KR20120083328A - 활성 탄소 및 제올라이트를 구비한 물 여과 시스템 - Google Patents

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데이비드 토마스 맥커시
애너 딜리틱
티모시 데이비드 플레처
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Abstract

한 실시태양에서 본 발명은 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소와 과립 제올라이트를 포함하는 물로부터 오염물질들을 제거하기 위한 필터 매체에 관한 것이다. 다른 실시태양은 과립 활성 탄소를 약 5 내지 약 6.8의 pH로 산성화되는 하나 이상의 알루미늄 염을 포함하는 수용액에 노출하는 단계, 수용액을 제거하는 단계 및 생산된 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소를 세정하고 건조하는 단계를 포함하여 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소를 생산하는 방법에 관한 것이다. 추가 실시태양은 (i) 과립 활성 탄소 및 과립 제올라이트를 포함하는 중간 지역; 및 (ii) 스크리닝 재료를 포함하는 하부 장벽 지역을 포함하는 물로부터 오염물질들을 제거하기 위한 필터 시스템(이 시스템은 약 0.5Lsec-1m-2 내지 약 10Lsec-1m-2의 물의 유량이 이를 통과하게 한다); 필터 시스템을 포함하는 카트리지 및 물로부터 오염물질들을 제거하는 관련 방법에 관한 것이다.

Description

활성 탄소 및 제올라이트를 구비한 물 여과 시스템{Water Filtration System With Activated Carbon and Zeolite}
본 발명은 물로부터 오염물질들을 제거하기 위한 필터 매체, 관련 필터 시스템, 이 시스템을 포함하는 여과 카트리지 및 물과 제한되지 않는 특히 우수 또는 흐르는 빗물로부터 오염물질들을 제거하기 위한 관련 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 필터 매체의 구성요소인 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소(GAC)의 생산 방법에 관한 것이다.
특히 세계의 불모 지역에서 기후 변화의 영향의 관점에서 물을 효과적으로 획득하고 사용하기 위한 요구의 인식이 증가하고 있다. 특히 호주에서, 대형 도시들을 위한 식수의 공급은 주로 도시 지역으로부터 멀리 떨어진 강우 저수 지역으로부터 온다. 이런 방식은 저수 지역으로부터 물이 필요한 인구 중심가까지 물을 관으로 보내기 위한 높은 기반 비용을 초래하는 반면, 물이 식용가능하며 오염원들에 의해 실질적으로 오염되지 않는 것을 보장한다. 그러나, 불행히도, 이런 저수 지역으로부터 얻은 물의 상당량은 식수가 반드시 필요하지 않은 발전기의 냉각 타워, 농업, 빌딩 및 대용량 세정, 공원과 정원의 살수와 같은 산업적 용도 및 의복 세탁 및 화장실의 세정과 같은 가정 용도로 사용된다. 따라서 도시 및 읍을 위한 물 공급에 대한 더욱 지속가능한 방식을 성취하기 위해서, 특히 비-식수 용도를 위한 대안의 물 공급원들이 필요하다. 이런 물의 상당히 가능성 있는 원료들이 가정 및 회사 지붕, 대중 통로 및 포장 지역 및 특히 도로, 자동차 주차장 등으로부터 흐르는 빗물이다. 흐르는 빗물의 사용은 물이 사용될 지역에 근접하게 모일 수 있기 때문에 유리한 반면, 흐르는 빗물은 오염되기 쉽다는 점에서 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 강우 유출수는 빌딩 재료(예를 들어, 지붕 재료로부터의 구리 및 아연) 및 자동차 관련 원료들(브레이크 라이닝으로부터의 구리, 니켈, 크롬, 아연 및 납, 마모된 타이어로부터의 아연 및 자동차 연료에서 촉매로 사용되는 백금, 납 및 로듐)로부터의 높은 수준의 중금속을 주로 포함한다. 흐르는 빗물은 또한 주로 자동차 원료, 배기가스 및 윤활제로부터의 탄화수소 오염물질, 땅으로부터의 질소 및 인 기초 화합물들과 같은 영양소 및 분해성 유기 물질뿐만 아니라 박테리아, 조류, 효모, 바이러스 입자, 곰팡이 등과 같은 병원균의 상당한 원료를 포함할 수 있다. 흐르는 빗물은 상당한 수준의 오염물질을 포함하지 않는 것을 확실히 하는 것이 바람직한데 이는 이런 오염물질은 안정한 저장 및 특히 물이 주차장과 공원에 사용되거나 다른 내용에서 인간 또는 다른 동물이 물에 노출되는 흐르는 빗물의 사용과 양립할 수 없기 때문이다. 이런 오염은 또한 환경, 특히 민감한 수로 환경으로 방출될 물과 양립할 수 없다.
우수 또는 흐르는 빗물의 획득에 대한 다른 특유의 문제는 이의 시기와 부피가 매우 가변적이라는 것이다. 한 양태에서, 따라서, 본 발명에 따른 필터 매체는 (우수 방출에서 가변성에 적응하기 위해) 장기간의 건기 이후 우수한 성능을 유지하고 침전물, 탄화수소, 금속, 영양소 및 병원균과 같은 주요 우수 오염원들을 표적으로 하기 위해, 매우 높은 흐름에 대처하도록 만들어진다. 다른 물 형태(즉, 음료수 또는 폐수)를 위해 개발된 현존하는 처리 시스템들은 이런 요구들을 충족할 수 없다.
