ФИЛЬТР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
FILTER AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники
Изобретение относится к фильтрам, в частности, для фильтрования воды под действием гравитации и к способу изготовления таких фильтров. Изобретение также относится к устройству гравитационного фильтрования с применением фильтра по изобретению.
Уровень техники
В городских зонах население получает воду из водопроводных сетей после того, как она была очищена в муниципальных сооружениях для очистки воды. Такая вода обычно является более пригодной для питья, чем питьевая вода в более маленьких городках, деревнях и другой сельской местности. В этих сельских районах воду непосредственно набирают из озер, рек и колодцев, и там имеется мало централизованных сооружений для очистки воды, если они вообще есть. Людям приходится индивидуально очищать набираемую воду. Чтобы убить в воде микробы, люди обычно прибегают к ее кипячению. Однако кипячение является весьма дорогостоящим способом, для которого требуется применение топлива, такого как уголь, дерево или нефтепродукты, являющегося дефицитом в сельских местностях. Многие используют флокулянты, такие как квасцы, но этот способ только делает воду прозрачной, но не убивает микробы. Было много попыток предложить простые и недорогостоящие устройства, которые могут быть использованы семьей, чтобы обеспечить свою потребность в питьевой воде. Одно из домашних устройств такого типа основано на облучении питьевой воды ультрафиолетовым излучением, которое убивает бактерии и вирусы. Однако устройство такого типа требует постоянного энергоснабжения, которым сельские местности чаще всего не обеспечены. Другой тип домашних устройств основан на фильтровании через мембрану. Этот тип устройств, основанный на принципе обратного осмоса, также требует как доступного энергоснабжения, так и высокого давления воды, недоступного в сельской местности. Воду обычно набирают в ведра из озер, рек и колодцев и вручную переносят домой.
Было сделано много попыток предложить устройства очистки воды, которые не нуждаются в доступном энергоснабжении или высоком давлении воды. Однако большинство этих устройств не отвечает строгим требованиям, установленным международными агентствами, такими как ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения), которые требуется соблюдать для того, чтобы обеспечить людей безопасным потреблением воды, чтобы они могли жить без болезней, порожденных водой. Обычно требуется, чтобы вода была свободна от диспергированных ила и грунта, растворенных солей, диспергированного органического материала, такого как гуминовые кислоты из почвы, растворителей, пестицидов и пестицидных остатков и патогенных организмов, таких как цисты, бактерии и вирусы. WO 2005095284 раскрывает одно такое устройство, которое, как заявлено, соответствует требованиям по удалению вышеуказанных загрязнений в достаточной степени, чтобы удовлетворить строгие технические требования ВОЗ. Публикация WO 2005095284 описывает систему очистки воды под действием гравитации, содержащую узел фильтрования для отфильтровывания макрочастиц и растворимого материала из входящей воды, узел распределения химиката для контролируемого распределения биоцида в воде, за которым следует камера выдерживания для выдерживания обработанной воды в течение заданного периода времени перед тем, как вода выходит из системы очистки через поглощающее устройство для удаления из воды распределенного в ней биоцида. Узел фильтрования в вышеуказанной публикации является, предпочтительно, угольным блоком, изготовленным путем формования частиц активированного угля совместно с полимерным связующим материалом при высоких температуре и давлении. Базовую пластину под угольный блок обычно изготовляют из термопластичного материала, такого как полипропилен, полиэтилен, акрилонитрилбутадиенстирол (АБС) или стиролакрилонитрил (САН). Эти базовые пластины обычно приклеивают к угольному блоку термоплавким клеем.
US 4753728 (Amway 1988) описывает фильтр из угольных частиц, содержащий угольные частицы, связанные в фильтрующий блок с помощью полимерного материала с низким индексом расплава, имеющего индекс расплава меньше чем 1 грамм/10 минут при определении стандартным тестовым методом ASTM D1238 при 190°C и нагрузке 15 кг, в результате чего указанный полимерный материал будет увеличивать клейкость при повышенных температурах, не становясь достаточно жидким для того, чтобы существенно увлажнять угольные частицы. Концевые пластины в этой публикации по отдельности формуют в глиняных (slush) пресс-формах путем погружения сформованного угольного блока в резервуар с расплавленным полипропиленом. Описанный способ является многоступенчатым процессом и включает производственные сложности.
