專利名稱：過濾器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及過濾器，特別是在重力下凈化飲用水的過濾器。本發(fā)明更特別涉及從水中分離孢囊以使其適合人類飲用的過濾器。現(xiàn)有
背景技術：
水中有許多已識別的雜質，必須除去它們以使水對人類飲用而言安全適口。此類雜質包括粒狀水不溶性固體、溶解的鹽和有機化合物，如工業(yè)化學品、農藥及其殘留物和有害微生物，如孢囊、原生動物、細菌和病毒。在發(fā)達國家和在發(fā)展中國家的大城市，市政具有大型工業(yè)規(guī)模的凈水廠，在此水在經管道輸送至各家各戶之前凈化。這些凈化廠用例如如下工藝步驟處理原水(i)過濾， 其使用砂床除去粗懸浮固體，(ii)絮凝和凝結以沉淀出更細的懸浮雜質，(iii)離子交換以軟化水，和(iv)抗微生物劑，例如鹵素，如碘和氯，以殺滅微生物。在發(fā)展中國家的農村地區(qū)，這種類型的市政處理廠不存在或不足以滿足這些地區(qū)居民的飲用水要求。在這些地方，人們不得不依賴于從湖泊、河流和井中直接采集水。他們將水收集在缸中并儲存在自己家里。許多人不凈化水，因此染上許多疾病。一些人采用簡單方法，如用布過濾和/或用明礬絮凝以除去懸浮固體并煮沸以殺死細菌。煮沸是要求使用燃料，如煤、木材或油的昂貴方法。市場上已經開發(fā)和出售供個人家庭使用的許多復雜的凈水系統(tǒng)。這些依賴于如紫外線(UV)照射水、反滲透等原理。上述方法通常要求水不斷流動和不斷供應電力。發(fā)展中國家的農村地區(qū)和許多城市地區(qū)常常無法提供不斷的管道供水和不斷的電力供應。因此， 此類凈化系統(tǒng)在這些地區(qū)的用途和運用有限。US2009/0045106 (Access Business Group)公開了包括預過濾器、碳塊過濾器和微生物截留(MI)過濾器的凈水系統(tǒng)。碳的粒度為140-500目，MI過濾器的為200-230目。 MI過濾器基本用于截留/鈍化微生物。該過濾器組裝件可用于實現(xiàn)0. 7-0. 9加侖/分鐘的流速，因此這適用于自來水凈化系統(tǒng)而非重力進給裝置。由于重力進給裝置中的輸入水壓低，不可能使用這樣低粒度的碳粒子。已經開發(fā)和出售一些桌面型家用凈水裝置。在W02004/000732 (Unilever)中公開了一種這樣的裝置，其要求保護包含適合過濾微粒材料的過濾單元和含有化學凈化劑的化學凈化單元的重力進給凈水系統(tǒng)，其中該化學凈化單元裝在密封室中并與過濾單元流體連通以使過濾單元處理過的水隨后重力進給至化學凈化單元并在其中留存預定時期，此后水經由適合回收浸出的化學凈化劑的清除器手段離開該系統(tǒng)?；谝灿杀旧暾埲颂峤坏脑搶＠暾堉瞥傻难b置如今已在市場上出售了一些年。這種裝置需要大量以特定方式模制的活性炭才能在令人滿意的程度上除去孢囊和其它微粒。在解決這一問題的一種嘗試中，本發(fā)明人在更早的專利申請，即W02008/(^8734 中公開了包含螺旋盤繞的過濾介質層的過濾器，該螺旋盤繞的過濾介質層包含無褶皺層和褶皺層。W02008/(^8734中提出的織物過濾器不能帶來與W02004/000732中報道的那類過濾器相比足夠的成本降低。W02008/028734公開了包含螺旋盤繞的過濾介質層的過濾器，該螺旋盤繞的過濾介質層包含無褶皺層和褶皺層，因此沒有在氯化前除去有機物，因此氯需求量極高，因為從抗微生物劑進給器中浸出的氯在水源中存在的有機物存在下被猝滅。此外，可除去的孢囊的最大量有限，即當過濾器是新的時，在不損害流速的情況下，孢囊的對數(shù)清除率為1.8至3. 6。但是，在使用一段時間后發(fā)現(xiàn)孢囊清除率降至小于3對數(shù)。本發(fā)明人正在尋求在大升數(shù)(Iiterage)流過該過濾器的過程中在保持低成本和確保所需高流速的同時提供進一步提高的孢囊對數(shù)清除率。此外，本發(fā)明人必須確保該過濾器不像過去的過濾器中那樣經常阻塞。過去，當阻塞時，通常通過用空氣射流反沖洗或在水中攪動下洗滌來再生過濾器。但是，在若干這樣的再生周期后，該過濾器被不可逆阻塞，無法進一步流過或所得過濾水的流速極慢且必須更換過濾器。