본 발명은 직면할 수 있는 특정 물 처리 환경들에 적용될 수 있는 매체를 포함하는 필터 매체 및 필터 시스템을 제공한다. 예를 들어, 처리될 물의 유속은 제거될 오염물질들의 성질에 따라 변할 수 있어서 얻어진 처리된 물의 품질은 주차장과 공원에 살수, 강과 개울로 환경을 위한 흐름, 화장실의 세정 및 의복의 세정 또는 인간 또는 동물 소비를 위한 원하는 용도에 따라 선택될 수 있다.
본 발명의 필터 매체 및 필터 시스템의 개발중에, 본 발명자들은 매체의 과립 활성 탄소 구성요소의 특히 질소 및 인의 제거 면에서, 물 처리 효율은 매체를 알루미늄으로 코팅함으로써 현저하게 개선될 수 있다는 것을 측정하였다. 미국특허 2,210,966은 알루미늄 염들의 용액에서 처리된 활성 탄소는 식수로부터 플루오르화물의 제거를 위해 사용될 수 있다는 것을 개시한다. 또한, 라모스 등 "Adsorption of fluoride from aqueous solution on aluminium-impregnated carbon", Carbon 37 (1999), pp 609-617은 플루오르화물은 pH 3 내지 4에서 질화알루미늄으로 침지된 활성 탄소를 사용하여 식수로부터 제거될 수 있다는 것을 약술한다. 그러나, 본 발명자들은 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소가 물로부터 인과 질소의 제거에 효과적이라는 보고를 알지 못했고 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소가 pH 5 내지 6.8, 바람직하게는 6 내지 6.5로 산성화에 의해 제조될 때 특히 효과적이라는 것도 알지 못했다.
본 발명의 한 실시태양에 따라 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소와 과립 제올라이트를 포함하는 물로부터 오염물질들을 제거하기 위한 필터 매체가 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 따라 과립 활성 탄소를 약 5 내지 약 6.8의 pH로 산성화되는 하나 이상의 알루미늄 염을 포함하는 수용액에 노출하는 단계, 수용액을 제거하는 단계 및 생산된 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소를 세정하고 건조하는 단계를 포함하여 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소를 생산하는 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 실시태양에 따라
(i) 과립 활성 탄소 및 과립 제올라이트를 포함하는 중간 지역; 및
(ii) 스크리닝 재료를 포함하는 하부 장벽 지역을 포함하는 물로부터 오염물질들을 제거하기 위한 필터 시스템이 제공되며,
상기 시스템은 약 0.5Lsec-1m-2 내지 약 10Lsec-1m-2의 물의 유량이 이를 통과하게 한다.
다른 바람직한 실시태양에 따라 물로부터 오염물질들을 제거하기 위한 필터 시스템을 포함하는 카트리지가 제공되며 이 카트리지는 물이 이를 통해 흐르게 하는 상부 및 하부를 가지며 필터 시스템은
(i) 과립 활성 탄소 및 과립 제올라이트를 포함하는 중간 지역; 및
(ii) 스크리닝 재료를 포함하는 하부 장벽 지역을 포함하며,
상기 시스템은 약 0.5Lsec-1m-2 내지 약 10Lsec-1m-2의 물의 유량이 이를 통과하게 한다.
본 발명의 다른 실시태양에 따라
(i) 과립 활성 탄소 및 과립 제올라이트를 포함하는 중간 지역; 및
(ii) 스크리닝 재료를 포함하는 하부 장벽 지역을 포함하는 필터 시스템을 통해 물이 흐르게 하는 것을 포함하여 물로부터 오염물질들을 제거하는 방법이 제공되며,
상기 물은 약 0.5Lsec-1m-2 내지 약 10Lsec-1m-2의 유량으로 상기 매체를 통과한다.
바람직하게는 중간 지역에서 과립 활성 탄소 대 과립 제올라이트의 비(부피)는 약 0.5:1 내지 2:1이다. 바람직하게는 중간 지역은 모래를 더 포함한다. 만일 모래가 존재하는 경우, 모래는 바람직하게는 중간 지역의 전체 부피의 약 30% 내지 약 60%를 포함한다.
한 바람직한 실시태양에서 과립 활성 탄소는 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소를 포함한다.
다른 바람직한 실시태양에서 필터 시스템은 미립자 오염물질들을 제거하기 위한 상부 침전물 트랩을 더 포함한다.
