УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОЧИСТКИ И УЛУЧШЕНИЯ ВОДЫ
WATER TREATMENT WATER

Данное изобретение относится к устройству для низкозатратной очистки питьевой воды и датчику для предупреждения пользователя, когда воду больше небезопасно пить. Это низкозатратное устройство для очистки воды включает дополнительные функциональные возможности, которые позволяют добавлять к воде полезные примеси и молекулы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ ДАННОМУ ИЗОБРЕТЕНИЮ
Устройства для очистки воды могут содержать многие разнообразные компоненты, использующие различные механизмы для удаления из воды. На один из классов устройств для очистки воды в соответствии с предшествующим уровнем техники обычно ссылаются как на устройства для очистки воды «на месте использования» (POU). Такие устройства POU состоят из компонентов, которые удаляют примеси из воды при сравнительно небольших масштабах, например, это устройство настольного типа или устройство, ориентированное для применения на квартиру, в противоположность крупногабаритному центральному устройству, подобному муниципальному устройству для обработки воды.
Устройства POU в общем были сконструированы для рынка верхнего эшелона, т.е. рынка, где могут быть допущены устройства POU увеличенной стоимости. Устройства POU не проникали эффективным образом в большой рынок нижнего эшелона вследствие недостатка в изобретательских конструктивных решениях в областях низкой стоимости.
Типичное устройство POU может иметь предварительный фильтр, чтобы удалять осадок, за которым следуют узлы, которые обеспечивают удаление патогенов и иногда неорганического материала. Одной из наиболее важных особенностей устройства POU, которое содержит расходные материалы, такие как фильтры, является система обнаружения «конечной точки», которая предупреждает пользователя или обслуживающий персонал, что пришло время замены фильтра. Большинство устройств POU используют систему с временным критерием, в которой после прохождения определенного периода времени включается световой (или иной) индикатор, который сигнализирует, что наступило время менять фильтр. Этот сравнительно недорогой датчик не является адекватным, если устройство для очистки воды используется в разных режимах работы, и требуемый период времени между заменами фильтра, чтобы избежать загрязнения, может варьироваться значительным образом, и, соответственно, создается риск потребления пользователями загрязненной воды.
Основным методом определения состава (и безопасности) воды является периодический отбор образцов воды и передача этих образцов в лабораторию, где сравнительно крупногабаритное оборудование используется для анализа состава воды. Эта информация о том, что находится в воде, направляется назад к пользователю или обслуживающему персоналу. Кроме того, имеются полевые комплекты, которые могут тестировать конкретные загрязняющие вещества, например хлор. Как правило, ни один из этих стандартных методов испытаний не является достаточно универсальным или совместимым с устройством для очистки воды POU. Аналогичным образом, ни один из этих методов испытаний не является удобным для потребителя.
Существующие устройства для очистки воды POU не добавляют полезных ингредиентов к воде. Типичные устройства, которые передают молекулы или соединения в воду, созданы в кондитерской промышленности или в ресторанном бизнесе. Сатуратор, например, добавляет молекулы и соединения, которые придают вкус газированной воде, посредством простого смешивания потоков жидкостей, однако не добавляет ингредиенты, полезные для здоровья потребителя.
Имеется потребность в улучшенном устройстве для очистки воды и/или добавления полезных ингредиентов к воде. Данное изобретение пытается удовлетворить эту потребность.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном из аспектов данного изобретения предоставляется устройство для очистки воды, содержащее по меньшей мере две фильтрующие среды, выдержанные по размеру одной по отношению к другой, чтобы обеспечить возможность насыщения вначале первым загрязняющим веществом с некоторой последующей задержкой по времени, прежде чем происходит насыщение вторым загрязняющим веществом. В другом аспекте предоставляется способ очистки воды, включающий пропускание воды через устройство, содержащее по меньшей мере две фильтрующие среды, выдержанные по размеру одной по отношению к другой, чтобы обеспечить возможность насыщения вначале первым загрязняющим веществом в воде с некоторой последующей задержкой по времени, прежде чем происходит насыщение вторым загрязняющим веществом.
