ジルコニウムイオン交換収着剤を用いた浄水カートリッジ
リン酸ジルコニウムナトリウムを含有する少なくとも１つの層と、酸性リン酸ジルコニウム及びアルカリ性含水酸化ジルコニウムの組合せを含有する少なくとも１つの層とを有するカートリッジを記載する。浄水用カートリッジを使用する方法も記載する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は浄水に関する。より具体的には、本発明はイオン交換材料、特に浄水に有用なジルコニウムイオン交換材料に関する。
【０００２】
本願は、２００９年１２月７日付けで出願された、先の米国仮特許出願第６１／２６７，１２５号（その全体が参照により本明細書中に援用される）の米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００３】
通常、都市上水道からの水は、水中に存在する汚染物質のレベルを摂取又は他のヒトの用途に許容可能なレベルにまで低下させるために浄化又は処理しなければならない。都市水道水中に存在する可能性がある汚染物質としては、例えば毒性イオン性汚染物質、有機化合物、微生物、カビ及び／又は藻類が挙げられる。要求される水質基準は用途に応じて異なり、各種政府機関及び業界団体によって規定され得る。例えば、飲料水は米環境保護庁（ＥＰＡ）発令の第２種飲料水規則（National Secondary Drinking Water Regulations）の要件を満たさなければならない。血液透析に使用される水の水質は、医療器具開発協会（ＡＡＭＩ）によって制定された（その後、米国国家規格協会（ＡＮＳＩ）によって承認された）基準（ＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準）を満たさなければならない。ＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準は飲料水に要求される基準をはるかに超えている。これは、透析中に大量の水が患者の血液とほぼ直接接触する（透析装置の薄い半透膜のみで隔てられる）ためである。そのため、透析に使用する前に水道水中に通常存在する汚染物質を除去することが非常に重要である。
【０００４】
一般に、水からの汚染物質の除去には収着プロセスが理想的である。収着剤プロセスは操作的に簡単であり、準備期間をほとんど必要とせず、供給組成の変動に寛容である。
【０００５】
ジルコニウムイオン交換樹脂、特に混床イオン交換樹脂は、水の脱イオン化及び水中の毒性汚染物質の除去に有用な収着剤をもたらすことができる。ジルコニウムイオン交換収着剤は安全かつ非毒性である。ジルコニウム樹脂はエンドトキシン（細菌）を除去することができ、ジルコニウムイオン交換樹脂中では、細菌は有機イオン交換樹脂中におけるように増殖することはない。ジルコニウムイオン交換樹脂はまた、塩素による攻撃を受けにくく、熱的に安定であるため、高温であっても水の処理に使用することができる。ジルコニウムイオン交換樹脂は、逆浸透（ＲＯ）システム及び有機イオン交換樹脂等といった従来の浄水システムよりも経済的かつ小型の浄水システムをもたらす。ジルコニウムイオン交換樹脂は、毒性無機化学物質を、とりわけ高濃度で効率的に除去することができる。ジルコニウムイオン交換樹脂は、使い捨て水処理装置に使用される小型の形態に構成することができる。
【０００６】
これまで、Ｎａ＋形態のＺｒＰ（例えばＮａ＋−ＺｒＰ）と、Ｃｌ−形態のＨＺＯ（例えばＨＺＯ−Ｃｌ−）とを含有するジルコニウムイオン交換収着剤は、主に以下の要因のために効果的に使用することができなかった：
（ｉ）ＺｒＰ及びＨＺＯの吸着能及び吸着選択性は、イオン交換材料に担持される対イオンの形態に影響を受ける。例えば、ＺｒＰをＮａ＋形態（Ｎａ＋−ＺｒＰ）で使用し、ＨＺＯをＣｌ−形態（ＨＺＯ−Ｃｌ−）で使用する場合、以下のようなイオン交換反応によるＮａ＋イオン及びＣｌ−イオンの放出のために水の脱イオン化は可能ではない：
Ｎａ＋−ＺｒＰ＋Ｍ＋（ａｑ）→Ｍ＋−ＺｒＰ＋Ｎａ＋（ａｑ） （反応Ｉ）
ＨＺＯ−Ｃｌ−＋Ａｎ−（ａｑ）→ＨＺＯ−Ａｎ−＋Ｃｌ−（ａｑ） （反応ＩＩ）
このため、この場合のＺｒＰ及びＨＺＯの混合は、せいぜい軟水化効果をもたらすことしかできない。これらの材料におけるこれらの対イオンの装填は、イオン吸着の選択性のために他のイオンに対する吸着能を更に低下させ、それらの使用を制限する。例えば、ＨＺＯ．Ａｃ（ここで、Ａｃ−は酢酸イオンである）の塩化物イオン及び硝酸イオンに対する吸着能は、これらのアニオンが親和性系列において酢酸イオンより下に位置するためほとんどない。
（ｉｉ）水の脱イオン化は、ＺｒＰから浸出性のＰＯ４３−及びＨＺＯから浸出性のＮａ＋の影響を受ける。
（ｉｉｉ）Ｎａ＋−ＺｒＰ及びＨＺＯ−Ｃｌ−の粒度の小ささは、水流に対して高い抵抗をもたらす。
【０００７】
酸性リン酸ジルコニウム（ＡＺＰ）及びアルカリ性含水酸化ジルコニウム（ＮａＨＺＯ）の混合物のみを含有し、他のジルコニウムイオン交換樹脂を含有しない浄水用のジルコニウムイオン交換収着剤も欠点を有している。従来の混床イオン交換樹脂においては、ＡＺＰからの過剰の水素イオンによる先に吸着されたカチオン性汚染物質（例えばＣａ２＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋）の置換は、漏出の問題を引き起こす可能性のある汚染物質の弱い親和性のために問題となるおそれがある。また、収着親和性の強いカチオン性汚染物質は、ＡＺＰによる吸着後に互いに置換し合う可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、選択的な脱イオン化及び水からの汚染物質の除去についてより効果的な収着剤が必要とされている。ｐＨ、又はｐＨ変化によって引き起こされる流入水の組成の著しい変化を引き起こすことなく標的汚染物質を除去することのできる収着剤も必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一特徴は、上記の不利点の１つ又は複数を回避する浄水用のカートリッジを提供することである。
【００１０】
本発明の別の特徴は、Ｎａ＋含有量が７０ｐｐｍ以下の水をもたらすことのできる浄水用のカートリッジを提供することである。
【００１１】
本発明の別の特徴は、Ｎａ＋イオンを水中に放出しない、改善された浄水用のイオン交換材料を提供することである。
【００１２】
本発明の更なる特徴は、ｐＨが約６〜約７の水をもたらすことのできる浄水用のカートリッジを提供することである。
【００１３】
本発明の付加的な特徴は、無機イオン交換樹脂を含む、浄水用の非毒性のカートリッジを提供することである。
【００１４】
本発明の付加的な特徴は、小型かつ経済的な浄水用のカートリッジを提供することである。
【００１５】
本発明の別の特徴は、ＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ基準を満たすために、有機物及び／又はエンドトキシン及び／又は塩素及びクロラミンを除去することを伴う。
【００１６】
本発明の付加的な利点は、一部は以下の説明において記載され、一部はその説明から明らかであり、又は本発明の実施によって知ることができる。本発明の目標及び利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される要素を用いて実現及び達成される。
【００１７】
上記に述べた目標を達成するため、また、本明細書中に具体化され広く記載される本発明の目的に従って、本発明は、リン酸ジルコニウムナトリウム（ＮａＺｒＰ）を有する第１の層と、酸性リン酸ジルコニウム（ＡＺＰ）及びアルカリ性含水酸化ジルコニウム（ＮａＨＺＯ）の組合せを有する第２の層とをカートリッジ内に有するカートリッジを提供する。活性炭の層（複数も可）が、例えば「第１の層」の前に存在していてもよい。第２の層は第１の層に後続し得る。第１の層及び第２の層は、１つ又は複数のセパレーター（濾紙等）で隔てられていてもよい。ＮａＺｒＰ、ＡＺＰ及び／又はＮａＨＺＯは、約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均粒径を有する粒子であり得る。
【００１８】
カートリッジはＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せを含んでいても、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯがカートリッジ内に層として一様に分布した均一混合物として存在してもよい。
【００１９】
本発明は、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せをカートリッジ内に含み、ＡＺＰとＮａＨＺＯとの重量比が多様であり得るカートリッジも提供する。
【００２０】
本発明は、水を浄化する方法であって、水をカートリッジに通すことを含む、水を浄化する方法を更に提供する。
【００２１】
本発明は、都市用水、廃水、井戸水、天然水又はそれらの任意の組合せを浄化する方法を更に提供する。
【００２２】
本発明は、透析治療のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準又は他の浄水基準を満たすよう、水を浄化するために使用することのできるカートリッジを提供する。
【００２３】
本発明は、透析用の浄化新鮮透析液を調製する方法であって、透析を行う前に水をカートリッジに通すことを含む、透析用の浄化新鮮透析液を調製する方法を提供する。
【００２４】
上記の概略的な説明及び下記の詳細な説明は両方とも例示的なものに過ぎず、特許請求の範囲に記載される本発明を限定するものでないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】様々な実施形態によるカートリッジの概略図である。
【図２】様々な実施形態によるカートリッジの概略図である。
【図３】カートリッジの概略図である。
【図４Ａ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：PURITY LEVEL OF EFFLUENT FROM SORBENT CARTRIDGEIN THE TREATMENT OF OKLAHOMA CITY WATER WITH ADDED CONTAMINANTS 汚染物質を添加したオクラホマシティーの水の処理における収着剤カートリッジからの流出物の純度レベルDetection Limit 検出限界METALS 金属ANALYTICAL TECHNIQUE 分析手法FEED WATER 供給水INITIAL EFFL 初期流出物GAL ガロンREMOVAL EFFICIENCY 除去効率
【図４Ｂ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：PURITY LEVEL OF EFFLUENT FROM SORBENT CARTRIDGEIN THE TREATMENT OF OKLAHOMA CITY WATER WITH ADDED CONTAMINANTS 汚染物質を添加したオクラホマシティーの水の処理における収着剤カートリッジからの流出物の純度レベルDetection Limit 検出限界Flameless AA フレームレスＡＡ
【図４Ｃ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：PURITY LEVEL OF EFFLUENT FROM SORBENT CARTRIDGEIN THE TREATMENT OF OKLAHOMA CITY WATER WITH ADDED CONTAMINANTS 汚染物質を添加したオクラホマシティーの水の処理における収着剤カートリッジからの流出物の純度レベルDetection Limit 検出限界
【図５Ａ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：PURITY LEVEL OF EFFLUENT FROM SORBENT CARTRIDGEIN THE TREATMENT OF OKLAHOMA CITY WATER WITH ADDED CONTAMINANTS 汚染物質を添加したオクラホマシティーの水の処理における収着剤カートリッジからの流出物の純度レベルDetection Limit 検出限界METALS/NON-METALS 金属／非金属ANALYTICAL TECHNIQUE 分析手法FEED WATER 供給水INITIAL EFF 初期流出物GAL ガロンREMOVED EFFICIENCY 除去（REMOVAL）効率
【図５Ｂ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：PURITY LEVEL OF EFFLUENT FROM SORBENT CARTRIDGEIN THE TREATMENT OF OKLAHOMA CITY WATER WITH ADDED CONTAMINANTS 汚染物質を添加したオクラホマシティーの水の処理における収着剤カートリッジからの流出物の純度レベルDetection Limit 検出限界Free Chlorine 遊離塩素Chloramine クロラミンIon Selective Electrode イオン選択電極Reagent 試薬
【図５Ｃ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：PURITY LEVEL OF EFFLUENT FROM SORBENT CARTRIDGEIN THE TREATMENT OF OKLAHOMA CITY WATER WITH ADDED CONTAMINANTS 汚染物質を添加したオクラホマシティーの水の処理における収着剤カートリッジからの流出物の純度レベルDetection Limit 検出限界Conductivity 伝導度pH meter ｐＨ計Conduct meter 伝導度計μmhos μモー
【図６Ａ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：Detection Limit 検出限界METALS 金属ANALYTICAL TECHNIQUE 分析手法FEED WATER 供給水EFFLUENT WATER 流出水GAL ガロンREMOVAL EFFICIENCY 除去効率
【図６Ｂ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：Detection Limit 検出限界Flameless AA フレームレスＡＡ
【図６Ｃ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：Detection Limit 検出限界
【図７Ａ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：Detection Limit 検出限界METALS/NON-METALS 金属／非金属ANALYTICAL TECHNIQUE 分析手法FEED WATER 供給水EFFLUENT WATER 流出水GAL ガロンREMOVAL EFFICIENCY 除去効率initial 初期final 最終
【図７Ｂ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：Detection Limit 検出限界Reagent 試薬Ion Selective Electrode イオン選択電極initial 初期final 最終
【図７Ｃ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：Detection Limit 検出限界Free Chlorine 遊離塩素Chloramine クロラミンReagent 試薬pH meter ｐＨ計
【図８Ａ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：REMOVAL OF TOXIC INORGANIC CONTAMINANTS FROM TAPWATER AT 5゜C ５℃の水道水からの毒性無機汚染物質の除去NOTE: (i) Adsorption test results scaled up to1500 gm cartridge for treatment of 70 gal. water 注：（ｉ）７０ガロンの水の処理のために１５００ｇｍにスケールアップしたカートリッジの吸着試験の結果(ii) DL = Detection Limit （ｉｉ）ＤＬ＝検出限界TOXIC CHEMICALS 毒性化学物質LEVEL TESTED 試験レベルREMOVAL EFFICIENCY 除去効率LEVEL IN EFFLUENT 流出物中のレベルAMT. OF WATER TREATED BEFORE BREAKTHROUGH (ABOVEAAMI STD.) 破過（ＡＡＭＩ基準を上回る）前に処理された水の量AAMI STD. ＡＡＭＩ基準soluble 可溶性Below DL ＤＬ未満gal. ガロンselect electrode 選択電極Reagent 試薬
【図８Ｂ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は一部、浄水カートリッジ、又は収着剤カートリッジ、又は無機イオン交換材料及び／若しくは収着剤を用いて液体等の物質を浄化するカートリッジに関する。カートリッジは、水中に存在する少なくとも一部、全部又は実質的に全部の汚染物質を除去するために様々な供給水に使用することができる。カートリッジは、食品、飲料及び／又は健康産業の要件を満たす一貫した高品質の給水をもたらすことができる。浄化された水は、例えば料理、飲用、温飲料及び冷飲料の製造、醸造、洗浄並びに／又は製氷に使用することができる。本発明に従って浄化した水は、透析システム、及び医療目的、製薬目的若しくは工業目的、又は住宅関連目的で使用することもできる。
【００２７】
カートリッジは、少なくとも２つのジルコニウムイオン交換樹脂の層を含有する小型のカラムであってもよい。カートリッジは、ＥＰＡの第１種及び第２種飲料水質基準を最大許容汚染レベル（ＭＡＣＬ）で満たす（又は更には満たさない）水質を有する都市上水道等の上水道からの水を浄化することができる。
【００２８】
カートリッジを使用して、透析液に使用される水の浄化のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ要件を満たすように水を浄化することができる。本発明のカートリッジは、透析液の調製のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準を満たすために、都市上水道からＮａ＋イオン及びＣｌ−イオンを除去することができる。カートリッジは例えば、ＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ要件に従って、水中のＮａ＋含有量を７０ｐｐｍ以下（例えば６５ｐｐｍ〜１ｐｐｍ、５０ｐｐｍ〜５ｐｐｍ）に低下させるために使用することができる。カートリッジは、細菌増殖を回避するための単回透析治療に使用することができ、かつ／又はＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ基準を満たすようにエンドトキシンを更に除去することができる。
【００２９】
カートリッジは、毒性のカチオン及びアニオン、有機物、塩素、クロラミン、微生物、カビ、藻類、シルト粒子並びに／又はコロイド状物質のうち１つ又は複数の少なくとも一部を除去することができる。カートリッジは、硬質金属であるＣａ２＋、Ｍｇ２＋、並びに過剰のＫ＋及び過剰のＮａ＋を水から除去することができる。カートリッジを使用して、アルミニウム、フッ化物及び硝酸イオン等の他の毒性無機汚染物質を、かかる汚染物質が高レベルで存在する場合であっても効率的に都市用水から除去することができる。これらの不純物の各々について、本発明は、それらの不純物及び／又は汚染物質の一部、ほぼ全部又は全部を除去することができる。
【００３０】
カートリッジは、ジルコニウムイオン交換樹脂を含み得る。カートリッジは、リン酸ジルコニウムナトリウム（ＮａＺｒＰ）を有する第１の層と、酸性リン酸ジルコニウム（ＡＺＰ）及びアルカリ性含水酸化ジルコニウム（ＮａＨＺＯ）の混床又は組合せを有する第２の層とを備えるか、又はそれらから本質的になるか、又はそれらからなることができる。第１の層は、ＮａＺｒＰを含むか、又はそれから本質的になるか、又はそれからなることができる。第２の層は、ＡＺＰとＮａＨＺＯとを含むか、又はそれらから本質的になるか、又はそれらからなることができる。本発明の目的上、リン酸ジルコニウムナトリウム（すなわちＮａＺｒＰ）は、Ｎａ＋形態のリン酸ジルコニウム（ＺｒＰ）、又はＮａＯＨによってｐＨ約６．０〜約７．４、好ましくはｐＨ約６．５〜約７．０に滴定調節した酸性ＺｒＰを意味する。ＮａＺｒＰは、以下の化学的性質及び物理的性質を有し得る：
組成：（Ｈ＋）ｘ（Ｎａ＋）ｚ（ＺｒＯ２）（ＯＨ−）ｙ（ＰＯ４）１．８〜２・ｎＨ２Ｏ、又は
