УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

Область техники
Полезная модель относится к области неорганической и полимерной химии, и может найти применение при очистке питьевой воды, как для бытовых, так и для производственных нужд.
Уровень техники
В настоящее время широко применяются различные виды устройств, такие как фильтры, выполненные, например, в виде картриджей, для очистки питьевой воды, поступающей потребителям.
Формы выполнения и заполнение таких фильтров адсорбционной фильтрующей загрузкой различны, в зависимости, в частности, от объема и способов проведения такой очистки.
В нашей стране, одним из известных производителей фильтров для очистки питьевой воды является фирма «Аквафор».
Известно устройство для очистки жидкости, содержащее установочную головку с входным и выходным отверстиями для жидкости, сменный фильтрующий модуль со средствами прохождения жидкости, состоящий из корпуса, крышки с горловиной и фильтрующего элемента, средство крепления модуля к установочной головке и средство фиксации модуля на установочной головке, состоящее из запорного элемента и не менее одного предохранительного элемента, расположенного на крышке модуля, при этом запорный элемент выполнен с возможностью перемещения в блокирующее положение на крышке сменного фильтрующего модуля, а предохранительный элемент сформирован с возможностью изгибания и перемещения запорного элемента в блокирующее положение (см. опубликованная заявка RU 2005141736 A, 10.07.2007, B01D 27/00).
Фильтр для очистки жидкости, преимущественно питьевой воды, содержащий емкость очищаемой жидкости и фильтрующий модуль, включающий корпус со средствами подвода очищаемой жидкости и отвода очищенной жидкости и расположенный в корпусе фильтровальный материал, фильтрующий модуль расположен внутри емкости очищаемой жидкости, а средство для отвода очищенной жидкости из фильтрующего модуля выполнено в виде сифонного сосуда, верхняя часть которого сообщается с герметичной полостью сбора очищенной жидкости в верхней части корпуса фильтрующего модуля, а нижняя часть которого расположена ниже уровня подвода очищаемой жидкости в фильтрующий модуль с обеспечением возможности фильтрования жидкости в фильтрующем модуле самотеком снизу вверх и отвода очищенной жидкости за счет сифонного эффекта (см. патент RU 2125974 C1, 10.02.1999, C02F 9/02).
Известен композиционный адсорбционный материал для фильтрационной очистки воды на основе гранулированного активированного угля, при этом он дополнительно содержит активированные углеродные волокна, плотно заполняющие объем между гранулами активированного угля, причем средний диаметр гранул активированного угля на порядок больше, чем средний диаметр активированных углеродных волокон, а диаметр наименьших гранул активированного угля превосходит диаметр наибольших активированных углеродных волокон по меньшей мере в 2 раза (см, патент RU 2132729 C1, 10.07.1999 B01J 20/20, B01D 39/02).
Известен адсорбционный материал для очистки питьевой воды, состоящий из смеси гранулированного активированного угля, гранулированной ионообменной смолы и ионообменного волокна, при этом, в одном из вариантов выполнения, в качестве гранулированной ионообменной смолы он содержит карбоксилсодержащие и/или фосфорсодержащие катиониты, а в качестве ионообменного волокна - полиамфолитное волокно на основе полиакрилонитрила с сорбционной емкостью по кислотным группам не менее 1 мэкв/г, а по основным группам не менее 0,5 мэкв/г и длиной 1-50 мм при определенном соотношении компонентов (RU 2162010, 20.01.2001).
Общим недостатком перечисленных выше источников информации является то, что при достаточно высоком качестве очистки воды, тем не менее, уровень Ph очищенной воды остается ниже нейтрального значения (т.е. кислотным), что может негативно сказываться на потребителе.
Раскрытие полезной модели
Технической проблемой в рамках данного технического решения является расширение функциональных возможностей устройства для очистки питьевой воды и устранение недостатков аналогов.
Поставленная проблема решается за счет того, что устройство для очистки питьевой воды, согласно полезной модели, представляет собой фильтр, выполненный в виде полого корпуса, содержащего отверстия для ввода очищаемой воды внутрь корпуса и ее вывода из последнего, при этом внутри корпуса, послойно по потоку очищаемой воды, размещены первый слой водопроницаемого материала, фильтрующая загрузка, второй слой водопроницаемого материала, а в качестве фильтрующий загрузки использован адсорбционный материал, который представляет собой смесь активированного углесодержащего компонента, гранулированной ионообменной смолы, ионообменного волокна, и дробленого жадеита, причем указанный материал также расположен послойно по потоку очищаемой воды в следующей последовательности: первый слой дробленого жадеита, смесь гранулированного активированного угля, гранулированной ионообменной смолы и ионообменного волокна, второй слой дробленого жадеита, причем размеры зерен второго слоя дробленого жадеита меньше размеров зерен первого слоя.
