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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und einen Prozess
zum Entfernen unerwünschter
Partikel und Mikroorganismen aus Wasser und anderen Flüssigkeiten.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
und einen Prozess zur effizienten Filterung von Flüssigkeiten, etwa
von Wasser.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Wasser,
das für
den Genuss durch Personen verwendet werden soll, soll frei von krankmachenden Bestandteilen
sein oder soll eine Konzentration derartiger Bestandteile aufweisen,
die unterhalb eines krankmachenden Niveaus liegt. Um Trinkwasser
für Heim
und Industrie bereitzustellen, wenden öffentliche Einrichtungen industrielle
Stufenprozesse an, um krankmachende Bestandteile zu eliminieren
oder zu verringern, die in Wasser vorhanden sind, das von großen natürlich auftretenden
Wasserquellen bezogen wird. In kleinerem Maßstab wird Trinkwasser auch
häufig
von Brunnen und Quellen erhalten, wobei typischerweise keine Behandlung
vor dem Gebrauch des Wassers stattfindet.
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Nachteiligerweise
ist die Trinkbarkeit des Wassers gewisser Quellen manchmal fragwürdig. Die
Konsistenz und die Effizienz einer Aufbereitung durch öffentliche
Einrichtungen kann in Folge zahlreicher Faktoren, etwa starkem Regenfall,
Anlagenausfälle
und Bedarf variieren. Abhängig
von der Größe einer
Fluktuation bei der Aufbereitung kann ein öffentlicher Versorger gezwungen
sein, seine Kunden zu informieren, dass die Behandlung des gelieferten Wassers,
beispielsweise das Abkochen, beim Gebrauch erforderlich ist, bevor
der Wasserverbrauch als sicher zu betrachten ist. Wasser, das direkt
von einer natürlichen
Quelle bezogen wird, kann ebenso in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen
in der Nähe
der Quelle in Mitleidenschaft gezogen werden. Beispielsweise können Brunnen
und Quellen auf Grund von ablaufendem Regenwasser, das einen Kontaminationsstoff
in die Quelle spült,
kontaminiert werden. Daher besteht ein Bedarf für Flüssigkeitsfilterungsanlagen,
die in Größe und Maßstab für Heim- und
Geschäftsanwendungen
geeignet sind.
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Demzufolge
wurden Flüssigkeitsfilterungsanlagen
entwickelt. Derartige Anlagen reichen von Anlagen, die am Ort der
Verwendung angesiedelt sind, (beispielsweise der Leitungshahn einer
Küchenspüle, Schwerkraftzerverteiler,
etwa Wasserspender, und Verteiler mit geringem Druck, etwa Wasserflaschen
für den
Sport) bis zu wesentlich größeren Einheiten,
die am Wassereinlass verborgen in den Sanitärinstallationsanlagen eines
Hauses oder eines Büros
angeordnet sind. In vielen diesen Anlagen wird Aktivkohle in zumindest
einer Stufe des Filterungsprozesses verwendet. Aktivkohle hilft
dabei, starke Gerüche
oder Geschmäcker
aus dem Wasser zu entfernen. Insbesondere kann Aktivkohle Chlor und
Sediment aus Wasser entfernen.
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Ein
Problem, das mit der Anwendung von Aktivkohle (das auch als aktivierter
Kohlenstoff bezeichnet wird) einhergeht, besteht darin, dass gewisse
Mikroorganismen, etwa Bakterien, sich rasch in Aktivkohle verbreiten
können.
Dieses Problem besitzt zumindest drei unerwünschte Auswirkungen. Erstens,
das Wachstums von Bakterien innerhalb der Aktivkohle kann das Strömen von
Wasser durch diese Stufe des Filters verhindern. Zweitens, und noch wichtiger,
die Verwendung von Aktivkohle kann tatsächlich die Konzentration von
Bakterien erhöhen, die
in dem Wasser vorhanden sind, indem eine feuchte nährstoffreiche
Umgebung geschaffen wird, die für
die bakterielle Reproduktion günstig
ist, wie dies beschrieben ist in Daschner et al., mikrobiologische
Kontamination von Trinkwasser in kommerziellen Haushaltswassefiltersystemen,
15 Eur. J. Clin. Mikrobiolog. Infekt. Dis. 233–37 (1996). Drittens, für Anwendungen
mit Unterbrechungen wird in dem ersten Wasserstrahl durch die Aktivkohle
nach einer Phase der Nichtbenutzung ein äußerst hoher Konzentrationswert
von Bakterien auftreten.
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Typischerweise
ist eine gewisse Konzentration an Bakterien in allen Wasserversorgungen
vorhanden. Diese Konzentration kann in Aktivkohle ansteigen, die
nicht durch periodisches Verwenden von Wasser aus einem speziellen
Filter gespült
wird. Das Ergebnis ist eine sprunghaft ansteigende Konzentration,
die bei jedem nicht kontinuierlichen Gebrauch vorhanden ist, da
die Bakterien aus der Aktivkohle ausgespült werden. Eine erhöhte Bakterienkonzentration
ist genau das gegenteilige Ergebnis, das durch die Filterinstallation
beabsichtigt ist. Obwohl viele Filterungsmechanismen verfügbar sind,
so gibt keiner eine Lösung
für alle
diese anstehenden Probleme an, ohne häufig die Aktivkohle auszutauschen.
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US-Patent
5,271,837 beschreibt ein Mehrstufensystem zur Filterung von Trinkwasser,
wobei eine zentrale Filterkartusche verwendet wird, die aufgebaut
ist aus Aktivkohle, die mit Silber, einem Kationenaustauschharz
und einem Anionenaustauschharz imprägniert ist. Die Aktivkohle
ist die erste Stufe des Filterungssystems, an das sich die Harze
anschließen.
Um ein Verstopfen der zentralen Filterkartusche mit Teilchen zu
verhindern, offenbart das US-Patent 5,271,837 einen Partikelfilter,
der vor der zentralen Filterkartusche angeordnet ist. Dieses Patent
berührt
jedoch nicht die Probleme, die der Filterung von Mikroorganismen
oder der Verhinderung von Bakterienwachstum in der Aktivkohle zugrunde liegen.
