CN103596885A - 含纳米纤维的水族箱过滤介质 - Google Patents
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Abstract
一种用于水族箱的过滤器件，它包括：接收水的过滤腔室和在其内的过滤介质，其中所述过滤介质包括直径为0.1nm-3000nm和长度与直径之比为5:1至10,000:1的长径比，其中所述纤维提供亚硝化单胞菌和/或硝化细菌的定居。另一例举的实施方案，本发明的公开内容涉及一种过滤介质，它包括直径为0.1nm-3000nm和长度与直径之比为5:1至10,000:1的长径比，其中所述纤维提供亚硝化单胞菌和/或硝化细菌或其前体。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求2011年6月9日提交的美国临时申请序列61/495,338的提交日的权益，其教导在此通过参考引入。
发明领域
本发明一般地涉及水族箱过滤器，和更特别地涉及含纳米纤维的过滤介质，它可提供机械和生物过滤。该过滤介质可包括在介质上预负载的细菌以供根据氮循环触发生物过滤。该过滤介质因此提供相对高效率的生物过滤性且没有牺牲化学和/或机械过滤性。
发明背景
多年来在水族箱中使用过滤器，从水族箱的水中除去粒状物，以便保持水族箱清洁。常规地，最常见类型的水族箱过滤器是悬挂在顶部边缘上方的水族箱外侧的动力过滤器。它包括携带水族箱中的水进入到过滤箱内的虹吸管。进入到过滤箱内的水在各类过滤介质上流动，从水中除去粒状物。水穿过过滤的碳，从水中除去化学杂质，然后使用泵，泵送回到水族箱内。这种动力过滤器的实例包括由E.G.DannerManufacturing Co.市售的Supreme Aqua King动力过滤器，由Willinger Bros.Mfg.Co.市售的Second Nature Whisper动力过滤器，和由Rolf Hagen Manufacturing Co.市售的Aqua Clear动力过滤器。
另一类水族箱过滤器是罐式过滤器，它可位于水族箱外侧和下方。吸入和输出软管悬挂在水族箱边缘之上，且与地板上的罐式过滤器相连。水在重力作用下通过吸入软管从水族箱喂入到罐内。水族箱中的水被机械和化学处理，并通过在罐内容纳的泵，被泵送回到水族箱内。罐式过滤器的实例包括由Hagen USA Mfg.,Co.市售的Hagen Fluval过滤器，由Aquaria,Inc.市售的Marine Land Canister Filter，由Eheim GmbH&Co.KG市售的Eheim Classic Canister Filter。
内部安装的动力过滤器仍然是另一类水族箱过滤器。这种过滤器包括具有内置泵的小罐，所述内置泵淹没在水族箱内部。水进入到罐的底部，并流经滤筒，除去粒状物和化学废物。过滤过的水然后被泵送出罐的顶部并返回到水族箱内。这类过滤器的实例是由Danner Mfg.市售的Supreme Ovation内部过滤器，和由Hagen USA Mfg.Co.销售的Hagen Fluval内部过滤器。
在水族箱内使用的又一类过滤器是底砂过滤器，它由停留在水族箱地板上的多孔提升板组成。在过滤器的任何一个端部上提供提升管，且延伸到水族箱顶部之内。砂砾置于板之上到约2英寸的厚度。来自外部泵的空气管线放置在提升管内到底板上，和气石放置在空气管线的端部处。空气被强制通过泵经过气石，从而强制气泡向上行进通过管道到水面，从而产生涡流或涌流。然后水被牵引通过砂砾，并强制向上到提升管中。来自水族箱的废物通过砂砾床引出，在此细菌分解任何氨或亚硝酸盐成不那么有害的硝酸盐。然而，生物过滤器没有除去所有的化学废物。这种底砂过滤器的实例包括由Perfecto Mfg.和Penplex Mfg.市售的过滤器。
