CN114173883A - 多孔过滤介质的形成工艺 - Google Patents

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Xi MengTuomasi
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Abstract

本发明公开了一种用于除去水中的污染物的过滤元件以及用于制造此类过滤元件的方法，该过滤元件包含具有第一粒度的第一过滤介质颗粒和具有第二粒度的第二介质颗粒。第一介质颗粒粘合至第二介质颗粒的表面。粘结剂使第二介质颗粒彼此连接，使得在第二介质颗粒之间形成间隙空间。一部分较小的第一过滤介质颗粒位于间隙空间内。根据本公开的一个实施方案，以大于约1.5ml/min/cm2的通量流过过滤元件的水的压降小于20psi。

Description

多孔过滤介质的形成工艺
技术领域
本发明涉及用于除去水中的物质的过滤器和过滤用介质。特别地，本发明涉及用于由过滤颗粒的组合形成过滤元件的工艺和方法，其中过滤颗粒具有设置有空隙和通道的结构，该空隙和通道用于使水通过过滤元件，同时与过滤元件的活性表面相互作用以除去水中的物质。
背景技术
滤水器提供了一种用于除去水中的污染物的手段，否则，这些污染物可使得水的口感变差或使水变得不健康。一种类型的滤水器依靠具有化学或物理捕获并保持污染物的活性表面的材料。这种过滤元件的寿命可能受限于可供吸收水中的物质的表面积的量。过滤元件的表面的活性区域仅能保持有限量的吸收物质。因此，有利的是提供一种具有大表面积的过滤元件，其具备在变得饱和之前吸附物质的活性位点。
此外，除去通过过滤器的水中的物质的速率可取决于形成过滤器的材料的表面上的活性位点的数量。因此，有利的是提供一种过滤元件，其中与流过过滤元件的水接触的过滤材料的活性表面积大，以更快速地捕获污染物。
为了提供足够量的经过滤的水，过滤元件需要提供足够的流量，同时有效地除去水中的有害物质或不需要的物质。一些已知的过滤元件通过提供狭窄的通道以使水流过而物理地捕获颗粒污染物。大于通道宽度的污染物颗粒被捕获。依靠非常窄的通道以捕获污染物的过滤元件可能具有低流量和/或高压降，使得它们不适合某些应用。
一种增加可供用于吸附污染物的表面积的量的方式是提供由非常细的颗粒组成的过滤元件。具有细粒度的过滤材料的一个问题在于颗粒可能会彼此附着。团聚的颗粒可能会降低水能够流通通过过滤材料的流量和/或增加跨过滤元件的压降。
一种增加水通过过滤器的流量的方法是在压力下向过滤元件供水。压力驱动系统能够通过克服当水流过过滤器的狭窄通道时产生的压降，从而提供提高的流量。这种系统可以连接至加压水源，例如，水槽龙头。压力驱动系统具有必须提供压力源的缺点，这可增加成本和复杂性。连接至市政水源的过滤器不是便携式的，可能需要专业安装，并且仅能在配备有市政供水系统的部分地区使用。另一可供选择的方案是提供电动或手动泵以产生压力。这种系统可增加复杂性和成本，在缺乏供电的地区区域中尤其是如此。此外，在过滤器是便携式水过滤系统的一部分的情况下，泵和其他设备使重量增加。在过滤器用于户外体育活动(例如，徒步旅行)的情况下，这种附加重量可能是不期望的。
发明内容
本公开涉及解决这些问题的装置和方法。
本公开的实施方案提供了过滤元件和用于制造过滤元件的方法，该过滤元件包含较小粒度的过滤材料与较大粒度的材料的组合以捕获污染物。根据本公开的实施方案制造的过滤元件可提供增加的流量和/或减小的压降。根据一些实施方案，这种过滤元件提供了足够低的压降，从而作为重力供给过滤器使用。
根据一些实施方案，公开了一种用于形成过滤元件的方法，包括以下步骤：提供具有第一平均粒度的第一过滤介质颗粒；提供具有第二平均粒度的第二过滤介质颗粒，其中第二平均粒度大于第一平均粒度；形成胶质溶液，其中胶质溶液包含载剂、非热塑性粘合剂和增溶剂；将第二过滤介质颗粒与第一过滤介质颗粒和胶质溶液混合以形成过滤介质混合物；将胶质溶液和过滤介质混合物共混以形成介质共混物；干燥共混物，其中从介质混合物中蒸发大部分载剂；以及使试剂分解，其中非热塑性粘合剂将第一过滤介质颗粒结合至第二过滤介质颗粒的表面。增溶剂可以增强非热塑性粘合剂在载剂中的溶解。
