KR20050102651A - 정수 필터 재료, 대응하는 정수 필터 및 그의 사용 방법 - Google Patents

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KR20050102651A
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데이비드 윌리엄 비오르퀴스트
피유시 나렌드라 자베리
매튜 모건 울리
토마스 조셉 베마이어
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Abstract

음용수 제공용 필터가 제공된다. 본 필터는 유입구 및 유출구를 갖는 하우징과, 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 복수의 활성탄 필터 입자로 적어도 부분적으로 형성되어 하우징 내에 배치된 필터 재료를 포함한다.

Description

정수 필터 재료, 대응하는 정수 필터 및 그의 사용 방법{WATER FILTER MATERIALS, CORRESPONDING WATER FILTERS AND PROCESSES FOR USING THE SAME}
본 발명은 정수 필터 재료 및 정수 필터와 그의 사용 방법 분야, 더 특별하게는 중공극성(mesoporous) 활성탄 입자를 포함하는 정수 필터 분야에 관한 것이다.
물은 예를 들어 미립자, 유해한 화학 물질, 그리고 박테리아, 기생충, 원생동물 및 바이러스와 같은 미생물을 포함하는 많은 다양한 종류의 오염물을 함유할 수 있다. 다양한 환경에서, 이러한 오염물은 물이 사용되기 전에 제거되어야 한다. 예를 들어, 많은 의료 분야에서 그리고 특정 전자 부품의 제조 시에, 아주 순수한 물이 요구된다. 더욱 일반적으로는, 임의의 유해한 오염물도 물이 음용되기 전에, 즉 소비되기 전에 제거되어야 한다. 현대적인 정수 수단에도 불구하고, 일반 사람들은 위험에 처해 있으며, 특히 유아 및 약화된 면역 체계를 가진 사람들은 상당한 위험에 처해 있다.
미국 및 기타 선진국에서, 자치 단체에서 처리된 물은 통상 다음과 같은 불순물들 중 하나 이상을 포함한다. 즉, 부유물, 박테리아, 기생충, 바이러스, 유기물, 중금속 및 염소 등이다. 물 처리 시스템의 고장 및 다른 문제점은 때때로 박테리아 및 바이러스의 불완전한 제거의 원인이 된다. 다른 나라에서, 이들 나라들 중 일부는 인구 밀도가 증가하고 있고 수자원이 점점 희박해지고 있고 물 처리 설비가 없으므로 오염된 물에 노출되는 것과 관련된 치명적인 결과가 있게 된다. 음용수원이 사람과 동물의 폐기물에 매우 근접해 있는 것이 보편적이므로 미생물 오염이 주요한 보건 관심사이다. 수인성 미생물 오염의 결과로서, 연간 6백만명이 사망하는 것으로 추정되며, 이들 중 절반은 5세 이하의 어린이들이다.
1987년에, 미국 환경 보호국(EPA)은 "미생물 정수기를 시험하기 위한 안내 지침 및 프로토콜"을 도입했다. 이 프로토콜은 공공 또는 개인용 급수 내에서 특정 보건 관련 오염물을 감소시키도록 설계된 음용수 처리 시스템의 성능에 관한 최소한의 요구 조건을 확립하고 있다. 요구 조건은 급수원으로부터의 유출수는 감염에 대해 99.99% (또는 동일하게 4 로그)의 바이러스 제거율과 99.9999% (또는 동일하게 6 로그)의 박테리아 제거율을 나타내는 것이다. EPA 프로토콜 하에서, 바이러스의 경우에는 유입수 농도는 리터 당 1x107 바이러스이어야 하고, 박테리아의 경우에는 유입수 농도는 리터 당 1x108 박테리아이어야 한다. 급수 내에서의 에스케리키아 콜라이(Escherichia coli (E. coli(대장균), 박테리아))의 만연 및 급수의 소비와 관련된 위험 때문에, 이러한 미생물은 대부분의 연구에서 박테리아로서 사용된다. 유사하게는, MS-2 박테리오파지(또는 단순히 MS-2 파지)는 그 크기 및 형태(즉, 약 26 ㎚ 및 20면체)가 많은 바이러스와 유사하기 때문에, 바이러스 제거를 위한 대표적인 미생물로 통상 사용된다. 따라서, MS-2 박테리오파지를 제거하는 필터의 성능은 다른 바이러스를 제거하는 필터의 성능을 말한다.
이러한 요구 조건 및 음용수의 품질을 개선하려는 일반적인 관심으로 인해, 유체로부터 박테리아 및/또는 바이러스를 제거할 수 있는 필터 재료 및 필터를 제조하기 위한 방법을 제공하기 위한 계속적인 요구가 있다.
발명의 개요
음용수를 제공하기 위한 필터가 제공된다. 이 필터는 유입구 및 유출구를 갖는 하우징과, 복수의 중공극성 활성탄 필터 입자로 적어도 부분적으로 형성되어 하우징 내에 배치된 필터 재료를 포함한다.
본 명세서는 본 발명을 구체적으로 지시하며 명확하게 청구하는 청구의 범위로 결론을 맺지만, 본 발명은 첨부 도면과 관련하여 취해진 이하의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것으로 여겨진다.
도 1a는 중공극성이며 산성인 활성탄 입자 CA-10 및 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 입자 TA4-CA-10의 BET 질소 흡착 등온선이다.
도 1b는 중공극성이며 염기성인 활성탄 입자 RGC 및 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 THe4-RGC의 BET 질소 흡착 등온선이다.
도 2a는 도 1a의 입자의 중공극 체적 분포도이다.
도 2b는 도 1b의 입자의 중공극 체적 분포도이다.
도 3a는 도 1a의 입자의 영전하점(point-of-zero-charge) 그래프이다.
도 3b는 도 1b의 입자의 영전하점 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 축류 필터의 측단면도이다.
도 5a는 도 1a의 활성탄 입자에 대해 시간의 함수에 따른 이. 콜라이(E. coli) 액 농도(bath concentration)를 도시한다.
도 5b는 도 1b의 활성탄 입자에 대해 시간의 함수에 따른 이. 콜라이 액 농도를 도시한다.
도 6a는 도 1a의 활성탄 입자에 대해 시간의 함수에 따른 MS-2 액 농도를 도시한다.
도 6b는 도 1b의 활성탄 입자에 대해 시간의 함수에 따른 MS-2 액 농도를 도시한다.
도 7a는 2개의 필터를 통한 물의 누적 체적의 함수에 따른 이. 콜라이 흐름 농도를 도시하는데, 2개의 필터 중 하나는 RGC 중공극성 및 염기성 활성탄을 포함하며, 다른 하나는 미세공극성 코코넛 활성탄 입자를 포함한다.
도 7b는 2개의 필터를 통한 물의 누적 체적의 함수에 따른 MS-2 흐름 농도를 도시하는데, 2개의 필터 중 하나는 RGC의 중공극성 및 염기성인 활성탄을 포함하며, 다른 하나는 미세공극성 코코넛 활성탄 입자를 포함한다.
인용된 모든 문헌은 본 명세서에서 관련된 부분에서 포함되어 참고된다. 임의의 문헌을 인용하는 것이 이 문헌을 본 발명에 대한 종래 기술로 인정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
I. 정의
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "필터" 및 "여과"라는 용어는 주로 흡착 및/또는 크기 배제(size exclusion)에 의해 보다 작은 정도로의 미생물 제거(및/또는 다른 오염물 제거)와 관련된 구조 및 메커니즘을 각각 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "필터 재료"라는 용어는 필터 입자의 응집체를 말하는 것이다. 필터 재료를 형성하는 필터 입자의 응집체는 균질이거나 불균질일 수 있다. 필터 입자는 필터 재료 내에 균일하게 또는 불균일(예를 들어, 상이한 필터 입자의 층)하게 분포될 수 있다. 또한, 필터 재료를 형성하는 필터 입자는 형태 및 크기가 동일할 필요가 없으며 느슨하거나 상호연결된 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 필터 재료는 활성탄 섬유와 조합된 중공극 염기성 활성탄 입자를 포함할 수 있으며, 이러한 필터 입자는 느슨하게 회합되어 제공되거나, 중합체 결합제 또는 통합된 구조를 형성하기 위한 다른 수단에 의해 부분적이거나 전체적으로 결합된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "필터 입자"라는 용어는 필터 재료의 적어도 일부를 형성하도록 사용되는 개별 부재 또는 단편을 말하는 것이다. 예를 들어, 섬유, 과립, 비드 등이 각각 본 명세서에서 필터 입자로 간주된다. 또한, 필터 입자는 감지할 수 없는 필터 입자(예를 들어, 매우 미세한 분말)에서 감지할 수 있는 필터 입자까지 크기 면에서 다양할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "필터 재료 공극 체적"이라는 용어는 크기가 0.1 ㎛보다 큰 필터 재료에 있어서 입자간 공극의 총 체적을 말한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "필터 재료 총 체적"이라는 용어는 필터 입자에 의해 점유되는 체적과 입자간 공극 체적의 합을 말한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "미생물", "미생물 유기체" 및 "병원체"라는 용어는 서로 바꾸어서 사용된다. 이러한 용어들은 박테리아, 바이러스, 기생충, 원생동물 및 세균으로 특징지어 질 수 있는 다양한 유형의 미생물을 말한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 필터 입자의 "박테리아 제거 지수" (BRI)라는 용어는 다음과 같이 정의된다.
BRI = 100 x [1- ((평형 상태의 이. 콜라이 박테리아의 액 농도)/(이. 콜라이 박테리아의 대조 농도))]
여기에서, "평형 상태의 이. 콜라이 박테리아의 액 농도"는 이하에서 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 외부 총표면적이 1400 ㎠이고 사우터(Sauter) 평균 직경이 55 ㎛보다 작은 일단의 필터 입자를 포함하는 액 중의 평형 상태의 박테리아의 농도를 말한다. 평형 상태는 이. 콜라이 농도가 2시간 간격으로 2개의 시점에서 측정되었을 때 절반 정도의 양 내에서 변화되지 않고 유지되면 도달된다. "이. 콜라이 박테리아의 대조 농도"라는 용어는 대조 액 중의 이. 콜라이 박테리아의 농도를 말하는 것으로, 약 3.7x109 CFU/L에 상당한다. 사우터 평균 직경은 표면 대 체적 비율이 전체 입자 분포의 비와 동일한 입자의 직경이다. "CFU/L"이라는 용어는 이. 콜라이 계수에 사용되는 통상적인 용어인 "리터 당 콜로니 형성 단위"를 표시한다는 것을 알아야 한다. BRI 지수는 살균 작용을 제공하는 화학 약품을 가하지 않고 측정된다. 필터 입자의 제거 능력을 보고하는 동등한 방식은 "박테리아 로그 제거 지수" (BLRI)에 의한 것이며, 이는 다음과 같이 정의된다.
BLRI = - log[l-(BRI/100)].
BLRI는 "로그"의 단위를 갖는다(여기서, "로그"는 대수를 의미한다). 예를 들어, 99.99%에 상응하는 BRI를 갖는 필터 입자는 4 로그에 상응하는 BLRI를 갖는다. BRI 및 BLRI 값을 결정하기 위한 시험 절차가 이하에 제공된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 필터 입자에 대한 "바이러스 제거 지수" (VRI)라는 용어는 다음과 같이 정의된다.
VRI = 100 x [1- ((평형 상태의 MS-2 파지의 액 농도)/(MS-2 파지의 대조 농도))]
여기서, "평형 상태의 MS-2 파지의 액 농도"는 이하에서 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 외부 총표면적이 1400 ㎠이고 사우터 평균 직경이 55 ㎛보다 작은 일단의 필터 입자를 포함하는 액 중의 평형 상태의 파지의 농도를 말한다. 평형 상태는 MS-2 농도가 2시간 간격으로 2개의 시점에서 측정되었을 때 절반 정도의 양 내에서 변화되지 않고 유지되면 도달된다. "Mu-2 파지의 대조 농도"라는 용어는 대조 액 중의 MS-2 파지의 농도를 말하는 것으로, 약 6.7x107 PFU/L에 상당한다. "PFU/L"이라는 용어는 MS-2 계수 시에 사용되는 통상적인 용어인 "리터 당 플라크 형성 단위"를 표시한다는 것을 알아야 한다. VRI 지수는 살바이러스 작용을 제공하는 화학 약품을 가하지 않고 측정된다. 필터 입자의 제거 능력을 보고하는 동등한 방식은 "바이러스 로그 제거 지수" (VLRI)에 의한 것이며, 이는 다음과 같이 정의된다.
