相同利用的水过滤器及方法.pdf

本发明涉及提供饮可用水的过滤器。过滤器包括具有入口和出口的壳体、设置在壳体内的过滤材料，所述过滤材料至少部分地由多个过滤颗粒形成。过滤颗粒的零电荷点大于约7，且多个过滤颗粒的中孔隙与大孔隙容量之和大于约0.12mL/g。

1.  提供可饮用水的方法，所述方法包括下列步骤：
提供过滤材料，所述过滤材料至少部分地由其零电荷点大于7且由中孔隙活性炭组成的多个过滤颗粒形成，并且所述多个过滤颗粒的中孔隙与大孔隙容量之和为0.2-2mL/g；所述中孔隙表示直径为2-50纳米的颗粒内孔，大孔隙表示直径大于50纳米的颗粒内孔；所述过滤颗粒的总孔隙容量大于0.4mL/g且小于3mL/g；所述过滤颗粒的中孔隙和大孔隙容量与总孔容量之比大于0.3；所述过滤器可用于从流入所述入口且流出所述出口的水中除去微生物；所述过滤器的过滤器细菌去除对数指数大于2log，且过滤器病毒去除对数指数大于1log；
使水通过所述过滤材料；和
去除所述水中的微生物。

2.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个过滤颗粒的中孔隙与大孔隙容量之和在0.4mL/g和1L/g之间。

3.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个过滤颗粒的零电荷点大于8。

4.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个过滤颗粒的零电荷点大于9。

5.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个过滤颗粒的零电荷点在9和12之间。

6.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个过滤颗粒选自木基活性炭颗粒、煤基活性炭颗粒、泥炭基活性炭颗粒、沥青基活性炭颗粒、焦油基活性炭颗粒，以及它们的混合物。

7.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个过滤颗粒的BRI值大于约9％。

8.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个过滤颗粒的BRI值大于约9.99％。

9.  如权利要求1所述的方法，其中所述多个过滤颗粒的VRI值大于约0％。
10如权利要求1所述的方法，其中所述多个过滤颗粒的VRI值大于约9％。

相同利用的水过滤器及方法
本发明专利申请是国际申请号为PCT/US02/27000，国际申请日为2002年8月23，进入中国国家阶段的申请号为02820702.5，名称为“相同利用的水过滤器及方法”的发明专利申请的分案申请。
发明领域
本发明涉及相同利用的水过滤器及其制造方法，更具体地讲涉及包含活性炭颗粒的水过滤器领域。
发明背景
水中可能包含有许多不同种类的污染物，其中包括如颗粒、有害化学物质以及如细菌、寄生虫、原生动物和病毒等微生物有机物。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器件的制造过程中，都需要使用高度纯净的水。另外一个更为普遍的实施例是，水在可饮用即适于饮用之前必须将任何有害污染物除去。尽管已有现代化的水净化方法，但对于普通大众仍存在风险，尤其是对于婴儿和免疫系统受损的人具有相当大的风险。
在美国和其它发达国家，市政处理过的水中典型地包含以下一种或多种杂质：悬浮固体颗粒、细菌、寄生虫、病毒、有机物质、重金属和氯。有时水处理系统的故障和其它问题会导致水中的细菌和病毒不能被完全清除。在其它国家，由于一些地区人口密度不断增加、水源不断减少并且没有水处理设备，与污染水接触已经导致了致命的后果。由于饮用水源普遍与人和动物的排泄物相邻，因而微生物污染是影响健康的主要问题。水中滋生微生物所产生的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。
