專利名稱：過(guò)濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及過(guò)濾器，特別是在重力下凈化飲用水的過(guò)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(guò)濾器。現(xiàn)有
背景技術(shù)：
水中有許多已識(shí)別的雜質(zhì)，必須除去它們以使水對(duì)人類飲用而言安全適口。此類雜質(zhì)包括粒狀水不溶性固體、溶解的鹽和有機(jī)化合物，如工業(yè)化學(xué)品、農(nóng)藥及其殘留物和有害微生物，如孢囊、原生動(dòng)物、細(xì)菌和病毒。在發(fā)達(dá)國(guó)家和在發(fā)展中國(guó)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(jīng)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(guò)濾， 其使用砂床除去粗懸浮固體，(ii)絮凝和凝結(jié)以沉淀出更細(xì)的懸浮雜質(zhì)，(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(guó)家的農(nóng)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(chǔ)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(jiǎn)單方法，如用布過(guò)濾和/或用明礬絮凝以除去懸浮固體并煮沸以殺死細(xì)菌。煮沸是要求使用燃料，如煤、木材或油的昂貴方法。市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)發(fā)和出售供個(gè)人家庭使用的許多復(fù)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(dòng)和不斷供應(yīng)電力。發(fā)展中國(guó)家的農(nóng)村地區(qū)和許多城市地區(qū)常常無(wú)法提供不斷的管道供水和不斷的電力供應(yīng)。因此， 此類凈化系統(tǒng)在這些地區(qū)的用途和運(yùn)用有限。US2009/0045106 (Access Business Group)公開(kāi)了包括預(yù)過(guò)濾器、碳?jí)K過(guò)濾器和微生物截留(MI)過(guò)濾器的凈水系統(tǒng)。碳的粒度為140-500目，MI過(guò)濾器的為200-230目。 MI過(guò)濾器基本用于截留/鈍化微生物。該過(guò)濾器組裝件可用于實(shí)現(xiàn)0. 7-0. 9加侖/分鐘的流速，因此這適用于自來(lái)水凈化系統(tǒng)而非重力進(jìn)給裝置。由于重力進(jìn)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(jīng)開(kāi)發(fā)和出售一些桌面型家用凈水裝置。在W02004/000732 (Unilever)中公開(kāi)了一種這樣的裝置，其要求保護(hù)包含適合過(guò)濾微粒材料的過(guò)濾單元和含有化學(xué)凈化劑的化學(xué)凈化單元的重力進(jìn)給凈水系統(tǒng)，其中該化學(xué)凈化單元裝在密封室中并與過(guò)濾單元流體連通以使過(guò)濾單元處理過(guò)的水隨后重力進(jìn)給至化學(xué)凈化單元并在其中留存預(yù)定時(shí)期，此后水經(jīng)由適合回收浸出的化學(xué)凈化劑的清除器手段離開(kāi)該系統(tǒng)。基于也由本申請(qǐng)人提交的該專利申請(qǐng)制成的裝置如今已在市場(chǎng)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(wèn)題的一種嘗試中，本發(fā)明人在更早的專利申請(qǐng)，即W02008/(^8734 中公開(kāi)了包含螺旋盤(pán)繞的過(guò)濾介質(zhì)層的過(guò)濾器，該螺旋盤(pán)繞的過(guò)濾介質(zhì)層包含無(wú)褶皺層和褶皺層。W02008/(^8734中提出的織物過(guò)濾器不能帶來(lái)與W02004/000732中報(bào)道的那類過(guò)濾器相比足夠的成本降低。W02008/028734公開(kāi)了包含螺旋盤(pán)繞的過(guò)濾介質(zhì)層的過(guò)濾器，該螺旋盤(pán)繞的過(guò)濾介質(zhì)層包含無(wú)褶皺層和褶皺層，因此沒(méi)有在氯化前除去有機(jī)物，因此氯需求量極高，因?yàn)閺目刮⑸飫┻M(jìn)給器中浸出的氯在水源中存在的有機(jī)物存在下被猝滅。此外，可除去的孢囊的最大量有限，即當(dāng)過(guò)濾器是新的時(shí)，在不損害流速的情況下，孢囊的對(duì)數(shù)清除率為1.8至3. 6。但是，在使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)孢囊清除率降至小于3對(duì)數(shù)。本發(fā)明人正在尋求在大升數(shù)(Iiterage)流過(guò)該過(guò)濾器的過(guò)程中在保持低成本和確保所需高流速的同時(shí)提供進(jìn)一步提高的孢囊對(duì)數(shù)清除率。