水的净化设备及方法

暂无

发明领域\n本发明涉及一种用于净化被或者可能被微生物污染的水并使其适 于饮用的设备及一种操作所述设备的方法。\n发明背景\n在许多地区都难以找到安全可靠的水源。可能会缺少配水系统， 或者，常见的是，可能存在配水系统但只能输送不安全、不适于饮用 的水，原因是水已被污染，特别是被微生物污染，在这些地区提供安 全的、适用饮用的水的问题已经得到了广泛的关注，并且在技术上找 到了多种解决方案。\n过滤是可以采用的一种方法。在大多数情况下，水净化设备中所 用的过滤器都工作在恒压方式，即，过滤器被置于恒压的水源上并用 来过滤水直到其过滤速率低于某个预定的不可接受的值为止。在某些 情况下，提供了一定程度的流速控制措施。例如，VSP 5,503,735中公 开了一种在过滤器心子中提供了逆渗透滤膜的液体净化系统。并非所 有的水都通过薄膜。没有通过薄膜的水通过一个减压阀，减压阀可以 进行调节以改变系统中的水压和流速。能保持恒定流速和可变压强的 装置被用于水流过的系统中，例如灌溉系统中。用于控制过滤器过滤 装置的流量速度的方法也已经已知。USP 5,238,559中描述了一种此类 装置。\nJP 05185070(kokai No.5-185070)中指出，在家用净水器中， 当流过过滤器模块的水已经超过模块内吸收剂的容许吸收能力时，过 滤器模块必须更换，并且已经有带有能够显示更换过滤器模块的时间 的寿命测定计的净水器。然而，据说已知的装置并不可靠，因为它们 只测定水流时间而且由于水流速的波动，这并不能提供可靠的显示。 因此所述申请提出了一种家用净水器，它包括一个恒流速阀，一个用 于检测水流的开始和停止并产生相应信号的传感器、以及用于测定基 于所述信号的累计操作时间并在所述累计操作时间达到预定值时显示 一个信号的装置。该申请示出了各种结构的恒流速阀，但至于过滤模 块，却并未示出其结构，而是说该发明可以利用现有技术的各种结构。\n现有技术的水净化系统，特别是那些不仅要除去固态物质，而且 还要除去微生物并使水完全适于饮用的水净化系统，从几个角度来看 并不能完全令人满意。它们的流量通常很低，因而过滤器必须经常更 换，必须具有较大表面积并且非常昂贵。\n本发明的一个目的是提供一种用于净化饮用水并能克服已有装置 的缺点的设备。\n本发明的另一个目的是提供一种净化水的方法，它不具有现有技 术方法的那些缺点。\n本发明的另外一个目的是提供一种优化用于净化饮用水的设备的 操作过程的方法。\n本发明的其它目的和优点将随叙述的进行而清楚。\n发明概述\n本发明提供了一种用于净化饮用水的设备，包括一个进水入口和 一个净化水排放出口以及一个介于所述入口和所述出口之间的过滤装 置，其特征在于过滤装置包括一个预过滤装置和多微孔薄膜，并且该 设备还包括水泵，用于以恒定流速操作所述过滤装置。\n本发明也提出净化饮用水的方法，它包括以下步骤，使水以恒定 流速流过一个包括预过滤装置和多微孔薄膜过滤装置的净化过滤装 置。\n用于净化水的设备，包括一个进水入口和一个净化水出口、一个 具有介于所述入口和所述出口之间的深型过滤层和多微孔滤膜层的过 滤器、用于驱动水以恒定流速流过过滤器的装置、用于监控从过滤器 安装开始经过的时间的装置、用于监控水已流过过滤器的总计时间的 装置、以及用于防止水在任意一个所述时间达到预定阈值时流过过滤 器的装置。用于驱动水以恒定流速流过过滤器的装置可包括用于向过 滤器施加压力的装置和用于控制流速而不管穿过过滤层的压降变化的 装置，例如一种已知型号的流量限制器。\n在该设备的一个优选实施方案中，深型过滤装置和多微孔薄膜装 置被用来构成过滤装置，对它们将随后进行描述，但所述过滤器装置 本身并非本发明的一部分因而并未在本文中对其申请专利；并且本发 明的设备可以带有不同结构的过滤器，只要它们包括水能连续流过以 便得以净化的深型过滤和多微孔薄膜过滤装置就行。