MXPA04001611A - Filtros para agua y proceso para su uso. - Google Patents

Abstract

Se presenta un filtro para proporcionar agua potable. El filtro incluye un alojamiento que tiene una entrada y una salida, un material filtrante dispuesto dentro del alojamiento, el cual esta formado, al menos parcialmente, por una pluralidad de particulas filtrantes. Las particulas filtrantes tienen un punto de carga cero mayor de aproximadamente 7 y la suma de los volumenes de mesoporos y macroporos de la pluralidad de particulas filtrantes es mayor de aproximadamente 0.1 2ml/g.

Description

FILTROS PARA AGUA Y PROCESOS PARA SU USO CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se relaciona con el campo de filtros para agua y los procesos para su uso y, de manera más particular, con el campo de filtros para agua que contienen partículas de carbón activado.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION El agua puede contener diversos tipos de contaminantes, entre los que se incluyen, por ejemplo, materiales particulados, compuestos químicos nocivos y microorganismos como bacterias, parásitos, protozoarios y virus. En varias circunstancias, estos contaminantes deben eliminarse antes de que el agua pueda ser utilizada. Por ejemplo, en muchas aplicaciones médicas y en la fabricación de ciertos componentes electrónicos se requiere de agua extremadamente pura. Un ejemplo mucho más común es que antes de potabilizar el agua, es decir, antes de hacerla adecuada para el consumo, deben eliminarse de ésta cualesquiera contaminantes nocivos. A pesar de los métodos modernos de purificación de agua, la población en general se encuentra en riesgo considerable, en particular los menores y las personas con un sistema inmunitario debilitado. En los EE.UU. y otros países desarrollados, el agua tratada por el municipio normalmente incluye una o más de las siguientes impurezas: sólidos suspendidos, bacterias, parásitos, virus, materia orgánica, metales pesados y cloro. A veces, las fallas y otros problemas en los sistemas de tratamiento de aguas ocasionan que las bacterias y virus no se eliminen por completo. En otros países, existen consecuencias letales asociadas con la exposición al agua contaminada ya que algunos de ellos tienen una densidad de población cada vez mayor, fuentes de agua cada vez más escasas y falta de instalaciones para el tratamiento del agua. Es común que las fuentes de agua potable estén muy próximas a lugares de desechos animales y humanos, por lo que la contaminación microbiológica es un problema sanitario importante. Como resultado de la contaminación microbiológica transportada por el agua, se estima que 6 millones de personas mueren cada año, la mitad de las cuales son menores de 5 años. En el año de 1987, la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU., EPA (Environmental Protection Agency) introdujo la "Guía de normas y protocolos para la prueba de purificadores microbiológicos de agua" (Guide Standard and Protocol for Testing Microbiological Water Purifiers). El protocolo establece los requisitos mínimos con respecto al rendimiento de los sistemas de tratamiento de agua potable diseñados para reducir los contaminantes específicos relacionados con la salud en los sistemas de suministro de agua públicos o privados. Los requisitos son que el efluente que viene de la fuente de suministro de agua muestre un 99.99% (o, en forma equivalente, 4log) de eliminación de virus y 99.9999% (o, en forma equivalente, 6Iog) de eliminación de bacterias con respecto a un desafío. Conforme al protocolo de la EPA, en el caso de los virus, la concentración en el afluente debe ser de 1 x 107 virus por litro y, en el caso de las bacterias, la concentración en el influyente debe ser de 1 x 108 bacterias por litro. Debido a la prevalencia de Escherichia coli (E. coli) en los suministros de agua y a los riesgos asociados con su consumo, este microorganismo se utiliza como la bacteria representativa en la mayoría de los estudios. De forma similar, el bacteriófago MS-2 (o simplemente el fago MS-2) normalmente se usa como el microorganismo representativo para la eliminación de virus debido a que su tamaño y forma (es decir, de aproximadamente 26nm e ¡cosaédrico) son similares a los de muchos virus. De este modo, la capacidad de un filtro para eliminar el bacteriófago MS-2 demuestra su capacidad para eliminar otros virus. Debido a estos requisitos y al interés general en mejorar la calidad del agua potable, existe la constante necesidad de proporcionar materiales filtrantes efectivos capaces de eliminar bacterias o virus del líquido.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION Se presenta un filtro para proporcionar agua potable. El filtro incluye: un alojamiento que tiene una entrada y una salida, un material filtrante dispuesto dentro del alojamiento, el cual está formado, al menos en parte, por una pluralidad de partículas filtrantes. Las partículas de filtrantes tienen un punto de carga cero aproximadamente mayor de 7 y la suma de los volúmenes de mesoporo y macroporo de la pluralidad de partículas filtrantes es aproximadamente mayor de 0.12ml/g.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Aun cuando la especificación concluye con las reivindicaciones que de manera particular señalan y claramente reivindican la presente invención, se cree que la ésta se comprenderá mejor a partir de la siguiente descripción cuando se considere junto con los dibujos anexos, en los cuales: La Figura 1 es una isoterma de adsorción de nitrógeno BET de partículas CA-10 de carbón activado acidas y mesoporosas y de partículas TA4-CA-10 de carbón activado básicas y mesoporosas. La Figura 2 es una distribución del volumen de los mesoporos de las partículas de la Figura 1. La Figura 3 es una gráfica del punto de carga cero de las partículas de la Figura 1. La Figura 4 es una vista lateral de la sección transversal de un filtro de flujo axial fabricado de conformidad con la presente invención. La Figura 5 ¡lustra la concentración de E. coii en el baño en función del tiempo para las partículas filtrantes de la Figura 1.

La ^Figura 6 ilustra la concentración de MS-2 en el baño, en función del tiempo para las partículas filtrantes de la Figura 1.