VLRI = - log[1-(VRI/100)].
VLRI는 "로그"의 단위를 갖는다(여기서, "로그"는 대수를 의미한다). 예를 들어, 99.9%에 상응하는 VRI를 갖는 필터 입자는 3 로그에 상응하는 VLRI를 갖는다. VRI 및 VLRI 값을 결정하기 위한 시험 절차가 이하에 제공된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "필터의 박테리아 로그 제거율"(Filter Bacteria Log Removal, F-BLR)이라는 용어는 최초 2,000의 필터 재료 공극 체적의 흐름 후 필터가 박테리아를 제거하는 능력을 말한다. F-BLR은 하기와 같이 정의 및 계산된다:
F-BLR = -log[(이. 콜라이의 유출 농도)/(이. 콜라이의 유입 농도)]
여기서, "이. 콜라이의 유입 농도"는 시험 내내 계속적으로 약 1x108 CFU/L로 설정되며 "이. 콜라이의 유출 농도"는 필터를 통한 약 2,000의 필터 재료 공극 체적의 흐름 후에 측정된다. F-BLR은 "로그"의 단위를 갖는다(여기서, "로그"는 대수를 의미한다). 유출 농도가 분석에 사용되는 기술의 검출 한계치보다 작으면 F-BLR의 계산에 있어서 유출 농도는 검출 한계치인 것으로 간주됨을 알아야 한다. 또한, F-BLR은 살균 효과를 제공하는 화학 약품을 가하지 않고 측정된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "필터의 바이러스 로그 제거율"(Filter Viruses Log Removal, F-VLR)이라는 용어는 최초 2,000의 필터 재료 공극 체적의 흐름 후 필터가 바이러스를 제거하는 능력을 말한다. F-VLR은 하기와 같이 정의 및 계산된다:
F-VLR =-log [(MS-2의 유출 농도)/(MS-2의 유입 농도)]
여기서, "MS-2의 유입 농도"는 시험 내내 계속적으로 약 1x107 PFU/L로 설정되며, "MS-2의 유출 농도"는 필터를 통한 약 2,000의 필터 재료 공극 체적의 흐름 후에 측정된다. F-VLR은 "로그"의 단위를 갖는다(여기서, "로그"는 대수를 의미한다). 유출 농도가 분석에 사용되는 기술의 검출 한계치보다 작으면 F-VLR의 계산에 있어서 유출 농도는 검출 한계치인 것으로 간주됨을 알아야 한다. 또한, F-VLR은 살바이러스 효과를 제공하는 화학 약품을 가하지 않고 측정된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "전체 외부 표면적"이라는 용어는 이하에서 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 하나 이상의 필터 입자들의 기하학적인 외부 총표면적을 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "외부 비표면적"이라는 용어는 이하에서 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 필터 입자의 단위 질량 당 외부 총표면적을 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "미세공극"이라는 용어는 폭 또는 직경이 2 ㎚(또는 동일하게는, 20 Å)보다 작은 입자내 공극을 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "중공극"이라는 용어는 폭 또는 직경이 2 ㎚ 내지 50 ㎚(또는 동일하게는, 20 Å 내지 500 Å)인 입자내 공극을 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "거대공극"이라는 용어는 폭 또는 직경이 50 ㎚(또는 동일하게는, 500 Å)보다 큰 입자내 공극을 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "총 공극 체적"이라는 용어 및 그의 파생 용어들은 모든 입자내 공극, 즉 미세공극, 중공극 및 거대공극의 체적을 말하는 것이다. 총 공극 체적은 본 기술 분야에 공지된 공정인 BET 공정(ASTM D 4820 - 99 표준)을 사용하여 0.9814의 상대 압력에서 흡착되는 질소의 체적으로서 계산된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "미세공극 체적"이라는 용어 및 그의 파생 용어들은 모든 미세공극의 체적을 말하는 것이다. 미세공극 체적은 본 기술 분야에 공지된 공정인 BET 공정(ASTM D 4820 - 99 표준)을 사용하여 0.15의 상대 압력에서 흡착되는 질소의 체적으로부터 계산된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "중공극 및 거대공극 체적의 합"이라는 용어 및 그의 파생 용어들은 모든 중공극 및 거대공극의 체적을 말하는 것이다. 중공극 및 거대공극 체적의 합은 총 공극 체적과 미세공극 체적 사이의 차이에 상응하거나 또는 동일하게는 본 기술 분야에 공지된 공정인 BET 공정(ASTM D 4820 - 99 표준)을 사용하여 0.9814 및 0.15의 상대 압력에서 흡착되는 질소의 체적들 사이의 차이로부터 계산된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "중공극 범위 내의 공극 크기 분포"라는 용어는 본 기술 분야에 공지된 공정인 바렛(Barrett), 조이너(Joyner) 및 할렌다(Halenda) 공정(BJH 공정)에 의해 계산된 공극 크기의 분포를 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "탄화"라는 용어 및 그의 파생 용어들은 함탄소 물질 내의 비탄소 원자들이 감소되는 공정을 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "활성화"라는 용어 및 그의 파생 용어들은 탄화된 물질이 더욱 공극성으로 되는 공정을 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "활성탄 입자" 또는 "활성탄 필터 입자"라는 용어 및 그의 파생 용어들은 활성화 공정을 받은 탄소 입자를 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "영전하점"이라는 용어는 그 이상에서 탄소 입자의 전체 표면이 음으로 하전되는 pH를 말하는 것이다. 영전하점을 결정하기 위한 공지된 시험 절차가 이하에 설명된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "염기성"이라는 용어는 7보다 큰 영전하점을 갖는 필터 입자를 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "산성"이라는 용어는 7보다 작은 영전하점을 갖는 필터 입자를 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "중공극성 활성탄 필터 입자"라는 용어는 중공극 및 거대공극 체적의 합이 0.12 mL/g보다 클 수도 있는 활성탄 필터 입자를 말한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "미세공극 활성탄 필터 입자"라는 용어는 중공극 및 거대공극 체적의 합이 0.12 mL/g보다 작을 수도 있는 활성탄 필터 입자를 말한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "중공극성인 염기성 활성탄 필터 입자"라는 용어는 중공극 및 거대공극의 체적의 합이 0.12 mL/g보다 클 수도 있으며 영전하점이 7보다 큰 활성탄 필터 입자를 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "중공극성이고 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 필터 입자"라는 용어는 중공극 및 거대공극의 체적의 합이 0.12 mL/g보다 클 수도 있으며 영전하점이 7보다 크고 벌크 산소 중량 퍼센트가 1.5% 이하인 활성탄 필터 입자를 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "중공극성인 산성 활성탄 필터 입자"라는 용어는 중공극 및 거대공극의 체적의 합이 0.12 mL/g보다 클 수도 있으며 영전하점이 7보다 작은 활성탄 필터 입자를 말하는 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "출발 재료"라는 용어는 중공극 또는 거대공극을 포함하거나 탄화 및/또는 활성화 동안 중공극 및 거대공극을 생성할 수 있는 임의의 전구체를 말한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "축류"라는 용어는 평면을 통과하고 이 표면에 수직한 흐름을 말한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "반경류"라는 용어는 본질적으로 원통형이거나 본질적으로 원추형인 표면을 통과하고 이 표면들에 수직한 흐름을 말한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "대면 영역(face area)"이라는 용어는 유입수에 처음에 노출되는 필터 재료의 영역을 말한다. 예를 들어, 축류 필터의 경우에는 대면 영역은 유체의 입구에서의 필터 재료의 단면 영역이며, 반경류 필터의 경우에는 이 대면 영역은 필터 재료의 외부 영역이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "필터 깊이"라는 용어는 유입수가 필터 재료의 입구에서 출구까지 이동하는 직선 거리를 말한다. 예를 들어, 축류 필터의 경우에는 필터 깊이는 필터 재료의 두께이며, 반경류 필터의 경우에는 필터 깊이는 필터 재료의 외경과 내경 사이의 차이의 절반이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "유체의 평균 체류 시간" 및/또는 "유체의 평균 접촉 시간"이라는 용어는 유체가 필터 재료를 통과하여 이동할 때 유체가 필터의 내부에서 필터 입자와 접촉하는 평균 시간을 말하며, 필터 재료 공극 체적 대 유체 유량의 비로 계산된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "필터 공극도" 및/또는 "필터층 공극도"라는 용어는 필터 재료의 공극 체적 대 필터 재료의 총체적의 비를 말한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "유입구"라는 용어는 유체가 필터 또는 필터 재료에 들어갈 수 있게 하는 수단을 말한다. 예를 들어, 유입구는 필터 재료의 대면 영역 또는 필터의 일부인 구조체일 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "유출구"라는 용어는 유체가 필터 또는 필터 재료로부터 빠져 나갈 수 있게 하는 수단을 말한다. 예를 들어, 유출구는 유체의 출구에서의 필터 재료의 단면적 또는 필터의 일부인 구조체일 수 있다.
II. 중공극성 활성탄 필터 입자
예기치 않게, 중공극성 활성탄 필터 입자가 미세공극성 활성탄 필터 입자에 비해 더 많은 수의 미생물을 흡착한다는 것이 발견되었다. 또한 예기치 않게, 중공극성인 염기성 활성탄 필터 입자가 중공극성인 산성 활성탄 필터 입자에 의해 흡착되는 것에 비해 더 많은 수의 미생물을 흡착한다는 것이 발견되었다. 더욱이 예기치 않게, 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 필터 입자가 벌크 산소 중량 퍼센트의 감소 없이 중공극성인 염기성 활성탄 필터 입자에 의해 흡착되는 것에 비해 더 많은 수의 미생물을 흡착한다는 것이 발견되었다.
임의의 이론에 구애됨이 없이, 본 발명자들은 공극도에 관해서, 많은 개수의 중공극 및/또는 거대공극이 병원체, 병원체의 가장자리(fimbriae), 및 병원체의 외막, 캡시드 및 엔벨로프를 구성하는 표면 중합체(예를 들어, 단백질, 리포폴리사카라이드, 올리고당 및 다당류)에 대한 보다 편리한 흡착 부위(중공극/거대공극의 개구 또는 입구)를 제공한다고 가정하였는데, 이는 그러한 것의 전형적인 크기가 중공극 및 거대공극의 입구의 전형적인 크기와 유사하기 때문이다. 또한, 중공극도 및 거대공극도는 탄소의 하나 이상의 표면 특성, 예를 들어 표면 조도와 상관 관계가 있을 수도 있다.
또한, 이론에 구애됨이 없이, 본 발명자들은 염기성의 활성탄 표면이 산성인 탄소 표면에 의해 끌어 당겨지는 것에 비하여 더욱 많은 수의 미생물을 끌어 당길 필요가 있는 유형의 작용체를 포함한다고 가정하였다. 염기성 탄소 표면 상으로의 이러한 향상된 흡착은 염기성 탄소 표면이 통상 음으로 하전된 미생물 및 이 미생물 표면 상의 작용기를 끌어 당긴다는 사실에 기인할 수도 있다. 본 발명자들은 또한 염기성 탄소가 물에 위치될 경우 산소 분자의 환원에 의해 소독제를 생성할 수 있다고 가정하였다. 본 발명자들은 이 환원의 최종 산물이 수산화물이기는 하지만 반응성 산소 중간체, 예를 들어 수퍼옥사이드, 하이드로퍼옥사이드 및/또는 하이드록시 라디칼이 형성되며 아마도 충분히 오랫동안 살아 남아 탄소로부터 벌크 용액 내로 확산된다고 생각한다.
