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本文公开了助滤材料以及使用这种助滤材料过滤并去除流体中的粒子和/或组分的过程、系统和方法，其中所述助滤材料包括至少一种可过滤的复合吸附剂，所述可过滤的复合吸附剂包括在至少一种过滤组分上原位生成的至少一种吸附组分。本文进一步公开了助滤材料以及使用这种助滤材料过滤并去除流体中的粒子和/或组分的过程、系统和方法，其中所述助滤材料包括至少一种可过滤的复合吸附剂，所述可过滤的复合吸附剂包括在至少一种过滤组分上原位生成的至少一种吸附组分，并且其中所述助滤材料进一步包括与所述至少一种可过滤复合吸附剂混合的至少一种附加过滤组分。

1.  一种用于从流体吸收粒子和/或组分的助滤材料，该助滤材料包括：
至少一种可过滤复合吸附剂，其包含至少一种过滤组分和在所述至少一种过滤组分表面上原位生成的至少一种吸附组分，其中所述至少一种吸附组分占所述助滤材料的小于约40％重量，并且所述至少一种吸附组分的平均粒度小于约1微米。

2.  权利要求1的助滤材料，其中所述流体是啤酒。

3.  权利要求1的助滤材料，其中所述粒子和/或组分是蛋白质。

4.  权利要求1的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分选自生物源二氧化硅、天然玻璃、浮力玻璃、浮力聚合物、纤维素、硅酸盐、矾土及其混合物。

5.  权利要求1的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分是硅藻土。

6.  权利要求1的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分是珍珠岩。

7.  权利要求1的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分是硅胶。

8.  权利要求1的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分占所述可过滤复合吸附剂的至少约5％重量。

9.  权利要求1的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分占所述可过滤复合吸附剂的约7.5％重量。

10.  权利要求8的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分占所述可过滤复合吸附剂的至少约10％重量。

11.  权利要求9的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分占所述可过滤复合吸附剂的至少约25％重量。

12.  权利要求1的助滤材料，其中所述吸附组分的平均粒度小于约0.5微米。

13.  权利要求1的助滤材料，其中所述吸附组分的平均粒度小于约0.1微米。

14.  权利要求1的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分的BET表面积大于约2m²/g。

15.  权利要求10的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分的BET表面积为约25m²/g至约2550m²/g。

16.  权利要求11的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分的BET表面积为约50m²/g至约500m²/g。

17.  权利要求1的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分的BET表面积大于约2m²/g。

18.  权利要求13的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分的BET表面积大于约30m²/g。

19.  权利要求14的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分的BET表面积大于约50m²/g。

20.  权利要求1的助滤材料，其中过滤吸附复合物的平均渗透性为约0.05达西至约10达西。

21.  权利要求1的助滤材料，其中经所述助滤材料过滤的流体的浊度小于经至少一种吸附组分和至少一种过滤组分的简单混合物过滤的流体的浊度，其中所述简单混合物具有与所述助滤材料相同比例的吸附组分和过滤组分。

22.  权利要求1的助滤材料，该助滤材料的湿密度为10lb/ft³至25lb/ft³。

23.  权利要求1的助滤材料，该助滤材料进一步包括与所述至少一种可过滤复合吸附剂混合的至少第二过滤组分。

24.  一种用于吸收流体中的粒子和/或组分的助滤材料，该助滤材料包括：
至少一种可过滤复合吸附剂，其包含至少一种过滤组分和在所述至少一种过滤组分表面上原位生成的至少一种吸附组分，其中所述至少一种吸附组分的平均粒度小于约1微米；和
与所述至少一种可过滤复合吸附剂混合的至少一种附加过滤组分，其中所述至少一种吸附组分占所述助滤材料的小于约40％重量。

25.  权利要求24的助滤材料，其中所述流体是啤酒。

26.  权利要求24的助滤材料，其中所述粒子和/或组分是蛋白质。

27.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分选自生物源二氧化硅、天然玻璃、浮力玻璃、浮力聚合物、纤维素、硅酸盐、矾土及其混合物。

28.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分是硅藻土。

29.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分是珍珠岩。

30.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分是硅胶。

31.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种附加过滤组分选自生物源二氧化硅、天然玻璃、浮力玻璃、浮力聚合物、纤维素、硅酸盐、矾土及其混合物。

32.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种附加过滤组分是硅藻土。

33.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分与所述至少一种附加过滤组分相同。

34.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分与所述至少一种附加过滤组分不同。

35.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种附加过滤组分是珍珠岩。

36.  权利要求34的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分占所述可过滤复合吸附剂的至少约45％重量。

37.  权利要求35的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分占所述可过滤复合吸附剂的至少约65％重量。

38.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分占所述可过滤复合吸附剂的约70％重量。

39.  权利要求38的助滤材料，其中所述可过滤复合吸附剂占所述助滤材料的至少约25％重量。

40.  权利要求39的助滤材料，其中所述可过滤复合吸附剂占所述助滤材料的至少约35％重量。

41.  权利要求40的助滤材料，其中所述可过滤复合吸附剂占所述助滤材料的至少约50％重量。

42.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分占所述可过滤复合吸附剂的约65％重量至约75％重量，并且所述可过滤复合吸附剂占所述助滤材料的约30％重量至约40％重量。

43.  权利要求24的助滤材料，其中所述吸附组分的平均粒度小于约0.5微米。

44.  权利要求24的助滤材料，其中所述吸附组分的平均粒度小于约0.1微米。

45.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分的BET表面积大于约2m²/g。

46.  权利要求45的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分的BET表面积为约25m²/g至约2550m²/g。

47.  权利要求46的助滤材料，其中所述至少一种吸附组分的BET表面积为约50m²/g至约500m²/g。

48.  权利要求24的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分的BET表面积大于约3m²/g。

49.  权利要求48的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分的BET表面积大于约30m²/g。

50.  权利要求49的助滤材料，其中所述至少一种过滤组分的BET表面积大于约50m²/g。

51.  权利要求24的助滤材料，其中过滤吸附复合物的平均渗透性为约0.05达西至约10达西。

52.  权利要求24的助滤材料，其中经所述助滤材料过滤的流体的浊度小于经至少一种吸附组分和至少一种过滤组分的简单混合物过滤的流体的浊度，其中所述简单混合物具有与所述助滤材料相同比例的吸附组分和过滤组分。

53.  权利要求1的助滤材料，该助滤材料的湿密度为10lb/ft³至25lb/ft³。

54.  一种用于制备助滤材料的方法，该方法包括：
使至少一种过滤组分与硅酸钠水溶液混合；和
添加酸，直至硅酸钠水溶液的pH低至足以使硅胶作为吸附组分沉淀在所述至少一种过滤组分上以生成至少一种可过滤复合吸附剂，其中所述至少一种吸附组分占所述助滤材料的小于约40％重量。

55.  权利要求54的方法，其中所述酸被添加至所述硅酸钠水溶液的pH为约5.5至约9。

56.  权利要求54的方法，其中所述吸附组分以约5％至约15％重量的量存在于所述可过滤复合吸附剂中。

57.  权利要求54的方法，其中所述至少一种过滤组分选自生物源二氧化硅、天然玻璃、浮力玻璃、浮力聚合物、纤维素、硅酸盐、矾土及其混合物。

58.  权利要求54的方法，该方法进一步包括使所述至少一种可过滤复合吸附剂与至少一种附加过滤组分混合。

59.  权利要求58的方法，其中所述吸附组分占所述可过滤复合吸附剂的约60％至约80％重量，并且所述可过滤复合吸附剂占所述助滤材料的约25％至约45％。

60.  权利要求59的方法，其中所述吸附组分占所述可过滤复合吸附剂的约70％重量，并且所述可过滤复合吸附剂占所述助滤材料的约35％重量。

61.  权利要求58的方法，其中所述至少一种附加过滤组分选自生物源二氧化硅、天然玻璃、浮力玻璃、浮力聚合物、纤维素、硅酸盐、矾土及其混合物。

62.  权利要求58的方法，其中所述至少一种过滤组分与所述至少一种附加过滤组分是相同的。

63.  权利要求58的方法，其中所述至少一种过滤组分与所述至少第二过滤组分是不同的。

64.  一种用于去除流体中的粒子和/或组分的方法，该方法包括：
(i)提供包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料，所述可过滤复合吸附剂包含至少一种过滤组分；和在所述至少一种过滤组分表面上原位生成的至少一种吸附组分；其中所述至少一种吸附组分占所述助滤材料的小于约40％重量，并且所述至少一种吸附组分的平均粒度小于约1微米；
(ii)用所述可过滤复合吸附剂预涂布过滤元件；和
(iii)使含有待吸附的粒子和/或组分的流体穿过经涂布的过滤元件。

