JP2022533425A - 浄水用金属発泡体 - Google Patents

Abstract

銅金属発泡体などの金属発泡体は、水のろ過と浄化に使用される。方法は、ランダムまたは細長いチャネル細孔と大きな表面積からなる三次元的に接続され、それにより、汚染された水滴と接触する銅の表面積を増やし、それらを浄化する銅発泡体フィルターを使用して、バクテリアやウイルスを殺す能力を備えた新しい浄水装置を製造するために使用される。銅発泡体水フィルターは、数マイクロメートルから数十マイクロメートルのオーダーの細孔と、５０パーセントから７５パーセントの範囲の多孔度を持ち、水のろ過時間と、ろ過中の銅発泡体の細孔表面と水滴との接触時間を適切に制御する。

Description

（関連出願の相互参照）
この特許出願は、2019年5月21日に出願された米国特許出願62/851,002の利益を主張しており、当該内容は、この出願に引用されている他のすべての参考文献とともに参照により組み込まれている。

本発明は、水のろ過および浄化に関するものであり、より具体的には、水のろ過および浄化のための銅金属発泡体などの細孔表面積が増強された発泡金属材料を使用する技術に関する。特に、銅はバクテリアおよびウイルスを殺すことができる。

２１世紀におけるいくつかの技術的進歩と優れた新しい発見にもかかわらず、きれいな水へのアクセスの欠如が依然として多くの発展途上国で蔓延しているという問題があることは驚くべき事実である。汚染された飲料水や飲料水の自然な不足などの水関連の問題により、インド、アフリカ、中国などの国々で毎年２００万人以上の子供たちが亡くなっている。

現在の技術では、紫外線（UV）フィルターを使用して、電磁放射を施すことにより、汚染された水に含まれるバクテリアやウイルスを殺す。UVデバイスは化学薬品を使用せず、最大９９．９９％のバクテリアを殺すことができるが、設置コストが高額である。

特に銅金属発泡体などの比較的安価な金属発泡体をろ過材料として使用することにより、水のろ過および浄化のための改善された技術が必要とされている。

銅金属発泡体などの金属発泡体は、水のろ過および浄化に使用される。銅は、汚染された水に含まれる有害な病原体、ウイルス（SARS、MERS、COVID-19などのコロナウイルスなど）および微生物を根絶することが明確に確認されているため、銅金属発泡水フィルターは汚染水中のバクテリアやウイルスを殺すことができる。銅発泡体は、任意の浄水装置の注ぎ口に配置することができるため、別の既存の浄水装置に加えて、水の浄化と殺菌の追加の方法が可能になる。銅発泡体による処理は、たとえば、粒状活性炭、逆浸透、アルカリろ過、およびその他の技術と組み合わせて使用できる。

銅発泡体による処理は、水の浄化の効果的な方法であるだけでなく、さらに重要なことに、銅発泡体は、大量に比較的容易に製造することができる比較的安価な材料である。きれいで新鮮な水の供給へのアクセスが不十分な発展途上国にいる１０億人以上の人々のために、この低コストの発泡金属フィルター技術は、きれいな水を直接必要としている発展途上国に圧倒的なプラスの影響を与えることができる。したがって、特に発展途上国の小規模な施設では、その手頃な価格のために、浄水装置用の発泡金属フィルター技術に対する大きな需要とニーズがある。

三次元的に接続された銅発泡体フィルターを使用して、バクテリアおよびウイルスを殺す能力を有する新しい浄水装置を製造するための方法が使用される。銅発泡体フィルターは、ランダムまたは細長い経路の細孔および大きな表面積からなり、それにより、汚染された水滴と接触する銅の表面積を増加し、それらを浄化する。銅発泡水フィルターは、数マイクロメートルから数十マイクロメートルオーダーの細孔と、５０パーセントから７５パーセントの範囲の多孔度を有し、水のろ過時間と、ろ過中の銅発泡体の細孔表面と水滴との接触時間を適切に制御する。

実施において、装置は、ろ過中に汚染された水に含まれるバクテリアおよびウイルスを殺すために汚染された水滴と接触する細孔表面を備えた発泡金属フィルター材料を含む。上記発泡金属フィルター材料は、活性炭フィルター、逆浸透フィルター、紫外線フィルターなどの別のフィルター（例えば、従来のフィルター）、あるいはその他のフィルター、および任意に組み合わせたものと交換するか、それらと組み合わせて使用することができる。

上記発泡金属フィルター材料は、銅発泡体、銅スズ合金発泡体、銅亜鉛合金発泡体、銅ニッケル合金発泡体、銅シリコン合金発泡体、銅アルミニウム合金発泡体、銀発泡体、鉄発泡体、アルミニウム発泡体、またはチタン発泡体の少なくとも１つを含むことができる。上記発泡金属フィルター材料は、銅発泡体にすることができる。当該銅発泡体は、活性炭フィルターなどの従来のフィルターの前または後に配置されることにより、汚染水中のバクテリアおよびウイルスを銅発泡体フィルターにより最初に除去し、その後、従来のフィルターを使用してさらに処理水を洗浄することができる。上記発泡金属フィルターは、約５０パーセントと約７５パーセントとの間の多孔度を有し、かつ、約０．１ミクロンから約１００ミクロンの範囲の細孔サイズを有することができる。

