复合过滤结构及其制造方法、与滤芯与流程

1.本发明关于一种过滤结构，特别关于一种复合过滤结构及其制造方法、与具有该复合过滤结构的滤芯。


背景技术：

2.随着工商业的高度发展，水被污染程度日益严重，例如各种重金属、工业废弃物、农药、化学制剂等对水的污染，也会间接危及人类的身体健康。为了使饮用水或工业用水符合饮用或使用上的要求标准，市面上有各式各样的过滤净化设备。以饮用水为例，如冰、温、热开饮机等，供使用者欲饮水时得以随开即用；另外，业界还进一步发展出可过滤水的机器、设备(例如逆渗透纯水机)或蒸馏饮水器等其他的水过滤滤芯或装置，能够滤除水中杂质或有害物质，满足使用者对于饮用水或工业用水品质上的要求。
3.以滤芯为例，在现有的滤芯中，例如半导体滤芯，虽然可以有效去除水中大部分的异物或杂质，但是，仍有许多的(重)金属离子无法被滤除。


技术实现要素：

4.本发明的目的为提供一种复合过滤结构及其制造方法、与具有该复合过滤结构的滤芯，可具有相当好的金属离子滤除效果。
5.为达上述目的，依据本发明的一种复合过滤结构，包括第一滤膜、第二滤膜以及第三滤膜。第二滤膜设置于第一滤膜，其中第二滤膜包括多个第一石墨烯微片及多个第二石墨烯微片，各第一石墨烯微片的片径大于5微米且小于等于50微米，各第二石墨烯微片的片径大于0微米且小于等于5微米，且各第一石墨烯微片及各第二石墨烯微片的厚度大于等于0.3纳米且小于等于30纳米。第三滤膜设置于第一滤膜远离第二滤膜的一侧。
6.为达上述目的，依据本发明的一种复合过滤结构的制造方法，包括：提供浆料，其中所述浆料包括第一滤膜的材料；利用所述浆料形成第一滤膜，其中第一滤膜具有一第一表面及与第一表面相对的一第二表面；形成一第二滤膜于第一滤膜的第一表面，其中第二滤膜包括多个第一石墨烯微片及多个第二石墨烯微片，各第一石墨烯微片的片径大于5微米且小于等于50微米，各第二石墨烯微片的片径大于0微米且小于等于5微米，且各第一石墨烯微片及各第二石墨烯微片的厚度大于等于0.3纳米且小于等于30纳米；以及将第一滤膜的第二表面设置于一第三滤膜上。
7.在一实施例中，第一滤膜的材料包括聚醚砜、混合纤维素酯、尼龙、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、玻璃纤维、聚酰胺、聚酰亚胺、或其组合。
8.在一实施例中，所述多个第一石墨烯微片与所述多个第二石墨烯微片的总量为100％时，所述多个第一石墨烯微片的含量介于5％至95％之间。
9.在一实施例中，第二滤膜还包括粘着材料，粘着材料混合于所述多个第一石墨烯微片及所述多个第二石墨烯微片中。
10.在一实施例中，第三滤膜的材料包括不织布、泡棉、聚醚砜、混合纤维素酯、尼龙、
聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、玻璃纤维、聚酰胺、聚酰亚胺、或其组合。
11.在一实施例中，第一滤膜具有第一表面及与第一表面相对的第二表面，第一滤膜是通过第二表面设置于第三滤膜上。
12.在一实施例中，第一滤膜的第一表面的孔径大于第二表面的孔径。
13.在一实施例中，第一滤膜的第一表面的孔径小于第二表面的孔径。
14.在一实施例中，复合过滤结构还包括第四膜层，其设置于第一滤膜与第三滤膜之间。
15.在一实施例中，第四膜层的材料和第二滤膜的材料相同。
16.为达上述目的，依据本发明的一种滤芯，包括上述其中之一的复合过滤结构。
17.承上所述，在本发明的复合过滤结构及其制造方法、与具有该复合过滤结构的滤芯中，通过第二滤膜设置于第一滤膜，其中第二滤膜包括多个第一石墨烯微片及多个第二石墨烯微片，各第一石墨烯微片的片径大于5微米且小于等于50微米，各第二石墨烯微片的片径大于0微米且小于等于5微米，且各第一石墨烯微片及各第二石墨烯微片的厚度大于等于0.3纳米且小于等于30纳米，以及第三滤膜设置于第一滤膜远离第二滤膜的一侧的结构设计，使得本发明的复合过滤结构及其制造方法、与具有该复合过滤结构的滤芯可去除水中的异物和杂质，同时还可以有相当好的金属离子滤除效果。
附图说明
18.图1a为本发明一实施例的复合过滤结构的示意图。
19.图1b为本发明一实施例的复合过滤结构中，第二滤膜的第一石墨烯微片或第二石墨烯微片的示意图。
20.图2a与图2b分别为本发明不同实施例的复合过滤结构的示意图。
