技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于过滤水性液体的装置，该装置包括容纳由无机材料组成的颗粒状过滤介质的过滤室。根据本发明的装置能够在延长的时间段内有效地去除水性液体中的悬浮颗粒而不堵塞颗粒状过滤介质和没有相关的压
力累积。本发明的装置特别适合于在将水用于洗涤衣物或餐具之前
净化来源的水。
[0002] 本发明还涉及一种通过将水性液体流通过部分填充颗粒状过滤介质的过滤室来过滤水性液体的方法。
背景技术
[0003] 水是人类生活的必需品之一。水对于饮用、烹饪食物和饮料制作都很重要。水对于清洁家庭中使用的物品如衣物、器皿和表面(如，地板和桌面)也很重要。此外，大量的水被用于浴室和洗手间中的个人清洁。上述每一种应用所需的水的
质量是不同的。
[0004] 世界上有数十亿人没有通过管道输送到家中的纯化水，特别是在不发达国家和发展中国家，尤其是在农村地区。
[0005] 现代城市家庭通过管网接收来自大的湖泊中的水，而在一些农村地区，村民直接从如水井、湖泊、河流和钻井的水源取水。与经市政当局处理过的管道水相比，直接从这些地表和地下来源获得的水通常较不纯。
[0006] 来自这些来源的水通常混浊和不纯，且妨碍清洁剂和个人护理产品的清洁性能，因此在使用前需要进行净化。
[0007] 几种类型的水净化系统是已知和可得的。它们可以大略地分类为热、
辐射、化学和物理净化方法，或这些方法中的一种或多种的组合。
[0008] 过滤是去除水中的悬浮颗粒的众所周知的物理方法。深度
过滤器，即使用多孔过滤介质以将颗粒保留在过滤介质中的过滤器，被广泛用于过滤水。深度过滤器的优点是它们能够保留大量的颗粒而不影响分离效率，并且可以以高过滤速率运行。
[0009] US 6,110,389描述了一种用于水净化的装置，该装置包括:
[0010] ·过滤室；
[0011] ·水入口，未净化的水通过该入口进入过滤室；
[0012] ·水出口，净化的水通过该出口流出过滤室；
[0013] ·过滤系统，其包括:
[0014] --设置在过滤室内邻近水入口的第一滤网，
[0015] --设置在过滤室内邻近水出口的第二滤网，以及
[0016] --截留在第一和第二滤网之间的过滤介质，所述水入口、水出口以及第一和第二滤网配置为使得通过入口进入水箱的未净化水在通过水出口离开水箱之前经过第一滤网、过滤介质和第二滤网；
[0017] ·与过滤室连接的清洁液源，其用于选择性地向过滤室提供清洁液以清洁过滤介质；
[0018] ·用于从过滤室选择性地排水的排水口，排水口的大小设计为快速排空水箱以清洁过滤系统；和
[0019] ·至少一个
喷嘴，该喷嘴选择性地将清洁液引导到过滤室中，其中所述至少一个喷嘴包括多个间隔开的喷嘴。
[0020] EP-A 2 070 574描述了一种用于过滤液体的装置，所述装置包括具有水口和出口的过滤室，所述过滤室包含颗粒状过滤介质，其中通过过滤室的液体流沿与颗粒状过滤介质由于
密度差异而通过所述液体流动的方向相反的方向流动。
发明内容
[0021]
发明人设计了一种用于过滤水性液体的装置，该装置能够在延长的时间内有效地去除水性液体中的悬浮颗粒，而不会堵塞颗粒状过滤介质和没有相关的压力累积。
[0022] 本发明的装置采用由质量加权平均粒径为100至900μm且比重为2-3克/毫升的无机材料颗粒组成的深度过滤器。该装置包括仅部分地填充颗粒状过滤介质的过滤室；调节水性液体通过过滤室的流速的流量调节器；以及控制流量调节器的计时器。
[0023] 本发明的过滤装置设计成交替地在高流速模式和低流速模式下操作。在高流速模式下，水性液体流以向上的方向流过过滤室，其流速足够高以导致紧靠位于过滤室上端处的滤网形成颗粒状过滤介质的滤床。在低流速模式下，水性液体流的流速降低(或流停止)使得颗粒状过滤介质的滤床
破碎并向下移动。计时器确保装置在滤床可能变得堵塞之前从高流速模式切换到低流速模式。通过以短时间段的低流速模式中断长时间段的高流速模式，可确保装置的过滤效率可能维持很长时间。