非热塑性粘合剂还可包含在用水饱和时产生负电荷的助剂。非热塑性粘合剂可包括以下中的一者或多者：聚乙烯胺、聚(N-甲基乙烯胺)、聚烯丙基胺、聚烯丙基二甲胺、聚二烯丙基甲胺、聚乙烯吡啶氯化物、聚(2-乙烯吡啶)、聚(4-乙烯吡啶)、聚乙烯咪唑、聚(4-氨基甲基苯乙烯)、聚(4-氨基苯乙烯)、聚乙烯基(丙烯酰胺-共-二甲基氨基丙基丙烯酰胺)、聚乙烯基(丙烯酰胺-共-二甲基氨基甲基丙烯酸酯)、聚乙烯亚胺、聚赖氨酸、聚二烯丙基二甲基氯化铵(pDADMAC)、聚(丙烯)亚胺树型化合物(DAB-Am)和聚(酰胺-胺)(PAMAM)树型化合物、聚氨基酰胺、聚六亚甲基双胍、聚二甲胺-氯甲代氧丙环、氨基丙基三乙氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N,N,N-三甲基氯化铵、双(三甲氧基甲硅烷基丙基)胺、壳聚糖、接枝淀粉、聚乙烯亚胺通过氯甲烷进行烷基化的产物、聚氨基酰胺与氯甲代氧丙环的烷基化产物、具有阳离子单体的阳离子聚丙烯酰胺以及它们的组合。
载剂可包括以下中的一者或多者：水、甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、丙酮、乙酸乙酯、乙酸甲酯、二甲基亚砜、乙腈、二甲基甲酰胺、三氯甲烷以及它们的组合。
增溶剂可包括以下中的一者或多者：盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、酒石酸、乙酸、甲酸、丙酸、抗坏血酸、谷氨酸、乳酸、马来酸、苹果酸、琥珀酸、羧酸以及它们的组合。
一个或多个干燥和分解步骤可包括将共混物暴露于高温中，同时搅拌共混物，其中所述共混物形成可流动的共混物。
在共混物静止时可进行一个或多个干燥和分解步骤以形成固体块，并且还可包括通过压碎、研磨或筛分中的一者或多者将块造粒以形成可流动的共混物。
第一过滤介质颗粒可包括褐煤，无烟煤，沥青煤，泥煤，碳化木质有机材料(包括竹子、椰子壳和兽骨)，沸石(包括方沸石、白榴石、铯榴石、斜钙沸石、斜发沸石、钠红沸石、菱沸石、钙十字沸石、斜碱沸石和戈硅钠铝石)，钙化合物(包括磷酸一钙、磷酸二钙、三斜磷钙石、透钙磷石、磷酸三钙、白磷钙石、磷酸八钙、二磷酸二钙、三磷酸钙、羟基磷灰石、磷灰石、磷酸四钙)，硅藻土，硅化合物(包括玻璃、膨胀玻璃、浮石)，陶瓷材料(包括氧化铝、铝土矿、氧化镁、二氧化钛)以及它们的组合。
第二过滤介质颗粒可包括褐煤，无烟煤，沥青煤，泥煤，碳化木质有机材料(包括竹子、椰子壳和兽骨)，沸石(包括方沸石、白榴石、铯榴石、斜钙沸石、斜发沸石、钠红沸石、菱沸石、钙十字沸石、斜碱沸石和戈硅钠铝石)，钙化合物(包括磷酸一钙、磷酸二钙、三斜磷钙石、透钙磷石、磷酸三钙、白磷钙石、磷酸八钙、二磷酸二钙、三磷酸钙、羟基磷灰石、磷灰石、磷酸四钙)，硅藻土，硅化合物(包括玻璃、膨胀玻璃、浮石)，陶瓷材料(包括氧化铝、铝土矿、氧化镁、二氧化钛)以及它们的组合。
第一平均粒度可在约1um至约75um之间。第二平均粒度可在约75um至约3000um之间。
第一过滤介质颗粒和第二过滤介质颗粒可以是多孔的，并且总孔隙率大于约0.5cc/g。大于40％的总孔隙率可由孔径大于约5纳米的孔提供。
根据一个方面，该方法还包括：提供粘结剂；将可流动的共混物与粘结剂混合；以及将可流动的共混物和粘结剂形成为固体过滤元件。
本公开还提供了过滤元件和用于制造过滤元件的方法的其他实施方案，该过滤元件使用多孔颗粒的组合以提供由于其内部孔体积而增加的表面积，其中颗粒形成了使得进入的水流过与多孔材料接触的过滤器以除去污染物的空隙。
附图简要说明
当结合附图进行考虑时，通过参考以下详细描述，更好地理解了本公开及其诸多随之产生的优点，将容易获得对本公开及其诸多随之产生的优点更完整的理解，其中：
图1示出了说明根据本公开的实施方案的用于形成过滤介质的方法的流程图；
图2为示出了根据本公开的实施方案的过滤元件的一部分的显微照片；
图3为示出了用于测定通过根据本公开的实施方案的过滤器的压降和流量的装置的图；
图4为示出了穿过根据本公开的实施方案形成的过滤器的流量和压降的图：以及
图5为示出了用于形成根据本公开的实施方案的过滤介质的材料的粒度分布的图。
具体实施方式
本公开提供了过滤元件和过滤介质的实施方案以及用于形成过滤介质和过滤元件的方法，该过滤介质和过滤元件降低了水中污染物的浓度，同时提供了高流量或通量(flux)以及低压降。
根据一个实施方案，通过将较小粒度的材料粘合到较大粒度的材料的表面，然后将组合颗粒粘结到过滤元件中，从而制备过滤介质。根据本公开形成的过滤元件包括在较大颗粒之间的空隙以使得水流过。粘合到较大颗粒的表面的较小颗粒与流过空隙的水相互作用以除去水中的污染物。
