ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
FILTERING ELEMENT

Изобретение относится к фильтрующим элементам, которые предпочтительно используются в подмоечных системах очистки жидкости.
Из уровня техники известен фильтрующий элемент по патенту на полезную модель RU №83940 (опубл. 27.06.2009, приор. 07.10.2008, МПК B01D 27/00, заявитель Учреждение РАН Институт физики прочности и материаловедения РАН (ИФПМ СО РАН)). Фильтрующий элемент состоит из сердечника, рыхлого сорбционного слоя упрочняющего, фильтрующего слоя и защитной сетки. Сердечник представляет собой перфорированный каркас, выполненный из полиэтилена, полиамида или из полипропилена. Упрочняющий фильтрующий слой выполнен из полиэтилена или из полиамида, или из полипропилена с размерами элементарных пор от 1 до 100 мкм, предпочтительно от 1 до 50 мкм. Рыхлый фильтрующий слой изготовлен на основе нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного наноразмерными частицами гидрата окиси алюминия или нановолокнами гидрата окиси алюминия. Нетканый волокнистый полимерный материал имеет диаметр волокон 1,0 до 3,0 мкм и получен методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона. Внутри перфорированного каркаса размещают загрузку из активированного угля. Сочетание упрочняющего и рыхлого фильтрующих слоев представляет собой «сэндвич», содержащий внутри рыхлый сорбционный слой, а снаружи упрочняющий фильтрующий слой. Из предварительно изготовленного «сэндвича» формируют рулон, который наматывают на перфорированный каркас. Фильтрующий элемент имеет три рабочих фильтрующих слоя - упрочняющий, рыхлый и засыпку из активированного угля и работает следующим образом.
Исходная жидкость, проходит через поры упрочняющего слоя, и попадает во внутренний рыхлый фильтрующий слой, затем снова проходит через упрочняющий слой. Такое чередование слоев по пути прохождения жидкости происходит несколько раз, после чего жидкость через перфорированный каркас проходит через загрузку активированного угля и далее поступает потребителю.
Фильтрующий элемент по патенту на полезную модель RU №83940 имеет ряд недостатков. Как сказано в описании, рыхлый фильтрующий слой имеет плотную структуру, а упрочняющий слой - мелкие поры. При наличии в исходной жидкости значительных количеств коллоидных частиц и взвесей, произойдет обрастание верхних слоев упрочняющего и рыхлого слоев, что приведет к увеличению перепада давления, и как следствие, недоступности значительной части фильтрующих материалов для растворенных примесей. Кроме того, сердечник выполнен в виде загрузки из дробленного активированного угля, что приведет к значительному выносу угольной пыли, которую необходимо удалять дополнительным пост-фильтром.
Из уровня техники известен фильтрующий элемент по патенту US 4877527 (опубл. 31.10.1991, приор. 15.06.1987, МПК B01D 27/04, Заявитель Allied-Signal Inc). Фильтрующий элемент состоит из сердечника выполненного в виде трубки для очищенной жидкости со сквозными отверстиями, вокруг которой спирально намотан послойно упрочняющий фильтрующий материал (упрочняющий фильтрующий слой). Между слоями упрочняющего фильтрующего материала расположен рыхлый фильтрующий материал (рыхлый фильтрующий слой). В качестве упрочняющего фильтрующего материала может быть выбрана древесная целлюлоза, при этом материал имеет установленную пористость. Дополнительно в материал упрочняющего слоя может быть введено стекловолокно. На полотне упрочняющего материала на равном расстоянии друг от друга выполнены группы отверстий для исходной жидкости, причем группы отверстий расположены так, что при намотке на сердечник они смещаются друг относительно друга. В случае достаточно большого размера пор упрочняющего материала отверстия для исходной жидкости не требуются. Рыхлый фильтрующий материал представляет собой смесь волокон разного диаметра и твердости. Волокна с большим диаметром и твердостью предназначены для сохранения стабильности слоев и предотвращения их сжатия и разрушения. Волокна меньшего диаметра предназначены для удержания загрязняющих примесей. Кроме этого, рыхлый фильтрующий материал содержит агломераты волокон равномерно распределенные по его объему. Фильтрующий элемент имеет два рабочих слоя - упрочняющий и рыхлый и работает следующим образом. Исходная жидкость радиально проходит в упрочняющий слой, затем в слой рыхлого сорбционного материала. Там она распределяется между агломератами волокон и постепенно проходит в следующий слой упрочняющего материала. Такое чередование слоев на пути протекания жидкости происходит несколько раз, затем очищенная жидкость поступает через отверстия в центральный канал для очищенной жидкости и далее либо на доочистку, либо потребителю.
