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(中)

根据如图3所示的一个实施例，提供了用于生产饮用水的过滤器20。所述过滤器20包括一个具有进水口24和出水口26的外壳22。图3的实施例图示说明了一个圆柱形的实施例。然而，所述外壳22可以多种形式、形状、尺寸和排列提供，这取决于过滤器的预期用途，如本领域所已知。例如，所述过滤器可为轴流过滤器，其中将入口和出口设置成使得液体沿着外壳的轴线流动。作为另外一种选择，所述过滤器可为径流过滤器，其中所述入口和出口的排列使得流体沿外壳的径向流动。此外，所述过滤器可既包括轴流又包括径流。在不背离本发明范围的条件下，所述外壳还可形成为另一结构的一部分。
如本领域所知，为了适应过滤器20的流量和预期用途，可以对入口24和出口26的大小、形状、间距、排列和位置进行选择。优选地，所述过滤器20被成形用于住宅或商业饮用水应用。过滤器构型、饮用水装置、消费者器具和适用于本发明的其它水过滤装置的实施例公开于美国专利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和6,241,899中，其内容以引用方式并入本文中。如多个饮用水实施例所述，所述过滤器20可被成形为能够适应小于约8L/min水，或小于约6L/min，或约2L/min至约4L/min的流量。
参见图3，所述过滤器20包括排列在外壳22内的过滤材料28。所述外壳22可包含过滤应用所需那么多的过滤材料28。所述外壳可包含小于约2kg的过滤材料，或小于1kg的过滤材料，或小于0.5kg的过滤材料。过滤材料28中存在的过滤颗粒是活性炭颗粒，其具有多个设置在所述活性炭颗粒表面上的碳纳米丝。所述过滤颗粒可包括多种形状和尺寸。例如，所述过滤颗粒可以诸如颗粒、纤维和小珠之类的简单形状提供。过滤颗粒可以球形、多面体形、圆柱形存在，以及以其它对称、不对称和不规则的形状提供。此外，所述过滤颗粒还可形成复杂的形式，如纤维网、筛网、网孔、非织造材料、织造材料以及键合嵌段，其可由或不由上述简单形式构成。
类似于形状，过滤颗粒的尺寸也可不同。用于任何单个过滤器中的过滤颗粒之间尺寸不需要是均匀的。实际上，期望在单个过滤器中提供具有不同尺寸的过滤颗粒。过滤颗粒可具有约0.1μm至约10mm的尺寸。在示例性实施方案中，所述过滤颗粒可具有约0.2μm至约5mm，约0.4μm至约1mm，或约1μm至约500μm的尺寸。对球形和圆柱形颗粒(如纤维、小珠等)而言，上述尺寸是指过滤颗粒的直径。对于具有完全不同形状的过滤颗粒，上述尺寸是指最大尺寸(如，长度、宽度或高度)。
过滤颗粒可包括任何合适的活性炭颗粒，或在一些实施方案中，预活化的碳化碳颗粒。例如且不是为了限制，所述活性炭颗粒可为微孔的、中孔的或它们的组合。此外，活性炭颗粒可包括木基活性炭颗粒、煤基活性炭颗粒、泥煤基活性炭颗粒、沥青基活性炭颗粒、焦油基活性炭颗粒、或它们的组合。所述过滤材料28可以松散或互连(如，用聚合物粘合剂或其它方法部分或全部粘合形成整体结构)的形式提供。
具有表面生长的纳米丝的活性炭颗粒具有比无纳米丝的活性炭颗粒更高的污染物俘获效率。无长丝的活性炭颗粒的扫描电子显微照片(SEM)显示于图1中，而有表面生长纳米丝的活性炭颗粒的SEM显示于图2a和2b中。在许多设想过滤器实施例中的一个中，大量的表面生长纳米丝可产生更多的吸附位点和大量各种污染物的尺寸排除位点。在操作所述过滤器20的过程中，水流从过滤器20的进水口24流至出水口26。当水流经过过滤材料28时，污染物被除去，以便从过滤器20的出水口26提供饮用水。在一个实施例中，这种污染物去除是由于污染物吸附在过滤颗粒的吸附位点上。
根据另一个实施例，提供了一种制造用于生产饮用水的过滤材料28的方法。所述方法包括提供活性炭颗粒，然后将一种或多种纳米丝前体至少部分地沉积在所述活性炭颗粒的表面上。所述纳米丝可借助本领域技术人员已知的任何合适的常规方法来沉积。沉积方法的实例在上述定义部分提供。在一个实施例中，这些纳米丝前体包含催化剂，并且可以固相、液相或气相存在。在一个具体的实施例中，所述纳米丝前体包含催化剂，所述催化剂包括过渡金属的盐。这些过渡金属的盐可包括Fe、Co、Mo和Ni、或它们的混合物。纳米丝前体的实施例包括但不限于硫酸铁((Fe2(SO4)3)、氯化铁(FeCl3)、二茂铁(Fe(C5H5)2)、二茂钴(Co(C5H5)2)、二茂镍(Ni(C5H5)2)、氧化铁(Fe2O3)、五羰基铁(Fe(CO)5)、以及酞菁镍(C32H16N8Ni)。
