СИСТЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТОЙ И СВЕРХЧИСТОЙ ВОДЫ Российский патент 2018 года по МПК C02F9/12 C02F1/28 C02F1/32 C02F1/42 C02F103/04 C02F1/44 

Изобретение относится к области водоподготовки воды для решения аналитических и технологических задач. Системы получения чистой и сверхчистой воды предназначены для производства воды 3-х типов, различающихся областями применения и степенью чистоты.

Вода 3 типа: чистая вода, соответствующая по качеству дистилляту с проводимостью не более 5 мкСм/см в соответствии ASTM, CLSI, ISO 3696, САР, ФС.2.2.0020.15, ГОСТ 6709-97. Применяется в лабораториях как альтернатива дистилляту, получаемому методом выпаривания для мытья и ополаскивания лабораторной посуды, подачи на моечные машины, питание автоклавов и стерилизаторов, в аптеках и химико-фармацевтических производствах, производствах для изготовления нестерильных лекарственных средств.

Вода 2 типа: деионизованная вода с удельной проводимостью не более 1 мкСм/см в соответствии ASTM, CLSI, ISO 3696, САР, ФС.2.2.0020.15, ГОСТ Р 52501-2005.

Типичные области применения: приготовление микробиологических сред, реагентов, растворов для химического анализа и синтеза, буферных растворов, гистологический, иммуноферментный, радиоиммунологический анализы, питание лабораторных приборов.

Сверхчистая вода 1 типа по ASTM, NCCLS, ISO 3696, CAP применяется в микроэлектронике, подготовке реагентов, ионной хроматографии, плазменной масс-спектрометрии, атомно-абсорбционной спектрофотометрии, плазменной спектрофотометрии, высокоэффективной жидкостной хроматографии, газовой хроматографии, масс-спектрометрии биополимеров, аналитических системах на микрочиповой платформе и других высокоточных методов исследования при решении научно-исследовательских задач в физике твердого тела, аналитической химии, экологии, медицинской биохимии и в других областях науки. Известно устройство [С.Т. Nachtman, С.Е. Chomka, J.R. Edwards. Patent US N 5.868.924 Feb.9.1999. Barnsted/Termolyne Corporation, US. Water purifier], предназначенное для получения ультрачистой воды 1 типа, состоящее из четырех последовательно соединенных картриджей, заполненных в зависимости от качества входной воды гранулированным активированным углем, полученным из скорлупы кокосового ореха, битумным активированным углем, ионообменной смолой, а также вспомогательными устройствами и датчиками: регулятор давления, жидкостный насос, обратный клапан, дозатор, выходной финишный стерилизующий фильтр, датчик качества воды. Вся система имеет линию рециркуляции по потоку излишков воды от дозатора к регулятору давления на входе в жидкостный насос, задающего давление в системе. Между третьим и четвертым картриджами расположено оригинальное устройство для стерилизации ультрафиолетовым излучением органических соединений и биологических загрязнений воды. По структуре устройства входная вода должна быть предварительно очищена до как минимум воды 3 типа, что не позволяет говорить об устройстве как о самостоятельной системе очистки воды до 1 типа. Устройство стерилизации представляет собой коаксиальную конструкцию, в которой во внешний металлический корпус вставлена УФ-лампа, обмотанная проволокой покрытой диоксидом титана. Это покрытие рассматривается как катализатор распада при воздействии ультрафиолетового излучения на химические соединения и биологические загрязнения, прошедшие через первые три картриджа. Такое решение увеличения эффективности воздействия ультрафиолетового излучения на примеси в воде неоднозначно. Увеличение скорости распада химических соединений и биологических загрязнений возможно только в начале использования устройства стерилизации. Так как в воде кроме биологических загрязнений присутствуют бактерии, микрочастицы (судя по техническим параметрам выходной очищенной воды), то на проволоке эти частицы начнут осаживаться и закрывать и нейтрализовывать катализатор. Кроме того, намотанная на УФ-лампу проволока будет эффективно препятствовать распространению ультрафиолетового излучения в стерилизуемой воде, которое и так характеризуется быстрым рассеянием в средах. Нанесенный на проволоку диоксид титана, образующий неидеально гладкую поверхность, и витки проволоки создают благоприятные условия для образования пленок, которые существенно снижают эффективность ультрафиолетового излучения для стерилизации воды. В реализованной схеме последовательного соединения картриджей и вспомогательных устройств не предусмотрен слив из картриджей воды, получаемой при их промывке после первой установки и технологическом обслуживании.

