專利名稱：復合過濾介質的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由一種起過濾作用的組分和一種基質組分構成的先進復合過濾介質，及其制備和使用方法。更具體地，本發(fā)明涉及先進復合過濾介質和含起過濾作用組分的先進復合過濾制品，例如一種生物二氧化硅制品(例如，硅藻土)或天然玻璃制品(如膨脹珍珠巖)等，它產生適用于過濾的特殊的多孔的復雜結構，該組分通過加熱燒結到基質組分上，如軟化溫度低于所說的起過濾作用組分的軟化溫度的工程聚合物(例如，玻璃、晶體礦物、熱塑性塑料和金屬等)。
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本發(fā)明涉及先進的復合過濾介質，包括(ⅰ)一種起過濾作用的組分和(ⅱ)一種基質組分，其中，所說的基質組分的軟化溫度低于所說的起過濾作用的組分的軟化溫度，其中，所說的起過濾作用的組分緊密結合在所說的基質組分上。與簡單的混合物不同，簡單的混合物在懸浮(例如，在流體中)或輸送或運輸過程中容易分層，而本發(fā)明的先進復合過濾介質中起過濾作用的組分和基質組分例如通過加熱燒結等方法緊密地結合。
本發(fā)明的先進復合過濾介質在與目前可以得到的過濾介質相同的許多用途中是有用的，但是提供了一種或多種對過濾應用特別有價值的獨特性能，例如增大了滲透性、低的離心濕密度、低的方石英含量、和/或獨特形狀的顆粒(例如纖維)，以及改進了的效率和/或經濟性。
在過濾領域中，顆粒與流體分離的許多方法使用硅藻土制品或天然玻璃制品作為過濾助劑。這些硅質材料獨特的復雜多孔結構對于過濾過程中的顆粒的物理截留是特別有效的。這些復雜的多孔結構產生有空隙的網絡，從而產生可以飄浮的過濾介質顆粒，其表觀密度類似于其懸浮流體的密度。通常在改善含有懸浮顆?；蝾w粒狀物質或具有一定濁度的流體的透明度時使用過濾制品。
在有時稱為“預涂層”的步驟中，硅藻土或天然玻璃制品通常在過濾過程中用于隔膜，來改善透明度并增大流量。在通常稱為“主體喂料”的步驟中，硅藻土或天然玻璃制品通常還直接添加到流體中，在流體過濾時減小不希望存在的顆粒在隔膜上的負荷，同時保持計劃的液體流速。取決于所涉及的特定分離過程，硅藻土或天然玻璃制品可以用于預涂層步驟中或主體喂料步驟中，或者在這兩個步驟中都用。多孔介質過濾的工作原理已經發(fā)展了許多年(Carman,1937；Heertjes,1949,1966；Ruth,1946；Sperry,1916；Tiller,1953,1962,1964)，最近，又從其實用方面(Cain,1984；Kiefer,1991)及其基礎的理論原理方面(Bear,1988；Norden,1994)詳細地進行了評述。
在某些情況下，硅藻土或天然玻璃制品在過濾過程中可以表現出優(yōu)異的吸附性能，這大大地增強了流體的澄清或提純。這些吸附性能是非常特殊的，取決于被吸附物質對硅藻土表面的弱電荷的吸引的弱作用力，或者取決于在硅藻土表面產生的硅醇(即，≡Si-OH)官能團的反應活性。例如，離子化的硅醇基團(即，≡Si-O-)可以與溶液中的酸性物質(如檸檬酸，即C6H8O7)提供的水化酸離子(即，H3O+)反應在表面處吸附H+。在某些情況下，珍珠巖制品，尤其是那些經過表面處理的珍珠巖制品在過濾過程中也可以表現出優(yōu)異的性能，從而大大增強流體的澄清或提純(Ostreicher,1986)。
在某些過濾應用中，不同的硅藻土制品可以混合在一起，或者把不同的天然玻璃制品混合在一起，來進一步改進或優(yōu)化過濾過程。另外，有時也可以把硅藻土制品和天然玻璃制品混合在一起，或者與其它物質混合在一起。在某些情況下，這些混合物可以包括簡單的混合物，例如，與纖維素、活性炭、粘土、石棉或其它材料的混合物。在某些情況下，這些混合物是更復雜的混合物，其中，硅藻土或天然玻璃制品與其它成分緊密混合制成板、棒、濾筒、塊體或團粒介質，用作支撐體、基體或用于催化劑的制備過程中。
這些硅藻土或天然玻璃制品中任何一種的更加精心的改進物可以用于過濾或分離，例如，包括對硅藻土或天然玻璃制品，混合物或其組合進行表面處理或化學物質的吸附。
硅藻土和天然玻璃制品特有的二氧化硅復雜多孔結構還為聚合物提供防堵塞性能的商業(yè)用途。硅藻土制品通常用于改變涂料、搪瓷釉、油漆以及相關的涂層和漆面的外觀或性能。硅藻土制品也可以用作色譜載體，特別適用于氣-液色譜法。最近的綜述(Breese,1994；Engh,1994)對硅藻土的性質和用途提供了特別有用的介紹。許多天然玻璃制品，例如包括膨脹珍珠巖、浮石和膨脹浮石也具有優(yōu)異的填料性能。例如，膨脹珍珠巖制品通常用作隔熱填料、樹脂填料以及用于紡織涂層的制造。
制備整體的或團粒的介質的方法在下列事實上不同于制備先進的復合過濾介質的方法，即添加到整體的或團粒的介質中的成分是在熱處理之前作為加工助劑(例如粘土)加入的，通常在熱處理之前為未燒成的混合物提供生坯強度(例如，使它能夠進行擠制、成形、注模、澆鑄或生坯混合物的整形)而不是作為先進過濾介質要求的功能組分加入的。加工助劑的加入不會對所得的整體的或團粒狀介質制品的過濾特性有所貢獻，但是這些制品仍然可以用于蛋白質、酶和微生物的固定。在用分散的顆粒相的物理混合物制成的技術陶瓷的加工中的熱處理過程(即燒成)的目的是產生致密的均質的陶瓷材料(Reynolds,1976)，這不同于本發(fā)明的先進復合過濾介質燒結后的不均勻組分。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個方面涉及先進的復合過濾介質，包括(ⅰ)一種起過濾作用的組分，(ⅱ)一種基質組分，其中，所說的基質組分的軟化溫度低壓所說的起過濾作用組分的軟化溫度，所說的起過濾作用的組分緊密結合在所說的基質組分上。
在一個優(yōu)選的實施方案中，所說的先進復合過濾介質的滲透率大于所說的起過濾作用的組分和所說的基質組分(更優(yōu)選的是大于5％或更多)的簡單混合物的滲透率，其中，在所說的簡單混合物中所說的起過濾作用的組分和所說的基質組分的比例與所說的介質制備過程中所用的比例是相同的。
在另一個優(yōu)選的實施方案中，所說的先進復合過濾介質的平均顆粒直徑大于所說的起過濾作用的組分的平均顆粒直徑和所說的基質組分(更優(yōu)選的是大于5％或更多)的平均顆粒直徑的加權平均值，其中，所說的起過濾作用的組分和所說的基質組分的比例與在所說的介質的制備過程中所用的比例是相同的。
在另一個優(yōu)選的實施方案中，起過濾作用的組分包括生物二氧化硅和/或天然玻璃；更優(yōu)選的是所說的起過濾作用的組分包括硅藻土、珍珠巖、浮石、黑曜巖、松脂巖、和/或火山灰；更優(yōu)選的是所說的起過濾作用的成分包括硅藻土、珍珠巖和火山灰；更優(yōu)選的是所說的過濾組分包括硅藻土。
在另一個優(yōu)選的實施方案中，所說的基質組分包括玻璃、結晶礦物、熱塑性塑料、金屬、和/或金屬合金。在另一個優(yōu)選的實施方案中，所說的基質組分包括天然玻璃、更優(yōu)選的是選自珍珠巖、浮石、黑曜巖、松脂巖和火山灰，最優(yōu)選的是珍珠巖或熔融珍珠巖。在另一個優(yōu)選的實施方案中，所說的基質組分包括合成玻璃。在另一個優(yōu)選的實施方案中，所說的基質組分包括纖維玻璃。在另一個優(yōu)選的實施方案中，所說的基質組分包括礦物棉或巖棉。在另一個優(yōu)選的實施方案中，所說的基質組分包括熱塑性塑料或具有熱塑性性能的熱固性聚合物。在另一個優(yōu)選的實施方案中，所說的基質組分包括金屬或金屬合金。
