JP2004507339A - 膨張性物質を有する複合材料の形成 - Google Patents

Abstract

微生物学的又は化学的夾雑物例えば嚢子、細菌及び／又はウイルス並びに無機及び／又は有機夾雑物を含む流体、水、又は他の溶液の濾過、精製及び処理のための複合材料及びこれらの材料から装置を生成する方法であって、流体を、非膨張性物質と、流体の吸収により膨潤する膨張性物質よりなる複合精製用材料の中又は上を通過させる上記の方法。

Description

【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
この発明は、一般に、溶液その他の流体用のフィルターにおいて用いられる複合材料及びこれらの材料を組み込んだ装置に関係する。これらのフィルターは、濾過装置、流体処理装置（主として、水溶液用フィルター及び水精製装置）、ガス及び他の水性液体の放射処理のための装置（該装置は、それらを通過するガス又は水溶液から夾雑物を除去する）において用途を見出す。その一層特定の面において、この発明は、農薬、金属、溶解した固形物、嚢子、細菌、ウイルス及びこれらの種の成分（水又は水溶液に由来する）を含む化学的夾雑物及び微生物学的夾雑物を除去する装置の分野に関係する。
【０００２】
２．関連技術の説明
複合材料は、幾つかの異なる技術例えば焼結又は焼成、溶融及び冷却、押出し及び型込めによって形成することができる。一般に、複合材料は、２種以上のユニークな化学種から生成され；少なくとも一つの種がマトリクスを形成して、他の種（分散相）を一体化された形態に結合し又は一緒に保持する。この分野では、複合材料を製造するための多くの技術が知られている。
【０００３】
水又は他の水溶液の精製、濾過及び処理は、安全な又は飲用に適した飲料水の供給から発酵処理及び生物学的流体からの成分の分離を含むバイオテクノロジー的応用までの多くの応用に必須である。同様に、病院及びクリーンルーム（極度に精製された空気を必要とする）中の、及び空気が循環される環境（例えば、航空機又は宇宙船）中の呼吸に適した空気からの微生物の除去も又、濾過用媒体の重要な用途である。近年、家庭内の空気濾過及び複合精製に対する要求が一層認識されるようになってきており、エネルギー効率及び室内の空気の質への競争する関心が、空気から微粒子、アレルゲン及び微生物さえも除去すると称する多くの空気濾過用製品例えばＨＥＰＡフィルターなどへ導いてきた。
【０００４】
現在周知の水精製に用いられる多くの方法例えば蒸留、イオン交換、化学的吸着、濾過又は保持（これは、微粒子の物理的閉鎖である）がある。粒子の濾過は、膜又は顆粒状物質の層を利用することにより完了することができるが、それぞれの場合において、その材料の細孔寸法及び顆粒状物質のボイドスペースが、保持される粒子のサイズを支配する。更なる複合精製用媒体は、化学反応を受ける物質を包含し、該化学反応は、精製すべき流体中の化学種の状態又は正体を変える。例には、金属触媒に基づく放出制御が含まれる。
【０００５】
化学種の除去、固定及び変換並びに微生物の除去又は不活性化において、高度に効率的な材料は、多くの用途を有するが、特別の適用領域には、精製水の生成、化学物質流れの処理、並びに触媒、バイオテクノロジー及び発酵工程による化学物質流れの変換が含まれる。複合材料は、現在、これらの分野の各々で生成した流体の処理の多くの段階で有用である。
【０００６】
多くの実際の流体処理用途においては、流体流れを完全に処理するのために、複数の技術の組合せが必要である。飲用のための水の処理及び食品用途における例として、化学的精製と微生物学的精製の両方が、消費の前に必要とされる。技術の組合せは、単一装置において機能を組み合わせることにより又はそれぞれ別々の機能を行う一連の装置を用いて実行することができる。機能の組合せの例には、負及び正に帯電した種の両方を除去する混合イオン交換樹脂の利用及び化学的又は放射的酸化法と組み合わせた機械的濾過の利用が含まれる。
【０００７】
上に列記した流体処理応用においては、これらの流体の成分を異なる種に変換し、夾雑物を除去しそして／又は価値ある成分を分離するために、顆粒状粒子の容器を用いて流体、液体及びガスを処理している。特に、微生物並びに有機及び無機化学的夾雑物を除去するために顆粒状吸着材を利用することは周知である。顆粒状吸着材には、イオン交換樹脂、並びに活性化された及び不活性化された炭質材料が含まれる。天然の無機物例えばリン灰石、リン酸三カルシウム及びアルミナベースの鉱石及びこれらの幾つかの誘導体を顆粒、微粒子又は繊維形態で水処理材として利用することも知られている。リン灰石及びアルミナの利用の例には、Ｗａｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．から入手できる市販品及び特許出願（米国特許第５，７５５，９６９号）に記載された従来技術が含まれる。これらの材料は、水システム中の化学的夾雑物と微生物学的夾雑物の両方を扱うものである。
【０００８】
顆粒状の流体処理材料を適用する最も一般的な方法の一つには、顆粒状材料（粒子）が失われないようにするふるいを取り付けた適当なハウジング内に処理用粒子を充填し又は収納することが含まれる。この収納された粒子材料を利用して多くの異なる装置を製造することができる。これらの装置は、消費者並びに化学分析、化学的流れの処理、廃棄物及び排気処理、バイオテクノロジー及び飲料水処理のための商業的実体により利用されている。
【０００９】
顆粒状材料を利用する装置がデザインにおいて非常に単純でありえても、それらは、殆どの重要な応用に対してめったに十分な性能を与えない。例えば、一点利用式の複合精製装置例えば屋内上水道管に取り付けた水フィルターは、安全な消費に必要とされるレベルの微生物学的な水精製を与えない。
【００１０】
顆粒状材料及び顆粒状材料を含む装置の性能不足の理由には、時間と共に容器内の顆粒状材料が移動することが含まれる。粒子の接触及びその後の摩擦は、粒子サイズの減少へと導く。流体流れ中に含まれる夾雑物は、時間と共に、粒子表面に付着し、これは、粒子の凝集へと導く。これらの状況の最終結果は、顆粒状流体処理材中の流体の流路及び側路である。
【００１１】
流体−粒子接触を改善し流体側路を制限する方法は、粒子の固定を与える技術に集中してきた。粒子の固定は、テフロン（商標名）のフィブリル化により（米国特許第５０７１６１０号及び４１９４０４０号）及び米国特許第５２４９９４８号、５１８９０９２号、５１４７７２２号、５０１９３１１号に記載されたようなポリマーバインダーの利用により、並びに３Ｍ Ｃｏｒｐ．，Ｆｉｂｒｅｄｙｎｅ Ｉｎｃ．及びＷａｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．により製造された材料の利用によって得られてきた。しかしながら、これらの各例においては、複合材料の生成のための高価な工業的設備が必要とされる。
【００１２】
加えて、使用可能な複合材料の大規模生産のためには、重要な技術的ノウハウ及び専門技術が必要とされる。最後に、これらの技術は、様々な種類の流体処理用顆粒状材料、流体処理材料の混合物の固定化及び現在存在する広範囲の液体処理状況の取り組みに普遍的に適用するのは困難である。
【００１３】
それ故、簡単且つ迅速に種々の流体を処理するための顆粒状材料を、それらとの流体接触が改善されるように固定化する方法に対する要求が産業界に残っている。加えて、これらの複合材料は、現存する広範囲の流体処理状況に対する種々の形状及び寸法の装置の製作を安価に容易にしなければならない。
【００１４】
有機高吸収性材料は、現在、２つの主たる用途を有している。これらは、個人の世話／衛生用品例えばおむつ、失禁用品、及び女性用ケア用品における利用並びに高吸収性材料が例えば電気導線に関して水の浸潤を止める保護コーティングの成分としての利用を包含する。第二の用途は、水処理のためのイオン交換材料としての利用及び農業用土壌添加剤における利用（植物の利用のための水が吸収性材料により保持される）を包含する。無機の膨張性物質例えばベントナイトは、池及び流体収納構造物の割れ目及び穴のシーリング用配合物において利用されている。これらの従来の応用の各々において、膨張性物質は、水をある場所から除去し、それにより、その場所を乾燥させるために、水の浸潤を止めるために、例えば電気部品を保護するシールド内に水が進行しないようにするために、又は水を後の利用若しくは処理のために貯蔵し若しくは封鎖するために利用されている。これらの利用の何れも、制御された状況下での流体の通過及び化学的／生物学的操作を容易にする目的のために製造された複合材料に関係していない。
【００１５】
発明の概要
