專利名稱：污染物吸附帶槽紋過濾元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用于處理污染流體的過濾介質(zhì)、過濾元件、過濾系統(tǒng)和方法，并且更具體地涉及用于利用污染物吸附劑去除有毒重金屬的裝置和方法，所述污染物吸附劑一個(gè)示例性的例子是包含于過濾元件中的介孔載體上的自組裝單層(self-assembled monolayers on mesoporous supports, SAMMS),禾口 / 或涉及帶槽紋過濾元件。
背景技術(shù)：
存在著有有毒重金屬比如汞包含于流體流(氣態(tài)和液體)中的很多情形。例如， 由海面石油平臺產(chǎn)生的污水會具有范圍從墨西哥灣中的小于十億分之100(ppb)到泰國灣中的大約2000ppb的汞。復(fù)雜的問題在于，在很多情況下，在很多環(huán)境應(yīng)用中還可能會存在沉積物和其它不利顆粒。去除這些有毒重金屬至可接受水平，這也是長期以來期望和需要的主題，通常已經(jīng)用或者不充分、困難和/或昂貴的方案來滿足。使用介孔載體上的自組裝單層(SAMMS)的顆粒已經(jīng)顯示具有吸附有毒金屬污染物的顯著能力。SAMMS材料的例子在美國專利No. 6，326，326、No. 6，531，224、 No. 6，733，835,No. 6，753，038和No. 6，846，554中公開，這些專利的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合 于此。一種類型的SAMMS是硫醇基SAMMS，其中介孔材料用硫醇基的分子來起作用。硫醇基 SAMMS 可從田納西州 Chattanooga 的 Steward Environmental Solutions LLC 公司購買， 為粉末狀形式的顆粒。SAMMS粉末材料通常能具有不同的顆粒直徑，通常在大約30和大約 200微米之間的范圍內(nèi)(Steward Environmental Solutions LLC公司廣告的是40微米的平均直徑)。一方面，提供較大的直徑從流體流動的觀點(diǎn)看是有益的，因?yàn)榉勰┎牧系墓潭ù苍试S較大的流體流動。然而，較大的吸附劑顆粒不具有用于污染物吸附的同等有效的可用表面積。雖然較小的SAMMS粉末材料提供了較大的有效表面積和吸附潛力，但是包裝這種較小粉末對于流體流動是高度限制性的并且從流體流動的觀點(diǎn)看會產(chǎn)生困難。SAMMS具有極快的動力學(xué)和相當(dāng)大的承載能力(例如0.4-0. 6grams HG/gram的硫醇基SAMMS吸附劑對應(yīng)終端HG濃度為100-200ppm)。另外，SAMMS通過共價(jià)鍵工作來可靠地保持有毒金屬污染物。SAMMS通常具有在近似0. 2g/cc和0. 4g/cc之間的體積密度。已經(jīng)公開了各種使用這種SAMMS粉末顆粒的例子。例如，各種SAMMS過濾系統(tǒng)在名稱為“用于被污染流體的流過處理的系統(tǒng)和方法(Systems And Methods For Flow-Through Treatment Of Contaminated Fluid)” 的美國專利公開 No. US 2007/0295204A1、名稱為“用于被污染流體的處理的分層過濾器(Layered Filter For Treatment Of Contaminated Fluids)”的美國專利公開No. US 2007/0262027A1、名稱為“用于被污染流體的處理的罐(Canister For Treatment Of Contaminated Fluids) ” 的美國專利公開No. US 2007/0262025A1、名稱為“用于被污染流體的處理的復(fù)合吸附塊(Composite Adsorbent Block For The Treatment of Contaminated Fluids) "W^H^^J^JF No. US 2007/0256981A1以及名稱為“用于被污染流體的處理的逆流系統(tǒng)和方法(Countercurrent Systems And Methods For Treatment Of Contaminated Fluids) "W^H^^J^JF No. US2007/0256980中公開。所有這些專利公開整體地通過引用結(jié)合于此。其類型為用于從流體過濾顆粒物質(zhì)的過濾器有時(shí)包括一層或多層形成為旋繞圖案的多孔過濾材料，工業(yè)上經(jīng)常稱為帶槽紋過濾介質(zhì)。帶槽紋過濾介質(zhì)常用于過濾元件的構(gòu)造中。帶槽紋過濾介質(zhì)通常通過繞著軸線纏繞旋繞片材和表面片材以形成多個(gè)連續(xù)相鄰槽紋而形成。在這種帶槽紋過濾介質(zhì)的一個(gè)常見形式中，堵塞相鄰槽紋的交替端部以使得進(jìn)入“入口”槽紋的一個(gè)開口端的流體流過多孔過濾介質(zhì)進(jìn)入相鄰“出口”槽紋以在槽紋的相反端處離開過濾介質(zhì)。在流體穿過多孔材料的壁從第一槽紋流動至相鄰槽紋時(shí)，流體中的顆粒物質(zhì)被從流體中過濾出來并被捕獲于第一槽紋和多孔過濾材料的壁中?，F(xiàn)有的這種過濾元件在美國專利No.7，329，326(Wagner等)和美國專利申請公開 No. 2006/0091084(Merrit等)中公開，這些專利文件整體地通過引用結(jié)合于此。本發(fā)明屬于對現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種過濾元件，其包括過濾介質(zhì)，其具有繞著中心軸線形成于其中的多個(gè)凹穴；加接至過濾介質(zhì)的相反軸向端部的一對端蓋；以及捕獲于所述多個(gè)凹穴中的污染物吸附材料。

