結(jié)合深度過濾器和亞微米過濾器的筒過濾器和ro預(yù)處理法
【專利摘要】一種筒式過濾器組件包括深度過濾器元件和下游的第二過濾器元件。深度過濾器元件具有成塊的熔噴聚合物纖絲。深度過濾器以90%或更大的效率移除0.5至10微米尺寸的污染物。深度過濾器優(yōu)選包括占據(jù)不同的深度的多個區(qū)，一個或多個熔噴聚合物纖絲橫穿兩個或更多個區(qū)。第二過濾器元件包括具有1微米或更小的直徑的納米纖維，并且移除大百分比的尺寸小于1微米、優(yōu)選尺寸小于0.5微米的污染物。深度過濾器元件可呈管的形式，而第二過濾器元件可呈位于深度過濾器內(nèi)部的折疊片材的形式。筒式過濾器組件可用來在RO膜上游預(yù)處理給水。給水的SDI可減小到3或更小或者2或更小。
【專利說明】結(jié)合深度過濾器和亞微米過濾器的筒過濾器和RO預(yù)處理法
[0001]本申請要求2010年9月10日提交的美國臨時申請N0.61/381,708的益處，該申請通過引用結(jié)合在本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明大體涉及過濾，并且具體而言涉及結(jié)合深度過濾器與包括直徑小于I微米的纖維的第二過濾器的筒式過濾器，以及在反滲透(RO)之前預(yù)處理給水的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]以下論述不承認(rèn)下面描述的任何事情都是普遍的一般知識或可引用為現(xiàn)有技術(shù)。
[0004]過濾器可設(shè)計來移除包括膠狀顆粒和微生物的固體。用于過濾液體的兩個普遍類型的過濾器為深度過濾器和折疊過濾器，折疊過濾器可為表面或篩網(wǎng)過濾器。
[0005]深度過濾器在過濾介質(zhì)的整個深度上截留顆粒。深度過濾器可具有多個層(或區(qū))，具有最大孔尺寸的層通常形成過濾器入口附近的上游層，并且具有最小孔尺寸的層形成過濾器出口附近的下游層。深度過濾器可根據(jù)其粉塵容納容量(DHC)進(jìn)行標(biāo)定，DHC以過濾器在堵塞之前可容納的固體顆粒的克數(shù)進(jìn)行測量。深度過濾器還可在過濾器截留的在進(jìn)料流中的所述最小尺寸的顆粒的百分比(稱為效率)的方面進(jìn)行標(biāo)定。典型的額定效率為90%。但是，深度過濾器還可針對絕對顆粒尺寸進(jìn)行標(biāo)定，絕對顆粒尺寸是以近100%效率移除的顆粒的尺寸。各種介質(zhì)可用來構(gòu)建深度過濾器，它們中的一種為熔噴或紡粘纖絲的非編織介質(zhì)。深度過濾器可設(shè)置成管狀套管或平坦片材的形式。
[0006]折疊過濾器由薄的片材材料制成。片材材料彎曲成皺褶，以在給定殼體內(nèi)增大其表面面積。折疊過濾器往往為表面過濾器，備選地稱為篩網(wǎng)過濾器，其主要在上游表面上或附近，而非在過濾器的整個深度上截留顆粒。主要靠基于過濾器元件的上游表面中或最少在上游表面下的孔的尺寸的尺寸排阻來截留顆粒。表面過濾器很可能在絕對顆粒尺寸方面進(jìn)行標(biāo)定。在絕對顆粒尺寸之下，由于具體孔的尺寸的分布和顆粒捕捉在曲折孔中的可能性的原因，移除效率隨著顆粒尺寸的減小而減小，并且可存在一些深度過濾。折疊過濾器中使用的介質(zhì)可為玻璃或聚合物纖維或微孔聚合物膜的非編織物。
[0007]筒式過濾器是可移除或可更換的過濾器元件，其設(shè)計成置于殼體中。一些筒式過濾器可進(jìn)行清潔，但是它們在它們的使用壽命結(jié)束時通常被拋棄。過濾器元件的使用壽命是過濾器元件持續(xù)提供其額定移除，同時避免在過濾器上有最大壓降且以最小通量或吞吐量運行或在最小通量或吞吐量以上運行的時間。最大壓降可由過濾器元件承載在其上應(yīng)用的壓差的機械能力限制。當(dāng)過濾器元件不能截留其在需要的效率下所標(biāo)定的尺寸的顆粒，或需要大于用以輸送最小規(guī)定吞吐量的規(guī)定最大值的壓降，則要進(jìn)行更換。
[0008]大體合乎需要的是提供這樣的過濾器元件，該過濾器元件以高效率和低壓降移除小顆粒，并且具有高容納容量。還大體合乎需要的是提供對于給定的性能規(guī)范具有長的使用壽命的筒式過濾器。還大體合乎需要的是最大程度地減小滿足給定性能標(biāo)準(zhǔn)所需要的過濾器元件的體積或質(zhì)量。
[0009]在2006年I月17日授予Aune等人的美國專利N0.6，986，427通過引用結(jié)合在本文中，并且除了別的之外，其描述了可用于深度過濾器元件的熔噴非編織介質(zhì)。通過將多個熔噴纖絲引導(dǎo)在管狀結(jié)構(gòu)的圓錐形端部的側(cè)部處來制成介質(zhì)。管狀結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)心軸上旋轉(zhuǎn)。隨著材料添加給其圓錐形端部，同時管狀結(jié)構(gòu)沿著心軸的長度從纖絲噴射區(qū)域中抽出，管狀結(jié)構(gòu)在長度上增大。不同的纖絲被引導(dǎo)在圓錐的不同的部分處，并且纖絲可沿著圓錐的長度改變一個或多個特性。這在管狀元件中產(chǎn)生具有一個或多個特性的對應(yīng)差異的同心環(huán)形區(qū)。例如，僅在圓錐的尖部附近噴射的一個或多個纖絲形成管的內(nèi)部區(qū)。一個或多個其它熔噴纖絲可應(yīng)用在錐形的整個長度上，以添加跨過多個區(qū)而穿過元件的深度的纖絲，以增強介質(zhì)。