\n本优选实施方案的过滤装置包括多个组件过滤元件，尽管每个过 滤元件自己也能完成过滤功能。这种过滤元件包括：\na)一个最内侧排流层，优选为一个基本张开的塑料网；\nb)两层多微孔薄膜，优选地各自支承于一个置于它和所述排流层 之间的支承织物层上；更优选地，它对微生物的保持力大于95 ％，所述两层对称地位于所述排流层的邻近两侧；\nc)两层深型过滤器或预过滤器(在本说明书中这两个词用做同义 词)，优选为玻璃纤维过滤器，对称地位于所述多微孔薄膜层 邻近两外侧；\nd)所述多微孔薄膜层和所述深型过滤层沿顶部边缘密封在一起， 优选地在所述排流层和所述支承织物层的顶部延伸，如果存在 所述支承织物层的话；\ne)所述排流层和所述多微孔薄膜层，以及所述支承织物层，如果 所述支承织物层存在的话，其底部在所述深型过滤层的下方延 伸，所述多微孔薄膜层在所述深型过滤层底部密封于所述深型 过滤层上；\nf)所述多微孔薄膜层和所述深型过滤层要宽于所述排流层和所述 支承织物层，如果支承织物层存在的话，并且沿它们的侧边缘 密封在一起。\n词“顶部”和“底部”是指过滤元件在整个过滤装置中所处的位置。\n所述过滤器装置包括一块具有一个中心开口和一个上表面的底板 和前文中所确定的多个元件，这些元件相互平行且与所述底板垂直， 并且横过底板的所述中心开口，它们的深型过滤层的底部与所述底板 上表面相齐，所述过滤元件通过利用粘合剂填满它们与所述底板中心 开口内边缘之间的空间而装于所述底板上。所述过滤器还包括一个密 封外壳，上面装有过滤元件的底板密封于其中。\n在所述过滤器的一个变型中，上述过滤元件的多微孔薄膜层和深 型过滤层或预过滤层通过粘合剂密封在一起。\n在所述过滤器的另一个变型中，深型过滤层为叠层，各包括一层 多孔热塑性织物，而多微孔薄膜层及其支承层为热塑性塑料。如果多 微孔薄膜层的熔点至少比至少一种其它热塑性塑料层的熔点高50℃， 这些层就可通过加压和加热密封在一起，如下文所述。\n在本发明的一个典型实施方案中，设备包括：\n一个预过滤器，\n一个薄膜过滤器，它可与预过滤器分离或者与其合为单个结构单 元；\n一个压力调节器；\n一个流量计；\n一个定时器；\n一个净化水出口；以及\n阀门和压力计，如果可能需要的话。\n本发明还提供了一种净化饮用水的方法，它包括以下步骤：使水 以恒定流速流过包括一个净化过滤器的设备，其中净化过滤器包括深 型过滤器或预过滤器和多微孔薄膜过滤装置，监控从安装过滤器开始 经过的时间、监控水流过过滤器的总计时间，以及防止水在任意一个 所述时间达到预定阈值时流过过滤器。用于驱动水以恒定流速流过过 滤器的装置可包括用于通过加压而供待净化的水的装置和用于控制流 速的装置，例如一种已知型号的流量限制器。深型过滤装置和多微孔 薄膜装置优选地按照前文中所确定的过滤元件中的方式构造和安装， 以便过滤器整体上为前文中所确定的过滤装置，但是本发明的方法可 以通过包括不同结构的过滤器的设备来进行，只要它们包括水能连续 流过以便得以净化的深型过滤和多微孔薄膜过滤装置就行。本发明的 方法用于净化引用水，因而对于并非饮用目的的水的净化本文不予考 虑。\n“净化饮用水”这一说法在本说明书和权利要求中使用时，既包 括使不适于饮用的水变得适于引用的意见，也包括使已经可以饮用的 水纯度增大的意思，因为它可以饮用。所希望的是，净化过的水应当 基本上无菌。\n附图简述\n在图中\n图1是本发明的一个实施方案的过滤元件剖视图；\n图2是同一元件的前视图；\n图3是本发明的一个实施方案的过滤装置的透视图，正处于制造 过程的中间阶段；\n图4是本发明的一个实施方案的过滤装置的剖视图，沿通过过滤 元件中心线的一个平面剖开；\n图5是图4的过滤装置的剖视图，沿与过滤元件平行且通过过滤 元件中心线的一个平面剖开；\n图6与图1相似，是本发明的一个不同实施方案的过滤元件的剖 视图；\n图7是一个曲线图，描绘了为达到2.5个大气压(2.5×101325帕) 的压降时总流量相对于流速的关系，其中总流量单位为千升，流速单 位为厘米/分钟；而\n图8是本发明的一个实施方案的设备的示意性框图。