DE60320542T2

DE60320542T2 - Mikroporöse filtermedien, diese enthaltende filtersysteme und herstellungs- und verwendungsverfahren

Info

Publication number: DE60320542T2
Application number: DE60320542T
Authority: DE
Inventors: Evan E. Weston Koslow
Original assignee: KX Technologies LLC
Current assignee: KX Technologies LLC
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2003-01-02
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2023-01-03
Also published as: ZA200405605B; CA2474980C; US6835311B2; US6959820B2; AU2003209149B2; EP1483039A1; CA2474980A1; CA2474858A1; DE60320542D1; US6913154B2; US6953604B2; IL163057A; AU2003202860B2; JP4726415B2; TW200302812A; CN1625434A; US20030205531A1; WO2003064013A1; EP1483039B1; ATE393125T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Filtermedium, das die Fähigkeit zur mikrobiologischen Abscheidung hat, sowie Prozesse zur Herstellung desselben und ein Verfahren zur Entfernung von mikrobiologischen Verschmutzungen in einem Fluid.
Ein Beispiel für ein keimtötendes Filtermedium befindet sich in der EP-A 0 408 292 , die ein Filtermedium beschreibt, das eine mikroporöse Struktur besitzt, welche mit einem kationischen Material und einem keimtötenden, biologisch aktiven Metall beschichtet ist.
Moderne Brauchwasserfilter stellen oftmals Anforderungen an die Gesundheit, zu denen die Verringerung von Teilchen, Schwermetallen, toxischen organischen Chemikalien gehören sowie ausgewählte mikrobiologische Verfahren. Diese Filtrationssysteme können Mikroorganismen abscheiden, so beispielsweise Cryptosporidium und Giardia, die grob gesehen 1,0 μ-Strukturen benutzen. Um jedoch die mikrobiologische Abwehr von kleineren Bedrohungen zu ermöglichen, wie beispielsweise Viren, ist ein Filtermedium erforderlich, das eine mikroporöse Struktur von unter 1 μ aufweist. Bekannte Filtersysteme versuchen oftmals, eine breite mikrobiologische Abwehr zu erreichen, und zwar unter Verwendung von Filtermedien mit einer unzureichenden kleinen Porengröße sowie mit schwacher physikalischer Beständigkeit. Das Gleichgewicht zwischen der notwendigen Porenstruktur, die für eine erfolgreiche mikrobiologische Abwehr benötigt wird, und einer befriedigenden Filterleistung ist bisher nicht erreicht worden. Dazu kommt, daß bekannte Systeme keine Vorrichtungen bieten, die in der Lage sind, in der Gegenwart von "Störungen" zu arbeiten, bestehend aus Substanzen, die einen Verlust an Filterleistung bewirken.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist in einer ersten Hinsicht auf ein Filtermedium gerichtet, das die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.
In einer weiteren Hinsicht ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Filtermediums gerichtet, das die Schritte des Anspruchs 27 beinhaltet.
In noch einer weiteren Hinsicht ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Entfernung mikrobiologischer Verschmutzungen in einem Fluid gerichtet, das die Schritte des Anspruchs 43 aufweist.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der entsprechenden Unteransprüche.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale der Erfindung, die als neu betrachtet werden, sowie die charakteristischen Elemente der Erfindung werden insbesondere in den beigefügten Ansprüchen angegeben. Die Figuren dienen nur zur Illustration und sind nicht maßstabsgetreu. Die Erfindung selbst kann jedoch, was sowohl die Organisation als auch das Arbeitsverfahren anbelangt, am besten unter Bezug auf die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele verstanden werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen folgen. In den Zeichnungen sind:
1 eine seitliche Draufsicht eines Filters, das das Filtermittel der vorliegenden Erfindung enthält;
2 eine Querschnittsansicht des Filters von 1, längs der Linie 2-2;
3 eine frontale Draufsicht eines beispielhaften Schwerkraft-Strömungsfiltrationssystems der vorliegenden Erfindung; und
4 eine perspektivische Ansicht eines anderen beispielhaften Schwerkraft-Strömungsfiltrationssystems der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf die hier vorhandenen 1–4 der Zeichnung Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale der Erfindung verweisen. Die Merkmale der Erfindung sind in den Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgerecht dargestellt.
Definitionen
Der im folgenden verwendete Begriff "Absorbenz" bedeutet irgendein Material, das Verunreinigungen absorbieren kann, und zwar hauptsächlich dadurch, daß es die Verunreinigungen in seine innere Struktur zieht.
Der hier verwendete Begriff "Adsorbenz" bedeutet irgendein Material, das in der Lage ist, Verunreinigungen hauptsächlich durch physikalische Adsorption an seine Oberfläche zu adsorbieren.
Der hier verwendete Begriff "adsorbierendes Filtermittel" oder "adsorbierendes Vorfiltrationsmittel" bedeutet ein Filtermedium, das aus einem Adsorbenz hergestellt ist, beispielsweise Aktivkohle. Ein Beispiel für ein adsorbierendes Filtermedium ist PLEKX^®, das im Handel von der KX Industries, L. P. in Orange, Connecticut, erhältlich ist.
Der hier verwendete Begriff "Bindemittel" bedeutet ein Material, das hauptsächlich dazu dient, andere Materialien zusammen zu halten.
Die hier benutzte Bezeichnung "Canadian Standard Freeness" oder "CSF" bedeutet einen Wert für den Vermahlungsgrad oder die Durchlässigkeitsgeschwindigkeit der Pulpe, gemessen in der Geschwindigkeit, mit der eine Pulpensuspension entwässert werden kann. Diese Terminologie ist einem auf dem Gebiete der Papierherstellung tätigen Fachmann gut bekannt.
Der hier verwendete Ausdruck "zusammengesetztes Filtermedium" soll ein Filtermittel bedeuten, das sich aus einem Vorfilter, einem adsorbierenden Vorfiltermittel und dem durch mikrobiologische Abscheidung verstärkten Filtermittel der vorliegenden Erfindung zusammensetzt und eine einheitliche Verbundstruktur bildet. In gewissen Fällen braucht das Vorfilter nicht vorhanden zu sein oder seine Funktion wird durch das adsorbierende Vorfiltermittel erfüllt.
Der hier verwendete Begriff "kontaminierte Reduktion" bedeutet die Verstärkung einer Verunreinigung, die chemisch oder biologisch abgeschieden, entfernt oder inaktiv gemacht wird, um das Fluid sicherer zu machen, so beispielsweise für den menschlichen Gebrauch, oder nützlicher für industrielle Anwendungsfälle.
Der im folgenden verwendete Begriff "Faser" soll einen Feststoff bedeuten, der durch ein hohes Verhältnis von Länge zu Durchmesser gekennzeichnet ist, beispielsweise mehrere hundert zu eins. Jede Faserdiskussion schließt Schwankungen ein.
Der im folgenden verwendete Ausdruck "Filtermedium" bedeutet ein Material, mit dem eine Fluidfiltration durchgeführt werden kann.
Der hier verwendete Begriff "Fluid" bedeutet eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Kombination aus diesen Stoffen.
Der hier verwendete Begriff "Formen" bedeutet die Umwandlung einer losen, nicht strukturierten Substanz in eine zähe, gleichförmige Struktur; beispielsweise die Umwandlung von losen Fasern in ein Papier.
Der hier verwendete Begriff "Abwehren" oder "Unterbinden" hat die Bedeutung von Hemmen oder Anhalten des Durchgangs, also des Einwirkens, Entfernens, Inaktivierens oder der Einflußnahme.
Der hier benutzte Begriff "Registrier-Reduzierwert" oder "LRV" soll die Registrierung oder Eintragung der Anzahl an Organismen in dem Einlauf, dividiert durch die Anzahl von Organismen in dem Auslauf eines Filters bedeuten.
Die hier benutzte Bezeichnung "Membrane" bedeutet ein poröses Medium, bei dem der Aufbau eine einzige ununterbrochene, feste Phase mit einer ununterbrochenen Porenstruktur ist.
Die hier verwendete Bezeichnung "Filtermedium mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr" soll ein Filtermittel bedeuten, das eine mikroporöse Struktur aufweist, wo wenigstens ein Teil seiner Oberfläche mit einem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Stoff behandelt ist.
Der hier verwendete Begriff "Mikroorganismus" bedeutet jeden beliebigen lebenden Organismus, der in einem Fluid suspendiert ist, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Bakterien, Viren, Pilze, Protozoen und ihre reproduzierten Formen, einschließlich Zellen und Sporen.
Der hier verwendete Begriff "mikroporöse Struktur" soll eine Struktur bedeuten, die einen Hauptflußpfad von weniger als etwa 2,0 μ und oftmals weniger als etwa 1,0 μ hat.
Der hier verwendete Begriff "Nanofaser" soll eine Faser bedeuten, die einen Durchmesser von weniger als 3,0 mm hat.
Die hier verwendete Bezeichnung "natürliche organische Sache" oder "NOM" soll einen organischen Stoff bedeuten, der oft in trinkbarem oder nicht trinkbarem Wasser gefunden wird, von dem ein Teil das Zeta-Potential eines positiv geladenen Filtermittels reduziert oder hemmt. Als Beispiel für NOM sind polyanionische Säuren wie, jedoch nicht ausschließlich, Humussäure und Fulvosäure zu nennen.
Der hier verwendete Begriff "nicht gewebt" bedeutet ein Gewebe oder Tuch oder anderes Mittel mit einer Struktur aus einzelnen Fasern, die zusammengelegt sind, jedoch in einer nicht besonders organisierten Weise wie in einem gestrickten oder gewebten Tuch. Nicht gewebte Gewebe können im allgemeinen durch in der Technik bekannte Verfahren hergestellt werden. Zu den Beispielen für derartige Prozesse gehören, jedoch nicht ausschließlich und nur zur Illustration, Schmelzblasen, Spinnvliesen, Kardieren und Windschlagen.
Die hier benutzen Begriffe "Papier" oder "papierähnlich" bedeuten eine im allgemeinen flache, faserförmige Materialschicht oder -matte, die mit Hilfe eines Naßablagerungsprozesses gebildet wird.
Der hier benutzte Begriff "Teilchen" soll ein massives Korn mit einer Größe bedeuten, die von kolloidal bis makroskopisch erreicht und sich nicht auf eine spezielle Form beschränkt, jedoch auf ein im allgemeinen beschränktes Längen-zu-Breiten-Verhältnis.
Der ferner hier benutzte Begriff "Vorfilter" soll ein Filtermittel bedeuten, das im allgemeinen zustromseitig der anderen Filtratschichten, Strukturen oder Vorrichtungen angeordnet ist und in der Lage ist, teilchenförmige Verschmutzungen zu verringern, bevor der Zufluß die folgenden Filterschichten, Strukturen oder Vorrichtungen kontaktiert.
Der hier ebenfalls verwendete Begriff "Blatt" soll grob eine zweidimensionale Struktur bedeuten, deren Länge und Breite erheblich größer sind als ihre Dicke.
Schließlich soll der verwendete Begriff "Whisker" ein Geflecht mit einem begrenzten Längenverhältnis und in der Mitte zwischen dem Längenverhältnis eines Teilchen und einer Faser bedeuten. Jede Diskussion über Fasern schließt Whisker ein.
Das Filtermittel mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr
Ein Filtermittel der vorliegenden Erfindung weist eine mikroporöse Struktur auf, die eine mikrobiologische Abwehrfähigkeit bietet, und zwar bei Benutzung einer Kombination aus einer geeigneten Porenstruktur und einer chemischen Behandlung. Die mikroporöse Struktur hat irgendein Material, das in der Lage ist, einen Hauptströmungsweg von weniger als etwa 2,0 μ zu bilden. Vorzugweise weist die mikroporöse Struktur Nanofasern auf, die zu einer nicht gewebten oder papierähnlichen Struktur geformt sind, jedoch Whisker enthalten kann oder eine Membran ist. Die feste Porenstruktur eines erfindungsgemäß mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr versehenen Filtermittels bietet kurze Diffusionsabstände von dem Fluid zur Oberfläche des Filtermittels. Der chemische Behandlungsprozeß, der zur Behandlung der Oberfläche der mikroporösen Struktur dient, bedient sich einer synergistischen Wechselwirkung zwischen einem kationischen Material und einem biologisch aktiven Metall, die, wenn sie kombiniert werden, bei Berührung ein breites Spektrum der Reduzierung von mikrobiologischen kontaminierenden Stoffen bieten. Die von dem kationischen Material für das Filtermittel geschaffene Ladung unterstützt die elektrokinetische Abwehr der mikrobiologischen kontaminierten Stoffe, während die feste Porenstruktur einen kurzen Diffusionsweg bietet und daher eine schnelle Diffusionskinetik der kontaminierten Stoffe in einer Fluidströmung zu der Oberfläche der mikroporösen Struktur schafft. Die mikroporöse Struktur bietet auch eine ergänzende, direkte mechanische Abwehr von mikrobiologischen Giftstoffen oder Verunreinigungen. Aufgrund der dominanten Rolle der Diffusion für die Abwehr extrem kleiner Teilchen besteht zwischen dem Registrierreduzierwert viraler Teilchen und der Kontaktzeit des Zuflusses in dem Filtermittel eher ein direkter Zusammenhang als eine Abhängigkeit von der Dicke des Filtermittels.
Eigenschaften des Filtermittels mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr
Um die volle mikrobiologische Abwehrfähigkeit zu schaffen, hat das Filtermittel mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr gemäß der vorliegenden Erfindung einen Hauptströmungsweg von weniger als 2 μ und vorzugsweise weniger als oder gleich etwa 1 μ und vorzugsweise weniger oder gleich etwa 0,6 μ. Das Volumen des Filtermittels mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr der vorliegenden Erfindung, verglichen mit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids durch das Filtermittel, muß ausreichen, um eine adäquate Kontaktzeit für die Verunreinigungen zu ermöglichen, damit diese an der Oberfläche des Filtermittels diffundieren können. Zur Erzeugung einer verstärkten elektrokinetischen Abwehr der Mikroorganismen, von denen die Mehrheit unter den meisten Bedingungen negativ geladen ist, hat das Filtermittel mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr ein positives Zeta-Potential, das im allgemeinen größer als etwa +10 mV ist, und zwar bei pH-Werten von etwa 6 bis etwa 7 und das ein positives Netto-Zeta-Potential bei pH-Werten von etwa 9 oder höher aufweist.
Natürliche organische Stoffe (NOM), beispielsweise polyanionische Säuren, also Humussäure oder Fulvosäure, die die Ladung auf dem Filtermittel mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr verringern oder beseitigen können, werden vorzugsweise daran gehindert, mit der geladenen mikroporösen Struktur in Berührung zu treten, und zwar durch Benutzung eines adsorbierenden Vorfilters, das den NOM im wesentlichen entfernt. Bei Verwendung in einem Schwerkraftwasserfiltrationssystem sollte das Filtermittel mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr vorteilhafterweise aus hydrophilen Materialien bestehen, um eine gute, spontane Befeuchtungsfähigkeit zu erreichen. Alternativ kann das Filtermittel mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr in anderen Anwendungsfällen behandelt werden, um entweder ein hydrophile oder hydrophobe Eigenschaft zu erreichen, falls erforderlich. Es besteht die Möglichkeit, daß das Filtermittel mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr sowohl positiv als auch negativ und nicht geladene Bereiche aufweisen kann und/oder hydrophile und hydrophobe Bereiche. Beispielsweise lassen sich die negativ geladenen Bereiche zur Verstärkung der Abwehr weniger allgemein positiv geladener Verschmutzungen einsetzen, und nicht geladene hydrophobe Bereiche können zur Bildung einer verstärkten Abwehr von Verschmutzungen dienen, die an hydrophoben Oberflächen haften.
