BRPI0616884A2 - filtros para água e métodos incorporando partìculas de carvão ativado e nanofilamentos de carbono superficiais - Google Patents

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Dimitris Ioannis Collias
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Pur Water Purification Prod
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Abstract

FILTROS PARA áGUA E MéTODOS INCORPORANDO PARTìCULAS DE CARVãO ATIVADO E NANOFILAMENTOS DE CARBONO SUPERFICIAIS. A presente invenção refere-se a um filtro (20) para produção de água potável compreende uma carcaça (22) incluindo uma entrada de água (24) e uma saída de água (26), e um material filtrante (28) disposto no interior da carcaça (22). O material filtrante (28) compreende partículas de carvão ativado e uma pluralidade de nanofilamentos de carbono dispostos sobre a superfície das ditas partículas de carvão ativado. O filtro (20) tem a funcionalidade de fornecer água potável mediante a remoção de contaminantes de um fluxo de água líquida que flui da entrada de água (24) para a saída de água (26) da carcaça (22).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "FILTROSPARA ÁGUA E MÉTODOS INCORPORANDO PARTÍCULAS DE CARVÃOATIVADO E NANOFILAMENTOS DE CARBONO SUPERFICIAIS".
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a filtros para água e, especifica-mente, refere-se a filtros para água empregando material filtrante que com-preende partículas de carvão ativado com nanofilamentos de carbono sobrea superfície das ditas partículas, bem como a métodos para fabricação euso dos mesmos. Mais especificamente, os filtros para água se destinam aremover contaminantes de um água de água, de modo a fornecer água potável.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
A água pode conter muitos tipos diferentes de contaminantesincluindo, por exemplo, particulados, produtos químicos nocivos e organis-mos microbiológicos, como bactérias, parasitas, protozoários e vírus. Emuma variedade de circunstâncias, esses contaminantes precisam ser remo-vidos para que a água possa ser usada. Por exemplo, muitas aplicaçõesmédicas e a fabricação de certos componentes eletrônicos exigem o uso deágua extremamente pura. Como um exemplo mais comum, quaisquer con-taminantes nocivos precisam ser removidos da água antes que ela fique po-tável, isto é, própria para o consumo. Apesar dos meios modernos para apurificação da água, a população em geral está em risco e, em particular,crianças de colo e pessoas com sistemas imunológicos comprometidos es-tão em risco considerável.
Nos Estados Unidos e em outros países desenvolvidos, a águatratada pelo município tipicamente contém uma ou mais das seguintes impu-rezas, em diversos teores: sólidos em suspensão, contaminantes químicoscomo matéria orgânica e metais pesados, e contaminantes microbiológicos,como bactérias, parasitas e vírus. Avarias e outros problemas nos sistemasde tratamento da água às vezes levam à remoção incompleta desses con-taminantes. Em outros países, há conseqüências mortais associadas com aexposição à água contaminada, uma vez que alguns deles têm densidadespopulacionais crescentes, recursos hídricos cada vez mais escassos e ne-nhum serviço público de tratamento de água. É comum que fontes de águapotável estejam bastante próximas de dejetos humanos e de animais, o quetorna a contaminação microbiológica é um importante problema de saúdepública. Como resultado da contaminação microbiológica transportada pelaágua, estima-se que seis milhões de pessoas morrem a cada ano, metadedas quais são crianças com menos de 5 anos de idade.
A redução da concentração geral de contaminantes na água po-tável ocorre nas instalações municipais de tratamento e nos lares, medianteo uso de filtros para água dos tipos de ponto de entrada (PE) e/ou de pontode uso (PU). Essa redução de concentração nos filtros para água de usodoméstico é obtida mediante filtração mecânica (isto é, exclusão por tama-nho para alguns particulados, parasitas e bactérias) e adsorção (isto é, pro-dutos químicos, alguns particulados, parasitas, bactérias e vírus). Em filtrospara água de uso doméstico, a redução dos níveis de concentração depen-de da taxa de fluxo, do volume e do formato do filtro, e dos níveis de con-centração afluente, bem como da cinética de captura e da capacidade domeio filtrante. Para os propósitos desta invenção, a cinética de captura e acapacidade do meio são abrangidas pelo termo "eficiência de captura". Alémdisso, se os níveis de redução na concentração obtidos por filtros para águade uso doméstico atingirem os níveis recomendados pelas diversas organi-zações domésticas ou internacionais (por exemplo, EPA - U.S. Environmen-tal Protection Agency, ou Agência de Proteção Ambiental dos Estados Uni-dos, NSF - National Sanitation Foundation, ou Fundação Sanitária Nacional,e OMS/WHO - World Health Organization, ou Organização Mundial da Saú-de) nos padrões e protocolos de testes pertinentes, então os filtros para á-gua podem ser registrados por essas organizações e ostentar os númerosde registro aplicáveis. Testes e padrões similares se aplicam a filtros para ar.