DESCRIPCION DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS I. Definiciones Como se utilizan aquí, los términos "filtros" y "filtración" se refieren, respectivamente, a estructuras y mecanismos asociados con la eliminación de microorganismos (u otros contaminantes), ya sea por adsorción o exclusión por tamaño. Como se utiliza aquí, la frase "material filtrante" se refiere a un agregado de partículas filtrantes. El agregado de las partículas filtrantes que forman un material filtrante puede ser homogéneo o heterogéneo. Las partículas filtrantes pueden estar distribuidas uniforme o no uniformemente (por ejemplo, en capas de diferentes partículas filtrantes) dentro del material filtrante. Las partículas filtrantes que forman un material filtrante tampoco necesitan ser idénticas en forma o tamaño y pueden suministrarse ya sea en forma suelta o interconectada. Por ejemplo, un material filtrante podría contener partículas de carbón activado mesoporosas y básicas combinadas con fibras de carbón activado; estas partículas filtrantes pueden suministrarse ya sea sueltas o unidas en forma parcial o total por medio de un aglutinante polimérico u otros medios para formar una estructura integrada. Como se utiliza aquí, la frase "partícula filtrante" se refiere a una pieza o miembro individual que se utiliza para formar por lo menos parte de un material filtrante. Por ejemplo, en la presente se considera que cada fibra, gránulo, glóbulo, etc., es una partícula filtrante. Además, las partículas filtrantes pueden ser de tamaños diversos, desde partículas filtrantes impalpables (es decir, un polvo muy fino) hasta partículas filtrantes palpables. Como se utilizan en la presente, los términos "microorganismo", "organismo microbiológico" y "patógeno" se utilizan indistintamente. Estos términos se refieren a los diversos tipos de microorganismos que pueden caracterizarse como bacterias, virus, parásitos, protozoarios y gérmenes. Como se utiliza aquí, la frase "índice de eliminación de bacterias", BRI (Bacterial Removal Index) de las partículas filtrantes se define como: BRI = 100 x [1 - (concentración en el baño de E. co// en equilibrio) / (concentración de control de bacterias E. col¡)], donde la frase "concentración en el baño de E. coli en equilibrio" se refiere a la concentración de bacterias en equilibrio en un baño que contiene una masa de partículas filtrantes que tienen un área superficial externa total de 1400cm2 y un diámetro Sauter medio menor de 55µ??, como se describe posteriormente en forma más completa en este documento. El equilibrio se alcanza cuando la concentración de E. coli medida con una separación temporal de 2 horas, permanece sin cambiar en un intervalo de medio orden de magnitud. La frase "concentración de control de bacterias E. colf se refiere a la concentración de bacterias E. coli en el baño de control y es igual a 3.7 x 109 UFC/L. El diámetro Sauter medio es el diámetro de una partícula cuya proporción de superficie a volumen es igual a la de toda la distribución de partículas. Nótese que el término "UFC/L" significa "unidades formadoras de colonias por litro", término normalmente utilizado para el conteo de E. coli. El índice BRI se mide sin que se apliquen agentes químicos que tengan efectos bactericidas. Una forma equivalente de informar sobre la capacidad de eliminación que tienen las partículas filtrantes es el "índice logarítmico de eliminación de bacterias", BLRI (Bacteria Log Removal Index), el cual se define como: BLRI = - log[1 - (BRI/100)].

El BLRI tiene unidades "log" (en donde "log" significa logaritmo). Por ejemplo, las partículas filtrantes que tienen un BRI de 99.99% tienen un BLRI de 4log. Más adelante se describe un procedimiento de prueba para determinar los valores BRI y BLRI. Como se utiliza aquí, la frase "índice de eliminación de virus", VRI (Virus Removal Index) de las partículas filtrantes se define como: VRI = 100 x [1 - (concentración en el baño de fagos MS-2 en equilibrio )/(concentración de control de fagos MS-2)], en donde la frase "concentración en el baño de fagos MS-2 en equilibrio" se refiere a la concentración de fagos en equilibrio en un baño que contiene una masa de partículas filtrantes que tienen un área superficial externa total de 1400cm2 y un diámetro Sauter medio menor de 55µ??, como se describe posteriormente de manera más completa en este documento. El equilibrio se alcanza cuando la concentración de MS-2, medida con una separación temporal de 2 horas, permanece sin cambios en un intervalo de medio orden de magnitud. La frase "concentración de control de fagos MS-2" se refiere a la concentración de fagos MS-2 en el baño de control y es igual a 2.07 x 109 UFP/L. Obsérvese que el término "UFP/L" significa "unidades formadoras de placa por litro", término normalmente utilizado para el conteo de MS-2. El índice VRI se mide sin la aplicación de agentes químicos con efectos viricidas. Una forma equivalente de reportar la capacidad de eliminación de las partículas filtrantes es el "índice logarítmico de eliminación de virus", VLRI (Viruses Log Removal Index), que se define como: VLRI = - log[100 - (VRI/100)]. El VLRI tiene unidades "log" (en donde "log" significa logaritmo). Por ejemplo, las partículas filtrantes que tienen un VRI de 99.9% tienen un VLRI de 3 log. Más adelante se describe un procedimiento de prueba para determinar los valores VRI y VLRI.

Como se utiliza aquí, la frase "área superficial externa total" se refiere al área superficial geométrica externa total de una o más de las partículas filtrantes, como se describe posteriormente de manera más completa en este documento. Como se utiliza aquí, la frase "área superficial externa específica" se refiere al área superficial externa total por unidad de masa de las partículas filtrantes, como se describe posteriormente de manera más completa en este documento. Como se utiliza aquí, el término "microporo" se refiere a un poro que tiene un ancho o diámetro menor de 2 nanómetros (nm) (o, en forma equivalente, 20Á). Como se utiliza aquí, el término "mesoporo" se refiere a un poro que tiene un ancho o diámetro entre 2nm y 50nm (o, en forma equivalente, entre 20Á y 500Á). Como se utiliza aquí, el término "macroporo" se refiere a un poro que tiene un ancho o diámetro mayor de 50nm (o, en forma equivalente, de 500Á). Como se utiliza aquí, la frase "volumen total de poros" y sus variantes lingüísticas, se refieren al volumen de todos los poros, es decir, microporos, mesoporos y macroporos. El volumen total de poros se calcula como el volumen de nitrógeno adsorbido a una presión relativa de 0.9814, utilizando el método BET (ASTM D 4820 - 99 estándar), un método muy conocido en la técnica.

