CN102421501A - 用于重力过滤并经过改善的载有吸附剂的网 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包括载体和在载体上收集的网的过滤介质。所述网包括亲水性聚合物熔喷纤维，以及嵌入所述亲水性聚合物熔喷纤维的多个吸附剂粒子。所述载体包括多孔片材并具有载体基重。所述网具有网基重。所述亲水性聚合物熔喷纤维占所述网基重的至少3％，而多个吸附剂粒子占所述网基重的至多97％。

Description

用于重力过滤并经过改善的载有吸附剂的网
背景技术
有多种类型的流体过滤系统(如用于家用水过滤)可市售获得。传统上，使用松散炭粒子的床来从水中除去金属和/或有机物质。或者，可由吸着材料(如吸附性活性炭)和聚合物粘结剂(如聚乙烯)的组合制备复合块，所述组合已在热和压力的条件下烧结在一起，可用于水过滤器技术。炭块技术(例如)能提供与松散床炭粒子相当的功能性，而粒子又不会脱落或者占据太多的空间。对于炭块技术，由于吸着材料如活性炭的量增加，在整个炭块上的压降会增加。
在某些应用中，可能只能使用重力产生通过过滤器的水流。当炭块用于此类应用中时，由于穿过炭块的压降相对较高，因此通过炭块的水流速度可能受限。在一些情况下，如果使用炭块之外的过滤器，则过滤性质(例如疏水性)可能降低水流速度。
继续需要提供家庭使用的紧凑型水过滤系统。还需要提供活性材料加载量高而又不会增加整个系统上的压降的系统。还需要提供在重力作用下具有更高的系统通量的水过滤系统。
发明内容
在一个实施例中，本发明公开了一种过滤介质，它包括载体以及在载体上收集的网。通常，该网包括亲水性聚合物熔喷纤维，以及嵌入亲水性聚合物熔喷纤维的多个吸附剂粒子。通常，该载体包括多孔片材，并且具有载体基重，而网也具有网基重。在一个实施例中，该亲水性聚合物熔喷纤维占网基重的至少3％，而多个吸附剂粒子占网基重的至多97％。在一个实施例中，该亲水性聚合物熔喷纤维占网基重的至少12％，而多个吸附剂粒子占网基重的至多88％。
在一些实施例中，该网基重在约10g/m2至约2000g/m2的范围内。在其他实施例中，该网基重在约400g/m2至约600g/m2的范围内。
在一些实施例中，该载体基重在约40g/m2至约120g/m2的范围内。在一个实施例中，该载体基重在约90g/m2至约110g/m2的范围内。
在一些实施例中，该亲水性聚合物熔喷纤维包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。
在一些实施例中，该亲水性聚合物熔喷纤维包括热塑性聚酯弹性体。
在一些实施例中，该多孔片材为亲水性的。在一些此类实施例中，该多孔片材包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，其经过官能化，以便具有亲水性化学性质。在一些实施例中，该多孔片材包括聚酰胺。在一些此类实施例中，该多孔片材包括具有聚酯芯和聚酰胺外皮的无纺布。
在一些实施例中，该聚合物熔喷纤维具有在约2μm至约50μm范围内的平均纤维直径。在一些此类实施例中，该聚合物熔喷纤维具有在约6μm至约14μm范围内的平均纤维直径。在一些此类实施例中，该聚合物熔喷纤维具有在约16μm至约30μm范围内的平均纤维直径。
在一些实施例中，该吸附剂粒子选自活性炭、硅藻土、离子交换树脂、金属离子交换吸附剂、活性氧化铝、抗微生物化合物、酸性气体吸附剂、砷还原材料、碘化树脂，以及它们的组合。通常，该吸附剂粒子具有不超过250μm的平均粒度。在一些实施例中，该吸附剂粒子包括平均粒度在约180μm至约220μm范围内的活性炭。在一些实施例中，该吸附剂粒子包括平均粒度在约130μm至约180μm范围内的活性炭。
在一些实施例中，该网具有在约0.20g/cm3至0.50g/cm3范围内的吸附剂粒子密度。在一个实施例中，该网具有吸附剂粒子密度梯度。
在一个实施例中，该网通过压延、热致压缩或施加压力而变密实。
在一些实施例中，该网具有不超过2秒的格利(Gurley)时间。
在一些实施例中，该过滤介质在环境条件和5.3cm/秒的均匀空气面速度下具有不超过150mm水柱的压降。
在一些实施例中，本发明公开了包含上述过滤介质的滤筒，其中至少一部分过滤介质留存于多孔外壳中。
本发明的这些方面以及其它方面在下面的具体实施方式中将显而易见。然而，在任何情况下都不应将上述发明内容理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求书的限定，并且在审查期间可以进行修改。
