過濾元件及其製造方法與流程

2023-12-06 05:26:41 2

本發明涉及一種用於過濾流體中的雜質的過濾元件，更具體地說，本發明涉及一種包含多個過濾區的碳塊過濾元件及其製造方法，其中所述多個過濾區被構造成能夠過濾不同尺寸的雜質。

背景技術：

用於過濾的碳塊(carbon block)由活性炭顆粒及適當的粘合劑製成。現有的製造碳塊的方法包括無壓燒結及壓力燒結。無論採用哪種方法，所得的碳塊的結構都是均一的，即活性炭顆粒之間形成的孔隙大小基本上是相等的，過濾所有小於該孔隙的雜質。

為獲得更高的氯吸附能力，可以選用較細的活性炭顆粒來製造碳塊。然而，當活性炭顆粒的尺寸較小時，碳塊兩側的壓力降增大，且碳塊中的孔隙容易被流體中的雜質堵塞。這種由於表面的孔隙尺寸較小而使得微小的雜質堵塞孔隙從而阻斷流體的流動的過濾方式被稱為表面過濾。在這種過濾方式中，雖然碳塊的內部仍有許多未被充分利用於吸附氯的活性炭顆粒，但流體無法接觸到這些活性炭顆粒。

另一方面，為了防止表面上的孔隙的堵塞，有些碳塊採用尺寸較大的活性炭顆粒製成。然而，較大的活性炭顆粒尺寸導致碳塊兩側的壓力降顯著降低，這使得流過碳塊的流體的流速顯著提高，也即流體停留在碳塊中的時間顯著減少，因而嚴重影響碳塊中的活性炭顆粒對流體中的雜質的吸附能力。此外，隨著活性炭顆粒尺寸的增大，碳塊中的孔隙的尺寸也會增大，以致於不能過濾尺寸較小(如小於1微米)的雜質。某 些碳塊甚至只能過濾尺寸大於5微米的雜質。

因此，目前缺乏一種既具有較高的過濾能力(能夠過濾尺寸較小的雜質)、又具有較高的吸附能力(充分利用碳塊內部的活性炭顆粒吸附雜質)的過濾元件。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種由顆粒狀材料燒結而成的過濾元件，例如碳塊，其中，由顆粒尺寸較大的過濾材料(如活性炭)構成位於流體流動方向的上遊的第一過濾區，其用於過濾尺寸較大的雜質；而由顆粒尺寸較小的過濾材料構成位於流體流動方向的下遊的第二過濾區，其用於過濾尺寸較小的雜質並能夠對雜質進行吸附；此外，在所述第一過濾區和第二過濾區之間存在過渡區，在該過渡區中，既有顆粒尺寸較大的過濾材料，也有顆粒尺寸較小的過濾材料。這樣的過濾元件既能夠過濾尺寸較小的雜質，又能夠充分利用位於其內部的過濾材料來吸附雜質，即同時具有較高的過濾能力和吸附能力。此外，這樣的過濾元件較不容易被雜質堵塞，因而具有更長的使用壽命。

具體來說，本發明提供一種用於淨化流體中的雜質的過濾元件，其包括第一過濾區和第二過濾區,所述第一過濾區由第一尺寸顆粒製成,所述第一尺寸顆粒之間形成第一尺寸孔，所述第二過濾區由第二尺寸顆粒製成,所述第二尺寸顆粒之間形成第二尺寸孔，所述第一尺寸顆粒的平均尺寸大於所述第二尺寸顆粒的平均尺寸,從而所述第一尺寸孔的尺寸大於所述第二尺寸孔的尺寸，其中,所述過濾元件還包括位於所述第一過濾區和第二過濾區之間的過渡區，所述過渡區由混合的所述第一尺寸顆粒和所述第二尺寸顆粒製成，其中，在由所述第一過濾區到所述第二過濾區的方向上，所述過渡區的顆粒之間形成的孔的尺寸從所述第一尺寸孔的尺寸開始逐漸變小至所述第二尺寸孔的尺寸。