Техническим результатом заявленного решения является повышение степени очистки воды при одновременном повышении степени Ph среды до 7,0-8,0.
Осуществление полезной модели
В данном разделе будет приведен предпочтительный вариант выполнения полезной модели, который, как это понятно специалисту, не ограничивает объем притязаний в рамках данной заявки.
Устройство для очистки питьевой воды представляет собой фильтр, с выполненным внутри его корпуса картриджем. Фильтр устанавливается в бытовые емкости для очистки воды (кувшины и т.п.). Однако, указанные фильтры могут непосредственно встраиваться в систему подведения водопровода конкретного потребителя, непосредственно перед смесителем.
Такие фильтры как это понятно, делаются сменными, поскольку для качественной очистки воды, их замена должна производиться в среднем после пропуска 300-400 л. воды.
В настоящее время, как правило, известные фильтры для бытовых целей делаются неразборными, т.е. одноразовыми для потребителей, что, в конечном счете, приводит к его удорожанию при покупке.
При этом, нет препятствий при изготовлении многоразовых сборно/разборных фильтров, в которых бы менялся только картридж с фильтрующей загрузкой, в то время как корпус такого фильтра оставался бы многоразового использования.
В настоящем решении, в качестве примера расширения функциональных возможностей заявленного устройства, предложен как раз сборно/разборный фильтр, выполненный в виде полого корпуса.
Корпус выполнен из двух частей: верхней части - крышки, и нижней части - непосредственно самого корпуса. Все части выполнены из пищевого полимера
Соединение двух частей может быть любым, например резьбовым, или иным, и не является предметом защиты в рамках данной заявки.
В верхней части - крышке - выполнены множество отверстий для пропуска воды. Размер отверстий и их количество зависит от типа фильтра, т.е. будет ли этот фильтр использоваться непосредственно в системе водопровода, или же будет устанавливаться в емкость для фильтрования.
В среднем, размер отверстий варьируется в диапазоне 2÷5 мм, а количество - 40÷100 шт. При этом форма выполнения таких отверстий также может быть любая: круглая, эллипсоидная и т.д.
В случае введения фильтра непосредственно в систему водопровода, на фильтре, предпочтительно на крышке, выполнено средство для подсоединения к арматуре водопровода, например резьба.
В днище корпуса проделано, по меньшей мере, одно отверстие для выпуска из него уже очищенной воды. При этом количество отверстий может быть и большим. Их количество и размер также, как и в крышке, выбирается от непосредственного применения фильтра.
Внутри корпуса, послойно по потоку очищаемой воды, т.е. от входных отверстий в крышке к выпускному(-ым) отверстию(-ям) в днище корпуса размещен картридж, который, как было отмечено выше, может извлекаться из корпуса фильтра
В качестве первого слоя картриджа использован водопроницаемый материал, задерживающий частицы пыли и удерживающий от вымывания частиц фильтрующей загрузки.
В качестве такого водопроницаемого материала использован тканый материал, например, сетка из полиэфирных волокон с диаметром волокон 25÷30 мкм. и толщиной 0,25÷0,4 мм, или нетканый материал, например, полипропилен с диаметром волокон 15÷20 мкм.
Далее расположена фильтрующая загрузка, в качестве которой использован адсорбционный материал, который представляет собой смесь активированного углесодержащего компонента, гранулированной ионообменной смолы, ионообменного волокна, и дробленого жадеита.
В качестве активированного углесодержащего компонента использован либо гранулированный активированный уголь, либо активированное углеродное волокно, либо их сочетание.
Указанный материал также расположен послойно по потоку очищаемой воды в следующей последовательности: первый слой дробленого жадеита с размером зерен 10φ20 мм, смесь гранулированного активированного угля, гранулированной ионообменной смолы и ионообменного волокна, второй слой дробленого жадеита с размером зерен 1÷8 мм.
Самый нижний слой картриджа также представляет собой водопроницаемый материал, выполненный аналогично первому слою.
При этом, в случае замены непосредственно картриджа, водопроницаемый материал может быть выполнен в виде пустотелого цилиндра, внутри которого расположена фильтрующая загрузка. Дополнительно, для обеспечения стерильности при замене, поверх материала может быть расположена фильтровальная бумага, которая снимается перед использованием картриджа.
