CN103339067A - 用于水净化的轴流过滤块 - Google Patents

Abstract

公开了用于处理水的重力供给、轴流过滤系统。

Description

用于水净化的轴流过滤块

背景

技术领域

本公开涉及水净化的领域，并特别地涉及在水净化器中使用的重力供给轴流过滤块(gravity-fed axial flow filter block)。

发明背景

吸附技术通常用于从流体中去除污染物。重力供给过滤是用于净化家庭式饮用水的简单、实惠和普遍采用的方法，并且大量重力供给过滤装置和设备目前用于从生活用水中去除污染物。

已经提出用于制造靶向从饮用水中去除选择性污染物的重力供给过滤装置的各种修改和变化形式。这些污染物包括有机污染物（例如，挥发性有机物和杀虫剂）和生物污染物（例如，细菌和病毒）。去除这些污染物通常不需要与吸附剂长时间接触。通过现有技术中已知技术（活性炭基吸附和使用消毒用卤素）达到的10秒的通常接触时间通常足够去除这些污染物；然而，去除诸如氟化物、砷和硝酸盐的无机污染物需要长接触时间（通常大于2分钟）。当存在高污染物浓度时，则使用吸附机理去除需要比常规技术所提供显著更长的接触时间。

在饮用水中一些污染物源于地质；而其他则由于水源的基于沾污的污染而存在。目前尚无可去除所有类型的污染物诸如有机污染物、无机污染物、生物污染物和沉积物的单种过滤介质。对于去除不同的污染物，需要不同类型的过滤介质。活性过滤介质可以从活性炭至活性氧化铝、天然/合成金属氧化物，例如砂、钛、氧化锆、沸石、氧化镁和涂覆不同纳米颗粒的金属氧化物等变化。为了去除具体污染物，对于各污染物通常需要大量的吸附剂介质。由于它们密度不同所致相分离，不可能大量一起均质化所有这些材料。而且，均质混合物无法提供过滤个别污染物所需的接触时间。

重力供水净化的技术挑战是可用于水流通过多孔过滤筒的水压。通常，在34cm的水头处重力供水净化器中的水头压力小于0.5lbs/in²。如由Bommi和Bommiin美国专利号7396461所报道，通过15mm壁厚度径流块的通常水流速率是200ml/min。报道的数据显示，流速与增加的壁厚度呈线性降低。在外推流速和壁厚度之间的线性相关性时，预计流速在30-35mm的壁厚度下可以忽略不计。30-35mm的壁厚度也不足以去除多种污染物。因此，重力供水净化筒的现有设计的修改形式必须在增加的深度处不降低流速下靶向多种污染物。

尽管轴流块是完全利用活性过滤介质的有效去除污染物（以痕量和高浓度存在）的解决方法，但没有通过块的有效流速，使得在重力供给条件下轴流块不适合使用。流速降低归因于延长使用时空气进入多孔块内，其中块中气泡阻碍水流动。在直线式或加压体系中，水压足够高以排出任何这些捕获的空气包(air packet)。当达到和维持预处理（无空气）条件时，则防止流速的降低。使用重力供给过滤设备，水压通常无法排出空气包。因此，流速经常降低。由于块通路长度增加，其通常为4-15cm，在轴流圆柱块中该问题进一步突出。而且，由于使用固有疏水性的粘合剂，本领域已知的重力供水净化器疏水。块的疏水性增加使用重力压用水替换空气的难度。

使用这些净化器，在使用之前必须使用外壳装置合适地覆盖多孔轴流块，其中将其密封至实体管的方式决定过滤的水的可靠性和装置的制造费用。各种食品级密封胶和粘固剂已用于该目的。由于需要额外人工操作、固化时间和昂贵的食品级密封胶/粘固剂，轴流块的生产还在商业上较昂贵。而且，由于有机物基密封胶下沉至块内以及在密封胶中使用的溶剂中诸如活性碳的介质膨胀，发生细孔堵塞。

在轴流筒(axial flow cartridge)中，流体流动平行于重力发生。数十年来，通过将松散颗粒活性炭填充在柱子中来制造诸如碳筒(carboncartridge)的轴流筒以用于低压降应用。这些设计通常用于群体规模的过滤装置中以及通常以反重力方式操作，从而可容易地通过水替换捕获的空气。然而，填充的炭粒子床体系可导致沟流（未接触吸附剂介质下流体流动），其中水未被有效地处理。此外，由于使用颗粒介质的吸附动力学比粉末介质的慢些，使用颗粒介质也影响效能。

已采用轴流多孔块以克服未经处理水的沟流。已在直线式和在机械加压系统中使用轴流块。尽管轴流圆柱块显示更好效能，但实际中，由于增加的压降和降低的低流速，在重力供给生活用水净化器中不采用轴流炭块。

延长使用时通过多孔块的流动连续性是与湿润性程度相关的问题。湿润性容易程度决定汽水共腾(priming)的容易程度以及也影响流速。通过在表面处存在的亲水基来测定湿润性。尽管诸如粉末状活性炭的过滤介质具有亲水和疏水表面，但由于所使用的粘合剂的疏水性，最终炭块高度疏水。疏水性粘合剂也增加内聚力，这进一步降低湿润性。

已经通过诸如使用添加剂的大量方式来增加炭块的亲水性，但这些方法过度昂贵。在常规块中，制备牢固块使用的粘合剂的量较高以便防止在一段时间内在水压下裂化或崩塌。当使用的粘合剂的量越高，则由于疏水性导致湿润性降低，由于润湿降低导致流速降低，并且由于通过粘合剂对活性过滤介质的表面覆盖导致去除性能降低。

鉴于以上讨论，存在解决与现有水净化系统相关的上述问题以及其他缺点的需要。通过本公开的水净化系统满足这些需求和其他需求。

发明概要

根据本发明的目的，如本文所实施和广泛描述，在一方面，本公开涉及水过滤系统。尤其，本公开涉及在水净化器中使用的重力供给轴流过滤块。

在一方面，公开了在期望流速下用于去除各种污染物的重力供给轴流多孔复合块。在进一步的方面，本公开示出具有在无孔/多孔过滤器外壳管内直接制备的端对端流动的轴流块。

在另一方面，公开了重力供水净化系统。重力供水净化系统包括至少一种过滤介质、与至少一种过滤介质混合的至少一种粘合剂和外壳管。通过烧结至少一种过滤介质和至少一种粘合剂的混合物来形成多孔复合块。将复合块原位封装在外壳管内。