Por exemplo, a EPA lançou o "Guide Standard and Protocol forTesting Microbiological Water Purifiersn (Guia Padrão e Protocolo para Testede Purificadores Microbiológicos de Água) em 1987. Esse protocolo estabe-lece requisitos mínimos para o desempenho de sistemas de tratamento deágua potável que são projetados para reduzir os contaminantes específicosrelacionados à saúde em empresas de abastecimento de água públicas eprivadas. Estes requisitos estabelecem que a remoção de vírus do efluentede uma fonte de abastecimento de água seja de 99,99% (ou, de modo equi-valente, 4 Log) e que a remoção de bactérias do dito efluente seja de99,9999% (ou, de modo equivalente, 6 Log). De acordo com o protocolo daEPA, no caso de vírus, a concentração afluente deve ser de 1x107 vírus porlitro e, no caso de bactérias, a concentração afluente deve ser de 1x108 bac-térias por litro. Por causa da predominância de Escherichia coli (E. coli, bac-téria) em sistemas de abastecimento de água, e devido aos riscos associa-dos a seu consumo, esse microorganismo é usado como a bactéria na mai-oria dos estudos. Analogamente, o bacteriófago MS-2 (ou, simplesmente,fago MS-2) é tipicamente usado como o microorganismo representante paraa remoção de vírus porque seu tamanho e sua forma (isto é, cerca de 26 nme icosaédrico) são similares aos de muitos vírus. Portanto, a capacidade deum filtro para remover o bacteriófago MS-2 demonstra a sua capacidadepara remover outros vírus.
Existem protocolos e/ou padrões similares para reduções naconcentração de produtos químicos e particulados estabelecidas pela NSF.Por exemplo, o padrão 42 da NSF/ANSI abrange os efeitos estéticos de sis-temas de PU e PE projetados para reduzir a presença de contaminantesespecíficos com efeito estético ou não-relacionado à saúde, como cloro,gosto e odor, e particulados. De maneira similar, o padrão 53 da NSF/ANSIabrange os efeitos sobre a saúde dos sistemas de PU e PE projetados parareduzir a presença de contaminantes específicos com efeito relacionado àsaúde, como Cryptosporidium, Giardia, chumbo, compostos orgânicos volá-teis (COV) e éter metil ter-butílico (MTBE).
Devido a esses requisitos e a um interesse geral pela melhoriana qualidade da água potável, há um desejo contínuo pela obtenção de fil-tros e materiais filtrantes otimizados, capazes de remover contaminantes deum fluxo de água, bem como um desejo pela obtenção de métodos aprimo-rados para fabricação e uso dos materiais filtrantes, bem como de filtros in-corporando esses materiais filtrantes.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
De acordo com uma primeira modalidade, é apresentado umfiltro para produção de água potável. O filtro compreende uma carcaça inclu-indo uma entrada de água e uma saída de água, e um material filtrante dis-posto no interior da dita carcaça. O material filtrante compreende partículasde carvão ativado e uma pluralidade de nanofilamentos de carbono dispos-tos sobre a superfície das ditas partículas de carvão ativado. O filtro tem afuncionalidade de fornecer água potável mediante a remoção de contami-nantes de um fluxo de água líquida que flui da entrada de água para a saídade água da carcaça.
De acordo com uma segunda modalidade, é apresentado ummétodo para produção de água potável. O método compreende a obtençãode um filtro compreendendo uma carcaça que inclui uma entrada de água euma saída de água, e um material filtrante disposto no interior da dita carca-ça. O material filtrante compreende uma pluralidade de nanofilamentos decarbono dispostos sobre a superfície das partículas de carvão ativado. Ométodo compreende, ainda, a passagem do fluxo de água através do mate-rial filtrante para a remoção de contaminantes, produzindo-se assim águapotável.
De acordo com uma terceira modalidade, é apresentado um mé-todo para fabricação de um material filtrante destinado à produção de águapotável. O método compreende a obtenção de partículas de carvão ativado,a deposição de um ou mais precursores de nanofilamentos pelo menos par-cialmente sobre a superfície das partículas de carvão ativado, a agitaçãodas partículas de carvão ativado e dos precursores de nanofilamentos depo-sitados, na presença de vapor carbonáceo, e o aquecimento das partículasde carvão ativado e dos precursores de nanofilamentos depositados, napresença de vapor carbonáceo, a uma temperatura e durante um tempo su-ficiente para a produção do material filtrante compreendendo partículas decarvão ativado tendo nanofilamentos de carbono sobre a superfície dasmesmas.
De acordo com uma quarta modalidade, é apresentado um mé-todo para fabricação de um material filtrante destinado à produção de águapotável. O método compreende a obtenção de partículas de carvão carboni-zadas, a deposição de um ou mais precursores de nanofilamentos pelo me-nos parcialmente sobre a superfície das partículas de carvão carbonizadas,a agitação das partículas de carvão carbonizadas e dos precursores de na-nofilamentos depositados, na presença de vapor carbonáceo, o aquecimen-to das partículas de carvão carbonizadas e dos precursores de nanofilamen-tos depositados, na presença de vapor carbonáceo, a uma temperatura edurante um tempo suficiente para a produção de nanofilamentos de carbonosobre a superfície das partículas de carvão carbonizadas, e a ativação daspartículas de carvão carbonizadas mediante aquecimento ou tratamentoquímico das partículas carbonizadas e dos nanofilamentos de carbono, paraproduzir o material filtrante compreendendo partículas de carvão ativadotendo nanofilamentos de carbono sobre a superfície das mesmas.