1987年美国环境保护署(EPA)引入了“微生物水净化装置的测试指南标准和议定书”。该议定书确立了对在公用或家用供水系统中设计用于减少与人体健康相关的特定污染物的饮用水处理系统的性能的最低要求。要求规定供应水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，病毒在流入的水中其浓度应为1×10⁷/每升，细菌在流入的水中其浓度应为1×10⁸/每升。由于大肠杆菌(E.coli，细菌)在供水中普遍存在，且其被饮用后将产生相关危害，因而将这种微生物作为主要的细菌研究对象。类似地，MS-2细菌噬菌体(或简称为MS-2噬菌体)是一种典型地用于病毒清除的代表性微生物，因为其大小和形状(即大小为约26nm，且为二十面体)与很多病毒相似，因此，过滤器去除MS-2噬菌体的能力即可说明其去除其它病毒的能力。
由于对于改善可饮用水质量的具有需求与普遍关注，因此总是希望提供能够去除流体中的细菌和/或病毒的有效的过滤材料。
发明概述
本发明提供可饮用水的过滤器。过滤器包括具有一个入口和一个出口的壳体，过滤材料设置在该壳体内，并至少部分地由多个过滤颗粒形成。过滤颗粒零电荷点大于约7，且多个过滤颗粒的中孔隙与大孔隙的容量之和大于约0.12mL/g。

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为中孔隙酸性活性炭颗粒CA-10，和中孔隙碱性活性炭颗粒TA4-CA-10的BET氮吸附等温线；
图2为图1中颗粒的中孔隙容量分布；
图3为图1中颗粒的零电荷点图表；
图4为依照本发明制造的轴流过滤器的横截面侧视图；
图5举例说明图1过滤颗粒大肠杆菌浴浓度关于时间的函数；及
图6举例说明图1过滤颗粒MS-2浴浓度关于时间的函数。
优选实施方案的详细描述
I.定义
本文中使用的术语“过滤器”和“过滤”是指与通过吸附和/或尺寸排除方式除去微生物(和/或去除其它污染物)相关的结构或机制。
本文中使用的短语“过滤材料”意指过滤颗粒的聚集体。形成过滤材料的过滤颗粒的该聚集体可为同类或异类。在过滤材料内过滤颗粒可为均匀或非均匀分布(例如，不同过滤颗粒组成的层)。形成过滤材料的过滤颗粒也无需具有相同的形状或尺寸，并可以松散或相互连接的形式提供。例如，过滤材料可包括与活性炭纤维结合的中孔隙碱性活性炭颗粒，并且这些过滤颗粒或可以松散关联形式提供，或由聚合体粘合剂或以其它方式部分或全部粘结的形式提供以形成整体结构。
本文中使用的短语“过滤颗粒”意指用于形成过滤材料的至少一个部分的独立构件或条片。例如，一根纤维、一颗微粒、一个小珠等在本发明中都被认为是一个过滤颗粒。而且，过滤颗粒的尺寸可以变化，从感触不到的过滤颗粒(如非常精细的粉末)到可触知的过滤颗粒。
本文中使用的术语“微生物”、“微生物有机体”和“病原体”可互换使用。这些术语指具有细菌、病毒、寄生虫、原生动物和病菌特征的各种微生物。
本文中使用的短语“过滤颗粒的细菌去除指数(BRI)”定义为：
BRI＝100×[1-(大肠杆菌细菌均衡状态浴浓度)/
(大肠杆菌细菌的对照浓度)]，
其中“大肠杆菌细菌均衡状态浴浓度”是指细菌在浴槽中均衡状态下的细菌浓度，浴槽中包含大量过滤颗粒，其总外表面积为1400cm²，且Sauter平均直径小于55μm，如下文更详细所述。在相隔2小时的两个时间点进行测试，当大肠杆菌浓度变化保持在半数量级之内时，则可达到均衡。短语“大肠杆菌细菌对照浓度”是指对照浴槽中大肠杆菌细菌的浓度，其等于3.7×10⁹ CFU/L。Sauter平均直径是指其面积-容量比与整个颗粒分布相等的颗粒的直径。注意，术语“CFU/L”是指“群落形成单位每升”，其是用于大肠杆菌计数的典型术语。BRI指数是在未使用具有杀菌效果的化学剂的情况下测得的。报告过滤颗粒去除能力的一个等同方式是采用“细菌去除对数指数”(BLRI)，其定义为：
