СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСА РАБОТЫ ФИЛЬТРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2002 года по МПК B01D35/143 

Изобретение касается способа определения ресурса работы фильтрующего устройства автоматическим путем и используется в системах очистки питьевой воды, преимущественно в бытовых условиях.

В уровне техники известны способы индикации, осуществляемые за счет механизмов индикации поплавкового или мембранного типа, используемых для определения конца срока службы малогабаритных фильтрующих устройств для очистки питьевой воды и времени замены их пользователем.

В патентах США 4918426, опубликованном 17.04.1990. и 5089144, опубликованном 18.02.1992. описаны датчики давления, включающие интегрированные выводы для вычисления суммарного объема воды. После достижения определенного объема клапан приводится в действие, чтобы остановить поток.

Определение состояния фильтра для очистки жидкости можно проводить используя временной счетчик - датчик, фиксирующий время протекания воды через фильтр и обеспечивающий световой или звуковой сигнал, когда ресурс работы фильтра истек (патент 5089144, США, опубликованный 18.02.1992.).

Существенным моментом при определении ресурса работы фильтра является оперативность способа, т. е. определение ресурса потребителем на месте его использования. Такая оценка имеет большое значение при установке фильтров для очистки питьевой воды в системе водоснабжения в отдаленных районах от исследовательских лабораторий, имеющих спектрофотометрические установки и в отдалении от производителя фильтров. Поэтому, при использовании известных в уровне техники способов определения одного или нескольких компонентов в отобранной пробе воды спектрофотометрическим методом с использованием УФ источника и оптического датчика при определенной длине волны, в лабораторных условиях трудно получить точные данные в оценке ресурса работы фильтра из-за качественных изменений исследуемой воды, связанных с временным интервалом. А так как фильтры с большой производительностью, устанавливаемые на трубопроводах, например в пищевой промышленности или для очистки воды жилых комплексов, относятся к дорогостоящему оборудованию, экономически выгодным является точная оценка конца работы такого оборудования.

Широко известные комплексные способы очистки питьевой воды от органических примесей, тяжелых металлов, хлора путем фильтрации через патронный фильтр и обеззараживания воды с помощью УФ лампы или через систему фильтров и УФ источников надежно защищают потребителей от последствий реинфекций. Для определения конца работы фильтрующих устройств и УФ источников предусмотрены устройства регулирования и определения дозы излучения, расходомеры, счетчики часов работы фильтра, датчики контроля качества воды.

Известен процесс очистки питьевой воды от органических, неорганических веществ и микробных загрязнений, в процессе которого происходит определение ресурса работы фильтра по патенту 5628895, США, опубликованному 13.05.1997. (прототип). Очистку осуществляют пропуская воду через лампу УФ облучения, выполненную предпочтительно из кварцевого стекла и используемую для стерилизации питьевой воды. Необработанная вода может быть стерилизована перед входом в патронный фильтр, чем можно избежать бактериального загрязнения патрона фильтра. Оценка дозы УФ облучения может быть измерена УФ датчиком, а старение в УФ лампе можно уменьшать увеличением времени радиации или уменьшением объемной скорости потока воды. Прерывистый режим работы УФ лампы также увеличивает срок службы лампы и уменьшает энергозатраты в сравнении с непрерывным режимом. Затем водный поток проходит через расходомер, датчик определения физико-химических параметров воды, патронный фильтр, второй датчик определения физико-химических параметров очищенной воды непосредственно к крану. Патронный фильтр содержит несколько заменяемых патронов с различным фильтрующим материалом Количество пропущенной через фильтр воды измеряется поставленным на трубопровод расходомером. Когда ресурс работы фильтра заканчивается, пользователь может быть подготовлен к времени замены фильтра, используя показания индикатора на приборе.

В зависимости от требований, один или несколько параметров, необходимых для регулирования и контроля, могут быть введены пользователем или измерены датчиками.

