ФИЛЬТРУЮЩИЙ КАРТРИДЖ-УСРЕДНИТЕЛЬ ДЛЯ ВОДЫ
WATER FILTER BALANCING CARTRIDGE

Устройство предназначено для доочистки воды и нивелирования экстракционных пиков в системах минерализации воды и может быть использовано в системах очистки и кондиционирования воды.
Из области техники известна система для очистки воды [US 7,507,334]. Задачей данного изобретения является получение очищенной воды с рН 8.0 из системы обратного осмоса с присущими преимуществами модульной системы фильтрации на основе обратного осмоса, и без использования нескольких фильтров реминерализации. Вода поступает в первый модульный осадочный фильтр, который удаляет механические частицы размером до 5 микрон; затем поступает в модульный фильтр с углем из скорлупы кокосового ореха, который удаляет хлор и 14000 других химических веществ; после чего проходит через мембрану обратного осмоса, где вода эффективно очищается от оставшихся растворенных компонентов. Эту деионизированную воду с низким рН (рН 6.2÷6.8) затем пропускают через фильтр с комбинацией угля из скорлупы кокосового ореха и реминерализатора, где происходит повышение рН до 7.0, откуда вода поступает в резервуар для хранения до того момента, пока пользователь не откроет кран. Как только потребуется, вода покидает резервуар, направляется обратно через тот же самый фильтр с комбинацией угля из скорлупы кокосового ореха и реминерализатора, во второй раз за счет использования обратных клапанов повышается рН до 8.0, прежде чем попадет пользователю. К системе могут быть добавлены другие модульные фильтры, например, с ультрафиолетовым светом для уничтожения микроорганизмов, или фильтр для очистки от железа.
Одним из недостатков данного технического решения является то, что при длительном простаивании системы первая порция сливаемой воды будет иметь концентрацию минерализованных компонентов выше, чем последующая, поступающая из накопительного бака.
Известен минерализующий картридж для питьевой воды и способ его применения [RU 2616677], в котором усреднение экстракционных пиков в реминерализованной воде происходит путем смешивания среды, преимущественно поступающей из емкости-накопителя для очищенной и минерализованной воды и воды, поступающей непосредственно после картриджа-минерализатора.
Предложенное решение имеет недостатки: для реализации решения требуется значительное по относительным геометрическим размерам дополнительное оборудование в виде накопительного бака, а это - необходимость в дополнительном месте для установки бака и высокая его капитализация, составляющая до 30% стоимости системы. Находящаяся внутри накопительного бака эластичная мембрана может придавать очищенной воде, хранящейся в баке, посторонние нежелательные запахи и привкусы. Накопительный бак потенциально может явиться местом для размножения микроорганизмов. Прорыв эластичной мембраны в баке-накопителе приводит к полной замене дорогостоящего бака.
Известен способ минерализации жидкости и система для его осуществления [RU 2515317]. Способ минерализации жидкости, очищенной методом обратного осмоса, осуществляется путем пропускания ее через входной канал по крайней мере в один блок минерализации, заполненный рабочей средой с по крайней мере одним средством удержания рабочей среды, с последующим прохождением минерализованной жидкости из блока минерализации по средству перемещения жидкости в накопительную емкость и из накопительной емкости через блок минерализации в выходной канал. Жидкость при этом выходит из блока минерализации в накопительную емкость и из накопительной емкости входит в блок минерализации по одной рабочей линии, причем при прохождении жидкости в обратном направлении из накопительной емкости через блок минерализации происходит промывка по крайней мере одного средства удержания рабочей среды, выполняющего функцию постфильтра, расположенного внутри блока минерализации перед выходным отверстием для жидкости, поступающей в выходной канал.
Одним из недостатков здесь также является то, что при потреблении минерализованной воды после длительного простаивания системы первая порция сливаемой воды будет насыщена минералами существенно выше, нежели последующий объем воды за счет длительной экстракции из минерализующей загрузки в минерализующем картридже.
Известно устройство для введения добавки в воду [RU 2212378], включающее корпус и размещенный в нем контейнер с крышкой, содержит добавку. Крышка контейнера выполнена перфорированной. По меньшей мере верхняя часть корпуса устройства, контактирующая с перфорированной крышкой, выполнена из материала пространственно-глобулярной структуры. Высота верхней части корпуса не превышает 30% от высоты контейнера. Площадь отверстий перфорации - не более 2% от площади крышки контейнера. При этом объем твердой добавки не превышает 0,9 объема контейнера, выполненного из полимерного материала, а корпус дополнительно снабжен чехлом. В известном устройстве минерализующие воду компоненты находятся в спрессованном виде. По мере попадания в корпус устройства воды через перфорированную крышку, через слой материала пространственно-глобулярной структуры (ПГС) происходит частичное растворение таблеток минерализующих веществ. Диффузией через материал ПГС насыщенный раствор попадает в пространство вне корпуса минерализующего устройства, откуда уносится протоком протекающей воды.
