KR100468186B1 - 탄소 블록 물 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 독특한 결합된 탄소 혼합물을 포함하는 활성 탄소 블록 필터 (10)을 제공한다. 탄소 혼합물은 바람직하게는 평균 입자 직경이 약 60 미크론 내지 약 80 미크론 범위이고, 입도 분포는 입자의 10 중량% 미만이 140 메쉬보다 크고 입자의 10 중량% 미만이 500 메쉬보다 작다. 보다 바람직하게는, 탄소 혼합물은 평균 입자 직경이 약 65 미크론 내지 약 75 미크론 범위이다. 훨씬 더 바람직하게는, 탄소 혼합물은 평균 입자 직경이 약 70 미크론이고, 입도 분포는 입자의 7 중량% 미만이 140 메쉬보다 크고 입자의 7.5 중량% 미만이 500 메쉬보다 작다.

Description

탄소 블록 물 필터 {Carbon Block Water Filter}

수돗물을 처리하기 위해 가정용 물 처리 시스템을 사용하는 것은 부분적으로는 비처리된 수돗물의 소비와 관련된 건강상 문제에 대한 대중적인 인식이 높아졌기 때문에 미국 내에서 및 해외에서 매우 큰폭으로 계속 성장하고 있다. 비용면에서 가장 효과적인 종래의 가정용 물 처리 시스템에서는 전형적으로 물 스트림으로부터 입자형 물질을 제거하고 유기 오염물을 흡착시키기 위해 탄소 블록 필터를 사용한다. 종래의 탄소 블록 필터는 함께 결합되어 비처리된 물을 여과시킬 수 있는 블록을 형성하는 치밀하게 충전된 활성 탄소 입자들의 덩어리를 포함한다. 비처리된 물이 상기 치밀한 브릭(brick)을 통해 통과할 때, 기계적 여과와 흡착의 조합이 작용하여 물 스트림으로부터 높은 비율의 입자형 물질과 유기 오염물을 제거한다.

탄소 블록 필터의 제조는 복잡할 수 있으며 전형적으로 각종 상충하는 이해관계들을 주의깊게 균형맞추는 것을 포함한다. 보다 작은 탄소 입자는 개선된 여과를 제공하는 것으로 알려져 있다. 이는 보다 작은 입자는 표면적을 증가시키고, 보다 작은 입자형 물질을 포획하는 보다 치밀한 블록을 형성한다는 사실에 크게 기인한다. 불행하게도, 보다 작은 탄소 입자 크기는 몇가지 문제를 일으킨다. 첫째로, 필터를 통한 물 유량에 매우 큰 영향을 미친다. 치밀한 블록은 보다 작은 입자형 물질을 포획할 뿐만 아니라 또한 물의 유동을 크게 제한시킬 수 있어서 주어진 시간 동안 처리할 수 있는 물의 양을 현저하게 감소시킨다. 둘째로, 보다 작은 탄소 입자의 비율이 높으면 종래의 제조 기법을 이용하여 탄소 블록을 제조하는 것이 어려워진다. 보다 구체적으로, 보다 높은 수준의 미립자는 고체 탄소 블록을 만드는 결합제의 능력을 저해한다. 이는 탄소 블록에서 균열, 부스러짐 및 다른 결함을 일으키고, 이는 다시 낮은 제조 수율을 이끈다. 이들 관심사를 균형맞추는데 있어서, 종래의 탄소 블록 필터 제조업자들은 대개 그들의 탄소 블록의 제조에 비교적 큰 탄소 입자를 사용한다. 대안은 블록 내에 함유된 결합제의 수준을 증가시키는 것이다. 이들 실행은 둘 모두 일반적으로 제조 수율을 증가시키지만 필터 유효성을 감소시킨다. 전형적으로, 탄소 블록 필터는 표준 80×325 메쉬 탄소로부터 제조된다. 표준 80×325 메쉬 탄소의 정확한 입도 분포는 제조업자마다 및 로트(lot)마다 다르지만, 대개 높은 비율의 +140 메쉬 탄소 입자 (즉, 크기가 140 메쉬보다 큰 입자) 및 적은 비율의 -325 메쉬 탄소 입자 (즉, 크기가 325 메쉬보다 작은 입자)를 포함한다. 전형적인 80×325 메쉬 탄소는 보통 평균 입자 직경이 98 미크론 또는 그 이상이다. 그 결과, 전형적인 80×325 메쉬 탄소로부터 제조된 필터는 일반적으로 비교적 높은 제조 수율과 유량을 제공하지만, 뛰어난 여과 성능을 제공하지는 않는다.

