JP2023538505A - 銅および窒素処理された吸着剤およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

活性化されて前駆体活性炭を形成する炭素質材料は、銅および窒素をドーピングすることならびに仮焼することによってさらに改良される。得られた吸着材は、流体浄化の分野で有用な優れた触媒特性を有する。【選択図】図１

Description

関連出願の参照
本出願は、２０２０年８月３１日に出願された米国仮特許出願第６３／０７２，５３１号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

流体、例えば水は、酸化性化合物を加えるか、水を紫外線で照射するか、またはその両方によって定期的に消毒される。これらの技術は水を消毒するのに効果的であるが、消毒された水には、多くの場合、酸化性化合物自体、酸化性化合物が水に溶解する際の生成物、または様々な成分化合物を含む水の照射から生じる反応化合物が含まれる。まとめると、これらの様々な化合物には、塩素、クロラミン、クロロホルム、トリハロメタン、ハロ酢酸、および過酸化水素が含まれる。さらに、場合によっては、水が消毒されていない場合でも、上記の化合物が水中に存在する。これらの化合物は、水の匂いおよび味覚を変化させ、健康上の問題を引き起こし、また水道本管および水道管の腐食を引き起こす可能性があるため、望ましくない。

これらの化合物を除去するために、吸着剤が使用されている。吸着剤は、様々な化合物を吸収し、吸着する。特に、吸着剤の細孔は、化合物の吸着を可能にする。しかし、純粋な吸着剤は非効率であり、除去されなければならない化合物のほんの一部のみを吸着する。それらの有効性を高めるために、吸着剤を化合物で処理して、触媒吸着剤を形成することがある。触媒種は、通常、吸着剤粒子の表面に存在し、吸着剤上で吸着しにくいまたは吸収しにくい望ましくない化合物の化学分解を触媒することによって機能する。吸着および触媒の両方の機構を用いることにより、触媒吸着剤は、純粋な未処理の吸着剤よりも非常に効率的である。触媒吸着剤は、塩素、クロラミン、クロロホルム、トリハロメタン、ハロ酢酸、および過酸化水素を水および他の流体から除去するのに効果的であることが実証されている。それでもなお、そうであっても、このような触媒吸着剤を形成する様々な工程を改善し、それによって全体的な吸着剤の性能を改善する継続的な必要性が残されている。

活性化されて前駆体活性炭を形成する炭素質材料は、銅および窒素をドーピングすることならびに仮焼することによってさらに改良される。得られた吸着材は、流体浄化の分野で有用な優れた触媒特性を有する。

一実施形態では、吸着材を製造する方法があり、本方法は、炭素質材料を供給することと、炭素質材料を活性化して、前駆体活性炭を形成することと、前駆体活性炭を銅源および窒素源と接触させることにより前駆体活性炭をドーピングし、それによりドープされた前駆体活性炭を形成することと、ドープされた前駆体活性炭の実質的な酸化も活性化もまったく引き起こさない仮焼雰囲気中でドープされた前駆体活性炭を仮焼し、それにより吸着材を形成することと、を含む。

別の実施形態では、銅源は、硫酸銅五水和物、ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏ、または炭酸水酸化銅（ＩＩ）、ＣｕＣＯ_３（ＯＨ）_２から選択され、窒素源は、尿素、ＣＯ（ＮＨ_２）_２、炭酸アンモニウム、（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３、または水酸化アンモニウム水溶液、ＮＨ_４ＯＨ（公称２８重量％水溶液）のうちの一つまたは複数である。

別の実施形態では、銅源は、硫酸銅五水和物、ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏから選択され、窒素源は、尿素、ＣＯ（ＮＨ_２）_２である。

別の実施形態では、銅源は炭酸水酸化銅（ＩＩ）、ＣｕＣＯ_３（ＯＨ）_２であり、窒素源は、尿素、ＣＯ（ＮＨ_２）_２、炭酸アンモニウム、（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３、または水酸化アンモニウム水溶液、ＮＨ_４ＯＨ（公称２８重量％水溶液）のうちの一つまたは複数である。

別の実施形態では、仮焼は、Ｎ_２雰囲気中で約８５０℃～約１０５０℃の温度で実施される。

別の実施形態では、酸化が必要であり、実施される。

別の実施形態では、前駆体活性炭のドーピングは、一段階プロセス、すなわち、前駆体活性炭を銅源および窒素源の両方と接触させる単一工程を含む一段階プロセスで実施される。

別の実施形態では、前駆体活性炭を銅源および窒素源と接触させることは、銅源および窒素源の両方を含む単一の水溶液を用いて実施される。

別の実施形態では、前駆体活性炭は、銅源および窒素源を含む単一の水溶液と接触した後に乾燥される。

別の実施形態では、仮焼は、Ｎ_２雰囲気中で約６００℃～約１０００℃の温度で実施される。

別の実施形態では、仮焼は、Ｎ_２雰囲気中で約７００℃～約１０００℃の温度で実施される。

別の実施形態では、仮焼は、Ｎ_２雰囲気中で約８５０℃～約１０００℃の温度で実施される。

別の実施形態では、方法は、ドーピングの前に前駆体活性炭を酸化することをさらに含む。

別の実施形態では、方法は、ドーピングの前に前駆体活性炭を酸化することをさらに含む。

一実施形態では、塩素、クロラミン、または塩素およびクロラミンの両方を流体から除去する方法があり、この方法は、銅および窒素でドープされた活性炭を含む吸着材を提供すること、ならびに吸着材を流体と接触させることを含む。

別の実施形態では、流体は液体の水である。

別の実施形態では、水または吸着材は、以前に消毒工程を受けたことがある。

別の実施形態では、吸着材は、活性化されて前駆体活性炭を形成する炭素質材料から形成され、その吸着材は、乾燥前駆体活性炭基準で測定して約２重量％～約１５重量％の窒素と、乾燥前駆体活性炭基準で測定して約０．２５重量％～約２重量％の銅とを含み、吸着材は、少なくとも約６のクロラミン分解価（ＣＤＮ）を有する。

別の実施形態では、活性化されて前駆体活性炭を形成する炭素質材料から形成される吸着材があり、その吸着材は、乾燥前駆体活性炭基準で測定して約２重量％～約１５重量％の窒素と、乾燥前駆体活性炭基準で測定して約０．２５重量％～約２重量％の銅とを含み、吸着材は、少なくとも約６のクロラミン分解価（ＣＤＮ）を有する。

別の実施形態では、ＣＤＮは約６～約６０である。

別の実施形態では、吸着材は、石炭、木材、およびココナッツのうちの一つまたは複数から形成される炭素質材料から形成される。

別の実施形態では、少なくとも一部の炭素質材料はココナッツから形成される。

本明細書に記載の実施形態の態様、特徴、利益、および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付図面に関して明らかであろう。

図１は、一実施形態によるプロセスを示す。

図２は、一実施形態によるプロセスを示す。

図３は、いくつかの実施形態による選択された実験結果を示す。

図４は、いくつかの実施形態による選択されたプロセスパラメータおよび実験結果を示す。

図５は、いくつかの実施形態による選択されたプロセスパラメータおよび実験結果を示す。

本開示は、記載される特定のシステム、装置および方法に限定されず、これらは変化する場合がある。また、説明で使用される用語は、特定のバージョンまたは実施形態を説明することのみを目的としており、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、本明細書に記載されるように、特許文書、例えば米国特許、米国特許出願公開、世界知的所有権機関公開、または外国特許出願公開の任意のリストは、このような文書が参照によりその全体が組み込まれることを意味する。