Устройство [(URL) www.Sartogosm.ru] предназначено для получения воды 2 и 1 типов. Устройство рассчитано на работу с предварительно очищенной от механических примесей входящей водой, поступающей извне. В состав устройства входят ячейка электропроводности входной воды, картридж со сферическим, каталитически активным активированным углем с нанесенным катализатором, два независимых модуля, содержащих высокоэффективные обратноосмотические мембраны. Модули в системе работают параллельно как на вход потока воды, так и на выход фильтрата и слив концентрата, за модулями последовательно расположены ячейка электропроводности фильтрата - пермеат, картридж умягчения воды и модуль электродеионизации имеющий два выхода: один для подачи деионизованной воды после ячейки электропроводности воды 2 типа в систему хранения с встроенным вентиляционным фильтром с обратным клапаном, что надежно защищает от повторного загрязнения СО₂ - накопительный резервуар, а другой для слива концентрата. Таким образом, в накопительный резервуар поступает вода 2 типа, которая при помощи второго жидкостного насоса подается в устройство ультрафиолетового окисления примесей в воде, а затем в картридж с активированным углем в сочетании с ионообменной смолой. Далее к выходу картриджа присоединены ячейка электропроводности ультрачистой воды с последующим ее поступлением либо в мембранный капсульный фильтр, удаляющий все частицы и микроорганизмы, на последнем этапе очистки воды для стерильного разбора воды с зашитой от попадания частиц, либо по линии рециркуляции вода поступает вместе с водой из накопительного резервуара 2 типа на вход второго жидкостного насоса. Для осуществления режима промывки последнего картриджа вода, до ячейки электропроводности, также может поступать в слив. Рассматриваемое устройство получения ультрачистой воды 1 типа не является самодостаточной системой, так как для его функционирования необходима предварительная подготовка водопроводной воды - очистка от механических примесей с размером более 5 мкм. Накопительный резервуар не оснащен встроенными датчиками уровня, что затрудняет контроль состояния накопительного резервуара в автоматическом режиме, а жидкостные насосы не оснащены реле низкого давления для защиты жидкостных насосов по сухому ходу. На входе второго жидкостного насоса нет сбалансированной подачи воды из линии рециркуляции и из накопительного резервуара с водой 2 типа. Сбалансированность подачи воды обычно осуществляется регулятором давления установленным непосредственно на входе жидкостного насоса. На один из входов регулятора давления подсоединяют обратный клапан в линии рециркуляции, а к другому входу линию подачи основного потока воды, в рассматриваемом случае, линия подачи воды из накопительного резервуара. При эксплуатации модуля электродеионизации непрерывный поток воды из модулей обратного осмоса делится в соотношении 40/60 (пермеат/концентрат). Такое соотношение необходимо для поддержания работоспособности мембран в электрическом поле, на которые высаживаются соли. Например, используемые для этих целей засыпные картриджи с ионообменными смолами промываются в зависимости от качества выходной воды, которое определяется ячейкой электропроводности. При электродеионизации образуются кислород и хлор, которые стараются отвести с концентратом в слив, так как их даже небольшой избыток приводит к деструкции мембран используемых в модуле.

Основными параметрами регулирования ионных трансмембранных потоков являются: величина электрического потенциала, скорость потоков и их соотношение в каналах модуля, определяющее солесодержание концентрата. Высокое солесодержание создает опасность образования кристаллических осадков на поверхности мембран, а при низком солесодержании возрастает расход электроэнергии. Эффективность работы модуля определяется скоростью переноса ионов в поперечном сечении слоя мембраны и скоростью непрерывной электрорегенерации ионита. Смещение от оптимума этих процессов приводит к снижению качества очищенной воды. К основными технологическими параметрами, от которых зависит эффективность работы модуля и качество воды на выходе относятся сила тока, температура и солесодержание исходной и очищенной воды, рабочее давление, недопущение осадкообразования в канале концентрата. При работе модуля происходит нагревание воды, а следовательно и улучшение условий для размножения микроорганизмов в системе, начиная от накопительного резервуара до устройство ультрафиолетового окисления органических соединений и стерилизации биологического загрязнения воды. Модуль электродеионизации воды является многопараметрическим устройством критически зависимым от условий эксплуатации и, как любое многопараметрическое устройство, легко выходит из режима оптимальной работы, а это приводит к получению некачественной воды, по сравнению с заявленной. Применение электродеионизационного модуля в составе лабораторной системы получения чистой воды со скоростью отбора воды 2 типа порядка нескольких литров в минуту при его работе в неоптимальном режиме проблематично, но при отборе воды со скоростью в десятки литров это не так критично, так как может быть проведена автоматическая корректировка режима электродеионизации и в общем объеме выходящей воды, в таком случае отклонения по качеству в текущий момент не скажутся на качестве всего объема, тем более в системах с промежуточными накопительными резервуарами. Такие проблемы не наблюдаются в случае использования модулей деионизации засыпного типа с ионообменными смолами, в этом случае при ухудшении качества выходной воды до нижнего порога, определяемого при использовании ячейки электропроводности, обычно автоматически закрывается выходной клапан и начинается автоматическая промывка модуля. Кроме того, использование модуля элекродеионизации накладывает требования по электробезопасности на систему в целом не ниже III группы, а кислород и хлор, образующиеся в результате электродных процессов и отводимые в дренаж, вызывают деструкцию канализационной системы.

