CN103071464A - 一种由粘合剂的分离颗粒和活性炭形成的碳块过滤器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种含有UHMWPE粘合剂和活性炭的碳块过滤器及其制造方法。该方法包括：将一部分原始粘合剂粉碎，所述原始粘合剂为平均粒度为120～140μm的超高量分子量聚乙烯（UHMWPE）粘合剂；并将粒度为20～80μm的粘合剂从粉碎产物中分离出来；将分离出的粘合剂与另一部分原始粘合剂混合；并通过将商业的粉状活性炭与混合的粘合剂混合以形成碳块过滤器，其中，控制所述分离出的粘合剂与另一部分原始粘合剂的混合以及碳块过滤器的形成，以使得形成所述碳块过滤器的所述粉状活性炭和所述混合的粘合剂的粒度分布中，粒度等于或者小于105μm的累积粒度比为1:0.78～1.1。本发明提供的碳块过滤器取得了替代进口的效果并将制造成本减少了30～40%。

Description

一种由粘合剂的分离颗粒和活性炭形成的碳块过滤器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种含有超高分子量聚乙烯（UHMWPE）粘合剂和活性炭的碳块过滤器，其中，通过控制粉碎的粘合剂和活性炭的混合比例使得在它们的粒度分布中，粒度等于或小于105μm的粒度比为1:0.78～1.1，目的是使过滤器具有高效性能，并且以相对低的成本制造。本发明也涉及一种制造碳块过滤器的方法。
背景技术
将用于净水机的传统活性炭过滤器设计成用粉状活性炭填充。当水通过其中时，过滤器可以过滤和吸附杂质。然而，因为它们仅仅设置成用粉状活性炭来填充，滤层则会产生经络现象。这会降低杂质的去除率并引起活性炭的不断流失。
因为活性炭表面覆盖了低密度聚乙烯（LDPE）粘合剂和高密度聚乙烯（HDPE）粘合剂，当它们超过各自的熔点后，这些粘合剂具有低粘度和高流动性，装有含覆盖层活性炭的过滤器不能确保孔径和吸附作用。虽然超过熔点80℃后具有高流动性的LDPE粘合剂可以通过压法制造过滤器，但它们会堵塞活性炭的表面，因此减少吸附面积。如果是那样的话，过滤器很难控制孔，因此降低过滤器的性能。
为了可以解决这个问题，一直以来采用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）粘合剂和粒度已控制的粉状活性炭以一定的比例混合并烧结的方式制造多孔吸附过滤器，这样的方式会形成高效的吸附性能。这种过滤器被称作“碳块过滤器”。大多数净水器采用碳块过滤器是因为它们具有高效过滤性能。具有热塑性的UHMWPE粘合剂指的是分子量等于或大于106g/mol的聚乙烯，它具有比常规聚乙烯高的熔点，当超过熔点后，由于粘度较高，流动性低。如果将UHMWPE粘合剂和具有吸附性的粉状活性炭混合并烧结，它们会熔解部分的活性炭颗粒并被其包裹在里面，因此会制造出一种硬的碳块过滤器、最低限度地降低活性炭的吸附性。
由于粘合剂的特性，通常以压铸法制造传统的碳块过滤器。该过滤器具有高吸附性能和高孔径，这样就可以实现高效过滤性能。
压铸法用于制造高效的块状过滤器，因为它能使过滤器具有高效吸附性能并且可以有效地控制孔径。
传统工艺将粘合剂与粒度已人为调控的粉状活性炭以特定的比例混合，并且通过压制形成块体，因此在块体上产生孔。这样不能生产出高质量的碳块过滤器。传统工艺不能形成细小的粉状活性炭。也就是说，即使形成细小的粉状活性炭，碳颗粒也会与表面分离，这会降低产品的价值。
通过压模法制造的碳块过滤器是以UHMWPE粘合剂和粉状活性炭颗粒按照一定比例混合的方式形成的，其中，为了达到控制孔的目的，需要调控粉状活性炭颗粒的粒度。在这个过程中，UHMWPE粘合剂用于粘结活性炭颗粒。因此，粘合剂和活性炭的粒度与填充压力会影响过滤器中孔的生成。然而，根据制造过程，UHMWPE粘合剂的粒度率彼此不同。
因此，因为活性炭和粘合剂的粒度不统一，碳块制造厂家不能生产出具有精细结构的过滤器，这将引起活性炭颗粒从过滤器中流失。因此，过滤器降低了过滤性能。
