ФИЛЬТРОВАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ И ДРУГИХ ЖИДКИХ СРЕД
FILTRATION DEVICE FOR TREATMENT OF WATER AND OTHER FLUIDS

Настоящее изобретение относится к фильтровальному устройству, в частности, для обработки воды, содержащему по меньшей мере две керамические фильтрующие мембраны и держатель для по меньшей мере двух керамических фильтрующих мембран, а также к способу изготовления такого фильтровального устройства.
Традиционные очистные установки, как правило, содержат отстойник, в котором на первом этапе из сточной воды удаляют крупные компоненты, аэротенк и вторичный отстойник. Во аэротенке содержатся микроорганизмы, которые разлагают содержащиеся в сточной воде фекалии и другие органические вещества. Во вторичном отстойнике после аэротенка эти микроорганизмы обычно посредством седиментации отделяют от сточной воды и, при необходимости, по меньшей мере частично возвращают в аэротенк. Однако при этом, как правило, невозможно полностью удалить микроорганизмы, в частности, с помощью процесса седиментации, так что существует опасность попадания в окружающую среду вместе со сточной водой микроорганизмов, часть из которых являются вредными для здоровья. Это, как правило, неприемлемо. По этой причине очищенную воду, поступающую из аэротенка, затем обрабатывают с использованием фильтровальных устройств для надежного отделения содержащихся в ней микроорганизмов.
Кроме фильтровальных устройств с фильтрующими мембранами из полимерных материалов, известных, например, из публикаций ЕР-А1-602560, WO-A-03/037489 или WO-A-04/091755, в последние годы широко используют также фильтровальные устройства с фильтрами на основе керамики.
Так, в публикации DE-A-2603505 описан плоский мембранный модуль для процессов разделения в жидкой фазе. Однако описанные в ней фильтры лишь ограниченно пригодны для практического использования в указанных выше прикладных задачах. Так, например, они не содержат расположенных внутри фильтра каналов, через которые можно было бы откачивать фильтрат. Вследствие этого жидкость, подлежащую фильтрованию, можно подводить только к одной стороне фильтра, а фильтрат всегда приходится отводить через противоположную сторону фильтра.
В публикации DE-C-4329473 также описаны неорганические фильтрующие мембраны, стабильные при высоком давлении, изготовление которых, однако, стоит очень дорого. Так, необходимо обеспечить спекание друг с другом двух пластинчатых половин мембраны с полукруглыми выемками, которые впоследствии образуют внутренние каналы для фильтрата.
С другой стороны, в публикации DE-A-19807769 описан держатель для керамического микрофильтра, в который можно вставить плоский керамический фильтр (плоскую мембрану). Для этой цели в держателе предусмотрен паз, контур которого в виде сверху примерно соответствует поперечному сечению вставляемого в него микрофильтра. Необходимая герметичность обеспечивается с помощью резиновых прокладок, которые размещены между стенками паза и микрофильтром. При этом жидкость, подлежащая фильтрованию, может обтекать большую часть вставленного в держатель фильтра, а фильтрат с помощью небольшого разрежения отводится через каналы, предусмотренные внутри фильтра, и через держатель. Тем не менее, выбранное исполнение держателя и образованное с его использованием фильтровальное устройство при определенных обстоятельствах могут иметь недостатки, так как резиновые прокладки при некоторых условиях могут не обеспечивать необходимую непроницаемость для жидкости. Это может, в частности, играть роль при обратной промывке фильтровального устройства. При этом поток жидкости направляют через фильтр в обратном направлении и почти всегда под относительно высоким давлением для удаления с поверхности и внутреннего пространства фильтра содержащихся там загрязнений (ретентата, содержащего микроорганизмы, и др.).
Другое устройство описано в публикации WO-A-07/128565. В этом документе описано крепление плоских фильтров в держателях посредством приклеивания с целью получения простого и надежного уплотнения. Однако, в частности, в больших фильтровальных устройствах, которые содержат большое число раздельных плоских фильтров и соответствующих держателей, затраты, связанные с приклеиванием, были весьма значительными.
