CN102892474A - 水过滤器组件和过滤元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水过滤器组件和水过滤元件（1）。所述的水过滤元件具有能渗透水的屏障，使用中的水通过所述的屏障被净化。所述的能渗透水的屏障包括限定了纳米孔的纳米纤维层（9），通过所述的纳米孔能渗透使用中的水。所述的水过滤元件可以是壳体（2）的形式，所述的壳体装有至少一种粒状活性碳，至少一种适当的离子交换树脂和至少一种适当的吸附剂（7）。优选所述的能渗透水的屏障包括可渗透的支持层（8）和其上携带的纳米纤维层（9）。所述的纳米纤维优选具有抗菌性能，所述的抗菌性能是纳米纤维本身内在的性能或由纳米纤维内或其层内携带的或截留的杀菌剂提供的，或兼而有之。所述的水过滤器组件具有带孔支架（3,23），所述的带孔支架（3,23）可操作的贴合地接收位于通过所述的水过滤器组件的流路内的所述的水过滤元件。优选所述的带孔支架具有螺纹插座（5,26）用于将所述的带孔支架连接到容器（4）的容器口内。
Description
技术领域
本发明涉及水过滤器组件和其中所使用的过滤元件，通过所述的过滤元件水被净化到通常适于饮用的程度。更具体地，本发明涉及水过滤器组件和其中所使用的可替换的水过滤元件，所述的水过滤元件主要（但不限于）适于小规模使用，特别是家庭或个人使用，其目的是用于制备饮用水。
背景技术
各种不同形式的小规模的水过滤器，特别是饮用水的过滤器主要用于乡村居民或到乡村的访客以及饮用水的供水设施被破坏或无法获得的灾区。一般在不干净的天然水中不仅有细菌和其它的微生物（可能包括疟疾原虫），而且在很多情况下污染物是以人造化学品和废物以及人和动物制造的垃圾的形式存在的。
净化少量水最常使用的是过滤元件，所述的过滤元件包括过滤屏障和通常释放氯的化合物和活性碳，它们被包在过滤袋内或由过滤材料制备的其它容器中。而且通常使用的是孔状陶瓷过滤器。
现有的可以买到的一些过滤器组件如名为″LIFESAVERTM”的水瓶是非常昂贵的而且是可能想使用此系统的人们无法使用的。
现有技术中的很多过滤器组件面对的另一个问题是被过滤出的微生物在过滤器表面繁殖而导致形成生物膜从而至少在一定程度上阻塞过滤器表面。
由于过滤设备所面对的困难和花费，通常使用化学方法处理水。为此目的所使用的一种商业上可获得的杀菌剂是以商标名AquaQure出售的一种杀菌剂，它是含有下列元素的溶液，各元素的浓度逐渐降低，Cu，Zn，K，Ca，Na，Fe，Mg，B，Cr，Cd，Sr，Ni和Si。这种商品可从南非，西开普省，斯韦伦丹的AquaQure Global Water Solutions公司买到。
发明目的
本发明的目的是提供一种水过滤器组件和其中所使用的过滤元件，所述的过滤元件提供有效的水净化，其中至少将上述的一个缺点克服到一定程度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种壳体形式的水过滤元件，所述的水过滤元件具有能渗透水的屏障，使用中的水通过所述的屏障被净化，其中所述的壳体的内部装有至少一种粒状活性碳，至少一种适当的离子交换树脂和至少一种适当的吸附剂，所述的过滤元件的特征在于，所述的能渗透水的屏障包括限定了纳米孔的纳米纤维层，通过所述的纳米孔能渗透使用中的水。
根据本发明的第二方面，提供了一种水过滤元件，所述的水过滤元件具有能渗透水的屏障，使用中的水通过所述的屏障被净化，所述的水过滤元件的特征在于，所述的能渗透水的屏障包括可渗透的支持层和其上携带的纳米纤维层，其中所述的纳米纤维层限定了纳米孔，通过所述的纳米孔能渗透使用中的水。
