CN102125779A

CN102125779A - 过滤结构及过滤方法

Info

Publication number: CN102125779A
Application number: CN2010100039361A
Authority: CN
Inventors: 白明德; 蓝得彰; 陈国帝; 李宏台; 林昀辉
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: CN102125779B

Abstract

本发明提供一种过滤结构，包括：一第一多孔层，具有多数个第一孔洞；以及一第二多孔层，位于该第一多孔层上方，且具有多数个第二孔洞，其中该些第二孔洞的尺寸小于该些第一孔洞的尺寸。该过滤结构可通过压挤等简易省能的方式排出水分。

Description

过滤结构及过滤方法

技术领域

本发明是有关于过滤结构及过滤方法。

背景技术

过滤技术已是一种普及化的固液分离技术，其是利用滤材的微孔洞来拦截大颗粒固体，微小颗粒的固体或液体则可穿透孔洞，以此达成固液分离的目的。然而，过滤技术常遇到的瓶颈在于滤液中的分离固体容易堵塞滤材的微孔洞，使得滤材的寿命短，或是需要使用额外的逆洗再生设施及制程，清洗被堵塞的微孔洞，过滤成本因此增加而不符合经济效益。此外，为了加速过滤，通常需要使用高速转动的泵浦进行加压或抽真空来加速过滤，然而泵浦的运作会耗费许多能量及花费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过滤结构及过滤方法。

本发明提供一种过滤结构，具有极佳的通透效果，并能防止滤渣堵塞滤孔的问题，包括：一第一多孔层，具有多数个第一孔洞；以及一第二多孔层，位于该第一多孔层上方，且具有多数个第二孔洞，其中该些第二孔洞的尺寸小于该些第一孔洞的尺寸。该过滤结构可通过压挤等简易省能的方式排出水分。

本发明也提供一种过滤方法，包括：提供上述过滤结构；以及将混合液往该过滤结构的第二多孔层的上表面流下，以拦截该混合液中尺寸大于该第二孔洞的滤渣，而该混合液中的液体则穿过该第二孔洞继续往下流动。

本发明的过滤结构在过滤过程中不需施加外力即具有极佳的通透效果，所需花费的能耗低。此外，在使用过滤结构的过程中，被拦阻在过滤层上的滤渣会借着反复施压与释压的推挤作用而松动去除，达到逆洗的效果，因此能减缓滤孔堵塞的状况，并提升过滤结构的使用周期。

附图说明

图1至图3显示本发明实施例结构的剖面图；

图4至图5显示以本发明实施例的过滤结构进行过滤时的剖面图；

图6为过滤实验的装置示意图；

图7为本发明实施例的过滤实验数据图；

图8为本发明比较例的过滤实验数据图。

【主要组件符号说明】

1A～过滤结构；

1B～过滤结构；

1C～过滤结构；

11～多孔过滤层；

12A～多孔吸水层；

12B～多孔吸水层；

13～吸水层；

14～多孔支撑层；

30～混合液；

31～液体；

32～滤渣；

40～过滤结构。

具体实施方式

本发明的实施例提供一种用于固液分离的过滤结构，且具有极佳的通透效果，并能防止滤渣堵塞滤孔的问题。此外，本发明的过滤结构可通过压挤等简易省能的方式排出水分。有关各实施例的制造方式和使用方式系如下所详述，并伴随附图加以说明。其中，附图和说明书中使用的相同的组件编号是表示相同或类似的组件。而在附图中，为清楚和方便说明起见，有关实施例的形状和厚度或有不符实际的情形。而以下所描述者是特别针对本发明的装置的各项组件或其整合加以说明，然而，值得注意的是，上述组件并不特别限定于所显示或描述者，而是可以熟悉此技术的人员所得知的各种形式。

图1至图3显示本发明实施例结构的剖面图。

请参考图1与图2，用于固液分离的过滤结构1A、1B包括多孔过滤层11与多孔吸水层12A、12B，其中多孔过滤层11中的孔洞其尺寸小于多孔吸水层12A、12B中的孔洞。要注意说明书中的提到的“吸水”层是用来描述能吸收“任何液体”的材料，并非限定于只能吸收“水分”的材料，且为求简洁，以下不再赘述。图1与图2的结构差异在于，图1多孔吸水层12A的孔洞尺寸大致上是固定的，而图2多孔吸水层12B的孔洞则是随着从上往下的方向逐渐变大，其中多孔吸水层12B可由多层不同孔径的多孔吸水材料层叠形成孔洞尺寸由上至下逐渐变大的结构。多孔过滤层11的孔径可在欲过滤固体物尺寸以下，以活性污泥为例可使用0.5μm以下的直径，混凝处理过的活性污泥可使用10μm以下的直径，微藻采收可使用1μm以下的直径。多孔吸水层12A、12B的孔径可介于多孔过滤层11的孔径至0.457cm之间。多孔过滤层11的材料可包括聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)、聚醚砜、三醋酸纤维素、聚丙烯纤维、聚氯乙烯，或可包括其它合适的多孔性纤维素(例如再生纤维素)或陶瓷。多孔吸水层12A、12B的材料可包括聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)、聚氨脂、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙烯、聚苯乙稀或其它合适的泡棉材料，或可包括其它合适的吸水材料，例如不织布或(人造)纤维。

