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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Filter und insbesondere einen Kohlenstoffblock-Wasserfilter für ein Wasseraufbereitungssystem.
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Stand der
Technik
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Die
Verwendung von Heim-Wasseraufbereitungssystemen zur Behandlung von
Leitungswasser steigt in den Vereinigten Staaten und im Ausland
weiter dramatisch an, zum Teil aufgrund eines gesteigerten öffentlichen
Bewusstseins in den mit dem Konsum von unbehandeltem Leitungswasser
verbunden Gesundheitsangelegenheiten. Die kosteneffektivsten herkömmlichen
Wasseraufbereitungssysteme verwenden üblicherweise einen Kohlenstoffblock-Filter, um
aus einem Wasserstrom Schwebstoffe zu entfernen und organische Fremdstoffe
zu adsorbieren. Ein herkömmlicher
Kohlenstoffblock-Filter umfasst eine Masse an dicht gepackten Aktiv-Kohlenstoffteilchen, die
zusammen verbunden sind, um einen Block zu bilden, durch welchen
unbehandeltes Wasser gefiltert werden kann. Wenn unbehandeltes Wasser
diesen dichten Klotz durchläuft,
wirkt eine Kombination aus mechanischer Filtrierung und Adsorption,
um einen hohen Prozentanteil an Schwebstoffen und organischen Fremdstoffen
aus dem Wasserstrom zu entfernen.
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Die
Herstellung von Kohlenstoffblock-Filtern kann kompliziert sein und
umfasst üblicherweise
einen sorgfältigen
Ausgleich zwischen verschiedenen, konkurrierenden Interessen. Es
ist bekannt, dass kleinere Kohlenstoffteilchen eine bessere Filtrierung gewährleisten.
Dies beruht zu einem großen
Teil auf der Tatsache, dass kleinere Teilchen ein größeres Oberflächengebiet
aufweisen und einen dichteren Block erzeugen, der kleinere Schwebstoffe
einfängt. Leider
erzeugen kleinere Kohlenstoffteilchengrößen einige Probleme. Zuerst
werden die Wasserdurchflussraten durch den Filter dramatisch beeinträchtigt Der
dichte Block fängt
nicht nur kleinere Schwebstoffe ein, sondern kann auch den Wasserdurchfluss sehr
drosseln, was die Menge an Wasser signifikant redu ziert, die in
einer Zeitspanne behandelt werden kann. Zweitens erschwert es ein
hoher Prozentanteil an kleineren Kohlenstoffteilchen, den Kohlenstoffblock
mittels Verwendung herkömmlicher
Herstellungstechniken herzustellen. Genauer stören höhere Grade an feinen Teilchen
die Fähigkeit
des Bindemittels, einen festen Kohlenstoffblock zu bilden. Dies verursacht
Rissbildung, ein Zerbröckeln
und andere Fehler in dem Kohlenstoffblock, weiches wiederum zu niedrigen
Produktionserträgen
führt.
Unter Abwägung
dieser Belange verwenden herkömmliche
Kohlenstoffblock-Filter-Hersteller üblicherweise relativ große Kohlenstoffteilchen
bei der Herstellung ihrer Kohlenstoffblöcke. Eine Alternative ist es,
den Anteil an in dem Block enthaltenem Bindemittel zu erhöhen. Beide
Praktiken erhöhen
im Allgemeinen die Produktionserträge, während sie die Effektivität des Filters senken. Üblicherweise
werden Kohlenstoffblock-Filter aus einem standardmäßigen 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff
hergestellt. Obwohl die genaue Korngrößenverteltung des standardmäßigen 80 × 325-Mesh-Kohlenstoffs
von Hersteller zu Hersteller und von Fertigungslos zu Fertigungslos
variiert, umfasst dieser üblicherweise
einen hohen Prozentanteil von +140-Mesh-Kohlenstoffteilchen (das
heißt,
von Teilchen, deren Größe größer ist
als 140-Mesh) und einen geringen Prozentanteil von –325-Mesh-Kohlenstoffteilchen
(das heißt,
von Teilchen, deren Größe kleiner
ist als 325-Mesh). Ein typischer 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff weist üblicherweise
einen mittleren Teilchendurchmesser in dem Bereich von 98 Mikrometer
oder darüber
auf. Als Folge davon bieten Filter, die aus einem typischen 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff hergestellt
wurden, im Allgemeinen eine relativ hohe Produktionsausbeute und
Durchflussrate, jedoch keine außergewöhnliche
Filtrierleistung.