Die Fasern/Whisker oder teilchenförmige Zusatzstoffe
Das Filtermittel mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr der vorliegenden Erfindung weist eine mikroporöse Struktur auf, die mehrere Nanofasern enthalten kann, einschließlich Whisker oder Mikroteilchenzusatzstoffen aus organischen und anorganischen Materialien, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Polymere, Ionenaustauschharze, technische Harze, keramische Substanzen, Zellulose, Viskosefasern, Chinagras, Wolle, Rohseide, Glas, Metall, aktiviertes Aluminiumoxid, Kohlenstoff oder Aktivkohle, Siliziumoxid, Zeolite, seltene Erden, aktiviertes Bauxit, Fullererde, Calciumhydroxidapatit und andere Adsorptionsmaterialien oder ihre Kombinationen. Kombinationen aus organischen und anorganischen Fasern und/oder Whiskern oder Mikroteilchen werden vorgeschlagen und liegen im Schutzumfang der Erfindung, wie beispielsweise Glas, Keramik oder Metallfasern und Polymerfasern, die mit kleinen Teilchen zusammen verwendet werden können, um in die mikroporöse Struktur eingebunden zu werden.
Bei der Herstellung durch einen Naßprozeß aus Nanofasern, beispielsweise Zellulose oder Polymerfasern, sollten derartige Fasern ein CSF von weniger als oder gleich etwa 100 haben und vorzugsweise weniger als oder gleich etwa 45. Vorzugsweise sollte ein wesentlicher Teil der Fasern einen Durchmesser von weniger als oder gleich etwa 1000 μ haben, noch besser weniger als oder gleich etwa 400 μ, wobei Fasern mit einem Durchmesser weniger als oder gleich etwa 250 μ am besten geeignet sind. Vorzugsweise werden die Fasern auf eine Länge von etwa 1 mm bis etwa 8 mm, vorzugsweise etwa 2 mm bis etwa 6 mm geschnitten und noch besser auf etwa 3 mm bis etwa 4 mm. Aus feinsten Fäserchen gebildete Fasern werden aufgrund ihrer ungewöhnlich kleinen Abmessungen und der erheblich niedrigeren Kosten besonders bevorzugt.
Insbesondere aus kleinsten Fäserchen bestehende synthetische Zellulosefasern, die erfindungsgemäß hergestellt werden, können eine ultrafeine, hydrophile, mikroporöse Struktur erzeugen, die sich für Filtermittel gemäß der vorliegenden Erfindung mit verstärkter mikrobiologischer Abwehr verwenden lassen. Derartige aus feinen Fäserchen bestehenden oder fibrillierten Zellulosefasern können durch direkte Auflösung und Spinnen von Holzstoff in einem organischen Lösungsmittel, beispielsweise einem Aminoxid, hergestellt werden und sind als Lyozellfasern bekannt. Lyozellfasern haben den Vorteil, daß sie in einer konsistenten, gleichförmigen Weise hergestellt werden können, so daß sich reproduzierbare Ergebnisse einstellen, was beispielsweise bei natürliche Zellulosefasern nicht möglich ist. Darüber hinaus sind die Fibrillen von Lyozell oft gekräuselt. Die Kräuselungen bil den einen wesentlichen Anteil der Faserverwirrung, was zu einem fertigen Filtermedium mit hoher Trockenfestigkeit und wesentlicher Restfeuchtefestigkeit führt. Darüber hinaus können die fibrillierten Lyozellfasern in großen Mengen unter Verwendung einer Anlage, die Montagekosten verursacht. Es versteht sich, daß Fasern anders als Zellulose fibrilliert werden können, um extrem feine Fäserchen herzustellen, so beispielsweise Kunstfasern, insbesondere Acryl- oder Nylonfasern oder andere natürliche Zellulosematerialien. Kombinationen von fibrillierten und nicht fibrillierten Fasern lassen sich in der mikroporösen Struktur verwenden.
Membranen
Das mikrobiologische Filtermittel mit verstärkter Abfangwirkung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Membran aus einer organischen oder anorganischen Verbindung aufweisen, die, was jedoch nicht als Beschränkung zu betrachten ist, Polymere, Ionenaustauschharze, technische Harze, Keramikmaterialien, Zellulose, Kunstseide, Chinagras, Wolle, Rohseide, Glas, Metall, aktiviertes Aluminiumoxid, Aktivkohle, Siliziumoxid, Zeolite, Kieselgur, aktiviertes Bauxit, Fullererde, Calciumhydroxiapatit, Titanat und andere Materialien oder deren Kombinationen gehören. Kombinationen aus organischen und anorganischen Materialien werden ebenfalls vorgeschlagen und liegen im Schutzumfang der Erfindung. Derartige Membranen können unter Verwendung von dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann bekannten Verfahren eingesetzt werden.
Das die mikrobiologische Abfangwirkung verstärkende Mittel
Die Nanofasern oder Membranen, die die mikroporöse Struktur schaffen, werden chemisch mit einem die mikrobiologische Abfangwirkung verstärkenden Stoff behandelt, der in der Lage ist, auf dem mit dem mikrobiologischen Abfangwirkung verstärkenden Filtermedium eine positive Ladung zu erzeugen. Auf wenigstens einem Teil der Oberfläche wenigstens einiger Fasern oder der Membran werden ein kationischer Metallkomplex ausgebildet, und zwar durch Behandeln der Fasern oder der Membran mit einem kationischen Material. Das kationische Material kann ein kleines geladenes Molekül oder ein lineares oder verzweigtes Polymer mit positiv geladenen Atomen längs der Länge der Polymerkette sein.
Wenn das kationische Material ein Polymer ist, so ist die Ladungsdichte vorzugsweise größer als etwa 1 geladenes Atom pro etwa alle 20 Angstrom, vorzugsweise größer als etwa 1 geladenes Atom pro etwa alle 12 Angstrom, und noch besser größer als etwa 1 geladenes Atom pro etwa alle 10 Angstrom der Molekularlänge. Je höher die Ladungsdichte auf dem kationischen Material ist, desto höher ist die Konzentration des zugehörigen Gegenions. Eine hohe Konzentration eines geeigneten Gegenions läßt sich dazu benutzen, die Abscheidung eines kationischen Metallkomplexes zu bewirken. Das kationische Material sollte durchgehend eine stark positiv geladene Oberfläche für die mikroporöse Struktur bilden, wie von dem Strömungs- oder Zetapotentialanalysator bestimmt, und zwar entweder in einer Umgebung mit einem hohen pH-Wert oder einem niedrigen pH-Wert. Die Zeta- oder Strömungspotentiale der mikroporösen Struktur können nach der Behandlung mit einem geladenen Polymer mit hohem Molekulargewicht größer sein als etwa +10 mV und oft bis zu etwa +23 mV bei einem im wesentlichen neutralen pH-Wert.
Zu dem kationischen Material gehören, jedoch nicht ausschließlich, quatarnäre Amine, quatarnäre Amide, quatarnäre Ammoniumsalze, quatarnäre Imide, Benzalkoniumverbindungen, Biguanide, kationische Aminosilikonverbindungen, kationische Zellulosederivate, kationische Stärken, quatarnäre Polyglykolaminkondensate, quatarnäre Collagenpolypeptide, kationische Chitinderivate, kationischer Guargummi, Kolloide wie beispielsweise kationische Melamin-Formaldehydsäurekolloide, anorganische behandelte Siliziumoxidkolloide, Polyamid-Epichlorohydrinharz, kationische Acrylamide, deren Polymere und Copolymere sowie ihre Kombinationen und dergleichen. Geladene Moleküle, die für diese Anwendung gebräuchlich sind, können kleine Moleküle mit einer einzelnen geladenen Einheit sein, die sich an wenigstens einem Teil der mikroporösen Struktur anbringen lassen. Das kationische Material hat ihm zugeordnete Gegenionen, die dann, wenn sie einer biologisch aktiven Metallsalzlösung ausgesetzt werden, die Abscheidung des Metalls in der Nähe der kationischen Oberfläche bewirken, so daß sich ein kationischer Metallüberzug bildet.
Als Beispiel für die Amine können Bivinyle, epichlorhydrinhergeleitete Amine, deren Polymere und dergleichen genannt werden. Als Beispiel für die Amine können jene Polyamide dienen, die in der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 01/07 090 beschrieben sind und dergleichen. Als Beispiel für quatarnäre Ammoniumsalze können Homopolymere des Diallyldimethylammoniumhalogenids dienen sowie von Epichlorhydrin abgeleitete polyquatarnäre Aminpolymere, von Diaminen und Dihalogenen, wie sie in den US Patenten 2 261 002 , 2 271 378 , 2 388 614 und 2 454 547 offenbart sind, abgeleitete quatarnäre Ammoniumsalze dienen, wobei zu den letztgenannten Patentschriften auch die internationale Patentanmeldung Nr. WO 97/23 594 gehört und eine weitere Herleitung von Polyhexamethylendimethyl-Ammoniombromid und dergleichen gegeben ist. Das kationische Material kann chemisch gebunden, adsorbiert oder mit sich selbst oder der Faser oder mit der Membran vernetzt werden.
Darüber hinaus sind andere Materialien für die Verwendung als kationisches Material geeignet, zu denen BIOSHIELD^® gehört, das von der Bioshield Technologies, Inc., Norcross, Georgia, erhältlich ist. BIOSHIELD^® ist ein organosilanes Produkt, das annähernd 5 Gew.-% Octadecylaminodimethyltrimethoxysilylpropyl-Ammoniumchlorid und weniger als 3% Chlorpropyl-Trimethoxysilan enthält. Ein anderes Material, das benutzt werden kann, ist SURFACINE^®, das von der Surfacine Development Company LLC, Tyngsboro, Massachusetts, erhältlich ist. SURFACINE^® weist ein dreidimensionales Polymernetzwerk auf, das dadurch erhalten wird, daß Poly(hexamethylenebiguanid) (PHMB) mit 4,4'-Methylen-bis-N,N-Diglycidylanilin (MBGDA), einem Vernetzungsmittel, um das PHMB mit einer polymeren Oberfläche semipolar zu binden, erhalten wird. Silber in der Form von Silberjodid wird in das Netzwerk eingeführt und wie submikrometergroße Teilchen eingefangen. Die Kombination ist ein effektives Biozid, das für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. In Abhängigkeit von dem Fasermaterial und dem Membranmaterial kann MBGDA entweder mit dem PHMB oder nicht mit der Faser oder der Membran vernetzt werden.
Das kationische Material wird einer biologisch aktiven Metallsalzlösung ausgesetzt, so daß sich der kationische Metallkomplex auf wenigstens einem Teil der Oberfläche wenigstens einiger der Fasern oder der Membran niederschlägt. Zu diesem Zweck werden Metalle bevorzugt, die biologisch aktiv sind. Zu derartigen biologisch aktiven Metallen gehören, nicht ausschließlich Silber, Kupfer, Zink, Kadmium, Quecksilber, Antimon, Gold, Aluminium, Platin, Palladium und deren Kombinationen. Am meisten bevorzugt werden Silber und Kupfer. Die biologisch aktive Metallsalzlösung wird vorzugsweise so ausgesucht, daß das Metall und das Gegenion des kationischen Materials in einer wäßrigen Umgebung im wesentlichen unlöslich sind, um die Abscheidung des kationischen Metallkomplexes anzutreiben.
Ein besonders gebräuchliches Versteifungsmittel für die biologische Abfangwirkung ist ein kationisches Silber-Amin-Halogenidkomplex. Das kationische Amin ist vorzugsweise ein Homopolymer des Diallyl-Dimethyl-Ammonium-Hologenids mit einem Molekulargewicht von etwa 400.000 Dalton oder andere quaternäre Ammoniumsalze mit einer ähnlichen Ladungsdichte und einem ähnlichen Molekulargewicht. Ein Homopolymer des Diallyl-Dimethyl-Ammonium-Chlorids, das für die vorliegende Erfindung gebraucht werden kann, ist im Handel von der Nalco Chemical Company in Naperville, Illinois, unter dem Markennamen MERQUAT^® 100, erhältlich. Das Chlorid-Gegenion kann durch ein Bromid oder Jodid-Gegenion ersetzt werden. Wenn es mit einer Silbernitratlösung in Berührung kommt, scheidet das Silberamin-Halogenid-Komplex wenigstens einen Teil der Fasern oder der Membran der mikroporösen Struktur des Filtermediums ab.
Der pH-Wert der umgebenden Lösung beeinflußt das Zeta-Potential des mikrobiologischen Filtermediums mit verstärkter Abfangwirkung der vorliegenden Erfindung. Ein saurer pH-Wert vergrößert die Ladung auf dem Filtermedium, während ein basischer pH-Wert die Ladung auf dem Filtermedium verringert. Unter pH-Wert-Bedingungen, die für Trinkwasser typisch sind, behält das mikrobiologische Filtermedium mit verstärkter Abfangwirkung eine minimale positive Ladung, und nur bei sehr hohen pH-Werten fällt die Ladung unter 0 mV. In Gegenwart von NOM, beispielsweise polyanionische Säuren, nimmt das Zetapotential des mikrobiologischen Filtermediums mit verstärkter Abfangwirkung ab. Dadurch verringern sich seine mikrobiologischen Abfangfähigkeiten. Deshalb verlängert in Anwendungsfällen, in denen hohe NOM-Spiegel vorliegen, ein adsorbierendes Vorfilter, das das NOM entfernen kann, die Gebrauchsdauer des mikrobiologischen Filtermediums mit verstärkter Abfangwirkung.
Verfahren zur Herstellung des mikrobiologischen Filtermediums mit verstärkter Abfangwirkung
Das mikrobiologische Filtermedium mit verstärkter Abfangwirkung kann gemäß Prozessen, die dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann geläufig sind, hergestellt werden. Zu den Trockenverlegungsprozessen gehören Schmelzspinnen, Feinspinnprozesse, fibrillierte Filme, Schmelzgasen und andere dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann bekannte Trockenverlegungsprozesse. Ein beispielhafter Trockenverlegungsprozeß beginnt mit Stapelfasern, die sich durch Karden in einzelne Fasern trennen lassen und dann zu der gewünschten Dicke durch einen ae rodynamischen oder hydrodynamischen Prozeß zusammengelegt werden, um ein ungebundenes Faserblatt zu bilden. Die ungebundenen Fasern können dann hydraulischen Strahlen ausgesetzt werden, um die Fasern sowohl zu fibrillieren als auch zu verflechten. Ein ähnlicher Prozeß läßt sich bei gewissen Plastikfilmen durchführen, die dann, wenn sie unter hohem Druck stehenden Wasserstrahlen ausgesetzt werden, zu Geweben oder fibrillierten Fasern verwandelt werden.
Bei einem bevorzugten Naßverlegungsprozeß wird ein Faserstrang zu einer speziellen Länge zerstückelt, die gewöhnlich im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 8 mm und insbesondere im Bereiche von etwa 3 mm bis etwa 4 mm liegt. Die zerstückelten Fasern werden in einer Vorrichtung fibrilliert, deren Merkmale einem Mischer oder in einem größeren Maß maschinenähnlich sind, die gemeinhin als ein "hi-low", ein "bester" oder ein "refiner" bezeichnet werden. Die Faser wird wiederholten Beanspruchungen unterworfen, während das weitere Zerstückeln und das Zerkleinern stattfindet und die Verringerung der Faserlänge minimiert wird. Wenn die Fasern solchen Spannungen unterworfen werden, splitten sie aufgrund der Schwäche zwischen amorphen und kristallinen Bereichen. Proben der sich ergebenden Pulpe lassen sich in Intervallen entfernen, und der CSF wird als ein indirektes Maß für den Umfang der Fibrillation benutzt. Während der CSF-Wert etwas von der Faserlänge abhängt, ist er für das Ausmaß der Faserfibrillation weitgehend verantwortlich. Somit ist der CSF, der ein Maß dafür bietet, wie leicht Wasser aus der Pulpe entfernt werden kann, ein geeignetes Mittel zur Überwachung des Grades der Faserfibrillation. Wenn der Oberflächenbereich sehr hoch ist, dann wird sehr wenig Wasser aus der Pulpe in einem gegebenen Zeitraum abgeführt, und der CSF-Wert wird progressiv geringer in dem Maße, wie die Fasern stärker fibrillieren. Die fibrillierte Faser eines gegebenen CSF-Wertes kann direkt zur Herstellung von Papier verwendet werden oder auf einer Vielzahl verschiedener Vorrichtungen entwässert werden, zu denen eine Entwässerungspresse oder ein Entwässerungsband gehören, um eine entwässerte Pulpe herzustellen. Die entwässerte Pulpe läßt sich im wesentlichen dazu benutzen, ein naß verlegtes Papier zu erzeugen. Im allgemeinen liegt bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung ein CSF einer Pulpe unter 100 und sollte vorzugsweise weniger als oder gleich etwa 45 betragen.