附图说明
在整个说明书中参考附图，在这些附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1为根据本发明的示例性过滤介质的侧视图；
图2为根据本发明的示例性过滤介质的侧视图；
图3为根据本发明的示例性滤筒的透视图；
图3a为在图3的3a-3a处截断的滤筒横截面图。
定义
虽然其他术语可在它们出现在本发明的其他位置时定义，但为了方便读者理解，因此进行下列定义。
所谓“重力流动”或“重力流动过滤”包括流体通过过滤介质的流动，其中重力基本上是作用于流体并使流体通过过滤介质的唯一原动力。
所谓“网”包括纤维(例如微纤维)的开放性结构缠绕团块过滤介质，所述纤维含有嵌在纤维当中的粒子，所述粒子是用以从水中减少或除去诸如化学污染物、氯和沉淀物之类的物质的吸附剂。
所谓“集嵌”是指粒子分散并物理上保持在所述网的纤维中。通常，纤维和粒子之间存在点接触和线接触，使得粒子的几乎全部表面积都可供与流体相互作用。
所谓“吸附剂密度梯度”是指整个网上每平方面积吸附剂材料的量不必是均匀的，该量可变动以在网的某些区域提供较多的材料和在其他区域提供较少的材料。例如，轴向模式的吸附剂密度梯度意指，沿着网的中部，网的一端处每平方面积的吸附剂量与另一端处和两端之间各处的量不同，但该量在从中部出发的径向方向上不变化。另一方面，径向模式的吸附剂密度梯度意指，从网的中部出发，与网的外表面相比较芯区域具有不同的吸附剂量。密度的变化不必是线性的，而是可根据需要变化。例如，密度可以单次阶跃变化、多次阶跃变化、正弦方式变化等方式改变。
粒子和颗粒这两个术语基本上可互用。一般来讲，粒子是小块或者单个部分。颗粒属于粒子或者由粒子构成。本发明实施例中使用的粒子可保持分离，或者可结团、物理上互相交织，静电上结合或以别的方式结合以形成颗粒。在某些情况中，可有意形成附聚体，如美国专利No.5,332,426(Tang等人)中所述的那些附聚体。
所谓“压延”包括使产品(如加载聚合物吸收剂的网)经过辊以获得压缩材料的过程。可任选地是，可以对辊进行加热。
术语“格利时间”指124mm(4.88英寸)H2O压力下的50cm3空气通过圆形横截面积大约为645mm2(1平方英寸)的网样品所花的时间。为使测量一致，维持在大约23-24℃(74-76℉)的温度和50％的相对湿度。“格利”时间可用W.&L.E.Gurley(Troy，N.Y.)以商品名“Model4110”密度计出售的那种类型的密度计进行测量，该密度计用Gurley-Teledyne灵敏度计(目录No.4134/4135)进行校准和操作。格利时间与加载粒子的网的空隙体积成反比。格利时间也与加载粒子的网的平均孔径成反比。
术语“熔体流动指数”或“MFI”，也用MFR或熔融流动速率来表示，由测试方法ASTM 1238定义。聚丙烯聚合物使用ASTM 1238测试方法的“方法B”变体进行测量。
术语“熔喷工艺”指通过将热塑性聚合物挤出经过由一个或多个孔组成的模具来制备细小纤维。随着纤维从模具中出来，它们被空气流细化，所述空气流与出来的纤维差不多平行地流动，或者与出来的纤维成切线流动。
术语“空隙体积”指这样计算得到的百分比：测量过滤器的重量和体积，然后将该过滤器重量与该相同体积的相同组成材料的固体整体的理论重量相比较。
术语“热降解”指热对材料的作用。例如，某些形成块状复合物或加载网的吸附剂粒子在例如烧结或压延的处理过程中，可能易于变得物理上不稳定。对于诸如聚丙烯之类的聚合物，用热单独处理或者与机械作用相结合处理聚合物会造成聚合物链的断裂、交联和/或化学变化。
术语“孔隙度”是材料中的空隙空间的量度。孔和空隙的尺寸、频率、数量和/或互连性影响材料的孔隙度。
术语“致密化”指这样的过程，通过这个过程，已直接或间接放置在过滤器卷绕心轴或轴柄上的纤维被压缩(在所述放置之前或之后)，并被制备成全面地或局部地形成较低孔隙度的区域，无论是通过设计来形成，还是作为某种处理形成中的或已形成的过滤器的工艺的典型产物来形成。致密化也包括压延网的处理。
具体实施方式
前提条件是加载粒子的熔喷(或吹塑微纤维-BMF)网(“网”)与载体结合形成过滤介质。参见图1，该图示出过滤介质100，包括收集在载体160上的网110。如图所示，网110包括亲水性聚合物熔喷纤维140以及嵌入亲水性聚合物熔喷纤维140的多个吸附剂粒子120。在一个实施例中，形成无载体的网110。
