КАРТРИДЖ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая полезная модель относится к устройствам для очистки жидкости путем фильтрования с использованием процессов сорбции и ионообмена, в частности, для получения питьевой воды и может быть использована в системах подготовки технологической воды для различных производств, для бытовых нужд, фармацевтических целей, 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 ионообменным и сорбционным картриджным фильтрам, а точнее, к сменным фильтровальным элементам-картриджам этих фильтров, применяемым в проточных системах очистки жидкости тупиковым методом фильтрации.
Известен [RU 2013104 С1, 1994] фильтр для очистки жидкости, фильтрующий патрон которого выполнен в виде двух коаксиальных стаканов, вставленных один в другой. В промежутке между стаканами размещена трубчатая вставка, оребренная с внутренней стороны и с отверстиями в нижней части. В кольцевом пространстве между наружным стаканом и трубчатой вставкой размещена ионообменная смола, а во внутреннем стакане - активированный уголь. Ионообменная смола постоянно находится под заливом жидкостью, что повышает надежность работы фильтра.
Слабым признаком известного фильтра является материал, из которого выполнен основной фильтрующий элемент, который не обеспечивает микробиологической очистки воды.
Известен бытовой фильтр для доочистки питьевой воды «Цеолитовый-С» [RU 2252061 С1, 2005], содержащий корпус с входными и выходными патрубками, вертикальные перегородки, установленные внутри корпуса с образованием блоков для сорбентов, при этом перегородки выполнены в виде двух цилиндров, установленных соосно по вертикальной оси корпуса с образованием одного цилиндрического блока и
двух кольцевых, кроме того, внутренний цилиндр установлен с зазором между нижним его торцом и дном корпуса, а наружный цилиндр с зазором между верхним его торцом и крышкой корпуса.
Недостатками этого бытового фильтра, кроме отмеченного для вышеуказанного фильтра, а именно, то, что он не обеспечивает микробиологической очистки воды, является еще также то, что из-за недостаточной емкости сорбента не обеспечивается удаление органических соединений и остаточного хлора.
Известен фильтр для очистки воды [JP 2005288438, 2005], обеспечивающий удаление из воды нитрат- и сульфат-ионов. Вода в картридже проходит сначала через слой ионообменной смолы, имеющей ионы кальция как обменный катион, а затем вода проходит через слой анионообменной смолы.
Этот фильтр характерен теми же недостатками, что и предыдущие и позволяет очищать воду только от ионов.
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 очищать жидкости от неорганических соединений, включая хлор, и органических примесей.
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 вредных примесей.
Технический результат: расширение области применения предлагаемого картриджа за счет того, что в нем совмещаются стадии механической, микробиологической очистки и очистки от неорганических и органических загрязнений.
Поставленная задача и технический результат по первому варианту исполнения картриджа 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 ионообменной смолы, размещенную внутри стакана.
Предпочтительно, что ионообменная смола может представлять собой гранулированную или волокнистую ионообменную смолу.
2
При этом, используют волокнистую ионообменную смолу с диаметром волокон 20-40 мкм, поверхностной плотностью 250-800 г/м, со статической обменной емкостью от 1,8 до 5,5 мг-экв/г.
При этом, используют гранулированную ионообменную смолу с размером гранул от 0,42 до 1,25 мм, со статической обменной емкостью не менее 1,3 г-экв/л.
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 0,4 мм, из полимерных материалов, например, из полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика.
Также, размещают сверху загрузки из ионообменной смолы удерживающий перфорированный элемент из полимерного материала.
Кроме того, используют сорбционный материал на основе нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного частицами гидрата окиси алюминия.
При этом, нетканый полимерный волокнистый материал имеет, предпочтительно, диаметр волокон 1,0-3,0 мкм и получен методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.
Целесообразно, что общая толщина множества слоев сорбционного материала составляет не менее 2 мм.
При этом, в качестве защитного материала используют синтетический нетканый материал, например, полипропилен, полиамид, полиэтилен с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм.
Целесообразно, что 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%.
Кроме того, на 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 по второму варианту выполнения картриджа 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.
Новизной предлагаемого картриджа является то, что он дополнительно содержит стакан, установленный внутри и на одной оси с перфорированным каркасом, загрузку из ионообменной смолы, размещенную в пространстве между перфорированным каркасом и стаканом, а также загрузку из активированного угля, размещенную внутри стакана.
Целесообразно, что ионообменная смола может представлять собой гранулированную или волокнистую ионообменную смолу.