根据另一个实施方案，通过将非热塑性粘合剂材料溶解在溶剂中制备胶质溶液。将较小粒度的材料和较大粒度的材料混合在一起，并将胶质溶液添加至混合物中。在搅拌混合物的同时，使溶剂分解并从混合物中脱除，使得非热塑性粘合剂将较小颗粒粘合到较大颗粒的表面，而较大颗粒保持基本上彼此分离。其结果是过滤介质是可流动的。根据所公开的实施方案形成的过滤介质的令人惊讶的结果是，在较小粒度的材料和/或较大粒度的材料是多孔的情况下，这些材料在已经结合在一起之后保持其大部分孔体积有效。通过保持材料的孔隙率，维持了可供吸附污染物的表面积的量。
根据另一个实施方案，使用如上所述制备的可流动过滤介质形成过滤元件。过滤介质与粉末、料粒或粒状物形式的热塑性树脂混合。将混合物置于模具腔体中。施加热量和压力，以使树脂熔化。将模具冷却，以使树脂固化，从而使较大颗粒或粒状物以开放的间隔结构彼此接合。
根据一个优选的实施方案，较小粒度的材料包括平均直径(D50)在1微米至180微米之间的颗粒。根据更优选的实施方案，较小粒度的材料包括平均直径(D50)在10微米至75微米之间的颗粒。根据最优选的实施方案，较小粒度的材料包括平均直径(D50)为约15微米的颗粒。
可以使用本公开的领域中普通技术人员已知的技术确定粒度。根据一些实施方案，使用诸如由Horiba公司制造的Partica LA-960激光散射粒度分布分析仪之类的仪器，通过激光散射技术确定粒度。
当描述粒度分布时，常用的量度为D值(D10、D50和D90)，D值是10％、50％和90％的累积质量的截距。对根据本公开的一个实施方案的较小粒度的材料进行分析以确定其D10/D50/D90尺寸分布。根据一个实施方案，该材料的D10为约6微米、D50为约15微米，并且D90为约47微米。
根据本公开的另一实施方案，根据本发明的领域中已知的方法使用筛子分析较小粒度的材料，从而选择在指定范围内的颗粒。根据优选的实施方案，较小粒度的材料具有小于约80目的颗粒。根据更优选的实施方案，较小粒度的材料具有小于约100目的颗粒。根据最优选的实施方案，较小粒度的材料具有小于325目的颗粒。
根据另一个实施方案，较大粒度的材料包括平均直径(D50)在75微米至3000微米之间的颗粒。根据优选的实施方案，较大粒度的材料包括平均直径(D50)在100微米至2000微米之间的颗粒。根据最优选的实施方案，较大粒度的材料包括平均直径(D50)为约1500微米的颗粒。根据另一个实施方案，较大粒度的材料的D10/D50/D90尺寸分布中的D10为770微米，D50为1310微米，并且D90为约2230微米。
根据一个实施方案，较小粒度的材料由平均直径显著小于较大粒度的材料的尺寸的颗粒形成。可以选择颗粒的相对尺寸，使得当形成过滤元件的开放的间隔结构时，较小粒度的材料位于在较大粒度的材料的颗粒之间形成的间隙空间内，并且间隙空间保持开放以使得水流过滤芯。根据优选的实施方案，较大粒度组分的平均粒度为较小粒度的材料的尺寸的约1倍至200倍。根据更优选的实施方案，较大粒度组分的平均粒度为较小粒度组分的尺寸的约5倍至150倍之间。根据最优选的实施方案，较大粒度组分的平均粒度为较小粒度组分的约100倍。
如2019年6月29日提交的共同未决美国临时专利申请No.62/868,883和____提交的美国专利申请No.____(代理人案号No.250-0002US)所讨论的那样(这些专利申请以引用的方式并入本文中)，通过在孔体积主要由孔径大于约5nm的表孔(epipore，即介孔和大孔)提供的情况下提供多孔过滤颗粒，可以获得有效除去水中的诸如有机酸之类的物质的过滤器。根据本公开的一个实施方案，较小粒度的材料和/或较大粒度的材料是多孔的，并且在形成可流动的过滤介质之前，利用BJH内插法通过ATSM方法D 6556:2017-11测定的比总孔体积表现为：测定值优选在约0.4cc/g至约3.0cc/g之间，更优选在约0.8cc/g至约1.8cc/g，并且最优选在约1.2cc/g至1.6cc/g之间。根据优选的实施方案，表孔贡献了大于约40％的孔体积，更优选表孔贡献了大于约50％的孔体积，并且进一步更优选表孔贡献了大于约60％的孔体积。根据最优选的实施方案，表孔贡献了大于约65％的总孔体积。根据另一个实施方案，根据本公开的过滤介质的总孔体积为0.545g/cc，其中由表孔贡献的体积为约41％。