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US-Patent
5,891,333 beschreibt einen modularen mehrstufigen Wasserfilter zur
Verwendung in Anwendungen rund um die Arbeitsplatte oder in Anwendungen,
die der Arbeitsplatte vorgeschaltet sind. Dieses Patent betrifft
eine Vorrichtung mit entfernbaren, austauschbaren Kartuschen, die
Filtermedien in einer Konfiguration enthalten, die Änderungen
in der Größenskalierung
in Abhängigkeit
von der gewünschten
Filterkapazität
ermöglicht.
Diese Offenbarung spezifiziert keine speziellen Filtermedien oder eine
Filterungssequenz für
Bestandteile. Das Entfernen eines speziellen Bestandteils aus einer
Wasserversorgung wird darin nicht gelehrt.
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US-Patent
5,318,703 beschreibt ein Wasserfiltermodul zur Verwendung beim Kaffeekochen,
das so gestaltet ist, restliches Chlor, Gerüche, unangenehme Geschmäcker, Verunreinigungen
und unspezifizierte andere Schwebstoffe aus dem Wasser zu entfernen,
bevor dieses mit dem gemahlenen Kaffee in Kontakt kommt. Die offenbarten
Filtermedien sind Aktivkohle, das durch ein Sieb in Position gehalten wird.
Das Sieb, das ein Polymermaterial sein kann, ist integriert, um
große
Partikelverunreinigungen, etwa Sediment und andere Schmutzpartikel,
durch mechanische Filterung zu entfernen. Das Entfernen von Mikroorganismen
oder damit in Verbindung stehende spezielle Probleme sind dort jedoch
nicht angesprochen.
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Ein
Wegwerffilter, der aus einem Papierfiltermedium aufgebaut ist, ist
in dem US-Patent 5,554,288 beschrieben. Fein unterteilte Adsorptionsstoffe
sind gleichförmig über einen
Zellstoff verteilt, wodurch ein Papierfiltermedium zur Verwendung
in einer Vielzahl von Konfigurationen geschaffen wird. Es sind diverse
Adsorptionsstoffe benannt einschließlich Aktivkohle. Das US-Patent
5,553,288 weist insbesondere darauf hin, dass Kohlenstofffilterkartuschen,
die in dem zu behandelnden Wasser eingetaucht bleiben, zu einem
Wachstumsmedium für Bakterien
werden können.
In der beanspruchten Erfindung wird dieses spezielle Problem dadurch
vermieden, dass die Filter in dem US-Patent 5,554,288 nach Verwendung
entsorgt werden, anstatt dass diese in dem Wasser eingetaucht bleiben.
Diese Lösung erfordert
jedoch, dass der Anwender häufig
den Filter ersetzt und erfordert weiterhin das Entsorgen des benutzten
Filters.
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Daher
besteht ein Bedarf für
ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen unerwünschter
Teilchen und Mikroorganismen, etwa Bakterien, Viren, tierische Einzeller,
Hefe, Pilze und mikrobiologische Zysten, aus Flüssigkeiten, etwa Wasser. Insbesondere
besteht ein Bedarf für
ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung für die Filterung
von Flüssigkeiten
mit einer größeren Filtereffizienz
und dem Vermeiden von abrupt ansteigenden Konzentrationen an Mikroorganismen,
das bislang im Stand der Technik nicht abgedeckt ist.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich an einige der zuvor erkannten
Probleme, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Filtern von
Fluiden, etwa Wasser, bereitgestellt werden, die den Bakterienkontakt
mit der Aktivkohlestufe des Filters verringert, wie dies in den
Ansprüchen
1 und 6 definiert ist. Genauer gesagt, es wird eine Filterstufe
in den Wasserstrom eines Mehrstufenfilters an einem Strömungspunkt
vor der Aktivkohle eingebracht, so dass die Mikroorganismen im Wesentlichen
vor der Filterung durch die Aktivkohle aus dem Wasser entfernt werden,
und es ist eine dritte Stufe mit einem Mikrofaserglas vor der zweiten
Stufe vorgesehen.
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Durch
konsequentes Verhindern des Bakterienkontakts mit der Aktivkohle
können
die Probleme einer erhöhten
Bakterienkonzentration und einer damit einhergehenden Strömungsverringerung
vermieden werden. Für
nicht kontinuierliche Anwendungen wird das Problem der abrupt hohen
Konzentrationen vermieden, indem verhindert wird, dass die Mikroorganismen
die Aktivkohle erreichen, wo ansonsten die Bedingung für die Reproduktion
während
der Phasen, in denen kein Wasser strömt, günstig sind.
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Es
können
diverse Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Beispielsweise kann
der Filter aus Stufen in Form von Materialschüttungen in einer gestapelten
Konfiguration innerhalb einer zylindrisch oder anderweitig geformten
Kammer bestehen. Die Flüssigkeit
kann an einem Ende der Kammer eintreten und in Längsrichtung durch die diversen
Stufen von Filtermedien hindurchströmen und dann aus der Kammer
austreten und zu einem Verwendungspunkt gelangen. Andere Konfigurationen
des Filtersystems liegen ebenso innerhalb des Bereichs der vorliegenden
Erfindung und Modifizierungen an den strukturellen Konfigurationen sollten
nicht die Fähigkeit
der Vorrichtung und des Prozesses in der vorliegenden Form zur effektiven Filterung
von Fluiden, etwa von Wasser, beeinflussen. Es sollte selbstverständlich sein,
dass obwohl ein Wasserfilterungsprozess hierin beispielhaft vorgestellt
ist, der vorliegende Prozess und die Vorrichtung auch für das Filtern
anderer Flüssigkeiten
in Abhängigkeit
der gewünschten
Eigenschaften zur Entfernung von Kontaminationsstoffen eingesetzt
werden können.