在韩国专利申请No.10-2001-7003737中公开了德国泰科纳公司具有熔融指数（MFR 190/15）为1.4～3g/10min的聚乙烯聚合物，分子量分布为4～8，堆积密度范围为0.15～0.28g/cm3，粒度范围为80～160μm。泰科纳公司的活性炭过滤器通过压模法制造，并且具有高效过滤性能。泰科纳公司的聚乙烯粘合剂被认可主要是因为聚乙烯粘合剂的形成特征、吸附性能以及流水量都非常高。
然而，使用泰科纳公司粘合剂的过滤器在将细小的粉状颗粒与活性炭分离上具有缺陷。
此外，粘合剂非常昂贵，以致会增加过滤器的制造成本。因此，有必要发明一种经济有效的碳块过滤器及其制造方法。
发明内容
考虑到上述问题提出了本发明，且本发明提供了一种使用UHMWPE粘合剂的具有高效过滤性能和高效吸附性能的碳块过滤器。该粘合剂用于工程塑料。该粘合剂具有以下物理性能：熔点为130.1℃；堆积密度的范围为0.45～0.55g/cm3；分子量的范围为4.5～6×106g/mol；以及平均粒度为120～140μm。该粘合剂（例如，由韩国Dae Han石油化学公司（Dae Han Oil Chemical）生产）指的是用于生产工程塑料、高功能性纤维、运动商品等的UHMWPE粘合剂，并且平均粒度的范围为120～140μm。同时，在粒度方面，由于具有常规物理性质的传统UHMWPE粘合剂不同于粉状活性炭，它们从来没有被一起用于制造具有高效过滤性能的碳块过滤器。
根据本发明的示例性实施例，本发明提供了一种具有高效过滤性能的碳块过滤器。当通过填充颗粒过滤材料制造过滤器和多层构造被用于碳块过滤器的组成时，用于过滤器的材料的物理性质和过滤原理能有效控制碳块过滤器的孔。本发明提供了一种用于控制块状过滤器孔的最佳的设计条件。
传统工艺没有尝试基于例如本发明原理的理论方法设计碳块过滤器和分析原理。可以将使用两种过滤材料的最理想过滤器设计成上层含有大尺寸颗粒和小比重的过滤材料且下层含有小尺寸颗粒和大比重的过滤材料的方式。相反，如果过滤器被设计成上层含有小尺寸颗粒和小比重的过滤材料且下层含有大尺寸颗粒和大比重的过滤材料的方式，过滤性能则会变低。然而，两类过滤器都是理论例子，在实际中并不生产。因此，设计出的含有在粒度分布和比重方面具有相似物理性质的两类过滤材料、且两类过滤材料均匀混合的过滤器，与设计出的含有在粒度分布和比重方面具有很大差异的过滤材料的过滤器相比，就会具有更有效的性能和更长时间的过滤性能。也就是说，本发明提供了前者过滤器。
尽管通过不同于以颗粒填充的过滤器的原理生产碳块过滤器，但它们是使用相同的物理过滤原理操作。根据本发明，基于活性炭颗粒与粘合剂之间的最优粒度分布，将它们以一定比例混合形成碳块过滤器，因此提供了高效过滤性能。
为了改善用于制造传统压模碳块过滤器的方法，并控制碳块的物理孔，本发明提供了一种制造碳块的最优方法，其中，孔具有0.5μm、1～3μm、以及5μm尺寸，通过这样的方法可以确保孔径为0.5μm、1～3μm、以及5μm以便纯化自来水；用于粒状过滤器的孔是可调的；将商业活性炭粉碎；并在粉碎的活性炭和粒度已人为调控的粘合剂之间产生最优粒度分布以达到理论数值。
本发明提供一种碳块过滤器，其中，UHMWPE粘合剂通过粒度调控工艺粉碎，并且将粉碎的粘合剂与粉状活性炭混合，以使得在所述粉碎的粘合剂和粉状活性炭的粒度分布中，粒度等于或小于105μm的累积比（cumulative ratio）为1:0.78～1.1。本发明也提供一种用于碳块过滤器的最佳组成比例。通过分析制造的块状过滤器的性能来检测碳块过滤器性能。
根据本发明，碳块过滤器具有的优势在于以前是从国外进口到韩国的粘合剂材料现在100%由韩国当地生产，因此，取得了替代进口的效果并将制造成本减少了30～40%。
附图说明
在下面的详细描述和附图中，本发明的特征和优势将会显得更清晰，其中：
