Фильтрующий патрон для получения питьевой воды с улучшенными потребительскими свойствами

Фильтрующий патрон предназначен для получения доочищенной питьевой воды с улучшенными потребительскими свойствами и может быть использован в составе бытового фильтра кувшинного типа для очистки водопроводной воды. Фильтрующий патрон позволяет получать воду с щелочным значением рН очищенной воды 8÷9 ед. и отрицательным значением окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), а также дополнительно обогащать воду ионами кальция и магния.
Существует ряд исследований врачей-физиологов, подтверждающих, что вода с щелочным значением рН и отрицательным значением ОВП обладает антиоксидантной активностью. Обусловлено это тем, что вода с такими характеристиками ближе по своим свойствам к внутренней среде организма. Если поступающая в организм питьевая вода имеет ОВП, близкий к значению ОВП внутренней среды организма человека, то энергия клеточных мембран не расходуется на коррекцию ОВП поступающей в организм воды, как следствие, вода с такими свойствами и содержащиеся в ней макро- и микроэлементы усваиваются организмом быстрее. Исходя из этого, итоговая цель полезной модели - получение питьевой воды с физиологически сбалансированным уровнем значений рН и ОВП.
Существует множество решений для достижения требуемых характеристик.
Известно устройство для получения жидкой среды с отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом путем насыщения ее водородом [RU 71332], находящимся под давлением, содержащее емкость для соединения жидкой среды с водородом, источник водорода, средства для подвода газообразного водорода и жидкой среды в емкость для их соединения, отличающееся тем, что в качестве источника водорода используют газообразный водород, находящийся в газовом баллоне, в качестве емкости для соединения используют кавитационный эжектор-смеситель, при этом количество вводимого в жидкую среду водорода составляет от 1 до 1.79 л на 100 л жидкой среды.
Одним из недостатков данного устройства является отсутствие модуля предварительной очистки воды от вредных примесей, что наряду с низким ОВП полученной воды может приводить к получению организмом человека повышенного количества этих примесей.
Известен способ получения питьевой воды [RU 2527788], характеризующийся тем, что включает забор воды из природного источника, очистку от твердых примесей и обработку путем пропускания воды через аппарат, представляющий собой устройство, имеющее внешний и внутренний цилиндр, через центральную полость устройства пропускают воду из подающей трубы с возможностью закручивания встречными потоками по спирали со скоростью 0.2÷3.0 м/с и намагничивания, обработку в аппарате проводят при температуре 5÷25°C, затем осуществляют проточную магнитную обработку в аппарате, представляющем собой магнитную трубу с диаметром 5÷20 см, через которую протекает вода со скоростью 0.2÷3.0 м/с. При этом энергонасыщенность природной воды 40 кДж/моль, а полученной воды 270 кДж/моль, показатели полученной воды: окислительно-восстановительный потенциал 0÷60 мВ и рН воды 6.5÷8.5.
Недостатком данного устройства также является отсутствие предварительной очистки воды от химических примесей, заявлена только очистка от механических загрязнений.
4
4
4
4
2
4
2
4
3
4
2+
2-
+
2+
2+
2+
3+
+
2
Известен способ приготовления ультрапресной воды хозяйственно-питьевого назначения [RU 2483031], в котором исходную воду деминерализируют и делят на две части. В первую часть вводят MgSO в количестве, обеспечивающем содержание катионов Mg=20÷25 мг/л и анионов SO=80÷100 мг/л, и подвергают электроактивации. Полученную таким образом электроактивированную воду с окислительно-восстановительным потенциалом от 5 мВ до 500 мВ смешивают со второй частью деминерализированной воды при их соотношении, равном (5÷30)/(70÷95) соответственно, доводят рН до 6.5÷6.9, а полученный водный раствор минерализируют путем введения MgSO, ZnSO, LiSO, Cr(SO) и KCl в количестве, обеспечивающем следующий ионный состав, мг/л: К=16÷20; Mg=18÷24; Zn=1.6÷1.99; Li=0.06÷0.16; Cr=0.01÷0.08; Cr=15÷18; SO=75÷100.
Недостатками данного способа также являются отсутствие предварительной очистки воды, достаточно трудоемкая процедура ее подготовки и требование наличия источника питания, как следствие, затраты на электроэнергию. При этом полученная вода имеет близкое к нейтральному значение рН.
Также известен способ снижения окислительно-восстановительного потенциала воды [RU 2351546], который включает в себя пропускание воды через электродную камеру, содержащую аноды и катоды, подключенные к источнику постоянного электрического напряжения, и не имеющую разделительных полупроницаемых мембран или диафрагм. Процесс проводится в течение 10÷600 с при напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве в пределах 1.5÷24 В/см. Технический эффект: уменьшение изменений химического состава воды и затрат электроэнергии при снижении окислительно-восстановительного потенциала воды, увеличение скорости обработки воды и обеспечение попутной очистки воды от посторонних примесей.
Недостатками данного способа является требование наличия источника питания и, как следствие, затраты на электроэнергию.
