒体であって、微孔構造の表面の少なくとも一部の上に高い正電荷を与える微生物阻止剤で処理された帯電媒体と、電荷減少性汚染物質を除去するための吸着プレフィルターと、流入液のｐＨを約１０未満、好ましくは約７〜約９まで上昇させるためのｐＨ変化材料とを含む複合濾材を含むことができる。好ましくは、微孔構造は、複数のナノファイバー、膜、または固体の炭素ブロックを含む。微孔構造がナノファイバーまたは膜を含む場合、コスローに付与された米国特許第５，７９２，５１３号明細書に開示される方法を使用してｐＨ変化材料を吸着プレフィルター中に組み込むことが好ましい。ｐＨ変化材料は、好ましくは、約−５０〜約−１５０メッシュ、好ましくは約−１００メッシュの平均粒径を有し、吸着プレフィルター組成物の約３０重量％の量で存在する無機炭酸塩である。電荷減少性汚染物質を除去し、流入液が帯電媒体と接触する前に流入液のｐＨを上昇させるために、吸着プレフィルターが帯電媒体の上流に配置される。好ましくは、粒子状プレフィルターが、濾過システム中に組み込まれ、これも吸着プレフィルターの上流に配置される。このような本発明の濾過システムは、以下の実施例に示されるように、微生物汚染物質の阻止が向上したことが示されている。

以下の実施例は本発明を説明するために提供されており、本発明の範囲を限定するものとして構成されているのではない。

ニューヨーク州イサカのポーラス・マテリアルズ・インコーポレイテッド（Ｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．，Ｉｔｈａｃａ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）より入手可能な自動毛管流ポロメーター（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｆｌｏｗ Ｐｏｒｏｍｅｔｅｒ）を使用してポロメトリー分析を行った。この装置の製造元が公開している標準手順を使用して求められるパラメータとしては、平均流量孔径および気体（空気）透過率が上げられる。乾燥した濾材および濡れた濾材の両方について、種々の圧力で気体の流れを調べた。濡らした試験の前に、最初に濾材を、高真空下に維持しながらシリコン油に少なくとも１０分間浸漬した。

ニューヨーク州ホルツビル（Ｈｏｌｔｓｖｉｌｌｅ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）のブルックヘブン・インストルメンツ（Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）より入手可能なＢＩ−ＥＫＡ動電学的分析装置（ＢＩ−ＥＫＡ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｋｉｎｅｔｉｃ Ａｎａｌｙｚｅｒ）を使用して測定される流動電位および流動電流を使用して、種々の濾材のゼータ電位または流動電位を求めた。この装置は、分析器、フラットシート測定セル、電極、およびデータ制御システムを備えている。この分析器はポンプを備えており、これによって、一般には０．００１５Ｍの塩化カリウムである電解質溶液をリザーバーから、本明細書に記載される濾材のサンプルを収容する測定セルに通すために必要な圧力が発生される。温度、圧力低下、伝導率、およびｐＨを測定するセンサーがセルの外部に配置されている。この方法によると、電解質溶液が多孔質材料を通過するように圧送される。電解質溶液がサンプルを通過するときに、電荷の変位が発生する。結果として得られる「流動電位および／または流動電流」は、サンプルの両端に配置された電極によって検出することができる。次に、電解質の伝導性を考慮に入れたフェアブラザー（Ｆａｉｒｂｒｏｔｈｅｒ）およびマスティン（Ｍａｓｔｉｎ）の方法に従って計算することにより、サンプルのゼータ（流動）電位が求められる。

Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ ｃｏｌｉ（米国微生物系統保存機関（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｔｙｐｅ Ｃｕｌｔｕｒｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）（ＡＴＣＣ）Ｎｏ．１１７７５）、およびＫｌｅｂｓｉｅｌｌａ ｔｅｒｒｉｇｅｎａ（ＡＴＣＣ Ｎｏ．３３５２７）の浮遊液を使用して、濾材の微生物攻撃を行い、微生物攻撃に対する応答を評価した。ＭＳ−２バクテリオファージ（ＡＴＴＣ Ｎｏ．１５５９７−Ｂ１）、およびＰＲＤ−１（ＡＴＣＣ Ｎｏ．１９５８５−Ｂ１）を使用してウイルス攻撃に対する応答を評価した。ＡＴＣＣの標準操作手順（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）を使用して細菌およびバクテリオファージを増殖させ、当分野において周知の標準的微生物学的手順を使用して、微生物粒子浮遊液で攻撃したフィルターの流入液中および流出液中の両方の微生物の準備および定量を行った。他に明記しない限り、これらの攻撃はＲＯ／ＤＩ水を使用して行った。

