CN1220542C - 碳块型水过滤器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活性炭单元过滤器(10)包括一种独特结合的碳混合物。该碳混合物的平均粒径宜在约60微米-80微米的范围内，粒度分布中，大于140目的颗粒小于10重量%，小于500目的颗粒小于10重量%。碳混合物的平均粒子直径更宜在约65微米-75微米的范围内。碳混合物的平均粒径甚至更宜在70微米左右，粒度分布中，大于140目的颗粒小于7重量%，小于500目的颗粒小于7.5重量%。

Description

碳块型水过滤器

发明领域

本发明涉及过滤器，更具体而言，涉及用于水处理装置系的碳块型水过滤器。

技术背景

应用家庭水处理装置处理饮用水在美国及国外日益剧增，部分原因是公众日益关心消耗未处理的饮用水带来的问题，最有效益的常规家庭水处理装置通常应用碳块型过滤器从水流中去除颗粒物和吸附有机杂质。常规的碳块型过滤器包括密集填充的活性炭颗粒，它们结合在一起形成块，未处理的水通过该密实的块过滤。当未处理的水流过这种密实的碳砖时，过滤和吸附的联合作用使颗粒物和有机杂质从水流中以大比例地去除。

碳块型过滤器的制造比较复杂，通常包括各种相互竞争因素的仔细平衡。已知，较小的碳颗粒能改善过滤。主要原因在于较小的颗粒表面积大，从而得到能俘获较小颗粒物的密实块，不幸的是，较小的碳粒度会带来一些问题。首先，通过过滤器的水流量会大受影响。密实块不仅俘获较小的颗粒物，还大大地限制水的流动，大大降低给定时间内能够处理的水量。其次，高百分比的较细碳颗粒使常规的生产技术难以制造碳块。更具体而言，较高程度的细颗粒干扰粘接剂形成实心碳块的能力，这将引起碳块的破裂、易碎和其它缺点，这些又会使产率降低。为了平衡这些问题，常规碳块型过滤器制造商通常利用较大的碳颗粒制造碳块。另一种方法是增加块中所含粘接剂的量。这两种措施一般都会增高产率，但同时会降低过滤器的效率。典型的碳块型过滤器用标准的80×325目的碳制造。虽然标准的80×325目碳的精确粒度分布随制造商和批次有所变化，但它通常包含着高百分比的+140目碳颗粒(即尺寸大于140目的颗粒)和低百分比的-325目碳颗粒(即尺寸小于325目的颗粒)。典型的80×325目的碳的平均颗粒直径通常在98微米或更大的范围内。其结果，从典型的80×325目的碳制造的过滤器一般能提供较高的产率和流量，但不具优越的过滤性能。

为了以产率和流量为代价来增强过滤性能，另一碳块制造商降低了制造块所用的碳颗粒的平均粒径。为了制造这种碳混合物，将通常磨碎成典型的80×325目的碳通过一种专门的研磨工序，其目的是增加小于325目的碳颗粒子的量。虽然，该研磨工序本身会带来某些变化，但这种改性的碳混合物的平均粒度一般约为75微米，粒度分布中大约25％或更多的碳颗粒大于140目，25％或更多的碳颗粒小于500目。虽然，所得到的碳块型过滤器提供了改善的性能，但高含量的小碳颗粒使流量降低，并使产量损失达20-30％。此外，高含量的细碳颗粒制造的碳块型过滤器较软，从而易于受损伤。

发明内容

本发明克服了上面提到的问题，其中碳块型过滤器由一种独特的碳混合物制造，该混合物改进了碳块型过滤器的性能、流量、硬度和产率。该碳混合物优选的平均粒径约为60-80微米，粒度分布中，+140目的少于约10％，-500目的少于约10％。碳混合物用常规粘合剂粘合在一起，形成整块碳。该碳块可按各种常规技术组装入多种碳块型过滤器中。

在一更优选的实施方案中，碳块型过滤器用一种碳混合物制造，其平均粒度约为65-75微米，粒度分布中，+140目少于约10％，-500目的小于约10％。

在一最优选的实施方案中，碳块型过滤器由一种碳混合物制造，其平均粒度约为70微米，粒度分布中，+140目的少于约7％，-500目的少于约7.5％。

本发明提供一种碳块型过滤器，它减小了平均粒径，因而提高随时间的过滤性能。该碳混合物同样改善了产率。其次，本发明提供一种较不易于受损伤的硬碳块。此外，本发明的过滤器的流量特性比有相似平均粒度的常规碳块型过滤器的流量特性有显著的改进。

