专利名称：多级水过滤器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及水过滤器和制备饮用水的方法，并且具体涉及包括活性炭过滤 器、纤维复合材料过滤器、或它们的组合的多级水过滤器，所述多级水过滤器是可操作的以 除去重金属和/或病毒以产生饮用水。
背景技术：
流体污染物，尤其是水中的污染物，可包括多种元素和组成如重金属(例如铅)、 微生物(例如细菌、病毒)、酸(例如腐殖酸)或NSF/ANSI标准第53号中所列的任何污染 物。如本文所用，术语“微生物”、“微生物体”、“微生物剂”和“病原体”可互换使用。如本 文所用，这些术语是指可具有细菌、病毒、寄生虫、原生动物和病菌特征的多种微生物。在多 种情况下，在水可饮用之前，必须除去如上所示的这些污染物。例如，在许多医疗应用领域 和在某些电子元件的制造过程中，需要使用高度纯净的水。另外一个更为普遍的实例是，在 水可以被饮用，即适于被饮用之前，必须将任何有害污染物从水中除去。虽然在一些工业/ 市政水处理系统中进行了过滤，但是这些过滤器可能不适合和/或未达到适合或用于便于 消费者使用的水过滤应用(例如家庭和个人使用的过滤应用)中所需的移除性能，和/或 以制备饮用水。因此，仍需要具有改善的污染物移除性能的过滤器。发明概述根据本发明的一个实施方案，提供了一种水过滤器。所述水过滤器包括至少一个 包含活性炭颗粒的碳过滤器和至少一个包含具有介于5nm和IOOnm之间的尺度的阳电性金 属纤维的纤维复合材料过滤器，其中所述纤维复合材料过滤器被设置在碳过滤器的上游、 碳过滤器的下游、或者同时设置在所述碳过滤器的上游和下游。根据另一个实施方案，水过滤器可包括包含活性炭颗粒的第一碳过滤器和设置在 所述第一碳过滤器的上游、所述第一碳过滤器的下游、或其组合的第二碳过滤器。根据更多的实施方案，提供了使用本发明的过滤器来制备饮用水的方法。根据以 下的详细描述结合图片将更加彻底地理解由本发明的实施方案所提供的这些和附加的目 标和优点。附图简述当结合此处所附的图片阅读时，可最好地理解以下本发明具体实施方案的详细描 述。
图1是根据本发明的一个或多个实施方案包括纤维复合材料过滤盘和下游的碳 块过滤器的示例性水过滤器的剖面透视图；图2是根据本发明的一个或多个实施方案包括碳过滤层、纤维复合材料过滤层和 沉淀物套的示例性水过滤器的示意图；图3是根据本发明的一个或多个实施方案包括碳块过滤器和围绕碳块过滤器的 预过滤套的示例性水过滤器的剖面图；图4是根据本发明的一个或多个实施方案包括碳床过滤器和下游的纤维复合材 料过滤器的示例性水过滤器的剖面图5是根据本发明的一个或多个实施方案安装在水龙头上的示例性水过滤器的 侧视图；图6是根据本发明的一个或多个实施方案安装在水罐单元中的示例性水过滤器 的侧视图；以及图7是根据本发明的一个或多个实施方案，与不具有上游纤维复合材料过滤器的 过滤器相比，如图1所示的水过滤器性能的图解说明；以及图8是根据本发明的一个或多个实施方案，与不具有上游过滤器的过滤器相比， 具有上游碳过滤器的水过滤器的性能的图解说明。图中所描述的实施方案本质上是说明性的，并非旨在限制本发明的权利要求书所 限定的本发明。此外，根据发明详述，附图和本发明的各个特征将更加完全明显并且将被更 全面地理解。发明详述根据本发明的一个或多个示例性实施方案，可包括碳过滤器并且任选包括附加的 过滤器，所述附加的过滤器被设置在碳过滤器的上游(下文为“预过滤器”)、碳过滤器的下 游(下文为“后过滤器”)、或者同时设置在所述碳过滤器的上游或下游。所述碳过滤器可 包含活性炭颗粒，并且任选的预过滤器或后过滤器可各自包含活性碳过滤器、纤维复合材 料过滤器、或它们的组合。下文详述的活性碳过滤器或纤维复合材料过滤器可单独地操作以从液体中除去 污染物如重金属、腐殖酸、和/或微生物，或者可一前一后地使用以更有效地和/或以更高 的水平除去此类污染物。