DE3719233A1 - Selbsttragender filterkoerper - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen selbsttragenden mechanisch
bearbeitbaren Filterkörper zum Reinigen von Trinkwasser oder
vergleichbaren Flüssigkeiten im Durchfluß, insbesondere für
Filter, die zum Anschluß an eine Leitungswasser-Zapfstelle
im Haushalt ausgelegt sind, mit Teilchen aus pulverförmiger
Aktivkohle oder einem vergleichbaren Adsorptionsmittel mit
großer spezifischer Oberfläche und Teilchen eines thermo
plastischen Bindemittels, die mit den Teilchen des Absorp
tionsmittels durch Anwendung von Wärme und Druck verbunden
worden sind.
Bei Filterkörpern der angegebenen Art, z. B. DE-OS 15 17
298, DE-OS 31 05 887, ist es schwierig, ein sicheres
Abfangen auch sehr kleiner Teilchen bei ausreichend niedri
gem Strömungswiderstand und ausreichender mechanischer
Festigkeit zu erzielen. Diese Schwierigkeit zeigt sich
besonders bei der Verwendung in Filtern, die für den
Anschluß an Leitungswasser-Zapfstellen in Haushalten be
stimmt sind. Bei derartigen Filtern ist nur ein begrenzter
Aufwand bezüglich der Abmessungen sowie Anschaffungs- und
Betriebskosten annehmbar, und der Filterkörper muß eine so
große Festigkeit haben, daß er beim Ein- und Ausbau ohne
besondere Sorgfalt gehandhabt werden kann, ohne daß dabei
die Gefahr besteht, daß Teile abbröckeln und zu Verstop
fungen Anlaß geben können. Außerdem ist es erwünscht, daß
der Filterkörper mechanisch bearbeitbar ist, damit er
erforderlichenfalls bequem zurechtgeschnitten werden kann.
Eine ausreichend hohe Festigkeit bedingt die Verwendung
eines entsprechend hohen Anteils an Bindemittel; dadurch
vermindert sich jedoch die Adsorptionskapazität in uner
wünschter Weise. Hinzu kommt, daß der Filterkörper im
Gebrauch
eine genügend hohe Standzeit haben muß, damit er nur in
großen Zeitabständen ausgewechselt zu werden braucht. Da von
dem Bindemittel ein Teil der wirksamen Oberfläche der
Aktivkohle-Teilchen besetzt wird, sind hohe Anteile an
Bindemittel auch in bezug auf die Standzeit nachteilig.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen mechanisch
festen und bearbeitbaren Aktivkohle-Filterkörper zu schaf
fen, der auch sehr kleine Teilchen abfängt und dennoch einen
so niedrigen Strömungswiderstand für Wasser und vergleich
bare Flüssigkeiten aufweist, daß er mit annehmbar kleinen
Abmessungen in Filtern für den Anschluß an Wasser-Zapfstel
len im Haushalt gut geeignet ist.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mit einem
Filterkörper der eingangs angegebenen Art, der dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Bindemittelteilchen im wesent
lichen eine von der Kugelform abweichende knollige Gestalt
haben und aus einem Bindemittel bestehen, das bei Erwärmung
in einem Übergangs-Temperaturbereich noch ein viskoelasti
sches Verhalten zeigt, aber oberflächlich genügend klebrig
wird, um eine Bindung mit den Aktivkohleteilchen einzugehen.
