分離器的制造方法
【專利摘要】分離器，所述分離器用于從水和一種或多種組分的混合物或從極性液體和一種或多種組分的混合物中分離所述一種或多種組分，所述組分選自顆粒材料、疏水材料、非極性材料、微生物或病毒，所述分離器包括金屬氫氧化物水合物的層。
【專利說明】
分離器
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及分離器。在一個方面，本發(fā)明涉及用于從水或水溶液或從水混溶液體 中分離顆粒物質和/或疏水材料的分離器。在另一個方面，本發(fā)明涉及用于從水或水溶液或 從水混溶液體中分離顆粒物質和/或疏水材料的方法。
【背景技術】
[0002] 許多不同的工業(yè)中需要從水或水溶液中分離固體，例如顆粒材料。為了從水中分 離固體，已經(jīng)開發(fā)了大量不同的技術。這些技術包括過濾、沉降、沉積、澄清、增稠、旋風分離 等。
[0003] 過濾涉及使水(例如污染水）穿過過濾介質。過濾介質可以包含微細材料(例如砂 或硅藻土)的床或餅。水中的大于過濾介質的顆粒之間的孔隙空間的顆粒捕獲在過濾介質 內并且從水中除去。水穿過過濾介質并且通常被回收。然而，水中的小于過濾介質的顆粒之 間的孔隙空間的顆粒穿過過濾介質并且未從水中除去。
[0004] 隨著過濾器的連續(xù)使用，過濾介質開始變得被從水中保留的顆粒填充和堵塞。在 過濾介質上開始形成顆粒餅，并且顆粒餅還用于從水中過濾額外顆粒。隨著水過濾的連續(xù)， 過濾介質上的顆粒餅的厚度增加。
[0005] 最后，過濾器變得被顆粒堵塞并且需要清理。清理通常涉及反沖洗布置，其中高壓 水以相反方向穿過過濾介質從而從過濾器中除去保留的顆粒。
[0006] 傳統(tǒng)過濾器通常允許非常微細的顆粒和微生物穿過過濾器使得從過濾器回收的 水仍然包含非常微細的顆粒和微生物。在許多情況下，這造成水在使用之前需要進一步的 處理。例如，在飲用水的情況下，顯然非常不希望水中存在微生物。因此，經(jīng)過濾的水一般經(jīng) 受加氯步驟從而殺滅水中的微生物。
[0007] 為了除去微生物(例如細菌和病毒），還有可能使水穿過納米孔膜。盡管這些納米 孔膜非常有效地除去微生物，它們的安裝昂貴并且通常需要較大壓降才能實現(xiàn)合理的流 速。因此，納米孔膜未在飲用水源的處理中得到廣泛使用。
[0008] 在從水或水溶液中分離疏水材料(特別是疏水液體)時也存在困難。就此而言，困 難的具體示例是在清理游輪中的原油或燃油泄漏時遭遇的困難。游輪中的原油和煉油泄漏 事故造成阿拉斯加州、墨西哥灣、加拉巴哥群島和許多其它地方的自然生態(tài)系統(tǒng)的重大損 害。例如，由于1979年墨西哥灣的Ixtoc I Explorer勘探鉆井平臺的爆炸導致的漏油造成 向環(huán)境中釋放三百萬桶油。泄漏影響了260km的美國海岸。由于2010年Deepwater Horizon II鉆探平臺的爆炸導致的漏油造成向墨西哥灣釋放四百九十萬桶油。再次出現(xiàn)巨大的環(huán)境 損害。
[0009] 目前使用大量技術嘗試清理漏油。這些技術包括生物修復、受控燃燒、施加分散 劑、撇沫和離心分離。然而，這些技術各自存在一個或多個困難。生物修復需要較長時間才 能起作用并且不能除去所有漏油。燃燒僅減少油的量并且不能在多風條件下進行。其還造 成空氣污染。分散劑是毒性的并且增加毒性烴的水平并且殺滅魚卵。撇沫的過程中始終需 要使水平靜。離心分離不能分離所有的油并且通常一定量的油保留在從離心分離回收的水 中。美國法規(guī)限制了可以送回海洋的水中的油量，這限制了離心分離的有用性。此外，目前 用于清潔漏油的技術的成本極高。
[0010] 其它液體材料通常希望分離成多個組分部分，使得可以回收高價組分部分或者可 以減小待運輸?shù)慕M分部分的體積，或者可以形成更長壽命的產(chǎn)品。例如，通過從牛奶中蒸發(fā) 水由牛奶制備奶粉。分離需要加熱牛奶，由于通過暴露于熱造成的焦糖化，這可能造成奶粉 具有蒸煮味。由于加熱也可能損失牛奶中的許多有價值的營養(yǎng)物。乳清可能由于加熱而變 性。高溫(例如與巴氏滅菌相關的高于72°C的持續(xù)高溫)使得乳清蛋白變性。在加熱過程中 也可能損失一些維生素、礦物質和有益菌。在乳品工業(yè)中使用噴霧干燥和超濾從而產(chǎn)生奶 粉并且回收牛奶蛋白。然而，由于需要高于，這兩種方法具有高的資本成本和操作成本。
[0011] 其它液體產(chǎn)品也可能包含高價組分。例如，保健食品市場龐大并且迅速擴大。僅舉 一個示例，類胡蘿卜素全球市場目前達到14億美元/年。從天然來源中提取高價產(chǎn)品例如β_ 胡蘿卜素非常困難。為了該目的使用昂貴過程，例如超臨界二氧化碳提取。這些過程昂貴并 且不容易擴大規(guī)模?？赡芤残枰獜奶烊粊碓椿蛉嗽旎旌衔镏刑崛∑渌袃r值的組分從而提 供用于藥物工業(yè)或化妝品和美容工業(yè)的組分。同樣地，這些組分可能難以分離。
[0012] 本說明書中對任何現(xiàn)有技術的引用不被視為承認或以任何形式暗示所述現(xiàn)有技 術形成公知常識的一部分。
【發(fā)明內容】
[0013] 本發(fā)明提供用于從液體中分離組分或微生物的低成本和高效的分離器和方法。
[0014] 在第一方面，本發(fā)明提供分離器，所述分離器用于從水和一種或多種組分的混合 物或從極性液體和一種或多種組分的混合物中分離所述一種或多種組分，所述組分選自顆 粒材料、疏水材料、非極性材料、微生物或病毒，所述分離器包括金屬氫氧化物水合物的層。
[0015] 在第二方面，本發(fā)明提供方法，所述方法用于從水和一種或多種組分的混合物或 從極性液體和一種或多種組分的混合物中分離所述一種或多種組分，所述組分選自顆粒材 料、疏水材料、微生物或病毒，所述方法包括使來自混合物中的水或極性液體穿過金屬氫氧 化物水合物的層同時使所述一種或多種組分保留在金屬氫氧化物水合物的層上。
[0016] 在一個實施方案中，金屬氫氧化物水合物包括氫氧化鋁水合物。在另一個實施方 案中，金屬氫氧化物水合物可以選自氫氧化鎂、氫氧化鋅、氫氧化錳、氫氧化鈷和氫氧化鎳 的水合物的一種或多種。
[0017] 在一些實施方案中，通過在水中或在水溶液中產(chǎn)生金屬氫氧化物因此形成金屬氫 氧化物水合物從而制備金屬氫氧化物水合物。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)原位產(chǎn)生金屬氫氧化物水合物 造成實現(xiàn)非常有效的分離。
[0018] 在一些實施方案中，通過將兩種或更多種反應物混合在一起因此形成金屬氫氧化 物水合物從而制備金屬氫氧化物水合物。在一些實施方案中，通過將兩種或更多種反應溶 液混合在一起因此形成金屬氫氧化物水合物從而制備金屬氫氧化物水合物。
[0019] 在其它實施方案中，通過電解形成金屬氫氧化物水合物。
[0020] 本發(fā)明的分離器包括金屬氫氧化物水合物的層?？梢酝ㄟ^多孔保持器保持金屬氫 氧化物水合物的層。多孔保持器用于保持金屬氫氧化物水合物層同時還允許液體穿過。多 孔保持器可以包括織物、紡織材料、小孔材料、具有一個或多個洞或孔的固體材料、多孔陶 瓷材料等。對多孔保持器的唯一的要求是(a)其不與金屬氫氧化物水合物不利地反應；（b) 其不與來自混合物的極性液體或水或水溶液不利地反應;和(c)孔不能太大使得金屬氫氧 化物水合物可以穿過其中。多孔保持器合適地設置在金屬氫氧化物水合物層的下游（貫穿 本說明書，根據(jù)液體在使用過程中的一般流動方向確定術語"下游"和"上游"）。
[0021] 在一個實施方案中，多孔保持器可以包括土工織物。
[0022] 在一些實施方案中，分離器可以包括入口和出口，混合物可以通過所述入口進入 分離器，穿過氫氧化物水合物的層的水或極性液體可以通過所述出口離開分離器。
[0023]將理解分離器被構造成液體必須穿過金屬氫氧化物水合物的層之后才能離開分 離器。通過這種方式，只有穿過金屬氫氧化物水合物的層的液體可以離開分離器。通過這種 方式，不能穿過金屬氫氧化物水合物的層的組分不能隨著穿過分離器的水或極性液體離開 分離器，因此保證水或極性液體與一種或多種組分的分離。
[0024] 本發(fā)明人出人意料地發(fā)現(xiàn)金屬氫氧化物水合物的層非常有效地分離水或極性液 體與一種或多種組分。然而，分離器不從水或極性液體中分離溶解在水或極性液體中的材 料。發(fā)現(xiàn)溶解的材料隨著極性液體中的水穿過分離器。例如，如果混合物包含與一種或多種 組分混合的鹽溶液，溶解的鹽將隨著水(鹽溶解于水)穿過分離器。
[0025] 在一些實施方案中，混合物包含水溶液和一種或多種組分的混合物。
[0026] 在一些實施方案中，保持器設置在金屬氫氧化物水合物的層的上方或上游。保持 器可以包括織物、紡織材料、小孔材料、其中具有一個或多個洞或孔的固體材料、多孔陶瓷 材料、網(wǎng)狀材料等。設置在金屬氫氧化物水合物的層的上游或頂部的保持器可以避免在層 的頂部加入混合物的過程中的層的毀壞。位于頂部的保持器還可以用于提供分離層，所述 分離層從金屬氫氧化物水合物的層分離保留的材料。在希望回收保留的材料的情況下（例 如如果分離器用于從混合物中分離有價值的組分），這可以允許從金屬氫氧化物水合物的 層容易地除去保留的組分。在其它實施方案中，上游保持器可以允許分離器反沖洗而在反 沖洗步驟的過程中不會損失金屬氫氧化物水合物的層。在其它實施方案中，可以翻轉或倒 轉設置在兩個保持器之間的金屬氫氧化物水合物層從而允許濾液進一步流過其中從而清 理積累的材料。
[0027] 在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案中，金屬氫氧化物水合物的層為金屬氫氧化物水合物 凝膠的層的形式。金屬氫氧化物水合物凝膠可以包括厚/稠凝膠或薄/稀凝膠。
[0028]金屬氫氧化物水合物的層可以具有任何希望的厚度。本發(fā)明人證實金屬氫氧化物 水合物的層可以薄至1微米并且仍然產(chǎn)生良好結果。金屬氫氧化物水合物的層可以具有1微 米至1米或更大，或1微米至50cm，或1微米至30cm或更大，或1微米至10cm，或1微米至5cm，或 1微米至IOmm，或1微米至5mm，或1微米至Imm的厚度。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)濾液通過金屬氫氧化物 水合物的層的流速隨著金屬氫氧化物水合物的層的厚度的減小而增加。金屬氫氧化物水合 物的層可以具有1微米，或5微米，或10微米，或50微米，或100微米，或250微米，或500微米或 Imm的最小厚度。
[0029]希望地，金屬氫氧化物水合物的層包括連續(xù)的金屬氫氧化物水合物的層。設置所 述連續(xù)的層意味著很可能避免通過金屬氫氧化物水合物的層的短路、繞過或開槽，因此保 證所有濾液穿過金屬氫氧化物水合物的層。
[0030] 不希望受限于理論，本發(fā)明人相信本發(fā)明的分離器的操作模式相當不同于過濾器 的操作。金屬氫氧化物水合物和特別是金屬氫氧化物水合物凝膠包含金屬氫氧化物分子， 所述金屬氫氧化物分子在氫氧化物分子的網(wǎng)絡之間捕獲許多水分子。然而，相信水分子不 強烈結合至氫氧化物分子。水分子極小并且具有18g/mol的極低分子量和約2.75 A的極小 分子直徑。
[0031] 圖1顯示了氫氧化鋁水合物的分子結構的假想模型。當水合物干燥時轉化成硬質 晶體形狀而非金屬氫氧化物粉末的事實進一步支持該假想。氫氧化鋁的分子用附圖標記 "a"顯示。水分子（圖1中的"b"和"c"）連接至氫氧化鋁分子的正電荷和負電荷。因此，水分子 不強烈結合至氫氧化鋁分子，并且可以容易和自然地離開氫氧化鋁水合物。因此，本發(fā)明人 相信水可以容易地穿過氫氧化鋁水合物的層而無需真空或壓力，而其它次微米和納米或皮 米尺寸的雜質(例如藻類、細菌、真菌、病毒、孢子和其它小型單細胞或多細胞生物體和顆粒 材料)不能穿過氫氧化鋁水合物的層。施加至液體混合物的重力和/或壓力幫助驅使水穿過 液體混合物。相信氫氧化錯分子的電荷也是另一種驅動力。氫氧化錯分子的電荷吸引水分 子接近氫氧化鋁水合物的層的上表面。當水分子移動進入水合物的層時，層底部的水分子 被迫通過重力和/或上方水柱的壓力和/或層底部的負壓離開并且可以被回收。該循環(huán)繼續(xù) 直至幾乎沒有水分子保留在金屬氫氧化物水合物的層的頂部。金屬氫氧化物水合物的層僅 允許水分子和其它極性分子穿過所述層。如果處于納米或皮米范圍（或更大），所有不容固 體顆粒被層捕獲。溶解在水中的極性液體分子或極性分子(例如鹽、糖和葉綠素)也穿過金 屬氫氧化物水合物的層。然而，不溶于水的所有非極性液體烴(例如油、煤油和己烷)和其它 疏水化合物（即使部分溶于水;例如胡蘿卜素)不能穿過水合物的層，因此保留在金屬氫氧 化物水合物的層的頂部。
[0032] 在一些實施方案中，與水合物中的每個金屬氫氧化物分子相關的水分子的數(shù)目可 以變化，因為隨著時間的推移，水可以從水合物中自然分離或者水可以進入水合物。例如， 通過鹽水電解制備的稀釋的新鮮氫氧化鋁水合物的每個氫氧化鋁分子包含幾乎約300個水 分子。然而，當用于從混合物中分離水時水合物的層被壓縮并且水合物的層可以轉變成乳 脂狀凝膠狀材料，該情況由于每個氫氧化鋁分子的水分子數(shù)目減少而產(chǎn)生。還相信用于進 行金屬氫氧化物水合物的條件可能影響與每個金屬氫氧化物分子相關的水分子的數(shù)目。
[0033] 在一些實施方案中，金屬氫氧化物水合物可以為凝膠形式。凝膠可以具有與稀霜 (例如稀面霜)相似的外觀。當在表面上展開時(例在手指之間摩擦），凝膠感覺濕潤，與稀霜 相似，但是之后水迅速蒸發(fā)而僅剩下金屬氫氧化物。
