Фильтрующее устройство гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды
FILTERING DEVICE OF GRAVITY FILTER FOR SOFTENING AND PURIFICATION OF DRINKING WATER

Изобретение относится к фильтрующим устройствам гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды и может быть использовано для улучшения качества очистки питьевой воды в бытовых фильтрах кувшинного типа.
В настоящее время широкое распространение среди населения получили бытовые фильтры для очистки питьевой воды, которые являются альтернативой бутилированной питьевой воде. Среди них наибольшей популярностью пользуются гравитационные фильтры, представляющие собой фильтры кувшинного типа, которые отличаются простотой конструкции, низкой ценой и не требуют подключения к напорным системам водоснабжения.
Фильтры кувшинного типа состоят из резервуара, в верхней части которого размещена приемная воронка, в которую заливается очищаемая вода, и фильтрующего устройства (картриджа), герметично подсоединяемого к воронке.
Обычно фильтры кувшинного типа выполняют задачу по очистке питьевой воды от наиболее распространенных токсичных загрязнителей - хлора и его соединений, органических примесей, в частности, хлорорганических соединений, и тяжелых металлов. Некоторые из такого типа фильтров дополнительно умягчают исходную жесткую воду, удаляя из нее катионы кальция и магния, а также их гидрокарбонат-ионы.
Снижение общей жесткости воды крайне важно для потребителей, получающих из источников питьевого водоснабжения воду средней жесткости (2-10 °Ж по ГОСТ 31865-2012 «Вода. Единица жесткости» или 2-10 мг-экв/л) или жесткую воду (> 10 °Ж по ГОСТ 31865-2012 «Вода. Единица жесткости» или более 10 мг-экв/л), так как такая вода способствует развитию ряда заболеваний у человека (образование мочевых камней, отложение солей в суставах и сосудах и др.), обладает неприятным вкусом, придает неприятный вкус напиткам на ее основе (чай, кофе) и вызывает отложение накипи на нагревательных элементах бытовых приборов.
+
+
++
++
Снижению жесткости воды фильтрами кувшинного типа способствует наличие в составе фильтрующих устройств таких фильтров гранулированных катионообменных смол, выполняющих функцию обмена содержащихся в них H и Na катионов на содержащиеся в умягчаемой воде катионы Са и Mg и их гидрокарбонат-ионы, ответственные за жесткость воды.
++
++
Однако большинство известных из уровня техники фильтров кувшинного типа со сменными фильтрующими устройствами (патент DE 000002919901, 1980 год, WO 1998017582, 1998 год, RU 2236279, 2004 год, патент WO 2005118481, 2005 год, WO 2005118104, 2005 год, WO 2005118482, 2005 год, RU 2617775, 2017 год, RU 2252062, 2005 год, RU 2437703, 2011 год, RU 2617775, 2017 год, серийная кассета «БАРЬЕР-Жесткость» АО «BWT-Barrier RUS») не обеспечивают равномерного умягчения воды во время их работы: в начале ресурса работы фильтрующего устройства происходит гиперумягчение воды - снижение концентрации катионов Са и Mg на 80-100%, что делает воду избыточно мягкой, отрицательно влияющей на здоровье человека и обладающей неудовлетворительным вкусом, а в продолжение отработки ресурса фильтрующего устройства вода умягчается недостаточно - на 10-15%, что, фактически оставляет ее в категории «вода средней жесткости» или «жесткая вода».
Такая неравномерность умягчения воды обусловлена конструкцией фильтрующих устройств, фильтрующие элементы которых представляют собой пластиковый сосуд с размещенной в нем или смеси гранулированных и/или волоконных сорбирующих и материалов, в числе которых содержатся умягчители - катионообменные смолы. Обрабатываемая вода в таких фильтрационных устройствах проходит вертикально вниз через слой уплотненного сорбирующего материала, контактируя с поверхностью гранул катионообменной смолы без возможности проскока, в результате чего происходит почти полное извлечение из воды катионов кальция, магния и их гидрокарбонат-ионов, что приводит в начале ресурса к гиперумягчению. При этом у катионообменной смолы вырабатывается сорбционная емкость по катионам кальция, магния и их гидрокарбонат-ионам, что является причиной недостаточного умягчения воды в процессе дальнейшей работы фильтрующего устройства.
Известны фильтрующие устройства (патент RU 2163829 С1, 10.03.2001; патент RU 2252062 С2, 20.05.2005), в которых конструкция пластикового сосуда позволяет очищаемой воде проходить через смесь гранулированных и/или волоконных сорбирующих и фильтрующих материалов снизу вверх, разрыхляя слой сорбирующих и волоконных материалов. Такая конструкция создана с целью способствования выхода воздуха из фильтрующего устройства и, тем самым, обеспечения стабильных скоростей фильтрации. Недостатками таких фильтрующих устройств являются их сложная конструкция и то, что они не предназначены для умягчения воды.
