KR20230123485A - 필터 미디어 - Google Patents

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KR20230123485A
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fibers
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particles
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KR1020237023461A
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크리스틴 르마쏭
크리스토프 테론
라리 시몬
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알스트롬 오와이제이
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Abstract

필터링 유체에 사용하기에 적합한 필터 미디어가 제공된다. 필터 미디어는 여과 입자를 포함하고, 여과 입자는 입자의 중량을 기준으로 15중량% 내지 70중량%의 Al2O3 함량 및 70중량% 미만의 SiO2 함량을 갖는다.

Description

필터 미디어
본 발명은 필터 미디어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물과 같은 유체로부터 중금속과 같은 오염물질을 여과하는데 사용될 수 있는 필터 미디어에 관한 것이다.
중금속은 물에 비해 상대적으로 원자량과 밀도가 높은 자연 발생 금속 원소이다. 산업, 가정, 농업, 의료 및 기술 사용의 결과로 중금속은 환경에 널리 분포되어 결과적으로 인간의 건강에 위험을 초래한다. 중금속의 독성은 노출 수준, 금속 종의 정체, 노출 수단을 비롯한 여러 요인에 따라 달라진다. 독성으로 인해 공중 보건에 가장 큰 위협이 되는 금속은 납, 비소, 카드뮴, 크롬 및 수은이다.
인체 건강에 악영향을 미치기 때문에 식수 내 중금속의 존재는 엄격하게 통제된다. 예를 들어, 식수의 최대 허용 농도는 납 5μg/L, 비소 10μg/L, 카드뮴 5μg/L, 수은 2μg/L 이다.
납은 식수에서 가장 흔한 중금속 오염 물질 중 하나이다. 납 오염원에는 납 수도관, 물 탱크, 배관 고정 장치 및 파이프 피팅이 포함된다. 납에 노출되면 신경계, 생식계 및 신장계에 영향을 미쳐 고혈압과 빈혈을 유발하고 농도가 매우 높으면 사망에 이르게 하는 여러 가지 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
중금속 불순물은 물과 같은 유체에 용해성 형태와 미립자 형태로 모두 존재한다. 대부분의 최신 유체 여과 시스템은 기계적 보유 메커니즘만 있기 때문에 미립자만 보유하도록 설계되었다. 그러나, 용해성 중금속의 제거는 용해된 금속 입자를 유지하기 위해 용해된 금속 입자와 화학적으로 또는 정전기적으로 상호 작용하는 필터 미디어를 필요로 한다.
납과 같은 용해성 중금속을 보유할 수 있는 현재의 여과 솔루션은 일반적으로 흡수성 물질의 큰 블록을 포함한다. 그러나, 이러한 시스템에 필요한 많은 양의 흡수재는 비용이 많이 들 수 있다. 또한 유체가 통과해야 하는 많은 양의 필터 재료로 인해 유속이 감소하고, 일반적으로 NSF(National Sanitation Foundation) 및 WQA(Water Quality Association)와 같은 규제 기관에서 권장하는 수준으로 용해성 중금속을 제거할 수 없다. 또한, 현재의 여과 시스템은 미립자 및 용해성 중금속을 규제 한도 내로 유지할 수 없다.
따라서 물과 같은 유체로부터 납과 같은 미립자 및 용해된 중금속 오염물질을 제거할 수 있는 새로운 필터 미디어가 필요하다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 입자의 중량을 기준으로 15중량% 내지 70중량%의 Al2O3 함량 및 70중량% 미만의 SiO2 함량을 갖는 여과 입자를 포함하는 필터 미디어가 제공된다.
본 발명의 추가 측면에 따르면, 입자의 중량을 기준으로 15중량% 내지 70중량%의 Al2O3 함량 및 70중량% 미만의 SiO2 함량을 갖는 여과 입자를 포함하는 필터 미디어가 제공되며, 여기서 여과 입자는 적어도 5중량% Na2O 를 포함한다.
여과 입자는 20중량% 내지 45중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 40중량%의 Al2O3 함량을 가질 수 있다.
여과 입자는 60중량% 미만, 바람직하게는 50중량% 미만의 SiO2 함량을 가질 수 있다.
여과 입자는 적어도 5중량%, 바람직하게는 적어도 10중량%, 가장 바람직하게는 적어도 15중량% Na2O 를 포함할 수 있다.
여과 입자는 실리콘 대 알루미늄의 질량비(Si/Al)가 0.6 내지 4, 바람직하게는 0.7 내지 3.5, 보다 바람직하게는 0.8 내지 1.5일 수 있다.
여과 입자는 나트륨 대 실리콘의 질량비(Na/Si)가 0.1 내지 0.9, 바람직하게는 0.4 내지 0.7, 보다 바람직하게는 0.5 내지 0.6일 수 있다.
여과 입자는 나트륨 대 알루미늄의 질량비(Na/Al)가 0.1 내지 2, 바람직하게는 0.3 내지 1.5, 보다 바람직하게는 0.5 내지 1.2일 수 있다.
여과 입자는 알칼리 처리된 여과 입자일 수 있다.
여과 입자는 직경이 0.1 내지 1.0 나노미터, 바람직하게는 0.3 내지 0.7 nm인 기공을 포함할 수 있다.
여과 입자는 티타늄 함유 성분(TiO2와 같은), 인 함유 성분(P2O5와 같은), 황 함유 성분(SO3와 같은), 칼륨 함유 성분(K2O 와 같은), 칼슘 함유 성분(CaO와 같은), 철 함유 성분(FeO, FeO2 또는 Fe2O3와 같은), 스트론튬 함유 성분(SrO와 같은), 이트륨 함유 성분(Y2O3와 같은) 및 지르코늄 함유 성분(ZrO2와 같은)으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 추가 성분을 더 포함할 수 있다. 추가 성분은 산화물 형태가 아닌 경우 제올라이트 구조 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 티타노실리케이트 제올라이트는 제올라이트 골격 내에 티타늄 함유 성분을 갖는 제올라이트이다.
여과 입자는 필터 미디어의 총 중량을 기준으로 5 내지 70중량%, 바람직하게는 10 내지 50중량%, 가장 바람직하게는 20 내지 40중량%를 구성할 수 있다.
필터 미디어는 셀룰로오스 섬유, 중합체 섬유, 유리 섬유 및 피브릴화 섬유, 바람직하게는 셀룰로오스 섬유 및/또는 유리 섬유 중 하나 또는 그 이상으로부터 선택되는 매트릭스 섬유를 더 포함할 수 있다.
피브릴화된 섬유는 일반적으로 피브릴을 생성하기 위해 기계적 처리를 거친 합성 또는 셀룰로오스 섬유이다. 현재 피브릴화된 셀룰로오스 섬유는 셀룰로스 섬유로 간주되고 피브릴화된 합성 섬유는 합성 섬유로 간주된다.
셀룰로오스 섬유는 침엽수 섬유, 활엽수 섬유, 식물성 섬유 및 인조 셀룰로오스 섬유(라이오셀 및 레이온 섬유와 같은)로도 알려진 재생 셀룰로오스 섬유 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다. 셀룰로오스 섬유는 5 내지 100중량%, 보다 바람직하게는 10 내지 70%의 양으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 매트릭스 섬유의 총 중량을 기준으로 일부 실시예에서 7 내지 20중량% 또는 다른 실시예에서 50 내지 70중량%이다. 셀룰로오스 섬유는 바람직하게는 재생 셀룰로오스 섬유일 수 있다.
유리 섬유는 5 내지 100중량%, 보다 바람직하게는 10 내지 70중량%의 양으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 매트릭스 섬유의 총 중량을 기준으로 일부 실시예에서 7 내지 20중량% 또는 다른 실시예에서 50 내지 70중량%이다.
중합체 섬유는 폴리에스테르 섬유일 수 있고 필터 미디어의 총 중량을 기준으로 1중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 5중량% 내지 30중량%의 양으로 존재할 수 있다. 폴리에스테르 섬유는 EN 1334 표준에 따라 생분해성 또는 심지어 퇴비화될 수 있는 바이오폴리에스테르 섬유일 수 있다.
필터 미디어는 셀룰로오스 섬유와 합성 섬유의 혼합물을 포함할 수 있다. 합성 섬유는 오일 기반(폴리올레핀과 같은) 또는 식물 기반 합성 섬유일 수 있다.
매트릭스 섬유는 적어도 부분적으로 나노알루미나로 코팅될 수 있고 여과 입자는 실질적으로 나노알루미나로 코팅되지 않을 수 있다.
필터 미디어는 부직포 필터 미디어일 수 있다. 부직포 필터 미디어는 물결지고(corrugated), 절단되고(cut), 접히고(folded), 주름질(pleated) 수 있고, 궁극적으로 사용될 여과 제품으로 조립될 수 있다.
필터 미디어는 수지 성분, 바람직하게는 폴리아미드-에피클로로히드린(PAE) 수지 및 바람직하게는 라텍스, 활성탄 및/또는 은 입자를 포함하는 바인더로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
필터 미디어는 가정용 유체 여과용으로 구성될 수 있다.
필터 미디어는 산업용 유체 여과용으로 구성될 수 있다.
필터 미디어는 물 필터 미디어일 수 있다. 물의 pH는 5 내지 9, 바람직하게는 6.5 내지 8일 수 있다.
필터 미디어는 NSF/ANSI 53(2019 버전): 식수 처리 장치 - 건강 영향 표준을 준수할 수 있다.
일부 실시예에서 유리 없는 미디어가 필요할 수 있다. 이러한 실시예에서 필터 미디어는 1중량% 미만의 유리 섬유, 바람직하게는 0.1중량% 미만의 유리 섬유를 포함할 수 있다.
