ФИЛЬТР-ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ
FILTRATION ELEMENT FOR FLUID FINE CLEANING

Изобретение относится к устройствам, используемым для тонкой фильтрации жидкостей потребителями: питьевая вода, спирты, углеводороды, эфиры, бензин, керосин, органические соединения, кислоты, перекись водорода и т.д., которое эффективно очищает фильтруемую жидкость от взвесей, бактерий, растворенных химических и органических соединений, тяжелых металлов, алюминия, железа и других загрязнений; фильтр-элемент является химически нейтральным и может найти применение в бытовых и промышленных условиях, в химической промышленности, в медицине, в фармацевтике и в научных работах, а при отсутствии питьевой водопроводной воды у индивидуальных потребителей.
Известен аппарат для очистки воды, содержащий корпус, ультрафильтрационный блок, фильтр-элемент, загрузку из материала с плотностью, меньшей, чем плотность воды, например пенополистирола, патрубки подачи исходной воды (а.с. СССР 1584984, В01D 61/00, 1990 г.).
Недостатком этого аппарата является недостаточное качество очистки воды.
Известен фильтр для тонкой очистки, содержащий корпус, выполненный с коллекторами для сбора фильтрата, штуцер и шланг для отвода отфильтрованной воды, фильтрационную подложку и фильтроэлементы, которые выполнены из пленки со сквозными отверстиями (см. патент РФ №2145984 по кл. С02F 9/00 с приоритетом от 1999 г.).
К недостатку этого фильтра следует отнести затруднения в эксплуатации при расположении уровня фильтруемой жидкости ниже высоты фильтрующего элемента.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является фильтр для очистки жидкости, включающий штуцер для отвода отфильтрованной жидкости, фильтрационную подложку и внешние мембраны, выполненные из пленки со сквозными отверстиями (см. патент РФ №2145943 по кл. С02F 9/00 с приоритетом от 27.02.2000 г.).
Хотя это техническое решение и позволяет повысить качество очистки воды, однако оно не предназначено для работы под давлением в стандартных бытовых и промышленных фильтрах и не обеспечивает его работы при вертикальном расположении фильтр-элемента в расходной емкости, когда уровень фильтруемой жидкости опускается ниже высоты фильтр-элемента в безнапорном варианте использования фильтр-элемента для фильтрации жидкости. Когда на штуцер надевается полимерная трубка, фильтр-элемент помещается в сосуд с фильтруемой жидкостью, расположенный на 50-70 см выше сосуда для сбора отфильтрованной жидкости.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования фильтр-элемента бытового фильтра для тонкой очистки жидкости, в котором благодаря такому конструктивному исполнению с продольными и поперечными капиллярными канавками и герметичному закреплению по периметру прямоугольной жесткой пластины мембраны и фильтрационной подложки достигается возможность использования его как в безнапорном, так и магистральном вариантах, а также как в горизонтальном, так и в вертикальном положениях, когда уровень фильтруемой жидкости опускается ниже высоты фильтр-элемента. Использование в качестве подложки мембранного пористого фильтрационного материала обеспечивает непопадание накапливаемых на поверхности трековой мембраны в процессе фильтрации многократных загрязнений в фильтрат при повреждении внешней трековой мембраны.
Указанный технический результат достигается тем, что фильтр-элемент для фильтров тонкой очистки жидкости, выполненный со штуцером для отвода отфильтрованной жидкости и содержащий фильтрационную подложку и внешние мембраны, выполненные из пленки со сквозными отверстиями, содержит пластину прямоугольной формы, каждая и удлиненных сторон которой выполнена, по крайней мере, с двумя проточными продольными капиллярными канавками, расположенными параллельно удлиненным сторонам пластины, причем одни концы канавок сообщены со штуцером для отвода отфильтрованной жидкости проточными поперечными канавками, расположенными параллельно укороченной стороне пластины и перпендикулярно продольным канавкам.