Die Pulpe wird mit einem kationischen Material so behandelt, daß das kationische Material wenigstens einen Teil der Oberfläche wenigens einiger Fasern beschichten kann, um dadurch auf die Fasern eine Ladung zu übertragen. Methoden zur Aufbringung des kationischen Materials auf die Fasern sind im Stand der Technik bekannt. Zu ihnen gehören, jedoch nicht ausschließlich, das Sprühen, Eintauchen oder Untertauchen zwecks Beschichtung, um dadurch Adsorption, chemische Reaktion oder Vernetzung des kationischen Materials auf der Oberfläche der Fasern zu bewirken. Die behandelte Pulpe wird danach in Umkehrosmose/entionisiertem (RO/DI) Wasser abgespült, teilweise entwässert, und zwar gewöhnlich unter Vakuum, um einen nassen Wickel zu erzeugen, der daraufhin einer biologisch aktiven Metallsalz-Lösung ausgesetzt werden kann. Die Verwendung von nahezu ionenfreiem Spülwasser bewirkt, daß die Gegenionen, die zu dem kationischen Material gehören, dicht an die behandelte Faseroberfläche herangezogen werden und unerwünschte Ionen eliminiert werden, die eine unkontrollierte Abscheidung des biologisch aktiven Metalls an Plätzen bewirken können, die von der kationischen Oberfläche entfernt liegen. Die Metallsalz-Lösung wird in die Fasern infiltriert, um dadurch eine Abscheidung des kationischen Metallkomplexes auf einer Oberfläche von wenigstens einem Teil der Fasern zu ermöglichen. Die Abscheidung lagert genau ein Metall-Kolloid neben der kationischen Beschichtung ab, da das dieser Beschichtung zugeordnete Gegenion mit dem zugeführten Metallsalz reagiert, um kolloidale Teilchen zu bilden. Nachdem die Fasern ausreichen der biologisch-aktiven Metallsalz-Lösung ausgesetzt worden sind, können sie gespült werden, und überschüssiges Wasser wird entfernt. Alternativ dazu können die Fasern direkt den Pulpezubereitungssystemen zugeführt werden, um einen Eintrag zu schaffen, der für die Papiererzeugung geeignet ist.
Sobald Silbernitrat als Metallsalz-Lösung verwendet wird, kann das Vorhandensein des abgeschiedenen Silbers durch Benutzung eines Kratos EDX-700/800 Röntgenstrahl-Fluoreszenzspektrometers bestätigt werden, das von der Kratos Analytical, einer Shimadzu Gruppen Gesellschaft, in Japan erhältlich ist
Das mikrobiologisches Filter-Medium mit verstärkter Abfangwirkung, das eine Membrane aufweist, die nach aus dem Stand der Technik bekannten Prozessen hergestellt werden kann. Das Rohmaterial für die Membrane kann behandelt werden, bevor die Membrane gebildet wird, oder das kationische Material kann unter Benutzung mit aus dem Stand der Technik bekannten Methoden sowie ähnlicher Methoden, wie sie für die Behandlung von Faser-Oberflächen angewendet werden, dem Membranmaterial hinzugefügt werden.
Zusatzstoffe
Die Festigkeit des naß verlegten Faser-Bogens, und zwar insbesondere im nassen Zustand, läßt sich durch den Zusatz verschiedenartiger Zusatzstoffe verbessern. Im Stand der Technik ist gut bekannt, daß der Zusatz von Epoxid oder Acryl- oder anderen Harzen zu dem Papier-Herstellungsprozeß eine erhöhte Naßfestigkeit schafft, wobei jedoch diese Wasser-dispergierten Harze oftmals bewirken, daß die Permeabilität des Endproduktes sinkt, und zwar insbesondere dann, wenn die Faser-Größe sehr klein wird. Obgleich diese Harze und Harzsysteme für die vorliegende Erfindung verwendet werden können, wird die Verwendung von thermoplastischen oder aushärtenden Kunststoff-Materialien, die aus der Technik bekannt sind, bevorzugt, und zwar entweder als Pulver, Teilchen oder in Faserform.
Gebräuchliche Bindemittel enthalten, ohne daß dies eine Beschränkung wäre Polyolefine, Polyvinyl-Halogene, Polyvinylester, Polyvinyläther, Polyvinyl-Sulfate, Polyvinyl-Phosphate, Polyvinylamine, Polyamide, Polyimide, Polyoxidiazole, Polytriazole, Polycarbodiimide, Polysulfone, Polycarbonate, Polyether, Polyarylen-Oxide, Polyester, Polyarylate, Phenol-Formaldehyd-Harze, Melaminformaldehyd-Harze, Formaldehyd-Harnstoffe, Äthyl-Vinyl-Azetat-Copolymere, Copolymere und Blockinterpolymere sowie Kombinationen davon. Zu den Variationen der obigen Materialien und anderer nützlicher Polymere gehört die Substitution von Gruppen wie Hydroxyl-Gruppen, Halogen-Gruppen, niedere Alkyl-Gruppen, niedere Alkoxy-Gruppen, monozyklische Aryl-Gruppen und dergleichen.
Andere grundsätzlich anwendbare Materialien sind Polymere wie beispielsweise Polystyrole und Acrylonitril-Styrol-Copolymere, Styrolbutadien-Copolymere und andere nichtkristalline oder amorphe Polymere und Strukturen.
Eine detailliertere Liste von Bindemitteln, die für die vorliegende Erfindung brauchbar sein können, weisen gedeckelte Polyacetale auf, wie beispielsweise Poly-(Oxymethylene) oder Polyformaldehyd, Poly(Trichloracetaldehyd), Poly-(n-Valeraldehyd), Poly-(Acetaldehyd) und Poly-(Propionaldehyd); Acryl-Polymere, wie beispielsweise Polyacrylamid, Poly-(Acrylsäure), Poly-(Methacrylsäure), Poly-(Äthylacrylat) und Poly-(Methyl-Methacrylat); Fluorkohlenwasserstoff-Polymere wie beispielsweise Poly-(Tetrafluorethylen), perfluorierte Äthylen-Propylen-Copolymere, Äthylen-Tetrafluorethylen-Copolymere, Poly-(Chlorotrifluoroethylen), Äthylen-Chlor-Trifluoroethylene-Copolymere, Poly-(Vinylidenfluorid), und Poly-(Vinylfluorid); Polyamide wie beispielsweise Poly-(6-Aminocaproic-Säure) oder Poly-(e-Caprolactam), Poly-(Hexamethylenadipamid), Poly-(Hexamethylen-Sebacamid) und Poly(11-Aminoundecanoic-Säure); Polyaramide wie beispielsweise Poly-(Imino-1,3-Phenylen-Iminoisophthaloyl) oder Poly-(m-Phenylen-Isophthalamid); Parylene wie beispielsweise Poly-2-Xylylen und Poly-(Chlor-1-Xylylen); Polyaryl-Äther wie beispielsweise Poly-(Oxy-2,6-Dimethyl-1,4-Phenylen) oder Poly-(P-Phenylen-Oxid); Polyaryl-Sulfone wie beispielsweise Poly-(Oxy-1,4-Phenylenesulfonyl-1,4-Phenyleneoxy-1,4-Phenyl-Eneisopropylid ne-1,4-Phenylen) und Poly-(Sulfonyl-1,4 Phenylen-Oxy-1,4-Phenylenesulfonyl-4,4'-Biphenylen); Polycarbonate wie beispielsweise Poly-(Bisphenol A) oder Poly-(Carbonyldioxy-1,4-Phenyleneisopropyliden-1,4 Phenylen); Polyester wie beispielsweise Poly-(Ethylenterephthalat), Poly-(Tetramethyien-Terephthalat) und Poly-(Zyklohexylen-1,4-Dimethylen-Terephthalat) oder Poly-(Oxymethylen-1,4-Zyklohexylen-Methylen-Oxyterephthaloyl); Polyaryl-Sulfide wie beispielsweise Poly-(p-Phenylensulfid) oder Poly-(Thio-1,4-Phenylen); Polyimide wie beispielsweise Poly-(Pyromellitimido-1,4-Phenylen); Polyolefine wie beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen, Poly-(1-Buten), Poly-(2-Buten), Poly-(1-Penten, Poly-(2-Penten), Poly-(3-Methyl-1-Penten) und Poly-(4-Methyl-1-Penten; Vinylpolymere wie beispielsweise Poly-(Vinylacetat), Poly-(Vinyliden-Chlorid) und Poly-(Vinylchlorid); Dien-Polymere wie beispielsweise 1,2-Poly-1,3-Butadien, 1,4-Poly-1,3-Butadien, Polyisopren und Poly-chloropren; Polystyrole; und Copolymere der obigen Substanzen wie beispielsweise Acrylo-Nitrilbutadien-Styrene (ABS) Copolymere. Polyolefine, die Verwendung finden können, sind Polyäthylen, lineares Polyäthylen geringer Dichte, Polypropylen, Poly-(1-Buten), Poly-(2-Buten), Poly-(1-Penten), Poly-(2-Penten), Poly-(3-Methyl-1-penten), Poly-(4-Methyl-1-Penten) und dergleichen.
Eine Reihe Bindefasern, einschließlich Polyäthylen, Polypropylen, Acryl oder Polyester-Polypropylen oder Polypropylen-Polyäthylen-Zweikomponenten-Fasern oder andere können Verwendung finden. Gewisse Arten von Polyethylenfasern sind, wenn sie, wie oben beschrieben, richtig behandelt worden sind, optimal und haben den zusätzlichen Vorteil, daß sie nicht wesentlich mit der hydrophilen Natur des sich ergebenden Filter-Mediums kollidieren, wenn sie in moderaten Mengen Verwendung finden. Bevorzugte Faser-Bindematerialien können synthetische Fasern umfassen; FYBREL^® und/oder SHORT STUFF^®, EST-8 enthalten, beide beruhend auf Polyolefinbasis. FYBREL^® ist eine synthetische Pulpe auf Polyolefinbasis, die eine hochfibrillierte Faser ist und im Handel von der Mitsui Chemical Company, Japan erhältlich ist. FYBREL^® hat eine exzellente thermische Gießbarkeit und bildet für das Filtermedium eine glatte Oberfläche. SHORT STUFF^®, EST-8 ist im Handel von der MiniFibers, Inc., Pittsburgh, Pennsylvania, erhältlich und ist ein hochfibrilliertes, hochdichtes Polyäthylen.
Das Bindemittelmaterial ist vorzugsweise ist in einer Menge von etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, vorzugsweise etwa 3% bis etwa 6%, insbesondere aber etwa 5% vorhanden. Vorzugsweise hat das Bindemittelmaterial einen Erweichungspunkt, der erheblich tiefer liegt als der Erweichungspunkt des Nanofasermaterials, so daß das Filter-Medium zur Aktivierung des Bindemittelmaterials erhitzt werden kann, während die mikroporöse Struktur nicht schmilzt und dadurch an Porosität verliert.
Ein oder mehrere Zusatzstoffe entweder in einer Teilchen-, Faser-, Whisker- oder Pulverform können ebenfalls mit den Nanofasern vermischt werden oder in die Membran eingebaut werden, um die Adsorption anderer Verschmutzungen zu fördern oder bei der Bildung der mikroporösen Struktur und der Abwehr mikrobiologische Verschmutzungen teilzunehmen. Nützliche Zusatzstoffe können, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Metallteilchen, aktiviertes Alluminiumoxid, Aktivkohle, Siliciumdioxid, polymerische Pulver und Fasern, Glaskügelchen oder Fasern, Zellulosefasern, Ionenaustauschharze, technische Harze, keramische Stoffe, Zeolithe, Kieselgur, aktiviertes Bauxit, Fuller-Erde, Kalziumsulfat, andere adsorbierende Materialien wie beispielsweise Super-Adsorbens-Polymere (SAPs) oder deren Kombinationen enthalten. Die Zusatzstoffe können außerdem chemisch behandelt sein, um mikrobiologische Abwehreigenschaften zu erhalten, und zwar in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung. Derartige Zusatzstoffe sind vorzugsweise in ausreichender Menge vorhanden, so daß der Fluidstrom in dem sich ergebenden Filter-Medium nicht wesentlich behindert wird, wenn sie für Filtrations-Anwendungen benutzt werden. Die Menge der Zusatzstoffe hängt von der jeweiligen Benutzung des Filtrationssystems ab.
Beispiele eines Naßverlegungsprozesses beinhalten das Mischen einer Pulpe aus 45 CSF-fibrillierten Lyocell-Fasern mit 5% EST-8 Bindemittel-Fasern und das Dispergieren der Pulpe und der Bindemittelfasern in entionisiertem Wasser durch Vermischen zur Bildung eines Eintrags mit etwa 1% bis etwa 2% Konsistenz. Diesem Gemisch werden etwa 3 Gew.-% MERQUAT^® 100 zugesetzt, das in einem verdünnten Pulpeeintrag kurz dispergiert wird. Das kationische Material bleibt mit der Pulpe für etwa 4 bis etwa 12 Stunden in Kontakt, bis ein wesentlicher Teil auf wenigstens einem Teil der Fasern absorbiert worden ist, um auf den Fasern ein positives Zeta-Potential zu erhalten und aufrechtzuerhalten. Innerhalb von etwa acht Stunden wird bei Raumtemperatur MERQUAT^® absorbiert, so daß auf den Fasern ein positives Zeta-Potential entsteht, das großer als etwa +10 mV ist. Als nächstes wird die Pulpe teilweise unter Vakuum entwässert und mit entionisiertem Wasser zur Bildung eines nassen Lappens gespült. Eine Metallsalz-Lösung, so beispielsweise Silbernitrat, wird in einer Menge bis zu 0,5 Gew.-% der trockenen Nanofasern mit entionisiertem Wasser vorbereitet und gleichmäßig über das Blatt oder die Bahn ausgegossen, wo sie kurzzeitig stehengelassen wird, um das Abscheiden des biologisch-aktiven Metalls mit wenigstens einem Teil der Gegenionen zu ermöglichen, die dem kationischen Material zugeordnet sind. Danach können die Fasern direkt in der Herstellung des naß abgelegten Filter-Mediums verwendet werden.
Filtrations-Systeme, die das mikrobiologische Filter-Medium mit verstärkter Abfangwirkung benutzen
Viele Arten von Filtrations-Systemen, die das gegenwärtige Filter-Medium verwenden, lassen sich vorstellen. Im folgenden sind einige spezielle Ausführungsformen beschrieben. Diese Filtrations-Systeme sind jedoch nur als Beispiel zu verstehen und dienen nicht dazu, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
Anschwemm-Filtrations-Systeme mit mikrobiologischen Abfang verstärkten Nanofasern
Ein Filtrationssystem, das Nanofasern verwendet, die mit dem mikrobiologischen Stoff zur Abfangverstärkung versehen sind, ist ein industrielles, im Handel erhältliches oder kommunales Filter, das eine Precoat-Schicht verwendet, die auf ein poröses Septum aufgetragen ist. Diese Schicht wird dadurch hergestellt, daß Teilchen dispergiert werden, so beispielsweise Kieselgur, Perlit oder Fasern als Precoat, die auf das poröse Septum aufgetragen werden, um Flüssigkeiten wie Bier, Wein, Säfte und andere Flüssigkeiten zu filtrieren, die in der Nahrungsmitteldienstleistungs- oder pharmazeutischen Industrie verwendet werden. In dem Maße, wie die Flüssigkeit den Filterkuchen kontaktiert, werden unerwünschte Verschmutzungen entfernt, während auch die Flüssigkeit gereinigt wird. Die gelade nen Nanofasern entfernen nicht nur negativ aufgeladene Verschmutzungsstoffe in der Flüssigkeit, welche viel kleiner als die Poren der Beschichtung, sondern verbessern auch in hohem Maße die mechanische Abscheidung aller Teilchen. Die Nanofasern können in Verbindung mit den traditionellen Vorbeschichtungsstoffen wie beispielsweise Kieselerde verwendet werden. Nur ein kleiner Teil der Nanofasern werden für die Vorbeschichtung benötigt, im allgemeinen etwa 1,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, um einen wesentlichen Effekt zu erzeugen. Vorzugsweise wird in diesen Anwendungsfällen ein die hydrophile, mikrobiologische Abscheidung verstärkendes Filter-Medium benutzt.
Filtrations-Systeme mit mehreren Filtermittelschichten
Ein die mikrobiologische Abscheidung verstärkendes Filtermittel oder Filtermedium der vorliegenden Erfindung kann Konfigurationen enthalten, die mehr als eine Schicht des die mikrobiologische Abscheidung verstärkenden Filtermediums aufweisen. Eine erste die mikrobiologische Abscheidung verstärktende Filtermittel-Schicht kann positiv geladen sein, während eine zweite Schicht negativ geladen sein kann. Das negativ geladene Material kann dadurch erzeugt werden, daß die Nanofaser-Pulpe mit einer negativ geladenen Verbindung oder einem negativ geladenen Material, so beispielsweise einer Polycarboxylsäure gemischt mit einer kleinen Menge eines Vernetzungsmittels, wie beispielsweise Glycerin, in Berührung gebracht wird. Erhitzen der Nanofasern nach dem Ansaugen in einer solchen Mixtur führt zur Bildung eines Überzugs auf den Nanofasern aus negativ geladenen der Carboxyl-Säure-Polymer, vernetzt mit dem Glycerin. Die mikrobiologische Mehrschichtigen-Abscheidung des verstärkte Filtrations-Systems ist in der Lage, sowohl positiv als auch negativ geladene mikrobiologische Schichten abzuscheiden. Auch hier kann bei Anwendungsfällen, wo NOM vorhanden ist, ein adsorbierendes Vorfilter benötigt werden, um die Ladung auf dem durch mikrobiologische Abscheidung verstärkten Filter-Medium zu schützen.