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Um
die Filtrierleistung auf Kosten der Produktionsausbeute und der
Durchflussraten zu erhöhen,
verringert ein anderer bekannter Kohlenstoffblock-Hersteller den
mittleren Teilchendurchmesser der Kohlenstoffteilchen, die verwendet
werden, um den Block zu erzeugen. Um dieses Kohlenstoffgemisch herzustellen,
wird der Kohlenstoff, der normalerweise geschliffen ist, um einen
typischen 80 × 325-Mesh
zu bilden, einem speziellen Schleifverfahren unterzogen, welches
den Anteil an Kohlenstoffteilchen, die kleiner sind als 325 Mesh,
erhöht.
Obwohl der Schleifvorgang schon an sich zu einigen Variationen fährt, weist
dieses modifizierte Kohlenstoffgemisch im Allgemeinen eine mittlere
Teilchengröße von etwa
75 Mikrometern und eine Korngrößenverteilung
mit etwa 25% oder mehr an den Kohlenstoffteilchen, die größer sind
als 140 Mesh und 25% oder mehr an den Kohlenstoffteilchen, die kleiner
sind als 500 Mesh, auf. Obwohl die daraus resultie renden Kohlenstoffblock-Filter
eine verbesserte Leistung bieten, sorgt der hohe Grad an kleinen
Kohlenstoffteilchen für
verringerte Durchflussraten und führt zu Produktionsverlusten
bis hoch zu 20–30%.
Weiter erzeugt der hohe Grad an kleinen Kohlenstoffteilchen Kohlenstoffblöcke, die
relativ weich sind, was diese anfällig für Schäden macht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorstehenden Probleme werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, bei
der ein Kohlenstoffblock-Filter aus einem einzelnen Kohlenstoffgemisch
gefertigt ist, was einen Kohlenstoffblock-Filter mit verbesserter
Leistung, verbesserten Durchflussraten, verbesserter Härte und
verbesserten Produktionserträgen
schafft. Das Kohlenstoffgemisch umfasst bevorzugt einen mittleren
Teilchendurchmesser von etwa 60 bis 80 Mikrometer und eine Korngrößenverteilung
von weniger als etwa 10% an +140 Mesh und weniger als etwa 10% an –500 Mesh.
Das Kohlenstoffgemisch ist zusammen verbunden mit einem herkömmlichen
Bindemittel, um einen integrierten Kohlenstoffblock zu bilden. Der
Kohlenstoffblock kann in einem weiten Bereich von Kohlenstoffblock-Filtern
in Übereinstimmung
mit einer Vielzahl an herkömmlichen
Techniken eingebunden werden.
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In
einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Kohlenstofflock-Filter hergestellt aus einem Kohlenstoffgemisch
mit einer mittleren Teilchengröße von etwa
65 bis 75 Mikrometern und einer Korngrößenverteilung von weniger als
etwa 10% an +140 Mesh und weniger als etwa 10% an –500 Mesh.
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In
einem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kohlenstoffblock-Filter
hergestellt aus einem Kohlenstoffgemisch mit einer mittleren Teilchengröße von etwa
70 Mikrometer und einer Korngrößenverteilung
von weniger als etwa 7% an +140 Mesh und weniger als etwa 7,5% an –500 Mesh.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Kohlenstoffblock-Filter bereit,
der einen verringerten mittleren Teilchendurchmesser und damit eine
verbesserte Filtrierleistung über
den Zeitablauf aufweist. Das Karbongemisch schafft auch verbesserte
Produktionserträge.
Weiter stellt die vorliegende Erfindung einen härteren Kohllenstoffblock bereit,
der weniger anfällig
für Beschädigung ist.
Zusätzlich
weist die vorliegende Erfindung signifikant verbesserte Durchflussraten
gegenüber
herkömmlichen
Kohlenstoffblock-Filtern
mit ähnlicher
mittlerer Teilchengröße auf.
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Diese
und andere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden
deutlich und verständlich
in Bezug auf die detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
und der Zeichnungen.