2
Предпочтительно, что используют волокнистую ионообменную смолу с диаметром волокон 20-40 мкм, поверхностной плотностью 250-800 г/м, со статической обменной емкостью от 1,8 до 5,5 мг-экв/г.
Предпочтительно также, что используют гранулированную ионообменную смолу с размером гранул от 0,42 до 1,25 мм, со статической обменной емкостью не менее 1,3 г-экв/л.
Кроме того, загрузка из волокнистой ионообменной смолы обеспечивается намоткой вокруг боковой поверхности стакана.
Целесообразно, что активированный уголь выбран из дробленого или волокнистого активированного угля.
2
Предпочтительно, что используют дробленый активированный уголь с удельной поверхностью 1100-1300 м/г, с сорбционной емкостью по метиленовому голубому не менее 240 мг/г, характеризующийся йодным числом не менее 1050 мг/г.
При этом, используют фракцию дробленного активированного угля с размером частиц от 0,45 до 4,75 мм, преимущественно, от 0,5 до 1,5 мм.
2
3
Предпочтительно, что используют волокнистый активированный уголь с удельной поверхностью 500-2000 м/г, с объемом микро- и мезопор 0,3-0,9 см/г.
2
При этом, используют волокнистый активированный уголь с диаметром волокна от 5 до 10 мкм, с поверхностной плотностью 175-650 г/м, толщиной от 1,5 до 6 мм.
Кроме того, используют активированный уголь, модифицированный серебром, при содержании серебра от 0,06 до 0,4 мас.%, предпочтительно, от 0,1 до 0,3 мас.%.
Кроме того, стакан выполнен различной в сечении формой боковой поверхности, например, цилиндр, многогранник, с перфорацией в нижней части боковой поверхности высотой от 10 до 40 мм, с размерами отверстий не более 0,4 мм, из полимерных материалов, например, из полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика.
При этом, размещают сверху загрузки из активированного угля удерживающий перфорированный элемент из полимерного материала.
Помимо этого, используют сорбционный материал на основе нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного частицами гидрата окиси алюминия.
При этом, нетканый полимерный волокнистый материал имеет, предпочтительно, диаметр волокон 1,0-3,0 мкм и получен методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.
Также целесообразно, что общая толщина множества слоев сорбционного материала составляет не менее 2 мм.
Кроме того, в качестве защитного материала используют синтетический нетканый материал, например, полипропилен, полиамид, полиэтилен с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм.
Целесообразно, что 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%.
Кроме того, на сорбционно-фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированного каркаса, надет поддерживающий элемент, например, полимерная сетка.
Кроме того, торцевые детали конструктивно совместимы с фильтродержателем.
Поставленная задача и технический результат по третьему варианту выполнения картриджа 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 гофрированного 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 ионообменной смолы, размещенную внутри стакана.
Целесообразно, что ионообменная смола может представлять собой гранулированную или волокнистую ионообменную смолу.
2
Предпочтительно, что используют волокнистую ионообменную смолу с диаметром волокон 20-40 мкм, поверхностной плотностью 250-800 г/м, со статической обменной емкостью от 1,8 до 5,5 мг-экв/г.
Также предпочтительно, что используют гранулированную ионообменную смолу с размером гранул от 0,42 до 1,25 мм, со статической обменной емкостью не менее 1,3 г-экв/л.
Кроме того, стакан выполнен различной в сечении формой боковой поверхности, например, цилиндр, многогранник, с перфорацией в нижней части боковой поверхности высотой от 10 до 40 мм, с размерами отверстий не более 0,4 мм, из полимерных материалов, например, из полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика.
Помимо этого, размещают сверху загрузки из ионообменной смолы удерживающий перфорированный элемент из полимерного материала.
Помимо этого, используют сорбционный материал на основе нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного частицами гидрата окиси алюминия.
При этом, нетканый полимерный волокнистый материал имеет, предпочтительно, диаметр волокон 1,0-3,0 мкм и получен методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.
Целесообразно, что 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.
Кроме того, в качестве защитного материала используют синтетический нетканый материал, например, полипропилен, полиамид, полиэтилен с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм.
Кроме того, защитный материал формируют гофрированным совместно с сорбционным материалом.
Целесообразно, что 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%.
Кроме того, на сорбционно-фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированного каркаса, надет поддерживающий элемент, например, полимерная сетка.
Кроме того, торцевые детали конструктивно совместимы с фильтродержателем.