Filtrations-Systeme mit einem adsorbierenden Vorfilter, kombiniert mit dem durch mikrobiologische Abscheidung verstärkten Filter-Medium
Ein mikroporöses Filtermedium der vorliegenden Erfindung, das mit einer die mikrobiologische Abscheidung verstärkenden Stoff behandelt wird, läßt sich wie ein flaches bandförmiges Medium, ein gefaltetes Medium oder ein spiralförmiges, gewickeltes Medium verwenden, und zwar in Abhängigkeit von dem Anwendungsfall und der Filtergehäusekonstruktion. Es kann aber auch in etwa für jeden beliebigen Fluid-Filtrationstyp, einschließlich Wasser und Luft, benutzt werden.
Das durch mikrobiologische Abscheidung verstärkte Filtermedium kann jedoch in Gegenwart von mäßigen bis höherwertigen NOM, beispielsweise einer polyanionischen Humussäure und Flußsäure weniger effekti sein, und zwar aufgrund der Abnahme und des eventuellen Verlustes an positiver Ladung auf dem Filtermedium in Gegenwart solcher Säuren. Daher sollen derartige Anwendungen, die durch mikrobiologische Abwehr verstärkte Filtermedien benutzen, im wesentlichen frei von polyanionischen Säuren sein oder nur einen geringen Anteil solcher Säuren aufweisen.
Bei Filtrationssystemen, die ein durch mikrobiologische Abwehr verstärktes Filter-Medium enthalten und die mit Fluiden in Berührung kommen, welche NOM enthalten, ist es vorteilhaft, zur Entfernung des NOM im einströmenden Material ein adsorbierendes Vorfilter zu benutzen, und zwar bevor dieses Material das die mikrobiologische Abwehr verstärktende Filter-Medium kontaktiert. Alternativ dazu, kann das positiv geladene Filter-Medium in einer Vielzahl von Schichten ausgebildet sein, und zwar entweder als Blattstapel oder durch Umwandlung in eine Struktur. Unter dieser Art von Anordnung können die äußeren Schichten des Filtermediums zur Entfernung des NOM geopfert werden, während die inneren Schichten geschützt werden und zur Landzeitreduzierung von mikrobiologischen Verschmutzungen dienen. Zusatzstoffe, die NOM absorbieren oder absorbieren, können in die mikroporöse Struktur eingebaut werden, und zwar einschließlich Anionenaustauschharzen. Um diesen kostspieligen Verlust von Opfermaterial zu vermeiden, beschreiben die folgenden Beispiele andere alternative Verfahren zur Anordnung des Schutzes des Filter-Mediums gegen Wirkungen des NOM.
1. Ein flaches adsorbierendes Filter-Medium als Vorfilter
Das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filter-Medium kann in Verbindung mit adsorbierenden Filtrations-Medien Verwendung finden, die zur Abwehr von NOM-Interferenzen dienen, bevor sie mit dem geladenen, für die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filter-Medium in Berührung treten. Das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filter-Medium und eine oder mehrere Schichten eines adsorbierenden Filtrationsmittels kann als flacher Blattstapel, spiralförmige Zusammenwicklung oder zusammengefaltetes Gebilde verwendet werden. Ein derartiges adsorbierendes Filtrationsmittel kann gemäß den US Patenten Nr. 5 792 513 und 6 077 588 sowie anderen bekannten Prozessen hergestellt werden. Ein besonders geeignetes Flachblatt adsorbierendes Filtrations-Mittel ist im Handel von der KX Industries, L. P., Orange, Connecticut, unter PLEKX^® erhältlich. Das Flachblatt-Filtrationsmittel kann hydrophile oder hydrophobe Teilchen enthalten, die ebenfalls mit einem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Stoff behandelt sind, obgleich dies nicht unbedingt erforderlich ist, und die auf einem Substrat festliegen, um mikrobiologische Abwehreigenschaften zu schaffen, die zusätzlich zu den vorhanden sind, welche durch das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filtermedium gegeben sind. Mindestens eine adsorbierende Schicht ist vorzugsweise zustromseitig von dem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filter-Medium angeordnet, um schädliche Wirkungen des NOM auf das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filter-Medium zu verringern. Das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filter-Medium kann als eines der Substrate dienen, die als Träger das Adsorbens dienen, um das NOM aus dem einströmenden Fluid zu filtrieren. Beispielsweise kann die obere Schicht des PLEKX^®-Struktur ein besonderes Vorfilter sein. Der Kern der PLEKX^®-Zusammensetzung kann hauptsächlich aus einem Adsorbent bestehen, das eine hohe Affinität für NOM hat, und die untere, abstromseitige Schicht kann das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filter-Medium sein. Die Schichten lassen sich zu einer einzigen kohäsiven, zusammengesetzten Struktur verbinden, und zwar unter Verwendung des PLEKX^®-Prozesses, der in den obigen Patenten beschrieben ist. Das Ergebnis ist eine Filterstruktur mit einer hohen Schmutzkapazität, die in einem einzigen Material die chemische, teilchenförmige und mikrobiologische Abwehr erzeugt. Der Kern der PLEKX^®-Struktur kann einen weiten Bereich Bestandteile aufweisen, die für die Adsorption von chemischen Verschmutzungen geeignet sind.
2. GAC Filter-Mittel als ein adsorbierendes Vorfilter
Das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filter-Mittel kann auch in Verbindung mit einem Bett aus einem granularen Adsorbens verwendet werden, so beispielsweise einem Bett granularer Aktivkohle (GAC). Das granulare Filterbett sollte zustromseitig des die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filter-Medium angeordnet sein, um jegliche die Ladung reduzierenden Verschmutzungen, wie beispielsweise NOM, aus dem Zustrom zu entfernen, bevor das geladene mikroporösen Filter-Mittel berührt wird.
3. Massives zusammengesetztes Block-Filter-Medium als adsorbierendes Vorfilter
Das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filter-Medium kann auch in Verbindung mit einem massiven zusammengesetzten Blockfilter-Medium Verwendung finden, das vorzugsweise Aktivkohle aufweist und zustromseitig von dem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filter-Medium angeordnet ist, um irgendwelche ladungsreduzierenden Verschmutzungen, wie beispielsweise NOM, aus dem Einfluß zu entfernen, bevor diese mit dem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filter-Medium in Berührung treten. Der Aktivkohleblock kann, jedoch nicht ausschließlich, Materialien wie aktiviertes Aluminiumoxid, Zeolithe, Kieselgur, Silicate, Aluminiumsilicate, Titanate, Knochenkohle, KalziumHydroxyapatit, Manganoxide, Eisenoxide, Magnesiumoxide, Perlit, Talk, Polymerteilchen, Ton, jodierte Harze, Ionenaustauschharze, Keramiken und deren Kombinationen enthalten, um eine zusätzliche Verringerung der Verschmutzungen zu schaffen, wie beispielsweise Schwermetalle, Arsen, Chlor, und um Geschmack und Geruch zu verbessern. Diese Materialien sowie die Aktivkohle können mit dam die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Material behandelt werden, bevor sie durch Extrusion, Druckgießen oder andere Prozesse, die dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann bekannt sind, in eine feste Zusammensetzung verwandelt werden. Beispiele für solche Prozesse sind in den US Patenten Nr. 5 019 311 und 5 189 092 beschrieben. Der feste zusammengesetzte Block kann ein Anionenaustausch-Harz enthalten, das speziell für seine hohe Kapazität zur Adsorption von NOM ausgewählt wird.
Komplett-Filtrations-Vorrichtungen, die Adsorbens-Vorfilter und das die mikrobiologische Abwehr verstärkendes Filter-Medium kombinieren
Eine spezielle Ausführungsform eines Filtersystems weist ein zusammengesetztes Filtermedium auf, wie oben beschrieben, einschließlich des die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermittels und des adsorbierenden Filtrationsmediums. Diese Vorrichtung ist so gebaut, daß sie wie eine Schwerkraft-Strömungseinrichtung arbeitet, und zwar mit einem Antriebsdruck von nur wenigen Zentimetern Wassersäule bis zu einem Maximum von wenigen Metern Wassersäule. Das zusammengesetzte Filter-Medium wird zwecks erstem Durchgang durch adsorbierende Vorfilter gedrückt und danach die mikrobiologische Abwehr-Schicht. Wie in 1 dargestellt, weist eine beispielhafte Filtervorrichtung das zusammengesetzte Filtermedium der vorliegenden Erfindung in einem Gehäuse 10 auf, das eine flache schalenförmige Hülle besitzt. Das Filtergehäuse 10 hat einen Topfteil 12 mit einem Einlaß 14 und einem Bodenteil 16 mit einem Auslaß 18. In einem abgedichteten Hohlraum, der von dem Kopfteil und dem Bodenteil begrenzt wird, befindet sich das zusammengesetzte Filtermedium 20, das genauer im Querschnitt in 2 dargestellt ist. Der Koppfteil 12 und der Bodenteil 16 können von einer einzigen Platte Polymer-Material gebildet sein, die übergefaltet ist, um dadurch einen schalenförmigen Mantel zu bilden.
Um das Filter zusammenzubauen, wird das zusammengesetzte Filter-Medium 20 in Teile geschnitten, die in ihrer Größe und Form nach im wesentlichen dem schalenförmigen Gehäuse oder Mantel entsprechen. Das zusammengesetzte Filtermedium 20 wird im Bodenteil 16 befestigt, und der Kopfteil 12 wird über dem Bodenteil 16 angeordnet und mit diesem verpreßt. Die Kopf- und Boden-Mantelteile 12, 16 können zusammengeschweißt werden, wodurch eine Schweißnaht 22 entsteht, die sich rund um den gesamten Umfang des Filter-Mediums 20 erstreckt. In 2 ist eine im wesentlichen undurchlässige Grenzfläche zwischen den Kopf- und Bodenteilen und dem zusammengesetzten Filtermedium im Bereich unmittelbar neben der Schweißnaht 22 dargestellt.
Überschüssiges Material auf dem Gehäusemantel- und dem zusammengesetzten Filter-Medium ist einfach weggeschnitten. Es versteht sich, daß andere Abdichtungsmethoden für das Filter-Medium im Filter-Gehäuse Verwendung finden können, so beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf diese, das Verkleben, mechanische Zusammenklemmen und dergleichen. Obgleich die Filter-Konstruktion einen flachen Gehäusemantel aufweist, ist sie nicht auf ein solches Gehäuse beschränkt. Jedes beliebige Gehäuse, das abgedichtet werden kann, so daß ein Zufluß das Filter-Medium nicht im Bypaß umgehen kann, wäre geeignet.
Zurückkommend auf 2 ist festzustellen, daß die zwischen dem zusammengesetzten Filtermedium 20 und dem Kopfteil 12 und Bodenteil 16 ausgebildete Dichtung derart ist, daß das zu filtrierende Wasser unter Druck gesetzt wird, so daß es den durch die Pfeile A und B angezeigten Weg einschlägt, und das zusammengesetzte Filtermedium 20 nicht umgehen kann. Tatsächlich steigt der auf die Dichtung ausgeübte Druck am Umfang des zusammengesetzten Filter-Mediums 20 an und erhöht die Dichte des Filter-Mediums, so daß die Kontakt-Zeit des mit dem zusammengesetztem Filtermedium 20 zu filtrierenden Wassers sich in diesem Umfangsbereich vergrößert und die Filterwirkung verstärkt.
Während der Herstellung des Filters läßt sich die Abdichtung und der Zusammenhalt der Anordnung unter Verwendung eines Beobachtungssystems sowie durch Gas- oder Aerosol-Impuls-Tests sicherstellen. Der Gas- oder Aerosol-Impuls-Test benutzt einen kleinen Stoß verdünnten Butans oder Ölnebels, der von einem intakten Filter vollständig adsorbiert oder abgefangen wird, jedoch einen defekten Filter merklich durchdringt. Andere außerplanmäßige Testverfahren, die dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann bekannt sind, können ebenfalls Verwendung finden, um die Qualität der Dichtung zwischen dem Filter-Medium und dem Gehäuse systematisch zu überprüfen.
Die Wand des Filtergehäuses kann ausreichend dünn und flexibel sein, so daß dann, wenn das Filter mit Wasser in Berührung tritt, der geringste Druck, der von der hydrostatischen Last des eintretenden Wassers erzeugt wird, bewirkt, daß der Kopfteil 12 und der Bodenteil 16 etwas auseinander gebogen werden, um dadurch zwischen der inneren Oberfläche des Kopfteils 12 und dem Bodenteil 16 sowie dem zusammengesetzten Filtermedium 20 einen Spalt zu erzeugen. Dieser Spalt unterstützt die Verteilung des Wassers über der Eintritts-Oberfläche des zusammengesetzten Filter-Mediums 20 und erzeugt einen Abfluß in den Auslaß 18.
In 3 ist eine vordere Draufsicht eines Filtrationssystems 30 dargestellt, das zur Trinkwasser-Erzeugung in einer Schwerkraft-Strömungseinrichtung dient, die in Entwicklungsländern nützlich sein kann, wo sicheres, trinkbares Wasser geeigneter mikrobiologischer Qualität rar ist. Obgleich Wasser als einlaufende Flüssigkeit bezeichnet wird, liegt es im Schutzumfang der Erfindung, auch die Filtration anderer Flüssigkeiten zu erfassen. Das Filtrations-System 30 hat ein erstes Reservoir 35, das ein Rohwassersammel-Transportbehälter bildet. Das erste Reservoir 35 kann ein Sack sein, der wie dargestellt gebaut ist und aus einem im wesentlichen wasserdichten Material besteht, beispielsweise einem Polymermaterial, wie Polyester, Nylon, ein Polyolefin, wie beispielsweise Polyäthylen, Polyvinylchlorid und ähnlichen Mehrschichtig-Folien. Zur Benutzungserleichterung weist das erste Reservoir 35 eine verstärkte Öffnung und einen Handgriff 36 zum Tragen sowie zum Aufhängen des ersten Reservoirs 35 auf, um dadurch während der Filtration einen Überdruck zu schaffen. Das erste Reservoir 35 hat vorzugsweise eine wiederabdichtbare Öffnung 37, die im geschlossenen Zustand eine im wesentlichen wasserdichte Abdichtung bildet. Derartige wiederabdichtbare Öffnungen sind dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann bekannt oder können als Gewindeöffnung mit einer aufschraubbaren Kappe ausgebildet sein.
Das erste Reservoir 35 ist vorzugsweise mit einem Ausgangs-Schlauch 40 versehen, so daß das in dem Reservoir gespeicherte Wasser tzr Filtration und eventuellen Benutzung ablaufen kann. Der Ausgangs-Schlauch 40 ist vorzugsweise aus einem flexiblen Polymer hergestellt, das für Nahrungsmittel zugelassen ist. Der Ausgangs-Schlauch 40 läßt sich unter Verwendung einer einfachem Klemme öffnen und schließen. Der Ausgangs-Schlauch 40 kann dauerhaft an dem ersten Reservoir 35 durch Ultraschallverschweißen angebracht sein oder einfach durch Reibung festgehalten werden. Der Ausgangs-Schlauch 40 weist vorzugsweise ein inneres Verlängerungsende 42 in dem ersten Reservoir 35 auf, so daß das innere Verlängerungsende 42 sich über dem Boden des ersten Reservoirs 35 erstreckt, um dadurch einen Bereich zur Erfassung von Sedimenten zu bilden, die sich vor der Wasserfiltration absetzen. Durch Beschränkung der Sedimentmenge, die vor der Wasserfiltration in dem Zulauf vorhanden ist, läßt sich die Nutzungsdauer des Filtration-Systems verlängern.