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Kurze Bechreibung der
Zeichnungen
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1 ist
im Querschnitt eine perspektivische Ansicht eines Kohlenstoffblock-Filters,
hergestellt gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 ist
ein Balkendiagramm, welches die Korngrößenverteilung eines typischen
80 × 325-Mesh-Kohlenstoffs
gemäß dem Stand
der Technik zeigt;
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3 ist
ein Balkendiagramm, welches die Korngrößenverteilung eines modifizierten
80 × 325-Mesh-Kohlenstoffs
gemäß dem Stand
der Technik und einem Kohlenstoffgemisch gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt;
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4 ist
ein Liniendiagramm, welches die Filtrierleistung über den
Zeitablauf von zwei Filtern mit unterschiedlichen mittleren Teilchendurchmessern
zeigt;
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5 ist
ein Liniendiagramm, welches die Durchflussraten eines Filters, hergestellt
aus modifiziertem 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff
und eines Filters, hergestellt aus einem Kohlenstoffgemisch gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ist
eine Tabelle, welche die Ergebnisse eines Härtetests zeigt, der an einem
Filter, hergestellt aus modifiziertem 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff und
einem Filter, hergestellt aus einem Kohlenstoff gemäß einem
bevorzugtem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde; und
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7 ist
ein Balkendiagramm, welches die Korngrößenverteilung von verschiedenen
Kohlenstoffgemischen gemäß verschiedenen
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Modi zum Ausführen der
Erfindung
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Ein
Kohlenstoffblock-Filter gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt
und im Allgemeinen mit 10 bezeichnet. Der Kohlenstoffblock-Filter 10 umfasst
im Allgemeinen eine Kohlenstoffbuchse (oder einen Kohlenstoffblock) 12,
einen Vlies-Kunststoff-Kern 14, der konzentrisch in der
Kohlenstoffbuchse 12 angeordnet ist, eine obere Abschlusskappe 16 und
eine untere Abschlusskappe 18. Ein Faserstoff 22 und
ein Baumwollstoff 20 sind um die Kohlenstoffbuchse 12 gewickelt
und an deren Platz mittels einer Kunststoffnetz-Umhüllung 24 gehalten.
Die Kohlenstoffbuchse 12 ist ein zylindrischer Hohlkern-Block
aus gebundenem Aktivkohlenstoff. Die Teilchen des Aktiv-Kohlenstoffgemisches
sind mit einer einzigen mittleren Teilchengröße und Korngrößenverteilung
ausgebildet, um einen Kohlenstoff block-Filter mit einer Vielzahl
an Vorteilen abzugeben, welche detailliert nachstehend beschrieben sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem zylindrischen
Block mit einem Hohlkern beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung gut
geeignet für
die Verwendung in Kohlenstoffblock-Filtern mit verschiedenen anderen
Ausführungen.
Wie hierin verwendet, werden die Ausdrücke „innerer", „innen", „äußerer" und außen" verwendet, um Richtungen
zu bezeichnen, relativ zu dem geometrischen Achszentrum des Kohlenstofflock-Filters.
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Der
Vlies-Kunststoffkern 14 ist ein herkömmliches Vlies-Kunststoffmaterial
wie versponnenes Polypropylen, das eine poröse Umfangswand festlegt, die
es Wasser ermöglicht,
leicht durch den Buchsenkern zu fließen, insbesondere in radialer
Richtung. Der Kunststoffkern 14 ist bevorzugt aus einer
gerollten Lage des erwünschten
Vliesmaterials hergestellt. Während
des Gebrauchs verhindert das Vliesmaterial den Durchfluss von großen Kohlenstoffteilchen,
die sich von dem Filter in den Auslassstrom trennen können, ist
aber porös
genug, um einen adäquaten
Wasserdurchfluss zu ermöglichen.
Der äußere Durchmesser
des Kunststoffkerns 14 variiert von Anwendung zu Anwendung,
ist aber bevorzugt ausgewählt, um
leicht in den inneren Durchmesser der Kohlenstoffbuchse 12 zu
passen. Vorzugsweise weist der Kunststoffkern 14 einen äußeren Durchmesser
von etwa einem Inch auf.
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Die
obere Abschlusskappe 16 ist an dem oberen axialen Ende
der Kohlenstoffbuchse 12 angeordnet, um zu verhindern,
dass ein Wasserfluss durch das obere axiale Ende der Kohlenstoffbuchse 12 fließt. Die
obere Abschlusskappe 16 ist bevorzugt aus einem nichtporösen, polymeren
Material wie Polypropylen hergestellt. Die obere Abschlusskappe 16 bestimmt
vorzugsweise eine zentrale Öffnung 30,
die koaxial zu dem Kunststoffkern 14 ist, und einen Hals 32,
der die Öffnung 30 umgibt.
Der Hals 32 ist mit einem Gewinde versehen, um es zu ermöglichen,
dass der Kohlenstoffblock-Filter 10 über das Gewinde mit einem geeigneten,
mit einem Gewinde versehenen Filtergehäuse (nicht dargestellt) verbunden
werden kann. Der innere Durchmesser der Öffnung 30 korrespondiert
bevorzugt in etwa mit dem inneren Durchmesser des Kerns 14.