Указанный результат достигается также тем, что фильтрационные подложки расположены между внешними мембранами и плоскими сторонами жесткой пластины.
Указанный результат достигается также тем, что фильтрационные подложки и внешние мембраны ламинированы и плотно соединены с жесткой пластиной.
Указанный результат достигается также тем, что фильтрационные подложки и внешние мембраны по периметру жестко закреплены на жесткой пластине термосваркой.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображен вид сверху на фильтр-элемент;
на фиг.2 - продольный разрез В-В фильтр-элемента для фильтров тонкой очистки жидкостей;
на фиг.3 - разрез А-А фиг.2;
на фиг.4 - схема фильтрации жидкости с выноской, дающей представление о выполнении пор в мембране.
Фильтр-элемент для тонкой очистки жидкости состоит из жесткой пластины 1 (фиг.1-4), выполненной прямоугольной формы и из полипропилена размером 200×68×4 мм с внутренней капиллярной структурой в виде капиллярных канавок 2-7 и штуцером 8 для отвода отфильтрованной воды. Сверху и снизу жесткой пластины размещается фильтрационная подложка 9 и 10 из нетканого материала (например, смесь полипропилена и полиэтилена) толщиной 100-200 мкм. На внешние стороны подложки ламинируется защитная мембрана 11 и 12 (пленка толщиной 10-20 мкм с калиброванными отверстиями размерами, которые можно выбрать в диапазоне от 0,2 до 1,2 мкм - трековая мембрана). Мембрана может быть изготовлена из поликарбоната, лавсана, полиимида, полипропилена, фторсодержащей пленки. Герметизация фильтр-элемента производится термической сваркой по периметру корпуса сверху и снизу. Трековая мембрана и фильтрационная подложка привариваются к жесткой пластине.
Подложка 9 и 10 может быть выполнена, по крайней мере, из одного слоя и представляет собой мембранный фильтр, изготовленный из производных полимеров. Материал мембранного фильтра образует связную структуру, так что свободные частицы или волокна отсутствуют. При этом можно считать, что процесс фильтрации аналогичен действию многослойного сита или решета с весьма малыми по размерам ячейками размеры проходов, или пор, в пределах отдельного фильтр-элемента выдерживаются с очень жесткими допусками (порядка 0,05 мкм), что дает возможность изготавливать фильтр-элементы с порами различной величины.
В жесткой пластине 1 фильтр-элемента сделаны проточные продольные 2-5 и проточные поперечные 6 и 7 капиллярные канавки, которые обеспечивают режим его работы по всей площади мембраны. При правильном выборе сочетания размеров жесткой пластины, толщины и пористости подложки, размеров и расположения капиллярных канавок обеспечивается оптимальный с точки зрения производительности и ресурса режим работы фильтр-элемента в процессе фильтрации. Также обеспечивается возможность работы фильтр-элемента в безнапорном варианте в любом положении (горизонтальном или вертикальном), причем фильтр-элемент в вертикальном положении не прекращает работу, даже когда уровень фильтруемой жидкости опускается ниже высоты фильтр-элемента, фильтр-элемент «высасывает» фильтруемую жидкость как насос до дна. Этот эффект обеспечивается внутренним смачиванием мембраны изнутри фильтр-элемента капиллярным эффектом подъема жидкости на заданную высоту.
Размер пор подложки должен быть больше размера пор мембраны. Толщина подложки должна быть на порядок больше толщины мембраны. Соблюдение этих соотношений обеспечит равномерность фильтрации по всей площади фильтр-элемента и наилучшую его производительность.
Мембрана ламинируется на подложку при этом общая площадь ламинации не превышает 10% от общей рабочей поверхности мембраны, что обеспечивает прочность трековой мембраны и плотное ее прижатие к подложке для обеспечения оптимально-равномерного режима работы фильтр-элемента по всей площади мембраны.