한 양태에서 카트리지의 상부는 고체, 슬러지 및/또는 미립자들의 거친 필터로서 작용하는 메시를 포함한다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
도 1은 성분들: 과립 활성 탄소(G), 무연탄(A), 질석(V) 및 제올라이트(Z)의 다른 조합을 사용하여 제조된 필터 매체에 대한 제거된 중금속 및 전체 질소(TN) 오염물질들의 백분율의 막대 그래프를 도시하며, G 및 Z의 1:1.5 비(부피) 제조에 대한 최고 전체 결과를 보여준다. 도면에 대해 식별부호로 나열된 중금속들은 검사된 각각의 매체에 대해 막대 그래프의 왼쪽으로부터 오른쪽으로 동일한 순서로 표시된다(이것은 컬러 코팅이 분명하지 않은 경우 중요하다).
도 2a는 본 발명에 따른 일반적인 필터 시스템의 개략도를 도시하며 도 2b는 실시예 2에서 언급한 대로 낮은 흐름 필터 시스템의 개략도를 도시한다. 도 2a 및 2b 모두는 선택적인 침전물 트랩을 도시한다.
본 명세서와 다음 청구항 전체에서, 내용이 달리 요구하지 않는 한, "포함하다(comprise)"라는 단어 및 "포함한다(comprises)"와 "포함하는(comprising)"과 같은 이의 변형은 언급된 정수 또는 단계 또는 정수 또는 단계의 그룹을 포함하는 것을 암시하나 임의의 다른 정수 또는 단계 또는 정수 또는 단계의 그룹을 배제하는 것은 아니라고 이해해야 할 것이다.
본 명세서에서 임의의 선행 공보(또는 이로부터 얻은 정보) 또는 공지된 임의의 내용에 대한 언급은 선행 공보(또는 이로부터 얻은 정보) 또는 공지된 내용이 본 명세서가 관련되는 기술 분야에서 일반적인 지식의 일부를 구성한다는 것을 인정 또는 허용 또는 어떤 형태의 주장이 아니며 이렇게 해석돼서는 안 된다.
넓은 양태에서 본 발명은 중금속, 탄화수소, 영양소 및 물, 특히 흐르는 빗물 또는 우수로부터의 병원균과 같은 오염물질들의 제거를 위한 필터 매체에 관한 것이다. 필터 매체는 과립 활성 탄소(GAC), 바람직하게는 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소(ACGAC) 및 과립 제올라이트를 포함하며 또한 모래를 포함할 수 있다. 예를 들어, 0.5 - 3.5Lsec-1m-2의 물의 유량이 이를 통과하는데 적합한 저 유량 형태의 필터 매체에서, 매체는 GAC 및/또는 ACGAC 및 과립 제올라이트를 포함할 수 있고, 추가로 모래를 포함할 수 있다. 예를 들어, 4 - 10Lsec-1m-2의 물의 유량이 이를 통과하는데 적합한 고 유량 형태의 필터 매체에서, 매체는 모래를 배제할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 필터 시스템에 관한 것이다. 이의 가장 넓은 의미에서 필터 시스템은 두 지역: 중간 지역(상기한 대로 필터 매체를 포함) 및 하부 장벽 지역을 포함한다. 필터 시스템은 선택적으로 미립자 오염물질들을 처리될 물로부터 제거하는 역할을 하는 상부 침전물 트랩을 포함할 수 있다(도 2a에 개략적으로 도시). 그러나, 지역들 사이의 경계들은 반드시 명확하게 확정될 필요가 없으며 지역들 사이의 경계들에서 한 지역의 재료가 다음 지역에 혼합될 수 있다는 것을 알아야 한다. 지역들의 각각 내에 있는 재료는 일반적으로 과립이라는 것은 쉽게 이해될 수 있다. 본 발명의 일부 실시태양들에서 각 면으로부터 재료의 통과를 차단하는데 충분히 작은 메시 크기를 가진 금속, 직물 또는 플라스틱 메시와 같은, 지역들 사이에 삽입된 칸막이가 존재하는 반면, 본 발명의 다른 실시태양들에서 이런 칸막이 또는 메시가 채택되지 않는다. 이런 실시태양들에서 한 지역의 과립 재료는, 시간이 지나면, 일부가 인접 지역으로 이동할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 각 지역 내의 재료들은 주로 처음에 각 지역 속에 주입된 재료들일 것이라는 것이 이해될 것이다.
전체 시스템의 의도는 이의 성분들의 결과로 폭우 동안 또는 직후에 경험할 수 있는 최대 유량의 처리를 가능하게 하도록 물의 적절한 유량(예를 들어, 0.5Lsec-1m-2 내지 10Lsec-1m-2, 4-10Lsec-1m-2(고 유량 실시태양의 경우), 0.5 - 3.5Lsec-1m-2(저 유량 실시태양의 경우), 2Lsec-1m-2 내지 8Lsec-1m-2 또는 약 3Lsec-1m-2 내지 약 6Lsec-1m-2)이 시스템을 통과하게 하게 할 것이나, 오염물질들의 충분한 제거를 허용하기 위해 필터 매체 내의 물의 적절한 잔류 시간이 있다는 것이다. 본 발명의 바람직한 양태들에서 필터 매체는 모든 탄화수소의 적어도 80%, 바람직하게는 적어도 90% 및 더욱 바람직하게는 적어도 95%, 97%, 98% 또는 99% 및 중금속들의 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 80%, 더욱 바람직하게는 적어도 90%, 95%, 96%, 97%, 98% 또는 99%의 제거를 허용하는 것이다. 유사하게, 필터 매체는 바람직하게는 질소 및 인-함유 영양소 화합물들의 적어도 30% 및 바람직하게는 이런 화합물들의 적어도 45%, 더욱 바람직하게는 적어도 50%, 60%, 70% 또는 80%를 제거한다.
