水過濾器組件和過濾元件的製作方法
2023-12-01 09:51:36 1
專利名稱：水過濾器組件和過濾元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及水過濾器組件和其中所使用的過濾元件，通過所述的過濾元件水被淨化到通常適於飲用的程度。更具體地，本發明涉及水過濾器組件和其中所使用的可替換的水過濾元件，所述的水過濾元件主要(但不限於)適於小規模使用，特別是家庭或個人使用，其目的是用於製備飲用水。
背景技術：
各種不同形式的小規模的水過濾器，特別是飲用水的過濾器主要用於鄉村居民或到鄉村的訪客以及飲用水的供水設施被破壞或無法獲得的災區。一般在不乾淨的天然水中不僅有細菌和其它的微生物(可能包括瘧疾原蟲)，而且在很多情況下汙染物是以人造化學品和廢物以及人和動物製造的垃圾的形式存在的。
淨化少量水最常使用的是過濾元件，所述的過濾元件包括過濾屏障和通常釋放氯的化合物和活性碳，它們被包在過濾袋內或由過濾材料製備的其它容器中。而且通常使用的是孔狀陶瓷過濾器。現有的可以買到的一些過濾器組件如名為"LIFESAVER 」的水瓶是非常昂貴的而且是可能想使用此系統的人們無法使用的。現有技術中的很多過濾器組件面對的另一個問題是被過濾出的微生物在過濾器表面繁殖而導致形成生物膜從而至少在一定程度上阻塞過濾器表面。由於過濾設備所面對的困難和花費，通常使用化學方法處理水。為此目的所使用的一種商業上可獲得的殺菌劑是以商標名AquaQure出售的一種殺菌劑，它是含有下列兀素的溶液，各元素的濃度逐漸降低，Cu，Zn，K，Ca，Na, Fe，Mg，B, Cr，Cd，Sr，Ni和Si。這種商品可從南非，西開普省，斯韋倫丹的AquaQure Global Water Solutions公司買到。發明目的本發明的目的是提供一種水過濾器組件和其中所使用的過濾元件，所述的過濾元件提供有效的水淨化，其中至少將上述的一個缺點克服到一定程度。
發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種殼體形式的水過濾元件，所述的水過濾元件具有能滲透水的屏障，使用中的水通過所述的屏障被淨化，其中所述的殼體的內部裝有至少一種粒狀活性碳，至少一種適當的離子交換樹脂和至少一種適當的吸附劑，所述的過濾元件的特徵在於，所述的能滲透水的屏障包括限定了納米孔的納米纖維層，通過所述的納米孔能滲透使用中的水。根據本發明的第二方面，提供了一種水過濾元件，所述的水過濾元件具有能滲透水的屏障，使用中的水通過所述的屏障被淨化，所述的水過濾元件的特徵在於，所述的能滲透水的屏障包括可滲透的支持層和其上攜帶的納米纖維層，其中所述的納米纖維層限定了納米孔，通過所述的納米孔能滲透使用中的水。
本發明的其它特徵包括納米纖維具有抗菌性能，所述的抗菌性能可以是納米纖維本身內在的性能和/或由納米纖維內或其層內攜帶的或截留的殺菌劑提供的；對於任何的殼體，可以是大體呈圓柱形或大體呈扁平的矩形或正方形的袋子，所述的袋子被捲成圓柱形，在每一種情況下，圓柱形的袋子適於被緊貼地放入帶孔支架上；殼體內含有至少一種粒狀或珠狀的離子交換樹脂或吸附劑，特別是陽離子交換樹脂，一般與粒狀活性碳一起混合；以及，對於任何可滲透的支持層應當是在生產茶葉包等中廣泛使用的常規類型的專業過濾紙。應當注意專業過濾紙的類型，當選擇正確時，可以具有非常有益的特徵，所述的特徵在於，當用作納米纖維的支撐介質時，纖維被編織成專業過濾紙的孔，由此省掉了進一步提高粘附或粘合的措施的必要性。專業過濾紙是具有較粗糙的一面和較光滑的一面的類型，並且在這種情況下，由較粗糙的一面攜帶納米纖維。由納米纖維層限定的納米孔的尺寸通常被選為能截留微生物或其它尺寸大於I微米的粒子。 本發明還提供了水過濾器組件，所述的水過濾器組件包括如上定義的水過濾元件，以及所使用的帶孔支架，其中所述的帶孔支架貼合地接收位於通過所述的水過濾器組件的流路中的水過濾元件。