МЕМБРАННЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ РУЛОННОГО ТИПА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ В БЫТОВЫХ УСЛОВИЯХ
ROLL-TYPE MEMBRANE FILTER ELEMENT FOR WATER TREATMENT IN HOUSEHOLD CONDITIONS

Предлагаемое изобретение относится к области конструкции (устройству) мембранного фильтрующего элемента рулонного типа (далее МЭ) для очистки жидких сред и способу его изготовления.
Как известно, МЭ состоит из центральной трубки с радиальными отверстиями по ее длине, вокруг которой спирально намотаны один или несколько мембранных пакетов. Каждый пакет включает сложенную вдвое полупроницаемую полимерную мембрану, турбулизаторную сетку для каналов очищаемой жидкости и дренажное полотно для каналов отвода фильтрата; при этом указанные каналы соответствующим образом герметизированы друг от друга.
МЭ широко используется практически во всех отраслях промышленности в процессах обратного осмоса, нано-ультра-микрофильтрации для очистки и обессоливания природных и сточных вод промышленных предприятий;
водоподготовки технологических вод различных производств;
для получения высококачественной воды питьевого и пищевого назначения, в том числе в бытовых условиях.
Эта последняя проблема становится все более актуальной, так как качество водопроводной воды и воды из скважины, естественных водоемов во многих регионах России не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям.
Предлагаемое изобретение направлено на совершенствование конструкции МЭ с целью более экономичного решения проблемы очистки воды в бытовых условиях.
Анализ патентов по мембранным элементам рулонного типа показывает, что несмотря на их многочисленность реально используется на практике или экспериментально подтверждена их работоспособность для очистки воды в бытовых условиях всего несколько модификаций конструкций: по патенту США №3417870; по патенту RU №2304018; по патенту на полезную модель RU №125881.
Наиболее полно отражены принципиальные конструктивные особенности МЭ и его преимущества в патенте США №3417870. Согласно этому патенту МЭ состоит из центральной трубки с рядом радиальных отверстий по ее длине для отвода фильтрата и одного или несколько спирально намотанных на нее мембранных пакетов, включающих сложенную вдвое мембрану, внутри которой размещена турбулизаторная сетка, создающая канал для очищаемой воды и наружного дренажного полотна, создающего канал для сбора и отвода очищенной воды - фильтрата.
Герметизация этих каналов осуществляется перед спиральной намоткой путем «строчного» нанесения клеевой композиции на дренажное полотно по трем ее сторонам. Каналы для очищаемой воды открыты с обоих торцев. Очищаемая вода подается в один торец МЭ и выходит через другой торец. Очищенная вода-фильтрат движется по спиральному каналу от периферии к центральной трубке и по ее внутреннему каналу выводится из МЭ. Непременным условием нормальной долговременной эксплуатации МЭ при гарантированном качестве очистки является обеспечение турбулентного гидродинамического режима течения очищаемой воды, исключающего возникновение концентрационной поляризации, т.е. повышенной концентрации растворенных веществ на поверхности мембраны. Это условие обеспечивается достаточно высокой скоростью течения очищаемой воды в канале, в мембранном элементе.
Согласно патенту США №3417870 площадь поперечного сечения канала для очищаемой воды постоянна по всей его длине и при отборе фильтрата она снижается. Поэтому, как показала практика эксплуатации этого типа МЭ, отбор фильтрата с одного элемента не должен превышать 18-20%, остальная часть воды сбрасывается в канализацию или частично возвращается на повторную очистку. Это обстоятельство является определенным недостатком.
Для промышленных установок этот недостаток легко устраняется.
Элементы соединяются параллельно - последовательно в «елочку», что обеспечивает поддержание скорости течения воды в пределах, исключающих возникновение концентрационной поляризации даже при 70-80% отбора фильтрата.
На основе этого патента некоторые фирмы производят МЭ для очистки воды в бытовых условиях. Как правило, один элемент обеспечивает потребность в питьевой воде семью из 3-5 человек, при этом приходится сбрасывать в канализацию 75-80% ее первоначального количества, что безусловно создает экономические проблемы.
Отличительными особенностями конструкции МЭ по патенту RU 2302895 С2 по сравнению с МЭ по патенту США №3417870 являются:
- ввод очищаемой воды производится от периферии через наружную цилиндрическую поверхность по спиральному каналу к центру, а вывод концентрата - через центральную трубку. Для этого торцы МЭ полностью герметизированы.
