專利名稱：碳塊過濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造金屬浸漬的(metal impregnated)粘合的碳塊過濾器(bound Carbon block filters)的方法。
本發(fā)明主要被開發(fā)用于飲用水凈化用重力進(jìn)給(gravity-fed)水過濾設(shè)備，并且將在下文中關(guān)于該應(yīng)用進(jìn)行描述。但是，將理解的是本發(fā)明并不限于該特定用途領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
貫穿整個說明書對現(xiàn)有技術(shù)的任何討論都決不應(yīng)該被認(rèn)為是承認(rèn)這種現(xiàn)有技術(shù)廣泛已知或形成本領(lǐng)域中一般常識的一部分。
飲用水含有不同的污染物例如顆粒物質(zhì)、有害的化學(xué)物質(zhì)、細(xì)菌、孢囊(cysts)和病毒。健康專家建議應(yīng)該除去此類污染物從而使水變得適合于消費。
活性碳可用于凈化飲用水，因為其有助于化學(xué)污染物、孢囊、顆粒物質(zhì)和細(xì)菌的除去。但是，活性碳顆粒具有粗糙和多孔的質(zhì)地，這能夠為細(xì)菌生長提供有利的和受到保護(hù)的表面。結(jié)果，藻類和細(xì)菌定植所述碳表面，從而減小能夠接觸水的表面以及允許這些有機體生長。即使水是經(jīng)氯化的，一些細(xì)菌也是耐氯的。這樣，活性碳實際上能夠促進(jìn)在經(jīng)氯化的水本身中將不會生長的細(xì)菌的生長。從此類水中分離出的最主要的細(xì)菌屬于假單胞菌屬 (genus Pseudomonas) 此外，也發(fā)現(xiàn)大量的芽孢桿菌屬(genus Bacillus)的細(xì)菌。
制造用于水凈化的粘合的碳塊過濾器的方法已經(jīng)在US47537^ (Amway, 1988)中得以描述，其中碳顆粒通過具有小于1克/10分鐘的熔融指數(shù)的聚合物材料被粘合到過濾器塊中，所述熔融指數(shù)通過 ASTM(American Society for Testing and Materials) D1238 標(biāo)準(zhǔn)在190°C和15kg載荷下測定。
CA2396510(TYK Corp，2003)描述了使用具有50%或更多陶瓷粘合劑的尺寸為 35-200 μ的顆粒制備碳過濾器的方法，其中在該混合物被燒結(jié)之前將水噴到該混合物上。
為了防止和/或減少所述碳塊表面上細(xì)菌定植的發(fā)生，通常用金屬例如銀、銅或鋅浸漬此類塊。
US2847332 (Union Carbide Corporation, 1958)描述了用于將金屬銀浸漬到粘合的碳塊上的方法，其中將粘合的塊浸入硝酸銀的水溶液中，并且通過將經(jīng)浸泡的塊暴露于氨煙霧(fumes)以沉淀氧化銀而使銀離子以不溶銀化合物的方式沉淀。接著，通過熱處理使氧化銀還原成金屬銀。據(jù)說，該方法獲得具有均勻的銀含量分布的經(jīng)浸漬的塊。該方法適合于較高金屬水平的浸漬，但本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)根據(jù)該方法制造的塊顯示出不同塊間浸漬的金屬的量的變化。當(dāng)尋求的浸漬水平較低時這種變化可能變得嚴(yán)重起來。
US2006000763(The Clorox Company, 2006)公開了含有約 20_90wt% 的平均顆粒尺寸為約90-220. mu. m的活性碳顆粒，和約10_50wt%的低熔融指數(shù)聚合物材料的重力流動碳塊過濾器。所述低熔融指數(shù)聚合物材料可以具有小于1. 0g/10min或大于1. 0g/10min的熔融指數(shù)和約20-150. mu. m的平均顆粒尺寸。