[0010]反滲透(RO)膜可用來對海水脫鹽和用于各種其它應(yīng)用。給水的污泥密度指數(shù)(SDI)是給水使反滲透膜結(jié)垢的趨勢的度量。通過在以206.8kPa(30psi)的恒定壓力饋送時確定給水使具有標(biāo)稱0.45 孔尺寸的規(guī)定膜過濾器結(jié)垢的速率(以衰減百分比/分鐘為單位)來測量SDI。有時說空心纖維RO膜需要具有為3或更小的SDI的給水，而有時說螺旋纏繞的膜需要具有為5或更小的SDI的進(jìn)料水，它們兩者都小于大多數(shù)海水供應(yīng)的SDI。但是，SDI的進(jìn)一步減小會減小RO膜中的結(jié)垢速率。在density indices (SDI)，percent plugging factor (%PF): their relation to actual foul ant deposition
(Desalination 119 (1998)思力中，Kremen等人提到在給水SDI從I增大到5時，積聚在膜上的結(jié)垢物的量幾何倍數(shù)地增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]以下論述意圖對讀者介紹后面的詳細(xì)描述，而不限制或限定任何要求保護(hù)的發(fā)明。要求保護(hù)的發(fā)明可為下面描述的元件或步驟的子組合，或包括本說明書的其它部分中描述的元件或步驟。
[0012]將給水的SDI減小到低水平，例如5或更小，大體需要移除尺寸為I微米和更小的顆粒。通過使用非常小直徑的纖絲，以及可選地，在形成深度過濾器時使纖絲壓靠在心軸上，深度過濾器可制造成移除在這個尺寸范圍中的顆粒。但是，在這種深度過濾器上的壓降是顯著的。除了別的之外，當(dāng)深度過濾器呈管狀形式時，用于過濾的有效表面面積隨著水向內(nèi)運動而減小。片材形式過濾器(包括折疊過濾器)還可制造成移除亞微米顆粒。但是，制造這樣的過濾器的典型的工藝涉及輥壓片材，以收緊孔結(jié)構(gòu)，這再次產(chǎn)生顯著壓降。非常緊的片材形式的過濾器還往往快速地堵塞，除非給水在上游進(jìn)行預(yù)過濾，這將需要不合需要地增加裝備和管路。
[0013]在本說明書中描述了筒式過濾器組件，其包括深度過濾器元件，深度過濾器元件與下游第二過濾器元件結(jié)合成可用于標(biāo)準(zhǔn)筒式過濾器殼體中的單個單元。
[0014]深度過濾器元件具有成塊(mass)的熔噴聚合物纖絲，并且對于范圍為0.5至10微米、優(yōu)選為I至5微米的污染物尺寸，可具有90%的移除效率。深度過濾器優(yōu)選包括占據(jù)過濾器的不同的深度的多個區(qū)，一個或多個熔噴聚合物纖絲橫穿兩個或更多個區(qū)。通過減小過濾器的總密度，同時保持足夠的抗壓縮性，這個結(jié)構(gòu)最大程度地減小過濾器上的壓降，而不管具有能夠移除小顆粒的內(nèi)部區(qū)。[0015]第二過濾器元件包括具有I微米或更小的直徑的纖維，這將在本文中稱為納米纖維。第二過濾器移除大百分比的尺寸小于I微米、優(yōu)選尺寸小于0.5微米的污染物。使用納米纖維允許實現(xiàn)非常小的孔而無需進(jìn)行輥壓。得到的孔也為曲折的。第二過濾器元件可折疊，以增大其有效過濾表面面積。
[0016]深度過濾器元件可為管的形式。第二過濾器元件也可為位于深度過濾器的內(nèi)部的管的形式，其優(yōu)選被折疊。蓋密封到深度過濾器和第二過濾器的端部上，以形成可配合到標(biāo)準(zhǔn)殼體中的筒式過濾器。
[0017]筒式過濾器可用來在RO膜的上游預(yù)處理給水。給水的SDI可減小到3或更小或者2或更小?？梢瞥袡C和無機污染物，這允許RO膜運行更長時間或在進(jìn)行化學(xué)清潔之間以增大的通量運行。產(chǎn)生具有非常低的SDI的濾液往往需要將較大的量的污染物截留在過濾器中。第二過濾器對于非常小的顆粒提供大的移除效率，但是因此可快速地堵塞。上游的深度過濾器阻止較大顆粒到達(dá)第二過濾器，從而增大組合的筒式過濾器的粉塵容納容量，而不需要單獨的預(yù)過濾器殼體?？紤]到要移除的污染物的小尺寸和其它過濾器的存在，深度過濾器和第二過濾器構(gòu)建成減小壓降。
[0018]在這個說明書中描述了用于從液體中過濾顆粒的筒式過濾器組件。筒式過濾器組件包括內(nèi)部篩網(wǎng)或表面過濾器和包圍內(nèi)部過濾器的深度過濾器元件。深度過濾器元件具有成塊的熔噴聚合物纖絲，該塊具有深度維度、縱向(或長度)維度和緯度(或?qū)挾?維度。該塊在深度維度上的具有不同的特性的多個區(qū)中包括大體定向在縱向維度和緯度維度上的纖絲。該塊還具有大體定向成穿過塊的縱向維度、緯度維度和深度維度的橫向纖絲，使得橫向纖絲在深度維度上穿過兩個或更多個區(qū)。內(nèi)部表面或篩網(wǎng)過濾器可包括納米纖維或包含納米顆粒的纖維。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是筒式過濾器組件10的局部剖面透視圖。
