УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
DEVICE AND METHOD FOR PREPARING DRINKING WATER

Изобретение относится к устройству и способу подготовки питьевой воды.
Известна подготовка питьевой воды в рамках способа водоподготовки с помощью способа обратного осмоса («reverse osmsosis», «RO»). При этом используют установки обратного осмоса, в которых полупроницаемая мембрана расположена в резервуаре таким образом, что оно делит его на две камеры. Полупроницаемая мембрана является непроницаемой для одного или нескольких растворенных в воде веществ. С помощью полупроницаемой мембраны можно уменьшить концентрацию этих веществ в воде, направляя исходную воду («Feed») в резервуар и нагружая ее при этом против мембраны давлением.
При этом молекулы воды проходят через мембрану и покидают при этом первую камеру, причем мембрана удерживает соответствующие растворенные вещества, и они скапливаются в первой камере. Прошедшие через мембрану молекулы воды поступают во вторую камеру резервуара и образуют главную составную часть воды, забранной в качестве так называемого «пермеата» из установки обратного осмоса. Захваченные полупроницаемой мембраной вещества скапливаются в так называемом «концентрате» или «сточных водах».
Установки обратного осмоса эксплуатируют, как правило, до тех пор, пока коэффициент полезного действия в результате загрязнений и образования корки на мембране не уменьшится настолько, что дальнейшая эксплуатация становится нецелесообразной или возникает необходимость смены или чистки мембраны.
Следующий недостаток установок обратного осмоса, которые эксплуатируют в режиме с прерываниями, заключается в том, что в режиме готовности на стороне исходной воды или стороне концентрата мембраны обратного осмоса находится жидкость, как правило, вода, имеющая концентрацию ионов растворенных солей или органических компонентов, величина которых соответствует средней величине концентрации между исходной водой и концентратом. Концентрацию ионов можно определить на основании электропроводности воды.
Проблему поясняет следующий пример. «Выход» обратного осмоса указывают при этом в качестве соотношения между количеством практически не содержащего соли пермеата и подводимым количеством. Чем выше эта величина, тем меньше образуется концентрата.
Случай 1: при электропроводности подводимой воды 500 μS/см (микросименс/см) и выходе обратного осмоса 50% электропроводность в концентрате составляет около 1000 μS/см. Из этого следует средняя концентрация на стороне концентрата мембраны 750 μS/см.
Случай 2: при электропроводности подводимой воды 500 μS/см (микросименс/см) и выходе обратного осмоса 75% электропроводность в концентрате составляет около 2000 μS/см. Из этого следует средняя концентрация на стороне концентрата мембраны 1250 μS/см.
Таким образом, между концентратом и пермеатом существует градиент концентрации, который, как правило, превышает 20 μS/см. Следовательно, соли, тяжелые металлы и другие вредные вещества, по меньшей мере, 98% которых должно быть задержано в процессе эксплуатации, в режиме готовности все же диффундируют на сторону пермеата. Диффузия прекращается только лишь при уравнивании концентрации. Поэтому уже через несколько минут в режиме готовности происходит загрязнение пермеата.
Это вызвано тем, что мембрана обладает известной тонкостью фильтрации. Здесь она указана с величиной 98%, некоторые изготовители указывают также тонкость фильтрации солей 95%. Поэтому незначительная доля солей, то есть 2% или 5%, все же попадает на сторону пермеата, поскольку в действительности никакая мембрана не в состоянии полностью задержать все соли. В режиме готовности эта транспортировка веществ происходит за счет диффузии, поскольку частицы двигаются из областей с высокой концентрацией (то есть от стороны концентрата мембраны) в области с меньшей концентрацией (то есть к стороне пермеата).
Диффузия представляет собой происходящую без внешнего воздействия компенсацию разностей концентрации в качестве естественно протекающего физического процесса в результате броуновского движения молекул. Статистически при неравномерном распределении больше частиц двигаются из областей с высокой концентрацией в области с меньшей концентрацией или плотностью частиц, чем наоборот. В результате диффузии происходит также обмен веществами через полупроницаемую мембрану, причем растворенные молекулы перемещаются из высококонцентрированных растворов в слабо концентрированные. Так, в течение относительно короткого промежутка времени возникает достаточно ощутимое возрастание концентрации веществ в пермеате. Это нежелательно.
В случае напольных установок обратного осмоса в «точке использования» длительность застоя, то есть длительность состояния готовности, очень велика, поскольку забирают лишь несколько литров воды в день; то есть, потребление воды мало. При этом к началу потребления проницаемость часто очень плоха.
Поэтому необходимо время от времени промывать пермеат. При этом проблема, однако, заключается в том, что промывочная линия соединена с при этом коллектором сточных вод и, таким образом, в пермеат могут проникнуть бактерии.
В противоположность этому в основу изобретения положена задача, по меньшей мере, уменьшения названных недостатков уровня техники.
В частности, задачей изобретения является предложение способа, а также устройства для подготовки питьевой воды с помощью обратного осмоса, которое увеличивает срок службы полупроницаемой мембраны или улучшает производительность установки обратного осмоса.
В частности, следующей задачей изобретения является создание способа, а также устройства для подготовки питьевой воды с помощью обратного осмоса, при котором в непрерывном режиме эксплуатации снижают обратное засоление пермеата и, в частности, главным образом предотвращают его.
Задачу изобретения решают с помощью способа подготовки питьевой воды, при котором питьевую воду, подлежащую подготовке в режиме водозабора, пропускают через полупроницаемую мембрану и разделяют пермеат и концентрат, и при котором во время эксплуатационного состояния покоя часть пермеата с помощью избыточного давления проходит через мембрану и тем самым вытесняет концентрат на стороне концентрата мембраны и удаляет возможно присутствующие отложения на стороне концентрата мембраны.
Задачу изобретения решают также с помощью устройства для подготовки питьевой воды, которое содержит, по меньшей мере, резервуар обратного осмоса, который, по меньшей мере, одной полупроницаемой мембраной разделен на, по меньшей мере, две камеры, причем первая камера содержит впускное отверстие для подлежащей подготовке воды и выпускное отверстие для концентрата, а вторая камера содержит выпускное отверстие для подготовленной воды, и причем устройство содержит, по меньшей мере, напорный резервуар, который соединен с возможностью направления жидкости с выпускным отверстие резервуара обратного осмоса для подготовленной воды, причем устройство выполнено таким образом, что подготовленная в эксплуатационном состоянии покоя вода протекает из напорного резервуара через полупрозрачную мембрану в первую камеру.
