气体用多孔聚合物过滤器及其制法的制作方法

专利名称：气体用多孔聚合物过滤器及其制法的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及过滤装置、其新的生产方法和使用方法。更具体地说，本发明涉及将不同形态的聚合物振动然后熔结以得到结构性过滤基质的方法，所述过滤基质还能够容纳各种化合物，用于除去、减少或吸附液体和气体(特别是水和空气)中不希望存在的污染物。
2.现有技术的说明流体过滤可通过多种方法完成，通常由一种或多种污染物(目标除去物或减少物)来决定过滤方法的选择。颗粒最好通过被称为深层过滤的方法除去。过滤器将任何污物或沉淀物收集并容纳在其基质内。以分子水平存在的溶解态有机污染物可通过吸附除去；或者，在有矿物质和金属的情况中，则通过离子交换除去。极小的污染物(包括小到亚微米级的微生物)的情况通常要求某种形式的膜技术，其中，膜中的孔隙被构造为小于目标污染物；或者可以通过某种方式将它们灭活。饮用水中的污染物可分为四类(i)混浊物和微粒；(ii)有机类的化学物质和杀虫剂；(iii)诸如危害健康的溶解态重金属(如铅)以及矿物质之类的无机物；(iv)诸如原生动物寄生虫、细菌和病毒之类的微生物。虽然对于各类污染物处理分别有特定的技术，但是一些过滤器被设计成能通过单独一种过滤技术而处理几类污染物。因为历史上有机污染物是最为常见的，所以人们已经使用活性炭从液体(特别是饮用水)中除去多种这类污染物。由于这个原因以及其它原因，大多数现有技术中的液体过滤器是炭类的，并且通常被称为炭块。本发明涉及一种可供选用的从流体中除去污染物的方法，该方法具有优于现有技术方法的流体过滤效果以及其它改进之处。
塑料用于过滤流体已经有很长时间了。这种方法通常包括获得塑料球粒并且在低温下将它们研磨成颗粒状和/或粉末状。所得到的材料可直接应用，或通过筛子过筛分离而将颗粒的目数范围控制得更为严格。然后使塑料颗粒在模具中熔结。该方法(更具体地称为多孔塑料的方法)包括以下步骤将填充有塑性材料的模具升温到其中颗粒软化但不熔化的温度，使得所有的颗粒彼此粘着。然后使模具恢复到环境温度，并将材料从模具中排出。成品既为固体自承载型，同时又能使流体从孔中穿过。可使用可被研磨成细粒形式的任何塑料；并且一些聚乙烯聚合物被制成粉末形式。颗粒越细，使得基质的塑料颗粒之间的间隙越小，该间缝被称为空隙或孔隙。可以加入过滤材料(包括但不限于活性炭)，以增强对特定污染物的过滤性能。在聚合物材料的基质内混入和容纳其它过滤用化合物的方法要满足以下条件聚合物的总表面积大于加入材料所占的总表面积，以达到充分的粘着。在据此进行配制时，所得到的成品具有耐久性并且为自承载型。在该方法中，所选择的聚合物材料和过滤用化合物二者通常具有相似的体密度和粒径，对于大多数的过滤应用，二者的优选重量比为使得过滤器的至少50重量％到60重量％为聚合物颗粒。在这种方法中，在加工之前或加工过程中没有对材料施加力、压缩作用或压力，使得聚合物颗粒和过滤材料基本上保持原样(即，它们没有失去各自原来的形状)。要被过滤的流体流过多孔基质，使得该流体在其中与吸附剂或其它过滤材料接触。这种过滤技术(被称为曲径式过滤(tortuouspath filtration))不同于所谓的绝对过滤。多孔塑料过滤器内的孔的中位直径大小决定了任何给定尺寸的污染物可通过过滤器基质的量。当采用如水银孔径检测仪分析所测定的孔径中值(MPD)对过滤器进行测量时，这些孔不可能被制成均匀的单一尺寸，而是通常在从大到小的范围内变化。如上所述，可以控制构成过滤器的颗粒的尺寸，由此将孔径中值控制为更大或更小。所述的颗粒尺寸既包括塑料细粒或粉末的粒径，也包括混入其中的任何材料的粒径。
一种已知的可供选用的过滤器制备方法是炭块技术。炭块是粒状活性炭颗粒的模制品。它起源于对以下方法的改进需求人们从罗马时代开始使用松散床炭末颗粒从水中除去有机污染物。然而，松散床活性炭过滤器的比表面积性能较差，并且实际问题是，其对于许多使用点(point-of-use)应用来说太占地方。这些缺点使得炭块技术在20世纪八十年代发展起来。在炭块方法中，将炭末颗粒与少量的被称为粘结剂的热塑性材料以约4份粒状活性炭对1份热塑性材料的大致比例混合。将所述材料充分地混合在一起，然后将其倒在筒形模具中并压缩，使得混合料被尽可能地压紧。然后将该材料加热到使其中的粘结剂软化或熔化的温度，以便使所有的炭末颗粒彼此粘着。该粘着操作仅使用其与活性炭微粒之比较小的少量粘结剂，加工过程中施加于这两种材料上的压缩作用有助于粘着操作。一旦冷却，成品就呈现出由炭末颗粒构成的实心柱体的形式，其为自承载型，同时可使大多数流体从孔中穿过。柱体不变地为管状，因此其具有芯部和壁厚。水被引导从管的外径(OD)表面沿径向流动到内径(ID)，然后从芯部的一端流出。
将炭末颗粒结合成固定床的可能性使得炭过滤器能够使用比传统上用于松散床过滤法中的炭末颗粒更细的炭末颗粒。更细颗粒的应用又会使吸附剂活性炭的可用的表面积增大，但加工过程中对颗粒的压缩会使炭末颗粒的密度增大。这样的密度还会使过滤器的绝对微米等级增大，这是因为炭末颗粒之间的空隙被排除了，从而形成了微粒通过的绝对障碍。Degen和Vanderbilt的专利(分别为美国专利No.4,664,683和4,753,728，均于1986年提交)教导了粘结剂在炭块技术中的应用。Vanderbilt公开了高密度聚乙烯聚合物代替其它粘结剂的应用，包括被称为GUR 212的超高分子量聚乙烯(UHMW)聚合物的应用。在1991年，Koslow在其美国专利No.5,019,311中公开了一种可供选用的炭块生产方法，其中可将吸附剂活性炭与熔融温度极低的粘结剂的组合物混合在一起，并由螺旋输送机推动通过挤出筒。混合料在被输送到挤出筒中时受到压缩作用，然后被加热并被迅速冷却，由此制成挤压成型的炭块。
在流体(特别是水和空气)过滤中，本发明克服了炭块方法所具有的某些局限性。炭块方法局限于仅使用一种初级过滤材料活性炭颗粒，没有活性炭颗粒就没有过滤器。其它局限性包括缺乏深层过滤效果和耐久性。由于在加工过程中采用压缩，使得炭块过滤器表现出高的压降。使用本发明的方法与特定聚合物的组合而制成的流体过滤器与使用现有技术过滤器生产方法而制成的流体过滤器表现出显著的差异。本发明的流体过滤器可以包括任何过滤材料(包括小于一微米的极细粉末)，而无需依赖于任何一种材料。本发明所得到的过滤器与现有技术方法所得到的过滤器的区别在于，前者表现出优异的过滤性能、优异的深层过滤效果、极低的压降、耐久性，并且可将其成型为任何形状或尺寸。
因此，人们仍然需要这样一种过滤装置其中过滤器的结构性基质与过滤用化合物无关，并且其中过滤用化合物的最小粒径不受限制，使得其可以利用更细粉末的更大表面积这一优点。由此可以制成这样的过滤装置，其满足具体的一项或多项任务的要求，同时还表现出优于其它过滤器组件的许多优异的性能特征和优点。另外人们还需要耐久的、显示出增强的深层过滤效果、并表现出最低压降的过滤装置。
发明概述本发明的过滤装置依赖于实现形成结构性基质的材料和方法，所述结构性基质随后可容纳多种添加的过滤材料。本发明的过滤器依赖于(i)用于达到最大的、均匀的材料密度的独特的加工方法，(ii)具有特别小的粒径并且自始至终都保持独特形态的聚合物材料，和(iii)形成过滤器的初级结构的聚合物基质。
本发明的加工方法包括如下步骤将粉末过滤材料和聚合物剧烈振动，直到使它们在给定的空间(如模腔)中变得非常紧密。以这种方式来减少由颗粒之间的夹气产生的不必要的空隙。这样不用外力就使材料的密度达到最大值。不施加力使得聚合物材料和过滤用化合物二者均可保持各自原来的形状(形态)和粒径。优选实施方案中的两种聚合物具有显然不同的形态，各自为最后所得到的过滤器提供不同的特征。
因此，两种主要聚合物材料所具有的形态使得可以通过调整这两种聚合物之间的比例，使一种比另一种更多，从而控制过滤器基质。本发明的聚合物所具有的平均粒径使得过滤器与过滤用化合物混合时过滤器的结合能力和密度进一步增大，这是因为它们的表面积大于具有类似形态但是平均粒径较大的颗粒的表面积。此外，在本发明的这种方法中，聚合物颗粒通常可与平均粒径在非常粗大到该聚合物颗粒尺寸的约一半的范围内变化的任何非聚合物材料牢固结合。因此，较小的聚合物颗粒尺寸可使得更多种的过滤材料与之并用。非常细的粉末形式的过滤材料具有比粗颗粒更大的表面积。在流体过滤中，一个共同的目标是制成这样的基质，在成品过滤器中该基质为给定污染物的过滤材料提供最大的可用表面积。
已知的可供选用的方法包括如下步骤将普通过滤吸附剂与其它材料压缩成型，其中用少量热塑性材料将用量大得多的、主要为活性炭的颗粒粘合在一起，与该可供选用的方法不同，在本文中，过滤材料被结合在多孔塑料基质上，该多孔塑料基质的总表面积等于或大于所加入的过滤材料的表面积。与仅具有粘合活性炭微粒这种功能的外在粘结剂不同，本发明的聚合物材料可配制为用来确定(例如)以下特征结构完整性、过滤器基质的孔径中值、深层过滤的量、过滤材料的密度和压降。这种非常细的粉末形式的聚合物材料在加工过程中自粘合，并且在加热时不会变形。