Данные изобретатели нашли, что существует несколько недостатков фильтрующих блоков, изготовленных с концевыми пластинами, приклеенными/сформованными снаружи. Во-первых, этот процесс внешнего приклеивания не содержит высокой степени надежности. Шансы появления течи являются высокими. Кроме того, концевая пластина должна быть герметично прикреплена к устройству фильтрования воды с применением резиновых прокладок. В таком способе прикрепления допустимое отклонение величины угла между концевой пластиной и осью угольного блока является очень низким. Это означает, что разброс значений угла между концевой пластиной и осью угольного блока по большому количеству изготовленных фильтров должен быть очень малым, чтобы минимизировать количество отбраковок по качеству. Кроме того, наблюдалось, что многостадийный способ, содержащий формование угольного блока, за которым следует приклеивание концевой пластины, является довольно трудоемким для производственных коллективов. Эта сложность, вместе с сопутствующими высокими показателями выбраковки, способствует тому, что способ изготовления этих фильтров на современном уровне техники и полученные фильтры являются довольно дорогостоящими.
Данные изобретатели нашли, что является возможным изготовлять фильтры, содержащие фильтрующие блоки, простым и недорогим образом путем формования фильтрующего блока и концевой пластины одностадийным способом путем использования полимерных связующих материалов для фильтрующего блока и полимера для концевой пластины, из которых и те и другой отвечают селективным техническим требованиям. Данные изобретатели нашли, что возможно преодолеть большинство недостатков таких типов фильтров, изготовлявшихся в прошлом.
Задачи изобретения
Таким образом, задачей данного изобретения является предложение сформованного фильтра, который является более надежным и менее подвержен протеканию, по сравнению с подобными типами фильтров из современного уровня техники.
Другой задачей данного изобретения является предложение фильтра, который менее подвержен протеканию, но в то же время является менее дорогостоящим, по сравнению с подобными фильтрами из современного уровня техники.
Еще одной задачей данного изобретения является предложение менее дорогостоящего и более надежного фильтра на основе фильтрующего блока, который может быть изготовлен с применением способа, который является более простым, по сравнению с подобными фильтрами, изготовленными в прошлом.
Краткое содержание изобретения
Таким образом, согласно первому объекту изобретения предложен способ изготовления фильтра, содержащий стадии:
- помещение полимера толщины, желаемой для концевой пластины, в форму;
- перемешивание измельченной фильтрующей среды и полимерного связующего материала, имеющих скорость течения расплава меньше чем 5 грамм/10 минут;
- прибавление смеси стадии (b) в форму;
- нагревание формы до температуры в диапазоне от 150°C до 350°C, извлечение из формы сформованного фильтра.
Изобретение, кроме того, предлагает фильтр, содержащий: фильтрующий блок, содержащий фильтрующие макрочастицы фильтрующей среды и полимерный связующий материал, имеющие скорость течения расплава меньше чем 5 грамм/10 минут; концевую пластину, интегрально сформованную с фильтрующим блоком, при этом концевая пластина имеет отверстие для прохода жидкости и изготовлена из полимера, имеющего скорость течения расплава меньше чем 5 грамм/10 минут.
Наиболее подходящей измельченной фильтрующей средой по изобретению являются частицы активированного угля.
Особенно предпочтительно, чтобы жидкостью, подлежащей фильтрованию, являлась вода. Кроме того, является особенно предпочтительным, чтобы вода фильтровалась под действием гравитации.
По второму объекту изобретения предлагают применение фильтра в устройстве гравитационного фильтрования, содержащем верхнюю камеру и нижнюю камеру; фильтр по первому объекту изобретения, разъемно присоединяемый к основанию верхней камеры; седиментационный фильтр, способный удалять суспендированные макрочастицы материала, разъемно монтируемый на фильтре; такой, что жидкость, подаваемая в верхнюю камеру, фильтруется через седиментационный фильтр и указанный фильтр перед накоплением в нижней камере.