所述方法还包括在存在含碳蒸气的情况下，搅拌所述活性炭颗粒和沉积的纳米丝前体，然后在存在含碳蒸气的情况下，以足以产生包含颗粒表面上具有碳纳米丝的活性炭颗粒的过滤材料的温度和时间，加热所述活性炭颗粒和沉积纳米丝。根据所述方法，在加热环境如炉子或反应器中，含碳蒸气接触活性炭颗粒和沉积的纳米丝前体并与之反应。如果活性炭颗粒和沉积纳米丝以固定的构型排列，例如在固定床流动反应器内，则含碳蒸气将可能仅接触颗粒的顶层或暴露在蒸气中的颗粒的顶部表面。这可能限制在活性碳颗粒表面上产生的碳纳米丝的量，因为不是所有固定活性炭颗粒的表面都可暴露在含碳蒸气中。与固定构型相对比，搅拌或流化所述活性炭颗粒和沉积纳的米丝前体将确保含碳蒸气接触活性碳和沉积前体的更多表面区域，从而在活性碳颗粒表面上产生更多的碳纳米丝。适于搅拌活性炭颗粒的反应器可包括但不限于流化床反应器、旋转床反应器、包括搅拌或混合组件的常规固定床反应器等。
含碳蒸气可包括有效提供所需反应产物的任何含碳蒸气。在一个实施例中，含碳蒸气可包括乙炔、苯、二甲苯、乙烯、甲烷、乙醇、一氧化碳、樟脑、萘、或它们的混合物。温度、时间和气氛等反应条件可变化，并且不同的组合适于促进所需的反应。在一个实施方案中，温度可从约400℃至约1500℃变化。在示例性实施例中，温度范围可包括小于约1200℃，小于约1000℃，或小于约800℃的上限，和大于约400℃，大于约500℃，大于约600℃，或大于约700℃的下限。在另一个实施例中，反应时间为约2分钟至约10小时。在示例性实施例中，反应时间为约5分钟至约8小时，约10分钟至约7小时，或约20分钟至约6小时。
在一个实施方案中，在所述方法的初始阶段，所述纳米丝前体可在活性炭颗粒表面上的表面上产生纳米颗粒。例如，硫酸铁将在活性炭颗粒表面上分解并产生Fe纳米颗粒。当含碳蒸气被引到催化剂颗粒上以建立碳纳米丝时，这些纳米颗粒将催化碳纳米丝的形成。
此外，所述方法还可包括一种载气用于将含碳蒸气递送至碳颗粒的表面。反应气氛可包括含碳蒸气以及在反应过程中将其引入接触活性碳颗粒和纳米丝前体的载气。载气可以是惰性的或还原性的，并且在一个实施例中，它可包含少量蒸气。这种载气的典型和非限制性实例为氮。氩和氦是载体的两种其它实例。然而，本文还设想了许多其它合适的载气。炉子中载气的面速度为约1cm/h.g(即，厘米每小时和每克活性炭颗粒)至约350cm/h.g，并且在示例性实施例，约2cm/h.g至约180cm/h.g，约4cm/h.g至约90cm/h.g，或约20cm/h.g至约40cm/h.g。
根据本发明的另一个实施例，本文描述了一种制造用于生产饮用水的过滤材料28的可供选择方法。所述方法包括提供碳化的碳颗粒。如上所述，碳化颗粒是过滤颗粒，其尚未经历活化步骤。与上述其它方法类似，所述方法还包括至少部分地将一种或多种纳米丝前体沉积在碳化的碳颗粒的表面上，然后在存在含碳蒸气的情况下，搅拌所述碳化的碳颗粒和沉积的纳米丝前体。然后在存在含碳蒸气的情况下，以足以在碳化的碳颗粒表面上产生碳纳米丝的温度和时间，加热所述碳化的碳颗粒和沉积的纳米丝前体。另外，所述方法包括活化所述碳化的碳颗粒。在活化过程中，加热或化学处碳化颗粒和碳纳米丝理制得过滤材料，其包含在颗粒表面上具有碳纳米丝的活性炭颗粒。

碳化的碳可在本领域技术人员熟知的各种处理条件下加热活化。例如，加热活化可发生在包含蒸气、CO2、或它们的混合物的气氛中进行。此外，活化温度和持续时间可根据使用的过滤颗粒而变化。碳化的碳也可用本领域技术人员已知的任何合适的化学试剂来化学活化。例如，碳化的碳可用KOH或H3PO4处理。活化步骤可在上述方法的任何阶段加入。活化可用一步或多步进行，并且活性炭颗粒可进行进一步活化。

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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