[0024] 尽管发明者不希望受到理论的束缚，但据信在低流速模式期间滤床的破碎破坏了在滤床表面上形成的
滤饼并促进已经堵塞在一起的颗粒状过滤介质的颗粒的崩解。
[0025] 因此，本发明提供了一种用于过滤水性液体的装置，该装置包括：
[0026] ·用于水性液体流的入口；
[0027] ·用于水性液体流的出口；
[0028] ·过滤室，其包括与用于水性液体流的入口
流体连通的入口开口，和与用于水性液体流的出口流体连通的出口开口；
[0030] ·部分填充过滤室内部的颗粒状过滤介质，所述颗粒状过滤介质由质量加权平均粒径为100-900微米和比重为2-3g/ml的无机材料组成；
[0031] ·流量调节器，其调节水性液体通过过滤室的流速且可以在高流速模式或低流速模式下操作；
[0032] ·控制流量调节器的计时器；
[0033] 其中计时器编程为交替地在计时器测量的时间间隔达到30-3000秒范围内的第一预定时间间隔t1后将流量调节器从高流速模式切换到低流速模式，和在计时器测量的时间间隔达到1-10秒范围的第二预定时间间隔t2后将流量调节器从低流速模式切换到高流速模式。
[0034] 此外，本发明提供了一种过滤水性液体的方法，所述方法包括以下步骤a)和b)的交替序列：
[0035] a.在时间间隔t1期间，使水性液体流以高流速沿向上的方向通过部分填充颗粒状过滤介质的过滤室，所述流通过靠近过滤室底部的开口进入过滤室，并通过被滤网覆盖的开口靠近过滤室的顶部离开过滤室；
[0036] 所述高流速导致紧靠滤网形成颗粒状过滤介质的滤床；
[0037] 所述滤床占过滤室内部容积的10-80％；
[0038] 所述颗粒状过滤介质由质量加权平均粒径为100至900微米和比重为2-3g/ml的无机材料组成；
[0039] b.在时间间隔t2期间，将水性液体流的流速降低至足够低的流速以使颗粒状过滤介质的滤床破碎并从滤网移向过滤室的底部；
[0040] 其中时间间隔t1在30-3000秒的范围内，时间间隔t2在1-10秒的范围内。
附图说明
[0041] 图1提供了在高流速模式下操作的根据本发明的过滤装置的截面图[0042] 图2提供了在低流速模式下操作的根据本发明的过滤装置的截面图。
具体实施方式
[0043] 因此，本发明的第一实施方案涉及一种用于过滤水性液体的装置(1)，所述装置(1)包括：
[0044] ·用于水性液体流的入口(2)；
[0045] ·用于水性液体流的出口(3)；
[0046] ·过滤室(4)，其包括位于过滤室底部附近且与用于水性液体流的入口(2)流体连通的入口开口(5)和位于过滤室(4)顶部附近且与用于水性液体流的出口(3)流体连通的出口开口(6)；
[0047] ·覆盖过滤室(4)的出口开口(6)的滤网(7)；
[0048] ·部分填充过滤室内部的颗粒状过滤介质(8)，所述颗粒状过滤介质(8)由质量加权平均粒径为100至900微米且比重为2-3克/毫升的无机材料组成；
[0049] ·流量调节器(9)，其调节水性液体通过过滤室的流速并可在高流速模式或低流速模式下操作；
[0050] ·控制流量调节器(9)的计时器(10)；
[0051] 其中计时器(10)编程为交替地在计时器(10)所测量的时间间隔达到30-3000秒范围内的第一预定时间间隔t1后将流量调节器(9)从高流速模式切换到低流速模式，和在计时器(10)所测量的时间间隔达到1-10秒范围内的第二预定时间间隔t2后，将流量调节器(9)从低流速模式切换到高流速模式。
[0052] 在操作中，待过滤的水性液体通过入口(2)进入装置(1)，穿过入口开口(5)以进入过滤室(4)，并沿向上的方向流过过滤室(4)，从而在离开过滤室(4)时穿过滤网(7)并通过出口(3)离开装置(1)。
[0053] 控制流量调节器(9)的计时器(10)可以是机械计时器或
电子计时器。优选地，所述计时器(10)是电子计时器，更优选地是可以连接到电源的电子计时器。