Ｎａ Ｗｔ％：４〜６；ＺｒＯ２ Ｗｔ％：３４〜３７；リン酸 Ｗｔ％：４１〜４３；Ｈ２Ｏ：１４ｗｔ％〜１８ｗｔ％
イオン交換式：［ＺｒＯ２（ＯＨ）ｙ（ＰＯ４）２］２−・Ｈ＋ｘＮａ＋ｚ
構造式：式中でＨ＋の１つ、２つ、３つ又はそれ以上がＮａ＋に置き換えられている以外は下記ＡＺＰと同じ。
【００３１】
本発明の目的上、酸性リン酸ジルコニウム（すなわちＡＺＰ）は、Ｈ＋形態のリン酸ジルコニウムを意味する。ＡＺＰは以下の化学的性質及び物理的性質を有し得る：
組成：（Ｈ＋）ｘ（ＺｒＯ２）（ＯＨ−）ｙ（ＰＯ４）１．８〜２．０・ｎＨ２Ｏ
イオン交換式：［ＺｒＯ２（ＯＨ）ｙ（ＰＯ４）２］２−・Ｈ＋ｘ
構造式：
【化１】
式中、Ｈ＋のｘは１．５〜２．０であり、ＯＨ−のｙは０．５〜０であり、Ｈ２Ｏ及び構造式のｎは１〜４である。ｘ、ｙ及びｎは、これらの範囲内の任意の小数であることができ、任意でこれらの範囲を上回るか又は下回ってもよい。ＡＺＰは、例えば約２ｍＥｑ Ｈ＋／ｇ ＡＺＰ〜１０ｍＥｑ Ｈ＋／ｇ ＡＺＰ、約４ｍＥｑ Ｈ＋／ｇ ＡＺＰ〜８ｍＥｑ Ｈ＋／ｇ ＡＺＰ、又は約５ｍＥｑ Ｈ＋／ｇ ＡＺＰ〜７ｍＥｑ Ｈ＋／ｇ ＡＺＰの水素イオン含有量を有し得る。ＡＺＰは、水中（１ｇ／１００ｍｌ）において例えば約０．５〜５又は約１〜３のｐＨ、及びブライン中（１ｇ／１００ｍｌ）において例えば約０〜５又は約０．５〜１．５のｐＨを有し得る。
【００３２】
本発明の目的上、アルカリ性含水酸化ジルコニウム（すなわちＮａＨＺＯ）は、酸化ジルコニウムがヒドロキシル化されたアルカリ形態の含水酸化ジルコニウム（ＺｒＯ（ＯＨ）２）を意味する。ＮａＨＺＯは以下の化学的性質及び物理的性質を有し得る：
組成：Ｎａ＋ｘＺｒＯ２（ＯＨ−）ｙ・ｎＨ２Ｏ
イオン交換式：ＺｒＯ２・ＯＨ−
構造式：
【化２】
式中、Ｎａ＋のｘは１であり、ＯＨ−のｙは２〜４であり、Ｈ２Ｏのｎは４〜６であり、ｘ、ｙ及びｎは、これらの範囲内の任意の小数であることができ、任意でこれらの範囲を上回るか又は下回ってもよい。ＮａＨＺＯは、例えば約０．５：１．５〜約１：１又は約１．５：０．５の範囲内のＮａ：ＺｒＯ２（モル比）のＮａ＋含有量を有し、かつ／又は例えば、約３ｍＥｑ ＯＨ−／１０ｇ ＮａＨＺＯ〜１２ｍＥｑ ＯＨ−／１０ｇ ＮａＨＺＯ、約５ｍＥｑ ＯＨ−／１０ｇ ＮａＨＺＯ〜１０ｍＥｑ ＯＨ−／１０ｇ ＮａＨＺＯ、又は約６ｍＥｑ ＯＨ−／１０ｇ ＮａＨＺＯ〜９ｍＥｑ ＯＨ−／１０ｇ ＮａＨＺＯの範囲内のヒドロキシルイオン含有量を有し得る。ＮａＨＺＯは、水中（１ｇ／１００ｍｌ）において例えば約７〜１４、約９〜１２又は約１０〜１１のｐＨを有し得る。
【００３３】
本発明は、一部、以下の機序に基づく：（１）Ｎａ＋の放出と引き換えの、ＮａＺｒＰによる水中に存在するＣａ２＋、Ｋ＋、Ｍｇ＋及び／又は毒性微量金属の結合；（２）Ｈ＋の放出と引き換えの、（１）において水中に放出されたＮａ＋とＺｒＰとの結合；（３）ＯＨ−の放出と引き換えの、水中のアニオン性汚染物質とＮａＨＺＯとの結合。（２）及び（３）の反応、又は第２の層、すなわち「混床」層で起こるイオン交換相互作用は、下記に示すように進行し得る：
ＺｒＰ−Ｈ＋＋Ｎａ＋→ＺｒＰ−Ｎａ＋＋Ｈ＋
ＺｒＯ２−ＯＨ−＋Ａｎ−→ＺｒＯ２−Ａｎ−＋ＯＨ−
Ｈ＋＋ＯＨ−→Ｈ２Ｏ
【００３４】
「実質的に全部」又は「ほぼ全部」という表現は、本明細書中で使用される場合、存在する汚染物質又は不純物の総量に基づいて、およそ例えば９０重量％〜９９．９重量％、９５重量％〜９９重量％、９６重量％〜９９．９重量％、５５重量％〜９９．９重量％、６０重量％〜８０重量％又は６５重量％〜７０重量％の量を表し得ることを理解されたい。
【００３５】
下記により詳細に記載されるように、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せ、すなわちカートリッジの混床層は、Ｈ＋及びＯＨ＋の放出と引き換えに、水からカチオン及びアニオンを効率的かつ同時に吸着することができる。対照的に、Ｈ＋形態のＺｒＰ（すなわちＨ＋−ＺｒＰ）を単独で使用する場合、水中の他の金属イオン、特にＣａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｋ＋及びＮａ＋に対する吸着能は大幅に低下する。これらの金属イオンは、ＺｒＰに対して高い親和性を有するＨ＋イオンを容易に置換することはできないと考えられる。また、酸性ＺｒＰを単独で使用する場合、酸性ＺｒＰ床と接触する水のｐＨが低いと、Ｈ＋イオンは他の金属によって容易に置換されない。ＺｒＰの吸着能は、水のｐＨが高くなるとともに増大すると考えられる。カチオンに対するＺｒＰの親和性系列は、以下のように表すことができる：
（ＮＨ４＋＞Ｈ＋＞Ｃｕ２＋、Ｂａ２＋、Ｐｂ２＋、Ａｇ＋、Ｃｄ２＋、Ｈｇ２＋、Ｚｎ＞Ｃｒ＋３、Ｍｎ２＋、Ｆｅ＋２＞Ｃａ２＋＞Ｎａ＋、Ｍｇ２＋、Ｋ＋）
【００３６】
同様に、ＯＨ−形態のＨＺＯ（すなわちＨＺＯ−ＯＨ−）を単独で使用する場合、水中の他のアニオンに対する吸着能は、ＯＨ−イオンに対するＨＺＯの高い親和性のために大幅に低下する。アニオンはイオン交換反応によってＯＨ−イオンを容易に置換することはできないと考えられる。また、アルカリ性ＨＺＯを単独で使用する場合、アルカリ性ＨＺＯ床と接触する水のｐＨが高いと、ＯＨ−イオンは他のアニオンによって容易に置換されない。ＨＺＯの吸着能は、材料のｐＨが低くなるとともに増大すると考えられる。アニオンに対するＨＺＯの親和性系列は、以下のように表すことができる：
ＰＯ４３−＞ＯＨ−＞クロム酸イオン＞Ｆ−、ヒ酸イオン、セレン酸イオン、ＮＯ３−、ＳＯ４２−＞Ｃｌ−
【００３７】
本発明のカートリッジは水を効果的に脱イオン化することができる。カートリッジは、Ｎａ＋形態のＺｒＰを含むジルコニウム収着剤層、続いて酸性リン酸ジルコニウム（例えばＨ＋−ＺｒＰ）及びアルカリ性含水酸化ジルコニウム（例えばＨＺＯ−ＯＨ−）のブレンド混合物を含む別個のジルコニウム収着剤層を有するカートリッジを含み得る。Ｎａ＋形態のＺｒＰは、Ｎａ＋以外の供給水中のカチオンを全て除去することができる。Ｎａ＋形態のＺｒＰは、先に記載のイオン交換反応（反応Ｉ）によって、例えばＣａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｋ＋、ＮＨ４＋、及び他の全ての遷移金属イオン及び重金属イオンを除去することができる。次いで、この層から放出されたＮａ＋は、Ｈ＋−ＺｒＰ及びＨＺＯ−ＯＨ−のブレンド混合物を有する後続層中のＨ＋−ＺｒＰによって除去される。これは、アルカリ性ＨＺＯのＯＨ−イオンがＨ＋−ＺｒＰからＨ＋を引き抜き、水中のＮａ＋イオンとのイオン交換を促進する傾向があるために実現可能である。言い換えると、水中のＮａ＋とＺｒＰ中のＨ＋とのイオン交換反応は、アルカリ性ＨＺＯによるｐＨの上昇のために促進される。この反応は以下のように説明することができる：
【化３】
Ｈ＋−ＺｒＰは、このようにして先のＮａ＋−ＺｒＰ層から漏出した任意の他の金属イオンを捕捉することができる。Ｎａ＋−ＺｒＰの先行する層は、Ｋ＋、Ｍｇ２＋及びＣａ２＋を、これらのカチオンに対するＨ＋−ＺｒＰの親和性が非常に弱いために除去する。Ｎａ＋−ＺｒＰ層がなければ、先に記載したように、Ｋ＋、Ｍｇ２＋及びＣａ２＋がＨ＋−ＺｒＰ含有層において互いに置換し合い、これらの金属全ての漏出を引き起こす可能性がある。
【００３８】
混床層のＯＨ−形態のアルカリ性ＨＺＯは、供給水中のアニオンを除去することができる。Ｈ＋−ＺｒＰのＨ＋イオンは、ＨＺＯ−ＯＨ−からＯＨ−イオンを引き抜き、水中のアニオンとのイオン交換を促進する傾向がある。言い換えると、ＨＺＯ＋ＯＨ−と接触する水のｐＨは、Ｈ＋−ＺｒＰによって低下する。この反応は以下のように説明することができる：
【化４】
【００３９】
このため、Ｈ＋−ＺｒＰとＨＺＯ−ＯＨ−とをブレンドすると、材料と接触する水性媒体のｐＨが中性に近づくため、カチオン及びアニオンの両方を同時に吸着する能力が大幅に増大する。水を脱イオン化又は脱塩する混床Ｈ＋−ＺＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−層の反応機序は、以下の式によって表すことができる：
脱塩：
Ｈ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−＋Ｎａ＋（ａｑ）＋Ｃｌ−（ａｑ）→Ｎａ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−Ｃｌ−＋Ｈ２Ｏ（反応Ｖ）
脱イオン化：
Ｈ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−＋Ｍ＋（ａｑ）＋Ａｎ−（ａｑ）→Ｍ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−Ａｎ−＋Ｈ２Ｏ（反応ＶＩ）
【００４０】
上記の反応Ｖ及び反応ＶＩに示すように、混床層では、層に他の対イオンが装填されていないため、結合して水分子を生成するＨ＋イオン及びＯＨ−イオンの放出と引き換えに、カチオン及びアニオンをイオン選択性にかかわらず同時に水から除去することができる。水中のＺｒＰ及びＨＺＯのプロセシング及び僅かな解離に由来する化学物質（例えば、ＺｒＰからのリン酸イオン、ＨＺＯからのＮａ＋）も除去することができる。例えば、ＺｒＰに由来するリン酸イオン及びＨＺＯに由来するＮａ＋も水から除去され得る。リン酸イオンはＨＺＯによって吸着させることができ、ナトリウムイオンは上記の反応ＩＩＩのためにＡＺＰによって除去される。
【００４１】
Ｈ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−混床層及びＮａ＋−ＺｒＰ層は、水の処理又は浄化に使用することができる。Ｈ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−ブレンド層及びＮａ＋−ＺｒＰ層は、一般的な条件下で化学的に安定であり、水中で解離して可溶性のＺｒを検出可能なレベルで生成することがない。さらに、Ｈ＋−ＺｒＰ、ＨＺＯ−ＯＨ−及びＮａ＋−ＺｒＰは、これらの化学物質の粒度が４５ミクロン〜９０ミクロン（又はこの範囲を下回る若しくは上回るサイズ）であり得るため、水流に対してほとんど抵抗を示さない。
【００４２】
Ｈ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−ブレンド層及びＮａ＋−ＺｒＰ層を有するカートリッジは、毒性無機汚染物質を高効率で水から除去することができる。例えば、カートリッジは、存在する毒性無機汚染物質の総量に基づいて約８５重量％〜１００重量％、例えば９０重量％〜１００重量％、９２重量％〜１００重量％、９６重量％〜１００重量％、９８重量％〜１００重量％、９９重量％〜１００重量％又は９９．８重量％〜１００重量％の毒性無機汚染物質を水から除去することができる。カートリッジは、毒性有機物、エンドトキシン、塩素及び／又はクロラミンを除去し、それにより透析のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ基準（２００７年、２００８年又は２００９年の基準）を満たす水質をもたらすことができる。カートリッジは、都市用水を浄化し、水をヒトの摂取及び使用に安全なものにすることができる。カートリッジは、腎臓透析のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ基準に適合する水質を有する生成水をもたらすことができる。特に指定のない限り、全ての基準は２００７年、２００８年及び／又は２００９年の時点で制定されている基準である。
【００４３】
先に記載したように、第１の（すなわちＮａＺｒＰ含有）層によるＣａ２＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋の除去は、後続する第２の層（ＡＺＰ／ＮａＨＺＯの組合せを含有する）におけるこれらの金属の置換を防止する。結果的に、これらの金属の生成水への漏出が防止される。さらに、Ｈ＋形態のＺｒＰ（すなわちＡＺＰ）のカチオンイオン交換性は、例えばカートリッジ内の別個の層において単独で作用する場合、容易にＮａ＋又は水道水中に存在し得る他のカチオンと引き換えにＨ＋を放出することはない。しかし塩基の存在下では、塩基はＨ＋イオンをＡＺＰから引き抜く働きをすることができ、Ｈ＋イオンは続いて吸着されたカチオンによって置き換えられる。したがって、例えば均一混合物としてＮａＨＺＯとブレンドした場合、ＡＺＰのイオン交換性が影響を受ける場合がある。例えば他のカチオンと引き換えにＨ＋を放出するＡＺＰの能力は増大する。ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せは、カチオンを水道水から効率的に吸着することができる。いかなる理論にも束縛されることを望むものではないが、考えられる１つの理由は、ＮａＨＺＯ中に存在するＯＨ−基、及びＡＺＰ中のＨ＋とのそれらの相互作用が、イオン交換性の変化に関与し得るということであり得る。
【００４４】
ＰＯ４２−、Ｆ−、ＳＯ４２−及び他のアニオンに対する吸着能を有するＮａＨＺＯのアニオンイオン交換性は、酸性ｐＨ、例えば７未満のｐＨによる作用を受ける場合に変化し得る。酸の存在下では、ＮａＨＺＯは水中でアルカリ性であり、他のアニオンの吸着と引き換えにＯＨ−イオンを放出することができる。ＯＨ−イオンの放出は、酸物質（ＣＯ２ガス又はＨ＋イオン）を水から除去することができ、生成水のｐＨを許容可能な範囲内（例えばｐＨ６．０〜７．４）に保つ助けとなる。
【００４５】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せは、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯがカートリッジ内で例えば１つ又は複数の層として一様に分布した、又は互いに混合された均一混合物として存在し得る。本発明は、一部、ＡＺＰとＮａＨＺＯとの重量比が多様であり得るＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せにも関する。例えばＮａＨＺＯの割合を調整する（例えば、低下又は上昇させる）ことによって、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せにより、浄化された生成水のｐＨを更に制御することができる。
【００４６】
ＮａＺｒＰはカートリッジ内に少なくとも１つの層として存在することができる。ＮａＺｒＰは少なくとも１つの層中にＮａＺｒＰ粒子として存在することができる。ＮａＺｒＰ粒子は少なくとも１つの層中に単独で、又は本明細書中に記載の他の材料との組合せで存在することができる。ＮａＺｒＰ粒子は、例えば約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均サイズを有し得る。
【００４７】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せは、カートリッジ内に少なくとも１つの層として一緒に存在していてもよい。カートリッジは少なくとも２つの層を備えることができ、カートリッジはＮａＺｒＰを含む少なくとも１つの他の層を備えることができる。ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せは、例えば約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均サイズを有するＡＺＰ粒子及びＮａＨＺＯ粒子としてカートリッジ内に存在することができる。
【００４８】
ＮａＺｒＰはジルコニウム塩水溶液及びリン酸水溶液を反応させることによって調製することができるか、又は固体Ｚｒ化合物（複数も可）をリン酸（複数も可）とともに用いて調製することができる。ジルコニウム塩水溶液及びリン酸水溶液は、攪拌器を取り付けた反応容器内で反応させることができる。溶液は反応容器内、室温で適度な攪拌器速度で反応させることができる。次いで、撹拌を同じ速度に維持しながら、例えば５０％ＮａＯＨを添加することによって沈殿物のスラリーをｐＨ約６．０〜７．４、又はおよそ６．５〜７．０に滴定調節することができる。滴定調節の後、材料を再度３０分間、撹拌することなく静置することができる。反応によってスラリーが形成し、これを濾過して洗浄した後、例えば１６重量パーセント乾燥減量（ＬＯＤ）〜２０重量パーセント乾燥減量（ＬＯＤ）の水分レベルまで乾燥させる。他のＬＯＤも可能である。生成物は、５ミクロン〜１５０ミクロンの粒度範囲を有する易流動粉末であり得る。ＮａＺｒＰは、例えば約１０ミクロン〜８０ミクロン、約２５ミクロン〜６０ミクロン、約２５ミクロン〜４５ミクロン、約３０ミクロン〜６０ミクロン、約４５ミクロン〜９０ミクロン、約７０ミクロン〜１００ミクロン又は約１００ミクロン〜１５０ミクロンの平均粒度を有する粒子を含み得る。ゾルゲル手法を用いて粒度を制御することができる。ＮａＺｒＰは、例えば米国特許第７，５６６，４３２号（その全体が参照により本明細書中に援用される）に記載の方法に従って調製することができる。
【００４９】
ＡＺＰは、ジルコニウム塩水溶液とリン酸水溶液との間の反応によって調製することができるか、又は固体ジルコニウム化合物（複数も可）をリン酸（phosphoricacid）（複数も可）とともに用いて調製することができる。反応によってゼラチン状沈殿物が形成し、これを濾過して、過剰のリン酸が除去されるまで洗浄した後、炉内で例えば約１２重量パーセント乾燥減量（ＬＯＤ）〜１８重量パーセント乾燥減量（ＬＯＤ）の水分レベルまで乾燥させる。他のＬＯＤも可能である。乾燥後の最終生成物は、例えば不整形状を有する微粉末又は顆粒であり得る。ＡＺＰは、例えば約５ミクロン〜１００ミクロン、約１０ミクロン〜８０ミクロン、約２５ミクロン〜６０ミクロン又は約２５ミクロン〜４５ミクロンの平均粒度を有する粒子を含み得る。平均粒径はこれらの範囲に限定されず、これらの範囲を上回る又は下回るサイズであってもよい。ゾルゲル手法を用いて粒度を制御することができる。
【００５０】
ＡＺＰは、例えば米国特許第６，８１８，１９６号（その全体が参照により本明細書中に援用される）に開示の方法に従って調製することができる。簡潔に述べると、ＡＺＰは、オキシ塩化ジルコニウム（ＺＯＣ）をソーダ灰とともに加熱して、炭酸ジルコニウムナトリウムを形成し、炭酸ジルコニウムナトリウムを苛性ソーダで処理して、アルカリ性含水酸化ジルコニウムを形成することによって調製することができる。次いで、アルカリ性含水酸化ジルコニウムの水性スラリーを、リン酸及び回収した酸性リン酸ジルコニウムを添加しながら加熱することができる。ＡＺＰの水性スラリーはまた、苛性ソーダ等の塩基性剤（basic agent）を用いて、所望のｐＨ（例えばｐＨ約５〜約７）に達するまで滴定調節することができる。
【００５１】
代替的には、ＡＺＰは、塩基性硫酸ジルコニウム（ＢＺＳ）及びリン酸の水性混合物を、十分な温度（例えば１８０°Ｆ〜１９０°Ｆ）で十分な時間（例えば１時間〜２時間）加熱して、酸性リン酸ジルコニウム沈殿物を形成することによって調製することができる。次いで、溶液を冷却することができ、酸性リン酸ジルコニウムを濾過して洗浄し、未反応の浸出性のリン酸塩のレベルを低下させることができる。ＡＺＰ粒子を、例えば約１２０°Ｆ〜１７０°Ｆで更に乾燥させることができる。ＡＺＰ粒子は２ｍ２／ｇ未満のＢＥＴ表面積を有し得る。例えば、ＡＺＰは実施例１に記載のように調製することができる。
【００５２】
ＡＺＰは、例えば米国特許出願公開第２００６／０１４０８４０号（その全体が本明細書中に与えられる教示と併せて参照により本明細書中に援用される）に開示の方法に従って調製することができる。簡潔に述べると、ＡＺＰは、オキシ塩化ジルコニウム（ＺＯＣ）及び有機化学添加物の水溶液を調製した後、濃塩酸（ＨＣｌ）で滴定調節して沈殿物を完全に溶解させることによって調製することができる。次いで、このＺＯＣ溶液をリン酸溶液に添加し、ＡＺＰ沈殿物のスラリーを得る。次いで、沈殿物を濾過して洗浄する。ＡＺＰ粒子は１０ｍ２／ｇを超えるＢＥＴ表面積を有し得る。例えば、ＡＺＰは実施例２に記載のように調製することができる。
【００５３】
アルカリ性含水酸化ジルコニウムは、ジルコニウム塩（例えばＢＺＳ）又はその水溶液を（例えばゾルゲル法によって）アルカリ金属（又はアルカリ金属化合物）と常温で反応させて、ＮａＨＺＯ沈殿物を形成することによって調製することができる。ＮａＨＺＯ粒子を濾過して、ジルコニウム塩のアニオンが完全に除去されるまで洗浄した後、例えば約２５重量パーセントＬＯＤ〜３０重量パーセントＬＯＤ以下の水分レベルまで好ましくは風乾させるか、又は温和な温度（例えば６０°Ｆ〜９０°Ｆ未満）の炉内で乾燥させて、易流動粉末を形成することができる。他のＬＯＤを達成することができるが、より低い水分レベル（すなわち、２０重量パーセントＬＯＤ未満）を達成するための、より高い温度（例えば９０°Ｆ〜１２０°Ｆ）及び／又は長い乾燥時間（例えば２４時間〜４８時間）は、ジルコニウム−水酸化物結合をジルコニウム−酸化物結合に変換し、アニオン交換材料の吸着能及びアルカリ度を低下させる可能性がある。乾燥温度とは、炉又は乾燥機内の公称温度を指す。ＮａＨＺＯは、約１０ミクロン〜１００ミクロン、約２０ミクロン〜８０ミクロン、約２５ミクロン〜６０ミクロン又は約２５ミクロン〜４０ミクロンの平均粒径を有する粒子を含み得る。平均粒径はこれらの範囲に限定されず、これらの範囲を上回る又は下回るサイズであってもよい。ＮａＨＺＯは２ｍ２／ｇ未満のＢＥＴ表面積を有し得る。例えば、ＮａＨＺＯは実施例３に記載のように調製することができる。