参照优选实施方案和附图的详细叙述，本发明的其它目的、优点和特点将易于理解及明显。

附图简介

图1是按照本发明的一个优选实施方案制造的碳块型过滤器的剖面图；

图3是表示本发明一个优选实施方案的碳混合物的和现有技术中改性的80×325目碳的粒度分布的条线图；

图4是表示两种不同平均粒径的过滤器的过滤性能随时间的曲线图，其氯仿平均流入量为340ppb；

图5是表示用改性的80×325目碳制造的过滤器和用本发明一个优选实施方案的碳混合物制造的过滤器流量的曲线图；

图6是表示用改性的80×325目碳制造的过滤器和用本发明一个优选实施方案的碳混合物制造的过滤器的硬度试验结果表；

图7是本发明不同实施方案中各种碳混合物的粒度分布条线图。

本发明的实施模式

本发明一个优选实施方案的碳块型过滤器示于图1，总体用10表示。碳块型过滤器10通常包括碳套环(或碳块)12，无纺塑料芯体14同心地置于在碳套环12中，上端盖16和底端盖18。织物22和织物纱布20包绕碳套环12并由塑料网包层24就位。碳套环12是粘接的活性炭的空心圆柱形块。活性炭混合物的颗粒具有独特的平均粒度和粒度分布，它们使碳块型过滤器具有多种优点，这些优点将在下面详细叙述。虽然以空心圆柱形块描述，但本发明同样适用于各种不同结构的碳块型过滤器。本文中所用的“内”，“向内”，“外”，“向外”系指相对于碳块型过滤器的几何中心轴线的方向。

无纺塑料芯14是常规的无纺塑料，例如纺粘聚丙烯，它界定容许水易于通过套环芯体流动的多孔环形壁，特别是在径向方向上。塑料芯体14宜用合意的无纺材料的卷片制造。在操作中，无纺材料防止从过滤器分离进入排出流的大碳颗粒的流动，但它是多孔的，容许足够的水流动。塑料芯体14的外径将随不同的应用而变化，但宜选择能与碳套环12内径相适配。塑料芯体14的外径宜约为1英寸。

上端盖16坐落在碳套环12的上轴端，以便防止水流过碳套环12的上轴端。上端盖16宜用无孔的聚合物材料，如聚丙烯制造。上端盖16宜界定中心开口30，开口30与塑料芯体14同轴，而轴颈32围绕开口30。轴颈32是带螺纹的，它容许碳块型过滤器10通过螺纹安装到具有相配螺纹的过滤器壳上(未示出)。开口30的内径宜约与芯体14的内径相当。

底端盖18坐落在碳套环12的底轴端上，以便防止水流过碳套环12的底轴端、底端盖18基本上与上端盖16相同，只是它完全封闭并且不包括任何轴颈或开口。

内碳套环12是用常规碳块粘合剂粘接在一起的活性炭颗粒的邻接块。碳套环12宜包括界定中心口径28的环形壁26。壁26和中心口径28的尺寸随应用情况而变化。碳混合物的形成将在下面较详细地叙述。粘合剂宜是有很低熔体指数(熔体流动速率)的聚合物材料，而且优选是超高分子量的高密度聚乙烯如Hostalen^GUR-212。优选的粘合剂与相关的碳块型过滤器叙述并公开在Vander Bilt等人的美国专利4,753,728中。该专利的论述内容引此作为参考。

本发明的碳块型过滤器10是利用常规的制造技术和设备制造的。一般说来，粘合剂(粉末状)和碳均匀混合，以使粘合剂均匀分散在整个碳中。粘合剂的量按碳和粘合剂总量计宜为17-25重量％，最优选20重量％。碳和粘合剂一道送入常规的圆柱形模具中(未示出)，模具有一向上凸起的中心模柱。然后模具及其所含物料被加热到约175℃至约205℃。同时碳和粘合剂一起用常规的压力活塞(未示出)加压约206.8至约827.0千帕，活塞向下进入模具，该活塞包含适于模柱的中心开孔。然后碳和粘合剂经冷却，所得结构从模具中取出，其形式为整体式碳套环12。