[0034] 在一些實施方案中，金屬氫氧化物水合物可以具有至少10個與每個金屬氫氧化物 分子相關的水分子。優(yōu)選地，金屬氫氧化物水合物可以具有至少16個與每個金屬氫氧化物 分子相關的水分子，更優(yōu)選至少20個與每個金屬氫氧化物分子相關的水分子，甚至更優(yōu)選 至少30個與每個氫氧化物分子相關的水分子，甚至更優(yōu)選30至400個與每個金屬氫氧化物 分子相關的水分子，甚至更優(yōu)選37至300個與每個金屬氫氧化物分子相關的水分子，或37至 90個與每個金屬氫氧化物分子相關的水分子。
[0035] 參考如下附圖和實施例描述本發(fā)明的實施方案的其它特征。
[0036] 本文描述的任何特征可以與本文描述的一個或多個其它特征任意組合同時落入 本發(fā)明的范圍內。
【附圖說明】
[0037]圖1顯示了氫氧化鋁水合物的分子結構的假想模型；
[0038]圖2顯示了實施例2中使用的分離系統(tǒng)的照片；
[0039]圖3顯示了細菌和真菌生長試驗的照片，其中圖3a顯示了對布里斯班河水進行的 細菌生長試驗，圖3b顯示了對從穿過氫氧化鋁水合物的層的布里斯班河水回收的濾液進行 的細菌生長試驗，圖3c顯示了對布里斯班河水進行的真菌生長試驗，圖3d顯示了對從穿過 氫氧化鋁水合物的層的布里斯班河水回收的濾液進行的真菌生長試驗；
[0040] 圖4顯示了實施例4中陳述的實驗的相對于時間的水高度變化和水高度變化速率 的曲線圖；
[0041] 圖5為顯示氫氧化鋁水合物凝膠的層和布里斯班河水過濾通過凝膠之后位于凝膠 頂部的分離固體的層的照片；
[0042]圖6顯示了并入根據(jù)本發(fā)明的實施方案的分離技術的水處理裝置的可能設計的立 體圖；
[0043]圖7顯示了圖6中所示的水處理裝置的側視圖；
[0044]圖8顯示了由實施例5獲得的PCR結果；
[0045] 圖9顯示了在實施例7的實驗運行結束時拍攝的照片；
[0046] 圖10顯示了牛奶穿過氫氧化鋁水合物的層的過濾過程結束時拍攝的照片；
[0047] 圖11顯示了使用根據(jù)本發(fā)明的實施方案的水合物過濾從胡蘿卜汁中分離β-胡蘿卜 素和固體；
[0048]圖12顯示了使用根據(jù)本發(fā)明的實施方案的水合物過濾分離石榴汁色素；
[0049] 圖13顯示了使用根據(jù)本發(fā)明的實施方案的水合物過濾技術從水中分離的番茄汁 的番茄紅素紅色素；
[0050] 圖14顯示了使用根據(jù)本發(fā)明的實施方案的水合物過濾技術通過水合物過濾提取 和過濾的薄荷汁，其中甲醇和色素收集在凝膠的頂部；
[0051] 圖14a顯示了不施加壓力過濾咖啡之后從金屬氫氧化物水合物的層的頂部回收的 濃縮咖啡的照片；
[0052]圖14B顯示了壓力過濾咖啡之后在金屬氫氧化物水合物的層的頂部積累的濃縮咖 啡的照片；
[0053]圖15顯示了分離藻類細胞之后保留在水合物凝膠的頂部的藻類細胞的照片；
[0054]圖15A顯示了收集在氫氧化鋁水合物過濾器頂部的來自水包油乳液的尼羅紅染色 油的照片；
[0055] 圖16顯示了除去柵藻屬藻類細胞之后的水合物凝膠的側視圖的照片；
[0056] 圖17顯示了使用根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的分離器的實驗的濾液通量對壓力 的曲線圖；
[0057] 圖18顯示了不同金屬氫氧化物水合物的自然非強制蒸發(fā)的曲線圖；
[0058]圖19A顯示了使用40psig的施加壓力和Imm的水合物厚度過濾布里斯班河水的濾 液體積對時間的曲線圖；
[0059]圖19B顯示了使用40psig的施加壓力和Imm的水合物厚度過濾布里斯班河水的濾 液通量對時間的曲線圖；
[ΟΟ?Ο]圖19C顯示了使用40psig的施加壓力和IOmm的水合物厚度過濾布里斯班河水的濾 液體積對時間的曲線圖；
[0061 ]圖19D顯示了使用40psig的施加壓力和IOmm的水合物厚度過濾布里斯班河水的濾 液通量對時間的曲線圖；
[0062]圖20A顯示了本發(fā)明的一個實施方案中使用的過濾單元的底部部段的圖；
[0063]圖20B顯示了具有密封在分離器容器中的燒結鈦盤的圖20A中所示的底部部段的 圖；
[0064]圖20C為顯示在燒結鈦盤上形成的厚度小于500微米的極薄水合物的層的照片； [0065]圖20D為顯示燒結鈦盤的孔的顯微鏡照片(放大率X100);
[0066]圖20E為顯示通過圖20A至20D中所示的分離器使用厚度小于500微米的水合物的 層過濾胡蘿卜汁獲得的滲余物的照片；
[0067]圖21顯示分離瓶部件的圖，所述分離瓶部件可以用于制備適合產(chǎn)生用于緊急情況 的消毒水的設備；
[0068]圖22顯示了連接在一起用于正常使用的圖17的瓶部件；
[0069]圖23顯示圖18的瓶，其中頂部和底部擰開，頂部倒轉然后連接至底部從而允許過 濾水并且將干凈濾液收集在瓶的底部；
[0070] 圖24顯示了圖17中所示的瓶的頂部的細節(jié)圖，其中除去了蓋子；
[0071] 圖25顯示了具有密封在可除去密封件下方的金屬氫氧化物水合物凝膠的蓋子的 細節(jié)；
[0072] 圖26顯示了根據(jù)本發(fā)明的任何實施方案的過濾單元的側視圖；
[0073] 圖27顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的基于水合物的分離器的基本設計；
[0074]圖28顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的替代性分離器設計的示意圖；
[0075]圖29顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的另一個分離器設計的示意圖；和 [0076]圖30顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的另一個分離器設計的示意圖。 實施例
[0077]在如下實施例中，通過在水中或在水溶液中產(chǎn)生金屬氫氧化物從而原位制備金屬 氫氧化物水合物。金屬氫氧化物水合物為凝膠的形式。在如下實施例中，術語"水合物凝 膠"、"凝膠"和相似術語與術語"金屬氫氧化物水合物"可互換使用。在如下實施例描述中， 所有使用這些術語的情況應當被視為是引用用于從混合物中分離組分的金屬氫氧化物水 合物的層。相似地，術語"過濾"、"水合物過濾體系"、"凝膠體系"、"凝膠過濾"和"凝膠過濾 體系"（和相似術語例如"過濾"和"分離"）用于表示使水或極性液體或水溶液穿過金屬氫氧 化物水合物的層而其它組分(例如顆粒材料、藻類、細菌、真菌、病毒、非極性或疏水液體和 固體)被金屬氫氧化物水合物的層保留。
[0078]實施例1-氫氧化鋁水合物的制備
[0079]氫氧化鋁為不溶于水并且分子量為78的無機非毒性化合物。每年生產(chǎn)超過一億噸 氫氧化鋁并且超過90%的氫氧化鋁轉化成氧化鋁用于制備金屬鋁(大多數(shù)氫氧化鋁使用拜 耳方法制備，所述氫氧化鋁煅燒從而形成氧化鋁然后轉化成金屬鋁）。氫氧化鋁用作制備其 它鋁化合物(例如煅燒氧化鋁、硫酸鋁、聚合氯化鋁、氯化鋁、沸石、氯酸鈉、活性氧化鋁和硝 酸鋁）的原料。
[0080] 可以使用鋁電極和直流電流通過海水(具有通常在千分之30至70份(PPT)范圍內 的鹽度）的電解制備氫氧化鋁。可以使用3至12V (優(yōu)選9V)和1安培電流的直流電流。將理解 可以使用寬范圍的條件。
[0081] 也可以通過混合硫酸鋁（用于降低園藝土壤pH以及作為胃灼熱的抗酸劑的鹽）和 碳酸氫鈉(小蘇打)溶液制備氫氧化鋁。硫酸鋁和碳酸氫鈉成本極低并且是非常無毒性的化 學試劑。將發(fā)生如下反應：
[0082] Al2(S〇4)3+6NaHC〇3^3Na2S〇4+2Al(OH)3+6C〇2(l)
[0083] 由于氫氧化鋁在水溶液中形成，氫氧化鋁水合物迅速形成。取決于用于形成氫氧 化鋁的硫酸鋁溶液和碳酸氫鈉溶液的摩爾濃度(濃度），可以針對不同應用制備具有不同化 學式、濃度和厚度的水合物。例如，在20 °C下，硫酸鋁和碳酸氫鈉在IOOmL水中的溶解度分別 為36.4g和1.6g。因此，在20°C下，為了制備用于等式（1)的化學計量混合物并且使用飽和溶 液，在IOOmL水中混合36.4g硫酸錯并且在560mL水中混合53.76g碳酸氫鈉。向碳酸氫鈉溶液 中加入硫酸錯溶液將造成形成化學計量反應混合物，并且在反應結束時溶液中不剩余過量 的硫酸鋁或碳酸氫鈉。
[0084] 還有可能通過在高溫下在水中混合反應物從而制備更厚/稠或更致密的氫氧化鋁 水合物。例如，在1 〇〇 °C下，硫酸鋁和碳酸氫鈉在IOOmL水中的溶解度分別增加至89g和 23.6g。因此，在100 °C下，為了制備用于等式（1)的化學計量混合物，在I OOmL熱水中混合89g 硫酸銨并且在555mL熱水中混合130.98g碳酸氫鈉(熱水接近KKTC)。如果混合這些溶液，形 成更厚/稠氫氧化鋁水合物。相比于在20°C下制備的水合物，該氫氧化鋁水合物更為壓縮并 且每個氫氧化鋁分子具有更少的水分子。相比于在20°C下制備的氫氧化鋁水合物，氫氧化 鋁與水分子的比例更高，因此每個水分子上的氫氧化鋁的電荷更高并且水分子的保留更 強。還有可能在加壓加熱反應器中混合成分從而增加成分的溶解度以制備極濃且高負載的 金屬氫氧化物水合物。
[0085]本發(fā)明人進行的實驗通過在20 °C和100 °C下混合硫酸鋁溶液和碳酸氫鈉溶液制備 氫氧化鋁。在20°C(室溫)下制備的氫氧化鋁水合物具有大致為Al(OH)3x 90H20的化學式（即 每個氫氧化鋁分子約90個水分子）。在100°C下制備的氫氧化鋁水合物具有大致為Al (OH)3X 37H20的化學式（即每個氫氧化鋁分子約37個水分子）。在該實驗中，通過在凍干之前和之后 稱重不同樣品確定不同水合物化學式的水分子和氫氧化鋁分子的數(shù)目。氫氧化鋁水合物看 起來像是極輕的水霜并且其物理狀態(tài)與冷香米布丁相似。其在接觸時感覺像是接觸水。 [0086]在如下實施例中，術語"普通水合物"或"普通凝膠"用于表示在20°C下形成的水合 物。術語"更厚/稠水合物"或"更厚/稠凝膠"用于表示接近100 °c形成的水合物。
[0087] 實施例2-水純化
[0088] 全世界六個人中就有一個人不能獲得凈水。每年三百四十萬人死于與水相關的疾 病，大多在發(fā)展中國家。目前通用的水純化技術包括凝結和絮凝，之后是溶氣浮選和砂濾、 加氯殺菌和污泥濃縮。這些常規(guī)技術生產(chǎn)高品質飲用水但是在資本成本和操作成本方面較 為昂貴。希望開發(fā)更廉價和更簡單的水處理過程從而生產(chǎn)飲用水。
[0089] 使用硫酸鋁和碳酸氫鈉的溶液制備氫氧化鋁水合物。氫氧化鋁水合物保持在多孔 土工織物上。設置具有開放頂部和開放底部的玻璃殼體使得土工織物延伸穿過開放底部。 通過這種方式，氫氧化鋁水合物的層設置在玻璃殼體的底部。收集燒杯設置在土工織物的 下方從而收集穿過氫氧化鋁水合物的層的任何液體。
[0090]水取自布里斯班河。布里斯班河水非常渾濁并且包含大量的懸浮固體和膠質固 體。將布里斯班河水的樣品倒入玻璃殼體并且水穿過氫氧化鋁水合物的層。該水收集在收 集燒杯中。收集的水被稱為"濾液"。濾液具有與蒸餾水相同的〇. 〇〇〇的測量的光學密度(在 450nm下）。這意味著幾乎所有懸浮固體和微細顆粒有效地捕獲在氫氧化鋁水合物的層的頂 部。用于支撐氫氧化鋁水合物的層的土工織物具有90微米的孔徑(聚丙烯260gsm無紡土工 織物），并且為非常廉價的土工織物。然而，基于具體應用設計流速和保持介質需要的強度， 也可以使用其它介質或織物來支撐水合物的層。
[0091 ]實施例3-濾液上的細菌和真菌試驗
[0092]在從根據(jù)實施例2中所述的方法處理布里斯班河水回收的濾液水上進行多個細菌 和真菌生長試驗。這些試驗表明布里斯班河水中的所有細菌和真菌被氫氧化鋁水合物的層 捕獲。為了評估使用該過程進行大規(guī)模飲用水純化的可行性，還在布里斯班河水上進行管 試驗。
[0093]為了評估該分離系統(tǒng)如何捕獲細菌和真菌，使用不同的水合物配方進行多個LB細 菌和HM真菌試驗。Lennox LB為用于大腸桿菌和細菌培養(yǎng)的高度參考的微生物生長介質。 該富含營養(yǎng)物的微生物培養(yǎng)基包含低鹽配方的多肽、氨基酸、水溶性維生素和碳水化合物。 瓊脂的加入提供了用于微生物生長的固體介質。LB介質通過在950mL去離子水中混合IOg胰 胨、5g酵母提取物、15g瓊脂、IOg NaCl而制得。溶液在15psi和121°C下高壓蒸汽處理20分 鐘，冷卻至55°C之后倒入培養(yǎng)皿，并且在+4°C下儲存于冷暗空間。為了測量濾液中的真菌生 長，使用馬鈴薯葡萄糖瓊脂(PDA)介質。PDA為用于真菌培養(yǎng)的最廣泛使用的介質。PDA介質 通過在IL純化水中加入4g馬鈴薯提取物(200g馬鈴薯浸液）、20g葡萄糖和15g瓊脂而制得。 溶液在121°C下高壓蒸汽處理，冷卻至55°C之后倒入培養(yǎng)皿，并且在+4 °C下儲存于冷暗空 間。
[0094] 氫氧化鋁水合物通過使用鋁電極（或至少鋁陽極）電解濃度為70PPT的海水(溶解 在IL蒸餾水中的70g NaCl)而制得。在電解過程中使用9V和1安培的直流電流。氫氧化鋁水 合物還通過混合在室溫(20 °C )下制備的硫酸鋁和碳酸氫鈉的飽和溶液而制得。將36.4g硫 酸鋁混入IOOmL蒸餾水并且將53.76g碳酸氫鈉混入560mL蒸餾水。將硫酸鋁溶液逐漸加入碳 酸氫鈉溶液。使混合溶液靜置約2小時從而允許所有CO 2分子分離。在土工織物的頂部加入 基于反應的凝膠溶液并且用蒸餾水沖洗從而除去任何未反應的硫酸鋁。每個實驗使用20mL 的相同量的基于電解的氫氧化鋁水合物和基于反應的氫氧化鋁水合物。用于試驗的簡單的 過濾設備顯示于圖2。90微米無紡土工織物固定至直徑為76mm的圓形塑料容器的底部。
