KR102590630B1 - 흡착제 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

종래의 흡착제에 의해 달성되는 것보다 낮은 비소 및 안티몬의 고유한 침출을 나타내는 흡착제가 개시되어 있다. 본 발명의 흡착제는, 다공성 흡착제 미립자를 금속 산화물 또는 금속 수산화물 용액, 또는 금속 산화물 전구체 또는 금속 수산화물 전구체 용액과 접촉시키는 단계, 및 상기 금속 산화물 및 수산화물을 상기 다공성 흡착제 미립자의 공극들 내에 침착시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 형성된다. 물의 정제도 개시되어 있다.

Description

흡착제 및 제조방법
정부 이해관계: 해당 사항 없음.
공동 연구 협정에 대한 참여: 해당 사항 없음.
컴팩트 디스크로 제출된 자료의 인용에 의한 포함: 해당 사항 없음.
본 발명은, 2017년 2월 10일에 출원된 미국 가특허출원 제62/457,482호에 대한 우선권을 주장하며, 이의 전문은 인용에 의해 포함된다.
염소화 및 할로겐화 유기 화합물, 트리할로메탄, 흡착성 유기 할로겐(AOX), 휘발성 유기 화합물(VOC), 악취 물질, 착색 오염 물질, 생물학적 처리 시스템용 화합물, 방향족 물질, 살충제 등을 포함하는 다양한 오염 물질을 제거하기 위해, 활성탄 및 다른 흡착제가 식수 산업에서 일반적으로 사용된다. 오염된 물을 흡착제와 직접 접촉시켜 정제가 실시된다. 정제 동안, 물에 존재하는 다양한 오염 물질이 흡착제 물질의 다공성 구조 내에 흡착되며, 상기 다공성 구조는 이후의 탈착 및/또는 폐기를 위해 오염 물질을 포획하여 보유한다. 활성탄은 폭넓게 다양한 오염 물질을 흡수하는 데 효과적이기 때문에, 이러한 목적으로 사용되는 가장 일반적인 흡착제이다.
이러한 공정은 식수원에 존재하는 가장 일반적인 오염 물질을 제거하는데 효과적이지만, 가장 상업적으로 입수가능한 활성탄 흡착제는 바람직하지 않은 금속, 예를 들어, 비소, 안티몬 및 알루미늄을 백만분율(ppm)의 양의 낮은 수준으로 함유한다. 금속은, 금속을 포함하는 석탄 기반 활성탄으로부터의 또는 오염된 땅에서 성장되거나 오염된 공기 또는 물에 노출된 폐기 유기 물질로부터의 활성탄 공급원으로부터 유래한다. 금속이 활성탄 중에 존재하는 경우, 이들은 액상(liquid phase) 처리 공정을 시작하는 동안 10억분율(ppb) 수준으로 가용성 옥시-음이온 형태로 식수 내로 침출될 수 있다. 이러한 양은 작지만 여전히 바람직하지 않다.
선행 기술은 활성탄 흡착제를 별도의 활성화-후 산 세척 단계로 처리함으로써 이러한 문제를 해결하고자 하였다. 이러한 방법은 금속 침출을 효과적으로 감소시킬 수 있지만, 결과는 일정하지 않으며 활성탄 공급 원료의 조성에 따라 변한다.
흡착제 물질에 의해 가장 잘 제거되는 다양한 유기 오염 물질에 의한 식수의 오염을 방지하면서, 또한 상기 흡착제 물질에 존재하는 금속에 의한 부수적인 오염을 피할 필요가 있다. 선행 기술의 활성화-후 산 세척 공정의 단점을 피하는, 흡착제 물질, 특히 활성탄 흡착제 물질을 처리하는 공정 및 방법의 개선에 대한 요구도 존재한다.
본 발명은, 다양한 유기 오염 물질에 의한 식수의 오염을 방지하고, 물을 처리하는데 사용되는 흡착제에 존재하는 금속 및 다른 원소의 침출에 의한 물의 오염을 피하기 위한 여러 양태에 관한 것이다. 본 발명은, 다공성 흡착제 미립자 조성물의 양태들 및 이들의 제조방법에 관한 것이다. 상기 양태들은 다공성 흡착제 미립자를 사용하는 수처리 방법도 포함한다. 상기 양태들은 최종적으로, 다공성 흡착제 미립자를 포함하는 장치를 포함한다. 상기 양태들이 이하에 설명된다.
1. 다공성 흡착제 미립자, 및
상기 다공성 흡착제 미립자의 공극들 내에 침착된, 금속 산화물 또는 금속 수산화물 중 적어도 하나를 포함하는, 조성물.
2. 상기 다공성 흡착제 미립자가 활성탄인, 양태 1의 조성물.
3. 상기 금속 산화물 또는 금속 수산화물이 산화지르코늄 또는 수산화지르코늄인, 양태 1의 조성물.
4. 상기 금속 산화물 또는 금속 수산화물의 양이 약 0.1 내지 약 2wt%인, 양태 1의 조성물.
5. 상기 금속 산화물 또는 금속 수산화물의 양이 약 0.1 내지 약 1wt%인, 양태 1의 조성물.
6. 공극 내에 침착된 금속 산화물 또는 금속 수산화물이 실질적으로 없는 제2 다공성 흡착제 미립자를 추가로 포함하는, 양태 1의 조성물.
7. 상기 다공성 흡착제 미립자와 상기 제2 다공성 흡착제 미립자의 비가 약 5:1 내지 약 1:5인, 양태 6의 조성물.
8. 상기 다공성 흡착제 미립자가, 역청탄, 아역청탄, 갈탄, 무연탄, 이탄, 넛 쉘(nut shell), 피트(pit), 코코넛, 바바수 넛, 마카다미아 넛, 덴데 넛, 복숭아 피트, 체리 피트, 올리브 피트, 호두 껍질, 목재, 버개스, 왕겨, 옥수수 껍질, 밀 껍질, 중합체, 수지(resin), 석유계 피치, 탄소질 물질, 또는 이들의 조합으로부터 형성되는, 양태 1의 조성물.
9. 상기 조성물의 접촉 pH(contact pH)가 약 5.5 내지 약 10인, 양태 1의 조성물.
10. 상기 조성물의 접촉 pH가 약 6.5 내지 약 8.5인, 양태 1의 조성물.
11. 상기 조성물이,
다공성 흡착제 미립자를 용액과 접촉시키는 단계로서, 상기 용액이, 금속 산화물 또는 금속 수산화물 또는 금속 산화물 전구체 또는 금속 수산화물 전구체 중 적어도 하나를 포함하는, 상기 접촉 단계, 및
금속 산화물 또는 금속 수산화물 중 적어도 하나를, 상기 다공성 흡착제 미립자의 공극들 내에 침착시키는 단계에 의해 형성된 것인, 양태 1의 조성물.
