СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ НАКИПИ И КОМБИНИРОВАННЫЙ КАРТРИДЖ ДЛЯ ЭТОГО
METHOD FOR PREVENTING SCALING AND COMBINED CARTRIDGE THEREFOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предлагаемое техническое решение относится к способам очистки жидкостей, а также для умягчения и очистки жесткой питьевой воды от карбонатной жесткости (снижению общей щелочности воды), как в домашних, так и в производственных условиях.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен способ очистки жесткой воды (RU 2666428 C2, класс МПК C02F 5/00, C02F 1/42, G02F 1/28, B01D 39/16, B01J 20/26, C02F 101/10), где фильтрование воды осуществляют через последовательно расположенные три ступени очистки. Первая ступень включает картридж с загрузкой из смеси фильтрующих материалов, при этом по крайне мере один из компонентов представляет собой карбоксильную катионообменную смолу в кислой форме. Вторая ступень включает картридж, состоящий из ионообменной смолы и резорцин-формальдегидного ПГС-полимера, а третья ступень содержит фильтрующий материал, обладающий буферными свойствами, содержащий активированный уголь. Способ обеспечивает эффективную очистку воды от взвешенных веществ, солей жесткости и железа, активного хлора, органических и хлорорганических соединений, а также приводит к улучшению органолептических качеств полученной воды при сохранении минимального остаточного полезного уровня жесткости.
Недостатком заявленного способа является необходимость использования трех ступенчатой очистки воды, что требует согласованной работы всех трех ступеней, прежде всего, скорости фильтрования и, следовательно, времени контакта каждой из загрузок с очищаемой водой. Заявленный способ также требует строго определенной последовательности работы трех ступеней применительно к задаче умягчения воды.
Известен сорбционный материал, выполненный в нескольких вариантах (RU 2162010 C1 от 01.09.1999, класс МПК B01J 20/26; B01J 20/20), обеспечивающий высокую степень очистки от ионов жесткости, тяжелых металлов и органических веществ, сорбционный материал по варианту 1 состоит из смеси гранулированного активированного угля 20-50 об. %, ионообменной смолы 4-50 об. %, ионообменного волокна 10-60 об. %, по варианту 2 - из смеси активированного углерода волокна 30-60 об. %, ионообменной смолы 40-70 об. %, по варианту 3 - из смеси активированного углеродного волокна 10-50 об. %, гранулированного активированного угля 10-50 об. %, ионообменной смолы 5-40 об. %, по варианту 4 - из смеси активированного углеродного волокна 10-60 об. %, ионообменного волокна 10-60 об. %, ионообменной смолы 5-40 об. %, по варианту 5 - из смеси активированного углеродного волокна 10-40 об. %, гранулированного активированного угля 20-50 об. %, ионообменного волокна 10-30 об. %, ионообменной смолы 5-40 об. %.
Недостатком данного материала является использование во всех его вариантах активированного угля, являющегося при отсутствии специальной бактерицидной обработки питательной средой, пригодной для размножения микроорганизмов. В результате создаются условия для увеличения микробиологической активности внутри фильтрующей среды при перерывах в эксплуатации фильтра. Это накладывает ограничение на его безопасное использование и требует, например, хранения материала при пониженных температурах в перерывах между использованием.
Известна возможность стабилизации жесткой воды с помощью анионообменной смолы (WO 2019154768 А1, класс МПК B01J 39/05; B01J 41/07; C02F 1/00; C02F 1/42; C02F 5/08). Техническое решение относиться к твердому дозирующему агенту для дозирования фосфата и (или) полифосфата в воде. Оно характеризуется тем, что обеспечивается водонерастворимой анионообменной смолой, который по меньше мере частично насыщен противоионами орто- и/или полифосфата. В результате этого обеспечивается стабильность полифосфата при хранении, а также достигается хорошая дозировка полифосфата в воде.
Недостатком данного технического решения является необходимость предварительного насыщения анионообменной смолы полифосфатом натрия, и как следствие, ограниченная возможность дозировки полифосфата натрия по времени (ограниченный ресурс). Так же полифосфат натрия имеет предельно-допустимую концентрацию, что ограничивает его возможность применения для очистки питьевой воды.