在另一個優(yōu)選的實施方案中，所說的先進復合過濾介質的特點還在于方石英含量為1wt％或更少。
本發(fā)明的另一個方面涉及包括本文所述的先進復合過濾介質的組合物，所說的介質包括(ⅰ)一種起過濾作用的組分和(ⅱ)一種基質組分，其中所說的基質組分的軟化溫度低于所說的起過濾作用的組分的軟化溫度，其中，所說的起過濾作用的組分緊密結合在所說的基質組分上。在一個優(yōu)選的實施方案中，所說的組合物是粉末形式的。在另一個優(yōu)選的實施方案中，所說的組合物是板、棒或濾筒的形式的。在另一個優(yōu)選的實施方案中，所說的組合物是塊狀載體或團粒狀載體形式的。在另一個優(yōu)選的實施方案中，所說的組合物是整體基體或團粒狀基體形式的。
本發(fā)明的另一個方面涉及過濾的方法，包括使含有懸浮顆粒的流體通過助濾材料的步驟，優(yōu)選的是助濾材料支撐在隔膜上，其中所說的助濾材料包括一種本文所述的先進的復合過濾介質，所說的介質包括(ⅰ)一種起過濾作用的組分和(ⅱ)一種基質組分，其中，所說的基質組分的軟化溫度低于所說的起過濾作用的組分的軟化溫度，其中，所說的起過濾作用的組分緊密地結合在所說的基質組分上。
正如將會清楚的那樣，本發(fā)明一個方面的優(yōu)選的特征和特性適合于本發(fā)明的任何其它方面。
優(yōu)選實施方案說明A．本發(fā)明的先進復合過濾介質本發(fā)明的先進復合過濾介質包括(ⅰ)一種起過濾作用的組分和(ⅱ)一種基質組分，其中，所說的基質組分的軟化溫度低于所說的起過濾作用的組分的軟化溫度，其中，所說的起過濾作用的組分緊密地結合在所說的基質組分上。
顆粒與流體分離的許多方法采用硅質介質材料，如硅藻土、珍珠巖、浮石或火山灰作為過濾介質。這些硅質介質材料特有的復雜多孔結構對于過濾過程中顆粒的物理截留是特別有效的；所以，把它們用作本發(fā)明的起過濾作用的組分。在熱處理過程中尺寸穩(wěn)定性和機械性能的保持是工程聚合物和一些其它材料的特征，這使它們可以用作本發(fā)明的基質組分。在本發(fā)明的先進復合過濾介質中，基質組分優(yōu)選的是通過加熱燒結緊密地與起過濾作用的組分結合，而不僅僅是混合在一起。不同于本發(fā)明的先進復合過濾介質，這樣的簡單混合物在懸浮(例如在流體中)或輸送或運輸時趨于分層。本文所用的術語“簡單混合物”是傳統意義的，是指機械混合物(例如，沒有經過加熱燒結的)。
本發(fā)明的先進復合過濾介質可以方便地認為是起過濾作用的組分和基質組分的結合體。本文所用的術語“結合體”是傳統意義的，是指把顆粒結合成結合體的任何方法或作用。結合方法的一個實例是加熱燒結，其中，使顆粒變成結合體(即，緊密結合在一起)，因此，通過加熱但沒有熔化形成一種“結合體”。值得注意的是，在加熱燒結過程中，結合過程沒有進行到形成均勻介質(陶瓷)的溫度。因此，在本發(fā)明的先進復合過濾介質中，把起過濾作用的組分和基質組分結合在一起并緊密結合，但是保持那些在所得的制品中被認為是需要的物理和化學性質，所以，增強了所得的制品的整體性能。
本文所用的術語“軟化溫度”是傳統意義的，是指物質開始軟化的溫度，通常伴隨著硬度和粘度的降低。對于許多工程聚合物，軟化溫度常常更具體地稱為玻璃轉化溫度，有時稱為二級轉化溫度，該溫度是在溫度繼續(xù)升高時聚合物鏈開始蠕動的溫度，即聚合物從剛性的玻璃態(tài)變成柔性固體的溫度。例如，聚醚酮的玻璃轉化溫度約為330°F(即，165℃)，而鈉鈣玻璃的軟化溫度約為1290°F(即700℃)。雖然已經開發(fā)了通常采用熱力學分析的標準實驗方法(例如，American Society for Testing andMaterials(美國材料與試驗協會)，1995)，但是在實驗室研究中常?？梢杂媚繙y估計而不采用復雜的定量測定。
1．起過濾作用的組分用于本發(fā)明的一種特別優(yōu)選的起過濾作用的組分來自生物二氧化硅(即二氧化硅，SiO2)，它具有硅藻土特有的復雜多孔結構的二氧化硅。目前硅藻土制品廣泛應用于許多用途中，包括但是不局限于分離、吸附、載體、和功能填料等用途。
硅藻土制品從硅藻土(也稱為kieselguhr)制得，是一種富含硅藻的硅藻細胞，即外殼的沉積物。硅藻是一種多種排列的微小的單細胞金棕色Bacillariophyceae類海藻，其中，在具有變化的和復雜結構的華麗的硅藻細胞內含有細胞質。這些硅藻細胞具有足夠的耐用性，在保持化學平衡的條件下保存時，能夠經過長期的地質年代而保持其大部分多孔結構。目前，硅藻土制品可以通過各種方法用多種資源制造，提供了物理和化學特性的多樣性。最近的綜述(Breese,1994；Engh,1994)對硅藻土的性質和用途提供了特別有用的介紹。
在制備商業(yè)硅藻土制品的典型的傳統方法中，把硅藻土原礦破碎到可以通過研磨進一步減小其尺寸的尺寸，經過空氣分級，在空氣中在窯爐內干燥，然后再進行空氣分級，得到要求的制品滲透率，從而制成干燥的制品，通常稱為“天然”硅藻土。
在另一種傳統方法中，天然制品可以在空氣中燒結(通常稱為煅燒)，溫度范圍一般為1800～2000°F(即，1000～1100℃)，然后進行空氣分級。這種方法得到滲透性更高的制品，但是通常伴隨著無定形二氧化硅(硅藻土礦的天然二氧化硅相)向方石英的部分轉變，方石英是一種四方形式的結晶二氧化硅。用這種方法制備的制品的方石英含量一般在5～40wt％范圍內。
在另一種傳統方法中，干燥的制品也可以添加少量熔劑進一步在空氣中燒結(通常稱為熔劑煅燒)，溫度一般在1800～2100°F(即，1000～1150℃)，然后進行空氣分級。這種方法得到滲透性更高的制品，但是通常無定形二氧化硅向方石英的轉變量更大，方石英的量一般在20～75wt％范圍內。最常用的熔劑包括蘇打灰(即碳酸鈉，Na2CO3)和巖鹽(即氯化鈉，NaCl)，雖然也可以使用許多其它熔劑，尤其是堿金屬(即周期表中的IA族)的鹽類。
在燒結硅藻土制品的傳統方法中涉及的高溫除了意料中的二氧化硅從無定形狀態(tài)轉變成方石英的相變以外，通常還會導致表面積減小，孔的擴大，濕密度的增大以及雜質溶解度的變化。
