JP7828707B2 - 銅、鉄および窒素処理された吸着剤およびその製造方法 - Google Patents

銅、鉄および窒素処理された吸着剤およびその製造方法

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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６３／０７２，５４４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。
技術分野
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、有機過酸化物および過酸化水素が含まれる。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、有機過酸化物、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。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１） 米国特許出願公開第２０１８／０２２９２１７号明細書
（特許文献２） 米国特許出願公開第２００５／０１５０８３５号明細書
（特許文献３） 米国特許出願公開第２０１４／０３３６５６８号明細書
（特許文献４） 米国特許出願公開第２０１４／０１１２８５６号明細書
（特許文献５） 米国特許第２，０３８，０７１号明細書
（特許文献６） 米国特許出願公開第２００２／０１７０４３６号明細書
（特許文献７） 米国特許出願公開第２００３／０１８８６６３号明細書
（特許文献８） 米国特許出願公開第２００４／０１１８２８７号明細書
（特許文献９） 米国特許出願公開第２００４／０１１８３８７号明細書
（特許文献１０） 米国特許出願公開第２００５／００８１７１７号明細書
（特許文献１１） 米国特許出願公開第２００５／０１６７３６７号明細書
（特許文献１２） 米国特許出願公開第２００６／００４２４６７号明細書
（特許文献１３） 米国特許出願公開第２００６／００５４１４２号明細書
（特許文献１４） 米国特許出願公開第２００７／０１６９７５８号明細書
（特許文献１５） 米国特許出願公開第２００７／０２７２０８０号明細書
（特許文献１６） 米国特許出願公開第２００８／００７３２９０号明細書
（特許文献１７） 米国特許出願公開第２００８／０１２１１４２号明細書
（特許文献１８） 米国特許出願公開第２００８／０２８３４４６号明細書
（特許文献１９） 米国特許出願公開第２００８／０３０８０７５号明細書
（特許文献２０） 米国特許出願公開第２００９／０１７２９９８号明細書
（特許文献２１） 米国特許出願公開第２００９／０２２３３７０号明細書
（特許文献２２） 米国特許出願公開第２０１０／０１７８６２４号明細書
（特許文献２３） 米国特許出願公開第２０１１／００３０５９２号明細書
（特許文献２４） 米国特許出願公開第２０１２／００４８１１０号明細書
（特許文献２５） 米国特許出願公開第２０１２／０１０００５４号明細書
（特許文献２６） 米国特許出願公開第２０１２／０１７２２１６号明細書
（特許文献２７） 米国特許出願公開第２０１２／０２２０４５１号明細書
（特許文献２８） 米国特許出願公開第２０１３／００７８１６９号明細書
（特許文献２９） 米国特許出願公開第２０１３／０１０９５６２号明細書
（特許文献３０） 米国特許出願公開第２０１３／０１６８３２１号明細書
（特許文献３１） 米国特許出願公開第２０１３／０２６９５３２号明細書
（特許文献３２） 米国特許出願公開第２０１３／０３１６４３３号明細書
（特許文献３３） 米国特許出願公開第２０１４／０１１７０５４号明細書
（特許文献３４） 米国特許出願公開第２０１４／０１６５５４２号明細書
（特許文献３５） 米国特許出願公開第２０１５／００５０２０２号明細書
（特許文献３６） 米国特許出願公開第２０１６／００２３９２０号明細書
（特許文献３７） 米国特許出願公開第２０１６／０１６６９７２号明細書
（特許文献３８） 米国特許出願公開第２０１６／０１６７９８２号明細書
（特許文献３９） 米国特許出願公開第２０１６／０２３６１６９号明細書
（特許文献４０） 米国特許出願公開第２０１６／０２７１５５５号明細書
（特許文献４１） 米国特許出願公開第２０１６／０３４６７２３号明細書
（特許文献４２） 米国特許出願公開第２０１７／０２９７９２６号明細書
（特許文献４３） 米国特許出願公開第２０１８／００３０８７１号明細書
（特許文献４４） 米国特許出願公開第２０１８／０２１４８１６号明細書
（特許文献４５） 米国特許出願公開第２０１９／０２０１８７０号明細書
（特許文献４６） 米国特許出願公開第２０１９／０２７００８１号明細書
（特許文献４７） 米国特許出願公開第２０２０／００３８７９８号明細書
（特許文献４８） 米国特許出願公開第２０２０／００３９８０９号明細書
（特許文献４９） 米国特許出願公開第２０２０／００４０８５１号明細書
（特許文献５０） 米国特許出願公開第２０２０／０１７９９０２号明細書
（特許文献５１） 米国特許出願公開第２０２０／０３１６５６０号明細書
（特許文献５２） 米国特許第３，７１３，２８１号明細書
（特許文献５３） 米国特許第３，７５７，４８８号明細書
（特許文献５４） 米国特許第４，３３１，６３９号明細書
（特許文献５５） 米国特許第４，６２４，９３７号明細書
（特許文献５６） 米国特許第４，９２１，８２６号明細書
（特許文献５７） 米国特許第５，０１６，６２８号明細書
（特許文献５８） 米国特許第５，２４８，３９５号明細書
（特許文献５９） 米国特許第５，３２２，７７８号明細書
（特許文献６０） 米国特許第５，３３８，４５８号明細書
（特許文献６１） 米国特許第５，３４８，７５５号明細書
（特許文献６２） 米国特許第５，３５２，２７４号明細書
（特許文献６３） 米国特許第５，３５６，８４９号明細書
（特許文献６４） 米国特許第５，５００，０３８号明細書
（特許文献６５） 米国特許第５，５０４，０５０号明細書
（特許文献６６） 米国特許第５，５９８，７２１号明細書
（特許文献６７） 米国特許第５，７５４，００２号明細書
（特許文献６８） 米国特許第５，８２１，６８２号明細書
（特許文献６９） 米国特許第５，８６１，０５０号明細書
（特許文献７０） 米国特許第６，１７６，８９７号明細書
（特許文献７１） 米国特許第６，１８６，９３９号明細書
（特許文献７２） 米国特許第６，３４２，１２９号明細書
（特許文献７３） 米国特許第６，４０６，５２３号明細書
（特許文献７４） 米国特許第６，５９９，８５６号明細書
（特許文献７５） 米国特許第６，６９９，３９３号明細書
（特許文献７６） 米国特許第６，７０６，１９４号明細書
（特許文献７７） 米国特許第６，８４８，３７４号明細書
（特許文献７８） 米国特許第７，２２２，６１２号明細書
（特許文献７９） 米国特許第７，２７８，４０６号明細書
（特許文献８０） 米国特許第７，３６１，２８０号明細書
（特許文献８１） 米国特許第７，５４７，３５０号明細書
（特許文献８２） 米国特許第７，６６６，５０７号明細書
（特許文献８３） 米国特許第７，７０４，３０５号明細書
（特許文献８４） 米国特許第７，０７７，８９１号明細書
（特許文献８５） 米国特許第７，７８０，７６５号明細書
（特許文献８６） 米国特許第７，８５８，０６１号明細書
（特許文献８７） 米国特許第７，８６２，７２５号明細書
（特許文献８８） 米国特許第７，８７９，１３６号明細書
（特許文献８９） 米国特許第７，９２３，４１０号明細書
（特許文献９０） 米国特許第８，０３４，１６３号明細書
（特許文献９１） 米国特許第８，０４２，５２４号明細書
（特許文献９２） 米国特許第８，０５７，５７６号明細書
（特許文献９３） 米国特許第８，０６９，７９７号明細書
（特許文献９４） 米国特許第８，０８０，０８８号明細書
（特許文献９５） 米国特許第８，１６８，１４７号明細書
（特許文献９６） 米国特許第８，２６３，５２４号明細書
（特許文献９７） 米国特許第８，８６４，８７７号明細書
（特許文献９８） 米国特許第９，１２０，０７９号明細書
（特許文献９９） 米国特許第９，１７４，２０５号明細書
（特許文献１００） 米国特許第９，１９９，８６２号明細書
（特許文献１０１） 米国特許第９，７３２，６４９号明細書
（特許文献１０２） 米国特許第１０，１５５，６７３号明細書
（特許文献１０３） 米国特許第１１，８７２，５３９号明細書
（特許文献１０４） 米国特許第１１，９１１，７４３号明細書
（特許文献１０５） カナダ国特許出願公開第２４８５１０３号明細書
（特許文献１０６） 中国特許出願公開第１０８９４０１９１号明細書
（特許文献１０７） 独国特許発明第３６２０４２５号明細書
（特許文献１０８） 欧州特許出願公開第０４３３６７７号明細書
（特許文献１０９） 欧州特許出願公開第１４１３３４８号明細書
（特許文献１１０） 欧州特許出願公開第１５２１７２３号明細書
（特許文献１１１） 仏国特許出願公開第３０７７０６９号明細書
（特許文献１１２） 英国特許出願公告第１３３６２４１号明細書
（特許文献１１３） 特開昭０１－０５８３３１号公報
（特許文献１１４） 特開２００８－０２３３６５号公報
（特許文献１１５） 韓国公開特許第２０１２－００７４０８０号公報
（特許文献１１６） 国際公開第１９８１／０００３９９号
（特許文献１１７） 国際公開第２０１０／０４２３２１号
（特許文献１１８） 国際公開第２００９／０３１５６２号
（特許文献１１９） 国際公開第２０１１／０３８４１５号
（特許文献１２０） 国際公開第２０１１／１２７３２３号
（特許文献１２１） 国際公開第２０１３／０６３４９０号
（特許文献１２２） 国際公開第２０１３／０９６２８１号
（特許文献１２３） 国際公開第２０１３／１４９２４１号
（特許文献１２４） 国際公開第２０１４／０８２０７６号
（特許文献１２５） 国際公開第２０１４／０８８６３０号
（特許文献１２６） 国際公開第２０１４／０３３５６５８号
（特許文献１２７） 国際公開第２０１４／２０５２００号
（特許文献１２８） 国際公開第２０１６／１８５０３３号
（特許文献１２９） 国際公開第２０１７／１８０３４６号
（特許文献１３０） 国際公開第２０１８／１１６８４２号
（特許文献１３１） 国際公開第２０１８／１７５９３６号
（特許文献１３２） 国際公開第２０１８／１４４５８８号
