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结合深度 过滤器和亚微米过滤器的筒过滤器和RO预处理法

阅读：575发布：2020-05-12

专利汇可以提供结合深度过滤器和亚微米过滤器的筒过滤器和RO预处理法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种筒式过滤器组件包括深度过滤器元件和下游的第二过滤器元件。深度过滤器元件具有成块的熔喷聚合物纤丝。深度过滤器以90%或更大的效率移除0.5至10微米尺寸的污染物。深度过滤器优选包括占据不同的深度的多个区，一个或多个熔喷聚合物纤丝横穿两个或更多个区。第二过滤器元件包括具有1微米或更小的直径的纳米纤维，并且移除大百分比的尺寸小于1微米、优选尺寸小于0.5微米的污染物。深度过滤器元件可呈管的形式，而第二过滤器元件可呈位于深度过滤器内部的折叠片材的形式。筒式过滤器组件可用来在RO膜上游预处理给水。给水的SDI可减小到3或更小或者2或更小。，下面是结合深度过滤器和亚微米过滤器的筒过滤器和RO预处理法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种筒式过滤器，包括，
a)深度过滤器元件；以及，
b)下游的第二过滤器元件，
其中，
c)所述深度过滤器元件包括成块的熔喷聚合物纤丝，并且对于在0.5微米至10微米的范围中的污染物尺寸具有90％的移除效率；以及，
d)所述第二过滤器元件包括具有1微米或更小的直径的纤维，并且对于1微米或更小的污染物尺寸具有50％或更大的移除效率。
2.根据权利要求1所述的筒式过滤器，其特征在于，所述深度过滤器元件为管状，并且所述第二过滤器元件位于所述深度过滤器元件的孔内。
3.根据权利要求2所述的筒式过滤器，其特征在于，所述第二过滤器元件呈卷成管的折叠片材的形式。
4.根据权利要求3所述的筒式过滤器，其特征在于，所述深度过滤器元件和所述第二过滤器元件在它们的端部处密封到端盖上，所述端盖中的至少一个适于连接到过滤器壳体的出口上。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的筒式过滤器，其特征在于，所述深度过滤器元件包括针对所述深度过滤器元件的深度占据不同的区域的多个区，所述区朝向所述深度过滤器元件的下游侧而增大密度或减小纤丝直径。
6.根据权利要求5所述的筒式过滤器，其特征在于，包括横穿所述区中的两个或更多个的一个或多个熔喷聚合物纤丝。
7.根据权利要求1所述的筒式过滤器，其特征在于，所述深度过滤器元件对于在1微米至5微米的范围中的污染物尺寸具有90％的移除效率。
8.根据权利要求1所述的筒式过滤器，其特征在于，所述第二过滤器元件包括具有0.5微米或更小的直径的纤维或颗粒，并且对于为0.5微米或更小的污染物尺寸具有50％或更大的移除效率。
9.一种用于处理给水的工艺，包括以下步骤，
a)用根据权利要求1至8中的任一项所述的筒式过滤器过滤所述给水，以产生滤液；
以及，
b)用反渗透膜过滤所述滤液。
10.根据权利要求9所述的工艺，其特征在于，所述滤液具有3或更小的污泥密度指数。
11.一种筒式过滤器组件，包括：
内部筛网或表面过滤器；以及
包围所述内部过滤器的深度过滤器元件，所述深度过滤器元件包括成块的熔喷聚合物纤丝，所述块具有深度维度、纵向维度和纬度维度，所述块的纤丝大体定向在所述纵向维度和纬度维度上，其中，所述块包括在所述深度维度上的具有不同的特性的多个区，以及横向熔喷聚合物纤丝，所述横向熔喷聚合物纤丝大体定向成穿过所述块的所述纵向维度、纬度维度和深度维度，使得所述横向纤丝在所述深度维度上穿过两个或更多个区。
12.根据权利要求11所述的筒式过滤器组件，其特征在于，所述内部过滤器为折叠过滤器。
13.根据权利要求11或12所述的筒式过滤器组件，其特征在于，所述内部过滤器包含纳米纤维或纤维状介质，所述纤维状介质包含纳米颗粒。
14.根据权利要求11所述的筒式过滤器组件，其特征在于，所述深度过滤器元件的各个区包括与各个相邻区不同尺寸的纤丝。
15.根据权利要求11所述的筒式过滤器组件，其特征在于，所述深度过滤器元件部分具有区的横向纤丝的量与所有纤丝的量的比率，所述比率在各个区中与各个相邻区相比是不同的。
16.根据权利要求11所述的筒式过滤器组件，其特征在于，所述深度过滤器元件的各个区具有与各个相邻区不同的密度。
17.根据权利要求11所述的筒式过滤器组件，其特征在于，所述块包括：
聚合物纤丝构成的第一区；
在所述第一区附近的第二区，所述第二区包括大体比所述第一区的纤丝具有更大的直径的聚合物纤丝；以及
在所述第二区附近的第三区，所述第三区包括大体比所述第二区的纤丝具有更大的直径的聚合物纤丝。
18.根据权利要求17所述的筒式过滤器组件，其特征在于，区的横向纤丝的量与所有纤丝的量的比率在所述第一区中比在所述第三区中更高。
19.根据权利要求11所述的筒式过滤器组件，其特征在于，所述圆柱形块包括：
聚合物纤丝构成的核心区；
聚合物纤丝构成的中间区，其包围所述核心区，所述中间区大体没有所述核心区那么稠密；以及
聚合物纤丝构成的外部区，其包围所述中间区，所述外部区大体没有所述中间区那么稠密。
20.根据权利要求11所述的筒式过滤器组件，其特征在于，所述块的层的聚合物纤丝呈现不同的纤丝-纤丝结合度。
21.根据权利要求11所述的筒式过滤器组件，其特征在于，所述深度过滤器元件部分横向纤丝与其穿过的所述块的纤丝结合在一起。
22.根据权利要求11所述筒式过滤器组件，其特征在于，所述深度过滤器元件部分横向纤丝由与所述块的纤丝不同的聚合物制成。
23.根据权利要求11所述的筒式过滤器组件，其特征在于，所述深度过滤器元件部分横向纤丝包含催化剂。
24.一种用于处理给水的工艺，其中，根据权利要求11至23中的任一项所述的筒式过滤器组件从包括一种或多种污染物和载体介质的进料中移除物质。
25.根据权利要求24所述的工艺，其特征在于，所述载体介质为液体。
26.根据权利要求24或25所述的工艺，其特征在于，所述一种或多种污染物包括这样的污染物，即，该污染物在性质上为有机的或选自由细菌、病毒、孢囊、酵母、微生物和烃组成的组。
27.根据权利要求24或25所述的工艺，其特征在于，所述一种或多种污染物包括这样的污染物，即，该污染物在性质上为有机的或选自由胶态氧化硅、铁和氧化铝组成的组。

