以中性過濾材料為基礎過濾液體的系統和方法

2023-05-12 08:32:41 1

專利名稱：以中性過濾材料為基礎過濾液體的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種使用多孔介質從液體中過濾微粒的系統和方法。更具體地說，本發明涉及一種過濾器和過濾方法，其中由於非篩選機理，可以有效地將比過濾器的多孔介質的孔徑小的顆粒除去。
背景技術：
多年來主要根據篩選機理從液體中過濾出微粒材料，其中顆粒主要是以大小為基礎除去的。在許多情況下篩選本身由於對比過濾器孔徑小的顆粒提供差的保留性或者對這些顆粒沒有保留性，並且要求低的流速或者需要大的壓力階度或者需要大的過濾面積以獲得合適的流速，因此它已不能使液體過濾令人滿意。然而，在氣體過濾中已長期意識到，依賴顆粒-表面的相互吸引可以將顆粒從液體中除去，其中除篩選之外的過濾機理主宰著大多數應用並提供提高的過濾性能。參見，Grant等的Particle Capture Mechanisms in Gases andLiquidsAn Analysis of Operative Mechanisms，1988 Proceedings of theInstitute of Environmental Sciences。
假定沒有其它高的特定相互作用電位(例如分子識別，螯合官能度等)，液體中顆粒-表面相互作用經常受靜電相互作用和範德華力控制。範德華力是普遍存在的作用於任意種類的兩種材料之間的短程吸引力，並且因此總是呈現相互吸引。另一方面，根據所討論的兩種材料的靜電電位的信號，靜電相互作用將為吸引、排斥或不存在。公知帶相同電荷的材料彼此之間呈現排斥的靜電相互作用，而帶相反電荷的材料兩者之間呈現吸引的靜電相互作用。該知識已利用於液體過濾，其中呈現靜電電位的過濾材料能夠吸引並成功地保液體過濾，其中呈現靜電電位的過濾材料能夠吸引並成功地保留帶相反電荷的顆粒。顯而易見，這些帶電過濾器的局限性是，過濾材料與帶相同電荷的顆粒的排斥的靜電相互作用導致最終差的保留性。
本發明的基礎是意識到，當討論的材料表面之一在使用的液體中為中性時(本文的過濾材料)，在過濾材料和顆粒材料之間沒有相反的靜電相互作用，並且吸引的範德華力將控制過濾材料和顆粒材料之間的相互作用，從而保留任意電荷特性，正、負或中性的顆粒。因此，在提供在過濾的液體中不呈現、或者基本上不呈現靜電電位的過濾材料(即它是中性表面)時，任何靜電特性的顆粒被過濾材料吸引，從而獲得超過目前僅用常規篩選過濾器所獲得的提高的保留性和過濾性。
液體中材料的靜電電位受兩種主要現象控制，(i)導致電荷的官能團(酸或鹼)的離解/締合，或(ii)液體中(帶電)離子的吸附。例如，在含水介質中，在材料表面沒有任何官能團的材料經常在鹼性或中性溶液(pH＞5-7)中經常呈現負的靜電電位，並在酸性溶液(pH＜5-7)中呈現正的靜電電位，這是由於吸附了羥基(帶負電的OH-)或氫離子(帶正電的H+)。不受液體特性(含水或不含水)的支配，存在於過濾液體中的帶電離子也可以吸附到材料表面上，由此改變其靜電電位。
因此重要的是意識到，根據其所浸泡的液體的性能，材料獲得不同的靜電電位。材料在液體中的這種靜電電位取決於液體的性能，例如(i)其質子供體/受體能力，(ii)其介電常數，(iii)存在的離子的濃度和種類。然而，通過使用適當的材料或其表面改性，人們可以將所給液體中的材料的靜電電位調整至基本上為零，由此獲得基本上中性的表面。
以該發現為基礎，本發明教導，可以針對所給pH範圍的給定液體對過濾材料進行選擇性調整，以吸引任何靜電特性的顆粒，並且在任何給定液體中以顆粒和過濾材料之間的相互吸引為基礎能夠有效地保留比過濾器孔徑小的顆粒。
發明概述本發明提供了一種過濾器，它具有高的顆粒捕獲性(Log降低值(LRV)＞3，優選＞5，更優選＞10)，低的壓降和高的流速。例如，本發明提供了一種常規孔徑等級為0.3微米的過濾器，它對0.1微米顆粒的LRV大於3，且壓降低於0.1微米等級「篩選過濾器」(即，公稱或額定孔徑為0.1微米的過濾器)的壓降的1/10。與此同時，所示的0.1微米「篩選過濾器」對0.1微米顆粒的LRV低於3，通常約為2。