この目的のために、本願発明者は、流体処理のための新規な複合材料及びそれらを生成するための新規な機構を発見した。複合材料は、処理すべき流体又は幾らかの他の流体の存在下で実質的に膨張しない材料と処理すべき流体又は幾らかの他の流体の存在下で実質的に膨張する材料とを合わせることにより形成される。この膨張する材料は、膨張する材料と膨張しない材料の両者を一つの場所に組み合わせて動けなくするマトリクスを形成し、それにより、複合体を形成する。この発明は、すべての種類の流動性の不溶性粒子及びそれらの混合物に適用可能である。この発明は、有意の消費者及び工業的応用を有する広範囲の装置で利用することができる。好適応用において、これらの複合材料は、ブロック、チューブ、シート又はフィルムの形態に加工することができ、両方の種類の物質を用いて生成した複合材料の上又は中を通過する流体の特性を改変するために利用することができる。少なくとも、この非膨張性材料は、少なくとも一種の夾雑物又は望ましくない成分を除去し、変換し又は不活性化するものである。
【００１６】
上記のように、材料を緩い形態で用いて生成された流体処理装置の効力は、処理用材料を通過して流れる流体例えば水及び水溶液の圧力により並びに粒子浸食及び凝集により引き起こされる流路及び側路効果によって危険にさらされうる。化学種並びにウイルス及び細菌は、この処理用材料との直接的接触により除去され、変換され又は不活性化されるので、たとえ水圧、水流、粒子浸食により経時的に形成された顆粒状物質中の比較的小さい流路又は側路でも、望ましくない化学的及び微生物学的夾雑物を処理用装置を通過させるのに十分である。
【００１７】
この発明は、この問題を、多孔性複合体の流体処理用材料、これらの材料を含む流体処理のための装置、及びそれらの製造方法を提供することにより解決するが、それは、化学的夾雑物例えば有機及び無機の並びに細菌、嚢子及びウイルスを含む微生物学的夾雑物を流体流れから処理し又は除去することができ、同時に、流体流路及び汚染側路を装置内に存在する非膨張性の処理用材料と膨張性の処理用材料の組合せにより除去する。
【００１８】
この発明の一態様は、水性流体特に水（例えば、飲料水又は水泳若しくは入浴用水）又は他の水溶液（例えば、発酵用肉汁及び細胞培養で用いる溶液）、又はガス及びガス混合物例えば呼吸できる空気（クリーンルーム、病院、潜水用具、家庭、航空機又は宇宙船で見出される）及び粒子物質を表面から散布し、パージし又は除去するために用いられるガスの処理、精製及び濾過のための装置及び方法である。この方法は、容易に、流れを処理するために適合させることができ、それは、石油工業及びガス湧出クリーンナップ産業で見出されたような有害な又は環境的に受け入れられないガスを無害な種に変換する触媒を利用する。この発明による装置の利用は、極度に高いパーセンテージの細菌及びウイルス並びにそれらの成分を含む微生物学的夾雑物の除去を生じることができる。特に、この発明の装置及び方法の利用は、微生物学的水清浄器としての等級のためのＥＰＡ基準に適合するレベルの水の精製を生じる。
【００１９】
典型的具体例において、この発明は、粒状炭素、リン灰石、アルミナ又はアルミノ珪酸塩材料を含み且つ膨張性材料の存在の結果としての多孔性材料の形態である、流体のための複合精製用材料に関係する。典型的に、この炭素は、標準的な仕方で活性化する。典型的には、このリン灰石の少なくとも一部分は、ヒドロキシルアパタイトの形態であり、天然起源例えば骨炭から又はカルシウム及びリン酸塩含有化合物の混合などの合成起源から得られてきた。典型的には、アルミノ珪酸塩の少なくとも一部分は、ボーキサイト又はアルミナの形態であり、天然又は合成起源から得られてきた。又、典型的には、この膨張性材料は、水又は他の幾らかの流体との接触に際して十分に膨張することのできるポリマー材料又はオリゴマー材料である（それは、複合材料構造中の粒状リン灰石又はアルミノ珪酸塩を固定化する）。これは、複合精製用材料が任意の所望の形状例えば流体の流入及び流出を規定する濾過装置のハウジングに入れるのに適した形状をとることを可能にする。かかる装置は、この発明の別の具体例を形成する。単位の複合材料中に固定化された炭素、リン灰石、アルミナ又はアルミノ珪酸塩粒子の保持に加えて、このポリマー又はオリゴマーの膨張性材料は、望ましい機能的特徴を装置に与え、例えば、それを、用いるポリマー又はオリゴマーの膨張性材料の種類及び量によって硬くし又は可撓性にする。更に、この膨張性材料は、水の更なる精製を与えることができる。
【００２０】
他の具体例において、この発明は、膨張性物質により固定化された粒状炭素、リン灰石、アルミナ又はアルミノ珪酸塩を含むシート又は膜の形態の、流体用の複合精製用材料に関係する。
【００２１】
この発明は又、水、水溶液及びガスなどの流体を濾過して、その中に含まれる少なくとも一種の化学的夾雑物及び微生物の大部分を、その流体をこの発明の複合精製用材料と接触させることによって除去する方法にも関係する。この発明のこの具体例の特別の態様において、この接触は、上記の装置内で起き、未濾過の流体を入り口から流し込み、少なくとも一つのチャンバー内で複合精製用材料と接触させ、そして、濾過された流体は、出口を通ってチャンバーから流出し、有意に低下した濃度の微生物及び／又は化学的夾雑物を有する。
【００２２】
この発明により生成される複合精製用材料を用いて、飲料水を精製し、リクレーション目的のために使用する水例えば水泳用プール、温水浴槽及び温泉で使用する水を精製し、処理用水例えば冷却塔で用いる水を精製し、発酵肉汁及び細胞培養溶液（例えば、発酵又は他の細胞培養プロセスにおける溶液リサイクリング用）及び外科手術手順でリサイクル又は再利用のために使用される水溶液を含むがこれらに限られない水溶液を精製し、そしてガス及びガス混合物例えば呼吸できる空気例えば病院又は工業用クリーンルームを換気するのに使用される空気、潜水用具で使用される空気又は例えば航空機若しくは宇宙船内でリサイクルされる空気並びに揮発性又は粒状物質を表面、コンテナ又は容器から散布し、パージし又は除去するために使用されるガスを精製することができる。この方法は、石油工業及びガス湧出クリーンナップ産業におけるように、触媒を使用する流れを処理するように簡単に適合させることができる。この発明の複合精製用材料及びこれらの材料を用いて生成された装置は、容易に入手可能な炭素、リン灰石及び／又はアルミノ珪酸塩材料（天然起源から得られたものを含む）を利用することが可能であって、同時に、高い化学的及び微生物学的精製効率も維持するという更なる利点を有する。
【００２３】
この発明の更に別の具体例において、この発明の流体精製用材料（即ち、非膨張性及び膨張性物質並びに複合材料即ちシートに形成されたもの）は、バイオテクノロジー用途例えば発酵プロセス及び細胞培養において微生物用の固定化媒体として利用することができる。この具体例において、微生物は、複合材料中で固定化され、微生物学的プロセスの流体例えば栄養肉汁、基質溶液などは、この発明の固定化用材料中を通過させるが、これは、これらの流体を該材料中に固定化された微生物と接触させ、そして、溶出液を該材料から取り出して更に必要な処理を行う。
【００２４】
この発明の更に別の具体例において、この発明の流体精製用材料（即ち、非膨張性及び膨張性物質並びに複合材料即ちシートに形成されたもの）は、化学及び生物学的用途（例えば、発酵プロセス、工業的放出制御、石油処理、及び化学的流れの処理）で用いられる触媒のための固定化媒体として利用することができる。この具体例において、化学的又は生物学的プロセスの流体例えばガス流、炭化水素含有溶液などを、該流体がこの発明の固定化用材料中に固定化された触媒と接触するような仕方で該固定化用材料を通過させる。これらの触媒は、流体中の反応性の種に反応を受けさせ、それにより、溶出液中のそれらの濃度を低下させるが、該溶出液は、その後、該材料から取り出して更に必要な処理をすることができる。
【００２５】
発明の特定の具体例の詳細な説明
