CN114980995A - 除去水中微生物的两级过滤器 - Google Patents

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Xi MengTuomasi
Aquigades Technology Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种过滤系统，其包括：与流体源流体连通的第一过滤元件，其中流体流经第一过滤元件；以及与第一过滤元件流体连通的第二过滤元件，其中流经第一过滤元件的流体流经第二过滤元件并被排出。第一过滤元件包括适于阻止大于选定尺寸的物质通过的材料。第二过滤元件适于除去液体中的有机物。

Description

除去水中微生物的两级过滤器
技术领域
本发明涉及用于除去水中的物质和颗粒的过滤器和过滤器用介质。特别地，本发明涉及一种两级过滤系统，其中预过滤元件执行第一过滤功能以除去水中的较大颗粒和有机物，并且第二级除去经预过滤的水中的病毒和溶解物质，例如有机酸。
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。陶瓷过滤器依赖于多孔元件，其中该多孔元件具有通道，该通道具有防止大于一定尺寸(例如大于0.5微米)的颗粒通过的尺寸。这种过滤器可以捕获并保留颗粒物质，包括细菌。
陶瓷过滤器在除去小于多孔元件中的通道的尺寸的污染物方面可能无效。溶解的化学物质(例如金属)和非常小的颗粒(如病毒)可以通过陶瓷元件。
还可以使用膜过滤器除去水中的污染物。该膜由多孔材料形成，该多孔材料的孔径足够小，以防止流出物中待除去的颗粒通过。膜可以形成为中空纤维的阵列。将中空纤维膜布置成能够使流出物流入纤维内部并通过纤维的表面流出，或反之亦然，以便从过滤的水中排除大于膜孔的颗粒。
这些过滤器的问题在于它们可以从水中隔离的物质的量有限。为了使通过陶瓷元件的水流量保持在可接受的水平，可能需要定期清洁或更换陶瓷元件。同样地，污染物颗粒会堵塞中空纤维膜，因此可能需要定期更换中空纤维膜。
已知过滤系统的另一问题在于，除去诸如有机酸和病毒之类的非常小的颗粒和溶解物质的过滤元件可能不适合用于除去较大颗粒，因为较大颗粒会迅速阻塞过滤材料。当较大颗粒和其他物质积聚在设计以用于除去非常小的成分的过滤元件的表面时，过滤器的压降会迅速增加。在供水系统中存在高浓度颗粒物的地区，使用过滤器以除去小颗粒(例如，病毒)并除去溶解的有机酸可能是不切实际的。
已知的过滤器在从存在诸如腐殖酸之类的有机酸的水中除去病毒的效果有限。据信，有机酸趋于堵塞具有小到足以物理隔离病毒颗粒的孔径的过滤器。这会使已知的过滤器在处理供水系统被有机酸污染并且还存在有害病毒的地区的水时无效。
发明内容
本公开涉及解决这些问题的装置和方法。
根据一个实施方案，提供了一种过滤系统，该过滤系统包括：与流体源流体连通的第一过滤元件，其中流体流经第一过滤元件；以及与第一过滤元件流体连通的第二过滤元件，其中流经第一过滤元件的流体流经第二过滤元件并被排出。第一过滤元件包括适于阻止大于选定尺寸的物质通过的材料。第二过滤元件适于除去液体中的有机物，例如有机酸。该流体具有第一初始浓度的有机酸和第二初始浓度的病毒。在以第一流体通量通过系统后，第一初始浓度减小量大于第一系数，并且第二初始浓度减小量大于第二系数。
根据另一实施方案，公开了一种过滤系统，该过滤系统包括：第一过滤元件，第一过滤元件与未经处理的流体源流体连通，其中未经处理的流体流经第一过滤元件以产生预过滤的流体；以及第二过滤元件，第二过滤元件与第一过滤元件流体连通，其中来自第一过滤元件的预过滤的流体流经第二过滤元件以产生过滤的流体，其中第一过滤元件包括适于阻止大于0.5微米的物质通过的材料，其中第二过滤元件适于除去流体中的有机物，其中有机物包括有机酸，其中未经处理的流体具有初始浓度的有机酸，其中在未经处理的流体中的有机酸的初始浓度减小了约40％至约60％，以产生具有预过滤浓度的有机酸的预过滤的流体，并且其中在预过滤的流体流经第二过滤元件之后，有机酸的预过滤浓度减小了大于约80％，从而得到过滤的流体中的有机酸的过滤浓度。