제조 수율과 유량을 희생하여 필터 성능을 증가시키기 위해, 다른 공지의 탄소 블록 제조업자는 블록을 제조하기 위해 사용된 탄소 입자의 평균 입자 직경을 감소시켰다. 그러한 탄소 혼합물을 제조하기 위해, 보통 전형적인 80×325 메쉬를 형성하도록 연마된 탄소를 325 메쉬보다 작은 탄소 입자의 수준을 증가시키는 특수한 연마 공정에 놓는다. 연마 조작은 고유하게 약간의 변동을 일으키지만, 상기 개질 탄소 혼합물은 일반적으로 평균 입자 크기가 약 75 미크론이고 입도 분포는 140 메쉬보다 큰 탄소 입자가 대략 25% 이상이고 500 메쉬보다 작은 탄소 입자가 25% 이상이다. 생성된 탄소 블록 필터는 개선된 성능을 제공하지만, 작은 탄소 입자의 수준이 높으면 유량을 감소시키고 20-30%까지 제조 손실을 일으킨다. 또한, 작은 탄소 입자의 수준이 높으면 비교적 연질이어서 손상을 입기 쉬운 탄소 블록을 생성시킨다.

본 발명은 필터, 보다 구체적으로는 물 처리 시스템용 탄소 블록 물 필터에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시태양에 따라 제조된 탄소 블록 필터의 투시 단면도이다.

도 2는 선행 기술의 전형적인 80×325 메쉬 탄소의 입도 분포를 보여주는 막대 차트이다.

도 3은 선행 기술의 개질 80×325 메쉬 탄소 및 본 발명의 바람직한 실시태양에 따른 탄소 혼합물의 입도 분포를 보여주는 막대 차트이다.

도 4는 평균 입자 직경이 상이한 2개의 필터의 시간 경과에 따른 여과 성능을 보여주는 선 그래프이다.

도 5는 개질 80×325 메쉬 탄소로부터 제조된 필터 및 본 발명의 바람직한 실시태양에 따른 탄소 혼합물로부터 제조된 필터의 유량을 보여주는 선 그래프이다.

도 6은 개질 80×325 메쉬 탄소로부터 제조된 필터 및 본 발명의 바람직한 실시태양에 따른 탄소 혼합물로부터 제조된 필터에 대해 수행한 경도 시험의 결과를 보여주는 표이다.

도 7은 본 발명의 각종 실시태양에 따른 각종 탄소 혼합물의 입도 분포를 보여주는 막대 차트이다.

상기 언급한 문제들은 탄소 블록 필터에 개선된 성능, 유량, 경도 및 제조 수율을 제공하는, 독특한 탄소 혼합물로부터 탄소 블록 필터를 제조하는 본 발명에 의해 극복된다. 탄소 혼합물은 바람직하게는 평균 입자 직경이 약 60 내지 80 미크론이고 입도 분포는 약 10% 미만이 +140 메쉬이고 약 10% 미만이 -500 메쉬이다. 탄소 혼합물은 종래의 결합제를 사용하여 함께 결합되어 일체화된 탄소 블록을 형성한다. 탄소 블록은 다양한 종래의 기술에 따라 광범위한 탄소 블록 필터 내로 도입될 수 있다.

보다 바람직한 실시태양에서, 탄소 블록 필터는 평균 입자 크기가 약 65 내지 75 미크론이고 입도 분포가 약 10% 미만이 +140 메쉬이고 약 10% 미만이 -500메쉬인 탄소 혼합물로부터 제조된다.

가장 바람직한 실시태양에서, 탄소 블록 필터는 평균 입자 크기가 약 70 미크론이고 입도 분포가 약 7% 미만이 +140 메쉬이고 약 7.5% 미만이 -500 메쉬인 탄소 혼합물로부터 제조된다.

본 발명은 평균 입자 직경이 감소되어 시간에 따른 여과 성능이 향상된 탄소 블록 필터를 제공한다. 탄소 혼합물은 또한 개선된 제조 수율을 제공한다. 또한, 본 발명은 손상을 보다 덜 받는 보다 강한 탄소 블록을 제공한다. 추가로, 본 발명은 유사한 평균 입자 크기를 갖는 종래의 탄소 블록 필터보다 상당히 개선된 유량을 제공한다.

본 발명의 상기한 및 다른 목적, 이점 및 특징은 바람직한 실시태양의 상세한 설명과 도면을 참고하여 쉽게 이해될 것이다.