처리된 물을 저장하려는 경우, 물이 인간 또는 동물과 접촉하게 되는 경우 및 특히 물이 인간 또는 동물이 사용하거나 소비하기 위한 경우에 병원균들은 불활성화되거나 제거되는 것이 적절할 수 있다. 병원균 불활성화가 일어나는 본 발명의 한 실시태양은 염소의 수용성 염이 필터 시스템에 포함되는 경우이다. 가장 바람직하게는 염소 염은 시스템을 통해 흐르는 물속으로 천천히 방출되는 고체 재료의 입자, 과립, 덩어리, 입방체 등의 형태를 가질 것이다. 고체 염소 염은 하나 이상의 구별된 층으로서 상부 침전물 트랩 및/또는 중간 지역 내에 편리하게 분산될 수 있고 침전물 트랩 및/또는 중간 지역을 무작위로 통과할 수 있다. 예를 들어, 병원균들(또는 실험 모델들에서 병균 표시기)의 적어도 70%, 바람직하게는 적어도 80%, 90% 또는 95% 및 가장 바람직하게는 적어도 96%, 97%, 98%, 99% 또는 99.9%가 이런 특징을 포함하는 필터 시스템에 의해 제거되거나 불활성화된다. 적절한 염소 염들의 예는 차아염소산나트륨, 트라이클로로아이소시아누산과 같은 염소화 아이소시아누레이트, "다이클로로(dichlor)"로 불리는 다이클로로-s-트라이아진트라이온 나트륨(이수화물 또는 무수물) 및 트라이클로로-s-트라이아진트라이온을 포함한다. 물 정제에 사용된 다른 통상적인 염소 염들도 동일하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 필터 시스템은 물 채취 시스템의 구성요소일 수 있다. 즉, 채취 시스템은 우수 또는 흐르는 빗물(예를 들어, 지붕 위 또는 포장 지역)의 획득 및 낙엽, 작은 가지, 쓰레기, 돌 및 자갈과 같은 고체 또는 미립자 물질 및 오염물질들을 제거하기 위한 정교한 여과에 사용된 매체를 막을 수 있는 모래 또는 토양 구성요소와 같은 미립자들을 제거하기 위해 물의 철저한 여과를 가능하게 한다. 오염물질들의 제거 이후 물은 사용을 위해 직접 이용할 수 있게 되거나 이후 사용을 위해 탱크 또는 저장 용기의 일부 형태로 저장될 수 있다. 그러나, 이런 물 채취 시스템의 언급은 관으로 보내진 물의 여과 또는 오염물질들이 수류로부터 효과적으로 제거될 수 있는 지를 개선된 작업을 경험할 수 있는 장치 또는 기계의 구성요소와 같은 다른 상황들에서 사용될 본 발명에 따른 필터 매체 및 시스템에 대해 동일하게 가능한 경우에만 예로서 이루어진다. 일부 실시예들은 저수지, 연못 또는 분수 여과 시스템, 고압 살수 장치, 자동차 세정 장치, 보일러 및 다른 산업용 기계를 포함한다. 본 발명의 다른 양태는 본 발명에 따른 필터 매체 및 시스템이 건축 장소들에서 형성될 수 있는 것과 같은 괴인 물이 모인 곳으로부터 미립자 물질 및 다른 오염물질들의 제거의 상황에서 채택되는 것이다. 이런 경우 시스템은 휴대가능할 수 있고 적절한 펌핑 장치를 포함할 수 있다.
처리될 물로부터 미립자 오염물질들을 제거하는데 효과적인 상부 침전물 트랩은 과립 활성 탄소, 과립 제올라이트 및 모래를 포함할 수 있고 광재와 같은 다른 구성요소들을 선택적으로 포함할 수 있다. 한 실시태양에서 침전물 트랩은 GAC, 모래 및 제올라이트의 구별된 층들을 포함하며, 제올라이트는 구별된 층들 또는 고움(0.5 - 2mm 평균 입자 크기), 중간(1.6 - 2mm 평균 입자 크기), 거침(2.0 - 4.0mm 평균 입자 크기) 및 매우 거침(4.0 내지 12mm 평균 입자 크기)과 같은 다른 입자 크기의 혼합을 포함할 수 있으며, 이의 각각은 바람직하게는 필터 등급이며 예를 들어 Zeolite Australia Pty Ltd로부터 구입할 수 있다.