本發明的此方面的其它特徵包括帶孔支架被設計成可操作地放入水容器例如桶或瓶特別是塑料飲水瓶的容器口內，在這種情況下，所述的支架具有的形狀可將其固定到容器出口處，特別是螺紋口頸等，或者將帶孔支架放置在適於放入供水出口處例如水龍頭的殼內；以及，使用螺紋插座用於將所述的帶孔支架安裝在瓶子口內，螺紋插座中插入關閉裝置，所述的關閉裝置用於關閉通過水過濾器組件的流路，其中所述的關閉裝置任選為運動蓋類型。根據本發明的第三方面，提供了製備具有抗菌性能的納米纖維的方法，其中所述的方法包括由適當的聚合物材料溶液製備電紡絲納米纖維，所述的方法的特徵在於，在電紡絲之前在所述的溶液中含有適當的殺菌劑以使殺菌劑與納米纖維合為一體從而使納米纖維具有抗菌性能或使納米纖維的抗菌性能提高。納米纖維可以本身具有抗菌性能，在這種情況下，可任選添加殺菌劑使納米纖維層中含有殺菌劑。或者，納米纖維本身不具有任何抗菌性能，在這種情況下，在電紡絲之前添加殺菌劑被認為是必要的。提供抗菌性能的原因是殺死被納米纖維層過濾掉的微生物並因此不能進行可能促進生物膜形成的繁殖。因此納米纖維層不會傾向被阻塞。當與能形成生物膜的情況進行較時所獲得的過濾元件的壽命因此被明顯延長。所述的殺菌劑可以是上述提到的AquaQure或者是一種或多種適當的呋喃酮，或任何其它類似的殺菌劑。為了使本發明能被充分的理解，下面參考附圖詳細討論各種實施例。
圖中圖I是配有本發明的水過濾器組件的飲水瓶的剖示圖2是配有本發明的水過濾器組件的水龍頭的剖示圖；圖3是能滲透水的袋子形式的過濾元件的等距視圖；圖4是準備插入圓柱形帶孔支架內的捲起來的形式的過濾元件的等距視圖；圖5是支架的爆炸等距視圖，所述支架用於圖I和圖2中所示的過濾元件；圖6是支架組件的剖視圖。
具體實施例在本發明的一個實施例中，水過濾元件I的形式是能滲透水的袋子2，所述的袋子限定了一個殼體，所述的水過濾元件具有能滲透水的屏障，其中所述的屏障限定了使水通過所述的過濾元件的通道。所述的袋子由廣泛用於生產茶葉袋的專業級別的紙製作。 過濾元件被設計成被緊貼地放入大體呈圓柱形的帶孔支架3中，所述的支架可操作的放入水容器4例如桶或瓶子，特別是塑料飲水瓶的容器口內。因此，所述的支架具有螺紋插座5，用於可拆卸地將其固定到瓶子的螺紋口頸6上，其中所述的帶孔支架的壁伸入瓶子中以使過濾元件形成瓶子的出口通道。所述的袋子中裝有由標號7所示的其粒徑約為Imm的粒狀活性碳，且所述粒狀活性碳可以與至少一種粒狀的或珠狀的離子交換樹脂混合，其中所述離子交換樹脂也具有約為Imm的粒徑。在這種情況下，使用的是陽離子交換樹脂，儘管可以附加或替代地使用陰離子交換樹脂，其至少在一定程度上取決於待被純化的水的一般特徵。對於粒狀活性碳或離子交換樹脂，還可以附加或替代地使用任何其它的適當的吸附劑。正如本發明所提供的，過濾元件具有能滲透的屏障，它由所述袋子的壁限定，所述的袋子包括可滲透的支持層，所述的可滲透的支持層由專業紙8 (茶葉袋紙類型)和其上所攜帶的納米纖維層9限定，其中所述的納米纖維層限定納米孔，使用中的水通過所述的納米孔進行滲透。所述納米纖維層被構造以提供其尺寸可阻止微生物或其它使水不適於飲用的粒子通過的納米孔。在本發明的實施例中，被選擇的納米纖維具有抗菌性能，特別是，納米纖維是用PVA材料電紡絲而成的，其中所述的PVA材料優選具有殺菌劑，所述的殺菌劑包含或被截留在納米纖維層內。實驗I使用聚乙烯醇(PVA)和殺菌劑AquaQure製造納米纖維以提供所需的抗菌性能。如下製備PVA的納米纖維層水解的(87-89%)的聚乙烯醇(8. 5%w/v)溶於蒸餾水中。將交聯劑乙二醛(8%v/v)(40%的水溶液)攪拌添加到PVA溶液中直到溶解並添加一滴濃鹽酸使pH值降低到2。將AquaQure (5%v/v)添加溶液中並攪拌。為了進行電紡絲，在相對溼度小於40%的環境下使用氣泡紡絲機(bubblespinner)。將陽極浸沒於聚合物溶液中並將陰極連接到收集板。收集板位於氣泡紡絲機構件的正上方的25cm處。形成的納米纖維在60° C保持4天以進行交聯。過濾袋是由攜帶納米纖維層的專業紙製成的並填充了 4g的活性碳和離子交換劑的混合物。具有電紡絲納米纖維層的過濾袋的內側被熱密封以形成最終的過濾元件。