BLRI＝-log[1-(BRI/100)]。
BLRI单位为“log”(其中“log”表示对数)。例如，过滤颗粒的BRI指数等于99.99％时，即相当于BLRI指数等于4log。下文中给出了BRI和BLRI两种指数的测定过程。
本文中使用的短语过滤颗粒的“病毒去除指数”(VRI)定义为：
VRI＝100×[1-(均衡状态下MS-2噬菌体的浴浓度)/
            (MS-2噬菌体的对照浓度)]，
其中“均衡状态下MS-2噬菌体的浴浓度”是指在浴槽中均衡状态下的噬菌体浓度，浴槽中包含大量过滤颗粒，其总外表面积为1400cm²，且Sauter平均直径小于55μm，如下文更详细所述。在相隔2小时的两个时间点进行测试，当MS-2浓度保持不变处于半数量级之内时，则可达到均衡。短语“MS-2噬菌体对照浓度”是指对照浴槽中MS-2噬菌体的浓度，其等于2.07×10⁹PFU/L。注意术语“PFU/L”是指“形成的噬菌区单位每升”，其是用于MS-2计数的典型术语。该VRI指数是在未使用具有杀菌效果的化学剂的情况下测得的。报告过滤颗粒去除能力的一个等同方式是采用“病毒去除对数指数”(VLRI)，其定义为：
VLRI＝-log[100-(VRI/100)]。
VLRI单位为“log”(其中“log”表示对数)。例如，过滤颗粒的VRI等于99.9％，则其VLRI等于3log。下文中给出了VRI和VLRI值的测定过程。
本文中使用的短语“总外表面积”意指一个或多个过滤颗粒的外部几何表面积，如下文更详细所述。
本文中使用的短语“比外表面积”意指每单位质量过滤颗粒的总外表面积，如下文更详细所述。
本文中使用的术语“微孔隙”意指其宽度或直径小于2nm(或相当于)的孔。
本文中使用的术语“中孔隙”意指其宽度或直径在2nm和50nm(或相当于在和)之间的孔。
本文中使用的术语“大孔隙”意指其宽度或直径大于50nm(或相当于)的孔。
本文中使用的短语“总孔容量”及其派生词意指所有孔，即微孔隙、中孔隙和大孔隙的总容量。总孔容量可利用BET法(ASTM D 4820-99标准)在相对压力为0.9814条件下计算氮吸附容量，BET法是本领域所熟知的方法。
本文中使用的短语“微孔容量”及其派生词意指所有微孔隙的总容量。微孔容量可利用BET法(ASTM D 4820-99标准)在相对压力为0.15条件下计算氮吸附容量，BET法是本领域所熟知的方法。
本文中使用的短语“中孔隙和大孔隙的容量之和”及其派生词意指所有中孔隙和大孔隙的总容量。中孔隙和大孔隙的容量之和等于总孔容量与微孔容量之差，或相当于利用BET法(ASTM D 4820-99标准)在相对压力分别为0.9814和0.15条件下的氮吸附容量之差计算，BET法是本领域所熟知的方法。
本文中使用的短语“中孔隙范围孔径分布”意指利用Barrett、Joyner和Halenda(BJH)方法计算得到的孔径分布，BJH法是本领域所熟知的方法。
本文中使用的术语“碳化”及其派生词意指在含碳物质中非碳物的还原方法。
本文中使用的术语“活化”及其派生词意指使得碳化物质更为多孔的处理方法。
本文中使用的术语“活性颗粒”及其派生词意指经过活化处理的颗粒。
本文中使用的短语“零电荷点”意指一临界pH值，高于该值则碳化颗粒的总表面带负电荷。测定零电荷点的众所周知的测定程序将在下文阐述。
本文中使用的术语“碱性”意指过滤颗粒的零电荷点大于7。
本文中使用的术语“酸性”意指过滤颗粒的零电荷点小于7。
本文中使用的短语“中孔隙碱性活性炭过滤颗粒”意指具有多个中孔隙，而且零电荷点大于7的活性炭过滤颗粒。
本文中使用的短语“中孔隙酸性活性炭过滤颗粒”意指具有多个中孔隙，而且零电荷点小于7的活性炭过滤颗粒。
本文中使用的短语““转化剂”是指可减少材料中含氧官能团数量和/或增加材料中含氮官能团数量的试剂。
II.中孔隙碱性活性炭物质颗粒