流体可为水。第一过滤元件可包括陶瓷体和中空纤维膜过滤器中的一者或多者。该过滤系统可包括容纳一定量的流体的储存器，其中将储存器、第一过滤元件和第二过滤元件竖直布置，并且其中流体通过由重力引起的压力梯度从储存器流动通过第一过滤元件和第二过滤元件。第二过滤元件可包括通过非热塑性胶质材料粘附至第二介质颗粒的表面的第一过滤介质颗粒。非热塑性胶质材料可以包含：含有壳聚糖和聚二烯丙基二甲基氯化铵的聚合物；含有水的载剂；以及增溶剂，其中增溶剂包括以下中的一者或多者：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。第二过滤元件还可包括粘结剂，并且其中第二介质颗粒通过粘结剂彼此粘附。该过滤系统可包括与储存器流体连通并容纳第一过滤元件的第一壳体、容纳第二过滤元件的第二壳体、以及在第一壳体和第二壳体之间流体连接的耦接件，其中耦接件延伸通过从第一壳体至第二壳体的竖直距离，并且其中在第二过滤元件处的水头压力大于0.25psi。该过滤系统还可包括环境压力均衡管，该管从第一壳体竖直向上延伸，其中储存器中的流体限定液面，并且其中管在液面上方竖直延伸。第一过滤元件和第二过滤元件可以可移除地置于相应的第一壳体和第二壳体中。有机物还可包括细菌、病毒和孢囊中的一者或多者。有机酸可为腐殖酸、富里酸和单宁酸中的一者或多者。第二过滤元件可包括总孔体积大于约0.4cc/g的多孔材料，其中由表孔提供的总孔体积的百分比大于约40％，并且其中由微孔提供的孔体积小于约0.1cc/g。通过过滤系统的流体通量可大于0.7ml/min/cm2。第一过滤介质颗粒可具有第一平均粒度，第二介质颗粒可具有第二平均粒度，可利用非热塑性粘合剂将第一介质颗粒粘附至第二介质颗粒的表面以形成过滤材料颗粒，过滤材料颗粒可具有第三平均粒度，并且第三平均粒度可大于第一平均粒度。第一平均粒度可为约1μm至约75μm。第二平均粒度可为约75μm至约3000μm。第三平均粒度可为约75μm至2000μm。第二过滤元件还可包括粘结剂，其中过滤材料颗粒通过粘结剂彼此连接以形成过滤元件，其中在过滤材料颗粒之间形成间隙空间，并且其中一部分第一过滤介质颗粒位于间隙空间内。第一壳体可包括多个第一壳体，各壳体具有多个第一过滤元件中相应的一个第一过滤元件，其中软管包括一个或多个支管，并且其中耦接件包括将多个第一壳体连接至第二壳体的软管。
附图说明
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为根据本公开的实施方案的包括过滤装置的流体储存器和集液槽的截面；
图2为根据本公开的另一实施方案的包括过滤装置的流体储存器和集液槽的截面；
图3为根据本公开的另一实施方案的包括过滤装置的流体储存器和集液槽的截面；
图4为根据本公开的另一实施方案的包括过滤装置的流体储存器和集液槽的截面；
图5为根据本公开的另一实施方案的包括过滤装置的流体储存器和集液槽的截面；
图6为根据本公开的另一实施方案的包括过滤装置的流体储存器和集液槽的截面；以及
图7为根据本公开的另一实施方案的包括过滤装置的流体储存器和集液槽的截面。
具体实施方式
本公开提供了水过滤系统的实施方案，该水过滤系统包括减小了水中的有害物质和/或有机体的浓度的过滤元件和过滤介质，同时提供了相对高的流量或通量以及相对低的压降。
图1和图2示出了根据本公开的实施方案的过滤系统1。未经处理的水原水储存器2容纳一定量的待过滤的水或其他流体。储存器2可在顶部开口，可具有可移除盖，或可为具有流入管的封闭容器，其中流入管使得未过滤的水被递送至该装置。第一元件4位于储存器2内。如将在下文中描述的，第一过滤元件4可具有由多孔壁包围的中空内部空间3。
第一过滤元件4的底部为耦接件部分6。如将在下文中描述的，耦接件部分6可包括螺纹、卡扣配合、过盈配合或本公开的领域的普通技术人员已知的其他可移除耦接件特征，其使得耦接件的底端与第一过滤元件4和第二过滤元件12可移除地连接。如图2所示，第二过滤元件12包括容纳过滤材料15的壳体16。将耦接件部分6密封至储存器2的底表面。根据一个实施方案，在耦接件部分6的外表面的法兰和储存器2的底部之间设置O形环密封件，以防止水从耦接件周围泄漏。将流体通道设置为通过耦接件部分6，以使得由第一过滤元件4过滤的水在重力作用下向下流经耦接件。