Предпочтительно, в качестве гранулированной ионообменной смолы он содержит карбоксилсодержащие и/или фосфорсодержащие катиониты, а в качестве ионообменного волокна - полиамфолитное волокно на основе полиакрилонитрила с сорбционной емкостью по кислотным группам не менее 1 мэкв/г, а по основным группам не менее 0,5 мэкв/г и длиной 1-50 мм при следующем соотношении компонентов, масс.% (предлагается несколько вариантов фильтрующей загрузки):
Вариант 1
Гранулированный активированный уголь
20-40
Карбоксилсодержащие и/или фосфорсодержащие катиониты
20-30
Полиамфолитное волокно на основе полиакрилонитрила
15-40
Жадеит
15-20
Вариант 2
Активированное углеродное волокно
20-40
Карбоксилсодержащие и/или фосфорсодержащие катиониты
20-30
Полиамфолитное волокно на основе полиакрилонитрила
15-40
Жадеит
15-20
Вариант 3
Активированное углеродное волокно
10-20
Гранулированный активированный уголь
10-20
Карбоксилсодержащие и/или фосфорсодержащие катиониты
20-35
Полиамфолитное волокно на основе полиакрилонитрила
10-20
Жадеит
10-35
Вариант 4
Активированное углеродное волокно
20-50
Карбоксилсодержащие и/или фосфорсодержащие катиониты
5-40
Полиамфолитное волокно на основе полиакрилонитрила
5-50
Жадеит
5-60
Вариант 5
Активированное углеродное волокно
10-40
Гранулированный активированный уголь
10-40
Карбоксилсодержащие и/или фосфорсодержащие катиониты
5-40
Полиамфолитное волокно на основе полиакрилонитрила
5-40
Жадеит
5-50
При этом в процентном соотношении первый и второй слой жадеита между собой распределены, как 30-40% в первом слое, и 70-60% во втором.
Использование жадеита, как показали эксперименты, приводит к неожиданному результату: выравниванию кислотно-щелочного баланса воды, т.е. максимальное приближение Ph воды к нейтральному (диапазон 7,0-7,4), но не ниже 7,0 и не выше 8,0.
Расположение в картридже сначала более крупных зерен жадеита, а потом более мелких зерен, обусловлено тем, что изначально вода будет проходить предварительную более грубую очистку за счет недоуплотнения зерен верхнего слоя жадеита. Далее, поступая в промежуточный слой из смеси гранулированного активированного угля, гранулированной ионообменной смолы и ионообменного волокон, вода будет проходить основную очистку от примесей, тяжелых металлов и других включений, после чего, проходя второй через слой жадеита - слой тонкой очистки (за счет максимального уплотнения зерен), вода, по мимо дополнительной очистки, будет выравнивать свой Ph.
Высота первого слоя варьируется от 50 до 300 мм; высота смеси - в пределах 100÷600 мм, высота второго слоя жадеита - 50÷300 мм.
Изучая физико-химические свойства жадеита, историю использования жадеита в восточной медицине, автор пришел к выводу, что если использовать жадеит в виде мелкой крошки для фильтрации воды (в мелкой крошке увеличивается контактная площадь минерала с водой), то можно изменить некоторые свойства (показатели) воды, что и подтверждается лабораторными испытаниями (Таблица 1).
Наиболее эффективное использование жадеита получено при размере зерен от 1,0 мм до 20,0 мм, после предварительной промывки водой, предпочтительно дистиллированной.
Использование зерен размером менее 1,0 мм приводит к тому, что:
а) мелкий жадеит слишком плотно укладывается в фильтре, и тем самым резко снижает скорость прохождения воды сквозь фильтрующий элемент, падает скорость фильтрации;
б) мелкий жадеит очень быстро заполняет поры фильтра тонкой очистки, и тем самым срок службы фильтра тонкой очистки снижается в три раза;
в) поскольку жадеит является очень твердой горной породой, то его измельчение на дробильной установке до фракций менее 1,0 мм становится очень дорогостоящей процедурой и делает производство фильтра экономически невыгодным.
Использование зерен размером более 20,0 мм приводит к тому, что:
а) уменьшается контактная площадь жадеита с водой - это значительно уменьшает скорость очистки воды и абсорбции вредных примесей;
б) увеличивается свободное пространство между камнями и в связи с этим увеличивается скорость прохождения воды сквозь фильтрующий элемент, что снижает время контакта воды с жадеитовой крошкой - это значительно снижает качество очистки воды;
в) большой размер жадеитовой щебенки значительно затруднит использование жадеита в бытовых и походных фильтрах, которые зачастую имеют маленький размер корпуса.