더욱이, 본 발명자들은 벌크 산소 중량 퍼센트가 감소됨에 따라 탄소가 보다 염기성으로 된다고 생각한다. 낮은 벌크 산소 중량 퍼센트에 의해 박테리아/바이러스 흡착력이 개선될 수도 있는데, 이는 (1) 박테리아/바이러스의 격퇴를 위한 보다 적은 카르복실산 및 그로 인한 보다 적은 음성 표면; 및 (2) 박테리아/바이러스가 표면에 흡착되려고 할 경우 박테리아/바이러스에 의해 물이 보다 용이하게 대체되도록 하는 덜 수화된 표면(즉, 이미 표면 상의 부위를 점유하고 있는 다른 종의 대체를 위한 박테리아/바이러스의 보다 덜한 에너지 페널티)이 존재할 것이기 때문이다. 이러한 후자의 이유(즉, 덜 수화된 표면)는 이하에서 논의되어 있는 이상적인 표면이 다소 소수성이어야 한다(즉, 상기 표면은 표면이 물에 적셔지게 하기에는 충분하지만 표면이 과도하게 친수성이 되게 할 만큼 많지는 않은 에지 탄소 원자 상의 산소 치환체를 가져야 한다)는 생각과도 또한 일치한다.
필터 입자는 다양한 형태 및 크기로 제공될 수 있다. 예를 들어, 필터 입자는 분말, 과립, 섬유, 비드와 같은 단순한 형태로 제공될 수 있다. 필터 입자는 구형, 다면체형, 원통형의 형태는 물론 다른 대칭형, 비대칭형 및 불규칙한 형태로도 제공될 수 있다. 또한, 필터 입자는 위에서 설명한 단순한 형태로부터 형성될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 웨브, 스크린, 메쉬, 부직포, 직포 및 결합 블록과 같은 복잡한 형태로 형성될 수 있다.
형태와 마찬가지로, 필터 입자의 크기도 변할 수 있고, 그 크기는 임의의 단일 필터 내에서 사용되는 필터 입자들 사이에서 균일할 필요가 없다. 사실상, 단일 필터 내에서 상이한 크기를 갖는 필터 입자를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로, 필터 입자의 크기는 약 0.1 ㎛ 내지 약 10 ㎜, 바람직하게는 약 0.2 ㎛ 내지 약 5 ㎜, 더 바람직하게는 약 0.4 ㎛ 내지 약 1 ㎜, 가장 바람직하게는 약 1 ㎛ 내지 약 500 ㎛일 수도 있다. 구형 및 원통형 입자(예를 들어, 섬유 및 비드 등)의 경우, 전술한 치수는 필터 입자의 직경을 말한다. 사실상 상이한 형태를 갖는 필터 입자의 경우, 전술한 치수는 최대 치수(예를 들어, 길이, 폭 또는 높이)를 말한다.
본 필터 입자는 중공극 및 거대공극을 포함하거나 탄화 및/또는 활성화 동안 중공극 및 거대공극을 생성하는 임의의 전구체의 생성물일 수도 있다. 예를 들어, 그리고 한정됨이 없이, 본 필터 입자는 목재계 활성탄 입자, 석탄계 활성탄 입자, 이탄계 활성탄 입자, 역청계 활성탄 입자, 타르계 활성탄 입자, 콩계 활성탄 입자, 기타 리그노셀룰로오스계 활성탄 입자 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
활성탄은 산성, 중성 또는 염기성 특성을 나타낼 수 있다. 산성 특성은 제한적이지 않은 예로서 페놀, 카르복실, 락톤, 하이드로퀴논, 안하이드라이드, 케톤과 같은 산소 함유 작용체 또는 작용기와 관련이 있다. 염기성 특성은 파이론, 크로멘, 에테르, 카르보닐은 물론 기저면 π 전자와 같은 작용체와 관련이 있다. 활성탄 입자의 산도 또는 염기도는 "영전하점" 기술(문헌[Newcombe, G., et al., Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 78, 65-71 (1993)])에 의해 결정되며, 이의 내용은 본 명세서에서 전체적으로 참조되었다. 이 기술은 이하의 섹션 VI에서 상세하게 설명된다. 본 발명의 필터 입자는 영전하점이 1 내지 14, 바람직하게는 약 4 초과, 바람직하게는 약 6 초과, 바람직하게는 약 7 초과, 바람직하게는 약 8 초과, 더 바람직하게는 약 9 초과, 가장 바람직하게는 약 9 내지 약 12일 수도 있다.
활성탄의 영전하점은 그의 벌크 산소 중량 퍼센트와 역의 상관 관계가 있다. 본 발명의 필터 입자는 벌크 산소 중량 퍼센트가 약 5% 미만, 바람직하게는 약 2.5% 미만, 바람직하게는 약 2.3% 미만, 바람직하게는 약 2% 미만, 더 바람직하게는 약 1.2% 미만, 가장 바람직하게는 약 1% 미만, 및/또는 약 0.1% 초과, 바람직하게는 약 0.2% 초과, 더 바람직하게는 약 0.25% 초과, 가장 바람직하게는 약 0.3% 초과일 수도 있다. 또한, 활성탄 입자의 영전하점은 본 입자를 포함하는 물의 ORP와 상관 관계가 있는데, 이는 영전하점이 탄소가 산소를 환원시키는 능력의 척도이기 때문이다(적어도 염기성 탄소의 경우). 본 발명의 필터 입자는 ORP가 약 570 mV 미만, 바람직하게는 약 465 mV 미만, 바람직하게는 약 400 미만, 바람직하게는 약 360 mV 미만, 바람직하게는 약 325 mV 미만, 가장 바람직하게는 약 290 mV 내지 약 175 mV일 수도 있다.
본 활성탄 필터 입자 또는 필터 재료의 전기 저항은 이것이 필터 블록을 형성하는 능력에 관련되기 때문에 그의 중요한 특성 중 하나이다. 예를 들어, 저항 가열 방법을 이용하여 필터 블록을 형성할 수 있는데, 이 경우 필터 재료는 필터 재료의 2개의 말단 사이에 전기를 통하게 함으로써 가열된다. 본 필터 재료의 전기 저항에 의해 필터 재료의 단시간 가열 능력이 제어된다. 전기 저항은 실시예 3 및 4에 언급된 바와 같은 위에서의 조건을 사용하여 필터 블록을 형성하고, 이 블록의 2개의 면을 전압계로부터의 2개의 전극과 접촉시켜 블록의 2개의 면 사이의 전기 저항을 측정함으로써 측정된다. 실시예 3 및 4의 필터의 예시적인 전기 저항은 각각 약 350 Ω 및 약 40 Ω이다. 또한, 상기 실시예 1의 카보켐(CARBOCHEM) CA-10 및 상기 실시예 2의 TA4-CA10으로 만들어진 필터의 각각의 전기 저항은 약 1.3 MΩ 및 약 100 Ω이다.
필터 입자는 하기하는 바와 같이 출발 재료의 처리에 의해 성취될 수도 있다. 처리 조건은 분위기의 조성, 압력, 온도 및/또는 시간을 포함할 수도 있다. 본 발명의 분위기는 환원 분위기 또는 불활성 분위기일 수도 있다. 환원 분위기, 스팀 또는 불활성 분위기의 존재 하에서의 본 필터 입자의 가열에 의해 표면 산소 작용체가 환원된 필터 재료가 생성된다. 적합한 환원 분위기의 예로는 수소, 질소, 해리 암모니아, 일산화탄소 및/또는 혼합물이 포함될 수도 있다. 적합한 불활성 분위기의 예로는 아르곤, 헬륨, 및/또는 그의 혼합물이 포함될 수도 있다.
활성탄 입자가 임의의 귀금속 촉매(예를 들어, 백금, 금, 팔라듐)를 포함하지 않을 때의 처리 온도는 약 600℃ 내지 약 1,200℃, 바람직하게는 약 700℃ 내지 약 1,100℃, 더 바람직하게는 약 800℃ 내지 약 1,050℃, 가장 바람직하게는 약 900℃ 내지 약 1,000℃일 수도 있다. 활성탄 입자가 귀금속 촉매를 포함하면, 처리 온도는 약 100℃ 내지 약 800℃, 바람직하게는 약 200℃ 내지 약 700℃, 더 바람직하게는 약 300℃ 내지 약 600℃, 가장 바람직하게는 약 350℃ 내지 약 550℃일 수도 있다.
처리 시간은 약 2분 내지 약 10시간, 바람직하게는 약 5분 내지 약 8시간, 더욱 바람직하게는 약 10분 내지 약 7시간, 가장 바람직하게는 약 20분 내지 약 6시간일 수도 있다. 기체 유량은 약 0.25 표준 L/h.g (즉, 시간 및 탄소 그램 당 표준 리터; 0.009 표준 ft3/h.g) 내지 약 60 표준 L/h.g(2.1 표준 ft3/h.g), 바람직하게는 약 0.5 표준 L/h.g(0.018 표준 ft3/h.g) 내지 약 30 표준 L/h.g(1.06 표준 ft3/h.g), 더욱 바람직하게는 약 1.0 표준 L/h.g(0.035 표준 ft3/h.g) 내지 약 20 표준 L/h.g(0.7 표준 ft3/h.g), 가장 바람직하게는 약 5 표준 L/h.g(0.18 표준 ft3/h.g) 내지 약 10 표준 L/h.g(0.35 표준 ft3/h.g)일 수도 있다. 압력은 처리 시간 동안 대기압보다 크거나, 동일하거나 작게 유지될 수 있다. 알 수 있게 되는 바와 같이, 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 필터 재료를 제조하기 위한 다른 공정이 이용될 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 출발 재료의 그러한 처리는 필터 재료의 수득을 위하여 출발 재료에 따라 복수회 반복될 수도 있다.
출발 재료는 구매하거나, 예를 들어 문헌[Jagtoyen, M., and F. Derbyshire, Carbon, 36(7-8), 1085-1097 (1998)], 문헌[Evans, et al., Carbon, 37, 269-274 (1999)] 및 문헌[Ryoo et al., J. Phys. Chem B, 103(37), 7743-7746 (1999)]에 기술되어 있는 바와 같이 당업계에 잘 알려진 방법으로 제조할 수도 있는데, 이의 내용은 본 명세서에서 전체적으로 참조되었다. 활성화/탄화에 사용되는 전형적인 화학 물질에는 인산, 염화아연, 인산암모늄 등이 포함되며 이는 바로 직전에 인용된 2개의 저널에 기술되어 있는 방법과 조합되어 사용될 수도 있다.
브루나우어(Brunauer), 에멧(Emmett), 텔러(Teller)(BET) 비표면적과 바렛, 조이너 및 할렌다(BJH) 공극 크기 분포가 입자의 공극 구조를 특징짓기 위해 사용될 수 있다. 바람직하게는, 필터 입자의 BET 비표면적은 약 500 ㎡/g 내지 약 3,000 ㎡/g, 바람직하게는 약 600 ㎡/g 내지 약 2,800 ㎡/g, 더욱 바람직하게는 약 800 ㎡/g 내지 약 2,500 ㎡/g, 가장 바람직하게는 약 1,000 ㎡/g 내지 약 2,000 ㎡/g일 수도 있다. 도 1a를 참조하면, BET 공정을 사용한, 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 목재계 활성탄(TA4-CA-10) 및 중공극성이며 산성인 목재계 활성탄(CA-10)의 전형적인 질소 흡착 등온선이 도시되어 있다. 도 1b를 참조하면, BET 공정을 사용한, 중공극성이며 염기성인 목재계 활성탄(RGQ) 및 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 목재계 활성탄(THe4-RGC)의 전형적인 질소 흡착 등온선이 도시되어 있다.
중공극성의 염기성 활성탄 입자의 총 공극 체적은 BET 질소 흡착 중에 측정되며 0.9814의 상대 압력(P/Po)에서 흡착되는 질소의 체적으로서 계산된다. 더 구체적으로는 그리고 당업계에 잘 알려져 있는 바와 같이, 총 공극 체적은 STP(표준 온도 및 압력)에서 질소의 체적을 액체로 변환시키는 0.00156의 변환 계수를 0.9814의 상대 압력에서 "mL(STP)/g 단위의 흡착된 질소의 체적"에 곱함으로써 계산된다. 본 필터 입자의 총 공극 체적은 약 0.4 mL/g보다 크거나, 약 0.7 mL/g보다 크거나, 약 1.3 mL/g보다 크거나, 약 2 mL/g보다 크고/크거나 약 3 mL/g보다 작거나, 약 2.6 mL/g보다 작거나, 약 2 mL/g보다 작거나, 약 1.5 mL/g보다 작을 수도 있다.