Известно устройство для повышения биологической активности и очистки воды [RU 80840], содержащее корпус, электроды, подсоединенные к источнику напряжения, отличающееся тем, что корпус устройства имеет наполнитель в виде поляризуемых дисперсных частиц, в верхней крышке корпуса имеются два канала с отверстиями для подачи исходной воды и выпуска. Полезная модель направлена на обеспечение возможности более эффективной обработки воды хозяйственно-питьевого назначения в целях улучшения ее потребительских характеристик при одновременном решении комплекса вопросов, связанных с понижением окислительно-восстановительного потенциала, очистки и насыщения воды водородом и кислородом в условиях непрерывного водоснабжения и нормальных значениях рН.
Недостатками данного способа является требование наличия источника питания и, как следствие, затраты на электроэнергию.
Известно устройство для доочистки питьевой воды [RU 79550], которое содержит механический фильтр, ионообменную ступень и на выходе сорбционную ступень, на входе перед механическим фильтром установлен корректор окислительно-восстановительного потенциала в виде бездиафрагменного электролизера, соединенного с источником постоянного тока. Кроме того, при необходимости дополнительного снижения окислительно-восстановительного потенциала питьевой воды еще один электролизер устанавливается перед сорбционной ступенью.
Недостатками данного способа является требование наличия источника питания и, как следствие, затраты на электроэнергию.
В дополнение к перечисленным выше недостаткам, все эти решения конструктивно сложны, дороги и имеют ограниченную применимость вследствие необходимости их подключения к источнику электрического питания.
Технической задачей предлагаемого решения являются доочистка питьевой воды и улучшение ее потребительских свойств (обогащение ионами кальция и магния, снижение ОВП до отрицательных величин, повышение рН очищенной воды до 9.0 ед.) при сохранении относительной простоты конструкции.
Технический результат достигается тем, что предложен фильтрующий патрон для получения питьевой воды с улучшенными потребительскими свойствами, состоящий из последовательно соединенных: узла подачи очищаемой воды, включающего оболочку с радиальными прорезями и снабженного средством крепления в фильтре, выполненного в виде цилиндрической оболочки с резьбой на наружной поверхности; узла фильтрации, выполненного в виде полого цилиндра, на основаниях которого установлены сетки, и заполненного смесью гранулированных адсорбирующих и минерализующих компонентов и слоем нетканого ионообменного фильтрующего полотна, прилегающим с внутренней стороны к сетке в нижней части узла фильтрации; узла вывода очищенной воды, выполненного в виде воронки с тупым углом и отверстием посредине; при этом узел фильтрации содержит смесь гранулированных кальцийсодержащего и магнийсодержащего компонентов и гранулированных адсорбирующих компонентов при следующем содержании компонентов смеси, об. %:
серебросодержащий активированный уголь
2÷5
активированный уголь
55÷80
ионообменная смола
10÷20
кальцийсодержащий компонент
5÷15
магнийсодержащий компонент
5÷15
Сущность изобретения заключается в том, что смесь кальцийсодержащего и магнийсодержащего компонентов обеспечивает смещение окислительно-восстановительного потенциала очищенной воды до -150 мВ и повышение показателя рН до 8.0÷9.0 ед. независимо от характеристик исходной воды.
Дополнительная минерализация ионами кальция, а также увеличение рН воды реализуется путем введения в состав фильтрующей смеси кальцийсодержащего компонента, получаемого из природного минерала на основе карбоната кальция, в количестве 5÷15% от общего объема всех фильтрующих компонентов узла фильтрации. Выделение ионов кальция осуществляется за счет пролонгированного растворения гранул материала при контакте с водой. При этом, ограниченная растворимость материала не приводит к появлению избыточной концентрации ионов кальция. При содержании кальцийсодержащего материала 5÷15 об. % концентрация ионов кальция и значение показателей рН в очищенной воде не превышает гигиенических нормативов.
Целесообразно, что в качестве магнийсодержащего материала, способствующего обогащению воды ионами магния и снижения ОВП очищенной воды до отрицательных значений, используют искусственный гранулированный материал на основе оксида/гидроксида магния с добавлением металлического магния. Использование в смеси гранулированного магнийсодержащего материала в количестве 5÷15 об. % обеспечивает оптимальную концентрацию магния в отфильтрованной воде, а также смещение ОВП очищенной воды в отрицательную область до значений - 150 мВ.
Увеличение количества кальцийсодержащего и магнийсодержащего материалов приводит к избыточному защелачиванию очищенной воды (12.0 ед. рН и более), а также является экономически нецелесообразным. При снижении содержания кальцийсодержащего и магнийсодержащего материалов менее 5 об. % изменение показателей рН и ОВП минимально и нецелесообразно.
Целесообразно, что в смеси адсорбирующих компонентов используют слабокислотные катионообменные смолы в Na-, и/или К-, и/или Mg-формах. Использование таких смол обеспечивает удаление ионов тяжелых металлов из воды, существенно не изменяя при этом значение рН очищенной воды. Использование в составе адсорбирующих компонентов слабокислотных макропористых смол в Н-форме также обеспечивает очистку исходной воды от ионов тяжелых металлов, однако значение рН очищенной воды в этом случае будет находиться в слабокислой области рН, что в свою очередь приведет к положительному значению ОВП, что не будет соответствовать поставленной технической задаче.