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Die
Materialschüttungen,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können Perlen,
Harze, Granulatmaterialien oder komprimierte Adsorptionsstoffe enthalten
und können
geladen oder ungeladen sein. Alternativ kann in einer weiteren Ausführungsform
der Filter aus Stufen in Form von Schichten oder Geweben von Filterungsmedien aufgebaut
sein, die aufeinander geschichtet sind, und durch die das Wasser
hindurchgeleitet wird. Jede Schicht kann aus einem Filtermedium
aufgebaut sein, das speziell für
das Entfernen gewisser Bestandteile ausgestaltet ist. In einer noch
weiteren Ausführungsform
kann der Filter aus Stufen in Form von konzentrischen zylindrischen
Schichten aufgebaut sein, wobei das Wasser entweder radial einwärts oder
auswärts
durch die Schichten und dann zu dem Punkt der Verwendung geleitet
wird.
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In
der vorliegenden Erfindung ist es erforderlich, dass unabhängig von
der speziellen Ausführungsform,
Konfiguration oder Form der Anlage, in der der Filter untergebracht
oder verwendet wird, die Flüssigkeit
vor dem Strömen
durch die Aktivkohle gefiltert wird, wobei ein Filtermedium, das
Mikroorganismen entfernt, und eine dritte Filterstufe verwendet wird,
wie dies in den Patentansprüchen
definiert ist. Im hierin verwendeten Sinne beinhaltet der Begriff entfernen
von Mikroorganismen" in
Bezug auf Aktionen im Zusammenhang mit Mikroorganismen das Töten, Einfangen
oder Deaktivieren derartiger Mikroorganismen.
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Zusätzlich können weitere
Stufen an Filtermedien zu dem Filter hinzugefügt werden, abhängig von
den Bestandteilen, die entfernt werden sollen. Diese Stufen können vor
oder nach der Stufe angeordnet sein, die die Aktivkohle enthält. Wiederum
ist es in der vorliegenden Erfindung erforderlich, dass zumindest
zwei Stufen für
das Entfernen von Mikroorganismen und Sedimente und einige organische Stoffe
vor der Stufe liegen, die die Aktivkohle enthält.
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Die
gesamte Filtervorrichtung, die zumindest drei Stufen aufweist, kann
in einer Vielzahl physikalischer Formen und Konfigurationen in Abhängigkeit des
gedachten Einsatzes bzw. in Abhängigkeit
des Anwenders ausgebildet werden. Beispielsweise kann eine Einrichtung,
die das Filtermedium enthält,
in einfacher Weise an dem Leitungshahn einer Küchenspüle oder einem anderen Hahn,
der Wasser liefert, angebracht werden. In einer noch weiteren Konfiguration
kann eine Einrichtung mit der Filtereinheit, die in einen Schrank
oder in die Sanitärinstallation
eines Hauses oder eines Geschäftsgebäudes passt,
verwendet werden. Andere Ausführungsformen
beinhalten die Verwendung der Vorrichtung in einem Wasserspender,
einer Sportflasche oder einem anderen Spender.
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In
einer speziellen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung strömt
Wasser, das in die Filtervorrichtung eintritt, zunächst durch
eine Stufe, die aus einem schmelzgeblasenen Gewebe, einem ladungsmodifizierten
schmelzgeblasenen Gewebe, einem Glasfasergewebe oder einem ladungsmodifizierten
Glasfasergewebe aufgebaut ist. In dieser Stufe werden hauptsächlich Mikroorganismen
einschließlich
Bakterien entfernt. Diese Stufe kann dazu dienen, Trübung hervorrufende
Komponenten, die die Flüssigkeit
trüben
können,
und diverse Sedimente sowie gewisse organische Komponenten zu entfernen.
Das Wasser strömt
dann durch eine weitere Stufe, die aus einem oder mehreren mikroporösen Materialien,
nämlich
Mikrofaserglas, aufgebaut ist.
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Nach
diese beiden Stufen strömt
das Wasser durch eine Stufe mit Aktivkohle, in der andere Verunreinigungen
durch Adsorption entfernt werden. Da die Bakterien bereits vor dieser
Stufe entfernt wurden, wird die Aktivkohle weniger mit Mikroorganismen,
etwa Bakterien, verunreinigt.
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
lassen sich anhand der folgenden Beschreibung und mit Bezug zu den
begleitenden Ansprüchen
besser verstehen. Die zugehörigen
Zeichnungen, die hierin mit eingeschlossen sind und einen Teil dieser
Anmeldung bilden, zeigen eine Ausführungsform der Erfindung und dienen
zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung
zu erläutern.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Eine
vollständige
und erläuternde
Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich der besten Art, diese
auszuführen,
ist für
den Fachmann detaillierter in dem Rest der Anmeldung dargestellt, wobei
auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
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1 eine
diagrammhafte Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist, in der das Wasser beim Strömen durch die beiden Stufen
der Filtermedien gezeigt ist.
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2 eine
diagrammhafte Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist, in der das Wasser durch die Filtermedien strömend gezeigt
ist.
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3 eine
diagrammhafte Darstellung einer zylindrischen Ausführungsform
von zwei der drei Filterstufen der vorliegenden Erfindung (ohne
eine Kammer) ist.
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4 eine
diagrammhafte Darstellung einer zylindrischen Ausführungsform
von zwei der drei Filterstufen der vorliegenden Erfindung (ohne
eine Kammer) ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es
wird nun detailliert auf die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung Bezug genommen, wobei ein oder mehrere Beispiele davon
im Weiteren dargestellt sind. Jedes Beispiel ist zur Erläuterung
der Erfindung vorgesehen und soll die Erfindung nicht beschränken. Beispielsweise
können Merkmale,
die als ein Teil einer einzelnen Ausführungsform dargestellt oder
beschrieben sind, auch in einer weiteren Ausführungsform verwendet werden, um
damit eine noch weitere Ausführungsform
zu schaffen. Andere Aufgaben, Merkmale und Aspekte der vorliegenden
Erfindung sind in der folgenden detaillierten Beschreibung offenbart
oder werden aus dieser offenkundig.