【００５４】
ＮａＨＺＯは、例えば米国特許出願公開第２００６／０１４０８４０号（その全体が本明細書中に与えられる教示と併せて参照により本明細書中に援用される）に開示の方法に従って調製することができる。簡潔に述べると、このＮａＨＺＯの調製方法は、濃ＨＣｌで滴定調節したＺＯＣの水溶液を、苛性ソーダの水溶液に添加することを含む。ＨＣｌの添加は、沈殿プロセス中の過剰のゲル化を防止し、粒子成長を促進し得る。ＮａＨＺＯ粒子は１０ｍ２／ｇを超えるＢＥＴ表面積を有し得る。例えば、ＮａＨＺＯは実施例４に記載のように調製することができる。
【００５５】
カートリッジは粒状活性炭（ＧＡＣ）を含有していてもよい。ＧＡＣはカートリッジ内に別個の層として存在することができる。カートリッジは、少なくとも３つの層（カートリッジの１つの層がＧＡＣを含み、残りの２つの層がイオン交換樹脂を含むことができる）を備えるか、それらから本質的になるか、又はそれらからなることができる。例えば、カートリッジの１つの層がＧＡＣを含んでいてもよく、別の層がＮａＺｒＰを含んでいてもよく、残りの層がＡＺＰ／ＮａＨＺＯの組合せを含んでいてもよい。ＧＡＣは水中に存在する塩素、クロラミン、有機物、Ｈ２Ｓ及び／又は微生物を結合及び除去するのに有用であり得る。ＧＡＣ層をカートリッジ内に存在するイオン交換樹脂の前に（すなわちそれに先行して）配置することが好ましい。また、活性炭の層から浸出した毒性微量金属をジルコニウム収着剤によって除去することができるように、活性炭の層をジルコニウム収着剤の前に配置してもよい。
【００５６】
カートリッジは広範な温度で機能することができる。カートリッジは０℃〜１００℃、例えば２０℃〜９０℃、３０℃〜７０℃又は４０℃〜８０℃の温度範囲で機能することができる。
【００５７】
管状のハウジング又はカートリッジ内の様々な濾材部又は収着剤材料を、本発明のＮａＺｒＰ、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯとともに使用することができる。ハウジング又はカートリッジは、例えば１つ又は複数の更なるイオン交換部、１つ又は複数の更なるＧＡＣ部を備えていてもよい。カートリッジは、カートリッジの層を隔て、かつ／又は水の更なる濾過をもたらす、１つ又は複数のセパレーターパッド、フィルターパッド又は濾紙等の濾材を備えていてもよい。ハウジング又はカートリッジは、水中の濁り、塩素、クロラミン、微生物及び／又は他の粒子（例えばシルト及び／又はコロイド状物質）を除去するためのカーボンプレフィルター（カーボンパッド等）を備えていてもよい。カーボンパッドによってカートリッジをより小型にすることができる。しかしながら、カーボンプレフィルターが備えてられていてもよいが、カーボンプレフィルターはカートリッジに必要ではないことを理解されたい。
【００５８】
カートリッジのハウジングは、任意の材料、例えば任意の好適な不透過性のポリマー材料及び／又はガラス材料から作製することができる。ハウジング又はカートリッジは、ポリカーボネートから作製することができる。ハウジング又はカートリッジは任意の好適な形状を有することができ、例えば、ハウジング又はカートリッジは円筒形、長方形又は正方形であり得る。
【００５９】
カートリッジは、任意の所望の量の水を浄化するように構成することができる。所望の量の水を浄化するのに必要とされ得る、ハウジング若しくはカートリッジの寸法及び／又はカートリッジ内の構成要素の量は、容易に決定することができる。例えば、１０リットルの水を浄化するのに好適なカートリッジは、以下のように構成することができる。カートリッジは、約６．０’’の高さ、約２’’の内径及び約０．０５’’の厚さを有し得る。カートリッジは様々な濾材部又は層を備えることができる。カートリッジの少なくとも１つの部分又は層は、ＮａＺｒＰを１カートリッジ当たり約１０ｇ〜８０ｇ、例えば約２０ｇ、３０ｇ、４０ｇ、５０ｇ、６０ｇ又は７０ｇの量で含み得る。カートリッジの少なくとも１つの部分又は層は、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せを含み得るが、ここでＡＺＰ／ＮａＨＺＯ含有層中のＡＺＰは、例えば１カートリッジ当たり約４０ｇ〜１００ｇ、例えば５０ｇ、６０ｇ、７０ｇ、８０ｇ、９０ｇ又は１００ｇの量で使用することができる。ＡＺＰ／ＮａＨＺＯ含有層中のＮａＨＺＯは、例えば１カートリッジ当たり約７０ｇ〜１３０ｇ、例えば８０ｇ、９０ｇ、１００ｇ、１１０ｇ又は１２０ｇの量で使用することができる。カートリッジは、４０ｇ〜１００ｇ、例えば５０ｇ、６０ｇ、７０ｇ、８０ｇ又は９０ｇの量で粒状活性炭を有する、少なくとも１つの部分又は層を備えることができる。より具体的な例としては、５インチ径のカラムは、３００ガロン〜５００ガロンの水を処理することができる約２０００ｇ〜２５００ｇのジルコニウム収着剤材料を含有し得る。例えば、処理される水に対するジルコニウム材料（ＮａＺｒＰとＡＺＰとを合わせた量）の比率は、処理される水１ガロン当たりジルコニウム材料約２グラム〜１０グラムであり得る。
【００６０】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯは任意の所望の重量比で存在することができる。ＮａＨＺＯ：ＡＺＰの重量比は、例えば約０．２：０．８〜約０．８：０．２、約０．５：０．５〜約０．６：０．４、又は約０．２２：０．７８〜約０．３３：０．６７の範囲であり得る。ＮａＨＺＯ：ＡＺＰの重量比は、例えば０．４：０．６であり得る。様々な重量比のＡＺＰ及びＮａＨＺＯによって任意の所望のｐＨを有する混合物をもたらすことができる。ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの混合物は、例えば約３〜約９、約３〜約７、約３．５〜約４、約４〜約５．５、又は約５．５〜約６のｐＨを有し得る。
【００６１】
ＮａＺｒＰは、任意の所望のｐＨ、例えば約５．５〜約７．５、約６．０〜約７．０、又は約６．５〜約７．０のｐＨを有するように滴定調節したＺｒＰであり得る。好ましくは、ＺｒＰを約６．０〜約７．４又は約６．５〜約７．０のｐＨに滴定調節する。
【００６２】
ジルコニウムイオン交換樹脂は熱的に安定であり、高温であっても水を処理するために使用することができる。カートリッジは、任意の温度、例えば１℃〜４０℃、又は１０℃〜３０℃、又は２０℃〜３５℃の水を浄化するために使用することができる。ジルコニウムイオン交換樹脂は、０．０３ｍｌ／ｇ〜０．０８ｍｌ／ｇのメソ多孔性レベル（総細孔容積）、及び／又はＺＰに対して１ｍ２／ｇ〜３０ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積、ＨＺＯに対して２０ｍ２／ｇ〜１００ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有し得る。ジルコニウムイオン交換樹脂のメソ多孔性は、供給水中の微生物、エンドトキシン、塩素及び／又はクロラミンを減少させる助けとなることができる。ジルコニウムイオン交換樹脂は、細菌増殖に対し少なくとも部分的に又は完全に耐性を示し得る。
【００６３】
カートリッジは、任意のレベルの汚染を有する水を浄化するために使用することができる。カートリッジは、汚染物質が高濃度で存在する場合であっても毒性無機化学物質を除去することができる。カートリッジは、例えば下記表１に記載した特性の１つ若しくは複数又は全てを有する水を浄化するために使用することができる。２つ以上の特性の任意の組合せも可能である。示した量は上限値であり、カートリッジはそれらのレベル、又は更により低いレベル、例えば表１に示すよりも１０％、２０％、３０％、４０％又は５０％低いレベルを達成することができる。
【００６４】
表１． 試験した供給水の質及び吐出の耐久限界
【表１】
【００６５】
概して、本発明のカートリッジは、表３、表５〜表７、表８、表２３、表２２〜表２３、又は図４〜図８の任意の１つ又は複数に記載の具体的な純度レベルの１つ又は複数を達成することができる。
【００６６】
カートリッジは、ＮａＺｒＰ粒子、ＡＺＰ粒子及びＮａＨＺＯ粒子の１つ又は複数の層又は区域を含有することができるが、この場合、カートリッジは、第１の端部（入口）から始まり第２の端部（出口）で終わる配置、ＮａＺｒＰ部、複合ＡＺＰ／ＮａＨＺＯ部を含む複数の濾材部（又は層）を有する。先に述べたように、カートリッジは任意で活性炭部を含有してもよい。
【００６７】
カートリッジは任意で、本明細書中に記載されるようなＮａＺｒＰ層、ＡＺＰ層、ＮａＨＺＯ層以外のジルコニウムを含有する任意の他の層及び／又はジルコニウムを含有する構成要素を有しない。
【００６８】
浄水用カートリッジは、例えば図１及び図２に示すように構成することができる。図１に示すように、カートリッジ１は、入口２を有する第１の端部と、出口４を有する第２の端部とを有し得る。図面に示してはいないが、入口は、カートリッジに入る水の流れを制御するための制御弁又は圧力調整器を有していてもよい。第１の端部は、第２の端部の反対側にある、すなわち第２の端部に対向することができる。カートリッジは、ＮａＺｒＰを含有する第１の層（ＮａＺｒＰ含有層）６と、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せを含有する第２の層（ＮａＨＺＯ／ＡＺＰ含有層）８とを有し得る。第１の（すなわちＮａＺｒＰ含有）層６は、第２の（すなわちＮａＨＺＯ／ＡＺＰ含有）層８よりも入口２の近くに配置され得る。第２の層８は第１の層６に後続し得る。第２の層８は、第１の層６よりも出口４の近くに配置される。ＮａＺｒＰ含有層６は、毒性重金属、アンモニア、ＮＨ４＋、アミン、Ｋ＋及び／又は硬質金属（Ｃａ２＋及びＭｇ２＋等）を除去することができる。ＡＺＰ／ＮａＨＺＯ含有層８中のＡＺＰは、水中のＮａ＋、並びに水中の微生物、カビ及び／又は藻類を除去することができる。ＡＺＰ／ＮａＨＺＯ含有層８中のＮａＨＺＯは、水中の毒性アニオン、例えば硫酸イオン、硝酸イオン、フッ化物イオン、クロム酸イオン、セレン酸イオン及び／又はヒ酸イオンを除去することができる。
【００６９】
カートリッジ１は、様々な濾材部を有することができ、例えば管状のハウジング又はカートリッジ内の様々な濾材部を、本発明のＮａＺｒＰ、ＡＺＰ、ＮａＨＺＯ、ＧＡＣとともに使用することができる。図２は、カートリッジ１内の濾材部の一配置を示す。図２に示すように、カートリッジ１は図１について上記したように、ＮａＺｒＰを含有する第１の層６と、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せを含有する第２の層８とを有し得る。カートリッジ１は、入口２に隣接したカーボンパッド１０を含有し得る。カーボンパッド１０は、水中の塩素、クロラミン、微生物及び／又は他の粒子（シルト及び／又はコロイド状物質等）を除去することができる。カーボンパッド１０は、当該技術分野で既知の任意の好適なカーボンパッドであり得る。ＧＡＣ１２の層は、カーボンパッド１０に後続し得る、すなわちカーボンパッド１０の直後に配置され得る。ＧＡＣ１２は塩素、クロラミン、有機物、Ｈ２Ｓ及び／又は微生物を除去することができる。ＧＡＣ１２は、第１の（すなわちＮａＺｒＰ含有）層６に隣接して配置され得る。セパレーターパッド１４によってＧＡＣ１２とＮａＺｒＰ含有層６とを隔ててもよい。セパレーターパッド１４は水の濁りを除去することができる。濾紙１６が、第１の層６と第２の層８とを隔てるように第１の層６と第２の層８との間に配置され得る。フィルターパッド１８は、ＡＺＰ／ＮａＨＺＯ含有層と出口４との間に配置され得る。フィルターパッド１８は、粒子の漏出を防止し、粒状材料に対する充填支持を与え、かつ／又はチャネリングを防止することができる。
【００７０】
水を浄化する方法は、水を上記に詳述したような本発明のカートリッジに通すことを含み得る。カートリッジによって浄化される水は、約５．８〜約７．５、例えば約６．０〜約７．４、又は約６．０〜約７．０のｐＨを有し得る。カートリッジによって浄化される水は、７０ｐｐｍ未満、又は０ｐｐｍ〜約７０ｐｐｍ、例えば１ｐｐｍ〜６０ｐｐｍ、又は約１５ｐｐｍ〜約５０ｐｐｍのＮａ＋含有量を有し得る。
【００７１】
浄水用カートリッジは、水道水、都市用水、都市飲料水、廃水、井戸水及び／又は天然水を浄化するために利用することができる。廃水とは、人為的影響によって品質が損なわれた任意の水を意味すると理解される。廃水は、家庭住宅（domestic residences）、商業用不動産、工業及び／又は農業によって排出された液体廃棄物を含んでいてもよく、広範な潜在的汚染物質及び濃縮物（concentrations）を包含し得る。天然水は、任意の天然源から得られる水、例えば地表水、井戸水、降水（precipitated water）及び／又は淡水化海水であり得ることを理解されたい。
【００７２】
カートリッジを用いて、汚染物質のレベルを許容可能なレベルにまで低下させるように水を処理することができる。カートリッジによって浄化された水は、飲料水又はヒト摂取について規定された基準、例えば米環境保護庁（ＥＰＡ）及び食品医薬品局（ＦＤＡ）によって規定された基準を満たすことができる。例えば、カートリッジによって浄化された水は、２００７年、２００８年及び／又は２００９年に制定されたＥＰＡ発令の第２種飲料水規則の要件を満たす純度レベルを達成することができる。
【００７３】
カートリッジによって浄化された水は、透析のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準を満たすことができる。このため、カートリッジを、血液透析機又は透析システムへ水を供給するために使用することができる。透析用の浄化新鮮透析液は、透析液のベースとして使用される水道水を、透析装置に入れる前に初めにカートリッジに通すことによって調製することができる。水道水中に存在する汚染物質（毒性金属イオン、非金属イオン及び塩素等）を、水を透析液のベースとして使用する前にカートリッジによって（許容可能な限界まで）除去することができる。透析装置は患者の血液と流体連結していてもよい。
【００７４】
本発明は、以下の態様／実施形態／特徴を任意の順序及び／又は任意の組み合わせで含む：
１．本発明は、カートリッジであって、
入口を有する第１の端部と、
該第１の端部に対向し、出口を有する第２の端部と、
リン酸ジルコニウムナトリウム（ＮａＺｒＰ）を含む第１の層と、
酸性リン酸ジルコニウム（ＡＺＰ）及びアルカリ性含水酸化ジルコニウム（ＮａＨＺＯ）の組合せを含む第２の層と
を備え、該第１の層が該第２の層よりも該入口の近くに配置され、該第２の層が該第１の層に後続する、カートリッジに関する。
２． ａ）第１の層が本質的にＮａＺｒＰからなり、かつ
ｂ）第２の層が本質的にＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せからなる、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
３． ａ）第１の層がＮａＺｒＰからなり、かつ
ｂ）第２の層がＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せからなる、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
４． 第２の層が該第１の層に直接後続する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
５． 第１の層及び第２の層が濾紙で隔てられる、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
６． ＮａＺｒＰ、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯが、約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均粒径を有する粒子である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
７． ＮａＺｒＰ、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯが、約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均粒径を有する粒子であり、該第１の層が約２０ｇのＮａＺｒＰを含み、該第２の層が約５０ｇのＡＺＰ及び８０ｇのＮａＨＺＯを含む、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
８． ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せが約３〜約７のｐＨを有する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
９． ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せが約３．５〜約４のｐＨを有する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１０． ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せが約５．５〜約６のｐＨを有する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１１． ＡＺＰ及びＮａＨＺＯが各々、約０．２：０．８〜約０．８：０．２のＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比をもたらす量で該組合せ中に存在する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１２． ＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比が約０．５：０．５〜約０．６：０．４である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１３． ＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比が約０．４：０．６である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１４． ＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比が約０．２２：０．７８〜約０．３３：０．６７である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１５． ＮａＺｒＰが約６．０〜約７．４のｐＨを有する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１６． ＮａＺｒＰが約６．５〜約７．０のｐＨを有する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１７． 粒状活性炭（ＧＡＣ）を更に含む、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１８． ＧＡＣが該カートリッジ内に層として存在する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１９． ＧＡＣの層が該第１の層よりも該入口に近接して配置され、かつ該第１の層に先行する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
２０． ＧＡＣの層と該第１の層との間に配置されるセパレーターパッドを更に備える、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
２１． 入口の直後に配置され、かつ該第１の層に先行するカーボンパッドを更に備える、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
２２． 出口の直前に配置され、かつ該第２の層に後続するフィルターパッドを更に備える、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
２３． カーボンパッド、セパレーターパッド及び／又はフィルターパッドを更に備える、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
２４． カーボンパッドを備えない、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
２５． 水を浄化する方法であって、該水を任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジに通すことを含む、水を浄化する方法。
２６． 上記水が都市飲料水である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