可将所述水过滤器用于工业和商业应用以及个人消费者应用(例 如家庭和个人用途的应用)中。所述水过滤器是可操作的以与本领域技术人员所熟悉的各 种设备、器具或组件一起使用。例如，其可用于冰箱中用于水过滤，或者如图6所示的那样 安装在流体罐的内部。在另一个实施方案中，所述水过滤器可如图5所示的那样被安装在 水龙头上。同时，不受这些组成的限制，所述碳过滤器可包含活性炭颗粒并且可包括各种合 适的组成和结构。在一个实施方案中，碳过滤器2可以是过滤块，其包含被压缩成块状结构 的活性炭颗粒或粉末。如本文所用，短语“过滤块”旨在指结合在一起以形成一种结构的过 滤颗粒混合物，所述结构能够过滤流体，例如水、空气、烃等等。因为这样的过滤块可包含过 滤颗粒、粘合剂颗粒、以及其它颗粒或纤维以用于除去具体的污染物，如铅、汞、砷等等。过 滤块可具有不同的几何形状和流型。许多当前成熟的过滤块制备方法中的一种是使用欧姆 加热的单腔压塑方法。作为另外一种选择，所述碳过滤器可包含不具有粘合剂的松散的碳颗粒床。此外， 本发明的过滤器还可包括其它过滤器体系，包括反渗透体系、紫外光体系、臭氧体系、离子 交换体系、电解水体系、以及本领域的技术人员已知的其它水处理体系。同样，本发明的过 滤器可包括包裹在过滤块周围的预过滤器以防止过滤块被悬浮颗粒堵塞。此外，本发明的 过滤器可包括指示体系和/或关闭体系，以向消费者指出过滤器的剩余寿命/能力，并且在 过滤器的剩余寿命/能力为零时关闭过滤器。根据一些示例性实施方案，碳过滤器的活性炭颗粒可包含得自多种来源的碳，例 如木基碳、椰子碳、或它们的组合。本文也考虑其它来源，例如合适的得自木质纤维素的碳。在一些实施方案中，可能期望使用碳颗粒的混合物以达到期望的颗粒和孔径分布。例如，可 将主要是中孔(尺度介于2和50nm之间)的木基碳和主要是微孔(尺度小于2nm)的椰子
碳混合在一起。所述活性炭颗粒可以是未涂覆的或涂覆的。当使用涂覆的过滤颗粒时，优选至少 一部分过滤颗粒用选自由下列组成的组的物质涂覆银、含银物质、阳离子聚合物、以及它 们的混合物。用于本发明中的优选阳离子聚合物选自由下列组成的组聚(N-甲基乙烯基 胺)、聚烯丙基胺、聚烯丙基二甲基胺、聚二烯丙基甲基胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚乙 烯基氯化吡啶、聚O-乙烯基吡啶)、聚乙烯基吡啶)、聚乙烯基咪唑、聚(4-氨基甲基 苯乙烯)、聚(4-氨基苯乙烯)、聚乙烯基(丙烯酰胺-共-二甲基氨基丙基丙烯酰胺)、聚 乙烯基(丙烯酰胺-共-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯)、聚乙烯亚胺、聚赖氨酸、DAB-Am 和PAMAM树状高分子、聚氨基酰胺、聚六亚甲基双胍、聚二甲胺-环氧氯丙烷、氨基丙基三 乙氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N， N，N-三甲基氯化铵、双(三甲氧基甲硅烷基丙基)胺、脱乙酰壳多糖、接枝淀粉、甲基氯对 聚乙烯亚胺烷基化的产物、用环氧氯丙烷将聚氨基酰胺烷基化的产物、具有阳离子单体的 阳离子聚丙烯酰胺、二甲氨基乙基丙烯酸酯甲基氯(AETAC)、二甲氨基乙基甲基丙烯酸酯 甲基氯(METAC)、丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵(APTAC)、甲基丙烯酰胺基丙基三甲基氯化 铵(MAPTAC)、二烯丙基二甲基氯化铵(DADMAC)、紫罗烯、硅烷、以及它们的混合物。