本申請(qǐng)要求于2014年8月15日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第62/038,068號(hào)；于2015年2月18日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第62/117,932號(hào)；和于2015年8月10日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第62/203,294號(hào)的權(quán)益，它們的公開(kāi)在此通過(guò)引用明確并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實(shí)施方案涉及用于水凈化應(yīng)用的包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)和納米纖維的混合物以從水源如飲用水中去除污染物的復(fù)合粒狀過(guò)濾介質(zhì)。

發(fā)明背景

安全和清潔的飲用水是人類發(fā)展、健康和幸福的基本需要。由于全球工業(yè)化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展繼續(xù)增長(zhǎng)，所以與水污染相關(guān)的擔(dān)憂變得越發(fā)嚴(yán)重并且急需處理。人類越來(lái)越多地消耗受污染的水也產(chǎn)生了越來(lái)越多的健康相關(guān)的公眾關(guān)注。因此，對(duì)改進(jìn)水凈化技術(shù)的需求在美國(guó)和國(guó)外繼續(xù)顯著增長(zhǎng)。

一般而言，水中的污染物可以被分類為化學(xué)污染物和生物污染物。隨著水污染越來(lái)越多地發(fā)生，與水中的化學(xué)污染物相關(guān)的潛在的健康和安全問(wèn)題正變成更突出的全球問(wèn)題。化學(xué)污染物的一些實(shí)例包括有毒的陰離子(氟離子、亞砷酸根、砷酸根、硝酸根、鉻酸根、亞硒酸根、硒酸根等)；金屬；重金屬(鉛、汞、鎘、鋅、銅、鉻等)；合成或天然有機(jī)物質(zhì)；等。公知的是，大多數(shù)重金屬對(duì)人類是有毒的并且應(yīng)當(dāng)從飲用水中去除。

此外，要求許多水處理應(yīng)用滿足與在排放前去除這些物類有關(guān)的具體法規(guī)要求。這些法規(guī)由于科學(xué)發(fā)現(xiàn)以及改進(jìn)的檢測(cè)/分析技術(shù)而經(jīng)歷改變。例如，在2007年，NSF國(guó)際飲用水處理單元聯(lián)合委員會(huì)基于對(duì)鉛顆粒的本質(zhì)的研究修訂了NSF/ANSI標(biāo)準(zhǔn)53協(xié)定(pH 8.5鉛減少)。新協(xié)定規(guī)定了原先未定義的膠體或細(xì)顆粒部分的尺寸范圍(介于0.1–1.2微米)。該改變并未對(duì)加壓過(guò)濾器(例如碳?jí)K)引起明顯的問(wèn)題，但是確實(shí)對(duì)低壓(低于30psi)和重力流動(dòng)過(guò)濾器(它們對(duì)膠體材料有困難)提出了額外的挑戰(zhàn)。

重力流動(dòng)或低壓流動(dòng)過(guò)濾系統(tǒng)因?yàn)樗鼈兺ǔ］^低的成本和用戶便利性而是本領(lǐng)域公知的。這樣的系統(tǒng)包括灌注式玻璃瓶、水冷卻器和冰箱水箱，其已由Clorox 和Glacier等開(kāi)發(fā)。典型地，用來(lái)自市政供應(yīng)的自來(lái)水或農(nóng)村水井填充這些系統(tǒng)，因?yàn)橛脩粝Ｍコ群?或鉛或其它化學(xué)污染物，或希望一般地改進(jìn)水的化學(xué)安全性和水的滋味/氣味。這些裝置的市場(chǎng)需求繼續(xù)快速增長(zhǎng)，特別是鑒于強(qiáng)調(diào)更健康和更安全的飲用水和進(jìn)一步鑒于購(gòu)買(mǎi)瓶裝水的花費(fèi)和不便。

大多數(shù)重力進(jìn)料或低壓流動(dòng)過(guò)濾器利用粒狀過(guò)濾介質(zhì)如粒狀活性炭(GAC)和離子交換樹(shù)脂(IER)的組合。已證實(shí)這些裝置在去除污染物如有機(jī)物質(zhì)、銅、汞、鎘、鋅和殘留的氯等方面是有效的，符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。商業(yè)上，這些過(guò)濾裝置的典型特征在于相對(duì)小的一次性和可替代的濾芯，將所述濾芯插入水凈化裝置并用于幾周的正常使用。然而，與包含粒狀活性炭和離子交換樹(shù)脂的混合物的過(guò)濾器相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題在于，它們具有有限的污染物去除能力。當(dāng)將大的粒料包裝在一起時(shí)，則可在所述粒料之間形成大的間隙性空隙，這導(dǎo)致大于膠體顆粒的有效孔尺寸。這些顆粒如通過(guò)NSF/ANSI 53協(xié)定規(guī)定的顆粒那樣，可以通過(guò)這些空隙并進(jìn)入流出物，因此可能不能滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

已充分開(kāi)發(fā)了粒狀活性炭(具有或不具有粘結(jié)劑，并且具有或不具有各種其它添加劑如鉛清除劑)并將其作為水凈化過(guò)濾器中的過(guò)濾介質(zhì)廣泛地使用了多年。典型地將粒狀活性炭負(fù)載至過(guò)濾器外殼之內(nèi)的隔室以充當(dāng)過(guò)濾器或碳“床”。將外殼和內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)為將松散的粒料適當(dāng)?shù)厝菁{在隔室中，將水分配至所述床的入口，并在所述床的出口處收集水。通常，因?yàn)榇┻^(guò)粒料的床的壓降比其它介質(zhì)相對(duì)低，所以具有任選的其它粒狀介質(zhì)或添加劑的GAC的床是對(duì)于低壓或重力流動(dòng)應(yīng)用而選擇的典型的介質(zhì)組合物。

穿過(guò)過(guò)濾器的良好的水流動(dòng)速率是低壓或重力流動(dòng)水系統(tǒng)(如水壺裝置、水冷卻器裝置等)中的另一主要關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)檫@影響從新填充水的裝置多快過(guò)濾水才可被用于滿足消費(fèi)者的期望。即為什么頻繁地選擇粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物來(lái)填充那些類型過(guò)濾器。

總體上，用于重力進(jìn)料或低壓裝置的理想的過(guò)濾器提供在污染物去除時(shí)的高效率和高流速?，F(xiàn)有的重力流動(dòng)或低壓流動(dòng)過(guò)濾器可以一般地實(shí)現(xiàn)良好的流速，然而如前文所提及，它們也具有一些有限的污染物去除能力來(lái)從水源中去除顆粒狀污染物。因此，現(xiàn)有的重力流動(dòng)和低壓流動(dòng)粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物需要加以改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)更高的污染物去除效率(具體而言關(guān)于膠體和懸浮顆粒)。

Knipmeyer在美國(guó)專利第8,167,141號(hào)中公開(kāi)了重力進(jìn)料的碳?jí)K水過(guò)濾器，其包括活性炭和鉛清除劑，其可以在151升的源水過(guò)濾之后輸送包含小于10ppb的最終流出水，以滿足鉛去除要求的經(jīng)修訂的NSF標(biāo)準(zhǔn)。然而，當(dāng)將為加壓的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的碳?jí)K應(yīng)用于重力流動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，它們經(jīng)常增加更多的成本并且不能隨時(shí)間流逝始終如一地產(chǎn)生期望的流速。

Schroeder在2011年8月23日發(fā)布的美國(guó)專利第8,002,990號(hào)公開(kāi)了使用過(guò)濾器介質(zhì)(如離子交換樹(shù)脂)的負(fù)載原纖化納米纖維的細(xì)粉末的過(guò)濾器，以從流體中去除可溶和不溶性顆粒。然而，當(dāng)將介質(zhì)用于重力進(jìn)料或低壓過(guò)濾系統(tǒng)時(shí)，與粒狀過(guò)濾介質(zhì)相比，流速將明顯降低。此外，與填充有粒狀過(guò)濾介質(zhì)的目前商購(gòu)可得的重力進(jìn)料或低壓進(jìn)料的過(guò)濾器相比，成本還會(huì)更高。

Koslow在美國(guó)專利第6,872,311；6,913,154號(hào)中公開(kāi)了納米纖維用于改進(jìn)過(guò)濾效率的用途。這些專利教導(dǎo)了原纖化的物理過(guò)程，其可以增強(qiáng)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)濾介質(zhì)如纖維素纖維的性能，并且進(jìn)一步教導(dǎo)了制備結(jié)合有納米纖維的改進(jìn)的空氣過(guò)濾介質(zhì)的方法。然而，該發(fā)明并沒(méi)有教導(dǎo)出于從受污染的水中去除顆粒物的目的如何通過(guò)使用納米纖維改進(jìn)現(xiàn)有的粒狀過(guò)濾介質(zhì)。

Halbfoster在美國(guó)專利第4,190,532號(hào)中公開(kāi)了過(guò)濾器原料組合物，其包括離子交換樹(shù)脂顆粒和纖維素助濾劑的混合物，用于從水中去除懸浮和膠體顆粒如二氧化硅或氧化鐵。該發(fā)明已在高質(zhì)量的供水過(guò)程方面在商業(yè)上長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐，然而顆粒去除效率仍然需要改進(jìn)。

相信存在對(duì)改進(jìn)用于重力流動(dòng)和低壓過(guò)濾器的現(xiàn)有的粒狀介質(zhì)(和組合)的需求，從而實(shí)現(xiàn)足夠的流速同時(shí)保持高的污染物去除。具體而言，存在對(duì)可以從水中去除膠體和懸浮顆粒，如NSF/ANSI 53規(guī)定的顆粒狀鉛的介質(zhì)的需求。

發(fā)明簡(jiǎn)述

提供了粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物，其包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)和基于干重計(jì)低于5％的納米纖維，并且還具有在3重量％至70重量％范圍內(nèi)的水分含量。