В соответствии с изобретением для обратной промывки мембраны используют только чистый пермеат. Для нагнетания пермеата против направления потока в состоянии забора воды со стороны второй камеры через мембрану в первую камеру никакой другой флюид, в частности, газ, например, сжатый воздух или т.п., в линию пермеата не вводят. Тем самым изобретение позволяет добиться особенно простой и гигиеничной конструкции устройства для подготовки питьевой воды.
Описанной выше нежелательной диффузии со стороны концентрата к стороне пермеата мембраны противодействуют с помощью соответствующей изобретению обратной промывки. Пермеат вытесняет концентрат на стороне концентрата полупроницаемой мембраны. Поэтому электропроводность на обеих сторонах мембраны составляет менее 100 μS (микросименс/см) и во время режима готовности не происходит сгущения концентрата. Чем больше напорный резервуар, тем большее количество концентрата можно вытеснить и тем меньше электропроводность после состояния покоя или фазы застоя.
Таким образом, в соответствии с изобретением во время останова забора воды пермеат протекает в напорный резервуар, в результате чего в напорном резервуаре создают запас пермеата и его нагружают давлением, причем вследствие этого давления во время эксплуатационного состояния покоя накопленный в напорном резервуаре пермеат под воздействием избыточного давления, по меньшей мере, частично проходит сквозь мембрану и в результате этого вытесняет концентрат на стороне концентрата мембраны и удаляет возможно присутствующие отложения на стороне концентрата мембраны.
Обозначение «первая» или «вторая» камера было выбрано здесь исключительно для различения конструктивных элементов.
Для регулировки соотношения между потоком концентрата и потоком пермеата в рамках изобретения можно использовать, в частности, дроссельное устройство в линии концентрата. Дроссельное устройство может быть несложным образом выполнено в виде заслонки или в виде дроссельного вентиля, дроссельной заглушки или капилляра или также может представлять собой устройство «Flow Restrictor» (ограничитель потока), который обеспечивает дросселирование с помощью сопла Вентури. Принципиально для регулировки соотношения между потоком концентрата и потоком пермеата можно использовать любое устройство, которое ограничивает поток концентрата. Было бы даже возможно встраивание напорного резервуара в линию концентрата, поскольку дросселирование потока можно осуществлять также за счет повышенного противодавления потока. Возможно также измерение электропроводности пермеата и регулирование на его основании соотношения между потоком пермеата и потоком концентрата, например, с помощью регулирующего клапана.
Для достижения более длительного срока службы мембраны и/или лучшего коэффициента полезного действия установки в соответствии с изобретением на стороне пермеата монтируют напорный резервуар. С помощью настоящего изобретения при помощи этого напорного резервуара можно производить обратную промывку мембраны обратного осмоса. При этом линия пермеата, которую подключают к выпускному отверстию второй камеры резервуара обратного осмоса, не соединена со коллектором сточных вод. Вода на стороне концентрата, то есть в первой камере резервуара обратного осмоса, при обратной промывке в соответствии с изобретением вытесняется пермеатом, который при малом давлении транспортируют через мембрану в концентрат. После обратной промывки на стороне концентрата в распоряжении находится вода, в частности, с качеством пермеата менее 100 μS/см. С помощью изобретения коэффициент концентрации через полупроницаемую мембрану между содержимым первой камеры и содержимым второй камерой как бы равен нулю.
Таким образом, изобретение позволяет при каждом заборе воды из устройства - и это независимо от времени застоя - добиться всегда неизменно очень хорошего качества воды.
3
2
4
Далее, в соответствии с изобретением с помощью обратной промывки пермеатом с полупроницаемой мембраны постоянно удаляют так называемый «scaling», то есть отложения, образованные трудно растворимыми веществами, например, СаСО, SiO, CaSO и т.п., или так называемый «fouling», то есть загрязнение мембраны, в частности, микроорганизмами («biofouling»). В результате этого с помощью изобретения можно добиться длительного осуществления обратного осмоса с выходом продукта более 75%.
Изобретение относится в первую очередь к так называемым напольным установкам обратного осмоса для подготовки питьевой воды в домашнем хозяйстве. К такой установке на случай, если производительность обратного осмоса слишком мала, можно дополнительно подключить следующий напорный резервуар с тем, чтобы при открывании приданного устройству крана гарантированно забрать достаточное количество воды. В случае напольных установок обратного осмоса этот дополнительный напорный резервуар расположен на стороне пермеата и должен обеспечивать возможность забора постоянно достаточно большого количества пермеата. В направлении мембраны смонтирован обратный клапан, предотвращающий повреждение мембраны высоким давлением резервуара (более 2 бар).
Функция этого дополнительного напорного резервуара состоит, таким образом, в подаче, точно противоположно напорному резервуару в соответствии с изобретением, с помощью которого пермеат транспортируют назад через установку обратного осмоса.
Этот напорный резервуар может также представлять собой резервуар, в котором газовый резервуар, например, воздушный резервуар, сжимают примерно с помощью мембраны или поршня, и за счет этого удерживают воду, по меньшей мере, под необходимым давлением.
В случае обычных установок обратного осмоса с помощью обратного клапана предотвращают возможность опорожнения напорного резервуара в линии пермеата в ошибочном направлении. Это привело бы к повреждению мембраны, используемой для обратного осмоса.
В отличие от такого предотвращения обратного потока в соответствии с изобретением обратный осмос используют для очистки полупроницаемой мембраны или для вытеснения концентрата из напорного резервуара через вторую камеру резервуара обратного осмоса в противоположном направлении, так что концентрат вытесняют из первой камеры. Для этого напорный резервуар предусмотрен на стороне пермеата. Вместо этого можно так же, как это более подробно описано ниже, использовать насос. Если в рамках изобретения необходим дополнительный напорный резервуар для поддержания достаточно большой выдачи пермеата, то он должен располагаться позади соответствующего изобретению резервуара для обратной промывки и должен быть защищен обратным клапаном в направлении стороны обратного осмоса.