중공극 및 거대공극 체적의 합은 BET 질소 흡착 중에 측정되며 총 공극 체적과 0.15의 P/Po에서 흡착되는 질소의 체적 사이의 차이로서 계산된다. 본 필터 입자의 중공극 및 거대공극 체적의 합은 약 0.12 mL/g보다 크거나, 약 0.2 mL/g보다 크거나, 약 0.4 mL/g보다 크거나, 약 0.6 mL/g보다 크거나, 약 0.75 mL/g보다 크고/크거나 약 2.2 mL/g보다 작거나, 약 2 mL/g보다 작거나, 약 1.5 mL/g보다 작거나, 약 1.2 mL/g보다 작거나, 약 1 mL/g보다 작을 수도 있다.
BJH 공극 크기 분포는 문헌[J. Amer. Chem. Soc., 73, 373-80 (1951)] 및 문헌[Gregg and Sing, ADSORPTION, SURFACE AREA, AND POROSITY, 2nd edition, Academic Press, New York (1982)]에 설명된 바렛, 조이너, 할렌다(BJH) 공정을 사용하여 측정될 수 있고, 이들의 내용은 본 명세서에서 전체적으로 참조되었다. 일 실시 형태에 있어서, 공극 체적은 약 4 ㎚ 및 약 6 ㎚ 사이의 임의의 공극 직경에 대해 약 0.01 mL/g 이상일 수도 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 공극 체적은 약 4 ㎚ 및 약 6 ㎚ 사이의 임의의 공극 직경에 대해 약 0.01 mL/g 내지 약 0.04 mL/g 사이일 수도 있다. 또다른 실시 형태에 있어서, 공극 체적은 약 4 ㎚ 내지 약 6 ㎚ 사이의 공극 직경에 대해 약 0.03 mL/g 이상일 수도 있고, 또는 약 0.03 mL/g 및 약 0.06 mL/g 사이이다. 바람직한 실시 형태에 있어서, 공극 체적은 약 4 ㎚ 내지 약 6 ㎚ 사이의 공극 직경에 대해 약 0.015 mL/g 및 약 0.06 mL/g 사이일 수도 있다. 도 2a는 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄(TA4-CA-10) 및 중공극성이며 산성인 목재계 활성탄(CA-10)의 BJH 공정에 의해 계산된 전형적인 중공극 체적 분포를 도시한다. 도 2b는 중공극성이며 염기성인 목재계 활성탄(RGC) 및 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 목재계 활성탄(THe4-RGC)의 BJH 공정에 의해 계산된 전형적인 중공극 체적 분포를 도시한다.
중공극 체적과 거대공극 체적의 합 대 총 공극 체적의 비는 약 0.3보다 크며, 바람직하게는 약 0.4보다 크고, 바람직하게는 약 0.6보다 크며, 가장 바람직하게는 약 0.7 내지 약 1일 수도 있다.
외부 총표면적은 외부 비표면적을 필터 입자의 질량으로 곱함으로써 계산되며 필터 입자의 치수에 기초한다. 예를 들어, 단분산(즉, 균일한 직경을 갖는) 섬유의 외부 비표면적은 섬유의 면적(섬유 단부의 2개의 단면적은 무시함) 대 섬유의 중량의 비로서 계산된다. 따라서, 섬유의 외부 비표면적은 4/Dρ이며, 여기서 D는 섬유의 직경이고 ρ는 섬유의 밀도이다. 단분산 구형 입자의 경우, 유사한 계산에 의해 6/Dρ에 상응하는 외부 비표면적이 산출되며, 여기서 D는 입자의 직경이고 ρ는 입자의 밀도이다. 다분산 섬유, 구형 또는 불규칙한 입자의 경우, 외부 비표면적은 D를 로 치환한 후에 위와 동일한 각각의 공식을 사용하여 계산되고, 여기서 는 사우터 평균 직경이며, 이는 표면 대 체적 비가 전체 입자 분포의 표면 대 체적 비에 상응하는 입자의 직경이다. 사우터 평균 직경을 측정하기 위한 본 기술 분야에서 공지된 공정은 예를 들어 맬번(Malvern) 장비(영국 맬번의 맬번 인스트루먼츠 엘티디.(Malvern Instruments Ltd.))를 사용하는 레이저 회절에 의한 것이다. 필터 입자의 외부 비표면적은 약 10 ㎠/g 내지 약 100,000 ㎠/g, 바람직하게는 약 50 ㎠/g 내지 약 50,000 ㎠/g, 더 바람직하게는 약 100 ㎠/g 내지 약 10,000 ㎠/g, 가장 바람직하게는 약 500 ㎠/g 내지 약 7,000 ㎠/g 일 수도 있다.
중공극성이거나, 중공극성이며 염기성이거나, 또는 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 입자의 BRI는 본 명세서에서 설명되는 시험 절차에 따라 측정되었을 때 약 99%보다 크고, 바람직하게는약 99.9%보다 크고, 더 바람직하게는약 99.99%보다 크고, 가장 바람직하게는약 99.999%보다 클 수도 있다. 마찬가지로, 중공극성이거나, 중공극성이며 염기성이거나, 또는 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 입자의 BLRI는 약 2 로그보다 크고, 바람직하게는 약 3 로그보다 크고, 더 바람직하게는 약 4 로그보다 크고, 가장 바람직하게는 약 5 로그보다 클 수도 있다. 중공극성이거나, 중공극성이며 염기성이거나, 또는 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 입자의 VRI는 본 명세서에서 설명되는 시험 절차에 따라 측정되었을 때 약 90%보다 크고, 바람직하게는약 95%보다 크고, 더 바람직하게는약 99%보다 크고, 가장 바람직하게는약 99.9%보다 클 수도 있다. 마찬가지로, 중공극성이거나, 중공극성이며 염기성이거나, 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 입자의 VLRI는 약 1 로그보다 크고, 바람직하게는 약 1.3 로그보다 크고, 더 바람직하게는 약 2 로그보다 크고, 가장 바람직하게는 약 3 로그보다 클 수도 있다.
축류 필터에 대한 정상 상태의 일차원의 "청결한" 층 여과 이론(미생물의 무시할 수 있는 분산성 수송 및 탈착을 가정)(문헌[Yao et al., Environ. Sci. Technol. 5, 1102-1112 (1971))에서는 이하를 설명하고 있는데, 상기 문헌의 내용은 본 명세서에 전체적으로 참조되었다:
C/Co = exp(-λL),
여기서, C는 유출물 농도이며, Co는 유입물 농도이고, λ는 길이의 역의 단위를 갖는 필터 계수이며, L은 필터의 깊이이다. 상기 정의에 기초하면, 부착되지 않은 미생물이 필터를 통과하여 거리 L를 이동함에 따라 경험할 충돌 횟수가 (λ/α)L일 것이며, 여기서 α는 수집체 표면에 고착되는 미생물의 수 대 수집체 표면에 부딪치는 미생물의 수의 비로 정의되는 "청결한" 층의 고착 계수(충돌 효율로도 불림)임을 알아야 한다. 수학식 1은 L이 Ro-Ri로 치환된다면 반경류 필터에 대해서도 유효한데, 여기서 Ro는 외부 반경이며 Ri는 내부 반경이고, 필터 계수는 필터의 두께에 대하여 평균된다. 입자 포함 층(섬유가 아님)의 필터 계수는 하기와 같다:
λ= (3(1-ε)ηα)/2dc,
여기서, ε는 필터층 공극도이며, η는 수집체 표면에 부딪치는 미생물의 수 대 수집체 표면을 향하여 유동하는 미생물의 수의 비로 정의되는 단일 수집체 효율이고, dc는 수집체 입자 직경이다. 상기 식 중 계수(3/2)는 구형 또는 구형 유사 입자에 대하여 유효하다. 원통형 입자(예를 들어, 섬유)에 있어서, 이 항은 (4/π)이 되며, dc는 원통의 직경이다. 또한 "청결한"이라는 용어는 수집체 표면에 아직 새로운 미생물의 침착 효율을 감소(즉, 차단)시키기에 충분한 미생물이 축적되지 않았음을 의미한다는 것을 알아야 한다.
상기의 "청결한" 층 여과 모델에 기초하면, F-BLR 및 F-VLR은 하기와 같이 계산될 수 있다:
F-BLR 또는 F-VLR = -log(C/C0) = (λL/2.3).
단일 수집체 효율, η는 라자고팔란( Rajagopalan) 및 티엔(Tien)의 모델(RT 모델; 문헌[AIChE J., 22(3), 523-533 (1976)], 및 문헌[AIChE J., 28, 871-872 (1982)])을 이용하여 하기와 같이 계산한다:
η = 4As 1/3Pe-2/3 + AsLo1/8R15/8 + 0.00338AsG6/5R-2/5,
여기서, , γ는 (1 - ε)1/3이며, Pe는 무차원 페클렛 수(Peclet number) 이고, Lo는 무차원 런던(London) - 반 데르 발스(van der Waals) 수 이며, R은 무차원 인터셉션 수(interception number) 이고, G는 무차원 침강 수(sedimentation number) 이며, μ는 유체 동점성(물의 경우 1 mPaㆍs에 상응함)이고, U는 표면 유체 속도(하기와 같이 계산됨: 축류 필터의 경우 U = 4Q/πD2 - 여기서, Q는 유체 유량이고, D는 필터의 대면 영역의 직경임; 반경류 필터의 경우 U(R) = Q/2RX - 여기서, X는 필터의 길이이며, R은 Ri와 R0 사이의 반경 위치임)이고, dm은 미생물 직경(또는 미생물이 구형이 아니라면 동등한 구체의 직경)이며, k는 볼츠만(Boltzmann) 상수(1.38x10-23 kgm2/s2ㆍK에 상응)이고, T는 유체 온도이며, H는 하마커(Hamaker) 상수(이는 통상 10-20 J에 상응함)이고, g는 중력 상수(9.81 m/s2에 상응함)이며,ρm은 미생물의 밀도이고, ρf는 유체 밀도(물의 경우, 1 g/mL에 상응함)이다. 본 발명의 목적 및 재료에 있어서, H는 10-20 J에 상응하며, T는 298 K에 상응하고, ρm은 1.05 g/mL에 상응하며, μ는 1 mPaㆍs에 상응한다. 또한, 본 발명의 목적에 있어서, dc는 체적중간 직경 Dv,0.5인데, 이는 총 입자 체적의 50%가 보다 작은 직경의 입자에 존재하도록 하는 입자 직경이다. 또한, 유체의 평균 체류 시간은 다음과 같이 계산된다.
, 그리고
반경류 필터의 경우 .
고착 계수 α는 예를 들어 문헌[Gross et al. (Water Res., 29(4), 1151-1158 (1995))]에 기술되어 있는 "미생물 및 방사성 동위원소 표지 무정위 운동(microbe and radiolabel kinesis, MARK) 기술을 이용하여 통상 실험적으로 계산된다. 본 발명의 필터의 단일 수집체 효율 η은 약 0.002보다 크고, 바람직하게는 약 0.02보다 크며, 바람직하게는 약 0.2보다 크고, 바람직하게는 약 0.4보다 크며, 더 바람직하게는 약 0.6보다 크고, 가장 바람직하게는 약 0.8 내지 약 1일 수도 있다. 본 발명의 필터의 필터 계수 λ는 약 10 m-1보다 크고, 바람직하게는 약 20 m-1보다 크며, 더 바람직하게는 약 30 m-1보다 크고, 가장 바람직하게는 약 40 m-1보다 크며/크거나 약 20,000 m-1보다 작으며, 바람직하게는 약 10,000 m-1보다 작고, 더 바람직하게는 약 5,000 m-1보다 작으며, 가장 바람직하게는 약 1,000 m-1보다 작을 수도 있다.
