过滤器的制作方法

专利名称：过滤器的制作方法
技术领域：
本发明涉及过滤器，特别是在重力下净化饮用水的过滤器。本发明更特别涉及从水中分离孢囊以使其适合人类饮用的过滤器。现有
背景技术：
水中有许多已识别的杂质，必须除去它们以使水对人类饮用而言安全适口。此类杂质包括粒状水不溶性固体、溶解的盐和有机化合物，如工业化学品、农药及其残留物和有害微生物，如孢囊、原生动物、细菌和病毒。在发达国家和在发展中国家的大城市，市政具有大型工业规模的净水厂，在此水在经管道输送至各家各户之前净化。这些净化厂用例如如下工艺步骤处理原水(i)过滤， 其使用砂床除去粗悬浮固体，(ii)絮凝和凝结以沉淀出更细的悬浮杂质，(iii)离子交换以软化水，和(iv)抗微生物剂，例如卤素，如碘和氯，以杀灭微生物。在发展中国家的农村地区，这种类型的市政处理厂不存在或不足以满足这些地区居民的饮用水要求。在这些地方，人们不得不依赖于从湖泊、河流和井中直接采集水。他们将水收集在缸中并储存在自己家里。许多人不净化水，因此染上许多疾病。一些人采用简单方法，如用布过滤和/或用明矾絮凝以除去悬浮固体并煮沸以杀死细菌。煮沸是要求使用燃料，如煤、木材或油的昂贵方法。市场上已经开发和出售供个人家庭使用的许多复杂的净水系统。这些依赖于如紫外线(UV)照射水、反渗透等原理。上述方法通常要求水不断流动和不断供应电力。发展中国家的农村地区和许多城市地区常常无法提供不断的管道供水和不断的电力供应。因此， 此类净化系统在这些地区的用途和运用有限。US2009/0045106 (Access Business Group)公开了包括预过滤器、碳块过滤器和微生物截留(MI)过滤器的净水系统。碳的粒度为140-500目，MI过滤器的为200-230目。 MI过滤器基本用于截留/钝化微生物。该过滤器组装件可用于实现0. 7-0. 9加仑/分钟的流速，因此这适用于自来水净化系统而非重力进给装置。由于重力进给装置中的输入水压低，不可能使用这样低粒度的碳粒子。已经开发和出售一些桌面型家用净水装置。在W02004/000732 (Unilever)中公开了一种这样的装置，其要求保护包含适合过滤微粒材料的过滤单元和含有化学净化剂的化学净化单元的重力进给净水系统，其中该化学净化单元装在密封室中并与过滤单元流体连通以使过滤单元处理过的水随后重力进给至化学净化单元并在其中留存预定时期，此后水经由适合回收浸出的化学净化剂的清除器手段离开该系统。基于也由本申请人提交的该专利申请制成的装置如今已在市场上出售了一些年。这种装置需要大量以特定方式模制的活性炭才能在令人满意的程度上除去孢囊和其它微粒。在解决这一问题的一种尝试中，本发明人在更早的专利申请，即W02008/(^8734 中公开了包含螺旋盘绕的过滤介质层的过滤器，该螺旋盘绕的过滤介质层包含无褶皱层和褶皱层。W02008/(^8734中提出的织物过滤器不能带来与W02004/000732中报道的那类过滤器相比足够的成本降低。W02008/028734公开了包含螺旋盘绕的过滤介质层的过滤器，该螺旋盘绕的过滤介质层包含无褶皱层和褶皱层，因此没有在氯化前除去有机物，因此氯需求量极高，因为从抗微生物剂进给器中浸出的氯在水源中存在的有机物存在下被猝灭。此外，可除去的孢囊的最大量有限，即当过滤器是新的时，在不损害流速的情况下，孢囊的对数清除率为1.8至3. 6。但是，在使用一段时间后发现孢囊清除率降至小于3对数。本发明人正在寻求在大升数(Iiterage)流过该过滤器的过程中在保持低成本和确保所需高流速的同时提供进一步提高的孢囊对数清除率。此外，本发明人必须确保该过滤器不像过去的过滤器中那样经常阻塞。过去，当阻塞时，通常通过用空气射流反冲洗或在水中搅动下洗涤来再生过滤器。