Os filtros para produção de água potável, bem como os métodospara fabricação e uso do material filtrante incorporado ao filtro de acordocom a presente invenção, são vantajosos para a remoção de contaminantesde um fluxo de água. Características e vantagens adicionais oferecidas pe-los filtros, materiais filtrantes e métodos da presente invenção serão melhorcompreendidas tendo em vista a descrição detalhada apresentada a seguir.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Embora o relatório descritivo termine com reivindicações queapontam particularmente e reivindicam distintamente a invenção, acredita-seque a presente invenção seja melhor compreendida a partir da seguintedescrição tomada em conjunto com os desenhos anexos, nos quais:
a figura 1 é uma imagem obtida por microscopia eletrônica devarredura (SEM) de uma partícula de carvão ativado da técnica anterior;
a figura 2a é uma outra imagem obtida por microscopia eletrôni-ca de varredura (SEM) de uma partícula de carvão ativado de acordo comuma ou mais modalidades da presente invenção;a figura 2b é uma outra imagem obtida por microscopia eletrôni-ca de varredura (SEM) de uma partícula de carvão ativado de acordo comuma ou mais modalidades da presente invenção;
a figura 2c é uma imagem com maior ampliação obtida por mi-croscopia eletrônica de varredura (SEM) de uma partícula de carvão ativadode acordo com uma ou mais modalidades da presente invenção; e
a figura 3 é uma vista lateral em seção transversal de um filtrode acordo com uma ou mais modalidades da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
I. DEFINIÇÕES
Para uso na presente invenção, os termos "filtros" e "filtração"referem-se a estruturas e mecanismos, respectivamente, associados à re-dução de concentração de contaminantes, isto é, particulados, contaminan-tes químicos e microbiológicos, via adsorção e/ou exclusão por tamanho.
Para uso na presente invenção, a expressão "material filtrante"refere-se a um agregado ou coleção de partículas filtrantes. O agregado oua coleção de partículas filtrantes formando um material filtrante pode serhomogêneo ou heterogêneo, e pode assumir qualquer formato ou forma. Aspartículas filtrantes podem ser distribuídas de maneira uniforme ou não-uniforme (por exemplo, camadas de diferentes partículas filtrantes) dentrodo material filtrante. As partículas filtrantes que formam um material filtrantetampouco precisam ser idênticas em formato ou tamanho, e podem ser a-presentadas sob uma forma solta ou interconectada. Por exemplo, um mate-rial filtrante pode compreender partículas de carvão ativado com nanofila-mentos criados na superfície, em combinação com fibras de carvão ativadoou partículas de carvão ativado mesoporoso e básico, e essas partículasfiltrantes podem ser ou obtidas em associação solta ou parcial ou totalmenteunidas por um aglutinante polimérico, ou por outros meios para formação deuma estrutura integral.
Para uso na presente invenção, a expressão "partícula filtrante"refere-se a um elemento ou peça individual que é utilizado para formar pelomenos parte de um material filtrante. Por exemplo, uma fibra, um grânulo,uma pequena esfera, etc., são considerados partículas filtrantes na presenteinvenção. Além disso, as partículas filtrantes podem variar em tamanho,desde partículas filtrantes impalpáveis (por exemplo, um pó muito fino) atépartículas filtrantes palpáveis.
Para uso na presente invenção, o termo "nanofilamento" e seusderivados referem-se a estruturas de carbono ocas ou sólidas com dimen-são lateral (por exemplo, diâmetro, largura ou espessura) da ordem de na-nômetros (nm) e dimensão longitudinal (por exemplo, comprimento) na faixade alguns nanômetros a centenas de mícrons (pm), que emanam e se proje-tam a partir das superfícies das partículas de carvão ativado. Uma lista não-limitadora de exemplos de nanofilamentos da presente invenção inclui nano-tubos de paredes simples (SWNT, ou single-wall nanotubes), nanotubos deparedes duplas (DWNT, ou double-wall nanotubes), nanotubos de paredesmúltiplas (MWNT, ou multi-wall nanotubes), nanofibras, nanofitas, nanocor-netas ou misturas dos mesmos.
Para uso na presente invenção, o termo "contaminante" e seusderivados pode referir-se a qualquer das 3 categorias: particulados (por e-xemplo, turbidez e partículas inorgânicas insolúveis como carbonato de cál-cio), produtos químicos (por exemplo, cloro, gosto, odor, COVs, asbesto,atrazina, MTBE, arsênico e chumbo), organismos microbiológicos (por e-xemplo, bactérias, vírus, algas e parasitas) ou combinações dos mesmos.Outros contaminantes também são contemplados na presente invenção.
Para uso na presente invenção, o termo "carbonização" e seusderivados referem-se a um processo em que são reduzidas as espéciesnão-carbônicas em uma substância carbonácea.
