УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ С ФИЛЬТРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО ТИТАНА

Полезная модель относится к устройствам тонкой очистки (микроочистки) воды хозяйственно-бытового назначения, а также промышленных стоков от механических примесей, свободного хлора, нитратов, четыреххлористого углерода, нефтепродуктов, окрашенных органических веществ, ухудшающих показатель цветности воды, ионов железа, алюминия, марганца, а также патогенных бактерий.
Известна конструкция фильтра для очистки воды, включающая корпус, крышку с каналами для подвода очищаемой жидкости и отвода фильтрата, фильтроэлемент с цилиндрической боковой поверхностью, внутренняя полость которого сообщается с каналом отвода фильтрата, камеру фильтрации, образованную корпусом и наружной поверхностью фильтроэлемента, сообщенную с каналом подвода очищаемой жидкости [RU 17010, 10.03.2001]. При этом фильтроэлемент выполнен из пористого материала на основе карбида титана.
К недостаткам указанного фильтра может быть отнесена недостаточная недостаточно высокая степень очистки воды при удалении: солей жесткости (магния, кальция, кремния) и фтора, а также узкий диапазон загрязнителей, доступных для очистки, что обусловлено тем, что в качестве материала фильтроэлемента выбран карбид титана, который, как известно, не вступает в химические реакции с солями жесткости и фтором.
За наиболее близкий аналог к заявленной полезной модели принята конструкция установки для микроочистки жидкостей, которая содержит разъемный корпус с входным патрубком для подачи исходной жидкости и выходным патрубком для выхода очищенной жидкости [RU 2288172, 27.11.2006]. В корпусе размещен картридж, представляющий собой расположенные концентрично друг другу и корпусу внешний цилиндр из однослойной тканой нержавеющей сетки, натянутой на каркас, изготовленный из перфорированного листа нержавеющей стали в виде стакана, средний цилиндр из пористого полипропилена с тонкостью фильтрации от 20 мкм на наружной поверхности, до 5 мкм на внутренней поверхности, на нижний торец которого наварен герметичный эластичный пластизолевый пятачок по диаметру цилиндра, а на верхний торец наварено пластизолевое кольцо с наружным диаметром на 1 мм больше внутреннего диаметра кольцевого ободка внешнего цилиндра и с внутренним диаметром на 1 мм меньше диаметра внутреннего цилиндра, внутренний цилиндр, изготовленный из спеченного порошка титана с преимущественным размером пор 5-7 мкм.
Недостаток установки для микроочистки жидкости заключаются в сложности ее конструкции, включающей фильтрующий картридж, состоящий из трех фильтрующих слоев, а также вспомогательного фиксирующего фильтрующие слои элемента. Кроме того, в конструкции устройства реализуется достаточно трудоемкая схема крепления картриджа, поскольку для монтажа фильтрующего картриджа необходимо вставить патрубок отвода жидкости, расположенный на съемной крышке устройства, в небольшое отверстие в верхней части картриджа, при этом, требуется ровная установка нижней части картриджа в нижней части корпуса на боковую поверхность конической формы без фиксации. Отсутствие в конструкции устройства элементов, фиксирующих картридж, может приводить к постоянному смещению картриджа под напором воды и способствует ускорению изнашиваемости деталей в процессе эксплуатации, а также неравномерному загрязнению фильтрующего картриджа, таким образом, требуется более частая регенерация картриджа, в противном случае, степень очистки воды может существенно снизиться. Таким образом, указанные недостатки приводят к снижению надежности устройства при эксплуатации и эффективности очистки воды.
Другим недостатком устройства является, пористый титановый слой фильтрующего картриджа характеризуется недостаточно высокой эффективностью очистки жидкости ввиду неоптимальных структурных характеристик данного материала с размером пор 5-7 мкм, что требует применения двух дополнительных фильтрующих слоев, в результате чего, для получения высокой степени очистки воды реализуется трехступенчатая схема очистки.
Техническая проблема, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в расширении арсенала средств безреагентной тонкой очистки воды с простотой конструкции, позволяющей удалять широкий спектр загрязнений с высокой эффективностью по одноступенчатой схеме.
Технический результат полезной модели заключается в повышении ее функциональных возможностей, надежности, технологичности конструкции устройства тонкой очистки воды и, соответственно, увеличения срока эксплуатации устройства за счет упрощения его конструкции, процесса сборки- разборки, что достигается простотой установки фильтрующего элемента, сокращением фильтрующих слоев конструкции фильтрующего элемента без снижения эффективности очистки воды, фиксированием и центрированием в корпусе цельного фильтрующего элемента из пористого титана с оптимальными структурными характеристиками: размером пор, пористостью, что, в общем, обеспечивает простоту в эксплуатации при сохранении высокой степени очистки вод.