在水族箱中常用的现有技术的再一类过滤器是湿/干滴流类型的过滤器，它包括悬挂在水族箱内部高处的除沫器箱。提供虹吸管携带水族箱的水到预滤器中，所述预滤器直接安装在水族箱外侧上的除沫器箱的后部。水流经预滤器内的泡沫体套筒，捕获粒状物。然后水行进穿过典型地位于水族箱之下的罐内的软管。当水进入到水族箱之下的罐内时，它在含有多个塑料生物球的过滤器的干燥腔室内的滴液板或喷管上流动。水滴落在生物球上并穿过它到达罐的底端部分。细菌菌落在所有生物球上生长，所述细菌菌落在生物球上流动的水内的废物产品上喂养。水从那儿汇集到过滤器罐的底部，然后流经碳过滤器或其他过滤器，从水中除去化学废物。水然后流经白云石，粉碎的珊瑚或粉碎的蛤壳，缓冲水，然后将水泵送经过返回软管回到水族箱。湿/干过滤器可包括机械，化学和生物过滤器。这种过滤器的实例是由Oceanic System,Inc.市售的Plus Series滴流过滤器，和由Perfecto Mfg.Co.销售的Perfecto Wet/Dry过滤***。
也可在水族箱内建造湿/干过滤器，并形成罐的永久部分。永久建造在罐内的一种这样的湿/干过滤器由Tenecor Corporation of Tempe,Ariz市售。
湿/干过滤器的替代形式是内部安装的湿/干过滤器，对于小的水族箱来说，它包括一体化的泵和加热器。将过滤器置于水族箱内部靠着后壁且过滤器的顶部在水平面处。水进入过滤器内，然后流经滤筒，除去粒状物和化学废物材料。一部分水然后被泵送到干燥腔室的滴液板内以供生物过滤。其余的水然后被直接泵送回到水族箱内，以便绕过干燥区域。一种这样的过滤器由Rolf Hagen Mfg.以商品名"Biolife"过滤器市售。
根据上述介绍应当清楚，合适且连续的过滤是保持快乐、健康鱼类的关键，且具有三种基本的过滤方法：机械，生物和化学法。然而，一个长期存在的问题是例如尽管新鲜装填的过滤介质实现它们打算的目的，但随着时间流逝，它们倾向于丧失功效。
例如，过量的食品和其他废墟的大颗粒经过它从水中除去，筛分或撇去的机械过滤介质，随着时间流逝可能被堵塞，从而降低它们充当打算目的的能力。化学过滤使用活性炭和氨吸附剂，例如沸石，从水中除去气味，颜色和有害物质，例如氨。然而，随着时间流逝，活性炭也将丧失其功效且类似地需要更换。
另外，尽管最终更换机械和化学过滤是需要的，但必须对除去氨和亚硝酸盐(鱼废物的副产物)的主要设备(它是生物过滤器)仔细关注。公知的水族箱是天然的生态***，其中鱼和在水族箱内天然存在的有益的细菌决定了彼此幸福和健康地生活。这一相互关系的结果常常称为“氮循环”。鱼饮食并产生氨作为废物产物。过量的食品和植物材料也腐败并产生氨。有益细菌(需氧)中和氨并产生亚硝酸盐，亚硝酸盐反过来被产生硝酸盐的其他有益细菌中和。正常水平的硝酸盐对淡水鱼无害，且随着时间流逝，可通过部分换水容易从水族箱中除去。因此，水族箱内的天然***将有毒的氨转化成无害的硝酸盐；所有这些没有化学品或消费者辅助。