В то время как при известных установках обратного осмоса сторону концентрата промывают водой, в соответствии с изобретением в режиме промывки на стороне пермеата приложено давление, в результате чего вода протекает через мембрану в другом направлении. За счет этого можно удалять загрязнения и отложения, а также устранять высокие концентрации ионов на мембране или вблизи нее. За счет этого существенно увеличивают срок службы мембраны.
К тому же с помощью соответствующего изобретению обратного потока сквозь полупроницаемую мембрану вытесняют воду на стороне концентрата и электропроводность воды приводят к схожей меньшей величине, что и на противоположной стороне. Таким образом, на стороне пермеата с самого начала присутствует вода с более низкой электропроводностью.
Предпочтительные формы исполнения и усовершенствования изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения, описании, а также чертежах.
В предпочтительной форме исполнения вместимость напорного резервуара оставляет приблизительно от 0,1 л до 5 л, предпочтительно емкость напорного резервуара составляет около 1 л. В результате возможно построить устройство с размерами, которые позволяют эксплуатировать его в обычном домохозяйстве, в частности, на кухнях или в ванных комнатах, в качестве установок напольного монтажа.
В соответствии со следующей предпочтительной формой исполнения изобретения устройство выполнено для обесточенного режима. Это означает, что смонтированы лишь водопроводящие линии и работа протекает по исключительно гидравлическому принципу. Для этого изобретением предусмотрено, что напорный резервуар содержит упругий материал. Упругий материал имеет, в частности, такие размеры и расположен таким образом, что в эксплуатационном состоянии забора воды из устройства происходит его растяжение, в результате чего в упругом материале возникает восстанавливающее напряжение, которое в состоянии покоя устройства ведет к устранению напряжения материала, в результате чего подготовленная вода протекает из напорного резервуара через полупроницаемую мембрану обратно в первую камеру.
В первом варианте это реализуют за счет того, что напорный резервуар содержит упругую мембрану. Для этого используют предпочтительно напорный резервуар с резиновой мембраной, то есть устройство можно эксплуатировать в отсутствие электроэнергии. Соответствующая изобретению обратная промывка из напорного резервуара происходит при этом под действием создаваемого в напорном резервуаре во время забора воды и, следовательно, во время заполнения напорного резервуара пермеатом давления, которое в результате этого, в частности, выше давления во второй, а также в первой камерах резервуара обратного осмоса.
В следующей форме исполнения изобретения для этого предусмотрено исполнение напорного резервуара в форме шланга из упругого материала, в частности, силиконового шланга.
В случае, если в соответствии с этим усовершенствованием изобретения вместо обычного напорного резервуара в качестве «напорного резервуара и аккумулятора пермеата» используют упругий материал, такой как силиконовый шланг, этот силиконовый шланг растягивается при «заполнении» или при дросселированном потоке и вновь сжимается при последующем снижении давления в линии. В результате пермеат для обратной промывки вновь сжимается полупроницаемой мембраной.
При использовании в установке обратного осмоса силиконового шланга для обратной промывки или промывки полупроницаемой мембраны удалось выявить следующие преимущества.
1) Силиконовый шланг более гигиеничен при использовании, нежели небольшой напорный резервуар, поскольку силикон используют вместо этиленпропиленового каучука (EPDM) и существует меньшая поверхность соприкосновения, находящийся в силиконовом шланге объема пермеата полностью заменяют в зависимости от встраивания.
2) Меньшая конструктивная высота.
3) Стоимость изготовления меньше по сравнению напорным резервуаром.
4) Соответствующая изобретению форма исполнения не требует большого ухода, поскольку нет необходимости в регулировке или контроле исходного давления. Возможен монтаж по технологии «PLUG&PLAY».
5) В зависимости от ситуации встраивания вода в силиконовом шланге отсутствует или присутствует в очень малом количестве.
6) Упрощается дополнительное оснащение существующих систем.
7) Такие «напорные резервуары» с силиконовым шлангом можно любым образом расширять. С помощью изобретения возможна модульная конструкция.
8) Силиконовый шланг можно также использовать в качестве резервуара для пермеата после установки обратного осмоса.
В частности, в качестве альтернативной формы исполнения изобретение предлагает усовершенствование, при котором устройство в качестве напорного резервуара содержит накопительный резервуар, который соединен с насосом. После отключения обратного осмоса насос включают и нагружают содержимое накопительного резервуара давлением, так что мембрану промывают пермеатом из накопительного резервуара. Поэтому устройство можно эксплуатировать в рамках изобретения также без электропитания.
Таким образом, за счет обратной промывки в соответствии с изобретением, с одной стороны, удаляют загрязнения и отложения на стороне концентрата полупроницаемой мембраны резервуара обратного осмоса и транспортируют их через линию концентрата в сточные воды. С другой стороны, посредством обратной промывки мембраны обратного осмоса к тому же оставшуюся на стороне концентрата воду вытесняют пермеатом. В соответствии с изобретением оба процесса протекают под действием избыточного давления на стороне пермеата. Для выработки этого избыточного давления существуют различные возможности, такие как обе описанные выше, которые специалист может выбирать и совокупно применять в рамках изобретения на основании заданных типовых условий, например, желаемых количеств забираемой воды, качества исходной воды и/или ожидаемой длительности режима готовности. Для реализации этих преимуществ изобретения важно, чтобы на стороне пермеата устройство не было соединено с коллектором сточных вод.
2
В рамках изобретения для поддержки эффекта очистки и дезинфекции к исходной воде можно добавлять дезинфицирующие средства, например, хлор, например, в виде хлорного газа Cl. Для этого в следующей форме исполнения изобретения устройство содержит устройство для подмешивания хлора. Устройство для подмешивания соединено с линией для подлежащей подготовке воды, в частности, с впускным отверстием первой камеры резервуара обратного осмоса для подлежащей подготовке воды.
Устройство для подмешивания может предоставлять хлорный газ, например, в стальных газовых баллонах или бочках для хлора, причем хлорный газ подмешивают к исходной воде из соответствующей тары через, по меньшей мере, дозирующий регулятор с помощью инжекторного сопла. Необходимое для инжекции давление вырабатывают с помощью подкачивающего насоса, который является частью устройства для подмешивания. Дозирующий регулятор регулирует необходимое для желаемого дезинфицирующего эффекта исходной воды количество хлора, заранее определенное специалистом.
В рамках изобретения устройство для подмешивания может быть выполнено также для других способов хлорирования, например, для добавления к исходной воде через дозирующий насос гипохлорита натрия или раствора гипохлорита кальция.