在一個(gè)實(shí)施方案中，粒狀過(guò)濾介質(zhì)包括但不限于，多孔的或非多孔的、干燥的或含水分的粒狀顆粒，其具有在100-2000微米范圍內(nèi)的粒度。

在另一實(shí)施方案中，納米纖維包括但不限于，合成聚合物納米纖維、天然聚合物納米纖維、天然聚合物納米纖維的衍生物、無(wú)機(jī)納米纖維或其任意組合，并且還具有5納米至2微米范圍內(nèi)的平均直徑。

在本發(fā)明的另外的實(shí)施方案中，提供了制備粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物的方法，包括如下步驟：

1)將納米纖維分散在溶劑組合物中，以制備納米纖維分散體。

2)將粒狀過(guò)濾介質(zhì)添加至納米纖維分散體并將它們共混在一起和通過(guò)過(guò)濾將它們分離。最終的粒狀介質(zhì)產(chǎn)物可被原樣使用或進(jìn)一步被干燥至不低于3％的水分含量。

在另一實(shí)施方案中，提供了使用通過(guò)本發(fā)明所提供的粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物以從水(例如飲用水、工業(yè)用水、環(huán)境水、娛樂(lè)用水)中去除污染物的方法，所述方法通過(guò)使水與組合或不組合出于水凈化應(yīng)用的目的的其它過(guò)濾介質(zhì)的粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物接觸而進(jìn)行。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，提供了水過(guò)濾器，其包括單獨(dú)的或與其它現(xiàn)有過(guò)濾介質(zhì)組合的粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物，可以將其用于來(lái)自市政供應(yīng)的自來(lái)水或農(nóng)村水井；使用點(diǎn)；入口點(diǎn)；市政水處理；來(lái)自水池或礦泉的娛樂(lè)用水；環(huán)境水；工業(yè)過(guò)程用水；工業(yè)廢水；市政廢水和農(nóng)業(yè)灌溉水，以去除污染物，如顆粒狀顆粒、膠體顆粒、細(xì)顆粒、懸浮顆粒、有機(jī)物、殘留鹵素、硒、金屬、重金屬(鉛、銅、汞、鎘、鋅、鉻)等。

在一個(gè)實(shí)施方案中，粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)和納米纖維，其中所述粒狀過(guò)濾介質(zhì)具有在100微米至2000微米范圍內(nèi)的平均粒度和所述納米纖維具有在5納米至2.0微米范圍內(nèi)的平均直徑。

在一個(gè)實(shí)施方案中，粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)和以干重計(jì)所述過(guò)濾介質(zhì)的小于5％的量的納米纖維。

在一個(gè)實(shí)施方案中，粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)和原纖化的納米纖維，其中所述混合物具有在3％至70％范圍內(nèi)的水分含量。

在一個(gè)實(shí)施方案中，粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)和納米纖維，其中所述粒狀過(guò)濾介質(zhì)具有在100微米至2000微米范圍內(nèi)的平均粒度并且選自粒狀活性炭、粒狀活性氧化鋁、粒狀硅藻土、粒狀硅膠、粒狀沸石、粒狀硅酸鹽、粒狀合成分子篩、粒狀離子交換樹(shù)脂顆粒、粒狀礦物粘土、粒狀鋁硅酸鹽、粒狀鈦酸鹽、粒狀骨炭、粒狀KDF過(guò)程介質(zhì)、粒狀碘化樹(shù)脂、粒狀陶瓷、粒狀珍珠巖、粒狀砂、離子交換樹(shù)脂與金屬氧化物的粒狀雜化物、活性炭與金屬氧化物的粒狀雜化物、官能化的粒狀活性炭、聚合的吸附樹(shù)脂或其任意組合。其中具有在5納米至2.0微米范圍內(nèi)的平均直徑的所述納米纖維選自合成聚合物納米纖維、天然聚合物納米纖維、天然聚合物納米纖維的衍生物、無(wú)機(jī)納米纖維或其任意組合。

在一個(gè)實(shí)施方案中，制備粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物的方法包括以下步驟：分散納米纖維；和將粒狀過(guò)濾介質(zhì)添加至納米纖維分散體；和混合；和通過(guò)過(guò)濾分離；和通過(guò)干燥獲得濕介質(zhì)或干介質(zhì)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，增強(qiáng)包含粒狀過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾器的性能的方法包括以下步驟：

提供原纖化的納米纖維分散體；將分散體濕法鋪設(shè)或置于過(guò)濾器的過(guò)濾介質(zhì)的頂面，其中所述原纖化的納米纖維的總量以干重計(jì)不大于過(guò)濾器的總粒狀過(guò)濾介質(zhì)的5％。

在一個(gè)實(shí)施方案中，將包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)和原纖化的納米纖維的混合物的粒狀過(guò)濾介質(zhì)用于從流體系統(tǒng)中去除雜質(zhì)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，待凈化的流體系統(tǒng)是水。在一個(gè)實(shí)施方案中，待凈化的流體系統(tǒng)是空氣。

在一個(gè)實(shí)施方案中，待從水或空氣流體系統(tǒng)中去除的雜質(zhì)選自殘留鹵素、重金屬離子、膠體顆粒、細(xì)顆粒、有機(jī)污染物或其任意組合。

在一個(gè)實(shí)施方案中，待從水或空氣流體系統(tǒng)中去除的雜質(zhì)是顆粒狀鉛。

在一個(gè)實(shí)施方案中，待從水或空氣流體系統(tǒng)中去除的雜質(zhì)選自鉛、銅、氧化鐵、氧化鐵氫氧化物和二氧化硅的膠體顆粒和細(xì)顆粒。

在一個(gè)實(shí)施方案中，待從水或空氣流體系統(tǒng)中去除的雜質(zhì)選自銅、汞、鉛、鎘和鋅。

在一個(gè)實(shí)施方案中，待從水或空氣流體系統(tǒng)中去除的雜質(zhì)是所述水中的總可得殘留鹵素(例如氯或溴)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，水凈化過(guò)濾器包括第一粒狀過(guò)濾介質(zhì)、篩網(wǎng)分離器以及粒狀過(guò)濾介質(zhì)和納米纖維的過(guò)濾介質(zhì)混合物。

在一個(gè)實(shí)施方案中，將包括第一粒狀過(guò)濾介質(zhì)、篩網(wǎng)分離器以及粒狀過(guò)濾介質(zhì)和納米纖維的過(guò)濾介質(zhì)混合物的水凈化過(guò)濾器用于重力進(jìn)料的和/或低壓進(jìn)料的過(guò)濾系統(tǒng)，以在重力進(jìn)料的或低壓進(jìn)料的過(guò)濾器中去除銅、鋅、汞、鎘、鉛而滿足NSF 42/53規(guī)范.

在一個(gè)實(shí)施方案中，水凈化過(guò)濾器包括含有粒狀活性炭、離子交換樹(shù)脂和原纖化的納米纖維的過(guò)濾介質(zhì)的混合物。

在一個(gè)實(shí)施方案中，將包括含有粒狀活性炭、離子交換樹(shù)脂和原纖化的納米纖維的過(guò)濾介質(zhì)的混合物的水凈化過(guò)濾器用于重力進(jìn)料的和/或低壓進(jìn)料的過(guò)濾系統(tǒng)，以去除水污染物，包括但不限于殘留鹵素、銅、鋅、鎘、汞、鉛、有機(jī)污染物。

在一個(gè)實(shí)施方案中，水凈化過(guò)濾器包括在粒狀活性炭和離子交換樹(shù)脂的過(guò)濾介質(zhì)混合物的頂部的濕法鋪設(shè)的原纖化的納米纖維分散體。

在一個(gè)實(shí)施方案中，將包括在粒狀活性炭和離子交換樹(shù)脂的過(guò)濾介質(zhì)混合物的頂部的濕法鋪設(shè)的原纖化的納米纖維分散體的水凈化過(guò)濾器用于重力進(jìn)料的和/或低壓進(jìn)料的過(guò)濾系統(tǒng)，以去除水污染物，包括但不限于殘留鹵素、銅、鋅、鎘、汞、鉛、有機(jī)物。

在一個(gè)實(shí)施方案中，凈化水的方法包括：

使受污染的水流過(guò)包括混合的粒狀過(guò)濾介質(zhì)與原纖化的納米纖維的過(guò)濾器，然后流過(guò)包括離子交換樹(shù)脂的過(guò)濾器，以去除水污染物，包括但不限于殘留鹵素、銅、鋅、鎘、汞、鉛、有機(jī)物。

在一個(gè)實(shí)施方案中，制備水凈化過(guò)濾器的方法包括：

將粒狀過(guò)濾介質(zhì)首先放置在過(guò)濾器室或床的底部，然后放置篩網(wǎng)分離器，將混合的粒狀過(guò)濾介質(zhì)與原纖化的納米纖維放置在頂部，并密封。

在一個(gè)實(shí)施方案中，制備水凈化過(guò)濾器的方法包括將原纖化的納米纖維、離子交換樹(shù)脂和粒狀活性炭的混合的過(guò)濾介質(zhì)填充在濾芯和/或過(guò)濾器床中。

在一個(gè)實(shí)施方案中，制備水凈化過(guò)濾器的方法包括首先用粒狀過(guò)濾介質(zhì)的混合物填充濾芯，然后將原纖化的納米纖維分散體濕法鋪設(shè)在過(guò)濾器的頂部上。

在一個(gè)實(shí)施方案中，制備水凈化過(guò)濾器的方法包括首先將粒狀過(guò)濾介質(zhì)放置在濾芯的底部，然后將篩網(wǎng)放置在第一過(guò)濾介質(zhì)的頂部，然后放置原纖化的納米纖維和多種粒狀過(guò)濾介質(zhì)的混合過(guò)濾介質(zhì)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，水凈化過(guò)濾器包括含有粒狀過(guò)濾介質(zhì)和納米纖維的第一介質(zhì)混合物；和第二粒狀過(guò)濾介質(zhì)，具有或不具有分隔所述第一介質(zhì)和所述第二介質(zhì)的篩網(wǎng)，或僅將所述第一和第二介質(zhì)共混在一起。