如果需要，对碳套环12再进行修整。织物22和纱布20加到碳块上，主要起预过滤器的作用。通常，切出一层无纺纱布20和稍厚的无纺布22并缠绕碳块。织物22优选的有效孔隙约为10微米，厚度大约3.18毫米。织物22和纱布20用塑料网24就位，该网按常规方式缠绕到织物22和纱布20的外面。

无纺塑料芯体14通常是从符合要求的无纺材料片上切剪的。切剪的材料片卷成管状并插入碳套环12的中心。芯体14可粘合或以其它方式固定在碳套环12的中心，但典型的就位方式是籍助它的展卷倾向和它与端盖16和18的相互作用引起的摩擦力。

底端盖18是按常规方式利用常规铝模具(未示)制造的。一般，将塑料粉末，例如聚丙烯粉末送入铝模具中并加热至液态。然后将碳套环12推入模具，使其底轴端与塑料接触，一直保持到塑料冷却和硬化，以界定出底端盖18。上端盖16按相似的方法制造，不同的是上端盖模具(未示)的形状能界定出内螺纹颈32。塑料粉末再次倒入模具并加热至液态。再将碳套环12推入上端盖模具中，使其上轴端与塑料接触。碳块保持直至塑料得到足够的冷却。使碳套环12和端盖组件从螺纹部件上旋出并将其从模具中取出。另外，上和底端盖可分开制造，例如用常规注模法，然后用粘合剂、胶泥或其它方式附着在碳套环12上。如果愿意，螺纹插件可应用在上端盖的模压过程中，以便提供将碳块型过滤器10附着到适当过滤器壳中的螺纹部件。

为了达到本发明的目的，碳粒度和粒度分布一般将用常规湿筛分析测定的网目尺寸表示。湿筛分析是一种常规方法，其中碳混合物按其粒度分成多个范围或“多个料箱”。一般，碳混合物借助于水逐步通过一系列的筛，各个筛的筛孔逐渐减小，直到500目筛网。大于一个具体筛网尺寸的颗粒将留在筛上，而较小的颗粒通过此筛到下一个较小的筛，小于500目筛网的颗粒通常称为“细粒”。细粒的量可明显地随碳混合物的不同而变化，在某些碳混合物中可达20重量％。细粒通常被碳生产者本身在其碳的分级中忽略。在本发明中，包括权利要求中细粒是为粒度分布所用，不管平均粒径。作为一种方法，常规的网目尺寸标志将用来表示尺寸范围。更具体而言，在网目尺寸之前的标志“+”表示颗粒过大不能通过所指的网目。例如+140目表示颗粒过大不能通过140目的筛。同样，网目尺寸前的标志“-”表示颗粒子足够小，能通过所示尺寸的筛。例如，-500目表示颗粒甚小，足能通过500目的筛。利用这种标志，术语“细粒”表示-500目的碳颗粒。在涉及颗粒分布时，两个网目尺寸之间的标志“×”表示尺寸范围，例如140×200表示碳颗粒尺寸的范围或料箱中颗粒小于140目和大于200目。

本发明的碳混合物的独特性质在图3中描述。现有技术中典型的80×325目碳的颗粒度重量分布是利用常规湿筛分析得到的典型80×325目的碳的代表性分布，但应承认，典型的80×325目的碳的粒度分布和平均粒径随制造厂家和批次不同而变化。一些已知的碳制造厂家的典型80×325目的碳在市场上是“现用的”，并被多个碳块型过滤器制造厂不加改性地采用。在现有技术中，+140目的颗粒的百分数大于40％。在这个具有代表性的分布中，平均粒径约为98微米。用这种碳制造的碳块型过滤器具有多个缺点，包括较低的过滤性能。图3说明了利用常规湿筛分析测出的现有技术的改性的80×325目的碳粒度的重量分布。这种碳被称为“改性的”，因为它用改性的研磨方法制造的，其目的在于降低平均粒径。更特殊的是，改性的80×325目的碳经研磨使细粒的量增高，这反过来使平均粒径降低并使过滤性能变优。如图所示，+140目的颗粒的百分数大于25％，而-500目的颗粒的百分数接近20％。用这种改法的80×325目的碳制造的碳块型过滤器与用典型的80×325目的碳制造的过滤器相比，其过滤性能得到改善，但却带来了其它缺点。例如，用改性的80×325目的碳制造的过滤器比较软、流量降低、产率损失达20％。