根据本公开的实施方案，当较小粒度的材料和较大粒度的材料与胶质溶液混合并且溶剂从混合物中去除使得较小粒度的材料通过非热塑性粘合剂结合到较大粒度的材料的表面时，一种或者两种材料的孔保持开放，使得大部分孔体积在与非热塑性粘合剂胶合在一起之后被保留。根据优选的实施方案，较小粒度的材料和较大粒度的材料在胶合之后的总孔体积大于材料在颗粒胶合之前的孔体积的30％。根据更优选的实施方案，较小粒度的材料和较大粒度的材料在胶合之后的总孔体积大于颗粒胶合之前材料的孔体积的35％。根据最优选的实施方案，较小粒度的材料和较大粒度的材料在胶合之后的总孔体积大于在颗粒胶合之前材料孔体积的45％。
多孔的较大粒度的材料和较小粒度的材料可以由碳化合物形成，例如(但不限于)褐煤，无烟煤，或沥青煤，泥煤，油，焦油，碳化有机物(例如木材、竹子、椰子壳或兽骨)，沸石颗粒(例如、但不限于方沸石、白榴石、铯榴石、斜钙沸石、斜发沸石、钠红沸石、菱沸石、钙十字沸石、斜碱沸石或戈硅钠铝石)，钙化合物(例如但不限于磷酸一钙、磷酸二钙、三斜磷钙石、透钙磷石、磷酸三钙、白磷钙石、磷酸八钙、二磷酸二钙、三磷酸钙、羟基磷灰石、磷灰石、磷酸四钙)，含硅材料(包括但不限于硅藻土、玻璃、浮石等)。
根据另一个实施方案，非热塑性粘合剂材料与当用水饱和时产生电场的助剂组合。根据另一个实施方案，非热塑性粘合剂本身可以包含产生这种场的部分。根据一个实施方案，这些物质或部分产生了有效的负电荷(即，它们是阳离子型)。非热塑性粘合剂可由单体或聚合物形成或可与单体或聚合物混合，这些单体或聚合物包括(但不限于)聚乙烯胺、聚(N-甲基乙烯胺)、聚烯丙基胺、聚烯丙二甲胺、聚二烯丙基甲胺、聚乙烯吡啶氯化物、聚(2-乙烯吡啶)、聚(4-乙烯吡啶)、聚乙烯咪唑、聚(4-氨基甲基苯乙烯)、聚(4-氨基苯乙烯)、聚乙烯基(丙烯酰胺-共-二甲基氨基丙基丙烯酰胺)、聚乙烯基(丙烯酰胺-共-二甲基氨基甲基丙烯酸酯)、聚乙烯亚胺、聚赖氨酸、聚二烯丙基二甲基氯化铵(pDADMAC)、聚(丙烯)亚胺树型化合物(DAB-Am)和聚(酰胺-胺)(PAMAM)树型化合物、聚氨基酰胺、聚六亚甲基双胍、聚二甲胺-氯甲代氧丙环、氨基丙基三乙氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N,N,N-三甲基氯化铵、双(三甲氧基甲硅烷基丙基)胺、壳聚糖、接枝淀粉、聚乙烯亚胺通过氯甲烷进行烷基化的产物、聚氨基酰胺与氯甲代氧丙环的烷基化产物、具有阳离子单体的阳离子聚丙烯酰胺、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(AETAC)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(METAC)、丙烯酰丙基三甲基氯化铵(APTAC)、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵(MAPTAC)、二烯丙基二甲基氯化铵(DADMAC)、阳离子聚合体(ionenes)、硅烷以及这些化合物的组合。粘合剂还可包括使包括粘合剂在内的表面呈阳离子型的化合物，例如季铵化合物，如苯扎氯铵、苄索氯铵、甲苄索氯铵、西他氯铵、西吡氯铵、西曲溴铵(cetrimonium)、溴棕三甲铵(cetrimide)、多法氯铵、溴化四乙铵、二癸基二甲基氯化铵和溴化度米芬，以及这些化合物的组合。
根据本公开的一个实施方案，溶剂包括适合于溶解所选粘合剂并且可通过蒸发从混合物中挥发和除去的载剂。这些载剂包括(但不限于)水、甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、丙酮、乙酸乙酯、乙酸甲酯、二甲基亚砜、乙腈、二甲基甲酰胺、三氯甲烷等。
根据本公开的另一实施方案，溶剂包括增加粘合剂在载剂中的溶解度的试剂。可通过加热将载剂从材料上脱除，并且当加热到选定温度时，试剂可热分解，以将粘合剂沉积在颗粒表面上。合适的试剂包括(但不限于)盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、酒石酸、乙酸、甲酸、丙酸、抗坏血酸、谷氨酸、乳酸、马来酸、苹果酸、琥珀酸、羧酸以及它们的组合。不希望受理论的束缚，据认为，当根据该实施方案用溶剂形成的胶质溶液与较大粒度的材料和较小粒度的材料混合，并且加热该混合物以蒸发一些或全部载剂时，粘合剂保持被液体或半液体状态的试剂溶解，并且涂覆颗粒。加热使试剂分解，从而使颗粒表面的粘合剂固化，并且将较小颗粒固定到较大颗粒的表面。
