(57)【要約】  水を処理するための自重供給式軸流濾過システムを開示する。【選択図】なし
2013538686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【請求項２０】
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。
【請求項２１】
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。
【請求項２２】
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。
【請求項２３】
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。
【請求項２４】
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。
【請求項２５】
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。
【請求項２６】
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。
【請求項２７】
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。
【請求項２８】
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。
【請求項２９】
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。
【請求項３０】
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。
【請求項３１】
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。
【請求項３２】
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。
【請求項３３】
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。
【請求項３４】
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。
【請求項３５】
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。
【請求項３６】
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。
【請求項３７】
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。
【請求項３８】
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。
【請求項３９】
前記筐体管は、多孔性である、請求項２８に記載の方法。
【請求項４０】
前記筐体管は、非多孔性である、請求項２８に記載の方法。
【請求項４１】
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。
【請求項４２】
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。
【請求項４３】
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。
【請求項４４】
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。
【請求項４５】
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。
【請求項４６】
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。
【請求項４７】
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。
【請求項４８】
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。
【請求項４９】
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。
【請求項５０】
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。
【請求項５１】
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。
【請求項５２】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、浄水の分野に関し、具体的には、浄水器において使用される自重供給式(gravity-fed)軸流フィルタブロックに関する。
【背景技術】
【０００２】
吸着法が、一般に、流体から汚染物質を除去するために使用される。自重供給式濾過は、家庭用規模の飲料水の浄化のための容易、費用効果的、かつ一般的に採用されている方法であって、いくつかの自重供給式濾過デバイスおよび装置が、現在、家庭用水から汚染物質を除去するために使用されている。
【０００３】
種々の修正および変形例が、飲料水からの選択的汚染物質の除去を目的とする、自重供給式濾過デバイスを作製するために提案されている。これらの汚染物質として、有機汚染物質（例えば、揮発性有機物および殺虫剤）、および生物学的汚染物質（例えば、バクテリアおよびウイルス）が挙げられる。これらの汚染物質の除去は、典型的には、吸着剤との長い接触時間を必要としない。先行技術（活性炭ベースの吸着および殺菌のためのハロゲンの使用）において周知の技法によって達成される、１０秒の典型的接触時間は、典型的には、そのような汚染物質を除去するために十分である。しかしながら、長い接触時間（典型的には、２分超）が、フッ化物、ヒ素、および硝酸塩等の無機汚染物質の除去のために必要とされる。高汚染物質濃度が、存在する時、吸着機構を使用しての除去は、従来の技法によってもたらされるより有意に長い接触時間を必要とする。