多孔質の発泡金属フィルター材料を形成する製造プロセスは、凍結鋳造、スペースホルダー、または脱合金化のうちの少なくとも１つを含むことができる。多孔質の上記発泡金属フィルター材料を形成する製造プロセスは、粉末スラリーの凍結または乾燥、および、還元または焼結プロセスを含む凍結鋳造方法を備えることができる。当該凍結鋳造方法において、水またはカンフェンベースの粉末スラリーは、摂氏約－１０度と摂氏約－８０度との間の比較的低温で凍結および乾燥されて、素体を形成し、その後比較的高温で還元または焼結されて３次元接続された固体多孔質構造が形成される。摂氏約２００度と摂氏約３５０度との間の温度で、生じる得る。摂氏約７００度と摂氏約１１００度との間の温度で、焼結が生じる得る。

銅酸化物粉末は、結合剤と分散剤を添加した後、水またはカンフェンに約８体積パーセントと約２２体積パーセントとの間の体積分率で混合できる。チタン粉末は、結合剤と分散剤を添加した後、水またはカンフェンに約１０体積パーセントと３０体積パーセントとの間の体積分率で混合される。

発泡金属フィルター材料は、細孔表面に二酸化チタンコーティングが成長したチタン発泡体とすることができる。チタン発泡体は、可視光または紫外線と組み合わせて使用することでバクテリアやウイルスを殺す。

実施において、方法は、水源入口を第１フィルターに結合させる工程と、上記第１フィルターの出口を第２フィルターに結合させる工程と、処理されるように、上記水源入口から上記第１フィルターに向けて、上記第１フィルターを通過させて、上記第２フィルターに向けて、上記第２フィルターを通過するように水を案内する工程と、上記第２フィルターの出口に処理水を供給する工程とを備える。上記第１フィルターまたは上記第２フィルターの少なくとも１つは、発泡金属材料を含む。

上記発泡金属材料が、約５０パーセントから約７５パーセントの多孔度を有する銅発泡体であり得る。上記銅発泡体は、７ｍｍ以上の厚さを有することができる。他の実施では、上記銅発泡体は、１、２、３、４、５、または６ミリメートル以上の厚さを有する。

上記銅発泡体は、約４０ミクロン未満の細孔サイズを有することができる。他の実施では、上記銅発泡体は、５０、４５、４０、３８、３５、３４、３０、２８、２５、２３、２０、１８、１０、または５ミクロン以下の孔径を有する。上記銅発泡体は、約１０ミクロン以下の支柱サイズを有することができる。他の実施形態では、上記銅発泡体は、３０、２５、２０、１６、１０、８、７、６、５、４、３、または２ミクロン以下の支柱サイズを有する。

実施において、方法は、水源入口を第１フィルターに結合させる工程と、上記第１フィルターの出口を第２フィルターに結合させる工程と、処理されるように、上記水源入口から上記第１フィルターに向けて、上記第１フィルターを通過させて、上記第２フィルターに向けて、上記第２フィルターを通過するように水を案内する工程と、上記第２フィルターの出口に処理水を供給する工程とを備える。上記第１フィルターまたは上記第２フィルターの少なくとも１つは、発泡金属材料を含む。上記発泡金属材料は、約５０パーセントから約７５パーセントの多孔度を有する銅発泡体を含む。上記銅発泡体は、７ｍｍ以上の厚さを有する。上記銅発泡体は、約１０ミクロン以下の支柱サイズを有する。

上記第１フィルターは、活性炭を含むことができ、上記第２フィルターは、上記銅発泡体を含むことができる。上記第１フィルターは、逆浸透フィルターを含むことができ、上記第２フィルターは、上記銅発泡体を含むことができる。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を検討することで明らかになるであろう。ここで、同様の参照符号は、図全体を通して同様の特徴を表す。

図１は、水フィルターの一般的な原理のブロック図である。 図２は、水をろ過するための活性炭フィルターの使用を示す図である。 図３は、水をろ過するための逆浸透フィルターの使用を示す図である。 図４は、水をろ過するためのアルカリイオン整水器またはイオン整水器の使用を示す図である。 図５は、水をろ過するための紫外線フィルターの使用を示す図である。 図６は、水をろ過するための蒸留フィルターの使用を示す図である。 図７は、水ろ過に銅発泡体を使用する手法を示す図である。 図８は、銅発泡体材料の上にある汚染された水滴を示す図である。 図９Ａおよび図９Ｂは、銅発泡体フィルターを通過する水のシーケンスを示す図である。 図１０Ａおよび１０Ｂは、水ろ過に使用される銅発泡体材料の拡大断面図を示す図である。 図１１は、発泡金属フィルター材料を含む、ユースポイント水ろ過システムまたはデバイスのブロック図を示す。

図１は、水フィルターの一般的な原理のフロー図を示す。フロー１０２内の各ブロックは、地方自治体の水処理システムまたは大規模な処理プラントの段階を表す。

ステージ１０５では、水がメッシュスクリーンを通過し、デブリを除去する。
ステージ１０８では、砂、藻類、またはその他のろ過材で構成される第２ステージのフィルターを使用して、バクテリアなどの小さな汚染物質を除去する。