- продольный канал центральной трубки разделен поперечной перегородкой на два изолированных неравных по длине каналов, один из которых соединен с турбулизаторной сеткой - для вывода концентрата, а второй - с дренажным полотном - для вывода фильтрата.
Указанная конструкция МЭ позволила за счет изменения течения очищаемой воды по каналу с площадью поперечного сечения в несколько раз меньшей и пропорционально увеличенной его длиной, по сравнению с аналогичным каналом МЭ по патенту США №3417870, повысить коэффициент конверсии до 40%. Однако у этой конструкции МЭ, как и у предыдущей, площадь поперечного сечения канала для очищаемой воды по всей его длине одинакова, поэтому при дальнейшем увеличении отбора фильтрата (≥40%) происходит еще большее падение скорости и, как следствие, концентрационной поляризации. Из этого следует вывод, что для поддержания скорости течения очищаемой воды в канале, исключающей возникновение указанного явления, необходимо уменьшать площадь поперечного сечения канала по его длине пропорционально отбору фильтрата (как это выполнено в промышленных установках). Это условие реализовано в МЭ по патенту на полезную модель RU №125881.
В соответствии с указанным патентом МЭ состоит из центральной трубки с герметичной продольной перегородкой и с двумя рядами радиальных отверстий, расположенных напротив нее, разделяющей внутренний канал трубки на два независимых канала для ввода очищаемой воды и вывода фильтрата; и спирально намотанного вокруг нее мембранного пакета трапецеидальной формы, включающего сложенную вдвое полупроницаемую полимерную мембрану с наружным селективным слоем, турбулизаторную сетку для канала очищаемой воды и дренажное полотно для канала отвода фильтрата; при этом более широкая сторона трапецеидального пакета прилегает к центральной трубке, а более узкая сторона - на наружней поверхности МЭ, т.е. на выходе очищаемой воды (концентрата). Оба торца МЭ, а также каналы очищаемой воды и фильтрата герметизированы друг от друга. Эта конструкция МЭ позволила за счет поддержания необходимой скорости течения в канале для очищаемой воды повысить коэффициент конверсии до 70-80%, т.е. сделать процесс очистки в бытовых условиях более экономичным. Однако, как показала дальнейшая практика, технология подготовки конструкционных материалов в форме трапеции, а также изготовление центральной трубки с продольной перегородкой оказалась заметно более трудоемкой, по сравнению с вышеописанным МЭ. Предлагаемое изобретение, по мнению авторов, устраняет этот недостаток.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является дальнейшая модернизация конструкции МЭ для очистки воды в бытовых условиях, обеспечивающая при высоком коэффициенте конверсии (до 70-80%) упрощение и удешевление технологии его изготовления, эксплуатации и замены.
Для этого предлагается мембранный фильтрующий элемент рулонного типа (МЭ), характеризующийся тем, что включает в себя центральную трубку (1) с радиальными отверстиями по ее длине (2) и спирально намотанный на нее мембранный пакет, состоящий из сложенной вдвое с наружным селективным слоем полупроницаемой полимерной мембраны (3), турбулизаторной сетки (4) для канала очищаемой воды и дренажного полотна (5) для сбора отвода фильтрата. При этом сетка выполнена в виде не менее трех последовательно размещенных отрезков разной толщины. Отрезок сетки с наибольшей толщиной размещается у наружной поверхности МЭ на входе очищаемой воды, а отрезок с наименьшей толщиной - у центральной трубки на выходе концентрата, соотношение их толщин в пределах 2,0/1,0-2,5/1,0. Кромка отрезка турбулизаторной сетки, прилегающая к центральной трубке, обернута с двух сторон полосой дренажного полотна (7) с канавками параллельно трубке на величину L=πd, где d - наружный диаметр трубки, и образует кольцевой канал вокруг трубки для вывода концентрата. При этом каналы для очищаемой воды и фильтрата, и торцы МЭ герметизированы друг от друга (6, 10). Кроме того, МЭ обернут в полимерную пленку (8), имеющую в зоне ввода очищаемой воды в мембранный элемент ряд отверстий по всей его длине (9). Ввод очищаемой воды выполнен через наружную поверхность МЭ, а вывод концентрата и фильтрата - через центральную трубку.
Для упрощения и удешевления технологии его изготовления, эксплуатации и замены предлагается раскрой всех конструкционных материалов и намотку производить одновременно на 4-5 элементов с последующей поперечной резкой на равные заготовки, сборкой каждого МЭ (10) в неразъемном корпусе (11) и выполнением всех необходимых операций для завершения изготовления МЭ.
