多孔复合块、过滤器组件以及其制备方法

多孔复合块、过滤器组件以及其制备方法
【专利摘要】一种多孔复合块包括多个彼此粘结的一级结构。每个一级结构包括通过聚合物粘合剂粘结在一起的吸附性介质颗粒。还公开一种包括所述多孔复合块的过滤器组件以及一种制备所述多孔复合块的方法。
【专利说明】多孔复合块、过滤器组件以及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明广义上涉及多孔复合块、采用此类多孔复合块的过滤器产品以及制备多孔复合块的方法。
【背景技术】
[0002]包括吸附性材料的多孔复合块适用作过滤介质，用于液体进料流的处理中，如在水处理应用中。举例来说，一种类型的多孔复合块，碳块过滤器包括通过聚合物粘合剂材料粘合在一起的活性炭颗粒。聚烯烃材料如超高分子量聚乙烯(UHMW PE)可以充当粘合剂。碳块过滤器在用于从水中移除有机污染物时提供了与松散的碳颗粒层相当并且经常优于其的处理能力。此外，碳块过滤器构造致密并且可以在常常与松散碳颗粒层的处置相关的混乱度降低的情况下进行处置。
[0003]多孔复合块可以通过在块体构造中包括例如除活性炭以外或取代活性炭的适当组分而被制备用于多种过滤应用中的任一种。此类组分可以包括例如离子交换树脂、吸附材料；金属离子交换沸石吸附剂；活性氧化铝；基于银、基于锌以及基于卤素的抗微生物化合物；酸气吸附剂；砷减少材料；碘化树脂；以及纺织纤维。
[0004]尽管多孔复合块已广泛地应用于多种过滤应用中，但此项技术受到长期以来已经公认的局限性的困扰。一个此类局限性已存在于具有高沉积物含量的过滤进料的处理中。举例来说，碳块过滤器已用于纯化家庭入口点(POE)的住宅用水。住宅用水供应可能具有高沉积物含量，而碳块过滤器对于此类沉积物具有低的容许度。因此，在初始暴露于含有淤泥、水垢和/或锈的高沉积物进料流后的相对较短时期内，碳块过滤器经常淤塞(例如被堵塞)。

【发明内容】

[0005]在一个方面，本发明提供一种多孔复合块，所述多孔复合块包括彼此粘结的多个一级结构，其中所述多个一级结构中的每一者包括通过各自的一级聚合物粘合剂粘结在一起的各自的第一吸附性介质颗粒，其中各自的曲折的一级孔隙网络贯穿每个一级结构延伸，并且其中如果从所述多孔复合块中移除所述一级结构，那么至少80重量％不会通过500微米筛网。
[0006]在另一方面，本发明提供一种过滤器组件，所述过滤器组件包括至少一个根据本发明的多孔复合块，所述多孔复合块封闭于外壳内，所述外壳具有入口孔和出口孔，所述过滤器组件被配置成引导液体流进入所述入口孔，穿过所述多孔复合块，并且接着穿过所述出口孔，从而离开所述过滤器组件。
[0007]在另一方面，本发明提供一种制备多孔复合块的方法，所述方法包括:
[0008]提供包括多个一级结构的组分，每个一级结构包括通过第一聚合物粘合剂粘结在一起的一级吸附性介质颗粒并限定了贯穿所述一级结构延伸的曲折的一级孔隙网络；
[0009]将多个所述一级结构的至少一部分放置于模具腔体中；[0010]加热所述多个一级结构的所述至少一部分，以软化热塑性聚合物粘合剂并且将所述多个一级结构的所述至少一部分粘结在一起；以及
[0011]冷却模具以使所述热塑性聚合物粘合剂固化并且形成所述多孔复合块。
[0012]由活性炭颗粒制成的常规的多孔复合块在对应于上述一级孔隙网络的碳颗粒之间包括小的间隙空间。所述间隙空间共同形成曲折且复杂的多孔通道，在过滤操作期间液体进料流可以通过所述通道。当活性炭颗粒的尺寸和形状允许颗粒在块体形成期间致密堆积时，所得多孔复合块总体上具有平滑外表面，并且活性炭颗粒在整个多孔复合块中以紧密堆积的形式排列。
[0013]有利的是，根据本发明的多孔复合块可以将沉积物捕获在由突出物形成的空间中以及任选地在多孔复合块内在一级结构外部的空隙空间内。这赋予了块体对于沉积物含量的容许度比此前可获得的实质上更高。因此，本发明提供一种提高多孔复合块过滤器(例如碳块过滤器)的沉积物移除能力的有效解决方案。另外，根据本发明的物品可以根据本发明中所公开的方法使用再循环的废弃材料制造；举例来说，使用不连续的多孔复合块过滤器、制造废物或其他废弃材料。
[0014]如在此所用:
[0015]术语“聚合物”和“聚合物的”是指有机聚合物；
[0016]术语“目”和“目尺寸”是指美国目尺寸；
[0017]术语“z微米筛网”，其中z是数字时，是指具有z微米X z微米方形孔的线型筛网；
[0018]关于粒度的表述“m英寸Xn英寸”(其中m和η是数字)是指通过具有m英寸Xm英寸方形孔的线型筛网，但未通过具有含有m英寸Xm英寸方形孔的线型筛网的筛网的颗粒。
[0019]关于粒度的表述“mXn目”(其中m和η是数字)是指通过具有美国目尺寸m的线型筛网，但未通过具有美国目尺寸η的筛网的颗粒。
[0020]关于粒度的表述“m英寸Xn目”(其中m和η是数字)是指通过具有m英寸Xm英寸方形孔的线型筛网，但未通过具有美国目尺寸η的筛网的颗粒。
