Керамический фильтр

(71)(73) Заявитель и патентовладелец: АКВА-НУ ФИЛЬТРЕЙШН СИСТЕМС ЛИМИТЕД (IE) В изобретении описан керамический фильтр, содержащий (a) от приблизительно 81 до приблизительно 87 мас.% диатомовой земли; (b) от приблизительно 10 до приблизительно 20 мас.% флюса и (c) от приблизительно 0,03 до приблизительно 0,4 мас.% металлического соединения, где массовые проценты взяты от массы керамического фильтра. 015234 Настоящее изобретение относится к керамическому фильтру. В частности, оно относится к керамическому фильтру для фильтрации жидкости, прежде всего водопроводной воды для удаления из нее болезнетворных микроорганизмов или загрязнений. В силу изменяющегося качества многих предполагаемых источников питьевой воды (например,трубопроводы служб водоснабжения или группового водоснабжения) в целом такая вода неблагоприятна для питья и в некоторых экстремальных случаях может содержать болезнетворные микроорганизмы или загрязнения, которые могут приводить к серьезным заболеваниям. Например, некоторые источники питьевой воды могут содержать вредные простейшие или бактерии, такие как Cryptosporidium, Giardia иE.coli, которые после попадания в организм могут быть источниками заболеваний. Таким образом, существует возрастающая тенденция продажи воды для питья в бутылках или других подходящих сосудах,покупка такой воды может быть достаточно дорогой. Например, для спортсменов, которым требуется регулярно восполнять потерю воды при физических упражнениях, расходы на бутилированную воду могут быть достаточно высокими. Известно использование керамики в качестве загрузки в фильтрах, включая фильтры для очистки жидкости, такой как водопроводная вода. Однако такие керамические фильтры имеют непостоянное качество, являются обычно громоздкими и относительно не переносными и не могут при необходимости гарантировать удаление болезнетворных микробов, таких как простейшие, из воды. Таким образом, существует необходимость в фильтре, который преодолеет эту проблему. Настоящее изобретение направлено на разработку керамического фильтра, имеющего способность удаления загрязнений, включая, однако не ограничиваясь, болезнетворные микроорганизмы, такие какCryptosporidium и Giardia, а также бактерии и вирусы, из жидкости, такой как водопроводная вода. Керамический фильтр согласно изобретению имеет множество потенциальных применений. Например, он может быть использован для очистки водопроводной воды, содержащейся в сосудах, таких как бутылка,при ее разливе из сосуда. Согласно первому аспекту изобретения предусмотрен керамический фильтр, содержащий:(c) от приблизительно 0,03 до 0,4 вес.% металлического соединения,весовые проценты являются весовыми процентами керамического фильтра. Термин "флюс", использованный здесь, означает агент стеклования, который понижает температуру плавления ингредиентов и стимулирует связывание керамики. Подходящими металлическими соединениями для использования в изобретении являются элементыVI-XII групп, исключая серебро. Такие металлические соединения предпочтительно выбираются из группы, включающей в себя хром, марганец, кобальт, никель, медь и цинк, более предпочтительно медь и цинк. Особо предпочтительной является медь. Металлическое соединение предпочтительно присутствует в фильтре в количестве от приблизительно 0,05 до 0,3, предпочтительно от 0,1 до 0,25, еще более предпочтительно от приблизительно 0,13 до 0,23 и в высшей степени предпочтительно от 0,18 вес.