Фильтрующий элемент для очистки питьевой воды

Фильтрующий элемент предназначен для комплексной доочистки питьевой воды от нерастворимых частиц, а также активного хлора, органических и хлорорганических соединений, ионов тяжелых металлов, пестицидов, нефтепродуктов, неприятных запахов и привкусов, и может быть использован в одно- и многоступенчатых проточных бытовых фильтрах в составе сменного фильтрующего патрона. Техническим результатом является обеспечение эффективной очистки воды при достижении ресурса двух отдельных полноценных фильтрующих элементов.
Основной задачей, которую должен решить заявляемый фильтроэлемент, является сочетание двух методов очистки (механической и сорбционной) в одном корпусе, при этом ресурс заявляемого фильтроэлемента должен соответствовать ресурсу двух самостоятельных фильтроэлементов схожей производительности.
Для удовлетворения этих требований необходимо обеспечить, с одной стороны, эффективную толщину фильтрующего слоя для сорбционной и механической очистки, с другой - учесть прочностные характеристики фильтрующих материалов для обеспечения устойчивости к разрушению фильтроэлемента при транспортировке и хранении, а также к перепадам гидравлического давления во время эксплуатации.
Существует множество решений для достижения подобного результата.
Известен фильтр очистки питьевой воды [RU 130872], состоящий из двух полых перфорированных цилиндров разного диаметра, при этом цилиндр меньшего диаметра помещен внутрь цилиндра большего диаметра, между ними уложен фильтрующий материал, отделенный от поверхностей цилиндров сетчатым материалом, на торцевых сторонах цилиндров установлены крышки, а внешняя поверхность цилиндра большего диаметра закрыта нетканым пористым материалом из полимерных волокон, при этом фильтрующий материал представляет собой слой фильтрующего материала в виде измельченного диатомита, прокаленного до 950°С, в смеси с карбонатом натрия. Фильтр сочетает механический и сорбционный виды очистки.
Одним из недостатков данного фильтра является наличие большого количества элементов, что усложняет его сборку, увеличивает стоимость и снижает надежность. При этом содержащиеся в конструкции перфорированные цилиндры и сетчатый материал не участвуют в процессе фильтрации, а являются лишь элементами каркаса. Также фильтрующий материал, уложенный между двух указанных цилиндров в силу природы сыпучих материалов при радиальном направлении фильтрации образует полости, в результате чего возникает так называемый канальный эффект, что приводит к снижению эффективности очистки и ресурса. Еще одним недостатком является использование в качестве фильтра механической очистки нетканого пористого материала, современные технологии изготовления которого не позволяют получать степень очистки тоньше 30 мкм, таким образом ограничивая возможности применения заявленного фильтра.
Известен картридж для очистки жидкости [RU 155030], содержащий соосно установленные стакан с загрузкой из сорбента тяжелых металлов, перфорированный каркас, сорбционно-фильтрующий материал, включающий, по меньшей мере, два слоя защитного материала и размещенный между ними многослойный сорбционный материал, и поддерживающий элемент, соединенные торцевыми деталями, при этом поддерживающий элемент выполнен в виде эластичного трубчатого трикотажа плюшевого переплетения. Изготовление поддерживающего элемента из эластичного трубчатого трикотажа плюшевого переплетения за счет наличия в структуре переплетения упругого каркаса из эластомерной нити обеспечивает поддержку внутренних слоев картриджа. При этом наличие плюшевых петель обеспечивает улавливание механических примесей, защищая тем самым внутренние слои от забивки пор и осуществляя предварительную очистку жидкости. Картридж сочетает механический и сорбционный виды очистки.
Недостатки данного картриджа для очистки жидкости аналогичны рассмотренному выше решению.
Известен трубчатый элемент фильтровально-сорбционного типа [RU 29859], содержащий внутренний плетеный полимерный дренажный каркас, внешнюю плетеную полимерную сетку, торцовые уплотняющие крышки и расположенные между каркасом и сеткой слои сорбционного материала, разделенные между собой дренажными прокладками, представляющими собой полимерную сетку, отличающийся тем, что между внешней плетеной полимерной сеткой и сорбционным материалом размещен слой нетканого пористого материала из ультратонких полимерных волокон. При этом сорбционный материал представляет собой ткань или трикотаж, изготовленные на основе активированного угля (90÷99 мас. %), поверхность которого покрыта пленкой диоксида кремния (1÷10 мас. %). Данный трубчатый элемент сочетает механический и сорбционный виды очистки.
Недостатки данного трубчатого элемента аналогичны рассмотренному выше решению.