（特許文献１３３） 国際公開第２０２０／０２８８３９号
（特許文献１３４） 国際公開第２０２０／０２８７０３号
（特許文献１３５） 国際公開第２０２０／０２８８４５号
（非特許文献）
（非特許文献１） "Ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ．" Ｐｕｒｄｕｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｐｕｒｄｕｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ２００６， ｃｈｅｍｅｄ．ｃｈｅｍ．ｐｕｒｄｕｅ．ｅｄｕ／ｇｅｎｃｈｅｍ．ｔｏｐｉｃｒｅｖｉｅｗ／ｂｐ／ｃｈ１０／ｇｒｏｕｐ５．ｐｈｐ＃ｎｅｇａｔｉｖｅ．
（非特許文献２） ＡＰＰＬＥＭＡＮ ｅｔ ａｌ． "Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｏｆ Ｐｏｌｙ－ａｎｄ Ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｙｌ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ Ｉｎ Ｕ．Ｓ． Ｆｕｌｌ－ｓｃａｌｅ Ｗａｔｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ" ２０１４， Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ５１： ２４６－２５５
（非特許文献３） ＢＡＲＲＩＯＳ－ＢＥＲＭＵＤＥＺ ｅｔ ａｌ． "Ｆｅ－Ｃｕ Ｄｏｐｅｄ Ｍｕｌｔｉｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｆｏｒ Ｆｅｎｔｏｎ－ｌｉｋｅ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｒａｃｅｔａｍｏｌ ｕｎｄｅｒ Ｍｉｌｄ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ" Ａｐｒｉｌ １４， ２０２０， Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ １０（７４９）：１－１８
（非特許文献４） ＪＯＨＮＳＯＮ ｅｔ ａｌ．， "Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ Ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｙｌ Ｓｐｅｃｉｅｓ ｆｒｏｍ Ｗａｔｅｒ"， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， ＡＣＳ Ｏｍｅｇａ， Ｍａｙ ２， ２０１９， Ｖｏｌ． ４（５）， ｐｐ． ８００１－８００６
（非特許文献５） ＭＣＮＡＭＡＲＡ ｅｔ ａｌ．， "Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎｓ ｆｏｒ Ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ Ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ Ｆｒｏｍ Ｄｒｉｎｋｉｎｇ Ｗａｔｅｒ"， Ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ＡＷＷＡ， Ｊａｎｕａｒｙ ２０１８； Ｒｅｔｒｉｅｖｅｄ ｆｒｏｍ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｎ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２２， ２０２１． ｕｒｌ ＜ｈｔｔｐｓ：／／ｃｓｗａｂ．ｏｒｇ／ｗｐ－ｃｏｎｔｅｎｔ／ｕｐｌｏａｄｓ／２０１８／１２／Ａｃｔｉｖａｔｅｄ－Ｃａｒｂｏｎｓ－Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ－ｆｏｒ－Ｒｅｍｏｖａｌ－ｏｆ－ＰＦＡＳ－ｉｎ－Ｄｒｉｎｋｉｎｇ－Ｗａｔｅｒ－ＭｃＮａｍａｒａ－２０１８．ｐｄｆ＞
（非特許文献６） Ｐｉｅｔｒｚａｋ ｅｔ ａｌ． "Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ－Ｅｎｒｉｃｈｅｄ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎｓ ｆｒｏｍ Ｂｒｏｗｎ Ｃｏａｌ" ２００６， Ｅｎｅｒｇｙ & Ｆｕｅｌｓ ２０：１２７５－１２８０
（非特許文献７） ＲＡＰＯＳＯ ｅｔ ａｌ．， Ｍｅｒｃｕｒｙ Ｓｐｅｃｉａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐｓ ｂｙ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｌｅａｓｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ （２００３）， Ｗａｓｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ２３（１０）：８７９－８８６
（非特許文献８） Ｓｈａｒｉｆｉ ｅｔ ａｌ．， "Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｃｔｉｖｅ Ｓｉｔｅｓ ｆｏｒ Ｏｘｙｇｅｎ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｒｅａｔｉｏｎｓ ｂｙ Ｔｒａｎｓｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｉｔｒｏｇｒｅｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ ｉｎ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ－Ｄｏｐｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ．" ＡＣＳ Ｎａｎｏ， Ｖｏｌ． ６， Ｎｏ． １０， ２０１２， ｐｐ． ８９０４－８９１２， ｄｏｉ：１０．１０２１／ｎｎ３０２９０６ｒ
（非特許文献９） ＳＯＮＴＨＥＩＭＥＲ ｅｔ ａｌ． "Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ａｑｕｅｏｕｓ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ， Ｉｎ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ" １９８８， ＤＶＧＷ－Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｓｔｅｌｌｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ １００－１０５
（非特許文献１０） ＷＡＮＧ ｅｔ ａｌ．， "Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｈｅｐｔａｎｏａｔｅ （ＰＦＨｐＡ） ａｎｄ ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｈｅｘａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ （ＰＦＨｘＳ） ｏｎ ｗａｓｔｅ ｗａｔｅｒ ｓｌｕｄｇｅ"， Ｃｈｅｍｏｓｐｈｅｒｅ， Ｖｏｌ． １３１， Ｊｕｌｙ ２０１５， ｐｐ． １７８－１８３
（非特許文献１１） ＷＥＳＴＲＥＩＣＨ ｅｔ ａｌ．， "Ｔｈｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ｓｈｏｒｔ－ｃｈａｉｎ ａｎｄ ｌｏｎｇ－ｃｈａｉｎ ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｙｌ ａｃｉｄｓ ａｎｄ ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ ｖｉａ ｇｒａｎｕｌａｒ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎｓ： Ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｃｏｌｕｍｎ ｓｔｕｄｙ"， Ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ Ｊｏｕｒｎａｌ， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ４， ２０１８； Ｖｏｌ． ２９（１） ｐｐ． １９－２６
（非特許文献１２） ＸＵ， ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２０１８， ５２３， １４４－１５０ （Ｙｅａｒ： ２０１８）
（非特許文献１３） Ｚｈａｎｇ， ｅｔ ａｌ．， "Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｉｒｏｎ（ＩＩＩ）－ｃｏｐｐｅｒ（ＩＩ） ｂｉｎａｒｙ ｏｘｉｄｅ： Ａ ｎｏｖｅｌ ａｄｓｏｒｂｅｎｔ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｅｄ ａｒｓｅｎｉｃ ｒｅｍｏｖａｌ ｆｒｏｍ ａｑｕｅｏｕｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ"， Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｍａｒｃｈ ２２， ２０１３， Ｖｏｌ． ４７， ｐｐ． ４０２２－４０３１．
活性化されて前駆体活性炭を形成する炭素質材料は、鉄および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。