Важный аспект данного устройства заключается в использовании пользователем устройства в качестве детектора конечной точки в отношении патогенов или других опасных элементов. Этот аспект устройства предусматривает основной принцип в низкозатратной очистке воды и поддержании безопасности воды. Устройство по данному изобретению использует пользователя в качестве детектора посредством зрения или вкуса пользователя. Некоторый механизм в устройстве для очистки воды высвобождает цветной элемент, когда водяной фильтр достиг или начинает достигать конца своего срока службы. Кроме того, устройство также обладает возможностью высвобождения различных вкусовых веществ в воду, которые также могут предупредить пользователя, что фильтр достиг конца своего срока службы. В дополнение к этому, поскольку эти механизмы определения введены низкозатратным образом, такие же механизмы могут быть использованы, чтобы передавать желательные молекулы или соединения в очищенную воду, образуя, тем самым, напитки, полезные для здоровья, и/или напитки с лечебным действием.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой схематический вид первого варианта осуществления данного изобретения, показывающий низкозатратное устройство для очистки от мышьяка;
Фиг.2 иллюстрирует, как среда для изменения вкуса пробивается первой, и вода будет иметь нежелательный плесневый или землистый вкус в течение некоторого периода задержки по времени, прежде чем вода становится загрязненной мышьяком;
Фиг.3 иллюстрирует, каким образом капсулы с высвобождением с задержкой по времени могут высвобождать при постоянной скорости вещества для изменения вкуса, которые абсорбируются средой ниже по потоку и насыщают среду в надлежащее время;
Фиг.4 иллюстрирует, каким образом капсулы с высвобождением с задержкой по времени спроектированы в форме с внезапным высвобождением, и они располагаются в этом случае в конце устройства для очистки;
Фиг.5 иллюстрирует капсулы с высвобождением с задержкой по времени, спроектированные для введения равномерной дозы вкусового вещества по прошествии промежутка времени;
Фиг.6 иллюстрирует капсулу с высвобождением с задержкой по времени, спроектированную таким образом, что ее внешняя оболочка растворяется при такой скорости, что вкусовое вещество высвобождается так резко, насколько это возможно, когда среда для удаления мышьяка близка к истощению; и
Фиг.7 и 8 показывают результаты удаления мышьяка посредством фильтра с комбинацией активированного угля (AC)/гранулированного оксида железа (GFO) для воды из озера Чапала на протяжении срока службы фильтра.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
При обращении к чертежам: Фиг.1 представляет собой схематический вид первого варианта осуществления низкозатратного устройства для очистки от мышьяка по данному изобретению. Устройство 2 содержит резервуар 4 для размещения воды, подлежащей очистке, соединенный через клапан 8 с фильтрующей областью 10, имеющей последовательность корректирующих сред 12, 14, 16. Вода, проходящая через фильтрующую область 10, выпускается через насадку 18 посредством клапана 20 в приемный резервуар 22.
Предварительный фильтр 12 спроектирован, чтобы удалять крупные частицы и осадок из воды. После предварительного фильтра 12 располагается последовательность фильтрующих сред, которые предназначены, чтобы удалять целевые атомы, молекулы или соединения из воды, и/или могут быть использованы для изменения цвета или вкуса воды, когда среда насыщается загрязняющими веществами, и среда больше не очищает воду (т.е. данное изобретение указывает, вода скоро будет небезопасной), в частном варианте осуществления, проиллюстрированном на Фиг.1, за средой 12 для предварительной фильтрации следует среда 14 для изменения вкуса и среда 16 для удаления мышьяка.