Наиболее близким по совокупности признаков техническим решением является способ изготовления пористого композиционного фильтрующего элемента и фильтрующий элемент [RU 2540637]. Способ изготовления фильтрующего элемента включает формирование слоя или слоев нетканого материала на пористом углеродном материале с последующей установкой нижнего и верхнего фланцев на торцевые стороны углеродного материала. Слой нетканого материала формируют вокруг пористого углеродного материала путем нахлесточного соединения нетканого материала и осуществления в месте перехлеста слоя тепловой обработки, обеспечивающей формирование шва по всей длине нетканого материала, которая превышает длину пористого углеродного материала. Выступающие части нетканого материала с торцевых сторон обрабатывают клеевой композицией на основе полимеров. Затем эти части фиксируют на торцевых сторонах пористого углеродного материала нижним и верхним фланцами. Изготовленный фильтрующий элемент состоит из пористого углеродного материала, покрытого нетканым материалом, и имеет композитную водонепроницаемую область с торцевых сторон пористого углеродного материала. Технический результат заключается в повышении качества фильтрации за счет повышения удерживающей способности фильтрующего элемента, а также обеспечении технологичности сборки фильтрующего элемента. Фильтрующий элемент сочетает механический и сорбционный виды очистки.
Недостатком является использование в качестве фильтра механической очистки нетканого пористого материала, современные технологии изготовления которого не позволяют получать степень очистки тоньше 30 мкм, таким образом ограничивая возможности применения заявленного фильтра. Также прочность соединения нетканого полотна сильно зависит от качества сварки. При этом место сварки образует водонепроницаемую область на поверхности фильтрующего элемента, что уменьшает эффективную поверхность очистки.
Технической задачей предлагаемого решения являются комплексная доочистка питьевой воды от нерастворимых частиц, а также активного хлора, органических и хлорорганических соединений, ионов тяжелых металлов, пестицидов, нефтепродуктов, неприятных запахов и привкусов при сохранении относительной простоты конструкции и невысокой стоимости производства.
Технический результат достигается тем, что предложен фильтрующий элемент для очистки питьевой воды, содержащий цилиндрическую оболочку из пористого полимерного материала, цилиндр из пористого углеродсодержащего материала, имеющий центральный осевой канал и размещенный внутри указанной оболочки, и торцевые адаптеры, имеющие герметичное соединение с указанными оболочкой и цилиндром.
Целесообразно, что пористый полимерный материал представляет собой пористый напыленный полипропилен. Размер пор при этом составляет 1÷10 мкм.
Диапазон выбран как наиболее соответствующий широко распространенному диапазону применения бытовых фильтров, а именно:
- 10 мкм - для источников воды с повышенной мутностью и концентрацией нерастворимых взвесей (частные скважины и прочие нецентрализованные источники водоснабжения);
- 5 мкм - для большинства источников воды централизованного водоснабжения;
- 1 мкм - для применения в качестве предфильтра в системах обратного осмоса.
Предпочтительно, что пористый углеродсодержащий материал представляет собой спрессованный и спеченный композит, содержащий активированный уголь. В зависимости от изначального состава очищаемой воды пористый углеродсодержащий материал может также включать в себя ионообменные волокна. Размер пор углеродсодержащего материала равен или превышает размер пор полимерного материала.
Важно, что содержание фильтрующих материалов составляет, об. %:
пористый полимерный материал
48÷62
пористый углеродсодержащий материал
38÷52
Уменьшение количества пористого полимерного материала ниже 48 об. % приведет к потере механической прочности оболочки и, как результат, проникновению нерастворимых частиц в пористый сорбционный материал, что создаст ухудшение или остановку тока воды через фильтрующий элемент. Содержание пористого полимерного материала более 62 об. % ухудшает гидродинамические характеристики фильтрующей системы.
Содержание пористого углеродсодержащего материала менее 38 об. % приводит к уменьшению ресурса в отношении очистки от активного хлора, органических и хлорорганических соединений, ионов тяжелых металлов, пестицидов, нефтепродуктов, неприятных запахов и привкусов, при этом содержание более 52 об. % экономически нецелесообразно, а также приводит к значительному уменьшению толщины стенок цилиндрической оболочки из пористого полимерного материала и потере ее механической прочности.
При необходимости дополнительной очистки воды от ионов тяжелых металлов в состав пористого углеродсодержащего материала вводят ионообменные волокна, содержание которых составляет 5÷10 масс. %. Увеличение содержания ионообменного волокна более 10 масс. % приводит к потере механической прочности цилиндра из углеродсодержащего материала, снижение содержания менее 5 масс. % - к недостаточной степени очистки от ионов тяжелых металлов.
Предпочтительно, что герметичное соединение торцевых адаптеров с цилиндрической оболочкой из пористого полимерного материала и цилиндром из пористого углеродсодержащего материала обеспечивают при помощи клеевой композиции на основе полимеров.
Целесообразно, что торцевые адаптеры имеют внешние упругие элементы, которые при установке фильтроэлемента в корпус бытового фильтра препятствуют смешиванию неочищенной воды с прошедшей обработку.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется иллюстрацией и примерами ее реализации.
На фигуре представлено изображение фильтрующего элемента в разрезе, на котором: 1 - оболочка из пористого полимерного материала; 2 - цилиндр из пористого углеродсодержащего материала; 3 - торцевые адаптеры; 4 - упругие элементы.
Фильтрующий элемент работает следующим образом.