% керамического фильтра. Керамический фильтр имеет хорошую возможность удаления материала, имеющего размеры в диаметре 1,5 мкм и более. Предпочтительно керамический фильтр по изобретению имеет коэффициент сжатия от приблизительно 0,30 до 0,55, более предпочтительно от приблизительно 0,35 до 0,50 или от приблизительно 0,37 до 0,45. Предпочтительным является коэффициент сжатия, равный 0,40. Использованный здесь термин"коэффициент сжатия" означает соотношение толщины керамического фильтра в миллиметрах после отжига к первоначальной толщине в миллиметрах до отжига, при этом удельный вес керамического фильтра составлял приблизительно 0,08 кг/см 2 во время отжига. Керамический фильтр согласно изобретению имеет толщину от приблизительно 2,0 до 4,5 мм, предпочтительно от приблизительно 2,5 до 4,0 мм. Предпочтительная толщина равна приблизительно 3,2 мм. Диатомовая земля имеет содержание окиси кремния по меньшей мере 70%. Является предпочтительной диатомовая земля, содержащая окись кремния, натрий, магний и железо. Диатомовая земля,продаваемая под торговой маркой Celatom и содержащая по меньшей мере 70% кремния, от приблизительно 4 до 8% натрия, от приблизительно 2 до 4% магния и приблизительно от 1,5 до 2,5% железа, является самой предпочтительной. Предпочтительно диатомовая земля является диатомовой землей, продаваемой под торговой маркой Celatom FW, более предпочтительно продуктом, известным как CelatomFW-12 (имеющим средний размер частиц около 24 мкм и способным удалять материал, имеющий размер частицы около 0,7 мкм), FW-14 (имеющим средний размер частиц около 28 мкм и способным удалять материал, имеющий размер частицы с размерами около 0,75 мкм), FW-18 (имеющим средний размер частиц около 31 мкм и способным удалять материал с размером частицы около 0,8 мкм), FW-20 (имеющим средний размер частиц около 33 мкм и способным удалять материал с размером частицы около 0,9 мкм),FW-40 (имеющим средний размер частиц около 40 мкм и способным удалять материал с размером частицы около 1,0 мкм), FW-50 (имеющим средний размер частиц около 42 мкм и способным удалять материал с размером частицы около 1,1 мкм), FW-60 (имеющим средний размер частиц около 48 мкм и спо-1 015234 собным удалять материал с размером частицы около 1,2 мкм) или FW-80 (имеющим средний размер частиц около 77 мкм и способным удалять материал с размером частицы около 1,6 мкм) или их смесь. Диатомовая земля может содержать смесь из двух или более диатомовых земель с разными диаметрами частиц, например смесь диатомовой земли со средним диаметром частиц от приблизительно 25 до 30 мкм с землей, имеющей средний диаметр частиц от приблизительно 75 до 80 мкм. Смесь диатомовой земли, имеющей средний диаметр частиц приблизительно 28 мкм, и диатомовой земли, имеющей средний диаметр частиц приблизительно 77 мкм, является предпочтительной. Когда используется смесь двух диатомовых земель, то предпочтительна диатомовая смесь, способная отфильтровывать вещества,имеющие размер частицы от 0,5 до 3,0 мкм, предпочтительно от 1,0 до 2,5 мкм, еще более предпочтительно от 1,5 до 2,0 мкм. Предпочтительно использовать смесь диатомовых земель, продаваемых под торговой маркой Celatom FW-14 и FW-80, предпочтительно в пропорции от 30:70 до 70:30, более предпочтительно в пропорции от 60:40 до 40:60, наиболее предпочтительно в пропорции 50:50 по весу диатомовых земель. Смесь 50:50 диатомовых земель, продаваемая под торговой маркой Celatom FW-14 иFW-80, являются самой предпочтительной. Диатомовая земля предпочтительно присутствует в количестве от приблизительно 83 до приблизительно 85 вес.%, наиболее предпочтительно приблизительно 84 вес.