КАРТРИДЖ ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКОСТЕЙ

Полезная модель относится к фильтрующим устройствам, в частности к сменным элементам для использования в системах фильтрации и очистки воды от нерастворимых примесей, ржавчины, песка и других взвесей путем фильтрации.
Технология изготовления картриджа путем намотки фильтрующего материала на жесткий каркас, имеющий вид втулки, широко известна. Также известно использование в качестве фильтрующего материала волокон термопластичного полимера, преимущественно полипропилена, и/или вспененного полипропилена, и/или нетканого полотна из полипропилена.
Так, известны конструкции картриджей, где в качестве фильтрующего материала использованы волокнистые материалы.
В частности, известен фильтровальный элемент, который содержит размещенные по потоку фильтруемой среды фильтрующий и коагулирующие слои, выполнен из волокон термопластичного полимера, преимущественно полипропилена, коагулирующие слои изготовлены из тонких волокон и разделены между собой слоем из грубых волокон, плотность коагулирующих слоев со стороны входа фильтруемой среды больше, чем со стороны выхода [Патент на изобретение RU №2326716].
Недостатком устройства является расположение фильтрующих слоев, при котором плотность коагулирующих слоев со стороны входа фильтруемой среды больше, чем со стороны выхода. Это приводит к более раннему забиванию фильтра и снижению его фильтрующей способности.
Известен фильтрующий элемент, выполненный в виде катушки с перфорированной центральной гильзой, на которой размещена фильтровальная штора, представляющая собой многослойную крестообразную намотку ворсистой нити, внутренние слои фильтровальной шторы выполнены синтетической текстурированной мультифиламентной нитью с преимущественно петлевым ворсом, а внешние слои фильтровальной шторы выполнены нитью штапельного прядения, изготовленной из катионообменного волокна. На внешней поверхности перфорированной центральной гильзы выполнены продольные ребра, расположенные равномерно между рядами перфорации [Патент на изобретение RU № 2411983].
Основной задачей известного картриджа является удаление ионов железа и солей жесткости из воды при одновременной ее механической очистке. В связи с этим допустимая скорость фильтрации очень низкая, так как она ограничена скоростью протекания окислительно-восстановительной реакции на поверхности ионообменной нити
+
-
Известен также картридж, который  содержит корпус с входным отверстием и размещенные в корпусе фильтрующие слои из волокнистых материалов. Предусмотрено наличие сорбционно-активных, ионообменных и иодированных слоев, между которыми размещены перфорированные прокладки, при этом используются следующие слои: слой полотна иглопробивного фильтровального ВИОН КН-1,  переведенного в Н-форму; слой волокна хемосорбционного ВИОН АС-1, переведенного в ОН-форму: слой иодированного волокна АС-1; слой угольной ткани "Вискумак", слой полотна ВИОН КН-1. [Патент на изобретение RU №2132217].
Известен фильтрующий элемент, выполненный в виде сменного картриджа из слоев, расположенных в следующей последовательности по ходу движения жидкости с внешней поверхности к центру фильтра: слой кварцевой ткани; слой кварцевых волокон диаметром 3-5 мкм; слой кварцевых ультратонких волокон диаметром 1-1,5 мкм; слой ионообменного фильтровального полотна из хемосорбционного катионообменного волокна ВИОН КТ-1; слой углеродного активированного нетканого материала; слой кварцевой ткани при соотношении толщин слоев (2-2,5):(10-12): (8-10): (2-4): (2-4):1 соответственно [Патент на изобретение RU №2184596].
Также известны картриджи, где в дополнении к волокнистому фильтровальному материалу используют сорбционный материал- нетканое полотно из различных полимерных материалов.
В частности, известны картриджи для очистки жидкости, содержащие 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, дополнительно содержит стакан, установленный внутри и на одной оси с перфорированным каркасом, а также загрузку из сорбента тяжелых металлов, размещенную внутри стакана, при этом в качестве сорбционного материала используют нетканый полимерный волокнистый материал, модифицированный частицами гидрата окиси алюминия, в качестве защитного материала используют синтетический нетканый материал, например полипропилен, полиамид, полиэтилен, с размером пор 1-100 мкм, преимущественно 1-50 мкм, каркас выполнен преимущественно цилиндрическим из полимерных материалов, например, полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика и других термопластов пищевых марок, а площадь перфорации каркаса составляет 30-60%. преимущественно, 35-50% [Патенты на полезные модели RU №№ 87365, 84252, 83940].