在又一方面，公开了制造在重力供水净化系统中使用的轴流块的方法。将水分从至少一种过滤介质中去除。将至少一种过滤介质和至少一种粘合剂的混合物填充在外壳管中。在大于所述至少一种粘合剂的熔点的温度下加热混合物，从而混合物冷却后形成多孔块。

本发明的另外方面和优势部分阐述在详细描述和所附任意权利要求中，并且部分由详细描述推导出或者通过本发明的实践来获知。通过在所附权利要求中所特别指出的元件方式和组合来实现和获得以下所述的优势。应理解，以上一般描述和以下详细描述仅为示例性和解释性，并不限制如所公开的本发明。

附图简述

并入和构成该说明书一部分的附图图示多个方面，并连同描述用于解释本发明的原理。

图1描述根据本公开的各方面的轴向复合块过滤器。

图2描述根据本公开的各方面的轴向、垂直复合块过滤器的横截面视图。

图3描述根据本公开的各方面的轴向块过滤器制造系统的三维视图。

图4描述根据本公开的各方面的在圆顶形陶瓷块内制造的轴向/径向块过滤器的示意图。

图5描述如在实施例C1中所解释的根据本公开的各方面使用疏水性热塑性粘合剂制造的轴向块过滤器的性能数据。

图6描述如在实施例C2中所解释的根据本公开的各方面使用亲水性热塑性粘合剂制造的轴向复合块过滤器的流速数据。

图7描述如在实施例D中所解释的根据本公开的各方面用于去除氯的轴向炭块过滤器的性能数据。

图8描述如在实施例E2中所解释的根据本公开的各方面用于去除氟的轴向块过滤器的性能数据。

发明详述

通过参照本发明的以下详细描述和本文所包括的例子可更容易地理解本发明。

在公开和描述该化合物、组合物、制品、系统、装置和/或方法之前，应理解，除非另有说明它们并不限于具体合成方法，或者除非另有说明并不限于特定试剂，因而，它们当然可改变。也应理解，本文所使用的术语仅用于描述特定方面，并不旨在限制。尽管在本发明的实践或测试中可使用类似或等同本文所述那些的任意方法和材料，但现描述例子方法和材料。

通过引用将本文所提及的所有出版物并入本文以公开和描述与所引用出版物相关的方法和/或材料。

定义

除非另有定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语均具有如本发明所属领域普通技术人员所通常理解的含义。尽管在本发明的实践或测试中可使用类似或等同本文所述那些的任意方法和材料，但现描述例子方法和材料。

如在说明书和所附权利要求中所使用，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“所述(the)”包括复数形式。因此，例如，所提及的“金属”包括两种或多种金属的混合物。

本文中范围可表示为从“约”一个特定值和/或至“约”另一特定值。当表示这些范围时，另一方面包括从一个特定值和/或至其他特定值。类似地，当值表示为近似值时，通过使用前缀“约”，则理解特定值构成另一方面。进一步理解，各个范围的端点与另一端点显著相关，并独立于另一端点。也应理解，有大量本文公开的值，并且除了值本身之外，各值也在本文中公开为“约”该特定值。例如，如果公开值“10”，则也公开“约10”。也应理解，也公开介于两特定单位之间的各单位。例如，如果公开10和15，则也公开11、12、13和14。

如本文所使用，术语“任选的”或“任选地”是指随后所述事件或情况可发生或可不发生，以及该描述包括其中所述事件或情况发生的例子以及其中未发生的例子。

公开了用于制备本发明的组合物的组分以及在本文公开的方法中使用的组合物本身。本文公开了这些和其他材料，并且应理解，当公开这些材料的组合、子集、相互作用、群组等时，尽管这些化合物的各种单独和集体组合以及排列无法分别清晰公开，但也明确涵盖和描述在本文中。例如，如果公开和讨论特定化合物以及讨论对包括化合物的大量分子可进行的大量变化，除非明确相反说明，则明确涵盖化合物的每个和所有组合与排列以及可能的变化形式。因此，如果公开分子类型A、B和C以及分子类型D、E和F并公开分子组合，A-D的例子，则即使没有分别单独引用，也单独和共同涵盖各自意义组合，认为其公开了A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E和C-F。类似地，也公开了这些的任意子集或组合。因此，例如，认为其公开了A-E、B-F和C-E的子群。该概念适用于该申请的所有方面，包括但不限于制备和使用本发明的组合物的方法中的步骤。因此，如果有可进行的各种另外的步骤，则理解，可用本发明的方法的任意具体实施方案或实施方案的组合进行这些另外的步骤中的每个。

可市商购获得本文所公开的各种材料和/或用于制备其的方法是本领域技术人员已知的。

应理解，本文公开的组合物具有某些功能。本文公开了用于执行所公开功能的某些结构需求，并且应理解，有可执行与所公开结构相关的相同功能的多种结构，并且这些结构通常达到相同结果。

参照图1，示出根据本公开的各方面的轴流圆柱块的俯视图。通过使用混合活性过滤介质和粘合剂制备的烧结材料来制造圆柱块24。将轴流圆柱块24支承在无孔/多孔外壳管25内。在本公开的一方面，污染的水通过顶端18进入，经过圆柱块24，并在底端19处收集过滤的水。将开口（顶）端18的全部横截面暴露于水，并且可将收集器（底）端19暴露于空气或者可将其任选地关闭，并可设置用于收集水的小开口。