Система производства сверхчистой воды лабораторного класса [С.Т. Nachtman, С.Е. Chornka, J.R. Edwards Patent US N 6579445 B2, Jun. 17.2003. Sartorius AG, US. System for the production of laboratory grade ultrapure water] имеет в своем составе устройство входа воды, подключенное к регулятору давления, из которого вода поступает в жидкостный насос и затем в блок очистки воды, состоящий из последовательно соединенных засыпных многослойных и однослойных картриджей. На выходе второго картриджа установлено стерилизующее устройство со встроенной УФ-лампой, предотвращающее микробиологическое обрастание и снижающее общее содержание органического углерода, за этим устройством располагаются два последовательно соединенных засыпных картриджа. В картриджи засыпаются: фильтрующая засыпка KDF55, битумный активированный уголь, гранулированный активированный уголь из скорлупы кокосового ореха, ионообменная смола смешанного типа, каталитически гранулированный уголь с пероксидным числом не менее 14. Последовательность этих засыпок может меняться в зависимости от исполнения системы и исходной воды. После второй пары картриджей последовательно установлен трехходовой кран, который при установке новых картриджей или их промывке переключается в состояние сброса водяного потока, а в рабочем состоянии соединяет выход последнего (четвертого) картриджа с фильтром, содержащим ультрафильтрационную мембрану, предназначенную для удаления грамотрицательных бактерий и других органических молекул. Из фильтра поступают два потока воды: чистая вода, поступающая в ячейку электропроводности, и концентрат, поступающий в дополнительный фильтр для доочистки и слива. Вода после доочистки по линии рециркуляции через обратный клапан поступает в регулятор давления. Вода после ячейки электропроводности поступает в устройство деления потока выходной воды, в котором через один выход ультрачистая вода поступает в микрофильтрационную капсулу и на выход воды, а через второй выход устройство деления потока подключено к другой линии рециркуляции со своим обратным клапаном. На этой линии рециркуляции расположен датчик общего органического углерода. Система не самодостаточна и предназначена для работы на питательной воде, которая получается вне устройства при дополнительной обработке, с использованием обратного осмоса, электродеионизации или обычной деионизации питьевой воды. Отсутствие накопительного резервуара выходной воды не позволяет получать очищенную воду в непрерывном режиме, в случае когда производится замена или промывка первых четырех картриджей системы.

Ближайшей из известных, выбранной в качестве прототипа является лабораторная система получения чистой и сверхчистой воды [(URL) http://wvm.aristoscientific.kz/catalog/for-laboratory/hvper-aqua 1201.html].

Лабораторная система получения чистой и сверхчистой воды представляет собой единое устройство, состоящее из: модуля предварительной подготовки воды, включающего в себя входной шаровой ручной клапан, картридж с фильтром предварительный механической очистки, картридж с гранулированным активированным углем из скорлупы кокосового ореха, датчик низкого давления, датчик качества водопроводной воды, электромагнитный клапан, соединительные трубки; модуль получения воды 3 типа, включающий в себя жидкостный насос, 4 картриджа с высокоселективными мембранными фильтрами обратного осмоса, два клапана, ограничитель потока, датчик качества воды 3 типа, трехходовой электромагнитный клапан, выход воды 3 типа, соединительные трубки; модуль получения воды 1 типа, включающий в себя стерилизующую капсулу, жидкостный насос, картридж с ионообменной смолой, УФ-стерилизатор, датчик качества воды 1 типа, электромагнитные клапаны, микрофильтрационную капсулу, выход воды 1 типа, соединительные трубки.

Отсутствие расширительной емкости в модуле получения воды 3 типа перед картриджами с высокоселективными мембранными фильтрами обратного осмоса, оборудованной датчиком верхнего уровня и обратным клапаном, не позволяет проводить гидравлическую и химическую промывки мембран обратного осмоса водой 3 типа для восстановления работоспособности картриджей.

На накопительном резервуаре отсутствует фильтр, заполненный натронной известью для удаления углекислого газа из воздуха, поступающего в резервуар через стерилизующую капсулу для уравнивания давления.