本發明使用一種弱電荷或中性的過濾器(表面)。本發明通過選擇在其過濾的液體中具有等電點(IEP)或零電荷點(PZC)的材料(表面)，由此保持中性或弱電荷表面來產生這種過濾器表面，所述中性或弱電荷表面賦予了本發明過濾器提高的保留性能。優選可以將其用於含水和非含水液體中。在含水液體中，在廣泛pH範圍或者如果需要的話選擇的窄的pH範圍內它可以具有基本上中性的表面。在非含水液體中，在寬範圍離子強度的液體中它可以保持基本上中性的表面。
在本發明的一個實施方式中，提供了一種在其使用的液體中其表面電荷基本上為中性的過濾器。
在本發明的另一實施方式中，提供了一種在含水液體中在至少一定範圍的pH內並優選在所有pH條件下其表面電荷基本上為中性的過濾器。
本發明的又一實施方式是利用在所選或所需操作範圍的pH或者離子強度內具有IEP的過濾器，以便該過濾器表面在所選pH範圍或離子強度內或者保持中性或弱電荷或者未獲得高帶電的表面。
本發明的另一實施方式是利用在其使用的含水液體的pH內具有IEP的過濾器。在該方案中，過濾器表面與pH固定的特定液體匹配並且過濾器表面保持中性。
本發明的又一實施方式是利用在其使用的非含水液體的離子強度下具有IEP的過濾器。在該方案中，過濾器表面與離子強度固定的特定液體匹配並且過濾器表面保持中性。
本發明的又一實施方式是將兩種或多種過濾器用於複合過濾器中，其中每一過濾器具有不同的IEP。這樣對含水液體可用於廣泛的pH，對非含水液體可用於廣泛的離子強度。
本發明的又一實施方式是利用在所選液體中ζ電位為約10至-10毫伏，優選5至-5毫伏的過濾器，以便在所選液體中過濾器表面或者保持中性或弱電荷或者未獲得高帶電錶面。
本發明的另一實施方式是一種過濾液體的方法，包括選擇含有一種或多種待除去的汙染物的液體，形成一種或多種多孔過濾器，所述一種或多種過濾器在所選液體中具有基本上為中性的表面，將所述液體通過所述一種或多種過濾器以除去所述汙染物。


圖1為在氫氟酸(HF)中測試安裝於筒中的過濾器的測試系統。
圖2是在筒的測試系統中測定的背景顆粒濃度。
圖3是在KCl中測試47mm過濾器盤的測試系統。
圖4顯示了在KCl中作為pH的函數的顆粒的ζ電位。
圖5顯示了在HF或KCl中作為pH的函數的測試過濾器的ζ電位。
圖6顯示了在不同pH的KCl或HF中相對於各種測試液體中的過濾器ζ電位的以帶負電PSL(-)顆粒的log降低值(LRV)計的過濾器的保留性。
圖7顯示了在不同pH的KCl或HF中相對於各種測試液體中的過濾器ζ電位的以帶正電Si3N4(+)和PSL(+)顆粒的log降低值(LRV)計的過濾器的保留性。
發明詳述本發明教導，當過濾器材料表面和顆粒表面之間的靜電相互作用足夠小至顆粒可被吸引的範德華力捕獲時，可以通過除篩選之外的機理將任何電荷的顆粒從液體中除去。使用帶弱電或中性的表面源自於以下概念兩個表面之間的排斥力的大小與兩個表面上電荷密度的乘積相關。這意思是如果一個表面基本上為中性並且因此沒有電荷，那麼排斥力被消除，而不管另一顆粒表面上的電荷程度如何。因此，通過普遍操作的吸引性範德華力高效地將比過濾器孔徑小得多的顆粒捕獲。該目標是通過在過濾液體中提供基本上中性或帶弱電的材料過濾器表面來實現的。
由於這種「中性」過濾器不僅僅依賴於篩選，因此與常規僅篩選的化學過濾器相比，其孔徑可以擴大，並且性能沒有損失，並且具有高的顆粒保留性和高的流動滲透性。
由於在這些材料的表面上存在固定的帶電基團或吸附的帶電離子，因此幾乎所有材料與液體接觸獲得靜電電位。材料表面的ζ電位(ZP)是用於表徵其靜電(表面)電位或表面電荷密度的特性。材料(表面)的ZP與該材料的整個表面電荷具有相同的標記並且通常與其表面電荷密度成正比。因此，材料表面上是否存在帶電基團例如通過其ζ電位證實的，將直接與其過濾性能有關。