[0095]渾濁的布里斯班河水取自接近昆士蘭大學的布里斯班河。所有過濾設備在試驗之 前進行高壓蒸汽處理和冷卻。為了避免交叉污染，所有試驗在層流下進行。在土工織物的頂 部加入氫氧化鋁水合物的層并且在水合物凝膠的頂部加入布里斯班河水。前50mL濾液不收 集從而允許除去水合物中已經(jīng)存在的水分子。向每個LB和TOA板加入相同體積（100微升）的 過濾之前和過濾之后的布里斯班河水。將LB板放入培養(yǎng)箱24小時，用鋁箱包覆TOA板并且在 室中靜置一周。
[0096] 所有試驗結果表明濾液水中沒有細菌和真菌生長。因此，濾液被氫氧化鋁水合物 的層完全消毒。圖3顯示了在通過由電解制得的氫氧化鋁水合物過濾之前和之后布里斯班 河水的LB細菌和HM真菌試驗結果。24小時之后，過濾之前的水（圖3a)觀察到數(shù)百細菌菌落 的生長，而濾液（圖3b)未出現(xiàn)細菌菌落的生長。一周之后在TOA真菌試驗板上觀察到相似的 結果。過濾之前的布里斯班河水（圖3c)出現(xiàn)一些真菌生長，但是濾液（圖3d)未出現(xiàn)真菌生 長并且所有真菌被該系統(tǒng)捕獲。因此，布里斯班河水中的所有懸浮固體和細菌和真菌被捕 獲并且在氫氧化鋁水合物過濾之后在所有試驗中未觀察到細菌菌落或真菌生長。因此，認 為水通過穿過氫氧化鋁水合物的均質層而被完全消毒。
[0097] 通過使布里斯班河水穿過通過硫酸鋁和碳酸氫鈉的溶液之間的反應制得的氫氧 化鋁水合物的層進行相似試驗。獲得相似結果，當將濾液水施加至培養(yǎng)皿時，介質上未觀察 到細菌和真菌生長的跡象。
[0098] 從氫氧化鋁水合物的層的上方除去布里斯班河水的上清液并且進行細菌試驗，細 菌在LB板上形成菌落。這證實氫氧化鋁水合物未殺滅細菌。相反，由于濾液中未檢測到細 菌，氫氧化鋁水合物的層避免細菌穿過所述層。
[0099] 這些試驗表明所有細菌和真菌被氫氧化鋁水合物的層捕獲。穿過所述層的水被有 效消毒。因此，使布里斯班河水穿過氫氧化鋁水合物的層不僅分離了水中的所有懸浮固體 而且捕獲了所有微生物。濾液為凈水。無需進一步的處理(例如加氯）。
[0100]對比實施例
[0101 ]在通過在高溫下迅速混合氫氧化鋁粉末和水制得的過濾介質過濾的布里斯班河 水上進行多個LB和PDA試驗。不形成凝膠。不同于通過電解或反應原位形成氫氧化鋁水合物 的層的情況，水未被消毒并且濾液中仍然存在一些可培養(yǎng)細菌。
[0102 ]實施例4-水合物凝膠過濾中的水柱的壓力的影響(大規(guī)模計算(管試驗））
[0103] 該實驗使用一個帶有刻度的PVC管，所述PVC管具有平行安裝的透明管從而測量水 柱的高度。管具有150cm的高度和0.00567m 2(56.7cm2)的橫截面積。使用90微米聚丙烯 260gsm無紡土工織物作為水合物的層的支撐過濾介質。記錄水柱高度每降低10厘米的時 間。還隨著時間測量濾液的光學密度(OD)。用不同配方和不同厚度的水合物層和不同高度 和不同河水渾濁度進行多個不同的試驗。
[0104] 該實驗使用已經(jīng)儲存多于6個月（從而證明其不隨時間劣化）的200mL水合物凝膠 (基于電解和基于反應）。隨著時間的水高度變化和水高度變化速率顯示于圖4。還計算了每 個部段的流速和通量。這些數(shù)據(jù)可以用于放大計算。使用布里斯班河水樣品以不同渾濁度 進行試驗。河水OD從低渾濁度水(0D 450nm 0.120)至高渾濁度(0D 450nm0.550)無論河水 的渾濁度和水柱的高度如何，濾液水始終清澈，450nm下的OD為0.000。成功結果還證實了凝 膠不隨著長時間而劣化，并且只要在水中在濕潤非干燥條件下即可工作。
[0105] 使用凝膠層過濾10個樣品之后，盡管由于懸浮固體在凝膠上的積累導致流速略微 降低，未出現(xiàn)阻塞并且分離系統(tǒng)仍然工作。所有懸浮固體(例如微小土壤或木質顆粒和淤 泥)收集和壓縮在凝膠的頂部并且形成厚/稠的褐色糊料(參見圖5)。在圖5中，白色層包括 氫氧化鋁水合物凝膠的層而頂部的褐色層包括從河水中除去的懸浮固體和顆粒材料。水處 理裝置具有污泥增稠單元用于污泥脫水從而易于運輸。該厚/稠的脫水污泥還證實使用該 方法使得未來的基于本發(fā)明的大規(guī)模水處理裝置無需污泥增稠單元。市售水處理裝置可以 使用厚（例如1米厚或甚至更厚）的金屬氫氧化物層?？梢酝ㄟ^從層頂部鏟掉或刮掉積聚的 材料從而清理該層。其它應用中也可以使用厚的金屬氫氧化物水合物的層。
[0106] 圖4顯示即使使用厚(5cm深度）的水合物凝膠層，濾液流速仍然相當快。隨著水柱 高度的增加，壓力和濾液流速增加。由于柱高度的減小和降低的水頭壓力，流速隨時間減 小。平均柱高度每小時減小13cm。使用該技術可以純化約3136L/(d.m 2)的河水而無任何能 量輸入。因此，該技術可以容易地以單步水純化和殺菌過程的形式用于各種應用尺寸。該技 術可以實現(xiàn)農村和偏遠地區(qū)的小規(guī)模水處理。該技術還可以用于大規(guī)模城市水處理。該技 術可以將常規(guī)的過度復雜和昂貴的水處理過程簡化成簡單的單步過程?？梢允褂煤唵蔚某?降槽或相似區(qū)室（例如具有小的表面面積從而易于操作并且具有低凝膠消耗的漏斗狀塔） 代替目前復雜的水處理裝置。
[0107] 對于使用根據(jù)本發(fā)明的水合物過濾的水純化來說，可以使用從簡單的桶至使用真 空或轉鼓過濾器的更復雜的過濾設備的各種不同的結構。例如，一個簡單的桶可以解決發(fā) 展中國家的大家庭的安全飲用水問題。水合物凝膠可以保持在兩種織物或過濾介質之間。 底部的小孔徑織物保持凝膠而頂部的大孔徑織物(為了避免堵塞和阻塞)保持懸浮固體和 污染物并且避免凝膠層在填充過程中破裂。從另一個相似桶剪切的環(huán)可以將頂部織物裝配 在系統(tǒng)中。
[0108] 使用該技術，能夠將多個水處理階段簡化成一個階段。與水處理裝置的常規(guī)沉降 澄清器相似的簡單概念的設計顯示于圖6。隨著水高度的增加，流速也增加，因此需要更小 表面面積的水合物凝膠。有可能將沉降槽分離地設置在水合物凝膠過濾單元的上游從而分 離自然沉積的土壤顆粒、淤泥和相似的固體顆粒。然而，也有可能將所有階段封裝在一個階 段中，如圖6中所示。中間部段13為水合物凝膠過濾部段。水處理可以連續(xù)進行或每日分批 循環(huán)進行。首先，使用管12將水合物凝膠栗入中間部段。然后使用管11栗入水。一些固體隨 著時間沉積。由于該沉降澄清器傾斜或使用常規(guī)橡膠滾軸15(其在旋轉運動中收集沉積的 污泥），通過污泥管14除去可沉降固體。相似的橡膠滾軸系統(tǒng)可以收集積累在水合物過濾部 段頂部的懸浮固體。圖6的水處理裝置的側視圖顯示于圖7。
[0109] 可以基于水合物過濾技術建立具有不同的分批、半連續(xù)或連續(xù)系統(tǒng)的不同尺寸的 該簡單水純化系統(tǒng)。也可以設計不同的沉積固體除去系統(tǒng)(例如連續(xù)或周期性橡膠滾軸或 手動除去或在凝膠頂部放置織物或相似介質）。還可以設計從數(shù)十萬升至數(shù)百萬升的不同 尺寸的水處理裝置。例如，對于約314百萬升的自然(無抽吸和/或壓力）日常過濾(這對城市 日常消耗來說是足夠的）來說，可以設計直徑為200m并且高度為IOm的沉降槽。其還可以與 常規(guī)水處理系統(tǒng)組合使用。其可以作為用于消毒和澄清的最終階段從而除去水中殘留的任 何痕量的懸浮固體和細菌、病毒和病原體。由于一些病原體耐氯，相比于氯殺菌的水，使用 該技術的最終殺菌產(chǎn)物可以更安全飲用。
[0110] 實施例5-通過水合物過濾捕獲病毒
[0111] 全世界一半的醫(yī)院床位占用由缺乏安全飲用水而造成。不安全的水是88%的全球 腹瀉情況的原因并且90%的五歲以下兒童的死亡由腹瀉病造成。病毒是人類水傳播和水相 關疾病的主要原因。水傳播疾病通過被人類和動物的包含致病微生物的尿液和糞便污染的 水造成。人類可能通過接觸或消耗污染水而感染。
[0112] 對于地表水(來自湖、河或儲水池的水)的處理，凝結、絮凝和沉降和常規(guī)的過濾過 程主要除去泥土、大顆粒和懸浮固體。這解釋了為什么需要氯殺菌的最后步驟。然而，許多 水傳播的病原體耐氯并且在常規(guī)水處理裝置的純化水中定期發(fā)現(xiàn)。這些耐氯病原體包含可 能造成肝炎、腸胃炎、隱孢子蟲病和軍團病的大量病毒、寄生蟲和細菌。因此，實質上需要尋 找更有效并且問題更少的水殺菌過程。僅允許水分子穿過的水合物凝膠過濾是從水中除去 病原體的新型潛在過程。
[0113] 為了觀察水合物凝膠是否可以捕獲病毒，在水中加入噬菌體并且進行聚合酶鏈反 應(PCR)以放大濾液中的任何病毒從而觀察濾液中是否出現(xiàn)任何痕量的病毒。
[0114] 在20mL蒸餾水中加入3yL Ml3K07輔助噬菌體病毒（來自NEB Biolabs)并且混合并 且加至更厚/稠水合物凝膠(在100 °C下制得)的頂部?；贛13K07的DNA序列，設計正向引物 和反向引物。
[0115] 這些試驗使用Phusion PCR。通過混合7.2yL水、4yL 5*HF緩沖液、1.6yL dNTPs、2y L正向引物、2yL反向引物和0.2yL Phusion聚合酶(Thermo Scientific)制備主混合物。將3 yL每種樣品加入主混合物并且倒入PCR管并且置入PCR機器。Phusion PCR程序為98°C下 3〇8，之后是35個周期（98°(：下1〇8、65°(：下3〇8，和72°(：下3〇8)和72°(：下10分鐘，16°(：下延長 時間。
[0116] PCR之后，使用凝膠電泳進行尺寸分離和DNA分析。該實驗使用包含溴化乙錠的厚/ 稠(2 % w/v)的瓊脂糖凝膠。向每個PCR管中加入4yL負載染料。在瓊脂糖凝膠孔中加入5yL寬 范圍DNA梯和IOyL每種樣品。凝膠在IOOV下經(jīng)受瓊脂糖凝膠電泳達15分鐘。電泳之后，將凝 膠放置在紫外線上用于DNA可視化。圖8顯示了結果。
[0117] PCR結果（圖8)表明濾液中沒有痕量的病毒DNA，而對照樣表明噬菌體DNA容易放 大。圖8.1顯示了寬范圍DNA梯。圖8.2、圖8.9、圖8.11顯示了對照樣(無過濾）中的放大的噬 菌體DNA。其它列（圖8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.10)包含的不同濾液樣品未顯示痕量的 噬菌體DNA放大。圖8.2為過濾液體對照樣(3yL噬菌體溶液+20mL水）。在過濾時間內將其保 持在冰上而不用于過濾。圖8.9為在過濾過程中保持在室溫（25°C)下的相同的對照樣。圖 8.11為通過在Phusion PCR主混合物（17yL)中加入3yL噬菌體溶液制備的另一個高濃度噬 菌體對照樣。
[0118] 這些結果證實均質水合物凝膠可以捕獲病毒。因此，水合物過濾不僅捕獲細菌、真 菌和大型微生物，而且使用該技術也捕獲約IOnm的小型病毒(例如噬菌體）。因此，相比于常 規(guī)水處理系統(tǒng)，可以捕獲病原體，造成濾液水被完全消毒并且可以安全飲用。因此，該技術 可以用作除去所有懸浮固體和致病微生物的新型單步水處理系統(tǒng)?？梢允褂迷撨^程代替常 規(guī)的有問題和有毒性的氯殺菌。
[0119] 實施例6:漏油(從游輪至環(huán)境的原油釋放）
[0120] 游輪中的原油和煉油泄漏事故損壞了阿拉斯加州、墨西哥灣、加拉巴哥群島、法國 和許多其它地方的自然生態(tài)系統(tǒng)。例如，僅一次漏油事故(Ixtoc I)向環(huán)境釋放了三百萬桶 油并且影響了 260km的美國海岸。其對環(huán)境造成不能挽回的長期負面影響。
[0121] 目前解決該問題的技術(例如生物修復、受控燃燒、分散劑、撇沫和離心分離)并不 有效。此外，目前技術的成本極高。例如，僅清理1979年的一次事故(Ixtoc I漏油)就耗費了 一億美元。
[0122] 相比于用于清理漏油的常規(guī)技術，根據(jù)本發(fā)明的水合物過濾技術的成本極低。所 述技術可以在不同船舶上實施并且處理的水可以直接栗入海洋，而從水中分離的油可以收 集在儲存槽中。也可以設計用于該系統(tǒng)的特定船舶。水合物過濾器可以打破油水乳液，因此 除去漏油。因此，不同于離心分離過程，使用本發(fā)明的技術獲得的濾液水可以栗入海洋。該 技術還回收油，這是相比于其它常規(guī)方案(例如生物修復、燃燒和分散劑)的主要優(yōu)點。基于 增加的用油量和漏油量，該技術的潛在市場容量可觀。其還具有保護環(huán)境、挽救珍貴沿海地 區(qū)和保護旅游業(yè)和漁業(yè)和食品工業(yè)的其它間接的有形和無形益處。此外，全世界數(shù)千個化 學精煉廠、石油化學精煉廠和煉油廠以及船港可以使用該技術來處理其漏油問題。
[0123] 該實驗使用通過在100°C下混合硫酸鋁和碳酸氫鈉的化學計量的飽和溶液制得的 更厚/稠水合物凝膠。將30mL該水合物凝膠加入多孔土工織物的頂部并且放置在具有開放 頂部和開放底部的容器中。劇烈攪拌50mL of Shell Helix HX3 20-50車用機油與水(50% 油+50%水)從而形成部分水包油乳液。將所得油水混合物加入水合物凝膠的頂部并且允許 過濾。
[0124] 水合物凝膠過濾器分離水乳液中的油并且分離的油相保留在凝膠的頂部。濾液為 沒有油滴跡象的凈水。即使在過程結束24小時之后，沒有油滴穿過水合過濾器，并且所有的 油保留在凝膠頂部。結果還證實了水合物過濾理論，其中僅水分子或小的極性分子可以穿 過而其它非極性無水液體(例如水和烴)不能穿過水合物過濾器。因此，該技術可以用于解 決許多工業(yè)中的油水問題和漏油問題。例如，其也可以用于煉油廠和化學工廠和石油化學 工廠從而從水中分離油或者從非極性油中分離極性油。使用普通水合物凝膠(在20°C下制 得）以及當使用其它水包油乳液(例如使牛奶脫脂或從油質微藻中分離脂質體;實施例9和 12)時觀察到相似的結果。
