活性炭过滤器、陶瓷过滤器元件和装有这两种过滤器的水净化系统

本发明一般来说涉及水的净化和水净化系统。本发明还涉及可用 于水净化系统的新型材料。更具体地说，本发明涉及一种可用于水净 化系统生产高纯度水的新型活性炭和新型的多孔陶瓷元件。

活性炭用于水净化系统除去水中所含的有机杂质和氯是常规的。 活性炭通常为颗粒状，但它也可粉碎以及铸造成多孔的块状物或圆柱 体。

装有多孔陶瓷元件的水净化系统也是已知的。在这些系统中，陶 瓷过滤器元件通常有按其最大尺寸计的尺寸为0.7-1.0微米的孔。其 孔的尺寸小到足以使99.0-99.9％的致病细菌被除去，但它还未小到 足以保证防止水传播疾病的程度。此外，虽然有可能使陶瓷过滤器元 件有更小的孔尺寸，例如小到0.2微米，但这些元件常常太脆，以致 不能安全地用于元件的破裂可能造成毁灭性影响的水净化系统。

锌和铜的氧化还原合金用于水净化也是已知的。这些材料通过失 去电子或从杂质得到电子来除去造成水污染的有毒的金属离子和氯。 但是，这些合金有这样的缺点，它们将锌和铜离子释放到水中，这些 离子本身对人类健康是有害的，所以它们仅可少量使用。

给水消毒的另一些已知的方法涉及氯、碘、臭氧和紫外线的使用。

我们现已研制出一种新型活性炭和一种新型多孔陶瓷元件，它们 可适用于水净化系统，以生产高纯度的水。

根据本发明的第一方面，提供一种含有至少1％(重量)水不溶的灰 分颗粒物的颗粒状活性炭，如按ASTM 2866测定的。

根据本发明的第二方面，提供一种装有本发明第一方面的活性炭 的过滤器。这种过滤器优选为水过滤器，通常为过滤器滤芯形式，其 中有一装有活性炭床层的容器。

本发明的活性炭对带正电荷的金属离子(阳离子)例如铬和锌离子 有亲合性，当活性炭与氧化还原合金一起用于水净化系统时，它可能 有某些优点。这些优点将在下文讨论。优选的是，活性炭对锌有亲合 性。

在一优选的实施方案中，颗粒状的活性炭呈片状。活性炭片的平 均厚度优选为0.02-0.2毫米，按其最大尺寸计的平均粒度为0.2- 0.6毫米以及长径比(片的最大尺寸与厚度之比)为20∶1至10∶3。 更优选的是，活性炭片的平均厚度为0.05-0.1毫米，按其最大尺寸 计的平均粒度为0.25-0.55毫米、特别是0.32-0.52毫米，以及长 径比为25∶2至4∶1、特别是10∶1至20∶3。

本发明的活性炭中所含的灰分为活化过程中存在的少量氧导致生 成的完全燃烧残留物。

按ASTM 2866测定的活性炭的灰分含量优选为1-20％(重量)、更 优选2-12％(重量)、特别是3-7％(重量)、尤其是4-6％(重量)、例 如5-6％(重量)。灰分优选由基本上球形的颗粒物构成，这些颗粒按 其最大尺寸计的平均尺寸通常为0.1-1.0微米、优选0.2-0.5微 米、特别是0.3-0.4微米。ASTM 2866可在Coal ASTM Book of Standard中找到。

活性炭的碘价通常为1000-1400毫克/克、优选1100-1300毫 克/克、特别是1250-1300毫克/克。

活性炭的比表面积优选为1000-1400米2/克、更优选1100-1300 米2/克、特别是1175-1200米2/克，如按氮气BET等温线法测定的； 优选孔体积为0.5-0.7毫升/克、更优选0.55-0.65毫升/克、特别 是0.6-0.62毫升/克，如按ASTM 3838测定的；优选硬度为90- 100％、更优选95-100％、特别是98-100％，如按ASTM 3802测定的； 优选K值金载量为15-30毫克金/克、更优选20-25毫克金/克、特 别是23-25毫克金/克，如按AARL法测定的；以及优选R值金动力 学为45-75％、更优选50-70％、特别是55-60％，如按AARL法测定 的。

原则上，本发明的活性炭可由各种来源制得，但优选由椰子壳通 过以下步骤制得：将椰子壳燃烧生成炭，然后将生成的椰子壳炭进行 活化，其中将炭在含有不超过5000ppmV氧的环境中过热处理。虽然 进行活化过程的环境通常含有小于5000ppmV的氧，但少量的氧仍然 是生成所需的灰分含量所必需的。