因此，始終阻礙令人滿意的過濾解決方案的問題是在過濾操作過程中獲得足夠高的水流速，同時確保獲得懸浮固體和孢囊清除中的所需過濾效率，所有這些都在保持低成本的同時實現(xiàn)。還必須找到在氯化前有效除去有機物的解決方案以確保氯化后的水中更大量的氯可用于殺死病毒和細菌，而不提高路徑長度和影響流速。除此之外，如果水質突然改善，之前被所用過濾介質截留的孢囊浸出，例如如果水中的溶解鹽的含量顯著降至小于大約50 ppm，則截留的孢囊從過濾器中浸出。因此，需要開發(fā)降低由于水質變化而浸出之前截留的孢囊的可能性的改進的過濾器。除上述品質外，過濾器還需要足夠長時間耐用以致消費者需要再生/更換該介質的次數(shù)更少。本發(fā)明人已經在嘗試出在不使制造技術太復雜的同時解決上述問題。本發(fā)明人在這種研究過程中已令人驚訝地發(fā)現(xiàn)碳塊與特定組合的織物過濾器的獨特組合在孢囊清除效率方面提供協(xié)同益處。發(fā)明目的
因此，本發(fā)明的目的是提供在產生高過濾流速的同時確保包括孢囊在內的微粒固體的可靠過濾的過濾器。本發(fā)明的另一目的是提供確保包括孢囊在內的微粒固體的可靠過濾、產生高過濾流速并具有比現(xiàn)有技術過濾器長的壽命的過濾器。本發(fā)明的另一目的是提供確保包括孢囊在內的微粒固體的可靠過濾、具有長壽命、提供在重力下的所需高流速、同時確保比現(xiàn)有技術過濾器低的成本的過濾器。本發(fā)明的另一目的是提供確保包括孢囊在內的微粒固體的可靠過濾、具有長壽命、提供在重力下的所需高流速、同時確保比現(xiàn)有技術過濾器低的成本并降低之前截留的微粒/孢囊由于水質突變而浸出的可能性的過濾器。發(fā)明概述
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供包含被螺旋盤繞的無褶皺織物層包封的碳塊的過濾器， 該螺旋盤繞的無褶皺織物層被螺旋盤繞的褶皺織物層包封。該碳塊特別優(yōu)選是環(huán)狀圓柱形的。發(fā)明詳述
本發(fā)明提供與過去的過濾器相比在確保高得多的孢囊清除效率的同時有效除去微粒固體的改進的過濾器，同時該過濾器的成本仍低。本發(fā)明的過濾器有效除去的微粒固體的類型是尺寸通常高于3微米的粗粒固體、微生物如孢囊和總懸浮固體(TSS)，同時確保在重力水頭條件下過濾的水的高流速。本發(fā)明的過濾器有效過濾尺寸為3至6微米的耐氯孢囊，如小球隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲。孢囊清除率以對數(shù)清除率表示。如下計算對數(shù)清除率 對數(shù)清除率=對數(shù)1(1 (輸入濃度/輸出濃度)
重力水頭條件是指不存在任何加壓的水流。水頭通常為若干厘米，約10至100厘米，優(yōu)選15至50厘米。這相當于小于0. 1巴表壓，更優(yōu)選小于0. 07巴表壓，再更優(yōu)選小于0. 04 巴表壓，最優(yōu)選小于0. 03巴表壓的壓力。盡管本發(fā)明的過濾器非常適合在重力水頭下的水過濾，但該過濾器還可用于過濾可在壓力下供應的水。盡管本發(fā)明的過濾器非常適合制備適飲用途的水，例如飲用水、烹飪水和用于制造食品和飲料，但本發(fā)明還可用于其它家庭和工業(yè)用途，例如用于清潔生物醫(yī)學和實驗室應用中的儀器，作為洗衣機和洗碗機中的輸入水，以及大量其它用途。本發(fā)明的過濾器中所用的碳塊包含用聚合粘合劑粘結在一起的活性炭粒子?；钚蕴苛Ｗ觾?yōu)選選自生煤、椰子殼、木材和石油焦油中的一種或多種。活性炭粒子的表面積優(yōu)選超過500平方米/克，更優(yōu)選超過1000平方米/克。該活性炭優(yōu)選具有小于2，更優(yōu)選小于1. 5的尺寸均勻系數(shù)、超過50%，更優(yōu)選超過60%的四氯化碳值。該活性炭優(yōu)選具有大于800，更優(yōu)選大于1000的碘值。該活性炭粒子在5至300目的尺寸范圍內，更優(yōu)選在16至200目的尺寸范圍內， 最優(yōu)選在30至100目的尺寸范圍內。