本文書で使用する場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈から判断して明らかに他の意味に解釈すべき場合を除いて、複数形を含む。特に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書のいかなる内容も、本開示に記載された実施形態が、先行発明によるこのような開示に先行する権利を有していないことを認めるものと解釈されるべきではない。本書で使用する場合、用語「含む」は、「を含むが、に限定されない」ことを意味する。

本明細書で使用する場合、用語「約」は、使用される数値のプラスまたはマイナス１０％の数値を意味する。したがって、「約５０」は、「４５～５５の範囲」であることを意味する。

本明細書で使用する場合、用語「吸着材」は、吸着特性、吸収特性、または吸着特性と吸収特性との組み合わせを示す任意の材料を意味する。吸着特性は、原子、イオン、または分子が材料表面に物理的に付着することを意味する。吸収特性は、原子、イオン、または分子が材料のバルク相に入り、かつそれによって保持されることを意味する。一例として、吸着材としては、活性炭、再活性炭、天然および合成ゼオライト、シリカ、シリカゲル、アルミナ、ジルコニア、および珪藻土が挙げられる。本明細書で使用する場合、「吸着材」とは、その構成成分が実質的に吸着性および／または吸収性であり、吸着性および／または吸収性でない最少の成分（例えば、活性炭ペレットがその形状を維持するために必要な最少量のバインダー）のみを有する材料である。

本明細書で使用する場合、用語「吸着剤」は、吸着剤特性を示さない一つまたは複数の添加材とのブレンド、混合物、複合材料、または化合物中に吸着材を含む任意の組成物または複合材料を意味する。一例として、吸着剤の一実施形態は、熱伝導性フィラーと混合された活性炭吸着材を含む。

本明細書で使用する場合、用語「炭素質材料」は、熱的に活性化も化学的に活性化もされていない炭素を含む材料を意味する。炭素質材料は、機械的処理、熱処理、または化学的に処理されている場合があり、弱い吸着特性を有することができることさえあるが、炭素質材料は、材料、例えば活性炭に期待されるほどの大量には化合物を吸着しない。炭素質材料の例としては、瀝青炭、亜瀝青炭、亜炭、無煙炭、木材、ウッドチップ、おがくず、泥炭、ナッツ殻、ピット、ココナッツ殻、ババスヤシ、マカダミアナッツ、デンデナッツ、ピーチピット、チェリーピット、オリーブピット、クルミ殻、木材、リグニン、ポリマー、窒素含有ポリマー、樹脂、石油ピッチ、バガス、もみ殻、トウモロコシの皮、小麦の外皮ともみ殻、グラフェン、カーボンナノチューブ、またはポリマー繊維が挙げられるが、これらに限定されない。

本明細書で使用する場合、用語「消毒副生成物」は、水中に存在する有機物質と無機物質との間の化学反応の結果として形成される化合物、および消毒プロセス中に使用される化合物、または水中に存在する有機物質と無機物質への紫外線照射の結果として形成される化合物を意味する。消毒副生成物の例としては、塩素、クロラミン、クロロホルム、トリハロメタン、ハロ酢酸、および過酸化水素のうちの一つまたは複数が挙げられる。ただし、消毒プロセスを経ていない水には、消毒副生成物である化合物が存在する可能性があることに留意されたい。

本明細書で使用する場合、用語「マクロポア」は、直径が約５０ｎｍを超える吸着剤内の細孔を意味する。

本明細書で使用する場合、用語「メソポア」は、直径が約２ｎｍ～約５０ｎｍの吸着剤内の細孔を意味する。

本明細書で使用する場合、用語「マイクロ細孔」は、直径が約２ｎｍ未満の吸着剤内の細孔を意味する。

本明細書で使用する場合、「クロラミン」は、モノ－クロラミン（ＮＨ_２Ｃｌ）、ジ－クロラミン（ＮＨＣｌ_２）、またはトリ－クロラミン（ＮＣｌ_３）のうちの一つまたは複数を意味する。

本明細書で使用する場合、吸着剤または吸着材の「見掛け密度」は、業界標準試験ＡＳＴＭ Ｄ２８５４－０９（２０１９年）により得られる。

本明細書に記載の吸着剤または吸着材は、クロロホルムおよび他の類似の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を、流体、例えば水から除去するのに有用である。ＶＯＣは、スチレン、アラクロール、アトラジン、ベンゼン、カルボフラン、四塩化炭素、クロロベンゼン、クロロピクリン、２，４－ジクロロフェノキシ酢酸（２，４－Ｄ）、ジブロモクロロプロパン（ＤＢＣＰ）、ｏ－ジクロロベンゼン、ｐ－ジクロロベンゼン、１，２－ジクロロエタン、１，１－ジクロロエチレン、ｃｉｓ－１，２－ジクロロエチレン、ｔｒａｎｓ－１，２－ジクロロエチレン、１，２－ジクロロプロパン、ｃｉｓ－１，３－ジクロロプロピレン、ジノセブ、エンドリン、エチルベンゼン、二臭化エチレン（ＥＤＢ）、ブロモクロロアセトニトリル、ジブロモアセトニトリル、ジクロロアセトニトリル、およびトリクロロアセトニトリルを含むハロアセトニトリル（ＨＡＮ）、１，１－ジクロロ－２－プロパノン、および１，１，１－トリクロロ－２－プロパノンを含むハロケトン（ＨＫ）、ヘプタクロル（Ｈ－３４、Ｈｅｐｔｏｘ）、ヘプタクロルエポキシド、ヘキサクロロブタジエン、ヘキサクロロシクロペンタジエン、リンダイン，メトキシクロル、ペンタクロロフェノール、シマジン、スチレン，１，１，２，２－テトラクロロエタン、テトラクロロエチレン、トルエン、２，４，５－ＴＰ（シルベックス）、トリブロモ酢酸、１，２，４－トリクロロベンゼン、１，１，１－トリクロロエタン、１，１，２－トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロホルム、ブロモホルム、ブロモジクロロメタン、クロロジブロモメタンを含むトリハロメタン、またはキシレン、のうちの一つまたは複数を含むが、これらに限定されない。飲料水の分野に関連するＶＯＣは業界で公知であり、例えば、２０１９年５月６日に規格に指定されたＮＳＦ／ＡＮＳＩ ５３－２０１９に記載されており、これは参照によりその全体が組み込まれる。場合によっては、吸着剤または吸着材によるＶＯＣの除去は、個々のＶＯＣ種自体の除去によって測定される。別の実施形態では、吸着剤または吸着材によるＶＯＣの除去は、サロゲート化合物の除去によって測定される。サロゲートは、目的の検体に化学組成が類似しており、調製および分析の前に試料に存在する化合物である。例えば、クロロホルムは、この段落の化合物のサロゲートの一例である。

本明細書に記載の吸着剤または吸着材はまた、水または他の流体、例えばペルフルオロアルキルおよびポリフルオロアルキル物質（ＰＦＡＳ）から他の汚染物質を除去するために有用である。ＰＦＡＳ化合物は、ペルフルオロオクタン酸（ＰＦＯＡ）、ペルフルオロオクタンスルホン酸（ＰＦＯＳ）、ならびにＧＥＮＸプロセスにより生成される化合物、例えば２，３，３，３，－テトラフルオロ－２－（ヘプタフルオロプロポキシ）プロパノエートおよびヘプタフルオロプロピル１，２，２，２－テトラフルオロエチルエーテル、のうちの一つまたは複数を含む。