필터 미디어는 제2 필터 미디어의 프리-필터로서 사용하도록 구성될 수 있다. 제2 필터 미디어는 나노알루미나-코팅된 섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 상기 정의된 바와 같은 필터 미디어를 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은:
(a) 입자의 중량을 기준으로 15중량% 내지 70중량%의 Al2O3 함량 및 70중량% 미만의 SiO2 함량을 갖는 여과 입자를 알칼리 용액과 접촉시키는 단계;
(b) 여과 입자를 포함하는 섬유상 슬러리로부터 웨트 레이드 시트를 형성하는 단계; 및
(c) 필터 미디어를 얻도록 시트를 건조시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가 측면에 따르면, 상기 정의된 바와 같은 필터 미디어를 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은
(a) 입자의 중량을 기준으로 15중량% 내지 70중량%의 Al2O3 함량 및 70중량% 미만의 SiO2 함량을 갖고 적어도 5중량% Na2O 를 포함하는 여과 입자를 알칼리 용액과 접촉시키는 단계;
(b) 여과 입자를 포함하는 섬유상 슬러리로부터 웨트 레이드 시트를 형성하는 단계; 및
(c) 필터 미디어를 얻도록 시트를 건조시키는 단계를 포함한다.
접촉 단계는 여과 입자의 SiO2 함량을, 바람직하게는 70중량% 미만으로 감소시킬 수 있다.
단계 (a)와 단계 (b)는 동시에 수행될 수 있다.
단계 (a)는 단계 (b) 이전에 수행될 수 있다.
알칼리 용액은 8 내지 14, 바람직하게는 9 내지 11, 가장 바람직하게는 10의 pH를 가질 수 있다.
섬유상 슬러리는 매트릭스 섬유 및/또는 상기 정의된 하나 또는 그 이상의 첨가제를 포함할 수 있다.
방법은 여과 입자 매트릭스 섬유를 나노알루미나로 적어도 부분적으로 코팅하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 다음을 포함할 수 있다:
(a1) 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유를 적어도 부분적으로 코팅하도록 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유를 나노알루미나와 접촉시키는 단계; 및
(a2) 섬유상 슬러리를 형성하기 위해 적어도 부분적으로 코팅된 섬유를 여과 입자 및 알칼리 용액과 조합하는 단계.
본 발명의 제3 측면에 따르면 유체를 여과하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 상기 정의된 필터 미디어를 통해 유체를 통과시키는 것을 포함한다.
유체는 물, 바람직하게는 식수일 수 있다.
본 발명의 제4 측면에 따르면, 상기 정의된 필터 미디어를 통해 유체를 통과시키는 것을 포함하는, 유체로부터 중금속을 제거하는 방법이 제공된다.
중금속은 비소, 안티몬, 카드뮴, 코발트, 구리, 철, 납 및 산화된 납, 수은, 니켈, 팔라듐, 셀레늄, 은, 탈륨, 주석 및 유기주석, 및 아연, 바람직하게는 납으로부터 선택될 수 있다. 중금속은 용해성 및/또는 미립자 형태일 수 있다.
본 발명은 예시적인 방식으로 제공되고 제한적인 방식으로 해석되어서는 안 되는 하기 실시예 및 첨부된 도면에 비추어 더 잘 이해될 것이다.
첨부된 그림에서:
도 1은 납 보유 성능에 대한 필터 미디어 형성 동안 pH의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 나노알루미나-코팅된 유리 섬유 필터 미디어("4603") 및 본 발명의 필터 미디어("19P64")의 유체로부터 납을 여과하는 비교 능력을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 2개의 필터 미디어의 납 여과 능력을 나타내는 그래프이며, 각각의 여과 미디어는 여과 입자로서 상이한 알루미노실리케이트 제올라이트("SZT" 또는 "SZP")를 포함하고 있다. 그리고
도 4는 본 발명에 따라 제조된 2개의 필터 미디어의 납 여과 능력을 나타내는 그래프이며, 각각의 여과 미디어는 여과 입자로서 상이한 알루미노실리케이트 제올라이트("SZT" 또는 "Alusil")를 포함한다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 바와 같이, 내용이 달리 요구하지 않는 한, 아래 용어는 다음과 같은 정의를 갖는 것으로 의도된다.
"포함하다" 또는 "포함하다" 또는 "포함하는"과 같은 변형은 명시된 정수 또는 정수 그룹의 포함을 의미하지만 임의의 다른 정수 또는 정수 그룹을 배제하지 않음을 의미하는 것으로 이해될 것이다.
"나노알루미나"는 수산화알루미늄[AlO(OH)]과 수산화알루미늄[Al(OH)3]의 조성을 의미하며, 이는 알루미늄 금속을 NaOH, KOH 또는 수산화암모늄과 같은 알칼리 수용액과 반응시켜 얻어진다.
"섬유"는 길이 대 직경의 종횡비가 높은 섬유상 또는 필라멘트 구조이다.
서로에 대한 두 성분 A와 B의 "질량비"는 성분 A/성분 B의 형식으로 인용될 수 있다. 이는 (성분 A의 중량):(성분 B의 중량)의 비율을 나타낸다. 성분 A와 성분 B는 원소(Al, Si, Na 등과 같은) 또는 화학종(Al2O3, SiO2, Na2O 등과 같은)일 수 있다. 질량비는 성분의 질량을 분자량으로 나눔으로써 몰비로 변환될 수 있다.
유사하게, 서로에 대한 두 성분 A 와 B의 "몰비"는 성분 A/성분 B의 형태로 인용될 수 있다. 이는 (성분 A의 몰):(성분 B의 몰)의 비율을 나타낸다. 성분 A와 성분 B는 원소(Al, Si, Na 등과 같은) 또는 화학종(Al2O3, SiO2, Na2O 등과 같은)일 수 있다. 몰비는 성분의 몰수에 분자량을 곱함으로써 질량비로 변환할 수 있다.
종래 기술은 보고된 비율이 물질의 질량비(예를 들어 알루미나와 실리카의 질량비)인지 물질 내 특정 원소의 몰비(예를 들어 알루미늄과 실리콘 원자의 몰비)인지 거의 설명하지 않는다. 구체적인 설명의 부족은 비율을 모호하고 정의되지 않은 방식으로 나타내므로 당업자가 종래 기술의 교시 내용을 확실하게 알기 어렵게 만든다. 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 경우에 따라 여과 입자 또는 필터 미디어의 두 성분의 질량비 및 몰비는 상기 정의의 관점에서 이해될 것이다.
"스테이플 섬유"는 자연적으로 소유하거나 절단되거나, 일정하고 상대적으로 짧은 세그먼트 또는 개별 길이로 뚜렷하게 추가 가공된 섬유를 의미한다.
"섬유질"은 주로 섬유 및/또는 스테이플 섬유로 구성된 재료를 의미한다.
"부직포" 또는 "웹"이라는 용어는 자립형 구조 요소를 형성하기 위해 서로 임의로 맞물리거나, 얽히고/거나 결합되는 웹 또는 매트 내의 섬유 및/또는 스테이플 섬유의 집합체를 지칭한다.
"합성 섬유"는 화학 화합물로부터 합성된 중합체, 변경(modified) 또는 변형(transformed)된 천연 중합체 및 규산(유리) 물질을 포함하는 섬유 형성 물질로 만들어진 섬유를 말한다. 이러한 섬유는 종래의 용융 방사, 용액 방사, 용매 방사 및 유사한 필라멘트 생산 기술에 의해 생산될 수 있다.
본 발명은 다양한 산업 및 가정용 유체 정화 적용에 사용하기에 적합한 필터 미디어를 제공한다. 필터 미디어는 중금속(예를 들어 비소, 안티몬, 카드뮴, 코발트, 구리, 철, 납 및 산화 납, 수은, 니켈, 팔라듐, 셀레늄, 은, 탈륨, 주석, 유기 주석 및 아연), 염료, 오일, 생물학적 물질(예를 들어 박테리아, 바이러스, 천연유기물, 포낭 및 세포 파편) 및 물과 같은 유체의 미량 의약품과 같은 불순물 제거에 특히 적합하다.
필터 미디어는 입자의 중량을 기준으로 15중량% 내지 70중량%의 Al2O3 함량 및 70중량% 미만의 SiO2 함량을 갖는 여과 입자를 포함한다. 여과 입자는 20중량% 내지 65중량%, 20중량% 내지 60중량%, 20중량% 내지 55중량%, 20중량% 내지 50중량%, 20중량% 내지 45중량%, 20중량% 내지 40중량%, 25중량% 내지 65중량%, 25중량% 내지 60중량%, 25중량% 내지 55중량%, 25중량% 내지 50중량%, 25중량% 내지 45중량%, 25중량% % 내지 40중량%, 30중량% 내지 65중량%, 30중량% 내지 60중량%, 30중량% 내지 55중량%, 30중량% 내지 50중량%, 30중량% 내지 45중량%, 30중량% 내지 40중량%, 35중량% 내지 65중량%, 35중량% 내지 60중량%, 35중량% 내지 55중량%, 35중량% 내지 50중량%, 35중량% 내지 45중량%, 또는 35중량% 내지 40중량%의 Al2O3 함량을 가질 수 있다. 여과 입자는 70중량%, 65중량%, 60중량%, 55중량%, 50중량%, 45중량%, 40중량% 또는 35중량% 미만, 바람직하게는 50중량% 미만의 SiO2 함량을 가질 수 있다. 여과 입자는 10중량% 내지 65중량%, 10중량% 내지 60중량%, 10중량% 내지 55중량%, 10중량% 내지 50중량%, 10중량% 내지 45중량%, 10중량% 내지 40중량%, 10중량% 내지 35중량%, 10중량% 내지 30중량%, 10중량% 내지 25중량%, 10중량% 내지 20중량%, 15중량% 내지 65중량%, 15중량% % 내지 60중량%, 15중량% 내지 55중량%, 15중량% 내지 50중량%, 15중량% 내지 45중량%, 15중량% 내지 40중량%, 15중량% 내지 35중량%, 15중량% 내지 30중량%, 15중량% 내지 25중량%, 15중량% 내지 20중량%, 20중량% 내지 65중량%, 20중량% 내지 60중량%, 20중량% 내지 55중량%, 20중량% 내지 50중량% %, 20중량% 내지 45중량%, 20중량% 내지 40중량%, 20중량% 내지 35중량%, 25중량% 내지 65중량%, 25중량% 내지 60중량%, 25중량% 내지 55중량%, 25중량% 내지 50중량%, 25중량% 내지 45중량%, 25중량% 내지 40중량%, 25중량% 내지 35중량%, 25중량% 내지 30중량%, 30중량% 내지 65중량%, 30중량% % 내지 60중량%, 30중량% 내지 55중량%, 30중량% 내지 50중량%, 30중량% 내지 45중량%, 30중량% 내지 40중량%, 30중량% 내지 35중량%, 35중량% 내지 65중량%, 35중량% 내지 60중량%, 35중량% 내지 55중량%, 35중량% 내지 50중량%, 35중량% 내지 45중량%, 35중량% 내지 40중량%, 40중량% 내지 65중량% %, 40중량% 내지 60중량%, 40중량% 내지 55중량%, 40중량% 내지 50중량%, 또는 40중량% 내지 45중량%의 SiO2 함량을 가질 수 있다. 여과 입자에서 실리콘 대 알루미늄의 질량비(Si/Al)는 0.7 내지 4.0, 0.7 내지 3.5, 0.7 내지 3.0, 0.7 내지 2.5, 0.7 내지 2.0, 0.7 내지 1.5, 0.8 내지 4.0, 0.8 내지 3.5, 0.8 내지 3.0, 0.8 내지 2.5, 0.8 내지 2.0, 0.8 내지 1.5, 0.9 내지 4.0, 0.9 내지 3.5, 0.9 내지 3.0, 0.9 내지 2.5, 0.9 내지 2.0, 또는 0.9 내지 1.5 일 수 있다.