图3同样说明了利用常规湿筛分析测得的本发明一个优选实施方案的碳混合物的粒度量量分布。如图所示，+140目的颗粒的百分数小于5％，-500目的颗粒的百分数约为7.5％。用本发明独特的碳制造的碳块型过滤器与用改性的80×325目的碳制造的相比，产率得到明显的改善(达98％)。本发明相对于现有技术的典型的和改性的80×325目的碳的其它优点将在下面叙述。

与用较大平均粒度如典型的80×325目的碳的混合物制造的示于图1的碳块型过滤器相比，本发明过滤器的过滤性能得到改善。首先，较小平均粒径的过滤器的机械过滤得到改善。这是由于水应流过的碳颗粒之间的空间平均而言较小。由于此空间较小，它们能机械俘获较小的颗粒，而使机械过滤性得到改善。其次，较小平均粒径的过滤器同样改进了随时间的过滤性能。图4表示平均粒径较低的碳块型过滤器过滤性能改善的情况。图4比较了不同平均粒径的过滤器按照ANSI/NSF 53-1999a，标题为“饮用水处理装置-健康效果，挥发性有机化合物(VOC)降低”的标准进行试验得到的氯仿随时间减小的情况，该文在此引为参考。试验是为了通过测量该过滤器在丧失指定水平的过滤能力之前能处理的水量，以定出过滤器寿命的量度。正如ANSI/NSF53-1999a所规定那样，如果它不再能使氯仿的减小至少达到95％，则过滤器失效。A线是由平均粒径为92微米的碳块型过滤器对于氯仿平均流入量为340ppb的氯仿减少有分数的图形。如图所示，此过滤器的性能在大约处理了4542升的水后便开始急剧下降。事实上，该过滤器下降到ANSI/NSF 53-1999a规定的95％的减小时是在大约处理了6245升之后。B线是平均粒径为65微米的碳块型过滤器在氯仿平均流入量为340ppb的情况下氯仿减小百分数的图形。如图所示，甚至在处理7570升(2000加仑)水之后，此过滤器的性能仍保留在95％以上，从而证明了随时间的过滤性能得到了改善。

本发明与用现有技术的改性的80×325目的碳制造的常规碳块型过滤器相比，其流量同样到改善。图5表示在表压为68.92千帕-206.8千帕下水通过试验性碳块型过滤器的流量。这个压力范围大致相当于典型家用过滤器块的压差范围。C线表示水在68.92-206.8千帕之间通过用改性的80×325目的碳制造的过滤器的流量。D线表示水在压力为68.92-206.8千帕之间水通过用本发明的一个优选实施方案的碳混合物制造的过滤器的流量。如图所示，用优选碳制造的过滤器的流量得到改善，这表明，它在给定的时间内能处理更多的水。

本发明与现有技术的改性的80×325目的碳相比的另一优点在于，它给出较硬的(较强的)碳块型过滤器。图6表示用优选碳制造的过滤器和用现有技术的改性的80×325目的碳制造的过滤器的六个硬度试验的结果。试验按ASTM D217-97进行，此标准在此引为参考。通常，试验包括在一定的指定条件下由加重锥穿透过滤器的量。试验采用Precision Scientfic公司制造的锥穿透计进行。如图所示，用优选碳制造的过滤器被证明比用改性的80×325目的碳制造的过滤器硬得多。事实上，对于优选碳而言，六次试验的平均穿透只为改性的80×325目的碳的一半。这些试验表明，用优选碳制造的碳块型过滤器可能较不容易例如在制造、运输和安装过程中受到损伤。

虽然本发明以特定的粒度分布和平均粒径进行描述，但本发明试图包括其平均粒径和粒度分布与所述实施方案稍有变化的碳混合物范围。更具体而言，本发明针对其平均粒径约在60微米-80微米之间的碳混合物，而且其中+140目的颗粒和-500目的颗粒在粒度分布中各小于大约10％。但是，平均粒径较优选65-75微米，更优选70微米左右。+140目的颗粒和-500目的颗粒较优选各小于粒度分布的约8％，最优选分别小于7％和7.5％。最优选的平均粒径和粒度分布应该提供一种过滤性能、流量、产率和硬度的最佳平衡。图7表示本发明不同实施方案的不同碳混合物的粒度分布。图7不想限制本发明的范围，而只是想提供满足本发明平均粒径和粒度分布要求的各种碳混合物的代表性样品。

