JP2017100125A - 浄水のための軸流フィルタブロック - Google Patents
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Abstract
【解決手段】このシステムは、濾過媒体と、濾過媒体と混合された結合剤であって、多孔性複合材ブロックが、濾過媒体および結合剤の混合物を焼結することによって形成されている、結合剤と、前記複合材ブロックが、その中に配置された筐体管と、を含む。
【選択図】なし
Description
別様に定義されない限り、本明細書で使用される技術的および科学的用語はすべて、本発明が属する当業者によって一般的に理解されるものと同一意味を有する。本明細書に説明されるものと類似または同等の任意の方法および材料が、本発明の実践または試験において使用することができるが、ここでは、例示的方法および材料について説明する。
一般に、結合剤の重量パーセントが高いほど、軸流ブロックによって呈される流速の高速減少をもたらす。より高い結合剤の重量パーセントの典型的使用は、濾過媒体中の湿気含有量の存在およびより高い強度の必要性のため、明らかに必要である場合であった。活性炭、活性木炭、活性アルミナ、および同等物等の従来の濾過媒体の検討では、大部分が、1〜10%の湿気含有量を有することが露顕された。活性濾過媒体は、非常に多孔性であって、その表面に親水性基を有するため、通常、長期間にわたって、湿気を吸収する。活性濾過媒体が、湿式化学法のうちの1つによって生産され、湿式化学法によって表面修飾され、湿式化学法によって、別の材料によって表面装填される時、濾過媒体中の湿気の量は、高くなった。湿気含有量は、活性濾過原材料の重量を増加させた。媒体中の湿気含有量は、媒体毎に異なる。ブロック生産後、所望の結合剤と混成前の湿気の不完全除去のため、実際の活性濾過媒体と結合剤の重量比が変化した。その結果、焼結プロセス後、多孔性ブロック内の結合剤の重量比は、所望または計算重量より高くなる。これは、ひいては、ブロックの疎水性を増加させる。前述に照らして、本開示の態様では、活性濾過媒体はすべて、一態様では、ブロック作製に先立って、湿気を除去するために乾燥される。
80gの原粉末状活性濾過媒体および20gの好適な結合剤が、20:80の比率でとられ、均質化された。軸方向ブロックは、使用される結合剤の融点より高い温度で鋳造され、90分間、維持され、続いて、空気冷却された。鋳造された軸方向ブロックは、再び、計測され、10%の理論重量の低下が、観察された。したがって、結合剤と媒体の重量比は、20:80から22.22:77.78に変化し、すなわち、結合剤重量は、11%増加した。
実施例A1において判定されるように、本開示の別の態様では、軸方向ブロックは、以下の方法で作製された。粉末状活性濾過媒体が、100℃において、1時間、乾燥された。濾過媒体は、任意の材料であることができ、例えば、本実施例では、活性炭が、採用される。濾過媒体と結合剤の重量比10:90が、測定され、混合物が、均質化され、軸方向ブロックが、作製された。軸方向ブロックが、続いて、鋳造された。鋳造されたブロックは、再び、計測され、理論重量に殆ど差異が観察されなかった。
観察Aにおいて判定されるように、本開示のある態様では、軸方向ブロックは、最初に、活性濾過媒体から湿気を除去し、所望の重量比を達成することによって調製された。結合剤重量パーセントが増加するにつれて、流速減少の程度は、ブロックが、中実管の内側に封止された時より高くなることが見出された。水による空気の変位は、そのような軸方向ブロックでは、困難となることが観察された。深度は、軸流円筒形ブロックにおいて、従来のブロックにおける深度と比較して、最大となる。軸方向ブロックでは、空気は、上向きに移動し、水は、下向きに移動する。軸方向ブロックの深度の増加は、ブロックから捕捉された空気の完全変位を減少させる。結合剤量が増加すると、ブロックは、大部分の結合剤が、性質上、疎水性であるため、疎水性となる。ブロック内の捕捉された空気の不十分な変位および疎水性ブロックを通る非効率的水流によって付与される力は、頻繁な閉塞および低流速の理由となり得る。このように仮定される場合、高さと直径縦横比2から3を有する軸方向ブロックは、所望の流速および流速の連続をもたらすことができない。加えて、ブロックが封止される方法が、ブロックの性能に影響を及ぼし得ることが見出された。
実施例A1およびA2において判定されるように、粉末状活性炭が、乾燥され、使用された。炭と結合剤の重量比20:80が、測定され、混合物が、均質化された。合計3つのブロックが、作製された。2つのブロックは、結合剤の融点を超える温度において、金属鋳型の内側に作製され、90分間、その温度で維持された後、空気冷却を行った。1つのブロックは、エポキシ樹脂を使用して、非多孔性中実管内側に封止され、他のブロックは、シリコーン封止剤を使用して封止された。ブロックは両方とも、軸流モードで稼働された。第3のブロックは、直接、シリコーン押出管内側に調製された。エポキシ樹脂を使用して非多孔性中実管内側に封止されたブロックは、直接、管内側に調製されたものより早く閉塞した、シリコーン封止剤を使用して封止されたものより早く閉塞した。