여과 입자는 물과 같은 유체에서 용해성 중금속 양이온을 결합할 수 있고 여과 입자가 필터 미디어에 통합될 때 미립자 금속 입자를 포획할 수 있다. 위의 양의 Al2O3와 SiO2의 조합은 여과하는 동안 물과 같은 유체에서 여과 입자와 불순물(중금속과 같은) 사이의 정전기 인력 정도를 최적화함으로써 여과 입자의 성능을 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 이론에 얽매이지 않고 여과 입자 내 Si/Al의 특정 질량비는 Si 함량이 더 높은 입자보다 여과 입자 내에서 더 강한 음전하 농도를 생성하는 것으로 여겨진다. 이는 여과 입자의 알루미늄 부위가 음전하를 띠는 반면 실리콘 부위는 중성을 유지하기 때문이다. 더 높은 비율의 음전하 부위를 가짐으로써, 음전하 농도가 더 높아져 입자 내에서 Na+ 이온과 같은 교환 가능한 양이온의 수가 더 많아지고, 납 양이온과 같은 양전하를 띤 수용성 중금속 양이온을 결합하는 능력이 향상된다.
여과 입자는 적어도 5중량%, 10중량%, 15중량% 또는 20중량%, 바람직하게는 적어도 15중량% Na2O를 포함할 수 있다. 여과 입자는 5 내지 40중량% Na2O, 바람직하게는 10 내지 30중량% Na2O, 더 바람직하게는 15 내지 25중량% Na2O 를 포함할 수 있다. 여과 입자에서 Na/Si의 질량비는 0.1 내지 0.9, 0.2 내지 0.8, 0.3 내지 0.8, 0.4 내지 0.7, 또는 0.5 내지 0.6일 수 있다. 여과 입자는 0.1 내지 2.0, 0.2 내지 1.5, 0.3 내지 1.5, 0.4 내지 1.5, 0.5 내지 1.2, 보다 바람직하게는 0.6 내지 0.9의 나트륨 대 알루미늄의 질량비(Na/Al)를 가질 수 있다. 이러한 비율은 여과 입자에서 교환 가능한 Na+ 양이온의 비율을 나타낸다.
여과 입자는 알칼리 처리된 여과 입자일 수 있다. 염기는 NaOH, KOH, Ba(OH)2, Ca(OH)2, LiOH 및 NH4OH 중 하나 또는 그 이상으로부터 선택될 수 있다. 여과 입자는 pH 8 내지 14, 바람직하게는 9 내지 11, 보다 바람직하게는 약 pH 10의 알칼리 용액으로 처리될 수 있다. 알칼리 용액은, 예를 들어, 여과 입자의 Si, Al 또는 Na 함량을 변경함으로써 여과 입자의 적어도 외부 표면을 변경할 수 있다. 일부 실시예에서, 알칼리 용액은 여과 입자의 외부 표면의 Si 함량을 감소시킬 수 있다.
여과 입자는 티타늄 함유 성분(TiO2와 같은), 인 함유 성분(P2O5와 같은), 황 함유 성분(SO3와 같은), 칼륨 함유 성분(K2O 와 같은), 칼슘 함유 성분(CaO와 같은), 철 함유 성분(FeO, FeO2 또는 Fe2O3와 같은), 스트론튬 함유 성분(SrO와 같은), 이트륨 함유 성분(Y2O3와 같은) 및 지르코늄 함유 성분(ZrO2와 같은)으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 추가 성분을 더 포함할 수 있다. 추가 성분은 산화물 형태가 아닌 경우 제올라이트 구조 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 티타노실리케이트 제올라이트는 제올라이트 구조 내에 티타늄 함유 성분을 갖는 제올라이트이다.
필터 미디어는 여과하는 동안 유체가 통과할 수 있는 기공을 포함할 수 있다. 기공은 0.5 내지 10㎛, 0.6 내지 5㎛, 또는 0.7 내지 4㎛의 직경을 가질 수 있다. 기공의 평균 기공 크기는 0.8 내지 3㎛, 바람직하게는 1.2 내지 2.0㎛일 수 있다. 기공 크기는 미국 재료 시험 협회(ASTM) 표준 316-03(2011)에 따라 모세관 유동 포로메트리 기술을 사용하여 측정된다.
필터 미디어는 3㎛ 미만, 바람직하게는 2.5㎛ 미만, 보다 바람직하게는 2㎛ 이하의 평균 흐름 기공 크기를 가질 수 있다.
필터 미디어는 200s/500mL 미만, 바람직하게는 150s/500mL 미만의 중력 흐름을 가질 수 있다.
필터 미디어는 적어도 3 lb/in, 바람직하게는 적어도 5 lb/in, 가장 바람직하게는 적어도 10 lb/in의 습식 MD 인장 강도를 가질 수 있다.
NSF/ANSI 53 표준(2019)에 따라 적어도 2000 L/m2의 유량에 대해 150ppb의 납을 함유한 물을 사용했을 때 필터 미디어는 유출물에서 용해성 납 수준을 10ppb 이하로 유지할 수 있다.
NSF/ANSI 53 표준(2019)에 따라 적어도 2000 L/m2 또는 심지어 5000 L/m2의 유량에 대해 150ppb의 납을 함유한 물을 사용했을 때 필터 미디어는 유출물에서 용해성 납 수준을 5ppb 이하로 유지할 수 있다.
여과 입자는 교환가능한 양이온이 위치할 수 있는 기공 또는 채널을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 기공 또는 채널은 0.1 내지 1.0 나노미터, 바람직하게는 0.3 내지 0.7 나노미터의 직경을 가질 수 있다. 기공은 크기 및 교환 가능한 양이온에 따라 분자 또는 원자를 선택적으로 스크리닝하는 분자체 역할을 할 수 있다. 기공은 내부 극성이 음수이고, 비소, 안티몬, 카드뮴, 코발트, 구리, 철, 납 및 산화된 납, 수은, 니켈, 팔라듐, 셀레늄, 은, 탈륨, 주석 및 유기 주석 또는 아연과 같은 용해된 중금속에 대해 높은 양이온 교환 친화력을 가질 수 있다.
여과 입자는 300 내지 900m²/g, 바람직하게는 400 내지 700m²/g, 가장 바람직하게는 약 600m²/g의 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 방법에 의해 결정된 표면적을 가질 수 있다. 이것은 이온 교환을 위한 충분한 표면을 제공할 수 있고 중금속을 보유하기 위한 여과 입자의 효율성을 향상시킬 수 있다.
여과 입자는 6-8 사이의 pH에서 측정될 때 중금속 양이온, 특히 납 양이온에 대해 적어도 2 meq/g 바람직하게는 3 meg/g의 양이온 교환 용량(CEC)을 가질 수 있다.
여과 입자는 5 내지 8.5의 pH 범위 밖에 있는 제로 전하점(PZC 또는 등전점)을 갖도록 일치하는 pH 5 및 pH 8.5(+/- 0.5) 둘 다에서 등온선을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 여과 입자는 분말형 알루미노실리케이트(제올라이트와 같은)일 수 있다. 일부 실시예에서, 여과 입자는 알루미노실리케이트 섬유(예: 세라믹 섬유)의 형태일 수 있다. 명료함을 위해, 여과 입자가 섬유 형태인 그러한 실시예에서, 매트릭스 섬유는, 존재한다면, 여과 입자와 상이하다는 것이 주목된다.
유기 화학에서 다원자 종에 대한 다른 명명 규칙과 유사하게 제올라이트 구성 성분은 공통 산화물로 단량체 형태로 표시될 수 있다. 그러나, 이것은 분석과 의사소통을 단순화하고 표준화하기 위한 규약이라는 점을 인정한다. 예를 들어, 알루미노실리케이트 프레임워크는 반복 단위 [-SiO4-]4- 및 [-AlO4-]5-를 큰 비율로 포함하는 다원자 골격 구조이다.
제올라이트의 구성 성분을 기술할 때, 기본 종은 개별적으로 고려되므로 기본 단위를 배위 사면체 형태로 기술하는 대신, 제올라이트 골격의 기본 단위는 일반적인 광물 산화물의 형태로 표현된다. 다시 말해, 원소 종의 비율은 SiO2 또는 Al2O3와 같은 기본 단위 산화물의 일반적인 형태로 나타낼 수 있다.
여과 입자는 평균 직경이 0.1 내지 50㎛일 수 있다. 여과 입자가 분말 형태인 경우 평균 직경은 1 내지 30㎛일 수 있고, 여과 입자가 섬유 형태인 경우 평균 직경은 1 내지 5㎛일 수 있다.