Данное решение имеет ряд существенных недостатков. Объем спрессованных материалов достаточно мал, что сказывается на ресурсе данного устройства. Не все материалы, которые могут быть необходимы в дозации, прессуются. Для прессования некоторых минерализующих компонентов может потребоваться введение дополнительных солей, способствующих спрессовыванию. По мере растворения спрессованных таблеток уменьшается площадь контакта с водой, и как следствие, возможность равномерного дозирования растворяемых веществ в воду. Массоперенос в материале с ПГС лимитируется диффузией, что является следствием строения материала ПГС. При простаивании устройства с подобным механизмом дозирования растворяемых соединений равновесие будет достигаться только в результате длительного простаивания воды. При длительном омывании водой внешней стенки устройства с перфорацией материал ПГС не сможет обеспечить постоянную концентрацию выделяемых веществ в воде, выделения будут носить скачкообразный характер. Так же при длительном простаивании устройства, включающей в себя предложенный механизм, в первых порциях минерализованной воды будет наблюдаться концентрации выделившихся веществ, существенно выше, чем при постоянном проливе.
Технической задачей является разработка относительно простого по конструкции и недорогого элемента, обеспечивающего сглаживание резких экстракционных пиков солей в системах минерализации воды при простоях в работе системы, а также доочистку воды от механических загрязнений, хлора, хлорорганических, органических веществ, тяжелых металлов, а также микроорганизмов.
Технический результат достигается тем, что предложен фильтрующий картридж-усреднитель для воды, состоящий из последовательно соединенных по ходу течения жидкости: узла ввода воды с впускным отверстием, водопроницаемой пористой перегородки, узла смешения в виде полой оболочки со свободным внутренним объемом, водопроницаемого гидрозатвора, узла вывода воды с выпускным отверстием, при этом: величина проходного сечения впускного отверстия не менее, чем в три раза меньше, чем величина сечения узла смешения, величина проходного сечения выпускного отверстия - не менее сечения впускного, а общее проходное сечение гидрозатвора не менее, чем у впускного отверстия, и не более, чем у узла смешения.
Предпочтительно, что узел ввода воды выполнен в виде крышки, герметично соединенной с полой оболочкой узла смешения.
Важно, что водопроницаемая пористая перегородка выполнена из анизотропного или изотропного углеродного волокна с добавлением ионообменного волокна или из пористой керамики с размером пор 0.5÷10 мкм и т.д.
Предпочтительно, что узел смешения представляет собой цилиндрическую оболочку со свободным объемом полой части 0.2÷0.9 от общего внутреннего объема.
Предпочтительно, что оболочка узла смешения имеет глухой торец.
Предпочтительно, что узел вывода воды выполнен в виде полой трубки, установленной коаксиально в полой оболочке узла смешения и проходящей через впускное отверстие узла ввода воды.
Для обеспечения требуемого гидравлического сопротивления и требуемой степени очистки гидрозатвор может представлять собой различные комбинации фильтрующих материалов. Эти комбинации иллюстрируют, но не ограничивают варианты исполнения гидрозатвора.
В одном варианте исполнения гидрозатвор представляет собой комбинацию механического фильтра из вспененного полипропилена с тонкостью очистки 5 мкм и механического фильтра из вспененного полипропилена с тонкостью очистки 1 мкм.
В другом варианте исполнения гидрозатвор представляет собой комбинацию механического фильтра из вспененного полипропилена с тонкостью очистки 5 мкм и карбонблока с ионообменными свойствами и размерами пор 3 мкм.
В еще одном из вариантов исполнения гидрозатвор представляет собой комбинацию механического фильтра из вспененного полипропилена с тонкостью очистки 5 мкм и пористой микро- или ультрафильтрационной мембраны.
Назначение этих вариантов исполнения отражено в таблице.
Ввод и вывод среды осуществляют через вводной и выводной штуцеры, установленные в узлах ввода и вывода воды соответственно, или иные конструктивные элементы, выполняющие те же функции. Значительный полый внутренний объем устройства обеспечивает интенсивное смешение после попадания в него среды через отверстие с проходным сечением не менее, чем в три раза меньше, чем сечение узла смешения. Вывод среды из устройства осуществляют через отверстие, сечение которого не меньше, чем входное.