[0021]在考虑【具体实施方式】以及所附权利要求书之后，将进一步理解本发明的特征和优点。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]图1A是根据本发明的示例性多孔复合块100的示意性横截面图；
[0023]图1B是图1A中所示的一级结构110的示意性横截面图；
[0024]图2是根据本发明的示例性过滤器组件200的示意性横截面图；
[0025]图3Α是显示根据比较例G制成的多孔复合块300的数码显微图；和
[0026]图3Β是显示根据实例3制成的多孔复合块310的数码显微图。
[0027]应当理解，本领域内的技术人员可以设计出大量其他修改形式和实施例，这些修改形式和实施例在本发明的原理的范围和精神内。附图可能未按比例绘制。在整个附图中，类似参考数字可以用于表示类似部件。
【具体实施方式】[0028]现在参见图1A，示例性多孔复合块110包括多个彼此粘结的一级结构120。多孔复合块110具有包括任选的不规则突出物114的外表面112，所述外表面包括一级结构120的部分。现在参见图1B，一级结构120包括通过聚合物粘合剂144彼此粘结的吸附性介质颗粒136。一级结构120每一者包括贯穿一级结构120延伸的曲折的一级孔隙网络152。一级结构120具有足够的尺寸，以致如果从多孔复合块中移除一级结构，那么至少80重量％不会通过500微米筛网。
[0029]适用于形成本文的一级结构的吸附性介质颗粒可以包含至少一种选自由以下物质组成的群组的组分:活性炭(包括例如活性炭和催化性活性炭)、铅移除介质、硅藻土、抗微生物介质或抗微生物剂、硅石、沸石、氧化铝、离子交换剂、砷移除介质、分子筛、电荷改性颗粒、硅酸钛、氧化钛、金属氧化物、金属氢氧化物以及它们的组合。在多孔复合块将用于过滤水的一些实施例中，吸附性介质颗粒通常包括活性炭(例如衍生自磨碎的坚果壳的活性炭)。示例性商业活性炭材料可从日本东京的可乐丽有限公司(KurarayC0.，Ltd.，Tokyo, Japan)以名称 “PGW” 和 “PGWH” 商购获得。
[0030]额外的(二级)吸附性介质颗粒也可以任选地作为与一级结构分开的组分掺入到多孔复合块的结构中。
[0031]在一些实施例中，单一等级的一级和/或二级吸附性介质颗粒可以与相应的聚合物粘合剂一起使用。在其他实施例中，不同等级和/或类型的吸附性介质颗粒的混合物可以与相应的聚合物粘合剂一起使用；举例来说，如在本文所述的一级结构中所包括的。一般来讲，吸附性介质颗粒可以具有任何所需的形状或尺寸。在一些实施例中，吸附性介质颗粒的长度或宽度为约6毫米(例如美国目尺寸为6)或更小到约44微米(例如美国目尺寸为325)或更大。本领域的普通技术人员应了解其他吸附性介质粒度也适用于形成一级结构，并且本发明不以任何方式受吸附性介质粒度或吸附性介质粒度的分布的限制。在一些实施例中，可以使用尺寸小于约44微米的吸附性介质颗粒。在一些实施例中，可以使用具有单一尺寸分布的吸附性介质颗粒。在其他实施例中，一级结构可以包括多于一种尺寸分布(例如多峰分布)的吸附性介质颗粒。在一些实施例中，一级结构可以包括尺寸大于约0.1,0.5、I或甚至4、大于约2毫米的吸附性介质颗粒。
[0032]在合适的一级结构的制备中，聚合物粘合剂(一级聚合物粘合剂)用于使单独的吸附性介质颗粒彼此粘附。聚合物粘合剂可以选自已知的聚合物材料，包括例如聚烯烃、聚酯、聚醚、聚酰胺、苯乙烯聚合物、纤维素聚合物、丙烯酸聚合物以及它们的组合。适用的聚烯烃包括例如低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、低密度聚丙烯、高密度聚丙烯以及它们的组合。如本文所用，术语“超高分子量聚乙烯”(UHMW PE)是指数均分子量(Mn)为约2X106克/摩尔(g/mol)或更大的聚乙烯。在一些实施例中，根据本发明的多孔复合块的总粘合剂含量通常在聚集体重量的约5重量％与约50重量％之间；在一些实施例中，以干重计在约10重量％与约25重量％之间，而在一些实施例中在约15重量％与约20重量％之间。
[0033]在制造多孔复合块期间，聚合物粘合剂通常以颗粒形式(尤其如果它是热塑性的)供应，但这并非必需的。还可以使用热固性聚合物粘合剂。可以使用任何粒度，但通常聚合物粘合剂颗粒在约I微米到约5毫米的尺寸范围内。
[0034]一级结构每一者包括各自的曲折的一级孔隙网络。通常，孔隙至少部分是因形成期间堆积低效而产生。任选地，一级结构中的孔隙(或甚至一级结构外部的孔隙)可以通过在形成一级结构或一级结构所源自的块体过滤器期间包括成孔材料来引入。成孔材料的实例包括发泡聚丙烯、发泡聚乙烯、发泡聚苯乙烯、可以从多孔复合块结构中洗去因而在其空间中留下空隙空间的水溶性材料(例如聚磷酸盐颗粒、无机盐)以及它们的组合。