已經詳細地描述了加工硅藻土和制品硅藻土質制品的其它方法。把低級硅藻土改進為高級硅藻土礦的許多努力已經導致硅藻土制品在其總體質量上基本相當于從天然的更好的原礦獲得的商業(yè)制品。這樣的工作的實例包括Norman和Ralston(1940)、Bartuska和Kalina(1968a,1968b)、Visman和Picard(1972)、Tarhanic和Kortisova(1979)、Xiao(1986)、Li(1990)、Liang(1990)、Zhong等人(1991)、Brozek等人(1992)、Wang(1992)、Cai等人(1992)、以及Videnov等人(1993)的工作。Thomson和Barr(1907)、Barr(1907)、Vereinigte(1915、1928)、Koech(1927)、Swallen(1950)、Suzuki和Tomizawa(1971)、Bradley和McAdam(1979)、Nielsen和Vogelsang(1979)、Heyse和Feigl(1980)、以及Mitsui等人(1989)報導了已經制備出了目標在于改進單一性能，例如減小總的鐵含量或可溶性鐵濃度的幾種硅藻土制品。Baly(1939)制備的一種硅藻土制品具有低的有機物含量，Codolini(1953)、Pesce(1955、1959)、Martin和Goodbue(1968)、以及Munn(1970)制造了具有較高白度的硅藻土制品。Enzinger(1901)制造的硅藻土制品減小了那時的常規(guī)的溶解度。Bregar(1955)、Gruder等人(1958)、以及Nishamura(1958)制造的硅藻土制品白度更高，并且具有較低的總鐵濃度。Smith(1991a,b,c；1992a,b,c；1993；1994a,b)制造的制品在熔劑煅燒的硅藻土制品的可溶性多價離子方面進行了改進。Schuetz(1935)、Filho和Mariz da Veiga(1980)、Marcus和Creanga(1964)、以及Marcus(1967)也報導了制造某些更純的硅藻土制品的方法。Dufour(1990、1993)描述了一種制備低方石英含量的硅藻土制品的方法。
但是，上述的硅藻土制品中沒有一種是由下列組分構成的(ⅰ)一種起過濾作用的組分和(ⅱ)一種基質組分，其中，所說的基質組分的軟化溫度低于所說的起過濾作用的組分的軟化溫度，所說的起過濾作用的組分緊密結合在所說的基質組分上。
其它特別有用的起過濾作用的組分來自天然玻璃，天然玻璃也具有在過濾過程中對顆粒的物理截留特別有效的獨特的復雜多孔結構。本文所用的術語“天然玻璃”是傳統意義的，通常是指通過硅質巖漿或熔巖快速冷卻形成的火山玻璃。已知幾種類型的天然玻璃，例如包括珍珠巖、浮石、黑曜巖和松脂巖。在加工前，珍珠巖一般是灰色到綠色的，有許多球狀裂紋使其可以破碎成小的珍珠狀顆粒。浮石是非常輕的玻璃態(tài)多孔巖石。黑曜巖一般是黑色的，具有玻璃光澤和特定的貝殼狀特征。松脂巖具有蠟狀的樹脂光澤，通常是棕色、綠色或灰色的。珍珠巖和浮石等火山玻璃存在于塊體沉積巖中，具有廣泛的工業(yè)用途?；鹕交彝ǔＪ侵改绦问酱嬖诘哪?guī)r，由通常為玻璃態(tài)的小顆粒和碎片組成；象本文所用的那樣，術語天然玻璃包括火山灰。
大多數天然玻璃在化學成分上相當于流紋巖?；瘜W成分上與粗面巖、英安巖、安山巖、二長安山巖、玄武巖的天然玻璃是已知的但是不太常見。術語黑曜巖一般應用于富含二氧化硅的塊體天然玻璃。黑曜巖玻璃根據其二氧化硅含量可以分成一些亞族，其中流紋巖型黑曜巖(一般含有約73wt％的二氧化硅)是最常見的(Berry,1983)。
珍珠巖是水化的天然玻璃，一般含有約72～75％SiO2、12～14％Al2O3、0.5～2％Fe2O3、3～5％Na2O、4～5％K2O、0.4～1.5％CaO(按重量計)，和少量的其它金屬元素。珍珠巖與其它天然玻璃的區(qū)別在于其高含量的化學結合水(2～5wt％)，存在玻璃狀的珍珠光澤以及特有的同軸的蔥皮狀(即珍珠巖狀)特征。
珍珠巖制品通常通過研磨和加熱膨脹來制備，具有優(yōu)異的物理性能，如高孔隙率、低體積密度和化學惰性。約從40年代后期開始膨脹珍珠巖已經用于過濾(Breese和Barke,1994)。珍珠巖的傳統加工包括粉碎(破碎和研磨)、空氣分級、加熱膨脹、為滿足最終產品的要求的膨脹材料的空氣分級。例如，把珍珠巖礦破碎、研磨并分級到預定的顆粒尺寸范圍(例如，通過30目篩)，然后把分級后的物料在膨脹爐內在空氣中加熱到870～1100℃的溫度，玻璃的自發(fā)軟化和所含水分的蒸發(fā)導致玻璃顆粒的快速膨脹，形成堆積體積比未膨脹的原礦的堆積體積最多大20倍的泡沫狀玻璃材料。然后通常把膨脹珍珠巖進行空氣分級并任選地研磨，以滿足要求的產品的尺寸要求。在其它天然玻璃(例如浮石、黑曜巖和火山灰)中化學結合水的存在常常能以常用于珍珠巖類似的方式進行“加熱膨脹”。
浮石是已知特征為中孔結構(具有尺寸最大為1mm的孔或氣孔)的天然玻璃。浮石的高的多孔性質使其具有很低的表觀密度，在許多情況下，使其可以飄浮在水面上。大多數工業(yè)浮石含有約60至約70wt％的SiO2。浮石一般通過研磨和分級進行加工(如上所述用于珍珠巖的過程)，制品主要用作輕質團粒，也用作研磨劑、吸附劑和填料。未膨脹的浮石和加熱膨脹的浮石(用與珍珠巖所用的相同的方法)在某些情況下也可以用作過濾助劑(Geitgey,1979)，火山灰也一樣(Kansas Minerals,Inc.，未注明日期)。
已經報導了對天然玻璃加工方法和制品的改進。例如，Houston(1959),Bradley(1979),Jung(1965),Morisaki(1976),Ruff和Nath(1982),Shiuh(1982,1985)描述了生產特定的天然玻璃制品的處理方法。
但是，上述的天然玻璃制品中，沒有一種是由下列組分組成的(ⅰ)一種起過濾作用的組分和(ⅱ)一種基質組分，其中，所說的基質組分的軟化溫度低于所說的起過濾作用的組分，所說的起過濾作用的組分緊密結合在所說的基質組分上。
2．基質組分適用于制備本發(fā)明的先進復合過濾介質的基質組分特點在于其軟化溫度低于所選的起過濾作用的組分的軟化溫度。
優(yōu)選的基質組分的實例包括工程聚合物和相關材料，可以是天然的和人工合成的有機或無機聚合物。Seymour(1990)作了有關工程聚合物的一個優(yōu)秀的綜述。特別優(yōu)選的基質組分包括玻璃、結晶礦物、熱塑性塑料和金屬。
玻璃是由聚合物鏈中的重復硅烷(即，-(Si-O)-)組成的玻璃狀無定形聚合物。如上所述，某些玻璃是天然的，如珍珠巖、浮石、黑曜巖、松脂巖和火山灰。其它的，如鈉鈣玻璃是人工合成的。鈉鈣玻璃是通過把幾種原料的配合料一起放在熔窯中熔化，然后使熔體冷卻產生無定形的產物而制得的，這些原料含有硅的氧化物(即SiO2)、鋁的氧化物(即Al2O3)、鈣的氧化物(即CaO)、鈉的氧化物(即Na2O)、有時含有鉀的氧化物(即K2O)或鋰的氧化物(即Li2O)。玻璃可以制成許多形狀，包括片、板、澆鑄的形狀或纖維。已經報導了制造玻璃的主要系列的方法(Scholes,1974)。礦物棉、巖棉和硅酸鹽棉是纖維形成物質熔渣、某些巖石或玻璃制成的纖維的一般名稱(Kujawa,1983)。
由這些物質的混合物組成的某些結晶礦物，特別是硅酸鹽礦物和硅鋁酸鹽礦物，和巖石可以用作本發(fā)明的基質組分，因為它們常常具有要求的熱塑性性質(例如，因為它們具有與許多硅酸鹽玻璃相應的化學性質)。這樣的結晶礦物的實例包括霞石(一種硅鋁酸鉀鈉，即(Na,K)AlSiO4)、鈉長石(一種硅鋁酸鈉，即NaAlSi3O8)、或鈣長石(一種硅鋁酸鈣鈉，即(Na,Ca)(Si,Al)4O8)。