US3355317 (Keith等，1967)公開了用金屬氧化物浸漬氣體吸附材料以用于香煙過濾嘴。
另一方面，在現(xiàn)有技術(shù)方法中，對于塊制造有兩個單獨的步驟金屬浸漬步驟；和塊制造步驟。第一個過程通常通過活性碳顆粒的供應(yīng)商完成。這兩個過程彼此獨立，并且由于金屬浸漬的碳對于制造所述塊的人來說也是一種花費，因此碳塊制造商的成本增加。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)上述過程是繁瑣的，因為其是兩步驟方法。此外，該過程不適合于浸漬約0. 01-5. 0wt%的較低水平的銀或其它金屬，并同時在不同塊之間仍然顯示出金屬含量的相對低的變化水平。
發(fā)明目的本發(fā)明的一個目的是克服或改善現(xiàn)有技術(shù)的至少一個所述缺點。
本發(fā)明的一個目的是提供用于制備使用金屬(選自銀、銅或鋅)浸漬的模制碳塊過濾器的方法，具有相對低水平的塊間金屬含量變化，偏離理論金屬含量相對較低，并且其中在使用過程中金屬從所述塊的浸出率較低。
通過參考說明書，本發(fā)明的其它目的對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得顯而易見。
本發(fā)明人已經(jīng)驚奇地發(fā)現(xiàn)具有相對低水平的塊間金屬含量變化，偏離理論金屬含量相對較小，并且在使用過程中金屬從所述塊的浸出率相對較低的粘合的碳塊過濾器可以通過其中使活性碳顆粒與所述金屬的鹽的水溶液在氫氧化銨的存在下接觸，然后加入聚合物粘合劑并且最后通過施加壓力和熱模制所述塊的方法獲得。
在通過加熱和加壓模制的過程中發(fā)生均勻的金屬浸漬。本發(fā)明人還觀察到由于能量消耗的減少，該方法提供了高成本節(jié)約。還觀察到，通過根據(jù)本發(fā)明的方法制造的經(jīng)浸漬的塊當(dāng)與常規(guī)的金屬浸漬的碳塊相比時，出人意料地顯示出相對較高的有機污染物吸收。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于制造金屬浸漬的碳塊過濾器的方法，其包含以下步驟
使活性碳顆粒與銀、鋅或銅的鹽的水溶液在氫氧化銨的存在下接觸以形成含水混合物；
將所述含水混合物與具有小于5克/10分鐘的熔體流動速率的粘合劑混合以形成混合物；
將所述混合物加入到模具中； 加熱所述模具到150-350°C的溫度；和， 使所述碳塊過濾器脫模。
優(yōu)選使所述活性碳顆粒與硝酸銀、硝酸鋅或硝酸銅的水溶液接觸。
特別優(yōu)選使所述活性碳顆粒與硝酸銀的水溶液接觸。
優(yōu)選地，硝酸銀在所述水溶液中的濃度為0. 01-10%。
還優(yōu)選在加熱所述模具之前壓制模具中的所述混合物。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了可通過根據(jù)所述第一方面的方法獲得的金屬浸漬的碳塊過濾器。
術(shù)語“包含(含有)”表示并不限于任何隨后陳述的要素，而是包括具有主要或次要的功能重要性的未指定的要素。換句話說，列出的步驟、要素或選項不必是詳盡的。無論何時使用詞語“包括”或“具有”，這些術(shù)語都意在等同于以上定義的“包含”。
除了在操作和對比實施例中，或另外具有明確說明之處外，在本說明書中表示物質(zhì)的量的所有數(shù)字都應(yīng)該理解為通過詞語“約”修飾。
應(yīng)該注意，在說明濃度或量的任何范圍時，任何特定的較高濃度都可以與任何特定的較低濃度或量聯(lián)合。
為了更完整地理解本發(fā)明的上述或其它特征和優(yōu)點，應(yīng)該參考優(yōu)選實施方案的下述詳細(xì)說明。
具體實施例方式在整個說明書中使用的表達(dá)方式wt%是指重量百分?jǐn)?shù)。