Поставленная задача и технический результат по четвертому варианту выполнения картриджа 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.
Особенностью является то, что он дополнительно содержит стакан, установленный внутри и на одной оси с перфорированным каркасом, загрузку из ионообменной смолы, размещенную в пространстве между перфорированным каркасом и стаканом, а также загрузку из активированного угля, размещенную внутри стакана.
Целесообразно, что ионообменная смола может представлять собой гранулированную или волокнистую ионообменную смолу.
2
Предпочтительно, что используют волокнистую ионообменную смолу с диаметром волокон 20-40 мкм, поверхностной плотностью 250-800 г/м, со статической обменной емкостью от 1,8 до 5,5 мг-экв/г.
Предпочтительно также, что используют гранулированную ионообменную смолу с размером гранул от 0,42 до 1,25 мм, со статической обменной емкостью не менее 1,3 г-экв/л.
Кроме того, загрузка из волокнистой ионообменной смолы обеспечивается намоткой вокруг боковой поверхности стакана.
Целесообразно, что активированный уголь выбран из дробленого или волокнистого активированного угля.
2
При этом, используют дробленый активированный уголь с удельной поверхностью 1100-1300 м/г, с сорбционной емкостью по метиленовому голубому не менее 240 мг/г, характеризующийся йодным числом не менее 1050 мг/г.
При этом, используют фракцию дробленного активированного угля с размером частиц от 0,45 до 4,75 мм, преимущественно, от 0,5 до 1,5 мм.
2
3
Целесообразно, что используют волокнистый активированный уголь с удельной поверхностью 500-2000 м/г, с объемом микро- и мезопор 0,3-0,9 см/г.
2
При этом предпочтительно, что используют волокнистый активированный уголь с диаметром волокна от 5 до 10 мкм, с поверхностной плотностью 175-650 г/м, толщиной от 1,5 до 6 мм.
Помимо этого, используют активированный уголь, модифицированный серебром, при содержании серебра от 0,06 до 0,4 мас.%, предпочтительно, от 0,1 до 0,3 мас.%.
Помимо этого, стакан выполнен различной в сечении формой боковой поверхности, например, цилиндр, многогранник, с перфорацией в нижней части боковой поверхности высотой от 10 до 40 мм, с размерами отверстий не более 0,4 мм, из полимерных материалов, например, из полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика.
Кроме того, размещают сверху загрузки из активированного угля 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.
Целесообразно также, что 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.
Кроме того, в качестве защитного материала используют синтетический нетканый материал, например, полипропилен, полиамид, полиэтилен с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм.
Кроме того, защитный материал формируют гофрированным совместно с сорбционным материалом.
Целесообразно, что 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%.
Кроме того, на сорбционно-фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированного каркаса, надет поддерживающий элемент, например, полимерная сетка.
Кроме того, торцевые детали конструктивно совместимы с фильтродержателем.
Термин "жидкость", используемый в данном тексте описания, включает водные растворы для пищевой индустрии, бытовых, технологических и фармацевтических целей.
Ионообменная смола в картриджах может представлять собой гранулированную или волокнистую ионообменную смолу. Используют волокнистую ионообменную смолу с
2
диаметром волокон 20-40 мкм, поверхностной плотностью 250-800 г/м, со статической обменной емкостью от 1,8 до 5,5 мг-экв/г, с размером гранул от 0,42 до 1,25 мм, со статической обменной емкостью не менее 1,3 г-экв/л. Выбор ионообменной смолы обоснован тем ассортиментом, что предлагается производителями ионообменных смол, а также перечнем ионообменных смол, разрешенных для применения в пищевой промышленности и очистки питьевой воды.
Загрузка из волокнистой ионообменной смолы обеспечивается намоткой вокруг боковой поверхности стакана или засыпкой гранулированной смолы в пространство между перфорированным каркасом и стаканом картриджа.
2
2
3
2
В картриджах в качестве активированного угля используют волокнистый и дробленый активированный уголь. Используют дробленый активированный уголь с удельной поверхностью 1100-1300 м/г, с сорбционной емкостью по метиленовому голубому не менее 240 мг/г, характеризующийся йодным числом не менее 1050 мг/г, фракцию дробленного активированных углей выбирают с размером частиц от 0,45 до 4,75 мм, преимущественно, от 0,5 до 1,5 мм. Также используют волокнистый активированный уголь с удельной поверхностью 500-2000 м/г, с объемом микро- и мезопор 0,3-0,9 см/г, при этом используют волокнистый активированный уголь с диаметром волокна от 5 до 10 мкм, с поверхностной плотностью 175-650 г/м, толщиной от 1,5 до 6 мм.