По третьему объекту изобретения предлагают применение фильтра в устройстве гравитационного фильтрования, содержащем:
(a) верхнюю камеру и нижнюю камеру;
(b) первый фильтр, разъемно присоединяемый к основанию верхней камеры;
(c) седиментационный фильтр, способный удалять суспендированные макрочастицы материала, разъемно монтируемый на первом фильтре;
(d) устройство подачи биоцида;
(e) камеру выдерживания;
(f) второй фильтр, такой, что жидкость, подаваемая в верхнюю камеру, фильтруется через седиментационный фильтр и первый фильтр, перед тем как подвергнуться обработке биоцидом, подаваемым с помощью устройства подачи биоцида, жидкость, обработанную биоцидом, затем выдерживают в камере выдерживания в течение заданного периода времени, после которого выдержанную жидкость отфильтровывают от избытка биоцида через второй фильтр перед накоплением в нижней камере, где первый фильтр или второй фильтр, или оба являются фильтрами по первому объекту изобретения.
Эти и другие задачи, преимущества и признаки изобретения легко понять и оценить при отсылке к не ограничивающему подробному описанию предпочтительного воплощения.
Подробное описание изобретения
Изобретение предлагает фильтр, содержащий фильтрующий блок, содержащий измельченную фильтрующую среду и полимерный связующий материал, имеющие специфические селективные характеристики, и концевую пластину, интегрально сформованную с фильтрующим блоком, причем концевая пластина изготовлена из полимера, имеющего специфические селективные характеристики, и концевая пластина имеет отверстие для прохождения жидкости.
Измельченную фильтрующую среду по изобретению, предпочтительно, выбирают из группы, состоящей из диатомовой земли, керамических гранул, глины, стеклянных гранул, гранул полистирольного каучука или активированного угля, более предпочтительно, измельченной фильтрующей средой является активированный уголь.
2
2
Активированный уголь предпочтительно выбирают из одного или более битуминозного угля, скорлупы кокосового ореха, дерева и нефтяной смолы. Площадь поверхности активированного угля, предпочтительно, превышает 500 м/г, более предпочтительно превышает 1000 м/г. Предпочтительно, активированный уголь имеет коэффициент однородности размера меньше чем 2, более предпочтительно, меньше чем 1,5, тетрахлоруглеродное число, превышающее 50%, более предпочтительно, превышающее 60%. Активированный уголь, предпочтительно, имеет йодное число больше чем 800, более предпочтительно, больше чем 1000.
Размер частиц измельченной фильтрующей среды выбирают такой, что, предпочтительно, не более чем 5% частиц проходят через сито 30 меш, и не более чем 5% остаются на сите 12 меш.
Оба - полимерный связующий материал и полимер концевой пластины - выбирают такие, которые имеют скорость течения расплава меньше чем 5 грамм/10 минут, более предпочтительно, меньше чем 2 грамм/10 минут и, еще более предпочтительно, меньше чем 1 грамм/10 минут. Скорость течения расплава (СТР) измеряют с использованием теста ASTM D 1238 (ISO 1133). В тесте измеряют протекание расплавленного полимера через выдавливающий пластометр под действием определенной температуры и условий нагрузки. Выдавливающий пластометр состоит из вертикального цилиндра с маленькой головкой размером 2 мм на дне и съемным поршнем в верхней части. Навеску материала помещают в цилиндр и прогревают в течение нескольких минут. Поршень помещают поверх расплавленного полимера, и своей массой он выдавливает полимер через головку и на собирающую пластину. Интервал времени испытания лежит в диапазоне от 15 секунд до 15 минут для того, чтобы нивелировать различие в вязкости пластических масс. Использованные температуры составляют 190, 220, 250 и 300°C (428, 482 и 572°F). Использованные нагрузки составляют 1, 2, 5, 10 и 15 кг. По данному изобретению испытания осуществляли при 190°С при нагрузке 15 кг. Количество полимера, набранного после определенного интервала, взвешивали, и рассчитывали количество граммов, которое было бы экструдировано за 10 минут: скорость течения расплава выражали в граммах за эталонное время.