不同的動電現象如電泳(帶電膠體顆粒在電場中移動)或流動電位(迫使液體通過毛細管或多孔介質，從而導致電位不同)常用於測定材料的ZP。由於顆粒懸液的穩定性(即不凝聚的能力)直接依賴於顆粒在其所懸浮的液體中的ZP，因此顆粒的ZP例如通常是通過標粒在其所懸浮的液體中的ZP，因此顆粒的ZP例如通常是通過標準測定系統(如Zetasizer，Malvern Instruments)測定的。當顆粒ZP的絕對值大於某一閾值(例如50mV)時，由於顆粒之間的絕對排斥因此懸液非常穩定；然而，當其ZP接近於0時，顆粒將凝聚(參見RobertHunter，Zeta Potential in Colloid Science，Academic Press，1984)。
非導電材料的ZP直接與材料的靜電電位成正比。因此，正如靜電電位是負、正或零一樣，材料的相應ZP為負、正或零。材料不呈現靜電電位並且因此ZP為0的情況公知為材料的等電點(IEP)。在給定液體中在其IEP的材料顯示具有中性特性，即靜電電位為0或接近0mV。
在本發明中，當過濾器材料在待過濾的液體中其IEP或ZP接近0(即ZP＝-10mV＜IEP＜+10mV，優選ZP＝-5mV＜IEP＜+5mV)時，由於過濾器材料表面和顆粒直接的吸引的範德華力，因此過濾器將保留小於過濾器孔徑的任何靜電特性的顆粒。
在待過濾的液體中不呈現其IEP的過濾器材料，即在待過濾的液體中具有大的靜電電位的過濾器(即ZP＝-10mV＜IEP＜+10mV，優選ZP＝≤-5mV或者ZP≥+5mV)將不保留呈現相同標記的靜電電位(或ZP)的比其孔徑小的顆粒(帶相同電荷的顆粒)。
(過濾器)材料在給定液體中的靜電電位可以通過已知表面改性技術進行調整以使其基本上為中性，即呈現IEP。然而，一些過濾器材料可以在給定液體中呈現IEP，而不需要進一步通過表面改性而調整。
重要指出的是，當待過濾的液體含有大量溶解離子時(即任何液體呈現高離子強度，即大於0.1-1mol/l)，幾乎任何材料表面與該液體接觸為基本上中性(即，其ZP將在-10mV＜ZP＜+10mV，優選-5mV＜ZP＜+5mV)。因此，在這種液體中，任何材料表面將吸引任何靜電特性的顆粒。這種現象經常描述為離子屏蔽效應，即溶解的離子可以將材料表面的靜電電位「屏蔽」至根據溶解離子的量，電位隨與材料表面之間的距離或多或少快速地降低的效應。所以在低濃度離子的液體(弱電解質)中，電位隨距離非常慢地降低並長距離地延伸至周圍液體中；在溶解離子的濃度高的液體(強電解質)中，電位隨距離非常快地降低，導致基本上中性的表面。液體本發明將在含水和非含水液體如有機溶劑(醇等)中工作。特別是在介電常數相對高的有機溶劑中，即介電常數大於10，由於這些液體與含水液體作用相似。此外，它用不同粘度、離子強度和介電常數的液體工作。它從這些液體中有效地除去了任何汙染物如有機和無機顆粒、離子、分子、低聚和聚合材料以及物理溶解的氣體。
在含水液體中，選擇具有基本上中性表面的適宜過濾器材料的一種方式是考慮將要過濾的液體的典型pH範圍。因此人們可以確保過濾器在液體中在給定pH範圍內保持基本上中性。在非含水液體中，pH不是一相關值。在本文中，過濾器材料和液體的質子受體/供體性能以及液體的離子強度將決定了過濾器材料的靜電電位。顆粒本發明的過濾器能夠除去無論是結晶還是非結晶，彈性或非彈性、粒徑為10nm-100000nm的無機和有機顆粒。更具體地說，本發明的過濾器能夠除去固體顆粒以及膠體顆粒如脂質體、含膠體的脂質、細胞器、DNA凝聚物、蛋白質和蛋白質凝聚物、以及膠體顆粒任意組合的凝聚體。過濾器材料用於本發明的過濾器可以由各種材料製成，包括但不限於，玻璃纖維和織物、金屬如不鏽鋼、鎳、鉻和合金及其混合物，陶瓷、塑料及其組合。優選過濾器材料是由塑料製成的，例如由纖維素材料如再生纖維素或硝基纖維素、熱塑性材料如聚烯烴，包括聚乙烯如超高分子量聚乙烯、聚丙烯和類似的聚烯烴；聚烯烴的均聚物、共聚物或三聚物；聚偏二氟乙烯(PVDF)、PTFE樹脂、PFA和其它氟化樹脂，特別是全氟化熱塑性樹脂；聚氯乙烯均聚物(PVC)和共聚物；尼龍；聚醯胺類；聚碸類；改性聚碸類如聚醚碸類、聚芳碸類和聚苯碸類；聚醯亞胺類；聚碳酸酯類；聚酯類如PET等及其複合物。優選熱塑性過濾器材料如聚烯烴類，包括聚乙烯如超高分子量聚乙烯和聚丙烯、碸類如聚碸類、聚醚碸、聚芳碸類和聚苯碸類、PTFE、PVDF、PFA和其它氟化熱塑性樹脂、尼龍如尼龍66及其複合物。