[0020]圖2是另一個筒式過濾器組件10的局部剖面透視圖。
[0021]圖3是圖1的筒式過濾器組件10的橫截面圖。
[0022]圖4是圖2的筒式過濾器組件10的橫截面圖。
[0023]對應(yīng)的參考符號在圖的所有視圖中指示對應(yīng)的部件。
【具體實施方式】
[0024]現(xiàn)在將參照附圖在以下詳細(xì)描述中描述本發(fā)明，在附圖中，詳細(xì)地描述一個或多個實施例，以使得能夠?qū)嵺`本發(fā)明。雖然參照具體實施例描述本發(fā)明，但是將理解，本發(fā)明不限于這些示例，而是包括許多備選方案、修改和等效方案。
[0025]如本文在說明書和權(quán)利要求中使用的那樣，近似語言可用來修飾可容許改變的任何數(shù)量表示，而不導(dǎo)致與其有關(guān)的基本功能的改變。因此，由諸如“大約”的一個或多個用語修飾的值不限于所規(guī)定的精確值。在至少一些情況下，近似語言可對應(yīng)于用于測量該值的儀器的精度。范圍限制可組合和/或互換，并且這樣的范圍和所有子范圍包括在本文中，除非上下文或語言有其它表示。除了在運行示例中或在有另外的指示的情況下，表示在說明書和權(quán)利要求中使用的成分、反應(yīng)狀況等的數(shù)量的所有數(shù)字或表達(dá)要理解為在所有情況下都由用語“大約”修飾。
[0026]“可選的”或“優(yōu)選的”和類似用語表示，后續(xù)描述的事件或情況可能出現(xiàn)或可能不出現(xiàn)，或者后續(xù)標(biāo)識的材料可能存在或可能不存在，并且該描述包括其中出現(xiàn)事件或情況或其中存在材料的情形，以及其中不出現(xiàn)該事件或情況或不存在材料的情形。
[0027]如本文所用，用語“包括”、“包含”、“具有”或它們的任何其它變型意圖覆蓋非排它性的包括。例如，包括元件列表的工藝、方法、產(chǎn)品或設(shè)備不一定限于僅那些元件，而是可包括未明確列出的或這樣的工藝、方法、產(chǎn)品或設(shè)備所固有的其它元件。單數(shù)形式“一個”、“一種”和“所述”包括復(fù)數(shù)個對象，除非上下文清楚地有其它指示。
[0028]參照圖1，筒式過濾器組件10包括非編織材料或膜材料的圓柱形內(nèi)部過濾器12，其由外部深度過濾器元件14包圍。深度過濾器元件14形成筒式過濾器組件10的暴露外表面。內(nèi)部過濾器12為表面過濾器或篩網(wǎng)過濾器，并且可由適當(dāng)?shù)暮诵?6支承。具有深度過濾器元件14和內(nèi)部篩網(wǎng)或表面過濾器12的筒式過濾器組件10可容納在設(shè)置有流體入口和流體出口的殼體(未顯示)內(nèi)。待過濾的流體首先連續(xù)地傳送通過深度過濾器元件14，并且然后傳送通過篩網(wǎng)或表面式內(nèi)部過濾器12，優(yōu)選沒有流體旁通。雖然內(nèi)部過濾器12在本文描述為表面或篩網(wǎng)過濾器，但是內(nèi)部過濾器12可以可選地由能夠進(jìn)行一些深度過濾的材料或大體片材形式的材料(例如具有的厚度為5或更小或者2或更小的材料)制成。
[0029]優(yōu)選地，深度過濾器元件14包括多個介質(zhì)層或區(qū)，它們各自具有不同的微米截留尺寸，如下面將闡述的那樣，使得介質(zhì)層的滲透性或截留性(在以給定效率移除顆粒尺寸的方面)在筒式過濾器組件10的流體入口附近最大，并且在內(nèi)部過濾器12附近最小。因而，大顆粒將截留在進(jìn)料入口附近，并且隨著進(jìn)料傳送通過筒式過濾器組件10，將截留逐漸更小的顆粒。雖然為了易于示出，區(qū)被示出為在它們之間具有清楚的線，但是在實踐中，在區(qū)之間，可存在更加平緩的過渡或過渡區(qū)域。
[0030]筒式過濾器組件10通過如本領(lǐng)域中已知的那樣將端蓋附連到內(nèi)部過濾器12和深度過濾器元件14上來完成。例如,端蓋可由熱塑性材料制成,并且以熱的方式結(jié)合到過濾器組件10的各端上。內(nèi)部過濾器12和深度過濾器元件14兩者的端部熔化到端蓋上而形成密封和結(jié)合。一個或兩個端蓋開口，以允許濾液從過濾器組件的中心移除。開口端可在其面上設(shè)有平面式環(huán)形墊片。墊片可通過這樣來形成:以液體狀態(tài)將彈性體材料灌注在端蓋上，并且允許這個材料凝固而形成整體端部墊片。當(dāng)壓靠在殼體的出口的邊緣上時，端部墊片形成刀口密封。備選地，端蓋可具有內(nèi)部管狀區(qū)段，內(nèi)部管狀區(qū)段與0形環(huán)墊片配合，而密封在殼體的出口的外部表面上。任一個墊片提供機械密封來將殼體的入口與殼體的出口分開，從而需要給水傳送通過筒式過濾器組件10。