熱塑性材料是那些在加熱作用下會軟化，在冷卻后又硬化恢復其原來性質的材料，即，加熱-冷卻循環(huán)是完全可逆的。按照傳統定義，熱塑性材料是分子鍵連接的直鏈和分支的線性鏈有機聚合物。眾所周知的熱塑性材料的實例包括丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、苯乙烯丙烯腈(SAN)、丙烯酸酯苯乙烯丙烯腈(ASA)、甲基丙烯酸酯丁二烯苯乙烯(MBS)。同時還包括甲醛的聚合物，稱為縮醛；甲基丙烯酸甲酯的聚合物，稱為丙烯酸類塑料；單體苯乙烯的聚合物，稱為聚苯乙烯；氟化單體的聚合物，稱為碳氟化合物；酰胺鏈的聚合物，稱為尼龍；石蠟和烯烴的聚合物，稱為聚乙烯、聚丙烯、聚烯烴；雙酚和碳酸酯基團的聚合物，稱為聚碳酸酯；對苯二酸酯的聚合物，稱為聚酯；雙酚和二羧酸的聚合物，稱為聚芳酯；氯乙烯的聚合物，稱為聚氯乙烯(PVC)。高性能熱塑性塑料具有非常好的性能，例如，聚苯硫醚(PPS)具有非常高的強度和剛度；聚醚酮(PEK)，聚醚醚酮(PEEK)，聚酰胺酰亞胺(PAI)都具有非常高的強度和剛度，以及非常好的耐熱性；聚醚酰亞胺(PEI)具有固有的耐火性。獨特的熱塑性塑料包括離子聚合物，即具有離子交聯而不是共價交聯的乙烯和甲基丙烯酸的共聚物，導致其性能在其操作范圍內類似于熱固性塑料的性能；聚乙烯咔唑具有優(yōu)異的電性能；異丁烯的聚合物，稱為聚異丁烯，在室溫下是粘性的。
熱固性塑料是在加熱固化時產生永久變化的合成樹脂，即它們固化成為不可熔化狀態(tài)，使其在再加熱時不會重新軟化并變成塑性的。但是，某些熱固性塑料可能在其有用的應用范圍的有限部分內表現出熱塑性性能，也可以用作本發(fā)明的基質組分。某些類型的熱固性塑料，尤其是某些聚酯和環(huán)氧樹脂，能夠在室溫下冷固化。熱固性塑料包括醇酸樹脂、酚醇樹脂、環(huán)氧樹脂、氨基樹脂(包括尿素甲醛樹脂和三聚氰胺甲醛樹脂)、聚酰亞胺和某些硅塑料。
已經詳細描述了熱塑性塑料和熱固性塑料的性能和用途(Elsevier,1992；Rubin,1990)。
某些金屬和金屬合金是有用的基質組分，尤其是低熔點的金屬和合金，它們具有可以用于本發(fā)明的熱塑性特性。合適的金屬的實例是錫(即Sn)、鋅(即Zn)和鉛(即Pb)。合適的金屬合金的實例是釬料，如錫-鉛釬料(即Sn-Pb)、錫-鋅釬料(即Sn-Zn)和鋅-鉛釬料(即Zn-Pb)。
具有類似的熱塑性性質和軟化溫度低于所選的起過濾作用的組分的軟化溫度特征的其它材料也可以用作本發(fā)明的基質組分。
B．表征本發(fā)明先進復合過濾介質的方法本發(fā)明的先進復合過濾介質具有優(yōu)異的性能，因為它們由一種起過濾作用的組分和一種基質組分構成。這些介質保持了復雜多孔的結構，這種結構是所說的起過濾作用的組分的特征(這對于先進復合過濾介質制品有效使用的許多用途中是必要的)，這被所說的介質在適用于過濾的范圍內具有合適的滲透性來證明。但是，先進的復合過濾介質的性能通過基質組分的存在來改進。這些改進通過獨特的性能來說明，如增大的滲透性、低的離心濕密度、低的方石英含量和/或微觀結構特性的變化。
下面詳細描述本發(fā)明的先進復合過濾介質的重要性質、及其測定的適當方法。
1．滲透率通常加工起過濾作用的制品以得到一定范圍的過濾速率，這與其滲透率是密切相關的。滲透率通常用達西單位表示，常?？s寫為“Da,”；1達西相當于1cm3粘度為1厘泊的流體在1atm的壓差下(即101.325kPa)在1秒內通過面積為1cm2、厚1cm的過濾介質的滲透率。用特別構造的裝置，從過濾介質的水懸浮液在隔膜上形成濾餅，然后測定特定體積的水流過已知橫截面積并測量了厚度的濾餅所需的時間，可以容易地測定滲透率。以前由Darcy’s Law(Bear,1988)對多孔介質推導了這些原理，以及存在一組與滲透率相關的裝置和方法。過濾介質，例如，目前工業(yè)中可以得到的硅藻土和天然玻璃產品(它們也適用于本發(fā)明起過濾作用的組分)具有很寬范圍的滲透率，從小于0.05Da到30Da以上。對于特定過濾過程，過濾滲透率的選擇取決于流速和特定用途要求流體澄清的程度。
本發(fā)明的先進復合過濾介質提供了能與其工業(yè)上起過濾作用的組分提供的滲透率范圍相媲美的滲透率的隔膜。
結合以及由此形成的先進復合過濾介質的證據(即，其中所說的起過濾作用的組分和所說的基質組分緊密結合在一起)可以通過觀察到所說的先進復合過濾介質(在加熱燒結而沒有研磨后，即沒有進一步粉碎或分級)的滲透率比其組分的簡單混合物(即在加熱燒結之前)的滲透率更大來提供。
例如，如果起過濾作用的組分和一種基質組分(滲透率分別為0.06Da和0.29Da)的簡單混合物的滲透率P(a+b)為0.07Da，則用這種簡單混合物制備的先進復合過濾介質的滲透率P(c)為0.20Da，那么滲透率的增大就是結合的證據。優(yōu)選的是P(c)比P(a+b)大5％或更多，更優(yōu)選的是10％或更多，更優(yōu)選的是20％或更多。
2．濕密度本發(fā)明所說的先進過濾介質品保留其起過濾作用的介質組分的多孔復雜結構的程度可以通過測量它的離心濕密度來表示，濕密度代表所說制品在過濾時的有效堆密度，因為密度的大小受到所獲得時的堆積排列的限制。濕密度是重要的，因為它反映了過濾過程中可以用來夾帶顆粒物質的孔隙體積；它是測量過濾效率的最重要的標準之一。具有較低濕密度的過濾制品有較大的孔隙體積，因此具有較大的過濾效率。
優(yōu)選的測量本發(fā)明所說的先進復合過濾介質制品的堆密度的方法是測量離心濕密度。將一個重量為0.50～1.00g的已知樣品放入一個14ml的標準離心試管中，添加去離子水達到約10ml的體積。充分搖動混合物至浸濕整個樣品，不留下任何干粉。沿著離心試管的上端添加附加的去離子水以沖洗掉搖動時粘附在試管壁上的任何混合物。該試管在1800rpm下離心30min。離心之后，在不影響沉淀物的情況下仔細地取出離心試管，測量所得沉降物的高度(即，體積)達到接近試管0.05ml刻度的一半。用干燥樣品的重量(例如110℃空氣中干燥至恒重)除以所測得的體積容易計算出已知重量粉料的濕密度。
對一般過濾介質來說典型的濕密度范圍是從大約每立方英尺12磅(即，0.19g/ml)至大約每立方英尺30磅(即，0.48g/ml)。相對于它們的商品化的起作用過濾介質所提供的范圍相比，本發(fā)明所說的先進復合過濾介質提供了一系列可比的濕密度。
3．顆粒尺寸本發(fā)明所說的先進復合過濾介質的一個重要特征是組分顆粒的結合，尤其是通過加熱燒結。定量結合程度的一種方法是測量組分(即，結合前)和生成的先進復合過濾介質之間顆粒尺寸分布的差異。
優(yōu)選的測量顆粒尺寸分布方法借助于激光衍射原理。測量所說的先進復合過濾介質或其各組分的顆粒尺寸分布的優(yōu)選的儀器是Leeds&Northrup Microtrac ModelX-100。該儀器是完全自動的，在過濾進行過程中，用100個波道按幾何級數格式化的一種體積分布，運行30秒得到結果。用一種解釋衍射譜的數據的算法表征所說的分布，假定所說的顆粒是球形的，可以用直徑D表征。中值顆粒直徑用該儀器表示為D50，即，占總顆粒體積的50％的顆粒的直徑等于或小于該值。
通過計算起過濾作用的組分和基質組分(即，熱燒結之前)的簡單混合物的顆粒中值顆粒直徑的加權平均以及計算用所說的混合物(熱燒結之后和未球磨的，即，未進一步磨碎或分級)制備的先進復合過濾介質的中值顆粒直徑的加權平均可以提供結合的證據和先進復合過濾介質形成證據(即，起過濾作用的組分和基組分緊密結合)
例如，當起過濾的作用組分的中值顆粒直徑D50(a)和基組分的中值顆粒直徑D50(b)的加權平均值D50(a+b)小于先進復合過濾介質的中值顆粒直徑D50(c)時，團聚已經發(fā)生。例如，如果組成為70wt％的先進復合過濾介質的D50(a)等于16.7μm，以及組成為30wt％的先進復合過濾介質的D50(b)等于17.3，那么D50(a+b)=[(0.70×16.7)+(0.30×17.3)]=16.9μm。
