TWI412396B - 過濾方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於過濾結構及過濾方法。
過濾技術已是一種普及化的固液分離技術，其係利用濾材的微孔洞來攔截大顆粒固體，微小顆粒的固體或液體則可穿透孔洞，以此達成固液分離的目的。然而，過濾技術常遇到的瓶頸在於濾液中的分離固體容易堵塞濾材的微孔洞，使得濾材的壽命短，或是需要使用額外的逆洗再生設施及製程，清洗被堵塞的微孔洞，過濾成本因此增加而不符合經濟效益。此外，為了加速過濾，通常需要使用高速轉動的幫浦進行加壓或抽真空來加速過濾，然而幫浦的運作會耗費許多能量及花費。
本發明提供一種過濾結構，具有極佳的通透效果，並能防止濾渣堵塞濾孔的問題，包括：一第一多孔層，具有多數個第一孔洞；以及一第二多孔層，位在該第一多孔層上方，且具有多數個第二孔洞，其中該些第二孔洞的尺寸小於該些第一孔洞的尺寸。該過濾結構可藉由壓擠等簡易省能的方式排出水分。
本發明也提供一種過濾方法，包括：提供上述過濾結構；以及將混合液往該過濾結構的第二多孔層的上表面流
下，以攔截該混合液中尺寸大於該第二孔洞的濾渣，而該混合液中的液體則穿過該第二孔洞繼續往下流動。
本發明之實施例提供一種用於固液分離的過濾結構，且具有極佳的通透效果，並能防止濾渣堵塞濾孔的問題。此外，本發明的過濾結構可藉由壓擠等簡易省能的方式排出水分。有關各實施例之製造方式和使用方式係如下所詳述，並伴隨圖示加以說明。其中，圖式和說明書中使用之相同的元件編號係表示相同或類似之元件。而在圖式中，為清楚和方便說明起見，有關實施例之形狀和厚度或有不符實際之情形。而以下所描述者係特別針對本發明之裝置的各項元件或其整合加以說明，然而，值得注意的是，上述元件並不特別限定於所顯示或描述者，而是可以熟習此技藝之人士所得知的各種形式。
第1圖至第3圖顯示本發明實施例結構的剖面圖。
請參考第1圖與第2圖，用於固液分離的過濾結構1A、1B包括多孔過濾層11與多孔吸水層12A、12B，其中多孔過濾層11中的孔洞其尺寸小於多孔吸水層12A、12B中的孔洞。要注意說明書中的提到的“吸水”層是用來描述能吸收“任何液體”的材料，並非限定於只能吸收“水分”的材料，且為求簡潔，以下不再贅述。第1圖與第2圖的結構差異在於，第1圖多孔吸水層12A的孔洞尺寸大致上係固定的，而第2圖多孔吸水層12B的孔洞則是隨著從上往
下的方向逐漸變大，其中多孔吸水層12B可由多層不同孔徑的多孔吸水材料層疊形成孔洞尺寸由上至下逐漸變大的結構。多孔過濾層11的孔徑可在欲過濾固體物尺寸以下，以活性污泥為例可使用0.5 μm以下的直徑，混凝處理過的活性污泥可使用10 μm以下的直徑，微藻採收可使用1 μm以下的直徑。多孔吸水層12A、12B的孔徑可介於多孔過濾層11的孔徑至0.457 cm之間。多孔過濾層11的材料可包括聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)、聚醚碸、三醋酸纖維素、聚丙烯纖維、聚氯乙烯，或可包括其他合適的多孔性纖維素(例如再生纖維素)或陶瓷。多孔吸水層12A、12B的材料可包括聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)、聚氨脂、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙烯、聚苯乙稀或其他合適的泡棉材料，或可包括其他合適的吸水材料，例如不織布或(人造)纖維。
第3圖顯示的過濾結構1C則具有多孔過濾層11、吸水層13及多孔支撐層14。多孔過濾層11中的孔洞其尺寸小於多孔支撐層14中的孔洞。雖然第3圖顯示的多孔支撐層14其孔洞尺寸大致上係固定的，然而其也可以隨著從上往下的方向逐漸變大(未顯示)，舉例來說，多孔支撐層14可為由多層不同孔徑的多孔吸水材料層疊形成孔洞尺寸由上至下逐漸變大的結構。多孔過濾層11的孔徑可在欲過濾固體物尺寸以下，以活性污泥為例可使用0.5 μm以下的直徑，混凝處理過的活性污泥可使用10 μm以下的直徑，微藻採收可使用1 μm以下的直徑。多孔支撐層14的孔徑可介於多孔過濾層11的孔徑至0.457 cm之間。多孔過濾層11的材料可包括聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)、聚醚碸、