图1示出了说明根据本公开的实施方案的用于形成过滤介质的步骤的流程图。在步骤P10中，获得合适的溶剂，并测定形成过滤介质所需的选定量。溶剂可以包括载剂，例如水和试剂。在步骤P12中，获得合适的非热塑性粘合剂，并测定形成过滤介质所需的选定量。任选地，在步骤P13中，可添加其他助剂，例如，当成品过滤介质由水饱和时提供带电表面的季铵化合物。在步骤P14中，使溶剂、粘合剂和助剂在容器中混合，并将粘合剂溶解在溶剂中。为了促进粘合剂在溶剂中的溶解，可以在步骤P15中(例如)通过将混合容器置于热板上从而施加热量。在步骤P16中，可以(例如)通过在混合容器中的与热板内的搅拌器耦接的磁力搅拌棒提供搅拌。为了减少溶剂的蒸发，同时使粘合剂溶解，混合容器可以基本上密封并且在顶部安装有回流冷凝器。一旦粘合剂完全溶解在溶剂中，在步骤P18中储存成品胶质溶液。
在步骤P20中，获得较小粒度的材料，并且测定形成过滤介质所需的选定量。可以使用(例如)BET孔隙率测定法测试较小粒度的材料以确定其比总孔体积和其孔径分布，和/或测试以确定其粒度分布。在步骤P22中，获得较大粒度的材料，并且测定形成过滤介质所需的选定量。可以使用(例如)BET孔隙率测定法测试较大粒度的材料以确定其比总孔体积及其孔径分布，和/或测试较大粒度的材料以确定其粒度分布。根据一个实施方案，作为步骤P20和/或P22的一部分，可通过研磨改变材料的粒度和/或通过筛分分级以提供比平均粒度和/或筛分范围。在步骤P24中，(例如)在立式混合器或带式共混器(ribbon blender)中混合较小粒度的材料和较大粒度的材料。
当材料已经混合以形成均匀混合物时，在步骤P26中，将胶质溶液添加到立式混合器或带式共混器中以形成浆料。在步骤P28中，搅拌浆料并施加热量，如步骤P30和P32所示。可以通过固定在立式混合器或带式共混器的容器上的加热套施加热量。从浆料中脱除溶剂时，较小颗粒粘合到较大颗粒的表面，而较大颗粒保持彼此分离以产生可流动的共混物。当溶剂包含可热分解的试剂时，首先除去大部分载剂，同时粘合剂保持液态或半液态并涂覆较小颗粒和较大颗粒。在步骤P34中，评价共混物以确定是否几乎全部的溶剂或溶剂的载剂组分已经脱除并且混合物形成了可流动的粒状介质。在步骤P28中，继续混合并且加热，直到基本上全部溶剂已经从共混物中脱除，试剂已经分解，并且混合物具有可流动的稠度。然后在步骤P36中将介质置于干燥烘箱中，并且在步骤P38中施加热量以进一步分解试剂并从混合物中除去剩余的载剂。为了促进除去任何剩余溶剂，在步骤P40中可以施加真空。最终干燥的共混物在步骤P42中形成过滤介质。
也可以使用根据本公开的实施方案的用于形成过滤介质的可供选择的另一种方法。该方法与上述参照图1的方法相同，不同之处在于，在步骤P28中，不是在施加热量和/或真空以脱除溶剂并形成可流动的共混物的同时混合材料，而是将混合物置于固定容器如模具腔体中，并从混合物中脱除溶剂，并且材料形成固体团块。在步骤P36中，将团块置于烘箱中进行最终干燥步骤，然后破碎、压碎、研磨或以其他方式打碎成具有所期望的粒度的粒状物。可以分析该粒状物以产生所期望的粒度分布，例如，使用具有各种尺寸开口的筛子以选择所期望的尺寸范围。
根据一个实施方案，过滤材料以松散床(loose bed)的形式提供。该材料床可以包括在具有入口和出口的壳体中，其中横跨出口的筛网将材料保持在壳体中，同时待过滤的水流过材料床。根据另一个实施方案，将过滤材料固定成球、块、圆柱体等形式的固体结构。在2018年10月31日提交的共同未决美国专利申请No.16/176,398中描述了一种这样的过滤器，其通过引用并入本文中。
形成过滤器的颗粒可以通过向颗粒混合物提供粘结剂而固定。粘结剂将相邻的颗粒彼此接合以形成固体过滤器。粘结剂可为热塑性聚合物，例如聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚芳酯、聚砜、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚苯乙烯、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚酰胺6,6、聚酰胺11、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、聚丙烯、聚二甲基硅氧烷、聚甲醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、尼龙6、聚砜、聚苯硫醚、聚醚砜等。根据优选的实施方案，粘合剂为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。