吸着剤または吸着材はまた、水または他の流体からの多種多様な出現する汚染物質を除去するのに有用である。そのような出現する汚染物質は、メプロバメート、フェニトイン、アテノロール、カルバマゼピン、トリス（２－クロロエチル）ホスフェート（ＴＣＥＰ）、トリス（１－クロロ－２－プロピル）ホスフェート（ＴＣＰＰ）、Ｎ，Ｎ－ジエチル－メタ－トルアミド（ＤＥＥＴ）、メトラクロル、トリメトプリム、イブプロフェン、ナプロキセン、エストロン、ビスフェノールＡ、リニュロン、またはノニルフェノール、のうちの一つまたは複数を含む。飲料水の分野に関連する出現する汚染物質は、業界で公知であり、例えば、２０１７年１月１２日に規格に指定されたＮＳＦ／ＡＮＳＩ ４０１－２０１７に記載されており、参照によりその全体が組み込まれる。場合によっては、吸着剤または吸着材による、出現する化合物の除去は、個々の出現する汚染物質種自体の除去によって測定される。

本開示のプロセス全体１０の一実施形態を図１に示す。図１では、炭素質材料が供給され２０、その後、炭素質材料を活性化して３０、前駆体活性炭を形成する。前駆体活性炭は、酸化される４０。酸化４０の後、前駆体活性炭はドープされ５０、これにより、前駆体活性炭に一定量の銅ドーパントおよび窒素ドーパントが付与され、それによってドープされた前駆体活性炭が生成される。次に、ドープされた前駆体活性炭を、特定の温度下で、かつ特定の雰囲気下で加熱することによって仮焼し６０、細孔構造を実質的に変化させない、およびドープされた前駆体活性炭を実質的に酸化も活性化もさせないように、不活性雰囲気中で冷却する７０。仮焼６０および冷却７０の完了により、本開示の吸着材が生成される。

炭素質材料の処理
本開示は、最終吸着剤の前駆体である一つまたは複数の炭素質材料を提供する。炭素質材料は、機械的処理、熱処理、または化学的に処理されている場合があり、弱い吸着特性を有することができることさえあるが、炭素質材料は、材料、例えば活性炭に期待されるほどの大量には化合物を吸着しない。さらに、炭素質材料は、機械的処理、熱処理、または化学的処理されている場合があるが、それらは炭素を活性化する方法で処理されていない。炭素質材料の例としては、瀝青炭、亜瀝青炭、亜炭、無煙炭、木材、ウッドチップ、おがくず、泥炭、ナッツ殻、ピット、ココナッツ殻、ババスヤシ、マカダミアナッツ、デンデナッツ、ピーチピット、チェリーピット、オリーブピット、クルミ殻、木材、リグニン、ポリマー、窒素含有ポリマー、樹脂、石油ピッチ、バガス、もみ殻、トウモロコシの皮、小麦の外皮ともみ殻、グラフェン、カーボンナノチューブ、およびポリマー繊維が挙げられるが、これらに限定されない。

いくつかの実施形態では、炭素質材料はココナッツの殻である。ココナッツの殻が活性炭を形成するために活性化される場合、それがクロロホルムおよび他の有機化合物の優れた吸着作用を有するので、ココナッツの殻の炭素質材料は特に有用である。

炭素質材料が供給された後、それは活性化される。活性化プロセスは限定されない。任意の好適な活性化プロセスを使用することができる。これらのプロセスは、炭素質材料の種類および最終活性炭の所望の形態にも依存し、工程は、炭素質材料を熱分解して木炭を形成する工程、木炭を粉砕する工程、バインダーを微粉炭と混合する工程、微粉炭とバインダーをブリケッティングする工程、ブリケットを粉砕する工程、粉砕されたブリケットの大きさを調整する工程、および大きさを調整されたブリケットもしくはブリケット自体を焼いて、炭化させる、硬化させる、またはバインダーを除去する工程、のうちの一つまたは複数を含む。しかし、すべての場合において、焼成ブリケットまたは大きさを調整された粒子の形態の炭素質材料は、熱的に活性化されるか、化学的に活性化されるか、または熱的におよび化学的に活性化される。熱活性化は、水、酸素、および二酸化炭素のうちの一つまたは複数の存在下で、焼いたブリケットまたは大きさを調整された粒子を加熱することによって実施される。化学的活性化は、強酸、強塩基、または塩の存在下で焼いたブリケットまたは大きさを調整された粒子を含浸させることによって行われる。上記の各工程が処理に含まれるかどうかは、提供される炭素質材料によって異なる場合があることに留意されたい。例えば、炭素質材料がココナッツである場合、プロセス工程は「再凝集」を含まず、バインダーを微粉炭と混合し、微粉炭とバインダーを圧縮成形し、圧縮成形体を粉砕し、粉砕した圧縮成形体の大きさを調整する工程である。

炭素質材料を処理した結果、活性炭が形成される。本明細書に記載のように、この活性炭は、後の開示が、その性能をさらに改善するために前駆体活性炭に適用される追加のステップを説明するため、「前駆体活性炭」と呼ばれる。前駆体活性炭の性能は、含まれる一つまたは複数の炭素質材料の種類および量、化学的または熱活性化を含む活性化の種類、ならびにそれによって前駆体活性炭を形成するために炭素質材料に付与される活性化のレベル、を含むいくつかの要因に依存する。前駆体活性炭の性能はまた、他の処理工程、例えば、再凝集された炭素質材料粒子の粉砕および大きさの調整、残留バインダーのレベル、ならびに前駆体活性炭の最終サイズにより影響を受ける。

すべての実施形態では、前駆体活性炭は、上に概説した工程の他には個別に処理も酸化もされない。したがって、前駆体活性炭自体の吸着能力が維持され、触媒効果に特には依存しないため、様々な消毒副生成物または他の汚染物質種に対する吸着能力はかなり大きい。いくつかの実施形態では、前駆体活性炭は、前駆体活性炭の内部細孔構造によって、クロロホルムのような種の実質的に全ての有機化合物吸着能力を保持する。

前駆体活性炭の酸化
本開示は、前駆体活性炭の任意の酸化を企図する。いくつかの実施形態では、前駆体活性炭は、活性化された後、酸化される。前駆体活性炭の酸化は、前駆体活性炭が、活性炭の表面上に酸素種または複合体を付与するのに十分な温度で酸素分子に曝露されることを意味する。酸化は、前駆体活性炭の細孔構造の実質的な改質を企図しない。

例えば、いくつかの実施形態では、酸化は、原料を酸素含有環境に曝露し、原料を約１５０℃～約１０５０℃の温度に加熱することによって実行される。酸化の温度は、約１５０℃～約２５０℃、約２５０℃～約３５０℃、約３５０℃～約４５０℃、約４５０℃～約５５０℃、約５５０℃～約６５０℃、約６５０℃～約７５０℃、または約７５０℃～約８５０℃、またはそれらの開示されたエンドポイントのいずれか、もしくは上記の範囲もしくはそれらの範囲内の値のいずれかの組み合わせで構成される範囲であってもよい。異なる実施形態では、酸素含有環境は、大気、酸素ガス（Ｏ_２）、酸素プラズマ、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、オゾン（Ｏ_３）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）、蒸気（すなわち解離したＯ_２）、または二酸化炭素（ＣＯ_２）のうちの一つまたは複数である。

いくつかの実施形態では、酸素含有環境は乾燥しており、水分を含まない、または測定可能な水分を実質的に含まない。酸化温度および酸化剤および酸化プロセスの選択は、前駆体活性炭の細孔構造を実質的には改質しない。したがって、より酸化する酸素含有環境が選択される場合、さらなる活性化が生じる可能性を低減するために、温度を下げなければならない。あるいは、より高い温度が選択される場合、さらなる活性化が生じる可能性を低減するために、酸化性の低い酸素含有環境を選択しなければならない。