此外，本發(fā)明人必須確保該過(guò)濾器不像過(guò)去的過(guò)濾器中那樣經(jīng)常阻塞。過(guò)去，當(dāng)阻塞時(shí)，通常通過(guò)用空氣射流反沖洗或在水中攪動(dòng)下洗滌來(lái)再生過(guò)濾器。但是，在若干這樣的再生周期后，該過(guò)濾器被不可逆阻塞，無(wú)法進(jìn)一步流過(guò)或所得過(guò)濾水的流速極慢且必須更換過(guò)濾器。因此，始終阻礙令人滿意的過(guò)濾解決方案的問(wèn)題是在過(guò)濾操作過(guò)程中獲得足夠高的水流速，同時(shí)確保獲得懸浮固體和孢囊清除中的所需過(guò)濾效率，所有這些都在保持低成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)。還必須找到在氯化前有效除去有機(jī)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(xì)菌，而不提高路徑長(zhǎng)度和影響流速。除此之外，如果水質(zhì)突然改善，之前被所用過(guò)濾介質(zhì)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(guò)濾器中浸出。因此，需要開(kāi)發(fā)降低由于水質(zhì)變化而浸出之前截留的孢囊的可能性的改進(jìn)的過(guò)濾器。除上述品質(zhì)外，過(guò)濾器還需要足夠長(zhǎng)時(shí)間耐用以致消費(fèi)者需要再生/更換該介質(zhì)的次數(shù)更少。本發(fā)明人已經(jīng)在嘗試出在不使制造技術(shù)太復(fù)雜的同時(shí)解決上述問(wèn)題。本發(fā)明人在這種研究過(guò)程中已令人驚訝地發(fā)現(xiàn)碳?jí)K與特定組合的織物過(guò)濾器的獨(dú)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(chǎn)生高過(guò)濾流速的同時(shí)確保包括孢囊在內(nèi)的微粒固體的可靠過(guò)濾的過(guò)濾器。本發(fā)明的另一目的是提供確保包括孢囊在內(nèi)的微粒固體的可靠過(guò)濾、產(chǎn)生高過(guò)濾流速并具有比現(xiàn)有技術(shù)過(guò)濾器長(zhǎng)的壽命的過(guò)濾器。本發(fā)明的另一目的是提供確保包括孢囊在內(nèi)的微粒固體的可靠過(guò)濾、具有長(zhǎng)壽命、提供在重力下的所需高流速、同時(shí)確保比現(xiàn)有技術(shù)過(guò)濾器低的成本的過(guò)濾器。本發(fā)明的另一目的是提供確保包括孢囊在內(nèi)的微粒固體的可靠過(guò)濾、具有長(zhǎng)壽命、提供在重力下的所需高流速、同時(shí)確保比現(xiàn)有技術(shù)過(guò)濾器低的成本并降低之前截留的微粒/孢囊由于水質(zhì)突變而浸出的可能性的過(guò)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(pán)繞的無(wú)褶皺織物層包封的碳?jí)K的過(guò)濾器， 該螺旋盤(pán)繞的無(wú)褶皺織物層被螺旋盤(pán)繞的褶皺織物層包封。該碳?jí)K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(guò)去的過(guò)濾器相比在確保高得多的孢囊清除效率的同時(shí)有效除去微粒固體的改進(jìn)的過(guò)濾器，同時(shí)該過(guò)濾器的成本仍低。本發(fā)明的過(guò)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(shí)確保在重力水頭條件下過(guò)濾的水的高流速。本發(fā)明的過(guò)濾器有效過(guò)濾尺寸為3至6微米的耐氯孢囊，如小球隱孢子蟲(chóng)和賈第鞭毛蟲(chóng)。孢囊清除率以對(duì)數(shù)清除率表示。如下計(jì)算對(duì)數(shù)清除率 對(duì)數(shù)清除率=對(duì)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(dāng)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(guò)濾器非常適合在重力水頭下的水過(guò)濾，但該過(guò)濾器還可用于過(guò)濾可在壓力下供應(yīng)的水。盡管本發(fā)明的過(guò)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(xué)和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中的儀器，作為洗衣機(jī)和洗碗機(jī)中的輸入水，以及大量其它用途。本發(fā)明的過(guò)濾器中所用的碳?jí)K包含用聚合粘合劑粘結(jié)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?；钚蕴苛Ｗ拥谋砻娣e優(yōu)選超過(guò)500平方米/克，更優(yōu)選超過(guò)1000平方米/克。該活性炭?jī)?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(guò)50%，更優(yōu)選超過(guò)60%的四氯化碳值。該活性炭?jī)?