本发明的其它特征包括纳米纤维具有抗菌性能，所述的抗菌性能可以是纳米纤维本身内在的性能和/或由纳米纤维内或其层内携带的或截留的杀菌剂提供的；对于任何的壳体，可以是大体呈圆柱形或大体呈扁平的矩形或正方形的袋子，所述的袋子被卷成圆柱形，在每一种情况下，圆柱形的袋子适于被紧贴地放入带孔支架上；壳体内含有至少一种粒状或珠状的离子交换树脂或吸附剂，特别是阳离子交换树脂，一般与粒状活性碳一起混合；以及，对于任何可渗透的支持层应当是在生产茶叶包等中广泛使用的常规类型的专业过滤纸。
应当注意专业过滤纸的类型，当选择正确时，可以具有非常有益的特征，所述的特征在于，当用作纳米纤维的支撑介质时，纤维被编织成专业过滤纸的孔，由此省掉了进一步提高粘附或粘合的措施的必要性。专业过滤纸是具有较粗糙的一面和较光滑的一面的类型，并且在这种情况下，由较粗糙的一面携带纳米纤维。
由纳米纤维层限定的纳米孔的尺寸通常被选为能截留微生物或其它尺寸大于1微米的粒子。
本发明还提供了水过滤器组件，所述的水过滤器组件包括如上定义的水过滤元件，以及所使用的带孔支架，其中所述的带孔支架贴合地接收位于通过所述的水过滤器组件的流路中的水过滤元件。
本发明的此方面的其它特征包括带孔支架被设计成可操作地放入水容器例如桶或瓶特别是塑料饮水瓶的容器口内，在这种情况下，所述的支架具有的形状可将其固定到容器出口处，特别是螺纹口颈等，或者将带孔支架放置在适于放入供水出口处例如水龙头的壳内；以及，使用螺纹插座用于将所述的带孔支架安装在瓶子口内，螺纹插座中插入关闭装置，所述的关闭装置用于关闭通过水过滤器组件的流路，其中所述的关闭装置任选为运动盖类型。
根据本发明的第三方面，提供了制备具有抗菌性能的纳米纤维的方法，其中所述的方法包括由适当的聚合物材料溶液制备电纺丝纳米纤维，所述的方法的特征在于，在电纺丝之前在所述的溶液中含有适当的杀菌剂以使杀菌剂与纳米纤维合为一体从而使纳米纤维具有抗菌性能或使纳米纤维的抗菌性能提高。
纳米纤维可以本身具有抗菌性能，在这种情况下，可任选添加杀菌剂使纳米纤维层中含有杀菌剂。或者，纳米纤维本身不具有任何抗菌性能，在这种情况下，在电纺丝之前添加杀菌剂被认为是必要的。
提供抗菌性能的原因是杀死被纳米纤维层过滤掉的微生物并因此不能进行可能促进生物膜形成的繁殖。因此纳米纤维层不会倾向被阻塞。当与能形成生物膜的情况进行较时所获得的过滤元件的寿命因此被明显延长。
所述的杀菌剂可以是上述提到的AquaQure或者是一种或多种适当的呋喃酮，或任何其它类似的杀菌剂。
为了使本发明能被充分的理解，下面参考附图详细讨论各种实施例。
附图说明
图中：
图1是配有本发明的水过滤器组件的饮水瓶的剖示图；
图2是配有本发明的水过滤器组件的水龙头的剖示图；
图3是能渗透水的袋子形式的过滤元件的等距视图；
图4是准备插入圆柱形带孔支架内的卷起来的形式的过滤元件的等距视图；
图5是支架的爆炸等距视图，所述支架用于图1和图2中所示的过滤元件；
图6是支架组件的剖视图。
具体实施例
在本发明的一个实施例中，水过滤元件1的形式是能渗透水的袋子2，所述的袋子限定了一个壳体，所述的水过滤元件具有能渗透水的屏障，其中所述的屏障限定了使水通过所述的过滤元件的通道。所述的袋子由广泛用于生产茶叶袋的专业级别的纸制作。
过滤元件被设计成被紧贴地放入大体呈圆柱形的带孔支架3中，所述的支架可操作的放入水容器4例如桶或瓶子，特别是塑料饮水瓶的容器口内。因此，所述的支架具有螺纹插座5，用于可拆卸地将其固定到瓶子的螺纹口颈6上，其中所述的带孔支架的壁伸入瓶子中以使过滤元件形成瓶子的出口通道。
所述的袋子中装有由标号7所示的其粒径约为1mm的粒状活性碳，且所述粒状活性碳可以与至少一种粒状的或珠状的离子交换树脂混合，其中所述离子交换树脂也具有约为1mm的粒径。在这种情况下，使用的是阳离子交换树脂，尽管可以附加或替代地使用阴离子交换树脂，其至少在一定程度上取决于待被纯化的水的一般特征。对于粒状活性碳或离子交换树脂，还可以附加或替代地使用任何其它的适当的吸附剂。