图1描述了根据本发明实施例制造的孔为3μm的碳块放大60倍的照片；
图2描述了根据传统工艺制造的孔为3μm的碳块放大60倍的照片；
图3描述了根据本发明实施例制造的孔为3μm的碳块放大300倍的照片；
图4描述了根据本发明另一实施例制造的孔为3μm的碳块放大300倍的照片；
图5描述了根据传统工艺由韩国D公司生产的粘合剂的累积分布（distribution-cumulative）的分布图；
图6描述了根据本发明将原始粘合剂和分离的粘合剂混合形成的粘合剂的累积分布的分布图；
图7描述了根据本发明用于碳块过滤器的粉状活性炭的累积分布的分布图。
具体实施方式
在下文中，参照附图，将详细描述本发明的示例性实施例。
实施例1
3μm碳块的组成和制造方法
将平均粒度在60～102μm范围内的粉状活性炭与分离的粒度为20～80μm的粘合剂混合。粉状活性炭占粘合剂总量的10～20重量%。以约为3～30kgf/cm2的压力压缩混合物，并在230℃下热处理30min。完成处理后，形成孔约为3μm的块状。块状过滤器中粘合剂的含量为30～35重量%。
分析结果
1、三氯甲烷去除率（%）
1）使用的粉碎的粘合剂（块状尺寸为41×21×195），D公司（韩国的Dae Han石油化学公司）生产。
D公司的粘合剂-1（试样1）：76.5%（700升）
D公司的粘合剂-2（试样2）：81.8%（700升）
2）使用的粘合剂（块状尺寸为41×21×195），T公司（泰科纳公司，德国）生产。
T公司的粘合剂-1（试样1）：62.5%（700升）
其中，T公司的粘合剂-1适用于碳块过滤器，在碳块过滤器中，将T公司的粘合剂与商业活性炭混合。
2、过水量、过水速率以及三氯甲烷去除率的对比。
表1
实施例2
1～2μm碳块的组成和制造方法
将平均粒度在60～102μm范围内的粉状活性炭与粉碎的粒度为20～80μm的粘合剂混合。粉状活性炭占粘合剂总量的20～30重量%。以约3～30kgf/cm2的压力压缩混合物，并在220℃下热处理40min。完成处理后，形成孔约为1～2μm的块状。
分析结果
1、三氯甲烷去除率（%）
1）使用的粉碎的粘合剂（块状尺寸为41×21.5×242），D公司（韩国的Dae Han石油化学公司）生产。
D公司的粘合剂-1（试样1）：94.8%（1500升）
D公司的粘合剂-2（试样2）：92.7%（1500升）
2）使用的粘合剂（块状尺寸为41×21.5×242），T公司（泰科纳公司，德国）生产。
T公司的粘合剂-1（试样1）：93.9%（1500升）
T公司的粘合剂-2（试样2）：93.9%（1500升）
其中，T公司的粘合剂-2适用于碳块过滤器，在碳块过滤器中，将T公司的粘合剂与商业活性炭混合。
2、块状孔的测试结果
表2
去除率：等于或大于90%。
实施例3
0.5μm碳块的组成和制造方法
将平均粒度在60～102μm范围内的粉状活性炭与粉碎的粒度为20～80μm的粘合剂混合。粉状活性炭占粘合剂总量的20～30重量%。以约3～30kgf/cm2的压力压缩混合物，并在210℃下热处理50min。完成处理后，形成孔约为0.5μm的块状。
分析结果
1、三氯甲烷去除率（%）
1）使用的粉碎的粘合剂（块状尺寸为41×21.5×242），D公司（韩国的Dae Han石油化学公司）生产。
D公司的粘合剂-1（试样1）：98%（2000升）
D公司的粘合剂-2（试样2）：97%（2000升）
2）使用的粘合剂（块状尺寸为41×21.5×242），T公司（泰科纳公司，德国）生产。
T公司的粘合剂-1（试样1）：98%（2000升）
T公司的粘合剂-2（试样2）：98%（2000升）
其中，T公司的粘合剂-1和粘合剂-2适用于碳块过滤器，在碳块过滤器中，将T公司的粘合剂与商业活性炭混合。
2、块状过滤器孔的测试结果
表3
Figure BDA00001810561100091
去除率等于或大于90%。估算孔为0.5μm
实施例4