在一方面，无孔/多孔外壳管25沿着它的长度55具有统一直径。可将复合块24在多孔/无孔外壳管25内制造。在本公开的一方面，轴向块24的最大高度等于外壳管的高度55。在本公开的另一方面，轴向块24的高度小于高度55。复合块24可具有单种活性过滤介质或者多层不同过滤介质、任意两种或多种过滤介质的均质混合物或其组合。可将无孔/多孔过滤器外壳管25用作原位模具。在本公开的各方面，外壳管25可以多孔或无孔。可将活性过滤介质和任意任选包括的粘合剂的均质混合物填充至外壳管25内，将其烧结以制造多孔复合块24，并使用外壳管25来密封。在一方面，在成型下无孔/多孔外壳管25是在热和机械方面稳定。

在图2中示出的过滤块显示由具有直径10的复合块24和具有内径和壁厚8的多孔或无孔外壳管25构成的轴流圆柱块的横截面视图。在一方面，通过外壳管25的内径来决定复合块24的直径10。在另一方面，外壳管25的厚度8可决定管的导热性和机械强度。

现参照图3，显示根据本公开的方面的无孔/多孔外壳管25。外壳管25可具有任意形状，例如矩形管、正方形管、三角形管、椭圆形管、半球形管等。在本公开的示例性方面，使用圆柱形管。在一方面，可将管25用作原位模具，并无需异位金属模具。在这个方面，可将管25放置在金属盘31上。在一方面，可将制造复合块所需的活性过滤介质进行烘箱干燥以蒸发其中所有或几乎所有水分含量，将其与一种或多种粘合剂以一定比率混合以获得均质混合物，然后将其紧密包装至外壳管内。在该方面，金属盘31配合在管25内，使得可容易地将材料转移以用于烧结和其他连续工序。填充的混合物占据所使用的外壳管的尺寸。可将可移动金属盘30放置在填充的材料上和外壳管25内。在一方面，可移动金属盘30的直径小于管的内径。在一方面，可在超过诸如粘合剂的熔点的温度下烧结整个元件。在另一方面，通过热塑性粘合剂将管的内壁40结合块24的四周表面12，其中用于与活性过滤介质共混的热塑性粘合剂也结合外壳管。

在另一方面，外壳管25可具有底部闭口盖。在这个方面，无需金属盘31。在一方面，可将待共混的材料装入该圆柱形容器内，并将可移动盘30放置在材料上。在烧结工序之后，通过施加压力在可移动金属盘30上可压缩过滤块。通过诸如空气或水冷却可将所形成的复合块随后冷却，在此后可将底盖移除。

本公开的方面也涉及在多孔外壳管25中制造复合块24的方法。在烧结工序中，如果(a)将均质混合物直接暴露于空气；(b)由于松散填充均质混合物导致存在大量空气；(c)通过任意方法空气进入混合物内，则某些粘合剂可能不与某些活性过滤介质结合。当使用多孔外壳管25时，空气进入混合物，因而，由于在烧结工序中存在空气，无法恰当地形成块24。在这些方面，如果需要多孔外壳管25，可使用具有壁厚45的无孔热传导容器26。具有外径14的多孔外壳管25配合在具有内径42的无孔热传导容器26内。在这些方面，多孔管25的外径14可小于无孔容器26的内径42。优选地，直径差可以为500μm。优选地，无孔容器26的厚度可以为500μm，并且容器可以由铝、铁、黄铜、不锈钢或任意其他合金制造。不同于基于无孔管的块制造，可将多孔管充分覆盖在无孔容器内以更好地结合。

现参照图4，显示在任意多孔陶瓷过滤器52内复合块24。在该方面，可将具有统一厚度85的四周延伸侧壁83的圆柱形和具有封闭顶端和开口底端的中心中空芯体80的陶瓷过滤器52用作管。在该方面，通过使用热塑性粘合剂将陶瓷过滤器52的内壁结合陶瓷过滤器24的四周表面。在本公开的各方面，中心中空芯体的直径80可以为约30mm的最小值至约100mm的最大值。在另一方面，四周延伸侧壁83的厚度85可以为约5mm的最小值至约20mm的最大值。在又一方面，四周延伸侧壁83的高度可以为约5cm至约20cm。在又另一方面，陶瓷过滤器的孔隙率可以为约0.1μm至约50μm。在各方面，取决于陶瓷块过滤器52的形状，可将复合块24制造为任意形状。本领域技术人员理解，在此使用的陶瓷块过滤器52可具有任意形状和尺寸。它可以为多孔的末端开口的径流、圆顶形径流、圆锥形、半球形等。在多孔陶瓷过滤器52的情况下，通过保持填充活性过滤介质/粘合剂混合物的陶瓷过滤器52在热传导容器26内可在封闭环境中制造炭块。也可在中心处钻孔支撑在陶瓷过滤器52中制造的复合块24以产生中空中心芯体75，从而形成径流块。该径流块看似具有多孔陶瓷外层的圆顶形、径流、复合块。空心圆柱芯体88的直径决定复合块24的厚度。

本文公开使用至多约0.5psi的重力压操作以及具有约0.2至约3.75的高度/直径比率的轴向块。在另一方面，轴向块具有约2-3的长宽比。“高度”是在污染的水流通的轴流筒中吸附剂介质的长度。如在此所解释的制造块的方法是使得水经历低压降以及随着使用延长流速不会衰减。在多孔块中引入的通路长度越长意味着对给定污染物的性能改善，并且当将不同过滤介质作为在块中的层堆叠时也处理多种污染物。

在一方面，当所使用的粘合剂的量由常见量降低至所定义值时，在重力供给条件下如本文所述的轴流圆柱块可具完整功能。本发明与制造常见径流块的方法所得到的认识相反。当将在常见块中使用的粘合剂的量用于轴流块中时，流速迅速衰减。当降低使用的粘合剂的量时，见到流速的急剧增加和流速的持续。

根据本公开的方法，通过降低所用粘合剂的量可增加块的亲水性以形成多孔块。在一方面，将轴流块封装在实体管内。在这些方面，通过使用实体管来支承圆柱形轴向块的四周表面。当将轴流块封装和支承在实体管内时，提高块的强度。因此，放置在延长时间内在水压下块的裂化或崩塌。因为外壳管提高块的强度，所以所需粘合剂的量显著降低。因此，制造轴流圆柱块无需遵循常见块所限定的过滤介质与粘合剂重量比。相应地，使用更少量的粘合剂来制备坚固轴向块。