在本發明的過濾元件的一個實施例中，在所述過渡區中，所述第一 尺寸顆粒的含量在由所述第一過濾區到所述第二過濾區的方向上逐漸遞減，而所述第二尺寸顆粒的含量在由所述第一過濾區到所述第二過濾區的方向上逐漸遞增。

在本發明的過濾元件的一個實施例中，所述第一過濾區在所述流體的流動方向上位於所述第二過濾區的上遊。

在本發明的過濾元件的一個實施例中，所述第一尺寸顆粒和所述第二尺寸顆粒均採用活性炭顆粒材料。

在本發明的過濾元件的一個實施例中，所述活性炭顆粒的表面具有粘合劑聚乙烯。優選地，所述聚乙烯是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。更優選地，所述超高分子量聚乙烯的粘度值為1200毫升/克至4300毫升/克。

在本發明的過濾元件的一個實施例中，所述第一尺寸顆粒的顆粒尺寸大於250微米，而所述第二尺寸顆粒的顆粒尺寸在60到200微米之間。優選地，所述第一過濾區構造成能夠過濾顆粒尺寸大於200微米的雜質，而顆粒尺寸小於200微米的雜質能夠進入和/或通過所述第一過濾區，所述過渡區能夠過濾顆粒尺寸在1微米至200微米之間的雜質，所述第二過濾區能夠過濾顆粒尺寸大於1微米的雜質。

在本發明的過濾元件的一個實施例中，所述第一過濾區、所述第二過濾區和/或所述過渡區的材料選擇成能夠吸附雜質，尤其是氯。優選地，對雜質的吸附主要由所述第二過濾區進行。

在本發明的過濾元件的一個實施例中，所述過濾元件被燒結成圓筒狀，所述過渡區圍繞所述第二過濾區，所述第一過濾區圍繞所述過渡區。換言之，所述第一過濾區較靠近所述過濾元件的外側，所述第二過濾區較靠近所述過濾元件的內側，而所述過渡區位於所述第一過濾區和所述第二過濾區之間。

本發明的另一個方面提供一種用於製造本發明的過濾元件的方法， 該方法包括以下步驟：提供具有適合於容納顆粒狀材料的腔體的模具，所述模具包括隔網，所述隔網將所述腔體分隔成第一腔體和第二腔體；以第一尺寸顆粒和第二尺寸顆粒分別填充所述第一腔體和所述第二腔體，其中所述第一尺寸顆粒的平均尺寸大於所述第二尺寸顆粒的平均尺寸；將所述隔網從所述模具中移除，在移除隔網的過程中，使得所述第一尺寸顆粒和所述第二尺寸顆粒朝向彼此移動，形成過渡區；在適當的溫度下對所述第一尺寸顆粒和所述第二尺寸顆粒進行燒結，以分別形成由所述第一尺寸顆粒構成的第一過濾區和由所述第二尺寸顆粒構成的第二過濾區，所述第一過濾區中的所述第一尺寸顆粒之間形成第一尺寸孔，所述第二過濾區中的所述第二尺寸顆粒之間形成第二尺寸孔，所述第一尺寸孔的尺寸大於所述第二尺寸孔的尺寸，並且所述過渡區位於所述第一過濾區和所述第二過濾區之間，所述過渡區由混合的所述第一尺寸顆粒和所述第二尺寸顆粒燒結而成，其中，在由所述第一過濾區到所述第二過濾區的方向上，所述過渡區的顆粒之間形成的孔的尺寸從所述第一尺寸孔的尺寸開始逐漸變小至所述第二尺寸孔的尺寸。優選地，所述燒結溫度在170攝氏度至220攝氏度之間。

