CN1761512A - 陶瓷过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明的陶瓷过滤器由形成有多个从一个端面(4a)一直贯穿到另一个端面(4b)的被净化流体的主流路(3)的多孔质体，和配置在主流路(3)内壁面的过滤膜(5)所构成，通过使主流路(5)的从第一开口部(11)流入的被净化流体流过多孔质体(2)的内部来进行净化，并从多孔质体(2)的外周面(6)取出净化流体，其特征在于，主流路(3)的在与所述被净化流体的流路方向垂直的截面的流路径大小从在第一开口部(11)的开口径(a1、a2、a3)逐渐减小到在第二开口部(12)的开口径(b1、b2、b3)，通过反洗可容易地去除堆积在过滤器上的堆积物。

Description

陶瓷过滤器
技术领域
本发明涉及液体、气体等流体过滤所用的陶瓷过滤器，更详细地说，涉及通过反洗可容易地去除堆积在过滤器上的堆积物的陶瓷过滤器。
背景技术
陶瓷过滤器是利用了陶瓷多孔体的过滤器。由于物理的强度、耐久性、耐腐蚀性等优良，从而在例如水处理和排气处理、或医药、食品领域等广泛的领域用于去除液体和气体中的悬浊物质、细菌、灰尘等。
对陶瓷过滤器来说，有时把陶瓷多孔体不变地用作过滤器材，但为了提高过滤性能、流体透过量(即处理能力)两者，一般在陶瓷组成的多孔质体(基材)的表面形成同样由陶瓷组成的过滤膜。例如，使过滤膜的平均细孔直径小至0.01～1.0μm左右来确保过滤性能，另一方面，使过滤膜的平均细孔直径大至1～几百μm左右来降低基材内部的流动阻抗、提高流体透过量(即处理能力)。
此外，陶瓷过滤器根据过滤目的而把基材加工成各种形状，广泛使用的有使基材具有单一流路的管状、或者具有平行的多数流路的蜂窝状(包括单块状)。在管状或蜂窝状基材的表面、例如在流路的内壁面形成有过滤膜的过滤器收放在支架内，通过做成用O圈等密封地隔离基材外周面侧和流路敞开的基材端面侧的结构，而用作交叉流动型或单通型过滤器。
这种陶瓷过滤器需要定期地实行向与通常使用时相反的方向施加压力，把在流路内层状地堆积的被过滤物(堆积物)从流路(单元)的内壁剥离，同时，从流路的端部排出、去除的反洗。然而，在流路的端部，被过滤物易于引起堵塞，会有反洗不充分的问题。
作为解决这种问题、使通过反洗来排出、去除堆积物变得容易的相关技术，公布了使流路的至少一个端部的开口径比流路的端部以外的内径更大的陶瓷过滤器(例如，参照特开2002-210314号公报)。
采用在特开2002-210314号公报中所公布的陶瓷过滤器的话，可容易地解除在单元的端部产生的堆积物导致的堵塞。但是，在专利文献1中所公布的陶瓷过滤器即使实施反洗也难以从单元内壁剥离堆积物，有时会残存堆积物完全没有被排出的单元(不可反洗单元)。为了防止这种不可反洗单元的存在，理论上来说，对陶瓷过滤器施加强劲的反洗压力即可，但由于对可以这样做的反洗压力供给设备也有制约而存在着不实用的问题。
发明内容
本发明是鉴于这种原有技术的问题点而提出的，其目的在于提供一种通过反洗可容易地除去堆积在过滤器上的堆积物的陶瓷过滤器。
即，采用本发明的话，提供一种陶瓷过滤器，其由具有两个端面和外周面并形成有多个从一个所述端面一直贯穿到另一个所述端面的被净化流体的主流路的多孔质体、和配置在所述主流路内壁面的过滤膜所构成，通过使从所述主流路的一个端面侧的开口部(第一开口部)流入的所述被净化流体流过所述多孔质体的内部来进行净化，并从所述多孔质体的外周面取出净化流体，所述主流路的在与所述被净化流体的流路方向垂直的截面的流路径的大小从在所述第一开口部的开口径逐渐减少到在所述另一个端面侧的开口部(第二开口部)的开口径。