[0035]一般来讲，一级结构将涵盖一系列尺寸、形状和/或组成，不过这并非必需的。举例来说，一级结构可以具有一尺寸分布,其中一级结构的至少80重量％、85重量％、90重量％、95重量％或甚至至少99重量％不会通过841微米筛网(美国目尺寸=20)、500微米筛网(美国目尺寸=35 )、400微米筛网(美国目尺寸=40 )。在一些实施例中，一级结构的至少10重量％、20重量％、30重量％、40重量％或甚至至少50重量％不会通过具有1.0mm、1.4mm、
2.0mm、3.3mm或甚至4.7mm的孔的筛网。举例来说,在一些实施例中，一级结构的至少50重量％不会通过具有4.7mm的孔的筛网。
[0036]在多个实施例中，适用于形成多孔复合块的一级结构的长度为约15毫米或更小并且宽度为约15毫米或更小。在一些实施例中，一级结构的长度为约0.1毫米(例如美国目尺寸为150)或更大并且宽度为约0.1毫米或更大。在一些实施例中，一级结构每一者的长度在约15毫米到约0.1毫米范围内并且宽度在约15毫米到约0.1毫米范围内。本领域的普通技术人员应了解上述聚集体尺寸是以举例的方式提供的而不应理解为以任何方式限制聚集体尺寸的适用范围。
[0037]一级结构可以任何已知的方式制备。在一些实施例中，聚集体是通过使用合适的粘合剂将活性炭颗粒粘附在一起来制备。一级结构中碳颗粒的量可以具有预定体积或重量的单独的颗粒。在一些实施例中，可以随机测定一级结构中单独碳颗粒的量。如所提到，在一级结构的制备中可以包括除活性炭以外的材料。在一些实施例中，一级结构是由初始尺寸大于一级结构的尺寸的源块体(例如碳块滤筒)制备。在此类实施例中，源块体可以自废弃物或此前制造的多孔复合块的丢弃的批料来获得。在一些实施例中，可以出于形成可以进一步处理以提供许多一级结构的初始材料来源的目的来制备较大的多孔复合块。较大的多孔复合块可以使用任何合适的手段来破碎，以便提供多个一级结构，每一个一级结构具有小于源块体的初始尺寸的尺寸。在上述实施例中，所得一级结构的总体尺寸可以进一步减小，并且因此形成的一级结构可以进一步加工以实现所需的粒度分布(例如通过筛分一级结构以获得所需的最大粒度和/或所需的最小粒度)。如本文另外所论述，多孔复合块可以使用单一尺寸分布的一级结构来形成。在一些实施例中，多孔复合块可以使用两种或更多种(例如多峰的)尺寸分布来形成，并且任何单一聚集体尺寸分布的一级结构的相对百分比可以按需要改变。
[0038]除了使用一级结构以外，多孔复合块的构造中还可以包括其他成孔材料。成孔材料可以能够溶解、熔融、分解或以其他方式处理，使得成孔材料的每个颗粒均被移除，它的体积大大减小，或它以其他方式物理地改变以便在成品的多孔复合块中留下空隙空间。合适的成孔材料的实例包括加热时体积减小的泡沫聚合物材料(例如泡沫或发泡聚合物珠粒、发泡聚丙烯、发泡聚乙烯、发泡聚苯乙烯、它们的组合)、水溶性材料(例如无机盐、可溶性聚合物(例如冷水溶性聚乙烯醇))以及它们的组合。也可以使用适用于部分或完全制造一级结构的成孔材料。
[0039]通常，一级结构不规则成形，因为单独的一级结构不具有标准几何形状(例如立方体、球体或锥体)，不过这并非必需的。在一些实施例中，一级结构具有视觉可辨别的外部边界。在一些实施例中，一级结构的范围基于组成(例如基于聚合物粘合剂和/或过滤器介质颗粒)是可辨别的。举例来说，一些一级结构可以包括铅移除介质颗粒而其他一级结构可以含有活性炭颗粒。同样，所有一级结构可以含有相同的过滤器介质颗粒，但一些一级结构可以包括聚乙烯粘合剂，而其他一级结构含有聚丙烯粘合剂。一般来讲，一级结构可以通过它们的尺寸来表征；举例来说，如由标准筛分操作测定。在一些实施例中，一级结构可以表征为具有最大和/或最小长度以及最大和/或最小宽度。用于形成多孔复合块的一级结构可以包括一粒度分布。在其他实施例中，一级结构可以包括多峰尺寸分布，其中在单一多孔复合块的形成中可以将具有两种或更多种粒度分布的一级结构组合。
[0040]一级结构通过使它们彼此熔合或通过使用任选的二级聚合物粘合剂和/或任选的二级吸附性介质颗粒来彼此粘结，以提供多孔复合块。
[0041]任选的二级聚合物粘合剂通常呈颗粒形式，但这并非必需的。如果多孔复合块中包括二级吸附性介质颗粒，那么通常包括此类二级聚合物粘合剂。合适的二级聚合物粘合剂的实例包括以上关于一级结构中的包括所列的一级聚合物粘合剂。
[0042]在一些实施例中，可以存在二级空隙空间，这是由块体形成中一级结构堆积低效产生的。也就是说，可以通过以下方式测定二级空隙空间，其中一级结构和用作多孔复合块的基本建构块体的任何任选的额外组分(例如二级粘合剂颗粒和/或二级过滤器介质颗粒)在多孔复合块的总体构造内贴合在一起。当一级结构彼此按压时，其不规则形状可能在一级结构之间形成与吸附介质颗粒呈另一种形式(例如它们是单独的或非聚集碳颗粒)时通常将产生的相比更大的二级空隙空间。
[0043]一级结构可以例如通过破碎或撕碎常规的块体过滤器(例如碳块过滤器)或通过使用在块体过滤器制造期间产生的废弃物来制备。可获得许多商业块体过滤器并且可以用于实践本发明，不过它们可能含有通常将被移除的额外的支撑结构。供应商包括例如康捏狄格州梅里登的3M纯化公司(3M Purification Inc., Meriden Connecticut)和内华达州拉斯维加斯的美而浦饮用水系统公`司(Mult1-Pure Drinking Water Systems, LasVegas, Nevada)。