65.  权利要求64的方法，其中所述助滤材料进一步包括与所述至少一种可过滤复合吸附剂混合的至少一种附加过滤组分。

66.  权利要求64的方法，其中所述流体是啤酒。

67.  权利要求64的方法，其中所述粒子和/或组分是蛋白质。

68.  权利要求64的方法，其中所述可过滤复合吸附剂用于抗冷。

69.  权利要求64的方法，其中所述过滤元件是隔膜。

70.  权利要求64的方法，其中所述至少一种吸附组分的平均粒度小于约0.5微米。

71.  权利要求70的方法，其中所述至少一种吸附组分的平均粒度小于约0.1微米。

72.  权利要求64的方法，其中所述至少一种吸附组分的BET表面积为约25m²/g至约2550m²/g。

73.  权利要求72的方法，其中所述至少一种吸附组分的BET表面积为约50m²/g至约500m²/g。

74.  权利要求64的方法，其中所述至少一种过滤组分选自生物源二氧化硅、天然玻璃、浮力玻璃、浮力聚合物、纤维素、硅酸盐、矾土及其混合物。

75.  权利要求64的方法，其中所述至少一种吸附组分是硅胶。

76.  权利要求65的方法，其中所述至少一种附加过滤组分选自生物源二氧化硅、天然玻璃、浮力玻璃、浮力聚合物、纤维素、硅酸盐、矾土及其混合物。

77.  一种用于去除流体中的粒子和/或组分的系统，该系统包括：
过滤元件；和
所述过滤元件表面上的助滤材料，所述助滤材料包括至少一种可过滤复合吸附剂，所述可过滤复合吸附剂包含；
至少一种过滤组分；和
在所述至少一种过滤组分表面上原位生成的至少一种吸附组分；
其中所述至少一种吸附组分占所述助滤材料的小于约40％重量，并且所述至少一种吸附组分的平均粒度小于约1微米。

