相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2014年9月18日提交的名稱為“廢水再生裝置”的美國臨時專利申請序列no.62/052,295的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，出于所有目的，其全部內(nèi)容通過引用在此并入本文。

一個或更多個方面總體上涉及廢水再生，包括過濾和再循環(huán)裝置、系統(tǒng)和方法。更具體地，一個或更多個方面涉及使用過濾方法以從廢水流的水和表面活性劑組分中分離疏水性廢物組分。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一些方面總體上涉及其中過濾裝置將疏水性廢物組分從廢物流中分離的多種水處理系統(tǒng)和方法。在至少一些方面中，然后可再利用水和另一些組分(如表面活性劑)。

根據(jù)一個或更多個方面，提供了廢水處理系統(tǒng)。廢水處理系統(tǒng)可以包括過濾單元和過濾介質(zhì)。過濾單元可包括殼體，所述殼體具有與使用點的出口流體連通并被配置為接收待處理的來自使用點的廢水流的入口、以及與使用點的入口流體連通并被配置為輸送濾液至使用點的出口。過濾介質(zhì)可位于殼體中。過濾介質(zhì)可包括親油性發(fā)泡材料基材和所述親油性發(fā)泡材料基材上的疏水性涂層。可將過濾介質(zhì)構(gòu)造成從廢水流中分離疏水性組分以產(chǎn)生包含水和表面活性劑的濾液。

根據(jù)一個或更多個方面，使用點可以是洗衣機、洗碗機、洗車機或采油操作中之一。使用點可以是以下之一：石油化工廠、軍用廢水處理廠、城市用水處理廠、飲用水凈化系統(tǒng)、航空航天水處理系統(tǒng)和旅店廢水再循環(huán)系統(tǒng)。表面活性劑可以包括清潔劑。該系統(tǒng)還可以包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括被配置為測量系統(tǒng)參數(shù)的至少一個傳感器；和與至少一個傳感器連通并被配置為產(chǎn)生輸出信號以控制所述過濾單元的操作來響應(yīng)從所述至少一個傳感器接收的輸入信號的控制器。過濾單元還可包括位于殼體中的過濾介質(zhì)上游的固體過濾器，和位于殼體中的過濾介質(zhì)下游的離子交換過濾器。該系統(tǒng)還可以包括待與濾液混合的補充水源。

根據(jù)一個或更多個方面，提供了廢水過濾介質(zhì)。廢水過濾介質(zhì)可包括包含親油性聚合物的發(fā)泡材料基材；和所述發(fā)泡材料基材上的疏水性涂層。

根據(jù)一個或更多個方面，所述發(fā)泡材料基材的平均孔徑可為400μm至1000μm。所述發(fā)泡材料基材的平均孔徑可為600μm至700μm。所述親油性聚合物可選自：聚氯乙烯(pvc)、聚乙烯(pe)、聚氨酯(pu)、聚苯乙烯(ps)、聚乳酸(pla)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、聚碳酸酯(pc)、基于鹵素的聚合物、基于氟的聚合物、基于氯的聚合物、聚硅氧烷、尼龍、丙烯酸類、纖維素及其復(fù)合物。所述親油性聚合物可以是pu。所述發(fā)泡材料基材的油接觸角可以是0°至90°。所述發(fā)泡材料基材的油接觸角可以是0°至10°。所述發(fā)泡材料基材的臨界表面張力可以是20mn/m至70mn/m。所述發(fā)泡材料基材的臨界表面張力可以是20mn/m至40mn/m。所述疏水性涂層的水接觸角可以是90°至180°。所述疏水性涂層可選自：基于氟的聚合物、基于氯的聚合物、聚乙二醇(peg)、兩性離子聚合物、糖、蛋白質(zhì)脂質(zhì)、石墨烯、和碳納米管。所述疏水性涂層可包含聚四氟乙烯(ptfe)。所述疏水性涂層可包含平均直徑為1μm至5μm的經(jīng)沉積的顆粒。

根據(jù)一個或更多個方面，提供了一種分離包含水、表面活性劑和疏水性材料的廢物流的方法。該方法可包括將大部分疏水性材料吸收到基于親油性聚合物的發(fā)泡材料過濾器中；以及阻止大部分水和表面活性劑被吸收到發(fā)泡材料過濾器上以產(chǎn)生包含水和表面活性劑的濾液流。

根據(jù)一個或更多個方面，廢物流可以包含來自洗衣、洗餐具、洗車或石油化工操作的灰水。

根據(jù)一個或更多個方面，提供了一種過濾并再循環(huán)廢物流的方法。該方法可包括使來自使用點的包含水、表面活性劑和疏水性材料的廢物流通過包括基于親油性聚合物的發(fā)泡材料基材和疏水性涂層的過濾介質(zhì)，以產(chǎn)生包含水、表面活性劑和減少的疏水性材料部分的濾液；以及使用于再次使用的所述濾液再循環(huán)至使用點。