Данная конструкция фильтр-элемента позволяет использовать его как в безнапорном, так и магистральном вариантах. Конструкция фильтр-элемента (это абсолютно плоский жесткий корпус с капиллярными канавками, мембраной, фильтрационной подложкой и штуцером) обеспечивает его работу при внешнем давлении фильтруемой жидкости до 10 атм. При безнапорном варианте использования фильтр-элемента имеется в виду схема фильтрации жидкости, когда на штуцер надевается полимерная трубка 13 (фиг.1 и 4), фильтр-элемент помещается в сосуд 14 с фильтруемой жидкостью, расположенный на 50-70 см выше сосуда 15 для сбора отфильтрованной жидкости.
В экстремальных ситуациях: стихийные бедствия, наводнения, туризм, боевые действия фильтр-элемент можно использовать как индивидуальный фильтр. Надев на штуцер 4 мм полимерную трубку или непосредственно через штуцер опустив фильтр-элемент в воду, можно безопасно пить воду, всасывая ее ртом.
Применяемые при изготовлении фильтр-элемента материалы и технологии изготовления обеспечивают:
- его химическую нейтральность;
- возможность его стерилизации, например, кипячением (эта возможность обеспечивается вследствие того, что в структуре фильтр-элемента отсутствуют внутренние емкости, в противном случае его бы просто разорвало);
- подбор параметров (пор) трековой мембраны и подложки позволяет изготавливать наиболее оптимальные (с точки зрения ресурса и производительности) фильтр-элементы для фильтрации различных жидкостей как по степени вязкости и загрязненности, так и по качеству требуемой очистки.
Заявляемое техническое решение может быть эффективно использовано при тонкой фильтрации следующих жидкостей: питьевая вода, спирты, углеводороды, эфиры, бензин, керосин, органические соединения, кислоты, перекись водорода и т.д., при этом оно позволяет эффективно фильтровать:
- различные мелкодисперсные механические частицы и взвеси;
- все виды бактерий - 100%;
- тяжелые металлы - 85-95%;
- свинец - более 90%;
- кадмий - 80%;
- железо 3-валентное - 100%;
- нефтепродукты - более 95%;
- пестициды - более 90%;
- алюминий - 100%.
Многослойный мембранный фильтр-элемент обладает всеми свойствами фильтрации, присущими трековой мембране и мембранному объемному фильтру.
Скорость потока пропорциональна площади фильтрации и разности давлений и обратно пропорциональна вязкости фильтруемой жидкости. Заявляемый фильтр-элемент при фильтрации питьевой воды при давлении 1 атм способен обеспечить начальную производительность 30 литров в час.
Срок службы мембранного фильтр-элемента - это объем жидкости, который может быть пропущен через фильтр-элемент до того, как скорость потока упадет ниже требуемого уровня или до полного прекращения потока, т.е. до засорения фильтр-элемента. Использование внешней трековой мембраны позволяет проводить регенерацию фильтр-элемента по мере его загрязнения кислотным раствором (эффективность регенерации 92-94%), что значительно увеличивает его срок службы.
1
При использовании фильтр-элемента в виде индивидуального фильтра необходимо для протекания процесса фильтрации создать перепад давлений на мембране за счет разности статических высот Н и H (50-70 см) расположения расходной емкости и емкости для сбора фильтрованной жидкости (фиг.3). Такой фильтр всегда готов к работе в экстремальных случаях и вводится в действие, когда требуется получить очищенную от вредных веществ (примесей) жидкость, при этом установка фильтра и его обслуживание (регенерация) достаточно проста и не занимает много времени.
Реализация заявленного технического решения позволяет повысить эффективность и надежность работы фильтр-элемента, расширить диапазон его использования в стандартных бытовых и промышленных фильтрах, а также позволяет его использовать в аварийных случаях, в виде индивидуального фильтра (при этом обеспечивается его работоспособность при любом расположении фильтр-элемента в емкости фильтруемой жидкости (горизонтально или вертикально) и при любом уровне жидкости).