В основу настоящего изобретения была положена задача получения фильтровальной системы без указанных выше недостатков. В частности, необходимо было получить фильтровальную систему, которая обладала бы как можно более простой конструкцией, и которую можно было бы изготовить за небольшое число операций. В готовом виде она должна обеспечивать высокий уровень герметичности.
Эта задача решена за счет фильтровального устройства с признаками по п.1 формулы изобретения и способа с признаками по п.15 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления фильтровального устройства согласно настоящему изобретению описаны в зависимых пунктах со 2 по 14 формулы изобретения. Содержание всех пунктов формулы изобретения включено в данное описание посредством ссылки на них.
Фильтровальное устройство согласно настоящему изобретению содержит по меньшей мере две керамические фильтрующие мембраны и держатель по меньшей мере двух керамических фильтрующих мембран. При этом керамические фильтрующие мембраны имеют форму пластин. Каждая из них содержит активную фильтрующую наружную сторону и по меньшей мере один внутренний отводящий канал для профильтрованной воды. Держатель содержит сборную камеру, через которую можно отводить воду, поступающую из отводящих каналов. Кроме того, держатель содержит по меньшей мере два приемных устройства для герметичного закрепления или фиксации в них по меньшей мере двух керамических фильтрующих мембран, в которых эти мембраны закрепляют или фиксируют таким образом, чтобы внутренние отводящие каналы сообщались со сборной камерой. Предпочтительно отводящие каналы по меньшей мере двух керамических фильтрующих мембран или их выпускные отверстия выходят непосредственно в сборную камеру.
Фильтровальное устройство согласно настоящему изобретению, в частности, отличается тем, что по меньшей мере часть держателя с приемными устройствами для керамических фильтрующих мембран, а в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения - весь держатель, представляет собой цельную формованную деталь. В отличие от предшествующего уровня техники в фильтровальном устройстве согласно настоящему изобретению не каждая фильтрующая мембрана имеет свой собственный держатель; вместо этого, предпочтительно несколько фильтрующих мембран закреплено в одном держателе. Соответственно, нет необходимости в отдельном сборном канале для фильтрата, который предусмотрен, например, в публикации WO-A-07/128565. Фильтровальное устройство согласно настоящему изобретению состоит из меньшего числа компонентов, чем стандартные фильтровальные устройства, уже и поэтому оно обладает превосходящими характеристиками герметичности.
Фильтрующие мембраны, подходящие для фильтровального устройства согласно настоящему изобретению, известны на современном уровне техники. В этой связи можно упомянуть, например, керамические плоские мембраны, которые описаны в публикациях WO-A-07/128565, WO-А-07/093440 и WO-A-07/093441.
Фильтровальное устройство согласно настоящему изобретению в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения отличается, в частности тем, что по меньшей мере две керамические фильтрующие мембраны фиксируют в приемных устройствах держателя без использования вспомогательных и соединительных устройств, а также, в частности, без использования уплотнителей и клеящих средств. Другими словами, керамические фильтрующие мембраны закрепляют в приемных устройствах без уплотнителей и клеев. Более того, фильтрующие мембраны настолько точно соответствуют приемным устройствам, что уплотнения не требуется. Размеры фильтрующих мембран по существу точно соответствуют размерам приемных устройств, в которых они закреплены.
Это может быть обеспечено за счет того, что держатель или по меньшей мере часть держателя изготавливают в «непосредственном контакте» с по меньшей мере двумя керамическими фильтрующими мембранами, например - из жидкого полимерного материала (что будет более подробно описано ниже). Тогда керамические фильтрующие мембраны оказываются заформованными в полученном держателе. Следствием является то, что можно дополнительно сократить число отдельных деталей в фильтровальном устройстве согласно настоящему изобретению, в результате чего можно еще больше повысить его надежность.