在进一步的方面，公开制备各种过滤介质的多孔块的方法。对制造多孔块的现有技术进行各种修改和变化。因为活性过滤介质倾向于在时间段内吸附水分，诸如活性炭、活性木炭、活性氧化铝等的大部分过滤介质具有残余含水量。在过滤介质中含水量取决于大量参数：合成方法、材料性质、材料储存等。含水量增加活性过滤原材料的重量。如果在与所需粘合剂共混之前未完全去除水分，则制备之后活性过滤介质与粘合剂重量比增加。因此，在烧结工序之后，在多孔块中粘合剂的重量比大于所需/计算重量，这进一步增加所得块的疏水性。而且，当将含有高含水量的过滤介质与粘合剂共混时，必须增加烧结时间以蒸发水分，并随后熔化粘合剂。此外，基于它们的密度、表面粗糙度、形状和尺寸，过滤介质与粘合剂重量比在介质与介质之间非常不同。相应地，在本公开中，将所有活性过滤介质干燥以去除水分，按照所需称重，并用于制造块。在另一方面，可提供干燥状态、不包含或基本不包含水分的活性过滤介质或者活性过滤介质的混合物。

鉴于以上，本公开描述制造较少模具轴流多孔复合块的方法。在一方面，将无孔/多孔过滤器外壳管用作原位模具，其中通过在外壳管的内径中涂覆热塑性粘合剂的层来将块密封在外壳管内。在这些方面，避免使用异位金属模具。在这些方面，通过混合合适的粘合剂与诸如活性炭、活性木炭、活性氧化铝、砂、金属氧化物、承载纳米颗粒的活性氧化铝/炭、承载金属纳米颗粒的活性氧化铝/炭、离子交换树脂珠、微米大小金属氧化物的组合物（例如二氧化硅、钛、氧化锰、沸石等）及其组合的活性过滤介质来制造复合块。在另一方面，通过使用单种活性过滤介质、相同或不同过滤介质的多层或者所有过滤介质的均质混合物可制造复合块。在又一方面，可使用介质的多层，其中各单独的层可包含单种个别介质或个别介质的混合物。

在进一步的方面，可将无孔或多孔过滤器外壳管用作原位模具，其中取决于需求和特定应用，外壳管多孔或无孔。在一方面，无孔或多孔管可具有不同过滤介质的多层或者活性过滤介质和合适粘合剂的均质混合物。在该方面，可在接近使用的粘合剂的熔点的温度下烧结全部混合物。在又一方面，使用热塑性粘合剂全部或至少部分涂覆外壳管的内壁。在制造块的过程中一旦加热，则可将热塑性粘合剂熔化以及在块的四周表面和外壳管的内壁之间形成坚固接触。因此，用于共混活性过滤介质的热塑性粘合剂也可与外壳管结合。在另一方面，在成型下无孔和/或多孔外壳管在热和机械方面稳定。

当使用20:80的粘合剂与过滤介质比率来制造轴流圆柱块以及使用密封胶将该轴流圆柱块密封在实体外壳管内时，流速迅速衰减以及在恒定流速下过滤的以升计的量非常小（称为“参照值”）。相反，当以直线式或在机械加压条件或重力供给径流模式（例如，在芯体钻孔）运行类似圆柱块，在长持续时间内流速可以恒定。类似地，当粘合剂重量与过滤介质比率大于20:80（例如，25:75、30:70、40:60等）时，如与具有诸如15:85的重量与过滤介质比率的圆柱块功能相比，轴向圆柱块的功能进一步变差。该发现对于使用与诸如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、高密度聚乙烯(HDPE)等的粘合剂共混的诸如活性炭、活性氧化铝、金属氧化物等的任意过滤介质制造的所有轴流圆柱块常见。

在一方面，可将粘合剂与过滤介质比率降低至极低值，当用于水净化时其可不利地影响块的强度和/或稳定性。

对于轴流圆柱块进行以下观察。

观察A

通常，粘合剂的较高重量百分比导致轴流块所表现出的流速的更快降低。由于在过滤介质中存在水分以及需要较高强度，则通常使用较高重量百分比的粘合剂显然必要。对诸如活性炭、活性木炭、活性氧化铝等的常见过滤介质的检索揭示大部分具有1-10%含水量。因为它们高度多孔以及在它们表面处具有亲水基，所以活性过滤介质通常在一段时间内吸附水分。当通过化学湿选法、通过化学湿选法改性的表面和通过化学湿选法承载另外材料的表面中的一种制备活性过滤介质时，在过滤介质中水分的量较高。含水量增加活性过滤原材料的重量。在介质中含水量由一种介质至另一介质各不相同。在块生产之后，因为在与所需粘合剂共混之前不完全去除水分，所以在实际活性过滤介质与粘合剂重量比中有变化。结果，在烧结工序之后，在多孔块中粘合剂的重量比比所需或计算重量高。这反过来增加块的疏水性。鉴于以上，在本公开的方面，在制造块之前，在一方面将所有活性过滤介质干燥以去除水分。

实施例A1

以20:80的比率取80g的原料粉末状活性过滤介质和20g的合适粘合剂以及将其均质化。在高于所使用的粘合剂的熔点的温度下将轴向块成型，维持90分钟，并随后用空气冷却。再次称重成型的轴向块，并观察到理论重量的10%降低。因此，粘合剂与介质的重量比由20:80变为22.22:77.78，即，粘合剂重量增加了11%。

实施例A2

如在实施例A1中所测定，在本公开的另一方面，通过以下方法制造轴向块。在100℃下将粉末状活性过滤介质干燥一小时。过滤介质可以为任意材料，例如，在该实施例中采用活性炭。测定10:90的过滤介质与粘合剂重量比，将混合物均质化，并制造轴向块。随后将轴向块成型。再次称重成型的块，并观察到与理论重量之间可忽略的差异。