6
9
Подходящие примеры полимерного связующего материала и полимера включают ультравысокомолекулярные полимеры, предпочтительно, полиэтилен, полипропилен и их сочетания, которые имеют такие низкие значения СТР. Молекулярная масса, предпочтительно, находится в диапазоне от 10 до 10 г/моль. Связующие материалы этого класса коммерчески доступны под торговыми названиями HOSTALEN из Тусопа GMBH, GUR, Sunfine (из Asahi, Япония), Hizex (из Mitsubishi) и из Brasken Corp (Бразилия). Другие подходящие связующие материалы включают LDPE, продаваемый как Lupolen (из Basel Polyolefins) и LLDPE из Qunos (Австралия).
3
3
3
По оптимальному объекту изобретения полимерный связующий материал и полимер концевой пластины являются одним и тем же материалом. Объемная плотность полимерного связующего материала и полимера является предпочтительно меньше или равной 0,6 г/см, более предпочтительно, меньше или равной 0,5 г/см, и, еще более предпочтительно, меньше или равной 0,25 г/см.
Наблюдали, что если полимер концевой пластины имеет скорость течения расплава больше чем 5 грамм/10 минут, трудно высвободить фильтр из формы. Эту проблему можно смягчить, если поверхность фильтрующего блока сделать очень гладкой или обеспечить очень малый зазор между фильтрующим блоком и формой. Достижение этих жестких условий процесса является часто очень сложным в крупномасштабной промышленной установке. Таким образом, применение полимера для концевых пластин, имеющего селективные характеристики по изобретению, обеспечивает гладкое и эффективное извлечение из формы.
Размер частиц полимерного связующего материала, предпочтительно, выбирают таким, что средний размер частиц полимерного связующего материала частиц лежит в диапазоне от 100 до 180 микрон.
Фильтрующий блок, предпочтительно, содержит 50-95% измельченной фильтрующей среды и 5-50% полимерного связующего материала от массы фильтрующего блока.
Вышеуказанный раскрытый фильтр по изобретению приспособлен для обеспечения удаления химических загрязнений и для эффективного удаления, по меньшей мере, 3-log, т.е. 99,9% цист, таких как Gairdia lamblia, Cryptospordirium parvum и Entamoeba histolica. Иными словами, если входящая вода содержит 1000 цист, выходящая вода будет содержать, самое большее, только 1 цисту. Фильтр по изобретению также подходит в качестве поглотителя для удаления остатка биоцида и галогенов, таких как хлор, бром или иод из воды, обработанной таким биоцидом. Таким образом, такой биоцид убивает микробов в подаваемой воде, а остаток биоцида может быть поглощен фильтром по изобретению, что, таким образом, делает обработанную воду высокопригодной для потребления людьми.
Фильтр по изобретению, предпочтительно, содержит вторую концевую пластину, интегрально сформованную с фильтрующим блоком, причем указанная вторая концевая пластина изготовлена из полимера, имеющего скорость течения расплава меньше чем 5 грамм/10 минут. Вторая концевая пластина по выбору имеет отверстие для прохода жидкости.
Фильтрующий блок может быть любого желаемого вида, в зависимости от конечного применения/использования. Подходящие виды включают плоский круглый диск, квадратный диск, суживающийся плоский диск, цилиндр, полый цилиндр, твердый конус, пустую полусферу и пустой конус.
По второму объекту изобретения предлагают устройство гравитационного фильтрования, содержащее верхнюю камеру и нижнюю камеру; фильтр по первому объекту изобретения, разъемно присоединяемый к основанию указанной верхней камеры; седиментационный фильтр, разъемно монтируемый на указанном фильтре; такой, что жидкость, подаваемая в верхнюю камеру, фильтруется через седиментационный фильтр и фильтр перед накоплением в нижней камере.
По третьему объекту изобретения предлагают устройство гравитационного фильтрования, содержащее верхнюю камеру и нижнюю камеру; первый фильтр, разъемно присоединяемый к основанию верхней камеры; седиментационный фильтр, разъемно монтируемый на первом фильтре; устройство подачи биоцида; камеру выдерживания и второй фильтр; такой, что жидкость, подаваемая в верхнюю камеру, фильтруется через седиментационный фильтр и первый фильтр перед тем, как быть обработанной биоцидом, подаваемым с помощью устройства подачи биоцида, причем жидкость, обработанную биоцидом, затем выдерживают в камере выдерживания в течение заданного периода времени, после которого выдержанную жидкость отфильтровывают от избытка биоцида через второй фильтр перед накоплением в нижней камере, где первый фильтр или второй фильтр, или оба являются фильтрами согласно первому объекту изобретения.