중공극성이거나, 중공극성이며 염기성이거나, 또는 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 입자를 포함하는 본 발명의 필터의 F-BLR은 본 명세서에 설명된 시험 절차에 따라 측정되었을 때 약 2 로그보다 크고, 바람직하게는 약 3 로그보다 크며, 더 바람직하게는 약 4 로그보다 크고, 가장 바람직하게는 약 6 로그보다 클 수도 있다. 중공극성이거나, 중공극성이며 염기성이거나, 또는 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 입자를 포함하는 본 발명의 필터의 F-VLR은 본 명세서에 설명된 시험 절차에 따라 측정되었을 때 약 1 로그보다 크고, 바람직하게는 약 2 로그보다 크며, 더 바람직하게는 약 3 로그보다 크고, 가장 바람직하게는 약 4 로그보다 클 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시 형태에 있어서, 필터 입자는 목재계 활성탄 입자인 중공극성 활성탄 입자를 포함한다. 이러한 입자는 약 1,000 ㎡/g 내지 약 2,000 ㎡/g의 BET 비표면적과, 약 0.8 mL/g 내지 약 2 mL/g의 총 공극 체적과, 약 0.4 mL/g 내지 약 1.5 mL/g의 중공극 및 거대공극 체적의 합을 갖는다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 형태에 있어서, 필터 입자는 목재계 활성탄 입자인 중공극성의 염기성 활성탄 입자를 포함한다. 이러한 입자는 약 1,000 ㎡/g 내지 약 2,000 ㎡/g의 BET 비표면적과, 약 0.8 mL/g 내지 약 2 mL/g의 총 공극 체적과, 약 0.4 mL/g 내지 약 1.5 mL/g의 중공극 및 거대공극 체적의 합을 갖는다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시 형태에 있어서, 필터 입자는 초기에는 산성이었다가 해리 암모니아 분위기에서의 처리에 의해 염기성으로 되고 산소가 환원되는 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 입자를 포함한다. 이들 입자는 목재계 활성탄 입자이다. 처리 온도는 약 925℃ 내지 약 1,000℃이고, 암모니아 유량은 약 1 표준 L/h.g 내지 약 20 표준 L/h.g이고, 처리 시간은 약 10분 내지 약 7시간이다. 이들 입자는 약 800 ㎡/g 내지 약 2,500 ㎡/g의 BET 비표면적과, 약 0.7 mL/g 내지 약 2.5 mL/g의 총 공극 체적과, 약 0.21 mL/g 내지 약 1.7 mL/g의 중공극 및 거대공극 체적의 합을 갖는다. 염기성이며 산소가 환원된 활성탄으로 변환되는 산성 활성탄의 비제한적인 예가 이하에 설명된다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시 형태에 있어서, 필터 입자는 초기에는 중공극성이었다가 불활성(즉, 헬륨) 분위기에서의 처리에 의해 염기성으로 되는 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 입자를 포함한다. 이들 입자는 목재계 활성탄 입자이다. 처리 온도는 약 800℃ 내지 약 1,000℃이고, 헬륨 유량은 약 1 표준 L/h.g 내지 약 20 표준 L/h.g이고, 처리 시간은 약 10분 내지 약 7시간이다. 이들 입자는 약 800 ㎡/g 내지 약 2,500 ㎡/g의 BET 비표면적과, 약 0.7 mL/g 내지 약 2.5 mL/g의 총 공극 체적과, 약 0.21 mL/g 내지 약 1.7 mL/g의 중공극 및 거대공극 체적의 합을 갖는다. 염기성이며 산소가 환원된 활성탄으로 변환되는 염기성 활성탄의 비제한적인 예가 이하에 설명된다.
III. 처리예
실시예 1중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄의 제조를 위한 중공극성의 산성 활성탄의 처리
펜실베니아주 아드모어 소재의 카보켐, 인크.(Carbochem, Inc.)의 약 2 kg의 카보켐(CARBOCHEM(등록상표)) CA-10 중공극성 산성 목재계 활성탄 입자를 로드아일랜드주 크랜스톤 소재의 씨.아이. 헤이즈, 인크.(C.I. Hayes, Inc.)에서 제조되는 모델 BAC-M 노의 벨트 상에 둔다. 노 온도는 약 950℃로 설정되고, 처리 시간은 약 4시간이고, 분위기는 약 12,800 표준 L/h(즉, 약 450 표준 ft3/h, 또는 동일하게는 약 6.4 표준 L/h.g)의 체적 유량으로 유동하는 해리 암모니아이다. 처리된 활성탄 입자는 TA4-CA-10으로 불리고, 그 BET 등온선, 중공극 체적 분포 및 영전하점 분석이 각각 도 1a, 도 2a 및 도 3a에 도시되어 있다. BET, 중공극 체적과 거대공극 체적의 합, 영전하점, BRI/BLRI, VRI/VLRI, 벌크 산소 중량 퍼센트, 및 ORP에 대한 수치 값이 섹션 VI에 예시되어 있다.
실시예 2
중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄의 제조를 위한 중공극성의 염기성 활성탄의 처리
버지니아주 코빙튼 소재의 메드웨스트바코 코포레이션(MeadWestvaco Corp.)의 약 2 kg의 메드웨스트바코 누카르(MeadWestvaco Nuchar(등록상표)) RGC 중공극성 염기성 목재계 활성탄 입자를 로드아일랜드주 크랜스톤 소재의 씨.아이. 헤이즈, 인크.에서 제조되는 모델 BAC-M 노의 벨트 상에 둔다. 노 온도는 약 800℃로 설정되고, 처리 시간은 4시간이고, 분위기는 약 12,800 표준 L/h(즉, 약 450 표준 ft3/h, 또는 동일하게는 약 6.4 표준 L/h.g)의 체적 유량으로 유동하는 헬륨이다. 처리된 활성탄 입자는 THe4-RGC로 불리고, 그 BET 등온선, 중공극 체적 분포 및 영전하점 분석이 각각 도 1b, 도 2b 및 도 3b에 도시되어 있다. BET, 중공극 체적과 거대공극 체적의 합, 영전하점, BRI/BLRI, VRI/VLRI, 벌크 산소 중량 퍼센트, 및 ORP에 대한 수치 값이 섹션 VI에 예시되어 있다.
IV. 본 발명의 필터
도 4를 참조하여, 이제 본 발명에 따라 제조된 예시적인 필터가 설명될 것이다. 필터(20)는 유입구(24) 및 유출구(26)를 갖는 원통형의 하우징(22)을 포함한다. 당업계에 공지된 바와 같이, 하우징(22)은 필터(20)의 사용 의도 및 원하는 성능에 따라 다양한 형태, 형상, 크기 및 배열로 제공될 수 있다. 예를 들어, 필터(20)는 액체가 하우징(22)의 축을 따라 유동하도록 유입구(24) 및 유출구(26)가 배치된 축류 필터일 수 있다. 대안적으로, 필터(20)는 유체(예를 들어, 액체, 기체 또는 그 혼합물)가 하우징(22)의 반경을 따라 유동하도록 유입구(24) 및 유출구(26)가 배열된 반경류 필터일 수 있다. 축류 또는 반경류 구조 중 어느 것이든, 필터(20)는 바람직하게는 약 3.2 ㎠(0.5 in2) 이상, 더 바람직하게는 약 19.4 ㎠(3 in2) 이상, 가장 바람직하게는 약 32.2 ㎠(5 in2) 이상의 대면 면적 및 바람직하게는 약 0.32 ㎝(0.125 in) 이상, 바람직하게는 약 0.64 ㎝(0.25 in) 이상, 더 바람직하게는 약 1.27 ㎝(0.5 in) 이상, 가장 바람직하게는 약 3.81 ㎝(1.5 in) 이상의 필터 깊이를 수용하도록 구성되는 것이 바람직할 수 있다. 반경류 필터의 경우, 필터 길이는 0.64 ㎝(0.25 in) 이상, 더 바람직하게는 약 1.27 ㎝ (0.5 in) 이상, 가장 바람직하게는 약 3.81 ㎝(1.5 in) 이상일 수도 있다. 또한, 필터(20)는 축류 및 반경류 부분 모두를 포함할 수 있다.
하우징은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서 다른 구조의 일부로서 형성될 수도 있다. 본 발명의 필터가 물 용으로 사용하기에 특히 적합하지만, 다른 유체(예를 들어, 공기, 기체 및 공기와 액체의 혼합물)가 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 필터(20)는 일반적인 액체 필터 또는 기체 필터를 말하고자 하는 것이다. 당업계에 공지된 바와 같이 유입구(24) 및 유출구(26)의 크기, 형상, 간격, 정렬 및 배치는 필터(20)의 사용 의도 및 유량을 수용하도록 선택될 수 있다. 바람직하게는, 필터(20)는 전적으로 가정용인 필터, 냉장고용 필터, 음용수 유닛(예를 들어, 취수병 등과 같은 야영 용구), 물꼭지 장착식 필터(faucet-mount filter), 싱크대 하부용 필터, 의료 장치용 필터, 공업용 필터, 공기 필터 등을 포함하지만 그에 한정되지는 않는 주택용 또는 상용 음용수 장치에 사용하기 위하여 구성된다. 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 필터 구조, 음용수 장치, 소비자용 기구, 및 기타 물 여과 장치의 예가 미국 특허 제5,527,451호, 동 제5,536,394호, 동 제5,709,794호, 동 제5,882,507호, 동 제6,103,114호, 동 제4,969,996호, 동 제5,431,813호, 동 제6,214,224호, 동 제5,957,034호, 동 제6,145,670호, 동 제6,120,685호 및 동 제6,241,899호에 개시되어 있으며, 상기 특허의 내용은 본 명세서에 전체적으로 참조되었다. 음용수 장치의 경우, 필터(20)는 바람직하게는 약 8 L/min보다 작거나, 약 6 L/min보다 작거나, 약 2 L/min 내지 약 4 L/min의 유량을 수용하도록 구성될 수도 있고, 상기 필터는 약 2 kg보다 작은 필터 재료, 또는 약 1 kg보다 작은 필터 재료, 또는 약 0.5 kg보다 작은 필터 재료를 포함할 수도 있다. 또한, 음용수 장치의 경우, 필터(20)는 약 3 초 이상, 바람직하게는 약 5 초 이상, 바람직하게는 약 7 초 이상, 더 바람직하게는 약 10 초 이상, 가장 바람직하게는 약 15 초 이상의 유체 평균 체류 시간을 수용하도록 구성되는 것이 바람직할 수도 있다. 또한, 음용수 장치의 경우, 필터(20)는 약 0.4 ㎤ 이상, 바람직하게는 약 4 ㎤ 이상, 더 바람직하게는 약 14 ㎤ 이상, 가장 바람직하게는 약 25 ㎤ 이상의 필터 재료 공극 체적을 수용하도록 구성되는 것이 바람직할 수도 있다.
필터(20)는 또한 역삼투 시스템, 자외선 시스템, 이온 교환 시스템, 물 전기분해 시스템 및 당업계의 숙련자에게 공지된 기타 물 처리 시스템을 포함하는 다른 필터 시스템과 조합되어 사용될 수도 있는 필터 재료(28)를 포함한다.
필터(20)는 한 가지 이상의 필터 입자(예를 들어, 섬유, 과립 등)를 포함하는 필터 재료(28)를 또한 포함한다. 필터 입자 중 한 가지 이상은 중공극성이며, 더 바람직하게는 중공극성이고 염기성이며, 가장 바람직하게는 중공극성이고 염기성이며 산소가 환원된 입자일 수 있으며 이전에 논의된 특징을 보유할 수 있다. 중공극성이거나, 중공극성이며 염기성이거나, 또는 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 활성탄 필터 재료(28)는 다른 재료 또는 재료들의 조합물, 예를 들어 활성탄 분말, 활성탄 과립, 활성탄 섬유, 제올라이트, 무기물(활성화 알루미나, 마그네시아, 규조토, 실리카, 혼합 옥사이드, 예를 들어 하이드로탈사이트, 유리 등을 포함), 양이온성 재료(중합체, 예를 들어 폴리아미노아마이드, 폴리에틸렌이민, 폴리비닐아민, 폴리다이알릴다이메틸암모늄 클로라이드, 폴리다이메틸아민-에피클로로하이드린, 폴리헥사메틸렌바이구아나이드, 폴리-[2-(2-에톡시)-에톡시에틸-구아니디늄 클로라이드 - 섬유(폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌 말레익 무수물 공중합체, 탄소, 유리 등을 포함) 및/또는 불규칙한 형상의 재료(탄소, 규조토, 모래, 유리, 점토 등을 포함)에 결합될 수도 있음 - 를 포함), 및 그 혼합물로부터 형성되는 입자와 조합될 수 있다. 중공극성의 염기성 활성탄이 조합될 수도 있는 필터 재료의 조합 및 필터 재료의 예가 본 명세서에 전체적으로 참조된 미국 특허 제6,274,041호, 제5,679,248호, 및 본 명세서에 전체적으로 참조된 미국 특허 출원 제09/628,632호에 개시되어 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 필터 재료는 느슨한 형태 또는 상호연결된 형태(예를 들어, 중합체 결합제 또는 통합된 구조를 형성하기 위한 다른 수단에 의해 부분적이거나 전체적으로 결합됨)로 제공될 수 있다.