说明书全文

结合深度 过滤器和亚微米过滤器的筒过滤器和RO预处理

法

[0001] 本申请要求2010年9月10日提交的美国临时申请No.61/381,708的益处，该申请通过引用结合在本文中。

技术领域

[0002] 本发明大体涉及过滤，并且具体而言涉及结合深度过滤器与包括直径小于1微米的纤维的第二过滤器的筒式过滤器，以及在反渗透(RO)之前预处理给水的方法。

背景技术

[0003] 以下论述不承认下面描述的任何事情都是普遍的一般知识或可引用为现有技术。

[0004] 过滤器可设计来移除包括胶状颗粒和微生物的固体。用于过滤液体的两个普遍类型的过滤器为深度过滤器和折叠过滤器，折叠过滤器可为表面或筛网过滤器。

[0005] 深度过滤器在过滤介质的整个深度上截留颗粒。深度过滤器可具有多个层(或区)，具有最大孔尺寸的层通常形成过滤器入口附近的上游层，并且具有最小孔尺寸的层形成过滤器出口附近的下游层。深度过滤器可根据其粉尘容纳容量(DHC)进行标定，DHC以过滤器在堵塞之前可容纳的固体颗粒的克数进行测量。深度过滤器还可在过滤器截留的在进料流中的所述最小尺寸的颗粒的百分比(称为效率)的方面进行标定。典型的额定效率为90%。但是，深度过滤器还可针对绝对颗粒尺寸进行标定，绝对颗粒尺寸是以近100%效率移除的颗粒的尺寸。各种介质可用来构建深度过滤器，它们中的一种为熔喷或纺粘纤丝的非编织介质。深度过滤器可设置成管状套管或平坦片材的形式。

[0006] 折叠过滤器由薄的片材材料制成。片材材料弯曲成皱褶，以在给定壳体内增大其表面面积。折叠过滤器往往为表面过滤器，备选地称为筛网过滤器，其主要在上游表面上或附近，而非在过滤器的整个深度上截留颗粒。主要靠基于过滤器元件的上游表面中或最少在上游表面下的孔的尺寸的尺寸排阻来截留颗粒。表面过滤器很可能在绝对颗粒尺寸方面进行标定。在绝对颗粒尺寸之下，由于具体孔的尺寸的分布和颗粒捕捉在曲折孔中的可能性的原因，移除效率随着颗粒尺寸的减小而减小，并且可存在一些深度过滤。折叠过滤器中使用的介质可为玻璃或聚合物纤维或微孔聚合物膜的非编织物。