【０００４】
飲料水中の汚染物質のいくつかは、地質学的原因によるが、その他は、水源の汚染ベースの汚染物質によるため存在する。現在、有機汚染物質、無機汚染物質、生物学的汚染物質、および沈殿物等のあらゆるタイプの汚染物質を除去することができる、単一濾過媒体は、存在しない。異なる汚染物質を除去するためには、異なるタイプの濾過媒体が必要とされる。活性濾過媒体は、活性炭から、活性アルミナ、天然／合成金属酸化物、例えば、砂、チタン、ジルコニア、ゼオライト、マグネシア、および異なるナノ粒子でコーティングされた金属酸化物等、様々であり得る。具体的汚染物質を除去するために、大量の吸着剤媒体が、典型的には、各汚染物質のために必要とされる。これらすべての材料をともに均質化することは、それらがその密度変動によって分相するため、大容量中では不可能である。さらに、均質化された混合物は、個々の汚染物質を濾過するために必要とされる接触時間をもたらすことはできない。
【０００５】
自重供給式浄水に関する技術的課題は、多孔性濾過カートリッジを通して、水流のために利用可能な水圧である。典型的には、自重供給式浄水器内の水頭圧は、水頭３４ｃｍにおいて、０．５ｌｂｓ／ｉｎ2未満である。Ｂｏｍｍｉ  ａｎｄ  Ｂｏｍｍｉｉｎの米国特許第７３９６４６１号によって報告されるように、１５ｍｍ壁厚半径方向流ブロックを通る典型的水流速は、２００ｍｌ／分である。報告されたデータは、流速が、壁厚の増加に伴って、線形に降下することを示す。流速と壁厚との間の線形相関を外挿すると、流速が、壁厚３０〜３５ｍｍにおいて、ごく少量となることが予期される。壁厚３０〜３５ｍｍはまた、多重汚染物質除去のために十分ではない。したがって、自重供給式浄水カートリッジの既存の設計における修正が、増加した深度において、流速を喪失することなく、複数の汚染物質を標的にするために必要である。
【０００６】
軸流ブロックは、活性濾過媒体の完全利用による、汚染物質（微量ならびに高濃度で見つけられる）の効率的除去のための解決策であるが、ブロックを通る実効流速が存在せず、自重供給式条件下、軸流ブロックを非好適なものにする。流速の低下は、長期間の使用による、多孔性ブロック内側の空気の流入に起因すると考えられ、ブロック内側の気泡は、水流を防止する。直列方式または加圧されたシステムでは、水圧は、任意のそのような捕捉された空気群塊を排除するために十分に高い。呼水が差された（空気がない）状態に到達し、維持されると、流動の減少が、防止される。自重供給式濾過装置では、水圧は、典型的には、空気群塊を変位させることができない。したがって、流速は、頻繁に降下する。本問題はさらに、典型的には、４〜１５ｃｍである、ブロックの増加した経路長のため、軸流円筒形ブロックにおいて際立つ。さらに、当技術分野において公知の自重供給式浄水器は、本質的に疎水性である、結合剤の使用のため、疎水性である。ブロックの疎水性性質は、重力圧を使用して、水によって空気を変位させる困難性を増加させる。
【０００７】
そのような浄水器では、多孔性軸流ブロックは、使用に先立って、筐体(housing)ユニットによって好適に被覆される必要があり、中実管に封止される様式は、濾過された水の信頼性およびユニットの製造コストを決定する。種々の食品等級封止剤およびセメントが、本目的のために使用されている。軸流ブロックの生産はまた、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／セメントの必要性のため、商業的に高価である。さらに、細孔の塞栓が、ブロック内側の有機系封止剤の沈降および封止剤において使用される溶媒中の活性炭等の媒体の膨張のため、発生する。
【０００８】
軸流カートリッジでは、流体流は、重力と平行して生じる。数十年間、炭カートリッジ等の軸流カートリッジは、低圧力降下用途のために、カラムに低密度粒状活性炭を装填することによって作製されてきた。そのような設計は、通常、地域規模の濾過ユニットにおいて採用され、典型的には、捕捉された空気が、水によって容易に置換され得るように、抗重力モードで動作される。しかしながら、装填された炭粒子床システムは、チャネリング（吸着剤媒体と接触しない流体流）をもたらす可能性があり、水は、効果的に処理されない。加えて、粒状媒体の使用はまた、粒状媒体による吸着の動力学が、粉末媒体より遅いため、性能に影響を及ぼす。
【０００９】
軸流多孔性ブロックは、未処理水のチャネリングを克服するために採用されている。軸流ブロックは、直列方式および機械的に加圧されたシステムにおいて使用されている。軸流円筒形ブロックは、遥かに優れた性能を示すが、実際は、軸流炭素ブロックは、増加した圧力降下および減少した低流速のため、自重供給式家庭用浄水器内では、採用されていない。
【００１０】
長期間の使用による多孔性ブロックを通した流動の継続は、湿潤性の程度と関連付けられる問題である。湿潤の容易性は、呼水の差しやすさを決定し、また、流速にも影響を及ぼす。湿潤性は、表面に存在する親水性基によって決定される。粉末状活性炭等の濾過媒体は、親水性および疎水性両方の表面を有するが、最終炭素ブロックは、使用される結合剤の疎水性性質のため、非常に疎水性となる。疎水性結合剤はまた、凝集力を増加させ、さらに、湿潤性を減少させる。
【００１１】
炭素ブロックの親水性は、添加剤の使用等、いくつかの方法によって向上されているが、これらのプロセスは、法外に高価となり得る。従来のブロックでは、使用される結合剤の量は、一定時間にわたって、水圧下、ブロックの亀裂または崩壊を防止するために、強固なブロックを作製するためにより多くなる。より多くの量の結合剤が使用される時、湿潤性は、疎水性のため、低下し、流速は、減少した湿潤のため、低下し、除去性能も、結合剤による活性濾過媒体の表面被覆のため、低下する。