在本发明中，主流路的在第一开口部的开口径的平均值(A)和在第二开口部的开口径的平均值(B)较好是满足(A-B)/B≥0.025的关系。
在本发明中，较好是在包括多孔质体外周面的部分形成有狭缝状的辅助流路，以便使主流路之中的所定的主流路(特定主流路)与外部空间连通，同时，特定主流路其两端面的开口部被密封，使主流路的从一个端面侧的开口部流入的被净化流体通过透过多孔质体内部而净化，并从多孔质体的外周面以及辅助流路的出口取出净化流体。
附图说明
图1(a)、图1(b)是表示本发明的陶瓷过滤器的一个实施方式的图，图1(a)是立体图，图1(b)是局部放大立体图。
图2是表示本发明的陶瓷过滤器的其它实施方式的立体图。
图3是示意制膜方法的一个例子的图。
图4是收放在支架内的陶瓷过滤器的示意剖面图。
图5表示实施例1的陶瓷过滤器的反洗结果，是对[{(A-B)/B}×100]的值绘制主流路数的曲线图。
图6表示实施例2的陶瓷过滤器的反洗结果，是对[{(A-B)/B}×100]的值绘制主流路数的曲线图。
图7表示实施例3的陶瓷过滤器的反洗结果，是对[{(A-B)/B}×100]的值绘制主流路数的曲线图。
图8表示实施例4的陶瓷过滤器的反洗结果，是对[{(A-B)/B}×100]的值绘制主流路数的曲线图。
图9表示实施例5的陶瓷过滤器的反洗结果，是对[{(A-B)/B}×100]的值绘制主流路数的曲线图。
图10表示比较例1的陶瓷过滤器的反洗结果，是对[{(A-B)/B}×100]的值绘制主流路数的曲线图。
具体实施方式
以下，对用于实施本发明的最佳方式进行说明，但本发明并不限定于以下的实施方式，只要不脱离本发明的宗旨，基于本行业人员的基本常识，可进行适当的设计上的变更、改良等。
本发明是由具有两个端面和外周面并形成有多个从一个端面一直贯穿到另一个端面的被净化流体的主流路的多孔质体，和配置在主流路内壁面的过滤膜所构成的、使从主流路的第一开口部流入的被净化流体通过流过多孔质体的内部来进行净化、从多孔质体的外周面取出净化流体的陶瓷过滤器，主流路的在与被净化流体的流路方向垂直的截面的流路径的大小从在第一开口部的开口径逐渐减少到在第二开口部的开口径而成。
图1(a)、图1(b)是表示本发明的陶瓷过滤器的一个实施方式的图，图1(a)是立体图、图1(b)是局部放大剖面图。本实施方式的陶瓷过滤器1是由形成有多个从一个端面4a一直贯穿到另一个端面4b的主流路3的多孔质体2和配置在主流路3的内壁面的过滤膜5构成。在用该陶瓷过滤器1来对液体、气体等流体进行过滤而净化的场合，使要净化的流体(被净化流体)通过从主流路3的一个端面4a侧的开口部(第一开口部11)流入，透过多孔质体2的内部来净化，然后从多孔质体2的外周部6取出净化流体。
反复进行被净化流体的过滤的话，由于过滤膜5表面上作为被过滤物的堆积物层状地堆积，从而需要定期地实施向与通常使用时相反方向施加反洗压力来排出、去除主流路3内的堆积物的反洗。在此，本实施方式的陶瓷过滤器1在与被净化流体的流路方向、即从一个端面4a向另一个端面4b的方向垂直的截面的流路径的大小从在第一开口部11的开口径逐渐减小到在第二开口部12的开口径。因此，即使在使用一般的压力供给设备来实施对陶瓷过滤器1施加通常的反洗压力的反洗的场合，也能够很容易地从第一开口部11(一个端面4a)排出堆积物，能够大幅地降低残存堆积物不被排出而堵塞使得过滤功能欠缺的不可反洗主流路(堵塞主流路)的可能性。还有，本发明中所谓的[主流路的在垂直于在被净化流体的流路方向的截面的流路径的大小]是指，在截面为圆形时是指直径、为椭圆、长圆时是指长轴的长度，为多边形时是指最长的对角线的长度、为其它不定形状时是指取截面形状的外周上的2个点时最长的两个点之间的距离。