12. 다공성 흡착제 미립자를 용액과 접촉시키는 단계로서, 상기 용액이, 금속 산화물 또는 금속 수산화물 또는 금속 산화물 전구체 또는 금속 수산화물 전구체 중 적어도 하나를 포함하는, 상기 접촉 단계, 및
금속 산화물 또는 금속 수산화물 중 적어도 하나를, 상기 다공성 흡착제 미립자의 공극들 내에 침착시키는 단계를 포함하는, 양태 1의 조성물의 제조방법.
13. 상기 다공성 흡착제 미립자가 활성탄인, 양태 12의 제조방법.
14. 상기 침착 단계가, 상기 금속 산화물 또는 금속 수산화물을 상기 다공성 흡착제 미립자의 공극들 내에 침전시킴을 포함하는, 양태 12의 제조방법.
15. 상기 금속 산화물 또는 금속 수산화물이 산화지르코늄 또는 수산화지르코늄인, 양태 12의 제조방법.
16. 상기 접촉 단계가 분무, 액침(immersion), 유동 또는 이들의 조합에 의해 실시되는, 양태 12의 제조방법.
17. 상기 금속 산화물 전구체 또는 금속 수산화물 전구체가, 염화지르코닐, 황산지르코늄, 질산지르코늄, 인산지르코늄을 포함하지만 이들로 제한되지는 않는 지르코늄 산화물 또는 이들의 티탄, 하프늄 또는 철 유사체의 산성 용액인, 양태 12의 제조방법.
18. 상기 다공성 흡착제 미립자가, 상기 다공성 흡착제 미립자를 가열함을 포함하는 열 처리 단계로 추가로 처리되는, 양태 12의 제조방법.
19. 상기 다공성 흡착제 미립자가, 상기 다공성 흡착제 미립자를 약 23 내지 약 1,200℃의 온도로 가열함을 포함하는 열 처리 단계로 추가로 처리되는, 양태 12의 제조방법.
20. 상기 가열이 약 450 내지 약 1,000℃의 온도로의 가열인, 양태 19의 제조방법.
21. 상기 가열이 약 50 내지 약 400℃의 온도로의 가열인, 양태 19의 제조방법.
22. 상기 열 처리 단계가, 공기, 환원성 대기, 불활성 대기, 또는 이들의 조합 하에서 실시되는, 양태 19의 제조방법.
23. 상기 열 처리 단계가, 불활성 대기하에서 약 450 내지 약 850℃의 온도에서 실시되는, 양태 19의 제조방법.
24. 양태 1에 기재된 조성물을 물과 접촉시키는 단계를 포함하는, 수처리 방법.
25. 상기 접촉단계가, 양태 1의 조성물을 포함하는 베드(bed) 위로 물을 유동시키는 단계, 양태 1에 기재된 조성물을 포함하는 필터 내로 물을 도입하는 단계, 물을 보유하기 위한 용기 내로 양태 1에 기재된 조성물을 도입하는 단계, 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 양태 24의 수처리 방법.
26. 상기 물을 여과하는 단계, 상기 물을 소독하는 단계, 상기 물을 정화시키는(clarifying) 단계, 상기 물의 pH를 조정하는 단계, 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 단계를 추가로 포함하는, 양태 24의 수처리 방법.
27. 상기 물을 소독하는 단계가, 자외광 조사, 염소 첨가, 오존 첨가, 클로라민 첨가, 또는 이들의 조합을 사용하여 실시되는, 양태 24의 수처리 방법.
28. 상기 정화 단계가, 사이클론 분리, 필터 또는 막 매질, 응집(coagulation), 플록 형성(flocculation), 폭기(aeration), 또는 이들의 조합을 사용하여 실시되는, 양태 24의 수처리 방법.
29. 상기 물의 pH 조정 단계가, 산 첨가, 염기 첨가, 희석수 첨가, 또는 이들의 조합에 의해 실시되는, 양태 24의 수처리 방법.
30. 양태 1의 조성물을 포함하는 수처리 장치.
이하의 상세한 설명에서, 본 발명의 일부를 구성하는 첨부 도면을 참조한다. 도면에서, 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 유사한 기호는 일반적으로 유사한 구성 요소를 나타낸다. 상세한 설명, 도면 및 청구범위에 설명된 예시적인 양태는 제한하고자 하는 것이 아니다. 본원 명세서에 제시된 주제의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 다른 양태들이 사용될 수 있고 다른 변경들이 이루어질 수 있다. 본원 명세서에서 일반적으로 설명되고 도면에 도시되는 바와 같이, 본원 명세서의 양태들은 폭넓게 다양한 상이한 구성으로 배열, 치환, 조합, 분리 및 설계될 수 있으며, 이들 모두는 본원 명세서에서 명시적으로 고려된다는 것이 쉽게 이해될 것이다.
도 1은, 신활성탄(virgin activated carbon) 및 건조 또는 하소된 ZrO2로 함침된 활성탄에 대한 비소의 금속 침출 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 2는, 신활성탄 및 건조 또는 하소된 ZrO2로 함침된 활성탄에 대한 안티몬의 금속 침출 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 3은, 신활성탄 및 건조 또는 하소된 ZrO2로 함침된 활성탄에 대한 알루미늄의 금속 침출 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 4는, 신활성탄 및 건조 또는 하소된 ZrO2로 함침된 활성탄에 대한 pH 프로파일을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 조성물 및 방법이 개시되기에 앞서, 본 발명은 개시된 특정한 방법, 조성물 또는 방법론이 다양해질 수 있는 것과 같이, 이들로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본원 명세서에서 사용되는 용어는 특정한 버전 또는 양태를 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하고자 의도하는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해서만 제한될 수 있는 것이 이해되어야 한다. 달리 정의되지 않는 한, 본원 명세서에서 사용되는 모든 기술 용어 및 과학 용어는 당업자에 의해 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원 명세서에 기술된 것과 유사하거나 동등한 임의의 방법 및 물질이 본 발명의 양태의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 바람직한 방법, 장치 및 물질이 지금부터 설명된다. 본원 명세서에 언급된 모든 간행물은 이의 전문이 인용에 의해 포함된다. 본원 명세서의 어떠한 것도, 본 발명이 선행 발명에 의한 그러한 개시에 앞선 것으로 할 자격이 없다는 것을 인정하는 것으로 간주되어서는 안된다.
본원 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같은, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는, 문맥이 달리 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 복수의 대상을 포함한다는 것에도 주목해야 한다. 따라서, 예를 들어, "필터"에 대한 언급은 "하나 이상의 필터" 및 당업자에게 공지된 동등물에 대한 언급이다.
본원 명세서에서 사용되는 용어 "약"은, 사용되는 수의 수치의 플러스 또는 마이너스 10%를 의미한다. 따라서, 약 50%는 45 내지 55%의 범위를 의미한다.
본원 명세서에서 사용되는 용어 "할 수 있는(may)"은, 후술되는 요소가 존재할 수 있거나 또는 제외될 수 있는 것을 의미한다. 예를 들어, 흡착제가 첨가제를 포함할 수 있다는 설명은, 첨가제가 포함될 수 있거나 또는 첨가제가 제외될 수 있는 것을 의미한다.
