ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
FILTERING ELEMENT FOR DRINKING WATER PURIFICATION

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для очистки питьевой воды, и может быть использовано в промышленности, для бытовых нужд и в очистных сооружениях.
Известен фильтр для очистки жидкости, в частности питьевой воды (RU 2184596, опубл. 10.07.2002 г.), содержащий корпус с входным и выходным штуцерами, на выходном штуцере, расположенном на крышке корпуса, установлен фильтрующий элемент. Недостатками устройства являются:
- сложность создания фильтрующего элемента большого объема ввиду возникающей при этом необходимости создания большого усилия для достижения требуемой плотности в фильтрующем элементе;
- отсутствие возможности замены внутренней части фильтрующего элемента, загрязняющейся быстрее по сравнению с его внешней частью;
- отсутствие возможности качественной регенерации внутренней части фильтрующего элемента;
- сложность создания фильтрующего элемента с требуемой плотностью вне заводских условий;
- отсутствие увеличения плотности фильтрующего элемента в направлении от периферии к его внутренней части, которое приводит к более быстрому выходу из строя внутренних слоев фильтрующего элемента;
- ограниченная производительность фильтра.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является фильтрующий элемент (SU 1824744 A1, опубл. 27.07.1996 г.), содержащий перфорированный полый жесткий стержень с послойно намотанной нитью на основе сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, поливинилиденфторида, полипропилена, поликапроамида, которая служит химически стойким фильтрующим материалом, предназначенным для удержания механических частиц, присутствующих в агрессивных жидкостях, а не питьевой воды, которая не является агрессивной средой.
К основному недостатку данного фильтрующего элемента относится снижение его эффективности в результате уменьшения заданной разницы степени натяжения текстурированной жгутовой нити на периферии и во внутренней частях фильтрующего элемента при длительной его работе и насыщении водой и, как следствие, снижение заданной разницы плотностей на периферии и во внутренней части фильтрующего элемента, а также сложность осуществления регенерации фильтрующего материала.
Кроме того, данный фильтрующий элемент не позволяет осуществлять эффективную очистку воды от тяжелых металлов и органических загрязнений, а также умягчение воды.
Технический результат заключается в создании эффективного фильтрующего элемента для очистки питьевой воды с высоким ресурсом работы за счет возможности регулирования необходимой плотности фильтрующих материалов и их регенерации на протяжении всего срока службы.
Сущность изобретения заключается в том, что фильтрующий элемент для очистки питьевой воды содержит центральную перфорированную трубу, на которую намотан фильтрующий материал. Фильтрующий материал состоит из наложенных друг на друга слоев волокнистых материалов и слоя эластичного тканевого сорбента на основе вискозной технической ткани, горизонтальные волокна которого ориентированы перпендикулярно центральной перфорированной трубе. Указанные слои закреплены на трубе и между собой вертикальными прижимными разъемными приспособлениями, которые установлены на начальном, промежуточных и конечном участках намотки фильтрующего материала с возможностью регулирования необходимого усилия натяжения слоя эластичного тканевого сорбента в горизонтальном и вертикальном направлениях на каждом участке намотки для создания заданной плотности фильтрующего материала. Слои волокнистых материалов состоят из углеродного волокнистого сорбента, волокнистого ионообменного материала и волокнистого материала механической очистки.
Волокнистые материалы, состоящие из слоев углеродного волокнистого сорбента, волокнистого ионообменного материала и волокнистого материала механической очистки, служат фильтрующим материалом для питьевой воды и позволяют производить высокоэффективную очистку от механических примесей, тяжелых металлов, органических загрязнений, нефти и нефтепродуктов, частичное удаление ржавчины, а также умягчение.
Слой эластичного тканевого сорбента на основе вискозной технической ткани, горизонтальные волокна которого ориентированы перпендикулярно перфорированной трубе, служит также дополнительным фильтрующим слоем. Однако его основное назначение заключается в создании натяжения, сила которого будет прижимать слои волокнистых материалов, уплотняя их, и обеспечивать необходимую плотность фильтрующего материала.
Причем натяжение будет различным по высоте фильтрующего элемента, обеспечивая равномерность распределения расхода воды по высоте фильтрующего элемента для устранения неравномерности загрязнения объема фильтрующего элемента. Такой эффект будет обусловлен закреплением указанных слоев на стержне и между собой вертикальными прижимными разъемными приспособлениями, которые установлены на начальном, промежуточных и конечном участках намотки фильтрующего материала с возможностью регулирования необходимого усилия натяжения слоя эластичного тканевого сорбента в горизонтальном и вертикальном направлениях на каждом участке намотки для создания заданной плотности фильтрующего материала.
Благодаря этому решается проблема уменьшения разницы степени натяжения эластичной нити тканевого сорбента на периферии и во внутренней части фильтрующего элемента при продолжительной работе и насыщении водой, а именно - снижения требуемой, заданной при создании фильтрующего элемента, разницы плотностей на периферии и во внутренней части фильтрующего элемента, что обеспечит высокую эффективность работы фильтрующего элемента на протяжении его срока службы.