由納米纖維層限定的納米孔具有的孔徑能截留微生物和其它粒徑大於I微米的粒子。在不含殺菌劑AquaQure的納米纖維PVA和含有AquaQure的PVA上進行實驗。給出如下結果，並表明後者完全去除了所述的微生物而使用沒有殺菌劑AquaQure的PVA僅去
除一小部分所述的微生物。
菌株大腸桿菌(Xen 14 )金黃色葡萄球菌(Xen 36)
過濾前I 41 X IO9I. 72 X 101°
使用僅有纖維PVA過濾後I. 30 X IO9I. 30 X 101°
使用結合T AquaQure的
千淨乾淨
PVA纖維過濾後因此可以設想本發明能夠提供非常簡單卻高效並且廉價的水過濾器組件和其中所使用的過濾元件。當然，根據本發明的水過濾器能夠設計成各種不同的形式並且可以設想其中一個非常有用的形式是圖2所示的類型。在這種形式的由標號11表示的水過濾器中具有插入殼體13內的支架12，所述的殼體適於使用常見的螺紋插座15安裝到供水的出口水龍頭14上。在這種形式中，水過濾器可在使用和希望使用時由水的任何使用者安裝到水龍頭上。根據水龍頭的構造，可以使用任何類型的連接器把這樣的水過濾器連接到水龍頭上。在附圖的3-6中描述的本發明的另一個實施例中，過濾器被製造為大體呈扁平的矩形或正方形的袋子20，所述的袋子由用於生產茶葉袋的專業紙製備並被標號21所示的方式沿其外周進行熱密封。在這個實施例中使用的專業紙是由德國，Gernsbach的Glatfelter GernsbachGmbH& Co. KG公司(複合纖維業務單位)生產的商標名為DYNAP0RE的茶葉過濾紙，即其質量為117/S的產品。所述的紙的重量為16. 50±1.00g/m2;厚度為65. 00±5. 00微米；並具有可熱密封的表面。通過電紡絲方法將納米纖維層直接用於專業紙的兩個表面中較粗糙的一面，下面介紹其詳細的內容。這種方法具有較高的益處，其特徵在於，納米纖維被編織成專業紙的孔，從而不需要進一步提高粘合或粘附的措施。實驗2聚乙烯醇(PVA，Mr146000-186000 道爾頓，87-89% 水解)(8. 5%w/v)溶於蒸餾水中並在攪拌的同時在90° C加熱30分鐘。在攪拌的條件下將交聯劑乙二醛(8%v/v) (40%的水溶液)添加PVA溶液中直到溶解並添加一滴濃鹽酸使pH值降至2。應當注意乙二醛的濃度可以被降低並在較短時間內在較高的溫度進行熟化。還應當注意PVA再次使用的簡單原因是所使用的PVA可用於食品和藥品中。聚合物溶液被冷卻並添加AquaQure (5%v/v)於溶液中並攪拌至溶解。將可熱密封的專業紙切割成64x64mm的正方形。紙的粗糙面向上，貼在錫紙收集板上。將聚合物溶液注射到巴斯德吸液管中，銅線與高壓電源的正極接觸並插入聚合物溶液中。陰極被放置在錫紙收集板上距離巴斯德吸液管200mm的位置。使用15kV電流的高壓並將納米纖維噴射到錫紙收集板並因此噴射到專業紙上。然後將專業紙移走並在60° C的爐中烤4天。納米纖維的乾重是600g/m2。納米纖維的直徑介於200nm至350nm之間，這由AquaQure的濃度和所使用的電壓決定。使用15kV的電壓和5%濃度的PVA/AquaQure得到的納米纖維具有約250nm的直徑。所形成的納米纖維中的孔的尺寸是7至13nm2。然後通過將電紡絲紙的彼此頂部的邊緣熱密封製作袋子，同時使一邊敞開。