[0044]关于可以被转变用作或被转变成一级结构的多孔复合介质和块体过滤器的其他细节可见于美国专利申请公开案第2011/0042298A1号(Stouffer等人)；第2010/0243572A1 号(Stouffer 等人)?’第 2007/0222101A1 号(Stouffer 等人)；以及美国专利第 7，169，304 号(Hughes 等人)；第 7，112，280B2 号(Hughes 等人)；以及第 7，112，272B2号(Hughes等人)中，这些专利的公开内容以引用的方式并入本文中。
[0045]与多孔复合块的外表面相邻的二级空隙空间通常具有足够的尺寸，以致它能够将沉积物捕获在它的体积内。在一些实施例中，二级空隙空间包括平均直径在0.1毫米到15毫米范围内的二级孔隙。在一些实施例中，二级空隙空间的总体积超过了由来自所有一级结构的一级孔隙网络产生的空隙空间的总体积，不过在其他实施例中未超过。
[0046]在一些实施例中，包括二级空隙空间的空隙和/或孔隙的平均直径小于约3毫米(mm),在一些实施例中小于约2mm,并且在一些实施例中小于约1mm。较大与较小的直径两者也在本发明的范围内，并且多孔复合块可以包括多个具有不同尺寸和/或形状的空隙和/或孔隙。空隙空间通常在多孔复合块的内部结构内以及沿着它的外表面提供，不过这并非必需的。在一些实施例中，如果由无辅助的人眼观察，那么多孔复合块的表面可以具有结节状的表面纹理。在一些实施例中，包括二级空隙空间的空隙和/或孔隙可以足够大，以致当观察多孔复合块的表面时人眼可见并且在整个块体的构造中可见(例如当观察多孔复合块的横截面部分时)。与复合块的外表面相邻的二级空隙空间的存在赋予了每个多孔复合块改善的针对液体进料流中沉积物的存在的容许度，使得块体在具有显著含量的颗粒(例如沉积物)的液体流的过滤中作为过滤介质的使用寿命更长。
[0047]根据本发明的多孔复合块可以在其中进料流包括显著量的颗粒物质(例如沉积物)的任何过滤应用中用作过滤介质。本文所述的多孔复合块适用于过滤液体进料流，包括例如供水流，如家庭或寓所入口点处(POE)的供水流、饮用水、非饮用水、工业液体和/或流体。
[0048]在一些实施例中，多孔复合块是以圆柱形构型形成，其中中空核心空间形成内径并且块体的最外表面提供外径；然而，也可以使用其他构型。穿过多孔复合块的流体流可以首先被引导到内部核心中到块体的内径，接着穿过复合介质(例如活性炭)，并且最终从块体的外表面出来。在其他构型中,流体可以从外表面引导穿过复合过滤介质并且进入块体的内部核心。上述流体构型中的任一者可以适用于本文所述的多孔复合块的实施例。多孔复合块过滤介质通常位于一外壳中，所述外壳被配置成引导流体流穿过复合材料；举例来说，如此前所述。
[0049]现在参见图2，示例性过滤器组件200包括根据本发明的多孔复合块210。多孔复合块210封闭于外壳220内并且由粘(例如胶粘)到其上的端盖260、280限定。外壳220具有入口孔230。端盖280具有出口孔240。过滤器组件200被配置成引导液体流进入穿过入口孔200，穿过多孔复合块210，并且接着穿过出口孔240。当过滤器组件200与液体源连接时，O型环254、256确保紧密的密封。任选的多孔套管250可以帮助调节流体流穿过多孔复合块210。外壳220可以包含任何合适的材料；举例来说，这取决于预期应用。举例来说，对于水过滤器来说，外壳220可以包含工程热塑性材料，如聚缩醛、聚酰胺、聚酯或聚碳酸酯。
[0050]任选地，多孔复合块可以设置在任选地折叠式预过滤器套管(未示出)内，以使得滤液在穿过多孔复合块之前穿过预过滤器。预过滤器可以例如由聚丙烯、聚酯、聚酰胺、树脂粘结的纤维、不含粘合剂的纤维、合成物、烧结材料、金属、陶瓷、纱线、专用滤纸、聚合物膜或它们的任何组合制成。保护网如果存在则可以设置在预过滤器周围。
[0051]根据本发明的多孔复合块可以具有任何所需的形状；举例来说，这取决于预期应用。实例包括中空圆柱形和圆盘。已知许多与多孔过滤器块体一起使用的过滤器设计，并且所有都可以与根据本发明的多孔复合块结合使用。多孔复合块可以是过滤器组件中的唯一过滤介质，或块体可以与一种或多种其他形式的过滤介质(包括例如折叠式过滤介质、膜、一层或多层颗粒介质(例如离子交换树脂)等)可操作地联合。取决于特定应用，额外的过滤介质可以位于多孔复合块的上游或下游。在系统用于关于处理沉积物含量高的液体进料流的过滤应用中的实施例中，多孔复合块可以是一级过滤介质。然而，在这种系统内可以包括上游预过滤器，和/或可以使用下游介质来对进料流进行额外的过滤或处理。在一些实施例中，多孔复合块可以用作下游过滤介质，如例如用于水软化系统中。