活性碳顆粒優(yōu)選選自煙煤、椰殼和木材以及石油焦油(petroleum tar)中的一種或多種。優(yōu)選活性碳顆粒的表面積超過500m2/g，更優(yōu)選超過1000m2/g。優(yōu)選所述活性碳顆粒的尺寸均勻性系數(shù)小于2，更優(yōu)選小于1. 5。優(yōu)選所述活性碳顆粒的四氯化碳(CCl4)值超過50%，更優(yōu)選超過60%。優(yōu)選地，所述活性碳顆粒的碘值大于800，更優(yōu)選地大于1000。優(yōu)選不超過5%的活性碳顆粒通過150目的篩，并且不超過5%的顆粒保留在12目的篩上。進(jìn)一步優(yōu)選不超過5wt%的所述活性碳顆粒通過75目的篩，并且不超過5wt%保留在30目的篩上。特別優(yōu)選小于1%的活性碳顆粒通過200目的篩。
所述粘合劑的熔體流動速率(MFR)小于5克/10分鐘，優(yōu)選地小于2克/10分鐘， 和更優(yōu)選地小于1克/10分鐘。所述粘合劑的堆積密度優(yōu)選地小于或等于0. 6g/cm3，更優(yōu)選地小于或等于0. 5g/cm3,和最優(yōu)選地小于或等于0. 25g/cm3。優(yōu)選的粘合劑選自超高分子量聚乙烯(Ultra High Molecular Weight Polyethylene)或超高分子量聚丙烯(Ultra High Molecular Weight Polypropylene)，其具有這些低MFR值。它們的分子量優(yōu)選地為 IO6道爾頓-IO9道爾頓。這種類型的粘合劑可以商購獲得，以商品名H0STALEN (從Tycona GMBH)、GUR、SUNFINE (來自 Asahi，Japan)、HIZEX (來自 Mitsubishi)和從 Brasken Corp (Brazil)獲得。其它適合的粘合劑包括作為LUP0LEN (來自Basel Polyolefins)銷售的 LDPE 和來自 Qunos (Australia)的 LLDPE。
所述粘合劑的熔體流動速率使用ASTM D 1238 (ISO (International Organization for Standardization) 1133)測試進(jìn)行測量。該測試測量在特定溫度和載荷條件下通過擠出式塑性計的熔融聚合物的流動。該擠出式塑性計由在底部具有2mm的小?？诘拇怪眻A筒和在頂部的可拆卸的活塞組成。
將一定量的材料放入所述圓筒中并預(yù)熱幾分鐘。將所述活塞放到熔融聚合物的頂部，其重量迫使所述聚合物通過所述?？诓⒌竭_(dá)收集板。用于測試本發(fā)明聚合物粘合劑材料的溫度可以選擇在190°C和載荷選擇為15kg。稱量特定時間間隔后收集的聚合物的量并校正到在10分鐘內(nèi)將會擠出的克數(shù)；因此，熔體流動速率以克/10分鐘表示。
優(yōu)選所述活性碳顆粒與所述粘合劑之比為2:1-10:1重量份，更優(yōu)選為2:1-8:1重量份。
將所述活性碳顆粒與銀、鋅或銅的鹽的水溶液在氫氧化銨的存在下接觸，以形成含水混合物。盡管也可能使用其它銀鹽例如氯化銀或碘化銀，但是優(yōu)選將所述活性碳顆粒與硝酸銀的水溶液接觸。優(yōu)選地，在所述水溶液中硝酸銀的濃度為0. 01-10wt%,更優(yōu)選地為0. 02-5wt%和最優(yōu)選地為0. 02-3wt%。在銀浸漬的情況下，在所述活性碳顆粒中銀的浸漬水平優(yōu)選為0. 01-5wt%,更優(yōu)選為0. 02-2wt%,和最優(yōu)選為0. 05_lwt%。特別優(yōu)選銀浸漬水平為 lwt%。通過鹽的適當(dāng)選擇，也可浸漬鋅、銅、銀和銅的混合物、銀和鋅的混合物、銅和鋅的混合物或銀、銅和鋅的混合物。
氫氧化銨對銀鹽的優(yōu)選比值為1:2-1:10，更優(yōu)選地為1:3-1:5，和最優(yōu)選地為 1:2-1:3。