78.  权利要求77的系统，其中所述助滤材料进一步包括与所述至少一种可过滤复合吸附剂混合的至少一种附加过滤组分。

79.  权利要求77的系统，其中所述至少一种吸附组分的平均粒度小于约0.5微米。

80.  权利要求79的系统，其中所述至少一种吸附组分的平均粒度小于约0.1微米。

81.  权利要求77的系统，其中所述至少一种吸附组分的BET表面积为约25m²/g至约2550m²/g。

82.  权利要求81的系统，其中所述至少一种吸附组分的BET表面积为约50m²/g至约500m²/g。

83.  权利要求77的系统，其中所述流体是啤酒。

84.  权利要求77的系统，其中所述粒子和/或组分是蛋白质。

85.  权利要求77的系统，其中过滤元件是隔膜。

86.  权利要求77的系统，其中所述可过滤复合吸附剂用于啤酒的抗冷。

87.  权利要求77的系统，其中所述至少一种过滤组分选自生物源二氧化硅、天然玻璃、浮力玻璃、浮力聚合物、纤维素、硅酸盐、矾土及其混合物。

88.  权利要求77的系统，其中所述至少一种吸附组分是硅胶。

89.  权利要求78的系统，其中所述至少一种附加过滤组分选自生物源二氧化硅、天然玻璃、浮力玻璃、浮力聚合物、纤维素、硅酸盐、矾土及其混合物。

用于过滤并去除流体中的粒子和/或组分的组合物
相关申请
本申请通过引用整体并入2006年7月14日提交的美国临时申请第60/830,781号和2007年6月25日提交的60/945,954。
发明领域
本文公开了助滤材料以及使用这种助滤材料过滤并去除流体中的粒子和/或组分的过程、系统和方法，其中所述助滤材料包括至少一种可过滤的复合吸附剂，所述可过滤的复合吸附剂包括在至少一种过滤组分上原位生成的至少一种吸附组分。本文还公开了助滤材料以及使用这种助滤材料过滤并去除流体中的粒子和/或组分的过程、系统和方法，其中所述助滤材料包括至少一种可过滤的复合吸附剂，所述可过滤的复合吸附剂包括至少一种过滤组分(例如硅质材料)和至少一种平均粒度小于约1微米的吸附组分(例如沉淀硅胶)。本文还公开了上述助滤材料，其中所述助滤材料进一步包括至少一种附加过滤组分。
发明背景
在许多过滤应用中，过滤装置包括过滤元件(例如隔膜)和助滤材料。过滤元件可以具有使其可以支持助滤材料的任何形式，例如覆盖有充分精细编织的塑料或金属织物的圆柱管或类晶片结构。过滤元件可以是多孔结构，具有过滤元件孔隙以允许一定尺寸的材料穿过过滤装置。助滤材料可以包括一种或多种过滤组分，所述过滤组分例如可以是无机粉末或有机纤维材料。这样的助滤材料可以与过滤元件结合使用以提高过滤性能。通常，用于助滤材料的过滤组分包括诸如硅藻土、珍珠岩和纤维素等材料。作为过滤领域的示例性实例，助滤材料可以最初在称为“预涂布”的过程中应用至隔膜。预涂布一般包括混合水和助滤材料的浆体，并以流经所述隔膜的流引入所述浆体。在此过程中，助滤材料的薄层(例如约1.5mm至约3.0mm)将最终沉积在隔膜上，从而形成过滤装置。
在流体过滤期间，流体中的各种不溶性粒子被助滤材料捕获。助滤材料以及待去除的粒子和/或组分的合并层聚集在隔膜表面。那些合并层被称为“滤饼”。随着越来越多的粒子和/或组分沉积在滤饼上，滤饼可能被碎片饱和至流体不再能够穿过隔膜的程度。为了解决该问题，通常使用称为“主体加料(body feeding)”的方法。主体加料是在流体达到滤饼之前向待过滤流体引入附加助滤材料的过程。助滤材料将遵循未过滤流体的路径并最终到达滤饼。一旦到达滤饼，所添加的助滤材料即结合至饼，大体与预涂布过程中助滤材料结合至隔膜的方式相同。附加助滤材料层导致滤饼增大并增厚，并提高了饼捕获附加碎片的容量。
如上所述，流体过滤领域中，许多粒子分离方法采用例如选自硅藻土材料、膨胀的珍珠岩、天然玻璃和纤维素材料的材料作为多孔过滤组分。那些材料具有复杂多孔结构，该结构可能特别适合在过滤过程中有效物理捕获粒子。那些复杂多孔结构产生空隙空间网络，其可以导致浮力过滤介质粒子，该粒子的表观密度类似于它们悬浮其中的流体的表观密度。在提高流体透明度时的惯例是采用多孔过滤组分。多孔过滤组分通常用于从流体去除不想要的粒子或组分，例如微粒物质。然而，虽然很适合通过物理捕获去除微粒物质的任务，但是那些多孔过滤组分可能不太适合通过吸附过程从流体去除微粒物质的任务，因此常常与吸附组分结合使用。
硅藻土、珍珠岩、稻壳灰(rice-hull ash)和纤维素是可用于粒子分离的过滤组分材料的一些实例。硅藻土，还称为硅藻土(diatomaceous earth)，是硅藻(多种微观单细胞藻类)的硅质骨架形式的富含生物源二氧化硅的沉积物。那些硅藻细胞足够持久以经过长期地质时期和热处理而大体保持其显微结构。硅藻土产物具有固有的复杂多孔结构，主要包括二氧化硅。珍珠岩是天然存在的火山玻璃，其可以在加工后热膨胀。珍珠岩的结构可能不如硅藻土复杂，因此，珍珠岩可能更适合从具有高固体负荷的液体分离粗的小微粒。最后，纤维素过滤组分材料一般通过硬木和/或软木的亚硫酸盐或硫酸盐加工而产生。类似珍珠岩，纤维素过滤组分材料可能具有不如硅藻土过滤组分材料复杂的结构。
如本文使用，″浊度″是流体的浑浊性或混浊性，其中混浊可能由悬浮于流体中的个体粒子导致。可以导致流体混浊的物质包括例如粘土、淤泥、有机物质、无机物质和微观有机体。浊度可以通过使用称为比浊计的仪器测量，所述比浊计发射光束，通过待测试流体柱。位于流体柱同侧的检测器测量流体反射的光量。含有相对大量悬浮粒子的流体会比含有较少粒子的流体反射更大量的光。以该方式测量的浊度可以比浊计量浊度单位(″NTU″)定量。此外，浊度还可以使用重量测定法测量。
助滤技术中通常存在用作过滤组分的多孔介质的渗透性与其浊度去除容量之间的权衡。以宽的渗透性分级范围生成不同等级的过滤组分。随着过滤组分渗透性降低，助滤材料去除小粒子的能力可能增加，但通常以穿过助滤材料的流速更慢为代价。相反，随着过滤组分渗透性增加，助滤材料过滤粒子的能力可能降低，并因此流经助滤材料的流体增加。这发生的程度将取决于被从流体去除的悬浮粒子的类型和粒度分布。
如本文使用，″湿密度″指示材料孔隙率。例如，湿密度反映可用于在过滤过程中捕获微粒物质的空隙体积，因此，湿密度可用以确定过滤效率。百分比孔隙率可由下式表达：
孔隙率＝100*[1-(湿密度/真密度)]
因此，具有较低湿密度的过滤组分可导致具有较大孔隙率的产物，并因此允许较高的过滤效率，条件是真密度相对恒定。普通过滤组分的典型湿密度可以为至少约12lb/ft³至约30lb/ft³或更大。
如本文使用，″吸附″是外围流体相的分子粘附至固体表面的趋势。这不要与术语″吸收″相混淆，与粘附至固体表面不同，当外围流体扩散入固体时导致″吸收″。
为了实现需要的吸附容量并由此适用于商业应用，具有实用性，吸附组分可以具有相对大的表面积，这可能意味着具有小吸附组分粒度的高多孔结构。在某些实施方案中，多孔吸附组分以其未反应的粉末形式能够具有最多几百m²/g的表面积。
计算物理吸附分子的比表面积的一种技术是Brunauer、Emmett和Teller(″BET″)理论。BET理论对特定吸附组分的应用，产生对材料比表面积的量度，称为″BET表面积″。一般而言，其未反应的粉末形式的实际吸附组分的BET表面积可以是约300m²/g至约1200m²/g。如本文使用，″表面积″指BET表面积。
使用吸附组分的一种方法是使吸附组分与含有待吸附粒子和/或组分的流体接触，以通过去除所述粒子和/或组分来纯化流体，或者以分离所述粒子和/或组分以纯化它们。在某些实施方案中，然后从流体分离含有吸附粒子或组分的吸附组分，例如通过常规的过滤过程。
吸附实践的示例性实例可以在啤酒″抗冷(chill-proofing)″过程中看到。目前已知，除非特别处理，冷却的啤酒可以经历导致不溶性粒子生成的化学反应。在该化学反应中，可以在冷却条件下在混浊-活性蛋白和/或多酚之间生成氢键。反应的蛋白质和/或多酚然后可以生长为大粒子，其导致啤酒变浑浊，也称为″冷却混浊″的状态。冷却混浊可能对于消费者和啤酒商而言都是不希望的。浊度可能在啤酒低于室温冷却后最显著。在某些情况下，例如当粒子是蛋白质时，随着温度升高，使蛋白质结合在一起的氢键可能断裂。
抗冷可以包括采用至少一种吸附组分和/或至少一种过滤组分以去除啤酒中产生冷却混浊的粒子的过程。抗冷的一种形式包括在包装之前向啤酒一步添加固体吸附组分，例如硅胶。粒子和/或组分与所添加的吸附组分结合，然后，在第二步中，吸附组分随后从啤酒过滤，然后将啤酒包装以贮存、销售和/或消费。
进行吸附步骤和过滤步骤的过滤过程可能是较不有效的，因为过滤吸附组分有难度。例如，吸附组分可以占据多孔助滤材料的空隙空间。该占据可以降低助滤材料的渗透性，导致总体上更低的过滤流速。
之前尝试了改善抗冷的传统过程。更早的尝试包括产生吸附组分和过滤组分的简单混合物，以将过滤和吸附步骤合并成一步，从而消除对过滤吸附组分的需要。术语″简单混合物″在本文用来描述包含至少一种吸附组分和至少一种过滤组分的组合物，其中两种组分不是化学键合、热熔结或沉淀在一起的。简单混合物可能在一定程度上是无效的，因为组分可能由于包装或运输中经常发生的物理损坏而分离。因此，希望将吸附和过滤过程合并成一步并确保过滤组分不会从吸附组分分离。
Palm等的美国专利第6,712,974号描述了可过滤的复合吸附剂，该复合吸附剂包括与至少一种过滤组分热熔结和/或化学键合的至少一种吸附组分。Palm的可过滤复合吸附剂保留了其吸附剂和过滤组分的性质，并以使它们在物理损坏后不分离的方式结合它们，提供了在一个步骤吸附粒子和/或组分同时过滤流体的方法。虽然Palm公开了可过滤复合吸附剂，但是其没有公开其中吸附组分具有较小平均粒度(例如1微米或更小)的可过滤复合吸附剂。这样的小粒度可以通过未被Palm考虑或建议的、不同于熔结或化学键合的方法实现，例如通过原位沉淀。有益地，更小的吸附组分粒度可能导致增加的表面积，并因此增加的从流体去除粒子和/或组分的效率。
发明概述
本发明通过提供用于去除流体中悬浮的粒子和/或组分的改善的系统和方法而克服了现有技术的缺点。本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以保留过滤和吸附组分两者的性质的方式制备。为此目的，助滤材料可以制备为包括至少一种可过滤复合吸附剂，所述可过滤复合吸附剂可通过在至少一种过滤组分表面上原位沉淀至少一种吸附组分而制备。在某些实施方案中，这种原位沉淀可以导致吸附组分与至少一种过滤组分紧密结合，以致所述组分可以比那些组分的简单混合物较不易受物理损坏的分离。
在某些实施方案中，原位沉淀方法可以用以产生在至少一种过滤组分的表面上具有相对小粒度的吸附组分(例如，小于1微米)的可过滤复合吸附剂。结果，本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以提供比之前更大的吸附表面积，从而使助滤材料能够从流体吸附比之前可能吸附的更大量的粒子和/或组分。本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的吸附效率可以通过过滤流体中比之前能够实现的更低水平的浊度来证明。
本发明的可过滤复合吸附剂可以使用沉淀具有比热熔结或化学键合复合物小得多的粒度和由此高得多的BET表面积的吸附组分的原位方法生成。更大的BET表面积可以导致具有更大吸附容量的可过滤复合吸附剂，使更多粒子和/或组分被包含可过滤复合吸附剂的助滤材料吸附。由于增加的BET表面积，本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以更有效地从流体去除粒子和/或组分，并且可以产生具有相对低的浊度值的流体。
在某些实施方案中，本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料与常规技术相比可以降低被过滤流体的浊度。在一个实施方案中，经本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料过滤的流体的浊度小于经具有与包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料相同比例的吸附组分和过滤组分的简单混合物过滤的流体的浊度。而且，经包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料过滤的流体的浊度可能小于经具有与包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料相同比例的吸附组分和过滤组分的热熔结或化学键合混合物过滤的流体的浊度。在某些实施方案中，与已知的简单混合物或热熔结或热键合复合物相比，包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的增加的BET表面积可以允许更大的吸附容量，这可能是由于粒子和/或组分可以吸附其上的表面积增加。虽然不希望受理论束缚，但认为因为本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以吸附更多的粒子和/或组分，所以更少的粒子保留在被过滤的流体中，从而降低了被过滤流体的浊度。