Der Ausgangs-Schlauch 40 verbindet das erste Reservoir 35 mit einem oben beschriebenen Filter 10, der das zusammengesetzte Filtermedium der vorliegenden Erfindung aufweist. Eine Klemme 45 kann an einer beliebigen Stelle längs der Länge des Ausgangs-Schlauches 40 auf diesem Schlauch 40 angebracht werden. Derartige Klemmen sind im Stand der Technik bekannt und können eine einfache einteilige Konfiguration haben, bestehend aus flexiblem Polymer oder Metall. Wenn die Klemme sich in einer offenen Stellung befindet, strömt Wasser von dem ersten Reservoir 35 frei in den Filter 10. Der Filter 10 ist entfernbar mit dem Ausgangs-Schlauch 40 verbunden. Der Ausgang des Filters 10 wird dann an ein zweites Reservoir 50 angeschlossen. Das zweite Reservoir 50 dient als Sammelgefäß für das filtrierte Wasser oder den Ausfluß. Alternativ dazu können der Filter 10 und das zweite Reservoir 50 über einen zweiten Ausgangs-Schlauch (nicht gezeigt) miteinander verbunden werden. Das zweite Reservoir 50 ist im allgemeinen mit einer Einrichtung zur Abgabe des filtrierten Wassers ausgestattet.
Das obige Filtrations-System kann wie folgt benutzt werden. Ein Benutzer nimmt das erste Reservoir 35 mit oder ohne Ausgangs-Schlauch 40, der an ihm angebracht ist, als Wasserquelle. Wenn der Ausgangs-Schlauch 40 noch an dem ersten Reservoir 35 angebracht ist, muß die Klemme 45 sich in einer geschlossen Stellung befinden, oder das erste Reservoir 35 muß durch andere Mittel abgedichtet sein. Das erste Reservoir 35 wird mit einer Rohrwasser gefüllt, und seine Öff nung wird wieder abgedichtet, während der Benutzer das erste Reservoir 35 zu einem gewünschten Platz, beispielsweise einem Haus, zurückträgt. Es besteht die Möglichkeit, daß das Rohwasser mit Mikroorganismen und chemischen Verschmutzungen verunreinigt ist und deshalb nicht getrunken werden kann. Um die Filtration zu erleichtern, wird das erste Reservoir 35 aufgehängt oder hängt an einer Tragvorrichtung. In Abhängigkeit davon, ob irgendein wesentliches Sediment vorhanden ist, wie durch den Trübungsgrad nachgewiesen, wird dem Rohwasser ermöglicht, eine Zeitspanne aufgehängt zu bleiben, die für das Sediment ausreichend ist, um sich unter dem inneren Verlängerungsende 42 des Ausgangs-Schlauches 40 in dem ersten Reservoir 35 abzusetzen. Natürlich besteht dann, wenn das Wasser relativ klar ist, keine Notwendigkeit dafür, das erste Reservoir 35 für einen solchen Zeitraum aufzuhängen. Der Ausgangs-Schlauch 40 wird an dem ersten Reservoir 35 angebracht, wenn er vorher abgebaut worden ist und an dem Filter 10 befestigt. Der Filter 10 wird an dem zweiten Reservoir 50 zum Sammeln des gefilterten Wassers befestigt. Daraufhin wird die Klemme 45 in eine Öffnungsstellung gebracht, und dem Wasser wird ermöglicht, in den Filter 10 einzuströmen, in dem das Wasser, sobald es durch das zusammengesetzte Filter-Medium 20 behandelt worden ist, trinkbar wird und in dem zweiten Reservoir 50 gesammelt wird. Um die Trinkbarkeit des gefiltert Wassers zu bewahren, können die Oberflächen des zweiten Reservoirs 50 aus einem Desinfektionsmittel bestehen oder mit einem solchen behandelt werden, oder mit der die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Substanz behandelt werden. Vorzugsweise ist das verwendete Desinfizierungsmittel so beschaffen, daß es den Geschmack des Wassers nicht ändert oder beeinträchtigt.
Typische Wasser-Flußmengen sind etwa 25 bis etwa 100 ml/Minute für eine Vorrichtung, die mit einem Filter von etwa 3'' × 5'' Größe ausgestattet ist und bei einem 6''-igen Wassersäulen-Druck betrieben wird. Dies führt zu einem Liter Trinkwasser in etwa 10 bis 40 Minuten mit einer Bakterienreduzierung von wenigstens etwa 6 log und wenigstens etwa 4 log Reduzierung der geläufigen Verschmutzungen. Die kontinuierliche Benutzung des Filters 10 wird wahrscheinlich durch progressive Ablagerung auf dem Filter zur Entwicklung einer Teilchen-Schicht führen, die die Strömungsgeschwindigkeit verlangsamt, bis der Filtrations-Prozeß eine nicht akzeptable Zeitspanne dauert. Obgleich die Strömungsgeschwindigkeit sich verringert behält der Filter für eine lange Zeitspanne seine mikrobiologischen Abwehrfähigkeiten.
Eine andere Schwerkraftströmungsvorrichtung, die ein Filtermedium der vorliegenden Erfindung enthält, weist als Beispiel eine Karaffenkonstruktion, wie in 4 gezeigt, um zu filtern, zu speichern und das gefilterte Wasser oder andere Flüssigkeiten auszuteilen. Obgleich die gezeigte Karaffe im wesentlichen rund ist, kann die Karaffe 60 jede beliebige Form annehmen, und zwar in Abhängigkeit von ihrer Benutzung und der Umgebung und von der Designwahl. Das Grundgebilde einer Karaffe weist ein Gehäuse 62 mit dem Handgriff 64 und einem Deckel 66 auf. Die Karaffe 60 ist in ein unteres Reservoir oder einen unteren Speicherbehälter 68 und ein oberes Reservoir 78 unterteilt, die durch die Kappe 70 und den Deckel 66, die in dem Gehäuse 62 liegen, verschlossen werden. Der Ausguß 72 erleichtert die Entfernung des gefiltert Wassers durch den Auslaß 74 aus der Speicherkammer 68.
Das obere Reservoir 78 und die Speicherkammer 68 werden durch eine Trennwand 80 getrennt, die mit einem den Filter aufnehmenden Gefäß 85 versehen ist, welche eine Öffnung (nicht gezeigt) in ihrem Boden aufweist. Bei einer Ausführungsform wird ein flaches, zusammengesetztes Filtermedium 76 der vorliegenden Erfindung in dem den Filter aufnehmenden Gefäß 85 mit einer wasserdichten Dichtung angeordnet, um das obere Reservoir 78 und die Speicherkammer 68 zu trennen. Die Anordnung des Filter-Mediums 76 in dem Filtergefäß 85 läßt sich mit Hilfe einer Vorrichtung durchführen, die dem auf diesem Gebiet kundigen Fachmann bekannt ist, so beispielsweise einem Schnapp- oder Klappmechanismus. Das Filter-Medium 76 ist vorzugsweise als austauschbare Kartusche hergestellt. Andere Merkmale der Karaffenkonstruktion können in die vorliegende Erfindung aufgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Das Filter-Medium kann aus irgendeiner mikroporösen Struktur bestehen, die einen Hauptströmungsweg von weniger als etwa 1 Mikron hat und so behandelt ist, daß sie wenigstens etwa 4 log zur Verringerung der mikrobiologischen Verschmutzungen bietet, und zwar kleiner als Hauptströmungsweg des Filter-Mediums. Vorzugsweise hat das Filter-Medium ein Volumen kleiner als etwa 500 cm³ und hat eine anfängliche Strömungsgeschwindigkeit, die großer als etwa 25 ml/Minute ist.
Ein Benutzer würde Rohwasser in das obere Reservoir 78 gießen und dem Rohwasser ermöglichen, unter dem Einfluß der Schwerkraft durch das Filter-Medium 76 hindurch zu strömen. Das gefilterte Wasser wird in der Speicherkammer 68 gesammelt. Da das rohe Wasser durch das Filtermedium der vorliegenden Erfin dung in ausreichender Kontaktzeit läuft, macht das Filtermmedium das Wasser trinkbar, da es eine hohe Titerreduzierung der Mikroorganismen bewirkt. Der log-Reduzierungs-Wert (LRV) der Mikroorganismen hängt von der Kontakt-Zeit des Filter-Mediums mit dem fließenden Wasser ab. Um einen etwa 8 log Reduzierungswert Mikroorganismen zu erhalten, beträgt die erforderliche Kontakt-Zeit etwa 6 bis etwa 10 Sekunden.
Die Karaffe 60 kann auch einen Indikator (nicht gezeigt) aufweisen, der es einem Benutzer ermöglicht, das Alter des Filters im Auge zu behalten, um zu messen, wenn die Lebensdauer des Filter-Mediums erschöpft ist. Andere Arten von Indikatoren können ebenfalls eingesetzt werden, so beispielsweise ein Indikator zum Anzeigen der Zahl der Auffüllungen der Karaffe 60, zum Messen des Wasservolumens oder des Flüssigkeitsvolumens, das durch das Filter-Medium hindurchläuft, und der dergleichen.
Andere Filtrations-Systeme
Ein Filtermedium der vorliegenden Erfindung, insbesondere das zusammengesetzte Filtermedium, kann auch Bestandteil einer benutzungsabhängigen Einrichtung sein, so beispielsweise eine Sportflaschen-Vorrichtung zur Verwendung als persönliches Wasserfiltrationssystem, das unter einem geringfügigen Druck von etwa 0,7 p/mm² arbeitet. Eine geeignete Sportflaschen-Konstruktion ist in der internationalen Patent-Anmeldung Nr. WO 01/23 306 beschrieben, wo das Filter-Medium in der Filter-Aufnahme der Sportflasche enthalten sein kann.
Für andere benutzungsabhängige Einrichtungen kann das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filter-Medium gemäß der vorliegenden Erfindung des weiteren in ein Zapfsystem (EOT), ein Abflußsystem, ein Gegenstromsystem oder andere bekannte Verbraucher- oder industrielle Filtrationssysteme und Konfigurationen zur Verwendung in unter Druck stehenden Systemen eingebaut werden. Die Filter-Systeme können einen Vorfilter aufweisen, bestehend aus einem Bett adsorbierender Teilchen oder einem festen, adsorbierenden, zusammengesetzten Block. Das durch mikrobiologische Abwehr verstärkte Filter-Medium kann eine gefaltete oder spiralförmig gewickelte Konstruktion sein oder in einer dicken Matte durch Vakuumverformung auf einem geeigneten Dorn hergestellt werden, um eine naß-geformte oder trocken-gegeformte Kartusche zu bilden.
Beispiele
Die folgenden Beispiele dienen zur Illustration der vorliegenden Erfindung und sollen den Schutzumfang der Erfindung nicht beschränken.
Porometrische Studien wurden mit einer automatisierten Kapillar-Strömungs-Porometer durchgeführt, das von der Porous Materials, Inc., Ithaca, New York erhältlich war. Zu den bestimmten Parametern gehören bei Verwendung üblicher Prozeduren, die von den Ausrüstungs-Herstellern produziert werden, die Porenhauptströmungsgröße und die Permeabilität des Gases (Luft). Die Luftströmung wurde bei variablem Druck sowohl auf trockenem als auch auf nassem Filter-Medium ausgewertet. Vor dem Naßwerden wurde das Filter-Medium anfänglich in Silikonöl eingetaucht, und zwar für mindestens 10 Minuten, während es unter Vakuum gehalten wurde.
Das Zeta- oder Strömungs-Potential verschiedener Filter-Medien wurde unter Verwendung von Strömungsspannung und Strömungsstrom, gemessen mit einem BI-EKA elektrokinetischen Analysator, der von der Brookhaven Instruments, Holtsville, New York erhältlich ist, bestimmt. Dieses Instrument weist einen Analysator auf sowie eine Flachbogen-Meßzelle, Elektroden und ein Daten-Steuersystem. Der Analysator ist mit einer Pumpe zur Erzeugung des Druckes versehen, der benötigt wird, um eine Elektrolyt-Lösung, im allgemeinen 0.0015 M Kaliumchlorid, von einem Reservoir, durch die Meßzelle, die eine Probe des oben beschriebenen Filter-Mediums enthält, zu schicken. Sensoren zur Temperaturmessung, Messung des Druckabfalls, der Leitfähigkeit und des pH-Wertes sind außerhalb der Zelle aneordnet. Bei dieser Methode wird die Elektrolyt-Lösung durch das poröse Material gepumpt. Wenn die Elektrolyt-Lösung durch die Probe läuft, tritt eine Ladungsverschiebung ein. Das sich ergebende "Strömungs-Potential und/oder der Strömungsstrom" läßt sich mit Hilfe der Elektroden feststellen, die an jedem Ende der Probe angeordnet sind. Das Zeta-(Strömungs-)Potential der Proben wird dann durch eine Berechnung gemäß der Methode von Fairbrother und Mastin bestimmt, die die Leitfähigkeit des Elektrolyts in Rechnung stellt.
Die bakteriellen Bedingungen der Filter-Medien werden unter Verwendung von Suspensionen mit Aufhängungen von Escherichia Coli der American Type Culture Collection (ATCC) Nr. 11 775 entsprochen, um die Antwort auf ein bakterielles Problem zu bewerten. Die Antwort auf virologische Anforderungen wurde unter Verwendung von MS-2 bacteriophage ATTC Nr. 15 597-B1 bewertet. Die Standardarbeitsprozeduren des ATCC wurden für Verbreitung des Bakteriums und des Bakteriophags, und übliche mikrobiologische Verfahren, die zum Stand der Technik gehören, wurden zur Herstellung und Quantifizierung der Mikroorganismen sowohl des Einflusses als auch des Ausflusses der Filter verwendet, und zwar unter Berücksichtigung von Suspensionen der mikrobiologischen Teilchen.
Beispiele 1–3: Filter-Medium hergestellt mit unbehandelten Lyocell-Fasern (vergleichend)
Filter-Medium, das aus unbehandelten Lyocell-Fasern hergestellt wird, das einen mittleren Fließweg von etwa 0,3 bis zu ungefähr 0,6 μ aufweist, wurde mit der folgenden Methode hergestellt.
Trockene EST-8 Binderfasern mit einem Gewicht von 0,45 g, die im Handel von der MiniFibers, Inc., erhältlich sind, wurden vollständig in 1,0 L entionisiertes Wasser eingetaucht, und zwar in einem Mischer, wie er in Küchen verwendet wird, auf der Basis einer Impuls-Einstellung. Fibrillierte Lyocell-Fasern mit einer Candadian Standard Freeness von 45 und einem Trocken-Gewicht von 120,0 g wurden in Form einer nassen Pulpe den dispergierten Bindefasern zugesetzt. Das dispergierte Fasergemisch wurde 15 weitere Sekunden lang vermengt. Das Fasergemisch wurde in einem großen industriellen Waring-Mischer mit zusätzlichem 1,0 L entionisiertem Wasser gegossen und weitere 15 bis 30 Sekunden lang vermengt. Das Fasergemisch wurde in eine 30,5 × 30,5 cm² rostfreie Stahl FORMAXs^® Bütten-Papier-Form gegossen, die mit etwa 12,0 L entionisiertem Wasser gefüllt und mit einem 100 maschigen Sieb ausgestattet war. Ein 30 × 30 cm² rostfreier Stahl-Rührer, dessen Platte mit 60 Löchern von 2 Zentimeter Durchmesser versehen war, diente dazu, das Faser-Gemisch etwa 8 bis 10 mal auf und ab vom Kopf zum Boden zu drücken. Das Wasser wurde aus dem Fasergemisch durch Anlegen eines geringen Vakuums unter dem Büttenpapier entfernt, um dadurch die Fasern zu veranlassen, sich auf dem Draht auszubilden. Sobald die große Menge an Wasser entfernt worden ist, wurde die zusätzliche Entwässerung mit einer Vakuumpumpe bewirkt, um zusätzliche überschüssige Feuchtigkeit zu entfernen und eine relativ glatte, flache, ziemlich dünne, papierähnliche Platte oder Bogen zu erzeugen. Die sich ergebende Platte oder der sich ergebende Bogen wird von dem Sieb getrennt und beidseitig, also oben und unten mit einem Lösch papierbogen kombiniert. Die Kombination der Bögen wird leicht mit einem 2,27 kg Marmorrollstift getrennt, um überschüssiges Wasser zu entfernen und die Oberseite des Bogens zu glätten. Der Bogen wird daraufhin zwischen zwei frischen und trockenen Löschpapierbögen plaziert und auf einem FORMAX^®-Bogentrockner etwa 10 bis etwa 15 Minuten bei etwa 120°C angeordnet. Das getrocknete Filtermedium wird von den Löschpapierbögen getrennt und direkt auf dem FORMAX^®-Bogentrockner für etwa 5 Minuten auf jeder Seite erhitzt, um die trockenen Bindefasern zu aktivieren.
Die Tabelle I zeigt die Porometrie- und Luftpermeabilitäts-Versuchsergebnisse, die auf einem Filtermedium erreicht wurden, das aus unbehandelten Lyocellfasern variierender Dicke bestand, die unter Verwendung des obigen Prozesses hergestellt wurden. Tabelle I: Hauptströmungsweg und Porometrie des Filtermediums, hergestellt mit unbehandelten Lyocellfasern