Известны фильтрующие устройства с функцией частичного умягчения воды (патент RU 2526377 С1, 20.08.2014, патент RU 2540159 С1, 10.02.2015, патент RU 2538746 С2, 10.01.2015), в которых потоки очищаемой воды в зоне умягчения имеют радиальное и вертикальное (сверху вниз) направление. Это достигается за счет введения в конструкцию фильтрующего устройства дополнительного узла умягчения (второй рабочей зоны), выполненного в виде отдельного корпуса с отверстиями в вертикальной стенке и в крышке, выполняющими функцию распределителя потока обрабатываемой воды. Дополнительный узел умягчения расположен над основной (первой) рабочей зоной, представляющей собой пластиковый сосуд (основной корпус) со смесью гранулированных и/или волоконных сорбирующих и фильтрующих материалов, предназначенных для очистки воды от загрязнителей, в частности, хлора, хлорорганических соединений и тяжелых металлов. При прохождении через вторую рабочую зону вода, вследствие не полного контакта с поверхностью вещества - умягчителя из-за отсутствия плотного сорбирующего слоя, чему способствует его частичное взрыхление горизонтальными и вертикальными (сверху вниз) потоками воды, частично умягчается и, таким образом, достигается снижение гиперумягчения воды и увеличение ресурса по умягчению.
Однако вышеперечисленные фильтрующие устройства с функцией частичного умягчения воды имеют сложную конструкцию, обусловленную наличием в них сложных в изготовлении полимерных деталей и узлов, и трудоемкую технологию сборки такого фильтрующего устройства. Кроме того, малый объем второй рабочей зоны, предназначенной для умягчения воды, не позволяет разместить в ней достаточное количество умягчителя для обеспечения удовлетворительного для потребителя ресурса умягчения воды (150 - 200 литров). Поэтому такие фильтрующие устройства до настоящего времени не нашли практического применения.
Из вышеперечисленных фильтрующих устройств с функцией частичного умягчения воды прототипом настоящего изобретения выбрано устройство (патент RU 2526377 С1, 20.08.2014), обеспечивающее снижение гиперумягчения воды и увеличение ресурса умягчения за счет разнонаправленных потоков воды в рабочей зоне умягчения. Фильтрующее устройство - прототип состоит из средства фиксации и фильтрующего элемента, состоящего из двух отдельных рабочих зон, причем в верхней рабочей зоне (зоне умягчения), представляющей собой отдельный корпус с внутренним пространством, заполненным фильтрующим (умягчающим) материалом, имеется распределитель потока обрабатываемой воды в виде отверстий варьируемой формы и размера, находящихся в боковых стенках и в крышке корпуса, а в нижней рабочей зоне, представляющей собой пластиковый корпус, расположенный под корпусом верхней второй рабочей зоны, находятся фильтрующие и сорбирующие вещества, предназначенные для очистки воды. Фильтрующее устройство-прототип работает следующим образом: очищаемая вода из воронки фильтра через отверстия распределителя потоков корпуса второй рабочей зоны поступает в корпус второй рабочей зоны, где происходит ее частичное умягчения за счет ионного обмена с умягчителем - катионообменной смолой в Н+ или Na+ форме. Далее вода через отверстие в нижней части корпуса второй рабочей зоны поступает в корпус первой рабочей зоны, где происходит ее очистка от токсичных примесей. Умягченная и очищенная вода через нижнее отверстие корпуса первой рабочей зоны поступает в нижнюю зону кувшинного фильтра, предназначенную для хранения очищенной воды.
Для фильтрационного устройства-прототипа характерны те же недостатки, что и для других фильтрующих устройств с функцией частичного умягчения воды, такие как сложность конструкции и технологии изготовления, и недостаточный для потребителя ресурс умягчения воды, связанный с малым объемом рабочей зоны умягчения.
Технической задачей настоящего изобретения является создание фильтрующего устройства гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды с упрощенной конструкцией, обеспечивающего при этом повышенный ресурс стабильного умягчения воды с одновременным сохранением высокоэффективной фильтрующей способности.
Поставленная техническая задача достигается предложенным фильтрующим устройством гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды, содержащим систему фиксации фильтрующего устройства в воронке фильтра с отверстиями для входа очищаемой воды и выхода воздуха, фильтрующий элемент, выполненный из пористого блочного материала в виде полого вертикального сосуда с пористым или герметично закрытым дном с расположенными в его внутреннем пространстве слоем ионообменного материала и распределителем потока обрабатываемой воды с элементом фиксации, при этом слой ионообменного материала расположен между внутренней поверхностью фильтрующего элемента и распределителем потока обрабатываемой воды, выполненным в виде вертикального или горизонтального тела с отверстиями меньше размера частиц ионообменного материала, пористый блочный материал фильтрующего элемента получен путем сжатия при нагреве смеси порошкообразных компонентов, содержащей частицы активированного угля и полимерного связующего, а система фиксации фильтрующего устройства соединена герметично с фильтрующим элементом.
