КАРТРИДЖ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая полезная модель относится к устройствам для очистки жидкости путем фильтрования с использованием процесса сорбции, в частности, для получения питьевой воды и может быть использована в системах подготовки технологической воды для различных производств, для бытовых нужд, а также в полевых условиях.
Одним из основных узлов различных систем очистки жидкости являются сменные фильтровальные элементы, называемые или картриджами, или патронными фильтрами. Такие фильтровальные элементы часто выполняются из нетканых материалов, обеспечивающих различные виды фильтрации. Согласно описанию предлагаемые варианты устройства относятся к сорбционным картриджным фильтрам, а точнее к сменным фильтровальным элементам-картриджам этих фильтров, применяемым в проточных системах очистки жидкости тупиковым методом фильтрации.
Известен [RU 2066301 С1, 1996] переносной фильтр для очистки питьевой воды, содержащий корпус в виде воронки, дренажную решетку с размещенным на ней пакетом фильтрующих элементов из активированного углеродно-волокнистого материала и средство для уменьшения пористости периферийной части фильтрующих элементов, при этом часть корпуса или дренажной решетки, расположенная под этим средством выполнена водонепроницаемой.
Недостатком известного переносного фильтра является материал, из которого выполнены фильтрующие элементы, который не обеспечивает микробиологической очистки воды, а также недостаточную очистку от тяжелых металлов, так как углеродные сорбенты в большей степени предназначены для сорбции органических загрязнений.
Известен дачный фильтр «Дельфин-Д-3,5» [RU 2146962 C1, 2000]. Дачный фильтр предназначен для очистки от металлов, нитратов, нитритов, пестицидов, хлорорганических соединений, хлора и др. воды из колодцев, скважин, используемой для питья. В дачном фильтре предусмотрена возможность систематической промывки съемного патрона, расположенного во входной части фильтра, а также находящегося в этом патроне съемного блока фильтрующих элементов, предназначенного для очистки воды от механических загрязнений и состоящего из набора слоев пористых фильтровальных тканей, расположенного между двумя перфорированными прокладками из синтетического материала. Дренажная трубка из синтетического материала, проходящая через центр набора фильтрующих слоев и перфорированных прокладок, является также рукояткой для извлечения съемного блока фильтрующих элементов из фильтра при его промывке. Возможность систематического удаления загрязнений позволяет повысить качество очистки воды и увеличить рабочий ресурс фильтра.
Известное устройство не предназначено для микробиологической очистки жидкостей.
Известен патронный фильтровальный элемент [RU 60874 U1, 2007]. Предлагается два варианта патронного фильтровального элемента, первый вариант патронного фильтровального элемента содержит перфорированную трубку и сформированный вокруг нее слоистый фильтрующий материал, соединенные торцевыми деталями, фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированной трубки в виде цилиндрического рулона, выполнен в виде «сэндвича», нижний и верхний слои которого являются синтетическим нетканым материалом, свободно пропускающим воду, между которыми расположен внутренний слой сорбционного материала на основе волокнистого листового материала органического или неорганического происхождения, модифицированного наноразмерными частицами гидрата оксида алюминия, предназначенного для тонкой очистки воды и очистки воды от микроорганизмов, при этом внутренний слой выполнен в виде гладкой ленты, сформированной из множества слоев сорбционного материала. Второй вариант патронного фильтровального элемента содержит перфорированную трубку и сформированный вокруг нее слоистый фильтрующий материал, соединенные торцевыми деталями, фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированной трубки в виде цилиндрического рулона, выполнен в виде «сэндвича», нижний и верхний слои которого являются синтетическим нетканым материалом, свободно пропускающим воду, между которыми расположен внутренний слой сорбционного материала на основе волокнистого листового материала органического или неорганического происхождения, модифицированного наноразмерными частицами гидрата оксида алюминия, предназначенного для тонкой очистки воды и очистки воды от микроорганизмов, при этом внутренний слой выполнен в виде гофрированной ленты, сформированной из множества слоев сорбционного материала.