Beispiel Probendicke (mm) Hauptströmungsweg (μm) Gaspermeabilität (L/cm² bei 0,07 kg/cm²)

1 0,45 0,3804 5,48

2 0,66 0,6708 4,50

3 0,63 0,4316 5,30
Das sich ergebende Filtermedium mit unbehandelten Lyocellfasern hat ein reproduzierbares Strömungspotential von etwa –9,0 Millivolt.
Beispiel 4: Filtermedium, hergestellt mit Lyocellfasern, die mit dem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Mittel behandelt sind.
Einem Mischer wurden Lyocellfasern mit einem Trockengewicht von 12,0 g in Form einer 10 Gew.-%-igen Naßpulpe zugesetzt, die einen Canadian Standard Freeness von etwa 45 aufwies sowie 0,45 g SHORT STUFF^® EST-8 Bindefasern und 1,0 L entiionisiertes Wasser. Die Mischung wurde so lange gemischt, bis die Fasern vollständig dispergiert waren. Dem Mischer wurden 3,0 ml MERQUAT^® 100 in Form einer 30%-igen wäßrigen Lösung zugefügt, und die Fasern wurden mit MERQUAT^® 100 etwa 10 Sekunden lang verschnitten und mindestens etwa 6 Stunden lang stehengelassen. Nach etwa 6 Stunden wurden die Fasern in eine Standard-8-Zoll-Brit-Schale gegossen, die mit einem 100 maschigen Formdraht ausgekleidet war, und überschüssiges Wasser unter Vakuum entfernt. Der sich ergebende Pulpenbogen wurde mit 500 ml entionisiertem Wasser abgespült. Das überschüssige Wasser wurde wieder durch Unterdruck entfernt.
Eine verdünnte Silbernitratlösung wurde gleichmäßig über den Pulpenbogen vergossen, um dadurch zur Schaffung von etwa 0,1425 g Silber pro Blatt voller Aufnahme und Sättigung zu erreichen. Die Silbernitratlösung wurde wenigstens etwa 15 Minuten auf dem Pulpenbogen belassen, und überschüssiges Wasser wurde unter Unterdruck entfernt. Der silberbehandelte Pulpenbogen wurde dann in kleine Teile zerrissen und in einem WARING^®-Mischer gefüllt und in 2,0 L entionisiertem Wasser wieder dispergiert. Ein zweiter 3,0 ml Teil der MERQUAT^® 100-Lösung wurde der Dispersion zugesetzt und das Gemisch für etwa 10 Minuten vermischt und der Inhalt in eine 30,5 × 30,5 cm² große rostfreie Stahl FORMAX^® gegossen, die mit einem Papierdeckel versehen war, der mit einem 100-maschigen Formsieb versehen war. Die papierähnlichen Bögen des durch mikrobiologische Abwehr verstärkten Filtermediums wurden in derselben Weise wie die unbehandelten Lyocell-Filtermedien, die in den Beispielen 1 bis 3 beschrieben sind, hergestellt.
Das Zeta-Potential des Filtermediums war durchgehend größer als etwa +10 Millivolt bei einem pH-Wert von etwa 7,0.
Beispiele 5–23: Vergleich der mikrobiologischen Abwehr mit dem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermedium der vorliegenden Erfindung und dem unbehandelten Lyocell-Filtermedium

Bögen des fibrillierten Lyocell-Filtermediums entweder unbehandelt oder behandelt mit MERQUAT^® 100 und Silber, wie in den Beispielen 1 bis 4 beschrieben, wurden zweimal gefaltet und zu genormten konisch geformten Trichtern geschnitten und in kleinen stilisierten Glastüllen angeordnet. Entionisiertes Wasser wurde zur Vorbenetzung jedes Filtermediums benutzt. Annähernd 125 ml verschiedenartiger mikrobiologischer Materialien wurden durch die Filter gegossen und die Ausflüsse in sterilen 250 ml Erlenmeyer-Kolben gesammelt. Die Ausflüsse wurden einer Reihenverdünnung doppelt unterworfen und auf Petrischalen geglättet, nachdem die üblichen Laborprozeduren erfolgt waren, so wie dies für jeden Organismus erforderlich ist, und sie wurden über Nacht in auf 37°C erwärmten Brutöfen belassen. Am nächsten Tag wurden alle Testergebnisse aufgezeichnet. Die Tabelle II summiert die Logverringerungswerte, der mit mikrobiologischen Materialien, die ohne entioniisertes Wasser gemacht waren, durchgeführten Versuche. Tabelle II: Die Tabelle LRVs der Filtermedium, hergestellt mit behandelten und unbehandelten fibrillierten Lyocellfasern

Beispiel	E. coli LRV (behandelt)	E. coli LRV (unbehandelt)	Beispiel	MS2 LRV (behandelt)	MS2 LRV (unbehandelt)
5	9,2	-	14	7,47	-
6	9,2	-	15	7,47	-
7	9,2	-	16	7,47	-
8	9,2	-	17	7,76	-
9	9,2	-	18	7,76	-
10	9,2	-	19	7,76	-
11	9,4	< 1,0	20	8,58	< 1,0
12	7,65	< 1,0	21	8,58	< 1,0
13	9,98	< 1,0	22	8,67	< 1,0
			23	8,19	< 1,0

– = minimale bis keine Reduzierung

Wie in Tabelle II gezeigt, hat das Filtermedium, hergestellt aus Lyocellfasern, die mit MERQUAT^® 100 und Silber behandelt worden sind, bedeutende mikrobiologische Abwehreigenschaften im Vergleich zu dem Filtermedium, hergestellt aus unbehandelten Lyocellfasern. Die Wirksamkeit des die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermediums, wenn dieses mit MS2 Viralteilchen beaufschlagt wird, zeigt, daß ein Filtersystem der vorliegenden Erfindung sich bei der Entfernung von nanogroßen Pathogenen wie beispielsweise Viren, als effektiv erweist.
Beispiele 24–27: Mikrobiologische Abwehrfähigkeit des Filtermediums, hergestellt aus behandelten Lyocellfasern in Gegenwart von polyanionischen Säuren
Wie oben erläutert, verringern NOM wie beispielsweise polyanionische Säuren, das postive Zetapontential und reduzieren dadurch die Wirksamkeit des die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermediums. Nachdem NOM 500 ml Humussäure (0,005 g/1,0 L H₂O) ausgesetzt worden ist, nahm das Zetapotential des die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermediums von +14,1 auf –14,4 ab. In gleicher Weise nahm NOM nach dem Zusammenbringen mit 500 ml Folsäure (0,005 g/1,0 L H₂O) das Zetapotential des die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermediums von +10,1 auf –8,9 ab. Die Beispiele 24 bis 27 zei gen die Abnahme der mikrobiologischen Abwehrfähigkeiten des Filtermediums, das aus Lyocellfasern aufgebaut ist, die mit MERQUAT^® 100 und Silber in Gegenwart von Humus- und Folsäurelösungen behandelt worden sind.
Kleine Scheiben des mit MERQUAT^® 100 und Silber behandelten Filtermediums wurden gefaltet und in kleinen, sterilen Glastüllen zur Bildung eines Filters plaziert und mit entionisiertem Wasser angefeuchtet. Beaufschlagte Lösungen von E. coli und MS2 Viralteilchen wurden mit Humus- und Folsäure hergestellt. Nahezu 125 ml der Beaufschlagungslösungen wurden durch die Filter gegossen und der Ausfluß in sterilen 250 ml Erlenmeyer-Kolben gesammelt. Der Ausfluß wurde verdünnt und auf Petrischalen ausgebreitet, und zwar nach üblichen Laborprozeduren. Die Log-Reduzierwerte von E. coli und MS2 Viralteilchen wurden in den folgenden Tabellen III und IV summiert. Tabelle III: LRVs der die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermedien in Gegenwart von Folsäure

Beispiel E. Coli (LRV) MS2 (MRV)

24 4,68 4,23

Tabelle IV: LRVs der die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermedien in Gegenwart von Humussäure

Beispiel E. Coli (LRV) MS2 (MRV)

25 3,78 4,23

26 3,02 1,64

27 6,73 3,58
Es ist klar, daß die LRVs der die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermedien in Gegenwart von NOM signifikant geringer sind als die 7 bis 9 log-Reduzierung der E. coli und MS2-fehlenden NOM Interferrenz, wie in Tabelle II gezeigt.
Beispiele 28–46: Mikrobiologische Abwehrfähigkeit des Filtermediums, hergestellt mit behandelten Lyocellfasern und einer Adsorbenzschicht in Gegenwart von polyanionischen Säuren
Um den Schlag von NOM auf das Filtermedium zu verringern, wie in den Beispielen 24 bis 27 gezeigt, wird dem Filter ein adsorbierendes Vorfilter hinzugefügt, um dadurch die NOM in dem einfließenden Material zu entfernen oder einzufangen, bevor sie mit dem Filtermedium in Berührung treten. Die adsorbierende Schicht ist PLEKX^®, hergestellt aus 600 g/m² fein gemahlener Kohle auf der Basis von Aktivkohle, die eine Oberfläche von 1000 m²/g hat und im Handel von der KX Industries, L. P. erhältlich ist.
Ein zusammengesetztes Filtermedium, das zwei (2) Schichten eines Filtermediums kombiniert, bestehend aus die mikrobiologische Abwehr verstärkendem Filtermedium und einer (1) PLEKX^® Schicht, wurde in keramischen Buchner-Tüllen über einem metallischen Dränagesieb eingebaut. Die drei (3) Schichten wurden in jeder der Buchner-Tüllen mit einem heißschmelzenden Klebstoff befestigt, um jeglichen Bypass des einfließenden Materials zu vermeiden. In der Buchner-Tülle wurde jederzeit ein Wasserüberdruck aufrechterhalten. Die Filter der Beispiele 28 bis 34 wurden vor der mikrobiologischen Beaufschlagung mit sterilem, entionisiertem Wasser beschickt und weder der Humus- noch der Folsäure ausgesetzt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle V wiedergegeben und zeigen, daß die Wirksamkeit des zusammengesetzten Filtermediums mit der zusätzlichen Adsorbensschicht ähnlich den Ergebnissen sind, die in der obigen Tabelle II zu sehen sind.
Die Filter der Beispiele 35 bis 40 wurden mit 500 ml einer Humussäure-Lösung (0,005 g/1 L H₂O) vor der mikrobiologischen Beaufschlagung beschickt. Die Ergebnisse sind der folgenden Tabelle VI aufgezeichnet. Die Filter der Beispiele 41 bis 46 wurden mit 500 ml einer Folsäure-Lösung (0,005 g/1 L H₂O) vor der mikrobiologischen Beaufschlagung beschickt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle VII wiedergegeben. Tabelle V: LRVs der Filtermedien, hergestellt mit fibrillierten Lyocellfasern, behandelt mit MERQUAT^® 100 und Silber bei Abwesenheit von PLEKX^® Absorbens-NOM-Interferrenz

Beispiel E. coli LRV Beispiel MS2 LRV

28 7,89 31 8,06

29 7,89 32 8,06

29 7,89 33 8,49

34 8,49

Tabelle VI: LRVs der Filtermedien, hergestellt mit fibrillierten Lyocellfasern, unbehandelt und behandelt mit MERQUAT^® 100 und Silber mit PLEKX^® in Gegenwart von Humussäuren

Beispiel E. coli LRV Beispiel MS2 LRV

35 8,75 38 8,53

36 8,75 39 8,53

37 8,75 40 8,53

Tabelle VII: LRVs der Filtermedien, hergestellt mit fibrillierten Lyocellfasern, unbehandelt und behandelt mit MERQUAT^® 100 und Silber mit PLEKX^® in Gegenwart von Folsäure