[0054] 调节水性液体通过过滤室(4)的流速且可以在高流速模式或低流速模式下操作的流量调节器(9)优选地为
阀，更优选为与计时器(10)电子连接并由其控制的阀。
[0055] 当流量调节器(9)处于低流速模式时水性液体通过过滤室(4)的流速通常不超过当流量调节器处于高流速模式时水性液体通过过滤器(4)的流速的50％水性液体的流量，更优选不超过30％。
[0056] 本发明的关键要素是装置的过滤室(4)仅部分地填充颗粒状过滤介质(8)。优选地，当允许其在重力的影响下形成床时，颗粒状过滤介质(8)占过滤室(4)内部容积的10-80％，更优选20-70％，和最优选30-60％。
[0057] 根据本发明使用的颗粒状过滤介质(8)优选由相对大的颗粒组成，因为这可使将不希望的堵塞最小化。包含在过滤室中的颗粒状过滤介质(8)优选质量加权平均粒径为150至700微米，更优选200至600微米。
[0058] 颗粒状过滤介质(8)的比重优选在2.2-2.9g/ml的范围内。
[0059] 根据本发明使用的颗粒状过滤介质(8)优选包含至少50wt％，更优选至少80wt％，最优选至少90wt％的无机材料，其选自
铝硅酸盐、
二氧化硅、
碳酸
钙、碳酸镁及其组合。发明人已经发现这些无机材料有助于碳酸钙颗粒的形成，从而导致在钙螯合剂如碳酸钠在水性液体进入过滤室前不久添加的情况下水性液体的有效
软化。
[0060] 根据特别优选的实施方案，颗粒状过滤介质(8)包含至少50wt％，更优选至少80wt％，最优选至少90wt％的铝
硅酸盐。
[0061] 滤网(7)的网孔尺寸应足够小以将颗粒状过滤介质(8)保留在过滤室(7)内部。同时，网孔尺寸应足够大以允许水性液体容易地通过滤网(7)。滤网(7)的网孔尺寸优选在30至200微米的范围内，更优选在40至150微米的范围内，最优选在50至100微米的范围内。
[0062] 在优选的实施方案中，过滤室(4)还包含另一个滤网，该滤网覆盖过滤室(4)的开口(5)。该另外的滤网应防止颗粒状过滤介质(8)离开过滤室(4)，特别是在
反冲的情况下。
[0063] 装置(1)的过滤室(4)通常包含0.025-0.5kg的颗粒状过滤介质(8)。更优选地，过滤室(4)中的过滤介质(8)的量为0.05-0.2kg。
[0064] 过滤室(4)的内部容积优选为0.05-5L，更优选为0.075-2.5L，最优选为0.1-1L。
[0065] 本装置(1)特别适用于家庭。装置(1)可适合用于过滤来源水以及
灰水。
[0066] 本装置(1)的过滤室(4)优选包括位于过滤室(4)的底部附近的排出开口(17)。通过该排出开口(17)的流量可由排水阀调节。
[0067] 根据优选的实施方案，排出开口包括可移除的第三滤网(18)，该第三滤网与滤网(7)一样被设计成将颗粒状过滤介质(8)保持在过滤室(4)内部。该滤网(18)的存在使得有可能通过用水性液体冲洗颗粒状过滤介质(8)以除去夹带的(小)颗粒来清洁颗粒状过滤介质(8)。
[0068] 在另一个优选的实施方案中，滤网(18)可移除地附接到过滤室(4)上，并且可以由使用者拆卸以便能够容易地更换过滤介质(8)。
[0069] 根据特别优选的实施方案，过滤装置(1)包括用于将装置(1)附接到
水龙头上的偶联装置(11)，使得
自来水可以通过装置(1)的入口(2)进入装置(1)。
[0070] 根据本发明的特别优选的实施方案，装置(1)包括位于过滤室(4)的上游并且适应于将
水溶性组分释放到从入口(2)流到过滤室(4)的水性液体流中的第一定量加料单元(12)。该第一定量加料单元(12)可适合用于将钙螯合剂引入到水性流中，其快速地形成水不溶性钙复合物(例如不溶性钙盐)的颗粒，该不溶性钙复合物颗粒随后从过滤室(4)中的水性流中除去。这种钙螯合剂的典型例子是碳酸钠、碳酸
钾及其组合。
[0071] 第一定量加料单元(12)优选地由计时器(10)控制。甚至更优选地，计时器(10)被编程为通过交替地将第一定量加料单元(12)从高定量加料模式切换到低定量加料模式来控制第一定量加料单元(12)，其中高定量加料模式与流量调节器(9)的高流速模式重合和低定量加料模式与流量调节器(9)的低流速模式重合。