２７． 上記水が廃水である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
２８． 上記水が天然水である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
２９． 水中に存在するＣａ２＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋、毒性微量金属又はそれらの任意の組合せが、該第１の層によって実質的に除去される、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
３０． 水中に存在する毒性アニオン性汚染物質、Ｎａ＋又はそれらの任意の組合せが、該第２の層によって実質的に除去される、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
３１． 上記水を任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジに通した後、該水が透析治療のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準を満たす、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
３２． 透析用の浄化新鮮透析液を調製する方法であって、上記透析を行う前に水を任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジに通すことを含む、透析用の浄化新鮮透析液を調製する方法。
３３． 携帯透析システムを用いて上記透析を行う、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
【００７５】
本発明は、これらの様々な特徴、又は上記及び／若しくは下記の文章及び／若しくは段落で記載される実施形態の任意の組合せを含むことができる。本明細書中に開示される特徴の任意の組合せは本発明の一部と考えられ、組み合わせ可能な特徴に関する限定は意図されない。
【００７６】
本発明の性質を例示するために以下の実施例を示す。しかしながら、本発明は、これらの実施例に記載の特定の条件又は詳細に限定されないことを理解されたい。
【実施例】
【００７７】
実施例１
約５００ガロンの汚染供給水を、本発明のカートリッジを用いて処理した。カートリッジは直径約５’’、高さ約１２’’とした。カートリッジの構成要素を、（層として）以下の順序とした：
１． 粒子フィルターパッド
２． １２００ｇｍの［Ｈ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−］（重量比５５：４５）
３． 濾紙
４． ５００ｇｍの［Ｎａ＋−ＺＰ］
５． カーボンパッド
６． ５００ｇｍの活性炭（Calgon）
７． カーボンパッド
【００７８】
汚染供給水の詳細を下記表２に示す。（得られた）生成水の質の詳細を下記表３に示す。水流量及び圧力損失を下記表４に示す。
【００７９】
表２． 負荷試験における汚染水の質
【表２】
表中化合物名
Silver:銀
Mercury:水銀
Sulfate:硫酸イオン
Lead:鉛
Nitrate:硝酸イオン
Chromium:クロム
Chloride:塩化物イオン
Barium:バリウム
Fluoride:フッ化物イオン
Cadmium:カドミウム
Arsenate:ヒ酸イオン
Copper:銅
Calcium:カルシウム
Iron(ferric)鉄（第二鉄）
Magnesium:マグネシウム
Manganese:マンガン
Sodium:ナトリウム
Zinc:亜鉛
【００８０】
表３． 生成水の質（１リットル／分の流量での５００ガロン寿命試験）
【表３】
【００８１】
表４． ５’’径モデルの圧力損失
【表４】
【００８２】
実施例２
約１００ガロンの不純水を、個々の汚染物質の負荷レベルで、実施例１と同じカートリッジ構成要素を用いて処理した。水流量は５００ｍｌ／分とした。得られた浄化水の詳細を下記表５〜表７に示す。
【００８３】
表５． 生成水の純度−カチオン
【表５】
【００８４】
表６． 生成水の純度−アニオン
【表６】
【００８５】
表７． 生成水の純度−殺菌剤
【表７】
【００８６】
実施例３
混合Ｈ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−の単層の他に、更なるジルコニウムイオン交換樹脂が存在しないカートリッジを用いて、水からの毒性化学物質の除去効率を求めた。カーボンパッドがこの層の下に、粒子フィルターパッドが上にあるものとした。カートリッジは直径約５’’であり、約２２５０ｇｍのＨ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−（ブレンド重量比１：１）を含有するものとした。５００ｍｌ／分の流量での汚染水からの毒性化学物質の吸着レベルを下記表８に示す。処理中の水の伝導度を下記表９に示す。
【００８７】
表８． 毒性化学物質の除去
【表８】
【００８８】
表９． 都市用水の処理中の伝導度モニタリング
（注：ＯＫＣの水道水の伝導度は１３０マイクロモーである）
【表９】
【００８９】
実施例４
この実験では、６０ｇのＨ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−単層混床層を有し、更なるジルコニウムイオン交換樹脂が存在しないカートリッジ（１’’×６−３／４’’）を使用した。カーボンパッドがこの単層の下に、粒子フィルターパッドが上にあるものとした。流量は２０ｍｌ／分とした。約７０ガロンの汚染された都市水道水からの毒性金属の除去についてカートリッジを試験した。カートリッジのカラムの詳細を下記表１０に示す。カートリッジは約６０ｇｍのＨ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−（重量比１：１）を含有するものとした。水は２５℃の温度を有し、下記表１１に示す付加的汚染物質を含有するものとした。このカートリッジによる吸着レベルを下記表１２に示す。
【００９０】
表１０． カラムの詳細
【表１０】
【００９１】
表１１． ２５℃の２０リットルの都市水道水の試験浴中の付加的汚染物質
【表１１】
【００９２】
表１２． 結果−約７０ガロンの水の処理のためにジルコニウム収着剤１５００ｇｍにスケールアップした吸着試験の結果
【表１２】
【００９３】
実施例５
汚染物質を添加したオクラホマシティーの都市用水を、以下の構成要素を（層として）順に有するカートリッジ（５’’×７’’）を用いて処理した：
１． 粒子フィルターパッド
２． １２００ｇｍの［Ｈ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−］（重量比１：１）
３． カーボンパッド
４． ５００ｇｍの活性炭（Calgon）
５． カーボンパッド
【００９４】
カラムの詳細を下記表１３に示す。
【００９５】
表１３． カラムの詳細
【表１３】
【００９６】
流出物の純度レベル（すなわち、カートリッジからの流出物中に存在する汚染物質のレベル）を図４及び図５に示した表に示す。
【００９７】
実施例６
実施例５と同じ設計のカートリッジを１Ｌ／分の流量で使用した。ジルコニウムカートリッジのカラムの詳細を下記表１６に示す。供給水１０ガロン当たりの汚染物質のレベルを表１７に示す。流出水における伝導度変化を表１８に示す。流出物の純度レベル（すなわち、流出物中に存在する汚染物質のレベル）を図６及び図７の表に示す。
【００９８】
表１６． カラムの詳細
【表１４】
５’’ＩＤモデル
Calgonの活性炭
カーボンパッド
粒子フィルターパッド
【００９９】
表１７． 供給水及び添加した汚染物質（１０ガロン当たり）
【表１５】
ヒ酸Ｎａ
処理された水の量
ガロン
水の流量
Ｌ／分
水の伝導度
μモー
【０１００】
表１８． 流出水の伝導度変化
【表１６】
供給水
初期流出物
ガロン
μモー
【０１０１】
実施例７
１００ｇのＨ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−単層を用いるカートリッジ（１’’×１１．２’’）を実施例３と同様に使用して、オクラホマシティーの都市水道水中の無機汚染物質の除去効率を約５℃という低温で試験した。カートリッジのカラムの詳細を下記表１９に示す。１分当たりの水２０ｍｌ中の付加的汚染物質を下記表２０に示す。流出物の純度（すなわち、流出物中に存在する汚染物質のレベル）の説明を図８の表に示す。
【０１０２】
表１９． カラムの詳細
【表１７】
１’’ＩＤモデル
流量
ｍｌ／分
【０１０３】
表２０． 水道水２０リットルの試験浴に対する付加的汚染物質
【表１８】
可溶性
ヒ酸Ａ
【０１０４】
実施例８
本発明のカートリッジを硬質金属の除去について試験した。カートリッジの構成要素は、（層として）以下の順序で存在するものとした：
１． 粒子フィルターパッド
２． １２００ｇｍの［Ｈ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−］（重量比５５：４５）
３． 濾紙
４． ５００ｇｍの［Ｎａ＋−ＺＰ］
５． カーボンパッド
【０１０５】
カラムの詳細及び試験条件を下記表２１に示す。試験の結果を下記表２２に示す。
【０１０６】
表２１． カラムの詳細及び試験条件
【表１９】
Ｎａ＋−ＺＰ（先行する層）
圧力
流量
ｍｌ／分
【０１０７】
表２２． 硬質金属の除去
【表２０】
時間（分）
プロセシングした容量
ｐＨ（ストリップ）
開始
浴
分
ガロン
【０１０８】
実施例９
本発明のカートリッジを、負荷レベルの硬質金属（Ｃａ２＋）、一般的な毒性アニオン（Ｆ−及び硫酸イオン）及び殺菌剤の除去について試験した。カートリッジの構成要素は以下の順序で（層として）存在するものとした：
１． 粒子フィルターパッド
２． １３０ｇｍの［Ｈ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−］（重量比５０：８０）
３． 濾紙
４． ２０ｇｍの［Ｎａ＋−ＺＰ］
５． セパレーターパッド
６． ５０ｇｍの活性炭（Calgon）
７． カーボンパッド
【０１０９】
カートリッジを図２に示すように構成した。第１の層６中のＮａＺｒＰの量は約２０ｇｍ（重量）とした。混床層８中のＡＺＰ及びＮａＨＺＯの量は約５０ｇｍ：８０ｇｍ（重量）とした。粒状活性炭層１２中の活性炭の量は約５０ｇｍとした。ジルコニウムカートリッジの入口２は直径約２’’とした。試験の結果を下記表２３に示す。
【０１１０】
表２３
【表２１】
塩素
浴
複合物
（Ｎａ＋についてのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ基準は７０ｐｐｍである）
・塩素は完全に除去される
・複合物中の生成水のｐＨは５．８２である
・流出複合物中のＴＤＳは１００ｐｐｍ未満である
【０１１１】
この試験については、流出物１リットル毎にサンプルを採取した。表中の複合サンプルは、全ての流出物サンプル（１〜９）の混合物を表す。塩素分析は、Hackの全塩素試験キットによって行った。Ｃａ２＋分析は、LaMotteの全硬度試験キットを用いて（ＣａＣＯ３として）行った。表２３から明らかなように、Ｃａ２＋、Ｆ−及びＳＯ４２−は、１リットル毎のサンプルの流出物において完全に除去され、複合物においては検出限界を下回った。また、Ｎａ＋は未処理浴中の４５ｐｐｍから流出複合物中の３５ｐｐｍへと低下した。
【０１１２】
本出願人は具体的に全ての引用文献の全内容を本開示において援用する。さらに、量、濃度又は他の値若しくはパラメータが、範囲、好ましい範囲又は上側の好ましい値及び下側の好ましい値のリストのいずれかとして挙げられる場合、これは、範囲が別々に開示されているかに関係なく、任意の上側の範囲限定又は好ましい値と、任意の下側の範囲限定又は好ましい値との任意の対からなる全ての範囲を具体的に開示していることを理解されたい。数値の範囲が本明細書中に列挙される場合、特に指定のない限り、その範囲は、その端点、並びに範囲内の全ての整数及び小数を含むことを意図する。範囲を規定する場合、本発明の範囲が記載の特定の値に限定されることを意図するものではない。
【０１１３】
本発明の他の実施形態は、本明細書及び本明細書中に開示される本発明の実施を考慮することにより、当業者に明らかとなるであろう。本明細書及び実施例は、例示的なものにすぎないと見なされ、本発明の真の範囲及び精神は添付の特許請求の範囲及びその均等範囲によって示されることが意図される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は浄水に関する。より具体的には、本発明はイオン交換材料、特に浄水に有用なジルコニウムイオン交換材料に関する。
【０００２】
本願は、２００９年１２月７日付けで出願された、先の米国仮特許出願第６１／２６７，１２５号（その全体が参照により本明細書中に援用される）の米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００３】
通常、都市上水道からの水は、水中に存在する汚染物質のレベルを摂取又は他のヒトの用途に許容可能なレベルにまで低下させるために浄化又は処理しなければならない。都市水道水中に存在する可能性がある汚染物質としては、例えば毒性イオン性汚染物質、有機化合物、微生物、カビ及び／又は藻類が挙げられる。要求される水質基準は用途に応じて異なり、各種政府機関及び業界団体によって規定され得る。例えば、飲料水は米環境保護庁（ＥＰＡ）発令の第２種飲料水規則（National Secondary Drinking Water Regulations）の要件を満たさなければならない。血液透析に使用される水の水質は、医療器具開発協会（ＡＡＭＩ）によって制定された（その後、米国国家規格協会（ＡＮＳＩ）によって承認された）基準（ＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準）を満たさなければならない。ＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準は飲料水に要求される基準をはるかに超えている。これは、透析中に大量の水が患者の血液とほぼ直接接触する（透析装置の薄い半透膜のみで隔てられる）ためである。そのため、透析に使用する前に水道水中に通常存在する汚染物質を除去することが非常に重要である。
【０００４】
一般に、水からの汚染物質の除去には収着プロセスが理想的である。収着剤プロセスは操作的に簡単であり、準備期間をほとんど必要とせず、供給組成の変動に寛容である。
【０００５】
ジルコニウムイオン交換樹脂、特に混床イオン交換樹脂は、水の脱イオン化及び水中の毒性汚染物質の除去に有用な収着剤をもたらすことができる。ジルコニウムイオン交換収着剤は安全かつ非毒性である。ジルコニウム樹脂はエンドトキシン（細菌）を除去することができ、ジルコニウムイオン交換樹脂中では、細菌は有機イオン交換樹脂中におけるように増殖することはない。ジルコニウムイオン交換樹脂はまた、塩素による攻撃を受けにくく、熱的に安定であるため、高温であっても水の処理に使用することができる。ジルコニウムイオン交換樹脂は、逆浸透（ＲＯ）システム及び有機イオン交換樹脂等といった従来の浄水システムよりも経済的かつ小型の浄水システムをもたらす。ジルコニウムイオン交換樹脂は、毒性無機化学物質を、とりわけ高濃度で効率的に除去することができる。ジルコニウムイオン交換樹脂は、使い捨て水処理装置に使用される小型の形態に構成することができる。
【０００６】
これまで、Ｎａ＋形態のＺｒＰ（例えばＮａ＋−ＺｒＰ）と、Ｃｌ−形態のＨＺＯ（例えばＨＺＯ−Ｃｌ−）とを含有するジルコニウムイオン交換収着剤は、主に以下の要因のために効果的に使用することができなかった：
（ｉ）ＺｒＰ及びＨＺＯの吸着能及び吸着選択性は、イオン交換材料に担持される対イオンの形態に影響を受ける。例えば、ＺｒＰをＮａ＋形態（Ｎａ＋−ＺｒＰ）で使用し、ＨＺＯをＣｌ−形態（ＨＺＯ−Ｃｌ−）で使用する場合、以下のようなイオン交換反応によるＮａ＋イオン及びＣｌ−イオンの放出のために水の脱イオン化は可能ではない：
Ｎａ＋−ＺｒＰ＋Ｍ＋（ａｑ）→Ｍ＋−ＺｒＰ＋Ｎａ＋（ａｑ） （反応Ｉ）
ＨＺＯ−Ｃｌ−＋Ａｎ−（ａｑ）→ＨＺＯ−Ａｎ−＋Ｃｌ−（ａｑ） （反応ＩＩ）
このため、この場合のＺｒＰ及びＨＺＯの混合は、せいぜい軟水化効果をもたらすことしかできない。これらの材料におけるこれらの対イオンの装填は、イオン吸着の選択性のために他のイオンに対する吸着能を更に低下させ、それらの使用を制限する。例えば、ＨＺＯ．Ａｃ（ここで、Ａｃ−は酢酸イオンである）の塩化物イオン及び硝酸イオンに対する吸着能は、これらのアニオンが親和性系列において酢酸イオンより下に位置するためほとんどない。
（ｉｉ）水の脱イオン化は、ＺｒＰから浸出性のＰＯ４３−及びＨＺＯから浸出性のＮａ＋の影響を受ける。
（ｉｉｉ）Ｎａ＋−ＺｒＰ及びＨＺＯ−Ｃｌ−の粒度の小ささは、水流に対して高い抵抗をもたらす。
【０００７】
酸性リン酸ジルコニウム（ＡＺＰ）及びアルカリ性含水酸化ジルコニウム（ＮａＨＺＯ）の混合物のみを含有し、他のジルコニウムイオン交換樹脂を含有しない浄水用のジルコニウムイオン交換収着剤も欠点を有している。従来の混床イオン交換樹脂においては、ＡＺＰからの過剰の水素イオンによる先に吸着されたカチオン性汚染物質（例えばＣａ２＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋）の置換は、漏出の問題を引き起こす可能性のある汚染物質の弱い親和性のために問題となるおそれがある。また、収着親和性の強いカチオン性汚染物質は、ＡＺＰによる吸着後に互いに置換し合う可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、選択的な脱イオン化及び水からの汚染物質の除去についてより効果的な収着剤が必要とされている。ｐＨ、又はｐＨ変化によって引き起こされる流入水の組成の著しい変化を引き起こすことなく標的汚染物質を除去することのできる収着剤も必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一特徴は、上記の不利点の１つ又は複数を回避する浄水用のカートリッジを提供することである。
【００１０】
本発明の別の特徴は、Ｎａ＋含有量が７０ｐｐｍ以下の水をもたらすことのできる浄水用のカートリッジを提供することである。
【００１１】
本発明の別の特徴は、Ｎａ＋イオンを水中に放出しない、改善された浄水用のイオン交換材料を提供することである。
【００１２】
本発明の更なる特徴は、ｐＨが約６〜約７の水をもたらすことのできる浄水用のカートリッジを提供することである。
【００１３】
本発明の付加的な特徴は、無機イオン交換樹脂を含む、浄水用の非毒性のカートリッジを提供することである。
【００１４】
本発明の付加的な特徴は、小型かつ経済的な浄水用のカートリッジを提供することである。
【００１５】
本発明の別の特徴は、ＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ基準を満たすために、有機物及び／又はエンドトキシン及び／又は塩素及びクロラミンを除去することを伴う。
【００１６】
本発明の付加的な利点は、一部は以下の説明において記載され、一部はその説明から明らかであり、又は本発明の実施によって知ることができる。本発明の目標及び利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される要素を用いて実現及び達成される。
【００１７】
上記に述べた目標を達成するため、また、本明細書中に具体化され広く記載される本発明の目的に従って、本発明は、リン酸ジルコニウムナトリウム（ＮａＺｒＰ）を有する第１の層と、酸性リン酸ジルコニウム（ＡＺＰ）及びアルカリ性含水酸化ジルコニウム（ＮａＨＺＯ）の組合せを有する第２の層とをカートリッジ内に有するカートリッジを提供する。活性炭の層（複数も可）が、例えば「第１の層」の前に存在していてもよい。第２の層は第１の層に後続し得る。第１の層及び第２の層は、１つ又は複数のセパレーター（濾紙等）で隔てられていてもよい。ＮａＺｒＰ、ＡＺＰ及び／又はＮａＨＺＯは、約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均粒径を有する粒子であり得る。
【００１８】
カートリッジはＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せを含んでいても、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯがカートリッジ内に層として一様に分布した均一混合物として存在してもよい。
【００１９】
本発明は、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せをカートリッジ内に含み、ＡＺＰとＮａＨＺＯとの重量比が多様であり得るカートリッジも提供する。
【００２０】
本発明は、水を浄化する方法であって、水をカートリッジに通すことを含む、水を浄化する方法を更に提供する。
【００２１】