图3显示的过滤结构1C则具有多孔过滤层11、吸水层13及多孔支撑层14。多孔过滤层11中的孔洞其尺寸小于多孔支撑层14中的孔洞。虽然图3显示的多孔支撑层14其孔洞尺寸大致上是固定的，然而其也可以随着从上往下的方向逐渐变大(未显示)，举例来说，多孔支撑层14可为由多层不同孔径的多孔吸水材料层叠形成孔洞尺寸由上至下逐渐变大的结构。多孔过滤层11的孔径可在欲过滤固体物尺寸以下，以活性污泥为例可使用0.5μm以下的直径，混凝处理过的活性污泥可使用10μm以下的直径，微藻采收可使用1μm以下的直径。多孔支撑层14的孔径可介于多孔过滤层11的孔径至0.457cm之间。多孔过滤层11的材料可包括聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)、聚醚砜、三醋酸纤维素、聚丙烯纤维、聚氯乙烯，或可包括其它合适的多孔性纤维素(例如再生纤维素)或陶瓷。吸水层13的材料可包括聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)、聚氨脂、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙烯、聚苯乙稀或其它合适的泡棉材料，或可包括其它合适的吸水材料，例如不织布或(人造)纤维。支撑层14可包括吸水层13所使用的任何材料，或其它具足够物理强度且有孔洞的合适材料，例如金属。

要注意虽然图1至图3中显示的孔洞为穿过材料层的贯穿孔洞，但其也可以是散乱分布在材料层中的孔隙(未显示)。

本发明的过滤结构为多层式过滤结构，其中上方的过滤层(例如图1至图3所示的多孔过滤层11)孔径小于下方的吸水层(例如图1与图2所示的多孔吸水层12A与12B)或支撑层(例如图3所示的支撑层14)，如此能在压挤除水时，使大部分液体会向下流出，而只有少部分会向上逆流。为确保过滤时液体可以顺利向下流动，上、下层间的毛细吸力差与吸水材料(例如图1与图2所示的多孔吸水层12A与12B与图3所示的支撑层14)的吸水力不能超过过滤液本身能提供的重力。

以下假设本发明过滤结构的上层(或过滤层)孔洞半径为r，下层(或吸水层、支撑层)孔洞半径为R，而γ是表面张力，θ是接触角，ρ是液体密度，g是重力加速度的内容作说明。

当使用孔洞半径为r、单层滤材的过滤结构进行过滤，且过滤期间表层仍有水分未被完全滤干时，只有滤材孔洞的底部分与空气接触，此时表面张力为2πrγcosθ，为向上的阻力；而向下的过滤动力只有滤材中水分的高度，加上位于滤材表面上，具有一高度、未被过滤的原液(假设上述两者高度的总值为h1)所产生的重力。液体若要顺利地向下流动，其重力(πr²ρgh₁)必需大于表面张力2πrγcosθ，换句话说，必须符合h₁＞(2γcosθ)/(ρgr)的条件。根据上述，当孔径(r)越大，驱动过滤所需的液体高度越小，但是孔径的大小还必须视要过滤的杂质尺寸而定，因此实际上孔径并不能任意地放大。

本发明是在孔洞较小的(上层)过滤层下方设置孔洞较大的(下层)吸水层或支撑层。吸水层或支撑层的孔洞也会产生毛细吸力2πRγcosθ。下层的表面张力为2πRγcosθ，由于下层的孔径大于上层(R＞r)，因此水层要提供足够向下流动的重力的高度(h₂＞(2γcosθ)/(ρgR))较小；又下层的水层高度实际上为上述高度h₁和下层的厚度总和，因此本发明双层的滤材在过滤驱动力方面较单层滤材有利。