根據(jù)一個或更多個方面，所述方法還包括在使用點處再次使用之前使所述濾液與補充水源混合以產(chǎn)生混合物。所述混合物包含10體積％或更少的補充水。使廢物流通過過濾介質(zhì)可包括將廢物流泵送通過過濾介質(zhì)?？墒箚闻鸀V液反復(fù)再循環(huán)至使用點7至8個月的時間段。

根據(jù)一個或更多個方面，提供了一種使具有基于親油性聚合物的發(fā)泡材料基材和疏水性涂層的飽和過濾介質(zhì)再生的方法，所述方法可包括壓縮所述飽和過濾介質(zhì)以移除所吸收的疏水性材料并產(chǎn)生再生的過濾介質(zhì)。

根據(jù)一個或更多個方面，所述方法還可包括捕集并處理經(jīng)移除的疏水性材料。所述方法還包括在壓縮所述飽和過濾介質(zhì)5至10次循環(huán)之后更換過濾介質(zhì)。

根據(jù)一個或更多個方面，提供了一種制造過濾介質(zhì)的方法。所述方法可包括將親油性發(fā)泡材料基材浸于包含有機溶劑的溶液中以產(chǎn)生溶脹的發(fā)泡材料；用疏水性微粒涂覆溶脹的發(fā)泡材料以產(chǎn)生經(jīng)涂覆的發(fā)泡材料；以及加熱所述經(jīng)涂覆的發(fā)泡材料以產(chǎn)生過濾介質(zhì)。

根據(jù)一個或更多個方面，所述有機溶劑可包括二氯甲烷或甲苯。所述親油性發(fā)泡材料基材可包含pu。所述疏水性微?？砂琾tfe。所述疏水性微粒的平均粒徑可為1μm至5μm。加熱可在80℃至150℃的溫度下進(jìn)行。

下面詳細(xì)討論這些示例性方面和實施方案的另一些方面、實施方案和優(yōu)點。此外，應(yīng)理解，前述信息和以下詳細(xì)描述僅僅是多個方面和實施方案的說明性實例，并且旨在提供用于理解所要求保護(hù)的方面和實施方案的性質(zhì)和特性的概述或框架。因此，通過參考以下描述和附圖，本文公開的本發(fā)明的這些和另一些目的以及優(yōu)點和特征將變得顯而易見。此外，應(yīng)理解，本文所述的多個實施方案的特征不是相互排斥的，并且可以以多種組合和排列存在。

附圖說明

在圖中，相同的附圖標(biāo)記在所有不同視圖中通常指代相同的部分。此外，附圖不必按比例繪制，而是將重點通常放在說明本發(fā)明的原理上，并且不旨在作為本發(fā)明的范圍的限定。為了清楚起見，不是每個組件都在每幅圖中標(biāo)注。在下面的描述中，將參考以下附圖描述本發(fā)明的多個實施方案，在附圖中：

圖1是常規(guī)廢水產(chǎn)生系統(tǒng)的示意圖；

圖2是通過根據(jù)本發(fā)明的一個或更多個實施方案的方法和系統(tǒng)產(chǎn)生的潛在的用水減少的圖示；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個或更多個實施方案的用于分離和再循環(huán)廢水的系統(tǒng)的示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個或更多個實施方案的用于分離和再循環(huán)廢水并且利用經(jīng)分離的油的系統(tǒng)的示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個或更多個實施方案的分離機理的示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個或更多個實施方案的過濾介質(zhì)的特性的示意圖；

圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或更多個實施方案的在選擇過濾介質(zhì)期間所考慮的參數(shù)的圖；

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明一個或更多個實施方案的經(jīng)涂覆和未經(jīng)涂覆的過濾介質(zhì)的掃描電子顯微鏡(sem)圖像；

圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或更多個實施方案的涂層粗糙度與疏水性之間的關(guān)系的圖；

圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個或更多個實施方案的用于涂覆過濾介質(zhì)的方法的示意圖；

圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個或更多個實施方案的過濾單元的示意圖；以及

圖12是示出了如在所附實施例中討論的根據(jù)本發(fā)明的一個或更多個實施方案的過濾器在多個再生循環(huán)期間的油萃取速率的圖。

具體實施方式

水資源短缺已經(jīng)成為影響數(shù)十億人的挑戰(zhàn)?？梢酝ㄟ^促進(jìn)廢水的再生來提高水的使用效率。例如，在占家庭耗水量的20％以上的洗衣和洗碗應(yīng)用中，典型的清潔過程使用大量的水和清潔劑以除去一定量的疏水性廢物(油脂或污點)，所述疏水性廢物構(gòu)成所得廢水流的不到1％。圖1示出了這種現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)100的實例。包含污垢和油的經(jīng)污染物品110與水和清潔劑的溶液120在使用點130(例如洗碗機或洗衣機)處混合。產(chǎn)生了所得的廢水流140，也稱為灰水140。