出人意料地发现，与中孔隙酸性活性炭颗粒的吸附量相比，中孔隙碱性活性炭颗粒吸附大量的微生物。尽管不希望受理论的约束，申请人均假设：1)大量中孔隙和/或大孔隙提供了更为便利的吸附部位，可以吸附病原体、其菌伞，和组成外膜、衣壳和病原体包壳的表面聚合物(如蛋白质、脂多糖、低聚糖和多糖)，和2)与酸性活性炭表面相比，碱性活性炭表面包含必要的官能团类型以吸引大量微生物。中孔隙碱性活性炭表面上的这种增强吸附能力可有助于使得菌伞和表面聚合物的典型尺寸与中孔隙和大孔隙相似，从而使碱性活性炭表面吸引其表面上典型带负电荷的微生物和官能团。
过滤颗粒可以制成各种形状和尺寸。例如，过滤颗粒可以制成简单的形状，例如微粒、纤维和小珠状。过滤颗粒可以制成球形、多面体、圆柱状，以及其它对称的、不对称的和不规则的形状。而且，过滤颗粒也可形成复合物形式，如网、幕、栅网、无纺材料、织成材料，及粘合嵌段，其可以是或不是由上述简单形式形成。
过滤颗粒的形状和尺寸可以不同，而且任何单个过滤器中使用的过滤颗粒的尺寸不必统一。实际上，在单个过滤器中的过滤颗粒具有不同的大小也是可取的。通常，过滤颗粒的尺寸在约0.1μm和约10mm之间，优选在约0.2μm和约5mm之间，更优选在约0.4μm和约1mm之间，最优选在约1μm和约500μm之间。对于球形和圆柱状颗粒(如纤维和小珠等)，上述尺寸指过滤颗粒的直径。对于具有基本不同形状的中孔隙碱性活性炭颗粒而言，上述尺寸是指最大尺寸(例如，长度、宽度或高度)。
过滤颗粒可由在碳化和活化过程中可产生中孔隙和大孔隙的任一前体材料制成。例如，但不是为了限制，过滤颗粒可以是木基活性炭颗粒、炭基活性炭颗粒、泥煤基活性炭颗粒、沥青基活性炭颗粒、焦油基活性炭颗粒，以及它们的混合物。
活性炭可表现为酸性或碱性。酸性与含氧的官能物或官能团相关，例如，但不是为了限制，苯酚、羧基、内酯、对苯二酚、酸酐及酮。碱性与下列官能物相关，如吡喃酮、苯并吡喃、醚、羰基，以及基面π电子。活性炭颗粒的酸性或碱性由零电荷点方法(Newcombe，G.，等人，“Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects”，78，65-71(1993))确定，在此引入本文以供参考。该技术在此后的第IV节中还进行了描述。本发明过滤颗粒的“零电荷点”大于7，优选大于约8，更优选大于约9，最优选在约9和约12之间。
碳化和活化之后，可通过熔炉处理将酸性中孔隙活性炭颗粒转化为碱性。该处理条件包括温度、时间、空气，及暴露于转化剂。转化剂可以液体或预处理气体的形式提供和/或形成部分熔炉气体。例如，转化剂可为含氮液体，例如，但不是为了限制，尿素、甲胺、二甲胺、三乙基胺、吡啶、pyrolidine、乙二胺、二亚乙基三胺、尿素、乙腈及二甲基甲酰胺。在将过滤颗粒置于熔炉内之前，该含氮液体可涂覆或浸湿过滤颗粒。熔炉气体也可包含氮、惰性气体、还原气体或上述转化剂。
当碳颗粒不包含任何贵金属催化剂(如铂、金、钯)时，处理温度可在约600℃和约1,200℃之间，优选在约700℃和约1,100℃之间，更优选在约800℃和约1,050℃之间，最优选在约900℃和约1,000℃之间。如果碳颗粒包含贵金属，则处理温度在约100℃和约800℃之间，优选在约200℃和约700℃之间，更优选在约300℃和约600℃之间，最优选在约350℃和约550℃之间。处理时间在2分钟和10小时之间，优选在约5分钟和约8小时之间，更优选在约10分钟和约7小时之间，最优选在约20分钟和约6小时之间。处理气体包括氢气、一氧化碳或氨气。气流速率在约0.25标准L/h.g(即标准升每小时每克碳；0.009标准ft³/h.g)和约60标准L/h.g(2.1标准ft³/h.g)之间，优选在约0.5标准L/h.g(0.018标准ft³/h.g)和约30标准L/h.g(1.06标准ft³/h.g)之间，更优选在约1.0标准L/h.g(0.035标准ft³/h.g)和约20标准L/h.g(0.7标准ft³/h.g)之间，最优选在约5标准L/h.g(0.18标准ft³/h.g)和约10标准L/h.g(0.35标准ft³/h.g)之间。如所认知，也可采用其它方法制造碱性中孔隙活性炭过滤材料。