ステージ１１１では、（最終ステージにすることができる）第３ステージのフィルターを使用して水を消毒する。これは、紫外線（UV）光、放射線、または塩素またはオゾンガスによって行なうことができる。あるいは、他の消毒剤または消毒プロセスを使用することもできる。この段階では、農薬や臭いを取り除くことができる。

ステージ１１４では、処理ステージを通過した後、給水から比較的大きな粒子と汚染物質が除去される。その後、処理された水は、企業、家庭、およびその他の水の消費者に届けることができる。

第２段階では、バクテリアを物理的に除去する。第３段階は、バクテリアを電磁的に除去する。バクテリアやウイルスの除去には、よりシンプルで効果的な水フィルター技術が望まれる。

しかし、処理された水が自治体の家に届くからといって、水が１００％純粋またはきれいであることを意味するわけではない。いくつかの外部要因（たとえば、老朽化した給排水）は、配管内の微生物で水が汚染される原因となり得る。いくつかの例には、老朽化したパイプや下水漏れが含まれる。老朽化したパイプでは、重金属が水道に漏れたり浸出したりする可能性がある。これが、（たとえば、家庭、オフィス、または噴水フィルターでの）蛇口または飲み口で、フィルターを使用することが依然として重要である理由である。

ユースポイントフィルターの例は、粒状活性炭（granular activated carbon: GAC）フィルターである。粒状活性炭フィルターは、表面積が大きいため比較的安価で効果的であるが、バクテリアやウイルスを除去することはできない。

粒状活性炭フィルターは、一般向けである。これは、少量の炭素は表面積が大きいためである。粒状活性炭（GAC）３２０００平方フィートにつき１ｇ、そして、一般的なカーボン粉末サイズ：２０×４０カーボン（８５％通過）。粒状活性炭フィルターを使用すると、より多くの汚染物質をろ過して取り除くことができる。いくつかの例には、重金属（鉛、水銀など）が含まれる。平均的な汚染物質サイズのフィルターは、１立方センチメートルあたり約３．５グラムから１立方センチメートルあたり約７グラムである。また、粒状活性炭フィルターは、フッ化物、カルシウム、マグネシウムなどの体に有益な正のミネラルイオンを残す。

図２は、水をろ過するための活性炭フィルターの使用を示す。汚染水は活性炭フィルターに投入され、処理水は活性炭フィルターから排出される。活性炭フィルターは使いやすい。しかし、一般的に活性炭フィルターの寿命は比較的短い。活性炭フィルターは、化学物質を除去しにくい。

活性炭（activated carbon: AC）フィルターには長所と短所がある。長所として、木材、瀝青、ココナッツオイルなどの天然素材から作られている点、低コストでメンテナンスが簡単である点、水の味と匂いを高める点、塩素、臭素などの化学消毒剤をろ過するのが得意である点が挙げられる。短所としては、比較的短い耐用年数、効果を上げるには、活性炭フィルターを交換する必要がある点、炭素に引き付けられない化学物質（ナトリウムや硝酸塩など）の除去は得意ではない点が挙げられる。

活性炭フィルターは、主に住宅で使用されている。交換期間またはライフサイクルは、水の色、臭い、味が変化する約６～１２か月が推奨される。交換しない場合には、水質が低下したり、バクテリアが繁殖したり、あるいはその両方が発生する可能性がある。

活性炭フィルターのプロセスフローには次のものが含まれる。
１．汚染された水は最初に活性炭フィルターに入る。

２．吸収プロセス：有機粒子と化学粒子の両方が活性炭フィルター内に閉じ込められた場合。

３．活性炭フィルターは、より大きな分子を含む有機化学物質を除去するのに最適な傾向がある。

４．活性炭フィルターの性能に影響を与える要因は分子量である。分子量が大きいほど、分子は水に溶けにくいため、活性炭により効果的に吸収される。

５．物理的フィルタリング：小さな粒子（たとえば、砂、水道水と接触する人工または合成の化学物質）を除去する。

６．化学的除去：いくつかの例には、硫化水素、塩素、ベンゼン、およびラドンなどが含まれる。化学的ろ過と物理的ろ過の両方が重要である。これらの２つの段階は、可能な限り最も純粋または最もきれいな水を得るのに必要だからである。

図３は、水をろ過するための逆浸透フィルターの使用を示している。ステージ３０１では、藻類、プランクトン、浮遊物質、コロイド、病原体、および高分子がろ過される。ステージ３０３では、より小さな固形物と塩がろ過される。ステージ３０５では、ミネラルがろ過される。逆浸透（reverse osmosis: RO）フィルターは、主に住宅で使用される。交換期間/ライフサイクルは約６～１２か月が推奨される。逆浸透フィルターでは、タイムリーなフィルター交換が重要である。

逆浸透フィルターのいくつかの長所として、水の味、臭い、外観を改善する点、長期的にお金を節約する（たとえば、水の配達をキャンセルし、水のボトルを購入する）点、エネルギー効率が良い点が挙げられる。逆浸透フィルターのいくつかの短所として、適切に維持されていない場合、簡単に詰まる可能性がある点、毎年のフィルター交換は（通常は比較的費用がかかる）可能性がある点、フィルタリングは時間のかかるプロセスである点が挙げられる。

