УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОДЫ Российский патент 1999 года по МПК B01D24/04 C02F1/42 

Изобретение относится к получению питьевой воды и может быть использовано для очистки и кондиционирования водопроводной и природной воды.

Известно устройство, частично решающее проблему очистки воды. Оно состоит из емкости, разделенной на две части, верхняя часть которой соединена с нижней посредством вставки, имеющей отверстия для подачи и слива воды, а также загрузку из активного угля и ионообменника, которые размещены внутри вставки и смешаны хаотически. Отношение площадей всех отверстий в верхней части вставки, где поступает вода, к площади всех отверстий в нижней части вставки, где выходит вода, равна ≈ 1. Недостатками такого устройства являются, во-первых, хаотическое перемешивание слоев загрузки из активного угля и ионообменника, что не позволяет полностью использовать их фильтрующие возможности. Во-вторых, вставка неразборная, что не позволяет регенерировать состав загрузки или менять использованную загрузку на новую. В-третьих, это устройство обладает недостаточным временем контакта воды с загрузкой из-за равенства площадей отверстий на входе и выходе воды. (см. проспект фирмы BRITA WASSER-SYSTEME GMBH "Водофильтрационная система, Taunusstein, 1995 г.

Наибольшим недостатком этого устройства является невозможность кондиционирования воды, вызванная особенностью загрузки из искусственных сорбентов - активированного угля и ионообменных смол, которые убирают содержание солей на 75%. Это хорошо для кипятильника, но не для здоровья человека. Процесс обессоливания воды с помощью подобных фильтров приводит к удалению биологически важных микроэлементов: кальция, магния и фтора, делая ее кариесогенной (Основание: Guidelines on Health aspects on Water Desalination, WHO, ETS/80,4; ГОСТ 2874-82). Поэтому оптимальной для здоровья человека считается не сверхчистая (например, дистиллированная) вода, а вода со сбалансированным солевым составом, характеризуемым ограниченными пределами как общего солесодержания, так и содержания основных ионов кальция, магния, натрия, калия и др.

Наиболее близким по технической сущности и общим признакам к предлагаемому является устройство, в котором за счет использования природных минералов шунгита и доломита достигается не только очистка воды, но и ее кондиционирование. По сравнению с исходной водой значительно повышается степень насыщения воды солями кальция, магния, а также микроэлементами. Устройство включает последовательно расположенные слои загрузки для первичной обработки воды из измельченного шунгита с размерами частиц 1-5 мм и для последующей обработки воды из измельченного доломитосодержащей породы с размером частиц 1-5 мм (см. пат. РФ N 2056358, кл. C 02 F 1/18, 1996 г.)
Недостатками такого устройства являются слишком высокая степень минерализации (более чем в 10 раз), значительные размеры и масса загрузки (1,5 - 2 кг), что связано с большими размерами частиц (1 - 5 мм) в слоях загрузки, смешиванием в одном слое частиц разного размера, что не позволяет использовать их фильтрующие возможности в полной мере.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, создание оптимального устройства для очистки и кондиционирования воды с малым объемом загрузки минералов. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем ставку, имеющую отверстия для подачи и слива воды, пористые перегородки, а также загрузки из измельченных минералов, например, шунгита, которые размещены внутри вставки последовательно расположенными слоями таким образом, что слои загрузок, состоящих, например, из шунгита с размерами частиц от 0,03 мм до 3 мм делают разной толщины, причем первый слой из них по ходу движения воды имеет толщину и размер частиц в нем в от 3 до 8 раз меньше, чем толщина и размер частиц во втором по ходу движения воды слое, а вставка состоит из съемной крышки и основания с отверстиями, суммарная площадь которых в 1,5 - 3 раза превышает суммарную площадь отверстий в основании вставки. Таким образом, первым отличительным признаком предлагаемого устройства является оптимальное соотношение между толщинами слоев загрузки и размерами частиц в них.

Известно, что когда имеется хотя бы два слоя фильтрующей загрузки, то нет смысла делать их по толщине одинаковыми. Очистительные свойства двух слоев даже из одного материала улучшаются, если первый по ходу движения воды слой будет намного тоньше второго слоя, если соответственно изменить и размеры частиц в нем. Так, идеально сферические частицы одного размера при засыпке располагаются в виде гексогональной упаковки. Конфигурация пустых пространств (пор) между такими идеальными шарами довольно сложная. Если же вписать в это пространство шар, то диаметры идеального и вписанного шаров будут отличаться почти в 6 раз. В случае же помола слоистого материала, к которому относятся шунгит, доломит, цеолит и др., при разделении загрузок на слои, содержащие частицы одного размера, диаметры таких частиц колеблются в диапазоне значений, определяемом размерами ситовых ячеек. В реальном насыпном материале, например, из шунгита форма частиц далека от сферической. Поэтому отношение среднего размера частиц к среднему размеру пор, как показывают многочисленные опыты, может находиться в пределах:
L_частиц / L_пор = 3 - 8, (1)
Если соотношение (1) соблюдается, то на границе раздела двух слоев с разными размерами частиц образуются поры, идентичные порам в слое с частицами меньшего размера. В случае, если соотношение (1) не соблюдается, на границе раздела образуется слой с меньшим размером пор, что приводит к уменьшению производительности фильтра. Такое же соотношение (1) имеет место между толщинами граничащих между собой первого и второго по ходу движения воды слоев. Таким образом на границе раздела двух слоев с разными размерами частиц полное заполнение поверхностных пор второго по ходу движения воды слоя с большим размером частиц гарантированно достигается при минимально возможной толщине первого по ходу движения воды слоя с меньшим размером частиц, если минимальная толщина составляет от 3 до 8 размеров частиц, составляющих этот слой.