Замену МЭ после выработки ресурса работы производить одновременно с корпусом, что существенно упрощает и удешевляет эту процедуру.
Процесс очистки происходит следующим образом:
исходная вода непрерывно под давлением с определенной скоростью поступает в МЭ через отверстия на его наружной поверхности и по спиральному каналу с турбулизаторными сетками движется от периферии к центру. В процессе течения происходит непрерывная частичная ее фильтрация через пористую мембрану. Очищенная вода (фильтрат) также по спиральному каналу движется от периферии к центру и свободно выводится из МЭ через внутренний канал центральной трубки. Рабочее давление в канале очищаемой воды регулируется и поддерживается с помощью вентиля, установленного на выходе концентрата, а его контроль - по манометру.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ ФИГУР
На фиг.1 приведена схема взаимного расположения всех конструкционных материалов МЭ перед их спиральной намоткой (вид с торца).
На фиг.2 приведена схема взаимного расположения всех конструкционных материалов МЭ перед их спиральной намоткой (вид в плане).
На фиг.3 приведен схематически внешний вид размещения МЭ в корпусе и направления течения очищаемой воды, фильтрата и концентрата.
Обозначения на фигурах:
1 - центральная трубка, диаметр d
2 - радиальные отверстия по длине трубки
3 - полупроницаемая полимерная мембрана
4 - турбулизаторные сетки различной толщины
5 - дренажное полотно для отвода фильтрата
6 - клеевой шов, герметизирующий фильтратотводящий канал в конце мембранного пакета
7 - полоса дренажного полотна с канавками параллельно центральной трубке
8 - полимерная пленка для обертки мембранного элемента
9 - ряд отверстий в полимерной пленке для ввода очищаемой воды в мембранный элемент
10 - клеевой шов для крепления мембранного пакета к трубке и его герметизации
11 - мембранный элемент, диаметр D
12 - корпус.
Авторами предлагаемого изобретения был изготовлен и испытан образец мембранного элемента (МЭ) на основе нанофильтрационной мембраны типа ОПМН-П для очистки воды в бытовых условиях в соответствии с вышеприведенными предложениями по конструкции, описанной в предлагаемой заявке.
Исходные конструкционные материалы, отличительные особенности, условия и результаты испытаний приведены в таблице.
ф
исх
При испытании оценивалось влияние степени конверсии (т.е. соотношение объема очищенной воды в единицу времени к объему очищаемой воды в процентах: К=Q/Q·100%) на его селективность и производительность. Конверсия изменялась от 15 до 75%.
Результаты испытания МЭ предлагаемой конструкции приведены в таблице.
Эти результаты подтверждены ресурсными испытаниями в течение 80 часов.
Вывод: предлагаемая конструкция МЭ, по мнению авторов, может успешно использоваться для очистки воды в бытовых условиях.
Таблица
№ пп.
Наименование основных параметров и их эксплуатационные характеристики
Данные по образцу МЭ
Примечание
1.
Используемое мембранное полотно
1.1
Нанофильтрационная мембрана
Тип ОПМН- п<sup>x)</sup>
2.
Конструктивные параметры МЭ
2.1
Диаметр, мм
45,0
2.2
Длина, мм
200,0
2.3
Площадь мембраны, м<sup>2</sup>
0,4
2.4
Последовательно размещенные отрезки турбулизаторных сеток : толщиной 81/82/83, мм
1,1/0,8/0,55
Каждый длиной 333 мм
2.5
Дренажное полотно, толщина, мм
0,3
2.6
Длина мембранного пакета, м
1,0
3.
Тип МЭ. Экспериментальные характеристики МЭ.
3.1
Конверсия, %
40,0
75,0
75,0
3.2
Производительность, дм/ч <sup>xx)</sup>
44,9
4,85
4,82
3.3
Селективность по NaCl%
77,3
77,1
-
4.
Условия испытаний
4.1
Водный раствор NaCl
0,15 г/дм<sup>3</sup>
- давление, МПа
0,35
- температура, °C
20,0
- время испытаний, ч
8,0
5.
Ресурсные испытания, ч
80,0
5.1
Производительность, дм<sup>3</sup>/ч <sup>xxx)</sup>
4,82
5.2
Селективность по NaCl, %
77,0
<sup>x)</sup> - Производство ЗАО НТЦ «Владипор»;
<sup>xx)</sup> - Замер производился после каждого часа работы;
<sup>xxx)</sup> - Замер производился после каждых 8 часов работы