図４は、アルカリイオン整水器またはイオン整水器を使用して水をろ過する方法を示している。原水は、アルカリイオン整水器またはイオン整水器プロセスの初期フィルター４０５に投入される。フィルターから浄水が排出される。この浄水は、電解セル４１９に投入される。電解セルには、負極（例：白金被覆チタン）、イオン交換部材、正極（例：白金被覆チタン）と、酸性水用とアルカリ水用の２つの出力ポートがある。ろ過水としてアルカリ水を使用できる。

アルカリイオン整水器またはイオン整水器は、主に住宅で使用されている。交換期間またはライフサイクルは、約８か月ごとまたは約１０００ガロンごとにすることが推奨される。水道水中の化学物質はスケーリングや腐食を引き起こす可能性があるため、自動クリーニング機能が推奨される。

アルカリイオン整水器またはイオン整水器のいくつかの長所として、アルカリ水は優れた抗酸化特性を持っている点、より良いレベルの水分補給を提供できる点、胃酸の逆流や胸焼けを減らすのに役立つ点が挙げられる。いくつかの短所として、１００ドルから５０００ドルなど、比較的高価である点、フィルターの一般的な形式ではない点が挙げられる。

図５は、水をろ過するための紫外線フィルターの使用を示す。電磁放射は、処理される水を浄化するために使用される。水は紫外線フィルターの入力ポートに入る。水は紫外線にさらされ、それによりバクテリアのＤＮＡを殺し、バクテリアは繁殖できなくなる。浄水は紫外線フィルターの出力ポートから出る。紫外線フィルターは、高価な費用にもかかわらず、汚染された水中のバクテリアを殺すための最も一般的なフィルターの１つである。

紫外線浄水器は、主に住宅や大規模な処理施設で使用されている。紫外線電球の推奨交換期間またはライフサイクルは、約１２か月ごとまたは約９０００時間である。紫外線クォーツスリーブの推奨交換期間またはライフサイクルは、約２～３年ごとである。

紫外線フィルタリングは物理的プロセスであり、化学的プロセスではない。紫外線を使用して水をろ過するプロセスには、次のものが含まれる。

１．浄化プロセスのために汚染された水に紫外線が照射される。
２．微生物を殺すのに使用される周波数は、約２５４ナノメートルの波長である。

３．１立方センチメートルあたり４０ミリジュールの紫外線量。これは、水に適用される最小の紫外線量である。

４．水が紫外線にさらされると、紫外線は、バクテリアのＤＮＡまたはＲＮＡの遺伝暗号を攻撃し、バクテリアを殺す。

５．微生物は、紫外線にさらされているため、もはや繁殖できない。
水の前処理のいくつかの前提条件は、１ネフェロメ濁度単位(nephelometric turbidity unit: NTU)未満の濁度まはたヘイズ(haze)、１リットルあたり約１０ミリグラム未満の浮遊物質、色なし、１リットルあたり約０．３ミリグラム未満の全鉄、１リットルあたり約０．０５ミリグラム未満のマンガン、ガロンあたり約７グレイン(grain)未満の硬度を含む。石英ガラススリーブは、華氏約１０４度の温度を維持するように設計されている。

紫外線フィルターのいくつかの長所として、化学物質を含まない有害なバクテリアの９９．９９パーセントを殺す点、低エネルギー使用、比較的簡単にインストールできる点が挙げられる。短所として、塩、重金属、塩素を除去できない点、比較的高価（たとえば：平均１５００ドル）、長いろ過プロセス：（１）沈殿物の事前ろ過（UV光消毒のために水が透明であることを保証する）；（２）水の味を改善するための活性炭フィルター；（３）浄化紫外線とともにステンレス鋼チャンバーに入る。

図６は、蒸留フィルターを使用して水をろ過する方法を示す。蒸留フィルターでは、発熱体を使用して水を沸騰温度まで加熱し、存在する可能性のあるバクテリア、嚢胞、ウイルスなどの微生物を殺す。蒸気または水蒸気が生成されて上昇し、死んだ微生物、溶解固形物、塩、重金属、およびその他の物質を残す。この蒸気は、取水口からの水を使用して冷却できる凝縮コイルを使用して凝縮される。次に、冷却水（液滴など）が生成され、これが蒸留水になる。

蒸留フィルターは、主に住宅で使用されている。これらは、比較的時間のかかるフィルタリングプロセスのため、最も一般的でない形式のフィルタである可能性がある。蒸留フィルターは、ろ過プロセス中にかなりの電力を消費することにより、バクテリアやウイルスを殺すことができる。交換期間やライフサイクルについては、通常の使用では約６か月ごとにフィルターを交換し、水の量に応じて発熱体を約３～６か月ごとに清掃し、水垢の蓄積を防ぐことが推奨される。

蒸留フィルターの長所として、水が蒸発するとバクテリアやウイルスが死滅する点、カーボンフィルターが除去できない塩、ミネラル、金属を除去する点、交換不要である点が挙げられる。短所として、水を得るのに長い時間（たとえば、１カップで３０分）かかる点、多くの電気が使用される点、かなりの電力がなければ水を蒸留することはできず、このことは、緊急時には実用的ではない点が挙げられる。