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、吸着材は、乾燥前駆体活性炭基準で測定して約２重量％～約２０重量％の窒素と、乾燥前駆体活性炭基準で測定して、約０．１重量％～約４重量％の鉄および銅と、を含み、吸着材が、約５～約７５のクロラミン分解価（ＣＤＮ）を有する、吸着材。
別の実施形態では、クロラミン分解価は、約２０～約７５である。
別の実施形態では、吸着材は約２０分未満の過酸化物価を有する。
別の実施形態では、吸着材は約１分～約１０分の過酸化物価を有する。
別の実施形態では、窒素の量は、約２．５重量％～約５重量％である。
別の実施形態では、窒素の量は、約１．４重量％～約３．０重量％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。
別の実施形態では、鉄と銅の重量比は約２５：７５～約７５：２５である。
別の実施形態では、鉄と銅の重量比は約５０：５０である。
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、必要に応じて、前駆体活性炭を酸化することと、前駆体活性炭を銅源、鉄源、および窒素源である一つまたは複数の化合物と接触させることにより前駆体活性炭ドーピングし、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少なくとも約９５０℃の温度に加熱することによって、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。
別の実施形態では、単一の化合物は、銅源、鉄源、および窒素源である。
別の実施形態では、第一の化合物は銅源および鉄源であり、第二の化合物は窒素源である。
別の実施形態では、第一の化合物は銅源および窒素源であり、第二の化合物は鉄源である。
別の実施形態では、第一の化合物は鉄源および窒素源であり、第二の化合物は銅源である。
別の実施形態では、第一の化合物は銅源であり、第二の化合物は鉄源であり、第三の化合物は窒素源である。
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で実施され、一段階プロセスは、銅源、鉄源、および窒素源を含む水溶液中で前駆体活性炭を接触させることを含む。
別の実施形態では、銅源は、硫酸銅（ＩＩ）五水和物（ＣｕＳＯ４ ．５Ｈ２Ｏ）、塩化銅（ＩＩ）（ＣｕＣｌ２）、塩化銅（ＩＩ）二水和物（ＣｕＣｌ２ ．２Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）（Ｃｕ（ＮＯ３）２）、硝酸銅（ＩＩ）一水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２ ．Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）セスキ水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２ ．１．５Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）ヘミ五水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２ ．２．５Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）三水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２ ．３Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）六水和物（（［Ｃｕ（Ｈ２Ｏ）６］（ＮＯ３）２））、酢酸銅（ＩＩ）（Ｃｕ（ＣＨ３ＣＯＯ）２）、酢酸銅（ＩＩ）一水和物（Ｃｕ（ＣＨ３ＣＯＯ）２Ｈ２Ｏ）、ギ酸銅（ＩＩ）四水和物、Ｃｕ（ＮＨ３）６ ＋２、炭酸水酸化銅（ＩＩ）、Ｃｕ２（ＯＨ）２ＣＯ３、それらの化合物、またはそれらの混合物、のうちの一つまたは複数であり、鉄源が、塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物（ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ）、塩化鉄（ＩＩ）四水和物（ＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏ）、硫酸鉄（ＩＩＩ）アンモニウム十二水和物（ＮＨ４Ｆｅ（ＳＯ４）・１２Ｈ２Ｏ）、硫酸鉄（ＩＩ）七水和物（Ｆｅ２ＳＯ４・７Ｈ２Ｏ）、シュウ酸鉄（ＩＩＩ）アンモニウム三水和物（（ＮＨ４）３Ｆｅ（Ｃ２Ｏ４）３・３Ｈ２Ｏ）、ヘキサシアノ鉄（ＩＩ）酸アンモニウム水和物（（ＮＨ４）４［Ｆｅ（ＣＮ）６］・ｘＨ２Ｏ）、クエン酸アンモニウム鉄（ＩＩＩ）（（ＮＨ４）５［Ｆｅ（Ｃ６Ｈ４Ｏ７）２］）、フェロシアン化ナトリウム十水和物（Ｎａ４Ｆｅ（ＣＮ）６・１０Ｈ２Ｏ）、シュウ酸第二鉄ナトリウム（Ｎａ３Ｆｅ（Ｃ２Ｏ４）３）、フェロシアン化カリウム三水和物（Ｋ４［Ｆｅ（ＣＮ）６］・３Ｈ２Ｏ）、フェリシアン化カリウム（Ｋ３［Ｆｅ（ＣＮ）６］）、シュウ酸第一鉄カリウム（Ｋ２［Ｆｅ（Ｃ２Ｏ４）２］）、もしくは酢酸鉄（ＩＩ）四水和物（（ＣＨ３ＣＯＯ）２Ｆｅ・４Ｈ２Ｏ）、乳酸鉄二水和物、乳酸鉄三水和物、それらの化合物、またはそれらの混合物、のうちの一つまたは複数であり、窒素源は、窒素の酸化状態が－３である一つまたは複数の化合物である。
別の実施形態では、仮焼は、Ｎ２雰囲気中で約８００℃～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、酸化は実施されない。
別の実施形態では、銅源は硫酸銅（ＩＩ）五水和物（ＣｕＳＯ４ ．５Ｈ２Ｏ）、鉄源は塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物（ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ）、窒素源は尿素またはジシアンジアミド（ＤＣＤ）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、Ｎ２雰囲気中で約４００℃～約１０５０℃の温度で実施される。
別の実施形態では、仮焼は、Ｎ２雰囲気中で約９２５℃～約９７５℃の温度で実施される。
別の実施形態では、流体から塩素、クロラミン、または塩素およびクロラミンの両方を除去する方法があり、方法は、吸着材を供給することであって、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、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２０重量％の窒素と、乾燥前駆体活性炭基準で測定して約０．１重量％～約４重量％の鉄および銅と、を含み、吸着材が約５～約７５のクロラミン分解価（ＣＤＮ）を有する、供給することと、吸着材を流体と接触させることと、を含む、方法。
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。
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、一実施形態によるプロセスを示す。
図４は、Ｃｕ－Ｆｅ－ＮをドープしたＯＬＣについて窒素含有量の変化に対するＣＤＮおよび過酸化物価を示す。
図５は、酸化されたＯＬＣを用いた加えた金属添加量に対するＣＤＮを示す。
図６は、酸化されたＯＬＣを用いた加えた金属添加量に対する過酸化物価を示す。
図７は、加えた窒素含有量に対するＣｕ－Ｎ、Ｆｅ－Ｎ、またはＣｕ－Ｆｅ－Ｎをドープした酸化されたＯＬＣのＣＤＮを示す。
図８は、Ｃｕ－Ｆｅ－Ｎをドープした酸化されていないＯＬＣについて窒素含有量の変化に対するＣＤＮおよび過酸化物価を示す。
図９は、酸化されていないＯＬＣを用いた加えた金属添加量に対するＣＤＮを示す。
図１０は、酸化されていないＯＬＣを用いた加えた金属添加量に対する過酸化物価を示す。
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、有機過酸化物、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（ＮＨ２Ｃｌ）、ジ－クロラミン（ＮＨＣｌ２）、またはトリ－クロラミン（ＮＣｌ３）のうちの一つまたは複数を意味する。
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／ＡＮＳＩ５３－２０１９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。
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。必要に応じて前駆体活性炭は酸化され４０、これはいくつかの実施形態では酸化４０が実施されるが、特定の他の実施形態では酸化４０が実施されないことを意味する。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、鉄ドーパント、および窒素ドーパントが付与され、それによりドープされた前駆体活性炭が得られる。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、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。
いくつかの実施形態では、炭素質材料はココナッツである。ココナッツ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、それは処理される。いくつかの処理工程は限定されない。これらの工程は限定されないが、炭素質材料の種類および最終活性炭の所望の形態に依存し、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、供給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、クロロホルム、ＶＯＣ、ＰＦＡＳ、および前駆体活性炭の内部細孔構造により出現する汚染物質の吸着を含む、実質的にすべての有機化合物の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。別の実施形態では、前駆体活性炭は、活性化された後、酸化されない。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℃、もしくは約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任意の範囲であってもよい。別の実施形態では、酸素含有環境は、大気、酸素ガス（Ｏ２）、酸素プラズマ、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、または二酸化炭素（ＣＯ２）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、過酸化水素、オゾン、塩素、過硫酸塩、過炭酸塩、酸化性酸、例えば硝酸、空気、純酸素、または約１００℃未満の温度で液相もしくは気相の任意の組み合わせを用いて、非熱プロセスにおいて酸化されてもよい。いくつかの実施形態では、酸化工程は省略され、すなわち、吸着剤供給材料は、通常の条件下で、室温で自然に発生する上記の遅い酸化よりも速い任意の工程によって酸化されることはない。