В соответствии с изобретением хлор можно вновь извлечь из пермеата. Это усовершенствование применяют в странах, в которых запрещено хлорирование питьевой воды. Для этого изобретением предусмотрено, что устройство содержит абсорбционное устройство для дезинфицирующих средств, в частности, для хлора, которое соединено с линией для пермеата, в частности, с выпускным отверстием второй камеры резервуара обратного осмоса для подготовленной воды. В частности, абсорбционное устройство выполнено в виде угольного блока или фильтра на базе активированного угля.
Посредством этого обеспечивают также, что при соответствующей изобретению обратной промывке полупроницаемая мембрану не нагружают дезинфицирующими средствами, например, хлором. В течение фазы так называемого застоя, то есть в течение длительности состояния готовности, хлор или другое дезинфицирующее средство не вступают в контакт с мембраной, так как хлор или другое дезинфекционное средство был извлечен из пермеата с помощью абсорбционной установки и в результате этого производят промывку чистым пермеатом. Это также увеличивает срок службы мембраны, так как воздействие на мембрану хлора или другого дезинфицирующего средства происходит только при заборе воды.
В предпочтительном усовершенствовании изобретения резервуар обратного осмоса выполнен в виде фильтровальной свечи. Это создает возможность для весьма компактной конструкции соответствующего изобретению устройства.
В рамках изобретения соответствующая фильтровальная свеча выполнена, в частности, таким образом, что впускное отверстие и выпускное отверстие интегрированы в стационарно сооружаемый базовый блок, а резервуар обратного осмоса присутствует в качестве сменного устройства, которое съемно соединено с базовым блоком. За счет своей простой конструкции в совокупности со сменным резервуаром обратного осмоса такое устройство для подготовки питьевой воды с помощью обратного осмоса наиболее удачно пригодно для использования в частных домохозяйствах.
В случае, если мембрана резервуара обратного осмоса, присутствующего в качестве сменного устройства в конце концов все же слишком сильно загрязнена микроорганизмами («fouling») и отложениями труднорастворимых веществ («scaling»), можно просто произвести замену устройства обратного осмоса. При этом вследствие модульной конструкции соответствующего изобретению устройства с фильтровальной свечой в качестве резервуара обратного осмоса процесс замены прост, насколько возможно. Перед первым вводом в эксплуатацию монтируют базовый блок, например, встраивают его в хозяйственно-питьевой водопровод. В этом случае при последующей замене резервуара обратного осмоса не требуется никаких манипуляций с базовым блоком. Замену без труда могут производить также неквалифицированные работники.
Для обеспечения возможности несложной замены резервуара обратного осмоса стационарно монтируемый базовый блок содержит в предпочтительных формах исполнения крепление для сменного устройства, предпочтительно крепление, в которое сменное устройство можно ввинтить. Крепление содержит предпочтительно внутреннюю резьбу, а сменное устройство содержит подходящую к ней наружную резьбу. Разумеется, возможны также и другие технические возможности для съемного соединения базового блока и сменного устройства, например, замковое соединение.
Используемая фильтровальная свеча для резервуара обратного осмоса представляет собой предпочтительно таковую с рулонной структурой. Она содержит предпочтительно мембрану обратного осмоса, которая намотана вокруг перфорированной трубы, служащей для сбора и отвода пермеата (коротко: сборная труба пермеата). В предпочтительных формах исполнения в случае таких резервуаров обратного осмоса склеенный с обеих сторон или сваренный карман мембраны соединен на своем открытом конце со сборной трубой пермеата и намотан вокруг трубы. Дистанционные маты как внутри кармана мембраны, так и между намотанными слоями кармана мембраны позволяют осуществлять подвод и отвод воды на стороне пермеата и на стороне концентрата.
Особо предпочтительно мембрана присутствует в форме цилиндрического рулона, который имеет два расположенных на лицевой стороне конца, называемых в последующем также первым и вторым торцами. Внутри резервуара этот рулон расположен предпочтительно таким образом, что первый торец указывает в направлении головной части, а второй торец указывает в направлении основания.
Описанное выше соответствующее изобретению устройство для подготовки питьевой воды можно использовать предпочтительно в составе напольной установки обратного осмоса для питьевой воды в домашнем хозяйстве, которая содержит такое устройство, а также трубопровод неочищенной воды для подвода подлежащей подготовке воды, водозаборный водовод для подготовленной воды и коллектор сточных вод трубопровод для отвода концентрата.
Таким образом, можно без труда получать питьевую воду путем монтажа такой напольной установки обратного осмоса под столешницей кухни с подключением к трубопроводу для раковины в качестве подвода в линию неочищенной воды и с забором воды через соответствующий водопроводный кран. Именно когда резервуар обратного осмоса устройства для подготовки питьевой воды выполнен в виде фильтровальной свечи, размер напольной установки обратного осмоса можно значительно уменьшить по сравнению с обычными установками, что чрезвычайно благоприятно для встраивания под обычной кухонной мойкой.
При этом в предпочтительной форме исполнения напольная установка обратного осмоса содержит запорный вентиль, который соединяет трубопровод неочищенной воды и водозаборный водовод таким образом, что при открывании вентиля одновременно производят подвод подлежащей подготовки воды к установке обратного осмоса и забор подготовленной воды. Этот запорный вентиль может быть присоединен к вентилю водопроводного крана или заменить его.
В рамках изобретения запорный вентиль может быть выполнен также таким образом, что он обеспечивает возможность заполнения устройства для подготовки питьевой воды неочищенной водой при закрытом вентиле водопроводного крана и, следовательно, создания тем самым давления. После открывания вентиля водопроводного крана можно, таким образом, незамедлительно забирать воду. Поскольку запорный вентиль в соответствии с формой исполнения изобретения прерывает забор воды, но, однако, не подвод неочищенной воды, через сторону концентрата, то есть через первую камеру, постоянно протекает вода.
Запорный вентиль может быть выполнен, в частности, таким образом, что после завершения забора воды, то есть, например, после закрывания водопроводного крана, он позволяет неочищенной воде протекать через сторону концентрата еще в течение того времени, пока на стороне пермеата вновь не будет создано давление, в частности, пока напорный резервуар вновь не окажется под давлением. Только после этого запорный вентиль прерывает подвод неочищенной воды к стороне концентрата.