5μm碳块的组成和制造方法
将平均粒度在110～140μm范围内的粉状活性炭与分离出的粒度为110～130μm的粘合剂混合。活性炭占粘合剂总量的5～10重量%。以约3～30kgf/cm2的压力压缩混合物，并在230℃下热处理60min。完成处理后，形成孔约为5μm的块状。
如果粘合剂的含量少于5重量%，碳块的结构松散以致会产生粉尘。如果粘合剂的含量大于10重量%，则孔径较低。
分析结果
1、块状过滤器孔的测试结果
表4
Figure BDA00001810561100101
去除率等于或大于90%。
正如上面所述，根据本发明，将粒度已控制的粘合剂和活性炭以最优的组成比例混合的方式设计成的碳块具有高效过滤性能。
根据本发明，用于净水机的碳块具有0.5μm、1～3μm以及5μm的孔，并被检测了性能。此外，以前是从国外（例如德国和日本）进口到韩国的粘合剂现在100%都由韩国当地生产，因此，取得了替代进口的效果并使制造成本降低了30～40%，比从国外进口经济有效。
用于本发明的活性炭的平均粒度约为60～102μm和110～140μm。由韩国制造的粘合剂的平均粒度为120～140μm。同样，活性炭和粘合剂具有不同的平均粒度和不同的粒度分布。换言之，正如在图5所示，由韩国制造的粘合剂在粒度分布图中具有峰曲线并且在累积分布图中具有平滑曲线，而且，正如图7所示，粉状活性炭在粒度分布图中具有峰曲线并且在累积分布图中具有平滑曲线。粘合剂和粉状活性炭的曲线形状彼此不同。因此，如果它们被用来制造碳块过滤器，粉尘与活性炭分离，相应地，这会破坏碳块过滤器的过滤性能，这一点与传统的过滤器相似。为了能够解决这个问题，本发明执行了以下操作：将平均粒度从120～140μm范围内变化的原始粘合剂粉碎；将平均粒度为20～80μm的粘合剂从粉碎产物中分离出来；将分离出的粘合剂与平均粒度在120～140μm范围内变化的原始粘合剂以一定比例混合；并且，在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）粘合剂和活性炭的粒度分布中，粒度等于或小于105μm的最优累积分布比为1:0.78～1.1。如果累积分布比低于0.78，活性炭的粉尘会从碳块过滤器中流失。如果累积分布比大于1.1，过水速率较低。优选地，正如图6所示，等于或小于105μm的活性炭的累积分布比为54.96%，粒度控制在等于或小于0.5μm的粘合剂的累积分布比为56.76%。因此，它们之间的比率经计算为1:1.03，在以下比例方程式的范围内。
粉状活性炭与粒度被控制在等于或小于105μm的粘合剂的累积分布比为1（如图7所示，活性炭的累积分布比等于或小于105μm）：0.78～1.1（粒度被控制在等于或小于105μm的粘合剂的累积分布比如图6所示）。
其中，1:0.78～1=54.96%:56.76%=1:1.03。
这考虑了活性炭比粘合剂的最优粒度比率的生产。
将韩国生产的、作为原始粘合剂的、平均粒度为120～140μm的UHMWPE粘合剂通过球磨机和轧机（agent mill）粉碎，并通过具有等于或小于100μm的筛孔的振动筛机将颗粒大小分类。分离的粘合剂的粒度为20～80μm。
为了使粒度被控制在60～102μm、110μm和140μm的粉状活性炭和韩国生产的粘合剂的粒度相等，将原始粘合剂粉碎以得到与原始的粉碎的粘合剂分离的粘合剂。将粒度为20～80μm的分离的粘合剂与平均粒度为120～140μm的原始粘合剂以一定比例、即最优的组成比例混合。
根据本发明，碳块过滤器被设计成孔具有0.5μm、1～3μm和5μm的尺寸，一般在净水机中使用。为了评估碳块过滤器的过滤性能，可以通过扫描电镜（SEM）观察和通过测定过水速率，三氯甲烷吸附率以及孔尺寸。在过滤性能方面，将根据本发明制造的碳块过滤器与使用德国泰科纳公司生产的粘合剂的传统过滤器作了比较。