Предложенное фильтрующее устройство включает средство фиксации фильтрующего устройства в воронке фильтра, фильтрующий элемент с расположенными в нем фильтрующим материалом для очистки обрабатываемой воды, материалом, предназначенным для умягчения воды, и распределителем потока обрабатываемой воды с элементом фиксации, причем, материал, предназначенный для умягчения воды размещен между внутренней поверхностью фильтрующего элемента и распределителем потока обрабатываемой воды и представляет собой слой ионообменного материала с сорбционной обменной емкостью 0,5-5 мг-экв/мл с размером частиц 0,1-2,0 мм из класса слабо- или сильнокислотных катионитов в Н+ или Na+ форме и/или неорганических катионообменных материалов из классов природных или синтетических цеолитов, алюмосиликатов, силикагелей и сульфоуглей, и заполняет внутреннее пространство фильтрующего элемента на 20-90% от его объема, а фильтрующий материал фильтрующего элемента, предназначенная для очистки воды, представляет собой корпус фильтрующего элемента, выполненный из пористого блочного материала в виде полого вертикального сосуда с равнотолщинными или разнотолщинными стенками с размером пор, меньшем размера частиц ионообменного материала, толщиной 5-25 мм с сечением в форме круга (полый цилиндр), квадрата, прямоугольника, овала или сложного профиля, или полой обратной пирамиды или полого обратного конуса, или усеченной полой обратной пирамиды, или усеченного обратного конуса, с пористым или герметично закрытым дном, изготовленный методом экструзии или методом горячего прессования со степенью сжатия при формовании 12-25% при температуре на 10-40°С выше температуры размягчения полимерного связующего из смеси из частиц активированного угля с йодным числом не менее 1000 мг/г и полимерного связующего из классов полиолефинов и/или полиэфиров и/или их сополимеров с индексом расплава 2-20 г/10 мин. по ASTM D 1238 при 190°С и нагрузке 25 Кг и с размером частиц активированного угля и полимерного связующего 0,05-0,5 мм, предпочтительно 0,07-0,15 мм и при соотношении активированный уголь: полимерное связующее (75-95):(5-25) мас.%, а распределитель потока обрабатываемой воды с элементом фиксации расположен во внутреннем пространстве фильтрующего элемента и изготовлен из полимерного материала методом литья под давлением или из пористого блочного материала методами экструзии или горячего прессования со степенью сжатия при формовании 12-25% из смеси мелкодисперсных материалов из активированного угля и полимерного связующего, выбранного из классов полиолефинов и/или полиэфиров и/или их сополимеров и с размером частиц активированного угля и полимерного связующего 0,1-1,5 мм, предпочтительно 0,5-1 мм при соотношении активированный уголь: полимерное связующее (75-95):(5-25) мас.% при температуре на 10-40°С выше температуры размягчения полимерного связующего, или из неорганических мелкодисперсных материалов, например, из класса кремнеземов с размером частиц 0,1-1,5 мм методом компрессионного спекания, в виде одного вертикального или горизонтального тела, или нескольких вертикальных тел высотой, составляющей 1-100% от высоты фильтрующего элемента, с сечением в форме круга (полый цилиндр), квадрата, прямоугольника, овала, или сложного профиля, или полой обратной пирамиды или полого обратного конуса, или усеченной полой обратной пирамиды, или усеченного обратного конуса, с пористым или герметично закрытым дном с отверстиями, расположенными в вертикальных стенках и/или на дне распределителя потока обрабатываемой воды на высоте стенки распределителя, составляющей не более 60% от нижнего уровня дна распределителя потока обрабатываемой воды, и имеющими размер меньше размера частиц ионообменного материала, что обеспечивается или размером отверстий непосредственно в стенках распределителя потока обрабатываемой воды, изготавливаемого метода литья под давлением, экструзии, горячего прессования или компрессионного спекания, или, при выполнении распределителя потока обрабатываемой воды в виде вертикального сосуда с отверстиями в боковой стенке размером 1-5 мм в каждом направлении, за счет фиксации или на его наружной поверхности или внутри пористого материала или в виде сетки, или ткани, или из нетканого полотна, или из открытопористого вспененного полимера, с размером ячеек меньше размера частиц ионообменного материала, а элемент фиксации распределителя потока обрабатываемой воды выполнен или в виде муфты из эластичного материала, герметично прилегающей к верху внешней стенки распределителя потока обрабатываемой воды и к верху внутренней поверхности корпуса фильтрующего элемента, или в виде обечайки из полимерного материала, выполненной литьем под давлением вместе с распределителем потока обрабатываемой воды и герметично зафиксированной к верхней внутренней поверхности корпуса фильтрующего элемента или расплавом полимера, или другим клеящим материалом. Горизонтальный распределитель потока обрабатываемой воды выполнен из сетки или ткани с отверстиями, меньшими, чем размер частиц ионообменного материала, с элементом фиксации в виде пластиковой обечайки, прикрепленного к внутренней или к торцевой поверхности корпуса фильтрующего элемента. Система фиксации фильтрующего устройства, содержащая отверстие для входа очищаемой воды и выхода воздуха, выполнена в форме, которая позволяет герметично закрепить фильтрующее устройство в корпусе воронки фильтра, и представляет собой или резьбовой узел, подсоединяемый к резьбовому узлу воронки, или обод с элементами плотного прилегания к отверстию воронки, и которое крепится к фильтрующему элементу или путем приклеивания или полимерным расплавом, или любым другим клеящим материалом, или путем механического соединения с внутренней или с наружной, или с внутренней и с наружной вертикальными стенками фильтрующего элемента.