但是，在若干这样的再生周期后，该过滤器被不可逆阻塞，无法进一步流过或所得过滤水的流速极慢且必须更换过滤器。因此，始终阻碍令人满意的过滤解决方案的问题是在过滤操作过程中获得足够高的水流速，同时确保获得悬浮固体和孢囊清除中的所需过滤效率，所有这些都在保持低成本的同时实现。还必须找到在氯化前有效除去有机物的解决方案以确保氯化后的水中更大量的氯可用于杀死病毒和细菌，而不提高路径长度和影响流速。除此之外，如果水质突然改善，之前被所用过滤介质截留的孢囊浸出，例如如果水中的溶解盐的含量显著降至小于大约50 ppm，则截留的孢囊从过滤器中浸出。因此，需要开发降低由于水质变化而浸出之前截留的孢囊的可能性的改进的过滤器。除上述品质外，过滤器还需要足够长时间耐用以致消费者需要再生/更换该介质的次数更少。本发明人已经在尝试出在不使制造技术太复杂的同时解决上述问题。本发明人在这种研究过程中已令人惊讶地发现碳块与特定组合的织物过滤器的独特组合在孢囊清除效率方面提供协同益处。发明目的
因此，本发明的目的是提供在产生高过滤流速的同时确保包括孢囊在内的微粒固体的可靠过滤的过滤器。本发明的另一目的是提供确保包括孢囊在内的微粒固体的可靠过滤、产生高过滤流速并具有比现有技术过滤器长的寿命的过滤器。本发明的另一目的是提供确保包括孢囊在内的微粒固体的可靠过滤、具有长寿命、提供在重力下的所需高流速、同时确保比现有技术过滤器低的成本的过滤器。本发明的另一目的是提供确保包括孢囊在内的微粒固体的可靠过滤、具有长寿命、提供在重力下的所需高流速、同时确保比现有技术过滤器低的成本并降低之前截留的微粒/孢囊由于水质突变而浸出的可能性的过滤器。发明概述
根据本发明的第一方面，提供包含被螺旋盘绕的无褶皱织物层包封的碳块的过滤器， 该螺旋盘绕的无褶皱织物层被螺旋盘绕的褶皱织物层包封。该碳块特别优选是环状圆柱形的。发明详述
本发明提供与过去的过滤器相比在确保高得多的孢囊清除效率的同时有效除去微粒固体的改进的过滤器，同时该过滤器的成本仍低。本发明的过滤器有效除去的微粒固体的类型是尺寸通常高于3微米的粗粒固体、微生物如孢囊和总悬浮固体(TSS)，同时确保在重力水头条件下过滤的水的高流速。本发明的过滤器有效过滤尺寸为3至6微米的耐氯孢囊，如小球隐孢子虫和贾第鞭毛虫。孢囊清除率以对数清除率表示。如下计算对数清除率 对数清除率=对数1(1 (输入浓度/输出浓度)
重力水头条件是指不存在任何加压的水流。水头通常为若干厘米，约10至100厘米，优选15至50厘米。这相当于小于0. 1巴表压，更优选小于0. 07巴表压，再更优选小于0. 04 巴表压，最优选小于0. 03巴表压的压力。尽管本发明的过滤器非常适合在重力水头下的水过滤，但该过滤器还可用于过滤可在压力下供应的水。尽管本发明的过滤器非常适合制备适饮用途的水，例如饮用水、烹饪水和用于制造食品和饮料，但本发明还可用于其它家庭和工业用途，例如用于清洁生物医学和实验室应用中的仪器，作为洗衣机和洗碗机中的输入水，以及大量其它用途。本发明的过滤器中所用的碳块包含用聚合粘合剂粘结在一起的活性炭粒子。活性炭粒子优选选自生煤、椰子壳、木材和石油焦油中的一种或多种。活性炭粒子的表面积优选超过500平方米/克，更优选超过1000平方米/克。该活性炭优选具有小于2，更优选小于1. 5的尺寸均勻系数、超过50%，更优选超过60%的四氯化碳值。该活性炭优选具有大于800，更优选大于1000的碘值。该活性炭粒子在5至300目的尺寸范围内，更优选在16至200目的尺寸范围内， 最优选在30至100目的尺寸范围内。使用聚合粘合剂将碳块中的活性炭粒子相互粘结。熔体流动速率(MFR)小于5克 /10分钟的聚合粘合剂更优选。