[0007] 筒式过滤器是可移除或可更换的过滤器元件，其设计成置于壳体中。一些筒式过滤器可进行清洁，但是它们在它们的使用寿命结束时通常被抛弃。过滤器元件的使用寿命是过滤器元件持续提供其额定移除，同时避免在过滤器上有最大压降且以最小通量或吞吐量运行或在最小通量或吞吐量以上运行的时间。最大压降可由过滤器元件承载在其上应用的压差的机械能力限制。当过滤器元件不能截留其在需要的效率下所标定的尺寸的颗粒，或需要大于用以输送最小规定吞吐量的规定最大值的压降，则要进行更换。

[0008] 大体合乎需要的是提供这样的过滤器元件，该过滤器元件以高效率和低压降移除小颗粒，并且具有高容纳容量。还大体合乎需要的是提供对于给定的性能规范具有长的使用寿命的筒式过滤器。还大体合乎需要的是最大程度地减小满足给定性能标准所需要的过滤器元件的体积或质量。

[0009] 在2006年1月17日授予Aune等人的美国专利No.6,986,427通过引用结合在本文中，并且除了别的之外，其描述了可用于深度过滤器元件的熔喷非编织介质。通过将多个熔喷纤丝引导在管状结构的圆锥形端部的侧部处来制成介质。管状结构在旋转心轴上旋转。随着材料添加给其圆锥形端部，同时管状结构沿着心轴的长度从纤丝喷射区域中抽出，管状结构在长度上增大。不同的纤丝被引导在圆锥的不同的部分处，并且纤丝可沿着圆锥的长度改变一个或多个特性。这在管状元件中产生具有一个或多个特性的对应差异的同心环形区。例如，仅在圆锥的尖部附近喷射的一个或多个纤丝形成管的内部区。一个或多个其它熔喷纤丝可应用在锥形的整个长度上，以添加跨过多个区而穿过元件的深度的纤丝，以增强介质。

[0010] 反渗透(RO)膜可用来对海水脱盐和用于各种其它应用。给水的污泥密度指数(SDI)是给水使反渗透膜结垢的趋势的度量。通过在以206.8kPa(30psi)的恒定压力馈送时确定给水使具有标称0.45μm孔尺寸的规定膜过滤器结垢的速率(以衰减百分比/分钟为单位)来测量SDI。有时说空心纤维RO膜需要具有为3或更小的SDI的给水，而有时说螺旋缠绕的膜需要具有为5或更小的SDI的进料水，它们两者都小于大多数海水供应的SDI。但是，SDI的进一步减小会减小RO膜中的结垢速率。在Silt density indices (SDI), percent plugging factor(%PF): their relation to actual foulant deposition (Desalination 119 (1998) 259-262)中，Kremen等人提到在给水SDI从1增大到5时，积聚在膜上的结垢物的量几何倍数地增大。

发明内容

[0011] 以下论述意图对读者介绍后面的详细描述，而不限制或限定任何要求保护的发明。要求保护的发明可为下面描述的元件或步骤的子组合，或包括本说明书的其它部分中描述的元件或步骤。

[0012] 将给水的SDI减小到低水平，例如5或更小，大体需要移除尺寸为1微米和更小的颗粒。通过使用非常小直径的纤丝，以及可选地，在形成深度过滤器时使纤丝压靠在心轴上，深度过滤器可制造成移除在这个尺寸范围中的颗粒。但是，在这种深度过滤器上的压降是显著的。除了别的之外，当深度过滤器呈管状形式时，用于过滤的有效表面面积随着水向内运动而减小。片材形式过滤器(包括折叠过滤器)还可制造成移除亚微米颗粒。但是，制造这样的过滤器的典型的工艺涉及辊压片材，以收紧孔结构，这再次产生显著压降。非常紧的片材形式的过滤器还往往快速地堵塞，除非给水在上游进行预过滤，这将需要不合需要地增加装备和管路。

[0013] 在本说明书中描述了筒式过滤器组件，其包括深度过滤器元件，深度过滤器元件与下游第二过滤器元件结合成可用于标准筒式过滤器壳体中的单个单元。

[0014] 深度过滤器元件具有成块(mass)的熔喷聚合物纤丝，并且对于范围为0.5至10微米、优选为1至5微米的污染物尺寸，可具有90%的移除效率。深度过滤器优选包括占据过滤器的不同的深度的多个区，一个或多个熔喷聚合物纤丝横穿两个或更多个区。通过减小过滤器的总密度，同时保持足够的抗压缩性，这个结构最大程度地减小过滤器上的压降，而不管具有能够移除小颗粒的内部区。

[0015] 第二过滤器元件包括具有1微米或更小的直径的纤维，这将在本文中称为纳米纤维。第二过滤器移除大百分比的尺寸小于1微米、优选尺寸小于0.5微米的污染物。使用纳米纤维允许实现非常小的孔而无需进行辊压。得到的孔也为曲折的。第二过滤器元件可折叠，以增大其有效过滤表面面积。

[0016] 深度过滤器元件可为管的形式。第二过滤器元件也可为位于深度过滤器的内部的管的形式，其优选被折叠。盖密封到深度过滤器和第二过滤器的端部上，以形成可配合到标准壳体中的筒式过滤器。