% от веса керамического фильтра. Флюс воздействует для связывания составляющих, а именно диатомовой земли с металлическим соединением, во время процесса отжига при производстве фильтра, а также обеспечивает дополнительную крепость законченному керамическому фильтру. Подходящие флюсы в рамках этого изобретения содержат карбонат барий (BaCO3), сульфат бария (BaSO4), кальцит (CaCO3), мел (CaCO3), корнуольский минерал (различные), доломит (CaCO3MgCO3), полевой шпат (поташ) (K2OAl2O36SiO2), полевой шпат(Li2OAl2O38SiO2), карбонат калия (поташ из золы растений) (K2CO3), каменная пыль, например базальт или гарнит, карбонат натрия (кальцинированная сода) (Na2CO3), сподумин (Li2OAl2O34SiO2), карбонат стронция (SrCO3), тальк (3MgO4SiO2H2O), мел (CaCO3), волластонит (CaOSiO2), древесную золу (может содержать растворимые компоненты), окись цинка (ZnO) и содержащие бор соединения. Особо предпочтительными являются борсодержащие соединения, особенно окислы бора, соли бора и гидраты солей бора. Подходящие соли содержат соли бора вместе с щелочными металлами или соли борной кислоты. Борат натрия, также известный как натрия тетраборат декагидрат, двухнатриевый тетраборат, декагидрат буры или бура (Na2B4O710H2O) являются предпочтительным. Подходящие оксиды бора содержат колеманит (2CaO3B2O35H2O (различ., герстли борат (смесь колеманита [Ca2B6O115H2O] и улексита [NaO2CaO5B2O35H2O]) и окись бора, имеющего формулу B2O3. Предпочтительным является оксид бора по формуле B2O3, факультативно в его аморфной форме. Флюс,содержащий окись бора (B2O3), окись алюминия (Al2O3) и/или окись кремния (SiO2), является предпочтительным, особенно флюс, содержащий приблизительно от 10 до 30% окиси бора, предпочтительно около 20% окиси бора; приблизительно от 2 до 15% окиси алюминия, предпочтительно около 8% окиси алюминия; приблизительно от 40 до 60% окиси кремния, предпочтительно около 50% окиси кремния. Предпочтительно используется фритта, содержащая бор, особенно фритта, содержащая окись бора. Фритта, содержащая окись бора (B2O3), окись алюминия (Al2O3) и/или окись кремния (SiO2), является особенно предпочтительной. Борсодержащая фритта, содержащая приблизительно от 10 до 30% окиси бора, предпочтительно около 20% окиси бора; от 2 до 15% окиси алюминия, предпочтительно около 8% окиси алюминия; от 40 до 60% окиси кремния, предпочтительно около 50% окиси кремния, является особенно предпочтительной. Предпочтительно флюс имеет температуру отжига от приблизительно 300 до приблизительно 1500C, предпочтительно от приблизительно 400 до приблизительно 1300C, более предпочтительно от приблизительно 500 до приблизительно 1200C. Температура отжига приблизительно 1050C является предпочтительной. Борсодержащая фритта с температурой отжига приблизительно 1085C является самой предпочтительной. Предпочтительно флюс составляет от приблизительно 12 до приблизительно 18 вес.%, предпочтительно от приблизительно 14 до приблизительно 16 вес.%, более предпочтительно приблизительно 15 вес.% керамического фильтра. Борсодержащая фритта в количестве приблизительно 15% является в высшей степени предпочтительной. В соответствии со вторым аспектом предлагаемого изобретения используют смесь для изготовления керамического фильтра, при этом смесь содержит:(f) приблизительно от 50 до приблизительно 85 вес.% воды; весовые проценты являются весовыми процентами полной смеси. Металлическое соединение может быть соединением, как описано выше, для керамического фильтра и предпочтительно присутствовать в смеси в виде соли или гидрата слои. Предпочтительно соль выбирается из группы сульфатов, карбонатов, хлоридов и ацетатов, более предпочтительно сульфатов. Сульфат меди и его гидрат является предпочтительным, особенно сульфат меди пентагидрат. Предпочтительно металлическое соединение, или его соль, или гидрат соли присутствуют в составе в количестве от приблизительно 0,07 до приблизительно 0,8 мас.%, более предпочтительно от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,5 мас.%, еще более предпочтительно от приблизительно 0,15 до приблизительно 0,3 мас.