Фильтрующий элемент, описываемый в патенте US 4877527, имеет ряд недостатков. Например, как сказано в описании, в упрочняющем слое выполнены отверстия, причем отверстия выполнены на некотором расстоянии друг от друга. Когда исходная жидкость поступает на самый внешний слой упрочняющего материала, то часть крупных частиц будет задерживаться только той областью упрочняющего слоя, где нет отверстий. А часть крупных частиц через отверстия попадет в глубинные слои рыхлого сорбционного слоя сокращая его проницательную и удерживающую способность. Кроме этого, как сказано в описании, волокна рыхлого материала представляют собой инертный по отношению к содержащимся в воде примесям материал. Таким образом фильтрующий элемент по патенту US 4877527 работает только как механический фильтр.
Из уровня техники известен фильтрующий элемент по патенту ЕР 2384234 (опубл. 31.10.2012, приор. 30.01.2009, МПК B01D 39/20, B01D 39/21, B01D 39/58, C0F 1/00, Заявитель Unilever NV). Фильтрующий элемент состоит из сердечника, выполненного в виде карбонблока, и двух спирально намотанных на него фильтрующих материалов - внутреннего и внешнего, при этом внешний материал гофрированный, а внутренний негофрированный. В сердечнике выполнен центральный сквозной вертикальный канал. Оба фильтрующих материала имеют одинаковый размер пор, одинаковую площадь поверхности, но разное количество слоев в намотке, а соответственно, и разную толщину. Количество слоев в намотке внутреннего фильтрующего материала составляет от 1 до 7, для внешнего гофрированного материала - от 1 до 5. Материал, из которого изготовлены оба слоя может быть тканый или нетканый и быть как натуральным, так и синтетическим, например хлопок, полиэстер, полипропилен или нейлон.
Фильтрующий элемент предназначен для удаления из жидкости твердых частиц более 3 мкм, в том числе микроорганизмов.
Фильтрующий элемент работает следующим образом. Исходная жидкость в радиальном направлении через гофрированный материал поступает в слой негофрированного материала и далее просачивается через карбонблок во внутренний центральный канал, откуда поступает или потребителю, или на доочистку.
Фильтрующий элемент имеет ряд недостатков. Исходная жидкость радиально проходит через два слоя фильтрующих материалов и ударяется в стенку сердечника, и также радиально поступает в более глубокие слои карбонблока. Поскольку оба фильтрующих материала имеют одинаковую пористость, то в верхнем гофрированном слое будут задерживаться сразу как крупные, так и мелкие частицы, забивая поры верхнего слоя, что существенно снизит его проницаемость. Следовательно, вглубь фильтрующего элемента жидкость будет поступать с меньшей скоростью. Также, кроме сердечника, выполненного из карбонблока, гофрированный и негофрированный фильтрующие материалы выполняют функцию механического фильтра.
Из уровня техники известен фильтрующий элемент по патенту RU №2540637 (опубл. 10.02.2015, приоритет 07.10.2013, МПК B01D 35/30, заявитель ЗАО «Аквафор-Продакшн»), выбранный Заявителем в качестве ближайшего аналога.
Фильтрующий элемент по патенту RU №2540637, состоящий из сердечника со сквозным вертикальным каналом для прохождения очищенной жидкости, выполненного из фильтрующего углеродного материала, упрочняющего слоя, выполненного из нетканого фильтрующего материала, нижнего и верхнего фланцев, установленных на торцевых сторонах фильтрующего элемента. Фильтрующий элемент работает следующим образом. Исходная жидкость под давлением проходит через упрочняющий слой и попадает в пористый фильтрующий элемент, и далее по центральному каналу очищенная жидкость поступает на дальнейшую очистку или непосредственно потребителю.
Фильтрующий элемент по патенту RU 2540637 имеет ряд недостатков. Например, как и в предыдущем аналоге, упрочняющий материал инертен по отношению к примесям, содержащимся в исходной жидкости, и выполняет роль только механического фильтра. Сердечник, выполненный из углеродного материала, способен сорбировать из жидкости хлор и хлорорганические соединения, однако не способен сорбировать тяжелые металлы и коллоидные частицы.
Задачей изобретения и техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является разработка нового фильтрующего элемента и повышение степени очистки жидкости.
Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются тем, что фильтрующий элемент, состоящий из сердечника со сквозным вертикальным каналом для прохождения очищенной жидкости, выполненного из фильтрующего углеродного материала, упрочняющего слоя, выполненного из нетканого фильтрующего материала, нижнего и верхнего фланцев, установленных на торцевых сторонах фильтрующего элемента, выполнен так, что между слоями нетканого фильтрующего материала расположен рыхлый фильтрующий слой, содержащий волокнистый сорбционный материал, в котором распределен гранулированный сорбционный материал, причем длина волокон волокнистого сорбционного материала, представляющего собой ионообменное волокно, составляет от  до 1 толщины рыхлого фильтрующего слоя.