本発明は、都市用水、廃水、井戸水、天然水又はそれらの任意の組合せを浄化する方法を更に提供する。
【００２２】
本発明は、透析治療のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準又は他の浄水基準を満たすよう、水を浄化するために使用することのできるカートリッジを提供する。
【００２３】
本発明は、透析用の浄化新鮮透析液を調製する方法であって、透析を行う前に水をカートリッジに通すことを含む、透析用の浄化新鮮透析液を調製する方法を提供する。
【００２４】
上記の概略的な説明及び下記の詳細な説明は両方とも例示的なものに過ぎず、特許請求の範囲に記載される本発明を限定するものでないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】様々な実施形態によるカートリッジの概略図である。
【図２】様々な実施形態によるカートリッジの概略図である。
【図３】カートリッジの概略図である。
【図４Ａ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：PURITY LEVEL OF EFFLUENT FROM SORBENT CARTRIDGEIN THE TREATMENT OF OKLAHOMA CITY WATER WITH ADDED CONTAMINANTS 汚染物質を添加したオクラホマシティーの水の処理における収着剤カートリッジからの流出物の純度レベルDetection Limit 検出限界METALS 金属ANALYTICAL TECHNIQUE 分析手法FEED WATER 供給水INITIAL EFFL 初期流出物GAL ガロンREMOVAL EFFICIENCY 除去効率
【図４Ｂ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：PURITY LEVEL OF EFFLUENT FROM SORBENT CARTRIDGEIN THE TREATMENT OF OKLAHOMA CITY WATER WITH ADDED CONTAMINANTS 汚染物質を添加したオクラホマシティーの水の処理における収着剤カートリッジからの流出物の純度レベルDetection Limit 検出限界Flameless AA フレームレスＡＡ
【図４Ｃ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：PURITY LEVEL OF EFFLUENT FROM SORBENT CARTRIDGEIN THE TREATMENT OF OKLAHOMA CITY WATER WITH ADDED CONTAMINANTS 汚染物質を添加したオクラホマシティーの水の処理における収着剤カートリッジからの流出物の純度レベルDetection Limit 検出限界
【図５Ａ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：PURITY LEVEL OF EFFLUENT FROM SORBENT CARTRIDGEIN THE TREATMENT OF OKLAHOMA CITY WATER WITH ADDED CONTAMINANTS 汚染物質を添加したオクラホマシティーの水の処理における収着剤カートリッジからの流出物の純度レベルDetection Limit 検出限界METALS/NON-METALS 金属／非金属ANALYTICAL TECHNIQUE 分析手法FEED WATER 供給水INITIAL EFF 初期流出物GAL ガロンREMOVED EFFICIENCY 除去（REMOVAL）効率
【図５Ｂ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：PURITY LEVEL OF EFFLUENT FROM SORBENT CARTRIDGEIN THE TREATMENT OF OKLAHOMA CITY WATER WITH ADDED CONTAMINANTS 汚染物質を添加したオクラホマシティーの水の処理における収着剤カートリッジからの流出物の純度レベルDetection Limit 検出限界Free Chlorine 遊離塩素Chloramine クロラミンIon Selective Electrode イオン選択電極Reagent 試薬
【図５Ｃ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：PURITY LEVEL OF EFFLUENT FROM SORBENT CARTRIDGEIN THE TREATMENT OF OKLAHOMA CITY WATER WITH ADDED CONTAMINANTS 汚染物質を添加したオクラホマシティーの水の処理における収着剤カートリッジからの流出物の純度レベルDetection Limit 検出限界Conductivity 伝導度pH meter ｐＨ計Conduct meter 伝導度計μmhos μモー
【図６Ａ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：Detection Limit 検出限界METALS 金属ANALYTICAL TECHNIQUE 分析手法FEED WATER 供給水EFFLUENT WATER 流出水GAL ガロンREMOVAL EFFICIENCY 除去効率
【図６Ｂ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：Detection Limit 検出限界Flameless AA フレームレスＡＡ
【図６Ｃ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：Detection Limit 検出限界
【図７Ａ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：Detection Limit 検出限界METALS/NON-METALS 金属／非金属ANALYTICAL TECHNIQUE 分析手法FEED WATER 供給水EFFLUENT WATER 流出水GAL ガロンREMOVAL EFFICIENCY 除去効率initial 初期final 最終
【図７Ｂ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：Detection Limit 検出限界Reagent 試薬Ion Selective Electrode イオン選択電極initial 初期final 最終
【図７Ｃ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：Detection Limit 検出限界Free Chlorine 遊離塩素Chloramine クロラミンReagent 試薬pH meter ｐＨ計
【図８Ａ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。図中英語：REMOVAL OF TOXIC INORGANIC CONTAMINANTS FROM TAPWATER AT 5゜C ５℃の水道水からの毒性無機汚染物質の除去NOTE: (i) Adsorption test results scaled up to1500 gm cartridge for treatment of 70 gal. water 注：（ｉ）７０ガロンの水の処理のために１５００ｇｍにスケールアップしたカートリッジの吸着試験の結果(ii) DL = Detection Limit （ｉｉ）ＤＬ＝検出限界TOXIC CHEMICALS 毒性化学物質LEVEL TESTED 試験レベルREMOVAL EFFICIENCY 除去効率LEVEL IN EFFLUENT 流出物中のレベルAMT. OF WATER TREATED BEFORE BREAKTHROUGH (ABOVEAAMI STD.) 破過（ＡＡＭＩ基準を上回る）前に処理された水の量AAMI STD. ＡＡＭＩ基準soluble 可溶性Below DL ＤＬ未満gal. ガロンselect electrode 選択電極Reagent 試薬
【図８Ｂ】本発明のカートリッジからの流出物の純度レベルを示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は一部、浄水カートリッジ、又は収着剤カートリッジ、又は無機イオン交換材料及び／若しくは収着剤を用いて液体等の物質を浄化するカートリッジに関する。カートリッジは、水中に存在する少なくとも一部、全部又は実質的に全部の汚染物質を除去するために様々な供給水に使用することができる。カートリッジは、食品、飲料及び／又は健康産業の要件を満たす一貫した高品質の給水をもたらすことができる。浄化された水は、例えば料理、飲用、温飲料及び冷飲料の製造、醸造、洗浄並びに／又は製氷に使用することができる。本発明に従って浄化した水は、透析システム、及び医療目的、製薬目的若しくは工業目的、又は住宅関連目的で使用することもできる。
【００２７】
カートリッジは、少なくとも２つのジルコニウムイオン交換樹脂の層を含有する小型のカラムであってもよい。カートリッジは、ＥＰＡの第１種及び第２種飲料水質基準を最大許容汚染レベル（ＭＡＣＬ）で満たす（又は更には満たさない）水質を有する都市上水道等の上水道からの水を浄化することができる。
【００２８】
カートリッジを使用して、透析液に使用される水の浄化のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ要件を満たすように水を浄化することができる。本発明のカートリッジは、透析液の調製のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準を満たすために、都市上水道からＮａ＋イオン及びＣｌ−イオンを除去することができる。カートリッジは例えば、ＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ要件に従って、水中のＮａ＋含有量を７０ｐｐｍ以下（例えば６５ｐｐｍ〜１ｐｐｍ、５０ｐｐｍ〜５ｐｐｍ）に低下させるために使用することができる。カートリッジは、細菌増殖を回避するための単回透析治療に使用することができ、かつ／又はＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ基準を満たすようにエンドトキシンを更に除去することができる。
【００２９】
カートリッジは、毒性のカチオン及びアニオン、有機物、塩素、クロラミン、微生物、カビ、藻類、シルト粒子並びに／又はコロイド状物質のうち１つ又は複数の少なくとも一部を除去することができる。カートリッジは、硬質金属であるＣａ２＋、Ｍｇ２＋、並びに過剰のＫ＋及び過剰のＮａ＋を水から除去することができる。カートリッジを使用して、アルミニウム、フッ化物及び硝酸イオン等の他の毒性無機汚染物質を、かかる汚染物質が高レベルで存在する場合であっても効率的に都市用水から除去することができる。これらの不純物の各々について、本発明は、それらの不純物及び／又は汚染物質の一部、ほぼ全部又は全部を除去することができる。
【００３０】
カートリッジは、ジルコニウムイオン交換樹脂を含み得る。カートリッジは、リン酸ジルコニウムナトリウム（ＮａＺｒＰ）を有する第１の層と、酸性リン酸ジルコニウム（ＡＺＰ）及びアルカリ性含水酸化ジルコニウム（ＮａＨＺＯ）の混床又は組合せを有する第２の層とを備えるか、又はそれらから本質的になるか、又はそれらからなることができる。第１の層は、ＮａＺｒＰを含むか、又はそれから本質的になるか、又はそれからなることができる。第２の層は、ＡＺＰとＮａＨＺＯとを含むか、又はそれらから本質的になるか、又はそれらからなることができる。本発明の目的上、リン酸ジルコニウムナトリウム（すなわちＮａＺｒＰ）は、Ｎａ＋形態のリン酸ジルコニウム（ＺｒＰ）、又はＮａＯＨによってｐＨ約６．０〜約７．４、好ましくはｐＨ約６．５〜約７．０に滴定調節した酸性ＺｒＰを意味する。ＮａＺｒＰは、以下の化学的性質及び物理的性質を有し得る：
組成：（Ｈ＋）ｘ（Ｎａ＋）ｚ（ＺｒＯ２）（ＯＨ−）ｙ（ＰＯ４）１．８〜２・ｎＨ２Ｏ、又は
Ｎａ Ｗｔ％：４〜６；ＺｒＯ２ Ｗｔ％：３４〜３７；リン酸 Ｗｔ％：４１〜４３；Ｈ２Ｏ：１４ｗｔ％〜１８ｗｔ％
イオン交換式：［ＺｒＯ２（ＯＨ）ｙ（ＰＯ４）２］２−・Ｈ＋ｘＮａ＋ｚ
構造式：式中でＨ＋の１つ、２つ、３つ又はそれ以上がＮａ＋に置き換えられている以外は下記ＡＺＰと同じ。
【００３１】
本発明の目的上、酸性リン酸ジルコニウム（すなわちＡＺＰ）は、Ｈ＋形態のリン酸ジルコニウムを意味する。ＡＺＰは以下の化学的性質及び物理的性質を有し得る：
組成：（Ｈ＋）ｘ（ＺｒＯ２）（ＯＨ−）ｙ（ＰＯ４）１．８〜２．０・ｎＨ２Ｏ
イオン交換式：［ＺｒＯ２（ＯＨ）ｙ（ＰＯ４）２］２−・Ｈ＋ｘ
構造式：
【化１】
式中、Ｈ＋のｘは１．５〜２．０であり、ＯＨ−のｙは０．５〜０であり、Ｈ２Ｏ及び構造式のｎは１〜４である。ｘ、ｙ及びｎは、これらの範囲内の任意の小数であることができ、任意でこれらの範囲を上回るか又は下回ってもよい。ＡＺＰは、例えば約２ｍＥｑ Ｈ＋／ｇ ＡＺＰ〜１０ｍＥｑ Ｈ＋／ｇ ＡＺＰ、約４ｍＥｑ Ｈ＋／ｇ ＡＺＰ〜８ｍＥｑ Ｈ＋／ｇ ＡＺＰ、又は約５ｍＥｑ Ｈ＋／ｇ ＡＺＰ〜７ｍＥｑ Ｈ＋／ｇ ＡＺＰの水素イオン含有量を有し得る。ＡＺＰは、水中（１ｇ／１００ｍｌ）において例えば約０．５〜５又は約１〜３のｐＨ、及びブライン中（１ｇ／１００ｍｌ）において例えば約０〜５又は約０．５〜１．５のｐＨを有し得る。
【００３２】
本発明の目的上、アルカリ性含水酸化ジルコニウム（すなわちＮａＨＺＯ）は、酸化ジルコニウムがヒドロキシル化されたアルカリ形態の含水酸化ジルコニウム（ＺｒＯ（ＯＨ）２）を意味する。ＮａＨＺＯは以下の化学的性質及び物理的性質を有し得る：
組成：Ｎａ＋ｘＺｒＯ２（ＯＨ−）ｙ・ｎＨ２Ｏ
イオン交換式：ＺｒＯ２・ＯＨ−
構造式：
【化２】
式中、Ｎａ＋のｘは１であり、ＯＨ−のｙは２〜４であり、Ｈ２Ｏのｎは４〜６であり、ｘ、ｙ及びｎは、これらの範囲内の任意の小数であることができ、任意でこれらの範囲を上回るか又は下回ってもよい。ＮａＨＺＯは、例えば約０．５：１．５〜約１：１又は約１．５：０．５の範囲内のＮａ：ＺｒＯ２（モル比）のＮａ＋含有量を有し、かつ／又は例えば、約３ｍＥｑ ＯＨ−／１０ｇ ＮａＨＺＯ〜１２ｍＥｑ ＯＨ−／１０ｇ ＮａＨＺＯ、約５ｍＥｑ ＯＨ−／１０ｇ ＮａＨＺＯ〜１０ｍＥｑ ＯＨ−／１０ｇ ＮａＨＺＯ、又は約６ｍＥｑ ＯＨ−／１０ｇ ＮａＨＺＯ〜９ｍＥｑ ＯＨ−／１０ｇ ＮａＨＺＯの範囲内のヒドロキシルイオン含有量を有し得る。ＮａＨＺＯは、水中（１ｇ／１００ｍｌ）において例えば約７〜１４、約９〜１２又は約１０〜１１のｐＨを有し得る。
【００３３】
本発明は、一部、以下の機序に基づく：（１）Ｎａ＋の放出と引き換えの、ＮａＺｒＰによる水中に存在するＣａ２＋、Ｋ＋、Ｍｇ＋及び／又は毒性微量金属の結合；（２）Ｈ＋の放出と引き換えの、（１）において水中に放出されたＮａ＋とＺｒＰとの結合；（３）ＯＨ−の放出と引き換えの、水中のアニオン性汚染物質とＮａＨＺＯとの結合。（２）及び（３）の反応、又は第２の層、すなわち「混床」層で起こるイオン交換相互作用は、下記に示すように進行し得る：
ＺｒＰ−Ｈ＋＋Ｎａ＋→ＺｒＰ−Ｎａ＋＋Ｈ＋
ＺｒＯ２−ＯＨ−＋Ａｎ−→ＺｒＯ２−Ａｎ−＋ＯＨ−
Ｈ＋＋ＯＨ−→Ｈ２Ｏ
【００３４】
「実質的に全部」又は「ほぼ全部」という表現は、本明細書中で使用される場合、存在する汚染物質又は不純物の総量に基づいて、およそ例えば９０重量％〜９９．９重量％、９５重量％〜９９重量％、９６重量％〜９９．９重量％、５５重量％〜９９．９重量％、６０重量％〜８０重量％又は６５重量％〜７０重量％の量を表し得ることを理解されたい。
【００３５】
下記により詳細に記載されるように、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せ、すなわちカートリッジの混床層は、Ｈ＋及びＯＨ＋の放出と引き換えに、水からカチオン及びアニオンを効率的かつ同時に吸着することができる。対照的に、Ｈ＋形態のＺｒＰ（すなわちＨ＋−ＺｒＰ）を単独で使用する場合、水中の他の金属イオン、特にＣａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｋ＋及びＮａ＋に対する吸着能は大幅に低下する。これらの金属イオンは、ＺｒＰに対して高い親和性を有するＨ＋イオンを容易に置換することはできないと考えられる。また、酸性ＺｒＰを単独で使用する場合、酸性ＺｒＰ床と接触する水のｐＨが低いと、Ｈ＋イオンは他の金属によって容易に置換されない。ＺｒＰの吸着能は、水のｐＨが高くなるとともに増大すると考えられる。カチオンに対するＺｒＰの親和性系列は、以下のように表すことができる：
（ＮＨ４＋＞Ｈ＋＞Ｃｕ２＋、Ｂａ２＋、Ｐｂ２＋、Ａｇ＋、Ｃｄ２＋、Ｈｇ２＋、Ｚｎ＞Ｃｒ＋３、Ｍｎ２＋、Ｆｅ＋２＞Ｃａ２＋＞Ｎａ＋、Ｍｇ２＋、Ｋ＋）
【００３６】
同様に、ＯＨ−形態のＨＺＯ（すなわちＨＺＯ−ＯＨ−）を単独で使用する場合、水中の他のアニオンに対する吸着能は、ＯＨ−イオンに対するＨＺＯの高い親和性のために大幅に低下する。アニオンはイオン交換反応によってＯＨ−イオンを容易に置換することはできないと考えられる。また、アルカリ性ＨＺＯを単独で使用する場合、アルカリ性ＨＺＯ床と接触する水のｐＨが高いと、ＯＨ−イオンは他のアニオンによって容易に置換されない。ＨＺＯの吸着能は、材料のｐＨが低くなるとともに増大すると考えられる。アニオンに対するＨＺＯの親和性系列は、以下のように表すことができる：
ＰＯ４３−＞ＯＨ−＞クロム酸イオン＞Ｆ−、ヒ酸イオン、セレン酸イオン、ＮＯ３−、ＳＯ４２−＞Ｃｌ−
【００３７】
本発明のカートリッジは水を効果的に脱イオン化することができる。カートリッジは、Ｎａ＋形態のＺｒＰを含むジルコニウム収着剤層、続いて酸性リン酸ジルコニウム（例えばＨ＋−ＺｒＰ）及びアルカリ性含水酸化ジルコニウム（例えばＨＺＯ−ＯＨ−）のブレンド混合物を含む別個のジルコニウム収着剤層を有するカートリッジを含み得る。Ｎａ＋形態のＺｒＰは、Ｎａ＋以外の供給水中のカチオンを全て除去することができる。Ｎａ＋形態のＺｒＰは、先に記載のイオン交換反応（反応Ｉ）によって、例えばＣａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｋ＋、ＮＨ４＋、及び他の全ての遷移金属イオン及び重金属イオンを除去することができる。次いで、この層から放出されたＮａ＋は、Ｈ＋−ＺｒＰ及びＨＺＯ−ＯＨ−のブレンド混合物を有する後続層中のＨ＋−ＺｒＰによって除去される。これは、アルカリ性ＨＺＯのＯＨ−イオンがＨ＋−ＺｒＰからＨ＋を引き抜き、水中のＮａ＋イオンとのイオン交換を促進する傾向があるために実現可能である。言い換えると、水中のＮａ＋とＺｒＰ中のＨ＋とのイオン交換反応は、アルカリ性ＨＺＯによるｐＨの上昇のために促進される。この反応は以下のように説明することができる：
【化３】
Ｈ＋−ＺｒＰは、このようにして先のＮａ＋−ＺｒＰ層から漏出した任意の他の金属イオンを捕捉することができる。Ｎａ＋−ＺｒＰの先行する層は、Ｋ＋、Ｍｇ２＋及びＣａ２＋を、これらのカチオンに対するＨ＋−ＺｒＰの親和性が非常に弱いために除去する。Ｎａ＋−ＺｒＰ層がなければ、先に記載したように、Ｋ＋、Ｍｇ２＋及びＣａ２＋がＨ＋−ＺｒＰ含有層において互いに置換し合い、これらの金属全ての漏出を引き起こす可能性がある。
【００３８】
混床層のＯＨ−形態のアルカリ性ＨＺＯは、供給水中のアニオンを除去することができる。Ｈ＋−ＺｒＰのＨ＋イオンは、ＨＺＯ−ＯＨ−からＯＨ−イオンを引き抜き、水中のアニオンとのイオン交換を促進する傾向がある。言い換えると、ＨＺＯ＋ＯＨ−と接触する水のｐＨは、Ｈ＋−ＺｒＰによって低下する。この反応は以下のように説明することができる：
【化４】
【００３９】
このため、Ｈ＋−ＺｒＰとＨＺＯ−ＯＨ−とをブレンドすると、材料と接触する水性媒体のｐＨが中性に近づくため、カチオン及びアニオンの両方を同時に吸着する能力が大幅に増大する。水を脱イオン化又は脱塩する混床Ｈ＋−ＺＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−層の反応機序は、以下の式によって表すことができる：
脱塩：
Ｈ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−＋Ｎａ＋（ａｑ）＋Ｃｌ−（ａｑ）→Ｎａ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−Ｃｌ−＋Ｈ２Ｏ（反応Ｖ）
脱イオン化：
Ｈ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−＋Ｍ＋（ａｑ）＋Ａｎ−（ａｑ）→Ｍ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−Ａｎ−＋Ｈ２Ｏ（反応ＶＩ）
【００４０】
