KR102464555B1 - 탄화수소, 금속 및 유기 오염물질의 저감을 위한 조성물, 물품 및 방법 - Google Patents

탄화수소, 금속 및 유기 오염물질의 저감을 위한 조성물, 물품 및 방법 Download PDF

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Abstract

재료 조성물은 수질 오염의 저감에서 다기능을 갖는다: 이들은 스트림으로부터 탄화수소를 다양한 유형의 기타 오염물질, 예컨대 금속 및 금속 산화물, 및 인산염 및 기타 유기 재료와 함께 제거할 수 있다. 특정 구체예에서, 다기능 조성물은 M-클래스 고무 매트릭스에 매립된 스타이렌-부타디엔-스타이렌 과립에 부착된 셀룰로스 또는 기타 유기 매트릭스 재료에 결합된 바이오차르 입자, 활성탄 입자, 또는 금속 (또는 금속 산화물) 나노입자로 구성된다. 다기능 조성물의 합성 방법 및 이러한 조성물을 사용하는 필터 카트리지 및 필터를 포함하는 제품이 또한 개시된다.

Description

탄화수소, 금속 및 유기 오염물질의 저감을 위한 조성물, 물품 및 방법
본 개시내용은 환경 오염물질의 저감을 위한 재료 및 제품에 관한 것이다. 특히, 재료 및 제품은 수질 오염의 저감에서 다기능을 가지며 산업적 작업, 광산 광미 웅덩이 및 우수 유출수와 같은 출처의 물 스트림으로부터 탄화수소/유기 오염물질, 그뿐만 아니라 금속 및 다양한 유형의 유기 오염물질과 같은 기타 오염물질을 동시에 제거할 수 있다.
환경법과 규정의 지속적인 통과와 시행에도 불구하고 수질 오염은 미국과 전 세계에서 여전히 해결이 필요한 문제이다. 수질 오염물질로 분류되는 매우 다양한 물질이 존재한다. 본 개시내용에서 논의된 오염물질의 네 가지 광범위한 범주는 탄화수소(예컨대 오일), 무기 염 및 금속(특히 중금속), 인산염 및 기타 유기 오염물질, 및 VOC, PCB, 및 PFAS 물질과 같은 합성 유기 화합물이다.
탄화수소 오염물질의 저감을 위한 조성물, 제품 및 방법이 알려져 있고, 금속, 합성 물질 및 유기 오염물질의 저감을 위한 조성물, 제품 및 방법이 알려져 있다. 또한, 폐수는 많은 출처로부터 생성된다. 우수 유출수는 고속도로, 교량, 주차장, 옥상 및 기타 불침투성 표면으로부터 생성되는 폐수의 일종이다. 오일 및 가스 추출에서 사용되는 수압 파쇄와 같은 산업적 작업도 폐수를 발생시킨다. 유정 및 가스정, (파이프라인, 탱커, 철도 또는 트럭을 통한) 석유 및 가스 운송, 정제소, 화학 공장, 또는 오염 저감 시설에서의 사고는 의도치 않게 폐수를 생성하며 공공 및 민간 부문에 막대한 비용을 초래한다. 농업적 작업은 화학 비료 및 동물 배설물 비료의 사용으로 인해 다량의 인산염 유출 및 지하수 오염을 발생시킬 수 있다.
이러한 출처으로부터의 폐수는 흔히 탄화수소 오염물질 및 금속 및 인산염 오염물질을 모두 포함한다. 폐수가 공공 소유 처리 작업장(publicly owned treatment works, POTW)으로 배출되거나, 땅이나 개울, 강, 호수, 바다 또는 대양으로 배출되기 위해서는, 이러한 모든 오염물질-탄화수소, 금속 또는 금속 산화물, 합성 물질 및 인산염-을 인체 노출에 안전한 수준(일부 경우에, 음용 가능한 수준)으로 제거하는 것이 매우 바람직하다.
폐수로부터 탄화수소를 제거하기 위한 광범위한 조성물, 물품 및 방법이 알려져 있다. 마찬가지로, 폐수로부터 금속, 합성 물질 및 인산염을 제거하기 위한 광범위한 조성물, 물품 및 방법이 알려져 있다. 일반적으로, 폐수로부터 탄화수소를 제거하기 위한 재료 조성물은 폐수로부터 금속, 합성 물질 및 인산염을 제거하기 위한 재료 조성물과 매우 상이하다. 이는 기본적인 수준에서, 물로부터 탄화수소를 제거하는 화학이 물로부터 금속, 합성 물질 및 인산염 제거를 제거하는 것과 매우 상이하기 때문에 예상되는 것이다.
예로서, Rink 등이 공동 소유한 미국 특허 6,723,791은 SBS와 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체(ethylene propylene diene monomer, EPDM)를 혼합하는 단계; 혼합물을 SBS 물질의 융점(약 160-200 ℃) 아래의 온도로 가열하는 단계, 여기서 혼합물의 EPDM 물질이 가소화됨; 생성된 혼합물을 다이를 통해 압출하는 단계; 및 압출된 혼합물을 냉각 및 팽창시키는 단계를 포함하는, 오일 흡수를 위한 고체 순응성 바디 형성 공정을 개시한다. '791 특허는 개시된 방법에 따라 제조된 오일 흡수용 조성물을 추가로 개시한다. 이 특허의 개시내용은 본원에 참조로 포함된다.
"Forming the Copolymer Bodies,"라는 제목의 '791 특허는 오일 흡수성 물질의 조성물 형성을 위한 공정 조건 및 조성물로 제조된 고체 순응성 바디를 상세히 설명한다.
참조 번호와 도면 참조가 제거된 '791 특허는 다음을 교시한다: "다이를 통과하면, 다이를 통해 강제로 다소 압축된 SBS 과립이 다시 팽창하여, 압출된 재료가 냉각되고 경화하는 동안 '플러핑(fluffing)'된다. 팽창은 혼합물에 남아 있는 공기에 의해 더욱 보조된다. 압출된 재료는 최종 바대를 형성하기 위해 적절한 길이로 절단된다. 압출기 외부에서 냉각 및 재응고될 때, EPDM 매트릭스는 내구성이지만 SBS 과립에 대해 투과성인 구조를 형성하고 생성된 바디에 기계적 무결성을 제공한다. 따라서, 바람직한 방법에 따라 형성된 바디는 균열의 존재에도 불구하고 극도의 탄성 변형이 없으면 파손되거나 균열되지 않는다. 또한, 이러한 바디의 단편은 거칠게 다루더라도 플레이크, 부스러기 또는 먼지 형태로 바디로부터 쉽게 분리되지 않는다. 플러핑 효과(압출 공정에서 일반적으로 바람직하지 않음)는 구조 전체에 걸쳐 EPDM 매트릭스에 입계 균열을 형성하므로 유리하다. 그러나, 균열은 구조적 무결성의 상실을 유발할 만큼 크지 않다. 위에서 언급한 바와 같이, 균열은 오일이 바디로 빠르게 통과하는 것을 촉진하고 겔 차단의 발생을 감소시켜 지속적인 흡수를 허용하기 위해 바람직하다. 바람직한 방법에 따라 형성된 바디에서, 결합제에 의해 야기된 흡수 감소는 (SBS와 같은 고흡수성 재료로만 구성된 바디와 비교하여) 균열 및 거친 외부 질감 및 감소된 조기 겔화 경향에 의해 야기되는 오일과 SBS 간의 접촉 증가율 에 의해 상쇄된다."
이들 및 유사한 교시 및 탄화수소 흡수 조성물 및 제품 개발에서 얻은 경험에 기초하여, 일반적으로, 당업자는 탄화수소 흡수 능력을 갖는 성분을 금속 및 인산염 (또는 기타 유기 오염물질) 저감 특성을 갖는 다른 성분에 단순히 첨가하여 다기능 오염 저감 능력을 갖는 조성물을 제조하는 데 성공할 것으로 기대하지 않을 것이다. 탄화수소 흡수 조성물 제조에서, 원하는 양으로 플러핑하고, 입계 균열을 형성하고, 높은 구조적 무결성을 갖고, 높은 탄화수소 흡수성을 갖는 제품 바디를 생성하기 위해 특정 공정 조건이 유지되어야 한다. 탄화수소 흡수성에 필요하지 않은 추가 재료를 첨가하면 '791 특허의 조성물 및 제품의 유리한 특성이 감소할 것으로 예상되고; 따라서 당업자는 금속 및 유기 오염물질 저감 능력을 부가하기 위해 그러한 조성물을 변형하려는 시도를 할 동기가 없을 것이다.
특히, '791 특허에 의해 기재된 재료는 높은 수리 전도도(hydraulic conductivity)를 갖는다. 즉 매체는 물이 통과하면서 낮은 압력 강하를 유지한다 - 출구의 압력은 입구의 압력보다 약간 낮을 뿐이므로, 많은 양의 물이 매체를 통해 흐르고 역류를 야기하지 않고 여과된다. 제한된 흐름은 액체가 정화되고 오염될 수 있는 속도를 제한한다. 우수 및 사후 처리 응용 분야에서, 압력 강하는 예컨대 물이 거리, 건물 등으로 역류하는 경우에 특히 문제가 될 수 있다. 산업적 응용 분야에서, 압력 강하는 매체를 통해 압력을 높이기 위해 크거나 비싼 펌핑 시스템의 사용을 필요하게 할 수 있다. 그러나 우수와 관련된 다양한 흐름 및 잠재적으로 막대한 부피로 인해, 우수 응용 분야에서 압력 부스팅 펌프를 사용하는 것을 실용적이지 않으며, 대신 중력 공급에 의존한다.
천연 형태의 또는 바이오차르 또는 활성탄으로서 열분해된 셀룰로스 (목재) 매체를 포함하여 금속, 합성물질(예컨대 PFAS), 및 인산염 저감 능력을 갖는 것으로 알려진 많은 재료는, 대조적으로, 매우 압축성이고, '791 특허의 재료와 함께 배치되거나 우수 응용 분야에 배치된 경우 매체를 가로질러 심각한 압력 강하를 부여하는 경향이 있을 것이다. 따라서, 우수 처리 시스템은 일반적으로 천연 또는 바이오차르 형태의 셀룰로스 매체를 사용하지 않으며, 사용되는 경우 효율적이지 않다. 셀룰로스 매체를 '791 특허의 재료와 혼합하는 것은 일반적으로, 작은 입자 크기 및 바이오차르의 경우에 구조적 강도의 결여에서 기인한 셀룰로스 매체의 높은 압축성으로 인해 바람직하지 않은 압력 강하를 야기할 것으로 예상된다. 또한, 우드칩 형태의 셀룰로스 매체를 '791 특허의 재료와 혼합하는 것은 우드칩의 들쭉날쭉함 때문에 다른 재료를 손상시킬 수 있다.