根據本發明的方法的一個實施例，所述燒結以這樣一種方式進行，使得在所述過渡區中，所述第一尺寸顆粒的含量在由所述第一過濾區到所述第二過濾區的方向上逐漸遞減，而所述第二尺寸顆粒的含量在由所述第一過濾區到所述第二過濾區的方向上逐漸遞增。

根據本發明的方法的一個實施例，所述第一尺寸顆粒和所述第二尺寸顆粒均採用活性炭顆粒材料。

根據本發明的方法的一個實施例，所述活性炭顆粒的表面具有粘合劑聚乙烯。優選地，所述聚乙烯是超高分子量聚乙烯。更優選地，所述超高分子量聚乙烯的粘度值為1200毫升/克至4300毫升/克。

根據本發明的方法的一個實施例，所述第一尺寸顆粒的顆粒尺寸大 於250微米，而所述第二尺寸顆粒的顆粒尺寸在60到200微米之間。優選地，所述燒結以這樣一種方式進行，使得所述第一過濾區能夠過濾顆粒尺寸大於200微米的雜質，而顆粒尺寸小於200微米的雜質能夠進入和/或通過所述第一過濾區，所述過渡區能夠過濾顆粒尺寸在1微米至200微米之間的雜質，並且所述第二過濾區能夠過濾顆粒尺寸大於1微米的雜質。

根據本發明的方法的一個實施例，所述模具具有圓筒狀的內壁、圓筒狀的外壁和圓筒狀的隔網，所述隔網的直徑大於所述內壁的直徑但小於所述外壁的直徑。優選地，所述隔網和所述外壁限定所述第一腔體，所述隔網和所述內壁限定所述第二腔體。

附圖說明

圖1為根據本發明的一個實施例的過濾元件的結構示意圖；

圖2為根據本發明的另一個實施例的過濾元件的截面圖；

圖3為根據本發明的一個實施例的用於製作本發明的過濾元件的模具的示意圖。

具體實施方式

圖1為根據本發明的一個實施例的過濾元件1。在本實施例中，過濾元件1為碳塊，即其由活性炭顆粒及適當的粘合劑(如塑料)構成。但本領域的技術人員將能夠理解，本發明的過濾元件可為任何形式的過濾介質，例如陶瓷塊、PE燒結塊、任何形式的金屬燒結塊等。

過濾元件1包括位於流體流動方向F上遊的第一過濾區2、位於流體流動方向F下遊的第二過濾區3以及位於第一過濾區2和第二過濾區3之間的過渡區4。所述第一過濾區2由第一尺寸顆粒構成。在本實施例中，所述第一尺寸顆粒是顆粒尺寸大於250微米的大活性炭顆粒5。所述大活性炭顆粒5的周圍具有適當大小的聚乙烯顆粒。所述聚乙烯的作用是作為大活性炭顆粒5之間的粘合劑，以將大活性炭顆粒5粘合起來而 形成第一過濾區2。所述大活性炭顆粒5之間形成第一尺寸孔14。所述第一過濾區2能夠過濾顆粒尺寸大於200微米的雜質6，即顆粒尺寸大於200微米的雜質會被阻擋在所述第一過濾區2之外，而顆粒尺寸小於或等於200微米的雜質能夠進入或通過所述第一過濾區2。

所述第二過濾區3由第二尺寸顆粒構成。在本實施例中，所述第二尺寸顆粒是顆粒尺寸在60到200微米之間的小活性炭顆粒13。所述小活性炭顆粒13的周圍同樣具有作為粘合劑的適當大小的聚乙烯顆粒，以將小活性炭顆粒13粘合起來而形成第二過濾區3。所述小活性炭顆粒13之間形成第二尺寸孔15，所述第二尺寸孔15的尺寸小於所述第一尺寸孔14的尺寸。所述第二過濾區3能夠過濾顆粒尺寸大於1微米的雜質。實驗證明，當大活性炭顆粒5和小活性炭顆粒13的周圍由超高分子量聚乙烯、特別是粘度值在1200毫升/克至4300毫升/克之間的超高分子量聚乙烯覆蓋時，可以取得較好的過濾效果。