[0052]多孔复合块可以例如通过如下文所述的方法来制备。[0053]在第一步骤中，多个如上文所述的一级结构和任何任选的额外组分在模具腔体中组合。任选的额外组分的实例包括聚合物粘合剂颗粒、活性炭、铅移除介质、硅藻土、抗微生物介质或抗微生物剂、硅石、沸石、氧化铝、离子交换剂、砷移除介质、分子筛、电荷改性颗粒、硅酸钛、氧化钛、金属氧化物、金属氢氧化物以及它们的组合。在一些实施例中，任选的额外组分包括不连续的活性炭颗粒，其中不连续的活性炭颗粒的平均长度和宽度大于44微米。
[0054]一级结构可以根据常规技术制备，但优选地通过破碎一个或多个现有的块体过滤器(这些过滤器在组成方面可以相同或不同)(如例如碳块过滤器)来制备。此类块体过滤器通常在制造期间被压缩从而形成曲折的一级孔隙网络，所述一级孔隙网络延伸穿过通过聚合物粘合剂粘结到彼此的吸附介质颗粒。通常，聚合物粘合剂是热塑性的，但这并非必需的。块体过滤器可以通过任何合适的方法(包括例如切割、冲击、撕碎和/或切碎)转变成较小的碎片。需要时，可以按尺寸将碎片分类。在一些实施例中，多个一级结构包括多峰(例如双峰或三峰)尺寸分布。也可以有利地使用在块体过滤器的制造期间所得的废弃材料。
[0055]在第二步骤中，将模具腔体的内容物加热到足以充分地软化聚合物粘合剂的温度，使聚合物粘合剂可以在所选模制时间内流动并且在一级结构之间的一些或所有接触点处引起粘结，从而形成多孔复合块。模具腔体的内容物可以通常在重力下被压实(例如通过振动或机械震动)。可以使用施加压缩力，但过量压缩力可能趋于减小曲折的二级孔隙网络的尺寸和/或它们的总空隙空间体积。
[0056]温度的选择将取决于聚合物粘合剂的性质，并且对本领域的技术人员来说将显而易知。举例来说，对于超高分子量聚乙烯粘合剂(熔点为约144-152°C)来说175°C的温度持续约I到2小时通常是有效的。
[0057]在第三步骤中，将模具充分冷却以能够移出所得多孔复合块。
[0058]最初，将用于形成多孔复合块的一级结构和任选的其他组分放置于适用于混合组分以提供实质上均匀的组合物的容器中，所述组合物可以进一步加工以提供多孔复合块。合适的容器将由本领域的普通技术人员基于所需的材料体积、多孔复合块中所包括的材料类型等等来选择。在一些实施例中，组分材料可以直接在模具腔体内混合。在一些实施例中，当填充模具时使用振动。在一些实施例中，使用称为“脉冲填充”的技术来填充模具。脉冲填充向模具或者上面放置有模具的工作台或表面施加一系列有限的不连续位移。脉冲填充另外描述于美国专利申请公开案第2007/0222101A1号(Stouffer等人)中。模具振动涉及高速位移(例如频率大于约600次位移/分钟)，而脉冲填充利用低速位移，通常使用5到120次位移/分钟范围内的频率。在一些实施例中，位移速率为约20次位移/分钟(例如每3秒一次)。在其他实施例中,位移速率为约30次位移/分钟(例如每2秒一次)。
[0059]模具的填充可以任选地在烘烤模具期间或之后包括轴向压缩步骤。控制压缩步骤以将模具腔体内的材料压缩成固定长度。压缩步骤可以是有利的，因为:(1)多孔复合块被模制成它的最终形状，从而消除了对进一步加工的需要并且减少废弃物；以及(2)当与脉冲填充组合时，多孔复合块的密度和孔隙度高度均一，从而经常允许制造性能特性更可控的多孔复合块。
[0060]如本领域的普通技术人员所知，接着可以通过将端盖胶粘于碳块上并将带有端盖的块体插入外壳中来将多孔复合块制成过滤器。[0061]任选地，模具可以通过脉冲填充来填充到可再现的最大未压缩密度。接着加热模具并且压实固定的轴向距离以提供密度和孔隙度实质上均一的多孔复合块。以这种方式，所得多孔复合块通常在它们的整个长度上为实质上均一的并且可以展现较佳的流动特性和过滤性能，而且可能不太易于受优先流影响。另外，将块体模制成在它们的整个长度上具有均一的密度可以有利于制造较长的块体，并且它还允许从较长的复合材料段上切下适用的多孔复合块，作为一种节约成本的措施。
[0062]经受轴向压缩的模具通常使材料较少收缩，以使得材料在冷却期间不会明显地从模具壁收缩，并且收缩减小通常需要增加将多孔复合块从模具中移出的力。在不对设备进行改进以便于在制造工艺完成时移出多孔复合块的情况下，在模制的复合块体弹出期间增加的力可能损坏模具。为了解决这些问题，制备多孔复合块的方法的一些实施例利用了一个在轴向维度上略呈锥形的模具。锥形可以被加工成模具腔体并且在一些实施例中:合适的锥形可以在约0.5到约I度之间。所得复合物一端的直径将比其另一端宽。在一些实施例中，在约25%的碳块长度上的约0.8度或约I度的锥形足以使用轴向压缩形成多孔复合块，接着可以用实质上小于在不存在这种锥形的情况下所需力的力将所述多孔复合块从模具中移出。在不存在上述锥形的情况下，可以通过使用较高的力弹出、使用高度抛光的模具或用减小所需弹出力的脱模涂层涂布模具表面来将多孔复合块从模具腔体中移出。
[0063]通过以下实例进一步说明本发明的目标和优点，但在这些实例中引述的具体材料和其量以及其他的条件和细节不应理解为是不当地限制本发明。
[0064]实魁
[0065]除非另有说明，否则在实例和本说明书的其余部分中所有份数、百分数、比率等均