過濾器結構過濾器的結構可以是任意常用於液體過濾的，例如多孔過濾器薄片、複合過濾器薄片(在彼此上形成的兩層或多層從而形成狀態薄片結構)、任何種類的多孔膜、機織或非機織墊或織物、深度過濾器、空心纖維等。優選它們是薄片狀、摺疊狀或螺旋鋼絲狀的多孔膜或複合膜。過濾器材料的表面改性過濾器材料大多數可以根據製備其的材料的性質以各種方式改性。對所有過濾器而言，關鍵是確保整個內表面和外表面，包括孔內表面經過改性，從而確保存在適當的保留特性。例如，金屬過濾器可以通過本領域公知的將過濾器的金屬表面鈍化、氧化或塗布來改性。陶瓷可以通過氧化或無機和有機表面化學改性或塗布來改性。聚合物可以在成型之前或期間、形成塗層之後通過將改性劑材料接枝、氧化、吸附、引入聚合混合物中來改性，無論是經過交聯或其它方式，等。這些技術對本領域技術人員為公知。
在給定液體中製備具有基本上中性表面的材料的一種方法是將材料的表面改性。在這樣做的過程中，新表面基本上覆蓋了下面過濾器材料並使過濾器的暴露表面有效。過濾器性能，即小於過濾器孔徑的顆粒的保留性，由此取決於暴露於液體的塗敷改性層的靜電特性。
已知各種類型的能量改性聚合過濾器的表面化學。任意這些能源可用於形成基本上中性的表面。包括但不限於例如γ射線照射、X射線照射、電暈放電、電子束、雷射激發和紫外光。
人們可以使用各種酸或鹼(取決於所選過濾器材料和其使用的液體)改性過濾器表面。例如，可以使用酸或鹼氧化各種金屬、玻璃、陶瓷或塑料過濾器的表面。
優選地，產生基本上中性表面的方法是使用表面改性化學。典型地，這些方法利用一種或多種塗敷於過濾器表面的單體。在這樣做的過程中，這些單體基本上覆蓋下面過濾器表面並使過濾器的外表面有效。最普通的方法包括將材料簡單地塗敷到過濾器的表面上，並根據塗層本身的機械保持性保持外表面化學，將這些單體交聯到過濾器表面上，參見例如US 4,618,533(將其教導全部加入本文)，或者將這些膠體接枝到過濾器表面上，參見例如US 3,253,057、4,151,225、4,278,777和4,311,573(將其教導加入本文)。
所選單體包括上面引證專利中的那些。更優選丙烯酸酯或丙烯醯胺單體如丙烯酸、2-丙烯醯氨基-2-甲基-1-丙磺酸、丙烯酸磺基丙酯或N，N′-二甲基丙烯醯胺(DMAm)和甲基丙烯酸酯或甲基丙烯醯胺單體如甲基丙烯酸和上面兩種或多種的混合物。
優選這些單體與光引發劑結合使用，優選水溶性光引發劑如Irgacure 2959和交聯劑。優選的交聯劑是N，N′-亞甲基二丙烯醯胺(MBAm)。
第二優選的系統不使用單體。單體僅使用MBAm交聯劑。已發現僅該表面處理就足夠提供用於本發明的相對中性的表面。
實施表面處理的一種方法如下將或者系統、或者僅是單體或者與光引發劑組合或者優選與光引發劑和/或交聯劑組合，或者僅交聯劑，製備於水中。待處理的過濾器在醇中預溼潤，在水中交換，然後浸泡於所選溶液中。然後經過紫外線處理引起表面處理，從而交聯並結合於過濾器的表面上。然後將過濾器洗滌並乾燥，然後備用。
實施表面處理的另一方法是通過使用具有所選化學的水混性有機物如叔丁醇或2-甲基-2，4-戊二醇(10-20％wt)製備自溼潤性溶液並將其直接塗敷到過濾器的乾燥表面。
在這兩種方法中，可以使用正壓或真空提高滲透速度和通過該表面處理塗敷的有效表面積。
可以舉一個改性過的過濾器的例子取從Millipore Corporation ofBedford，Massachusetts獲得的超高分子量聚乙烯膜過濾器並塗敷0.26KgIrgacure 2959引發劑、6Kg丙烯酸和1.62Kg MBAm的192.12Kg去離子(DI)水的溶液。將該膜過濾器在異丙醇中預溼潤，並在去離子水中交換幾分鐘。然後將該膜過濾器在該溶液中浸泡幾分鐘，並在擠出過量液體之後用Fusion″H″UV燈以30ft./min於氮氣下照射。然後在水中於兩個連續池中將膜過濾器衝洗並在熱空氣下乾燥。
可以將過濾器用作平片如25或47mm直徑的切割盤。也可以將其用作盒式筒片，如可用於切向流或正常流動過濾模式的，例如可從Millipore Corporation of Bedford，Massachusetts獲得的Pellicon盒。