Como se utiliza aquí, la frase "volumen de microporos" y sus variantes lingüísticas, se refieren al volumen de todos los microporos. El volumen de microporos se calcula a partir del volumen de nitrógeno adsorbido a una presión relativa de 0.15, utilizando el método BET (AST D 4820 - 99 estándar), un método muy conocido en la industria. Como se utiliza aquí, la frase "suma de los volúmenes de mesoporo y macroporo" y sus variantes lingüísticas, se refiere al volumen de todos los mesoporos y los macroporos. La suma de los volúmenes de mesoporos y macroporos es igual a la diferencia entre el volumen total de poros y el volumen de microporos o, en forma equivalente, se calcula a partir de la diferencia entre los volúmenes de nitrógeno adsorbido a las presiones relativas de 0.9814 y 0.15, utilizando el método BET (ASTM D 4820 - 99 estándar), un método muy conocido en la industria. Como se utiliza aquí, la frase "distribución de tamaños de poro en el intervalo de mesoporos", se refiere a la distribución de tamaños de poro calculada usando el método de Barrett, Joyner y Halenda (BJH), un método muy conocido en la industria. Como se utiliza aquí, el término "carbonización" y sus variantes lingüísticas, se refiere a un proceso en el que en una sustancia carbonácea se reducen las especies que no son carbono. Como se utiliza aquí, el término "activación" y sus variantes lingüísticas, se refiere a un proceso por el cual una sustancia carbonizada se hace más porosa.

Como se utiliza aquí, el término partículas "activadas" y sus variantes lingüísticas, se refiere a las partículas que se han sometido a un proceso de activación. Como se utiliza aquí, la frase "punto de carga cero" se refiere al valor de pH por arriba del cual toda la superficie de las partículas de carbono se carga en forma negativa. Más adelante se expone un procedimiento de prueba muy conocido para determinar el punto de carga cero. Como se utiliza aquí, el término "básica(s)" se refiere a partículas filtrantes que tienen un punto de carga cero mayor de 7. Como se utiliza aquí, el término "ácida(s)" se refiere a partículas filtrantes que tienen un punto de carga cero menor de 7. Como se utiliza aquí, la frase "partícula filtrante de carbón activado básica y mesoporosa" se refiere a una partícula filtrante de carbón activado que tiene una pluralidad de mesoporos y un punto de carga cero mayor de 7. Como se utiliza aquí, la frase "partícula filtrante de carbón activado acida y mesoporosa" se refiere a una partícula filtrante de carbón activado que tiene una pluralidad de mesoporos y un punto de carga cero menor de 7. Como se utiliza aquí, la frase "agente de conversión" se refiere a un agente que, en un material, reduce el número de grupos funcionales que contienen oxígeno o aumenta el número de grupos funcionales que contienen nitrógeno.