利用Brunauer、Emmett和Teller(BET)方法测得的比表面积和Barrett、Joyner和Halenda(BJH)方法测得的孔径分布可用于作为中孔隙碱性活性炭颗粒孔结构的特征。优选地，过滤颗粒的BET比表面积在约500m²/g和约3,000m²/g之间，优选在约600m²/g和约2,800m²/g之间，更优选在约800m²/g和约2,500m²/g之间，最优选在约1,000m²/g和约2,000m²/g之间。参见图1，图示为中孔隙碱性木基活性炭(TA4-CA-10)和中孔隙酸性木基活性炭(CA-10)使用BET方法测得的典型氮等温吸附线。
BET氮吸附过程中可测量得到中孔隙碱性活性炭颗粒的总孔容量，并计算为相对压力P/P₀为0.9814下的氮吸附容量。更具体地讲，且如本领域所熟知，总孔容量通过相对压力为0.9814条件下“以mL(STP)/g为单位的氮吸附容量”乘以转换因子0.00156计算得到，这时在STP(标准温度与压力)条件下将一定容量的氮转换为液体。中孔隙碱性活性炭颗粒的总孔容量大于约0.4mL/g，或大于约0.7mL/g，或大于约1.3mL/g，或大于约2mL/g，和/或小于约3mL/g，或小于约2.6mL/g，或小于约2mL/g，或小于约1.5mL/g。
BET氮吸附过程中可测量得到中孔隙和大孔隙容量之和，并计算为P/P₀为0.15条件下的总孔容量与氮吸附容量之差。中孔隙碱性活性炭颗粒的中孔隙和大孔隙容量之和大于约0.12mL/g，或大于约0.2mL/g，或大于约0.4mL/g，或大于约0.6mL/g，或大于约0.75mL/g，和/或小于约2.2mL/g，或小于约2mL/g，或小于约1.5mL/g，或小于约1.2mL/g，或小于约1mL/g。
BJH孔径分布可利用Barrett、Joyner和Halenda(BJH)方法测得，BJH法在J.Amer.Chem.Soc.73，373-80(1951)中的“ADSORPTION，SURFACE AREA，ANDPOROSITY”(Gregg和Sing，第二版，Academic Press，纽约，1982年)一文中作了说明，其内容引入本文以供参考。在一个实施方案中，任一孔径在约4nm和约6nm之间时，孔容量为至少约0.01mL/g。在另一可供选择的实施方案中，任一孔径在约4nm和约6nm之间时，孔容量在约0.01mL/g和约0.04mL/g之间。在另一实施方案中，任一孔径在约4nm和约6nm之间时，孔容量为至少约0.03mL/g，或在约0.03mL/g和约0.06mL/g之间。在一优选实施方案中，任一孔径在约4nm和约6nm之间时，孔容量在约0.015mL/g和约0.06mL/g之间。图2举例说明按照BJH方法计算得到的中孔隙碱性木基活性炭(TA4-CA-10)和中孔隙酸性木基活性炭(CA-10)的典型中孔隙容量分布。
中孔隙与大孔隙容量之和与总孔容量的比率大于约0.3，优选在约0.4和约0.9之间，更优选在约0.5和约0.8之间，最优选在约0.6和约0.7之间。
总外表面积通过将比外表面积乘以过滤颗粒质量计算得到，并以过滤颗粒的尺寸为基础。例如，单分散(即具有相同直径的)纤维的比外表面积通过计算纤维的面积(忽略纤维末端2个横截面的面积)和纤维重量之比得到。这样，纤维的比外表面积等于：4/Dρ，其中D为纤维直径，而ρ为纤维密度。对于单分散的球形颗粒，通过类似计算得到的比外表面积等于：6/Dρ，其中D为颗粒直径，而ρ为颗粒密度。对于多分散的纤维、球形或不规则形状的颗粒，比外表面积的计算通过由D_3，2替代D，并采用与上述公式相同的方法计算得到，其中D_3，2为Sauter平均直径，是当颗粒面积容量比与整个颗粒分布的比率相同时颗粒的直径。本领域熟知的一种测量Sauter平均直径的方法是激光衍射法，例如可以采用Malvern设备(英国Malvern市的Malvern Instruments Ltd.制造)。过滤颗粒的比外表面积在约10cm²/g和约100,000cm²/g之间，优选在约50cm²/g和约50,000cm²/g之间，更优选在约100cm²/g和约10,000cm²/g之间，最优选在约500cm²/g和约5,000cm²/g之间。