基于上述内容扩展，清楚地需要需氧细菌在过滤器***内培育并生长。证明细菌将在过滤器组装件内的任何多孔表面上，例如在罐式过滤器内的介质上生长，所述罐式过滤器将泵送稳定的水流以供细菌生存。也就是说，当需氧细菌要求氧气繁殖并生长时，水必须被氧处理。具有合适通风的水和在有益细菌之上良好水流的水族箱将提供充足的氧气维持有益的需氧细菌。当然，必须存在细菌的食物源(氨)。具有鱼或植物的任何罐将提供充足的食物。过滤***然后在有益细菌之上循环携带氨的水以供细菌饮食。
一旦建立，则罐式过滤器组装件内部的细菌显然是无价的且对于成功的水族箱来说是关键的。然而，正如所述的，需要除去且规则地更换一部分化学和机械介质也是必须的。然而，当更换机械和化学介质时，重要的是以没有完全干扰生物过滤介质的方式进行，所述干扰可导致灾难性结果。
另外，重要的是这种过滤器有效且优选提供弯曲的流动路径以及充足的停留时间以供介质在水上起作用。
因此，本发明的一个目的是提供过滤器和/或过滤***，它可安装到水族箱上、其附近和或其内，所述水族箱包括过滤器材料，所述过滤器材料可培育细菌和/或其他生物有机物生长和/或提供机械过滤水生环境的设备。
本发明更具体的目的因此是提供用于水族箱的过滤介质，它依靠纳米纤维的几何形状，其构造能相对高效地生物过滤，相对较短的起始罐循环，这反过来可得到更加平衡的生物过滤环境。
发明概述
用于水族箱的过滤器件包括过滤腔室以供接收水和在其内的过滤介质，其中过滤介质包括直径为0.1nm-3000nm和长度与直径的长径比为5:1到10,000:1的纤维，其中该纤维提供亚硝化单胞菌和/或硝化细菌的定居。
在另一例举的实施方案中，本发明的公开内容涉及一种过滤介质，它包括直径为0.1nm-3000nm和长度与直径的长径比为5:1到10,000:1的纤维，其中该纤维含有亚硝化单胞菌和/或硝化细菌或其前体。
在仍然进一步的实施方案中，本发明的公开内容涉及在水族箱内过滤水的方法，该方法包括提供过滤介质，其中该过滤介质包括直径为0.1nm-3000nm和长度与直径的长径比为5:1到10,000:1的纤维，其中该纤维提供亚硝化单胞菌和/或硝化细菌的定居。
附图简述
通过结合附图，参考本文描述的实施方案的下述说明，以上提及的和本发明公开内容的其他特征，以及实现它们的方式可变得更加显而易见和更好理解，其中：
图1阐述了生物过滤机理，其中细菌的菌落将氨变为亚硝酸盐，然后将亚硝酸盐变为硝酸盐。
图2阐述了在其上含细菌菌落的纳米纤维的实施方案。
图3阐述了在罐的启动过程中，当使用在其内的纳米纤维时显示的氨，亚硝酸盐和硝酸盐坯曲线的变化。
图4阐述了含空隙的颗粒。
图5阐述了片材形式的含纳米纤维10的过滤介质的实施方案。
图6阐述了含过滤介质层和与之一起使用的其他过滤介质或支持层的实施方案。
图7阐述了除了其他过滤介质以外，包括位于其内的植绒的纤维的滤筒的实施方案。
发明详述
正如以上提到的，在水族箱内，例如在过滤介质内部存在的细菌可将氨，鱼或其他物种的副产物转化成亚硝酸盐，然后将亚硝酸盐转化成硝酸盐。对于大多数水族箱鱼类来说，1-3ppm的低浓度的氨是相对有毒的。对于大多数水族箱鱼类来说，亚硝酸盐可能相对毒性较小，直到达到30-40ppm的浓度，和硝酸盐对于水族箱鱼类来说可以是安全的，直到达到300-400ppm的浓度。然后硝酸盐可被水族箱的植物吸收并用作植物的组成部分。因此，存在较大量的细菌可导致增加的生物/化学过滤。本发明的公开内容一般地涉及水族箱过滤器，和更特别地涉及支持增加的细菌生长的含纳米纤维的过滤介质。该过滤介质可不仅提供较小尺寸的粒状物的机械过滤，而且还增加生物和/或化学过滤。