필터 미디어는 구조적 지지를 위한 매트릭스 섬유를 더 포함할 수 있다. 매트릭스 섬유는 필터 미디어의 총 중량을 기준으로 10 내지 90중량%, 바람직하게는 20 내지 80중량%, 바람직하게는 30 내지 80중량%의 양으로 존재할 수 있다. 일부 실시예에서, 매트릭스 섬유는 필터 미디어의 총 중량을 기준으로 30 내지 50중량%, 바람직하게는 35 내지 45중량%의 양으로 존재할 수 있다.
일부 실시예에서, 매트릭스 섬유는 필터 미디어의 총 중량을 기준으로 50 내지 70중량%, 바람직하게는 55 내지 65중량%의 양으로 존재할 수 있다. 매트릭스 섬유는 셀룰로오스 섬유, 합성 섬유, 중합체 섬유, 유리 섬유 및 피브릴화 섬유 중 하나 또는 그 이상으로부터 선택될 수 있다.
셀룰로오스 섬유는 매트릭스 섬유의 총 중량을 기준으로 5 내지 100중량%, 더 바람직하게는 7 내지 20중량%, 더 바람직하게는 50 내지 70중량%의 양으로 존재할 수 있다. 셀룰로오스 섬유는 침엽수 섬유, 활엽수 섬유, 식물성 섬유 및 재생 셀룰로오스 섬유(리오셀 또는 레이온 섬유와 같은) 중 하나 또는 그 이상으로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 재생 셀룰로오스 섬유일 수 있다.
유리 섬유는 매트릭스 섬유의 총 중량을 기준으로 5 내지 100중량%, 더 바람직하게는 10 내지 70중량%, 더 바람직하게는 7 내지 20중량%, 또는 일부 다른 실시예에서 바람직하게는 50 내지 70중량%의 양으로 존재할 수 있다.
필터 미디어는 매트릭스 섬유의 총 중량을 기준으로 적어도 80중량%, 바람직하게는 적어도 90중량%, 또는 더 바람직하게는 적어도 95중량%의 합성 매트릭스 섬유를 포함할 수 있다. 합성 매트릭스 섬유는 오일 기반 또는 식물 기반 합성 섬유일 수 있으며 합성 중합체 섬유, 변경 또는 변형된 천연 중합체 섬유 또는 규산(유리) 섬유 중 하나 또는 그 이상에서 선택될 수 있다. 예시적인 섬유는 폴리에스테르(예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 등과 같은 폴리알킬렌 테레프탈레이트), 폴리알킬렌(예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등), 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 폴리아미드(나일론, 예를 들어 나일론- 6, 나일론 6,6, 나일론-6,1 2 등)를 포함한다.
중합체 섬유는 폴리에스테르 섬유일 수 있고 매트릭스 섬유의 총 중량을 기준으로 1중량% 내지 30중량%, 바람직하게는 5중량% 내지 30중량%의 양으로 존재할 수 있다. 폴리에스테르 섬유는 EN 1334 표준에 따라 생분해성 또는 심지어 퇴비화될 수 있는 바이오폴리에스테르 섬유일 수 있다.
다른 대안에 따르면, 매트릭스 섬유는 셀룰로오스 섬유와 합성 섬유의 혼합물을 포함할 수 있다. 합성 섬유는 필터 미디어에서 매트릭스 섬유의 총 중량의 50중량% 까지, 바람직하게는 10중량% 내지 30중량%의 양으로 필터 미디어에 존재할 수 있다.
여과 입자와 매트릭스 섬유 사이의 결합을 강화하기 위해 필터 미디어는 Trevira®에서 제조한 Trevira®T256 PET 미세 섬유와 같은 바인더 섬유를 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 바인더 섬유는 중량 백분율을 계산할 때 매트릭스 섬유로 간주된다. 바인더 섬유는 예를 들어 필터 미디어를 처리하는 동안, 예를 들어 캘린더링 단계 동안 연화되거나 녹을 수 있는 열가소성 부분을 포함한다. 바인더 섬유는 1성분 또는 2성분일 수 있다. 2성분 열가소성 섬유는 코어보다 더 낮은 융점을 갖는 열가소성 중합체의 용융가능한 외피에 의해 둘러싸인 중합체 코어 섬유를 포함할 수 있다.
필터 미디어는 필터 미디어 성분의 일반적인 응집력을 향상시키기 위해 첨가될 수 있는 중합체 바인더를 포함할 수 있다. 필터 미디어는 스티렌 아크릴, 아크릴, 아크릴 공중합체, 폴리에틸렌 비닐 클로라이드, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리스티렌 아크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리염화비닐, 폴리니트릴, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올 유도체, 전분 중합체, 페놀류 및 수성, 용제 버전 모두 포함하는 이들의 조합과 같은 중합체 바인더를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 중합체 바인더는 수성 라텍스 에멀젼과 같은 라텍스(예: Lubrizol®Hycar® 26450 형태일 수 있다. 필터 미디어는 필터 미디어의 총 중량을 기준으로 15중량% 미만, 바람직하게는 10중량% 미만의 라텍스 형태의 중합체 바인더를 포함할 수 있다.
필터 미디어는 하나 또는 그 이상의 첨가제 성분을 더 포함할 수 있다. 첨가제 성분은 다음으로부터 선택될 수 있다: 활성탄(염소 제거 및 물 맛 및 냄새 개선에 적합할 수 있음), 필터 미디어의 습윤 강도를 향상시키기 위해 첨가될 수 있는 폴리아미드-에피클로로히드린(PAE) 수지(예: Kymene®GHP 수지)와 같은 습윤 강화 수지; 필터 미디어에 양호한 외관을 부여하는 데 필요할 수 있는 염색제; 섬유 보유제; 분리 보조제(예: 실리콘 첨가제 및 관련 촉매제); 친수성 또는 소수성 제제; 습윤제; 정전기 방지제; 또는 은 입자와 같은 항균제. 존재하는 경우, 이러한 첨가제는 필터 미디어의 총 중량을 기준으로 0중량%, 0.01중량%, 0.1중량%, 1중량%, 5중량%, 10중량% 초과 및/또는 약 40중량%, 35중량% 30중량%, 25중량%, 20중량%, 15중량%, 10중량%, 9중량%, 8중량%, 7중량%, 6중량%, 5중량%, 4중량%, 3중량%, 2중량 %,1중량% 미만의 양으로, 또는 예를 들어 0.01중량% 내지 1중량%를 포함하는 이들의 임의의 조합으로 포함될 수 있다.
일부 실시예에서, 필터 미디어는 적어도 부분적으로 나노알루미나로 코팅될 수 있다. 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유는 적어도 부분적으로 나노알루미나로 코팅될 수 있고, 바람직하게는 실질적으로 완전히 코팅될 수 있으며, 여과 입자는 나노알루미나로 실질적으로 코팅되지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 여과 입자는 적어도 부분적으로 나노알루미나로 코팅될 수 있다.
나노알루미나는 필터 미디어의 총 중량을 기준으로 1 내지 70중량%, 바람직하게는 10 내지 50중량%, 15 내지 40중량%, 또는 25 내지 35중량%의 양으로 필터 미디어에 존재할 수 있다.
사용 시, 나노알루미나 코팅은 물이 필터 미디어를 통과할 때와 같이 물에 잠길 때 양전하를 띨 수 있다. 물의 pH는 5 내지 9, 바람직하게는 6.5 내지 8일 수 있다. 양전하는 음전하를 띤 불순물을 물에 정전기적으로 끌어당겨 포획하는 역할을 할 수 있으며, 이로써 물이 필터 미디어에 의해 정화될 수 있다.
여과 입자는 매트릭스 섬유, 바인더 섬유, 중합체 바인더 및/또는 첨가제 성분과 혼합되어 부직포 필터 미디어를 생성할 수 있다.
일부 실시예에서, 필터 미디어는 1중량% 미만의 유리 섬유, 바람직하게는 0.1중량% 미만의 유리 섬유를 포함할 수 있다.
필터 미디어는 제2 필터 미디어와 함께 사용될 수 있음을 의미하는 프리-필터로서 사용하도록 구성될 수 있다. 프리-필터는 제2 필터 미디어를 포함하는 여과 시스템에 연결될 수 있거나 유출물이 제2 필터 미디어를 통과하기 전에 프리-필터를 통과하도록 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 필터 미디어는 나노알루미나-코팅된 섬유를 포함할 수 있다. 사용시, 프리-필터는 여과 시스템의 상류에 위치할 수 있고 상이한 성질의 불순물을 여과함으로써 제2 필터 미디어를 보완하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 프리-필터는 유체가 제2 필터 미디어를 포함하는 여과 시스템에 들어가기 전에 유체로부터 중금속 양이온과 같은 양전하 불순물을 제거하도록 배열될 수 있고, 제2 필터 미디어는 미립자 물질, 유기산, 바이러스, 박테리아, 포낭, 세포 파편 또는 미량 의약품과 같은 음전하 오염물질을 제거하도록 구성될 수 있다. 프리-필터에서 필터 미디어의 다공성은 제2 필터 미디어를 통과하는 유속의 영향을 무시할 수 있을 만큼 충분히 클 수 있다. 이 배열은 여과될 유체로부터 중금속 불순물을 제거하기 위해 필터 미디어의 완전한 제2 층을 여과 시스템에 통합하는 것보다 더 비용 효율적일 수 있다.
프리-필터 또는 독립형 필터 미디어로 사용되는 필터 미디어는 필터 미디어의 다공성에 제한된 영향을 미치는 추가 층에 의해 보호되거나 지지될 수 있다.
본 발명은 본원에 정의된 바와 같은 필터 미디어를 제조하는 방법으로 확장되며, 상기 방법은:
(a) 입자의 중량을 기준으로 15중량% 내지 70중량%의 Al2O3 함량 및 70중량% 미만의 SiO2 함량을 갖는 여과 입자를 알칼리 용액과 접촉시키는 단계;
(b) 여과 입자를 포함하는 섬유상 슬러리로부터 웨트 레이드 시트를 형성하는 단계; 및
(c) 필터 미디어를 얻도록 시트를 건조시키는 단계를 포함한다.