根据一个实施方案，第一过滤元件4形成为中空圆筒。储存器2中的水通过该圆筒的表面径向向内流动，并通过耦接件部分6从该圆筒的底部向下流出。如图1所示，根据一个实施方案，第一过滤器壳体部分5和7设置于圆筒形元件4的两端中的一端。壳体部分5与耦接件部分6耦接。根据一个实施方案，部分5通过螺纹啮合与部分6耦接。根据另一实施方案，部分5和6使用本公开的领域的技术人员已知的其他布置进行耦接，例如，通过快速连接、卡扣连接、通过乳业用配件连接、通过过盈配合等。
根据图2所示的另一实施方案，过滤元件4在一端开口，而在另一端由圆顶形部分19封闭。在该实施方案中，在元件4的下端设置壳体部分，例如参考图1所讨论的部分5。在该实施方案中，水通过圆筒形壁径向向内流动，并且向下通过圆顶形部分进入过滤元件的内部中空空间3，并向下通过耦接件6。
第二过滤元件12设置在储存器2的下方。第二元件12的壳体16与耦接件6的下端连接，使得从耦接件6进入壳体的水流经过滤材料15。在壳体16的底部设置开口。根据一个实施方案，将第二过滤元件12的过滤材料15固定为圆盘、块状、圆筒等形式的实心主体，如在2018年10月31日提交的共同待审的美国专利申请No.16/176,398所述，该申请通过引用并入本文。主体可包括在元件的顶部和底部处的平坦面。从耦接件6向下流动的水沿轴向流经元件12，并与形成该元件的材料15相互作用，使得从水中除去诸如有机酸和病毒之类的污染物，或者使诸如有机酸和病毒之类的污染物变性从而无害化。根据其他实施方案，将第二元件12和过滤材料15布置成使得从耦接件6流过来的水进入过滤材料15的中央中空区域，并且径向向外流经第二过滤元件，然后向下流经壳体16的底部处的开口。根据另一实施方案的一种此类过滤器，第二过滤元件材料15为容纳在壳体16内的松散材料，而不是形成实心主体。
在壳体16的下方设置有集液槽14。来自储存器2的水在通过第一元件4和第二元件12时被过滤。过滤的水通过壳体16的底部处的开口并被收集在集液槽14中。
根据一个实施方案，第一过滤元件4设置有压力平衡管8。管8与过滤元件4内的中空空间3连接，并从元件4的最顶部延伸至储存器中的水的液面上方的位置。管8能够使处于环境压力的空气流入和流出第一过滤元件4内的中空空间3，以避免截留气泡，气泡会阻碍通过第一过滤元件的流动。通过消除可能截留在过滤元件4内部的空气，可以改善通过过滤元件的流动。
根据图1所示的实施方案，在元件4的顶端处的壳体部分7与管8耦接。部分7和管8可以彼此永久地连接，或者可以通过可移除连接而接合，例如通过螺纹连接、快速连接、卡扣配合连接、乳业用配件连接、过盈配合等。根据图2所示的实施方案，管8延伸通过元件4的圆顶形部分19。根据任一实施方案，管8优选地与元件4的最顶部的间隙流体连通，以使得在元件4内截留的全部空气的基本上全部体积能够逸出。
根据一个实施方案，耦接件6通过可移除耦接件(如螺纹连接)与壳体16连接。这使得能够从过滤系统中移除过滤器12和壳体16，并且例如当元件12已经达到其使用寿命的终点时能够进行更换。根据另一实施方案，可使用本公开的领域的技术人员已知的其他流体牢固连接，例如，快速连接卡扣连接、乳业用配件连接、摩擦配合过盈连接等，而不是螺纹连接。
根据一个实施方案，第一过滤元件4为多孔陶瓷体。将主体中的孔设计为捕获水中的大于特定尺寸，例如大于约0.5微米的颗粒。有时称为陶瓷烛式过滤器的这种陶瓷过滤元件的制备在本公开的领域中是公知的。根据其他实施方案，第一过滤元件4包括产生化学或物理活性位点的材料，这些位点与水相互作用以除去某些污染物和/或微生物或使某些污染物和/或微生物无害化。可以将包括金属离子如银离子的材料混合到元件4中。已知此类金属离子可杀死或固定某些微生物。过滤元件4也可以包括具有活性部位的材料，例如活性碳，已知这些材料可隔离水中的某些物质，例如，诸如铅之类的金属和诸如氯离子之类的离子。根据另一实施方案，第一过滤元件4包括除陶瓷之外的其他材料。过滤元件4可包括纸、聚合物纤维、聚合物纤维或颗粒、玻璃纤维或颗粒、或未烧结的陶瓷颗粒或纤维。根据另一实施方案，第一过滤元件4包括膜过滤器。膜可以形成为片材并且布置成使未过滤的水流经该片材。膜也可以形成为中空纤维的阵列，并且布置成使未过滤的水流经纤维的壁。