上記の反応Ｖ及び反応ＶＩに示すように、混床層では、層に他の対イオンが装填されていないため、結合して水分子を生成するＨ＋イオン及びＯＨ−イオンの放出と引き換えに、カチオン及びアニオンをイオン選択性にかかわらず同時に水から除去することができる。水中のＺｒＰ及びＨＺＯのプロセシング及び僅かな解離に由来する化学物質（例えば、ＺｒＰからのリン酸イオン、ＨＺＯからのＮａ＋）も除去することができる。例えば、ＺｒＰに由来するリン酸イオン及びＨＺＯに由来するＮａ＋も水から除去され得る。リン酸イオンはＨＺＯによって吸着させることができ、ナトリウムイオンは上記の反応ＩＩＩのためにＡＺＰによって除去される。
【００４１】
Ｈ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−混床層及びＮａ＋−ＺｒＰ層は、水の処理又は浄化に使用することができる。Ｈ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−ブレンド層及びＮａ＋−ＺｒＰ層は、一般的な条件下で化学的に安定であり、水中で解離して可溶性のＺｒを検出可能なレベルで生成することがない。さらに、Ｈ＋−ＺｒＰ、ＨＺＯ−ＯＨ−及びＮａ＋−ＺｒＰは、これらの化学物質の粒度が４５ミクロン〜９０ミクロン（又はこの範囲を下回る若しくは上回るサイズ）であり得るため、水流に対してほとんど抵抗を示さない。
【００４２】
Ｈ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−ブレンド層及びＮａ＋−ＺｒＰ層を有するカートリッジは、毒性無機汚染物質を高効率で水から除去することができる。例えば、カートリッジは、存在する毒性無機汚染物質の総量に基づいて約８５重量％〜１００重量％、例えば９０重量％〜１００重量％、９２重量％〜１００重量％、９６重量％〜１００重量％、９８重量％〜１００重量％、９９重量％〜１００重量％又は９９．８重量％〜１００重量％の毒性無機汚染物質を水から除去することができる。カートリッジは、毒性有機物、エンドトキシン、塩素及び／又はクロラミンを除去し、それにより透析のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ基準（２００７年、２００８年又は２００９年の基準）を満たす水質をもたらすことができる。カートリッジは、都市用水を浄化し、水をヒトの摂取及び使用に安全なものにすることができる。カートリッジは、腎臓透析のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ基準に適合する水質を有する生成水をもたらすことができる。特に指定のない限り、全ての基準は２００７年、２００８年及び／又は２００９年の時点で制定されている基準である。
【００４３】
先に記載したように、第１の（すなわちＮａＺｒＰ含有）層によるＣａ２＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋の除去は、後続する第２の層（ＡＺＰ／ＮａＨＺＯの組合せを含有する）におけるこれらの金属の置換を防止する。結果的に、これらの金属の生成水への漏出が防止される。さらに、Ｈ＋形態のＺｒＰ（すなわちＡＺＰ）のカチオンイオン交換性は、例えばカートリッジ内の別個の層において単独で作用する場合、容易にＮａ＋又は水道水中に存在し得る他のカチオンと引き換えにＨ＋を放出することはない。しかし塩基の存在下では、塩基はＨ＋イオンをＡＺＰから引き抜く働きをすることができ、Ｈ＋イオンは続いて吸着されたカチオンによって置き換えられる。したがって、例えば均一混合物としてＮａＨＺＯとブレンドした場合、ＡＺＰのイオン交換性が影響を受ける場合がある。例えば他のカチオンと引き換えにＨ＋を放出するＡＺＰの能力は増大する。ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せは、カチオンを水道水から効率的に吸着することができる。いかなる理論にも束縛されることを望むものではないが、考えられる１つの理由は、ＮａＨＺＯ中に存在するＯＨ−基、及びＡＺＰ中のＨ＋とのそれらの相互作用が、イオン交換性の変化に関与し得るということであり得る。
【００４４】
ＰＯ４２−、Ｆ−、ＳＯ４２−及び他のアニオンに対する吸着能を有するＮａＨＺＯのアニオンイオン交換性は、酸性ｐＨ、例えば７未満のｐＨによる作用を受ける場合に変化し得る。酸の存在下では、ＮａＨＺＯは水中でアルカリ性であり、他のアニオンの吸着と引き換えにＯＨ−イオンを放出することができる。ＯＨ−イオンの放出は、酸物質（ＣＯ２ガス又はＨ＋イオン）を水から除去することができ、生成水のｐＨを許容可能な範囲内（例えばｐＨ６．０〜７．４）に保つ助けとなる。
【００４５】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せは、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯがカートリッジ内で例えば１つ又は複数の層として一様に分布した、又は互いに混合された均一混合物として存在し得る。本発明は、一部、ＡＺＰとＮａＨＺＯとの重量比が多様であり得るＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せにも関する。例えばＮａＨＺＯの割合を調整する（例えば、低下又は上昇させる）ことによって、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せにより、浄化された生成水のｐＨを更に制御することができる。
【００４６】
ＮａＺｒＰはカートリッジ内に少なくとも１つの層として存在することができる。ＮａＺｒＰは少なくとも１つの層中にＮａＺｒＰ粒子として存在することができる。ＮａＺｒＰ粒子は少なくとも１つの層中に単独で、又は本明細書中に記載の他の材料との組合せで存在することができる。ＮａＺｒＰ粒子は、例えば約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均サイズを有し得る。
【００４７】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せは、カートリッジ内に少なくとも１つの層として一緒に存在していてもよい。カートリッジは少なくとも２つの層を備えることができ、カートリッジはＮａＺｒＰを含む少なくとも１つの他の層を備えることができる。ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せは、例えば約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均サイズを有するＡＺＰ粒子及びＮａＨＺＯ粒子としてカートリッジ内に存在することができる。
【００４８】
ＮａＺｒＰはジルコニウム塩水溶液及びリン酸水溶液を反応させることによって調製することができるか、又は固体Ｚｒ化合物（複数も可）をリン酸（複数も可）とともに用いて調製することができる。ジルコニウム塩水溶液及びリン酸水溶液は、攪拌器を取り付けた反応容器内で反応させることができる。溶液は反応容器内、室温で適度な攪拌器速度で反応させることができる。次いで、撹拌を同じ速度に維持しながら、例えば５０％ＮａＯＨを添加することによって沈殿物のスラリーをｐＨ約６．０〜７．４、又はおよそ６．５〜７．０に滴定調節することができる。滴定調節の後、材料を再度３０分間、撹拌することなく静置することができる。反応によってスラリーが形成し、これを濾過して洗浄した後、例えば１６重量パーセント乾燥減量（ＬＯＤ）〜２０重量パーセント乾燥減量（ＬＯＤ）の水分レベルまで乾燥させる。他のＬＯＤも可能である。生成物は、５ミクロン〜１５０ミクロンの粒度範囲を有する易流動粉末であり得る。ＮａＺｒＰは、例えば約１０ミクロン〜８０ミクロン、約２５ミクロン〜６０ミクロン、約２５ミクロン〜４５ミクロン、約３０ミクロン〜６０ミクロン、約４５ミクロン〜９０ミクロン、約７０ミクロン〜１００ミクロン又は約１００ミクロン〜１５０ミクロンの平均粒度を有する粒子を含み得る。ゾルゲル手法を用いて粒度を制御することができる。ＮａＺｒＰは、例えば米国特許第７，５６６，４３２号（その全体が参照により本明細書中に援用される）に記載の方法に従って調製することができる。
【００４９】
ＡＺＰは、ジルコニウム塩水溶液とリン酸水溶液との間の反応によって調製することができるか、又は固体ジルコニウム化合物（複数も可）をリン酸（phosphoricacid）（複数も可）とともに用いて調製することができる。反応によってゼラチン状沈殿物が形成し、これを濾過して、過剰のリン酸が除去されるまで洗浄した後、炉内で例えば約１２重量パーセント乾燥減量（ＬＯＤ）〜１８重量パーセント乾燥減量（ＬＯＤ）の水分レベルまで乾燥させる。他のＬＯＤも可能である。乾燥後の最終生成物は、例えば不整形状を有する微粉末又は顆粒であり得る。ＡＺＰは、例えば約５ミクロン〜１００ミクロン、約１０ミクロン〜８０ミクロン、約２５ミクロン〜６０ミクロン又は約２５ミクロン〜４５ミクロンの平均粒度を有する粒子を含み得る。平均粒径はこれらの範囲に限定されず、これらの範囲を上回る又は下回るサイズであってもよい。ゾルゲル手法を用いて粒度を制御することができる。
【００５０】
ＡＺＰは、例えば米国特許第６，８１８，１９６号（その全体が参照により本明細書中に援用される）に開示の方法に従って調製することができる。簡潔に述べると、ＡＺＰは、オキシ塩化ジルコニウム（ＺＯＣ）をソーダ灰とともに加熱して、炭酸ジルコニウムナトリウムを形成し、炭酸ジルコニウムナトリウムを苛性ソーダで処理して、アルカリ性含水酸化ジルコニウムを形成することによって調製することができる。次いで、アルカリ性含水酸化ジルコニウムの水性スラリーを、リン酸及び回収した酸性リン酸ジルコニウムを添加しながら加熱することができる。ＡＺＰの水性スラリーはまた、苛性ソーダ等の塩基性剤（basic agent）を用いて、所望のｐＨ（例えばｐＨ約５〜約７）に達するまで滴定調節することができる。
【００５１】
代替的には、ＡＺＰは、塩基性硫酸ジルコニウム（ＢＺＳ）及びリン酸の水性混合物を、十分な温度（例えば１８０°Ｆ〜１９０°Ｆ）で十分な時間（例えば１時間〜２時間）加熱して、酸性リン酸ジルコニウム沈殿物を形成することによって調製することができる。次いで、溶液を冷却することができ、酸性リン酸ジルコニウムを濾過して洗浄し、未反応の浸出性のリン酸塩のレベルを低下させることができる。ＡＺＰ粒子を、例えば約１２０°Ｆ〜１７０°Ｆで更に乾燥させることができる。ＡＺＰ粒子は２ｍ２／ｇ未満のＢＥＴ表面積を有し得る。例えば、ＡＺＰは実施例１に記載のように調製することができる。
【００５２】
ＡＺＰは、例えば米国特許出願公開第２００６／０１４０８４０号（その全体が本明細書中に与えられる教示と併せて参照により本明細書中に援用される）に開示の方法に従って調製することができる。簡潔に述べると、ＡＺＰは、オキシ塩化ジルコニウム（ＺＯＣ）及び有機化学添加物の水溶液を調製した後、濃塩酸（ＨＣｌ）で滴定調節して沈殿物を完全に溶解させることによって調製することができる。次いで、このＺＯＣ溶液をリン酸溶液に添加し、ＡＺＰ沈殿物のスラリーを得る。次いで、沈殿物を濾過して洗浄する。ＡＺＰ粒子は１０ｍ２／ｇを超えるＢＥＴ表面積を有し得る。例えば、ＡＺＰは実施例２に記載のように調製することができる。
【００５３】
アルカリ性含水酸化ジルコニウムは、ジルコニウム塩（例えばＢＺＳ）又はその水溶液を（例えばゾルゲル法によって）アルカリ金属（又はアルカリ金属化合物）と常温で反応させて、ＮａＨＺＯ沈殿物を形成することによって調製することができる。ＮａＨＺＯ粒子を濾過して、ジルコニウム塩のアニオンが完全に除去されるまで洗浄した後、例えば約２５重量パーセントＬＯＤ〜３０重量パーセントＬＯＤ以下の水分レベルまで好ましくは風乾させるか、又は温和な温度（例えば６０°Ｆ〜９０°Ｆ未満）の炉内で乾燥させて、易流動粉末を形成することができる。他のＬＯＤを達成することができるが、より低い水分レベル（すなわち、２０重量パーセントＬＯＤ未満）を達成するための、より高い温度（例えば９０°Ｆ〜１２０°Ｆ）及び／又は長い乾燥時間（例えば２４時間〜４８時間）は、ジルコニウム−水酸化物結合をジルコニウム−酸化物結合に変換し、アニオン交換材料の吸着能及びアルカリ度を低下させる可能性がある。乾燥温度とは、炉又は乾燥機内の公称温度を指す。ＮａＨＺＯは、約１０ミクロン〜１００ミクロン、約２０ミクロン〜８０ミクロン、約２５ミクロン〜６０ミクロン又は約２５ミクロン〜４０ミクロンの平均粒径を有する粒子を含み得る。平均粒径はこれらの範囲に限定されず、これらの範囲を上回る又は下回るサイズであってもよい。ＮａＨＺＯは２ｍ２／ｇ未満のＢＥＴ表面積を有し得る。例えば、ＮａＨＺＯは実施例３に記載のように調製することができる。
【００５４】
ＮａＨＺＯは、例えば米国特許出願公開第２００６／０１４０８４０号（その全体が本明細書中に与えられる教示と併せて参照により本明細書中に援用される）に開示の方法に従って調製することができる。簡潔に述べると、このＮａＨＺＯの調製方法は、濃ＨＣｌで滴定調節したＺＯＣの水溶液を、苛性ソーダの水溶液に添加することを含む。ＨＣｌの添加は、沈殿プロセス中の過剰のゲル化を防止し、粒子成長を促進し得る。ＮａＨＺＯ粒子は１０ｍ２／ｇを超えるＢＥＴ表面積を有し得る。例えば、ＮａＨＺＯは実施例４に記載のように調製することができる。
【００５５】
カートリッジは粒状活性炭（ＧＡＣ）を含有していてもよい。ＧＡＣはカートリッジ内に別個の層として存在することができる。カートリッジは、少なくとも３つの層（カートリッジの１つの層がＧＡＣを含み、残りの２つの層がイオン交換樹脂を含むことができる）を備えるか、それらから本質的になるか、又はそれらからなることができる。例えば、カートリッジの１つの層がＧＡＣを含んでいてもよく、別の層がＮａＺｒＰを含んでいてもよく、残りの層がＡＺＰ／ＮａＨＺＯの組合せを含んでいてもよい。ＧＡＣは水中に存在する塩素、クロラミン、有機物、Ｈ２Ｓ及び／又は微生物を結合及び除去するのに有用であり得る。ＧＡＣ層をカートリッジ内に存在するイオン交換樹脂の前に（すなわちそれに先行して）配置することが好ましい。また、活性炭の層から浸出した毒性微量金属をジルコニウム収着剤によって除去することができるように、活性炭の層をジルコニウム収着剤の前に配置してもよい。
【００５６】
カートリッジは広範な温度で機能することができる。カートリッジは０℃〜１００℃、例えば２０℃〜９０℃、３０℃〜７０℃又は４０℃〜８０℃の温度範囲で機能することができる。
【００５７】
管状のハウジング又はカートリッジ内の様々な濾材部又は収着剤材料を、本発明のＮａＺｒＰ、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯとともに使用することができる。ハウジング又はカートリッジは、例えば１つ又は複数の更なるイオン交換部、１つ又は複数の更なるＧＡＣ部を備えていてもよい。カートリッジは、カートリッジの層を隔て、かつ／又は水の更なる濾過をもたらす、１つ又は複数のセパレーターパッド、フィルターパッド又は濾紙等の濾材を備えていてもよい。ハウジング又はカートリッジは、水中の濁り、塩素、クロラミン、微生物及び／又は他の粒子（例えばシルト及び／又はコロイド状物質）を除去するためのカーボンプレフィルター（カーボンパッド等）を備えていてもよい。カーボンパッドによってカートリッジをより小型にすることができる。しかしながら、カーボンプレフィルターが備えてられていてもよいが、カーボンプレフィルターはカートリッジに必要ではないことを理解されたい。
【００５８】
カートリッジのハウジングは、任意の材料、例えば任意の好適な不透過性のポリマー材料及び／又はガラス材料から作製することができる。ハウジング又はカートリッジは、ポリカーボネートから作製することができる。ハウジング又はカートリッジは任意の好適な形状を有することができ、例えば、ハウジング又はカートリッジは円筒形、長方形又は正方形であり得る。
【００５９】
カートリッジは、任意の所望の量の水を浄化するように構成することができる。所望の量の水を浄化するのに必要とされ得る、ハウジング若しくはカートリッジの寸法及び／又はカートリッジ内の構成要素の量は、容易に決定することができる。例えば、１０リットルの水を浄化するのに好適なカートリッジは、以下のように構成することができる。カートリッジは、約６．０’’の高さ、約２’’の内径及び約０．０５’’の厚さを有し得る。カートリッジは様々な濾材部又は層を備えることができる。カートリッジの少なくとも１つの部分又は層は、ＮａＺｒＰを１カートリッジ当たり約１０ｇ〜８０ｇ、例えば約２０ｇ、３０ｇ、４０ｇ、５０ｇ、６０ｇ又は７０ｇの量で含み得る。カートリッジの少なくとも１つの部分又は層は、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せを含み得るが、ここでＡＺＰ／ＮａＨＺＯ含有層中のＡＺＰは、例えば１カートリッジ当たり約４０ｇ〜１００ｇ、例えば５０ｇ、６０ｇ、７０ｇ、８０ｇ、９０ｇ又は１００ｇの量で使用することができる。ＡＺＰ／ＮａＨＺＯ含有層中のＮａＨＺＯは、例えば１カートリッジ当たり約７０ｇ〜１３０ｇ、例えば８０ｇ、９０ｇ、１００ｇ、１１０ｇ又は１２０ｇの量で使用することができる。カートリッジは、４０ｇ〜１００ｇ、例えば５０ｇ、６０ｇ、７０ｇ、８０ｇ又は９０ｇの量で粒状活性炭を有する、少なくとも１つの部分又は層を備えることができる。より具体的な例としては、５インチ径のカラムは、３００ガロン〜５００ガロンの水を処理することができる約２０００ｇ〜２５００ｇのジルコニウム収着剤材料を含有し得る。例えば、処理される水に対するジルコニウム材料（ＮａＺｒＰとＡＺＰとを合わせた量）の比率は、処理される水１ガロン当たりジルコニウム材料約２グラム〜１０グラムであり得る。
【００６０】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯは任意の所望の重量比で存在することができる。ＮａＨＺＯ：ＡＺＰの重量比は、例えば約０．２：０．８〜約０．８：０．２、約０．５：０．５〜約０．６：０．４、又は約０．２２：０．７８〜約０．３３：０．６７の範囲であり得る。ＮａＨＺＯ：ＡＺＰの重量比は、例えば０．４：０．６であり得る。様々な重量比のＡＺＰ及びＮａＨＺＯによって任意の所望のｐＨを有する混合物をもたらすことができる。ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの混合物は、例えば約３〜約９、約３〜約７、約３．５〜約４、約４〜約５．５、又は約５．５〜約６のｐＨを有し得る。
【００６１】
ＮａＺｒＰは、任意の所望のｐＨ、例えば約５．５〜約７．５、約６．０〜約７．０、又は約６．５〜約７．０のｐＨを有するように滴定調節したＺｒＰであり得る。好ましくは、ＺｒＰを約６．０〜約７．４又は約６．５〜約７．０のｐＨに滴定調節する。
【００６２】
ジルコニウムイオン交換樹脂は熱的に安定であり、高温であっても水を処理するために使用することができる。カートリッジは、任意の温度、例えば１℃〜４０℃、又は１０℃〜３０℃、又は２０℃〜３５℃の水を浄化するために使用することができる。ジルコニウムイオン交換樹脂は、０．０３ｍｌ／ｇ〜０．０８ｍｌ／ｇのメソ多孔性レベル（総細孔容積）、及び／又はＺＰに対して１ｍ２／ｇ〜３０ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積、ＨＺＯに対して２０ｍ２／ｇ〜１００ｍ２／ｇのＢＥＴ表面積を有し得る。ジルコニウムイオン交換樹脂のメソ多孔性は、供給水中の微生物、エンドトキシン、塩素及び／又はクロラミンを減少させる助けとなることができる。ジルコニウムイオン交換樹脂は、細菌増殖に対し少なくとも部分的に又は完全に耐性を示し得る。
【００６３】
カートリッジは、任意のレベルの汚染を有する水を浄化するために使用することができる。カートリッジは、汚染物質が高濃度で存在する場合であっても毒性無機化学物質を除去することができる。カートリッジは、例えば下記表１に記載した特性の１つ若しくは複数又は全てを有する水を浄化するために使用することができる。２つ以上の特性の任意の組合せも可能である。示した量は上限値であり、カートリッジはそれらのレベル、又は更により低いレベル、例えば表１に示すよりも１０％、２０％、３０％、４０％又は５０％低いレベルを達成することができる。
【００６４】
表１． 試験した供給水の質及び吐出の耐久限界
【表１】
【００６５】
概して、本発明のカートリッジは、表３、表５〜表７、表８、表２３、表２２〜表２３、又は図４〜図８の任意の１つ又は複数に記載の具体的な純度レベルの１つ又は複数を達成することができる。
【００６６】
カートリッジは、ＮａＺｒＰ粒子、ＡＺＰ粒子及びＮａＨＺＯ粒子の１つ又は複数の層又は区域を含有することができるが、この場合、カートリッジは、第１の端部（入口）から始まり第２の端部（出口）で終わる配置、ＮａＺｒＰ部、複合ＡＺＰ／ＮａＨＺＯ部を含む複数の濾材部（又は層）を有する。先に述べたように、カートリッジは任意で活性炭部を含有してもよい。
【００６７】
カートリッジは任意で、本明細書中に記載されるようなＮａＺｒＰ層、ＡＺＰ層、ＮａＨＺＯ層以外のジルコニウムを含有する任意の他の層及び／又はジルコニウムを含有する構成要素を有しない。
【００６８】