如果先進復合過濾介質的實際測量中值顆粒直徑D50(c)等于17.1μm，那么就發(fā)生了結合，因為D50(a+b)比D50(c)小。優(yōu)選的是D50(c)比D50(a+b)大1％或更多，較優(yōu)選的是大5％或更多，更優(yōu)選的是大10％或更多，最優(yōu)選的大于20％或更多。
當起過濾作用的組分、基質組分和先進復合過濾介質的顆粒具有大約相等的密度以及通過算法假設顆粒接近球形時，顆粒尺寸方法的應用是最合適的。對于在自然界中是纖維狀的基質組分，優(yōu)選的方法是較常用的滲透率法。
4．方英石含量一些先進復合過濾介質是獨特的，與可比滲透性的商品化的硅藻土制品相比，其中的方石英含量是非常低的。測定方石英含量的優(yōu)選方法是根據Klug和Alexander(1972)所概述的原理采用定量x-射線衍射方法。用研缽和研棒將樣品研磨成細粉，然后裝入一個鋁制的容器。將所裝樣品的容器放入x-射線衍射系統的光路上并且暴露于準直的用聚焦于一個銅鈀上的40kV的加速電壓和20mA的電流所產生的x-射線中。通過步進掃描代表方石英的晶格結構內的面間距的角范圍獲得衍射數據，這個角范圍產生最大的衍射強度。這個區(qū)域處于21～23.2θ°,以0.052θ°的步進收集數據，每個步進20秒計數一次。用凈積分峰強度與那些通過在無定型二氧化硅中加入方石英的標準加入法制備方石英的標準物的強度相比，來確定一個樣品中方石英相的重量百分含量。
優(yōu)選的是本發(fā)明的先進復合過濾介質中的方石英含量小于1％(通常從大約1％到檢測極限)，更優(yōu)選的是小于1.1％(通常從大約1.1％到檢測極限)，更優(yōu)選的是小于1.5％(通常從大約1.5％到檢測極限)，更優(yōu)選的是小于2％(通常從大約2％到檢測極限)，更優(yōu)選的是小于3％(通常從大約3％到檢測極限)，更優(yōu)選的是5％(通常從大約5％到檢測極限)，更優(yōu)選的是10％(通常從大約10％到檢測極限)。
5．微觀結構特征先進復合過濾介質的微觀結構特征常常與加熱燒結前的起過濾作用的組分和基質組分的微觀結構特征不同。本發(fā)明所說的先進復合過濾介質的微觀特征容易用以下方法觀察到通過在一個玻璃載片上制備一種合適折光率的液體(例如，水)中的懸浮液，然后在光學顯微鏡下以200X和400X的放大倍數觀察它們。在這些放大倍數下，在起過濾作用的組分中所發(fā)現的復雜多孔結構以及基質組分的微觀特征是清楚可見的。
C．制備本發(fā)明的先進復合過濾介質的方法一種常用的制備先進復合過濾介質的方法是將一種起過濾作用的組分與一種基質組分混合，然后通過加熱引起燒結和結合(即，加熱燒結)。起過濾作用的組分和一種基質組分可以以任何比例混合，所用的比例取決于起過濾作用的組分和基質組分的選擇以及所尋找的先進復合過濾介質。
例如，在隔膜的基質較少的一端，基質組分一般占0.5～5wt％(即在加熱燒結之前由起過濾作用的組分和基質組分構成的簡單混合物中)，而在隔膜的富含基質的一端，基質組分一般占70～90wt％(即在加熱燒結之前由起過濾作用的組分和基質組分構成的簡單混合物中)。
在加熱燒結之前，起過濾作用的組分與基質組分的混合可以使用一種機械混合機容易地完成，混合進行適當的時間使所說的組分充分混合。
例如，可以用傳統的爐子、微波爐、紅外爐、馬弗爐、隧道窯或熱反應器進行加熱，加熱在周圍的氣體(例如，空氣)或氮氣(即N2)或氧氣(即O2)等人工氣體中進行。加熱溫度在100-2500°F(即40-1400℃)范圍內，壓力在0.1-50atm(即1-5000kPa)范圍內。熱處理參數，如溫度和時間等，取決于所選的起過濾作用的組分和基質組分以及所尋找的先進復合過濾介質。例如，時間范圍約為1毫秒(例如在流態(tài)床反應器中)到約10小時(例如在傳統的窯爐中)。合適的溫度(即得到加熱燒結的溫度)一般在基質組分的軟化溫度附近但是低于其熔化溫度(即不在熔融狀態(tài))。
所說的先進復合過濾介質(在本發(fā)明的范圍內)的進一步改進也是可能的。例如，所說的先進復合過濾介質可以進一步加工以增強一種或多種特定的性能(例如，溶解性或表面特性)，或者制成具有專門用途的新產品。這樣的進一步改進的實例例如包括酸洗、表面處理和/或有機改性。
1．酸洗可以通過用酸性物質洗滌上述的先進復合過濾介質，然后用去離子水漂洗除去殘留酸，然后干燥來制備另一類先進復合過濾介質制品。所說的先進復合過濾介質的酸洗在減小可溶性污染物(如鐵或鋁)的濃度方面是有益的。合適的酸包括無機酸，例如硫酸(即H2SO4)、鹽酸(即HCl)、磷酸(即H3PO4)、或硝酸(HNO3)，以及有機酸，如檸檬酸(即C6H8O7)或醋酸(即CH3COOH)。
2．表面處理通過對上述的先進復合過濾介質制品進行表面處理可以制備另一類先進復合過濾介質制品，例如，通過硅烷化反應，從而改進制品的表面使其變得更憎水或更親水。
例如，可以把所說的先進復合過濾介質放在塑料容器中，向該容器內加入少量二甲基二氯硅烷(即SiCl2(CH3)2)或六甲基二硅氮烷(即(CH3)3Si-NH-Si(CH3)3)。使反應在蒸汽相中在表面上進行24小時，得到更憎水的制品。這樣的制品可以用于色譜的組合物中，也可以與其他憎水材料結合改進機械性能，例如在涉及碳氫化合物和油的應用中。
類似地，所說的先進復合過濾介質也可以進行下列反應，即使其懸浮在含有10％(w/v)的氨丙基三乙氧基硅烷(即C9H23NO3Si)水溶液中，在700℃下回流3小時，過濾所得的混合物，干燥殘留的固體，得到更親水的制品。這樣的制品可以用于色譜的組合物中，與含水系統結合使用以改進機械性能，并使得所說的制品進一步改性，把所說的先進復合過濾介質制品的末端羥基官能團(即，-OH)轉變?yōu)榘北鶊F(即，-(CH2)3NH2)。
3．有機改性所說的親水改性的先進復合過濾介質制品可以進一步反應來結合有機化合物，例如蛋白質。從而使得所說的先進復合過濾介質可以作為固定有機化合物的載體。這樣改性后，所得的制品可以用于親和性色譜和生物化學提純中。
以前已經描述過一些涉及硅質介質制品改性的其它反應(Hermanson,1992)。但是，由于加入一種基質組分，本發(fā)明的先進復合過濾介質制品的改性得到了更有效的改進的先進復合過濾介質制品(這在本發(fā)明的范圍內)。
D．使用本發(fā)明的先進復合過濾介質的方法本發(fā)明的先進復合過濾介質制品及其進一步改性制品，可以用于加工、處理或其它材料的組成部分。
在過濾應用中，本發(fā)明的先進復合過濾介質及其進一步改性制品可以用于在過濾過程中改進透明度和增大流量的薄膜(例如預涂層)，或直接添加到正在過濾的流體中來減小不希望的顆粒在所說的隔膜上的負荷(如主體供料法中)。
本發(fā)明的先進復合過濾介質可以與其它介質結合使用(即形成過濾助劑組合物)用于過濾。例如，所說的先進復合過濾介質與硅藻土、珍珠巖、天然玻璃、纖維素、活性炭、粘土或其它材料的混合物是有用的過濾助劑組合物。在其它更復雜的組合中，可以把所說的先進復合過濾介質與其它成分混合制成板、棒和濾筒。
優(yōu)選的先進復合過濾介質制品的組成或改性的合適選擇取決于特定的用途。例如，在要求特別高的透明度但是可以允許較慢的流速的過濾過程中，優(yōu)選低滲透率的先進復合過濾介質制品，而在要求高流速但是不要求特別高的透明度的過濾過程中，優(yōu)選高滲透率的先進復合過濾介質制品。在用于與其它材料結合時，或制備含有所說的制品的混合物時，類似的理由可以用于所說的先進復合過濾介質的使用。類似地，所用的產品的數量取決于其應用的特定用途。