Отличительной особенностью заявляемого изобретения является принципиально новая, более простая по сравнению с прототипом, конструкция фильтрующего устройства, предназначенного для выполнения двух процессов обработки воды - умягчения и очистки. Простота конструкции позволяет совместить две рабочие зоны (два процесса) в одном корпусе фильтрующего элемента, выполняющего две функции: функцию фильтрующего и сорбирующего материала и функцию корпуса фильтрующего элемента. Кроме того, рабочая зона, предназначенная для процесса умягчения воды, имеет большой объем, что позволяет разместить в ней значительно большее по сравнению с прототипом количество ионообменного материала, обеспечивающее удовлетворительный для потребителя ресурс умягчения воды 150-200 литров, и, что принципиально важно, в совокупности конструкция двух рабочих зон в сочетании с конструкцией распределителя потока обрабатываемой воды обеспечивают разнонаправленные потоки воды в зоне умягчения, приводящие к разрыхлению слоя умягчителя, что практически исключает эффект гиперумягчения на начальных стадиях и создает приемлемое умягчение на последующих стадиях обработки воды при одновременном сохранении высокоэффективной фильтрующей способности.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
1 - Кувшин
2 - Приемная воронка
3 - Фильтрующее устройство
4 - Фильтрующий элемент, выполненный из пористого блочного материала (зона очистки)
5 - Распределитель потока обрабатываемой воды с фиксирующим элементом
6 - Ионообменный материал (зона умягчения)
7 - Заглушка
8 - Система фиксации фильтрующего устройства (резьбовой узел)
9 - Система фиксации фильтрующего устройства (обод с элементами прилегания к гнезду воронки)
10 - Соединение системы фиксации фильтрующего устройства с фильтрующим элементом
11 - Элемент фиксации распределителя потока обрабатываемой воды
Стрелками показано направление потоков воды при ее прохождении через фильтрующее устройство.
Заглушка (герметически закрытое дно) может быть выполнена из полимера, например, полиэтилена, полипропилена).
Фиг. 1. Изображен общий вид кувшинного фильтра (1) с воронкой (2) и размещенным в нем фильтрующим устройством (3) с фильтрующим элементом в форме полого цилиндра (4) с ионообменным материалом (6) и с герметично закрытым заглушкой (7) дном, с распределителем потока обрабатываемой воды (5) в форме полого цилиндра с элементом фиксации (11).
Фиг. 2. Изображен общий вид кувшинного фильтра (1) с воронкой (2) и размещенным в нем фильтрующим устройством (3) с фильтрующим элементом в форме полого цилиндра (4) с пористым дном, с размещенным в нем ионообменным материалом (6), с распределителем потока обрабатываемой воды (5) в форме полого цилиндра с элементом фиксации (11) с пористым дном.
Фиг. 3. Изображен общий вид кувшинного фильтра (1) с воронкой (2) и размещенным в нем фильтрующим устройством (3) с фильтрующим элементом в форме полого цилиндра (4) с герметично закрытым заглушкой (7) дном, с размещенным в нем ионообменным материалом (6) с распределителем потока обрабатываемой воды (5) в виде сетки с элементом фиксации (11) в форме обечайки.