В структуре системы получения чистой и сверхчистой воды отсутствуют: ультрафильтрационная мембрана для удаления грамотрицательных бактерий и других органических молекул, картридж с ультрадисперсным металл-аффинным сорбентом на основе оксидов металлов для фильтрации фосфорорганических соединений, организованный выход воды 2 типа.

Задачей изобретения является реализация устройства системы получения чистой и сверхчистой воды из водопроводной воды без предварительной ее подготовки и изменение отдельных узлов системы для расширения списка веществ, устраняемых из воды и увеличения эффективности очистки без дополнительных энергозатрат.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном устройстве системы получения чистой и сверхчистой воды, содержащем: модуль предварительной подготовки воды, включающий в себя входной шаровой ручной клапан, к которому при помощи соединительных трубок подключены последовательно картридж с фильтром предварительный механической очистки, картридж с комбинированном трехслойным фильтром из активированного угля, фильтрующей засыпки KDF 55 и каталитического гранулированного активированного угля, картридж с гранулированным активированным углем из скорлупы кокосового ореха, далее последовательно установлены выходной нормально закрытый электромагнитный клапан, датчик низкого давления и датчик качества водопроводной воды после предварительной подготовки, присоединенный к жидкостному насосу, и параллельно датчику присоединен входной нормально закрытый электромагнитный клапан, установленный на расширительной емкости, которые вместе с жидкостным насосом относятся к модулю получения воды 3 типа. Расширительная емкость снабжена съемной крышкой, датчиком верхнего уровня и обратным клапаном, с выходом присоединенным к жидкостному насосу, из которого вода поступает в параллельно подключенные 2 картриджа с высокоселективными мембранными фильтрами обратного осмоса. Выходы концентрата из этих картриджей присоединены к ограничителю потока, к которому параллельно присоединен нормально замкнутый электромагнитный клапан. Выходы фильтрата из этих картриджей присоединены к входу третьего картриджа, за которым последовательно присоединен четвертый картридж с высокоселективными мембранными фильтрами обратного осмоса. Выход концентрата из четвертого картриджа через ограничитель потока соединен с первым ограничителем потока для слива концентрата в дренаж. Параллельно второму ограничителю потока установлен нормально замкнутый электромагнитный клапан. Выход фильтрата из третьего картриджа вместе с фильтратом из четвертого картриджа последовательно соединены с последовательно расположенными датчиком качества воды, нормально замкнутым электромагнитным клапаном с выходом воды 3 типа и трехходовым электромагнитным клапаном, один выход которого присоединен к линии рециркуляции в расширительную емкость через крышку, а второй к обратному клапану, в свою очередь подключенному к накопительному резервуару, входящему в состав модуля получения воды 2 типа. Накопительный резервуар снабжен встроенными датчиками верхнего и нижнего уровня, стерилизующей капсулой представляющей собой мембрану из фторопласта с порами 0,2 мкм и фильтром с натронной известью, к выходу накопительного резервуара подключен жидкостный, соединенный с комбинированным картриджем, состоящим из фильтрующей засыпки KDF 55, каталитического гранулированного активированного угля и гранулированного активированного угля из скорлупы кокосового ореха и подключенного к следующему комбинированному картриджу, заполненному ионообменной смолой смешанного типа, к выходу второго картриджа модуля получения воды 2 типа подсоединены электромагнитный нормально замкнутый клапан для выхода воды 2 типа и модуль получения воды 1 типа, включающий в себя УФ-стерилизатор представляющий собой коаксиальное устройство, по оси которого в кварцевой трубке расположена ультрафиолетовая лампа с длинами волн 185/254 нм, а вокруг кварцевой трубки цилиндрическое УФ-зеркало с высокоотражательным металлическим внутренним покрытием и защитным слоем SiO₂, при этом расстояние от поверхности ультрафиолетовой лампы до внутренней поверхности цилиндрического УФ-зеркала составляет не более 1 см, ось входного штуцера в УФ-стерилизатор образует тупой угол к продольной оси стерилизатора по течению воды и расположена по касательной к внутренней стенке металлического корпуса, за ультрафиолетовым стерилизатором последовательно расположены комбинированный картридж, состоящий из каталитического гранулированного активированного угля, ультрадисперсного металл-аффинного сорбента на основе оксидов металлов, ионообменной смолы смешанного типа, и комбинированный картридж, состоящий из ультрадисперсного металл-аффинного сорбента на основе оксидов металлов и ионообменной смолы смешанного типа. За вторым картриджем модуля получения воды 1 типа последовательно расположены трехходовой электромагнитный клапан с выходом в дренаж, ультрафильтрационная мембрана, датчик качества воды и параллельно между собой два нормально замкнутых электромагнитных клапана в канале рециркуляции ко второму входу накопительного резервуара модуля получения воды 2 типа и канале выхода воды 1 типа с фильтрацией через микрофильтрационную капсулу.