观察B

如在观察A中所测定，在本公开的一方面，通过首先由活性过滤介质去除水分来制造轴向块以达到所需重量比。当粘合剂重量百分比增加时，发现将块密封在实体管内时流速降低程度更高。观察到，在这样的轴向块中通过水置换空气变得困难。与常规块中深度相比，在轴流圆柱块中深度最大。在轴向块中，空气向上移动而水向下移动。轴向块的深度增加降低完全置换从块中捕获的空气。增加粘合剂的量时，由于大部分粘合剂的性质为疏水性，块变得疏水。在块中难于置换捕获的空气以及通过疏水块中水的低效流动所施加的压力可能是频繁堵塞和更低流速的原因。如果假定如此，具有介于2至3之间的高度与直径长宽比的轴向块无法提供所需流速和流速的持续性。此外，据观察，密封块的方法可影响块的性能。

将轴流块成型和使用合适的密封胶将其密封在管中。使用诸如环氧树脂、硅酮密封胶、粘固剂等的各种食品级密封胶。据发现，在相同条件下使用不同密封胶制造的块的尺寸显示不同流速。由以上任意密封胶中均未获得所需流速。据观察，取决于它们的粘度和用于固化它们的溶剂，所使用的密封胶沉入块内。因此，所使用的材料的量有损耗，实际直径减小以及可能闭合小孔。

实施例B1

如在实施例A1和A2中所测定，干燥和使用粉末状活性炭。测量20:80的炭与粘合剂重量比，并将混合物均质化。制造总计三块。在高于粘合剂的熔点的温度下将两块制造在金属模具内，并在该温度下维持90分钟，随后空气冷却。使用环氧树脂将一块密封在无孔实体管内，并使用硅酮密封胶将另一块密封。将两块在轴流模式下运行。将第三块直接制造在硅酮挤出管内。使用环氧树脂密封在无孔实体管内的块比使用硅酮密封胶密封的块更易堵塞，而后者比直接在管内制造的块更易堵塞。如在实施例B中测定，证实轴流圆柱块实惠、简单和快速制造。替代首先使用金属模具制造轴向块和随后使用非毒性密封胶/粘固剂在无孔实体管内将它密封，进行在单一实施方案中合并成型步骤和密封步骤的方法。可取均质化过滤介质和粘合剂至实体无孔管内。将该无孔实体过滤器外壳管用作原位模具，并通过加热将其原位密封至轴向块。在成型温度下无孔管未熔化。在该实施例中，通过热塑性粘合剂将管的内壁结合至块的四周表面，并用于与活性过滤介质共混的热塑性粘合剂也结合外壳管。如果需要，在填充均质化介质之前，可将粘合剂颗粒首先喷雾涂覆在管的内表面上。

观察C

如由观察B所理解，在重力下操作轴向块的两个必要因素是水容易连续流动通过多孔块以及空气由块完全排出。由轴向块排出捕获空气和维持在重力供给过滤块中“无空气”条件的方法取决于润湿的容易程度。除了孔大小之外，通过炭块的流速取决于块的湿润性。通过在表面处存在的化学基团来测定湿润性。通过降低由内聚力所致表面张力升高，亲水基增强附着力。尽管事实上活性过滤介质具有亲水性表面，但由于所使用的粘合剂的性质为疏水性，最终轴向块高度疏水。疏水性粘合剂增加内聚力，因而湿润性降低。当在块中粘合剂重量百分比高时，块的疏水性增加。由于粘合剂量增加，因疏水性导致湿润性降低，由于润湿变差导致流速降低，因而汽水共腾变得困难。粘合剂的量决定块的强度。将轴流块封装在实体管内。通过实体管来支承圆柱形轴向块的四周表面。轴向块的结构整体性/强度基于实体管。因此，在一定时间段内不可能在高水压下导致块的裂化或崩塌。因为覆盖管增加块的强度，所以所需粘合剂的量降低。因为这个原因，制造轴流圆柱块时无需遵循用于常规块所限定的介质/粘合剂比率。结果，使用更小量的粘合剂来制造强轴向块。

实施例C1

在该实施例中，使用干燥粉末状过滤介质和疏水性粘合剂。测量10:90、20:80和60:40的粘合剂与过滤介质重量比，并将混合物均质化。在高于粘合剂的熔点的温度下将三块制造在金属模具内，并将温度维持90分钟。随后将块空气冷却。将所有三块密封在无孔实体管内。为了简便，将块切割为50mm直径和70mm高度（即，1.4的高度/直径比）。将所有三块均在轴流模式中运行。在没有任何维护（周期反洗）下使所有块连续运行直至流速显著降低。具有10:90、20:80和60:40的重量比的块分别表现出296mL/min、240mL/min和80mL/min的流速。图5示出根据本公开的该方面使用疏水性热塑性粘合剂制造的轴向块的性能数据（平均流速）。显然，增加疏水性粘合剂百分比降低流速和流动持续性。观察到，具有40:60的疏水性粘合剂与介质重量比的块在150L内堵塞。

实施例C2

在该实施例中，使用干燥粉末状过滤介质和亲水性粘合剂。测量10:90、20:80、30:70和60:40的粘合剂与介质重量比，并将混合物均质化。将所有块在金属模具内制造。随后将块空气冷却。将所有三块密封在无孔实体管内。为了简便，将块切割为50mm直径和70mm高度。将所有块在轴流模式下运行。在没有任何维护（周期反洗）下使所有块连续运行直至流速显著降低。具有10:90、20:80、30:70和60:40的重量比的块分别显示320mL/min、440mL/min、530mL/min和570mL/min的流速。平均流速示出在图6中。显然，由于对水的亲和力，增加亲水性粘合剂百分比增加流速。观察到，即使没有任何维护（周期反洗）下，所有块在流速下运行至少500L而无任何堵塞。这证实，亲水性粘合剂确实增加流速和使用寿命。