该粘合剂材料优选具有小于2克/10分钟，更优选小于1克 /10分钟的MFR。MFR最好接近0。使用ASTM D 1238 (ISO 1133)试验测量熔体流动速率 (MFR)，其中该试验在190°C下在15千克载荷下进行。将特定时间间隔后收集的聚合物量称重和标准化至在10分钟内挤出的克数熔体流动速率以每基准时间的克数表示。该粘合剂优选是热塑性聚合物。合适的实例包括超高分子量聚合物，优选聚乙烯、聚丙烯及其组合，它们具有这些低MFR值。分子量优选为IO6至IO9克/摩尔。这类粘合剂可以以商品名 H0STALEN (来自 Tycona GMBH)、GUR, Sunfine (来自 Asahi, Japan)、 Hizex (来自Mitsubishi)购得和购自Brasken Corp (Brazil)。其它合适的粘合剂包括作为 Lupolen (来自 Basel Polyolefins)出售的 LDPE 和来自 Qunos (Australia)的 LLDPE。根据本发明使用的粘合剂的堆积密度优选小于或等于0. 6克/立方厘米，更优选小于或等于0. 5克/立方厘米，再更优选小于或等于0. 25克/立方厘米。粘合剂含量可通过任何已知方法测量，并优选通过热重分析法测量。该聚合粘合剂的粒度优选为20至200 微米，更优选为40至60微米。聚合粘合剂与活性炭粒子的重量比优选为1:1至1:20，更优选1:2至1:10。该碳块优选为环状圆柱体、圆顶、半球体或截头圆锥体形状。环状圆柱形更优选。 穿过碳块的最短路径长度，即从入口表面(在此水进入碳块)至出口表面(在此水离开碳块) 的最短距离优选为5至50毫米，更优选10至30毫米。优选通过包括下列步骤的方法制备该碳块
(a)将活性炭粒子与聚合粘合剂在水存在下混合以制备湿混合物；
(b)随后将该湿混合物添加到所需尺寸的模具中；
(c)随后将该模具加热至150°C至350°C的温度；和(d)冷却该模具，随后将碳块脱模。活性炭粒子、聚合粘合剂和水的混合优选在包括搅拌器、带有钝叶轮片的混合器、 带式掺合器、旋转混合器、弓形(sigma)混合器或不会显著改变粒度分布的任何其它低剪切混合器的容器中进行。进行该混合以制备均勻混合物。混合时间优选为0.5至30分钟。制备湿混合物时所用的水量不超过粒子量的4倍，更优选不超过粒子量的3倍。所用水量最好为碳粒子重量的0.5至1.5倍。随后向上述混合物中加入粘合剂并进一步混合。最优选的混合器是弓形混合器。优选在加热前压实该模具中的材料。压实压力可以为0至15千克/平方厘米。合适的压实压力不大于12千克/平方厘米，优选3至10千克/平方厘米，最优选4至8千克 /平方厘米。优选使用液压机或气动压机，更优选液压机施加压力。模具通常由铝、铸铁、钢或能耐受超过400°C温度的任何材料制成。优选在模具内表面上涂布脱模剂。脱模剂优选选自硅油或铝箔，或Teflon或几乎或完全不吸附到过滤介质上的任何其它市售脱模剂。随后将该模具加热至150°C至350°C，优选200°C至300°C。该模具保持加热多于 60分钟，优选90至300分钟。优选在非对流炉、强制空气或强制惰性气体对流炉中加热该模具。随后冷却该模具并从模具中脱出模制过滤器。本发明的过滤器包含被螺旋盘绕的无褶皱织物层包封的碳块，该螺旋盘绕的无褶皱织物层被螺旋盘绕的褶皱织物层包封。该过滤器优选包含多层无褶皱织物。本发明的过滤器构造要求首先用螺旋盘绕的无褶皱织物层覆盖碳块。织物是指纺织、针织或无纺织物。该织物可以由天然纤维或材料制成或可以是合成来源的。优选织物是无纺织物。优选织物材料是合成的，优选聚合的。该织物构造的合适聚合材料是棉、聚酯、 聚丙烯或尼龙。