当按照本文提出的批量测试步骤测量时，中孔隙碱性活性炭颗粒的BRI值大于约99％，优选大于约99.9％，更优选大于约99.99％，最优选大于约99.999％。这相当于，中孔隙碱性活性炭颗粒的BLRI值大于约2log，优选大于约3log，更优选大于约4log，最优选大于约5log。当按照本文提出的批量测试步骤测量时，中孔隙碱性活性炭颗粒的VRI值大于约90％，优选大于约95％，更优选大于约99％，最优选大于约99.9％。这相当于，中孔隙碱性活性炭颗粒的VLRI值大于约1log，优选大于约1.3log，更优选大于约2log，最优选大于约3log。
在本发明一优选实施方案中，过滤颗粒包括木基活性炭颗粒的中孔隙碱性活性炭颗粒。这些颗粒的BET比表面积在约1,000m²/g和约2,000m²/g之间，总孔容量在约0.8mL/g和约2mL/g之间，中孔隙与大孔隙容量之和在约0.4mL/g和约1.5mL/g之间。
在本发明另一优选实施方案中，过滤颗粒包括初始为酸性但在氨气环境下处理为碱性的中孔隙碱性活性炭颗粒。这些颗粒为木基活性炭颗粒。处理温度在约925℃和1,000℃之间，氨气流量在约1标准L/h.g和约20标准L/h.g之间，处理时间在约10分钟和7小时之间。这些颗粒的BET比表面积在约800m²/g和约2,500m²/g之间，总孔容量在约0.7mL/g和约2.5mL/g之间，且中孔隙和大孔隙容量之和在约0.21mL/g和约1.7mL/g之间。下面提出的即为转化为碱性活性炭的酸性活性炭的非限定性实施例。
实施例1
将中孔隙酸性活性炭转化为中孔隙碱性活性炭
将由获自位于Ardmore，PA的Carbochem，Inc.的质量为2kg的CA-10中孔隙酸性木基活性炭颗粒，置于型号为BAC-M的熔炉的传送带上，熔炉由位于Cranston，RI的C.I.Hayes，Inc.制造。炉内温度设定为950℃，处理时间4小时，其中气体为分离的氨，气流的容量流速为12,800标准L/h(即450标准ft³/h，或等量地6.4标准L/h.g)。处理后的碳颗粒称为TA4-CA-10，其BET等温线、中孔隙容量分布，及零电荷点分析分别示于图1、2和3中。
III.本发明过滤器
参见图4，所述为依照本发明制造的一个示例性过滤器。过滤器20包括柱面形式的壳体22，壳体具有入口24和出口26。壳体22可以多种形式、形状、尺寸及布置方式提供，如本领域所知，根据所需使用的过滤器而定。例如，过滤器可以采用轴流过滤，通过对其入口和出口的设置，使流体沿壳体的轴向流动。也可以选用径流式过滤器，通过对其入口和出口的设置，使得流体(例如液体、气体或其混合物)沿壳体的径向流动。而且，过滤器也可以既包括轴流又包括径流。不偏离本发明范围，壳体也可制成为另一结构的部件。尽管本发明中的过滤器特别适用于水，但应认识到其也适用于其它的流体(例如空气、气体，以及气体和液体的混合物)。这样，过滤器20可作为普通的液体过滤器或气体过滤器。如本领域所知，可选择入口24和出口26的尺寸、形状、间隔、对齐方式和定位，以适应流速和过滤器20的所需用途。优选地，过滤器20配置为可应用于为居民使用或商用的饮用水。适用于本发明的过滤器构型、饮水设备、用水器具和其它水过滤装置的实施例公开于以下美国专利中：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；及6,241,899，据此引入本文以供参考。