[0031]內(nèi)部過濾器12可為介質(zhì)的任何篩網(wǎng)或表面過濾器，并且根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的工藝制成。內(nèi)部過濾器12可制造成具有多層的納米纖維或包含納米顆粒的纖維狀介質(zhì)。如用語在這個說明書中所使用，納米纖維指具有IOOOnm或更小的直徑的纖維。納米顆粒具有為IOOOnm或更小的至少一個尺寸。內(nèi)部過濾器中使用的納米纖維直徑可在200-600nm的范圍中，或者它們可具有小于200nm(0.2微米)的直徑，可能直徑小到50nm。納米纖維層可形成纖維的隨機分布，纖維可結(jié)合而形成互鎖網(wǎng)。可獲得過濾性能，因為細(xì)纖維對微粒的通過提供阻隔。諸如剛度、強度和褶裥率的結(jié)構(gòu)屬性可由襯底提供，納米纖維粘附到襯底上。納米纖維可由聚合物材料或具有本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的添加劑的聚合物制成。另外，內(nèi)部過濾器12可為使用濕法成網(wǎng)或干法成網(wǎng)工藝制成的介質(zhì)，這包括紡粘、靜電紡紗、海島型工藝、原纖化薄膜纖維、熔噴和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它工藝。
[0032]內(nèi)部過濾器12中的介質(zhì)可由具有與微生物或有機成分有密切關(guān)系的吸附性屬性的材料制成，或者由無機材料制成，諸如鐵、汞和鉛，已知它們對RO膜元件的壽命具有有害作用。還可通過在纖維的納米纖維混合物(諸如例如，丙烯酸纖維和尼龍纖維的混合物)內(nèi)的摩擦電作用產(chǎn)生靜電荷。靜電荷可通過動電攔截提供增強的微粒攔截。還可通過曲折流徑的機械攔截提供增強的攔截。
[0033]內(nèi)部過濾器12的介質(zhì)可以片材形式使用，或者可模制、折迭或以別的方式形成為具有三維構(gòu)造的成形介質(zhì)。例如，如圖2中顯示的那樣，可使用已知方法和用于折疊的構(gòu)件來折疊內(nèi)部過濾器12。在圖2的示出實施例中，內(nèi)部過濾器12包括可選地支承在核心16上的一個或多個折疊過濾器片材。皺褶可為波狀形狀或螺旋地定位，并且可具有環(huán)形橫截面或折迭的橫截面，諸如M形橫截面。如本文所用，用語“皺褶”或“折疊”意圖包括所有這樣的橫截面形狀或位置。與平坦或彎曲的非折疊片材結(jié)構(gòu)相比，折疊結(jié)構(gòu)提供初始暴露于從深度過濾器元件14離開的流體的增大的表面面積。
[0034]內(nèi)部過濾器12介質(zhì)的一個示例是來自Ahlstrom Filtration LLC以商標(biāo)Disruptor銷售的原料棍的片材(這可折疊)，或由Argonide Corporation以NanoCeram商標(biāo)銷售的折疊材料。這些為相同材料，并且包括具有200nm以下的直徑的玻璃纖維的非編織塊。直徑為2nm和長度在250nm以下的額外的氧化鋁纖維附連到玻璃纖維上。玻璃纖維形成以機械的方式移除2或3微米尺寸的顆粒的孔，但是氧化鋁纖維產(chǎn)生的靜電力允許介質(zhì)截留尺寸小于I微米的顆粒。內(nèi)部過濾器12介質(zhì)的另一個示例是由Hollingsworthand Voss的200_400nm熔噴纖維制成的聚丙烯非編織基質(zhì)。內(nèi)部過濾器12優(yōu)選移除大百分比(例如50%或更大)的尺寸為I微米或更小、優(yōu)選為0.5微米或更小的污染物。
[0035]外部套管14包括深度過濾器，并且構(gòu)造成包圍內(nèi)部過濾器12。在一個實施例中，內(nèi)部過濾器12具有0.93英寸的內(nèi)徑和0.99英寸的外徑，并且外部深度過濾器元件14具有1.00英寸的內(nèi)徑和2.5英寸的外徑。還可使用內(nèi)部過濾器12和外部深度元件14的其它尺寸，而不偏離本發(fā)明的范圍。例如，內(nèi)部過濾器12可支托在具有大約1.1英寸的外徑的支承管上，并且延伸到內(nèi)部過濾器的2英寸或更大的外徑。深度過濾器元件14可具有用以接收這種內(nèi)部過濾器12的內(nèi)徑，并且延伸到大約2.6英寸或更大，或4.5英寸或更大，可選地高達(dá)6或7英寸的外徑。
[0036]深度過濾器元件14可由具有成塊的基本連續(xù)聚合物纖絲的熔噴介質(zhì)制成。介質(zhì)具有長度或縱向維度、寬度或緯度維度，以及深度維度。熔噴介質(zhì)的主纖絲大體定向在長度(X或縱向)維度和寬度(y或緯度或周向(在圓柱形塊的情況下))維度上。優(yōu)選地，介質(zhì)還包括在深度(z)維度上延伸的基本連續(xù)聚合物纖絲。在深度過濾器元件14中，介質(zhì)允許形成自持式內(nèi)部核心區(qū)，這同時提供關(guān)鍵過濾區(qū)。通過將更高百分比的結(jié)合纖絲(在深度維度上延伸的纖絲)置于核心區(qū)和核心附近的那些區(qū)中，深度過濾器元件14可設(shè)計成比在相同量的結(jié)合纖絲均勻地分布在整個介質(zhì)中的情況下具有更高擠壓強度和更低的密度。三維非編織介質(zhì)和形成介質(zhì)的方法公開在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利N0.6，986，427中，該專利通過引用而結(jié)合在本文中。用于形成深度過濾器的代表性聚合物包括聚烯烴(諸如聚乙烯或聚丙烯)纖維、纖維素、棉花、聚酰胺、聚酯、纖維玻璃等。
