专利名称：流体过滤介质的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种改进的流体过滤。
背景技术：
贯穿人类的历史，一直开发水过滤工艺来提高水的清澈度并从介质中去除杂质，如娱乐和饮用水。例如，为了满足城市水源以供饮用和沐浴，通过罗马(Roman)工程师建造的水渠传输的水穿过砂床来使水变澄清。虽然上述技术发展表明在齿轮研磨机领域有很大进步，但仍存在很多缺点。
属于本申请特点的新的特征将出现在所附权利要求中。然而，结合附图参考阅读下面的详细说明，能够更好地理解本申请本身、优选使用方式、及其其他的目的和优点。图I是根据本发明说明书的流体过滤过程实施例的流程图。虽然本申请的过滤过程允许各种修改和可选择的方式，但其具体实施方式
在附图中以实施例的方式被示出，并且在下面将被详细描述。然而，应当理解此处具体实施方式
的描述的目的不是将本发明限定到下面公开的具体实施方式
中，而相反地，本发明覆盖所有落入如所附权利要求限定的本发明工艺精神和范围内的所有修改、等同和可选择的方式。
具体实施例方式本说明书描述了经过改性的、天然的经过表面活性剂处理的沸石产品(可表示为“沸石产品”)；生产沸石产品的方法包括将阳离子表面活性剂结合到沸石上；活化沸石产品的方法；以及应用沸石产品，以增强流体中的除浊。在一些例子中，一种或多种沸石产品可以是颗粒状形式的。沸石产品的优点是其提供改进的流体过滤性能。例如，在一些例子中，沸石产品的例子可以用于水的降低浊度。 本说明书包括除浊沸石，及其使用方法和生产方法。其中一个方面包括一种除浊沸石产品，该沸石产品包括颗粒状沸石和一些阳离子表面活性剂，该阳离子表明活性剂覆盖颗粒状沸石的外部阳离子交换(“ECEC”)位的20%到100%。另一方面包括一种形成经过处理的颗粒状沸石产品的方法，该方法包括下述步骤将阳离子表面活性应用到颗粒状沸石材料，以使应用到颗粒状沸石材料上的量覆盖颗粒状沸石材料ECEC位的至少20%。又一方面包括一种从流体中去除浑浊粒子的方法，该方法包括下述步骤在过滤容器内设置一些经过表面活性剂处理过的沸石；活化经过表面活性剂处理过的沸石；使一定体积含有浑浊粒子的流体流过活化的经过表面活性剂处理过的沸石；以及利用活化的经过表面活性剂处理过的沸石从上述流体中去除大量浑浊粒子。各方面可以包括一个或多个下面的特征。颗粒状沸石可以包括硅铝比等于或大于2. 5的沸石。颗粒状沸石可以包括斜发沸石、丝光沸石、钙十字沸石、毛沸石、菱沸石、或八面沸石中的至少一种。颗粒状沸石可以包括长石、云母、或二氧化硅的多晶型物中的至少一种。颗粒状沸石可以有等于或大于O. 5meq/g的阳离子交换容量。颗粒状沸石可以有大于10m2/g的BET比表面积。颗粒状沸石可以有范围为O. 3mm到O. 7mm的d1(l以及范围为O. 6mm到I. 5mm的d6(l。颗粒状沸石可以有等于或小于2. 2的均匀系数。颗粒状沸石可以有范围为44到561bs. /ft.2的干燥堆积密度。除浊沸石产品可以包括范围为12%-18%的总游离水分含量。除浊沸石产品是自由流动的。阳离子表面活性剂可以包括聚胺、季铵、烷基胺、或有机硅烷季铵盐中的至少一种。各方面还可以包括一个或多个下面的特征。沸石产品可以利用颗粒状的沸石材料形成。可以粉碎沸石材料、并且粉碎的沸石材料可以利用多个筛进行筛分，多个筛包括筛尺寸范围为负12目(I. 7mm)到正50目(O. 3mm)的筛。经粉碎后的沸石材料有范围为O. 3mm到O. 7mm的d1(l以及范围为O. 6mm到I. 5mm的d6(l。颗粒状沸石材料可以包括6%的总游离