일부 양태는 비소 및 안티몬 이온의 낮은 침출을 갖는 물의 정화 흡착제를 제공하며, 상기 흡착제는 흡착제 상에 또는 흡착제 내에 산화물 및/또는 수산화물을 침착시킴으로써 형성된다. 본 발명의 흡착제 상의 산화물 및/또는 수산화물과 관련된 용어 "침착(depositing 또는 deposition)"은, 상기 산화물 및/또는 수산화물이 임의의 공정에 의해 상기 흡착제의 표면 및/또는 내부에 첨가되는 것을 의미한다. 침착 공정은, 산화물 및/또는 수산화물이 침전에 의해 흡착제에 첨가되는 공정, 용해된 금속, 산화물 및 수산화물이 흡착제 중에 또는 흡착제 상에 함침되는 공정을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 산화물 및/또는 수산화물은, 침출되는 비소, 안티몬 또는 다른 금속 이온이 벌크수(bulk water)로 운반되기 전에 이들을 포획하는 것으로 알려진 지르코늄 또는 임의의 다른 화합물의 산화물 및/또는 수산화물일 수 있다.
지르코늄의 산화물 및/또는 수산화물은, 모든 침출되는 비소 및 안티몬 이온을 벌크수로 운반하기 전에 포획한다. 처리되지 않은 신흡착제와 블렌딩되는 경우, 상기 흡착제는 신탄소로부터 침출된 비소 및 안티몬의 대부분도 포획하는 것으로 나타났다. 본 발명은 또한, 상기 산화지르코늄 및/또는 수산화지르코늄 함침 생성물 및 이들의 블렌드의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 양태는, 비소 및 안티몬과 같은 금속의 침출이 문제가 될 수 있는 물의 정화 및 기타 공정에 사용하기 위한 흡착제에 관한 것이며, 이러한 흡착제의 제조방법을 추가로 제공한다. 일부 양태에서, 흡착제는, 흡착제의 표면과 회합된(associated) 금속 산화물, 예를 들어, 산화지르코늄을 갖는, 금속 산화물을 함유하는 흡착제일 수 있다. 추가의 양태는, 처리되지 않은 흡착제와 금속 산화물 함유 흡착제와의 블렌드 및 금속 산화물 함유 흡착제를 포함하는 필터, 필터 베드, 및 다른 장치를 포함한다.
다양한 양태에서, 흡착제는, 예를 들어 활성탄, 재생 활성탄(reactivated carbon), 천연 제올라이트, 합성 제올라이트, 실리카, 실리카 겔, 알루미나, 규조토, 및 이들의 조합일 수 있다. 특정 양태에서, 흡착제는 활성탄일 수 있다. 활성탄은 임의의 공급원으로부터 유도될 수 있으며, 다양한 크기, 형상 및 공극의 기하학적 구조를 가질 수 있다. 다양한 양태에서, 활성탄은, 역청탄, 아역청탄, 갈탄, 무연탄, 이탄, 넛 쉘, 피트, 코코넛, 바바수 넛, 마카다미아 넛, 덴데 넛, 복숭아 피트, 체리 피트, 올리브 피트, 호두 껍질, 목재, 버개스, 왕겨, 옥수수 껍질, 밀 껍질, 중합체, 수지, 석유계 피치, 및 임의의 다른 탄소질 물질 또는 이들의 조합을 포함하지만 이들로 제한되지는 않는 당업계에 공지된 임의의 전구체 탄소질 물질로부터 제조될 수 있다. 또한, 탄소질 물질은, 사용 중이며 후속적으로 재활성화되고/재활성화되거나 재생되는 다양한 전구체로부터 생성된 활성탄으로부터 유도될 수 있다.
흡착제는 약 4mm 이하의 평균 입자 직경(MPD)을 가질 수 있으며, 특정 양태에서, 흡착제는 약 4 내지 약 0.1mm, 약 4.5 내지 약 1.0mm, 약 4.0㎛ 내지 약 1.5mm, 약 3.5mm 내지 약 2.0㎛, 또는 이들 값에 포함되는 임의의 개별 값 또는 범위의 MPD를 가질 수 있다. 유사하게는, 흡착제의 공극의 기하학적 구조는 양태들 사이에서 다양해질 수 있으며, 흡착제는 거대 공극(50nm 초과의 직경), 메조 공극(2 내지 50nm의 직경) 및 미세 공극(2nm 미만의 직경)을 포함하는 공극 분포를 가질 수 있다). 이들 및 다른 공극의 기하학적 구조는 본원 명세서 전반에 걸쳐 기술되는 "공극(pore)" 또는 "다공성(porous)" 또는 "다공도(porosity)"의 보다 일반적인 용어에 속한다.
공극 분포는 흡착제에 의해 흡착될 수 있는 물질의 유형에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 특정한 양태의 흡착제는, 활성탄 입자 각각의 공극이 다양한 크기를 갖는 것을 나타내는 폭넓은 공극 분포를 가질 수 있으며, 이들은 활성탄 내에 함유된 다양한 공극의 기하학적 구조에 상응하는 폭넓은 범위의 화합물을 흡착할 수 있다. 다른 양태에서, 공극의 기하학적 구조는 처리될 물에서 발견될 것으로 예상되는 특정한 화합물을 선택적으로 흡착하도록 선택된다.
흡착제 및 공극의 기하학적 구조는, 유해하고 식수에서 일반적으로 발견되는 화합물을 흡착하도록 선택될 수 있다. 이러한 화합물은, 맛 및 향 및/또는 색상 문제를 유발하는 다양한 유기 화합물, 업스트림 배출 또는 유출(runoff)로부터의 합성 유기 화학 물질(chemicals), 소독제와 반응하는 유기 전구체 화합물, 소독 부산물, 및 독성학적 중요성이 거의 없는 천연 유기 화합물을 포함한다. 흡착제 조성물 및 이의 공극의 기하학적 구조는, 제거하고자 하는 화합물뿐만 아니라, 흡착될 수 있는 다른 화합물도 고려하여 선택되어야 하며, 그 이유는 이들이 흡착 부위에 대해 흡착될 화합물과 경쟁하는 경향이 있기 때문이다.
일부 양태에서, 활성탄은 약 0.1 내지 약 35%, 약 2 내지 약 30%, 약 4 내지 약 35% 또는 이들 범위에 포함되는 임의의 개별 값 또는 범위의 수분 함량을 가질 수 있다. 일부 양태에서, 수분 함량은 함침 공정으로부터의 잔류 수분의 결과일 수 있다. 예를 들어, 함침 후, 활성탄은 특정한 수분 수준으로 건조될 수 있다.