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Im
Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Filtern einer Flüssigkeit, wodurch der Bakterienkontakt
mit der Aktivkohlestufe eines Fluidfilters reduziert wird. Genauer
gesagt, es kann eine Filterstufe in den Wasserstrom eines Mehrstufenfilters
an einem Strömungspunkt
vor dem Aktivkohlefilter so eingebracht werden, dass Mikroorganismen
im Wesentlichen aus dem Wasser vor der Filterung mittels der Aktivkohle entfernt
werden.
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Wie
in 1 gezeigt ist, umfasst ein Mehrstufenwasserfilter 10 eine
Kammer 12 mit einem Einlass 14 für einen
Wasserstrom; einem Auslass 16 für einen Wasserstrom; einer
ersten Filterstufe 18 in der Kammer 12, die in
Fluidverbindung mit dem Einlass 14 steht; und einer zweiten
Filterstufe 20 innerhalb der Kammer 12, die in
Fluidverbindung mit dem Auslass 16 steht. Die zweite Filterstufe 20 ist
innerhalb der Kammer 12 an einer Position angeordnet, die
es ermöglicht,
dass Wasser durch die erste Filterstufe 18 läuft, bevor
dieses durch die zweite Filterstufe 20 strömt, wie
dies durch die Pfeile aus 1 gezeigt ist,
die die Richtung der Wasserströmung
zeigen.
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Selbstverständlich können diverse
andere Anordnungen der Filterstufen eingesetzt werden. Beispielsweise
müssen
die Stufen nicht innerhalb der gleichen Kammer vorhanden sein, sondern
diese können über entsprechende
Leitungen oder dergleichen in Fluidverbindung stehen.
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Die
erste Filterstufe 18 ist aus einem Filtermedium aufgebaut,
das Mikroorganismen entfernt, einfängt, tötet oder deaktiviert. Beispiele
für Materialien,
die für
die erste Filterstufe 18 verwendet werden können, sind
mikroporöse
Materialien, etwa schmelzgeblasenes Vliesstoffgewebe, nicht gewebtes
Mikrofaserglasgewebe oder diverse ladungsmodifizierte Medien, etwa
nicht gewebte ladungsmodifizierte Schmelzblasgewebe oder nicht gewebte
ladungsmodifizierte Mikrofaserglasgewebe. Zu anderen Filtermedien,
die für
diese erste Filterstufe eingesetzt werden können, gehören Medien, die die Mikroorganismen
töten oder
deaktivieren.
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Es
gilt allgemein, wenn mikroporöse
Materialien verwendet werden, so können diese eine Porengröße aufweisen,
die bei 20 μm
oder weniger liegt, und in einigen Ausführungsformen können Porengrößen verwendet
werden, die bei 10 μm
oder weniger liegen. In anderen Ausführungsformen besitzen die mikroporösen Materialien
eine maximale Porengröße von 7,5 μm. Dazu gehören diverse
Mikrofaserglaskonfigurationen sowie diverse nicht gewebte bzw. Vliesstoffgewebe.
Im hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „nicht
gewebtes Gewebe bzw. Vliesstoffgewebe" ein Gewebe oder einen Stoff mit einer
Struktur individueller Fasern oder Fäden, die miteinander verflochten
sind, jedoch nicht in einer identifizierbaren Weise, wie dies bei
gestrickten oder gewebten Stoffen der Fall ist. Vliesstoffe können im Allgemeinen
durch Verfahren hergestellt werden, die dem Fachmann gut vertraut
sind. Zu anschaulichen Beispielen derartiger Prozesse gehören das Schmelzblasen,
das Coformen, das Spinnbonden, das Kardieren und Bonden, die Luftschichtung
und die Nassschichtung. Schmelzblas-, Coformungs- und Spinnvliesprozesse
sind beispielhaft in den folgenden Referenzen beschrieben:
- (a) zu Referenzen für das Schmelzblasen gehören beispielsweise
die US-Patente 3,016,599, R. W. Perry, Jr., 3,704,198, J. S. Prentice,
3,755,527, J. P. Keller et al., 3,849,241, R. R. Butin et al., 3.9Butin
et 78,185, R. R. al. und 4,663,220, T. J. Wisneski et al. Siehe
auch V. A. Wente, „Superfeine
thermoplastische Fasern",
Industrielle und Verfahrenschemie, Band 48, Nr. 8, Seiten 1342 – 1346 (1956);
V. A. Wente et al., „Herstellung
von superfeinen organischen Fasern", Navy Forschungslabor, Washington,
D. C., NRL-Report 4364 (111437), 25. Mai 1954, Handelsministerium USA,
bürotechnischer
Dienstleistungen; und Robert R. Butin und Dwight T. Lohkamp, „Schmelzblasen – einstufiger
Gewebeprozess für
nicht gewebte Produkte",
Journal der technischen Vereinigung der Zellstoff- und Paperindustrie,
Band 56, Nr. 4, Seiten 74 – 77
(1973);
- (b) zu Referenzen zu dem Co-Formungsprozess gehören US-Patent
4,100324, R. A. Anderson et al. und 4,118,531, E. R. Hauser; und
- (c) zu Referenzen des Spinnbondprozesses gehören u. a. die US-Patente 3,341,394,
Kinney, 3,655,862 Dorschner et al., 3,692,618, Dorschner et al.,
3,705,068, Dobo et al.,Matsuki et 3,802,817, al, 3,853,651, Porte,
4,064,605, Akiyama et al., 4,091,140, Harmon, 4,100,319, Schwartz,
4,340,563, Appel und Morman, 4,405,29Harman et 7, Appel und Morman, 4,434,204,
al, 4,627,811, Greiser und Wagner und 4,644,045, Fowells.
