УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ И СПОСОБ ЕГО РЕГЕНЕРАЦИИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C02F9/02 B01D41/00 C02F9/02 C02F1/28 C02F1/42 C02F1/50 

Изобретение относится к устройствам для очистки водопроводной воды от механических загрязнений и взвешенных частиц, железа, токсичных металлов, органических и хлорорганических веществ, активного хлора, нитратов, нитритов, бактерий, устранения посторонних привкусов и запахов, предназначено для получения питьевой воды в домашних условиях и предусматривает способ регенерации и обеззараживания устройства.

В настоящее время известны различные конструкции устройств для очистки воды, имеющих многоступенчатую загрузку [DE N 4032265, DE 3826857, RU 2078046]. В качестве фильтрующей загрузки, как правило, используются слои из катионообменного и анионообменного материалов, активированного угля, чаще всего импрегнированного серебром, или предусматривается специальный слой из бактерицидного материала [RU 2078046].

Регенерация подобных устройств также известна [DE 3826857] и обусловлена фильтрующей загрузкой, помещенной в устройстве.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является устройство для очистки воды, содержащее корпус, подающий и отводящий патрубки, формирующие поток направляющие пластины и многослойную сорбционную загрузку, слои которой отделены друг от друга разделителями с отверстиями. Причем общая площадь отверстий верхней пластины меньше общей площади отверстий нижней пластины [RU 2075446].

Наиболее близкий способ регенерации предложен в заявках DE 4032265, DE 3826857, регенерацию проводят при помощи состава, в который входят оксиды железа (Fe) и меди (Сu), хлористый натрий (NaCl) и соли, содержащие SО₄ ^2-, СО₃ ^2-, НСО₃ ^-.

К основным недостаткам указанных устройств, способов их регенерации относятся:
1. Отсутствие или недостаточная предочистка от механических примесей и взвешенных частиц, что приводит к ухудшению работы основной загрузки.

2. Наличие условий и факторов для развития микроорганизмов, в т.ч. и в фильтрующей загрузке.

3. Отсутствие или недостаточная бактерицидная обработка самого прибора и обеззараживания многоступенчатой загрузки, что также приводит к развитию микроорганизмов.

4. Недостаточно эффективная регенерация многоступенчатой загрузки приводит к сокращению срока службы прибора и недостаточной эффективности очистки, особенно при длительной эксплуатации.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение в устройстве для очистки воды эффективной предочистки, бактерицидной обработки самого прибора и фильтрующей загрузки, кроме того, должна быть предусмотрена надежная механическая очистка и регенерация предфильтра и регенерация с обеззараживанием фильтрующей загрузки для восстановления ее сорбционных свойств и исключения процесса развития микроорганизмов, в т.ч. при помощи конструктивных решений.

Поставленная задача достигается за счет того, что в известном устройстве для очистки воды, содержащем корпус, входящий и отводящий патрубки со шлангом, распределительные решетки, многоступенчатую загрузку, напорный канал выполнен в виде полого цилиндра, опирающегося на разделительные перегородки днища корпуса, на которые помещена нижняя распределительная решетка. В напорный канал устройства помещен волоконный предфильтр, а многоступенчатая загрузка расположена в корпусе между верхней и нижней распределительными решетками и состоит из последовательно расположенных снизу вверх по ходу движения очищаемой воды слоев катионообменного волокна, активированного угля, импрегнированного серебром, анионообменного волокна. При этом размер частиц, задерживаемых предфильтром, на 15-35% меньше размера пор катионообменного и анионообменного волокон, а площадь верхней распределительной решетки составляет 30-40% от площади нижней распределительной решетки. Причем на все внутренние поверхности корпуса, патрубков, шланга, напорного канала, на поверхность распределительных решеток нанесен слой бактерицидного вещества в водонерастворимой форме.