为了形成过滤球或其他固体过滤元件，将粘结剂添加至较小粒度的材料和较大粒度的材料的混合物中，例如在图1所示的步骤P42中形成的过滤介质。粘结剂可为树脂颗粒、料粒或粒状物的形式。将混合物置于模具中并经受高温以将聚合物熔化。可对模具施加压力以迫使材料与模具腔体一致，从而将过滤材料成形为合适的构造。当材料冷却时，聚合物硬化，将颗粒接合成多孔、实心、稳定的过滤元件。然后将过滤元件装配在提供用于未处理的原水流过过滤材料的路径的壳体中。根据另一个实施方案，不是在模具腔体中使材料成形，而是将过滤介质和粘结剂混合，然后加热以使聚合物液化。迫使该混合物通过挤出模具以形成挤出体。然后将挤出体切割成适于形成过滤元件的长度。
根据一个实施方案，材料可以形成为具有多种形状(例如，圆柱形、多边形棱柱、圆锥形或截锥形等)中的一者的过滤元件。过滤元件可被布置成使得流入物通过一个面流入元件。过滤元件的厚度可在约1cm至10cm之间，并且面的表面积在约30cm2至60cm2之间。过滤元件的厚度与其面的表面积的比率可在约0.017cm-1至0.33cm-1之间。过滤元件的体积可在约30cm3至600cm3之间。根据优选的实施方案，过滤元件为圆柱体，其面的表面积为约46cm2，并且厚度为约2.5cm，其中体积为115cm3，并且厚度与面的表面积的比率为0.045cm-1。
根据本公开的实施方案的过滤元件提供的通过过滤元件的流出物的通量在约1.5ml/min/cm2至50ml/min/cm2之间，并且压降小于约10psi。根据优选的实施方案，过滤元件提供了大于约3ml/min/cm2的通量，并且压降小于约5psi。
图2示出了根据本公开的实施方案形成的过滤元件的显微照片。较大粒度的材料2在相邻颗粒之间形成空隙4。较小粒度的材料8粘合到较大粒度的材料2的表面。空隙4使得水流过元件。沿着空隙的内表面的较小粒度的材料与流动的水接触。污染物被吸引至较小粒度的材料8和较大粒度的材料2的表面。根据本公开的一个实施方案，激活材料2和8中的一者或两者的表面以提供用于与污染物结合的化学位点，从而除去水中的污染物。根据另一个实施方案，材料2、8是多孔的。
图3示出了被构造为测试根据本公开的实施方案制造的过滤元件的测试床。原水储存器50与隔膜泵52连接。脉冲阻尼器54与泵52的出口连接。设置针阀53以将一些水流从泵转移回到储存器50。可包括根据本公开的实施方案制成的过滤元件的过滤器56与脉冲阻尼器54的出口连接。压力计55和66设置在过滤器56的入口和出口处，出口针阀58与过滤器56的出口连接。出口针阀58排入流出物容器60。
在操作中，将泵52通电，并且调节针阀53和58以提供通过过滤器的所期望的流量。通过压力计55和66监测过滤器的压降。
实施例1
使用约50％大尺寸过滤颗粒和50％小过滤颗粒形成过滤元件，而不使用图1所示的工艺。较小粒度的材料(细褐煤粉末，
Figure BDA0003442105710000131
M)得自Cabot Norit Americas公司。由制造商分析该粉末，该粉末的粒度为100×325目，其中大于90重量％的颗粒小于325目，并且D50为大约15微米。较大粒度的材料(粒状的褐煤3000)也得自Cabot NoritAmericas公司。由制造商分析该材料，得出材料的平均粒度(D50)为约310微米。
将约36克的细褐煤粉末与36克的粒状褐煤混合，并且添加约13克的粘结剂，该粘结剂为由Celanese公司制造的产品编号为GUR-2122的粒状UHMWPE。将混合物共混以产生均匀混合物。当模具完全密封时，提供直径为约3”(7.62cm)且高度为约1”(2.54cm)的圆筒形模具。因此，模具的体积为约115.8cm3。将约81克的混合物置于模具中，并对模具的盖子施加压力以压实混合物，从而使之适形于模具形状。将模具加热至约150C以熔化粘结剂颗粒。打开模具，并取出成品过滤元件。成品元件的密度为约0.7g/cm3并且横跨元件的面的表面积为约45.6cm2。
实施例2
由与实施例1相同的约50％的大尺寸过滤颗粒和约50％的小过滤颗粒的混合物制造根据本公开的实施方案的过滤元件。首先，如图1所讨论的，通过将非热塑性粘合剂材料与溶剂组合形成胶质溶液。粘合剂材料为由Hard Eight Nutrition,LLC d/b/a/BulkSupplements.com制造的壳聚糖粉末，以及20重量％的聚二烯丙基二甲基氯化铵(p-DADMAC)(由Kemira Oyj制造的制品CS91)。溶剂为甲酸和水。通过将35克的壳聚糖粉末和25ml的p-DADMAC溶液与450ml反渗透过滤的去离子(RO/DI)水和25ml的甲酸混合，从而制备胶质溶液。将混合物置于配备有磁力搅拌器的热板上的容器中。将磁力搅拌棒放入容器中，并用于搅拌混合物。将混合物加热至约50℃并搅拌约24小时，直到观察到全部壳聚糖粉末溶解。将成品胶质溶液冷却至室温。