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Ein
nicht gewebtes ladungsmodifiziertes Mikrofaserglasgewebe kann aus
einem fasrigen Gewebe hergestellt weiden, das Glasfasern mit einer
kationisch geladenen Beschichtung enthält. Im Allgemeinen sind derartige
Mikrofasern Glasfasern mit einem Durchmesser von ungefähr 10 μm oder weniger.
Die Beschichtung enthält
ein funktionalisiertes kationisches Polymer, das mittels Wärme eine
Kreuzverbindung aufweist; anders ausgedrückt, das funktionalisierte
kationische Polymer wurde nach dem Beschichten auf die Glasfasern
mittels Wärme
in eine Kreuzverbindung übergeführt. Ein
derartiger faserartiger Filter wird mittels eines Verfahrens hergestellt, das
enthält:
Bereitstellen eines fasrigen Filters, der Glasfasern enthält, Durchleiten
einer Lösung
eines funktionalisierten kationischen Polymers, das durch Wärme kreuzverbindbar
ist, durch den faserartigen Filter unter Bedingungen, die ausreichen,
um die Fasern mit dem funktionalisierten kationischen Polymer im
Wesentlichen zu beschichten, und Behandeln des resultierenden beschichteten
faserartigen Filters mit Wärme
bei einer Temperatur und für
eine ausreichende Zeitdauer, um das funktionalisierte kationische Polymer,
das auf den Glasfasern vorhanden ist, kreuzweise zu verbinden. Das
funktionalisierte kationische Polymer kann ein epichlorohydrin-funktionalisiertes
Polyamin oder ein epichlorohydrin-funktionalisiertes Polyamidamin
sein.
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Im
Allgemeinen enthält
ein ladungsmodifiziertes Mikrofaserglasgewebe, wenn es als Filtermedium
verwendet wird, mindestens ungefähr
50 Gewichtsprozent Glasfasern bezogen auf das Gewicht aller Fasern,
die in dem Filtermedium vorhanden sind. In einigen Ausführungsformen
sind im Wesentlichen 100% der Fasern Glasfasern. Wenn andere Fasern
vorhanden sind, so sind dies jedoch im Allgemeinen Zellulosefasern,
Fasern, die aus synthetischen thermoplastischen Polymeren hergestellt
sind, oder Mischungen davon.
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Im
hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „kationisch geladen" in Bezug auf eine
Beschichtung einer Glasfaser und der Begriff „kationisch" in Bezug auf das
funktionalisierte Polymer das Vorhandensein in der entsprechenden
Beschichtung und dem Polymer von mehreren positiv geladenen Gruppen.
Somit sind die Begriffe „kationisch
geladen" und „positiv
geladen" gleichbedeutend.
Derartige positiv geladene Gruppen enthalten typischerweise mehrere
Ammoniumvierergruppen, sind aber nicht notwendigerweise darauf eingeschränkt.
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Der
Begriff „funktionalisiert", wie er hierin verwendet
ist, bedeutet das Vorhandensein mehrerer funktionaler Gruppen in
dem kationischen Polymer, wobei diese Gruppen andere Gruppen als
die kationischen Gruppen sind, die in der Lage sind, eine Kreuzverbindung
einzugehen, wenn Sie Wärme
ausgesetzt werden. Somit sind die funktionalen Gruppen thermisch
kreuzverbindbare Gruppen. Zu Beispielen derartiger funktionaler
Gruppen gehören
Epoxie, Ethylenimino und Episulfido. Diese funktionalen Gruppen
reagieren leicht mit anderen Gruppen, die typischerweise in dem
kationischen Polymer vorhanden sind. Die anderen Gruppen besitzen
typischerweise mindestens ein reaktives Wasserstoffatom und lassen
sich beispielhaft darstellen als Amino-Hydroxyd- und Thiolgruppen. Zu beachten ist,
dass die Reaktion einer funktionalen Gruppe mit einer weiteren Gruppe
häufig
andere Gruppen erzeugt, die wiederum in der Lage sind, mit funktionalen
Gruppen zu reagieren. Beispielsweise führt die Reaktion einer Epoxiegruppe
mit einer Aminogruppe zu der Bildung einer β-Hydroxyamino-Gruppe.
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Daher
ist der Begriff „funktionalisiertes
kationisches Polymer" so
gemeint, um ein beliebiges Polymer mit einzuschließen, das
mehrere positiv geladene Gruppen und mehrere andere funktionale Gruppen
enthält,
die in der Lage sind, bei Anwendung von Wärme eine Kreuzverbindung einzugehen. Besonders
geeignete Beispiele derartiger Polymere sind Epichlorohydrin-funktionalisierte
Polyamine und Epichlorohydrinfunktionalisierte Polyamino-Amine. Beide
Arten von Polymeren sind beispielsweise in den Kymene-Harzen verwendet,
die von Hercules, Inc. Wilmington, Delaware, erhältlich sind. Zu anderen geeigneten
Materialien gehören
kationische modifizierte Stärken,
etwa RediBond von National Starch.
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Im
hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „thermisch kreuzverbunden", dass die Beschichtung
des funktionalen kationischen Polymers auf eine Temperatur aufgeheizt
und für
eine ausreichende Zeit auf dieser gehalten wurde, um die zuvor genannten
funktionalen Gruppen untereinander zu verbinden. Die Aufheiztemperaturen
können
typischerweise von ungefähr
50° C bis
ungefähr
150° C reichen.
Die Aufheizzeiten sind im Allgemeinen eine Funktion einer Temperatur
und der Art der funktionalen Gruppen, die in dem kationischen Polymer
vorhanden sind. Beispielsweise können
die Aufheizzeiten von weniger als eine Minute bis ungefähr 60 Minuten
oder mehr reichen.