因此，根据本发明的第三方面，提供一种制备活性炭的方法，所 述的方法包括活化处理椰子壳燃烧生成的炭，在这一活化过程中，在 含有小于5000ppmV氧的环境中将生成的炭在1000-3500℃下加热 10-50分钟。

活化过程通常用过热气体、优选用过热水蒸汽进行，在一优选的 实施方案中，在2000-3500℃、更优选2800-3100℃、特别是2950- 3000℃下进行。

还发现活化过程的时间也是重要的，优选进行15-45分、更优选 25-35分、特别是28-32分。显然，椰子壳炭进行活化过程的时间 在某种程度上取决于这一过程使用的温度。但是，活化过程的时间通 常比传统的活化过程的时间要长得多；与传统的活化过程不同，其目 的是生产有所需灰分含量的活性炭。在传统的活化过程中，目的是完 全避免生成灰分。

优选的是，活化过程进行的环境含有1-2000、更优选1-500、 特别是5-50ppmV氧。

活化过程可在商业上用来制备已知颗粒形式活性炭的任何适合类 型的炉或窑中进行。

本发明的活性炭形成片状物的转化可用已知的工业螯合法来实 现。

根据本发明的第四方面，提供一种有许多孔的多孔陶瓷过滤器元 件，其中一部分孔部分地被按颗粒物最大尺寸计的粒径小于按孔的最 大尺寸计的孔径的颗粒物阻塞，以致得到按其最大尺寸计的有效尺寸 小于按其最大尺寸计的真实尺寸的孔。

已发现，本发明的多孔陶瓷元件在正常的水压条件下可提供有效 的细菌控制，同时有可接受的水流速率。

本发明的多孔陶瓷元件通常有这样的孔，按其最大尺寸计的平均 孔径为0.2-1.2微米、优选0.2-0.9微米、更优选0.3-0.8微米、 特别是0.5-0.7微米。

多孔陶瓷元件的总孔隙率优选为30-80％、优选45-75％、更优 选50-70％、特别是58-62％。

在陶瓷元件中，一部分孔被颗粒物部分地阻塞。通常，这些颗粒 物按其最大尺寸计的平均尺寸为0.1-1.0微米、优选0.2-0.5微 米、特别是0.3-0.4微米，得到按其最大尺寸计的有效平均尺寸为 0.09-0.7微米、优选0.2-0.5微米、更优选0.2-0.4微米、特别 是0.2-0.35微米的孔。由此可见，因为部分阻塞的孔可除去水中所 含的低到有效孔径的外来物质，所以使陶瓷元件的过滤效能提高。优 选的是，阻塞的颗粒物为基本上球形的。

陶瓷元件中的孔优选有通常的眼形截面，而阻塞的颗粒物优选基 本上球形的，并具有能寄留在陶瓷元件中眼形孔的角落中的尺寸。

本发明的多孔陶瓷元件可由传统上用于水净化类型的多孔陶瓷过 滤器元件制成。这些元件的孔径通常为0.3-0.9微米，例如0.5-0.7 微米。

在元件使用以前通过单独的加工步骤可达到部分阻塞陶瓷元件中 的某些孔。

但是，当陶瓷元件结合在水净化系统中时，优选就地通过将陶瓷 元件和装有本发明第一方面的活性炭的过滤器串联相连以致陶瓷元件 位于装有活性炭的过滤器的下游来进行部分阻塞。用这一方法，通过 装有活性炭的水夹带出活性炭所含的至少一些不溶的灰分颗粒物，并 将这些颗粒物带到多孔陶瓷元件，在那里它们沉积在处于水进入的元 件区域的孔中，从而使这些孔部分地阻塞。

因此，在本发明的第五方面，提供了这样一种水净化系统，它包 括本发明第二方面的活性炭过滤器和本发明第四方面的多孔陶瓷过滤 器元件，活性炭过滤器和陶瓷过滤器元件例如通过导管装配按串联连 接，陶瓷过滤器元件位于活性炭过滤器的下游，以致在使用中水顺序 通过活性炭过滤器，然后通过陶瓷过滤器元件。