根據(jù)上述方面，一個(gè)實(shí)施例使用帶槽紋過濾介質(zhì)來提供凹穴。在這種實(shí)施例中，污染物吸附材料可包括介孔載體上的自組裝單層(SAMMS)。SAMMS材料能填充于帶槽紋過濾介質(zhì)的多個(gè)槽紋中，其中SAMMS材料設(shè)計(jì)來從流體去除重金屬。在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種帶槽紋過濾元件，其包括具有相反軸向端部和沿著軸線的中心腔的帶槽紋過濾介質(zhì)。帶槽紋過濾介質(zhì)包括表面片材和旋繞片材，其中旋繞片材附接于表面片材并繞著軸線纏繞成盤繞構(gòu)造以限定多個(gè)槽紋。每個(gè)槽紋在兩個(gè)相反軸向端部附近封閉，其中帶槽紋過濾介質(zhì)在帶槽紋過濾介質(zhì)的外周邊和中心腔之間限定徑向流體流路(例如，徑向向內(nèi)或向外流動，或者兩者都有)。在又一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種制造過濾元件的方法，包括步驟形成繞著中心軸線具有多個(gè)凹穴的過濾介質(zhì)；用污染物吸附材料填充所述多個(gè)凹穴；以及密封過濾介質(zhì)的相反軸向端部。本發(fā)明的其它方面、目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中變得更加明顯。


結(jié)合入說明書并構(gòu)成其一部分的附圖示出了本發(fā)明的數(shù)個(gè)方面，并且連同描述一起用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中圖1是其中具有多個(gè)圓柱形污染物吸附過濾元件的過濾容器的局部剖面和局部示意的透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的其中端蓋由塑料焊接(plastic welding)方法密封的污染物吸附過濾元件的示意性剖視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)不同實(shí)施例的其中端蓋使用填充于端蓋中的密封材料密封的污染物吸附過濾元件的示意性剖視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的其中端蓋由插塞形成的污染物吸附過濾元件的示意性剖視圖；圖5是示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的制造其一端由膠粘劑密封的帶槽紋過濾介質(zhì)的方法的示意圖；圖6是示出根據(jù)一個(gè)不同實(shí)施例的制造其兩端都打開的帶槽紋過濾介質(zhì)的方法的示意圖；圖7是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的準(zhǔn)備好填充SAMMS粉末顆粒的帶槽紋過濾介質(zhì)的透視圖；圖8是示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的制造帶槽紋過濾介質(zhì)的方法的示意圖，其中在制造帶槽紋過濾介質(zhì)的過程期間填充SAMMS粉末顆粒，其中帶槽紋過濾介質(zhì)的兩端用膠粘劑密封；并且圖9是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例用于纏繞污染物吸附過濾元件的螺旋纏繞技術(shù)的示意圖。雖然本發(fā)明將就某些優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述，但是并不是要限制于這些實(shí)施例。相反，本發(fā)明的意圖是涵蓋包括于本發(fā)明如所附權(quán)利要求限定的精神和范圍內(nèi)的所有替代、 變型和等同。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，過濾元件包括由過濾介質(zhì)形成的多個(gè)凹穴，污染物吸附材料包圍于其中用于處理被污染的流體。根據(jù)實(shí)施例使用的一種示例性的污染物吸附材料優(yōu)選地是由介孔載體上的自組裝單層(SAMMS)制造的納米吸附材料。提供凹穴的一種示例性過濾介質(zhì)是帶槽紋過濾介質(zhì)。然而，將理解到，本發(fā)明的更寬泛方面可應(yīng)用于其它污染物吸附劑和過濾介質(zhì)。圖1示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，呈過濾元件10的形式，其適合于插入過濾容器34， 被污染流體可被導(dǎo)向穿過過濾容器34以便從其中去除流體內(nèi)的污染物。在容器34中，過濾元件10浸沒在被污染流體流中以允許通過捕獲于過濾元件10的過濾介質(zhì)凹穴中的污染物吸附材料去除污染物。本發(fā)明可處理的流體可以是粘性的，比如油，或者是非粘性的，比如液體或氣體。 可由過濾元件10去除的污染物包括，但不限于，源自復(fù)合流體或被污染流(比如污水)的重金屬比如汞、鎘、砷和鉛，以及源自各種被污染溶液和被污染油的汞。這里使用的詞語流體應(yīng)包括液體或氣體。圖1所示的過濾元件10為大致圓柱形形狀，其包括帶槽紋過濾介質(zhì)16和端蓋20、 22。優(yōu)選地，過濾元件10構(gòu)造為相對長且窄，即較大的長度周長比。通常，過濾元件10構(gòu)造為具有在0. 3至6之間的長度周長比，優(yōu)選地在1至3之間。例如，過濾器可具有在5和 88英寸之間的軸向長度，以及直徑在3和6英寸之間的基本上圓形橫截面；并且周長在9 和18英寸之間。