上記の概要に示したように、一般的具体例において、この発明は、顆粒状炭素、リン灰石、アルミナ又はアルミノ珪酸塩を膨張性材料（典型的には、水又は他の幾らかの流体との接触に際して膨張するポリマー材料）と共に含む複合材料製フィルターの形態の流体用の複合精製用材料に関係する。この具体例の特定の態様において、この発明は、顆粒状リン灰石及びその誘導体、顆粒状活性炭（ＧＡＣ）、アルミナ又は他の吸着性媒体例えばボーキサイト、アルミナシリケート若しくはイオン交換樹脂の少なくとも一種を含む分散相の混合物を、水又は他の流体との接触に際して体積が膨張する材料例えばポリアクリル酸材料を含む固定化用マトリクス相と共に含む複合材料製フィルターに関係する。この分散相は、膨張性物質によって凝固されて、流体処理中に流れに由来する流路は生じえない。この発明の流体用の複合精製用材料は、各種の粒子をランダム様式で一緒に混合することによって簡単に製造することができる。次いで、流体をこの材料に導入する場合には、その膨張性材料と非膨張性の流体処理用粒子の混合物を、ブロック、シート、フィルム又はコーティングに形成する。装置は、任意の形状又は寸法に作ることができ、硬くても可撓性であってもよい。フィルター複合材料の細孔寸法は、フィルターを通過する流体の流量に影響を及ぼし、フィルター複合材料中に組み込まれた顆粒の寸法並びに膨張性材料と非膨張性材料の比の関数である。ここで用いる場合、用語「複合材料」は、如何なる特定の幾何学的形状を示すものでもない。「複合材料」の非制限的例は、この用語を用いることを意図する場合、チューブ及び環状輪並びに一層伝統的な幾何学的立体を包含する。可撓性複合材料に形成された材料は、パイプ又はチューブにおける利用に特に適しており、これらは、流体フィルター媒体として役立つ。
【００２６】
この発明により生成された精製用材料の望ましい特徴の一つは、装置を任意の所望の形態に形成することができることである。これは、扱いやすさ及び極めて高い尺度可能性を与える。例えば、複合精製用材料は、濾過媒体のための慣用のハウジングに適合するモノリス又は巻いたシートに形成することができる。それは、ポータブル又はパーソナル水濾過システム又は呼吸用濾過システムの一部として精製を与えるような形状にすることができる。この材料は、水が内部を流れる一連の又は並置した幾つかの異なる小片に形成することができる。又、この複合濾過用材料のシート又は膜を形成することもできる。この精製用材料及びその後の装置の硬さは、ブロック形態であってもシート／膜形態であっても、膨張性材料及び非膨張性材料を含む可撓性支持構造を含有させることによって変えることができる。
【００２７】
粒子の固定化又はロッキング機構：
この膨張性材料は、０．１ミクロン〜１０ミリメートルに及ぶ寸法の粒子、直径０．５ミクロン〜１０ミリメートルの繊維、又は０．５ミクロン〜１０ミリメートルの厚みを有する織られた若しくは織られてない材料のシートの形態であってよい。好適な応用において、膨張性粒子を用いて、この複合体を形成する。これらの膨張性粒子が寸法において非膨張性物質の粒子に類似して粒子型の分離を減らすことも又、好ましいことである。
【００２８】
如何なる理論に縛られることも望まないが、両粒子型を固定化する機構は、流体（典型的には、水又は水溶液）との接触の際の膨張性物質の膨潤を含むと考えられる。これは、有意の物理的応力をすべての粒子及び構造支持体において生じる。これらの膨張性粒子により生じた力は、これらの粒子が部分的に又は完全に膨潤している限り存在し続ける。好適具体例において、これらの膨張性粒子は、非膨張性粒子の存在及び支持構造の存在により、完全に膨潤することを制限されている。
【００２９】
非膨張性物質と膨張性物質の間の表面接触：
他の材料において、「バインダー」及び「機能的」粒子の間の表面接触は、エントラップメント並びに「表面点結合」を含んだ。この発明においては、粒子型間の親密な相互作用を、幾つかの異なる技術の利用により生成することができるが、該技術は、異なる電荷特性を有する表面間の力点圧力静電相互作用、類似の表面極性を有する材料間の疎水結合、特異的分子結合部位又はレセプターを含む分子ロッキング機構、並びに永久的又は一時的な化学結合を形成する公知の化学反応を含むことができる。例えば、膨潤性又は膨張性材料と非膨張性材料との間の接触点は、これらの材料の一つの上の酸部分と２価の種（カルシウム、マグネシウム、銅、銀など）との間の又は酸部分と多価の種（鉄、アルミニウム、クロム及び他の多価金属イオン）との間のイオン性相互作用を含むことができる。
【００３０】
異なる種類の材料の空間的位置設定：
これらの２つの粒子型の空間的位置設定は、変化しうる。好適具体例において、膨潤性粒子は、非膨潤性粒子とランダムに混合されて、非膨張性粒子の周囲に分離して、又は非膨張性粒子を含むのに用いられる支持構造内に包含されて存在する。膨張する能力を有する繊維状材料並びに織られた及び織られてない材料のシートも又、同様の結果を与える仕方で利用することができるということは、当業者には自明である。
【００３１】
複合材料の多孔度：
細孔密度及び寸法が、材料に課する用途によって変化しうる重要な材料パラメーターであることは、複合材料の製造の分野で周知である。流体、液体及びガスの材料の通過は、細孔特性に依存する。記載された技術において、複合材料における細孔特性は、膨張性及び非膨張性材料の粒子サイズ、繊維寸法又はシートの厚み並びに膨張性材料と非膨張性材料との比を制御することにより操作され且つ「調和される」。これらの膨張性粒子の存在によるすべての粒子の固定化は、細孔又はボイドスペースが類似の又は異なる粒子型間に位置している複合材料の生成に役立つ。これらの粒状材料の各々は、特異的流体処理応用を助成して、それに参加する特徴的な細孔構造を有するということは注意すべきである。
【００３２】
好適な且つ適用可能な非膨張性材料：
この技術における固定化することのできる非膨張性粒子には、活性炭及び不活性炭、金属酸化物例えばアルミナ、二酸化チタン、及びこれらの化合物から生成される触媒物質が含まれ、当業者は、活性部位を含む分子（金属及び原子並びに金属及び半金属のナノコンポジットを含む）の支持材料表面への付着がこの発明の明らかな拡張であることを認めるであろう。
【００３３】
他の天然の及び合成の無機物を、この技術において固定化することができ、該無機物には、アルミノ珪酸塩例えばボーキサイト、カオリン及びシャプチロ沸石並びにリン灰石などの無機物を含むリン酸塩が含まれる。特に、ヒドロキシアパタイトを含むリン酸塩鉱物及び骨炭を含むヒドロキシアパタイトを含む無機物は、適当である。
【００３４】
純粋な金属粒子並びに合金（真鍮、銅、亜鉛及び貴金属を含む）を、記載された技術により固定化することができる。
【００３５】
更に、これらの粒子型のすべての混合物を、同じ一般的方法により固定化することができる。従って、無機物を含む触媒として利用される金属被覆された酸化物（白金及びロジウム）を固定化することができる。イオン交換樹脂を含む合成の粒子、薬物送達用粒子、及びゆっくり放出する化学肥料型粒子を、広範囲の混合物において固定化することができる。
【００３６】
好適な及び適用可能な膨張性流体処理用物質：
流体（ガス又は液体）の吸収の結果として膨張する材料を、ある範囲の合成及び天然の材料から生成することができる。これらの材料には、合成及び天然のポリマー並びにある種の粘土が含まれる。
【００３７】
「高吸収性材料」として知られる材料のクラスは、この点において特に適している。高吸収性材料は、完全には架橋されてない天然の、合成の又は混合されたポリマーである。それらは、高分子電解質又は非高分子電解質型として分類することができる（共有結合性、イオン結合性、又は物理的ゲル化材料も）。これらの材料は、それらの体積の何倍もの流体を吸収する能力を有している。合成材料の例には、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリアルコール、ポリアミン及びポリエチレンオキシドが含まれる。天然起源のものには、セルロース誘導体、キチン及びゼラチンが含まれる。加えて、合成ポリマーと天然ポリマーの混合物（別々の鎖でもコポリマーでもよい）を用いて、吸収性材料を生成することができる。例には、澱粉ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール及びポリアクリル酸、澱粉及びポリアクリロニトリル、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸、カラギーナン（海藻から単離したもの）、多糖類、ペクチン、キサンタン、ポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）、ポリビニルピリジン、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウム塩が含まれる。当業者は理解するであろうが、何れかの起源又は両起源から導かれたポリマー鎖を架橋する方法は、変えられるものであり、流体の吸収の等級、吸収されうる流体の種類の変化をもたらす。加えて、当業者は、分子の特性例えばポリマー鎖の分子量及び分布が性能に変化をもたらすであろうということを理解するであろうし、如何にこれらのパラメーターを改変してその結果生成するこの発明の基本的教義に合致した複合体の特性を変えるかを知るであろう。