如圖1所示，位於第一過濾區2和第二過濾區3之間的過渡區4中既有大活性炭顆粒5，也有小活性炭顆粒13。而且，在過渡區4中，大活性炭顆粒5的含量沿流體流動方向F遞減，而小活性炭顆粒13的含量沿流體流動方向遞增。因此，在由所述第一過濾區2到所述第二過濾區3的方向上，所述過渡區4的顆粒之間形成的孔的尺寸是遞減的，即從所述第一尺寸孔14的尺寸開始逐漸變小至所述第二尺寸孔15的尺寸。所述過渡區4能夠過濾顆粒尺寸在1微米至200微米之間的雜質。

顆粒尺寸大於200微米、因而被阻擋在所述第一過濾區2之外的雜質停留在所述第一過濾區2的上遊表面上並成為過濾元件1的一部分，由於這些雜質尺寸較大，他們之間的空隙也較大，因此被過濾的流體能夠順暢的流過這些孔隙而不會受到阻礙。顆粒尺寸小於200微米但大於1微米的雜質能夠進入所述第一過濾區2，這些雜質有可能通過所述第一過濾區2而到達所述過渡區4，也有可能停留在所述第一過濾區2內部。由 於這些雜質的尺寸仍較大，即使他們停留在所述過渡區4或所述第一過濾區2內部，流體仍能夠從他們周圍的空隙流過。因此，這些進入或通過所述第一過濾區2的雜質也成為過濾元件1的一部分並發揮過濾介質的作用。

由於所述第二過濾區3中的小活性炭顆粒13尺寸較小，其孔隙也較小，因此，所述第二過濾區3能夠阻擋顆粒尺寸較小的雜質通過。此外，所述第二過濾區3也降低了流體的流速，從而延長了流體在碳塊中停留的時間，使得碳塊中的活性炭顆粒有充足的時間與流體中的雜質接觸並對其進行吸附。

因此，本發明的原理就在於通過成梯度排列的不同尺寸的顆粒材料來實現某種程度的深度過濾，而使得表面過濾只發生在位於流體流動方向下遊的過濾區中，從而使過濾元件同時具有較高的過濾能力和吸附能力。此外，與現有技術不同，本發明的過濾元件並無明顯的分層結構，而是構造成為一種顆粒尺寸及孔隙大小成梯度變化的連續結構。雖然本說明書將本發明的過濾元件1劃分為第一過濾區2、過渡區4和第二過濾區3，但本領域的技術人員將會理解，這三個分區之間並無明顯的界面。因此，本發明的過濾元件1也可理解為只包含一個由大活性炭顆粒5和小活性炭顆粒13共同構成的過濾區，在該過濾區中，大活性炭顆粒5的含量在流體流動方向上逐漸遞減，而小活性炭顆粒13的含量在流體流動方向向逐漸遞增。這種梯度構造使得本發明的過濾元件1能夠更好地過濾和/或吸附各種尺寸的雜質而不容易發生堵塞。

圖2為根據本發明的另一個實施例的過濾元件1。在該實施例中，第一過濾區2和第二過濾區3均為圓筒狀,且所述過渡區4圍繞所述第二過濾區3，而所述第一過濾區2圍繞所述過渡區4。換言之，所述第一過濾區2較靠近所述過濾元件1的外側，所述第二過濾區3較靠近所述過濾元件1的內側，而所述過渡區4位於所述第一過濾區2和第二過濾區3 之間。流體流動方向F為由外向內。本領域的技術人員將能夠理解，本發明的過濾元件可形成為任何形狀及尺寸，例如圓錐形、單端塊等。

以下將描述根據本發明的一個實施例的製作如圖2所示的過濾元件1的方法。本領域的技術人員將會理解，該方法並不限於製作如圖2所示的過濾元件。當需要製作其他形狀的過濾元件時，只需採用相應形狀的模具即可。