Известный патронный элемент эффективен для очистки от микроорганизмов, но не позволяет в достаточной степени очищать жидкости от тяжелых металлов.
Вышеописанный патронный фильтровальный элемент как наиболее близкий по технической сущности и результату к предлагаемому устройству, выбран в качестве прототипа.
Задачей заявляемого технического решения является разработка сменного картриджа с высокой степенью очистки жидкости от нежелательных и вредных примесей.
Технический результат: расширение области применения предлагаемого картриджа за счет того, что в нем совмещаются стадии механической, микробиологической очистки и очистки от тяжелых металлов.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что картридж для очистки жидкости содержит перфорированный каркас и сформированный вокруг него сорбционно-фильтрующий материал, включающий, по меньшей мере, два слоя защитного материала и размещенный между ними многослойный сорбционный материал, множественность слоев которого обеспечена намоткой в виде рулона, по меньшей мере, одного слоя полотна или ленты вокруг перфорированного каркаса, соединенные торцевыми деталями.
Отличительной особенностью предлагаемого картриджа является то, что он дополнительно содержит стакан, установленный внутри и на одной оси с перфорированным каркасом, а также загрузку из сорбента тяжелых металлов, размещенную внутри стакана.
Кроме того, используют сорбент тяжелых металлов, содержащий оксид алюминия, модифицированный наноразмерными частицами оксидов железа.
3
2
Предпочтительно, что сорбент тяжелых металлов выполнен в форме гранул высокопористого оксида алюминия с объемом пор не менее 0,55 см/г, удельной поверхностью не менее 200 м/г, представляющих собой сборку нановолокон, связанных между собой в жесткую губчатую структуру, при этом наноразмерные частицы оксидов железа сформированы в виде слоя на поверхности упомянутых гранул в количестве 2-10% от веса гранул.
Также, оксид алюминия выполнен в форме гранул, предпочтительно сферической формы, с размером частиц, имеющим диаметр 0,2-4,0 мм.
2
3
При этом, в качестве оксида алюминия он содержит γ-АlО, моногидрат оксида алюминия.
≥
Кроме того, наноразмерные частицы оксидов железа имеют соотношение диаметра d к длине 1, находящееся в пределах 1d/1<0,01.
Кроме того, наноразмерные частицы оксидов железа представляют собой наноразмерные частицы, например гетита, и/или гематита, и/или аканогенита.
Также, стакан выполнен различной в сечении формы, например, цилиндр, многогранник, с перфорацией в нижней части боковой поверхности высотой от 10 до 40 мм, с размерами отверстий не более 0,2 мм, из полимерных материалов, например, из полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика.
Помимо этого, размещают сверху загрузки из сорбента тяжелых металлов удерживающий перфорированный элемент из полимерного материала.
Кроме того, используют сорбционный материал на основе нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного частицами гидрата окиси алюминия.
Целесообразно, что нетканый полимерный волокнистый материал имеет, предпочтительно, диаметр волокон 1,0-3,0 мкм и получен методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.
При этом, общая толщина множества слоев сорбционного материала составляет не менее 2 мм.
В качестве защитного материала используют синтетический нетканый материал, например, полипропилен, полиамид, полиэтилен с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм.
Помимо этого, перфорированный каркас выполнен, по меньшей мере, с четырьмя ребрами жесткости по высоте каркаса и/или, по меньшей мере, двумя ребрами жесткости по окружности каркаса.
И площадь перфорации каркаса составляет 30-60%, преимущественно, 35-50%.
Также, сорбционно-фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированного каркаса, надет поддерживающий элемент, например, полимерная сетка.
При этом, торцевые детали конструктивно совместимы с фильтродержателем.
Поставленная задача и технический результат достигаются также тем, что картридж для очистки жидкости, содержит перфорированный каркас и сформированный вокруг него сорбционно-фильтрующий материал, включающий, по меньшей мере, два слоя защитного материала и размещенный между ними многослойный сорбционный материал, множественность слоев которого обеспечена намоткой в виде рулона, по меньшей мере, одного слоя гофрированного полотна или ленты вокруг перфорированного каркаса, соединенные торцевыми деталями.