% и наиболее предпочтительно около приблизительно 0,2 мас.% общей смеси. Диатомовая земля является соединением, как описано выше, для керамического фильтра и предпочтительно присутствует в смеси в количестве от приблизительно 14 до приблизительно 26 мас.%, более предпочтительно от приблизительно 16 до приблизительно 24 мас.%, еще более предпочтительно от 18 до 22 мас.% и наиболее предпочтительно около 20 мас.% общей смеси. Флюс может являться соединением, как описано выше, для керамического фильтра и предпочтительно присутствует в смеси в количестве от приблизительно 2 до приблизительно 5 мас.%, более предпочтительно от приблизительно 2,5 до приблизительно 4,5 мас.%, еще более предпочтительно от приблизительно 3 до приблизительно 4 мас.% и наиболее предпочтительно приблизительно 3,8 мас.% общей смеси. Камедь целлюлозы в смеси требуется для получения смеси с пластичными свойствами. Подходящая камедь целлюлозы содержит метилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу, гидроксиметилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу, гидроксипропилметилцеллюлозу и их смеси. Карбоксиметилцеллюлоза является предпочтительным соединением. Предпочтительно используется модифицированная карбоксиметилцеллюлоза, особенно натрий-карбоксиметилцеллюлоза. Натрий-карбоксиметилцеллюлоза продается под торговой маркой Blanose, распространяемой компанией Hercules S.A., Alizay, Франция. Предпочтительно камедь целлюлозы присутствует в количестве от приблизительно 1 до приблизительно 5 вес.%, предпочтительно от приблизительно 1,5 до приблизительно 4 вес.%, более предпочтительно от приблизительно 2 до приблизительно 3 вес.%, наиболее предпочтительно приблизительно 2,3 вес.% полной смеси. Особенно предпочтительно использование натрий-карбоксиметилцеллюлозы в количестве 2,3%. Наполнители могут быть использованы в смеси, содержащей пеньку, хлопок, лен, шелк, шерсть,целлюлозу и их смеси. Предпочтительным материалом является целлюлоза. Наполнитель может присутствовать в количестве от приблизительно 3 до приблизительно 7 мас.%, предпочтительно от приблизительно 3,5 до приблизительно 6 мас.%, более предпочтительно от приблизительно 4 до приблизительно 5 мас.% и наиболее предпочтительно приблизительно 4,3 мас.% общей смеси. Особо предпочтительно использование целлюлозы в количестве приблизительно 4,3%. В процессе приготовления керамического фильтра на этапе отжига наполнитель выгорает, оставляя ячеистую структуру в керамике. Обычно целлюлоза сгорает при температуре около 300C. Вода может присутствовать в количестве от приблизительно 55 до приблизительно 80 вес.%, предпочтительно от приблизительно 60 до приблизительно 75 вес.%, более предпочтительно от приблизительно 65 до приблизительно 70 вес.%, наиболее предпочтительно приблизительно 68 вес.% общей смеси. В соответствии с третьим аспектом предлагаемого изобретения используют заготовку фильтра для получения керамического фильтра, при этом заготовка фильтра содержит:(e) от приблизительно 5 до приблизительно 35 вес.% наполнителя,весовые проценты являются весовыми процентами полной заготовки фильтра. Металлическое соединение, или его соль, или гидрат соли металла, диатомовая земля, флюс, камедь целлюлозы и наполнитель для заготовки выбираются также, как это описано выше для смеси. Металлическое соединение, или его соли, или гидраты соли присутствуют в количестве от приблизительно 0,2 до 1,2 мас.%, предпочтительно от 0,3 до 1,0 мас.%, еще более предпочтительно от приблизительно 0,4 до 0,8 мас.% и наиболее предпочтительно приблизительно 0,5 мас.% общей заготовки фильтра. Диатомовая земля предпочтительно присутствует в количестве от приблизительно 60 до приблизительно 85 мас.