【００３８】
膨張性粒子の無機の起源には、ベントナイト及び他の粘土並びにアルミノ珪酸塩（流体が吸収されたときに体積を増す）が含まれる。
【００３９】
「機能的」粒子の固定化のための他の方法は、合成の高分子バインダーを利用し、それらは、フィブリル化され又は溶融されて、粒状物質の閉じ込め及び「点結合」のための手段を与える。これらの方法は、複雑で高価な装置及び有意のノウハウ並びに適当に実施するための専門技術を必要とする。これらの用途において、バインダーは、単一の目的にかなう（それは、「機能的」粒子を固定化することである）。
【００４０】
この発明の材料は、任意の比及び組成の非膨張性及び膨張性粒子型を簡単に混合して、膨張した複合体を含むのに十分な寸法及び強度の支持構造に加えることができるので、高価な機具若しくは装置、又は有意の専門技術を必要としない。これは、多様な形状及び寸法の多くの異なる複合材料の製造を簡単にする。対照してみると、これまで知られているような溶融ポリマー（熱可塑性）の利用は、ポリマー特性の有意の理解及び高価な装置例えば押出機、型、射出成形用金型などを必要とする。複合材料の形状及び寸法を変えるためには、かなり高価な新しい押出機用ダイ及び／又は型が必要とされる。これらの金物類の改変は、この発明においては、必要でない。
【００４１】
この発明は、他の利点を有する（低コスト及び容易な適用に加えて）。これらには、熱可塑性物質及びエラストマーからの液体バインダーの調製に必要とされる加熱ステップの削除並びに異なるパラメーター又は特性を有する新規な製品の迅速な開発が含まれる。例えば、押出機を利用するときには、スクリュー速度、バレル温度並びにダイの形状及び寸法を、各押出される材料に最適にしなければならない。かかる材料を安定で首尾一貫した様式で生成するには、有意の試行錯誤及び技術的ノウハウが必要とされる。
【００４２】
この試行錯誤的アプローチは、この発明の材料を用いれば必要ない。現在の科学知識は、膨張性物質と非膨張性物質との密接な接触の生成について明確な理解を与える。
【００４３】
この発明は又、多くの応用において膨張性材料の量は、従来の材料で用いられたバインダーの量より少ないので、有利でもある。これは、単位体積当たりに存在する非膨張性材料の量を増大させる。膨張性材料が一層機能的な材料の固定化以外に役割を果さない応用において、これは、有意に有利である。ここに記載の幾つかの具体例において、膨張性材料のレベルは、１〜５％であり、膨張性材料と非膨張性材料の合わせた重量に基づいて２〜２．５％であることが示されている。これは、フィルター組成物に基づいて１０〜３０パーセント（通常、１５〜２５パーセント）のバインダーレベルを用いる引用された従来技術より遥かに低い。
【００４４】
しかしながら、本発明は又、単に非膨張性材料を「結合する」以外に、更なる機能性をも与える。固定化に役立つ膨張性材料は又、複合材料を通過する流体の流れに送達すべき活性な種又は分子を含む流体により膨潤しうる点において機能的でもある。当業者は、薬物、医薬及び水質調節剤の溶液を利用しうることを認めるであろう。加えて、異なる粒子型と構造支持体との間の密接な接触を与える同じ化学的官能基は又、イオン交換及び粒子結合を促進する活性な能力においても役立つ。特別の具体例において、ポリアクリル酸及びポリアクリルアミドベースの高吸収性材料を用いる。これらの材料は、更なる化学的及び生物学的に活性な部位を与える少なくとも一つの表面の帯電した官能基を有する。例として、正又は負に帯電した基の存在は、薬物及び医薬の結合、濃度の制御又は結合した種（金属、イオン及び粒子を含む）の遊離を与え、これらは、静菌又は抗菌機能、液体流れから溶解した固体の保持、及び水又は他の液体中の細菌及びウイルスの保持を与える。
【００４５】
この発明の更なる利点は、複合材料の製造方法に対する温度要求性に関係するものである。この発明は、非膨張性粒子を固定化するために、バインダー粒子を溶融させ又はフィブリル化することを必要としない。これは、非常に温度感受性である公知の方法と対照的である。その結果、これらの複合材料を、両粒子型及び膨潤に用いる流体が安定である任意の温度で形成することができる。従って、複合材料を、非常に低温で製造することができ、これは、温度感受性の化学的及び生物学的種の含有を促進する。
【００４６】
如何なる理論に縛られることも望まないが、この発明の複合精製用材料は、部分的に、非膨張性処理用粒子の膨張性材料による固定化の結果として及び、流体が複合精製用材料中で従来の顆粒精製／濾過材料におけるように流路を形成する代わりに複合精製用材料中を流れてその中に伸びた蛇行する進路をたどる必然性の結果として、流体からの化学的夾雑物及び微生物の除去におけるその非常に高い効率を達成すると考えられる。この伸びた進路は、流体が粒子（特に、非膨張性処理用粒子）の表面積の大部分と接触すること並びに流体の精製用材料中での持続的層流を防止することを確実にする。この後者の効果は、化学物質及び微生物を含む流体の層がフィルター装置中で顆粒との持続的接触を回避するのを防止するのを助けると考えられる。この複合精製用材料を一定期間使用した後に、閉鎖による更なる濾過が、吸着された物質がこの複合精製用材料の細孔内に蓄積するにつれて起きる。
【００４７】
流体濾過の技術に明るい者は、複合精製用材料の細孔寸法と物理的大きさが、様々な用途に応じて操作されうること及びこれらの変量の変化が流量、背圧並びに化学的及び／又は微生物学的教雑物除去の等級を変化させるであろうということを理解するであろう。同様に、当業者は、複合精製用材料の各成分のパーセンテージの変化が変化する有用性を与えるであろうということを認識するであろう。例えば、複合精製用材料中の膨張性物質のパーセンテージを増すことは、増大した圧力低下と一層低下した流れを有する材料を生じるであろうが、膨張性物質のパーセンテージを減らすことは、顆粒状材料に近い流量と圧力低下特性を有する複合精製用材料を生じるであろう。
【００４８】
この発明の一つの特別の具体例において、非膨張性処理用粒子は、リン灰石（骨炭の形態で使用）及び顆粒化された活性炭（ＧＡＣ）（最小に維持されている膨張性材料のパーセンテージとほぼ等しい量で存在する）を含む。しかしながら、この発明で用いられるリン灰石は、他の天然起源又は合成起源から得るか又は導くことができるということ及びこれらの異なる誘導体の混合物は複合精製用材料の特性に差異を与えうるということは認められよう。例えば、フィルター複合材料に対する鉱石中の増大したレベルのシリカは、もし水を流体として用いるならば、排水中のフルオリドの低下した減少を生じるであろう。か焼、精製及び熱処理は、通常、表面積を増大させ、従って、イオン除去能力を増大させる。これは、例えば、望ましいイオンレベルを維持するための方法などにおけるフッ素化水の精製において有用でありうる。フィルター複合材料へのフルオリドの添加は、流体として水を使用するならば、溶出液中のフルオリドの低下した減少を生じるであろう。これは、例えば、フッ素化水の精製において、所望のフッ素レベルを維持する方法などにおいて有用でありうる。フィルター材料中のフルオリドは、フッ素リン灰石に富むリン灰石混合物を含ませることにより、フッ化物塩及び化合物を含ませることにより、又は複合精製用材料を膨張性粒子により保持されるフルオリド調節用溶液を通すことにより予備調節することによって得ることができる。
【００４９】
この発明の他の特別の具体例において、非膨張性処理用粒子は、アルミナ、ボーキサイト、カオリン又は他のアルミノ珪酸塩含有鉱石及び顆粒状活性炭（ＧＡＣ）（最小に維持された膨張性材料のパーセンテージとほぼ等しい量で存在する）を含む。しかしながら、この発明で使用するアルミナが、他の天然の又は合成の起源から得られ又は導かれうるということ及びこれらの異なる鉱石の混合物が複合精製用材料の特性の差異を与えうるということは認められよう。例えば、フィルター複合材料への鉱石中の増大したレベルのシリカは、流体として水を用いるならば、溶出液中のフルオリドの低下した減少を生じるであろう。か焼、精製及び熱処理は、通常、表面積を増大させ、従って、イオン除去能力を増大させる。これは、例えば、フッ素化水の精製において、所望のイオンレベルを維持する方法などにおいて有用でありうる。フルオリドのフィルター複合材料への添加は、流体として水を使うならば、溶出水中のフルオリドの低下した減少を生じるであろう。これは、例えばフッ素化水の精製において、所望のフッ素レベルを維持する方法などにおいて有用でありうる。フィルター材料中のフルオリドは、フッ素リン灰石に富むリン灰石混合物を含ませることにより、フッ化物塩及び化合物を含ませることにより、又は複合精製用材料を膨張性粒子により保持されたフルオリド含有溶液を通すことにより予備調節することによって得ることができる。