根據(jù)一個或更多個實施方案，所公開的系統(tǒng)、方法和裝置可以將室內(nèi)家庭用水總消耗降低至少20％，并且顯著地減少家用清潔劑向環(huán)境中的釋放。如圖2所示，多個實施方案可以顯著減少進(jìn)行重復(fù)的水密集型清潔作業(yè)(例如洗衣和洗碗)所需要輸入的水和清潔劑的量。水、表面活性劑和/或熱量均可再利用以提高效率。有利地，與諸如與應(yīng)用熱和/或壓力相關(guān)的常規(guī)方法相比，所公開的系統(tǒng)和方法一般與更低的能量需求有關(guān)。在至少一些實施方案中，所公開的裝置、系統(tǒng)和方法可以與高達(dá)或超過約95％的水和/或表面活性劑的節(jié)約相關(guān)。所公開的裝置、系統(tǒng)和方法易于安裝和縮放以滿足多種負(fù)載需求。本文所述的實施方案是環(huán)境友好的。在具體涉及洗衣的實施方案中，所得的洗好的衣服在外觀、手感和質(zhì)地方面的質(zhì)量與相關(guān)于常規(guī)技術(shù)的質(zhì)量相同，沒有可辨差別。

根據(jù)一個或更多個實施方案，提供了一種過濾裝置，其從廢水流中選擇性地移除疏水性化合物，并允許所述流中的水和任何表面活性劑(如清潔劑)再循環(huán)以再利用。例如，可以從洗衣機廢水中選擇性地移除油性廢物材料，然后可以使包含清潔劑的過程用水再循環(huán)以進(jìn)一步使用。在一些實施方案中，可以使用相分離過濾器。過濾介質(zhì)的特征一般可為拒水并吸油。過濾裝置可以包括可用于使灰水(或其他過程用水)再生的再生油選擇性聚合物過濾介質(zhì)。在至少一些實施方案中，過濾介質(zhì)可以是經(jīng)涂覆的發(fā)泡材料。

根據(jù)一個或更多個實施方案，所公開的使水再循環(huán)的裝置、系統(tǒng)和方法可以實現(xiàn)為用于多種水處理系統(tǒng)和過程中廢水處理的平臺技術(shù)，包括但不限于：水力壓裂操作如與石油化學(xué)工業(yè)相關(guān)的那些、軍用廢水處理廠、城市用水處理廠、飲用水凈化系統(tǒng)、航空航天水處理系統(tǒng)、旅店廢水再循環(huán)系統(tǒng)如與洗碗和洗衣有關(guān)的那些、與包括洗碗和洗衣有關(guān)的家庭用水再循環(huán)系統(tǒng)、外包洗衣服務(wù)、商業(yè)自助洗衣店和洗車店。

可以將公開的過濾介質(zhì)并入到還包括另外的過濾器(例如固體和鹽過濾器)的過濾單元或系統(tǒng)中。例如，可以在所公開的過濾過程之前進(jìn)行預(yù)處理，如線屑捕集。同樣，可以在所公開的過濾過程之后進(jìn)行后處理，如離子交換操作。在多個實施方案中，預(yù)處理和/或后處理單元操作可以包括在具有過濾介質(zhì)的殼體中或者與其流體連通。過濾單元能夠?qū)崿F(xiàn)或近乎實現(xiàn)廢水的再生。在洗衣和洗碗的情況下，利用所公開的技術(shù)，估計單批水和清潔劑可用于重復(fù)的清潔操作長達(dá)約7或8個月。在該特定實施例中，所公開的過濾單元可以每人每月節(jié)省超過20％的室內(nèi)水消耗和超過1kg的清潔劑。所公開的過濾單元的優(yōu)點包括但不限于，高度的油選擇性、可再生、廉價、可縮放和易于實施。其廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域中的廢水再生和水凈化：包括但不限于軍用、商業(yè)洗衣、旅店和餐館、航空航天、食品加工、洗車石油化工和城市水處理。

圖3示出了根據(jù)一個或更多個實施方案的用于灰水再生的系統(tǒng)300的示意圖。在使用點330處用水和清潔劑或其他表面活性劑源320清潔或處理含有疏水性廢物310的經(jīng)污染物品。從使用點330產(chǎn)生灰水(或廢水)340，所述使用點330可包括家庭和工業(yè)過程，包括但不限于洗衣、洗碗、洗車、采礦、食品加工、工業(yè)清潔、石油化工加工和城市廢水處理。廢水340包含多種疏水性化合物(例如人體廢物、烹飪油、汽油、油脂和發(fā)動機油)、親水性化學(xué)品(例如鹽、糖、醇)、表面活性劑(例如清潔劑或其他應(yīng)用具體表面活性劑)、和固體(例如污垢、顆粒懸浮體和線屑)。存在于廢水中的表面活性劑的類型取決于特定應(yīng)用。潛在的陰離子表面活性劑包括但不限于：十二烷基硫酸鈉(sds)、二辛基磺基琥珀酸鈉、全氟辛烷磺酸鹽和全氟辛酸鹽。陽離子表面活性劑包括但不限于：奧替尼啶二鹽酸鹽、十六烷基氯化吡啶二甲基雙十八烷基氯化銨。兩性離子表面活性劑包括但不限于：椰油酰胺基丙基羥基磺基甜菜堿、椰油酰胺基丙基甜菜堿和磷脂酰膽堿。非離子表面活性劑包括但不限于：八乙二醇單十二烷基醚、癸基葡糖苷和月桂酸甘油酯。