浄水用カートリッジは、例えば図１及び図２に示すように構成することができる。図１に示すように、カートリッジ１は、入口２を有する第１の端部と、出口４を有する第２の端部とを有し得る。図面に示してはいないが、入口は、カートリッジに入る水の流れを制御するための制御弁又は圧力調整器を有していてもよい。第１の端部は、第２の端部の反対側にある、すなわち第２の端部に対向することができる。カートリッジは、ＮａＺｒＰを含有する第１の層（ＮａＺｒＰ含有層）６と、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せを含有する第２の層（ＮａＨＺＯ／ＡＺＰ含有層）８とを有し得る。第１の（すなわちＮａＺｒＰ含有）層６は、第２の（すなわちＮａＨＺＯ／ＡＺＰ含有）層８よりも入口２の近くに配置され得る。第２の層８は第１の層６に後続し得る。第２の層８は、第１の層６よりも出口４の近くに配置される。ＮａＺｒＰ含有層６は、毒性重金属、アンモニア、ＮＨ４＋、アミン、Ｋ＋及び／又は硬質金属（Ｃａ２＋及びＭｇ２＋等）を除去することができる。ＡＺＰ／ＮａＨＺＯ含有層８中のＡＺＰは、水中のＮａ＋、並びに水中の微生物、カビ及び／又は藻類を除去することができる。ＡＺＰ／ＮａＨＺＯ含有層８中のＮａＨＺＯは、水中の毒性アニオン、例えば硫酸イオン、硝酸イオン、フッ化物イオン、クロム酸イオン、セレン酸イオン及び／又はヒ酸イオンを除去することができる。
【００６９】
カートリッジ１は、様々な濾材部を有することができ、例えば管状のハウジング又はカートリッジ内の様々な濾材部を、本発明のＮａＺｒＰ、ＡＺＰ、ＮａＨＺＯ、ＧＡＣとともに使用することができる。図２は、カートリッジ１内の濾材部の一配置を示す。図２に示すように、カートリッジ１は図１について上記したように、ＮａＺｒＰを含有する第１の層６と、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せを含有する第２の層８とを有し得る。カートリッジ１は、入口２に隣接したカーボンパッド１０を含有し得る。カーボンパッド１０は、水中の塩素、クロラミン、微生物及び／又は他の粒子（シルト及び／又はコロイド状物質等）を除去することができる。カーボンパッド１０は、当該技術分野で既知の任意の好適なカーボンパッドであり得る。ＧＡＣ１２の層は、カーボンパッド１０に後続し得る、すなわちカーボンパッド１０の直後に配置され得る。ＧＡＣ１２は塩素、クロラミン、有機物、Ｈ２Ｓ及び／又は微生物を除去することができる。ＧＡＣ１２は、第１の（すなわちＮａＺｒＰ含有）層６に隣接して配置され得る。セパレーターパッド１４によってＧＡＣ１２とＮａＺｒＰ含有層６とを隔ててもよい。セパレーターパッド１４は水の濁りを除去することができる。濾紙１６が、第１の層６と第２の層８とを隔てるように第１の層６と第２の層８との間に配置され得る。フィルターパッド１８は、ＡＺＰ／ＮａＨＺＯ含有層と出口４との間に配置され得る。フィルターパッド１８は、粒子の漏出を防止し、粒状材料に対する充填支持を与え、かつ／又はチャネリングを防止することができる。
【００７０】
水を浄化する方法は、水を上記に詳述したような本発明のカートリッジに通すことを含み得る。カートリッジによって浄化される水は、約５．８〜約７．５、例えば約６．０〜約７．４、又は約６．０〜約７．０のｐＨを有し得る。カートリッジによって浄化される水は、７０ｐｐｍ未満、又は０ｐｐｍ〜約７０ｐｐｍ、例えば１ｐｐｍ〜６０ｐｐｍ、又は約１５ｐｐｍ〜約５０ｐｐｍのＮａ＋含有量を有し得る。
【００７１】
浄水用カートリッジは、水道水、都市用水、都市飲料水、廃水、井戸水及び／又は天然水を浄化するために利用することができる。廃水とは、人為的影響によって品質が損なわれた任意の水を意味すると理解される。廃水は、家庭住宅（domestic residences）、商業用不動産、工業及び／又は農業によって排出された液体廃棄物を含んでいてもよく、広範な潜在的汚染物質及び濃縮物（concentrations）を包含し得る。天然水は、任意の天然源から得られる水、例えば地表水、井戸水、降水（precipitated water）及び／又は淡水化海水であり得ることを理解されたい。
【００７２】
カートリッジを用いて、汚染物質のレベルを許容可能なレベルにまで低下させるように水を処理することができる。カートリッジによって浄化された水は、飲料水又はヒト摂取について規定された基準、例えば米環境保護庁（ＥＰＡ）及び食品医薬品局（ＦＤＡ）によって規定された基準を満たすことができる。例えば、カートリッジによって浄化された水は、２００７年、２００８年及び／又は２００９年に制定されたＥＰＡ発令の第２種飲料水規則の要件を満たす純度レベルを達成することができる。
【００７３】
カートリッジによって浄化された水は、透析のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準を満たすことができる。このため、カートリッジを、血液透析機又は透析システムへ水を供給するために使用することができる。透析用の浄化新鮮透析液は、透析液のベースとして使用される水道水を、透析装置に入れる前に初めにカートリッジに通すことによって調製することができる。水道水中に存在する汚染物質（毒性金属イオン、非金属イオン及び塩素等）を、水を透析液のベースとして使用する前にカートリッジによって（許容可能な限界まで）除去することができる。透析装置は患者の血液と流体連結していてもよい。
【００７４】
本発明は、以下の態様／実施形態／特徴を任意の順序及び／又は任意の組み合わせで含む：
１．本発明は、カートリッジであって、
入口を有する第１の端部と、
該第１の端部に対向し、出口を有する第２の端部と、
リン酸ジルコニウムナトリウム（ＮａＺｒＰ）を含む第１の層と、
酸性リン酸ジルコニウム（ＡＺＰ）及びアルカリ性含水酸化ジルコニウム（ＮａＨＺＯ）の組合せを含む第２の層と
を備え、該第１の層が該第２の層よりも該入口の近くに配置され、該第２の層が該第１の層に後続する、カートリッジに関する。
２． ａ）第１の層が本質的にＮａＺｒＰからなり、かつ
ｂ）第２の層が本質的にＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せからなる、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
３． ａ）第１の層がＮａＺｒＰからなり、かつ
ｂ）第２の層がＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せからなる、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
４． 第２の層が該第１の層に直接後続する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
５． 第１の層及び第２の層が濾紙で隔てられる、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
６． ＮａＺｒＰ、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯが、約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均粒径を有する粒子である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
７． ＮａＺｒＰ、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯが、約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均粒径を有する粒子であり、該第１の層が約２０ｇのＮａＺｒＰを含み、該第２の層が約５０ｇのＡＺＰ及び８０ｇのＮａＨＺＯを含む、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
８． ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せが約３〜約７のｐＨを有する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
９． ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せが約３．５〜約４のｐＨを有する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１０． ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せが約５．５〜約６のｐＨを有する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１１． ＡＺＰ及びＮａＨＺＯが各々、約０．２：０．８〜約０．８：０．２のＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比をもたらす量で該組合せ中に存在する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１２． ＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比が約０．５：０．５〜約０．６：０．４である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１３． ＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比が約０．４：０．６である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１４． ＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比が約０．２２：０．７８〜約０．３３：０．６７である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１５． ＮａＺｒＰが約６．０〜約７．４のｐＨを有する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１６． ＮａＺｒＰが約６．５〜約７．０のｐＨを有する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１７． 粒状活性炭（ＧＡＣ）を更に含む、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１８． ＧＡＣが該カートリッジ内に層として存在する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
１９． ＧＡＣの層が該第１の層よりも該入口に近接して配置され、かつ該第１の層に先行する、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
２０． ＧＡＣの層と該第１の層との間に配置されるセパレーターパッドを更に備える、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
２１． 入口の直後に配置され、かつ該第１の層に先行するカーボンパッドを更に備える、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
２２． 出口の直前に配置され、かつ該第２の層に後続するフィルターパッドを更に備える、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
２３． カーボンパッド、セパレーターパッド及び／又はフィルターパッドを更に備える、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
２４． カーボンパッドを備えない、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジ。
２５． 水を浄化する方法であって、該水を任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジに通すことを含む、水を浄化する方法。
２６． 上記水が都市飲料水である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
２７． 上記水が廃水である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
２８． 上記水が天然水である、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
２９． 水中に存在するＣａ２＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋、毒性微量金属又はそれらの任意の組合せが、該第１の層によって実質的に除去される、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
３０． 水中に存在する毒性アニオン性汚染物質、Ｎａ＋又はそれらの任意の組合せが、該第２の層によって実質的に除去される、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
３１． 上記水を任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジに通した後、該水が透析治療のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準を満たす、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
３２． 透析用の浄化新鮮透析液を調製する方法であって、上記透析を行う前に水を任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載のカートリッジに通すことを含む、透析用の浄化新鮮透析液を調製する方法。
３３． 携帯透析システムを用いて上記透析を行う、任意の上記又は下記の実施形態／特徴／態様に記載の方法。
【００７５】
本発明は、これらの様々な特徴、又は上記及び／若しくは下記の文章及び／若しくは段落で記載される実施形態の任意の組合せを含むことができる。本明細書中に開示される特徴の任意の組合せは本発明の一部と考えられ、組み合わせ可能な特徴に関する限定は意図されない。
【００７６】
本発明の性質を例示するために以下の実施例を示す。しかしながら、本発明は、これらの実施例に記載の特定の条件又は詳細に限定されないことを理解されたい。
【実施例】
【００７７】
実施例１
約５００ガロンの汚染供給水を、本発明のカートリッジを用いて処理した。カートリッジは直径約５’’、高さ約１２’’とした。カートリッジの構成要素を、（層として）以下の順序とした：
１． 粒子フィルターパッド
２． １２００ｇｍの［Ｈ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−］（重量比５５：４５）
３． 濾紙
４． ５００ｇｍの［Ｎａ＋−ＺＰ］
５． カーボンパッド
６． ５００ｇｍの活性炭（Calgon）
７． カーボンパッド
【００７８】
汚染供給水の詳細を下記表２に示す。（得られた）生成水の質の詳細を下記表３に示す。水流量及び圧力損失を下記表４に示す。
【００７９】
表２． 負荷試験における汚染水の質
【表２】
表中化合物名
Silver:銀
Mercury:水銀
Sulfate:硫酸イオン
Lead:鉛
Nitrate:硝酸イオン
Chromium:クロム
Chloride:塩化物イオン
Barium:バリウム
Fluoride:フッ化物イオン
Cadmium:カドミウム
Arsenate:ヒ酸イオン
Copper:銅
Calcium:カルシウム
Iron(ferric)鉄（第二鉄）
Magnesium:マグネシウム
Manganese:マンガン
Sodium:ナトリウム
Zinc:亜鉛
【００８０】
表３． 生成水の質（１リットル／分の流量での５００ガロン寿命試験）
【表３】
【００８１】
表４． ５’’径モデルの圧力損失
【表４】
【００８２】
実施例２
約１００ガロンの不純水を、個々の汚染物質の負荷レベルで、実施例１と同じカートリッジ構成要素を用いて処理した。水流量は５００ｍｌ／分とした。得られた浄化水の詳細を下記表５〜表７に示す。
【００８３】
表５． 生成水の純度−カチオン
【表５】
【００８４】
表６． 生成水の純度−アニオン
【表６】
【００８５】
表７． 生成水の純度−殺菌剤
【表７】
【００８６】
実施例３
混合Ｈ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−の単層の他に、更なるジルコニウムイオン交換樹脂が存在しないカートリッジを用いて、水からの毒性化学物質の除去効率を求めた。カーボンパッドがこの層の下に、粒子フィルターパッドが上にあるものとした。カートリッジは直径約５’’であり、約２２５０ｇｍのＨ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−（ブレンド重量比１：１）を含有するものとした。５００ｍｌ／分の流量での汚染水からの毒性化学物質の吸着レベルを下記表８に示す。処理中の水の伝導度を下記表９に示す。
【００８７】
表８． 毒性化学物質の除去
【表８】
【００８８】
表９． 都市用水の処理中の伝導度モニタリング
（注：ＯＫＣの水道水の伝導度は１３０マイクロモーである）
【表９】
【００８９】
実施例４
この実験では、６０ｇのＨ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−単層混床層を有し、更なるジルコニウムイオン交換樹脂が存在しないカートリッジ（１’’×６−３／４’’）を使用した。カーボンパッドがこの単層の下に、粒子フィルターパッドが上にあるものとした。流量は２０ｍｌ／分とした。約７０ガロンの汚染された都市水道水からの毒性金属の除去についてカートリッジを試験した。カートリッジのカラムの詳細を下記表１０に示す。カートリッジは約６０ｇｍのＨ＋−ＺｒＰ／ＨＺＯ−ＯＨ−（重量比１：１）を含有するものとした。水は２５℃の温度を有し、下記表１１に示す付加的汚染物質を含有するものとした。このカートリッジによる吸着レベルを下記表１２に示す。
【００９０】
表１０． カラムの詳細
【表１０】
【００９１】
表１１． ２５℃の２０リットルの都市水道水の試験浴中の付加的汚染物質
【表１１】
【００９２】
表１２． 結果−約７０ガロンの水の処理のためにジルコニウム収着剤１５００ｇｍにスケールアップした吸着試験の結果
【表１２】
【００９３】
実施例５
汚染物質を添加したオクラホマシティーの都市用水を、以下の構成要素を（層として）順に有するカートリッジ（５’’×７’’）を用いて処理した：
１． 粒子フィルターパッド
２． １２００ｇｍの［Ｈ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−］（重量比１：１）
３． カーボンパッド
４． ５００ｇｍの活性炭（Calgon）
５． カーボンパッド
【００９４】
カラムの詳細を下記表１３に示す。
【００９５】
表１３． カラムの詳細
【表１３】
【００９６】
流出物の純度レベル（すなわち、カートリッジからの流出物中に存在する汚染物質のレベル）を図４及び図５に示した表に示す。
【００９７】
実施例６
実施例５と同じ設計のカートリッジを１Ｌ／分の流量で使用した。ジルコニウムカートリッジのカラムの詳細を下記表１６に示す。供給水１０ガロン当たりの汚染物質のレベルを表１７に示す。流出水における伝導度変化を表１８に示す。流出物の純度レベル（すなわち、流出物中に存在する汚染物質のレベル）を図６及び図７の表に示す。
【００９８】
表１６． カラムの詳細
【表１４】
５’’ＩＤモデル
Calgonの活性炭
カーボンパッド
粒子フィルターパッド
【００９９】
表１７． 供給水及び添加した汚染物質（１０ガロン当たり）
【表１５】
ヒ酸Ｎａ
処理された水の量
ガロン
水の流量
Ｌ／分
水の伝導度
μモー
【０１００】
表１８． 流出水の伝導度変化
【表１６】
供給水
初期流出物
ガロン
μモー
【０１０１】
実施例７
１００ｇのＨ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−単層を用いるカートリッジ（１’’×１１．２’’）を実施例３と同様に使用して、オクラホマシティーの都市水道水中の無機汚染物質の除去効率を約５℃という低温で試験した。カートリッジのカラムの詳細を下記表１９に示す。１分当たりの水２０ｍｌ中の付加的汚染物質を下記表２０に示す。流出物の純度（すなわち、流出物中に存在する汚染物質のレベル）の説明を図８の表に示す。
【０１０２】
表１９． カラムの詳細
【表１７】
１’’ＩＤモデル
流量
ｍｌ／分
【０１０３】
表２０． 水道水２０リットルの試験浴に対する付加的汚染物質
【表１８】
可溶性
ヒ酸Ａ
【０１０４】
実施例８
本発明のカートリッジを硬質金属の除去について試験した。カートリッジの構成要素は、（層として）以下の順序で存在するものとした：
１． 粒子フィルターパッド
２． １２００ｇｍの［Ｈ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−］（重量比５５：４５）