II. Partículas filtrantes de carbón activado básicas y mesoporosas En forma sorpresiva se ha descubierto que las partículas de carbón activado mesoporosas y básicas adsorben un mayor número de microorganismos en comparación con los que adsorben las partículas de carbón activado que son mesoporosas pero ácidas. Aunque no se desea estar limitados por ninguna teoría, los solicitantes mantienen la hipótesis de que: 1) el gran número de mesoporos o macroporos proporciona sitios de adsorción más convenientes para los agentes patógenos, su fimbria y los polímeros superficiales (por ejemplo, proteínas, lipopolisacáridos, oligosacáridos y polisacáridos) que constituyen las membranas exteriores, cápsides y envolturas de los agentes patógenos; y 2) las superficies de carbón activado básicas contienen los tipos de grupos funcionales que son necesarios para atraer un número mayor de microorganismos en comparación con los que se encuentran en una superficie de carbón ácida. Este aumento de la adsorción en las superficies de carbón básicas y mesoporosas podría atribuirse al hecho de que el tamaño típico de la fimbria y los polímeros superficiales es similar al de mesoporos y macroporos y a que la superficie básica del carbón atrae los grupos funcionales y microorganismos que normalmente tienen una carga superficial negativa. Las partículas filtrantes pueden tener una diversidad de formas y tamaños. Por ejemplo, las partículas filtrantes pueden tener una forma sencilla, como gránulo, fibra y glóbulo. Las partículas filtrantes pueden tener forma de esfera, poliedro y cilindro, así como forma simétrica, asimétrica e irregular. Además, a las partículas filtrantes también se les puede dar una forma compleja, como tramas, tamices, mallas, telas tejidas y no tejidas, y bloques unidos, que pueden formarse o no a partir de las formas sencillas antes descritas. Al igual que al forma, el tamaño de la partícula filtrante también puede variar y no es necesario que sea uniforme entre las partículas filtrantes utilizadas en cualquier filtro individual. De hecho, puede ser deseable ofrecer en un solo filtro partículas filtrantes que tengan diferente tamaño. Por lo general, el tamaño de las partículas filtrantes está, en orden ascendente de preferencia, aproximadamente entre 0.1 µ?? y 10mm, aproximadamente entre 0.2µ?t) y 5mm, aproximadamente entre 0.4µ?? y 1mm, y aproximadamente entre ^m y 500µ??. Para las partículas esféricas y cilindricas (por ejemplo, glóbulos, fibras, etc.), las dimensiones anteriormente descritas se refieren al diámetro de las partículas filtrantes. Para las partículas de carbón activado básicas y mesoporosas que prácticamente tienen diferente forma, las dimensiones antes descritas se refieren a la dimensión mayor (por ejemplo, largo, ancho o altura). Las partículas filtrantes pueden fabricarse a partir de cualquier precursor que genere mesoporos y macroporos durante la carbonización y activación. Por ejemplo, y no en forma restrictiva, las partículas filtrantes pueden ser partículas de carbón activado de madera, partículas de carbón activado de hulla, partículas de carbón activado de turba, partículas de carbón activado de brea, partículas de carbón activado de alquitrán y mezclas de las mismas. El carbón activado puede mostrar propiedades ácidas o básicas. Las propiedades ácidas están asociadas con funcionalidades o grupos funcionales que contienen oxígeno, como son, entre otros, fenoles, carboxilos, lactonas, hidroquinonas, anhídridos y cetonas. Las propiedades básicas están asociadas con funcionalidades como piranas, crómenos, éteres, carbonilos, así como con electrones p del plano basal. La acidez o alcalinidad de las partículas de carbón activado se determina con la técnica del "punto de carga cero"; ver Newcombe, G. y col., Colloids and Suríaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 78: 65-71 (1993), el contenido de la cual se considera incorporado en la presente como referencia. Esta técnica se describe además en la sección IV que aparece más adelante en este documento. Las partículas filtrantes de la presente invención tienen un "punto de carga cero", en orden ascendente de preferencia, mayor de 7, mayor de aproximadamente 8, mayor de aproximadamente 9 y aproximadamente entre 9 y 12. Después de la carbonización y activación, las partículas de carbón activado ácidas y mesoporosas pueden volverse básicas al someterlas a un tratamiento en horno. Las condiciones de tratamiento incluyen: temperatura, tiempo, atmósfera y exposición al agente de conversión. El agente de conversión puede suministrarse en forma de un pretratamiento con líquido o gas o que forma parte de la atmósfera del homo. Por ejemplo, el agente de conversión puede ser un líquido que contenga nitrógeno, por ejemplo, en forma enunciativa, urea, metilamina, dimetilamina, trietilamina, piridina, pirolidina, etilendiamina, dietilentriamina, acetonitrilo y dimetilformamida. El líquido que contiene nitrógeno puede colocarse como recubrimiento o impregnarse en las partículas filtrantes antes de colocarlas en el horno. La atmósfera del horno también podría contener nitrógeno, gases inertes, gases reductores o los agentes de conversión anteriormente descritos. La temperatura de tratamiento, cuando las partículas de carbono no contienen ningún catalizador de metales nobles (por ejemplo, platino, oro, paladio), está en los siguientes intervalos aproximados, en orden ascendente de preferencia: entre 600°C y 1 ,200°C, entre 700°C y 1 ,100°C, entre 800°C y 1 ,050°C y entre 900°C y 1 ,000°C. Si las partículas de carbono contienen catalizadores de metal noble, la temperatura de tratamiento estará en los siguientes intervalos aproximados, en orden ascendente de preferencia: entre 100°C y 800°C, entre 200°C y 700°C, entre 300°C y 600°C y entre 350°C y 550°C. El tiempo aproximado de tratamiento está, en orden ascendente de preferencia, entre 2 minutos y 10 horas, entre 5 minutos y 8 horas, entre 10 minutos y 7 horas y entre 20 minutos y 6 horas. La atmósfera de tratamiento incluye los gases: amoníaco, hidrógeno o monóxido de carbono. El régimen de flujo de gas está aproximadamente entre 0.25L estándar/h.g (es decir, litros estándar por hora y gramo de carbono; 0.009 pies3/h.g) y 60L estándar/h.g (2.1 pies3 estándar/h.g), de preferencia aproximadamente entre 0.5L estándar/h.g (0.018 pies3 estándar/h.g) y 30L estándar/h.g (1.06 pies3 estándar/h.g), con mayor preferencia, aproximadamente entre 1.0L estándar/h.g (0.035 pies3 estándar/h.g) y 20L estándar/h.g (0.7 pies3 estándar/h.g) y, con la máxima preferencia, aproximadamente entre 5L estándar/h.g (0.18 pies3 estándar/h.g) y 10L estándar/h.g (0.35 pies3 estándar/h.g). Como se apreciará, se pueden emplear otros procesos para producir un material filtrante de carbón activado básico y mesoporoso. Para caracterizar la estructura de los poros de las partículas de carbón activado básicas y mesoporosas se puede utilizar el área superficial específica de Brunauer, Emmett y Teller (BET) y la distribución de tamaños de poro de Barrett, Joyner y Halenda (BJH). De preferencia, el área superficial específica de BET de las partículas filtrantes está, en orden ascendente de preferencia, aproximadamente entre 500m2/g y 3,000m2/g, aproximadamente entre 600m2/g y 2,800m2/g, aproximadamente entre 800 m2/g y 2,500 m2/g y aproximadamente entre 1 ,000m2/g y 2,000m2/g. Haciendo referencia a la Figura 1 , se ¡lustra una isoterma típica de adsorción de nitrógeno, utilizando el método de BET, de