此类网可通过将粒子、颗粒和/或附聚体或者它们的共混物形式的吸着材料添加至气流来形成，而气流可以使聚合物熔喷纤维细化并将这些纤维传送至收集器。随着纤维接触混合气流中的粒子并被收集而形成网，粒子被嵌在熔喷纤维基质中。形成加载粒子的网的类似工艺在授予Eaton等人的美国专利公开2009/0039028中有所描述，该专利的公开内容全文以引用方式并入本文。根据这些方法，粒子的高负载(例如最多达到约97重量％)是可能的。吸着材料包括(但不限于)能改变流体的物理或化学性质的材料类型，如吸收材料和吸附材料以及具有表面活性的材料。吸附剂的例子可包括(但不限于)粒状和粉末状活性炭；离子交换树脂；金属离子交换沸石吸附剂，如Engelhard’s ATS；活性氧化铝，如Selecto Scientific’sAlusil；抗微生物化合物，例如银基材料、锌基材料和卤素基材料；酸气吸附剂；砷还原材料；碘化树脂；二氧化钛、氢氧化钛以及硅藻土。
通常，该聚合物熔喷纤维包括亲水性材料，与那些由非亲水性材料构造的制品相比，可以为过滤制品提供改善的流动性能。更具体地讲，含亲水性材料的聚合物熔喷纤维在用于例如重力流动应用时，可显著提高水流过过滤介质的流动性能。
在一个或多个实施例中，熔喷聚合物纤维包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。在一个实施例中，该聚合物纤维包含最初由Ticona EngineeringPolymers(Florence，Kentucky)以商品名CELANEX 2008提供的粒料状PBT，熔点为约225℃。通常，该聚合物熔喷纤维具有在约2μm至约50μm范围内，优选地在约6μm至约14μm范围内的平均纤维直径。
在一个实施例中，该熔喷聚合物纤维包含热塑性聚酯弹性体。在一个实施例中，该聚合物纤维包含最初由Polyone Distribution(Romeoville，Illinois)以商品名DUPONT HYTREL G3548L提供的聚酯热塑性聚酯，熔点为约154℃。通常，该聚合物熔喷纤维具有在约2μm至约50μm范围内，优选地在约10μm至约35μm范围内或在约16μm至约26μm范围内的平均纤维直径。
根据本发明实施例的过滤介质包括加载粒子的网(未压延)和加固/致密加载的网(压延)。这些介质的流体流动阻力低，在例如重力流液体过滤应用方面相对于市售产品具有显著的改进。在要求高流速的应用中还存在额外的优点。聚合物熔喷纤维的亲水性质可提高网的可湿性，从而使水可以更快地渗透网，并提供改善的流速而无需“提前润湿”过滤介质。
当将载体材料官能化以使其具有亲水性质时，除亲水性网之外，还可实现其他优点。例如，已发现使载体具有亲水性质可抑制载体中的“干燥锁定”。“干燥锁定”为观察到的一种现象，其中非官能化载体在初始润湿并使其允许干燥后，可表现出显著降低的流动性能。申请人已发现首先使载体官能化以赋予载体亲水性质，可阻止“干燥锁定”发生，从而使载体即使在干燥之后也能表现出良好的流动性能。
例如可通过等离子处理进行官能化。例如，可以在授予Bacon等人的美国专利公开号2006/0139754中所述的设备中进行等离子处理，该专利的公开内容以引用方式并入本文中。可通过使在氩气中稀释的2％硅烷的气体混合物与氧气混合实现等离子处理。通常，2％硅烷混合物的流速为约1000sccm，而氧气的流速为约1000sccm。等离子处理过程中，室内的压强通常为约1托。可将等离子体维持在1000瓦特的功率下，并且载体以约7英尺/分钟的速度转移，相当于在等离子体中的停留时间为约54秒。
在另一个实施例中，官能化可通过暴露在臭氧中实现，臭氧通过在例如惰性气体环境(如氮气)中的电晕放电生成。
在一个实施例中，该载体包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。当根据本发明处理等离子体时，可改性PET载体以使之进一步包含例如至少一个二氧化硅或硅醇基，从而使官能化载体具有亲水性。
在一个实施例中，该载体包括最初由Midwest Filtration Company(Cincinnati，Ohio)以商品名UNITHERM 170提供的PET多孔片材。在一个实施例中，该载体包括最初由Midwest Filtration Company(Cincinnati，Ohio)以商品名UNITHERM 300提供的PET多孔片材(基重为102g/m2)。在一些实施例中，对该PET多孔片材按上述方法进一步处理，以提供官能化载体。