正如本发明所提供的，过滤元件具有能渗透的屏障，它由所述袋子的壁限定，所述的袋子包括可渗透的支持层，所述的可渗透的支持层由专业纸8（茶叶袋纸类型）和其上所携带的纳米纤维层9限定，其中所述的纳米纤维层限定纳米孔，使用中的水通过所述的纳米孔进行渗透。
所述纳米纤维层被构造以提供其尺寸可阻止微生物或其它使水不适于饮用的粒子通过的纳米孔。
在本发明的实施例中，被选择的纳米纤维具有抗菌性能，特别是，纳米纤维是用PVA材料电纺丝而成的，其中所述的PVA材料优选具有杀菌剂，所述的杀菌剂包含或被截留在纳米纤维层内。
实验1
使用聚乙烯醇（PVA）和杀菌剂AquaQure制造纳米纤维以提供所需的抗菌性能。
如下制备PVA的纳米纤维层：
水解的(87-89%)的聚乙烯醇(8.5%w/v)溶于蒸馏水中。将交联剂乙二醛(8%v/v)(40%的水溶液)搅拌添加到PVA溶液中直到溶解并添加一滴浓盐酸使pH值降低到2。将AquaQure(5%v/v)添加溶液中并搅拌。
为了进行电纺丝，在相对湿度小于40%的环境下使用气泡纺丝机（bubble spinner）。将阳极浸没于聚合物溶液中并将阴极连接到收集板。收集板位于气泡纺丝机构件的正上方的25cm处。形成的纳米纤维在60°C保持4天以进行交联。
过滤袋是由携带纳米纤维层的专业纸制成的并填充了4g的活性碳和离子交换剂的混合物。具有电纺丝纳米纤维层的过滤袋的内侧被热密封以形成最终的过滤元件。
由纳米纤维层限定的纳米孔具有的孔径能截留微生物和其它粒径大于1微米的粒子。
在不含杀菌剂AquaQure的纳米纤维PVA和含有AquaQure的PVA上进行实验。给出如下结果，并表明后者完全去除了所述的微生物而使用没有杀菌剂AquaQure的PVA仅去除一小部分所述的微生物。
因此可以设想本发明能够提供非常简单却高效并且廉价的水过滤器组件和其中所使用的过滤元件。
当然，根据本发明的水过滤器能够设计成各种不同的形式并且可以设想其中一个非常有用的形式是图2所示的类型。在这种形式的由标号11表示的水过滤器中具有插入壳体13内的支架12，所述的壳体适于使用常见的螺纹插座15安装到供水的出口水龙头14上。在这种形式中，水过滤器可在使用和希望使用时由水的任何使用者安装到水龙头上。根据水龙头的构造，可以使用任何类型的连接器把这样的水过滤器连接到水龙头上。
在附图的3-6中描述的本发明的另一个实施例中，过滤器被制造为大体呈扁平的矩形或正方形的袋子20，所述的袋子由用于生产茶叶袋的专业纸制备并被标号21所示的方式沿其外周进行热密封。
在这个实施例中使用的专业纸是由德国，Gernsbach的Glatfelter Gernsbach GmbH& Co.KG公司（复合纤维业务单位）生产的商标名为DYNAPORE的茶叶过滤纸，即其质量为117/S的产品。所述的纸的重量为16.50±1.00g/m2；厚度为65.00±5.00微米；并具有可热密封的表面。
通过电纺丝方法将纳米纤维层直接用于专业纸的两个表面中较粗糙的一面，下面介绍其详细的内容。这种方法具有较高的益处，其特征在于，纳米纤维被编织成专业纸的孔，从而不需要进一步提高粘合或粘附的措施。
实验2
聚乙烯醇(PVA，Mr 146000-186000道尔顿，87-89%水解)(8.5%w/v)溶于蒸馏水中并在搅拌的同时在90°C加热30分钟。在搅拌的条件下将交联剂乙二醛(8%v/v)(40%的水溶液)添加PVA溶液中直到溶解并添加一滴浓盐酸使pH值降至2。应当注意乙二醛的浓度可以被降低并在较短时间内在较高的温度进行熟化。还应当注意PVA再次使用的简单原因是所使用的PVA可用于食品和药品中。