Указанный технический результат достигается в устройстве для тонкой очистки воды, содержащем корпус, крышку с патрубками подвода очищаемой жидкости и отвода фильтрата, центрированный в корпусе фильтрующий элемент, выполненный цельным из пористого титана с лабиринтной структурой пор с размером от 0,1 мкм до 4,9 мкм и пористостью - 80-95% и внутренняя полость которого сообщается с патрубком отвода фильтрата, камеру фильтрации, образованную корпусом и наружной поверхностью фильтрующего элемента, сообщенную с патрубком подвода очищаемой жидкости.
Корпус устройства для глубокой очистки воды может быть выполнен из нержавеющей стали или полимерного материала и предназначен для установки цилиндрических фильтрующих элементов длиной от 8 см до 1000 см с толщиной стенки от 0,1 до 10 см.
В верхней части фильтрующего элемента расположен патрубок с наружной резьбой для прочного крепления и центрирования в крышке устройства Соответственно, на водопроводной трубе или переходнике выполнена ответная внутренняя резьба.
Фильтрующий элемент имеет внутреннюю полость, сообщающуюся с патрубком отвода фильтрата устройства и центрированную относительно принимающего фильтрат отверстия патрубка отвода фильтрата.
Выбор титана в качестве единственного материала для изготовления фильтрующего элемента в виде картриджа и выполнение фильтрующего элемента с высокопористой лабиринтной структурой с размером открытых пор 0,1-4,9 мкм, наиболее предпочтительно 0,1 мкм, и пористостью 80-95%, наиболее предпочтительно 95%, позволяет достичь высоких показателей очистки воды от указанных ранее загрязнителей, что обусловлено как широко известными полезными свойствами титана при очистке воды, например, каталитическими свойствами окисления металлов, например, железа, бактерицидными свойствами и т.д., так и оптимальными структурными характеристиками пористого фильтрующего элемента. Уменьшение размера пор и, в то же время, увеличение пористости материала приводит к увеличению площади адсорбционной поверхности фильтрующего элемента. Кроме того, тонкопористая лабиринтная структура фильтрующего элемента позволяет задерживать частицы удаляемых из воды веществ за счет механического торможения на месте извилины поры.
Таким образом, выполнение в конструкции устройства фильтрующего элемента из пористого титана с оптимальными структурными характеристиками позволяет повысить эффективность очистки воды от широкого спектра загрязнений при упрощении конструкции устройства, а именно, при сокращении количества дополнительных фильтрующих слоев фильтрующего элемента до одного, что также повышает надежность работы устройства в целом и увеличивает срок эксплуатации.
Компактность фильтрующего элемента обусловлена наличием одного фильтрующего слоя, а также выполнением в верхней части фильтрующего элемента патрубка простого крепежного соединения, например, в виде резьбы, для крепления и центрирования в корпусе устройства, что соответственно упрощают его монтаж и сборку устройства в целом, при этом достигается высокая прочность фиксации фильтрующего элемента в корпусе, что исключает нежелательные перемещения фильтрующего элемента, приводящие, с одной стороны, к изнашиваемости деталей устройства, а с другой - к неравномерному загрязнению фильтра и снижению эффективности очистки воды. Таким образом, конструкция полезной модели характеризуется высокой надежностью и стабильно высокой степенью очистки воды.
Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой изображен фронтальный разрез устройства для тонкой очистки воды.
На фигуре позициями 1-12 обозначены:
1 - корпус;
2 - крышка;
3 - входной патрубок;
4 - выходной патрубок;
5 - хомут;
6 - уплотнительное кольцо;
7 - фильтрующий элемент;
8 - втулка с внешней резьбой;
9 - сливной штуцер;
10 - заглушка;
11 - фильтровальная камера;
12 - полость в фильтрующем элементе.
Конструкция устройства для тонкой очистки воды включает корпус 1, крышку 2 с патрубками входа 3 и выхода 4 жидкости, хомут 5 с резиновым уплотнением для присоединения корпуса к крышке, уплотнительное кольцо 6 хомута, фильтрующий элемент 7 из пористого титана, с расположенной в верхней части втулкой 8 с внешней резьбой для вкручивания в корпус 1. В нижней части корпуса расположен сливной штуцер 9 с заглушкой 10.
