活性炭颗粒和颗粒表面上碳纳米丝的过滤材料的水过滤器(上)

发明领域
本发明涉及水过滤器，具体地讲涉及使用包含活性炭颗粒和颗粒表面上碳纳米丝的过滤材料的水过滤器，以及制造和使用这种水过滤器的方法。更具体地讲，所述水过滤器旨在通过从水流中除去污染物来提供饮用水。
发明背景
水可包含很多不同种类的污染物，包括例如颗粒、有害化学物质和微生物有机体如细菌、寄生虫、原生动物和病毒。在很多情况下，必须要将这些污染物除去后水才能够使用。例如，在许多医疗应用领域和在某些电子元件的制造过程中，需要使用高度纯净的水。另外一个更为普遍的实施例是，在水可饮用(即适于饮用)之前，必须将任何有害污染物从水中除去。尽管已有现代化的水净化方法，但对于普通人而言仍存在风险，对于婴儿和免疫系统受损的人尤其具有相当大的风险。
在美国和其它发达国家中，市政处理水典型包括各种含量的一种或多种以下杂质：悬浮固体、化学污染物，如有机物以及重金属；和微生物污染物，如细菌、寄生虫和病毒。水处理体系故障以及其它问题有时也会导致未完全除去这些污染物。在其它国家中，由于其中某些国家人口密度不断增加，水资源日益匮乏，并且没有水处理设施，因此与受污染的水接触会带来致命的后果。由于饮用水源普遍与人和动物的排泄物非常接近，因此微生物污染是影响健康的一个主要问题。水生微生物污染，估计每年会造成大约六百万人死亡，其中有一半是5岁以下的儿童。
饮用水中总污染物浓度的减少发生在具有入口点(POE)和/或使用点(POU)水过滤器的市政处理厂和家中。家庭水过滤器中的这种浓度减少通过机械过滤(即，某些微粒、寄生虫和细菌的尺寸排除)和吸附(即，化学品、某些微粒、寄生虫、细菌和病毒)。对于家庭水过滤器，浓度减少水平取决于流量、过滤器体积和形状、注入浓度水平、以及过滤介质的俘获动力学和能力。为了本发明的目的，介质的俘获动力学和能力包括在术语“俘获效率”中。此外，如果由家庭水过滤器获得的浓度减少量达到各国内或国际组织(如，美国环保署-EPA，国家卫生基金会-NSF，和世界卫生组织-WHO)在相关测试标准和议定书要求的含量，则该水过滤器可由这些组织注册并标注申请注册号。类似的测试和标准应用于空气过滤器。
例如，EPA于1987年提出了“Guide Standard and Protocol forTesting Microbiological Water Purifiers”。该议定书对饮用水处理系统的性能制定了最低要求，而这些水处理系统设计用于减少公共水源和个人水源中影响健康的具体污染物。要求供水系统源中流出的水中病毒清除率为99.99％(或相当于4log)，细菌清除率为99.9999％(或相当于6log)才能够满足要求。按照EPA议定书，在病毒的情况下，流入浓度应为1×107个病毒每升，而在细菌的情况下，流入浓度应为1×108个细菌每升。由于大肠杆菌(E.coli，细菌)在供水系统中普遍存在，并且与其饮用相关的风险，因而将这种微生物在大多数研究中被用作细菌。类似地，MS-2细菌噬菌体(或简称为MS-2噬菌体)典型地用作病毒去除的代表性微生物，因为它的大小和形状(即，约26nm和为二十面体)与很多病毒相似。因此，过滤器去除MS-2噬菌体的能力可证明它去除其它病毒的能力。
关于化学品和颗粒浓度的减少量，存在由NSF制定的类似议定书和/或标准。例如，NSF/ANSI标准42包括设计用于减少具体的与美观或非健康相关的污染物如氯、味道和气味，以及颗粒的POU和POE体系的美观效果。类似地，NSF/ANSI标准53包括设计为减少具体的与健康相关的污染物，如隐性芽胞虫菌、贾第鞭毛虫、铅、挥发性有机化合物(VOC)和甲基叔丁基醚(MTBE)的POU和POE体系的健康效果。
由于这些要求和提高饮用水质量的总体重要性，一直需要提供能够从水流中除去污染物的改进的过滤器和过滤材料，以及需要提供制造和使用过滤材料的改进方法和掺入过滤材料的过滤器。
发明概述
如第一实施例所述，提供了一种用于生产饮用水的过滤器。所述过滤器包括一个具有进水口和出水口的外壳以及排列在该外壳内的过滤材料。所述过滤材料包含活性炭颗粒和多个设置在活性炭颗粒表面上的碳纳米丝。过滤器是可操作的以便通过从外壳的进水口流向出水口的液体水流中除去污染物来提供饮用水。