此外，选用亲水性佳的材料，如实施例中所使用的PVA材质，也可增加滤材对水(或任何液体，以下不重复赘述)的吸附力，亦即增加向下的过滤驱动力。吸水层(下层)要发挥吸水能力，必须使其发挥毛细吸力接过由过滤层(上层)流下的水分；若是下层孔径过大，过滤层的水分会以水滴型态落下，直接通过吸水层，而未与吸水层接触，造成吸水层无法发挥毛细吸力、提高过滤功能。举例来说，若水滴体积是0.05mL，以正球形推算，直径约0.457cm，此时下层的孔径不可超过0.457cm。

图4至图5显示以图1过滤结构1A进行过滤程序时的剖面图，用来说明本发明结构的优点。请参考图4，在混合液30往多孔过滤层11的上表面流下之后，混合液30中的尺寸大于孔洞的滤渣32会被多孔过滤层11拦截，而液体31则通过多孔过滤层11的孔洞继续往下流动。当液体31流到多孔过滤层11中整个底表面与多孔吸水层12A接触的孔洞中时，液体31会受到多孔吸水层12A的毛细现象所引导，直接破坏滤过水膜的表面张力，而直接被多孔吸水层12A吸收。当液体31流到多孔过滤层11中与多孔吸水层12A孔洞连通的孔洞中时，液体31会顺势地往下流到多孔吸水层12A的孔洞中，而由于多孔吸水层12A的孔洞尺寸较大，造成液体31具有较小的表面张力，换句话说，具有较小的阻碍力，因此液体31能够顺利地继续向下流动。根据上述，本发明过滤结构具有极佳通透效果，其是利用吸水层的吸水力加速滤液的流动，并不像传统技术需要使用泵浦装置施加推力或吸力以增加流速，大幅降低过滤所需的能耗。

请参考图5，在多孔吸水层12A吸饱液体31(或水分，以下不再重复赘述)之后，可通过施加挤压力的方式将液体31挤出，其中，大部分的液体31则会顺着尺寸大的孔洞向下流出，少部分的液体31则会通过多孔过滤层11的小孔洞向上流动，从而推挤多孔过滤层11上的滤渣32，达到逆洗效果。须注意在此仅对与本发明结构优点相关的情况作说明，而未赘述从多孔吸水层12A的侧边或底表面直接挤出的液体。在挤除多孔吸水层12A中的液体，并移除挤压力之后，被压缩的多孔吸水层12A会弹回而恢复在压缩前的型态，并再度拥有吸水的能力。在往覆施压与释压过程中，附着累积于多孔过滤层11上的滤渣32将因往覆的推挤而松动，因此能有效减缓过滤中的堵塞形成，而大幅提升过滤结构的使用期限。

已知技术人员在理解图4至图5的说明之后，应不难发现使用过滤结构1B(图2)与过滤结构1C(图3)的优点所在。以图3的过滤结构1C为例，在混合液往多孔过滤层11的上表面流下之后，混合液中的滤渣会被多孔过滤层11拦截，而液体则通过多孔过滤层11的孔洞继续往下流动。由于多孔过滤层11的孔洞底部系直接与吸水层13接触，因此孔洞中的液体会直接被吸水层13吸收。

在吸水层13吸饱液体(或水分，以下不再重复赘述)之后，可通过施加挤压力的方式将液体挤出，其中，挤出液体中的少部分会通过多孔过滤层11的孔洞向上流动，借此逆洗多孔过滤层11上的滤渣32，而大部分的液体则会通过支撑层14的大孔洞向下流出。须注意在此仅对与本发明结构优点相关的情况作说明，而未赘述从吸水层13的侧边挤出的液体。在挤除吸水层13中的液体，并移除挤压力之后，被压缩的吸水层13会弹回而恢复在压缩前的型态，并再度拥有吸水的能力。

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，作详细说明如下：

【实施例】

过滤结构为双层滤材结构，其中上层为孔径约40μm的PVA泡棉过滤层，而下层为孔径范围介于约80μm至约120μm的PVA泡棉吸水层。

过滤实验如图6所示，主要是将刻度量桶的下端开口装填上述过滤结构40，并在量桶内放入含浓度400mg/L的拟球藻细胞的海水藻液，然后观察并记录定量溶液通过过滤结构所花费的时间。图7显示实施例的过滤实验数据图。

【比较例】

过滤结构仅使用相同于实施例过滤结构中，孔径约40μm的单一层PVA泡棉过滤层，而未在过滤层下方设置孔径较大的吸水层。以相同于实施例中所述的装置，对此单一层过滤结构进行过滤实验，得到的过滤实验数据图如图8所示。

【结果比较】

在图7与图8分别显示的实施例与比较例的过滤实验数据图中，纵轴表示过滤时间(单位为分钟)，横轴表示流过过滤结构的溶液体积(单位为mL)。比较图7与图8的结果可发现，实施例过滤结构的过滤速度大于比较例过滤结构，因此证实了本发明具有吸水层的过滤结构确实具有优异的过滤效果。