優選將其形成為一層或多層並製成摺疊或螺旋鋼絲筒設備。這些設備在本領域為公知。
在或者平片或者摺疊或螺旋鋼絲設備的一個實施方式中，設備含有一系列的兩個或多個過濾器，每個經過改性以便其表面在它們使用的液體中具有低的ZP或者在IEP，並且經過排列以便隨著液體從設備的上遊惻流到下遊惻存在連續的越來越小的粒徑保留性。
在另一實施方式中，它們可以形成為空心纖維設備。
過濾器的孔徑可以從清楚地超多孔範圍(低於0.01微米平均或公稱直徑)到常規微孔範圍(0.05微米至10微米平均或公稱直徑，優選0.1-1微米平均或公稱直徑)。本發明的優點是人們可以使用較大孔徑，甚至獲得比所選孔徑小的顆粒的提高的過濾性，並且可以在提高的流速和降低的壓降下這樣做。因此人們不再限制於作為原始或唯一過濾機理的篩選或大小排除方法。例如，本發明使得過濾器具有0.3微米的常規孔徑等級，並且對0.1微米顆粒的LRV大於3，壓降低於0.1微米額定「篩選過濾器」(即公稱或額定孔徑為0.1微米的過濾器)的壓降的1/10。該0.1微米「篩選過濾器」的0.1微米顆粒的LRV低於3，通常為約2。
此外，對「相同孔徑」膜而言，人們可以獲得提高的過濾性或LRV水平，例如人們可以在相同孔徑膜內獲得較高水平的LRV(LRV＞3，優選5或更大)，並且在相同液體中於相同pH下沒有所選ZP。
而且，本發明的過濾器不僅能夠過濾比其公稱孔徑大的顆粒，而且可以除去大量比過濾器公稱孔徑小的顆粒，而僅用篩選過濾器不能達到這一效果。所以例如，本發明的過濾器能夠使平均直徑小於過濾器的公稱孔徑的顆粒的顆粒降低性為至少3LRV。
實施例進行試驗以描述上述的本發明。帶不同電荷的模型顆粒(帶負電荷的聚苯乙烯膠乳珠(PSL)、帶正電荷的表面改性的叔胺PSL和帶正電荷的氮化矽顆粒(Si3N4))以及表面經過改性的不同過濾器材料和未改性的過濾器材料的ZP是在不同液體(氫氟酸(HF)和氯化鉀溶液(KCl))中於不同pH值下測定的。對這些過濾器證實這些帶電模型顆粒通過除篩選之外的機理的提高的保留性。由這些結果看出各種過濾材料的ZP和不同帶電模型顆粒的保留性能之間的清楚關係。ζ電位的測定ZP測定的綜述可以在Robert Hunter，ZetaPotential in ColloidScience，Academic Press 1984的內容中找到，將其教導引入本文作為參考。
按照US 4,602,989測定顆粒在不同液體中的ZP。
按照WO 8700285A1測定多孔材料在不同液體中的ZP。顆粒保留性的測定使用兩個測試系統測定待測試過濾器在不同液體中的顆粒保留性。第一個系統使用不同pH值的HF作為測試液並將過濾器安裝於筒中。第二個系統使用不同pH值的KCl作為47mm直徑過濾器盤的試驗。
i)在氫氟酸(HF)中測試用的安裝於筒中的過濾器的測試系統使用圖1所示的循環蝕刻浴(REB)系統測試安裝於筒中的過濾器的性能。離心泵1將來自循環蝕刻浴3的液體(HF)循環通過過濾器5。系統組份由PFA(聚(四氟乙烯-共-全氟(烷基乙烯基醚))或聚(四氟乙烯-共-六氟丙烯)和聚偏二氟乙烯(PVDF)組成，並且整個系統含有約60L液體。循環速度隨過濾器類型變化；對大多數過濾器而言為約40lpm。用HSLIS M65光粒子計數器7(Particle Measuring Systems，Boulder，CO)連續測定循環蝕刻浴3中的顆粒濃度。液體通過蠕動泵9從循環蝕刻浴3抽出並通過粒子計數器7。該M65是通道大小為0.065μm、0.10μm、0.15μm和0.20μm的四通道監視器。在粒子計數器7的下遊使用流量控制器10和壓力計11。將樣品返回到浴3中的堰12。堰和浴都與泵1相連用於將液體循環通過浴。所有測試都是在Class 100清潔室進行的。
圖2顯示了系統的典型背景顆粒濃度。背景顆粒濃度源自從系統的溼潤部分流出的顆粒，即當沒有過量顆粒時。通常獲得約10個顆粒/ml≥0.065μm的濃度。圖2中的數據是在18小時的時間內收集的。
