JP2008534269A - ミクロ細孔性及びメソ細孔性炭素粒子の混合物を含有する水用フィルター材料、及び前記フィルター材料を用いる水用フィルター - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書で使用する時、「フィルター類」及び「ろ過」の用語は、それぞれ、主に吸着及び/又はサイズ排除により、より少ない程度まで微生物を除去すること(及び/又は他の汚染物質を除去すること)に関する構造体及び機構を指す。
BLRI=−log[1−(BRI/100)]
BLRIは、「log」(ここで、「log」は対数を表す)の単位を有する。例えば、BRIが99.99%に等しいフィルター粒子のBLRIは、4logに等しい。これらの値を求めるのに用いられる試験方法は、国際出願番号PCT/US03/05416(2003年2月21日)、また国際出願番号PCT/US03/05409(2003年2月21日出願)に見いだすことができ、それらの内容は本明細書に参考として組み込まれる。
VLRI=−log[1−(VRI/100)]
VLRIは、「log」(ここで、「log」は対数である)の単位を有する。例えば、VRIが99.9%に等しいフィルター粒子のVLRIは、3logに等しい。これらの値を求めるのに用いられる試験方法は、国際出願番号PCT/US03/05416(2003年2月21日)、また国際出願番号PCT/US03/05409(2003年2月21日出願)に見いだすことができ、それらの内容は本明細書に参考として組み込まれる。
本発明のフィルター材料は、ミクロ細孔性及びメソ細孔性活性炭粒子類の混合物を含む。本明細書に記載するメソ細孔性活性炭材料は、細菌及びナノサイズのウイルスなどの小粒子に対する優れた除去能力を有し、一方ミクロ細孔性活性炭粒子類は、総トリハロメタン(TTHM)などの化学物質の除去に優れている。また、メソ細孔性活性炭粒子類は、ミクロ細孔性活性炭粒子類よりもはるかに優れた通流特性をも有し、従ってメソ細孔性活性炭粒子類は、同一粒径のミクロ細孔性活性炭粒子類よりも圧力低下を引き起こしにくい。1つの実施形態において、フィルター材料は、約25重量%〜約75重量%の複数のミクロ細孔性活性炭粒子類、及び約25重量%〜約75重量%の複数のメソ細孔性活性炭フィルター粒子類を含む。以下により詳細に論じるように、活性炭フィルター粒子類は、好ましくは、少なくとも部分的に若しくは全体的にカチオン性ポリマーでコーティングされ、より好ましくは、メソ細孔性活性炭粒子類は少なくとも部分的にカチオン性ポリマーでコーティングされる。
この発明の好ましい実施形態において、複数のミクロ細孔性活性炭粒子類は、約30重量%〜約55重量%、より好ましくは約30重量%〜約50重量%の濃度で存在する。ミクロ細孔性活性炭の典型的な例は、ココナッツ活性炭、瀝青炭活性炭、物理的に活性化された木質系活性炭、物理的に活性化されたピッチ系活性炭などである。好ましくは、ミクロ細孔性活性炭粒子類は、ココナッツ活性炭粒子である。
本発明のミクロ細孔性炭素粒子類は、TTHMなどの化学物質に対する良好な除去特性を有する。しかし、メソ細孔性活性炭フィルター粒子類は、ミクロ細孔性活性炭フィルター粒子類と比較して、より多くの微生物を吸着する。また、メソ細孔性及び塩基性活性炭フィルター粒子は、メソ細孔性及び酸性活性炭フィルター粒子により吸着されるものと比較して、より多くの微生物を吸着することが、意外にも判明している。更に、メソ細孔性、塩基性及び低酸素活性炭フィルター粒子は、バルク酸素重量割合の低下していないメソ細孔性及び塩基性活性炭フィルター粒子により吸着されるものと比較して、より多くの微生物を吸着することが、予期せずして見出されている。
活性炭フィルター粒子又はフィルター材料の電気抵抗は、フィルターブロックを形成するそれらの能力と関連するため、それらの重要な特性の1つである。例えば、抵抗加熱法を使用してフィルターブロックを形成することができ、ここで、フィルター材料はフィルター材料の2つの端部間に電気を通すことによって加熱される。フィルター材料の電気抵抗は、短時間で加熱する能力を制御する。電気抵抗は、フィルターブロックを形成し、電圧計の2本の電極を接触させることによりブロックの2つの面間の電気抵抗を測定し、求められる。