根据本发明，通过SEM扫描碳块过滤器的表面，结果如图1至图4所示。与图2和图4所示的含有德国T公司生产的粘合剂的碳块过滤器的表面相比，图1至图3所示的含有韩国D公司生产的粉碎的粘合剂的碳块过滤器的表面更密集且更平滑。图3和图4显示了碳块的放大照片，以便检测熔解的粘合剂是否会减少活性炭的表面积。图3和图4表明活性炭的表面积没有被熔解的粘合剂所覆盖。
尽管本发明的示例性实施例已在上文中详细地描述，应该理解的是，基于本发明概念的多种变化或修改对本领域技术人员是显而易见的，仍落在所附权利要求中限定的本发明的示例性实施例的精神和范围内。

Claims (8)

1.一种碳块过滤器的制造方法，该方法包括：
将一部分原始粘合剂粉碎，所述原始粘合剂为平均粒度为120～140μm的超高分子量聚乙烯粘合剂；
并将粒度为20～80μm的粘合剂从粉碎产物中分离出来；
将分离出的粘合剂与另一部分原始粘合剂混合；
并通过将商业的粉状活性炭与混合的粘合剂混合以形成碳块过滤器，
其中，控制所述分离出的粘合剂与另一部分原始粘合剂的混合以及碳块过滤器的形成，以使得形成所述碳块过滤器的所述粉状活性炭和所述混合的粘合剂的粒度分布中，粒度等于或小于105μm的累积粒度比为1:0.78～1.1。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，将所述分离出的粘合剂与另一部分原始粘合剂混合的方法包括将20～80μm的所述分离出的粘合剂按占粘合剂总量的10～40重量%的量添加至所述另一部分原始粘合剂中。
3.一种碳块过滤器的制造方法，该方法包括：
将一部分原始粘合剂粉碎，所述原始粘合剂为平均粒度为120～140μm的超高分子量聚乙烯粘合剂；
并将粒度为110～130μm的粘合剂从粉碎产物中分离出来；
将分离出的粘合剂与另一部分原始粘合剂混合；
并通过将商业的粉状活性炭与混合的粘合剂混合以形成碳块过滤器，
其中，将所述分离的粘合剂与另一部分原始粘合剂混合的方法包括将110～130μm的分离出的粘合剂按占粘合剂的总量的5～10重量%的量添加至所述另一部分原始粘合剂中。
4.一种碳块过滤器，该碳块过滤器含有：
超高分子量聚乙烯粘合剂和粒度已控制的粉状活性炭，其中，粉状活性炭与所述超高分子量聚乙烯粘合剂混合，以使得在所述粉状活性炭与所述超高分子量聚乙烯粘合剂的粒度分布中，粒度等于或小于105μm的累积粒度比为1:0.78～1.1。
5.根据权利要求4所述的碳块过滤器，其中：
所述粉状活性炭具有变化范围为60～102μm的平均粒度；
所述超高分子量聚乙烯粘合剂通过将粒度为20～80μm、用量为10～20重量%的粉碎的粘合剂与平均粒度为120～140μm、用量为80～90重量%的原始粘合剂混合的方式形成；并且
所述碳块过滤器的孔径为3μm。
6.根据权利要求4所述的碳块过滤器，其中，
所述粉状的活性炭具有变化范围为60～102μm的平均粒度；
所述超高分子量聚乙烯粘合剂通过将粒度为20～80μm、用量为20～30重量%的粉碎的粘合剂与平均粒度为120～140μm、用量为70～80重量%的原始粘合剂混合的方式形成；并且
所述碳块过滤器的孔径为1～2μm。
7.根据权利要求4所述的碳块过滤器，其中，
所述粉状活性炭具有变化范围为60～102μm的平均粒度；
所述超高分子量聚乙烯粘合剂通过将粒度为20～80μm、用量为30～40重量%的粉碎的粘合剂与平均粒度为120～140μm、用量为60～70重量%的原始粘合剂混合的方式形成；并且
所述碳块过滤器的孔径为0.5μm。
8.根据权利要求4所述的碳块过滤器，其中，
所述粉状活性碳具有变化范围为110～140μm的平均粒度；
所述超高分子量聚乙烯粘合剂通过将粒度为110～130μm、用量为5～10重量%的粉碎的粘合剂和平均粒度为110～140μm、用量为90～95重量%的原始粘合剂混合的方式形成；并且
所述碳块过滤器的孔径为5μm。
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