따라서 폐수원이 탄화수소, 금속, 합성 물질 및 인산염을 포함하는 여러 오염물질을 포함하는 경우, 탄화수소 오염물질을 먼저 제거하고 그 다음에 금속 오염물질을 제거하는 (또는 그 반대) 순차적인 방식으로 오염물질의 제거를 수행하는 것이 일반적이다. 일부 경우에, 인산염 또는 합성 오염물질을 제거하기 위해 세 번째 작업이 필요할 수 있다.
그러나 최소한, 연속 제거 작업을 수행하는 것은 비용과 시간이 많이 소모된다. 특정 상황에서, 다양한 실제적인 이유로 연속 작업이 불가능할 수 있다. 예를 들어, 지하 도관 또는 또는 지상층 수집 격자 및 연석 포트의 우수 처리에서, 탄화수소 추출 시스템과 금속 또는 인산염 추출 시스템을 직렬로 배치할 공간이 물리적으로 충분하지 않을 수 있다.
따라서, 폐수 스트림으로부터 탄화수소 오염물질 및 기타 오염물질(예컨대 금속 오염물질, 합성 오염물질 및 인산염 오염물질)을 동시에 제거할 수 있는 조성물, 이러한 조성물을 제조하는 방법 조성물 및 이러한 조성물을 포함하는 장치에 대한 요구가 있다. 탄화수소와 중금속을 모두 제거할 수 있는 개선된 재료 조성물 및 개선된 장치와 이를 활용하는 방법은, 특히 상당한 이점을 제공한다.
요약
본 개시내용 조성물이 수질 오염 저감에서 다기능을 갖는 재료 조성물, 이의 합성 방법 및 조성물을 포함하는 제품을 식별한다. 개시된 조성물은 물 스트림으로부터 다양한 종류의 탄화수소 및 금속을 제거할 수 있다. 조성물은 또한 물 스트림으로부터 인산염 및 합성물질을 제거할 수 있다.
개시된 조성물은 유기 기반 매트릭스 재료(organic-based matrix material, OMM)를 포함한다. OMM은 천연 형태이거나 바이오차르와 같은 열분해된 형태일 수 있다. OMM은 바람직하게는 셀룰로스(예컨대 목재)이지만 열분해된 버섯(또는 기타 균류) 또는 열분해된 분뇨와 같은 비셀룰로스 유기물의 열분해로부터의 바이오차르를 또한 포함할 수 있다. 보통, 액체의 오염 저감을 위한 조성물에서 사용될 때 물 흐름을 억제하기 위해 이러한 매체가 물리적으로 압축되거나 압착될 것으로 예상되지만, 이러한 매체는 이후에 본원에 설명될 것과 같이 수질 오염의 저감을 위한 고투과성 다기능 조성물에 성공적으로 통합되었다.
본 개시내용의 한 양태에서, M-클래스 고무(M-Class rubber, MCR) 매트릭스에 매립된 스타이렌-부타디엔-스타이렌(styrene-butadiene-styrene, SBS) 과립에 부착된 바이오차르 입자를 포함하는 물질의 조성물이 제공된다. 이 조성물뿐만 아니라 이 요약에 설명된 다른 조성물에서, MCR은 구체적으로 EPDM일 수 있다. 바이오차르 입자는, 한 예에서, 바이오차르 입자, SBS 및 EPDM의 총 중량의 20 내지 28 퍼센트의 비율로 존재할 수 있다. 특정 구체예에서, 바이오차르 입자는 금속 나노입자로 함침될 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, M-클래스 고무 매트릭스에 매립된 스타이렌-부타디엔-스타이렌(SBS) 과립에 부착된 활성탄 입자를 포함하는 물질의 조성물이 제공된다. 활성탄 입자는, 한 예에서, 활성탄 입자, SBS 및 EPDM의 총 중량의 20 내지 24 퍼센트의 비율로 존재할 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, MCR 매트릭스에 부착되거나 매립된 금속 나노입자를 포함하는 물질의 조성물이 제공된다. 원소 철 및 철 산화물을 포함할 수 있는 금속 나노입자는 셀룰로스 매트릭스 재료에 결합되어 금속 함침 셀룰로스를 형성한다. 셀룰로스 매트릭스 재료는 목재 분말, 목재 톱밥, 또는 우드칩일 수 있다. 셀룰로스 매트릭스 재료는 열분해되어 탄화된 형태, 즉 바이오차르일 수 있다. 조성물의 셀룰로스 매트릭스 재료는 스타이렌-부타디엔-스타이렌(SBS) 과립에 부착된다.
특정 구체예에서, 금속 나노입자는 원소 철 또는 철 산화물을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 원소 또는 산화물 형태의 금속은 알루미늄, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 금, 백금, 은, 팔라듐, 규소, 지르코늄, 안티몬, 비스무트, 텅스텐, 바륨, 주석 및 몰리브덴일 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "금속 함침 셀룰로스(metal impregnated cellulose)" ("MIC")는 목재 분말, 목재 톱밥 또는 우드칩과 같은 셀룰로스 입자에 결합된 금속 나노입자를 나타내는 것을 의미한다. 특정 구체예에서, MIC는 약 10-50중량%의 금속 산화물을 함유할 수 있다.
금속 나노입자는 금속 오염물질, 또한 인산염 오염물질과 결합하여, 이러한 오염물질을 물 스트림으로부터 제거할 수 있다.
용어 "결합"은 임의의 한 특정 메커니즘에 제한되지 않으며 화학적 치환, 킬레이트화, 흡수, 흡착 또는 기타 현상으로 인한 것일 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 양태는 일정 부피의 물에 동반된 오일 및 금속 원소를 제거할 수 있는 고체 바디를 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 SBS를 용융시키지 않고 SBS의 팽창을 야기하도록 적어도 95 ℉(35 ℃)의 온도에서 성분을 혼합합으로써 바이오차르 입자, SBS 및 MCR의 혼합물을 형성하고, 이에 의해 바이오차르 입자가 SBS 과립에 부착되는 단계; 바이오차르 입자, SBS 및 MCR 혼합물을 압출기에 공급하는 단계 및 혼합물 중의 MCR이 가소화되지만 SBS가 용융되지 않은 온도로 혼합물을 가열하면서, 압출기의 배럴을 따라 바이오차르 입자, SBS 및 MCR 혼합물의 병류를 야기하는 단계; 및 바이오차르 입자, SBS 및 MCR의 병류를 다이를 통해 압출시켜 압출물을 형성하는 단계를 포함한다. 압출물은 냉각되고 팽창하여 오염 저감 장치에서 사용하기 위한 단편으로 절단될 수 있는 제품을 형성한다. 대안의 구체예에서, 상기 방법은 바이오차르 입자 대신 활성탄 입자를 사용하여 수행될 수 있다.
대안의 양태에서, 상기 방법은 바이오차르 입자 대신 셀룰로스 OMM에 결합된 금속 나노입자를 사용하여 수행될 수 있다. OMM, SBS 및 MCR 혼합물에 결합된 금속 나노입자의 혼합물을 형성하는 단계, 혼합물을 압출기에 공급하는 단계 및 결합된 금속 나노입자, SBS 및 MCR과 함께 OMM의 병류를 다이를 통해 압출시켜 압출물을 형성하는 단계는 이전 단락에서 설명된 방식과 유사한 방식으로 수행된다. 특정 구체예에서, 금속 나노입자는 철 나노입자일 수 있다.
또 다른 양태는 일정 부피의 물에 동반된 오일 및 금속 원소 또는 인을 포획하기 위한 제품에 관한 것으로, 이 제품은 본원에 개시된 다기능 특징을 포함한다. 이러한 제품은 필터 매체 및 스키머(skimmer) 매체를 포함한다. 특정 구체예에서, 다기능 특징을 갖는 제품이 본원에 개시되고 MCR 매트릭스에 매립된 SBS 과립에 부착된 바이오차르 또는 활성탄 입자로 구성된 고체 바디로 형성된다. 대안의 구체예에서, 본원에 개시된 다기능 특징을 포함할 수 있는 제품은 MCR 매트릭스에 매립된 SBS 과립에 부착된 OMM에 결합된 금속 나노입자로 구성된 고체 바디로 형성된다.
대안의 제품은 제한된 흐름에서 일정 부피의 물에 동반된 오일, 금속 원소 및 인(또는 기타 오염물질)을 포획하기 위한 필터 장치일 수 있다. 장치는 필터, 필터 카트리지, 또는 스키머로 구성될 수 있으며, 바이오차르 또는 활성탄 입자, 또는 대안으로 MCR 매트릭스에 매립된 SBS 과립에 부착된 OMM에 결합된 금속 나노입자로 구성된 다수의 팽창된, 파열된 바디, 및 물 흐름을 위한 입구 포트 및 물 흐름을 위한 출구 포트 사이에서 바디를 지지하는 필터 모듈 또는 컨테이너를 포함할 수 있다. 이러한 바디가 있는 필터 장치는 파이프에, 또는 여과 구조의 여과 카트리지로서, 또는 바디를 위한 개방 함몰부를 갖는 필터 모듈로서 배치될 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 양태는 일정 부피의 물에 동반된 오일, 금속 원소 및 인 포획 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 필터 매체의 소수성 바디인 다수의 불규칙한 오염물질-흡수제의 간극을 통해 물 스트림의 흐름을 유도하는 것을 포함하고, 이러한 필터 매체는 바이오차르 입자, 또는 활성탄, 또는 MCR 매트릭스에 매립된 SBS 과립에 부착된 OMM에 결합된 금속 나노입자, 또는 개시된 조성물로 구성될 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 다양한 양태에 따라 OMM에 결합된 바이오차르 입자, 활성탄 입자, 또는 금속 나노입자를 포함하는 공중합체 단편을 통한 단면의 상세도이다.
도 2는 공중합체 단편의 개략도이고, 도 1은 이의 세부를 보여준다.
도 3은 본 개시내용에 따른 탄화수소, 금속, 합성 물질, 및 인산염 오염물질의 저감을 위한 조성물 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 4는 본 개시내용의 다양한 양태에 따라 OMM에 결합된 바이오차르 입자, 활성탄 입자, 또는 금속 나노입자를 포함하는 다수의 단편을 포함하는 필터 카트리지를 포함하는 여과 모듈을 (절단도로) 도시한다.