(a)단계에서 여과입자의 Al2O3 함량은 20중량% 내지 65중량%, 20중량% 내지 60중량%, 20중량% 내지 55중량%, 20중량% 내지 50중량%, 20중량% 내지 45중량%, 20중량% 내지 40중량%, 25중량% 내지 65중량%, 25중량% 내지 60중량%, 25중량% 내지 55중량%, 25중량% 내지 50중량%, 25중량% 내지 45중량%중량%, 25중량% 내지 40중량%, 30중량% 내지 65중량%, 30중량% 내지 60중량%, 30중량% 내지 55중량%, 30중량% 내지 50중량%, 30중량% 내지 45중량% , 30중량% 내지 40중량%, 35중량% 내지 65중량%, 35중량% 내지 60중량%, 35중량% 내지 55중량%, 35중량% 내지 50중량%, 35중량% 내지 45중량%, 또는 35중량% 내지 40중량% 일 수 있고, SiO2 함량은 65중량%, 60중량%, 55중량%, 50중량%, 45중량%, 40중량% 또는 35중량% 미만, 바람직하게는 50중량% 미만, 또는 10중량% 내지 65중량%, 10중량% 내지 60중량%, 10중량% 내지 55중량%, 10중량% 내지 50중량%, 10중량% 내지 45중량%, 10중량% 내지 40중량% %, 10중량% 내지 35중량%, 10중량% 내지 30중량%, 10중량% 내지 25중량%, 10중량% 내지 20중량%, 15중량% 내지 65중량%, 15중량% 내지 60중량%, 15중량% 내지 55중량%, 15중량% 내지 50중량%, 15중량% 내지 45중량%, 15중량% 내지 40중량%, 15중량% 내지 35중량%, 15중량% 내지 30중량%, 15중량% % 내지 25중량%, 15중량% 내지 20중량%, 20중량% 내지 65중량%, 20중량% 내지 60중량%, 20중량% 내지 55중량%, 20중량% 내지 50중량%, 20중량% 내지 45중량%, 20중량% 내지 40중량%, 20중량% 내지 35중량%, 25중량% 내지 65중량%, 25중량% 내지 60중량%, 25중량% 내지 55중량%, 25중량% 내지 50중량% %, 25중량% 내지 45중량%, 25중량% 내지 40중량%, 25중량% 내지 35중량%, 25중량% 내지 30중량%, 30중량% 내지 65중량%, 30중량% 내지 60중량%, 30중량% 내지 55중량%, 30중량% 내지 50중량%, 30중량% 내지 45중량%, 30중량% 내지 40중량%, 30중량% 내지 35중량%, 35중량% 내지 65중량%, 35중량% % 내지 60중량%, 35중량% 내지 55중량%, 35중량% 내지 50중량%, 35중량% 내지 45중량%, 35중량% 내지 40중량%, 40중량% 내지 65중량%, 40중량% 내지 60중량%, 40중량% 내지 55중량%, 40중량% 내지 50중량%, 또는 40중량% 내지 45중량% 일 수 있다.
단계 (a)와 단계 (b)는 동시에 수행될 수 있다. 대안적으로, 단계(a)는 단계(b) 이전에 수행될 수 있다.
알칼리 용액은 8 내지 14, 바람직하게는 9 내지 11, 또는 바람직하게는 약 10의 pH를 가질 수 있다.
섬유상 슬러리는 매트릭스 섬유, 바인더 섬유, 중합체 바인더 및/또는 첨가제 성분을 포함할 수 있다. 방법은 여과 입자를 매트릭스 섬유, 바인더 섬유, 중합체 바인더 및/또는 첨가제 성분과 혼합하여 섬유상 슬러리를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 섬유상 슬러리는 알칼리 용액을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 여과 입자는 섬유상 슬러리를 형성하기 전에 알칼리 용액으로부터 분리될 수 있다.
방법에 따라 생성된 필터 미디어는 부직포 필터 미디어일 수 있다.
여과 입자를 알칼리 용액과 접촉시킴으로써, 여과 입자에서 중성으로 하전된 SiO2의 양은 주로 SiO2의 가용화를 통해 감소될 수 있는 반면, 음으로 하전된 Al2O3의 양은 크게 영향을 받지 않을 수 있다. 이는 여과 입자의 음전하 밀도를 증가시키고 결과적으로 납 이온과 같은 양전하를 띤 중금속 이온을 보유하는 여과 입자의 용량을 증가시키는 효과를 가질 수 있다. 처리된 여과 입자는 동등한 양의 처리되지 않은 여과 입자 물질을 사용하여 달성될 수 있는 것보다 연장되고 더 높은 정도의 용해성 금속 이온 보유를 제공하기 위해 필터 미디어에 통합될 수 있다. 또한, 처리된 여과 입자를 포함하는 필터 미디어는 물과 같은 유체로부터 규제 한계 내로 중금속을 제거할 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서 그 효과는 알칼리 처리에 의해 더 향상될 수 있지만, 알칼리 처리 없이도 필터 미디어는 Al2O3 함량이 15중량% 내지 70중량%이고 SiO2 함량이 70중량% 미만인 여과 입자를 포함하고, 입자의 중량을 기준으로 적어도 5중량%의 Na2O 함량은 효과적인 중금속 제거, 특히 납 제거를 제공할 수 있다.
방법은 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유를 적어도 부분적으로 나노알루미나로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 코팅은 섬유상 슬러리를 형성하기 위해 코팅된 섬유를 여과 입자와 조합하기 전에 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유에 적용될 수 있다. 따라서, 방법은 다음을 더 포함할 수 있다:
(a1) 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유를 적어도 부분적으로 코팅하도록 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유를 나노알루미나와 접촉시키는 단계; 및
(a2) 섬유상 슬러리를 형성하기 위해 적어도 부분적으로 코팅된 섬유를 여과 입자 및 알칼리 용액과 조합하는 단계.
나노알루미나는 pH 8 내지 14, 바람직하게는 pH 9 내지 pH 11, 보다 바람직하게는 약 pH 10에서 가열(60 내지 80℃바람직하게는 약 70℃로 알카리성 용액(NaOH, KOH 또는 수산화암모늄 수용액과 같은)에서 알루미늄 금속(일반적으로 분말 또는 조각 형태)을 반응시킴으로써 제자리에서 형성될 수 있다. 반응 완료 후, 용액의 pH는 선택적으로 조정(예: 감소 또는 중화)될 수 있다.
일단 건조된 필터 미디어가 형성되면, 물결지고, 절단되고, 접히고, 주름질 수 있고, 최종적으로 사용될 여과 제품으로 조립될 수 있다.
본 발명은 유체를 여과하는 방법으로 확장되며, 방법은 위에서 정의된 필터 미디어를 통해 유체를 통과시키는 것을 포함한다. 유체는 물, 바람직하게는 식수일 수 있다. 유체는 외부에서 가해지는 압력 또는 정수압을 적용하여 필터 미디어를 통해 가압될 수 있다. 여과하는 동안, 유체의 불순물은 필터 미디어에 결합(예: 여과 입자 및/또는 나노알루미나 코팅에 대한 정전기적 접착에 의해) 및/또는 물리적 폐색에 의해 포획되어 필터 미디어를 빠져나가는 정제된 유체를 생성한다.
본 발명은 또한 유체로부터 중금속을 제거하는 방법으로 확장되며, 방법은 상기 정의된 필터 미디어를 통해 유체를 통과시키는 것을 포함한다. 유체는 물, 바람직하게는 식수일 수 있다. 중금속은 비소, 안티몬, 카드뮴, 코발트, 구리, 철, 납 및 산화 납, 수은, 니켈, 팔라듐, 셀레늄, 은, 탈륨, 주석과 유기주석 및 아연으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 납 또는 바람직하게는 비소이다. 중금속은 용해성 형태, 미립자 형태 또는 용해성 및 미립자 형태일 수 있다.
필터 미디어는 예를 들어, 도시 식수 또는 폐수로부터 오염 물질을 제거, 화학적 또는 제약 오염 물질을 함유하는 산업 폐수를 처리, 광산 폐수를 개선, 석유 및 가스 드릴링 또는 처리 작업에 의해 오염된 물을 처리하는 산업 응용 분야에서 유체를 필터링하는 데 사용하기에 적합할 수 있다.
필터 미디어는 또한 음용 또는 요리 목적을 위한 정수와 같은 가정용 적용에서 여과 유체에 사용하기에 적합할 수 있다.
필터 미디어는 물과 같은 유체를 여과하기 위한 장치에 포함될 수 있다. 장치는 유체를 분배하기 위한 분배 유닛 및 분배 유닛에 의해 분배된 유체를 여과하기 위한 여과 유닛을 포함할 수 있다. 여과 유닛은 상기 정의된 바와 같은 필터 미디어를 포함할 수 있다.
실시예
실시예 1
NSF/ANSI-53 산업 표준은 두 가지 다른 유형의 물에서 납을 필터링하기 위한 정수 필터의 효능을 테스트하기 위한 프로토콜을 설명한다. 첫 번째는 pH 6.5 및 10-30 mg/L CaCO3인 저알칼리 물이다. 두 번째는 pH가 8.5이고 CaCO3가 100mg/L인 광물성이 더 높은 물이다. 두 용액 모두 150μg/L의 Pb를 함유하고 있으며 그 중 30±10%는 미립자 납이다.
US 2019/0218111 A1에 기술된 바와 같은 하나의 종래 기술 필터 미디어는 납 제거를 위해 3층 구조를 사용한다. 첫 번째와 세 번째 층은 철 코팅된 세라믹 알갱이가 그 사이에 배열된 셀룰로오스 섬유질 물질이다. 이 제품은 용해성 납을 보유할 수 있지만 빠르게 포화되어 장시간 사용에는 적합하지 않다. 이 필터 미디어에 대해 수행된 NSF/ANSI-53(2019 버전) 테스트 결과는 아래 표 1에 나와 있다.