在其它實(shí)施例中，過濾元件10可構(gòu)造為具有各種形狀，比如跑道形(race track)、卵形或矩形橫截面。 圖2示出了過濾元件10的示意性剖視圖，其中提供了具有由污染物吸附材料填充的多個(gè)凹穴12的過濾元件10的總體視圖。在這個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)凹穴12由多個(gè)槽紋 13提供。如所示，具有多個(gè)槽紋13的帶槽紋過濾介質(zhì)16形成于繞著中心軸線18延伸的穿孔芯部24周圍。多個(gè)槽紋13由SAMMS材料14填充并且在相反的軸向端部處附接至這對立而蓋20 λ 22 ο其中一個(gè)端蓋是在中心具有限定流體端口 28的開口的開口端蓋20，流體端口 28 與中心室26相連通。開口端蓋20可密封地結(jié)合至流體過濾介質(zhì)16的一端。過濾介質(zhì)16 的另一端可密封地結(jié)合至封閉端蓋22。對于密封地結(jié)合，其指的是一體地結(jié)合，比如通過塑料焊接，如同塑料端蓋的情況下或者如同灌裝有塑料溶膠(Platisol)或其它膠粘材料或者不然的話以密封關(guān)系附接以將SAMMS材料14包圍于槽紋13內(nèi)。通常，帶槽紋過濾元件構(gòu)造為具有軸向流體流路，如名稱為“具有中間流動限制的帶槽紋過濾介質(zhì)及其制造方法(Fluted Filter Media with Intermediate Flow Restriction and Method of Making Same) ”的美國專利公開No. 2006/0091084所述，該專利申請轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并且通過引用結(jié)合于此。在這種帶槽紋過濾元件中，流體從一個(gè)流動表面縱向地穿過帶槽紋過濾介質(zhì)軸向地流動至相反的流動表面。相反，本發(fā)明的過濾元件10能構(gòu)造為徑向流動的過濾元件。在過濾元件10中，流體端口 28根據(jù)流動構(gòu)造可以是入口端口或出口端口。也就是，流體可從帶槽紋過濾介質(zhì)16 的外周32徑向向內(nèi)地流動穿過填充有SAMMS 14的多個(gè)槽紋13并進(jìn)入中心室26，其中其可朝著流體端口 28軸向地流動，然后通過流體端口 28離開，如流路30所示?？蛇x地，流體端口 28可以是入口端口，其中未過濾的流體進(jìn)入流體端口 28，并且軸向地流動穿過中心室 26，然后朝著外周32徑向地流動穿過填充有SAMMS 14的多個(gè)槽紋13，并通過帶槽紋過濾介質(zhì)16的外周32離開。在一個(gè)實(shí)施例中，流體可行進(jìn)穿過3至30層的表面片材42和旋繞片材40。在流體流動穿過過濾元件10時(shí)，流體中的固體和污染物可由旋繞片材40和表面片材42過濾，并由SAMMS材料14吸附。可選地，旋繞片材40和表面片材42可僅將SAMMS 材料14保持和固定于過 濾元件10內(nèi)而不執(zhí)行過濾功能。例如，過濾元件10可用于多級過濾/污染物去除系統(tǒng)，其中固體過濾能力優(yōu)于旋繞片材40和表面片材42的獨(dú)立過濾元件設(shè)置于過濾元件10的上游。這樣，基本上所有的固體可由上游過濾元件過濾，并且因而，旋繞片材40和表面片材42可不執(zhí)行過濾功能。圖5示出了帶槽紋過濾介質(zhì)16的構(gòu)造。帶槽紋過濾介質(zhì)16可由與表面片材42 緊固在一起的旋繞片材40形成。旋繞片材40和表面片材42每個(gè)都由多孔過濾介質(zhì)制成。旋繞片材40和表面片材42可由相同的過濾介質(zhì)或不同的過濾介質(zhì)形成。例如，旋繞片材40可由開口比用來形成表面片材42的過濾介質(zhì)要小的過濾介質(zhì)形成。在一個(gè)實(shí)施例中，旋繞片材40和表面片材42每個(gè)由具有以下特性的相同多孔過濾介質(zhì)構(gòu)造(a)弗雷澤 (Frazier)滲透性在大約6和大約20CFM@5”WG之間、平均纖維直徑在大約2和大約50微米之間、基重在大約30和大約200磅/3000平方英尺之間、平均孔隙尺寸在通常在大約2 和大約80微米之間、以及耐破強(qiáng)度(Mullen burst strength)在大約5和大約IOOpsi之間。旋繞片材40可通過任何適合的工藝形成，比如起皺或打褶，但是優(yōu)選地通過折皺，如轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人且通過引用結(jié)合于此的名稱為“用于空氣過濾器的折皺過濾介質(zhì)及其制造方法(Gathered Filter Media for an Air Filter and Method of Making Same) ”的美國專利申請No. 10/979，390所述。如圖5所示，多孔過濾材料的旋繞片材40形成多個(gè)連續(xù)相鄰包卷，工業(yè)中公知為槽紋。也就是，旋繞片材40形成峰區(qū)和谷區(qū)，然后旋繞片材40附接至表面片材42，相鄰峰區(qū)通常規(guī)則地彼此間隔開。