基于發(fā)泡材料的過濾器350將疏水性化合物從過程廢水中移除，同時允許再循環(huán)為流320的剩余水和表面活性劑的進(jìn)一步使用。過濾介質(zhì)可以基于待處理的多種廢水流的組成進(jìn)行具體地調(diào)整。

所公開的過濾介質(zhì)使得能夠在半閉環(huán)過程中再循環(huán)并再利用廢水。使主要包含水、清潔劑(或一些其他表面活性劑)和疏水性廢物的廢水通過選擇性過濾器，所述選擇性過濾器截留疏水性廢物并釋放清潔劑和親水性化合物作為濾液。然后可以將濾液再循環(huán)以用于使用表面活性劑和水的混合物的后續(xù)的多輪過程。這樣的過程包括但不限于洗衣、洗車、食品加工和石油化工過程。當(dāng)將濾得的含水混合物再循環(huán)至另一輪使用(例如清潔或洗衣)時，為了過濾器的使用壽命，可添加水和/或清潔劑和/或其他化學(xué)品如漂白劑以補充在再循環(huán)過程期間這樣的化合物的任何部分的損耗或以其他方式替代這樣的合物的任何部分。在洗衣應(yīng)用中，例如，補充水的量可以通過在漂洗循環(huán)中使用的水的量來確定。新鮮的漂洗水可用作補充水，以限制小分子在循環(huán)水中積累。因此，在一些實施方案中，可以對清洗流(即從儲存罐排出的水)進(jìn)行設(shè)置以與添加的漂洗水的量相關(guān)聯(lián)或相匹配。因此，可以將一些水從半閉環(huán)過程中排出并用新鮮的補充水(例如在漂洗循環(huán)中所使用的)替換。同樣，可以在再循環(huán)期間補充清潔劑和/或其他化學(xué)品?？梢员O(jiān)測這些化合物的量以促進(jìn)該過程。在一些實施方案中，添加物占再循環(huán)流中這些組分總量的10％或更少。在一些實施方案中，添加物占再循環(huán)流中這些組分總量的5％或更少。在通過補充一種或更多種組分進(jìn)行補充的實施方案中，該過程可以被描述為半閉環(huán)過程。

圖4示出了根據(jù)一個或更多個實施方案的系統(tǒng)400的示意圖，其中收集所捕集的疏水性廢物360并在分離之后在進(jìn)行或者不進(jìn)行進(jìn)一步的化學(xué)處理370的情況下將其用作生物燃料或其他能源380，并且所述系統(tǒng)400中還提供了補充水源390。根據(jù)一些實施方案，在飽和之后立即將發(fā)泡材料介質(zhì)350從殼體中取出。然后可從所述介質(zhì)中提取疏水性廢物或截留物。例如，可在壓力系統(tǒng)360中壓縮所述介質(zhì)以釋放廢油用于進(jìn)一步處理。將再生的介質(zhì)裝回到過濾單元殼體中用于以后的過濾過程。在另一些實施方案中，過濾介質(zhì)可在過濾器單元中的某一位置再生。

如圖5所示，在過濾過程500期間，疏水性廢物被捕集并暫時存儲在過濾介質(zhì)中。在洗衣的實例中，在清潔步驟510期間通過添加清潔劑并形成由水溶液中的清潔劑半穩(wěn)定的膠束或油滴將油和油脂從衣物中除去。當(dāng)清潔劑和廢物移動到過濾介質(zhì)中時，油和油脂在分離步驟520期間從水相中分離，并在吸收步驟530期間被吸收到過濾介質(zhì)上。廢物與過濾介質(zhì)的極性是一致的，使得與水相相比，疏水性廢物對過濾介質(zhì)具有更大的親和力。因此，介質(zhì)捕集并暫時存儲廢物。同時，使水和清潔劑(其通常分類為兩親性的，其中部分結(jié)構(gòu)親水并且部分為疏水)以及另一些親水性化合物通過過濾器以形成濾液。