Поставленная задача также решается за счет того, что в устройстве для очистки воды проводят механическую очистку волоконного предфильтра 3,0-4,5%-ным водным раствором пищевой соды (NaHCО₃) с последующей обработкой 1,2-1,5%-ным водным раствором лимонной кислоты (С₆Н₈О₇), а регенерацию и обеззараживание многоступенчатой загрузки проводят 5-8%-ным раствором соды (NaHCO₃) в смеси с 0,5-1,0%-ным водным раствором гидроперита (Н₂О₂) в течение 10-15 мин, после чего раствор сливают и проводят повторную обработку регенерирующим раствором с последующей выдержкой в устройстве не менее 4 ч.

В работе устройства для очистки воды предфильтр играет важную роль, так как, задерживая механические загрязнения и взвешенные частицы, должен создавать оптимальные условия для работы основной фильтрующей многоступенчатой загрузки. При этом большое значение имеет размер задерживаемых предфильтром частиц по отношению к размеру пор волокнистых ионообменных материалов. Если размер задерживаемых предфильтром частиц будет меньше размера пор ионообменного волокна, то после того, как предфильтр забьется, устройство в момент набора воды "соскочит" с водопроводного крана. А если соотношение размеров задерживаемых частиц будет близко, то возможен проскок механических примесей и загрязнение многоступенчатой загрузки, что также недопустимо. Если соотношение будет слишком большим, то возможно образование застойных зон для воды в устройстве, кроме того, устройство будет часто "соскакивать" с крана, что создает неудобства для пользователя. Опытным путем определено, что размер задерживаемых предфильтром частиц должен быть на 5-20% меньше размера пор катионообменного и анионообменного волокон.

Важным условием эффективной очистки многоступенчатой загрузки является равномерность распределения потока очищаемой воды по всему объему загрузки. Для решения этой задачи в устройстве предусмотрены распределительные решетки, между которыми и находится фильтрующая загрузка. Кроме того, для исключения образования в устройстве застойных зон, где могут развиваться микроорганизмы, попавшие с исходной водой, распределительные решетки выполнены таким образом, что соотношение их диаметров и площадей свободных сечений обеспечивают необходимую гидродинамику потока очищаемой воды. При этом, внося такие конструктивные ограничительные особенности в устройство, нельзя допустить, чтобы значительно уменьшилось время контакта очищаемой воды с верхней частью загрузки, в частности, слоем анионообменного волокна, размеры которого соответствуют размерам распределительной решетки.

Экспериментально определено, что оптимальные условия создаются когда площадь верхней распределительной решетки (а, соответственно, диаметр и площадь свободного сечения) составляет 30-40% от площади нижней.

Очистка волоконного предфильтра от осевших механических примесей и взвешенных частиц хорошо осуществляется в условиях щелочной среды, поэтому в качестве регенерирующего реагента выбран водный раствор пищевой соды (NаНСО₃), а для удаления загрязнении (в том числе коллоидного железа), которые сорбировались высоко разветвленной поверхностью волокон предфильтра, необходимо провести обработку в условиях кислой среды, например с применением водного раствора лимонной кислоты, который растворяет оставшееся коллоидное железо и наряду с содой частично обеззараживает предфильтр. Все реагенты выбраны из условий, что предлагаемое устройство предназначено для использования в домашних условиях и пользователь должен иметь возможность легко приобрести реагенты для мойки и регенерации.

Выбор концентрации реагентов обусловлен, с одной стороны, обеспечением достаточной степени очистки и регенерации, а, с другой, -технологической и экономической целесообразностью, поскольку излишняя концентрация моющих реагентов в растворе не повышает степень очистки предфильтра. Экспериментально определено, что оптимальными концентрациями являются 3,0-4,5%-ный водный раствор пищевой соды (NaHCO₃) и 1,2-1,5%-ный водный раствор лимонной кислоты (С₆H₈O₇).

Органические вещества, поглощенные активированным углем, десорбируются с его микро- и макроповерхности при переводе их в диссоциированную форму при изменении рН на 3-4 единицы. Известно, что пищевая сода (NаНСО₃) является достаточно эффективным средством для регенерации активированного угля от органических загрязнений, так как имеет щелочной характер. При регенерации щелочным раствором соды обеспечивается перевод в диссоциированную форму органических электролитов с переходом их из пор угля в объем раствора.