%, еще более предпочтительно от приблизительно 62 до приблизительно 80 мас.% и наиболее предпочтительно приблизительно 65 мас.% общей заготовки фильтра. Флюс может предпочтительно присутствовать в количестве от приблизительно 5 до приблизительно 15 мас.%, более предпочтительно от приблизительно 8 до приблизительно 14 мас.% и в наиболее-3 015234 предпочтительно приблизительно 12 мас.% общей заготовки фильтра. Камедь целлюлозы может предпочтительно присутствовать в количестве от приблизительно 4 до приблизительно 15 мас.%, более предпочтительно от приблизительно 5 до приблизительно 10 мас.% и наиболее предпочтительно приблизительно 8 мас.% общей заготовки фильтра. Наполнитель предпочтительно присутствует в количестве от приблизительно 8 до приблизительно 30 мас.%, более предпочтительно от приблизительно 10 до приблизительно 25 мас.% и наиболее предпочтительно приблизительно 13 мас.% общей заготовки фильтра. Изобретение предусматривает также способ изготовления керамического фильтра согласно изобретению и способ состоит из следующих шагов:(A) формирование смеси согласно изобретению путем соединения следующих компонентов:(f) от приблизительно 50 до приблизительно 85 вес.% воды; проценты по весу являются весовыми процентами полной смеси;(B) удаление части воды из смеси для получения смеси, имеющей пригодную для формования консистенцию;(C) сушка смеси для удаления остатков несвязанной воды и получения заготовки фильтра согласно изобретению;(D) отжиг заготовки фильтра для получения керамического фильтра. На шаге (A) компоненты предпочтительно соединяются при температуре от 20 до 40C, предпочтительно при 30C. На шаге (A) компоненты соединяются в следующей последовательности:(i) добавить металлическое соединение, или его соль, или гидрат соли к воде;(ii) добавить к полученной смеси камедь целлюлозы;(iv) добавить к полученной смеси наполнитель и(v) добавить к полученной смеси диатомовую землю. На шаге (B) смесь предпочтительно отставляют в покое на время от приблизительно 30 мин до приблизительно 5 ч, более предпочтительно на время от приблизительно 1 до приблизительно 3 ч, наиболее предпочтительно на время приблизительно 2 ч, предпочтительно при температуре от приблизительно 20 до приблизительно 40C, более предпочтительно при температуре приблизительно 30C. Формовочная консистенция смеси легко позволяет вырезать желаемую форму заготовки. После шага (B) и перед шагом (C) смесь нарезают на куски нужной формы. Это может быть любая форма по желанию, но предпочтительно нарезать, по существу, на круглые диски, более предпочтительно на диски с диаметром от приблизительно 20 до приблизительно 25 мм, предпочтительно примерно 22 мм. Предпочтительно шаг (C) содержит нагревание в течение от приблизительно 30 мин до приблизительно 2 ч, предпочтительно приблизительно 1 ч, при температуре от приблизительно 90 до приблизительно 110C, предпочтительно приблизительно 100C. На шаге (D) предпочтительно отжиг проводится при температуре от приблизительно 800 до приблизительно 1200C, более предпочтительно от приблизительно 900 до приблизительно 1150C, еще более предпочтительно от приблизительно 1000 до приблизительно 1100C, наиболее предпочтительно около приблизительно 1085C. Заготовки фильтров предпочтительно отжигаются в течение от приблизительно 4 до приблизительно 11 ч, предпочтительно от приблизительно 6 до приблизительно 9 ч, еще более предпочтительно приблизительно 8,25 ч. Способ также содержит приложение нагрузки к заготовке фильтра для того, чтобы вызвать его сжатие во время отжига (шаг (D. Предпочтительный уровень нагрузки составляет от приблизительно 0,05 до приблизительно 0,1 кг/см 2, предпочтительно приблизительно 0,08 кг/см 2. Преимущества керамического фильтра согласно изобретению включают следующее. Фильтры удаляют из водопроводной воды все или существенно все бактерии, включая Cryptosporidium и Giardia. Когда в качестве металлического соединения для фильтра выбирается медь, то медь действует в качестве антибактериального агента. Фильтры имеют совмещенные свойства фильтрации и антибактериальные свойства. Следующие примеры служат для иллюстрации изобретения, однако необходимо понять, что само изобретение не ограничено этими примерами.