[0125] 實施例7:基于極性的分離
[0126] 根據(jù)本發(fā)明的水合物凝膠過濾器不允許非水溶性的非極性液體穿過。因此，由于 大多數(shù)液體烴為非極性的并且不溶于水，它們可以通過水合物過濾捕獲。該技術的一種應 用是從噴氣燃料(其為煤油）中除去水。使用目前的技術不能從噴氣燃料中除去所有的水。 噴氣燃料中的水是嚴重問題并且存在一些事故，例如由于噴氣燃料中的水凍結而造成的英 國航空38號班機墜毀。本發(fā)明的分離系統(tǒng)可以從噴氣燃料中除去最后一滴水。使用該技術， 可以基于相對極性從水中分離多種其它液體。
[0127] 該實驗使用通過混合硫酸鋁和碳酸氫鈉的化學計量的飽和溶液制得的更厚/稠水 合物凝膠(在l〇〇°C下制得）。將30mL該更厚/稠凝膠加入過濾設備的頂部。水合物凝膠支撐 在土工織物上。將IOOmL煤油(包含藍色素）和水的混合物(劇烈混合的50 %煤油和50 %水） 加入水合物凝膠過濾器的頂部。實驗結束時在底部收集凈水并且沒有任何煤油跡象，而所 有煤油捕獲在水合物凝膠的頂部。即使在24小時之后也沒有煤油穿過水合物凝膠。圖9顯示 了在實驗運行結束時拍攝的照片。在圖9中，可以看到底部的凈水并且可以看到保留在水合 物凝膠的層的上方的藍色煤油層。
[0128] 實施例8-極性液體的穿過
[0129] 為了證實極性水溶性液體穿過水合物凝膠，使用無水極性液體進行其它實驗。盡 管葉綠素為具有疏水尾部區(qū)域的化合物，其也具有極性親水頭部基團并且為水溶性的。將 IOOmL葉綠素加入50mL更厚/稠水合物凝膠(接近100°C制得）的頂部。該試驗中使用與之前 實驗中使用的相同的過濾設備。葉綠素分子如預期地穿過水合物凝膠。
[0130]己烷為非極性無色烴液體，因此應該不穿過水合物過濾器?；旌霞和楹退⑶壹?入水合物凝膠的頂部。由于己烷在通風櫥下非常迅速地蒸發(fā)，過濾設備的頂部部段用鋁箱、 封口膠帶和保鮮膜密封。與煤油實驗相似，水分子穿過水合物過濾器但是己烷分子不能穿 過水合物并且保留在水合物層上。將過濾設備長時間放置在通風櫥下，但是即使在一周之 后仍然沒有己烷液滴穿過水合物過濾器。使用普通氫氧化鋁水合物凝膠(在20°C下制得)觀 察到相似結果。
[0131]這些實驗也證實了作為本發(fā)明的基礎的水合物過濾理論。因此，有可能基于相對 極性和分子電荷分離不同的烴和化學試劑。不溶于水的非極性組分(例如烴和煤油)不能穿 過水合物過濾器但是極性水溶性組分(例如葉綠素）穿過過濾器?；谑褂貌煌幕瘜W試劑 作為液體水合物和不同配方和厚度的水合物的水合物過濾器的這些性質，可以開拓建立新 型化學煉油廠和化學工廠的可行性。
[0132] 煤油和己烷即使在長時間之后也不穿過水合物凝膠過濾器的事實證實了該技術 也可以用于水/烴分離單元，或烴儲存器。可以設計特定的烴儲存器并且可以將水合物凝膠 設置在儲存器的底部。應當從儲存槽的底部除去所有的水。
[0133] 實施例9:乳品和牛奶加工工業(yè)(制備奶粉和作為副產(chǎn)物的乳清蛋白）
[0134] 許多人定期消耗牛奶、奶酪和其它乳制品。每年生產(chǎn)超過兩千萬公噸的奶酪。全世 界許多人還使用乳清蛋白。乳清蛋白市場增長迅速，在2005-2008年之間，市場價值增加高 達24%達到38億美元。本發(fā)明有潛力廣泛用于乳品工業(yè)。在制備奶酪和制備作為副產(chǎn)物的 乳清蛋白之前，其可用于牛奶的濃縮。
[0135] 通過目前的蒸發(fā)和加熱干燥(例如轉鼓干燥)制得的奶粉由于暴露于熱造成的焦 糖化而具有蒸煮味。由于加熱也可能損失牛奶中的許多有價值的營養(yǎng)物。乳清也可能由于 加熱而變性。高溫(例如與巴氏滅菌過程相關的高于72°C的持續(xù)高溫)使得乳清蛋白變性。 例如，由于滅菌過程中的加熱，可能損失一些維生素、礦物質和有益菌(或益生菌）（維生素 Bl和維生素 B12減少10%，維生素 C減少20%)。常規(guī)奶粉生產(chǎn)商使用蒸發(fā)器然后噴至加熱室 進行干燥。將牛奶以膜形式施加至加熱鼓的表面，然后刮掉干燥的牛奶固體。該過程造成不 希望的蒸煮味并且可能損失牛奶中的許多營養(yǎng)物。超濾是乳品工業(yè)中使用的新型技術，但 是與該昂貴技術相關的極高的資本成本和操作成本阻礙了該技術的廣泛使用。由于需要高 壓，其還具有非常高的操作成本。然而，使用根據(jù)本發(fā)明的實施方案的水合物過濾僅需要非 常簡單的設備并且無需高壓和能量輸入。其可能僅需要極低壓力或中等壓力。液體柱的自 然壓力可能足以產(chǎn)生這些低壓力或中等壓力。相比于使用超濾過程制備的奶酪，通過傳統(tǒng) 奶酪制備過程制備的奶酪具有較低品質。凍干保存了奶粉的易腐材料。然而，由于冷凍和真 空過程使用的高電力和極高的設備成本和維修成本，該過程對于大規(guī)模應用來說非常昂 貴。
[0136] 使用根據(jù)本發(fā)明的實施方案的水合物過濾處理的牛奶產(chǎn)品是極厚/稠的乳脂狀糊 料，其可以使用簡單的自然空氣干燥利用未加熱強迫空氣或日光干燥容易地干燥。因此，通 過水合物過濾制備的奶粉不具有如同目前市場上銷售的常規(guī)奶粉的令人不悅的蒸煮味。相 比于常規(guī)過程，通過該過程和超濾制備的乳制品具有更好的保健品質，因為其保持了產(chǎn)品 中的熱敏組分。與水合物過濾相似，超濾技術制備高品質產(chǎn)品。然而，超濾技術非常昂貴并 且不能在小型工廠和偏遠農場實施，而根據(jù)本發(fā)明的簡單的水合物過濾系統(tǒng)可以以極低成 本在各地實施而無需昂貴設備。
[0137] 在該實驗中，使用通過混合硫酸鋁和碳酸氫鈉的化學計量的飽和溶液制得的更 厚/稠水合物凝膠(接近100°c制得）。將30mL該厚/稠凝膠加入過濾設備的頂部。通過根據(jù)本 發(fā)明的水合物過濾器過濾150mL半脫脂牛奶。
[0138] 圖10顯示了在過濾過程結束時拍攝的照片。相比于過濾之前的牛奶，濾液水更清 澈。濃縮牛奶固體和脂肪捕獲在水合物凝膠的頂部。使用普通水合物凝膠(在20°C下制得） 觀察到相似結果。
[0139] 牛奶的水合物凝膠過濾證實了水合物凝膠可以打破水包油乳液并且從牛奶中分 離油。獲得與牛奶超濾相似的結果而無需任何極高的設備成本和過程成本。捕獲在水合物 凝膠頂部的牛奶固體和脂肪的濃縮糊料可以使用常規(guī)非加熱干燥過程(例如強迫空氣風扇 干燥)容易地轉化成奶粉。這造成不同于目前市場上的奶粉的新型更高品質的奶粉，不具有 由于在加熱轉鼓干燥過程中暴露于熱造成的焦糖化而令人不悅的蒸煮味。
[0140] 由于乳清蛋白為水溶性的因此穿過水合物過濾器，濾液具有乳清蛋白。通過干燥 濾液(使用常規(guī)干燥過程例如噴霧干燥)制備乳清蛋白。乳清蛋白可以作為有價值的副產(chǎn)物 銷售。
[0141] 實施例10:提取天然高價產(chǎn)物和色素(例如β-胡蘿卜素）
[0142] 本發(fā)明提供基于極性和水溶性從天然來源中分離高價產(chǎn)物的新型低成本過程。保 健食品市場龐大并且增長迅速。例如，類胡蘿卜素全球市場為14億美元/年。從天然來源中提 取高價產(chǎn)品例如胡蘿卜素非常困難。可以使用本發(fā)明的技術制備不同的新型藥物產(chǎn)品（例 如藥品和保健產(chǎn)品和美容產(chǎn)品）?；瘖y品工業(yè)也是大型商業(yè)并且目前產(chǎn)生1700億美元的估 計年營業(yè)額。可以由使用本發(fā)明的技術獲得的成分制備各種不同的新型化妝品（例如護膚 霜、乳液、粉末、香水、唇膏和天然源彩妝腮紅）。相比于基于石油的化妝品，相信這些產(chǎn)品具 有更好的保健和營養(yǎng)護膚效果。
[0143] 在該實施例中，使用通過混合硫酸鋁和碳酸氫鈉的化學計量的飽和溶液制得的更 厚/稠水合物凝膠(接近l〇〇°C制得）。如同之前的試驗，使用30mL的該厚/稠凝膠將其加入相 同過濾設備的頂部。將IOOmL胡蘿卜汁、石榴汁、番茄汁和薄荷汁加入凝膠頂部并且允許過 濾。
[0144] 圖11顯示了使用水合物過濾從胡蘿卜汁中分離包含β-胡蘿卜素的固體。β-胡蘿卜素 的有機色素捕獲在水合物凝膠的頂部。胡蘿卜素為非極性分子并且因此不能穿過水合物 過濾器。常規(guī)分離技術(例如離心分離)不能從胡蘿卜汁中分離胡蘿卜素;高溫蒸發(fā)胡蘿卜汁 使胡蘿卜素分子變性并且產(chǎn)生膠狀材料。
[0145] 水合物過濾也分離石榴汁色素（圖12)。番茄紅素是在番茄和其它紅色水果和植物 (例如紅蘿卜、紅柿子椒、西瓜、gac和木瓜）（但是不包括草莓）中發(fā)現(xiàn)的另一種有價值的亮紅 色類胡蘿卜色素。番茄紅素分子為非極性的因此不能穿過水合物過濾器并且在過濾之后收 集在水合物凝膠的頂部。使用水合物過濾技術也容易從水中分離番茄汁的番茄紅素紅色素 (參見圖13)。已經(jīng)表明番茄紅素也有利于皮膚健康、紫外線防護、皮膚癌預防并且充當抗老 化和抗皺紋的試劑。番茄紅素片劑是昂貴的（30個片劑約50美元）。在通過過濾不同的富含 番茄紅素的汁液(例如番茄或西瓜)分離番茄紅素之后，可以制備各種不同的化妝品，例如 抗老化或抗皺紋的霜、肥皂、沐浴露和香波，或牙膏。許多常規(guī)彩妝品和化妝品涉及健康危 害。使用水合物過濾，可以制備許多天然成分的彩妝品，例如腮紅和唇膏。可以特別制備這 些高價彩妝品用于奢侈品市場。濃縮番茄汁也可以進行空氣干燥并且以番茄紅素片劑的形 式銷售。
[0146] 薄荷腦是可以使用該技術提取的另一種不溶性有機化合物。薄荷腦供不應求并且 具有包括口香糖和糖果產(chǎn)品的較大市場。通過水合物過濾提取和過濾薄荷汁。薄荷腦和其 它色素收集在凝膠頂部(圖14)。使用普通水合物凝膠(在20°C下制得)觀察到相似結果。
[0147] 也試驗大量其它產(chǎn)品。在一個實驗中，從紅辣椒汁中分離辣椒素。粉碎紅辣椒并且 根據(jù)本發(fā)明分離和過濾紅色汁液。將50mL紅辣椒汁加入水合物凝膠的頂部并且允許過濾。 這造成從紅辣椒汁中分離包含辣椒素的固體。濾液清澈而無任何紅色素的跡象。紅色素不 能滲透進入水合物的深度并且全部濃縮在水合物層的頂部。
[0148] 使用水合物過濾器分離西瓜汁。將50mL西瓜汁加入水合物凝膠的頂部并且允許過 濾。這造成從西瓜汁中分離包含番茄紅素的固體。相似地，濾液清澈而無任何紅色素的跡 象。紅色素不能滲透進入水合物的深度并且全部濃縮在水合物層的頂部。
[0149] 杏是另一種富含類胡蘿卜素的水果。使用水合物過濾器分離/濃縮杏汁。將50mL杏 汁加入凝膠的頂部并且允許過濾。這造成從杏汁中分離包含β-胡蘿卜素的固體。相似地，濾 液清澈而無任何黃色素的跡象。黃色素不能滲透進入水合物的深度并且全部濃縮在水合物 層的頂部。
[0150] 木瓜是另一種富含β_胡蘿卜素和番茄紅素的水果。使用水合物過濾器濃縮/分離木 瓜汁。將50mL木瓜汁加入凝膠的頂部并且允許過濾。這造成從木瓜汁中分離包含β-胡蘿卜素 和番茄紅素的膠狀固體。相似地，濾液清澈而無任何色素的跡象。色素不能滲透進入水合物 的深度并且全部濃縮在水合物層的頂部。
[0151] 芒果是另一種富含β-胡蘿卜素的水果。使用水合物過濾器濃縮/分離芒果汁。將 50mL芒果汁加入凝膠的頂部并且允許過濾。這造成從芒果汁中分離包含β-胡蘿卜素的固體。 相似地，濾液清澈而無任何黃色素的跡象。黃色素不能滲透進入水合物的深度并且全部濃 縮在水合物層的頂部。
[0152] 哈密瓜是另一種富含β-胡蘿卜素的水果。使用水合物過濾器分離/濃縮哈密瓜汁。 將50mL哈密瓜汁加入凝膠的頂部并且允許過濾。這造成從哈密瓜汁中分離包含β-胡蘿卜素 的固體。相似地，濾液清澈而無任何黃色素的跡象。黃色素不能滲透進入水合物的深度并且 全部濃縮在水合物層的頂部。
[0153] 使用水合物過濾器濃縮/分離百香果汁。將50mL百香果汁加入凝膠的頂部并且允 許過濾。這造成從百香果汁中分離包含胡蘿卜素的固體。相似地，濾液清澈而無任何黃色 素的跡象。黃色素不能滲透進入水合物的深度并且全部濃縮在水合物層的頂部。
[0154] 使用水合物過濾器分離/濃縮番石榴汁。將50mL番石榴汁加入凝膠的頂部并且允 許過濾。濃縮的番石榴汁收集在水合物凝膠層的頂部。相似地，濾液清澈而無任何色素的跡 象。色素不能滲透進入水合物的深度并且全部濃縮在水合物層的頂部。
[0155] 還獲得桃枝、梨汁、油桃汁和蘋果汁的相似的成功的分離/濃縮。
[0156] 來自花、葉和植物的其它部分的提取色素、疏水性組分和藥物
[0157] 有可能使用該技術從大量植物及其部分(例如其葉和花）中提取有價值的化合物、 色素、藥物和甚至是類胡蘿卜素。例如，使用該技術提取Tipuanatipu樹的花的黃色素。從昆 士蘭大學的花園收集Tipuanatipu樹的花。用件粉碎并且通過加入少量水從葉中分離黃色 汁液。首先使用小孔織物過濾50mL提取的黃色液體，然后加入凝膠(在IOOtC下制得的更厚/ 稠水合物凝膠)頂部并且允許過濾。造成黃色素的分離。相似地，濾液清澈而無任何黃色素 的跡象。黃色素不能滲透進入水合物的深度并且全部濃縮在水合物層的頂部。
[0158] 咖啡濃縮
[0159] 咖啡中的大多數(shù)香料是疏水的。因此，其不能穿過水合物過濾器。因此，水合物過 濾器可以用于咖啡過濾。從過濾器頂部回收的濃縮咖啡包含有價值的咖啡油、酚類化合物 和大多數(shù)香料。使用水合物過濾器獲得的濃縮咖啡是粘性材料?？梢詫⑵浼尤霟崴蚶渌?從而制備咖啡飲品。其富含天然抗氧化劑和酚類化合物。該糊料可以用作食品或化妝品。其 可以用作用于制備各種新型食品、保健食品和美容品或化妝品的基礎，例如咖啡早餐涂抹 醬(與Nutella?巧克力涂抹醬相似）、美容霜、保濕霜、防曬霜、洗手液、沐浴露、剃須泡沫、 美黑噴霧和香波。其可以容易地干燥從而制備與Nescafe?.相似的物質。該干燥的濃縮咖 啡可以作為與Nescafe?相似的速溶咖啡銷售。