試驗步驟通過稀釋原懸液製備已知濃度的顆粒懸液並用M65粒子計數器測定以確定最終濃度。將測定體積的這些懸液放入圖1的堰12中(過濾器的上遊)。將浴3中顆粒≥0.065μm的峰濃度用於計算過濾器LRV。過濾器入口處顆粒≥0.065μm的濃度經常接近150,000個顆粒/ml。向堰12中加入顆粒之前的浴中濃度通常為50±20個顆粒/ml≥0.065μm。因此，過濾器5的下遊濃度的最小可測和大量增加約為150個顆粒/ml≥0.065μm。該增加相當於LRV為3(log10[150000/150])。儘管一些過濾器5可以具有更好的保留性，但是通過該方法測定的最大LRV是3。
加入的HF的體積經選擇，以便獲得以對數刻度的均勻間隔的摩爾濃度。摩爾濃度、重量％、稀釋比和近似溶液pH之間的關係示於表I。計算pH時所用的離解常數為0.00035。
表IHF濃度關係

ii)在KCl中47mm直徑的盤平片過濾器的測試系統試驗系統示於圖3。它是由高密度聚乙烯收集槽20、多級循環泵21、預過濾器22、靜態混合器23、流量計24、pH計25組成的。所有元件以及預過濾器之後與液體接觸的管道都是由聚偏二氟乙烯或玻璃製成的，從而保證了低的顆粒流出和化學耐性。收集槽填充有超純蒸餾水，並且系統或者在雙蒸餾水中穩定化的循環模式運行，或者當過濾器被顆粒刺激時以排放模式運行。在循環泵之後和第一靜態混合器之後使用一0.1μm孔徑預過濾器。pH是在第一靜態混合器之前通過使用蠕動泵27和又一預過濾器22從槽26連續地將HCl或KOH泵送到主線中調節的。同樣，在第二靜態混合器之前通過從槽28將少量高濃度顆粒懸液連續地泵送到測試過濾器29的主線上遊來將顆粒加入系統中，從而獲得300,000個顆粒/ml的刺激顆粒濃度。用M65光粒子計數器30監控顆粒數。還包括控制流量和系統排放的閥31。
測試步驟就每一試驗而言，將一新的47mm盤過濾器安裝在測試過濾器固定器中並通過將超純水循環幾小時衝洗以獲得低背景顆粒濃度。測定過濾器的顆粒保留性作為pH的函數。過濾器最初在最低所需pH(通過加入HCl獲得)下用Si3N4(+)、PSL(+)或PSL(-)顆粒刺激，然後通過連續加入較低量的HCl並且最後加入增加量的KOH來將其pH增量地增加。等候系統平衡之後(約10分鐘)測定每一pH值下的顆粒保留性。使用以下公式計算log降低值(LRV)LRV＝log(原料顆粒濃度/滲透顆粒濃度)測試顆粒各種用於刺激過濾器的顆粒以及它們的一些性能列於表II。
表II刺激顆粒

使用具有不同表面特性的單分散聚苯乙烯膠乳(PSL)顆粒PSL(-)是普通PSL顆粒，PSL(+)是在表面呈現叔胺基團的表面改性過的PSL顆粒。而且，氮化矽(Si3N4)懸液是由多分散粉末(Si3N4(+))製備的。圖4顯示了作為周圍液體的pH的函數的PSL(-)和Si3N4(+)顆粒的測定ZP。由圖4可以看出，PSL(-)顆粒在測定間隔內帶負電。因此將它們用作代表帶負電實體的模型顆粒。同樣，Si3N4(+)在測定pH間隔內呈現正ζ電位並因此將其用作呈現帶正電實體的模型顆粒。對PSL(+)，在其表面呈現叔胺基團的PSL顆粒對pH的假定ZP依賴性，也描述在圖4。在顯示pH範圍內由於氨基質子化，因此希望PSL(+)顆粒呈現正電荷Z(參見圖4)。然而在這段時間內沒有獲得實際數據。測試的過濾器針對表II中所列刺激顆粒的保留性測試表III中所列各種多微孔聚合過濾器膜及其性能。所有過濾器的孔徑是0.15μm-0.3μm。在篩選條件下，希望這些過濾器對0.1μm PSL球具有差的(30-50％)保留性。這些微孔過濾器按照US 4,944,879使用不同官能團單體進行表面改性，從而影響膜的表面性能。
表III測試過濾器的性能

a)超高分子量聚乙烯b)聚碸c)聚偏二氟乙烯d)聚四氟乙烯e)丙烯酸f)N，N-亞甲基二(丙烯醯胺)g)4-(2-羥基乙氧基)苯基-(2-丙基)酮h)N，N-二甲基丙烯醯胺i)三烯丙基胺j)N-(3-氨基丙基)甲基丙烯醯胺HCL測試過濾器的ζ電位圖5顯示了作為pH函數的以KCl或HF為特徵的表III中所列過濾器的ZP(以毫伏計)。當以KCl為特徵的過濾器時(空心符號)，測試液是0.001mol/l KCl的雙蒸餾高純水溶液，其pH通過加入氫氧化鉀(KOH)來調節以獲得低於7的pH值。當以HF為特徵的過濾器時(實心符號)，其pH通過將HF加入到雙蒸餾高純水中來調節。