Para uso na presente invenção, o termo "ativação" e seus deri-vados referem-se a um processo em que uma substância carbonizada setorna mais porosa.
Para uso na presente invenção, a expressão "partículasativadas" e seus derivados referem-se a partículas que foram submetidas aum processo de ativação.
Para uso na presente invenção, o termo "deposição" e seus de-rivados referem-se a processos que aplicam partículas ou, de modo geral,substâncias sobre ou dentro de um substrato. Alguns exemplos não-Iimitadores de processos de deposição são a adsorção e a mistura. Exem-plos adicionais de deposição incluem deposição eletroquímica, evaporaçãopor feixe de elétrons, deposição térmica de vapor e/ou bombardeamentoiônico por magnetron de radiofreqüência.
II. MODALIDADES
De acordo com uma modalidade, conforme mostrado na figura3, é apresentado um filtro 20 para produção de água potável. O filtro 20compreende uma carcaça 22 incluindo uma entrada de água 24 e uma saí-da de água 26. A figura 3 ilustra uma modalidade com formato cilíndrico,mas a carcaça 22 pode ser fornecida em diversas formas, formatos, tama-nhos e disposições, dependendo do uso pretendido para o filtro, conformeconhecido na técnica. Por exemplo, o filtro pode ser de fluxo axial, no qual aentrada e a saída são dispostas de tal maneira que o líquido flui ao longo doeixo geométrico do envoltório. Alternativamente, o filtro pode ser de fluxoradial, no qual a entrada e a saída são dispostas de tal maneira que o fluidoflui ao longo de uma linha radial ao envoltório. Adicionalmente, o filtro podeincluir fluxos tanto radial quanto axial. O invólucro pode, também, constituirparte de outra estrutura, sem que isso signifique um desvio do escopo dapresente invenção.
O tamanho, o formato, o espaçamento, o alinhamento e o posi-cionamento da entrada 24 e da saída 26 podem ser selecionados, como éconhecido na técnica, para acomodar a vazão e o uso pretendido do filtro20. De preferência, o filtro 20 é configurado para uso em aplicações resi-denciais ou comerciais relacionadas a água potável. Exemplos de configura-ções de filtros, dispositivos para água potável, eletrodomésticos e outrosdispositivos para filtração de água adequados ao uso na presente invençãosão apresentados nas patentes U.S. n° 5.527.451, 5.536.394, 5.709.794,5.882.507, 6.103.114, 4.969.996, 5.431.813, 6.214.224, 5.957.034,6.145.670, 6.120.685 e 6.241.899, estando a essência das mesmas aquiincorporada, a título de referência. De acordo com múltiplas modalidadesreferentes a água potável, o filtro 20 pode ser configurado de modo a aco-modar uma taxa de fluxo inferior a cerca de 8 L/min de água, ou menos quecerca de 6 Umin1 ou de cerca de 2 L/min a cerca de 4 L/min.
Com referência à figura 3, o filtro 20 compreende material filtran-te 28 disposto na carcaça 22. A carcaça 22 pode conter tanto material fil-trante 28 quanto se deseje para a aplicação de filtração. A carcaça podeconter menos que cerca de 2 kg de material filtrante, ou menos que 1 kg dematerial filtrante, ou menos que 0,5 kg de material filtrante. As partículasfiltrantes presentes no material filtrante 28 são partículas de carvão ativadocom uma pluralidade de nanofilamentos de carbono dispostos sobre a su-perfície das mesmas. As partículas filtrantes podem compreender diversasformas e tamanhos. Por exemplo, as partículas filtrantes podem ser apre-sentadas em formas simples como grânulos, fibras e pequenas esferas. Aspartículas filtrantes podem ser obtidas nos formatos de esferas, poliedros,cilindros, bem como outros formatos simétricos, assimétricos ou irregulares.
Além disso, as partículas filtrantes também podem ser conformadas em for-mas complexas como mantas, telas, redes, não-tecidos, tecidos e blocosligados, que podem ou não ser produzidos a partir das formas simples acimadescritas.
Como o formato, o tamanho das partículas filtrantes tambémpode variar, e não precisa ser uniforme entre as partículas filtrantes utiliza-das em qualquer filtro simples. De fato, pode ser desejável ter partículas fil-trantes de tamanhos diferentes em um mesmo filtro. As partículas filtrantespodem ter um tamanho na faixa de cerca de 0,1 μιτι a cerca de 10 mm. Emmodalidades exemplares, as partículas filtrantes podem ter um tamanho decerca de 0,2 pm a cerca de 5 mm, de cerca de 0,4 μιτι a cerca de 1 mm, oude cerca de 1 μηι a cerca de 500 μιτι. Para as partículas esféricas e cilíndri-cas (por exemplo, fibras, pequenas esferas, etc.), as dimensões acima des-critas referem-se ao diâmetro dessas partículas filtrantes. Para partículasfiltrantes apresentando formatos substancialmente diferentes, as dimensõesacima descritas referem-se à maior dimensão (por exemplo comprimento,largura ou altura).As partículas filtrantes podem compreender quaisquer partículasde carvão ativado adequadas ou, em algumas modalidades, partículas decarvão carbonizadas pré-ativadas. Por exemplo, mas sem que isto constituauma limitação, as partículas de carvão ativado podem ser microporosas,mesoporosas ou combinações das mesmas. Além disso, as partículas decarvão ativado podem compreender partículas de carvão ativado obtido apartir de lenha, de hulha, de turfa, de piche, ou de alcatrão, ou combinaçõesdas mesmas. O material filtrante 28 pode ser apresentado sob uma formasolta ou interconectada (por exemplo, parcial ou totalmente unidas por umaglutinante polimérico ou outros meios para formação de uma estrutura in-tegral).