本发明第二方面的活性炭过滤器通常为过滤器滤芯形式，它有装 有活性炭床或层的容器。过滤器滤芯优选为圆柱形。活性炭可在过滤 器滤芯中形成一床层，而滤芯的结构可为这样的，以致在使用中当水 从滤芯的一端流到另一端时，它纵向地流过活性炭的床层。另一方面， 过滤器滤芯可有管状结构，在这一结构中活性炭在多孔的水可渗透的 材料的内外套筒之间形成环状层，以致在使用中当水从过滤器滤芯的 内部流到外面或从外面流到内部时，水横向地流过活性炭。过滤器滤 芯可装有进出口接头，将水送入滤芯或从滤芯送出的导管与它们相 连。另一方面，过滤器滤芯适合装在过滤器外壳中，后者装有进出口 接头，它们适合于将水送入装有活性炭的过滤器滤芯或从过滤器滤芯 送出。

陶瓷过滤器元件通常也安装在过滤器外壳中，它有用于与将水送 入过滤器和从过滤器送出的导管连接的进出口接头。陶瓷过滤器元件 优选用消毒剂，通常用银处理，以便防止微生物寄居在元件上。

当本发明的水净化系统第一次使用时，活性炭所含的一部分不溶 的灰分颗粒物被流过活性炭的水夹带出来，并转移到多孔陶瓷元件 中，在那里这些颗粒物被沉积，制得本发明第四方面的多孔陶瓷元件， 其中陶瓷元件中的一部分孔被灰分颗粒物部分地阻塞。部分地阻塞的 孔趋于保留在这一区域中，在那里要净化的水进入陶瓷元件。

本发明的水净化系统还优选在本发明第二方面的活性炭过滤器的 上游有一氧化还原合金过滤器，以致在使用中氧化还原合金过滤器排 出的水送入活性炭过滤器。

氧化还原合金为颗粒状材料，优选为锌和铜的合金。优选的锌和 铜的氧化还原合金为含有30-70％(重量)锌和70-30％(重量)铜的合 金，更优选含有40-60％(重量)锌和60-40％(重量)铜的合金，特别 是含有约50％(重量)锌和约50％(重量)铜的合金。一种特别优选的锌 和铜的氧化还原合金为以商标KDF-55销售的合金(由KDF Fluid Systems Inc得到)。

氧化还原合金过滤器通常构成过滤器滤芯的一部分，它有装有氧 化还原合金床层的容器。过滤器滤芯优选为圆柱形的。氧化还原合金 可在过滤器滤芯形成一床层；滤芯的结构可为这样的，以致在使用中 当水从滤芯的一端流到另一端时，它纵向地流过氧化还原合金的床 层。另一方面，过滤器滤芯可有管状结构，其中氧化还原合金在多孔 的水可渗透的材料的内套管和外套管之形成环状层，以致在使用中当 水从过滤器滤芯的内部流到外部或从外部流入内部时，它横向地流过 氧化还原合金。过滤器滤芯可装有进出口接头，用于将水送入滤芯和 从滤芯送出的导管可与进出口接头连接。另一方面，过滤器滤芯可适 合装在过滤器外壳中，外壳装有进出口接头，它们适合将水送到装有 氧化还原合金的过滤器滤芯和从过滤器滤芯排出。

当然，我们不排除将氧化还原合金过滤器和本发明第二方面的活 性炭过滤器组合成单一的过滤器滤芯的可能性，并简单地排列成氧化 还原合金和活性炭的床层，以致要净化的水首先通过氧化还原合金， 然后再通过活性炭。

在传统的水净化系统中，用来除去有毒的金属离子和氯的氧化还 原合金只可少量使用，因为它们将锌和铜释放到水中，它们本身对人 类健康是有害的。相反，我们已发现，氧化还原合金可更大量用于本 发明的水净化系统中，所以能除去更大量的有毒金属离子和氯，因为 接在氧化还原合金过滤器后的本发明第二方面的活性炭过滤器可分离 或去掉金属例如锌和铜，它们是通过氧化还原合金释放到水中的。

本发明的水净化系统还优选有第二个在陶瓷过滤器元件下游的活 性炭过滤器，以致在使用中从陶瓷过滤器元件排出的水流过第二个活 性炭过滤器。用于第二个活性炭过滤器的活性炭应为常规用于除去有 机化合物的水净化系统的那种类型，通常将它铸造成多孔的块状物。

第二个活性炭过滤器通常放置在这样的过滤器外壳中，它有用于 连接输送水到过滤器或从过滤器排出的导管的进出口接头。

如上所述，用于第二个活性炭过滤器的活性炭通常为常规用于除 去有机化合物的水净化系统的那种类型。但是，在常规的水净化系统 中，这类活性炭通常通过除去水中所含的氯很快被消耗。因此，它的 效果是很短的。但是，在本发明的水净化系统中，可使用足够数量的 氧化还原合金，来除去全部或基本上全部的氯，因此留下的第二个活 性炭过滤器仅由有机物失活。这些有机物包括任何一种在陶瓷元件内 分解的细菌的有机组分例如内毒素。