본 발명의 바람직한 실시태양에 따른 탄소 블록 필터를 도 1에 도시하고, 일반적으로 부호 (10)으로 지정하였다. 탄소 블록 필터 (10)은 일반적으로 탄소 슬리브 (sleeve) (또는 탄소 블록) (12), 상기 탄소 슬리브 (12) 내에 중심에 배치된 부직 플라스틱 코어 (14), 상부 말단 캡 (16) 및 기부 말단 캡 (18)을 포함한다. 직물 (22)와 직물 스크림 (20)이 탄소 슬리브 (12) 주위를 감싸며, 플라스틱 그물 랩 (net wrap) (24)에 의해 제자리에 유지된다. 탄소 슬리브 (12)는 결합된 활성 탄소의 중공 코어 원통형 블록이다. 활성 탄소 혼합물의 입자에 독특한 평균 입도와 입도 분포를 제공하여 다양한 이점을 갖는 탄소 블록 필터를 수득하며, 이는 아래에 보다 상세히 기술한다. 중공 코어 원통형 블록과 연관지어 기술하지만, 본 발명은 각종 다른 형상의 탄소 블록 필터에서 사용하기에 매우 적합하다. 본원에서 사용되는 용어 "내부," "안쪽으로," "외부" 및 "바깥쪽으로"는 탄소 블록 필터의 기하적 축 중심에 대한 방향을 나타내도록 사용된다.

부직 플라스틱 코어 (14)는 물이 슬리브 코어를 통해 특히 방사상 방향으로 쉽게 유동하도록 허용하는 다공성 원주 벽을 한정하는, 종래의 부직 플라스틱 재료, 예를 들어 스펀본디드 폴리프로필렌이다. 플라스틱 코어 (14)는 바람직하게는 목적하는 부직 재료의 감긴 (rolled) 시트로부터 제조된다. 작동시, 부직 재료는 필터로부터 배출 스트림 내로 분리될 수 있는 큰 탄소 입자의 유동을 방지하지만, 적절한 물 유동을 허용하기에 충분히 다공성이다. 플라스틱 코어 (14)의 외경은 용도마다 다를 것이지만, 바람직하게는 탄소 슬리브 (12)의 내경 내에 꼭 맞도록 선택될 것이다. 바람직하게는, 플라스틱 코어 (14)의 외경은 약 1 인치일 것이다.

상부 말단 캡 (16)은 탄소 슬리브 (12)의 상부 축 말단 상에 배치되어 탄소 슬리브 (12)의 상부 축 말단을 통한 물의 유동을 방지한다. 상부 말단 캡 (16)은 바람직하게는 폴리프로필렌과 같은 비다공성 중합체 재료로부터 제조된다. 상부 말단 캡 (16)은 바람직하게는 플라스틱 코어 (14)와 동축인 중심 구멍 (30) 및 구멍 (30)을 에워싸는 넥 (neck) (32)를 한정한다. 넥 (32)은 나사홈이 파여 (threaded), 탄소 블록 필터 (10)이 적합한 나사홈이 파인 필터 하우징 (도시하지 않음)에 나사식으로 장착되도록 허용한다. 구멍 (30)의 내경은 바람직하게는 대략 코어 (14)의 내경에 상응한다.

기부 말단 캡 (18)은 탄소 슬리브 (12)의 기부 축 말단 상에 배치되어 탄소 슬리브 (12)의 기부 축 말단을 통한 물의 유동을 방지한다. 기부 말단 캡 (18)은 완전히 밀폐되며 임의의 넥 또는 구멍을 포함하지 않는 것을 제외하고는 상부 말단캡 (16)과 실질적으로 동일하다.

내부 탄소 슬리브 (12)는 종래의 탄소 블록 결합제에 의해 함께 결합된 활성 탄소 입자들의 인접 블록이다. 탄소 슬리브 (12)는 바람직하게는 중심 구멍 (28)을 한정하는 원주 벽 (26)을 포함한다. 벽 (26)과 중심 구멍 (28)의 치수는 용도마다 다를 것이다. 탄소 혼합물의 구성은 아래에 보다 상세히 기술할 것이다. 결합제는 바람직하게는 융융 지수 (용융 유량)가 매우 낮은 중합체 재료이고, 바람직하게는 초고분자량의 고밀도 폴리에틸렌, 예를 들어 HostalenGUR-212이다. 바람직한 결합제는 본원에 참고로 포함시킨 반데르빌트 (VanderBilt) 등의 미국 특허 제4,753,728호의 탄소 블록 필터와 연관지어 기재되고 개시되어 있다.

