MX2008012245A - Medios no tejidos que incorporan polvos ultrafinos o de tamaño nanometrico. - Google Patents

Abstract

La invención es un estructura fibrosa para corrientes fluidas que es una mezcla de fibras de nanoalúmina y segundas fibras arregladas en una matriz para crear poros asimétricos y a la cual se unen partículas finas, ultrafinas o de tamaño nanométrico tal como carbón activado en polvo que tiene el uso de aglutinante. La estructura fibrosa que contiene carbón activado en polvo intercepta contaminantes de las corrientes fluidas. La invención también es un método para fabricar y usar la estructura fibrosa.

Description

MEDIOS NO TEJIDOS QUE INCORPORAN POLVOS ULTRAFINOS O DE TAMAÑO NANOMÉTRICO Campo de la Invención La presente invención se refiere a nanoparticulas, y particularmente al uso de nanopolvos en medios de filtro no tejidos sin el uso de adhesivos para el uso en estructuras no tejidas, para filtrar contaminantes del agua, aire y gas.

Antecedentes de la Invención El campo de la nanotecnologia y el uso de las partículas de tamaño nanométrico está creciendo rápidamente. En particular, se están desarrollando nanopolvos como abrasivos (por ejemplo, carburos de tungsteno) y absorbedores ultravioleta (por ejemplo, óxidos de titanio y zinc) . Adicionalmente, hay interés principal e investigación en el manejo de la función biológica en nanoestructuras (nanobiotecnología ) . Las partículas pequeñas, y particularmente las partículas ultrafinas y las nanoparticulas, tienen comportamiento de absorción superior e inesperado en comparación a las partículas más gruesas. Esta reactividad mejorada se debe al área superficial mucho mayor y a las superficies más activas. La estructuración de los nanopolvos en sustratos tal como membranas o en fibras frecuentemente es necesaria a fin de utilizarlos mejor para aplicaciones avanzadas. Por lo tanto, es deseable inmovilizar las nanoparticulas en medios estructurales fibrosos no tejidos de modo que sea práctica la elaboración de nanoproductos compuestos por métodos de alta velocidad. Desafortunadamente, las nanoparticulas son demasiado pequeñas para capturarse en tramas convencionales debido a que las nanoparticulas tienden a aglomerarse, provocando que se espese el fluido, impidiendo que las nanoparticulas pasen a través de la trama del soporte, haciendo de este modo que se pierdan las nanoparticulas. Esto hace imposible fabricar medios que contengan nanoparticulas por ejemplo por tecnología convencional de fabricación de papel de alta velocidad y de bajo costo. En tanto que es posible usar aglutinadores para unir las nanoparticulas a las estructuras fibrosas en los medios, los aglutinadores envuelven fácilmente las nanoparticulas, desactivando de este mono parcial o completamente las nanoparticulas y disminuyendo en su mayor parte su función propuesta. La técnica anterior proporciona muchos tipos de materiales que remueven, filtran o capturan contaminantes de las corrientes de gas. Estos filtros, en tanto que son bastante efectivos en las aplicaciones para las cuales se diseñaron, no ofrecen el nivel de efectividad necesario para aplicaciones de alto desempeño. Ahora se espera que los medios de filtro proporcionen mayor eficiencia de filtración, mayor capacidad de retención de suciedad, menor caída de presión, menor costo, mayor durabilidad, resistencia química mejorada, no formación de partículas (es decir, liberación de las partículas de los medios de filtro en la corriente del filtrado) , y la resistencia mecánica para hacer frente a las oscilaciones de presión. En tanto que las partículas absorbentes más pequeñas proporcionan mayor eficiencia de absorción, lo hacen a costa de la caída de presión dentro del filtro. Se usan catalizadores granulares para purificación de líquidos y gases. Su reactividad se afecta en exceso por el área superficial externa del catalizador expuesto a la corriente líquida o gaseosa. Típicamente los catalizadores de platino y otros catalizadores de metales preciosos, sólo de tamaño nanométrico, se dispersan típicamente en los medios de adsorción que deben incluir cuentas cerámicas, estructuras cerámicas de panal y sobre gránulos más gruesos tal como carbón activado y alúmina activada. El carbón activado es una partícula absorbente bien conocida. Tiene microporos de aproximadamente 0.2 a 20 nm de diámetro. El carbón activado es útil como una partícula absorbente debido a sus pequeñas dimensiones de poro que proporcionan un área superficial correspondientemente mayor por peso unitario con un gran numero de sitios activos de absorción asociados en y dentro de la partícula. Al mismo tiempo, las dimensiones del poro tienen un impacto significativo en las velocidades de difusión de las especies fluidas a través del gránulo. En general, las velocidades de difusión de la especie fluida en un medio absorbente se determinan por la longitud media de ruta libre de las moléculas fluidas que se toman de manera absorbente por el medio absorbente. Entre más pequeños sean los poros en este absorbente, más larga será la longitud media de ruta libre, y más lentas las velocidades de difusión. Por lo tanto, los poros pequeños en el carbón activado restringen per udicialmente el ingreso de la especie fluida en los pasajes altamente tortuosos y de pequeño tamaño de la porosidad. La reducción del tamaño de la partícula reduce sustancialmente la longitud de ruta, reduciendo de este modo el tiempo requerido para que cualquier producto absorbido alcance los sitios de adsorción dentro de la estructura. Esto da por resultado mayor eficiencia de de filtración al remover un contaminante de una corriente fluida. El uso de carbón activado granular (GAC) se conoce en aplicaciones de purificación de agua, incluyendo agua potable, y en muchas aplicaciones industriales, incluyendo la industria farmacéutica y la fabricación de bebidas. En el agua potable, se usa GAC para absorber productos orgánicos disueltos (muchos de los cuales son tóxicos o carcinogénicos ) y cloro. En la purificación de aire, se usa GAC para controlar los olores y los contaminantes gaseosos y de vapor en hospitales, laboratorios, restaurantes, instalaciones animales, bibliotecas, aeropuertos, construcciones comerciales y equipo respiratorio. Frecuentemente, se incluye GAC para remover compuestos orgánicos volátiles de las corrientes de aire. Las desventajas de este planteamiento es que estos filtros tienen grandes espacios intersticiales para asegurar que el filtro exhiba una muy baja caída de presión. Como resultado, estos filtros son notoriamente inefectivos en la captura de partículas pequeñas así como contaminantes volátiles. Si se redujera de manera suficiente el tamaño de poro de estos filtros para capturar un gran porcentaje (por cuenta) de partículas en el aire que pasa a través del filtro, entonces el filtro tendría una demasiado alta caída de presión (es decir, exhibiría una demasiado alta resistencia de flujo) para ser utilizable con la unidad de calentamiento de aire forzado. También, los filtros que tienen tamaños de poro muy pequeños se atascan fácilmente y de forma rápida debido a la acumulación de desechos en las superficies de las etapas anteriores, lo que provoca una declinación rápida de la capacidad del filtro para pasar aire sin tener que aplicar un gradiente de presión prohibitivamente alto a través del filtro. Frecuentemente se usa GAC como gránulos sueltos en un lecho empacado. Sin embargo, los lechos de carbón son difíciles de diseñar en configuraciones de filtro útiles debido a que las partículas sueltas pueden migrar, provocando canalización y atasco del lecho. Se usan extensivamente como filtro los medios estructurales fibrosos. En comparación a un lecho granular tal como GAC, una estructura fibrosa reduce al mínimo la canalización, permite variaciones significativas en el diseño del filtro, y se puede fabricar por métodos de montaje de bajo costo tal como fabricación de papel. En general, se reconoce al Carbón Activado en Polvo (PAC) como que tiene cinética de adsorción superior al GAC, en tanto que tiene una mayor área superficial externa e índices de yodo aproximadamente equivalentes. Sin embargo, se ha reportado en la técnica anterior que la combinación de PAC en una matriz no tejida es difícil debido a que se requieren adhesivos para unirlo a la matriz fibrosa lo que da por resultado que algunas de las partículas lleguen a ser inefectivas para la filtración debido a que se contamina por el adhesivo una porción de la superficie de las partículas. A fin de reducir al mínimo esta contaminación, frecuentemente se usan partículas más grandes para reducir al mínimo el punto de contacto entre el abrasivo y las partículas de PAC. Por ejemplo, se conoce usar PAC que tienen tamaños de partícula mayores que aproximadamente 100 micrones en aplicaciones gaseosas. Frecuentemente, el uso de PAC en aplicaciones líquidas se limita a aplicaciones de descoloramiento. Se conoc como la técnica de impregnar el carbón activado con una variedad de compuestos, que incluyen catalizadores y quimioabsorbentes , que remueven o modifican los contaminantes que no se fisioabsorben fácilmente por el carbón. Por ejemplo, ASC Whetlerite consiste de carbón activado impregnado con sales de cobre, cromo y plata que absorbe y destruye agentes químicos ofensivos tal como los cianógeno, cloruro, cianuro de hidrógeno y arsina, el cobre y el cromo (actualmente reemplazados con trietilendiamina (TEDA) ) actúan como quimioabsorbentes para los cianógenos, cloruro y cianuro de hidrógeno, en tanto que la plata cataliza arsina a un óxido. En otros ejemplos, se impregna carbón activado con ácido cítrico para incrementar la capacidad del carbón activado para adsorber amoniaco o con otros óxidos, tal como hidróxido de sodio u otros compuestos cáusticos, para remover el sulfuro de hidrógeno. En el campo nuclear, se conoce impregnar filtros que comprenden varios lechos de carbón activado con yoduro de potasio (KI) para intercambiar isótopos con yodo radioactivo en el caso de liberación accidental al aire. La vida del catalizador se limita por las pociones que se depositan en la superficie del gránulo o polvo. Un catalizador en polvo, con su mayor relación de área superficial a volumen que un catalizador granular, es menos susceptible a contaminación. Adicionalmente, un medio no tejido usado como soporte para un catalizador en polvo, proporciona mayor reactividad, profundidad reducida de lecho, y una estructura flexible, permitiendo latitud en el diseño. De esta manera, existe la necesidad de unir el catalizador en polvo a la estructura fibrosa sin usar aglutinantes y con una resistencia suficiente para reducir al mínimo la pérdida de catalizadores en la corriente fluida o gaseosa. La capacidad de filtración se disminuye por el empaquetamiento y canalización de los absorbentes que resulta cuando los gránulos absorbentes se erosionan entre si. Un filtro no tejido donde el absorbente se dispersa y confina dentro de la estructura, sin usar aglutinantes, mejorará la capacidad de filtración. Dado lo anterior, existe la necesidad entre los consumidores y usuarios industriales igualmente de una estructura fibrosa no tejida que retenga partículas ultrafinas y de tamaño nanométrico. Es deseable que los medios que comprenden una estructura no tejida tengan una alta eficiencia para retener partículas pequeñas, contaminantes solubles en agua y contaminantes volátiles del aire.

Breve Descripción de la Invención La presente invención cumple estas necesidades. En una modalidad, la presente invención es un nuevo filtro en partículas o medio de filtro para medios gaseosos que satisface la necesidad de un filtro de partículas de alta eficiencia y alta capacidad que intercepte patógenos y otra materia en partículas del aire o corrientes gaseosas, incluyendo materia en partículas en aerosol, líquida en tanto que también tenga una baja caída de presión. En otra modalidad, la presente invención satisface la necesidad de un medio fibroso no tejido que retiene partículas ultrafinas o de tamaño nanométrico sin la necesidad de aglutinantes o adhesivos. Por consiguiente, es un objeto de una modalidad de la presente invención proporcionar una eficiencia de filtración que es al menos tan alta como los filtros HEPA convencionales y que es resistente al atasco de aerosol líquido . Es aún otro objeto en un ejemplo de una modalidad de la invención proporcionar un medio que filtre bacterias y virus en aerosol. Además, es un objeto en un ejemplo de una modalidad de la presente invención producir un filtro de aire que tiene una alta porosidad y por lo tanto es más tolerante a adsorber niebla acuosa que el material de filtro convencional . Es aún un objeto adicional en un ejemplo de una modalidad de la invención proporcionar medios que tienen una eficiencia de filtración que es al menos tan alta como los filtros ULPA o super ULPA convencionales. Es aún un objeto adicional en un ejemplo de una modalidad de la invención proporcionar un medio de filtro que tiene una caída de presión que es menor que aquella que se presenta en los filtros convencionales. Es aún un objeto adicional en un ejemplo de una modalidad de la invención proporcionar un medio de filtro que tiene un mayor tamaño de poro y mayor porosidad que aquel en los filtros HEPA, proporcionando por lo tanto mayor capacidad de gotas de agua antes de la inundación. Es aún un objeto adicional en un ejemplo de una modalidad de la invención proporcionar un medio de filtro que es eficiente en energía. Es aún otro objeto en un ejemplo de una modalidad de la presente invención proporcionar un medio de filtro que tiene una vida prolongada de filtro en comparación a filtros convencionales . Es aún otro objeto en un ejemplo de una modalidad de la presente invención proporcionar un medio de filtro que tiene bajos costos de mantenimiento. Es aún un objeto adicional en un ejemplo de una modalidad de la presente invención proporcionar un medio de filtro que filtre materiales peligrosos de desecho y que tenga costos mínimos asociados con este. Es aún otro objeto en un ejemplo de una modalidad de la presente invención proporcionar un medio de filtro que sea suficientemente fuerte para ser plegado. Es aún otro objeto en un ejemplo de una modalidad de la presente invención proporcionar un método para fabricar un filtro o medio de filtro que filtre medios gaseosos a una eficiencia de filtración que es al menos tan alta como los filtros HEPA convencionales y que sea resistente al atasco de aerosol líquido. Es aún otro objeto en un ejemplo de una modalidad de la presente invención proporcionar un método para usar un filtro o medio de filtro para remover materia en partículas y aerosoles de medios gaseosos . Es aún otro objeto en una modalidad de la presente invención proporcionar una matriz de fibras no tejida en la cual se manejan nanoestructuras a un bajo costo de fabricación. También es un objeto de una modalidad de la presente invención proporcionar un medio no tejido que remueva compuestos orgánicos solubles y volátiles y halógenos de corrientes fluidas y gaseosas a alta eficiencia, alta capacidad y con una baja caída de presión.