【００１２】
前述の議論に照らして、前述の問題および既存の浄水システムと関連付けられた他の欠点に対処する必要性が存在する。これらの必要性および他の必要性は、本開示の浄水システムによって充足される。
【発明の概要】
【００１３】
本明細書で具現化され、広範に説明される、本発明の目的によると、本開示は、一態様では、水濾過システムに関する。特に、本開示は、浄水器において使用される自重供給式軸流フィルタブロックに関する。
【００１４】
一態様では、開示されるのは、所望の流速における、種々の汚染物質の除去のための自重供給式軸流多孔性複合材ブロックである。さらなる態様では、本開示は、直接、非多孔性／多孔性フィルタ筐体管内側に調製される、端間流を有する、軸流ブロックを実証する。
【００１５】
別の態様では、開示されるのは、自重供給式浄水システムである。自重供給式浄水システムは、少なくとも１つの濾過媒体と、少なくとも１つの濾過媒体と混合される少なくとも１つの結合剤と、筐体管とを含む。多孔性複合材ブロックは、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焼結することによって形成される。複合材ブロックは、筐体管内側に、原位置において、格納される。
【００１６】
さらに別の態様では、開示されるのは、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る。湿気は、少なくとも１つの濾過媒体から除去される。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は、筐体管に充填される。混合物は、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、それによって、多孔性ブロックが、混合物の冷却時に形成される。
【００１７】
本発明の付加的態様および利点は、部分的に、以下の発明を実施するための形態および任意の請求項に記載され、部分的に、発明を実施するための形態から導出される、または本発明の実践によって習得することができる。後述の利点は、特に、添付の請求項に指摘される、要素および組み合わせによって、実現および遂行されるであろう。前述の一般的説明および以下の発明を実施するための形態は両方とも、例示的および説明的にすぎず、開示される通りに、本発明を制限するものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する、付随の図は、いくつかの態様を例証し、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。
【図１】本開示の種々の態様による、軸方向複合材ブロックフィルタを描写する。
【図２】本開示の種々の態様による、軸方向垂直複合材ブロックフィルタの横断面図を描写する。
【図３】本開示の種々の態様による、軸方向ブロックフィルタ製造システムの３次元図を描写する。
【図４】本開示の種々の態様による、ドーム形形状セラミックブロック内側に製造される軸方向／半径方向ブロックフィルタの透視図を描写する。
【図５】実施例Ｃ１に説明されるように、本開示の種々の態様による、疎水性熱可塑性結合剤を使用して作製される軸方向ブロックフィルタの性能データを描写する。
【図６】実施例Ｃ２に説明されるように、本開示の種々の態様による、親水性熱可塑性結合剤を使用して作製される軸方向複合材ブロックフィルタの流速データを描写する。
【図７】実施例Ｄに説明されるように、本開示の種々の態様による、塩素除去のための軸方向炭素ブロックフィルタの性能データを描写する。
【図８】実施例Ｅ２に説明されるように、本開示の種々の態様による、フッ化物除去のための軸方向ブロックフィルタの性能データを描写する。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、以下の発明を実施するための形態およびその中に含まれる実施例を参照することによって、より容易に理解され得る。
【００２０】
本化合物、組成物、物品、システム、デバイス、および／または方法を開示および説明する前に、それらは、当然ながら、変動し得るため、別様に規定されない限り、具体的合成方法に、または別様に規定されない限り、特定の試薬に限定されないことを理解されたい。また、本明細書で使用される専門用語は、特定の態様のみ説明する目的のためであって、限定であることを意図するものではないことを理解されたい。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。
【００２１】
本明細書に記載される刊行物はすべて、参照することによって本明細書に組み込まれ、それらとともに、刊行物が引用される、方法および／または材料を開示および説明する。
【００２２】
定義
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。
【００２３】
明細書および添付の請求項において使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈によって別様に明確に示されない限り、複数参照を含む。したがって、例えば、「金属」の参照は、２つ以上の金属の混合物を含む。
【００２４】
範囲は、本明細書では、「約」１つの特定の値から、および／または「約」別の特定の値までのように、表され得る。そのような範囲が、表される時、別の態様は、１つの特定の値から、および／または他の特定の値までを含む。同様に、値が、先行詞「約」の使用によって、近似値として表される時、特定の値が、別の態様を形成することを理解されるであろう。さらに、範囲のそれぞれの終点は両方とも、他方の終点に関連して、かつ他方の終点から独立して、重要であることを理解されたい。また、本明細書に開示されるいくつかの値が存在し、その値自体に加え、「約」その特定の値として、各値もまた、本明細書に開示されることを理解されたい。例えば、値「１０」が、開示される場合、「約１０」もまた、開示される。また、２つの特定の単位間の各単位もまた、開示されることを理解されたい。例えば、１０および１５が、開示される場合、１１、１２、１３、および１４もまた、開示される。