微孔構造を有する帯電媒体のシートを以下の実施例で使用し、これらは以下のように作製した。ブレンダーに、０．９０ｇのＳＨＯＲＴ ＳＴＵＦＦ（登録商標）ＥＳＴ−８バインダー繊維と１．０Ｌの逆浸透／脱イオン（ＲＯ／ＤＩ）水とを加え、パルス設定でバインダーを約３０秒間混合した。このバインダー分散液に、他に明記しない限りカナダ標準濾水度（Ｃａｎａｄｉａｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｆｒｅｅｎｅｓｓ）が約４５である乾燥重量２７．４ｇのリオセル繊維を１０重量％のウェットパルプとして加えた。この混合物に、さらに８００ｍｌのＲＯ／ＤＩ水を加えて、繊維が完全に分散するまでさらに１５秒間混合した。この繊維混合物に６．０ｍｌのＭＥＲＱＵＡＴ（登録商標）１００を３０％水溶液として加えた。繊維をＭＥＲＱＵＡＴ（登録商標）１００と約１０秒間混合し、少なくとも約４〜６時間静置した。約４〜６時間後、これらの繊維を、１００メッシュ成形ワイヤを取り付けた標準８インチブリット（Ｂｒｉｔ）ビンに注いで、減圧下で過剰の水を除去して、パルプシートを形成した。０．４５ｇの銀が得られる１５ｍｌの３％ストック溶液（６０ｍｌのＲＯ／ＤＩ水中１．８ｇ）の硝酸銀希薄溶液を、完全に暴露して飽和するように、パルプシート上に均一に注いだ。硝酸銀溶液は少なくとも約１５分パルプシート上に残し、続いて減圧下で過剰の水を除去した。この銀処理したシートを小片に引き裂き、ＷＡＲＩＮＧ（登録商標）ブレンダーに投入し、２．０Ｌの脱イオン水中に再分散させた。さらにＭＥＲＱＵＡＴ（登録商標）１００溶液６．０ｍｌを上記分散液に加え、その混合物を約２分間混合した。処理した繊維を、１００メッシュ成形スクリーンが取り付けられ、ＲＥＥＭＡＹ（商標）２００４不織層でライニングされた３０．５×３０．５ｃｍ^２ステンレス鋼ＦＯＲＭＡＸ（登録商標）紙用デックルに注いだ。このデックルにはあらかじめ約２４．０ＬのＲＯ／ＤＩ水を満たしておいた。直径２ｃｍの孔６０個を有する３０×３０ｃｍ^２ステンレス鋼撹拌板を使用して、繊維混合物を上部から底部まで約８〜１０回動かした。デックルの下からわずかに減圧して繊維混合物から水を除去して、不織布上で繊維を成形した。大部分の水を除去してから、真空ポンプを使用してさらに脱水を行って、過剰の水分をさらに除去することで、比較的平滑で平坦な非常に薄い紙状のシートが得られる。得られたシートをスクリーンから取り外し、表面および裏面の両方に吸い取り紙シートを重ねる。この組み合わされたシートを、２．２７ｋｇの大理石ののし棒で軽くロール掛けして、過剰の水を除去し、シートの表面を平滑化する。次にシートを、２枚の新しい乾燥した吸い取り紙の間に挟み、約１２０℃のＦＯＲＭＡＸ（登録商標）シート乾燥機上に約１０〜約１５分置く。得られた帯電媒体を吸い取り紙から取り外し、ＦＯＲＭＡＸ（登録商標）シート乾燥機で各面を約５分ずつ直接加熱して、乾燥バインダー繊維を活性化させる。この帯電媒体の流動電位またはゼータ電位は、約＋２０ｍＶを超えるゼータ電位となった。この帯電媒体の平均流路は約０．３５μｍであった。