Es aún otro objeto en una modalidad de la presente invención proporcionar un medio de absorción química que también filtre materia en partículas, incluyendo patógenos microbianos, de los medios fluidos. Es también un objeto en una modalidad de la presente invención incorporar catalizadores en polvo de tamaño nanométrico, incluyendo fotocatalizadores , catalizadores de oxidación, o carbón activado en polvo impregnado con catalizadores, en un medio no tejido al unir los catalizadores o carbón activado en polvo a un depósito no tejido. Es aún un objeto adicional en una modalidad de la presente invención manejar un medio no tejido que contiene polvo ultrafino o de tamaño nanométrico que se mantiene al medio para reducir al mínimo el desprendimiento de polvo. Es aún un objeto adicional en una modalidad de la presente invención incorporar resinas de intercambio iónico en polvo fino o de tamaño nanométrico y polímeros macroporosos en un medio no tejido. Es aún un objeto adicional en una modalidad de la presente invención incorporar componentes biológicamente activos tal como ADN o ARN en un medio no tejido. Es otro objeto en una modalidad de la presente invención proporcionar un método para incorporar pigmentos de tamaño nanométrico, productos químicos reactivos de color, y abrasivos finos en un medio no tejido. En general, la presente invención es un filtro o estructura filtrosa para fluidos que comprende fibras de alúmina de tamaño nanométrico que adsorben partículas del fluido y una pluralidad de segundas fibras arregladas en una matriz con las fibras de alúmina de tamaño nanométrico para crear poros asimétricos. En un ejemplo, las segundas fibras están comprendidas de fibras cuya dimensión menor es mayor que la dimensión menor de las fibras de alúmina de tamaño nanométrico por aproximadamente un orden de magnitud. Las segundas fibras se incluyen con las fibras de alúmina de tamaño nanométrico a fin de proporcionar un depósito para crear poros o espacios inter-fibra grandes dentro o sobre los cuales se dispersan las fibras de alúmina de tamaño nanométrico. Los ejemplos, del tamaño de poro asimétrico es mayor que aproximadamente 5 mm . En una modalidad, una pluralidad de partículas finas, ultrafinas o de tamaño nanométrico se depositan sobre las fibras de alúmina de tamaño nanométrico para mejorar la remoción de contaminantes del medio fluido. Las fibras gruesas proporcionan o forman poros más grandes en o sobre los cuales se dispersan las fibras de alúmina. Sin embargo, las fibras gruesas tienen menos área superficial por volumen o masa unitaria, y por lo tanto la cantidad de alúmina de tamaño nanométrico dispersada en la misma o en los poros se reduce de manera significativa. Por lo tanto, en otra modalidad, las segundas fibras están comprendidas de una combinación de fibras gruesas y finas. La inclusión de fibras finas proporciona área superficial adicional de modo que se puedan cargar más fibras de alúmina de tamaño nanométrico en o sobre los medios. En tanto que no se desea que se una por teoría, las partículas ultrafinas y de tamaño nanométrico que tienen diámetros que son más pequeños que el tamaño promedio de poro del medio de filtro se retienen por fuerzas electroadhesivas en las fibras de alúmina de tamaño nanométrico. Las partículas mayores que el tamaño de poro de los medios se mantienen en su mayor parte por atrapamiento mecánico. No se usan aglutinantes en la estructura fibrosa que envolverá o desensibilizará de otro modo las partículas depositadas en las fibras de alúmina de tamaño nanométrico. En otra modalidad, la invención se refiere a métodos para fabricar el medio de filtro o estructura fibrosa. En otra modalidad, la invención se refiere a métodos para usar el medio de filtro de alúmina de tamaño nanométrico o estructura fibrosa, para remover contaminantes ópticos y otra materia en partículas de las corrientes fluidas . Estos y otros detalles, objetos y ventajas de la presente invención llegarán a ser entendidos mejor o a ser más evidentes de las siguientes descripciones, ejemplos y figuras que muestran modalidades de la misma.

Breve Descripción de las Figuras La Figura 1 es una representación gráfica de las velocidades de flujo de aire a través de los filtros reivindicados de alumina de tamaño nanométrico, y un filtro HEPA como una función de la caída de presión a través de los filtros . La Figura 2 es una representación gráfica de la turbidez como una función del volumen durante la filtración de esferas de látex de 0.2 pm suspendidas en agua a través de los filtros reivindicados de alúmina de tamaño nanométrico y un filtro HEPA. La Figura 3 es una representación gráfica de la penetración de los filtros reivindicados de alúmina de tamaño nanométrico y de HEPA en tanto que se emplazan continuamente con aerosoles de NaCl de 0.3 pm. La Figura 4 es una representación gráfica de la resistencia al aire de los filtros reivindicados de alúmina de tamaño nanométrico y HEPA en tanto que se emplazan continuamente con aerosoles de NaCl de 0.3 pm. La Figura 5 es una representación gráfica de la velocidad de flujo de aire versus caída de presión a través de los filtros reivindicados de alúmina de tamaño nanométrico después de que se pre-acondicionan con esferas de látex de 0.5 y 1 µ?p. La Figura 6 es una representación gráfica de la penetración de los filtros reivindicados de alúmina de tamaño nanométrico pre-acondicionados con cuentas de látex en comparación a un filtro de alúmina de tamaño nanométrico sin pre-acondicionamiento y un filtro ???? cuando se penetran por aerosoles de NaCl de 0.3 pm . La Figura 7 es una representación gráfica de la resistencia del aire de los filtros reivindicados de alúmina de tamaño nanométrico pre-acondicionados con cuentas de látex en comparación a aquella de un filtro de alúmina de tamaño nanométrico sin pre-acondicionamiento y un filtro HEPA. La Figura 8 es una representación gráfica de la penetración de aerosoles de NaCl de 0.3 pm a través de los filtros reivindicados de alúmina de tamaño nanométrico y un filtro HEPA. La Figura 9 es una representación gráfica de la resistencia al aire de los filtros reivindicados de alúmina de tamaño nanométrico y un filtro HEPA durante la prueba de capacidad con aerosol de NaCl. La Figura 10 es una representación gráfica de la eficiencia fraccional de los filtros reivindicados de alúmina de tamaño nanométrico como una función del tamaño de partícula de las gotas de KCl en aerosol. La Figura 11 es una representación gráfica del efecto antimicrobiano de los filtros reivindicados de alúmina de tamaño nanométrico o nanoalúmina, impregnados con plata en la proliferación bacteriana. La Figura 12 es una vista esquemática del sistema usado para emplazar los filtros reivindicados de nanoalúmina con aerosoles bacterianos transportados en agua. La Figura 13 es una representación gráfica de la relación entre la caída de presión y el tamaño de poro como una función del diámetro de fibra. La Figura 14 es una comparación de la caída de presión del medio reivindicado de filtro de nanoalúmina y un filtro sub-HEPA. La Figura 15 es una micrografía electrónica de transmisión de una fibra de nanoalúmina en una fibra de microvidrio envuelta por nanoesferas de sílice. La Figura 16 es una representación gráfica de la adsorción de yodo soluble por las fibras reivindicadas de nanoalúmina en comparación a la adsorción por medio comercialmente disponible que contiene carbón activado.

Descripción Detallada de la Invención Definiciones A fin de entender apropiadamente la descripción la invención reivindicada, se describen en el siguiente párrafo ciertos términos usados en la presente. En tanto que los inventores describen los siguientes términos, los inventores no tienen propósito de desconocer los significados ordinarios y acostumbrados de estos términos. El término "electrostático" como se usa en la presente se define como de o con relación a cargas eléctricas . El término "relación de aspecto" como se usa en la presente se define como la relación del tramo longitudinal de una fibra al diámetro en sección transversal de la fibra. El término "nanoalúmina o alúmina de tamaño nanométrico" como se usa en la presente se define como fibras que tienen una relación de aspecto en exceso de aproximadamente 5, donde la dimensión más pequeña es menos de aproximadamente 50 nm. La sección transversal de la fibra puede ser ya sea de forma circular (fibra cilindrica) o rectangular (plaqueta). Las fibras están comprendidas de alúmina, con varios contenidos de agua combinada para dar por resultado composiciones típicamente de ?100? con varias cantidades de Al (OH) 3, con posibles impurezas de alúmina gamma y alfa. El término "lyocell" como se usa en la presente se refiere a una fibra de celulosa fibrilada precipitada de una solución orgánica en la cual no toma lugar la sustitución de grupos hidroxilo y no se forman compuestos intermedios químicos (Courtaulds, Ltd.) . El término "Aire de Partículas de Alta Eficiencia" (HEPA) se refiere a un grado de medios de filtro que es capaz de retener > 99.97 % de partículas de 0.3 µp?. El término "Aire de Ultrabaja Penetración" (ULPA) se refiere a un grado de medios de filtro que es capaz de retener > 99.99 % de un tamaño de partícula especificado a una velocidad especificada del medio. El término "Super ULPA" se refiere a un grado de medios de filtro que es capaz de retener > 99.9999 % de un tamaño de partícula especificado a una velocidad especificada del medio. Como se usa en la presente, el término "adsorbente" se define que es cualquier material que es capaz de absorber impurezas principalmente por adsorción física a su superficie. El término "absorbente" se define como que es cualquier material que es capaz de atraer una sustancia a su estructura interna. El término "reducción de contaminante" se define que es una atenuación de una impureza en un fluido, en donde la impureza se intercepta, remueve, o vuelve química o biológicamente inactiva a fin de mejorar la utilidad del fluido, tal como al volver el fluido seguro para uso humano o más útil en aplicaciones industriales. El término "nanocerámico" se refiere a mezclas de fibras de nanoalúmina y fibras gruesas donde las fibras gruesas sirven como un depósito para las fibras de nano alúmina para crear un arreglo que tiene poros asimétricos. Un "polvo fino" se define que es un polvo que tiene un tamaño promedio de partícula que está sustancialmente por abajo de malla 100, y de manera preferente está por abajo de malla 325 (44 µ??) . Una "partícula ultrafina" se define que es una partícula que tiene un tamaño promedio de partícula que está entre 0.1 y 10 pm. Una "nanopartícula" se define que es una partícula que tiene un tamaño promedio de partícula que es menos de 0.1 µp?, incluyendo pero no limitado a ácidos nucleicos (por ejemplo, ADN y ARN, proteínas, fármacos de baja solubilidad o semivolátiles , partículas macromoleculares , polímeros funcionarizados , ligandos con funcionalidad manejada y tubos de carbono. Un "microorganismo" se define que es cualquier organismo vivo que se puede suspender en un fluido, incluyendo pero no limitado a bacterias, virus, hongos, protozoarios y formas reproductivas de los mismos incluyendo quistes y esporas. "Papel" o "tipo papel" se define que es una capa fibrosa en general plana, o estera, de material formado por un proceso de colocación en húmedo. Una "partícula" se define que es un sólido o líquido microencapsulado que tiene un tamaño que varía de coloidal a macroscópico, sin limitación en la forma. Un "absorbente" se define que es cualquier partícula de polvo que es capaz de remover contaminantes de una corriente fluida, incluyendo catalizadores que son capaces de convertir los contaminantes en otra forma menos peligrosa. El término "absorbente" también incluye un catalizador en polvo o un catalizador impregnado sobre un soporte granular o en polvo sólido tal como carbón activado. Una "estructura médica" se define que es un medio no tejido útil en aplicaciones médicas tal como contención de infección, prevención de heridas y similares.