Новым является то, что он дополнительно содержит стакан, установленный внутри и на одной оси с перфорированным каркасом, а также загрузку из сорбента тяжелых металлов, размещенную внутри стакана.
Кроме того, используют сорбент тяжелых металлов, содержащий оксид алюминия, модифицированный наноразмерными частицами оксидов железа.
3
2
Целесообразно, что сорбент тяжелых металлов выполнен в форме гранул высокопористого оксида алюминия с объемом пор не менее 0,55 см/г, удельной поверхностью не менее 200 м/г, представляющих собой сборку нановолокон, связанных между собой в жесткую губчатую структуру, при этом наноразмерные частицы оксидов железа сформированы в виде слоя на поверхности упомянутых гранул в количестве 2-10% от веса гранул.
При этом, оксид алюминия выполнен в форме гранул, предпочтительно сферической формы, с размером частиц, имеющим диаметр 0,2-4,0 мм.
2
3
Помимо этого, в качестве оксида алюминия он содержит γ-АlО, моногидрат оксида алюминия.
Также то, что наноразмерные частицы оксидов железа имеют соотношение диаметра d к длине 1, находящееся в пределах 1≥d/1<0,01.
Кроме того, наноразмерные частицы оксидов железа представляют собой наноразмерные частицы, например гетита, и/или гематита, и/или аканогенита.
Кроме того, стакан выполнен различной в сечении формы, например, цилиндр, многогранник, с перфорацией в нижней части боковой поверхности высотой от 10 до 40 мм, с размерами отверстий не более 0,2 мм, из полимерных материалов, например, из полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика.
При этом, размещают сверху загрузки из сорбента тяжелых металлов удерживающий перфорированный элемент из полимерного материала.
Целесообразно, что используют сорбционный материал на основе нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного частицами гидрата окиси алюминия.
Помимо этого, нетканый полимерный волокнистый материал имеет, предпочтительно, диаметр волокон 1,0-3,0 мкм и получен методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.
При этом, общая толщина множества слоев сорбционного материала составляет не менее 2 мм при глубине гофр от 10 до 30 мм, преимущественно, от 15 до 20 мм.
В качестве защитного материала используют синтетический нетканый материал, например, полипропилен, полиамид, полиэтилен с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм.
При этом, защитный материал формируют гофрированным совместно с сорбционным материалом.
Кроме этого, перфорированный каркас выполнен, по меньшей мере, с четырьмя ребрами жесткости по высоте каркаса и/или, по меньшей мере, двумя ребрами жесткости по окружности каркаса.
При этом, площадь перфорации каркаса составляет 30-60%, преимущественно, 35-50%.
Предпочтительно, что на сорбционно-фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированного каркаса, надет поддерживающий элемент, например, полимерная сетка.
При этом, торцевые детали конструктивно совместимы с фильтродержателем.
Термин "жидкость", используемый в данном тексте описания, включает водные растворы для пищевой индустрии, бытовых и технологических целей.
В картриджах в качестве используют сорбент тяжелых металлов, содержащий оксид алюминия, модифицированный наноразмерными частицами оксидов железа.
3
2
2
3
Предпочтительно, что сорбент тяжелых металлов выполнен в форме гранул высокопористого оксида алюминия с объемом пор не менее 0,55 см/г, удельной поверхностью не менее 200 м/г, представляющих собой сборку нановолокон, связанных между собой в жесткую губчатую структуру, при этом наноразмерные частицы оксидов железа сформированы в виде слоя на поверхности упомянутых гранул в количестве 2-10% от веса гранул. Оксид алюминия выполнен в форме гранул, предпочтительно сферической формы, с размером частиц, имеющим диаметр 0,2-4,0 мм. В качестве оксида алюминия сорбент может содержать γ-АlО, моногидрат оксида алюминия.