酸化はまた、電気化学的に達成されることができる。炭素は、室温で水分の有無にかかわらず空気の存在下でゆっくりと酸化し、この酸化はゆっくりではあるが、最終的には酸化された炭素前駆体を生成するのに十分であることに留意されたい。あるいは、炭素は、硝酸、ペルオキシ一硫酸カリウム、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム、過酸化水素、過酢酸、酢酸、次亜塩素酸カルシウム、次亜塩素酸ナトリウム、次亜塩素酸、過酸化ベンゾイル、過炭酸ナトリウム、過ホウ酸ナトリウム、有機過酸化物、有機ヒドロペルオキシド、漂白化合物、過酸化物系漂白剤、塩素系漂白剤、過酸化水素と尿素の混合物、過酢酸と尿素の混合物、および上記の一つまたは複数の組合せ、のうちの少なくとも一つを使用する非熱プロセスで酸化されることができる。いくつかの実施形態では、非熱酸化に使用される上記化合物は、液体または蒸気相にあり、約１００℃未満の温度で前駆体活性炭と接触する。

Ｃｕ－Ｎドーピング
前駆体活性炭が調製され、必要に応じて酸化された後、前駆体活性炭は、銅－窒素（Ｃｕ－Ｎ）化合物でドーピングすることによってさらに処理される。Ｃｕ－Ｎを用いたドーピングは、前駆体活性炭の表面上にＣｕ－Ｎ複合体を付与し、それによって消毒副生成物を触媒する働きをする。ドーピングプロセスにおいて、銅化合物源は、硫酸銅五水和物、ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏ、または炭酸水酸化銅（ＩＩ）、Ｃｕ_２ＣＯ_３（ＯＨ）_２である。窒素源は、尿素、ＣＯ（ＮＨ_２）_２、水酸化アンモニウム水溶液、ＮＨ_４ＯＨ（公称２８重量％水溶液）、または炭酸アンモニウム、（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３のうちの一つまたは複数である。いくつかの実施形態では、窒素源は、水溶液の一部として供給される。

ドーピングプロセスは限定されない。いくつかの実施形態では、ドーピングは一段階で実施される。一段階プロセスでは、前駆体活性炭をそれを単一の溶液と接触させることによって処理し、その単一の溶液は銅化合物および窒素化合物の両方を含む。銅化合物は、硫酸銅（ＩＩ）五水和物、ＣｕＳＯ_４．５Ｈ_２Ｏ、炭酸水酸化銅（ＩＩ）、Ｃｕ_２ＣＯ_３（ＯＨ）_２、塩化銅（ＩＩ）、ＣｕＣｌ_２、塩化銅（ＩＩ）二水和物、ＣｕＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ、硝酸銅（ＩＩ）、Ｃｕ（ＮＯ_３）_２、硝酸銅（ＩＩ）一水和物、Ｃｕ（ＮＯ_３）_２．Ｈ_２Ｏ、硝酸銅（ＩＩ）セスキ水和物、Ｃｕ（ＮＯ_３）_２・１．５Ｈ_２Ｏ、硝酸銅（ＩＩ）二．五水和物、Ｃｕ（ＮＯ_３）_２・２．５Ｈ_２Ｏ、硝酸銅（ＩＩ）三水和物、Ｃｕ（ＮＯ_３）_２・３Ｈ_２Ｏ、硝酸銅（ＩＩ）六水和物、Ｃｕ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ、酢酸銅（ＩＩ）、Ｃｕ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２、酢酸銅（ＩＩ）一水和物、Ｃｕ（ＣＨ_３ＣＯＯ）_２・Ｈ_２Ｏ、ギ酸銅（ＩＩ）四水和物、Ｃ_２Ｈ_１０ＣｕＯ_８、銅ヘキサミン錯体、Ｃｕ（ＮＨ_３）_６ ^＋２ _、それらの化合物、もしくはそれらの混合物、またはそれらの組み合わせを含むが限定されない。例えば、一実施形態では、ドーピングは、前駆体活性炭を硫酸銅五水和物、ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏ、および尿素、ＣＯ（ＮＨ_２）_２を含む水溶液と接触させることにより、一段階で実行される。別の実施形態では、ドーピングは、前駆体活性炭を炭酸水酸化銅（ＩＩ）、Ｃｕ_２ＣＯ_３（ＯＨ）_２、および尿素、ＣＯ（ＮＨ_２）_２、水酸化アンモニウム水溶液、ＮＨ_４ＯＨ（公称２８重量％水溶液）、または炭酸アンモニウム、（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３から選択される一つまたは複数の窒素源を含む水溶液と接触させることにより一段階で実行される。－３の酸化状態を有する他の窒素含有前駆体、例えばジシアンジアミドが使用されてもよい。

前駆体活性炭をドーピングする一段階プロセスでは、ドープされる銅化合物の量および窒素化合物の量は、溶液中の銅化合物の濃度を変化させること、溶液中の窒素濃度を変化させること、溶液が前駆体活性炭に接触する時間の長さを変化させること、または溶液の温度を変化させること、のうちの一つまたは複数によって制御されることができる。

ドーピングが一段階プロセスの溶液で達成された後、前駆体活性炭を乾燥して水または他の溶媒を除去し、それによって銅および窒素化合物を前駆体活性炭上に残存させる。乾燥プロセスは限定されず、１００℃～１５０℃で最大２時間、空気中で乾燥することによって実施される。

一段階プロセスの後に、得られたドープおよび乾燥された前駆体活性炭は、様々な量の銅および窒素を含む。例えば、乾燥炭素基準で測定する場合、加えられる銅の量は、約０．１重量％、約０．２重量％、０．３重量％、約０．４重量％、約０．５重量％、約０．６重量％、約０．７重量％、約０．８重量％、約０．９重量％、約１．０重量％、約１．１重量％、約１．２重量％、約１．３重量％、約１．４重量％、約１．５重量％、約１．６重量％、約１．７重量％、約１．８重量％、約１．９重量％、約２．０重量％、または上記の値のうちの一つまたは複数をエンドポイントとして含む任意の範囲である。乾燥炭素基準で測定する場合、窒素の量は、約１．５重量％、約２．０重量％、約２．２重量％、約２．５重量％、約３．０重量％、約３．５重量％、約４．０重量％、約４．５重量％、約５．０重量％、約５．５重量％、約６．０重量％、約６．５重量％、約７．０重量％、約７．５重量％、約８．０重量％、約８．３重量％、約８．５重量％、約９．０重量％、約９．３重量％、約９．５重量％、約１０．０重量％、約１０．３重量％、約１０．５重量％、約１１．０重量％、約１１．３重量％、約１１．５重量％、約１２．０重量％、約１２．３重量％、約１２．５重量％、約１２．０重量％、１３．０％、または上記の値のうちの一つまたは複数をエンドポイントとして含む任意の範囲である。

図２は、一段階構成のドーピングプロセス５０の一実施形態を示す。ドーピングプロセス５０では、ボックス５１によって示されるが、前駆体活性炭は銅源および窒素源を含む水溶液と接触する。次に、接触させた前駆体活性炭を乾燥する５２。乾燥後、ドープされた前駆体活性炭は、仮焼の準備が整う。

熱処理／仮焼
一段階のＣｕ－Ｎドーピングプロセスの完了後、ドープされた前駆体活性炭は、仮焼とも呼ばれる熱処理の準備が整う。仮焼中、ドープされた前駆体活性炭を特定の雰囲気の存在下で加熱し、ドープされた前駆体活性炭にさらなる変化をもたらす。