un carbón activado mesoporoso y básico obtenido de madera (TA4-CA-10), y de un carbón activado mesoporoso y ácido obtenido de madera (CA-10). El volumen total de poros de las partículas de carbón activado mesoporosas y básicas se mide durante la adsorción de nitrógeno de BET y se calcula como el volumen de nitrógeno adsorbido a una presión relativa, P/Po, de 0.9814. De manera más específica, y como bien se conoce en la técnica, el volumen total de poros se calcula multiplicando el "volumen de nitrógeno adsorbido en mi (STP)/g", a una presión relativa de 0.9814, por el factor de conversión 0.00156, que convierte en líquido el volumen de nitrógeno a presión y temperatura estándar STP (standard temperature and pressure). El volumen total de poros de las partículas de carbón activado mesoporosas y básicas es mayor de aproximadamente 0.4ml/g o mayor de aproximadamente 0.7ml/g o mayor de aproximadamente 1.3ml/g o mayor de aproximadamente 2 ml/g o menor de aproximadamente 3ml/g o menor de aproximadamente 2.6 ml/g o menor de aproximadamente 2ml/g o menor de aproximadamente 1.5ml/g. La suma de volúmenes de mesoporos y macroporos se mide durante la adsorción de nitrógeno de BET y se calcula como la diferencia entre el volumen total de poros y el volumen de nitrógeno adsorbido a una P/Po de 0.15. La suma de los volúmenes de mesoporos y macroporos de las partículas de carbón activado mesoporosas y básicas es mayor de aproximadamente 0.12ml/g o mayor de aproximadamente 0.2ml/g o mayor de aproximadamente 0.4ml/g o mayor de aproximadamente 0.6ml/g o mayor de aproximadamente 0.75ml/g o menor de aproximadamente 2.2ml/g o menor de aproximadamente 2ml/g o menor de aproximadamente 1 .5ml/g o menor de aproximadamente 1.2ml/g o menor de aproximadamente 1ml/g. La distribución de tamaños de poro de BJH puede medirse utilizando el método de Barrett, Joyner y Halenda (BJH), que se describe en J. Amer. Chem. Soc, 73: 373-80 (1951 ) y en Gregg y Sing, ADSORPTION, SURFACE AREA, AND POROSITY, 2a edición, Academic Press, Nueva York (1982), el contenido de los cuales se considera incorporado en la presente por su sola mención. En una modalidad, el volumen de poro es de al menos aproximadamente 0.01 ml/g para cualquier diámetro de poro aproximadamente entre 4nm y 6nm. En una modalidad alterna, el volumen de poro está aproximadamente entre 0.01 ml/g y 0.04ml/g para cualquier diámetro de poro aproximadamente entre 4nm y 6nm. En otra modalidad adicional, el volumen de poro es aproximadamente de 0.03ml/g para diámetros de poro aproximadamente entre 4nm y 6nm o está aproximadamente entre 0.03ml/g y 0.06ml/g. En una modalidad preferida, el volumen de poro está aproximadamente entre 0.015ml/g y 0.06ml/g para diámetros de poro aproximadamente entre 4nm y 6nm. La Figura 2 ilustra distribuciones típicas de volumen de mesoporo, calculadas con el método de BJH, de un carbón activado de madera mesoporoso y básico (TA4-CA-10) y un carbón activado de madera mesoporoso y básico (CA-10). La proporción de la suma de volúmenes de mesoporos y macroporos al volumen total de poros es mayor de 0.3, aproximadamente; de preferencia está aproximadamente entre 0.4 y 0.9, con mayor preferencia, aproximadamente entre 0.5 y 0.8 y, con la máxima preferencia, aproximadamente entre 0.6 y 0.7. El área superficial externa total se calcula multiplicando el área superficial externa específica por la masa de las partículas filtrantes y está basada en las dimensiones de las partículas filtrantes. Por ejemplo, el área superficial externa específica de fibras monodispersas (es decir, con diámetro uniforme) se calcula como la proporción del área de las fibras (sin contar las dos áreas transversales de los extremos de las fibras) con respecto al peso de las fibras De este modo, el área superficial extema específica de las fibras es igual a 4/Dp , en donde D es el diámetro y p la densidad de la fibra. Para las partículas esféricas monodispersas, cálculos similares hacen que el área superficial externa específica sea igual a 6/Dp , en donde D es el diámetro y p la densidad de la partícula. Para fibras polidispersas y partículas esféricas o irregulares, el área superficial externa específica se calcula utilizando las mismas fórmulas respectivas anteriores después de sustituir D3 2 por D , en donde D3 2 es el diámetro medio de Sauter, es decir, el diámetro de una partícula cuya proporción de superficie a volumen es igual a la de toda la distribución de partículas. Un método que se conoce bien en la industria para medir el diámetro medio de Sauter es mediante la difracción de la radiación láser, por ejemplo, usando el equipo Malvern (Malvern Instruments Ltd. de Malvern, Reino Unido). El área superficial externa específica de las partículas filtrantes está, en orden ascendente de preferencia, aproximadamente entre 10cm2/g y 100,000cm2/g, aproximadamente entre 50cm /g y 50,000cm2/g, aproximadamente entre 100cm2/g y 10,000cm2/g, y aproximadamente entre 500cm2/g y 5,000cm /g. El BRI de las partículas de carbón activado básicas y mesoporosas, cuando se mide de conformidad con el procedimiento de prueba semidiscontinuo o por lotes expuesto en este documento, es, en orden ascendente de preferencia, mayor de 99%, mayor de 99.9%, mayor de 99.99% y mayor de 99.999%. De manera equivalente, el BLRI de las partículas de carbón activado básicas y mesoporosas es mayor de aproximadamente 2log, de preferencia, mayor de aproximadamente 3log, con mayor preferencia, mayor de aproximadamente 4log y, con la máxima preferencia, mayor de aproximadamente 5log. El VRI de las partículas de carbón activado básicas y mesoporosas, cuando se mide de conformidad con el procedimiento de prueba por lotes expuesto en este documento, es, en orden ascendente de preferencia, aproximadamente mayor de 90%, mayor de 95%, mayor de 99% y mayor de 99.9%. De manera equivalente, el VLRI de las partículas de carbón activado básicas y mesoporosas es mayor de aproximadamente 1log, de preferencia, mayor de aproximadamente 1.3log, con mayor preferencia, mayor de aproximadamente 2log y, con la máxima preferencia, mayor de aproximadamente 3log. En una modalidad preferida de la presente invención, las partículas filtrantes comprenden partículas de carbón activado básicas y mesoporosas que son partículas de carbón activado de madera. Estas partículas tienen un área superficial específica de BET aproximada entre 1 ,000m2/g y 2,000m2/g, un volumen total de poros aproximado entre 0.8ml/g y 2ml/g y la suma de volúmenes de mesoporos y macroporos está aproximadamente entre 0.4ml/g y 1.5ml/g. En otra modalidad preferida de la presente invención, las partículas filtrantes comprenden partículas de carbón activado básicas y mesoporosas que inicialmente eran ácidas y se volvieron básicas con tratamiento en atmósfera de amoníaco. Estas partículas son partículas de carbón activado de madera. La temperatura de tratamiento está aproximadamente entre 925°C y 1 ,000°C, el régimen de flujo de amoníaco está aproximadamente entre 1L estándar/h.g y 20L estándar/h.g, y el tiempo de tratamiento está aproximadamente entre 10 minutos y 7 horas. Estas partículas tienen un área superficial específica de BET aproximada entre 800m2/g y 2,500m2/g, un volumen total de poros aproximado entre 0.7ml/g y 2.5ml/g, y la suma de volúmenes de mesoporos y macroporos está aproximadamente entre 0.21 ml/g y 1.7ml/g. A continuación se presenta un ejemplo no restrictivo de un carbón activado ácido que se convierte en un carbón activado básico.