ＰＬＥＫＸ（登録商標）層とも呼ばれる吸着プレフィルターを、コスローに付与された米国特許第５，７９２，５１３号明細書（「ＰＬＥＫＸ（登録商標）」法に従って作製した。他に明記しない限り、上部基材および底部基材の両方が、デラウェア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニー（Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ ｄｅＮｅｍｏｕｒｓ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌａｗａｒｅ）よりＤｕＰｏｎｔ（登録商標）１８６２０で入手可能であり約２５ｃｍの幅に切断された水流絡合スパンレース不織布であった。粉末混合物は、１重量％のＭＥＲＱＵＡＴ（登録商標）１００および０．５重量％の銀で処理され、平均粒径約８０×３２５メッシュまで粉砕され２２％のＰＡＮを有するペンシルバニア州ピッツバーグのカルゴン・カーボン・コーポレーション（Ｃａｌｇｏｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）のグレードＯＬカーボン（Ｇｒａｄｅ ＯＬ Ｃａｒｂｏｎ）；イリノイ州タスコラのイクイスター・ケミカルズＬ．Ｐ．（Ｅｑｕｉｓｔａｒ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｌ．Ｐ．，Ｔｕｓｃｏｌａ，Ｉｌｌｉｎｏｉｓ）より入手可能な１４重量％のＭＩＣＲＯＴＨＥＮＥ（登録商標）ＦＮ−５１０ポリエチレンバインダー；およびニューヨーク州ノーストナワンダのインターナショナル・ファイバー・コーポレーション（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈ Ｔｏｎａｗａｎｄａ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）より入手可能な８重量％ＳＯＬＫＡ−ＦＬＯＣ（登録商標）１０１６精製セルロースであった。ウェブ速度は約０．８ｍ／分であった。加熱ローラーは、直径１０インチであり、熱油によって約２３２℃（４５０°Ｆ）の温度まで加熱した。ニップ圧は約７２ｋｇ／ｃｍであった。炭素およびｐＨ変化材料の粉末レイダウンおよび具体的な量は実施例に明記されている。

実施例１および２：吸着プレ濾材としてのカーボンＰＬＥＫＸ（登録商標）層を使用した場合の比較例のｐＨ分析
カーボンＰＬＥＫＸ（登録商標）層と接触後の流出液ｐＨに変化が見られるかどうかを調べるために、流出液ｐＨの分析を行った。結果を以下の表Ｉに示す。レイダウンは約９００ｇ／ｍ^２であった。

初期流入液のｐＨは、実施例１においてかなり酸性であった。カーボンＰＬＥＫＸ（登録商標）層は、流出液のｐＨを上昇させることができたが、より高いｐＨ値を維持することはできなかった。ＰＬＥＫＸ（登録商標）層に１．５Ｌの水を流した後には、ｐＨは７未満に低下した。実施例２における流入液ｐＨ６．５においては、炭素を充填したＰＬＥＫＸ（登録商標）プレフィルターの緩衝効果はあまり大きくないことが分かる。

実施例３〜５：吸着プレ濾材として炭素および石灰石ＰＬＥＫＸ（登録商標）層を使用した場合のｐＨ分析
アリンデール・コーポレーション（Ａｌｌｙｎｄａｌｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）より入手した種々の量の石灰石（「アリンデール石灰石」）を、炭素量を減らすことによってカーボンＰＬＥＫＸ（登録商標）層に組み込んだ。アリンデール石灰石は、平均粒径が約−１００メッシュの農業グレード石灰石である。アリンデール石灰石の添加によるｐＨ変化作用を、以下の表ＩＩに示す。全レイダウンは約９００ｇ／ｍ^２であった。

５０重量％の石灰石をＰＬＥＫＸ（登録商標）層に加えることによって、流入液がほぼ中性ｐＨの場合に、流出液ｐＨが９を超えるまで大きく上昇し、それが維持された。石灰石量を３５重量％まで減少させ、天然水により近いわずかに酸性度の高い水に曝露しても、同様に優れた緩衝能力が得られた。

実施例６および７：本発明の複合濾材中に炭素および石灰石ＰＬＥＫＸ（登録商標）層を使用した場合のｐＨ分析
９００ｇ／ｍ^２のレイダウンを有する２層の炭素／石灰石ＰＬＥＫＸ（登録商標）層を、１層の帯電媒体を有するフィルターハウジング内に取り付け、ホットメルト接着剤で固定した。脱塩素処理した水道水を満たした２０．０Ｌのカルボイを、フィルターハウジング入口に取り付けた。フィルターから流出する流出液のｐＨを記録し、それらのデータを以下の表ＩＩＩに示す。