본 발명의 탄소 블록 필터 (10)은 종래의 제조 기법 및 장치를 사용하여 제조된다. 일반적으로, 결합제 (분말 형태로)와 탄소를 균일하게 혼합하여, 결합제가 탄소 전체에 균일하게 분산되도록 한다. 결합제는 바람직하게는 탄소와 결합제의 합한 중량을 기준으로 약 17 내지 약 25 중량%, 가장 바람직하게는 약 20 중량%이다. 합한 탄소와 결합제를 위로 돌출한 중심 맞춤못 (dowel)을 갖는 종래의 원통형 몰드 (도시하지 않음) 내로 공급한다. 이어서 몰드와 그 내용물을 약 175 내지 약 205℃로 가열한다. 동시에, 합한 탄소와 결합제는, 몰드 내로 낮추어지고 중심 맞춤못에 대한 중심 클리어런스 구멍을 포함하는 종래의 가압 피스톤 (도시하지 않음)에 의해 약 30 내지 약 120 psi의 압력에 놓인다. 이어서 합한 탄소와 결합제를 냉각시키고, 생성된 구조체를 일체화된 탄소 슬리브 (12)의 형태로 몰드로부터 제거한다.

이어서 필요하다면 탄소 슬리브 (12)를 트리밍(trimming)한다. 직물 (22)와 스크림 (20)은 주로 예비필터로서 기능하도록 탄소 블록에 추가한다. 일반적으로, 부직 스크림 (20)과 다소 더 두꺼운 부직 직물 (22)의 층은 절단되어 탄소 블록 주위를 감싼다. 직물 (22)는 바람직하게는 유효 공극도가 약 10 미크론이고 두께가 대략 1/8 인치이다. 직물 (22)와 스크림 (20)은 종래의 방식으로 직물 (22)와 스크림 (20)의 외부 주위를 감싸는 플라스틱 그물 (24)에 의해 제자리에 유지된다.

부직 플라스틱 코어 (14)는 전형적으로 목적하는 부직 재료의 시트로부터 절단된다. 재료의 절단 시트는 튜브 형태로 감겨 탄소 슬리브 (12)의 중심으로 삽입된다. 코어 (14)는 탄소 슬리브 (12)의 중심 내에 접착식으로 또는 달리 고정될 수 있지만, 전형적으로 그의 풀리는 경향에 의해 발생하는 마찰력 및 말단 캡들 (16 및 18)과의 상호작용에 의해 제자리에 유지된다.

기부 말단 캡 (18)은 종래의 알루미늄 몰드 (도시하지 않음)를 사용하여 종래의 방식으로 제조한다. 일반적으로, 분말화 플라스틱, 예를 들어 분말화 폴리프로필렌을 알루미늄 몰드 내에 붓고 가열하여 액체 상태로 만든다. 이어서 탄소 슬리브 (12)를 그의 기부 축 말단이 플라스틱과 접촉하도록 몰드 내로 밀어넣고, 여기서, 플라스틱을 냉각시키고 경화시켜 기부 말단 캡 (18)을 한정하도록 하면서 유지된다. 상부 말단 캡 (16)은 상부 말단 캡 몰드 (도시하지 않음)가 내부에 나사홈이 파인 넥 (32)을 한정하는 형상인 것을 제외하고는 유사한 방식으로 제조한다. 다시, 분말화 플라스틱을 몰드에 공급하고 가열하여 액체 상태로 만든다. 이어서 탄소 슬리브 (12)를 그의 상부 축 말단이 플라스틱과 접촉하도록 상부 말단 캡 몰드 내로 밀어넣는다. 탄소 블록은 플라스틱이 충분히 냉각될 때까지 제자리에 유지된다. 이어서 탄소 슬리브 (12)와 말단 캡 조립체는 나사홈이 파인 부재에서 풀려지고, 몰드로부터 제거된다. 별법으로, 상부 및 기부 말단 캡들은 예를 들어, 종래의 주입 성형에 의해 개별적으로 제조된 다음 세멘트, 접착제 또는 다른 방법으로 탄소 슬리브 (12)에 부착될 수 있다. 원하는 경우, 나사홈이 파인 삽입물이 상부 말단 캡의 성형 공정에서 사용되어 탄소 블록 필터 (10)을 적합한 필터 하우징에 부착시키기 위한 나사홈이 파인 부재를 제공할 수 있다 .