结构性材料与吸附剂(或不与吸附剂)和/或其它过滤用化合物一起剧烈振动的这种组合方式形成了极为复杂的、结构曲折的基质。这种基质形成有气体或液体必须流过的曲径。曲径或曲折通道是绝对微米级过滤方法的替代方案。比较而言，模制的炭末颗粒过滤器是由以下方法制成的将较多的较粗颗粒压缩成充填较为密实的基质，并且用粘合剂材料(如热塑性粘结剂)将它们结合在一起。该过滤器的基质由过滤材料本身形成。在这种基质内只有很少量的孔，这是因为大量的孔已经在该方法的压缩阶段过程中被除去了。在这种过滤器中，这些孔中最大的孔决定了除去微粒的绝对过滤能力。曲径式过滤器可通过过滤器基质内的孔径中值(MPD)来分级。绝对微米等级的原理是比过滤器基质中的最大孔径更大的任何颗粒都被物理性地拒绝通过。在曲径式过滤中，微粒穿过具有各种孔径的多向孔的曲径，这些孔的孔径既可能比微粒更大，也可能比微粒更小。微粒最后被随机截留在较小的孔内并且被保留，而要被过滤的液体或气体则容易地继续通过。一个颗粒贯穿结构曲折的基质的可能性很小。适当形成的曲径基质有许多优点，其中之一是优异的深层过滤效果。依赖绝对过滤的过滤器在过滤介质的外表面上拒绝微粒通过，微粒在所述的外表面上聚集并且最终会堵塞过滤器。而依赖曲折通道的过滤器则将微粒容纳在过滤器基质内而不是容纳在其表面上。
在本发明中，即使是在孔径中值比要被保留的物理污染物大几倍的情况下，也能够通过曲径式过滤而除去物理污染物，同时，还可以更有效地除去溶解在气体和液体中的杂质。这是由于本发明能够利用粉末材料，而在此以前人们一直认为粉末材料太细。例如，可将1克碳活化而使之具有最多为1500m2的总表面积；将其研磨得越细，则变得可用的表面积就越大。术语“可用的表面积”可被定义为与要被过滤的流体发生物理接触的材料的量。试图利用细粉末的现有技术只是进行了有限的改进，但还没有达到本发明的成就，在本发明中，过滤材料的粒径没有下限。
本发明的其它目的、优点和新的特征在以下的说明书和实施例中部分地阐明，其一些方面对于本领域的技术人员来说通过分析以下内容是显而易见的，或者可通过实施本发明而获悉。本发明的目的和优点可通过所附的权利要求书中特别指出的手段和组合来实现和达到。
附图简述被并入说明书并且构成其一部分的附图示出了本发明的优选实施方案，并且与说明书一起用于说明本发明的原理。
在附图中

图1是示出被称为PMX CF-1的第一基础聚合物材料的形态的显微照片。
图2是示出被称为PMX CF-2的第二聚合物材料的形态的显微照片。
图3为图1中所示的基础材料的粒度分布的图，其平均微米级直径为约37微米。
图4为图2中所示的材料的粒度分布的图，其平均微米级直径为约60微米。
图5是对用于本发明的一个优选实施方案中的过滤吸附材料的粒度分布密度进行激光颗粒分析的图。
优选实施方案的详细说明本发明的过滤装置依赖于(i)用于达到材料最大密度的独特的加工方法，所述材料具有均匀的粒度分布；(ii)具有独特形态的聚合物材料的组合，以制成成型的、结构性过滤基质；和(iii)微米级直径非常小的聚合物材料，其增强了对细粉状过滤用化合物的使用。这些化合物可包括吸附剂，例如但不限于粒状和粉状的活性炭；金属离子交换型沸石吸附剂，如Engelhard公司的ATS；活性氧化铝，如Selecto Scientific公司的Alusil；离子交换树脂；基于银、锌和卤素的抗菌化合物；酸性气体的吸附剂；用于减少砷含量的材料；碘化树脂；织物纤维；以及其它聚乙烯聚合物。结构性过滤基质的形成可允许过滤用化合物的存在，所述基质可被配制用于具体的任务，如只针对一种污染物或一类污染物，诸如例如重金属；或者其可被配制用来从多类污染物中滤出多种污染物。本发明可在聚合物基质中引入具有任何粒径的任何过滤材料或其任意组合的能力使得在针对给定的任务来配制过滤器时有具有更大的灵活性。
本发明的方法对将被熔结的材料采用振动操作而不是压缩操作。在不施加作用力或不产生颗粒变形的情况下，振动操作就使得所有材料完全填充模具而达到最合适的状态。因此在将混合料逐渐输送到模具中时，对容纳被加工材料的模具进行振动。当一个或多个模腔已经被振动到其中不能再容纳更多材料的程度时，立即以如下方法将所述材料自由熔结将所述材料加热到使其中所有的聚合物材料表面均软化并且与周围颗粒粘着的温度，然后使其恢复到环境温度。构成本发明的过滤器基质的基础聚合物材料是两种平均粒径分别在30微米到60微米范围内的非常细的聚合物粉末，其在高温下发粘但不丧失其独特的形态。这使得颗粒在熔结过程中永久地彼此粘着，并且与已经加入的任何过滤材料都形成表面结合。这是极高分子量聚合物和超高分子量聚合物的特征，其中更优选后者。一旦材料冷却，即成为自承载型的成品，该成品具有由无数微小的、相互连接的、多方向的具有不同直径的孔所构成的复杂的内部基质，这些孔形成阻碍流体中的污染物流过的曲径。过滤器可以仅使用一种聚合物粉末而形成或使用两种聚合物粉末而形成，并且可以引入在约275到375的加工温度下保持稳定的任何过滤材料。在使用细粉状的过滤用化合物时，塑料基质通道的内表面涂敷有粒径小于聚合物颗粒的更细的过滤材料粉末。相对较粗的过滤材料颗粒则填充在由微小的空隙空间所形成的孔隙体积中。这种组合形成了甚至更为曲折的通道并且还使过滤器基质的孔径中值减小。
为了本发明的目的和最后的效果，这些聚合物的独特的特征如下(i)它们各自具有有助于过滤器基质的表面积、耐久性、密度和迂曲度的独特形态；(ii)它们在被加热到临界温度时会软化并且彼此粘着或粘着到其它材料上；(iii)在加工过程中，它们保持其各自的形态；和(iv)它们各自的微米级直径对于该材料能否用于优选实施方案中而言是至关重要的。例如，PMX CF-1(图1)具有独特的很像爆米花的形态，其表面是具有曲折结构的并且颗粒本身是有孔的，其体密度为0.25到0.30g/cm3。这种独特的形态使得相比于PMX CF-2(图2)而言，PMX CF-1的颗粒表面积显著增加，其中，PMX CF-2为常规的球形并且其体密度为0.40到0.48g/cm3。每种颗粒的形态产生不同的特征，如体密度和平均粒径。例如，在根据本文中公开的方法进行加工时，PMX CF-1的扩大的表面积和不规则的形状产生非常坚固的、略有弹性的、耐久的制品。该聚合物材料本身有孔，使得流体可从其中和其周围流过。这种聚合物可容易地与粒径同该聚合物相当或更小的非常细的粉末相结合；但是在必要时该聚合物也可以与比其大得多的颗粒牢固结合。在PMX CF-1材料提供优异的强度的同时，PMXCF-2材料的主要特性是具有更大的材料密度和升高的压降。因为PMX CF-2具有较小的表面积，所以仅由PMX CF-2和过滤材料制成的过滤器要求聚合物与过滤材料的比例更大，二者的重量比通常为约3∶2。加入的材料越多，则得到的制品变得越不牢固。这种不牢固是该聚合物所具有的球状形态的结果，因为与PMX CF-1的不规则形状颗粒相比而言，球形颗粒所提供的用于粘合的接触点相对更少。在形成优异的流体过滤器的方法中，将分别具有各自粒径和不同形态的这两种PMX材料以不同比例彼此混合并与其它过滤材料混合，得到兼具这两种聚合物材料的性质的过滤器成品。本发明的方法还教导了从这两种PMX聚合物(它们的形态和大小使得能够使用更细的粉末吸附剂材料以增强性能)制备聚合物过滤器基质的优点和优越性。把通过使用PMX CF-1而获得的耐久性和弹性与通过使用PMX CF-2而产生的密度增大相组合，使得可以制备多种配制物，该配制物可容纳用于从液体和气体中除去污染物的多种过滤用化合物。优选实施方案中选择的是由位于美国新泽西州Summit市90Morris街的Celanese公司的分部Ticona公司(邮编为NJ07901)所生产的PMX CF-1和PMXCF-2。然而，也可使用由生产极高和超高分子量聚合物的其它生产商处得到的粒径、体密度和形态与上述相当的并且分子量为约750,000到3,000,000的聚合物。
虽然这两种PMX聚合物具有相同的熔体流动特征，但是这两种聚合物颗粒在形态、体密度和平均微米级尺寸等方面彼此不同。其形态已经在图1和2中示出，而粒度分布在图3和4中示出。图3示出，PMX CF-1的平均微米级直径为约30微米到40微米，总的粒度范围为10微米到100微米。图4示出，PMX CF-2的平均微米级直径为55微米到65微米，其粒度分布范围为10微米到180微米。然而，可通过筛子对PMX CF-2粉末进行筛分，使得其平均微米级直径被调节到低至约30微米到40微米。可供选用的另一种方式是，不将材料过筛，而是使用具有所需的微米级尺寸和形态以及类似特征的任何市售的聚合物，这样也可满足要求。形态很重要，这是因为PMX CF-1具有更大的表面积、非常小的微米级直径和不规则的形状。兼具图1所示的该聚合物颗粒的独特形状以及特别小的微米级尺寸使得所述颗粒在加工过程中可以与其它颗粒结合更为充分，这是因为其比典型的球形聚合物颗粒(例如，如图2中所示的PMX CF-2材料)具有更多的接触点。增大的表面积使得颗粒能够容纳在加工过程中与其结合的更细的粉状过滤用化合物。最后，较小的微米级粒径更容易适应具有任何粒径或分布范围的其它材料，但是特别适合于具有类似大小或更小的颗粒。在加工过程中，更小的颗粒被截留在PMX CF-1聚合物颗粒本身的不规则表面内，而不会降低该聚合物粘附其它吸附剂材料的能力。这种特征是PMX CF-1单独特有的。