実施例６において、大量の水に曝露した後ではｐＨの変化は限定されている。しかし、実施例７において流量を増加させると、ｐＨ値の上昇がより維持され、平均約７．５となっている。９０．０Ｌの低ｐＨ水に曝露した後、実施例７のフィルターをＭＳ２（ＲＯ／ＤＩ水中で調製して２．０６×１０^９）で攻撃して、許容されるｌｏｇ減少が可能かどうかを調べた。このフィルターは、９０．０Ｌの低ｐＨ水に曝露した後で、ＭＳ２の場合に９．０を超えるｌｏｇ減少を得ることができた。

実施例８：ＭＳ２で攻撃した本発明の複合濾材
１層の帯電媒体を使用し、続いて米国特許第５，７９２，５１３号明細書に開示される方法に従ってカルゴン・カーボン・コーポレーションのグレードＯＬカーボンおよび約３５重量％の粉砕アリンデール石灰石から作製した２層のＰＬＥＫＸ（登録商標）層を使用して、フィルターハウジングを組み立てた。この実施例で使用した帯電媒体は、ＭＥＲＱＵＡＴ（登録商標）１００で最初に処理し、臭化ナトリウムで処理した。各ＰＬＥＫＸ（登録商標）層は、粒子状物質約８００〜約９００ｇ／ｍ^２のレイダウンからなった。ＩＮＴＥＲＮＥＴ（商標）網の層をフィルターハウジング底部に取り付け、ホットメルト接着剤で固定した。帯電媒体をこの網にしっかりと取り付けてから、２層のＰＬＥＫＸ（登録商標）材料を取り付けた。バイパスを防止するためにフィルターハウジング全体をホットメルト接着剤で接着した。実際のフィルター面積は約２．５インチ×３．７５インチ（６．３５ｃｍ×９．５３ｃｍ）であった。ホットメルト接着剤を使用して内径１／４インチのホースをフィルターハウジング入口に固定し、フィルターハウジング出口は流体が流れるように開放した。常に約４インチ（１０．２ｃｍ）水柱の圧力を維持した。ＲＯ／ＤＩ水を満たしたカルボイにこのフィルターを取り付けた。

フィルターをカルボイから取り外し、フィルターに一定量のＲＯ／ＤＩ水を通した後で異なる間隔で２５０ｍｌのＭＳ２溶液で攻撃した。流出液を滅菌した２５０ｍｌ三角フラスコに採取し、希釈して、ペトリ皿上に取った後、標準手順を行い、終夜静置した。各攻撃後、フィルターを再度カルボイに取り付けた。

実施例８のフィルターは、４回の攻撃および大量の水の曝露の後でさえも、ＭＳ２の優れたｌｏｇ減少が得られた。

実施例９：Ｅ．ｃｏｌｉで攻撃した本発明の複合濾材
実施例８に記載されるものと同じフィルターハウジングをＥ．ｃｏｌｉで攻撃した。以下の表Ｖに示されるように、連続した微生物攻撃で、同様に優れた結果が得られた。