疏水性和親油性二者均是過濾介質(zhì)的期望特性。在一些實施方案中，過濾介質(zhì)可以是發(fā)泡材料或其他結(jié)構(gòu)。在至少一些實施方案中，過濾介質(zhì)可以由聚合物制成。然而，高度疏水性的聚合物通常也是疏油性的。根據(jù)一個或更多個實施方案，可以通過使用涂覆有疏水性(拒水)顆粒層的親油性基體發(fā)泡材料來結(jié)合這兩種特性以克服這種障礙。

根據(jù)一個或更多個實施方案，如圖6所示，過濾介質(zhì)600包括覆蓋有涂層620的發(fā)泡材料基材610。發(fā)泡材料基材610或基體可以由一種或更多種類型的親油性聚合物形成。涂層620可以由一種或更多種親水性化合物形成。如圖6所示，涂層620阻止水640(顯示為與表面具有高接觸角)，而發(fā)泡材料基材吸收疏水性廢物630(顯示為具有低接觸角)。

根據(jù)一個或更多個實施方案，過濾介質(zhì)的主要特性是疏水性、親油性和孔徑。疏水性可以通過發(fā)泡材料材料的水接觸角測量。90°至180°的水接觸角被認(rèn)為是疏水性的，其為根據(jù)一個或更多個優(yōu)選實施方案的接觸角。根據(jù)一些實施方案，70°至90°的接觸角也是可接受的。親油性可以通過基體發(fā)泡材料材料的油接觸角來測定。根據(jù)一個或更多個實施方案，接觸角為0°至90°。根據(jù)優(yōu)選實施方案，接觸角小于10°并且接近0°。

親油性也可以通過聚合物材料的臨界表面張力來測定。只有當(dāng)臨界表面張力高于液體的表面張力時，液體才會潤濕表面。在該設(shè)計中，期望過濾介質(zhì)的臨界表面張力高于油且低于水，使得其將吸收油相并且不太有利于親水性材料。聚合物的臨界表面張力超過油的臨界表面張力(其為約20mn/m)以實現(xiàn)親油性。根據(jù)一些實施方案，過濾材料的臨界表面張力為20mn/m至70mn/m，優(yōu)選20mn/m至40mn/m。圖7中提供了不同材料的臨界表面張力的實例。

除了對基材聚合物的親油特性進(jìn)行選擇之外，還至少部分地基于其油容量(即每克處于平衡狀態(tài)的聚合物可以捕集的油量)來進(jìn)行選擇。影響油容量的參數(shù)包括聚合物的表面能和發(fā)泡材料介質(zhì)的孔隙率。表面能的定義遵循以下等式：w＝γa，其中w是界面能或表面能，γ是兩個基材之間的表面張力，并且a是表面積。γ和臨界表面張力(γs)之間的關(guān)系如下：γ＝(γl^1/2-γs^1/2)，其中γl是液體表面張力。系統(tǒng)中最有利的狀態(tài)是其中界面能已經(jīng)被最小化的狀態(tài)。因此，過濾器的基體材料應(yīng)具有有利的特性，如對水的擴展參數(shù)低于對廢物的擴展參數(shù)，使得廢物組分優(yōu)選滲透并保留在過濾介質(zhì)內(nèi)部，從而使其與水的相互作用或界面能最小化。

根據(jù)以下等式擴展參數(shù)與表面張力有關(guān)，因此與界面能有關(guān)：s＝γs-(γl+γ)，其中s是擴展參數(shù)，γs是臨界表面張力，γl是液體表面張力，并且γ是液體和固體之間的表面張力。根據(jù)某些實施方案，過濾介質(zhì)與油之間的s具有正值，而過濾介質(zhì)與水之間的s具有負(fù)值。

為了高油萃取容量，對發(fā)泡材料的孔徑進(jìn)行優(yōu)化?？讖娇梢酝ㄟ^例如sem圖像的分析來測定。高的保留油的容量是所公開的發(fā)泡材料材料過濾介質(zhì)的另一個有益特征。除了過濾材料的熱力學(xué)特性之外，過濾器的孔徑也是重要的。大于600μm的孔徑已表現(xiàn)出高的油容量。根據(jù)一個或更多個實施方案，平均孔徑為400μm至1000μm。根據(jù)一個或更多個優(yōu)選實施方案，平均孔徑為600μm至700μm。

在一些優(yōu)選實施方案中，用于發(fā)泡材料基材的材料包括但不限于：聚氯乙烯(pvc)、聚乙烯(pe)、聚氨酯(pu)、聚苯乙烯(ps)、聚乳酸(pla)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、聚碳酸酯(pc)、基于氟/氯的聚合物、聚硅氧烷、尼龍、丙烯酸類、纖維素、以及這些材料的復(fù)合物。所述材料可以是聚合物或非聚合物。發(fā)泡材料基材可以包括一個或更多個單獨的發(fā)泡材料塊?；蛘撸l(fā)泡材料基材可包括多個填充的發(fā)泡材料塊。根據(jù)一個或更多個實施方案，所述發(fā)泡材料基材包括以商品名為frost從thermwellproductco.，inc商購的聚氨酯發(fā)泡材料。