这是有利的，因为一般来说，吸附材料被粉碎得越细，则其过滤性能越好，这是因为吸附材料中有更多的表面积与通过的污染物相接触。PMX CF-1聚合物的一个特征在于，在将其与粒状的或粉末状的添加剂(例如上述的化合物和/或吸附剂)混合时，其非常耐久，并且具有较小的密度和最大的深层过滤能力。深层过滤能力是从流体流中截留并容纳悬浮微粒的能力。当把PMX CF-2配制到上述材料中时，制品的密度增加(制品重量更大)，同时压降也略有增加。压降增加事实上并不表示较小的孔径中值，而是由于CF-1材料(其本身可使流体从孔中通过)被无孔的球形CF-2聚合物代替而造成的。在流体流过过滤器基质时，CF-2材料减小基质内的总的孔隙容积。通过平衡这两种聚合物的这些相对立的性质，可以将过滤器配制用来实现非常特殊的目标。例如，在流体同时包含微粒和溶解态的有机污染物(诸如例如含量过高的杀虫剂残留物)时，目标可能是与吸附剂(如活性炭)并用的深层过滤。这时，解决方案可为这样一种的过滤器，其含有约50％的PMX CF-1和50％的细粉状的活性炭颗粒(如图5中所示的那些)或粒径范围为约45微米到180微米的较粗的粒状活性炭。可通过用CF-2代替一些CF-1而将过滤器制成更大的密度。在这种情况中，过滤器的总重量增加。这两种聚合物的实际比例可随后由被过滤的流体的所需流速以及成型时过滤器制品的实际几何形状来决定。然而，一旦组成已经确定，只要被加入的过滤材料的性质(例如平均粒径、粒度分布密度、体密度和水分含量)保持在一定的容许限度内，就可连续地重复该方法，而得到可预测的过滤器性能。其中最重要的是平均粒径和分布密度，其可以在加工之前通过激光颗粒分析而迅速地测定，例如，如图5中所示。
任何化合物或吸附剂(如活性炭)从气体或液体的贯穿流动中过滤溶解态污染物的过滤性能的重要影响性因素是(i)化合物或吸附材料的原始表面积在加工过程中的保留量(没有损失的量)，和(ii)如何使直接接触含有污染物的流体流的可用表面积达到最大。流体过滤的现有技术方法所依赖的方法和材料封闭了过滤用化合物的总的可用表面积中的一部分。简单而言，“封闭”是指过滤材料(如吸附剂或离子交换材料)表面上的交换位点被粘结剂颗粒阻断，使得其不接触流体流。当采用压缩时，过滤材料在加热和加压的条件下被迫嵌入到粘结材料中。这种粘结剂在压力下变形，丧失其形态并且封闭一部分过滤材料。熔融温度极低的粘结剂很容易熔化，并且会吸收非常细的粉末而封闭较大的颗粒，从而使可用的表面积减小。在本发明的方法中，非常细的粉末被结合到由聚合物结构性过滤基质所形成的大的表面上。在期望对液体(例如水)中溶解的有机物和金属进行特别过滤时，这种细粉末过滤用化合物的使用具有显著的进步，这是因为它们具有更大的可用表面积，因此会延长过滤材料和污染物之间的接触时间。
本发明的过滤器的新颖性在于如图1和图2所示的两种聚合物在采用上述的振动/熔结方法加工时得到的配制物、其相互关系和用途。当这两种聚合物单独使用时，每种聚合物各自形成具有某些彼此不同的特征的过滤器。通过在给定的配方中、在加入或者不加入过滤材料的情况下将这两种聚合物组合在一起，就可以使成品过滤器兼具这两种聚合物的特性。这种新型的关系与加工方法相结合就能够制成性能优异的流体过滤器，同时消除现有技术的过滤器生产方法的许多缺点。下文将对本发明的这些改进之处分别进行详细地讨论，在此可将其概括如下(1)当本发明的过滤器与合适的过滤用化合物组合在一起时，对溶解态的有机污染物具有优异的吸附作用以及/或者对金属离子具有优异的金属离子交换作用；(2)能容纳具有从低于一微米开始的任何粒径范围的任何过滤材料或过滤用化合物组合的能力；(3)本发明的过滤器可被成型为壁厚低至0.100英寸的任何形状；(4)本发明的过滤器具有非同寻常的耐久性，使得成品过滤器在受到冲击时不会裂缝、分裂或破碎；(5)可通过改变配方而降低或提高压降，其优点在于能够进行高品质的过滤操作，而在即将过滤之前和刚刚过滤之后测量时没有产生显著的压力损失；(6)本发明的过滤器表现出非同寻常的深层过滤效果，这使得其能够持续过滤溶解态的有机和无机污染物，而不会由于流体流中存在的微粒引起过早的堵塞。
过滤流体的大多数应用要求使用特殊的过滤用化合物。最常见的是活性炭。活性炭(已知是一种吸附剂)在其表面上吸附并保留溶解态的有机污染物，如杀虫剂残留物、有机气体等。活性炭还用于被称为减少法(reduction)的方法中以消除饮用水中的氯。其它过滤材料的作用机理为离子交换。例如，可使用金属离子交换型沸石吸附剂或活性氧化铝从饮用水中除去重金属(例如铅)。其它过滤材料还包括抗微生物剂。这些抗微生物剂通常是阻止细菌和其它微生物生长的基于银或卤素的制品。气体和液体过滤中常用的过滤用化合物可以以粉末形式得到，下表I中列出了可用于本发明中的部分过滤用化合物的例子。
表I
如何用上述材料获得优异的流体过滤效果将依赖于加工方法，该加工方法应做到这两点(1)过滤材料的平均粒径决定了与被过滤流体相接触的可用表面积的大小，因此颗粒越小，则可用的表面积越大。例如，上文已经指出，1克活性炭可具有高达1500m2的表面积。活性炭可以以颗粒的形式得到，或者可将其粉末化。使用本发明的方法和材料，可使用平均粒径只有22微米的活性炭颗粒。此外，以下图表显示出实际粒度分布的90％为小于1微米到45微米。虽然已经证实本发明的过滤器可使用小到只有22微米(平均粒径)的颗粒，并且其具有接受小到亚微米级粒径的颗粒的能力，但是保持可用的表面积是本发明的重要特征。大多数现有技术的过滤器生产技术都依赖于材料的密度；在这些技术中，采用压缩使过滤材料的量达到最大，并且采用压缩来补偿通常只使用相对较少量的热塑性粘结剂而造成的后果。这类方法要求过滤材料具有较大的平均粒径并且要求过滤材料的粒经具有截止点，截止点以下的颗粒则完全不能使用。在本发明中，典型的过滤器所包含的以PMX CF-1聚合物和/或PMX CF-2聚合物形式存在的聚合物材料占至少50％。因此，在本发明中，总的结合表面积较大，并且CF-1材料的粒径及其独特的形态使得表面积比常规形态显著更大。CF-2聚合物的球状形态是独特的，这是因为其平均粒径仅为60微米，使得其具有较大的表面积。
虽然一个优选实施方案要求如上文所述的粉状活性炭，并通过表II所示的激光颗粒分析结果对该活性炭作出进一步证明，但是还有其它的炭末粒度分布方式，以用于产生不同的特征。在目标是使对溶解态的有机类污染物的过滤达到最佳时，粉状活性炭的可用表面积越大，所产生的效果越优异。然而，45微米到180微米的较粗的炭能形成更为全面的过滤器，该过滤器具有较多的开孔结构，因此性能非常好，其具有更强的深层过滤作用并且仅产生非常有限的压降。此外，用于除重金属的最常见的过滤材料是非常细的粉末，其占据所选聚合物的大量表面积。为了补偿这种被占据的表面积，在同时还需要活性炭的情况下，45微米到180微米的粒径范围可以是优选的，这是因为活性炭颗粒越大，其占据的聚合物表面积越少，由此对配制物进行了平衡，使得过滤器既能充分除去重金属，又能充分除去溶解态的有机污染物。
表II优选实施方案中粉状活性炭的激光颗粒分析结果
表III得自表II的粒度分布密度
在其它应用中，一些过滤材料只能以非常粗的粒径得到。例如，微米级粒径范围的起始值为1000微米或更低的活性炭易于得到，这些活性炭可以与PMX CF-1聚合物和PMX CF-2聚合物组合使用，从而产生形成极为开放的孔结构，该结构具有良好的深层过滤效果和适宜的有机物减少量(例如预过滤应用)。不含碳的材料通常不能以粉末形式得到。在这样的情况中，PMX CF-1聚合物和PMX CF-2聚合物将容纳大到1000微米的颗粒。其中的一个具体情况是KDF，KDF是含有锌和铜的流体处理化合物，通常用于除去重金属和氯。KDF由相对较粗的金属颗粒制成，所述的金属颗粒与PMX CF-1聚合物和PMX CF-2聚合物结合很牢固，其中，PMX CF-1聚合物由于具有优异的结合能力和流通特征，所以与KDF结合后性能特别优异。
虽然这两种聚合物各自的形态对于形成具有独特特征的过滤器而言具有重要的作用，但是它们的微米级粒径和粒度分布使得过滤器能够容纳具有类似或更小的中值粒径的粒状化合物和细粉状化合物。本发明的目标是制成一种性能极为优异的成品过滤器，其具有耐久性、表现出良好的深层过滤效果、具有足够的材料密度(使得成品过滤器具有更大的容量)和可接受的压降。
PMX CF-1材料表现出较大的表面积、更优异的结合能力，并且非常耐久，以及具有相对较低的压降。在过滤器是由PMX CF-1本身形成的或者是由PMX CF-1与过滤材料结合而形成的时候，由PMXCF-1制成的过滤器具有最大的深层过滤作用和迂曲度。球状形态的PMX CF-2材料形成密度更大的基质，使得相同的空间中填充有更多的材料。与PMX CF-1相比，PMX CF-2会产生更高的压降。在将这两种聚合物中的任意一种加入到另一种中时，成品具有两者的特性，因此可以得到理想的配制物。