三醋酸纖維素、聚丙烯纖維、聚氯乙烯，或可包括其他合適的多孔性纖維素(例如再生纖維素)或陶瓷。吸水層13的材料可包括聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)、聚氨脂、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙烯、聚苯乙稀或其他合適的泡棉材料，或可包括其他合適的吸水材料，例如不織布或(人造)纖維。支撐層14可包括吸水層13所使用的任何材料，或其他具足夠物理強度且有孔洞的合適材料，例如金屬。
要注意雖然第1圖至第3圖中顯示的孔洞為穿過材料層的貫穿孔洞，但其也可以是散亂分佈在材料層中的孔隙(未顯示)。
本發明的過濾結構為多層式過濾結構，其中上方的過濾層(例如第1圖至第3圖所示的多孔過濾層11)孔徑小於下方的吸水層(例如第1圖與第2圖所示的多孔吸水層12A與12B)或支撐層(例如第3圖所示的支撐層14)，如此能在壓擠除水時，使大部分液體會向下流出，而只有少部分會向上逆流。為確保過濾時液體可以順利向下流動，上、下層間的毛細吸力差與吸水材料(例如第1圖與第2圖所示的多孔吸水層12A與12B與第3圖所示的支撐層14)的吸水力不能超過過濾液本身能提供的重力。
以下假設本發明過濾結構的上層(或過濾層)孔洞半徑為r
，下層(或吸水層、支撐層)孔洞半徑為R
，而γ是表面張力，θ是接觸角，ρ是液體密度，g
是重力加速度的內容作說明。
當使用孔洞半徑為r
、單層濾材的過濾結構進行過濾，且過濾期間表層仍有水分未被完全濾乾時，只有濾材孔洞的底部分與空氣接觸，此時表面張力為2πr
γcosθ，為向上的阻力；而向下的過濾動力只有濾材中水分的高度，加上位於濾材表面上，具有一高度、未被過濾的原液(假設上述兩者高度的總值為h 1
)所產生的重力。液體若要順利地向下流動，其重力(πr 2
ρgh 1
)必需大於表面張力2πr
γcosθ，換句話說，必須符合h 1
>(2γcosθ)/(ρgr
)的條件。根據上述，當孔徑(r
)越大，驅動過濾所需的液體高度越小，但是孔徑的大小還必須視要過濾的雜質尺寸而定，因此實際上孔徑並不能任意地放大。
本發明是在孔洞較小的(上層)過濾層下方設置孔洞較大的(下層)吸水層或支撐層。吸水層或支撐層的孔洞也會產生毛細吸力2πR
γcosθ。下層的表面張力為2πR
γcosθ，由於下層的孔徑大於上層(R
>r
)，因此水層要提供足夠向下流動的重力的高度(h 2
>(2γcosθ)/(ρgR
))較小；又下層的水層高度實際上為上述高度h 1
和下層的厚度總和，因此本發明雙層的濾材在過濾驅動力方面較單層濾材有利。
此外，選用親水性佳的材料，如實施例中所使用的PVA材質，也可增加濾材對水(或任何液體，以下不重複贅述)的吸附力，亦即增加向下的過濾驅動力。吸水層(下層)要發揮吸水能力，必須使其發揮毛細吸力接過由過濾層(上層)流下的水分；若是下層孔徑過大，過濾層的水分會以水滴型態落下，直接通過吸水層，而未與吸水層接觸，造成吸水層無法發揮毛細吸力、提高過濾功能。舉例來說，若水滴體積是0.05mL，以正球形推算，直徑約0.457cm，此時下層的孔徑不可超過0.457cm。
第4圖至第5圖顯示以第1圖過濾結構1A進行過濾程序時的剖面圖，用來說明本發明結構的優點。請參考第4圖，在混合液30往多孔過濾層11的上表面流下之後，混合液30中的尺寸大於孔洞的濾渣32會被多孔過濾層11攔截，而液體31則藉由多孔過濾層11的孔洞繼續往下流動。當液體31流到多孔過濾層11中整個底表面與多孔吸水層12A接觸的孔洞中時，液體31會受到多孔吸水層12A的毛細現象所引導，直接破壞濾過水膜的表面張力，而直接被多孔吸水層12A吸收。當液體31流到多孔過濾層11中與多孔吸水層12A孔洞連通的孔洞中時，液體31會順勢地往下流到多孔吸水層12A的孔洞中，而由於多孔吸水層12A的孔洞尺寸較大，造成液體31具有較小的表面張力，換句話說，具有較小的阻礙力，因此液體31能夠順利地繼續向下流動。根據上述，本發明過濾結構具有極佳通透效果，其係利用吸水層的吸水力加速濾液的流動，並不像傳統技術需要使用幫浦裝置施加推力或吸力以增加流速，大幅降低過濾所需的能耗。