【００５０】
当業者は、リン灰石及びアルミノ珪酸塩鉱石につき及びこの発明で利用することのできる他の吸収性材料について、種々の結晶格子が可能であるということ、及びこれらの変化は、ある種の結晶構造が、化学的、微生物学的及び他の生物学的材料との相互作用を改善し及び阻止するので、その結果生成する複合精製用材料の特性に差異を生じるであろうということも理解するであろう。これらの特性における差異は、微生物及び他の生物学的物質と結晶構造中に含まれる種々の正及び負のイオンを有する化学的夾雑物との間の相互作用における差異から生じる。この膨張性材料は、すべての結晶型を固定化することができる。
【００５１】
この発明の他の具体例において、複合精製用材料は、滅菌に耐えるように作成される。滅菌プロセスには、熱プロセス例えば蒸気滅菌又は他のプロセス（この場合、複合精製用材料を高温若しくは高圧又はその両者にさらす）、抵抗加熱、紫外線、赤外線、マイクロ波及び電離放射線を利用するプロセスを含む放射線滅菌（この場合、複合精製用材料を高放射線レベルにさらす）、及び化学的滅菌（この場合、複合精製用材料を高レベルの酸化剤若しくは還元剤又は他の化学種にさらすが、該滅菌は、ハロゲン、反応性酸素種、ホルムアルデヒド、界面活性剤、金属及びガス例えばエチレンオキシド、メチルブロミド、ベータ−プロピオラクトン及びプロピレンオキシドなどの化学物質を用いて行う）が含まれる。加えて、滅菌は、微生物学的成分の直接的酸化若しくは還元による電気化学的方法を用いて又は間接的に酸化的若しくは還元的化学種の電気化学的生成によって達成することができる。これらの方法の組合せも又、日常的に利用することができる。滅菌プロセスは、複合精製用材料を使用しながら、連続的に又は散発的に用いることができるということも理解されるべきである。
【００５２】
一般に、この発明は、流体特に水溶液又は水の、水中に粒状物として存在している有機及び無機の元素及び化合物を除去するための濾過及び精製のための装置を製造するための方法及び手段を含む。特に、この装置及び方法を用いて、化学物質例えば有機顔料、農薬及び重金属並びに微生物学的夾雑物（細菌及びウイルス並びにそれらの成分を含む）をヒト及び他の動物が消費し、使用する予定の水から除去することができる。この発明の方法及び装置は、この発明を用いて得られる微生物夾雑物の濃度の減少が、微生物学的水精製についてのＥＰＡ基準に注意を向けており且つ顆粒状吸着を組み込んだ他の公知の濾過及び複合精製用装置の効果を有意に超える用途において特に有用である。この発明の特別の具体例において、複合精製用材料は、顆粒状又は粒子状リン灰石により形成された多孔性複合材料であり、これは、ヒドロキシルアパタイト、塩素リン灰石及び／又はフッ素リン灰石、並びに他の随意の吸着性の顆粒状材料（如何に一層詳細に記載）例えば顆粒状活性炭（ＧＡＣ）、アルミナ及びボーキサイトを含むと規定される（膨張性材料の高分子マトリクスにより保持されている）。この特別の具体例に対応する方法において、微生物学的夾雑物は、水を、フィルター複合材料の流入側における水圧により又は溶出側における真空によって強制的に多孔性複合材料中を通したときに、水から除去される。
【００５３】
この発明の複合精製用材料がヒドロキシルアパタイトと吸着性顆粒状フィルター媒体（例えば、ＧＡＣ）の混合物からなる具体例において、これらの成分を、ランダムな様式で複合材料中に分散させることができる。この複合精製用材料は、空間的に別々の勾配又は離れた層によって形成することもでき、例えば、ヒドロキシルアパタイト及びＧＡＣ顆粒を離れた層中に膨張性物質例えば高分子高吸収材例えばポリアクリル酸又はポリアクリルアミドなどを用いて、ヒドロキシルアパタイト及びＧＡＣ粒子の移動が防止され且つ複合材料中の流体輸送中の有害な流路効果が予防されるように固定化することができる。これらの成分が、離れた位置で存在するならば、流体の流れは、これらの位置を通して順次的である。
【００５４】
この具体例の特別の例において、存在するリン灰石の少なくとも一部分は、ヒドロキシルアパタイトの形態であり、それは、骨炭の形態で加えられる。適当な材料の例は、ＢＲＩＭＡＣ２１６と呼ばれるものでＴａｔｅ ＆ Ｌｙｌｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙから販売されているものである。この材料は、所望の粒径（例えば、８０〜３２５メッシュ）にまで粉砕することができる。この材料の典型的分析は、９〜１１％の炭素、３％以下の酸不溶性灰分、５％以下の水分、約７０〜７６％のヒドロキシルアパタイト（リン酸三カルシウム）、７〜９％炭酸カルシウム、０．１〜０．２％の硫酸カルシウム及び０．３％未満の鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３として計算）を示す。この材料は、少なくとも１００ｍ^２／ｇの全表面積、少なくとも５０ｍ^２／ｇの炭素表面積、７．５〜６０，０００ｎｍの細孔分布及び０．２２５ｃｍ^３／ｇの細孔容積を有する顆粒形態で製造される。この材料の元素結合特性は、報告されており、塩素、フッ素、アルミニウム、カドミウム、鉛、水銀（有機及び無機）、銅、亜鉛、鉄、ニッケル、ストロンチウム、砒素、クロム、マグネシウム及びある種の放射性核種を含んでいる。有機分子結合能力は、錯有機分子、発色性化合物、流体に風味を加える化合物、流体に香りを加える化合物、トリハロメタン前駆物質、染料及び酸化トリブチル錫につき報告されている。
【００５５】
骨炭（ヒドロキシルアパタイトを含む）とＧＡＣを、この例では、ほぼ等量で、一体的複合精製用材料を構成するのに必要な最少量の膨張性物質と混合する。しかしながら、ＨＡ、ＧＡＣ及び膨張性物質の濃度は、かなり変化し、種々の濃度のこれらの物質を有する材料を、当業者は、過度の実験を必要とすることなく、同様の様式で利用することができる。しかしながら、一般に、ＧＡＣを追加の吸着剤として用いる場合には、その混合物中の濃度は、一般に、何らかの乾燥又は突固めをする前において、組成物の重量に対して約５０重量％未満である。加えて、ＧＡＣ以外の吸着剤を、多成分混合物においてＧＡＣの代わりに用い、又はＧＡＣと混合することができる。これらの吸着剤の例には、様々なイオン結合性材料例えば合成のイオン交換樹脂、ゼオライト（合成又は天然物）、珪藻土、及び少なくとも一種の他のリン酸塩含有物質例えばリン酸塩クラスの鉱物特にリン灰石群の鉱物が含まれる。
【００５６】
特に、リン灰石群（即ち、リン酸塩、砒酸塩、及びバナジン酸塩の群）の鉱物であって、同様の六方晶系の又は擬似六方晶系の単斜構造を有するもの、及び一般式Ｘ_５（ＺＯ_４）_３（ＯＨ、Ｆ又はＣｌ）を有するものは、特にこの発明に適している（式中、Ｘは、独立に、カルシウム、バリウム、ナトリウム、鉛、ストロンチウム、ランタン及び／又はセリウムなどのカチオンであってよく、各Ｚは、リン、バナジウム又は砒素などのカチオンであってよい）。
【００５７】
加えて、イオン結合のために用いる高分子材料（スチレン及びジビニルベンゼンの誘導体化樹脂を含む）及びメタクリレートを利用することができる。これらの誘導体には、第四アミン、第一及び第二アミン、アミノプロピル、ジエチルアミノエチル及びジエチルアミノプロピル置換基に基づくアニオン結合部位を有する官能化ポリマーが含まれる。カチオン結合部位を含む誘導体には、スルホン酸、ベンゼンスルホン酸、プロピルスルホン酸、ホスホン酸及び／又はカルボン酸部分により官能化されたポリマーが含まれる。
【００５８】
天然の又は合成のゼオライトも又、用いることができ、イオン結合材料として含まれうる（例えば、天然のアルミノ珪酸塩例えばシャプチロ沸石、ボーキサイト、カオリンなどを含む）。
【００５９】
適当な膨張性材料には、粒状材料を固定化すること及びこの固定化を使用条件下で維持することのできる任意の高分子材料が含まれる。それらは、一般に、複合精製用材料の全重量の約０．１〜９９．９重量％の、一層特には約０．２５〜１０重量％に及ぶ量で含まれる。適当な高分子材料には、天然及び合成のポリマーの両者並びに天然ポリマーの合成による改変物が含まれる。これらの高分子の膨張性材料には、一又はポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリアルコール、ポリアミン及びポリエチレンオキシドが含まれる。天然起源には、セルロース誘導体、キチン及びゼラチンが含まれる。加えて、合成ポリマーと天然ポリマーの混合物（別々の鎖はコポリマーにある）を用いて、これらの吸着性材料を生成することができる。例には、澱粉ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール及びポリアクリル酸、澱粉及びポリアクリロニトリル、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸カラギーナン（海藻から単離）、多糖類、ペクチン、キサンタン、ポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）、ポリビニルピリジン、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウム塩又はこれらの組合せが、生成される複合精製用材料の所望の機械的特性に依って含まれる。