每個袋子填充 3g 的粒狀活性碳(AquaSorb 1000,瑞士，8200Schaffhausen, Rheinweg 5 的JacobiCarbons AG公司製作)並被熱密封使之閉合。使過濾袋的尺寸能被容納到圓柱形的帶孔支架23內，所述的帶孔支架在一端具 有一體的配件24而在另一端具有可移動的帽25，如圖3清楚地所示。選擇圓柱形的帶孔支架的尺寸以使當過濾袋被緊緊捲起來時，如圖4所示，能夠被插入到圓柱形的帶孔支架中，在此形成貼合地接觸。然後在帶孔支架的開口端拆除可移動的帽，這樣通過帶孔支架的開口端就將捲起來的過濾袋安裝進去了。配件具有螺紋插座26以便可拆卸的將配件固緊到瓶子的螺紋口頸上，其中圓柱形的帶孔支架23伸入到瓶子中以使過濾元件形成瓶子的出口通道。配件優選具有眾所周知的運動蓋出口，包括一個閥，所述的閥包括關閉裝置27，所述的關閉裝置具有外圍28，外圍28在關閉位置和開放位置之間軸向滑動。在關閉位置，關閉裝置的末端壁30上的孔29由插銷元件31佔據，插銷元件31通過材料的一體化網32保持在出口通道的中心，材料的一體化網32與配件24的內壁連接。在開放位置，關閉裝置向外軸向移動(如圖6所示)以使水能通過插銷並通過孔29流過出口通道。應當理解儘管上述的圓柱形的帶孔支架和配件被描述為彼此為一體，但是製作這樣一體化的塑料注射成型的工具和模子可能不實用，在這種情況下，圓柱形的帶孔支架可做成單獨的單元，將其安裝到配件上，優選以可逆的方式以便真正避免在沒有支架時的配件處於其工作位置。其它的抗菌納米纖維的製作方法如下i.殺菌劑銅和聚合物PVA 聚乙烯醇/銅(PVA/Cu)纖維墊的製作通過室溫下混合10%w/V的PVA和CuSO4. 5H20(5-15%w/v)的水溶液，並不斷攪拌直到鹽被完全溶解。添加交聯劑乙二醛(8%)，納米纖維通過在60° C熟化4天進行交聯。ii.殺菌劑呋喃酮和聚合物PVA聚乙烯醇/呋喃酮纖維墊的製作通過室溫下混合8%w/V的PVA和呋喃酮(2_10%w/v)，並不斷攪拌直到鹽被完全溶解。添加交聯劑乙二醛(8%)並且通過在60° C熟化4天進行交聯。iii.殺菌劑銀和聚合物PVA將PVA粉末溶解於水中並在90° C輕輕攪拌製備8被％的PVA的聚合物溶液。冷卻聚合物溶液並添加8%v/v的乙二醛作為交聯劑並用濃鹽酸將pH值調節到5以促進交聯過程。最終將5%(wt/v)的AgNO3添加到聚合物溶液中並充分混合。在收集板上收集含有AgNO3的PVA納米纖維並在60° C熟化4天進行交聯。在交聯之後，將納米纖維暴露於UV照射中I小時以使納米纖維中的銀離子還原成銀的納米粒子。iv.殺菌劑銀和聚合物PAN (聚丙烯腈)在二甲基甲醯胺(DMF) (Sigma Aldrich)中製備6%(wt/v)的PAN的聚合物溶液。將DMF加熱到90° C並攪拌同時逐漸添加PAN。混合物在90° C攪拌5小時直到獲得澄清的深黃色的溶液。添加矽酮表面活性劑JSYK L580(0. 95g/l)以穩定氣泡電紡絲期間泡沫的形成。最終，添加5%(wt/v)的AgNO3於聚合物溶液中並充分混合。含有AgNO3的PAN納米纖維和已經還原的銀的納米粒子被收集在收集板上。然後，將納米纖維暴露於UV照射中I小時以使納米纖維中剩餘的銀離子還原成為銀的納米粒子。
在不脫離本發明的範圍的情況下可對如上所述的本發明的兩種不同形式進行各種改變。特別是，可根據所希望的情況和適當的用途，廣泛改變納米纖維層的性能並且也可改變可滲透的支持物。以及，可以採用任何其它的適當的吸附劑例如沸石或膨潤土完全或部分取代粒狀活性炭或離子交換樹脂。
權利要求
1.一種殼體(2)形式的水過濾元件(I)，所述的水過濾元件具有能滲透水的屏障，使用中的水通過所述的屏障被淨化，其中所述的殼體的內部裝有至少一種粒狀活性碳，至少一種適當的離子交換樹脂和至少一種適當的吸附劑(7)，其特徵在於，所述的能滲透水的屏障包括限定了納米孔的納米纖維層(9)，通過所述的納米孔能滲透使用中的水。