所有過濾器顯示隨著pH值降低朝向更高(更正)ZP的趨勢，這是由於吸附了帶正電的氫離子(H+)。因此，大多數過濾器通過零ZP線，即在一些pH值下0電荷點的IEP。在該pH值下過濾器基本上為中性並因此根據本發明保留所有可能電荷特性的顆粒，即帶負電、帶正電、或者中性的。過濾器保留性圖6顯示分別針對表III所列的不同測試過濾器作為各自過濾器的ZP函數的來自HF和KCl的帶負電PSL顆粒(PSL(-))的LRV。最有可能是由於過濾器材料和顆粒材料之間的靜電相互作用，比過濾器孔徑小的帶負電的顆粒以大於3的LRV被正過濾器ZP的所有過濾器保留。然而，數據還顯示帶負電的顆粒以高達3 LRV也被略負性ZP的過濾器保留。過濾器4，例如能夠在過濾器ZP約為保留-15mV下已LRV大於3來保留PSL(-)。同樣，其它過濾器以LRV高達3來保留PSL(-)，即使它們呈現負性ZP。對小負性過濾器ZP而言，吸引的範德華相互作用克服了過濾器材料和顆粒材料之間排斥的靜電相互作用並且顆粒被過濾器保留。
圖7顯示分別針對表III所列的不同測試過濾器作為各自過濾器的ZP函數的來自HF和KCl的帶正電PSL顆粒(PSL(+))和帶正電Si3N4(+)顆粒的LRV。再次，最有可能是由於過濾器材料和顆粒材料之間的靜電相互作用，比過濾器孔徑小的帶正電的顆粒以大於3的LRV(但是至少LRV為1.5)被負過濾器ZP的所有過濾器保留。然而，與圖6中帶負電顆粒的數據相似，數據還顯示帶正電的顆粒以高達3LRV也被略正性ZP的過濾器保留。再次，對小正性過濾器ZP而言，吸引的範德華相互作用似乎克服了過濾器材料和顆粒材料之間排斥的靜電相互作用並且顆粒被過濾器保留。
圖6和7中的數據顯示，任何電荷特性(正或負)的顆粒可以有效地通過在各自過濾器液體中不呈現ZP或者呈現相當小ZP的過濾器保留。其它顆粒類型使用幾個其它類型的顆粒，以保證使用PSL和Si3N4顆粒的測試代表了過濾器性能。試驗結果顯示在各自過濾器液體中的Al2O3(一帶正電顆粒)與Si3N4相同地被保留。同樣，Si顆粒(在各自過濾器液體中帶負電)與PSL(-)顆粒相同地被保留。
權利要求
1.一種用於液體的過濾器，包括一種或多種多孔過濾器，其中所述一種或多種過濾器各自具有在所選液體中為基本上中性的表面。
2.權利要求1的過濾器，其中所述液體是含水液體並且所述表面在預選pH範圍內基本上為中性。
3.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器在所選液體中具有約10至-10毫伏的ζ電位。
4.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器在所選液體中具有約5至-5毫伏的ζ電位。
5.一種過濾液體的系統，包括一種液體和一種或多種過濾器，其中所述一種或多種過濾器各自具有在所選液體中為基本上中性的表面。
6.權利要求5的系統，其中所述液體選自含水液體、非含水液體及其混合物，並且所述一種或多種過濾器在所選液體中具有約5至-5毫伏的ζ電位。
7.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器在所選液體中具有至少3的顆粒的log降低值(LRV)。
8.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器在所選液體中具有約3-約20的顆粒的log降低值(LRV)。
9.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器在所選液體中具有約10至-10毫伏的ζ電位並且在所選液體中具有至少3的顆粒的log降低值(LRV)。
10.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器在所選液體中具有約5至-5毫伏的ζ電位並且在所選液體中具有至少3的顆粒的log降低值(LRV)。
11.一種過濾液體的方法，包括選擇含有一種或多種待除去的汙染物的液體，形成一種或多種多孔過濾器，所述一種或多種過濾器具有在所選液體中基本上中性的表面，並將所述液體通過所述一種或多種過濾器以除去所述汙染物。