[0072] 根据另一优选实施方案，装置(1)包括第二定量加料单元(15)，其位于过滤室的下游并适应于将水溶性组分释放到从过滤室(4)流到出口(3)的水性液体流中。可以适当地从该第二定量加料单元(15)引入水性流中的水溶性组分的实例包括
酸化剂、香料、硅
酮、
杀菌剂及其组合。
[0073] 同样，第二加料单元(15)优选地由计时器(10)控制。更特别地，计时器(10)被编程为通过交替地将第二定量加料单元(15)从高定量加料模式切换到低定量加料模式来控制第二定量加料单元(15)，其中高定量加料模式与流量调节器(9)的高流速模式重合和低定量加料模式与流量调节器(9)的低流速模式重合。
[0074] 根据特别优选的实施方案，第一定量加料单元(12)适应于释放碳酸钠和/或碳酸钾，并且第二定量加料单元适应于释放酸化剂(15)。这种布置的优点在于可以将过滤的水性液体的pH保持在中性pH附近。
[0075] 本发明的过滤装置(1)特别适合用于之后描述的过滤方法。
[0076] 本发明的另一个实施方案涉及一种过滤水性液体的方法，所述方法包括以下步骤a)和b)的交替序列：
[0077] a.在时间间隔t1期间，使水性液体流以高流速沿向上的方向流过过滤室(4)，该过滤室部分地填充颗粒状过滤介质(8)，所述液体流通过靠近过滤室(4)底部的开口(5)进入过滤室(4)，并通过由滤网(7)覆盖的开口(6)靠近过滤室顶部离开过滤室(4)；所述高流速导致紧靠滤网(7)形成颗粒状过滤介质(8)的滤床；
[0078] 所述滤床占过滤室(4)内部容积的10-80％；
[0079] 所述颗粒状过滤介质(8)由质量加权平均粒径为100至900微米和比重为2-3g/ml的无机材料组成；
[0080] b.在时间间隔t2期间，将水性液体流的流速降低到足够低的流速以使颗粒状过滤介质(8)的滤床破碎并从滤网移向过滤室(4)的底部；
[0081] 其中时间间隔t1在30-3000秒的范围内，时间间隔t2在1-10秒的范围内。
[0082] 根据特别优选的实施方案，本方法包括使水性液体通过如本文前面所定义的装置(1)。
[0083] 本方法优选包括在液体流到达颗粒状过滤介质(8)的滤床之前添加与Ca2+形成水不溶性复合物的螯合剂。该螯合剂优选选自碳酸钠、碳酸钾及其组合。所述螯合剂优选以0.1-3g/L的浓度，最优选以0.5-2g/L的浓度加入到水性液体流中。
[0084] 在本方法的步骤a)中采用的高流速优选超过0.3cm/s，更优选超过0.5cm/s，最优选超过0.7cm/s。
[0085] 步骤b)中采用的低流速通常不超过步骤a)中采用的高流速的50％，更优选不超过30％。优选地，步骤中的低流速在0-0.9cm/s的范围内，更优选在0-0.6cm/s的范围内，最优选在0-0.3cm/s的范围内。
[0086] 在本方法中使用的颗粒状过滤介质(8)优选地是如本文前面所定义的颗粒状过滤介质。
[0087] 如果其间采用高流速的时间间隔t1明显长于其间采用低流速的时间间隔t2，则本方法的优点将特别明显。因此，优选地，t1:t2的比率为至少10∶1，更优选为至少60∶1。
[0088] 时间间隔t2通常不超过15秒。更优选地，该时间间隔不超过10秒，最优选地其不超过5秒。
[0089] 在优选的实施方案中，本方法包括重复步骤a)和b)的序列至少3次。更优选地，该序列重复至少3次，每次采用相同的时间间隔t1和相同的时间间隔t2。
[0090] 图1提供了在高流速模式下操作的根据本发明的过滤装置(1)的截面图。待过滤的水性液体含有悬浮的泥土颗粒(14)和溶解的钙。水性液体通过入口(2)引入装置(1)中，通过入口开口(5)靠近底部进入过滤室(4)，并通过被滤网(7)覆盖的出口开口(6)离开过滤室(4)。计时器(10)连接到电源并且与流量调节器(9)电连接。计时器(10)将流量调节器(9)切换到高流速模式。以高流速进入过滤室(4)的水性液体将过滤室(4)中的颗粒状过滤介质(8)推靠向滤网(7)，从而形成滤床。水性液体中包含的悬浮颗粒被过滤介质(8)的滤床截留。经由开口(6)离开过滤室(4)的已过滤水性液体经由出口(3)离开装置(1)。