在一个实施例中，该载体包含聚酰胺(如NYLON 6)。在一些此类实施例中，该载体包括具有芯材料(例如覆盖聚酰胺的聚酯)的双组分原丝。由于聚酰胺在存在水的情况下易于溶胀，所以此类双组分构造是优选的。在完全由聚酰胺构成的载体中，此类溶胀度可能不是所期望的。在一些情况下，此类溶胀度实际上可在过滤介质表面引起变形或“起皱”，但是可通过提供非溶胀材料和薄层聚酰胺，尽可能降低溶胀。由于此类材料本身具有相当好的亲水性，因此通常无需对载体进行进一步处理。
在一个实施例中，该聚酰胺载体包括热粘合纺粘法无纺布，该无纺布由双组分原丝制成，并且具有聚酯芯和聚酰胺(NYLON 6)外壳，基重为3.0盎司/平方码(100g/m2)，以商品名COLBACK WHD 100出售(得自Colbond，Inc.，(Enka，North Carolina))。
这些加载网的开放、多孔性质不会明显增加流动通过过滤器和壳体的阻力。这种整个介质上的低的压降使得能用于高流速应用(如全户式过滤)并且还能用于要求重力流动过滤的应用。低压降以及网和载体中之一或二者的亲水性质相结合，从而得到在重力流动水过滤应用中更加一致的改善性能。
已证实活性炭加载率超过90重量％，包括92、94、95、96，或者甚至97重量％。加载率也可以是至少40、50、60、70、80或者甚至88％。虽然高重量百分比的活性炭加载率的优点显而易见(如更大的吸附容量)，但是与现有技术的网相比，根据本发明的含亲水性熔喷纤维的网在高加载率下具有减少粒子脱落的优良有益效果。所谓“粒子脱落”，我们指的是吸附剂粒子从网上掉落，此类粒子可能夹带在液流中，或者由于其他原因从网上掉落。虽然不想受理论限定，但是据信与现有技术的纤维相比，根据本发明的含亲水性熔喷纤维的网可更加固定地嵌入吸附剂粒子，从而减少粒子脱落。
也应该可以理解，具有更小平均直径的粒子的活化表面积更大，因此可具有更大的吸附容量。因此，较小直径的颗粒对于更有效地将(例如)氯从液流中移除是理想的。然而，将较小直径的颗粒牢固地嵌入到网中而使其不会脱落也更加有挑战性。
在一些实施例中，亲水性熔喷纤维的有效纤维直径在约5微米至约10微米的范围内，并且吸附剂粒子的平均粒度在约180微米至约220微米的范围内。
在一些实施例中，亲水性熔喷纤维的有效纤维直径在约16微米至约30微米的范围内，并且吸附剂粒子的平均粒度在约130微米至约180微米的范围内。据信，在一些实施例中，较大有效纤维直径具有多种有益效果，能够更加牢固地捕集较小直径的粒子(即更少脱落)，并且具有更加开放的网结构(从而使压降较小，流体流更大)，还具有额外的吸附容量。
当使用热敏感颗粒(如一些离子交换树脂)时，加载网比炭块技术具有更多的优点。粒子不会暴露于块模塑或挤出工艺过程中所见的高温。这减少了涉及颗粒(离子交换树脂)降解的热不稳定性的顾虑。开放、多孔的结构在高沉淀物情形中也是个优点。高度开放的结构保留了许多潜在的通道供流体接触粒子。在全户式过滤中，要求大的沉淀物粒子被捕集在介质中，而允许较小的沉淀物粒子穿过介质。这能使介质不会过早淤塞而过早出现过度压降，从而有助于延长使用寿命。
在一个实施例中，所述网的格利时间不超过2秒(或者在其他实施例中不超过1秒或甚至0.5秒)。一些实施例所提供的是，在环境条件下，在5.3cm/秒的均匀空气面速度下，所述过滤器的压降不超过150mm水柱(或者在其他实施例中不超过75或甚至30mm水柱)。在某些实施例中，粒子的平均粒度不超过250μm(或者200、150、100或甚至60μm)。一个详细的实施例所提供的是，所述过滤器的平均注满速率小于10分钟/加仑。
其他实施例包括网基重在约10g/m2至约2000g/m2(或约20g/m2至约300g/m2或甚至约25g/m2至约100g/m2)范围内的网。在其他实施例中，该网具有在约0.20g/cm3至0.50g/cm3范围内的吸附剂粒子密度。
又一个实施例所提供的是，所述网已通过压延、加热或施加压力而被压缩。其他实施例包括具有吸附剂密度梯度的网。
在更多的方面，提供了形成过滤介质的方法，所述方法包括：使熔融聚合物流动通过多个孔口以形成原丝；将所述原丝细化为纤维；将吸附剂粒子流引导至所述原丝或纤维当中；将所述纤维和吸附剂粒子作为非织造网收集以形成过滤介质。在一个实施例中，所述方法还包括通过压延、加热或施加压力来压缩所述非织造网，以形成格利时间不超过2秒的压缩网。
粒子加载工艺