配制物的制备通常起始于这样的过滤器，在该过滤器中，上述两种聚合物的含量大约相等；然后将其与约0.025重量％到55重量％的所选过滤材料混合。某些变化因素控制着实际的配制物。例如，加入的过滤材料越细，则要求聚合物表面积越大，这是因为颗粒越细，其覆盖的表面越大。制品的几何形状可为纤弱的，或者可为坚固的。例如，壁厚为0.125英寸的制品要求聚合物材料的强度能满足自承载的要求，而壁厚为0.500英寸的制品在含有较少聚合物材料的情况下也会变成自承载型。此外，纤弱的制品由于其耐久性的需求，因此希望含有更多的PMX CF-1；而坚固的制品可以只需要较小量的PMXCF-1并且可以主要由PMX CF-2制成。根据过滤目的的不同，过滤材料的加入量占总制品的量可以低到0.025重量％到高达55重量％。
本发明的制品可以只包含两种聚合物中的一种；或者包含两种聚合物的混合物，其中一种聚合物与另一种聚合物的比例可为任何给定值。配方可广泛地变化使得可以根据材料的具体特征来配制过滤器。这一点很重要，这是因为可以以粉末形式得到的多种过滤材料在平均粒径、粒度分布密度和体密度方面是各不相同的。只依赖于一种配方会限制过滤材料的充分利用。使用具有较粗的粒度分布的吸附剂材料(如活性炭)对于除去溶解态的有机污染物而言效果较差。这种较粗的材料使孔径中值增大，并且使得其与流过过滤器基质的液体或气体相接触的表面积较少。然而，也存在着这样的过滤应用，其中较粗的粒度分布可能是有利的。例如，其基质以上述这种方式构造的过滤器表现出极低的压降和非同寻常的深层过滤效果。在这种配制物中，起点可能是聚合物与过滤材料的混合物，其中聚合物为单独的PMX CF-1，比例为1份聚合物对3或4份的粒状活性炭。在这种情况中，由于PMX CF-1具有较强的粘附特性，所以其使得最终的制品具有充足的强度和耐久性而成为自承载型制品。这时，过滤材料的表面积减小使得用于将制品成型为一体的PMX CF-1的量可以减小。然而，应当指出，这种成品的自承载作用不够强，因此必须用外容器结构加固，或者必须使用更多的PMX CF-1，直到已经达到合适的平衡状态。有许多应用，其中深层过滤和低的压降很重要。一个例子为滤水器，如在拉丁美洲和亚洲许多国家中，其用于过滤屋顶水箱中储存的水。水受到物理污染，并且水的重力压力受到水箱和出水口之间的垂直距离的影响。在这种情况中，理想的解决方案是这样一种过滤器，该过滤器不会堵塞并且可以使水以最低的压力容易地流过其中。
除了如上所述的这种应用之外，完全均匀的基质对于稳态过滤而言是最合乎需要的；通过保持被加工颗粒的粒径均匀性可以充分达到基质完全均匀的效果。在聚合物颗粒本身是细粉末、并且对该聚合物颗粒与同样细的粉末进行均匀加工的时候，成品过滤器含有均匀的过滤器基质，同时呈现出最大的表面积。这解释了为什么PMX聚合物颗粒所具有的特别小的粒径在本发明的新颖性中起到关键作用。具有类似形态的较大的聚合物颗粒表面积较小，并且不适于与较细粉末一起加工。
下一步是正确的加工方法。一旦已经根据成品过滤器的所需特征确定了配方，就必须以特定的方式对其进行加工。将所选材料混合在一起，使得最终的材料是均质的并且不含团块。螺带混合器等通常能够做到这一点。然后将混合料从混合器输送到模具中，该模具中具有一个或多个模腔。模腔的几何形状决定成品的最终形状。所述的形状可以是任何给定的形状，包括正方体或长方体、盘状、平板状、杯状、杆状或实心的筒状、或者仅一端开口或两端都开口的有芯的筒状。也可将材料成型为厚度低至1mm的连续片材。对制品形状的唯一限制是该制品在加工之后能够从模具中取出。
在把基础材料混合物输送到模腔中的时候，同时使用任何可用的标准的机械工业振动器来振动模具。市售的振动器以上下运动的方式进行摇动，或者它们在振动的同时还旋转材料，或这两种方式都有。振动的程度可随着许多变量而增减，这些变量包括模具的总重量、成品过滤器的大小、以及在长度大于宽度时制品的纵横比。应该在把粉末输送到模腔中之前、或者在颗粒在模具中可以彼此远离地移动和分开的时候开始振动，也可以在开始用材料填充模腔之后开始振动。通过实验得知，有些应用可能不需要振动。较短的和较长的振动周期会产生不同的效果，这种效果甚至会随着模腔的深度和宽度特征的不同而形成进一步的差异。振动操作具有双重目的(1)缓和地从粉末材料中除去夹气而不使被振动的颗粒破坏或粉碎，其中夹气会在颗粒之间产生空隙空间；和(2)通过使粉末移位和旋转直到它们与其它颗粒配合在一起，从而在不施加力和压缩的条件下使得在模腔中变得紧密的粉末的总量达到最大。较短的振动周期会造成密实度较低；而较剧烈的振动会造成不希望出现的颗粒分离现象，其中较细颗粒发生迁移而离开较大的颗粒。在聚合物材料主要为球状的时候，这个问题尤其引人关注。在完全填充模具之前就停止对材料进行振动是不妥当的，这是因为最后加入的材料可能具有不同的颗粒密度；过度的振动最终会导致不同的材料颗粒发生迁移而彼此分开。但是也有例外，例如在不需要使材料达到最大密度时，或者粒径之间有显著差异时，这将在下文进行解释。
在振动周期结束时，必须用盖板覆盖模具并将模具加热到这样的温度，该温度使得聚合物变得充分发粘，以粘附其它聚合物颗粒或其它聚合物颗粒与过滤用化合物的组合。虽然在优选实施方案中，PMX CF-1和PMX CF-2的分子量为约3,000,000，并且如果被加热到超过其软化点的温度时不会损失其最初的形态；但是也可以将分子量在最低为750,000的范围内、并且具有类似形态的较低分子量的聚合物加热到软化点并使用。在使用后面的这种聚合物时，必须对熔结过程中的模具温度建立非常严格的控制，以免聚合物变形或熔化。由于超高分子量聚乙烯聚合物容易加工，所以它是更优选的。一旦模具达到所需的温度(根据具体的聚合物熔体流动指数，该温度通常为约225到375或更高)，立即将模具冷却恢复到环境温度。冷却循环的方式可以是自然冷却方式或通过任何冷却方法辅助的冷却方式，并且冷却所用的时间与成品的品质无关。一旦模具已经冷却，粉末材料就形成为自承载型的多孔过滤器。其允许任何气体或液体容易地流过其中。如果多孔过滤器完全由聚合物制成，则其具有排除物理污染物的过滤器特征，或者其也可用于将气体分散为小气泡。也可将多孔过滤器配制为用于除去较大的寄生虫，如贾第虫属的寄生虫和其它原生动物。在过滤水时，例如，有这样一些特定的应用，其中期望在不使用活性炭的条件下除去所述的微生物，因为已知的是活性炭会滋生细菌。
如上所讨论，过滤器除去具体污染物的性能取决于所选择的过滤用化合物。活性炭被认为是涵盖从溶解态的有机物到化学物质和杀虫剂的有机类污染物的吸附剂。人们已经开发出某些钛金属离子交换沸石(如Engelhard Mineral公司的ATSTM吸附剂)和活性氧化铝(如Selecto Scientific公司的AlusilTM)，用于从液体(如饮用水)中除去铅和重金属。银离子可抑制病原体(如大肠杆菌)的生长是已知的，并且可以以多种形式得到，其中包括已经将钠离子交换为银离子和锌离子的合成沸石。这种受欢迎的合成沸石中的一种为AgionTM(由Sinanen株式会社在日本生产，并且由Agion Technologies公司销售)。某些规律决定了更合乎需要的结果。最重要的规律是聚合物基质的总表面积与加工过程中结合于基质的过滤用化合物所占据的表面积之间的关系。持续耐久的成品被配制为使得聚合物的表面积始终大于过滤用化合物的表面积。尽管在加工时各成分之间的关系可能是重量比，但是这些关系必须首先按彼此表面积的相对量来配制，然后为方便起见转化为重量。如果过滤用化合物的总表面积超过聚合物的总表面积，则制品首先表现为失去结构完整性和耐久性。因此，用于优选实施方案的聚合物应该始终具有更大的表面积(有充足的差别)。
过滤器的聚合物基质提供物理结构、曲折通道和表面积(其上可结合过滤材料)。它是过滤器的承载构架。如果加入的过滤材料所占据的聚合物表面积没有超出可用的聚合物表面积，则成品成为自承载型的。可加入任何粒径的粉末材料，或者可成功地使用其粒度分布范围包括亚微米级粒径在内的材料。然而，少量的小于5微米的极细粉末将迅速涂布聚合物基质的整个表面，因此在结构不受损失的情况下，其可使用的总量受到限制。在配制物阶段，一般来说，可将大小和大致体密度都相等的聚合物颗粒和过滤用化合物颗粒以相等的重量混合，其中总的聚合物材料中至少10％或更多为PMX CF-1。粒径小于基础聚合物材料的过滤用化合物不仅因为聚合物的尺寸而被PMX CF-1的较大的表面积所容纳，而且该聚合物非同寻常的形态使得这个方案具有甚至更高的性能水平。(参见图1)。PMX CF-1材料的另一个特征在于其中开有贯通颗粒内部的微观通道。这个特征进一步增强了过滤器的流通特性，包括使压降减小。PMX CF-1的独特形态使得极细的过滤材料颗粒被结合到较大尺寸的聚合物颗粒的表面上，而粒径等于聚合物或比聚合物更大的过滤用化合物则被截留在过滤器基质的孔内或空隙空间内。以这种方式将非聚合物形式的化合物整合到过滤介质上而不是整合到结构体上。
主要特征上述用于将所选的结构性材料(如PMX聚合物CF-1和CF-2)与加入的化合物熔结的方法使得本发明的过滤器表现出区别于现有技术的多种性质。这些性质可总结如下抗冲击性。由于本发明的过滤器包含约50％到100％的、由如上所述的PMX材料配制物构成的基础材料，所以它们经久耐用、而且可以防止由冲击引起的裂缝或破裂。在要求过滤器必须不易破碎的情况(如在野外或军事应用中的便携式应用)中，可将过滤器配制为用于实现特定的目标，同时仍然达到优异的过滤效果。