根據(jù)一個或更多個實施方案，通過在高溫下擠出與發(fā)泡劑混合的聚合物材料來形成過濾介質(zhì)。在壓力和溫度降低時，形成發(fā)泡材料。

通過在發(fā)泡材料基材上施加涂層來進(jìn)行的發(fā)泡材料的另外表面改性改善了過濾介質(zhì)的選擇性。特別地，施加拒水涂層以提高移除疏水性廢物的效率。當(dāng)處理含表面活性劑的廢水時，涂層提供了提高廢物移除效率的選擇屏障(拒水并吸油)。

涂層可包括顆粒涂層。涂層材料選自具有高水接觸角的材料，水接觸角用作疏水性的量度。涂層可以使用包括但不限于基于氟/氯的聚合物、聚乙二醇(peg)、兩性離子聚合物、糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的化學(xué)品形成。無機化合物如石墨烯或碳納米管已顯示出也起作用。

涂層的物理特性，例如涂層的粗糙度，也有助于其阻止水和表面活性劑的功效。涂層的粒度決定了微觀表面的粗糙度，其影響對水相的阻止。經(jīng)涂覆的發(fā)泡材料纖維的粗糙度提高了過濾介質(zhì)的疏水特性。如通過圖9的sem圖像所示，與沒有涂層的基體聚合物相比，涂層的引入增加了發(fā)泡材料表面的粗糙度。期望的粗糙度可以通過控制沉積以形成涂層的顆粒的大小來實現(xiàn)。根據(jù)一個或更多個實施方案，經(jīng)沉積的涂層顆粒的直徑為1μm至5μm，更優(yōu)選為更小的直徑。如圖9的圖所示，以及如通過包括wenzel模型和cassie-baxter模型的多種模型所證明，增加的表面粗糙度增強了疏水性。例如，wenzel模型通過以下方程式(1)描述了粗糙度如何增加水接觸角：

cosθ^＊＝rcosθ

其中θ^＊是觀察到的接觸角，r是粗糙度比(實際面積與表觀面積之比)，并且θ是楊氏接觸角。方程式(1)證明了粗糙度和接觸角之間的關(guān)系，表明隨著粗糙度增加，觀察到的接觸角也增大，所述接觸角是疏水性的量度。

根據(jù)一個或更多個實施方案，提供了一種用于涂覆發(fā)泡材料的方法1000，如圖10所示。根據(jù)一個或更多個實施方案，涂覆方法中的步驟1010可以包括將基體發(fā)泡材料浸入與所述發(fā)泡材料材料的相互作用參數(shù)低(親和力高)的有機溶劑如二氯甲烷或甲苯中。在步驟1020期間，浸入時發(fā)泡材料溶脹，這致使發(fā)泡材料的孔徑和發(fā)泡材料纖維的張力增加。在步驟1030期間，將由氟化聚合物組成的直徑高達(dá)5μm的顆粒分散并擦涂到經(jīng)潤濕的發(fā)泡材料上。分散和擦涂進(jìn)行到所有側(cè)面都均勻地涂覆有顆粒為止。然后在步驟1040期間，將發(fā)泡材料在80℃至150℃下熱處理以蒸發(fā)有機溶劑。在步驟1050期間，加熱使發(fā)泡材料收縮至其原始尺寸，從而產(chǎn)生經(jīng)涂覆的發(fā)泡材料。

根據(jù)一個或更多個實施方案，如圖11所示，提供了包括過濾介質(zhì)1120的過濾單元1100。單元1100包括殼體1150，所述殼體1150包括將流入物引導(dǎo)至過濾介質(zhì)1120的入口1170。單元1100包括另外任選的過濾器。這些過濾器包括位于過濾介質(zhì)1120上游的線屑過濾器1110或其他固體移除過濾器，以及位于過濾介質(zhì)1120下游的離子交換過濾器1130以從水流中除去殘留的離子物質(zhì)(如鹽)用于軟化。這些過濾器可以串聯(lián)設(shè)置以除去線屑、疏水性化合物和親水性化合物。單元1100內(nèi)(或者替代地位于單元1100外部)的泵1160控制通過單元1100的液體的流量。對于0.1l至0.5l的實驗室規(guī)模系統(tǒng)來說，流量為約5ml/分鐘至10ml/分鐘。廢水在過濾器內(nèi)的停留時間為約10分鐘。能量消耗主要來自流體傳輸(泵送)。消耗通常與系統(tǒng)的大小成比例。每傳輸一千克水，估計消耗5焦耳至10焦耳。

儲水罐1190和廢物收集罐1195也與過濾單元1100相關(guān)聯(lián)。水出口1190與過濾器入口1170流體連接。離子交換過濾器1130購自現(xiàn)有的商業(yè)供應(yīng)商，例如具有陽離子r^-so3^-h⁺和陰離子r4n⁺oh^-官能結(jié)構(gòu)的去離子樹脂。線屑捕集器1110也是商業(yè)上購買的。