在一個(gè)實(shí)施方案中，第一介質(zhì)混合物選自與活性炭顆粒、沸石、離子交換樹(shù)脂或二氧化硅的任意組合混合的納米纖維的組合；和第二過(guò)濾介質(zhì)選自離子交換樹(shù)脂、沸石。

在一個(gè)實(shí)施方案中，將包括含有粒狀過(guò)濾介質(zhì)和納米纖維的第一介質(zhì)混合物和第二粒狀過(guò)濾介質(zhì)的水過(guò)濾器用于重力流動(dòng)和/或低壓流動(dòng)芯，以去除飲用水源中的化學(xué)污染物，包括但不限于有機(jī)物質(zhì)、銅、鋅、汞、鎘、鉛、殘留鹵素如殘留氯或殘留溴。

這些和其它實(shí)施方案將進(jìn)一步參考以下詳細(xì)描述和實(shí)施例而加以領(lǐng)會(huì)。

附圖簡(jiǎn)述

圖1是過(guò)濾器的實(shí)施方案的示意圖；和

圖2是過(guò)濾器的實(shí)施方案的示意圖。

發(fā)明描述

本發(fā)明的目的在于提供包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)和納米纖維的粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物組合物及其用于改進(jìn)水凈化應(yīng)用的去除效率或水污染物減少的用途。

公知的是現(xiàn)有技術(shù)中的粒狀過(guò)濾介質(zhì)已廣泛用于水凈化，這不僅為了高流速的優(yōu)點(diǎn)而且為了便利和成本有效，然而從水中去除顆粒狀顆粒的效率需要改進(jìn)。

定義

術(shù)語(yǔ)“來(lái)自水的雜質(zhì)或污染物”應(yīng)當(dāng)表示化學(xué)污染物和或生物污染物。生物污染物通過(guò)消毒技術(shù)處理?；瘜W(xué)污染物將包括但不限于，顆粒狀顆粒、膠體顆粒、細(xì)顆粒、懸浮顆粒、有機(jī)化合物、殘留鹵素、硒、砷酸鹽、亞砷酸鹽、氟化物、重鉻酸鹽、錳、錫、鉑、鐵、鈷、鉻酸鹽、鉬酸鹽、亞硒酸鹽、硒酸鹽、鈾、釩、釩酸鹽、釕、銻、鉬、鎢、鋇、鈰、鑭、鋯、鈦、和/或鐳、鋅、銅、鉛、汞、鎘以及天然有機(jī)物質(zhì)(NOM)、殺蟲(chóng)劑和除草劑殘留物、內(nèi)分泌干擾物、制藥殘余物和通過(guò)工業(yè)排放釋放的有機(jī)化合物。例如，大部分重金屬對(duì)人類是有毒的并且應(yīng)當(dāng)通過(guò)過(guò)濾或凈化過(guò)程去除。

術(shù)語(yǔ)“顆粒和顆粒物”基本上可互換使用。通常，顆粒是小片或單獨(dú)的部分。顆粒物屬于顆?；蛴深w粒形成。用于本發(fā)明的實(shí)施方案的顆?？梢员３址珠_(kāi)或可以成塊、物理上互相結(jié)合、靜電結(jié)合或以其它方式結(jié)合以形成顆粒物。顆粒物可以包括粒度在50nm至100微米范圍內(nèi)的懸浮顆粒、膠體顆?；蚣?xì)顆粒。

本文中所使用的術(shù)語(yǔ)“膠體顆?；蚣?xì)顆?！笔侵冈谒械某叽绶秶?0納米至2微米(1微米為0.001毫米)的顆粒狀顆粒的部分，例如NSF定義了在水中的鉛粒度為0.1至1.2微米的細(xì)顆粒狀部分。

術(shù)語(yǔ)“懸浮顆粒”是指顆粒物尺寸大于2微米。

術(shù)語(yǔ)“重力進(jìn)料的或重力流動(dòng)的”過(guò)濾是指流體通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的流動(dòng)，其中重力基本上是對(duì)流體起作用以促使流體通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的僅有的動(dòng)力。

術(shù)語(yǔ)“低壓流動(dòng)”過(guò)濾是指流體通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的流動(dòng)，其中在30psi以下的流體壓力是使流體移動(dòng)通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的動(dòng)力。

術(shù)語(yǔ)“納米纖維”或“多個(gè)納米纖維”是指具有小于約2.0微米的直徑或平均直徑的纖維。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，納米纖維的直徑或平均直徑小于1000納米。

術(shù)語(yǔ)“納米纖維的分散體”應(yīng)當(dāng)意指一個(gè)或多個(gè)納米纖維分散在溶劑中，所述溶劑包括水、含水溶劑、有機(jī)溶劑或其任意組合，分散體中的總納米纖維以干重計(jì)不大于10％，優(yōu)選不大于5％。

術(shù)語(yǔ)“粒狀過(guò)濾介質(zhì)”(GFM)應(yīng)當(dāng)意指多孔的和/或非多孔的、干燥的或含水分的粒狀過(guò)濾介質(zhì)顆粒，其具有在100-2000微米范圍內(nèi)的粒度或平均粒度。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，提供了粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物，其包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)(GFM)和基于干重計(jì)小于5％的納米纖維的混合物，并且水分含量在3重量％至70重量％范圍內(nèi)。

粒狀過(guò)濾介質(zhì)(GFM)可以為多孔的和/或非多孔的、干燥的或含水分的粒狀過(guò)濾介質(zhì)顆粒，其具有在3％-70％范圍內(nèi)的水分含量，具有在100-2000微米范圍內(nèi)的粒度或平均粒度。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，水分含量在3％-60％范圍內(nèi)，粒度或平均粒度分布在200-2000微米范圍內(nèi)。在本發(fā)明的最優(yōu)選的實(shí)施方案中，粒度或平均粒度分布在300-1500微米范圍內(nèi)。粒狀過(guò)濾介質(zhì)的實(shí)例包括但不限于，活性炭顆粒，粒狀活性炭(GAC)，官能化的粒狀活性炭，硅膠，砂，破碎的無(wú)煙煤，離子交換樹(shù)脂珠，基于離子交換劑的雜化顆粒如描述于美國(guó)專利第7,504,036、7,291,578、7,708,892號(hào)的氧化鐵氫氧化物雜化離子交換雜化物，聚合的吸附樹(shù)脂如AmberliteTM XAD型聚合吸附劑，活性氧化鋁，沸石，粘土礦物，合成分子篩，KDF過(guò)程過(guò)濾介質(zhì)(Cu-Zn制劑)，鋁硅酸鹽，鈦酸鹽，骨炭，陶瓷，硅藻土(DE)或金屬氧化物氫氧化物浸漬的DE(商品名：NXT-2介質(zhì)，進(jìn)一步描述于美國(guó)專利第8,110,526號(hào))或其任意組合。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，粒狀過(guò)濾介質(zhì)選自離子交換樹(shù)脂顆粒、沸石、活性炭顆粒(粒狀活性炭)、合成分子篩顆粒、硅藻土、二氧化硅、粘土等。

納米纖維包括但不限于，合成聚合物納米纖維、天然聚合物納米纖維、天然聚合物納米纖維的衍生物、無(wú)機(jī)納米纖維或其任意組合。一個(gè)或多個(gè)納米纖維是指直徑或平均直徑在5納米至2.0微米范圍內(nèi)的纖維；在優(yōu)選的實(shí)施方案中，直徑或平均直徑在10至1000納米范圍內(nèi)的纖維；在最優(yōu)選的實(shí)施方案中，直徑或平均直徑在20至800納米范圍內(nèi)、介于100和700納米之間、介于200和500納米之間或介于300和400納米之間的纖維。在一個(gè)實(shí)施方案中，納米纖維的長(zhǎng)度為介于1mm和20mm之間、介于2mm和10mm之間、介于3mm和8mm之間或介于4和6mm之間。在一個(gè)實(shí)施方案中，粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物中的納米纖維以干重計(jì)在0.01％至5％范圍內(nèi)，優(yōu)選地以干重計(jì)在0.04-3％范圍內(nèi)。

“粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物”可以包括如本文中所描述的一種或多種類型的粒狀過(guò)濾介質(zhì)和一種或多種類型的納米纖維。

本發(fā)明的納米纖維的實(shí)例包括但不限于，納米合成聚合物纖維、納米工程樹(shù)脂纖維、納米陶瓷纖維、納米原纖化或微纖化的纖維素纖維、納米殼多糖纖維、納米殼聚糖纖維、納米纖維素纖維的衍生物、納米人造絲纖維、納米玻璃纖維、納米氧化鋁纖維、納米氧化鋁氫氧化物纖維、納米二氧化鈦纖維、納米碳管、納米碳纖維或納米活性炭纖維、納米二氧化硅纖維、納米沸石纖維或其任意組合。