本發(fā)明的先進復合過濾介質也可以用于非過濾用途中，如功能性填料。在油漆和涂料中，或在紙張或聚合物中，這種應用通常是直接按要求的作用所需的濃度加入到配料中。在涂料油漆和中所說的制品的平光性能以及聚合物中所說的制品的防堵塞性能都是來自所說的的先進復合過濾介質提供的優(yōu)異的表面。
當這些性質進一步改進過濾或功能性填料的性能時，希望的是硅烷化的憎水或親水的制品，因為它們與特定用途中的其它材料或成分有更大的相容性。通過硅烷化得到的表面特性的改變對色譜應用是特別重要的，因為這些特性強烈影響特定系統的色譜分離的有效性。例如，在色譜載體上的憎水表面減小了載體的表面活性，在用于殺蟲劑的分析測定時很大程度上減小了拖尾。
進一步進行有機改性的制品也是希望的，如將蛋白質偶聯到胺硅烷化的載體上。例如，蛋白質A，一種細菌源衍生的多肽，可以偶聯到由本發(fā)明的胺硅烷化的先進復合過濾介質構成的載體上。
在其它用途中，所說的先進復合過濾介質可以與其它成分混合，制成整體的或團粒狀的介質，用作載體(例如用于微生物固定)、基體(例如用于酶固定)或用于催化劑制備中如上文所述，在不違背本發(fā)明的原理和范圍的條件下，可以對本發(fā)明進行許多其它改進或變化，其限制范圍應該只是由附后的權利要求書所表明的范圍。
E．實施例在下面的實施例中描述了本發(fā)明幾種先進復合過濾介質及其制備方法，這些實施例是作為對本發(fā)明的說明而不是作為對本發(fā)明的限制提供的。
實施例1硅藻土(70％)+珍珠巖(30％)在本實施例中，通過70wt％起過濾作用的組分CELITE 500和30wt％基質組分HARBORLITE 200混合制成一種先進復合過濾介質，CELITE500是一種天然硅藻土，滲透率為0.06Da，濕密度為17.0磅每立方英尺(即0.272g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(a)為16.7μm(Celite Corporation Lompoc,California),HARBORLITE 200是一種研磨的膨脹珍珠巖，滲透率為0.29Da，濕密度為14.0磅每平方英尺(即0.224g/cm3)，中值顆粒直接D50(b)為17.3μm(Harborlite Corporation,Vicksburg,Michigan)。在馬弗爐內在空氣中在1700°F(即930℃)把這種混合物燒結45分鐘，然后從爐中取出并冷卻到室溫，制成所說的先進復合過濾介質。
本實施例的先進復合過濾介質的滲透率為0.20Da，濕密度為14.5磅每立方英尺(即0.232g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(c)為17.1μm，方石英含量為0.1％。
相比，本實施例各組分的簡單混合物的滲透率為0.07Da，濕密度為17.1磅每立方英尺(即0.274g/cm3)，中值顆粒尺寸17.0μm。此外，滲透率可與本實施例的先進復合過濾介質相比擬的商業(yè)硅藻土制品的方石英含量一般約為20％，濕密度約為19磅每立方英尺(即0.30g/cm3)。因此，本實施例的先進復合過濾介質提供了各個介質組分或具有相比擬的滲透率的商業(yè)硅藻土制品不能提供的優(yōu)異的性能。
實施例2硅藻土(90％)+珍珠巖(10％)+酸助熔劑在本實施例中，通過90wt％的起過濾作用的組分CELITE 500和10wt％的基質組分HARBORLITE 200混合制成一種先進復合過濾介質，CELITE 500是一種天然硅藻土，滲透率為0.06Da，濕密度為17.0磅每立方英尺(即0.272g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(a)為16.7μm(Celite CorporationLompoc,California),HARBORLITE 200是一種研磨的膨脹珍珠巖，滲透率為0.29Da，濕密度為14.0磅每平方英尺(即0.224g/cm3)，中值顆粒直徑D50(b)為17.3μm(Harborlite Corporation,Vicksburg,Michigan)，然后，在這種混合物中加入2％的硼酸(即H3BO3)作為酸助熔劑，以降低珍珠巖的軟化溫度。在馬弗爐內在空氣中在1700°F(即930℃)把這種混合物燒結30分鐘，然后從爐中取出并冷卻到室溫，制成所說的先進復合過濾介質。
本實施例的先進復合過濾介質的滲透率為0.69Da，濕密度為13.0磅每立方英尺(即0.208g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(c)為20.3μm，方石英含量為0.5％。
相比，本實施例各組分的簡單混合物的滲透率為0.06Da，濕密度為17.3磅每立方英尺(即0.277g/cm3)。此外，滲透率可與本實施例的先進復合過濾介質相比擬的商業(yè)硅藻土制品的方石英含量一般約為40％，濕密度約為19磅每立方英尺(即0.30g/cm3)。因此，本實施例的先進復合過濾介質提供了各個介質組分或具有相比擬的滲透率的商業(yè)硅藻土制品不能提供的優(yōu)異性能。
實施例3
硅藻土(50％)+珍珠巖(50％)+酸助熔劑在本實施例中，通過50wt％起過濾作用的組分CELITE 500和50wt％基質組分HARBORLITE 700混合制成一種先進復合過濾介質，CELITE500是一種天然硅藻土，滲透率為0.06Da，濕密度為17.0磅每立方英尺(即0.272g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(a)為16.7μm(Celite Corporation Lompoc,California),HARBORLITE 700是一種研磨的膨脹珍珠巖，滲透率為0.73Da，濕密度為14.5磅每平方英尺(即0.232g/cm3)，中值顆粒直徑D50(b)為30.2μm(Harborlite Corporation,Vicksburg,Michigan)，然后，在這種混合物中加入2％硼酸(即H3BO3)作為酸助熔劑，以降低珍珠巖的軟化溫度。在馬弗爐內在空氣中在1700°F(即930℃)把這種混合物燒結30分鐘，然后從爐中取出并冷卻到室溫，制成所說的先進復合過濾介質。
本實施例的先進復合過濾介質的滲透率為1.9Da，濕密度為11.3磅每立方英尺(即0.181g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(c)為33.5μm，方石英含量為0.1％。
相比，本實施例各組分的簡單混合物的滲透率為0.10Da，濕密度為15.8磅每立方英尺(即0.253g/cm3)，中值顆粒尺寸26.4μm。此外，滲透率可與本實施例的先進復合過濾介質相比擬的商業(yè)硅藻土制品的方石英含量一般約為50％，濕密度約為19磅每立方英尺(即0.30g/cm3)。因此，本實施例的先進復合過濾介質提供了各個介質組分或具有相比擬的滲透率的商業(yè)硅藻土制品不能提供的高度優(yōu)異的性能。