表面片材42附接至旋繞片材40并以包卷的狀態(tài)保持旋繞片材40。表面片材42 能以任何適合的方式附接至旋繞片材40，比如通過施加于旋繞片材40和表面片材42的接合部處的膠粘劑條(beadS)44。如圖5所示，表面片材42和旋繞片材40的交替層用布置于表面片材42上的膠粘劑44彼此緊固。施加足夠量的膠粘劑44來將旋繞片材40緊固至表面片材42而不堵塞形成于槽紋13中的凹穴。表面片材42示出為多孔材料的扁平片材，然而，表面片材42在其它實(shí)施例中也可以不是扁平的。例如，表面片材42可以包括包卷或在不同方向上打褶。 在常規(guī)的軸向流動過濾元件中，槽紋的選定端可用例如膠粘劑條堵塞，以使得進(jìn)入一些槽紋的一端的流體在槽紋的相反端離開過濾介質(zhì)之前以本領(lǐng)域已知的方式流動穿過多孔過濾介質(zhì)進(jìn)入其它槽紋。然而，如上所述，根據(jù)本發(fā)明的過濾元件10是在帶槽紋過濾介質(zhì)16和流體端口 28之間具有流路的徑向流動過濾元件。這個(gè)實(shí)施例的槽紋13填充有SAMMS 14并且在兩端處都密封以防止流體通過槽紋13的開口端離開。密封的槽紋還在槽紋13內(nèi)包含SAMMS粉末顆粒14。而且，根據(jù)本發(fā)明的包括徑向流動帶槽紋過濾介質(zhì)的過濾元件10包括旋繞片材 40和表面片材42，它們都由多孔過濾材料形成以允許流體徑向地流過多層旋繞片材40和表面片材42。由旋繞片材40形成的槽紋13在這個(gè)實(shí)施例中具有基本上相等的尺寸和相等的間距，但是在本發(fā)明的其它實(shí)施例，并非必須如此。帶槽紋過濾介質(zhì)16盤繞在芯部24周圍。芯部24如圖1_7所示包括圓柱形壁58 和限定中心室26的中心腔。芯部24的壁58是穿孔的以允許流體穿過穿孔流入中心室26 或從其中流出。芯部24可由任何適合的材料比如聚合材料形成為各種形狀。芯部的形狀能確定過濾元件10的大致形狀，因?yàn)閹Р奂y過濾介質(zhì)16纏繞在芯部24上。例如，這個(gè)實(shí)施例的圓柱形芯部24能形成如圖1和7所示的圓柱形形狀的過濾介質(zhì)包裝16。在其它實(shí)施例中，過濾介質(zhì)包裝可形成為具有非圓形橫截面的其它形狀，比如跑道形狀或矩形形狀。在纏繞過程期間，包括與表面片材42緊固在一起的旋繞片材40的帶槽紋過濾介質(zhì)16的前緣可分接至芯部24的表面，然后纏繞到中心芯部42上。在一些實(shí)施例中，多孔過濾介質(zhì)材料的可選層25可設(shè)置于芯部24和帶槽紋過濾介質(zhì)16之間。也就是，可選層25 首先纏繞于芯部24上，然后帶槽紋過濾介質(zhì)16能纏繞到可選層25的頂部上。在這種實(shí)施例中，可選層25可用與旋繞片材40和表面片材42之一的過濾介質(zhì)材料相同的過濾介質(zhì)材料構(gòu)造，或者可由不同的過濾介質(zhì)材料形成。優(yōu)選地，可選層25由其相對于SAMMS粉末顆粒的過濾效率比形成旋繞片材40和表面片材42的過濾介質(zhì)材料要好的過濾介質(zhì)材料形成， 以使得可包含移動越過旋繞片材40和表面片材42的任何SAMMS粉末顆粒，從而最小化已過濾流體流中的SAMMS粉末顆粒的量。如上所述，足夠量的膠粘劑44施加于表面片材42 上以當(dāng)表面片材42和旋繞片材40在芯部24上纏繞在一起時(shí)將旋繞片材40和表面片材42 緊固在一起。在其它實(shí)施例中，帶槽紋過濾介質(zhì)16可以在沒有芯部24之下形成。圖5所示帶槽紋過濾介質(zhì)16的槽紋13在一端處用由膠粘劑施用器52在一邊緣附近施加于旋繞片材40上的膠粘劑44密封。由于使用施用器52施加膠粘劑44的目的是密封槽紋13的端部，因此施用器52可比其它施用器60、62施加更多的膠粘劑，以使得過量的膠粘劑能填充在表面片材42附接至旋繞片材40并纏繞于芯部24上時(shí)所形成的槽紋13 中。如圖4所示，施加于邊緣上的膠粘劑44(參見圖5)形成可限定端蓋的插塞33。在其它實(shí)施例中，可另外附接封閉端蓋22至帶槽紋過濾介質(zhì)16的封閉端部，以使得過濾介質(zhì)16 的封閉槽紋表面如圖7所示緊固至封閉端蓋22?？蛇x地，如圖6所示，帶槽紋過濾介質(zhì)16的槽紋13可不由膠粘劑44封閉。在這種實(shí)施例中，槽紋13的兩端都是開口的。一旦一卷帶槽紋過濾介質(zhì)包裝16形成于芯部24 上，封閉端蓋22可密封地附接至帶槽紋過濾介質(zhì)包裝16其中一端上。參照圖3，密封地附接封閉端蓋22的一種方式是通過用塑料溶膠材料36填充封閉端蓋22并將塑料溶膠填充的封閉端蓋22施壓至帶槽紋過濾介質(zhì)包裝16的一端，以使得一些塑料溶膠材料36進(jìn)入由槽紋13形成的開口，從而密封封閉端蓋22和帶槽紋過濾介質(zhì)包裝16之間的接口。可選地， 代替塑料溶膠，也可使用其它適合的密封材料或膠粘劑。在其它實(shí)施例中，開口端蓋20可首先密封地結(jié)合至帶槽紋過濾介質(zhì)包裝16?，F(xiàn)在參照圖2，另一種將端蓋密封地附接至帶槽紋過濾介質(zhì)16的方式是通過塑料焊接工藝，其中鄰近帶槽紋過濾介質(zhì)16 —端的一部分端蓋由適合的熱塑性材料形成，其中端蓋的熱塑性材料部分被加熱至軟化，并壓靠過濾介質(zhì)16的一端，以使得一些軟化的熱塑性材料進(jìn)入由槽紋形成的開口，從而密封地附接帶槽紋過濾介質(zhì)16和端蓋。圖2(和其它實(shí)施例)中的端蓋的材料可選地能是模塑就位(molded in place)材料，比如發(fā)泡尿烷。一旦封閉端蓋22附接至帶槽紋過濾介質(zhì)16的所述一端，帶槽紋過濾介質(zhì)16布置為開口槽紋表面朝上以使得SAMMS粉末材料能填充并包裝入每個(gè)槽紋13。通常，槽紋13能以 0. 2 至 0. 50g/em3 的 SAMMS 包裝，優(yōu)選地 0. 25 至 0. 35g/cm3。在槽紋13包裝有SAMMS粉末材料14之后，開口端蓋20密封地附接至開口槽紋表面54。開口端蓋20 可由任何適合的方法密封至開口槽紋表面54，包括上述關(guān)于將封閉端蓋22密封地附接至帶槽紋過濾介質(zhì)包裝16 —端的方法。例如，開口端蓋20可首先施用塑料溶膠材料，然后施壓到開口槽紋表面54上。