[0160] 其也可以由咖啡殘渣制得。咖啡殘渣在溫水或熱水中浸泡從而允許分離剩余的 油、疏水香料和酚類化合物和抗氧化劑化合物。在一個實驗中，在沉積數(shù)小時之后，從沉積 固體中成功分離15L液體。將液體加入使用底部裝配有土工織物的桶制成的水合物過濾設 備的頂部并且允許過濾。為了容易操作和分離濃縮咖啡，在水合物層的頂部放置濾紙，水合 物沉積之后形成水合物層。因此，在過程結束時，濃縮咖啡積累在紙上并且可以通過鏟掉或 其它相似的收集方法容易地收集。圖14A顯示了從水合物層的頂部回收的咖啡濃縮物的照 片。相似地，最終產(chǎn)品可以用于制備各種食品或化妝品。例如，加入不同劑量的濃縮咖啡殘 渣并且混合至不同的無香味粉底霜、沐浴露、洗手液或用于制備化妝品的其它無香味化妝 品配方和不同的化妝品。相比于常規(guī)石油基化妝品，最終產(chǎn)品具有現(xiàn)磨咖啡的香味和氣味 以及各種保健益處。通過這種方式制得的化妝品在極長時間之后非常穩(wěn)定并且沒有發(fā)生霉 菌和細菌生長。由于肥皂、沐浴露、美容霜配方保存了濃縮咖啡，數(shù)月之后仍然具有現(xiàn)磨咖 啡的氣味。
[0161]無壓力咖啡濃縮緩慢進行過夜。然而，施加壓力可以使得分離過程更快。將500mL 厚/稠水合物凝膠(在100 °C下制得)加入1500mL水中并且將溶液加入由Amdel公司制造的橫 截面積為〇.〇1887m2的死端礦物加工實驗室壓力過濾單元。15分鐘之后當溶液中的水合物 顆粒沉積時，在水合物層的頂部放置濾紙。測得水合物層的厚度為l〇mm。然后加入從咖啡殘 渣中分離的500mL液體咖啡并且施加40psi的壓力。約45分鐘之后過程完成，所有疏水組分 積累并且容易地從濾紙頂部鏟掉。圖14B顯示了在金屬氫氧化物水合物的層的頂部積累的 濃縮咖啡的照片。計算平均通量為1586.97(mL/min.m 2)。
[0162] 基于本發(fā)明的技術可以生產(chǎn)來自天然來源的各種新產(chǎn)品，例如天然色素、保健食 品添加劑和新型護膚美容霜。還有可能從天然來源中提取和發(fā)現(xiàn)新組分。使用該技術還可 以制備其它新型濃縮食品。例如，用于制備番茄醬的常規(guī)過程使用高溫，高溫破壞多種保健 營養(yǎng)物和維生素。在使用水合物過濾技術制備的新型番茄醬中，保存了熱敏維生素和營養(yǎng) 物。
[0163] 為了顯示本發(fā)明的益處，胡蘿卜汁以4000rpm離心分離10分鐘（10,000x g)，沒有觀 察到β-胡蘿卜色素的除去。因此，以這些速度離心分離不能從胡蘿卜汁中分離有機β-胡蘿卜色 素。通過離心分離其它汁液(例如石榴和番茄)觀察到相似結果。胡蘿卜汁也放置在干燥箱 (65°C)中從而蒸發(fā)水。然而加熱使有機β-胡蘿卜色素劣化并且β-胡蘿卜色素變性成膠狀粘性 物質。因此，根據(jù)本發(fā)明的水合物過濾技術似乎是用于濃縮汁液并且從不同的天然來源和 汁液中分離胡蘿卜素和其它色素的唯一的低成本且簡單的技術。
[0164] 實施例11:質粒DNA過濾
[0165] 為了確定溶于水的長鏈分子是否可以穿過水合物過濾，該實驗使用長度為約 3000bp的質粒DNA。水合物過濾凝膠捕獲非極性非水溶性分子，例如β-胡蘿卜素。但是水溶性 無機分子(例如鹽、糖和葉綠素）穿過水合物凝膠過濾器。該實驗評估水合物凝膠是否可以 捕獲長鏈可溶性分子，例如DNA。將質粒加入水中并且進行聚合酶鏈反應(PCR)試驗從而放 大濾液中的質粒以觀察是否有任何痕量的質粒DNA可以從濾液中放大或者是否有任何質粒 穿過水合物凝膠過濾器。
[0166] 該實驗使用包含擬南芥HVA22d基因的質粒pGreen。使用GFP引物作為正向引物，并 且使用HVA22d基因引物作為反向引物。將70yL質粒（IygAiL)加入50mL蒸餾水的Falcon管并 且混合。使用與之前實驗相同的過濾設備。將混合物加入厚/稠凝膠(接近l〇〇°C制得）的頂 部并且允許過濾。隨著時間收集六個不同的濾液樣品。還將兩種無過濾的對照樣加入PCR樣 品。
[0167] 這些試驗再次使用Phusion PCR。通過混合7.2yL水、4yL 5xHF緩沖液、1.6yL dNTPs、2yL正向引物、2yL反向引物和0.2yL Phusion聚合酶制備主混合物。將3yL每種樣品 加入主混合物并且轉移至PCR管并且置入PCR機器。Phusion PCR程序為98°C下30s，之后是 35個周期(98 °C下10s、65 °C下30s，和72 °C下30s)和72 °C下10分鐘，16 °C下延長時間。
[0168] PCR完成之后，使用凝膠電泳法進行尺寸分離和DNA分析。該實驗使用IOOmL具有溴 化乙錠的（2 %w/v)瓊脂糖凝膠。向每個PCR管中加入4yL 6x負載染料。在瓊脂糖凝膠孔中加 入5yL Ikb梯和IOyL每種樣品。凝膠在100V下經(jīng)受凝膠電泳40分鐘。電泳完成之后，將凝膠 放置在紫外線下用于DNA可視化。
[0169] PCR結果表明濾液中沒有痕量的質粒DNA，而正對照樣表明質粒DNA放大。因此，這 些結果證實質粒DNA分子被水合物凝膠過濾器捕獲。因此，可以推斷水合物過濾凝膠也可以 捕獲長鏈水溶性分子，例如DNA。推測長鏈水溶性分子不能配合在水合物凝膠的氫氧化物顆 粒之間，因此不能穿過凝膠層。使用該技術可以制備用于DNA分離的各種新型且不同的實驗 室設備。水合物凝膠實驗室過濾器可以形成目前可得的更昂貴且復雜的市售DNA純化試劑 盒(例如依靠 DNA沉淀的那些)的新型且簡單的替代品。
[0170] 實施例12:微藻收獲和增稠，濕提取之后的水乳液中的微藻油的分離
[0171] 大氣中溫室氣體的積累是世界面臨的主要的環(huán)境問題。微藻物種具有成為新型可 再生的生物燃料原料來源的潛力，并且也提供高價保健食品，例如Ω -3和類胡蘿卜素。從微 藻中提取的油可以通過酯交換容易地轉化成生物柴油。生物質可以用作富含蛋白質的人體 營養(yǎng)、動物飼料或者可以作為水產(chǎn)飼料銷售。生物柴油市場增長迅速。例如，截止到2006年， 美國生物柴油產(chǎn)量增加四倍(從2004年開始)達到十億美制加侖以上。來自微藻的高價保健 食品是另一個迅速增長的領域。例如，Ω-3脂肪酸占據(jù)了 130億美元的市場?？梢詮奈⒃逯?提取的類胡蘿卜素具有14億美元的市場。植物留醇具有3億美元的市場。水產(chǎn)養(yǎng)殖市場在 2009年達到860億美元。微藻對于蝦、牡蠣和扇貝的孵卵處是重要的。例如，由于養(yǎng)殖和離心 分離收獲的高成本，扁澡以約800美元/kg干生物質的價格銷售。
[0172] 微藻的常規(guī)收獲過程具有一些問題，使用根據(jù)本發(fā)明的水合物過濾技術可以解決 所述問題。用于微藻收獲的常規(guī)微藻離心分離過程過于昂貴因此從微藻制備生物燃料無利 可圖。進一步的脫水、干燥和溶劑提取也是有問題并且昂貴的，因此提出了濕油提取從而使 用不同技術(例如加熱、電解或超聲波降解)解決該問題。由于水包油乳液的形成，濕油提取 尚不實際。
[0173] -些類型的微藻收獲技術(例如常規(guī)過濾技術)是藻類特異性的。例如，不同的藻 類物種需要不同的絮凝劑。由于不同類型的藻類的收獲需要不同的收獲技術，多重收獲極 其困難。藻類養(yǎng)殖中的交叉污染是非常嚴重的問題。然而，水合物過濾技術不是藻類特異性 的，并且不需要任何預處理(例如絮凝）。細菌生長和污染是藻類再養(yǎng)殖的循環(huán)水的嚴重問 題。藻類養(yǎng)殖中的細菌生長是戶外養(yǎng)殖系統(tǒng)的主要問題。水合物凝膠過濾系統(tǒng)也可以通過 捕獲水中的細菌和真菌從而解決該問題。該過程可以用于大規(guī)模藻類養(yǎng)殖工廠的水處理。
[0174] 不同于離心分離和膜系統(tǒng)，根據(jù)本發(fā)明的實施方案的水合物過濾系統(tǒng)可以運行而 無需能量并且沒有移動部件。其簡單性和低成本使其成為常規(guī)微藻收獲過程的合適替代 品。其還可以通過打破水包油乳液解決濕油提取的主要問題。其不是藻類特異性的并且可 以收獲任何類型的微藻，因此使用該技術解決了多重養(yǎng)殖和交叉污染的問題。其還給水消 毒，因此濾液水可以循環(huán)并且多次用于微藻養(yǎng)殖。
[0175] 使用該技術，不同類型的微藻物種（例如四另藻、牟氏角毛藻和杜氏藻)被成功收 獲并且收集在氫氧化鋁水合物凝膠層的頂部。即使通過常規(guī)技術極難收獲的非常小的物種 (例如微綠球藻細胞）（直徑約2微米)也可以使用該技術容易地收獲。濾液水清澈而無任何 懸浮固體或微藻。不同于藻類特異性的常規(guī)微藻收獲過程，使用該技術可以收獲任何類型 的微藻。該過程不需要任何預處理(例如絮凝)并且所有污染物和微藻容易地收集在水合物 凝膠的頂部。金屬氫氧化物水合物的層的非粘性本性允許容易地分離經(jīng)收獲的藻類，并且 通過在水合物凝膠過濾器的頂部加入微細織物或網(wǎng)眼的薄層進一步改進。
[0176] 水合物凝膠中的氫氧化鋁分子的高電荷是脫水的另一個重要驅動力。水合物凝膠 不僅收集藻類物種并且避免其穿過過濾器，而且相比于常規(guī)過濾系統(tǒng)使收集的糊料更高程 度地自然脫水。金屬氫氧化物水合物凝膠的電荷在接近凝膠表面的水分子中自然牽引，造 成凝膠頂部的更稠(水更少)的藻類糊料。這促進了進一步加工，例如干燥和油提取。
[0177] 圖15顯示了水合物過濾器如何從水中分離微米尺寸的微藻(微綠球藻）。在通過電 解(9V，1安培)海水(70PPT)制得的氫氧化鋁水合物凝膠或通過混合硫酸鋁和碳酸氫鈉的化 學計量的飽和溶液(1摩爾硫酸鋁+6摩爾碳酸氫鈉)制得的基于反應的水合物凝膠的下方使 用孔徑為80微米并且電容率為0.SiT 1的Bidim無紡A64土工織物。圖15顯示了由于凝膠的非 粘性本性，藻類糊料從凝膠中自然分離。然而，更實際的方案是使用與之前實施例的過濾試 驗中使用的設備相似的圓柱形過濾設備。其允許均勻鋪展藻類糊料(橫穿凝膠層的頂部的 相同深度)從而易于進一步加工，例如干燥。因此，增稠和收集糊料并且鋪展可以簡化成單 個步驟。其促進了進一步干燥過程，例如日光干燥。此外，水柱的壓力和凝膠的水分子抽吸 使得糊料更高程度地脫水。在過濾之前可以在凝膠頂部放置一片織物(或相似介質）。這防 止了填充過程中凝膠的破壞。其還使得在每個收獲周期之后當達到希望的糊料厚度時通過 簡單提起頂部織物片從而更容易地收集藻類糊料。
[0178] 熱或聲波降解可能造成藻類細胞破裂并且在周圍水中釋放油形式的脂質體。水包 油乳液不能從表面撇去。從水包油乳液中分離油是目前的問題，使用水合物過濾技術可以 解決所述問題。預處理藻類細胞使得細胞破裂并且在水中釋放油，造成水包油乳液。使用層 形式的30mL厚/稠凝膠(在100°C下制得)過濾50mL該乳液。微觀尼羅紅脂質染色試驗表明脂 質從藻類油乳液中分離并且捕獲在凝膠頂部。濾液為完全透明的水而沒有藻類或油滴跡 象。圖15A中顯示了收集在氫氧化鋁水合物過濾器頂部的來自水包油乳液的尼羅紅染色油 的照片。
[0179] 雨生紅球藻具有高含量的強抗氧化劑蝦青素，蝦青素為具有各種保健益處的類胡 蘿卜素并且在保健食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖、藥物和化妝品工業(yè)中具有高需求。蝦青素的市場價格極 高，每千克約3000美元。將150mL雨生紅球藻加入氫氧化鋁水合物凝膠(在20 °C下制得)的頂 部。收獲紅球藻細胞并且濾液為凈水。相似地，將150mL柵藻株NT8C加入氫氧化鋁水合物凝 膠(在20°C下制得）的頂部。柵藻細胞再次捕獲在水合物層的頂部。圖16顯示了過濾之后的 凝膠的橫截面圖。其顯示了收集在凝膠頂部的藻類細胞。藻類細胞不能滲透進入凝膠而是 積累在凝膠的頂部。這進一步促進了藻類細胞的分離。圖16中還顯示了氫氧化鋁水合物凝 膠的自支撐本性。凝膠在圖16中以白色物料的形式顯示。在圖16可見凝膠下方的深色土工 織物。
[0180] 實施例13-醇穿過水合物過濾器
[0181 ] 醇（例如甲醇和乙醇)為極性和水溶性的。因此它們應當穿過水合物過濾器。為了 試驗，將50mL純乙醇和甲醇加入接近100°C制得的氫氧化鋁水合物凝膠(配方（1))的頂部。 該試驗證實甲醇和乙醇分子均穿過水合物過濾器。然而由于它們相比于水分子的不同的極 性，它們比水更慢地穿過。該試驗顯示即使在2小時之后，盡管對照水試驗的全部水分子穿 過過濾器，一些醇仍然留在水合物的頂部。分子極性是相對術語，一個分子簡單地比另一個 分子更有極性或更無極性?？梢允褂迷摤F(xiàn)象量化和測量不同分子相比于水的相對極性。基 于水合物過濾系統(tǒng)可以制備不同的新型實驗室設備，例如分子極性儀。取決于不同極性分 子的過濾速率，可以量化它們相比于水的相對極性。
[0182] 為了試驗醇分子是否穿過水合物或代替水合物中的水分子;將過濾之后的凝膠放 置在通風櫥下約20小時。甲醇和乙醇的沸點極低，如果放置在通風櫥下，它們在數(shù)分鐘內蒸 發(fā)。如果水合物凝膠轉化成醇水合物凝膠，醇應當迅速蒸發(fā)并且在數(shù)分鐘或數(shù)小時之后應 當留下干燥的氫氧化鋁。然而，該試驗顯示在約20小時之后，用于水過濾的對照水合物凝膠 和用于醇過濾的水合物凝膠之間不存在差別。因此，醇分子應當穿過水合物凝膠但是似乎 沒有替代水合物中的水分子。
[0183] 實施例14: BSA蛋白穿過水合物過濾器
[0184] 牛血清白蛋白（也被稱為BSA或"餾分V"）為源自牛的血清白蛋白。其通常用作蛋白 質濃度標準。結晶BSA粉末與蒸餾水混合從而形成BSA溶液。將50mL 1毫摩爾/L(3.3g/50cc) BSA溶液加入超厚/稠水合物凝膠(接近100°C制得)的頂部。然而，濾液為黃色并且不完全清 澈，表明BSA分子可以穿過水合物過濾器。