通?？梢酝ㄟ^(guò)界面聚合、電紡絲、強(qiáng)制紡絲(force spinning)從不同的材料生產(chǎn)納米纖維。納米纖維制備的最常見(jiàn)的方法是電紡絲(也被稱為靜電紡絲)，是指使用流體動(dòng)力學(xué)、帶電荷的表面和帶電荷的液體之間的相互作用從聚合物溶液或聚合物熔體生產(chǎn)纖維的技術(shù)。Y.Filatov,A.Budyka和V.Kirichenko的書(shū)“Electrospinning of Micro-and Nanofibers；Fundamentals and Applications in Separation and Filtration Processes”致力于電紡絲方法的科學(xué)和技術(shù)方面?？梢詫⒊^(guò)100種不同的合成和天然聚合物電紡絲成納米纖維，大部分來(lái)自聚合物溶液，一些實(shí)例包括但不限于聚丙烯腈(PAN)、聚(氧化乙烯)(PEO)、聚(對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚(氯乙烯)(PVC)、尼龍-6、聚(乙烯醇)(PVA)、聚(ε-己內(nèi)酯)(PCL)、Kevilar[聚(對(duì)亞苯基對(duì)苯二甲酰胺)或PPTA]、聚(偏氟乙烯)(PVDF)、聚苯并咪唑(PBI)、聚氨酯(PU)、聚碳酸酯、聚砜、聚(乙烯基苯酚)(PVP)、微纖纖維素、羧甲基纖維素、聚乳酸、殼多糖、殼聚糖、膠原蛋白、明膠、聚苯胺、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物的實(shí)例所示的嵌段共聚物、納米碳纖維、電紡絲的二氧化鈦(TiO2)納米纖維、氧化鋁納米纖維、陶瓷納米纖維等。

在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)納米纖維選自納米纖維素纖維、納米原纖化的纖維素纖維(NFC)、微纖化的纖維素纖維(MFC)、納米殼多糖纖維、納米殼聚糖纖維、納米膠原蛋白纖維、納米明膠纖維、纖維素納米纖維的衍生物、納米聚(乙烯醇)(PVA)纖維、納米聚丙烯腈(PAN)纖維、納米碳纖維、電紡絲的二氧化鈦(TiO2)納米纖維、氧化鋁納米纖維、氧化鋁氫氧化物納米纖維、陶瓷納米纖維或其任意組合。

在本發(fā)明的更優(yōu)選的實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)納米纖維選自納米纖維素纖維、納米原纖化的纖維素纖維(NFC)、微纖化的纖維素纖維(MFC)、納米纖維素纖維的衍生物、纖維素納米纖維的衍生物、納米殼多糖纖維、納米殼聚糖纖維或其任意組合。

在本發(fā)明的最優(yōu)選的實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)納米纖維選自納米纖維素纖維、納米原纖化的纖維素纖維(NFC)、微纖化的纖維素纖維(MFC)、納米纖維素纖維的衍生物、纖維素納米纖維的衍生物或其任意組合。包括具有高長(zhǎng)徑比的納米尺寸的纖維素原纖維的納米纖維素纖維也被稱為微纖化的纖維素(MFC)；纖維素微原纖維；原纖化的纖維素；納米原纖維纖維素(NFC)；原纖維聚集體；納米尺度纖維素原纖維；微纖化的纖維素納米纖維；纖維素原纖維聚集體；纖維素納米纖維(CNF)；纖維素納米原纖維；纖維素微纖維；微原纖維聚集體；纖維素微原纖維聚集體；纖維素原纖維；納米原纖化的纖維素(NFC)；微原纖維纖維素；納米晶須；納米晶體纖維素(NCC)。納米原纖化的纖維素纖維(NFC)可以通過(guò)包括以下的方法制備：將漿纖維均質(zhì)化；研磨盤(pán)；低溫壓碎(cryocrushing)；高強(qiáng)度超聲處理；電紡絲等。其制備和性質(zhì)也公開(kāi)于美國(guó)專利第4,374,702、4,483,743、4,481,077號(hào)中，并且許多用途描述于美國(guó)專利第4,341,807和4,378,381號(hào)等中，將它們通過(guò)引用并入本文。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，與納米纖維共混的或混合的粒狀過(guò)濾介質(zhì)中的水分含量在3重量％至70重量％范圍內(nèi)，優(yōu)選地在5至65％范圍內(nèi)；更優(yōu)選地在5％至60％范圍內(nèi)，在10％至60％范圍內(nèi)，在20％至50％范圍內(nèi)，在30％至40％范圍內(nèi)或在35％至45％范圍內(nèi)。

在另一實(shí)施方案中，還提供了制備粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物的方法，包括以下步驟：

a.將納米纖維分散在溶劑組合物中，以制備納米纖維分散體。通過(guò)強(qiáng)力攪拌或混合(如通過(guò)均質(zhì)機(jī))將干燥的納米纖維或濕的餅狀納米纖維加入和進(jìn)一步分散在溶劑組合物中達(dá)2-60分鐘的時(shí)間。溶劑組合物包括但不限于，水、水溶液、有機(jī)溶劑或它們的任意組合，具有或不具有首先添加的分散劑。納米纖維在最終分散體中的濃度為在分散體中不大于10％，優(yōu)選不大于5％。

b.將常規(guī)粒狀過(guò)濾介質(zhì)添加至納米纖維分散體并將它們?cè)谝黄鸹旌?-60分鐘的時(shí)間。然后通過(guò)過(guò)濾分離共混的粒狀介質(zhì)。最終粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物產(chǎn)物可以原樣使用或待進(jìn)一步干燥至不低于90％、80％、75％、70％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、35％、30％、25％、20％、15％、10％、5％或3％的水分含量。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，提供了使用包括納米纖維的粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物以從水源(例如飲用水、工業(yè)用水、環(huán)境水、娛樂(lè)用水)中去除污染物的方法，所述方法通過(guò)使水與組合或不組合出于水凈化的目的的其它過(guò)濾介質(zhì)的粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物接觸而進(jìn)行。

可以通過(guò)與本發(fā)明的混合物介質(zhì)接觸而去除的污染物包括但不限于：顆粒狀顆粒、膠體顆粒、細(xì)顆粒、懸浮顆粒、有機(jī)物、殘留鹵素如殘留氯或殘留溴、硒、砷酸鹽、亞砷酸鹽、氟化物、重鉻酸鹽、錳、錫、鉑、鐵、鈷、鉻酸鹽、鉬酸鹽、亞硒酸鹽、硒酸鹽、鈾、釩、釩酸鹽、釕、銻、鉬、鎢、鋇、鈰、鑭、鋯、鈦和/或鐳、鋅、銅、鉛、汞、鎘以及天然有機(jī)物質(zhì)(NOM)、殺蟲(chóng)劑和除草劑殘留物、內(nèi)分泌干擾物、制藥殘余物和通過(guò)工業(yè)排放釋放的有機(jī)化合物。顆粒包括但不限于：鉛、銅、鐵氧化物、鐵氧氫氧化物、二氧化硅等的顆粒。受污染的水源包括但不限于：來(lái)自市政供應(yīng)的自來(lái)水或農(nóng)村水井；市政水處理；來(lái)自水池或礦泉的娛樂(lè)用水；環(huán)境水；工業(yè)過(guò)程用水；工業(yè)廢水；市政廢水和農(nóng)業(yè)灌溉水?？梢詫⒔?jīng)處理的水用于飲用、工業(yè)過(guò)程、農(nóng)業(yè)應(yīng)用或廢水排放。使用包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)和納米纖維的粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物的優(yōu)選的水處理應(yīng)用是使用點(diǎn)；入口點(diǎn)；和用于飲用水凈化的市政水處理。

在優(yōu)選的實(shí)施方案中，金屬污染物包括但不限于，鋅、銅、鉛、汞、鎘、鐵、鈷、鉻酸鹽、重鉻酸鹽、錳、錫等。

來(lái)自水源的污染物顆粒包括但不僅限于，顆粒狀顆粒、膠體顆粒、細(xì)顆粒、懸浮顆粒，其廣泛地存在于受污染的水中。那些污染物顆?？梢詠?lái)自：

●水源中的分離的土壤、礦物或污染物顆粒。

●由于來(lái)自與注入或滲透的地表水混合的氧化還原條件方面的改變而經(jīng)歷地球化學(xué)沉積的溶質(zhì)。

●來(lái)自水中的游離相烴的細(xì)液滴的乳液。

●通過(guò)水中的大分子如腐植酸種晶而形成膠束的聚集。

●來(lái)自垃圾填埋場(chǎng)或其它地表來(lái)源的直接引入地下水的膠體。

例如，以質(zhì)量計(jì)，地下水中的膠體濃度可以在1至75mg/L范圍內(nèi)。

更優(yōu)選地，來(lái)自水源的污染物顆粒包括但不限于，鐵氧化物、氧化鐵氫氧化物、二氧化硅、鉛、銅等。

在本發(fā)明的最優(yōu)選的實(shí)施方案中，水中的重金屬污染物的顆粒狀顆粒為鉛，其以各種無(wú)機(jī)形式存在于水中。水中的無(wú)機(jī)顆粒狀鉛的最常見(jiàn)的形式是碳酸鉛(PbCO3)、氫氧化鉛[Pb(OH)2]和堿式碳酸鉛[Pb3(OH)2(CO3)2]?？梢源嬖谟谒械你U的離子形式是Pb2+、PbOH+和Pb(OH)3-。鉛離子可以與水中的天然有機(jī)物質(zhì)(NOM)如腐植酸、鞣酸和黃腐植酸配位。此外，使鉛吸附至水中的顆粒上并與粘土顆粒離子交換。隨著飲用水的pH范圍中的pH和所述水中的碳酸鹽濃度升高，鉛的溶解度降低，并進(jìn)一步生成不溶的顆粒狀鉛。

更具體地，根據(jù)NSF/ANSI 53協(xié)定(2011a，公開(kāi)于2012年4月)，其定義了協(xié)定以測(cè)定水中的鉛，必須將代表總鉛[Pbt]樣品的第一部分(來(lái)自流入物或流出物)立即轉(zhuǎn)移至包含足以將樣品的pH降低至低于2.0的硝酸的樣品瓶用于總鉛測(cè)定。必須使所收集的樣品的第二部分(來(lái)自相同的流入物或流出物)立即通過(guò)0.1微米絕對(duì)過(guò)濾器并收集在包含足以將樣品的pH降低至低于2.0的硝酸的樣品瓶中。收集該樣品以測(cè)定0.1微米濾出物鉛[fPb0.1]。必須使樣品的第三部分(來(lái)自相同的流入物或流出物)立即通過(guò)1.2微米絕對(duì)過(guò)濾器并收集在包含足以將樣品的pH降低至低于2.0的硝酸的樣品瓶中。該樣品為1.2微米濾出物鉛樣品[fPb1.2]。