然后，過濾元件10可翻轉(zhuǎn)并進(jìn)一步施壓以密封地附接開口端蓋20。在可選實(shí)施例中，SAMMS粉末材料14可在帶槽紋過濾介質(zhì)16形成并纏繞于芯部 24上時(shí)填充。這種實(shí)施例在圖8中示出，其中SAMMS粉末材料14經(jīng)由供給設(shè)備64沉積于旋繞片材40上。可控制所供給的SAMMS粉末材料14的量以在不出現(xiàn)溢流的情況下填充每個(gè)槽紋13。如所示，槽紋13的每個(gè)端部用經(jīng)由膠粘劑施用器84和86所施加的膠粘劑44 封閉。所得到的帶槽紋過濾介質(zhì)16將使得槽紋13的一半由SAMMS粉末材料14填充。在其它實(shí)施例中，第二 SAMMS供給設(shè)備可安裝于前端以在旋繞片材40層壓至表面片材42時(shí)填充槽紋13。因而，在這種實(shí)施例中，所有槽紋13由SAMMS粉末材料14填充。在這個(gè)實(shí)施例中，帶槽紋過濾介質(zhì)16的每端用如圖2所示由膠粘劑44形成的插塞33密封，插塞33 能用作端蓋。在一些實(shí)施例中，另外的端蓋20、22可附接至SAMMS填充的帶槽紋過濾介質(zhì) 16。開口端蓋20可包括適合的環(huán)形密封以在過濾元件安裝入適合的過濾容器34時(shí)提供對過濾元件的密封。另外，預(yù)過濾外殼或護(hù)套也可加接于過濾元件10的外周32周圍以使得在穿過SAMMS填充的槽紋13之前，被污染流體可首先流動穿過顆粒裝載的過濾介質(zhì)。 還將理解到，本發(fā)明不限于槽紋介質(zhì)的過濾介質(zhì)包裝。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認(rèn)識到，本發(fā)明還可使用其它類型的具有多個(gè)凹穴的過濾介質(zhì)高效地實(shí)施。還將認(rèn)識到，圖2-4和7所示的每個(gè)實(shí)施例在任一端處都包括端蓋，所述端蓋可以如圖2和4所示為一體式單件端蓋或者如圖3所示為不同材料的端蓋組件。 在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，SAMMS粉末材料14被捕獲于多個(gè)槽紋13中以使得能避免流體穿過未緊固地包裝的SAMMS顆粒床導(dǎo)致導(dǎo)通和短路。在這種工業(yè)過濾應(yīng)用中，會經(jīng)受相當(dāng)大的流速，這會導(dǎo)通和/或不然的話移動SAMMS粉末顆粒從而形成穿過包裝粉末床的不均勻流動。例如，對于液體和其它流體，基于過濾應(yīng)用中的周邊表面積的流量速度在這里的實(shí)施例例如可在每小時(shí)每平方米大約0. 1立方米和每小時(shí)每平方米2. 0立方米之間。通過將SAMMS粉末顆粒捕獲入多個(gè)凹穴，可在整個(gè)結(jié)構(gòu)床中獲得有毒金屬的均勻裝載， 并且流體流動不會引起SAMMS粉末材料的位移。也就是，SAMMS粉末材料通常固定于每個(gè)凹穴內(nèi)并且保持與由帶槽紋過濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)支撐的流體流動相連通。由介孔載體上的自組裝單層(SAMMS)制造的納米吸附材料的介孔載體，在一個(gè)實(shí)施例中，可以由各種多孔材料形成，包括硅石、礬土、沸石或其它適合的介孔材料。在SAMMS 的制造工藝期間，介孔載體沿著其外表面沉積有自組裝單層，它們用來提供期望的污染物吸附性質(zhì)。例如，具有硫醇基的介孔材料提供了汞吸附性質(zhì)。其它功能分子可在可選方案中使用和/或組合來提供不同的污染物吸附性質(zhì)，其可包括但不限于硫醇、胺、硫醇鹽、多聚羧酸、乙二胺、聯(lián)吡啶、菲咯啉、酚類、聚羥基芳香物、羰基化合物、磷化氫、氧化膦、異腈及其組合。可結(jié)合的目標(biāo)金屬或金屬化合物包括但不限于As、Bi、Cd、Co、Cu、Pb、Hg、Ni、Pt、 Ru、Rh、Se、Ag及其組合。能用于本發(fā)明的SAMMS的一個(gè)例子是硫醇基SAMMS，比如美國專利No. 6，326，326 所公開的，該專利的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。能用于本發(fā)明的污染物吸附材料的其它例子包括但不限于顆粒尺寸范圍為從大約8至大約30篩孔徑的市售碳顆粒。市售SAMMS 粉末可從 Steward Environmental Solutions 公司購得。SAMMS材料14可包括尺寸范圍為從大約1微米至大約200微米的多孔顆粒，優(yōu)選地平均顆粒尺寸在10微米至100微米之間，更優(yōu)選地按重量計(jì)算至少90%的顆粒在20微米至100微米之間。在一個(gè)實(shí)施例中，SAMMS材料14具有在20微米至100微米之間的平均顆粒尺寸，更優(yōu)選地在30微米至80微米之間。污染物吸附多孔顆?？砂ǚ秶鷱拇蠹s2 納米(nm)至大約7nm的孔隙尺寸并且可提供范圍從大約0. 2克/毫升至大約0. 4克/毫升的表觀密度(apparent density)?？紤]污染物吸附材料顆粒尺寸的大小，具有多個(gè)凹穴12的過濾介質(zhì)16由具有一定孔隙度的適合過濾介質(zhì)材料形成以在多個(gè)凹穴12的每個(gè)內(nèi)包含污染物吸附顆粒并且最小化污染物吸附顆?？邕^多個(gè)凹穴12的每個(gè)的運(yùn)動。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，帶槽紋過濾介質(zhì)16的表面片材42和旋繞片材40至少其中之一對于平均顆粒尺寸的SAMMS顆粒粉末 14具有大于99%的過濾效率。