在銅和鋅的情況下，浸漬水平優(yōu)選為0. 01-10wt%,更優(yōu)選為0. 01-5wt%和最優(yōu)選為0.01-2wt%。氫氧化銨對銅鹽的優(yōu)選比值為1:0. 05-1:2，更優(yōu)選為1:0. 1_1 1，和最優(yōu)選為1:0. 1-1:0.7。在鋅鹽的情況下，氫氧化銨對鹽的優(yōu)選比值為1:0. 2-1:5，更優(yōu)選為 1:0. 4-1:3，和最優(yōu)選為1:0.5-1:1.5。除了硝酸鹽外，也可使用其它的銅/鋅鹽，例如氯化物或碘化物。
優(yōu)選氫氧化銨在水中的濃度為0. l-10wt%,和優(yōu)選地為0. l_5wt%。
優(yōu)選所述活性碳顆粒對所述銀、鋅或銅的鹽的水溶液的比值為1:0. 4-1:1. 2和更優(yōu)選地為1:0.4-1:1。
將所述活性碳顆粒與所述銀、鋅或銅的鹽的水溶液在氫氧化銨的存在下混合，以獲得含水混合物。所述混合優(yōu)選在包括攪拌器的容器、具有鈍化的葉輪片的混合器、螺帶式混合機、旋轉(zhuǎn)混合器或任何其它不顯著改變顆粒尺寸分布的低剪切混合器中完成。實施所述混合以制備所述碳顆粒的均勻混合物。然后將所述粘合劑加入上述含水混合物并進(jìn)一步混合以獲得混合物?；旌蟽?yōu)選進(jìn)行至少5分鐘，更優(yōu)選為5-10分鐘。任選地短時間振動該混合物，例如3-10分鐘，以在模制前壓實所述混合物。優(yōu)選地在具有30-100HZ的頻率的振動器中實施振動壓實。該處理步驟優(yōu)選實施至少1分鐘的時間，更優(yōu)選地實施3-10分鐘。然后將物料(無論是否通過振動壓實)放入具有預(yù)先選擇的尺寸和形狀的模具中并采用不超過20kg/cm2，優(yōu)選地為3-15 kg/cm2和最優(yōu)選為4_10 kg/cm2的壓力壓制。優(yōu)選地使用液壓機或氣壓機，更優(yōu)選地使用液壓機施加所述壓力。優(yōu)選地，所述模具由鋁、鑄鐵、鋼或任何能夠經(jīng)受超過400°C的溫度的材料制造。將所述模具加熱到150-350°C，優(yōu)選地為200-300°C。 保持加熱所述模具超過60分鐘，優(yōu)選為90-300分鐘。優(yōu)選地，在非對流、強制空氣或強制惰性氣體對流烘箱中加熱所述模具。然后將所說模具冷卻并從所述模具釋放模制的過濾器。
優(yōu)選地，將脫模劑涂覆在所述模具的內(nèi)表面上。所述脫模劑優(yōu)選選自硅油、鋁箔， 或所述模具可以涂覆有適合的材料如Teflon或在過濾器介質(zhì)上具有很少的吸附或無吸附的任何其它可商購獲得的脫模劑。
在下文中參考以下非限定性實施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明的進(jìn)一步細(xì)節(jié)、其目的和優(yōu)點。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯而易見許多此類實施例是可能的并且以下給出的實施例僅僅是出于說明的目的。這些不應(yīng)該被解釋為以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
實施例 ^MM 1
使用由Active Carbon (India)供應(yīng)的30kg活性碳顆粒(顆粒尺寸為500 μ -1400 μ ) 制備了根據(jù)本發(fā)明的銀浸漬的活性碳塊過濾器。將所述活性碳顆粒與20升0. 3wt%的硝酸銀水溶液接觸。然后將氫氧化銨加入該溶液從而在所述溶液中其濃度為0. lwt%。氫氧化銨的濃度與硝酸銀的濃度的比值為1:3。在環(huán)境溫度將該水溶液轉(zhuǎn)移到螺帶式混合機并以 40RPM (轉(zhuǎn)/分鐘)混合和加入活性碳顆粒。將所述活性碳顆粒和上述水溶液混合約5分鐘以獲得含水混合物。在混合下向該含水混合物加入4. 9kg來自Asahi Corporation(Japan) 的MFR為 O克/10分鐘，并具有0. 45g/cm3的堆積密度的超高分子量聚乙烯，以形成混合物。將上述成分再混合5分鐘。然后將所述混合物移出并將約600g的該混合物加入到模具中。使用液壓機在所述模具中將所述混合物壓實到^g/cm2的壓力，并在250°C在熱空氣烘箱中固化約150分鐘。將含有碳塊的熱模具冷卻至少30分鐘，然后脫模。理論銀含量為 0. lwt%。