상기한 대로 필터 시스템의 상부 침전물 트랩 및 중간 지역(필터 매체) 내의 재료들은 일반적으로 과립이다. 침전물 트랩 내의 재료들은 바람직하게는 0.5mm 내지 8mm 또는 다른 양태에서 1mm 내지 6mm 또는 2mm 내지 4mm의 평균 입자 크기를 가진다. 유사하게 중간 지역에서 재료들은 바람직하게는 약 0.25mm 내지 약 4mm 또는 0.25mm 내지 2mm의 입자 크기 및 바람직하게는 약 0.5mm 평균 입자 크기를 가질 것이다. 예를 들어, 필터 매체에서 제올라이트는 편리하게는 약 0.5mm 내지 약 2mm의 평균 입자 크기를 가질 수 있고, GAC는 약 1mm 내지 약 4mm(예를 들어, Activated Carbon Technologies Pty Ltd로부터 구입할 수 있고, 6x12 크기 메시를 통해 스크리닝된 1.68mm 내지 3.35)의 입자 크기를 가질 수 있고 모래는 약 0.25mm 내지 약 0.5mm(예를 들어, Unimin Australia Ltd로부터 구입할 수 있고, 30/60 크기 메시로 스크리닝된 0.25mm 내지 0.42mm)의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.
하부 장벽 지역에서 예를 들어 바람직하게는 세척된 돌 또는 자갈, 깨진 바위 또는 강가 돌을 포함할 수 있는 하부 장벽 지역에 포함된 스크리닝 재료는 약 1mm 내지 약 8mm 또는 다른 실시태양에서 약 2mm 내지 약 6mm, 바람직하게는 약 4mm의 평균 입자 크기를 가지는 것이 유리할 것이다. 하부 지역에서 스크리닝 재료는 시스템을 통한 물의 투과를 허용하나 필터 매체 내에 포함된 다른 재료들을 실질적으로 함유하는 장벽으로 작용한다. (예를 들어, 원하는 물 유량을 허용하는 적절한 구멍 크기를 가진 금속, 플라스틱 또는 직물의) 물 투과성 메시는 스크리닝 제료를 보유하기 위해 장벽 지역의 기부에 제공될 수 있다. 스크리닝 재료는 주로 오염물질들의 제거에 적극적인 역할을 하지 않지만 스크리닝 재료가 스크리닝 재료를 통해 흐르는 물속으로 전달될 수 있는 상당한 수준의 물 삼출성 오염물질들을 포함하지 않는 것이 중요하다.
본 발명의 다른 실시태양에서 필터 시스템의 상부 침전물 트랩은 선택적으로 하나 이상의 충전제 및/또는 알칼리성 물질과 함께 과립 석회를 포함할 수 있다. "석회"라는 용어는 일반적으로 탄산염, 산화물 및 칼슘, 특히 탄산칼슘의 수산화물로 주로 구성되는 석회석 또는 백악(chalk)으로부터 일반적으로 유도된 미네랄을 의미한다. 본 발명의 내용에서 석회는 상기한 대로 과립 형태로 제공되며 필터 시스템에서 석회의 존재는 병원균들의 제거 및/또는 불활성화를 도울 수 있다. 이론에 한정되길 원치 않으며 본 발명자들은 본 발명의 이런 실시태양에서 상부 침전물 트랩의 알칼리성 환경으로부터 중간 지역의 더욱 pH 중성적 환경으로의 전환이 병원성 물질들의 불활성화에 영향을 준다는 것을 이해한다. 상부 지역에 석회의 존재는 중간 지역을 통과하는 물의 pH를 중성 또는 약 알칼리성 pH로 완충시켜서, 중간 지역으로부터의 금속들의 삼출을 막는 효과를 가진다. 원하는 평균 입자 지름의 과립 석회는, 예를 들어, 가든 센터 및 대형 화학물질 공급업체로부터 쉽게 구입할 수 있다.
필터 시스템의 중간 지역 또는 필터 매체는 GAC(바람직하게는 ACGAC) 및 과립 제올라이트를 포함하며 선택적으로 모래를 포함할 수 있다. 무연탄, 갈탄, 질석 및 탄화수소 제거제와 같은 추가 선택적인 구성요소들 및 항균제들이 필터 시스템 속에, 특히 중간 지역 내에 포함될 수 있다.
과립 활성 탄소 및 과립 제올라이트는 물리력 또는 정전기력을 통해, 탄화수소들 및 중금속들과 같은 오염물질들을 쉽게 흡착할 수 있는 높은 표면적의 재료들이다. 제올라이트라는 용어는 미세 다공성 구조를 가진 수화 알루미노실리케이트 미네랄을 포함하는 것으로 생각된다. 천연 제올라이트는 화산 바위들 및 화산회 층들이 알칼리성 지하수와 반응하는 곳에서 형성된다. 본 발명에 사용하는데 적절한 과립 제올라이트는, 예를 들어, Zeolite Australia Pty Ltd(PO Box 6 Werris Creek NSW 2341, Australia)로부터 얻을 수 있다.