介孔材料比如SAMMS 14通常為分子篩的形式，其具有亞微米量級的規(guī)則孔隙(例如孔隙尺寸通常在2和30納米之間，并且在一個(gè)實(shí)施例中更通常地在3-4納米之間)，通常具有窄的尺寸分布，和高的表面積(高達(dá)1200平方米/克)，表觀密度的范圍可從大約0. 2 克/毫升至大約0. 4克/毫升。介孔材料14基本上填充多個(gè)槽紋13的每個(gè)，并且在流體流過由介孔材料14填充的帶槽紋過濾介質(zhì)16時(shí)，承載于介孔材料顆粒14的表面上的功能分子經(jīng)受流體并與之相互作用，并吸附流體流中的污染物。然而，流體穿過過濾元件的流速不受這些介孔的特征的控制。而是，介孔增大功能表面積和功能分子用作污染物吸附劑的能力。流體穿過過濾元件的流速基本上由捕獲在多個(gè)槽紋13中的介孔材料14的密度(例如包裝在每個(gè)槽紋中的介孔材料的量)，以及帶槽紋過濾介質(zhì)16的孔隙度確定并且控制。在一個(gè)實(shí)施例中，被污染流體可在如前所述的徑向流路中流動穿過過濾元件10， 其中被污染流體可以流動穿過SAMMS粉末材料中的顆?？紫丁Ｔ谶@些孔隙內(nèi)，特定污染物， 比如 重金屬(例如汞)與設(shè)計(jì)來吸附并結(jié)合這些污染物分子的化學(xué)單層相接觸。這樣，這些特定污染物可結(jié)合至SAMMS并被從流體去除。一旦SAMMS材料用盡或失效，過濾元件10 能更換成容器34中的新過濾元件。期望地，失效的SAMMS可再生。尤其，失效的SAMMS可用酸性流體處理以去除所吸附污染物。為了確定SAMMS材料用盡的時(shí)刻，可采用數(shù)種方法。例如，在過濾元件10裝載有污染物時(shí)，會增大差壓。這是因?yàn)榱黧w中的污染物一旦被SAMMS材料捕獲長時(shí)間之后將傾向于堵塞緊密包裝的SAMMS材料。這樣，重要的是監(jiān)控過濾介質(zhì)10的差壓。而且，盡管SAMMS 材料的主要目的是吸附特定污染物，但是由于其小的顆粒尺寸(即，從大約5微米至大約 200微米)，SAMMS也可以是非常良好的固體過濾材料。過濾固體的能力會使得SAMMS材料更快地由于阻塞而失效。為此，旋繞片材40和表面片材42能增長SAMMS材料的壽命，因?yàn)楣腆w會被這些片材過濾。在容器34中可策略性地設(shè)置另外的過濾介質(zhì)以在被污染流體到達(dá)過濾元件10之前過濾固體，以最小化由于固體引起的阻塞，例如，在同一過濾元件中或者更優(yōu)選地在單獨(dú)的上游顆粒過濾元件中的預(yù)過濾器(表面裝載阻擋層過濾或深度裝載過濾或者其組合)。 優(yōu)選地，這種預(yù)過濾器對在大約1微米和大約5微米之間的應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)操作流體流速應(yīng)當(dāng)具有絕對有效等級(例如大于90 % )，更優(yōu)選地，在至少3微米具有有效預(yù)過濾等級或更佳。在其它方法中，SAMMS的狀態(tài)可通過定期或持續(xù)地監(jiān)控出口流中已處理流體的污染物水平來確定。當(dāng)出口流中的水平增大至一定點(diǎn)時(shí)，可更換或再生過濾元件10。轉(zhuǎn)向圖9，示出了另一種大致圓柱形過濾元件及其制造方法，其中帶槽紋過濾介質(zhì) 70和其它適合的過濾材料可纏繞為螺旋構(gòu)造的過濾元件80。這能根據(jù)名稱為“制造過濾元件的方法(Method of Making Filter Element)，，的美國專利 No. 5，893，956 ；和 / 或由 Dan Cloud和John A. Krogue申請且申請日為2006年12月1日、名稱為“過濾元件及其制造和使用方法(Filter Element and Method of Manufacturing and Using Same)，，的未決專利申請公開No. 2008/0128364的原理進(jìn)行，這些專利文獻(xiàn)轉(zhuǎn)讓給本受讓人并且這兩份專利文獻(xiàn)的全部內(nèi)容整體地通過引用結(jié)合于此。在這個(gè)實(shí)施例中，帶槽紋過濾介質(zhì)70構(gòu)造有旋繞片材76，旋繞片材76在其每一側(cè)上附接至表面片材72、74。過濾介質(zhì)70使用與用于圖8所示實(shí)施例的前述方法類似的方法由SAMMS粉末材料14填充。如圖9所示，多疊過濾元件80由SAMMS填充的帶槽紋過濾介質(zhì)70和其它適合的過濾介質(zhì)78形成。其它適合的過濾介質(zhì)78可以是SAMMS填充的帶槽紋過濾介質(zhì)70、深度裝載或表面/阻擋層裝載的過濾介質(zhì)、很少或不提供過濾的多孔間隔元件、SAMMS覆蓋的柵格結(jié)構(gòu)、或者其它適合的介質(zhì)。雖然僅是圖9所示的一個(gè)條帶可由SAMMS填充或由SAMMS覆蓋， 但是能理解到所有條帶可包括SAMMS，比如SAMMS填充的帶槽紋過濾介質(zhì)或者不同類型的 SAMMS覆蓋的絲網(wǎng)材料，如名稱為“采用線或其它柵格支架的污染物吸附過濾介質(zhì)、元件、系統(tǒng)禾B方法(Contaminant Adsorption Filtration Media, Elements, Systems and Methods Employing Wire or Other Lattice Support) ” 的美國臨時(shí)專利申請 No. 61/056，898 所公開的，該申請轉(zhuǎn)讓給本受讓人并且其全部內(nèi)容整體地通過弓I用結(jié)合于此。如同過濾元件10的情形，螺旋纏繞的過濾元件80可包括穿孔芯部24和密封地結(jié)合至過濾元件80的每端的端蓋20、22。