ドープされた前駆体活性炭の仮焼温度は限定されない。いくつかの実施形態では、仮焼は、約４００℃、約４５０℃、約５００℃、約５５０℃、約６００℃、約６５０℃、約７００℃、約７５０℃、約８００℃、約８５０℃、約９００℃、約９５０℃、約１０００℃、約１０５０℃、または上記の値のうちの一つまたは複数をエンドポイントとして含む任意の範囲の温度で行われる。

仮焼雰囲気は、ドープされた前駆体活性炭の細孔構造を変化させないように、特定の温度でドープされた前駆体活性炭の実質的な酸化または活性化を全く生じさせない雰囲気である。したがって、多くの実施形態では、雰囲気は、酸素も二酸化炭素も水も含まないか、または雰囲気は、酸化も活性化も生じさせないほど少ない量の酸素、二酸化炭素、もしくは水を含む。仮焼のための雰囲気の例としては、窒素ガス（Ｎ_２）、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびそれらの組み合わせのうちの一つまたは複数が挙げられる。仮焼が完了すると、得られた生成物は吸着材と呼ばれる。

いくつかの実施形態では、吸着材は、５０メッシュのふるい（約０．３００ｍｍの穴）上に留まる大きさの活性炭粒子として定義される、顆粒状活性炭（ＧＡＣ）である。別の実施形態では、吸着材は、８０メッシュのふるい（約０．１８０ｍｍの穴）を通過する粒子として定義される、粉末状活性炭（ＰＡＣ）である。これらの粒子径の範囲は、活性炭吸着材について言及されているが、任意の開示された吸着材が、上記の５０メッシュおよび８０メッシュのふるいサイズによって測定されてもよいことも企図される。さらに別の実施形態では、吸着材は、ペレット化された活性炭である。

性能測定／吸着特性評価
本開示の吸着材の性能は、以下に定義される「クロラミン分解価」（ＣＤＮ）を含む、様々な方法で測定される。クロラミン分解価は、本開示の吸着材によって流体から除去されることができるクロラミンの量を定量化する。ＣＤＮの測定は、当該技術分野、例えば、「ＣＨＬＯＲＡＭＩＮＥ ＡＮＤ ＣＨＬＯＲＩＮＥ ＲＥＭＯＶＡＬ ＭＡＴＥＲ ＡＮＤ ＨＯＤ ＦＯＲ ＭＡＫＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥ」と題する、２０２０年７月７日に特許取得された米国特許第１０，７０２，８５３号において公知であり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

ＣＤＮは、一次線形速度論的フィッティングの１０００を掛けた絶対値であり、時間に対する水中のクロラミン濃度の自然対数に適用され、クロラミンの初期濃度が１５０分間にわたって減少する。アンモニアが溶液中の塩素と平衡状態にある場合、クロラミンの形態はｐＨに依存する。クロラミン溶液は塩化アンモニウムを含み、次亜塩素酸ナトリウムと脱イオン水を混合し、ｐＨ９．０で３００ｐｐｍクロラミンの１Ｌ溶液を得た。ｐＨ値９．０では、平衡に存在するクロラミン種は、分解が最も困難なモノクロラミン形態である。炭酸ナトリウムを使用して溶液を緩衝し、評価中に溶液のｐＨを維持した。塩素溶液は次亜塩素酸ナトリウムおよび脱イオン水を含み、３００ｐｐｍの塩素溶液１Ｌが得られた。３００ｐｐｍのそれぞれの溶液の１リットルを、２０℃に制御された水浴に配置された三角フラスコに加えた。試料の分析ごとに、（８０×３２５メッシュで大きさを調整された）一定体積２．０ｍＬの活性炭を、攪拌した１Ｌのクロラミンまたは塩素溶液に添加した。使用した炭素の体積は、ＡＳＴＭ方法Ｄ－２８５４により測定された８０×３２５炭素の見掛け密度から決定された。溶液中の総塩素濃度は、アリコートをとり、次に、標準ＨＡＣＨ比色ＥＰＡ承認メソッド１００７０を使用して総塩素を分析することにより、１５０分間にわたって様々な時点で測定された。

吸着材が実験的に分析された後、各吸着材試料の濃度対時間データは、総塩素濃度対時間の自然対数として再プロットされ、一次速度論に従ってデータを線形化する。次に、線形フィッティングがデータに適用され、線形フィッティングの勾配が決定される。総塩素の初期濃度は１５０分間にわたって減少するため、勾配は常に負である。その結果、勾配の絶対値に１０００を掛けた値を使用して、クロラミンおよび塩素の分解（除去）速度を定量化する。絶対勾配が大きいほど、吸着材が塩素およびクロラミンを除去する効果が高くなる。これらの測定では、（先と同様に１０００倍した）一次速度論的実験データの線形フィッティングから生じる勾配は、「クロラミン分解価」またはＣＤＮと呼ばれる。塩素分解の場合、この速度は、Ｃｌ－ＤＮの「塩素分解価」と呼ばれる。これらの値により、本開示の吸着材または吸着剤によって水から除去されることができるクロラミンおよび／または塩素の量が定量化される。

クロラミンに加えて、本開示は、流体、例えば水性流から塩素を除去するのにも有効である。塩素を除去する仮焼活性炭の能力は上記のように評価されたが、試験溶液は塩化アンモニウムを添加せずに作られ、したがって溶液は３００ｐｐｍの塩素を含む。塩素分析用の吸着材の粒子サイズは、９５％が約３２５メッシュであった。しかし、塩素濃度対時間データの分析および対応する一次速度論的勾配は同じままで、このデータの線形フィッティングの勾配は「塩素分解価」またはＣｌ－ＤＮと呼ばれる。

また、「過酸化物価」とも呼ばれる「過酸化物分解価」も測定される。過酸化物価は体積測定試験であり、つまり、性能が測定され、吸着材の特定の体積に正規化されることを意味する。過酸化物価の試験は当技術分野で周知であり、米国特許第５，４７０，７４８号に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

過酸化物価の試験の間、吸着材は、まず、吸着材の少なくとも９０重量％、特定のテストでは少なくとも９５重量％が３２５メッシュの米国標準シリーズふるい（４４μｍの開口サイズ）を通過する細かいメッシュサイズの画分に粉砕される。特定の量の粉砕された吸着材を真空フラスコ（デュワー）に入れ、１００ｍＬの脱イオン水を真空フラスコに加える。脱イオン水の添加は、真空フラスコの側面に付着する任意の粉砕された吸着材が、真空フラスコの底部の水本体中に運ばれるように行われる。次に、緩衝水溶液の５０ｍＬアリコートを真空フラスコに加える。水性緩衝液は、Ｋ_２ＨＰＯ_４では０．５モル、ＫＨ_２ＰＯ_４では０．５モルである。水性緩衝液を加えた後、磁気攪拌棒を真空フラスコに加え、通電して攪拌を開始する。約０．５インチ（１．２７ｃｍ）を超える深さの渦が混合物中に形成され、最適な攪拌棒速度が達成されるまで、攪拌速度を上げた。最適な攪拌棒速度は、攪拌棒速度のさらなる増加が過酸化物の分解時間に大きく影響しないように選択される。

前の段落で説明したように、過酸化物価の試験中に、特定の量の吸着材が緩衝過酸化水素水に加えられる。この試験は体積測定試験であるため、緩衝過酸化水素水に加えられる吸着材の特定の量は、吸着材の見掛け密度の半分（１／２）に基づく。特に、吸着材の見掛け密度がｇ／ｃｍ^３で報告されている場合、溶液に加えられる吸着材のグラム単位の質量は、吸着材の測定された見掛け密度の半分（１／２）に等しい。緩衝溶液では、吸着材の触媒特性により、過酸化物が触媒され、それによって分解される（つまり、過酸化水素は水と酸素ガスに分解する）。