压降，或ΔP，是水通过给定的过滤器之前和刚刚通过之后的压力变化。压降是通过用前者减去后者而确定的，因此，如果进入过滤器的压力是60psi，而出来的压力是50psi，则压降是10psi；等等。压降是不可避免的。然而，优选的是这样的过滤器，该过滤器表现出最小的压降而没有相应的性能损失。本发明的这个优点归因于内部过滤器基质具有比压缩而成的过滤器更多的流通通道。更多通道是聚合物的特征与可供选用的加工方法相结合的结果。采用绝对微米级过滤的过滤器表现为随着孔的直径减小，压降相应增大。因此，更优异的过滤方法是借助于曲折通道的方法。给定过滤器基质的通道数大于通过将颗粒压缩在一起而制成的类似过滤器的通道数，特别是压缩比在30％的范围内时情况更是如此。通过将使用PMX CF-1和PMXCF-2的过滤器与使用PMX CF-1而不用PMX CF-2的过滤器相比较，可得到进一步证明。对使用100％的PMX CF-1的过滤器与其中混合有PMX CF-2的过滤器进行透气性对比试验。第一个混合物为90％的PMX CF-1与10％的PMX CF-2。其压降与100％的PMX CF-1的过滤器相比略有提高。然而，在混合物为80％的PMX CF-1与20％的PMX CF-2时，其压降与100％的PMX CF-1的过滤器相比发生了明显的、可测量的增加。在随后将PMX CF-1与PMX CF-2的比率改为70％对30％、并下降到60％对40％时，压降继续增加。因为没有其它的改变或变量，所以这种变化只能归因于聚合物配方。因此，根据应用，可通过PMX CF-1和CF-2之间的关系来改变压降。粒径的重要性在于其影响过滤器的特征。在将CF-2材料过筛以达到与CF-1材料相似的粒径和分布密度时，成品表现出较低的密度和较小的压降。
深层过滤。绝对微米级的过滤器只有很少(或完全没有)深层过滤能力，特别是在绝对微米等级为1微米到10微米时情况更是如此。例如，为了得到1微米的绝对孔径，已经排除了所有更大的孔。这又会导致过滤器拒绝大于1微米的任何颗粒或微生物通过。在流通模式中，这些颗粒被留置在过滤器的表面上。深层过滤实际上通过曲径方法而得到增强，因为这种方法不依赖于绝对孔径。本发明的过滤器具有相当多的孔，并且其孔径中值明显大于其能够过滤的颗粒。商业上优选具有深层过滤效果的过滤器，这是因为在已知未过滤的水中可能存在的悬浮固体含量的情况下，过滤器要在全国或全世界范围内销售。大多数水中都含有细小的沉淀物，由于其聚集在过滤器表面上而会使过滤器过早地堵塞。在过滤器被构造为拒绝给定尺寸和更大的颗粒通过时，例如在绝对过滤中，过滤器的表面不允许大于x(其中x＝微米等级)的任何颗粒进入过滤器基质。伴有深层过滤能力的曲径式过滤的优点在于其在基质内部而不是在过滤器表面上进行过滤，从而避免了过早堵塞的问题。
成型性能是本发明的另一个重要特性。在本发明中，耐久性使得制品可以被成型为任何形式。在液体过滤中，现在大多数依赖于现有技术的方法仅仅生产筒状过滤器，其中液体被引导为从筒的外径穿过结合的炭末颗粒的壁厚、并沿径向流到筒的内径。制品的筒形使其受到限制，并且另一个限制性特征在于成品容易裂开和裂缝。在此，本发明提供由耐久性塑料制成的制品，该制品可形成任何形状，即使在使用吸附剂时其总厚度低到约3000微米。制品可形成盘状、杆状、杯状、筒状或封端的筒状。在成品过滤装置不再局限于筒状的过滤器形状时，可以采用多种形式这一特点扩展了制品的发展潜力。两端开口的管状的筒可以在加工过程中将一端封闭，而不是必须用端盖封闭。在一些应用中，这样可降低生产成本并且加快了将过滤器装配在成品装置或外壳中的速度。在空气过滤应用中，大多数过滤器(例如用于有机气体(OV)吸附)或OV防护面罩都是用松散的粒状活性炭颗粒构造的，其中，该活性炭颗粒的大小在最小为250微米的一般范围内。将这些颗粒紧紧地填充到滤毒罐中并将空气引入而通过其中，以滤掉有机气体。现有技术方法因为压降太高，所以不能满足不使用外部压力源而进行空气过滤的要求。在防毒面具(如OV防护面罩)中，只能通过人的呼吸使空气通过炭而引入。
依赖于这种特殊的成型性能的又一个应用是与湿度调节相结合的有机气体吸附。活性炭是优异的湿度调节剂。炭的活性越高，则其从气体(如空气)中吸收湿气的效果越好。在必需具有非常高的性能时，最优选高活性的活性炭，如四氯化碳吸附值(CTC值)为+95的那些。然而，对于大多数过滤应用而言，即使是CTC值为+65的标准炭也已经足够了。
在相对湿度(RH)低于40的低湿度水平的情况中，湿气可以通过活性炭床而不减少。随着湿度增加而超过40RH，则会从通过活性炭的空气中除去湿气。活性炭的这种性质已经得到采用，并且用于调节精密仪器中的RH。特别是，一种应用是控制电脑磁盘驱动器内部的有机气体和RH，电脑磁盘驱动器容易受到这两者的损害。因此，一个过滤器就能够除去进气中的痕量的有机气体，同时保持湿度水平不会太高或不会太低。例如，已经证实极少量酸性气体的存在，与过高的湿度水平一样，也会腐蚀电脑磁盘驱动器上的磁头。
更高的性能细粉状吸附剂(例如活性炭粉末、沸石、活性氧化铝、抗微生物剂等)在本发明中的应用发挥了更大的作用，这是因为本发明的过滤器结构优化了粉末形式的吸附剂化合物与将要从气体或液体中过滤掉的污染物之间的接触面。对于活性炭(其为用于过滤空气和水的主要材料之一)来说这一点尤为确凿。平均粒径为22微米的粉状活性炭(参见图5)因为具有最大的可用表面积，所以是最佳的。然而，因为在大多数工艺中这种粉状活性炭太细而难以控制或成型，所以人们以前从未将其用作对流体的初级过滤材料。在本发明的工艺和材料中，细粉末实际上是更优选的，这是因为它们可形成更好的成品过滤器基质。在水过滤中，优选的是除去污染物(如MTBE(现在代替铅而使用的一种汽油添加剂))以及挥发性的有机化学物质(VOC)，但是使用常规过滤方法难以实现该目的。
经济利益。本发明的经济利益使得其具有优于其它滤水器生产工艺方法的价格优势。利用细粉末而不损失表面积的能力使得能够用更少的材料制成过滤器。本发明的过滤器通常比采用现有技术制成的过滤器少用65％到50％的材料而获得相同的性能。为了证实该特征，进行以下比较试验测试了两个滤水器，其中每一个都能够使饮用水中的铅减小＞99％。过滤器A得自市售的货源。制造者在考虑到流量和容量这些因素的条件下确定18重量％的过滤器材料为Engelhard公司的ATS。该过滤器重150克。制备过滤器B，使之具有与过滤器A相同的长度、外径(OD)和内径(ID)尺寸。过滤器B重112克并且其配方中含有10重量％的ATS。则所得到的两个过滤器的特征在于过滤器A含有27克ATS，而过滤器B含有11.2克ATS。过滤器A的ATS含量为过滤器B的约2.5倍。在采用NSF规程53进行试验的过程中，两个过滤器在pH8.5和pH6.5的条件下都除去了＞99％的铅。这个试验的结果表明，用于配制过滤器A的工艺的效率比用于配制过滤器B的工艺的效率低。ATS(价格为每克约0.025美分)是水过滤操作中用于除去铅和重金属的唯一最昂贵的添加剂。在上述试验中，过滤器A比过滤器B需要多消耗0.40美元的ATS。
通过以下非限制性应用进一步说明本发明。所有的科学术语和技术术语均具有本领域的普通技术人员所理解的含义。以下具体应用说明了其中可使用本发明的过滤装置的方法，不应被认为是限制了本发明的领域或范围。为了实施本发明所包含但没有具体公开的应用，可以对以下这些应用进行改变。另外，以稍有不同的方式对这些应用进行变化对于本领域的技术人员来说也是显而易见的。
应用在许多行业中都用到气体过滤和液体过滤。本发明公开的特征和优点产生了代替现有技术的显著的进步。本文中的应用旨在举例说明实施本发明的不同方面，其不用于以任何方式限制本发明。
应用1重力流动过滤装置用于液体过滤的重力流动基本上是指驱动液体通过过滤器的唯一的力是过滤器正上方的落差量产生的。液体的重量产生力。可通过增大液体最高位和过滤器之间的落差或距离来增大所述的重量。随着储液器中的液体流出而通过过滤器，落差会逐渐变小。在许多应用中，在作为重力流动过滤器的主要应用形式的便携式装置中，过滤器上能产生的落差压力非常小。落差值被限制为高于过滤器约70mm。达到可接受的流速的解决方案为开发这样一种过滤器，该过滤器是真正畅通的，同时仍可滤出污染物。例如，已经发现为了达到更快的流速，最佳配方为25％到35％的PMX CF-1与约65％到75％的50微米到150微米的活性炭颗粒。与PMX CF-1组合的粗颗粒形成开孔基质，液体容易流过其中，并且液体具有非常小的高于过滤器的落差。实际配方可根据所需的过滤器性能进行进一步改变。例如，玻璃水瓶型的水罐通常只有几英寸的高于过滤器的落差，因此过滤器必须具有优异的流通特征而几乎不产生压降。在优选实施方案中，将50微米到150微米的粗颗粒的活性炭颗粒以70％的炭比30％的PMX CF-1的比率混合。影响流速的因素包括过滤器的壁厚和过滤器表面的总的浸湿表面积。
在其中可能有更大的高于过滤器的落差、或者其中不需要流速快、以及其中要求除去更多的污染物这样的其它重力流动装置中，可通过引入PMX CF-2材料同时降低化合物或吸附剂的中值粒度分布大小(就像之前用于增大密度和减小孔径中值时所描述的那样)来减小过滤器的孔径。重力流动装置的优选实施方案从最低约30％的PMX CF-1对70％的吸附剂/化合物混合物开始实施。示出这种优选实施方案的一个实验使用30％的PMX CF-1和70％的粒度分布范围为50-150微米的粒状活性炭，制成长度为10cm、直径为5cm的模制的杯状过滤器。