粒子加载工艺是例如共同转让的美国专利公开号2006/0096911(以引用方式并入本文中)所公开的标准熔喷纤维成形方法的附加工序。吹塑微纤维(BMF)是由进入和流动经过模具的熔融聚合物产生，流动物在整个模具宽度上分布于模具腔中，并且聚合物通过一系列的孔口从模具流出而成为原丝。在一个实施例中，加热的空气流流经空气歧管和邻近构成模具出口(模头)的一系列聚合物孔口的气刀组件。可对该受热空气流进行温度和速度调节，以将聚合物原丝细化(拉细)至所需的纤维直径。BMF纤维在该湍流空气流中传送至旋转表面，它们在该表面聚集而形成网。
将例如活性炭粒子或离子交换树脂珠粒之类的所需粒子(如吸附剂粒子)加载至粒子料斗中，在料斗中粒子可定量地填充进料辊中的凹洞。带有分段调整区域的刚性或半刚性刮墨刀相对于进料辊形成控制间隙，以限制料斗的流出。刮墨刀通常被调整成接触进料辊的表面，以使颗粒流限定为进料辊的凹洞体积。然后可通过调整进料辊转动速度控制进料速率。在进料辊后面有刷辊在运转，以从凹洞除去任何残余颗粒。颗粒落入可用压缩空气或其他压力气体源加压的腔室中。该腔室被设计成产生一空气流，该空气流会传送粒子和造成粒子与被从熔喷模具出来的空气流细化和传送的熔喷纤维混合。
通过调整强制通风颗粒流中的压力，粒子的速度分布得以改变。当使用非常低的粒子速度时，粒子可被模具空气流转向而不与纤维混合。在低粒子速度下，粒子仅被捕集在网的顶部表面上。随着粒子速度的增加，粒子开始更彻底地与熔喷空气流中的纤维混合，可在收集的网中形成均匀的分布。随着粒子速度继续增加，粒子部分地穿过熔喷空气流，并被捕集在收集的网的下部。在更高的粒子速度下，粒子会完全穿过熔喷空气流而不被捕集在收集的网中。
在另一个实施例中，通过使用两个大致垂直、倾斜布置的向收集器投射大致相对的原丝流的模具，使粒子夹杂在两个原丝空气流之间。同时，吸附剂粒子通过料斗进入第一斜槽。粒子被重力供料进原丝流中。粒子和纤维的混合物落在收集器上，并形成自支承型非织造加载粒子的非织造网。
在其它实施例中，用振动进料器、喷射器或本领域技术人员已知的其他技术提供粒子。
在许多应用中，需要粒子在整个网上的基本均匀分布。还会存在非均匀分布可能是有利的情形。沿网的深度方向的梯度可使孔径分布发生变化，这可用于深度过滤。表面装填粒子的网可以形成为过滤器，在该过滤器中，流体早在流体通道就暴露于粒子，并且网的剩余部分提供用于防止粒子脱落的支持结构和手段。还可将流体通道倒转，使得熔喷网可充当预过滤器，以在流体到达粒子的活性表面之前除去一些污染物。
在另一个实施例中，如图2所示，过滤介质200包括在两个载体160间收集的网110。如图所示，网110包括亲水性聚合物熔喷纤维140以及嵌入亲水性聚合物熔喷纤维140的多个吸附剂粒子120。
在另一个实施例中，如图3和3a所示，示出滤筒302。如图所示，滤筒302包括采集于多孔外壳380中的过滤介质200(参照图2所示)。多孔外壳380具有至少一个小孔382，允许与过滤介质200流体连通。如图所示，多孔外壳380由两个在接缝处连接的半块形成，以便在多孔外壳380中捕集过滤介质200。多孔外壳380可为过滤介质200提供保护，例如，在滤筒302安装在过滤系统(例如重力流动过滤系统)中的情况下。
实例
除非另外指明，否则在实例及本说明书的其余部分中的所有份数、百分数、比率等均为以重量计。
根据粒子加载方法，将由聚丙烯、烯烃弹性体、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和热塑性聚酯弹性体树脂形成的粒子加载熔喷网在形成后收集到经过处理和未经过处理的载体上，使其具有水纯化应用所需的性能。
表1.材料表
Figure BDA0000106016910000111
制备性实例：经等离子体处理的载体
对于经等离子体处理的载体，载体的等离子体处理在装置中的进行，如在本专利申请的其他地方所述(即，如授予Bacon等人的美国专利公开号2006/0139754中所述)。如同在这些实例中所用，“已处理”应指的是等离子处理，而“未处理”应指的是无等离子处理。
实例1-4：加载网(基于聚丙烯)
在如下条件下收集大约10英寸(25.4cm)宽加载网的短码卷绕物(short yardage roll)。将聚丙烯聚合物通过10英寸(25.4cm)宽的钻孔模具(DOD)以6.9磅/小时(3.2千克/小时)的速率挤出。聚合物熔融温度为625℉(330℃)。模具到收集器的距离为8.5英寸(21.6cm)。以73克每平方米(g/m2)的基重收集基网(没有加载颗粒)的样品，并根据Davies，C.N.在“The Separation of Airborne Dust and Particles”(气载尘埃和粒子的分离)(Institution of Mechanical Engineers，London Proceedings IB，1952)中描述的方法评估有效纤维直径(EFD)。调节空气温度和速度以达到8微米(μm)的有效纤维直径。