-4 015234 Пример 1. Керамический фильтр был изготовлен из компонентов, перечисленных в табл. 1, и подвергнут обработке согласно шагам в табл. 2. Таблица 1Ceramics, Stoke-on-Trent, United Kingdom. 3 50:50 смесь диатомовых земель под торговыми марками-5 015234 Пример 2. Заготовка фильтра, полученная на шаге 16 из табл. 2 примера 1, была подвергнута анализу и результаты приведены в табл. 3. Таблица 3 Натрий-карбоксиметилцеллюлоза. 7,5% Al2O3, 18,0% B2O3, 50,0% SiO2, 14,0% CaO+MgO,10,3% Li2O+Na2O+K2O, от компании Johnson Mathey Ceramics,Stoke-on-Trent, United Kingdom. 3 50:50 смесь диатомовых земель известных под торговой маркой Пример 3. Керамический фильтр согласно изобретению, полученный на шаге 20 табл. 2 примера 1, был подвергнут анализу и содержимое приведено в табл. 4. Таблица 4 50:50 смесь диатомовых земель, известных под торговой маркойCelatom FW-14 и FW-80. В керамическом фильтре также присутствуют фритта и другие компоненты. Пример 4. Шесть керамических фильтров, полученных в примере 1 и имеющих типичный состав, как показано в примере 3, были использованы для тестовой фильтрации деионизованной воды, маркированной 200 цистами Giardia и 200 ооцистами Cryptosporidium. Перед тестом были определены для каждого фильтра толщина и коэффициент уплотнения. 10 л маркированной воды было пропущено через каждый керамический фильтр при давлении 10 кПа, при скорости 1 л/мин. Вода была проанализирована до и после фильтрации на предмет содержания Cryptosporidium и Giardia. Результаты приведены в табл. 5. Таблица 5 Описанные в изобретении керамические фильтры способны удалять до 98% бактерий Cryptosporidium и до 100% бактерий Giardia. Самые лучшие результаты были достигнуты при использовании керамического фильтра под номером 6, имеющего толщину 3,04 мм и коэффициент уплотнения 0,43. В целом описанные в изобретении керамические фильтры продемонстрировали отличные свойства в фильтрации простейших и могут быль использованы в различных приложениях.(c) от приблизительно 0,03 до приблизительно 0,4 мас.% металлического соединения; массовые проценты взяты от массы керамического фильтра. 2. Керамический фильтр по п.1, в котором металлическое соединение является медью. 3. Смесь для изготовления керамического фильтра по любому из пп.1, 2, содержащая:(f) от приблизительно 50 до приблизительно 85 мас.% воды; массовые проценты взяты от массы полной смеси. 4. Смесь по п.3, в которой компонент (с) является пентагидратом сульфата меди. 5. Заготовка фильтра для получения керамического фильтра по п.1 или 2, содержащая:(e) от приблизительно 5 до приблизительно 35 мас.% наполнителя; массовые проценты взяты от массы полной заготовки фильтра. 6. Способ изготовления керамического фильтра по п.1 или 2, включающий следующие шаги:(A) формирование смеси по п.3 или 4 путем соединения следующих компонентов:(f) от приблизительно 50 до приблизительно 85 мас.% воды; массовые проценты взяты от массы полной смеси;B) удаление части воды из смеси для получения смеси, имеющей пригодную для формования консистенцию;(C) сушка смеси для удаления остатков несвязанной воды и получения заготовки фильтра по п.5 и(D) отжиг заготовки фильтра для получения керамического фильтра.