[0185] 實施例15-其它金屬氫氧化物水合物
[0186] 盡管氫氧化鋁水合物凝膠由于其無毒本性、極為均質的凝膠層、迅速脫水速率和 可用性和低成本，以及容易通過混合兩種無毒化學試劑(硫酸鋁和碳酸氫鈉)制得，因此是 用于水純化和工業(yè)應用的第一材料選擇，對于毒性不是關鍵問題的一些工業(yè)應用也可以使 用其它金屬氫氧化物水合物。
[0187] 其它金屬氫氧化物可能是毒性且有害的，并且也不能通過其硫酸鹽與碳酸氫鈉的 反應制得。它們多數(shù)可以通過混合其鹽(例如其硫酸鹽、硝酸鹽和氯化物)與氫氧化鈉(苛性 鈉）制得。它們也可以通過電解制得。例如，氫氧化銅水合物可以通過使用銅電極和直流電 流電解硫酸鎂的飽和溶液制得。
[0188] 針對氫氧化鋁解釋的相同的分子結構也適用于其它金屬氫氧化物水合物。當水合 物形成時，水分子被捕獲在金屬氫氧化物分子的網(wǎng)之間而不結合至金屬氫氧化物。被捕獲 的水分子被金屬氫氧化物分子的正電荷和負電荷吸引，因此它們不結合至金屬氫氧化物分 子并且可以容易和自然地離開水合物。因此，水可以穿過所述"網(wǎng)"。由于水合物凝膠的強烈 電荷，雜質（例如細菌、真菌、病毒、懸浮固體和非極性疏水分子)也被驅逐至水合物凝膠的 頂部。
[0189] 該假設也適用于其它金屬氫氧化物水合物，例如氫氧化鎂水合物凝膠、氫氧化錳 水合物凝膠、氫氧化鈷水合物凝膠或氫氧化鎳水合物凝膠。然而，由于不同金屬的不同本性 和化學性質，不同水合物凝膠的性質不同。例如，由不同水合物凝膠制成的水合物預涂層的 流速、厚度和孔徑不同。因此可以使用不同的水合物凝膠預涂層分離不同材料。然而，由于 其它金屬氫氧化物水合物的高毒性本性并且其生產(chǎn)使用有危險的化學試劑（例如氫氧化 鈉），它們的應用將限制于一些特定用途，例如化學精煉廠或石油化學精煉廠或煉油廠。在 如下實施例中使用胡蘿卜汁(用于胡蘿卜素的分離)檢查不同的金屬氫氧化物水合物，因為 其允許容易的可視化。
[0190] 氫氧化鎂
[0191] 氫氧化鎂水合物可以通過下式制得。
[0192] MgS〇4+2NaOH^Na2S〇4+Mg(OH)2 (2)
[0193] 通過在500mL蒸餾水中混合86.68g硫酸鎂七水合物制得硫酸鎂溶液。在50mL蒸餾 水中混合11.59g氫氧化鈉。通過將氫氧化鈉溶液加入硫酸鎂溶液中制得氫氧化鎂水合物凝 膠。使用與之前實驗相同的過濾設備。然而，在土工織物下使用另一種極小孔徑的織物(沙 灘褲織物)從而捕獲所有的氫氧化鎂水合物凝膠。將水合物凝膠加入土工織物的頂部。將胡 蘿卜汁加入水合物凝膠的頂部并且允許過濾。
[0194] 盡管氫氧化鎂水合物凝膠相比于氫氧化鋁水合物非常緩慢地沉積，由于在水合物 的下方使用小孔徑織物因此濾液清澈。所有可見的胡蘿卜素分子被驅逐或捕獲在氫氧化 鎂水合物凝膠的頂部。濾液非常清澈而無胡蘿卜色素的跡象。
[0195] 氫氧化鋅
[0196] 氫氧化鋅水合物可以通過下式制得。
[0197] ZnS〇4+2NaOH^Na2S〇4+Zn(OH)2 (3)
[0198] 通過在500mL蒸餾水中混合10.27g硫酸鋅七水合物制得硫酸鋅溶液。在IOmL蒸餾 水中混合1.39g氫氧化鈉。通過將氫氧化鈉溶液加入硫酸鋅溶液中制得氫氧化鋅水合物凝 膠。使用與之前實驗相同的過濾設備。將水合物凝膠加入土工織物的頂部。將胡蘿卜汁加入 水合物凝膠的頂部并且允許過濾。
[0199] 所有可見的β-胡蘿卜素分子被驅逐和捕獲在氫氧化鋅水合物凝膠的頂部。脫水流 速極快。還將煤油加入氫氧化鋅水合物凝膠的頂部。與氫氧化鋁水合物相似，結果表明煤油 不穿過氫氧化鋅水合物。氫氧化鋅水合物的另一個感興趣的行為是在煤油下方長時間之 后，水合物層相比于其它金屬氫氧化物水合物更緊實并且更硬。緊實的層僅允許水分子穿 過。即使氫氧化鋅水合物層的劇烈再填充也不能破壞所述層。因此氫氧化鋅水合物具有非 常高的用在水烴分離單元中，或用在極高壓力下，或用在煤油和其它烴儲槽的底部從而從 烴(例如煤油）中分離水和其它極性雜質的潛力。
[0200] 氫氧化銅
[0201] 銅化合物為毒性的。氫氧化銅水合物凝膠通過如下反應制得：
[0202] CuS〇4+2NaOH^Cu(OH)2+Na2S〇4 (4)
[0203] 通過在200mL蒸餾水中混合24.96g硫酸銅（I I)七水合物制得硫酸銅溶液。在IOmL 蒸餾水中混合7.998g氫氧化鈉。通過將氫氧化鈉溶液加入硫酸銅溶液中制得氫氧化銅水合 物凝膠。然而潮濕的氫氧化銅（II)樣品由于氧化銅（II)的形成而變黑。因此，預涂層穿過織 物并且銅基氫氧化物凝膠不能用于不同的工業(yè)應用。
[0204]氫氧化錳
[0205] 錳化合物為毒性的。氫氧化錳水合物凝膠通過如下反應制得：
[0206] MnS〇4+2NaOH-Mn(OH)2+Na2S〇4 (5)
[0207] 通過在50mL蒸餾水中混合16.89g硫酸錳一水合物制得硫酸錳溶液。在IOmL蒸餾水 中混合7.998g氫氧化鈉。通過將氫氧化鈉溶液加入硫酸猛溶液中制得氫氧化猛水合物凝 膠。使用與之前實驗相同的過濾設備。將水合物凝膠加入土工織物的頂部。將胡蘿卜汁加入 水合物凝膠的頂部并且允許過濾。
[0208] 如果不在水中并且暴露于空氣，氫氧化錳迅速氧化。因此該水合物凝膠極難找到 實際的工業(yè)應用。脫水非常緩慢，然而一夜之后所有β-胡蘿卜色素被驅逐和捕獲在凝膠頂部 并且濾液非常清澈。然而，錳基水合物凝膠更軟。水合物頂部的胡蘿卜色素的顏色也從橙 色變成深棕色。
[0209]氫氧化鈷
[0210] 鈷化合物為毒性的。氫氧化鈷(II)水合物凝膠通過如下反應制得：
[0211] CoCl2+2Na0H-Co(0H)2+2NaCl (6)
[0212] 通過在I OOmL蒸餾水中混合4.34g氯化鈷（I I)六水合物制得氯化鈷溶液。在I OmL蒸 餾水中混合0.7998g氫氧化鈉。通過將氫氧化鈉溶液加入氯化鈷溶液中制得氫氧化鈷水合 物凝膠。將胡蘿卜汁加入水合物凝膠的頂部并且允許過濾。
[0213] 鈷水合物凝膠不迅速沉積。脫水流速極慢。然而，一夜之后β-胡蘿卜素分子被驅逐 和捕獲在氫氧化鈷水合物凝膠的頂部。胡蘿卜色素的顏色也變成深棕色。由于痕量的過量 氯化鈷，濾液為亮紅色。
[0214]氫氧化鎳
[0215] 鎳化合物為高度毒性的并且可能造成癌癥或可遺傳基因的損壞。氫氧化鎳水合物 凝膠通過如下反應制得：
[0216] NiS04+2Na0H^Ni (OH)2+Na2S〇4 (7)
[0217] 通過在150mL蒸餾水中混合8.94g硫酸鎳六水合物制得硫酸鎳溶液。在20mL蒸餾水 中混合1.279g氫氧化鈉。通過將氫氧化鈉溶液加入硫酸鎳溶液中制得氫氧化鎳水合物凝 膠。將胡蘿卜汁加入水合物凝膠的頂部并且允許過濾。
[0218]不同于氫氧化鋁水合物凝膠，氫氧化鎳水合物凝膠不迅速沉積也不迅速形成均質 凝膠層。脫水流速極慢。然而，一夜之后胡蘿卜素分子被驅逐和捕獲在氫氧化鎳水合物凝 膠的頂部。胡蘿卜色素的顏色也變成深棕色。
[0219]對比實施例-與碳酸氫鈉的反應
[0220]相比于其它金屬氫氧化物水合物，氫氧化鋁水合物凝膠的一個最重要的優(yōu)點是其 可以通過其硫酸鹽溶液與非毒性碳酸氫鈉(小蘇打)溶液的反應非常簡單地制得。其它金屬 氫氧化物水合物凝膠可以使用氫氧化鈉或者通過更昂貴和更緩慢的電解制得。然而，其它 金屬氫氧化物水合物凝膠不能使用小蘇打制得。例如，將硫酸鎂溶液加入碳酸氫鈉溶液并 且不能觀察到氫氧化鎂水合物的形成。
[0221 ]硫酸鋅通過如下反應與碳酸氫鈉反應：
[0222] ZnS〇4+2NaHC〇3^ZnC〇3+Na2S〇4+H2 (8)
[0223] 然而，不同于硫酸鋁與小蘇打的反應，沒有制得氫氧化鋅的水合物凝膠。碳酸鋅沉 淀。將碳酸鋅沉淀物加入土工織物的頂部，但是不同于氫氧化鋅水合物凝膠，織物上沒有形 成均質凝膠狀層。不同于高度帶電荷并且將胡蘿卜素分子保留在水合物凝膠頂部的金屬 氫氧化物水合物凝膠，碳酸鋅不能分離胡蘿卜素。所有胡蘿卜素分子穿過碳酸鋅沉淀層 的深度并且穿過所述層。不同于僅頂部部段為橙色并且所有胡蘿卜素分子被驅逐至頂部 的金屬氫氧化物水合物，過程結束時整個層為橙色。這是普通沉淀物和金屬氫氧化物水合 物凝膠之間的主要區(qū)別。
[0224] 實施例16-制備氫氧化鋁水合物凝膠的其它方式
[0225] 盡管由于非毒性本性優(yōu)選通過混合硫酸鋁和小蘇打的非毒性化學試劑或電解海 水制備氫氧化鋁水合物凝膠，存在兩種使用毒性和有危險的化學試劑制備氫氧化鋁水合物 凝膠的不同反應：
[0226] Al(Cl)3+3NH4〇H-Al(OH)3+3NH4Cl (9)
[0227] 將200mL半脫脂牛奶加入通過混合氯化鋁和氫氧化銨(NH4OH)溶液制得的水合物 凝膠的頂部。觀察到使用通過混合硫酸鋁制得的氫氧化鋁水合物凝膠的相似試驗獲得的相 同結果。牛奶濃縮在水合物凝膠的頂部并且濾液相當清澈。因此通過上述反應制得的氫氧 化鋁水合物凝膠具有與由無毒性化學試劑產(chǎn)生的氫氧化鋁水合物凝膠相同的過濾性質。
[0228] 制備氫氧化鋁水合物凝膠的其它方式是通過下式混合硝酸鋁和氫氧化鈉溶液，硝 酸鋁是非常不穩(wěn)定的化學試劑和強氧化劑。
[0229] Al(NO3) 3+3Na0H^Al (OH) 3+3NaN03 (10)
[0230] 盡管反應(9)和（10)可以制備氫氧化鋁水合物凝膠，由于使用的成分的毒性，它們 不能用于水處理和食品相關應用。
[0231 ]實施例17-水基液體(例如果汁)的濃縮
[0232]新鮮果汁的運輸和保存是非常昂貴的。出于該原因，許多汁液例如通過使用熱蒸 發(fā)而進行濃縮過程。熱通常改變營養(yǎng)價值，因為許多維生素和香料在該過程中損失。濃縮汁 液有時由于加熱具有蒸煮味或苦味。此外，對于一些汁液(例如胡蘿卜汁)來說加熱是不希望 的，因為熱使胡蘿卜素變性，并且胡蘿卜汁轉化成不能重新稀釋成胡蘿卜汁的粘性膠狀材 料。
[0233] 然而，根據(jù)本發(fā)明的實施方案通過水合物過濾濃縮汁液具有保持濃縮物中的大多 數(shù)營養(yǎng)物、色素、香料和氣味的潛力。例如，恢復原狀的胡蘿卜汁具有與新鮮胡蘿卜汁相似的 氣味。水合物過濾器可以濃縮胡蘿卜汁約至多70倍形成糊料狀材料。糊料可以包裝在各種容 器中用于各種產(chǎn)品，例如超濃縮胡蘿卜汁糊料、保健品、用于胡蘿卜素提取的原料、自然護 膚品或美容品和其它相似的化妝品或食品。還可以將其作為添加劑以不同濃度加入各種食 品或化妝品。
[0234] 濃縮糊料可以再溶解或混合在水中，例如用于制備恢復原狀的汁液。盡管鹽和糖 已經(jīng)穿過水合物過濾器并且需要加入鹽和糖從而恢復原狀，產(chǎn)品的外觀與新鮮胡蘿卜汁相 似。不同于許多由加熱的濃縮物制得的恢復原狀的汁液，該汁液不傾向于隨著時間沉積。由 其它汁液(例如番茄和石榴)制得相似的濃縮糊料。濃縮糊料也可以迅速空氣干燥從而制得 粉末，所述粉末可以用作天然食品色素和/或保健食品添加劑。該粉末可以與水混合從而制 備胡蘿卜汁狀飲品。
[0235] 也試驗其它液體并且獲得相似結果。這些液體包括咖啡和茶從而制得濃縮糊料或 粉末而不損失基本味道。
[0236] 用于濃縮液體的該技術的限制在于小分子親水化合物可以不受阻礙地穿過水合 物過濾器。這些化合物包括水溶性鹽、糖、醇和一些親水性次級代謝產(chǎn)物，例如葉綠素。其它 限制在于高酸性液體(例如一些檸檬汁或橘子汁)可以與氫氧化鋁反應。
[0237] 實施例18-更厚/稠水合物凝膠(接近HKTC制得)與普通水合物凝膠(在20°C下制 得)的對比
[0238] 更厚/稠水合物凝膠(接近HKTC制得)具有比普通水合物凝膠(在20°C下制得)更 少的水分子，因此每個水分子上的氫氧化鋁分子的電荷更高。這解釋了為什么使用更厚/稠 水合物凝膠時脫水更緩慢地進行。然而，試驗表明濾液的品質相同。因此，由于容易制備，普 通應用優(yōu)選普通凝膠。然而，對于工業(yè)應用例如一些壓力或真空應用，優(yōu)選更厚/稠凝膠。 [0239]為了對比更厚/稠凝膠和普通凝膠的性能，將55mL厚/稠凝膠和普通(薄)凝膠加入 織物的頂部。將相同體積的水(400mL)加入各個水合物凝膠的頂部。記錄水平面每降低50mL 的時間。正如預期，使用厚/稠凝膠時脫水更緩慢地進行。結果表明，使用普通水合物凝膠 (在20°C下制得)比更厚/稠凝膠(接近HKTC制得)脫水快接近2倍。
[0240] 為了對比不同凝膠的性能，將相同體積的胡蘿卜汁加入厚/稠凝膠(接近100°C制 得)和普通凝膠(在20°C下制得)水合物凝膠的頂部。在使用厚/稠水合物凝膠和普通水合物 凝膠的過濾之間，濾液品質和保留的色素之間沒有差別。
[0241] 壓力下的水合物過濾
[0242] 對于工業(yè)應用來說，希望更快的過程。在至多IOOpsig的壓力下試驗水合物過濾 器。使用由Amdel公司以AS 1210第3類標準制得的開采加工實驗室壓力過濾器進行壓力過 濾試驗。壓力可調節(jié)至l〇〇psig(6.8atm)。將小孔織物放置在過濾器的底部。還將2微米孔徑 濾紙(Macherey Nagel，MN1640D，185mm Dia)放置在織物的頂部從而保持水合物在壓力下。 該設備的直徑和橫截面積分別為〇. 155m、0.01887m2。濾液通過中間的孔排出。
[0243]為了選擇每個過濾過程的最佳操作壓力，使用壓力通量曲線。對于每個實驗，首先 將IOOmL稠水合物溶液(在100C下制得)加入2L去礦物質水。將該溶液加入壓力過濾設備并 且允許水合物顆粒沉積10分鐘。水合物顆粒沉積并且形成厚度為約Imm的均勻水合物層之 后，施加不同壓力。將濾液收集在燒杯中并且隨時間稱重?；谠摂?shù)據(jù)計算通量。在每個過 濾試驗的過程中，在2分鐘周期內計算11次通量。圖17中顯示了由于壓力造成的平均通量的 變化。