上述是本发明一个优选实施方案的描述。在不背离本发明所附权利要求所界定的实质和较宽范围下可作出不同的替换和改变，权利要求将按照专利法原则，包括等同论进行解释。任何权利要求中使用例如，“a”、“an”、“the”或“said”，不应认为是对单一性的限制。

工业应用性

本文所述的碳块型过滤器可用于水过滤装置。该碳块型过滤器特别适用于家用水处理装置。

Claims (22)

1.一种包含活性炭颗粒和粘合剂的用于碳块型过滤器的碳块，其中该活性炭颗粒的平均粒径为60微米-80微米，而且其中该活性炭颗粒的粒度分布中，大于140目的活性炭颗粒小于10重量％，小于500目的活性炭颗粒小于10重量％。

2.权利要求1的碳块，其中该平均粒径进一步界定为65微米-75微米。

3.权利要求1的碳块，其中该粒度分布进一步界定为大于140目的活性炭颗粒小于8重量％。

4.权利要求1的碳块，其中该粒度分布进一步界定为小于500目的活性炭颗粒小于8重量％。

5.权利要求1的碳块，其中该粒度分布进一步界定为大于140目的活性炭颗粒小于7重量％。

6.权利要求1的碳块，其中该粒度分布进一步界定为小于500目的活性炭颗粒小于7.5重量％。

7.权利要求1的碳块，其中该平均粒径进一步界定为70微米。

8.权利要求7的碳块，其中该粒度分布进一步界定为大于140目的活性炭颗粒小于7重量％，小于500目的活性颗粒小于7.5重量％。

9.一种碳块型过滤器包括：

由活性炭颗粒与粘合剂粘合在一起组成的碳块，该活性炭颗粒的平均粒径在60微米-80微米，而且粒度分布为大于140目的颗粒和小于500目的颗粒皆少于10重量％；

安装在该碳块相对两端的第一和第二端盖；和

围绕该碳块的无纺布。

10.权利要求9的过滤器，其中该平均粒径进一步界定在65微米-75微米。

11.权利要求9的过滤器，其中该粒度分布进一步界定为大于140目的活性炭颗粒小于8重量％。

12.权利要求11的过滤器，其中该粒度分布进一步界定为小于500目的活性炭颗粒小于8重量％。

13.权利要求9的过滤器，其中该粒度分布进一步界定为大于140目的活性炭颗粒小于7重量％。

14.权利要求13的过滤器，其中该粒度分布进一步界定为小于500目的活性炭颗粒小于7.5重量％。

15.权利要求14的过滤器，其中该平均粒径进一步界定为70微米。

16.一种用于碳块型过滤器的碳块，它包含粘合剂和由该粘合剂粘合在一起的活性炭颗粒混合物，该活性炭颗粒的粒度分布为大于140目的颗粒小于10重量％，小于500目的颗粒少于10重量％。

17.权利要求16的碳块，其中该活性炭颗粒的平均粒径在60微米-80微米，粒度分布进一步界定为大于140目的颗粒少于7重量％，小于500目的颗粒少于7.5重量％。

18.权利要求17的碳块，其中活性炭颗粒的平均粒径为70微米。

19.一种用于制造碳块型过滤器的碳块的方法，包括下列工序：

提供一种活性炭颗粒，其平均粒径为60微米-80微米，其粒度分布为大于140目的颗粒和小于500目的颗粒子均少于10重量％；

将活性炭颗粒与粘合剂混合；

将粘合剂基本上均匀地分散到整个活性炭颗粒中；

对混合的活性炭颗粒和粘合剂施加热和压力；以及

使混合的活性炭颗粒和粘合剂固化，从而形成整体结构。

20.权利要求19的方法，其中活性炭颗粒进一步界定为其平均粒径为65微米-75微米。

21.权利要求19的方法，其中活性炭颗粒进一步界定为其平均粒径为70微米。

22.权利要求21的方法，其中活性炭颗粒进一步界定为大于140目的颗粒小于7重量％，小于500目的颗粒少于7.5重量％。

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