На фигуре 1 представлен продольный разрез фильтрующего элемента.
Фильтрующий элемент состоит из сердечника (1) со сквозным вертикальным
каналом (2) для прохождения очищенной жидкости, упрочняющего слоя (3), рыхлого волокнистого слоя (4), нижнего (5) и верхнего (6) фланцев, установленных на торцевых сторонах фильтрующего элемента. Упрочняющий слой (1) выполнен из нетканого пористого материала на основе, например термопластичного полипропилена, полиэфира или полиамида. Указанный нетканый материал намотан на сердечник (1) послойно. Между слоями нетканого матераиала расположен рыхлый волокнистый материал, в котором распределен гранулированный сорбционный материал. Причем в отличие аналога US 4877527, в заявляемом фильтрующем элементе в рыхлом слое (4) отсутствуют агломераты волокон. А длина самих волокон составляет составляет от  до 1 толщины рыхлого фильтрующего слоя (4). Длина волокон именно в таком диапазоне способствует более равномерному распределению жидкости в гранулированном материале. Также, в отличие от вышеуказанных аналогов, волокнистый сорбционный материал рыхлого слоя (4) представляет собой ионно-обменное волокно на основе, например полиакрилонитрила, поликапроамида, полипропилена или целлюлозы. Гранулированный материал - это, например, гранулированный активированный уголь или различные цеолиты.
Заявляемый фильтрующий элемент работает следующим образом. Через фильтрующий элемент, помещенный в корпус (на фигуре не представлен), пропускают исходную жидкость, содержащую механические и растворенные примеси. При радиальном прохождении жидкости через самый внешний упрочняющий слой (3) задерживаются крупные частицы. Затем жидкость попадает в рыхлый сорбционный слой (4), где из-за меньшего сопротивления материала и за счет длины волокна, составляющего от  до 1 толщины рыхлого фильтрующего слоя (4), беспрепятственно распространяется по всему объему этого слоя. При этом происходит сорбция растворенных примесей ионообменным волокном и гранулированным материалом, а также укрупнение и агрегация коллоидных частиц гидроксида железа, сопровождающаяся их осаждением в рыхлом слое (4). Затем частично очищенная жидкость под действием внешнего давления проходит через следующий упрочняющий слой, оставляя на нем укрупненные агрегаты коллоидных частиц гидроксида железа. Поскольку рыхлый слой (4) имеет большую проницаемость, чем упрочняющий слой (3), то на границе между слоями поток жидкости снова структурируется, и жидкость с большей скоростью пройдет сквозь следующий упрочняющий слой (3). Такое чередование слоев по пути протекания жидкости происходит несколько раз, после чего очищенная жидкость поступает в сердечник (1), на поверхности и в объеме которого происходит дополнительное удержание мелких механических частиц, а также растворенного хлора и органических соединений. Повышенное гидродинамическое сопротивление мелкопористого материала сердечника (1) обеспечивает тонкую доочистку предварительно отфильтрованной воды. В то же время, такая жидкость уже не забивает материал сердечника (1) снижая гидродинамическую нагрузку на него.
В таблице 1 приведены данные сравнительных испытаний заявляемого фильтрующего элемента с намоточным фильтрующим элементом, изготовленным из ионообменной нити и с фильтрующим элементом ближайшего аналога.
Свойства фильтрующих элементов испытывали при очистке водопроводной воды с содержанием взвешенных и коллоидных частиц гидроксида железа (III) 2,5-3,5 мг/л при скорости протекания 10 л/мин.
Из данных приведенных в таблице видно, что заявляемый фильтрующий элемент имеет максимальный ресурс до проскока, наибольшую эффективность очистки от ионов меди и по удержанию взвеси трехвалентного железа, даже по сравнению с намоточным фильтрующим элементом, который предназначен непосредственно для удаления соединений железа из жидкости.
Таким образом, фильтрующий элемент работает не только как механический фильтр, но и способен изменять структуру коллоидных частиц, что приводит к их слипанию и укрупнению. Такие крупные частицы задерживаются уже упрочняющим слоем, а наличие чередующихся слоев и центрального сердечника, выполненного в виде карбонблока, обеспечивают высокую степень очистки и значительный ресурс предлагаемого по данному изобретению фильтрующего элемента без увеличения времени фильтрации.
В настоящем описании изобретения представлен предпочтительный вариант осуществления изобретения. В нем могут быть сделаны изменения, в пределах заявляемой формулы, что дает возможность его широкого использования.