Фильтроэлемент устанавливают внутрь корпуса бытового фильтра проточного типа и закрывают крышкой, герметично зафиксировав ее. Торцевые адаптеры обеспечивают правильную установку фильтроэлемента в корпус. Упругие элементы торцевых адаптеров и клеевой слой между адаптерами и фильтрующими материалами препятствуют проникновению неочищенной воды в выходной канал фильтроэлемента, минуя фильтрующие слои. Исходная вода поступает на наружную поверхность фильтроэлемента и проходит через слой пористого полимерного материала, где очищается от нерастворимых частиц путем удержания частиц в толще материала по всему объему. Затем вода проходит через пористый углеродсодержащий материал, очищается от активного хлора, органических и хлорорганических соединений, ионов тяжелых металлов (в одном из вариантов исполнения), пестицидов, нефтепродуктов, неприятных запахов и привкусов, после чего через центральный осевой канал покидает фильтрующий элемент.
Так как вода, пройдя очистку пористым полимерным материалом, лишается нерастворимых частиц, которые могли бы закупорить каналы в углеродсодержащем материале, то для изготовления углеродсодержащего слоя используют уголь более мелкой фракции, что позволяет увеличить эффективность очистки воды на 15÷20%.
Также фильтроэлемент обладает выгодной технологичностью при изготовлении. Для изготовления фильтрующих слоев используются существующие технологии напыления фильтроэлементов из полимерных материалов и экструдирования путем прессования и нагрева смеси угля, углеродных или ионообменных волокон и связующего материала. В отличие от существующих общепринятых фильтроэлементов из спрессованного и спеченного углеродного композита для заявленного фильтроэлемента не требуется, как часто бывает, использовать при его изготовлении внешний нетканый материал и удерживающую его полиэтиленовую сетку.
Для присоединения торцевых адаптеров используется широко распространенная технология и клеевая композиция, применяемые при изготовлении т.н. карбон-блоков.
Заявляемый фильтрующий элемент может быть изготовлен следующим способом. Способ описывает, но не ограничивает варианты изготовления заявляемого фильтрующего элемента.
Способ изготовления фильтрующего элемента, содержащего пористый полимерный материал, основан на технологии напыления расплавленного полимерного материала на вращающийся вал. Полимерный материал снимают с вала шнеком, перемещая вдоль фильеры. В результате образуется полуфабрикат цилиндрической формы. Тонкость фильтрации задают несколькими параметрами: скоростью вращения вала, скоростью съема полимерного материала с вала, температурой нагрева полимерного материала, температурой воздуха напыления, расстоянием и углом между валом и распыляющей фильерой.
Способ изготовления фильтрующего элемента, содержащего пористый углеродосодержащий материал, заключается в формировании полуфабриката цилиндрической формы с центральным каналом путем нагрева и экструзии смеси ионообменных волокон (в одном из вариантов исполнения), углеродсодержащего и связующего материала через формообразующую. В качестве связующего материала как правило используется порошок полиэтилена низкой плотности либо порошок этиленвинилацетата. При этом важно соблюдать соответствие размеров частиц порошка связующего материала размерам гранул угля. Тонкость фильтрации и сорбционную эффективность задают несколькими параметрами: величиной противодавления экструзии, температурой нагрева и гранулометрическим составом углеродсодержащего материала.
После изготовления заготовок цилиндрической формы для фильтрующего элемента заготовки нарезают на обрезки равной длины. Затем цилиндр из пористого углеродсодержащего материала запрессовывают в оболочку из пористого полимерного материала. Далее полученный блок обрабатывают клеевой композицией с торцевых сторон, на которые затем фиксируют торцевые адаптеры, после чего на адаптеры устанавливают упругие элементы.
3
Ниже приведены примеры достижения технического результата при использовании заявляемого фильтрующего элемента в составе бытового одноступенчатого фильтра для воды проточного типа производительностью 2,0 дм/ч. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают применение предложенного фильтрующего элемента.
В качестве примеров приведены данные протокола лабораторных исследований проб воды из системы централизованного водоснабжения г. Москвы, искусственно контаминированных исследуемыми загрязнителями, до и после использования заявляемого фильтрующего элемента.
Пример 1. Фильтрующий элемент, содержащий пористый углеродсодержащий материал в количестве 52 об. % и пористый полимерный материал в количестве 48 об. % и размером пор 5 мкм.
Пример 2. Фильтрующий элемент, содержащий пористый углеродсодержащий материал в количестве 52 об. %, включающий 10 масс. % катионообменного волокна, и пористый полимерный материал в количестве 48 об. % и размером пор 10 мкм.
Пример 3. Фильтрующий элемент, содержащий пористый углеродсодержащий материал в количестве 38 об. % и пористый полимерный материал в количестве 62 об. % и размером пор 5 мкм.
Выполнение заявленного фильтрующего элемента позволяет совместить в одном устройстве два метода очистки, механический и сорбционный, не только не снижая эффективности очистки и ресурса по сравнению с работой двух отдельных фильтроэлементов, но и увеличивая ее.