Портативный фильтр для очистки воды в полевых и экстремальных условиях
PORTABLE FILTER FOR WATER TREATMENT IN FIELD AND EXTREME CONDITIONS

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для получения воды питьевого качества в полевых условиях, а также в условиях чрезвычайных ситуаций с использованием поверхностных источников воды с различными природными и антропогенными загрязнениями, зараженных патогенными микроорганизмами, вирусами и отравляющими веществами, путем ее фильтрации с последующей сорбцией токсинов и обеззараживанием.
Известны портативные фильтры, используемые в полевых условиях, содержащие корпус, входной и выходной патрубки, фильтрующий элемент, расположенный внутри корпуса, и насос ручной накачки воды либо находящийся внутри корпуса фильтра (патент РФ №2204433, кл. В01D 35/26 и патент США №53666421, кл. В01D 35/26), либо вне его (патент РФ №2271997, кл. С02F 1/18). При наличии несомненных достоинств, таких как степень очистки, компактность, простота устройства, все они используют ручную помпу либо насос для продавливания очищаемой воды сквозь фильтрующий элемент. Так, согласно /2/, ультрафильтрационные мембраны с диаметром пор 0,2 мкм, не пропускающие, например, вирусы, требуют создания давления согласно /www.vse-o-vode.ru. Походные фильтры для воды/, «первым и самым важным минусом остается медленная фильтрация жидкости в некоторых моделях. Многих также не устраивает ручная фильтрация, которая требует участия человека в процессе». Действительно, в условиях чрезвычайных ситуаций, когда до источника воды удается добраться лишь через много часов после тяжелого труда в стесненных условиях, затрачивать существенные физические усилия на прокачку исходной воды весьма затруднительно. При этом надо учесть, что, чем выше требуемый уровень очистки, связанный с фильтрацией, тем большие усилия необходимо затрачивать на продавливание воды, например, через мембраны. Так, согласно /2/, ультрафильтрационные мембраны с диаметром пор 0,2 мкм, не пропускающие, например, вирусы, требуют создания давления на входе от 3 до 5 атм.
Наиболее близким аналогом заявляемому изобретению по конструкции является «Походный фильтр для очистки воды» (патент на полезную модель №120370, кл. В01D 35/26). Его характеризует отсутствие отдельной помпы, сам корпус, состоящий из соосных верхней и нижней частей, способных телескопически сдвигаться и раздвигаться, образуя внутреннюю полость переменного объема, служащую для забора очищаемой воды.
Однако для работы представленного прототипа, где давление для продавливания очищаемой воды достигается путем сдвигания обеих соосных частей корпуса (т.е. уменьшением внутреннего объема фильтра), в которых нижняя часть служит поршнем, а верхняя цилиндром, при диаметре поршня, составляющем в аналоге 19 мм, требуется большое усилие. Так, учитывая, что необходимо, согласно /www.membrane.msk.ru. Кафедра мембранной технологии/, достигнуть давления от 3 до 5 атм., легко посчитать, что усилие составит от 9 до 15 кг.
Проведенная нами проверка работоспособности прототипа (фильтр ИФ -10 производства ЗАО «Полимерфильтр»), действительно, показала необходимость применения очень большого усилия для сдавливания наполненного водой фильтра. Кроме того, выходящий при каждом сдавливании объем чистой воды составлял всего от 6 до 8 мл. Так, для наполнения солдатской фляги объемом 750 мл необходимо как минимум совершить 90-100 циклов раздвигания - сжимания верхней и нижней частей фильтра.
Для более производительной работы фильтра следует увеличить диаметр поршня хотя бы вдвое. При этом усилие, необходимое для сжимания верхней и нижней частей фильтра, увеличится пропорционально квадрату диаметра, т.е. составит уже около 60 кг, что в принципе неосуществимо.
Технической задачей является разработка компактного, простого в обслуживании индивидуального фильтра для очистки воды в полевых условиях, позволяющего интенсифицировать процесс получения питьевой воды без применения физических усилий. Технический результат достигается тем, что в портативном фильтре для очистки воды в полевых и экстремальных условиях, состоящем из заборного предфильтра грубой очистки, всасывающей трубки, подсоединяемой к снабженному отключаемым всасывающим клапаном вводу очищаемой воды и корпуса, состоящего из двух соосных взаимоуплотненных цилиндрических стаканов, способных перемещаться вдоль общей оси относительно друг друга, образуя при этом герметичную полость переменного объема, ограниченного упорами на стенках стаканов, содержащую в нижнем стакане фильтрующий элемент, замкнутый на снабженный выпускным клапаном выход из стакана очищенной воды, а в верхнем стакане - дополнительную емкость, сообщающуюся с полостью переменного объема, на выходе из дополнительной емкости в емкость переменного объема установлены запирающее устройство и редуцирующий давление клапан, а сама емкость снабжена впускным клапаном для заполнения ее сжиженным газом.
Верхняя часть полости может быть снабжена выпускным клапаном.
