KR20230038260A - 유체로부터 pfas를 제거하기 위한 고 용적 요오드가 및 당밀가를 갖는 수착제 및 그 제조 및 사용 방법 - Google Patents

유체로부터 pfas를 제거하기 위한 고 용적 요오드가 및 당밀가를 갖는 수착제 및 그 제조 및 사용 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)의 흡착을 개선하는 수착제 및 수착제를 제공한다. 수착제 및 수착제는 높은 용적 요오드가 및 높은 용적 당밀가의 조합으로 나타낸 바와 같이, PFAS를 효율적으로 흡착하는 미세구조를 갖는다. 제조 방법 및 사용 방법이 추가로 제공된다.

Description

유체로부터 PFAS를 제거하기 위한 고 용적 요오드가 및 당밀가를 갖는 수착제 및 그 제조 및 사용 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 7월 14일에 출원된 미국 특허 가출원 제63/051,637호의 이익을 주장하며, 그 전체는 본원에 참조로서 통합된다.
기술분야
본 개시는 액체 및 기체로부터 PFOA, PFOS, 및 유사한 화합물을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하는 데 있어서 개선된 성능을 갖는 수착제를 기술한다.
퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)은 퍼플루오로옥탄산(PFOA), 퍼플루오로옥탄설폰산(PFOS)을 포함하는 화합물, 및 2,3,3,3-테트라플루오로-2-(헵타플루오로프로폭시)프로파노에이트 및 헵타플루오로프로필 1,2,2,2-테트라플루오로에틸 에테르와 같은 gENX 공정에 의해 생산된 화합물의 군이다. 이와 같이 고도로 플루오르화된 화합물은 화학적 내구성, 우수한 계면활성제 특성, 및 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 플루오로중합체에 대한 전구체로서의 핵심 역할로 인해, 수년 동안 광범위한 산업적 사용을 누리고 있다.
불행하게도, 이러한 동일한 특성은 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질에 환경 중 분해에 내성을 갖게 해서, 시간이 지남에 따라 섭취되었을 때 생체축적을 초래한다. 일부 최근의 연구는 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 다양한 유해한 건강 효과, 특히 콜레스테롤의 수준 상승, 뿐만 아니라 신장암, 고환암, 갑상선 질환, 및 임신 유도성 고혈압과 연결시켰다.
현재까지, 환경 및 음용수로부터 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하기 위해 다양한 기술이 사용되었지만, 어느 것도 완전히 만족스럽지 않았다. 예를 들어, 일부 종래 기술은 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 함유하는 유체를 다양한 수착제와 접촉시킴으로써 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하려고 시도하였다. 그러나, 종래 기술은 수착제의 어떤 화학적 및 미세구조적 특징이 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질의 효과적인 흡수를 초래하는지 또는 초래하지 않는지를 설명하지 못했다. 따라서, 환경 및 음용수로부터 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 더 잘 제거하기 위해 그 자체로 더 효과적인 수착제에 대한 필요성이 남아있을 뿐만 아니라, 원하는 화학적 및 미세구조적 특징을 갖도록 설계되는 이러한 재료에 대한 필요성도 여전히 존재한다.
본 개시는 유체로부터 하나 이상의 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하기 위한 수착제를 제공한다. 일 측면에서, 본 개시는 유체로부터 하나 이상의 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하기 위한 수착제를 제공하며, 상기 수착제는 약 450 mg/cm3 내지 약 550 mg/cm3의 용적 요오드가(iodine number) 및 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3의 용적 당밀가(molasses number)를 나타낸다.
일 실시예에서, 상기 수착제는 탄소질 숯, 활성탄, 재활성탄, 및 카본 블랙 중 하나 이상을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 수착제는 활성탄 및 재활성탄 중 하나 또는 둘 다를 포함하고, 이들은, 임의의 실시예에서, 역청탄, 아역청탄, 갈탄, 무연탄, 목재, 목재 칩, 톱밥, 이탄, 너트 쉘, 피트, 코코넛 껍질, 바바수 너트, 마카다미아 너트, 덴데 너트, 피치 피트, 체리 피트, 올리브 피트, 호두 껍질, 목재, 리그닌, 중합체, 질소 함유중합체, 수지, 석유 피치, 바가스, 쌀겨, 옥수수 껍질, 밀겨 및 왕겨, 그래핀, 탄소 나노튜브 및 중합체 섬유 중 하나 이상으로부터 선택된 전구체 탄소질 재료로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 활성탄 또는 재활성탄은 역청탄 및 아역청탄 중 하나 또는 둘 모두로부터 형성된다.
다른 실시예에서, 탄소질 재료는 활성탄 또는 재활성탄이다.
다른 실시예에서, 수착제는 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3의 용적 요오드가 및 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3의 용적 당밀가를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 수착제를 함유하는 베드는 약 61 ng/L 이하의 PFOA 농도를 함유하는 물의 적어도 약 20,000 베드 부피로부터 PFOA를 제거하여, 약 15　ng/L PFOA의 농도가 여과된 물 스트림에서 검출되기 전에, 여과된 물 스트림을 생성할 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 개시는 유체로부터 하나 이상의 퍼플루오로알킬 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 갖는 수착제를 제공하는 단계; 및 유체를 수착제와 접촉시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 수착제는 탄소질 숯, 활성탄, 재활성탄, 및 카본 블랙 중 하나 이상을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 수착제는 활성탄 또는 재활성탄 중 하나 또는 둘 다를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 활성탄 또는 재활성탄은 역청탄, 아역청탄, 갈탄, 무연탄, 목재, 목재 칩, 톱밥, 이탄, 너트 쉘, 피트, 코코넛 껍질, 바바수 너트, 마카다미아 너트, 덴데 너트, 피치 피트, 체리 피트, 올리브 피트, 호두 껍질, 목재, 리그닌, 중합체, 질소 함유중합체, 수지, 석유 피치, 바가스, 쌀겨, 옥수수 껍질, 밀겨 및 왕겨, 그래핀, 탄소 나노튜브 및 중합체 섬유 중 하나 이상으로부터 선택된 전구체 탄소질 재료로 형성된다.
다른 실시예에서, 활성탄 또는 재활성탄은 역청탄 및 아역청탄 중 하나 이상으로 형성된다.
다른 실시예에서, 탄소질 재료는 활성탄 또는 재활성탄이다.
또 다른 실시예에서, 수착제는 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3의 용적 요오드가 및 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3의 용적 당밀가를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 수착제는 약 500 mg/cm3 내지 약 550 mg/cm3의 용적 요오드가 및 약 110 cm-3 내지 약 350 cm-3의 용적 당밀가를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 수착제를 함유하는 베드는 약 61 ng/L 이하의 PFOA 농도를 함유하는 물의 적어도 약 20,000 베드 부피로부터 PFOA를 제거하여, 약 15 ng/L PFOA의 농도가 여과된 물 스트림에서 검출되기 전에, 여과된 물 스트림을 생성할 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 개시는 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가 및 선택적으로 제2 수착제를 갖는 하나 이상의 수착제를 포함하는 수착제 조성물을 제공한다.
일 실시예에서, 수착제 조성물은 하나 이상의 불활성 물질, 필러, 결합제, 또는 임의의 주목할 만한 수착제 용량을 갖지 않는 다른 조성물을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 수착제는 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3의 용적 요오드가 및 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3의 용적 당밀가를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 수착제는 약 500 mg/cm3 내지 약 550 mg/cm3의 용적 요오드가 및 약 110 cm-3 내지 약 350 cm-3의 용적 당밀가를 갖는다.
또 다른 실시예에서, 수착제 조성물을 함유하는 베드는 약 61 ng/L 이하의 PFOA 농도를 함유하는 물의 적어도 약 20,000 베드 부피로부터 PFOA를 제거하여, 약 15 ng/L PFOA의 농도가 여과된 물 스트림에서 검출되기 전에, 여과된 물 스트림을 생성할 수 있다.
본원에서 설명되는 실시예의 측면, 특징, 이점 및 장점은 다음의 설명, 첨부된 청구범위 및 첨부 도면과 관련하여 명백해질 것이다:
도 1은 본원에 개시된 바와 같이, 수착제 샘플의 탈색 곡선의 일례를 제공한다.
도 2는 활성탄으로 처리한 후 당밀 용액의 여과물 샘플로부터 수집된 UV-Vis 투과율 스펙트럼을 도시한다.
도 3은, 베드를 통과한 물의 베드 부피의 수 대비 미처리된 물로 정규화된, 다양한 당밀가의 수착제를 포함하는 수착제 베드의 출구 포트에서 물에서 측정된 퍼플루오로옥탄산(PFOA) 농도의 플롯을 제공한다.
도 4a는, 본원에서 설명되는 바와 같은, 베드의 출구 포트에서 물 중의 PFOA의 농도가 미처리 물 중의 PFOA 농도의 25%에 도달할 때 베드 부피 등가물 대비, 다양한 수착제의 용적 당밀가 및 용적 요오드가의 산포도를 제공한다.
도 4b는, 베드 내의 수착제의 용적 당밀가의 함수로서 베드의 출구 포트에서 물 중의 PFOA의 농도가 미처리 물 중의 PFOA 농도의 25%에 도달할 때 베드 부피 등가물의 플롯을 제공한다.
본 개시는 설명된 특정 시스템, 장치 및 방법에 한정되지 않으며, 이들이 다양할 수 있기 때문이다. 또한, 본 설명에 사용된 용어는 특정 버전 또는 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐, 본 주제의 범주를 제한하려는 것은 아니다.