已知物理过滤器如陶瓷烛式过滤元件会积聚从水中过滤的颗粒和其他物质。当颗粒积聚在表面上和元件内时，水可通过元件进行过滤的速率可能下降。可定期从装置中取下第一元件4，例如通过使壳体部分5与耦接件6分开。使用者可清洁或更换过滤元件以维持过滤的水的适当流量。在图1所示的实施方案中，管8也可与壳体部分7分开，以便于清洁和/或更换过滤元件4。
同样如图1所示，通过使耦接件部分6和壳体16分开，第二过滤元件12和壳体16可与装置分开。如将在下文描述的，当使用过滤系统1时，第二过滤元件12中的材料15可以隔离诸如有机酸之类的物质。例如，当达到第二元件12容纳此类物质的容量时，由于通过过滤器的水流量减少，因此过滤系统1的性能可能下降。使用者可以取下元件12并用新的组件更换它，以维持通过系统的适当水流量。
根据其他实施方案，通过将较小颗粒尺寸的过滤颗粒粘附至较大尺寸的过滤颗粒的表面并使较大的过滤颗粒彼此粘合以产生具有开放间隙结构的过滤元件从而制备第二过滤元件材料15。根据一些实施方案，较小和较大的过滤颗粒具有活化表面和有利地吸附水中的物质的孔结构。在2019年6月29日提交的美国临时专利申请No.62/868,885和在2020年6月29日提交的共同待审美国专利申请No.16/915,166公开了由这种结构形成的过滤介质和过滤元件，这些申请通过引用并入本文。
根据另一实施方案，使用可有效地除去水中的某些污染物的材料制备第二过滤元件材料15。元件12可以由过滤水中的有机酸的多孔材料形成。在2019年6月29日提交的美国临时专利申请No.62/868,883和在2020年6月29日提交的共同待审美国专利申请No.16/915,125描述了这种元件，这些申请通过引用并入本文。根据该实施方案的元件12使用多孔材料形成，其中大部分孔体积由表孔范围内的孔提供，表孔即直径大于约5nm的孔。如上所述，这些多孔材料可以包括粘附至较大尺寸的过滤颗粒的表面的较小尺寸的过滤颗粒，以形成开放间隔结构。
根据本公开的过滤系统的优点在于，通过使用作为第二元件材料15的由表孔提供大部分孔体积的过滤元件，可以显著减小有机酸和病毒的浓度。
根据一个实施方案，根据本公开的过滤系统形成有作为陶瓷过滤器的第一过滤元件4。这种元件除去水中的大于约0.5微米的颗粒。这包括大多数细菌。根据一个实施方案，陶瓷第一过滤元件4使细菌浓度减小了大于99.9999％，即，使细菌浓度减小了6log。陶瓷第一过滤元件4还可以通过从流出物中物理地排除有机酸分子从而减小诸如腐殖酸之类的有机酸的浓度。根据一个实施方案，陶瓷元件使腐殖酸浓度减小了约50％。根据另一实施方案，在陶瓷元件过滤腐殖酸初始浓度为约百万分之10(ppm)的水的情况下，腐殖酸浓度降低至约6ppm。
第二过滤元件材料15可以形成如下。为了有效地除去有机酸，材料15可以由多孔材料形成，其中大部分孔体积由大于约5纳米(nm)的孔(即，表孔)提供。这种材料可包括碳化合物，例如但不限于褐煤，无烟煤或烟煤，泥煤，油，焦油，碳化有机物例如木材、竹子、椰子壳或骨头，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，硅藻土，膨胀玻璃或陶瓷颗粒，浮石等。
根据本公开的一个实施方案，形成第二过滤元件12的颗粒15的比总孔体积优选为约0.4cc/g至约3.0cc/g、更优选为约0.8cc/g至约1.8cc/g、并且最优选为约1.2cc/g至1.6cc/g。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。