【００２５】
本明細書で使用されるように、用語「随意の」または「随意に」は、続いて、説明される事象または状況が、生じるまたは生じないこともあり得、説明が、その事象または状況が生じる事例および生じない事例を含むことを意味する。
【００２６】
開示されるのは、本発明の組成物を調製するために使用される構成要素、ならびに本明細書に開示される方法内で使用される組成物自体である。これらおよび他の材料が、本明細書に開示されるが、これらの材料の組み合わせ、下位集合、相互作用、群等が、開示される時、これらの化合物の各種々の個々および集合的組み合わせならびに順列の具体的参照は、明示的に開示できないが、それぞれ、具体的に、本明細書に想定および説明されることを理解されたい。例えば、特定の化合物が、開示および論じられ、化合物を含むいくつかの分子に行われ得る、いくつかの修正が論じられる場合、具体的にそうではないことが示されない限り、可能な化合物および修正のあらゆる組み合わせならびに順列が、具体的に想定される。したがって、分子の種類Ａ、Ｂ、およびＣが、分子の種類Ｄ、Ｅ、およびＦとともに開示され、組み合わせ分子の実施例Ａ〜Ｄが、開示される場合、それぞれが、個々に列挙されない場合でも、それぞれ、個々に、かつ集合的に、想定され、組み合わせＡ〜Ｅ、Ａ〜Ｆ、Ｂ〜Ｄ、Ｂ〜Ｅ、Ｂ〜Ｆ、Ｃ〜Ｄ、Ｃ〜Ｅ、およびＣ〜Ｆが、検討され、開示されることを意味する。同様に、これらの任意の下位集合または組み合わせもまた、開示される。したがって、例えば、Ａ〜Ｅ、Ｂ〜Ｆ、およびＣ〜Ｅの下位群が、検討され、開示されるであろう。本概念は、限定されないが、本発明の組成物の作製および使用の方法におけるステップを含む、本願の全態様に適用される。したがって、行われ得る種々の付加的ステップが存在する場合、これらの付加的ステップはそれぞれ、本発明の方法の任意の具体的実施形態または実施形態の組み合わせによって行うことができることを理解されたい。
【００２７】
本明細書に開示される材料はそれぞれ、商業的に利用可能である、および／またはその生産のための方法は、当業者に公知であるかのいずれかである。
【００２８】
本明細書に開示される組成物は、ある機能を有することを理解されたい。本明細書に開示されるのは、開示される機能を行うためのある構造的要件であって、開示される構造に関連する、同一機能を果たすことができる種々の構造が存在し、これらの構造は、典型的には、同一結果を達成するであろうことを理解されたい。
【００２９】
図１を参照すると、本開示の種々の態様による、軸流円筒形ブロックの垂直図が示される。円筒形ブロック２４は、活性濾過媒体および結合剤を混合することによって作製される焼結材料を使用することによって作製される。軸流円筒形ブロック２４は、非多孔性／多孔性筐体管２５内側に支持される。本開示のある態様では、汚染された水が、上部端１８を通して流入し、円筒形ブロック２４を通過して、濾過された水は、底部端１９に収集される。開放（上部）端１８の断面積全体が、水に暴露され、コレクタ（底部）端１９は、空気に暴露され得る、または随意に、閉鎖され、水収集のための小開口部が提供され得る。
【００３０】
一態様では、非多孔性／多孔性筐体管２５は、その長さ５５に沿って、均一直径を有する。複合材ブロック２４は、多孔性／非多孔性筐体管２５内側に作製することができる。本開示のある態様では、軸方向ブロック２４の最大高さは、筐体管の高さ５５に等しい。本開示の別の態様では、軸方向ブロック２４の高さは、高さ５５未満である。複合材ブロック２４は、単一活性濾過媒体または異なる濾過媒体の複数の層、任意の２つ以上の濾過媒体の均質化された混合物、あるいはそれらの組み合わせであることができる。非多孔性／多孔性フィルタ筐体管２５は、原位置鋳型として使用することができる。筐体管２５は、本開示の種々の態様において、多孔性または非多孔性であることができる。活性濾過媒体および任意の随意に含まれる結合剤の均質化された混合物が、筐体管２５内側に充填され、多孔性複合材ブロック２４を作製するように焼結され、筐体管２５と封止されることができる。一態様では、非多孔性／多孔性筐体管２５は、鋳造下、熱的におよび機械的に安定する。
【００３１】
図２に描写されるフィルタブロックは、直径１０を有する複合材ブロック２４と、内径および壁厚８を有する多孔性または非多孔性筐体管２５とから成る、軸流円筒形ブロックの横断面図を示す。一態様では、複合材ブロック２４の直径１０は、筐体管２５の内径によって決定される。別の態様では、筐体管２５の厚さ８は、管の熱伝導性および機械的強度を決定し得る。
【００３２】
次に、図３を参照すると、本開示のある態様による、非多孔性／多孔性筐体管２５が、示される。筐体管２５は、長方形管、正方形管、三角形管、卵形管、半球状管等の任意の形状であることができる。本開示の例示的態様では、円筒形管が、使用される。一態様では、管２５は、原位置鋳型として使用することができ、原位置外金属鋳型は必要とされない。そのような態様では、管２５は、金属円盤３１上に載置することができる。一態様では、複合材ブロックを作製するために必要とされる活性濾過媒体は、その中のすべてまたは実質的にすべての湿気含有量を蒸発させるように、炉内で乾燥され、均質化された混合物を得るような比率において、１つ以上の結合剤と混合され、次いで、筐体管内側に密集して装填することができる。本態様では、金属円盤３１は、材料が、焼結および他の連続プロセスのために容易に搬送され得るように、管２５内側に嵌合する。装填された混合物は、使用される筐体管の寸法をとる。可動金属円盤３０は、装填された材料上および筐体管２５内側に載置することができる。一態様では、可動金属円盤３０の直径は、管の内径より小さい。一態様では、要素全体を、例えば、結合剤の融点を超える温度で焼結することができる。別の態様では、管の内側壁４０は、熱可塑性結合剤によって、ブロック２４の円周表面１２に結合され、活性濾過媒体を混成するために使用される熱可塑性結合剤もまた、筐体管と結合する。