2
6
Жадеит NaAl(SiO) - минерал группы пироксенов. Твердость по шкале Мооса 6,5-7,0 (алмаз - 10), очень вязкий. Встречается в виде плотных агрегатов, обнаруживающих под микроскопом спутанно-волокнистое строение, а так же в виде зернистых масс.
При пропуске воды через слой зернистого материала в зависимости от заряда и соотношения размеров примесей воды и зерен фильтрующей загрузки может происходить три вида фильтрования:
1) задержание примесей на поверхности фильтрующего слоя (пленочное фильтрование);
2) задержание примесей в порах фильтрующего слоя (объемное фильтрование);
3) одновременное образование примесями пленки и их отложение в порах загрузки.
Заявленный фильтр относится к типу фильтров с объемным фильтрованием.
Как видно из Таблицы 1 (результаты в таблице получены при проведении лабораторных испытаний в Испытательном центре почвенно-экологических исследований МСХА имени К.А. Тимирязева) после пропускания жесткой воды через фильтр с жадеитом снизилось содержание всех элементов от 15,5% для кальция до 95,6% для никеля. Так же следует отметить, что высокую сорбируемость на фильтре получили тяжелые металлы 1-ого и 2-ого классов опасности: свинец, кадмий, никель, цинк, медь. Исключение составил магний, содержание которого увеличилось в очищенной воде на 15,5%. Увеличилось pH на 15,3% (произошло несущественное подщелачивание среды, Ph не более 8). Снизилась жесткость на 19,4%
Необходимо отметить, что низкий уровень pH<4 в воде, как например в дистиллированной, очень губителен для человеческого организма. Подобная вода не приносит клеткам организма необходимых веществ, поэтому клетки организма быстро истощаются и не могут регенерироваться. Поэтому щелочные воды - Боржоми и Есентуки 17 полезны и важны для желудочно-кишечного тракта человека. По данным стандартметрологии оптимальным для питья и хозяйственно бытовых целей считается pH в пределах от 6,5 до 8,0 единиц.
Увеличение содержания магния имеет большое значения для организма человека. Магний участвует в работе большинства органов и систем, но больше всего он необходим сердцу. Данные большинства клинических исследований подтверждают, что при регулярном использовании магния значительно улучшается самочувствие любого человека с больным сердцем:
- сердечный ритм становится более устойчивым;
- нормализуются показатели артериального давления;
- улучшается питание сердечной мышцы, поскольку расширяются коронарные сосуды, обеспечивая нормальный кровоток; это приводит к сокращению приступов стенокардии;
- улучшается текучесть крови по сосудам, снижается риск тромбозов;
- поддерживается лучший баланс калия - еще одного минерала, крайне важного для работы сердца;
- нормализуется работа нервной системы, повышается стрессоустойчивость организма.
Микробиологический анализ воды, проведенный Томским НИИ курортологии и физиотерапии, показал и доказал, что жадеит оказывает бактериостатическое действие на салрофитную микрофлору при температуре 18°C. Так общее количество сапрофитной микрофлоры (КОЕ) снизилось по сравнению с контролем от 58 бактериальных клеток на куб. сантиметр до 11 (Таблица 2).
Таким образом, использование в качестве одного из элементов фильтрующий загрузки - жадеита выполняет сразу множество функций:
1. Задерживает взвешенные частицы.
2. Понижает жесткость воды.
3. Сорбирует тяжелые металлы 1 и 2-ого класса опасности.
4. Увеличивает pH (подщелачивает среду).
5. Добавляет в воду магний.
6. Выполняет бактерицидную функцию.
Таким образом, как видно из таблиц, предложенная загрузка обеспечивает высокую степень очистки воды как от органических примесей, так и от ионов тяжелых металлов и бактерий.
В предложенной загрузке не используются дефицитные и дорогостоящие материалы и ее можно рекомендовать как для производственных фильтров, так и для бытовых водоочистителей
Проведенный поиск не вывил в уровне техники источников, в которых бы были раскрыты все признаки заявленного решения, приведенные в формуле полезной модели, что позволяет говорить о его соответствии условию патентоспособности «новизна».
Модель представленного фильтра была апробирована на опытной установке и показала высокие результаты от использования, что говорит о промышленной применимости устройства.
По сравнению с аналогами, степень очистки воды по тяжелым металла повысилась на 10%.