聚合物溶液被冷却并添加AquaQure(5%v/v)于溶液中并搅拌至溶解。
将可热密封的专业纸切割成64x64mm的正方形。纸的粗糙面向上，贴在锡纸收集板上。
将聚合物溶液注射到巴斯德吸液管中，铜线与高压电源的正极接触并插入聚合物溶液中。阴极被放置在锡纸收集板上距离巴斯德吸液管200mm的位置。使用15kV电流的高压并将纳米纤维喷射到锡纸收集板并因此喷射到专业纸上。
然后将专业纸移走并在60°C的炉中烤4天。纳米纤维的干重是600g/m2。纳米纤维的直径介于200nm至350nm之间，这由AquaQure的浓度和所使用的电压决定。使用15kV的电压和5%浓度的PVA/AquaQure得到的纳米纤维具有约250nm的直径。所形成的纳米纤维中的孔的尺寸是7至13nm2。
然后通过将电纺丝纸的彼此顶部的边缘热密封制作袋子，同时使一边敞开。每个袋子填充3g的粒状活性碳(1000，瑞士，8200Schaffhausen，Rheinweg 5的JacobiCarbons AG公司制作)并被热密封使之闭合。
使过滤袋的尺寸能被容纳到圆柱形的带孔支架23内，所述的带孔支架在一端具有一体的配件24而在另一端具有可移动的帽25，如图3清楚地所示。选择圆柱形的带孔支架的尺寸以使当过滤袋被紧紧卷起来时，如图4所示，能够被插入到圆柱形的带孔支架中，在此形成贴合地接触。然后在带孔支架的开口端拆除可移动的帽，这样通过带孔支架的开口端就将卷起来的过滤袋安装进去了。
配件具有螺纹插座26以便可拆卸的将配件固紧到瓶子的螺纹口颈上，其中圆柱形的带孔支架23伸入到瓶子中以使过滤元件形成瓶子的出口通道。
配件优选具有众所周知的运动盖出口，包括一个阀，所述的阀包括关闭装置27，所述的关闭装置具有外围28，外围28在关闭位置和开放位置之间轴向滑动。在关闭位置，关闭装置的末端壁30上的孔29由插销元件31占据，插销元件31通过材料的一体化网32保持在出口通道的中心，材料的一体化网32与配件24的内壁连接。在开放位置，关闭装置向外轴向移动(如图6所示)以使水能通过插销并通过孔29流过出口通道。
应当理解尽管上述的圆柱形的带孔支架和配件被描述为彼此为一体，但是制作这样一体化的塑料注射成型的工具和模子可能不实用，在这种情况下，圆柱形的带孔支架可做成单独的单元，将其安装到配件上，优选以可逆的方式以便真正避免在没有支架时的配件处于其工作位置。
其它的抗菌纳米纤维的制作方法如下：
i.杀菌剂铜和聚合物PVA
聚乙烯醇/铜(PVA/Cu)纤维垫的制作通过室温下混合10%w/v的PVA和CuSO4.5H2O(5-15%w/v)的水溶液，并不断搅拌直到盐被完全溶解。添加交联剂乙二醛(8%)，纳米纤维通过在60°C熟化4天进行交联。
ii.杀菌剂呋喃酮和聚合物PVA
聚乙烯醇/呋喃酮纤维垫的制作通过室温下混合8%w/v的PVA和呋喃酮(2-10%w/v)，并不断搅拌直到盐被完全溶解。添加交联剂乙二醛(8%)并且通过在60°C熟化4天进行交联。
iii.杀菌剂银和聚合物PVA
将PVA粉末溶解于水中并在90°C轻轻搅拌制备8wt%的PVA的聚合物溶液。冷却聚合物溶液并添加8%v/v的乙二醛作为交联剂并用浓盐酸将pH值调节到5以促进交联过程。最终将5%(wt/v)的AgNO3添加到聚合物溶液中并充分混合。在收集板上收集含有AgNO3的PVA纳米纤维并在60°C熟化4天进行交联。在交联之后，将纳米纤维暴露于UV照射中1小时以使纳米纤维中的银离子还原成银的纳米粒子。
iv.杀菌剂银和聚合物PAN(聚丙烯腈）