As partículas de carvão ativado com nanofilamentos criados nasuperfície apresentam eficiências de captura para contaminantes mais altasque aquelas apresentadas por partículas de carvão ativado sem nanofila-mentos. Uma micrografia eletrônica por varredura (SEM) de uma partículade carvão ativado sem nanofilamentos é mostrada na figura 1, e SEMs departículas de carvão ativado com nanofilamentos criados na superfície sãomostradas nas figuras 2a e 2b. Em uma das muitas modalidades de filtraçãocontempladas, um grande número de nanofilamentos criados na superfíciepode resultar em mais sítios de adsorção e em um grande número de sítiosde exclusão por tamanho para os diversos contaminantes. Durante o funcio-namento do filtro 20, um fluxo de água passa da entrada de água 24 para asaída de água 26 do filtro 20. Conforme o fluxo de água passa através domaterial filtrante 28, os contaminantes são removidos de modo a liberar á-gua potável através da saída de água 26 do filtro 20. Em uma modalidade,essa remoção de contaminantes pode resultar da adsorção do contaminantepelos sítios de adsorção das partículas filtrantes.
De acordo com uma outra modalidade, é apresentado um méto-do de fabricação de material filtrante 28 para produção de água potável. Ométodo compreende a obtenção de partículas de carvão ativado, e a depo-sição de um ou mais precursores de nanofilamentos pelo menos parcial-mente sobre a superfície das mesmas. Os nanofilamentos podem ser depo-sitados por meio de qualquer técnica convencional adequada conhecida pe-lo versado na técnica. Exemplos de técnicas de deposição são apresenta-dos na seção de definições, acima. Em uma modalidade, esses precursoresde nanofilamentos compreendem catalisadores e podem estar presentes emuma fase sólida, líquida ou gasosa. Em uma modalidade específica, os pre-cursores de nanofilamentos compreendem catalisadores, os quais compre-endem sais de metais de transição. Esses sais de metais de transição po-dem incluir Fe, Co, Mo e Ni, ou misturas dos mesmos. Exemplos de precur-sores de nanofilamentos incluem, mas não se limitam a, sulfato férrico((Fe2(S04)3), cloreto férrico (FeCI3), ferroceno (Fe(C5H5)2), cobaltoceno(Co(C5H5)2), niqueloceno (Ni(C5H5)2), oxido férrico (Fe2O3), ferro pentacar-bonila (Fe(CO)5), e níquel ftalocianina (C32H16N8Ni).
O método compreende, ainda, a agitação das partículas de car-vão ativado e dos precursores de nanofilamentos depositados, na presençade vapor carbonáceo, e o aquecimento das partículas de carvão ativado edos precursores de nanofilamentos depositados, na presença de vapor car-bonáceo, a uma temperatura e durante um tempo suficiente para a produ-ção do material filtrante compreendendo partículas de carvão ativado tendonanofilamentos de carbono sobre a superfície das mesmas. De acordo como método, o vapor carbonáceo entra em contato e reage com as partículasde carvão ativado e os precursores de nanofilamentos depositados em umambiente aquecido, por exemplo uma fornalha ou reator. Se as partículas decarvão ativado e os nanofilamentos depositados estiverem dispostos emuma configuração estacionária, por exemplo dentro de um reator de fluxo deleito fixo, o vapor carbonáceo provavelmente entrará em contato somentecom a camada superior das partículas ou a superfície superior das partícu-las que estão expostas ao vapor. Isso poderia limitar a quantidade de nanofi-lamentos de carbono produzidos sobre a superfície da partícula de carvãoativado, porque nem todas as superfícies das partículas de carvão ativadoestacionárias e os precursores depositados poderão ser expostos ao vaporcarbonáceo. Em contraste com a configuração estacionária, a agitação oufluidização das partículas de carvão ativado e dos precursores de nanofila-mentos depositados irá assegurar que o vapor carbonáceo entre em contatocom uma área superficial maior das partículas de carvão ativado e dos pre-cursores depositados, resultando assim na produção de mais nanofilamen-tos de carbono nas superfícies das partículas de carvão ativado. Reatoresadequados para agitar as partículas de carvão ativado podem incluir, masnão se limitam a, reatores de leito fluidizado, reatores de leito rotativo, reato-res de leito fixo convencionais compreendendo componentes de agitação oumistura, etc.