Предлагаемое решение обеспечивает функционирование устройства максимально приближенное к «модели идеального смешения». Интенсивное перемешивание заключенной в картридже-усреднителе среды и вновь поступающей среды достигается путем частичного блокирования свободного выхода из устройства водопроницаемой перегородкой - гидрозатвором - и созданием тем самым принудительного перемешивания порций среды. Конструктивно гидрозатвор может быть выполнен в виде тела из пористого полипропилена, нетканого полотна, карбонблока с ионообменными свойствами, обеспечивающими требуемый расход через полое тело в диапазоне рабочих температур и вязкостей перекачиваемой среды. При необходимости для достижения требуемой степени очистки гидрозатвор может быть также оформлен в виде инсталлированных половолоконных мембран, плоской мембраны, сложенной гармошкой, или многоканального мембранного модуля, выполненного из органического или неорганического материалов. Предлагаемое устройство представляет собой простую конструкцию, без движущихся частей, не использующую дополнительную энергию для получения однородной по химическому составу среды. В предлагаемом устройстве используется только кинетическая энергия протекающей жидкости и гидрозатвор.
В случае использования в качестве водопроницаемого гидрозатвора мембранных перегородок подбирается такая площадь мембраны, которая обеспечит требуемый расход фильтруемой среды с учетом прогнозируемого падения удельной производительности мембраны.
ж
При использовании в качестве гидрозатвора пористого тела в виде толстостенного пустотелого цилиндра (карбонблок и т.п. ), производится расчет необходимой проницаемости пористого тела заданной геометрической формы исходя из следующего алгоритма расчета. Фильтрация среды в водопроницаемом гидрозатворе в картридже-усреднителе происходит в радиальном направлении от наружной поверхности к внутренней. В этом случае проницаемость k пористого тела определяется по формуле:
ж
ж
н
в
н
в
где μ - вязкость фильтруемой среды; Q - расход фильтруемой среды; r и r - наружный и внутренний радиусы пористого тела; р и р - давления у наружной и внутренней поверхности пористого тела; h - высота пористого тела.
н
в
ж
Изготовление пористого тела возможно, например, из сорбционных материалов методом экструзии и/или спеканием с добавкой связующего полимера, таким образом, чтобы обеспечить требуемый расход фильтруемой среды. При этом, на практике есть конструктивные ограничения по наружнему (r) и внутреннему радиусу (r) пористого тела, его высоте (h), а также, например, в случае использования картриджа-усреднителя в качестве усреднителя для статического минерализатора системы обратного осмоса, противодавления, которое допустимо при использовании конкретного мембранного элемента. Несоблюдение последнего условия может явиться причиной низкой производительности системы с минерализатором и картриджем-усреднителем и/или деструкцией мембранного полотна и/или мембранного элемента по мере эксплуатации системы. Таким образом, проницаемость (k) пористого тела и способ его регулирования является одной из базовой величин, корректность выбора которой определяет работоспособность предлагаемого устройства.
Из производственной практики известно, что из цилиндрического полого тела, длина которого многократно больше чем диаметр (соотношение [длина/диаметр]≥2) вытеснение среды можно считать полным с точностью, достаточной для инженерных расчетов, после пропускания через него в развитом турбулентном режиме (Re≥10.000) более 3-х объемов удержания среды, заключенных в геометрических размерах тела. На практике это может означать, что, например, в случае 3-х ступенчатого бытового водоочистителя, состоящего из следующих по функционалу картриджей (по ходу тока жидкости) - очистка воды, минерализация, усреднение и кондиционирование воды - конфигурация картриджа-усреднителя будет выглядеть следующим образом. При свободном межзерновом объеме минерализующей ступени (2-ой картридж), в котором находится вода, в которой по истечении некоторого времени при отсутствии ее движения будет достигнуто локальное межфазное равновесие в объеме жидкости равном, например, 1/9 части картриджа, необходимый объем для усреднения концентраций растворившихся соединений в 3-ем картридже (усреднителе) составит, как минимум, 3×(1/9)=1/3 объема картриджа. Оставшийся объем 3-его картриджа может занимать гидрозатвор.
Конструктивно картридж-усреднитель может быть выполнен в виде устройства с одно- и двунаправленным движением среды. На Фиг. 1 представлен картридж-усреднитель, в котором движение фильтруемой среды осуществляется сверху вниз, движение усредненной по химическому составу и доочищенной воды - снизу вверх через центральный канал устройства, в котором: 1 - крышка; 2 - адаптер; 3 - водопроницаемая пористая перегородка; 4 - полая оболочка; 5 - трубка; 6-7 - торцевая заглушка; 8 - гидрозатвор.