Появляется возможность частой замены и регенерации наиболее быстро загрязняющейся внутренней части фильтрующего элемента, расположенной между вертикальным прижимным фиксирующим приспособлением в начальной точке намотки слоев волокнистых материалов и тканевого сорбента и вертикальным прижимным фиксирующим приспособлением в промежуточной точке благодаря возможности извлечения внутренней части фильтрующего элемента и оставления в фильтре внешней части фильтрующего элемента.
При создании фильтрующего элемента все его слои пропитывают чистой питьевой водой (п.2 формулы), благодаря чему решается проблема создания фильтрующего элемента большого объема за счет того, что уменьшается требуемое усилие, необходимое для создания фильтрующего элемента.
Изобретение поясняется следующими иллюстрациями.
На фиг.1 представлен фильтрующий элемент в разрезе, стрелками показано направление движения воды внутри фильтра.
На фиг.2 представлен разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - элемент Б на фиг.2, на фиг.4 - элемент С на фиг.2.
Фильтрующий элемент формируют путем одновременной намотки слоев 1 из волокнистых материалов и слоя 2 тканевого сорбента типа АУТ-М на центральную перфорированную трубу 3. Волокнистые материалы состоят из слоя 4 волокнистого полимерного материала механической очистки типа «Элефлен», слоя 5 волокнистого ионообменного материала типа ВИОН и слоя 6 углеродного волокнистого сорбента типа АНМ.
Полимерный фильтрующий материал «Элефлен» представляет собой нетканое полотно из термоскрепленных ультратонких полипропиленовых волокон, полученных аэродинамическим способом формования из расплава полипропилена (http://www.neorganika.ru/index.php/component/content/article/5-prodakts/materials/61-eleflen).
2
2
2
2
2
2
2
2
Нетканое полиамфолитное полотно из хемосорбционного волокна ВИОН применяют для извлечения ионов металлов: Cu+, Ni+, Со+, Pb+, Zn+, Cd+, Mn+, Fe+ из жидкой среды. Особенно эффективно использование волокон ВИОН в процессах, где концентрация сорбируемого вещества мала, для извлечения особо ценных или очень токсичных веществ (http://www.advtech.ru/lirsot/produkt_vion.htm).
Углеродное волокно (активный нетканый материал) АНМ - это сорбент, активный нетканый материал, представляющий собой углеродное нетканое полотно черного цвета, используется для доочистки питьевой воды (http://www.neorganika.ru/index.php/sorbents).
Углеродное волокно (эластичный тканевый сорбент) АУТ-М получают путем термической обработки вискозной технической ткани, предварительно импрегнированной химическими соединениями, и применяют в медицине для лечения ожоговых ран, трофических язв в стационарных и амбулаторных условиях и пролежней при уходе за лежачими больными.
Характеристики эластичного сорбента АУТ-М следующие:
Содержание углерода, %
Толщина слоя, мм
Поверхн. плотность, г/м<sup>2</sup>
Объем пор суммарный, см<sup>3</sup>/г
Объем микропор, см<sup>3</sup>/г
99,0±0,2
0,45±0,05
200±30
0,75-0,85
0,320-0,350
http://www.neorganika.ru/index.php/component/content/article/20-sorbent/38-aut-m.html).
Использование этого материала для фильтрации питьевой воды ранее неизвестно.
Указанные слои 4, 5, 6 уложены друг на друга, а сверху размещен слой эластичного тканевого сорбента 2, который натянут с заданным усилием. Слой тканевого сорбента 2 при намотке размещен на периферии относительно указанных слоев 1 и оси трубы 3. Во время намотки в слое 6 создано натяжение, различное по высоте фильтра. В нижней части фильтрующего элемента натяжение больше, чем в его верхней части, с целью создания в его нижней части большей плотности волокнистых материалов, чем в верхней, с целью предотвращения возникновения неравномерности распределения расхода воды по высоте фильтрующего элемента. Степень натяжения слоя 2 тканевого сорбента зависит от требуемой плотности волокнистых слоев 1 формируемого фильтрующего элемента и задается в каждом конкретном случае в зависимости от задач процесса фильтрования.
Предварительно материалы слоев 1 и 6 насыщают чистой питьевой водой.