在必要时可以对重力流动过滤器的制备方法进行改进，以形成开孔更多的结构，特别是需要更快的流速时更是如此。在将材料在模具中熔结之后，将过滤器(优选为杯状的过滤器)从模具中取出。在使用这种方法和配方的一个实验中，将杯状的过滤器注满(与杯沿平齐)自来水并将其静置。在约60秒之后，开始沿着杯的侧面滴下成滴的过滤水。杯的底部被制成略厚的壁，以免液体仅仅寻找阻力最小的通道。在10分钟的时间内，随着将杯状的过滤器连续地再注满，杯逐渐被润湿。当杯状的过滤器变得完全湿润时，流速增加到远远超过200ml/分钟的速度。随后的实验发现高于杯沿的较大落差使得液体流速增加到500ml/分钟。
应用2电脑磁盘驱动器在使用清除污染物的材料的任何情况中，都可以采用本发明来改善性能。其优点在除去有机气体的试验中得到证明。将1克的活性炭样品置于密闭容器中，其中用99％的三甲基戊烷(THP)部分地填充容器，并将松散的炭置于浮在三甲基戊烷表面上的铝托盘中。在第二个容器中，使用由同一批活性炭与PMX CF-1构成的材料经模制而形成的立方体，并且配制为使得所述立方体中包含相同重量的活性炭。在实验开始时将两个托盘的内容物称重，并在3小时后再次称重。于是，由各托盘中的材料的重量增加值可确定松散形式的活性炭和模制形式的活性炭的吸附容量。两个托盘在每个实验中都增加了相同的重量，这表明与未模制的活化颗粒相比，模制形式没有损失吸附能力。在另一个实验中，对模制的立方体与压缩而成的立方体进行对比试验，其中，压缩而成的立方体具有与模制的立方体相同的尺寸和活性炭总份数含量。在该实验中发现模制立方体(其使用PMX CF-1)吸附三甲基戊烷的效率比压缩立方体的高出200％。
在一个例子中，这个重要成果可用于电脑磁盘驱动器中，其中使用活性炭控制湿度并吸附有机气体和/或酸性气体。炭末颗粒永久地结合于聚烯烃基质的能力使得可以生产出过滤器立方体或小的正方形、长方形、或圆形的小片等，而炭细粒不会脱落，同时使其性能增强超过200％。获得增强的性能是因为模制制品的孔隙度高，并且压降非常小。磁盘驱动器的通风空气穿过模制的炭制品而不是环绕在模制的炭制品的周围。例如，美国专利6,168,651教导了这样一种技术，该技术为压缩成型的炭制品增加突出部分，从而使更多的表面积暴露于空气中，其中空气被引导为围绕制品流动而不是穿过该制品，这是因为吸附发生在制品的表面上。这证明了现有技术的局限性，特别是证明了过滤材料压缩方法所固有的缺点。在磁盘驱动器中同样重要的是调节湿度，活性炭能够做到这一点。例如，在湿度低于40RH时，活性炭对湿度没有影响。然而，当RH增加超过40时，活性炭就开始从通过的气流中吸收湿气，以免磁盘驱动器处于过量的湿气中，同时允许最佳含量的湿气通过。炭的活性(按炭的CTC值来分级)越高，则其能够吸收越多的湿气，因此，对于CTC值分别为+65和+95的炭而言，二者的湿度调节效果可有两倍的差别。将PMX CF-1与活性炭并用以及/或者PMX CF-1和PMX CF-2的混合物与活性炭并用可以使空气直接流过过滤器基质，而不是绕其周围流过。这使得气流接触所有的炭，而不是只接触制品表面上的炭。因为电脑的趋势是手提式装置，所以将过滤器制备得尽可能小是很重要的。从而，在性能增加200％的情况下本发明的过滤器的尺寸只需为采用粘结剂的压缩型炭制品的一半大小。
在磁盘驱动器中，将模制的炭制品置于进风口(其通常为小针孔)和用于防止微粒进入磁盘驱动器的PTFE膜之间。在现有技术中，进入的空气被吸到炭制品上及其周围，使得所述空气接触炭制品的外表面。在本发明中，炭制品的流通能力可以被配制为使得进入的空气流过炭制品中而不是环绕在炭制品的周围。对用于为磁盘驱动器通风的空气中所含的湿气和不希望存在的气体而言，这样就增加了炭的可用表面积。例如，酸性气体会侵蚀磁盘驱动器的磁头并且会引起故障。太少以及任何过量的湿气也会对磁盘驱动器带来不利的影响。
应用3制冷排放饮用冷水和冰的家用冰箱使用活性炭滤水器来改善自来水的味道、气味和颜色。过去，生产时安装的过滤器通常为松散的活性炭床，这是因为炭块由于缺少深层过滤效果而可能被过早地堵塞。更多的过滤作用(例如从自来水除去隐孢子虫(Cryptosporidium))需要炭块或其等效物来物理地滤掉原生动物寄生虫。问题在于过滤器必须维持最少6个月到一年而不堵塞。在过滤器用于其它应用时，流速逐渐下降表明过滤器被堵塞。但是在冰箱的情况中没有这样的警示。因此，优选这样的过滤器，该过滤器在很长时间内滤掉原生动物寄生虫，而不会出现过早堵塞过滤器的不利情况，过早堵塞过滤器会使器具供水中断。
过滤器基质的耐久性还意味着过滤器抗破裂。一个这种应用是将过滤器用于较寒冷的温度(如制冷)。现在，大多数过滤器都安装在冰箱柜中与眼睛平齐的位置处，以便于用户更换和保养。这样做的目的是鼓励人们更及时更换过滤器。一个潜在的缺点是大多数高性能的过滤器(如炭块)是非常脆弱而容易破裂的。在静置的水往往会稍微凝固或结冰这样极为寒冷的温度下，即使最轻微的应力也可能导致过滤器破裂。然而，本发明的过滤器能够配制为使得它们在冻结固体的情况下竟然能够挠曲。在普通的冰箱过滤器应用中，使用约50重量％的PMX CF-1制成优选实施方案的过滤器，这是由于其具有优异的与化合物和吸附剂之类的其余部分(用于除去自来水中的常见污染物(如铅和氯))相结合的性能。只使用PMX CF-1材料而不是将其与PMX CF-2组合使用，这样会进一步形成具有优异的深层过滤效果和最低压降的过滤器。非常缓慢的流速(这在制冰机应用中很常见)会加剧过早堵塞的问题。如此缓慢的流速使得水中的微粒(如污物和沉淀物)容易聚集，另外还会阻塞过滤器基质中的孔。在用于这类器具时，本发明的过滤器是较优异的，这是因为其持续地以高性能水平进行过滤，而不会造成堵塞，也不会受到冷冻温度的影响。理想的材料配方为50重量％的PMX CF-1、25重量％的平均粒径为约22微米的粉状活性炭、和25重量％的50微米到150微米的粒状活性炭。如果需要，可将该配方调整为还包含除铅材料。在这种情况中，活性炭成比例地减少到40重量％，以容纳约10重量％的除铅材料(如Engelhard公司的ATSTM)。最后得到的过滤器具有耐久性、表现出优异的深层过滤效果、并且仍具有足够的过滤材料以提供稳定的性能。
虽然以上已经评论了过滤器用于制冷目的的物理特征，但是同样重要的改进之处是本发明增强了活性炭在低温过滤应用中的性能。随着温度升高，活性炭吸附氯的能力得到增强。在一个试验中，经氯处理的自来水通过块状基质形式的粒状活性炭过滤器。通过使水温从70增加到110，来进行对比评价。因为随着温度升高，氯(本质上为气体)的挥发性变得越来越强，所以在较高的温度下可达到显著的改进效果。在较低的温度时则发生相反的情况，其中，随着温度降低，活性炭的除氯能力也降低。因为冰箱过滤器的主要目标是从非常冷的冰箱门所排出的冰和饮用水中除去氯和铅，所以优选的是过滤器在降低的低温下具有除氯能力。使用本发明的优选实施方案制成的过滤器具有更大的可用的炭表面积，因此其性能得到增强，特别是在除去氯时，其效果完全取决于活性炭的可用表面积。因为将过滤器安装在冰箱柜内部的趋势一直在延续，所以将过滤器制备得更小和占地更少就更为重要。已经表明本发明的配制物具有优异的性能，特别是在使用总质量仅为其它过滤器的一半的本发明的过滤器来除去氯和铅时更是如此。这种特征与将过滤器安装在冰箱柜内部而不是外部的趋势相结合，意味着过滤器尽可能小是优选的。本发明使得过滤器可以被配制为三维尺寸仅为其它过滤器的一半，但是比其它过滤器具有更多特征和优点。被认为在制冷时有利的另一个特征为能够将过滤器成型为板状或不同于筒状的形状；只能形成筒状是炭块的不足之处。在本发明中，过滤器可被制成平板状，因此可将其安装到冰箱柜内部的更小的可用空间中，而不是伸到可用的搁板空间中。经氯处理的自来水从平板过滤器的一侧流到另一侧，板的厚度起到过滤器基质的作用。
应用4有机气体防护面罩有机气体防护面罩可防止使用者吸入空气中的有害化学气体。现有技术涉及使用极粗的粒状活性炭，所述的活性炭经氢氧化钾或碘化钾浸渍以增强对酸性气体的吸附作用。炭被紧密地压缩在滤毒罐中，滤毒罐的一侧具有孔眼，其用于将空气吸入到面罩中。当空气通过粗的活性炭颗粒时，就发生对气体的吸附。在本发明中，将多孔制品模制成外径(OD)与滤毒罐具有近似相同的尺寸。使制品形成浅筒状，其具有连续的侧壁和同样厚度的约6mm的封闭端，封闭端具有半径，使得其为圆形。空气沿径向流过筒的外部封闭端和侧壁、到达浅筒的芯部并进入面罩内。在优选实施方案中，制品的配方包含使用粒度分布在75微米到150微米范围内的粒状活性炭(60重量％)与PMX CF-1(40重量％)。仅对制品稍加振动，以避免颗粒移动和孔径减小。可以用本发明的更为先进的有机气体过滤器来代替松散炭床，这是因为前者具有以下主要特征，其包括制品的成型性能、低的压降和更优的性能。该应用中的颗粒状炭床的粒度分布范围为500微米到2000微米，而本发明的颗粒比所述炭床的颗粒细得多并且提供了更大的用于吸附的表面积。