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Die
untere Abschlusskappe 18 ist an dem unteren axialen Ende
der Kohlenstoffbuchse 12 angeordnet, um den Durchfluss
an Wasser durch das untere axiale Ende der Kohtenstoffbuchse 12 zu
verhindern. Die untere Abschlusskappe 18 ist im Wesentlichen
identisch zu der oberen Abschlusskappe 16, außer dass
diese komplett geschlossen ist und keinen Hals oder Öffnungen
umfasst.
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Die
innere Kohlenstoffbuchse 12 ist ein zusammenhängender
Block aus Aktiv-Kohlenstoffteilchen,
die zusammengebunden sind mittels eines herkömmlichen Kohlenstoffblock-Bindemittels.
Die Kohtenstoffbuchse 12 umfasst bevorzugt eine Umfangswand 26,
die eine zentrale Öffnung 28 festlegt. Die
Abmaße
der Wand 26 und der zentralen Öffnung 28 variieren
von Anwendung zu Anwendung. Der Aufbau des Kohlenstoffgemisches
wird detailliert nachstehend beschrieben. Das Bindemittel ist bevorzugt
ein polymeres Material mit einem sehr geringen Schmelzindex (Schmelzflussrate)
und ist bevorzugt ein Polyethylen mit einem ultrahohen Molekulargewicht
und einer hohen Dichte wie Hostalen® GUR-212.
Ein bevorzugtes Bindemittel ist beschrieben und offenbart in Verbindung
mit dem Kohlenstoffblock-Filter aus dem US-Patent 4,753,728 von
VanderBilt et al.
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Der
Kohlenstoffblock-Filter 10 der vorliegenden Erfindung ist
mittels Verwendung von herkömmlichen
Herstelltechniken und Vorrichtungen hergestellt. Im Allgemeinen
sind das Bindemittel (in Pulverform) und der Kohlenstoff einheitlich
gemischt, sodass das Bindemittel einheitlich in dem gesamten Kohlenstoff
dispergiert ist. Das Bindemittel beträgt bevorzugt in etwa von 17
bis etwa 25 Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt in etwa 20
Gewichtsprozent in Bezug auf das kombinierte Gewicht des Kohlenstoffs
und des Bindemittels. Die kombinierten Kohlenstoff und Bindemittel
werden in eine herkömmliche,
zylindrische Form (nicht dargestellt) mit einem nach oben vorstehenden
zentralen Haltestein zugeführt.
Die Form und deren Inhalt werden dann erhitzt von etwa 175 bis etwa
205 Grad Celsius. Gleichzeitig werden der Kohlenstoff und das Bindemittel
in Kombination einem Druck von etwa 30 bis etwa 120 psi über einen
herkömmlichen
Druckkolben (nicht dargestellt) ausgesetzt, der in die Form herabgesenkt
wird und der eine zentrale Ausnehmungsöffnung für den zentralen Haltestein
umfasst. Die Kombination von Kohlenstoff und Bindemittel wird dann abgekühlt und
die resultierende Struktur wird aus der Form in der Form einer integrierten
Kohlenstoffbuchse 12 entfernt.
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Die
Kohlenstoffbuchse 12 wird dann zurechtgestutzt, falls erforderlich.
Der Faserstoff 22 und die Baumwolle 20 werden
zu dem Kohlenstoffblock hinzugefügt,
in erster Linie um als Vorfilter zu fungieren. Im Allgemeinen wird
eine Schicht an nicht gewebtem oder Vlies-Baumwollstoff 20 und
einem etwas dickeren Vlies-Faserstoff 22 geschniten und
um den Kohlenstoffblock gewickelt. Der Faserstoff 22 weist
bevorzugt eine effektive Porosität
von etwa 10 Mikrometern und eine Dicke von etwa 1/8 Zoll auf. Der
Faserstoff 22 und die Baumwolle 20 werden mittels
eines Kunststoffnetzes 24 an ihrem Platz gehalten, das um
die Außenseite
des Faserstoffs 22 und der Baumwolle auf herkömmliche
Weise gewickelt ist.
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Der
Vlies-Kunststoffkern 14 wird üblicherweise aus einer Lage
des gewünschten
Vliesmaterials geschnitten. Die geschnittene Materiallage wird in Form
eines Rohr gerollt und in das Zentrum der Kohlenstoffbuchse 12 eingefügt. Der
Kern 14 kann adhäsiv
oder auf andere Weise in dem Zentrum der Kohlenstoffbuchse 12 gesichert
werden, wird jedoch üblicherweise
mittels Reibungskräften,
erzeugt durch dessen Neigung, sich auszurollen, und durch dessen Wechselwirkung
mit den Abschlusskappen 16 und 18 in Position
gehalten.