O vapor carbonáceo pode compreender qualquer vapor carbo-náceo que seja eficaz para a obtenção do produto de reação desejado. Emuma modalidade, o vapor carbonáceo pode compreender acetileno, benze-no, xileno, etileno, metano, etanol, monóxido de carbono, cânfora, naftalenoou misturas dos mesmos. As condições de reação quanto a temperatura,tempo e atmosfera podem variar, e diversas combinações são adequadaspara promover a reação desejada. Em uma modalidade, a temperatura podevariar de cerca de 400 0C a cerca de 1.500 °C. Em modalidades exempla-res, a faixa de temperaturas pode compreender limites superiores menoresque cerca de 1.200°C, menores que cerca de 1.000oC ou menores que cer-ca de 800°C, e limites inferiores maiores que cerca de 400°C, maiores quecerca de 500°C, maiores que cerca de 600°C ou maiores que cerca de700°C. Em outra modalidade, o tempo de reação é de cerca de 2 minutos acerca de 10 horas. Em modalidades exemplares, o tempo de reação é decerca de 5 minutos a cerca de 8 horas, de cerca de 10 minutos a cerca de 7horas, ou de cerca de 20 minutos a cerca de 6 horas.
Em uma modalidade, os precursores de nanofilamentos podemgerar nanopartículas sobre a superfície das partículas de carvão ativado,durante os estágios iniciais do método. Por exemplo, o sulfato férrico irá sedecompor e gerar nanopartículas de Fe sobre a superfície das partículas decarvão ativado. Essas nanopartículas irão, então, catalisar a formação denanofilamentos de carbono conforme os vapores carbonáceos são carrea-dos sobre as partículas de catalisador, para formar os nanofilamentos decarbono.Além disso, o método pode compreender, ainda, um gás de ar-rasto para levar o vapor carbonáceo à superfície das partículas de carvão. Aatmosfera de reação pode compreender o vapor carbonáceo e o gás de ar-rasto que, durante a reação, o coloca em contato com as partículas de car-vão ativado e os precursores de nanofilamentos. O gás de arrasto pode serinerte ou redutor e, em uma modalidade, pode conter pequenas quantidadesde vapor d'água. Um exemplo típico e não-limitador desse tipo de gás dearrasto é o nitrogênio. O argônio e o hélio são dois outros exemplos de ga-ses de arrasto, porém muitos outros gases de arrasto são contemplados napresente invenção. A velocidade de face do gás de arrasto na fornalha é decerca de 1 cm/h.g (isto é, centímetros por hora e grama de partículas decarvão ativado) a cerca de 350 cm/h.g e, em modalidades exemplares, decerca de 2 cm/h.g a cerca de 180 cm/h.g, de cerca de 4 cm/h.g a cerca de90 cm/h.g, ou de cerca de 20 cm/h.g a cerca de 40 cm/h.g.
De acordo com uma outra modalidade da presente invenção, édescrito um método alternativo para a fabricação do material filtrante 28 des-tinado à produção de água potável. O método compreende a obtenção departículas de carvão carbonizadas. Conforme consta acima, as partículascarbonizadas são partículas filtrantes, as quais ainda não foram submetidasa uma etapa de ativação. De modo similar ao outro método descrito acima,este método compreende, ainda, a deposição pelo menos parcial de um oumais precursores de nanofilamentos sobre a superfície das partículas decarvão carbonizadas, seguida de agitação das partículas de carvão carboni-zadas e dos precursores de nanofilamentos depositados na presença devapor carbonáceo. As partículas de carvão carbonizadas e os precursoresde nanofilamentos depositados são, então, aquecidos na presença de vaporcarbonáceo, a uma temperatura e durante um tempo suficiente para produ-zir nanofilamentos de carbono sobre a superfície das partículas de carvãocarbonizadas; O método inclui, então, a ativação das partículas de carvãocarbonizadas. Durante a ativação, as partículas carbonizadas e os nanofila-mentos de carbono são aquecidos ou quimicamente tratados para produzir omaterial filtrante, o qual compreende partículas de carvão ativado com nano-filamentos de carbono sobre a superfície das mesmas.
Os carvões carbonizados podem ser ativadas por calor sob di-versas condições de processamento bem-conhecidas do versado na técni-ca. Por exemplo, a ativação por calor pode ocorrer em uma atmosfera com-preendendo vapor d'água, CO2 ou misturas dos mesmos. Além disso, astemperaturas de ativação e sua duração podem variar, dependendo das par-tículas filtrantes utilizadas. Os carvões carbonizados podem, também, serquimicamente ativados com qualquer reagente químico adequado conhecidopelo versado na técnica. Por exemplo, os carvões carbonizados podem sertratados com KOH ou H3PO4. A etapa de ativação pode ser incorporada aqualquer estágio dos métodos acima descritos. A ativação pode ocorrer emuma ou em múltiplas etapas, e as partículas de carvão ativado podem sersubmetidas a maior ativação.