21.图3为本发明一实施例的滤芯的结构示意图。
22.图4为本发明一实施例的复合过滤结构的制造方法的流程步骤图。
23.图5a至图5c分别为本发明一实施例的复合过滤结构的制造过程示意图。
具体实施方式
24.以下将参照相关图式，说明本发明一些实施例的复合过滤结构及其制造方法、与滤芯，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。
25.以下实施例出现的元件只是示意，不代表真实的比例或尺寸。本发明的复合过滤结构及具有该复合过滤结构的滤芯，可滤除水中的异物、杂质和金属离子，并可搭配或组合其他的水过滤膜层、装置或设备，以符合饮用水或工业用水的要求。
26.图1a为本发明一实施例的复合过滤结构的示意图，而图1b为本发明一实施例的复合过滤结构中，第二滤膜的第一石墨烯微片或第二石墨烯微片的示意图。
27.请先参照图1a所示，本实施例的复合过滤结构1包括一第一滤膜11、一第二滤膜12以及一第三滤膜13。于此，第二滤膜12夹置于第一滤膜11和第三滤膜13之间。
28.第一滤膜11具有一第一表面111及与第一表面111相对的一第二表面112。第一滤膜11的材料可例如但不限于包括聚醚砜(pes)、混合纤维素酯(mce)、尼龙、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚丙烯(pp)、玻璃纤维、聚酰胺(polyamide，pa)、聚酰亚胺
(polyimide，pi)、或其组合。在本实施例中，第一滤膜11的材料是以包括聚醚砜(pes)为例，其厚度例如但不限于为50微米。第一滤膜11的第一表面111的孔径可大于或小于第二表面112的孔径。在本实施例中，是以第一滤膜11的第一表面111的孔径大于第二表面112的孔径为例。
29.第二滤膜12设置于第一滤膜11。于此，第二滤膜12设置于第一滤膜11的第一表面111上，使得第二滤膜12与第一滤膜11为重迭设置。其中，第二滤膜12包括有多个第一石墨烯微片121及多个第二石墨烯微片122(图1b)，因此第二滤膜12也是一种石墨烯滤膜。在本实施例中，第二滤膜12的厚度例如但不限于为0.2微米。另外，如图1b所示，第二滤膜12的各第一石墨烯微片121较大，其片径(即最大宽度)l可大于5微米且小于等于50微米(5μm<l≤50μm)，而各第二石墨烯微片122较小，其片径可大于0微米且小于等于5微米(0<l≤5μm)，并且各第一石墨烯微片121及各第二石墨烯微片122的厚度d可大于等于0.3纳米(nm)且小于等于30纳米(0.3nm<d≤30nm)。
30.另外，如果在第二滤膜12中，该些第一石墨烯微片121与该些第二石墨烯微片122的混合总量为100％时，则该些第一石墨烯微片121的含量可介于5％至95％之间(5％≤第一石墨烯微片121含量≤95％，其余为第二石墨烯微片122的含量)。举例来说，当第一石墨烯微片121的含量为90％，第二石墨烯微片122的含量则为10％(混合比例为9：1，两者合计为100％)；当第一石墨烯微片121的含量为80％，第二石墨烯微片122的含量则为20％(混合比例为4：1，两者合计为100％)；以此类推。
31.通过上述第二滤膜12的第一石墨烯微片121及第二石墨烯微片122的条件限定，使得第一石墨烯微片121与第二石墨烯微片122可以“最密堆积”的方式混合在一起。由于是“最密堆积”，因此，其上表面123的孔径可以相当小，在一些实施例中例如可小于1纳米(最小可达0.3nm)，当水由第二滤膜12之上表面123进入第二滤膜12时，水分子可通过上表面123的微小孔径，但是异物、杂质及/或金属离子无法通过而被滤除。
32.在一些实施例中，第二滤膜12还可包括一粘着剂(binder，未绘示)，其填加并混合在该些第一石墨烯微片121及该些第二石墨烯微片122中。粘着剂例如但不限于高分子树脂、或聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，利用粘着剂可增加第一石墨烯微片121与第二石墨烯微片122的结合强度，同时可增加第二滤膜12与第一滤膜11的连接强度。