過濾單元的出口連接到使用點如洗衣機的入口，以允許水和清潔劑被再次使用?；诒O(jiān)測和控制系統(tǒng)1140，過濾器將間或再生。系統(tǒng)1140測量諸如濁度、電導(dǎo)率等的參數(shù)。監(jiān)測和控制系統(tǒng)1140可用于使任意或全部過濾步驟自動化，所述過濾步驟包括但不限于：來自洗衣機的進(jìn)水量、通過過濾器的流量、清潔并存儲于存儲罐中的水量、泵送回洗衣機用于新洗衣循環(huán)的水量、排出和更換的水量等。過濾器再生也可以是自動化的?？刂葡到y(tǒng)可以包括被配置為測量系統(tǒng)參數(shù)(如上述參數(shù))的一個或更多個傳感器，以及與傳感器連通并被配置為產(chǎn)生輸出信號以控制過濾單元的操作(如上述操作)來響應(yīng)從傳感器接收的輸入信號的控制器。

在達(dá)到容量之后，過濾器可以再生并恢復(fù)使用。根據(jù)一個或更多個實施方案，再生包括用于廢物提取的物理壓縮步驟。物理壓縮對發(fā)泡材料施加較大的力，使得發(fā)泡材料暫時變形并且體積收縮。物理壓縮可以通過使用壓機來完成。在較小的應(yīng)用中，例如家庭應(yīng)用，壓機可以是例如注射器式壓機。在較大的應(yīng)用中，可以使用工業(yè)規(guī)模的壓機。由于發(fā)泡材料的主要過濾機理是吸收，所以通過物理壓縮發(fā)泡材料，松散結(jié)合的疏水性廢物化合物將由于施加壓力產(chǎn)生的變形而從發(fā)泡材料中釋放。然后過濾器可以恢復(fù)使用。過濾器的使用壽命為5至10個壓縮/再生循環(huán)。用于再生過濾介質(zhì)的其他技術(shù)包括液體提取、加壓空氣和抽吸真空。

根據(jù)一個或更多個實施方案，從過濾器移除的所得疏水性廢物可以進(jìn)一步加工成有用產(chǎn)物，如生物柴油或乙醇。所述加工可以原位進(jìn)行，或者可以將濃縮的廢物產(chǎn)物和/或用過的過濾介質(zhì)運送到別處以根據(jù)服務(wù)合同進(jìn)行處理?；蛘?，廢物可以用粘土或類似材料捕集并作為固體廢物處理。

根據(jù)一個或更多個實施方案，為了效率，可以改進(jìn)現(xiàn)有的使用點以并入如本文所述的廢水過濾和再循環(huán)技術(shù)?？梢蕴峁┻^濾單元。與使用點相關(guān)聯(lián)的廢物出口可以與過濾單元的入口流體連接。過濾單元的出口可以與使用點的入口流體連接?；蛘?，如可以由原始設(shè)備制造商實施的，可以將使用點系統(tǒng)設(shè)計成并入如本文所討論的過濾和再循環(huán)方法。

從以下實施例將更充分地理解這些和另一些實施方案的功能和優(yōu)點。所述實施例本質(zhì)上是說明性的，并且不認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。

實施例

實施例1

在具有包含聚氨酯(pu)的發(fā)泡材料基材和包含聚四氟乙烯(ptfe)的顆粒涂層(平均粒度約1μm)的過濾介質(zhì)上進(jìn)行測試。

涂覆的方法遵循類似于參考圖10所述的步驟的步驟。使用二氯甲烷作為溶劑。將經(jīng)涂覆的發(fā)泡材料在100℃下加熱以除去有機溶劑。

用1體積％的植物油和1m的十二烷基硫酸鈉(sds)制備1l合成洗衣廢水。將油相染成藍(lán)色用于目視檢查。將廢水用磁力攪拌棒以300rpm的速率攪拌，產(chǎn)生均勻的乳液。然后通過蠕動泵將廢水泵送至過濾介質(zhì)。將過濾器安放在裝有四個過濾器發(fā)泡材料的玻璃圓筒(直徑約2cm，長度為8cm)中。發(fā)泡材料完全填滿了圓筒空間。在過濾器的出口收集濾液，并且通過電導(dǎo)率計測量電導(dǎo)率并通過ir光譜儀測量油含量。當(dāng)過濾器發(fā)泡材料達(dá)到飽和時，即當(dāng)濾液的顏色變?yōu)樗{(lán)色時，將這些發(fā)泡材料從過濾器中取出并在注射器中壓縮以再生。