根据某些实施方案，包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的吸附组分的平均粒度小于常规助滤材料的平均粒度。在一个实施方案中，所述至少一种吸附组分的粒度小于约1微米(微米)。在另一实施方案中，所述至少一种吸附组分的粒度为约1纳米至约100纳米。在进一步的实施方案中，所述至少一种吸附组分的粒度为约1纳米至约1微米。由于其小的平均粒度，本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的所述至少一种吸附组分可以具有比之前可能的更大的BET表面积。例如，所述至少一种吸附组分的表面积为约50m²/g至约510m²/g。具有大的吸附表面积可以保证有相对大量的位点，待去除的粒子和/或组分能够在该位点被包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料吸附。
尽管许多已知吸附剂以其未反应的粉末形式可以具有相对大的表面积(例如，约300至约1200m²/g)，但这样的未反应的粉末吸附剂在它们使用常规技术键合至过滤组分时可能容易聚集，从而降低有效的表面积。相反，本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以使用原位方法制备，所述原位方法防止聚集并能够生成具有比之前能够实现的更小的平均粒度的所述至少一种吸附组分。结果，可过滤复合吸附剂可以支持更大的吸附表面积，进而提供更有效的吸附性质。
可以制备具有宽范围的渗透性的本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料。在一个实施方案中，本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的渗透性为约0.001达西至约1000达西(″Da″)。在另一实施方案中，渗透性为约0.05Da至约10.00Da。渗透性的范围可以允许高流速或更低流速。例如，更低流速可以是约1ml/min cm²，而高流速可以是至少约90ml/min cm²。在一个实施方案中，流速是约1.2ml/min cm²。在另一实施方案中，流速是约4ml/mincm2。在进一步的实施方案中，流速是约1.2ml/min·cm²至约4ml/min·cm²。流速具有通常可测量的压力，所述压力随流速而变化。在一个实施方案中，压力是约1.2psi。在另一实施方案中，压力是约15psi。在进一步的实施方案中，压力是约1.2psi至约15psi。而在另一个实施方案中，流速是约1.2ml/min·cm²至约4ml/min·cm²，且压力是约1.2psi至约15psi。
本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料也可以表现出各种湿密度。例如，包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的湿密度为约10lb/ft³至约25lb/ft³。由于湿密度反映吸附组分在过滤过程中捕获物质的空隙体积，较低的湿密度可以表明吸附组分具有高空隙体积并因此可以吸附流体中更多的粒子和/或组分。
在某些实施方案中，可过滤复合吸附剂的所述至少一种吸附组分可以是硅胶，并且所述至少一种过滤组分可以选自天然玻璃(例如膨胀的珍珠岩)和生物源二氧化硅(例如硅藻土)。在一个实施方案中，所述至少一种吸附组分是硅胶，且所述至少一种过滤组分是硅藻土。在另一实施方案中，所述至少一种吸附组分是硅胶而所述至少一种过滤组分是珍珠岩。当然，本领域技术人员将理解，可以采用其他吸附和过滤组分。例如，在进一步的实施方案中，所述至少一种过滤组分可以选自生物源二氧化硅(例如稻壳灰和海绵骨刺)；天然玻璃(例如浮石、膨胀的浮石、浮岩(pumicite)、膨胀的黑曜石和膨胀的火山灰石)；浮力玻璃；浮力聚合物；和纤维素。
在一些实施方案中，助滤材料包括与所述至少一种可过滤复合吸附剂混合的至少一种附加过滤组分。可过滤复合吸附剂的所述至少一种过滤组分和助滤材料的所述至少一种附加过滤组分可以相同或不同。在一个实施方案中，所述至少一种附加过滤组分可以选自生物源二氧化硅(包括但不限于稻壳灰和海绵骨刺)；天然玻璃(包括但不限于浮石、膨胀的浮石、浮岩(pumicite)、膨胀的黑曜石和膨胀的火山灰石)；浮力玻璃；浮力聚合物；和纤维素。在另一实施方案中，所述至少一种附加过滤组分是硅藻土。在进一步的实施方案中，所述至少一种附加过滤组分是珍珠岩。
本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以各种形式制备。例如，在一个实施方案中，包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料是粉末形式。在另一实施方案中，助滤材料可以是选自片、垫(pad)和筒(cartridge)的形式。在进一步的实施方案中，助滤材料以选自刚性形状的形式原位形成，所述刚性形状包括但不限于盘、圆筒、板和多面体。而在另一实施方案中，助滤材料可以是选自整体支持体(monolithic support)和聚集支持体(aggregate support)的形式。而在又一实施方案中，助滤材料可以是选自整体基底(monolithicsubstrate)和聚集基底(aggregate substrate)的形式。而在另一实施方案中，助滤材料是粉末化的。
用于制备本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的各种方法被考虑。例如，在一个实施方案中，硅酸钠可以在水溶液中与酸(例如硫酸)混合，直至溶液pH低至足以支持在至少一种多孔过滤组分存在下的硅胶沉淀。然后，向溶液添加至少一种过滤组分并搅拌，直至二氧化硅沉淀开始胶凝。酸的添加导致所述至少一种吸附组分(在本示例性实施方案中为硅胶)沉淀在所述至少一种过滤的表面上，从而生成可过滤复合吸附剂。
在另一实施方案中，可过滤复合吸附剂可以进一步与至少一种附加过滤组分混合以生成最终的助滤材料产物。在一个实施方案中，可过滤复合吸附剂的所述至少一种过滤组分和助滤材料的所述至少一种附加过滤组分是相同的。在另一实施方案中，可过滤复合吸附剂的所述至少一种过滤组分和助滤材料的所述至少一种附加过滤组分是不同的。本领域技术人员将理解，其他方法可选择地可用于合成根据本公开的可过滤复合吸附剂。
本文公开的一个实施方案是用于去除流体的粒子和/或组分的方法，该方法包括(i)提供至少一种助滤材料，其包括至少一种可过滤复合吸附剂，(ii)用包含至少一种可过滤复合吸附剂的所述至少一种助滤材料预涂布至少一种过滤元件，(iii)使所述至少一种涂布的过滤元件悬浮于含有待吸附的粒子和/或组分的流体中。
另一实施方案是吸附和过滤流体中粒子和/或组分的方法，该方法包括使含有待吸附的粒子和/或组分的流体穿过载于隔膜上的本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料。
在可选实施方案中，吸附和过滤的方法包括使含有待吸附的粒子和/或组分的流体穿过载于隔膜上的、如上所述刚性形状形式的、包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料。
发明详述
A.可过滤复合吸附剂
本文公开的助滤材料包括至少一种可过滤复合吸附剂，所述可过滤复合吸附剂包含至少一种吸附组分和至少一种具有流体可以穿过的孔的过滤组分，其中所述至少一种吸附组分已经原位沉淀在所述至少一种过滤组分的表面上。过滤元件可以用以支持包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料。在一个实施方案中，过滤元件包括流体可以流经的过滤元件空隙。包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以同时保留所述至少一种吸附组分的吸附性质和所述至少一种过滤组分的多孔结构，从而提高了包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的效用。
不同于其中吸附组分和过滤组分可以混合或掺和在一起的简单混合物，所述至少一种吸附组分原位沉淀在所述至少一种过滤组分的表面上。因此，简单混合物可以在混悬(例如，于流体、运输或传送中)后分离，而本发明的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以保留其组分吸附性和过滤性质两者。所述至少一种吸附组分在所述至少一种过滤组分上的原位沉淀也可以具有比热熔结合或化学键合复合物更好的吸收性和过滤性质，因为原位沉淀过程可以产生包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料，所述可过滤复合吸附剂具有更小粒度的吸附组分，并由此具有更大吸附表面积。更大的表面积可以使包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料吸附更大量的粒子和/或组分，这又可以导致被过滤流体的更低浊度水平。
在所述至少一种过滤组分表面上形成的所述至少一种吸附组分的平均粒度可以小于约1微米。在一个实施方案中，平均粒度小于约0.5微米。在另一实施方案中，平均粒度小于约0.2微米。在进一步的实施方案中，平均粒度小于约0.1微米。而在另一实施方案中，平均粒度小于约50纳米。而在又一实施方案中，平均粒度小于约30纳米。而在另一实施方案中，平均粒度小于约20纳米。而在又一实施方案中，平均粒度小于约10纳米。在另一实施方案中，平均粒度为约5至约50纳米。在进一步的实施方案中，平均粒度为约2至约100纳米。而在另一实施方案中，平均粒度为约5纳米至约1微米。
在某些实施方案中，所述至少一种吸附组分的BET表面积可以随所述至少一种吸附组分平均直径的降低而增加。在一个实施方案中，在所述至少一种过滤组分表面上形成的所述至少一种吸附组分的BET表面积大于约2m²/g。在另一实施方案中，BET表面积大于约5m²/g。在进一步的实施方案中，  BET表面积大于约10m²/g。而在另一实施方案中，BET表面积大于约25m²/g。而在又一实施方案中，BET表面积大于约50m2/g。而在另一实施方案中，BET表面积大于约85m²/g。而在又一实施方案中，BET表面积大于约125m²/g。在另一实施方案中，BET表面积大于约250m²/g。在进一步的实施方案中，BET表面积为约2m²/g至约2550m²/g。而在另一实施方案中，BET表面积为约50m²/g至约510m²/g。
所述至少一种吸附组分的更大BET表面积可以使包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料减少造成流体浊度的粒子和/或组分的数目。包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以从未过滤的流体捕获粒子和/或组分，导致被过滤的流体具有更少的粒子和/或组分。而且，经本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料过滤的流体的浊度可以小于经至少一种吸附组分和至少一种过滤组分的简单混合物过滤的流体的浊度，其中简单混合物中吸附组分与过滤组分的比例类似于或甚至大于本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的吸附组分与过滤组分的比例。而且，经本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料过滤的流体的浊度可以小于经吸附组分与过滤组分热熔结或化学键合的复合物过滤的流体的浊度，其中热熔结或化学键合的复合物中吸附组分与过滤组分的比例类似于或甚至大于本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的吸附组分与过滤组分的比例。