この実施例では、流量が許容できない量に減少するまで、フィルターによって約４ｌｏｇを超える許容できる細菌ｌｏｇ減少値が得られるとの結論が得られた。

実施例１０：Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａ ｔｅｒｒｉｇｅｎａ、ＰＲＤ−１、およびＭＳ２で攻撃した本発明の複合濾材
３つのフィルターを、上記３種の有機体のカクテルで攻撃した。石灰石を含まない炭素のみのＰＬＥＫＸ（登録商標）層を使用して作製したフィルターを比較のため示している。各炭素のみのＰＬＥＫＸ（登録商標）層は、レイダウンが６００ｇ／ｍ^２であり、２層を使用した。カルゴン・カーボン・コーポレーションのグレードＴＯＧカーボン（Ｇｒａｄｅ ＴＯＧ ｃａｒｂｏｎ）を比較例フィルターＡに使用し、グレードＯＬカーボンを比較例フィルターＢに使用した。本発明の複合濾材は、１５００ｇ／ｍ^２のレイダウンを有する１層の炭素石灰石ＰＬＥＫＸ（登録商標）層を有した。前述の一般的方法を使用して作製した１層の帯電媒体を、直径６インチおよび高さ３インチセラミック製ブフナー漏斗と、ＩＮＴＥＲＮＥＴ（商標）網の層を上部の上でしっかりと接着した。ＰＬＥＫＸ（登録商標）層を帯電媒体の上部に接着剤でしっかりと固定した。ブフナー漏斗の縁端を接着して、系からのバイパスを防止した。脱塩素処理した水道水のカルボイをブフナー漏斗の上に配置し、各漏斗に水を流した。フィルターを、５００ｍｌの脱塩素処理した水道水であらかじめ濡らした後、脱塩素処理した水道水を使用して調製した２５０ｍｌの３種の有機体のカクテルで攻撃した。流出液を滅菌した２５０ｍｌ三角フラスコに採取し、希釈して、ペトリ皿上に取った後、標準手順を行い、終夜静置した。各攻撃後、各フィルターに脱塩素処理水を流した。

実施例１０のフィルターは、ｐＨ変化材料の石灰石を含まないフィルターＡおよびＢよりも多くの試験体積でより大きな攻撃に耐えることができた。

実施例１１：Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａ ｔｅｒｒｉｇｅｎａ、ＰＲＤ−１、およびＭＳ２で攻撃した本発明の複合濾材の長期にわたる研究
実施例１０で使用したフィルターと類似のフィルターを、前述の一般的説明に従って作製した１層の帯電媒体と、帯電媒体の上流に配置される３５重量％の石灰石を有する１層のグレードＯＬカーボンＰＬＥＫＸ（登録商標）とを使用して組み立てた。これらのフィルターを最初にＲＯ／ＤＩ水で濡らした後、３種の有機体のカクテルで攻撃した。さらにＲＯ／ＤＩ水をフィルターに通した後、次の攻撃を行った。

フィルターを通過する水量が、フィルターを通過する水量が許容できない流れとなるまで減少した場合でも、実施例１１のフィルターは許容される微生物汚染物質の減少を維持した。

実施例１２：Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａ ｔｅｒｒｉｇｅｎａ、ＰＲＤ−１、およびＭＳ２で攻撃した本発明の複合濾材の長期にわたる研究
実施例１２のフィルターは、実施例１０で使用したフィルターと類似のものである。帯電媒体中に使用したナノファイバーを、前述の一般的な説明と同様に、最初のＭＥＲＱＵＡＴ（登録商標）１００での処理中に臭化ナトリウムで処理し、さらに残りの手順に従った。これらのフィルターを最初にＲＯ／ＤＩ水で濡らした後、３種の有機体のカクテルで攻撃した。さらにＲＯ／ＤＩ水をフィルターに通した後、次の攻撃を行った。

実施例１２において、３種の有機体のｌｏｇ減少は実施例１１と厳密に同じであったが、フィルターを通過した水の体積は、臭化ナトリウム処理のためにはるかに多くなっている。実施例１１および１２の両方のフィルターは、許容される抗菌性能および抗ウイルス性能を維持することができた。

本発明の複合濾材によって、複数の有機体で攻撃した場合でさえも長期間で向上した微生物阻止が行える。

特定の好ましい実施形態と関連させて本発明を具体的に説明してきたが、以上の説明を考慮すれば、多くの代案、修正、および変形が当業者には明らかとなるであろう。したがって、添付の請求項が、本発明の真の範囲および意図に含まれるあらゆるこのような代案、修正、および変形を包含することが考慮されている。

本発明の複合濾材の断面図である。 本発明の複合濾材の断面図である。

Claims (23)