흡착제의 표면과 회합된 금속 산화물 또는 금속 수산화물의 양은 양태들 사이에서 다양할 수 있다. 예를 들어, 일부 양태에서, 흡착제는 약 0.1 내지 약 10wt%의 금속 산화물 또는 금속 수산화물을 함유할 수 있으며, 다른 양태에서, 흡착제는 약 0.2 내지 약 7wt%, 약 0.3 내지 약 5wt% 또는 약 0.5 내지 약 2.5wt% 또는 이들 범위에 포함되는 임의의 범위 또는 개별 양의 금속 산화물 또는 금속 수산화물을 함유할 수 있다. 특정 양태에서, 금속 산화물 또는 금속 수산화물 함유 흡착제는, 상기 흡착제의 표면과 회합된 금속 산화물을 약 1wt% 가질 수 있다. 이러한 양태에서, 금속 산화물 또는 금속 수산화물은, 정전기적 상호 작용, 반데르발스 힘, 흡착 또는 침착에 의해 흡착제의 표면에 부착되거나, 흡착되거나, 또는 다르게는 침착될 수 있으며, 특정 양태에서는, 흡착제의 공극 내에 있을 수 있다.
본원 명세서에서 사용되는 용어 "접촉 pH"는, 일정 시간 기간 동안 샘플을 약 100mL의 물에 침지한 후에 측정된 물의 pH를 의미한다. 상기 시간 기간은 약 5분 내지 약 30분일 수 있다. 일부 양태에서, 접촉 pH를 측정하기 위한 시간 기간은 5분이고; 일부 양태에서, 시간 기간은 15분이고; 일부 양태에서, 시간 기간은 30분이다. 일부 양태에서, 흡착제는, 약 4.5 내지 약 10.0, 또는 약 5.5 내지 약 10.0, 또는 약 6.5 내지 약 10.0의 접촉 pH를 가질 수 있다. 흡착제는, 약 4.5 내지 9.0, 또는 약 5.5 내지 약 9.0, 또는 약 6.5 내지 약 9.0의 접촉 pH를 가질 수도 있다. 흡착제는 약 4.5 내지 약 8.0, 약 5.5 내지 약 8.0, 또는 약 6.5 내지 약 8.0의 접촉 pH를 추가로 가질 수 있다. 이들 모두에 대해, 상기 값은 침지 5분 후, 15분 후 또는 30분 후에 측정될 수 있다. 침지 5분 후, 10분 후 또는 30분 후 측정된 접촉 pH는, 약 4.5, 약 5.0, 약 5.5, 약 6.0, 약 6.5, 약 7.0, 약 7.5, 약 8.0, 약 8.5, 약 9.0, 약 9.5, 약 10.0, 약 10.5, 또는 약 11.0, 또는 이들 값들 중 임의의 두 값 사이의 임의의 범위일 수 있다. 본 발명의 방식으로 제조된 흡착제는, 산 세척 후 중화되어 약 9 내지 약 11의 접촉 pH를 나타내는 통상적인 흡착제와 비교시, 비소, 안티몬 및 알루미늄 침출의 10배 감소를 나타낼 수 있다.
본 발명의 흡착제는 물에 침지시, 금속 및 다른 전이 원소, 예를 들어 비소, 안티몬 및 알루미늄의 감소된 침출을 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 개시된 다양한 양태의 흡착제는, 물의 정화 시스템, 특히 식수의 정화에 사용되는 물의 정화 시스템에서 사용하기에 유용할 수 있다. 본 발명의 처리는 또한, 처리될 물로 금속이 침출될 가능성 없이 보다 폭넓게 다양한 흡착제 공급 원료를 선택할 수 있기 때문에 유용하다.
추가적인 양태는 상기 개시된 활성탄의 제조방법에 관한 것이다. 일부 양태에서, 상기 방법은, 금속 산화물, 예를 들어, 염화지르코닐, 황산지르코늄, 질산지르코늄, 인산지르코늄, 염화티탄, 황산티탄, 질산티탄, 인산티탄, 염화하프늄, 황산하프늄, 질산하프늄, 인산하프늄, 염화철, 황산철, 질산철, 인산철, 또는 이들의 유사체 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는, 산화지르코늄, 산화티탄, 산화하프늄 또는 산화철의 임의의 산성 용액으로 흡착제를 함침시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은, 활성탄을 염화지르코닐의 희석 용액과 접촉시킴으로써 활성탄을 산화지르코늄으로 함침시키는 단계를 포함한다. 이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 용액이 본질적으로 산성이고, 흡착제, 특히 활성탄의 공극이 본질적으로 염기성이기 때문에, 산화지르코늄 또는 다른 금속 산화물이 이러한 혼합물로부터 활성탄의 공극들 내로 침전될 수 있다.
일부 양태에서, 침착된 금속 산화물 또는 수산화물을 갖는 함침된 흡착제는, 열 처리, 예를 들어 가열에 의한 건조 및/또는 하소 처리될 수 있다. 일부 양태에서, 열 처리는 대략 주위 온도, 예를 들어 약 23 내지 약 1,200℃에서 실시될 수 있다. 열 처리는 약 50℃, 약 80℃, 약 100℃, 약 150℃, 약 200℃, 약 250℃, 약 300℃, 350℃, 약 400℃, 약 450℃, 약 500℃, 약 550℃, 약 600℃, 약 650℃, 약 700℃, 약 750℃, 약 800℃, 약 850℃, 약 900℃, 약 950℃, 약 1,000℃, 약 1,050℃, 약 1,100℃, 약 1,150℃, 약 1,200℃, 또는 이들 값들 중 임의의 두 값으로 이루어진 임의의 범위에서 실시될 수 있다. 상기 온도 범위는 금속 산화물 및 금속 수산화물 함침된 흡착제, 특히, 포함된 지르코늄의 산화물 및 수산화물을 갖는 활성탄에서 효과적인 활성을 생성하는 것으로 생각된다.
상기 온도 및 온도 범위를 사용하는 열처리는 공기 하에서 실시될 수 있거나, 불활성 대기 하에서 실시될 수 있거나, 환원성 대기 하에서 실시될 수 있거나, 또는 이들의 조합 하에서 실시될 수 있다. 불활성 대기는 질소, 또는 임의의 불활성 가스, 예를 들어, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 크세논 및 라돈일 수 있다. 환원성 가스 또는 대기는 수소, 일산화탄소 및 이들의 조합과 같은 가스를 포함할 수 있다. 고온에서, 특히 흡착제가 탄소인 경우, 하부(underlying) 흡착제의 산화를 피하기 위해 불활성 가스 및/또는 환원성 대기가 고려된다는 점에 유의한다. 일부 양태에서, 불활성 및/또는 환원성 대기가 사용되는 온도는, 약 400℃, 약 450℃, 약 500℃, 약 550℃, 약 600℃, 약 650℃, 약 700℃, 약 750℃, 약 800℃, 또는 상한을 약 800℃, 약 850℃, 약 900℃, 약 950℃, 약 1,000℃, 약 1,050℃, 약 1,100℃, 약 1,150℃ 또는 약 1,200℃로 갖는 상기 온도들의 조합으로부터 형성된 임의의 범위이다. 예를 들어, 환원성 및/또는 불활성 가스는 약 400 내지 약 1,200℃, 또는 약 500 내지 약 1,200℃, 또는 약 600 내지 약 1,200℃의 온도 범위에서 사용될 수 있다.