本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以被加工以提供多种流速，流速与渗透性成直接关系。渗透性可以达西(″Da″)单位报道。一达西对应于经1cm厚过滤介质使粘度为1厘泊的1cm²流体在1atm(即，101.325kPa)压差下1秒钟内穿过1cm²面积的渗透性。可以使用被设计为在隔膜上从助滤材料的水混悬液形成滤饼的装置，然后测量规定体积的水流经已测厚度的已知横截面积的滤饼所需的时间来确定渗透性。许多适于微过滤的过滤介质(例如硅藻土和珍珠岩产物)可商业途径获得，且跨越宽约0.001Da至超过30Da范围的渗透性，例如约0.05Da至超过10Da。用于粗过滤的助滤材料(例如砂子)可以具有更大的渗透性，例如至少约1000Da。
对具体过滤过程的过滤渗透性的选择，部分取决于特定应用所需的流速和流体澄清度。在许多情况下，流体流经助滤材料可能与过滤组分的孔隙率性质密切相关。在给定过滤组分类中，低渗透性的过滤组分可具有能够提供较大透明度的较小孔，因为较小粒子能够在过滤过程中被保留，而高渗透性的过滤组分可具有能够提供较大流体流动的较大孔，但通常损失去除如同由其低渗透性相似物去除的那些小粒子的能力。
吸附组分可以选自熟练技工已知或以后发现的任何适合的吸附剂。在某些实施方案中，吸附剂可以是二氧化硅形式。在一个实施方案中，所述至少一种吸附组分可以选自硅胶。硅胶是二氧化硅(SiO₂)形式，其可在自然界中作为砂子(sand)存在。但是通常，砂子是结晶且非多孔的，而硅胶是非结晶且多孔的。在另一实施方案中，所述至少一种吸附组分可以是胶体二氧化硅。在进一步的实施方案中，所述至少一种吸附组分可以是蒸气沉积二氧化硅。而在另一实施方案中，所述至少一种吸附组分可以是硅灰(silica fume)。而在又一实施方案中，所述至少一种吸附组分选自硅酸盐。适合的硅酸盐的非限制性实例包括硅酸铝、硅酸钙和硅酸镁。而在另一实施方案中，所述至少一种吸附组分选自矾土。在一个实施方案中，矾土吸附组分是硅酸铝。在另一实施方案中，矾土吸附组分是多孔矾土。
在一些实施方案中，二氧化硅吸附剂可以进一步选自无定形或结晶二氧化硅。在一个实施方案中，二氧化硅吸附剂是无定形二氧化硅。在另一实施方案中，二氧化硅是结晶二氧化硅。
适用于制备本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的过滤组分可以具有多种孔尺寸。在一个实施方案中，过滤组分孔径是相对大的孔尺寸，例如约10微米的平均孔径，以便特别适合粒子捕获，从而允许通过去除粒子和/或组分进行机械过滤和/或澄清。在另一实施方案中，过滤组分孔尺寸是相对小的孔尺寸，例如约2微米的平均孔径。
适用于制备本文公开的可过滤复合吸附剂的过滤组分可以具有多种表面积。在一个实施方案中，过滤组分可以具有相对大的表面积。在另一实施方案中，过滤组分可以具有相对小的表面积。不希望受理论束缚，认为具有大表面积的过滤组分可以允许减少可在其上生成的吸附组分涂层(例如，沉淀的硅胶)的厚度。吸附剂涂层减少的厚度被认为提供更多的用于吸附待去除粒子和/或组分的位点。在一个实施方案中，过滤组分的表面积为至少约1m²/g。在另一实施方案中，表面积为至少约3m²/g。在进一步的实施方案中，表面积为至少约15m²/g。而在另一实施方案中，表面积为至少约30m²/g。而在又一实施方案中，表面积为至少约50m²/g。而在另一实施方案中，表面积为约1m²/g至约100m²/g。而在另一实施方案中，表面积小于约500m²/g。
在一个实施方案中，所述至少一种过滤组分和/或所述至少一种附加过滤组分是硅藻土(生物源二氧化硅)。在另一实施方案中，所述至少一种过滤组分和/或所述至少一种附加过滤组分是珍珠岩(天然玻璃)。在另一实施方案中，过滤组分选自生物源二氧化硅，包括但不限于硅藻土、稻壳灰和海绵骨刺。在进一步的实施方案中，过滤组分选自浮力玻璃。浮力玻璃的一个实例是天然玻璃，包括但不限于浮石、膨胀的浮石、浮岩(pumicite)、膨胀的黑曜石、膨胀的火山灰石和砂子。而在另一实施方案中，过滤组分选自合成玻璃。合成玻璃的实例包括但不限于纤维玻璃、受控孔玻璃和泡沫玻璃。而在又一实施方案中，过滤组分选自浮力聚合物。浮力聚合物包括但不限于纤维聚合物(例如纤维尼龙和纤维聚酯)和粉末聚合物(例如聚氯乙烯-丙烯酸共聚物粉末)。而在另一实施方案中，过滤组分选自纤维素。而在又一实施方案中，过滤组分选自硅酸盐。适合的硅酸盐的非限制性实例包括硅酸铝、硅酸钙和硅酸镁。而在另一实施方案中，过滤组分选自矾土。在一个实施方案中，矾土过滤组分是硅酸铝。在另一实施方案中，矾土过滤组分是多孔矾土。
在一个实施方案中，所述至少一种过滤组分和/或所述至少一种附加过滤组分可以包括两种或多种上述过滤组分的混合物。例如，在一个实施方案中，所述至少一种过滤组分和/或所述至少一种附加过滤组分可以包括硅藻土和珍珠岩的混合物。所述至少一种过滤组分和所述至少一种附加过滤组分(如果使用)可以是相同或不同的。在一个实施方案中，所述过滤组分是相同的。在另一实施方案中，所述过滤组分是不同的。
本文使用的术语″生物源二氧化硅″指由活的有机体生成或带来的二氧化硅。生物源二氧化硅的一个实例是获自含硅藻的土(diatomaceous earth)(还称为硅藻土(kieselguhr))的硅藻土，其是硅藻的硅质硅藻细胞(即，外壳或骨架)形式的富含生物源二氧化硅的沉积物。硅藻是硅藻纲(bacillariophyceae)的多种微观单细胞藻，其具有包括两个瓣的各种各样复杂结构的华丽硅质骨架(硅藻细胞)，所述两个瓣在活硅藻中组合得很像丸剂盒(pill box)。硅藻细胞的形态可以在不同种类间广泛变化并用作分类学分类的基础；已知超过至少2,000个不同的种。每个瓣的表面存在一系列开口，所述开口构成硅藻细胞的复杂精细结构并赋予不同种类独特的设计。典型的硅藻细胞的尺寸可以是约0.75μm至约1,000μm。在一个实施方案中，尺寸范围约10μm至约150μm。那些硅藻细胞足够持久以在保持化学平衡的条件下保存时经长期地质时期而保持其多孔复杂结构大体基本完好。其他的生物源二氧化硅来源是已知的，因为许多植物、动物和微生物提供了具有独特特征的集中的二氧化硅来源。例如，稻壳含有充足的二氧化硅，它们在商业上灰化得到其硅质残渣，熟知为″稻壳灰″的产物。某些海绵也是集中的二氧化硅来源，残留物通常作为针状骨刺存在于地质沉积物中。
本文使用的术语″天然玻璃″指通常称为火山玻璃的天然玻璃，其通过硅质岩浆或熔岩的快速冷却而生成。几种天然玻璃是已知的，包括例如珍珠岩、浮石、浮岩(pumicite)、黑曜石和松脂石。在加工之前，珍珠岩颜色可以是灰至绿，具有大量球面裂缝，导致其破碎成小珍珠状块。浮石是轻质玻璃状气孔岩。黑曜石颜色可以是黑色，具有玻璃光泽和特有的贝壳状裂痕。松脂石具有蜡状树脂光泽，可以是棕色、绿色或灰色。火山玻璃(例如珍珠岩和浮石)以大块沉积物存在并具有广泛的商业用途。火山灰石，固结形式时通常被称为凝灰岩，包括可以是玻璃状形式的小粒子或碎片。如本文使用，术语天然玻璃包括火山灰石。
天然玻璃可以与流纹岩化学上等同。与粗面岩、英安岩、安山石、安粗岩和玄武岩化学上等同的天然玻璃是已知的但可能是少见的。术语黑曜石一般适用于大量的富含二氧化硅的天然玻璃。黑曜石玻璃可以根据它们的二氧化硅含量而被分成亚类别，流纹(rhyolitic)黑曜石(通常含有约73％重量的SiO₂)是最普遍的。
珍珠岩是水化天然玻璃，其可以含有例如约72％至约75％SiO₂、约12％至约14％Al₂O₃、约0.5％至约2％Fe₂O₃、约3％至约5％Na₂O、约4％至约5％K₂O、约0.4％至约1.5％CaO(按重量计)和小量其他金属元素。珍珠岩与其他天然玻璃的区别在于更高含量(例如约2％重量至约5％重量)的化学键合水、存在玻璃状似珍珠的光泽、以及特有的同心或弧形洋葱皮肤状(即，珍珠状(perlitic))裂痕。
珍珠岩产物可以通过研磨和热膨胀制备，并且可以具有独特的物理性质例如高孔隙率、低松密度和化学惰性。
浮石是特征为中孔结构的天然玻璃(例如，具有尺寸最大约1mm的孔或囊泡)。浮石的多孔性质赋予其非常低的表观密度，在许多情况下使其漂浮在水表面。大部分商业浮石含有约60％重量至约70％重量的SiO₂。浮石可以通过研磨和分级而加工，产物可以用作轻质聚集物，也可以用作磨料、吸附剂和填充剂。未膨胀的浮石和热膨胀的浮石在一些情况下还可以和火山灰石一样用作过滤组分。
本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的所述至少一种吸附组分和所述至少一种过滤组分以及任何至少一种附加过滤组分的适当选择可以根据具体的预期用途来确定。例如，在需要高透明度但容忍较慢流速的过滤过程中，可以使用低渗透性的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料，而在需要高流速但不要求高透明度的过滤过程中，可以使用高渗透性的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料。类似推理适用于所述至少一种吸附组分的选择和与其他材料结合使用时或制备含有所述产物的混合物时的所述至少一种可过滤复合吸附剂的选择。
在本文公开的一个实施方案中，用于啤酒抗冷的硅胶吸附剂在膨胀的珍珠岩上原位沉淀。得到的复合物具有从硅胶吸附剂获得的抗冷性质以及膨胀珍珠岩过滤组分的过滤性质两者。在另一实施方案中，得到的硅胶/膨胀珍珠岩可过滤复合吸附剂可以进一步与至少一种附加过滤组分混合。在一个实施方案中，所述至少一种附加过滤组分也可以包括膨胀珍珠岩。在另一实施方案中，所述至少一种附加过滤组分可以包括不同于膨胀珍珠岩的过滤组分。
在另一实施方案中，硅胶可以在硅藻土(一种生物源二氧化硅)上原位沉淀。得到的复合物具有从硅胶吸附剂获得的抗冷性质以及硅藻土过滤组分的过滤性质两者。在另一实施方案中，得到的硅胶/硅藻土可过滤复合吸附剂可以进一步与至少一种附加过滤组分混合。在一个实施方案中，所述至少一种附加过滤组分还可以包括硅藻土。在另一实施方案中，所述至少一种附加过滤组分可以包括不同于硅藻土的过滤组分。
在一个实施方案中，包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以是粉末化的。在另一实施方案中，助滤材料可以包括已经被粉末化的至少一种可过滤复合吸附剂。粉末化可以导致助滤材料和/或可过滤复合吸附剂表面积的增加，并由此增加吸附待过滤流体中粒子和/或组分的能力。此外，粉末化可以导致助滤材料和/或可过滤复合吸附剂更大数目的显露硅胶位点，并由此增加吸附待过滤流体中粒子和/或组分的能力。但是，过度粉末化能够导致渗透性降低。因此，在一个实施方案中，粉末化被控制以实现吸附性和渗透性之间需要的平衡。
B.制备可过滤复合吸附剂的方法
硅酸钠在本文用来指包括氧化钠(Na₂O)和二氧化硅(SiO₂)的几种化合物的任何一种。这样的组合可以包括例如原硅酸钠(Na₄SiO₄)、偏硅酸钠(Na₂SiO₃)和二硅酸钠(Na₂Si₂O₅)。在一个实施方案中，硅酸钠是基于硅藻土的硅酸钠。在另一实施方案中，硅酸钠完全或部分取代至少一种硅酸铵和/或至少一种碱金属硅酸盐，例如锂、钠、钾、铷和铯硅酸盐。在某些实施方案中，SiO₂/Na₂O比为约3.2且浓度约20％的硅酸钠被添加到水中，至浓度约2％重量。SiO₂/Na₂O比为3.2且浓度20％的硅酸钠可以购自例如World Minerals Inc。
可以足以增加浆体酸度(即，降低pH)至适合沉淀硅胶的pH范围的量将酸或其盐添加至浆体。可以选择任何适合的酸，这样的选择在本领域技术人员能力范围内。在一个实施方案中，酸可以是硫酸。在另一实施方案中，酸可以是磷酸。而在另一实施方案中，酸可以是盐酸。而在另一实施方案中，酸可以是硝酸。而在另一实施方案中，酸可以是醋酸。然后可以向溶液添加选自之前已知或以后发现的任何适合过滤组分的过滤组分。在一个实施方案中，过滤组分是可商业途径获得的过滤组分Celite Standard Super-，产自World Minerals Inc.在另一实施方案中，过滤组分是可商业途径获得的过滤组分CeliteHyflo Super-，产自World Minerals Inc。在进一步的实施方案中，过滤组分是可商业途径获得的过滤组分Celite，产自WorldMinerals Inc。在进一步的实施方案中，过滤组分是可商业途径获得的过滤组分Celite，产自World Minerals Inc。而在另一实施方案中，过滤组分是可商业途径获得的过滤组分Celite，产自WorldMinerals Inc。而在又一实施方案中，过滤组分是可商业途径获得的过滤组分Filter-，产自World Minerals Inc。