Управление и контроль состояния устройства системы получения чистой и сверхчистой воды из водопроводной воды осуществляется электронным модулем с графическим жидкокристаллическим дисплеем. На дисплей выводится информация о качестве исходной и производимой воды, о статусе работы системы, об оставшемся времени работы фильтров предварительной очистки и УФ-лампы, сигналы тревоги при превышении заданных параметров (на схеме не показан).

На фигуре 1 представлена схема реализации устройства системы получения чистой и сверхчистой воды. Предлагаемое устройство содержит модуль предварительной подготовки воды, в который через входной шаровой ручной клапан (1) подается водопроводная вода при помощи соединительных трубок поступающая в последовательно соединенные картридж с фильтром предварительный механической очистки (2) из вспененного полипропилена, удаляющего механические частицы размером более 5 мкм, картридж с комбинированным трехслойным фильтром (3), состоящим из промытого кислотой битумного активированного угля (I), предназначенного для удаления органических соединений с большим молекулярным весом и предотвращения органического загрязнения фильтрующей засыпки KDF 55 (II), представляющей собой сплав цинка и меди, принцип действия которой основан на реакциях окисления-восстановления, позволяющей удалить из воды более 99% хлора, железа, тяжелых металлов, сероводорода и других загрязняющих примесей, а также предотвратить биологическое загрязнение расположенных ниже по течению воды фильтрующих материалов. Применение KDF 55 значительно уменьшает нагрузку на гранулированный активированный уголь (III) за счет удаления хлора, что позволят использовать большую часть сорбционной емкости угля для удаления органических загрязнений. Каталитический гранулированный активированный уголь (III) с пероксидным числом не менее 14 предназначен для удаления перекиси, образующейся при взаимодействии воды с KDF 55 (II), далее вода поступает в картридж (4) с гранулированным активированным углем из скорлупы кокосового ореха (IV), позволяющего удалить органические соединения. Предварительно очищенная вода через электромагнитный клапан (5) подается на реле низкого давления (6), выполняющего функцию защиты жидкостного насоса (7) от сухого хода, на датчик качества предварительно очищенной воды (8), измеряющий значение общего солесодержания предварительно очищенной воды и повышающий давление жидкостного насос (7). Параллельно датчику (8) присоединен входной нормально закрытый электромагнитный клапан (9), расположенный на корпусе расширительной емкости (10), относящейся к модулю получения воды 3 типа. Между входом в жидкостной насос (7) и расширительной емкостью (10) установлен обратный клапан (11), используемый при гидравлической и химической промывках мембран обратного осмоса.

В случае превышения установленного значение общего солесодержания подготовленной воды (ppm) происходит автоматическое закрытие входного электромагнитного клапана (5), срабатывает реле низкого давления (6) и отключается жидкостной насос (7). Таким образом, предотвращается выход из строя мембран обратного осмоса, расположенных в модуле получения воды 3 типа.

Предварительно очищенная на фильтрах (2-4) вода под давлением, создаваемым жидкостным насосом (7), поступает на вход мембран обратного осмоса (12, 13), где происходит разделение потока исходной воды на фильтрат - обессоленную воду, прошедшую через мембраны, и концентрат - воду, обогащенную растворенными солями, механическими и коллоидными примесями. Концентрат сливается в дренаж (канализацию) через ограничитель потока (14), который создает оптимальное рабочее давление на мембранах (12, 13), электромагнитный клапан (15) при этом закрыт. При открытии электромагнитного клапана (15) происходит сбрасывание давления на линии концентрата. При этом происходит гидравлическая промывка мембран за счет интенсивного сброса концентрата с большим расходом и удаление значительной доли накопленных загрязнений. Фильтрат, полученный после прохождения воды через мембраны (12, 13), поступает на мембрану обратного осмоса (16), где происходит повторное обессоливание воды. Концентрат, полученный после прохождения воды через мембрану (16) содержит незначительное количество примесей, которые удаляются на мембране обратного осмоса (17). Ограничитель потока (18) служит для создания рабочего давления на мембране (17). Функции электромагнитного клапана (19) аналогичны клапану (15).