使用聚合粘合劑將碳塊中的活性炭粒子相互粘結。熔體流動速率(MFR)小于5克 /10分鐘的聚合粘合劑更優(yōu)選。該粘合劑材料優(yōu)選具有小于2克/10分鐘，更優(yōu)選小于1克 /10分鐘的MFR。MFR最好接近0。使用ASTM D 1238 (ISO 1133)試驗測量熔體流動速率 (MFR)，其中該試驗在190°C下在15千克載荷下進行。將特定時間間隔后收集的聚合物量稱重和標準化至在10分鐘內擠出的克數(shù)熔體流動速率以每基準時間的克數(shù)表示。該粘合劑優(yōu)選是熱塑性聚合物。合適的實例包括超高分子量聚合物，優(yōu)選聚乙烯、聚丙烯及其組合，它們具有這些低MFR值。分子量優(yōu)選為IO6至IO9克/摩爾。這類粘合劑可以以商品名 H0STALEN (來自 Tycona GMBH)、GUR, Sunfine (來自 Asahi, Japan)、 Hizex (來自Mitsubishi)購得和購自Brasken Corp (Brazil)。其它合適的粘合劑包括作為 Lupolen (來自 Basel Polyolefins)出售的 LDPE 和來自 Qunos (Australia)的 LLDPE。根據(jù)本發(fā)明使用的粘合劑的堆積密度優(yōu)選小于或等于0. 6克/立方厘米，更優(yōu)選小于或等于0. 5克/立方厘米，再更優(yōu)選小于或等于0. 25克/立方厘米。粘合劑含量可通過任何已知方法測量，并優(yōu)選通過熱重分析法測量。該聚合粘合劑的粒度優(yōu)選為20至200 微米，更優(yōu)選為40至60微米。聚合粘合劑與活性炭粒子的重量比優(yōu)選為1:1至1:20，更優(yōu)選1:2至1:10。該碳塊優(yōu)選為環(huán)狀圓柱體、圓頂、半球體或截頭圓錐體形狀。環(huán)狀圓柱形更優(yōu)選。 穿過碳塊的最短路徑長度，即從入口表面(在此水進入碳塊)至出口表面(在此水離開碳塊) 的最短距離優(yōu)選為5至50毫米，更優(yōu)選10至30毫米。優(yōu)選通過包括下列步驟的方法制備該碳塊
(a)將活性炭粒子與聚合粘合劑在水存在下混合以制備濕混合物；
(b)隨后將該濕混合物添加到所需尺寸的模具中；
(c)隨后將該模具加熱至150°C至350°C的溫度；和(d)冷卻該模具，隨后將碳塊脫模?；钚蕴苛Ｗ?、聚合粘合劑和水的混合優(yōu)選在包括攪拌器、帶有鈍葉輪片的混合器、 帶式摻合器、旋轉混合器、弓形(sigma)混合器或不會顯著改變粒度分布的任何其它低剪切混合器的容器中進行。進行該混合以制備均勻混合物?；旌蠒r間優(yōu)選為0.5至30分鐘。制備濕混合物時所用的水量不超過粒子量的4倍，更優(yōu)選不超過粒子量的3倍。所用水量最好為碳粒子重量的0.5至1.5倍。隨后向上述混合物中加入粘合劑并進一步混合。最優(yōu)選的混合器是弓形混合器。優(yōu)選在加熱前壓實該模具中的材料。壓實壓力可以為0至15千克/平方厘米。合適的壓實壓力不大于12千克/平方厘米，優(yōu)選3至10千克/平方厘米，最優(yōu)選4至8千克 /平方厘米。優(yōu)選使用液壓機或氣動壓機，更優(yōu)選液壓機施加壓力。模具通常由鋁、鑄鐵、鋼或能耐受超過400°C溫度的任何材料制成。優(yōu)選在模具內表面上涂布脫模劑。脫模劑優(yōu)選選自硅油或鋁箔，或Teflon或幾乎或完全不吸附到過濾介質上的任何其它市售脫模劑。隨后將該模具加熱至150°C至350°C，優(yōu)選200°C至300°C。該模具保持加熱多于 60分鐘，優(yōu)選90至300分鐘。優(yōu)選在非對流爐、強制空氣或強制惰性氣體對流爐中加熱該模具。隨后冷卻該模具并從模具中脫出模制過濾器。本發(fā)明的過濾器包含被螺旋盤繞的無褶皺織物層包封的碳塊，該螺旋盤繞的無褶皺織物層被螺旋盤繞的褶皺織物層包封。該過濾器優(yōu)選包含多層無褶皺織物。本發(fā)明的過濾器構造要求首先用螺旋盤繞的無褶皺織物層覆蓋碳塊?？椢锸侵讣徔棥⑨樋椈驘o紡織物。該織物可以由天然纖維或材料制成或可以是合成來源的。優(yōu)選織物是無紡織物。優(yōu)選織物材料是合成的，優(yōu)選聚合的。