Используемые активированные угли обладают высокими сорбционными характеристиками и тоже разрешены для использования их в пищевой промышленности, в том числе при очистке питьевой воды.
2
Может использоваться дробленый активированный уголь, например, из скорлупы кокосовых орехов, березовый активированный уголь. Но предпочтение отдают активированному углю из скорлупы кокосовых орехов с удельной поверхностью 1100-1300 м/г, с сорбционной емкостью по метиленовому голубому не менее 240 мг/г, характеризующемуся йодным числом не менее 1050 мг/г, модифицированному серебром, при содержании серебра от 0,06 до 0,4 мас.%, предпочтительно, от 0,1 до 0,3 мас.%. Предпочтительно используется уголь, модифицированный серебром, так как существует необходимость защиты от биообрастания. Такое содержание серебра в активированном угле обеспечивает бактериостатический эффект, т.е. предохраняет картридж от биообрастания.
Предпочтительно выбирают для загрузки фракцию активированного угля с размером частиц от 0,45 до 4,75 мм, преимущественно, от 0,5 до 1,5 мм. Такой размер
частиц угля выбран не случайно, чем меньше размер, тем эффективнее очистка от органических загрязнений. Если использовать уголь с мелкими частицами (0,1-0,45 мм), производительность картриджа снижается из-за возрастания гидродинамического сопротивления. Если же использовать уголь с размером частиц более 1,5 мм, то эффективность адсорбции органических примесей снижается. Поэтому выбран диапазон размера частиц угля, позволяющий сбалансировать эти две характеристики картриджа.
Размещают сверху загрузки из активированного угля или ионообменной смолы удерживающий перфорированный элемент из полимерного материала. Для того, чтобы активированный уголь и ионообменная смола не вымывались из картриджа и предусмотрен этот перфорированный элемент с размером ячеек меньшим, чем размер частиц активированного угля или ионообменной смолы.
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" иди 20" и диаметром 62 мм) и Big Blue (высотой 5", 10" пли 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 0,4 мм, что определено характеристиками активированного угля и ионообменной смолы. 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, в одном случае, ионообменную смолу, а в другом случае, ионообменную смолу и активированный уголь.
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 и на фигуре совмещены два варианта загрузки: в одном случае, ионообменную смолу, а в другом случае, ионообменную смолу и активированный уголь.
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 и на фигуре совмещены два варианта загрузки: в одном случае, ионообменную смолу, а в другом случае, ионообменную смолу и активированный уголь.
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-
2
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. В случае, когда загрузка представляет собой ионообменную смолу 5, последняя размещается внутри стакана 4. В случае, когда загрузки представляют собой ионообменную смолу 5 и активированный уголь 6, ионообменная смола 5 размещается в пространстве между перфорированным каркасом 1 и стаканом 4. А загрузка из активированного угля 6 размещается внутри стакана 4.
Сверху загрузок устанавливают удерживающий перфорированный элемент из полимерного материала 7.
Сорбционно-фильтрующий материал с внутренним сорбционным слоем 2 и защитными слоями 3 и 3' дополнительно поддерживаются полимерной сеткой 8, надетой на Сорбционно-фильтрующий материал.
Адаптеры 9, 9', 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 6 (сетка). Каркас 1 и адаптеры 9, 9' 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. В случае выполнения картриджа по 1-му и 3-му вариантам, когда загрузка, представляющая собой ионообменную смолу 5, размещена внутри стакана 4, жидкость проходит внутри стакана 4 снизу вверх через загрузку, очищаясь от ионов металлов, анионов, гуминовых веществ и подобных загрязнений, далее через выход фильтродержателя (не показан) попадает к потребителю.
В случае выполнения картриджа по 2-му и 4-му вариантам, когда загрузка, представляющая собой ионообменную смолу 5, размещена в пространстве между перфорированным каркасом 1 и стаканом 4, а загрузка из активированного угля 6 размещена внутри стакана 4, жидкость, проходя через обе эти загрузки, очищается и от ионов металлов, анионов, гуминовых веществ и подобных загрязнений, и от органических соединений, нефтепродуктов и остаточного хлора, далее через выход фильтродержателя (не показан) попадает к потребителю.