如第二实施例所述，提供了一种用于生产饮用水的方法。所述方法包括提供一个过滤器，所述过滤器包括一个具有进水口和出水口的外壳以及排列在外壳内的过滤材料。所述过滤材料包括设置在活性炭颗粒表面上的多个碳纳米丝。所述方法还包括使水流通过过滤材料以除去污染物，从而生产饮用水。
如第三实施例所述，提供了一种制造用于生产饮用水的过滤材料的方法。所述方法包括提供活性炭颗粒，将一种或多种纳米丝前体至少部分地沉积在活性炭颗粒表面上，在存在碳蒸气的情况下搅拌活性炭颗粒和沉积的纳米丝前体，然后在存在碳蒸气的情况下，以足以生产包含在颗粒表面上有碳纳米丝的活性炭颗粒的过滤材料的温度和时间，加热活性炭颗粒和沉积的纳米丝前体。
如第四实施例所述，提供了一种制造用于生产饮用水的过滤材料的方法。所述方法包括提供碳化的碳颗粒，将一种或多种纳米丝至少部分地沉积在碳化碳颗粒表面上，在存在碳蒸气的情况下搅拌碳化碳颗粒和沉积的纳米丝前体，在存在碳蒸气的情况下，以足以在碳化碳颗粒表面上产生碳纳米丝的温度和时间，加热碳化碳颗粒和沉积的纳米丝前体，然后通过加热或化学处理碳化颗粒和碳纳米丝来活化碳化碳颗粒来生产包含在颗粒表面上具有碳纳米丝的活性炭颗粒的过滤材料。
用于生产饮用水的过滤器以及制造和使用掺入如本文所述的过滤器中的过滤材料的方法在从水流中除去污染物方面是有利的。本发明的过滤器、过滤材料及方法所提供的其它特征和优点将根据以下具体实施方式来更充分地理解。
附图简述
虽然本说明书通过特别指出并清楚地要求保护本发明的权利书要求作出结论，但应该相信由下列说明并结合附图可更好地理解本发明，其中：
图1是现有技术活性炭颗粒的扫描电镜(SEM)图象；
图2a是如本发明的一种或多种实施例所述的活性炭颗粒的SEM图象；
图2b是如本发明的一种或多种实施例所述的活性炭颗粒的另一个SEM图象；
图2c是如本发明的一种或多种实施例所述的活性炭颗粒的高倍放大SEM图象；和
图3是如本发明的一种或多种实施例所述的过滤器的横截面侧视图。
发明详述
I.定义
本文所用术语“过滤器”和“过滤”分别是指与通过吸附和/或尺寸排除减少污染物(即，颗粒、化学和微生物污染物)浓度有关的结构和装置。
本文所用短语“过滤材料”旨在指过滤颗粒的聚集体或集合。形成过滤材料的过滤颗粒的聚集体或集合可以是均匀的或不均匀的并且可采用任何形状或形式。过滤颗粒可以均匀地或非均匀地分布(例如，不同过滤颗粒的层)在过滤材料内。形成过滤材料的过滤颗粒也无需具有相同的形状或大小并且可以松散或相互连接的形式提供。例如，过滤材料可包含具有表面生长纳米丝的活性炭颗粒与活性炭纤维或中孔和碱性活性炭颗粒的组合，并且这些过滤颗粒可松散缔合的形式或者用聚合粘合剂或其它方法部分地或完全地粘合形成整体结构来提供。
本文所用短语“过滤颗粒”旨在指用于形成至少部分过滤材料的独立构件或条片。例如，纤维、微粒、小珠等在本文都被认为是过滤颗粒。此外，过滤颗粒的大小可变化，从不可触知的过滤颗粒(例如，非常细的粉末)到可触知的过滤颗粒。
本文所用术语“纳米丝”及其派生词是指横向尺寸(如，直径、宽度或厚度)在纳米(nm)尺度，而纵向尺寸(如，长度)从几纳米至几百微米(μm)的碳中空或实心结构，其从活性炭颗粒的表面散发和突出。本发明的纳米丝实例的非限制性列表包括单壁纳米管(SWNT)、双壁纳米管(DWNT)、多壁纳米管(MWNT)、纳米纤维、纳米带、纳米角、或它们的组合。
本文所用术语“污染物”及其派生词可指以下三个种类中的任何一种：颗粒(如，混浊和不溶解的无机颗粒如碳酸钙)、化学品(如，氯、味道、气味、VOC、石棉、阿特拉津、MTBE、砷和铅)、微生物生物体(如，细菌、病毒、藻类和寄生虫)、或它们的组合。本文也设想了其它污染物。
本文所用术语“碳化”及其派生词旨在指减少含碳物质中非碳物质的方法。
本文所用术语“活化”及其派生词旨在指使碳化物质更为多孔的方法。
本文所用术语“活性颗粒”及其派生词旨在指已经历活化过程的碳颗粒。

本文所用术语“沉积”及其派生词是指递送颗粒或一般是物质至基质内或上的过程。沉积过程的非限制性实例是吸附和搅拌。其它沉积实例包括电化学沉积、电子束蒸发、热气相沉积、和/或射频磁控管溅射。

佰伦活性炭过滤器部分客户案例：旺旺集团，三九药业，京东方电子，大众汽车，比亚迪，华星光电）等。
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