Фиг. 4. Изображено фильтрующее устройство (3) с фильтрующим элементом в форме полого цилиндра (4) с герметично закрытым заглушкой (7) дном, с размещенным в нем ионообменным материалом, системой фиксации фильтрующего устройства в виде резьбового узла (8) и с распределителем потока обрабатываемой воды (5) в форме полого цилиндра из пористого блочного материала. Пористый блочный материал фильтрующего элемента прикреплен к системе фиксации фильтрующего устройства и к заглушке приклеиванием (10) по торцам фильтрующего элемента, а распределитель потока обрабатываемой воды соединен с фильтрующим элементом с помощью муфты (11) из эластичного материала.
Фиг. 5. Изображено фильтрующее устройство (3) с фильтрующим элементом в форме полого цилиндра (4) с пористым дном, с размещенным в нем ионообменным материалом (6), системой фиксации фильтрующего устройства в виде резьбового узла (8) и с распределителем потока обрабатываемой воды (5) в форме полого цилиндра из пористого блочного материала с отверстиями в дне. Пористый блочный материал фильтрующего элемента прикреплен к системе фиксации фильтрующего устройства приклеиванием (10) по торцу фильтрующего элемента, а распределитель потока обрабатываемой соединен с фильтрующим элементом с помощью муфты (11) из эластичного материала.
Фиг. 6. Изображено фильтрующее устройство (3) с фильтрующим элементом в форме полого цилиндра (4) с разнотолщинными стенками с герметично закрытым заглушкой (7) дном, с размещенным в нем ионообменным материалом (6), системой фиксации фильтрующего устройства в виде резьбового узла (8) и с распределителем потока обрабатываемой воды (5) в форме полого цилиндра с отверстиями размером (1-5) мм в каждом направлении и с размещенной на его наружной поверхности водопроницаемой сетки с ячейками меньше размера частиц ионообменного материала. Пористый блочный материал фильтрующего элемента прикреплен к системе фиксации фильтрующего устройства и к заглушке приклеиванием (10) по торцам фильтрующего элемента, а распределитель потока обрабатываемой воды соединен с фильтрующим элементом с помощью муфты (11) из эластичного материала.
Фиг. 7. Изображено фильтрующее устройство (3) с фильтрующим элементом в форме полого цилиндра (4) с герметично закрытым заглушкой (7) дном, с размещенным в нем ионообменным материалом (6), системой фиксации фильтрующего устройства в виде резьбового узла (8) и с распределителем потока обрабатываемой воды (5) в форме полого цилиндра с отверстиями размером (1-5) мм в каждом направлении и с размещенным внутри водопроницаемого материала из открытопористого вспененного полимера с ячейками меньше размера частиц ионообменного материала. Пористый блочный материал фильтрующего элемента прикреплен к системе фиксации фильтрующего устройства и к заглушке приклеиванием (10) по торцам фильтрующего элемента, а распределитель потока обрабатываемой воды соединен с фильтрующим элементом с помощью муфты (11) из эластичного материала.
Фиг. 8. Изображено фильтрующее устройство (3) с фильтрующим элементом в форме полого цилиндра (4) с герметично закрытым заглушкой (7) дном, с размещенным в нем ионообменным материалом (6), системой фиксации фильтрующего устройства в виде резьбового узла (8) и с распределителем потока обрабатываемой воды (5) в форме полого усеченного обратного конуса из пористого блочного материала. Пористый блочный материал фильтрующего элемента прикреплен к системе фиксации фильтрующего устройства и к заглушке приклеиванием (10) по торцам фильтрующего элемента, а распределитель потока соединен с фильтрующим элементом с помощью муфты (11) из эластичного материала.
Фиг. 9. Изображено фильтрующее устройство (3) с фильтрующим элементом в форме полого цилиндра (4) с герметично закрытым заглушкой (7) дном, с размещенным в нем ионообменным материалом (6), системой фиксации фильтрующего устройства в виде резьбового узла (8) и с распределителем потока обрабатываемой воды (5) в форме полого цилиндра с разнотолщинными стенками из пористого блочного материала, полученного методом компрессионного спекания кремнеземного порошка. Пористый блочный материал фильтрующего элемента прикреплен к системе фиксации фильтрующего устройства и к заглушке приклеиванием (10) по торцам фильтрующего элемента, а распределитель потока обрабатываемой воды соединен с фильтрующим элементом с помощью муфты (11) из эластичного материала.
Фиг. 10. Изображено фильтрующее устройство (3) (фиг. 10а - вертикальный разрез, фиг. 10б - разрез по сечению А-А) с фильтрующим элементом в виде полого вертикального сосуда (4) с сечением в форме эллипса с герметично закрытым заглушкой (7) дном, с размещенным в нем ионообменным материалом (6), системой фиксации фильтрующего устройства в виде обода (9) с элементами прилегания к гнезду воронки и с двумя распределителями потока обрабатываемой воды (5) в форме полых цилиндров с отверстиями в вертикальных стенках. Пористый блочный материал фильтрующего элемента прикреплен к системе фиксации фильтрующего устройства и к заглушке приклеиванием (10) по торцам фильтрующего элемента, а распределитель потока обрабатываемой воды соединен с фильтрующим элементом с помощью муфты (11) из эластичного материала.