33.第三滤膜13设置于第一滤膜11远离第二滤膜12的一侧。在本实施例中，第一滤膜11是通过其第二表面112与第三滤膜13连接，使得复合过滤结构1由下而上包括第三滤膜13、第一滤膜11和第二滤膜12的重迭结构。在一些实施例中，可在第一滤膜11与第三滤膜13之间设置一粘着层，以提高第一滤膜11和第三滤膜13的连接强度。第三滤膜13的材料可例如但不限于包括不织布、泡棉、聚醚砜、混合纤维素酯、尼龙、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、玻璃纤维、聚酰胺、聚酰亚胺、或其组合。本实施例的第三滤膜13是以聚酯纤维的不织布为例，其厚度例如但不限于为100微米。
34.承上，在图1a的实施例的复合过滤结构1中，通过上述第二滤膜12之第一石墨烯微片121和第二石墨烯微片122的片径及厚度的条件限定，使得第二滤膜12的上表面123的孔径可以相当小(纳米等级)，当水由第二滤膜12的上表面123流入，并由第三滤膜13的下表面131流出时(以虚线箭头方向代表水的流向)，可以去除水中的异物和杂质，同时还可以有相当好的金属离子滤除效果。另外，本实施例的第一滤膜11的第一表面111的孔径大于第二表
面112的孔径，因此通过复合过滤结构1的流量可以较大，使得复合过滤结构1比较适合较大过滤水量的滤水设备。
35.请参照图2a与图2b所示，其分别为本发明不同实施例的复合过滤结构的示意图。
36.如图2a所示，本实施例的复合过滤结构1a与前述实施例的复合过滤结构1其元件组成及各元件的连接关系大致相同。不同之处在于，在本实施例的复合过滤结构1a中，第一滤膜11的第一表面111的孔径小于第二表面112的孔径。由于第一滤膜11的第一表面111的孔径较小，当水由第二滤膜12之上表面123流入，并由第三滤膜13的下表面131流出时，其过滤效果更好(金属离子的去除率更高，但流量较小)。在一实验例中，大部分的金属离子都可以过滤掉，但是还有极小部分的金属离子(例如铝离子、铁离子、锌离子)仍会通过复合过滤结构1a。
37.另外，如图2b所示，本实施例的复合过滤结构1b与前述实施例的复合过滤结构1a其元件组成及各元件的连接关系大致相同。不同之处在于，在本实施例的复合过滤结构1b中，还包括一第四膜层14，第四膜层14设置于第一滤膜11与第三滤膜13之间。在本实施例中，第四膜层14的材料、比例和第二滤膜12相同。换句话说，本实施例在第一滤膜11与第三滤膜13之间再设置另一个第二滤膜(即第四膜层14)，以加强金属离子的过滤效果。当然，在不同的实施例中，第四膜层14的材料可与第二滤膜12不相同。在一实验例中，上述无法被复合过滤结构1a过滤掉的金属离子(例如铝离子、铁离子、锌离子)可以完全被复合过滤结构1b过滤掉。
38.此外，在一些复合过滤结构的过滤实验例中，铜(cu)、锌(zn)、镉(cd)和铅(pb)等金属离子的过滤效果可以超过99.9％，过滤效果相当好。进一步地，在一些复合过滤结构的过滤实验例中，钡(ba)的过滤效果可达到90％；而放射性元件中，am-241(镅)的过滤效果可达到95％；sr-85(锶)的过滤效果可达到77％；u-238(铀)的过滤效果可达到65％；cs-137(铯)的过滤效果可达到63％；co-60(钴)的过滤效果可达到59％；ra-226(镭)的过滤效果可达到46％。
39.图3为本发明一实施例的滤芯的结构示意图。如图3所示，本实施例的滤芯2为一螺旋缠绕的结构，其由外而内包括有复合过滤结构21、间隔膜22、逆渗透(reverse osmosis)膜23和间隔膜24。于此，是将复合过滤结构21、间隔膜22、逆渗透膜23和间隔膜24卷曲而制作成螺旋缠绕的ro滤芯模组。其中，复合过滤结构21可为上述实施例的复合过滤结构1、1a、或1b，或其变化态样，具体技术内容已于上述中详述，在些不再多作说明。本实施例的滤芯2虽以ro滤芯模组为例，然并不以此为限，在不同的实施例中，可以将上述复合过滤结构1、1a、1b或其变化态样应用于其他的水过滤模组，以组成不同功能的滤芯，本发明并不限制其实施方式。在一些实施例中，上述的复合过滤结构可通过折迭过程和组装过程以制作成不同型式的滤芯。
40.以下再介绍复合过滤结构的制造过程。
41.请分别参照图4至图5c所示，其中，图4为本发明一实施例的复合过滤结构的制造方法的流程步骤图，而图5a至图5c分别为本发明一实施例的复合过滤结构的制造过程示意图。