Ｃｕ－Ｆｅ－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－鉄－窒素（Ｃｕ－Ｆｅ－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－Ｆｅ－Ｎを用いたドーピングは、前駆体活性炭の表面上にＣｕ－Ｆｅ－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。ドーピングは、前駆体活性炭を少なくとも一つの銅源、少なくとも一つの鉄源、および少なくとも一つの窒素源と接触させることによって達成される。いくつかの実施形態では、単一化合物は、銅、鉄、および窒素の三つ全ての供給源である。さらに別の実施形態では、第一の化合物は銅および鉄の供給源であり、第二の化合物は窒素の供給源である。さらに別の実施形態では、単一の化合物は銅および窒素の供給源であり、第二の化合物は鉄の供給源である。さらに別の実施形態では、単一の化合物は鉄および窒素の供給源であり、第二の化合物は銅の供給源である。
銅源は、硫酸銅（ＩＩ）五水和物（ＣｕＳＯ４ ．５Ｈ２Ｏ）、塩化銅（ＩＩ）（ＣｕＣｌ２）、塩化銅（ＩＩ）二水和物（ＣｕＣｌ２ ．２Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）（Ｃｕ（ＮＯ３）２）、硝酸銅（ＩＩ）一水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２ ．Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）セスキ水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２ ．１．５Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）ヘミ五水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２ ．２．５Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）三水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２ ．３Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）六水和物（（［Ｃｕ（Ｈ２Ｏ）６］（ＮＯ３）２））、酢酸銅（ＩＩ）（Ｃｕ（ＣＨ３ＣＯＯ）２）、酢酸銅（ＩＩ）一水和物（Ｃｕ（ＣＨ３ＣＯＯ）２Ｈ２Ｏ）、ギ酸銅（ＩＩ）四水和物、Ｃｕ（ＮＨ３）６ ＋２ 、炭酸水酸化銅、Ｃｕ２（ＯＨ）２ＣＯ３、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、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。いくつかの実施形態では、銅源は、水溶液の一部として供給される。鉄源は、塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物（ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ）、塩化鉄（ＩＩ）四水和物（ＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏ）、硫酸鉄（ＩＩＩ）アンモニウム十二水和物（ＮＨ４Ｆｅ（ＳＯ４）・１２Ｈ２Ｏ）、硫酸鉄（ＩＩ）七水和物（Ｆｅ２ＳＯ４・７Ｈ２Ｏ）、シュウ酸鉄（ＩＩＩ）アンモニウム三水和物（（ＮＨ４）３Ｆｅ（Ｃ２Ｏ４）３・３Ｈ２Ｏ）、ヘキサシアノ鉄（ＩＩ）酸アンモニウム水和物（（ＮＨ４）４［Ｆｅ（ＣＮ）６］・ｘＨ２Ｏ）、クエン酸アンモニウム鉄（ＩＩＩ）（（ＮＨ４）５［Ｆｅ（Ｃ６Ｈ４Ｏ７）２］）、フェロシアン化ナトリウム十水和物（Ｎａ４Ｆｅ（ＣＮ）６・１０Ｈ２Ｏ）、シュウ酸第二鉄ナトリウム（Ｎａ３Ｆｅ（Ｃ２Ｏ４）３）、フェロシアン化カリウム三水和物（Ｋ４［Ｆｅ（ＣＮ）６］・３Ｈ２Ｏ）、フェリシアン化カリウム（Ｋ３［Ｆｅ（ＣＮ）６］）、シュウ酸第一鉄カリウム（Ｋ２［Ｆｅ（Ｃ２Ｏ４）２］）、酢酸鉄（ＩＩ）四水和物（ＣＨ３ＣＯＯ）２Ｆｅ・４Ｈ２Ｏ）、乳酸鉄二水和物、乳酸鉄三水和物、尿素（ＣＯ（ＮＨ２）２）、ジシアンジアミド（ＤＣＤ）、それらの化合物、それらの混合物、またはそれらの組み合わせ、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。いくつかの実施形態では、鉄源は、水溶液の一部として供給される。窒素源は限定されず、いくつかの実施形態では、酸化状態が－３の任意の窒素源が含まれる。酸化状態が－３の窒素源の例としては、式ＣＯ（ＮＨ２）２もしくはジシアンジアミド（ＤＣＤ）、もしくはそれらの化合物、それらの混合物、またはそれらの組み合わせを有する一つまたは複数の尿素が挙げられる。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。ＣｕＣｌ２、ＦｅＣｌ３、およびＦｅＣｌ２を含む無水銅塩または鉄塩前駆体は、ドーピングプロセスのＣｕＣｌ２ ．２Ｈ２Ｏ、ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、およびＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏを含む水和対応物に類似していることに留意されたい。
窒素源、または窒素と組み合わせた鉄もしくは銅の単一源、または鉄、銅、および窒素の単一源の上記の説明は、いくつかの列挙された化合物を含むが、化合物の組み合わせのこのような化合物は、そのようには限定されない。特に、出願人らは、－３の酸化状態が得られたそれらの窒素化合物は優れた性能をもたらすことを見出した。したがって、いくつかの実施形態では、窒素源は、窒素源が－３の酸化状態を有する限り、限定されない。銅または鉄の酸化状態が結果に重要であるとは考えられない。
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、前駆体活性炭は、前駆体活性炭を単一溶液と接触させることによって処理され、その単一溶液は銅化合物、鉄化合物、および窒素化合物を含む。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（ＩＩ）五水和物、塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物、および尿素を含む水溶液と接触させることによって、一段階で実施される。別の実施形態では、ドーピングは、前駆体活性炭を、硫酸銅（ＩＩ）五水和物、塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物、およびジシアンジアミドを含む水溶液と接触させることによって、一段階で実施される。
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、鉄化合物の量、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、溶液中の鉄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、鉄、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、約１００℃～約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、鉄、および窒素を含む。例えば、乾燥前駆体活性炭基準で測定する場合に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％、約２．１重量％、約２．２重量％、約２．３重量％、約２．４重量％、約２．５重量％、約２．６重量％、約２．７重量％、約２．８重量％、約２．９重量％、約３．０重量％、約３．１重量％、約３．２重量％、約３．３重量％、約３．４重量％、約３．５重量％、約３．６重量％、約３．７重量％、約３．８重量％、約３．９重量％、約４．０重量％、約４．１重量％、約４．２重量％、約４．３重量％、約４．３重量％、約４．４重量％、約４．５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。乾燥前駆体活性炭基準で測定する場合に加えられる鉄の量は、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％、約２．１重量％、約２．２重量％、約２．３重量％、約２．４重量％、約２．５重量％、約２．６重量％、約２．７重量％、約２．８重量％、約２．９重量％、約３．０重量％、約３．１重量％、約３．２重量％、約３．３重量％、約３．４重量％、約３．５重量％、約３．６重量％、約３．７重量％、約３．８重量％、約３．９重量％、約４．０重量％、約４．１重量％、約４．２重量％、約４．３重量％、約４．３重量％、約４．４重量％、約４．５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。乾燥前駆体活性炭基準で測定する場合の窒素の量は、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９．５重量％、約１０．０重量％、約１０．５重量％、約１１．０重量％、約１１．５重量％、約１２．０重量％、約１２．５重量％、約１３．０重量％、約１３．５重量％、約１４．０重量％、約１４．５重量％、約１５．０重量％、約１５．５重量％、約１６．０重量％、約１６．５重量％、約１６．７重量％、約１７．０重量％、約１７．５重量％、約１８．０重量％、約１８．５重量％、約１９．０重量％、約１９．５重量％、約２０．０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。