Beispiel E. coli LRV Beispiel MS2 LRV

41 8,85 44 7,77

42 8,85 45 7,77

43 8,85 46 7,77
Die Daten zeigen, daß die Verwendung eines adsorbierenden Vorfilters wie beispielsweise PLEKX^®, das zustromseitig des die mikrobiologische verstärkenden Filtermediums angeordnet ist, die mikrobiologische Verstärkungsfähigkeiten der Filtermedien durch Entfernung des NOM im Zufluß, bevor der Zufluß mit dem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermedium in Berührung kommt, aufrechterhält oder verbessert. Das adsorbierende Vorfiltermedium braucht nicht mit dem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Stoff behandelt zu werden, um die Wirksamkeit des die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermediums aufrecht zu erhalten. Es kann eine kostensparende Maßnahme sein, das adsorbierende Vorfiltermedium nicht zu behandeln. Somit wären ein zusammengesetztes Filtermedium, das das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filtermedium und eine absorbierende Schicht enthält, die zustromseitig des die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermediums angeordnet ist, robust genug, um von NOM kommenden Störungen zu widerstehen.
Beispiele 47–48: E. coli Herausforderungen eines Filtersystems
Zwei Filtersysteme, die, wie in 3 gezeigt, ein zusammengesetztes Filtermedium aufweisen, sind mit zwei (2) Schichten eines adsorbierenden Filtermediums PLEKX^® versehen, hergestellt mit 600 g/m² Aktivkohle auf Kohlebasis, mit einem Oberflächenbereich von 1000 m²/g und einer einzelnen Schicht des die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermediums, hergestellt aus behandelten, fibrillierten Lyocellfasern, wie im Beispiel 4 beschrieben, und zusammengebaut unter Benutzung der oben in den 1 und 2 beschriebenen Mantelfilterkonstruktion. Eine Tragschicht aus PLEKX^® wurde im Boden jedes Filtergehäuses angeordnet und an ihrem Platz unter Verwendung eines Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) Heißschmelze verklebt. Die Schicht des die mikrobiologische verstärkenden Filtermediums wurde an die erste PLEKX^®-Schicht geklebt, gefolgt von einer zweiten PLEKS^®-Schicht, die ebenfalls oben auf das die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermedium geklebt wurde. Diese Konfiguration verwendet nur eine der PLEKX^®-Schichten als ein adsorbierendes Vorfilter, während die andere PLEKS^®-Schicht hauptsächlich als Träger für das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filtermedium dient. Die äußeren Ränder des Gehäuses waren ebenfalls verklebt und fest zusammengepreßt, um dadurch jegliche Bypass-Leckage an der Außenseite des Gehäuses zu verhindern. Die Abmessungen der aktiven Filterfläche innerhalb der Begrenzung, die durch das Heißschmelzmaterial festgelegt wurde, betrugen zwischen 5 cm bis 6 cm Breite und 8 cm bis 10 cm Länge, wodurch ein aktiver Filterbereich zwischen 40 cm² und 60 cm² entstand. Während Heizschmelze zum Testen dieses Prototyps verwendet worden ist, kann während der handelsmäßigen Produktion die Filteranordnung unter Verwendung von Ultraschall- oder anderen Schweißverfahren zum Einsatz gelangen.
Ein Schlauch mit einem Innendurchmesser von 0,635 cm wurde an dem Einlaß des Filtergehäuses unter Benutzung eines Kunststofffittings angebracht und an seinem Ort sicher verklebt. Der Auslaß des Filters war offen, so daß das Fluid aus dem Filtergehäuse austreten konnte. Der an dem Filtereinlaß angebrachte Schlauch war an einer gläsernen Pyrex-Tülle befestigt, um eine Gesamteintritts-Wassersäule von annähernd 30 cm bis 60 cm zu erzeugen. Die Testsuspensionen wurden in die Tülle gegossen, um den Filter mit verschiedenen Organismen zu beaufschlagen.
Annähernd 500 ml entionisiertes Wasser wurde durch das Filtersystem geschickt, um das Filtermedium im Inneren des Gehäuses zu befeuchten. Für den E. coli Test wurden ein Schlauch und eine Tülle mit einer kombinierten Höhe von 60 cm benutzt, um Überdruck zu erzeugen. Die Strömungsgeschwindigkeit war bei diesem Zulaufdruck 70 ml/min. Eine Versuchssuspension von E. coli wurde durch das System gegossen und die Ausflüsse in sterilen 250 ml Erlenmeyer-Kolben gesammelt. Die Ausflüsse wurden zweifach reihenweise verdünnt und auf Petrischalen ausgebreitet, und zwar nach üblichen Laborverfahren, und dann über Nacht in auf 37°C erwärmten Brutöfen belassen. Am nächsten Tag wurden alle Versuchsergebnisse aufgezeichnet und in der folgenden Tabelle VIII aufgelistet. Tabelle VIII: Mikrobiologische Anforderungen eines Filtrationssystems mit E. coli

Beispiel Nr. der E. coli Anforderung Nr. der Kolonienbildung/Platte LRV

47 8,4 × 10⁸ 0 8,92

48 8,4 × 10⁸ 0 8,92
Somit bietet ein Filtrationssystem, das ein zusammengesetztes Filtermedium mit einem PLEKX^®-Vorfilter und dem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermedium aufweist, eine größere als 8,5 log-Reduzierung von E. coli bei einer Strömungsgeschwindigkeit von annähernd 1 bis 2 ml/Minute cm².
Beispiel 49–51: MS2-Anforderungen eines Filtrationssystems
Drei Filter wurden in ähnlicher Weise für die E. coli-Anforderung gebaut, die in den obigen Beispielen 47 und 48 beschrieben sind, um die virale Abwehrfähigkeit eines Filtersystems der vorliegenden Erfindung zu bestimmen. In den beiden Filtern gemäß Beispielen 49 und 50 wurde eine Netzschicht am Boden, ausflußseitig des Filtergehäuses angeordnet, auf die eine Schicht aus dem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermedium folgte und diese wiederum gefolgt von einer einzelnen oberen Schicht aus PLEKX^®, hergestellt aus 600 g/m² Aktivkohle auf Kohlebasis mit einem Oberflächenbereich von 1000 m²/g. Für das dritte Filter, Beispiel 51, wurde ein Kunststoffnetz als bodenseitige Tragschicht mit einem metallenen 100 Maschensieb ersetzt. Für die MS2 Anforderung wurde ein Schlauch und eine Tülle von 30 cm benutzt, um die Strömungsgeschwindigkeit zu reduzieren und eine längere Kontaktzeit für das zusammengesetzte Filtermedium zu ermöglichen. Entionisiertes Wasser wurde durch das System laufen gelassen, um die Schichten anzufeuchten und festzustellen, daß das Gehäuse nicht undicht ist. Eine Strömungsgeschwindigkeit von 38 ml/Minute wurde für die 30 cm hohe Wassersäule aufgezeichnet. Nachdem das entionisierte Wasser durch das System hindurchgetreten war, wurde die MS2 Anforderungslösung durch das System hindurch geleitet. Der Ausfluß wurde in sterilen Erlenmeyer-Kolben gesammelt, verdünnt und auf Petrischalen ausgebreitet, und zwar nach genormten Verfahrensweisen für MS2, und über Nacht stehengelassen. Am nächsten Tag wurden alle Versuchsergebnisse aufgezeichnet und in der unten folgenden Tabelle IX aufgelistet. Tabelle IX: Mikrobiologische Anforderungen des Filters mit MS2 Bakteriophag

Beispiel Nr. der MS2 in Anforderung Nr. der Kolonien-Form/Platte LRV

49 6,12 × 10⁸ 0 8,78

50 6,12 × 10⁸ 0 8,78

51 6,12 × 10⁸ 0 8,78
Ein Filtrationssystem, das ein zusammengesetztes Filtermedium verwendet, zu dem ein PLEKX^®-Vorfilter und das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Filtermedium gehören, wird dargestellt, um bei einer Strömungsgeschwindigkeit von annähernd 0,75 ml/Minute cm² eine Verringerung von MS2 zu schaffen, die größer als 8,5 log ist.
Beispiele 52 und 53: Langzeit MS2 Anforderungen eines Filtersystems
Diese Beispiele untermauern die Wirksamkeit eines Filtersystems, wenn es mit MS2 Bakeriophag beaufschlagt wird und ein zusammengesetztes Filtermedium aufweist, das zwei (2) Schichten des die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermediums sowie zwei (2) Schichten PLEKX^® besitzt, wie im obigen beschrieben.
Zwei Filtersysteme wurden durch Befestigen eines 100-maschigen Siebs im Inneren eines Filtergehäuses geschaffen, wie in den 1 und 2 gezeigt. Zwei Schichten des die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermediums wurden oben auf dem Maschensieb angeordnet, gefolgt von zwei Schichten PLEKX^®. Jede Schicht wurde an ihrem Ort fest verklebt, um Bypass zu verhindern. Das Filtergehäuse wurde ebenfalls mit dem Kleber abgedichtet. Ein Schlauch mit einem Innendurchmesser von 0,635 cm wurde an dem Einlaß des Filtergehäuses fest an gebracht. Der Auslaß des Filtergehäuses war offen, um den Fluiddurchgang zu ermöglichen. An jedem Filter wurde eine Tülle fest angebracht, um eine Wassersäule von 25,4 cm zu schaffen, und das andere Filter wurde mit einer Wassersäule von 10,2 cm versehen, um die mikrobiologischen Anforderungen zu testen.

Entionisiertes Wasser von annähernd 500 ml wurde durch jedes Filtersystem zur Vorbefeuchtung des Filtermediums laufen gelassen, und es wurde nachgewiesen, daß kein Bypass auftritt. Danach wurden 500 ml einer MS2-Anforderung, zubereitet in entionisiertem Wasser, durch jedes System hindurchgeschickt. Die Ausflüsse wurden in sterilen Erlenmeyer-Kolben gesammelt, verdünnt und auf Petrischalen ausgebreitet, und zwar unter Berücksichtigung von üblichen Methoden für die Organismen, und über Nacht so belassen. Nach 24 Stunden wurden zusätzliche 500 ml entionisiertes Wasser durch das System geschickt, gefolgt von weiteren 500 ml MS2-Anforderung. Dieses Protokoll wurde alle 24 Stunden so lange fortgesetzt, bis die Filtermedien nicht mehr ein LRV über 4 aufwiesen. Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen X und XI aufgeführt. Tabelle X: Beispiel 52: Wirksamkeit eines Filtriersystems mit einer 25,4 cm Wassersäule

Gesamtmenge an H₂O (L)	Benutzungszeit (Stunden)	Nr. der MS2 im Betrieb	LRV	Strömungsgeschwindigkeit (ml/min)
1,0	0	2,84 × 10⁸	8,45	28
2,0	24	4,93 × 10⁸	7,97	32
3,0	48	4,57 × 10⁸	8,66	32
4,0	72	4,55 × 10⁸	7,52	36
5,0	96	1,76 × 10⁸	5,65	38
6,0	120	1,39 × 10⁸	5,66	38
7,0	144	1,48 × 10⁸	3,03	36
8,0	168	1,56 × 10⁸	2,22	30

Tabelle XI: Beispiel 53: Wirksamkeit eines Filtriersystems mit einer 10,2 cm Wassersäule

Gesamtmenge an H₂O (L)	Benutzungszeit (Stunden)	Nr. der MS2 im Betrieb	LRV	Strömungsgeschwindigkeit (ml/min)
1,0	0	2,05 × 10⁸	9,31	12
2,0	24	2,16 × 10⁸	9,33	15
3,0	48	1,46 × 10⁸	9,16	15
4,0	72	1,05 × 10⁸	9,02	17
5,0	96	1,52 × 10⁸	9,18	16
6,0	120	1,31 × 10⁸	9,12	13
7,0	144	1,19 × 10⁸	9,08	13
8,0	168	1,32 × 10⁸	8,23	13
9,0	192	8,67 × 10⁸	8,93	16
10,0	216	1,34 × 10⁸	9,13	10
11,0	240	1,10 × 10⁸	9,04	11
12,0	264	1,24 × 10⁸	7,76	9
13,0	288	1,24 × 10⁸	8,27	9
14,0	316	1,02 × 10⁸	3,62	7
15,0	340	1,04 × 10⁸	3,41	8
16,0	364	1,03 × 10⁸	3,36	10
17,0	388	1,07 × 10⁸	3,03	10

Die Nutzungsdauer des Filtriersystems gemäß Beispiel 52 mit einer Druckhöhe von 25,4 cm schafft eine annehmbare MS2-log-Reduzierung für 6,0 L Wasser in 120 Stunden. Wenn jedoch die Druckhöhe 10,2 cm war, wie im Beispiel 53 angegeben, wurde die Nutzungsdauer der Filtersysteme verlängert, wobei annehmbare log-Reduktionswerte für MS2 bei einem Volumen von 10,0 L Wasser und einer Anzahl Stunden von 364 auftraten. Offensichtlich beeinträchtigt die Strömungsgeschwindigkeit die mikrobiologischen Abwehrfähigkeiten des Filtriersystems. Aus den Ergebnissen der Beispiele 52 und 53 geht hervor, daß eine geringere Strömungsgeschwindigkeit eine effektivere mikrobiologische Abwehr schafft, und zwar aufgrund einer größeren Kontaktzeit der Mikroorganismen mit dem Filtermedium.
Beispiel 54: Langzeit-E. coli-Anforderungen eines Filtersystems
Dieses Beispiel legt die Effektivität eines Filtersystems fest, das ein zusammengesetztes Filtermedium aufweist, zu dem zwei (2) Schichten des die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Filtermediums und zwei (2) Schichten von PLEKX^® gehören, wie im obigen beschrieben.

Entionisiertes Wasser von annähernd 500 ml wurde durch das Filtersystem gelenkt, um das Filtersystem zu befeuchten und mit Sicherheit festzustellen, daß kein Bypass auftritt. Danach wurden 500 ml der E. coli Anforderung in entionisiertem Wasser zubereitet und durch das Filter hindurchgeschickt. Der Ausfluß wurde in einem sterilen Erlenmeyer-Kolben gesammelt, verdünnt und auf Petrischalen ausgebreitet, und zwar nach üblichen Prozeduren für E. coli, und über Nacht stehen gelassen. Nach 24 Stunden wurden zusätzliche 500 ml entionisiertes Wasser durch das System geschickt, gefolgt von weiteren 500 ml E. coli Anforderung. Dieses Protokoll wurde alle 24 Stunden fortgeführt, bis das Filtermedium nicht mehr mit LRV über 4 versehen war. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle XII wiedergegeben. Tabelle XII: Beispiel 54: Wirksamkeit eines Filtriersystems mit einer 25,4 cm Wassersäule

Gesamtmenge an H₂O (L)	Benutzungszeit (Stunden)	Anzahl der E. coli In der Anforderung	LRV	Strömungsgeschwindigkeit (ml/min)
1,0	0	9,33 × 10⁸	8,99	28
2,0	24	7,86 × 10⁸	8,89	32
3,0	48	2,86 × 10⁸	8,46	27
4,0	72	1,35 × 10⁸	8,37	21
5,0	96	1,18 × 10⁸	8,07	17
6,0	120	8,4 × 10⁸	7,38	18
7,0	144	1,09 × 10⁸	4,95	12
8,0	168	3,6 × 10⁸	3,5	16
9,0	192	6,13 × 10⁸	3,61	12

Das Filtersystem von Beispiel 50 bot eine annehmbare Leistung, nachdem 6,0 L Wasser durch das System mit einer Durchschnitts-Strömungsgeschwindigkeit von etwa 24 ml/Minute gelaufen sind, wobei die Druckhöhe von einer 25,4 cm hohen Wassersäule bewirkt wurde.
Obgleich die vorliegende Erfindung insbesondere in Verbindung mit einer speziellen bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist, versteht es sich, daß viele Alternativen, Abänderungen und Variationen dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann im Lichte der obigen Beschreibung ohne weiteres einfallen. Die anhängigen Ansprüche sollen daher alle diese Alternativen, Modifikationen und Variationen als unter ihren Schutzumfang fallend umfassen.