水フィルターのユーザー市場について。活性炭フィルターの場合、通常、家庭、レストラン、学校、ホテルで使用される。逆浸透フィルターの場合、通常、家庭、レストラン、学校、軍事基地、ホテル、RV、および病院で使用される。アルカリフィルターの場合、それらは通常、家庭、プライベートジム、職場またはオフィス、およびプライベートスパで使用される。UVフィルターの場合、通常、病院、レストラン、職場やオフィス、および大規模な処理プラントで使用される。蒸留フィルターの場合、通常、家庭や科学/研究所で使用される。最も人気のある水ろ過システムは、活性炭フィルターと逆浸透フィルターである。

フィルターのいくつかの例には、炭素ろ過を使用するピッチャーフィルターが含まれ、価格は約１５ドルから約５０ドルの範囲である。逆浸透フィルターの価格は、約１５０ドルから約４００ドルの範囲である。アルカリイオン整水器フィルターの価格は、約４００ドルから約３０００ドルである。紫外線フィルターの価格は約３００ドルから約５０００ドルである。蒸留フィルターの価格は、約１００ドルから約５００ドルの範囲である。これらの一般的に利用可能な水フィルターはすべて、数十ドルから数千ドルの費用がかかる。この特許に記載されている発泡金属水フィルターのコストは、これらの水フィルターのコストと同等かそれよりも低くなっている。

供給される水が最も汚染されている上位の国のリストは以下の通りである。
１．インドでは、人口の６％しかきれいな水を利用できず、７，５８０万人が安全な飲料水を利用できない。

２．ナイジェリアでは、６，３００万人がきれいな水を利用できず、５歳未満の４５，０００人の子供が安全でない水による下痢で亡くなっている。

３．コンゴでは、５，０００万人がきれいな水を利用できず、農村人口の７０％がきれいな水を利用できず、農村人口の７１％が一般的に安全な衛生状態を欠いている。

４．中国では、産業活動により水質汚染物質が放出されており、井戸からの水の８０％は安全に飲むことができず、地下水の６０％は非常に質が悪い。

５．エチオピアでは、４，２００万人がきれいな水を利用できず、７，１００万人が安全な衛生状態を利用できない。

図７は、水ろ過に銅発泡体を使用する手法を示している。未処理の水７０７（例えば、汚染された水）は、銅発泡体材料７１８を含むフィルターに入力される。銅発泡体材料フィルターの出力は、処理水７２９（例えば、汚染されていない水またはきれいな水）である。

銅発泡体は、水中のバクテリアを１００パーセント殺すことができる。テストでは、１ミリリットルあたり２３，０００CFU（たとえば、１ミリリットルあたり２３，０００のバクテリア細胞）の汚染水を銅発泡体フィルターに通した。汚染された水が銅発泡体フィルターを通過した後、水中にバクテリアは見つからなかった。バクテリアの１００パーセントが殺されました。

きれいな水へのアクセスは、アメリカ合衆国とヨーロッパでは標準であるが、発展途上国では、水系感染症が一般的である。汚染された水を介して伝染するバクテリア性胃腸疾患の上位３つは、コレラ、サルモネラ菌、赤痢菌である。手頃な価格のバクテリアキラー水フィルターの開発が急務である。

約２５億人が改善された水衛生へのアクセスを持っていない。世界保健機関によると、水関連疾患の死亡率は年間約５００万人である。２０１８年の時点で、コレラは最も一般的な微生物腸管感染症である。治療なしでは、コレラの死亡率は約５０パーセントである。コレラ、サルモネラ菌、赤痢菌は、不衛生な水や汚染された水を介して感染する。サルモネラ菌は、調理が不十分な食品や生の食品から広がる可能性がある。赤痢菌は、感染者との直接の接触から広がる可能性がある。収入、年齢、人口統計に関係なく、すべての人の浄水装置を改善することで、これらのバクテリア感染のリスクを減らすことができる。

浄化に銅発泡体フィルターを使用する場合、緑青として知られる酸化銅は、飲料水を通して簡単に人体に吸収されて減るようなことはない。１９８２年に行われた日本の研究によると、緑青はお湯でも溶けたりすることはない。

緑青として知られている酸化銅は、人体に有害ではない。緑青の表面は緻密な結晶を含み、人体を保護する皮膚のように銅の表面に形成されている。調査によると、銅配管の寿命は約２０年と推定されている。したがって、銅発泡体の交換サイクルを数年に短縮する場合、銅配管の場合と同様に、全く問題ない。

酸化銅（緑青）は、クエン酸、塩、酢など、一般的に入手可能なものを使用することで簡単に取り除くことができる。

図８は、銅発泡体材料８２９の上にある汚染された水滴８２３を示している。銅発泡体材料は、円柱形を有することができるが、他の幾何学的な立体形状（たとえば、立方体、長方形プリズム、三角プリズム、球形、角錐、円錐、環状体、多面体、非多面体、その他）を有することもできる。水は銅発泡体サンプルの細孔または多孔質表面を通過し、水が通過するときに３次元の銅発泡体表面と接触する。これにより、水に含まれるバクテリアが死滅する。

通常、フィルターの価格は約１０ドルから約５０００ドルの範囲である。それに比べて、銅発泡体フィルターは、製造の規模にもよるが、約５ドル以下になる可能性がある。銅発泡体フィルターのその他の長所として、銅は１００％リサイクル可能である（製造コストがさらに低くなる）ことが挙げられる。また、酸化銅は人体に害を及ぼさないことが知られている。