Descripción de las Modalidades En una modalidad, la presente invención proporciona un medio de filtro para remover partículas, que incluye partículas en aerosol líquido y particularmente agua, de un medio fluido que se hace pasar a través del medio a fin de reducir los contaminantes en el mismo. En los ejemplos, las partículas son patógenos tal como bacterias, virus, moho, hongos, moho, materia orgánica, materia inorgánica, microorganismos, partículas carbonosas, nieblas de fluidos de trabajos metálicos, nieblas de pintura, pesticidas, nieblas de tinta, o nieblas ácidas. En los ejemplos, la corriente fluida tiene partículas en aerosol líquido tal como partículas en aerosol de agua. En un ejemplo, el medio de filtro es un medio electrostático no tejido. El medio de filtro comprende fibras de nanoalúmina o fibras de alúmina de tamaño nanométrico, mezcladas con segundas fibras. En un ejemplo, la nanoalúmina no es esférica. Las segundas fibras se arreglan en una matriz para crear poros asimétricos, en un ejemplo, el polvo de aluminio metálico fino se hace reaccionar con las segundas fibras para formar el medio electrostático. La reacción se lleva a cabo al adicionar amoniaco a la mezcla de aluminio en las segundas fibras. La mezcla se calienta al punto de ebullición del agua. En otro ejemplo, se calienta trióxido de aluminio bajo condiciones de alta temperatura y presión en la presencia de las segundas fibras para formar el medio electrostático. La reacción se lleva a cabo a aproximadamente 175°C y aproximadamente 5 bar durante aproximadamente treinta minutos. Las segundas fibras pueden ser cualquier fibra que sea suficientemente fuerte para tolerar el plegado, incluyendo microvidrio, celulosa o celulosa fibrilada. En un ejemplo, las segundas fibras tienen una dimensión menor que es mayor que la dimensión menor de las fibras de nanoalúmina por al menos aproximadamente un orden de magnitud. En los ejemplos para un filtro de aire o gas, los tamaños promedios de poro varían desde aproximadamente 4 a aproximadamente 48 µ??. De manera preferente, el tamaño promedio de poro es mayor que aproximadamente 10 µp?. De manera más preferente, el tamaño promedio de poro es mayor que aproximadamente 20 µ??. En general, el tamaño de poro se relaciona al diámetro de las segundas fibras. Por lo tanto, una pluralidad de las segundas fibras que tiene un diámetro pequeño creará una pluralidad de poros asimétricos que tienen tamaños pequeños de poro, en tanto que una pluralidad de las segundas fibras que tienen un mayor diámetro creará una pluralidad de poros asimétricos que tienen tamaños de poro comparativamente más grandes. Ver por ejemplo Tabla 1 y Figura 13. Sin embargo, conforme se incrementa el diámetro de la segunda fibra, la relación de área superficial a volumen unitario disminuye y como resultado se dispersan menos fibras de nanoalúmina en las segundas fibras y/o en los poros. Por lo tanto, en un ejemplo preferido, la pluralidad de las segundas fibras está comprendida de una combinación de una pluralidad de fibras gruesas y una pluralidad de fibras finas. Las fibras finas pueden tener todas sustancialmente diámetros promedio similares, o algunas fibras finas pueden tener diámetros diferentes. La inclusión de fibras finas da por resultado una reducción correspondiente del tamaño de poro. Ver por ejemplo Tabla 1 y Figura 13. Los tamaños de poro determinan la caída de presión a través del medio de filtro. En un ejemplo preferido, la caída de presión es menos de aproximadamente 35 mm de H2O para un filtro compuesto final o unidad de filtración final a una velocidad de flujo de aproximadamente 3.2 m/min. En un ejemplo, el medio de filtro reivindicado comprende además un absorbente en partículas, preferentemente una partícula coloidal que se adiciona al medio de filtro. Para absorber productos orgánicos volátiles, agentes nerviosos, o gas mostaza, se adiciona carbón activado como un polvo fino (por ejemplo, partículas que tienen un tamaño tan pequeño como aproximadamente 1 \i y que tienen un tamaño promedio de aproximadamente 28 pm) , para proporcionar adsorción más rápida que los carbonos granulares típicos más grandes. En un ejemplo el medio de filtro reivindicado comprende además un aglutinante. El aglutinante puede tener una forma de fibra (Invista T104) o puede ser una resina tal como Rohm o Haas Rhoplex HA-16. La inclusión del aglutinante incrementa la resistencia y/o capacidad de plegado del medio de fibra, aunque el aglutinante no es necesario para unir las partículas a la estructura. En un ejemplo, el medio de filtro puede comprender además un agente antimicrobiano que se mezcla con la pluralidad de fibras de nanoalúmina y segundas fibras. En la elaboración, después de que se elabora la suspensión espesa y antes de que la mezcla se filtre sobre un tamiz, se adiciona el agente antimicrobiano y se adsorbe a las fibras de nanoalúmina a fin de hacerlas disponibles como un agente antimicrobiano. En un ejemplo, el agente antimicrobiano es plata. En otros ejemplos, los iones tal como cobre y zinc trabajan ya sea de manera sinérgica con la plata como un agente antimicrobiano. En aún otro ejemplo, los iones tal como cobre y zinc trabajan solos como un agente antimicrobiano . En un ejemplo de la presente invención, el medio de filtro se carga de manera electrostática, tal que las fibras de nanoalúmina capturan partículas tal como patógenos y otra materia. En un ejemplo, el medio de filtro es un filtro no tejido homogéneo. En un ejemplo, el medio de filtro se pre-trata o pre-acondiciona al hacer fluir una pluralidad de partículas a través del mismo. Las partículas pueden tener diámetros que varían desde aproximadamente 0.3 a aproximadamente 1.5 pm. La inclusión de estas partículas bloquea al menos algunos de los poros más grandes de la pluralidad de poros asimétricos a fin de reducir la fuga inicial a través del medio de filtro. Adicionalmente , el pre-acondicionamiento ayuda a crear o producir capacidad de HEPA o ULPA a todo lo largo del uso del filtro. En un ejemplo, la pluralidad de partículas es una pluralidad de esferas de látex, aunque la pluralidad de partículas se puede hacer de cualquier sustancia que es capaz de bloquear al menos algunos de los poros más grandes . En un ejemplo, el medio de filtro, reivindicado, de nanoalúmina, tiene una eficiencia de retención que es al menos tan buena como HEPA. En otro ejemplo, el medio de filtro reivindicado tiene una eficiencia de retención que es al menos tan buena como ULPA. En otra modalidad, la invención reivindicada es un método para fabricar el filtro de fluido de nanoalúmina. El método de fabricación comprende los pasos de formar fibras de nanoalúmina en la presencia de una pluralidad de segundas fibras. Las segundas fibras se arreglan para formar una pluralidad de poros asimétricos. En un ejemplo, el medio de filtro de nanoalúmina se forma en una capa individual homogénea. En otro ejemplo, el medio de filtro de nanoalúmina se forma en más de una capa. En aún otro ejemplo, el medio de filtro de nanoalúmina se pliega. El medio de filtro se puede usar en un sistema de filtración. En el uso, se hace pasar corriente de gas o aire a través del medio de filtro y se remueve del mismo la materia en partículas al retener las partículas en el medio de filtro. En un ejemplo, el medio de filtro comprende una suspensión de gotas de agua. Los ejemplos de uso del filtro incluyen, pero no se limitan a, uso en filtración a aire ambiente, uso en respiradores o máscaras faciales, uso en filtros automotrices de aire, uso en un cuarto limpio, uso en un cuarto de operaciones, o uso en un escenario industrial, tal como para remover pintura u otra materia particular contenida en las nieblas industriales. En un ejemplo, el medio de filtro se usa en un ambiente que tiene una humedad que es mayor de aproximadamente 75 % de humedad relativa. En otra modalidad, la presente invención tiene amplias aplicaciones en nanotecnologia y proporciona una estructura fibrosa para retener partículas que son muy difíciles de dispersar y contener dentro de tramas fibrosas. En los ejemplos, las partículas dispersadas son absorbentes o catalizadores que pueden remover contaminantes de las corrientes fluidas. Los ejemplos de contaminantes incluyen: compuestos orgánicos tal como compuestos orgánicos halogenados, pesticidas, y compuestos orgánicos volátiles. En otros ejemplos, los contaminantes son bacterias y virus, moho, hongos, moho, materia orgánica, materia inorgánica, microorganismos, partículas carbonosas, nieblas de fluidos de trabajos metálicos, nieblas de pintura, pesticidas, nieblas de tinta, o nieblas ácidas. La estructura fibrosa es una trama o tejido u otro medio que tiene una estructura de fibras individuales que se intercolocan de una manera desorganizada. De manera preferente, la estructura fibrosa se prepara por colocación en húmedo, pero también se puede preparar por otros métodos bien conocidos en la técnica que incluyen colocación con aire, soplado en estado fundido, unión por hilado y cardado. La estructura fibrosa comprende fibras de nanoalúmina mezcladas con y unidas a segundas fibras como se describe anteriormente y que comprende además una pluralidad de partículas finas, ultrafinas o de nanopartículas (descritas en más detalle más adelante) colocadas sobre las fibras de nanoalúmina. Las segundas fibras se arreglan en una matriz para crear poros asimétricos. Como se describe anteriormente, el polvo fino de aluminio metálico se hace reaccionar con las segundas fibras para formar la estructura fibrosa. La reacción se lleva a cabo al adicionar amoniaco a la mezcla de aluminio y segundas fibras. La mezcla se calienta al punto de ebullición del agua. Las partículas finas, ultrafinas o de tamaño nanométrico se adicionan a la mezcla ya sea antes de la reacción en agua de aluminio, durante la reacción en agua a ebullición, o después de que la mezcla se enfríe a temperatura ambiente. El acabado resultante (formulación) se convierte a una estructura fibrosa al aplicar succión a la parte posterior de un tamiz, como cuando se forma una hoja de papel o como en una máquina de fabricación de papel, los métodos que son bien conocidos en la formación de medios no tejidos mediante procesamiento húmedo . Una de partículas finas, ultrafinas o de tamaño nanométrico se coloca sobre las fibras de nanoalúmina. En los ejemplos, la pluralidad de partículas es un quimioabsorbente, un adsorbente de alta área superficial, o un catalizador que convierte un contaminante en un compuesto menos peligroso. Los ejemplos de absorbentes incluyen carbón activado; sílice, silicatos, alúminasilicatos, adsorbente de plomo de silicato de titanio, y gel de sílice; zeolitas; alúmina activada, metales y óxidos metálicos que incluyen dióxido de titanio; catalizadores tal como metales preciosos y catalizadores de metales de transición, incluyendo platino, paladio, plata y óxido de plata, iridio, rodio y oro, y dióxido de manganeso activado con cobre; hueso carbonizado; hidroxiapatita cálcica; magnesia; perlita; talco; partículas poliméricas; arcilla; resinas de intercambio iónico; cerámicas; y combinaciones de los mismos. En otro ejemplo, la pluralidad de partículas finas, ultrafinas o de tamaño nanométrico es ARN, un polímero de tamaño micrométrico o nanométrico, una macromolécula biológicamente activa tal como ADN, una macromolécula funcionalizada, o un microencapsulante de sustancias que controla la liberación de un material envuelto, tal como tintes microencapsulados, fármacos que se pueden liberar de un vendaje de herida no tejido, fármacos que son capaces de ser vaporizados en una corriente de inhalación, o agentes que son capaces de neutralizar sustancias tóxicas tal como agentes químicos nocivos. En otro ejemplo, la pluralidad de partículas ultrafinas o de tamaño nanométrico es carbón activado. La estructura fibrosa reivindicada que comprende carbón activado en polvo proporciona una adsorción más rápida de contaminantes que el medio relleno de carbón activado, comercialmente disponible. Los ejemplos de la estructura fibrosa reivindicada que comprende carbón activado en polvo son útiles para proteger personal militar y civil de ataques biológicos y químicos que se distribuyen como un aerosol o a través de contaminación del suministro de agua. En un ejemplo, la estructura fibrosa se usa en aplicaciones médicas, tal como vendaje de heridas o en un inhalador . En otro ejemplo, la invención reivindicada es un método para fabricar la estructura fibrosa. El método de fabricación comprende los pasos de formar fibras de nanoalúmina en la presencia de una pluralidad de segundas fibras. Las segundas fibras se arreglan para formar una pluralidad de poros asimétricos. Una pluralidad de partículas finas, ultrafinas, o de tamaño nanométrico se adiciona a la mezcla para eliminación sobre las nanofibras. En un ejemplo, se remueve agua de la mezcla. En un ejemplo, la estructura fibrosa se forma en una capa individual homogénea. En otro ejemplo, la estructura fibrosa se forma en más de una capa. En aún otro ejemplo, se pliega la estructura fibrosa. En el uso, se hace pasar una corriente fluida a través de la estructura fibrosa y se remueven los contaminantes de la misma al retener los contaminantes en la estructura fibrosa. Los ejemplos de uso de la estructura fibrosa reivindicada incluyen, pero no se limitan a purificación de agua para beber o suministros de aire. Los ejemplos específicos incluyen el uso de la estructura fibrosa en un sistema de filtración de aire en un cuarto, en respiradores, en filtros automotrices de aire, en un cuarto limpio, en un cuarto de operaciones, y en escenarios industriales, tal como para remover pintura u otra materia en partículas contenida en nieblas industriales. Adicionalmente, la estructura fibrosa reivindicada es útil para remover agentes biológicos, tal como ántrax o el virus de viruela, agentes químicos, tal como el gas nervioso, o agentes radiológicos, tal como aquellos que se pueden distribuir por una bomba radiológicamente sucia, del agua de beber o suministros de aire. La capacidad para remover agentes nucleares, biológicos y químicos (NBC) se requiere en respiradores personales y refugios protectores, y en trajes de NBC que son capaces de proteger al usuario de asimilación de agentes. En otro ejemplo de uso, una capa de producto compuesto de fibras de nanoalúmina/fibras gruesas se coloca corriente abajo de la estructura fibrosa reivindicada para recolectar cualquier partícula o contaminantes que escapen durante el uso.

Ejemplos de la Presente Invención Ejemplos.- Medio de Filtración de Aire Los siguientes ejemplos ilustran varias modalidades de la presente invención. Estos ejemplos no se deben considerar como limitantes. Todos los porcentajes están en peso. Los cálculos para determinar el tamaño de poro se proporcionan en el análisis después de los ejemplos.

Ejemplo 1 El objeto de los experimentos resumidos más adelante fue desarrollar un medio de nanoalúmina que tiene una caída de presión sustancialmente equivalente a medios de HEPA y una eficiencia de filtración sustancialmente mayor que HEPA. También son un objeto de los experimentos correlacionar el desempeño de adsorción de agua de los medios de filtro de nanoalúmina con aquél de un medio de filtro de HEPA conocido (más adelante en la presente, "el filtro de HEPA de Donaldson") para permitir la optimización de la filtración de aire usando datos de adsorción de agua. Veinticuatro suspensiones espesas de mezclas de nanoalúmina en microvidrios se produjeron para hacer reaccionar polvo de alúmina con un diámetro de 5 µp? (Valimet Corp. # H-5) en agua a 100°C en la presencia de lana de fibra de vidrio de borosilicato acolchonada de longitudes aleatorias (Lauscha) . El medio no tejido de fibras que contiene nanoalúmina se formó en un molde de hoja de 1 x 1 pie (30.48 x 30.48 centímetros) y se fortaleció con fibras bi-componentes al 17-23 % (Invista T104, diámetro de 20 µp?, longitud de 1/2 de pulgada (1.27 centímetros)) que sirvió con aglutinante. También se adicionó el aglutinante Rhoplex, aproximadamente 2 % en peso en forma líquida. Las hojas se marcaron AF1 - AF24. Los filtros se probaron como una capa individual con una corriente de aire que tiene una velocidad de flujo que varía desde aproximadamente 5.6 a aproximadamente 23 m/min. El área superficial disponible para filtración fue aproximadamente 8.2 cm2. Los filtros se compararon al filtro de agua NanoCeramMR y al filtro de HEPA Donaldson a fin de comparar las características del filtro de aire o gas de nanoalúmina de la invención a un filtro de agua y un filtro convencional de HEPA. La Tabla 1 muestra la composición, porosidad, caída de presión, y tamaño promedio de poro para cada hoja y los medios de NanoCeram y HEPA. La Figura 13 también muestra el tamaño de poro y la caída de presión para algunos de los filtros de nanoalúmina que se probaron. Cada medio de filtro mostrado en la Tabla 1 y la Figura 13 se probó como un medio de capa individual. Sin embargo, en el uso, se puede mejorar el desempeño al apilar más de una capa. Como se muestra en la Tabla 1, los filtros AF1- AF12 estuvieron comprendidos de fibras de nanoalúmina mezcladas con fibras de microvidrio de un diámetro promedio individual, ya sea de aproximadamente 0.6 µ???, de aproximadamente 1.5 µp?, o de aproximadamente 2.5 µp?. Los filtros AF13-AF24 estuvieron comprendidos de fibras de nanoalúmina mezcladas con una combinación de fibras de microvidrio gruesas y finas como sigue: de aproximadamente 0.6 µ?? + aproximadamente 1.5 um; de aproximadamente 0.6 µ?t? + aproximadamente 2.5 µ??\; o de aproximadamen e 1.5 µ?? + aproximadamente 2.5 µ?t?. El porcentaje de cada tamaño de fibra que comprende un medio determinado de filtro de nanoalúmina se indica en la Tabla 1.

Tabla 1.- Composición y propiedad de filtros de prueba de nanoalúmina Nota: NA - no aplicable Relación entre diámetro de fibras de microvidrio y porosidad del medio Los datos de la Tabla 1 ilustran que el medio que está comprendido de microfibras de vidrio que tienen diámetros pequeños también tiene menores porosidades y pequeños tamaños de poro. Estas relaciones se ilustran adicionalmente en la Figura 13. Por ejemplo, el medio comprendido de microfibras de vidrio de 0.6 µp? tienen porosidades de aproximadamente 90 % y tamaños de poro que varían desde 4.2 a 10 um. Los medios comprendidos de microfibras de vidrio de 1.5 um tienen porosidades de aproximadamente 92.3 % y tamaños de poro que varían desde aproximadamente 16 a aproximadamente 21 µp?. Finalmente, los medios comprendidos de microfibras de vidrio de 2.5 µ?t? tienen porosidades de aproximadamente 95.3 % y tamaños de poro que varían desde aproximadamente 35 a 38 µ?t?. Los datos de la Tabla 1 y la Figura 13 también ilustran que los medios que tienen los tamaños más grandes de poro o las porosidades más grandes también tienen las más pequeñas caídas de presión. Por ejemplo, los medios que tienen porosidades de aproximadamente 95 %, tienen caídas de presión de aproximadamente 3.4 a aproximadamente 4.3 mm de H20, en contraste a las caídas de presión de aproximadamente 125 a aproximadamente 204 mm de H20 para porosidades de aproximadamente 90 %.