6
12
Подобные механизмы могут быть использованы для введения других полезных соединений в воду. Полезными соединениями могут быть, например, витамины, аминокислоты, минералы и/или травяные экстракты. Некоторые примеры включают витамин A, витамин C, витамин D и витамин E, витамин K, витамин B, витамин B, тиамин, рибофлавин, ниацин, фолиевую кислоту, биотин, пантотеновую кислоту, кальций, железо, фосфор, йод, магний, цинк, селен, медь, марганец, хром, молибден, калий, бор, никель, кремний, олово, ванадий, лютеин и ликопин.
Устройство по данному изобретению в первую очередь сконструировано для обработки воды, которая была дезинфицирована хлором. Как указано выше, одна из корректирующих сред 14 может быть предназначена, чтобы удалять нежелательные вкусовые ощущения, а другая среда 16 может быть выбрана, чтобы удалять мышьяк.
Разные географические зоны могут иметь различающиеся проблемы в отношении воды, и, соответственно, может требоваться регулирование видов сред, числа сред или соотношений сред, чтобы должным образом удалять загрязняющие вещества. Фильтрующее устройство спроектировано при соответствующем времени контакта свободной фильтрующей среды с водой (EBCT) для каждой из сред, чтобы предоставить возможность достаточного удаления целевых загрязняющих веществ. Типичные величины EBCT составляют порядка от 1 до 10 минут, и эти нормы определяют расходы воды через объем фильтрующей среды.
Устройство для очистки может включать дополнительные фильтрующие ступени после корректирующих сред, описанных выше (не показаны). Например, фильтр, чтобы удалять тонкие частицы (например, фильтр из намотанных волокон), и/или фильтр, чтобы удалять бактериальные загрязняющие вещества, могут быть применены после ступеней с корректирующими средами. Обычными компонентами, вызывающими проблемы со вкусом воды, являются альгальные метаболиты, такие как геосмин или 2-метилизоборнеол (MIB), которые придают плесневый или землистый вкус воде (См., например, главу 26 в Adsorption by Carbon, edited by Bottani and Tascon). Хотя порядок расположения среды в устройстве по данному изобретению не является критическим, в варианте осуществления, проиллюстрированном на Фиг.1, фильтрующая среда 14 для изменения вкуса располагается непосредственно за средой 12 для предварительной фильтрации, после которой следует среда 16 для удаления мышьяка.
В других вариантах осуществления среды могут быть перемешаны, чередоваться или расположены пакетами. Кроме того, хотя имеются другие потенциальные среды, которые могут выполнять обе задачи, описанные выше, активированный углерод (на который также ссылаются как на активированный уголь) обычно выбирается в качестве фильтрующей среды 14 для изменения вкуса, и один или несколько компонентов из гранулированного гидроксида железа, активированного оксида алюминия, гранулированного оксида железа, оксида титана, оксида циркония или других оксидов металлов или смеси оксидов металлов могут быть выбраны в качестве среды 16 для удаления мышьяка.
Конструкция устройства по данному изобретению обладает очень низкой стоимостью по двум принципиальным причинам. Во-первых, целью устройства являются две основные проблемы, возникающие с водой, а именно концентрация токсичного мышьяка и нежелательный вкус. Во-вторых, способ определения конечной точки основан на времени или, более существенно, на вкусе. Устройство способно использовать вкус пользователя в качестве механизма определения конечной точки посредством задания размеров среды для изменения вкуса и среды для удаления мышьяка таким образом, что среда для изменения вкуса насыщается прежде, чем насыщается среда для удаления мышьяка. Когда объемы этих сред выдерживаются по размеру, как описано, среда для изменения вкуса пробивается первой и вода будет приобретать нежелательный плесневый или землистый вкус в течение некоторого периода задержки по времени, прежде чем вода становится загрязненной мышьяком.