図９Ａは、汚染された水が銅発泡体材料の第１面側（たとえば上面）に滴下され、次に銅発泡体材料にゆっくりと吸収されて、当該材料の反対側に通過する一連の図を示している。図９Ｂは、同様の一連の図を示しているが、水が第２面側（第１面側の反対側、たとえば下面側）から滴下された場合を示す。この銅発泡体フィルターは両面フィルターであり、水を第１面側から第２面側に、または第２面側から第１面側にろ過することで動作することができる。銅発泡体材料を通過した後、水は浄化または処理される（たとえば、バクテリアやウイルスが除去される）。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、水ろ過に使用される銅発泡体材料の拡大断面図を示している。これらの図に関して、円柱形の銅発泡体材料の寸法は、直径２６ミリメートル、厚さ７ミリメートル、支柱サイズ約１０ミクロン、細孔サイズ約４０ミクロン未満、および気孔率約７０．７パーセントである。

この特許は、特定の寸法、測定値、および値を使用した実施のいくつかの例を説明する。これらは、網羅的であること、または本発明を記載された正確な形態に限定することを意図するものではない。値、パーセンテージ、時間、および温度は概算値である。これらの値は、たとえば、製造のばらつきの測定、開始粉末の化学的性質、公差、またはその他の要因によって変動する可能性がある。たとえば、製造公差と測定公差の厳しさに応じて、値はプラスマイナス５パーセント、プラスマイナス１０パーセント、プラスマイナス１５パーセント、またはプラスマイナス２０パーセント変化する可能性がある。

さらに、値は特定の実施に対するものであり、他の実施は異なる値を持つことができる。たとえば、特定の値は、大規模なサイズのプロセスまたは製品の場合は大きくなり、小規模な製品の場合は小さくなる。デバイス、装置、またはプロセスは、相対的な測定値を比例的に調整する（たとえば、異なる測定値間で同じまたはほぼ同じ比率を維持する）ことによって、比例的に大きくまたは小さくすることができる。様々な実施において、値は、与えられた値と同じであり得るか、与えられた値とほぼ同じであり得るか、与えられた値以上であり得るか、または与えられた値以下であり得るか、提示された値の範囲内または範囲外であり得るか、あるいはこれらの任意の組み合わせを取り得る。

いくつかの技術またはフローが説明される。フローは、追加のステップ（必ずしもこの特許に記載されているわけではない）、提示されたステップの一部を置き換える異なるステップ、提示されたステップのより少ないステップまたはサブセット、または提示されたものとは異なる順序のステップ、またはこれらの任意の組み合わせを有する場合がある。さらに、他の実施のステップは、提示されたステップと完全に同じではない場合があり、特定のアプリケーションに応じて、または状況に基づいて修正または変更される場合がある。

実施形態では、銅発泡体水フィルターの製造には以下が含まれる。
１．約１４体積パーセントの酸化銅粉末と約２．５重量パーセントのポリビニルアルコール（polyvinyl alcohol: PVA）結合剤からなる銅粉末スラリーは、約３０ミリリットルの脱イオン水と混合することによって作り出した。

２．攪拌と超音波処理を使用して、スラリーを溶液に十分に溶解させた。
３．次に、冷却した銅棒の上に置いたシリコーン型にスラリーを注いだ。銅棒の上部の温度は、液体窒素を使用して摂氏約－３０度に固定し、コントローラーを使用してその温度に維持した。

４．スラリーが完全に凍結した後、真空中の凍結乾燥機で摂氏約－８０度で約４０時間昇華させ、氷の結晶を除去し、方向性のある細孔を備えた素体を残した。

５．次に、素体は、水素雰囲気中で酸化銅から純銅に還元され、その後高温で焼結された。

６．還元および焼結プロセスは、水素混合ガス下で管状炉内で摂氏約２５０℃で約４時間の予備焼結と、摂氏約８００℃で約１４時間の本焼結で構成され、これにより、銅発泡体は、約６３パーセントの気孔率を有する。

７．次に、製造された銅発泡体サンプルを、所望の形状（例えば、円柱形）の形に切断または粉砕して、活性炭フィルターなどの従来の水フィルターを置き換えるか、またはそれと組み合わせて使用する。

2015年7月20日出願の米国特許出願62/194,564、2016年7月20日出願の15/215,519、2015年7月20日出願の62/194,677、2016年7月20日出願の15/215,541、2018年3月9日出願の62/641,223、2019年3月11日出願のPCT/US2019/021704、2018年7月19日出願の61/700,793、および2019年7月19日出願のPCT/US2019/042686は、参照により組み込まれる。これらの出願は、銅金属発泡体などの金属発泡体を製造する技術を説明している。これらの技術は、全体的または部分的に、水処理またはろ過に使用される金属発泡体を製造するために使用できる。

他の用途と比較して、水ろ過に使用される金属発泡体には違いがある。水ろ過の場合、出発スラリー中の銅粉末の体積分率は他の用途よりも大きくなる。これは、他の用途で使用されるものよりも低い（例えば、約５０パーセントから約７５パーセント）最終的な多孔度を達成するためである。これにより、水滴が銅発泡体をゆっくりと流れることが許容され、水滴と銅発泡体の細孔表面との間に十分な接触時間が達成され、バクテリアやウイルスが殺される。