ブルナウアー(Brunauer)、エメット(Emmett)及びテラー(Teller)(BET)の比表面積、及びバーレット(Barrett)、ジョイナー(Joyner)及びハレンダ(Halenda)(BJH)の細孔サイズ分布は、ミクロ細孔性及びメソ細孔性の両活性炭粒子類の細孔構造の特性を示すために用いることができる。好ましくは、メソ細孔性及び塩基性活性炭フィルター粒子のBET比表面積は、約500m2/g〜約3,000m2/g、好ましくは約600m2/g〜約2,800m2/g、より好ましくは約800m2/g〜約2,500m2/g、最も好ましくは約1,000m2/g〜約2,000m2/gであってよい。
メソ細孔性活性炭粒子類、又はメソ細孔性及び塩基性活性炭粒子類、又はメソ細孔性、塩基性及び低酸素活性炭粒子類のBRIは、本明細書に記載の試験手順に従って測定する時、約99%より大きく、好ましくは約99.9%より大きく、より好ましくは約99.99%より大きく、最も好ましくは約99.999%より大きくてもよい。同等に、メソ細孔性活性炭粒子類、又はメソ細孔性及び塩基性活性炭粒子類、又はメソ細孔性、塩基性及び低酸素活性炭粒子類のBLRIは、約2logより大きく、好ましくは約3logより大きく、より好ましくは約4logより大きく、最も好ましくは約5logより大きくてもよい。メソ細孔性活性炭粒子、又はメソ細孔性及び塩基性活性炭粒子、又はメソ細孔性、塩基性及び低酸素活性炭粒子のVRIは、本明細書に記載の試験手順に従って測定する時、約90%より大きく、好ましくは約95%より大きく、より好ましくは約99%より大きく、最も好ましくは約99.9%より大きくてもよい。同等に、メソ細孔性活性炭粒子、又はメソ細孔性及び塩基性活性炭粒子、又はメソ細孔性、塩基性及び低酸素活性炭粒子のVLRIは、約1logより大きく、好ましくは約1.3logより大きく、より好ましくは約2logより大きく、最も好ましくは約3logより大きくてもよい。
ろ過分野に用いられる場合、活性炭中に存在する金属により、活性炭の効率や選択性を大いに増強できることは周知である。特に、銀の存在により、炭素系水用フィルターの微生物除去能を改善することができる。より詳細には、銀の混合により、細菌除去指数(BRI)及びウイルス除去指数(VRI)の両方を高めることができる。
炭素は過剰な酸性官能基を表面に有するため、その等電点は一般的に6未満である。従って炭素は、6を超えるpHでは多くの場合負の表面電荷を持つことから、飲料水のpH(通常は6〜9に収まる)では陰性であろう。場合によっては、炭素が正の表面電荷を有することが望ましい。炭素の表面電荷は、特定のカチオン性ポリマーをその表面に吸着させることにより反転可能であることがわかっている。より詳細には、本フィルター材料のミクロ細孔性又はメソ細孔性活性炭フィルター粒子類を、少なくとも部分的に、以下に挙げる1種以上のカチオン性ポリマー類を用いてコーティングすることが望ましい。本フィルター材料のミクロ細孔性又はメソ細孔性活性炭フィルター粒子類を、少なくとも部分的に、以下に挙げる1種以上のカチオン性ポリマー類、及び銀又は銀含有材料でコーティングすることが更により望ましい。
図1を参照するとき、本発明に従って製造される例示的なフィルターを説明する。フィルター20は、流入口24及び流出口26を有する円筒の形態のハウジング22を備える。ハウジング22は、当該技術分野で既知のように、フィルター20の意図される用途及び所望の性能に応じて、様々な形態、形状、サイズ及び配置で提供することができる。例えば、フィルター20は、液体がハウジング22の軸に沿って流れるように流入口24と流出口26が配置されている、軸流フィルターであってよい。あるいは、フィルター20は、流体(例えば、液体、気体、又はこれらの混合物のいずれか)がハウジング22の半径に沿って流れるように流入口24と流出口26が配置されている、半径流フィルターとすることができる。軸又は半径流形状のどちらの場合でも、フィルター20は好ましくは、少なくとも約3.2cm2(0.5in.2)、より好ましくは少なくとも約19.4cm2(3in.2)、及び最も好ましくは少なくとも約32.2cm2(5in.2)の正面面積に、及び好ましくは、少なくとも約0.32cm(0.125in.)、少なくとも約0.64cm(0.25in.)、より好ましくは少なくとも約1.27cm(0.5in.)、及び最も好ましくは少なくとも約3.81cm(1.5in.)のフィルター深さに適応するように構成されてもよい。半径流フィルターでは、フィルター長さは、少なくとも約0.64cm(0.25in.)、より好ましくは少なくとも約1.27cm(0.5in.)、最も好ましくは少なくとも約3.81cm(1.5in.)であってよい。更には、フィルター20は、軸流部分と半径流部分の両方を含むことができる。
(実施例1)
ミクロ細孔性及びメソ細孔性活性炭粒子が入っているフィルター