从上述应理解，优选的水净化系统包括按顺序排列的(1)氧化还原 合金过滤器，(2)本发明第二方面的活性炭过滤器，(3)陶瓷过滤器元 件和(4)第二个活性炭过滤器，以致在使用中水顺序通过过滤器(1)、 (2)、(3)和(4)。这些过滤器可组合成单一的过滤器滤芯。

本发明的水净化系统还可有阴离子树脂过滤器。在使用的场合 下，这一过滤器通常在陶瓷过滤器元件和第二个活性炭过滤器之间。

本发明的水净化系统还可有用于除去更大的颗粒物例如砂、金属 屑、锈、烟灰、泥土、苔藓和藻的预过滤器。这些颗粒物的尺寸通常 为1-100微米，例如5-50微米。

当使用时，这一预过滤器提供第一次粗滤步骤，所以它安装在本 发明第二方面的活性炭过滤器的上游；如果水净化系统还有氧化还原 合金过滤器，那么预过滤器安装在这一过滤器的上游。

在水净化系统中，在氧化还原合金过滤器和本发明第二方面的活 性炭过滤器中，氧化还原合金与活性炭的重量比优选为1∶1至1∶ 10、更优选1∶1至1∶2、特别是1∶1.4至1∶1.6。在特别优选的 实施方案中，每使用250克氧化还原合金，就使用375克活性炭；这 一数量的碳含有足够的灰分以部分阻塞0.054米2含有平均尺寸按其 最大尺寸计为0.5-0.7微米的孔的60％的多孔陶瓷。

本发明的水净化系统还可有驱动要净化的水通过一系列过滤器的 泵。该泵可手动或用电能或内燃机操作或驱动。

现在用实施例并参考附图来描述本发明，其中：

图1为本发明说明各种过滤器的配置的水净化系统的图示说明。

在图1中，水净化系统(1)包括氧化还原合金过滤器(2)、本发明 第二方面的活性炭过滤器(3)、本发明第四方面的多孔陶瓷过滤器元件 (4)和多孔炭黑过滤器元件(5)。

将氧化还原合金过滤器(2)和活性炭过滤器(3)组合在单一的圆柱 形过滤器滤芯中，它有一其中活性炭和氧化还原合金作为独立的床层 配置的容器，以致在使用中当要净化的水从过滤器滤芯的一端流到另 一端时，它纵向地流过过滤器床层。

过滤器滤芯装在第一个圆柱形过滤器外壳(未示出)中，外壳的两 端装有连接到用于将水送入过滤器或从过滤器排出的导管(未示出)的 进出口接头。第一个过滤器外壳适合将水送入过滤器滤芯或从过滤器 滤芯排出，以致水首先通过氧化还原合金床层，然后通过活性炭床层。

多孔陶瓷过滤器元件(4)为圆柱形的和有管状结构。多孔炭黑过滤 器元件(5)也为圆柱形的，它放置在由管状陶瓷过滤器元件(4)提供的 中心容器中。多孔炭黑过滤器元件(5)的直径是这样的，以致它紧配合 在陶瓷过滤器元件(4)内；而整个过滤器组件放置在第二个圆柱形过滤 器外壳(未示出)内，它有用于连接将水送入过滤器或从过滤器排出的 导管(未示出)的进出口接头。连接第二个过滤器外壳，以致水横向地 通过陶瓷过滤器元件(4)，然后通过炭黑过滤器元件(5)，在那里水以 一般地纵向方向向过滤器外壳的出口端流动。

装有氧化还原合金过滤器(2)和活性炭过滤器(3)的第一个过滤器 外壳和装有多孔陶瓷过滤器元件(4)和多孔炭黑过滤器元件(5)的第二 个过滤器外壳用导管(未示出)串联连接，使第二个过滤器外壳在第一 个过滤器外壳的下游，以致在使用中水顺序通过氧化还原过滤器(2)、 活性炭过滤器(3)、多孔陶瓷过滤器元件(4)和多孔炭黑过滤器元件 (5)。然后将第一个过滤器外壳与要净化的水源相连。