此外，如图1(b)所示，对本实施方式的陶瓷过滤器来说，较好是主流路3的在第一开口部11的开口径(a1、a2、a3)的平均值(A)和在第二开口部12的开口径(b1、b2、b3)的平均值(B)满足(A-B)/B≥0.025的关系，更好是满足(A-B)/B≥0.027的关系，特别好的是满足(A-B)/B≥0.028的关系。[(A-B)/B]的值不到0.025的话，即使反洗也由于堵塞主流路残存的比例上升而不好。还有，本发明中，[(A-B)/B]的上限值并没有特别限定，但是，从实际的制造和使用可能性的观点来说，在1.5以下的话即可。
图2是表示本发明的陶瓷过滤器的其它实施方式的立体图。如图2所示，对本实施方式的陶瓷过滤器21来说，较好是在包括多孔质体22外周面26的部分形成有狭缝状的辅助流路25，以便使特定主流路与外部空间连通，同时，特定主流路其两端面的开口部被密封，使主流路23的从一个端面24a侧的开口部流入的被净化流体通过透过多孔质体22内部而净化，并从多孔质体22的外周面26以及辅助流路的出口28取出净化流体。形成有这种所定的辅助流路25而成的本实施方式的陶瓷过滤器21从多孔质体22的中心部附近的主流路23回收净化流体变得容易，可以使陶瓷过滤器21的过滤处理能力大幅提高到10倍以上，从此观点来看，这种陶瓷过滤器比较好。此外，在能够大幅改善陶瓷过滤器21内的流量分布、反洗时的反洗压力分布这点上也比较好。
其次，对本发明的陶瓷过滤器的制造方法进行说明。本发明的陶瓷过滤器可以基于以前所知道的陶瓷过滤器的制造方法来制造。首先，添加骨材、烧结助剂之外、还有分散媒、有机粘结剂、根据需要添加界面活性剂、可塑剂等，对混炼而成的胚土进行挤出成型得到成形体。骨材是多孔质体的主要构成要素，由平均颗粒度5～200μm左右的陶瓷粒子组成。通过对包含骨材的胚土进行成形、烧结，形成具有与骨材的颗粒直径相应的细孔的多孔质体。骨材的材质根据过滤目的而适当选择，能够使用氧化铝、莫来石、堇青石、碳化硅、陶瓷器屑等。
此外，烧结助剂是用于强化骨材之间的结合的添加材料，由平均颗粒度不到5μm的陶瓷粒子组成。通过添加骨材和胚土，骨材间的结合被强化，形成坚固的多孔质体。烧结助剂的材质并不特别限定，能够使用例如氧化铝、硅石、氧化锆、氧化钛、玻璃料、长石、堇青石等。通常，为了确保骨材之间的结合强度、防止多孔质体的细孔堵塞，对骨材以及烧结助剂的整体重量添加10～35重量％左右即可。
对挤出成型得到的成形体进行干燥，把它在与流路方向垂直地切断成所定长度后烧结能够得到多孔质体。还有，所得到的多孔质体的平均细孔径为1～30μm左右。其次，本发明所谓的过滤膜是指平均细孔径小于多孔质体的平均细孔径、薄膜状的陶瓷多孔体，也可根据场合的不同做成形成二层以上的多层结构。一般地说，所谓过滤膜是指用于确保陶瓷的过滤功能的部件，对本发明所谓的过滤膜来说包括在做成多层结构时的中间层(最上层以外的层)。
过滤膜与构成多孔质体的骨材相比平均颗粒径小，使用包含平均颗粒度0.1～5μm左右的陶瓷粒子的料浆在多孔质体的主流路内壁面成膜后，可通过烧结形成。具体地说，把陶瓷粒子分散在水等分散媒质中，根据需要通过添加烧结助剂、有机粘结剂、pH调整剂等来调制过滤膜用料浆(制膜用料浆)并用它在主流路内壁面成膜后，干燥、烧结来形成过滤膜。过滤膜的平均细孔径为0.1～5μm左右。
本发明的陶瓷过滤器的特征在于具有主流路的在与被净化流体的流路方向垂直的截面的流路径大小从第一开口部中的开口径逐渐减少到另一个端面侧的开口部(第二开口部)中的开口径的结构，即所谓的锥形结构。为了做成这种锥形结构，多孔质体本身的形状通过挤出成型做成锥形结构也可以，但是，通过使主流路的内壁面上形成的过滤膜的膜厚从第二开口部朝向第一开口部逐渐变薄来形成调整开口径而做锥形结构，从制造容易的观点来说是比较好的。以下对过滤膜的形成方法进行说明。