バーナビー・サトクリフ社(Barnebey Sutcliffe)製のミクロ細孔性ココナッツ炭素約5.5gを、バージニア州コビントン(Covington, VA)のミード・ウエストベイコウ社(MeadWestvaco Corp.)製の、メソ細孔性及び塩基性活性炭粉末であるニューチャー(Nuchar)(登録商標)RGC(Dv,0.5は約45μmに等しい)13.0gと混合し、次いでオハイオ州シンシナチ(Cincinnati, OH)のエクイスター・ケミカルズ社(Equistar Chemicals, Inc.)のミクロセン(Microthene)(登録商標)低密度ポリエチレン(LDPE)FN510−00バインダ約7g、及びジョージア州ノークロス(Norcross,GA)のセレクト社(Selecto, Inc.)製のアルシル(Alusil)(登録商標)70アルミノシリケート粉末約2gと混合する。混合前に、メソ細孔性活性炭粒子類をポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド(ポリDADMAC)でコーティングし、それを乾燥する。その後混合粉末を、内径約7.62cm(約3in.)、及び深さ約1.27cm(約0.5in.)の円形アルミニウム金型内に注ぐ。金型を閉じ、加熱したプレス機に入れ、圧盤を約204℃で1時間保持する。次いで、金型を室温まで冷却して開き、軸流フィルターを取り出す。フィルターの特性は、正面面積:約45.6cm2;フィルター深さ:約1.27cm;フィルター総体積:約58mL;フィルター空隙率(約0.1μmより大きい細孔について):約0.43;及びフィルター材料細孔体積(約0.1μmより大きい細孔について):約25mL(水銀ポロシメータで測定した場合)である。フィルターを下記の試験手順に記載のテフロン(Teflon)(登録商標)ハウジングに入れる。流量が約200mL/分の時、本フィルターの圧力低下は、最初の約2,000フィルター細孔体積では、約17psi(約1.2バール、約0.12MPa)である。
ミクロ細孔性及びメソ細孔性活性炭粒子が入っているフィルター
バーネビー・サトクリフ社(Barnebey Sutcliffe)製のミクロ細孔性ココナッツ炭素約13.0gを、メソ細孔性塩基性活性炭粉末(Dv,0.5は約92μmに等しい)13.0gと混合し、オハイオ州シンシナチ(Cincinnati, OH)のエクイスター・ケミカルズ社(Equistar Chemicals, Inc.)のミクロセン(Microthene)(登録商標)低密度ポリエチレン(LDPE)FN510−00バインダ約7g、及びジョージア州ノークロス(Norcross, GA)のセレクト社(Selecto, Inc.)製のアルシル(Alusil)(登録商標)70アルミノシリケート粉末約2gと混合する。混合前に、メソ細孔性活性炭粒子類をポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド(ポリDADMAC)でコーティングし、それを乾燥する。その後混合粉末を、内径約7.62cm(約3in.)、及び深さ約1.27cm(約0.5in.)の円形アルミニウム金型内に注ぐ。金型を閉じ、加熱したプレス機に入れ、圧盤を約204℃で1時間保持する。次いで、金型を室温まで冷却して開き、軸流フィルターを取り出す。フィルターの特性は、正面面積:約45.6cm2;フィルター深さ:約1.27cm;フィルター総容積:約58mL;フィルター空隙率(約0.1μm超過の細孔について):約0.44;及びフィルター材料細孔容積(約0.1μm超過の細孔について):約25.5mL(水銀ポロシメータで測定した場合)である。フィルターを下記の試験手順に記載のテフロン(Teflon)(登録商標)ハウジングに入れる。流量が約200mL/分の時、本フィルターの圧力低下は、最初の約2,000フィルター細孔体積では、約17psi(約1.2バール、約0.12MPa)である。
ミクロ細孔性及びメソ細孔性活性炭粒子を含むフィルターにおける、TTHM、ウイルス、及び細菌除去