Картридж-усреднитель работает следующим образом (Фиг. 1). Ввод жидкости в устройство осуществляется через щелевое отверстие, образующееся между внутренней стенкой крышки (1) и внешней стенкой адаптера (2). После прохождения по щелевому каналу жидкость проходит через водопроницаемую перегородку (3), служащую для предварительной тонкой фильтрации. Пройдя водопроницаемую перегородку (3) жидкость поступает во внутреннюю рабочую полость устройства, ограниченную внутренней стенкой полой оболочки (4) и внешней стенкой трубки (5). За счет установленного далее по току жидкости гидрозатвора происходит резкое сужение проходного сечения при проникновении жидкости внутрь гидрозатвора, т.к. его поры представляют ничтожно малый по сравнению с полой частью устройства размер, при этом в приграничной зоне полой части устройства возникают сильные турбулентные завихрения, приводящие к гомогенизации химического состава порций жидкости. Выход усредненной по химическому составу среды из полой части устройства осуществляется через щелевой канал, образованный внутренней стенкой полой оболочки (4) и торцевой заглушкой (6) гидрозатвора (8). Через пористые стенки гидрозатвора (8) среда под действием давления поступает в его внутреннюю полость и по трубке (5) через внутренний канал адаптера (2) выходит из устройства.
Результаты по усреднению высоких концентраций минерализующих веществ после простоя водоочистителя приведены на Фиг. 2-4. Минерализация обессоленной воды производилась с использованием минерализатора, минерализующая загрузка которого увеличивает уровень кальция, магния и повышает уровень рН воды. Расход воды после минерализации составлял 1.6 л/мин. Свободный межзерновой объем в картридже-минерализаторе 0.15. При этом минимальный необходимый свободный объем 0.15×3=0.45. Для обеспечения гидрозатвора, обеспечивающего эффективное перемешивание, использовался карбонблок с ионообменными свойствами, внутренний радиус которого составлял 8 мм, внешний радиус - 24 мм, высота - 60 мм. Оставшийся объем картриджа - пустой.
Пробоотбор осуществлялся 3 раза в день: утром, днем и вечером, без четкой фиксации времени отбора пробы. Объем разового пробоотбора составлял 3 л (3 пробы по 1 л).
Анализы выполнялись в соответствии со следующей нормативной документацией:
- ПНД Ф 14.1:2.114-97 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации сухого остатка в пробах природных сточных вод.
- ПНД Ф 14.1:2.95-97 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации кальция в пробах природных и очищенных сточных вод титриметрическим методом.
- ГОСТ 31954-2012 Вода питьевая. Методы определения жесткости. Mg-расчетный метод.
Настоящее решение может быть использовано в системах очистки и кондиционирования воды, базирующихся на различных физико-химических принципах и их комбинациях. Предлагаемый картридж-усреднитель может быть использован, как минимум, в следующих системах:
• Мембранные системы на базе электродиализа, обратного осмоса, нанофильтрации, ультрафильтрации, микрофильтрации, использующих рулонные (спиральные) мембранные элементы/половолоконные мембранные элементы/плоские мембранные элементы, при последующей реминерализации очищенной воды до физиологически обоснованных норм биогенными компонентами при работе мембранных систем в диапазоне производительностей 0.5÷15 л/мин по очищенной воде (пермеату). При использовании мембранных систем без накопительного бака для хранения очищенной воды с минерализующими картриджами (патронами) различного типа: SL10, ВВ10, ВВ20 и им подобным в первых порциях минерализованной воды после простоя системы наблюдается повышенная концентрация растворенных после минерализации веществ. Для уменьшения концентрации в первых порциях воды после простоя необходимо разбавить высокие концентрации минерализующих компонентов, для чего используется картридж-усреднитель. Внутри него установлено пористое тело, например, карбонблок или фильтр из пористого полипропилена, который одновременно улавливает мельчайшие частицы минерализующих компонентов и кондиционирует воду, в случае карбонблока с ионообменными свойствами - удаляет возможные остаточные химические загрязнения из воды.
На Фиг. 5 приведена схема системы обратного осмоса прямоточного типа (без накопительного бака). Система состоит из следующих картриджей: 9 - фильтр тонкой очистки 5 мкм, 10 - сорбционный картридж, 11 - фильтр тонкой очистки 1 мкм, 12 - аппарат обратного осмоса со спиральным мембранным элементом, 13 - минерализующий картридж, 14 - картридж-усреднитель.