Этот эффект представлен схематически на схеме, показанной на Фиг.2. Задание объема среды, чтобы достигнуть этого функционального эффекта, при котором пользователь представляет собой датчик, поскольку пользователь подает сигнал для замены среды, когда в воде обнаруживается землистый или плесневый привкус, выполняется при последовательности этапов, описанной ниже.
Во-первых, измеряются характеристики местной воды, чтобы определить уровень содержания соединений, придающих вкус, таких как геосмин или 2-метилизоборнеол (MIB), и уровень содержания мышьяка в воде. Во-вторых, среда для изменения вкуса и удаления мышьяка тестируется, чтобы определить, сколько потребуется времени для насыщения объема среды геосмином и/или 2-метилизоборнеолом (MIB) или мышьяком. После завершения второго этапа могут быть выбраны объемы среды в устройстве, чтобы достигнуть эффекта, показанного на Фиг.2.
Например, двухкомпонентный фильтр POU может быть сконструирован с активированным углем для улучшения вкуса и гранулированного оксида железа (GFO) для удаления мышьяка. Посредством соответствующего задания размеров среды, изменение вкуса действует в качестве раннего предупреждения для пользователя, что подошло время заменять фильтр. Релевантными параметрами являются адсорбционные способности сред в отношении целевых загрязняющих веществ, обычно выраженные в мг загрязняющего вещества, адсорбированного граммом среды. Адсорбционная способность активированного угля в отношении 2-метилизоборнеола (MIB) находится в интервале от 1 до 3 мг/г, в зависимости от структуры активированного угля (исходного материала, содержащего углерод, распределения пор по размеру и площади поверхности) и химии воды (См., например, главу 26 в Adsorption by Carbon, edited by Bottani and Tascon, p.683, (2008)). Аналогичным образом адсорбционная способность при адсорбции мышьяка (V) на гранулированном оксиде железа (GFO) находится в интервале от 0,5 до 1 мг/г в зависимости от химии воды (Источник: Adsorption Treatment Technologies for Arsenic Removal, AWWA publishing, Chapter 6, (2005)).
Подходящий активированный уголь может быть получен от компании Caigon Carbon Corporation (http://www.calgoncarbon.com/solutions/?view=ChallengeProducts&Industry=10&Application=7&Challenge=7). Аналогичным образом гранулированный оксид железа (GFO) может быть получен от компании Severnt Trent Corporation (http://severntrentservices.com/Water_Wastewater_Treatment/Arsenic_Removal_prod_52.aspx).
Например, предполагается, что в воде на входе концентрации 2-метилизоборнеола (MIB) и мышьяка (V) составляют обе 0,05 мг/л, и также предполагается, что адсорбционная способность для адсорбции обоих загрязняющих веществ на соответствующих средах для их удаления составляет 1 мг/г. Ни гранулированный оксид железа (GFO), ни активированный уголь (AC) не обладает значительной адсорбционной способностью в отношении другого загрязняющего вещества. Соответственно, для конструирования фильтра, в котором 2-метилизоборнеол (MIB) пробивается через активированный уголь перед тем, как мышьяк пробивается через гранулированный оксид железа (GFO), требуется соотношение гранулированного оксида железа (GFO) к углю больше чем 1. Подходящее соотношение может составлять 2:1 = масса GFO:масса активированного угля. Такое соотношение будет приводить к предупреждению пользователя посредством нежелательного вкуса, что настало время заменить фильтр, перед тем как пользователь будет подвергаться воздействию повышенных уровней содержания мышьяка. Естественно, общие массы сред (и соответственно объем фильтра) должны быть выбраны в соответствии с предполагаемым расходом воды и сроком службы фильтра. Если концентрация геосмина или 2-метилизоборнеола (MIB) является недостаточно высокой, насыщение не является достаточно резким, или соединение для придания другого подходящего вкуса не присутствует в воде, то способ, описанный выше, не может быть использован в качестве датчика для определения конечной точки.