阳离子 聚合物优选选自聚氨基酰胺、聚乙烯亚胺、聚乙烯胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚二甲基 胺-环氧氯丙烷、聚六亚甲基双胍、氯化聚-[2-(2-乙氧基)_乙氧基乙基-胍]。此外，所述碳过滤器可包含有机粘合剂、无机粘合剂、或它们的组合。合适的粘合 剂的一个实例是聚乙烯粘合剂。此外，虽然碳块过滤器对于所有类型的流体污染物的除去 是有效的，但是可能期望利用附加的重金属移除组分。例如，无定形硅酸钛(ATS)作为铅吸 附剂是高效的。本文考虑其它合适的重金属移除组分。还考虑使用附加组分，如离子交换 树脂、附加吸附剂、或它们的组合。考虑各种组合的量用于碳过滤器。在具体的实施方案中，所述碳过滤器可包含按 重量计约25%至约49%的椰子碳，按重量计约35%至约45%的pDADMAC涂覆的木基碳、按 重量计约10%至约20%的聚乙烯粘合剂，以及按重量计约2%至约10%的无定形硅酸钛。 所述pDADMAC可按重量计占pDADMAC涂覆的木基碳的约1 %至约4%，或者按重量计约2%。 所述pDADMAC在混合和碳块过滤器2的块状物形成之前涂覆到木基碳上。所述涂层可经由 喷涂/干燥操作，或者本领域普通技术人员熟悉的另一种合适的涂覆方法涂覆。所述pDADMAC涂覆的碳是所期望的，因为其得到改善的从饮用水过滤微生物。在 一个示例性实施方案中，涂覆的木基碳显示出约0. 5至约0. 7ml/gm的中孔体积和约1至约 1. 5ml/gm的总孔体积。此外，在一个示例性实施方案中，木基碳可包括具有约2至约50nm 孔径、约30 μ直径的粒度、以及约1至约1. 6或者约1. 3至约1. 4的跨度的中孔。如本文所 用，术语“中孔”旨在是指具有介于2nm和50nm之间(或者相当于介于2θΑ和500入之间) 的宽度或直径的颗粒内部的孔。如本文所用，短语“中孔体积”是指所有中孔的体积。如本文所用，短语“中值粒度”是指50%总体积的颗粒低于或超过的颗粒直径。该 中值粒度被指定为Dv,a5(l。虽然本领域的技术人员已知许多方法和机器可用于将颗粒分成 离散的尺度，但是筛分法是测定粒度和粒度分布的最容易、最便宜和普通的方法之一。用于测定颗粒粒度分布的可供选择的优选方法是用光散射。此外，短语“颗粒跨度”是给定颗粒 样本的统计学表示，并且可如下计算。首先，如上所述计算中值粒度化…。然后用类似的 方法，测定将颗粒样本按体积分数在10%分开的粒度Dv,ακι，然后测定将颗粒样本按体积分 数在90%分开的粒度Dv,a9(1。然后颗粒跨度等于=(Dvia9tl-Dviaitl)ZDf在一个示例性实施方案中，所述碳过滤器可包含具有小于约50 μ m、小于约 40 μ m、小于约37. 5 μ m、以及小于约35 μ m的中值粒度的活性碳过滤颗粒。此外，所述过滤 颗粒可具有约1. 8或更小、约1. 5或更小、约1. 4或更小、以及约1. 3或更小的颗粒跨度。可任选作为预过滤器或后过滤器存在的纤维复合材料过滤器可包含具有介于5nm 和IOOnm之间的尺度的阳电性金属纤维。如下所述，所述阳电性金属纤维可包含铝组分，所 述铝组分选自由下列组成的组氧化铝、氢氧化铝、勃姆石、或它们的组合。预期也可使用其 它的阳电性金属纤维。所述纤维复合材料过滤器可包括分布在玻璃纤维支架上的氧化铝，其从而形成基 于氧化铝的复合材料过滤器。在操作中，所述基于氧化铝的复合材料过滤器是高度阳电性 的。由于该正电荷，所述氧化铝纤维从流入的流体中吸附并且除去带负电的物质。构造基于 氧化铝的复合材料过滤器以从流体除去任何类型的带负电的污染物，例如重金属如胶态的 铅。在一个示例性实施方案中，所述纤维复合材料过滤器可从流入的水中除去腐殖酸。例 如，当流入的水通过纤维复合材料过滤器时，该过滤器从流入的水中除去基本上所有的腐 殖酸。结果是，由于大量的腐殖酸已从流入的水中除去，因此在纤维复合材料过滤器下游的 活性碳过滤器能够更有效地除去重金属和微生物。