【００３３】
別の態様では、筐体管２５は、底部閉鎖封入体を有することができる。そのような態様では、金属円盤３１は必要とされない。一態様では、混成される材料は、本円筒形容器内側に運ばれ、可動円盤３０を材料上に載置することができる。焼結プロセス後、フィルタブロックは、可動金属円盤３０に圧力を印加することによって圧縮することができる。形成された複合材ブロックは、続いて、冷却され、例えば、空気または水冷、その後、底部閉鎖を除去することができる。
【００３４】
本開示のある態様はまた、多孔性筐体管２５内において、複合材ブロック２４を作製する方法を伴う。焼結プロセスの間、ある結合剤は、（ａ）均質化された混合物が、直接、空気に暴露され、（ｂ）大量の空気が、均質化された混合物の低密度装填のため、存在し、（ｃ）何らかの手段によって、混合物中に流入する場合、ある活性濾過媒体と結合され得ない。多孔性筐体管２５が、使用される時、空気は、混合物に流入する可能性があり、故に、ブロック２４は、焼結プロセスの間、空気の存在によって適切に形成されることができない。そのような態様では、多孔性筐体管２５が必要とされる場合、壁厚４５を伴う非多孔性熱伝導性容器２６を使用することができる。外径１４を伴う多孔性筐体管２５は、内径４２を有する非多孔性熱伝導性容器２６内側に嵌合する。そのような態様では、多孔性管２５の外径１４は、非多孔性容器２６の内径４２未満であることができる。好ましくは、直径差は、５００μｍであり得る。好ましくは、非多孔性容器２６の厚さは、５００μｍであり得、容器は、アルミニウム、鉄、真鍮、ステンレス鋼、または任意の他の合金から作製することができる。非多孔性管ベースのブロック調製と異なり、多孔性管は、より優れた結合のために、非多孔性容器内側に良好に被覆されることができる。
【００３５】
次に、図４を参照すると、任意の多孔性セラミックフィルタ５２内側の複合材ブロック２４が、示される。本態様では、均一厚８５の円周方向に延在する側壁８３を伴う円筒形形状と、閉鎖上部端および開放底部端を伴う中心中空コア８０とを有する、セラミックフィルタ５２は、管として使用することができる。本態様では、セラミックフィルタ５２の内側壁は、熱可塑性結合剤を使用することによって、セラミックフィルタ２４の円周表面に結合される。本開示の種々の態様では、中心中空コアの直径８０は、最小約３０ｍｍから最大約１００ｍｍまで変動し得る。別の態様では、円周方向に延在する側壁８３の厚さ８５は、最小約５ｍｍから最大約２０ｍｍまで変動し得る。さらに別の態様では、円周方向に延在する側壁８３の高さは、約５ｃｍから約２０ｃｍまで変動し得る。なおも別の態様では、セラミックフィルタの孔隙率は、約０．１μｍから約５０μｍまで変動し得る。種々の態様では、複合材ブロック２４は、セラミックブロックフィルタ５２の形状に応じて、任意の形状に製造することができる。ここで使用されるセラミックブロックフィルタ５２は、任意の形状およびサイズであり得ることが、当業者によって理解されるであろう。多孔性開口半径流、ドーム形形状半径流、円錐形形状、半球形形状等であり得る。多孔性セラミックフィルタ５２の場合、炭素ブロックは、熱伝導性容器２６内側に、活性濾過媒体／結合剤混合物が充填される、セラミックフィルタ５２を維持することによって、閉鎖環境において製造することができる。セラミックフィルタ５２内に調製された複合材ブロック２４はまた、中心に穿孔され、中空中心コア７５を生成し、半径流ブロックを作り出すことができる。本半径流ブロックは、多孔性セラミック外側層を有する、ドーム形形状の半径流複合材ブロックのように見える。中空円筒形コア８８の直径は、複合材ブロック２４の厚さを決定する。
【００３６】
本明細書に開示されるのは、重力圧最大約０．５ｐｓｉで動作し、高さ／直径比約０．２から約３．７５を有する、軸方向ブロックである。別の態様では、軸方向ブロックは、縦横比約２〜３を有する。「高さ」は、汚染した水が通過する、軸流カートリッジ内の吸着剤媒体の長さである。ここで説明されるように、ブロックを作製する方法は、水が、低圧力降下を被り、流速が、長期間使用によって減衰しないようなものである。多孔性ブロック内に導入される経路長が長いほど、所与の汚染物質のための改良された性能をもたらし、また、異なる濾過媒体が、ブロック内の層として積層される時、複数の汚染物質を取り扱うことを意味する。
【００３７】
一態様では、本明細書に説明されるような軸流円筒形ブロックは、使用される結合剤の量が、従来の量から既定値に減少されると、自重供給式状態において、完全に機能を果たすことができる。本発明は、従来の半径流ブロックを作製する方法から得られる知識と対照的である。従来のブロックにおいて使用される結合剤の量が、軸流ブロックにおいて使用される時、流速は、非常に高速で減衰する。流速の劇的増加および流速の連続性は、使用される結合剤の量が減少されるにつれて見られる。
【００３８】
本開示の方法によると、ブロックの親水性は、多孔性ブロックを形成するために使用される結合剤の量を減少させることによって、増加させることができる。一態様では、軸流ブロックは、中実管の内側に格納される。そのような態様では、円筒形軸方向ブロックの円周表面は、中実管を使用することによって、支持される。軸流ブロックが、中実管の内側に格納および支持されるため、ブロックの強度が、向上される。故に、長期間にわたって、水圧下、ブロックの亀裂または崩壊が、防止される。筐体管がブロックの強度を向上させるため、必要とされる結合剤の量が有意に減少される。故に、軸流円筒形ブロックの作製のために、従来のブロックのために定義される濾過媒体と結合剤の重量比に従う必要はない。故に、強固な軸方向ブロックが、より少ない量の結合剤を使用して作製される。
【００３９】