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、鉄源、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。
一段階プロセスの別の実施形態では、前駆体活性炭が供給され、その後、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物、尿素、および溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物ドーパントを含む水溶液が噴霧される。次に、前駆体活性炭は、所定期間放置される。放置後、前駆体活性炭を所定期間、所定温度で乾燥する。一例として、水溶液には、それぞれ乾燥前駆体活性炭の重量で測定された約０．１９重量％のＣｕ、約１２．１重量％のＮ、および約０．１９重量％のＦｅが加えられる。さらに、放置時間は、約４０分、約５０分、約６０分、約７０分、または約８０分とすることができる。乾燥は、約１００℃の温度で約４時間実施されるが、乾燥は限定されず、これらの時間および温度は変化させることができる。乾燥工程が完了すると、ドープされた前駆体活性炭は仮焼の準備が整う。
別の実施形態では、ドーピングは二段階で実施される。二段階プロセスでは、前駆体活性炭は、第一に、前駆体活性炭を銅および鉄を含む溶液と接触させ、必要に応じて銅および鉄を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第二に、銅および鉄を含む前駆体活性炭を、窒素を含む溶液と接触させ、銅、鉄、および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させて処理される。別の二段階プロセスでは、前駆体活性炭は、第一に、前駆体活性炭を銅および窒素を含む溶液と接触させ、必要に応じて銅および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第二に、銅および窒素を含む前駆体活性炭を、鉄を含む溶液と接触させ、銅、鉄、および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させて処理される。別の二段階プロセスでは、前駆体活性炭は、第一に、前駆体活性炭を銅および窒素を含む溶液と接触させ、必要に応じて銅および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第二に、銅および窒素を含む前駆体活性炭を、鉄を含む溶液と接触させ、銅、鉄、および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させて処理される。別の二段階プロセスでは、前駆体活性炭は、第一に、前駆体活性炭を鉄および窒素を含む溶液と接触させ、必要に応じて鉄および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第二に、鉄および窒素を含む前駆体活性炭を、銅を含む溶液と接触させ、銅、鉄、および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させて処理される。
このような一実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液および溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を尿素の水溶液と接触させること、による二段階で実施される。このような一実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液および溶解した尿素の水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、による二段階で実施される。このような一実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液および尿素の水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液と接触させること、による二段階で実施される。
別の実施形態では、二段階ドーピングは、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液および溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させこと、第二に、前駆体活性炭をジシアンジアミドの水溶液と接触させること、によって実施される。別の実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液およびジシアンジアミドの水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、による二段階で実施される。別の実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液およびジシアンジアミドの水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液と接触させること、による二段階で実施される。
前駆体活性炭をドーピングする二段階プロセスでは、ドープされる銅化合物の量、鉄化合物の量、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、溶液中の鉄化合物の濃度を変化させること、溶液中の窒素濃度の濃度を変化させること、銅を含む溶液、鉄を含む溶液、もしくは窒素を含む溶液のうちの一つもしくは複数が前駆体活性炭と接触する時間の長さを変化させること、または銅を含む溶液、鉄を含む溶液、もしくは窒素を含む溶液のうちの一つもしくは複数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。
二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、特定の量の銅、鉄、および窒素を含む。例えば、乾燥前駆体活性炭基準で測定する場合の銅の量は、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％、約２．１重量％、約２．２重量％、約２．３重量％、約２．４重量％、約２．５重量％、約２．６重量％、約２．７重量％、約２．８重量％、約２．９重量％、約３．０重量％、約３．１重量％、約３．２重量％、約３．３重量％、約３．４重量％、約３．５重量％、約３．６重量％、約３．７重量％、約３．８重量％、約３．９重量％、約４．０重量％、約４．１重量％、約４．２重量％、約４．３重量％、約４．３重量％、約４．４重量％、約４．５重量％である。乾燥前駆体活性炭基準で測定する場合の鉄の量は、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％、約２．１重量％、約２．２重量％、約２．３重量％、約２．４重量％、約２．５重量％、約２．６重量％、約２．７重量％、約２．８重量％、約２．９重量％、約３．０重量％、約３．１重量％、約３．２重量％、約３．３重量％、約３．４重量％、約３．５重量％、約３．６重量％、約３．７重量％、約３．８重量％、約３．９重量％、約４．０重量％、約４．１重量％、約４．２重量％、約４．３重量％、約４．３重量％、約４．４重量％、約４．５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。乾燥前駆体活性炭基準で測定する場合の窒素の量は、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９．５重量％、約１０．０重量％、約１０．５重量％、約１１．０重量％、約１１．５重量％、約１２．０重量％、約１２．５重量％、約１３．０重量％、約１３．５重量％、約１４．０重量％、約１４．５重量％、約１５．０重量％、約１５．５重量％、約１６．０重量％、約１６．５重量％、約１６．７重量％、約１７．０重量％、約１７．５重量％、約１８．０重量％、約１８．５重量％、約１９．０重量％、約１９．５重量％、約２０．０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。
図３は、二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、銅源および鉄源を含む水溶液と接触する。次に、前駆体活性炭を乾燥する５２。乾燥５２後、ボックス５３で示されるが、前駆体活性炭は窒素源を含む水溶液と接触する。窒素源を含む水溶液と接触させた後、前駆体活性炭を乾燥する５４。この第二の乾燥工程の後、ドープされた前駆体活性炭は、仮焼の準備が整う。