본 문서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 달리 명시되지 않는 한 복수의 참조를 포함한다. 달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 개시에서의 어느 것도, 본 개시에 기술된 실시예가 종래 발명으로 인해 이러한 개시를 선행할 권리가 없음을 인정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 본 문서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "포함하는"은 "포함하지만 이에 한정되지 않는"을 의미한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "약"은 그것이 변형하는 숫자의 수치의 ±10%를 의미한다. 따라서, 약 50%는 45%-55%의 범위를 의미한다. 온도를 설명할 때, 용어 "약"은 명명된 온도 ± 5도를 지칭한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "수착제 조성물"은 수착제를 포함하는 물질 또는 물질들의 혼합물을 의미한다. 수착제 조성물은 전적으로 수착제 매질로 형성될 수 있거나, 또는 수착제는 대안적으로 하나 이상의 불활성 물질, 필러, 결합제, 또는 임의의 주목할 만한 수착제 용량을 갖지 않는 다른 조성물을 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "수착제 매질(sorbent media)"은, 액체 및/또는 기체를 흡착 또는 흡수할 수 있는, 임의의 공급원으로부터의 모든 공지된 재료를 의미한다. 예를 들어, 수착제 매질은, 비제한적인 예로서, 탄소질 숯, 활성탄, 재활성탄, 탄소 나노튜브, 그래핀, 천연 및 합성 제올라이트, 실리카, 실리카 겔, 알루미나, 폴리스티렌 설포네이트, 알루미나, 지르코니아, 및 규조토 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)"은 임의의 퍼플루오로알킬 또는 폴리플루오로알킬 물질, 이러한 물질들의 혼합물, 또는 하나 이상의 이러한 물질들의 유도체를 의미한다. 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질의 예는 퍼플루오로알킬 설포네이트, 퍼플루오로알칸 설폰산(PFSA), N-부틸 퍼플루오로알칸 설폰아미드(BuFASA), N-부틸 퍼플루오로알칸 설폰아미도 에탄올(BuFASE), N-부틸 퍼플루오로알칸 설폰아미도 아세트산(BuFASAA), N-에틸 퍼플루오로알칸 설폰아미드(EtFASA), N-에틸 퍼플루오로알칸 설폰아미도 에탄올(EtFASE), N-에틸 퍼플루오로알칸 설폰아미도 아세트산(EtFASAA), 퍼플루오로알칸 설폰아미드(FASA), 퍼플루오로알칸 설폰아미도 에탄올(FASE), 퍼플루오로알칸 설폰아미도 아세트산(FASAA), N-메틸 퍼플루오로알칸 설폰아미드(MeFASA), N-에틸 퍼플루오로알칸 설폰아미도 아세트산(MeFASAA), N-메틸 퍼플루오로알칸 설폰아미도 에탄올(MeFASE), 퍼플루오로알칸 설포닐 플루오라이드(PASF), 플루오로단백질(FP), 플루오로텔로머 카르복시산(FTCA), 플루오로텔로머 알코올(FTOH), 플루오로텔로머 설포네이트(FTS), 플루오로텔로머 설폰산(FTSA), 퍼플루오로알킬산(PFAA), 퍼플루오로알킬설폰아미도에탄올(PFOSE), 및 이의 임의의 유도체를 포함한다. 여기에는, 예를 들어, 제한 없이, 암모늄 퍼플루오로옥타노에이트(APFO) 4,8-디옥사-3H-퍼플루오로노나노에이트, N-메틸 퍼플루오로옥탄 설폰아미드(MeFOSA), 퍼플루오로옥탄산(PFOA), 퍼플루오로옥탄 설포네이트, 퍼플루오로옥탄설폰산(PFOS), 2,3,3,3,-테트라플루오로-2-(헵타플루오로프로폭시)프로파노에이트, 암모늄 2,3,3,3-테트라플루오로-2-(헵타플루오로프로폭시)프로파노에이트, 1,2,2,2-테트라플루오로에틸 에테르, 4:2-플루오로텔로머설폰산 (4:2 FtS), 6:2-플루오로텔로머설폰산 (6:2 FtS), 8:2-플루오로텔로머설폰산 (8:2 FtS), 퍼플루오로부탄산(PBBA), 퍼플루오로부탄 설포네이트, 퍼플루오로부탄 설폰산(PFBS), 퍼플루오로헥산 설포네이트, 퍼플루오로헥산 설폰산(PFHxS), 퍼플루오로헥사노에이트, 퍼플루오로헥산산(PFHxA), 4,8-디옥사-3H-퍼플루오로노나노에이트, 암모늄 퍼플루오로옥타노에이트(APFO), N-에틸 퍼플루오로옥탄 설폰아미드(EtFOSA),N-에틸 퍼플루오로옥탄 설폰아미도 에탄올(EtFOSE), 퍼플루오로옥탄 설폰아미드(PFOSA), 퍼플루오로옥탄 설폰아미도 아세트산(FOSAA), 퍼플루오로옥탄 설폰아미도 에탄올(FOSE), 퍼플루오로부타노에이트, 퍼플루오로부탄산, 퍼플루오로부티레이트, 퍼플루오로부티르산, 퍼플루오로알킬 카르복실레이트, 퍼플루오로알킬 카르복시산(PFCA), 퍼플루오로데카노에이트, 퍼플루오로데칸산(PFDA), 퍼플루오로도데카노에이트, 퍼플루오로도데칸산(PFDoA), 퍼플루오로도데칸 설포네이트(PFDoS), 퍼플루오로도데칸 설폰산(PFDoSA), 퍼플루오로데칸 설포네이트, 퍼플루오로데칸 설폰산(PFDS), 퍼플루오로헵타노에이트, 퍼플루오로헵탄산(PFHpA), 퍼플루오로헵탄 설포네이트, 퍼플루오로헵탄 설폰산(PFHpS), 퍼플루오로노나노에이트, 퍼플루오로노난산(PFNA), 퍼플루오로노난 설포네이트, 퍼플루오로노난 설폰산(PFNS), 퍼플루오로옥타노에이트, 퍼플루오로포스폰산(PFPA), 퍼플루오로펜타노에이트, 퍼플루오로펜타논산(PFPeA), 퍼플루오로펜탄 설포네이트, 퍼플루오로펜탄 설폰산(PFPeS), 퍼플루오로포스핀산(PFPiA), 퍼플루오로테트라데카논산(PFTeDA), 퍼플루오로트리데카논산(PFTrDA), 퍼플루오로운데카노에이트, 퍼플루오로운데칸산(PFUnA), 퍼플루오로운데칸 설포네이트(PFUns), 퍼플루오로운데칸 설폰산(PFUnSA), 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "요오드가(iodine number)" 또는 "IV"는 중량 요오드가 또는 용적 요오드가를 지칭한다. 요오드가는 정규화된 양의 수착제 표면에 흡착된 요오드의 평형 질량의 척도이다. 요오드가는 수착제의 표면적 및 다공성의 척도이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "중량 요오드가(gravimetric iodine number)" 또는 "IVg"는 산업 표준 시험 ASTM D4607-14에 의해 결정된 바와 같이 탄소질 재료로 형성되는 수착제의 특성을 의미한다. 중량 측정 요오드가는 수착제의 질량 당 흡착된 요오드의 질량 단위로 보고된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "용적 요오드가(volumetric iodine number)" 또는 "IVv"는 수착제의 중량 요오드가 및 겉보기 밀도의 곱을 의미한다. 수착제의 겉보기 밀도는 산업 표준 시험 ASTM D2854-09(2019)에 의해 수득된다. 중량 측정 요오드가는 이전 단락에서 기술된 의미를 갖는다. 용적 요오드가는 수착제의 부피 당 흡착된 요오드의 질량 단위로 보고된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "당밀가(molasses number)" 또는 "MN"은 중량 당밀가 또는 용적 당밀가를 지칭한다. 당밀가는 수착제의 탈색 용량의 척도이며, 수착제의 매크로 기공 및 수송 기공 구조의 표시자이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "중량 당밀가(gravimetric molasses number)" 또는 "MNg"는 "당밀 활성탄 수의 결정(Determination of the Molasses Number of Activated Carbon)"이라는 제목의 Calgon Carbon Method Number TM-3에 따른 수착제의 탈색 용량의 결정을 의미한다. 전체 시험 절차는 본원에서 완전히 기술된다. 중량 당밀가는 수착제의 질량 당 측정된 단위 없는 양으로 보고된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "용적 당밀가(volumetric molasses number)" "MNv"는 수착제의 중량 당밀가 및 수착제의 겉보기 밀도의 곱을 의미한다. 중량 당밀가는 전술한 단락에서 기술된 의미를 갖는다. 수착제의 겉보기 밀도는 산업 표준 시험 ASTM D2854-09(2019)에 의해 수득된다. 부피 당밀가는 수착제의 부피 당 측정된 단위 없는 양으로 보고된다.
수착제 및 수착제 조성물
본 개시는, 전술한 바와 같이, 유체로부터 하나 이상의 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하는 데 효과적인 적어도 하나의 수착제를 포함하는 수착 조성물을 제공한다. 적어도 하나의 수착제는 적어도 약 450 mg/cm3(예를 들어, 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3)의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3(예를 들어, 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3)의 용적 당밀가를 나타낸다.
유리하게는, 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 갖는 수착제는 하나 이상의 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질의 흡착을 위한 우수한 용량을 나타낼 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 460 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 470 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 480 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 490 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 500 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 510 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 520 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 530 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 540 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 550 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 560 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 570 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 일 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 580 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 임의의 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 590 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 임의의 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 적어도 약 600 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 나타낸다. 임의의 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 약 450 mg/cm3 내지 약 500 mg/cm3, 약 470 mg/cm3 내지 약 550 mg/cm3, 약 500 mg/cm3 내지 약 550 mg/cm3, 약 520 mg/cm3 내지 약 550 mg/cm3, 또는 약 490 mg/cm3 내지 약 520 mg/cm3의 용적 요오드가를 나타낸다. 선행하는 값 및 범위는 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있고, 임의의 범위는 상기한 종점 중 2개 이상을 선택함으로써 형성될 수 있다.