도 5는 본 개시내용의 다양한 양태에 따라 OMM에 결합된 바이오차르 입자, 활성탄 입자, 또는 금속 나노입자를 포함하는 다수의 단편을 포함하는 상부 개방 필터 장치를 (절단도로) 도시한다.
본 개시내용은 특정한 바람직한 구체예를 지칭한다. 그러나,본 발명을 설명된 구체예로 제한하려는 의도는 없음을 이해해야 한다. 반대로, 그 의도는 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함될 수 있는 모든 대안, 수정 및 등가물을 포괄하는 것이다.
도면에서, 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 지정하기 위해 전체에 걸쳐 사용되었다. 도면은 예시적인 것으로 간주되어야 하며 단지 예시의 목적을 위한 것이다. 도면의 개략도에 표시된 치수, 위치, 순서 및 상대적 크기는 표시된 것과 다를 수 있다.
용어 "a" 및 "an" 및 이들의 변형은 "적어도 하나"라는 문구를 나타낸다.
용어 "포함하는(comprising)", "포함하다(comprises)", "포함하는(including)", "포함하다(includes)", "포함하다(contains)", "갖는(having)" 및 그 변형은 이후에 나열된 요소로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되며, "적어도"라는 문구가 그 뒤에 추가되었지만 개방형 용어로 해석되어야 한다.
유사하게, 용어 "할 수 있는(can)" 및 "할 수 있는(may)" 및 이들의 변형은 비제한적인 것으로 의도되어, 구체예가 특정한 요소 또는 특징을 포함할 수 있다는 언급이 그러한 요소 또는 특징을 포함하지 않는 본 기술의 다른 구체예를 배체하지 않는다.
접속사 "또는"은 (예를 들어, "어느 하나. . . 또는", "중 하나만," 또는 유사한 언어의 사용에 의해) 명시적으로 달리 언급되지 않는 한 또는 나열된 대안 중 둘 이상이 특정 맥락 내에서 상호 배타적이 아닌 한 포괄적으로 (즉, 하나, 다른 하나 또는 둘 모두) 간주되어야 하며, 이 경우 "또는"은 상호 배타적이지 않은 대안을 포함하는 조합만을 포함할 것이다.
명시된 한계를 갖는 파라미터를 수정하는 용어 "실질적으로"는 동일한 특성을 효과적으로 보유하거나 명시된 한계와 동일한 기능을 달성하는 것을 의미하는 것으로 간주되어야 하며, 정확하게 명시된 한계뿐만 아니라 그로부터의 유의하지 않은 편차를 포함한다.
용어 "대략"은 실질적으로 명시된 값을 갖는 것을 의미하는 것으로 간주되어야 하며, 정확하게 명시된 값뿐만 아니라 그로부터의 유의하지 않은 편차를 포함한다.
용어 "바람직한" 및 "바람직하게는"은 특정 상황 하에 특정 이점을 제공할 수 있는 본 발명의 구체예를 지칭한다. 그러나, 동일하거나 다른 상황 하에 다른 구체예가 또한 바람직할 수 있다. 또한, 하나 이상의 바람직한 구체예의 언급은 다른 구체예가 유용하지 않음을 의미하지 않으며 본 개시내용의 본 발명 범위로부터 다른 구체예를 배체하도록 의도되지 않는다.
본 명세서에 사용된 임의의 연결 참조(예를 들어 "부착된(attached)", "결합된(coupled)", "연결된(connected)" 및 "연결된(joined)")는 광범위하게 해석되어야 하며, 달리 명시되지 않는 한 요소의 집합 사이의 중간 부재 및 요소 사이의 상대적 이동을 포함할 수 있음을 또한 이해해야 한다. 따라서 연결 참조가 반드시 두 요소가 직접 연결되고 서로 고정된 관계에 있음을 의미하지는 않는다.
달리 명시되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 단어는 당업자에 의해 이해되는 일반적인 의미를 지닌다.
대안적인 예가 나열되는 경우, 대안적인 예 중 임의의 것의 조합도 구상됨을 이해해야 한다. 본 발명의 범위는 단지 본 개시로 인한 발행된 청구범위에 인용된 제한 및 그러한 제한의 등가물의 대표적인 예 역할을 하는 본원에 개시된 특정 구체예로 제한되지 않는다.
다양한 특징이 본 개시를 간소화할 목적으로 특정 예시 구체예 또는 특정 도면에서 함께 그룹화될 수 있지만, 이러한 개시 방법이 임의의 청구된 구체예가 특정 청구항에서 명시적으로 인용된 것보다 더 많은 특징을 요구한다는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 임의의 도면 또는 구체예의 특징이 다른 도면 또는 구체예의 특징과 조합으로 사용될 수 있고 어떠한 특징도 필수적인 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 주제는 단일 개시된 예시 구체예 또는 단일 도면의 모든 특징보다 적게 있을 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 이에 의해 상세한 설명에 통합되며, 각 청구범위는 그 자체로 별도의 개시된 구체예로 있다. 더욱이, 본 개시내용은 본원에서 조합으로 명시적으로 개시되지 않을 수 있는 세트를 포함하여, 본 개시내용 또는 첨부된 청구항에서 나타나는 하나 이상의 개시되거나 청구된 특징의 임의의 적합한 세트(즉, 양립할 수 없지 않거나 상호 배차적이지 않은 특징의 세트)를 갖는 임의의 구체예를 암새적으로 개시하는 것으로 해석되어야 한다. 역으로, 첨부된 청구항의 범위는 본원에 개시된 주제의 전체를 반드시 포함하는 것은 아니다.
청구항에서 단어 "수단" 또는 문구 "~을 위한 단계"의 사용의 부재는, "수단/기능" 또는 "단계/기능"과 관련된 법률 조항의 적용을 의도하지 않는다.
요약서는 특허 문헌 내에서 특정 주제를 검색하는 사람들을 돕기 위해 필요한 경우 제공된다. 그러나, 요약서는 여기에 인용된 임의의 요소, 특징 또는 제한이 특정 청구 범위에 반드시 포함된다는 것을 의미하도록 의도하지 않는다. 각 청구항에 포함되는 주제의 범위는 해당 청구항의 인용해 의해 결정될 것이다.
본 개시내용의 조성물이 필터 장치에서 사용하기 위해 의도되는 특정 구체예에서, 조성물은 필터 하우징, 파우치, 백 또는 기타 용기에서 필터 매체로서 포함될 수 있는 단편으로서 공중합체 성분으로부터 형성된다.
도 1 및 2는 적합한 공중합체 단편(200)의 예를 도시하고, 도 1은 도 2의 표시된 부분의 확대도를 도시한다. 도 1은 대략 1-2 cm의 평균 직경을 갖는 거시적 단편(200)을 도시하지만, 불규칙한 형태로 인해, 직경은 단편 간에 그리고 단일 단편을 가로질러 서로 상이한 선에서 달라진다. 단편(200)은 내구성이지만 SBS 과립(280)에 대해 투과성인 구조를 형성하고 단편(200)에 기계적 무결성을 제공하는 M-클래스 고무(MCR) 매트릭스(290)를 포함한다.
본원에서 사용된 "M-클래스 고무"는 ASTM International의 ASTM 표준 D-1418, "Standard Practice for Rubber and Rubber Lattices - Nomenclature"에 정의된 고무이다. 이 표준은 M-클래스를 폴리에틸렌 유형의 포화 사슬을 갖는 고무로 정의한다. 표준에 제시된 예시적인 M-클래스 고무는 ACM, AEM, ANM, BIMSM, CM, CFM, CSM, EOM, EPDM, EPM, EVM, FEPM, FFKM, FKM, 타입 1, 타입 2, 타입 3, 타입 4, 및 타입 5 고무를 포함한다.
SBS 과립의 표면(예를 들어, MCR에 매립된 과립의 표면(210) 또는 간극(270)에서 노출된 표면(212)) 및 바람직하게는 또한 MCR 매트릭스(290)는 다기능 제염 능력을 갖는 재료를 생성하기에 적합한 OMM 입자(260 및 250)를 포함한다. OMM 입자(250 및 260)는 활성탄(activated carbon, AC) 재료, 바이오차르(biochar, BC) 재료, 또는 금속 함침 셀룰로스(metal impregnated cellulose, MIC) 분말 또는 입자 또는 이들의 일부 조합으로 구성될 수 있다.
물, 오일, 중금속, 금속 산화물 및 인산염을 포함하는 유출수가 단편과 접촉하면, 공중합체 재료는 오일을 흡수하고 가둘 것이다. 또한, BC, AC, MIC 또는 다른 OMM 입자는 중금속, 금속 산화물, PFAS와 같은 합성물질 및 인산염의 저감을 제공할 것이다.
그러나 공중합체 재료는 다공성이고 소수성이므로, 물이 고이지 않고, 물이 필터 모듈을 통과하여, 과도한 압력 강하를 방지할 것이다. 공중합체 재료가 오일을 흡수한 후, 재료를 지나 흐르는 후속 유출수는 오일을 씻어내지 않을 것이다.
중합체 단편은 바람직하게는 유체 흐름을 제한하는 것을 방지할 뿐만 아니라, 액체가 실제적인 정도로 채널로 모이는 것을 방지하기 위헤 제조된다. 액체가 필터 매체의 덩어리 내의 채널로 모이면, 채널을 둘러싸고 있는 제한된 양의 처리된 필터 매체와만 접촉하는 경향이 있다. 단편(200)은 어느 쪽의 우려도 없이 필터 또는 용기에 배치될 수 있다 (도 4 및 5에 대한 아래 논의 참조). 첫 번째로, 단편(200)은 분말 형태가 아닌 불규칙한 형상이며, 이는 이들이 조밀하게 패킹되는 것을 방지함으로써 유체 흐름 문제를 해결한다. 두 번째로, 이들은 본질적으로 무작위 형상을 가져, 이러한 필터에서 액체를 측면으로 이동시켜 채널링 문제를 해결한다.
표면으로부터 중심까지의 거리를 증가시키지 않으면서, 더 빠른 오일 흡수 및 더 적은 겔 차단(외부에서 흡수된 오일의 층이 단편(200)의 내부 부분에 대한 접근을 차단하는 현상)을 허용하기 위해, 단편(200)의 외부 표면 상의 매끄러운 외부 "스킨"을 피하는 것이 더욱 바람직하다. 하기에 논의된 조성물 및 단편의 바람직한 형성 방법은 이러한 목표를 고취시킨다.