К ним относятся химический состав необработанной воды, в частности временная жесткость, полная жесткость, содержание нитратов, сульфатов, соляной кислоты, удельная электропроводность, рН. И физические переменные - известное количество воды, начиная с использования патрона фильтра, природы и размера используемого фильтра. С датчика сигнал поступает на микрорегулятор. Вычисление ресурса фильтра основано на разности измеренных значений. В результате использования системы двух блоков датчиков, фиксирующих изменения качественного состава воды, возможна замена одного из патронов фильтра. Блок содержит датчики, которые определяют физико-химические параметры воды, например датчики содержания нитратов, сульфатов, удельной электропроводности, рН. При этом каждый датчик, используемый для определения одной характеристики воды, имеет короткий срок службы и подлежит замене, что может привести к ненадежности в определении срока службы фильтра.

Таким образом возникла потребность в разработке способа определения ресурса работы фильтра для очистки питьевой воды, установленного на трубопроводе.

Основной задачей заявляемого изобретения и требуемым техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является создание способа определения ресурса работы фильтрующего устройства для очистки питьевой воды, обеспечивающего надежность и простоту при определении ресурса.

Использование диапазона УФ спектра без выделения определенной длины волны для каждой характеристики исключает контроль за этой характеристикой. Органолептические свойства питьевой воды - вкус и запах, связанные с наличием в воде органических веществ в небольших концентрациях невозможно определить датчиками, описанными в прототипе. В заявляемом способе использование диапазона УФ спектра дает возможность автоматически определять суммарную загрязненность питьевой воды и использовать эту величину в качестве критерия определения ресурса работы фильтра и времени его замены.

Одним из достоинств заявляемого способа является возможность использования оптического датчика вместо нескольких, используемых для определения каждой характеристики воды, и возможность использования, как одного из вариантов, известного для обеззараживания в системах очистки питьевой воды источника УФ излучения (УФ лампы).

Поставленная задача и требуемый технический результат в способе определения ресурса работы фильтрующего устройства для очистки питьевой воды достигаются путем автоматического измерения характеристик воды датчиком с последующей передачей электрического сигнала на процессорное средство, анализа данных и определения ресурса, в котором согласно изобретению осуществляют измерение интегральной оптической плотности воды в ультрафиолетовом диапазоне оптическим датчиком, а отработанный ресурс определяют по относительному изменению интегральной оптической плотности воды при фильтрации.

Причем измерение интегральной оптической плотности воды осуществляют в диапазоне длин волн от 200 до 300 нм, преимущественно от 230 до 260 нм.

Определение ресурса работы фильтра может быть осуществлено измерением интегральной оптической плотности отфильтрованной воды или исходной и отфильтрованной воды.

Ниже приведенное подробное описание способа с чертежами раскрывает сущность изобретения и последовательность его использования.

Оптические свойства воды существенно зависят от количества содержащихся в ней веществ, как растворенных, так и взвешенных. Наибольшее различие в оптической плотности воды различного состава проявляется в УФ-области спектра. В указанном диапазоне длин волн практически все органические соединения имеют полосы поглощения, однако из-за малого содержания в воде каждой конкретной примеси в спектрах отсутствуют характеристические пики.

Кроме поглощения в указанной области спектра имеет место рассеяние света за счет присутствия в воде различных примесных молекул. Интенсивность рассеяния, согласно закону Релея, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, что наблюдается в виде монотонного увеличения оптической плотности при уменьшении длины волны.

Полная оптическая плотность раствора может быть представлена в виде суммы двух вкладов: рассеяния и поглощения света:
D(λ) = D′(λ)+R/λ⁴ (1)
где D′(λ) - оптическая плотность воды, обусловленная поглощением, R - релеевский фактор рассеяния.

На фиг. 1 представлен характерный спектр водопроводной воды г. Санкт-Петербурга, а также его разбиение на две составляющие, где: 1 - оптическая плотность воды; 2 - вклад рассеяния в значение оптической плотности; 3 - вклад поглощения в значение оптической плотности.

При фильтрационной очистке воды происходит уменьшение содержания в ней взвешенных и растворенных веществ, что приводит к изменению оптической плотности.

На фиг.2 представлены УФ-спектры водопроводной воды до 1 и после фильтрации для различных стадий использования сорбционного фильтра 2-4.