請參考第5圖，在多孔吸水層12A吸飽液體31(或水分，以下不再重複贅述)之後，可藉由施加擠壓力的方式將液體31擠出，其中，大部分的液體31則會順著尺寸大的孔洞向下流出，少部分的液體31則會藉由多孔過濾層11的小孔洞向上流動，從而推擠多孔過濾層11上的濾渣32，達到逆洗效果。須注意在此僅對與本發明結構優點相關的情況作說明，而未贅述從多孔吸水層12A的側邊或底表面直接擠出的液體。在擠除多孔吸水層12A中的液體，並移除擠壓力之後，被壓縮的多孔吸水層12A會彈回而恢復在壓縮前的型態，並再度擁有吸水的能力。在往覆施壓與釋壓過程中，附著累積於多孔過濾層11上的濾渣32將因往覆的推擠而鬆動，因此能有效減緩過濾中的堵塞形成，而大幅提升過濾結構的使用期限。
習知技藝人士在理解第4圖至第5圖的說明之後，應不難發現使用過濾結構1B(第2圖)與過濾結構1C(第3圖)的優點所在。以第3圖的過濾結構1C為例，在混合液往多孔過濾層11的上表面流下之後，混合液中的濾渣會被多孔過濾層11攔截，而液體則藉由多孔過濾層11的孔洞繼續往下流動。由於多孔過濾層11的孔洞底部係直接與吸水層13接觸，因此孔洞中的液體會直接被吸水層13吸收。
在吸水層13吸飽液體(或水分，以下不再重複贅述)之後，可藉由施加擠壓力的方式將液體擠出，其中，擠出液體中的少部分會藉由多孔過濾層11的孔洞向上流動，藉此逆洗多孔過濾層11上的濾渣32，而大部分的液體則會藉由支撐層14的大孔洞向下流出。須注意在此僅對與本發明結構優點相關的情況作說明，而未贅述從吸水層13的側邊擠出的液體。在擠除吸水層13中的液體，並移除擠壓力之後，被壓縮的吸水層13會彈回而恢復在壓縮前的型態，並再度擁有吸水的能力。
本發明的過濾結構在過濾過程中不需施加外力即具有極佳的通透效果，所需花費的能耗低。此外，在使用過濾結構的過程中，被攔阻在過濾層上的濾渣會藉著反覆施壓與釋壓的推擠作用而鬆動去除，達到逆洗的效果，因此能
減緩濾孔堵塞的狀況，並提升過濾結構的使用週期。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，作詳細說明如下：
過濾結構為雙層濾材結構，其中上層為孔徑約40 μm的PVA泡棉過濾層，而下層為孔徑範圍介於約80 μm至約120 μm的PVA泡棉吸水層。
過濾實驗如第6圖所示，主要係將刻度量桶的下端開口裝填上述過濾結構40，並在量桶內放入含濃度400 mg/L的擬球藻細胞的海水藻液，然後觀察並紀錄定量溶液通過過濾結構所花費的時間。第7圖顯示實施例的過濾實驗數據圖。
過濾結構僅使用相同於實施例過濾結構中，孔徑約40 μm的單一層PVA泡棉過濾層，而未在過濾層下方設置孔徑較大的吸水層。以相同於實施例中所述的裝置，對此單一層過濾結構進行過濾實驗，得到的過濾實驗數據圖如第8圖所示。
在第7圖與第8圖分別顯示的實施例與比較例的過濾實驗數據圖中，縱軸表示過濾時間(單位為分鐘)，橫軸表示流過過濾結構的溶液體積(單位為mL)。比較第7圖與第8圖的結果可發現，實施例過濾結構的過濾速度大於比較例過濾結構，因此證實了本發明具有吸水層的過濾結構確實具有優異的過濾效果。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1A．．．過濾結構
1B．．．過濾結構
1C．．．過濾結構
11．．．多孔過濾層
12A．．．多孔吸水層
12B．．．多孔吸水層
13．．．吸水層
14．．．多孔支撐層
30．．．混合液
31．．．液體
32．．．濾渣
40．．．過濾結構
第1圖至第3圖顯示本發明實施例結構的剖面圖。
第4圖至第5圖顯示以本發明實施例的過濾結構進行過濾時的剖面圖。
第6圖為過濾實驗的裝置示意圖。
第7圖為本發明實施例的過濾實驗數據圖。
第8圖為本發明比較例的過濾實驗數據圖。
1A．．．過濾結構
11．．．多孔過濾層
12A．．．多孔吸水層