Комплексообразующие добавки, на основе производных полисахаридов, в том числе полиуроновых кислот и их сополимеров, а также альгинаты, хитозаны, и их производные, ПДК не имеют, и могут применяться для очистки питьевой воды без ограничений.
Известен композиционный материал (RU 2429067 C1, класс МПК B01J 20/20, B01J 20/28, B01D 39/02), содержащий гранулированный и волокнистый материалы. А также который содержит объемные зоны с регулируемой плотностью, формирующие структуру материала, самоупрочняющуюся по мере протекания жидкости в процессе фильтрации, при этом объемные зоны составляют большую часть материала, каждая зона выполнена в виде участка переплетенных волокон, сами участки связаны между собой отдельными волокнами, а пространство внутри участков и между участками переплетенных волокон заполнено гранулированным материалом, при этом волокна имеют поверхностную энергию не менее 30 мДж/м2. При этом размер участков переплетенных волокон больше средней длины отдельного волокна и составляет не менее 1 мм. Если размер каждого участка переплетенных волокон составляет предпочтительно 5-8 мм, то средняя длина отдельного волокна будет находится в интервале 0,5-3,9 мм, предпочтительно 2,5-3,5 мм, а если размер каждого участка переплетенных волокон составляет предпочтительно 9-16 мм, тогда средняя длина отдельного волокна составляет 4-15,5 мм, предпочтительно 7-8 мм. В качестве гранулированного материала используют гранулированный активированный уголь, порошкообразный активированный уголь, гранулированную ионообменную смолу, гранулированные неорганические адсорбенты на основе оксидов, карбонатов и силикатов или любую их комбинацию. В качестве волокнистого материала используют полимерные волокна с поверхностной энергией не менее 30 мДж/м2, предпочтительно не менее 60 мДж/м2. В качестве полимерных волокон используют волокна на основе полиакрилонитрила, целлюлозные волокна, модифицированные волокна на основе целлюлозы, полиамидные волокна, полиэфирные волокна, углеродные волокна, кремнийсодержащие волокна или любую их комбинацию, при этом в качестве полимерных волокон на основе полиакрилонитрила используют ионообменные волокна, обладающие катионообменными, анионообменными, ион-комплексующими свойствами или любой комбинацией указанных свойств. Указанный материал взят за первый прототип.
Недостатком предложенного композиционного материала является избыточное содержание в нем гидрофильных волокнистых материалов, которые, как прямо следует из цитируемого патента, образуют неразрывную сетку гидрофильных волокон, вдоль которой и осуществляется преимущественное протекание фильтруемой жидкости. В этом случае содержащиеся внутри сетки гранулированные материалы поглощают примеси, в основном, за счет процесса внутренней диффузии, т.е. медленно, по сравнению со скоростью протекания жидкости; и, поскольку стадия внутренней диффузии является лимитирующей, катионы магния и кальция не успевают полностью адсорбироваться на поверхности волокон, что приводит к выпадению осадка.
Известен композиционный материал (RU 2638210 C2, класс МПК B01J 39/02; B01J 20/20, B01J 20/26) для очистки жидких сред фильтрацией. Композиционный материал выполнен из двух слоев. Первый слой в направления движения очищаемой жидкости представляет собой смесь, содержащую активированный углеродный сорбент, агломераты полиакрилонитрильных волокон размером 4-60 мм и полиолефиновые волокна с нанесенными на них микрочастицами активированного углеродного сорбента с размером менее 50 микрон. Второй слой, препятствующий выносу микрочастиц из первого слоя, выполнен из распушенного полиакрилонитрильного волокна. Указанный материал взят за второй прототип.
Недостатком композиционного материала является то, что активированный углеродный сорбент приводит к повышению рН, подщелачиванию воды и смещению карбонатного равновесия в сторону образования карбоната кальция, преимущественно в форме кальцита. Известно, что кальцит, являясь наиболее распространенной кристаллической модификацией карбоната кальция, имеет максимальную адгезию к нагревательным поверхностям, что существенно ухудшает их эксплуатационные характеристики.