さらなる態様では、開示されるのは、種々の濾過媒体の多孔性ブロックを作製するための方法である。種々の修正および変形例が、多孔性ブロックを作製する公知の技術に対して行われる。活性炭、活性木炭、活性アルミナ、および同等物等の大部分の濾過媒体は、活性濾過媒体が、長期間にわたって、湿気を吸収する傾向にあるため、残留湿気含有量を有する。濾過媒体中の湿気含有量は、合成の方法、材料の性質、材料保管等のいくつかのパラメータに依存する。湿気含有量は、原活性濾過材料の重量を増加させる。湿気が、所望の結合剤との混成前に、完全に除去されない場合、活性濾過媒体と結合剤の重量比は、生産後、増加する。故に、焼結プロセス後、多孔性ブロック中の結合剤の重量比は、所望／計算重量より高くなり、さらに、結果として生じるブロックの疎水性を増加させる。さらに、高湿気含有量を含有する濾過媒体が、結合剤と混成される時、焼結時間は、湿気を蒸発させ、次いで、結合剤を融解するために、増加される必要がある。加えて、濾過媒体と結合剤の重量比は、その密度、表面粗度、形状、およびサイズに基づいて、媒体毎に大きく異なる。故に、本開示では、活性濾過媒体はすべて、湿気を除去するために乾燥され、所望の比率の通り計測され、ブロックを作製するために使用される。別の態様では、活性濾過媒体または活性濾過媒体の混合物は、湿気を含まないまたは実質的に含まない、乾燥状態において提供することができる。
【００４０】
前述に照らして、本開示は、鋳型を伴わない軸流多孔性複合材ブロックを作製する方法を説明する。一態様では、非多孔性／多孔性フィルタ筐体管が、原位置鋳型として使用され、ブロックは、筐体管の内径内に熱可塑性結合剤の層をコーティングすることによって、筐体管の内側に封止される。そのような態様では、原位置外金属鋳型の使用は、回避される。そのような態様では、複合材ブロックは、好適な結合剤を活性濾過媒体、例えば、活性炭、活性木炭、活性アルミナ、砂、金属酸化物ナノ粒子装填活性アルミナ／炭素、金属ナノ粒子装填活性アルミナ／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、例えば、シリカ、チタン、酸化マンガン、ゼオライト、および同等物、ならびにそれらの組み合わせと混合することによって作製される。別の態様では、複合材ブロックは、単一活性濾過媒体、同一または異なる濾過媒体の複数の層、あるいは全濾過媒体の均質化された混合物を使用することによって作製することができる。さらに別の態様では、媒体の複数の層を使用することができ、各個々の層は、単一媒体または個々の媒体の混合物を含むことができる。
【００４１】
さらなる態様では、非多孔性または多孔性フィルタ筐体管は、原位置鋳型として使用することができ、筐体管は、要件および意図される用途に応じて、多孔性または非多孔性である。一態様では、非多孔性または多孔性管は、異なる濾過媒体の複数の層または活性濾過媒体および好適な結合剤の均質化された混合物を有することができる。本態様では、混合物全体を、使用される結合剤の融点近傍の温度で焼結することができる。さらに別の態様では、筐体管の内側壁は、完全または少なくとも部分的に、熱可塑性結合剤でコーティングすることができる。ブロック作製のプロセスの間の加熱に応じて、熱可塑性結合剤は、ブロックの円周表面と筐体管の内側壁との間において、融解し、強力な接触をもたらすことができる。したがって、活性濾過媒体を混成するために使用される熱可塑性結合剤もまた、筐体管と結合することができる。別の態様では、非多孔性および／または多孔性筐体管は、鋳造下、熱的におよび機械的に安定する。
【００４２】
軸流円筒形ブロックが、結合剤と濾過媒体比２０：８０で作製され、封止剤を使用して、中実筐体管内側に封止される時、その流速は、非常に高速で減衰し、一貫した流速で濾過される量（リットル単位）は、非常に僅かである（「基準値」と称される）。対照的に、類似円筒形ブロックが、直列方式または機械的に加圧された状態あるいは自重供給式半径流モード（例えば、コアに穿孔される）で稼働される時、流速は、長持続時間の間、一貫した状態であることができる。同様に、結合剤重量と濾過媒体の比が、２０：８０を上回る時（例えば、２５：７５、３０：７０、４０：６０等）、軸方向円筒形ブロックの機能性はさらに、濾過媒体重量比、例えば、１５：８５を伴う円筒形ブロックの機能性と比較して、悪化する。本所見は、活性炭、活性アルミナ、金属酸化物等の任意の濾過媒体を使用して作製され、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、および同等物等の結合剤と混成される、全軸流円筒形ブロックに共通である。
【００４３】
一態様では、結合剤と濾過媒体の比率は、浄水のために使用される時、ブロックの強度および／または安定性に悪影響を及ぼし得る、極端に低値まで減少され得ない。
【００４４】
以下の観察が、軸流円筒形ブロックに対して行われた。
【００４５】
観察Ａ
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。
【００４６】
実施例Ａ１
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。
【００４７】
実施例Ａ２
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。
【００４８】
観察Ｂ
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。
【００４９】
軸流ブロックが、鋳造され、好適な封止剤を使用して、管内に封止された。エポキシ樹脂、シリコーン封止剤、セメント等の種々の食品等級封止剤が、使用された。同一条件下で調製されたブロックの同一寸法は、異なる封止剤によって、異なる流速を示すことが見出された。予期される流速は、前述の封止剤のいずれからも得られなかった。使用される封止剤は、それらを硬化するために使用されるその粘度および溶媒に応じて、ブロック内側に沈下することが見出された。故に、使用される材料の量の損失、実際の直径の減少、および可能性として、細孔の閉鎖が存在した。