水分含量。将阳离子表面活性剂应用到颗粒状沸石材料，以使应用到颗粒状沸石材料上的量能覆盖颗粒状沸石材料的ECEC位的至少20%的步骤，可以包括将阳离子表面活性剂的水溶液应用到颗粒状沸石。各方面还可以包括一个或多个下面的特征。活化经过表面活性剂处理的沸石包括下述步骤在水中饱和浸透经过表面活性剂处理的沸石，以使经过表面活性剂处理的沸石内包含的表面活性剂结合到沸石的ECEC位；反洗该经过表面活性剂处理的沸石；并且冲洗该经过表面活性剂处理的沸石。经过表面活性剂处理的沸石可以包括如下颗粒状沸石由斜发沸石、丝光沸石、钙十字沸石、毛沸石、菱沸石、或八面沸石中的至少一种形成的，结合一定量的阳离子表面活性剂以覆盖颗粒状沸石的ECEC位的20% -100%。阳离子表面活性剂可以包括聚胺、季铵、烷基胺、或有机硅烷季铵盐中的至少一种。利用活化的经过表面活性剂处理过的沸石从流体中去除一定量的浑浊粒子满足ANSI/NSF标准50-2009a的附件B. 4的标准要求。在本说明书中，虽然如上所述，针对水过滤论述了沸石产品，但本发明的范围不限于此。因而，下面讨论的实施例仅作为实施例提供，并不是以任何方式将沸石产品的应用限制在这样的实施例中。在一个实施例中，用于生产一个或多个沸石产品的天然沸石，其硅铝比等于或大于2. 5。在该组中的一些沸石矿物的例子可以包括斜发沸石、丝光沸石、钙十字沸石、毛沸石、菱沸石、以及八面沸石。然而，也可以使用其他的天然沸石。在一些示例中，沸石矿物可以含有大于50%的沸石。在一些示例中，应该避免使用粘土的、易蒸发的、以及碳酸钙的脉石矿物，因为这些材料对沸石产品的性能有害。在其他示例中，用于生产沸石产品的沸石可以包括长石、云母、以及二氧化硅的多晶型物。上述材料可以占据沸石矿物的空间且对最后产生的沸石产品无害。在一些实施例中，天然沸石可以有等于或大于O. 5meq/g的总阳离子交换容量以及大于10m2/g的BET比表面积(即利用Brunauer、Emmett、以及Teller方法确定的表面积)。在一些实施例中，粉碎、筛分具有上述特点的沸石矿物，并且在一些例子中，烘干沸石矿物到游离水分含量小于10%。粉碎的沸石矿物还可以进行范围为大约负12目(I. 7mm)到正50目(O. 3mm)的筛析。游离水分是指通过将沸石的温度提高到不超过212°C，与沸石关联的可以释放出来的水。在一些实施例中，粉碎的或颗粒状的沸石的CIki (也就是颗粒状沸石材料的粒径中百分之十的分布)范围为O. 3mm到O. 7mm以及dM (也就是颗粒状沸石材料的粒径中百分之六十的分布)范围为O. 6mm到I. 5mm。在一些示例中，颗粒状沸石材料的均匀系数，即d1(l对d6Q的比率，可以小于2. 2。在其他的示例中，颗粒状沸石的干燥堆积密度可以在44到561bs/ft2范围内。如上面所阐述的，本说明书的沸石产品的实施例可以包括上述的一种或多种材料特性，并且一种或多种其他特性可以根据它们的价值和/或描述的等级(range)的不同而不同。然而，本说明书的范围试图包括与上述材料具有不同的性能价值和/或等级的沸石产品。因而，此处描述的性能价值和/或范围仅仅是作为实施例，而不是用于限制本说明书的范围。在一些示例中，根据本说明书的沸石产品可以提供诸如反洗高达20gpm/平方英尺的反洗性能，以及诸如压头损失小于12psi的压头损失性能，这一点是能与为蓄水池和温泉工业设计和标准化的大多数压力过滤容器内使用的介质相比的。此外，在一些示例中，根据本说明书的沸石产品还可以为用在蓄水池、工业和市政中的重力过滤系统提供合适的 流速、床清洗、以及压头。在其他示例中，沸石产品的例子可以用在一些饮用水、废水、预处理水流、灌溉、工业或很多其他应用中用到的重力流过滤系统中。