[0017] 筒式过滤器可用来在RO膜的上游预处理给水。给水的SDI可减小到3或更小或者2或更小。可移除有机和无机污染物，这允许RO膜运行更长时间或在进行化学清洁之间以增大的通量运行。产生具有非常低的SDI的滤液往往需要将较大的量的污染物截留在过滤器中。第二过滤器对于非常小的颗粒提供大的移除效率，但是因此可快速地堵塞。上游的深度过滤器阻止较大颗粒到达第二过滤器，从而增大组合的筒式过滤器的粉尘容纳容量，而不需要单独的预过滤器壳体。考虑到要移除的污染物的小尺寸和其它过滤器的存在，深度过滤器和第二过滤器构建成减小压降。

[0018] 在这个说明书中描述了用于从液体中过滤颗粒的筒式过滤器组件。筒式过滤器组件包括内部筛网或表面过滤器和包围内部过滤器的深度过滤器元件。深度过滤器元件具有成块的熔喷聚合物纤丝，该块具有深度维度、纵向(或长度)维度和纬度(或宽度)维度。该块在深度维度上的具有不同的特性的多个区中包括大体定向在纵向维度和纬度维度上的纤丝。该块还具有大体定向成穿过块的纵向维度、纬度维度和深度维度的横向纤丝，使得横向纤丝在深度维度上穿过两个或更多个区。内部表面或筛网过滤器可包括纳米纤维或包含纳米颗粒的纤维。
附图说明

[0019] 图1是筒式过滤器组件10的局部剖面透视图。

[0020] 图2是另一个筒式过滤器组件10的局部剖面透视图。

[0021] 图3是图1的筒式过滤器组件10的横截面图。

[0022] 图4是图2的筒式过滤器组件10的横截面图。

[0023] 对应的参考符号在图的所有视图中指示对应的部件。

具体实施方式

[0024] 现在将参照附图在以下详细描述中描述本发明，在附图中，详细地描述一个或多个实施例，以使得能够实践本发明。虽然参照具体实施例描述本发明，但是将理解，本发明不限于这些示例，而是包括许多备选方案、修改和等效方案。

[0025] 如本文在说明书和权利要求中使用的那样，近似语言可用来修饰可容许改变的任何数量表示，而不导致与其有关的基本功能的改变。因此，由诸如“大约”的一个或多个用语修饰的值不限于所规定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。范围限制可组合和/或互换，并且这样的范围和所有子范围包括在本文中，除非上下文或语言有其它表示。除了在运行示例中或在有另外的指示的情况下，表示在说明书和权利要求中使用的成分、反应状况等的数量的所有数字或表达要理解为在所有情况下都由用语“大约”修饰。

[0026] “可选的”或“优选的”和类似用语表示，后续描述的事件或情况可能出现或可能不出现，或者后续标识的材料可能存在或可能不存在，并且该描述包括其中出现事件或情况或其中存在材料的情形，以及其中不出现该事件或情况或不存在材料的情形。

[0027] 如本文所用，用语“包括”、“包含”、“具有”或它们的任何其它变型意图覆盖非排它性的包括。例如，包括元件列表的工艺、方法、产品或设备不一定限于仅那些元件，而是可包括未明确列出的或这样的工艺、方法、产品或设备所固有的其它元件。单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数个对象，除非上下文清楚地有其它指示。

[0028] 参照图1，筒式过滤器组件10包括非编织材料或膜材料的圆柱形内部过滤器12，其由外部深度过滤器元件14包围。深度过滤器元件14形成筒式过滤器组件10的暴露外表面。内部过滤器12为表面过滤器或筛网过滤器，并且可由适当的核心16支承。具有深度过滤器元件14和内部筛网或表面过滤器12的筒式过滤器组件10可容纳在设置有流体入口和流体出口的壳体(未显示)内。待过滤的流体首先连续地传送通过深度过滤器元件14，并且然后传送通过筛网或表面式内部过滤器12，优选没有流体旁通。虽然内部过滤器
12在本文描述为表面或筛网过滤器，但是内部过滤器12可以可选地由能够进行一些深度过滤的材料或大体片材形式的材料(例如具有的厚度为5或更小或者2或更小的材料)制成。

[0029] 优选地，深度过滤器元件14包括多个介质层或区，它们各自具有不同的微米截留尺寸，如下面将阐述的那样，使得介质层的渗透性或截留性(在以给定效率移除颗粒尺寸的方面)在筒式过滤器组件10的流体入口附近最大，并且在内部过滤器12附近最小。因而，大颗粒将截留在进料入口附近，并且随着进料传送通过筒式过滤器组件10，将截留逐渐更小的颗粒。虽然为了易于示出，区被示出为在它们之间具有清楚的线，但是在实践中，在区之间，可存在更加平缓的过渡或过渡区域。