實施例4硅藻土(70％)+堿助熔的珍珠巖(30％)在本實施例中，通過70wt％起過濾作用的組分CELITE 500和50wt％基質組分HARBORLITE 700混合制成一種先進復合過濾介質，CELITE500是一種天然硅藻土，滲透率為0.06Da，濕密度為17.0磅每立方英尺(即0.272g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(a)為16.7μm(Celite Corporation Lompoc,California),HARBORLITE 700是一種研磨的膨脹珍珠巖，滲透率為0.73Da，濕密度為14.5磅每平方英尺(即0.232g/cm3)，中值顆粒直徑D50(b)為30.2μm(Harborlite Corporation,Vicksburg,Michigan)，其中的后一種組分用2％蘇打灰(即碳酸鈉Na2CO3)作為堿性助熔劑以降低珍珠巖的軟化溫度，在1700°F(即930℃)預熱10分鐘。然后在馬弗爐內在空氣中在1700°F(即930℃)把這種混合物燒結30分鐘，然后從爐中取出并冷卻到室溫，制成所說的先進復合過濾介質。
本實施例的先進復合過濾介質的滲透率為0.38Da，濕密度為14.5磅每立方英尺(即0.232g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(c)為24.8μm，方石英含量為0.9％。
相比，本實施例的組分各簡單混合物的滲透率為0.07Da，濕密度為16.4磅每立方英尺(即0.263g/cm3)，中值顆粒尺寸24.2μm。此外，滲透率可與本實施例的先進復合過濾介質相比擬的商業(yè)硅藻土制品的方石英含量一般約為30％，濕密度約為19磅每立方英尺(即0.30g/cm3)。因此，本實施例的先進復合過濾介質提供了各個介質組分或具有相比擬的滲透率的商業(yè)硅藻土制品不能提供的高度優(yōu)異的性能。
實施例5硅藻土(50％)+聚醚酮(50％)在本實施例中，通過50wt％起過濾作用的組分CELITE 500和50wt％基質組分KADELE1000C混合制成一種先進復合過濾介質，CELITE 500是一種天然硅藻土，滲透率為0.06Da，濕密度為17.0磅每立方英尺(即0.272g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(a)為16.7μm(Celite Corporation Lompoc,California),KADELE1000C是一種聚醚酮(Amoco PreformanceProducts,Alpharetta,Georgia)。在馬弗爐內在空氣中在400°F(即200℃)把這種混合物燒結30分鐘，然后從爐中取出并冷卻到室溫，制成所說的先進復合過濾介質。
本實施例先進復合過濾介質的滲透率為0.13Da，濕密度為19.8磅每立方英尺(即0.317g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(c)為61.1μm，方石英含量小于0.1％。
相比，本實施例各組分的簡單混合物的滲透率為0.07Da，濕密度為23.1磅每立方英尺(即0.370g/cm3)，中值顆粒尺寸31.3μm。由于聚醚酮本身的憎水性，通過優(yōu)選的方法對滲透率、濕密度和平均顆粒尺寸進行可比擬的測定是不可能的。該制品是優(yōu)異的，其中，熱塑性材料部分滲透進入起過濾作用的氣孔中，從而導致了結合。因此，本實施例的先進復合過濾介質提供了各個介質組分不能提供的高度優(yōu)異的性能。
實施例6硅藻土(85％)+巖棉(15％)在本實施例中，通過85wt％起過濾作用的組分CELITE 500和15wt％基質組分研磨的巖棉(USG Interiors,Inc.,Chicago,Illinois)混合制成了一種先進復合過濾介質，CEUTE 500是一種天然硅藻土，滲透率為0.06Da，濕密度為17.0磅每立方英尺(即0.272g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(a)為16.7μm(Celite Corporation Lompoc,California)，研磨的巖棉含有棕色的各向同性的纖維，纖維直徑為5-20μm，長度為50-300μm，濕密度為69.3磅每平方英尺(即1.11g/cm3)。在馬弗爐內在空氣中在1700°F(即930℃)把這種混合物燒結30分鐘，然后從爐中取出并冷卻到室溫，制成所說的先進復合過濾介質。
本實施例的先進復合過濾介質的滲透率為0.25Da，濕密度為17.8磅每立方英尺(即0.285g/cm3)，方石英含量小于0.1％。
相比，本實施例各組分的簡單混合物的滲透率為0.06Da，濕密度為19.5磅每立方英尺(即0.313g/cm3)，中值顆粒尺寸17.6μm。該制品是優(yōu)異的，其中，保持了巖棉的微觀結構特征。因此，本實施例的先進復合過濾介質提供了各個介質組分不能提供的高度優(yōu)異的性能。
實施例7硅藻土(95％)+纖維玻璃(5％)在本實施例中，通過95wt％起過濾作用的組分CELITE 500和5wt％基質組分隔熱玻璃纖維混合制成一種先進復合過濾介質，CELITE 500是一種天然硅藻土，滲透率為0.06Da，濕密度為17.0磅每立方英尺(即0.272g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(a)為16.7μm(Celite Corporation Lompoc,California)，隔熱玻璃纖維(Oweens-Corning Fiberglass,Toledo,Ohio)為無色纖維，直徑約5μm，長度300～700μm。在馬弗爐內在空氣中把這種混合物燒結，并冷卻到室溫，制成所說的先進復合過濾介質。
本實施例的先進復合過濾介質的滲透率為0.09Da，濕密度為16.0磅每立方英尺(即0.256g/cm3)，方石英含量小于0.1％。
該制品的獨特之處在于保持了玻璃纖維的微觀結構特征。因此，本實施例的先進復合過濾介質提供了各個介質組分不能提供的高度優(yōu)異的性能。
實施例8硅藻土(80％)+錫(20％)在本實施例中，通過80wt％起過濾作用的組分CELITE 500和20wt％基質組分錫粉混合制成一種先進復合過濾介質，CELITE 500是一種天然硅藻土，滲透率為0.06Da，濕密度為17.0磅每立方英尺(即0.272g/cm3)，中值顆粒尺寸D50(a)為16.7μm(Celite Corporation Lompoc,California)，錫粉(Johnson-Matthey,Ward Hill,Massachusets)小于100目，純度為99.5％。在馬弗爐內在空氣中在220℃把這種混合物燒結30分鐘，然后從爐中取出并冷卻到室溫，制成所說的先進復合過濾介質。
本實施例的先進復合過濾介質的滲透率為0.06Da，濕密度為20.8磅每立方英尺(即0.333g/cm3)，方石英含量小于0.3％。
該制品的獨特之處在于微觀結構分析顯示出小的不透明的顆粒，形狀為球形、橢圓形或帶棱角的，具有金屬光澤，從而保持了錫的特征。因此，本實施例的先進復合過濾介質提供了各個介質組分不能提供的高度優(yōu)異的性能。