Применение данной схемы подключения мембран обратного осмоса позволяет получить глубоко обессоленную воду с электропроводностью не более 5 мкСм/см (вода 3 типа). Фильтрат, полученный на мембранах обратного осмоса (16, 17) направляется на датчик качества воды (20), где происходит измерение общего солесодержания обратноосмотической воды (вода 3 типа). При открытии электромагнитного клапана (21) происходит отбор воды 3 типа через выход (22). Трехходовой электромагнитный клапан (23) направляет поток воды 3 типа либо через обратный клапан (24) в накопительный резервуар (25), либо в расширительную емкость (10) по линии рециркуляции (26) для повторного прохождения через мембраны обратного осмоса (12, 13, 16, 17), в случае если измеренное значение общего солесодержания обратноосмотической воды не соответствует заданному значению.

Для химической очистки мембран обратного осмоса и проведения их стерилизации в расширительную емкость (10) через горловину закрываемую съемной крышкой (27) заливается раствор, содержащий необходимые реагенты. Кислотные реагенты используются для удаления неорганических осадков, таких как карбонаты и сульфаты кальция и магния, гидроокиси железа и алюминия. Щелочные реагенты предназначены для удаления органических загрязнений и стерилизации. На время химической промывки выход фильтрата с мембран обратного осмоса помещается в расширительную емкость (10). Цикл обработки моющим составом состоит из нескольких операций, включающих: циркуляционную промывку раствором реагента в течение 20-30 мин, выдержку мембранных элементов в моющем растворе в течение от 20 мин до нескольких часов, его дополнительную рециркуляцию в течение 15-20 мин и отмывку установки от остатков раствора очищенной водой. Во время очистки мембран электромагнитные клапаны (5, 9) находятся в закрытом положении. Для контроля уровня промывного раствора расширительная емкость оборудована датчиком уровня (28). Электромагнитный клапан (9) служит для промывки от химических реагентов расширительной емкости предварительно подготовленной водой после химической очистки мембран обратного осмоса и проведения их стерилизации.

При соответствующем качестве воды 3 типа она поступает в накопительный резервуар (25) модуля получения воды 2 типа, оборудованный датчиками верхнего и нижнего уровня (29, 30), стерилизующей капсулой (31), представляющей собой мембрану из фторопласта (PTFE) с рейтингом пор 0,2 мкм и предназначенной для тонкой и стерилизующей очистки воздуха, поступающего в резервуар. Для поглощения из воздуха, поступающего в емкость углекислого газа, применяется заполненный натронной известью фильтр (32).