활성 목탄으로도 불리는 활성 탄소는 목탄 및 화산 바위로부터 유도되며 중금속, 탄화수소 및 질소 및 인 함유 영양소 화합물과 같은 오염물질들의 물리적 및 정전기적 흡착을 위한 대단히 높은 표면적을 가진다. 활성 탄소는 산에 의한 처리 또는 더욱 가능하게는, 예를 들어 증기 활성화 공정에서 고온 및 고압에 노출됨으로써 활성화될 수 있다. GAC는, 예를 들어 Activated Carbon Technologies Pty Ltd (PO Box 50 Eltham 3095 Victoria, Australia)로부터 쉽게 구입할 수 있다. 활성 탄소는 목재와 같은 동일 종류의 유기 재료들로부터 얻을 수 있고 목재의 짧은 토막과 같은 폐 유기 재료 및 쌀, 땅콩, 캐슈 너트 및 코코넛 껍질로부터 주로 얻는다.
본 발명자들은 특히 질소 및 인 함유 화합물들과 같은 영양소의 제거의 면에서 필터 매체의 효능은 GAC가 ACGAC을 형성하기 위해 알루미늄으로 코팅되는 경우 현저하게 향상된다는 것을 측정하였다. 이것은 알루미늄이 활성 탄소의 표면상에 흡착된다는 것을 의미한다. 본 발명자들은 본 발명의 면에서 특히 유리한 특징들을 가진 ACGAC는 과립 활성 탄소를 약 4 내지 약 6.8의 pH로 산성화되는 하나 이상의 알루미늄 염을 포함하는 수용액에 노출하고, 수용액을 제거하고 생산되는 알루미늄 코팅 과립 활성 탄소를 세척하고 건조함으로써 생산될 수 있다는 것을 측정하였다. 본 발명자들은 알루미늄 흡착 또는 코팅 공정 동안 pH가 너무 낮은 경우 알루미늄의 흡착은 덜 효과적이었던 반면, 공정이 너무 높은 pH에서 수행된 경우 알루미늄은 용액으로부터 침전되었다는 것을 알게 되었다.
예를 들어, GAC는 알루미늄 염과 혼합물을 혼합하면서 배양하기 전에, 약 4 내지 약 6.8, 바람직하게는 약 5 내지 약 6.8 및 더욱 바람직하게는 약 6 내지 약 6.5의 pH로 (예를 들어, 염산, 질산, 시트르산 또는 인산으로) 산성화되는 증류수와 혼합될 수 있다. 예를 들어 알루미늄 염은 알루미늄 황산염, 알루미늄 질산염, 알루미늄 수산화물, 알루미늄 클로로하이드레이트 또는 알루미늄 클로라이드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 30분 내지 6시간, 45분 내지 3시간 또는 바람직하게는 1시간 내지 2 시간과 같은 15분 내지 24시간 사이의 배양기간 이후 얻어진 ACGAC는 알루미늄 용액으로부터 제거될 수 있다. 그런 후에 ACGAC가 증류수로 세척되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 약 40℃에서 밤새 건조될 수 있다.
비록 물 삼출성 오염물질들의 실질적인 제거를 확보하는 것이 바람직하나, 필터 시스템 내에 포함된 모래는 미네랄 모래, 해변 모래 또는 강 모래와 같은 다양한 원료로부터 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 모래는 세척된 강 모래 또는 Unimin Australia Limited로부터 구입한 유니민 신제품 모래 30/60이다.
비록 필수적이진 않지만, 중간 지역의 구성요소들은 이들이 본 발명의 필터 매체 내에 포함되기 전에 친밀하게 혼합되는 것이 바람직하다. 본 발명의 한 실시태양에서 중간 지역에서 과립 활성 탄소 대 과립 제올라이트의 비(부피)는 0.6:1, 0.8:1, 1:1, 1.4:1 또는 1.8:1과 같은 약 0.5:1 내지 2:1이다. 중간 지역은 모래를 추가로 포함할 수 있고, 존재하는 경우, 모래는 바람직하게는 약 37.5%, 40%, 45%, 50%, 55% 또는 60%와 같은 중간 지역의 전체 부피의 약 30% 내지 약 60%를 구성한다.
본 발명은 또한 본 발명에 개시된 대로 물을 필터 시스템에 노출하는 단계를 포함하는 미립자, 탄화수소, 중금속, 영양소 및 병원균의 하나 이상의 제거에 의해 물을 정제하는 방법들을 이의 범위 내에 포함하며, 바람직하게는 물은 약 0.5Lsec-1m-2 내지 약 10Lsec-1m-2의 유량으로 필터 시스템을 통해 흐른다. 바람직하게는 유량은 약 1Lsec-1m-2 내지 약 8Lsec-1m-2 및 가장 바람직하게는 약 2Lsec-1m-2 내지 약 6Lsec-1m-2이다.
본 발명의 한 실시태양에서 필터 매체 및/또는 필터 시스템은 물 처리 장치 속에 제자리에 설치될 수 있는 대형 재료로 제공되며, 다른 형태에서 필터 시스템은 카트리지 내에 제공된다. 이런 카트리지는 필터 시스템을 통해 물이 흐르게 하는 상부와 기부를 가진 필터 시스템을 위한 용기를 형성한다. 예를 들어, 수송시에 카트리지는 필터 매체가 수송시에 제거되지 않도록 기부 및/또는 상부를 위한 제거가능한 덮개를 포함할 수 있다. 다른 실시태양에서 카트리지는 수송을 위해 플라스틱 필름에 밀봉될 수 있다. 한 양태에서 카트리지의 상부는 사용시에 예를 들어, 고체, 슬러지 및/또는 미립자를 위한 거친 필터로 작용하는 (예를 들어, 금속, 플라스틱 또는 직물)의 메시를 포함한다. 메시는 미립자 물질, 고체, 슬러지 등으로 막히는 경우 쉽게 세정 또는 대체될 수 있다.