如下計(jì)算總顆粒狀鉛[Pbtp]：

[PBTP]＝[PBT]-[FPB0.1]。

如下計(jì)算總顆粒狀鉛百分比％[Pbtp]：

％[PBTP]＝{[PBT]-[FPB0.1]}/[PBT]X100。

將細(xì)顆粒狀鉛[Pbf]定義為尺寸(細(xì))介于0.1和1.2微米之間的總顆粒狀鉛的部分并如下計(jì)算：

[PBF]＝[FPB1.2]-[FPB0.1]。

如下計(jì)算細(xì)顆粒狀鉛百分比％[Pbf]：

％[PBF]＝{[PBF]/[PBTP]}X100。

在NSF/ANSI 53協(xié)議(2011a，公開(kāi)于2012年4月)中還具體定義了標(biāo)準(zhǔn)NSF 53 pH 8.5顆粒狀鉛測(cè)試用水。將根據(jù)NSF/ANSI 53協(xié)議(2011a，公開(kāi)于2012年4月)示例性的源水規(guī)格描述為如下：硬度為90-110mg/L，堿度為90-110mg/L，總氯為0.25-0.75mg/L，pH為8.3-8.6。測(cè)試用水必須包含總體平均150±15ppb的總鉛并且允許測(cè)試用水中的總顆粒狀鉛(鉛％[Pbtp])的總體平均為20-40％，并且測(cè)試用水必須還包含總體平均大于20％的％[Pbf]，這是尺寸(細(xì)粒度)介于0.1和1.2微米之間的總顆粒狀鉛的部分。

參見(jiàn)圖1，示意性示出了根據(jù)一些實(shí)施方案的過(guò)濾器100。過(guò)濾器100包括通過(guò)篩網(wǎng)108隔開(kāi)的第一上室106和第二下室110。篩網(wǎng)108在一些實(shí)施方案中是任選的。如箭頭所示，待過(guò)濾的水可以從過(guò)濾器頂部流動(dòng)并從過(guò)濾器底部離開(kāi)。例如可以將過(guò)濾器100連接至收集罐的入口，其中可以將未過(guò)濾的水傾倒在過(guò)濾器100頂部上，從而使得水在重力下通過(guò)過(guò)濾器100流入所述罐。

在一些實(shí)施方案中，上室106具有包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)104和納米纖維102的混合物的第一介質(zhì)層?？梢詫⒓{米纖維102放置在單獨(dú)的粒狀顆粒104之間的間隙空間中。在其它實(shí)施方案中，下室110可以包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)106和納米纖維102的混合物。在一些實(shí)施方案中，過(guò)濾器100可以包括具有粒狀過(guò)濾介質(zhì)104和納米纖維102的混合物的單個(gè)室。如從圖1中所見(jiàn)，納米纖維102部分地填充粒狀過(guò)濾介質(zhì)104之間產(chǎn)生的空隙。例如，沒(méi)有納米纖維的單獨(dú)的粒狀過(guò)濾介質(zhì)的空隙份額可以在0.02(2％)至0.07(70％)范圍內(nèi)。然而當(dāng)將納米纖維與粒狀過(guò)濾介質(zhì)組合時(shí)，將空隙份額降低至0.01(1％)至0.65(65％)的范圍。在一個(gè)實(shí)施方案中，將空隙份額降低至0.02(2％)至0.5(50％)的范圍。在另一實(shí)施方案中，將空隙份額降低至0.30(30％)至0.4(40％)的范圍。納米纖維的有利之處在于保留某些細(xì)顆粒和膠體顆粒的能力，否則所述細(xì)顆粒和膠體顆粒將會(huì)由于單獨(dú)的粒狀過(guò)濾介質(zhì)的空隙空間而不經(jīng)過(guò)濾地穿過(guò)。納米纖維也并不明顯降低通過(guò)過(guò)濾器的流動(dòng)。因此，可以單獨(dú)地通過(guò)重力或通過(guò)低壓應(yīng)用誘導(dǎo)水的充分流動(dòng)。

在一些實(shí)施方案中，下室110填充有第二粒狀過(guò)濾介質(zhì)并且所述粒狀過(guò)濾介質(zhì)負(fù)載在第二篩網(wǎng)112上。

上室106的粒狀過(guò)濾介質(zhì)104可以包括但不限于，任意本文中所描述的并且具有同樣如本文中所描述的性質(zhì)的粒狀過(guò)濾介質(zhì)。納米纖維102可以包括任意本文中所描述的并且具有同樣如本文中所描述的性質(zhì)的納米纖維。第二下室110的第二過(guò)濾介質(zhì)可以包括但不限于，沸石、離子交換樹(shù)脂和二氧化硅。

參見(jiàn)圖2，示出了根據(jù)一些實(shí)施方案的另一過(guò)濾器200。如在圖2中所見(jiàn)，過(guò)濾器200包括通過(guò)篩網(wǎng)212負(fù)載的具有過(guò)濾介質(zhì)的單個(gè)層的單個(gè)室206。在圖2的實(shí)施方案中，移除了隔開(kāi)第一和第二過(guò)濾介質(zhì)的篩網(wǎng)。

正如圖1的實(shí)施方案那樣，圖2的實(shí)施方案也包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)204和納米纖維202的混合物。此外，過(guò)濾介質(zhì)可以包括另外的過(guò)濾介質(zhì)210，其對(duì)應(yīng)于圖1中的第二室的過(guò)濾介質(zhì)110。也就是說(shuō)，可以將另外的過(guò)濾介質(zhì)如沸石、離子交換樹(shù)脂和二氧化硅與粒狀過(guò)濾介質(zhì)204和納米纖維202組合。

粒狀過(guò)濾介質(zhì)204可以包括但不限于，任意本文中所描述的并且具有同樣如本文中所描述的性質(zhì)的粒狀過(guò)濾介質(zhì)。納米纖維202可以包括任意本文中所描述的并且具有同樣如本文中所描述的性質(zhì)的納米纖維。過(guò)濾介質(zhì)210對(duì)應(yīng)于圖1中所示的第二下室110的過(guò)濾介質(zhì)。也就是說(shuō)，過(guò)濾介質(zhì)210可以包括但不限于，沸石、離子交換樹(shù)脂和二氧化硅。

在圖2的實(shí)施方案中，納米纖維202可以降低通過(guò)粒狀過(guò)濾介質(zhì)和第二介質(zhì)210產(chǎn)生的空隙空間和孔隙率。例如沒(méi)有納米纖維的單獨(dú)的粒狀過(guò)濾介質(zhì)的空隙份額可以在0.02(2％)至0.07(70％)范圍內(nèi)。然而，當(dāng)將納米纖維與粒狀過(guò)濾介質(zhì)組合時(shí)，將空隙份額降低至0.01(1％)至0.65(65％)的范圍。在一個(gè)實(shí)施方案中，將空隙份額降低至0.02(2％)至0.5(50％)的范圍。在另一實(shí)施方案中，將空隙份額降低至0.30(30％)至0.4(40％)的范圍。納米纖維的有利之處在于保留某些細(xì)顆粒和膠體顆粒的能力，否則所述細(xì)顆粒和膠體顆粒將會(huì)由于單獨(dú)的粒狀過(guò)濾介質(zhì)的空隙空間而不經(jīng)過(guò)濾地穿過(guò)。納米纖維也并不明顯降低通過(guò)過(guò)濾器的流動(dòng)。因此，可以單獨(dú)地通過(guò)重力或通過(guò)低壓應(yīng)用誘導(dǎo)水的充分流動(dòng)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，提供了水過(guò)濾器，其包括上文所描述的單獨(dú)的粒狀過(guò)濾介質(zhì)和納米纖維的混合物介質(zhì)或與其它粒狀過(guò)濾介質(zhì)組分的任意組合，所述其它粒狀過(guò)濾介質(zhì)組分可以是多孔的或非多孔的、干燥的或含水分的，具有在100-2000微米范圍內(nèi)的粒度或平均粒度。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，其它粒狀過(guò)濾介質(zhì)的粒度或平均粒度分布在250-2500微米范圍內(nèi)，更優(yōu)選地，粒度或平均粒度分布在300-1000微米范圍內(nèi)。其它過(guò)濾介質(zhì)的實(shí)例包括但不限于活性炭顆粒，粒狀活性炭(GAC)，硅膠，砂，破碎的無(wú)煙煤，離子交換樹(shù)脂珠，活性炭與金屬氧化物的粒狀雜化物，官能化的粒狀活性炭，基于離子交換劑的雜化顆粒如描述于美國(guó)專利第7,504,036、7,291,578、7,708,892號(hào)的氧化鐵氫氧化物雜化離子交換雜化物，聚合的吸附樹(shù)脂如AmberliteTM XAD型聚合吸附劑，活性氧化鋁，沸石，粘土礦物，合成分子篩，KDF過(guò)程過(guò)濾介質(zhì)(Cu-Zn制劑)，鋁硅酸鹽，鈦酸鹽，骨炭，陶瓷，硅藻土(DE)或金屬氧化物氫氧化物浸漬的DE(商品名：NXT-2介質(zhì)，進(jìn)一步描述于美國(guó)專利第8,110,526號(hào))或其任意組合。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，粒狀過(guò)濾介質(zhì)選自離子交換樹(shù)脂顆粒、沸石、活性炭顆粒(具有或不具有官能化的形式)、合成分子篩顆粒、硅藻土、二氧化硅、粘土。