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Die
untere Abschlusskappe 18 wird auf herkömmliche Weise hergestellt,
unter Verwendung einer herkömmlichen
Aluminiumfom (nicht dargestellt). Im Allgemeinen wird ein pulverisierter
Kunststoff wie pulverförmiges
Polypropylen in die Aluminiumform geschüttet und bis zu einem flüssigen Zustand
erhitzt. Die Kohlenstoffbuchse 12 wird dann mit ihrem unterem
axialen Ende in Kontakt zu dem Kunststoff in die Form gedrückt, wo
diese verbleibt, während
der Kunststoff abgekühlt
und erhärtet
wird, um die untere Abschlusskappe 18 zu bilden. Die obere
Abschlusskappe 16 wird auf ähnliche Weise hergestellt,
außer dass
die Form der oberen Abschlusskappe (nicht dargestellt) geformt ist,
einen inneren, mit einem Gewinde versehenen Hals 32 zu
bilden. Ebenfalls wird der pulverförmige Kunststoff der Form zugeführt und bis
zu einem flüssigen
Zustand erhitzt. Die Kohlenstoffbuchse 12 wird dann in
die Form der oberen Abschlusskappe gedrückt mit deren oberen axialen Ende
in Kontakt mit dem Kunststoff. Der Kohlenstoffblock verbleibt in
Position, bis der Kunststoff ausreichend abgekühlt ist. Die Anordnung von
Kohlenstoffbuchse 12 und Abschlusskappen wird dann von
dem Element mit Gewinde abgedreht und von der Form entfernt. Alternativ
dazu können
die obere und untere Abschlusskappe separat hergestellt werden,
zum Beispiel mittels herkömmlichen
Spritzgießens
und dann an der Kohlenstoffbuchse 12 mittels Zement, Klebstoff
oder anders befestigt werden. Wenn es erwünscht ist, kann ein Gewindeeinsatz
in dem Formprozess der oberen Abschlusskappe verwendet werden, um
ein Element mit Gewinde zum Befestigen des Kohlenstoffblock-Filters 10 mit
einem geeigneten Filtergehäuse
bereitzustellen.
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Für die Zwecke
dieser Offenbarung wird die Kohlenstoffteilchengröße und die
Korngrößenverteilung
im Allgemeinen in Mesh-Größen, gemessen
mittels einer allgemein herkömmlichen
Nasssieb-Analyse, beschrieben. Eine Nasssieb-Analyse ist ein herkömmliches
Verfahren, in dem ein Kohlenstoffgemisch in Bereiche oder Kästen basierend
auf der Teilchengröße getrennt
wird. im Allgemeinen passiert das Kohlenstoffgemisch unter Zuhilfenahme
von Wasser nacheinander eine Reihe von Drahtsieben, jedes mit stufenweise
kleineren Öffnungen,
bis hin zu einem 500-Mesh-Drahtsieb.
Teilchen, die größer sind als
die Öffnungsgröße eines
spezifischen Drahtsiebs, verbleiben oben auf dem Drahtsieb, wohingegen
kleinere Teile das Drahtsieb passieren zu dem nächsten, kleineren Drahtsieb.
Teilchen, die kleiner sind als die Öffnungen des 500-Mesh-Drahtsiebs,
werden üblicherweise
als „Feinanteile" bezeichnet. Der
Grad an Feinanteilen kann signifikant von Kohlenstoffgemisch zu
Kohlenstoffgemisch variieren und in einigen Kohlenstoffgemischen
können
so viel wie 20 Gewichtsprozent umfasst sein. Feinanteile werden üblicherweise
von den Kohlenstoff hersteller selbst durch Abstufung ihrer Kohlenstoffe
vernachlässigt.
In dieser Offenbarung einschließlich
der Ansprüche
werden Feinanteile für
die Zwecke, welche die Korngrößenverteilung
betreffen berücksichtigt,
aber nicht beachtet für
die Zwecke, die den mittleren Teilchendurchmesser betreffen. Zweckdienlich
wird eine herkömmliche
Mesh-Größen-Notation
verwendet, um Größenbereiche
zu bezeichnen. Genauer bezieht sich die Notation „+" vor einer Mesh-Größe auf Partikel,
die zu groß sind,
um ein Drahtsieb der notierten Größe zu passieren. Zum Beispiel
bezieht sich +140 Mesh auf Partikel, die zu groß sind, um ein Drahtsieb der Größe 140 Mesh
zu passieren. Analog bezieht sich die Notation „–" vor einer Mesh-Größe auf Partikel, die klein
genug sind, ein Drahtsieb der notierten Größe zu passieren. Zum Beispiel
bezieht sich –500 Mesh
auf Partikel, die klein genug sind, ein Drahtsieb einer Größe von 500
Mesh zu passieren. Verwendet man diese Notation, so bezieht sich
der Ausdruck „Feinanteile" auf –500-Mesh-Kohlenstoffteitchen.