上記実施例1及び2に従って製造したフィルター、及び異なるミクロ細孔性及びメソ細孔性活性炭粒子類混合物を用いて同様の方法で製造したフィルターを用い、TTHM、MS−2バクテリオファージ、及びラオウルテラ菌(Raoultella terrigena)(R.t.)の除去能を検査する。0.65μmの開口部を有する単プライの非荷電ナイロン(コネチカット州メリデン(Meriden CT)のキュノ社(Cuno, Inc.)製のBLA065)を用いて、フィルターを巻いた。メソ細孔性活性炭のみを含むフィルター、及びミクロ細孔性活性炭粒子類のみを含むフィルターについても検査を行う。これらの検査結果を以下の表3に示す。水用フィルター製造の当業者であれば、このような検査の条件が、フィルター容量、流れの種類(例えば軸流、半径流、その他)、及び使用した炭素の種類によって決まることを理解するであろう。このようなプロトコルの1つは、1987年に米国環境保護局(EPA)が提供した「微生物学的浄水器の試験に関する指針基準及びプロトコル(Guide Standard and Protocol for Testing Microbiological Water Purifiers)」である。該プロトコルは、公共上水道又は私設上水道における、健康に関わる特定の汚染物質を低減するように設計された飲料水処理システムの性能に関する最小限の要件を確立している。MS−2バクテリオファージ(又は、単にMS−2ファージ)は、その大きさ及び形状(即ち、約26nm及び20面体)が多くのウイルスと類似しているため、一般にウイルス除去のための代表的な微生物として使用される。そのため、MS−2バクテリオファージを除去するフィルターの能力は、他のウイルスを除去する能力を実証する。同様に、TTHMを除去するフィルターの能力は、水中の一般的な化学物質を除去する能力を表す。
本発明は、本発明の炭素フィルター粒子及び/又はフィルター材料の使用により、微生物の除去利益をもたらすという情報を言葉及び/又は絵により消費者に伝えること、及びこの情報が他のフィルター製品より優れているという主張を含むことも可能である。非常に望ましい変形では、本発明の使用によりナノサイズの微生物のレベルが低減することを、その情報が包含することも可能である。従って、本発明の使用により、本明細書で論じられるように、飲用に適した又はより飲用に適した水などの利益が得られるという、消費者への言葉及び/又は絵による情報を付随した包装を使用することが重要である。この情報は、消費者に知らせるために、例えば、通常のメディア全てにおける広告、並びに包装又はフィルター自体の上の説明及び図象を含み得る。より詳細には、フィルターの包装又はハウジングに、フィルター又はフィルター材料が、細菌の減少、ウイルスの減少、微生物の減少、細菌の除去、ウイルスの除去、微生物の除去、殺菌、殺ウイルス、殺微生物、TTHM除去、TTHM減少、又はこれらの任意の組合せをもたらすという情報を包含することができる。
Claims (10)
- 飲料水を提供するためのフィルターであって、
(a)流入口及び流出口を有するハウジングと、
(b)前記ハウジング内に配置されるフィルター材料と
を特徴とし、前記フィルター材料が、25重量%〜75重量%の複数のミクロ細孔性活性炭粒子類、及び25重量%〜75重量%の複数のメソ細孔性活性炭フィルター粒子類を含んでなる、フィルター。 - 30重量%〜55重量%の複数のミクロ細孔性活性炭粒子類を含んでなる、請求項1に記載のフィルター。
- 前記複数のミクロ細孔性活性炭粒子類が、ココナッツ系活性炭粒子類である、請求項1又は2に記載のフィルター。
- 前記複数の活性炭フィルター粒子類が、ポリビニルアミン、ポリ(N−メチルビニルアミン)、ポリアリルアミン、ポリアリルジメチルアミン、ポリジアリルメチルアミン、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド、塩化ポリビニルピリジニウム、ポリ(2−ビニルピリジン)、ポリ(4−ビニルピリジン)、ポリビニルイミダゾール、ポリ(4−アミノメチルスチレン)、ポリ(4−アミノスチレン)、ポリビニル(アクリルアミド−コ−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド)、ポリビニル(アクリルアミド−コ−ジメチルアミノエチルメタクリレート)、ポリエチレンイミン、ポリリシン、DAB−Am及びPAMAMデンドリマー、ポリアミノアミド、ポリヘキサメチレンビグアニド、ポリジメチルアミン−エピクロロヒドリン、アミノプロピルトリエトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−トリメトキシシリルプロピル−N,N,N−トリメチルアンモニウムクロライド、ビス(トリメトキシシリルプロピル)アミン、キトサン、グラフト化デンプン、塩化メチルによるポリエチレンイミンのアルキル化生成物、ポリアミノアミドのエピクロロヒドリンとのアルキル化生成物、カチオン性モノマーを有するカチオン性ポリアクリルアミド、アクリル酸ジメチルアミノエチルメチルクロライド(AETAC)、メタクリル酸ジメチルアミノエチルメチルクロライド(METAC)、アクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロライド(APTAC)、メタクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロライド(MAPTAC)、ジアリルジメチルアンモニウムクロライド(DADMAC)、イオネン、シラン、及びこれらの混合物より成る群から選択されるカチオン性ポリマーで少なくとも部分的にコーティングされる、請求項1〜3のいずれか一項に記載のフィルター。