[0244] 該曲線表明水合物過濾器在極低壓力下工作更迅速。其表明通過將壓力從10增加 至SOpsi時沒有出現(xiàn)通量的增加。因此，基于該曲線，該技術的最佳操作壓力應當在0至 IOpsi之間。然而，更多通量壓力試驗需要使用更高壓力的設備(高于IOOpsi直至1000 psi或 更高）。這些結果證實由于水合物層大部分為水，其在極低壓力下工作明顯更迅速。僅需要 少量壓力即可溫和推動水分子通過水合物層。因此，不同于僅在極高壓力下工作的常規(guī)膜， 通過使用該技術可以節(jié)約大量成本。（例如節(jié)約與使用常規(guī)高壓膜相關的設備、能量、安全 和維修的巨大的資本成本和操作成本）。
[0245] 對比不同水合物的蒸發(fā)速率
[0246] 盡管非常難以在電子顯微鏡下判斷水合物結構，有可能通過研究通過反應或電解 制得的金屬氫氧化物水合物相比于通過將金屬氫氧化物粉末浸漬在冷水中或將金屬氫氧 化物粉末浸漬和混合在熱水中制得的金屬氫氧化物水合物的蒸發(fā)速率來研究金屬氫氧化 物水合物的力的效果。圖18顯示了不同水合物樣品在離心管蓋子中在室溫下隨時間的自然 非強制干燥。結果表明通過浸漬制得的水合物在60小時之后完全干燥。然而，水合物凝膠仍 然保留一些水分子并且在約160小時之后干燥。此外更重要的是，在過程結束時，浸漬的氫 氧化鋁水合物干透形成白色氫氧化鋁粉末，然而氫氧化鋁水合物凝膠在通過蒸發(fā)失去水分 子之后轉變成硬質晶體材料。結果表明水合物凝膠的一些內分子力或晶體、基質或網(wǎng)絡形 狀將水分子保留在水合物凝膠中并且避免水合物中的水分子快速蒸發(fā)。
[0247] 壓力和水合物厚度對過濾的效果
[0248] 研究壓力和水合物厚度的效果。過濾設備包括蓋子，所述蓋子可以關閉從而允許 通過壓縮空氣加壓。對于每個實驗首先加入水合物溶液。然后在水合物沉積并且形成水合 物層之后，加入液體混合物（1800ml布里斯班河水或200ml胡蘿卜汁或西瓜汁）。然后關閉蓋 子并且施加和調節(jié)壓縮空氣壓力。將濾液收集在燒杯中并且隨時間稱重從而測量流速和通 量。
[0249] 將光學密度（在440nm下）為0.203的渾濁的布里斯班河水加入使用稠水合物（在 HKTC下制得）的厚度為IOmm的氫氧化鋁水合物層的頂部。結果顯示在圖19C和19D中。測量 的平均流速和平均通量分別為106.1(ml/min)、5622.1(ml/min.m 2)。盡管過濾時間非常迅 速，濾液清澈并且光學密度(在440nm下)為0.000。由于其獨特的凝膠狀本性，水合物在高壓 下不干透。即使在高壓下也沒有雜質可以滲透進入水合物層的深度。使用厚度為1mm的薄水 合物層重復所述實驗。結果顯示在圖19A和19B中。相似的，濾液清澈但是流速和通量約為厚 度為IOmm的水合物層的5倍。測量的平均流速和平均通量分別為21.3(ml/min)、1128.6(ml/ min.m2)〇
[0250] 相似地，加入胡蘿卜汁和西瓜汁用于更快的分離和濃縮。即使在極高壓力 (IOOpsig)下也沒有β-胡蘿卜素或葉綠素分子可以滲透進入水合物凝膠的深度。汁液在水合 物層的頂部濃縮成極稠的橙色或紅色糊料。這允許容易地分離濃縮汁液。濾液清澈。例如， 西瓜汁的濾液與光學密度(在440nm下)為0.000的去礦物質水一樣清澈。即使在低壓或中等 壓力下，流速仍然相當迅速。例如，對于僅在10psig(0.68atm)下的西瓜汁過濾，測量的平均 流速和通量分別為30.7(ml/min)、1625(ml/min .m2)。這些結果證明該過程可以用于高壓工 業(yè)規(guī)模從而獲得更高的過濾速率。該技術具有成為新一代過濾和分離技術的潛力。使用不 同類型的具有不同成分摩爾濃度的金屬氫氧化物水合物和不同的制備條件(例如在不同溫 度和壓力下制備不同成分的超飽和溶液），或甚至混合不同金屬的水合物，可以制備各種類 型的金屬氫氧化物水合物。這些水合物具有不同的過濾性質。因此，由于不同分子的不同的 相對分子極性和疏水性，不同分子將穿過不同類型的水合物或保留在水合物上。盡管出于 工業(yè)目的可以通過施加壓力加速過程，重力本身可以造成有效分離。
[0251 ]汁液的壓力過濾并且制備新型健康水果奶油
[0252] 使700mL胡蘿卜汁經(jīng)受壓力水合物過濾。將濾紙(2微米孔)放置在壓力過濾設備的 頂部。將50mL厚/稠水合物凝膠(在100°C下制得)混入1500mL去礦物質水并且倒在濾紙的頂 部。施加40psig壓力4分鐘。這允許溶液中的水合物沉積并且在濾紙的頂部形成薄(厚度約 Imm)且均勻且穩(wěn)定的水合物層。在該階段的過程中，溶液中約750mL的水穿過過濾器，然而 仍然有750mL的水留在水合物的頂部。加入700mL的胡蘿卜汁。然后施加80psig的壓力。過程 結束時在水合物層的頂部積累稠的奶油狀橙色糊料。該糊料(或來自其它水果的其它相似 的濃縮糊料)可以用于制備各種新型食品和化妝品。例如可以制備新型早餐涂抹醬，例如胡 蘿卜、西瓜、番茄、石榴、辣椒、杏、木瓜、芒果、哈密瓜、百香果、番石榴、桃、梨、油桃和相似水 果奶油。這些健康奶油可以代替基于牛奶和油的具有大量不健康反式脂肪的傳統(tǒng)奶油。不 同于牛奶奶油，其不僅不增加膽固醇水平造成心臟病，而且具有大量保健益處。其也可以被 加入至其它涂抹醬(例如奶油）用于著色或增加營養(yǎng)價值或味道。相似地，該糊料可以用于 制備新型化妝品，例如美容霜、遮瑕膏、肥皂或沐浴露、香波、防曬霜，或自然噴黑產(chǎn)品。高壓 還使得水合物層比收集在頂部的橙色糊料更硬。因此，僅通過鏟掉容易分離收集的胡蘿卜汁 糊料。
[0253] 其它實驗還表明使用加壓水合物過濾可以成功濃縮牛奶。
[0254] 薄水合物層
[0255] 由于沒有污染物或收獲材料可以穿透進入水合物的深度，有可能制備盡可能薄的 水合物層。這不僅降低過程成本，而且增加過濾過程中的流速。通過如下過程制備厚度為微 米尺寸(例如低于500微米，或約數(shù)十微米，或甚至是低于10微米）的薄水合物層。如下過程 還使得水合物層的厚度橫穿過濾介質恒定。
[0256] 圖20A中顯示了用于之前的壓力過濾的Amdel壓力過濾單元的底部部段。使用平坦 的燒結鈦濾片升級該部段。使用混合在水中的低劑量的水合物從而制備極稀水合物溶液。 可以在水合物層的下方放置非常平坦和平滑的多孔過濾介質。例如，在水合物層的下方使 用燒結鈦片(孔徑低于2微米)并且使用防水密封膠(也可以使用其它密封設備例如橡膠)進 行密封（圖20B)。固定在壓力過濾設備的底部的燒結的鈦允許水穿過但是水合物在頂部形 成薄層。也可以使用其它相似的燒結過濾介質或微細過濾介質例如多孔塑料，或微細織物、 膜或濾紙。該燒結的鈦極硬并且耐高壓。其還具有非常平滑的形狀從而允許在其上方形成 極薄(約小于500微米，或小于數(shù)十微米，或甚至小于10微米)和一致的水合物層（圖20C)。其 還耐酸并且耐堿。因此，有可能在過濾結束時容易地酸洗從而避免過濾器內任何沉積物的 積累。圖20D中顯示了燒結的鈦過濾器在顯微鏡(放大100倍)下的孔。
[0257] 將稀水合物溶液加入水合物保持過濾介質的頂部并且允許沉積。如果溶液極稀， 水合物不能自然沉積。因此，在倒入稀水合物溶液之后施加低壓（10-40psig)數(shù)分鐘。該步 驟造成溶液中的所有水合物沉積并且在保持過濾介質上形成極薄的一致水合物層膜。極薄 水合物層的水合物過濾的流速極高。圖20E中顯示了不施加任何壓力的胡蘿卜汁過濾的結 果。結果表明即使極薄的水合物層也可以成功用于過濾。有利地，使用極薄水合物層時過濾 速率極高。
[0258] 本發(fā)明進行的試驗表明，相比于現(xiàn)有技術的已知分離技術，使用根據(jù)本發(fā)明的實 施方案的分離器的過濾通量率明顯更高。例如，已知的分離技術包括微過濾器、過濾器、納 米過濾器和反滲透技術。標準平均超濾器具有30LMH(升/m 2/小時）的過濾通量，標準納米過 濾器(例如具有低于2nm的孔徑和220至510psi的操作壓力）具有約20LMH的過濾通量，反滲 透膜在250psi下具有約15LMH的平均過濾通量，標準膜微反應器具有10至20LMH的通量。相 比之下，下表1中顯示了使用本發(fā)明的實施方案獲得的通量。
[0259] 表1:
[0260]
[0261] 表1中顯示的數(shù)據(jù)表明，水合物過濾器比常規(guī)高壓膜(例如超濾器、納米過濾器、反 滲透膜和膜生物反應器）明顯更迅速地工作。在一些情況下，水合物過濾器即使在極低壓力 或零壓力下仍然比常規(guī)高壓膜明顯更迅速地工作。不希望限制于理論，假定這是由于水合 物層大部分由水制成的事實。
[0262] 用途-飲用水求生包
[0263] 緊急情況需要簡單的水處理系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)腹瀉是感染美國遠途背包客的最常見的疾 病之一。目前市場上的求生包（例如凈水片、活性炭過濾器和微型過濾器）比水合物過濾技 術更昂貴并且更低效。例如，殺滅病原體的氯片不能除去懸浮固體并且水對于長期消耗來 說不安全。其活性成分為具有健康危害的氯和二氧化氯。水不能直接飲用。經(jīng)處理的水應當 保持不被覆蓋數(shù)小時使得氯可以蒸發(fā)。氯片處理的水在處理之后仍然渾濁。氯片還留下令 人不悅的味道。相反，氫氧化鋁水合物過濾器的濾液不僅沒有微生物(包括病原體)而且完 全透明并且可以愉悅飲用。在最初沖洗從而從水合物凝膠制造中除去過量的鹽之后，水合 物過濾的濾液也可以即刻飲用。此外，一些病原體是耐氯的，而水合物過濾器可以除去細 菌、真菌、微藻(包括藍綠藻)和病毒?；钚蕴窟^濾器比小量凝膠需要更多的空間，因此背包 客或軍事人員始終攜帶活性炭過濾器是不切實際的。微過濾器過于復雜并且具有多個部件 并且難以攜帶。此外，目前的求生包比水合物過濾器更昂貴。
[0264] 不同于市場上的其它產(chǎn)品，水合物過濾器求生包捕獲所有懸浮固體和微生物并且 經(jīng)處理的水與蒸餾水一樣清澈可以飲用。其具有非常簡單的制備過程和包裝過程。因此，生 產(chǎn)廠可以以可能最低的資本成本和操作成本使用簡單設備容易地實施。例如，任何人都可 以容易攜帶的凝膠牙膏管可以在緊急情況下救命。其可以在災時(例如洪水)通過直升機和 其它裝置容易地供應。水合物過濾器可以捕獲有害細菌和病毒并且可以避免背包客和武裝 部隊的危險疾病，例如腹瀉。替代性地，可以在需要地區(qū)使用硫酸鋁和碳酸氫鈉如式（1)中 所示制備水合物凝膠。
[0265] 可以基于該技術制備各種不同的求生包?？梢詫⒁粋€簡單的凝膠牙膏管包裝放置 在任何求生包中并且使用數(shù)次。其它簡單的水合物凝膠包裝可以涉及在緊急情況的過程中 將凝膠放置在任何可用織物上。例如，可以系緊袖子底部從而形成小袋，可以加入水合物凝 膠然后可以過濾臟水。
[0266] 將水瓶轉化成水合物凝膠凈水設備
[0267] 僅通過改變普通塑料水瓶就可以制備非常簡單的求生包。唯一需要的改變是將普 通水瓶切成兩片并且在底部部段放置一個內螺紋(thread)(參見圖17,附圖標記21)并且在 頂部部段放置兩個外螺紋（圖17,附圖標記22和23)。對于普通應用，瓶與普通塑料水瓶相 同。這顯示于圖18。然而，在緊急情況下，可以擰開瓶的頂部部段然后顛倒并且倒置連接至 底部部段，如圖19中所示。蓋子裝配有保持凝膠的織物狀過濾介質（參見圖20,附圖標記 24)。倒入凝膠然后加入臟水，凈水形式的濾液收集在底部部段中。底部部段充滿之后，一杯 沒有任何渾濁和病原體的安全濾液水即可飲用。該循環(huán)可以重復數(shù)次。
[0268] 還有可能用凝膠預先填充蓋子并且在內部放置貼紙從而將凝膠保持在蓋子中并 且避免凝膠干燥（圖21，附圖標記25)。可以使用不同材料(例如瓶密封蠟或瓊脂糖膠或可以 在瓶制造過程中放置的其它塑料內蓋)密封凝膠。在緊急情況的過程中，可以除去蓋子上的 貼紙并且可以進行過濾。還有可能僅銷售用凝膠預先填充的蓋子從而匹配標準塑料瓶。在 緊急情況下，使用者可以僅簡單地更換蓋子，然后切開瓶從而收集濾液或在另一個瓶或杯 中收集濾液。填充有水合物凝膠的蓋子也可以放置在擠壓式水瓶的頂部。
[0269] 塑料水瓶是世界上嚴重的環(huán)境問題。因此在其制備和運輸?shù)倪^程中浪費了許多化 石燃料。它們大多數(shù)最終填埋并且需要1000年才能降解。該技術也可以間接幫助環(huán)境。其幫 助人類重新使用水瓶。由于是有價值的求生包并且可以在緊急情況下救命，人類和背包客 不會扔掉水瓶。
[0270] 這種對標準塑料瓶的簡單改變是可行的并且成本極低，將成問題的塑料水瓶轉化 成可用的求生包。其還可以在全世界市場鏈中作為標準塑料水瓶的更有用的替代品進行銷 售。此外，在全世界許多城市和農村地區(qū)，特別是發(fā)展中國家，對于安全飲用來說自來水品 質極低。因此，人們每天購買常規(guī)塑料水瓶。通過引入這些新型水瓶，許多人們可以在家中 具有小型、廉價和簡單的飲用水處理設備。它們可以過濾自來水數(shù)次并且省錢。
[0271 ]用途-新型水合物凝膠實驗室過濾器
[0272] 目前市場上的大多數(shù)實驗室過濾器為微米尺寸范圍。目前的實驗室過濾器不能除 去所有細菌和真菌并且打破油水乳液并且從不同溶液中分離溶解的色素和納米尺寸的顆 粒。小孔徑過濾器昂貴，因此日常實驗室工作中的定期操作不可行。目前市場上的實驗室過 濾器為濾紙、濾囊、濾筒和混合纖維素酯(MCE)膜。它們不能像水合物過濾器那樣捕獲細菌 和病毒并且打破水包油乳液。水合物過濾器可以實現(xiàn)所有這些效果。相比于目前可用的實 驗室納米過濾器產(chǎn)品，水合物實驗室過濾器還成本極低。