在一方面，应当注意，如果成型温度显著高于粘合剂的熔化温度，则可制造等于或低于5:95的具有粘合剂与媒介物重量比的轴流块。也应当注意，通过所使用的粘合剂的熔体流动指数来测定粘合剂与媒介物重量比和成型温度。在该方面，成型温度、粘合剂与媒介物重量比、成型持续时间和压缩水平并不统一固定。所有这些参数由粘合剂至粘合剂、媒介物至媒介物和粘合剂至媒介物各不相同。优化各粘合剂的所有这些参数以用于增加汽水共腾。

在一方面，可垂直或水平放置重力供给轴流圆柱块。在垂直模式中，轴向块可具有向下水流（在重力的方向）或向上水流（与重力相反的方向）。在水平模式中，轴向块具有与重力垂直的水流，并可将块保持例如完全水平位置或稍微倾斜位置。

在另一方面，证明轴流圆柱块实惠、简单和快速制造。替代首先使用金属模具制造轴向块和随后使用非毒性密封胶/粘固剂在无孔实体管内将它密封，进行在单一方面合并成型步骤和密封步骤的方法。在一方面，将无孔/多孔实体过滤器外壳管用作原位模具，并通过加热原位密封。在成型温度下所使用的无孔/多孔管未熔化，并且通过热塑性粘合剂使管的内壁结合块的四周表面。在这些方面，用于与活性过滤介质共混的热塑性粘合剂也结合外壳管。在任选的方面，在填充均质化介质之前，可首先将粘合剂颗粒涂覆在管的内表面上。所谓无孔管可在一端处具有类似圆柱形容器的盖。

本领域技术人员理解，取决于要求和烧结温度，所定义的无孔/多孔外壳管可由陶器、石器、瓷器、陶瓷过滤器管、尼龙、特弗隆(Teflon)、纤维增强塑料、高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、超聚氯乙烯(UPVC)等制成。当使用诸如UHMWPE的粘合剂时，可使用诸如陶器、石器、瓷器、陶瓷过滤器管、尼龙、特弗隆、纤维增强塑料等的管子。

而且，通过使用任何合适的热塑性粘合剂与诸如活性炭、活性木炭、活性氧化铝、砂、承载金属氧化物/氢氧化物纳米颗粒的活性氧化铝/炭、承载金属纳米颗粒的活性氧化铝/炭、离子交换树脂珠、任意微米大小金属氧化物的组合物（二氧化硅、钛、氧化锰、沸石）和金属氢氧化物（例如勃姆石、氧化铁氢氧化物）及其各种组合的任意活性过滤介质可制造复合块。

本公开的方面具有取决于所使用的过滤介质靶向用于有效和完全去除的特定污染物和靶向诸如有机、无机和生物的在生活用水中多于一类污染物的设计灵活性。

在本公开的示例性方面，将活性炭用作过滤介质。可将诸如烟煤、坚果壳、椰子壳、玉米壳、聚合物、木头等的任意来源制备的活性碳用于本方面。在此使用的活性炭可具有通过物理处理、化学处理等活化的任何含碳材料。在各方面，粉末状活性炭的表面积可大于约700m²/g或者大于约1,000m²/g。

在另一方面，任何过滤介质的筛目大小可以约为美国筛20x325。在一方面，具有颗粒的介质不超过5%通过美国筛200的筛子，不超过60%通过美国筛100的筛子，并且不超过5%留在美国筛50的筛子上。

在又一方面，轴流圆柱形活性炭块显示使用比常规块更少量的介质来完全去除生活用水中氯。

实施例D

在该实施例中，在100℃下将30g粉末状活性炭干燥一小时，并将UHMWPE用作粘合剂。测量优选在8:92至14:86的粘合剂与炭重量比，并将混合物均质化。使用具有闭口端的诸如尼龙管的无孔圆柱形外壳管。使用粘合剂颗粒来预涂覆内表面，并使用炭和粘合剂的均质混合物来填充。将它加热至使得填充混合物的外壳管的芯体高于所使用的粘合剂的熔点的温度。进行加热90分钟，然后将它冷却至室温。然后将外壳管的底盖移除以获得端对端轴向流动。获得具有50mm直径和35mm高度（即，0.7的高度/直径比）的轴向炭块，并以垂直模式运行。将至少3,000L的2ppm氯水溶液通过炭块。去除的百分比示出在图7中。在本公开的该方面，过滤块显示超过99.9%的恒定去除效能。尽管不受理论限制，但据认为，在所需流速下30g炭块的恒定性能大部分是由于轴向块的厚度增加。

在一方面，当使用粉末状活性炭时，粘合剂含量的范围为约5-20重量%。在另一方面，粘合剂含量为约8-12重量%。在另一方面，当使用承载活性氧化铝/纳米颗粒的氧化铝时，粘合剂含量的范围为约3-10重量%。在另一方面，粘合剂含量为约4-6重量%。粘合剂颗粒的范围为约约20-200μm。在另一方面，粘合剂颗粒的尺寸相当或接近介质尺寸。

在一方面，使用混合的粘合剂可制备轴流圆柱块。在该情况下，粘合剂中任一种的熔点显著高于另一种。因此，在成型工序中仅一种粘合剂熔化和结合过滤介质，而另一种粘合剂保持未熔化。在这些方面，所使用的未熔化的粘合剂可具有低于或基本上低于过滤介质和剩余粘合剂的杨氏模量(young’s modulus)。

轴向圆柱块可具有单种活性过滤介质、不同过滤介质的多层、过滤介质的均质混合物或其组合。对于不同过滤介质也可使用不同粘合剂比率，并且基于该公开以及未进行常规优化下本领域技术人员可容易地确定合适的粘合剂比率。