Запорный вентиль для установки обратного осмоса описан, например, в документе US 2011/180464 А1.
Запорный вентиль, соединяющий трубопровод неочищенной воды с водозаборным водоводом таким образом, что при открывании вентиля подводят подлежащую подготовке воду к установке обратного осмоса и одновременно забирают подготовленную воду может быть также позиционирована в следующей форме исполнения изобретения перед первой при рассмотрении в направлении потока камерой резервуара обратного осмоса, то есть, на стороне концентрата, причем устройство для подготовки питьевой воды содержит, кроме того, реле давления, которое позиционировано после второй при рассмотрении в направлении потока камеры резервуара обратного осмоса, то есть на стороне пермеата, и которое находится в сообщающемся соединении с запорным вентилем. Если запорный вентиль закрыт, то на стороне концентрата к мембране резервуара обратного осмоса давление из первой камеры не приложено, поскольку воду в первую камеру не подводят. После этого под действием соответствующего изобретению гидроаккумулятора подготовленную воду подают из линии пермеата во вторую камеру и, таким образом, через мембрану. Поэтому пермеат, по меньшей мере, частично вытесняет находящуюся на стороне концентрата входящую воду, даже если установка находится в состоянии покоя.
Кроме того, изобретение предлагает способ подготовки питьевой воды, в частности, с использованием описанного выше устройства, при котором питьевую воду, подлежащую подготовке в состоянии забора воды в режиме обратного осмоса пропускают через полупроницаемую мембрану и разделяют на пермеат и концентрат, причем первую долю пермеата забирают в качестве подготовленной питьевой воды. При этом вторая доля пермеата в состоянии забора воды протекает в напорный резервуар, в результате чего в напорном резервуаре создают запас и нагружают давлением пермеата. При соответствующем изобретению способе в эксплуатационном состоянии покоя пермеат из напорного резервуара пропускают в режиме осмоса через полупроницаемую мембрану. В результате этого происходит обратная промывка.
3
2
4
Таким образом, при каждом заборе воды из устройства изобретение позволяет получать воду весьма хорошего качества. Предпочтительным образом это не зависит от того, как долго подготовленная вода частично перед забором уже находилась в резервуаре обратного осмоса. К тому же за счет обратной промывки с мембраны можно постоянно удалять трудно растворимые вещества, такие как СаСО, SiO, CaSO и т.п., которые могут скапливаться на полупрозрачной мембране в виде отложений.
Для того, чтобы полупрозрачная мембрана подвергалась по возможности небольшим нагрузкам, и чтобы обеспечить за счет этого длительный срока службы мембраны, в усовершенствовании соответствующего изобретению способа предусмотрено, что разность давлений, приложенных к полупроницаемой мембране для транспортировки пермеата сквозь полупроницаемую мембрану, лежит в диапазоне между 0,05 бар и 1 бар, предпочтительно в диапазоне между 0,1 бар и 0,5 бар, особо предпочтительно между 0,2 бар и 0,4 бар.
В следующем предпочтительном исполнении соответствующего изобретению способа его осуществляют таким образом, что электропроводность воды на стороне концентрата полупроницаемой мембраны в состоянии покоя после обратной промывки составляет менее 100 μS/см. Далее, в рамках изобретения способ можно осуществлять таким образом, что градиент концентрации через полупроницаемую мембрану между стороной концентрата и стороной пермеата в состоянии покоя после обратной промывки главным образом равен нулю.
Вследствие таких достигнутых с помощью изобретения низких градиентов концентрации, между концентратом и пермеатом на сторону пермеата в состоянии покоя могут диффундировать меньшие количества присутствующих в концентрате солей, тяжелых металлов и других вредных веществ. Тем самым предотвращают загрязнение пермеата в состоянии покоя.
Изобретение поясняется ниже более подробно со ссылкой на приложенные чертежи на основании примеров исполнения. Одинаковые и аналогичные элементы при этом оснащены одинаковыми ссылочными обозначениями, причем признаки различных примеров исполнения можно взаимно комбинировать. На фигурах представлено следующее.
Фиг. 1 показывает схематическое изображение устройства для подготовки питьевой воды с резервуаром обратного осмоса, который смонтирован в качестве части напольной установки обратного осмоса ля питьевой воды под кухонной столешницей в соответствии с первой формой исполнения.
Фиг. 2 показывает схематическое изображение устройства для подготовки питьевой воды в соответствии со второй формой исполнения изобретения.
Фиг. 3 показывает схематическое изображение устройства для подготовки питьевой воды в соответствии с третьей формой исполнения изобретения.
Фиг. 4 показывает схематическое изображение вентиля, который можно использовать в изображенном на фиг. 1-3 устройстве для подготовки питьевой воды.
Фиг. 5 показывает схематическое изображение устройства для подготовки питьевой воды в соответствии с четвертой формой исполнения.
Фиг. 6 показывает схематическое изображение резервуара обратного осмоса в форме фильтровальной свечи для устройства для подготовки питьевой воды в соответствии с третьей формой исполнения изобретения.
На фиг. 1 под кухонной столешницей 8 расположена бытовая напольная установка 1000 обратного осмоса для питьевой воды. Напольная установка 1000 обратного осмоса содержит устройство 10 для подготовки питьевой воды с резервуаром 2 обратного осмоса и напорным резервуаром 4.
К тому же напольная установка 1000 обратного осмоса содержит трубопровод 1 неочищенной воды, а также линию 3 для подготовленной воды. Через трубопровод неочищенной воды к устройству 10 подводят входящую воду. Через заборный водовод 3 в процессе работы из устройства 10 можно забирать подготовленную воду.
В рамках изобретения напольная установка обратного осмоса может содержать дополнительно следующий гидроаккумулятор. Он может быть расположен на стороне пермеата резервуара 2 обратного осмоса и защищен по отношению к нему обратным клапаном. Такой следующий напорный резервуар нагружают давлением, которое действует в линии непосредственно перед этим дополнительным напорным резервуаром, и позиционируют перед водопроводным краном. На фиг. 2 изображена форма исполнения напольной установки 1000 обратного осмоса в комбинации с таким дополнительным напорным резервуаром 400. При открывании водопроводного крана следующий напорный резервуар 400 позволяет осуществлять забор воды через водопроводный кран пермеата с постоянно достаточным давлением.