42.如图4所示，本发明的复合过滤结构的制造方法可包括步骤s01至步骤s04。
43.如图5a所示，提供浆料s，其中浆料s包括一第一滤膜11的材料(步骤s01)。在一些
实施例中，可按下列重量配比制成浆料s：
44.第一滤膜11的材料：pes超细微粉(3-20％，例如5％)；抗粘剂：聚四氟乙烯树脂(5-30％、例如10％)；填料：色浆(5-20％，例如11％)；超纯水(50-70％，例如58％)；溶剂：酮醇醚混合溶剂(含量15-30％，例如16％)，以上各成份的含量百分比之和等于100％。于此，是将上述材料搅拌、混合后，以形成包括第一滤膜11材料(例如pes)的浆料s。
45.之后，利用浆料s形成第一滤膜11，其中第一滤膜11具有第一表面111及与第一表面111相对的第二表面112(步骤s02)。在一些实施例中，可例如以成膜过程形成包括pes材料的第一滤膜11，再经干燥及/或烘烤、固化等过程以去除溶剂、水等。在一些实施例中，可利用过程控制的方式使第一滤膜11的第一表面111的孔径大于第二表面112的孔径；在一些实施例中，可利用过程控制的方式使第一滤膜11的第一表面111的孔径小于第二表面112的孔径，并不限制。
46.接着，再形成第二滤膜12于第一滤膜11的第一表面111，其中第二滤膜12包括多个第一石墨烯微片及多个第二石墨烯微片，各第一石墨烯微片的片径大于5微米且小于等于50微米，各第二石墨烯微片的片径大于0微米且小于等于5微米，且各第一石墨烯微片及各第二石墨烯微片的厚度大于等于0.3纳米且小于等于30纳米(步骤s03)。在一些实施例中，第二滤膜12的该些第一石墨烯微片与该些第二石墨烯微片的总量为100％时，该些第一石墨烯微片的含量可介于5％至95％之间。在一些实施例中，可将多个第一石墨烯微片及多个第二石墨烯微片、溶剂及粘着剂(binder)混合均匀以形成一浆料后，通过例如涂布或印刷等过程在第一滤膜11的第一表面111上形成包括石墨烯材料的第二滤膜12，经干燥及/或烘烤、固化过程以去除溶剂后，在第一滤膜11的第一表面111上形成第二滤膜12。其中，溶剂可包括例如丁酮(methyl ethyl ketone,mek)、水、丙酮(acetone)、乙酸乙脂、或酒精、或其组合等中高极性溶剂。另外，涂布过程可例如但不限于为喷射涂布(spray coating)或旋转涂布(spin coating)，而印刷过程可例如但不限于为喷墨列印(inkjet printing)或网版印刷(screen printing)。如图5b所示，本实施例是以喷射涂布的方式在第一滤膜11的第一表面111上形成第二滤膜12为例。
47.最后，再将第一滤膜11的第二表面112设置于第三滤膜13上(步骤s04)，以得到复合过滤结构。在一些实施例中，如图5c所示，可利用滚筒过程，通过第一滤膜11的第二表面112将第二滤膜12和第一滤膜11贴附于第三滤膜13上。在一些实施例中，可在第三滤膜13的表面上设置黏着材之后，再将第一滤膜11设置在第三滤膜13上，以加强第一滤膜11与第三滤膜13的连接强度。
48.另外，在另一些实施例中，在上述步骤s04之前，本发明的复合过滤结构的制造方法还可包括：形成第四膜层14于第一滤膜11的第二表面112后，再进行步骤s04，以得到另一种复合过滤结构(可参考图2b之复合过滤结构1b)。在一些实施例中，第四膜层14的材料比例、过程可和第二滤膜12相同，也可不同。
49.此外，复合过滤结构的制造方法的其他技术内容已于上述中详述，在此不再多作说明。
50.综上所述，在本发明的复合过滤结构及其制造方法、与具有该复合过滤结构的滤芯中，通过第二滤膜设置于第一滤膜，其中第二滤膜包括多个第一石墨烯微片及多个第二石墨烯微片，各第一石墨烯微片的片径大于5微米且小于等于50微米，各第二石墨烯微片的
片径大于0微米且小于等于5微米，且各第一石墨烯微片及各第二石墨烯微片的厚度大于等于0.3纳米且小于等于30纳米，以及第三滤膜设置于第一滤膜远离第二滤膜的一侧的结构设计，使得本发明的复合过滤结构及其制造方法、与具有该复合过滤结构的滤芯可去除水中的异物和杂质，同时还可以有相当好的金属离子滤除效果。
51.以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于权利要求书中。