Соответственно, особо предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна цельная формованная деталь с приемными устройствами, а в некоторых формах - по существу весь держатель, была деталью из полимерного материала, которая изготовлена, в частности, посредством литья или литья под давлением из жидкой полимерной массы или из жидкого форполимера. Так, цельная формованная деталь может быть изготовлена, например, из эпоксидной или полиуретановой смолы.
В соответствии с описанными выше вариантами осуществления настоящего изобретения может быть предпочтительным неразъемное крепление керамических фильтрующих мембран в приемных устройствах. Это, в частности, относится к случаям, в которых керамические фильтрующие мембраны залиты в держателе. Разделение фильтрующей мембраны и держателя при этом связано с разрушением по меньшей мере одной детали.
Как уже упоминалось, фильтровальное устройство согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит по меньшей мере две фильтрующие мембраны. Однако в зависимости от конкретного случая число фильтрующих мембран может очень сильно варьировать. Так, возможны также фильтровальные устройства с числом фильтрующих мембран от нескольких дюжин до нескольких сотен.
По меньшей мере две фильтрующие мембраны фильтровального устройства согласно настоящему изобретению предпочтительно расположены параллельно друг другу. При этом также предпочтительно, чтобы расстояние между несколькими расположенными по существу параллельно друг другу фильтрующими мембранами было всегда по существу одинаковым.
Держатель предпочтительно устроен так, что он содержит рамку с по существу прямоугольным или квадратным поперечным сечением, а внутри рамки он содержит по меньшей мере одну поперечину, предпочтительно несколько расположенных параллельно друг другу поперечин.
Промежутки между рамкой и по меньшей мере одной поперечиной и/или между соседними поперечинами образуют приемные устройства, в которых закреплены керамические фильтрующие мембраны. В остальном, поперечина или поперечины предпочтительно расположены параллельно двум противоположным сторонам, в частности - продольным или поперечным сторонам, рамки с предпочтительно прямоугольным или квадратным поперечным сечением, так что они сообщают рамке высокую механическую стабильность в одном из направлений.
Это, в частности, имеет значение в том случае, если несколько фильтровальных устройств согласно настоящему изобретению соединены в многосекционное фильтровальное устройство, которое также входит в объем настоящего изобретения. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения рамка держателя фильтровального устройства согласно настоящему изобретению содержит по меньшей мере два, предпочтительно - четыре и более, отверстий, через которые профильтрованная вода может быть отведена из сборной камеры. Эти отверстия предпочтительно находятся в рамке, в частности -в стабилизированных сторонах рамки, то есть в тех сторонах рамки, в которые упираются поперечины. Особо предпочтительно, чтобы одна из стабилизированных сторон содержала одно или два таких отверстия, и противоположная вторая стабилизированная сторона также содержала одно или два отверстия. Отверстия предпочтительно расположены в рамке таким образом, чтобы несколько фильтровальных устройств согласно настоящему изобретению можно было собрать в стопку, расположив их друг над другом, причем каждое отверстие в рамке вышележащего фильтровального устройства можно было разместить точно над соответствующим отверстием в рамке нижележащего фильтровального устройства. При таком расположении друг над другом нескольких фильтровальных устройств сборные камеры в держателях, собранных в стопку фильтровальных устройств, связаны друг с другом; образуется канал, проходящий через держатели всех собранных в стопку фильтровальных устройств и предназначенный для отведения профильтрованной среды или среды, используемой для очистки при обратной промывке. Канал полностью расположен внутри держателей, поэтому не требуется снабжения внешними трубами отдельных фильтровальных устройств.