Фиг. 11. Изображено фильтрующее устройство (3) (вертикальный разрез, разрез по сечению А-А) с фильтрующим элементом в виде полого вертикального сосуда (4) с сечением в форме эллипса с герметично закрытым заглушкой (7) дном, с размещенным в нем ионообменным материалом (6), с системой фиксации фильтрующего устройства в виде обода (9) с элементами прилегания к гнезду воронки и с распределителем потока обрабатываемой воды (5) в форме полого вертикального сосуда с отверстиями в вертикальной стенке. Пористый блочный материал фильтрующего элемента прикреплен к системе фиксации фильтрующего устройства и к заглушке приклеиванием (10) по торцам фильтрующего элемента, а распределитель потока обрабатываемой воды соединен с фильтрующим элементом с помощью муфты (11) из эластичного материала.
Работа фильтрующего устройства происходит следующим образом: исходная вода из приемной воронки (2) кувшинного фильтра (1) через отверстие в системе фиксации фильтрующего устройства в виде резьбового узла (8) или виде обода (9) с элементами прилегания к гнезду воронки (2) проходит в распределитель потока обрабатываемой воды (5) и через его нижнюю часть с отверстиями для выхода воды поступает в зону умягчения воды с ионообменным материалом (6), который заполняет внутреннее пространство корпуса фильтрующего элемента на 20-90% от его объема. Далее умягченная вода поступает для очистки в зону пористого блочного материала фильтрующего элемента (4) непосредственно примыкающую к зоне умягчения обрабатываемой воды и представляющую собой корпус фильтрующего элемента (4) из пористого блочного материала в виде полого вертикального сосуда с равнотолщинными или разнотолщинными стенками с размером пор, меньшем размера частиц ионообменного материала. После прохождения через пористый блочный материал фильтрующего элемента (4) умягченная и очищенная вода попадает в нижнюю часть кувшинного фильтра (1), предназначенную для хранения чистой воды.
Для обеспечения высокой скорости фильтрации в сочетании с высокой эффективностью очистки воды и повышенным ресурсом работы фильтрующий элемент фильтрующего устройства выполнен с толщиной стенок 5-25 мм и высотой 20-120 мм. Граничные значения выбранного диапазона толщин стенок обусловлены тем, что при толщине стенки менее 5 мм у фильтрующего элемента недостаточная механическая прочность. Толщина стенок фильтрующего элемента более 25 мм отрицательно влияет на скорость фильтрации из-за значительного гидродинамического сопротивления. Фильтрующий элемент с высотой стенок менее 20 мм не обеспечивает эффективную очистку воды из-за малой поверхности контакта и объема сорбирующего материала; при высоте стенок более 120 мм становится проблематичным размещение такого фильтрующего устройства в фильтре кувшинного типа.
Выбранная форма фильтрующего элемента в виде полого вертикального сосуда либо обеспечивает определенную скорость фильтрации воды фильтрующим элементом, которая пропорциональна площади фильтрации и минимальна для фильтрующего элемента в форме полого цилиндра с герметично закрытым заглушкой дном, и максимальна для фильтрующего элемента с пористым дном и поперечным сечением сложной формы, либо обусловлена технологией его изготовления: фильтровальные элементы в форме полого цилиндра с заглушкой, полого вертикального сосуда с поперечным сечением в виде овала с заглушкой или сложного профиля с заглушкой изготавливают методом экструзии; фильтрующие элементы в форме полого цилиндра с пористым дном, полого вертикального сосуда с поперечным сечением в виде овала или сложного профиля с пористым дном. При этом для обеспечения максимально доступной для сорбции поверхности сорбентов материала фильтрующего элемента процесс изготовления фильтрующего блока проводят при температуре, на 10-40°С выше температуры размягчения полимерного связующего. При температуре, ниже, чем на 10°С температуры размягчения полимерного связующего не происходит образование прочного блочного материала фильтрующего элемента, а при температуре, выше, чем на 40°С температуры размягчения полимерного связующего происходит блокирование значительной поверхности сорбента в результате затекания полимерного связующего. Диапазон степени сжатия смеси материалов при изготовлении фильтрующего блока методом экструзии или методом горячего прессования 12-25% обусловлен тем, что при степени сжатия менее 12% фильтрующий блок не обладает достаточной механической прочностью и не способен выполнять функцию корпуса, а при степени сжатия более 25% образующиеся мелкие поры в объеме материала фильтрующего блока приводят к высокому гидродинамическому сопротивлению и, соответственно, снижению скорости фильтрации.