\n优选实施方案详述\n如图8中所示，本发明的设备包括一个入口50，入口50优选地包 括任意型号的一个压力计和一个压力调节器。用于驱动力通过该设备 的压力可通过水源自身提供，如通过龙头或总水管。或者如果缺少或 者不足的话，可通过任意适当类型的泵51提供。52和53分别表示一 个预过滤器和一个薄膜过滤器，它们可以集成于单个过滤装置54中， 如图8的虚线所示。过滤器后面优选跟着一个出口压力计55和一个恒 压调节器56。所述调节器之后可为针形阀57。水从该处流过组件58 并到达出口59，组件优选地为一个集成式组件，包括一个流量计、一 个计时器以及一个关闭阀。\n图1至5示出了本发明的设备的一个优选实施方案中所使用的过 滤装置。所述过滤装置本身并不是本发明的一部分，而是另一个同时 提交的申请的主题。\n在所述图中，过滤元件10包括两外层深型过滤器或预过滤器11 和11′，它们优选由玻璃纤维制成。在层11和11′的内侧，过滤元件包 括多微孔薄膜层12和12′，优选地它们对微生物的保持力大于95％， 并且分别支承于支承织物13和13′上。所有上述各层关于基本张开的 塑料网14对称放置，塑料网14构成了用于输送流体通过上述各层11 -11′，12-12′和13-13′的排流层。层11-11′和12-12′一致对齐并 通过粘合剂特别是热熔性粘合剂或者通过焊接密封在一起。深型过滤 层11-11′和多微孔薄膜层12-12′还在边缘22处密封在一起。排流层 14和织物支承层13-13′并未向上延伸至元件的顶部，即封口15处， 尽管在采用了焊接方法的本发明的一个实施方案中，层13和13′可伸 到边缘封口并热塑性地密封在一起。在图1和2中，两个预过滤层11 -11′均未伸到元件的底部。但多微孔薄膜层、支承织物层和排流层却 向底部超过它们伸出。深型过滤层11-11′在20-20′处密封于多微孔 薄膜层12-12′上。支承层13-13′和排流层14′要比其它各层窄，因而 并未参与封口22中。\n多个过滤元件10连接起来从而构成了一个过滤装置，如图4和5 所示，图3示出了过滤装置制造过程的一个中间阶段。后者概括地用30 来表示，它包括一个具有一个中心开口32的底板31，中心开口的周边 用33来表示。过滤元件10穿过所述中心开口32中并且使得它们的边 缘20与底板31的上边缘处于同一高度。在图3中，中心开口3并未 被过滤元件10填满，而是在其中在从图中来看装置的前部留有空间。\n在图4和图5中，过滤器已经完成，而中心开口被元件10填满。 过滤元件均保持就位，它们通过利用适当的粘合剂填满它们与开口32 的内边缘34之间的空间而装于底板上，从而使得在元件10和底板31 之间不存在流体流过的通路。随后底板31机械地密封于适当的过滤器 外壳35中。外壳在数字36所示的顶部处开口，以便为所要过滤的水 提供入口。水经过每个元件10的不同各层，从外侧深型层11-11′进 入而从排流层14流出，并到达外壳35的开口，如数字37所示，它也 就是过滤过的水的出口。\n如图6所示，在过滤元件的一个变型中，预过滤层由熔点为T1的 玻璃纤维过滤层40-40′和多孔合成织物层41-41′的叠层所代替，多 微孔薄膜层42-42′由熔点为T2的热塑性材料制备，而支承层43-43′ 也由熔点为T3的多孔合成织物制成并沿边缘15和22(后者在该图中 并未示出，而是在图2中示出)与前面各层一致对齐。如果T2至少比 T1或T3高50℃，那么元件的接缝15和22就可以通过在温度高于T1 或T3的热夹钳的压力下的焊接在这一个步骤里完成。