観察Bから理解されるように、重力下、軸方向ブロックを動作させるための2つの必要要因は、多孔性ブロックを通る水の連続流と、ブロックからの空気の容易かつ完全放出である。軸方向ブロックから捕捉された空気を放出し、自重供給式濾過ブロック内に「空気のない」状態を維持するプロセスは、湿潤の容易性に依存する。細孔サイズは別として、炭素ブロックを通る流速は、ブロックの湿潤性に依存する。湿潤性は、表面に存在する、化学基によって決定される。親水性基は、凝集力のため生じる表面張力を減少させることによって、接着力を向上させる。活性濾過媒体が、親水性表面を有するという事実にもかかわらず、最終軸方向ブロックは、使用される結合剤が、性質上、疎水性であるため、非常に疎水性となる。疎水性結合剤は、凝集力を増加させ、故に、湿潤性が、低下する。結合剤重量パーセントが、ブロック中で高い時、ブロックの疎水性は、増加する。結合剤量の増加の結果として、湿潤性は、疎水性の結果、低下し、流速は、湿潤の悪化のため低下し、故に、呼水を差すことが困難となる。結合剤の量は、ブロックの強度を決定する。軸流ブロックは、中実管の内側に格納される。円筒形軸方向ブロックの円周表面は、中実管によって支持される。軸方向ブロックの構造的完全性/強度は、中実管に基づく。故に、一定期間にわたる、厳しい水圧下でも、ブロックの亀裂または崩壊は、不可能となる。必要とされる結合剤の量は、管の被覆が、ブロックの強度を向上させるため、減少される。本理由から、従来のブロックのために定義される媒体/結合剤比は、軸流円筒形ブロックの作製のために従う必要はない。その結果、強固な軸方向ブロックが、より少ない結合剤の量を使用して作製される。
本実施例では、乾燥された粉末状濾過媒体および疎水性結合剤が、使用された。結合剤と濾過媒体の重量比10:90、20:80、および60:40が、測定され、混合物が、均質化された。3つのブロックが、結合剤の融点を超える温度において、金属鋳型内側に作製され、温度が、90分間、維持された。ブロックは、続いて、空気で冷却された。
全3つのブロックが、非多孔性中実管内側に封止された。便宜上、ブロックは、50mm直径および70mm高さ(すなわち、高さ/直径比1.4)に切断された。全3つのブロックは、軸流モードで稼働された。ブロックはすべて、流速が、有意に降下するまで、任意の保守(周期的逆洗)を伴わずに、継続的に稼働された。重量比10:90、20:80、および60:40を有するブロックは、それぞれ、流速296mL/分、240mL/分、および80mL/分を呈した。図5は、本開示の本態様に従って、疎水性熱可塑性結合剤を使用して作製された軸方向ブロックの性能データ(平均流速)を描写する。疎水性結合剤パーセンテージの増加は、流速および流動の継続性を低下させることは、明白である。疎水性結合剤と媒体の重量比40:60を有するブロックは、150L以内で閉塞することが観察された。
本実施例では、乾燥された粉末状濾過媒体および親水性結合剤が、使用された。結合剤と媒体の重量比10:90、20:80、30:70、および60:40が、測定され、混合物が、均質化された。全ブロックは、金属鋳型内側に作製された。ブロックは、続いて、空気冷却された。全3つのブロックは、非多孔性中実管内側に封止された。便宜上、ブロックは、50mm直径および70mm高さに切断された。ブロックはすべて、軸流モードで稼働された。ブロックはすべて、流速が、有意に降下するまで、任意の保守(周期的逆洗)を伴わずに、継続して稼働された。重量比10:90、20:80、30:70、および60:40を有するブロックは、それぞれ、流速320mL/分、440mL/分、530mL/分、および570mL/分を示した。平均流速は、図6に描写される。親水性結合剤パーセンテージの増加が、水に対する親和力のため、流速を増加させることは、明白である。全ブロックは、任意の保守(周期的逆洗)がなくても、流速にいかなる閉塞も伴わずに、少なくとも500Lの間、稼働することが観察された。これは、親水性結合剤は、実際、流速および寿命を増加させることを確認する。
本実施例では、30gの粉末状活性炭が、1時間、100℃で乾燥され、UHMWPEが、結合剤として使用された。好ましくは、8:92から14:86の範囲内の結合剤と炭の重量比が、測定され、混合物が、均質化された。閉鎖端を有するナイロン管等の非多孔性円筒形筐体管が、使用された。内側表面が、結合剤粒子でプレコーティングされ、炭および結合剤の均質化された混合物で充填された。混合物で充填された筐体管のコアが、使用される結合剤の融点を上回るような温度まで加熱された。加熱は、90分間、行われ、次いで、室温まで冷却された。筐体管の底部閉鎖が、次いで、端間軸流を得るために除去された。50mm直径および35mm高さ(すなわち、高さ/直径比0.7)を有する軸方向炭素ブロックが、得られ、垂直モードで稼働された。少なくとも3,000Lの2ppm塩素水溶液が、炭素ブロックを通して通過された。除去率は、図7に描写される。本開示の本態様では、フィルタブロックは、99.9%超の除去性能を一定して示した。理論によって拘束されることを所望するわけではないが、所望の流速における30gの炭素ブロックの一貫した性能は、主として、軸方向ブロックの増加した深度によるものと考えられる。