[0030] 筒式过滤器组件10通过如本领域中已知的那样将端盖附连到内部过滤器12和深度过滤器元件14上来完成。例如，端盖可由热塑性材料制成，并且以热的方式结合到过滤器组件10的各端上。内部过滤器12和深度过滤器元件14两者的端部熔化到端盖上而形成密封和结合。一个或两个端盖开口，以允许滤液从过滤器组件的中心移除。开口端可在其面上设有平面式环形垫片。垫片可通过这样来形成：以液体状态将弹性体材料灌注在端盖上，并且允许这个材料凝固而形成整体端部垫片。当压靠在壳体的出口的边缘上时，端部垫片形成刀口密封。备选地，端盖可具有内部管状区段，内部管状区段与O形环垫片配合，而密封在壳体的出口的外部表面上。任一个垫片提供机械密封来将壳体的入口与壳体的出口分开，从而需要给水传送通过筒式过滤器组件10。

[0031] 内部过滤器12可为介质的任何筛网或表面过滤器，并且根据本领域技术人员已知的工艺制成。内部过滤器12可制造成具有多层的纳米纤维或包含纳米颗粒的纤维状介质。如用语在这个说明书中所使用，纳米纤维指具有1000nm或更小的直径的纤维。纳米颗粒具有为1000nm或更小的至少一个尺寸。内部过滤器中使用的纳米纤维直径可在200-600nm的范围中，或者它们可具有小于200nm(0.2微米)的直径，可能直径小到50nm。
纳米纤维层可形成纤维的随机分布，纤维可结合而形成互锁网。可获得过滤性能，因为细纤维对微粒的通过提供阻隔。诸如刚度、强度和褶裥率的结构属性可由衬底提供，纳米纤维粘附到衬底上。纳米纤维可由聚合物材料或具有本领域技术人员知道的添加剂的聚合物制成。另外，内部过滤器12可为使用湿法成网或干法成网工艺制成的介质，这包括纺粘、静电纺纱、海岛型工艺、原纤化薄膜纤维、熔喷和本领域技术人员已知的其它工艺。

[0032] 内部过滤器12中的介质可由具有与微生物或有机成分有密切关系的吸附性属性的材料制成，或者由无机材料制成，诸如铁、汞和铅，已知它们对RO膜元件的寿命具有有害作用。还可通过在纤维的纳米纤维混合物(诸如例如，丙烯酸纤维和尼龙纤维的混合物)内的摩擦电作用产生静电荷。静电荷可通过动电拦截提供增强的微粒拦截。还可通过曲折流径的机械拦截提供增强的拦截。

[0033] 内部过滤器12的介质可以片材形式使用，或者可模制、折迭或以别的方式形成为具有三维构造的成形介质。例如，如图2中显示的那样，可使用已知方法和用于折叠的构件来折叠内部过滤器12。在图2的示出实施例中，内部过滤器12包括可选地支承在核心16上的一个或多个折叠过滤器片材。皱褶可为波状形状或螺旋地定位，并且可具有环形横截面或折迭的横截面，诸如M形横截面。如本文所用，用语“皱褶”或“折叠”意图包括所有这样的横截面形状或位置。与平坦或弯曲的非折叠片材结构相比，折叠结构提供初始暴露于从深度过滤器元件14离开的流体的增大的表面面积。

[0034] 内部过滤器12介质的一个示例是来自Ahlstrom Filtration LLC以商标Disruptor销售的原料辊的片材(这可折叠)，或由Argonide Corporation以NanoCeram商标销售的折叠材料。这些为相同材料，并且包括具有200nm以下的直径的玻璃纤维的非编织块。直径为2nm和长度在250nm以下的额外的氧化铝纤维附连到玻璃纤维上。玻璃纤维形成以机械的方式移除2或3微米尺寸的颗粒的孔，但是氧化铝纤维产生的静电力允许介质截留尺寸小于1微米的颗粒。内部过滤器12介质的另一个示例是由 Hollingsworth and Voss 的200-400nm熔喷纤维制成的聚丙烯非编织基质。内部过滤器12优选移除大百分比(例如50%或更大)的尺寸为1微米或更小、优选为0.5微米或更小的污染物。

[0035] 外部套管14包括深度过滤器，并且构造成包围内部过滤器12。在一个实施例中，内部过滤器12具有0.93英寸的内径和0.99英寸的外径，并且外部深度过滤器元件14具有1.00英寸的内径和2.5英寸的外径。还可使用内部过滤器12和外部深度元件14的其它尺寸，而不偏离本发明的范围。例如，内部过滤器12可支托在具有大约1.1英寸的外径的支承管上，并且延伸到内部过滤器的2英寸或更大的外径。深度过滤器元件14可具有用以接收这种内部过滤器12的内径，并且延伸到大约2.6英寸或更大，或4.5英寸或更大，可选地高达6或7英寸的外径。