本發(fā)明的水過(guò)濾器可以通過(guò)如下制備：將包括粒狀過(guò)濾介質(zhì)和納米纖維的混合物填充至濾芯室或過(guò)濾器床或過(guò)濾容器，具用或不具用篩網(wǎng)，組合或不組合其它過(guò)濾介質(zhì)的一個(gè)層或多個(gè)層。可以通過(guò)使受污染的水流過(guò)濾芯或過(guò)濾器床以出于水凈化的目的去除污染物而去除水污染物。更具體地，可以將水過(guò)濾器設(shè)計(jì)或提供為重力進(jìn)料的或低壓進(jìn)料的濾芯、過(guò)濾床和/或過(guò)濾柱，以從水中去除污染物用于水凈化應(yīng)用。

具體而言，可以將本發(fā)明的水過(guò)濾器用于來(lái)自市政供應(yīng)的自來(lái)水或農(nóng)村水井；使用點(diǎn)；入口點(diǎn)；市政水處理；來(lái)自水池或礦泉的娛樂(lè)用水；環(huán)境水；工業(yè)過(guò)程用水；工業(yè)廢水；市政廢水和農(nóng)業(yè)灌溉水以去除污染物，包括但不限于：顆粒狀顆粒、膠體顆粒、細(xì)顆粒、懸浮顆粒、有機(jī)物、殘留鹵素、硒、砷酸鹽、亞砷酸鹽、氟化物、重鉻酸鹽、錳、錫、鉑、鐵、鈷、鉻酸鹽、鉬酸鹽、亞硒酸鹽、硒酸鹽、鈾、釩、釩酸鹽、釕、銻、鉬、鎢、鋇、鈰、鑭、鋯、鈦和/或鐳、鋅、銅、鉛、汞、鎘以及天然有機(jī)物質(zhì)(NOM)、殺蟲(chóng)劑和除草劑殘留物、內(nèi)分泌干擾物、制藥殘余物和通過(guò)工業(yè)排放釋放的有機(jī)化合物。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了水凈化過(guò)濾器，其包括通過(guò)混合兩種不同的粒狀過(guò)濾介質(zhì)與納米纖維的第一層介質(zhì)和粒狀過(guò)濾介質(zhì)的第二層，具有或不具有將第一介質(zhì)和第二介質(zhì)隔開(kāi)的篩網(wǎng)，或僅第一和第二介質(zhì)層的共混物。優(yōu)選地，通過(guò)本發(fā)明提供的第一過(guò)濾介質(zhì)層選自與活性炭顆粒(包括官能化的和/或經(jīng)處理的)、沸石、離子交換樹(shù)脂或二氧化硅等的任意組合混合的納米纖維的任意混合物組合。第二過(guò)濾介質(zhì)層選自離子交換樹(shù)脂、沸石。隔開(kāi)第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的篩網(wǎng)具有大于70的篩目大小。該過(guò)濾器可以進(jìn)一步被設(shè)計(jì)、生產(chǎn)或用于重力流動(dòng)和/或低壓流動(dòng)芯，以去除化學(xué)污染物，包括但不限于飲用水源中的有機(jī)物質(zhì)、銅、鋅、汞、鎘、鉛、殘留鹵素如殘留氯或殘留溴。可以將該過(guò)濾器用于使用點(diǎn)或進(jìn)入點(diǎn)，一些實(shí)例包括但不限于灌注式玻璃瓶、水冷卻器和冰箱水箱和壺等。

在一個(gè)方面，可以將本文中描述的發(fā)明用于使用重力進(jìn)料或低壓進(jìn)料裝置從飲用水中去除具體的和可溶的鉛。在一個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)于300L水而言，經(jīng)凈化的水中的總鉛量低于10ppb。

由于可溶的和顆粒狀鉛物種之間存在動(dòng)力學(xué)平衡，所以顆粒狀鉛物種與可溶的鉛來(lái)回轉(zhuǎn)換。該平衡受溶液中的可溶的鉛的濃度并且也受水的pH的影響。取決于尺寸，可以將可溶的鉛稱為膠體。

在一個(gè)方面，本發(fā)明描述了粒狀過(guò)濾介質(zhì)和納米纖維的粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物，其有利之處在于將較小尺寸的鉛捕獲在粒狀過(guò)濾介質(zhì)的孔中并且將較大尺寸的鉛顆粒捕獲在粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物原纖維網(wǎng)中。在一個(gè)實(shí)施方案中，也將較小的鉛捕獲在網(wǎng)中。

在一個(gè)方面，本文中所描述的發(fā)明可以利用該平衡來(lái)從水中去除顆粒物和膠體鉛。使用粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物，將顆粒狀鉛吸附在粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物中直至它們變得可溶。在所述點(diǎn)，第三介質(zhì)例如離子交換介質(zhì)(“IXR”)可以將可溶性鉛交換成鈉或氫。粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物形成網(wǎng)絡(luò)或基質(zhì)或網(wǎng)，其保留或結(jié)合膠體和顆粒狀鉛。在一個(gè)方面，NFC可以為例如萊賽爾纖維(來(lái)自木漿)，其為3-6mm長(zhǎng)，原纖化度為40-300mL并且平均直徑為0.3微米。也可以使用其它形式的NFC。GAC篩目大小可以為一個(gè)單一網(wǎng)(即18、20、25或30)或范圍(例如8X50、12X40或20X50)，優(yōu)選的是16X50。在制造粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物期間形成的原纖維網(wǎng)絡(luò)/基質(zhì)/網(wǎng)尤其與存在于最終復(fù)合物中的水分的量(“％MC”)相關(guān)。％MC越高則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的鉛去除率越高，但是水通過(guò)所述網(wǎng)絡(luò)的流速越慢。理想的％MC在約40和約70％范圍內(nèi)。％MC也可以在約45％MC至約65％MC、約50％MC至約60％MC或約65％MC范圍內(nèi)?？梢允褂眉s500至800微米、約550至750微米、約600至700微米、約650至900微米、約650至790微米或約730至780微米的IXR粒度。在一個(gè)實(shí)施方案中，粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物復(fù)合物在組成方面是非常均勻的或在組成方面不是均勻的。

在一個(gè)實(shí)施方案中，將顆粒狀鉛捕獲在制造粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物期間形成的原纖維網(wǎng)絡(luò)/基質(zhì)/網(wǎng)中轉(zhuǎn)變成可溶的鉛并且然后通過(guò)IXR交換成鈉和氫。在另一實(shí)施方案中，鉀緩沖液在鉛去除或減少方面是有利的。

在另一方面，混合物的納米纖維相對(duì)于每130mL的粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物為在約0.05至約0.8g納米纖維之間。在一個(gè)實(shí)施方案中，相對(duì)于每130mL的粒狀過(guò)濾介質(zhì)混合物，所述范圍的下限為約0.06至約0.3并且所述范圍的上限為約0.31至約5.0g納米纖維。

在一個(gè)實(shí)施方案中，所產(chǎn)生的過(guò)濾的水中的鉛的量為低于約50ppb、低于約47ppb、低于約45ppb、低于約42ppb、低于約40ppb、低于約37ppb、低于約35ppb、低于約32ppb、低于約30ppb、低于約27ppb、低于約25ppb、低于約22ppb、低于約20ppb、低于約19ppb、低于約18ppb、低于約17ppb、低于約16ppb、低于約15ppb、低于約14ppb、低于約13ppb、低于約12ppb、低于約11ppb、低于約10ppb、低于約9ppb、低于約8ppb、低于約7ppb、低于約6ppb、低于約5ppb、低于約4ppb、低于約3ppb、低于約2ppb或低于約1ppb。

雖然已闡釋和描述了示意性實(shí)施方案，但將會(huì)意識(shí)到的是可以在其中進(jìn)行許多改變而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。

實(shí)施例

實(shí)施例1：GAC和NFC的混合物的顆粒狀鉛去除測(cè)試

1)原料和試劑：

納米原纖化的纖維素(NFC)濕餅由Engineered Fiber Technologies,LLC供應(yīng)。

粒狀活性炭(GAC)：12x40目酸洗，由Filtrex Technology,India供應(yīng)。

硝酸鉛(II)：Sigma-Aldrich,ACS試劑

碳酸氫鈉：VWR,ACS試劑

硫酸鎂七水合物：Sigma-Alich,ACS試劑

氯化物二水合物：EMD Chemicals,>99.0％1.0N氫氧化鈉溶液，實(shí)驗(yàn)室制。

去離子水(DI)：電阻率>1.0MΩ-cm(電導(dǎo)率<1μS/cm)

VWR濾紙417(孔尺寸40μm)，由VWR供應(yīng)。

Pall Arcodisc 32mm注射器過(guò)濾器，具有0.1μm超膜，Pall Corporation

塑料柱：7.5cm直徑。

2)用于顆粒狀鉛溶液制備的儲(chǔ)備溶液

根據(jù)NSF/ANSI 53協(xié)定(2011a，公開(kāi)于2012年4月)使用超純水制備以下儲(chǔ)備溶液。氯化鈣溶液(38g/L)；硫酸鎂溶液(32g/L)；碳酸氫鈉溶液(63g/L)；可溶的鉛儲(chǔ)備溶液(3.6g/L，具有4mL的1:1稀硝酸)；不溶的鉛儲(chǔ)備溶液(1.6g/L,pH<6.5)。

3)標(biāo)準(zhǔn)NSF53 pH 8.5顆粒狀鉛測(cè)試用水的制備

如NAF/ANSI 53協(xié)定(2011a，公開(kāi)于2012年4月)中所定義制備標(biāo)準(zhǔn)NSF 53 pH 8.5顆粒狀鉛測(cè)試用水。根據(jù)NSF/ANSI 53協(xié)定(2011a，公開(kāi)于2012年4月)的示意性源水規(guī)格為如下：硬度為90-110mg/L，堿度為90-110mg/L，總氯為0.25-0.75mg/L，pH為8.3-8.6。