2
2
2
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
2
2
2
5
4
картриджей соответственно: 2, 4 и 8 л/мин. В случае картриджа, сформированного в виде гофрированной (полосы) ленты из сорбционного материала, общая площадь поверхности равна: 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, в первом и третьем вариантах, из ионообменной смолы в стакан, размещенный внутри перфорированного каркаса. В качестве ионообменной смолы использовали волокнистую смолу пищевых марок ВИОН КН-1, ВИОН КН-3, ФИБАН и др., гранулированную смолу пищевых марок фирмы RESINEX: KW-8, KW-H, AW-4, NR-1, А-4, К-8 и других производителей ионообменных смол, таких как, BAYER AG, ROHM&HAAS, PURALITE, DOW. Во втором и четвертом вариантах к загрузке из ионообменной смолы, размещенной в пространстве между перфорированным каркасом и стаканом, добавляли загрузку из гранулированного активированного угля (из скорлупы кокосовых орехов, березовый активированный уголь) или из углеродного волокна (Бусофит, Вискумак, Карбопон и др.), модифицированных серебром с содержанием последнего 0,2 мас.%. Фракция гранулированного активированного угля выбиралась с размером частиц от 0,5 до 1,5 мм.
Для подтверждения технического результата готовилась загрязненная модельная жидкость, которая пропускалась через картриджи с предлагаемыми загрузками. Результаты очистки представлены в таблице 1 и таблице 2.
Таблица 1. Эффективность очистки воды от вредных химических веществ картриджами, включающими сорбционно-фильтрующий материал и ионообменную смолу
№
Показатели
Исходная концентрация
После фильтрации
ПДК
Обобщенные показатели
1
Жесткость, мг-экв/л
7,7
4,0
7,0
2
Перманганатная окисляемость, мг О/л
18
4,0
5,0
3
Мутность, ЕМФ
10,2
0,01
2,6
Неорганические вещества, мг/л
4
Железо (Fe, суммарно)
5,4
0,1
0,3
5
Мышьяк (As, суммарно)
0,1
0,04
0,05
6
Ртуть (Hg, суммарно)
0,0012
0,0003
0,0005
7
Кадмий (Сd, суммарно)
0,003
0,001
0,001
8
Свинец (Рb, суммарно)
0,5
0,2
0,3
9
Марганец (Мn, суммарно)
0,6
0,1
0,1
10
Нитраты (NO<sub>3</sub> <sup>-</sup>)
100
30
45
11
Нитриты (NO<sub>2</sub> <sup>-</sup>)
7,8
1,8
3,0
12
Сульфаты (SO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>)
620
327
500
Таблица 2. Эффективность очистки воды от вредных химических веществ картриджами, включающими сорбционно-фильтрующий материал, ионообменную смолу и активированный уголь
№
Показатели
Исходная концентрация
После фильтрации
ПДК
Обобщенные показатели
1
Жесткость, мг-экв/л
7,9
4,4
7,0
2
Перманганатная окисляемость, мг О/л
27
5,0
5,0
3
Нефтепродукты (суммарно), мг/л
0,53
0,05
0,05
4
Мутность, ЕМФ
9,8
0,01
2,6
Неорганические вещества, мг/л
5
Железо (Fe, суммарно)
5,1
0,1
0,3
6
Мышьяк (As, суммарно)
0,1
0,05
0,05
7
Ртуть (Hg, суммарно)
0,0011
0,0003
0,0005
8
Кадмий (Cd, cyммapнo)
0,003
0,001
0,001
9
Свинец (Рb, суммарно)
0,56
0,3
0,3
10
Марганец (Мn, суммарно)
0,5
0,1
0,1
11
Нитраты (NO<sub>3</sub> <sup>-</sup>)
107
32
45
12
Нитриты (NO<sub>2</sub> <sup>-</sup>)
7,5
1,9
3,0
13
Сульфаты (SO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>)
614
331
500
Органические вещества, мг/л
14
Хлорфенол
0,043
0,0009
0,001
15
Гексахлорциклогексан
0,089
0,017
0,02
16
Остаточный хлор
0,5
не обнаруж.
0,3-0,5
Предлагаемые варианты полезной модели могут быть использованы в питьевом водоснабжении, в бытовых фильтрах, в фармацевтической промышленности для финишной очистки жидкости от электроотрицательных частиц, например, бактерий, вирусов, коллоидных частиц, пирогенов, нуклеиновых кислот, протеинов, энзимов и др., солей жесткости, тяжелых металлов, нитратов, нитритов, а также от хлора, хлорорганики, нефтепродуктов.