Наноразмерные частицы оксидов железа имеют соотношение диаметра d к длине 1, находящееся в пределах 1≥d/1<0,01. При этом, наноразмерные частицы оксидов железа представляют собой наноразмерные частицы, например гетита, и/или гематита, и/или аканогенита.
Размещают сверху загрузки из сорбента тяжелых металлов удерживающий перфорированный элемент из полимерного материала. Для того, чтобы сорбент не вымывался из картриджа и предусмотрен этот перфорированный элемент с размером ячеек меньшим, чем размер гранул сорбента.
Корпуса фильтров, в зависимости от требуемой производительности, могут быть различных типоразмеров. Мировые производители корпусов фильтров, как правило, выполняют их в одном из двух типоразмеров: Slim Line (высотой 5", 10" или 20" и диаметром 62 мм) и Big Blue (высотой 5", 10" или 20" и диаметром 114 мм). Фильтры Big Blue по сравнению со Slim Line имеют больший диаметр. За счет этого, при прочих равных условиях (давление на входе, температура жидкости, степень ее загрязненности, размер присоединительных портов корпуса фильтра, тонкость фильтрации сменного элемента), фильтры Big Blue по сравнению со Slim Line обладают большей производительностью и грязеемкостью. Это обеспечивается большей по сравнению со Slim Line площадью фильтрующей поверхности. Соответственно и каркасы к сменным фильтрующим элементам тоже выпускаются определенных типоразмеров.
Площадь перфорации каркаса предлагается равной 30-60%, преимущественно, 35-50%. Это объясняется тем, что при перфорации меньшей 30% не обеспечивается необходимая скорость фильтрования. А при перфорации больше 60% не достигается необходимая механическая прочность каркаса, при высоких давлениях в системе происходит деформация каркаса.
Перфорированный каркас выполнен, по меньшей мере, с четырьмя ребрами жесткости по высоте каркаса и/или, по меньшей мере, двумя ребрами жесткости по окружности каркаса. Выполнение перфорированного каркаса с менее 4-мя ребрами жесткости по высоте и с 2-мя по окружности не обеспечивает необходимой механической прочности при давлении более 2-х атм в системе.
Стакан выполнен различной в сечении формы. Это может быть цилиндр или любой многогранник, с перфорацией в нижней части боковой поверхности. Высота перфорации предлагается от 10 до 40 мм, что обосновано экспериментами. Размер отверстий перфорации определен не более 0,2 мм, что определено характеристиками сорбента тяжелых металлов. Стакан выполнен из полимерных материалов, например, из полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика.
В предлагаемых вариантах картриджа используется сорбционно-фильтрующий материал, содержащий слой сорбционного материала на основе волокнистого листового материала органического или неорганического происхождения, модифицированного наноразмерными частицами гидрата окиси алюминия, способными создавать электрический потенциал 50-100 мВ даже при контакте с дистиллированной водой. Такой электроположительный волокнистый материал удаляет из жидкости микробиологические загрязнения вследствие электрокинетического удержания отрицательно заряженных частиц. При этом наблюдаются высокие скорости адсорбции, что дает возможность создания компактной и высокопроизводительной аппаратуры для очистки жидкости. Частицы загрязнений размером, превышающим диаметр пор синтетического нетканого материала, задерживаются на его поверхности.
Сорбционно-фильтрующий материал - это «сэндвич», содержащий внутренний слой сорбционного электроположительного волокнистого материала, представляющего собой гладкую или гофрированную ленту или полотно, выполненную из множества таких слоев. Экспериментально установлено, что для эффективной сорбции общая толщина должна быть не менее 2 мм, что обеспечено намоткой в 7 оборотов двухслойного исходного материала или намоткой в 14 слоев этого материала.
Нижний и верхний слои «сэндвича» выполняют из синтетического нетканого материала, свободно пропускающего воду или иную жидкость. При этом верхний слой играет роль фильтра от механических примесей и защиты от повреждений, а нижний слой удерживает активированный уголь в перфорированном каркасе, т.к. размер частиц угля меньше размера ячеек перфорированного каркаса.