水処理用の金属発泡体の例として、銅発泡体が挙げられるが、他の金属発泡体も使用できる。いくつかの例には、銀発泡体、銅合金、および表面に酸化チタンコーティングが施されたチタンが含まれる。酸化チタンコーティングを施したチタンの場合、これは可視光と一緒に作用し、バクテリアやウイルスを破壊する。

図１１は、発泡金属フィルター材料を含む、ユースポイント水ろ過システムまたはデバイス１１０１のブロック図を示す。ユースポイント水ろ過システムは、シャワー、バス、キッチン、洗濯機、蛇口、水筒など、人が水を使用する場所で使用される。ユースポイントフィルターは、給水から水が供給される前の浄化の最終段階である。これらは、入口水フィルターがあなたの場所全体（例えば、家やオフィスビル）の水を浄化するのとは対照的である。発泡金属ろ過は、入口フィルター同様に、ポイントユースフィルターとして使用することができる。

ほとんどのユーザーは、これらのユースポイントシステムを導入して、飲用、調理、入浴、手洗い、衣服の洗浄、または皿洗いに使用する水をろ過する。ユースポイントろ過システムまたはデバイスの例としては、水フィルターピッチャー、流し台下の水フィルター、蛇口に取り付けられた水フィルター、およびカウンタートップの水フィルターがある。

二次消毒による潜在的なリスクの１００％除去を確実にすることができる単一のプロセスはない。そのため、マルチレベルのアプローチを使用して、使用場所に行き着くまでの水のセキュリティを確保できる。入口でのろ過と配水システム内に設置された二次浄化を使用しても、使用場所にはかなりのリスクが残る。使用場所でのろ過は、有害な病原体がユーザーと接触するのを防ぐための最終的な障壁であり、免疫不全または免疫抑制されている人を保護するために特に重要である。

図１１を参照すると、システムまたは装置は、水源１１０３を有する。水源は、水差しフィルタータイプの場合のように、器または容器であり得る。水源または入口は、システムへの給水を接続または切断するためのバルブを有し得る給水パイプまたは配管にすることができる。水源は、室温、加熱、冷却、または冷凍することができる。

水源は、接続１１０５を介してフィルター１１１４に接続される。接続１１０５は、パイプ、配管、チューブ、ライン、チャネル、ポンプ、サイフォン、または、水源からフィルターに向けて水を移動させる物理的な接続あるいは技術であり得る。

フィルターは、このユースポイント水ろ過システムの水ろ過の最初の段階である。第１フィルターは、活性炭フィルター、逆浸透フィルター、イオン交換フィルター、機械的フィルター、または化学フィルター、あるいはこれらの組み合わせなど、上述のろ過技術（金属発泡体ではない）の１つまたは組み合わせを使用することができる。

フィルターは、接続１１１６を介して発泡金属フィルター材料１１２５に接続される。
接続１１１６は、上述の接続１１０５と同様であり、水フィルターから発泡金属フィルター材料に水を移動させる物理的接続または技術であり得る。発泡金属フィルターは、水ろ過の第２段階である。

発泡金属フィルター材料は、銅金属発泡体またはチタン金属発泡体、白金金属発泡体、スズ金属発泡体、アルミニウム金属発泡体、またはこれらまたは様々な金属の合金の組み合わせなどの他の金属発泡体であり得る。水は、発泡金属フィルターの入力側に入り、多孔質金属材料を通過し、（通常、入力側の反対側にある）発泡金属フィルターの出力側（出口）を出る。水が発泡金属フィルター材料の出力側に到達すると、水からバクテリアやウイルスが除去される。

水は、水を注ぐために水フィルターピッチャーを傾ける人のように、重力によって発泡金属フィルターに導かれる可能性がある。たとえば、人は、水位をフィルターの高さより上に上げることができ、水は、水フィルターへの接続および水フィルターを通って（水圧を生成する）重力に従う。

重力の代わりに、水は、ポンプまたは給水ラインの水圧などの水圧によって発泡金属フィルターに導かれ得る。この水圧は、水フィルターに向けて水を押し出し、水フィルターを通過させる。水圧が利用できる場合、重力供給システムのように水路が金属発泡体を上から下に流れる代わりに、水路は任意の方向、左から右、右から左、さらには（例えば、重力の反対である）下から上にすることができる。

発泡金属フィルターは、接続１１２７を介して注ぎ口１１３６に接続される。注ぎ口１１３６は、ユースポイント水ろ過システムまたはデバイスの出力である。接続１１２７は、上記の接続１１０５および１１１６と同様であり得、水を発泡金属フィルターから注ぎ口に移動させるための物理的接続または技術であり得る。

注ぎ口から、水は、飲用または調理用のカップまたはポットなどの容器１１４７に、１１３８に示すように、注がれたり、向けられたりする。または、流しやシャワーで洗うために水を使用することができる。実施形態では、発泡金属フィルターが注ぎ口に組み込まれている。また、別の実装形態では、発泡金属フィルター１１２５は、フィルター１１１４の後ではなく前にある。その際、発泡金属フィルターが第１段階になり、もう１つのフィルター（フィルター１１１４など）が第２段階になる。