【００６０】
一般に、ポリマー１グラムに対して１グラムより多くの流体を吸収するポリマーは、特に、適当なものとして挙げることができる。当業者は、流体を吸収したときに体積が膨張する任意の高分子物質を、この発明において、同様の仕方で利用することができる。
【００６１】
一般に、無機の粘土及びアルミノ珪酸塩は、膨張性材料の起源として利用することができる。当業者は、流体を吸収した際に体積が膨張する任意の無機物質をこの発明において同様の仕方で利用することができるということ及び殆どの場合に無機材料は単位重量当たり一層少ない流体を吸収するということを認めるであろう。
【００６２】
この発明での使用に適した天然ポリマー及び合成により改変した天然ポリマーには、天然の及び合成により改変したセルロース例えば綿、コラーゲン及び有機酸が含まれるが、これらに限らない。この発明での使用に適した生物分解性のポリマーには、ポリエチレングリコール、ポリ乳酸、ポリビニルアルコール、コポリラクチドグリコリド、澱粉、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸、カラギーナン（海藻から単離）、多糖類、ペクチン、キサンタンなどが含まれるが、これらに限らない。
【００６３】
殺菌することのできるフィルター材料の特別の具体例において、用いるリン灰石は、骨炭の形態であり、ＧＡＣ材料は、最少に維持された膨張性材料のパーセンテージとほぼ等量で存在する。使用する膨張性物質は、殺菌工程における温度、圧力、電気化学的反応及び化学的条件に対して安定でなければならず、或は、その殺菌法に適合性であるべきである。高温にさらすことを含む殺菌法（例えば、蒸気殺菌又はオートクレーブ）に適した膨張性物質の例は、ポリアクリル酸及びその誘導体を含み、様々な対イオンを組み込んでいる。これらの膨張性物質を用いて製造された複合精製用材料は、膨張性物質ポリマーを公知の基準に従って調製した際に、オートクレーブにかけることができる。望ましくは、この複合精製用材料は、蒸気殺菌即ちオートクレーブ処理と化学的殺菌即ち酸化還元性の化学種との接触の両方に対して安定である（殺菌工程のこの組合せは、複合精製用材料の効率的で効果的な再生に特に適しているので）。
【００６４】
殺菌を少なくとも部分的に酸化還元性化学種の電気化学的生成により行うこの発明の具体例において、該種の生成に必要な電気ポテンシャルは、複合精製用材料自体を電極の一つとして利用することにより得ることができる。例えば、高分子膨張性物質を含む複合精製用材料を、十分高レベルの導電性粒子例えばＧＡＣ、カーボンブラック又は金属粒子を含ませて、普通絶縁性の高分子材料を導電性にすることによって導電性にすることができる。或は、カーボン又は他の粒子の所望のレベルが絶縁性ポリマーを導電性にするだけ十分に高くないならば、本来導電性のポリマー又は金属をそのまま利用するか又は膨張性物質とブレンドすることができる。適当な本来導電性のポリマーの例には、ドープされたポリアニリン、ポリチオフェン及び他の公知の本来導電性のポリマーが含まれる。これらの材料を、膨張性材料と共に又は膨張性材料として十分な量で組み込んで、約１ｋΩ未満の、一層詳細には約３００Ω未満の抵抗を与えることができる。
【００６５】
本発明の複合精製用材料は、ブロックの形態であってよく（該形態でなくてもよい）、シート又はフィルムに成形することもできる。このシート又はフィルムを、特別の具体例において、例えばポリマーの織られた又は織られてないウェブにて処理することができる。この織られた又は織られてないウェブを形成するのに用いられるポリマーは、典型的に織物に用いられる任意の熱可塑性又は熱硬化性樹脂であってよい。ポリオレフィン例えばポリプロピレン及びポリエチレンは、この点において特に適している。
【００６６】
この発明の方法により生成された複合精製用材料の微生物学的夾雑物を低下させる効率は、複合材料中の細孔寸法と流入する流体の圧力（この材料を通過する流体の流量）の関数である。一定の流体圧力において、流量は、細孔寸法の関数であり、複合材料中の細孔寸法は、ＨＡ及びＧＡＣ顆粒の大きさを制御することにより調節することができ、大きい顆粒サイズは、一層低密度の、一層目の粗い複合精製用材料を与え、これは、一層速い流量を生じ、小さい顆粒サイズは、一層高密度の、一層目の細かい複合精製用材料を与え、これは、一層遅い流量を生じる。比較的大きいＨＡ顆粒を用いて形成された複合材料は、一層小さい顆粒を用いて形成された複合材料よりも一層少ない表面積と相互作用部位を有し、それ故、この大きい顆粒の複合精製用材料は、微生物学的夾雑物の同じ除去を達成するのに一層厚い寸法でなければならない。これらの因子は、製造プロセスにおいて制御可能であるので、これらの複合精製用材料は、細孔寸法、複合材料の体積並びに複合材料の外表面積及び幾何学的形状を変えることによりカスタマイズして種々の適用基準に合わせることができる。特定の具体例における平均細孔寸法は、嚢子の通過を排除するために、数ミクロン未満に維持され、一層特には、１ミクロン未満に維持される。ここに記載の細孔寸法は、吸着性又は吸収性粒子自体の細孔のものではなく、これらの粒子を膨張性材料により一緒に固定化したときの複合精製用材料内に形成される細孔のものをいうということに注意すべきである。
【００６７】
この発明の材料の製造方法は、その最も一般的な面において、非膨張性材料（及び随意の追加の粒状吸着材）を膨張性材料と合わせること及びこの合わせたものを適当なコンテナに加えることを含む。幾つかの点において、膨張性材料を膨潤させることのできる流体をこの合わせたものに加え、その結果、この合わせたものは、複合体を形成する。この流体の添加は、ある場合には、合わせたものを使用するまで必要でないが、一層早く行うことはできる。
【００６８】
この発明を、今から、微生物学的フィルターに対するＥＰＡ要求を満たし又はそれを超える一つの特別の具体例及びそれを実施する様式に関して説明する。この発明の複合精製用材料を含むフィルター装置の典型的な特別の具体例（多孔性の複合材料フィルターを組み込んである）。取り外し可能なハウジングには蓋を付け、その蓋は、流入用オリフィスと流出用オリフィスを有している。水の供給用導管をこの流入用オリフィスに繋いで未処理の水を装置内に送達し、排水用導管を流出用オリフィスに繋いで処理した水を装置から送り出す。水は、ハウジング内に進み、その水の流れの圧力は、それを多孔性複合材料フィルター部材（軸方向の内腔を有する中空の円筒形に形成してあるもの）を通過させ、処理された水は、流出用オリフィスに接続された軸方向の内腔内へ通過する。水を多孔性フィルター複合材料を通過させる他の構成（異なる幾何学的形状及び／又は異なる流れ特性を有してよい）がこの発明の範囲内にあると企図されるということは理解されるべきである。この複合材料は、膨張性及び非膨張性媒体の両方を２つの蓋を付けた多孔性チューブの間に位置させることにより形成される（外側チューブは、外径を限定し、内側チューブは、中央内腔である）。両チューブは、用いる粒子より小さい細孔寸法を有するように選択する。この特別の具体例において、これらのチューブの細孔寸法は、３００ミクロンより小さく且つチューブ組成は、ポリエチレンである。
【００６９】
この発明の複合精製用材料をシート又はフィルムの形態で利用する２つの具体例が構想される。普通の流通形濾過に関して用いられる複合精製用材料は、シート又はフィルムを通過することにより濾過される流体を有する。或は、複合精製用材料を、クロスフロー濾過に関して用いることができる。
【００７０】
実施例１
完全に機能的な装置の例として、円筒状フィルター複合体を、約４８．７５％ ＢＲＩＭＡＣ ２１６ 骨炭（Ｔａｔｅ ａｎｄ Ｌｙｌｅから入手）、約４８．７５％ 顆粒状活性炭及び、Ｃｈｅｍｄａｌから入手したポリアクリル酸ナトリウム（リチウム対イオンも使用できた）よりなる約２．５％ 膨張性材料の材料組成を用いて製造した。
【００７１】