Опытным путем доказано, что суммарная эффективность от применения в качестве регенерирующего раствора смеси пищевой соды и гидроперита (NaHCO₃ и Н₂О₂), значительно выше, т.к. Н₂О₂, кроме обеззараживания, еще и окисляет органические соединения на угле до простейших соединений, что способствует восстановлению адсорбционных свойств активированного угля. Кроме того, сода (NaHCO₃) в виде ионов Na⁺ и НСО₃ ^- служит для регенерации катионообменного и анионообменного волокон. Выбор концентрации растворов NaHCO₃ и Н₂О₂ основан на необходимости проведения полноценной регенерации и обеззараживания многоступенчатой загрузки. Малые концентрации не обеспечат полноты процесса, применение растворов реагентов высоких концентраций также нецелесообразно ввиду излишних расходов реагентов. Время обработки многоступенчатой загрузки регенерирующим раствором и последовательность операций в первую очередь определяется характером загрязнений и скоростью диффузии загрязнений в регенерирующий раствор из объема пор угля.

Опытным путем доказано, что первичная обработка многоступенчатой загрузки должна проводится не менее 10-15 мин, в течение которых проходит лимитирующая диффузия органических загрязнений в раствор и их окисление на поверхности угля. Для достижения более высокой степени регенерации с завершением всех сопутствующих ей процессов, проводится вторичная обработка регенерирующим раствором с выдержкой раствора в устройстве не менее 4 ч.

Основные параметры и результаты испытаний по заявленному изобретению представлены в табл. 1 и 2.

Изобретение поясняется чертежом.

Устройство для очистки воды состоит из корпуса 1 и навинчивающегося на него днища 2. На внутренней поверхности днища 2 выполнены разделительные перегородки 9. Устройство имеет входной патрубок 3, отводящий патрубок 4, на который надет шланг 5 для отвода очищенной воды. Во входном патрубке размещено резиновое уплотнение 14, закрепленное втулкой 16, которое служит для крепления устройства к водопроводному крану. Входной патрубок 3 переходит в цилиндрический напорный канал 8, который заполнен волоконным предфильтром 10. На разделительные перегородки 9 днища 2 опирается нижняя распределительная решетка 7, на которую уложено катионообменное волокно 11, затем активированный уголь 12, импрегнированный серебром. На поверхности угля размещено анионообменное волокно 13, которое закрыто верхней распределительной решеткой 6. На все внутренние поверхности корпуса 1, днища 2, патрубков 3 и 4, шланга 5, напорного канала 8, распределительных решеток 6 и 7 нанесен слой бактерицидного вещества 15 в водонерастворимой форме.

Устройство для очистки воды работает следующим образом.

Устройство при помощи уплотнительного кольца 14, находящегося во входном патрубке 3, надевают на излив водопроводного крана, включают холодную воду и устанавливают расход воды не более 8-12 л/час. Такая скорость потока обусловлена необходимым временем контакта исходной воды с предфильтром 10 и многоступенчатой загрузкой для обеспечения полноты процессов очистки.

Исходная вода поступает в напорный канал 8 и контактирует с волоконным предфильтром 10, на котором задерживаются механические частицы, взвеси, коллоидное железо, улучшая таким образом целый ряд показателей качества воды (мутность, цветность, железо). Затем поток исходной воды при помощи разделительных перегородок 9 днища 2, а затем нижней 7 и верхней 6 распределительных решеток равномерно распределяется по всему объему многоступенчатой загрузки. Попадая в слой из катионообменного волокна 11, исходная вода проходит очистку от токсичных металлов (медь, цинк, алюминий, свинец и пр.), солей жесткости (частично от Са и Mg), двухвалентного железа.

Активированный уголь 12, импрегнированный серебром, способствует удалению из воды органических примесей, в том числе хлорорганики, активного хлора, тяжелых металлов, что способствует уменьшению цветности воды, удалению запаха и привкуса воды. Кроме того, ионы серебра, содержащиеся в активированном угле 12, оказывают обеззараживающий эффект на очищаемую воду и защищают устройство от зарастания микрофлорой, сдерживая ее развитие. Последний из слоев многоступенчатой загрузки - анионообменное волокно 6, удаляет из воды нитраты, нитриты, фосфаты, сульфаты, другие анионы. После этого вода через отводящий патрубок 4 и шланг 5 подается потребителю. Слой бактерицидного вещества 15, нанесенный на все внутренние поверхности устройства, дополнительно обеспечивает получение безопасной в микробиологическом отношении питьевой воды и служит для защиты устройства от вторичного биопоражения в перерывах между работой устройства.