根据一些实施方案，第二过滤元件包括：过滤介质，其具有总孔体积并且包括多孔过滤颗粒；无孔过滤材料；以及粘结剂，其中总孔体积大于约0.4cc/g，并且其中由表孔提供的总孔体积的百分比大于约40％，并且其中当经受大于约0.7ml/min/cm2的流入通量时，过滤元件使水中有机酸的初始浓度降低了大于80％。过滤介质的总孔体积可为0.4cc/g至1.2cc/g，并且由微孔提供的孔体积可小于约0.1cc/g。过滤元件的总孔体积可为约0.5cc/g。
颗粒可以以较小的褐煤颗粒和较大的褐煤颗粒的组合提供。根据一个实施方案，较小粒度的材料包括平均直径(D50)为1微米至180微米的颗粒。根据更优选的实施方案，较小粒度的材料包括平均直径(D50)为10微米至75微米的颗粒。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。根据另一个实施方案，较大粒度的材料包括平均直径(D50)为75微米至3000微米的颗粒。根据更优选的实施方案，较大粒度的材料包括平均直径(D50)为100微米至2000微米的颗粒。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。
可以用胶质溶液处理较小和较大粒度的材料，使得较小颗粒粘附至较大颗粒的表面。这种布置提供了过滤元件10的空间。这些空间使穿过过滤元件时的流量得到改善并使压降减小。不希望受理论的束缚，据信，因为较小颗粒驻留在较大颗粒之间的空间中，因此流经过滤元件的水与多孔颗粒相互作用，以使得诸如腐殖酸和病毒之类的污染物被吸附或使其失活。
如通过引用并入本文的在2019年6月29日提交的美国临时专利申请No.62/868,885和在2020年6月29日提交的共同待审美国专利申请No.16/915,166所述，第二过滤元件由通过胶质溶液彼此粘附的介质颗粒形成。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，其中从介质共混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、聚氨基酰胺与环氧氯丙烷的烷基化产物、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。
本公开的领域的技术人员将理解，对数(log)减少是指给定样品中的生物体浓度在初始浓度和过滤后的浓度之间减少了几个10的系数。因此，例如病毒颗粒的生物体减少4log是指病毒颗粒的浓度减少的系数为104或减少为1/10,000，并且减少5log是指浓度减少的系数为105或减少为1/100,000。样品中的病毒浓度通常表示为每升水中噬斑形成单位的数量(PFU/l)。因此，通过提供具有已知PFU/l的测试生物体(通常为MS-2噬菌体)的待过滤的流出物，并将过滤器输出的PFU/l确定为初始浓度的系数，从而确定过滤器除去病毒的有效性。因此，将输入水的初始病毒浓度107PFU/l降低至102PFU/l的过滤器的病毒对数减少为5log。
实施例1
如下所述，由较小粒度的褐煤颗粒和较大粒度的褐煤颗粒形成原型过滤元件材料15。该元件包含约50％大尺寸颗粒和50％小颗粒。较小粒度的材料(细褐煤粉末，
Figure BDA0003685882640000111
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 Norit Americas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。使用非热塑性粘合剂将较小颗粒粘附至较大颗粒的表面，如在2019年6月29日提交的美国临时专利申请No.62/868,885和在2020年6月29日提交的共同待审美国专利申请No.16/915,166所述，这些申请通过引用并入本文。
通过将非热塑性粘合剂材料与溶剂混合形成胶质溶液。粘合剂材料为由HardEight 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制造的产品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克的细褐煤粉末与250克的褐煤粒状物混合。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表面积为45.6cm2。