[0037]深度過濾器元件14的介質(zhì)合乎需要地使用具有減少的纖維-纖維結(jié)合的主纖維的精細(xì)基質(zhì)來形成具有低密度的結(jié)構(gòu)。第二纖絲源在形成主介質(zhì)時同時且有意地在z維度上置于主介質(zhì)上，以提供改進(jìn)的纖維-纖維結(jié)合，以及使機械結(jié)構(gòu)互鎖。這些z纖絲從而形成剛度更高的多孔結(jié)構(gòu)，這具有顯著的更大機械強度。主介質(zhì)典型地形成為基本二維層，其中纖維定向在X和y軸線上，并且在層之間僅偶爾地結(jié)合。有益地是將結(jié)合Z纖絲置于形成的主介質(zhì)纖維層中，并且穿過兩個或更多個形成的主介質(zhì)層，這些結(jié)合Z纖絲基本關(guān)于主介質(zhì)定向在Z軸線上。
[0038]纖維形成材料的大體二維墊或?qū)樱B續(xù)地形成該二維墊或?qū)?，以建立由許多層纖維構(gòu)成的纖絲塊20。這些纖維可描述為鋪在X-Y平面中，或鋪在縱向和周向或緯度維度上。隨著纖維一層一層地堆積，它們產(chǎn)生徑向或深度維度?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，結(jié)合到塊20中的是沿徑向穿過塊20的“z”方向纖維或纖絲22。纖絲塊20合乎需要地包括多個同心過濾區(qū)104、106和108。在示出的實施例中，顯示了三個過濾區(qū)104、106和108。但是，纖絲塊20可包含更多或更少區(qū)，而不偏離本發(fā)明的范圍。在徑向方向上的額外的纖絲塊強度由z纖絲22提供。z纖絲22用作纖維結(jié)構(gòu)增強元件。z纖絲22穿過纖絲塊20，并且在徑向維度、縱向維度和周向維度上延伸。
[0039]過濾區(qū)104、106和108優(yōu)選具有不同的物理特性。例如，過濾區(qū)104可包括較小直徑纖絲；過濾區(qū)106可包括中等直徑纖絲；以及過濾區(qū)108可包括較大直徑纖絲。過濾區(qū)104、106和108優(yōu)選具有這樣的纖絲，S卩，該纖絲具有尺寸范圍為小于大約I微米至大約100微米的直徑。Z纖絲22可具有等于、大于或小于過濾區(qū)104、106和108的纖絲的平均直徑的直徑。區(qū)104、106和108的纖維可由不同的材料構(gòu)成，可為不同的尺寸，或可在其它方面具有不同的屬性。例如，各個區(qū)中的纖維的直徑可從核心區(qū)104到外殼區(qū)108而逐漸變大。各個區(qū)還可具有與各個相鄰區(qū)不同的密度。例如，區(qū)的密度可從核心區(qū)104到外殼區(qū)108而逐漸減小。過濾區(qū)104可具有較高密度的纖絲；過濾區(qū)106可具有中等密度的纖絲，并且過濾區(qū)108可具有較低密度的纖絲。在另一個實施例中，過濾區(qū)104、106和108可在密度方面具有其它變化。
[0040]有益的是在形成主介質(zhì)時使結(jié)合z纖絲22穿過主介質(zhì)，使得結(jié)合z纖絲延伸穿過主介質(zhì)的一個或多個區(qū)104、106和108。有益的是結(jié)合z纖絲22延伸穿過主介質(zhì)的所有層，并且從而從完成的主介質(zhì)的一個主要表面112橫穿到另一個主要表面114。在圖3和4中，z纖絲用作結(jié)合纖絲以產(chǎn)生具有改進(jìn)的耐壓縮性的低密度主介質(zhì)。想象到，在形成主介質(zhì)時，結(jié)合z纖絲穿過主介質(zhì)的一個或多個層可用來產(chǎn)生具有其它顯著益處的介質(zhì)。例如，z聚合物可具有顯著不同的物理或化學(xué)特性，這可在產(chǎn)生的復(fù)合介質(zhì)中產(chǎn)生顯著的改進(jìn)。
[0041]在一個實施例中，過濾器套管14在形成的介質(zhì)的一個或兩個表面112、114處具有薄的結(jié)合纖維層，以提供更完美的多孔表面。結(jié)合纖維在表面112、114處粘附到主介質(zhì)纖維上，并且從而在介質(zhì)表面處消除松弛的纖維。發(fā)現(xiàn)的另一個顯著益處是結(jié)合纖維粘附到主表面纖維上，并且與表面的紋路相一致。結(jié)合纖維然后在它們冷卻時收縮，這強化得到的表面的粗糙度。驚奇地發(fā)現(xiàn)得到的最終表面具有未完成的主介質(zhì)表面的表面面積的大約兩倍。這個增大的表面面積提供許多益處，尤其是用于顆粒過濾應(yīng)用。使外殼的表面面積翻倍可允許外殼具有較低的孔隙率，同時不導(dǎo)致過度的壓降。而且在使用深度過濾器元件14時，顆粒塊可收集在外殼表面上，并且還導(dǎo)致增大的壓降。高表面面積容許在引起這樣的壓降增大之前有延長的運行。而且，在筒式過濾器實施例中，形成較硬的外殼避免了在產(chǎn)生筒式過濾器之后將過濾器封裝在支承籠中的必要性。
[0042]在一個實施例中，大體在各個區(qū)104、106和108內(nèi)不存在纖維-纖維結(jié)合。纖絲塊20內(nèi)的主結(jié)合通過“z”方向纖維22和區(qū)104、106和108的纖絲之間的結(jié)合來實現(xiàn)。選定的介質(zhì)區(qū)可制造成剛度非常高，以提供還承載產(chǎn)生的機械載荷的過濾層，從而消除對給定過濾裝置中的單獨的結(jié)構(gòu)元件的需要。