再次，一個(gè)端蓋20開口，限定與中心室26相連通的流體端口 28，并且可攜帶密封以便與殼體容器34密封。流體如前關(guān)于過濾元件10所述的那樣大致徑向地流動穿過過濾元件80。過濾元件80可僅構(gòu)造為具有過濾介質(zhì)的污染物吸附介質(zhì)，過濾介質(zhì)包括SAMMS材料比如SAMMS填充的帶槽紋過濾介質(zhì)以及SAMMS覆蓋的絲網(wǎng)條帶，所述絲網(wǎng)條帶具有或不具有用作過濾功能的更多多孔間隔條帶?？蛇x地，過濾元件80可構(gòu)造為組合式廢料吸附和顆粒裝載過濾元件(具有阻擋層過濾和/或深度過濾裝載)。更常見地，聚合過濾介質(zhì)材料可與SAMMS填充的帶槽紋過濾介質(zhì)和/或SAMMS覆蓋的絲網(wǎng)材料組合地纏繞。能采用不同的構(gòu)造并且上述美國專利文獻(xiàn)的教導(dǎo)可用來形成不同構(gòu)造。如上所述的過濾元件10填充有污染物吸附材料比如SAMMS材料14以從流體去除污染物。然而，在其它實(shí)施例中，過濾元件10也可在沒有任何污染物吸附材料之下使用。例如，過濾元件10的每個(gè)槽紋13可使用前述方法之一插塞，以使得流體不能從由槽紋13形成的開口進(jìn)入或離開。如上所述，這種過濾元件構(gòu)造產(chǎn)生子具有徑向流路的帶槽紋過濾元件。這種實(shí)施例中的槽紋13能保留空隙，其中當(dāng)流體在過濾元件的外周32和芯部24之間行進(jìn)時(shí)旋繞片材40和表面片材42可執(zhí)行固體的過濾。在其它實(shí)施例中，槽紋13可填充其它適合的固體過濾材料。這里引用的所有參考文獻(xiàn)，包括出版物、專利申請和專利，都通過引用結(jié)合于此， 其程度如同每份參考文獻(xiàn)都單獨(dú)且具體地說明為通過引用而結(jié)合并且整體地在此闡述一樣。詞語“包括”、“具有”和“包含”構(gòu)造為開放式的詞語(即，意思是“包括，但不限于”)，除非另有說明。這里引用的數(shù)值范圍僅是要用作單獨(dú)引用落入該范圍內(nèi)的每個(gè)單獨(dú)數(shù)值的簡寫方法，除非文中另有說明，并且每個(gè)單獨(dú)數(shù)值結(jié)合入說明書，如同文中單獨(dú)引用一樣。這里所述的所有方法能以任何適合的順序執(zhí)行，除非文中另有說明或者內(nèi)容明顯抵觸。這里使用的任何和所有例子，或示例性語言(例如，“比如”)僅是為了更好地示出本發(fā)明，并不是對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制，除非在權(quán)利要求中聲明。說明書的語言都不應(yīng)當(dāng)視為是將任何未在權(quán)利要求中聲明的元件指示為實(shí)踐本發(fā)明所必須的。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在這里描述，包括發(fā)明人已知的用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。在閱讀前述描述之上，這些優(yōu)選實(shí)施例的變化對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言變得很明顯。發(fā)明人預(yù)期熟練技術(shù)人員可適當(dāng)?shù)夭捎眠@些變化，并且發(fā)明人認(rèn)為本發(fā)明能以除了這里具體描述之外的方式實(shí)踐。因此，本發(fā)明包括所附權(quán)利要求中引用的主題由適用法律所許可的所有變型和等同。而且，上述元件在其所有可能變化中的任何組合也由本發(fā)明所覆蓋，除非文中另有說明或者內(nèi)容明顯抵觸。
權(quán)利要求
1.一種過濾元件，其包括過濾介質(zhì)，其具有繞著中心軸線形成于其中的多個(gè)凹穴；加接至過濾介質(zhì)的相反軸向端部的一對端蓋；以及捕獲于所述多個(gè)凹穴中的污染物吸附材料。
2.如權(quán)利要求1的過濾元件，其中，過濾介質(zhì)是帶槽紋過濾介質(zhì)，其包括表面片材以及限定大致在相反軸向端部之間延伸的槽紋的旋繞片材材料，所述旋繞片材附接至表面片材并繞著所述中心軸線以盤繞構(gòu)造纏繞以限定多個(gè)槽紋從而提供所述多個(gè)凹穴。
3.如權(quán)利要求2的過濾元件，其中，槽紋在過濾介質(zhì)的至少一個(gè)軸向端部附近處由施加于旋繞片材和表面片材之間的密封成分封閉，其中，密封成分形成封閉所述多個(gè)槽紋中的每個(gè)的多個(gè)插塞；所述多個(gè)插塞至少部分地或整體地提供所述一對端蓋。
4.如權(quán)利要求2的過濾元件，其中，槽紋在過濾介質(zhì)的兩個(gè)相反軸向端部附近處封閉， 其中，過濾元件是徑向流動過濾元件，還包括中心室，至少其中一個(gè)端蓋限定與中心室相連通的流體端口。
5.如權(quán)利要求3的過濾元件，還包括位于中心室中的穿孔支撐芯部，表面片材和旋繞片材盤繞在所述穿孔支撐芯部周圍，所述支撐芯部限定與流體端口相連通的流道。
6.如權(quán)利要求2的過濾元件，其中，污染物吸附材料包括在介孔載體上的自組裝單層 (SAMMS)。
7.如權(quán)利要求6的過濾元件，其中，SAMMS包括捕獲在凹穴中的SAMMS顆粒粉末材料的形式，顆粒粉末材料具有在10微米和100微米之間的平均顆粒尺寸，其中表面片材和旋繞片材的至少其中之一對于平均顆粒尺寸的SAMMS顆粒粉末而言具有大于99%的過濾效率， 并且其中，SAMMS顆粒粉末材料按重量計(jì)算的至少90%落入在20和80微米之間的尺寸類別分布。