在添加了过滤组分之后，周期性搅拌浆体，直至发生胶凝。这可能需要约25分钟至约60分钟，取决于溶液酸度和浆体的硅酸钠浓度。接下来，添加水，例如约20mL至约500mL水，以分散胶凝的浆体。浆体然后被过滤，得到的饼用水洗涤。然后将饼干燥，直至蒸发掉饼中多余的流体。例如，饼可以在约110℃至约200℃的温度下干燥。
所添加的过滤组分的量可以基于在得到的可过滤复合吸附剂和/或最终助滤材料中希望存在的硅胶的量。增加硅胶百分比通常可以提高助滤材料用作吸附剂的能力，但这通常会降低其用作过滤材料的能力。相反，降低硅胶百分比通常会降低助滤材料用作吸附剂的能力，而提高其用作过滤材料的能力。
相应地，可过滤复合吸附剂中吸附组分的量可以占总可过滤复合吸附剂的大于约0％重量至约100％重量。在一个实施方案中，吸附剂组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约5％重量。在另一实施方案中，吸附组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约15％重量。在另一实施方案中，吸附组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约25％重量。在另一实施方案中，吸附组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约40％重量。在另一实施方案中，吸附组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约50％重量。在另一实施方案中，吸附组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约70％重量。在另一实施方案中，吸附组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约80％重量。
可过滤复合吸附剂中过滤组分的量可以占总可过滤复合吸附剂的大于约0％重量至约100％重量。在一个实施方案中，过滤组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约5％重量。另一实施方案中，过滤组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约15％重量。在另一实施方案中，过滤组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约25％重量。在另一实施方案中，过滤组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约40％重量。在另一实施方案中，过滤组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约50％重量。在另一实施方案中，过滤组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约70％重量。在另一实施方案中，过滤组分可以占总可过滤复合吸附剂的大于约80％重量。
在一个实施方案中，吸附组分可以占总可过滤复合吸附剂的约5％至约15％重量，过滤组分可以占总可过滤复合吸附剂的约85％至约95％重量。在另一实施方案中，吸附组分可以占总可过滤复合吸附剂的约65％至约75％重量，过滤组分可以占总可过滤复合吸附剂的约25％至约35％重量。在进一步的实施方案中，可过滤复合吸附剂包括按重量计比过滤组分更大量的吸附组分。
在生成可过滤复合吸附剂后，可过滤复合吸附剂然后可以与至少一种附加过滤组分混合。所述至少一种附加过滤组分可以选自之前已知或以后发现的任何适合的过滤组分，并且可以与可过滤复合吸附剂中的所述至少一种过滤组分相同或不同。在一个实施方案中，附加过滤组分是可商业途径获得的过滤组分Celite Standard Super-，产自World Minerals Inc。在另一实施方案中，附加过滤组分是可商业途径获得的过滤组分Celite Hyflo Super-，产自World Minerals Inc。在进一步的实施方案中，附加过滤组分是可商业途径获得的过滤组分Celite，产自World Minerals Inc。在进一步的实施方案中，附加过滤组分是可商业途径获得的过滤组分Celite，产自WorldMinerals Inc。而在另一实施方案中，附加过滤组分是可商业途径获得的过滤组分Celite，产自World Minerals Inc。而在又一实施方案中，附加过滤组分是可商业途径获得的过滤组分Filter-，产自World Minerals Inc。
在其中包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料进一步包括至少一种附加过滤组分的情况下，附加过滤组分可以占助滤材料总重量的大于约0％至约100％。在一个实施方案中，附加过滤组分可以占总助滤材料的大于约5％重量。在另一实施方案中，附加过滤组分可以占总助滤材料的大于约30％重量。在进一步的实施方案中，附加过滤组分可以占总助滤材料的大于约50％重量。而在另一实施方案中，附加过滤组分可以占总助滤材料的大于约65％重量。而在又一实施方案中，附加过滤组分可以占总助滤材料的大于约80％重量。
在其中包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料进一步包括至少一种附加过滤组分的情况下，可过滤复合吸附剂可以占助滤材料总重量的大于约0％至约100％。在一个实施方案中，可过滤复合吸附剂可以占总助滤材料的大于约5％重量。在另一实施方案中，可过滤复合吸附剂可以占总助滤材料的大于约30％重量。在进一步的实施方案中，可过滤复合吸附剂可以占总助滤材料的大于约50％重量。而在另一实施方案中，可过滤复合吸附剂可以占总助滤材料的大于约65％重量。而在又一实施方案中，可过滤复合吸附剂可以占总助滤材料的大于约80％重量。
在一个实施方案中，所述至少一种附加过滤组分可以占总助滤材料的约60％重量至约70％重量，可过滤复合吸附剂可以占总助滤材料的约30％重量至约40％重量。
包括至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料的具体特性可以在已经制备了最初的包括至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料之后通过所述材料进一步的物理或化学反应来改性，例如增强至少一种性质(例如，溶解度和表面特性)和/或产生具有专门用途的新产物。这种进一步改性的实例包括例如水化、酸洗涤、表面处理和有机衍生化，例如在Palm等的美国专利第6,712,974号中所公开的。
C.使用可过滤复合吸附剂的方法
本文描述的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以用于许多与目前可用吸附剂相同的应用，但是提供了附加的性质，例如增加的渗透性、低离心湿密度和独特成形的粒子(例如，纤维)以及提高的效率和/或经济。
本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料及其任选进一步改性，可以类似于多孔过滤介质的方式用于过滤应用。包括至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以应用于隔膜以提高透明度并增加过滤过程的流速，或者直接添加至流体。根据涉及的特定分离，包括至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以用于预涂布、主体加料或两者。
在一个实施方案中，吸附和过滤的方法包括(i)提供包括至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料，(ii)用所述可过滤复合吸附剂预涂布过滤元件，和(iii)使包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料悬浮于含有待从流体去除的粒子和/或组分的流体中，其中所述可过滤复合吸附剂可以载于过滤元件上。
在另一实施方案中，吸附和过滤的方法包括(i)提供可过滤复合吸附剂，(ii)将可过滤复合吸附剂与至少第二过滤组分进一步混合以生成助滤材料，(iii)用所述助滤材料预涂布过滤元件，和(iv)使所述助滤材料悬浮于含有待从流体去除的粒子和/或组分的流体中，其中所述助滤材料可以载于过滤元件上。
为了最大化吸附促成冷混浊的粒子和/或组分例如蛋白质，本文公开的一个实施方案包括预涂布和主体加料的结合。
在另一实施方案中，吸附和过滤方法包括如下步骤：使含有待吸附的不想要的粒子或组分的流体穿过载于隔膜上的刚性形状形式的包括至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料。
本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以被成形、模塑、挤压、熔结或以其他方式形成可渗透的片、板、盘、多面体或其他具有吸附性质的成形的形状。然后流体可以穿过包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料以实现过滤和吸附两者。
本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料可以与其他介质(例如，不同的多孔过滤组分材料)结合使用以生成用于过滤应用的助滤材料和/或以进一步改善或优化过滤过程。例如，可过滤复合吸附剂与例如硅藻土、膨胀的珍珠岩、浮岩(pumicite)、天然玻璃、纤维素、活性碳、粘土或其他物质的混合物可能是有用的附加过滤组分。有时，这些掺和物更加精细并能够使掺和物形成能够用作支持体或基底的片、垫、筒或整体或聚集介质。
本文公开的包含至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料还可以用于除过滤外的应用，因为吸附剂或过滤介质可以用于不一定明确依赖常规吸附或过滤的应用。例如，物质例如硅胶、蒸气沉积二氧化硅、中性粘土、碱性粘土、沸石、催化剂、聚合物和碱土金属硅酸盐水化物可用作填充剂，生物源二氧化硅、天然玻璃、膨胀的珍珠岩、浮石、膨胀的浮石、浮岩(pumicite)、膨胀的黑曜石、膨胀的火山灰石、浮力玻璃、浮力聚合物和纤维素也可用作填充剂。
本文之前提出的本发明的许多其他调整和改变可以进行，而不背离其精神和范围。实施例中或另有指明的地方除外，说明书和权利要求中所有表示成分的量、反应条件等的数字被理解为在所有情况下被术语“约”修饰。相应地，除非相反指明，下述说明书和所附权利要求中提出的数字参数是可以根据要在本文获得的所需性质而变化的近似值。无论如何，不试图限制权利要求范围等同教导的应用，每个数字参数应该根据有效数字和常规约数方法来解释。
虽然设置宽范围的数字范围和参数是近似值，但是具体实施例中提出的数值尽可能准确报道。然而，任何数值固有地包含由其各自试验测量中存在的标准偏差所不可避免地导致的某些误差。
该说明书中使用的标题为方便读者而提出，并不是要限制本文描述的发明。作为非限制性示例，下面给出本公开的某些实施方案的具体实施例。
实施例
下述实施例中描述了本文公开的几种包括至少一种可过滤复合吸附剂的助滤材料以及它们的制备方法，这些实施例作为示例而不作为限制被提供。
实施例1
使用下述程序制备几种可过滤复合吸附剂以便评价。在每种情况下，根据效率和价格的结合选择SiO₂∶Na₂O重量比为3.2∶1的硅酸钠溶液，但也可使用其他比例的SiO₂∶Na₂O。硅酸钠以约2％的浓度添加至反渗水。然后向浆体添加一定量的硫酸(H₂SO₄)以降低pH至约5.5至9。然后向溶液添加过滤组分。在该实施例中，过滤组分是200，一种膨胀的经研磨的珍珠岩，具有0.29Da的渗透性和约14.0lbs/ft³的湿密度。添加的过滤组分的量是基于最终抗冷助滤产物中所需的硅胶量。浆体被搅拌，直至出现胶凝(约25-60分钟，取决于pH水平)。接下来，添加水以分散胶凝的浆体。然后浆体被过滤，复合物用水洗涤。然后，可过滤复合吸附剂在烘箱中加热以蒸发任何多余水分，直至得到稳定的重量。
表1提供了由上述过程制备的抗冷助滤产物的性能的有关信息。200用作过滤组分，通过改变浆体的pH，使基于硅藻土的硅酸钠在过滤组分上沉淀，将不同量的硅胶与其附着。对照是包含90％200和10％Millennium Chemical硅胶的简单混合物。吸附组分的粒度比对照样品的吸附剂粒度小。从表1可以看到，与用对照的简单混合物处理相比或者与不加抗冷剂的过程相比，在流体经可过滤复合吸附剂处理后，被过滤的流体的浊度更小。
表1
使用基于DE的硅酸钠的基于珍珠岩的可过滤复合吸附剂