实施例E1

在该实施例中，在100℃下将粉末状活性炭、活性氧化铝、承载银纳米颗粒金属氧化物干燥一小时。将常见粘合剂用于所有介质。在该实施例中，粘合剂与炭重量比是介于8:92至14:86之间；粘合剂与氧化铝重量比是介于3:97至10:90之间；粘合剂与承载银纳米颗粒的金属氧化物重量比是介于3:97至10:90之间。测定样品，并将其单独均质化。使用无孔实体管，其内表面经和未经粘合剂颗粒预涂覆。将均质化过滤介质包装套在另一管内的管子内，以及将其加热至超过所使用的粘合剂的熔点的温度，并维持90分钟。将它基本上冷却至室温。将具有75mm直径和110mm高度（即，1.46的高度/直径比）的轴向复合块以垂直模式运行。测试制备的块的抗菌活性。将大肠杆菌用作模型微生物。性能数据给出在表1中。将在5x10⁵CFU/mL的浓度下大肠杆菌连续通过复合过滤器。观察到，至多300L达～99.9%去除。应当注意，通过增加所使用的吸附剂的量可增加过滤能力。在此所示出的值并不反映过滤器的能力，但证明在最高浓度的污染物下的性能。

表1：实施例E1的性能数据

实施例E2

在该实施例中，在100℃下将粉末状活性炭、承载银纳米颗粒的金属氧化物和氟化物去除介质干燥一小时。将常见粘合剂用于所有介质。在该实施例中，粘合剂与炭重量比介于8:92至14:86之间；粘合剂与承载银纳米颗粒的金属氧化物重量比介于3:97至10:90之间；粘合剂与氟化物去除介质重量比介于5:95至15:85之间。测量样品，并将其单独均质化。使用无孔实体管，其内表面经和未经粘合剂颗粒预涂覆。将均质化过滤介质包装套在另一管内的管子内。将其加热至超过所使用的粘合剂的熔点的温度，并维持90分钟。然后将它冷却至室温。将具有46mm直径和150mm高度（即，3.2的高度/直径比）的轴向复合块以垂直模式运行。测试制备的复合轴向块的氟化物去除功能。将10ppm氟化物溶液过滤通过块。性能数据示出在图8中。在饮用水中氟化物污染物容许限度通常为至多1ppm。图4显示过滤器在具有可接受性能下运行40L。应当注意，通过增加使用的吸附剂的量可增加过滤器容量。在此示出的值不能推论过滤器的容量，但证明在最高浓度的污染物下的性能。

在一方面，使用混合的粘合剂可制造轴流圆柱块。在该方面，粘合剂中任意一种的熔点可显著高于所使用的任意其他粘合剂。因此，在成型工艺中仅一种粘合剂熔化和结合过滤介质，而另一粘合剂保持不熔化。在该方面，所使用的不熔化粘合剂的性质（具有低压缩强度）可比过滤介质更软。混合的粘合剂可以为亲水性塑料的混合物或者亲水性和疏水性塑料的混合物。

实施例F

在另一例子中，以下方法示出使用混合的粘合剂形成复合轴向块的工序。粘合剂的规定性质和它们的重量比仅旨在示意性目的。

在该实施例中，使用干燥粉末状介质、亲水性粘合剂和疏水性粘合剂。测定15:5:80的亲水性粘合剂与疏水性粘合剂与介质重量比，并将混合物均质化。使用无孔实体管，其内表面经粘合剂颗粒预涂覆。然后将所得均质化过滤介质与粘合剂包装在管内，并加热至高于亲水性粘合剂的熔点、但低于所使用的疏水性粘合剂的熔点的温度，然后维持90分钟。然后将其冷却至室温。

在一方面，也可将轴向块和/或径向块直接制造在多孔实体管内。尽管本公开详细讨论轴流块，但本领域技术人员理解，在未偏离本公开的范围和精神下也可通过使用以上所述方法来制造径流块。

实施例G

在该实施例中，在100℃下将粉末状活性炭干燥一小时。在该实施例中，粘合剂与炭重量比可介于8:92至40:60之间或者为约20:80。测定粘合剂和炭，并将混合物均质化。使用多孔、圆顶形市售陶瓷滤烛。将均质化过滤介质包装在管内，并加热使得在管的芯体处温度高于所使用的粘合剂的熔点。将它维持90分钟。随后将它冷却至室温，然后将填充炭块的陶瓷烛在芯体处钻孔以形成中空圆柱形芯体。

本公开也谙熟解决在颗粒介质过滤装置中通常可见的众所周知管壁效应。为了抑制管壁效应（在介质的接合和介质容器的内壁处易于形成水的沟流），可进行在实施例D、E1、E2、&F中以上所述的密封方法。使用合适的粘合剂将用于过滤目的的颗粒介质预涂覆在外壳管的表面处。该方法通常可用于具有松散包装的过滤介质的所有类型的过滤装置中。

实施例H

在该实施例中，使用所需尺寸的所需外壳管。将具有高熔体流动指数的美国筛50x150的热塑性粘合剂涂覆在外壳管的内表面上。将待使用的颗粒介质稠密填充在预涂覆的外壳管内，并加热至用于粘合颗粒介质至外壳管的粘合剂的熔点以上。

所述方面为本发明的示例说明，而非限制。因此，显然，在未违背它的精神或基本特征下采用本发明的原则的在本发明中所述的任意变化形式均落在本发明的范围内。因此，设计、方法、结构、顺序、材料等的变化形式对于本领域技术人员是显然的，且均也落在本发明的范围内。

优势

本发明提供以下优势中的一种或多种。圆柱块具有比常规块过滤器显著更大的用于水流动的高度/直径长宽比，从而具有用于完全去除各种污染物的充足接触时间。过滤块不会出现其他重力供给净化器出现的低流速和频繁堵塞问题。过滤块易于制造，并实惠，避免额外人工操作、固化时间和昂贵的食品级密封胶/粘固剂。

对本领域技术人员显然的是，在未违背本发明的范围或精神下可进行本发明的各种修改和改变。鉴于本文所公开的本发明的说明书和实践，本发明的其他实施方案对本领域技术人员是显然的。其旨在仅将说明书和实施例作为示例，本发明的真实范围和精神通过所附权利要求来规定。

Claims (51)

1.一种重力供水净化系统，其包括：

至少一种过滤介质；

与所述至少一种过滤介质混合的至少一种粘合剂；其中通过烧结所述至少一种过滤介质和所述至少一种粘合剂的混合物来形成多孔复合块；以及

外壳管，其中所述复合块设置在所述外壳管内。

2.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中使所述至少一种粘合剂热结合所述外壳管的内表面。

3.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中在大于所述至少一种粘合剂的熔点的温度下加热所述混合物，从而在干燥所述混合物后形成多孔块。