本発明のこの記述は、例示および説明の目的で提示されたものである。本発明のこの記述は、網羅的であること、または記載された正確な形態に本発明を限定することを意図するものではなく、上記の教示に照らして多くの修正および変形が可能である。実施形態は、本発明の原理およびその実際の適用を最もよく説明するために選択され、説明された。この記述は、当業者が、様々な実施形態において、特定の用途に適した様々な修正を加えて、本発明を最もよく利用および実施することを可能にする。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (20)

1. ろ過中に、汚染された水滴に接触して汚染水中のバクテリアおよびウイルスを殺す細孔表面を有する発泡金属フィルター材料を備えた、装置。
2. 前記発泡金属フィルター材料は、活性炭フィルター、逆浸透フィルター、または紫外線フィルターなどの従来のフィルターに取って代わるか、またはそれらと組み合わせて使用される、請求項１に記載の装置。
3. 前記発泡金属フィルター材料は、銅発泡体、銅スズ合金発泡体、銅亜鉛合金発泡体、銅ニッケル合金発泡体、銅シリコン合金発泡体、銅アルミニウム合金発泡体、銀発泡体、鉄発泡体、アルミニウム発泡体、またはチタン発泡体の少なくともいずれかを含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記発泡金属フィルター材料は、銅発泡体であり、
   前記銅発泡体は活性炭フィルターなどの従来のフィルターの前または後に配置されることにより、汚染水中のバクテリアおよびウイルスを前記銅発泡体により最初に除去し、その後、前記従来のフィルターを使用してさらに処理水を洗浄することができる、請求項２に記載の装置。
5. 前記発泡金属フィルター材料は、略５０％と略７５％との間の多孔度を有し、かつ、約０．１ミクロンから約１００ミクロンの範囲の細孔サイズを有する、請求項３に記載の装置。
6. 多孔質の前記発泡金属フィルター材料を形成する製造プロセスは、凍結鋳造、スペースホルダー、または脱合金化のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
7. 多孔質の前記発泡金属フィルター材料を形成する製造プロセスは、粉末スラリーの凍結または乾燥、および、還元または焼結プロセスを含む凍結鋳造方法を備え、
   前記凍結鋳造方法において、水またはカンフェンベースの粉末スラリーは、摂氏約－１０度と摂氏約－８０度との間の比較的低温で凍結および乾燥されて、素体を形成し、その後比較的高温で還元または焼結されて３次元接続された固体多孔質構造が形成される、請求項１に記載の装置。
8. 摂氏約２００度と摂氏約３５０度との間の温度で、還元が生じる、請求項７に記載の装置。
9. 摂氏約７００度から摂氏約１１００度の間の温度で、焼結が生じる、請求項７に記載の装置。
10. 銅酸化物粉末が、結合剤と分散剤とを添加した後、約８体積％と約２２体積％との間の体積分率で、水またはカンフェンに混合される、請求項７に記載の装置。
11. チタン粉末が、結合剤と分散剤とを添加した後、約１０体積％と約３０体積％との間の体積分率で、水またはカンフェンに混合される、請求項７に記載の装置。
12. 発泡金属フィルター材料は、細孔表面上に成長した二酸化チタンコーティングを有するチタン発泡体であり、
    前記チタン発泡体は、可視光線、または紫外線との併用で、バクテリアおよびウイルスを殺す、請求項１に記載の装置。
13. 水源入口を第１フィルターに結合させる工程と、
    前記第１フィルターの出口を第２フィルターに結合させる工程と、
    処理されるように、前記水源入口から前記第１フィルターに向けて、前記第１フィルターを通過させて、前記第２フィルターに向けて、前記第２フィルターを通過するように水を案内する工程と、
    前記第２フィルターの出口に処理水を供給する工程とを備え、
    前記第１フィルターまたは前記第２フィルターの少なくとも１つは、発泡金属材料を含む、方法。
14. 前記発泡金属材料が、約５０パーセントから約７５パーセントの多孔度を有する銅発泡体を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記銅発泡体は、７ｍｍ以上の厚さを有する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記銅発泡体は、約４０ミクロン未満の細孔サイズを有する、請求項１４に記載の方法。
17. 前記銅発泡体は、約１０ミクロン以下の支柱サイズを有する、請求項１４に記載の方法。
18. 方法であって、
    水源入口を第１フィルターに結合させる工程と、
    前記第１フィルターの出口を第２フィルターに結合させる工程と、を備え、前記第１フィルターまたは前記第２フィルターの少なくとも１つは、金属発泡材料を含み、
    前記金属発泡材料は、約５０パーセントから約７５パーセントの多孔度を含む銅発泡体を含み、
    前記銅発泡体は、７ｍｍ以上の厚さを有し、
    前記銅発泡体は、約１０ミクロン以下の支柱サイズを有し、前記方法はさらに、
    処理されるように、前記水源入口から前記第１フィルターに向けて、前記第１フィルターを通過させて、前記第２フィルターに向けて、前記第２フィルターを通過するように水を案内する工程と、
    前記第２フィルターの出口に処理水を供給する工程と、を備える、方法。
19. 前記第１フィルターが活性炭フィルターを含み、前記第２フィルターが前記銅発泡体を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１フィルターが逆浸透フィルターを含み、前記第２フィルターが前記銅発泡体を含む、請求項１８に記載の方法。

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