표 1: pH 6.5에서 납 감소를 나타내는 테스트 데이터
여과된 물의 양
(리터)
Volume of the water filtered
( Litres)		 인풋 물 납
Input Water
Lead
μg/L		 AWRTCL/
14082/18-19
Unit - 1 sample		 AWRTCL/
14083/18-19
Unit - 2 sample		 유속 ml/분
500ml의 여과
÷ 여과 소요 시간
FLOW RATE ml/min
Filtration of 500 ml
÷Time taken for
filtration
아웃풋 물 납
Output Water Lead μg/L 		아웃풋 물 납
Output Water Lead μg/L		 Unit- 1 Unit-2
Initial 500ml (19.04.2018) 157.51 5.81 7.31 66 62
2 Liters (19.04.2018) 151.52 11.85 11.35 66 62
4 Liters (19.04.2018) 149.17 8.31 12.59 60 58
7.5 Liters (20.04.2018) 150.25 28.94 32.13 54 50
11.5 Liters (20.04.2018) 148.09 58.41 58.16 50 45
15 Liters (20.04.2018) 157.95 58.89 56.84 45 40
Average 152.41 　 　 　 　
Average conc. Allowed 135-165 μg/L 　 　 　 　
NSF/ANSI53
Recommendation		 120-180 μg/L
단일점 허용오차
Single point
tolerance		 납의 최대 허용 제품 수분 농도
Maximum allowable product water concentration of Lead : 5 μg/L
위의 데이터에서 알 수 있듯이, 배출수의 납 수치는 테스트 내내 NSF 수치인 5μg/L를 초과했다.
실시예 2 - 납 보유에 대한 pH의 영향
필터 미디어의 준비
필터 미디어는 아래 표 2에 표시된 성분에 따라 준비되었다. 양은 건조 기준중량%를 기준으로 한다.
표 2: 테스트된 필터 미디어를 준비하는 데 사용되는 구성 요소 및 양
구성 요소 중량%
알루미노실리케이트 제올라이트 여과 입자(Surfatas SZT) 28.7%
Fibre 1: Lyocell L-040-6 (피브릴화된 섬유) 8.2%
Fibre 2: Trevira T256 (합성 PET 섬유) 16.4%
Fibre 3: Lauscha B-06-F (유리 섬유) 24.6%
Fibre 4　: Lauscha B-04-F (유리 섬유) 12.3%
Kymene 557H (습식 스트림 첨가제) 3.5%
Lubrizol (Hycar) 26450 Latex (일반 응집용) 6.3%
필터 미디어 준비 및 테스트
6개의 필터 미디어는 각각 pH 5, 7, 8, 9, 10 및 11에서 습식 공정에 의해 준비되었다. 각 필터 미디어에 대한 납 보유 성능은 150ppb의 용해성 납을 포함하는 용액을 사용하여 테스트되었다. 납 함유 용액은 필터 미디어를 통해 통과되고 유출물에서 납 이온의 양이 측정되었다. 필터 미디어의 이러한 초기 스크리닝 후에 pH 10에서 제조된 필터 미디어가 최고의 성능을 나타내는 것으로 결론지었다. 결과는 도 1에 나타난다.
실시예 3
실시예 2의 데이터를 사용하여 아래 표 3에 나타낸 성분 및 그 양에 따라 산업적 규모로 필터 미디어를 제조하였다.
표 3: 테스트된 필터 미디어에 사용된 구성 요소 및 양
구성 요소
Component 		중량%
Wt%
알루미노실리케이트 제올라이트 여과 입자(Surfatas SZT)
Aluminosilicate zeolite filtration particle (Surfatas SZT)		 30.9%
섬유 1: Lyocell L-040-6 (피브릴화된 섬유)
Fibre 1: Lyocell L-040-6 (fibrillated fibres)		 8.9%
섬유 2: Trevira T256 (합성 PET 섬유)
Fibre 2: Trevira T256 (Synthetic PET fibres)		 17.8%
섬유 3: Lauscha B-06-F (유리 섬유)
Fibre 3: Lauscha B-06-F (glass fibres) 		26.6%
섬유 4　: Lauscha C-04-F (유리 섬유)
Fibre 4　: Lauscha C-04-F (glass fibres) 		12.4%
Kymene 557H (습식 스트림 첨가제 1%)
Kymene 557H (1% wet stream additive)		 0.5%
Lubrizol (Hycar) 26450 Latex (일반 응집용 10%)
Lubrizol (Hycar) 26450 Latex (10% for general cohesion)		 2.9%
성분들은 다음과 같이 펄퍼에 순차적으로 첨가되었다:
- Lauscha B-06-F 50%를 첨가하고 850-950 rpm으로 5분 동안 분산시켰다. 나머지 Lauscha를 첨가하고 850-950rpm에서 5분 동안 분산시켰다.
- Lauscha C-04-F를 첨가하고 850-950 rpm에서 5분간 분산시켰다.
- Lyocell L-040-6, Trevira T256 및 여과 입자(Surfatas SZT 분말)를 첨가하고 850-950 rpm에서 5분 동안 분산시켰다.
- pH 10이 될 때까지 수산화나트륨 용액을 첨가하였다.
- Kymene 557H를 첨가하고 1분 동안 분산시켰다.
- Lubrizol(Hycar) 26450 Latex를 첨가하고 1분 동안 분산시켰다.
필터 미디어 준비 및 테스트
이 용액을 사용하여, 습식 공정에 의해 필터 미디어를 제조하였다. 필터 미디어는 다음과 같은 특성을 가졌다.
표 4: 제조된 필터 미디어의 물리적 특성
물리적 특성
Physical Properties 		단위
Unit
기준 중량
Basis Weight		 223.5
기준 중량
Basis Weight		 lbs/1389ft² 63.7
두께
Thickness		 μm 796.6
두께
Thickness		 mils 31.4
재
Ash		 % 62.4
MFP (평균 흐름 기공 크기)
Mean Flow Pore Size		 μm 1.9
중력 흐름
Gravity Flow		 s/500mL 93
건조 MD 인장
Dry MD Tensile		 lbs/in 16
습식 MD 인장
Wet MD Tensile		 lbs/in 11.7
평균 흐름 기공 크기(Mean Flow Pore Size)는 모세관 유동 포로메트리 기술을 사용하여 동일한 압력 강하에서 습윤 매질을 통과하는 흐름이 건조 매질을 통과하는 흐름의 50%가 되는 기공 직경이다.
기공 크기는 미국 재료 시험 협회(ASTM) 표준 316-03(2011)(본원에 참조로 완전히 포함됨)에 의해 결정되었다. 모세관 유동 측정법에서 샘플은 먼저 샘플에서 모든 기공이 채워지도록 습윤 유체로 적셔진다. 증가하는 압력의 비반응 가스가 습식 샘플의 한쪽에 적용되어 기공에서 액체를 대체한다. 가스 압력 및 샘플의 하류 가스 유속이 측정되고 습식 샘플로 구성된다. 샘플이 건조된 후, 건조 샘플에 대한 가스 흐름 대 적용된 압력 곡선을 구성하기 위해 테스트가 반복된다. 이러한 모세관 공극 측정 기술을 사용하여 "최대 기공 크기", "최소 기공 크기" 및 "평균 흐름 기공 크기"가 결정될 수 있다.
기공 크기 및 평균 흐름 기공 크기는 Porometer 3G zh FULL RANGE CAPILLARY FLOW POROMETER로 측정되었다. 중력 흐름은 펌프와 같은 외부 가압 장치 없이 액체가 필터 미디어를 통과하도록 하는 필터 미디어의 능력을 평가하는 데 사용된다. 중력 흐름은 또한 여과 중 압력 강하를 간접적으로 평가하는 데에도 유용하다.
필터 미디어의 중력 흐름을 측정하기 위해 다음 방법이 사용된다:
필터 미디어는 13.3mm 디스크로 절단되고 눈금이 매겨진 측정 실린더에 포함된 2L 물 기둥의 바닥에 단단히 고정된다. 물 기둥은 필터 미디어 디스크와 실질적으로 동일한 직경을 가진다.
실린더는 저울 위에 놓인 비커 위에 배열되지만 실린더는 저울에 무게를 가하지 않는다. 물 기둥으로부터 떨어지는 물의 양은 다른 시간 간격으로 저울을 통해 측정된다. 중력 흐름은 비커에 500mL의 물이 채워지는 데 걸리는 시간을 측정함으로써 결정될 수 있다.
습윤 MD 인장 강도는 ISO 1924-2에 따라 측정되지만 시험편을 물에 5초 동안 담그고 2개의 흡수지 사이에 두어 과량의 물을 흡수한다. 시험편의 인장강도는 ISO 1924-2에 따라 측정된다.
필터 미디어는 NSF/ANSI-53을 준수하는지 테스트되었다. 결과는 아래 표 5에 제공된다.
표 5: pH 6.5에서 필터 미디어에 의한 납 여과를 보여주는 테스트 데이터
물의 양
리터
Volume
of water
Litres		 유입수 납
Influent
water
Lead
μ/L		 유출수 납 Effluent
water
Lead μ/L
Filter #1		 유출수 납 Effluent
water
Lead μ/L
Filter # 2		 흐름 속도 ml/분
500ml/여과시간
Flow Rate ml/min
500 ml/Time taken
for filtration
　 　 　 필터#1 필터#2
500ml 149.13 <5.0 <5.0 60 60
2L 151.54 <5.0 <5.0 60 60
4L 163.78 <5.0 <5.0 50 45
6L 165.65 <5.0 <5.0 42 40
8L 150.58 <5.0 <5.0 37 35
10L 150.77 <5.0 <5.0 30 25
NSF/ANSI
recomm
-endation		 135-
165μ/L		 최대 허용 제품 물 농도
Maximum allowable product
water concentration 5.0 μ/L		 상태: 통과
Status:Pass
결과는 본 발명의 필터 미디어가 NSF/ANSI-53 표준에 규정된 최대 허용 수준에 따라 유출물 스트림에서 용해성 및 미립자 납을 5.0㎍/L 미만으로 감소시킬 수 있음을 나타낸다.
실시예 4
실시예 3의 필터 미디어("19P64"로 표시됨)를 섬유질 나노알루미나-코팅된 미디어 필터("4603")의 프리-필터 상류로 배열하고 NSF/ANSI-53 준수에 대해 테스트했다. 나노알루미나 코팅 필터 미디어는 나노알루미나로 코팅된 유리 섬유로 구성된다. 결과는 아래 표 6에 나와 있으며 미립자 및 용해성 납 수준이 모두 실험 과정에서 NSF/ANSI-53 표준에 규정된 최대 허용 수준 미만으로 유지되었음을 보여준다.