用于生产沸石产品的沸石颗粒的表面可以利用阳离子表面活性剂组(也可以称之为“表面活性剂”)化学品改性。表面活性剂的例子可以包括聚胺、季铵、烷基胺、或有机硅烷季铵盐。表面活性剂与沸石化学结合从而形成表面活性剂改性的沸石颗粒(也可以称之为“表面活性剂处理过的沸石”)，其包含在沸石颗粒的晶体内表面的负离子电荷和位于表面活性剂与沸石颗粒的晶体外表面结合处的正离子电荷。因此，改性后的沸石提供具有两性特性的活性电化学表面的晶体。已经表明，阳离子活性表面剂结合到沸石晶体结构中的特定部位，称之为外部阳离子交换位(在下文中称之为“ECEC”或“ECEC位”)。表面活性剂包括碳链，该碳链太长以至于不能进入各种沸石晶体结构中的3-10埃的分子空隙。结果是得到了表面改性沸石(也称之为“改性沸石”)，具有利用阳离子交换结合到晶体表面的阳离子表面活性剂的部分正电荷。同时，沸石在内部阳离子交换位(下文中称之为“ICEC”或“ICEC位”)保留了天然负电荷。负电荷对与沸石晶格内部的金属阳离子进行交换有利。诸如水溶液形式的表面活性剂可以应用到颗粒状沸石，以形成沸石产品。一定量水溶液应用到颗粒状沸石，从而能导入足够多的表面活性剂以覆盖沸石ECEC位的20%到100%。在一些示例中，表面活性剂可以被喷射或抽吸到搅拌器中的沸石颗粒上，以润湿颗粒表面而不浸透颗粒。应用覆盖ECEC位100%过量的表面活性剂，会形成双表面活性剂层或胶束层，其对降低浊度是有害的。在流体过滤相关的上下文中，20%的ECEC位结合表面活性剂的改性沸石，与50%-100%的ECEC位结合表面活性剂的改性沸石表现一样良好或基本上一样良好。进一步，分子量从120直到大于500变化的阳离子表面活性剂用于降低浊度表现基本类似，而不管表面活性剂的碳链是否达到C8或超过C16。根据一些实施例，将具有6%游离水分的颗粒状沸石计量放入到连续流动的浆式搅拌器内。抽吸表面活性剂溶液到颗粒状沸石上，以达到8%的附加水分。在一些示例中，表面活性剂水溶液可以包含用96. 5%的水稀释的3. 50%的活性成分。在其他示例中，颗粒状沸石产品在表面活性剂的量满足覆盖ECEC位的50%时可以移出浆式搅拌器。结果是，生产的沸石产品包含14%的总游离水。因为沸石颗粒是微孔结构并且亲水的，即使不是大多数也有很多的天然沸石矿物可以容纳等于或超过(在一些情况下)18%的游离水分且保持自由流动性。因此，已加入足够的表面活性剂满足覆盖直到1009ffiCEC位的颗粒状沸石，可以保持大量能够被相应处理的自由流动颗粒。同样地，此处描述的经过处理的沸石颗粒可以按照与其它干的粒状材料类似的方式处理和输送。进一步，因为经过表面活性剂处理的沸石保持了自由流动状态，就不再需要其他的处理，例如不需要沸石材料的干燥处理，从而缩短了处理时间并节约了成本。降低经过表面活性剂处理的沸石内的游离水分含量，会引起将沸石放入到过滤容器内时将其润湿变得困难。例如，干燥的沸石颗粒上的表面活性剂形成了疏水表面，当将其放入到过滤容器内时是很难润湿的。同样地，根据一些实施例，不能除去经过表面活性剂处理的沸石颗粒中的水分。在一些实施例中，当水分含量在12%-18%的经过表面活性剂处理的沸石放入到过滤容器内时，最容易润湿。 如上面阐述的，颗粒状的沸石是自由流动的，因此可以按照与其他粒状材料类似的方式处理。同样地，当应用表面活性剂(以及处理沸石过程中的其他时间)，颗粒状沸石可以利用标准干燥自由流动产品用封装设备处理，并且存储在箱子、袋子、或其他包装内。在一些示例中，经过表面活性剂处理的沸石颗粒可以用纸或复合膜(poly film)封装。