Überraschenderweise haben erfindungsgemäße Filterkörper eine
besonders günstige Kombination von niedrigem Strömungs
widerstand und Filterfeinheit, und zwar bei guter mechani
scher Festigkeit und leichter Bearbeitbarkeit. Nach derzei
tiger Erkenntnis können die günstigen Eigenschaften erfin
dungsgemäßer Filterkörper darauf zurückzuführen sein, daß
die knolligen Teilchen des Bindemittels den Raum zwischen
den Aktivkohle-Teilchen weniger vollständig erfüllen als
kugelförmige Bindemittelteilchen, und daß durch die visko
elastischen Eigenschaften des Bindemittels ein Zerfließen
des Bindemittels auf den Aktivkohle-Teilchen während des
unter Temperaturerhöhung vor sich gehenden Herstellvorganges
vermieden werden kann. Es ist deshalb von Bedeutung, daß bei
dem erfindungs
gemäßen Filterkörper die Teilchen des Bindemittels noch
weitgehend in ihrer ursprünglichen knolligen Gestalt vorlie
gen, also nicht durch zu hohe Erwärmung beim Herstel
lungsvorgang zerflossen sind. Durch die viskoelastischen
Eigenschaften des Bindemittels gibt es einen für praktische
Erfordernisse bei der Herstellung genügend breiten Bereich
von Temperaturen und Drucken, bei denen vorspringende
Bereiche der Bindemittelteilchen sich genügend fest mit
Aktivkohleteilchen verbinden, ohne daß das Bindemittel über
größere Bereiche der Aktivkohleteilchen fließt und diese für
den Filtrationsvorgang unwirksam macht. Es werden also von
den Bindemittelteilchen unter weitgehender Erhaltung ihrer
Gestalt Verbindungsbrücken gebildet, die nur in verhältnis
mäßig kleinen Bereichen der Aktivkohleteilchen angefügt
sind.
Für die Zwecke der Erfindung geeignete Bindemittel lassen
sich insbesondere unter Polyethylenen finden. Polyethylen
ist wegen seines niedrigen Preises, seiner leichten Verar
beitbarkeit, seiner chemischen Reaktionsträgheit und seiner
günstigen mechanischen und thermischen Eigenschaften auch in
anderer Hinsicht von Vorteil.
Besonders günstige Ergebnisse lassen sich mit Niederdruck-
Polyethylen mit einem Molekulargewicht im Bereich 3 . . . 7×106
erzielen. In diesem Bereich von Molekulargewichten sind
insbesondere die viskoelastischen Eigenschaften gut ausge
prägt.
Das Volumenverhältnis Bindemittel:Aktivkohle beträgt
vorzugsweise etwa 3:7 bis 7:3. In diesem Bereich lassen sich
ausreichende Festigkeit und gute Filtrationsleistungen
leicht miteinander vereinigen. In der Praxis ist meist ein
Volumenverhältnis von etwa 1 brauchbar.
Vorzugsweise enthält der erfindungsgemäße Filterkörper ein
stationäres Entkeimungsmittel wie Silber. Dadurch wird in
bekannter Weise verhindert, daß sich im Inneren des
Filterkörpers ein Keimbewuchs ausbildet. Besonders vorteil
haft ist es, wenn als Entkeimungsmittel Silberpulver in den
Filterkörper eingearbeitet ist. Fein verteiltes metallisches
Silber zeigt in Leitungswasser eine erwünschte antibakte
rielle Wirkung und wird nur sehr langsam von dem durchlau
fenden Wasser aufgezehrt, so daß nur wenig Silber erforder
lich ist. Statt metallischem Silber kann auch als Entkei
mungsmittel eine schwer lösliche Silberverbindung wie
Silbersulfid oder Silberchlorid in dem Filterkörper fein
verteilt vorgesehen sein. Je nach der Zusammensetzung der zu
filtrierenden Flüssigkeit können derartige Silberverbindun
gen eine längere Standzeit als metallisches Silber haben.
Damit Bakterien abfiltriert werden, hat der erfindungsgemäße
Filterkörper vorzugsweise eine solche Porosität, daß Parti
kel mit einem Durchmesser bis hinunter zu 1 bis 0,2 µm
abfiltrierbar sind. Dies läßt sich durch entsprechende Wahl
der Teilchengrößen einstellen. Es zeigt sich dabei als
besonderer Vorteil, daß auch bei dieser sehr kleinen
Porengröße der Filterkörper noch einen genügend niedrigen
Strömungswiderstand aufweist, um bei im Haushalt vertretba
ren Abmessungen und mit den in Haushalt-Wasserleitungen
üblichen Betriebsdrücken von z.B. 4 bar einen für die
meisten Anwendungen ausreichenden Durchfluß von einigen
Litern pro Minute zu ermöglichen.