更具体地，如图1所示，本文中在含纳米纤维10的过滤介质上被促进的细菌生长可包括例如亚硝化单胞菌，它典型地提供氨(NH3)转化成亚硝酸盐(NO2)。另外，在其内被促进的细菌生长可包括硝化细菌，它将亚硝酸盐(NO2)转化成硝酸盐(NO3)。此外，正如以下充分地解释的，在给定水族箱罐的起始循环过程中相对比较快速地发生这种细菌的形成与定居，同时仍然提供相对高效率的颗粒和/或化学过滤。提到定局(colonization)，可理解为其中在纳米纤维基底上或其内形成细菌的区域的情况。
过滤介质可包括纳米纤维，基本上由其组成，或由其组成，所述纳米纤维可显示出范围为0.1nm-3,000nm的直径(或最大的线性截面)和小于或等于1μm的平均直径(或最大的线性截面)，其中包括0.1nm-1,000nm的所有数值和范围，例如100-900nm,300-800nm，等。在一些实施方案中，最多80wt%的纤维可落在200nm至800nm的范围内。此外，含纳米纤维的过滤介质可显示出大于2m2/g至最多50m2/g的相对高的表面积，其中包括在其内的所有数值与范围，例如2m2/g-10m2/g等。相对高的表面积可提供较大的表面积以供额外的细菌生长和/或与相对较大体积的水接触。在进一步的实施方案中，可织构化纳米纤维的表面，进一步增加表面积，从而便于进一步的细菌生长。
纳米纤维也可显示出大于或等于5:1和最多例如10,000:1的长度与直径之比，即长径比，其中包括在其内的所有数值和范围，例如，100:1,500:1,1,000:1等。纳米纤维可由热塑性材料形成，其中包括聚烯烃，例如聚乙烯或聚丙烯酸；或聚酯，例如聚对苯二甲酸乙二酯或聚对苯二甲酸丁二酯；以及其他材料，例如尼龙，丙烯酸类，纤维素等。可以以一捆(bale)，织造或非织造织物，或植绒形式提供纤维。在一些实施方案中，织物或植绒可以是蓬松的。该过滤介质也可显示出范围为0.1-16微米的平均孔径，其中包括在其内的所有数值和范围，例如0.1-2微米等。此外，该过滤介质可显示出30g/m2-70g/m2的基重，其中包括在其内的所有数值和范围，例如50g/m2。
本文的纳米纤维10(其实施方案如图2所述)使得它们可相对更加快速地提供在其表面上有益细菌的生长12，同时维持相对高水平的粒状物过滤。例如，图3阐述了相对启动时间vs毒素水平的图表。可理解使用本文的纳米纤维可便于在罐的启动时相对更加快速地定居并形成生物过滤要求，使氨，亚硝酸盐和硝酸盐的坯曲线向左移。这一预期的效果的至少一个理由是纳米纤维在提供相对高表面积以供硝化细菌的同时，仍然可提供高的流通量和与氨的起始交换。也就是说，相对高长径比的纤维可提供更加有效的交换并除去氨，当较高比例的细菌暴露于在过滤器组装件内流动的水下时。因此，与现有技术中使用的多孔粒状物相比，纳米纤维的结构和几何形状可提供预料不到地更加有效的生物过滤。例如，与图4所示的可包括许多间隙区域16(或坑)的粒状物14不同；本文的纳米纤维可便于在纤维外表面上发生至少50wt%或更多的细菌生长，其中包括从50%至99wt%的所有数值和范围。因此，细菌生长不需要依靠通常是圆的颗粒，但在一些实施方案中，这些颗粒可存在。
可将过滤介质预形成为各种几何形状，例如球或圆柱形植绒，同时维持相对高的流动速率。在另一实施方案中，图5阐述了也可将过滤介质16形成为给定尺寸和/或各种几何形状的片材18(或垫)。在一些实施方案中，片材可皱褶，从而进一步增加过滤介质的表面积。因此，可理解，可提供过滤介质作为庞大的介质或作为筒状插件。在皱褶结构的情况下，取决于给定过滤器***的需求，可使用多片皱褶的结构。当以庞大的介质形式提供时，可从该庞大的介质中除去给定量的介质，并置于过滤器组装件内。当以筒状形式提供时，筒体可置于过滤器组装件内部。