Объективно ресурс водоочистителя определяется независимо по способности очищать воду от вредных микропримесей (фенолов, хлороформа, тяжелых металлов и т. д. ), содержание которых в воде мало, и, следовательно, не может быть зафиксировано в спектре. Изменение спектра поглощения характеризует интегральное изменение состава воды. При постоянном составе исходной воды способность изменения спектральных характеристик воды коррелирует со способностью фильтра к удалению отдельных примесей.

Принимая во внимание отсутствие в спектре воды в указанном диапазоне характеристических полос поглощения, в качестве характеристики оптических свойств воды согласно изобретения используется интегральное значение оптической плотности:
D = ∫D(λ)dλ. (3)
Относительное изменение оптических свойств вод при фильтрации используется в качестве характеристики работы фильтрационного устройства:

где D₀ и D - интегральные значения полной оптической плотности для исходной и отфильтрованнной воды, определенные для заданного диапазона длин волн.

В общем случае параметр ϑ характеризует изменение поглощающих и рассеивающих свойств воды при фильтрации.

Способ реализуется следующим образом.

Очистку питьевой воды осуществляют с помощью фильтра, подсоединенного к трубопроводу и, как один из вариантов, с помощью дополнительно поставленного источника излучения для обеззараживания воды (УФ лампы). Для повышения точности измерений и уменьшения отложения растворенных веществ и бактерий расположенная в трубопроводе ячейка выполнена съемной, например из кварцевого стекла со средством очистки стенок ячейки. На съемную ячейку направлены и проходят через поток воды УФ лучи с установленным диапазоном длин волн 200-300 нм (преимущественно 230-260 нм) от не менее одного источника излучения (УФ лампы). Поток излучения, прошедший через поток воды принимает приемник оптического датчика. Оптический датчик измеряет прошедшее через воду излучение, если он стоит по направлению луча или измеряет рассеянную составляющую, если расположен перпендикулярно направлению луча. Затем поток излучения направляется на детектор. Детектор, используемый для анализа УФ части спектра, подает сигнал на процессорное средство, предназначенное для обработки этого сигнала для последующего анализа аналитическим средством и расчета. Источник излучения и оптический датчик могут быть расположены на трубопроводе после фильтра. В этом случае сигнал попадая на процессорное средство анализируется и сравнивается со значением оптической плотности, установленным при настройке. Или же источник излучения и оптический датчик размещены до и после фильтра, тогда сигнал с датчика очищенной воды анализируется с аналогичным сигналом с датчика исходной воды. Показания индикатора на приборе фиксируют ресурс работы фильтра.

В способе определения ресурса работы фильтра в качестве источника излучения может быть использована уже имеющаяся УФ лампа для обеззараживания воды в системе очистки, что дает возможность снизить экономические затраты. Или может быть использован индивидуально поставленный источник излучения, например лампы для обработки воды SQ-РА, S1Q-PA, S2Q-PA, S5Q-PA, S8Q-PA, S12Q-PA с установленным диапазоном длин волн 200-300 нм (производитель R-CAN ENVIRONMENTAL IN. , Канада). Диапазон волн может быть установлен с помощью фильтров или поляризованного источника. Оптический датчик включает фотодиоды, которые охватывают диапазон длин волн, испускаемых источником излучения, например может быть использован датчик PW254-420-NC-B, выпускаемый фирмой SOLAR LIGHT CO., США.

Для доказательства возможности промышленной применимости способа определения ресурса работы фильтрующего устройства приведен пример его реализации.

Пример 1.

Исследовали фильтрацию водопроводной воды г. Санкт-Петербурга через водоочиститель "Аквафор В-300" производства 000 "Аквафор", г. Санкт-Петербург. Водочиститель имеет внутренний объем 100 мл, заполненный композитом, состоящим из молотых активированных углеродных волокон и мелкодисперсного гранулированного активированного угля. Скорость фильтрации воды составляла 250 мл/мин.

Через фильтр осуществляли непрерывное проливание водопроводной воды, определяя оптические свойства на различных стадиях ресурса. Интегральную оптическую плотность определяли в диапазоне длин волн от 200 до 300 нм.

Зависимость интегральной оптической плотности от количества профильтрованной воды, представленная на фиг.3, иллюстрирует характер изменения оптических свойств отфильтрованной воды на разных стадиях ресурса фильтра, где: 1 - значение D, рассчитанного по уравнению (3) для отфильтрованной, 2 - для исходной воды.