[0043]對于一個實施例，圖3示出z纖維22的大致定向。在形成塊20期間，在大約120度或更小的旋轉(zhuǎn)期間，z纖維22以連續(xù)的方式從核心或底部區(qū)104布置到外殼或頂部區(qū)108且回到塊20的核心區(qū)104。因而，z纖維22在整個過濾器塊20中沿徑向、沿縱向和沿周向延伸。在其中塊20為平面而非圓柱形的實施例中，z纖維22可描述為在塊20的長度維度、寬度維度和厚度維度上延伸。過濾器塊20堆積且可包括z纖維22的網(wǎng)，這用來在所有三個維度上將區(qū)104、106和108中的纖維保持在一起，從而對纖絲塊20提供強度和提供拉伸支承。因為塊20的纖維在所有三個方向上保持就位，從而最大程度地減小細(xì)纖維的彎矩，從而最大程度地減小粉塵釋放且以增大的壓降進(jìn)行引導(dǎo)。當(dāng)在低密度介質(zhì)中使用這樣的細(xì)纖維時，本來將預(yù)計有這種不合需要的粉塵釋放和引導(dǎo)。
[0044]在一個實施例中，區(qū)104、106和108的纖維構(gòu)成過濾器塊20的纖維的大約75%至95%，并且z纖維22構(gòu)成過濾器塊20的纖維的大約5%至25% ;更優(yōu)選地，區(qū)104、106和108的纖維構(gòu)成過濾器塊20的纖維的大約80%至90%，并且z纖維22構(gòu)成過濾器塊20的纖維的大約10%至20% ;最優(yōu)選地，區(qū)104、106和108的纖維構(gòu)成過濾器塊20的纖維的大約85%，并且z纖維22構(gòu)成過濾器塊20的纖維的大約15%。在一個實施例中，與在區(qū)106和108中相比，更高百分比的z纖維22設(shè)置在核心區(qū)104中。例如，z纖維22可構(gòu)成核心區(qū)104中的總纖維的大約25%，以及外殼區(qū)108中的大約3%。這個構(gòu)造對過濾器塊20的核心區(qū)域提供增加的強度，這是使用時保持過濾器的抗擠壓性所需要的。
[0045]通過將纖維固定成開放又得到支承的結(jié)構(gòu)，纖絲塊20的獨特的結(jié)構(gòu)允許有高空隙容積，而不犧牲強度。因而，本發(fā)明的纖絲塊20顯示比現(xiàn)有技術(shù)的介質(zhì)顯著更大的機械強度-重量比率。纖絲塊20可形成為任何期望的厚度。在一個實施例中，纖絲塊20具有大約1.15英寸的內(nèi)徑和大約2.5英寸的外徑。在一個實施例中，纖絲塊20每十英寸區(qū)段具有大約95克或更小的質(zhì)量，并且具有至少大約40psi的壓碎強度。高空隙容積導(dǎo)致纖絲塊20具有更大的粉塵容納容量，更長的元件壽命和更低的壓降。此外，與傳統(tǒng)過濾器相比，其允許更快地且以更少的材料來制造纖絲塊20。在優(yōu)選實施例中，纖絲塊20的十英寸區(qū)段可在大約15秒內(nèi)制造，并且在20微米下具有90%的截留額定值。
[0046]圖4示出深度過濾器元件的第二實施例的正視圖。類似于圖3中顯示的實施例，纖絲塊20包括第一主要表面112、第二主要表面114和同心的過濾區(qū)164、166和168,在徑向方向上的額外的纖絲塊強度由z纖維或纖絲22和172提供。z纖絲22和172用作用于纖維塊20的增強元件。z纖絲22和172在纖絲塊20中延伸且在徑向維度、縱向維度和周向維度上延伸。
[0047]如上面參照圖3描述的那樣制造z纖維22。z纖維172鋪設(shè)穿過區(qū)164、166和168，使得其沿徑向、沿縱向和沿周向穿過過濾器塊127。在其中塊127為平面的而非圓柱形的情況下，粘合纖維172可描述為在塊20的長度維度、寬度維度和厚度維度上延伸。在優(yōu)選實施例中，z纖維172定位成使得其橫穿一個或多個區(qū)164、166和168 ;但是，其不一定橫穿所有區(qū)164、166和168。
[0048]可產(chǎn)生強的整體過濾核心，而不顯著增大介質(zhì)的密度。這個通過在熔噴工藝期間，將結(jié)合纖維或z纖維22和172設(shè)置到區(qū)164、166和168的主過濾纖維上來實現(xiàn)。結(jié)合纖維22和172的額外的熱能允許高度無定形的聚丙烯主過濾纖維顯著增大結(jié)晶度，這又增強了介質(zhì)。此外，在一個實施例中，z纖維22和172中的一個或兩者具有與區(qū)164、166和168的主纖維不同的材料屬性。例如，纖維22和/或172可為用于反應(yīng)的催化劑或用于毒素、病毒、蛋白質(zhì)、有機物或重金屬的吸收或吸附材料。在優(yōu)選實施例中，結(jié)構(gòu)增強纖維或纖絲22和172的直徑與區(qū)164、166和168中的主過濾纖維的直徑相對等，使得纖維22和172不僅有助于纖絲塊20的強度，還有助于其過濾能力。
[0049]當(dāng)在筒式過濾器組件10中用來在反滲透膜上游預(yù)處理水時，對于在0.5至10微米的范圍中、優(yōu)選在I至5微米的范圍中的顆粒尺寸，至少深度過濾器元件14的內(nèi)部區(qū)108、168具有90%的移除效率。這個移除效率通過對內(nèi)部區(qū)使用具有范圍為大約I微米至大約20微米的直徑的纖絲來實現(xiàn)?？稍谕獠繀^(qū)中使用更大直徑纖絲(高達(dá)400微米)，以減小深度過濾器元件14的壓降。可選地，通過在形成內(nèi)部區(qū)108、168時調(diào)節(jié)內(nèi)部區(qū)108、168的纖絲的溫度和流率且可選地應(yīng)用壓縮，內(nèi)部區(qū)108、168可制造成具有3微米或更小或者I微米或更小的孔尺寸，使得深度過濾器元件14提供3微米顆?；騃微米顆粒的絕對移除。