以上述方式，经过表面活性剂处理的沸石颗粒具有高稳定性并且可以存储很多年。用于实现阳离子表面活性剂到沸石颗粒的离子交换的活化过程可以在后续步骤中完成。活化过程可以按照如下方式完成，预吸收的沸石颗粒放入到容器内并且用水饱和浸透，该沸石颗粒也就是其内的表面活性剂还没有结合到沸石颗粒的经过表面活性剂处理后的沸石颗粒。例如，预吸收的沸石颗粒可以通过如下方式活化将沸石颗粒放入到期望应用中使用的过滤容器内，并用水饱和浸透沸石颗粒活化。沸石颗粒的饱和浸透引起阳离子表面活性剂再溶解，且与在水相中的沸石晶体表面接触。随后，在沸石和表面活性剂之间产生离子交换。一般地在室温下超过80%的表面活性剂到沸石的化学结合在20分钟内完成。一旦活化完成或基本完成，改性沸石将可以用作过滤介质。在一些示例中，在使用前，活化可以持续24小时，同时，在其他示例中，在使用过滤介质前，活化可以持续24小时。在一些示例中，当介质活化或基本活化并且在过滤模式中使用活化的沸石过滤介质之前，可以执行“反洗”工序和“冲洗去杂(rinse to waste)”周期。然而，在其他示例中，在过滤模式中使用活化的沸石过滤介质之前，不需要或不期望反洗和/或“冲洗去杂”周期。反洗以及“冲洗去杂”周期可以用于洗去多余的、未结合的表面活性剂以及可能会妨碍过滤过程的碎屑。在一些实施例中，反洗可以包括至少三床体积的冲洗水，而“冲洗去杂”周期可以包括至少一床体积的冲洗水。图I显示了实施例经过表面活性剂处理的沸石的生产过程10的流程图。在20中，从泥土中提取如前面所述的一种或多种沸石材料。在30中，将提取的沸石材料进行一种或多种操作或处理，以造粒沸石材料。例如，沸石材料可以进行粉碎和/或筛分。如上所阐述的，在一些示例中，粉碎沸石，然后进行负12目(I. 7mm)到正50目(O. 3mm)的筛析。在其他实施例中，筛析可以包括更宽或更窄的范围。例如，颗粒状沸石的应用可以限定沸石材料将进行的一种或多种粉碎或筛分操作。进一步，在一些实施方式中，颗粒状沸石的d1(l范围为O. 3mm 到 O. 7mm 和 d6。范围为 O. 6mm 到 I. 5_。在一些示例中，沸石材料可以进行一种或多种干燥操作。例如，可以得到所需的6%-10%的游离水分含量。沸石材料的初始水分含量可以决定是否需要一种或多种干燥操作。在40中，颗粒状沸石材料与一定量的如前面描述的一种或多种表面活性剂一起放入到混合装置内。计量一种或多种颗粒状沸石或表面活性剂的供给。例如，计量一种或多种颗粒状沸石或表面活性剂，从而得到沸石的ECEC位的20%-100%结合有表面活性剂的经过表面活性剂处理的颗粒状沸石材料。在50中，表面活性剂可以形成为所需浓度的水溶液。例如在一些实施例中，水溶液可以包含3. 5%的表面活性剂以及96. 5%的水。然而，这样的溶液仅仅是示例。因而，也可以使用其他浓度的表面活性剂溶液。在一些示例中，表面活性剂和颗粒状沸石可以混合在一起，从而使游离水分含量 不超过18%。在其他示例中，游离水分含量可以低于或高于18%。在一些示例中，可以将除表面活性剂溶液外的流体引入到混合物中以控制游离水分含量，然而，在其他示例中，可以不使用其他的流体。进一步，控制游离水分含量不超过18%，使得处理过的沸石颗粒可以保持自由流动，以利于减轻该材料的后续处理。经过表面活性剂处理的沸石材料可以输送到60中的封装过程。处理过的沸石材料可以按照任何期望的方式封装。例如，在一些示例中，处理过的沸石封装到纸或复合膜集装箱中。该集装箱可以具有任何所需的尺寸。在其他示例中，可以不封装并且所述材料可以通过轨道车、火车等以散装的方式分配。在70内，经过表面活性剂处理的沸石材料可以用于过滤流体。