Задачей технического решения является способ очистки воды предотвращающей накипь, с использованием комбинированного картриджа, которые обеспечивает длительную работу картриджа в статических и динамических режимах.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Технический результат вышеприведенной задачи достигается за счет осуществления способа предотвращения накипи, содержащий смесь компонентов гранулированного, волокнистого материалов и отличающийся тем, что в смесь введены комплексообразующие добавки, в количестве от 1% от массы смеси. Эти добавки равномерно выделяются в воду из смеси в динамическом режиме, в концентрациях, не превышающих предельно-допустимых, при этом смесь обеспечивает поглощение избыточно растворенных комплексообразующих добавок в статических условиях. Указанное техническое решение обеспечивает длительный эффект по предотвращению выпадения осадка солей щелочноземельных металлов в воде (общей жесткости воды).
Возможен вариант технического решения, где волокнистый материал обладает также амфолитными свойствами или представляет собой полимерные волокна на основе полиакрилонитрила. Указанное техническое решение обеспечивает поглощение избыточно растворенных комплексообразующих добавок в статическом режиме и равномерное их выделение в динамическом режиме.
Возможен вариант технического решения, где комплексообразующие добавки представляют собой, например, полифосфат, фосфоновые кислоты или ее производные. Указанное техническое решение обеспечивает длительный эффект по предотвращению выпадения осадка.
Возможен вариант технического решения, где в качестве полимерной комплексообразующей добавки используется альгинат или хитозан. Указанное техническое решение обеспечивает длительный эффект по предотвращению выпадения осадка.
Возможен вариант технического решения, где в качестве полимерной комплексообразующей добавки используются производные на основе полисахаридов, в том числе полиуроновые кислоты или их сополимеры. Указанное техническое решение обеспечивает дозировку комплексообразующих добавок, безвредных для человека.
Возможен вариант технического решения, где в качестве полимерной комплексообразующей добавки используется альгиновая кислота и ее производные. Указанное техническое решение обеспечивает дозировку комплексообразующих добавок, безвредных для человека.
Возможен вариант технического решения, где в качестве полимерной комплексообразующей добавки используется хитозан и его производные или хитозан-альгинатные сополимеры. Указанное техническое решение обеспечивает дозировку комплексообразующих добавок, безвредных для человека.
Технический результат вышеприведенной задачи достигается за счет разработки комбинированного картриджа, содержащего гранулированный и волокнистый материалы и отличающегося тем, что в картридж добавлен дробленый фильтрующий материал на основе полимера с глобулярной структурой, в состав которого входит также серебро, обеспечивающее бактериостатический эффект. Указанное техническое решение обеспечивает выделение ионов серебра из полимера в статическом режиме, тем самым обеспечивая длительный бактериостатический эффект (препятствует росту числа бактерий).
Возможен вариант технического решения, где бактериостатический эффект достигается путем добавления солей металлов к полимеру с глобулярной структурой. Указанное техническое решение обеспечивает равномерное выделение ионов металлов из полимера, и как следствие, длительный бактериостатический эффект.
КРАТКИЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 - комбинированный картридж.
Комбинированный картридж состоит из следующих деталей:
Крышка картриджа с отверстиями и приваренным к ней мелкопористым барьерным слоем 1 (1, 2, 3) представляет собой коническую деталь с отверстиями для воды, выполненную из полимерного материала. Полимерный материал может быть, но не ограничиваясь, полипропилен, АБС пластик.
Мелкопористый барьерный слой 1 (поз. 3) представляет собой нетканое полотно или сетку, из полипропилена, полиамида или другого подходящего полимерного материала, вырезанного в требуемый размер и приваренного к крышке картриджа (поз. 4)
Корпус картриджа (поз. 6) представляет собой полый цилиндр с дном (стакан), в котором выполнен ряд отверстий. Корпус выполнен из полимерного материала. Полимерный материал может быть, но не ограничиваясь, полипропилен, АБС пластик.