표 6: 준비된 필터 미디어를 사용한 납 보유 실험의 결과
19P64/4603
용해성 납
Soluble Lead		 미립자 납
Particulate Lead
Vfiltered (L) L/m2 [Pb] ppb 흐름 속도 ml/mn
Flow rate		 [Pb] ppb 흐름 속도 ml/mn
Flow rate
0.5 288 <5.0 62 <5.0 61
1.5 865 <5.0 58 <5.0 61
2.5 1441 <5.0 50 <5.0 61
4 2306 <5.0 53 <5.0 59
5 2882 <5.0 45 <5.0 59
6 3458 <5.0 45 <5.0 59
7.5 4323 <5.0 45 <5.0 59
9 5187 <5.0 45 <5.0 59
10 5764 <5.0 40 <5.0 59
납 제거 효능이 섬유질 나노알루미나 필터 미디어가 아닌 프리-필터에서 비롯되었음을 입증하기 위해, NSF/ANSI-53 프로토콜에 따라 용해성 납 150ppb를 함유한 용액을 사용하여 각 필터 미디어의 납 제거 성능을 독립적으로 테스트했다. 결과는 나노알루미나 필터 매질("4603")이 빠르게 포화된 반면 실시예 2의 필터 매질("19P64")은 전체 실험 과정에 걸쳐 납을 여과하고 일정하게 유지함을 보여주는 도 2에 도시되어 있다.
실시예 5
나노알루미나-코팅된 필터 미디어는 아래 표 7에 나타낸 성분 및 양에 따라 제조되었다.
표 7: 테스트된 필터 미디어에 사용된 구성 요소 및 양
구성 요소
Component 		중량%
Wt%
알루미노실리케이트 제올라이트 여과 입자(Surfatas SZT)
Aluminosilicate zeolite filtration particle (Surfatas SZT)		 30.9%
섬유 1: Lyocell L-040-6 (피브릴화된 섬유)
Fibre 1: Lyocell L-040-6 (fibrillated fibres)		 4.8%
섬유 2: Trevira T256 (합성 PET 섬유)
Fibre 2: Trevira T256 (Synthetic PET fibres)		 9.7%
섬유 3: Lauscha B-06-F (유리 섬유)
Fibre 3: Lauscha B-06-F (glass fibres) 		14.5%
섬유 4　: Lauscha C-04-F (유리 섬유)
Fibre 4　: Lauscha C-04-F (glass fibres) 		6.8%
나노알루미나
Nanoalumina 		30.0%
Kymene 557H (1% 습식 스트림 첨가제)
Kymene 557H (1% wet stream additive)		 0.5
Lubrizol (Hycar) 26450 Latex (10% 일반 응집용)
Lubrizol (Hycar) 26450 Latex (10% for general cohesion)		 2.9
섬유 성분 및 나노알루미나 시약(알루미늄 분말 및 NaOH 용액)을 펄퍼에 첨가한 후, 혼합물을 교반하면서 약 15-20분 동안 71℃에서 가열하였다. 나노알루미나 형성 반응(NaOH 용액에서 알루미늄 분말의 가수분해)을 완료하기 위해 가열을 중지하고 20분 동안 교반을 유지하였다. 나노알루미나 코팅된 섬유를 여과 입자 및 첨가제와 결합시키고 습식 공정에 의해 필터 미디어를 제조하였다. 필터 미디어는 NSF/ANSI-53을 준수하는지 테스트되었다. 결과는 아래 표 8에 제공된다.
표 8: 제조된 나노알루미나 코팅 필터 미디어를 사용한 납 보유 실험 결과
19P77
용해성 납
Soluble Lead		 미립자 납
Particulate Lead
Vfiltered (L) L/m2 [Pb] ppb 흐름 속도 ml/mn
Flow rate		 [Pb] ppb 흐름 속도 ml/mn
Flow rate
0.5 288 <5.0 61 <5.0 61
1.5 865 <5.0 61 <5.0 61
2.5 1441 <5.0 55 <5.0 55
4 2306 <5.0 50 <5.0 50
5 2882 <5.0 42 <5.0 50
6 3458 <5.0 36 <5.0 50
7.5 4323 <5.0 25 <5.0 50
9 5187 <5.0 25 <5.0 50
10 5764 <5.0 23 <5.0 50
실시예 6
필터 미디어는 알칼리 용액의 처리가 물에 납 불순물을 보유하는 능력을 향상시키는지 측정하기 위해 다양한 알루미노실리케이트 제올라이트를 사용하여 준비되었다. 실시예 3에 기술된 프로토콜에 따라 필터 미디어가 제조되었다. 결과는 도 3 및 도 4에 나타난다.
결과는 SZT 및 SZP 알루미노실리케이트 제올라이트 모두 알칼리 용액으로 처리한 후 높은 수준의 납 보유율을 보인 반면, Alusil은 약 3600mL 후에 포화되어 그 이후에 낮은 납 보유율을 보였다는 것을 나타낸다. Bauxaline과 Zeochem은 눈에 띄는 납 제거를 보여주지 않았으며 pH 수정도 시도하지 않았다. 테스트된 제올라이트의 화학 조성은 아래 표 9에 제공된다.
표 9: 테스트된 제올라이트의 화학적 조성(중량% 값)
　 SZT SZP Alusil Zeochem Bauxaline
Na 2 O 19.068 22.591 6.642 2.723 1.991
MgO 1.791 　 2.577 13.125 2.519
Al 2 O 3 32.720 35.989 19.730 76.051 12.246
SiO 2 37.593 41.272 67.251 3.428 6.881
P 2 O 5 0.012 　 　 2.980 8.152
SO 3 0.038 　 　 0.182 9.038
K 2 O 0.014 　 0.341 1.458 0.245
CaO 0.022 　 3.377 0.005 0.401
TiO 2 8.716 0.132 0.022 0.006 0.097
Fe 2 O 3 0.026 0.017 0.034 0.015 58.078
SrO 　 　 0.026 0.027 0.019
Y 2 O 3 　 　 　 　 0.021
ZrO 2 　 　 　 　 0.288
PbO 　 　 　 　 0.023
결과는 여과 입자에서 Na2O의 존재가 유체에서 중금속 제거를 향상시킨다는 것을 더 설명한다. 특히, Na2O의 존재는 일반적으로 여과 입자가 적어도 5중량%, 바람직하게는 적어도 10중량% Na2O를 포함할 때, 납 보유를 향상시킨다.
본 발명은 아래 단락을 참조하여 더 이해될 수 있다:
1. 여과 입자를 포함하는 필터 미디어에 있어서, 상기 여과 입자는 입자의 중량을 기준으로 15중량% 내지 70중량%의 Al2O3 함량 및 70중량% 미만의 SiO2 함량을 갖는다.
2. 단락 1의 필터 미디어에 있어서, 여과 입자는 20 내지 45중량%, 바람직하게는 30 내지 40중량%의 Al2O3 함량을 갖는다.
3. 단락 1 또는 단락 2의 필터 미디어에 있어서, 여과 입자는 60중량% 미만, 바람직하게는 50중량% 미만의 SiO2함량을 갖는다.
4. 단락 1 내지 3 중 어느 하나의 필터 미디어에 있어서, 여과 입자는 적어도 5중량%, 바람직하게는 적어도 10중량%, 가장 바람직하게는 적어도 15중량% Na2O를 포함한다.
5. 단락 1 내지 4 중 어느 하나의 필터 미디어에 있어서, 여과 입자는 0.6 내지 4, 바람직하게는 0.7 내지 3.5, 보다 바람직하게는 0.8 내지 1.5의 실리콘 대 알루미늄의 질량비(Si/Al)를 갖는다.
6. 단락 1 내지 5 중 어느 하나의 필터 미디어에 있어서, 여과 입자는 0.1 내지 0.9, 바람직하게는 0.4 내지 0.7, 더 바람직하게는 0.5 내지 0.6의 실리콘에 대한 소듐의 질량비(Na/Si)를 갖는다.
7. 단락 1 내지 6 중 어느 하나의 필터 미디어에 있어서, 여과 입자는 0.1 내지 2.0, 바람직하게는 0.3 내지 1.5, 보다 바람직하게는 0.5 내지 1.2의 알루미늄에 대한 소듐의 질량비(Na/Al)를 갖는다.
8. 임의의 전술한 단락의 필터 미디어에 있어서, 여과 입자는 알칼리-처리된 여과 입자이다.
9. 임의의 전술한 단락의 필터 미디어에 있어서, 바람직하게는 셀룰로오스 섬유, 중합체 섬유, 유리 섬유 및 피브릴화된 섬유 중 하나 또는 그 이상으로부터 선택되는 매트릭스 섬유를 더 포함한다.
10. 단락 9의 필터 미디어에 있어서, 셀룰로오스 섬유는 침엽수 섬유, 활엽수 섬유, 식물성 섬유 및 재생 셀룰로오스 섬유 중 하나 또는 그 이상으로부터 선택된다.
11. 단락 9 또는 10 중 어느 한 단락의 필터 미디어에 있어서, 셀룰로오스 섬유는 매트릭스 섬유의 총 중량을 기준으로 5 내지 100중량%, 더 바람직하게는 10 내지 70% 대안적으로 7 내지 20중량% 또는 50 내지 70중량%의 양으로 존재한다.
12. 단락 9 내지 11 중 어느 한 단락의 필터 미디어에 있어서, 셀룰로오스 섬유는 재생 셀룰로오스 섬유이다.
13. 단락 9 내지 12 중 어느 한 단락의 필터 미디어에 있어서, 셀룰로오스 섬유의 적어도 일부는 피브릴화된다.
14. 단락 9의 필터 미디어에 있어서, 유리 섬유는 매트릭스 섬유의 총 중량을 기준으로 5 내지 100중량%, 더 바람직하게는 10 내지 70중량% 또는 대안적으로 7 내지 20중량% 또는 50 내지 70중량%의 양으로 존재한다.
15. 단락 9의 필터 미디어에 있어서, 중합체 섬유는 폴리에스테르 섬유이고 필터 미디어의 총 중량을 기준으로 1 내지 30중량%, 바람직하게는 5 내지 30중량%의 양으로 존재한다.