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Ein
nicht gewähltes
ladungsmodifiziertes schmelzgeblasenes Gewebe kann aus hydrophoben Polymerfasern,
amphiphilischen Makromolkülen,
die zumindest an einem Teil der Oberflächen der hydrophoben Polymerfaser
anhaften, und einem kreuzverbindbaren, funktionalisierten kationischen
Polymer, das zumindest mit einem Teil der amphiphilischen Makromoleküle verknüpft ist,
in denen das funktionale kationische Polymer kreuzverbunden ist,
bestehen. Eine Kreuzverbindung kann durch die Verwendung eines chemischen
Kreuzverbindungsmittels oder durch das Anwenden von Wärme erreicht
werden. Vorzugsweise wird eine thermische Kreuzverbindung, d. h.
die Anwendung von Wärme,
eingesetzt. Im Allgemeinen können
die amphiphilischen Makromoleküle
eines oder mehrere der folgenden Typen sein: Proteine, Poly(vinylalkohol),
Monosaccharide, Disaccharide, Polysaccharide, Polyhydroxy-Verbindungen, Polyamine,
Polyaktone und dergleichen. Vorzugsweise sind die amphiphilischen Makromoleküle amphiphilische
Protein-Makromoleküle,
etwa kugelförmiges
Protein oder zufällig
angeordnete Proteinmakromoleküle.
Beispielsweise können
die amphiphilischen Protein-Makromoleküle Milchprotein-Makromoleküle sein.
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Das
funktionalisierte kationische Polymer kann typischerweise ein beliebiges
Polymer sein, das mehrere positiv geladene Gruppen und mehrere andere
funktionale Gruppen enthält,
die durch beispielsweise chemische Kreuzverbindungsmittel oder die
Anwendung von Wärme
kreuzverbunden werden können.
Besonders geeignete Beispiele derartiger Polymere sind Epichlorohydrin-funktionalisierte
Polyamine und Epichlorohydrin-funktionalisierte Polyamidoamine.
Zu anderen geeigneten Materialien gehören kationisch modifizierte
Stärken.
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Das
nicht gewebte ladungsmodifizierte schmelzgeblasene Gewebe kann mittels
eines Verfahrens hergestellt werden, das beinhaltet: das Bereitstellen
eines fasrigen schmelzgeblasenen Filtermediums, das hydrophobe Polymerfasern
enthält, das
Durchführen
einer Lösung,
die amphiphilische Makromoleküle
enthält,
durch den fasrigen Filter unter Schärspannungsbedingungen, so dass
zumindest ein Teil der amphiphilischen Makromoleküle an mindestens
einigen der hydrophoben Polymerfasern anhaftet, um ein amphiphilisches
makromolekülbeschichtetes
fasriges Gewebe zu ergeben, das Durchleiten einer Lösung eines
kreuzverbindbaren funktionalisierten kationischen Polymers durch
das amphiphilische Makromolekül-beschichtete
faserartige Gewebe unter Bedingungen, die ausreichend sind, um das
funktionalisierte kationische Polymer zumindest in einen Teil der
amphiphilischen Makromoleküle
einzubauen, um ein funktionalisiertes kationisches polymerbeschichtetes
faserartiges Gewebe zu erhalten, in welchem das funktionalisierte
kationische Polymer mit zumindest einem Teil der amphiphilischen
Makromoleküle
verknüpft
ist, und das Behandeln des resultierenden beschichteten faserartigen
Filters mit einem chemischen Kreuzverbindungsmittel oder mit Wärme. Vorzugsweise
wird der beschichtete faserartige Filter mit Wärme bei Temperaturen für eine Zeitdauer
behandelt, um damit das funktionalisierte kationische Polymer der
Kreuzverbindung zu unterziehen.
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Die
zweite Filterstufe 20 enthält Aktivkohle. Diese kann in
granularer Form vorgesehen sein oder auf ein Volumen komprimiert
sein, das in einer Vielzahl von Formen vorliegen kann, zu denen
beispielsweise Zylinder, Schichten und Scheiben gehören. Feste
poröse
Filterformen sind besonders vorteilhaft für eine einfache Handhabung
und ein einfaches Entsorgen. Diese Formen können durch Extrudieren einer
Mischung eines thermoplastischen Bindermaterials und von Aktivkohle
in Pulver oder Granulatform hergestellt werden. Es können diverse
andere Komponenten in dieser Stufe mit der Aktivkohle vorhanden
sein, etwa Zeolite, Ionenaustauschharze, Bindemittel und diverse
andere Adsorptionsstoffe.
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Im
hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „thermoplastischer Binder" einen beliebigen Binder,
typischerweise ein Polymer, das thermoplastisch ist, d. h. das sich
bei Erwärmung
erweicht und fließt
und beim Abkühlen
wieder hart wird. Zu Beispielen von thermoplastischen Bindern gehören solch
anschauliche Materialien wie: endbeschichtete Polyazetale, etwa
Poly(oxymethylen) oder Polyform-Aldehyd, Poly(Trichloroazetataldehyd),
Poly(n-Valeraldehyd), Poly(azetaldehyd)
und Poly(Propionaldehyd); acrylische Polymere, etwa Polyacrylamid,
Poly(acrylsäure),
Poly(methacrylsäure),
Poly(methylacrylat), und Poly(methylacrylat); Fluorkohlenstoffpolymere,
etwa Poly(tetrafluoroethylen), perfluorinierte Ethylen-Propylencopolymere,
Ethylen-Tetrafluorethylencopolymere, Poly(chlorotrifluoroethylen),
Ethylen-Chlorotrifluoroethylencopolymere, Poly(vinylidenfluorid),
und Poly(vinylflourid); Polyamide, etwa Poly(6-Aminokaproinsäure) oder
Poly(e-Kaprolaktam), Poly(Hexamethylenadipamid), Poly(Hexamethylensebacamid)
und Poly(11-Aminoundekanoidsäure); Polyaramide,
etwa Poly(Imino-1,3-Phenyleniminoisophthaloyl) oder Poly(m-Phenylensophthalamid); Parylene, etwa
Poly-p-Xylylen und Poly(Chlor-p-Xylylen); Polyarylether, etwa Poly(oxy-2,6-Dimenthyl-1,4-Phenylen)
oder Poly(p-Phenylenoxid); Polyarylsulfone, etwa
Poly(Oxy-1,4-Phenylensulfonyl-1,4-Phenylenoxy-1,4-Phenylenisopropyliden-1,4-Phenylen),
und Poly(Sulfonyl-1,4-Phenylen-Oxy-1,4-Phenylensulfonyl-4,4'-Biphenylen); Polykarbonate, etwa Poly(BisphenolA)
oder Poly(Carbonyldioxy-1,4-Phenylenisopropyliden-1,4Phenylen);
Polyester, etwa Poly(Ethylenterephthalat), Poly(Tetramethylenterephthalat), und
Poly(zyklohheyel-ene-1,4-Dimethylenterephthalat)
oder Poly(Oxymethylen-1,4-Zykloheylenmethylenoxyterephthaloyl);
Polyarylsulfide, etwa Poly(p-Phenylensulfid)
oder Poly(Thio-1,4-Pheylen); Polymide, etwa Poly(Pyromellitimido-1,4-Phenylen); Polyolefine,
etwa Polyethylen, Polypropylen, Poly(1-Buten), Poly(2-Buten), Poly(1-Penten),
Poly(2-Penten),
Poly(3-Methyl-1-Penten), und Poly(4-Methyl-1-Penten); Vinylpolymere,
etwa Polyvinylatzetat, Poly(Vinylidenchlorid), und Poly(vinylchlorid);
Dienpolymere, etwa 1,2-Poly-1,3-Butadien, 1,4-Poly-1,3-Butadien,
Polyisopren und Polychloropren; Polystyrene; und Copolymere der
vorhergehenden Stoffe, etwa Acrylonitrilbutadien-Styren (ABS) Copolymere.