以重量计。
[0066]制备多孔块体的工序
[0067]将经过称重的量的活性炭、粘合剂以及其他组分(例如铅减少介质、成孔材料)装入5加仑(22L)桶中。通过以约600rpm的速率迅速搅拌约3分钟来混合桶的内容物。将所得混合物填充到模具(具有顶板和底板以及心轴的铝管)中，并且将模具固定到填充台上。填充模具，同时例如使用气动式敲击器或锤子使工作台进行不连续的竖直位移。大约每两秒对工作台施加竖直位移(或脉冲)持续约三分钟，或直到模具中的材料完全压实。接着在对流烘箱中加热模具。加热时间取决于模具的直径并且通常在1-2小时范围内。使模具冷却到室温并且使所得多孔复合块从模具中弹出。通过将端盖胶粘在碳块上并且将带有端盖的多孔块体插入外壳中来将所得多孔块体制成水过滤器。
[0068]测定沉积物寿命的工序
[0069]将流入的水掺杂浓度为0.13克/加仑(0.030g/L)的A4细小测试粉尘(来自明尼苏达州伯恩斯维尔的粉末技术公司(Powder Technology Inc.，Burnsville, Minnesota)的IS012103-1测试粉尘)。在整个测试中监测压力差。沉积物寿命报导为到过滤器两端的压降升高超过初始压降35psi为止通过过滤器的粉尘克数。
[0070]比较例A
[0071]测试标识为产品AP917 “整个家庭过滤系统”的商购入口点过滤器(来自3M纯化公司)作为比较例。这种产品由活性炭(来自日本东京的可乐丽有限公司，并且命名为“ PGffH”)和UHMW PE粘合剂(以名称“⑶R2126和⑶R2122从肯塔基州佛罗伦萨的泰科纳公司(Ticona, Florence, Kentucky)获得)组成,并且呈中空圆柱体、16.8英寸(42.6cm)长的被折叠式预过滤器包裹的多孔碳块形式。具有折叠包装的块体的直径为约3.5英寸(8.9cm)。产品的额定氯寿命在10加仑/分钟(38L/min)的流速下为100,000加仑(3.8X 105L)。
[0072]根据上述测定沉积物寿命的工序评估沉积物寿命。测量出的商业过滤器的沉积物寿命为9克。在沉积物寿命测试之后对过滤器进行的检测表明，多孔复合块的外表面上积累的颗粒引起介质迅速堵塞。
[0073]比较例B
[0074]重复比较例A，但首先移除折叠式预过滤器。沉积物寿命为9克。在测试之后对过滤器进行的检查显示碳块表面平滑。
[0075]比较例C
[0076]根据(上述)制备多孔块体的工序使用粗糙活性炭制备多孔碳块。块体由90重量％的活性炭(来自可乐丽有限公司的PGWH，20 X 40目)和10重量％的聚合物粘合剂(来自泰科纳公司的⑶R2126UHMW PE)组成。根据上述测定沉积物寿命的工序评估沉积物寿命，并且所测量的沉积物寿命是14克。
[0077]比较例D
[0078]根据(上述)制备多孔块体的工序制备多孔碳块。通过将以下组分共混来调配块体:84重量％的活性炭(可乐丽碳PGWH60X150目)；10重量％的UHMW PE (泰科纳⑶R2126) ；6重量％的发泡聚丙烯珠粒(以名称“ARPRO EPP”来自日本东京的杰斯比公司(JSP Corporation, Tokyo, Japan),批号5495)作为成孔材料,近似密度为0.lg/mL并且平均粒度为2.5mm。中空圆柱形块体被模制成3.5英寸(8.9cm)外径和0.75英寸(1.9cm)内径。通过脉冲填充来填充模具并且在200°C下固化以确保聚丙烯珠粒熔融。固化时，聚丙烯珠粒在碳块中留下较大孔隙和表面粗糙度。将所得块体修剪成16.8英寸(42.7cm)长，并且根据上述测定沉积物寿命的工序评估。所测量的沉积物寿命是73克。对块体进行的检测表明，流入水中的颗粒因为空隙空间的存在而被捕集在块体的表面上以及块体的整个深度中。
[0079]比较例E
[0080]根据(上述)制备多孔块体的工序制备多孔碳块。通过将以下组分共混来调配块体:81重量％的活性炭(可乐丽有限公司，PGWH，60 X 150目);8重量％的来自泰科纳公司的⑶R2126UHMW PE ;10重量％的来自泰科纳公司的⑶R4150-3UHMW PE ;以及I重量％的发泡聚苯乙烯珠粒(以“天然EPS BBF”来自亚利桑那州菲尼克斯的美国泡沫和包装公司(AmericanFoam and Packaging Inc.Phoenix, Arizona))作为成孔材料,近似密度为 0.012g/ml 并且平均粒度为2mm。块体被模制成3.5英寸(8.9cm)外径和0.75英寸(1.9cm)内径。通过脉冲填充来填充模具并且在175°C下固化。固化时，聚苯乙烯珠粒在整个碳块中留下可见的空隙空间以及增大的表面粗糙度。将所得块体修剪成16.8英寸(42.7cm)长，并且根据上述测定沉积物寿命的工序评估。所测量的沉积物寿命是1170克。
[0081]比较例E