调节基网条件以达到目标基重和有效纤维直径后，将颗粒混合物B611加到粒子加载器料斗，调整进料辊速度以递送所需加载量的吸附剂粒子。进入粒子加载器室的空气压强设置为2磅/平方英寸(13.8kPa)，使得粒子在整个网上能够基本上均匀分布。
表2.实施例1-4
Figure BDA0000106016910000122
实例5-8：加载网(基于茂金属催化的烯烃弹性体)
在如下条件下收集大约10英寸(25.4cm)宽加载网的短码卷绕物。将茂金属催化的烯烃弹性体聚合物通过10英寸(25.4cm)宽的钻孔模具(DOD)以6.1磅/小时(2.7千克/小时)的速度挤出。聚合物熔融温度为535℉(280℃)。模具到收集器的距离为8.5英寸(21.6cm)。以67克每平方米(g/m2)的基重收集基网(没有加载颗粒)的样品，并根据Davies，C.N.在“The Separation of Airborne Dust and Particles”(气载尘埃和粒子的分离)(Institution of Mechanical Engineers，London Proceedings IB，1952)中描述的方法评估有效纤维直径(EFD)。调节空气温度和速度以达到24微米(μm)的有效纤维直径(由于在较高挤出温度下的树脂粘附以及在所用温度下的空气速度限制，我们无法进一步减小有效纤维直径)。
调节基网条件以达到目标基重和有效纤维直径后，将颗粒混合物B611加到粒子加载器料斗，调整进料辊速度以递送所需加载量的吸附剂粒子。进入粒子加载器室的空气压强设置为2磅/平方英寸(13.8kPa)，使得粒子在整个网上能够基本上均匀分布。
表3.实例5至8
Figure BDA0000106016910000132
实例9-18：加载网(基于聚对苯二甲酸丁二醇酯)
在如下条件下收集大约10英寸(25.4cm)宽加载网的短码卷绕物。将聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)聚合物通过10英寸(25.4cm)宽的钻孔模具(DOD)以13.2磅/小时(6.0千克/小时)的速度挤出。聚合物熔融温度为580℉(305℃)。模具到收集器的距离为8.5英寸(21.6cm)。以73克每平方米(g/m2)、55g/m2和87g/m2的基重收集基网(没有加载颗粒)的样品，并根据Davies C.N.在“The Separation of Airborne Dust and Particles”(气载尘埃和粒子的分离)(Institution of Mechanical Engineers，LondonProceedings IB，1952)中描述的方法评估有效纤维直径(EFD)。调节空气温度和速度以达到7.5微米(μm)的有效纤维直径。
调节基网条件以达到目标基重和有效纤维直径后，将颗粒混合物B611加到粒子加载器料斗，调整进料辊速度以递送所需加载量的吸附剂粒子。进入粒子加载器室的空气压强设置为2磅/平方英寸(13.8kPa)，使得粒子在整个网上能够基本上均匀分布。
表4.实例9至18
实例19-22：加载网(基于热塑性聚酯弹性体)
在如下条件下收集大约10英寸(25.4cm)宽加载网的短码卷绕物(short yardage roll)。将热塑性聚酯弹性体聚合物通过10英寸(25.4cm)宽的钻孔模具(DOD)以8.8磅/小时(4.1千克/小时)的速度挤出。聚合物熔融温度为518℉(270℃)。模具到收集器的距离为7英寸(17.8cm)。以65和102克每平方米(g/m2)的基重收集基网(没有加载颗粒)的样品，并根据Davies，C.N.在“The Separation of Airborne Dust and Particles”(气载尘埃和粒子的分离)(Institution of Mechanical Engineers，London Proceedings IB，1952)中描述的方法评估有效纤维直径(EFD)。调节空气温度和速度以达到25微米(μm)和18微米(μm)的有效纤维直径。
调节基网条件以达到目标基重和有效纤维直径后，将颗粒PGWH-150MP加到粒子加载器料斗，调整进料辊速度以递送所需加载量的吸附剂粒子。进入粒子加载器室的空气压强设置为2磅/平方英寸(13.8kPa)，使得粒子在整个网上能够基本上均匀分布。