본 필터 재료는 상기에 논의된 바와 같이 필터 입자의 크기, 형상, 복합체 형성, 전하, 공극도, 표면 구조, 작용기 등을 변화시킴으로써 다양한 용도(예를 들어, 전처리-필터 또는 후처리-필터로서의 용도)에 사용할 수도 있다. 이 필터 재료는 또한 방금 설명한 바와 같이 특정 용도에 적합하도록 하기 위하여 다른 재료와 혼합될 수도 있다. 필터 재료가 다른 재료와 혼합되는 것인지 여부와는 상관 없이, 필터 재료는 느슨한 층, 블록(본 명세서에 전체적으로 참조된 미국 특허 제5,679,248호에 개시된 바와 같이 공압출된 블록을 포함함) 및 그 혼합물로서 사용될 수도 있다. 본 필터 재료와 함께 사용될 수도 있는 바람직한 방법은 세라믹-탄소 믹스(결합은 세라믹의 연소로부터 생김)에 의해 제조되는 블록 필터의 형성, 본 명세서에 전체적으로 참조된 미국 특허 제6,077,588호에 개시되어 있는 부직물 사이의 분말의 사용, 본 명세서에 전체적으로 참조된 미국 특허 제5,928,588호에 개시되어 있는 소지 강도(green strength) 방법의 사용, 본 명세서에 전체적으로 참조된 블록을 형성하는 수지 결합제의 활성화, 또는 PCT 출원 제WO 98/43796호에 개시되어 있는 저항 가열 방법의 사용을 포함한다.
V. 필터 예
실시예 3
중공극성의 염기성 활성탄 입자를 포함하는 필터
미국 버지니아주 코빙튼 소재의 메드웨스트바코 코포레이션의 약 18.3 g의 누카르(등록상표) RGC 중공극성의 염기성 활성탄 분말(Dv,0.5가 약 45 ㎛에 상응함)을 미국 오하이오주 신시내티 소재의 에퀴스타 케미컬즈, 인크.(Equistar Chemicals, Inc.)의 약 7 g의 마이크로텐(Microthene(등록상표)) 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) FN510-00 결합제 및 미국 조지아주 노르크로스 소재의 셀렉트, 인크.(Select, Inc.)의 약 2 g의 알루실(Alusil(등록상표)) 70 알루미노실리케이트 분말과 혼합한다. 이어서, 혼합된 분말을 내경이 약 7.62 ㎝(약 3 in)이고 깊이가 약 1.27 ㎝(약 0.5 in)인 원형 알루미늄 금형에 붓는다. 금형을 닫고 약 204℃에서 1시간 동안 유지한 압반(platen)을 갖는 가열 프레스에 둔다. 이어서, 금형을 실온으로 냉각시키고, 개봉하고, 축류 필터를 꺼낸다. 이 필터의 특징은 하기와 같다. 대면 면적: 약 45.6 ㎠; 필터 깊이: 약 1.27 ㎝; 필터의 총 체적: 약 58 mL; 필터의 공극도(약 0.1 ㎛보다 큰 공극의 경우): 약 0.43; 및 필터 재료의 공극 체적(약 0.1 ㎛보다 큰 공극의 경우): 약 25 mL(수은 공극 측정법으로 측정). 이 필터를 하기 시험 절차에 설명되어 있는 테플론(Teflon(등록상표)) 하우징에 둔다. 유량이 약 200 mL/min일 경우, 이 필터의 압력 강하는 최초 약 2,000의 필터 공극 체적에 대해 약 17 psi(약 1.2 bar, 0.12 MPa)이다. F-BLR, F-VLR, η, 및 α에 대한 수치 값을 섹션 VI에 예시한다.
실시예 4
미세공극성의 염기성 활성탄 입자를 포함하는 필터
약 26.2g의 미세공극성이며 염기성인 코코넛 활성탄 분말(Dv,0.5가 약 92 ㎛에 상응함)을 미국 오하이오주 신시내티 소재의 에퀴스타 케미컬즈, 인크.의 약 7 g의 마이크로텐(등록상표) 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) FN510-00 결합제 및 미국 조지아주 노르크로스 소재의 셀렉토, 인크.의 약 2 g의 알루실(등록상표) 70 알루미노실리케이트 분말과 혼합한다. 이어서, 혼합된 분말을 내경이 약 7.62 ㎝(약 3 in)이고 깊이가 약 1.27 ㎝(약 0.5 in)인 원형 알루미늄 금형에 붓는다. 이 금형을 닫고 약 204℃에서 1시간 동안 유지한 압반이 구비된 가열 프레스에 둔다. 이어서, 금형을 실온으로 냉각시키고, 개봉하고, 축류 필터를 꺼낸다. 이 필터의 특징은 하기와 같다. 대면 면적: 약 45.6 ㎠; 필터 깊이: 약 1.27 ㎝; 필터의 총 체적: 약 58 mL; 필터의 공극도(약 0.1 ㎛보다 큰 공극의 경우): 약 0.44; 및 필터 재료의 공극 체적(약 0.1 ㎛보다 큰 공극의 경우): 약 25.5 mL(수은 공극 측정법으로 측정). 필터를 하기 시험 절차에 설명되어 있는 테플론(Teflon(등록상표)) 하우징에 둔다. 유속이 약 200 mL/min일 경우 이 필터의 압력 강하는 최초 약 2,000의 필터 공극 체적에 대해 약 17 psi(약 1.2 bar, 약 0.12 MPa)이다. F-BLR, F-VLR, η, 및 α에 대한 수치 값을 섹션 VI에 예시한다.
VI. 시험 및 계산 절차
하기 시험 절차를 이용하여 본 명세서에서 논의된 BET, 영전하점, BRI/BLRI, VRI/VLRI, 벌크 산소 중량 퍼센트, ORP, F-BLR, 및 F-VLR 값들을 계산한다. 본 명세서에서 또한 논의되어 있는 것은 단일 수집체 효율, 필터 계수, 유체의 평균 체류 시간 및 F-BLR에 대한 계산 절차이다.
BRI/BLRI 및 VRI/VLRI 값의 측정이 수성 매질에 대한 것이지만, 이는 본 발명의 필터 재료의 궁극적인 용도를 제한하려는 것이 아니며, 오히려 필터 재료는 BRI/BLRI 및 VRI/VLRI 값이 수성 매질에 대해 계산되더라도 앞서 설명된 바와 같이 궁극적으로는 다른 유체에 사용될 수 있다. 또한, 시험 절차의 용도를 설명하기 위해 아래에서 선택되는 필터 재료는 본 발명의 필터 재료의 제조 및/또는 조성의 범주를 제한하거나 본 발명의 어떤 필터 재료가 상기 시험 절차를 사용하여 평가될 수 있는 지를 한정하려는 것이 아니다.
BET 시험 절차
BET 비표면적 및 공극 체적 분포는 질소 흡착 기술, 예를 들어 그 내용이 본 명세서에 전체적으로 참조된 ASTM D 4820-99에 설명되어 있는 기술을 사용하여, 미국 플로리다주 마이애미 소재의 쿨터 코포레이션(Coulter Corp.)에서 제조된 쿨터 SA3100 시리즈 표면적 및 공극 크기 분석기로 약 77K에서 다점 질소 흡착법에 의해 측정한다. 이러한 공정은 또한 미세공극, 중공극, 및 거대공극 체적을 제공할 수 있다. 실시예 1의 TA4-CA-10 필터 입자의 경우, BET 면적은 약 1,038 ㎡/g이고, 미세공극 체적은 약 0.43 mL/g이고, 중공극 체적과 거대공극 체적의 합은 약 0.48 mL/g이다. 실시예 2의 THe4-RGC 필터 입자의 경우, BET 면적은 약 2,031 ㎡/g이고, 미세공극 체적은 약 0.81 mL/g이고, 중공극 체적과 거대공극 체적의 합은 약 0.68 mL/g이다. 출발 재료 CA-10 및 RGC의 각각의 값은 각각 약 1,309 ㎡/g, 약 0.54 mL/g, 약 0.67 mL/g; 및 약 1,745 ㎡/g, 약 0.70 mL/g, 약 0.61mL/g임을 알아야 한다. 실시예 1 및 2의 필터 재료에 대한 전형적인 BET 질소 등온선 및 중공극 체적 분포가 각각 도 la 및 도 lb에 도시되어 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 다른 기기가 본 기술 분야에서 공지된 바와 같이 BET 측정을 위해 대용될 수 있다.
영전하점 시험 절차
약 0.010 M KCl 수용액을 시약 등급의 KCl와 아르곤 기체 하에서 새로이 증류한 물로부터 준비한다. 증류를 위해 사용된 물은 순차적인 역삼투 및 이온 교환 처리에 의해 탈이온된다. 약 25.0 mL 체적의 KCI 수용액을 각각 24/40 연마 유리 스토퍼가 끼워진 여섯 개의 약 125 mL의 플라스크로 옮긴다. 마이크로리터의 양의 표준화 HCl 또는 NaOH 수용액을 각각의 플라스크에 첨가하여 초기 pH의 범위가 약 2 내지 약 12 사이가 되도록 한다. 이어서, 각각의 플라스크의 pH를 미국 매사추세츠주 베벌리 소재의 써모 오리온 인크.(Thermo Orion Inc.)에서 제조된 오리온 모델 9107BN 트라이오드 콤비네이션 pH/ATC 전극이 구비된 오리온 모델 420A pH 측정기를 사용하여 기록하고, 이는 "초기 pH"라고 한다. 약 0.0750 ± 0.0010 g의 활성탄 입자를 여섯 개의 플라스크 각각에 첨가하고, 수성 현탁물을 마개로 밀폐하여 실온에서 약 24시간 동안 (약 150 rpm으로) 교반시킨 후 "최종 pH"를 기록한다. 도 3a에는 CA- 10 및 TA4-CA-10 활성탄 재료로 수행한 실험에 대한 초기 및 최종 pH 값이 도시되어 있으며, 도 3b에는 RGC 및 The4-RGC 활성탄 재료로 수행한 실험에 대한 초기 및 최종 pH 값이 도시되어 있다. CA-10, TA4-CA-10, RGC 및 THe4-RGC의 영전하점은 각각 약 5.0, 약 9.7, 약 8.8 및 약 8.6이다. 이해할 수 있는 바와 같이, 다른 기기들이 본 기술 분야에서 공지된 바와 같이 이러한 시험 절차를 위해 대용될 수 있다.
BRI/BLRI 시험 절차
(시험 재료의 수에 따라) 둘 이상의 파이렉스(Pyrex(등록상표)) 유리 비이커를 구비한 미국 버지니아주 리치몬드 소재의 핍스 앤 버드, 인크.(Phipps & Bird, Inc.)에서 제조되는 PB-900(상표명) 프로그램가능한 자아 시험기(Programmable Jar Tester)가 사용된다. 비이커의 직경은 약 11.4 ㎝(약 4.5")이며 높이는 약 15.3 ㎝(약 6")이다. 각 비이커는 이. 콜라이 미생물로 오염되고 탈염소된 자치 단체 공급 수도물의 약 500 mL과, 약 60 rpm으로 회전되는 교반기를 포함한다. 이 교반기는 길이가 약 7.6 ㎝(약 3")이고 높이가 약 2.54 ㎝(약 1")이고 두께가 약 0.24 ㎝(약 3/32")인 스테인레스 강 패들(paddle)이다. 이 교반기는 비이커의 바닥으로부터 약 0.5 ㎝(3/16") 위에 위치된다. 제1 비이커는 필터 재료를 포함하지 않고 대조로서 사용되고, 다른 비이커들은 비이커 내의 재료의 기하학적 외부 총표면적이 약 1400 ㎠가 되도록 약 55 ㎛ 미만의 사우터 평균 직경을 갖는 충분한 양의 필터 재료를 포함한다. 이러한 사우터 평균 직경은 a) 넓은 크기 분포 및 보다 큰 사우터 평균 직경을 갖는 샘플을 체로 치거나 b) (예를 들어, 필터 입자가 약 55 ㎛보다 크거나 필터 재료가 통합되거나 결합된 형태이면) 당업자에게 공지된 임의의 크기 감소 기술에 의해 필터 입자의 크기를 감소시킴으로써 달성된다. 제한적이지 않은 예로서, 크기 감소 기술은 파쇄(crushing), 연마(grinding) 및 제분(milling)이다. 크기 감소용의 전형적인 장비는 조 파쇄기(jaw crushers), 자이러토리 파쇄기(gyratory crusher), 롤 파쇄기, 분쇄기(shredder), 대형 충격 밀(heavy-duty impact mill), 미디어 밀(media mill), 그리고 원심 제트, 대향 제트 또는 앤빌을 구비한 제트와 같은 유체 에너지 밀을 포함한다. 크기 감소는 느슨하거나 결합된 필터 입자에 대해 사용될 수 있다. 필터 입자 또는 필터 재료 상의 임의의 살균성 코팅은 이러한 시험을 수행하기 전에 제거되어야 한다. 선택적으로, 코팅되지 않은 필터 입자가 이러한 시험을 위해 대용될 수 있다.