对于饮用水应用，过滤器20优选配置为可使流速小于约8L/分钟，或小于约6L/分钟，或在约2L/分钟和约4L/分钟之间，且过滤器包含的过滤材料小于约2kg，或小于1kg，或小于0.5kg。过滤器20中还包含过滤材料28，其中过滤材料28中包含一种或多种过滤颗粒(例如纤维、颗粒等)。一种或多种过滤颗粒可为中孔隙碱性活性炭颗粒，并具有前述特性。过滤材料也可包括由其它材料制成的颗粒，如活性炭粉末、活性炭微粒、活性炭纤维、沸石，以及它们的混合物。如前所述，过滤材料可以松散或互联的形式(如，由聚合粘合剂或其它方式部分或全部粘合形成的整体结构)提供。
IV.测试步骤
下列测试步骤用于计算本文所述零电荷点、BET、BRI/BLRI和VRI/VLRI值。虽然测量BRI/BLRI值和VRI/VLRI值针对含水介质，但是无需限定本发明中最终使用的过滤材料，尽管BRI/BLRI值和VRI/VLRI值对于含水介质计算，但最终仍可以使用前述其它过滤材料。而且，以下所选择以说明测试步骤使用的过滤材料并非限制本发明中的加工和/或过滤材料组成的范围，或限制该测试步骤时可使用本发明中的何种过滤材料。
RET 测试步骤
BET比表面积与孔容量分布采用氮吸附技术，如ASTM D 4820-99所述的多点氮吸附法在77K条件下进行测量，可使用位于Miami，FL的Coulter Corp.制造的Coulter SA3100系列的表面积与孔径测定器。本方法也可提供微孔隙、中孔隙和大孔隙容量。对于实施例1中的TA4-CA-10过滤颗粒，BET区域为1,038m²/g，微孔隙容量为0.43mL/g，中孔隙与大孔隙容量之和为0.48mL/g。注意，原料CA-10的对应各值则为：1,309m²/g、0.54mL/g和0.67mL/g。实施例1中过滤材料的典型BET氮等温线和中孔隙容量分布分别见图1和图2所示。如本领域所知，应认识到可由其它仪器替代进行BET测量。
零电荷点测试步骤
由试剂级别KCl与水可制备0.010m含水KCl溶液，水在氩气中新蒸馏而得。用于蒸馏的水利用连续逆渗透和离子交换进行去离子处理。将25.0mL容量的含水KCl溶液分装至六个125mL烧瓶中，每一烧瓶配装24/40磨砂玻璃塞。每一烧瓶中加入微升量的标准含水HCl或NaOH溶液，使其初始pH值范围在2和12之间。然后利用Orion型号为420A的酸碱计记录每一烧瓶的pH值，该酸碱计带有Orion生产的型号为9107BN的三极管组合pH/ATC电极，其由位于Beverly，MA的Thermo Orion Inc.制造。该pH值称为初始pH值。将0.0750±0.0010g活性炭颗粒加入六个烧瓶中的每一个烧瓶中，在记录“最终pH值”之前，对室温下封塞24小时的含水悬浮液进行搅拌(速度为约150rpm)。图3显示利用CA-10和TA4-CA-10活性炭材料试验测得的最初和最终pH值。CA-10与TA4-CA-10的零电荷点分别为约4.7和10。如本领域所知，应认识到也可由其它仪器替代进行该测试步骤。
BRI/BLRI测定程序
使用由位于Richmomd，VA的Phipps & Bird，Inc.制造的PB-900^TM可编程JarTester测试装置，带有2个或多个耐热玻璃烧杯(由测试材料数量决定)。烧杯的直径为11.4cm(4.5”)，高度为15.3cm(6”)。每一烧杯包含500mL受大肠杆菌微生物污染的市政供应的除氯的自来水，其以60rpm速度旋转搅拌。搅棒为不锈钢桨状物，其长度为7.6cm(3”)、宽度为2.54cm(1”)，厚度为0.24cm(3/32”)。搅棒放置在距烧杯底0.5cm(3/16”)高处。第一烧杯不包含任何过滤材料，并用作对照，其它烧杯包含足量的过滤材料，其Sauter平均直径小于55μm，因此烧杯中材料的外部几何总表面积为1400cm²。