应用5空气和气体过滤使过滤材料的表面积更大同时使压降减小的原理增强了对气体(如空气)的过滤性能。现有技术方法包括制成将活性炭粗颗粒压缩到给定空间中的平板；可供选用的另一种方式为，设计这样一些空气或气体过滤器，其中将细炭末结合在纤维材料中。空气或气体流过纤维，以接触由活性炭制成的或包含活性炭的过滤材料。在本发明中，平板可以容易地成型为由长度、宽度和厚度限定的几何形状。该板是自承载型的并且不需要任何容纳该板的结构。通过将粗颗粒的过滤材料(例如粒状活性炭颗粒)置于PMX CF-1中，可以达到容易地流过。
气体过滤的另一个应用是从香烟的烟雾中除去有毒的有机污染物。可将高活性的炭末颗粒与PMX CF-1结合并将其成型为安装在焦油过滤器中的过滤圆片。随着烟雾通过炭-聚合物基质，任何有毒的有机气体立即被吸收并保留在炭末颗粒的表面上。
应用6滤水器高性能滤水器的需求日益增加，这与持续在饮用水中发现残留化学物、金属和微生物以及伴随而来的宣传直接相关。水中的污染物可分为四类(i)悬浮固体；(ii)重金属；(iii)有机类化学物质，如杀虫剂和大多数化学物质；和(iv)微生物。已经证明采用本发明的加工方法和配方制成的过滤器在除去上述四类污染物方面性能都较优异。
滤水器可被配制为耐久的、具有优异的密度并且可具有范围广泛的孔径中值。可通过改变被加工材料的粒度分布以及用于形成过滤器基质的聚合物的粒度分布来控制孔径中值。为了在除去最难以除去的污染物(如VOC(挥发性有机化学物质))方面得到最高的性能，在一个实施方案中，可按以下配方来配制高流速过滤器其具有30重量％的PMX CF-1、20重量％的PMX CF-2和50重量％的粒径为20微米到45微米的粉状活性炭。为了还能够除去重金属，可将该配方调整为包括约7％到15％的吸附剂(如Engelhard Mineral公司的ATSTM沸石)。确切的配方根据技术要求而决定。与此相对应的是，如果希望过滤器含有更多空隙以产生更低的压降，则可通过将粉状活性炭(PAC)换成粒度分布范围为50微米到150微米的中等粗细的炭的混合物，由此调整配方。确切的添加量取决于制品的几何形状和其它因素，如所需的流速、压降和深层过滤能力。典型滤水器的几何形状是筒状，通常为两端开口或仅一端开口。筒的长度为约9.5英寸、OD为2.25英寸到3.0英寸、内径(ID)为约1英寸。水从OD到ID径向流动，然后从一个开口端流出。这类中的典型过滤器的流量为4到6升/分种，并且可以配制为用于除去氯、杀虫剂、MTBE(一种汽油添加剂)、VOC、林丹、石棉、重金属(如铅)和微生物(如隐孢子虫)。确切用量由过滤器的容量和性能要求而决定。例如，一种具有上述几何形状和尺寸的极高流量的过滤器，在6L/分钟的流速、并且过滤性能要求为铅减少量＞99％的条件下，该过滤器可能需要15重量％的除铅吸附剂；而在4L/分钟的条件下，该过滤器只需要10重量％的除铅吸附剂。在一些情况中，为了满足NSF规程53的最低要求，可能只需要7％的除铅吸附剂。
本发明的另一个特征是能够通过曲折通道而不是绝对微米级过滤的方式除去水中污染物。这种难以除去的污染物之一为大肠杆菌。在国际上，大多数国家均要求大肠杆菌减少3log到4log，其中过滤器可满足这种要求。本发明通过如下的两步法来满足该要求基于如上所述的配方来减小孔径中值，使得即便是病原细菌也被截留在结构曲折的过滤器基质内。因为病原细菌会在滤水器中定殖，所以必须阻止被截留的微生物繁殖。这种生长被称为生物膜(biofilm)，应该防止出现这种情况。在制备和混合本发明所提出的化合物的过程中，首先将银浸渍物或银离子或银/锌离子类抗菌粉末混合到CF-1和CF-2聚合物中。抗菌剂和PMX这两种化合物之间存在着可形成临时结合的静电引力，使得微米级直径范围通常为0.2微米到5.0微米的微细的抗菌剂粉末粘附在PMX颗粒的表面上。在下一步中混入其它材料。在加工过程中，大部分抗菌剂细粉末已经处于它们即将与过滤器结构形成永久结合的位置上。过滤器的典型加载量可为1重量％到5重量％。当水通过过滤器基质时，银的活性(随着所选抗菌剂的具体特征的不同而变化)使细菌丧失繁殖能力。细菌在24到48小时内自然死亡。虽然普通细菌每小时可以繁殖40次，但是在这种情况下细菌没有繁殖，因此没有出现生物膜。死亡的细菌分解成有机物，该有机物立即被活性炭粉末吸附。没有臭味或残余物。这种从水中除去病原细菌的方法是独特的，因为其既不需要杀虫剂(如碘或氯)法、也不需要电流使粉末接受UV(紫外光)灯照射的方法这两种常见的除菌方法。
这种除菌过滤器制备方法的应用依赖于合理控制极细粉末(小于5微米)并且保持其效能的能力。其结构性基质由受压缩的炭末颗粒形成的过滤器(即炭块)不能有效地保存这种细粉末，因为这些微细颗粒中的大部分都变成被容纳在炭本身的缝隙中，使得第一次冲刷时就将它们从过滤器上洗掉了，而没有任何永久地结合在炭上面的细粉末。
过滤流体(特别是液体)中的悬浮颗粒基本上是过滤的初级步骤。通常，首先安装预过滤器，用于物理地净化液体中的微粒，使得下游的过滤器不会被细的沉淀物颗粒过早地堵塞。为了形成用于使PMX CF-1的深层过滤能力达到最大的网状基质，用所述聚合物材料与短绒的混合物俘获并且容纳大量沉淀物。短绒是纺织品生产的副制品，其中将剩余的丝线材料切成短到只有几微米的非常短的长度。这些短线在熔结过程中容易与聚合物结合，从而起到网的作用，用于俘获微粒。这种基质可与活性炭粗颗粒组合在一起，用于从水中预先过滤微粒和有机物以及氯。
关于水过滤，不应认为本发明仅限于上述实例，而是应该理解为包括权利要求书中提出的多种过滤器结构。较小的改变和等效技术对于过滤器制造领域的技术人员来说是显而易见的。
以上说明应理解为只是对本发明的原理进行说明。在说明书和所附的权利要求书中，词语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”旨在说明一个或多个所述特征、整数、组分或步骤的存在，但是它们不排除一个或多个其它特征、整数、组分、步骤或其组合的存在或加入。此外，因为许多改变和变化对于本领域的技术人员来说是显而易见的，因此不希望将本发明限制为上述的确切结构和方法。因此，所有适宜的改进和等价物均可落入由所附的权利要求书限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种具有过滤器的过滤系统，所述过滤器包含多个聚合物颗粒和活性炭，其中所述的多个聚合物颗粒的性质如下(i)其粒径为约10微米到100微米而平均粒径为约30微米到40微米、并且(ii)其具有不规则的结构曲折的表面，所述活性炭经碘化钾浸渍以增强对酸性气体的吸附作用，其中所述的聚合物颗粒与所述活性炭以大约至少20％的聚合物颗粒比最多80％的活性炭的比率组合在一起，并且采用振动使所述的聚合物颗粒和所述活性炭形成密实的基质。
2.一种具有过滤器的过滤系统，所述过滤器包含多个聚合物颗粒和活性炭，其中所述的多个聚合物颗粒的性质如下(i)其粒径为约10微米到100微米而平均粒径为约30微米到40微米、并且(ii)其具有不规则的结构曲折的表面，所述活性炭经氢氧化钾浸渍以增强对酸性气体的吸附作用，其中所述的聚合物颗粒与所述活性炭以大约至少20％的聚合物颗粒比最多80％的活性炭的比率组合在一起，并且采用振动使所述的聚合物颗粒和所述活性炭形成密实的基质。
3.一种具有过滤器的过滤系统，所述过滤器包含(I)多个第一聚合物颗粒，其性质如下(i)其粒径为约10微米到100微米而平均粒径为约30微米到40微米、并且(ii)其具有不规则的结构曲折的表面；(II)多个第二聚合物颗粒，其性质如下(i)其平均粒度分布范围为约10微米到160微米而平均粒径为约50微米到70微米、并且(ii)其具有球状的形态，其中采用振动使所述第一聚合物颗粒和所述第二聚合物颗粒形成密实的基质；以及(III)活性炭，该活性炭经碘化钾浸渍以增强对酸性气体的吸附作用，其中所述的聚合物颗粒与所述活性炭以大约至少20％的聚合物颗粒比最多80％的活性炭的比率组合在一起。
4.一种具有过滤器的过滤系统，所述过滤器包含(I)多个第一聚合物颗粒，其性质如下(i)其粒径为约10微米到100微米而平均粒径为约30微米到40微米、并且(ii)其具有不规则的结构曲折的表面；(II)多个第二聚合物颗粒，其性质如下(i)其平均粒度分布范围为约10微米到160微米而平均粒径为约50微米到70微米、并且(ii)其具有球状的形态，其中采用振动使所述第一聚合物颗粒和所述第二聚合物颗粒形成密实的基质；以及(III)活性炭，该活性炭经氢氧化钾浸渍以增强对酸性气体的吸附作用，其中所述的聚合物颗粒与所述活性炭以大约至少20％的聚合物颗粒比最多80％的活性炭的比率组合在一起。
5.一种过滤基质，该过滤基质包含约10重量％到约90重量％的多个第一聚合物颗粒，所述的第一聚合物颗粒具有曲折结构、并且平均粒径为约30微米到约40微米；约0重量％到约90重量％的多个第二聚合物颗粒，所述的第二聚合物颗粒具有大体球状的结构、并且平均粒径为约30微米到约65微米；以及约0.025重量％到约80重量％的过滤材料，其中对所述的第一聚合物颗粒、所述的第二聚合物颗粒和所述的过滤材料进行加工，使得由此形成结构性基质。