应当理解，可更改水过滤器的构型、组成 和结构以调节可由纤维复合材料过滤器、活性碳过滤器或它们的组合实现的腐殖酸、重金 属、和/或微生物移除量。一种示例性的基于氧化铝的复合材料过滤器可从Argonide Corporation商购获 得，并且具有产品名NanoCeram 。NanoCeram 为复合材料，其包含吸附在玻璃纤维上的具 有小于IOOnm尺度的氧化铝(例如勃姆石)纤维。可添加纤维素和聚合物纤维以增强介质 并增加其柔韧性。所述基于氧化铝的复合材料过滤器可以是单独的并且与活性碳过滤器不 同的过滤器或者与活性碳过滤器整合在一起。在一个示例性实施方案中，可将活性碳过滤 颗粒植入到基于氧化铝的复合材料过滤器中。图1-4提供了根据本发明的各种过滤结构实施方案。如图1所示，过滤器1可包 括具有碳过滤器2的外壳5和在碳过滤器2上游的预过滤盘4。虽然图1的预过滤盘可包 括纤维复合材料(例如基于氧化铝的复合材料过滤器)，但预期预过滤盘4可包括其它过 滤器类型，例如碳基过滤器。参见图3，过滤器1可在碳过滤器2的上游包括松散的碳颗粒 床8。在可供选择的实施方案中，所述预过滤器可以是包含碳颗粒和粘合剂的过滤块(未 示出)。在另一个实施方案中，所述预过滤器还可包含多层结构，所述多层结构包含至少一 层纤维复合材料过滤器和至少一层碳过滤器。作为另外一种选择，水过滤器1不仅可如图 1所示的那样在碳过滤块2的上游包括基于氧化铝的复合材料过滤器4，而且可包括设置在 碳过滤块2的上游或下游的第二基于氧化铝的复合材料过滤器(未示出)。参见图2的可供选择的实施方案，过滤器1可包括活性碳过滤块2和预过滤套14， 所述预过滤套14由过滤复合材料(例如基于氧化铝的复合材料)构成并且设置在碳过滤 块2上。像图1的盘4那样，图2的预过滤套14还可包括碳基过滤器作为纤维复合材料的替代物。当考虑各种形状时，所述预过滤套可以是褶状过滤套。还如图2所示，过滤器1还可在预过滤套14上、例如在预过滤套14的外表面上包 括沉淀过滤套6。还考虑将沉淀套设置在基于氧化铝的预过滤套14、碳块过滤器2或它们 的组合的其它表面上。所述沉淀过滤套6可包含玻璃介质、织物或合适的聚合材料。所述 沉淀过滤套6可以Lypore 玻璃介质由Lydall Corporation生产。在操作中，沉淀套6可 有助于防止过滤介质(例如基于氧化铝的预过滤器4和/或碳块过滤器2)受水中的沉淀 物影响。沉淀过滤套6通过筛分沉淀物颗粒而运行，但预期其还可利用其中的吸附剂组分。 与图1的预过滤的实施方案类似，构造图2的水过滤器1，以在碳块过滤器2中过滤流体之 前过滤通过基于氧化铝的复合材料预过滤套14的流入的液流。像图2 —样，图3涉及预过滤器包裹的碳过滤器，所述碳过滤器包括碳过滤块2和 设置在碳过滤块2上游的过滤套14 (例如纤维复合材料过滤套)。又如图3所示，过滤器1 可包括设置在预过滤器14和碳过滤器2上游的另一个碳过滤器8。在一个示例性实施方案 中，上游的碳过滤器8可以是松散的碳颗粒床；然而，本文可考虑碳块或其它过滤结构。在 操作中，流入的液流可连续进入碳过滤器8，然后是预过滤套14和碳块过滤器2。图1至3的过滤器1还可任选包括邻近过滤器出口设置的流量调节器(未示出)。 所述流量调节器用作流量限制器，其将过滤器外壳5中的流体流限制在约2L/min至约3L/ min、或约2. 5L/min。通过限制流量，所述过滤器确保流体在过滤器内部具有足够的停留时 间以用于污染物移除。一种合适的商业流量调节器是由Neoperl GMBH生产的MR03型流量 调节器。参见图4的实施方案，过滤器1 (其是用于大水罐或玻璃水瓶实施方案的重力给料 过滤器)包括碳过滤器12 (例如松散的床式碳过滤器)和下游的纤维复合材料过滤器M。 如上所述，考虑使用碳过滤器代替下游的纤维复合材料过滤器。还考虑使用在碳过滤器12 上游的附加的预过滤器，或者在碳过滤器12下游的附加的后过滤器(纤维复合材料过滤器 M)，或者它们两者。为了证明如上所述的多级过滤器的效果，以下提供了如表1中所列和以下所述的 实验性实施例。以下的实验性实施例是说明各种预过滤器实施方案的总有机碳(TOC)移除 量的比较实施例。表 权利要求