Если соединение для придания вкуса добавляется с постоянным расходом с внешней стороны устройства POU, то изобретение имеет такую же конструкцию, что показана на Фиг.1, поскольку среда для удаления вкуса геосмина или 2-метилизоборнеола (MIB) заменяется средой, которая удаляет намеренно введенное соединение для придания вкуса. В качестве альтернативы, вещество или соединение для придания вкуса может добавляться внутри устройства POU посредством использования капсул с высвобождением с задержкой по времени.
Фиг.3 показывает устройство, подобное тому, что показано на Фиг.1, за исключением того, что по потоку после среды 14 для изменения вкуса предоставляется область 24, содержащая капсулы, добавляющие вещества для изменения вкуса при постоянной скорости высвобождения. Эти капсулы с высвобождением с задержкой по времени могут высвобождать при постоянной скорости вещества для изменения вкуса, которые абсорбируются средой ниже по потоку и насыщают среду в надлежащее время (как видно на Фиг.3), или капсулы могут быть спроектированы в форме 26 с внезапным высвобождением, и они располагаются в этом случае в конце устройства для очистки в качестве последней ступени (см. Фиг.4). В первом случае (непрерывном), капсулы с высвобождением с задержкой по времени (см. Фиг.5) спроектированы для введения равномерной дозы вкусового вещества по прошествии промежутка времени. В случае капсулы, показанной на Фиг.6, она спроектирована таким образом, что ее внешняя оболочка растворяется при такой скорости, что вкусовое вещество высвобождается так резко, насколько это возможно, когда среда для удаления мышьяка близка к истощению.
Капсулы с высвобождением с задержкой по времени по данному изобретению, использованные в устройстве для очистки воды по данному изобретению, могут также быть использованы для высвобождения окрашивающего вещества в дополнение или вместо вкусового вещества. Например, оба метода, описанные выше для высвобождения вкусового вещества, могут быть использованы для высвобождения окрашивающего вещества. В первом случае, капсулы с высвобождением при постоянной скорости могут быть использованы для высвобождения окрашивающего вещества, которое абсорбируется одной из сред в фильтрующем устройстве, и насыщение планируется таким образом, что окрашивающее соединение достигает насыщения в данной среде непосредственно перед тем как среда для очистки становится насыщенной нежелательными атомами, молекулами или соединением(ями), которые подлежат удалению. Соответственно, вода будет изменять цвет, когда наступает время заменять среду для очистки. Задержка по времени спроектирована в этом устройстве таким образом, что, хотя вода и изменяет цвет, вода еще безопасна в течение некоторого промежутка времени. Задержка спроектирована посредством принятия во внимание степени насыщения окрашивающим соединением в концентрации, высвободившимся из капсулы с высвобождением с задержкой по времени, а также насыщения удаляемыми нежелательными атомами, молекулами или соединением.
Капсулы с внезапным высвобождением с задержкой по времени могут быть использованы также для придания цвета воде, чтобы указывать то, что настало время заменить среду для очистки. В этом варианте осуществления внешняя оболочка капсулы с высвобождением с задержкой по времени растворяется с такой скоростью, что окрашивающее вещество высвобождается внезапным образом непосредственно перед тем, как среда для очистки насыщается атомами, молекулами или соединением, которые удаляются из воды.
Капсулы с высвобождением с задержкой по времени, описанные в данном документе, также применимы для добавления желательных атомов, молекул или соединений к воде. Капсулы с высвобождением при постоянной скорости, описанные выше, являются желательными для этого полезного высвобождения. Капсулы загружаются в среду или располагаются отдельно на последней ступени устройства для очистки воды (так, что другая среда не удаляет желательные полезные атомы, молекулы или соединения). Этими капсулами могут высвобождаться вкусовые вещества, также как и вещества с лечебным действием, такие как витамины.