본 명세서의 목적에서, 탄소 입자 크기와 크기 분포는 일반적으로 종래의 습식 체 분석을 이용하여 측정한 메쉬 크기의 면에서 일반적으로 기술될 것이다. 습식 체 분석은 탄소 혼합물들이 입자 크기를 기준으로 범위 (ranges) 또는 "빈 (bins)"으로 분리되는 종래의 방법이다. 일반적으로 탄소 혼합물은 물의 도움으로 각각 500 메쉬 스크린까지 구멍이 점차적으로 더 작아지는 일련의 스크린들을 통해 순차적으로 통과한다. 특정한 스크린의 구멍 크기보다 더 큰 입자는 그 스크린 위에 남을 것이지만, 더 작은 입자는 스크린을 통해 다음 더 작은 스크린으로 통과할 것이다. 500 메쉬 스크린의 구멍보다 작은 입자는 일반적으로 "미세물 (fines)"로 부른다. 미세물의 수준은 탄소 혼합물마다 현저하게 다를 수 있으며, 몇몇 탄소 혼합물에서는 20 중량% 정도로 많이 차지할 수 있다. 미세물은 전형적으로 탄소 제조업자들 자신에 의해 그들의 탄소를 연마하는데 있어서 무시된다. 청구의 범위를 포함한 본 명세서에서, 미세물은 입도 분포의 목적을 위해 고려되지만 평균 입자 직경의 목적에서는 무시된다. 편의상, 종래의 메쉬 크기 표기는 크기 범위를나타내기 위해 사용될 것이다. 보다 구체적으로, 메쉬 크기 앞의 표기 "+"는 기록된 크기의 스크린을 통해 통과하기에는 너무 큰 입자를 의미한다. 예를 들어, +140 메쉬는 140 메쉬 크기의 스크린을 통해 통과하기에는 너무 큰 입자를 의미한다. 유사하게, 메쉬 크기 앞의 표기 "-"는 기록된 크기의 스크린을 통해 통과하기에 충분히 작은 입자를 의미한다. 예를 들어, -500 메쉬는 500 메쉬 크기의 스크린을 통해 통과하기에 충분히 작은 입자를 의미한다. 이 표기를 사용할 때, 용어 "미세물"은 -500 메쉬 탄소 입자를 의미한다. 입자 분포를 언급할 때, 2개의 메쉬 크기들 사이의 표기 "×"는 크기들의 범위를 의미한다. 예를 들어, 140×200은 140 메쉬보다 작고 200 메쉬보다 큰 탄소 입자 크기의 범위 또는 빈을 의미한다.

본 발명의 탄소 혼합물의 독특한 특성을 도 2 및 도 3과 연관지어 기술한다. 도 2는 전형적인 선행 기술의 80-325 메쉬 탄소의 입도 분포 (중량으로)를 보여준다. 도시된 분포는 종래의 습식 체 분석을 이용하여 얻을 수 있는 전형적인 80×325 메쉬 탄소의 대표적인 것이지만, 전형적인 80×325 메쉬 탄소는 입도 분포와 평균 입자 직경에 있어서 제조업자마다 및 제조 로트마다 다를 것임을 알아야 한다. 전형적인 80×325 메쉬 탄소는 많은 알려진 탄소 제조업자로부터 "규격품으로 (off the shelf)" 입수가능하며, 다양한 탄소 블록 필터 제조업자들에 의해 개질 없이 사용된다. 도 2의 막대 차트는 "빈" 또는 범위로 나눠지며, 각 빈은 특정 크기 빈 내에 있는 탄소 입자의 비율 (중량으로)을 보여준다. 예를 들어, 100×140 위의 막대는 100 메쉬보다 작고 140 메쉬보다 큰 입자의 비율 (중량으로)을 보여준다. 도시된 바와 같이, +140 메쉬 입자의 비율은 40%보다 크다. 이러한대표적인 분포에서, 평균 입자 직경은 대략 98 미크론이다. 상기한 탄소로부터 제조된 탄소 블록 필터는 보다 낮은 여과 성능을 포함한 여러가지 단점을 갖는다. 도 3은 종래의 습식 체 분석을 이용하여 측정된 선행 기술의 개질 80×325 메쉬 탄소의 입도 분포 (중량으로)를 보여준다. 상기 탄소는 감소된 평균 입자 직경을 제공하도록 고안된 개질 연마 공정에 의해 제조되므로 "개질 (modified)"로 부른다. 보다 구체적으로, 개질 80×325 메쉬 탄소는 연마되어 미세물의 수준을 증가시키며, 이는 다시 평균 입자 직경을 감소시키고 보다 우수한 여과 성능을 제공한다. 도시된 바와 같이, +140 메쉬 입자의 비율은 25%보다 크고, -500 메쉬 입자의 비율은 거의 20%이다. 상기 개질 80×325 메쉬 탄소로부터 제조된 탄소 블록 필터는 전형적인 80×325 메쉬 탄소로부터 제조된 필터에 비해 개선된 여과 성능을 제공하지만, 다른 단점들을 갖는다. 예를 들어, 개질 80×325 메쉬로부터 제조된 필터는 비교적 연질이고, 유량이 감소되며, 20%에 이르는 제조 수율 손실이 있다.