３． 濾紙
４． ５００ｇｍの［Ｎａ＋−ＺＰ］
５． カーボンパッド
【０１０５】
カラムの詳細及び試験条件を下記表２１に示す。試験の結果を下記表２２に示す。
【０１０６】
表２１． カラムの詳細及び試験条件
【表１９】
Ｎａ＋−ＺＰ（先行する層）
圧力
流量
ｍｌ／分
【０１０７】
表２２． 硬質金属の除去
【表２０】
時間（分）
プロセシングした容量
ｐＨ（ストリップ）
開始
浴
分
ガロン
【０１０８】
実施例９
本発明のカートリッジを、負荷レベルの硬質金属（Ｃａ２＋）、一般的な毒性アニオン（Ｆ−及び硫酸イオン）及び殺菌剤の除去について試験した。カートリッジの構成要素は以下の順序で（層として）存在するものとした：
１． 粒子フィルターパッド
２． １３０ｇｍの［Ｈ＋−ＺＰ：ＨＺＯ−ＯＨ−］（重量比５０：８０）
３． 濾紙
４． ２０ｇｍの［Ｎａ＋−ＺＰ］
５． セパレーターパッド
６． ５０ｇｍの活性炭（Calgon）
７． カーボンパッド
【０１０９】
カートリッジを図２に示すように構成した。第１の層６中のＮａＺｒＰの量は約２０ｇｍ（重量）とした。混床層８中のＡＺＰ及びＮａＨＺＯの量は約５０ｇｍ：８０ｇｍ（重量）とした。粒状活性炭層１２中の活性炭の量は約５０ｇｍとした。ジルコニウムカートリッジの入口２は直径約２’’とした。試験の結果を下記表２３に示す。
【０１１０】
表２３
【表２１】
塩素
浴
複合物
（Ｎａ＋についてのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ基準は７０ｐｐｍである）
・塩素は完全に除去される
・複合物中の生成水のｐＨは５．８２である
・流出複合物中のＴＤＳは１００ｐｐｍ未満である
【０１１１】
この試験については、流出物１リットル毎にサンプルを採取した。表中の複合サンプルは、全ての流出物サンプル（１〜９）の混合物を表す。塩素分析は、Hackの全塩素試験キットによって行った。Ｃａ２＋分析は、LaMotteの全硬度試験キットを用いて（ＣａＣＯ３として）行った。表２３から明らかなように、Ｃａ２＋、Ｆ−及びＳＯ４２−は、１リットル毎のサンプルの流出物において完全に除去され、複合物においては検出限界を下回った。また、Ｎａ＋は未処理浴中の４５ｐｐｍから流出複合物中の３５ｐｐｍへと低下した。
【０１１２】
本出願人は具体的に全ての引用文献の全内容を本開示において援用する。さらに、量、濃度又は他の値若しくはパラメータが、範囲、好ましい範囲又は上側の好ましい値及び下側の好ましい値のリストのいずれかとして挙げられる場合、これは、範囲が別々に開示されているかに関係なく、任意の上側の範囲限定又は好ましい値と、任意の下側の範囲限定又は好ましい値との任意の対からなる全ての範囲を具体的に開示していることを理解されたい。数値の範囲が本明細書中に列挙される場合、特に指定のない限り、その範囲は、その端点、並びに範囲内の全ての整数及び小数を含むことを意図する。範囲を規定する場合、本発明の範囲が記載の特定の値に限定されることを意図するものではない。
【０１１３】
本発明の他の実施形態は、本明細書及び本明細書中に開示される本発明の実施を考慮することにより、当業者に明らかとなるであろう。本明細書及び実施例は、例示的なものにすぎないと見なされ、本発明の真の範囲及び精神は添付の特許請求の範囲及びその均等範囲によって示されることが意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カートリッジであって、
入口を有する第１の端部と、
該第１の端部に対向し、出口を有する第２の端部と、
リン酸ジルコニウムナトリウム（ＮａＺｒＰ）を含む第１の層と、
酸性リン酸ジルコニウム（ＡＺＰ）及びアルカリ性含水酸化ジルコニウム（ＮａＨＺＯ）の組合せを含む第２の層と
を備え、該第１の層が該第２の層よりも該入口の近くに配置され、該第２の層が該第１の層に後続する、カートリッジ。
【請求項２】
ａ）第１の層が本質的にＮａＺｒＰからなり、かつ
ｂ）第２の層が本質的にＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せからなる、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項３】
ａ）第１の層がＮａＺｒＰからなり、かつ
ｂ）第２の層がＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せからなる、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項４】
第２の層が該第１の層に直接後続する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項５】
第１の層及び第２の層が濾紙で隔てられる、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項６】
ＮａＺｒＰ、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯが、約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均粒径を有する粒子である、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項７】
ＮａＺｒＰ、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯが、約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均粒径を有する粒子であり、該第１の層が約２０ｇのＮａＺｒＰを含み、該第２の層が約５０ｇのＡＺＰ及び８０ｇのＮａＨＺＯを含む、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項８】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せが約３〜約７のｐＨを有する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項９】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せが約３．５〜約４のｐＨを有する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１０】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せが約５．５〜約６のｐＨを有する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１１】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯが各々、約０．２：０．８〜約０．８：０．２のＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比をもたらす量で該組合せ中に存在する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１２】
ＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比が約０．５：０．５〜約０．６：０．４である、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１３】
ＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比が約０．４：０．６である、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１４】
ＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比が約０．２２：０．７８〜約０．３３：０．６７である、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１５】
ＮａＺｒＰが約６．０〜約７．４のｐＨを有する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１６】
ＮａＺｒＰが約６．５〜約７．０のｐＨを有する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１７】
粒状活性炭（ＧＡＣ）を更に含む、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１８】
ＧＡＣが該カートリッジ内に層として存在する、請求項１７に記載のカートリッジ。
【請求項１９】
ＧＡＣの層が該第１の層よりも該入口に近接して配置され、かつ該第１の層に先行する、請求項１８に記載のカートリッジ。
【請求項２０】
ＧＡＣの層と該第１の層との間に配置されるセパレーターパッドを更に備える、請求項１８に記載のカートリッジ。
【請求項２１】
入口の直後に配置され、かつ該第１の層に先行するカーボンパッドを更に備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項２２】
出口の直前に配置され、かつ該第２の層に後続するフィルターパッドを更に備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項２３】
カーボンパッド、セパレーターパッド及び／又はフィルターパッドを更に備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項２４】
カーボンパッドを備えない、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項２５】
水を浄化する方法であって、該水を請求項１に記載のカートリッジに通すことを含む、水を浄化する方法。
【請求項２６】
前記水が都市飲料水である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記水が廃水である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記水が天然水である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
水中に存在するＣａ２＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋、毒性微量金属又はそれらの任意の組合せが、該第１の層によって実質的に除去される、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
水中に存在する毒性アニオン性汚染物質、Ｎａ＋又はそれらの任意の組合せが、該第２の層によって実質的に除去される、請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
前記水を請求項１に記載のカートリッジに通した後、該水が透析治療のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準を満たす、請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
透析用の浄化新鮮透析液を調製する方法であって、前記透析を行う前に水を請求項１に記載のカートリッジに通すことを含む、透析用の浄化新鮮透析液を調製する方法。
【請求項３３】
携帯透析システムを用いて前記透析を行う、請求項３２に記載の方法。
【請求項１】
カートリッジであって、
入口を有する第１の端部と、
該第１の端部に対向し、出口を有する第２の端部と、
リン酸ジルコニウムナトリウム（ＮａＺｒＰ）を含む第１の層と、
酸性リン酸ジルコニウム（ＡＺＰ）及びアルカリ性含水酸化ジルコニウム（ＮａＨＺＯ）の組合せを含む第２の層と
を備え、該第１の層が該第２の層よりも該入口の近くに配置され、該第２の層が該第１の層に後続する、カートリッジ。
【請求項２】
ａ）第１の層が本質的にＮａＺｒＰからなり、かつ
ｂ）第２の層が本質的にＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せからなる、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項３】
ａ）第１の層がＮａＺｒＰからなり、かつ
ｂ）第２の層がＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せからなる、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項４】
第２の層が該第１の層に直接後続する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項５】
第１の層及び第２の層が濾紙で隔てられる、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項６】
ＮａＺｒＰ、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯが、約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均粒径を有する粒子である、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項７】
ＮａＺｒＰ、ＡＺＰ及びＮａＨＺＯが、約２５ミクロン〜約６０ミクロンの平均粒径を有する粒子であり、該第１の層が約２０ｇのＮａＺｒＰを含み、該第２の層が約５０ｇのＡＺＰ及び８０ｇのＮａＨＺＯを含む、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項８】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せが約３〜約７のｐＨを有する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項９】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せが約３．５〜約４のｐＨを有する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１０】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯの組合せが約５．５〜約６のｐＨを有する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１１】
ＡＺＰ及びＮａＨＺＯが各々、約０．２：０．８〜約０．８：０．２のＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比をもたらす量で該組合せ中に存在する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１２】
ＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比が約０．５：０．５〜約０．６：０．４である、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１３】
ＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比が約０．４：０．６である、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１４】
ＮａＨＺＯ：ＡＺＰ重量比が約０．２２：０．７８〜約０．３３：０．６７である、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１５】
ＮａＺｒＰが約６．０〜約７．４のｐＨを有する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１６】
ＮａＺｒＰが約６．５〜約７．０のｐＨを有する、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１７】
粒状活性炭（ＧＡＣ）を更に含む、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１８】
ＧＡＣが該カートリッジ内に層として存在する、請求項１７に記載のカートリッジ。
【請求項１９】
ＧＡＣの層が該第１の層よりも該入口に近接して配置され、かつ該第１の層に先行する、請求項１８に記載のカートリッジ。
【請求項２０】
ＧＡＣの層と該第１の層との間に配置されるセパレーターパッドを更に備える、請求項１８に記載のカートリッジ。
【請求項２１】
入口の直後に配置され、かつ該第１の層に先行するカーボンパッドを更に備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項２２】
出口の直前に配置され、かつ該第２の層に後続するフィルターパッドを更に備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項２３】
カーボンパッド、セパレーターパッド及び／又はフィルターパッドを更に備える、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項２４】
カーボンパッドを備えない、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項２５】
水を浄化する方法であって、該水を請求項１に記載のカートリッジに通すことを含む、水を浄化する方法。
【請求項２６】
前記水が都市飲料水である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記水が廃水である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記水が天然水である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
水中に存在するＣａ２＋、Ｋ＋、Ｍｇ２＋、毒性微量金属又はそれらの任意の組合せが、該第１の層によって実質的に除去される、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
水中に存在する毒性アニオン性汚染物質、Ｎａ＋又はそれらの任意の組合せが、該第２の層によって実質的に除去される、請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
前記水を請求項１に記載のカートリッジに通した後、該水が透析治療のためのＡＮＳＩ−ＡＡＭＩ水質基準を満たす、請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
透析用の浄化新鮮透析液を調製する方法であって、前記透析を行う前に水を請求項１に記載のカートリッジに通すことを含む、透析用の浄化新鮮透析液を調製する方法。
【請求項３３】
携帯透析システムを用いて前記透析を行う、請求項３２に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【公表番号】特表２０１３−５１２７７６（Ｐ２０１３−５１２７７６Ａ）
【公表日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４３１０１（Ｐ２０１２−５４３１０１）
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４０６８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７１６０５
【国際公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（５０５３２４８５８）フレゼニウス メディカル ケア ホールディングス インコーポレーテッド (30)
【氏名又は名称原語表記】Ｆｒｅｓｅｎｉｕｓ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｃａｒｅ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ，Ｉｎｃ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５４０６８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７１６０５
【国際公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（５０５３２４８５８）フレゼニウス メディカル ケア ホールディングス インコーポレーテッド (30)
【氏名又は名称原語表記】Ｆｒｅｓｅｎｉｕｓ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｃａｒｅ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ，Ｉｎｃ．
【Ｆターム（参考）】
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