+
2+
+
2+
Известны картриджи для очистки жидкости, содержащие соосно установленные стакан с загрузкой из сорбента тяжелых металлов, перфорированный каркас, выполненный из полиэтилена, полиамида, полипропилена или других термопластов пищевых марок, сорбционно-фильтрующий материал, включающий, по меньшей мере, два слоя защитного материала и размещенный между ними многослойный сорбционный материал, выполненными из синтетического нетканого материала (полиэтилена, полиамида, или полипропилена), и поддерживающий элемент, соединенные торцевыми деталями, при этом поддерживающий элемент выполнен в виде эластичного трубчатого трикотажа плюшевого переплетения или из угольной нити, предварительно обработанной 3% водной дисперсией смеси наночастиц Ag и Cu или из нерастяжимой нити, предварительно обработанной 5% водной дисперсией смеси наночастиц Ag и Cu или слои защитного материала выполнены в виде эластичного трубчатого трикотажа переплетением трубчатая гладь из одновременно провязанных угольной и эластомерной нитей [Патенты на полезные модели RU №№ 155030, 155031, 162259, 162260, 171023, 171495].
Известные картриджи с фильтрующими слоями из волокнистых материалов обладают одним неизменным преимуществом- высокий ресурс работы. Вместе с тем, качество очистки воды от механических примесей является недостаточным, т.к. рыхлая структура фильтровального слоя не позволяет осуществить улавливание мелкодисперсных механических загрязнений. Придание дополнительных сорбционных свойств путем формирования сорбционных слоев направлено на химическую, бактерицидную очистку воды. Сорбционные слои не способствуют улавливанию мелкодисперсных механических примесей и снижают ресурс работы картриджа в целом.
Известен картридж фильтра для воды, содержащий жесткий перфорированный цилиндр с намотанным на него полимерным жгутом, образующим после намотки фильтрующий объем, намотка жгута выполнена слоями с переменной плотностью, убывающей от первых внутренних слоев к последним наружным и под углом 5…40° к вертикальной оси перфорированного цилиндра, а на наружной поверхности картриджа жгут намотан в одну сторону по винтовой линии с углом подъема 40…60°, образуя с внутренними цилиндрическими стенками корпуса и последним слоем намотанного жгута спиральную канавку, направленную в направлении сброса осадочного загрязнения [Патент на полезную модель RU № 100428.
Известный картридж обладает достаточно высоким ресурсом работы, но имеет недостаточное качество очистки воды, т.к. спиралевидная намотка с переменной плотностью полимерного жгута позволяет улавливать частицы более мелкого размера, нежели намотка с равномерной плотностью. Вместе с тем, намотка с переменной плотностью снижает ресурс работы картриджа и технологически является трудоемкой операцией.
Наиболее близким к предлагаемому является фильтрующий элемент для очистки питьевой воды, который выполнен в виде цилиндра из вспененного полипропилена, внутри которого имеется цилиндр меньшего диаметра, но большей плотности, между которыми закладывается фильтрующий материал. Фильтрующие слои образованы слоем первого цилиндра из вспененного материала полипропилена, затем слоем фильтрующего материала, например смесь МИОН-К53 с активированным углем, или ионообменной смолы, или активированного угля или др. фильтрующего материала, и затем снова слоем вспененного материала полипропилена более высокой плотности. [Патент на полезную модель RU № 156136]. Указанный фильтрующий элемент выбран в качестве прототипа.
В отличие от вышеописанных картриджей, фильтрующий элемент по прототипу не имеет перфорированной втулки, т.к. внутренний слой вспененного полипропилена высокой плотности выполняет функцию каркаса, а поры внутреннего слоя выполняют функцию перфорационных отверстий. Фильтрующие слои из вспененного полипропилена обеспечивают высокое качество очистки жидкости за счет улавливания мелкодисперсных механических примесей. Вместе с тем, скорость фильтрации и ресурс работы у картриджа по прототипу являются низкими, т.к. внешний слой, взаимодействующий с очищаемой жидкостью в первую очередь и выполненный из вспененного полипропилена более низкой плотности, быстро забивается механическими загрязнениями, что и снижает ресурс его работы.