实施例2
如图1所示构造根据本公开的实施方案的过滤装置。第一过滤元件4为陶瓷烛式过滤器。第二过滤元件12如实施例1所述制备。
图3示出了本公开的另一实施方案。如图1所讨论的实施方案，第一过滤元件4设置在水储存器2内。壳体部分5与耦接件6连接。从耦接件6的底部延伸的是延伸管20。管20与壳体16的顶部连接，使得从第一元件4向下流动的水通过耦接件6，经过管20进入第二过滤元件12。通过在耦接件6和壳体16之间设置延伸管20，在重力作用下向下流经该装置的水在遇到第二过滤元件12时具有较大的水头压力。在一些实施方案中，相比于由流经第一过滤元件4的流体产生的压降，第二元件12可以使流经该元件的流体产生更大的压降。通过在延伸管20的流出处提供额外的水头压力，可以提高过滤系统1的处理量。根据一个实施方案，选择延伸管20的长度以将壳体16置于耦接件6下方约6英寸至36英寸处，从而在第一过滤器4的出口和第二过滤器12之间提供的水头压力为约0.22磅/平方英寸(psi)至1.3psi。
图4示出了本公开的另一实施方案。在该实施方案中，多个第一过滤器4a、4b……4n各自与第二过滤器12的壳体16连接。如在图1、图2和图3所述的实施方案中，第一过滤器4a、4b……4n各自设置在储存器2中。第一过滤器4a、4b……4n各自与相应的压力平衡管8a、8b……8n连接。第一过滤器4a、4b……4n各自与相应的耦接件6a、6b……6n连接，耦接件提供了与储存器2的底表面的防水密封以及用于水从相应的第一过滤器向下流动至第二过滤元件12的路径。软管组件20'与耦接件6a、6b……6n连接。根据该实施方案，组件20'的三个上支管20a、20b……20n与耦接件6a、6b……6n中的相应耦接件连接。在组件20'的下端处，组件20'与壳体16连接。根据该实施方案，将第一过滤器4a、4b……4n的输出合并，并且流经第二过滤器12。这种布置在通过各个过滤器4a、4b……4n的流量各自小于第二过滤器12在给定水头压力下的最大流量的情况下是有利的。例如，在水具有高浓度固体物质的地区，这些固体物质被包括元件4a、4b……4n的陶瓷烛式过滤器捕获，随着固体物质在第一过滤元件中积聚，这些过滤器中的一者或多者的处理量可能会下降。图4所示的过滤系统的使用寿命可以通过提供多个第一过滤器而延长。在此公开的实施方案示出了与单个第二过滤元件连接的三个第一过滤元件。在本公开的范围内可以提供更多或更少数量的第一过滤元件。
根据其他实施方案，可提供多个各自配备有第二过滤元件12的第二过滤器壳体16，而不是提供多个第一过滤器4a、4b……4n，或者除了提供多个第一过滤器4a、4b……4n之外，可提供多个各自配备有第二过滤元件12的第二过滤器壳体16。在这些实施方案中，将组件20'改进以连接多个第一过滤元件和第二过滤元件。根据一个实施方案，两个或更多个第二过滤元件12各自由一个、两个或更多个第一过滤元件供应。
图5示出了本公开的另一实施方案。与前述实施方案相同，第一过滤元件4通过耦合件6连接至第二过滤元件12。在该实施方案中，第一过滤元件4和第二过滤元件12位于储存器2内。第一过滤元件4可为如上所述实施方案中公开的陶瓷过滤器。根据一些实施方案，过滤元件4为中空圆筒，其被设计成使水或其他流体从外表面流经孔进入中空内部空间。在元件4的顶端和底端处，第一过滤器壳体部分7和5封闭中空圆筒的端部。储存器2中的水流经元件4的表面并进入中空内部。
压力平衡管8与顶部壳体7连接，并向上延伸足够的距离，以在储存器2中的水的表面上方延伸。在一些实施方案中，管8在储存器2的顶边缘上方延伸。管8能够使空气流入和流出过滤元件4的中空内部空间。这确保了空气将不会被截留在元件4内。这种截留的空气会阻碍水流经第一过滤元件4。
耦接件6与底部壳体5连接。与前述实施方案相同，耦接件6接合元件4与第二过滤元件12。耦接件可为螺纹连接、卡扣连接、乳业用配件连接、过盈配合或其他已知的连接机构。
第二过滤元件12包括壳体16。如前述实施方案所述，第二过滤元件15位于壳体16内。壳体16是不透水的，使得来自储存器2的水仅通过耦接件6从第一过滤元件4进入过滤元件12。