Ключевой особенностью данного изобретения является осознание того, что должны быть тщательно оценены характеристики местной воды, для того чтобы выбрать наиболее подходящую, с наименьшей стоимостью, среду для оптимального удаления мышьяка на месте использования (POU) воды при достаточном сроке службы, чтобы получать питьевую воду в количестве, подходящем для домашнего использования. Например, в одном конкретном месте испытания показывают, что содержание хлора, валентность мышьяка и pH необходимо принимать во внимание в первую очередь при выборе наиболее подходящей среды для удаления мышьяка. Таким же образом, соотношение сред в фильтрующем устройстве должно быть отрегулировано на основании характеристик воды и желательных сроке службы и качестве воды после фильтрации. Нейтрализация хлора требует использования активированного угля (AC), в то время как удаление мышьяка требует металлооксидной среды, такой как гранулированный оксид железа (GFO). В примере выше среда из гранулированного оксида железа (GFO) была выбрана, поскольку она проявляет превосходное удаление As(V) при повышенных величинах pH, имеющих место при снабжении местной водой, по сравнению с другими металлооксидными средами, такими как активированный оксид алюминия (Источник: Adsorption Treatment Technologies for Arsenic Removal, AWWA publishing, Chapter 6, (2005)).
3
Чтобы минимизировать слесарные работы для выполнения соединений с водопроводом и канализацией и уменьшить стоимость сборки узла, среды были объединены в единственном стандартном корпусе фильтра. Было оценено, что 550 г гранулированного оксида железа (GFO) (1,1 литра в сухом состоянии) могут предоставить достаточную способность к удалению мышьяка при характеристиках местной воды, чтобы достичь проектного срока службы фильтра в 7000 литров. Общий объем фильтра был установлен равным объему стандартного фильтрующего элемента в 130 см в устройстве POU. Было определено, элемент, содержащий 1,1 л гранулированного оксида железа (GFO) и 1,1 л активированного угля (AC) при соотношении сред 1:1 по объему функционирует лучше всего для условий данного примера.
После вышеописанного процесса соотношения сред могут быть отрегулированы без чрезмерного экспериментирования, поскольку характеристики местной воды уже были определены. Среды образовывали два отдельных слоя, и вода протекала через активированный уголь (AC) перед протеканием через гранулированный оксид железа (GFO). Фиг.7 и 8 показывают результаты удаления мышьяка посредством фильтра с комбинацией активированного угля (AC)/гранулированного оксида железа (GFO) для воды из озера Чапала на протяжении срока службы фильтра. Содержание мышьяка поддерживалось ниже предела 0,01 мг/л во время испытания. В дополнение к этому, хлор не обнаруживался в обработанной воде, и результатом являлся вкус, нравящийся местным жителям. В зависимости от показателей качества местной воды размер фильтра POU и проектный эксплуатационного срока службы соотношения гранулированного оксида железа (GFO) и активированного угля (AC) могут быть отрегулированы в соответствии с необходимостью. Для фильтров небольших размеров, имеющихся в устройствах POU, ожидается, что надлежащие отношения гранулированного оксида железа (GFO) среды для удаления мышьяка к активированному углю составляли бы примерно 1:1 = объем гранулированного оксида железа (GFO):объем активированного угля (AC) или больше, например 2:1. Эти объемы должны быть отрегулированы с учетом способностей к удалению мышьяка и плотностей разных сред, подходящих для характеристик местной воды. Дополнительные среды могут быть добавлены к фильтрующим элементам, чтобы удалять другие вещества, загрязняющие воду, когда это необходимо, приводя к элементам с 3, 4 или более компонентами среды. Индивидуальные среды могут быть раздельными (т.е. расположены в виде слоев), как в вышеописанном примере, или они могут быть взаимно смешанными.
Несмотря на то что данное изобретение было описано в отношении того, что в настоящее время рассматривается как наиболее практичный и предпочтительный вариант осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается описанным вариантом осуществления, а напротив, предполагает охватывание различных модификаций и эквивалентных устройств, включенных в сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.