Литература
1. Фильтр для очистки воды, RU 207846, МКИ⁶ С 02 F 1/18.

2. Фильтрующая установка для питьевой воды, DE 3826857, МКИ⁵ С 02 F 1/00.

3. Установка для фильтрования питьевой воды, DE 4032265, МКИ⁵ 02 F 1/00, B 01 D 29/62.

4. Устройство для очистки воды, RU 2075446, МКИ⁶ С 02 F 1/28 - прототип.

Изобретение относится к устройствам для очистки водопроводной воды, предусматривающим также регенерацию и обеззараживание. Устройство состоит из корпуса с днищем входного и отводящего патрубков, шланга, содержит многоступенчатую загрузку, содержащую катионообменное волокно, активированный уголь, импрегнированный серебром, анионообменное волокно. Многоступенчатая загрузка размещена между верхней и нижней распределительными решетками, причем площадь верхней решетки меньше нижней распределительной решетки на 30-40%. Нижняя распределительная решетка опирается на разделительные перегородки днища. Входной патрубок переходит в напорный канал, который заполнен волоконным предфильтром, при этом размер задерживаемых предфильтром частиц на 15-35% меньше размера пор катионообменного волокна. На все внутренние поверхности устройства нанесен слой бактерицидного вещества. Способ регенерации и обеззараживания устройства состоит в механической очистке волоконного предфильтра 3,0-4,5%-ным водным раствором пищевой соды (NaHCO₃) с последующей обработкой 1,2-1,5%-ным водным раствором лимонной кислоты (С₆Н₈О₇). Регенерацию и обеззараживание многоступенчатой загрузки проводят 5-8%-ным водным раствором пищевой соды (NaHCO₃) в смеси с 0,5-1,0%-ным водным раствором гидроперита (Н₂О₂) в течение 10-15 мин, после чего раствор сливают и проводят повторную обработку регенерирующим раствором с последующей выдержкой в устройстве не менее 4 ч. Изобретение обеспечивает эффективную предочистку, очистку и получение безопасной в микробиологическом отношении питьевой воды. 2 с.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

1. Устройство для очистки воды, содержащее корпус с днищем, входной патрубок, отводящий патрубок со шлангом, распределительные решетки, многоступенчатую загрузку, отличающееся тем, что напорный канал выполнен в виде цилиндра, опирающегося на разделительные перегородки днища корпуса, на которые помещена нижняя распределительная решетка, в напорный канал устройства помещен волоконный предфильтр, многоступенчатая загрузка расположена в корпусе между верхней и нижней распределительными решетками и состоит из последовательно расположенных снизу вверх по ходу движения очищаемой воды слоев катионообменного волокна, активированного угля, импрегнированного серебром, анионообменного волокна, при этом размер задерживаемых предфильтром частиц на 15-35% меньше размера пор ионообменного волокна, площадь верхней распределительной решетки соответственно составляет 30-40% от площади нижней распределительной решетки, а на все внутренние поверхности корпуса, патрубков, шланга, напорного канала, на поверхность распределительных решеток нанесен слой бактерицидного вещества в водонерастворимой форме. 2. Способ регенерации и обеззараживания устройства по п. 1, отличающийся тем, что предварительно проводят механическую очистку волоконного предфильтра 3,0-4,5%-ным водным раствором пищевой соды (NaHCO₃) с последующей обработкой 1,2-1,5%-ным водным раствором лимонной кислоты (С₆Н₈О₇), а регенерацию и обеззараживание многоступенчатой загрузки проводят 5-8%-ным водным раствором пищевой соды (NaHCO₃) в смеси с 0,5-1,0%-ным водным раствором гидроперита (Н₂О₂) в течение 10-15 мин, после чего раствор сливают и проводят повторную обработку регенерирующим раствором с последующей выдержкой в устройстве не менее 4 ч.