この円筒状又はドーナツ形状の複合材料は、約９．８インチ長で、外径は、約２．５インチで内径（内腔）は、約１．２５インチであった。この形状のフィルターは、家庭及び産業用設定で用いられる標準的な水濾過用ハウジングに適合する。このフィルター材料は、約３００Ωの抵抗を有した。粒状媒体に構造的支持を与える外側コンテナは、Ｐｏｒｅｘから得られる多孔性ポリエチレンよりなるものである。このチューブには、底部にキャップをして、適当な適合が、キャニスターのキャップへの接続用の頂部で与えられる。この試作品を試験して、水中の食品用色素を減じること並びに水中の塩素を除去することの両方が見出された。
【００７２】
実施例２
実施例１で製造したフィルターを、活性炭で濾過してから２．３×１０^８コロニー形成単位／ｌの大腸菌と１．０×１０^７プラーク形成単位／ｌの１型ポリオウイルスを播種した水道水にさらすことによりその能力を調べる。この播種した水を、フィルター複合材料を約２リットル／分の流量で３分間にわたって通過させた後に、５００ｍｌの溶出試料を採取する。大腸菌を膜濾過手順により、ｍ−Ｅｎｄｏ寒天プレート上でアッセイし、ポリオウイルス１型を、ＢＧＭ細胞上でプラーク形成法によりアッセイする。
【００７３】
実施例３
完全に機能的な装置の例として、円筒状フィルター複合体を、ＫＤＦ（高純度の真鍮からなる市販の材料）９７．５％及び Ｃｈｅｍｄａｌのポリアクリル酸ナトリウムよりなる膨張性材料 約２．５％の材料組成で製造した。
【００７４】
この円筒状又はドーナツ形状の複合材料は、約９．８インチ長であり、外径が約２．５インチで、内径（内腔１８）は、約１．２５インチであった。この形状のフィルターは、家庭及び産業用設定で使用される標準的水濾過用ハウジングに適合する。このフィルター材料は、約３００Ωの抵抗を有した。粒状媒体のための構造的支持を与える外側コンテナは、Ｐｏｒｅｘから入手した多孔性ポリエチレンよりなるものである。このチューブに、底部にキャップをして、適当な適合が、キャニスターのキャップへの接続用の頂部で与えられる。
【００７５】
実施例４
実施例３で製造したフィルターを、活性炭で濾過してから２．３×１０^８コロニー形成単位／ｌの大腸菌と１．０×１０^７プラーク形成単位／ｌの１型ポリオウイルスを播種した水道水にさらすことによりその能力を調べる。この播種した水を、フィルター複合材料を約２リットル／分の流量で３分間にわたって通過させた後に、５００ｍｌの溶出試料を採取する。大腸菌を膜濾過手順により、ｍ−Ｅｎｄｏ寒天プレート上でアッセイし、ポリオウイルス１型を、ＢＧＭ細胞上でプラーク形成法によりアッセイする。
【００７６】
実施例５
実施例１で製造したフィルターを、塩素を含む水道水にさらすことによりその能力を調べた。循環する水の塩素濃度の低下を、市販の塩素（プール）比色試験用キットを用いて定量した。この水（１０ガロン）の塩素レベルは、次亜塩素酸ナトリウムの添加によって１０〜２０ｐｐｍまで増大した。この水を、数分間このフィルターを通して循環させた後に、塩素レベルは検出されなかった。
【００７７】
上記のように、この発明の複合材料は、水精製の分野、特に飲料水生成の分野において極めて有用である。本発明の材料が水から微生物を除去する極めて高い効率の故に、それは、微生物学的水清浄器として用いられる材料についてのＥＰＡガイドラインを満たし且つ超えるものである。飲料水用の清浄器としての機能に加えて、この発明の材料は又、リクレーション目的のために使用する水例えば水泳用プール、温水浴槽及び温泉で使用する水を精製するためにも利用することができる。
【００７８】
微生物及び他の細胞を水溶液から効率的に除去し、固定化するこの発明の材料の能力の結果として、それは、医薬品及び医療分野において多くの用途を有している。例えば、この発明の材料を用いて、血液を、その成分を例えば血液細胞から血漿を分離することによって分画することができ、又他の生理学的液体から微生物を除去することができる。この発明を用いて、逆浸透技術のための材料を提供することのできる材料を生成することができる。
【００７９】
この材料は又、極めて低い微生物含量を有する高度に精製された空気を必要とする病院又は産業分野（例えば、集中治療病棟、手術室、及び免疫抑制された患者の治療に使われるクリーンルーム又は電子部品及び半導体装置を製造するための産業用クリーンルーム）で利用することもできる。
【００８０】
この発明の材料は、発酵応用及び細胞培養における多数の用途を有しており、該用途においては、それを用いて、微生物を水性流体例えば発酵肉汁又はプロセス液体から除去することができ、これらの液体を一層効率的に利用すること及び例えば微生物株の交差汚染なしで再利用することを可能にする。加えて、この材料は、微生物の除去及び一度除去されたものを保持することに非常に効率的であるので、それを微生物の利用を必要とする酵素その他の処理のための固定化媒体として利用することができる。所望の微生物を含む播種溶液を先ずこの発明の材料を強制的に通過させ、次いで、例えば酵素基質として働くタンパク質又は他の物質を含む基質溶液を、この播種した材料を通過させる。これらの基質溶液がこの材料を通過する際に、その中に溶解又は懸濁している基質は、固定化微生物と接触し、一層重要なことには、これらの微生物により生成された酵素と接触し、次いで、該酵素はこれらの基質分子の反応を触媒することができる。次いで、反応生成物を、他の水溶液で洗うことによってこの材料から溶出させることができる。
【００８１】
この発明の材料は、他の多くの産業上の用途（例えば、冷却システムで使用する水の濾過）を有している。冷却水は、しばしば、塔、ポンドその他の処理用設備を通過し、そこでは、微生物が流体と接触することができ、栄養を得て増殖することができる。この水における微生物の増殖は、しばしば、処理設備が詰まったり損傷を受けるほど十分に強いものであり、大規模な化学処理を必要とする。微生物が実質的に増殖できる前にそれらを除去することにより、本発明は、冷却液に関係した健康上の危険を減らし、化学処理プログラムに関係したコスト及び危険を減らすことを助ける。
【００８２】
同様に、呼吸することのできる空気は、しばしば、輸送システムにおいて、コストを下げるため（商業用航空路線などで）又は限られた供給しか得られないために（潜水艦及び宇宙船などで）、再利用されている。微生物の効率的除去は、この空気を一層安全に再利用することを可能にする。加えて、この発明の材料を用いて、家庭又は事務所における室内の空気の質を、既にそこで使用されている空気循環及び調節システムに関連して向上させることができる。この発明の複合精製用材料は又、他の種類のガス例えば手術若しくは歯科医術で使用される麻酔ガス（例えば、亜酸化窒素）、炭酸飲料産業で使用されるガス（例えば、二酸化炭素）、プロセス設備をパージするためのガス（例えば、窒素、二酸化炭素、アルゴン）、及び／又は表面から粒子を除去するためのガスなどの精製のために利用することもできる。
【００８３】
この発明の複合材料を用いて、化学物質（例えば、金属）及び生化学物質（例えば、酵素）に基づく触媒装置を生成することができる。これらの装置を用いて、放出ガス例えば化学工業、鉱業、電力産業、及び製造業により生成されるもの並びに消費者製品例えば燃焼機関から供給されるものを処理し又は改善することができる。
【００８４】
これらの用途の各々において、この発明の材料を利用する方法は、比較的簡単であり、濾過分野の当業者には明白なものであろう。精製すべき流体を、単に、この発明の複合材料又は材料のシート（典型的には、ある形態のハウジング内に配置されている）の片側に通すだけであり、該流体は、複合精製用材料を横切る圧力降下の結果としてその材料を通過させられる。精製され、濾過された流体は、次いで、フィルターの「清浄な」側から運び去られて、更に処理されるか又は利用される。
【００８５】
本発明を、こうして、その特定の具体例を挙げて説明してきたが、これらの具体例の多くの変法及び改変がこの発明の精神の範囲内で為されうることは当業者には明らかであり、これらは、添付の請求の範囲及びそれらの同等物の範囲内に入るものである。

Claims (68)

1. 粒状の流体処理用材料及び、流体の存在下で十分に膨潤して粒状流体処理用材料を固定化する膨張性材料を含む多孔性の複合精製用材料であって、流体が通過することのできる細孔を含む当該複合精製用材料。
2. 多孔性ブロック複合材料の形態である請求項１に記載の複合精製用材料。
3. 多孔性ブロック複合材料が、コンテナ又は支持構造の形態である請求項２に記載の複合精製用材料。
4. 多孔性の細長いシートの形態である請求項１に記載の複合精製用材料。
5. 多孔性シートが、コンテナ又は支持構造の形態である請求項４に記載の複合精製用材料。