일부 양태에서, 고온 하소는 불활성 또는 환원성 대기에서 600℃ 이상에서 발생한다. 이러한 양태는 특정 온도로 제한되지 않으며, 약 80 내지 약 800℃의 임의의 온도에서 실시될 수 있다. 약 80℃, 약 150℃, 약 250℃, 약 300℃, 약 400℃, 약 500℃, 약 600℃, 약 700℃ 및 약 800℃에서 처리된 활성탄에서 효과적인 활성이 나타났다. 활성은 이들 종점들 중 임의의 2개의 종점으로부터 형성된 범위, 예를 들어 약 400 내지 약 800℃ 또는 약 80 내지 약 400℃에서의 처리에 의해 생성될 수도 있다.
일부 양태에서, 상기 방법은 흡착제를 함침시키기 전에, 흡착제 물질, 예를 들어 탄소질 흡착제 물질을 활성화 또는 재활성화시키는 단계를 포함할 수 있다. 활성화는 증기 및 화학적 활성화 공정, 및 이러한 공정들의 조합을 포함하여 당업계에 공지된 임의의 활성화 수단에 의해 실시될 수 있다. 예를 들어, 일부 양태에서, 탄소질 물질로 형성된 흡착제는, 250℃ 이상의 온도, 예를 들어 약 600 내지 약 1,200℃에서 산화제, 예를 들어, 이산화탄소, 산소 또는 증기에 노출될 수 있다. 다른 양태에서, 탄소질 물질은 아르곤 또는 질소와 같은 가스를 포함하는 불활성 대기에서 약 600 내지 약 900℃의 온도에서 하소될 수 있다. 또 다른 양태에서, 탄소질 물질은 산, 강염기 또는 염, 예를 들어, 인산, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 염화칼슘 및 염화아연과 조합된 후, 약 450 내지 약 900℃의 온도로 처리될 수 있다.
특정 양태에서, 상기 방법은 흡착제의 함침에 앞서 활성탄을 산 용액에서 세척하는 단계를 포함할 수 있다. 산 세척은, 예를 들어 염산, 황산, 질산, 아세트산, 시트르산, 말레산, 푸마르산, 일염기성 유기 산, 이염기성 유기 산, 포름산 등을 포함하여 당업계에 공지된 임의의 산을 사용하여 실시될 수 있으며, 약 1 내지 약 3% 산 용액에서 실시될 수 있다. 일반적으로, 산에서의 세척은 용기에서 실시된다. 활성탄은 임의의 시간 동안 세척될 수 있다. 예를 들어, 일부 양태에서, 세척은 약 1 내지 약 16시간, 약 2 내지 약 10시간, 약 3 내지 약 8시간, 또는 이들 범위에 포함되는 임의의 개별 시간 또는 시간 기간 동안 실시될 수 있다. 특정 양태에서, 산 세척 단계는 흡착제 상에의 산화물 및/또는 수산화물 침착 단계 또는 침착 단계들에 앞서 실시된다.
일부 양태에서, 상기 방법은 흡착제의 함침에 앞서 산 세척된 활성탄의 pH를 중화시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 양태에서, 중화는, 산 세척된 활성탄을, 염기, 예를 들어, 수산화나트륨, 탄산나트륨, 중탄산나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼륨, 중탄산칼륨 등 및 이들의 조합을 포함하는 염기성 용액과 접촉시킴으로써 실시될 수 있다. 특정 양태에서, 상기 접촉은, 염기성 용액에 활성탄을 침지함으로써 실시될 수 있으며, 다른 양태에서, 상기 접촉은, 상기 용액을 산 세척된 활성탄 상에 또는 그 위로 분무 또는 유동시키는 것을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 중화는, 산 세척된 활성탄을 물 세척함으로써 실시될 수 있고, 물 세척은 활성탄을 물에 침지시키거나 물을 활성탄 위로 분무 또는 유동시킴으로써 실시될 수 있다. 일부 양태에서, 상기 방법은 중화 단계를 제외할 수 있다.
추가의 양태에서, 상기 방법은 흡착제의 함침에 앞서, 중화 후 활성탄을 물에서 세정하는 단계를 포함할 수 있다. 세정은, 예를 들어 중화된 활성탄 위로 물을 침지, 분무 또는 유동시키는 것을 포함하는 임의의 수단에 의해 실시될 수 있다. 다양한 양태에서, 세정수(rinse water)가 약 1.0 내지 약 3.0의 pH를 가질 때까지 세정이 실시될 수 있다. 세정수의 pH는, 물이 활성탄과 접촉된 후, 그리고 일부 양태에서는 중화된 활성탄과의 이온 농도 평형에 도달한 후의 pH를 측정함으로써 측정될 수 있다.
세척 후, 상기 방법은 활성탄을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 양태에서, 활성탄은 용기로부터 제거될 수 있고, 주위 온도 또는 승온의 공기에서의 대기 조건하에 건조될 수 있다. 다른 양태에서, 활성탄은 가열에 의해 건조될 수 있고, 일부 양태에서, 건조는 진공 하에서 실시될 수 있다. 특정 양태에서, 활성탄은 약 0.1 내지 약 1%의 잔류 수분 수준으로 완전히 건조될 수 있다. 다른 양태에서, 활성탄은 약 1 내지 약 20%, 약 2 내지 약 17%, 약 4 내지 약 15% 또는 이들 범위들에 포함되는 임의의 개별 값 또는 범위의 잔류 수분 수준으로 건조될 수 있다. 이러한 방법에 의해 제조된 활성탄은, 약 6.5 내지 약 8.5, 약 6.0 내지 약 8.0, 약 5.5 내지 약 7.5, 약 5.0 내지 약 7.0, 또는 이들 값들에 포함되는 임의의 개별 값 또는 범위의 접촉 pH를 가질 것이다. 접촉 pH는, 건조된 활성탄을 정제된 탈이온수와 접촉시키고 일정 시간 후, 예를 들어 약 5 내지 약 10분 후에 물의 pH를 측정함으로써 측정될 수 있다. 비교를 위해, 세정수가 대략 중성(즉, 약 7.0의 pH)이 될 때까지 산 세척되고 세정된 신활성탄 또는 활성탄은, 일반적으로 약 9.0 초과, 예를 들어 8.0 내지 약 11.0의 접촉 pH를 가질 것이다. 상기 개시된 그리고 상기 개시된 방법에 의해 제조된 활성탄은, 중성 세정수의 pH까지 세척된 신활성탄 또는 활성탄의 접촉 pH보다 현저히 낮은 접촉 pH를 갖지만, 이러한 양태의 활성탄은 물을 오염시킬 수 있는 비소, 안티몬 또는 다른 금속의 상당히 감소된 침출을 제공한다.