Выполнение указанных условий предъявляет жесткие требования к одинаковости размеров частиц в слоях и к толщинам самих слоев. Отсюда следующий отличительный признак предлагаемого устройства - слои загрузки, выполненной, например, из шунгита, должны состоять, во-первых, из частиц, размер которых изменяется в диапазоне значений от 0,03 мм до 3 мм. Во-вторых, эти частицы в слоях не перемешиваются и каждый слой содержит частицы только одного размера. В-третьих, слои делают разные по толщине, причем первый слой из них по ходу движения воды имеет толщину и размер частиц в нем от 3 до 8 раз меньше, чем толщина и размер частиц во втором по ходу движения воды слое.

Продолжительность времени контакта поступающей воды с загрузкой можно регулировать за счет изменения отношения площадей верхних и нижних отверстий вставки. Известно, что объем жидкости, протекающей через сечение за единицу времени, то есть расход воды зависит от квадрата величины этого сечения. Поэтому время контакта воды с загрузкой существенно зависит от отношения сечения входного отверстия для воды к сечению выходного отверстия. Если величина такого отношения изменяется от 1,5 до 3 раз, то время контактирования воды с загрузкой может возрасти от 2 до 9 раз. Отсюда следующий отличительный признак предлагаемого устройства - вставка состоит из съемной крышки и основания с отверстиями, суммарная площадь которых в крышке превышает суммарную площадь отверстий в основании вставки в 1,5 - 3 раза.

Преимуществом данного устройства является, во-первых, уменьшение размеров вставки, так как размер одного из слоев и размер частиц в нем можно уменьшить в 3 - 8 раз по сравнению с другим. Во-вторых, разборная вставка позволяет потребителю самостоятельно регенерировать загрузку или менять ее на новую. Более того, в связи с тем, что все варианты предлагаемого устройства имеют свободный доступ к загрузкам, то, приобретая дополнительный набор загрузок из разных минералов и частиц, выполненных в соответствии с указанными требованиями, и специальные таблицы, потребитель может самостоятельно подобрать себе воду, исходя из ее состава в данной местности и индивидуальных особенностей его организма.

Для подтверждения предельных значений отношений площадей отверстий вставки, толщин слоев загрузки и размеров частиц в них проведены опыты, результаты которых указаны в табл. 1. Из нее следует, что оптимальное сочетание очищающих и кондиционирующих свойств наблюдается в устройстве, вставка которого заполнена загрузкой из шунгита со слоями, отношение толщин которых и размеров частиц в них равно 5, а отношение площадей всех отверстий крышки к площади всех отверстий основания вставки равно 2.

Различные варианты устройства для очистки и кондиционирования воды изображены на фиг. 1 - 4.

На фиг. 1 изображен простейший вариант устройства со свободным стоком воды, который может реализовать потребитель самостоятельно, имея вставку, стеклянную банку и пластиковую бутылку.

На фиг. 2 изображен вариант устройства со свободным стоком воды и с использованием емкости в виде сосуда BRITA (Германия), получившего широкое распространение во многих странах.

На фиг. 3 изображен вариант с принудительным стоком воды, то есть возможного прямого подключения к водопроводной магистрали.

На фиг. 4 изображен вариант устройства, в котором возможно настаивание воды (например, дистиллированной или кипяченой) неограниченное время с целью ее минерализации и приобретения ощутимых лечебных свойств.

На фиг. 1 изображено устройство для очистки и кондиционирования воды с использованием лейки 1, в которую герметично входит вставка 2, имеющая слои загрузки, например, из шунгита 5 и 6. Толщина и размер частиц в слое 6 больше в 3 - 8 раз толщины и размера частиц в слое 5. Вставка 2 имеет входные отверстия для воды 3, суммарная площадь которых в 1,5 - 3 раза больше суммарной площади выходных отверстий 4. Единая конструкция, состоящая из лейки 1 и вставки 2, свободно ставится на нижнюю емкость 7 (например, любая подходящая стеклянная банка).