체적이 각각 약 5 mL인 물의 중복 샘플을 필터 입자를 포함하는 비이커 내에서 평형 상태가 될 때까지 비이커 내에 필터 입자를 삽입한 후에 다양한 시간에서 분석을 위해 각각의 비이커로부터 수집한다. 전형적인 샘플 시간은 약 0 시간, 약 2 시간, 약 4 시간 및 약 6 시간이다. 다른 장비들이 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 대용될 수 있다.
사용된 이. 콜라이 박테리아는 ATCC # 25922(메릴랜드주 로크빌의 어메리칸 타입 컬쳐 콜렉션(American Type Culture Collection)사)이다. 대조 비이커 중의 목표 이. 콜라이 농도는 약 3.7x109 CFU/L로 설정한다. 이. 콜라이 분석은 미국 워싱턴 디씨의 미국 공중 보건 협회(American Public Health Association, APHA)에서 발행하고 그 내용이 본 명세서에 전체적으로 참조된 "Standard Processes for the Examination of Water and Wastewater"의 제20판의 공정 # 9222에 따른 막 필터 기술을 사용하여 수행할 수 있다. 검출 한계치(LOD)는 약 1x103 CFU/L이다.
실시예 1 및 2의 필터 재료에 대한 예시적인 BRI/BLRI 결과가 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 중공극성의 산성 CA-10 활성탄 재료의 양은 약 0.75 g이며, 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 TA40-CA-10 활성탄 재료의 양은 약 0.89 g이다. 중공극성의 염기성 RGC 활성탄의 양은 약 0.28 g이며, 중공극성이고 염기성이며 산소가 환원된 THe4-RGC 활성탄 재료의 양은 약 0.33 g이다. 4가지 양의 모두는 약 1,400 ㎠의 외부 표면적에 해당한다. 도 5a에서의 대조 비이커 중의 이. 콜라이 농도는 약 3. 7x109 CFU/L이며, 도 5b에서의 이 농도는 약 3.2x109 CFU/L이다. CA-10, TA4-CA-10, RGC 및 THe4-RGC 샘플을 포함하는 비이커 중의 이. 콜라이의 농도는 약 6시간 후에 평형 상태에 도달하며, 그 값은 각각 약 2.1x106 CFU/L, 약 1.5x104 CFU/L, 약 3.4x106 CFU/L 및 약 1.2x106 CFU/L이다. 그러면, 각각의 BRI는 약 99.94%, 약 99.9996%, 약 99.91% 및 약 99.97%로 계산되며, 각각의 BLRI는 약 3.2 로그, 약 5.4 로그, 약 3.0 로그 및 약 3.5 로그로 계산된다.
VRI/VLRI 시험 절차
시험 장비 및 절차는 BRI/BLRI 절차에서와 동일하다. 제1 비이커는 필터 재료를 포함하지 않으며 대조로서 사용되고, 다른 비이커들은 비이커 내에 약 1400 ㎠의 기하학적 외부 총표면적이 있도록 약 55 ㎛ 미만의 사우터 평균 직경을 갖는 충분한 양의 필터 재료를 포함한다. 필터 입자 또는 필터 재료 상의 임의의 살균성 코팅은 이러한 시험을 수행하기 전에 제거되어야 한다. 선택적으로, 코팅되지 않은 필터 입자 또는 필터 재료가 이러한 시험을 위해 대용될 수 있다.
사용된 MS-2 박테리오파지는 메릴랜드주 로크빌 소재의 어메리칸 타입 컬쳐 콜렉션사의 ATCC # 15597B이다. 대조 비이커 내의 목표 MS-2 농도는 약 2.07x109 PFU/L가 되도록 설정한다. MS-2는 문헌[C. J. Hurst, Appl. Environ. Microbiol., 60(9), 3462 (1994)]의 절차에 따라 분석될 수 있는데, 상기 문헌의 내용은 본 명세서에 전체적으로 참조되었다. 본 기술 분야에 공지된 다른 분석들이 대용될 수 있다. 검출 한계치(LOD)는 약 1x103 PFU/L이다.
실시예 1 및 2의 필터 재료에 대한 예시적인 VRI/VLRI 결과가 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있다. 중공극성의 산성 CA-10 활성탄 재료의 양은 약 0.75 g이며, 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 TA40-CA-10 활성탄 재료의 양은 약 0.89 g이다. 중공극성의 염기성 RGC 활성탄의 양은 약 0.28 g이며, 중공극성이고 염기성이며 산소가 환원된 THe4-RGC 활성탄 재료의 양은 약 0.33 g이다. 4가지 양의 모두는 약 1,400 ㎠의 외부 표면적에 해당한다. 도 6a에서의 대조 비이커 중의 MS-2의 농도는 약 6.7x107 PFU/L이며, 도 6b에서의 이 농도는 약 8.0x107 PFU/L이다. CA-10, TA4-CA-10, RGC 및 THe4-RGC 샘플을 포함하는 비이커 중의 MS-2의 농도는 6시간 후에 평형 상태에 도달하며, 그 값은 각각 약 4.1x104 PFU/L, 약 1x103 PFU/L, 약 3x103 PFU/L 및 약 1.0x103 PFU/L 미만(검출 한계치)이다. 그러면, 각각의 VRI는 약 99.94%, 약 99.999%, 약 99.996% 및 약 99.999% 보다 큰 것으로 계산되며, 각각의 VLRI는 약 3.2 로그, 약 5 로그, 약 4.4 로그 및 약 5 로그보다 큰 것으로 계산된다.
벌크 산소 중량 퍼센트 시험 절차
벌크 산소 중량 퍼센트는 퍼킨엘머(PerkinElmer) 모델 240 원소 분석기(산소용으로 변경; 퍼킨엘머, 인크.(PerkinElmer, Inc.); 미국 매사추세츠주 웰레슬리 소재)를 사용하여 측정한다. 이 기술은 백금화 탄소 위에서 약 1000℃에서 헬륨 스트림에서 샘플을 열분해하는 것에 기초한다. 탄소 샘플은 약 100℃에서 진공 오븐에서 하룻밤 건조시킨다. 이해할 수 있는 바와 같이, 다른 기기들이 본 기술 분야에서 공지된 바와 같이 이러한 시험 절차를 위해 대용될 수 있다. 필터 재료 CA-10, TA4-CA-10, RGC 및 THe4-RGC에 대한 예시적인 벌크 산소 중량 퍼센트는 각각 약 8.3%, 약 1.1%, 약 2.3% 및 약 0.8%이다.
ORP 시험 절차
ORP는 오리온 리써치, 인크.(Orion Research, Inc.) (미국 매사추세츠주 베벌리 소재)의 백금 산화환원 전극 모델 96-78-00을 사용하여, 그리고 ASTM 표준 D 1498-93에 따라 측정한다. 이 절차는 약 80 mL의 수도물에 약 0.2 g의 탄소를 현탁시키고, 적당히 교반한지 약 5분 후에 mV 단위로 전극 판독치를 판독하는 것을 포함한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 기기들이 본 기술 분야에서 공지된 바와 같이 이러한 시험 절차를 위해 대용될 수 있다. 필터 재료 CA-10, TA4-CA-10, RGC 및 THe4-RGC에 대한 예시적인 ORP는 각각 약 427 mV, 약 285 mV, 약 317 mV 및 약 310 mV이다.
F-BLR 시험 절차
중공극성 탄소를 포함하는 축류 필터의 하우징은 테플론(등록상표)으로 제조된 것이며 두 부분, 즉 뚜껑과 기저부로 구성된다. 두 부분 모두는 외경이 약 12.71 ㎝(약 5")이며 내경이 약 7.623 ㎝(약 3")이다. 뚜껑은 (약 7.623 ㎝(약 3")의 내경(ID) 및 약 0.318 ㎝(약 1/8")의 두께의) o-링 압축 밀봉부(seal)를 갖는 기저부 내에 카운터 세팅(counter set)된다. 입구 및 출구의 호스 바브(barb) 커넥터는 약 0.159 ㎝(약 1/16")의 NPT 파이프 나사산(thread)을 갖는 뚜껑 및 기저부 내로 나사 결합된다. 약 1.27 ㎝(약 ½")의 두께 및 약 6.99 ㎝(약 2 ¾")의 외경(OD)의 스테인레스 강 전환 장치(diverter)(상류측의 약 0.482 ㎝(약 3/16")의 구멍과 하류측의 약 6 메쉬의 스크린을 구비함)를 하우징의 뚜껑 내로 카운터 세팅된다. 전환 장치의 기능은 필터의 전체 면 위로 유입 유동을 분배하는 것이다. 하우징의 뚜껑과 기저부는 압축 밀봉부가 하우징 내에서 필터를 밀봉하도록 결합된다. 뚜껑과 기저부는 4개의 약 0.635 ㎝(약 ¼")의 체결부를 사용하여 함께 결합시킨다.
필터는 하우징 내부에 탑재되며, 약 1X108 CFU/L의 이. 콜라이로 오염된 물은 약 200 mL/min의 유량으로 유동된다. 안으로 유동하는 물의 총 양은 약 2,000의 필터 재료 공극 체적 이상일 수 있다. 사용된 이. 콜라이 박테리아는 ATCC # 25922(메릴랜드주 로크빌의 어메리칸 타입 컬쳐 콜렉션(American Type Culture Collection))이다. 이. 콜라이 분석은 미국 워싱턴 디씨의 미국 공중 보건 협회(APHA)에서 발행하고 그 내용이 본 명세서에 전체적으로 참조된 "Standard Processes for the Examination of Water and Wastewater"의 제20판의 공정 # 9222에 따른 막 필터 기술을 사용하여 수행할 수 있다. 당업계에 공지된 다른 분석법이 대용될 수 있다(예를 들어, 콜라이러트(COLILERT(등록상표))). 검출 한계치(LOD)는 막 필터 기술로 측정시 약 1x102 CFU/L이며, 콜라이러트(등록상표) 기술로 측정시 약 10 CFU/L이다. 유출수를 최초 약 2,000의 필터 재료 공극 체적의 유동 후에 수집하고, 이를 분석하여 존재하는 이. 콜라이 박테리아의 수를 계수하고, F-BLR을 정의를 이용하여 계산한다.
실시예 3 및 4의 축류 필터에 대한 F-BLR의 계산에 사용되는 예시적인 결과가 도 7a에 도시되어 있다. 도 7a에서 사용되는 유량은 약 200 mL/min이며 이. 콜라이의 유입 농도는 약 1X108 내지 약 1x109 CFU/L로 변하였다. 주 1회(매주 화요일) 약 20 L를 필터에 시험(challenge)하고 유출수를 상기한 바와 같이 분석한다. RGC 필터의 유체 평균 체류 시간은 약 7.5 초이며, 코코넛 필터의 유체 평균 체류 시간은 약 7.65 초이다. 실시예 3의 RGC 필터의 F-BLR은 약 6.8 로그인 것으로 계산되었다. 실시예 4의 코코넛 필터의 경우, 유출수의 수집은 약 40 L(이는 약 1,570의 필터 재료 공극 체적에 상응함)에서 중지하는데, 이는 물이 이러한 체적이 되었을 때 필터가 거의 완전한 통과 특성(breakthrough)을 보이기 때문이다. F-BLR은 약 1,570의 필터 재료 공극 체적에서 약 1.9 로그로 계산되었다.