일부 양태에서, 상기 방법은 금속 산화물 함유 흡착제를 처리되지 않은 흡착제와 혼합하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 양태에서, 상기 개시된 방법에 의해 제조된 활성탄은, 처리되지 않은, 또는 산 세척, 중화 및/또는 세정되었지만 금속 산화물을 함유하지 않는 활성탄과 조합될 수 있다. 따라서, 생성되는 조성물은 금속 산화물 함유 활성탄과 비-금속 산화물 함유 활성탄의 혼합물을 포함한다. 이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 상기 혼합물을 포함하는 조성물은, 금속 산화물 함유 활성탄만을 포함하는 조성물과 실질적으로 동일한 감소된 금속 침출을 나타낼 수 있다.
상기 혼합물은 금속 산화물 함유 활성탄 대 비-금속 산화물 함유 활성탄의 임의의 비를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 양태에서, 금속 산화물 함유 활성탄 대 비-금속 산화물 함유 활성탄의 비는, 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1 등 또는 1:2, 1:3, 1:4, 1:5 등일 수 있다. 따라서, 다양한 양태들의 혼합물은, 약 100%의 금속 산화물 함유 활성탄 내지 약 10% 이하의 금속 산화물 함유 활성탄일 수 있고, 일부 양태에서, 혼합물은 약 90 내지 약 20%, 약 80 내지 약 25%, 약 75 내지 약 30%, 또는 약 50%, 또는 이들 범위에 포함되는 임의의 퍼센티지 또는 범위의 금속 산화물 함유 활성탄일 수 있다.
추가의 양태는, 상기 개시된 금속 산화물 함유 활성탄을 사용하여 물을 정화하기 위한 필터 및 방법에 관한 것이다. 이러한 양태는 특정 유형의 필터로 제한되지 않는다. 예를 들어, 일부 양태에서, 필터는 소비자용 정수 필터일 수 있고, 다른 양태에서, 필터는 예를 들어, 산업 또는 도시 수처리 플랜트에서 사용하기 위한 상업용 정수 필터일 수 있다.
다양한 양태의 소비자용 필터는 임의의 디자인을 가질 수 있으며, 과립화 활성탄을 보유하고 물이 상기 활성탄 위로 유동하도록 구성된 구획을 포함하는 하우징을 적어도 포함할 수 있다. 이러한 필터는 예를 들어, 구획 내에 활성탄을 보유하기 위한 스크린 또는 다른 수단, 또는 추가의 정제 장치, 예를 들어 여과막 등의 다양한 추가 구성 요소를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 하우징은, 물이 한 구획으로부터 또 다른 구획으로 유동하고 이송 동안 필터를 통과하는 피쳐 또는 병 장치와 같은 장치, 수도꼭지로부터 배출되거나 다르게는 물 분배 장치로 전달되기 전에 물이 필터를 통과하게 하는 수도관 또는 수도꼭지에 부착되는 장치 내에 필터가 통합될 수 있게 하는 데 필요한 다양한 구성 요소를 포함할 수 있다. 특히, 필터는, 상기 필터 내로 물을 도입하기 위한 유입구 포트 및 상기 필터로부터 여과되거나 처리된 물을 분배하기 위한 유출구 포트를 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 필터는 유입구 포트에서 물 공급원에 연결하기 위한 제거가능한 연결 수단, 예를 들어, 싱크 파이프, 호스, 튜브 피팅, 수도꼭지, 분수 등을 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 필터는, 낮은 접촉 pH의 활성탄 또는 낮은 접촉 pH의 활성탄과 중성 활성탄의 혼합물을 보유하기 위해, 필터 하우징 내에 배치된 불활성 플라스틱 물질, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 이들의 임의의 조합으로 구성된 연장된 엔벨롭(envelop)을 갖는 필터 하우징을 포함할 수 있다. 필터 하우징 및 엔벨롭은 서로 이격될 수 있으며, 일부 양태에서, 예를 들어 필터 페이퍼와 같은 미립자 필터가, 활성탄과 회합된 더스트(dust)를 유지하기 위해 상기 공간 내에 배치될 수 있다. 특정 양태에서, 탄소 클로스(carbon cloth)와 같은 추가의 흡착제가 상기 공간 내에 배치될 수 있다. 일부 양태에서, 필터는, 천공된 플레이트, 슬롯형 그레이트(grate), 메쉬 그릴, 스크린, 또는 하우징을 통한 유체의 자유 유동을 허용하면서 하우징 내에 엔벨롭을 고정시키기 위한 다른 수단을 포함할 수 있다.
상업용 또는 도시용 수처리 장치는, 처리 동안 천연 공급원으로부터 물을 수용하도록 배치된 베드를 제공하는 대형 고 유동 수도관에 부착되도록 설계된 보다 더 큰 필터 장치 또는 탱크를 포함할 수 있다. 이러한 장치는 당업계에 널리 공지되어 있으며, 금속 산화물 함유 활성탄은 임의의 이러한 장치에 포함될 수 있다. 다양한 양태에서, 과립화 활성탄을 포함하는 베드 또는 탱크는 처리 플랜트의 유동 경로를 따라 다양한 위치에 배치될 수 있고, 상기 개시된 바와 같은 과립화 금속 산화물 함유 활성탄은 이러한 베드 또는 탱크 중 어느 하나 또는 이들 모두에 의해 사용될 수 있다. 특정 양태에서, 물은 처리 경로의 하나 이상의 위치에서 분말화 활성탄과 접촉될 수 있고, 이러한 양태에서, 분말화 활성탄은 금속 산화물 함유 활성탄일 수 있다. 상기 개시된 바와 같이, 이러한 처리 장치에서, 과립화 또는 분말화 금속 산화물 함유 활성탄은, 금속 산화물 함유 활성탄일 수 있고, 단독으로 또는 금속 산화물 함유 활성탄과 비-금속 산화물 함유 활성탄의 혼합물로 사용될 수 있다. 처리 장치 및 설비는 다양한 추가의 탱크 및 구성 요소, 예를 들어, 균등조(equalization basin), 정화기, 생물학적 처리조 또는 탱크, 모래 여과 장치, 막 여과 장치 등 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
추가의 양태는 상기 개시된 금속 산화물 함유 활성탄을 사용하여 물을 정화하는 방법에 관한 것이다. 접촉 단계는, 예를 들어, 금속 산화물 함유 활성탄 베드 또는 금속 산화물 함유 활성탄과 비-금속 산화물 함유 활성탄의 혼합물 위로 물을 유동시킴, 금속 산화물 함유 활성탄 또는 금속 산화물 함유 활성탄과 비-금속 산화물 함유 활성탄의 혼합물을 포함하는 필터 상에 물을 도입함, 금속 산화물 함유 활성탄 또는 금속 산화물 함유 활성탄과 비-금속 산화물 함유 활성탄의 혼합물을, 물을 보유하기 위한 용기 내로 도입함 등을 포함하는 임의의 수단에 의해 실시될 수 있으며, 일부 양태에서, 이러한 접촉 수단은 조합될 수 있다. 다른 양태에서, 상기 방법은 추가의 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 양태에서, 물을 정화하는 방법은, 예를 들어, 미립자를 제거하기 위해, 금속 산화물 함유 활성탄 또는 금속 산화물 함유 활성탄과 비-금속 산화물 함유 활성탄의 혼합물과 접촉하기 전에, 후에, 또는 전후 둘 다에 스크린 또는 샌드 필터를 사용하여 물을 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 추가의 양태에서, 상기 방법은 생물학적 오염 물질, 예를 들어 박테리아 또는 다른 미생물을 제거하기 위해 물을 소독하는 단계를 포함할 수 있고, 일부 양태에서, 상기 방법은 살균제를 상기 물에 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 보다 추가의 양태에서, 상기 방법은 물을 정화하는 단계, 물의 pH를 조정하는 단계 등 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명이 이의 특정한 바람직한 양태에 관하여 상당히 상세하게 설명되었지만, 다른 버전이 실시가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 사상 및 범위는 본원 명세서에 포함된 설명 및 바람직한 버전들로 제한되어서는 안된다. 본 발명의 다양한 양태는 하기 비제한적인 실시예에 관하여 예시될 것이다.