Седиментационный фильтр является обычно способным удалять растворенный и диспергированный органический материал из подаваемой жидкости и измельченный материал, имеющий размер больше чем 3 микрона. Седиментационный фильтр является моющимся и съемным и является предпочтительно изготовленным из тканого или нетканого материала, более предпочтительно, нетканого материала, имеющего микропористую структуру. Седиментационный фильтр можно мыть и ополаскивать под проточной водопроводной водой или с применением малого количества - (0,1-10 г/л) стирального порошка в воде. Это облегчает широкое и экстенсивное применение фильтра по изобретению.
По еще одному объекту данного изобретения предлагают способ для изготовления фильтра, содержащий стадии помещения в форму полимера до желаемой толщины концевой пластины; перемешивания измельченной фильтрующей среды и полимерного связующего материала, имеющих скорость течения расплава меньше чем 5 грамм/10 минут; прибавления смеси стадии (b) в форму; нагревания указанной формы до температуры в диапазоне от 150°C до 350°C; и извлечения из формы сформованного фильтра.
Полимерный связующий материал и указанную активированную измельченную фильтрующую среду перемешивают в течение, по меньшей мере, 15 минут, более предпочтительно, в течение периода времени от 20 до 60 минут перед прибавлением в форму. Перемешивание предпочтительно осуществляют в сосудах, которые включают перемешивающее устройство (agitator), мешалку с затупленными лопастями, ленточную мешалку, вращающуюся мешалку, сигма-мешалку или любую другую мешалку с малыми сдвиговыми усилиями, которая не изменяет значительно распределение частиц по размеру. Любая из вышеупомянутых мешалок для порошков может быть использована для этой цели, но подходящей мешалкой является сигма-мешалка. Необязательно, но предпочтительно, чтобы эту стадию перемешивания проводили в присутствии жидкости, например, воды или органического растворителя, такого как спирт. Используемое количество жидкости превышает количество частиц активированного угля по массе, предпочтительно, не более чем в 4 раза, и, более предпочтительно, не больше чем в 3 раза, наиболее предпочтительно, в 0,5-1,5 раза.
Вышеуказанную смесь, предпочтительно, не подвергают вибрации, однако, вибрация смеси в течение короткого периода, например 3-10 минут, может также быть использована для того, чтобы смесь перед формованием стала компактной. Виброуплотнение, предпочтительно, проводят в вибраторе, имеющем частоту в диапазоне от 30 до 100 Гц. Эту стадию процесса, предпочтительно, проводят в течение периода, по меньшей мере, одной минуты, более предпочтительно, в течение 3-10 минут. Уплотненную массу затем помещают в форму заранее выбранного размера и вида.
Форму изготовляют из алюминия, чугуна, стали или любого материала, способного выдерживать температуры, превышающие 400°C.
Агентом для высвобождения из формы предпочтительно покрывают внутреннюю поверхность формы. Агент для высвобождения из формы предпочтительно выбирают из силиконового масла, алюминиевой фольги, или форма может быть покрыта подходящими материалами, такими как Тефлон или любой другой коммерчески доступный агент для высвобождения из формы, который мало или совсем не адсорбируется на фильтрующей среде.
Более предпочтительно, температуры для термоотверждения фильтра в способе по изобретению составляют от 200°C до 300°C. Форму выдерживают при нагревании в течение более чем 60 минут, предпочтительно, 90-300 минут. Форму предпочтительно нагревают в печи с применением неконвекционной принудительной подачи воздуха или в конвекционной печи с принудительной подачей инертного газа.
Форму затем охлаждают и сформованный фильтр высвобождают из формы.
Вторая концевая пластина может быть интегрально сформована на угольном блоке путем помещения полимера до желаемой толщины второй концевой пластины в форму.