En los ejemplos, donde el medio de filtro estuvo comprendido de una combinación de fibras gruesas y finas, no se incrementó el tamaño de poro tan dramáticamente como cuando las fibras gruesas estuvieron presentes. Ver, por ejemplo, Tabla 1 y la Figura 13. Por ejemplo, las fibras de 2.5 µp? combinadas con fibras de 1.5 µ?? tienen tamaños de poro que varían desde aproximadamente 22-28 µ?? y porosidades de aproximadamente 94 %, con una caída correspondiente de presión de aproximadamente 5.7 a aproximadamente 9.2 mm de H20. De manera notable, la mayoría de las muestras AFI-AF24 tiene un tamaño de poro que es mayor que el tamaño de poro en el filtro de HEPA de Donaldson. Por ejemplo, AF6 tiene un tamaño de poro que fue más de seis veces mayor que el tamaño de poro del filtro de HEPA de Donaldson.

Características de Filtración de Flujo de Aire Los filtros del conjunto de filtros de prueba AFI-AF24 se separaron en base a su desempeño de flujo de aire. En la Figura 1, se muestran los datos para filtros que tienen una caída de presión de menos de 10 mm de H2O a 3.2 m/min . La línea sólida corresponde a una velocidad de flujo de 3.2 m/min. Los resultados muestran que hay varias variaciones de formulación del material de fibra de nanoalúmina reivindicado que tiene una menor caída de presión que los filtros de HEPA. Estos resultados se piensa que son debidos al mayor tamaño de poro de los nuevos medios de filtro.

Evaluación de Filtración de Materia en Partículas Usando prueba de látex Monodispersa Tradicionalmente , se han usado aerosoles basados en aceite tal como DOP (ftalato de di-octilo) para simular aerosoles líquidos, y aerosoles de cloruro de sodio (NaCl) o de potasio (KC1) que se han usado para simular las partículas sólidas cuando se evalúa el material de filtro de aire. Los inventores compararon la adsorción de las esferas ultrafinas monodispersas de látex en agua con aquélla de los filtros de HEPA y luego intentaron establecer una correlación en base a los datos de las pruebas de DOP y NaCl. Específicamente, los filtros de aire AF3 (tamaño promedio de poro de 16 µp?, ver Tabla 1), AF6 (tamaño promedio de poro de 38 µp?) , ver Tabla 1, y el filtro de HEPA de Donaldson, que tiene un diámetro de aproximadamente 25 mm y un área superficial efectiva de aproximadamente 3.7 cm2, se emplazaron con una corriente fluida de agua limpia (RO) que tiene esferas de látex de 1 µp? a una velocidad constante de flujo de aproximadamente 0.1 m/min. Aunque la Tabla 1 describe medios de filtro arreglados en una capa individual, se usaron pilas de una a cuatro capas en este experimento a fin de optimizar el desempeño de los medios de filtro en aplicaciones de aire y agua. Se midió la turbidez de entrada y de salida (en unidades de turbidez nefelométricas o NTU) en agua usando un turbidimetro Modelo 2020 de LaMotte. La Figura 2 muestra una representación gráfica de la turbidez en el efluente que deja los filtros comprendidos de fibras de nanoalúmina y microvidrio en comparación a un filtro convencional de HEPA. Como se muestra, los filtros inventivos que comprenden las fibras de nanoalúmina y de vidrio exhibieron turbidez virtualmente indetectable en el efluente en comparación al filtro de HEPA. Los resultados de este experimento fueron sorprendentes debido a que los filtros inventivos retuvieron partículas de 0.2 µ?t?, aunque los filtros AF3 y AF16 tienen tamaños promedio de poro de aproximadamente 16 y 38 µ???, respectivamente. Se esperó que los filtros que tienen estos tamaños promedio grandes de poro no serán capaces de retener partículas que fueran mucho más pequeñas. La muy pobre retención del filtro de HEPA en el medio de agua también fue sorprendente, indicando que los filtros de HEPA tienen una retención mucho más pobre de partículas en agua que en aire, y de esta manera se comportan de una manera sustancialmente diferente en los dos ambientes. El objetivo de correlacionar los datos de adsorción de agua al desempeño de aire no fue exitoso y por lo tanto fueron dependientes de los experimentos subsiguientes .

Ejemplos 2-10 En los ejemplos 2-10, el medio de filtro de nanoalúmina marcado AF3, AF6, AF11, y AF16 se usaron para caracterizar adicionalmente el medio de filtro de nanoalúmina inventivo en comparación al filtro de HEPA de Donaldson. Como se expone en la Tabla 1, AF3 estuvo comprendido de microfibras de vidrio de 1.5 µt?, AF6 y AF11 estuvieron comprendidos de microfibras de vidrio de 2.5 µta, Y AF16 estuvo comprendido de una combinación de microfibras de vidrio 1.5 y 2.5 µp?.

Ej emplo 2 Penetración de Partículas Inicial de NaCl y POP Inicial Los filtros AF3 (tamaño promedio de poro de 16 um) , AF6 (tamaño promedio de poro de 38 µp\) , AF11 (tamaño promedio de poro de 37 µp?) , y AF16 (tamaño promedio de poro de 28 µ?t?) , fabricados en el Ejemplo 1, y el filtro de HEPA, se enviaron a Nelson Laboratories en Salt Lake City, Utah, para prueba de aerosol de NaCl monodisperso neutralizado y DOP. La concentración de emplazamiento fue 1.5 por 106 partículas/cm3 a 32 L/min a través de filtros de 100 cm2.

Los aerosoles tienen un tamaño medio de partícula de 0.3 µ?a que se consideró que es el intervalo de partículas más penetrante. Las muestras de prueba se prepararon en la forma de cuadrado de 10 x 10 cm o discos de un diámetro aproximado de 4-5 pulgadas (10.16-12.7 centímetros). Las hojas planas de tres pliegues o tres capas se ciñeron en el dispositivo de prueba y se emplazaron con una corriente de aire a 32 L/min. Los datos se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2.- Penetración Inicial de POP y NaCl El filtro AF16 tiene la penetración inicial más baja de aerosol de NaCl y DOP, aunque esta penetración no fue comparable a aquélla del filtro de HEPA. Esta muestra se compuso de una mezcla de microfibras de vidrio de 1.5 y 2.5 micrones y contiene sólo 7.7 % de nanoalúmina. Tiene un tamaño de poro de aproximadamente 28 µ?t?. Los resultados muestran que muchas de las formulaciones de nanoalúmina tienen una penetración inicial mayor que la especificación de HEPA.

Ejemplo 3 Prueba de Capacidad de Aerosol de NaCl Los filtros AF3, AF6 , AF11, y AF16, y el filtro de HEPA (área de prueba de 100 cm2) se emplazaron por el aerosol de NaCl a una velocidad de flujo de 32 litros/min durante aproximadamente 3 horas cada uno. Se distribuyeron aproximadamente 0.0067 mg/min/cm2 de NaCl a cada filtro, que es equivalente a aproximadamente 40 mg/hr. Como se describe anteriormente, típicamente fueron necesarias tres capas de AF16 (1.2 mm cada una, total de 3.6 mm) para lograr la caída de presión equivalente del HEPA, de modo que la prueba se hizo con tres capas versus HEPA. La Figura 3 muestra una representación gráfica de la penetración de cada filtro probado por aerosoles de NaCl como una función del tiempo. Como se muestra, el filtro AF16 tiene la presentación inicial más baja de aerosol de NaCl pero aún estuvo considerablemente por arriba de aquélla de HEPA. AF16 tiene la penetración más baja y por lo tanto se usó para evaluación adicional.

Capacidad La Figura 4 muestra una representación gráfica de la resistencia al aire de los filtros como una función del tiempo. La capacidad (o vida del filtro) en este ejemplo se define como el tiempo (en minutos) requerido para alcanzar una caída de presión (??) de 50 mm de H20. Como se muestra en la Figura 4, todos los filtros inventivos de nanoalúmina probados tienen una capacidad que es al menos diez veces a aquélla del filtro de HEPA . Los filtros AF6 y AF11 tienen capacidades que excedieron aquélla de HEPA por un factor de aproximadamente 30 veces. Estos datos son importantes debido a que el "tiempo de vida" de un filtro se define típicamente de acuerdo a una caída de presión limitante seleccionada a través del filtro. La acumulación de presión a través del filtro define el tiempo de vida a un nivel definido para esa aplicación o diseño. Puesto que la acumulación de presión es el resultado de la carga, para sistemas de eficiencia igual, una vida más prolongada se asocia típicamente de forma directa con una mayor capacidad. La eficiencia es la propensión del medio a atrapar en lugar de pasar materia en partículas. Típicamente, entre más eficiente es un medio de filtro en remover materia en partículas de una corriente de flujo de gas, en general más rápido el medio de filtro alcanzará el diferencial de presión de "tiempo de vida" asumiendo que se mantienen constantes otras variables. Un filtro que tiene una capacidad incrementada es de beneficio considerable debido a que reduce el costo de cambios frecuentes de filtro. Adicionalmente , muchos filtros, incluyendo aquéllos que interceptan bacterias y virus o materiales nucleares, tienen que ser colocados como desperdicio peligroso. Por lo tanto, la reducción de la frecuencia con la cual se tienen que cambiar y eliminar los filtros de desecho peligrosos es un beneficio económico adicional . La Tabla 3 presenta los resultados de las pruebas de aerosol de NaCl a velocidades de flujo de aire de aproximadamente 3.2 m/min para filtros descritos en la patente de los Estados Unidos número 6,872,431 de Kohlbaugh ("la patente '431") y las fibras inventivas que comprenden fibras de nanoalúmina y microvidrio a un nivel "pre-HEPA" para remoción de partículas de 0.3 µ?t?, en donde "pre-HEPA" se define como una eficiencia del medio que varía de aproximadamente 98.9 % a aproximadamente 99.6 %. La Tabla 3 también presenta los resultados del emplazamiento de uno de los filtros inventivos (una capa individual del filtro AF16) con el tamaño de partícula más penetrante de 0.33-0.40 µp? de KC1 neutralizado a una velocidad de flujo de aproximadamente 4.6 m/min .

Tabla 3.- Penetración de Aerosol de NaCl (0.3 µp?) de Muestras de Prueba a Nivel de "pre-HEPA"b Notas: (a) éste es un valor estimado en base a ecuaciones en la descripción de la patente '431, páginas 23-24; (b) éstos son valores estimados en base a los datos descritos en la patente '431, página 35, renglones 1-10; (c) éstos son valores estimados en base a los datos descritos en la patente '431, página 43; (d) éste es un valor estimado en base a los datos descritos en la patente '431, página 39; (e) el espesor estimado excede el límite para la construcción del medio de filtro (ver reivindicación 14, patente '431); (f) éstos son valores estimados; (g) este filtro se emplazó con el tamaño de partícula más penetrante de aproximadamente 0.33 a aproximadamente 0.40 µp? de KC1 neutralizado a aproximadamente 4.6 m/min . Los resultados mostrados en la Tabla 3 indican que al nivel de "pre-HEPA" : 1. El medio de AF6, que es plegable, tiene mayor capacidad para alcanzar una caída de presión de aproximadamente 125 mm de H2O y aproximadamente 50 mm de H20 en comparación al medio descrito en la patente '431 que incorpora ya sea 10, 14 ó 25 capas. La expectación de vida a 125 y 50 mm de H2O se mejora por aproximadamente 40 %, 28 %, y 20 %, respectivamente. 2. Una capa individual del medio de AF16 tiene una expectación de vida y eficiencia de remoción de las partículas más penetrantes (KC1, 0.33-0.4 µp\) que excede aquélla de los filtros descritos en la patente '431 para productos compuestos de 10 y 14 capas. Estos datos son importantes debido a que muestran que el medio de fibras de nanoalúmina tiene una expectación incrementada de vida en comparación al filtro de '431 y debido a que su eficiencia de remoción de partículas excede aquélla del filtro '431. De esta manera, no sólo son los filtros reivindicados de nanoalúmina más efectivos en el costo, también se desempeñan mejor. Adicionalmente, es mucho menos costoso de fabricar un medio individual que uno con -14 capas diferentes, y en este último caso, uno que se tenga que cuidar de la deslaminación. La Tabla 4 presenta los resultados de las pruebas de aerosol NaCl a velocidades de flujo de aire de aproximadamente 3.2 m/min para los filtros descritos en la patente '431 y las fibras inventivas que comprenden fibras de nanoalúmina y microvidrio a un nivel de ???? para remoción de partículas de 0.3 µp?.

Tabla 4.- Resultados de Prueba de Aerosol de NaCl a un Nivel de HEPA Notas: (a) éstos son valores estimados en base a las ecuaciones descritas en la patente '431, páginas 23-24; (b) éstos son valores estimados en base a los datos descritos en la patente '431, página 35, renglones 1-10 (se señala que el espesor estimado excede el limite para la construcción del medio de filtro, por la reivindicación 14 de la patente '431); (c) éste es un valor estimado en base a los datos descritos en la patente '431, página 39, renglones 39-45; (d) éste es un valor estimado. Los datos mostrados en la Tabla 4 indican que los medios de AF6 y AF11 tienen mayores capacidades de alcanzar una caída de presión de 125 ó 50 mm de H2O en comparación a los medios descritos en la patente '431 que tiene 16 ó 25 capas. Los medios inventivos mejoran la expectativa de vida del filtro por al menos 80 % a una presión terminal de 125 mm de H2O con respecto a los medios de la patente '431, aunque los medios de la patente '431 tienen 25 capas tienen una expectativa comparable de vida a una caída de presión de 50 mm de H20.