本実施例では、粉末状活性炭、活性アルミナ、銀ナノ粒子装填金属酸化物が、1時間、100℃で乾燥された。共通結合剤が、全媒体のために使用された。本実施例では、結合剤と炭の重量比は、8:92から14:86、結合剤とアルミナの重量比は、3:97から10:90、結合剤と銀ナノ粒子装填金属酸化物の重量比は、3:97から10:90である。試料が、個別に測定および均質化された。内側表面が、結合剤粒子の有無を問わず、プレコーティングされた非多孔性中実管が、使用された。均質化された濾過媒体が、重ねられるように、管内側に装填され、使用される結合剤の融点を超える温度まで加熱され、90分間、維持された。続いて、室温まで冷却された。75mm直径および110mm高さ(すなわち、高さ/直径比1.46)を伴う軸方向複合材ブロックが、垂直モードで稼働された。調製されたブロックは、抗菌作用のために試験された。大腸菌が、モデル微生物として使用された。性能データは、表1に与えられる。濃度5x105CFU/mLにおける大腸菌が、複合材フィルタを連続的に通過された。約99.9%の除去が、300Lまで見られることが観察された。なお、フィルタ容量は、使用される吸着剤の量を増加させることによって、増加させることができる。ここに提示される値は、フィルタの容量を反映せず、汚染物質の最高濃度における性能を証明する。
本実施例では、粉末状活性炭、銀ナノ粒子装填金属酸化物、およびフッ化物除去媒体が、1時間、100℃で乾燥された。共通結合剤が、全媒体のために使用された。本実施例では、結合剤と炭の重量比は、8:92から14:86、結合剤と銀ナノ粒子装填金属酸化物の重量比は、3:97から10:90、結合剤とフッ化物除去媒体の重量比は、5:95から15:85である。試料が、個別に、測定および均質化された。内側表面が、結合剤粒子の有無を問わず、プレコーティングされた非多孔性中実管が、使用された。均質化された濾過媒体は、重ねられるように、管の内側に装填された。使用される結合剤の融点を超える温度まで加熱され、90分間、維持された。次いで、室温まで冷却された。46mm直径および150mm高さ(すなわち、高さ/直径比3.2)を伴う軸方向複合材ブロックが、垂直モードで稼働された。調製された複合材軸方向ブロックは、フッ化物除去容量のために試験された。10ppmフッ化物溶液が、ブロックを通して濾過された。性能データは、図8に描写される。飲料水中のフッ化物汚染物質許容限度は、典型的には、1ppmまでである。図4は、フィルタが、容認可能な性能を伴って、40Lに対して稼働したことを示す。なお、フィルタ容量は、使用される吸着剤の量を増加させることによって、増加させることができる。ここで提示される値は、フィルタの容量を結論付けるのではなく、汚染物質の最高濃度における性能を証明する。
別の実施例では、以下の方法は、混合された結合剤を使用して、複合材軸方向ブロックを形成するための手順を実証する。結合剤の規定された性質およびその重量比は、例証目的のためだけに意図される。
本実施例では、粉末状活性炭が、1時間、100℃で乾燥された。本実施例では、結合剤と炭の重量比は、8:92から40:60、または約20:80であることができる。結合剤および炭が、測定され、混合物が、均質化された。多孔性ドーム形形状の市販のセラミック細菌濾過器(ceramic filter candle)が、使用された。均質化された濾過媒体が、管内側に装填され、管のコアにおける温度が、使用される結合剤の融点を上回るように加熱された。そして、90分間、維持された。続いて、室温まで冷却され、次いで、炭素ブロックで充填されたセラミック細菌濾過器が、コアにおいて穿孔され、中空円筒形コアを作製した。
本実施例では、所望の寸法における所望の筐体管が、使用された。高溶融流動指数を有する米国式メッシュ50×150番の熱可塑性結合剤が、筐体管の内側表面上にコーティングされた。使用される粒状媒体は、プレコーティングされた筐体管内側に高密度に充填され、粒状媒体を筐体管に粘着させるために、使用される結合剤の融点を上回って加熱された。
本発明は、以下の利点のうちの1つ以上をもたらす。円筒形ブロックは、種々の汚染物質の完全除去のために十分な接触時間を有するように、水流のための従来のブロックフィルタを有意に上回る高さ/直径縦横比を有する。フィルタブロックは、他の自重供給式浄化器によって経験するような低流速および頻繁な閉塞問題を被らない。フィルタブロックは、作製が容易かつ費用効果的であって、余剰手動作業、硬化時間、およびコストのかかる食品等級封止剤/セメントを回避する。
Claims (51)
- 自重供給式浄水システムであって、
少なくとも1つの濾過媒体と、
前記少なくとも1つの濾過媒体と混合される、少なくとも1つの結合剤であって、多孔性複合材ブロックが、前記少なくとも1つの濾過媒体および前記少なくとも1つの結合剤の混合物を焼結することによって形成されている、結合剤と、
前記複合材ブロックが、その中に配置される、筐体管と、