測(cè)試用水包含平均150±15ppb的總鉛，其中20-40％的總鉛為根據(jù)NSF/ANSI 53協(xié)定(2011a，公開(kāi)于2012年4月)大于0.1μm的顆粒狀鉛。

制備5L測(cè)試用水的程序描述為如下：

1)向5L塑料容器中添加5L去離子水并在中等速度混合。

2)在中等速度混合下將13.2mL的硫酸鎂溶液、氯化鈣溶液和碳酸氫鈉溶液每一種連續(xù)添加至所述5L溶液。

3)將55μL市售漂白劑添加至溶液。

4)在混合下用1.0N氫氧化鈉溶液將溶液的pH調(diào)節(jié)至pH 8.5(pH8.3-pH8.6)。

5)使用HACH分光光度計(jì)檢查總可得氯(TAC)在0.25-0.75mg/L TAC范圍內(nèi)。

6)在混合下將264μL可溶的鉛儲(chǔ)備溶液添加至所述溶液。

7)將13.2mL的所述溶液轉(zhuǎn)移至25mL塑料容器。

8)將所述溶液在25mL塑料容器中快速混合，然后將264μL不溶的鉛儲(chǔ)備溶液添加至所述25mL塑料容器，繼續(xù)快速混合60秒，然后在中等混合下立即將所述溶液轉(zhuǎn)移至5L塑料容器。

9)將在5L塑料容器中的5L顆粒狀鉛測(cè)試用水趁新制立即用于鉛去除測(cè)試。

4)顆粒狀鉛測(cè)試用水制劑的制備

通過(guò)按照與上述將顆粒狀鉛添加至初始測(cè)試用水相同的程序，可以將額外的顆粒狀鉛添加至上述標(biāo)準(zhǔn)NSF 53 pH 8.5顆粒狀鉛測(cè)試用水以進(jìn)一步增加顆粒狀鉛濃度。將最終顆粒狀鉛測(cè)試用水趁新制用于鉛去除測(cè)試。

5)GAC和NFC的混合物的制備

在強(qiáng)力攪拌下向150mL的去離子水中添加1.0g的NFC濕餅(0.2g干重的NFC)，然后將強(qiáng)力混合保持另外30分鐘，獲得NFC水分散體。之后添加50克GAC并將中等攪拌保持另外10分鐘以在水中共混GAC和NFC。通過(guò)過(guò)濾獲得GAC和NFC的最終混合物并進(jìn)一步如以下柱測(cè)試進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)將GAC添加至150mL去離子水，然后中等混合10分鐘制得另一空白GAC樣品，并通過(guò)過(guò)濾獲得最終的空白GAC樣品，并進(jìn)一步如以下柱測(cè)試進(jìn)行測(cè)試。

6)顆粒狀鉛去除的柱測(cè)試的柱裝配

向具有7.5cm直徑的塑料柱中，在柱底部放置具有40微米孔尺寸的濾紙以防止顆粒或NFC從柱中漏出并進(jìn)一步污染流出物。然后放置如上文制備的GAC和NFC的全部混合物，然后也將相同的濾紙放置在塑料柱中的介質(zhì)的頂部。僅將GAC和NFC的混合物介質(zhì)用如上文制備的空白GAC替換，以相同程序裝配空白的GAC測(cè)試柱。

7)顆粒狀鉛去除的柱測(cè)試

根據(jù)NSF/ANSI 53協(xié)定(2011a，公開(kāi)于2012年4月)，應(yīng)當(dāng)將代表總鉛樣品的第一部分(來(lái)自流入物或流出物)立即轉(zhuǎn)移至包含足以將樣品的pH降低至低于2.0的硝酸的非玻璃樣品瓶。應(yīng)當(dāng)使從非玻璃取樣容器收集的樣品的第二部分(來(lái)自相同的流入物或流出物)立即通過(guò)0.1微米絕對(duì)過(guò)濾器并收集至包含足以將樣品的pH降低至低于2.0的硝酸的非玻璃樣品瓶中。該樣品為0.1微米濾出物鉛樣品[fPb0.1]。

應(yīng)當(dāng)如下計(jì)算總顆粒狀鉛[Pbtp]：

[Pbtp]＝[Pbt]-[fPb0.1]。

如上述項(xiàng)目3制備顆粒狀鉛測(cè)試用水。對(duì)用于柱測(cè)試的第一升的初始流入物取樣在塑料容器中首先用于總鉛和總顆粒狀鉛分析，所述塑料容器具有硝酸作為開(kāi)始柱測(cè)試之前的保存劑，立即接著將第一升的流入物顆粒狀鉛測(cè)試用水分別重力進(jìn)料至被GAC和NFC的混合物或空白GAC填充的柱中，然后使測(cè)試用水通過(guò)重力進(jìn)料流過(guò)所述柱。分別從每個(gè)柱將全部流出物樣品收集在1L的塑料容器中，并進(jìn)一步準(zhǔn)備用于總鉛和總顆粒狀鉛分析的樣品。

在第一升鉛測(cè)試用水樣品完全通過(guò)所述柱之后，立即接著重復(fù)相同的程序，讓第二升測(cè)試用水流過(guò)所述柱。

通過(guò)EPA 200.8方法進(jìn)行鉛測(cè)定，所述方法命名為“通過(guò)電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)定水和廢棄物中的痕量元素(Determination of Trace Elements in waters and wastes by inductively coupled plasma-mass spectrometry)”。

下表1列出了來(lái)自GAC和NC的混合物的顆粒狀鉛去除結(jié)果。

表1：GAC和NFC的混合物的顆粒狀鉛去除測(cè)試

來(lái)自表1的結(jié)果明確證實(shí)了GAC和NFC的混合物顯示出比空白GAC高得多的總顆粒狀鉛去除效率。

實(shí)施例2：沸石和NFC的混合物的顆粒狀鉛去除測(cè)試。

在該實(shí)施例中，原料沸石由Zeotech Corporation以商品名Zeobrite供應(yīng)，其為粒狀天然沸石。通過(guò)僅用所述沸石替換GAC，按照與上述實(shí)施例1相同的方法制備沸石和NFC的混合物。通過(guò)將沸石添加至150mL去離子水然后中等混合10分鐘制備空白的沸石，并通過(guò)過(guò)濾獲得最終的空白沸石樣品，并且通過(guò)柱測(cè)試進(jìn)一步測(cè)試。

制備全部顆粒狀鉛測(cè)試用水樣品并趁新制使用，全部柱測(cè)試裝配和測(cè)試程序如實(shí)施例1那樣重復(fù)。

下表2列出了來(lái)自沸石和NFC的混合物的顆粒狀鉛去除結(jié)果。

表2：沸石和NFC的混合物的顆粒狀鉛去除測(cè)試

來(lái)自表2的結(jié)果明確證實(shí)了沸石和NFC的混合物顯示出比空白沸石高得多的顆粒狀鉛去除效率。

實(shí)施例3：離子交換樹(shù)脂和NFC的混合物的顆粒狀鉛去除測(cè)試

在該實(shí)施例中，原料離子交換樹(shù)脂(IER)珠Amberlyst 15(強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換劑)由Dow Chemical Co.供應(yīng)。將所述Amberlyst 15通過(guò)與1N氫氧化鈉溶液混合而首先從質(zhì)子型轉(zhuǎn)變成鈉型。

木質(zhì)纖維素細(xì)粉Fiber Clear(FC)由Fiber Clear,Inc.供應(yīng)。通過(guò)僅分別用IER替換GAC或用FC替換NFC而通過(guò)重復(fù)實(shí)施例1的項(xiàng)目5的程序分別制備IER和NFC的介質(zhì)混合物以及IER和Fiber Clear(FC)的介質(zhì)混合物。

通過(guò)分別將IER添加至150mL去離子水，然后中等混合10分鐘制備空白的IER，并通過(guò)過(guò)濾獲得最終的空白IER，并進(jìn)一步通過(guò)柱測(cè)試進(jìn)行測(cè)試。

制備全部顆粒狀鉛測(cè)試用水樣品并趁新制使用，全部柱測(cè)試裝配和程序如實(shí)施例1那樣重復(fù)。

下表3列出了來(lái)自IER和NFC的混合物以及IER和Fiber Clear的混合物的顆粒狀鉛去除結(jié)果。

表3：IER和NFC的混合物的顆粒狀鉛去除測(cè)試

來(lái)自表3的結(jié)果明確證實(shí)了IER和NFC的混合物顯示出比空白IER或與IER和由Fiber Clear提供的纖維素細(xì)粉的混合物相比高得多的顆粒狀鉛去除百分比。

實(shí)施例4：由NFC濕法鋪設(shè)的頂層的顆粒狀鉛去除測(cè)試。

在該實(shí)施例中，與實(shí)施例1相同地使用原料GAC。與實(shí)施例3相同地使用由Fiber Clear(FC)供應(yīng)的原料纖維素細(xì)粉。

GAC和NFC的混合物介質(zhì)以及GAC和Fiber Clear的混合物介質(zhì)的柱制備之后也是重復(fù)實(shí)施例1的程序。

通過(guò)以下制備由NFC或Fiber Clear(FC)濕法鋪設(shè)的頂層的柱：首先通過(guò)將0.2g干重的NFC或0.2g干重的Fiber Clear添加至100ml去離子水，和然后強(qiáng)力混合30分鐘，制備100mL的NFC分散體和100ml的Fiber Clear漿料，然后之后分別將NFC的分散體或FC的漿料傾倒至塑料柱中，所述柱首先在底部放置了40微米濾紙，然后進(jìn)一步用50克GAC填充。最后將另一40微米濾紙分別放置在所述柱中的濕法鋪設(shè)的NFC或FC的頂部。