E emplo 4 Preacondicionamiento El objetivo de este ejemplo fue eliminar la fuga inicial cuando se probó a un protocolo de HEPA. Se tiene como hipótesis que los tamaños más grandes de poro en el medio de filtro (que contiene un amplio intervalo de tamaños de poro debido al arreglo asimétrico de las fibras) fue responsable de la fuga inicial. Adicionalmente, se tuvo como hipótesis que la inyección de una partícula extraña en el filtro para acondicionar el filtro antes del uso fluiría en los más grandes de los poros, bloqueándolos y reduciendo de este modo su fuga para mejorar la eficiencia del filtro. A fin de probar esta hipótesis, los filtros se pre-cargaron con un agente acondicionador de modo que los poros se taparon antes del uso. Se usó la muestra AF16 (filtro con un diámetro de 25 mm) en esta prueba. Se usaron esferas de látex monodispersas (Duke Scientific) para acondicionar los filtros debido a que estas esferas son estables en el aire y no se afectan por una corriente húmeda de aire. Los experimentos se llevaron a cabo en los cuales las esferas de látex tienen diámetros de ya sea 0.2, 0.5 ó 1 µ?t?. Las esferas se cargaron sobre el filtro y se midió la resistencia al aire. Se midió la resistencia del flujo de aire como se describe anteriormente. La precarga con esferas de 0.2 µ?? tiene efectos mínimos en la caída de presión en los filtros inventivos (datos no mostrados) y después de alguna precarga, fue medible la turbidez del efluente. La Figura 5 es una representación gráfica de la velocidad de aire y el cambio en la presión después de la pre-carga de los filtros inventivos con esferas de látex de 0.5 ó 1 µ??. Durante la pre-carga, se señaló que la turbidez del efluente estaba por abajo del limite de detección de 0.01 NTU, sugiriendo adsorción cuantitativa de estas partículas más grandes por el medio de filtro. Los datos sugieren que las esferas de 0.5 y 1 µ?t? son adecuadas para pre-acondicionar los filtros con las esferas. En resumen, los resultados del Ejemplo 4 muestran que : 1. Las partículas extrañas tal como partículas monodispersadas se pueden usar para acondicionar el medio de filtro de nanoalúmina . 2. La medición de la turbidez durante la pre-carga es una manera efectiva para monitorizar y controlar el proceso de pre-carga. 3. Se pueden cargar muestras con muestras de látex de 0.5 y 1 µ??? para reflejar la caída de presión (??) que se presenta durante la prueba de aerosol de NaCl . 4. La partícula de látex de 0.2 µp? es demasiado pequeña para lograr la ?? deseada. Como una alternativa a las partículas de látex costosas, se pueden usar partículas menos costosas y preferentemente de sub-micrones, para preacondicionar los filtros, incluyendo por ejemplo, aglomerados de sílice ahumadas y carbón granular ultrafino (Cab-O-Sil), u óxidos metálicos .

Ejemplo 5 Prueba de Capacidad y Penetración de NaCl para Muestra AF16 Precargada Se prepararon muestras de prueba al precargar esferas de látex de 0.5 µp? sobre una superficie de un filtro que consiste de 3 capas del medio AF 16. El medio se preparó como discos circulares con un área de 175 cm2. Las muestras (área de prueba de 100 cm2) se emplazaron (en Nelson Laboratories) con un aerosol de NaCl a una velocidad de flujo de 32 litros/min durante aproximadamente 3 horas cada una. La masa aproximada de NaCl que se distribuyó al filtro fue 0.0067 mg/min/cm2, o 40 mg/hr o 0.5 %/hr de la masa expuesta del filtro. A una velocidad de flujo de 32 litros/min, la velocidad fue 3.2 m/min. El espesor de filtro del AF 16 de tres capas fue aproximadamente 0.36 cm, dando por resultado un tiempo computado de residencia de aproximadamente 0.07 segundos. La Figura 6 muestra una representación gráfica de la resistencia al aire de filtros de nanoalúmina preacondicionados con esferas de látex durante la carga de NaCl. Como se muestra, durante las 3 horas de prueba, la resistencia de aire de todas las muestras de prueba de nanoalúmina fue mucho menor que aquélla de HEPA. El filtro de HEPA alcanzó un ?? de 50 mm de H2O en aproximadamente 4 minutos, en tanto que las muestras de nanoalúmina tomaron aproximadamente 40 minutos para alcanzar el mismo ?? (un filtro de nanoalúmina que contuvo 9 % en peso de látex alcanzó un ?? de 50 mm de H20 en aproximadamente 30 minutos) . Esta mejora en la vida del filtro, que es aproximadamente 7-10 veces mayor que HEPA, es un beneficio para aplicaciones que usan filtros de alta eficiencia, incluyendo protección colectiva militar, hospital, seguridad de la patria, filtros automotrices y de respiradores. La Figura 7 muestra una representación gráfica de la penetración de NaCl de filtros de nanoalúmina preacondicionados con cuentas de látex. Aunque la penetración inicial no se redujo a 0.03 %, la retención se incrementó con la carga continua de las partículas de NaCl. Todas las muestras de AF 16 pre-acondicionadas tienen una penetración inicial menor de NaCl que la AF 16 misma. Hay una tendencia hacia mejor desempeño con precarga incrementada de cuentas de látex de 0.5 µ?t?, con el valor más bajo que es 0.047 % de penetración para 9 % en peso de látex en comparación a la penetración de 0.03 % que define HEPA.

Ejemplo 6 Se probaron medios de filtro para retención de aerosol de NaCl en Nelson Laboratories como en el Ejemplo 2. La Figura 8 muestra una representación gráfica de la penetración de aerosoles de NaCl de 0.3 µ?? a través del medio de prueba. En este ejemplo, se compararon las siguientes muestras: HEPA; una capa individual de AF 16 sin precarga que se usó como un prefiltro para el filtro de HEPA; y las tres capas de AF 16, preacondicionadas con partículas de látex. Como se muestra, el filtro de sólo HEPA no se puede tasar como un ULPA. En contraste, el filtro de AF 16 preacondicionado tiene una retención inicial y continua de >99.99 %, calificando de este modo como un filtro de ULPA. Adicionalmente , como se muestra en la Figura 8, la adición de una capa individual de AF 16 (no preacondicionada ) como un prefiltro al HEPA también dio por resultado una tasación de ULPA. Estos datos muestran que el medio de filtro de nanoalúmina reivindicado tiene una retención que excede aquélla de los filtros convencionales de HEPA tal como el filtro de HEPA de Donaldson, y que el uso de nanoalúmina como un prefiltro incrementa la tasación de HEPA a una tasación de ULPA. La Figura 9 muestra una represen ación gráfica de la resistencia al aire de los filtros de prueba durante una prueba de capacidad de aerosol NaCl para las muestras descritas anteriormente. La adición de una capa individual de AF 16 sin preacondicionamiento extendió la vida del filtro de HEPA por aproximadamen e 700 %, a un umbral de ?? de 50 mm, que dio por resultado ahorros considerables si se usa en la práctica.

De esta manera, los filtros reivindicados son más efectivos en retener partículas que tienen mayor expectativa de vida que los filtros convencionales de HEPA y por lo tanto estos medios reivindicados del filtro de nanoalúmina son más rentables .

Ejemplo 7 Las muestras del medio AF16 se probaron en LMS Technologies, Inc. (Edina, MN) de acuerdo con las regulaciones del Método 319 de EPA que son específicas para medir sistemas de filtración para detención del rociado excesivo de pintura en la industria aeroespacia 1. En las operaciones de acabado industrial de los Estados Unidos, 30 % de la pintura que se rocía, que da cuenta de 90 millones de galones, se rocía de manera excesiva, con mucho de esto dispersado a la atmósfera. Se probó una capa del medio AF 16 a una velocidad de flujo de 15 fpm. La caída inicial de presión fue 22 mm de H2O. La Figura 10 muestra una representación gráfica de la eficiencia de retención o fraccional de un filtro de prueba como una función del tamaño de partícula. Estos mismos datos se presentan en la Tabla 5. El filtro también se comparó a un filtro sub-HEPA comercial (Trinitex K903-70, fabricado por Ahlstrom) . La Figura 14 compara la caída de presión del filtro Trinitex a aquélla del filtro AF16. Como se muestra, la caída de presión a través de los dos filtros es muy similar. De manera importante, la retención por el AF16 fue extraordinariamente mejor que la especificación de F.PA así como el medio Ahlstrom sobre todos los intervalos de tamaño de partícula de la compa ación. tos datos muestran que el nuevo medio puede mejorar sustancia [mente: el desempeño del medio sub-HEPA sin requerir preacondi cionamiento .

Tabla 5.- Retención de aerosoles de KC1 como una función del tamaño de partícula E emplo 8 Una solicitud de patente co-pendiente afronta e] uso de plata en el control de la proliferación de bacterias.

Por lo tanto, se prueba aquí la inclusión de plata en el medio de filtración de aire. Se prepararon tres hojas de nanoalúmina de polvo de aluminio como se describe para la muestra HF0404 en el ejemplo 1, con la excepción que se adicionó nitrato de plata (0.1 %, 0.3 % y 1 % en peso como plata al peso seco de la suspensión espesa) a la suspensión espesa. Se montaron muestras (diámetro de 25 m ) en un soporte de filtro y se cargaron con 10 mi de 8-107 CFU/ml de la suspensión de Klebsiella terrigena en solución acuosa amortiguada. Las bacterias se eluyeron de los filtros en dirección inversa con 3 mi de solución que contiene 3 % de extracto de carne de baca y 0.35 % de solución de glicina a pH 7.5 inmediatamente después de la carga y luego después de 1, 5, y 18 horas de residencia. La Figura 11 muestra una representación gráfica del efecto antimicrobiano de la inclusión de plata iónica en fibras de nanoalúmina como una función del tiempo de la exposición al filtro. Como se muestra, los filtros de nanoalúmina impregnados con plata controlan la proliferación bacteriana, con control mejorado conforme se incrementa el por ciento de nitrato de plata. Las pruebas también mostraron que 1 % de plata no tiene efecto perceptible en la filtración del virus MS2, demostrando que la eficiencia de virus del medio de filtro no se afectó después de la adsorción de la plata al 1 %.

Estos resultados muestran que la adición de nitrato de plata al filtro reduce al mínimo cualquier reentrada de bacterias o virus del filtro debido a que actúa como un agente antimicrobiano. El efluente de plata de los filtros que se han impregnado fue aproximadamente 30 µg/L, sustancialmente por debajo de los 100 µg/L requeridos por la EPA para el agua potable. Una vez usado, el filtro se puede eliminar como desecho sanitario en lugar de desecho peligroso costoso.

Ejemplo 9 Prueba de Muestras de Medios con Bacterias de E. coli en Aerosol Se ha montado y probado con bacterias de E. coli un aparato originalmente desarrollado por Henderson [1]. En el aparato, una vista esquemática del cual se muestra en la Figura 12, se nebulizaron 5 mi de una suspensión de 1.4 por 109 de CFU de E. coli/ml en solución amortiguadora por un nebulizador De Vilbiss PulmoMate (Modelo SR4650D) . Se operó un segundo nebulizador con una cantidad igual de solución amortiguadora. Los aerosoles generados se inyectaron en un tubo de 90 centímetros de largo y 5 centímetros de diámetro. La humedad relativa se ajustó al mezclar aire que se hizo pasar a través de los brazos húmedo y seco del acondicionador de aire antes de entrar al tubo de rociado.

La humedad relativa y la temperatura de aire cerca del extremo del tubo se midieron por un medidor de humedad. Aproximadamente 1/3 del flujo de la salida del tubo de aerosol se hizo pasar a través del aparato de incidencia AGI-30. El resto del flujo se hizo pasar a través de la tubería con un diámetro interno de 12 mm y entonces se combinó con el aire que escapa a través del aparato de incidencia. El flujo de aire se hizo pasar a través del filtro de HEPA (Whatman, Poly Vent-1000 Cat #6713-1075) . El flujo total fue de 38 litros de aire por minuto. Los dos nebulizadores produjeron el flujo de aire de 12 L/min (6 L/min cada uno) y 26 L/min del flujo de aire se suministraron por el compresor de aire. El flujo de aire a través del aparato de incidencia fue de 12 L/min. La eficiencia del filtro se calculó como: (Concentración de E. coli corriente arriba - % de Eficiencia = Concentración de E. coli corriente abajo) x 100 % [1] Concentración de E. coli corriente arriba donde la concentración de E. coli corriente arriba se determinó sin el filtro en la corriente de aire cargada con E. coli y la concentración de E. coli corriente abajo se determinó con el filtro en la corriente de aire cargada con E. coli, en o cerca de 100 % de humedad relativa. En el primer experimento, se montaron tres capas del medio de filtro AF16 (no preacondicionado con partículas) en un soporte de filtro de diámetro de 90 rain. En el segundo experimento, se montó una capa de HEPA de Donaldson en el mismo soporte de filtro. Como se muestra en la Tabla 6, el medio de filtro AF16 tiene una retención de bacterias que fue aproximadamente 50 veces mayor que aquélla del filtro de HEPA.

Tabla 6.- Porcentaje de eficiencia de filtro de nanoalúmina contra emplazamiento de E. coli en aerosol (Condición.- 32 LPM, 100 % de humedad relativa, temperatura 23.9°C) Tabla 7.- Datos de Tabla 1 Cada muestra de AF tiene un tamaño de poro que es sustancialmente mayor que el tamaño de poro del filtro convencional de aire de HEPA. Como se conoce en general en la filtración, el medio de tamaño más grande de poro tiene menos propensión de atascamiento. Esta tolerancia para el atascamiento también se extenderá a la capacidad de los filtros inventivos para ser menos resistentes a la inundación por gotas de agua. La capacidad demostrada de las fibras de nanoalúmina para remover mayores niveles de bacterias fue un resultado sorprendente y es un beneficio principal, particularmente donde el filtro se usa para protección colectiva como en un hospital donde se tratan pacientes inmunocomprometidos , o para protección durante un ataque biológico nocivo. Estos medios también serán benéficos en un filtro mejorado de respirador para mejorar la retención bacteriana. Un beneficio adicional es la menor caída de presión de la invención en comparación a HEPA, particularmente como las cargas de filtro. Finalmente, otra ventaja es que el tamaño del poro del medio del filtro de nanoalúmina es mucho mayor, dando por resultado un filtro mucho más poroso, que le permite retener mucho más agua si se expone a carga continua por gotas o niebla de agua.

Ejemplo 10 Se realizaron dos experimentos como se describe en el Ejemplo 9, con la excepción que el aerosol contuvo el virus MS2 (tamaño de 25 nm) , y la prueba se hizo a dos diferentes humedades relativas. En este caso, las muestras probadas tuvieron un tamaño pequeño de poro (~2 y fueron de 0.4 mm de grueso.

Tabla 7.- Porcentaje de eficiencia de filtro de nanoalúmina contra virus MS2 en aerosol Notas: a) se nebulizaron 2 mi de solución de emplazamiento o estimulo de MS2; b) Tiempo de emplazamiento.- 6 minutos; volumen recolectado de solución de virus.- 1.5 mi; c) Tiempo de emplazamiento.- 10 minutos; volumen recolectado de solución de virus.- 2.2 mi; d) Tiempo de emplazamiento.- 6 minutos; volumen recolectado de solución de virus.- 1.0 mi; e) Tiempo de emplazamiento.- 6 minutos; volumen recolectado de solución de virus.- 1.5 mi. La Tabla 7 muestra que el filtro tiene una alta eficiencia de recolección para virus en aerosol. Estos resultados son importantes debido a que los virus, que en general son de una o dos órdenes de magnitud más pequeña que las bacterias, son muy difíciles de retener por medios de filtro profundos. La retención de virus por HEPA también es problemática debido a que muchos virus patógenos son más pequeños que el tamaño de 0.1 µt?, que es sustancialmente más pequeño que la partícula de prueba de 0.3 usada en la definición de HEPA. La filtración efectiva de un virus monodisperso será muy ineficiente. Si el virus se envuelve en un aerosol de agua, entonces los filtros de HEPA que en general son hidrófobos tienen eficiencia conforme se acumula agua. El medio reivindicado de filtro de nanoalúmina proporciona una mayor eficiencia y capacidad y por lo tanto sería útil en máscaras de filtración y sistemas de protección colectiva, tal como en hospitales y para biodefensa .