虽然本发明已以数个较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种过滤结构，其特征在于，包括：

一第一多孔层，具有多数个第一孔洞；以及

一第二多孔层，位于该第一多孔层上方，且具有多数个第二孔洞，其中该些第二孔洞的尺寸小于该些第一孔洞的尺寸。

2.根据权利要求1所述的过滤结构，其特征在于，该第一多孔层具有吸水功能，且该第二多孔层具有过滤尺寸大于该些第二孔洞的物质的功能。

3.根据权利要求1所述的过滤结构，其特征在于，该第一多孔层与该第二多孔层直接接触。

4.根据权利要求3所述的过滤结构，其特征在于，该第一孔洞的孔径介于该第二孔洞的孔径至0.457cm之间。

5.根据权利要求3所述的过滤结构，其特征在于，该第二孔洞的孔径小于欲拦截固体颗粒直径。

6.根据权利要求3所述的过滤结构，其特征在于，该第一多孔层包括聚合物、不织布或人造纤维。

7.根据权利要求6所述的过滤结构，其特征在于，该第一多孔层包括聚乙烯醇、聚氨脂、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙烯或聚苯乙稀。

8.根据权利要求3所述的过滤结构，其特征在于，该第二多孔层包括聚合物或陶瓷。

9.根据权利要求8所述的过滤结构，其特征在于，该第二多孔层包括聚乙烯醇、聚醚砜、三醋酸纤维素、聚丙烯纤维或聚氯乙烯。

10.根据权利要求1所述的过滤结构，其特征在于，该第一多孔层的孔洞尺寸由上至下逐渐变大。

11.根据权利要求1所述的过滤结构，其特征在于，该第一多孔层是由多层不同孔径的多孔吸水材料层叠形成孔洞尺寸由上至下逐渐变大的结构。

12.根据权利要求1所述的过滤结构，其特征在于，还包括一吸水层，位于该第一多孔层与该第二多孔层之间。

13.根据权利要求12所述的过滤结构，其特征在于，该吸水层直接与该第一多孔层及第二多孔层接触。

14.根据权利要求13所述的过滤结构，其特征在于，该第一孔洞的孔径介于该第二孔洞的孔径至0.457cm之间。

15.根据权利要求13所述的过滤结构，其特征在于，该第二孔洞的孔径小于欲拦截固体颗粒直径。

16.根据权利要求13所述的过滤结构，其特征在于，该吸水层包括聚合物、不织布或人造纤维。

17.根据权利要求16所述的过滤结构，其特征在于，该吸水层包括聚乙烯醇、聚氨脂、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙烯或聚苯乙稀。

18.根据权利要求13所述的过滤结构，其特征在于，该第一多孔层包括金属、聚合物、不织布或人造纤维。

19.根据权利要求18所述的过滤结构，其特征在于，该第一多孔层包括聚乙烯醇、聚氨脂、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙烯或聚苯乙稀。

20.根据权利要求13所述的过滤结构，其特征在于，该第二多孔层包括聚合物、多孔性纤维素或陶瓷。

21.根据权利要求20所述的过滤结构，其特征在于，该第二多孔层包括聚乙烯醇、聚醚砜、三醋酸纤维素、聚丙烯纤维或聚氯乙烯。

22.根据权利要求13所述的过滤结构，其特征在于，该第一多孔层具有支撑该第二多孔层与吸水层的功能，且该第二多孔层具有过滤尺寸大于该些第二孔洞的物质的功能。

23.一种过滤方法，其特征在于，包括：

提供权利要求1至22中任一权利要求的过滤结构；以及

将混合液往该过滤结构的第二多孔层的上表面流下，以拦截该混合液中尺寸大于该第二孔洞的滤渣，而该混合液中的液体则穿过该第二孔洞继续往下流动。

24.根据权利要求23所述的过滤方法，其特征在于，还包括在该第一多孔层吸收该液体之后，对该第一多孔层施加一外力以压缩脱除该液体，并通过压缩时逆流的该液体进行该第二多孔层的反冲洗，以去除堵塞的该滤渣，且在移除该压缩力之后，被压缩的该第一多孔层弹回而恢复在压缩前的型态。

25.根据权利要求23所述的过滤方法，其特征在于，还包括在该吸水层吸收该液体之后，对该吸水层施加一外力以压缩脱除该液体，并通过压缩时逆流的该液体进行该第二多孔层的反冲洗，以去除堵塞的该滤渣，且在移除该压缩力之后，被压缩的该吸水层弹回而恢复在压缩前的型态。