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(nèi)，更優(yōu)選在16至200目的尺寸范圍內(nèi)， 最優(yōu)選在30至100目的尺寸范圍內(nèi)。使用聚合粘合劑將碳?jí)K中的活性炭粒子相互粘結(jié)。熔體流動(dòng)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(yàn)測(cè)量熔體流動(dòng)速率 (MFR)，其中該試驗(yàn)在190°C下在15千克載荷下進(jìn)行。將特定時(shí)間間隔后收集的聚合物量稱重和標(biāo)準(zhǔn)化至在10分鐘內(nèi)擠出的克數(shù)熔體流動(dòng)速率以每基準(zhǔn)時(shí)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(shí)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?jī)?yōu)選為IO6至IO9克/摩爾。這類粘合劑可以以商品名 H0STALEN (來(lái)自 Tycona GMBH)、GUR, Sunfine (來(lái)自 Asahi, Japan)、 Hizex (來(lái)自Mitsubishi)購(gòu)得和購(gòu)自Brasken Corp (Brazil)。其它合適的粘合劑包括作為 Lupolen (來(lái)自 Basel Polyolefins)出售的 LDPE 和來(lái)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(guò)任何已知方法測(cè)量，并優(yōu)選通過(guò)熱重分析法測(cè)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?jí)K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(guò)碳?jí)K的最短路徑長(zhǎng)度，即從入口表面(在此水進(jìn)入碳?jí)K)至出口表面(在此水離開(kāi)碳?jí)K) 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(guò)包括下列步驟的方法制備該碳?jí)K
(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?jí)K脫模?；钚蕴苛Ｗ印⒕酆险澈蟿┖退幕旌蟽?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(zhuǎn)混合器、弓形(sigma)混合器或不會(huì)顯著改變粒度分布的任何其它低剪切混合器的容器中進(jìn)行。進(jìn)行該混合以制備均勻混合物?；旌蠒r(shí)間優(yōu)選為0.5至30分鐘。制備濕混合物時(shí)所用的水量不超過(guò)粒子量的4倍，更優(yōu)選不超過(guò)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(jìn)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(shí)該模具中的材料。壓實(shí)壓力可以為0至15千克/平方厘米。合適的壓實(shí)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(jī)或氣動(dòng)壓機(jī)，更優(yōu)選液壓機(jī)施加壓力。模具通常由鋁、鑄鐵、鋼或能耐受超過(guò)400°C溫度的任何材料制成。優(yōu)選在模具內(nèi)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(guò)濾介質(zhì)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(duì)流爐、強(qiáng)制空氣或強(qiáng)制惰性氣體對(duì)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(guò)濾器。本發(fā)明的過(guò)濾器包含被螺旋盤(pán)繞的無(wú)褶皺織物層包封的碳?jí)K，該螺旋盤(pán)繞的無(wú)褶皺織物層被螺旋盤(pán)繞的褶皺織物層包封。該過(guò)濾器優(yōu)選包含多層無(wú)褶皺織物。本發(fā)明的過(guò)濾器構(gòu)造要求首先用螺旋盤(pán)繞的無(wú)褶皺織物層覆蓋碳?jí)K?？椢锸侵讣徔?、針織或無(wú)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(lái)源的。優(yōu)選織物是無(wú)紡織物。優(yōu)選織物材料是合成的，優(yōu)選聚合的。該織物構(gòu)造的合適聚合材料是棉、聚酯、 聚丙烯或尼龍。無(wú)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(wú)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(wú)褶皺層的螺旋盤(pán)繞數(shù)優(yōu)選為1至10，更優(yōu)選1至7。螺旋盤(pán)繞的無(wú)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(wú)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(wú)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(shì)。