Claims

Filtermittel, bestehend aus einer mikroporösen Struktur mit einem Hauptströmungsweg < 2 μ und einem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Stoff, der ein kationischer Metallkomplex ist, welcher ein biologisch aktives Metall aufweist, das wenigstens mit einem Teil der Gegenionen abgeschieden wird, die zu einem kationischen Material gehören, das auf wenigstens einem Teil der mikroporösen Struktur adsorbiert und in der Lage ist, wenigstens einen Teil der mikroporösen Struktur mit einer positiven Ladung zu versehen.
Filtermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Struktur mehrere Nanofasern mit einem Durchmesser von < 1000 Nanometern aufweist, daß die Nanofasern vorzugsweise organische Nanofasern, anorganische Nanofasern oder ein Gemisch derselben sind, oder daß die Nanofasern vorzugsweise im wesentlichen aus zerfaserten Lyocellnanofasern bestehen.
Filtermittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zerfaserten Lyocellnanofasern einen Canadian Standard Freeness (CSF) von ≤ 45 aufweisen.
Filtermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Struktur eine Membran ist, die aus einem organischen Material, einem anorganischen Material oder einem Gemisch dieser Stoffe besteht und die vorzugsweise ein Polymermaterial aufweist.
Filtermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kationische Material, das ein zugehöriges Gegenion aufweist, aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aminen, Amiden, quatarnären Ammoniumsalzen, Imiden, Benzalkoniumverbindungen, Biguaniden, Aminosiliziumverbindungen, ihren Polymeren sowie Kombinationen dieser Stoffe besteht.
Filtermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kationische Metallkomplex ein biologisch aktives Metall aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silber, Kupfer, Zink, Cadmium, Quecksilber, Antimon, Gold, Aluminium, Platin, Palladium und deren Kombinationen besteht, und daß das kationische Metallkomplex durch Behandlung von wenigstens einem Teil der mikroporösen Struktur mit einem kationischen Material gebildet wird, das ein Homopolymer des Diallyldimethylammoniumhalogenids nach der Abscheidung des Silbers mit wenigstens einem Teil des halogenen Gegenions aufweist, das zu dem Homopolymer des Diallyldimethylammoniumhalogenids gehört.
Filtermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Struktur mit einem Adsorbensvorfiltermittel kombiniert ist, das Aktivkohle, aktiviertes Aluminiumoxid, Zeolite, seltene Erden, Silikate, Aluminiumsilikate, Titanate, Knochenkohle, Calciumhydroxiapatit, Manganoxide, Eisenoxide, Magnesiumoxid, Perlit, Talk, Polymerteilchen, Ton, ionsaure Harze, Ionenaustauschharze, Keramik oder deren Kombinationen enthält.
Filtermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein adsobierendes Vorfilter vorgesehen ist, in dem sich ein immobilisiertes Material befindet, das beschickungsverringernde Verschmutzungsstoffe entfernt; daß die mikroporöse Struktur abstromseitig von der adsorbierenden Schicht angeordnet ist und mehrere Nanofasern aufweist und einen Hauptflußweg von < 0,6 μ besitzt, und daß das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Mittel ein kationisches Silber-Halogenid-Materialkomplex ist, das eine hohe Ladungsdichte aufweist.
Filtermittel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem kationischen Silber-Hologenid-Materialkomplex ein Homopolymerdiallyldimethylammonium auf der Oberfläche der mikroporösen Struktur ein ihm zugeordnetes Halogenidgegenion hat und daß das Silber mit wenigstens einem Teil des Halogenidgegenions abgeschieden ist.
Filtermittel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Homopolymer des Diallyldimethylammonium-Halogenids ein Molekulargewicht von ≥ 400000 Dalton hat.
Filtermittel nach einem der Ansprüche 1, 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Struktur ein oder mehrere Materialien enthält, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche besteht aus Aktivkohle, aktiviertem Aluminiumoxid, Zeoliten, seltene Erden, Silikaten, Aluminiumsilikaten, Titanaten, Knochenkohle, Calciumhydroxidapatit, Manganoxiden, Eisenoxiden, Magnesiumoxid, Perlit, Talk, Polymerteilchen, Ton, jodierten Harzen, Ionenaustauschharzen, Keramikmaterialien und deren Kombinationen.
Filtermittel nach einem der Ansprüche 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Struktur des weiteren ein Bindemittel enthält.
Filtermittel nach einem der Ansprüche 1 und 8, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Vorfilters.
Filtermittel nach einem der Ansprüche 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Nanofasern aus einem Material gefertigt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Polymeren, Ionenaustauschharzen, technischen Harzen, Keramikmaterialien, Zellulose, Kunstseide, Wolle, Seide, Glas, Metall, litanataktiviertem Aluminiumoxid, keramikaktiviertem Kohlenstoff, Siliziumoxid, Zeolit, seltene Erden, aktiviertes Bauxit, Fullererde, Calciumhydroxidapatit und deren Kombinationen.
Filtermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bett aus Granulatmaterial, das ladungsreduzierende Verschmutzungsstoffe entfernen kann, geschaffen wird, daß die mikroporöse Struktur abstromseitig des Granulatbettes angeordnet wird und einen Hauptstromweg von < 0,6 μ aufweist, und daß der die mikrobiologische Abwehr verstärkende Stoff ein kationisches Silbermaterial-Halogenidkomplex mit einer hohen Ladungsdichte aufweist.
Filtermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein massiver Verbindungsblock aus einem Material vorgesehen wird, das in der Lage ist, ladungsverringernde Verschmutzungsstoffe zu entfernen, daß die mikroporöse Struktur abstromseitig dieses Blockes angeordnet ist und einen Hauptströmungsweg von < 2,0 μ aufweist, und daß das die mikrobiologische Abwehr verstärkende Mittel ein silberkationisches Materialhalogenidkomplex ist, das eine hohe Ladungsdichte aufweist.
Filtermittel nach einem der Ansprüche 15 und 16, gekennzeichnet durch ein Teilchenvorfilter.
Filtermittel nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das silberkationische Materialhalogenidkomplex ein Homopolymer von Diallyldimethylammonium auf einer Oberfläche dieser mikroporösen Struktur aufweist, die ein Halogenidgegenion besitzt, das ihr zugeordnet ist, und daß Silber mit wenigstens einem Teil des Halogenidgegenions abgeschieden ist, wobei das Homopolymer des Diallyldimethylammoniumchlorids ein Molekulargewicht von ≥ 400000 Dalton aufweist.
Filtermittel nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, das ladungsverringernde Verschmutzungsstoffe entfernen kann, Aktivkohle, aktiviertes Aluminiumoxid, Zeolite, seltene Erden, Silikate, Aluminiumsilikate, Titanate, Knochenkohle, Calciumhydroyapatit, Manganoxid, Eisenoxide, Magnesiumoxide, Perlit, Talk, polymere Teilchen, Ton, jodierte Harze, Ionenaustauschharze, Keramiken oder deren Kombinationen aufweist.
Filtermittel nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Struktur ein oder mehrere Materialien enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus Aktivkohle, aktiviertes Aluminiumoxid, Zeolite, seltene Erden, Silikate, Aluminiumsilikate, Titanate, Knochenkohle, Calciumhydroyapatit, Manganoxid, Eisenoxide, Magnesiumoxide, Perlit, Talk, polymere Teilchen, Ton, jodierte Harze, Ionenaustauschharze, Keramiken und deren Kombinationen.
Filtermittel nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Struktur des weiteren ein Bindemittel aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Filtermittels, umfassend die folgenden Schritte: Schaffung einer mikroporösen Struktur mit einem Hauptflußweg von < 2 μ sowie Beschichten wenigstens eines Teil der mikroporösen Struktur mit einem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Stoff, wobei der die mikrobiologische Abwehr verstärkende Stoff ein kationisches Metallkomplex ist, das ein biologisch aktives Metall aufweist, das wenigstens mit einem Teil der Gegenionen abgeschieden wird, die zu einem kationischen Material gehören, das auf wenigstens einem Teil der mikroporösen Struktur adsorbiert wird und in der Lage ist, auf wenigstens einen Teil der mikroporösen Struktur eine positive Ladung aufzubringen.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Schaffung einer mikroporösen Struktur die Bildung mehrerer Nanofasern mit einem Faserdurchmesser von < 1000 Nanometer in der mikroporösen Struktur umfaßt, wobei die Nanofasern vorzugsweise aus organischen Nanofasern, anorganische Nanofasern oder einem Gemisch derselben bestehen.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Schaffung einer mikroporösen Struktur die Bildung mehrerer im wesentlichen fibrillierter Lyocellnanofasern umfaßt, wobei wenigstens ein Teil der fibrillierten Lyocellnanofasern eine Länge von etwas 1 mm bis etwa 8 mm und einen Durchmesser von etwa 250 μ in der mikroporösen Struktur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Bildung mehrerer im wesentlichen fibrillierter Lyocellnanofasern die Bildung mehrerer im wesentlichen fibrillierten Lyocellnanofasern in der mikroporösen Struktur aufweist, die einen Canadian Standard Freeness von ≤ 45 haben.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der schaffung einer mikroporösen Struktur die Bildung einer Membran umfaßt, die ein organisches Material, ein anorganisches Material oder einem Gemisch von ihnen aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Filtermittels umfassend die Schritte: Schaffung mehrerer Nanofasern; Beschichtung mindestens eines Teils einer Oberfläche wenigstens einiger dieser mehreren Nanofasern mit einem die mikrobiologische Abwehr verstärkenden Stoff, der in der Lage ist, auf wenigstens einem Teil der Nanofasern eine positive Ladung zu bilden, wobei der die mikrobiologische Abwehr verstärkende Stoff ein kationisches Materialkomplex ist, das ein kationisches Material aufweist, welches zugehörige Gegenionen besitzt, und ein biologisches aktives Metall, das mit wenigstens einem Teil der Gegenionen in der Nähe des kationischen Materials abgeschieden ist und die besagten Nanofasern in eine mikroporöse Struktur einbaut, welche einen Hauptströmungsweg von < 1 μ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch Schaffung mehrerer Polymernanofasern.
Verfahren nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch Schaffung mehrerer Zellulosenanofasern.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Struktur eine Membran ist.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschichtungsschritt umfaßt: Behandeln wenigstens eines Teils der Membran mit einem kationischen Material, das ein zugehöriges Gegenion aufweist, um eine kationisch geladene Membran zu bilden; Aussetzen der kationisch geladenen Membran einem biologisch aktiven Metallsalz; und Abscheiden eines biologisch aktiven Metallkomplexes mit wenigstens einem Teil des Gegenions, das dem kationischen Material auf wenigstens einem Teil der Membran zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der mikrobiologische Abwehrstoff ein Silber-Halogenid-Materialkomplex ist, der eine mittlere bis hohe Ladungsdichte und ein Molekulargewicht von > 5000 Dalton aufweist, daß die mikroporösen Struktur, die einen Hauptströmungsweg von < 0,6 μ aufweist, einen adsorbierenden Vorfilter bildet, der aus einem Material besteht, das in der Lage ist, ladungsreduzierende Verschmutzungsstoffe aus einem Zufluß zu entfernen, und daß das adsorbierende Vorfilter zustromseitig der mikroporösen Struktur angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch die Schaffung eines adsorbierenden Vorfilters, der aus einem Material besteht, das in der Lage ist, ladungsreduzierende Verschmutzungsstoffe aus einem Zufluß zu entfernen, wobei das Material zu einem festen zusammengesetzten Block immobilisiert wird; wobei ferner das mikrobiologische Abwehrmittel ein Silberamin-Hologenid-Komplex ist, der eine mittlere bis hohe Ladungsdichte und ein Molekulargewicht > als 5000 Dalton aufweist, und wobei eine mikroporöse Struktur geschaffen wird, die mehrere Nanofasern aufweist, welche einen Hauptflußweg < 0,6 μ bilden, wobei die mikroporöse Struktur abstromseitig des adsorbierenden Vorfilters angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22, 27 bis 30, 32 und 33, gekennzeichnet durch den Schritt des Einbaus eines oder mehrerer Zusatzstoffe in das Filtermittel, die aus der Gruppe ausgewählt werden, welche besteht aus Aktivkohle, aktiviertem Aluminiumoxid, Zeoliten, seltenen Erden, Silikaten, Aluminiumsilikaten, Titanaten, Knochenkohle, Calciumhydroxiapatit, Manganoxide, Eisenoxide, Magnesiumoxid, Perlit, Talk, Polymerteilchen, Ton, jodierte Harze, Ionenaustauschharze, Keramiken und deren Kombinationen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27, 29, 32 und 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Schaffung mehrerer Nanofasern die Bildung mehrerer fibrillierter Lyocellnanofasern sowie den Einbau der fibrillierten Lyocellnanofasern in die mikroporöse Struktur beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27, 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Beschichtung umfaßt: die Behandlung wenigstens eines Teils der Nanofasern mit einem kationischen Material, zu dem ein Gegenion gehört, um dadurch ein kationisch geladenes Fasermaterial zu bilden; ferner die Aussetzung des kationisch geladenen Fasermaterials einem biologisch aktiven Metallsalz und die Abscheidung eines biologisch aktiven Metallkomplexes mit wenigstens einem Teil des Gegenions, das dem kationischen Material zugeordnet ist, auf wenigstens einem Teil des kationisch geladenen Fasermaterials.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27, 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt der Beschichtung wenigstens ein Teil der vielen Nanofasern mit einem kationischen Material behandelt wird, das ein zugehöriges Gegenion aufweist, um dadurch ein kationisch geladenes Fasermaterial zu bilden, wobei das kationische Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Aminen, Amiden, quatarnären Ammoniumsalzen, Imiden, Benzalkoniumverbindungen, Biguaniden, Pyrolesaminosilikonverbindungen, deren Polymere und ihre Kombinationen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27, 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt der Beschichtung das kationisch geladene Fasermaterial einem biologisch aktiven Metallsalz ausgesetzt wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Silber, Kupfer, Zink, Cadmium, Quecksilber, Antimon, Gold, Aluminium, Platin, Palladium und deren Kombinationen besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27, 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt der Beschichtung der kationische Metallkomplex ein Metallaminhalogenidkomplex, vorzugsweise ein Silberamin-Halogenidkomplex, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27, 28, 29, 30, 32 und 33, gekennzeichnet durch den Schritt der Schaffung eines Vorfilters, das ladungsreduzierende Verschmutzungsstoffe aus einem Zufluß entfernen kann, bevor der Zufluß die mikroporöse Struktur berührt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23, 24, 27, 32 und 34, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt der Schaffung einer Vielzahl von Nanofasern die Nanofasern aus einem Material gemacht werden, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus Polymeren, Ionenaustauschharzen, technischen Harzen, Keramiken, Zellulose, Kunstseide, Wolle, Seide, Glas, Metall, litanataktiviertem Aluminiumoxid, keramikaktiviertem Kohlenstoff, Siliziumoxid, Zeolite, seltene Erden, aktiviertes Bauxit, Fullererde, Calciumhydroxidapatit und deren Kombinationen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27, 28, 29, 32 und 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Bildung der mikroporösen Struktur einen Naßverlegungsprozeß, einen Trockenverlegungsschmelz-Blasprozeß oder einen Trockenverlegungsschmelz-Spinnprozeß beinhaltet oder das Einbauen eines oder mehrerer Zusatzstoffe in die mikroporöse Struktur, wobei die Zusatzstoffe aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus Aktivkohle, aktiviertem Aluminiumoxid, Zeolit, seltene Erden, Silikate, Aluminiumsilikate, Titanate, Knochenkohle, Calciumhydroxiapatit, Manganoxide, Eisenoxide, Magnesiumoxid, Perlit, Talk, Polymerteilchen, Ton, jodierte Harze, Ionenaustauschharze, Keramiken und deren Kombinationen.
Verfahren zur Entfernung mikrobiologischer Verschmutzungen in einem Fluid, umfassend die Schritte: Schaffung eines Filtermittels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei das kationische Material eine mittlere bis hohe Ladungsdichte und ein Molekulargewicht von > 5000 Dalton aufweist; sowie das Inberührungbringen des Fluids mit dem Filtermittel für mehr als etwa 3 Sekunden und dem Erzielen einer Verringerung an mikrobiologischen Verschmutzungsstoffen, die etwa 6 log kleiner ist als der Hauptströmungsweg des Filtermittels beim Durchgang durch das Filtermittel.
Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Schritt der Schaffung eines Filtermittels gehört, daß ein Filtermittel entsteht, dessen mikroporöse Struktur eine Vielzahl von Nanofasern aufweist, so daß die mikroporöse Struktur einen Hauptströmungsweg < 0,6 μ hat oder daß die mikroporöse Struktur eine Vielzahl von fibrillierten Lyocellnanofasern hat, so daß die mikroporöse Struktur einen Hauptströmungsweg < 0,6 μ aufweist, oder daß die mikroporöse Struktur eine Membran bildet, so daß die mikroporöse Struktur einen Hauptströmungsweg < 0,6 μ bildet.
Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt der Bildung eines Filtermittels der die mikrobiologische Abwehr stärkende Stoff auf der mikroporösen Struktur abgelagert wird, indem wenigstens ein Teil der mikroporösen Struktur mit einem quartären Aluminiumsalz behandelt wird, so daß eine kationisch geladene Mikrostruktur entsteht, daß die kationisch geladene Mikrostruktur einem biologisch aktiven Metallsalz ausgesetzt wird, und daß biologisch aktives Metall mit wenigstens einem Teil eines Gegenions, das dem quartären Aluminiumsalz zugeordnet ist, auf wenigstens einem Teil der mikroporösen Struktur abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt der Schaffung eines Filtermittels der die mikrobiologische Abwehr verstärkende Stoff ein kationisches Polymer mit einer mittleren bis hohen Ladungsdichte und einem Molekulargewicht von etwa 400000 Dalton aufweist, und daß ein biologisch aktives Metall mit wenigstens einem Teil des Gegenions, das dem kationischen Polymer zugeordnet ist, abgeschieden wird.