出口17位于第二过滤器壳体16的底部。出口17延伸通过储存器2的底表面并进入到集液槽14。在壳体16的底表面和储存器2的底部之间和/或在出口17的外表面和储存器2的底部之间形成密封。该密封防止水绕过过滤元件4、12。
在运行时，将待过滤的水或其他流体放入储存器2中。水流经第一过滤元件4中的孔，通过管8从元件4的内部排出空气。通过流经元件4将水部分地过滤。根据一些实施方案，元件4为陶瓷烛式过滤器，其可除去大于一定尺寸、例如0.5微米的颗粒。根据优选实施方案，第一过滤元件4将从储存器2流出的水中的有机酸浓度降低了约40％至60％。根据一些实施方案，使用腐殖酸(腐殖酸工业级；CAS No.68131-04-4；由MilliporeSigma制造)表征过滤系统1的部件的性能。
预过滤的水从第一过滤元件4向下流经耦接件6，然后通过第二过滤元件12。可以如在2020年6月29日提交的共同待审美国专利申请No.16/915,166和/或在2020年6月29日提交的美国专利申请No.16/915,125所述形成第二元件12，这些专利申请通过引用并入本文。在已经通过第二元件12之后，水向下流经出口17进入集液槽14。
根据一些实施方案，在使用具有由表孔构成大部分的孔隙率的碳颗粒形成第二过滤元件材料15的情况下，其中预过滤的水的腐殖酸浓度为约10ppm，在流经第二过滤元件之后，腐殖酸浓度减小至小于2ppm，优选小于约1ppm，并且最优选减小至小于约0.3ppm。根据另一实施方案，有机酸的初始浓度可为100ppm至10ppm。有机酸可以选自腐殖酸、富里酸或单宁酸以及它们的组合中的一者或多者。
图6示出了本公开的另一实施方案。储存器2容纳一定量的待过滤的水或其他流体。第一过滤元件4位于储存器2内。在该实施方案中，第一过滤元件4是中空的，并且在上端具有封闭的圆顶形部分19。与前述实施方案相同，过滤元件4可为陶瓷过滤器，其具有孔，这些孔适于使流体通过过滤器的表面并进入中空内部空间，同时阻止大于一定尺寸、例如0.5微米的颗粒通过。过滤元件4的下端由下壳体5封闭。与前述实施方案相同，下壳体5与耦接件6连接。
与前述实施方案相同，耦接件接合第一过滤元件4与第二过滤元件12。耦接件可为螺纹连接、卡扣连接、乳业用配件连接和过盈配合、或其他已知的连接机构。
第二过滤元件16包括过滤元件材料15。可以如前述实施方案中所公开的那样形成过滤元件材料15。储存器2中的水或其他流体流经第一过滤元件4的孔，并向下通过耦接件6，然后通过第二过滤器12。过滤的水或其他流体流经出口17进入集液槽14。
在一些实施方案中，第一过滤元件4在储存器2内延伸的高度位于储存器中的水面上方。根据另一实施方案，第一过滤元件4延伸至储存器2的上边缘上方。这种布置使得空气通过第一过滤元件4在储存器中的水面上方延伸的部分进行扩散，以将过滤元件内部的压力维持在环境压力或接近环境压力。
图7示出了本公开的另一实施方案。与图6所示的实施方案相同，第一过滤元件4位于储存器2内。第一过滤元件4具有中空内部空间，并且在上端由半球形部分19封闭。过滤元件4的下端与封闭内部空间下端的下部过滤器壳体5啮合。
壳体5与耦接件6连接。如上所述，耦接件6可移除地连接第一过滤元件4与第二过滤元件12。在图7的实施方案中，第二过滤元件12位于储存器2的底表面的下方。在第二过滤元件12的下侧设置有开口。与前述实施方案相同，水或其他流体从储存器2流动进入第一过滤元件4内的内部空间，向下通过耦接件6并通过第二过滤元件12。过滤的流体从第二过滤元件12底部处的开口流动进入集液槽14。
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 (20)

1.一种过滤系统，包括：
第一过滤元件，所述第一过滤元件与未经处理的流体源流体连通，其中所述未经处理的流体流经所述第一过滤元件以产生预过滤的流体；以及
第二过滤元件，所述第二过滤元件与所述第一过滤元件流体连通，其中来自所述第一过滤元件的所述预过滤的流体流经所述第二过滤元件以产生过滤的流体，