[0036] 深度过滤器元件14可由具有成块的基本连续聚合物纤丝的熔喷介质制成。介质具有长度或纵向维度、宽度或纬度维度，以及深度维度。熔喷介质的主纤丝大体定向在长度(x或纵向)维度和宽度(y或纬度或周向(在圆柱形块的情况下))维度上。优选地，介质还包括在深度(z)维度上延伸的基本连续聚合物纤丝。在深度过滤器元件14中，介质允许形成自持式内部核心区，这同时提供关键过滤区。通过将更高百分比的结合纤丝(在深度维度上延伸的纤丝)置于核心区和核心附近的那些区中，深度过滤器元件14可设计成比在相同量的结合纤丝均匀地分布在整个介质中的情况下具有更高挤压强度和更低的密度。三维非编织介质和形成介质的方法公开在共同转让的美国专利No.6,986,427中，该专利通过引用而结合在本文中。用于形成深度过滤器的代表性聚合物包括聚烯烃(诸如聚乙烯或聚丙烯)纤维、纤维素、棉花、聚酰胺、聚酯、纤维玻璃等。

[0037] 深度过滤器元件14的介质合乎需要地使用具有减少的纤维-纤维结合的主纤维的精细基质来形成具有低密度的结构。第二纤丝源在形成主介质时同时且有意地在z维度上置于主介质上，以提供改进的纤维-纤维结合，以及使机械结构互锁。这些z纤丝从而形成刚度更高的多孔结构，这具有显著的更大机械强度。主介质典型地形成为基本二维层，其中纤维定向在x和y轴线上，并且在层之间仅偶尔地结合。有益地是将结合z纤丝置于形成的主介质纤维层中，并且穿过两个或更多个形成的主介质层，这些结合z纤丝基本关于主介质定向在z轴线上。

[0038] 纤维形成材料的大体二维垫或层，连续地形成该二维垫或层，以建立由许多层纤维构成的纤丝块20。这些纤维可描述为铺在X-Y平面中，或铺在纵向和周向或纬度维度上。随着纤维一层一层地堆积，它们产生径向或深度维度。现在转到图3，结合到块20中的是沿径向穿过块20 的“z”方向纤维或纤丝22。纤丝块20合乎需要地包括多个同心过滤区
104、106和108。在示出的实施例中，显示了三个过滤区104、106和108。但是，纤丝块20可包含更多或更少区，而不偏离本发明的范围。在径向方向上的额外的纤丝块强度由z纤丝22提供。z纤丝22用作纤维结构增强元件。z纤丝22穿过纤丝块20，并且在径向维度、纵向维度和周向维度上延伸。

[0039] 过滤区104、106和108优选具有不同的物理特性。例如，过滤区104可包括较小直径纤丝；过滤区106可包括中等直径纤丝；以及过滤区108可包括较大直径纤丝。过滤区104、106和108优选具有这样的纤丝，即，该纤丝具有尺寸范围为小于大约1微米至大约100微米的直径。z纤丝22可具有等于、大于或小于过滤区104、106和108的纤丝的平均直径的直径。区104、106和108的纤维可由不同的材料构成，可为不同的尺寸，或可在其它方面具有不同的属性。例如，各个区中的纤维的直径可从核心区104到外壳区108而逐渐变大。各个区还可具有与各个相邻区不同的密度。例如，区的密度可从核心区104到外壳区108而逐渐减小。过滤区104可具有较高密度的纤丝；过滤区106可具有中等密度的纤丝，并且过滤区108可具有较低密度的纤丝。在另一个实施例中，过滤区104、106和108可在密度方面具有其它变化。

[0040] 有益的是在形成主介质时使结合z纤丝22穿过主介质，使得结合z纤丝延伸穿过主介质的一个或多个区104、106和108。有益的是结合z纤丝22延伸穿过主介质的所有层，并且从而从完成的主介质的一个主要表面112横穿到另一个主要表面114。在图3和4中，z纤丝用作结合纤丝以产生具有改进的耐压缩性的低密度主介质。想象到，在形成主介质时，结合z纤丝穿过主介质的一个或多个层可用来产生具有其它显著益处的介质。例如，z聚合物可具有显著不同的物理或化学特性，这可在产生的复合介质中产生显著的改进。

[0041] 在一个实施例中，过滤器套管14在形成的介质的一个或两个表面112、114处具有薄的结合纤维层，以提供更完美的多孔表面。结合纤维在表面112、114处粘附到主介质纤维上，并且从而在介质表面处消除松弛的纤维。发现的另一个显著益处是结合纤维粘附到主表面纤维上，并且与表面的纹路相一致。结合纤维然后在它们冷却时收缩，这强化得到的表面的粗糙度。惊奇地发现得到的最终表面具有未完成的主介质表面的表面面积的大约两倍。这个增大的表面面积提供许多益处，尤其是用于颗粒过滤应用。使外壳的表面面积翻倍可允许外壳具有较低的孔隙率，同时不导致过度的压降。而且在使用深度过滤器元件14时，颗粒块可收集在外壳表面上，并且还导致增大的压降。高表面面积容许在引起这样的压降增大之前有延长的运行。而且，在筒式过滤器实施例中，形成较硬的外壳避免了在产生筒式过滤器之后将过滤器封装在支承笼中的必要性。