【００５０】
実施例Ｂ１
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。
【００５１】
実施例Ｂにおいて判定されるように、軸流円筒形ブロックの費用効果的、容易、かつ高速作製が実証される。最初に、金属鋳型を使用して、軸方向ブロックを作製し、続いて、非毒性封止剤／セメントを使用して、非多孔性中実管内側にそれを封止する代わりに、単一実施形態において、鋳造ステップおよび封止ステップの両方を統合するための方法が、行われた。均質化された濾過媒体および結合剤は、中実非多孔性管内側に運ぶことができる。本非多孔性中実フィルタ筐体管は、原位置鋳型として使用され、熱によって、軸方向ブロックに原位置で封止された。非多孔性管は、鋳造温度下では、融解しなかった。本実施例では、管の内側壁は、熱可塑性結合剤によって、ブロックの円周表面に結合され、活性濾過媒体を混成するために使用される熱可塑性結合剤もまた、筐体管と結合する。必要に応じて、結合剤粒子は、均質化された媒体を充填する前に、最初に、管の内側表面にスプレーコーティングすることができる。
【００５２】
観察Ｃ
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。
【００５３】
実施例Ｃ１
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。
【００５４】
実施例Ｃ２
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。
【００５５】
一態様では、鋳造温度が、結合剤の融解温度を有意に上回る場合、結合剤と媒体の重量比５：９５以下を有する軸流ブロックが作製され得ることに留意されたい。また、結合剤と媒体の重量比および鋳造温度は、使用される結合剤の溶融流動指数によって決定されることに留意されたい。本態様では、鋳造温度、結合剤と媒体の重量比、鋳造持続時間、および圧縮レベルは、一般的に、固定されない。これらのパラメータはすべて、結合剤毎、媒体毎、および結合剤対媒体で変動する。これらのパラメータはすべて、向上された呼水のために、各結合剤に対して最適化された。
【００５６】
一態様では、自重供給式軸流円筒形ブロックは、垂直または水平に位置付けることができる。垂直モードでは、軸方向ブロックは、下向き水流（重力の方向）または上向き水流（重力と反対方向）を有することができる。水平モードでは、軸方向ブロックは、重力に垂直な水流を有し、ブロックは、例えば、完全水平位置または若干傾斜した位置に維持することができる。
【００５７】
別の態様では、軸流円筒形ブロックの費用効果的、容易、かつ高速作製が、実証される。最初に、金属鋳型を使用して、軸方向ブロックを作製し、続いて、非毒性封止剤／セメントを使用して、非多孔性中実管内側にそれを封止する代わりに、単一態様において、鋳造ステップおよび封止ステップの両方を統合するための方法が、行われた。一態様では、非多孔性／多孔性中実フィルタ筐体管は、原位置鋳型として使用され、熱によって、原位置で封止された。使用される非多孔性／多孔性管は、鋳造温度下では融解せず、管の内側壁は、熱可塑性結合剤によって、ブロックの円周表面に結合される。そのような態様では、活性濾過媒体を混成するために使用される熱可塑性結合剤もまた、筐体管と結合する。随意の態様では、結合剤粒子は、均質化された媒体を充填する前に、最初に、管の内側表面にスプレーコーティングすることができる。いわゆる非多孔性管は、円筒形容器のように、一端に閉鎖を有することができる。
【００５８】
当業者は、画定される非多孔性／多孔性筐体管は、要件および焼結温度に応じて、陶器、せっ器(stoneware)、磁器、セラミックフィルタ管、ナイロン、テフロン（登録商標）(Teflon)、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）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、高密度ポリ塩化ビニル（ＵＰＶＣ）、および同等物から作製することができることを理解するであろう。ＵＨＭＷＰＥ等の結合剤が、使用される時、陶器、せっ器、磁器、セラミックフィルタ管、ナイロン、テフロン（登録商標）、繊維補強プラスチック、および同等物等の管を使用することができる。
【００５９】
さらに、複合材ブロックは、任意の好適な熱可塑性結合剤を、活性炭、活性木炭、活性アルミナ、砂、金属酸化物／水酸化物ナノ粒子装填活性アルミナ／炭、金属ナノ粒子装填活性アルミナ／炭、イオン交換樹脂ビーズ、任意のミクロンサイズの金属酸化物の組成物、例えば、シリカ、チタン、酸化マンガン、ゼオライト、および金属水酸化物、例えば、ベーマイト、酸化水酸化鉄、ならびに種々のそれらの組み合わせ等の任意の活性濾過媒体と併用することによって作製することができる。
【００６０】
本開示の態様は、使用される濾過媒体に応じて、効果的かつ完全除去のために、特定の汚染物質を標的にするとともに、有機、無機、および生物学的等の家庭用水中の２つ以上のタイプの汚染物質を標的にするように、設計柔軟性を有する。
【００６１】
本開示の例示的態様では、活性炭が、濾過媒体として使用される。瀝青炭、木の実の殻、ヤシ殻、トウモロコシの皮、ポリマー、木材、および同等物等の任意の源から製造される、活性炭が、本態様では、使用することができる。ここで使用される活性炭は、物理的処理、化学的処理、および同等物によって活性化される任意の炭素質材料であることができる。種々の態様では、粉末状活性炭の表面積は、約７００ｍ2／ｇ超または約１，０００ｍ2／ｇ超であることができる。
【００６２】
別の態様では、任意の濾過媒体のメッシュサイズは、米国式メッシュ２０×３２５番程度であることができる。一態様では、５％以下の粒子を有する媒体は、米国式メッシュ２００番の篩を通過し、６０％以下は、米国式メッシュ１００番の篩を通過し、５％以下は、米国式メッシュ５０番の篩上に留保される。