실시예 1
본 공정의 목적은, 금속 침출을 감소시키거나 제거하기 위해 활성탄을 산화지르코늄으로 함침시키는 것이다. 위에서 상세히 나타낸 바와 같이, 산성 염화지르코닐 용액이 본질적으로 염기성인 활성탄에 첨가되는 경우, 산화지르코늄이 활성탄의 공극들 내로 침전되는 것으로 이론화되어 있다. 침전된 활성탄이 전체 질량 활성탄의 공극들에 고르게 분포되게 하기 위해, 염화지르코닐 용액이 약 10 내지 30%의 수분 함량으로 희석된 형태로 가해진다. 본원 명세서에서 사용되는 용어 "염화지르코닐"은, 지르코늄의 수용성 유도체인 산화지르코늄 및 수산화지르코늄의 임의의 다양한 치환(permutation)을 포함하지만, 이로 제한되지는 않는다. 염화지르코닐은 당업자에게 화학식 [Zr4(OH)8(H2O)16]Cl8(H2O)12를 갖는 것으로 알려져 있거나, 종종 ZrOCl2*8H2O로 표기되거나, 또는 염화지르코닐 8수화물로 나타내어 진다. 염화지르코닐은 일반적으로 사염화지르코늄을 가수분해하고/가수분해하거나 산화지르코늄을 염산으로 처리함으로써 생성된다.
표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 희석된 형태의 염화지르코닐을 가하는 공정은, 0%(건조)로부터 30%까지인 수분 함량에 상관없이 금속 침출을 감소시키는 데 효과적이다. 또한, 고수분의 염화지르코닐 용액으로 처리된 새로 제조된 활성탄이 지르코늄의 침출을 나타내지 않는 것으로 관찰되었다. 이는 염기성 활성탄과의 접촉시 산성 염화지르코닐이 수-불용성 산화지르코늄으로 침전되어 활성탄의 공극들 내에 유지된다는 이론을 지지한다. 건조 또는 하소 절차는, 중요하지 않으며, 80℃, 150℃, 250℃, 300℃ 및 800℃에서 실시될 때 효과적인 것으로 입증되었다. 본 방법에 의해 생성된 활성탄은, 정적 및 동적 침출 시험 둘 다에서 입증된 바와 같이 액상 적용을 위한 낮은 수준의 비소, 안티몬 및 알루미늄을 야기했다.
정적 침출 시험에서, 흡착제를 1 내지 24시간 범위의 시간 기간 동안 탈이온수에 침지시킨 후, 여과하여 상기 흡착제를 제거하고, 유도 결합 플라즈마(ICP) 또는 ICP-질량 분석법(ICP-MS)과 같은 방법에 의해 금속에 대한 추출 수(extract water)를 분석했다.
동적 침출 시험에서, 흡착제를 컬럼 내로 로딩하고, 50±5ppm의 총 용해된 고형물, 0.5±0.05ppm의 유리 염소를 함유하고 중성 pH를 갖는 추출 수와 접촉시켰다. 8 내지 10베드 용적의 추출 수를 흡착제를 통해 펌핑한 후, 24±1시간 동안 정적으로 유지한다. 필요한 보유 시간 후, 컬럼 유출물을 샘플링하고, 절차를 2회 이상 반복하여 복합 물(composite water) 샘플을 생성했다. 이어서, 물 샘플을 ICP 또는 ICP-MS에 의해 금속에 대해 분석했다.
[표 1]
[표 2]
도 1 내지 3은, 첫 500베드 용적의 작업을 모의하는 가속 컬럼 시험에 대한 금속 침출 프로파일을 도시한다.
함침 공정 후의 흡착제의 지르코늄 함량을, 양성자 유도 X선 방출(PIXE) 분석으로 측정했다. 당업자가 이해하는 바와 같이, PIXE가 표면 분석 기술이고 흡착제 내에 매립된 지르코늄을 보고하지 않기 때문에, PIXE 분석은 지르코늄 전체량을 정량화하지 않는다. 표 3은, PIXE에 의해 시험된 값에 대한 데이터 및 흡착제에 첨가된 화학 물질 양에 따른 이론적인 값을 보여준다. PIXE에 의해 측정된 값은 이론적인 값의 약 50%였다. 이론적인 값에 비해 정확하지는 않지만, ZrO2 함침의 두 수준들 사이의 차이는 공급 원료와 비교할 때 정확하다.
[표 3]
실시예 2
신활성탄을 ZrO2 함침된 활성탄과 블렌딩하는 것은, 수학적 평균으로 예측된 것보다 상당히 많은 양으로 금속 침출을 감소시켰다. 표 4는, 신활성탄 공급 원료, 1wt% ZrO2 함침된 활성탄, 및 이 둘의 50:50 블렌드에 대한 데이터를 보여준다. 활성탄을 리플링(riffling)에 의해 블렌딩했다. 상기 데이터는 침전된 산화지르코늄이 함침된 탄소에 효과적일 뿐만 아니라, 다른 공급원으로부터 침출될 수 있는 공정 스트림 중의 금속에 대해서도 작용한다는 것을 입증한다. 금속 침출을 감소시키는 것 외에도, 산성 염화지르코닐을 첨가한 후 건조시킴에 의해, 활성탄의 pH를 거의 중성으로 낮춘다. 이는 하기 표 5에 나타낸 바와 같이, 활성탄의 접촉 pH 및 컬럼 시험의 초기 베드 용적 둘 다에서 나타난다.
[표 4]
[표 5]
활성탄의 중화가 염화지르코닐의 첨가로 인한 것이라는 추가의 증거로서, 활성탄이 하소될 때, 잔류 염산이 제거되고 pH 영향이 상실되는 것을 관찰했다. 이러한 과정은 도 4에 도시되어 있다.