例如，处理过的沸石材料可以用在水资源的过滤中。尤其是，处理过的沸石可以用于去除水资源中的浑浊粒子。在一些示例中，结构70可以代表过滤容器80，该过滤容器80具有经过表面活性剂处理过的沸石床90，在沸石床90上具有水层100。进一步，在一些示例中，经过处理的沸石材料可以在70活化。例如，在活化中，经过表面活性剂处理的沸石可以在过滤容器80内用过量的水渗透(例如饱和浸透)期望长的时间。在一些实施例中，处理过的沸石材料可以在室温环境下渗透20分钟以完成活化。在其他示例中，活化可以允许出现更长或更短的周期。例如，在使用前，处理过的沸石可允许用过量的水渗透24小时以上。在其他示例中，在使用前，处理过的沸石的可以渗透20分钟到24小时。活化的经过表面活性剂处理的沸石在使用前可以进行反洗。进行反洗例如以去除过量的表面活性剂和/或碎屑。在使用经过表面活性剂处理的沸石过滤流体资源之前，可以进行一个或多个周期的“冲洗去杂”。虽然前面的描述提供了关于经过表面活性剂处理的沸石的处理和/或生产，其仅仅是示例并且不限制或定义本说明书的范围。从而，经过表面活性剂处理的沸石的生产和/或应用可以不同于此处的描述而保留在本说明书的范围内。下面将描述涉及改性颗粒状沸石材料的应用的几个实施例。实施例I在实施例I中，在内径(“ID”)为2. 5英寸、长度为12英寸的聚碳酸酯柱(下文称之为“柱”)内测试几种过滤介质。柱在两端装配带有O形环的塞(o-ring-fitted stopper)。启动具有球形阀控制器的泵，从而按照多种流速从向下流动的20公升蓄水池中抽拉水，通过柱并将水返回到蓄水池中。预洗或准备过滤介质，并将其放入柱内，从而过滤介质形成六英寸高的床。将50目不锈钢筛放置在过滤介质的底端。将穿孔的塑料盘放置在过滤介质的顶端，并在过滤介质的顶端上面保持水位差三英寸，从而防止大量水流进柱的冲刷。通过测量柱内排出的水的速度来确定水的流速。流速可以利用内嵌的球阀控制。每种过滤介质在放入到具有约30%的床靠的柱中后进行反洗，直到产生清水。利用短时间的向下流动的冲洗来进一步清洗床。对于每种 过滤介质，接着将柱盖上盖子并安装入口和出口软管。水的流速调整为介质表面积的每平方英尺15-20gpm(gpm/ft2)。20公升蓄水池充满自来水，并用美国石英材料公司(U. S. silica)的二氧化硅粉(Sil-co-sil#106)调整为大约50NTU (浊度单位)，以组成测试水，该二氧化硅粉由西佛吉尼亚州(West Virginia)、伯克利斯普林斯(Berkeley Springs)的美国石英材料公司生产。采用马里兰州(Maryland),赤斯特镇(Chestertown),华盛顿大街802号的雷曼公司生产的雷曼2020型浊度计进行所有的浊度测试。测试水引入柱前，消毒床内的循环水在所有试验中测量均小于2NTU。操作步骤和计算遵循NSF/ANSI标准50_2009a的B5部分。表1，实施例I的试验结果
权利要求
1.一种除浊沸石产品，包括 颗粒状沸石；和 一些阳离子表面活性剂，以覆盖颗粒状沸石的外部阳离子交换(“ECEC”)位的约20%-I00%ο
2.根据权利要求I所述的除浊沸石产品，其中颗粒状沸石包括硅铝比等于或大于约2.5的沸石。
3.根据权利要求I所述的除浊沸石产品，其中颗粒状的沸石包括斜发沸石、丝光沸石、钙十字沸石、毛沸石、菱沸石、或八面沸石中的至少一种。
4.根据权利要求I所述的除浊沸石产品，其中颗粒状沸石有等于或大于约O.5meq/g的阳离子交换容量。
5.根据权利要求I所述的除浊沸石产品，其中颗粒状沸石有大于约10m2/g的BET比表面积。