1.一种水过滤器，所述水过滤器包括 至少一个包含活性炭颗粒的碳过滤器；和至少一个包含具有介于5nm和IOOnm之间的尺度的阳电性金属纤维的纤维复合材料过 滤器，其中所述纤维复合材料过滤器被设置在所述碳过滤器的上游、所述碳过滤器的下游、 或者同时设置在所述碳过滤器的上游和下游。
2.如权利要求1所述的水过滤器，其中所述阳电性金属纤维包含铝组分，所述铝组分 选自由下列组成的组氧化铝、氢氧化铝、勃姆石、或它们的组合。
3.如权利要求1所述的水过滤器，所述水过滤器还包括围绕所述碳过滤器、所述纤维 复合材料过滤器、或者它们两者的过滤器外壳。
4.如权利要求3所述的水过滤器，其中所述铝组分被设置在玻璃纤维上或者陷入玻璃 纤维中。
5.如权利要求1所述的水过滤器，其中所述纤维复合材料过滤器为盘、过滤套、或它们 的组合。
6.如权利要求1所述的水过滤器，其中所述过滤套为褶状的。
7.如权利要求1所述的水过滤器，其中所述碳过滤器为包含粘合剂的压缩块。
8.如权利要求1所述的水过滤器，其中所述碳过滤器为不具有粘合剂的松散的碳颗粒床。
9.如权利要求1所述的水过滤器，其中所述活性炭颗粒选自由下列组成的组木基碳、 椰子碳、或它们的组合。
10.如权利要求1所述的水过滤器，其中将所述活性炭颗粒用阳离子聚合物涂覆。
11.如权利要求1所述的水过滤器，其中所述活性炭颗粒具有小于50μ m的中值粒度， 和小于1.8的颗粒跨度。
12.如权利要求1所述的水过滤器，其中所述碳过滤器包含硅酸钛。
13.一种制备饮用水的方法，所述方法包括 提供如权利要求1所述的过滤器；以及通过将流体流递送至所述过滤器以产生饮用水来制备饮用水。
14.一种水过滤器，所述水过滤器包括 包含活性炭颗粒的第一碳过滤器；和设置在所述第一碳过滤器的上游、所述第一碳过滤器的下游、或其组合的第二碳过滤ο
15.如权利要求14所述的水过滤器，所述水过滤器还包括纤维复合材料过滤器，所述 纤维复合材料过滤器被设置在所述第一碳过滤器的上游并且包含具有介于5nm和IOOnm之 间的尺度的阳电性金属纤维。
16.如权利要求14所述的水过滤器，其中所述第二碳过滤器为不具有粘合剂的松散的 颗粒床，并且所述第一碳过滤器是活性碳块过滤器。
17.如权利要求14所述的水过滤器，其中所述第一碳过滤器、所述第二碳过滤器、或者 它们两者包括涂覆的活性炭颗粒。
18.如权利要求14所述的水过滤器，其中所述第二碳过滤器为盘、过滤套、或它们的组
19. 一种制备饮用水的方法,所述方法包括提供如权利要求14所述的过滤器；以及通过将流体流递送至所述过滤器以产生饮用水来制备饮用水。
全文摘要
本发明涉及水过滤器和过滤流体例如水以制备处理过的水(如饮用水)的方法。具体地讲，包含活性炭、纤维复合材料、或它们的组合的水过滤器，其是可操作的以从流体除去重金属和/或病毒以制备饮用水。所述水过滤器可包括至少一个包含活性炭颗粒的碳过滤器和至少一个包含具有介于5nm和100nm之间尺度的阳电性金属纤维的纤维复合材料过滤器。所述纤维复合材料过滤器可被设置在所述碳过滤器的上游、所述碳过滤器的下游、或者同时设置在所述碳过滤器的上游和下游。
文档编号C02F1/28GK102083754SQ200980126068
公开日2011年6月1日 申请日期2009年7月7日 优先权日2008年7月9日
发明者加里·埃克勒, 迈克尔·多诺万·米切尔 申请人:Pur水纯化产品公司