EJEMPLO 1 Conversión de un carbón activado ácido y mesoporoso Carbón activado básico y mesoporoso 2kg de partículas de carbón activado ácidas y mesoporosas de madera CARBOCHEM® CA-10 de Carbochem, Inc. de Ardmore, PA, se colocan en la banda de un horno modelo BAC-M fabricado por C. I. Hayes, Inc. de Cranston, Rl. La temperatura del horno se fija en 950°C, el tiempo de tratamiento es de 4 horas y la atmósfera es amoníaco disociado que fluye con un régimen de flujo volumétrico de 12.800L estándar/h (es decir, 450 pies3 estándar/h, o en forma equivalente, 6.4L estándar/h.g). A las partículas de carbón tratadas se les conoce como TA4-CA-10 y su isoterma de BET y su análisis de distribución de volumen de mesoporos y de punto de carga cero se ilustran en las Figuras 1 , 2 y 3, respectivamente.

III. Filtros de la presente invención Con referencia a la Figura 4, a continuación se describe un filtro ilustrativo fabricado de conformidad con la presente invención. El filtro 20 comprende un alojamiento 22 en forma de cilindro que tiene una entrada 24 y una salida 26. El alojamiento 22 se suministra en diversas formas, tamaños y arreglos, dependiendo del uso al que se destine el filtro, de conformidad con lo que se conoce en la industria. Por ejemplo, el filtro puede ser un filtro de flujo axial en donde la entrada y la salida están dispuestas de manera que el líquido fluya a lo largo del eje del alojamiento. Alternativamente, el filtro puede ser un filtro de flujo radial en donde la salida y la entrada están dispuestas de manera que el fluido (por ejemplo, ya sea líquido, gas o mezclas de los mismos) fluya a lo largo de un eje radial del alojamiento. Más aún, el filtro puede incluir flujos tanto axiales como radiales. El alojamiento también puede conformarse como parte de otra estructura, sin apartarse del alcance de la presente invención. Aunque los filtros de la presente invención son particularmente adecuados para usarse con agua, se apreciará que se pueden usar otros fluidos (por ejemplo, aire, gas y mezclas de aire y líquidos). De esta forma, se pretende que el filtro 20 represente un filtro genérico para líquido o gas. El tamaño, forma, separación, alineación y ubicación de la entrada 24 y la salida 26 puede seleccionarse, como se conoce en la industria, para adaptarse al régimen de flujo y al uso previsto del filtro 20. De preferencia, el filtro 20 está configurado para utilizarse en aplicaciones de agua potable para uso residencial o comercial. Ejemplos de configuraciones de filtro, dispositivos para agua potable, aparatos para el hogar y otros dispositivos para la filtración de agua que resulten adecuados para usarlos con la presente invención se describen en las patentes de los EE.UU. núms. 5,527,451 ; 5,536,394; 5,709,794; 5,882,507; 6,103,114; 4,969,996; 5,431 ,813; 6,214,224; 5,957,034; 6,145,670; 6,120,685; y 6,241 ,899, el contenido de las cuales se considera incorporado en la presente por su sola mención. Para aplicaciones de agua potable, el filtro 20 está configurado, de preferencia, para recibir un régimen de flujo menor de aproximadamente 8L/min, menor de aproximadamente 6L/min o aproximadamente entre 2L/min y 4L/min y contiene menos de aproximadamente 2kg de material filtrante o menos de 1 kg de material filtrante o menos de 0.5kg de material filtrante. El filtro 20 también comprende un material filtrante 28, en donde este material incluye una o más partículas filtrantes (por ejemplo, fibras, gránulos, etc.). Una o más de las partículas filtrantes pueden ser partículas de carbón activado básicas y mesoporosas y tienen las características que se describieron anteriormente. El material filtrante también puede comprenden partículas formadas a partir de otros materiales, por ejemplo, de polvos de carbón activado, gránulos de carbón activado, fibras de carbón activado, zeolitas y mezclas de los mismos. Como se ha descrito en lo anterior, el material filtrante puede suministrarse ya sea en forma suelta o interconectada (por ejemplo, unido parcial o totalmente mediante un aglutinante polimérico u otros medios para formar una estructura integrada).

IV. Procedimientos de prueba Los siguientes procedimientos de prueba se utilizan para calcular los valores de: punto de carga cero, BET, BRI/BLRI y VRI/VLRI que se han mencionado en la presente. Aunque la medición de los valores BRI/BLRI y VRI/VLRI es con respecto a un medio acuoso, esto no pretende limitar el uso final de los materiales filtrantes de la presente invención, sino más bien los materiales filtrantes puedan usarse finalmente con otros fluidos, como se mencionó previamente, aun cuando los valores BLI/BLRI y VRI/VLRI se calculen con respecto a un medio acuoso. Además, los materiales filtrantes seleccionados a continuación para ilustrar el uso de los procedimientos de prueba no tienen como objetivo limitar el alcance de la fabricación o composición de los materiales filtrantes de la presente invención ni limitar qué materiales de la presente invención se pueden evaluar utilizando estos procedimientos.