또한 겔 차단을 감소시키기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 단편(200)은 바람직하게는 외부 표면으로부터, 전형적으로는 수 밀리미터만큼 연장되고, SBS의 과립 사이를 통과하는 다수의 균열(270)을 갖는다. 이러한 균열은 단편(200)의 유효 표면적을 증가시키면서, 각각을 일관된 전체로서 유지하여 용이한 취급을 허용한다. 하기에서 논의된 바람직한 형성 방법은 마찬가지로 해당 목표를 고취시킨다.
본 개시내용의 오염 저감 조성물 제조 방법은 두 가지 작엄을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 첫 번째 작업에서, BC, AC 또는 MIC 입자(또는 기타 OMM 입자)가 합성된다. 두 번째 작업에서, BC, AC 또는 MIC 입자는 탄화수소 포획 매체와 조합되어 수질 오염의 저감에서 다기능성을 갖고 수원으로부터 탄화수소 오염물질 및 금속 오염물질을 동시에 제거할 수 있는 조성물을 제공한다. 유리하게는, 조성물은 또한 수원으로부터 인산염 오염물질을 제거할 수 있다. 일부 방법에서는, 작업을 동시에 수행할 수 있다.
바이오차르(BC)는 산소의 부재에서 목재 또는 분뇨와 같은 천연 유기 물질의 열분해에 의해 생성될 수 있는 고탄소 물질이다. 본 개시내용의 조성물 제조에서 사용하기에 적합한 바이오차르 입자는 상업적 공급원으로부터 얻을 수 있다. 실험적 시도에서, BC 입자는 공급업체로부터 얻었고 약 500 마이크론(35 메쉬 스크린)의 입자도 존재하면서 약 3350 마이크론(6 메쉬 스크린) 미만의 입자 크기를 갖도록 선별되었다.
활성탄(AC)은 흡착 또는 화학 반응에 사용할 수 있는 표면적을 증가시키는 작은 소부피 기공을 갖도록 처리된 탄소의 형태이다. 본 개시내용의 조성물 제조에서 사용하기에 적합한 활성탄은 또한 상업적 공급원으로부터 얻을 수 있다. 실험적 시도에서, AC 입자는 공급업체로부터 얻었고 약 500 마이크론(35 메쉬 스크린)의 입자도 존재하면서 약 3350 마이크론(6 메쉬 스크린) 미만의 입자 크기를 갖도록 선별되었다.
본 개시내용의 대안적인 조성물은 MIC 입자를 포함한다. 특정 구체예에서, MIC 입자는 셀룰로스 OMM에 결합된 금속 나노입자로 구성될 수 있다. 셀룰로스 OMM은 칩 또는 분말 형태로 제공되는 목재 재료일 수 있다. 셀룰로스 OMM은 열분해되어 물질을 탄화된 형태, 즉 바이오차르로 전환할 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "열분해된(pyrolyzed)"은 불활성 분위기에서 고온에서 재료를 열분해(thermal decomposition)하여, 탄소가 풍부한 매트릭스 재료를 생성하는 단어 "열분해(pyrolysis)"로부터 파생된다.
본원에서 사용된 용어 "목재 입자"는 (a) 약 10-100 마이크론(즉 마이크로미터 또는 μm)의 입자 크기를 갖는 "목재 분말", (b) 약 0.1-2 밀리미터의 입자 크기를 갖는 "목재 톱밥" 및 (c) 약 2-20 밀리미터의 입자 크기를 갖는 "우드칩" 중 어느 것 또는 모두를 포함하는 것을 의미한다.
목재 입자는 일반적으로 구형이 아니라 형상이 불규칙하다. 따라서 본원에서 사용된 "입자 크기"는 길이, 너비 또는 두께와 같은 특징 치수, 평균 치수, 또는 최장 치수(모든 입자가 지정된 크기의 구멍이 있는 스크린을 통과할 수 있도록 함)를 지칭한다.
본원에서 사용된 용어 "나노입자"는 약 1 μm 미만, 바람직하게는 약 100 나노미터(nm) 미만의 입자 크기를 갖는 입자를 지칭한다.
본원에서 사용된 용어 "철 나노입자"는 원소 철의 나노입자뿐만 아니라 FeO, FeO2, Fe2O3(α-, β-, γ- 및 ε- 상), 및 Fe3O4를 포함하지만 이에 제한되지 않는 철 산화물의 나노입자를 포함한다.
그 개시내용이 본원에 참조로 포함되는 Viswanathan의 미국 특허 9,095,837("'837 특허")은 금속 나노복합체를 제조하는 예시적인 방법을 개시한다.
금속 나노복합체는 알루미늄, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 금, 백금, 은, 팔라듐, 규소, 지르코늄, 안티몬, 비스무트, 텅스텐, 바륨, 주석, 및 몰리브덴과 같은 금속을 포함할 수 있다.
특정한 바람직한 구체예에서, 금속은 원소 주기율표의 7-13 열, 즉 알루미늄, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리 및 아연으로부터 선택될 수 있다. 이들 금속은 채워지지 않은 원자가 전자 껍질로 인해 용액에서 중금속 대체에 더 효과적이기 때문에 유리할 수 있다.
일부 구체예에서, 금속 나노복합체는 OMM에 결합된 철 나노입자 또는 산화철 나노입자로 구성된다.
'837 특허는 대략 그램의 우드칩의 양으로 시작하고, 가열원으로서 가정용 전자레인지를 사용하여 실험실 비커에서 수행되는 규모로 수행된 합성의 예를 추가로 개시한다.
수백 파운드의 최종 제품으로 대규모 양의 금속 나노복합체를 비용 효율적으로 생산하기 위해, 실험적 시도를 통해 '837 특허에 개시된 합성 절차로부터 수정 및 개선된 분말, 톱밥, 또는 칩 형태의 목재 입자에 결합된 철 나노입자 또는 산화철 나노입자로 구성된 금속 나노복합체 제조를 위한 합성 절차가 이루어졌다. 일반적으로, 절차는 다음 작업으로 구성된다:
- 유기 매트릭스 매체(OMM)로 목재를 선택하여 목재 입자 형태로 제조.
- 사차 아민 화합물(쿼트(quat))을 선택하고 쿼트를 강염기(예를 들어, 약 50 중량 퍼센트 수산화 소듐)와 반응시켜 쿼트를 에폭사이드 형태로 전환.
- 제어된 온도 조건 하에 반응기 챔버에서 쿼트 에폭사이드를 OMM과 혼합하여, 연소하지 않으면서 쿼트 모이어티를 OMM의 기능 부위에 효과적으로 결합.
- 수성 매체 중의 사차화된 OMM을 냉각시키고, 진한 염산 및 염화제이철의 용액을 주위 온도에서 반응기 챔버에 첨가하고, 제이절 이온과 OMM 상의 기능 부위의 킬레이트화를 야기하기에 효과적인 시간 동안 챔버를 혼합하고, OMM의 산 분해의 발생 전에 반응 종료.
- 진한 수산화 암모늄 용액을 첨가하여 반응기에서 염화제이철/염산 용액을 중화하고 OMM을 유동화. NH4OH의 첨가의 결과로서, OMM은 짙은 적색-주황색 "녹" 색상으로 변하고, 이는 산화철(III), Fe2O3를 나타낸다. 이는 산화철(II)(일명 산화제일철, FeO2) 또는 산화철(II,III)(일명 자철광, Fe3O4)을 나타내는 "검은색 재료"로서 나타나는 것으로 실시예 1에 기재된 '837 특허에 개시된 철 킬레이트화 매체와 대조적이다.
- 매체를 건조시키기에 효과적인 시간 동안 사전 결정된 온도로 가열하면서 철 킬레이트화 매체를 연속적으로 혼합.
- 철 킬레이트화 매체를 팔요에 따라 반복적으로 세척하여 과잉의 잔류 산화철(들) 및 염을 제거.
- 철 킬레이트화 매체를 건조시켜 잔류 수분을 제거하여, 탄화수소 제거 재료와 조합하기에 적합한 금속 함침 셀룰로스(MIC) 입자 중간 생성물을 생성함.
특정 구체예에서, MIC는 OMM에 결합된 산화철 나노입자를 포함할 수 있다. 산화철 나노입자는 산화철의 약 10-50중량%의 비율로 존재할 수 있다.
이제 OMM(BC, AC, 또는 MIC 포함) 입자를 탄화수소 포획 매체와 조합하여, 일정 부피의 물에 동반된 오일 및 금속 원소를 제거할 수 있는 고체 바디를 형성하는 작업으로 돌아가서, 특정 구체예에서, 탄화수소 포획 매체는 '791 특허에 개시된 매체와 유사한 오일 흡수 매체일 수 있다.
혼합 및 압출 공정 조건에 대한 이전에 설명된 '791 특허의 조성물의 민감도에도 불구하고, 실험적 시도는 놀랍게도, 압력 강하 방지에 있어서 조성물의 가치를 저하시키지 않고 일정 부피의 물에 동반된 오일 및 금속 원소를 제거할 수 있는 고체 바디를 형성하는 성공적인 방법을 밝혀냈다. 성공적인 방법의 발견은 BC, AC 및 MIC 단독으로 투과성이 없는 것으로 밝혀졌기 때문에 놀라웠다. 즉 컬럼에 패킹되고 습윤된 BC, AC, 또는 MIC는 단순하게 컬럼에서 플러그를 형성할 것이고, 이는 흐름을 차단했다. 따라서 BC, AC 또는 MIC를 SBS 및 MCR에 첨가함으로써, 적어도 불투과성 성분의 존재로 인한 투과성의 비례적인 감소가 있을 것으로 예상되었고, BC, AC 또는 MIC의 입자가 SBS/MCR 매트릭스에서 형성되는 균열을 막을 것으로 예상되기 때문에 심지어 추가의 감소가 예상되었다.
한 방법은 SBS, MCR 및 OMM 입자를 먼저 혼합하여, OMM 입자를 SBS와 접촉시키고, 이러한 혼합물을 압출기에 도입하고, 압출기를 작동시켜 SBS/MCR/OMM 입자를 유동시키고 MCR의 유효 융점에 가깝고 (약간 낮거나 약간 높음) SBS의 유효 융점보다 낮은 온도로 가열하고, 생성된 혼합물을 다이를 통해 압출물로서 전달하는 것을 포함한다.