Используемые фильтрующие мембраны предпочтительно содержат внутренние отводящие каналы с выпускными отверстиями, которые находятся по меньшей мере на одной узкой стороне, предпочтительно - на двух противоположных узких сторонах керамических фильтрующих мембран. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере две керамические фильтрующие мембраны фильтровального устройства согласно настоящему изобретению были так закреплены в по меньшей мере двух приемных устройствах держателя фильтровального устройства согласно настоящему изобретению, чтобы отводящие каналы или их выпускные отверстия могли открываться непосредственно в сборную камеру (как указано выше). Кроме того, предпочтительно, чтобы узкая сторона или узкие стороны, на которых находятся выпускные отверстия внутренних отводящих каналов, полностью, то есть по всей длине, были закреплены в приемных устройствах держателя или держателей. Особо предпочтительно, если вышеупомянутые поперечины и рамка держателя согласно настоящему изобретению образуют приемные устройства, размеры которых точно соответствуют размерам этих продольных сторон.
В фильтровальном устройстве согласно настоящему изобретению выпускные отверстия предпочтительно открываются в промежуточные пространства между рамкой и по меньшей мере одной поперечиной держателя фильтровального устройства согласно настоящему изобретению и/или между соседними поперечинами. Все эти промежуточные пространства предпочтительно соединены друг с другом и совместно образуют один из вариантов осуществления вышеупомянутой сборной камеры.
На основании описанных выше исполнений уже можно сделать вывод о том, что сборная камера отдельного фильтровального устройства согласно настоящему изобретению в предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения расположена внутри держателя. Снаружи она предпочтительно ограничена вышеупомянутыми рамками держателя, узкими сторонами фильтрующих мембран с выпускными отверстиями и, при определенных условиях, поперечинами. Кроме того, держатель предпочтительно содержит покровную пластину, которую можно вставить в рамку, и которая замыкает сборную камеру с одной стороны, в частности спереди. Эта покровная пластина может быть прозрачной, например, изготовленной из стекла или плексигласа. При таком исполнении работоспособность фильтровального устройства согласно настоящему изобретению можно контролировать визуально. Покровная пластина может быть, например, приклеена к рамке.
В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения фильтровальное устройство согласно настоящему изобретению содержит несколько держателей, в которых закреплены керамические фильтрующие мембраны. Особо предпочтительны варианты осуществления настоящего изобретения, в которых противоположные узкие стороны по существу прямоугольных или квадратных фильтрующих мембран закреплены в разных держателях. Эти держатели предпочтительно функционально идентичны, то есть обладают одинаковыми техническими характеристиками.
В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения фильтровальное устройство согласно настоящему изобретению содержит два функционально идентичных держателя вышеописанного типа, между которыми находятся по меньшей мере две керамические фильтрующие мембраны, содержащие внутренние отводящие каналы для профильтрованной воды и выпускные отверстия на противоположных узких сторонах фильтрующих мембран, причем фильтрующие мембраны этими узкими сторонами закреплены в по меньшей мере двух приемных устройствах двух держателей. При этом во время эксплуатации профильтрованная вода отводится с обоих концов керамических фильтрующих мембран (с двух противоположных узких сторон) через сборную камеру соответствующим образом расположенного держателя.
Следует упомянуть, что фильтровальное устройство согласно настоящему изобретению, кроме фильтрующих мембран и держателей, естественно, может содержать и другие компоненты, например боковые стенки, которые при необходимости совместно с держателями на противоположных узких сторонах керамических фильтрующих мембран могут образовывать корпус. Таким образом, держатели могут служить частью корпуса фильтровального устройства согласно настоящему изобретению.
Способ изготовления согласно настоящему изобретению фильтровального устройства, описанного выше, отличается, в частности, тем, что по меньшей мере две керамические фильтрующие мембраны размещают внутри формы и посредством литья или литья под давлением изготавливают из жидкой полимерной массы или из жидкого форполимера держатель, в котором зафиксированы керамические фильтрующие мембраны. Жидкая полимерная масса или жидкий форполимер при этом может затвердевать, находясь в непосредственном контакте с фильтрующими мембранами, и точно окружает контуры фильтрующих мембран. За счет этого можно обеспечить точное соответствие приемных устройств размерам фильтрующих мембран, так что не требуется никакого уплотнителя.