도 3은 또한 종래의 습식 체 분석을 이용하여 측정한 본 발명의 바람직한 실시태양에 따른 탄소 혼합물의 입도 분포 (중량으로)를 보여준다. 도시된 바와 같이, +140 메쉬 입자의 비율은 5% 미만이고, -500 메쉬 입자의 비율은 대략 7.5%이다. 본 발명의 독특한 탄소를 사용하여 제조된 탄소 블록 필터는 개질 80×325 메쉬 탄소에 비해 매우 큰폭으로 개선된 제조 수율 (98% 이하)을 갖는다. 선행 기술의 전형적인 및 개질 80×325 메쉬 탄소들보다 우월한 본 발명의 추가의 이점을 아래에 기술한다.

본 발명은 도 1에 나타낸 전형적인 80×325 메쉬 탄소와 같은 평균 입도가보다 큰 탄소 혼합물로부터 제조된 탄소 블록 필터에 비해 개선된 여과 성능을 제공한다. 첫째로, 평균 입자 직경이 보다 작은 필터는 개선된 기계적 여과를 제공한다. 이는 그를 통하여 물이 유동하게 되는 탄소 입자들 사이의 공간이 평균적으로 보다 작기 때문이다. 공간이 보다 작기 때문에, 이들은 보다 작은 입자를 기계적으로 포획하여 개선된 기계적 여과를 제공한다. 둘째로, 평균 입자 직경이 보다 작은 필터는 또한 개선된 시간 경과에 따른 여과를 제공한다. 도 4는 평균 입자 직경이 보다 작은 탄소 블록 필터에 의해 제공된 개선된 여과 성능에 대한 그래프 예시도이다. 도 4는 본원에 참고로 포함시킨 ANSI/NSF 53 - 1999a [제목 "Drinking Water Treatment Units - Health Effects, VOCs Reduction"]에 따라 시험할 때 평균 입자 직경이 상이한 필터들에 의해 제공된 시간 경과에 따른 클로로포름의 감소를 비교한다. 상기 시험은 특정한 여과 수준을 제공하는데 실패하기 전에 주어진 필터가 처리할 수 있는 물의 양을 측정함으로써 필터의 수명의 측정치를 제공하도록 고안된 것이다. ANSI/NSF 53 - 1999a에 정의된 바와 같이, 필터는 클로로포름 수준에서 적어도 95% 감소를 더이상 제공할 수 없을 때 실패한 것이다. 라인 A는 평균 클로로포름 수준이 340 십억부 ("ppb")인 유입물에 대한 평균 입자 직경 92 미크론의 탄소 블록 필터에 의해 제공된 클로로포름의 감소%의 플롯이다. 도시된 바와 같이, 상기 필터의 성능은 일단 대략 1200 갤런의 물을 처리하면 극적으로 떨어지기 시작한다. 실제로, 필터는 대략 1650 갤런을 처리한 후 ANSI/NSF 53 - 1999a에 의해 설정된 95% 감소 표준을 달성하는데 실패한다. 라인 B는 다시 평균 클로로포름 수준이 340 ppb인 유입물에 대한 평균 입자 직경 65 미크론의 탄소 블록 필터에 의해 제공된 클로로포름의 감소%의 플롯이다. 도시된 바와 같이, 상기 필터의 성능은 2000 갤런의 물을 처리한 후에도 95%를 초과하여 유지되며, 이에 의해 개선된 시간 경과에 따른 여과 성능을 증명한다.

본 발명은 또한 선행 기술의 개질 80×325 메쉬 탄소로부터 제조된 종래의 탄소 블록 필터에 비해 개선된 유량을 제공한다. 도 5는 10 내지 30 파운드/제곱인치 게이지 ("psig")의 압력 하에 시험된 탄소 블록 필터를 통한 물의 유량을 도시한다. 상기 압력 범위는 전형적인 가정용으로 제시되는 필터 블록을 가로지르는 차별적 압력의 범위와 대략 동일하다. 라인 C는 10 psig 내지 30 psig의 압력에서 개질 80×325 메쉬 탄소로부터 제조된 필터를 통한물의 유량을 도시한다. 라인 D는 10 psig 내지 30 psig의 압력에서 본 발명의 바람직한 실시태양에 따른 탄소 혼합물로부터 제조된 필터를 통한 물의 유량을 도시한다. 도시된 바와 같이, 바람직한 탄소로부터 제조된 필터는 현저하게 개선된 유량을 제공하며, 이는 주어진 시간 동안 보다 많은 물을 처리할 수 있음을 의미한다.