在立式混合器中将约250克的细褐煤粉末
Figure BDA0003442105710000141
M与250克的褐煤3000粒状物混合。该混合器配备有加热的混合钵。将约500克的上述胶质溶液添加至钵中，并将混合器通电以混合材料并形成浆料。将钵加热器设定为约105℃，并使混合物在搅拌约90分钟的同时进行干燥。随着溶剂的除去并且随着甲酸的分解，浆料恢复成粒状物。将粒状物置于约105℃的烘箱中，并使粒状物干燥若干小时。
将约69克的粒状材料与约13克的与实施例1相同的粘结剂(即超高分子量聚乙烯树脂料粒)混合。将混合物置于实施例1的圆筒形模具中。将模具密封，并在模具加热至约180℃的同时进行压缩。使成形材料冷却，固化粘结剂，并使粒状物彼此粘合，以获得具有开放的间隔结构的过滤元件。所得过滤元件的密度为0.596克/cm3，并且横跨过滤元件的面的的表面积为45.6cm2。
实施例3
使用图3所示的装置并且如上所述，将实施例1和2中获得的过滤元件各自经受水流。图4示出了测定的跨过滤元件的压降。将在实施例1中获得的过滤元件标记为“195A”，其在不参考图1公开的工艺的情况下制成。将在实施例2中制造的元件标记为“205”，其使用根据本公开的实施方案的胶质溶液而形成。在实施例1中形成的元件中，小粒度材料和大粒度材料没有胶合，并且压降为约60psi。通过过滤器的水的流量为约70ml/min。该元件的面的表面积为45.6cm2，因此通过该元件的通量为1.53ml/min/cm2。
另一方面，在实施例2中制造的过滤元件表现出非常低的压降，在约2psi至4psi之间。通过实施例2的过滤元件的流量为约144ml/min，因此通量为约3.16ml/min/cm2。
图5示出了用于形成实施例1和2中的过滤元件的较小粒度的材料“褐煤M”和较大粒度的材料“褐煤3000”的粒度分布的分析。使用Partica LA-960激光散射粒度分布分析仪进行分析。较小粒度的材料的粒度峰值为约10微米，并且较大粒度的材料的粒度峰值为约1500微米。较大粒度的材料的平均粒度是较小粒度的材料的平均粒度的约150倍。
图5还示出了使用图1所示的工艺由褐煤M和褐煤3000制成的过滤材料的粒度分析。该数据在图5中标记为“M45”。
令人惊讶的是，当较小粒度的材料粘合到较大粒度的材料的表面时，所得结构具有单峰粒度。这些结果示出，几乎全部较小粒度的材料都粘合到较大粒度的材料的表面。此外，接合颗粒的峰值尺寸为约500微米，其稍微小于较大粒度的材料的尺寸，这可能是由于在该处理期间较大粒度的材料的损耗所致。因此，使用根据本公开的实施方案的过程制备的过滤材料具有较大颗粒，该较大颗粒的粒度为较小粒度的材料的大约50倍，平均粒度为约10微米。
尽管以上已经描述并说明了本公开的示意性实施方案，但是应当理解，这些实施方案为本公开的示例性实施方案，并且不应当认为是限制性的。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以进行添加、删除、替换和其他更改。因此，不当应认为本公开受前述描述的限制。

Claims (15)

1.一种用于形成过滤器的方法，包括以下步骤：
提供具有第一平均粒度的第一过滤介质颗粒；
提供具有第二平均粒度的第二过滤介质颗粒，其中所述第二平均粒度大于所述第一平均粒度；
形成胶质溶液，其中所述胶质溶液包含载剂、非热塑性粘合剂和增溶剂；
将第二过滤介质颗粒与所述第一过滤介质颗粒和所述胶质溶液混合以形成过滤介质混合物；
将所述胶质溶液和过滤介质混合物共混以形成介质共混物；
干燥所述共混物，其中从所述介质混合物中蒸发大部分所述载剂；以及
使试剂分解，其中所述非热塑性粘合剂将所述第一过滤介质颗粒粘结至所述第二过滤介质颗粒的表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述增溶剂增强了所述非热塑性粘合剂在所述载剂中的溶解。