- 前記カチオン性ポリマーが、ポリアミノアミド、ポリエチレンイミン、ポリビニルアミン、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド、ポリジメチルアミン−エピクロロヒドリン、ポリヘキサメチレンビグアニド、ポリ−[2−(2−エトキシ)−エトキシエチル−グアニジニウム]クロライドより成る群から選択される、請求項1〜4のいずれか一項に記載のフィルター。
- 前記ミクロ細孔性活性炭フィルター粒子類、メソ細孔性活性炭フィルター粒子類、又はその両方の少なくとも一部が、銀又は銀含有材料でコーティングされる、請求項1〜5のいずれか一項に記載のフィルター。
- 活性炭粉末、活性炭顆粒、活性炭繊維、ゼオライト、活性アルミナ、活性マグネシア、珪藻土、活性シリカ、ハイドロタルサイト、ガラス、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、エチレン無水マレイン酸コポリマー繊維、砂、粘土、及びこれらの混合物より成る群から選択される少なくとも1種の他の材料を更に含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載のフィルター。
- 前記他の材料の少なくとも一部が、銀、銀含有材料、カチオン性ポリマー、及びこれらの混合物より成る群から選択される材料でコーティングされる、請求項7に記載のフィルター。
- 25重量%〜75重量%の複数のミクロ細孔性活性炭粒子類、及び25重量%〜75重量%の複数のメソ細孔性活性炭フィルター粒子類を特徴とする、フィルター材料。
- 前記複数のミクロ細孔性活性炭粒子類がココナッツ系活性炭粒子類であり、前記複数の活性炭フィルター粒子類が、ポリビニルアミン、ポリ(N−メチルビニルアミン)、ポリアリルアミン、ポリアリルジメチルアミン、ポリジアリルメチルアミン、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド、塩化ポリビニルピリジニウム、ポリ(2−ビニルピリジン)、ポリ(4−ビニルピリジン)、ポリビニルイミダゾール、ポリ(4−アミノメチルスチレン)、ポリ(4−アミノスチレン)、ポリビニル(アクリルアミド−コ−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド)、ポリビニル(アクリルアミド−コ−ジメチルアミノエチルメタクリレート)、ポリエチレンイミン、ポリリシン、DAB−Am及びPAMAMデンドリマー、ポリアミノアミド、ポリヘキサメチレンビグアニド、ポリジメチルアミン−エピクロロヒドリン、アミノプロピルトリエトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−トリメトキシシリルプロピル−N,N,N−トリメチルアンモニウムクロライド、ビス(トリメトキシシリルプロピル)アミン、キトサン、グラフト化デンプン、塩化メチルによるポリエチレンイミンのアルキル化生成物、ポリアミノアミドのエピクロロヒドリンとのアルキル化生成物、カチオン性モノマーを有するカチオン性ポリアクリルアミド、アクリル酸ジメチルアミノエチルメチルクロライド(AETAC)、メタクリル酸ジメチルアミノエチルメチルクロライド(METAC)、アクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロライド(APTAC)、メタクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロライド(MAPTAC)、ジアリルジメチルアンモニウムクロライド(DADMAC)、イオネン、シラン、及びこれらの混合物より成る群から選択されるカチオン性ポリマーで少なくとも部分的にコーティングされる、請求項9に記載のフィルター材料。
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