Ejemplo 11: Hojas de Lyocell/NC y Celulosa/NC Ochenta gramos de lyocell refinado (20 % de sólidos), comprado de Fiber Innovation Technology, se dispersaron en 0.75 L de agua RO, usando un mezclador estilo cocina (mezclador Osterizer de 12 velocidades) en un ajuste de "trituración fina de hielo" durante 2 minutos. La cantidad de polvo de aluminio adicionada a la mezcla (1 g) fue tal que después de la reacción los sólidos consistieron de 12 partes de AlOOH y 88 partes de fibras de lyocell (muestra AF34 en la Tabla 16a) . De manera similar, las cantidades de polvo de aluminio adicionadas a la mezcla (2 g) y 1 g de polvos secos de sílice ahumada antes de la reacción de aluminio-agua fue tal que después de la reacción los sólidos consistieron de 20 partes de AlOOH, 5 % de sílice ahumada y 75 partes de fibras de lyocell (muestra AF36 en Tabla 8). Como un control, se prepararon las hojas de lyocell puro (AF33), celulosa (AF28) y una mezcla de 72 % de celulosa y 28 % de AlOOH (AF32).

Tabla 8.- Composición y propiedades de hojas que contienen lyocell/celulosa y resultados de la retención de MS2 Muestra Conposición Peso Longitud Porosidad, Tamaño Número Retención3 # base, en fracción promedio de capas de MS2, % g/m2 ruptura, de poro, m um AF28 100% 166 460±28 0.82 8 3 0% celulosa AF32 72% 229 <10 0.89 13 3 20% celulosa + 28% NC*5 AF33 100% 166 10221136 0.50 1.8 1 0% Lyocell 2 10% 3 20% AF34 88% Lyocell 188 1013±19 0.50 2.0 1 99.9994 + 12% NÍ 2 >99.9997 3 >99.9997 AF35 75% Lyocell 183 906± 0.50 1.8 1 >99.9997 +5% Cab-O- 2 >99.9997 Sil+20% U& 3 >99.9997 Notas: a) Solución de emplazamiento de 2.0 x 107 PFU/ml de MS2 y se preparó. Se filtraron alícuotas de 10 mi de la suspensión de MS2 a través de discos con un diámetro de 25 mm a velocidad de flujo de 40 ml/min; b) NanoCeram Se cortaron discos (25 mm) de las muestras, como se describe anteriormente, y se emplazaron con el virus MS2 a una concentración de entrada de 2.0 x 107 PFU/ml a una velocidad de flujo de 40 ml/min. La Tabla 8 muestra que las hojas hechas de celulosa pura, celulosa microfibrilada (lyocell), o de una mezcla de 72 % de celulosa/28 % de NC, no tienen o tienen muy poca eficiencia de remoción de virus de S2. La mezcla de 88 % de lyocell/12 % de NCL y 75 % de lyocell/5 % de Cab-O-Sil/20 % de NC tiene eficiencias aún mayores que una capa individual de NC (99.5 %, ver Tabla 16) , indicando que lyocell es un excelente soporte de fibra para la nanoalúmina.

Ejemplos.- Estructura Fibrosa Los ejemplos proporcionan más adelante muestras de incorporación de partículas finas, ultrafinas, o de tamaño nanométrico en una estructura no tejida. Los ejemplos incluyen un absorbente, un catalizador, un carbón activado en polvo, un carbón de tamaño nanométrico, ARN, partículas de T1O2 (50 nm) , y sílice ahumada (tamaño de partícula primaria de aproximadamente 15 nm, como aglomerados varios de cientos nanómetros de grande). En cada caso, el tiempo de formación es sustancialmente menor cuando se usa nanoalúmina, haciéndola práctica para fabricar el nuevo medio por métodos de formación en húmedo (fabricación de papel ) . También se proporcionan ejemplos que comparan la estructura fibrosa reivindicada que contiene carbón activado en polvo a aquélla de los medios de carbón activado comercialmente disponibles al comparar el avance del yodo soluble a través del medio respectivo. El avance a través de una capa individual de aproximadamente el mismo peso base del medio comercial es casi inmediato, en tanto que el medio reivindicado de filtración tiene una vida que es aproximadamente 800 veces mayor.

Ejemplo 12: Materiales de Inicio Se prepararon suspensiones espesas de nanoalúmina en fibras gruesas tal como microvidrio o lyocell a partir de polvo de aluminio. De manera concisa, se dispersaron dos gramos de microfibras de vidrio (Lauscha Fiber International, vidrio de borosilicato, grado B-06-F, 0.6 µp? de diámetro) en 0.75 L de permeato de un generador de agua por osmosis inversa, usando un mezclador estilo cocina (mezclador Osterizer de 12 velocidades) en un ajuste de "bajo, claro" durante 2 minutos. Se adicionaron cantidades de 1.36 g y 0.61 g, respectivamente, de polvo de aluminio (Atlantic Equipment Engineers, grado AL-100, 1-5 µ??) a las microfibras de vidrio tal que después de la reacción produjeron respectivamente 60 partes de A1OOH/40 partes de microvidrio y 40 partes de A1OOH/60 partes de microvidrio.

Se adicionó hidróxido de amonio (8 mi de 36 % por 750 mi del acojinado) para iniciar la reacción de aluminio con agua para formar el AlOOH e hidrógeno. La mezcla se calentó a ebullición y se mantuvo a ebullición durante 10 minutos hasta que la mezcla se volvió blanca (a menos que la partícula adicionada sea negra), y luego se enfrió y neutralizó a pH de aproximadamente 7 usando ácido clorhídrico. El resultado es nanoalúmina formada sobre la fibra más gruesa (más adelante en la presente, mezcla de "NC"), tal como microvidrio o lyocell, descrito en los ejemplos subsiguientes. Entonces, las partículas absorbentes se adicionan como un polvo seco o una suspensión de polvos (por ejemplo, Ti02) en agua a la suspensión espesa de nanofibras y fibras gruesas, ya sea antes o después de la reacción de aluminio-agua. Las suspensiones espesas entonces se mezclaron manualmente . Los siguientes ejemplos muestran la estructura fibrosa reivindicada que comprende partículas de tamaño nanométrico, que incluyen: sílice ahumada amorfa (tamaño promedio de partícula (APS) ~15 nm, Cabot Corp., Cab-O-Sil, grado M5), polvos de Ti02 con APS -50 nm, que se producen en Rusia y se venden por Argonide Corp, y ácido ribonucleico (ARN) , con la dimensión más pequeña que es de aproximadamente 1 nanómetro. Se dan otros ejemplos donde la partícula es un absorbente (PAC) obtenido de Calgon Carbón (grado PH, 99 % -malla 100, 95 %-malla 200 y 90 %-malla 325, APS -28 µ??) , y polvos de carbono de 30 nanómetros obtenidos de Aldrich (Cat. #633100). En otros ejemplos, se adicionaron polvos de prueba de Arizona, principalmente compuestos de sílice, a las mezclas de NC. Se usaron dos diferentes grados de los polvos de prueba de Arizona, 0-3 µp? (APS de 1.13 µ??) y 0-5 µ?? (APS ~2 µp?) , ambos disponibles de PT1 Powder Technology Inc. También se muestra un ejemplo para un catalizador adicionado a la mezcla de NC, Carulite-400 (tipo C), que es un polvo de dióxido de manganeso activado con cobre (tipo Hopcalite) con tamaño de partícula de 3-8 µ?t?, disponible de Carus Chemical Company. La relación de la partícula a la red de fibras de nanoalúmina/gruesas ("NC") es dependiente de las propiedades deseadas de desempeño del medio. Por ejemplo, son intercambios en la capacidad de un producto compuesto de PAC-NC para remover contaminantes orgánicos versus en partículas que alterarían el contenido seleccionado de PAC. Un producto compuesto de PAC-NC que tiene una cantidad reducida de PAC incrementa la capacidad de la estructura fibrosa para remover bacterias, virus y otros contaminantes de la corriente de fluido, produciendo de este modo, por ejemplo, agua potable que está sustancialmente esterilizada de microbios asi como removiendo contaminantes solubles que incluyen cloro, hidrocarburos halogenados , y metales solubles tóxicos. Se pueden adicionar otras fibras tal como celulosa o bicomponente de poliéster para el propósito de reforzar la estructura fibrosa y hacerla más flexible.

Ejemplo 13.- Formación de Pastas En este ejemplo, se adicionaron dos gramos o 1.3 gramos de partículas como se describe en el Ejemplo 12 (es decir, sílice ahumada amorfa, ARN, Carulite, polvo fino de prueba, nanocarbón y PAC, y Ti02) a la suspensiones espesas de NC 60/40 ó 40/60 preparadas como se describe en el Ejemplo 12 para producir suspensiones espesas de NC que contienen 28 % en peso de polvos en partículas. Las suspensiones espesas se mezclaron manualmente. De manera similar, se adicionaron 5 gramos y 3.33 gramos de los polvos listados anteriormente a las suspensiones espesas de 60/40 y 40/60 para producir 50 % en peso de carga de polvo en partículas. Con la excepción de la estructura de NC cargada con T1O2 (ver más adelante) , el polvo se adicionó después de que se inició la reacción. En todos los ejemplos, se corrieron experimentos adicionando partículas antes y después de que se inició la reacción a fin de evaluar cuándo es el tiempo óptimo para adicionar las partículas a la mezcla. Sin embargo, donde las partículas comprenden polvo fino (Tabla 9), Carulite (Tabla 11), o ARN (Tabla 13), se adicionan las partículas después del inicio de la reacción a fin de evitar la desnaturalización de las partículas. En el caso de PAC (Tablas 14, 15), las partículas se adicionan ya sea antes o después de iniciar la reacción. Las mezclas entonces se diluyeron con agua RO en una relación de 2000:1. Se vertió una alícuota de 500 mi de la suspensión espesa en un soporte de filtro al vacío de 47 mm. La pasta se filtró a través de un disco de filtro de 47 mm de diámetro perforado de un medio de Teflón tejido (tamaño de malla 70) colocado en el soporte de filtro. Se aplicó vacío de una bomba giratoria al depósito de recolección de agua y se registró el tiempo de formación (el tiempo desde el inicio del paso de filtración hasta que se hizo pasar por el fluido a través del disco formado) como el tiempo de formación. Los discos terminados se secaron al horno y se pesaron después del enfriamiento y después de alcanzar el equilibrio con el aire de laboratorio. En algunos casos, este último peso se registró y el peso total se comparó al peso de los componentes originales a fin de estimar el rendimiento de las partículas en el sustrato de NC.

Ejemplo 14.- Estructuras Fibrosas de Ti02 Nanométrico/ Alúmina Nanométrica/Microfibra Se dispersaron cinco (5) g de nanopolvos de T1O2 de 50 nm en un vaso de laboratorio de vidrio relleno con 1 L de agua RO y luego se agitaron en un generador ultrasónico (Fisher Scientific, Modelo F20) durante 30 minutos. Después de un reposo de 24 horas, la porción superior (~0.6 L) del sobrenadante se decantó lentamente para separar las partículas suspendidas de cualquier aglomerado que se asiente. Se adicionaron alícuotas de cien mi de la suspensión de Ti02 anterior a 0.75 L de NanoCeram 60/40 que se han formado anteriormente como en el Ejemplo 12. Se usaron dos mezclas de control, una que contiene 0.85 L de Ti02 en agua (para medir el peso) y una segunda que contiene microvidrio (sin nanoalúmina) en 0.85 L. La concentración de los nanopolvos de Ti02 se determinó al evaporar el agua y pesar el residuo. De manera similar, se adicionaron alícuotas de doscientos mi de la suspensión de Ti02 anterior a 0.75 L de la pasta de 60/40 antes de la reacción de aluminio-agua. Las mezclas de control de 0.95 L de Ti02 en agua (para medir el peso) y una segunda que contiene microvidrio (sin nanoalúmina) en 0.95 L. También se determinó la concentración de los nanopolvos de Ti02 en los controles al evaporar el agua y al pesar el residuo.

La Tabla 9 muestra la composición de las pastas, su tiempo de formación y la turbidez del efluente recolectado .

Tabla 9.- Formación de no tejido que contiene TÍO2 nanométrico Notas: a) relación de nanoalúmina/microvidrio es 60 %/40 %; b) se adicionaron polvos de T1O2 a la pasta de 60/40 que se ha formado anteriormente; c) se adicionaron polvos de T1O2 antes de que se ha iniciado la reacción de aluminio-agua. Las muestras 628 y 643, que incluyeron nanoalúmina en la mezcla, tienen un tiempo de formación mucho más rápido qUe las muestras 629 y 644, que no tienen nada de nanoalúmina adicionada a la mezcla. Una comparación de la turbidez de los eluentes respectivos muestra que cuando está presente nanoalúmina, hay mayor retención de la nanoparticula en la estructura fibrosa. El tamaño promedio de poro de la estructura fibrosa que contiene dióxido de titanio, en base a las mediciones de flujo de agua como se muestra en los Ejemplos 1-10 anteriores se estimó que es aproximadamente 3 µp? Aún es capaz de contener aproximadamente 7-12 % de su peso base de una partícula que es casi dos órdenes de magnitud menor que el tamaño de poro del medio terminado. Sin que se una por teoría, el tiempo de formación se reduce debido a que las nanopartículas se unen estrechamente a la estructura de NC y no restringen el flujo, en tanto que en la ausencia de nanoalúmina, las nanopartículas están libres para aglomerarse dentro de la estructura de poros, espesando la mezcla e impidiendo el flujo. Otros óxidos de tamaño nanométrico y compuestos refractarios tal como carburos, nitruros o nanodiamantes se pueden retener de manera similar en esta estructura. Por ejemplo, los óxidos de pigmento y materiales nanométricos sensibles a la luz se pueden incorporar en esta estructura fibrosa, y se puede usar una estructura fibrosa que contiene nanodiamante o carburo de tungsteno de tamaño nanométrico como una tela pulidora para terminado superficial de alta precisión. La estructura no sólo servirá para distribuir y suspender el abrasivo, sino también servirá como un colector de desechos desarrollados durante el pulido.

Ejemplo 15.- Estructura Fibrosa de Filtro de Sílice/NC/ Microvidrio Se preparó una estructura fibrosa que contiene sílice (Tabla 10) como se describe en el Ejemplo 13. En las dos muestras (muestra 630 y 642), se adicionó sílice ahumada al acabado. Se conoce que la sílice ahumada forma suspensiones coloidales que son muy difíciles de filtrar. Se usa de manera extensiva como un espesante. En la muestra 630, la sílice ahumada se adicionó antes de la reacción. De los sólidos iniciales, equivalente a aproximadamente 200 g/m2, se recolectaron sólo 63 g/m2 en el filtro. Eso da cuenta de aproximadamente 90 % de la alúmina original y la sílice ahumada adicionada, dejando sólo las microfibras de vidrio que se retienen en el filtro de malla 70. Se tiene como hipótesis que la adición de la sílice ahumada al comienzo da por resultado su combinación con la nanoalúmina conforme se forma, con el resultado que hay poca o ninguna adherencia de la nanoalúmina al microvidrio, provocando la pérdida tanto de sílice como de nanoalúmina al efluente.