Procedimiento de prueba para BET El área superficial específica de BET y la distribución de volúmenes de poro se miden utilizando una técnica de adsorción de nitrógeno, como la que se describe en ASTM D 4820-99 mediante la adsorción de nitrógeno en varios puntos, a 77K con un Analizador de tamaño de poro y área superficial de la serie Coulter SA3100 de Coulter Corp. de iami, FL. Este método también puede proporcionar los volúmenes de microporos, mesoporos y macroporos. Para las partículas filtrantes TA4-CA-10 del Ejemplo 1 , el área de BET es 1,038m2/g, el volumen de microporos es 0.43ml/g y la suma de los volúmenes de mesoporos y macroporos es 0.48ml/g. Obsérvese que los valores respectivos de la materia prima CA-10 son: 1 ,309m2/g, 0.54ml/g y 0.67ml/g. La isoterma de nitrógeno de BET y distribución de volumen de mesoporos típicas del material filtrante del Ejemplo 1 se ilustran en las Figuras 1 y 2, respectivamente. Como se apreciará, las mediciones BET pueden realizarse con instrumentos sustitutos, como se conoce en la industria.

Procedimiento de prueba para el punto de carga cero Se preparó una solución acuosa de KCI 0.010 a partir de KCI grado reactivo y agua recientemente destilada en atmósfera de gas argón. El agua utilizada para la destilación se desioniza mediante un tratamiento secuencial de osmosis inversa e intercambio iónico. Un volumen de 25.0 mi de la solución acuosa de KCI se transfiere a seis matraces de 125 mi, cada uno con un tapón de vidrio esmerilado de 24/40. A cada matraz se añaden cantidades, en microlitros, de soluciones acuosas de HCI o NaOH, de manera que el pH varíe entre 2 y 12. El pH de cada matraz se registra entonces utilizando un medidor de pH Orion modelo 420A con un electrodo Orion modelo 9107BN Triode Combination pH/ATC fabricado por Thermo Orion Inc. de Beverly, MA; a este pH se le llama "pH inicial". A cada uno de los seis matraces se añaden 0.0750 + 0.001 Og de partículas de carbón y las suspensiones acuosas se agitan (aproximadamente a 150rpm) mientras se mantienen tapados durante 24 horas a temperatura ambiente antes de registrar el "pH final". La Figura 3 muestra los valores de pH inicial y final para los experimentos efectuados con los materiales de carbón activado CA-10 y TA4-CA-10. El punto de carga cero para los materiales CA-10 y TA4-CA-10 es aproximadamente de 4.7 y 10, respectivamente. Como se apreciará, este procedimiento de prueba puede realizarse con otra instrumentación, como se conoce en la industria.

Procedimiento de prueba para BRI/BLRI Se utilizó un probador de tarro programable PB-900™ fabricado por Phipps & Bird, Inc. de Richmomd, VA, con 2 o más vasos de vidrio Pyrex® (dependiendo de la cantidad de materiales probados). El diámetro de los vasos es de 1 1.4cm (4.5") y la altura de 15.3cm (6"). Cada vaso contiene 500ml de agua del grifo libre de cloro suministrada por el municipio contaminada con E. coli, así como un agitador que se hace girar a 60rpm. Los agitadores son paletas de acero inoxidable de 7.6cm (3") de longitud, 2.54cm (1 ") de altura y 0.24cm (3/32") de grosor. Los agitadores se colocan a 0.5cm (3/16") del fondo de los vasos. El primer vaso no contiene material filtrante y se utiliza como control y los otros vasos contienen una cantidad suficiente de materiales filtrantes que tienen un diámetro Sauter medio menor de ddµ??, de manera que el área superficial geométrica externa total de los materiales en los vasos sea de 1400cm2. Este diámetro Sauter medio se obtiene: a) tamizando muestras que tienen una amplia distribución de tamaños y un mayor diámetro Sauter medio; o b) reduciendo el tamaño de las partículas filtrantes (por ejemplo, si las partículas filtrantes son mayores de 55µ?? o si el material filtrante está en forma integrada o unida) por medio de cualquiera de las técnicas de reducción de tamaño que los expertos en la industria conocen bien. Por ejemplo, y en forma no restrictiva, las técnicas de reducción de tamaño son trituración, molienda y pulverización. El equipo comúnmente utilizado para la reducción de tamaño incluye trituradoras de quijada, trituradoras giratorias, trituradoras de rodillos, desmenuzadores, molinos de impacto para trabajo pesado, molinos de medios y molinos de energía de fluido, tales como los de chorro centrífugo, chorro opuesto o chorro con yunque. La reducción de tamaño puede utilizarse en partículas filtrantes sueltas o unidas. Antes de realizar esta prueba, debe eliminarse todo recubrimiento biocida de las partículas o del material filtrante. De manera alternativa, en esta prueba las partículas pueden ser sustituidas por partículas filtrantes no recubiertas. De cada vaso se recolectan muestras de agua por duplicado, cada una con un volumen de 5ml, para analizarlas en diversos momentos después de introducir en los vasos las partículas filtrantes, hasta que en los vasos que contienen las partículas filtrantes se alcanza el equilibrio. Los tiempos de muestra típicos son: 0, 2, 4 y 6 horas. Como se conoce en la industria, el equipo puede ser sustituido por otro. Las cepas de £. coli usadas son ATCC núm. 25922 (de American Type Culture Coilection, Rockville, MD). La concentración objetivo de E. coli en los vasos de control se ajusta para que sea de 3.7 x 109. La evaluación de E. coli puede llevarse a cabo utilizando la técnica del filtro de membrana, de conformidad con el método núm. 9222 de la 20a' Edición de "Standard Methods for the Exammation of Water and Wastewater" (Métodos estándar para el análisis de agua y aguas residuales) publicado por la Asociación Americana de Salud Pública (American Public Health Association o APHA), Washington, DC. El límite de detección LOD (limit of detection) es 1 x 103 UFC/L. Los resultados de BRI/BLRI ilustrativos de los materiales filtrantes del Ejemplo 1 se muestran en la Figura 5. La cantidad del material CA-10 de carbón activado ácido y mesoporoso es de 0.75g y la del material TA40-CA-10 de carbón activado básico y mesoporoso es de 0.89g. Ambas cantidades corresponden a un área superficial extema de 1 ,400cm2. La concentración de E. coli en los vasos de control es 3.7 x 109 UFC/L. Las concentraciones de E. coli en los vasos que contienen las muestras de CA-10 y TA4-CA-10 alcanzan el equilibrio en 6 horas y sus valores son 2.1 x 106 UFC/L y 1.5 x 104 UFC/L, respectivamente. A continuación se calcularon los BRI correspondientes, los cuales fueron de 99.94% y 99.9996%, y los BLRI que fueron de 3.2log y 5.4log.

