ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЙ ПАТРОН БЫТОВОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
HOUSEHOLD FILTER CELL FOR TAP WATER PURIFICATION

Изобретение предназначено для получения доброкачественной питьевой воды и может быть использовано в составе сменного фильтровального патрона бытового фильтра для очистки воды из водопровода и природных пресноводных источников.
Техническим результатом является обеспечение экономичной и эффективной очистки воды от солей металлов и органических соединений с сопутствующим ее обеззараживанием.
Известен материал фильтра узла фильтрации фильтровального патрона для сокращения количества, уничтожения или удаления бактерий и вирусов [US 2009008323]. Материал указанного фильтра, по крайней мере, частично сформирован из смеси мезопористых и микропористых частиц активированного угля, при этом некоторые из частиц покрыты серебром.
Состав материала позволяет уменьшить сопротивление течению, однако фильтрующие свойства такого материала не обеспечивают должной степени очистки воды от тяжелых металлов из-за невысокой полной обменной емкости активированных углей. Кроме того, принимая во внимание значительное время контакта, необходимое для удаления бактерий при помощи соединений серебра, материал обладает скорее бактериостатическим, нежели обеззараживающим действием.
В уровне техники известен метод ультрафильтрации для получения экологически полноценной питьевой воды, в частности, с помощью мембранных аппаратов на основе половолоконных мембран. Использование мембран в форме полых волокон обеспечивает наибольшую фильтрующую поверхность в объеме аппарата. Обычно применяется тип фильтрации "снаружи внутрь волокон".
Так, известен половолоконный мембранный аппарат [RU 2060804], включающий цилиндрический корпус с крышками, в одной из которых выполнены отверстия для входа разделяемой жидкости и вывода концентрата, а в другой отверстия для вывода фильтрата, в корпусе размещен мембранный элемент, состоящий из осевой перфорированной с одного края трубки, двух торцевых блоков, установленных на осевой трубке, и полых волокон, концы которых заделаны в торцевые блоки, причем блок со стороны выхода фильтрата герметично установлен в корпусе, а другой - со стороны выхода концентрата - имеет зазор с корпусом аппарата, а пучок полых волокон снабжен непроницаемым для разделяемой жидкости кожухом, открывающим его со стороны, противоположной перфорированному краю осевой трубки.
В качестве полых волокон, уложенных параллельно оси аппарата, он содержит ацетатцеллюлозные полые волокна со средним размером пор более 0.001 мкм, наружным и внутренним диаметром соответственно 280÷320 и 90÷120 мкм, а объем межволоконного (свободного) пространства в мембранном элементе не превышает 10%.
Недостатком изобретения является недостаточная экономичность очистки, обусловленная тем, что загрязненная вода подается под давлением 1÷1.5 МПа, при этом не более 75% омывающей жидкости проникает через стенки половолоконной мембраны и по ее каналам выводится через блок вывода фильтрата. Это означает, что не менее 25% очищаемой воды выводится из аппарата вместе с загрязнителями, т.е. безвозвратно теряется.
Вторым недостатком является то, что удаление маточного раствора в условиях бытового гравитационного фильтра не представляется возможным.
Еще одним недостатком является недостаточно высокая технологичность изготовления аппарата, связанная с тем, что для обеспечения плотности упаковки концы полых волокон должны быть заделаны в оба торцевых блока.
Для обеспечения плотности упаковки полых волокон в известном модуле для ультрафильтрации или микрофильтрации воды [US 6911147], волокна собраны в ∩-образные пучки, концы которых соединены между собой в нижней части модуля по отношению к режиму фильтрации посредством заливки смолой.
Недостатком указанного модуля фильтрации является необходимость удаления маточного раствора по отдельному каналу, что неприемлемо для бытового гравитационного фильтра.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности признаков является фильтровальный патрон [RU 74822] (прототип), содержащий узел подачи очищаемой воды, соединенный с узлом крепления в фильтре, соединенным с узлом фильтрации, соединенным с узлом вывода очищенной воды, узел фильтрации выполнен в виде оболочки, наполненной смесью адсорбирующих компонентов, узел подачи очищаемой воды выполнен в виде конусообразной оболочки с радиальными прорезями, узел крепления в фильтре выполнен в виде цилиндрической оболочки с резьбой на наружной поверхности, узел вывода очищенной воды выполнен в виде воронки с тупым углом и отверстием посередине, над узлом фильтрации установлена сетка, при этом между узлом фильтрации и узлом вывода очищенной воды установлен дополнительный узел фильтрации, выполненный в виде сетки со слоями нетканого фильтровального полотна из ионообменного волокна, дополнительный узел фильтрации имеет соединение с узлом вывода очищенной воды.