Tabla 10.- Formación de no tejidos de NC con partículas de sílice Partícula Tamaño de Muestra, % de % de % en peso Tiempo de Peso Pérdida de partícula, # riancalúminaa microfibras de formación, base, partículas, |jm de vidrio" sílice, min g/m2 % inicial Sílice 0.01 630 43 29 28" 1.3 63= ahumada 631 0 72 28 >100c ft' Af 642 43 29 28" 1.2 212s 0 Polvo de 1 632 43 29 28" 1.5 217= 0 prueba 633 0 72 28 35 140c ~80h fino, 0-3 µp? Polvo de 2 634 43 29 28b 0.6 200c 0 prueba 635 0 72 28 13 140= 80" fino, 0-5 µt? Notas: a) relación de NC/microvidrio es 60 %/40 %; b) se adicionaron polvos antes de la reacción de aluminio-agua; c) peso base objetivo es 200 g/m2; d) ambos, NC y sílice se perdieron como agregados de NC-sílice; e) la filtración terminó después de 100 minutos donde sólo 40 % de la mezcla pasó a través del disco de filtro; f) datos no logrables; g) los polvos fueron después de la reacción de aluminio-agua; h) casi se perdieron todas las partículas de sílice . En la muestra 642, se adicionó sílice ahumada después de la reacción de aluminio-agua. En este caso, el tiempo de formación es muy rápido, y no hubo pérdida de peso. Esto demuestra un método para retener sílice ahumada, con su muy alta área superficial (200±25 m2/g) , en una estructura fibrosa. La Figura 15 es una vista en microscopio electrónico de transmisión de la muestra 642. Las nanofibras aparecen como bigotes estimados de esto y otras micrografías que son de 2-3 nanómetros de diámetro con una longitud de varios cientos de nanómetros. Las esferas de nanosílice aparecen a lo largo del eje, envolviendo completamente el producto compuesto de nanoalúmina/microvidrio . En la muestra 631, el control sin nanoalúmina, la sílice ahumada formó un coloide que atascó la malla, extendiendo considerablemente el tiempo de formación a más de 100 minutos. Las muestras 632 hasta 636 representan medios producidos al adicionar polvos de prueba que se usan extensivamente en el desarrollo de filtro y están comprendidas principalmente de sílice de tamaño micrométrico . El polvo de prueba se adicionó antes de la reacción de aluminio. Cuando no hubo polvo adicionado a la mezcla, la pérdida de partículas en el efluente estuvo sustancialmente completa y cuando se adicionó polvo que tiene tamaños de 0-3 ó 0-5 um, a la mezcla, la pérdida de partículas en el efluente fue sustancialmente cero. Adicionalmente, el tiempo de formación fue 35 y 22 veces mayor, respectivamente, para los polvos de 0-3 y 0-5 µp?, sin la nanoalúmina que cuando está presente en la pasta. La sílice ahumada unida puede funcionar como un absorbente o se manipula químicamente por reacción para unir ligandos orgánicos.

Ejemplo 16: Catalizador La prueba de la muestra 634, mostrada en el Ejemplo 15 anterior, se repitió en este ejemplo, con la excepción que se sustituyó Carulite, un catalizador de Mn02 activado con cobre por la sílice. El tiempo de formación, como se muestra en la Tabla 11 muestra que la adición del catalizador Carulite a la pasta de NC tiene un tiempo de formación que es una fracción de esa pasta sin la nanoalúmina. El corto tiempo de formación se relaciona a la libertad y es vital en la fabricación continua de medios no tejidos por los métodos de formación en húmedo. El catalizador resultante será más eficiente que las formas granulares, permitiendo profundidades de lecho menos profundas para lograr la oxidación de monóxido de carbono u ozono debido a la mayor área superficial del catalizador en comparación a aquélla de un gránulo grande que da por resultado reacción más rápida de, por ejemplo, los componentes de la fase gaseosa. El catalizador también puede ser un metal precioso tal como platino de tamaño nanométrico unido a la nanoalúmina. Tanto la nanoalúmina como la estructura de soporte de microvidrio son estables a aproximadamente 150°C y por arriba de modo que también es estable la estructura de catalizador de NC/platina. A temperaturas iniciando a aproximadamente 150°C, el platino de tamaño nanométrico es capaz de oxidar los contaminantes tal como monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados de gases incluyendo escapes automotrices.

Tabla 11.- Formación de no tejido de NC con un cata izador Notas: a) relación de NC/microvidrio es 60 %/40 % ; b) se adicionaron polvos antes de la reacción de aluminio-agua Ejemplo 17: Nanocarbón La prueba de la Muestra 634, mostrada en el Ejemplo 15 anterior, se repitió en este ejemplo, con la excepción que las partículas de nanocarbón se sustituyeron por la sílice. La Tabla 12 muestra que la pasta de NC cargada con nanocarbón tiene un tiempo de formación que es una fracción de esa pasta sin la nanoalúmina. No se notó diferencia en el tiempo de formación cuando se adicionó el nanocarbón ya sea antes o después de que se formó el NC . Estas formas de carbón, suspendidas en un no tejido, tienen propiedades de absorción que exceden a GAC, y quizá también a PAC.

Tabla 12.- Formación de NC que contiene nanocarbón Notas: a) relación de NC/microvidrio es 60 %/40 % ; b) se adicionaron polvos antes de la formación de NC; c) se adicionaron polvos después de la formación de NC .

Ejemplo 18: ARN La prueba de la Muestra 634, mostrada en el Ejemplo 15 anterior, se repitió en este ejemplo, con la excepción que se sustituyó ARN (ácido ribonucleico de levadura Torula, disponible de Sigma, Cat # R6625) por la sílice. Como se muestra en la Tabla 13, la pasta de NC cargada con ARN tiene un tiempo de formación que es aproximadamente 8 % de esta pasta sin la nanoalúmina.

Tabla 13.- Formación de nanoestructuras bio-mane adas Notas: a) relación de NC/microvidrio es 60 %/40 % ; b) se adicionaron polvos después de la reacción de aluminio-agua; c) dimensión mínima de ARN. Este ejemplo demuestra que las fibras de nanoalúmina pueden unir partículas biológicas elementales que se pueden incorporar en una estructura fibrosa para proporcionar una función biológica. En un ejemplo, se incorporan componentes biológicamente activos tal como factores de crecimiento en las estructuras médicas tal como vendajes no tejidos de heridas para mejorar la curación. En un ejemplo adicional, se adicionan nanopartículas de plata a estos vendajes para servir como un antimicrobiano. En otro ejemplo, la estructura fibrosa se usa para distribuir nutrientes y fármacos para penetrar la epidermis. En aún otros ejemplos, también se puede usar una estructura fibrosa para percibir dónde puede interactuar un ácido nucleico o proteina especifica, unida al no tejido, con un agente químico o biológico, específico. En aún otros ejemplos, las partículas macromoleculares artificiales, incluyendo por ejemplo, partículas de polímero que tienen grupos funcionales específicos, también se distribuyen y fijan en un formato no tejido. En los ejemplos, se unen bacterias para servir como un biocatalizador . Las bacterias suspendidas en un material no tejido mantienen viabilidad debido a la facilidad de percusión de oxígeno, dióxido de carbono y productos de desecho a través del medio.

Ejemplo 19: Carbón Activado en Polvo La prueba de la Muestra 634, mostrada en el Ejemplo 14 anterior, se repitió en este ejemplo, con la excepción que se sustituyó carbón activado en polvo (PAC) por la sílice. Como se muestra en la Tabla 12, la estructura fibrosa que comprende PAC tiene un tiempo de formación que es menos de 5 % de esta pasta sin la nanoalúmina .

Tabla 14.- Formación de mezclas de PAC Notas: a) relación de NC/microvidrio es 60 %/40 %; b) peso base objetivo es 200 g/m2.

Ejemplo 20: Lyocell Se dispersaron dos gramos de lyocell refinado, comprado de Fiber Innovation Technology, en 0.75 L de agua RO, usando el mezclador descrito en el Ejemplo 12 en un ajuste de "trituración fina de hielo" durante 2 minutos. La cantidad de polvo de aluminio adicionada a la mezcla (0.61 g) fue tal que después de la reacción, los sólidos consistieron de 40 partes de AlOOH y 60 partes de fibras de lyocell. Se adicionaron polvos secos de PAC antes de la reacción de aluminio-agua y las suspensiones espesas se mezclaron entonces manualmente en un vaso de laboratorio de 1 L y la reacción de aluminio-agua se llevó a cabo como en el Ejemplo 12. La Tabla 15 muestra la composición de una pasta que contiene PAC y una sin nanoalúmina. El tiempo de formación de la versión de PAC es 16 % cuando contiene nanoalúmina. La turbidez del producto que entra de la pasta de PAC-NC fue 10 en comparación a la turbidez del producto que entra de 360 NTU sin nanoalúmina, aparentemente como resultado de la rápida integración del PAC con las otras fibras. Se formaron visiblemente aglomeraciones macrofibrosas en la solución concentrada cuando estuvo presente la nanoalúmina. Se notó que el asentamiento fue muy rápido cuando se mezcló medio litro de solución concentrada de PAC-NC en un vaso de laboratorio de 750 mi, y el asentamiento se presentó dentro del vaso de laboratorio en el espacio de 30-40 segundos, limpiándose eventualmente aproximadamente 80 % del volumen del sobrenadante a una turbidez menor de 10 NTU, en tanto que la mezcla de PAC/lyocell (sin nanoalúmina) no se asienta durante varias horas. También se notó que la turbidez del efluente en el caso de PAC-NC fue aproximadamente 12 veces menor que cuando estuvo ausente la nanoalúmina, con el resultado que una gran fracción de las partículas de carbón activado van al drenaje. Es probable que esto sea lo más pequeño de las partículas, y lo más probable que contribuyen a una cinética rápida de adsorción. La capacidad del NC para formar agregados con PAC, que da por resultado un alto rendimiento del producto compuesto, se demostró claramente con lyocell como un sustituto para microvidrio.

Tabla 15.- Formación de mezclas de PAC con lyocell Ejemplo 20: Hojas de PAC En este ejemplo, se prepararon varias hojas de pastas como en el Ejemplo 20, excepto que los componentes se incrementaron para muestras de prueba de mayor área. Adicionalmente, en este ejemplo, la fibra bicomponente (Invista T105) y celulosa se adicionaron para mejorar la flexibilidad y resistencia. La celulosa se adicionó antes de que se iniciara la reacción de aluminio-agua, y el bicomponente se adicionó después de que se enfrió la pasta y neutralizó a pH de aproximadamente 7. Finalmente, en este ejemplo, la pasta se diluyó a 500:1 en lugar de a 2000:1. Las hojas, de 12 pulgadas X 12 pulgadas (30.48 X 30.48 centímetros) se prepararon usando una caja de entrada con succión de agua a través de un tamiz para formar el papel como una hoja. La hoja se secó con aire a temperatura ambiente. En las muestras donde se usó una fibra polimérica tal como la bicomponente , las hojas se secaron al horno y se curaron a 160°C durante veinte minutos. Una hoja con el medio NanoCeram puro sin ningún carbón, denotada como NC en la Tabla 16, se preparó de una manera similar.

Tabla 16.- Composición y propiedades de hojas que contienen PAC Se determina el tamaño de poro como se describe anteriormente en los Ejemplos 1-10. El tamaño de poro de todas las muestras de prueba es mayor que aquél de los filtros de nanoalúmina/microvidrio, dando por resultado menos caída de presión y mayor capacidad de velocidad de fluj o .

Ejemplo 22 El propósito de esta serie fue medir la retención de microbios por la estructura fibrosa y compararla a filtros que comprenden sólo nanoalúmina/microvidrio . Se cortó un disco de 25 mm de la muestra número 617, descrito en el Ejemplo 21 y en la Tabla 16 anterior. Se cortó otro disco de 25 mm del medio NC . Los discos se emplazaron con una solución de Brevundimonas diminuta (disponible de ATCC, Número de Catálogo 11568). B. diminuta es la bacteria cultivable más pequeña, que tiene una dimensión menor de sólo 0.3 µp?. Ambos tipos de muestras se emplazaron con un alícuota de 10 mi de bacterias a una velocidad de 40 ml/min, se recolectaron en frascos estériles, y luego se valoraron para B. diminuta. En tanto que el PAC-NC fue capaz de 99 % de retención (Tabla 17), el NC sin el PAC fue superior. La reducción del PAC de su alto nivel (57 %) mejora la retención bacteriana. Ambos tipos de filtros también se emplazaron o estimularon con virus MS2 (disponibles de ATCC, Catálogo Número 15597-B1) que fue de 25 nanómetros de tamaño. La Tabla 18 muestra que el PAC-NC tiene retención de virus casi equivalente a NC .

Tabla 17.- Retención de B. diminuta por los medios de NC y PAC/NC Notas: a) Unidades Formadoras de Colonias (CFU) ; b) una alícuota de 10 mi se hizo pasar a través de discos de 25 mm a velocidad de 40 ml/min y se recolectó en frascos estériles; c) 57 % en peso de PAC (ver Tabla 16) .

Tabla 18.- Retención de MS2 por medio de NC y PAC/NC Notas: a) Unidades Formadoras de Placa (PFU) ; b) se hicieron pasar alícuotas de 10 mi a través de discos de 25 mm a velocidad de 40 ml/min y se recolectaron en frascos estériles; c) ver Tabla 16.

Ejemplo 22 El propósito de esta serie fue medir la eficiencia de adsorción dinámica de contaminantes solubles de una corriente acuosa. Se usó yodo como un sustituto debido a que la capacidad de los carbonos activados se cotiza por los fabricantes de carbonos de GAC y PAC como índice de yodo. El yodo también es un sustituto adecuado para cloro, que se adiciona intencionalmente como un desinfectante en corrientes de agua, pero contribuye a un pobre sabor y pobre olor del agua potable. Los filtros de agua potable usan carbonos activados para remover el cloro. En este ejemplo, se hicieron pasar soluciones de yodo de 20 ppm a través de discos de 25 mm, de capa individual, de varias pastas de PAC-NC a una velocidad de flujo de aproximadamente 50 ml/min. Se recolectaron alícuotas de dos mi en una pipeta (longitud de pasada de 1 cm) . Los valores de absorbancia tanto de la solución concentrada como del efluente se midieron a una longitud de onda de 290 nm con el uso de un espectrofotómetro Genesys-10 UV/VIS. El método tiene un límite de detección de aproximadamente 0.3 ppm. Los datos en la Tabla 19 muestra que el volumen del efluente alcanza 0.5 ppm (por arriba de 0.5 ppm, el sabor de yodo es aparente a una persona promedio) y 10 ppm (50 % del nivel del producto de entrada de 20 ppm) .