Техническая проблема - отсутствие сменных фильтровальных элементов для очистки жидкостей, которые технологически просты в изготовлении, не требуют использования специальных сорбционных материалов, но обладают высоким ресурсом работы и обеспечивают высокое качество очистки жидкостей от механических примесей.
Технический результат- расширение ассортимента фильтровальных элементов для очистки жидкостей, обладающих высоким ресурсом работы и обеспечивающих высокое качество очистки жидкостей, предпочтительно воды.
Дополнительный технический результат – упрощение процесса изготовления картриджей и исключение специальных материалов для создания сорбционных слоев.
Заявленный технический результат достигается тем, что заявляется картридж для фильтрации жидкостей, содержащий каркас цилиндрической формы, образуя внутренний фильтрующий объем, отличающийся тем, что содержит внешний фильтрующий объем, который образован многослойной намоткой на внутренний фильтрующий объем нитей, которые выполнены из термопластичного полимера, тело внешнего фильтрующего объема образовано послойной косой укладкой нитей, при которой смежные слои имеют противоположное направление укладки, а внутренний фильтрующий объем выполняет функцию каркаса и образован послойной укладкой нетканого термоспаянного полотна, выполненного из волокон термопластичного полимера.
Для формирования внешнего фильтрующего объема предпочтительно используют нить полипропиленовую, например синтетическую пневмотекстурированную мультифиламентную, которая выпускается в промышленном масштабе под маркой 350 ТЕКС по ТУ2272-008-57560032-2012, имеющая петлевой ворс. В качестве термопластичного полимера для изготовления нитей может быть использован полиамид и иные приемлемые известные полимеры. Послойную косую укладку нитей ведут предпочтительно под углом около 45°, смежные слои укладывают в противоположных направлениях, образуя крестообразную намотку.
В качестве материала изготовления внутреннего фильтрующего объема используют нетканое термоспаянное полотно преимущественно из волокон полипропилена, которое производится в промышленном масштабе экструзивным способом, например, по ТУ2291-001-65751622-2012 «Фильтрующие элементы из полипропилена». В качестве термопластичного полимера для изготовления нетканого термоспаянного полотна может быть использован полиамид и иные приемлемые известные полимеры. Для достижения дополнительного технического результата, связанного с максимальным увеличением показателей эффективности очистки жидкости и максимальными показателями ресурса работы,  наиболее предпочтительным является обеспечение соотношения толщины внутреннего фильтрующего объема и толщины внешнего фильтрующего объема 1/3:2/3 соответственно. При увеличении толщины внутреннего фильтрующего объема качество очистки жидкости увеличивается, но уменьшается ресурс работы картриджа. При уменьшении толщины внутреннего фильтрующего объема менее 30% от толщины картриджа уменьшается прочность каркаса.
Заявляемый картридж обеспечивает ступенчатую фильтрацию. На первой ступени очистка ведется посредством внешнего фильтрующего объема, который в первую очередь взаимодействует с очищаемой средой и обеспечивает грубую очистку от крупных частиц, улавливая их и задерживая в теле нитяных фильтрующих слоев. Косая послойная намотка нитей обеспечивает высокое качество и скорость очистки на первой ступени, а также высокий ресурс работы картриджа. На второй ступени очищаемая жидкость проходит сквозь тело внутреннего фильтрующего объема, образованного слоями нетканого термоспаянного полотна из волокон, преимущественно полипропилена, имеющего сквозные поры, обеспечивающие тонкую очистку жидкости от мелкодисперсных механических загрязнений.
Сравнение заявляемого устройства с прототипом позволяет сделать следующие выводы.
Заявляемое устройство является новым, т.к. характеризуется следующими отличительными существенными признаками:
- выполнен из двух фильтрующих объемов, содержащих внешний фильтрующий объем и внутренний фильтрующий объем, при этом последний выполняет функцию каркаса;
- внешний фильтрующий объем образован намоткой нитей на внутренний фильтрующий объем;
- внутренний фильтрующий объем образован послойной укладкой нетканого термоспаянного полотна из волокон термопластичного полимера;
- нити внешнего фильтрующего объема выполнены из волокон термопластичного полимера;
- тело внешнего фильтрующего объема образовано послойной косой укладкой нитей, при которой смежные слои имеют противоположное направление укладки нитей.