In Bezug auf Teilchenverteilung bezieht sich die Notation „x" zwischen zwei Mesh-Größen auf
einen Größenbereich.
Zum Beispiel bezieht sich 140 × 200
auf einen Bereich oder Kasten von Kohlenstoffteilchengrößen, deren
Partikelgröße kleiner
als 140 Mesh und größer als
200 Mesh beträgt.
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Die
einzigartige Beschaffenheit des Kohlenstoffgemisches der vorliegenden
Erfindung ist in Verbindung mit den 2-3 beschrieben. 2 zeigt
die Korngrößenverteilung
nach Gewicht eines typischen 80 × 325-Mesh-Kohlenstoffs gemäß dem Stand
der Technik. Die dargestellte Verteilung ist repräsentativ
für einen
typischen 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff, der
unter Verwendung einer Nasssiebanalyse erhalten werden kann, wobei
jedoch zu beachten ist, dass typischer 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff hinsichtlich
der Korngrößenverteilung
und des mittleren Teilchendurchmessers von Hersteller zu Hersteller und
von Fertigungslos zu Fertigungslos variieren kann. Typischer 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff ist „ab Lager" von einer Anzahl
an bekannten Kohlenstoffherstellern erhältlich und wird von einer Vielzahl
an Kohlenstoffblock-Filter-Herstellern ohne Modfikation verwendet.
Das Balkendiagramm gemäß 2 ist
in „Kästen" oder Bereiche unterteilt,
wobei jeder Kasten den Massenanteil in Prozent von Kohlenstoffteilchen zeigt,
die in den Kasten mit der bestimmten Größe fallen. Zum Beispiel zeigt
der Balken über
100 × 140 den
Massenanteil in Prozent von Partikeln, die kleiner sind als 100
Mesh und größer sind,
als 140 Mesh. Wie dargestellt, ist der Prozentsatz an +140-Mesh-Teilchen
größer als
40%. In dieser repräsentativen
Verteilung beträgt
der mittlere Teilchendurchmesser etwa 98 Mikrometer. Die Kohlenstoffblock-Filter,
die aus diesem Kohlenstoff hergestellt sind, weisen eine Vielzahl
an Nachteilen auf, einschließlich
einer geringen Filtrierleistung. 3 zeigt die
Korngrößenverteilung
nach Gewicht eines gemäß dem Stand
der Technik modifizierten 80 × 325-Mesh-Kohlenstoffs,
gemessen mittels einer herkömmlichen
Nasssiebanalyse. Dieser Kohlenstoff wird als „modifiziert" bezeichnet, da er
mittels eines modifizierten Schleifverfahrens, das ausgelegt ist,
einen verringerten mittleren Teilchendurchmesser bereit zustellen,
hergestellt wurde. Genauer ist der modifizierte 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff
geschliffen, um einen höheren
Grad an Feinanteilen bereitzustellen, was wiederum den mittleren
Teilchendurchmesser verringert und eine bessere Filtrierleistung
schafft. Wie dargestellt ist der Prozentsatz an +140-Mesh-Teilchen größer als
25% und der Prozentsatz an –500-Mesh-Teilchen
ist nahe 20%. Kohlenstoffblock-Filter, die aus diesem modifizierten
80 × 325-Mesh-Kohlenstoff
hergestellt wurden, weisen eine verbesserte Filtrierleistung im
Vergleich zu Filtern auf, die aus einem typischen 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff
hergestellt wurden, jedoch weisen diese andere Nachteile auf. Zum
Beispiel sind Filter, hergestellt aus dem modifizierten 80 × 325-Mesh,
relativ weich, leiden unter verringerten Durchflussraten und weisen
Produktionsertragsverluste von bis zu 20% auf.
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3 zeigt
auch die Korngrößenverteilung eines
Kohlenstoffgemisches nach Gewicht gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, gemessen unter Verwendung einer herkömmlichen
Nasssiebanalyse. Wie dargestellt, ist der Prozentsatz von +140-Mesh-Teilchen
unter 5% und der Prozentsatz von –500-Mesh-Teilchen beträgt etwa 7,5%. Mit dem einzigartigen
Kohlenstoff der vorliegenden Erfindung hergestellte Kohlenstoffblock-Filter
weisen dramatisch verbesserte Produktionserträge (bis zu 98%) auf, im Vergleich
zu dem modifizierten 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff.