[0091] 图1中进一步示出了偶联装置(11)，其可用于将入口(2)固定到水龙头上。定量加料单元(12)位于流量调节器(9)和过滤室(4)之间。定量加料单元(12)包含碳酸钠的水溶液，并电连接到计时器(10)。在高流速模式期间，定量加料单元(12)将碳酸钠的水溶液以恒定速率引入水性液体流中。在定量加料单元(12)的下游形成碳酸钙(13)的颗粒。这些碳酸钙颗粒(13)以及悬浮的泥土颗粒(14)通过过滤介质(8)的滤床除去。在过滤室(4)的下游提供另一定量加料单元(15)。这一定量加料单元(15)包含酸化剂水溶液，并与计时器(10)电连接。在高流速模式期间，定量加料单元(15)在水性液体通过出口(3)离开装置(1)之前以恒定的速率将酸化剂的水溶液引入过滤和软化的水性液体流中。
[0092] 靠近过滤室(4)底部的开口(17)被滤网(18)覆盖并通过盖(19)封闭。盖(19)可以移除以便过滤介质(8)在出口(3)中的阀(20)关闭的同时用水性液体清洗。可替代地，过滤介质(8)可以用通过出口(3)引入的水性液体流清洗而同时保持流量调节器(9)关闭。同样，滤网(18)可以被移除以使得能够将过滤介质(8)从过滤室(4)移除。
[0093] 图2提供了在低流速模式下操作的根据本发明的过滤装置的截面图。此时计时器(10)将流量调节器(9)切换到低流速模式，并且没有水性液体通过入口(2)引入装置(1)中。此外，没有碳酸钠溶液从定量加料单元(12)释放和没有酸化剂溶液从定量加料单元(15)释放。当装置以高流速模式操作时，紧靠滤网(7)形成滤床的过滤室(4)中的颗粒状过滤介质(8)朝向过滤室(4)的底部向下移动。
[0094] 本发明通过以下非限制性
实施例进一步说明。
[0095] 实施例
[0096] 实施例1
[0097] 如图1所示的装置用于过滤和软化来源的水。但是，没有酸化剂溶液添加到过滤和软化的水中。
[0098] 所使用的来源水的
浊度为15NTU，硬度为70FH，及Ca：Mg的摩尔比为2：1。
[0099] 在高流速模式期间，来源水以4L/min的流速通过装置。
[0100] 用于软化来源水的碳酸钠水溶液的碳酸钠含量为200g/L。在高流速间期期间，加入碳酸钠溶液以使水性流中的浓度达到1g/L。
[0101] 过滤室为直立圆筒形，其内部容积为0.350L，内径为4cm。过滤室包含250克颗粒状过滤介质。该过滤介质由具有以下粒度分布的
长石组成：
[0102] D10 150微米
[0103] D50 320微米
[0104] D90 520微米
[0105] 在操作期间，计时器连续地在4分钟高流速后将流量调节器从高流速切换到无流量，且在4秒无流量后将流量调节器相反地切换。在无流量时间间隔内，没有碳酸钠从定量加料单元添加。
[0106] 在40分钟的时间段内以来源水这种方式过滤和软化。在此期间离开装置的过滤和软化的水性液体流的浊度小于2NTU，且钙含量降低超过80％。在此期间，跨过滤器的压力降仅略微增加。
[0107] 比较例
[0108] 重复实施例1，不同之处在于该装置连续地以高流速模式操作40分钟。在此期间，观察到跨过滤器的压力降非常显著的增加。
[0109] 比较例2
[0110] 床材料的影响
[0111] 结晶涉及“晶种”的成核和该晶体的后续生长。成核涉及过饱和驱动结晶与由新相形成产生的表面能之间的竞争。因此，高的过
饱和度(大驱动力)促进成核。相反，一旦核存在，它们可能以较小的过饱和度生长。在结晶和沉淀领域中众所周知，如果在过饱和溶液中提供晶种，则会在晶种表面上发生沉淀。这促进并
加速沉淀过程。在本发明中观察到铝硅酸盐如长石如晶种材料一样发挥作用。但是，合成海绵状
泡沫材料(如聚苯乙烯凝胶)不能促进此过程。
[0112]