[0082]根据(上述)制备多孔块体的工序制备多孔碳块。通过将以下组分共混来调配块体:68体积％的活性炭(可乐丽碳PGWH60X 150目);18体积％的UHMW PE(泰科纳⑶R2126);以及14体积％的颗粒状聚磷酸盐防垢剂(以“SILIPH0S”自贝克吉利尼公司(BK GiuliniGmbH)获得)，所述颗粒状聚磷酸盐防垢剂也旨在充当成孔材料。块体被模制成3.5英寸(8.9cm)外径和0.75英寸(1.9cm)内径。在这一实例中，因为组分之间的密度差异较大，所以组分的浓度是以体积百分比提供的。通过脉冲填充来填充模具并且在175°C下固化。将所得块体修剪成16.8英寸(42.7cm)长，用水冲洗4天(24小时/天)，并且接着根据上述测定沉积物寿命的工序评估。所测量的沉积物寿命是14克。
[0083]碳块的破碎
[0084]收集五个碳块，对应于一系列配方和应用。它们的组成如下:
[0085]块体1:8重量％的美赛(METSORB) HMRP50铅减少介质，来自特拉华州格拉斯哥的格雷夫技术公司(Graver Technologies, Glasgow, Delaware)；5 重量 ％ 的诺卡阿迦(NUCHARAQUAGUARD)活性炭，80 X 325目，维吉尼亚州里士满的米德威斯特瓦可公司(MeadWestVacoCorp.，Richmond, Virginia); 10 重量％ 的椰子碳，PGW-120MP(D1(l>20-50 微米，D5tl=I 10-140 微米，D9(l〈220微米)，来自日本东京的可乐丽有限公司；54重量％的椰子碳，PGW-100MP(D1CI>4.2微米，D50=70-110微米，D90=135-170微米)，来自可乐丽有限公司；5重量％的诺卡阿迦活性炭粉末，-325目，来自米德威斯特瓦可公司；以及18重量％的⑶R2126UHMW PE聚乙烯粉末，来自泰科纳公司。
[0086]块体2:40重量％的椰子碳，来自可乐丽有限公司的PGW-120MP ；14重量％的椰子碳，来自可乐丽有限公司的PGW-100MP ；7重量％的美赛HMRP50铅减少介质，来自格雷夫技术公司；11重量％的⑶R2126UHMW PE聚乙烯粉末，来自泰科纳公司；16重量％的⑶R4150-3UHMW-PE聚乙烯粉末，来自泰科纳公司；7重量％的诺卡阿迦活性炭粉末，80 X 325目，米德威斯特瓦可公司；以及5重量％的诺卡阿迦活性炭粉末，-325目，来自米德威斯特瓦可公司。
[0087]块体3: 10重量％的⑶R2122UHMW PE聚乙烯粉末，来自泰科纳公司；15重量％的⑶R2126UHMW PE聚乙烯粉末，来自泰科纳公司；10重量％的AQUAS0RB LT Ag0.5重量％银浸溃的活性炭，来自瑞典卡马尔的雅可比碳公司(Jacobi Carbons AB, Kalmar, Sweden) ；65重量％PGW-120MP粉末碳(D1(l=50-90微米，D50=130-180微米，D90<230微米)，来自可乐丽有限公司。
[0088]块体4:20重量％的⑶R2122UHMW PE聚乙烯粉末，来自泰科纳公司；25重量％的⑶R4150-3UHMW PE聚乙烯粉末，来自泰科纳公司；45重量％的R8325C-AW椰壳碳，来自加利福尼亚州欧申赛德的碳资源公司(Carbon Resources, Oceanside, California);以及10重量％的椰壳碳(0.5%Ag),来自雅可比碳公司。
[0089]块体5:8重量％的美赛HMRP50铅减少介质，来自格雷夫技术公司；14重量％的⑶R2126UHMW PE聚乙烯粉末，来自泰科纳公司；16重量％的⑶R4150-3UHMW PE聚乙烯粉末，来自泰科纳公司；34重量％的椰子碳，来自日本东京的可乐丽有限公司的PGW-120MP ;以及28重量％的椰子碳，来自可乐丽有限公司的PGW-100MP。
[0090]将块体(每个类型的体积大致相同)在具有菠萝刀切碎器的共混机中磨成粉。使用罗太普(Rotap)筛网系统将所得材料筛分成从0.5英寸(1.3cm) X0.25英寸(0.64cm)到50X150目的多种尺寸部分。使用材料(破碎混合物)作为后续实验的原材料。
[0091]实例I
[0092]使用上文制备的破碎混合物根据以下配方制备多孔复合块:
【权利要求】
1.一种多孔复合块，其包括彼此粘结的多个一级结构，其中所述多个一级结构中的每一者包括通过各自的一级聚合物粘合剂粘结在一起的各自的第一吸附性介质颗粒，其中各自的曲折的一级孔隙网络贯穿每个一级结构延伸，并且其中如果从所述多孔复合块中移除所述一级结构，那么所述一级结构的至少80重量％不会通过500微米筛网。
2.如权利要求1所述的多孔复合块，其中所述多孔复合块具有包括不规则突出物的外表面，其中所述不规则突出物包括所述多个一级结构的一部分。
3.如权利要求1或2所述的多孔复合块，其中所述一级结构外部的二级空隙空间与所述多孔复合块的外表面相邻存在，并且其中所述二级空隙空间包括平均直径在0.1毫米到15毫米范围内的孔隙。
4.如权利要求1到3中任一项所述的多孔复合块，其中所述一级结构的至少50重量％不会通过4.7毫米筛网。
5.如权利要求1到4中任一项所述的多孔复合块，其中所述第一吸附性介质颗粒的至少一部分包括活性炭。