ζ 電勢(shì)是在距其表面不遠(yuǎn)的粒子“剪切面”處存在的電勢(shì)。通過(guò)測(cè)量對(duì)它們施以電場(chǎng)時(shí)帶電粒子分散體的遷移率分布來(lái)推導(dǎo)ζ電勢(shì)。遷移率是指每電場(chǎng)單位的粒子速度并通過(guò)對(duì)粒子分散體施加電場(chǎng)和測(cè)量它們的平均速度來(lái)測(cè)量。無(wú)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(shí)間穿過(guò)織物單位表面積的液體體積流速?？椢锏墓逃袧B透率，也稱作比滲透率或絕對(duì)滲透率是該織物結(jié)構(gòu)的特征并代表可供流體流過(guò)的空隙量。通過(guò)達(dá)西定律規(guī)定比液體滲透率k:
權(quán)利要求
1.包含被螺旋盤(pán)繞的無(wú)褶皺織物層包封的碳?jí)K的過(guò)濾器，該螺旋盤(pán)繞的無(wú)褶皺織物層被螺旋盤(pán)繞的褶皺織物層包封。
2.如權(quán)利要求1中所述的過(guò)濾器，其中所述碳?jí)K是環(huán)狀圓柱形的。
3.如權(quán)利要求1或2中所述的過(guò)濾器，其中該碳?jí)K包含用熔體流動(dòng)速率小于5克/10 分鐘的聚合粘合劑粘結(jié)在一起的活性炭粒子。
4.如權(quán)利要求3中所述的過(guò)濾器，其中所述活性炭粒子在5至300目的尺寸范圍內(nèi)。
5.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中所述的過(guò)濾器，其中穿過(guò)該碳?jí)K的最短路徑長(zhǎng)度為5至50 毫米。
6.如權(quán)利要求1中所述的過(guò)濾器，其中該織物是無(wú)紡織物。
7.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中所述的過(guò)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(quán)利要求任一項(xiàng)中所述的過(guò)濾器，其中所述織物的平均孔徑為1至400微米。
9.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中所述的過(guò)濾器，其中該螺旋盤(pán)繞的無(wú)褶皺織物層的總厚度為1至30毫米。
10.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中所述的過(guò)濾器，其中過(guò)濾器的總外表面積為100至2500平方厘米。
11.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中所述的過(guò)濾器，其中該無(wú)褶皺織物具有小于20%的表面孔隙率。
12.如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)中所述的過(guò)濾器，其中該無(wú)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(guò)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(quán)利要求任一項(xiàng)的過(guò)濾器；以使經(jīng)所述入口送入頂室的液體首先經(jīng)褶皺織物，隨后經(jīng)無(wú)褶皺織物，隨后經(jīng)碳?jí)K過(guò)濾，接著收集在底室中以經(jīng)該出口分配。
14.過(guò)濾水的方法，包括使水流經(jīng)如前述權(quán)利要求1至13任一項(xiàng)中所述的過(guò)濾器，以使水首先流經(jīng)所述褶皺織物，隨后流經(jīng)所述無(wú)褶皺織物，隨后流經(jīng)所述碳?jí)K。
15.如前述權(quán)利要求1至13任一項(xiàng)中所述的過(guò)濾器用于從水中大于3.5的孢囊對(duì)數(shù)清除率的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及包含被螺旋盤(pán)繞的無(wú)褶皺織物層包封的碳?jí)K的過(guò)濾器，該螺旋盤(pán)繞的無(wú)褶皺織物層被螺旋盤(pán)繞的褶皺織物層包封。這三個(gè)元件的組合在大于2300升水的長(zhǎng)期使用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)從污染水中大于3.5對(duì)數(shù)的孢囊清除率。本發(fā)明還涉及包含本發(fā)明的過(guò)濾器的重力過(guò)濾裝置。還要求保護(hù)過(guò)濾水的方法，其中水首先流過(guò)褶皺織物，隨后流過(guò)無(wú)褶皺織物，隨后流過(guò)碳?jí)K。
文檔編號(hào)B01D29/21GK102300615SQ200980155861
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月30日
發(fā)明者V. 達(dá)高恩卡爾 M., 瓦斯卡爾 M., 馬祖姆達(dá)爾 U. 申請(qǐng)人:荷蘭聯(lián)合利華有限公司