[0273] 為了形成水合物凝膠實驗室過濾器，可以將稠凝膠注入兩個膠合濾紙(或其它相 似的小孔徑介質和織物)之間并且可以使用數(shù)次?？梢詫⑵涿芊庠谶m合于避免水損失和水 合物實驗室過濾器的干燥的包裝中。使用這些類型的包裝，實驗室過濾器可以儲存數(shù)年。還 可銷售不同類型的稠凝膠的管作為濾紙預涂層。使用這種實驗室過濾器純化200mL渾濁的 布里斯班河水。結果與其它試驗相似并且濾液為凈水。懸浮固體和細菌被捕獲在過濾器的 頂部并且可以收集。有可能僅通過簡單清洗重新使用該過濾器數(shù)次。在清洗之后，除去捕獲 在濾紙上的所有污染物并且回收的濾紙與全新濾紙相似。該水合物實驗室過濾器重新使用 數(shù)次而沒有任何問題。還有可能針對不同應用和試驗注入不同類型的水合物凝膠。
[0274] 用途-小型過濾器例如游泳池過濾器
[0275] 水合物過濾技術還具有用于小規(guī)模應用（例如游泳池)并且用作新型殺菌和消毒 方法的潛力。需要合適的消毒來維持泳池水的視覺清澈并且避免傳染病的傳播。目前使用 過濾除去污染物(例如污垢和碎片)并且使用氯殺滅傳染生物體。常規(guī)的砂過濾器或硅藻土 過濾器通常用作游泳池過濾器。常規(guī)過濾過程不足以完全消毒泳池水；因此使用氯和溴作 為游泳池的消毒劑。水被迫通過過濾器然后返回至泳池。擠壓式砂過濾器通常過濾顆粒不 小于10微米的渾濁水，而水合物過濾器可以分離納米顆粒。砂過濾器通常不能從泳池水中 除去藻類和病毒。
[0276] 用于殺菌的產(chǎn)氯化合物是毒性的。水中存在的殺菌化學制劑(例如氯和其它材料） 可能產(chǎn)生殺菌副產(chǎn)物(DBP) JBP源自水殺菌過程中水中的有機和無機物質和化學處理劑之 間的反應。DBP對人體健康產(chǎn)生負面影響。當水源中存在碘化物時，氯胺產(chǎn)生N-亞硝基二甲 胺(NDM)(其為可能的人體致癌物質）以及高遺傳毒性碘化DBP(例如碘乙酸）。殘留的氯(和 其它殺菌劑)也可以通過與溶解的天然有機物質和與管道中存在的生物膜進一步反應從而 在分配網(wǎng)內進一步反應。此外，一些病原體是耐氯的，而水合物過濾器可以除去所有細菌、 微藻(包括藍綠藻)和真菌和病毒。
[0277] 不同于常規(guī)的砂過濾器，基于水合物分離技術的游泳池分離系統(tǒng)捕獲所有懸浮固 體并且濾液為凈水。在簡單的階段中，所有懸浮固體和細菌和真菌被捕獲，因此無需其它成 問題的殺菌過程。使用水合物過濾技術，無需使用毒性氯殺菌，因此使用該技術不產(chǎn)生毒性 氯殺菌副產(chǎn)物(DBP)。游泳池市場龐大，例如11.7 %的澳大利亞家庭具有游泳池。此外，由于 濾液產(chǎn)品的極高品質，相比于市場上的其它過濾器，該技術特別可以用于公共游泳池或豪 宅、五星級賓館和度假村的游泳池。
[0278] 水合物凝膠可以用于各種常規(guī)過濾系統(tǒng)和不同類型，例如轉鼓過濾器、真空過濾 器和傳送過濾器。然而，還有可能簡單地擴大上文描述的之前實施例中使用的小規(guī)模過濾 試驗設備。需要堅固結構從而支撐底部織物，例如有孔的鍍鋅金屬片或金屬網(wǎng)。為了避免凝 膠破壞，有可能將液體微細噴入槽中直至水深度足夠高從而能夠迅速填充槽。還有可能在 水合物凝膠的頂部放置織物或相似的硬質多孔金屬或塑料，或者在進料管的下方放置一些 擋板。圖22中顯示了其它設計，其中較小直徑的區(qū)域28容納水合物凝膠。水被供應至斜面30 并且從斜面30流到部段28中的水合物凝膠。因此，由于水流到傾斜的金屬部段，該設計不需 要微細噴射或其它手段來避免凝膠破壞。對于一些特定應用來說，為了增加該設計的流速， 還有可能在槽的下方放置真空室或者通過與常規(guī)壓縮機中使用的相似的管在槽的頂部引 入壓縮空氣。該簡單系統(tǒng)可以通過對常規(guī)水槽進行簡單改變以極低成本制得。如果水通過 重力供應和除去，其不需要任何能量和電力輸入即可工作。該系統(tǒng)能夠為村莊或偏遠采礦 地點或軍事基地提供飲用水處理。其還可以以簡單移動的飲用水處理設施的形式容易地安 裝在卡車上。與圖23相似的游泳池過濾和消毒不僅成本極低并且其維修簡單并且消耗更少 的電力，而且不需要成問題的氯殺菌，因此使用更安全。
[0279] 替代性設計
[0280] 水合物膜分離器可以設計成各種形狀和系統(tǒng)。其還可以與常規(guī)反滲透膜相似的方 式設計（圖28)。在該設計中，水分子在水合物層的兩側，并且水合物層的所有部段在過濾過 程中的任何時刻都完全浸泡在水中。因此，在水合物的每個部段中，水分子的數(shù)目與金屬氫 氧化物分子的數(shù)目的比例恒定。這在一些應用中是有利的。圖28中顯示了該系統(tǒng)的一種可 能的大規(guī)模概念設計。壓縮機或其它相似的壓力設備在過濾器的一側施加壓力。在圖28中， 水分子和親水性化合物到達水合物膜的右側，而污染物（來自水)或疏水性化合物和色素 (來自汁液)積累并且濃縮在水合物膜的左側。由于水合物過濾器相比于常規(guī)過濾器在極低 壓力下相當迅速地工作，即使壓頭也非常有可能足以保證該設計中的適當?shù)倪^濾速率，盡 管顯然也可以施加壓力來增加過濾速率。圖29中顯示了其它相似的設計。
[0281] 水合物過濾單元的其它設計可以為交叉流(正切）。在該設計中，進料流正切地經(jīng) 過水合物過濾器的表面，而不是進入過濾器（圖30)。該設計的主要優(yōu)點是，不同于分批式死 端過濾器，濾餅被沖走，允許過程連續(xù)進行而不是分批進行。相比于死端設計，使用該設計 出現(xiàn)更少的阻塞。栗可以圍繞單元循環(huán)和再循環(huán)進料數(shù)次直至實現(xiàn)希望的濃縮并且從單元 中輸出濃縮的滲余物。
[0282] 其它用途
[0283] 全世界存在數(shù)千個可以使用該分離技術的化學工廠、石油化學工廠和煉油廠。由 于其低資本成本和操作成本，數(shù)千個小型和中型工廠也可以使用該技術。
[0284] 所述技術也可以用于工業(yè)微生物過程和制藥過程，特別用于解決極為昂貴的脫水 和分離需要從而分離希望的產(chǎn)品。
[0285] 所述技術還可以用于處理礦坑排出水和廢水處理。此外，一些珍貴組分(例如金） 可能在礦坑排出水中以懸浮固體的形式損失。還有可能從礦坑排出水中回收珍貴的懸浮固 體材料，例如小金顆粒或煤塵。
[0286] 對比實施例-其它類型的凝膠例如瓊脂糖凝膠
[0287] 通過將2g瓊脂混合在IOOmL蒸餾水中并且在微波爐中加熱1分鐘制得瓊脂糖凝膠 (2 % )。其在加熱的液體狀態(tài)下穿過本說明書中提供的之前實施例的用于保持氫氧化物水 合物層的土工織物。然后浸泡過濾設備并且允許瓊脂糖凝膠通過冷卻凝固。將布里斯班河 水加入凝膠的頂部。雖然氫氧化鋁水合物凝膠迅速過濾水，沒有一滴水穿過瓊脂糖凝膠。即 使在數(shù)天之后也沒有水滴穿過瓊脂糖凝膠。
[0288] 該實驗表明氫氧化鋁水合物凝膠不同于常規(guī)凝膠例如瓊脂糖凝膠。這解釋了為什 么其在本發(fā)明中被稱為水合物而非凝膠。盡管其外觀與常規(guī)凝膠相似，當觸摸時其質地的 感覺與輕質保濕霜相似。水分子松脫并且可以容易地離開水合物。常規(guī)凝膠在低溫下為固 體并且水分子強烈結合至瓊脂糖并且不能離開凝膠。如果加熱常規(guī)凝膠例如瓊脂糖凝膠， 它們轉化成液體因此不能用作預涂層。然而，水合物凝膠結構在加熱時不改變。如果加熱氫 氧化鋁水合物，其外觀和物理和化學性質不改變，并且仍然可以用作過濾預涂層。這解釋了 為什么術語氫氧化鋁水合物比氫氧化鋁凝膠更合適。
[0289] 實施例-水合物凝膠分離器的基本設計
[0290]圖23顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的水合物凝膠分離器的基本設計。圖23中顯示 的設置在凈水上方的構件通常位于殼體內。殼體通常具有側壁，所述側壁保持支撐織物，水 合物凝膠過濾器，表面織物和水與顆粒的混合物。殼體通常具有直接位于支撐織物下方的 多孔或可滲透的底部。
[0291] 分離器包括支撐織物，所述支撐織物可以為土工織物或孔徑足夠小從而保持水合 物凝膠的任何其它織物。水合物凝膠層保持在支撐織物的頂部并且通過支撐織物保持。如 果希望回收從混合物中分離的顆?；蚱渌M分，可以在水合物凝膠層的頂部設置任選的表 面織物。水和顆粒(或其它組分，例如微生物或非極性分子或疏水性分子）的混合物設置在 水合物凝膠層的頂部。水、溶解的鹽和極性液體可以穿過水合物凝膠層，因此這些組分與不 能穿過水合物凝膠層的其它組分分離。穿過水合物凝膠層的組分可以收集在水合物凝膠層 下方的"凈水"中。不能穿過水合物凝膠層的組分積累在表面織物(如果存在表面織物)的頂 部，或者在不存在表面織物時積累在水合物凝膠層的頂部。
[0292] 在本說明書和權利要求書（如果有的話）中，詞語"包括"及其衍生形式"包含"和 "含有"包括所述整數(shù)的每一者但是不排除包括一個或多個其它整數(shù)。
[0293] 當該說明書中提到"一個實施方案"或"實施方案"時，表示關于實施方案描述的特 定特征、結構或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施方案中。因此，在本說明書的各個位置 處，表述"在一個實施方案中"或"在實施方案中"的出現(xiàn)不必全部涉及相同實施方案。此外， 特定特征、結構特性或可以在一個或多個組合中以任何合適的方式組合。
[0294] 按照法規(guī)，通過或多或少特定于結構特征或方法特征的語言描述本發(fā)明。應理解 本發(fā)明不限于顯示或描述的特定特征，因為本文描述的含義包括實施本發(fā)明的優(yōu)選形式。 因此本發(fā)明在落入所附權利要求(如果有的話）的由本領域技術人員適當解釋的合適范圍 內以其任何形式或改變形式要求保護。
【主權項】
1. 分離器，所述分離器用于從水和一種或多種組分的混合物或從極性液體和一種或多 種組分的混合物中分離所述一種或多種組分，所述組分選自顆粒材料、疏水材料、非極性材 料、微生物或病毒，所述分離器包括金屬氫氧化物水合物的層。2. 根據(jù)權利要求1所述的分離器，其中所述金屬氫氧化物水合物選自氫氧化鋁水合物、 氫氧化鎂水合物、氫氧化鋅水合物、氫氧化錳水合物、氫氧化鈷水合物和氫氧化鎳水合物的 一種或多種。3. 根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的分離器，其中通過在水中或在水溶液中產(chǎn)生金屬 氫氧化物因此形成金屬氫氧化物水合物從而制備金屬氫氧化物水合物。4. 根據(jù)權利要求3所述的分離器，其中通過將兩種或更多種反應物混合在一起因此形 成金屬氫氧化物水合物從而制備金屬氫氧化物水合物，或者通過電解形成金屬氫氧化物水 合物。5. 根據(jù)前述權利要求任一項所述的分離器，所述分離器進一步包括用于保持金屬氫氧 化物水合物的層的多孔保持器。6. 根據(jù)權利要求5所述的分離器，其中所述多孔保持器包括織物、紡織材料、小孔材料、 具有一個或多個洞或孔的固體材料、多孔陶瓷材料，或網(wǎng)狀材料。7. 根據(jù)前述權利要求任一項所述的分離器，其中所述分離器包括入口和出口，所述混 合物通過所述入口進入所述分離器，穿過所述氫氧化物水合物的層的水或極性液體通過所 述出口尚開所述分尚器。8. 根據(jù)前述權利要求任一項所述的分離器，其中所述分離器進一步包括設置在所述金 屬氫氧化物水合物的層的上游的上游保持器。9. 根據(jù)權利要求8所述的分離器，其中所述上游保持器包括織物、紡織材料、小孔材料、 具有一個或多個洞或孔的固體材料、多孔陶瓷材料，或網(wǎng)狀材料。10. 根據(jù)前述權利要求任一項所述的分離器，其中所述金屬氫氧化物水合物的層為金 屬氫氧化物水合物凝膠的層的形式。11. 根據(jù)前述權利要求任一項所述的分離器，其中所述金屬氫氧化物水合物的層具有1 微米至1米，或1微米至50cm，或1微米至30cm或更大，或1微米至10cm，或1微米至5cm，或1微 米至10mm，或1微米至5mm，或1微米至Imm的厚度。12. 根據(jù)前述權利要求任一項所述的分離器，其中所述金屬氫氧化物水合物的層包括 連續(xù)的金屬氫氧化物水合物的層。13. 根據(jù)前述權利要求任一項所述的分離器，其中所述金屬氫氧化物水合物具有至少 10個與每個金屬氫氧化物分子相關的水分子，或至少16個與每個金屬氫氧化物分子相關的 水分子，或至少20個與每個金屬氫氧化物分子相關的水分子，或至少30個與每個氫氧化物 分子相關的水分子，或30至400個與每個金屬氫氧化物分子相關的水分子，或37至300個與 每個金屬氫氧化物分子相關的水分子，或37至90個與每個金屬氫氧化物分子相關的水分 子。14. 方法，所述方法用于從水和一種或多種組分的混合物或從極性液體和一種或多種 組分的混合物中分離所述一種或多種組分，所述組分選自顆粒材料、疏水材料、微生物或病 毒，所述方法包括使來自所述混合物中的水或極性液體穿過金屬氫氧化物水合物的層同時 使所述一種或多種組分保留在所述金屬氫氧化物水合物的層上。15. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述金屬氫氧化物水合物選自氫氧化鋁水合物、 氫氧化鎂水合物、氫氧化鋅水合物、氫氧化錳水合物、氫氧化鈷水合物和氫氧化鎳水合物的 一種或多種。16. 根據(jù)權利要求14或權利要求15所述的方法，其中所述金屬氫氧化物水合物的層包 括金屬氫氧化物水合物凝膠的層。17. 根據(jù)權利要求14至16任一項所述的方法，其中向所述混合物施加壓力。18. 根據(jù)權利要求14至17任一項所述的方法，其中上游保持器設置在所述金屬氫氧化 物水合物的層的上游。
【文檔編號】B01D39/00GK105934263SQ201480074319
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2014年12月2日
【發(fā)明人】P·M·P·申克, A·馬勒基扎德赫
【申請人】昆士蘭大學