Для изготовления фильтровального устройства согласно настоящему изобретению, в частности - предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, который будет более подробно описан ниже, предпочтительно две или несколько керамических фильтрующих мембран размещают в форме предпочтительно параллельно друг другу, например - с.использованием одного или нескольких позиционирующих устройств (например, гребенки), причем предпочтительно выдерживают определенное расстояние между соседними мембранами. Используемые фильтрующие мембраны содержат внутренние отводящие каналы с выпускными отверстиями на по меньшей мере одной узкой стороне, предпочтительно - на двух противоположных узких сторонах, как уже описано выше. Предпочтительно до или, при необходимости, после размещения фильтрующих мембран в форме выпускные отверстия закрывают, например - с помощью соответствующей силиконовой подушечки. За счет этого предотвращается закупоривание доступа к отводящим каналам. Затем можно осуществить подачу в форму жидкой полимерной массы или жидкого форполимера. Эта полимерная масса может отвердеть вокруг силиконовой подушечки или вокруг альтернативного равнозначного закупоривающего средства. Форма и объем силиконовой подушечки или равнозначного закупоривающего средства могут при этом определять форму и объем возникающей за счет этого сборной камеры. Между фильтрующими мембранами в процессе отверждения полимерной массы или жидкого форполимера образуются вышеописанные поперечины вокруг фильтрующих мембран и между сторонами описанной выше рамки. Затем, после удаления силиконовой подушечки, к рамке можно приклеить вышеупомянутую покровную пластину. Затем, если это необходимо, можно повторить процедуру на другом конце или на другой узкой стороне мембран.
В идеальном случае коэффициент расширения полимера соответствует коэффициенту расширения фильтрующих мембран (то есть необходимо выбрать подходящий полимер). Кроме того, необходимо учитывать, что отверждение происходит не при слишком высоких температурах.
Для использования в способе согласно настоящему изобретению принципиально пригодно множество известных полимерных соединений, однако особо предпочтительны полимеры на основе эпоксидных или полиуретановых смол.
Фильтровальное устройство согласно настоящему изобретению превосходно подходит для применения в прикладных задачах, указанных в начале описания. Кроме того, следует отметить, что оно пригодно не только для обработки воды, но и может быть использовано для фильтрации в системах «твердое вещество-жидкость», «жидкость-твердое вещество» и «жидкость-жидкость».
Указанные и прочие преимущества настоящего изобретения следуют из описанных ниже со ссылкой на рисунки вариантов осуществления и зависимых пунктов формулы изобретения. При этом отдельные признаки настоящего изобретения могут быть осуществлены по отдельности или в комбинации друг с другом. Описанные ниже варианты осуществления настоящего изобретения предназначены исключительно для разъяснения и лучшего понимания настоящего изобретения, и их ни в коей мере не следует считать ограничивающими его объем.
На рисунках изображены:
Фиг.1 - вид сверху фильтровального устройства согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, состоящего из нескольких керамических фильтрующих мембран и двух держателей;
Фиг.2а - вид спереди фильтровального устройства, изображенного на Фиг.1 (вид под углом спереди);
Фиг.2б - другой вид спереди фильтровального устройства, изображенного на Фиг.1 (фронтальный вид спереди).
Фиг.1 изображает один из вариантов осуществления фильтровального устройства 100 согласно настоящему изобретению, состоящего из нескольких керамических фильтрующих мембран 101 и двух функционально идентичных держателей 102, между которыми зафиксированы фильтрующие мембраны 101, и в которые заформованы фильтрующие мембраны. Оба держателя обладают одинаковыми техническими характеристиками; эти характеристики будут объяснены далее на примере переднего держателя.