На сорбционно-фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированного каркаса, надет поддерживающий элемент, например, полимерная сетка, для дополнительной защиты от обвисания или от повреждения сорбционного материала.
В случае если сорбционно-фильтровальный материал имеет форму гофры, намотка на перфорированный каркас производится таким образом, чтобы гофры сохраняли свою геометрию. Общая толщина множества слоев сорбционного материала составляет не менее 2 мм при глубине гофр от 10 до 30 мм, преимущественно, от 15 до 20 мм. Применение гофрирования позволяет увеличить площадь фильтрующей поверхности в 4-6 раз, а глубина гофрировки зависит от типоразмера картриджа. Например, фильтры Big Blue могут быть выполнены с максимальной глубиной гофрировки 30 мм, а фильтры Slim Line могут быть выполнены с минимальной глубиной гофрировки 10 мм.
Защитный материал формируют гофрированным совместно с сорбционным материалом. С практической точки зрения это целесообразно, так как очень сложно отдельно гофрированный сорбционный материал соединять с отдельно гофрированным защитным материалом.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 - фиг.3.
На фиг.1 представлен вид картриджа (в разрезе), в котором сорбционный материал сформирован в виде гладкого полотна или ленты, загрузка представляет собой сорбент тяжелых металлов.
На фиг.2 изображен картридж (поперечный разрез), в котором сорбционный материал сформирован в виде гладкого полотна или ленты, при этом стакан выполнен в виде цилиндра, в который помещен сорбент тяжелых металлов.
На фиг.3 изображен картридж (поперечный разрез), в котором сорбционный материал сформирован в виде гофрированного полотна или ленты, при этом стакан выполнен в виде цилиндра, в который помещен сорбент тяжелых металлов.
2
Картридж (фиг.1) содержит перфорированный каркас 1, на котором сформирован в виде цилиндрического рулона сорбционно-фильтрующий материал с внутренним сорбционным слоем 2. Внутренний сорбционный слой 2 размещен между двумя защитными слоями (верхним и нижним) 3 и 3'. На перфорированном каркасе 1, выполненном из полиэтилена или из полиамида, или из полипропилена, или АБС-пластика формируют цилиндрический рулон сорбционно-фильтрующего материала, предварительно изготовленного в виде «сэндвича», внутренний сорбционный слой 2 которого получают сложением 2-х слоев при намотке в 7 оборотов или намоткой одного слоя материала в 14 оборотов (общая толщина не менее 2 мм в любом случае). Сорбционно-фильтрующий материала изготовлен на основе фильтра Петрянова марки ФПА-15-2,0, модифицированного наноразмерными частицами гидрата окиси алюминия, имеющими размер ≈0,2-5 мкм или нановолокнами гидрата окиси алюминия, имеющими размер ≈5-8 нм в диаметре и 200 нм в длину, удельную поверхность 200-300 м/г и пористость ≈30-40%. Внутри перфорированного каркаса 1 на одной оси с ним размещают стакан 4. Внутри стакана 4 размещают загрузку из сорбента тяжелых металлов 5.
Сверху загрузки 5 устанавливают удерживающий перфорированный элемент из полимерного материала 6.
Сорбционно-фильтрующий материал с внутренним сорбционным слоем 2 и защитными слоями 3 и 3' дополнительно поддерживаются полимерной сеткой 7, надетой на сорбционно-фильтрующий материал.
Адаптеры 8, 8', расположенные на концах картриджа, механически связанные с перфорированным каркасом 1, не позволяют смещаться вдоль перфорированного каркаса 1 сорбционно-фильтрующему материалу и служат для присоединения картриджа к фильтродержателю (не показан).