表5.实例19-22
Figure BDA0000106016910000151
下表6中示出实例1-22的构造汇总。有效纤维直径四舍五入成最接近的半微米。
表6.实例1-22的构造汇总
Figure BDA0000106016910000152
Figure BDA0000106016910000161
水流设备
使用钢尺模具压印实例1-22的一部分网，获得直径为4.7英寸(11.9cm)的介质盘。
由贮存器、介质支架和收集室装配水流设备。贮存器为具有开放顶部并且能够容纳1升流体的聚乙烯容器。贮存器在底部开有小孔，以便与置于其下的介质支架流体连通。
介质支架由顶部圆柱体和底部圆柱体组成，每个圆柱体由铝构成且具有3.9英寸(9.9cm)的直径开口，其中过滤介质盘置于开口间，而载体位于介质盘的下游侧。将介质支架的顶部圆柱体固定并密封到贮存器底部，并且与贮存器小孔对齐，使得倾注到贮存器的流体在重力作用下流动到顶部圆柱体中。将介质盘置于顶部圆柱体的圆柱形凹陷部中，然后将底部圆柱体置于介质上方并用螺栓连接到位。旋紧螺栓，将介质夹在顶部圆柱体和底部圆柱体之间，在介质盘中留下3.9英寸(9.9cm)无阻挡的直径以便流体流过。夹紧介质盘可以获得密封效果，使得流入介质支架的流体无法绕过介质盘。底部圆柱体在介质盘下方有1.2英寸(3cm)的开口，使流体能够流出介质支架并流进收集室。
收集室为聚乙烯容器，其构造成能将贮存器和介质支架升高至工作表面上方，使得可将烧杯置于介质支架下方，以收集从介质支架底部1.2英寸(3cm)开口流出的流体。收集室具有易于放置和取出烧杯的开放侧，同时使得烧杯未能收集到的流体能够流出收集室。
测试方法
在正常的环境实验室条件下，将介质盘置于上述水流设备中。将水流设备置于排放槽上方，从而使所有过量的流体可流入到排放槽中。将烧杯置于上述收集室中。将1升城市污水(City of Eagan，Minnesota)通过贮存器的开放顶部倾注到贮存器中。水在重力作用下流入介质支架中并且与介质盘接触。流过介质盘的水流出介质支架并由烧杯收集。水流过介质盘所需的时间由秒表记录。
在每个实例的第一次倾注之后，将烧杯中收集的水倾注到干净的样品池中，并将样品池插入到浊度计(Hach 2100P便携式浊度计，得自HachCompany(Loveland，Colorado))中分析其浊度。按仪器随附的制造商说明分析样品池，并以散射浊度单位(NTU)进行记录。测试此初始浊度，以确定水第一次冲洗过介质时是否有不可接受的颗粒数量从介质盘脱落。表7中示出浊度数据。
表7.浊度数据
Figure BDA0000106016910000171
从表7中数据可看出，对测试的所有实例测得的浊度小于或等于约10NTU。浊度值小于约20NTU时视为合格。这些数据表明，对于测试的实例，在初始冲洗期间嵌入介质中的颗粒极少(或没有)掉落和脱落。这些结果很重要，因为例如含有粘附块颗粒活性炭(GAC)的现有技术介质可能由于碳脱落表现出超过100NTU的初始浊度。如此大量的脱落使水的外观非常浑浊，而这通常是最终使用者所不期望的。未示出实例1、5、9、19和21的浊度数据，因为这些控制网未加载吸附剂粒子。未示出实例2和4的浊度数据，因为基本上无流体流过介质，因此烧杯中没有用于浊度测定的水。
在对每个实例进行浊度测试后，按上述方式再进行4次1升的倾注。不允许介质在倾注1-5间的任意阶段干透。表8中示出倾注1-5的流速数据。为方便起见，倾注1-5的平均流速数据汇总也示于表8中，其中平均时间四舍五入成最接近的秒。表9中用毫升每秒表示的平均流速通过用1000mL(1L)除以用秒表示的平均时间计算得出。
表8.倾注1-5的流速数据
Figure BDA0000106016910000181
*注：在实例3的倾注1中，1500秒内仅有约150mL通过介质，然后计时停止。
表9.倾注1-5的平均流速数据汇总
Figure BDA0000106016910000191
从表9中汇总的数据可看出，在倾注1-5的条件下，与由VISTAMAXX 2125、CELENEX 2008和HYTREL构造的网的实例相比，由TYPE 3860X聚合物构造的网的实例在流速方面表现比较差。还可以看出，在倾注1-5的条件下，与由VISTAMAXX 2125构造的网的实例相比，由CELENEX 2008和HYTREL聚合物构造的网的实例在流速方面表现更好。仅考虑具有载体的实例，在倾注1-5的条件下，实例的平均相对流动性能如以下图表1中所示。
图表1.