Em uma outra modalidade, os métodos acima descritos podemcompreender, ainda, uma etapa de limpeza destinada a limpar os nanofila-mentos de carbono e remover substancialmente quaisquer precursores denanofilamentos restantes, após a etapa de aquecimento. Como a ativação, aetapa de limpeza pode incorporar tratamento por calor ou tratamento quími-co de modo a limpar os nanofilamentos e remover os precursores de nanofi-lamentos. Qualquer procedimento de limpeza pode ser empregado. Em umamodalidade de limpeza química, pode ser usada uma solução ácida. Emuma modalidade exemplar, uma solução de ácido forte, por exemplo umasolução de ácido nítrico ou sulfúrico, pode ser usada na etapa de limpeza.Considera-se que uma etapa de ativação usada após a formação dos nano-filamentos de carbono, conforme descrito acima, possa agir como uma eta-pa de limpeza ou uma etapa de limpeza parcial.
Em uma outra modalidade, os métodos acima descritos podemcompreender o tratamento das partículas de carvão carbonizado ou ativado,bem como dos precursores de nanofilamentos depositados, com um agenteredutor antes da etapa de aquecimento. Durante essa etapa de redução, aspartículas e os precursores de nanofilamentos depositados são tratados napresença de agentes redutores, para funcionalizar a superfície das partícu-las. Mediante a funcionalização da superfície, as partículas filtrantes podemotimizar sua adsorção para os contaminantes-alvo em um fluxo de água.Alguns exemplos não-limitadores de agentes redutores incluem hidrogênio,amônia ou misturas dos mesmos. Por exemplo, um agente redutor compre-endendo amônia pode reagir com a superfície da partícula para produzir ni-trogênio sobre a mesma, sendo que o nitrogênio pode ligar-se a, ou adsor-ver, um contaminante a ser filtrado.
III. EXEMPLOS EXPERIMENTAIS
Os exemplos não-limitadores a seguir descrevem materiais fil-trantes e métodos para fabricação de materiais filtrantes de acordo com umaou mais modalidades da presente invenção.
EXEMPLO 1
FORMAÇÃO DE PARTÍCULAS DE CARVÃO ATIVADO COM NANOFILA-MENTOS CRIADOS NA SUPERFÍCIE USANDO FERROCENO
100 g de partículas de carvão ativado obtido a partir de lenhaNUCHAR® RGC 80x325, disponível junto à MeadWestvaco Corp. de Co-vington, VA, EUA, são misturadas a 500 mL de uma solução de ferroceno a10% (Fe(C5H5)2) em xileno. O carvão ativado resultante, com ferroceno ad-sorvido, é seco de um dia para outro à temperatura ambiente. O carvão ati-vado é, então, carregado na bandeja da fornalha tubular horizontal Lindberg/ Blue M (modelo N9 HTF55667C, SPX Corp., Muskegon, Ml, EUA). O diâ-metro da fornalha tubular é de 15,25 cm (6 pol). A fornalha é aquecida atéuma temperatura de 800°C em 0,12 L/s (15 pés3/h) de fluxo de nitrogênio.
Uma vez atingida a temperatura desejada na fornalha, 10 mL/min de umasolução de ferroceno a 10% em xileno é carreada para dentro da fornalhatubular por um fluxo de nitrogênio de 0,12 Us (15 pés3/h) (isto é, velocidadede face de cerca de 23 cm/h.g) durante 1 h. Ao final desse período, o mate-rial é deixado resfriar até a temperatura ambiente em uma atmosfera de ni-trogênio. As partículas de carvão ativado resultantes contém nanofilamentoscriados na superfície.
EXEMPLO 2
FORMAÇÃO DE PARTÍCULAS DE CARVÃO ATIVADO COM NANOFILA-MENTOS CRIADOS NA SUPERFÍCIE USANDO SULFATO FERRICO EFERROCENO
100 g de partículas de carvão ativado à base de coco micropo-rosas de 80x325, disponíveis junto à Calgon Carbon Corp., de Pittsburgh,PA, EUA, são misturadas com 100 mL de solução de sulfato férrico a 20%(Fe2(S04)3) em água desionizada. O resultante carvão ativado com sulfatoférrico adsorvido é seco de um dia para outro em um forno a 130°C. O car-vão ativado é, então, carregado na bandeja da fornalha tubular horizontalLindberg / Blue M (modelo N2 HTF55667C, SPX Corp., Muskegon, Ml, EUA).
O diâmetro da fornalha tubular é de 15,25 cm (6 pol). A fornalha é aquecidaaté uma temperatura de 800°C em 0,12 L/s (15 pés3/h) de fluxo de nitrogê-nio. Uma vez atingida a temperatura desejada na fornalha, o carvão ativadoé mantido àquela temperatura durante cerca de 45 minutos. Então,4 mL/min de uma solução de ferroceno a 10% em xileno é carreada paradentro da fornalha tubular por um fluxo de nitrogênio de 0,04 Us (5 pés3/h)(isto é, velocidade de face de cerca de 8 cm/h.g) durante 1 h. Ao final desseperíodo, o material é deixado resfriar até a temperatura ambiente em umaatmosfera de nitrogênio. As partículas de carvão ativado resultantes contémnanofilamentos criados na superfície.