F-VLR 시험 절차
중공극성 탄소를 포함하는 축류 필터의 하우징은 상기 F-BLR 절차에 기술된 것과 동일하다. 약 1x107 PFU/L의 MS-2로 오염된 물을 약 200 mL/min의 유량으로 하우징/필터 시스템을 통과하게 유동시킨다. 안으로 유동하는 물의 총 양은 약 2,000의 필터 재료 공극 체적 이상일 수 있다. 사용된 MS-2 박테리오파지는 ATCC # 15597B(미국 메릴랜드주 로크빌 소재의 어메리칸 타입 컬쳐 콜렉션)이다. MS-2 분석은 문헌[C. J. Hurst, Appl. Environ. Microbiol., 60(9), 3462 (1994)]의 절차에 따라 행할 수 있는데, 상기 문헌의 내용은 본 명세서에 전체적으로 참조되었다. 본 기술 분야에 공지된 다른 분석들이 대용될 수 있다. 검출 한계치(LOD)는 1x103 PFU/L이다. 유출수를 최초 약 2,000의 필터 재료 공극 체적의 유동 후에 수집하고, 이를 분석하여 존재하는 MS-2 박테리오파지의 수를 계수하고, F-VLR을 정의를 이용하여 계산한다.
실시예 3 및 4의 축류 필터에 대한 F-VLR의 계산에 사용되는 예시적인 결과가 도 7b에 도시되어 있다. 도 7b에서 사용되는 유량은 약 200 mL/min이며 MS-2의 유입 농도는 대략 약 1x107 PFU/L로 변하였다. 주 1회(매주 화요일) 약 20 L를 필터에 시험하고 유출수를 상기한 바와 같이 분석한다. 실시예 3의 RGC 필터의 F-VLR은 약 4.2 로그보다 큰 것으로 계산되었다. 실시예 4의 코코넛 필터의 경우, 유출수의 수집은 약 40 L(이는 약 1,570의 필터 재료 공극 체적에 상응함)에서 중지하는데, 이는 물이 이 체적이 되었을 때 필터가 거의 완전한 통과 특성을 보이기 때문이다. F-BLR은 약 1,570의 필터 재료 공극 체적에서 약 0.3 로그로 계산되었다.
단일 수집체 효율, 필터 계수, 유체의 평균 체류 시간 및 F-BLR의 계산 절차
필터에 대한 단일 수집체 효율 계산에서는 수학식 4와 이 수학식 뒤에 기술된 무차원 수가 이용된다. 하기의 파라미터, 즉 ε = 0.43, dm, =1 ㎛, dc = 45 ㎛, H = l0-20 J, ρm, = 1.058 g/mL, ρf = 1.0 g/mL, μ =1 mPaㆍs, T = 298 K, 물의 유량 Q = 200 mL/min, 필터 직경 D = 7.623 ㎝, 및 U = 0.0007 m/s를 이용한 실시예 3의 축류 RGC 필터에 대한 예시적인 계산에 의하면, η = 0.01864가 된다. 상기와 동일한 파라미터 및 α = 1의 경우, 필터 계수는 수학식 2에 따라 하기와 같이 계산된다: λ = 354.2 m-1. 또한, 상기와 동일한 필터의 F-BLR은 수학식 3에 따라 약 1.95 로그인 것으로 계산되었다. 상기와 동일한 파라미터를 이용한 실시예 4의 코코넛 필터에 대한 유사한 예시적 계산에 의하면, η = 0.00717이고 λ = 65.5 m-1이다. 마지막으로, 상기와 동일한 필터의 F-BLR은 수학식 3에 따라 약 0.36 로그인 것으로 계산되었다.
본 발명은 본 발명의 탄소 필터 입자 및/또는 필터 재료의 사용이 미생물의 제거를 포함하는 효과를 제공할 것이라는 것을 단어 및/또는 그림으로 소비자에게 전달할 정보를 추가로 포함할 수도 있으며, 이 정보는 다른 필터 제품에 비하여 탁월하다는 주장을 포함할 수도 있다. 아주 바람직한 변형예에 있어서, 이 정보는 본 발명의 사용에 의해 나노 크기의 미생물의 수준이 감소된다는 것을 포함할 수도 있다. 따라서, 본 명세서에서 논의된 바와 같이 본 발명의 사용이 마시기에 적합하거나 또는 마시기에 더욱 적합한 물과 같은 효과를 제공할 것임을 소비자에게 단어 및/또는 그림으로 전달할 정보와 함께 패키지를 사용하는 것이 중요하다. 이 정보는 소비자에게 정보를 전달하기 위해, 예를 들어 패키지 또는 필터 그 자체 상의 문장과 아이콘 뿐만 아니라 모든 통상적인 매체를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 실시예는 본 발명의 원리 및 그 실질적인 적용예를 가장 잘 예시하도록 선택되어 설명되었고, 이에 의해 당업자가 본 발명을 다양한 실시예로 그리고 의도되는 특정 용도에 적합한 다양한 변형예의 형태로 이용할 수 있게 한다. 이러한 모든 변형 및 변경은 적절하고 합법적으로 정당하게 권리를 부여받은 범위에 따라 해석될 때 첨부된 청구의 범위에 의해 결정되는 본 발명의 범주 내에 있게 된다.

Claims (33)

  1. (a) 유입구 및 유출구를 갖는 하우징과;
    (b) 복수의 중공극성 활성탄 필터 입자로 적어도 부분적으로 형성되어 상기 하우징 내에 배치된 필터 재료
    를 포함하는 음용수 제공용 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 중공극성 활성탄 필터 입자의 중공극 체적과 거대공극 체적의 합이 약 0.2 mL/g 내지 약 2mL/g인 필터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 중공극성 활성탄 필터 입자는 BRI가 약 99%보다 크며 VRI가 약 90%보다 큰 필터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 필터 재료는 F-BLR이 약 2 로그보다 크며 F-VLR이 약 1 로그보다 큰 필터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 필터 재료는 축류 유동을 위하여 상기 하우징 내에 배치되며, 대면 면적이 9.7 ㎠(1.5 in2) 이상이고 필터 깊이가 0.64 ㎝(0.25 in) 이상인 필터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 필터 재료는 반경류 유동을 위하여 상기 하우징 내에 배치되며, 외경이 1.27 ㎝(0.5 in) 이상, 내경이 0.64 ㎝(0.25 in) 이상, 필터 깊이가 0.32 ㎝(0.125 in) 이상, 길이가 1.27 ㎝(0.5 in) 이상인 필터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 필터 재료의 유체 평균 체류 시간이 3 초 이상인 필터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 필터 재료는 단일 수집체 효율 η이 약 0.005 내지 0.25이며, 필터 계수 λ가 약 40 m-1 내지 약 14,000 m-1인 필터.
  9. (a) 유입구 및 유출구를 갖는 하우징과;
    (b) 복수의 중공극성의 염기성 활성탄 필터 입자로 적어도 부분적으로 형성되어 상기 하우징 내에 배치된 필터 재료
    를 포함하는 음용수 제공용 필터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복수의 중공극성의 염기성 활성탄 필터 입자는 영전하점이 약 9 내지 약 12이며 ORP가 약 290 mV 내지 약 175 mV인 필터.
  11. 제9항에 있어서, 상기 복수의 중공극성의 염기성 활성탄 필터 입자의 중공극 체적과 거대공극 체적의 합이 약 0.2 mL/g 내지 약 2 mL/g인 필터.
  12. 제9항에 있어서, 상기 복수의 중공극성의 염기성 활성탄 필터 입자는 BRI가 약 99.99%보다 크며 VRI가 약 99%보다 큰 필터.
  13. 제9항에 있어서, 상기 필터 재료는 F-BLR이 약 2 로그보다 크며 F-VLR이 약 1 로그보다 큰 필터.
  14. 제9항에 있어서, 상기 필터 재료는 축류 유동을 위하여 상기 하우징 내에 배치되며, 대면 면적이 9.7 ㎠(1.5 in2) 이상이고 필터 깊이가 0.64 ㎝(0.25 in) 이상인 필터.
  15. 제9항에 있어서, 상기 필터 재료는 반경류 유동을 위하여 상기 하우징 내에 배치되며, 외경이 1.27 ㎝(0.5 in) 이상, 내경이 0.64 ㎝(0.25 in) 이상, 필터 깊이가 0.32 ㎝(0.125 in) 이상, 길이가 1.27 ㎝(0.5 in) 이상인 필터.
  16. 제9항에 있어서, 상기 필터 재료의 유체 평균 체류 시간이 3 초 이상인 필터.
  17. 제9항에 있어서, 상기 필터 재료의 단일 수집체 효율 η이 약 0.005 내지 0.25인 필터.
  18. 제9항에 있어서, 상기 필터 재료의 필터 계수 λ가 약 40 m-1 내지 약 14,000 m-1인 필터.
  19. (a) 유입구 및 유출구를 갖는 하우징과;
    (b) 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 복수의 활성탄 필터 입자로 적어도 부분적으로 형성되어 상기 하우징 내에 배치된 필터 재료
    를 포함하는 음용수 제공용 필터.
  20. 제19항에 있어서, 상기 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 복수의 활성탄 필터 입자는 영전하점이 약 8보다 크며 ORP가 약 325 mV보다 작은 필터.
  21. 제19항에 있어서, 상기 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 복수의 활성탄 필터 입자의 중공극 체적과 거대공극 체적의 합이 약 0.2 mL/g보다 큰 필터.
  22. 제19항에 있어서, 상기 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 복수의 활성탄 필터 입자의 벌크 산소 중량 퍼센트가 약 1.2%보다 작은 필터.
  23. 제19항에 있어서, 상기 중공극성이며 염기성이고 산소가 환원된 복수의 활성탄 필터 입자는 BRI가 약 99%보다 크며 VRI가 약 90%보다 큰 필터.
  24. 제19항에 있어서, 상기 필터 재료는 F-BLR이 약 2 로그보다 크며 F-VLR이 약 1 로그보다 큰 필터.
  25. 제19항에 있어서, 상기 필터 재료는 축류 유동을 위하여 상기 하우징 내에 배치되며 대면 면적이 9.7 ㎠(1.5 in2) 이상이고 필터 깊이가 0.64 ㎝(0.25 in) 이상인 필터.
  26. 제19항에 있어서, 상기 필터 재료는 반경류 유동을 위하여 상기 하우징 내에 배치되며 외경이 1.27 ㎝(0.5 in) 이상, 내경이 0.64 ㎝(0.25 in) 이상, 필터 깊이가 0.32 ㎝(0.125 in) 이상, 길이가 1.27 ㎝(0.5 in) 이상인 필터.
  27. 제19항에 있어서, 상기 필터 재료의 유체 평균 체류 시간이 3 초 이상인 필터.
  28. 제19항에 있어서, 상기 필터 재료의 단일 수집체 효율 η이 약 0.005보다 큰 필터.
  29. 제19항에 있어서, 상기 필터 재료의 필터 계수 λ가 약 40 m-1보다 큰 필터.
  30. (a) 유입구 및 유출구를 갖는 하우징과;
    (b) 복수의 중공극성 활성탄 필터 입자로 적어도 부분적으로 형성되어 상기 하우징 내에 배치된 필터 재료 - 여기서, 상기 필터 재료의 상기 복수의 중공극성 활성탄 필터 입자는 벌크 산소 중량 퍼센트가 약 2.3% 미만, 중공극 체적과 거대공극 체적의 합이 약 0.61mL/g 초과, 영전하점이 약 8 초과, ORP가 약 325 mV 미만, VRI가 약 99.99% 초과, BRI가 약 99.9% 초과, F-VLR이 약 4 로그 초과, F-BLR이 약 6 로그 초과, 유체 평균 체류 시간이 약 3 초 초과, 필터 깊이가 1.27 ㎝(0.5 in) 이상, 대면 면적이 64.5 ㎠(10 in2.) 이상임 - 를
    포함하는 음용수 제공용 필터.
  31. 제30항에 있어서, 상기 필터 재료의 단일 수집체 효율 η이 약 0.007보다 큰 필터.
  32. 제30항에 있어서, 상기 필터 재료의 필터 계수 λ가 약 65 m-1보다 큰 필터.
  33. 제30항에 있어서, 필터가 미생물의 제거를 위해 사용될 수도 있음을 사용자에게 전달하는 정보를 더 포함하는 필터.
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