임의의 실시예에서, 선행하는 단락의 실시예와 중첩되는 것들을 포함하여, 상기 하나 이상의 수착제는 약 100 cm-3, 약 110 cm-3, 약 120 cm-3, 약 130 cm-3, 약 140 cm-3, 약 150 cm-3, 약 160 cm-3, 약 170 cm-3, 약 180 cm-3, 약 190 cm-3, 약 200 cm-3, 약 210 cm-3, 약 220 cm-3, 약 230 cm-3, 약 240 cm-3, 약 250 cm-3, 약 260 cm-3, 약 270 cm-3, 약 280 cm-3, 약 290 cm-3, 약 300 cm-3, 약 310 cm-3, 약 320 cm-3, 약 330 cm-3, 약 340 cm-3, 약 350 cm-3, 약 360 cm-3, 약 370 cm-3, 약 380 cm-3, 약 390 cm-3, 약 400 cm-3 또는 종점으로서 상기 값들 중 2개 이상을 선택함으로써 형성되는 임의의 범위의 용적 당밀가를 나타낸다.
본원에 개시된 바와 같이, 수착제의 겉보기 밀도는 제한되지 않으며, 임의의 실시예에서, 약 1.00　g/cm3 미만, 약 0.95　g/cm3 미만, 약 0.90　g/cm3 미만, 약 0.85　g/cm3 미만, 약 0.80　g/cm3 미만, 약 0.75　g/cm3 미만, 약 0.70　g/cm3 미만, 약 0.65　g/cm3 미만, 약 0.60　g/cm3 미만, 약 0.55　g/cm3 미만, 약 0.50　g/cm3 미만, 약 0.45　g/cm3 미만, 약 0.40　g/cm3 미만, 또는 약 0.35　g/cm3 미만일 수 있다. 임의의 실시예에서, 수착제의 겉보기 밀도는 약 1.00 g/cm3 , 약 0.95 g/cm3, 약 0.90 g/cm3, 약 0.85　g/cm3, 약 0.80　g/cm3, 약 0.75　g/cm3, 약 0.70　g/cm3, 약 0.65　g/cm3, 약 0.60　g/cm3, 약 0.55　g/cm3, 약 0.50　g/cm3, 약 0.45　g/cm3, 약 0.40　g/cm3, 약 0.35　g/cm3, 약 0.30　g/cm3, 또는 종점으로서 상기 값들 중 어느 2개로부터 형성되는 임의의 범위일 수 있다. 임의의 실시예에서, 수착제의 겉보기 밀도는 약 0.30 g/cm3 내지 약 1.00 g/cm3, 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.95 g/cm3, 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.90 g/cm3, 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.85 g/cm3, 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.80 g/cm3, 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.75 g/cm3, 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.70 g/cm3, 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.65 g/cm3, 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.60 g/cm3, 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.55 g/cm3, 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.50 g/cm3, 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.45 g/cm3, 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.40 g/cm3, 또는 약 0.30 g/cm3 내지 약 0.35 g/cm3일 수 있다.
수착제 조성물은 하나 이상의 수착제를 포함할 수 있으며, 각각의 수착제는 탄소질 숯, 활성탄, 탄소 나노튜브, 그래핀, 재활성탄, 카본 블랙, 천연 및 합성 제올라이트, 실리카, 실리카 겔, 알루미나, 알루미나 점토, 지르코니아, 규조토 및 금속 산화물 중 하나 이상으로부터 선택되는 수착제 매질을 포함하거나 그로부터 유래된다(하지만 이에 한정되지는 않음). 하나 이상의 수착제를 포함하는 수착제 조성물은, 임의의 실시예에서, 단일 유형의 수착제 매질을 포함하거나 그로부터 유래될 수 있거나, 하나 이상의 추가 유형의 수착제 또는 비수착제 매질을 포함하거나 그로부터 유래되는 수착제와 조합될 수 있다. 수착제 조성물이 둘 이상의 유형의 수착제를 포함하는 실시예에서, 둘 이상의 수착제는 함께 혼합될 수 있고, 전술한 것들로부터 선택된 동일하거나 상이한 전구체 재료를 포함하거나 그로부터 유래될 수 있다.
임의의 실시예에서, 하나 이상의 수착제는 활성탄 및 재활성탄 중 하나 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 활성탄 및/또는 재활성탄은, 이에 한정되지는 않지만, 역청탄, 아역청탄, 갈탄, 무연탄, 목재, 목재 칩, 코코넛 껍질을 포함한 코코넛, 톱밥, 이탄, 너트 쉘, 피트, 바바수 너트, 마카다미아 너트, 덴데 너트, 피치 피트, 체리 피트, 올리브 피트, 호두 껍질, 목재, 리그닌, 중합체, 질소 함유중합체, 수지, 석유 피치, 바가스, 쌀겨, 옥수수 껍질, 밀겨 및 왕겨, 그래핀, 탄소 나노튜브, 중합체 섬유, 임의의 다른 탄소질 재료, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하여 당 업계에 공지된 임의의 전구체 탄소질 재료로부터 제조될 수 있다. 임의의 실시예에서, 재활성탄은 소모되었거나 사용으로부터 실질적으로 소모된 임의의 출처의 활성탄으로부터 유래될 수 있다.
본원에 개시된 수착제 및 수착제 조성물에 사용하기에 적합한 활성탄 및 재활성탄은 성능 요건, 비용 및/또는 다른 고려 사항에 기초하여 선택된 임의의 등급 또는 유형의 것일 수 있다. 활성탄 또는 재활성탄은, "분말형 활성탄" 또는 "PAC"으로 지칭되는 분말화된 형태, "과립형 활성탄" 또는 "GAC"로 지칭되는 과립 형태, 또는 펠릿화된 활성탄으로 지칭되는 펠릿 형태 중 하나 이상에 사용될 수 있다. 임의의 실시예에서, 수착제는 PAC, GAC, 또는 펠릿화된 형태 중 하나로 활성탄 또는 재활성탄을 포함할 수 있거나, 둘 이상의 형태의 혼합물을 포함할 수 있다. 분말화된 활성탄(PAC)은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 80-메시 체(약 0.180 mm의 구멍)를 통과하는 입자로서 정의된다. 과립형 활성탄(GAC)은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 50-메쉬 체(약 0.300 mm의 구멍) 상에 보유되는 크기의 활성탄 입자로서 정의된다. 이들 입자 크기 범위가 활성탄 수착제에 대해 언급되지만, 개시된 수착제 중 어느 것이든지 상기 50-메시 및 80-메시 체 크기에 의해 측정될 수 있는 것으로 또한 고려된다.
임의의 실시예에서, 수착제 조성물은, 하나 이상의 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하기 위한 추가 수착제, 비-PFAS 화합물을 제거하기 위한 수착제, 또는 비-수착제와 같이, 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 갖는 수착제에 부가적인 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 수착제 조성물은 적어도 2개의 상이한 수착제 유형을 포함할 수 있으며, 각각은 하나 이상의 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 흡수하거나 흡착하는데 효과적이다. 임의의 실시예에서, 본원에서 설명되는 바와 같은 수착제 조성물은, 수착제가 아니고 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질 또는 임의의 다른 화합물을 실질적으로 흡수하거나 흡착할 수 없는 적어도 하나의 화합물을 추가로 포함할 수 있다.
예를 들어, 임의의 실시예에서, 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 갖는 수착제 및 결합제인 비-수착제를 포함하는 수착제 조성물이 형성될 수 있다. 이러한 조성물은 하나 이상의 형상, 예컨대 펠릿으로 성형, 압출, 또는 달리 형성될 수 있다. 결합제의 유형은 특히 제한되지 않으며 당업계에 공지된 임의의 유기 또는 무기 결합제를 포함할 수 있다. 무기 결합제의 예로서, 금속, 세라믹, 점토, 유리, 또는 상기 중 하나 이상의 조합이 통상적으로 사용된다. 유기 결합제의 예로서, 석유 수지 및/또는 피치, 천연 수지 및/또는 피치, 중합체, 또는 상기 하나 이상의 조합이 사용된다.
임의의 실시예에서, 본원에서 설명되는 바와 같이, 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 갖는 하나 이상의 수착제를 포함하는 수착제 조성물이 용기 내에 제공될 수 있다. 용기는 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 갖는 하나 이상의 수착제를 포함하는 수착제 조성물을 보유할 수 있고, 유체(즉, 액체 또는 기체)를 수용하도록 구성되고 크기를 가지며, 상기 유체를 용기 위로 또는 통과해서 전달하여, 유체가 수착제 조성물 및 그의 하나 이상의 수착제와 접촉하게 할 수 있다. 용기의 유형은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 용기는 장치 또는 공정 시설 내에 설치되고, 액체 또는 기체가 용기를 통해 흐르도록 배관 또는 다른 유체 도관에 의해 연결되는 영구 용기일 수 있다. 때때로, 사용된 수착제를 용기에서 비우고, 용기를 통해 흐르는 액체 또는 기체로부터 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질 또는 화학적으로 유사하거나 화학적으로 관련된 화합물을 제거하는 데 수착제가 효과적으로 남도록 보장하기 위해, 본연의 수착제 또는 재활성화된 수착제 중 하나 또는 둘 다로 교체할 수 있다. 용기 내에 제공되는 하나 이상의 수착제를 포함하는 수착제 조성물의 물리적 형태는 제한되지 않으며, 느슨하게(단독으로) 또는 이를 제자리에 유지하는 다른 구조 물질을 갖는 카트리지로서 제공될 수 있다.