\n根据本发明，通过使水以恒定流速通过一个过滤元件或者多个过 滤元件，就可使饮用水得以净化。对于包括一个深型过滤器和一个多 微孔薄膜的过滤器而言，已经发现使过滤器在恒定流速下工作要比在 恒压下工作有利得多，原因在于要达到与在恒压下工作的过滤装置相 同的总流量，在恒定流速下工作的过滤装置只需小得多的薄膜表面积， 甚至可小十倍。当平均过滤指数值为10的情况下处理自来水时，包括 于本发明的一个实施方案的设备中的过滤器装置，其过滤面积为0.05 平方米，就可在恒定流速为2升/分钟下生产3,000升的过滤过的水， 而在生产出所述容积的过滤过的水之前在三个月内更换的次数不需超 过一次。\n当在常压下工作时，在包括一个预过滤器和一个多微孔薄膜的过 滤器中会发生以下现象。在过程开始时，过滤器的流体阻力最低，流 速为最大值而预过滤器的效率最低，原因在于粒子的速度增大时效率 就会降低。因此，粒子就会穿过预过滤器而在多微孔薄膜的表面上被 截获，从而阻塞住孔并降低流速。随着过滤过程的继续进行，流体速 度继续下降因而预过滤器的截获效率最终得以提高。预过滤器和薄膜 的阻力增大直到组合的阻力使得过滤器再也不能保证有效的流速为 止。当在恒定流速下工作时，就可以选择流体速度以便使得从过滤过 程开始时就能由预过滤器最大程度地截获尽可能多的粒子，从而使过 滤器的总流量大为提高。\n优化前述优选实施方案的设备的操作过程的一般方法包括以下各 个步骤，其中该设备就是包括一个如前文中特别描述的过滤器，更一 般地说包括一个深型过滤器和一个多微孔薄膜过滤器的过滤器的设 备。\n1.对在某个开始时适宜的恒定流速下工作的过滤器进行测试直到 过滤器两侧的总压降达到预定值为止。\n2如图7所示，将结果绘制成图，其中要绘出总流量相对于流体速 度(通过用流速除以过滤元件表面积而得到)的关系。\n3.通过改变恒定流速或者改变过滤元件的表面积而继续进行测 试，直到完全得到图7止。\n4.选定理想的总流量，从而选定恒定流速与薄膜元件表面积的满 意组合。\n5.使过滤器根据上面第4条以恒流方式工作。\n图7中示出了包括一个玻璃纤维深型过滤器和一个孔径名义值为 0.2微米的多微孔薄膜的平板薄膜过滤元件的总流量数据(压降为2.5 巴--1巴＝101325帕)。可以清楚地看到，当在一个临界流速下以 恒流方式工作时，薄膜过滤器的总流量可以增加若干倍。\n预过滤器或深型过滤层12优选地为本领域中已知的任意预过滤器 材料，可以包括但并不限于多孔或散粒无机或有机材料如玻璃纤维、 碳、纤维素、聚烯烃或其它合成聚合材料。预过滤器也可为由纤维、 微纤维或粒子制成的经过压缩的、高度多孔的块料的形式，上面包括 直径至少是薄膜中的孔的直径的5倍的孔，或者为纺织品或非纺织品， 它们全都是本领域中已知的材料。用于过滤自来水的特别优选的材料 是一种非纺织玻璃纤维材料，它不含粘合剂，厚度大约为450×10-6微 米而名义的粒子清除标称值为1微米。\n多微孔薄膜层14优选地为孔径在0.05×10-6米至0.45×10-6米之 间的多微孔过滤器，它通常由高温热塑性聚合物如聚砜、尼龙和聚偏 氟乙烯制成，或由无机材料如陶瓷材料或金属制成，它的透水能力在 0.05-30立方厘米/平方厘米/秒/大气压(cc/sq.cm/stc/atm)之间， 在本领域内众所周知，如同《制药工业中的过滤》一书中的第2-4章 所描述的那样，该书由Theodore H.Melzer所著，由Marcel Dekker Inc. N.Y.出版，Copy right 1987，ISBN 0-8247-7519-8。\n薄膜支承层13-13′优选地为由不会在水中膨胀或变形的合成材料 制成的纺织品或非纺织品。由聚烯烃制备的非纺织品特别适用于这一 用途，因为它们的熔点范围恰好低于用于制造薄膜层14的许多聚合物 的熔点。理想的是，该层具有最大的渗透性，但无论如何不应低于所 支承的薄膜层的10倍。