압출기에 존재하는 압력은 공칭 융점에 비해 구성 입자의 유효 융점을 낮출 수 있음에 유념하라. 달리 명시된 경우를 제외하고, 본 명세서에서 "융점"에 대한 언급은 주위 압력에서 결정된 융점을 지칭하고, "유효 융점"에 대한 언급은 압출기 내부의 압력에서 결정되는 융점을 지칭한다.
"가까운"은 본 명세서의 목적을 위해 재료의 유효 융점보다 15 ℉(8 ℃) 아래인 값 이상이고 재료의 유효 융점보다 10 ℉(6 ℃) 위인 값 이하인 압출기의 가장 뜨거운 부분(보통 다이 직전)의 온도를 의미한다. 융점 바로 아래의 온도에서, MCR 재료는 완전히 용융되지 않더라도 고도로 가소화되어 유동할 것이다. 온도가 지정된 범위에 도달하지 못할 경우, MCR 구성요소가 재료 전체에 퍼지지 않고 재료의 "섬"으로 남을 위험이 더 커지고, 생성된 압출물은 냉각 시 과도하게 단편화될 가능성이 더 크다. 온도가 지정된 범위를 초과할 경우, 제조의 에너지 비용이 불필요하게 높을 뿐만 아니라 더 온도가 점도를 감소시켜, 다른 구성요소가 함께 축적되어, MCR 재료의 분포가 일정하지 않게 될 것이다.
또한, 원하는 온도를 달성하기 위해, 압출기 기계의 온도 제어를 원하는 온도보다 다소 낮은 값으로 조정할 필요가 있을 수도 있다. 이는 압출기 내의 가열 변화 때문일 뿐만 아니라, 특히 압출기 배럴의 압력이 (다이가 존재하는 경우) 다이에 가까운 배럴 끝 직전에 증가하여, 피드백 온도 제어에 사용되는 온도 센서의 온도보다 더 높은 온도를 야기하기 때문이다.
이러한 방법은 물로부터 탄화수소 오염물질 및 금속 오염물질을 제거하는 데 효과적인 다기능 조성물을 생성한다. 다기능 조성물은 또한 물로부터 인산염 오염물질을 제거할 수 있다.
한 바람직한 MCR은 EPDM이다. 구체적으로 EPDM, 일반적으로 M-클래스 고무는 모두 -20 ℉ 내지 400 ℉(-29 ℃ 내지 204 ℃)와 같은 광범위한 융점을 가지고, 융점은 선택한 특정 엘라스토머에 따라 다름이 주목된다.
본 개시내용의 조성물에 대해, 선택된 고무는 SBS의 유효 융점보다 낮은 유효 융점을 가져야 하는 것으로 결정되었다. SBS는 160-200 ℃의 공칭 융점을 갖는다. 그렇지 않으면, 조성물 제조 과정 동안, 압출기는 SBS를 용융시키지 않고 MCR를 용융시키거나 연화하지 않을 것이다.
또한 실온/주위 온도보다 훨씬 높은 유효 융점을 갖는 MCR을 선택해야 하는 것으로 결정되었고; 그렇지 않으면 사용 중에 조성물의 "스펀지 유사" 단편이 원하지 않는 더 작은 단편으로 부스러진다.
하나의 예시적인 EPDM 고무는 대한민국, 천안의 JS Tech Co.에 의해 제조된 부품 번호 512F이고 이는 대략 135-140 ℉(57-60 ℃)의 유효 융점을 갖는다. 예시 SBS는 텍사스, 달라서의 LCY Elastomers에 의해 제조된 부품 번호 3411이고, 이는 약 200 ℉(93 ℃)의 유효 융점을 갖는 것으로 관찰되었다.
MCR와 SBS 간의 융점 차이는 약 5 ℉(2.8 ℃) 정도로 작을 수 있지만, 온도 차이는 흔히 훨씬 더 크다. MCR의 융점이 SBS의 융점에 더 가까울수록, 압출기의 가열 과정에서 더 큰 정확도가 요구된다.
도 3에 도시된 실시예 방법(100)을 시작하기 전에, 재료(SBS, MCR 및 OMM 입자) 각각은 중량으로 약 0.5 퍼센트 미만의 물의 수분 함량으로 건조된다. SBS 및 MCR(모두 과립 형태) 및 OMM 입자가 이후 혼합된다 (110).
혼합물은 OMM 입자가 SBS 과립에 부착될 수 있도록 충분히 높은 온도로 가열된다 (120). 이는 매우 높은 열을 필요로 하지 않는다. 한 예시적인 구체예에서, MIC-유형 OMM 입자를 사용하는 OMM/SBS/MCR 혼합물은 95 ℉(35 ℃)의 온도로 가열되며, 이는 그러한 부착을 가능하게 하기에 충분하게 보였다. 특정 구체예에서, 혼합 및 상승된 온도로 인해, OMM 입자는 후속 압출 공정 동안 방출되지 않도록 SBS 과립의 섬유로 침투함으로써, SBS 과립에 부착된다. 상승된 온도에서, SBS 과립은 확대되어, 그 안의 기공 크기가 증가하여, 더 작은 OMM 입자가 기공을 함침시키고 SBS 과립에 부착되게 할 수 있다.
EPDM이 조성물에서 MCR인 실험적 시도를 통해, SBS 및 EPDM에서 BC의 로딩은 바람직하게는 BC, SBS 및 EPDM의 총 중량의 20 내지 28 퍼센트인 것으로 결정되었다. 바람직한 로딩은 28 퍼센트이다. 20 중량 퍼센트 미만의 로딩에서, BC는 SBS 및 EPDM과 성공적으로 혼합될 수 있지만, 생성된 조성물은 더 적은 중금속 및 인의 저감 능력을 갖는다. 29-30 중량 퍼센트의 로딩에서, BC는 SBS 및 EPDM에 만족스럽게 혼합되지 않는 것으로 결정되었다. 대신, BC가 함께 상당하게 뭉치고, 이는 최종 제품의 투과성을 감소시킨다.
실험적 시도(MCR로서 EPDM을 사용)를 통해, SBS 및 EPDM에서 AC의 로딩은 바람직하게는 AC, SBS 및 EPDM의 총 중량의 20 내지 24 퍼센트인 것으로 결정되었다. 바람직한 로딩은 24 퍼센트이다. 20 중량 퍼센트 미만의 로딩에서, AC는 SBS 및 EPDM과 성공적으로 혼합될 수 있지만, 생성된 조성물은 더 적은 저감 능력을 갖는다. 25-30 중량 퍼센트의 로딩에서, AC는 SBS 및 EPDM에 만족스럽게 혼합되지 않고, 대신 최종 제품의 투과성을 감소시키는 원하지 않는 덩어리를 형성하는 것으로 결정되었다.
실험적 시도(MCR로서 EPDM을 사용)를 통해, SBS 및 EPDM에서 MIC의 로딩은 바람직하게는 MIC, SBS 및 EPDM의 총 중량의 20 내지 28 퍼센트인 것으로 결정되었다. 바람직한 로딩은 28 퍼센트이다. 20 중량 퍼센트 미만의 로딩에서, MIC는 SBS 및 EPDM과 성공적으로 혼합될 수 있지만, 생성된 조성물은 더 적은 저감 능력을 갖는다. 29-30 중량 퍼센트의 로딩에서, MIC는 SBS 및 EPDM과 혼합되지 않고 만족스럽게 접착하지 않는 것으로 결정되었다.
이후 SBS/MCR 과립 및 OMM 입자 혼합물이 압출기의 입구 포트로 공급된다 (130). 압출기의 스크류가 작동되어 (140), 병류를 야기하고 압출기의 배럴을 따라 SBS/MCR/OMM 입자 혼합물을 가열한다. 높은 압력 및 높은 전단 하의 병류는 혼합물의 가열을 야기하고, 이는 배럴 외부의 히터로 보충될 수 있다.
압출 및 가열 조건은 SBS/MCR/OMM 혼합물의 가열이 MCR의 유효 용융 온도에 가깝거나 더 높고 SBS의 유효 용융 온도보다 낮은 온도로 가열되도록 제어되어, MCR은 적어도 점성이 된다. 이러한 온도에서, EPDM은 연화되고 용융되기 시작하여, SBS 및 OMM 입자에 결합하는 매트릭스를 생성한다. 또한, 혼합물의 병류는 이를 과립 상태에서 스펀지 유사 형태로 변화시킨다.
OMM/SBS/EPDM 구체예의 경우, 실험은 압출 배럴 내부의 온도가 MCR의 유효 융점보다 약 15 ℉(8 ℃) 아래인 더 낮은 값으로부터 유효 융점보다 약 10 ℉(6 ℃) 위인 더 높은 값에 이르는 범위 내로 유지되는 특정 구체예의 유용성을 제안했다. 압출기에서 관찰된 유효 융점이 약 135 ℉(57 ℃)인 EPDM인 예시적인 MCR의 경우, 예를 들어, 압출기는 약 120-130 ℉(49-54 ℃) 범위의 온도 설정으로 설정될 수 있다. 원하는 온도에 도달하는 위치는 압출기의 말단 영역 바로 앞일 수 있다.
대략 170-180 ℉(77-82 ℃)와 같은 더 높은 용융 온도를 갖는 MCR은 주위보다 높은 온도에 노출될 때 (본원에서 이전에 기재된 바와 같이) 팽창된 단편으로 형상을 유지하는 조성물의 합성을 가능하게 한다. 유리하게는, 이러한 조성물은 가열된 폐수 스트림 정화에 사용될 수 있다. 이러한 응용 분야에 적합할 수 있는 또 다른 예시적인 EPDM 고무는 미시간, 미들랜드의 Dow Chemical Company에 의해 제조된 Nordel® NDR 4820P EPDM 탄화수소 고무이고 이는 약 194 ℉(91 ℃)의 융점을 갖는다.
압출기의 작동, 압출이 계속되어 (150), 다이(도시되지 않음)를 통한 SBS/MCR/OMM 재료의 병류가 압출물을 형성한다.
압출기는 중심 로드 또는 맨드릴(도시되지 않음)이 있는 원형 다이와 같은 다이를 가질 수 있다. 건드리지 않고 두면, 압출물은 축방향 구멍이 있는 원통형 바디를 형성할 것이다. 특정 구체예에서, 다이는 말단에 반경방향 암(도시되지 않음), 또는 원통형 바디를 부분, 아마도 네 개의 섹션으로 분할하는 유사하게 구성된 커터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 예컨대 2초 정도마다 자동 나이프가 작동되어 (도시되지 않음), 섹션의 길이를 절단하여 단편을 형성할 수 있다.