を備えることを特徴とするシステム。 - 前記少なくとも1つの結合剤は、前記筐体管の内側表面に熱的に結合されている、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記混合物は、前記少なくとも1つの結合剤の融点を上回る温度に加熱され、それにより、多孔性ブロックが、前記混合物の乾燥時に形成されている、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記少なくとも1つの濾過媒体の親水性は、増加されている、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記少なくとも1つの濾過媒体の親水性は、前記少なくとも1つの結合剤の量を減少させることによって増加されている、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記多孔性円筒形ブロックは、外部鋳型を使用せずに、直接、前記筐体管の内側に形成されている、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記少なくとも1つの活性濾過媒体は、活性炭、活性木炭、活性アルミナ、砂、金属酸化物または水酸化物ナノ粒子装填活性アルミナもしくは炭、金属ナノ粒子装填活性アルミナまたは炭、イオン交換樹脂ビーズ、ミクロンサイズの金属酸化物の組成物、金属水酸化物、あるいはそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記ミクロンサイズの金属酸化物の組成物は、シリカ、チタニア、マグネシア、セリア、酸化マンガン、ゼオライト、またはそれらの組み合わせのうちの1つ以上を含む、請求項7に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記金属水酸化物は、ベーマイトおよび酸化水酸化鉄のうちの少なくとも1つを含む、請求項7に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記混合物を焼結することは、少なくとも約100℃の温度で行われる、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 少なくとも、第2の濾過媒体が、前記少なくとも1つの濾過媒体と混成されている、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記筐体管は、前記少なくとも1つの濾過媒体および前記少なくとも1つの結合剤の混合物の原位置鋳造のために使用されている、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記筐体管は、多孔性である、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記筐体管は、非多孔性である、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記筐体管は、非多孔性陶器、せっ器、磁器、ナイロン、テフロン(登録商標)、繊維補強プラスチック、高密度ポリエチレン(HDPE)、超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)、PP、ポリ塩化ビニル(PVC)、高密度ポリ塩化ビニル(UPVC)、シリコーン、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記筐体管は、多孔性陶器、セラミック細菌濾過器、ポリマー細菌濾過器、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つを備える、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記筐体管の形状は、開口円筒形、ドーム形、円錐形、または半球形のうちの1つである、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記複合材ブロックは、垂直に位置付けられている、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記複合材ブロックは、下向きまたは上向きの水流方向のうちの1つを支持する、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記複合材ブロックは、略水平に位置付けられる、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記複合材ブロックは、水平に対して角度を成して位置付けられる、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記複合材ブロックは、下向きおよび上向き流動方向のうちの1つを支持する、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 中空中心コアが、前記軸流円筒形ブロック内に孔を穿通することによって形成されている、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記少なくとも1つの結合剤は、加熱によってプレコーティングされている、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記自重供給式浄水システムは、粒状媒体濾過デバイスである、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 前記少なくとも1つの濾過媒体は、湿気を含まないまたは実質的に含まない、請求項1に記載の自重供給式浄水システム。
