БЫТОВОЙ ФИЛЬТР-СТЕРИЛИЗАТОР Российский патент 1996 года по МПК C02F1/18 

Изобретение относится к очистке воды, в частности к устройствам для комплексной очистки воды от механических примесей, микроорганизмов, соединений тяжелых металлов, окислов и других растворенных веществ, и предназначено для получения питьевой воды в бытовых и полевых условиях.

Известно устройство для очистки питьевой воды в бытовых условиях [1] включающее корпус с размещенным внутри него фильтрующим патроном, заполненным двумя слоями сорбента, расположенными друг над другом между сетками и перфорированными пластинами, входной и выходной патрубки для воды, из которых первый снабжен гибким шлангом для подсоединения к источнику подачи воды водопроводу. В качестве нижнего слоя сорбента использован активированный уголь, а верхнего активированный уголь, пропитанный бактерицидными веществами. При работе известного устройства водопроводная вода проходит последовательно через нижний и верхний слои сорбента, где очищается от вредных примесей, привкусов и запаха, причем в верхнем слое сорбента дополнительно происходит биологическая очистка воды. Однако для работы устройства необходимо наличие источника напорной подачи воды водопровода, что исключает возможность использования устройства для очистки воды, взятой из открытого источника, например, колодца или водоема. При этом установленная перед сорбентом сетка не позволяет эффективно очистить природную воду от механических и взвешенных органических примесей, что отрицательно сказывается на работоспособности сорбента. Кроме того, активированный уголь не обеспечивает эффективную очистку воды от ряда загрязнителей, таких, например, как органические пестициды, синтетические поверхностно-активные вещества, фенолы и другие. Пропитка активированного угля бактерицидными веществами также не обеспечивает эффективную очистку от всех видов бактерий, спор и вирусов, которые могут содержаться в природной и водопроводной воде.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является бытовой фильтр-стерилизатор, содержащий вертикальную емкость с патрубками для подачи и вывода воды, фильтрующий патрон, устройство для стерилизации воды и напорное устройство, выполненное в виде поршня, установленного в емкости с возможностью возвратно-поступательного движения [2] Фильтрующий патрон выполнен в виде размещенных в емкости коаксиальных пружин и эластичного фильтрующего материала (поролона), расположенного между пружинами. Устройство для стерилизации воды выполнено в виде расположенных внутри фильтрующего патрона катодов и анодов с диэлектрическими прокладками, из которых первые закреплены на емкости, а вторые на поршне. Патрубки подвода и вывода воды установлены на верхнем днище емкости и снабжены обратными клапанами.

В данном устройстве поршень обеспечивает прокачку воды через емкость, а фильтрующий патрон очистку воды от механических и взвешенных органических примесей. Обеззараживание воды происходит под действием электрического разряда малой мощности, создаваемого в пространстве между катодами и анодами при их сближении.

Однако ручное прокачивание воды через емкость с фильтрующим материалом требует значительных физических усилий, а чередующиеся сжатия и растягивания фильтрующего материала приводят к его повышенному износу. Это обуславливает низкие эксплуатационные свойства известного устройства. Наличие в емкости системы электродов, погруженных при работе в воду, также снижает эксплуатационные качества устройства вследствие ухудшения условий безопасности работы.

Кроме того, данное устройство не обеспечивает высокого качества очистки питьевой воды. Это обусловлено тем, что при пропускании через воду тока происходит насыщение воды ионами тяжелых металлов, образующихся при разложении содержащихся в виде солей вследствие явления электрофореза. Одновременно с этим, при разложении соединений, таких как пестициды, моющие средства, в воду выделяются радикалы, также ухудшающие качество воды. Данное устройство не обеспечивает очистку питьевой воды от примесей тяжелых металлов.

Цель изобретения повышение степени очистки питьевой воды и улучшение эксплуатационных свойств бытового фильтра-стерилизатора.