다른 예, 및 임의의 실시예에서, 용기 자체는 액체 또는 기체를 용기에 운반하는 펌프 및 도관과 같은 외부 구성요소를 신속하게 그리고 최소한으로 변경하여 교체되도록 설계될 수 있다. 이러한 실시예에서, 용기는 "카트리지"로서 지칭될 수 있고, 주변 구성요소로부터 연결되고 분리될 수 있다. 임의의 실시예에서, 카트리지는 소비자 음용수 응용예에서와 같이 일회용일 수 있다. 대안적으로, 다른 예 및 임의의 실시예에서, 카트리지는 재생되도록 의도될 수 있고, 사용된 수착제가 들어 있는 카트리지는 청소 또는 수착제의 재활성화를 위해 반환되고, 새로운 본연의 또는 재활성화된 수착제로 다시 채워지고, 재정비 작업이 완료된 후 서비스에 반환된다.
제조 방법
수착제 조성물은 하나 이상의 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하고 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가(예를 들어, 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3) 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가(예를 들어, 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3)를 나타내는 데 효과적인 하나 이상의 수착제를 포함한다.
적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 갖는 하나 이상의 수착제는 탄소질 숯, 활성탄, 탄소 나노튜브, 그래핀, 재활성탄, 카본 블랙, 천연 및 합성 제올라이트, 실리카, 실리카 겔, 알루미나, 알루미나 점토, 지르코니아 및 산화규소로부터 선택된 하나 이상의 전구체 재료로 형성될 수 있지만, 이들로 한정되지는 않는다. 수착제가 활성탄 또는 재활성탄을 포함하는 경우. 활성탄 및 재활성탄은 PAC, GAC, 펠릿화된 활성탄, 이들의 임의의 재생 형태, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 등급 또는 유형일 수 있다.
과립형 활성탄 또는 재활성탄은 전구체 탄소질 재료를 원하는 크기의 분말로 분쇄함으로써 형성될 수 있다. 분말은 선택적으로 결합제와 혼합될 수 있다. 이어서, 선택적으로 결합제를 갖는, 분쇄된 재료는 브리켓으로 형성될 수 있고, 이는 이어서 원하는 크기의 과립으로 분쇄될 수 있다. 그런 다음, 생성된 과립 재료는, 휘발성 화합물을 제거하고 전구체 탄소질 재료를 활성화시키는 것과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는, 그의 특성을 변경하도록 탄화될 수 있다.
펠릿화된 활성탄은 전구체 탄소질 재료를 분쇄하고, 분쇄된 재료를 결합제와 조합하고, 혼합물을 펠릿으로 압출함으로써 형성될 수 있다. 그런 다음, 펠릿을 탄화시켜 휘발성 화합물을 제거하고 전구체 탄소질 재료를 활성화시키는 것과 같은, 그러나 이에 한정되지 않는 그의 특성을 변경할 수 있다.
전술한 바와 같이, 최종 수착제 생성물이 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가(예를 들어, 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3) 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가(예를 들어, 약 100 cm- 3 내지 약 400 cm-3)를 나타내는 경우, 활성탄 및/또는 재활성탄으로 만들어진 수착제는 당업계에 공지된 임의의 공정에 의해 형성될 수 있다.
예를 들어, 활성탄은, 증기 및/또는 기화된 이산화탄소로 순수 탄소질 재료를 산화 및 탈휘발화하여 활성탄에 원하는 기공 구조를 형성함으로써 원하는 재료 특성(예를 들어, 중량 요오드가, 중량 당밀가)을 제공함으로써 형성될 수 있다. 초기 산화 및 탈휘발화 공정은 임의의 실시예에서, 탈수 화학물질, 예컨대 인산, 황산, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 및 이들의 조합을 이용한 화학 처리를 포함할 수 있다.
다른 예에서, 적절한 활성탄은 직접 활성화 공정에 의해 형성될 수 있다. 이러한 활성탄 수착제는 때때로 직접 활성탄으로 지칭된다. 직접 활성화 공정에서, 일반적으로 석탄인 전구체 탄소질 물질은 분쇄되고 크기가 정해진다. 이어서, 분쇄되고 크기가 지정된 전구체 탄소질 재료가 탄화되고 열적으로 활성화된다.
임의의 실시예에서, 적절한 수착제는 이전에 수착제 용량이 소진되었거나 실질적으로 소진되었고 원래 수착제 용량의 적어도 일부를 복원하기 위해 재활성화된 재활성화된 수착제를 포함할 수 있다. 위에 열거된 수착제 중 어느 하나는 소진 후에 재활성화될 수 있고, 재활성화는 열, 압력, 화학물질 노출, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 수행될 수 있다. 임의의 실시예에서, 재활성화된 수착제는 재활성탄을 포함할 수 있다. 재활성탄은 증기를 선택적 산화제로서 사용하여 저 산소 대기에서 소비된, 배기된 활성탄을 가열함으로써 제조될 수 있다. 재활성화 동안, 흡수되고 흡착된 유기 화합물은 활성탄으로부터 휘발되거나, 열분해되어 탄소 숯을 형성할 수 있다. 가열은 약 500℃ 위(예를 들어, 약 500℃ 내지 약 1100℃), 보다 구체적으로 약 700℃ 위(예를 들어, 약 700℃ 내지 약 1100℃)의 온도에서 발생할 수 있고, 그 후 생성된 재활성탄은 수 처리를 포함하는 다양한 목적을 위해 재사용될 수 있다.
임의의 공정을 사용하여 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가(예를 들어, 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3) 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가(예를 들어, 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3)를 갖는 수착제를 생산할 수 있지만, 다음의 관찰은 당업자에게 유용한 지침을 제공할 수 있는데, 특정 수착제의 용적 요오드가 및 용적 당밀가가, 전구체 탄소질 재료/들 및 전구체 탄소질 재료/들에 대해 수행되는 처리 단계 중 하나 이상의 선택을 포함하는, 많은 인자의 영향을 받기 때문이다. 예를 들어, 일반적으로, 전구체 탄소질 재료의 지속적인 증기 활성화는 일반적으로 중량 요오드가 및 중량 당밀가를 증가시키지만, 동시에 탄소질 재료의 겉보기 밀도를 감소시킨다. 많은 전구체 탄소질 재료의 경우, 추가 활성화가 중량 당밀가를 감소시키기 전에 달성될 수 있는 최대 중량 당밀가가 있다. 따라서, 단순히 중량 요오드가 및 중량 당밀가를 증가시키는 것은 특정 지점을 넘어서, 용적 요오드가 및 용적 당밀가를 증가시키지 않을 수 있다. 상기 모두를 종합하면, 본 개시는 탁월한 성능을 달성하기 위해 용적 요오드가 및 용적 당밀가 둘 다를 극대화하는 수착제를 기술한다.
본 개시의 수착제는 주로 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질, 또는 화학적으로 유사하거나 화학적으로 관련된 화합물을 제거하는 것으로 개시되지만, 수착제의 사용은 그렇게 제한되지 않는다. 또 다른 실시예에서, 수착제는 물에서 맛 및 냄새 문제를 유발하는 임의의 화합물 및/또는 부산물을 제거하는 데 적합하다. 이러한 화합물은 본 출원 전반에 걸쳐 "맛 및 냄새 화합물"로 지칭된다. 이러한 맛 및 냄새 화합물의 예는 트랜스-1, 10-디메틸-트랜스-9-데칼올("Geosmin"), 2-메틸이소보르네올(MIB), 이소프로필메톡시피라진(IPMP), 이소부틸메톡시피라진(IBMP), 메틸 삼차 부틸 에테르(MTBE), 2,4-헵타디에날, 데칸디에날, 옥타날, 염소, 클로라민, 클로로페놀, 요오드포름, 탄화수소 및 휘발성 유기 화합물(VOC) 중 하나 이상을 포함한다.
본원에서 설명되는 바와 같이, 수착제의 표면 및 기공 형태는 용적 요오드가 및 용적 당밀가의 조합에 의해 설명된다. 이론에 구속되고자 하는 것은 아니지만, 용적 요오드가와 용적 당밀가의 조합은 수착제의 전체 흡착능 및 수착제가 흡착에 효과적인 분자 종류 둘 다를 함께 설명한다. 집중적인 실험 후, 출원인은 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가(예를 들어, 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3) 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가(예를 들어, 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3) 중 하나만을 갖는 수착제는 광범위한 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질에 대한 우수한 수착능/흡수능 요건을 충족할 수 없는 것으로 결정하였다. 동일한 선을 따라, 중량 요오드가 및 중량 당밀가 중 하나에 대해 매우 높은 측정 값을 갖는 재료는 다른 것에서 낮아진 측정 값을 보상할 수 없다. 출원인은 또한, 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질과 관련하여 수착제의 성능을 가장 잘 설명하는 것이 중량 측정이 아니라 용적 측정이며, 이와 같이 겉보기 밀도는 유체로부터 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하기 위한 효과적인 수착제 조성물 및 수착제를 제공하는 데 있어서도 마찬가지로 중요하다고 결정하였다.
사용 방법
유리하게는, 적어도 약 450 mg/cm3(예를 들어, 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3)의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3(예를 들어, 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3)의 용적 당밀가를 갖는, 본원에서 설명되는 공정에 의해 형성된 수착제는 그 자체가 물(예를 들어, 음용수)과 같은 유체에서 하나 이상의 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하는 데 탁월한 성능을 제공한다.
이와 같이, 유체로부터 하나 이상의 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하는 방법이 본원에 제공되며, 상기 방법은 본원에 개시된 바와 같은 하나 이상의 수착제를 포함하는 수착제 조성물을 하나 이상의 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질 화합물을 함유하는 유체와 접촉시키는 단계를 포함한다. 전술한 바와 같이, 하나 이상의 수착제 중 적어도 하나는 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가(예를 들어, 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3) 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가(예를 들어, 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3)를 나타낸다.