在二甲基甲酰胺(DMF)(Sigma Aldrich)中制备6%(wt/v)的PAN的聚合物溶液。将DMF加热到90°C并搅拌同时逐渐添加PAN。混合物在90°C搅拌5小时直到获得澄清的深黄色的溶液。添加硅酮表面活性剂JSYK L580(0.95g/l)以稳定气泡电纺丝期间泡沫的形成。最终，添加5%(wt/v)的AgNO3于聚合物溶液中并充分混合。含有AgNO3的PAN纳米纤维和已经还原的银的纳米粒子被收集在收集板上。然后，将纳米纤维暴露于UV照射中1小时以使纳米纤维中剩余的银离子还原成为银的纳米粒子。
在不脱离本发明的范围的情况下可对如上所述的本发明的两种不同形式进行各种改变。特别是，可根据所希望的情况和适当的用途，广泛改变纳米纤维层的性能并且也可改变可渗透的支持物。以及，可以采用任何其它的适当的吸附剂例如沸石或膨润土完全或部分取代粒状活性炭或离子交换树脂。
Claims (14)
1.一种壳体（2）形式的水过滤元件（1），所述的水过滤元件具有能渗透水的屏障，使用中的水通过所述的屏障被净化，其中所述的壳体的内部装有至少一种粒状活性碳，至少一种适当的离子交换树脂和至少一种适当的吸附剂（7），其特征在于，所述的能渗透水的屏障包括限定了纳米孔的纳米纤维层（9），通过所述的纳米孔能渗透使用中的水。
2.一种水过滤元件（1），所述的水过滤元件具有能渗透水的屏障，使用中的水通过所述的屏障被净化，其特征在于，所述能渗透水的屏障包括可渗透的支持层（8）和其上携带的纳米纤维层（9），其中所述的纳米纤维层限定了纳米孔，通过所述的纳米孔能渗透使用中的水。
3.根据权利要求1或2所述的水过滤元件，其中纳米纤维具有抗菌性能，所述的抗菌性能是纳米纤维本身内在的性能或由纳米纤维内或其层内携带的或截留的杀菌剂提供的，或兼而有之。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的水过滤元件，其中所述的壳体大体呈圆柱形，所述的圆柱形适于被紧贴地放入带孔支架（3）中。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的水过滤元件，其中所述的壳体是大体呈扁平的矩形或正方形的袋子（20），所述的袋子适于被卷成圆柱形，所述的圆柱形袋子被紧贴地放入带孔支架（23）中。
6.根据前述任一权利要求所述的水过滤元件，其中在所述的壳体内含有至少一种粒状或珠状的离子交换树脂或吸附剂。
7.根据权利要求6所述的水过滤元件，其中所述的可渗透的支持层是茶叶袋等生产中广泛使用的普通类型的专业过滤纸。
8.根据权利要求7所述的水过滤元件，其中所述的专业过滤纸是具有较粗糙的一面和较光滑的一面的类型，并且所述的较粗糙的一面携带所述的纳米纤维。
10.根据前述任一权利要求所述的水过滤元件，其中所述的纳米孔的尺寸被选择，以截留微生物和其粒径大于1微米的其它粒子。
11.含有前述任一权利要求所述的水过滤元件的水过滤器组件，所述的水过滤器组件具有带孔支架（3，23），所述的带孔支架可操作的贴合地接收所述的水过滤元件，所述的水过滤元件位于通过所述的水过滤器组件的流路内。
12.根据权利要求11所述的水过滤器组件，其中所述的带孔支架配有螺纹插座（5，26），用于将所述的带孔支架连接到容器（4）的容器口内或连接到具有螺纹的水龙头（14）上。
13.根据权利要求12所述的水过滤器组件，其中所述的螺纹插座中插入关闭装置，所述的关闭装置用于关闭通过具有所述的关闭装置的所述的水过滤器组件的流路。
14.一种水容器，所述水容器配有如权利要求12或13所述的水过滤器组件。
15.一种制备具有抗菌性能的纳米纤维的方法，其中所述的方法包括由适当的聚合物材料的溶液制备电纺丝纳米纤维，其特征在于，在电纺丝之前在所述的溶液中含有适当的杀菌剂，以使所述的杀菌剂与纳米纤维合为一体，从而使纳米纤维具有抗菌性能或使纳米纤维的抗菌性能提高。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130123 |