作为使过滤膜的膜厚从第二开口部朝向第一开口部逐渐变薄的形成方法，可以举出使用例如图3所示那种制膜装置37的方法。具体地说，准备所述制膜用料浆33，使制膜用料浆33从多孔质体32另一个端面4b向一个端面4a的方向流过的大致同时，利用真空泵P使外周面36侧处于减压状态的话，制膜用料浆33所包含的固态形状部分在主流路的内壁面层状堆积而形成制膜层。在此，在使制膜用料浆33流过时，该环流通量减小、外周面侧的减压度增大的话，在两个开口部的制膜层的膜厚差变大。因此，通过控制制膜用料浆33的环流通量和减压度，能够使过滤膜的膜厚从第二开口部朝向第一开口部逐渐变薄。
通过与制膜用料浆33的流过大致同时处于减压状态，所形成的制膜层的膜厚从制膜用料浆33流入的另一个端面4b朝向一个端面4a逐渐变薄而形成。与整个所形成的薄膜层的所希望的薄膜厚度相应的量的过滤水34从多孔质体32的外周表面36被排出。还有，使从多孔质体32的一个端面4a流出的制膜用料浆33循环的话即可。然后，在制膜层的形状被保持的状态下，过滤水34的排出结束后，使过滤水侧处于减压状态来对多孔质体32进行真空脱水。其次，通过干燥以及烧结能够形成过滤膜，能够制造本发明的陶瓷过滤器。
并且，本发明的陶瓷过滤器根据不同情况也可以在所定的地方具备密封部件。本发明所谓的密封部件是用于防止被净化流体从多孔质体的端面具体地说从图1(b)中的一个端面4a侵入多孔质体2内部的部件。较好是形成密封部件来覆盖多孔质体2的一个端面4a以及一个端面4a附近的过滤膜5。
密封部件在所定场所涂抹例如硼硅酸玻璃、硅酸玻璃、长石玻璃等玻璃状物质(玻璃料)等组成的透明色料后，能够通过烧结来形成。但是，只要是具有与过滤膜同等或其以下的细孔径，则并不限定于涂透明色料，根据场合也可以形成过滤膜代替密封部件，防止被净化流体从多孔质体的端面侵入多孔质体内部。
此外，对制造图2所示那种形成有所定的辅助流路25的陶瓷过滤器21的方法进行说明。狭缝状的辅助流路25在多孔质体22的烧结前或烧结后，利用金刚石锯片等刃具切断辅助流路25以使该形成的特定主流路的列与外部空间连通来形成的话即可。在此，对于与辅助流路25连通的特定主流路来说，为了防止被净化流体混入净化流体而利用堵塞部件等密封多孔质体22的两个端面的开口部来形成密封部27。即，不必在特定主流路的内壁面形成过滤膜。
其次，对在把水(被净化水)用作被净化流体时本发明的陶瓷过滤器的使用方法进行大致说明。如图4所示，本实施方式的陶瓷过滤器41在多孔质42的主流路的内壁面形成有所定的过滤膜45，密封部件43覆盖多孔质体2的一个端面4a及其附近的过滤膜45，在该密封部件43的局部，通过O圈46收放在支架44内。在用该陶瓷过滤器41净化被过滤水时，使被净化水从主流路的一个端面42a侧的第一开口部流入，通过透过过滤膜45和多孔质体42的内部来净化，并从多孔质体42的外周面6取出净化水。
伴随着过滤的反复，由于堆积物在过滤膜45的表面上层状地堆积，所以定期地在与通常使用时相反的方向施加反洗压力来反洗。在反洗时，首先，通过从多孔质体42的外周面6侧施加第一次反洗压力而使堆积物从过滤膜45剥离后，接下来从另一个开口部(第二开口部)侧施加第二次反洗压力，就能够从第一开口部排出堆积物并除去。
以下用实施例对本发明进行更具体的说明，但本发明并不限定于这些实施例。
(实施例1～5)
作为骨材，使用颗粒直径为5～300μm的筛选过的氧化铝，在其中添加颗粒直径0.5～50μm的长石作为烧结助剂、水作为分散媒质、甲基纤维素作为有机粘结剂，通过对混炼所得到的胚土进行挤出成型得到具有多个主流路的蜂窝状的成型体。对该成型体干燥后，与流路方向垂直切断成所定的长度，通过对其烧结而得到内径180mm、流路内径2.2mm、长1000mm、主流路数约2000个的蜂窝状的多孔质体。利用水银压入法测定的多孔质体的平均细孔径为10μm。