접촉 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 임의의 실시예에서, 유체를 포함하는 스트림이 하나 이상의 수착제를 포함하는 수착제 조성물을 포함하는 베드를 통과하거나 그 위로 지나갈 수 있다. 다른 예에서, 하나 이상의 수착제를 포함하는 수착제 조성물이 유체 내로 주입되거나 달리 유체와 조합될 수 있다. 임의로, 하나 이상의 수착제를 포함하는 수착제 조성물은, 예를 들어, 유체를 여과하여 수착제 조성물을 단리함으로써, 유체로부터 하나 이상의 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질의 원하는 양을 흡착한 후에 유체로부터 수집될 수 있다. 유체의 구성은 제한되지 않으며, 임의의 실시예에서, 액체 물, 수증기, 공기 및 토양 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
실시예
실시예가 설명되기 전에, 시험 방법이 완전히 설명되어야 한다.
요오드가(IV) 결정
ASTM D4607-14에 따라 활성탄 샘플의 중량 요오드가를 측정하였다. 중량 요오드가는, 활성탄 샘플의 그램 당 흡착된 요오드의 밀리그램 단위로 보고된다.
용적 요오드가를 계산하기 위해, 산업 표준 시험 ASTM D2854-09 (2019)에 따라, 활성탄 샘플의 겉보기 밀도(ρb)를 측정하였다. 중량 요오드가 및 겉보기 밀도를 얻은 후, 중량 요오드가에 겉보기 밀도를 곱하여 용적 요오드가를 정하였다. 따라서, 용적 요오드가는 입방 센티미터당 밀리그램 단위로 보고된다.
중량 당밀가 (MN g ) 결정
중량 측정 당밀가를 정하기 위해, Calgon Carbon Corporation 시험 방법 번호 TM-3("TM-3")을 활용하였다. TM-3은 활성탄의 탈색 능력을 결정하기 위한 것이다. 활성탄의 탈색 능력은 활성탄의 기공 구조 및 물질 수송을 설명한다. TM-3에 따른 중량 당밀가의 결정. TM-3의 당밀가를 ASTM D2854-09(2019)에 의해 얻은 겉보기 밀도와 곱하여 용적 당밀가(MNv)를 연산하였다. 중량 당밀가는 다음과 같이 TM-3에 의해 결정하였다:
한계: 시험에 사용되는 당밀 용액의 농도는 표준 탄소에 따라 달라진다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "표준 탄소(Standard Carbon)"는 중량 당밀가의 특성에 대한 기준 물질인 활성탄 수착제다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, "200 표준 탄소"는 200의 중량 당밀가를 생성할 것으로 예상될 수 있고, "250 표준 탄소"는 250의 중량 당밀가를 가질 것으로 예상할 수 있으며, 기타 등등이다. 230 중량 당밀가 미만을 갖는 것으로 예측되는 활성탄 제품에 200 표준 탄소를 사용해야 한다. 350 중량 당밀가 미만을 갖는 것으로 예측되는 활성탄 제품에 250 표준 탄소를 사용해야 한다. 350 중량 당밀가 이상을 갖는 것으로 예측되는 활성탄 제품에 400 표준 탄소를 사용해야 한다. 제품에 당밀 표준 탄소 한계를 포함하는 당밀 사양 범위가 있을 때마다, 더 높은 당밀 표준 탄소를 사용해야 한다. 이 경우에, 제품 사양에 사용할 당밀 표준 탄소를 제조에 대한 참고 사항으로 포함시키는 것이 적절하다. 당밀 용액은 희석할 수 없다. 2.5 mm의 고정 경로 길이를 사용해야 한다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 표준 탄소는 당밀가에 적합한 기준 물질인 한 제한되지 않는다. 400 표준 탄소의 일례는 "RB"이며, 이는 미국 펜실베니아주 문타운십 소재의 Calgon Carbon Corporation으로부터 입수 가능하다. RB는 1070 mg/g의 최소 중량 요오드가, 400의 중량 당밀가, 23 wt.%의 최대 애쉬 함량, 2 wt.%의 최대 수분 함량, 및 60-75wt.%의 입자가 325 메시에서 스크리닝되거나 44 μm 미만의 크기를 갖는, 역청탄으로 만들어진 분말화된 증기-활성탄이다. 320 표준 탄소의 두 번째 예는 "RC"이며, 이는 미국 펜실베니아주 문타운십 소재의 Calgon Carbon Corporation으로부터 입수 가능하다. RC는 1020 mg/g의 최소 중량 요오드가, 320의 중량 당밀가, 23 wt.%의 최대 애쉬 함량, 2 wt.%의 최대 수분 함량, 및 60-75wt.%의 입자가 325 메시에서 스크리닝되거나 44 μm 미만의 크기를 갖는, 역청탄으로 만들어진 분말화된 증기-활성탄이다. 230 표준 탄소의 세 번째 예는 "BL"이며, 이는 미국 펜실베니아주 문타운십 소재의 Calgon Carbon Corporation으로부터 입수 가능하다. BL은 1000 mg/g의 최소 중량 요오드가, 230의 중량 당밀가, 10 wt.%의 최대 애쉬 함량, 2 wt.%의 최대 수분 함량, 및 60-75wt.%의 입자가 325 메시에서 스크리닝되거나 44 μm 미만의 크기를 갖는, 역청탄으로 만들어진 분말화된 증기-활성탄이다.
방법 원리: 블랙스트랩 당밀 용액을 당밀가가 알려진 표준 탄소("당밀 표준 탄소")로 처리하고, 여과하고, UV-vis 분광광도법에 의해 분석한 여과물로 처리하여 당밀가와 흡광도 사이의 관계를 생성한다. 그런 다음, 블랙스트랩 당밀 용액을 미지의 탈색 용량/미지의 당밀가의 탄소 샘플(예를 들어, 본원에서 제공된 바와 같은 수착제)로 처리하고, 여과하고, 여과물을 동일한 방식으로 분석한다. 당밀 조성물을 탈색시키는 수착제의 용량이 높을수록(즉, 탈색), 여과물이 더 가벼워지고, 역으로 흡광도는 더 낮아질 것이다. 따라서, 더 높은 당밀가는 도 1에 도시된 바와 같이, 더 높은 탈색 능력에 해당한다. 각각의 여과물의 흡광도는 2.5 mm의 경로 길이를 갖는 472 nm의 파장에서 표준 분광 광도계에서 결정된다 (도 2는 대표적인 여과물의 투과율 스펙트럼을 도시함). 각각의 샘플의 당밀가는 샘플과 표준 탄소의 흡광도 값의 비율로부터 계산된다:
당밀가 = (A Х B) / C
여기서 A는 알려진 당밀가를 갖는 표준 탄소의 당밀가고; B는 알려진 당밀가를 갖는 표준 탄소에 대한 3가지 측정치의 평균 흡광도이고; C는 분석 중인 수착제의 여과물의 흡광도다(즉, 미지의 당밀가).
안전 수칙: 실험실 장비로 작업할 때는 항상 주의해서 취급하고 올바른 실험실 기법을 사용해야 한다. 이 테스트를 수행하는 직원은 이 절차에 사용된 장비와 관련된 잠재적인 안전 위험을 알고 있어야 한다.
TM-3에 사용된 기기는 아래 표 1에 제시되어 있다:
장치 또는 기기 설명 또는 의견:
건조 오븐 150 ± 5℃의 일정한 온도를 유지할 수 있는 전기 가열식 강제 대류 건조 오븐.
핫플레이트 / 교반기 3.5분 이내에 50 mL의 탈이온수/증류수를 끓일 수 있다; Thermolyne Cimerac 3, Corning 모델 PC-320 또는 이와 유사한 핫플레이트 표면 온도는 350 ± 20℉ (177 ± 11℃)로 유지되어야 한다.
분광광도계 2.5 mm 고정 경로 셀을 수용할 수 있는 필터 홀더가 장착된 Spectronic® genesys™ 분광광도계. 기기는 472 nm의 파장에서 사용된다. 2.5 mm 고정 경로 길이 셀이 사용되는 한 등가 분광광도계를 사용할 수 있다.
Klett™ 서머슨 셀 2.5 mm 고정 경로 길이, 광학 유리; Hellma, 118-21 Queens Blvd, Forest Hills, NY 11375, 718-544-9534로부터 이용 가능; 부품 번호 700.011.
비커 그리핀 유형, Kimax 또는 Pyrex 브랜드 400 mL. 모든 비커를 검사하여 유리 바닥이 평평한지 확인한다. 오목하거나 볼록한 모양의 바닥은 불규칙한 결과를 제공한다.
실린더 눈금, 클래스 A, 50 mL 및 1000 mL를 전달하도록 보정됨
피펫 50 mL 부피, 클래스 A
부흐너 깔때기 크기 D, 내경 71 mm
플라스크 사이드암이 있는 여과 플라스크, 250 mL
여과지 Whatman® No. 3, 7 cm 또는 유사
진공 펌프 0℃에서 27인치(685.8 mm)의 수은 기둥 진공을 당길 수 있는 모든 장치.
잔량 0.1 mg에 가깝게 칭량할 수 있다.
디지털 열전쌍 또는 온도계 10℃ 내지 120℃에서 소수점 첫째 자리까지 측정할 수 있으며, 최소 매초마다 판독값을 업데이트한다.
스톱워치
TM-3에 사용된 시약은 아래 표 2에 제시되어 있다:
시약 설명 또는 의견:
ASTM 유형 II 물. 전도도 (마이크로옴) < 1.0
저항 (메가옴) > 1.0
TM-3의 맥락에서 사용되는 바와 같이, 용어 "물"은 ASTM 유형 II 물을 의미한다.
여과지 현탁액 WHATMAN® No. 3 여과지의 16개의 원(4등분으로 찢음)과 1리터의 물을 블렌더에 가한다. 30초 동안 높게 혼합한다. 적절한 용기로 옮겨 담는다.