При достижении уровня воды в резервуаре нижнего датчика (30) запускается жидкостной насос (33), который направляет воду в комбинированный картридж (34), состоящий из фильтрующей засыпки KDF 55 (II), каталитического гранулированного активированного угля с пероксидным числом не менее 14 (III) и гранулированного активированного угля из скорлупы кокосового ореха (IV). Примененная комбинация фильтрующих материалов позволяет эффективно удалить остатки свободного хлора, тяжелых металлов, предотвратить биологическое загрязнение и удалить большинство органических соединений с молекулярной массой менее 200 дальтон, которые не задерживаются на мембранах обратного осмоса. Далее вода поступает в картридж (35), заполненный смесью гелевого катионита в водородной (Н) форме и гелевого анионита в гидроксильной (ОН) форме (V). Применение данного типа смол позволяет достигнуть высокого значения сопротивления воды и низкого содержания общего органического углерода. Вода, полученная таким способом, соответствует 2 типу и отбирается через электромагнитный клапан (36) и выход воды 2 типа (37) либо поступает в модуль получения воды 1 типа, включающий в себя УФ-стерилизатор (38) в виде коаксиального устройства, по оси которого в кварцевой трубке (39) расположена ультрафиолетовая лампа (40) с длинами волн 185/254 нм, а вокруг кварцевой трубки цилиндрическое УФ-зеркало (41) с высокоотражательным металлическим внутренним покрытием и защитным слоем S1O2, при этом расстояние от поверхности ультрафиолетовой лампы до внутренней поверхности цилиндрического УФ-зеркала составляет не более 1 см, ось входного штуцера (42) в УФ-стерилизатор образует тупой угол к продольной оси стерилизатора (43) по течению воды, и расположена по касательной к внутренней стенке металлического корпуса. УФ-излучение на длине 185 нм действует на окисление органических соединений за счет повышенного образования свободных гидроксильных радикалов. Механизм разрушения органических соединений в воде происходит при превращении кислорода растворенного в воде, под воздействием ультрафиолетового излучения в озон и/или перекись водорода. Озон и перекись водорода реагируют с водой с образованием гидроксильных радикалов (ОН'). Гидроксильные радикалы вступают в реакцию с органическими соединениями, в результате реакции образуются углекислый газ и вода (СН₃ОН+6ОН'→СО₂+5H₂O). Ультрафиолетовое излучение также может расщеплять молекулы воды до гидроксильных радикалов и водорода (2H₂O+185nm UV→Н₂+2OH'). Применение УФ-зеркала повышает плотность УФ-излучения в коаксиальном зазоре стерилизатора в 1,9 раза [www.photooptic-filters.com/UV mirrors], что увеличивает эффективность разрушения органических соединений в воде без увеличения мощности УФ-лампы. Кроме того, организация винтового движения воды в коаксиальном зазоре вокруг кварцевой трубки (39) за счет ориентации входного штуцера (42) в УФ-стерилизаторе (38) позволяет увеличить время присутствия обрабатываемой воды в 1,5 раза исходя из соотношения пути воды по винтовой траектории (2-3 оборота до перехода к ламинарному течению с учетом средней длинны окружности коаксиального зазора) к длине потока воды в УФ-стерилизаторе, при постоянном ламинарном течении, в коаксиальном зазоре. Таким образом, увеличение времени присутствия под воздействием УФ-излучения происходит без увеличения длинны стерилизатора и УФ-лампы, без разрыва потока воды, без увеличения мощности УФ-излучения и без изменения давления в системе. Это приводит к увеличению эффективности разрушения органических соединений в воде в 1,5 раза, следовательно, с учетом всех эффектов в таком УФ-стерилизаторе эффективность воздействия УФ-излучения возрастает в 2,5-2,8 раза. Обработанная УФ-излучением вода поступает в комбинированный картридж (44), содержащий каталитический гранулированный активированный уголь с пероксидным числом не менее 14 (III), для удаления побочных продуктов образующихся после прохождения воды через УФ-лампу, ультрадисперсный металл-аффинный сорбент на основе оксидов металлов (VI) представляющий собой регулярные мультимолекулярные структуры на основе пленок Ленгмюра-Блоджетт [В.Д. Гладилович, Селютин А.А., Н.Г. Суходолов, Е.П. Подольская, Заявка на изобретение №2012117536/05 от 18.04.2012. «Регулярные мультимолекулярные сорбенты для металл-афинной хроматографии, содержащие лабильную ковалентную связь». Дата публикации 27.02.2015 г., Е.А. Рожкова, И.А. Краснов, Н.Г. Суходолов, Н.С. Иванов, А.И. Янклович, Е.П. Подольская, Н.В. Краснов. Исследование поверхностных свойств наноструктур (пленок Лэнгмюра-Блоджетт), содержащих ионы железа, и определение их состава с привлечением методов масс-спектрометрии // Научное приборостроение, 2008, Т. 18, №4, с. 54-60], содержащих лабильную ковалентную связь, предназначенный для специфичного связывания фосфорорганических соединений и смесь ионообменных смол (V). Далее вода поступает в комбинированный картридж (45), содержащий ультрадисперсный металл-аффинный сорбент на основе оксидов металлов (VI) для снижения уровня общего органического углерода ниже 2 мкг/л и смесь ионообменных смол (V). За вторым картриджем модуля получения воды 1 типа последовательно расположен трехходовой электромагнитный клапан (46) предназначенный для первоначальной промывки картриджей (34, 35, 44, 45) с выходом в дренаж (47) при первоначальном пуске системы, а также при замене картриджей. Полученная вода подается на ультрафильтрационную мембрану (48), где происходит удаление грамотрицательных бактерий и других органических молекул.

Получаемая вода контролируется встроенным датчиком (49) качества воды 1 типа по удельному сопротивлению. Поток воды направляется либо снова в накопительный резервуар (25) (режим рециркуляции), если качество воды на выходе ниже необходимого значения, при этом электромагнитный клапан (53) находится в открытом положении, либо при закрытом клапане (53) происходит отбор воды 1 типа через электромагнитный клапан (50) с микрофильтрационной капсулой (51) и выход воды (52), если получена вода высокого качества с необходимым удельным сопротивлением. Когда вода в накопительном резервуаре (25) достигает верхнего датчика уровня (29), происходит автоматическое отключение жидкостного насоса (7), повышающего давление, и закрытие электромагнитного клапана (23), рециркуляция очищенной воды при этом продолжается.

В качестве микрофильтрационной капсулы (51) применяется мембрана из полиамида Nylon₆₊₆₆ с Z-потенциалом с микронным рейтингом 0,45/0,2 мкм. Эта особенность обеспечивает эффективное удаление за счет сорбции отрицательно заряженных загрязнений, включая бактерии, эндотоксины, вирусы.