其次，使用颗粒直径为0.5～10μm的筛选过的氧化铝，在其中添加水作为分散媒质、玻璃料作为烧结助剂、多糖类水溶性橡胶作为有机粘结剂做成制膜用料浆(中间膜制膜用料浆)，对其进行调制，使用图3所示那种制膜装置37在多孔质体32的主流路内壁面制膜后，干燥、烧结而形成中间膜。还有，在使制膜用料浆33(中间膜制膜用料浆)流过多孔质体32的主流路内时，与流过的同时利用真空泵P使外周面36侧成为减压状态。此时的环流通量以及外周面的减压度表示在表1。
其次，使用颗粒直径为0.1～1.0μm的筛选过的二氧化钛，在其中添加水作为分散媒质、多糖类水溶性橡胶以及聚乙烯醇作为有机粘结剂做成过滤膜制膜用料浆，对其进行调制，使用图3所示那种制膜装置37在多孔质体32的主流路内壁面预先成膜了的中间膜表面制膜后，干燥、烧结而形成过滤膜。制造了陶瓷过滤器(实施例1～5)。还有，在使制膜用料浆33(过滤膜制膜用料浆)流过多孔质体32的主流路内时，与流过的同时利用真空泵P使外周面36侧成为减压状态。此时的环流通量以及外周面的减压度表示在表1。此外，利用水银压入法测定的过滤膜(包括中间膜)的平均细孔径为0.1μm。
比较例1
使中间膜制膜用料浆以及过滤膜制膜用料浆从一个端面4a向另一个端面4b的方向流过(参照图3)，并且环流通量以及外周面的减压度为表1所示的值以外，利用与所述的实施例1～5同样的方法制造了陶瓷过滤器(比较例1)。
(表1)
 实施例1   实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  实施例6
  中间膜   环流通量(m/min)   1   1  1  2  2  2
  减压度(kPa)   -100   -100  -100  -50  -50  -50
  过滤膜   环流通量(m/min)   1   1  1  2  2  2
  减压度(kPa)   -100   -100  -100  -50  -50  -50
此外，对于各陶瓷过滤器的在第二开口部的过滤膜的膜厚(X)(参照图1(b))、在第一开口部的过滤膜的膜厚(Y)(参照图1(b))、平均膜厚、X-Y、在第一开口部中的开口径的平均值(A)、在第二开口部的开口径的平均值(B)、(A-B)/B表示在表2。
(实际运转)
使用把制造的实施例1～5、比较例1的陶瓷过滤器收放在支架内构成的净水装置进行实际运转。具体地说，从中部地区河流的入水取水口引入水，利用通常办法凝集处理后，使用实施例1～5、比较例1的陶瓷过滤器来进行过滤。此时的过滤通量为2m/日，反洗为每4个小时实施一次。反洗是以以下条件来实施的，(1)从外周面向过滤膜方向以500kPa的压力流过1.51/m2的水从过滤膜剥下堆积在流过路内的过滤物后；(2)从第二开口部向第一开口部的方向以150kPa的流压流过0.51/m2的水。此时，一次反洗所排出的堆积物的干燥重量为25.2～152.1g。还有，所述数值中起伏的存在是因为处理水中所包含的污泥量有起伏。连续运转一个月后，目视观察陶瓷过滤器的主流路的堵塞状况。
以所述(1)、(2)的反洗条件排出、去除了堆积物的主流路为[未堵塞主流路]、以所述(1)、(2)的反洗条件也没有排出、去除堆积物的主流路为[堵塞主流路]，测量每个陶瓷过滤器的主流路数。表2表示堵塞主流路数以及堵塞主流路数比例(堵塞主流路数相对于主流路数的比例)。此外，表示各陶瓷过滤器的反洗结果的主流路数相对于[{(A-B)/B}×100]的值的曲线图表示在图5～图10。