Zusätzliche Vorteile
der vorliegenden Erfindung gegenüber
den typischen und modifizierten 80 × 325-Mesh-Kohlenstoffen gemäß dem Stand
der Technik sind nachstehend beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Filtrierleistung
gegenüber
Kohlenstoffblock-Filtern, hergestellt aus Kohlenstoffgemischen mit
einem größeren mittleren
Teilchendurchmesser wie typischem 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff, dargestellt
in 1. Zuerst schaffen Filter mit kleineren mittleren
Teilchendurchmessern eine verbesserte mechanische Filtrierung. Dies
kommt daher, da die Räume
zwischen den Kohlenstoffteilchen, durch welche das Wasser fließen muss,
im Durchschnitt kleiner sind. Da die Räume kleiner sind, fangen diese mechanisch
kleinere Teilchen ein und schaffen eine verbesserte mechanische
Filtrierung. Zweitens schaffen Filter mit kleineren mittleren Teilchendurchmessern
auch eine verbesserte Filtrierung über den Zeitablauf. 4 ist
eine grafische Darstellung der verbesserten Filtrierleistung, die
durch Kohlenstoffblock-Filter
mit geringerem mittlerem Teilchendurchmesser bereitgestellt wird. 4 vergleicht
die Reduzierung an Chloroform über
den Zeitablauf, der bereitgestellt wird durch Filter mit unterschiedlichen mittleren
Teilchendurchmessern, wenn diese gemäß ANSI/NSF 53-199a mit dem Titel „Drinking
Water Treatment Units – Health
Effects, VOCs Reduction" (Trinkwasserbehandlungseinheiten – Gesundheitseffekte,
Verringerung flüchtiger
organischer Verbindungen) getestet werden. Dieser Test soll dazu
dienen, um eine Messung der Lebensdauer eines Filters mittels Messen
der Wassermenge, die ein gegebener Filter behandeln kann, bevor
er versagt, einen spezifischen Grad an Filtrierung bereitzustelten,
zu schaffen. Wie in ANSI/NSF 53-1999a definiert, versagt ein Filter,
wenn er nicht länger
geeignet ist, zumindest eine 95%-ige Reduzierung an Chloroformanteilen bereitzustellen.
Linie A ist ein Ausdruck der Prozentreduktion in Chloroform, geleistet
durch einen Kohlenstoffblock-Filter mit einem mittleren Teilchendurchmesser
von 92 Mikrometer als Nebenfluss mit durchschnittlichen Chloroformanteilen
von 340 Teilen pro Billionen („ppb"). Wie dargestellt
beginnt die Leistung dramatisch abzufallen, wenn etwa 1200 Gallonen
an Wasser behandelt wurden. In der Tat versagt der Filter hinsichtlich
des 95%-Reduktion-Standards, der durch ANSI/NSF 53-1999a gesetzt ist,
nachdem etwa 1650 Gallonen behandelt wurden. Linie B ist ein Ausdruck
der Prozentreduktion in Chloroform, bereitgestellt durch einen Kohlenstoffblock-Filter
mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 65 Mikrometern, ebenfalls
als Nebenfluss mit durchschnittlichen Chloroformanteilen von 340
ppb. Wie dargestellt verbleibt die Leistung dieses Filters deutlich über 95%
selbst nachdem 2000 Gallonen an Wasser behandelt wurden, wodurch
die verbesserte Filtrierleistung über den Zeitablauf bewiesen
ist.
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Die
vorliegende Erfindung liefert auch verbesserte Durchflussraten gegenüber herkömmlichen Kohlenstoffblock-Filtern,
hergestellt aus dem modifizierten 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff gemäß dem Stand
der Technik bereit 5 zeigt die Durchflussrate von
Wasser durch den getesteten Kohlenstoffblock-Filter bei Drücken, die
von 10 bis 30 pounds per square inch gauge („psig") (Pfund-pro-Quadratinch-Säule) reichen.
Dieser Druckbereich ist grob äquivalent
zu dem Differentialdruckbereich über
den Filterblock, der üblicherweise
bei typischer Verwendung zu Hause vorhanden ist. Linie C repräsentiert die
Durchflussrate von Wasser durch den Filter, hergestellt aus dem
modifizierten 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff
zwischen Drü cken
von 10 psig und 30 psig. Linie D repräsentiert die Durchflussrate
von Wasser durch den Filter, hergestellt aus einem Kohlenstoffgemisch
gemäß einem
bevorzugtem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zwischen Drücken von 10 psig und 30 psig.