[0042] 在一个实施例中，大体在各个区104、106和108内不存在纤维-纤维结合。纤丝块20内的主结合通过“z”方向纤维22和区104、106和108的纤丝之间的结合来实现。选定的介质区可制造成刚度非常高，以提供还承载产生的机械载荷的过滤层，从而消除对给定过滤装置中的单独的结构元件的需要。

[0043] 对于一个实施例，图3示出z纤维22的大致定向。在形成块20期间，在大约120度或更小的旋转期间，z纤维22以连续的方式从核心或底部区104布置到外壳或顶部区108且回到块20的核心区104。因而，z纤维22在整个过滤器块20中沿径向、沿纵向和沿周向延伸。在其中块20为平面而非圆柱形的实施例中，z纤维22可描述为在块20的长度维度、宽度维度和厚度维度上延伸。过滤器块20堆积且可包括z纤维22的网，这用来在所有三个维度上将区104、106和108中的纤维保持在一起，从而对纤丝块20提供强度和提供拉伸支承。因为块20的纤维在所有三个方向上保持就位，从而最大程度地减小细纤维的弯矩，从而最大程度地减小粉尘释放且以增大的压降进行引导。当在低密度介质中使用这样的细纤维时，本来将预计有这种不合需要的粉尘释放和引导。

[0044] 在一个实施例中，区104、106和108的纤维构成过滤器块20的纤维的大约75%至95%，并且z纤维22构成过滤器块20的纤维的大约5%至25%；更优选地，区104、106和108的纤维构成过滤器块20的纤维的大约80%至90%，并且z纤维22构成过滤器块20的纤维的大约10%至20%；最优选地，区104、106和108的纤维构成过滤器块20的纤维的大约85%，并且z纤维22构成过滤器块20的纤维的大约15%。在一个实施例中，与在区106和108中相比，更高百分比的z纤维22设置在核心区104中。例如，z纤维22可构成核心区104中的总纤维的大约25%，以及外壳区108中的大约3%。这个构造对过滤器块20的核心区域提供增加的强度，这是使用时保持过滤器的抗挤压性所需要的。

[0045] 通过将纤维固定成开放又得到支承的结构，纤丝块20的独特的结构允许有高空隙容积，而不牺牲强度。因而，本发明的纤丝块20显示比现有技术的介质显著更大的机械强度-重量比率。纤丝块20可形成为任何期望的厚度。在一个实施例中，纤丝块20具有大约1.15英寸的内径和大约2.5英寸的外径。在一个实施例中，纤丝块20每十英寸区段具有大约95克或更小的质量，并且具有至少大约40psi的压碎强度。高空隙容积导致纤丝块20具有更大的粉尘容纳容量，更长的元件寿命和更低的压降。此外，与传统过滤器相比，其允许更快地且以更少的材料来制造纤丝块20。在优选实施例中，纤丝块20的十英寸区段可在大约15秒内制造，并且在20微米下具有90%的截留额定值。

[0046] 图4示出深度过滤器元件的第二实施例的正视图。类似于图3中显示的实施例，纤丝块20包括第一主要表面112、第二主要表面114和同心的过滤区164、166和168，在径向方向上的额外的纤丝块强度由z纤维或纤丝22和172提供。z纤丝22和172用作用于纤维块20的增强元件。z纤丝22和172在纤丝块20中延伸且在径向维度、纵向维度和周向维度上延伸。

[0047] 如上面参照图3描述的那样制造z纤维22。z纤维172铺设穿过区164、166和168，使得其沿径向、沿纵向和沿周向穿过过滤器块127。在其中块127为平面的而非圆柱形的情况下，粘合纤维172可描述为在块20的长度维度、宽度维度和厚度维度上延伸。在优选实施例中，z纤维172定位成使得其横穿一个或多个区164、166和168；但是，其不一定横穿所有区164、166和168。

[0048] 可产生强的整体过滤核心，而不显著增大介质的密度。这个通过在熔喷工艺期间，将结合纤维或z纤维22和172设置到区164、166和168的主过滤纤维上来实现。结合纤维22和172的额外的热能允许高度无定形的聚丙烯主过滤纤维显著增大结晶度，这又增强了介质。此外，在一个实施例中， z纤维22和172中的一个或两者具有与区164、166和168的主纤维不同的材料属性。例如，纤维22和/或172可为用于反应的催化剂或用于毒素、病毒、蛋白质、有机物或重金属的吸收或吸附材料。在优选实施例中，结构增强纤维或纤丝
22和172的直径与区164、166和168中的主过滤纤维的直径相对等，使得纤维22和172不仅有助于纤丝块20的强度，还有助于其过滤能力。