Напорный резервуар 4, который в соответствии с изобретением используют для обратной промывки полупроницаемой мембраны пермеатом в резервуаре 2 обратного осмоса, подключен, однако, без обратного клапана и при обратной промывке нагружает мембрану с меньшими давлениями - в диапазоне между приблизительно 0,05 бар и 1 бар - в качестве давления в линии.
Для того, чтобы независимо от ситуации монтажа обеспечить на стороне входа достаточное, предпочтительно постоянное давление, в рамках изобретение можно предусмотреть также, например, электрически приводимый в действие насос в питающей линии.
Как показано далее на фиг. 1, резервуар 2 обратного осмоса содержит первую камеру 21 и вторую камеру 22. Между камерами 21, 22 расположена полупроницаемая мембрана.
При работе устройства 10 и напольной установки 1000 обратного осмоса в состоянии забора воды подведенную к устройству 10 и, таким образом, к резервуару 2 обратного осмоса входящую воду с электропроводностью, например, 500 μS пропускают через полупроницаемую мембрану 11. При этом в первой камере 21 во входящей воде происходит задерживание растворенных веществ, в результате чего образуется концентрат. Концентрат с электропроводностью, например, 1000 μS можно отводить через линию 6 концентрата из устройства 10 и сбрасывать через коллектор сточных вод 7.
Во время пропускания входящей воды через полупроницаемую мембрану 11 в процессе работы устройства 10 и напольной установки 1000 обратного осмоса в состоянии забора во вторую камеру поступает вода с отчетливо меньшей концентрацией растворенных веществ. Этот пермеат забирают через водозаборный водовод 3 в качестве подготовленной воды.
При закрытом вентиле 81 соединенный с линией 3 пермеата напорный резервуар 4 заполняют пермеатом через линию 43. После запирания вентиля 81 запорный вентиль 5 продолжает оставаться открытым до тех пор, пока не заполнится напорный резервуар 4.
Это происходит чисто гидравлически. Напорный резервуар 4 имеет объем, например, приблизительно от 0,1 л до 5 л, причем предпочтительно объем напорного резервуара составляет приблизительно от 0,5 л до 1 л.
В таблице ниже приведены величины измерения, полученные в ходе эксплуатации соответствующего изобретению устройства для подготовки питьевой воды с напорным резервуаром вместимостью 750 мл.
При положенных в основу приведенной выше таблицы измерениях использовали напорный резервуар с вместимостью 750 мл пермеата. Параметр «время» означает время нахождения в состоянии покоя, протекающее до начала забора воды. В таблице оно указано в минутах, если не указано иного. Параметр «PEAK» означает высокую концентрацию в забранном пермеате в момент начала забора в месте забора, то есть электропроводность забранного пермеата непосредственно к началу эксплуатационного состояния забора. Потребный «Объем до момента снижения высокой концентрации» всегда именно меньше объема, равного или идентичного объему напорного резервуара на 750 мл. Для того, чтобы также после приблизительно одного дня застоя надежно сохранить электропроводность на значении ниже величины 100 μS/см непосредственно до момента начала забора («PEAK»), объем напорного резервуара можно увеличить, например, до 1 л.
В качестве напорного резервуара можно использовать также накопительный резервуар (не изображен), который соединен с насосом (не изображен). В состоянии забора также и в этом случае подача подготовленной воды в накопительный резервуар происходит, в частности, гидравлически.
В отсутствие забора устройство 10 и, тем самым, напольная установка 1000 обратного осмоса находятся в состоянии покоя. Оно обозначено также как «состояние готовности «Stand-by». При пропадании давления со стороны протекающей в состоянии забора в камеру 21 и, следовательно, к мембране 11 воды под действием давления, созданного при этом в напорном резервуаре 4, при наступлении состоянии покоя транспортируемый из напорного резервуара 4 пермеат создает давление, действующее со сторон второй камеры 22 на мембрану 11.
Опорожнение напорного резервуара 4 после наступления состояния покоя вплоть до компенсации возникшей во время состояния забора разности давлений между напорным резервуаром 4 и первой камерой 21 обуславливает соответствующую изобретению автоматическую обратную промывку полупроницаемой мембраны с описанными выше преимуществами и эффектами.
Если вместо напорного резервуара используют накопительный резервуар (не изображен), который соединен с насосом (не изображен), то насос подключен в этом случае таким образом, что его запуск происходит при реагировании на завершение забора пермеата и, таким образом, собранную в накопительном резервуаре воду подают во вторую камеру 22 резервуара 2 обратного осмоса и через полупроницаемую мембрану 11.
Поскольку обратная промывка от второй камеры 22, в которой находится пермеат после фазы забора, в первую камеру, в которой находится концентрат, означает работу полупроницаемой мембраны в направлении осмоса вместо обратного осмоса, для осуществления обратной промывки достаточно небольших давлений, прикладываемых с помощью напорного резервуара или насосом.
В частности, если на случай сильно загрязненной неочищенной воды устройство 10 дополнительно оснащено в целях дезинфекции устройством для подмешивания хлора (не изображено), то оно содержит, далее, абсорбционное устройство, предназначенное для повторного удаления хлора перед забором очищенной воды. В показанном примере исполнения для этого предусмотрен блок 9 активированного угля.
Напольная установка 1000 обратного осмоса содержит, кроме того, запорный вентиль 5, который соединяет трубопровод 1 неочищенной воды и водозаборный водовод 3 таким образом, что при открывании вентиля 5 одновременно происходят подвод подлежащей подготовке воды к обратному осмосу и забор подготовленной воды. При этом запорный вентиль 5 может быть соединен с вентилем 81 водопроводного крана 80 или может заменять его.
В процессе работы устройства 10 при закрытом вентиле 81 водопроводного крана 80 запорный вентиль 5 обуславливает заполнение устройства 10 для подготовки питьевой воды неочищенной водой. Поэтому при открывании вентиля 81 водопроводного крана 80 можно незамедлительно забирать воду, поскольку вода уже находится в распоряжении под соответствующим давлением.
На фиг. 2 и 3 изображены следующие формы исполнения изобретения, при которых для иллюстрирования функции запорного вентиля 5 он изображен двухсекционным. В реальном исполнении речь идет, однако, о конструктивном элементе, состоящем из одной части. Это показано на фиг. 4.
В рамках настоящей заявки наряду с понятием «запорный вентиль» применяют также выражение «Shut-Off Valve».