Исходная вода, после удаления крупных механических загрязнений фильтром тонкой очистки (9) и удаления хора и хлорорганических веществ сорбционным картриджем (10) поступает на фильтр тонкой очистки (11). Подготовленная к мембранной очистке вода подается на аппарат обратного осмоса (12), где происходит процесс разделения воды на обессоленную и концентрат растворенных соединений, который поступает в дренаж. Обессоленная вода проходит через минерализующий картридж (13) и фильтр-усреднитель (14), содержащий карбон-блок, после чего поступает к потребителю. При использовании картриджа-усреднителя в предложенной схеме возможно получение очищенной воды с требуемым химическим составом воды постоянной концентрации без получения первых порций воды после простоя системы с высокими концентрациями минерализующих веществ.
• Многоступенчатая проточная водоочистная система, совмещающая в себе функции по базовой очистке и/или специфической (селективной) очистке воды и минерализации мягкой воды. Такие системы могут быть использованы в районах с низким солесодержанием питьевой воды, например, в Санкт-Петербурге и Ленинградской области, Карелии, районах Крайнего Севера, на Дальнем Востоке и пр. Такая система может быть выполнена, как минимум, из 2 картриджей, один из которых выполняет функции очистки и минерализации, второй - кондиционирование и/или селективную очистку воды и усреднение концентрации растворившихся в минерализаторе компонентов. В качестве загрузки ступени/ней водоочистителя могут присутствовать компоненты для удаления механических загрязнителей, удаления растворенного и нерастворенного железа, мышьяка, сорбционные засыпки (активированные угли, ионообменные смолы в Н-форме и Na-форме и пр.) и иные функциональные засыпки и элементы. Минерализующая часть картриджа может быть представлена компонентами, выделяющими витамины и/или неорганические компоненты: кальций, магний, фторид-ионы, иодиды, гидрокарбонаты, калий, натрий, селен, цинк и иные элементы и/или их комбинации.
На Фиг. 6 представлен водоочиститель, включающий: 15 - фильтрующий картридж (механическая очистка / сорбция / обезжелезивание), 16 -минерализующий картридж, 17 - картридж-усреднитель.
После очистки в картридже (15) вода поступает в картридж (16). Обогатившись минерализующими веществами, вода поступает в картридж-усреднитель (17), где установлен гидрозатвор в виде модуля ультрафильтрационных мембран половолоконного типа. Во время простоя водоочистителя концентрация растворяемых веществ в воде, находящейся в картридже (16) вырастает, и при последующем включении водоочистителя первая порция минерализованной воды из картриджа (16) смешивается с водой, находящейся в полой части картриджа-усреднителя (17), тем самым, выравнивается концентрация привнесенных веществ из картриджа (16) в потоке очищенной воды.
• Система доочистки и повышения уровня рН воды. Водоочистители с таким функционалом и базовой и/или специфической очисткой могут быть использованы при подщелачивании воды, поступающей на питьевые цели. В зависимости от конкретных требований, уровень рН воды может быть увеличен на 0.5÷4 ед. рН без существенной минерализации воды и отсутствия резкого изменения рН воды, защелачиваемой в протоке без использования сложного дозирующего оборудования, с использованием только статического минерализатора и картриджа-усреднителя. Это является актуальным при получении питьевой воды со значением рН 8÷10 из кислой воды, с рН 5.6÷6.5 получаемой, например, на системах обратного осмоса и поставляемой потребителям по системам централизованного водоснабжения. Для увеличения рН такой воды могут использоваться фильтры-кувшины с кассетами с защелачивающими компонентами; при использовании проточных водоочистителей со статическими минерализаторами появляется необходимость стабилизации рН и минимизации экстракционных всплесков в потоке после простаивания проточного фильтра. В комбинации с функциями очистки от, например, хлора, механических загрязнений, тяжелых металлов, микроорганизмов, использование защелачивающего картриджа и последующего картриджа-усреднителя позволяет получить чистую воду, из которой удалены вторичные загрязнители, попадающие в воду из систем распределения и доставки воды, и рН которой приведен в требуемый диапазон вне зависимости от длительности простаивания такой системы в любой момент времени использования без предварительного слива первых порций воды.
• Комплексная система по получению физиологически полноценной питьевой воды, получаемой метом дистилляции, вымораживания, ионного обмена, сорбции, систем, использующих энергию солнца для получения пресной воды, судовых установок наводных и подводных судов, водоподготовительных систем на буровых платформах с искусственной минерализацией чистой воды и/или частичной коррекцией ее минерального состава.
Выполнение заявляемого фильтрующего картриджа-усреднителя позволяет осуществить сглаживание резких экстракционных пиков солей в системах минерализации воды при простоях в работе системы, а также доочистить воду от механических загрязнений, хлора, хлорорганических, органических веществ, тяжелых металлов и микроорганизмов.