[0049] 当在筒式过滤器组件10中用来在反渗透膜上游预处理水时，对于在0.5至10微米的范围中、优选在1至5微米的范围中的颗粒尺寸，至少深度过滤器元件14的内部区108、168具有90%的移除效率。这个移除效率通过对内部区使用具有范围为大约1微米至大约20微米的直径的纤丝来实现。可在外部区中使用更大直径纤丝(高达400微米)，以减小深度过滤器元件14的压降。可选地，通过在形成内部区108、168时调节内部区108、
168的纤丝的温度和流率且可选地应用压缩，内部区108、168可制造成具有3微米或更小或者1微米或更小的孔尺寸，使得深度过滤器元件14提供3微米颗粒或1微米颗粒的绝对移除。

[0050] 可选地，过滤器组件10可构建成使得深度过滤器14位于内部过滤器12的内部。在那个情况下，给水通过一个或两个端盖馈送到过滤器组件10的内部，并且滤液从壳体积聚在过滤器组件10的外侧。

[0051] 可选地，支承层可设置在内部过滤器12和深度过滤器元件14之间。这个支承层可例如由卷成管的筛网或拉伸成管状筛网的挤制网或挤制的穿孔管制成。在具有高的温度或粘度或经受高的固体翻转(upset)的应用中，额外的支承层可用来降低从深度过滤器元件14施加在内部过滤器12上的压力，这又可避免撕裂或压碎内部过滤器12中的皱褶。

[0052] 在实验性试验中，以并排测试的方式，通过传统的深度过滤器过滤和通过组合深度过滤器和表面过滤器的筒式过滤器元件过滤给水。给水为有机、生物和刚性颗粒污染物与水的合成混合物，测量的SDI的范围为4至6。传统深度过滤器具有2.6"的外径，并且支承在具有1.1"内径的多孔核心管上。传统的深度过滤器能够以90%的效率移除10-12微米颗粒。组合过滤器使用相同核心管，并且具有大约2.6"的类似外径。组合过滤器包括熔喷聚丙烯制成的分级密度深度过滤器，内部区对3微米污染物具有90%的移除效率，以及外部区对于15-20微米污染物具有90%的移除。这个深度过滤器具有0.125"的深度(壁厚度)。表面过滤器为具有范围为200至600nm的直径的聚丙烯(PP)纳米纤维的非编织片材，其折叠成具有0.45"的深度的管。传统深度过滤器和组合过滤器两者具有类似的总过滤器深度，并且安装在类似的筒壳体中。

[0053] 来自各个过滤器的经过滤水的SDI在多个时间点进行测量，并且下面在表1中显示了结果。在表1中，传统深度过滤器称为“CDF”，而组合过滤器称为“CF”。如表1中所指示的那样，传统深度过滤器对SDI具有非常小(如果有的话)的作用，而组合过滤将SDI减小到将有益于下游RO膜的运行的范围。

[0054] 表1

[0055]时间(分钟) 进料SDI CDF 滤液 SDI CF 滤液 SDI
0 4 5 1
120 5 5 1
300 6 5 2
540 6 4 1

[0056] 在暴露于进料和滤液的测试面板上培育细菌。传统的深度过滤器显示很少(如果有的话)的细菌移除，而来自组合过滤器的滤液清楚地具有减小浓度的细菌。可期望，组合过滤器将因此减少在膜中的细菌性结垢。

[0057] 基于直观检查，组合过滤器的深度过滤器部分截留进料流中的污染物的大约30%，而表面过滤器截留大约70%。深度过滤器因此有助于移除SDI和延长表面过滤器的使用寿命。测试的进料流具有低SDI，这表示仅非常低的结垢自然进料流或经预处理的进料流。当暴露于具有更高SDI和一些更大污染物的自然进料流时，可期望深度过滤器移除更大百分比的污染物。但是，在那个情况下，也将很快到达深度过滤器的粉尘容纳容量。因此，对于一些进料流，将优选将深度过滤器的厚度增大到例如0.5"或1"或更大，以更好的平衡深度过滤器和表面过滤器的期望使用寿命。

[0058] 虽然示出的实施例涉及具有外部深度过滤器元件14的圆柱形筒式过滤器组件10，但是应当理解，还可构想到其它实施例。例如，本发明的教导可适于平坦的、片材或平面式产品。可例如通过沿着其长度切割圆柱形筒式过滤器以获得材料的片材来制造这种平坦产品。

[0059] 虽然使用示例或实施例公开了本发明，但是本发明由权利要求限定，并且不意图使权利要求限于这些具体示例或实施例。

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