Выбор полимерного связующего из класса полиолефинов (например, полиэтилена низкого давления, полиэтилена высокого давления, полипропилена) и полиэфиров (полиэтилентерефталата) или их сополимеров (например, сополимера полиэтилена с винилацетатом) обусловлен, с одной стороны, их химической инертностью и нерастворимостью в воде, с другой стороны, достаточно низкими температурами размягчения, позволяющими интенсифицировать процесс изготовления фильтрующего элемента заявляемого фильтрующего устройства в виде пористого блочного материала.
Форма фильтровального элемента в виде полого цилиндра с разнотолщинными по высоте стенками с герметично закрытым дном обусловлена обеспечением равномерного прохождения очищаемой воды через стенки фильтрующего элемента по всей их высоте, так как при этом по мере увеличения давления столба воды в полости фильтрующего элемента сверху вниз оно будет компенсироваться увеличением сопротивления прохождения воды через стенки из-за симбатного увеличения толщины стенок фильтрующего элемента.
Для обеспечения эффективной очистки воды от хлора, органических соединений и, в частности, от хлорорганических примесей, пористый блочный материал фильтрующего элемента изготавливают с использованием активированных углей с йодным числом более 1000 мг/л, так как такие угли обеспечивают эффективную сорбцию и, следовательно, очистку воды на протяжении значительного ресурса, а все используемые компоненты (сорбент и полимерное связующее) используют в порошкообразной форме с размером частиц 0,05-0,5 мм, предпочтительно 0,07-0,15 мм. При размере частиц активированного угля и полимерного связующего менее 0,05 мм возрастает гидродинамическое сопротивление пористого блочного материала, что приводит к снижению скорости фильтрации. При размере частиц активированного угля и полимерного связующего более 0,5 мм снижается эффективность очистки воды за счет уменьшения реальной поверхности фильтрации (сорбции) частиц сорбента.
Выбранный диапазон сорбционной емкости ионообменного материала 0,5-5 мг-экв/мл обусловлен тем, что при использовании материалов с обменной емкостью менее 0,5 мг-экв/мл для достижения достаточной эффективности умягчения воды в течение большого ресурса по умягчению их потребовалось бы использовать в количестве, несовместимым с объемом фильтрующего элемента; материалы с обменной емкостью свыше 5 мг-экв/мл являются дорогостоящими и поэтому не могут быть применены в массово выпускаемых фильтрах.
Заполнение внутреннего пространства фильтрующего элемента на 20-90% ионообменным материалом обусловлено тем, что при ее заполнении менее чем на 20%, большая часть потока обрабатываемой воды будет проходить в зону фильтрования без контакта с ионообменным материалом; при заполнении более чем на 90% не обеспечивается режим взрыхления слоя ионообменного материала. Диапазон размера частиц ионообменного материала 0,1-2,0 мм обусловлен тем, что частицы с размером менее 0,1 мм могут забивать поры блочного пористого материала фильтрующего элемента и, тем самым, блокировать его работу; при размере частиц ионообменного материала более 2 мм снижается поверхность контакта с водой и не происходит эффективное умягчение воды.
Выбранный диапазон высоты распределителя потока обрабатываемой воды, составляющий 1-100% от высоты корпуса фильтрующего элемента, связан с формированием разнонаправленных потоков воды в зоне умягчения: при высоте менее 1% от высоты корпуса такие потоки не образуются. Минимальная высота распределителя потока обрабатываемой воды, составляющая 1% - это минимальная толщина сетки с обечайкой, расположенной на верхнем торце корпуса фильтрующего элемента, и выполняющей функцию распределителя потока обрабатываемой воды.
Выбор размеров частиц активированного угля и полимерного связующего в диапазоне 0,1-1,5 мм и соотношения активированный уголь: полимерное связующее (75-95):(5-25) мас.%, так же, как и использование материала из класса кремнеземов с размером частиц 0,1-1,5 мм, обусловлено получающимся при формовании пористого корпуса распределителя потока обрабатываемой воды оптимального размера пор: с одной стороны, поры должны быть меньше размера частиц ионообменного материала, с другой стороны, размер пор должен обеспечивать скорость прохождения воды через распределитель потока обрабатываемой воды, большую или равную скорости прохождения воды через стенки фильтрующего элемента. Диапазон температур изготовления пористого блочного материала распределителя потока методами экструзии или горячего прессования, на 10-40°С превышающий температуру размягчения полимерного связующего, обусловлен, тем, что при температуре, ниже, чем на 10°С температуры размягчения полимерного связующего не происходит образование механически прочного блочного материала распределителя потока обрабатываемой воды, а при температуре, выше, чем на 40°С температуры размягчения полимерного связующего происходит блокирование пор в стенках распределителя потока обрабатываемой воды в результате затекания полимерного связующего.