2.一種水過濾元件(1)，所述的水過濾元件具有能滲透水的屏障，使用中的水通過所述的屏障被淨化，其特徵在於，所述能滲透水的屏障包括可滲透的支持層(8)和其上攜帶的納米纖維層(9)，其中所述的納米纖維層限定了納米孔，通過所述的納米孔能滲透使用中的水。
3.根據權利要求I或2所述的水過濾元件，其中納米纖維具有抗菌性能，所述的抗菌性能是納米纖維本身內在的性能或由納米纖維內或其層內攜帶的或截留的殺菌劑提供的，或兼而有之。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的水過濾元件，其中所述的殼體大體呈圓柱形，所述的圓柱形適於被緊貼地放入帶孔支架(3)中。
5.根據權利要求I至3中任一項所述的水過濾元件，其中所述的殼體是大體呈扁平的矩形或正方形的袋子(20)，所述的袋子適於被捲成圓柱形，所述的圓柱形袋子被緊貼地放入帶孔支架(23)中。
6.根據前述任一權利要求所述的水過濾元件，其中在所述的殼體內含有至少一種粒狀或珠狀的離子交換樹脂或吸附劑。
7.根據權利要求6所述的水過濾元件，其中所述的可滲透的支持層是茶葉袋等生產中廣泛使用的普通類型的專業過濾紙。
8.根據權利要求7所述的水過濾元件，其中所述的專業過濾紙是具有較粗糙的一面和較光滑的一面的類型，並且所述的較粗糙的一面攜帶所述的納米纖維。
9.根據前述任一權利要求所述的水過濾元件，其中所述的納米孔的尺寸被選擇，以截留微生物和其粒徑大於I微米的其它粒子。
10.含有前述任一權利要求所述的水過濾元件的水過濾器組件，所述的水過濾器組件具有帶孔支架(3，23)，所述的帶孔支架可操作的貼合地接收所述的水過濾元件，所述的水過濾元件位於通過所述的水過濾器組件的流路內。
11.根據權利要求11所述的水過濾器組件，其中所述的帶孔支架配有螺紋插座(5，26)，用於將所述的帶孔支架連接到容器(4)的容器口內或連接到具有螺紋的水龍頭(14)上。
12.根據權利要求12所述的水過濾器組件，其中所述的螺紋插座中插入關閉裝置，所述的關閉裝置用於關閉通過具有所述的關閉裝置的所述的水過濾器組件的流路。
13.一種水容器，所述水容器配有如權利要求12或13所述的水過濾器組件。
14.—種製備具有抗菌性能的納米纖維的方法，其中所述的方法包括由適當的聚合物材料的溶液製備電紡絲納米纖維，其特徵在於，在電紡絲之前在所述的溶液中含有適當的殺菌劑，以使所述的殺菌劑與納米纖維合為一體，從而使納米纖維具有抗菌性能或使納米纖維的抗菌性能提高。
全文摘要
本發明提供了一種水過濾器組件和水過濾元件(1)。所述的水過濾元件具有能滲透水的屏障，使用中的水通過所述的屏障被淨化。所述的能滲透水的屏障包括限定了納米孔的納米纖維層(9)，通過所述的納米孔能滲透使用中的水。所述的水過濾元件可以是殼體(2)的形式，所述的殼體裝有至少一種粒狀活性碳，至少一種適當的離子交換樹脂和至少一種適當的吸附劑(7)。優選所述的能滲透水的屏障包括可滲透的支持層(8)和其上攜帶的納米纖維層(9)。所述的納米纖維優選具有抗菌性能，所述的抗菌性能是納米纖維本身內在的性能或由納米纖維內或其層內攜帶的或截留的殺菌劑提供的，或兼而有之。所述的水過濾器組件具有帶孔支架(3,23)，所述的帶孔支架(3,23)可操作的貼合地接收位於通過所述的水過濾器組件的流路內的所述的水過濾元件。優選所述的帶孔支架具有螺紋插座(5,26)用於將所述的帶孔支架連接到容器(4)的容器口內。
文檔編號B01D24/10GK102892474SQ201180021131
公開日2013年1月23日 申請日期2011年2月22日 優先權日2010年3月2日
發明者利昂·米爾納·西奧多·迪克斯, 梅爾利茲·博特斯, 丹妮爾·瑪格麗特·杜普萊西斯, 尤金·克洛特, 米歇爾·德科瓦迪斯滕尼特, 農納加布洛·德拉米尼 申請人:斯泰倫博斯大學