以與實(shí)施例1中所描述相同的程序制備顆粒狀鉛測(cè)試用水。

全部取樣和顆粒狀鉛去除柱測(cè)試遵循與實(shí)施例1中所描述相同的程序。

制備全部顆粒狀鉛測(cè)試用水樣品并趁新制使用。

下表4列出了來(lái)自GAC和由NFC和FC頂部濕法鋪設(shè)的柱的顆粒狀鉛去除結(jié)果。

表4：GAC和頂部濕法鋪設(shè)的柱的顆粒狀鉛去除測(cè)試

結(jié)果明確證實(shí)了由NFC濕法鋪設(shè)的頂層顯示出比單獨(dú)的對(duì)照GAC或由Fiber Clear供應(yīng)的細(xì)纖維素纖維濕法鋪設(shè)的頂層明顯更低的流出物中的總鉛和明顯更高的顆粒狀鉛去除％。

實(shí)施例5：在Brita壺室中的混合物介質(zhì)的流速測(cè)試。

原料

在該實(shí)施例中，用于實(shí)施例中的納米原纖化的纖維素(NFC)和粒狀活性炭(GAC)、去離子水和VWR濾紙417與通過(guò)實(shí)施例1描述的相同。

Brita Slim型(40oz容量)和Brita壺過(guò)濾器OB03型均購(gòu)自Fred Meyer。

測(cè)試過(guò)濾器樣品制備

按照上述實(shí)施例1描述的程序制備GAC和納米原纖化的纖維素的混合物。向300mL去離子水中添加預(yù)定量的納米原纖化的纖維素并通過(guò)高速混合30分鐘進(jìn)行進(jìn)一步分散，然后添加37克的GAC并繼續(xù)混合另外的10分鐘。通過(guò)過(guò)濾分離GAC和納米原纖化的纖維素的最終混合物并預(yù)備使用。

將Brita壺過(guò)濾器(型號(hào)OB03)在頂部上切割，以提供開(kāi)口，然后清空過(guò)濾器外殼的介質(zhì)。向空的過(guò)濾器外殼中，首先將8克的GAC介質(zhì)填充至底部，然后填充如上文制備的37克的GAC和納米原纖化的纖維素的混合物。

通過(guò)將45克GAC填充至空的Brita壺過(guò)濾器(型號(hào)OB03)外殼中而制備另一空白的過(guò)濾器。

流速測(cè)量

將Brita壺Slim型用于流速測(cè)量。上述制備的Brita過(guò)濾器放置在所述Brita壺中，并將1L去離子水填充在壺的上部?jī)?chǔ)液器中。由7次重復(fù)測(cè)量1L水完全通過(guò)壺過(guò)濾器所需的時(shí)間。

表5 列出了流速測(cè)量結(jié)果。

來(lái)自表5的結(jié)果明確證實(shí)了重力進(jìn)料的壺濾芯的流速明顯由粒狀活性炭和NFC的混合物介質(zhì)中的納米原纖化的纖維素的量確定。隨著NFC的量增加，流速將明顯降低?？梢詫⒓{米原纖化的纖維素用作有效組分以調(diào)節(jié)填充有粒狀活性炭的重力進(jìn)料的過(guò)濾器中的流速。

實(shí)施例6：改性的Brita壺過(guò)濾器的SF53 pH 8.5鉛減少測(cè)試。

1.原料和試劑

納米原纖化的纖維素(NFC)濕餅由Engineered Fiber Technologies,LLC供應(yīng)。

GAC：Resin Tech AGC-50-CSAD，粒狀活性炭，由Resin Tech Inc.供應(yīng)。

Brita壺過(guò)濾器OB03：購(gòu)自Fred Myer，

Brita壺：購(gòu)自Fred Myer.

離子交換樹(shù)脂(IER)：Resin Tech WACG-HP，弱酸離子交換樹(shù)脂，由Resin Tech Inc.供應(yīng)，通過(guò)將其浸入pH3.7緩沖液中進(jìn)一步預(yù)處理，然后在去離子水中沖洗3個(gè)循環(huán)，并且準(zhǔn)備測(cè)試。

硝酸鉛(II)：Sigma-Aldrich,ACS試劑；碳酸氫鈉：VWR,ACS試劑；硫酸鎂七水合物：Sigma-Alich,ACS試劑；氯化鈣二水合物：EMDChemicals99.0％，1.0N氫氧化鈉溶液，實(shí)驗(yàn)室制得；去離子水(DI)：電阻率>1.0MΩ-cm(電導(dǎo)率<1μS/cm)；VWR濾紙417(孔尺寸40μm)，由VWR供應(yīng)。

2.GAC和納米原纖化的纖維素(NFC)的混合物介質(zhì)的制備

向100ml去離子水中添加0.14g干重的NFC，并通過(guò)高速混合進(jìn)一步分散，以提供漿料。向所述漿料中添加40ml的GAC并進(jìn)一步混合15分鐘，然后將混合的介質(zhì)通過(guò)過(guò)濾分離。全部介質(zhì)準(zhǔn)備用于填充至過(guò)濾器外殼中。

3.改性的Brita壺過(guò)濾器的制備

將Brita壺過(guò)濾器OB03切割，以打開(kāi)過(guò)濾器頂部，然后通過(guò)移除全部介質(zhì)而將其清空，以獲得空的Brita壺過(guò)濾器外殼。向空的外殼中，首先放置90ml經(jīng)預(yù)處理的Resin Tech WACG-HP，然后添加40ml的GAC和NFC的混合的介質(zhì)。然后將過(guò)濾器開(kāi)口膠合并準(zhǔn)備用于NSF 53 pH 8.5鉛減少測(cè)試。通過(guò)僅將40ml的GAC和NFC的混合的介質(zhì)用40ml的GAC替換而制備另一對(duì)照過(guò)濾器。

4.改性的Brita壺過(guò)濾器的NSF 53 pH8.5鉛減少測(cè)試

制備NSF53 pH8.5鉛測(cè)試用水的詳細(xì)程序描述于實(shí)施例1中。

在將改性的Brita壺過(guò)濾器牢固地插入Brita壺之后，將1L測(cè)試用水傾倒至每個(gè)Brita壺容器中。將流出物收集在所述Brita壺中。在兩升測(cè)試用水通過(guò)所述壺之后，收集第一份1L的水樣品，然后在300L總測(cè)試容量期間以每30升測(cè)試體積收集1L流出物樣品，并分別在30L、60L、90L、120L、150L、180L、210L、240L、270L或300L的壺測(cè)試體積進(jìn)行取樣。測(cè)量流入物和流出物的pH以及測(cè)試用水通過(guò)壺的流速。通過(guò)EPA 200.8協(xié)定測(cè)定收集的流入物和流出物水樣品的鉛濃度。

5.改性的Brita壺過(guò)濾器的NSF 53 pH8.5鉛減少測(cè)試結(jié)果

下表6證實(shí)了改性的Brita壺過(guò)濾器的NSF 53 pH8.5鉛減少測(cè)試結(jié)果。填充有GAC和NFC的混合的介質(zhì)的過(guò)濾器在流出物顯示出平均1.9ppb總鉛對(duì)比在對(duì)照樣品的流出物中顯示出平均27.7ppb總鉛，前者1.9ppb的總鉛遠(yuǎn)低于NSF 53標(biāo)準(zhǔn)(其設(shè)定在最大10.0ppb)。原始對(duì)照過(guò)濾器在NSF 53標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中不及格，然而，填充有GAC和NFC的混合的介質(zhì)的改性的Brita壺過(guò)濾器成功地通過(guò)pH8.5鉛減少的NSF53測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

表6-改性的Brita壺過(guò)濾器的NSF53 pH8.5鉛減少測(cè)試結(jié)果

實(shí)施例7：改性的Brita壺過(guò)濾器的NSF53 pH 6.5鉛減少測(cè)試。

用于該實(shí)施例的全部原料和試劑與實(shí)施例6中所描述的相同。如實(shí)施例6中所描述重復(fù)制備GAC和納米原纖化的纖維素(NFC)的混合物介質(zhì)的程序和制備改性的Brita壺過(guò)濾器的程序。

根據(jù)NSF/ANSI 53協(xié)定(2011a，公開(kāi)于2012年4月)進(jìn)行制備測(cè)試用水的程序，將當(dāng)?shù)刈詠?lái)水用于測(cè)試。

通過(guò)將0.0720g硝酸鉛溶于500ml去離子水制備鉛儲(chǔ)備溶液，其中添加10滴濃硝酸。

在將改性的Brita壺過(guò)濾器牢固地安裝在Brita壺中之后，在55L塑料容器中準(zhǔn)備30L測(cè)試用水，使用自動(dòng)連續(xù)進(jìn)料器將其自動(dòng)進(jìn)料至Brita壺。當(dāng)流出物的總體積達(dá)到以下取樣點(diǎn)時(shí)，收集1L流入物和流出物水樣品：2L、75L、150L、225L、270L和300L。分析來(lái)自收集的流出物水樣品的pH和殘留鉛。同樣在測(cè)試用水流過(guò)過(guò)濾器期間測(cè)量流速。通過(guò)EPA 200.8方法測(cè)定收集的流入物和流出物水樣品的鉛濃度。

下表7證實(shí)改性的Brita壺過(guò)濾器的NSF 53 pH6.5鉛減少測(cè)試結(jié)果。填充有GAC和NFC的混合的介質(zhì)的過(guò)濾器在流出物中顯示出平均3.5ppb總鉛對(duì)比在流出物中實(shí)測(cè)的平均143.8ppb。流出物中實(shí)測(cè)的平均3.5ppb的鉛遠(yuǎn)低于NSF 53標(biāo)準(zhǔn)(其設(shè)定為最高10.0ppb)。因此，改性的Brita壺過(guò)濾器與鉛減少要求一致，也可以有效地減少鉛。

表7-改性的Brita壺過(guò)濾器的NSF 53 pH6.5鉛減少測(cè)試