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Die
Kammer 12 kann in eine beliebige Form gebracht werden,
die die Filterstruktur aufnehmen kann und einen Durchfluss von Wasser
durch die Stufen in der offenbarten Reihenfolge ermöglicht. Beispielsweise
kann die Kammer 12 für
diverse Einsatzorte, etwa eine Verbindung zu einem Leitungshahn
oder als Einsatz für
die Oberseite eines Wasserverteilers geformt sein. In derartigen
Anwendungen ist die Kammer (und damit die Filterstufen) typischerweise
zylindrisch. Die vorliegend Erfindung ist jedoch nicht auf nur zylindrisch
geformte Kammern und Filter eingeschränkt.
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In ähnlicher
Weise zeigen die 2, 3 und 4 jeweils
die Elemente, die in 1 gezeigt sind, wobei jedoch
andere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dargestellt sind. Diese Ausführungsformen
dienen lediglich als Beispiele für
viele andere Ausführungsformen,
die der Fachmann auf der Grundlage der vorher dargelegten Lehre
leicht herstellen kann. Beispielsweise können diverse ladungsmodifizierte
Medien als die Filterstufen vor der Stufe, die die Aktivkohle enthält, sowie
nach der Filterstufe mit der Aktivkohleschicht eingesetzt werden. Als
weiteres Beispiel kann ein Mehrstufenfilter eine Schicht- aus ladungsmodifizierten
Medien als die erste Filterstufe und eine Schicht aus Mikrofaserglas als
die dritte Filterstufe aufweisen, wobei eine Schicht mit Aktivkohle
als die zweite Filterstufe vorgesehen ist, woran sich eine weitere
Schicht aus ladungsmodifizierten Medien als eine weitere Filterstufe
anschließt,
die als eine „Polierstufe" dient, um diverse unerwünschte Kontaminationsstoffe
nach dem Passieren der aktivkohleenthaltenden Stufe zu entfernen.
Zudem können
mehrere ähnliche
Schichten mit Filterstufen eingesetzt werden, etwa zwei Schichten ladungsmodifizierter
Medien, woran sich eine aktivkohleenthaltende Schicht anschließt, an die
sich wiederum zwei Schichten ladungsmodifizierter Medien anschließen, gefolgt
von einer weiteren aktivkohleenthaltenden Schicht an die sich dann
schließlich eine
letzte Schicht aus ladungsmodifizierten Medien anschließt.
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2 repräsentiert
einen Mehrstufenwasserfilter 110 mit einer Kammer 112 mit
einem Einlass 114 für
Wasser; einem Auslass 116 für Wasser; einer ersten Filterstufe 118 innerhalb
der Kammer 112, die in Fluidverbindung mit dem Einlass 114 steht;
einer zweiten Filterstufe 120 in der Kammer 112,
die in Fluidverbindung mit dem Auslass 116 steht; und einer dritten
Filterstufe 122 mit einem mikroporösen Material. Die zweite Filterstufe 120 ist
in der Kammer 112 an einer Position angeordnet, die das
Durchströmen von
Wasser durch die erste Filterstufe 118 vor dem Passieren
der zweiten Filterstufe 120 ermöglicht, wie dies durch die
Pfeile 2 gezeigt ist, die die Richtung der Wasserströmung darstellen.
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Die
dritte Filterstufe 122 ist in der Kammer 112 an
einer Position angebracht, die es ermöglicht, dass Wasser durch die
dritte Filterstufe 122 strömt, bevor es durch die zweite
Filterstufe 120 hindurchtritt. Daher kann die dritte Filterstufe 122 an
einer Stelle angeordnet sein, die ein Durchströmen von Wasser durch die dritte
Filterstufe 122 nach dem Hindurchtreten durch die erste
Filterstufe 118 ermöglicht,
wie dies in 2 gezeigt ist, oder die dritte
Filterstufe 122 kann an einer Position angeordnet sein,
die es Wasser ermöglicht,
zuerst durch die dritte Filterstufe 122, danach durch die
erste Filterstufe 118 und schließlich durch die zweite Filterstufe 120 hindurchzuströmen. Die
zweite Filterstufe 120 umfasst Aktivkohle, wie dies zuvor
mit Bezug zu 1 erläutert ist. Die erste Filterstufe 118 und
die dritte Filterstufe 122 können aus mikroporösen Materialien
aufgebaut sein, wie dies zuvor mit Bezug zu 1 erläutert ist.