스펙트럼 표준 VWR Scientific, 카탈로그 번호 58019-106으로부터 입수 가능한 Spectro-Chek 세트. 이 세트는 4개의 솔루션으로 구성되며, 그 중 2개만이 가시 범위 내의 기기를 점검하는 데 사용될 것이다. "가시 범위 모니터링 절차, 섹션 A - 가변 파장 기기"의 지침을 따른다.
당밀 표준 탄소 200, 250 및 400 표준 탄소는 Calgon Carbon Corporation 제조 품질 보증 기관으로부터 입수할 수 있다. 예측된 당밀가가 230 미만인 모든 활성탄 제품에 200 표준 탄소가 사용될 것이다. 예측된 당밀가가 230 초과 350 미만인 모든 활성탄 제품에 250 표준 탄소가 사용될 것이다. 예측된 당밀가가 350 당밀가를 초과하는 모든 활성탄 제품에 400 표준 탄소가 사용될 것이다.
내부 탄소 표준 내부 탄소 표준을 실행하는 것이 좋다. 당밀가가 200 내지 300인 충분한 양의 탄소를 수득하고 95%, -325 메시로 분쇄한다. 탄소를 오븐에서 건조시키고 10회 반복 당밀가 분석을 결정한다. 10회 반복에서 얻은 데이터를 사용하여 SPC(통계 프로세스 제어) 차트를 만든다. 표준 SPC 지침을 사용하여 탄소에 대한 통제 상한 및 하한을 계산한다. 한계가 설정된 후, 샘플을 분석하기 전에 내부 탄소 표준을 분석한다. 결과가 통제 범위 내인 것으로 확인되면, 샘플 분석을 계속한다. 결과가 통제 범위를 벗어나는 경우, 조치를 취하여 통제 범위를 벗어난 결과의 원인을 파악해야 한다. 통제 범위 내인 내부 표준 탄소에 대한 결과가 확보되면, 샘플 분석을 진행한다. 계속해서 결과를 도표화하고 표준 SPC 지침에 따라 내부 탄소 표준의 통제 범위를 벗어나는 경향을 결정한다.
블랙스트랩 당밀 플랜테이션 브랜드 블랙스트랩 당밀(Allied 번호 444) 구매처:A
llied Old English, Inc.
100 마클리 스트리트
포트 리딩, 뉴저지 07064
참고: 다른 출처의 당밀은 동등한 결과를 산출하지 않으며, 시험 반복성 및 재현성의 통제에 중요한 요인이다.
당밀 용액 충분한 양(대략 50g/l)의 블랙스트랩 당밀을 1 리터의 탈이온수/증류수 (ASTM 유형 II에 따름) 총 부피로 희석하여, 당밀 200 표준 탄소 또는 당밀 250 표준 탄소로 처리했을 때 0.630 내지 0.650의 흡광도 및 당밀 400 표준 탄소로 처리했을 때 0.390 내지 0.410의 흡광도를 갖는 여과물을 생성한다. 두 표준 탄소에 대한 당밀 용액의 제조 및 표준화는 표 3을 참조한다.
당밀가를 결정하기 위한 블랙스트랩 당밀 용액("표준화된 당밀 용액")을 다음 절차에 따라 준비하였다:
1. 약 50g의 블랙스트랩 당밀을 칭량하여 깨끗하고 건조한 비커에 넣고, 물이 95℃로 가열될 때까지 따로 두었다.
2. 눈금 실린더를 사용하여, 1000 mL의 ASTM 유형 2 물을 스테인리스 스틸 비커에 첨가하였다.
3. 비이커를 알루미늄 호일 또는 큰 유리 커버로 덮고, 핫플레이트 상에 두고, 95℃로 가열하였다.
4. 물이 95℃에 도달했을 때, 칭량된 당밀을 스테인리스 스틸 비이커로 옮기고 교반하여 잘 혼합하였다. 스테인리스 스틸 비이커를 핫플레이트로부터 제거하였다.
5. 용액을 실온(약 25℃)으로 냉각시켰다.
6. 스테인리스 스틸 비이커로부터의 당밀 용액을 적절한 용기 내로 사이펀으로 담았다. 튜브의 끝이 비이커의 바닥으로부터 1인치 떨어지도록 비이커에 한 조각의 TYGON 튜브를 배치하였다. 피펫 벌브를 사용하여 사이펀을 시작하였다. 용액을 별도의 용기(예를 들어, 큰 유리병) 내로 사이펀으로 담았다.
7. 나머지 비이커 내용물은 폐기하였다. 당밀 용액을 최대 24시간 동안 냉장고에 보관하였다. 당밀 용액을 시험 방법을 실행하는 동안 얼음 상에 보관했다.
8. 0.46 ± 0.0002g의 250 당밀 표준 탄소를 칭량하여 깨끗하고, 건조하고, 400 mL 비이커 내로 넣었다.
9. 50 mL의 당밀 용액을 비이커 내로 피펫팅하였다. 250 당밀 표준 탄소가 완전히 적셔질 때까지, 당밀 용액을 첨가하는 동안 비이커를 휘저었다.
10. 비이커를 핫플레이트 상에 배치하고, 열전쌍/온도계를 비이커에 배치하여 팁이 비이커의 바닥에 놓이도록 하였다. 열전쌍/온도계가 98℃에 도달할 때까지 용액을 가열하고 스톱워치를 시작하였다. 열전쌍 또는 온도계를 제거하고 용액을 30초 동안 끓였다.
11. 샘플을 이전에 준비한 WHATMAN® No. 3 여과지를 사용하여 부흐너 깔때기를 통해 진공 여과하였다. 필터를 약 20 mL의 용액으로 덮고, 이 여과물을 폐기하였다. 나머지 부분을 여과하였다.
12. 472 nm의 파장에서 여과물의 흡광도를 측정하고 위에 명시된 기기 파라미터를 사용하여 기록하였다. 여과물은 흡광도가 0.630 내지 0.650일 때 표준화된 것으로 간주되었다("표준화된 250 여과물").
13. 흡광도가 0.650 보다 크게 측정된 경우, 여과물이 너무 어두운 것으로 간주하였다. 이러한 경우에, 물이 당밀 용액에 첨가될 수 있다. 필요한 물의 양을 결정하기 위해, 남아있는 당밀 용액의 부피를 측정하고, 0.640을 곱하고, 추가로 12단계로부터 기록된 흡광도를 곱하였다. 이 수를 당밀 용액의 총 부피로부터 감산한 결과가 당밀 용액에 첨가될 필수 물 부피였다. 물을 첨가하고 용액을 잘 혼합하였다. 3개의 연속 분석된 샘플이 0.630 내지 0.650의 흡광도 값(472 nm에서)을 가질 때까지 8 내지 13 단계를 반복하였다.
14. 흡광도가 0.630 미만으로 측정된 경우 여과물이 너무 가벼운 것으로 간주하였다. 이러한 경우, 더 많은 당밀이 당밀 용액에 첨가될 수 있다. 첨가될 당밀의 양을 결정하기 위해, 당밀 용액의 부피를 측정하고, 0.640을 곱하고, 추가로 12단계로부터 기록된 흡광도를 곱하였다. 이 값을 당밀 용액의 총 부피에서 감산하고, 10으로 나눈 결과가 당밀 용액에 첨가되어야 하는 당밀의 양(중량)을 나타냈다. 필요한 양의 당밀을 작은 유리 비커에 첨가하였다. 약 25 mL의 당밀 용액을 비이커에 첨가하여 당밀을 용해시켰다. 비이커를 핫플레이트 상에서 90℃로 가열하고, 이어서 약간 냉각시켰다. 내용물을 당밀 용액에 첨가하고 잘 혼합하였다. 흡광도 값(472 nm)이 0.630 내지 0.650인 3개의 연속 샘플이 수득될 때까지 8 - 14 단계를 반복하였다.
400 표준 탄소 표준화
15. 0.46 ± 0.0002g의 400 당밀 표준 탄소를 칭량하여 깨끗하고 건조한 400 ml 비이커에 넣었다.
16. 50 mL의 당밀 용액을 비이커 내로 피펫팅하였다. 탄소가 완전히 젖을 때까지 당밀 용액을 첨가하면서 비이커를 휘저었다.
17. 비이커를 핫플레이트 상에 배치하고, 열전쌍/온도계를 비이커에 배치하여 팁이 비이커의 바닥에 놓이도록 하였다. 열전쌍/온도계가 98℃에 도달할 때까지 용액을 가열하고 스톱워치를 시작하였다. 열전쌍 또는 온도계를 제거하고 용액을 30초 동안 끓였다.
18. 샘플을 이전에 준비한 WHATMAN® No. 3 여과지를 사용하여 부흐너 깔때기를 통해 진공 여과하였다. 필터를 약 20 mL의 용액으로 덮고, 이 여과물을 폐기하였다. 나머지 30 mL 부분을 여과하고 여과물을 후속 측정에 사용하였다.
19. 2.5 mm 고정 경로 셀을 사용하여 472 nm 파장에서 여과물의 흡광도를 측정하고 기록하였다. 0.390 내지 0.410의 흡광도를 측정할 때, 여과물이 표준화된 것으로 간주하였다.
20. 0.410을 초과하는 흡광도를 측정할 때, 여과물이 너무 어두운 것으로 간주하였다. 이러한 경우에, 물이 당밀 용액에 첨가될 수 있다. 필요한 물의 양을 결정하기 위해, 남아 있는 당밀 용액의 부피를 측정하고, 0.400을 곱하고, 추가로 단계 19로부터 기록된 흡광도를 곱하였다. 이 수를 당밀 용액의 총 부피로부터 감산한 결과가 당밀 용액에 첨가될 필수 물 부피였다. 물을 첨가하고 용액을 잘 혼합하였다. 3개의 연속 분석된 샘플이 0.390 내지 0.410의 흡광도 값(472 nm에서)을 측정할 때까지 8 내지 13 단계를 반복하였다.