Der erfindungsgemäße Filterkörper läßt sich mit geringem
Aufwand in ähnlicher Weise herstellen wie vorbekannte
Filterkörper ähnlicher Zusammensetzung. Es wird in bekannter
Weise ein Gemisch aus pulverförmiger Aktivkohle und pulver
förmigem thermoplastischem Bindemittel gepreßt und eine
Zeitlang erhitzt, derart, daß sich die Teilchen des
Bindemittels mit den Teilchen der Aktivkohle verbinden, und
danach wieder abgekühlt; erfindungsgemäß lassen sich nach
diesem Verfahren
erfindungsgemäße Filterkörper herstellen, wenn als Bindemit
tel ein pulverförmiges ultrahochmolekulares thermoplasti
sches Material verwendet wird, das in einem Übergangs-Tempe
raturbereich noch ein viskoelastisches Verhalten zeigt, aber
oberflächlich genügend klebrig wird, um eine Bindung mit den
Kohleteilchen einzugehen, und dessen Teilchen eine von der
Kugelform abweichende knollige Gestalt haben, daß das
Gemisch gepreßt und auf eine in dem Übergangs
temperaturbereich liegende Temperatur erwärmt wird, und daß
der Preßdruck, die Temperatur und die Dauer der Erwärmung so
gewählt werden, daß nach dem Abkühlen die Bindemittelteil
chen unter weitgehender Beibehaltung ihrer Gestalt an den
Aktivkohleteilchen haften.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine gute Haftung
zwischen Aktivkohleteilchen und Bindemittelteilchen erzielt,
ohne daß die Bindemittelteilchen zerfließen und größere
Oberflächenbereiche der Aktivkohleteilchen versiegeln. Da
die Bindemittelteilchen im wesentlichen ihre knollige
Gestalt behalten und nicht zerfließen, bleiben die Durchgän
ge zwischen den Teilchen erhalten, und es ergibt sich ein
verhältnismäßig großes Porenvolumen auch in dem fertigen
Filterkörper.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ebenso einfach durchführ
bar wie bekannte ähnliche Verfahren, und es genügen im
Einzelfall einige wenige orientierende Versuche, um mit
vorliegenden Bindemittel- und Aktivkohlematerialien ein
optimales Ergebnis zu erzielen. Dabei ist hilfreich, daß bei
den in Frage kommenden Bindemitteln der Temperaturbereich,
in dem ein viskoelastisches Verhalten vorliegt, im allgemei
nen bekannt ist. Dies gilt insbesondere auch für besonders
geeignete Bindemittel aus der Gruppe Niederdruckpolyethylen
eines Molekulargewichts im Bereich 3 . . . 7×106. Pulverisiertes
Material dieser Art, bei dem die Teilchen die gewünschte
knollenförmige Gestalt haben, ist im Handel erhältlich, so
z.B. ein besonders gut geeignetes pulverförmiges Nieder
druck-Polyethylen eines Molekulargewichts von
etwa 4×106, bei welchem der Übergangs-Temperaturbereich
zwischen etwa 220 und 300°C liegen kann. Dabei ist es
allgemein günstig, wenn verhältnismäßig dicke Formkörper bei
höheren Temperaturen hergestellt werden als verhältnismäßig
dünne Formkörper.
Es hat sich gezeigt, daß die Haftung zwischen den Bindemit
telteilchen und den Aktivkohleteilchen weiter verbessert
werden kann, wenn die Erwärmung bei der Herstellung über
eine Zeitdauer von etwa 30 bis 120 Minuten aufrechterhalten
wird. Innerhalb dieses Bereichs ist eine Optimierung noch
dadurch möglich, daß verhältnismäßig dicke Formkörper über
eine längere Zeitdauer erwärmt gehalten werden als verhält
nismäßig dünne Formkörper.