Claims (22)
- 一種過濾方法，包括：提供一種過濾結構，其包括：一第一多孔層，具有多數個第一孔洞；以及一第二多孔層，位在該第一多孔層上方，且具有多數個第二孔洞，其中該些第二孔洞的尺寸小於該些第一孔洞的尺寸；將混合液往該過濾結構的第二多孔層的上表面流下，以攔截該混合液中尺寸大於該第二孔洞的濾渣，而該混合液中的液體則穿過該第二孔洞繼續往下流動；以及在該第一多孔層吸收該液體之後，對該第一多孔層施加一外力以壓縮脫除該液體，並藉由壓縮時逆流的該液體進行該第二多孔層的反沖洗，以去除堵塞的該濾渣，且在移除該壓縮力之後，被壓縮的該第一多孔層彈回而恢復在壓縮前的型態。
- 如申請專利範圍第1項所述之過濾方法，其中該第一多孔層具有吸水功能，且該第二多孔層具有過濾尺寸大於該些第二孔洞之物質的功能。
- 如申請專利範圍第1項所述之過濾方法，其中該第一多孔層與該第二多孔層直接接觸。
- 如申請專利範圍第1項所述之過濾方法，其中該第一孔洞的孔徑介於該第二孔洞的孔徑至0.457 cm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之過濾方法，其中該第二孔洞的孔徑小於欲攔截固體顆粒直徑。
- 如申請專利範圍第1項所述之過濾方法，其中該第 一多孔層包括聚合物、不織布或人造纖維。
- 如申請專利範圍第6項所述之過濾方法，其中該第一多孔層包括聚乙烯醇(PVA)、聚氨脂、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙烯或聚苯乙稀。
- 如申請專利範圍第1項所述之過濾方法，其中該第二多孔層包括聚合物或陶瓷。
- 如申請專利範圍第8項所述之過濾方法，其中該第二多孔層包括聚乙烯醇(PVA)、聚醚碸、三醋酸纖維素、聚丙烯纖維或聚氯乙烯。
- 如申請專利範圍第1項所述之過濾方法，其中該第一多孔層的孔洞尺寸由上至下逐漸變大。
- 如申請專利範圍第1項所述之過濾方法，其中該第一多孔層是由多層不同孔徑的多孔吸水材料層疊形成孔洞尺寸由上至下逐漸變大的結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之過濾方法，其中該過濾結構更包括一吸水層，位於該第一多孔層與該第二多孔層之間；且其中，該過濾方法更包括在該吸水層吸收該液體之後，對該吸水層施加一外力以壓縮脫除該液體，並藉由壓縮時逆流的該液體進行該第二多孔層的反沖洗，以去除堵塞的該濾渣，且在移除該壓縮力之後，被壓縮的該吸水層彈回而恢復在壓縮前的型態。
- 如申請專利範圍第12項所述之過濾方法，其中該吸水層直接與該第一多孔層及第二多孔層接觸。
- 如申請專利範圍第13項所述之過濾方法，其中該 第一孔洞的孔徑介於該第二孔洞的孔徑至0.457 cm之間。
- 如申請專利範圍第13項所述之過濾方法，其中該第二孔洞的孔徑小於欲攔截固體顆粒直徑。
- 如申請專利範圍第13項所述之過濾方法，其中該吸水層包括聚合物、不織布或人造纖維。
- 如申請專利範圍第16項所述之過濾方法，其中該吸水層包括聚乙烯醇(PVA)、聚氨脂、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙烯或聚苯乙稀。
- 如申請專利範圍第13項所述之過濾方法，其中該第一多孔層包括金屬、聚合物、不織布或人造纖維。
- 如申請專利範圍第18項所述之過濾方法，其中該第一多孔層包括聚乙烯醇(PVA)、聚氨脂、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、聚乙烯或聚苯乙稀。
- 如申請專利範圍第13項所述之過濾方法，其中該第二多孔層包括聚合物、多孔性纖維素或陶瓷。
- 如申請專利範圍第20項所述之過濾方法，其中該第二多孔層包括聚乙烯醇(PVA)、聚醚碸、三醋酸纖維素、聚丙烯纖維或聚氯乙烯。
- 如申請專利範圍第13項所述之過濾方法，其中該第一多孔層具有支撐該第二多孔層與吸水層的功能，且該第二多孔層具有過濾尺寸大於該些第二孔洞的物質的功能。
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