21. 흡광도가 0.390 미만으로 측정된 경우 용액이 너무 가벼운 것으로 간주하였다. 이러한 경우, 더 많은 당밀이 당밀 용액에 첨가될 수 있다. 첨가될 당밀의 양을 결정하기 위해, 당밀 용액의 부피를 측정하고, 0.640을 곱하고, 추가로 19단계로부터 기록된 흡광도를 곱하였다. 이 값을 당밀 용액의 총 부피에서 감산하고, 10으로 나눈 결과가 당밀 용액에 첨가되어야 하는 당밀의 양(중량)을 나타냈다. 필요한 양의 당밀을 작은 유리 비커에 첨가하였다. 약 25 mL의 당밀 용액을 비이커에 첨가하여 당밀을 용해시켰다. 비이커를 핫플레이트 상에서 90℃로 가열하고, 이어서 약간 냉각시켰다. 내용물을 당밀 용액에 첨가하고 잘 혼합하였다. 흡광도 값(472 nm)을 갖는 3개의 연속 샘플이 수득될 때까지 15 - 21 단계를 반복하여 후속 사용을 위한 표준화된 당밀 용액을 생성하였다.
샘플 분석
샘플을 다음 절차에 따라 분석하였다:
1. 미지의 당밀가의 탄소 샘플을 제공하고, 95% 이상이 325 메시 스크린을 통과할 때까지 분쇄하였다. 샘플이 최근 생산된 것이 아닌 경우, 사용 전에 150℃에서 일정 중량까지 건조시켰다. 표준 탄소 내부 탄소 표준도 동일한 방식으로 준비하였다. 재료의 섬도가 동등하도록 보장하기 위해 동일한 양을 분쇄하였다.
2. 건조된 분쇄된 탄소 샘플의 0.46 ± 0.0002g 부분을 칭량하여 별도의 청결하고 건조된 400 mL 비이커에 넣었다.
3. 샘플 여과를 위한 여과 설정을 준비하였다. WHATMAN® No. 3 필터 원을 부흐너 깔때기에 배치하였다. 깔때기를 250 mL 여과 플라스크에 연결하고 여과 진공을 개시하였다. 여과지 원의 전체 표면을 코팅하도록 하면서 50 mL의 여과지 현탁액을 첨가하였다. 모든 액체를 배수한 후, 여과 플라스크에 수집된 여과물을 폐기하였다.
4. 50 mL의 표준화된 당밀 용액을 분석될 탄소를 함유하는 비이커 내로 피펫팅하였다. 표준화된 당밀 용액을 첨가하는 동안, 탄소가 완전히 적실 때까지 비이커를 휘저었다.
5. 비이커를 핫플레이트 상에 배치하고, 열전쌍 또는 온도계를 비이커 내에 배치하여 팁이 비이커의 바닥에 놓이도록 하였다. 열전쌍이 98℃을 읽을 때까지 용액을 가열하고 스톱워치를 시작하였다. 열전쌍 또는 온도계를 제거하고 용액을 30초 동안 끓였다.
6. 3단계에 따라 이전에 준비한 WHATMAN® No. 3 여과지를 사용하여 샘플을 부흐너 깔때기를 통해 진공 여과하였다. 필터를 약 20 mL의 샘플로 덮고, 이 여과물을 폐기하였다. 나머지 부분을 여과하였다.
7. 2.5 mm 고정 경로 KLETT™ 서머슨 셀을 사용하여 472 nm 파장에서 여과물의 흡광도를 측정하고 기록하였다. 탈이온수 또는 증류수를 기준으로 사용하였다.
8. 당밀가를 계산하였다:
당밀가 = (A Х B) / C
여기서 A는 표준 탄소(250 또는 기타)의 당밀가고; B는 250 표준 탄소 또는 다른 표준 탄소에 대한 3가지 측정의 평균 흡광도이고; C는 분석 중인 활성탄의 여과물의 흡광도이다.
9. 당밀가는 종래의 반올림 기술을 사용하여 10 단위로 가장 가깝게 보고하였다. (예: 226 = 230)
실시예 1
실시예 1을 위해, 수성 및 유기 액체의 정제 및 탈색을 위해 고정층 또는 이동층에서 사용하기 위한 12x40 과립형 활성탄 샘플을 준비하였다. 샘플은 역청탄으로 형성된 재응집된 활성탄이었다. 역청탄을 먼저 분말로 분쇄한 다음, 결합제를 분말에 첨가하였다. 그런 다음, 분말과 결합제를 브리켓으로 재응집시켰다. 브리켓 후, 브리켓을 부수고 크기를 정하였다. 크기는 12 메시(1.70 mm 구멍 크기)와 40 메시(0.425 mm 구멍 크기) 사이의 입자 크기만 유지하였다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 메시 크기는 미국 메시 크기이다. 샘플 배치의 평균 입자 직경은 0.9 mm 내지 1.1 mm이었고, 입자 크기가 12 메시(1.70 mm)를 초과하는 과립형 활성탄의 양은 5.0 wt.% 이하였다. 입자 크기가 40 메시(0.425 mm) 미만인 과립형 활성탄의 양은 4 wt.% 이하였다. 분쇄된 입자 및 크기가 정해진 입자를 탄화시키고, 이어서 열 활성화시켰다. 열 활성화 후, 실시예 1의 과립형 활성탄은 ASTM D2867에 의해 측정될 때 2 wt.% 미만의 수분 함량 및 AWWA B604에 의해 측정될 때 75의 마모 수를 가지며, ASTM D2854-09에 의해 측정될 때 겉보기 밀도는 0.49 g/cm3이었다.
실시예 2
생성된 생성물이 0.42 g/cm3의 겉보기 밀도를 갖도록 활성화를 수행하였다는 것을 제외하고는, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 방식으로 재응집된 과립형 활성탄의 샘플을 제조하였다.
실시예 3
생성된 생성물이 0.38 g/cm3의 겉보기 밀도를 갖도록 활성화를 수행하였다는 것을 제외하고는, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 방식으로 재응집된 과립형 활성탄의 샘플을 제조하였다.
비교예 1 (C1)
비교예 1을 위해 과립형 활성탄 샘플을 준비하였다. 비교예 1에서, 샘플은 코코넛 껍질로부터 형성된 활성탄이었다. 코코넛 껍질을 먼저 느린 열분해에 의해 처리하여 숯을 형성하였다. 12 메시(1.70 mm 구멍 크기)와 40 메시(0.425 mm 구멍 크기) 사이의 입자 크기만을 유지하도록 ASTM D2862-16에 따라 크기 조정을 수행하였다. 입자 크기가 12 메시(1.70 mm) 초과인 과립형 활성탄의 양은 5 wt.% 이하였다. 입자 크기가 40 메시(0.425 mm) 미만인 과립형 활성탄의 양은 4 wt.% 이하였다. 다음으로, 크기가 조정된 입자를 열적으로 활성화시켰다. ASTM D3802에 의해 측정했을 때, 생성된 과립형 활성탄의 경도 수는 적어도 95였다. 생성된 과립형 활성탄의 ASTM D2854에 의해 측정된 겉보기 밀도는 0.48 g/cm3이었다.
비교예 2 (C2)
비교예 2를 위해 과립형 활성탄의 샘플을 준비하였다. 비교예 2에서, 샘플은 역청탄으로 형성된 재응집된 활성탄이었다. 역청탄을 먼저 분말로 분쇄한 다음, 결합제를 분말에 첨가하였다. 그런 다음, 분말과 결합제를 브리켓으로 재응집시켰다. 브리켓 후, 브리켓을 부수고 크기를 정하였다. 12 메시(1.70 mm 구멍 크기)와 40 메시(0.425 mm 구멍 크기) 사이의 입자 크기만을 유지하도록 ASTM D2862-16에 따라 크기 조정을 수행하였다. 크기가 12 메시(1.70 mm) 초과인 입자의 양은 5 wt.% 이하였다. 크기가 40 메시(0.425 mm) 미만인 입자의 양은 4 중량% 이하였다. 분쇄된 크기 브리켓 및 크기화된 브리켓을 다음으로 탄화시킨 다음, 열적으로 활성화시켰다. ASTM D3802에 의해 측정된 경도 수는 적어도 75였다. ASTM D2854로 측정한 겉보기 밀도는 0.54 g/cm3이었다.
비교예 3 (C3)
상업적으로 조달된 리그나이트 기반 과립형 활성탄으로부터 제조된 샘플도 시험하였다. HYDRODARCO 4000은 12 메시(1.70 mm 구멍 크기)와 40 메시(0.425 mm 구멍 크기) 사이의 입자 크기만 유지하도록 ASTM D2862-16에 따라 크기가 지정된 리그나이트 기반 과립형 활성탄이다. 입자 크기가 12 메시(1.70 mm) 초과인 과립형 활성탄의 양은 5 wt.% 이하였다. 입자 크기가 40 메시(0.425 mm) 미만인 과립형 활성탄의 양은 4 wt.% 이하였다.
비교예4 (C4)
상업적으로 조달된 활성탄으로부터 제조된 샘플을 시험하였다. 비교예 4의 활성탄은 역청탄의 직접 활성화에 의해 형성되는 과립형 활성탄이다.