- 自重供給式浄水システムにおいて使用される軸流ブロックを製造するための方法であって、
湿気を含まないまたは実質的に含まない、少なくとも1つの濾過媒体を提供する工程、 前記少なくとも1つの濾過媒体および少なくとも1つの結合剤の混合物を筐体管内に充填する工程、および
前記混合物を前記少なくとも1つの結合剤の融点を上回る温度に加熱することであって、それにより、多孔性ブロックが、前記混合物の乾燥時に形成される工程、
を含むことを特徴とする方法。 - 少なくとも1つの濾過媒体を提供する前記ステップは、湿気を含む濾過媒体を提供し、すべてまたは実質的にすべての湿気を前記少なくとも1つの濾過媒体から除去することを含む、請求項28に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの濾過媒体の親水性を増加させることをさらに含む、請求項28に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの媒体の親水性は、前記少なくとも1つの結合剤の量を減少させることによって増加される、請求項30に記載の方法。
- 前記軸流ブロックは、外部鋳型を使用せずに、直接、前記筐体管の内側に形成される、請求項28に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの活性濾過媒体は、活性炭、活性木炭、活性アルミナ、砂、金属酸化物または水酸化物ナノ粒子装填活性アルミナもしくは炭素、金属ナノ粒子装填活性アルミナまたは炭素、イオン交換樹脂ビーズ、ミクロンサイズの金属酸化物の組成物、金属水酸化物、あるいはそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つを含む、請求項28に記載の方法。
- 前記ミクロンサイズの金属酸化物の組成物は、シリカ、チタニア、マグネシア、セリア、酸化マンガン、ゼオライト、またはそれらの組み合わせのうちの1つ以上を含む、請求項33に記載の方法。
- 前記金属水酸化物は、ベーマイトおよび酸化水酸化鉄のうちの少なくとも1つを含む、請求項33に記載の方法。
- 前記混合物の乾燥は、少なくとも100℃で行われる、請求項29に記載の方法。
- 少なくとも、第2の濾過媒体を前記少なくとも1つの濾過媒体と混成することをさらに含む、請求項28に記載の方法。
- 前記筐体管は、前記少なくとも1つの濾過媒体および前記少なくとも1つの結合剤の混合物の原位置鋳造のために使用される、請求項28に記載の方法。
- 前記筐体管は、多孔性である、請求項28に記載の方法。
- 前記筐体管は、非多孔性である、請求項28に記載の方法。
- 前記筐体管は、非多孔性陶器、せっ器、磁器、ナイロン、テフロン(登録商標)、繊維補強プラスチック、高密度ポリエチレン(HDPE)、超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)、PP、ポリ塩化ビニル(PVC)、高密度ポリ塩化ビニル(UPVC)、シリコーン、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つから作製される、請求項28に記載の方法。
- 前記筐体管は、多孔性陶器、セラミック細菌濾過器、ポリマー細菌濾過器、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つから作製される、請求項28に記載の方法。
- 前記筐体管の形状は、開口円筒形、ドーム形、円錐形、および半球形のうちの1つである、請求項28に記載の方法。
- 前記軸流ブロックは、垂直に位置付けられる、請求項28に記載の方法。
- 前記軸流ブロックは、下向きおよび上向きの水流方向のうちの1つを支持する、請求項28に記載の方法。
- 前記軸流ブロックは、略水平に位置付けられる、請求項28に記載の方法。
- 前記軸流ブロックは、水平に対して角度を成して位置付けられる、請求項28に記載の方法。
- 前記軸流円筒形ブロックは、下向きおよび上向き流動方向のうちの1つを支持する、請求項28に記載の方法。
- 中空中心コアを前記軸流円筒形ブロック内に形成することをさらに含む、請求項28に記載の方法。
- 前記中空中心コアは、前記軸流円筒形ブロック内に孔を穿通することによって形成される、請求項49に記載の方法。
- 加熱によって、前記少なくとも1つの結合剤をプレコーティングすることをさらに含む、請求項28に記載の方法。
- 前記自重供給式浄水システムは、粒状媒体濾過デバイスである、請求項28に記載の方法。
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