Wie dargestellt schafft der Filter, hergestellt aus einem bevorzugten
Kohlenstoff, signifikant verbesserte Durchflussraten, was bedeutet,
dass dieser geeignet ist, mehr Wasser über eine vorgegebene Zeitperiode
zu behandeln.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber dem
modifizierten 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff gemäß dem Stand
der Technik ist es, das dieser härtere
(stärkere)
Kohlenstoffblock-Filter ergibt. 6 zeigt
die Ergebnisse von sechs Härtetests,
die an einem Filter, hergestellt aus dem bevorzugtem Kohlenstoff,
und einem Filter, hergestellt aus dem modifizierten 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff
gemäß dem Stand
der Technik, durchgeführt
wurden. Der Test wurde in Übereinstimmung
mit ASTM D217-97L durchgeführt.
Im Allgemeinen umfasst der Test das Messen einer Menge an Durchdringung
in den Filter, die durch einen gewichtsbelasteten Konus unter bestimmten
spezifizierten Bedingungen erreicht wird. Der Test wurde durchgeführt unter
Verwendung eines Konus-Penetrometers (cone penetrometer), hergestellt
durch Precision Scientfic Company. Wie dargestellt, erweist sich
der Filter, hergestellt aus dem bevorzugten Kohlenstoff, als wesentlich
härter,
als der Filter, der aus dem modifizierten 80 × 325-Mesh-Kohlenstoff hergestellt
wurde. Tatsächlich
war der durchschnittliche Grad an Durchdringung für den bevorzugten
Kohlenstoff über
die sechs Tests nur halb so groß,
wie der des modifizierten 80 × 325-Mesh-Kohlenstoffs.
Diese Tests zeigen, dass Kohlenstoffblock-Filter, hergestellt aus dem bevorzugten Kohlenstoff,
wahrscheinlich weniger anfällig
für Beschädigungen,
zum Beispiel während
der Herstellung, der Zustellung und der Einrichtung sind.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer spezifischen Korngrößenverteilung und
einem mittleren Teilchendurhmesser beschrieben wurde, soll vorliegende
Erfindung einen Umfang an Kohlenstoffgemischen umfassen, in dem
der mittlere Teilchendurchmesser und die Korngrößenverteilung etwas von dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
abweicht. Genauer ist die vorliegende Erfindung auf Kohlenstoffgemische
gerichtet, bei denen der mittlere Teilchendurhmesser sich zwischen
etwa 60 Mikrometer und 80 Mikrometer erstreckt und bei denen die
+140-Mesh-Teilchen und die –500-Mesh-Teilchen
weniger als etwa 10% der Korngrößenverteilung
betragen. Der mittlere Teilchendurchmesser liegt jedoch weiter bevorzugt
um 65 bis um 75 Mikrometer und am meisten bevorzugt um 70 Mikrometer. Die +140-Mesh-Teilchen
und die –500-Mesh-Teilchen
betragen weiter bevorzugt jeweils weniger als etwa 8% der Korngrößenverteilung
und am meisten bevorzugt jeweils weniger als etwa 7% beziehungsweise
7,5% der Korngrößenverteilung.
Der am meisten bevorzugte mittlere Teilchendurchmesser und die am
meisten bevorzugte Korngrößenverteilung
sollte einen optimalen Ausgleich an Filtrierleistung, Durchflussrate,
Produktionsertrag und Härte
aufweisen. 7 zeigt die Korngrößenverteilung
von verschiedenen Kohlenstoffgemischen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung. 7 ist nicht
dazu gedacht, den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung einzuschränken, sondern ist
eher dazu gedacht, ein repräsentatives
Beispiel von verschiedenen Kohlenstoffgemischen bereitzustellen,
welche den Zielsetzungen hinsichtlich des mittleren Teilchendurchmessers
und der Korngrößenverteilung
der vorliegenden Erfindung genügen.
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Die
vorstehende Beschreibung ist die eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung. Verschiedene Abänderungen
und Veränderungen können vorgenommen
werden, ohne den Sinn und breitere Aspekte der Erfindung zu verlassen,
wie in den beigefügten
Ansprüchen
festgelegt, welche gemäß den Grundsätzen des
Patentgesetzes einschließlich
der Äquivalenzlehre
zu interpretieren sind. Jeder Bezug auf Anspruchsteile im Singular, zum
Beispiel die Verwendung der Artikel „ein", „eine", „der" oder „das" darf nicht als das
Element auf den Singular begrenzend ausgelegt werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Der
Kohlenstoffblock-Filter, der hierin beschrieben ist, kann in einem
Wasserfiltriersystem verwendet werden. Der Kohlenstofblock-Filter
ist besonders gut geeignet für
die Verwendung in häuslichen Wasseraufbereitungssystemen.