주위 압력 및 온도에서 압출물이 다이를 나가 공기 중으로 들어가면, 이는 파열이 있는 바디로 팽창하고 냉각된다 (160). 다이를 통과하면, 다이를 통해 강제로 다소 압축된 SBS 과립(280)이 다시 팽창하여, 압출된 재료가 서서히 냉각되는 동안 "플러핑"된다. 혼합물에 남아 있는 공기가 팽창을 더욱 보조한다. 압출된 재료가 적합한 길이로 절단된 후, 생성된 단편은 압출기 외부에서 서서히 냉각되고, 단편은 일정 시간 동안 계속 팽창하여, 추가 플러핑을 야기한다.
MCR 매트릭스(290)는 (도 1 참조) 내구성이지만 SBS 과립(280)에 대해 투과성인 구조를 형성하고 생성된 단편(200)에 기계적 무결성을 제공한다. 따라서, 바람직한 방법에 따라 형성된 단편(200)은 균열(270)의 존재에도 불구하고 극도의 탄성 변형이 없으면 파손 및 균열에 저항한다. 또한, 이러한 단편은 플레이크, 부스러기 또는 먼지 형태로 쉽게 분리되지 않는다.
플러핑 효과(압출 공정에서 일반적으로 바람직하지 않음)는 구조 전체에 걸쳐 MCR 매트릭스(290)에서 입계 균열(270)을 형성하기 때문에 본 발명의 공정에서 실제로 유리하다. 그러나, 균열은 구조적 무결성의 상실을 유발할 만큼 크지 않다.
위에서 언급한 바와 같이, 균열은 오일이 단편(200)으로 빠르게 통과하는 것을 촉진하고 겔 차단의 발생을 감소시켜 지속적인 흡수를 허용하기 위해 바람직하다. 또한, 균열은 OMM 입자의 추가의 노출된 표면적을 제공하여, 탄화수소 이외의 추가의 오염물질, 예컨대 중금속, 금속 산화물 및 다양한 유형의 유기물을 저감하는 단편(200)의 능력을 증가시킨다.
유량의 약간의 불규칙성, 플러핑 효과 및 나이프가 압출물 재료를 절단하는 방식으로 인해 다양한 크기의 단편이 형성될 수 있다. 예를 들어, 인접한 두 섹션이 함께 연결될 때 정상보다 큰 단편이 형성될 수 있다. 플러핑에 의해 야기된 균열이 파단선을 따라 발생하는 경우 섹션이 분리될 때 정상보다 작은 단편이 형성될 수 있다. 생성된 단편(200)은 크기 및 일반적인 외관이 팝콘과 유사하게 보일 수 있다.
단편(200)은 파우치, 백, 슬리브 및 기타 가요성 컨테이너로 포장될 수 있고, 수면에 전개될 수 있는 부유식 스키머 또는 부유식 붐 제품으로서 사용될 수 있다. 단편을 포함할 수 있는 예시적인 부유식 스키머 및 붐 제품이 '791 특허에 개시된다.
대안적으로, 단편(200)은 필터 하우징 및 기타 관통형 액체 분리 장치를 포함하는 필터 장치에 로딩될 수 있다. 이러한 필터 장치는 물 흐름을 위한 입구 포트와 물 흐름을 위한 출구 포트 사이에 다수의 단편(200)을 지지하는 필터 모듈을 포함할 수 있다. 필터 모듈은 파이프 또는 여과 카트리지에 배치될 수 있다.
예시적인 필터 모듈이 도 4에 나타나고, 여기서 필터 모듈(300)은 이 구체예에서 양 끝에 있는 것으로 나타난 개구(320 및 330)를 갖는 카트리지(340)를 포함한다. 카트리지(340)는 단편(310)으로 패킹된다.
단편은 필터 장치의 필터 모듈 내의 상부 개방 함몰부에 배치될 수 있다. 이러한 구조를 갖는 예시적인 필터 장치가 도 5에 나타난다. 필터 장치(500)는 개방 상부가 있는 함몰부플 형성하는 바스켓(520)(예컨대 와이어 메쉬 재료의 바스켓)을 포함하는 호퍼(510)로 구성된다. (위의 도 1 및 2와 관련하여 설명된 종류의) 다수의 단편(530)이 호퍼(510)와 바스켓(520) 사이의 공간에 포함된다.
호퍼(510)는 브래킷 상에서와 같이, 연석 입구에 인접한 우수 배수구에 현수되도록 구성될 수 있다. 사용 시, 유출수(도시되지 않음)는 우수 배수구의 연석 입구(506)로 들어가고 필터 장치(500)를 통과한다. 호퍼(510)에 들어간 후, 물은 바스켓(520)의 쓰레기 품목을 포획하는 메쉬 스크린을 통과하고, 다수의 단편(530)을 통과한다. 따라서, 유기, 금속 및 인산염 오염물질이 유출수로부터 제거되고, (천공된 강철 또는 플라스틱 바닥(540)을 통해) 호퍼(510)로부터 통과하는 물의 전체 순도가 향상된다.
다음 실시예는 MIC 입자 합성 및 MIC 입자와 탄화수소 포획 매체의 조합을 설명한다. 실시예는 예시적이며 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다.
실시예 1
파트 1: 200 파운드(91 kg) 양의 소나무 칩을 칭량하여 150 입방 피트(4.25 m3)의 부피를 갖는 미네소타, 뉴프라하의 Scott Equipment Company에 의해 제조 및 판매되는 Model HRM4812 반응기에 부었다. 반응기에는 내부에 포함된 액체-고체 혼합물 및 건조 고체를 교반할 수 있는 수평 회전식 오거가 장착되었다.
첫 번째 별도의 용기에서, 교반하며 35.3 파운드(15.5 kg)의 수산화 소듐 펠렛을 32.6 파운드(14.8 kg)의 물에 첨가했다. NaOH 펠렛이 용해되어 고농측 부식성 용액을 생성한다. 용액은 주위 온도로 냉각되었다.
NaOH 용액은 교반되며, 24.0 갤런(91 리터)의 미시간, 미들랜드의 Dow Chemical Company에 의해 제조 및 판매되는 65 중량 퍼센트 농도의 N-(3-클로로-2-하이드록시프로필) 트리메틸암모늄 클로라이드의 수용액인 Quat 188 양이온성 단량체를 포함하는 두 번째의 별도의 용기에 이송되었다.
Quat 188 이송이 완료되면, 반응기가 폐쇄되었고, 재순환 펌프 및 히터가 활성화되어, 용기 벽을 둘러사는 재킷을 통해 반응기 용기에 열을 제공한다. 히터는 용기 및 내용물을 176 ℉(80 ℃)로 가열하도록 프로그래밍되었다. 수평 교반기는 20-25 RPM의 혼합 속도를 유지하도록 설정되었다. 가열 및 혼합은 다섯 시간 동안 지속되었다.
반응기는 밤새 주위 온도로 냉각되었다. 반응기를 열면, 사차화된 우드칩이 황금빛 갈색을 띠는 것이 관찰되었다. 이는 목재가 탄화된 외양을 갖는 지점까지 추가로 반응하는 다른 실험적 시도에서, 결과적인 최종 제품이 불만족스럽기 때문에 바람직한 것으로 간주되었다.
세 번째의 별도의 용기에서, 31 중량 퍼센트 농도의 1.94 갤런(7.3 리터)의 염산을 40 중량 퍼센트 농도의 27.65 갤런(105 리터)의 염화제이철에 첨가했다. 29.6 갤런(112 리터)의 용액으로 구성된 생성된 양을 스프레이 노즐을 통해 반응기에 주입하고 20-25 RPM의 속도로 반응기를 혼합하여 우드칩 상에 균일하게 도포했다.
이 킬레이트와 반응을 30 분 동안 수행했다. 30 분이 바람직한 것으로 결정되었다. 다른 시도에서, 반응이 약 45 분 동안 지속되었을 때, 우드칩은 짙은 갈색 또는 검은색을 갖고 탄 것처럼 보였고, 결과적인 최종 제품은 불만족스러웠다.
네 번째의 별도의 용기에서, 71.9 갤런(272 리터)의 수산화 암모늄을 28 중량 퍼센트의 농도로 제조했다. NH4OH 용액을 20-25 RPM의 속도로 혼합하면서 반응기로 이송했다. NH4OH 용액의 이송이 완료되면, 재순환 펌프 및 히터가 활성화되었고, 히터는 용기와 내용물을 176 ℉(80 ℃)로 가열하도록 프로그래밍되었다. 수평 교반기는 20-25 RPM의 혼합 속도를 유지했다.
가열 및 혼합은 열 시간 동안 지속되어, 중량으로 5 퍼센트 미만의 물의 수분 함량으로 우드칩의 건조가 야기되었다.
교반하며 200 갤런(757 리터)의 물을 반응기에 반복적으로 첨가한 다음, 우드칩을 보유하기 위한 스크린이 장착된 반응기의 바닥 포트를 통해 물을 배수하으로써 우드칩의 세 번 반복 세척을 수행했다.
세척이 완료되면, 재순환 펌프 및 히터가 활성화되었고, 히터는 용기와 내용물을 176 ℉(80 ℃)로 가열하도록 프로그래밍되었다. 수평 교반기는 20-25 RPM의 혼합 속도를 유지했다. 가열 및 혼합은 열 시간 동안 지속되어, 중량으로 5 퍼센트 미만의 물의 수분 함량으로 우드칩의 건조가 야기되었다.
우드칩이 건조되면, 반응기 바닥의 게이트 밸브가 개방되었고, 우드칩이 한 쌍의 배럴로 배출되었다.
결과적인 최종 제품인 철 나노입자가 결합된 우드칩은 약 236 파운드(107 kg)로 계량되었고 약 12 중량 퍼센트의 원소 철 함량을 가졌다. 이 최종 제품은 이후에 기술되는 바와 같이 다기능 조성물의 배치를 제조에서 후속적으로 사용되었다.
다른 실험적 시도에서, 최대 약 35 중량 퍼센트의 원소 철 함량을 갖는 우드칩이 획득되었다. 더 높은 철 함량 MIC 입자의 제조가 고려된다.