In einigen Ausführungsformen
(kann die dritte Filterstufe 122 ein poröses Material
enthalten, die einen Gradienten in der Porenstruktur aufweist, was
bedeutet, dass der Durchmesser der Poren von einer Oberfläche der
Filterstufe zu der anderen Oberfläche der Filterstufe sich ändert. Wenn
beispielsweise die dritte Filterstufe dazu gedacht ist, um als eine
Stufe zur Sedimententferung zu dienen, kann der Durchmesser der
Poren von der Oberfläche
für den
ersten Fluidkontakt zu der Fluidauslassoberfläche kleiner werden.
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3 ist
eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Wasserströmung so gezeigt ist, dass diese
radial einwärts
stattfindet, und dann aus dem Zylinder herausströmt, wobei die Strömung sich
entlang der hohlen Mittelachse des Zylinders bewegt. Wie gezeigt,
umfasst der Mehrstufenwasserfilter 210 einen Einlass 214 für Wasser,
d. h. die äußere Fläche des
Zylinders; einen Auslass 216 für die Wasserströmung entlang
der hohlen Mittelachse des Zylinders; eine erste Filterstufe 218 in Fluidverbindung
mit dem Einlass 214; und eine zweite Filterstufe 220 in
Fluidverbindung mit dem Auslass 216. Die zweite Filterstufe 220 ist
an einer Position angeordnet, die es dem Wasser ermöglicht,
durch die erste Filterstufe 218 durchzuströmen, bevor
es durch die zweite Filterstufe 220 strömt, wie dies durch die Pfeile
in 1 gezeigt ist, die die Richtung der Wasserströmung anzeigen.
Eine Kammer, die in 3 nicht gezeigt ist, kann in
einfacher Weise vom Fachmann gebildet werden, um diese Ausführungsform aufzunehmen.
Wie bei den Ausführungsformen
aus 1 und 2 enthält die erste Filterstufe 218 ein Filtermedium,
das Mikroorganismen entfernt, etwa ein ladungsmodifiziertes schmelzgeblasenes
oder Mikrofaserglasgewebe. In ähnlicher
Weise enthält die
zweite Filterstufe 220 Aktivkohle. Obwohl dies nicht gezeigt
ist, ist eine dritte Filterstufe in der Ausführungsform aus 3 mittels
der Zugabe einer dritten konzentrischen Schicht aus Filtermedium
vorgesehen. Diese dritte Filterstufe kann als eine konzentrische
Schicht zu der Außenseite
der ersten Filterstufe 218 hinzugefügt werden oder kann als eine
konzentrische Schicht zwischen der ersten Filterstufe 218 und
der zweiten Filterstufe 220 hinzugefügt werden.
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4 ist
eine Ausführungsform,
in der sich die Strömung
in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung ausbreitet, wie
dies in 3 gezeigt ist. Insbesondere
tritt in 4 das Wasser in die Vorrichtung
entlang der hohlen Mittelachse des Zylinders ein und bewegt sich
dann radial durch die Filterstufen nach außen. Der Mehrstufenwasserfilter 310 aus 4 enthält einen
Einlass 314 für
die Wasserströmung
entlang der hohlen Mittelachse des Zylinders; einen Auslass 316 für die Wasserströmung, d.
h. die Fläche
des Zylinders; eine erste Filterstufe 318, die in Fluidverbindung
mit dem Einlass 314 steht; und eine zweite Filterstufe 320,
die in Fluidverbindung mit dem Auslass 316 steht. Die zweite
Filterstufe 320 ist an einer Position angeordnet, die es
dem Wasser ermöglicht,
durch die erste Filterstufe 318 zu strömen, bevor es durch die zweite
Filterstufe 320 strömt,
wie dies durch die Pfeile aus 1 gezeigt
ist, die die Strömungsrichtung
des Wassers kennzeichnen. Eine Kammer, die in 4 nicht
gezeigt ist, kann vom Fachmann in einfacher Weise so gebildet werden, um
diese Ausführungsform
aufzunehmen. Wie bei den Ausführungsformen
bei der 1, 2 und 3 enthält die erste
Stufe 318 ein Filtermedium, das Mikroorganismen entfernt.
Die zweite Filterstufe 320 enthält Aktivkohle. Obwohl dies
nicht gezeigt ist, ist eine dritte Filterstufe in der Ausführungsform
aus 4 vorgesehen, indem eine dritte konzentrische Schicht
aus Filtermedium hinzugefügt
ist. Diese dritte Filterstufe kann als eine konzentrische Schicht
zu der Innenseite der ersten Filterstufe 318 vorgesehen sein,
oder diese kann als eine konzentrische Schicht zwischen der ersten
Filterstufe 318 und der zweiten Filterstufe 320 vorgesehen
sein.
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Es
sei nun auf 2 verwiesen; um gefiltertes
Wasser zu erhalten, wird die Kammer 110 in den Strömungsweg
des Wassers eingebracht. Das Wasser strömt durch die erste Filterstufe 118,
in der Mikroorganismen aus dem Wasser entfernt werden. Das Wasser
strömt
dann durch die dritte Filterstufe 122, in der Sedimente
und andere organische Stoffe aus dem Wasser entfernt werden. Beim
Strömen durch
die zweite Filterstufe 120 entfernt die Aktivkohle gewisse
Schwermetalle, Chlor und restliche Sedimente aus dem Wasser. Das
Wasser verlässt
dann die zweite Filterstufe 120, strömt durch den Auslass der Wasserströmung 116 aus
der Kammer 110 und strömt
weiter zum Verbraucher oder zu einem Speicher für gefiltertes Wasser. In ähnlicher
Weise zeigen die Pfeile aus 1, 3 und 4 die
Richtung der Wasserströmung
durch diese entsprechenden Ausführungsformen,
wobei sich jede Filterstufe so verhält, wie dies mit Bezug zu 2 beschrieben
ist.