실시예 3
본원에 개시된 바와 같은 신활성탄의 ZrO2로의 함침은, 신탄소와 화학적 산화지르코늄의 건식 혼합물보다 금속의 침출을 감소시키는데 더 효과적이었다. 이를 입증하기 위해, 2쌍의 ZrO2-함유 활성탄 샘플을 제조했다. 각각의 쌍 내에서, 하나의 샘플은 건조 ZrO2 분말과 활성탄의 혼합물이었고, 다른 샘플은 건조물 기준으로 동일한 ZrO2 로딩을 목표로 하기 위해 염화지르코닐로 함침했다. 두 쌍은 의도적으로 상이한 최종 지르코늄 함량인 0.5wt% 및 1.0wt%(ZrO2로서)를 나타낸다. 표 6은, 신활성탄 공급 원료, 및 상기 개시된 2쌍의 처리된 활성탄 공급 원료에 대한 실시예 1 및 2의 동적 침출 시험 결과를 나타낸다. 표 6의 데이터는 개시된 방식으로 지르코니아를 사용한 처리가, 처리되지 않은 활성탄에 비해, 비소 또는 안티몬이 침출되는 염기성 활성탄의 경향을 억제하는데 있어서 800 내지 3,400%의 이점을 제공했다.
[표 6]

Claims (30)

  1. 조성물로서,
    다공성 흡착제 미립자의 공극들 내에 침착된, 금속 산화물 또는 금속 수산화물 중 적어도 하나를 갖는 다공성 흡착제 미립자, 및
    공극들 내에 침착된 금속 산화물 또는 금속 수산화물을 함유하지 않는 제2 다공성 흡착제 미립자를 포함하고,
    상기 금속 산화물 또는 금속 수산화물은 산화지르코늄, 수산화지르코늄, 산화티탄, 산화하프늄, 산화철 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하고,
    접촉 pH(contact pH)가 5.5 내지 8.0인, 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 흡착제 미립자가 활성탄인, 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 산화물 또는 금속 수산화물의 양이 0.1 내지 2wt%인, 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 산화물 또는 금속 수산화물의 양이 0.1 내지 1wt%인, 조성물.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 다공성 흡착제 미립자와 상기 제2 다공성 흡착제 미립자의 비가 5:1 내지 1:5인, 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 다공성 흡착제 미립자가, 역청탄, 아역청탄, 갈탄, 무연탄, 이탄, 넛 쉘(nut shell), 피트(pit), 코코넛, 바바수 넛, 마카다미아 넛, 덴데 넛, 복숭아 피트, 체리 피트, 올리브 피트, 호두 껍질, 목재, 버개스(bagasse), 왕겨, 옥수수 껍질, 밀 껍질, 중합체, 수지(resin), 석유계 피치(petroleum pitch), 탄소질 물질, 또는 이들의 조합으로부터 형성되는, 조성물.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 조성물의 접촉 pH가 6.5 내지 8.0인, 조성물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 조성물이,
    다공성 흡착제 미립자를 용액과 접촉시키는 단계로서, 상기 용액이, 금속 산화물 또는 금속 수산화물 또는 금속 산화물 전구체 또는 금속 수산화물 전구체 중 적어도 하나를 포함하는, 상기 접촉 단계, 및
    금속 산화물 또는 금속 수산화물 중 적어도 하나를, 상기 다공성 흡착제 미립자의 공극들 내에 침착시키는 단계에 의해 형성된 것인, 조성물.
  12. 조성물의 제조방법으로서,
    다공성 흡착제 미립자를 용액과 접촉시키는 단계로서, 상기 용액이, 금속 산화물 또는 금속 수산화물 또는 금속 산화물 전구체 또는 금속 수산화물 전구체 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 다공성 흡착제 미립자는 산 세척되었고 후속적으로 중화되지 않은, 상기 접촉 단계,
    금속 산화물 또는 금속 수산화물 중 적어도 하나를, 상기 다공성 흡착제 미립자의 공극들 내에 침착시키는 단계, 및
    상기 다공성 흡착제 미립자를, 공극들 내에 침착된 금속 산화물 또는 금속 수산화물을 함유하지 않는 제2 다공성 흡착제 미립자와 배합하는 단계
    를 포함하는, 조성물의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 다공성 흡착제 미립자가 활성탄인, 제조방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 침착 단계가, 상기 금속 산화물 또는 금속 수산화물을 상기 다공성 흡착제 미립자의 공극들 내에 침전시킴을 포함하는, 제조방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 금속 산화물 또는 금속 수산화물이 산화지르코늄, 수산화지르코늄, 산화티탄, 산화하프늄, 산화철 또는 이들의 조합인, 제조방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 접촉 단계가 분무, 액침(immersion), 유동 또는 이들의 조합에 의해 실시되는, 제조방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 금속 산화물 전구체 또는 금속 수산화물 전구체가, 산화지르코늄, 염화지르코닐, 황산지르코늄, 질산지르코늄, 인산지르코늄, 염화티탄, 황산티탄, 질산티탄, 인산티탄, 염화하프늄, 황산하프늄, 질산하프늄, 인산하프늄, 염화철, 황산철, 질산철, 인산철 또는 이들의 조합의 산성 용액인, 제조방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 다공성 흡착제 미립자가, 상기 다공성 흡착제 미립자를 가열함을 포함하는 열 처리 단계로 추가로 처리되는, 제조방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 다공성 흡착제 미립자가, 상기 다공성 흡착제 미립자를 23 내지 1,200℃의 온도로 가열함을 포함하는 열 처리 단계로 추가로 처리되는, 제조방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 가열이 450 내지 1,000℃의 온도로의 가열인, 제조방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 가열이 50 내지 400℃의 온도로의 가열인, 제조방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 열 처리 단계가, 공기, 환원성 대기, 불활성 대기, 또는 이들의 조합 하에서 실시되는, 제조방법.
  23. 제19항에 있어서, 상기 열 처리 단계가, 불활성 대기하에서 450 내지 850℃의 온도에서 실시되는, 제조방법.
  24. 제1항에 기재된 조성물을 물과 접촉시키는 단계를 포함하는, 수처리 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 접촉단계가, 제1항에 기재된 조성물을 포함하는 베드(bed) 위로 물을 유동시키는 단계, 제1항에 기재된 조성물을 포함하는 필터 내로 물을 도입하는 단계, 물을 보유하기 위한 용기 내로 제1항에 기재된 조성물을 도입하는 단계, 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 수처리 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 물을 여과하는 단계, 상기 물을 소독하는 단계, 상기 물을 정화시키는(clarifying) 단계, 상기 물의 pH를 조정하는 단계, 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 단계를 추가로 포함하는, 수처리 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 물을 소독하는 단계가, 자외광 조사, 염소 첨가, 오존 첨가, 클로라민 첨가, 또는 이들의 조합을 사용하여 실시되는, 수처리 방법.
  28. 제26항에 있어서, 상기 물을 정화시키는 단계가, 사이클론 분리, 필터 또는 막 매질, 응집(coagulation), 플록 형성(flocculation), 폭기(aeration), 또는 이들의 조합을 사용하여 실시되는, 수처리 방법.
  29. 제26항에 있어서, 상기 물의 pH를 조정하는 단계가, 산 첨가, 염기 첨가, 희석수 첨가, 또는 이들의 조합에 의해 실시되는, 수처리 방법.
  30. 제1항에 기재된 조성물을 포함하는 수처리 장치.
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