Figure BDA0000106016910000201
在如上所述的初始5次倾注后，将实例7-8(VISTAMAXX 2125)和17-18(CELENEX 2008)各自的介质盘分别从水流设备中移除，然后在鼓风烘箱中干燥24小时。将烘箱温度设置为110℃。然后从烘箱中移除每个介质盘。
在烘箱中干燥后，将每个介质盘按上述方式重新安装到水流设备中。然后，使用上述倾注和计时方法，对每个介质盘再进行5次1升的倾注。不允许介质在倾注6-10间的任意阶段干透。再次进行这些倾注的目的是测试介质盘在干燥和后续重新润湿后对介质流动特性的影响，介质盘应(i)由相同的基体聚合物构造而成，(ii)具有相同的基重和颗粒加载率，但是具有已处理载体与未处理载体。倾注6-10的流速数据如下表10所示。为方便起见，来自倾注6-10的平均流速数据汇总也示于表11中，其中平均时间四舍五入成最接近的秒，参见图表2。表10中用毫升每秒表示的平均流速通过用1000mL(1L)除以用秒表示的平均时间计算得出。
表10.倾注6-10的流速数据
Figure BDA0000106016910000211
表11.倾注6-10的平均流速数据汇总
图表2.
Figure BDA0000106016910000221
从上面的表10和11以及图表1可以看出，在初始润湿介质盘之后并使其干透的条件下，具有等离子体处理过的载体的介质盘表现出更好的流动性能。在这些条件下，对于实例7和8的VISTAMAXX 2125网，与具有未处理载体的网相比，水流过具有已处理载体的网的流速平均要快约2.9倍。类似地，对于实例17和18的CELENEX 2008网，与具有未处理载体的网相比，水流过具有已处理载体的网的流速平均要快约3.5倍。
在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明的各种修改和更改对本领域的技术人员将显而易见。应当理解本发明并不限于本文示出的示例性实施例。

Claims (26)

1.一种过滤介质，包括：
载体；以及
置于所述载体上的网；
所述网包括：
亲水性聚合物熔喷纤维；以及
嵌入到所述亲水性聚合物熔喷纤维中的多个吸附剂粒子；
所述载体包括多孔片材并具有载体基重；
其中所述网具有网基重，其中所述亲水性聚合物熔喷纤维占所述网基重的至少3％，而所述多个吸附剂粒子占所述网基重的至多97％。
2.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述亲水性聚合物熔喷纤维占所述网基重的至少12％，而所述多个吸附剂粒子占所述网基重的至多88％。
3.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述网基重在约10g/m2至约2000g/m2的范围内。
4.根据权利要求3所述的过滤介质，其中所述网基重在约400g/m2至约600g/m2的范围内。
5.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述载体基重在约40g/m2至约120g/m2的范围内。
6.根据权利要求5所述的过滤介质，其中所述载体基重在约90g/m2至约110g/m2的范围内。
7.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述亲水性聚合物熔喷纤维包括PBT。
8.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述亲水性聚合物熔喷纤维包括热塑性聚酯弹性体。
9.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述多孔片材为亲水性的。
10.根据权利要求9所述的过滤介质，其中所述多孔片材包括经过官能化以具有亲水性化学性质的PET。
11.根据权利要求9所述的过滤介质，其中所述多孔片材包括聚酰胺。
12.根据权利要求11所述的过滤介质，其中所述多孔片材包括具有聚酯芯和聚酰胺外皮的无纺布。
13.根据权利要求1或7-8所述的过滤介质，其中所述聚合物熔喷纤维的平均纤维直径在约2μm至约50μm的范围内。
14.根据权利要求13所述的过滤介质，其中所述聚合物熔喷纤维的平均纤维直径在约6μm至约14μm的范围内。
15.根据权利要求13所述的过滤介质，其中所述聚合物熔喷纤维的平均纤维直径在约16μm至约30μm的范围内。
16.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述吸附剂粒子选自活性炭、硅藻土、离子交换树脂、金属离子交换吸附剂、活性氧化铝、抗微生物化合物、酸性气体吸附剂、砷还原材料、碘化树脂，以及它们的组合。
17.根据权利要求16所述的过滤介质，其中所述吸附剂粒子的平均粒度不超过250μm。
18.根据权利要求17所述的过滤介质，其中所述吸附剂粒子包括平均粒度在约180μm至约220μm范围内的活性炭。
19.根据权利要求17所述的过滤介质，其中所述吸附剂粒子包括平均粒度在约130μm至约180μm范围内的活性炭。
20.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述网的吸附剂粒子密度在约0.20g/cm3至0.50g/cm3范围内。
21.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述网具有吸附剂粒子密度梯度。
22.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述网通过压延、热致压缩或施加压力而变密实。
23.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述网的格利(Gurley)时间不超过2秒。
24.根据权利要求1所述的过滤介质，所述过滤介质在环境条件下，在均匀的5.3cm/秒的空气面速度下，具有不超过150mm水柱的压降。
25.一种包含有根据权利要求1至24中任一项所述的过滤介质的滤筒，其中所述过滤介质的至少一部分留存于多孔外壳中。
26.一种过滤介质，包括：
网，所述网包括：
亲水性聚合物熔喷纤维；以及
嵌入到所述亲水性聚合物熔喷纤维中的多个吸附剂粒子；
其中所述网具有网基重，其中所述亲水性聚合物熔喷纤维占所述网基重的至少3％，而所述多个吸附剂粒子占所述网基重的至多97％。
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