[0050]可選地，過濾器組件10可構(gòu)建成使得深度過濾器14位于內(nèi)部過濾器12的內(nèi)部。在那個情況下，給水通過一個或兩個端蓋饋送到過濾器組件10的內(nèi)部，并且濾液從殼體積聚在過濾器組件10的外側(cè)。
[0051]可選地，支承層可設(shè)置在內(nèi)部過濾器12和深度過濾器元件14之間。這個支承層可例如由卷成管的篩網(wǎng)或拉伸成管狀篩網(wǎng)的擠制網(wǎng)或擠制的穿孔管制成。在具有高的溫度或粘度或經(jīng)受高的固體翻轉(zhuǎn)(upset)的應(yīng)用中，額外的支承層可用來降低從深度過濾器元件14施加在內(nèi)部過濾器12上的壓力，這又可避免撕裂或壓碎內(nèi)部過濾器12中的皺褶。
[0052]在實驗性試驗中，以并排測試的方式，通過傳統(tǒng)的深度過濾器過濾和通過組合深度過濾器和表面過濾器的筒式過濾器元件過濾給水。給水為有機、生物和剛性顆粒污染物與水的合成混合物，測量的SDI的范圍為4至6。傳統(tǒng)深度過濾器具有2.6〃的外徑，并且支承在具有1.1〃內(nèi)徑的多孔核心管上。傳統(tǒng)的深度過濾器能夠以90%的效率移除10-12微米顆粒。組合過濾器使用相同核心管，并且具有大約2.6"的類似外徑。組合過濾器包括熔噴聚丙烯制成的分級密度深度過濾器，內(nèi)部區(qū)對3微米污染物具有90%的移除效率，以及外部區(qū)對于15-20微米污染物具有90%的移除。這個深度過濾器具有0.125〃的深度(壁厚度)。表面過濾器為具有范圍為200至600nm的直徑的聚丙烯(PP)納米纖維的非編織片材，其折疊成具有0.45"的深度的管。傳統(tǒng)深度過濾器和組合過濾器兩者具有類似的總過濾器深度，并且安裝在類似的筒殼體中。
[0053]來自各個過濾器的經(jīng)過濾水的SDI在多個時間點進(jìn)行測量，并且下面在表I中顯示了結(jié)果。在表I中，傳統(tǒng)深度過濾器稱為“⑶F”，而組合過濾器稱為“CF”。如表I中所指示的那樣，傳統(tǒng)深度過濾器對SDI具有非常小(如果有的話)的作用，而組合過濾將SDI減小到將有益于下游RO膜的運行的范圍。
[0054]表1
【權(quán)利要求】
1.一種筒式過濾器,包括， a)深度過濾器元件；以及， b)下游的第二過濾器元件， 其中， c)所述深度過濾器元件包括成塊的熔噴聚合物纖絲，并且對于在0.5微米至10微米的范圍中的污染物尺寸具有90%的移除效率；以及， d)所述第二過濾器元件包括具有I微米或更小的直徑的纖維，并且對于I微米或更小的污染物尺寸具有50%或更大的移除效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的筒式過濾器，其特征在于，所述深度過濾器元件為管狀，并且所述第二過濾器元件位于所述深度過濾器元件的孔內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的筒式過濾器，其特征在于，所述第二過濾器元件呈卷成管的折疊片材的形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的筒式過濾器，其特征在于，所述深度過濾器元件和所述第二過濾器元件在它們的端部處密封到端蓋上，所述端蓋中的至少一個適于連接到過濾器殼體的出口上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的筒式過濾器，其特征在于，所述深度過濾器元件包括針對所述深度過濾器元件的深度占據(jù)不同的區(qū)域的多個區(qū)，所述區(qū)朝向所述深度過濾器元件的下游側(cè)而增大密度或減小纖絲直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的筒式過濾器，其特征在于，包括橫穿所述區(qū)中的兩個或更多個的一個或多個熔噴聚合物纖絲。`
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項所述的筒式過濾器，其特征在于，所述深度過濾器元件對于在I微米至5微米的范圍中的污染物尺寸具有90%的移除效率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的筒式過濾器，其特征在于，所述第二過濾器元件包括具有0.5微米或更小的直徑的纖維或顆粒，并且對于為0.5微米或更小的污染物尺寸具有50%或更大的移除效率。
9.一種用于處理給水的工藝，包括以下步驟， a)用根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項所述的筒式過濾器過濾所述給水，以產(chǎn)生濾液；以及， b)用反滲透膜過濾所述濾液。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工藝，其特征在于，所述濾液具有3或更小的污泥密度指數(shù)。