過酸化水素の触媒は発熱性である。したがって、吸着材による分解率は、緩衝溶液の温度を測定することによって経時的に概算することができる。本明細書で使用する場合、「過酸化物価」は吸着材試料を含む緩衝溶液が記録された最高温度の７５％に達するのに必要な分単位の時間である。過酸化物価の時間がより短縮され、したがって値が小さいほど、触媒活性が高く、したがってより高性能の吸着材であることを示す。いくつかの実施形態では、分単位で測定される過酸化物分解価は、約２．５、約３．０、約３．５、約４．０、約４．５、約５．０、約５．５、約６．０、約６．５、約７．０、または範囲のエンドポイントとして上記の値のうちの二つ以上から形成される任意の範囲である。いくつかの実施形態では、分単位で測定される過酸化物分解価は、約１０、約１５、約２０、約２５、約３０、約３５、約４０、約４５、または範囲のエンドポイントとして上記の値のうちの二つ以上から形成される任意の範囲である。

ＣＤＮおよびＣ１－ＤＮのそれぞれが吸着材の触媒活性の尺度であるという点で、過酸化物価は、ＣＤＮおよびＣ１－ＤＮ に関連し、ある程度の相関関係がある。しかし、それぞれが吸着材の触媒活性の異なる側面を表しているため、相関関係は必ずしも正確ではない。さらに、触媒活性は触媒される化合物に対してのみ有用であるが、他の化合物は流体の流れから効果的に除去するために吸着されなければならない。したがって、優れた吸着材は、ＣＤＮ、Ｃ１－ＤＮ、過酸化物価、および吸着試験のうちの一つまたは複数で優れた性能を有し、そのため、流体の流れから広範囲の化合物を効果的に除去できる。

流体処理
別の実施形態は、上記の塩素およびクロラミン分解吸着材を使用することによって流体、例えば水を浄化するための方法を対象とする。一実施形態では、流体は、吸着材床上に流体を流すこと、吸着材を備えるフィルター上に流体を導入すること、流体を保持するための容器内に吸着材を入れること等によって処理される。いくつかの実施形態では、上記の工程は、並行して、またはその後、連続して組み合わされる。いくつかの実施形態では、流体は水である。さらに別の実施形態では、流体は、ヒト、植物、動物、または海洋生物が消費するための水である。いくつかの実施形態では、流体は液状である。

別の実施形態では、流体を浄化する方法は追加の工程を含む。例えば、いくつかの実施形態では、浄化方法は、微粒子を除去するために吸着材と接触させる前、後、または前後の両方で、例えばスクリーンまたはサンドフィルターを使用して流体を濾過する工程を含む。別の実施形態では、方法は、生物的汚染物質、例えば細菌または他の微生物を除去するために水を消毒する工程を含み、いくつかの実施形態では、方法は、消毒剤を流体中に入れる工程、または流体に紫外線を照射する工程を含む。さらに別の実施形態では、方法は、流体を浄化する工程、流体のｐＨを調整する工程等、およびそれらの組み合わせを含む。上記の各々の実施形態では、流体は水であってもよい。

以下の実験例は、特定の実施形態をよりよく説明することを意図しており、開示を限定することを意図していない。

一段階プロセスの実施例
ココナッツの殻炭素質材料が供給され、処理され、活性化された。得られたココナッツの殻活性炭は、製品名ＯＬＣでＣａｌｇｏｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能であり、前駆体活性炭と呼ばれる。ココナッツの殻活性炭は、顆粒状活性炭であり、１２×３０、および１２×４０のサイズで試験される。本明細書で使用される場合、１２×４０などの数値で指定される活性炭は、１２ＵＳメッシュサイズ（１．７ｍｍの開口部）スクリーンを通過する全ての粒子として指定されるが、それらは３０ＵＳメッシュ（０．６ｍｍの開口部）スクリーンによって留められている。したがって、再び１２×４０の実施例を使用すると、活性炭はおおよそ約０．６ｍｍ～約１．７ｍｍの粒子サイズを有することになる。前駆体活性炭は、一部の試験では酸化されるが、他の試験では酸化されない。前駆体活性炭を提供し、場合によっては必要に応じて酸化工程を行った後、前駆体活性炭は、ＣｕおよびＮでドーピングする準備が整う。本明細書および特許請求の範囲を通して言及される「前駆体活性炭」は、状況に応じて、酸化されたまたは酸化されていない活性炭のいずれかを指す。

ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏ／尿素ドーピングプロセス
ＣｕおよびＮドーピングの間、一段階ドーピングプロセスが実施される。一段階ドーピングプロセスは、酸化されたまたは酸化されていない前駆体活性炭に銅および窒素をドープする。一段階ドーピングプロセス中、硫酸銅五水和物および尿素の両方を含む水溶液は、酸化されたまたは酸化されていない前駆体活性炭と接触して、（乾燥前駆体活性炭基準で）炭素上に０．２５～２．０重量％のＣｕおよび９．５重量％のＮをもたらす。

水溶液は、周囲温度で最大３０分間、前駆体活性炭と接触する。水溶液が前駆体活性炭に接触した後、前駆体活性炭は、約１００℃～約１５０℃で最大２時間乾燥され、それによりドープされた前駆体活性炭が生成される。以下の表１に実施例を示す。

次に、乾燥されドープされた前駆体活性炭が仮焼される。仮焼中、ドープされた前駆体活性炭は、純粋なＮ_２雰囲気下で約１時間約９５０℃に加熱される。得られた銅と窒素で処理された活性炭は、クロラミンと接触する場合に、優れた吸着性能を発揮する。

実験結果
上記のＣＤＮおよび過酸化物分解価は、以下に示すように、試料およびコントロールの代表的なグループについて測定された。

表１に示す各事例では、Ｃｕ－Ｎの組み合わせがコントロールよりも性能が優れている。さらに、活性炭の空気中での予備酸化（Ｏｘ ＯＬＣ）により、ＣＤＮが改善され、酸化されていない試料（ＯＬＣ）と比べて過酸化物時間が短縮される。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、前駆体活性炭を形成するための炭素質材料としてココナッツを選択すると、クロロホルムおよびＶＯＣの性能も大幅に改善される可能性があると考えられる。ただし、クロロホルムおよびＶＯＣの性能は現在まで評価されていない。

（仮焼前の）炭素に加えられるＣｕの量が０．５または１．０重量％のいずれかに固定された別の実験が行われた（図３参照）。加えられる尿素の量が４．３～１５．０重量％に増加しても、ＣＤＮが劇的に増加するようには見えないが、前駆体活性炭により多くの銅が加えられる場合、ＣＤＮが増加する傾向に気づく。図３に対する相補的な過酸化物のデータは、生成されなかったが、活性炭に加える尿素の量が増加するにつれて、より小さな（すなわち、時間が短縮された）過酸化物価が得られる可能性がある。

炭酸水酸化銅（ＩＩ）／水酸化アンモニウム／炭酸アンモニウムドーピングプロセス
ＣｕおよびＮドーピングの間、一段階ドーピングプロセスが実施される。一段階ドーピングプロセスは、酸化されたまたは酸化されていない前駆体活性炭を、硫酸銅ではない銅源からの銅および窒素でドープする。これらの試験では、窒素源は限定されず、複数の供給源からのものであってもよい。

この方法は、酸性ＳＯ_３の形成を回避することにより、排出制御および腐食の低減に関して有益である可能性のある硫酸銅の使用を回避する。

ここで、銅源は、炭酸水酸化銅（ＩＩ）、Ｃｕ_２ＣＯ_３（ＯＨ）_２である。銅の濃度は、任意の熱処理前の前駆体活性炭に加えるＣｕの重量％（乾燥炭素基準）に基づいている。