6.一种过滤基质，该过滤基质包含约10重量％到约90重量％的多个第一聚合物颗粒，所述的第一聚合物颗粒具有曲折结构、并且粒度分布范围为约10微米到约100微米；约0重量％到约90重量％的多个第二聚合物颗粒，所述的第二聚合物颗粒具有大体球状的结构、并且粒度分布范围为约10微米到180微米；以及约0.025重量％到约80重量％的过滤材料，其中对所述的第一聚合物颗粒、所述的第二聚合物颗粒和所述的过滤材料进行加工，使得由此形成结构性基质。
7.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的多个第一聚合物颗粒中的至少一个是有孔的。
8.权利要求5或6所述的过滤基质，其中将所述的第一聚合物颗粒、所述的第二聚合物颗粒和所述的过滤材料混合。
9.权利要求8所述的过滤基质，其中将所述的第一聚合物颗粒、所述的第二聚合物颗粒和所述的过滤材料振动。
10.权利要求8所述的过滤基质，其中将所述的第一聚合物颗粒、所述的第二聚合物颗粒和所述的过滤材料熔结。
11.权利要求8所述的过滤基质，其中将所述的第一聚合物颗粒、所述的第二聚合物颗粒和所述的过滤材料振动并熔结。
12.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的第一聚合物颗粒包括聚乙烯。
13.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的第一聚合物颗粒包括分子量大于约750,000的聚乙烯。
14.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的第二聚合物颗粒包括聚乙烯。
15.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的第二聚合物颗粒包括分子量大于约750,000的聚乙烯。
16.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的第一聚合物颗粒和所述的第二聚合物颗粒包括聚乙烯。
17.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的第一聚合物颗粒和所述的第二聚合物颗粒包括分子量大于约750,000的聚乙烯。
18.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的第一聚合物颗粒包括分子量为约3,000,000的聚乙烯。
19.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的第二聚合物颗粒包括分子量为约3,000,000的聚乙烯。
20.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的第一聚合物颗粒和所述的第二聚合物颗粒包括分子量为约3,000,000的聚乙烯。
21.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的过滤材料包括活性炭。
22.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的过滤材料选自活性炭、用于减少重金属的介质、用于除去砷的介质、抗菌介质、离子交换介质、碘化树脂、纤维、酸性气体吸附介质和用于除去微粒的介质。
23.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的过滤材料包括平均粒径为约20微米到约180微米的活性炭。
24.权利要求5或6所述的过滤基质，其中所述的过滤材料包括活性炭，其中其实际粒度分布范围的约90％为小于1微米到约45微米。
25.一种生产过滤基质的方法，该方法包括以下操作提供多个第一聚合物颗粒，其中所述的第一聚合物颗粒具有曲折结构、并且平均粒径为约30微米到约40微米；提供多个第二聚合物颗粒，其中所述的第二聚合物颗粒具有大体球状的结构、并且平均粒径为约30微米到约65微米；提供过滤材料；将约10重量％到约90重量％的所述的第一聚合物颗粒、约0重量％到约90重量％的所述的第二聚合物颗粒和约0.025重量％到约80重量％的所述的过滤材料混合在一起；以及对得到的混合物进行加工，使得由此形成结构性基质。
26.一种生产过滤基质的方法，该方法包括以下操作提供多个第一聚合物颗粒，其中所述的第一聚合物颗粒具有曲折结构、并且粒度分布范围为约10微米到约100微米；提供多个第二聚合物颗粒，其中所述的第二聚合物颗粒具有大体球状的结构、并且粒度分布范围为约10微米到约180微米；提供过滤材料；将约10重量％到约90重量％的所述的第一聚合物颗粒、约0重量％到约90重量％的所述的第二聚合物颗粒和约0.025重量％到约80重量％的所述的过滤材料混合在一起；以及对得到的混合物进行加工，使得由此形成结构性基质。
27.权利要求25或26所述的方法，其中所述的多个第一聚合物颗粒中的至少一个是有孔的。
28.权利要求27所述的方法，该方法还包括以下操作在所述的混合操作之后，将所得到的混合物振动。
29.权利要求27所述的方法，该方法还包括以下操作在所述的混合操作之后，将所得到的混合物熔结。
30.权利要求27所述的方法，该方法还包括以下操作在所述的混合操作之后，将所得到的混合物振动并熔结。
31.权利要求27所述的方法，其中所述的第一聚合物颗粒包括聚乙烯。
32.权利要求27所述的方法，其中所述的第一聚合物颗粒包括分子量大于约750,000的聚乙烯。
33.权利要求27所述的方法，其中所述的第二聚合物颗粒包括聚乙烯。
34.权利要求27所述的方法，其中所述的第二聚合物颗粒包括分子量大于约750,000的聚乙烯。
35.权利要求27所述的方法，其中所述的第二聚合物颗粒包括分子量为约3,000,000的聚乙烯。
36.权利要求27所述的方法，其中所述的第一聚合物颗粒和所述的第二聚合物颗粒包括聚乙烯。
37.权利要求27所述的方法，其中所述的第一聚合物颗粒和所述的第二聚合物颗粒包括分子量大于约750,000的聚乙烯。
38.权利要求27所述的方法，其中所述的第一聚合物颗粒和所述的第二聚合物颗粒包括分子量为约3,000,000的聚乙烯。
39.权利要求25或26所述的方法，其中所述的过滤材料包括活性炭。
40.权利要求25或26所述的方法，其中所述的过滤材料选自活性炭、用于减少重金属的介质、用于除去砷的介质、抗菌介质、离子交换介质、碘化树脂、纤维、酸性气体吸附介质和用于除去微粒的介质。
41.权利要求25或26所述的方法，其中所述的过滤材料包括平均粒径为约20微米到约180微米的活性炭。
42.权利要求25或26所述的方法，其中所述的过滤材料包括活性炭，其中其实际粒度分布范围的约90％为小于1微米到约45微米。
43.权利要求27所述的方法，其中所述的第一聚合物颗粒包括分子量为约3,000,000的聚乙烯。
44.一种多孔塑料过滤器，该多孔塑料过滤器包含多个第一聚合物颗粒和多个第二聚合物颗粒，所述的第一聚合物颗粒的性质如下(i)其典型的粒度分布范围为约90微米而平均粒度为约30微米到40微米、并且(ii)其具有不规则的结构曲折的表面；所述的第二聚合物颗粒的性质如下(a)其典型的粒度分布范围为约170微米而平均粒度为约55微米到65微米、并且(b)其具有球状的形态，其中采用振动和熔结使所述的第一聚合物颗粒和所述的第二聚合物颗粒形成密实的基质。
45.一种多孔塑料过滤器，该多孔塑料过滤器至少包含多个第一聚合物颗粒和活性炭，其中所述的第一聚合物颗粒的性质如下(i)其典型的粒度分布范围为约90微米而平均粒度为约30微米到40微米、并且(ii)其具有不规则的结构曲折的表面，所述过滤器的活性炭含量为约20重量％到约80重量％，并且采用振动和熔结使所述的聚合物颗粒和所述活性炭形成密实的基质。
46.权利要求8所述的过滤基质，其中将所述的第一聚合物颗粒和所述的过滤材料振动。
47.权利要求8所述的过滤基质，其中将所述的第一聚合物颗粒和所述的过滤材料熔结。
48.权利要求8所述的过滤基质，其中将所述的第一聚合物颗粒和所述的过滤材料振动并熔结。
全文摘要
本发明的过滤装置依赖于实现形成结构性基质的材料和方法，所述结构性基质随后可容纳加入的其它吸附剂材料，这与通过使用压缩和/或粘结剂材料而只是将吸附剂材料结合在一起的情况是完全不同的。本发明的过滤装置依赖于(i)用于达到最大的材料密度的独特的加工方法，(ii)具有独特形态的聚合物材料，和(iii)聚合物材料的非常小的微米级直径，由此产生均匀性。例如，不采用压缩方法来增加密度，而是将构成本发明的过滤装置的材料在模腔中振动。因此，本发明的方法优化了在不压缩的情况下将所有构成过滤装置的材料配制到一起的方式。在把被加工材料逐渐倾倒到模具中的同时，使其振动。一旦模腔已经被填充到再也不能容纳更多材料的程度时，将模具加热，然后冷却。与外来的粘结剂不同，结构性材料在自身发生软化时彼此粘着。这样就形成了多孔曲径基质，而不是绝对的多孔屏障。
文档编号B01J20/28GK1960793SQ200480043155
公开日2007年5月9日 申请日期2004年5月26日 优先权日2004年5月26日
发明者道格拉斯·E·休斯, 里奇·比勒 申请人:3M创新有限公司