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述非热塑性粘合剂还包含当用水饱和时产生负电荷的助剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述非热塑性粘合剂包括以下中的一者或多者：聚乙烯胺、聚(N-甲基乙烯胺)、聚烯丙基胺、聚烯丙基二甲胺、聚二烯丙基甲胺、聚乙烯吡啶氯化物、聚(2-乙烯吡啶)、聚(4-乙烯吡啶)、聚乙烯咪唑、聚(4-氨基甲基苯乙烯)、聚(4-氨基苯乙烯)、聚乙烯基(丙烯酰胺-共-二甲基氨基丙基丙烯酰胺)、聚乙烯基(丙烯酰胺-共-二甲基氨基甲基丙烯酸酯)、聚乙烯亚胺、聚赖氨酸、聚二烯丙基二甲基氯化铵(pDADMAC)、聚(丙烯)亚胺树型化合物(DAB-Am)和聚(酰胺-胺)(PAMAM)树型化合物、聚氨基酰胺、聚六亚甲基双胍、聚二甲胺-氯甲代氧丙环、氨基丙基三乙氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N,N,N-三甲基氯化铵、双(三甲氧基甲硅烷基丙基)胺、壳聚糖、接枝淀粉、聚乙烯亚胺通过氯甲烷进行烷基化的产物、聚氨基酰胺与氯甲代氧丙环的烷基化产物、具有阳离子单体的阳离子聚丙烯酰胺以及它们的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述载剂包括以下中的一者或多者：水、甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、丙酮、乙酸乙酯、乙酸甲酯、二甲基亚砜、乙腈、二甲基甲酰胺、三氯甲烷以及它们的组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述增溶剂包括以下中的一者或多者：盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、酒石酸、乙酸、甲酸、丙酸、抗坏血酸、谷氨酸、乳酸、马来酸、苹果酸、琥珀酸、羧酸以及它们的组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其中一个或多个干燥和分解步骤包括将所述共混物暴露于高温中，同时搅拌所述共混物，其中所述共混物形成可流动的共混物。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在所述共混物静止时进行一个或多个所述干燥和分解步骤以形成固体块，并且还包括通过压碎、研磨或筛分中的一者或多者将所述块造粒以形成可流动的共混物。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一过滤介质颗粒包括褐煤；无烟煤；沥青煤；泥煤；碳化木质有机材料，包括竹子、椰子壳和兽骨；沸石，包括方沸石、白榴石、铯榴石、斜钙沸石、斜发沸石、钠红沸石、菱沸石、钙十字沸石、斜碱沸石和戈硅钠铝石；钙化合物，包括磷酸一钙、磷酸二钙、三斜磷钙石、透钙磷石、磷酸三钙、白磷钙石、磷酸八钙、二磷酸二钙、三磷酸钙、羟基磷灰石、磷灰石、磷酸四钙；硅藻土；硅化合物，包括玻璃、膨胀玻璃、浮石；陶瓷材料，包括氧化铝、铝土矿、氧化镁、二氧化钛；以及它们的组合。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二过滤介质颗粒包括褐煤；无烟煤；沥青煤；泥煤；碳化木质有机材料，包括竹子、椰子壳和兽骨；沸石，包括方沸石、白榴石、铯榴石、斜钙沸石、斜发沸石、钠红沸石、菱沸石、钙十字沸石、斜碱沸石和戈硅钠铝石；钙化合物，包括磷酸一钙、磷酸二钙、三斜磷钙石、透钙磷石、磷酸三钙、白磷钙石、磷酸八钙、二磷酸二钙、三磷酸钙、羟基磷灰石、磷灰石、磷酸四钙；硅藻土；硅化合物，包括玻璃、膨胀玻璃、浮石；陶瓷材料，包括氧化铝、铝土矿、氧化镁、二氧化钛；以及它们的组合。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一平均粒度在约1um至约75um之间。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二平均粒度在约75um至约3000um之间。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一过滤介质颗粒和第二过滤介质颗粒是多孔的，并且总孔隙率大于约0.5cc/g。
14.根据权利要求1所述的方法，其中大于40％的总孔隙率是由孔径大于约5纳米的孔提供的。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括：
提供粘结剂；
将所述可流动的共混物与所述粘结剂混合；以及
将所述可流动的共混物和粘结剂形成为固体过滤元件。
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