別の実施形態では、ドーピングは三段階で実施される。三段階プロセスでは、前駆体活性炭は、第一に、前駆体活性炭を、銅を含む溶液と接触させ、必要に応じて銅を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第二に、銅を含む前駆体活性炭を、鉄を含む溶液と接触させ、必要に応じて銅および鉄を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第三に、銅および鉄を含む前駆体活性炭を、窒素を含む溶液と接触させ、銅、鉄、および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させて処理される。別の三段階プロセスでは、前駆体活性炭は、第一に、前駆体活性炭を、鉄を含む溶液と接触させ、必要に応じて鉄を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第二に、鉄を含む前駆体活性炭を、銅を含む溶液と接触させ、必要に応じて鉄および銅を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第三に、鉄および銅を含む前駆体活性炭を、窒素を含む溶液と接触させ、銅、鉄、および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させて処理される。別の三段階プロセスでは、前駆体活性炭は、第一に、前駆体活性炭を、銅を含む溶液と接触させ、必要に応じて銅を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第二に、銅を含む前駆体活性炭を、窒素を含む溶液と接触させ、必要に応じて銅および鉄を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第三に、銅および窒素を含む前駆体活性炭を、鉄を含む溶液と接触させ、銅、鉄、および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させて処理される。別の三段階プロセスでは、前駆体活性炭は、第一に、前駆体活性炭を、鉄を含む溶液と接触させ、必要に応じて鉄を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第二に、銅を含む前駆体活性炭を、窒素を含む溶液と接触させ、必要に応じて鉄および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第三に、鉄および窒素を含む前駆体活性炭を、銅を含む溶液と接触させ、銅、鉄、および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させて処理される。別の三段階プロセスでは、前駆体活性炭は、第一に、前駆体活性炭を、窒素を含む溶液と接触させ、必要に応じて窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第二に、窒素を含む前駆体活性炭を、銅を含む溶液と接触させ、必要に応じて窒素および銅を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第三に、窒素および銅を含む前駆体活性炭を、鉄を含む溶液と接触させ、銅、鉄、および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させて処理される。別の三段階プロセスでは、前駆体活性炭は、第一に、前駆体活性炭を、窒素を含む溶液と接触させ、必要に応じて窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第二に、窒素を含む前駆体活性炭を、鉄を含む溶液と接触させ、必要に応じて窒素および鉄を含む前駆体活性炭を乾燥させ、第三に、窒素および鉄を含む前駆体活性炭を、銅を含む溶液と接触させ、銅、鉄、および窒素を含む前駆体活性炭を乾燥させて処理される。
このような一実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、第三に、前駆体活性炭を尿素の水溶液と接触させること、による三段階で実施される。別の実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液と接触させること、第三に、前駆体活性炭を尿素の水溶液と接触させること、による三段階で実施される。別の実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を尿素の水溶液と接触させること、第三に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、による三段階で実施される。別の実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を尿素の水溶液と接触させること、第三に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物の水溶液と接触させること、による三段階で実施される。別の実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、尿素の水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液と接触させること、第三に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、による三段階で実施される。別の実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を尿素の水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、第三に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物の水溶液と接触させること、による三段階で実施される。
別の実施形態では、三段階ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物の水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、第三に、前駆体活性炭をジシアンジアミドの水溶液と接触させること、によって実施される。別の実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液と接触させること、第三に、前駆体活性炭をジシアンジアミドの水溶液と接触させること、による三段階で実施される。別の実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭をジシアンジアミドの水溶液と接触させること、第三に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、による三段階で実施される。別の実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭をジシアンジアミドの水溶液と接触させること、第三に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液と接触させること、による三段階で実施される。別の実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭をジシアンジアミドの水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液と接触させること、第三に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、による三段階で実施される。別の実施形態では、ドーピングは、第一に、前駆体活性炭をジシアンジアミドの水溶液と接触させること、第二に、前駆体活性炭を、溶解した塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物を含む水溶液と接触させること、第三に、前駆体活性炭を、溶解した硫酸銅（ＩＩ）五水和物を含む水溶液と接触させること、による三段階で実施される。
前駆体活性炭をドーピングする三段階プロセスでは、ドープされる銅化合物の量、鉄化合物の量、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、溶液中の鉄化合物の濃度を変化させること、溶液中の窒素濃度の濃度を変化させること、銅を含む溶液、鉄を含む溶液、もしくは窒素を含む溶液のうちの一つもしくは複数が前駆体活性炭と接触する時間の長さを変化させること、または銅を含む溶液、鉄を含む溶液、もしくは窒素を含む溶液のうちの一つもしくは複数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。
三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、特定の量の銅、鉄、および窒素を含む。例えば、乾燥前駆体活性炭基準で測定する場合に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％、約２．１重量％、約２．２重量％、約２．３重量％、約２．４重量％、約２．５重量％、約２．６重量％、約２．７重量％、約２．８重量％、約２．９重量％、約３．０重量％、約３．１重量％、約３．２重量％、約３．３重量％、約３．４重量％、約３．５重量％、約３．６重量％、約３．７重量％、約３．８重量％、約３．９重量％、約４．０重量％、約４．１重量％、約４．２重量％、約４．３重量％、約４．３重量％、約４．４重量％、約４．５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。乾燥前駆体活性炭基準で測定する場合に加えられる鉄の量は、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％、約２．１重量％、約２．２重量％、約２．３重量％、約２．４重量％、約２．５重量％、約２．６重量％、約２．７重量％、約２．８重量％、約２．９重量％、約３．０重量％、約３．１重量％、約３．２重量％、約３．３重量％、約３．４重量％、約３．５重量％、約３．６重量％、約３．７重量％、約３．８重量％、約３．９重量％、約４．０重量％、約４．１重量％、約４．２重量％、約４．３重量％、約４．３重量％、約４．４重量％、約４．５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。乾燥前駆体活性炭基準で測定する場合の窒素の量は、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９．５重量％、約１０．０重量％、約１０．５重量％、約１１．０重量％、約１１．５重量％、約１２．０重量％、約１２．５重量％、約１３．０重量％、約１３．５重量％、約１４．０重量％、約１４．５重量％、約１５．０重量％、約１５．５重量％、約１６．０重量％、約１６．５重量％、約１６．７重量％、約１７．０重量％、約１７．５重量％、約１８．０重量％、約１８．５重量％、約１９．０重量％、約１９．５重量％、約２０．０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。
一段階、二段階、および三段階Ｃｕ－Ｆｅ－Ｎドーピングプロセスが上記に開示されているが、プロセスはそれらに限定されない。例えば、追加のドーパントは、追加の段階において、または前駆体活性炭と接触する任意の溶液の一部として適用されることができる。