Цель достигается за счет того, что в бытовом фильтре-стерилизаторе, содержащем вертикальную емкость для исходной воды с подающим и отводящим патрубками, фильтрующий материал и средство для стерилизации воды, последнее выполнено в виде установленного в подводящем патрубке патрона, заполненного гранулированным сорбентом на основе активированного угля, и последовательно соединенных нагнетателя воздуха, осушителя воздуха, озонатора и барботера, при этом последний размещен в нижней части емкости, подающий патрубок в верхней части емкости и имеет герметичную крышку. Кроме того, предлагаемое устройство снабжено камерой, в которой размещен фильтрующий материал, барботер выполнен в виде асимметричного полого элемента, расположенного в присоединенном к днищу емкости стакане с зазором от его стенок, и соединен трубкой с камерой. Осушитель воздуха содержит вымораживатель влаги, закрепленный на металлическом днище емкости, а вымораживатель выполнен в виде кассеты из двух диэлектрических пластин и размещенных между ними электропроводящих элементов, образующих чередующиеся термоспаи с p-n- и n-p-переходами, находящиеся в тепловом контакте с пластинами.

Выполнение устройства для стерилизации воды в виде сорбционного патрона, подсоединенного к патрубку вывода воды из емкости, и озонатора воздуха, подключенного к размещенному в емкости барботеру, позволяет осуществить озонирование воды перед подачей ее на сорбент. Обработка воды озоном, являющимся одним из наиболее сильных окислителей, обеспечивает эффективное уничтожение бактерий, спор и вирусов, уменьшение молекулярного веса сложных органических веществ и увеличение их способности к биологическому разложению, удаление обладающих запахом, цветом и вкусом органических соединений, окисление таких органических веществ, как пестициды, фенолы, моющие средства, окисление марганца, железа, тяжелых металлов, цианидов и сульфидов, интенсифицирует процессы микрофлокуляции. Используемый в составе сорбента активированный уголь обеспечивает удаление из воды широкого спектра органических загрязнений. Добавка в состав сорбционной смеси неорганических сорбентов на основе фосфатов элементов IV группы Периодической системы позволяет удалить из воды токсичные ионы тяжелых металлов и радионуклиды. Обработка озоном воды перед подачей на сорбент качественно повышает эффективность ее очистки, так как при этом происходит не простое суммирование двух процессов, а окислительно-сорбционное взаимодействие: активированный уголь, с одной стороны, выступает в качестве катализатора окисления, значительно повышая глубину и скорость процесса, с другой стороны многие продукты окисления лучше сорбируются на угле. При этом повышается надежность процесса стерилизации и расширяется диапазон удаляемых органических загрязнителей воды, увеличивается время работы сорбента. Размещение фильтрующего патрона на патрубке залива воды, расположенном в верхней части емкости, обеспечивает предварительную очистку воды от механических и взвешенных органических примесей, содержащихся в природной воде. Наличие крышки на патрубке залива воды позволяет герметизировать емкость и создать в ней в процессе озонирования воды избыточное давление, обеспечивающее подачу озонированной воды в сорбционный патрон и последующую выдачу потребителю. Одновременно увеличение давления в емкости улучшает растворимость озона в воде, что повышает эффективность процессов стерилизации воды озонированием и окислительно-сорбционной обработкой. Размещение пористого барботера с кольцевым зазором в стакане, установленном под днищем емкости, к нижней части которого подсоединен патрубок вывода воды, обеспечивает дополнительное повышение эффективности озонирования. Это достигается за счет гарантированной обработки отводимой из емкости воды наиболее концентрированным озоном, поступающим в зазор из озонатора через пористую стенку барботера, при встречном движении воды и газа. При этом достигается максимальная концентрация в отводимой воде остаточного растворенного озона, что усиливает процесс окислительно-сорбционной стерилизации воды в сорбционном патроне, а также увеличивает ресурс работы сорбента. Наличие термоэлектрического вымораживателя позволяет производить осушку воздуха, поступающего в озонатор, за счет вымораживания из него влаги, а также осуществлять регенерацию осушителя при изменении направления прохождения тока через термоспаи.

На фиг. 1 изображен общий вид фильтра-стерилизатора; на фиг. 2 расположение элементов осушителя воздуха, узел I.