Простота конструкции фильтровального патрона в целом позволяет повысить надежность и удобство его эксплуатации и обеспечить эффективную очистку воды от солей металлов и органических соединений, однако он не позволяет удалять микроорганизмы, включающие микробы и бактерии, наличие которых характерно для воды из водопровода и природных пресноводных источников, не прошедшей предварительную подготовку для питьевых целей.
С другой стороны, конструктивное исполнение прототипа с дополнительным узлом фильтрации принципиально позволяет модифицировать фильтровальный патрон под различные технические задачи.
Заявляемый в качестве изобретения фильтровальный патрон бытового фильтра для очистки питьевой воды направлен на получение экологически полноценной питьевой воды, в частности на улучшение характеристик очистки воды от микроорганизмов, за счет использования мембран в форме полого волокна в составе дополнительного узла фильтрации.
Технический результат достигается тем, что предложен фильтровальный патрон бытового фильтра для очистки питьевой воды, состоящий из последовательно расположенных по потоку воды: узла подачи очищаемой воды, представляющего собой оболочку с радиальными прорезями и снабженного средством крепления патрона в фильтре, выполненным в виде цилиндрической оболочки с резьбой на наружной поверхности; узла фильтрации, выполненного в виде полого цилиндра, в верхнем основании которого установлена сетка, а в нижнем основании - дополнительный узел мембранной фильтрации, состоящий из торцевого блока и пучка ∩-образных полых волокон со средним размером пор не менее 0.001 мкм, наружным и внутренним диаметром соответственно 250÷350 и 80÷130 мкм, занимающих 10÷70 об.% полого цилиндра, при этом концы волокон пропущены через торцевой блок, а объем межволоконного пространства не превышает 10% объема узла мембранной фильтрации; слоя адсорбирующего компонента, расположенного между сеткой и узлом мембранной фильтрации; узла вывода очищенной воды, выполненного в виде воронки с тупым углом и отверстием посередине.
Целесообразно, что в качестве материала полых волокон используется полимер, выбранный из ряда: полипропилен, полиэтилен, полисульфон, полиалкилсульфон, поливинилиденфторид, полиакрилонитрил.
Целесообразно также, что 10÷20 мас.% полых волокон предварительно обработаны гидрофилизующим агентом, в качестве которого используются неионогенные поверхностно-активные вещества на основе полиэтиленгликоля.
Важно, что торцевой блок узла мембранной фильтрации, выполненный из полимеризованной смолы или из стекловидного полимера, имеет герметичное соединение с оболочкой полого цилиндра узла фильтрации.
Технический результат достигается также тем, что в качестве адсорбирующего компонента используется смесь гранулированных сорбентов, состоящая из серебросодержащего активированного угля с концентрацией Ag от 0.05 до 5.0 мас.% и с размером гранул 0.6÷1.7 мм, активированного угля с размером гранул 0.3÷0.6 мм и карбоксилсодержащих катионитов при следующем соотношении компонентов, об.%:
серебросодержащий активированный уголь
с размером гранул 0.6÷1.7 мм
20÷50
активированный уголь
с размером гранул 0.3÷0.6 мм
20÷50
карбоксилсодержащие катиониты
5÷40.
Возможно, что крепление фильтровального патрона в фильтре дополнительно загерметизировано полимерным кольцевым уплотнителем.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что очистка питьевой воды осуществляется дополнительным узлом мембранной фильтрации, включающим пучок ∩-образных полых волокон, а компоненты маточного раствора, удаление которого в условиях бытового гравитационного фильтра не представляется возможным, сорбируются слоем адсорбирующего компонента. Применение полых волокон приводит также к дополнительному обеззараживающему эффекту.