該織物構造的合適聚合材料是棉、聚酯、 聚丙烯或尼龍。無褶皺織物的平均孔徑優(yōu)選為1至400微米，更優(yōu)選10至300微米，最優(yōu)選25至200微米。形成無褶皺層的織物具有優(yōu)選1至10毫米，更優(yōu)選2至6毫米的厚度。 無褶皺層的螺旋盤繞數(shù)優(yōu)選為1至10，更優(yōu)選1至7。螺旋盤繞的無褶皺織物層的總厚度優(yōu)選為1至30毫米，更優(yōu)選2至20毫米。無褶皺層的總表面積優(yōu)選為100至2500平方厘米，更優(yōu)選200至1500平方厘米。該無褶皺織物的纖維具有優(yōu)選大于-40 mV,更優(yōu)選大于_30 mV的ζ電勢。ζ 電勢是在距其表面不遠的粒子“剪切面”處存在的電勢。通過測量對它們施以電場時帶電粒子分散體的遷移率分布來推導ζ電勢。遷移率是指每電場單位的粒子速度并通過對粒子分散體施加電場和測量它們的平均速度來測量。無褶皺織物在170毫米水柱頭下具有優(yōu)選小于4 χ 10—11 m2,更優(yōu)選小于2. 5 χ 10_" Hl2的比液體滲透率。滲透率是指在水的恒定單位壓差下每單位時間穿過織物單位表面積的液體體積流速。織物的固有滲透率，也稱作比滲透率或絕對滲透率是該織物結構的特征并代表可供流體流過的空隙量。通過達西定律規(guī)定比液體滲透率k:
權利要求
1.包含被螺旋盤繞的無褶皺織物層包封的碳塊的過濾器，該螺旋盤繞的無褶皺織物層被螺旋盤繞的褶皺織物層包封。
2.如權利要求1中所述的過濾器，其中所述碳塊是環(huán)狀圓柱形的。
3.如權利要求1或2中所述的過濾器，其中該碳塊包含用熔體流動速率小于5克/10 分鐘的聚合粘合劑粘結在一起的活性炭粒子。
4.如權利要求3中所述的過濾器，其中所述活性炭粒子在5至300目的尺寸范圍內。
5.如前述權利要求任一項中所述的過濾器，其中穿過該碳塊的最短路徑長度為5至50 毫米。
6.如權利要求1中所述的過濾器，其中該織物是無紡織物。
7.如前述權利要求任一項中所述的過濾器，其中所述織物由棉、聚酯、聚丙烯或尼龍制成。
8.如前述權利要求任一項中所述的過濾器，其中所述織物的平均孔徑為1至400微米。
9.如前述權利要求任一項中所述的過濾器，其中該螺旋盤繞的無褶皺織物層的總厚度為1至30毫米。
10.如前述權利要求任一項中所述的過濾器，其中過濾器的總外表面積為100至2500平方厘米。
11.如前述權利要求任一項中所述的過濾器，其中該無褶皺織物具有小于20%的表面孔隙率。
12.如前述權利要求任一項中所述的過濾器，其中該無褶皺織物具有小于3χ 10—11平方米的比液體滲透率。
13.重力過濾裝置，其包含(i)在頂室上游的入口和在底室下游的出口；(ii)可拆卸連接到所述頂室底部的前述權利要求任一項的過濾器；以使經所述入口送入頂室的液體首先經褶皺織物，隨后經無褶皺織物，隨后經碳塊過濾，接著收集在底室中以經該出口分配。
14.過濾水的方法，包括使水流經如前述權利要求1至13任一項中所述的過濾器，以使水首先流經所述褶皺織物，隨后流經所述無褶皺織物，隨后流經所述碳塊。
15.如前述權利要求1至13任一項中所述的過濾器用于從水中大于3.5的孢囊對數(shù)清除率的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及包含被螺旋盤繞的無褶皺織物層包封的碳塊的過濾器，該螺旋盤繞的無褶皺織物層被螺旋盤繞的褶皺織物層包封。這三個元件的組合在大于2300升水的長期使用過程中實現(xiàn)從污染水中大于3.5對數(shù)的孢囊清除率。本發(fā)明還涉及包含本發(fā)明的過濾器的重力過濾裝置。還要求保護過濾水的方法，其中水首先流過褶皺織物，隨后流過無褶皺織物，隨后流過碳塊。
文檔編號B01D29/21GK102300615SQ200980155861
公開日2011年12月28日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權日2009年1月30日
發(fā)明者V. 達高恩卡爾 M., 瓦斯卡爾 M., 馬祖姆達爾 U. 申請人:荷蘭聯(lián)合利華有限公司