在一些实施方案中，可将纳米纤维形成为非织造织物。可通过静电纺丝，熔喷，或可生产平均直径为最多1,000nm且大于0.1nm的纤维的其他方法，生产纳米纤维。可直接或者通过诸如梳理，扯松，气流成网等，将纤维形成为网状物。在一些实施方案中，可或者通过热粘附，机械缠结，化学粘合或溶剂或其组合，例如热点粘结，在有或无压花辊的情况下压延，水力缠结(hydroentangling)，热气刀，超声粘结，从而粘结纤维。粘结可稳定非织造织物。过滤介质纳米纤维的一个实例可包括获自MILLIKEN of Spartanburg,South Carolina的EMINUS，它可以以非织造织物或植绒形式提供。
可单独使用纳米纤维过滤介质16或者与一层或更多层其他过滤介质20或支持材料22一起使用，如图6所示。例如，可提供其他非织造或织造织物，或泡沫体的支持层20以供与纳米纤维过滤介质结合使用。另外，如图7所示，过滤介质16可位于滤筒框架26内部且与在过滤或处理水族箱水中有用的其他介质28结合使用，所述其他介质28包括，但不限于，陶瓷材料(无机非金属硅)，例如陶瓷环，生物球，白云石，粉碎的珊瑚，粉碎的蛤壳和类似的生物介质，它们可加强氨和亚硝酸盐的减少。可与本文的纳米纤维介质结合使用的其他过滤介质包括活性炭，沸石和类似的吸附剂以供吸附气味和杂质；和泡沫体，玻璃纤维和类似的多孔结构以供除去脏物和废墟。此外，可用可独立地改进细菌生长的各种添加剂处理过滤介质。
因此，本文还列出了提供过滤介质的方法，所述过滤介质显示出增加的表面积以供细菌生长。该方法可包括提供含纳米纤维的过滤介质，所述纳米纤维显示出范围为0.1nm-1,000nm的平均直径。此外，过滤介质中的纳米纤维可显示出大于2m2/g的相对高的表面积。相对高的表面积可导致细菌的生长增加，这将辅助转化氨成亚硝酸盐，亚硝酸盐成硝酸盐及其组合。
另外，在用过滤介质处理水族箱的水的过程中，水族箱的水可以流过过滤介质和/或流经过滤介质，以便给定体积的水可接触过滤介质和在其上定居的细菌。因此，本文还列出了用含纳米纤维的过滤介质过滤水的方法，其中相对高表面积，即大于2m2/g的过滤介质可提供增加的细菌定居，暴露于高体积的水下和较高的过滤效率。再者，增加量的细菌可预料不到地提供增加的效率转化氨成亚硝酸盐，然后将亚硝酸盐转化成硝酸盐。
适合于本文过滤用的水族箱可以具有任何通用尺寸或结构。然而，更典型地，优选在10-1000加仑的水族箱上实现利用本文的纳米纤维的优势的水族箱。本文的过滤介质因此可成为在这一水族箱内使用的过滤***的一部分，所述过滤装置可典型地依赖于含有可移除的过滤器元件的过滤腔室，且可以是罐式过滤器形式，能沉入水中的过滤器组装件，和/或外部过滤器组装件等。
本文还考虑可提供用生物过滤所需的细菌预负载形式的本文的纳米纤维过滤***。也就是说，纳米纤维过滤***可包括亚硝化单胞菌和硝化细菌，以便当暴露于氨源下时，利用在纳米纤维表面上已经存在的所述细菌的菌落，立即开始氮循环。在亚硝化单胞菌的情况下，它可包括，但不限于，n.aestuarii,n.communis,欧洲亚硝化单胞菌(n.europaea),n.halphila,n.marina,n.nitrosa,n.oligotropha和n.ureae。在硝化细菌的情况下，它可包括，但不限于，n.alkalicus,n.hamburgensis,n.vulgaris,n.winogradskyi。因此，预负载的细菌水平可优选为0.1-10.0wt%的水平，其中细菌可具体地为相对休眠或者前体状态，从而一旦暴露于水流下，则变得具有活性。关于这一点，实现所需控制和调节氮循环的给定罐的启动循环相对快速地实现，且给定的水族箱可以以相对更加快速的水平(即，在相对较短的时间段内)储存鱼类。