В отличие от прототипа в предлагаемом фильтре рабочее давление, продавливающее воду через фильтрующий элемент, создается сжатым газом, например пропаном, подаваемым из емкости, содержащий данный газ в сжиженном состоянии, через редуцирующий давление клапан.
На фиг. 1 изображен предлагаемый фильтр. Фильтр состоит из корпуса, образованного двумя соосными стаканами - внутренним 1 и внешним 2, вставленными друг в друга открытыми частями на скользящей посадке. Окончательную герметизацию посадки, исключающую просачивание воды либо газа между стенками стаканов обеспечивают упругие уплотнения 3 и 4 (уплотнительные кольца), изготовленные, например, из полимерных материалов. Дно внутреннего стакана снабжено патрубком ввода очищаемой воды 5, снабженным отключаемым впускным клапаном 6. К этому патрубку затем подсоединяют гибкую заборную трубку 7 с фильтром грубой очистки 8. Также, дно этого стакана снабжено выпускным патрубком 9 с выпускным клапаном 10. С внутренней стороны стакана 1 к его дну крепится фильтрующий элемент 11, выход которого замыкается на выходной патрубок 9. Днищем перевернутого внешнего стакана 2 служит емкость 12, которая разборно на резьбовом соединении 13 с уплотнительными элементами соединена с боковой стенкой стакана 2. Нижняя стенка этой емкости снабжена выпускным отверстием 14, а верхняя - запирающим это отверстие вентилем 15, ось которого уплотнена в днище уплотнителем 22. На выходе из емкости 12 в полость фильтра укреплен при помощи скобы 19 редукционный клапан 16, регулируемый степенью сжатия давящей на него пружины 17 при помощи регулирующего винта 18. Возможна также установка в данном случае готовых малогабаритных редукционных клапанов, например модели БПО-5-5 Аl. Также емкость 12 содержит впускной клапан 20 для заполнения ее сжиженным газом. Боковые стенки стаканов 1 и 2 содержат выступы 23 для ограничения амплитуды перемещения стаканов вдоль общей оси. Целесообразно также боковую стенку стакана 2 снабдить выпускным клапаном 21, например нажимной конструкции, для выпуска воздуха.
Фильтр работает следующим образом.
Фильтр грубой очистки 8 на гибком шланге 7 погружается в водоем (канаву, лужу и т.д.). При этом сам корпус фильтра находится в сложенном состоянии (т.е. стакан 1 полностью вдвинут в стакан 2) и близком к вертикальному (входным патрубком вниз) положении.
После этого вручную, путем раздвигания стаканов 1 и 2 вдоль общей оси, создают вакуум во внутренней полости фильтра, которая через фильтр грубой очистки заполняется всасываемой из водоема водой. Заполнение осуществляют путем 2-х или более последовательных сжатий и раздвиганий стаканов 1 и 2. Совершать по меньшей мере 2 качка необходимо, чтобы полностью заполнить объем, т.к. при однократном раздвигании нижней и верхней частей фильтра, при примерном равенстве их объемов, общий объем увеличится вдвое и водой заполнится лишь половина внутреннего объема раздвинутого фильтра.
На втором этапе путем открытия запирающего вентиля 15 осуществляют выпуск газа, например пропана, хранящегося в жидком состоянии в емкости 12, в основной отсек (полость), где находится очищаемая вода. Предельное значение редуцированного давления в основном отсеке, т.е., при котором очищаемая вода будет продавливаться через фильтрующий элемент, устанавливают заранее в стационарных условиях на регулировочном стенде винтом 18.
Величина такого давления может принимать любое заданное значение от атмосферного до существующего над жидким газом, т.е. в зависимости от температуры среды (0-40°С), для случая пропана - от 1 до 15 атм. Обычно устанавливают давление 3-5 атм при температуре, примерно соответствующей температурным условиям предстоящей работы фильтра. Поскольку данное давление достигается редуцированием, оно будет практически постоянно в течение всего цикла фильтрации, пока не выдавится вся вода, находящаяся в фильтре (например, 750 мл для полного заполнения фляги). Затем, небольшим добавочным объемом газа картридж 11 продувается и сушится. Остаток исходной воды на дне фильтра удаляют открытием заборного клапана 6. После этого процесс очистки воды можно повторить через любое необходимое время. При этом следует учесть, что пропан практически не растворяется в воде (0,002% вес.) и не ухудшает ее органолептические показатели.
В заключение следует отметить, что широкий диапазон рабочих давлений, который способно создавать заявляемое устройство, позволяет использовать в нем, в числе прочих, и фильтрующие элементы с высоким гидравлическим сопротивлением. Это, в свою очередь, дает возможность осуществлять весьма высокую степень очистки воды от взвесей, в т.ч. и микроорганизмов, используя мембраны и ультрамембраны (например, трековые) с диаметром пор порядка 0,2 мкм. Дальнейшую очистку от токсинов можно проводить классическими методами при помощи сорбентов и ионообменных смол, в т.ч. йодированных, для уничтожения остатков микроорганизмов.