La eficiencia de la estructura de PAC/NC para retener yodo bajo estas condiciones dinámicas se compara a los medios de tres fabricantes (A, B, y C) . El medio se seccionó de los cartuchos (diámetro de 2.5 pulgadas (6.35 centímetros) X 10 pulgadas (25.4 centímetros) de largo) obtenidos de manera comercial. El avance fue casi inmediato en el caso del medio de filtro comercialmente disponible, en tanto que la estructura de PAC-NC tiene capacidad extensiva para yodo. La Figura 16 muestra una curva de avance para la muestra 617 en comparación al medio de los tres fabricantes. Se usa una gráfica semilogarítmica para mejorar los detalles de las curvas de avance, particularmente para los medios de filtro comerciales . Los datos también muestran que una capa individual del medio comercial permitirá inmediatamente el yodo en el efluente que sería detectable por sabor y olor. En contraste, la nueva estructura de PAC-NC fue capaz de hacer pasar aproximadamente 800 mi de solución que contiene 20 ppm de yodo antes de que el yodo alcance 0.5 ppm. Esta capacidad dinámica extraordinaria, con esta rápida reacción de adsorción en comparación al medio comercial (mayor de 800 a l), no se anticipó. En tanto que no se desea que se una por teoría, es probable que las partículas finas de carbón activado en polvo se retengan dentro de la estructura y no se laven. La Tabla 19 muestra el volumen de la solución purificada de yodo a una concentración de 0.5 y 10 ppm. La cantidad de yodo adsorbida a 10 ppm se muestra, junto con un valor calculado de la capacidad de yodo, en comparación a la masa de yodo removida bajo condiciones dinámicas versus la capacidad de adsorción estática de los valores de los índices de yodo de los fabricantes. Las muestras de PAC/NC tienen todas curvas de avances similares, con cada una que retiene aproximadamente 55 %-72 % de la capacidad estática para yodo antes de detectar fuga de yodo, en tanto que la capacidad utilizada por los medios comerciales fue a lo mucho sólo de 3.4 %. Estos datos resaltan los beneficios de utilizar materia en partículas muy finas que se retiene dentro de una estructura para adsorber físicamente o quimioabsorber contaminantes de un fluido.

Adsorción de I2 a 20 ppm por una capa individual de medio Cantidad de I2 Peso Volumen (mi) Volumen (mi) % de capacidad % de carbón adsorbida a 50% de Medio base, de I2 a 0.5 de I2 a 10 de absorción en el medio material de entrada, g/m2 ppm ppm estática mg (I2)/g de carbón PAC/NC, #617 269 57 850 1700 443 55" PAC/NC, #618 287 46 750 1850 533 67* PAC/NC, #619 356 44 600 1760 553 67» PAC/NC, #620 297 55 850 2110 517 65a Cantidad de ¾ Peso Volumen (mi) Volumen (mi) % de capacidad % de carbón adsorbida a 50% de Medio base, de I2 a 0.5 de I2 a 10 de absorción en el medio material de entrada, g/m2 ppm estática mg (I2)/g de carbón PACNC, #621 322 44 850 2050 579 72" Fabricante "A" 350 50" <ld 10" t 0.4hc Fabricante "B" 242 20-30" <ld 2(f 11-17" 2.2-3.41" Fabricante "C" 237 20-30" <ld 5d 3-4" 0.6-0.9a0 Notas: a) índice de yodo para PAC Calgon WPH es >800 mg/g. En este ejemplo, se va a tomar que es de 800 mg/g; b) valor estimado; c) índice de yodo de 500 mg/g asumido para masa estimada de carbón del medio A, B, y C; d) tres series de mediciones, reproducibles dentro de cada serie. Para evitar cualquier posibilidad de derivación debido a la fuga de mojadura, cada muestra se humectó durante 2 horas y luego se enjuagó como es usual con agua RO.

Ejemplo 24 En este ejemplo, se repitió la prueba de las muestras como en el Ejemplo 23, con la excepción que el producto de entrada (influente) fue de 500 ppm en comparación a 20 ppm. Se usaron dos diferentes longitudes de onda para mejorar el límite de detección: 290 nm para los efluentes de baja concentración, y 450 nm para las mayores concentraciones, donde el límite de detección es también aproximadamente 3 ppm. Se pudo lograr una mayor capacidad de utilización (de 76 % hasta 147 %) (Tabla 20) que se aproxima y excede al valor menor del límite estático como se define por el índice de yodo. La mayor utilización con mayores concentraciones de emplazamiento se puede explicar por las isotermas de adsorción de Langmuir o Freundlich que predicen una mayor retención de sorbato con mayores concentraciones [C. Tien, Adsorption Calculations and Modeling, Butterworth-Heinemann, Boston, 2001 %. Los valores de la capacidad estática mayores de 100 % se explican, puesto que el índice de yodo definido por el carbón Calgon, el fabricante, es mayor de 800 mg/g. El valor de 800 mg/g se asumió en el cálculo.

Tabla 20.- Adsorción de yodo a concentración de entrada de 500 ppm por una capa individual de medio de PAC Medio Peso % de Volumen (mi) de Cantidad de I2 % de capacidad base, carbón en solución de yodo adsorbida a producto de absorción g/m2 el medio adsorbida a limite de de entrada de 50%, mg estética 250 ppm (50%) (I2)/g de carbón PAC/NC, #617 269 57 180 1170 147a PAC/ C, #618 287 46 94 712 89a PAC/NC, #619 356 44 95 607 76a PAC/NC, #620 297 55 103 630 79a PAC/NC, #621 322 44 150 1060 133a La alta capacidad de adsorción de PAC-NC para contaminantes solubles es directamente traducible a un filtro de aire, donde las moléculas orgánicas volátiles son capaces de ser adsorbidas por el PAC que se incorpora en el filtro de aire. Adicionalmente , el medio de PAC-NC que opera en ya sea aire o agua es capaz de remover cloro y bromo tan rápidamente como remueve yodo. Este medio de filtro se puede usar en procesamiento químico donde el cloro es un reactivo. De manera notable, la retención de cloro del escape a la atmósfera tal como mediante un gas de desfogue es muy importante puesto que es detectable por el olfato humano a aproximadamente 0.3 partes por millón y por arriba, y tiene un umbral de irritación de aproximadamente 0.5 partes por millón. Adicionalmente, el medio de PAC-NC reivindicado es útil al prevenir la fuga de gas cloro durante el transporte.

Ejemplo 25: Capacidad de Retención de Suciedad La capacidad de retención de suciedad de la muestra de PAC-NC (muestra 621) para el polvo de prueba, fino A2 (PTI, Inc) se midió y comparó (Tabla 21) al medio NC . La prueba comprendió emplazar discos de 25 mm de diámetro con suspensión de 250 NTU de polvo fino A2 en agua RO hasta que la caída de presión alcance 40 libras/pulgada (2.81 kg/m2) . La turbidez del efluente fue menor que el límite detectable de 0.01 NTU a todo lo largo de la prueba en cada caso, demostrando que el derramamiento de polvo en el efluente es mínimo. El nuevo medio relleno de carbón fue tan efectivo en la remoción del polvo tal como el medio de NC . Esto fue un resultado sorprendente debido a que se asumió anteriormente que PAC consume la capacidad del medio de NC para adsorber partículas.

Tabla 21.- Capacidad de retención de suciedad a concentración3 de entrada de 250 NTU Nota: a) corresponde a carga de polvo fino A2 de -350 ppm Cálculos De los datos mostrados en la Tabla 1, la permeabilidad del aire B(m2) para las muestras se determinó como : en donde: v.- velocidad de flujo, m/s a una ?? determinada µ.- viscosidad de aire. Para aire.- µ=18.6?10~6 Pas z.- espesor del medio ?? . - caída de presión a través del medio, Pa La ecuación 2 asume que el flujo a través del filtro está en el intervalo viscoso. Además, en el caso de mediciones de flujo de gas se requieren dos condiciones adicionales [2]: (i) los diámetros de poro son mayores que 1 micrón; (ii) la presión absoluta en la superficie corriente arriba no es mayor que 1.1 veces aquélla en la superficie corriente abajo, es decir, la presión absoluta corriente arriba no debe ser más de 40 pulgadas de H2O, cuando la presión absoluta corriente abajo es cero (es decir, 400 pulgadas de H20 absoluta) . Cuando se cumplen estas dos condiciones, se puede usar la Ecuación 2 para deducir la permeabilidad . De la Ecuación [2] y la Figura 1, se determinó la permeabilidad del medio de filtro. Del valor de permeabilidad y la porosidad, se determinó el diámetro, d, de flujo promediado en flujo como: d2=32B/s2 [3] en donde e.- porosidad. Los diámetros d de flujo se muestran en la Tabla 1. El tamaño promedio de poro del medio de nanoalúmina varió de 4.2 a 38 µp?. De la Figura 1 asi como de gráficas similares para las otras muestras, se determinó la dependencia de la velocidad lineal de aire a través del medio versus la caída de presión aplicada y se muestra en la Tabla 1. De estas ecuaciones, la ?? de aire (en mm de agua, absoluta) a un flujo lineal de 3.2 m/min se comparó con aquélla de la HEPA. En tanto que lo anterior se ha expuesto en detalle considerable, se va a entender que los ejemplos y las modalidades detalladas se presentan para explicación y no de limitación. Se pueden hacer variaciones de diseño, especialmente en la materia de la forma, tamaño y arreglo, pero están dentro de los principios de la invención. Aquellos expertos en la técnica caerán en la cuenta que estos cambios o modificaciones de la invención o combinaciones de elementos, variaciones, equivalentes, o mejoras a la presente aún están dentro del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones anexas y que la presente invención se puede practicar de manera adecuada en la ausencia de cualquier limitación no descrita explícitamente en este documento.

Claims (30)

1. REIVINDICACIONES 1. Filtro de fluido, el filtro está caracterizado porque comprende: a. fibras de nanoalúmina ; y b. segundas fibras mezcladas con las fibras de nanoalúmina, las segundas fibras se arreglan para crear poros asimétricos.
2. 2. Filtro de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las segundas fibras están comprendidas de una combinación de fibras gruesas y finas.
3. 3. Filtro de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los poros asimétricos tienen un tamaño promedio de poro que es mayor que aproximadamente 5 µ??.
4. 4. Filtro de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las segundas fibras se seleccionan del grupo que consiste de fibras de microvidrio, fibras de celulosa, fibras fibriladas de celulosa, y fibras de lyocell .
5. 5. Estructura fibrosa, la estructura fibrosa que está caracterizada porque comprende: a. fibras de nanoalúmina; b. segundas fibras mezcladas con fibras de nanoalúmina, las segundas fibras se arreglan para crear poros asimétricos; y c. una pluralidad de partículas colocadas en las fibras de nanoalúmina .
6. 6. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque las fibras de nanoalúmina tienen una relación de aspecto que es mayor que aproximadamente 5 y una menor dimensión que es menos de aproximadamente 50 nm.
7. 7. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque las segundas fibras se seleccionan del grupo que consiste de fibras de microvidrio, fibras de celulosa, celulosa fibrilada y lyocell .
8. 8. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque las segundas fibras tienen cada una, un diámetro que es más que aproximadamente diez veces en diámetro promedio de las fibras de nanoalúmina .
9. 9. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque cada una de las partículas tiene un diámetro que es menos de aproximadamente
10. 10. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque las partículas se seleccionan del grupo que consiste de partículas finas, partículas ultrafinas, y partículas de tamaño nanométrico.
11. 11. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque las partículas se seleccionan del grupo que consiste de un absorbente, una resina de intercambio iónico, un catalizador, y un óxido metálico .
12. 12. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque las partículas absorbentes se seleccionan del grupo que consiste de carbón activado en polvo, un metal precioso, un compuesto orgánico macromolecular, un compuesto biológico, y un agente antimicrobiano.
13. 13. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque las partículas de óxido metálico se seleccionan del grupo que consiste de sílice ahumada, alúmina ahumada, óxido de zinc de tamaño nanométrico, y óxido de titanio de tamaño nanométrico.
14. 14. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque las partículas son carbón activado en polvo.
15. 15. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada porque el carbón activado en polvo está impregnado.
16. 16. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque el impregnador es un catalizador .
17. 17. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque el catalizador es un catalizador de oxidación.
18. 18. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque el óxido metálico es de tamaño sub-micrométrico .
19. 19. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque la estructura fibrosa se usa para remover contaminantes de un medio liquido, gaseoso o aire.
20. 20. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 19, caracterizada porque los contaminantes comprenden al menos una materia en partículas.
21. 21. Estructura fibrosa de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque la por lo menos una materia en partículas comprende partículas de sub-micrones.
22. 22. Método para fabricar una estructura fibrosa, el método está caracterizado porque comprende los pasos de: a. formar fibras de nanoalúmina; b. mezclar una pluralidad de segundas fibras con fibras de nanoalúmina en la presencia de las segundas fibras ; c. formar una pluralidad de poros asimétricos; y d. adicionar una pluralidad de partículas a la mezcla .
23. 23. Método de conformidad con la reivindicación 22, el método está caracterizado porque además comprende el paso de remover agua de la mezcla para formar una estructura no tejida.
24. 24. Método para usar una estructura fibrosa, la estructura que comprende una pluralidad de fibras de nanoalúmina mezcladas con una pluralidad de segundas fibras creando poros asimétricos entre éstas, que son una pluralidad de partículas colocadas en las fibras de nanoalúmina, el método de uso está caracterizado porque comprende los pasos de: a. hacer pasar un medio fluido a través de la estructura fibrosa; y b. remover un contaminante del medio fluido.
25. 25. Método de uso de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque el contaminante se selecciona del grupo que consiste de un halógeno y al menos un patógeno microbiano.
26. 26. Estructura médica, el medio médico está caracterizado porque comprende: a. fibras de nanoalúmina; b. segundas fibras mezcladas con las fibras de nanoalúmina, las segundas fibras están arregladas para crear poros asimétricos; y c. una pluralidad de partículas depositadas en las fibras de nanoalúmina.
27. 27. Estructura médica de conformidad con la reivindicación 26, caracterizada porque las partículas se seleccionan del grupo que consiste de partículas finas, partículas ultrafinas, y partículas de tamaño nanométrico.
28. 28. Estructura médica de conformidad con la reivindicación 26, caracterizada porque las partículas se seleccionan del grupo que consiste de un absorbente, un fármaco, y un agente antimicrobiano.
29. 29. Estructura médica de conformidad con la reivindicación 26, caracterizada porque las partículas comprenden carbón activado en polvo.
30. 30. Estructura médica de conformidad con la reivindicación 26, la estructura médica está caracterizada porque es un vendaje para heridas.