선행 기술의 개질 80×325 메쉬 탄소보다 우월한 본 발명의 다른 이점은 보다 경질의 (보다 강한) 탄소 블록 필터를 수득한다는 것이다. 도 6은 바람직한 탄소로부터 제조된 필터와 선행 기술의 개질 80×325 메쉬 탄소로부터 제조된 필터에 대해 수행한 6회의 경도 시험의 결과를 제시한다. 시험은 본원에 참고로 포함시킨 ASTM D217-97에 따라 수행하였다. 일반적으로, 상기 시험은 특정한 명시된 조건 하에 칭량된 콘 (cone)에 의해 얻은 필터 내로의 투과량을 측정하는 것으로 이루어진다. 시험은 콘 침입도계 (penetrometer) (Precision Scientific Company 제품)을 사용하여 수행하였다. 도시된 바와 같이, 바람직한 탄소로부터 제조된 필터는 개질 80×325 메쉬 탄소로부터 제조된 필터보다 실질적으로 더 경질인 것으로 증명되었다. 실제로, 바람직한 탄소에 대한 6회의 시험에 걸친 평균 투과 수준은 개질 80×325 메쉬 탄소의 값의 단지 1/2이었다. 이들 시험은 바람직한 탄소로부터 제조된 탄소 블록 필터가 예를 들어, 제조, 선적 및 장착 동안 손상을 덜 받는 경향이 있음을 증명한다.

본 발명을 특정한 입도 분포 및 평균 입자 직경과 연관지어 기술하지만, 본 발명은 평균 입자 직경과 입도 분포가 설명된 실시태양과 다소 다른 탄소 혼합물의 범위를 포함하는 것으로 의도된다. 보다 구체적으로, 본 발명은 평균 입자 직경이 대략 60 미크론 내지 80 미크론이고, +140 메쉬 입자와 -500 메쉬 입자가 각각 입도 분포의 대략 10% 미만인 탄소 혼합물에 관한 것이다. 그러나 평균 입자 직경은 보다 바람직하게는 약 65 내지 약 75 미크론이고, 가장 바람직하게는 약 70 미크론이다. +140 메쉬 입자와 -500 메쉬 입자는 보다 바람직하게는 각각 입도 분포의 대략 8% 미만, 가장 바람직하게는 각각 입도 분포의 대략 7% 및 7.5% 미만이다. 가장 바람직한 평균 입자 직경과 입도 분포는 여과 성능, 유량, 제조 수율 및 경도의 최적 균형을 제공할 것이다. 도 6은 본 발명의 각종 실시태양에 따른 각종 탄소 혼합물의 입도 분포를 보여준다. 도 6은 본 발명의 범위를 제한하려고 의도하지 않으며, 오히려 본 발명의 평균 입자 직경과 입도 분포 목표를 만족시키는 다양한 탄소 혼합물의 대표적인 샘플을 제공하도록 의도된다.

상기 설명은 본 발명의 바람직한 실시태양에 대한 설명이다. 청구의 범위에정의된 바와 같은 본 발명의 취지와 보다 넓은 측면으로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변경과 변화를 할 수 있으며, 이는 균등론을 포함한 특허법의 원칙에 따라 해석되어야 한다. 성분을 단수로 청구하는 것을 칭하는 것, 예를 들어, 복수를 나타내는 접미사 "들"을 사용하지 않은 것이 성분을 단수로 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

본원에 설명된 탄소 블록 필터는 물 여과 시스템에서 사용할 수 있다. 탄소 블록 필터는 가정용 물 처리 시스템에 사용하기에 특히 매우 적합하다.

Claims (23)