Барьерный слой 2 (поз. 9) представляет собой нетканое полотно или сетку, из полипропилена, полиамида или другого подходящего полимерного материала, вырезанного в требуемый размер и приваренного к основанию корпуса, В случае с механической фиксацией барьерного слоя 2, данную функцию выполняет прижимное кольцо (поз. 8), выполненное из полимерного материала: полиэтилена, полипропилена или другого.
Фильтрующая загрузка (поз. 7), представляет собой однородную смесь компонентов гранулоподобного типа с вкраплениями волокна от светло-желтого до черного цвета.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Конкретные размеры и отдельные конструктивные параметры исполнения фильтрующего картриджа могут быть выбраны специалистами в зависимости от назначения и производительности устройства. В качестве конструктивных материалов могут использоваться практически любые известные и применяемые в устройствах для очистки воды материалы, а также известные технологии сборки.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано в связи вариантом его осуществления, который в настоящее время считается наиболее предпочтительным и выгодным, следует понимать, что данное изобретение не ограничено описанным вариантом осуществления, а наоборот, оно охватывает различные модификации и варианты в рамках сущности и объема предлагаемой формулы изобретения.
Дополнительно отмечаем, что все заявленные полимерные материалы, не выделяют в воду токсичных веществ в предельно-допустимых концентрациях (ПДК) и более, указанных в СанПиН 2.1.4.1074-01
Комбинированный картридж устанавливается в водоочистное устройство. Водоочистное устройство может монтироваться в водопроводную сеть или быть автономным. Вода, поступая во входные отверстия под давлением, протекает через входные отверстия в крышке (поз. 1, 2) далее через мелкопористый барьерный слой 1 (рисунок 1, поз. 3), фильтрующую загрузку (поз. 7) и нижний мелкопористый барьерный слой 2 (поз. 9). Далее, через выходные отверстия для воды (поз. 10), поступает в емкость для сбора очищенной воды.
Заявляемый способ очистки воды и комбинированный картридж, предотвращающие образование накипи, работают следующим образом:
Очищаемая вода, протекая через фильтрующую загрузку, представляющий собой смесь гранулированных и волокнистых амфолитных материалов с комплексообразующими добавками в количестве от 1% от массы смеси, за счет ионного обмена снижает содержание катионов, отвечающих за карбонатную жесткость; кроме того в процессе фильтрации в поровом пространстве происходит перегруппировка центров кристаллизации вследствие многократного переменного воздействия электрических полей на ионные комплексы. Помимо этого, равномерное дозирование в фильтруемую воду комплексонов позволяет необратимо связать соли жесткости, что также препятствует образованию накипи.
Вначале на дно корпуса комбинированного картриджа устанавливается барьерный слой двух видов 1 и 2 (поз. 3 и 9), состоящий из мелкопористого нетканого материала или мелкоячеистой полимерной сетки. Данный барьерный слой (поз. 3 и 9) закрепляется механически к корпусу картриджа или приваривается к корпусу (поз. 6). Барьерный слой (поз. 3 и 9) препятствует вымыванию загрузки из картриджа. Далее загружается фильтрующая среда (материал), представляющая собой смесь компонентов гранулированных и волокнистых материалов с комплексообразующими и бактериостатическими добавками. Верхняя часть корпуса (поз. 6) представляет собой крышку с отверстиями для прохода воды и воздуха с приваренным к ней барьерным слоем 1, состоящего из мелкопористого нетканого материала или мелкоячеистой полимерной сетки. Барьерный слой 1, 2 препятствует высыпанию загрузки из картриджа. Барьерный слой 1 так же служит дополнительным фильтрующим элементом от взвешенных веществ. Защищая тем самым загрузку от быстрого загрязнения. Крышка и корпус соединяется неразъемным соединением, с верхним фиксирующим выступом (поз. 5)
Заявителем изготовлены опытные образцы изделия, которые подтвердили заявленные преимущества и проведенные опыты.