Выбор формы распределителя потока обрабатываемой воды в форме вертикального полого тела с поперечным сечением в виде круга, квадрата, эллипса или любой другой формы, или в форме полой обратной пирамиды или обратного конуса, или в форме полой усеченной обратной пирамиды обусловлен отслеживанием формы корпуса фильтрующего элемента, который также может быть выполнен в форме вертикального полого тела с поперечным сечением в виде круга, квадрата, эллипса или любой другой формы, или в форме полой обратной пирамиды или обратного конуса, или в форме полой усеченной обратной пирамиды, что обеспечивает конгруэнтность потока обрабатываемой воды в зоне умягчения. Расположение отверстий в вертикальных стенках распределителя потока обрабатываемой воды на высоте, составляющей не более 60% от нижнего уровня распределителя потока обрабатываемой воды, обусловлено тем, что при расположении отверстий на высоте более 60% от нижнего уровня распределителя потока обрабатываемой воды не обеспечивается по всей высоте зоны умягчения вертикальная (вертикально вверх) составляющая потоков воды, что не приводит к взрыхлению слоя ионообменного материала, и, как следствие, снижению гиперумягчения. Выбор размера отверстий в боковой стенке распределителя потока обрабатываемой воды в диапазоне 3-5 мм в случае фиксации на его наружной поверхности или у него внутри пористого материала с размером пор меньше размера частиц ионообменного материала обусловлен тем, что такой диапазон оптимален с точки зрения простоты конструкции и технологии изготовления распределителя потока обрабатываемой воды.
Ниже приведен пример конкретной конструкции фильтрующего устройства, а в таблице представлены результаты его испытаний по эффективности умягчения и эффективности очистки воды.
Приведенный пример дает представление о характеристиках заявляемого фильтрующего устройства, но не являются исчерпывающим.
+
Пример. Фильтрующее устройство с фильтрующим элементом в форме полого цилиндра с герметично закрытым заглушкой дном, с фиксирующей системой в форме резьбового узла, соединенной с фильтрующим элементом приклеиванием расплавом полиэтилена (фиг. 4). Размеры фильтрующего элемента: высота 70 мм, наружный диаметр 62 мм, толщина стенок 14 мм. Состав исходной смеси для изготовления фильтрующего элемента: активированный уголь -85 мас.%, полимерное связующее - смесь полиэтилена низкого давления и полиэтилентерефталата (10:90) мас.% с температурой размягчения 115°С - 15 мас.%, размер частиц компонентов смеси 0,08-0,1 мм. Пористый блочный материал корпуса фильтрующего элемента изготовлен методом экструзии со степенью сжатия при формовании 15% при температуре 145°С. Фильтрующий элемент заполнен на 80% от свободного объема (внутренний объем фильтрующего элемента минус объем распределителя потоков) слабокислотным катионообменным материалом в Hформе с размером частиц 0,3-1,0 мм. Распределитель потока обрабатываемой воды выполнен в виде полой трубки высотой 70 мм с внутренним диаметром 8 мм и наружным диаметром 10 мм из полиэтилена высокого давления методом литья под давлением, в боковой стенке которого на высоте 1-50 мм от нижней части трубки расположены отверстия диаметром 0,2 мм. Распределитель потока обрабатываемой воды с помощью муфты из эластичного материала - силикона - герметично соединен с верхом внутренней боковой поверхности фильтрующего элемента. Испытания по эффективности умягчения и эффективности очистки воды проводили при размещении фильтрующего элемента в воронке кувшинного фильтра. Оценку эффективности умягчения и очистки воды проводили в соответствии с ГОСТ 31952-2012 УСТРОЙСТВА ВОДООЧИСТНЫЕ. Общие требования к эффективности и методы ее определения. Результаты испытаний представлены в таблице.
Как следует из приведенных в таблице результатов ресурсных испытаний по умягчению и очистке воды, заявляемое фильтрующее устройство обеспечивает равномерное умягчение и высокую эффективность очистки воды от наиболее распространенных загрязнителей на протяжении удовлетворительного для потребителей ресурса.
Технический результат: предложено фильтрующее устройство гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды с упрощенной конструкцией, обеспечивающего повышенный ресурс стабильного умягчения воды (не менее 200 литров), при этом эффективность умягчения воды достигает не менее 40% достаточное с потребительской точки зрения с одновременным сохранением высокоэффективной очистки воды по токсичным загрязнителям до 98%.