Procedimiento de prueba para VRI VLRI El equipo de prueba y el procedimiento son los mismos que los empleados en el procedimiento para BRI/BLRI. El primer vaso no contiene material filtrante y se utiliza como control; los demás vasos contienen una cantidad suficiente de materiales filtrantes que tienen un diámetro Sauter medio menor de 55µ??, de manera que en los vasos hay un área superficial geométrica externa total de 1400cm2. Antes de realizar esta prueba debe eliminarse todo recubrimiento biocida que cubra las partículas o el material filtrante. De manera alternativa, en esta prueba se pueden usar, como sustitutos, partículas filtrantes o material filtrante que no estén recubiertos. Los bacteriófagos MS-2 utilizados son el ATCC núm. 15597B de la American Type Culture Collection de Rockville, D. La concentración objetivo de MS-2 en el vaso de control se ajusta para que sea de 2.07 x 109 UFP/L. El MS-2 puede valorarse según el procedimiento de C. J. Hurst, Appl. Environ. Microbio!., 60(9): 3462 (1994). Estas evaluaciones pueden ser sustituidas por otras conocidas en la industria. El límite de detección, LOD (limit of detection) es de 1 x 103 UFP/L. Los resultados ilustrativos de VRI/VLRI en los materiales filtrantes del Ejemplo 1 se muestran en la Figura 6. La cantidad del material CA-10 de carbón activado ácido y mesoporoso es de 0.75g y la del material TA40-CA-10 de carbón activado básico y mesoporoso es de 0.89g. Ambas cantidades corresponden a un área superficial externa de 1 ,400cm2. La concentración de MS-2 en el vaso de control es de 2.07 x 109 UFC/L. Las concentraciones de MS-2 en los vasos que contienen las muestras CA-10 y TA4-CA-10 alcanzan el equilibrio en 6 horas y sus valores son 1.3 x 106 UFP/L y 5.7 x 104 UFP/L, respectivamente. En seguida se calcularon los VRI correspondientes, los cuales fueron de 99.94% y 99.997%, y los VLRI que fueron de 3.2log y 4.5log.

Las modalidades descritas en la presente se seleccionaron y describieron a fin de ilustrar mejor los principios de la invención y su aplicación práctica, para permitir así que alguien con habilidad ordinaria en la técnica utilice la invención en sus diversas modalidades y con sus diversas modificaciones, según se adapten al uso particular contemplado. Todas estas modificaciones y variaciones están dentro del alcance de la invención, como se determina en las reivindicaciones anexas cuando se interpretan de acuerdo con el alcance al cual tienen derecho de manera justa, legal y equitativa.

Claims (10)

32 NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1. Un filtro para proporcionar agua potable, el cual comprende un alojamiento (22) que tiene una entrada (24), una salida (26) y un material filtrante (28) dispuesto dentro del alojamiento (22), caracterizado porque el material filtrante (28) está formado, al menos parcialmente, por una pluralidad de partículas filtrantes que tienen un punto de carga cero mayor de 7 y la suma de los volúmenes de mesoporos y macroporos de esta pluralidad de partículas filtrantes es mayor de 0.12ml/g.

2. El filtro de conformidad con la Reivindicación 1 , caracterizado además porque la suma de los volúmenes de mesoporos y macroporos de la pluralidad de partículas filtrantes está aproximadamente entre 0.2ml/g y 2ml/g.

3. El filtro de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la pluralidad de partículas filtrantes tiene un punto de carga cero aproximadamente entre 9 y 12.

4. El filtro de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la proporción de la suma de los volúmenes de mesoporos y macroporos de las partículas 33 filtrantes al volumen total de poros de las partículas filtrantes es mayor de aproximadamente 0.3.

5. El filtro de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la pluralidad de partículas filtrantes se selecciona del grupo que consta de partículas de carbón activado de madera, partículas de carbón activado de hulla, partículas de carbón activado de turba, partículas de carbón activado de brea, partículas de carbón activado de alquitrán y mezclas de las mismas.

6. El filtro de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la pluralidad de las partículas filtrantes tiene un BRI mayor de 99.99%, aproximadamente.

7. El filtro de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque la pluralidad de partículas filtrantes tiene un VRI mayor de 99%, aproximadamente.

8. Un proceso para proporcionar agua potable, el cual comprende las etapas de: proporcionar un material filtrante (28) formado, al menos parcialmente, por una pluralidad de partículas filtrantes que tienen un punto de carga cero mayor de aproximadamente 7; y la suma de los volúmenes de mesoporos y macroporos de la pluralidad de partículas filtrantes es mayor de aproximadamente 0.12ml/g; hacer pasar agua a través del material filtrante; y eliminar los microorganismos del agua.

9. El proceso de conformidad con la Reivindicación 8, caracterizado además porque la pluralidad de partículas filtrantes tiene un 34 punto de carga cero aproximadamente entre 9 y 12.

10. El proceso de conformidad con la reivindicación 8 ó 9, caracterizado además porque la pluralidad de partículas filtrantes se selecciona del grupo que consta de partículas de carbón activado de madera, partículas de carbón activado de hulla, partículas de carbón activado de turba, partículas de carbón activado de brea, partículas de carbón activado de alquitrán y mezclas de las mismas.