Целесообразно, что в смеси гранулированных адсорбирующих компонентов используют нативные активированные угли, проявляющие щелочные свойства при контакте с водой. Для поддержания рН очищенной воды в интервале рН 8.0+9.0 ед. значение рН воды после контакта с активированным углем также должно находиться в диапазоне рН 8.0 и более. Использование специализированных отмытых кислотой активированных углей, после контакта с которыми значение рН воды будет составлять менее 8.0 ед., будет приводить к получению очищенной воды со значениями рН менее 8.0 ед. и, как следствие, более высоким значениям ОВП.
Размер гранул активированных углей составляет 0.3÷1.7 мм, размеры гранул ионообменной смолы и кальцийсодержащего компонента - 0.4÷1.2 мм, магнийсодержащего компонента - 1.4÷2.5 мм, содержание серебра в серебросодержащем активированном угле составляет не менее 0.05 мас. %.
Гранулы активированного угля размером менее 0.3 мм ухудшают гидродинамику, в данном случае, снижают скорость фильтрации, а более 1.7 мм не позволяют достичь желаемых показателей по эффективности очистки, т.к. эффективная поверхность фильтрующего материала снижается. Размер гранул кальций и магнийсодержащих компонентов обусловлен тем, что несущественно изменяет гидродинамические свойства смеси активированного угля и ионообменной смолы, при этом обеспечивая пролонгированное растворение данных компонентов в течение всего ресурса.
Введение в смесь гранулированных адсорбирующих компонентов серебросодержащего активированного угля предотвращает биообрастание материала, т.е. создает бактериостатический эффект.
Целесообразно, что слой нетканого ионообменного полотна, изготавленный из катионообменного волокна, обеспечивает дополнительную селективную очистку воды от железа и ионов тяжелых металлов, а также позволяет избежать вымывания частиц смеси гранулированных адсорбирующих компонентов из фильтрующего патрона.
Фильтрующий патрон работает следующим образом (Фиг.).
С помощью средства крепления (3) патрон устанавливают в бытовой фильтр. Резьбовое соединение фильтрующего патрона и фильтра позволяет с достаточной степенью свободы перемещать и наклонять фильтр. Очищаемая вода через радиальные прорези (2) оболочки узла подачи очищаемой воды (1) попадает на сетку (4), не позволяющую вымываться частицам смеси адсорбирующих компонентов и минерализующих компонентов (6), проходит через нее и попадает в полый цилиндр узла фильтрации (5), заполненный смесью гранулированных адсорбирующих и минерализующих компонентов (6): активированного угля, ионообменной смолы, кальцийсодержащих и магнийсодержащих материалов. Проходя через смесь гранулированных активированного угля и ионообменной смолы, исходная вода очищается от активного хлора, хлорорганических соединений, пестицидов, нефтепродуктов, АПАВ, общего железа и ионов тяжелых металлов, неприятных запахов и привкусов. Наличие серебра в составе гранулированного активированного угля предотвращает биообрастание материала, т.е. создает бактериостатический эффект. За счет растворения кальцийсодержащих и магнийсодержащих гранулированных материалов, сопровождающегося протеканием окислительно-восстановительных процессов, происходит снижение ОВП в отрицательную область, смещение кислотно-основного баланса в щелочную область и обогащение воды ионами кальция и магния. Далее очищаемая вода попадает на слой нетканого фильтрующего полотна (7), где задерживаются взвешенные частицы, а также ионы тяжелых металлов.
На выходе из узла фильтрации вода проходит через сетку (8), поддерживающую нетканое полотно (7), попадает в узел вывода очищенной воды (9) и через отверстие (10) выливается в емкость для сбора очищенной воды.
3
Ниже приведены примеры достижения технического результата при использовании заявляемого фильтрующего элемента производительностью 0.2 дм/ч в составе бытового фильтра для воды кувшинного типа. В качестве примеров приведены данные протокола лабораторных исследований проб воды из системы централизованного водоснабжения г. Москвы, предварительно очищенных с использованием системы обратного осмоса и искусственно контаминированных исследуемыми загрязнителями, до и после обработки заявляемым фильтрующим патроном. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают применение предложенного фильтрующего элемента.
Пример 1. Фильтрующий патрон, содержащий кальцийсодержащий компонент 5 об. %, магнийсодержащий компонент 5 об. %, активированный уголь 65 об. %, ионообменную смолу 15 об. %.
Пример 2. Фильтрующий патрон, содержащий кальцийсодержащий компонент 15 об. %, магнийсодержащий компонент 15 об. %, активированный уголь 50 об. %, ионообменную смолу 20 об. %.
Выполнение заявленного фильтрующего патрона для получения питьевой воды с улучшенными потребительскими свойствами позволяет получать воду с щелочным значением рН 8÷9 ед. и отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом, а также обогащенную ионами кальция и магния.