Note-se que termos como "especificamente","preferencialmente", "tipicamente" e "freqüentemente" não são usados nopresente documento no sentido de limitar o escopo da invenção reivindicadaou de implicar que determinadas características são de importância crítica,essenciais, ou mesmo importantes para a estrutura ou a função da invençãoreivindicada. Em vez disso, esses termos se destinam meramente a desta-car características alternativas ou adicionais, que podem ou não ser utiliza-das em uma modalidade específica da presente invenção. Note-se, também,que termos como "substancialmente" e "cerca de" são usados na presenteinvenção para representar o inerente grau de incerteza que pode ser atribuí-do a qualquer comparação, valor, medição ou outra representação quantitativa.
Todos os documentos citados na Descrição Detalhada da In-venção estão, em sua parte relevante, aqui incorporados a título de referên-cia. A citação de qualquer documento não deve ser interpretada como ad-missão de que este represente técnica anterior com respeito à presente in-venção.
Embora modalidades específicas da presente invenção tenhamsido ilustradas e descritas, deve ficar óbvio aos versados na técnica que vá-rias outras alterações e modificações podem ser feitas sem que se desviedo caráter e âmbito da invenção. Portanto, pretende-se cobrir nas reivindi-cações anexas todas essas alterações e modificações que se enquadramno escopo da presente invenção.

Claims (10)

1. Filtro destinado à produção de água potável, caracterizadopelo fato de compreender:uma carcaça incluindo uma entrada de água e uma saída deágua; eum material filtrante disposto no interior da carcaça, contendopartículas de carvão ativado, euma pluralidade de nanofilamentos de carbono dispostos sobrea superfície das partículas de carvão ativado,sendo que o filtro tem a funcionalidade de fornecer água potávelmediante a remoção de contaminantes de um fluxo de água líquida, que fluida entrada de água para a saída de água da carcaça.
2. Filtro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fatode que as partículas de carvão ativado compreendem microporos, mesopo-ros ou combinações dos mesmos.
3. Filtro de acordo com qualquer das reivindicações anteriores,caracterizado pelo fato de que as partículas de carvão ativado compreen-dem carvão ativado obtido a partir de lenha, carvão ativado obtido a partir dehulha, carvão ativado obtido a partir de turfa, carvão ativado obtido a partirde piche, carvão ativado obtido a partir de alcatrão ou combinações dosmesmos.
4. Filtro de acordo com qualquer das reivindicações anteriores,caracterizado pelo fato de que as partículas de carvão ativado compreen-dem fibras, esferas, partículas de formato irregular ou combinações dosmesmos.
5. Filtro de acordo com qualquer das reivindicações anteriores,caracterizado pelo fato de que as partículas de carvão ativado têm um ta-manho de 0,1 μηι a 10 mm.
6. Filtro de acordo com qualquer das reivindicações anteriores,caracterizado pelo fato de que os nanofilamentos de carbono compreendemnanotubos de paredes simples (SWNT, ou single-wall nanotubes), nanotu-bos de paredes duplas (DWNT, ou double-wall nanotubes), nanotubos deparedes múltiplas (MWNT, ou multi-wall nanotubes), nanofilamentos, nanofi-tas, nanocornetas ou combinações dos mesmos.
7. Filtro de acordo com qualquer das reivindicações anteriores,caracterizado pelo fato de ser configurado de modo a acomodar uma taxade fluxo de até 8 L/min de água.
8. Método para produção de água potável, caracterizado pelofato de compreender a obtenção de um filtro como definida em qualquer dasreivindicações anteriores, e a passagem de um fluxo de água através domaterial filtrante para remover contaminantes e, desse modo, produzir águapotável.
9. Método para fabricação de um material filtrante destinado àprodução de água potável, caracterizado pelo fato de compreender as eta-pas de:obter partículas de carvão ativado;depositar um ou mais precursores de nanofilamentos pelo me-nos parcialmente sobre a superfície das partículas de carvão ativado;agitar as partículas de carvão ativado e os precursores de nano-filamentos depositados, na presença de vapor carbonáceo; eaquecer as partículas de carvão ativado e os precursores de na-nofilamentos depositados, na presença de vapor carbonáceo, a uma tempe-ratura e durante um tempo suficiente para produzir o material filtrante com-preendendo partículas de carvão ativado tendo nanofilamentos de carbonosobre a superfície das mesmas.
10. Método para fabricação de um material filtrante destinado àprodução de água potável, caracterizado pelo fato de compreender as eta-pas de:obter partículas de carvão carbonizadas;depositar um ou mais precursores de nanofilamentos pelo me-nos parcialmente sobre a superfície das partículas de carvão carbonizadas;agitar as partículas de carvão carbonizadas e os precursores denanofilamentos depositados, na presença de vapor carbonáceo;aquecer as partículas de carvão carbonizadas e os precursoresde nanofilamentos depositados, na presença de vapor carbonáceo, a umatemperatura e durante um tempo suficiente para produzir nanofilamentos decarbono sobre a superfície das partículas de carvão carbonizadas; eativar as partículas de carvão carbonizadas mediante aqueci-mento ou tratamento químico das partículas carbonizadas e dos nanofila-mentos de carbono, para produzir o material filtrante compreendendo partí-culas de carvão ativado tendo nanofilamentos de carbono sobre a superfíciedas partículas.
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