无褶皱织物的平均孔径优选为1至400微米，更优选10至300微米，最优选25至200微米。形成无褶皱层的织物具有优选1至10毫米，更优选2至6毫米的厚度。 无褶皱层的螺旋盘绕数优选为1至10，更优选1至7。螺旋盘绕的无褶皱织物层的总厚度优选为1至30毫米，更优选2至20毫米。无褶皱层的总表面积优选为100至2500平方厘米，更优选200至1500平方厘米。该无褶皱织物的纤维具有优选大于-40 mV,更优选大于_30 mV的ζ电势。ζ 电势是在距其表面不远的粒子“剪切面”处存在的电势。通过测量对它们施以电场时带电粒子分散体的迁移率分布来推导ζ电势。迁移率是指每电场单位的粒子速度并通过对粒子分散体施加电场和测量它们的平均速度来测量。无褶皱织物在170毫米水柱头下具有优选小于4 χ 10—11 m2,更优选小于2. 5 χ 10_" Hl2的比液体渗透率。渗透率是指在水的恒定单位压差下每单位时间穿过织物单位表面积的液体体积流速。织物的固有渗透率，也称作比渗透率或绝对渗透率是该织物结构的特征并代表可供流体流过的空隙量。通过达西定律规定比液体渗透率k:
权利要求
1.包含被螺旋盘绕的无褶皱织物层包封的碳块的过滤器，该螺旋盘绕的无褶皱织物层被螺旋盘绕的褶皱织物层包封。
2.如权利要求1中所述的过滤器，其中所述碳块是环状圆柱形的。
3.如权利要求1或2中所述的过滤器，其中该碳块包含用熔体流动速率小于5克/10 分钟的聚合粘合剂粘结在一起的活性炭粒子。
4.如权利要求3中所述的过滤器，其中所述活性炭粒子在5至300目的尺寸范围内。
5.如前述权利要求任一项中所述的过滤器，其中穿过该碳块的最短路径长度为5至50 毫米。
6.如权利要求1中所述的过滤器，其中该织物是无纺织物。
7.如前述权利要求任一项中所述的过滤器，其中所述织物由棉、聚酯、聚丙烯或尼龙制成。
8.如前述权利要求任一项中所述的过滤器，其中所述织物的平均孔径为1至400微米。
9.如前述权利要求任一项中所述的过滤器，其中该螺旋盘绕的无褶皱织物层的总厚度为1至30毫米。
10.如前述权利要求任一项中所述的过滤器，其中过滤器的总外表面积为100至2500平方厘米。
11.如前述权利要求任一项中所述的过滤器，其中该无褶皱织物具有小于20%的表面孔隙率。
12.如前述权利要求任一项中所述的过滤器，其中该无褶皱织物具有小于3χ 10—11平方米的比液体渗透率。
13.重力过滤装置，其包含(i)在顶室上游的入口和在底室下游的出口；(ii)可拆卸连接到所述顶室底部的前述权利要求任一项的过滤器；以使经所述入口送入顶室的液体首先经褶皱织物，随后经无褶皱织物，随后经碳块过滤，接着收集在底室中以经该出口分配。
14.过滤水的方法，包括使水流经如前述权利要求1至13任一项中所述的过滤器，以使水首先流经所述褶皱织物，随后流经所述无褶皱织物，随后流经所述碳块。
15.如前述权利要求1至13任一项中所述的过滤器用于从水中大于3.5的孢囊对数清除率的用途。
全文摘要
本发明涉及包含被螺旋盘绕的无褶皱织物层包封的碳块的过滤器，该螺旋盘绕的无褶皱织物层被螺旋盘绕的褶皱织物层包封。这三个元件的组合在大于2300升水的长期使用过程中实现从污染水中大于3.5对数的孢囊清除率。本发明还涉及包含本发明的过滤器的重力过滤装置。还要求保护过滤水的方法，其中水首先流过褶皱织物，随后流过无褶皱织物，随后流过碳块。
文档编号B01D29/21GK102300615SQ200980155861
公开日2011年12月28日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年1月30日
发明者V. 达高恩卡尔 M., 瓦斯卡尔 M., 马祖姆达尔 U. 申请人:荷兰联合利华有限公司