Im allgemeinen werden mit Preßdrucken im Bereich von 7 bis
30 bar die besten Ergebnisse erzielt.
Die gewünschte Filterfeinheit wird durch entsprechende Wahl
der Teilchengröße der Aktivkohle eingestellt. Dabei kann die
Teilchengröße des Bindemittels in einem breiten Bereich
liegen. Grundsätzlich können Aktivkohlesorten mit mittleren
Teilchengrößen im Bereich von etwa 1 µm bis etwa 3 mm
verwendet werden. Für den schon beschriebenen Fall, daß der
herzustellende Filterkörper auch sehr kleine Teilchen im
Größenbereich 0,2 bis 1 µm zurückhalten soll, wird zweck
mäßigerweise eine Aktivkohle verwendet, bei der etwa 20
Vol-% eine Teilchengröße von etwa 1 µm aufweisen.
Bei dem Bindemittel wird oft statt der Teilchengröße die
Schüttdichte angegeben. Bei im Handel erhältlichen Sorten
Niederdruck-Polyethylen mit knollenförmiger Teilchengestalt
sind Sorten mit einer Schüttdichte von etwa 0,2 bis 0,25
g/cm3 besonders geeignet.
Wenn der Filterkörper eine verhältnismäßig geringe Dicke
hat, z.B. 0,5 bis 2 cm bei einem Durchmesser von z.B. 15 cm,
und/oder ein verhältnismäßig hoher Gehalt an Aktivkohle,
z.B. 50 Vol.-%, vorliegt, kann es zweckmäßig sein, bei der
Herstellung eine geringe Menge eines Verfestigungsmittels,
z.B. Polyethylen niederen Molekulargewichts, zuzugeben.
Die Figur erläutert in einer schematischen Schnittbild-Dar
stellung die Struktur des erfindungsgemäßen Filtereinsatzes.
Teilchen 1 eines pulverförmigen Adsorptionsmittels wie
Aktivkohle sind durch knollenförmige Teilchen 2 eines
thermoplastischen Bindemittels untereinander zu einem
selbsttragenden mechanisch bearbeitbaren Filterkörper ver
bunden. Die Bindemittelteilchen 2 sind durch die beim
Herstellen angewandten Druck- und Temperaturverhältnisse
ohne wesentliche Veränderung ihrer ursprünglichen Gestalt
nur in verhältnismäßig begrenzten Verbindungsbereichen 3 an
die Aktivkohleteilchen 1 geheftet. Wegen der knolligen
Gestalt der Bindemittelteilchen 2 ergibt sich ein verhält
nismäßig großes Porenvolumen 4. Die Bindemittelteilchen 2
sind nicht aufgeschmolzen und zerflossen, so daß ein
Versiegeln größerer Bereiche der Aktivkohleteilchen 1 durch
Bindemittel vermieden ist.
Bei der Herstellung des dargestellten Filterkörpers ist
Silberpulver als Entkeimungsmittel eingearbeitet worden. Die
Silberpulver-Teilchen 5 werden beim Herstellungsvorgang zum
größten Teil an die Bindemittelteilchen 2 gebunden.
Claims (20)
1. Selbsttragender mechanisch bearbeitbarer Filterkörper
zum Reinigen von Trinkwasser oder vergleichbaren Flüssig
keiten im Durchfluß, insbesondere für Filter, die zum
Anschluß an eine Leitungswasser-Zapfstelle im Haushalt
ausgelegt sind, mit Teilchen aus pulverförmiger Aktivkohle
oder einem vergleichbaren Adsorptionsmittel mit großer
spezifischer Oberfläche und Teilchen eines thermoplastischen
Bindemittels, die mit den Aktivkohleteilchen durch Anwendung
von Wärme und Druck verbunden worden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittelteilchen (2) im
wesentlichen eine von der Kugelform abweichende knollige
Gestalt haben und aus einem Bindemittel bestehen, das bei
Erwärmung in einem Übergangs-Temperaturbereich noch ein
viskoelastisches Verhalten zeigt, aber oberflächlich genü
gend klebrig wird, um eine Bindung mit den Aktivkohleteil
chen einzugehen.
2. Filterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Bindemittel im wesentlichen aus Polyethylen besteht.
3. Filterkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Polyethylen ein Niederdruck-Polyethylen mit einem
Molekulargewicht im Bereich 3 . . . 7×106 ist.
4. Filterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis Bindemit
tel:Aktivkohle etwa 3:7 bis 7:3 beträgt.
5. Filterkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gewichtsverhältnis etwa 1 beträgt.
6. Filterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß er ein stationäres Entkeimungs
mittel wie Silber enthält.
7. Filterkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß als Entkeimungsmittel Silberpulver in den Filterkörper
eingearbeitet ist.
8. Filterkörper nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Entkeimungsmittel eine schwer lösliche
Silberverbindung wie Ag2S oder AgCl in dem Filterkörper fein
verteilt vorgesehen ist.
9. Filterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß er eine solche Porosität
aufweist, daß Partikel mit einem Durchmesser bis hinunter zu
1 bis 0,2 µm abfiltrierbar sind.
10. Filterkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß er bei niedriger Dicke und/oder
hohem Gehalt an Aktivkohle ein Verfestigungsmittel enthält.
11. Verfahren zum Herstellen eines Filterkörpers nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Gemisch aus
pulverförmiger Aktivkohle oder einem anderen vergleichbaren
Adsorptionsmittel und einem pulverförmigen thermoplastischen
Bindemittel so weit und so lange gepreßt und erhitzt wird,
daß sich die Bindemittelteilchen mit den Aktivkohleteilchen
verbinden, und danach abgekühlt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein pulverför
miges ultrahocherhitztes thermoplastisches Material verwen
det wird, das in einem Übergangs-Temperaturbereich noch ein
viskoelastisches Verhalten zeigt, aber oberflächlich genü
gend klebrig wird, um eine Bindung mit den Kohleteilchen
einzugehen, und dessen Teilchen eine von der Kugelform
abweichende knollige Gestalt haben, daß das Gemisch gepreßt
und auf eine in dem Übergangs-Temperaturbereich liegende
Temperatur erwärmt wird, und daß der Preßdruck, die
Temperatur und die Dauer der Erwärmung so gewählt werden,
daß nach dem Abkühlen die Bindemittelteilchen unter weitge
hender Beibehaltung ihrer Gestalt an den Aktivkohleteilchen
haften.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß als Bindemittel Niederdruck-Polyethylen eines Molekular
gewichts im Bereich 3 . . . 7×106 verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei einem Bindemittel aus Niederdruck-Poly
ethylen eines Molekulargewichts von etwa 4×106 die Tem
peratur etwa 220 bis 300°C beträgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß verhältnismäßig dicke Filterkörper bei höherer Tempe
ratur hergestellt werden als verhältnismäßig dünne Filter
körper.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der Preßdruck und die Temperatur über
eine Zeitdauer von etwa 30 bis 120 Minuten aufrechterhalten
werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß verhältnismäßig dicke Filterkörper über einen längeren
Zeitraum erwärmt gehalten werden als verhältnismäßig dünne
Filterkörper.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Preßdruck im Bereich von etwa 7 bis
30 bar angewandt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Aktivkohle einer mittleren Teil
chengröße im Bereich 1 µm bis 3 mm verwendet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Aktivkohle verwendet wird, bei der
20 Vol-% eine Teilchengröße von etwa 1 µm aufweisen.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Polyethylen-Bindemittel mit einer
Schüttdichte von etwa 0,2 bis 0,25 g/cm3 verwendet wird.
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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