В частном случае реализации корпус фильтра и крышка изготовлены из пищевой нержавеющей стали при этом высота устройства составляет 37 см, а внутренний диаметр корпуса - 9 см. Высота и внешний диаметр фильтрующего элемента составляют 22,8 и 5,6 см, соответственно. При этом толщина стенки фильтрующего элемента составляет 3 см. Для установки титанового фильтрующего элемента 7 необходимо снять хомут 5 и отсоединить корпус 1 от крышки 2, а затем, вкрутить фильтрующий элемент с помощью резьбы по оси крышки. Фильтрующий элемент вкручивают в корпус таким образом, чтобы отверстие входного патрубка для входа очищаемой воды в корпусе располагалось непосредственно над стенкой фильтрующего элемента. Это способствует первичной очистке воды при вертикальном прохождению воды сквозь стенку и вторичной очистке при прохождении через фильтрующий элемент в горизонтальном направлении. Фильтрующий элемент изготовлен из пористого титана с лабиринтной структурой пор с размером 0,1 мкм и пористостью 8 см. Далее крышка надевается на корпус и закрепляется хомутом. Монтаж корпуса фильтра может производится с использованием кронштейна, закрепляемого на вертикальную поверхность.
Приведенный пример является частным случаем и не исчерпывает всех возможных реализаций полезной модели.
Очистка воды происходит следующим образом: через входной патрубок в крышке 2 вода поступает в корпус устройства и проходит первичную очистку, проходя в вертикальном направлении через стенку фильтрующего элемента, после чего вода попадает в фильтровальную камеру 11 и проходит через фильтр в горизонтальном направлении в полость фильтровального элемента 12. При этом, все подлежащие удалению вещества и бактерии задерживаются на стенках фильтрующего элемента, непосредственно за счет адсорбции в порах пористого титана, внутри пор за счет механического торможения на месте извилины поры, а также на поверхности пор, не проникая внутрь. Далее очищенная вода из полости в фильтрующем элементе 12 поступает в выходной патрубок 4. Задержанные фильтрующим элементом загрязнители, в том числе, нерастворимый в воде оксид железа, образованный в результате каталитического окисления ионов железа на поверхности пористого титана, покрытого пленкой оксида титана, являющегося катализатором процесса окисления металлов, при регенерации фильтра обратным током воды легко смываются с поверхности фильтрующего элемента.
В таблицах 1, 2 приведены результаты определения эффективности очистки воды с различным содержанием загрязнителей с применением настоящей полезной модели.
1)
Проба воды была очищена устройством, с выполненным в его корпусе фильтрующим элементом с размером пор 0,1 мкм и пористостью 95%;
2)
Проба воды была очищена устройством, с выполненным в его корпусе фильтрующим элементом с размером пор 0,8 мкм и пористостью 95%;
3)
Проба воды была очищена устройством, с выполненным в его корпусе фильтрующим элементом с размером пор 4,9 мкм и пористостью 95%;
4)
В скобках указана степень очистки воды в % относительно пробы сточной воды до очистки фильтром.
1)
Проба воды была очищена устройством, с выполненным в его корпусе фильтрующим элементом с размером пор 0,1 мкм и пористостью 95%;
2)
Проба воды была очищена устройством, с выполненным в его корпусе фильтрующим элементом с размером пор 0,1 мкм и пористостью 90%;
3)
Проба воды была очищена устройством, с выполненным в его корпусе фильтрующим элементом с размером пор 0,1 мкм и пористостью 80%;
4)
В скобках указана степень очистки воды в % относительно пробы сточной воды до очистки фильтром.
Лучшие результаты очистки воды от широкого спектра загрязнений были получены с использованием полезной модели с размером пор 0,1 мкм и пористостью 95% фильтрующего элемента.
В результате определения содержания некоторых загрязнителей в пробах воды до и после очистки с применением настоящей полезной модели установлено, что образцы очищенной воды по концентрации содержащихся в них загрязнителей соответствуют нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 для питьевой воды и воды хозяйственно-бытового назначения.
Таким образом, разработанная конструкция устройства для тонкой воды с фильтрующим элементом на основе пористого титана характеризуется высокой надежностью и эффективностью очистки воды от широкого спектра загрязнителей, что достигается упрощением ее конструкции, с применением в качестве фильтрующего элемента пористого титана с оптимальными структурными характеристиками и прочной его фиксацией в корпусе.