В отличие от прототипа, в рассматриваемой заявке состав, заявленный смеси подобран таким образом, чтобы обеспечить максимальный контакт протекаемой воды с поверхностью всех компонентов материала. С этой целью использованы ионообменные смолы с уменьшенным эффективным размером частиц в сочетании с дробленым полимерным материалом на основе резорцина и формальдегида, который, в свою очередь, за счет выраженной неправильной формы частиц и внутренней пористости обеспечивает максимальную поверхность контакта фильтрата с адсорбентом.
Частицы волокнистого материала, используемые в данной смеси, находятся в свободном пространстве между гранулами сорбентов и не образуют непрерывной сетки протекания - таким образом, поток воды проходит через микроячейки, образованные заряженными поверхностями различных материалов, т.е. через энергетически неравномерную среду. Многократное воздействие переменных электрических полей на ионные агломераты, являющиеся центрами кристаллизации солей жесткости, приводит к изменению их микроструктуры и блокирует образование накипи при кипячении.
Заявляемый способ предотвращения накипи, содержит смесь компонентов гранулированного, волокнистого материалов с комплексообразующими добавками, в количестве от 1%, от массы смеси. При этом комплексообразующие добавки, представляют собой полифосфат, альгинат или хитозан и их производные или сополимеры, производные на основе полисахаридов, в том числе полиуроновые кислоты или их сополимеры. При этом в качестве комплексообразующей добавки также используется полимерная среда, имеющая в своем составе полифосфатную часть.
Фильтрующая загрузка с комплексообразующими добавками, равномерно выделяет их в воду в динамическом режиме, в концентрациях, не превышающих предельно допустимую концентрацию (ПДК), где ПДК - это величина, характеризующая максимальное количество вещества, которое может находиться в определенном объеме измерений и не причинять ущерба живым организмам (в том числе, и человеку). При этом фильтрующая загрузка обеспечивает поглощение избыточно растворенных комплексообразующих добавок в статических условиях.
Возможность промышленной применимости и достижение эффективности очистки жидкости по таким показателям, как удаление накипи, и бактериостатический эффект фильтрующей загрузки при использовании изобретения подтверждаются следующими примерами:
Пример А. Для приготовления фильтрационных загрузок в корпусе объемом 200 мл были использованы следующие компоненты:
Катионообменная смола TC007Na+ или PC002Na+ размер частиц 0,4-0,7 мм. (производитель LANLANG или PURE PESIN, КНР). Катионообменная смола PC200FDG-F Fine Mesh с размером частиц менее 0,3 мм. Уголь активированный 12×30 или 18×40 mesh с йодным числом не менее 950 мг(1)/г (производитель Ikaindo, Индонезия или IndoGerman, Индия). Волокнистый амфолитный материал (Каталон, Россия). Комплексообразующие добавки полифоефат натрия (Наш Фильтр, Россия), Альгинат натрия (КНР).
Пример Б. Для приготовления фильтрационных загрузок в корпусе объемом 200 мл были использованы следующие компоненты:
Катионообменная смола TC007Na+ или PC002Na+ размер частиц 0,4-0,7 мм. (производитель LANLANG или PURE PESIN, КНР). Катионообменная смола PC200FDG-F Fine Mesh с размером частиц менее 0,3 мм Уголь, активированный 12×30 или 18×40 mesh с йодным числом не менее 950 мг(1)/г (производитель Ikaindo, Индонезия или IndoGerman, Индия). Волокнистый амфолитный материал (Каталон, Россия). Комплексообразующие добавки полифосфат натрия (Наш Фильтр, Россия), Альгинат натрия (КНР). Полимер с глобулярной структурой (Арагон, Россия)
Пропускалась вода с ОМЧ общее микробное число равное 104 КОЕ/мл в объеме 25 л через каждый картридж. Далее обычный картридж и картридж по изобретению оставались в статическом режиме на 24 часа при комнатной температуре в одинаковых условиях. После выдержки, в динамическом режиме, в первых 100 мл воды (объем воды равный объему картриджа) определялся показатель ОМЧ по ГОСТ 24849-2014
Из приведенного примера следует, что в картридже по техническому решению ОМЧ воды в корпусе осталось прежним, а в обычном картридже ОМЧ воды увеличилось на 33%.
Заявляемое техническое решение предотвращает появление накипи в статических и динамических режимах.