12.權利要求1的過濾器，其中所述基本上中性的表面在所述一種或多種過濾器的性質中是固有的。
13.權利要求1的過濾器，其中所述基本上中性的表面是通過表面改性所述一種或多種過濾器形成的。
14.權利要求1的過濾器，其中所述基本上中性的表面是通過表面改性過濾器形成的，所述表面改性選自在所述一種或多種過濾器的表面上交聯和接枝一種或多種單體。
15.權利要求1的過濾器，其中所述基本上中性的表面是通過表面改性過濾器形成的，所述表面改性是通過在所述一種或多種過濾器的表面上施加一能源實現的。
16.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器是由選自纖維素、玻璃、陶瓷和金屬的材料製成的。
17.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器是由選自纖維素、再生纖維素和硝基纖維素的材料製成的。
18.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器是由選自不鏽鋼、鎳、鉻及其合金和混合物的金屬製成的。
19.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器是由選自聚烯烴、聚烯烴的共聚物或三聚物、PVDF、PTFE樹脂、PFA、全氟化熱塑性樹脂、PVC、尼龍、聚醯胺類、聚碸類、聚醚碸類、聚芳碸類、聚苯碸類、聚醯亞胺類、聚碳酸酯類、聚酯類、及其混合物的塑料製成的。
20.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器是由選自聚乙烯、聚丙烯等的聚烯烴製成的。
21.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器是由超高分子量聚乙烯製成的。
22.一種過濾器，含有一種或多種各自表面在所選的操作pH範圍內具有IEP的過濾器，以便所述過濾器表面或者保持中性或弱電荷或者在所選pH範圍內未獲得帶高電荷的表面。
23.一種過濾器，含有一種或多種各自表面具有與其所用的液體的pH匹配的IEP的過濾器。
24.一種過濾器，在複合過濾器中含有兩種或多種過濾器，每個具有不同的IEP。
25.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器的表面用一種或多種選自以下的單體處理丙烯酸酯或丙烯醯胺單體和甲基丙烯酸酯或甲基丙烯醯胺單體及其混合物。
26.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器的表面用丙烯酸處理。
27.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器的表面用丙烯酸、光引發劑和交聯劑處理。
28.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器的表面用丙烯酸、光引發劑和交聯劑處理，其中所述交聯劑是N，N′-亞甲基二丙烯醯胺。
29.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器的表面用N，N′-亞甲基二丙烯醯胺處理。
30.權利要求1的過濾器，其中所述一種或多種過濾器在所選液體中對平均直徑小於過濾器公稱孔徑的顆粒具有至少3的log降低值(LRV)。
全文摘要
通過篩選之外的機理可以從液體流中除去帶有任何電荷的顆粒，並且流動性良好且壓降低。在預選pH範圍內將略微帶電或中性的表面用於一種或多種過濾器上。因此，高效地捕獲了比過濾器孔徑小得多的顆粒。通過適當選擇過濾器材料或者對基本過濾器進行表面改性可以形成在過濾液體中基本上為中性或略帶電的材料過濾器表面，從而產生基本上中性或略帶電的表面。
文檔編號B01D61/14GK1395498SQ01803739
公開日2003年2月5日 申請日期2001年1月12日 優先權日2000年1月14日
發明者韋恩·凱利, 唐納德·格蘭特, 菲利普·戈達德 申請人:邁克裡斯公司