본 발명은 단지 예로서 기술되었고 본 명세서를 기초로 당업자에게 명백할 수 있는 본 발명의 변화 및/또는 변형은 본 발명의 취지와 범위 내에 포함되는 것으로 생각되는 것으로 이해된다.
본 발명은 이제 다음 비 제한적인 실시예들을 참조하여 더욱 기술될 것이다.
실시예
실시예 1 - 필터 매체 분석
분석을 위해 8개 매체: 무연탄, 갈탄, 과립 활성 탄소, 깨끗한 강 모래, 질석, 펄라이트, 제올라이트 및 가든 퇴비를 선택하였다.
미처리된 우수를 현대식의 불침투성 다층 주차장으로부터 흐르는 빗물로서 상당한 폭우의 개시시에 수집하였다. 높고 낮은 오염원 적재량의 여과된(0.45㎛ 필터 통과) 및 여과되지 않은 4개의 우수 용액을 준비하였다. 배치 평형 방법을 사용하는 흡착 검사의 결과로부터 효능의 비교를 얻었다. 검사된 주요 오염원들은 총 질소, 총 인, 총 현탁 고체 및 중금속(Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn)을 포함하였다. 검사된 매체들 중에서, 최대 흡착 용량을 가진 것들은 효율이 감소하는 순서로 과립 활성 탄소(G), 무연탄(A), 질석(V) 및 제올라이트(Z)이었다.
이 조사의 제 2 단계는 상기한 4개 매체의 11개 조합에 대해 수행하였다. 제 1 단계에 따라 유사한 방법을 사용하였다. 도 1에 도시된 대로 가장 완벽한 오염원 제거 조합은 동일한 비율의 과립 활성 탄소와 제올라이트(G2Z2)로 발견되었다. 이 조합은 검사된 중금속의 85% 및 총 질소의 62%까지 제거하였다.
실시예 2 - 필터 시스템 구성요소
고 유량 필터 시스템: 50mm 깊이의 스크리닝(즉, 깨진 바위), 380mm 깊이의 50%(모든 백분율은 부피이다) GAC 50% 제올라이트, 그런 후에 200mm 깊이의 침전물 트랩(20mm 깊이의 50% GAC 및 50% 제올라이트, 45mm 깊이의 제올라이트, 45mm 깊이의 중간 제올라이트, 45mm 깊이의 거친 제올라이트 및 45mm 깊이의 매우 거친 제올라이트).
저 유량 필터 시스템(소독되지 않음): 50mm 깊이의 스크리닝(즉, 깨진 바위), 250mm 깊이의 25% GAC 25% 제올라이트, 50% 모래, 및 그런 후에 200mm 깊이의 침전물 트랩(20mm 깊이의 25% GAC 25% 제올라이트, 50% 모래, 45mm 깊이의 제올라이트, 45mm 깊이의 중간 제올라이트, 45mm 깊이의 거친 제올라이트 및 45mm 깊이의 매우 거친 제올라이트). 이 실시태양은 도 2b에 개략적으로 도시된다.
저 유량 필터 시스템(소독됨): 50mm 깊이의 스크리닝(즉, 깨진 바위), 250mm 깊이의 25% GAC 25% 제올라이트, 50% 모래, 및 그런 후에 200mm 깊이의 침전물 트랩(20mm 깊이의 25% GAC 25% 제올라이트, 50% 모래, 45mm 깊이의 제올라이트, 45mm 깊이의 중간 제올라이트, 45mm 깊이의 거친 제올라이트 및 45mm 깊이의 매우 거친 제올라이트). 염소 입방체들을 60mm 깊이의 제올라이트 내에 침전물 트랩 구성요소에 놓는다. 이런 입방체들은 측면이 30mm이며 130/m2의 유량에서 침전물 트랩에 놓는다.
다른 실시태양에서 필터 시스템의 각각에서 GAC는 ACGAC로 대체된다.
실시예 3 - 필터 매체 분석
다음 물 분석 결과들은 실시예 2(ACGAC 대신 GAC 사용)의 고 유량 필터 시스템을 사용하여 합성 우수에 대해 얻었다. 합성 우수는 우수 연못 침전물과 통상적인 우수 품질 농도를 맞추기 위해 실험실 등급 화학물질들과 미생물들이 첨가된 탈 염소화 수돗물을 혼합하여 제조하였다.
표 1은 처리된 물에 있는 TSS = 총 현탁 고체, TP = 총 인, TN = 총 질소 및 중금속의 백분율 감소를 나타낸다. 표 2는 처리된 물에 있는 특정 미생물들의 백분율 감소를 나타낸다.