6.根据权利要求I所述的除浊沸石产品，其中颗粒状沸石d1(l范围为约O.3mm到约O.7mm,以及d6(l范围为约O. 6mm到约I. 5_。
7.根据权利要求6所述的除浊沸石产品，其中颗粒状沸石包括等于或小于约2.2的均匀系数。
8.根据权利要求I所述的除浊沸石产品，其中颗粒状沸石包括范围为约441bs/ft2-561bs/ft2的干燥堆积密度。
9.根据权利要求I所述的除浊沸石产品，其中除浊沸石产品包括范围为12%-18%的总游离水分含量。
10.根据权利要求I所述的除浊沸石产品，其中除浊沸石产品是自由流动的。
11.根据权利要求I所述的除浊沸石产品，阳离子表面活性剂包括聚胺、季铵、烷基胺、或有机硅烷季铵盐中的至少一种。
12.—种形成处理的颗粒状沸石产品的方法，包括以下步骤 将阳离子表面活性剂应用到颗粒状沸石材料，以使应用到颗粒状沸石材料的量覆盖颗粒状沸石材料的ECEC位的至少20%。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括以下步骤将沸石材料造粒以生产颗粒状的沸石材料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将沸石材料造粒的步骤包括 粉碎沸石材料；以及 利用多个筛筛分粉碎后的沸石材料，其中多个筛包括 筛尺寸范围为约负12目(I. 7mm)到约正50目(O. 3mm)的筛。
15.根据权利要求12所述的方法，其中粉碎的沸石材料d1(l范围为约O.3mm到约O. 7mm,以及d6。范围为约O. 6mm到约I. 5mm。
16.根据权利要求12所述的方法，其中颗粒状沸石材料包括大约6%的游离水分含量。
17.根据权利要求12所述的方法，其中将表面活性剂的应用到颗粒状的沸石材料的步骤包括将阳离子表面活性剂的水溶液应用到颗粒状的沸石中。
18.一种从流体中去除浑浊粒子的方法，包括以下步骤在过滤容器内装入一定量的经过表面活性剂处理过的沸石； 活化经过表面活性剂处理过的沸石； 使一定体积含有浑浊粒子的流体通过活化了的经过表面活性剂处理过的沸石；以及 利用活化的经过表面活性剂处理过的沸石从流体中去除大量浑浊粒子。
19.根据权利要求18所述的方法，其中活化经过表面活性剂处理过的沸石的步骤包括 在水中将经过表面活性剂处理过的沸石饱和浸透，以使经过表面活性剂处理过的沸石内所含的表面活性剂结合到沸石的ECEC位； 反洗该经过表面活性剂处理过的沸石；以及 冲洗该经过表面活性剂处理过的沸石。
20.根据权利要求18所述的方法，其中经过表面活性剂处理过的沸石包括如下颗粒状沸石由斜发沸石、丝光沸石、钙十字沸石、毛沸石、菱沸石、或八面沸石中的至少一种形成的，结合一定量的阳离子表面活性剂以覆盖颗粒状沸石的ECEC位的约20%-100%的颗粒状沸石。
21.根据权利要求20所述的方法，其中阳离子表面活性剂包括聚胺、季铵、烷基胺、或有机硅烷季铵盐中的至少一种。
22.根据权利要求18所述的方法，其中利用活化的经过表面活性剂处理过的沸石从流体中去除大量浑浊粒子满足ANSI/NSF标准50-2009a的附件B. 4的标准要求。
全文摘要
本申请涉及改进的流体过滤。尤其是，一种经过表面活性剂处理过的沸石材料可以用于从一定体积的诸如水的流体中去除浑浊粒子。
文档编号B01J29/04GK102711992SQ201080061327
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月15日 优先权日2009年11月13日
发明者R·L·康弗尔, S·L·彼得森 申请人:雷奥技术公司