实施例2
重复实施例1的程序，除了Celite Standard Super-和CeliteHyflo Super-代替200用作过滤组分。Celite StandardSuper-过滤组分是一种基于硅藻土的过滤组分，具有0.25Da的渗透性和约9lbs/ft³的湿密度。Celite Hyflo Super-过滤组分也是基于硅藻土的，但是具有1.10Da的渗透性和10lbs/ft³的湿密度。
表2显示了使用不同量的硅胶和不同pH水平的基于硅藻土的抗冷助滤剂的过滤性能。基底材料是Celite Hyflo Super-和CeliteStandard Super-硅藻土。显示在过滤组分上沉淀的硅胶的相对量与吸附组分的BET表面积有直接关系。
表3显示表2的基于硅藻土的抗冷助剂(chill-proofing aid)的性能。经过滤的流体的低浊度值证明，可过滤复合吸附剂比对照的简单混合物或不涉及抗冷的过程更有效。
表4显示来自表2的使用Celite Standard Super-的基于硅藻土的抗冷助滤剂的性能，通过改变浆体的pH，基于硅藻土的硅酸钠在过滤组分上沉淀，使不同量的硅胶与其附着。对照是90％CeliteStandard Super-和10％Millennium Chemicals硅胶的系统简单混合物。同样，这里公开的可过滤复合吸附剂提供了比对照系统或未应用抗冷措施的系统更优的值。
表2
使用基于DE的硅酸钠的基于DE的可过滤复合吸附剂的过滤性质