窒素源は、水酸化アンモニウム（ＮＨ_４ＯＨ（例えば、アンモニア水、２８重量％））、炭酸アンモニウム、（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３、尿素、ＣＯ（ＮＨ_２）_２のうちのいずれかまたは全てであってもよい。窒素の総濃度は、任意の熱処理前の前駆体活性炭に加えるＮの重量％（乾燥炭素基準）に基づいている。上記のように、窒素は、様々なモル百分率でのこれらの窒素源の組み合わせによってもたらされる。活性炭前駆体に加えられた窒素の重量％（乾燥炭素基準）に加えて、図４～５はまた、Ｎモル％として報告された、窒素源の各々から（先と同様に乾燥、仮焼前の）炭素に加えた元素窒素の割合を示す。酸化状態が－３の他の窒素含有前駆体、例えばジシアンジアミドを使用することができる。

ドーピング工程は、ドーピング溶液を、
１部の２８重量％水酸化アンモニウム水溶液を１部の水と混合することと（体積基準）、
所望の量の炭酸アンモニウムを溶液に加えることと、
所望の量の尿素を溶液に加えることと、
所望の量の炭酸水酸化銅（ＩＩ）を溶液に加えることと、
全ての固体が溶解するまで溶液を穏やかに加熱すること（通常は２５～１００℃）と、によって最初に混合することによって実行される。

次に、ドーピング水溶液を前駆体活性炭と周囲温度で最大３０分間接触させる。水溶液が前駆体活性炭に接触した後、前駆体活性炭は、約１００℃～約１５０℃で最大２時間乾燥され、それによりドープされた前駆体活性炭が生成される。

次に、乾燥されドープされた前駆体活性炭が仮焼される。仮焼中、ドープされた前駆体活性炭は、純粋なＮ_２雰囲気下で約１時間約９５０℃に加熱される。得られた銅と窒素で処理された活性炭は、図４に示すように、クロラミンと接触する場合に、優れた吸着性能を発揮する。

実験結果
図４に示すように、ＣＤＮ値は１２．９と高い値に達する。炭酸水酸化銅（ＩＩ）－窒素ドーピング法は、硫酸銅－尿素法と同様のＣＤＮ値が得られるが（表１を参照）、硫酸銅と関連付けられた排出やその他の問題を回避するので、さらなる利点がある。したがって、いくつかの実施形態および状況では、これは、良好なクロラミン性能を達成するための代替経路である。

過酸化物の性能は測定されていない。

様々な実施例が特定の活性炭を提示しているが、ここに記載のプロセスは様々な活性炭に好適なはずである。特に、銅および窒素源の組み合わせは、石炭系前駆体活性炭、例えばＣａｌｇｏｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＦ４００についても効果を発揮する可能性がある。開示された実施例では、図５に示すように、本開示に従って酸化および処理されたＦ４００前駆体活性炭は優れた性能を発揮し、５０．０もの高いＣＤＮ値に達した。さらに、触媒石炭系前駆体活性炭、例えば、Ｃａｌｇｏｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能であり、米国特許第５，５０４，０５０号に記載されるように調製されたＣＥＮＴＡＵＲは、ドーピング工程前に酸化されたか酸化されなかったかにかかわらず、優れた性能をもたらすことが期待される。米国特許第５，５０４，０５０号は、その全体が参照によりここに組み込まれる。

これらの実施形態で使用される銅化合物に基づいて、任意の酸化状態の銅は、触媒特性が強化された活性炭を得るのに有効であると予想される。同様に、別の窒素源、例えば、限定されないがジシアンジアミド（ＤＣＤ）は、尿素および／またはアンモニアもしくは－３の酸化状態の窒素を含む化合物の代わりに窒素として使用されることができる。

酸化されたＯＬＣへのＣｕＳＯ_４／尿素ドーピング法は、約９５０℃での高温仮焼によって促進される。低温は、触媒活性を減少させる。例えば、仮焼温度が約６００℃～約１０００℃に上昇すると、ＣＤＮによって測定される結果としての性能が上昇する。

上記の詳細な説明では、添付図面を参照し、本明細書の一部を形成する。図面では、文脈上別段の指示がない限り、類似の記号は、典型的には類似の構成要素を識別する。発明を実施するための形態、図面、および特許請求の範囲に記載される例示の実施形態は、限定することを意図するものではない。本明細書に提示される主題の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用してもよく、他の変更を行ってもよい。概して本明細書に記載され、かつ図に示されるような本開示の態様は、多種多様な異なる構成で配置、置換、結合、分離、および設計され得、それらすべてが本明細書に明示的に意図されていることが容易に理解されよう。

本開示は、様々な態様の図解として意図されている、本出願に記載される特定の実施形態に関して限定されない。当業者に明らかであろうように、その趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの修正および変形を行うことができる。本開示の範囲内の機能的に同等の方法および装置は、本明細書に列挙したものに加えて、前述の記載から当業者には明らかであろう。かかる修正および変形は、添付の特許請求の範囲の範囲内に入ることが意図される。本開示は、添付の特許請求の範囲の用語によってのみ限定されるものであり、かかる特許請求の範囲が権利を有する均等物の全範囲を伴う。本開示は、方法、試薬、化合物、組成物、または生物学的システムに限定されず、それらは変化する場合があることが理解されるべきである。また、本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態のみを記述するためのものであり、限定することを意図するものではないことが理解されるべきである。

本明細書における実質的に任意の複数および／または単数形の用語の使用に関して、当業者は、文脈および／または用途に適切な場合、複数から単数形および／または単数形から複数形に翻訳することができる。様々な単数形／複数形の配列は、明確にするために本明細書に明示的に記載され得る。

本明細書、特に添付の特許請求の範囲（例えば、添付の特許請求の範囲の本体）で使用される用語は、概して、一般論として「オープンな」用語として意図されていること（例えば、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、「含むが、これに限定されない」と解釈されるべきであり、「有する」という用語は、「少なくとも有する」と解釈されるべきであり、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」という用語は「含むが、それに限定されない」と解釈されるべきである等）は、当業者であれば理解されるであろう。様々な組成物、方法、およびデバイスは、様々な構成要素または工程（「限定されないが、それらを含む」という意味として解釈される）を「含む」という点で記述されているが、組成物、方法、およびデバイスはまた、様々な構成要素および工程から「本質的になる」、または「なる」ことができ、またこうした専門用語は、本質的に閉鎖的なメンバーグループを定義するものとして解釈されるべきである。導入される請求項の列挙の特定の数が意図される場合、そのような意図は、請求項に明示的に列挙され、そのような列挙がない場合、そのような意図は存在しないことが、当業者によってさらに理解されるであろう。

例えば、理解への補助として、以下の添付の特許請求の範囲は、請求項の列挙を導入するための、導入語句の「少なくとも一つ」および「一つ以上」の使用を含み得る。しかしながら、こうした語句の使用は、不定冠詞「一つの（ａ）」または「一つの（ａｎ）」による請求項の列挙の導入が、同じ請求項が導入語句の「一つ以上」または「少なくとも一つ」、および「一つの（ａ）」または「一つの（ａｎ）」などの不定冠詞（例えば、「一つの（ａ）」および／または「一つの（ａｎ）」は、「少なくとも一つ」または「一つ以上」を意味すると解釈されるべきである）を含む場合でさえも、そのような導入された請求項の列挙を含む特定の請求項を、そのような列挙を一つだけ含む実施形態に限定することを暗示するものとして解釈されるべきではない。請求項の列挙を導入するために使用される特定の物品の使用についても同様である。