При заборе воды запорный вентиль 5 открывает подвод неочищенной воды к стороне концентрата установки осмоса. После завершения забора воды, то есть, например, после закрывания водопроводного крана, запорный вентиль обеспечивает протекание неочищенной воды через сторону концентрата еще в течение того времени, пока на стороне пермеата вновь не будет создано давление, в частности, пока напорный резервуар вновь не окажется под давлением. Только после этого запорный вентиль прерывает подвод неочищенной воды к стороне концентрата. Для этого запорный вентиль сравнивает давление между стороной концентрата и стороной пермеата и при занижении заданной для конструктивного исполнения разности давлений прерывает подвод неочищенной воды к стороне концентрата.
Для этого запорный вентиль 51 может содержать два прохода 50, 51, которые находятся в контакте через сообщающиеся между собой мембраны.
Запорный вентиль 5 предусмотрен, в частности, для использования в устройстве для подготовки питьевой воды с резервуаром 2 обратного осмоса и содержит корпус, который определяет внутреннее пространство, которое впускным отверстием воды подключено к трубопроводу 1 неочищенной воды и выпускным отверстием воды подключено к линии 6 концентрата и, следовательно, к коллектору сточных вод 7. Этим путем флюида является первый проход 50 запорного вентиля 5. Далее внутреннее пространство вентиля 5 через его второй проход 51 соединено с линией 3 пермеата.
Далее, запорный вентиль 5 может содержать поршень, который соединен с мембранной пластиной и выполнен для избирательного открывания и закрывания первого прохода 50. К тому же, по меньшей мере, следующая мембрана соединена с поршнем и мембранной пластиной. При изменении давления пермеата поршень открывает или запирает первый проход 50 вследствие отклонения, по меньшей мере, одной мембраны в реакции на изменения давления пермеата во втором проходе 51. Мембранная пластина, поршень и, по меньшей мере, одна следующая мембрана образуют, таким образом, гидравлическое переключающее устройство, которое в схематическом изображении на фиг. 4 обозначено ссылочной позицией 55.
Закрывание или открывание первого прохода 50 или второго прохода 51 запорного вентиля происходит исключительно за счет исполнения обеих мембран в проходах запорного вентиля.
При закрывании потребителя, то есть, например, вентиля 81 водопроводного крана 80, первый проход 50 запорного вентиля 5 еще остается открытым. В процессе наполнения напорного резервуара 4 давление в системе возрастает до достижения определенной величины. В результате этого уменьшается разность давления между проходами 50, 51. При достижении минимальной разности давлений, определенной особенностями конструктивного исполнения, мембрана запирает вентиль 5, так что не происходит протекания воды через сторону концентрата, то есть первую камеру резервуара 2 обратного осмоса.
В соответствии с изобретением для обратной промывки мембраны используют лишь чистый пермеат. Для нагнетания пермеата против направления потока в состоянии забора воды в направлении от сторон второй камеры 22 через мембрану 11 в первую камеру 21 в линию 3 пермеата не вводят никакой другого флюида, в частности, газа, например, сжатого воздуха или т.п. Тем самым изобретение позволяет добиться особенно простой и гигиенической конструкции устройства 10 для подготовки питьевой воды.
На фиг. 2 и 3 изображены следующие формы исполнения, при котором функцию напорного резервуара выполняет резервуар из упругого материала, заполняемый в состоянии забора подлежащей подготовке водой и в результате этого расширяющийся, вследствие чего в упругом материале возникает соответствующее этому расширению восстанавливающее напряжение. Это восстанавливающее напряжение присутствует в состоянии покоя в форме давления, под которым пермеат выдавливают из резервуара из упругого материала от линии пермеата во вторую камеру 22 и через мембрану 11.
В изображенной на фиг. 2 форме исполнения резервуар выполнен из упругого материала в форме шланга 41, который через линию 43 подключен к линии 3 пермеата. Шланг 41 может быть выполнен, в частности, в виде силиконового шланга. Терминально позиционированный на линии 43 резервуар 41 из упругого материала оснащен реле 411 давления, которое открывается при достижении в резервуаре 41 давления, превышающего ограничение по характеристикам растяжения упругого материала.
В показанной на фиг. 3 форме исполнения изобретения эта защитная функция интегрирована во второй проход 51 запорного вентиля. Напорный резервуар выполнен в виде проточного в рабочем состоянии резервуара 40 из упругого материала, например, в виде силиконового шланга. При заполнении резервуара 40 из упругого материала подготовленной водой происходит растяжение упругого материала. В состоянии покоя это растяжение устранено вследствие восстанавливающего напряжения и пермеат из резервуара 40 при закрытом вентиле 81 нагнетают назад через линию 3 пермеата во вторую камеру 33 и через мембрану 11.
Размеры резервуаров 40, 41 с согласованием по их диаметру, длине и толщине стенок, в частности, с сопротивлением протеканию линии пермеата и резервуара обратного осмоса, а также с осмотическим давлением таким образом, что в состоянии забора воды в упругом материале возникает восстанавливающее напряжение, достаточно высокое для обратной промывки мембраны в состоянии покоя.
На фиг. 5 показана напольная установка 1000 обратного осмоса, которую используют вместе с дополнительным напорным резервуаром 400. Этот дополнительный напорный резервуар 400 расположен на стороне пермеата в направлении потока после напольной установки 1000 обратного осмоса перед вентилем 81 водопроводного крана. Далее, на фиг. 5 перед входом трубопровода 1 неочищенной воды в напольную установку 1000 обратного осмоса изображен подкачивающий насос 500. В рамках изобретения он может быть также предусмотрен альтернативно дополнительному напорному резервуару 400.
В предпочтительной форме исполнения изобретения предусмотрено, что вся установка в целом заключена в корпус, так что напольная установка 1000 обратного осмоса, при необходимости вместе с подкачивающим насосом 500 и/или дополнительным напорным резервуаром 400, включая обратный клапан 450, расположены в одном корпусе.
Фиг. 6 показывает в поперечном сечении схематическое изображение предпочтительной формы исполнения резервуара обратного осмоса в форме фильтровальной свечи 100. Она содержит стационарно смонтированный базовый блок и выполненное в качестве сменного устройства 102 устройство обратного осмоса. Оно содержит корпус 103 из пластмассы, который содержит основание 103а и головную часть 103b.