為了製作如圖2所示的過濾元件1，首先需要提供一個適合於容納顆粒狀材料的圓筒形的模具7，如圖3所示。模具7可由任何能夠在170攝氏度至220攝氏度的燒結溫度下保持穩定的材料製成。模具7具有同軸的圓筒形內壁8和圓筒形外壁9。內壁8和外壁9以及模具的兩端限定了用於容納顆粒狀材料的空間。模具7還包括與內壁8和外壁9同軸的圓筒形隔網10。隔網10的直徑大於內壁8的直徑，但小於外壁9的直徑。換言之，隔網10位於內壁8和外壁9之間，並將模具7中用於容納顆粒狀材料的空間分隔成第一腔體11和第二腔體12。具體來說，隔網10和外壁9限定第一腔體11，而隔網10和內壁8限定第二腔體12。

在本實施例中，用於製作過濾元件1的顆粒狀材料包括第一尺寸顆粒，即顆粒尺寸大於250微米的大活性炭顆粒5，以及第二尺寸顆粒，即顆粒尺寸在60到200微米之間的小活性炭顆粒13。所述大活性炭顆粒5和所述小活性炭顆粒13的周圍均具有粘度值在1200毫升/克至4300毫升/克之間的超高分子量聚乙烯顆粒。將所述大活性炭顆粒5填充到所述隔網10和外壁9之間的第一腔體11中，而將所述小活性炭顆粒13填充到所述隔網10和內壁8之間的第二腔體12中，並將其適當地壓緊。然後將隔網10從模具7中抽出。抽出隔網10的方式要使得在原本放置隔網10的位置處，大活性炭顆粒5和小活性炭顆粒13將發生接觸和/或混合。具體地說，在移除隔網(10)的過程中，所述第一尺寸顆粒(5)和所述第二尺寸顆粒(13)朝向彼此移動，使得在該區中顆粒之間形成的 孔的尺寸沿模具的徑向向內漸進地變小。

接著，蓋上模蓋，在170攝氏度至220攝氏度的溫度下對填充在模具7中的大活性炭顆粒5和小活性炭顆粒13進行燒結。在該溫度下，大活性炭顆粒5和小活性炭顆粒13周圍的超高分子量聚乙烯將發生軟化(但不至於融化)，並互相粘合，從而將這些顆粒結合在一起，形成一個相對穩定的碳塊。在這個碳塊的靠近其外側的部分中，只存在互相粘合在一起的大活性炭顆粒5，這個部分即為第一過濾區2。在第一過濾區2中的大活性炭顆粒5之間形成了第一尺寸孔14。在碳塊的靠近其內側的部分中，只存在互相粘合在一起的小活性炭顆粒13，這個部分即為第二過濾區3。在第二過濾區3中的小活性炭顆粒13之間形成了第二尺寸孔15。而在原本放置隔網10的位置處，大活性炭顆粒5和小活性炭顆粒13互相混合、粘連而形成了過渡區4。由於過渡區4的外側靠近由大活性炭顆粒5構成的第一過濾區2，而內側靠近由小活性炭顆粒13構成的第二過濾區3，因此在過濾區4中，大活性炭顆粒5的含量由外至內逐漸遞減，而小活性炭顆粒13的含量由外至內逐漸遞增，而且，所述過渡區4的顆粒之間形成的孔的尺寸從所述第一尺寸孔14的尺寸開始由外至內逐漸變小至所述第二尺寸孔15的尺寸。

雖然根據一些優選實施例充分描述了本發明的本質，但是本發明不應該局限於所述實施例和附圖的結構和功能。一般認為只要不變更、改變或修改本發明的基本原理，可對本發明進行詳細的變型。在不脫離本發明的範圍的情況下通過結合技術人員的公知常識容易得到的很多變形和改進，應該屬於本發明的範圍。