4.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中所述至少一种过滤介质的亲水性增加。

5.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中通过降低所述至少一种粘合剂的量来增加所述至少一种过滤介质的亲水性。

6.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中在未使用外部模具下，在所述外壳管内直接形成所述多孔圆柱块。

7.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中所述至少一种活性过滤介质包括活性炭、活性木炭、活性氧化铝、砂、承载金属氧化物或氢氧化物纳米颗粒的活性氧化铝或炭、承载金属纳米颗粒的活性氧化铝或炭、离子交换树脂珠、微米大小金属氧化物的组合物、金属氢氧化物或其组合中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的重力供水净化系统，其中所述微米大小金属氧化物的组合物包括二氧化硅、二氧化钛、氧化镁、二氧化铈、氧化锰、沸石或其组合中的一种或多种。

9.根据权利要求7所述的重力供水净化系统，其中所述金属氢氧化物包括勃姆石和氧化铁氢氧化物中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中在至少约100℃的温度下进行所述混合物的烧结。

11.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中将至少第二种过滤介质与所述至少一种过滤介质共混。

12.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中将所述外壳管用于所述至少一种过滤介质和所述至少一种粘合剂的所述混合物的原位成型。

13.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中所述外壳管多孔。

14.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中所述外壳管无孔。

15.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中所述外壳管包括无孔陶器、石器、瓷器、尼龙、特弗隆、纤维增强塑料、高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、PP、聚氯乙烯(PVC)、超聚氯乙烯(UPVC)、硅酮或其组合中的至少一种。

16.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中所述外壳管包括多孔陶器、陶瓷滤烛、聚合滤烛或其组合中的至少一种。

17.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中所述外壳管的形状为末端开口的圆柱形、圆顶形、圆锥形或半球形中的一种。

18.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中将所述复合块垂直放置。

20.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中所述复合块支承向下或向上水流方向中的一种。

21.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中将所述复合块基本上水平放置。

22.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中将所述复合块与水平面成角度放置。

23.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中所述复合块支承向下和向上流动方向中的一种。

24.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中通过在所述轴流圆柱块中钻孔来形成中空中心芯体。

25.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中通过加热来预涂覆所述至少一种粘合剂。

26.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中所述重力供水净化系统是颗粒介质过滤装置。

27.根据权利要求1所述的重力供水净化系统，其中所述至少一种过滤介质不包含或基本不包含水分。

28.一种制造在重力供水净化系统中使用的轴流块的方法，所述方法包括：

提供不包含或基本不包含水分的至少一种过滤介质；

将所述至少一种过滤介质和所述至少一种粘合剂的混合物填充在外壳管中；以及

在大于所述至少一种粘合剂的熔点的温度下加热所述混合物，从而在干燥所述混合物后形成多孔块。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述提供至少一种过滤介质的步骤包括提供包含水分的过滤介质，以及从所述至少一种过滤介质中去除所有或基本上所有水分。

30.根据权利要求28所述的方法，进一步包括增加所述至少一种过滤介质的亲水性。

31.根据权利要求30所述的方法，其中通过降低所述至少一种粘合剂的量来增加所述至少一种介质的亲水性。

32.根据权利要求28所述的方法，其中在未使用外部模具下，在所述外壳管内直接形成所述轴流块。

33.根据权利要求28所述的方法，其中所述至少一种活性过滤介质包括活性炭、活性木炭、活性氧化铝、砂、承载金属氧化物或氢氧化物纳米颗粒的活性氧化铝或炭、承载金属纳米颗粒的活性氧化铝或炭、离子交换树脂珠、微米大小金属氧化物的组合物、金属氢氧化物或其组合中的至少一种。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述微米大小金属氧化物的组合物包括二氧化硅、二氧化钛、氧化镁、二氧化铈、氧化锰、沸石或其组合中的一种或多种。

35.根据权利要求33所述的方法，其中所述金属氢氧化物包含勃姆石和氧化铁氢氧化物中的至少一种。

36.根据权利要求29所述的方法，其中在至少100℃下进行所述混合物的干燥。

37.根据权利要求28所述的方法，进一步包括将至少第二种过滤介质与所述至少一种过滤介质共混。

38.根据权利要求28所述的方法，其中将所述外壳管用于所述至少一种过滤介质和所述至少一种粘合剂的所述混合物的原位成型。

39.根据权利要求28所述的方法，其中所述外壳管多孔。

40.根据权利要求28所述的方法，其中所述外壳管无孔。

41.根据权利要求28所述的方法，其中所述外壳管由无孔陶器、石器、瓷器、尼龙、特弗隆、纤维增强塑料、高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、PP、聚氯乙烯(PVC)、超聚氯乙烯(UPVC)、硅酮或其组合中的至少一种制造。

42.根据权利要求28所述的方法，其中所述外壳管由多孔陶器、陶瓷滤烛、聚合滤烛或其组合中的至少一种制造。

43.根据权利要求28所述的方法，其中所述外壳管的形状为末端开口的圆柱形、圆顶形、圆锥形或半球形中的一种。

44.根据权利要求28所述的方法，其中将所述轴流块垂直放置。

45.根据权利要求28所述的方法，其中所述轴流块支承向下或向上水流方向中的一种。

46.根据权利要求28所述的方法，其中将所述轴流块基本上水平放置。

47.根据权利要求28所述的方法，其中将所述轴流块与水平面成角度放置。

48.根据权利要求28所述的方法，其中所述轴流圆柱块支承向下和向上流动方向中的一种。

49.根据权利要求28所述的方法，进一步包括在所述轴流圆柱块中形成中空中心芯体。

50.根据权利要求49所述的方法，其中通过在所述轴流圆柱块中钻孔来形成所述中空中心芯体。

51.根据权利要求28所述的方法，进一步包括通过加热来预涂覆所述至少一种粘合剂。

52.根据权利要求28所述的方法，其中所述重力供水净化系统是颗粒介质过滤装置。

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