在使用中，通过水净化系统的水流通常用具体的箭头表示。

现参考以下的实施例来说明本发明，但并不是对本发明的限制。

实施例1

参考图1，上述的水净化系统用来净化10000升含有以下杂质的 自来水。

氯(Cl2-)离子——10毫克/升

铁(Fe2+)离子——50毫克/升

铅(Pb2+)离子——100微克/升

铝(Al3+)——100微克/升

氯仿——10毫克/升

三氯乙烷——10毫克/升

活性炭过滤器(3)有一活性炭片的床层，活性炭片的平均厚度为约 0.1毫米，按其最大尺寸计的平均粒度为约0.5毫米，而长径比为约5∶ 1。活性炭含有水不溶的灰分颗粒物，其数量为约0.6％(重量)，如按 ASTM 2866测定的。灰分颗粒物为基本上球形的，按其最大尺寸计的 平均尺寸为约0.3微米。活性炭还有以下性质：

碘值为约1300毫克/克。

按氮气BET等温线测定的比表面积为1200米2/克。

按ASTM 3838测定的孔体积为约0.6毫升/克。

按ASTM 3802测定的硬度为约90％。

按AARL法测定的K值金载量为约24毫克金/克。

按AARL法测定的R值金动力学为约58％。

氧化还原合金过滤器(2)有由KDF Fluid Systems Inc.得到的 KDF-55的床层。

多孔陶瓷过滤器元件(4)为由Fairey Industrial Ceramics以产 品代码Imperial Supercarb商购的产品。过滤器元件通常有眼形孔， 按其最大尺寸计的平均尺寸为约0.9微米，其总孔隙率为约65％。

多孔炭黑过滤器元件(5)是由Ametek Inc.以产品代码CBC10商购 的产品。

在氧化还原合金过滤器(2)和活性炭过滤器(3)中氧化还原合金与 活性炭的重量比是这样的，以致每375克活性炭有250克氧化还原合 金。这一数量的炭含有足以部分阻塞0.054米2多孔陶瓷过滤器元件 的灰分。

带杂质的自来水以2升/分的流速通过水净化系统，并每间隔1000 升水收集由该系统得到的水样，用Merck Spectroquant Kit与紫外 可见光谱仪相结合来分析杂质。通过水净化系统以后，每一样品的水 中的杂质含量都低于测定极限，包括所有的水通过该系统以后取的最 后样品。

实施例2

参考图1，上述的水净化系统用于净化含有以下细菌的1000升自 来水。

大肠杆菌——2.5×107cfu/毫升

沙门氏菌——2.5×107cfu/毫升

cfu＝菌落形成单位

活性炭过滤器(3)有活性炭片的床层，该片的平均厚度为约0.1 毫米，按其最大尺寸计的平均粒度为约0.5毫米，而长径比为约5∶1。 活性炭含有水不溶的灰分颗粒物，其数量为约6.0％(重量)，如按ASTM 2866测定的。灰分颗粒物为基本上球形的，按其最大尺寸计的平均尺 寸为约0.3微米。活性炭还有以下性质：

碘价为约1300毫克/克。

按氮气BET等温线测定的比表面积为约1200米2/克。

按ASTM 3838测定的孔体积为约0.6毫升/克。

按ASTM 3802测定的硬度为约99％。

按AARL法测定的K值金载量为约24毫克金/克。

按AARL法测定的R值金动力学为约58％。

氧化还原过滤器(2)有由KDF Fluid Systems Inc.得到的KDF- 55的床层。

多孔陶瓷过滤器元件(4)为由Fairey Industrial Ceramics以产 品代码Imperial Supercarb商购的产品。过滤器元件通常有眼形孔， 以其最大尺寸计的平均尺寸为约0.9微米，其总孔隙率为约65％。

多孔炭黑过滤器元件(5)为由Ametek Inc.以产品代码CBC10商购 的产品。

在氧化还原合金过滤器(2)和活性炭过滤器(3)中，氧化还原合金 与活性炭的重量比是这样的，以致每375克活性炭有250克氧化还原 合金。这一数量的碳含有足以部分阻塞0.054米2的多孔陶瓷过滤器 元件(4)的灰分。

含杂质的自来水以2升/分的流速通过水净化系统，每间隔100 升水收集由该系统得到的水样，并用标准的平板计数法分析细菌。一 旦900升有杂质的自来水通过该系统，就停止进水，并放置48小时。 然后再次启动系统，让剩余的100升有杂质的水通过该系统。也取样， 并用标准的平板计数法分析细菌。

所有样品的菌落数都为零。