鉄と銅との比は限定されない。いくつかの実施形態では、鉄と銅との比は、約１０：９０～約９０：１０、約３０：７０～約７０：３０、約６０：４０～約４０：６０、約５０：５０、または前記の範囲内に入る範囲を含む任意の範囲である。
熱処理／仮焼
一段階、二段階、および三段階Ｃｕ－Ｆｅ－Ｎドーピングプロセスのうちの一つまたは複数が完了した後、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不活性雰囲気の存在下で加熱し、ドープされた前駆体活性炭のさらなる変化が達成する。
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。一実施形態では、仮焼温度は約９００℃～約１０００℃である。
仮焼のための不活性雰囲気は、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。仮焼の雰囲気の例としては、窒素ガス（Ｎ２）、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）の速度を定量化する。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、塩素濃度対時間のデータの解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、これは先と同様に、本開示の吸着材または吸着剤によって水から除去できる塩素の量を定量化する。
ＣＤＮの場合、本開示では、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、約７．５、約８．０、約８．５、約９．０、約９．５、約１０．０、約１０．５、約１１．０、約１２．０、約１２．５、約１３．０、約１３．５、約１４．０、約１４．５、約１５．０、約１５．５、約１６．０、約１６．５、約１７．０、約１７．５、約１８．０、約１８．５、約１９．０、約１９．５、約２０．０、約２０．５、約２１．０、約２１．５、約２２．０、約２２．５、約２３．０、約２３．５、約２４．０、約２４．５、約２５．０、約２５．５、約２６．０、約２６．５、約２７．５、約２８．０、約２８．５、約２９．０、約２９．５、約３０．０、約３５．０、約４０．０、約４５．０、約５０．０、約５５．０、約６０．０、約６５．０、約７０．０、約７５．０、約８０．０、約８５．０、約９０．０、約９５．０、約１００．０、約１０５．０、約１１０．０、約１１５．０、約１２０．０、約１２５．０、約１３０．０、約１３５．０、約１４０．０、約１４５．０、約１５０．０、またはこれらの値のうちの少なくとも二つをエンドポイントとして含む任意の範囲の値を想定している。あるいは、ＣＤＮは、性能範囲の下限としてこれらの数値、例えば、少なくとも約４．０、少なくとも約４．５、少なくとも約５．０、少なくとも約１０．０、少なくとも約１５．０、少なくとも約２０．０、少なくとも約２３．０、少なくとも約５０．０、少なくとも約７５．０、または少なくとも約１００．０を含む範囲とすることができる。いくつかの実施形態では、クロラミン分解価は、モノ－クロラミンに関して測定される。
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、例えば米国特許第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、吸着剤の少なくとも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、水性緩衝液の５０ｍＬアリコートを真空フラスコに加える。水性緩衝液は、Ｋ２ＨＰＯ４では０．５モル、ＫＨ２ＰＯ４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過酸化水素緩衝溶液に加えられる。この試験は体積測定試験であるため、過酸化水素緩衝溶液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／ｃｍ３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速く、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１．０、約１．５、約２．０、約２．１、約２．２、約２．３、約２．４、約２．５、約２．６、約２．７、約２．８、約２．９、約３．０、約３．１、約３．２、約３．３、約３．４、約３．５、約３．６、約３．７、約３．８、約３．９、約４．０、約４．１、約４．２、約４．３、約４．４、約４．５、約４．６、約４．７、約４．８、約４．９、約５．０、約５．１、約５．２、約５．３、約５．４、約５．５、約５．６、約５．７、約５．８、約５．９、約６．０、約６．１、約６．２、約６．３、約６．４、約６．５、約６．６、約６．７、約６．８、約６．９、約７．０、約７．１、約７．２、約７．３、約７．４、約７．５、約７．６、約７．７、約７．８、約７．９、約８．０、約８．１、約８．２、約８．３、約８．４、約８．５、約８．６、約８．７、約８．８、約８．９、約９．０、約９．１、約９．２、約９．３、約９．４、約９．５、約９．６、約９．７、約９．８、約９．９、約１０．０、約１０．１、約１０．２、約１０．３、約１０．４、約１０．５、約１０．６、約１０．７、約１０．８、約１０．９、約１１．０、約１１．１、約１１．２、約１１．３、約１１．４、約１１．５、約１１．６、約１１．７、約１１．８、約１１．９、約１２．０、約１２．１、約１２．２、約１２．３、約１２．４、約１２．５、約１２．６、約１２．７、約１２．８、約１２．９、約１３．０、約１３．１、約１３．２、約１３．３、約１３．４、約１３．５、約１３．６、約１３．７、約１３．８、約１３．９、約１４．０、約１４．１、約１４．２、約１４．３、約１４．４、約１４．５、約１４．６、約１４．７、約１４．８、約１４．９、約１５．０、約１５．１、約１５．２、約１５．３、約１５．４、約１５．５、約１５．６、約１５．７、約１５．８、約１５．９、約１６．０、約１６．１、約１６．２、約１６．３、約１６．４、約１６．５、約１６．６、約１６．７、約１６．８、約１６．９、約１７．０、約１７．１、約１７．２、約１７．３、約１７．４、約１７．５、約１７．６、約１７．７、約１７．８、約１７．９、約１８．０、約１８．１、約１８．２、約１８．３、約１８．４、約１８．５、約１８．６、約１８．７、約１８．８、約１８．９、約１９．０、約１９．１、約１９．２、約１９．３、約１９．４、約１９．５、約１９．６、約１９．７、約１９．８、約１９．９、約２０．０、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。ココナッツ活性炭は、顆粒状活性炭であり、１２×４０のサイズで試験される。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。前駆体活性炭を供給し、場合によっては任意の酸化工程を行った後、前駆体活性炭にＣｕ、Ｆｅ、およびＮをドーピングする準備が整う。
Ｆｅ、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、鉄、および窒素をドープする。一段階ドーピングプロセス中、ＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ、ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、および尿素を含む水溶液が、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測定して、炭素上に０．２重量％～１．０重量％のＣｕを得、０．２重量％～１．０重量％のＦｅ、２．２重量％～８．３重量％のＮ、１５重量％までのＮを得る。水溶液は、２５℃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と接触した後、前駆体活性炭を乾燥させてそれによりドープされた前駆体活性炭を製造する。
ドープされた前駆体活性炭は最後に仮焼される。仮焼中、ドープされた前駆体活性炭は、純粋なＮ２雰囲気下で約９５０℃の温度に１時間加熱される。
実験結果
図４は、総金属レベルを約０．５重量％に維持しながら、ＣＤＮおよび過酸化物価に及ぼす、前駆体活性炭にドープされる様々な窒素量の効果を示す。図４に示す結果は、ココナッツ炭素質材料から形成され、続いて酸化された前駆体活性炭の結果である。この酸化活性炭にドーピングによりＣｕ、Ｆｅ、Ｎを加えた。図４は、０．５重量％の総金属添加量レベルの場合、約４重量％の窒素がドープされた後、ＣＤＮおよび過酸化物分解価は実質的に増加しないことを示す。
図５および図６は、ココナッツ炭素質材料から調製されたＣｕ、Ｆｅ、およびＮドープ酸化前駆体活性炭のＣＤＮおよび過酸化物分解価の両方に及ぼす前駆体活性炭の金属ドーピングの効果を実証している。このような活性炭前駆体をＣｕ、Ｆｅ、およびＮでドーピングすることにより、ココナッツ炭素質材料から形成される前駆体活性炭をＣｕおよびＮまたはＦｅおよびＮでドーピングすることと比較して、より高いＣＤＮ値が得られる。このようなＣｕ、Ｆｅ、およびＮのドーピングにより、ＣｕおよびＮまたはＦｅおよびＮのドーピングよりも速い（したがって優れた）過酸化物分解価も得られる。
図７は、Ｃｕ－Ｎ、Ｆｅ－Ｎ、およびＣｕ－Ｆｅ－Ｎについて総金属レベルを約０．５重量％に維持しながら、ＣＤＮおよび過酸化物分解価に及ぼす、酸化された前駆体活性炭に加えられる様々な窒素量の効果の比較を示す。
図８は、総金属レベルを約０．５重量％に維持しながら、Ｃｕ、Ｆｅ、およびＮをドープした、ココナッツ炭素質材料から形成される酸化されていない前駆体活性炭のＣＤＮおよび過酸化物分解価の両方に及ぼす、酸化されていない前駆体活性炭に加えられる様々な窒素量の効果を示す。図８は、０．５重量％の総金属添加量レベルの場合、より多くの窒素が炭素に加えられるにつれてＣＤＮが直線的に増加することを示している。より多くの窒素が炭素に加えられるにつれて、過酸化物分解価も減少する。
図９および図１０は、Ｃｕ、Ｆｅ、およびＮをドープした、ココナッツから形成され酸化されていない前駆体活性炭のＣＤＮおよび過酸化物分解価の両方に及ぼす、炭素へ加えられた金属添加量の効果をそれぞれ示す。このような酸化されていない前駆体活性炭にＣｕ、Ｆｅ、およびＮをドープすると、ＣｕおよびＮ、またはＦｅおよびＮのみをドープした酸化されていない前駆体活性炭と比較して、より高いＣＤＮ値が得られる。ココナッツ炭素質材料から形成される酸化されていない前駆体活性炭にＣｕ、Ｆｅ、およびＮをドーピングすることにより、ＣｕおよびＮのみ、またはＦｅおよびＮのみをドーピングする場合と比較して、より速い過酸化物分解価が得られる。