6.如权利要求1到5中任一项所述的多孔复合块，其中所述第一吸附性介质颗粒会通过400微米筛网，但不会通过10微米筛网。
7.如权利要求1到6中任一项所述的多孔复合块，其中所述多个一级结构包括多峰尺寸分布。
8.如权利要求1到7中任一项所述的多孔复合块，其还包括在所述多个一级结构外部的第二吸附性介质颗粒。
9.如权利要求1到8中任一项所述的多孔复合块，其中如果从所述多孔复合块中移除所述第二吸附性介质颗粒，那么`所述第二吸附性介质颗粒的至少80重量％不会通过44微米筛网。
10.如权利要求1到9中任一项所述的多孔复合块，其还包括在所述多个一级结构外部的第二聚合物粘合剂。
11.如权利要求1到10中任一项所述的多孔复合块，其中所述一级聚合物粘合剂或二级聚合物粘合剂中的至少一者选自由以下物质组成的群组:聚乙烯、聚丙烯以及它们的组口 O
12.如权利要求1到11中任一项所述的多孔复合块，其中所述一级聚合物粘合剂或二级聚合物粘合剂中的至少一者包含高分子量聚乙烯。
13.如权利要求1到12中任一项所述的多孔复合块，其中所述多个第一吸附性介质颗粒包含至少一种选自由以下物质组成的群组的组分:铅移除介质、硅藻土、抗微生物介质或抗微生物剂、硅石、沸石、氧化铝、离子交换剂、砷移除介质、分子筛、电荷改性颗粒、硅酸钛、氧化钛、金属氧化物以及金属氢氧化物。
14.一种过滤器组件，其包括至少一个如权利要求1到13中任一项所述的多孔复合块，所述多孔复合块封闭在外壳内，所述外壳具有入口孔和出口孔，所述过滤器组件被配置成引导液体流进入所述入口孔，穿过所述多孔复合块，并且接着穿过所述出口孔，从而离开所述过滤器组件。
15.—种制备多孔复合块的方法,所述方法包括: 提供包括多个一级结构的组分，每个一级结构包括通过第一聚合物粘合剂粘结在一起的一级吸附性介质颗粒并限定了贯穿所述一级结构延伸的曲折的一级孔隙网络； 将所述多个一级结构的至少一部分放置于模具腔体中； 加热所述多个一级结构的所述至少一部分，以软化热塑性聚合物粘合剂并且将所述多个一级结构的所述至少一部分粘结在一起；和 冷却所述模具以固化所述热塑性聚合物粘合剂并且形成所述多孔复合块。
16.如权利要求15所述的方法，其还包括压缩所述多个一级结构的所述至少一部分，同时在所述模具腔体中加热它们。
17.如权利要求15或16所述的方法，其中所述组分还包括二级聚合物粘合剂颗粒。
18.如权利要求15到17中任一项所述的方法，其中所述一级结构外部的空隙空间与所述各自的曲折的一级孔隙网络组合，形成贯穿所述多孔复合块延伸的曲折的二级孔隙网络。
19.如权利要求15到18中任一项所述的方法，其中所述第一聚合物粘合剂或所述二级聚合物粘合剂中的至少一者选自由以下物质组成的群组:聚乙烯、聚丙烯以及它们的组合。
20.如权利要求15到19中任一项所述的方法，其中所述第一聚合物粘合剂或所述二级聚合物粘合剂中的至少一者包含高分子量聚乙烯。
21.如权利要求15到20中任一项所述的方法，其中所述组分还包括不包括在所述多个一级结构中的第二吸附性介质颗粒。
22.如权利要求15到21中 任一项所述的方法，其中所述第二吸附性介质颗粒的至少一部分包括活性炭。
23.如权利要求15到22中任一项所述的方法，其还包括从所述模具腔体中移出所述多孔复合块。
24.如权利要求15到23中任一项所述的方法，其中所述提供所述多个一级结构包括: 提供具有初始尺寸并且由通过所述第一聚合物粘合剂彼此粘结的所述吸附性介质颗粒构成的至少一个源块体；和 破碎所述至少一个源块体以提供所述多个一级结构，每个一级结构的尺寸均小于所述至少一个源块体的初始尺寸。
25.如权利要求15到24中任一项所述的方法，其还包括根据尺寸将所述多个一级结构分类。
26.如权利要求15到25中任一项所述的方法，其中所述至少一个源块体包括至少两个含有不同吸附性介质颗粒的源块体。
27.如权利要求15到26中任一项所述的方法，其中所述一级结构的至少80%不通过500微米筛网。
28.如权利要求15到27中任一项所述的方法，其中所述一级结构的至少50%不通过4.7毫米筛网。
29.如权利要求15到28中任一项所述的方法，其中所述第一吸附性介质颗粒的至少一部分包括活性炭。
30.如权利要求15到29中任一项所述的方法，其中所述多个一级结构包括多峰尺寸分布。
31.如权利要求15到30中任一项所述的方法，其中所述多个一级结构的至少一部分包含至少一种选自由以下物质组成的群组的组分:铅移除介质、硅藻土、抗微生物介质或抗微生物剂、硅石、沸石、氧化铝、离子交换剂、砷移除介质、分子筛、电荷改性颗粒、硅酸钛、氧化钛、金属氧化物以及金属氢氧化物。`
【文档编号】B01D39/20GK103517759SQ201280022243
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年4月11日 优先权日:2011年5月16日
【发明者】马克·R·斯托弗, 埃里克·C·彭伯顿 申请人:3M创新有限公司