【００６３】
さらに別の態様では、軸流円筒形活性炭素ブロックは、従来のブロックより少量の媒体を使用して、家庭用水から塩素の完全除去を示した。
【００６４】
実施例Ｄ
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。
【００６５】
一態様では、粉末状活性炭が使用される時、結合剤含有量は、重量あたり約５〜２０％の範囲であった。別の態様では、結合剤含有量は、重量あたり約８〜１２％であった。別の態様では、活性アルミナ／ナノ粒子装填アルミナが使用される時、結合剤含有量は、重量あたり約３〜１０％の範囲であった。別の態様では、結合剤含有量は、重量あたり約４〜６％であった。結合剤粒子は、約２０〜２００μｍの範囲内であった。別の態様では、結合剤粒子のサイズは、媒体サイズと整合または近似した。
【００６６】
一態様では、軸流円筒形ブロックは、混合された結合剤を使用して調製することができる。この場合、結合剤の任意の１つの融点は、別のものより有意に高い。故に、１つのみの結合剤が、鋳造プロセスの間、融解し、濾過媒体と結合し、別の結合剤は、未融解のままである。そのような態様では、使用される未融解結合剤は、濾過媒体および残りの結合剤より低いまたは実質的に低いヤング率を有することができる。
【００６７】
軸方向円筒形ブロックは、単一活性濾過媒体、異なる濾過媒体の複数の層、濾過媒体の均質化された混合物、またはそれらの組み合わせであることができる。異なる結合剤比はまた、異なる濾過媒体のために使用することができ、当業者は、本開示に基づいて、かつ最適化ルーチンによって、適切な結合剤比を容易に判定し得る。
【００６８】
実施例Ｅ１
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。
【表１】
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表１：実施例Ｅ１の性能データ
【００６９】
実施例Ｅ２
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。
【００７０】
一態様では、軸流円筒形ブロックは、混合された結合剤を使用して調製することができる。本態様では、結合剤の任意の１つの融点は、使用される任意の他の結合剤より有意に高くあることができる。故に、１つのみの結合剤が、鋳造プロセスの間、融解し、濾過媒体と結合し、別の結合剤は、未融解のままである。本態様では、使用される未融解結合剤は、性質上、濾過媒体より軟質である（低圧縮強度を有する）ことができる。混合された結合剤は、親水性プラスチックまたは親水性および疎水性プラスチックの混合物であることができる。
【００７１】
実施例Ｆ
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。
【００７２】
本実施例では、乾燥された粉末状媒体、親水性結合剤、および疎水性結合剤が、使用された。親水性結合剤と疎水性結合剤と媒体の重量比１５：５：８０が、測定され、混合物が、均質化された。内側表面が、結合剤粒子でプレコーティングされた非多孔性中実管が、使用された。結合剤を伴う、結果として生じる均質化された濾過媒体は、次いで、管内側に装填され、親水性結合剤の融点を上回るが、使用される疎水性結合剤の融点を下回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。
【００７３】
一態様では、軸方向ブロックおよび／または半径方向ブロックもまた、直接、多孔性中実管の内側に作製することができる。本開示は、軸流ブロックを詳細に論じるが、半径流ブロックもまた、本開示の範囲および精神から逸脱することなく、前述の方法を使用することによって作製することができることが、当業者によって理解されるであろう。
【００７４】
実施例Ｇ
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。
【００７５】
本開示はまた、多くの場合、粒状媒体フィルタデバイスにおいて見られる周知の壁効果を解決するための特質を有する。壁効果（媒体および媒体容器の内側壁の接合点における水の容易なチャネリング）を抑止するため、実施例Ｄ、Ｅ１、Ｅ２、およびＦに前述の封止法を行うことができる。濾過目的のために使用される粒状媒体は、好適な結合剤を使用して、筐体管の表面にプレコーティングされる。本方法は、一般に、低密度に装填されたフィルタ媒体を有するあらゆるタイプのフィルタデバイスのために使用することができる。
【００７６】
実施例Ｈ
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。
【００７７】
説明される態様は、本発明の例証であって、制限ではない。したがって、その精神または不可欠な特性から逸脱することなく、本発明の原理を採用する本発明に説明される任意の修正は、依然として、発明の範囲内であることは、明白である。その結果、設計、方法、構造、シーケンス、材料、および同等物の修正は、当業者に明白となるであろうが、依然として、発明の範囲内にある。
【００７８】
利点
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。
【００７９】
種々の修正および変形例が、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明において行うことができることは、当業者には明白であろう。本発明の他の実施形態は、明細書の検討および本明細書に開示される本発明の実践から当業者に明白であろう。明細書および実施例は、例示にすぎないものとみなされることが意図され、本発明の真の範囲および精神は、以下の請求項によって示される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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