파트 2: 최종 제품의 MIC 입자 구성요소로서 위의 파트 1에서 설명된 산화철 나노입자를 포함하는 목재 입자를 사용했다. 최종 제품의 탄화수소 포획 매체로서 SBS 및 EPDM 과립을 사용했다. SBS 및 EPDM 과립은 위에서 식별된 JS Tech 및 LCY 재료였다.
과립도 입자도 구형이 아니었다. 과립 및 입자는 다음의 특징 치수(길이, 너비 및 두께의 대략적인 평균)를 가졌다:
- SBS: 3350 마이크론 (6 메쉬 스크린).
- EPDM: 425 마이크론 (40 메쉬 스크린).
- 목재 입자: 3350 마이크론(6 메쉬 스크린)의 우드칩과 약 500 마이크론(35 메쉬 스크린)의 목재 톱밥이 또한 존재함. (제조업체로부터 공급된 그대로의 우드칩은, 파쇄로 인해 약 10 중량 퍼센트 미만의 작은 비율의 목재 톱밥을 포함함.)
재료를 조합하는 과정을 시작하기 전에, 재료의 개별 별도의 배치를 중량으로 0.5 퍼센트 이하의 물의 수분 함량으로 건조시켰다.
다음으로, 50 lbs.(22.7 kg)의 SBS 과립, 22 lbs.(10 kg)의 EPDM 과립 및 28 lbs.(12.7 kg)의 철 함유 목재 입자를 뉴욕, 하포그의 Charles Ross & Son Company에 의해 제조 및 판매되는 Model 42N-5 블렌더에 첨가했다.
블렌더에는 Model 1712-A5 온도 제어기가 장착되었다. 제어기는 95 ℉(35 ℃)의 혼합 챔버 온도를 제공하도록 히터를 작동시키도록 설정되었다. 세 가지 재료가 95 ℉(35 ℃)에서 15 분 동안 56.8 RPM의 혼합 속도로 혼합되었다. 혼합물은 냉각되었고 블렌더로부터 제거되었다.
결과적 혼합물의 실험적 시도 및 분석은, 이 온도에서, 획득된 목재 입자가 SBS 과립의 균열로 침투함을 보여주었다. 상승된 온도에서, SBS 과립은 명백하게 확대되어, 그 안의 기공 및 균열 크기가 증가하여, 더 작은 MIC 입자가 기공을 함침시키고 SBS 과립에 더 강하게 부착되게 한다.
파트 3: 생성된 혼합물은 오하이오, 애크런의 The Bonnot Company에 의해 제조 및 판매되는 패커로 2-인치(약 5-cm) 압출기의 공급 호퍼에 넣어졌다. 압출기 작동 전에, 배럴은 110 ℉(43 ℃)의 온도 설정을 사용하여 가열되었고, 이는 압출기 내의 재료가 압출기의 작동 동안 원하는 온도에 도달하도록 할 수 있다.
압출기의 스크류는 50 RPM의 속도로 작동되어, 공급 호퍼로부터 SBS/EPDM/MIC 혼합물을 끌어들이고 혼합물이 가열되고 배럴을 따라 축방향으로 흐른다.
온도 데이터는 혼합물이 압출기 배럴의 끝의 다이 직전 위치에서 약 120-130 ℉(49-54 ℃)의 온도에 도달했음을 나타냈다.
압출기의 작동이 계속되어, 1.25 인치(3.175 cm)의 오리피스 직경을 갖는 다이를 통해 압출물을 전달했다. 압출물은 약 1.75 인치(4.5 cm)의 직경까지 팽창되었다. 압출기로부터 배출된 압출물의 관찰에 기초하여, 유동 혼합물의 물리적 양태는 공급 호퍼에서 느슨한 입자로부터 스펀지 형태로 변화되었다.
압출물은 축 방향을 따라 수직 및 수평 블레이드에 의해 네 개의 동일한 섹션으로 절단되었고, 각 섹션은 후속적으로 약 0.5 x 0.75 인치(대략 1-2 cm)의 작은 조각으로 절단되었고, 이는 본원에서 이전에 설명된 제품에서 사용하기에 적절한 최종 제품을 생성했다.
최종 제품 단편의 조성은 중량으로 50 퍼센트의 SBS, 중량으로 22 퍼센트의 EPDM 및 중량으로 28의 퍼센트 산화철 나노입자가 있는 목재 입자였다.
전술한 '791 특허의 교시 및 탄화수소 흡수 조성물과 '791 특허의 제품 개발에서 얻은 경험에 기초하여, MIC가 실질적으로 불투과성이고, 결과적으로 겔 차단 효과가 증가할 것임을 감안할 때, MIC의 첨가로 인해 상기 예시 물질의 조성물 및 제품을 통한 물의 투과성이 상당히 감소될 것으로 예상되었다. 첨가된 MIC 재료의 희석 효과 및 감소된 투과성으로 인해 탄화수소 재료를 흡수하는 능력이 또한 감소될 것으로 예상되었고, 이는 폐수가 모든 간극과 접촉하여 탄화수소 흡수를 최대화하는 것을 방지할 것이다. 금속 및 인산염(또는 기타 유기물) 저감 능력은 예측할 수 없는 것으로 간주되었지만, MIC 재료가 조성물의 투과성을 감소시키는 경우에도 부정적인 영향을 받을 것으로 예상되었다.
이러한 예상과 달리, 실험적 예시 조성물 및 제품은 놀랍게도 '791 특허에 따라 제조된 재료와 비교하여 무시할만 한 투과성 감소를 가졌고 실질적인 탄화수소 흡수 효능을 유지했으며, 모의 및 실제 폐수 샘플에서 금속 및 인산염 제거에 또한 효과적이었다. 이는 다음과 같이 테스트 프로토콜을 수행하여 결정되었다:
투과성 테스트: 직경 2 인치(5 cm) 및 길이 72 인치(1.83 m) (직렬로 연결된 네 개의 18 인치 길이 (46 cm) 컬럼) 원통형 컬럼이 고정물에 수직으로 장착되었고 유량계를 통해 배출되는 출구 포트가 제공되었다. 밸브를 통해 컬럼 상단에 연결된 배수구가 있는 용기가 컬럼 위에 제공되었다. 밸브 개방은 컬럼의 상단에서 즉각적인 범람을 야기했다.
'791 특허의 개시에 따라 제조된 표준 탄화수소 흡수 매체의 투과성 테스를 위해, 컬럼은 이러한 매체로 충전되었다. 본 개시내용의 실험 탄화수소, 금속 및 인 흡수 매체의 투과성 테스트를 위해, 컬럼은 상기 실시예 1에 따라 제조된 매체로 충전되었다. 동일한 크기의 매체의 단편으로 컬럼을 패킹하고 동일한 밀도 및 중량의 매체로 컬럼을 패킹하기 위해 두 경우에서 모두 주의를 기울였다. 두 가지 투과성 테스트에서, 컬럼의 상단은 실질적으로 순간적으로 범람되었고, 컬럼의 배출 포트로부터의 유량은 용기가 배수되고 흐름이 멈출 때까지 측정되었다.
표 1은 유출액이 두 매체를 통할 뿐만 아니라, SBS 및 EPDM과 혼합 및 압출되지 않는 별도의 MIC 입자를 통해 흐르는 속도의 비교를 제공한다. (아래 표에서, "SMPK SS"는 표준 탄화수소 흡수 매체를 지칭하고, "SMPK SS HM"은 MIC 입자를 포함하는 실험용 탄화수소, 금속 및 인 흡수 매체를 지칭한다.) 흐름은 중력 구동되었다. 즉 유량을 증가시키기 위해 컬럼에 추가의 헤드 압력이 가해지지 않았다. 각 매체에 대해, 컬럼 상단으로부터 측정한 1-5 피트(30-152 cm)의 컬럼 깊이까지 배수하기 위해 필요한 시간이 나타난다. 따라서, 더 긴 시간은 더 낮은 투과성을 나타낸다.
여과층 깊이 1 ft
(30 cm)		 2 ft
(61 cm)		 3 ft
(91 cm)		 4 ft (122 cm) 5 ft (152 cm)
흐름 시간 평균 (분) SMPK SS 0.3 0.587 1 1.287 1.37
SMPK SS HM 0.32 0.577 1.05 1.305 1.41
MIC 입자 단독 1.64 4.01 5.98 7.23 9.71
표 1. 표준 탄화수소 흡수 매체, MIC 입자, 및 MIC 입자를 포함하는 탄화수소, 금속 및 인 흡수 매체의 투과성 비교.
데이터로부터 표준 탄화수소 흡수 매체 및 MIC 입자를 포함하는 탄화수소, 금속 및 인 흡수 매체의 투과성은 실질적으로 동일함을 알 수 있다. 따라서, MIC 입자만을 포함하는 충전층의 유동 시간이 훨씬 길어서, MIC 입자 단독의 투과성이 훨씬 낮음을 알 수 있다.
탄화수소, 금속 및 인산염 제거 시험: 직경 2 인치(5 cm) 및 길이 18 인치(46 cm)의 원통형 유리 컬럼이 고정물에 수직으로 장착되었고 밸브를 통해 배출되는 출구 포트가 제공되었다. 컬럼을 각각의 재료로 패킹하는 것과 관련하여 동일한 예방 조치를 취했다.
폐수의 샘플은 캘리포니아, 노워크 및 영국, 브라이턴을 포함하는 위치로부터 얻었다. 각각의 폐수 샘플(이하 "유입액"으로 지칭됨)에 대해, 매체로 처리하기 전에, (a) 알칼리도, 생화학적 산소 요구량(biochemical oxygen demand, BOD), 총 부유 물질(total suspended solids, TSS), 및 탁도; 및 (b) 다양한 금속 원소 및 총 인산염의 농도의 측정이 이루어졌다.
각 폐수 샘플에 대해, 상기 유입액 측정 후, 컬럼이 폐수로 범람되었다. 범람이 완료되었을 때, 즉, 매체가 완전히 습윤되고 공기가 존재하지 않았을 때, 컬럼 하단의 밸브가 개방되었다. "시간 0" 또는 "쏟아진 유출액" 샘플을 즉시 취한 다음, 추가의 샘플을 2 분, 3 분 및 5 분의 후속 시간 간격으로 취한 다음, 최종, 즉 "빈 층 접촉 시간(empty bed contact time)" (EBCT) 샘플을 배수 종료 시 컬럼으로부터 배출된 최후의 유출액 후 10 초, 즉, EBCT 후 10 초에 취했다. 상기 알칼리도, BOD, TSS, 혼탁도 및 화학적 농도가 모든 샘플에 대해 측정되었다.