11.一種筒式過濾器組件，包括: 內(nèi)部篩網(wǎng)或表面過濾器；以及 包圍所述內(nèi)部過濾器的深度過濾器元件，所述深度過濾器元件包括成塊的熔噴聚合物纖絲，所述塊具有深度維度、縱向維度和緯度維度，所述塊的纖絲大體定向在所述縱向維度和緯度維度上，其中，所述塊包括在所述深度維度上的具有不同的特性的多個區(qū)，以及橫向熔噴聚合物纖絲，所述橫向熔噴聚合物纖絲大體定向成穿過所述塊的所述縱向維度、緯度維度和深度維度，使得所述橫向纖絲在所述深度維度上穿過兩個或更多個區(qū)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的筒式過濾器組件，其特征在于，所述內(nèi)部過濾器為折疊過濾器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的筒式過濾器組件，其特征在于，所述內(nèi)部過濾器包含納米纖維或纖維狀介質(zhì)，所述纖維狀介質(zhì)包含納米顆粒。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中的任一項所述的筒式過濾器組件，其特征在于，所述深度過濾器元件的各個區(qū)包括與各個相鄰區(qū)不同尺寸的纖絲。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中的任一項所述的筒式過濾器組件，其特征在于，所述深度過濾器元件部分具有區(qū)的橫向纖絲的量與所有纖絲的量的比率，所述比率在各個區(qū)中與各個相鄰區(qū)相比是不同的。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中的任一項所述的筒式過濾器組件，其特征在于，所述深度過濾器元件的各個區(qū)具有與各個相鄰區(qū)不同的密度。
17.根據(jù)權(quán)利要求11至16中的任一項所述的筒式過濾器組件，其特征在于，所述塊包括: 聚合物纖絲構(gòu)成的第一區(qū)； 在所述第一區(qū)附近的第二區(qū)，所述第二區(qū)包括大體比所述第一區(qū)的纖絲具有更大的直徑的聚合物纖絲；以及 在所述第二區(qū)附近的第三區(qū)，所述第三區(qū)包括大體比所述第二區(qū)的纖絲具有更大的直徑的聚合物纖絲。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的筒式過濾器組件，其特征在于，區(qū)的橫向纖絲的量與所有纖絲的量的比率在所述第一區(qū)中比在所述第三區(qū)中更高。
19.根據(jù)權(quán)利要求11至18中的任一項所述的筒式過濾器組件，其特征在于，所述圓柱形塊包括: 聚合物纖絲構(gòu)成的核心區(qū)； 聚合物纖絲構(gòu)成的中間區(qū)，其包圍所述核心區(qū)，所述中間區(qū)大體沒有所述核心區(qū)那么桐? ;以及 聚合物纖絲構(gòu)成的外部區(qū)，其包圍所述中間區(qū)，所述外部區(qū)大體沒有所述中間區(qū)那么稠密。
20.根據(jù)權(quán)利要求11至19中的任一項所述的筒式過濾器組件，其特征在于，所述塊的層的聚合物纖絲呈現(xiàn)不同的纖絲-纖絲結(jié)合度。
21.根據(jù)權(quán)利要求11至20中的任一項所述的筒式過濾器組件，其特征在于，所述深度過濾器元件部分橫向纖絲與其穿過的所述塊的纖絲結(jié)合在一起。
22.根據(jù)權(quán)利要求11至21中的任一項所述筒式過濾器組件，其特征在于，所述深度過濾器元件部分橫向纖絲由與所述塊的纖絲不同的聚合物制成。
23.根據(jù)權(quán)利要求11至22中的任一項所述的筒式過濾器組件，其特征在于，所述深度過濾器元件部分橫向纖絲包含催化劑。
24.一種用于處理給水的工藝，其中，根據(jù)權(quán)利要求11至23中的任一項所述的筒式過濾器組件從包括一種或多種污染物和載體介質(zhì)的進(jìn)料中移除物質(zhì)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的工藝，其特征在于，所述載體介質(zhì)為液體。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的工藝，其特征在于，所述一種或多種污染物包括這樣的污染物，即，該污染物在性質(zhì)上為有機的或選自由細(xì)菌、病毒、孢囊、酵母、微生物和烴組成的組。
27.根據(jù)權(quán)利要求24至26中的任一項所述的工藝，其特征在于，所述一種或多種污染物包括這樣的污染物，即，該污染物在性質(zhì)上為有機的或選自由膠態(tài)氧化硅、鐵和氧化鋁組成的組。
【文檔編號】B01D61/04GK103619435SQ201180043354
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2010年9月10日
【發(fā)明者】T.G.斯蒂夫特, J.T.什切潘斯基, W.B.萊德勞, U.J.巴瓦達(dá), T.M.奧恩 申請人:通用電氣公司