Устройство работает следующим образом. Очищаемая вода поступает из лейки 1 через отверстия 3 внутрь вставки 2, проходит последовательный ряд слоев загрузки 5 и 6, после чего очищенная и кондиционированная через отверстия 4 поступает в емкость 7 и готова к употреблению.

На фиг. 2 изображено устройство для очистки и кондиционирования воды с использованием разъемной вставки. Устройство состоит из емкости, верхняя часть 1 которой соединена с нижней 7 посредством вставки 2, состоящей из съемной крышки 8 с отверстиями 3 и основания с отверстиями 4. Внутри вставки расположены загрузки, например, из шунгита, которые располагаются, по крайней, мере двумя последовательными слоями 6 и 5, второй из которых 6 по ходу движения воды имеет толщину и размер частиц в слое, более чем в 3 - 8 раз превышающие толщину и размер частиц первого слоя 5.

Устройство работает следующим образом. Очищаемая вода поступает в верхнюю часть емкости 1. Через отверстия 3 в крышке 8 очищаемая вода поступает внутрь вставки 2, проходит последовательный ряд слоев загрузки 5 и 6, после чего очищенная и кондиционированная через отверстие 4 нижней части вставки поступает в нижнюю часть емкости 7 и готова к употреблению.

На фиг. 3 изображено устройство для очистки и кондиционирования воды, в котором вставка 2 состоит из крышки 4, содержащей отверстие 9 для слива воды, трубку 10, герметично проходящую через крышку емкости по ее центральной части до пористой перегородки 3, на которой сверху последовательно размещены слои 6 и 5 загрузки, причем толщина верхнего слоя 6 и размер частиц в нем в 3 - 8 раз превышает толщину нижнего слоя 5 и размер частиц в нем.

Сверху трубка 10 соединена с каналом подачи воды.

Устройство работает следующим образом. Через канал подачи воды 10, который может представлять собой водопровод или резервуар с водой, требующей очистки и кондиционирования, вода поступает под пористую перегородку 3, пройдя через которую, вода контактирует со слоями 5, 6 загрузки, после чего очищенная и кондиционированная накапливается в верхней части вставки 2 и сливается через отверстие 9 в крышке 4.

На фиг. 4 изображено устройство для очистки и кондиционирования воды, в котором роль вставки выполняет емкость из керамики в виде бытового кувшина. Устройство состоит из кувшина 2, выхода для воды 9, перегородки 4, отделяющей пространство 7 с очищенной водой на дне кувшина 2 от загрузки. Сверху проницаемой перегородки 4 размещены слои 5 и 6 загрузки из измельченных минералов. Выход для воды 9 герметично соединен с пространством с очищенной и кондиционированной водой 7. Другой вариант устройства выполнен так, что пористая перегородка закрывает лишь вход в нижнюю часть трубки 7.

Устройство работает следующим образом. Очищаемая вода заливается в кувшин, и, как только ее уровень будет выше отверстия 9, вода, пройдя слои загрузки 5, 6 и пористую перегородку 4, поступит из пространства 7 через трубку 9 в стакан 11 для сбора готовой воды.

Устройство предназначено для получения питьевой воды путем очистки и кондиционирования водопроводной и природной воды. Устройство содержит вставку с отверстиями для подачи и слива воды, в которой размещены последовательно слои из шунгита или доломита разной толщины и размером частиц 0,03 - 3,0 мм. Первый слой по ходу движения очищаемой воды имеет толщину и размеры частиц в нем от 3 до 8 раз меньше, чем толщина и размер частиц во втором слое. При малом объеме загрузки минералов достигается высокое качество очистки и кондиционирования воды. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для очистки и кондиционирования воды, содержащее вставку с отверстиями для подачи и слива воды и размещенные внутри вставки последовательно слои из измельченного минерала, отличающееся тем, что слои выполнены из шунгита или доломита разной толщины и размером частиц от 0,03 до 3 мм, причем первый слой по ходу движения воды имеет толщину и размеры частиц в нем от 3 до 8 раз меньше, чем толщина и размер частиц в нем во втором по ходу движения воды слое. 2. Устройство по п. 1, отличающееся там, что вставка содержит съемную крышку и основание с отверстиями, суммарная площадь которых в крышке превышает суммарную площадь отверстий в основании вставки в 1,5 - 2,0 раза. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вставка снабжена герметичной крышкой, в центральной части которой установлена трубка, верхний конец которой соединен с каналом для подачи очищаемой воды, а нижний - с размещенной во вставке пористой перегородкой, на которой расположены слои загрузки. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вставка выполнена в виде кувшина, имеющего в верхней части отверстие для выхода воды, пористую перегородку, на которой расположены слои загрузки, и трубку, нижняя часть которой размещена в пространстве под перегородкой, а верхняя присоединена к кромкам отверстия для отвода воды.