该Sauter平均直径由以下方法得到：a)筛分出具有宽尺寸分布和高Sauter平均直径的样本；或b)利用本领域已知的减缩尺寸技术，减小过滤颗粒的尺寸(如，若过滤颗粒尺寸大于55μm，或若过滤材料为集成或粘合形式)。例如，且不作为限制，减缩尺寸的技术包括压碎、研磨和碾磨。用于减缩尺寸的典型设备包括颚式粉碎机、回转破碎机、滚压碎机、粉碎机、重型冲挤式研磨、中型碾磨机和喷射式磨机，如离心喷射器、对冲型射流器或带有砧的喷射器。尺寸减缩可用于松散或粘合的过滤颗粒。在进行测试之前，应除去任一过滤颗粒或过滤材料中的生物杀灭剂涂层。可供选择地，测试中可以无涂层过滤颗粒替代。
在将过滤颗粒加入烧杯中之后，在不同时间收集每5mL容量水的复制样本用于分析，直至包含过滤颗粒的烧杯中达到均衡。典型的抽样时间为：0、2、4和6小时后，从每个烧杯中收集样本进行化验。也可以使用本领域所知的其它设备来替代。
使用的大肠杆菌为ATCC#25922，由马里兰州Rockville的American TypeCulture Collection(美国物种培养集合)提供。对照烧杯中的目标大肠杆菌浓度设置为3.7x10⁹。可采用薄膜过滤技术，按照“水和废水检验的标准方法”(Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater)第20版(由美国公共健康协会(APHA)在华盛顿特区出版)中的#9222方法对大肠杆菌进行化验。测试限度值(LOD)为1×10³CFU/L。
实施例1过滤材料的示例BRI/BLRI结果示于图5。CA-10中孔隙酸性活性炭材料的量为0.75g，TA40-CA-10中孔隙碱性活性炭材料的量为0.89g。两者均相当于外部表面积为1,400cm²。对照烧杯中大肠杆菌浓度为3.7×10⁹CFU/L。包含CA-10和TA4-CA-10样本的烧杯中大肠杆菌浓度在6小时内达到均衡，其值分别为2.1×10⁶CFU/L和1.5×10⁴CFU/L。则其BRI值各计算为99.94％和99.9996％，BLRI值各计算为3.2log和5.4log。
VRI/VLRT的测定程序
所采用的测试设备和测试程序与测定BRI/BLRI值时相同。第一烧杯不包含过滤材料，并作为对照，其它烧杯包含足量过滤材料，材料的Sauter平均直径小于55μm，因此烧杯中总的几何外表面积为1400cm²。在进行测试之前，应去除过滤颗粒或过滤材料上的任何生物杀灭剂涂层。可供选择地，测试中可以无涂层过滤颗粒或过滤材料替代。
使用的MS-2细菌噬菌体为ATCC# 15597B，由马里兰州Rockville的American Type Culture Collection(美国物种培养集合)提供。对照烧杯中的目标MS-2浓度设置为2.07×10⁹PFU/L。可以按照C.J.Hurst，Appl.Environ.Microbiol.，60(9)，3462(1994)中所述的程序进行MS-2化验。也可以采用本领域所知的其它化验方法来替代。测试限度值(LOD)为1×10³PFU/L。
实施例1过滤材料的示例性VRI/VLRI结果示于图6。CA-10中孔隙酸性活性炭材料的量为0.75g，TA40-CA-10中孔隙碱性活性炭材料的量为0.89g。两者的量分别对应于1,400cm²外表面积。对照烧杯中MS-2浓度为2.07×10⁹CFU/L。包含CA-10和TA4-CA-10样本的MS-2浓度在6小时内达到均衡，其值分别为1.3×10⁶PFU/L和5.7×10⁴PFU/L。则其VRI值各计算为99.94％和99.997％，其VLRI值各计算为3.2log和4.5log。
本发明对实施方案的选择和描述，用以对本发明的原理及其实际应用提供最佳举例说明，从而使本领域一般的技术人员能够在各种实施方案中使用本发明，并且在为适应具体应用而设想进行各种修改。当依照公平、合法、平等的原则对所授权的外延进行解释时，所有这些修改和改变均在本发明的附加权利要求书中确定的范围之内。