TSS TP TN Cu Mn Ni Pb Zn
94% 35% 69% >85% 80% >60% 82% 90%
대장균 f-RNA 파아지 클로스트리디움 퍼프린젠스
66.97% >99.72% 98.63%
사전 결과들은 TP 제거 비율은 GAC 대신에 ACGAC를 사용할 때 훨씬 더 높을 것을 나타낸다. 또한 저 유량 필터 시스템은 고 유량 필터에 대해 관찰된 것보다 더 높은 제거 비율을 얻을 것이 예상된다. 저 유량 필터 시스템에서 ACGAC에 의한 사전 검사는 인 제거 비율은 약 70%(평균)로 증가하였다는 것을 나타내었다.
저 유량 시스템에서 소독을 사용할 때 미생물들에 대한 제거 비율은 대장균의 경우 >99.99%, f-RNA 파아지의 경우 >99.8% 및 클로스트리디움 퍼프린젠스의 경우 99.92%로 증가하였다.

Claims (26)

  1. 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소 및 과립 제올라이트를 포함하는 물로부터 오염물질들을 제거하기 위한 필터 매체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소 대 과립 제올라이트의 비(부피)는 약 0.5:1 내지 2:1인 필터 매체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    모래를 더 포함하는 필터 매체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    모래는 필터 매체의 전체 부피의 약 30% 내지 약 60%를 포함하는 필터 매체.
  5. 제 3 항에 있어서,
    모래는 필터 매체의 전체 부피의 약 37.5%를 포함하는 필터 매체.
  6. 과립 활성 탄소를 약 5 내지 약 6.8의 pH로 산성화되는 하나 이상의 알루미늄 염을 포함하는 수용액에 노출하는 단계, 수용액을 제거하는 단계 및 생산된 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소를 세정하고 건조하는 단계를 포함하여 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소를 생산하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    수용액은 약 6 내지 약 6.5의 pH로 산성화되는 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    알루미늄 염은 알루미늄 황산염인 방법.
  9. (i) 과립 활성 탄소 및 과립 제올라이트를 포함하는 중간 지역; 및
    (ii) 스크리닝 재료를 포함하는 하부 장벽 지역을 포함하는 물로부터 오염물질들을 제거하기 위한 필터 시스템으로서,
    상기 시스템은 약 0.5Lsec-1m-2 내지 약 10Lsec-1m-2의 물의 유량이 이를 통과하게 하는 필터 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    중간 지역에서 과립 활성 탄소 대 과립 제올라이트의 비(부피)는 약 0.5:1 내지 2:1인 필터 시스템.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    중간 지역은 모래를 더 포함하는 필터 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    모래는 중간 지역의 전체 부피의 약 30% 내지 약 60%를 포함하는 필터 시스템.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    과립 활성 탄소는 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소를 포함하는 필터 시스템.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    미립자 오염물질들을 제거하기 위한 상부 침전물 트랩을 더 포함하는 필터 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    침전물 트랩은 광재, 과립 활성 탄소, 과립 제올라이트 및 모래의 하나 이상을 포함하는 필터 시스템.
  16. 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수용성 염소 염의 과립들을 더 포함하는 필터 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    수용성 염소 염의 과립들은 침전물 트랩 및/또는 중간 지역 내에 제공되는 필터 시스템.
  18. 물로부터 오염물질들을 제거하기 위한 필터 시스템을 포함하는 카트리지로서, 카트리지는 필터 시스템을 통해 물이 흐르게 하는 상부와 기부를 가지며 필터 시스템은
    (i) 과립 활성 탄소 및 과립 제올라이트를 포함하는 중간 지역; 및
    (ii) 스크리닝 재료를 포함하는 하부 장벽 지역을 포함하며
    상기 시스템은 약 0.5Lsec-1m-2 내지 약 10Lsec-1m-2의 물의 유량이 이를 통과하게 하는 카트리지.
  19. 제 18 항에 있어서,
    카트리지의 상부는 고체, 슬러지 및/또는 미립자의 거친 필터로서 작용하는 메시를 포함하는 카트리지.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    중간 지역은 모래를 더 포함하는 카트리지.
  21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    과립 활성 탄소는 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소를 포함하는 카트리지.
  22. 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    필터 시스템은 미립자 오염물질들을 제거하기 위한 상부 침전물 트랩을 더 포함하는 카트리지.
  23. (i) 과립 활성 탄소 및 과립 제올라이트를 포함하는 중간 지역; 및
    (ii) 스크리닝 재료를 포함하는 하부 장벽 지역을 포함하는 필터 시스템을 통해 물이 흐르도록 하는 단계를 포함하여 물로부터 오염물질들을 제거하기 위한 방법으로서,
    상기 물은 약 0.5Lsec-1m-2 내지 약 10Lsec-1m-2의 유량으로 상기 매체를 통과하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    중간 지역은 모래를 더 포함하는 방법.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    과립 활성 탄소는 알루미늄 코팅된 과립 활성 탄소를 포함하는 방법.
  26. 제 23 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    필터 시스템은 미립자 오염물질들을 제거하기 위한 상부 침전물 트랩을 더 포함하는 방법.
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