8.如權(quán)利要求2的過濾元件，其中，表面片材和旋繞片材的每個(gè)包括以下特性(a)弗雷澤滲透性在大約6和大約20CFM@5”WG之間；(b)平均纖維直徑在大約2和大約50微米之間；(c)基重在大約30磅/3000平方英尺和大約200磅/3000平方英尺之間；(d)平均孔隙尺寸大致在大約2和大約80微米之間；并且(e)耐破強(qiáng)度在大約5和大約IOOpsi之間。
9.如權(quán)利要求1的過濾元件，其中，凹穴由軸向延伸的隔離部分離，其中，凹穴繞著所述中心軸線成角度地間隔開。
10.如權(quán)利要求9的過濾元件，還包括徑向地分離凹穴的周緣隔離部，其中，凹穴繞著所述中心軸線徑向地分層。
11.如權(quán)利要求1的過濾元件，其中，端蓋封閉過濾介質(zhì)的相反軸向端部，過濾介質(zhì)限定中心腔，其中一個(gè)端蓋具有與中心腔連通的流體端口，其中，過濾介質(zhì)在中心腔和過濾介質(zhì)的外周邊之間限定徑向流體流路，并且所述徑向流體流路行進(jìn)穿過填充有污染物吸附材料的多個(gè)凹穴。
12.如權(quán)利要求1的過濾元件，其中，污染物吸附材料包括SAMMS顆粒粉末材料的形式， 顆粒粉末材料具有在10微米和100微米之間的平均顆粒尺寸，其中，形成多個(gè)凹穴的過濾介質(zhì)對于平均顆粒尺寸的SAMMS顆粒粉末而言具有大于90%的過濾效率，其中，SAMMS顆粒粉末材料按重量計(jì)算的至少90%落入在20和100微米之間的尺寸類別分布。
13.如權(quán)利要求12的過濾元件，其中，過濾元件的長度與周長的比值在0.3至6之間。
14.如權(quán)利要求1的過濾元件，其中，污染物吸附材料適合于從流體去除重金屬，包括通過吸附汞、銀、鉛、鈾、钚、镎、镅、砷、鎘的至少其中一種或其組合而去除。
15.如權(quán)利要求1的過濾元件，其中，污染物吸附材料包括由介孔載體上的自組裝單層 (SAMMS)制成的多孔顆粒，其中，所述多孔顆粒具有范圍在大約2至7納米的孔隙尺寸。
16.如權(quán)利要求16的過濾元件，其中，污染物吸附材料包括包含硅石的多孔顆粒。
17.如權(quán)利要求1的過濾元件，其中，污染物吸附材料包括范圍從8至30篩孔徑的碳顆粒。
18.如權(quán)利要求1的過濾元件，其中，由污染物吸附材料去除的污染物與由過濾介質(zhì)去除的污染物不同。
19.一種帶槽紋過濾元件，其包括具有相反軸向端部和沿著軸線的中心腔的帶槽紋過濾介質(zhì)，所述帶槽紋過濾介質(zhì)包括表面片材和附接于所述表面片材的旋繞片材，所述旋繞片材繞著軸線纏繞成盤繞構(gòu)造以限定多個(gè)槽紋，每個(gè)槽紋在兩個(gè)相反軸向端部附近封閉，其中，帶槽紋過濾介質(zhì)在帶槽紋過濾介質(zhì)的外周邊和中心腔之間限定徑向流體流路。
20.如權(quán)利要求19的帶槽紋過濾元件，其中，徑向流路行進(jìn)穿過3至30層的表面片材和旋繞片材。
21.如權(quán)利要求19的帶槽紋過濾元件，還包括密封地結(jié)合至過濾介質(zhì)相反軸向端部的一對端蓋，至少其中一個(gè)端蓋包括與中心腔相連通的流體端口。
22.如權(quán)利要求19的帶槽紋過濾元件，其中，污染物吸附材料填充于多個(gè)槽紋中，其中，污染物吸附材料包括由介孔載體上的自組裝單層(SAMMQ制成的多孔顆粒，并且其中， 所述多孔顆粒具有范圍從大約2納米至7納米的孔隙尺寸以及在10微米和100微米之間的平均顆粒尺寸，并且其中，表面片材和旋繞片材的至少其中之一對于平均顆粒尺寸的多孔顆粒而言具有大于90%的過濾效率，并且其中，SAMMS多孔顆粒按重量計(jì)算的至少90% 落入在20和100微米之間的尺寸類別分布。
23.一種制造過濾元件的方法，包括步驟形成繞著中心軸線具有多個(gè)凹穴的過濾介質(zhì)；用污染物吸附材料填充所述多個(gè)凹穴；并且封蓋過濾介質(zhì)的相反軸向端部。
24.如權(quán)利要求23的方法，其中形成過濾介質(zhì)包括提供表面片材；形成旋繞片材；附接表面片材和旋繞片材，其中，形成在相反軸向端部之間延伸的多個(gè)槽紋，所述多個(gè)槽紋限定所述多個(gè)凹穴；以及繞著中心軸線纏繞表面片材和旋繞片材。
25.如權(quán)利要求M的方法，其中，表面片材和旋繞片材纏繞于繞著中心軸線延伸的穿孔支撐芯部上，并且其中，用污染物吸附材料填充所述多個(gè)凹穴的步驟在封蓋相反軸向端部的其中之一之后執(zhí)行。
26.如權(quán)利要求M的方法，其中，在旋繞片材附接至表面片材之前，通過在旋繞片材的一側(cè)之上或附近的預(yù)先確定且相對窄的區(qū)域中施加密封成分來封蓋相反軸向端部的其中之一，從而在所述多個(gè)槽紋的一端上形成插塞并提供過濾介質(zhì)的封閉端部。
27.如權(quán)利要求M的方法，還包括在過濾介質(zhì)的至少一端上附接端蓋組件，其中，所述端蓋組件包括預(yù)成形的端蓋和膠粘劑材料，膠粘劑材料利用膠粘劑材料沿著過濾介質(zhì)的端部進(jìn)入槽紋將預(yù)成形的端蓋結(jié)合至過濾介質(zhì)端部的其中之一。
全文摘要
一種污染物吸附過濾元件提供為包括包含于具有多個(gè)凹穴的過濾元件中的介孔載體上的自組裝單層(SAMMS)，比如帶槽紋過濾介質(zhì)。這些凹穴由對目標(biāo)污染物起作用的介孔材料填充。還提供了一種具有介孔材料填充槽紋的過濾元件的制造方法。
文檔編號B01D39/00GK102159294SQ200980136839
公開日2011年8月17日 申請日期2009年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月19日
發(fā)明者D·M·克勞德, J·A·克羅格 申請人:佩里設(shè)備公司