При создании фильтрующего элемента сначала формируют его внутреннюю часть путем обертывания слоев 1 и 6 вокруг перфорированной трубы 3 с использованием разъемных вертикальных прижимных фиксирующих приспособлений 7, 8, с помощью которых задают необходимое натяжение слоя 6 как по горизонтали, так и по вертикали. Внутренняя часть расположена от фиксирующего приспособления 7 до фиксирующего приспособления 8. Затем формируют его внешнюю часть, которая расположена от фиксирующего приспособления 8 до фиксирующего приспособления 9. При этом во внутренней части создают большую плотность упаковки, чем во внешней части, что позволяет устранить неравномерность загрязнения объема фильтрующего элемента. Приспособления 7, 8, 9 выполнены разъемными и представляют собой две пластины из металла, полимерного или композитного материала (при необходимости пищевого качества), скрепленные по высоте в нескольких местах болтовыми соединениями. Они снабжены зажимами 10 для крепления слоев 1 и 6. Поз.11 показан патрубок для отвода очищенной воды.
Количество оборотов фильтрующего материала вокруг трубы 3 может быть и больше 2-х (N), в этом случае количество приспособлений будет соответственно N-1.
При необходимости снижения плотности слоев 1 волокнистых материалов фильтрующего элемента в направлении от центра к периферии необходимо постепенное уменьшение величины натяжения слоя 6 между фиксирующими приспособлениями 7-8, 8-9, N-2-N-1.
Пример выполнения фильтрующего элемента
Высота слоев 1 из волокнистых материалов и слоя 6 тканевого сорбента фильтрующего элемента составляет 5000 мм. Толщина слоя 4 волокнистого материала механической очистки составляет 10 мм, толщина слоя 5 волокнистого ионообменного материала ВИОН - 7 мм, толщина слоя углеродного волокнистого сорбента 6 - 3 мм, толщина слоя 2 тканевого сорбента АУТ-М - 0,5 мм.
В качестве углеродного волокнистого сорбента использован активный нетканый материал АНМ (ТУ 6-16-28-1449-91), в качестве тканевого сорбента 2 - эластичный тканевый сорбент марки АУТ-М (ТУ 6-16-3091-89). Волокнистый материал слоя 4 - полимерный материал «Элефлен».
3
3
3
3
3
3
Плотность фильтрующих материалов различна. На периферии она составляет у «Элефлен» - 0,110 г/см, у ВИОН - 0,252 г/см, у УВС - 0,118 г/см; в центре у «Элефлен» - 0,135 г/см, у ВИОН - 0,316 г/см, у УВС - 0,145 г/см. Плотность может приниматься отличной от указанных величин в зависимости от конкретных параметров фильтруемой среды.
Сила натяжения слоя 2 была различной по высоте фильтрующего элемента: сверху - 20Н, снизу - 75Н. Ресурс работы фильтрующего элемента составил от 4000 л до 5000 л, он может меняться в большую и меньшую сторону в зависимости от конкретных параметров фильтруемой среды. При осуществлении регулярной очистки и регенерации ресурс увеличивается в 7-12 раз.
Все элементы фильтра, кроме слоев 1 из волокнистых материалов и слоя 2 тканевого сорбента, могут быть выполнены из стали, пластмасс и других материалов в зависимости от конкретных задач фильтрации.
При отсутствии необходимости умягчения фильтруемой воды и очистки ее от тяжелых металлов в слое 5 вместо волокнистого ионообменного материала ВИОН используют сорбент - активный нетканый материал АНМ.
Фильтрующий элемент работает следующим образом.
Загрязненная вода (показана стрелками на фиг.1) подается снаружи фильтрующего элемента, проходит через первый слой 2 тканевого сорбента и первые слои 1 волокнистых материалов, затем через следующие слои 2 и 1, где осуществляется ее очистка от механических примесей, тяжелых металлов, умягчение, очистка от органических загрязнений, нефти и нефтепродуктов и частичное удаление ржавчины. Очищенная вода проходит через перфорированную трубу 3 и выходит через патрубок отвода очищенной воды 11.
По мере накопления механических загрязнений возможно проведение периодической промывки слоя 4 обратным током воды. Для этого вертикальные прижимные приспособления 7 и 8 снимают с фиксированного положения и перемещают по часовой стрелке до снятия натяжения в слое 2 и в слоях волокнистых материалов 1. Перекрывают патрубок подачи очищаемой воды (не показан), и подают воду через патрубок 11. Жидкость от промывки сливается.
Для осуществления процесса регенерации слоев 5, 6, 2 разъемные вертикальные прижимные приспособления 7, 8 снимают с фиксированного положения и перемещают по часовой стрелке до снятия натяжения в слоях 1, 2. Слои 5, 6 регенерируют без извлечения с помощью электрического тока (может быть применен и другой метод), при этом материал слоя 6 должен быть термостойким, в противном случае он должен быть извлечен из фильтра перед регенерацией. Регенерацию слоя 5 производят отдельно.
Все элементы фильтра, кроме слоев из волокнистых материалов 1 и слоя тканевого сорбента 2, могут быть выполнены из стали, пластмасс и других материалов в зависимости от конкретных задач фильтрации.
При отсутствии необходимости умягчения фильтруемой воды и очистки ее от тяжелых металлов в слое 5 вместо волокнистого ионообменного материала ВИОН применяют сорбент - активный нетканый материал АНМ.