以類似的方式，制造了由可商購獲得的、具有與實施例-1中相同性能的銀浸漬的活性碳顆粒(即預(yù)浸漬的活性碳顆粒)(購自Active Carbon(India))制造的具有0. lwt% 銀的對比碳塊過濾器。在該對比過濾器塊中，所得到的活性碳顆粒已經(jīng)使用銀金屬浸漬，并且然后如上所述使用超高分子量聚乙烯粘合劑，加壓和加熱將所述顆粒制成塊。所述粘合劑的量以及工藝參數(shù)保持與上述相同。可從活性碳顆粒供應(yīng)商獲得的商業(yè)的銀浸漬的活性碳顆粒通常通過將所述顆粒在可溶銀鹽的水溶液中浸漬，并隨后在110-120°C的烘箱中干燥很長的一段時間(典型地為15-16小時)來制造。
實施例-2:實施例-1中制造的碳塊過濾器v/s對比銀浸漬的碳塊過濾器的銀含量的分析實施例-1中制造的碳塊過濾器的銀含量通過眾所周知的過程進(jìn)行評估，根據(jù) EPA(Environmental Protection Agency of USA)ref no 200. 9, ^1 ^! it0111 ft 著通過原子吸收光譜法(AAS)測量。實施例-1的所述碳塊中理論銀含量為0. lwt%。將其與實施例-1中制造的對比銀浸漬的碳塊過濾器的平均銀含量進(jìn)行對比。每種情況的三個碳塊過濾器的平均銀含量值(其是對各個塊的三次平行分析的平均值)在下表1中給出。
表 1
權(quán)利要求
1.用于制造金屬浸漬的碳塊過濾器的方法，其包括以下步驟(i)將活性碳顆粒與銀、鋅或銅的鹽的水溶液在氫氧化銨的存在下接觸以形成含水混合物；(ii)將所述含水混合物與具有小于5克/10分鐘的熔體流動速率的粘合劑混合以形成混合物；(iii)將所述混合物加入到模具中；(iv)加熱所述模具到150-350°C的溫度；和，(ν)使所述碳塊過濾器脫模。
2.權(quán)利要求1中所述的方法，其中所述鹽是硝酸銀、硝酸鋅或硝酸銅。
3.權(quán)利要求2中所述的方法，其中硝酸銀在所述水溶液中的濃度為0.01-10wt%o
4.上述權(quán)利要求1-3任意一項中所述的方法，其中氫氧化銨在所述水溶液中的濃度為 0.l-10wt%o
5.上述權(quán)利要求任意一項中所述的方法，其中所述氫氧化銨的濃度與所述銀、鋅或銅的鹽的濃度之比為1:2-1:10。
6.上述權(quán)利要求任意一項中所述的方法，其中所述活性碳顆粒與所述鹽的所述水溶液之比為1:0. 4-1:2。
7.上述權(quán)利要求任意一項中所述的方法，其中所述混合物通過施加3kg/cm2-20kg/cm2 的壓力而被壓制。
8.金屬浸漬的碳塊過濾器，其包含(i)具有至少500m2/g的表面積的碳；( )具有小于5克/10分鐘的熔體流動速率(MFR)的粘合劑；(iii)選自銀、銅或鋅的鹽或它們的組合的金屬。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備金屬浸漬的粘合的碳塊過濾器的方法。特別地，本發(fā)明涉及制備使用金屬(選自銀、銅或鋅)浸漬的模制碳塊過濾器的方法，具有相對低水平的塊間金屬含量變化，偏離理論金屬含量相對較低，并且其中在使用過程中金屬從所述塊的浸出率較低。
文檔編號B01D39/20GK102186552SQ200980141018
公開日2011年9月14日 申請日期2009年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者P·R·達(dá)夫, D·穆克赫杰, M·斯里瓦斯塔瓦 申請人:荷蘭聯(lián)合利華有限公司