1. 활성 탄소 입자와 결합제를 포함하고, 상기 탄소 입자는 평균 입자 직경이 약 60 미크론 내지 약 80 미크론이고, 이 탄소 입자의 입도 분포는 탄소 입자의 약 10중량% 이하가 약 140 메쉬보다 크고 탄소 입자의 약 10중량% 이하가 약 500 메쉬보다 작은, 탄소 블록 필터용 탄소 블록.
2. 제1항에 있어서, 상기 평균 입자 직경이 약 65 미크론 내지 약 75 미크론 범위인 것으로 더 한정되는 탄소 블록.
3. 제1항에 있어서, 상기 입도 분포는 상기 탄소 입자의 약 8중량% 이하가 약 140 메쉬보다 큰 것으로 더 한정되는 탄소 블록.
4. 제1항에 있어서, 상기 입도 분포는 상기 탄소 입자의 약 8중량% 이하가 약 500 메쉬보다 작은 것으로 더 한정되는 탄소 블록.
5. 제1항에 있어서, 상기 입도 분포는 상기 탄소 입자의 약 7중량% 이하가 약 140 메쉬보다 큰 것으로 더 한정되는 탄소 블록.
6. 제1항에 있어서, 상기 입도 분포는 상기 탄소 입자의 약 7.5중량% 이하가 약500 메쉬보다 작은 것으로 더 한정되는 탄소 블록.
7. 제1항에 있어서, 상기 평균 입자 직경이 약 70 미크론인 것으로 더 한정되는 탄소 블록.
8. 제7항에 있어서, 상기 입도 분포는 상기 탄소 입자의 약 7중량% 이하가 약 140 메쉬보다 크고 상기 탄소 입자의 약 7.5중량% 이하가 약 500 메쉬보다 작은 것으로 더 한정되는 탄소 블록.
9. 평균 입자 직경이 약 60 미크론 내지 약 80 미크론 범위이고, 입도 분포는 140 메쉬보다 큰 입자와 500 메쉬보다 작은 입자가 각각 10 중량% 미만인 활성 탄소 혼합물을 결합제로 함께 결합시킴으로써 형성된 탄소 블록;

   상기 탄소 블록의 마주보는 말단에 장착된 제1 및 제2 말단 캡들; 및

   상기 탄소 블록 주위에 배치된 부직포

   를 포함하는 탄소 블록 필터.
10. 제9항에 있어서, 상기 평균 입자 직경이 약 65 미크론 내지 약 75 미크론 범위인 것으로 더 한정되는 필터.
11. 제9항에 있어서, 상기 입도 분포는 상기 탄소 입자의 약 8중량% 이하가 약140 메쉬보다 큰 것으로 더 한정되는 필터.
12. 제11항에 있어서, 상기 입도 분포는 상기 탄소 입자의 약 8중량% 이하가 약 500 메쉬보다 작은 것으로 더 한정되는 필터.
13. 제9항에 있어서, 상기 입도 분포는 상기 탄소 입자의 약 7중량% 이하가 약 140 메쉬보다 큰 것으로 더 한정되는 필터.
14. 제13항에 있어서, 상기 입도 분포는 상기 탄소 입자의 약 7.5중량% 이하가 약 500 메쉬보다 작은 것으로 더 한정되는 필터.
15. 제14항에 있어서, 상기 평균 입자 직경이 약 70 미크론인 것으로 더 한정되는 필터.
16. 결합제 및 이 결합제에 의해 함께 결합된 탄소 입자들의 혼합물을 포함하고, 상기 탄소 입자의 입도 분포는 10 중량% 미만이 140 메쉬보다 크고 10 중량% 미만이 500 메쉬보다 작은, 탄소 블록 필터용 탄소 블록.
17. 제16항에 있어서, 상기 탄소 입자는 평균 입자 직경이 약 60 미크론 내지 약 80 미크론 범위인 탄소 블록.
18. 제17항에 있어서, 상기 입도 분포는 7 중량% 미만이 140 메쉬보다 크고 7.5 중량% 미만이 500 메쉬보다 작은 것으로 더 한정되는 탄소 블록.
19. 제18항에 있어서, 상기 탄소 입자는 평균 입자 직경이 약 70 미크론인 탄소 블록.
20. 평균 입자 직경이 약 60 미크론 내지 약 80 미크론 범위이고, 입도 분포가 140 메쉬보다 큰 입자와 500 메쉬보다 작은 입자가 각각 10 중량% 미만인 탄소 혼합물을 제공하는 단계;

    상기 탄소 혼합물을 결합제와 합하는 단계;

    상기 결합제를 탄소 혼합물 전체에 실질적으로 균일하게 분산시키는 단계;

    합한 탄소 혼합물과 결합제에 열 및 압력을 인가하는 단계; 및

    합한 탄소 혼합물과 결합제를 경화시켜, 일체화된 구조체를 형성하는 단계

    를 포함하는 탄소 블록 필터용 탄소 블록을 제조하는 방법.
21. 제20항에 있어서, 상기 탄소 혼합물은 평균 입자 직경이 약 65 미크론 내지 약 75 미크론 범위인 것으로 더 한정되는 방법.
22. 제20항에 있어서, 상기 탄소 혼합물은 평균 입자 직경이 약 70 미크론인 것으로 더 한정되는 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 탄소 혼합물은 입도 분포가 입자의 7중량% 미만이 140 메쉬보다 크고 입자의 7.5중량% 미만이 500메쉬보다 작은 것으로 더 한정되는 방법.