결과
실시예 1-3 및 비교예 1-4를 특정 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 제거하는 데 있어서의 효능에 대해 시험하였다. 각각 실시예 1-3 및 비교예 1-3 각각의 활성탄으로만 이루어진 6개의 베드를 ASTM D6586에 따라 준비하였다. 시험은 전술한 바와 같이 제조된 급속 소형 컬럼 시험(Rapid Small Scale Column Test, RSSCT)을 통해 수성 시스템에서 과립형 활성탄 상의 오염물의 흡착을 측정하는 EPA 방법 537 버전 1.1 방법론에 따라 수행하였다. 물 공급을 베드를 통과시키고, 배출구에서 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질의 농도를 지정된 간격으로 측정하였다. 베드의 크기를 정규화하기 위해, 결과는 "베드 부피"로 보고되는데, 이는 활성탄 베드를 통과하는 물의 부피를 베드 자체의 부피로 나눈 것이다. 시험 중에, 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질의 농도의 25%가 활성탄 베드를 "파과"하는 지점을 관찰하였다. 지정된 수착제의 경우, 25%의 파과에서 더 높은 베드 부피는 동일한 양의 수착제가 더 많은 양의 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질을 흡착하였으므로 더 효과적이었음을 의미한다.
결과에서, PFOA는 퍼플루오로옥탄산(IUPAC 명명법 펜타데카플루오로옥탄산 또는 단순히 C8로도 알려짐)이다. 실시예 1-3 및 비교예 1-4를, 오염물 PFOA의 농도의 적어도 25%가 활성탄 베드를 "파과"하기 전에 활성탄 베드를 통과할 수 있는 물의 양, 즉 여과된 물에서 검출되었다. 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 또한, 실시예 1-3 및 비교예 1-3을, 오염물 농도 4:2 FtS의 적어도 25%가 활성탄 베드를 "파과"하기 전에 활성탄 베드를 통과할 수 있는 물의 양에 대해 시험하였다. 4:2 FtS는 4:2 플루오로텔로머 설폰산이며, 저 분자량이어서 흡착을 어렵게 하는 퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질이다. 실시예 1-3 및 비교예 C1-C4의 시험에 기초하여, 다음 결과를 얻었다:
실시예 사양 시험 성능 시험
ρ b (g/cm 3 ) IV g (mg/g) IV v (mg/cm 3 ) MN g MN v 베드 부피 등가 25%
파과
PFOA 4:2 FtS
1 0.49 1092 535 228 112 21740
2 0.42 1278 537 435 183 38400
3 0.38 1427 542 826 314 79750*
C1 0.50 1174 586 134 67 2078
C2 0.54 1027 558 189 103 13596 98337
C3 0.38 604 228 154 157 9156 14196
C4 0.35 1018 356 288 101 4462 21443
* 외삽 값
결과는 도 3, 도 4a 및 도 4b에도 도시되어 있다. 도 3은 컬럼 유출물에서 측정된 PFOA의 정규화된 농도 대 활성탄 수착제 베드를 통과하는 물의 베드 부피의 수를 도시한다. 이들 실험에서, PFOA의 농도가 유입되는 물에 존재하였다. 수평선은, 활성탄 수착제 베드의 출구 포트에서 측정된 PFOA의 초기 농도의 25%에 대응한다. 따라서, 도 3에서, 수평선 아래에 존재하는 표시된 곡선의 부분이 클수록, 성능이 더 양호하다.
도 4a는 PFOA의 25%가 활성탄 수착제 베드를 통과할 때까지의 베드 부피의 수를 가로축에 표시한다. 전술한 바와 같이, PFOA의 농도는 유입되는 물에 존재하였다. 각각의 수직 데이터 쌍은 단일 실험 시험을 나타낸다. 예를 들어, 점선 수직선은 약 10,000 베드 부피에서 시험되고 25% PFOA 파과를 나타낸 단일 재료를 나타낸다. 이 재료는 약 160 cm-3의 용적 당밀가(수직선에 의해 교차되는 사각형으로 표시됨) 및 약 250 mg/cm3의 용적 요오드가(수직선에 의해 교차되는 다이아몬드로 표시됨)를 갖는다. 각 샘플에 상응하는 용적 요오드가 및 용적 당밀가 둘 다에 대해 가장 잘 맞는 선이 제공된다.
도 4b는 샘플의 용적 당밀가의 함수로서, 베드의 출구 포트에서 측정된 PFOA의 25%에서 베드 부피 등가를 표시한다. 각각의 샘플은 도 4a에 도시된 것과 동일하다. 2개의 상관관계도 발견되었다. 먼저, 전체 상관관계를 모든 데이터 지점에 대해 수행하였고, R2 값이 0.8968이 되었다. 이는 잘 맞지 않음을 나타낸다. 그러나, 본 발명자들은 또한, 약 450 mg/cm3 미만의 용적 요오드가 및 약 100 cm-3 미만의 용적 당밀가를 갖는 이들 데이터 지점을 제외한 모든 데이터 지점에 대해 두번째 상관관계가 수행되면, R2 값이 0.9928로 개선되어, 우수한 적합도를 나타낸다는 것을 발견하였다.

Claims (23)

  1. 하나 이상의 퍼플루오로알킬 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)을 유체로부터 제거하기 위한 수착제로서, 상기 수착제는 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 갖는, 수착제.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용적 요오드가는 약 500 mg/cm3 내지 약 550 mg/cm3이고 상기 용적 당밀가는 약 110 cm-3 내지 약 350 cm-3인, 수착제.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수착제는 탄소질 숯, 활성탄, 재활성탄, 및 카본 블랙 중 하나 이상을 포함하는, 수착제.
  4. 제3항에 있어서, 상기 수착제는 활성탄 및 재활성탄 중 하나 또는 둘 다를 포함하는, 수착제.
  5. 제4항에 있어서, 상기 활성탄 또는 재활성탄은 역청탄, 아역청탄, 갈탄, 무연탄, 목재, 목재 칩, 톱밥, 이탄, 너트 쉘, 피트, 코코넛 껍질, 바바수 너트, 마카다미아 너트, 덴데 너트, 피치 피트, 체리 피트, 올리브 피트, 호두 껍질, 목재, 리그닌, 중합체, 질소 함유중합체, 수지, 석유 피치, 바가스, 쌀겨, 옥수수 껍질, 밀겨 및 왕겨, 그래핀, 탄소 나노튜브 및 중합체 섬유 중 하나 이상으로부터 선택된 전구체 탄소질 재료로 형성되는, 수착제.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성탄 또는 재활성탄은 역청탄 및 아역청탄 중 하나 또는 둘 모두로부터 형성되는, 수착제.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성탄 또는 재활성탄은 재응집되는, 수착제.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용적 요오드가는 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3이고 상기 용적 당밀가는 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3인, 수착제.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수착제를 함유하는 베드는 약 61 ng/L 이하의 PFOA 농도를 함유하는 물의 적어도 약 20,000 베드 부피로부터 PFOA를 제거하여, 약 15 ng/L PFOA의 농도가 여과된 물 스트림에서 검출되기 전에, 여과된 물 스트림을 생성할 수 있는, 수착제.
  10. 하나 이상의 퍼플루오로알킬 및 폴리플루오로알킬 물질을 유체로부터 제거하는 방법으로서, 상기 방법은:
    적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가를 갖는 수착제를 제공하는 단계; 그리고
    상기 유체를 상기 수착제와 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 수착제는 탄소질 숯, 활성탄, 재활성탄, 및 카본 블랙 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 수착제는 활성탄 또는 재활성탄 중 하나 또는 둘 다를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 활성탄 또는 재활성탄은 역청탄, 아역청탄, 갈탄, 무연탄, 목재, 목재 칩, 톱밥, 이탄, 너트 쉘, 피트, 코코넛 껍질, 바바수 너트, 마카다미아 너트, 덴데 너트, 피치 피트, 체리 피트, 올리브 피트, 호두 껍질, 목재, 리그닌, 중합체, 질소 함유중합체, 수지, 석유 피치, 바가스, 쌀겨, 옥수수 껍질, 밀겨 및 왕겨, 그래핀, 탄소 나노튜브 및 중합체 섬유 중 하나 이상으로부터 선택된 전구체 탄소질 재료로 형성되는, 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 활성탄 또는 재활성탄은 역청탄 및 아역청탄 중 하나 이상으로 형성되는, 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성탄 또는 재활성탄은 재응집되는, 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용적 요오드가는 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3이고 상기 용적 당밀가는 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3인, 방법.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수착제는 약 500 mg/cm3 내지 약 550 mg/cm3의 요오드가 및 약 110 cm-3 내지 약 350 cm-3의 당밀가를 갖는, 방법.
  18. 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수착제를 함유하는 베드는 약 61 ng/L 이하의 PFOA 농도를 함유하는 물의 적어도 약 20,000 베드 부피로부터 PFOA를 제거하여, 약 15 ng/L PFOA의 농도가 여과된 물 스트림에서 검출되기 전에, 여과된 물 스트림을 생성할 수 있는, 방법.
  19. 적어도 약 450 mg/cm3의 용적 요오드가 및 적어도 약 100 cm-3의 용적 당밀가 및 선택적으로 제2 수착제를 갖는 하나 이상의 수착제를 포함하는 수착제 조성물.
  20. 제19항에 있어서, 하나 이상의 불활성 물질, 필러, 결합제, 또는 임의의 주목할 만한 수착제 용량을 갖지 않는 다른 조성물을 추가로 포함하는, 수착제 조성물.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 용적 요오드가는 약 450 mg/cm3 내지 약 600 mg/cm3이고 상기 용적 당밀가는 약 100 cm-3 내지 약 400 cm-3인, 수착제 조성물.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용적 요오드가는 약 500 mg/cm3 내지 약 550 mg/cm3이고 상기 용적 당밀가는 약 110　cm-3 내지 약 350 cm-3인, 수착제 조성물.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수착제 조성물을 함유하는 베드는 약 61 ng/L 이하의 PFOA 농도를 함유하는 물의 적어도 약 20,000 베드 부피로부터 PFOA를 제거하여, 약 15 ng/L PFOA의 농도가 여과된 물 스트림에서 검출되기 전에, 여과된 물 스트림을 생성할 수 있는, 수착제 조성물.
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