표 2는 대표적인 폐수 샘플에 대한 다양한 금속 및 인산염 제거에서 표준 탄화수소 흡수 매체 및 탄화수소, 금속 및 인산염 흡수 매체의 효능의 비교를 제공한다. 두 매체에 대해, 표 2의 데이터는 EBCT 후 10 초에 채취한 유출액 샘플에 대한 것이다.
물질 단위 미처리 샘플 SMPK SS SMPK SS HM
농도 농도 제거
퍼센트		 농도 제거
퍼센트
알루미늄 ppb 24.13 24.34 -0.9% 82.42 -241.6%
비소 ppb 32.00 31.12 2.8% 2.94 90.8%
카드뮴 ppb 109.51 105.13 4.0% 9.04 91.7%
크롬 ppb 8.60 8.43 2.0% 1.17 86.4%
구리 mg/l 3.00 3.14 -4.7% 0.11 96.2%
탄화수소 mg/l 56.00 2.43 95.7% 3.14 94.4%
철 mg/l 12.00 12.30 -2.5% 1.30 89.2%
납 ppb 34.54 35.13 -1.7% 4.22 87.8%
망간 mg/l 4.37 4.24 3.0% 1.05 76.0%
몰리브덴 mg/l 2.20 2.21 -0.5% 0.31 85.9%
셀레늄 ppb 2.15 2.12 1.4% 0.28 87.0%
스트론튬 mg/l 2.81 2.73 2.8% 2.49 11.4%
아연 mg/l 25.14 23.54 6.4% 4.35 82.7%
총 인산염 mg/l 8.20 8.27 -0.9% 0.24 97.1%
표 2. 표준 탄화수소 흡수 매체 및 탄화수소, 금속 및 인산염 흡수 매체에 대한 화학적 성분 제거의 효능 비교. (EBCT 후 30 분에 채취된 셀레늄 측정용 샘플을 제외하고, 분석용 샘플은 EBCT 후 10 초에 채취되었다.)
'791 특허의 탄화수소 흡수 매체와 비교하여 본 개시내용의 탄화수소, 금속 및 인산염 흡수 매체는 탄화수소의 제거에 동등하게 효과적이며, 인산염 및 금속(알루미늄 제외) 제거에 훨씬 더 효과적임을 알 수 있다. 또한, 알루미늄과 스트론튬을 제외하고, 탄화수소, 금속 및 인산염 흡수 매체는 유입액 폐수 샘플에 존재하는 매우 높은 비율의 금속을 제거했다. 유입액 샘플은 거의 중성인 7.17의 pH를 가졌고, 이는 어느 매체로 처리한 후에도 실질적으로 변하지 않고 유지되었음이 또한 주목된다.
실시예 2 및 3
본 개시내용의 예시적인 탄화수소, 금속 및 인산염 흡수 조성물이 또한 제조되었고, 여기서 OMM은 열분해되었다. 한 구체예에서, 열분해된 OMM은 바이오차르였다. 또 다른 구체예에서, 열분해된 OMM은 활성탄이었다. 이들 조성물에 대한 혼합 및 압출 공정은 상기 실시예 1에 개시된 조성물의 혼합 및 압출 공정과 유사했다. 테스트 프로토콜은 표 1 및 표 2에 제시된 매체에 대해 위에서 기재된 바와 같이 수행되었다.
표 3은 유출액이 표준 탄화수소 흡수 매체 SMPK SS를 통해 그리고 BC 및 AC 입자를 포함하는 실험적 탄화수소, 금속 및 인산염 흡수 매체를 통해 흐르는 속도의 비교를 제공한다. 흐름은 이전에 설명된 테스트 프로토콜에 따라 중력 구동되었다. 더 긴 시간은 더 낮은 투과성을 나타낸다.
여과층 깊이 1 ft
(30 cm)		 2 ft
(61 cm)		 3 ft
(91 cm)		 4 ft
(122 cm)		 5 ft
(152 cm)
흐름 시간 평균
(분)		 SMPK SS 0.3 0.587 1 1.287 1.37
SMPK SS 바이오차르 0.41 0.588 1.13 1.403 1.40
SMPK SS 활성탄 0.38 0.692 1.32 1.556 1.65
표 3. 표준 탄화수소 흡수 매체 및 바이오차르 입자 및 활성탄 입자를 포함하는 탄화수소, 금속 및 인산염 흡수 매체의 투과성 비교.
데이터로부터 표준 탄화수소 흡수 매체의 투과성이 BC 입자를 포함하는 탄화수소, 금속 및 인산염 흡수 매체의 투과성과 실질적으로 동일하고, 표준 탄화수소 흡수 매체의 투과성이 AC 입자를 포함하는 탄화수소, 금속 및 인산염 흡수 매체의 투과성보다 단지 약간 더 크다는 것이 명백하다.
표 4는 대표적인 폐수 샘플에 대한 다양한 금속 및 인산염 제거에서 열분해된 OMM로 구성된 두 가지 매체의 효능에 대한 제이터를 제시한다. 두 매체에 대해, 표 4의 데이터는 EBCT 후 10 초에 채취한 유출액 샘플에 대한 것이다.
물질 단위 미처리 샘플 바이오차르 활성탄
농도 농도 제거
퍼센트		 농도 제거
퍼센트
알루미늄 ppb 24.13 7.26 69.9% 22.91 5.1%
비소 ppb 32.00 7.82 75.6% 8.36 73.9%
카드뮴 ppb 109.51 30.32 72.3% 78.97 27.9%
크롬 ppb 8.60 11.65 -35.5% 5.33 38.0%
구리 mg/l 3.00 0.512 82.9% 2.880 4.0%
탄화수소 mg/l 56.00 3.880 93.1% 4.320 92.3%
철 mg/l 12.00 4.56 62.0% 10.78 10.2%
납 ppb 34.54 6.86 80.1% 25.45 26.3%
망간 mg/l 4.37 1.26 71.2% 3.70 15.3%
몰리브덴 mg/l 2.20 0.65 70.5% 2.05 6.8%
셀레늄 ppb 2.15 0.98 54.4% 1.95 9.3%
스트론튬 mg/l 2.81 1.43 49.1% 1.48 47.3%
아연 mg/l 25.14 12.73 49.4% 23.67 5.8%
총 인산염 mg/l 8.20 6.20 24.4% 8.34 -1.7%
표 4. 열분해된 셀룰로스 매트릭스 재료를 갖는 매체(바이오차르 매체 및 활성탄 매체)에 대한 화학적 성분 제거의 효능.
열분해된 OMM, 즉, BC 및 AC로 구성된 조성물은 표 2의 탄화수소 흡수 매체 SMPK SS와 비교하여 표 4의 대부분의 금속의 저감에 상당히 더 효과적임을 알 수 있다.
본 개시내용에 따라, 조성물이 수질 오염의 저감에서 다기능 능력을 갖는 재료 조성물, 그의 합성 방법 및 조성물을 포함하는 제품이 제공되었다.

Claims (36)

  1. M-클래스 고무(M-Class rubber, MCR) 매트릭스에 매립된 스타이렌-부타디엔-스타이렌(styrene-butadiene-styrene, SBS) 과립에 부착된 유기 매트릭스 재료(organic-based matrix material, OMM)의 입자를 포함하는 물질의 조성물.
  2. 제1항에 있어서, OMM 입자는 금속 나노입자가 함침되고 MCR은 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체(ethylene propylene diene monomer, EPDM)인 조성물.
  3. 제2항에 있어서, OMM 입자는 바이오차르 입자, SBS 및 EPDM의 총 중량의 20 내지 28 퍼센트의 비율로 존재하는 바이오차르 입자인 조성물.
  4. 제2항에 있어서, OMM 입자는 셀룰로스 입자, SBS 및 EPDM의 총 중량의 20 내지 28 퍼센트의 비율로 존재하는 셀룰로스 입자인 조성물.
  5. 제2항에 있어서, 금속 나노입자는 철 나노입자인 조성물.
  6. 제5항에 있어서, OMM 입자는 셀룰로스 입자이고 셀룰로스 입자는 10-50중량%의 원소 철을 함유하는 조성물.
  7. 제2항에 있어서, OMM 입자는 활성탄 입자, SBS 및 EPDM의 총 중량의 20 내지 24 퍼센트의 비율로 존재하는 활성탄 입자인 조성물.
  8. 다음 단계를 포함하는, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 조성물을 형성하는 방법:
    a) OMM 입자, SBS 과립 및 MCR 과립을 혼합함으로써, (i) 스타이렌-부타디엔-스타이렌(SBS) 과립에 부착된 유기 매트릭스 재료(OMM)의 입자 및 (ii) M-클래스 고무(MCR)의 과립의 혼합물을 형성하는 단계;
    b) 압출기를 통해 파트 (a)의 혼합물을 공급하고, 압출기에서 혼합물을 가열하는 단계; 및
    c) 가열된 혼합물을 다이를 통해 압출하는 단계.
  9. 제8항에 있어서, 혼합물 형성 전에 OMM 입자에 금속 나노입자를 함침시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 파트 (b)는 압출기에서 혼합물을 압출기의 압력에서 MCR의 유효 융점보다 8 ℃ 초과 아래이고 압출기의 압력에서 MCR의 유효 융점보다 6 ℃ 미만 위이고, 또한 압출기의 압력에서 SBS의 유효 융점보다 낮은 온도로 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 압출기 안의 혼합물 가열은 압출기를 49 ℃ 내지 54 ℃의 온도로 설정함으로써 혼합물을 가열하는 것을 포함하는 방법.
  12. 제한된 흐름에서 일정 부피의 물에 동반된 오일 및 금속 원소를 포획하기 위한 필터 장치로서, 상기 장치는 (a) 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 조성물로 구성된 다수의 파열된 단편; 및 (b) 물 흐름을 위한 입구 포트와 물 흐름을 위한 출구 포트 사이에서 단편을 지지하는 필터 모듈을 포함하는 필터 장치.
  13. 제12항에 있어서, 필터 모듈은 파이프에 배치되는 필터 장치.
  14. 제12항에 있어서, 필터 모듈은 여과 카트리지에 배치되는 필터 장치.
  15. 일정 부피의 물에 동반된 오일 및 금속 원소를 포획하기 위한 방법으로서, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 조성물로 구성된 필터 매체의 소수성 바디인 오염물질-흡수제의 다수의 파열된 단편의 간극을 통해 물 스트림의 흐름을 유도하는 것을 포함하는 방법.
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