为了阐述的目的，列出了数个方法和实施方案的前述说明。不打算作为穷举或者限制权利要求到所公开的精确步骤和/或形式上，和鉴于上述教导，许多改性和变化显而易见是可能的。打算通过所附权利要求定义本发明的范围。
Claims (21)
1.一种用于水族箱的过滤器件，它包括：
接收水的过滤腔室和在其内的过滤介质，其中所述过滤介质包括直径为0.1nm-3000nm和长度与直径的长径比为5:1至10,000:1的纤维，其中所述纤维提供亚硝化单胞菌和/或硝化细菌的定居。
2.权利要求1的过滤器件，其中所述纤维的直径为0.1nm-1000nm。
3.权利要求1的过滤器件，其中在所述过滤腔室内，80wt%的所述纤维的直径为200nm-800nm。
4.权利要求1的过滤器件，其中所述纳米纤维的表面积为2.0m2/g-10.0m2/g。
5.权利要求1的过滤器件，其中所述纳米纤维为非织造织物形式。
6.权利要求1的过滤器件，其中所述纳米纤维具有表面，且所述亚硝化单胞菌和/或所述硝化细菌的所述定居出现在所述纳米纤维的所述表面上。
7.权利要求6的过滤器件，其中大于或等于50.0wt%的所述亚硝化单胞菌和/或所述硝化细菌出现在所述纳米纤维的所述表面上。
8.权利要求1的过滤器件，其中所述纳米纤维粘结在一起。
9.权利要求1的过滤器件，还包括至少一种下述物质：陶瓷材料，粉碎的珊瑚或粉碎的蛤壳。
10.权利要求1的过滤器件，进一步包括至少一种下述物质：活性炭，沸石，泡沫体或玻璃纤维。
11.过滤介质，它包括：
直径为0.1nm-3000nm和长度与直径的长径比为5:1至10,000:1的纤维，其中所述纤维含有亚硝化单胞菌和/或硝化细菌或其前体。
12.权利要求1的过滤介质，其中所述纤维的直径为0.1nm-1000nm。
13.权利要求1的过滤介质，其中80wt%的所述纤维的直径为200nm-800nm。
14.权利要求1的过滤介质，其中所述纳米纤维的表面积为2.0m2/g-10.0m2/g。
15.权利要求1的过滤介质，其中所述纳米纤维为非织造织物形式。
16.权利要求1的过滤介质，其中所述纳米纤维具有表面，且所述亚硝化单胞菌和/或所述硝化细菌出现在所述纳米纤维的所述表面上。
17.权利要求16的过滤介质，其中大于或等于50.0wt%的所述亚硝化单胞菌和/或所述硝化细菌出现在所述纳米纤维的所述表面上。
18.权利要求1的过滤介质，其中所述纳米纤维粘结在一起。
19.权利要求1的过滤介质，还包括至少一种下述物质：陶瓷材料，粉碎的珊瑚或粉碎的蛤壳。
20.权利要求1的过滤介质，还包括至少一种下述物质：活性炭、沸石、泡沫体或玻璃纤维。
21.在水族箱内过滤水的方法，该方法包括：
提供过滤介质，其中所述过滤介质包括直径为0.1nm-3000nm和长度与直径的长径比为5:1到10,000:1的纤维，其中所述纤维提供亚硝化单胞菌和/或硝化细菌的定居。
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