16. 임의의 전술한 단락의 필터 미디어에 있어서, 여과 입자는 입자의 중량을 기준으로 20중량% 내지 45중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 40중량%의 Al2O3 함량 및 60중량% 미만, 바람직하게는 50중량% 미만의 SiO2 함량을 가지며, 여기서 여과 입자는 적어도 10중량%, 가장 바람직하게는 적어도 15중량% Na2O를 포함하고, 여기서 여과 입자는 0.6 내지 4, 바람직하게는 0.7 내지 3.5, 보다 바람직하게는 0.8 내지 1.5의 실리콘 대 알루미늄의 질량비(Si/Al)를 갖는다.
17. 단락 8의 필터 미디어에 있어서, 여과 입자는 입자의 중량을 기준으로 20중량% 내지 45중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 40w t%의 Al2O3 함량 및 60중량% 미만, 바람직하게는 50중량% 미만의 SiO2 함량을 가지며, 여기서 여과 입자는 적어도 10중량%, 가장 바람직하게는 적어도 15중량% Na2O를 포함하고, 여기서 여과 입자는 0.6 내지 4, 바람직하게는 0.7 내지 3.5, 보다 바람직하게는 0.8 내지 1.5의 실리콘 대 알루미늄의 질량비(Si/Al)를 가지며, 여기서 여과 입자는 알칼리 처리된 여과 입자이다.
18. 단락 9의 필터 미디어에 있어서, 매트릭스 섬유는 적어도 부분적으로 나노알루미나로 코팅된다.
19. 임의의 전술한 단락의 필터 미디어에 있어서, 필터 미디어는 제2 필터 미디어의 프리-필터로서 사용하도록 구성된다.
20. 단락 18의 필터 미디어에 있어서, 여과 입자는 입자의 중량을 기준으로 20중량% 내지 45중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 40중량%의 Al2O3 함량 및 60중량% 미만, 바람직하게는 50중량% 미만의 SiO2 함량을 가지며, 여기서 여과 입자는 적어도 10중량%, 가장 바람직하게는 적어도 15중량% Na2O를 포함하고, 여기서 여과 입자는 0.6 내지 4 바람직하게는 0.7 내지 3.5, 더욱 바람직하게는 0.8 내지 1.5의 실리콘 대 알루미늄의 질량비(Si/Al)를 가지고, 여기서 여과 입자는 알칼리 처리된 여과 입자이며, 필터 미디어는 유리 섬유 및 셀룰로오스 섬유로부터 선택되는 매트릭스 섬유를 포함하고, 유리 섬유 및/또는 셀룰로오스 섬유는 적어도 부분적으로 나노알루미나로 코팅된다.
21. 단락 20의 필터 미디어에 있어서, 제2 필터 미디어의 프리-필터로서 사용하도록 구성된다.
22. 임의의 전술한 단락의 필터 미디어에 있어서, 여기서 여과 입자는 티타늄 함유 성분(TiO2와 같은), 인 함유 성분(P2O5와 같은), 황 함유 성분(SO3와 같은), 칼륨 함유 성분(K2O와 같은), 칼슘 함유 성분(CaO와 같은), 철 함유 성분(FeO, FeO2 또는 Fe2O3와 같은), 스트론튬 함유 성분(SrO와 같은), 이트륨 함유 성분(Y2O3와 같은) 및 지르코늄 함유 성분(ZrO2와 같은)으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 추가 성분을 포함한다.
23. 단락 9 내지 16 또는 18의 필터 미디어에 있어서, 여기서 여과 입자는 20중량% 내지 45중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 40중량%의 Al2O3 함량 및 60중량% 미만,바람직하게는 50중량% 미만의 SiO2 함량을 가지며, 여기서 매트릭스 섬유는 적어도 부분적으로 나노알루미나로 코팅된다.
24. 임의의 전술한 단락의 필터 미디어에 있어서, 여기서 여과 입자는 필터 미디어의 총 중량을 기준으로 5 내지 7중량% , 바람직하게는 10 내지 50중량% , 가장 바람직하게는 20 내지 40중량% 을 구성할 수 있다.
25. 단락 1 내지 24 중 어느 하나의 필터 미디어를 제조하는 방법으로서, 방법은
(a) 입자의 중량을 기준으로 15중량% 내지 70중량%의 Al2O3 함량 및 70중량% 미만의 SiO2 함량을 갖는 여과 입자를 알칼리 용액과 접촉시키는 단계;
(b) 여과 입자를 포함하는 섬유상 슬러리로부터 웨트 레이드 시트를 형성하는 단계; 및
(c) 필터 미디어를 얻도록 시트를 건조시키는 단계;를 포함한다.
26. 단락 25의 방법에 있어서, 섬유상 슬러리는 매트릭스 섬유, 결합제 섬유, 중합체 바인더 및/또는 첨가제 성분을 포함한다.
27. 단락 25 또는 26의 방법에 있어서, 단계 (a) 및 단계 (b)는 동시에 수행된다.
28. 단락 25 또는 26의 방법에 있어서, 단계 (a)는 단계 (b) 전에 수행된다.
29. 문단 26 내지 28 중 어느 한 문단의 방법에 있어서, 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유를 적어도 부분적으로 나노알루미나로 코팅하는 단계를 더 포함한다.
30. 단락 25 또는 28의 방법에 있어서,
(a) 입자의 중량을 기준으로 15중량% 내지 70중량%의 Al2O3 함량 및 70중량% 미만의 SiO2 함량을 갖는 여과 입자를 알칼리 용액과 접촉시키는 단계;
(b) 여과 입자를 포함하는 섬유상 슬러리로부터 웨트 레이드 시트를 형성하는 단계; 및
(c) 필터 미디어를 얻도록 시트를 건조시키는 단계;를 포함하고,
여기서 단계 (a)는 단계 (b) 전에 수행된다.
31. 단락 26 또는 29의 방법에 있어서,
(a1) 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유를 적어도 부분적으로 코팅하도록 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유를 나노알루미나와 접촉시키는 단계; 및
(a2) 섬유상 슬러리를 형성하기 위해 적어도 부분적으로 코팅된 섬유를 여과 입자 및 알칼리 용액과 조합하는 단계;를 더 포함한다.
32. 단락 1 내지 24 중 어느 하나의 필터 미디어를 통해 유체를 통과시키는 것을 포함하는, 유체로부터 중금속을 제거하는 방법.
33. 단락 32의 방법에 있어서, 여기서 중금속은 납이고 유체는 물이다.

Claims (21)

  1. 입자의 중량을 기준으로 15중량% 내지 70중량%의 Al2O3 함량 및 70중량% 미만의 SiO2 함량을 갖는 여과 입자를 포함하고, 여기서 상기 여과 입자는 적어도 5중량% Na2O 를 포함하는,
    필터 미디어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 여과 입자는 20중량% 내지 45중량%, 바람직하게는 30중량% 내지 40중량%의 Al2O3 함량을 갖는,
    필터 미디어.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 여과 입자는 60중량% 미만, 바람직하게는 50중량% 미만의 SiO2 함량을 갖는,
    필터 미디어.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 여과 입자가 적어도 10중량%, 가장 바람직하게는 적어도 15중량% Na2O 를 포함하는,
    필터 미디어.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 여과 입자는 실리콘 대 알루미늄의 질량비(Si/Al)가 0.6 내지 4, 바람직하게는 0.7 내지 3.5, 보다 바람직하게는 0.8 내지 1.5인,
    필터 미디어.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 여과 입자는 알칼리 처리된 여과 입자인,
    필터 미디어.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    매트릭스 섬유, 바람직하게는 셀룰로오스 섬유, 중합체 섬유, 유리 섬유 및 피브릴화된 섬유 중 하나 또는 그 이상으로부터 선택되는 매트릭스 섬유를 더 포함하는,
    필터 미디어.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 매트릭스 섬유는 적어도 부분적으로 나노알루미나로 코팅된 것인,
    필터 미디어.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 필터 미디어의 프리-필터(pre-filter)로서 사용하도록 구성된,
    필터 미디어.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    평균 흐름 기공 크기는 3㎛ 미만, 바람직하게는 2.5㎛ 미만인,
    필터 미디어.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    중력 흐름이 200 s/500mL 미만, 바람직하게는 150 s/500mL 미만인,
    필터 미디어.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    습식 MD 인장 강도(wet MD tensile strength)는 적어도 3 lb/in, 바람직하게는 적어도 5 lb/in, 가장 바람직하게는 적어도 10 lb/in인,
    필터 미디어.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 미디어는 NSF/ANSI 53에 부합하는 것인,
    필터 미디어.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 필터 미디어의 제조 방법으로서,
    상기 방법은
    (a) 입자의 중량을 기준으로 15중량% 내지 70중량%의 Al2O3 함량 및 70중량% 미만의 SiO2 함량을 갖고 적어도 5중량% Na2O 를 포함하는 여과 입자를 알칼리 용액과 접촉시키는 단계;
    (b) 여과 입자를 포함하는 섬유상 슬러리로부터 웨트 레이드 시트를 형성하는 단계; 및
    (c) 필터 미디어를 얻도록 시트를 건조시키는 단계;를 포함하는,
    방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 섬유상 슬러리가 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유를 포함하는,
    방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 (a) 단계와 (b) 단계는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  17. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 상기 (b) 단계 이전에 수행되는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    (a1) 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유를 적어도 부분적으로 코팅하도록 매트릭스 섬유 및/또는 바인더 섬유를 나노알루미나와 접촉시키는 단계; 및
    (a2) 섬유상 슬러리를 형성하기 위해 적어도 부분적으로 코팅된 섬유를 여과 입자 및 알칼리 용액과 조합하는 단계;를 더 포함하는,
    방법.
  19. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 필터 미디어를 통해 유체를 통과시키는 것을 포함하는,
    유체로부터 중금속을 제거하는 방법.
  20. 유체로부터 중금속을 제거하기 위한 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 필터 미디어의 용도.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 필터 미디어는 제2 필터 미디어의 프리-필터로서 사용되는 것인,
    용도.
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