表１は、木材炭素質材料から形成される、Ｃｕ－Ｎ、Ｆｅ－Ｎ、およびＣｕ－Ｆｅ－Ｎをドープした酸化されていない活性炭の間の比較を示す。過酸化物価が「>６０」と記載されている場合、それは、６０分間の試験期間後に温度のピークが観察されなかったこと、および真の過酸化物価が６０分を超える期間であることを意味する。これは、この指標について不良を示している。ＢＧＥは、Ｃａｌｇｏｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な、顆粒状の木材系活性炭である。ＡｑｕａＧｕａｒｄ（登録商標）は、飲料水用途における塩素およびクロラミン除去用の木材系触媒活性炭であり、Ｎｏｒｔｈ Ｃｈａｒｌｅｓｔｏｎ，Ｓｏｕｔｈ ＣａｒｏｌｉｎａのＩｎｇｅｖｉｔｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能である。
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、特定の方法、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、修正、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 (25)

  1. 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、４重量％～２０重量％の窒素と、
    乾燥前駆体活性炭基準で測定して、０．１重量％～１重量％の鉄および０．１重量％～１重量％の銅と、を含み、
    前記鉄と前記銅の重量比は５０：５０であり、
    前記吸着材が、５～７５のクロラミン分解価（ＣＤＮ）を有し、前記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ものであり、および、
    前記吸着材が、２０分未満の過酸化物価を有し、前記過酸化物価は、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、
    吸着材。
  2. 前記クロラミン分解価が、２０～７５である、請求項１に記載の吸着材。
  3. 前記吸着材が、１５分未満の過酸化物価を有する、請求項１に記載の吸着材。
  4. 前記吸着材が、１分～１０分の過酸化物価を有する、請求項１に記載の吸着材。
  5. 窒素量が４重量％～１０重量％である、請求項１に記載の吸着材。
  6. 窒素量が１０重量％～２０重量％である、請求項１に記載の吸着材。
  7. 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１に記載の吸着材。
  8. 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７に記載の吸着材。
  9. 請求項１に記載の吸着材を作製する方法であって、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、
    必要に応じて、前記前駆体活性炭を酸化することと、
    前記前駆体活性炭を銅源、鉄源、および窒素源である一つまたは複数の化合物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、および、
    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少なくとも９５０℃の温度に加熱することによって、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。
  10. 単一の化合物は、前記銅源、前記鉄源、および前記窒素源である、請求項９に記載の方法。
  11. 第一の化合物は前記銅源および前記鉄源であり、第二の化合物は前記窒素源である、請求項９に記載の方法。
  12. 第一の化合物が前記銅源および前記窒素源であり、第二の化合物が前記鉄源である、請求項９に記載の方法。
  13. 第一の化合物が前記鉄源および前記窒素源であり、第二の化合物が前記銅源である、請求項９に記載の方法。
  14. 第一の化合物が前記銅源であり、第二の化合物が前記鉄源であり、第三の化合物が前記窒素源である、請求項９に記載の方法。
  15. 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は、前記前駆体活性炭を、前記銅源、前記鉄源、および前記窒素源を含む水溶液中で接触させることを含む、一段階プロセスで実施される、請求項９に記載の方法。
  16. 前記銅源が、硫酸銅（ＩＩ）五水和物（ＣｕＳＯ４・５Ｈ２Ｏ）、塩化銅（ＩＩ）（ＣｕＣｌ２）、塩化銅（ＩＩ）二水和物（ＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）（Ｃｕ（ＮＯ３）２）、硝酸銅（ＩＩ）一水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２ ．Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）セスキ水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２ ．１．５Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）ヘミ五水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２ ．２．５Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）三水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２ ．３Ｈ２Ｏ）、硝酸銅（ＩＩ）六水和物（（［Ｃｕ（Ｈ２Ｏ）６］（ＮＯ３）２））、酢酸銅（ＩＩ）（Ｃｕ（ＣＨ３ＣＯＯ）２）、酢酸銅（ＩＩ）一水和物（Ｃｕ（ＣＨ３ＣＯＯ）２Ｈ２Ｏ）、ギ酸銅（ＩＩ）四水和物、Ｃｕ（ＮＨ３）６ ＋２ 、炭酸水酸化銅（ＩＩ）（Ｃｕ２（ＯＨ）２ＣＯ３）、それらの化合物、またはそれらの混合物、のうちの一つまたは複数であり、
    前記鉄源が、塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物（ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ）、塩化鉄（ＩＩ）四水和物（ＦｅＣｌ２・４Ｈ２Ｏ）、硫酸鉄（ＩＩＩ）アンモニウム十二水和物（ＮＨ４Ｆｅ（ＳＯ４）・１２Ｈ２Ｏ）、硫酸鉄（ＩＩ）七水和物（Ｆｅ２ＳＯ４・７Ｈ２Ｏ）、シュウ酸鉄（ＩＩＩ）アンモニウム三水和物（（ＮＨ４）３Ｆｅ（Ｃ２Ｏ４）３・３Ｈ２Ｏ）、ヘキサシアノ鉄（ＩＩ）酸アンモニウム水和物（（ＮＨ４）４［Ｆｅ（ＣＮ）６］・ｘＨ２Ｏ）、クエン酸アンモニウム鉄（ＩＩＩ）（（ＮＨ４）５［Ｆｅ（Ｃ６Ｈ４Ｏ７）２］）、フェロシアン化ナトリウム十水和物（Ｎａ４Ｆｅ（ＣＮ）６・１０Ｈ２Ｏ）、シュウ酸第二鉄ナトリウム（Ｎａ３Ｆｅ（Ｃ２Ｏ４）３）、フェロシアン化カリウム三水和物（Ｋ４［Ｆｅ（ＣＮ）６］・３Ｈ２Ｏ）、フェリシアン化カリウム（Ｋ３［Ｆｅ（ＣＮ）６］）、シュウ酸第一鉄カリウム（Ｋ２［Ｆｅ（Ｃ２Ｏ４）２］）、もしくは酢酸鉄（ＩＩ）四水和物（（ＣＨ３ＣＯＯ）２Ｆｅ・４Ｈ２Ｏ）、乳酸鉄二水和物、乳酸鉄三水和物、それらの化合物、またはそれらの混合物、のうちの一つまたは複数であり、
    前記窒素源が、窒素の酸化状態が－３である一つまたは複数の化合物である、請求項９に記載の方法。
  17. 仮焼が、Ｎ２雰囲気中で８００℃～１０５０℃の温度で実施される、請求項９に記載の方法。
  18. 前記酸化することが必要であり、かつ実施される、請求項９に記載の方法。
  19. 前記酸化することが実施されない、請求項９に記載の方法。
  20. 前記銅源が、硫酸銅（ＩＩ）五水和物（ＣｕＳＯ４ ．５Ｈ２Ｏ）、前記鉄源が塩化鉄（ＩＩＩ）六水和物（ＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ）、および前記窒素源が尿素またはジシアンジアミド（ＤＣＤ）のうちの一つまたは複数である、請求項１６に記載の方法。
  21. 仮焼が、Ｎ２雰囲気中で４００℃～１０５０℃の温度で実施される、請求項９に記載の方法。
  22. 仮焼が、Ｎ２雰囲気中で９２５℃～９７５℃の温度で実施される、請求項９に記載の方法。
  23. 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、
    吸着材を供給することであって、前記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、前記吸着材は、乾燥前駆体活性炭基準で測定して４重量％～２０重量％の窒素と、乾燥前駆体活性炭基準で測定して０．１重量％～１重量％の鉄および０．１重量％～１重量％の銅と、を含み、前記鉄と前記銅の重量比は５０：５０であり、前記吸着材が５～７５のクロラミン分解価（ＣＤＮ）を有し、前記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ものであり、および、前記吸着材が、２０分未満の過酸化物価を有し、前記過酸化物価は、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、供給することと、
    前記吸着材を流体と接触させることと、
    を含む、方法。
  24. 前記流体が液体の水である、請求項２３に記載の方法。
  25. 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２３に記載の方法。
JP2023509859A 2020-08-31 2021-08-31 銅、鉄および窒素処理された吸着剤およびその製造方法 Active JP7828707B2 (ja)

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