Фильтр-стерилизатор содержит корпус 1, в котором размещена вертикальная емкость 2, имеющая в верхней части патрубок 3 для залива воды, в котором установлен сменный фильтровальный патрон 4, содержащий гранулированный активированный уголь, расположенный между сетчатыми перегородками 5. К патрубку 3 подстыкована крышка 6, имеющая герметизирующую прокладку 7. Соединение крышки 6 с патрубком 3 выполнено быстроразъемным, например, по типу байонетного замка. Для облегчения контроля уровня заполнения стенка емкости 2 выполнена из прозрачного озоностойкого материала и имеет отметку, соответствующую оптимальному заполнению ее водой. В верхней части корпуса 1 размещен сменный сорбционный патрон 8, заполненный гранулированным сорбентом 9 на основе активированного угля. Вход патрона 8 соединен с патрубком 10 вывода воды из емкости 2, а выход со сливным патрубком 11. В корпусе 1 размещен также озонатор воздуха 12, вход которого трубкой 13 через термоэлектрический осушитель воздуха 14 соединен с нагнетателем воздуха 15. Осушитель воздуха закреплен на днище 16 емкости, выполненном металлическим для улучшения теплового контакта, и содержит термомодуль 17, размещенный в герметичном корпусе 18. Термомодуль 17 выполнен в виде кассеты, состоящей из двух диэлектрических пластин 19 и 20 из материала с хорошей теплопроводностью с размещенных между ними электропроводящих термоэлементов, выполненных в виде столбиков из чередующихся элементов 21 и 22 термовещества типа p и n, образующих чередующиеся спаи с p -- n- и n -- p-переходами 23 и 24, имеющие тепловой контакт с пластинами. При прохождении электрического тока через термоспаи с p --n- и n --p-переходами 23 и 24 происходит поглощение тепла на одних спаях и выделение тепла на других, приводящее соответственно к охлаждению или нагреву прилегающей к данной группе спаев пластины 19 или 20. При изменении направления прохождения тока через спаи термомодуля 17 происходит перемена охлаждаемой и нагреваемой пластин в кассете. Внешняя пластина 19 термомодуля 17 омывается воздухом, поступающим из нагнетателя 15, а пластина 20 находится в тепловом контакте с металлическим днищем 16 емкости 2. Выход озонатора 12 подключен к барботеру 25, выполненному в виде полого цилиндра из пористого озоностойкого материала, например керамики. Барботер 25 размещен с кольцевым зазором 26 в цилиндрическом вертикальном стакане 27, установленном под днищем 16 емкости 2, при этом патрубок вывода воды 10 из емкости подсоединен к нижней части стакана. Перед осушителем воздуха 14 установлен пылевой фильтр 28. Озонатор 12, осушитель воздуха и нагнетатель 15 через блок управления 29 электрически соединены с блоком питания 30, который подключается к бытовой электросети (220 В; 0,5 А; 50 Гц).

Фильтр-стерилизатор работает следующим образом.

При снятой крышке 6 заполняют емкость 2 водой (из водопроводного крана или кружкой) до заданного уровня, составляющего 0,8 высоты емкости. Если в воде содержатся взвешенные примеси, они задерживаются в фильтровальном патроне 4. В случае использования водопроводной воды производится ее предварительная аэрация с целью удаления хлора. Для этого включают нагнетатель 15 и производят продувку воды воздухом, подаваемым в емкость 2 через барботер 25, в течение 2-3 мин. После этого емкость 2 закрывают крышкой 6, герметично подстыковывая ее к патрубку 3. Затем включают термоэлектрический осушитель воздуха 14 на работу в режиме вымораживания, для чего подают ток на термоэлементы в направлении, обеспечивающем охлаждение внешней (омываемой воздухом) пластины 19 термомодуля 17. После выхода на режим осушителя 14 (3 мин) включают нагнетатель воздуха 15 и подают электрическое питание от высоковольтного источника блока питания 30 на озонатор 12. Поступающий в озонатор осушенный воздух, имеющий после осушителя 14 точку росы -20^оС, проходя через разpядное пространство, подвергается воздействию электрического разряда коронного типа, что приводит к выделению озона. Полученная озоно-воздушная смесь, содержащая 4-6 мг/л озона, через барботер 25 вводится в емкость 2 и, барботируя через столб воды, поступает в верхнюю часть емкости. При прохождении озоно-воздушной смеси через воду происходит насыщение воды озоном и ее первичная стерилизация уничтожение бактерий, спор, вирусов, окисление органических соединений. Одновременно с этим происходит повышение давления в емкости 2, и озонированная вода, отводимая через кольцевой зазор 26, по патрубку 10 начинает поступать в сорбционный патрон 8, где производится ее окончательная стерилизация. На комплексном гранулированном сорбенте 9, содержащем активированный уголь и неорганические соединения, осуществляется эффективное удаление из воды всего комплекса органических и неорганических соединений, включая радионуклиды Сs-137, Сr-90, Ru-106, Се-144. Наличие в воде озона усиливает сорбционно-окислительные процессы стерилизации, повышая глубину очистки воды. Очищенная вода поступает индивидуальному потребителю через сливной патрубок 11. Она полностью соответствует гигиеническим требованиям, предъявляемым к питьевой воде согласно ГОСТ 2874-82, по микробиологическим, токсикологическим и органолептическим показателям. Расход воздуха, подаваемого на озонатор 12, подбирается в зависимости от рабочего объема емкости 2 таким образом, чтобы продолжительность процесса обработки одной порции воды составляла 12-15 мин. В этом случае обеспечиваются оптимальные условия протекания окислительно-сорбционных процессов и достигается максимальная глубина очистки питьевой воды.