Фильтрующие мембраны 101 расположены параллельно друг другу и находятся (за одним исключением) на по существу одинаковом расстоянии друг от друга. Каждый из держателей 102 представляет собой литую полимерную деталь, содержащую рамку 103, несколько поперечин 104 и изготовленную из плексигласа покровную пластину 105. Фильтрующие мембраны содержат внутренние отводящие каналы для профильтрованной воды, выпускные отверстия которых находятся на двух противоположных узких сторонах фильтрующих мембран. Между рамкой 103 и двумя внешними поперечинами 104, а также между всеми соседними поперечинами 104 имеются промежуточные пространства, которые образуют приемные устройства, в которых без уплотнений и клеящих средств закреплены керамические фильтрующие мембраны 101. Выпускные отверстия фильтрующих мембран 101 выходят непосредственно в эти промежуточные пространства. Все промежуточные пространства между поперечинами 104 и между рамкой 103 и поперечинами 104 сообщаются друг с другом и в совокупности образуют сборную камеру для профильтрованной воды, которая спереди замкнута плексигласовой пластиной 105. В остальном, сборная камера снаружи ограничена держателем 102 (то есть его рамкой 103 и поперечинами 104) и узкими сторонами фильтрующих мембран 101 с выпускными отверстиями. Из сборной камеры профильтрованная вода может быть отведена через два отверстия 106. Кроме того, отверстия 106 могут также служить для присоединения других фильтровальных устройств (то есть их рамок). Для этого на уступе 107 может быть размещено уплотнительное кольцо. Второе (идентичное изображенному) фильтровальное устройство может быть размещено на фильтровальном устройстве, изображенном на рисунке, в виде стопки, так что его нижнее отверстие 106 совмещается с верхним отверстием 106 фильтровального устройства, изображенного на рисунке.
При таком соединении друг с другом нескольких фильтровальных устройств 100 отверстия 106 образуют канал, проходящий через все соединенные фильтровальные устройства 100 и предназначенный для отведения профильтрованной среды или очищающей среды для обратной промывки. Точное позиционирование нескольких соединенных друг с другом фильтровальных устройств 100 можно обеспечить, например, с помощью юстировочных винтов. Поэтому дополнительные направляющие или прямая фиксация с помощью винтовых соединений не являются настоятельно необходимыми. Соединенные в одно целое фильтровальные устройства 100 можно прочно соединить друг с другом, например, с помощью системы штанг и зафиксировать так, что можно будет поднимать их совместно.
Фиг.2а изображает вид спереди фильтровального устройства, изображенного на Фиг.1. И здесь можно видеть керамические фильтрующие мембраны 201 и держатели 202 с рамкой 203, поперечинами 204, покровной пластиной или плексигласовой пластиной 205 (в данном случае она не установлена на место) и отверстиями 206. Верхняя и нижняя стороны рамки 203 стабилизированы упирающимися в них поперечинами 204. Узкая сторона 201а одной из фильтрующих мембран выступает вперед между одной из поперечин 204 и правой стороной рамки 203. Хорошо видны выпускные отверстия сборных каналов, расположенных внутри фильтрующей мембраны 201.
Рамка содержит уступ 207, в который можно опустить плексигласовую пластину. Фиксацию пластины в уступе можно обеспечить, например, посредством приклеивания. Поперечины 204 на верхнем конце имеют выемки 208, за счет которых обеспечивается поступление профильтрованной воды от каждой отдельной мембраны к отверстию 206. Кроме того, эти выемки могут обеспечивать дегазацию фильтровального устройства. Свободные пространства между поперечинами 204 или между поперечинами 204 и рамкой 203 и плексигласовая пластина в совокупности образуют уже упомянутую сборную камеру для профильтрованной воды.
На Фиг.2b хорошо видны, в частности, расположенные между поперечинами 204 узкие стороны 201а фильтрующих мембран 101 фильтровального устройства 100.