2
2
Способ по изобретению, по выбору, содержит прессование формы перед стадией нагревания. Когда применяют прессование, давление составляет, предпочтительно, не более чем 12 кг/см, более предпочтительно, в диапазоне от 4 до 8 кг/см. Давление, предпочтительно, прикладывают с использованием либо гидравлического пресса, либо пневматического пресса, более предпочтительно, гидравлического пресса.
Полимер, используемый для концевых пластин, может быть добавлен в виде частиц в форму или может быть заранее отпрессован для придания желаемого вида перед помещением в форму.
Эта и другие задачи изобретения, его преимущества и способ применения будут теперь описаны со ссылками на чертежи, на которых:
фиг.1 - фронтальный вид воплощения фильтра по изобретению, содержащего угольный блок;
фиг.2 - вид сверху изображения на фиг.1.
Фигура 1 показывает воплощение фильтра (Ф), содержащего угольный блок (УБ). Угольный блок этого воплощения имеет цилиндрическую форму с центральным полым каналом вдоль продольной оси. Первая концевая пластина (ПКП) является интегрально сформованной с верхним концом угольного блока. Водонепроницаемая вторая концевая пластина (ВКП) является интегрально сформованной с дном угольного блока. Первая концевая пластина содержит отверстие (О) для прохода воды через нее. Цилиндрическая трубка (Т), изготовленная из жесткого полимера, имеющего отверстия на периферической поверхности, вставлена в центральный полый канал для обеспечения структурной поддержки угольного блока и облегчения протекания воды. Прокладкой (П) снабжают первую концевую пластину (ПКП), что дает возможность фиксировать угольный блок в фильтре. Резьба (Р), нанесенная на трубку (Т), дает возможность установки фильтра в фильтрующее устройство.
Фильтр (Ф) изготовляют следующим способом. Берут цилиндрическую форму, имеющую вид и конфигурацию фильтра, показанного на фигуре 1. Заранее отпрессованную водонепроницаемую вторую концевую пластину (ВКП) помещают на дно формы.
6
2
Вторую концевую пластину изготовляют из ультравысокомолекулярного полиэтилена, имеющего молекулярную массу 10 и скорость течения расплава (СТР) примерно 0 грамм/10 минут, поставляемого Tycona GMBH. Частицы активированного угля, имеющего размер частиц такой, что не более чем 5 мас.% остается на 12 меш и не более чем 5% проходит через 30 меш, перемешивают с частицами ультравысокомолекулярного полиэтилена, имеющего СТР ~0, имеющего средний размер частиц 140 микрон в отношении 6,5:1 в сигма-мешалке в течение 30 минут. Затем смесь добавляют в форму, при этом, обеспечивая, чтобы твердая металлическая трубка, имеющая размеры трубки (Т), была помещена в форму вдоль продольной оси. Затем добавляют порошок ультравысокомолекулярного полиэтилена, имеющего СТР ~0 до высоты, соответствующей желаемой высоте первой концевой пластины (ПКП). Форму затем прессуют при давлении 5-8 кг/см и нагревают в печи при температуре в диапазоне от 200 до 280°C в течение 2,5 часов. Затем форму охлаждают, и угольный блок извлекают из формы. Твердую металлическую трубку затем удаляют, и трубку (Т) затем помещают в центральный канал, а за ней следует прокладка (П). Затем фильтр прикручивают к желаемому устройству для фильтрования воды с помощью резьбы (Р).
Фигура 2 показывает вид сверху фильтра по фигуре 1 с частями, помеченными с применением тех же обозначений.
Во время использования вода входит через вход (ВХ) и течет в направлениях, показанных стрелками. Вода фильтруется по мере ее протекания радиально внутрь центрального канала угольного блока. Отфильтрованная вода затем выходит через выход (ВЫХ).
Изобретение, таким образом, предлагает фильтрующую среду в виде угольного блока, способ его приготовления и фильтр для воды, который может быть изготовлен с применением таких угольных блоков, которые обеспечивают желаемую эффективность фильтрования воды в самотечных условиях под действием гравитации, при этом обеспечивая желаемую высокую скорость потока.