Заявляемое устройство может быть изготовлено из известных материалов известными способами, обеспечивает возможность механической очистки жидкостей от крупных и мелких частиц загрязнений.
Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость».
Заявляемое устройство иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид заявляемого картриджа;
На фиг. 2- то же в продольном разрезе.
Заявляемое устройство состоит из внутреннего фильтрующего объема 1, имеющего форму полого цилиндра, стенки которого образованы послойной укладкой нетканого термоспаянного полотна из волокон преимущественно полипропилена и выполняющего функцию каркаса. На внешнюю образующую фильтрующего объема 1 послойно уложен внешний фильтрующий объем 2, который образован послойной косой намоткой пневмотекстурированной мультифеламентной полипропиленовой нити с петлевым ворсом, при этом смежные слои имеют противоположное направление укладки нитей. Толщина внутреннего объема предпочтительно составляет 30% от толщины картриджа.
Заявляемое устройство изготавливают путем плавления гранул полипропилена до текучего состояния, с последующей подачей расплава под давлением в фильеры, расположенные горизонтально в ряд. На выходе из фильер расплав полипропилена вытягивается под действием горячего воздуха в волокна, образуя полотно, которое наматывается на крутящийся перед матрицей вал. Таким образом множество слоёв полипропиленового волокна, спаиваясь между собой в процессе остывания, образуют каркас в виде полого цилиндра, стенки которого образованы послойной укладкой нетканого термоспаянного полотна полипропилена, образуя внутренний фильтрующий объем 1. Размер пор внутреннего фильтрующего объема может регулироваться размером отверстий фильер и плотностью укладки слоев полотна друг на друга. На полученную заготовку послойно под углом примерно 45° укладывается пневмотекстурированная мультифеламентная нить из полипропилена, образую внешний фильтрующий объем 2. Направление укладки нитевых слоев в смежных слоях противоположное. Число нитевых слоев выбирается из заданного диаметра картриджа и толщины внутреннего фильтрующего слоя 1. Натяжка нитей влияет на число укладываемых слоев. В зависимости от заданной степени первичной очистки от механических загрязнений выбирается плотность укладки нитей по горизонтали. Параметры послойной укладки нитей регулируется соотношением частоты вращения вала с заготовкой и скоростью движения бегунка (нитеводителя).
Для исследования степени очистки и ресурса работы заявляемого картриджа по сравнению с контрольными образцами, в идентичных условиях были изготовлены образцы для исследования, представленные в таблице 1 (диаметр 63 мм) и таблице 2 (диаметр 110 мм), где pp – картриджи с одним фильтрующим объемом, изготовленным из послойной укладки нетканого термоспаянного полотна волокон полипропилена (контрольные с внутренними диаметрами 10, 20 и 40 мм, различной длины- 254, 508, 1016 мм);  ps - картриджи с одним фильтрующим объемом, изготовленным из послойной косой укладки пневмотекстурированной мультифиламентной нити из полипропилена на перфорированной втулке (контрольные с внутренними диаметрами 10, 20 и 40 мм, различной длины 254, 508, 1016 мм), pps- заявляемый картридж с внутренними диаметрами 10, 20 и 40 мм, различной длины 254, 508, 1016 мм. В качестве объекта исследования - водопроводная вода. Измерения качества очистки велись по остаточному количеству механических загрязнений размерами 0,5; 1; 5; 10; 20 и 50 мкм. Ресурс работы картриджей определен по количеству воды, пропущенной через фильтровальные элементы до достижения разницы давления до входа на картридж и после него, препятствующей нормальной работы фильтра, измеренной по общепринятой методике.
Как показывают опытные данные, по сравнению с контрольными образцами заявляемый картридж имеет повышенное качество очистки от механических загрязнений в широком диапазоне размеров от 1 до 50 мкм и повышенный ресурс работы за счет двухслойной конструкции картриджа с фильтрующими слоями согласно заявляемой полезной модели. При этом в отдельных случаях ресурс работы заявляемого картриджа превышает ресурс работы картриджей, выполненных только из нитяного фильтрующего слоя на перфорированной втулке (контрольные образцы).