В корпусе 103 расположена мембрана обратного осмоса в форме цилиндрического рулона 104, который содержит первый торец 104а и второй торец 104b. В центре рулона находится сборная труба 105 пермеата. Рулон 104 соединен с головной частью 103b через адаптер 106. Адаптер 106 обеспечивает подвод и отход для входящей воды и выходящего пермеата и концентрата, а именно предоставляет входное отверстие 107, выходное отверстие 108 и выходное отверстие 109. Далее, адаптер предоставляет входной канал 107а и выходные каналы 108а и 109а, из которых канал 108а соединяет выходное отверстие 108 со сборной трубой 105 пермеата, в то время как концентрат подводят к выходному отверстию 109а через выходной канал 109.
Сменное устройство 102 соединено с базовым блоком 101 резьбовым соединением. Для этого базовый блок 101 содержит внутреннюю резьбу 110, а сменное устройство 103 содержит наружную резьбу 11. В области выходных отверстий 108 и 109 между базовым блоком 101 и сменным устройством 102 установлены уплотнения 112 и 114. Следующее уплотнение 113 находится в области резьбы 110 или 111.
Базовый блок 101 содержит впускное отверстие 115 для подлежащей подготовке в сменном устройстве 102 солесодержащей воды, выпускное отверстие 116 для образованного в сменном устройстве пермеата и выпускное отверстие 117 для образованного в сменном устройстве 102 концентрата. Если, как изображено, сменный блок 102 ввинчен в базовый блок 101, то впускное отверстие 115 соединено со входным отверстием 107, выпускное отверстие 116 соединено с выходным отверстием 108 и выпускное отверстие 117 соединено с выходным отверстием 109.
Далее, базовый блок 101 может содержать смешивающие устройства 118 и/или 123, а также при необходимости регулирующее устройство 119. С помощью смесительного устройства 118 выходящий из устройства 102 обратного осмоса пермеат можно смешивать с поступающей через впускное отверстие 115 в базовый блок 101, содержащей соль водой. С помощью смесительного устройства 123 можно смешивать выходящий из устройства 102 обратного осмоса пермеат с концентратом. С помощью регулирующего устройства 119 можно регулировать количество концентрата, выходящего из устройства 102 обратного осмоса, и, тем самым, косвенно также образование пермеата в устройстве 102 обратного осмоса.
Направление потока подлежащей подготовке воды или возникающего пермеата и концентрата внутри устройства 100 указано стрелками. В процессе работы содержащая соль вода через впускное отверстие 115 поступает в базовый блок 101. Оттуда воду через входное отверстие 107 подают в сменное устройство 102 резервуара обратного осмоса в форме фильтровальной свечи. В нем вода через входной канал 107а, а также через зазор между оболочкой 121 цилиндрического рулона 104 и внутренней стенкой 122 напорного резервуара на второй торец 104b и затем протекает аксиально рулону в направлении первого торца 104а, причем происходит образование пермеата и концентрата.
В то время как пермеат отводят через сборную трубу 105 пермеата, концентрат выходит из первого торца 104а цилиндрического рулона 104. Из сборной трубы 105 пермеата пермеат может поступать вверх через канал 108а и через выходное отверстие 108 в базовый блок 101. Здесь он попадает в кольцеобразное полое пространство 120, образованное базовым блоком 101 и сменным устройством 102. Выходящий из первого торца 104а цилиндрического рулона 104 концентрат протекает через выходной канал 109а к выходному отверстию 109 и впадает в базовый блок 101. Там его подводят к выпускному отверстию 117. Количество выходящего из выпускного отверстия 117 концентрата можно регулировать с помощью регулирующего устройства 119, в случае которого речь чаще всего идет о вентиле.
Специалисту понятно, что изобретение не ограничено описанными выше примерами исполнения, а, более того, его можно варьировать самым разным образом. В частности, отдельные признаки изображенных примеров можно комбинировать между собой или взаимно заменять или дополнять другими признаками.
Перечень ссылочных позиций
1 Линия входящей воды, неочищенной воды, подлежащей обработке воды, Feed
2 Резервуар обратного осмоса
21 Первая камера резервуара обратного осмоса
22 Вторая камера резервуара обратного осмоса
100 Резервуар обратного осмоса в форме фильтровальной свечи
101 Стационарно смонтированный базовый блок
102 Устройство обратного осмоса в качестве сменного устройства
103 Корпус
103а Основание корпуса
103b Головная часть корпуса
104 Рулон
104а Первый торец рулона
104b Второй торец рулона
105 Сборная труба пермеата
106 Адаптер
107 Входное отверстие для входящей воды
107а Входной канал для входящей воды
108 Выходное отверстие для выходящего пермеата
108а Выходной канал для выходящего пермеата
109 Выходное отверстие для выходящего концентрата
109а Выходной канал для выходящего концентрата
110 Внутренняя резьба\
111 Наружная резьба
112 Уплотнение
113 Уплотнение
114 Уплотнение
115 Впускное отверстие для подлежащей подготовке, содержащей соль воды
116 Выпускное отверстие
116 для образованного пермеата
117 Выпускное отверстие для образованного концентрата
118 Смесительное устройство
123 Смесительное устройство
119 Регулирующее устройство
121 Оболочка
122 Внутренняя стенка
3 Линия пермеата, линия подготовленной воды
4 Напорный бак, напорный резервуар; или накопительный резервуар с насосом
40 Проточный гидроаккумулятор; резервуар из упругого материала, силиконовый шланг
41 Концевой гидроаккумулятор; резервуар из упругого материала, силиконовый шланг
43 Линия между напорным резервуаром и линией пермеата, линия между напорным резервуаром и выпускным отверстием подготовленной воды
5 Запорный вентиль, Shut-Off Valve
50 Первый проход
51 Второй проход
55 Переключательное устройство; поршень с мембранной пластиной и следующей мембраной
6 Линия концентрата
7 Сточная вода
8 Кухонная столешница, стол
80 Водопроводный кран
81 Вентиль водяного крана
9 Абсорбционное устройство, в частности, для дезинфицирующего средства, например, для хлора; например, блок активированного угля
10 Устройство для подготовки питьевой воды
11 Полупроницаемая мембрана
1000 Напольная установка обратного осмоса
400 Дополнительный напорный резервуар на стороне пермеата
450 Обратный клапан
500 Насос для подачи неочищенной воды в питающую линию.