表3
通过由Celite Hyflo Super-和基于DE的硅酸钠生成的可过滤复合吸附剂(″FCA″)去除冷却混浊

表4
通过由Celite Standard Super-和基于DE的硅酸钠生成的可过滤复合吸附剂(″FCA″)去除冷却混浊

实施例3
重复实施例2的程序，除了用商业硅酸钠溶液替代实施例2中使用的硅酸钠溶液。同样，在过程中使用不同的过滤组分以产生可过滤复合吸附剂(Celite Standard Super-、Celite Hyflo Super-和Celite)。
表5-8显示了商业非基于硅藻土的硅酸钠的性能。在表5-7中，使用的商业硅酸钠溶液是PQ N-，产自PQ Corporation，ValleyForge，Pennsylvania。PQ N-具有3.22∶1的SiO₂∶Na₂比和11.3的pH。在表8中，使用的商业硅酸钠溶液是，产自PQ Corporation，Valley Forge，Pennsylvania。表5反映由Celite Hyflo Super-生成的抗冷过滤组分。表6反映作为过滤组分的Celite Standard Super-。表7反映作为过滤组分的Celite。Celite具有0.50Da的渗透性和约9lbs/ft³的湿密度。对于每种情况，对照包括90％CeliteStandard Super-和10％Millennium Chemical硅胶的简单混合物。
表5
通过由Celite Hyflo Super-和PQ′s N-硅酸钠生成的可过滤复合吸附剂(″FCA″)去除冷却混浊

表6
通过由Celite Standard Super-和PQ′s N-硅酸钠生成的可过滤复合吸附剂(″FCA″)去除冷却混浊

表7
通过由Celite和PQ′s N-硅酸钠生成的可过滤复合吸附剂(″FCA″)去除冷却混浊

表8
通过由硅酸钠生成的可过滤复合吸附剂(″FCA″)去除冷却混浊

实施例4
使用Celite Standard Super-和基于硅藻土的硅酸钠制备可过滤复合吸附剂。43g硅酸钠溶液(含有6.75g溶解的二氧化硅)添加至450g水。接下来，3.16g硫酸(98％)添加至溶液以降低溶液pH至7.2。然后将过滤组分(Celite Standard Super-)添加至溶液。浆体搅拌37分钟，此时浆体开始胶凝。添加150mL水以分散胶凝的浆体。然后，浆体被过滤，浆体饼用300mL水反复洗涤。最后，将饼通过在110℃加热3小时干燥。
实施例5
重复实施例1的程序以生成大量可过滤复合吸附剂组合物，除了Filter-替代200用作过滤组分。通过改变浆体的pH，使基于硅藻土的硅酸钠在过滤组分上沉淀，将不同量的硅胶与其附着。得到的可过滤复合吸附剂组成为7.5％重量硅胶至70％重量硅胶。此外，可过滤复合吸附剂然后通过粉末化处理以改变可过滤复合吸附剂组合物的粒度，从19微米d50至39微米d50。
接下来，可过滤复合吸附剂与第二过滤组分Celite混合，以便得到的助滤材料包括35％重量可过滤复合吸附剂和65％重量Celite
表9提供了助滤材料作为抗冷助滤剂的性能的有关信息。助滤剂用于以0.6克每100克啤酒的比率过滤啤酒。每种助滤材料进行三次试验，记录冷却混浊、冷却混浊平均数和冷却混浊标准偏差。根据该实施例的助滤剂与对照的性能相比较，所述对照包括65％重量Celitel和35％重量Brightsorb d-(一种常规抗冷硅胶)的简单混合物。
在前述实施例和表格中，术语″FCA″用于代表可过滤复合吸附剂，术语″Brightsorb″用于代表吸附组分Brightsorb d-，术语″SG″用于代表吸附组分硅胶，术语″C512Z″用于代表过滤组分Celite，术语″FC″用于代表过滤组分Filter，术语″C289″用于代表过滤组分Celite，术语″d50″用于代表以微米表示的中值粒度。此外，可过滤复合吸附剂可以由包括(过滤组分-吸附组分(#％重量吸附组分))的短序列表示。例如，″C512Z-SG70″表示可过滤复合吸附剂，其中过滤组分是Celite，吸附组分是硅胶，并且硅胶占可过滤复合吸附剂的70％重量。
表9
包括Celite和可过滤复合吸附剂(包括Filter作为过滤组分)的助滤材料的过滤性质

如表9所示，助滤材料的吸附性效力一般随可过滤复合吸附组分中吸附组分的增加而增加。此外，助滤材料的吸附性效力一般随粉末化导致的粒度降低而增加。认为粉末化导致硅胶位点量的增加，从而导致提高的吸附性。
实施例6
重复实施例5的程序，除了可过滤复合吸附剂不经过粉末化，第二过滤组分(Celite)与可过滤复合吸附剂的比例改变。Celite的表面积被测量为55m²/克。第二过滤组分与可过滤复合吸附剂比例的变化对冷却混浊和渗透性的影响示于表10和11。所有试验经历(age)75小时，除了标有(^*)的试验经历99小时并冷却24小时。
表10
包括Celite和可过滤复合吸附剂(包括Filter作为过滤组分)的助滤材料的过滤性质

从表10和11可以看到，本发明的助滤材料，特别是由试验6确定的助滤材料，能够表现出与对照(试验2)相比相当的吸附性，但是含更低浓度的硅胶(按总助滤剂的重量计)。这种对吸附组分需求的减少可以导致生产中可观的成本优势。此外，与对照相比较，试验6的助滤材料能够获得相当的吸附性，同时表现出渗透性的显著增加。
表11
包括Celite和可过滤复合吸附剂(包括Filter作为过滤组分)的助滤材料的渗透性