\n用于分隔各过滤材料层以便形成流体通路的塑料网14可从多种热 塑性材料中选取，通过挤压或其它方法如编织连续延伸的塑料细丝而 制备，在本领域中众所周知。此类材料的实例有商标为Noltex的由Nalle Plastics，Austin，Texas制造的聚丙烯网。\n以下实例说明了本发明的前述优选实施方案的设备的性能。\n有效过滤表面积约为24平方厘米的薄膜过滤元件由A/E玻璃纤维预 过滤器材料(Gelmar Sciences，Ann Arbor，Mi.VSA制造)、Super 200 多微孔薄膜(Gelmas Sciences Ann Arbor，Mi，USA制造)、一种用做薄 膜支承层的聚丙烯非纺织品和一种用于形成排流通路的聚丙烯网(Nalle Plastics，Texas，USA制造)制备而成。环氧粘合剂用于形成胶合接缝。 多个这样的元件用环氧粘合剂装入4毫米厚的塑料底板上以构成过滤装 置，从而形成有效过滤表面积在50和500平方厘米之间的过滤装置。经 过改进以便可与流质食品直接接触的热熔性粘合剂可以从市场上买到， 如可以从Bostik，H.B.Fuller和Collano公司买到。\n每个过滤装置固定于适宜的外壳中。其完整性首先是通过起泡点 技术测试的完整性。在经过短暂的水冲之后，外壳的入口与气体压力 源相连通，而将过滤过的水从外壳中导出的出口管置于一容器的水中。 气体的压力慢慢升高直到看见第一股稳定水流的泡沫从外壳出口管流 出为止。被称作起泡点的这个压力，大小为3.2个大气压(3.2×101325 帕)，位于Super 200薄膜的制造商所指定的起泡点的0.1个大气压 (0.1×101325帕)的范围内，从而证明了外壳和过滤装置为一个整体， 而薄膜为所标定的名义孔径大小。\n包括所述过滤装置的本发明的一个实施方案的水净化设备在恒定 流速为每秒2升的条件下进行测试。位于该设备之前和之后的压力计 测定压降，而当压降超过2.6巴(1巴＝101425帕)时测试结束。一 种累计水量计测得累积流量。这类装置的测试数据示于图7中。水的 质量通过残渣密封或过滤指数技术定期进行监控，在一天内该指数在8 至15之间变化，平均值为10-12。\n参照图7，可以设计一种使用最少的预过滤器和薄膜过滤器的过滤 器以便达到预定的过滤流量和流速；例如本文中所述的一种过滤器， 它需要在最大压降为2.5个大气压(2.5×101325Pa)和流速为2升/ 分钟的条件下提供10,000升的总流量。\n如图7所示，所述流量的最大流体速度不应当超过8厘米/分钟。 由于所需流速为2000立方厘米/分钟，所需的过滤表面积(包括预过 滤器和薄膜过滤器)就是总流速除以流体速度，或者是250平方厘米。 当然，可以提供更大面积以便保证过滤性能并解决水的质量可能发生 的变化的问题(就图7中的数据而论，这种情况会经常出现)。\n作为本发明的一个具体实施方案，如图8的示意图所示，一种在 压力高达10个大气压(10×101325帕)下工作能力为10-20升/分钟 的标准离心泵被安装于一个50升的容器中，该容器不停地由自来水源 再充满。泵的出口之后跟着一个标准-6大气压水调节器，调节器带有 测量计(Braukmamn GbH，Ger，公司制造)，并且入口压力设为4个大 气压。调节器被安装于包括一个按本文所述的方式制造的过滤元件的 过滤器外壳上。出口处的压力计后面跟着第二调节器，它设为0.5大 气压，这也是它能有效调节的最低设定值。第二调节器之后跟着一个 累计水量计(Arad公司Israel制造)和一个带有一体式针形阀(Fisher Porter，USA制造)的球形流量计。一个分离式电子控制器控制着一个 标准电磁阀以便按时间关闭。\n尽管为了举例说明对本发明的优选实施方案进行了描述，但应当 明白，本发明由技术人员实施时可有多种修正、变形和改动，而不会 偏离其思想或者超出权利要求的范围。