其中所述第一过滤元件包括适于阻止大于0.5微米的物质通过的材料，
其中所述第二过滤元件适于除去流体中的有机物，
其中所述有机物包括有机酸，
其中所述未经处理的流体具有初始浓度的所述有机酸，
其中在所述未经处理的流体中的所述有机酸的初始浓度减小了约40％至约60％，以产生具有预过滤浓度的所述有机酸的预过滤的流体，并且
其中在所述预过滤的流体流经所述第二过滤元件之后，所述有机酸的预过滤浓度减小了大于约80％，以得到所述过滤的流体中的所述有机酸的过滤浓度。
2.根据权利要求1所述的过滤系统，其中所述流体为水。
3.根据权利要求2所述的过滤系统，其中所述第一过滤元件包括陶瓷体和中空纤维膜过滤器中的一者或多者。
4.根据权利要求1所述的过滤系统，还包括容纳一定量的所述流体的储存器，其中将所述储存器、所述第一过滤元件和所述第二过滤元件竖直布置，并且其中所述流体通过由重力引起的压力梯度从所述储存器流动通过所述第一过滤元件和所述第二过滤元件。
5.根据权利要求1所述的过滤器，其中所述第二过滤元件包括通过非热塑性胶质材料粘附至第二介质颗粒的表面的第一过滤介质颗粒。
6.根据权利要求5所述的过滤器，其中所述非热塑性胶质材料包含：
含有壳聚糖和聚二烯丙基二甲基氯化铵的聚合物；
含有水的载剂；以及
增溶剂，
其中所述增溶剂包括以下中的一者或多者：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5所述的过滤系统，其中所述第二过滤元件还包括粘结剂，并且其中所述第二介质颗粒通过所述粘结剂彼此粘附。
8.根据权利要求4所述的过滤系统，还包括与所述储存器流体连通并容纳所述第一过滤元件的第一壳体、容纳所述第二过滤元件的第二壳体、以及在所述第一壳体和所述第二壳体之间流体连接的耦接件，其中所述耦接件延伸通过从所述第一壳体至所述第二壳体的竖直距离，并且其中在所述第二过滤元件处的水头压力大于0.25psi。
9.根据权利要求4所述的过滤系统，还包括环境压力均衡管，所述管从所述第一壳体竖直向上延伸，其中所述储存器中的流体限定液面，并且其中所述管在所述液面上方竖直延伸。
10.根据权利要求8所述的过滤系统，其中所述第一过滤元件和所述第二过滤元件可移除地置于相应的所述第一壳体和所述第二壳体中。
11.根据权利要求1所述的过滤系统，其中所述有机物还包括细菌、病毒和孢囊中的一者或多者。
12.根据权利要求1所述的过滤系统，其中所述有机酸为腐殖酸、富里酸和单宁酸中的一者或多者。
13.根据权利要求1所述的过滤系统，其中所述第二过滤元件包括总孔体积大于约0.4cc/g的多孔材料，其中由表孔提供的总孔体积的百分比大于约40％，并且其中由微孔提供的孔体积小于约0.1cc/g。
14.根据权利要求1所述的过滤系统，其中通过所述过滤系统的流体通量大于0.7ml/min/cm2。
15.根据权利要求5所述的过滤系统，其中所述第一过滤介质颗粒具有第一平均粒度，其中所述第二介质颗粒具有第二平均粒度，其中利用所述非热塑性粘合剂将所述第一介质颗粒粘附至所述第二介质颗粒的表面以形成过滤材料颗粒，其中所述过滤材料颗粒具有第三平均粒度，并且其中所述第三平均粒度大于所述第一平均粒度。
16.根据权利要求15所述的过滤系统，其中所述第一平均粒度为约1μm至约75μm。
17.根据权利要求15所述的过滤系统，其中所述第二平均粒度为约75μm至约3000μm。
18.根据权利要求15所述的过滤系统，其中所述第三平均粒度为约75μm至2000μm。
19.根据权利要求15所述的过滤系统，其中所述第二过滤元件还包括粘结剂，其中所述过滤材料颗粒通过所述粘结剂彼此连接以形成过滤元件，其中在过滤材料颗粒之间形成间隙空间，并且其中一部分所述第一过滤介质颗粒位于所述间隙空间内。
20.根据权利要求8所述的过滤系统，其中所述第一壳体包括多个第一壳体，各壳体具有多个第一过滤元件中相应的一个第一过滤元件，其中软管包括一个或多个支管，并且其中所述耦接件包括将所述多个第一壳体连接至所述第二壳体的软管。
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