Нижний и верхний защитные слои 3 и 3' выполнены из полиэтилена или из полиамида, или из полипропилена с размерами элементарных пор от 1 до 100 мкм, предпочтительно, от 1 до 50 мкм, из этого же материала выполнен дополнительный поддерживающий слой 7 (сетка). Каркас 1 и адаптеры 8, 8' также выполнены из полиэтилена или из полипропилена, или из АБС-пластика или других термопластов пищевых марок.
При использовании гофрированной полосы или ленты ее получают, гофрируя 14 слоев вышеуказанного сорбционного материала вместе с защитным материалом. В этом случае намотка на перфорированный каркас 1 производится таким образом, чтобы гофры сохраняли свою геометрию.
Картридж с сорбционно-фильтрующим материалом, внутренний сорбционный слой которого сформирован в виде полотна или ленты, или гофр, работает следующим образом.
Картридж монтируется в посадочном гнезде фильтродержателя (не показан). Фильтруемая жидкость, подаваемая в корпус фильтродержателя, проходит через поры слоя 3' синтетического нетканого материала, попадает во внутренний сорбционный слой 2, в котором происходит электрокинетическое удержание отрицательно заряженных частиц - бактерий и вирусов, проходит слои синтетического нетканого материала 3, (в случае гофр-проходит в зазоре между складками), далее через перфорированный каркас 1 очищаемая жидкость поступает в пространство между каркасом 1 и стаканом 4, далее жидкость проходит через отверстия в нижней части стакана 4, во внутрь его. Далее жидкость проходит внутри стакана 4 снизу вверх через загрузку из сорбента тяжелых металлов 5, далее через выход фильтродержателя (не показан) попадает к потребителю.
2
2
2
2
2
2
5
4
Для подтверждения задач заявляемого технического решения выбирались картриджи с типоразмерами Slim Line (высотой 5", 10" или 20" и диаметром 62 мм). В случае картриджа, сформированного в виде полотна или ленты из сорбционного материала, общая площадь его фильтрующей поверхности получается равной соответственно: S=190 см, 470 см и 960 см с максимальной производительностью картриджей соответственно: 2, 4 и 8 л/мин. В случае картриджа, сформированного в виде гофрированной (полосы) ленты из сорбционного материала, общая площадь поверхностиравна: S=800 см, 1600 см или 3250 см с максимальной производительностью картриджей соответственно: 8, 14 и 27 л/мин. Эффективность очистки воды (жидкости) во всех случаях типоразмеров и производительности картриджей от бактерий и вирусов составляла 100% при исходной концентрации бактерий E.coli 10 КОЕ/мл, вирусов MS 2 10 БОЕ/мл. В эти картриджи всех типоразмеров добавляли загрузку из сорбента тяжелых металлов в стакан, размещенный внутри перфорированного каркаса.
Результаты очистки жидкости в предлагаемых картриджах представлены в таблице.
Таблица.
Эффективность очистки воды от вредных химических веществ картриджами, включающими сорбционный материал и сорбент тяжелых металлов
№
Показатели
Исходная концентрация,мг/л
После фильтрации, мг/л
ПДК. МГ/Л
сорбционный материал по прототипу
сорбционный материал+сорбент тяжелых металлов
4
Железо (Fe, суммарно)
6,2
0,1
0,1
0,3
5
Мышьяк (As, суммарно)
0,27
0,25
0,04
0,05
6
Ртуть (Hg, суммарно)
0,0015
0,0014
0,0004
0,0005
7
Кадмий (Сd, суммарно)
0,003
0,0025
0,001
0,001
8
Свинец (Рb, суммарно)
0,6
0,6
0,2
0,3
9
Марганец (Мn, суммарно)
0,4
0,38
0,1
0,1
3
Мутность, ЕМФ
11,0
0,01
0,01
2,6
Предлагаемые варианты полезной модели могут быть использованы, в основном, в питьевом водоснабжении, в бытовых фильтрах для финишной очистки воды от электроотрицательных частиц, например, бактерий, вирусов, коллоидных частиц, пирогенов, нуклеиновых кислот, протеинов, энзимов и др., а также от тяжелых металлов, преимущественно от мышьяка.