6. 多孔性シート及びコンテナが、可撓性である請求項４に記載の複合精製用材料。
7. 前記の膨張性材料の少なくとも一部分が、高吸収性材料である請求項１に記載の複合精製用材料。
8. 高吸収性材料が、ポリマー材料を含む請求項７に記載の複合精製用材料。
9. 高吸収性材料が、約１〜９９％の架橋度を有する架橋されたポリマーである請求項８に記載の複合精製用材料。
10. ポリマーが、滅菌条件下で安定である請求項９に記載の複合精製用材料。
11. 前記の高吸収性材料が、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリアルコール、ポリアミン、ポリエチレンオキシド、セルロース、キチン、ゼラチン、澱粉、ポリビニルアルコール及びポリアクリル酸、ポリアクリロニトリル、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸、海藻から単離されたカラギーナン、多糖類、ペクチン、キサンタン、ポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）、ポリビニルピリジン、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウム塩、ポリビニルアセテート及びポリ乳酸又はこれらの組合せよりなる群から選択される材料を含む請求項８に記載の複合精製用材料。
12. 高吸収性材料が、アクリル酸の重合により得られる樹脂及びアクリルアミドの重合により得られる樹脂よりなる群から選択される材料を含む請求項７に記載の複合精製用材料。
13. ポリマー材料が、天然のポリマー、セルロース、アルギン酸、海藻から単離したカラギーナン、多糖類、ペクチン、キサンタン、澱粉及びこれらの組合せを含む請求項８に記載の複合精製用材料。
14. 高吸収性材料が、イオン的に帯電した表面を含む請求項７に記載の複合精製用材料。
15. 高吸収性材料は、その材料表面の１〜１００％がイオン的に帯電した表面を含む請求項１４に記載の複合精製用材料。
16. 天然ポリマーが、天然の及び人工改質したセルロース、コラーゲン及び有機酸よりなる群から選択される請求項１３に記載の複合精製用材料。
17. 高吸収性材料が、生物分解性ポリマーを含む請求項８に記載の複合精製用材料。
18. 高吸収性材料が、粘土又はアルミノ珪酸塩材料を含む請求項７に記載の複合精製用材料。
19. 高吸収性材料が、ベントナイトを含む請求項７に記載の複合精製用材料。
20. 天然ポリマーが、ポリエチレングリコール、ポリ乳酸、ポリビニルアルコール、コポリラクチドグリコリド、セルロース、アルギン酸、海藻から単離したカラギーナン、多糖類、ペクチン、キサンタン、澱粉及びこれらの組合せよりなる群から選択される生物分解性ポリマーである請求項１６に記載の複合精製用材料。
21. 複合精製用材料が、シートの形態であり、織布上に配置されている請求項８に記載の複合精製用材料。
22. 複合精製用材料が、シートの形態であり、不織布上に配置されている請求項８に記載の複合精製用材料。
23. 高吸収性材料が、複合精製用材料の全重量の約０．１〜９９．９重量％の量で存在する請求項７に記載の複合精製用材料。
24. 吸収性樹脂、活性炭、活性化アルミナ、リン灰石、金属粒子及び鉱石よりなる群からの少なくとも一の更なる吸着材を更に含む請求項１に記載の複合精製用材料。
25. 前記の更なる吸着材が、顆粒状活性炭を含む請求項２４に記載の複合精製用材料。
26. 骨炭の形態のリン灰石を更に含む請求項２５に記載の複合精製用材料。
27. 前記の骨炭及び前記の顆粒状炭が、ほぼ等量で存在する請求項２６に記載の複合精製用材料。
28. 前記の骨炭及び前記の活性炭が、前記の複合精製用材料の全重量に対して約４８．７５重量％の量で存在し、且つ前記の膨張性材料が、約２．５重量％の量で存在する請求項２７に記載の複合精製用材料。
29. 合成のイオン交換樹脂、ゼオライト、アルミニウム鉱物、及びホスフェート鉱物よりなる群から選択されるイオン結合性材料を含む吸着材を更に含む請求項１に記載の複合精製用材料。
30. ホスフェート鉱物が、リン灰石の鉱物群の一種である請求項２９に記載の複合精製用材料。
31. アルミナ鉱物が、アルミニウムクラスの鉱物の一種である請求項２９に記載の複合精製用材料。
32. 合成のイオン交換樹脂が、官能化されたスチレン、ビニルクロリド、ジビニルベンゼン、メタクリレート、アクリレート、並びにこれらの混合物、コポリマー及びブレンドである請求項２９に記載の複合精製用材料。
33. ゼオライトが、シャプチロ沸石として知られた鉱物を含む珪酸塩である請求項２９に記載の複合精製用材料。
34. 水又は水性流体の存在下で酸化又は還元を受ける少なくとも一の材料を更に含む請求項１に記載の複合精製用材料。
35. 微生物学的夾雑物を水又は水性流体から濾過するための装置であって、下記を含む当該装置：
    ハウジング；
    請求項１に記載の複合精製用材料である多孔性複合材料。
36. ハウジングが、入口、出口及びそれらの間の接触用チャンバーを含み、前記の多孔性複合材料が、接触用チャンバーに配置されており、それにより、流体が該入口からハウジングに流入して多孔性複合材料を通過し、その後、出口を通ってハウジングから流出する請求項３５に記載の装置。
37. 流体を濾過して流体から微生物を除去する方法であって、その流体を、請求項１に記載の複合精製用材料を通して流し、それにより、濾過された流体を得る当該方法。
38. 前記の流体が、水である請求項３７に記載の方法。
39. 濾過された水が、持ち運びできる請求項３８に記載の方法。
40. 前記の流体が、水溶液である請求項３７に記載の方法。
41. 前記の水溶液が、血液である請求項４０に記載の方法。
42. 前記の水溶液が、発酵用肉汁である請求項４０に記載の方法。
43. 前記の水溶液が、化学的又は生物学的プロセスにおいてリサイクルされる流れである請求項４０に記載の方法。
44. 水溶液が、細胞培養プロセスにおいてリサイクルされる流れである請求項４０に記載の方法。
45. 水溶液が、外科操作で使用されたものである請求項４０に記載の方法。
46. 流体が、呼吸することのできる空気を含む請求項３７に記載の方法。
47. 流体が、パージ用ガスを含む請求項３７に記載の方法。
48. パージ用ガスを、Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｎ_２又はＡｒよりなる群から選択する請求項４７に記載の方法。
49. 流体が、麻酔用ガスである請求項３７に記載の方法。
50. 麻酔用ガスが、亜酸化窒素である請求項４９に記載の方法。
51. 前記の複合精製用材料を滅菌によって再生することを更に含む請求項３７に記載の方法。
52. 前記の滅菌が、複合精製用材料を高い温度、圧力、放射線レベル又は化学的酸化剤若しくは還元剤又はこれらの組合せにさらすことを含む請求項５１に記載の方法。
53. 前記の滅菌が、オートクレーブ処理を含む請求項５２に記載の方法。
54. 前記の滅菌が、電気化学的処理を含む請求項５２に記載の方法。
55. 前記の滅菌が、化学的酸化とオートクレーブ処理の組合せを含む請求項５２に記載の方法。
56. 前記の流体が、ガス混合物である請求項３７に記載の方法。
57. 濾過されるガスが、空気である請求項５６に記載の方法。
58. 前記の流体が、化学的に非反応性のガスである請求項３７に記載の方法。
59. 前記のガスが、酸素、二酸化炭素、窒素、アルゴン又は窒素酸化物である請求項５８に記載の方法。
60. 前記のガスを利用してチャンバーを加圧する請求項５８に記載の方法。
61. 溶液中のスパージングガスの濃度を増大させる目的で、前記のガスを利用して水溶液を散布し又はパージする請求項５８に記載の方法。
62. 溶液中に最初に存在するガスの濃度を減少させる目的で、前記のガスを利用して水溶液を散布し又はパージする請求項５８に記載の方法。
63. 前記のガスを利用して粒状材料を表面から除去する請求項５８に記載の方法。
64. リン灰石及び、流体の存在下で十分に膨潤して該リン灰石を固定化する膨張性材料を含む微生物の固定化及び接触用の媒体であって、硬い多孔性の複合材料又はシートの形態である当該固定化及び接触用媒体。
65. 更に少なくとも一の微生物を細孔内に配置して含む請求項６４に記載の固定化及び接触用媒体。
66. 高吸収性材料が、水流体処理用媒体として機能する請求項７に記載の複合精製用材料。
67. 高吸収性材料が、コポリマーである請求項７に記載の複合精製用材料。
68. 化学プロセス流れの化学的変換のための触媒を更に含む請求項１に記載の複合精製用材料。