F．參考文獻為了更完整地描述本發(fā)明涉及的技術現狀，下面列出了參考的出版物、專利、和公開專利說明書的內容。
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權利要求
1.一種先進復合過濾介質，包括(ⅰ)一種起過濾作用的組分和(ⅱ)一種基質組分，其中，所說的基質組分的軟化溫度低于所說的起過濾作用的組分的軟化溫度，所說的起過濾作用的組分緊密結合在所說的基質組分上。
2.一種根據權利要求1的先進復合過濾介質，其中，所說的介質的滲透率大于所說的起過濾作用的組分和所說的基質組分的簡單混合物的滲透率，其中，在所說的簡單混合物中，所說的起過濾作用的組分和所說的基質組分的比例與制備所說的介質所用的比例相同。
3.一種根據權利要求1或2的先進復合過濾介質，其中，所說的介質的滲透率比所說的起過濾作用的組分和所說的基質組分的簡單混合物的滲透率大5％或更多，其中，在所說的簡單混合物中，所說的起過濾作用的組分和所說的基質組分的比例與制備所說的介質所用的比例相同。
4.一種根據權利要求1-3的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的介質的中值顆粒尺寸大于所說的起過濾作用的組分的中值顆粒直徑和所說的基質組分的中值顆粒直徑的加權平均；其中，在計算所說的加權平均時，所說的起過濾作用的組分和所說的基質組分的比例與制備所說的介質所用的比例相同。
5.一種根據權利要求1-4的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的介質的中值顆粒直徑比所說的起過濾作用的組分的中值顆粒直徑和所說的基質組分的中值顆粒直徑的加權平均大5％或更多；在計算加權平均時，所說的起過濾作用的組分和所說的基質組分的比例與制備所說的介質所用的比例相同。
6.一種根據權利要求1-5的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的起過濾作用的組分包括生物二氧化硅或天然玻璃。
7.一種根據權利要求1-5的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的起過濾作用的組分包括硅藻土、珍珠巖、浮石、黑曜巖、松脂巖或火山灰。
8.一種根據權利要求1-5的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的起過濾作用的組分包括硅藻土、珍珠巖或火山灰。
9.一種根據權利要求1-5的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的起過濾作用的組分包括硅藻土。
10.一種根據權利要求1-9的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的基質組分包括玻璃、結晶礦物、熱塑性塑料、金屬或金屬合金。
11.一種根據權利要求1-9的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的基質組分包括一種天然玻璃。
12.一種根據權利要求1-9的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的基質組分包括珍珠巖、浮石、黑曜巖、松脂巖或火山灰。
13.一種根據權利要求1-9的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的基質組分包括珍珠巖。
14.一種根據權利要求1-9的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的基質組分包括熔融的珍珠巖。
15.一種根據權利要求1-9的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的基質組分包括一種合成玻璃。
16.一種根據權利要求1-9的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的基質組分包括一種結晶礦物。
17.一種根據權利要求1-9的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的基質組分包括礦物棉或巖棉。
18.一種根據權利要求1-9的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的基質組分包括一種熱塑性塑料。
19.一種根據權利要求1-9的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的基質組分包括一種具有熱塑性性能的熱固性聚合物。
20.一種根據權利要求1-9的任一個的先進復合過濾介質，其中，所說的基質組分包括一種金屬或金屬合金。
21.一種根據權利要求1-20的任一個的先進復合過濾介質，特點在于方石英含量為1wt％或更少。
22.一種含有一種先進復合過濾介質的組合物，所說的介質包括(ⅰ)一種起過濾作用的組分和(ⅱ)一種基質組分，其中，所說的基質組分的軟化溫度低于所說的起過濾作用的組分的軟化溫度，所說的起過濾作用的組分緊密結合在所說的基質組分上。
23.一種根據權利要求22的組合物，其中，所說的先進復合過濾介質是根據權利要求1-21的任一項的介質。
24.一種根據權利要求22或23的組合物，其中，所說的組合物的形式為粉末、板、棒或濾筒。
25.一種根據權利要求22或23的組合物，其中，所說的組合物是整體載體、團粒載體、整體基體或團?；w的形式的。
26.一種過濾方法，包括使含有懸浮顆粒的流體通過隔膜上負載的過濾助劑材料，其中，所說的過濾助劑材料包括一種先進復合過濾介質，所說的介質包括(ⅰ)一種起過濾作用的組分和(ⅱ)一種基質組分，其中，所說的基質組分的軟化溫度低于所說的起過濾作用的組分的軟化溫度，所說的起過濾作用的組分緊密結合在所說的基質組分上。
27.一種根據權利要求26的方法，其中所說的過濾助劑包括一種根據權利要求1-21的任一項的先進復合過濾介質，或根據權利要求22-24的任一項的組合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及復合過濾介質,包括(i)一種起過濾作用的組分和(ii)一種基質組分,其中所說的基質組分的軟化溫度低于所說的起過濾作用的組分的軟化溫度,所說的起過濾作用的組分緊密結合在所說的基質組分上;以及這種復合過濾介質的制備和使用方法。更具體地,本發(fā)明涉及復合過濾介質和復合過濾介質制品,包括一種具有適用于過濾的特有的復雜多孔結構的起過濾作用的組分,如生物二氧化硅制品(例如硅藻土)或天然玻璃制品(如膨脹珍珠巖),燒結到一種基質組分上,如工程聚合物(例如,玻璃、結晶礦物、熱塑性塑料和金屬),基質組分的軟化溫度低于所說的起過濾作用的組分的軟化溫度。本發(fā)明的復合過濾介質提供了優(yōu)異的性能,如高的滲透率、低的離心濕密度、低方石英含量和獨特形狀的顆粒(如纖維)。
文檔編號B01J20/26GK1209079SQ96199962
公開日1999年2月24日 申請日期1996年6月17日 優(yōu)先權日1996年2月16日
發(fā)明者S·K·帕爾姆, T·R·史密斯, J·C·希尤, J·S·羅爾斯頓 申請人:先進礦物公司