表2
  X(μm)   Y(μm)   平均膜厚(μm)   X-Y(μm)   A(μm)   B(μm)   (A-B)/B   主流路数   堵塞主流路数   堵塞主流路数比例(％)
 实施例1   130   96   113   35   2489   2419   0.029   2000   0   0
 实施例2   131   97   114   34   2486   2413   0.028   2000   0   0
 实施例3   134   96   115   37   2487   2413   0.031   2000   0   0
 实施例4   116   114   115   2   2452   2448   0.002   2000   79   4.0
 实施例5   112   110   111   2   2460   2456   0.002   2000   95   4.8
 比较例1   110   111   110   -1   2459   2461   -0.001   2000   107   5.4
从表2以及图5～图10所示的结果可知，第一开口部中的开口径的平均值(A)比第二开口部中的开口径的平均值(B)大的陶瓷过滤器，即主流路的在与被净化水的流路方向垂直的截面中的流路径的大小从第一开口部中的开口径逐渐减小到第二开口部中的开口径而成的实施例1～5的陶瓷过滤器与反过来A的值比B的值更小的比较例1的陶瓷过滤器相比，在实施反洗后的堵塞主流路数的值以及堵塞主流路比例减小，更加容易除去堆积物。因此，能够确认本发明的陶瓷过滤器的优越性。并且，实施例1～3的陶瓷过滤器通过反洗去除了所有的主流路的堆积物。因此，在A的值和B的值满足(A-B)/B≥0.025的关系时更加容易利用反洗去除堆积物。
如上所述，本发明的陶瓷过滤器由于主流路的在垂直于被净化流体的流路方向的截面中的流路径的大小从第一开口部中的开口径逐渐减小到第二开口部中的开口径，因而可通过反洗容易地去除在过滤器上堆积的堆积物。因此，适合于在例如水处理和排气处理、或医药·食品领域等广泛的领域用于除去液体和气体中的悬浊物质、细菌、灰尘等。

Claims (3)

1.一种陶瓷过滤器，由具有两个端面和外周面并形成有多个从一个所述端面一直贯穿到另一个所述端面的被净化流体的主流路的多孔质体，和配置在所述主流路内壁面的过滤膜所构成，通过使从所述一个端面侧的开口部(第一开口部)流入所述主流路的所述被净化流体透过所述多孔质体的内部来进行净化，并作为净化流体从所述多孔质体的外周面被取出，其特征在于：
所述主流路的在与所述被净化流体的流路方向垂直的截面的流路径大小从在所述第一开口部的开口径逐渐减小到在所述另一个端面侧的开口部(第二开口部)的开口径。
2.根据权利要求1所述的陶瓷过滤器，其特征在于：所述主流路的在第一开口部的开口径的平均值(A)和在第二开口部的开口径的平均值(B)满足(A-B)/B≥0.025的关系。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷过滤器，其特征在于：在包括所述多孔质体的所述外周面的部分形成有狭缝状的辅助流路，以便使所述主流路之中的所定主流路(特定主流路)与外部空间连通，同时，所述特定主流路其两个端面的开口部被密封，通过使从所述一个端面侧的开口部流入所述主流路的所述被净化流体透过所述多孔质体内部来进行净化，并作为净化流体从所述多孔质体的所述外周面以及所述辅助流路的出口被取出。
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