さらに、導入される請求項の列挙の特定の数が明示的に列挙されているとしても、当業者は、そのような列挙が少なくとも列挙された数（例えば、他の修飾子なしで、少なくとも二つの列挙、または二つ以上の列挙を意味する、例えば、ありのままの列挙であり「二つの列挙」）を意味すると解釈されるべきであることを認識するであろう。さらに、「Ａ、Ｂ、およびＣなどのうちの少なくとも一つ」に類似している慣例が使用されるこれらの実例では、一般に、こうした構造は、当業者が慣例を理解するという意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも一つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを一緒に、ＡおよびＣを一緒に、ＢおよびＣを一緒に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを一緒になどを有するシステムを含むが、これらに限定されない）。さらに、「Ａ、Ｂ、またはＣなどのうちの少なくとも一つ」に類似している慣例が使用されるこれらの実例では、一般に、こうした構造は、当業者が慣例を理解するという意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも一つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを一緒に、ＡおよびＣを一緒に、ＢおよびＣを一緒に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを一緒になどを有するシステムを含むが、これらに限定されない）。説明、特許請求の範囲、または図面のいずれにおいても、二つ以上の代替的な用語を提示する実質的に任意の別個の語および／または語句は、当該語、当該語のいずれか、または両方の用語を含む可能性を企図するために理解されるべきであることが、当技術分野の者によってさらに理解されるであろう。例えば、語句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」または「Ｂ」または「ＡおよびＢ」の可能性を含むことが理解されるであろう。

さらに、本開示の特徴または態様が、マーカッシュ群に関して記述される場合、当業者は、本開示がまた、それによって、マーカッシュ群の任意の個々のメンバーまたはメンバーのサブグループに関して記述されることを認識するであろう。

当業者によって理解されるように、書面による記述を提供するなどの任意の目的およびすべての目的に対し、本明細書に開示されるすべての範囲はまた、その任意のおよびすべての可能な部分範囲ならびにその部分範囲の組み合わせを包含する。列挙された範囲は、少なくとも等しい半分、３分の１、４分の１、５分の１、１０分の１などに分割される同じ範囲を十分に説明し、可能にするものとして容易に認識され得る。非限定的な例として、本明細書で論じる各範囲は、ローワーサード、ミドルサード、およびアッパーサードなどに容易に分割され得る。また、当業者によって理解されるように、「まで（ｕｐ ｔｏ）」、「少なくとも」などのすべての言語は、列挙された数を含み、その後、上で論じたように部分範囲に分割され得る範囲を指す。最後に、当業者によって理解されるように、範囲は、各個々のメンバーを含む。したがって、例えば、１～３個の構成要素を有する群は、１個、２個、または３個の構成要素を有する群を指す。同様に、１～５個の構成要素を有する群は、１個、２個、３個、４個、または５個等の構成要素を有する群を指す。

上述の様々な他の特徴および機能、またはその代替案は、他の多くの異なるシステムまたは用途に組み合わせられてもよい。様々な現在予測されない、または予期されない代替、変更、変形、または改善は、その後、当業者によって行われてもよく、その各々はまた、本開示の実施形態によって包含されることが意図される。

Claims (22)

1. 吸着材を製造する方法であって、前記方法は、
   炭素質材料を供給することと、
   前記炭素質材料を活性化して、前駆体活性炭を形成することと、
   前記前駆体活性炭を銅源および窒素源と接触させることにより前記前駆体活性炭をドーピングし、それによりドープされた前駆体活性炭を形成することと、
   前記ドープされた前駆体活性炭の実質的な酸化も活性化もまったく引き起こさない仮焼雰囲気中で前記ドープされた前駆体活性炭を仮焼し、それにより吸着材を形成することと、を含む、方法。
2. 前記銅源は、硫酸銅五水和物、ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏ、または炭酸水酸化銅（ＩＩ）、ＣｕＣＯ_３（ＯＨ）_２から選択され、前記窒素源は、尿素、ＣＯ（ＮＨ_２）_２、炭酸アンモニウム、（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３、または水酸化アンモニウム水溶液、ＮＨ_４ＯＨ（公称２８重量％水溶液）のうちの一つまたは複数である、請求項１に記載の方法。
3. 前記銅源は、硫酸銅五水和物、ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏから選択され、前記窒素源は、尿素、ＣＯ（ＮＨ_２）_２である、請求項２に記載の方法。
4. 前記銅源は炭酸水酸化銅（ＩＩ）、ＣｕＣＯ_３（ＯＨ）_２であり、前記窒素源は、尿素、ＣＯ（ＮＨ_２）_２、炭酸アンモニウム、（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３、または水酸化アンモニウム水溶液、ＮＨ_４ＯＨ（公称２８重量％水溶液）のうちの一つまたは複数である、請求項２に記載の方法。
5. 仮焼が、Ｎ_２雰囲気中で約８５０℃～約１０５０℃の温度で実施される、請求項１に記載の方法。
6. 酸化することが必要であり、かつ実施される、請求項１に記載の方法。
7. 前記前駆体活性炭をドーピングすることは、一段階プロセスであって、前記一段階プロセスが、前記前駆体活性炭を銅源および窒素源の両方と接触させる単一工程を含む、一段階プロセスで実施される、請求項１に記載の方法。
8. 前記前駆体活性炭を前記銅源および前記窒素源と接触させることは、前記銅源および前記窒素源の両方を含む単一水溶液を用いて実施される、請求項５に記載の方法。
9. 前記前駆体活性炭が、前記銅源および前記窒素源を含む前記単一水溶液と接触した後に乾燥される、請求項６に記載の方法。
10. 仮焼が、Ｎ_２雰囲気中で約６００℃～約１０００℃の温度で実施される、請求項１に記載の方法。
11. 仮焼が、Ｎ_２雰囲気中で約７００℃～約１０００℃の温度で実施される、請求項１に記載の方法。
12. 仮焼が、Ｎ_２雰囲気中で約８５０℃～約１０００℃の温度で実施される、請求項１に記載の方法。
13. ドーピング前に前記前駆体活性炭を酸化することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
14. ドーピング前に前記前駆体活性炭を酸化することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
15. 塩素、クロラミン、または塩素およびクロラミンの両方を流体から除去する方法であって、前記方法は、
    銅および窒素でドープされた活性炭を含む吸着材を供給することと、
    前記吸着材を前記流体と接触させることと、を含む、方法。
16. 前記流体が液体の水である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記水または前記吸着材が、前もって消毒工程を経ている、請求項１５に記載の方法。
18. 前記吸着材が、活性化されて前駆体活性炭を形成する炭素質材料から形成され、前記吸着材が、乾燥前駆体活性炭基準で測定して約２重量％～約１５重量％の窒素と、乾燥前駆体活性炭基準で測定して約０．２５重量％～約２重量％の銅とを含み、前記吸着材が、少なくとも約６のクロラミン分解価（ＣＤＮ）を有する、請求項１５に記載の方法。
19. 活性化されて前駆体活性炭を形成する炭素質材料から形成される吸着材であって、前記吸着材は、
    乾燥前駆体活性炭基準で測定して、約２重量％～約１５重量％の窒素と、
    乾燥前駆体活性炭基準で測定して約０．２５重量％～約２重量％の銅とを含み、
    前記吸着材が、少なくとも約６のクロラミン分解価（ＣＤＮ）を有する、吸着材。
20. 前記ＣＤＮが約６～約６０である、請求項１９に記載の吸着材。
21. 前記吸着材が、石炭、木材、およびココナッツのうちの一つまたは複数から形成される炭素質材料から形成される、請求項１９に記載の吸着材。
22. 前記炭素質材料の少なくとも一部がココナッツから形成される、請求項２１に記載の吸着材。

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