1. 正帯電媒体を含む複合濾材であって、
   ｐＨ変化材料を含み、前記ｐＨ変化材料が、流入液中に存在する微生物汚染物質が負電荷を維持し、前記正帯電媒体が正電荷を維持し、前記微生物汚染物質の阻止が向上するように、流入液のｐＨを変化させる、複合濾材。
2. 前記流入液のｐＨを約１０．５未満に変化させるように、前記ｐＨ変化材料が適合されている、請求項１に記載の複合濾材。
3. 前記流入液のｐＨを約７〜約９に変化させるように、前記ｐＨ変化材料が適合されている、請求項１に記載の複合濾材。
4. 前記ｐＨ変化材料が無機炭酸塩を含む、請求項１に記載の複合濾材。
5. 前記無機炭酸塩が炭酸マグネシウムまたは炭酸カルシウムを含む、請求項４に記載の複合濾材。
6. 前記ｐＨ変化材料が、前記正帯電媒体中に組み込まれている請求項１に記載の複合濾材。
7. 前記正帯電媒体が固体複合ブロックを含み、前記ｐＨ変化材料が前記正帯電媒体に巻き付けられたフラットシート構造である、請求項１に記載の複合濾材。
8. 前記正帯電媒体が、前記ｐＨ変化材料およびバインダーと混合され、押出成形されて固体複合ブロックが形成される、請求項１に記載の複合濾材。
9. 前記ｐＨ変化材料が、前記正帯電媒体の上流に位置するフラットシート構造を含む請求項１に記載の複合濾材。
10. 前記正帯電媒体の上流の電荷減少性汚染物質を除去するための吸着剤をさらに含む、請求項１に記載の複合濾材。
11. 前記ｐＨ変化材料が定期的に再生することができる、請求項１に記載の複合濾材。
12. 微生物汚染物質の阻止を向上させることができる帯電媒体と；
    前記帯電媒体の上流に配置されたｐＨ変化層と；
    前記ｐＨ変化層の上流に配置された、電荷減少性汚染物質を除去するための媒体とを含む、複合濾材。
13. 前記帯電媒体がフラットシート構造を含む、請求項１２に記載の複合濾材。
14. 前記帯電媒体が、バインダーと混合され、基材上に融着されて帯電層を形成し、前記流入液が前記帯電層と接触する前に前記ｐＨ変化層が前記流入液に曝露されるように、前記帯電層および前記ｐＨ変化層がらせん状に巻かれる、請求項１２に記載の複合濾材。
15. 前記ｐＨ変化層が前記基材の第２の表面に融着される、請求項１４に記載の複合濾材。
16. 前記ｐＨ変化材料が、流入液のｐＨを上昇させ、さらに再生に適合している、請求項１２に記載の複合濾材。
17. 正に帯電した微生物阻止剤で処理された活性粒子と；
    バインダーと；
    ｐＨ変化材料であって、前記活性粒子、前記バインダー、およびｐＨ変化材料が混合されて固体複合ブロックに押出成形されるｐＨ変化材料と；
    前記固体複合ブロックの上流の電荷減少性汚染物質を除去するための材料とを含む、複合濾材。
18. 前記ｐＨ変化材料が徐溶性アルカリ性材料を含む、請求項１７に記載の複合濾材。
19. 正に帯電した微生物阻止剤で処理された活性粒子と；
    バインダーであって、前記活性粒子と前記バインダーとが混合されて固体複合ブロックに押出成形されるバインダーと；
    前記固体複合ブロックに巻き付けられたフラットシート構造を有するｐＨ変化材料と；
    前記固体複合ブロックの上流の電荷減少性汚染物質を除去するための材料とを含む、複合濾材。
20. 電荷減少性汚染物質を除去するための前記材料が、前記ｐＨ変化材料を有するフラットシート構造中に組み込まれる、請求項１９に記載の複合濾材。
21. 流体中の微生物汚染物質を除去する方法であって、
    帯電した濾材の上流にｐＨ変化材料を供給することによって、微生物汚染物質が負に帯電したままとなるように、流入液のｐＨを変化させるステップと；
    前記帯電した濾材を流体が通過するときに前記微生物汚染物質の少なくとも約４のｌｏｇ減少を得るステップとを含む、方法。
22. 前記流入液のｐＨを変化させるステップと連係して、前記流入液中の電荷減少性汚染物質を除去するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
23. 正帯電媒体とｐＨ変化材料とを有する複合濾材を含む濾過システムであって、前記ｐＨ変化材料が、前記濾過システムを通過した流体のｐＨを、前記流体中に存在する対象有機体の等電点よりも高いｐＨまで十分に上昇させ、それによって、前記対象微生物が負電荷を有すると見なされ、前記正帯電媒体が正電荷を維持すると、前記対象微生物と前記正帯電媒体の表面との間に実質的な電気的引力が生じる、濾過システム。

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