По окончании процесса выдачи всей порции воды, залитой в емкость 2, производится выключение озонатора 12 и охлаждение его электродов продувкой через него воздуха в течение 30-40 с. Затем производится регенерация осушителя воздуха 14, для чего переключается направление прохождения тока через спаи 23 и 24 термомодуля 17. При этом происходит нагрев внешней пластины 19 термомодуля от -20 до 100^оС, испарение накопленной (вымороженной) влаги и унос ее из осушителя потоком воздуха. Процесс регенерации осушителя 14 длится 20-30 с, после чего выключают осушитель и нагнетатель воздуха 15, и аппарат готов для производства следующей порции питьевой воды. Все операции по подготовке к работе, стерилизации воды и выключению аппарата осуществляются автоматически по заданной программе при нажатии соответствующей кнопки на пульте управления.

Эффективность сорбционно-окислительной очистки воды в предложенном фильтре-стерилизаторе определялась по результатам анализов прошедшей обработку воды и последующей оценки ее по микробиологическим, токсикологическим и органолептическим показателям, предъявляемым к питьевой воде согласно ГОСТ 2874-82. Проводились анализы на содержание в воде всех основных загрязнителей органического и неорганического происхождения, таких как, например пестициды (ГХЦГ, ДДЭ, ДДТ и др.), ионы тяжелых металлов (железо, медь, цинк, кадмий, свинец, магний и др.), радионуклиды (цезий-137, стронций-90 и др.). Результаты проведенных испытаний показали, что разработанный бытовой фильтр-стерилизатор позволяет осуществить эффективную очистку водопроводной и природной воды от широкого комплекса органических и неорганических загрязнений, обеспечивая получение высококачественной питьевой воды. В частности, эффективность очистки воды от токсичных ионов тяжелых металлов (свинец, кадмий, таллий и др.) составляет 90-95% а эффективность очистки от радионуклидов (цезий-137, стронций-90) 65-90%

Сущность изобретения: бытовой фильтр-стерилизатор содержит вертикальную емкость для исходной воды с подающим и отводящим патрубками, камеру с фильтрующим материалом и средство для стерилизации воды, выполненное в виде установленного в подводящем патрубке патрона с сорбентом и последовательно соединенных нагнетателя воздуха, осушителя воздуха, озонатора и барботера, выполненного в виде асимметричного полого элемента, расположенного в присоединенном к днищу емкости стакане с зазором от стенок, и соединен трубкой с камерой. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Бытовой фильтр-стерилизатор, содержащий вертикальную емкость для исходной воды с подающим и отводящим патрубками, фильтрующий материал и средство для стерилизации воды, отличающийся тем, что средство для стерилизации выполнено в виде установленного в подводящем патрубке патрона, заполненного гранулированным сорбентом на основе акитивированного угля и последовательно соединенных нагнетателя воздуха, осушителя воздуха, озонатора и барботера, при этом последний размещен в нижней части емкости, подающий патрубок в верхней части и имеет герметичную крышку. 2. Фильтр-стерилизатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен камерой, в которой размещен фильтрующий материал, барботер выполнен в виде асимметричного полого элемента, расположенного в присоединенном к днищу емкости стакана с зазором от его стенок, и соединен трубкой с камерой. 3. Фильтр-стерилизатор по п.1, отличающийся тем, что осушитель воздуха содержит вымораживатель влаги, закрепленный на металлическом днище емкости, при этом вымораживатель выполнен в виде кассеты из двух диэлектрических пластин и размещенных между ними электропроводящих элементов, образующих чередующиеся термоспаи с p n- и n p-переходами, находящиеся в тепловом контакте с пластинами.