測試結(jié)果示于圖12中。發(fā)泡材料表現(xiàn)出初始高的油吸收速率，并且當(dāng)發(fā)泡材料達(dá)到飽和時，吸收速率減慢。第一次循環(huán)中發(fā)泡材料的最大油容量為約12g/g發(fā)泡材料，而清潔劑濃度在整個過濾過程中保持恒定。這表明，如所希望，清潔劑沒有被發(fā)泡材料移除。在從飽和發(fā)泡材料中壓出油之后，聚合物發(fā)泡材料恢復(fù)其一部分吸油能力——在第二次循環(huán)中再生了發(fā)泡材料油容量的約70％。一經(jīng)重復(fù)的過濾-再生循環(huán)，則油容量劣化。在第10次循環(huán)中，發(fā)泡材料結(jié)構(gòu)開始損壞，并且涂層顆粒從聚合物上分離并開始在過濾容器內(nèi)聚集。

該測試證明過濾器可以成功地將疏水性廢物組分與表面活性劑/水混合物分離，并且也證明過濾介質(zhì)可以在多次循環(huán)期間再生并恢復(fù)有益用途。

實施例2

收集、過濾并分析來自商業(yè)洗衣服務(wù)的廢物流樣品，以確定所公開的過濾介質(zhì)對在實際條件下產(chǎn)生的廢物流的有效性。用光散射儀對原始廢水和濾液二者進(jìn)行濁度測量。濾液的提高的透明度表明所公開的過濾介質(zhì)在現(xiàn)實世界條件下有效地起作用。

將50ml廢水樣品以5ml/分鐘的流量泵送通過固體過濾器以除去過量的固體，然后泵送通過過濾介質(zhì)。在過濾介質(zhì)中的停留時間約為3分鐘。

然后測定1ml濾液樣品的濁度，將結(jié)果與原始樣品廢水進(jìn)行比較。在過濾之后樣品的透明度從0提高到100，表明移除了全部廢物組分。

還測試了由過濾介質(zhì)捕集的滯留物，并且確定清潔劑沒有被過濾介質(zhì)意外捕集。該測試的方案如下。將發(fā)泡材料壓縮以移除滯留物。然后將液體滯留物置于等體積的甲苯的溶液中。使溶液劇烈混合。移除甲苯部分并進(jìn)行超聲處理。如對照組中所發(fā)生的，已知剩余的清潔劑在甲苯相中沉淀，而來自發(fā)泡材料過濾器內(nèi)的液體沒有形成沉淀，表明沒有清潔劑被過濾介質(zhì)捕集，并且清潔劑保留在濾液中。

原始廢水組合物包含以下：水、清潔劑、線屑、固體顆粒和疏水性油滴。濾液組合物包含水和清潔劑。

現(xiàn)已描述了本發(fā)明的一些說明性實施方案，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說應(yīng)當(dāng)顯而易見的是，上述僅僅是說明性的而不是限制性的，僅通過實施例的方式呈現(xiàn)。許多修改和其他實施方案在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的范圍內(nèi)，并且被認(rèn)為落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。特別地，盡管本文提出的許多實施例涉及方法操作或系統(tǒng)元件的特定組合，但是應(yīng)理解，那些操作和那些元件可以以其他方式組合以實現(xiàn)相同的目的。

此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，本文所述的參數(shù)和構(gòu)造是示例性的，并且實際的參數(shù)和/或構(gòu)造將取決于其中使用本發(fā)明的系統(tǒng)和技術(shù)的具體應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)使用不超過常規(guī)實驗來認(rèn)識到或能夠確定本發(fā)明的具體實施方案的等同物。因此，應(yīng)理解，本文所述的實施方案僅以實例的方式呈現(xiàn)，并且在任意所附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)；本發(fā)明可以不同于具體描述的來實施。

本文使用的措辭和術(shù)語是為了描述的目的，并且不應(yīng)被認(rèn)為是限制。如本文所使用，術(shù)語“多個”是指兩個或更多個物品或組份。無論在說明書還是權(quán)利要求等中，術(shù)語“包括”、“包含”、“攜帶”、“具有”、“含有”和“涉及”是開放式術(shù)語，即意指“包括但不限于”。因此，這樣的術(shù)語的使用意旨涵蓋其后列出的項目及其等同物，以及另外的項目。對于任意的權(quán)利要求，只有過渡性短語“由......組成”和“基本上由......組成”分別是封閉或半封閉的過渡短語。在權(quán)利要求中使用諸如“第一”、“第二”、“第三”等序數(shù)術(shù)語來修飾權(quán)利要求元素本身并不意味著一個權(quán)利要求元素相對于另一個權(quán)利要求元素的任何優(yōu)先權(quán)、優(yōu)先級或順序，或者執(zhí)行方法的動作的順序，而是僅僅用作標(biāo)記以將具有某個名稱的一個權(quán)利要求元素與具有相同名稱(如果不使用序數(shù)術(shù)語的話)的另一個元素加以區(qū)分以區(qū)分權(quán)利要求的元素。