Использование ∩-образных полых волокон, направленных своей верхушкой навстречу потоку очищаемой воды, позволяет обеспечить плотность упаковки полых волокон, а значит увеличить эффективную поверхность фильтрации.
Подбор характеристик полых волокон и предварительная обработка определенной части полых волокон гидрофилизующим агентом позволяют улучшить гидродинамические условия разделения в дополнительном узле мембранной фильтрации и, в целом, осуществлять безнапорную фильтрацию.
Узел мембранной фильтрации изготовляется следующим образом. Полые волокна собирают в ∩-образные пучки, концы которых помещают в полый цилиндр узла фильтрации. Затем полый цилиндр примерно на пятую часть заполняют смолой или жидким мономером и проводят их полимеризацию до получения твердого или стекловидного материала торцевого блока. Полученную заготовку торцевого блока примерно на половину толщины обрезают гильотинным ножом для высвобождения концов полых волокон.
Изобретение проиллюстрировано Фиг.
На Фиг. представлена принципиальная схема фильтровального патрона бытового фильтра для очистки питьевой воды, на которой: 1 - средство крепления патрона в фильтре; 2 - узел подачи очищаемой воды; 3 - полимерный кольцевой уплотнитель; 4 - сетка; 5 - узел фильтрации; 6 - слой адсорбирующего компонента; 7 - ∩-образные полые волокна; 8 - торцевой блок дополнительного узла мембранной фильтрации; 9 - узел вывода очищенной воды.
Применение полимерного кольцевого уплотнителя в креплении фильтровального патрона в фильтре не позволяет части воды, содержащей микроорганизмы, проходить в обход фильтровального патрона, поэтому допускается использование в качестве материала корпуса патрона как эластичных, так и неэластичных полимеров из ряда: полипропилен, полиэтилен, сополимер стирола и акрилонитрила, акрилонитрилбутадиенстирол.
Использование сетки в верхнем основании полого цилиндра узла фильтрации позволяет распределить поток очищаемой воды по всему сечению узла фильтрации и не допустить вымывание из него адсорбирующего компонента.
Использование слоя адсорбирующего компонента позволяет сорбировать компоненты маточного раствора, содержащего соли металлов и органические соединения, а также ингибировать процесс размножения бактерий внутри фильтровального патрона.
Использование полых волокон позволяет разделить очищаемую воду на фильтрат и маточный раствор и дополнительно удалить микроорганизмы.
Использование торцевого блока дополнительного узла мембранной фильтрации способствует формированию потока фильтрата на выходе из узла фильтрации.
Фильтровальный патрон бытового фильтра для очистки питьевой воды работает следующим образом (Фиг.).
Патрон устанавливается в бытовой фильтр с помощью средства крепления 1, затем в емкость для подачи очищаемой воды фильтра наливается вода. Вода через прорези узла подачи очищаемой воды 2, загерметизированого полимерным кольцевым уплотнителем 3, поступает на сетку 4 в верхнем основании полого цилиндра узла фильтрации 5, где распределяется по всему сечению узла фильтрации и попадает в слой адсорбирующего компонента 6, состав которого подбирается под задачи сорбции компонентов маточного раствора, как правило, солей металлов и органических соединений. Далее вода попадает в пучок ∩-образных полых волокон 7, в котором происходит очистка от микроорганизмов, путем разделения очищаемой воды на фильтрат и маточный раствор. Через концы полых трубок, пропущенных через торцевой блок дополнительного узла мембранной фильтрации 8, сформированный поток фильтрата поступает в узел вывода очищенной воды 9 и далее в емкость сбора отфильтрованной воды бытового фильтра.
3
Ниже приведены примеры достижения технического результата при использовании заявляемого фильтровального патрона производительностью 6 дм/ч. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают применение предложенного фильтровального патрона.
В качестве примеров ниже приведены данные протоколов лабораторных исследований проб воды из системы централизованного водоснабжения г.Москвы, искусственно контаминированных исследуемыми загрязнителями, до и после использования заявляемого фильтровального патрона.
Заявляемый в качестве изобретения фильтровальный патрон бытового фильтра для очистки питьевой воды позволяет экономично и эффективно получать экологически полноценную питьевую воду, в частности очищенную от микроорганизмов.