На фиг.4 представлена зависимость относительного изменения интегральной оптической плотности (суммарного рассеивания и поглощения) воды при фильтрации на различных стадиях использования фильтра, рассчитанная по уравнению (4).

Зависимость ϑ(V), где V - общий объем отфильтрованной воды, была экстраполирована зависимостью:
ϑ = 7.3+79.8exp(-0.01•V) (5)
Далее были взяты три изделия "Аквафор В300" с известным объемом пропущенной через них воды. Определив ϑ(V) воды после фильтрации через фильтры, по формуле (5) оценили значение V. Результаты представлены в таблице.

Таким образом, значение относительного изменения интегральной оптической плотности воды при фильтрации позволяет с удовлетворительной точностью определить количество воды, пропущенное через фильтр при постоянном составе исходной воды.

Пример 2.

Исследовали фильтрацию водопроводной воды г. Санкт-Петербурга через водоочиститель "Аквафор Модерн" производства ООО "Аквафор", г. Санкт-Петербург. Водоочиститель имеет внутренний объем фильтрующих элементов 400 мл, заполненный композитом, состоящим из молотых активированных углеродных волокон и мелкодисперсного гранулированного активированного угля. Скорость фильтрации воды составляла 1,2 мл/мин.

Через фильтр осуществляли непрерывное проливание водопроводной воды, определяя оптические свойства на различных стадиях ресурса. Интегральную оптическую плотность определяли в диапазоне длин волн от 230 до 260 нм.

Зависимость интегральной оптической плотности от количества профильтрованной воды представлена на фиг.5, где 1 - значение параметра для отфильтрованной воды, 2 - для исходной.

После 500 л зависимость интегральной оптической плотности может быть экстраполирована линейной зависимостью:
D = 4,56 + 0,00008 • V, (6)
где V - объем воды, пропущенной через фильтр. За полный ресурс фильтра приняли такой объем пропущенной воды, для которого D > 5,0. По зависимости (6) это соответствует 5500 л.

Далее для трех аналогичных изделий проводили ресурсные испытания, анализируя оптические свойства отфильтрованной воды каждые 300 л. Фиксировали момент, когда интегральная оптическая плотность в двух подряд измерениях превышала значение 5,0. Объемы воды до окончания испытаний составили 5300, 5700 и 5600 л.

Таким образом, значение интегральной оптической плотности может служить удовлетворительным критерием ресурса при постоянном составе исходной воды.

Изобретение предназначено для определения ресурса работы фильтрующего устройства, установленного на трубопроводе, автоматическим путем и используется в системах очистки питьевой воды, преимущественно в бытовых условиях. Способ определения ресурса работы фильтра включает автоматическое измерение интегральной оптической плотности воды в ультрафиолетовом диапазоне оптическим датчиком с последующей передачей электрического сигнала на процессорное средство, анализ данных и определение отработанного ресурса по относительному изменению интегральной оптической плотности воды при фильтрации. Измерения интегральной оптической плотности воды осуществляют в диапазоне длин волн от 200 до 300 нм, преимущественно от 230 до 260 нм. Определение ресурса работы фильтра может быть осуществлено измерением интегральной оптической плотности отфильтрованной воды или исходной и отфильтрованной воды. Способ обеспечивает надежность и простоту при определении ресурса. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ определения ресурса работы фильтрующего устройства путем измерения характеристик воды датчиком с последующей передачей электрического сигнала на процессорное средство, анализа данных и определения ресурса, отличающийся тем, что осуществляют измерение интегральной оптической плотности воды в ультрафиолетовом диапазоне оптическим датчиком, а отработанный ресурс определяют по относительному изменению интегральной оптической плотности воды при фильтрации. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение интегральной оптической плотности воды осуществляют в диапазоне длин волн от 200 до 300 нм. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что измерение интегральной оптической плотности воды осуществляют в диапазоне длин волн, преимущественно от 230 до 260 нм. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют измерение интегральной оптической плотности отфильтрованной воды. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют измерение интегральной оптической плотности исходной и отфильтрованной воды.