Изобретение относится к водоподготовке. Система получения чистой и сверхчистой воды включает модуль предварительной подготовки воды, модуль получения воды 3 типа, модуль получения воды 2 типа и модуль получения воды 1 типа. Модуль предварительной подготовки воды содержит картридж с фильтром предварительной механической очистки 2, картридж с комбинированным трехслойным фильтром 3, состоящим из активированного угля (I), фильтрующей засыпки KDF 55 (II) и каталитического гранулированного активированного угля (III), картридж 4 с гранулированным активированным углем из скорлупы кокосового ореха (IV), датчики низкого давления 6 и качества водопроводной воды 8, клапаны и соединительные трубки. Модуль получения воды 3 типа включает жидкостный насос 7, расширительную емкость 10 с датчиком верхнего уровня и обратным клапаном 11, четыре картриджа с высокоселективными мембранными фильтрами обратного осмоса 12, 13, 16,17, датчик качества воды 3 типа 20, клапаны, выход воды 3 типа 22, соединительные трубки. Модуль получения воды 2 типа включает накопительный резервуар 25 со встроенными датчиками уровня 29, 30, стерилизующую капсулу (31), представляющую собой мембрану из фторопласта с порами 0,2 мкм, фильтр 32, заполненный натронной известью, жидкостной насос 33, комбинированный картридж 34, состоящий из фильтрующей засыпки KDF 55 (II), каталитического гранулированного активированного угля (III) и гранулированного активированного угля из скорлупы кокосового ореха (IV), комбинированный картридж 35, заполненный ионообменной смолой смешанного типа, электромагнитный клапан 36 с выходом для воды 2 типа 37. Модуль получения воды 1 типа включает УФ-стерилизатор 38, датчик качества воды 1 типа, электромагнитные клапаны, микрофильтрационную капсулу 51, выход воды 1 типа 52, соединительные трубки, комбинированный картридж 44, состоящий из каталитического гранулированного активированного угля (III), ультрадисперсного металл-аффинного сорбента (VI) на основе оксидов металлов и ионообменной смолы (V) смешанного типа, комбинированный картридж 45, состоящий из ультрадисперсного металл-аффинного сорбента на основе оксидов металлов (VI) и ионообменной смолы смешанного типа (V), ультрафильтрационную мембрану 48, канал обратной связи. Изобретение позволяет создать систему получения чистой и сверхчистой воды из водопроводной воды без предварительной ее подготовки и изменения отдельных узлов системы для расширения списка веществ, устраняемых из воды и увеличить эффективность очистки без дополнительных энергозатрат. 1 ил.

Система получения чистой и сверхчистой воды, представляющая собой единое устройство, состоящее из: модуля предварительной подготовки воды, включающего в себя входной шаровой ручной клапан, картридж с фильтром предварительный механической очистки, картридж с гранулированным активированным углем из скорлупы кокосового ореха, датчик низкого давления, датчик качества водопроводной воды, электромагнитный клапан, соединительные трубки; модуля получения воды 3 типа, включающего в себя жидкостной насос, четыре картриджа с высокоселективными мембранными фильтрами обратного осмоса, два клапана, ограничитель потока, датчик качества воды 3 типа, трехходовой электромагнитный клапан, выход воды 3 типа, соединительные трубки; модуля получения воды 1 типа, включающего в себя стерилизующую капсулу, жидкостной насос, картридж с ионообменной смолой, УФ-стерилизатор, датчик качества воды 1 типа, электромагнитные клапаны, микрофильтрационную капсулу, выход воды 1 типа, соединительные трубки, отличающаяся тем, что в модуле предварительной подготовки воды между картриджем с фильтром предварительной очистки воды и картриджем с гранулированным активированным углем из скорлупы кокосового ореха расположен картридж с комбинированным трехслойным фильтром, состоящим из активированного угля, фильтрующей засыпки KDF 55 и каталитического гранулированного активированного угля; в модуле получения воды 3 типа перед картриджами с высокоселективными мембранными фильтрами обратного осмоса расположена расширительная емкость с датчиком верхнего уровня и обратным клапаном, после последнего картриджа расположены дополнительный электромагнитный клапан с ограничителем потока, электромагнитный клапан для отбора воды 3 типа, обратный клапан, трехходовой электромагнитный клапан, одним выходом подключенный соединительной трубкой к расширительной емкости; к выходному обратному клапану модуля получения воды 3 типа подключен модуль получения воды 2 типа, включающий в себя накопительный резервуар со встроенными датчиками уровня, стерилизующую капсулу, представляющую собой мембрану из фторопласта с порами 0,2 мкм и фильтр, заполненный натронной известью, к выходу накопительного резервуара подключен жидкостной насос, соединенный с комбинированным картриджем, состоящим из фильтрующей засыпки KDF 55, каталитического гранулированного активированного угля и гранулированного активированного угля из скорлупы кокосового ореха и подключенным к следующему комбинированному картриджу, заполненному ионообменной смолой смешанного типа, к выходу которого подсоединены электромагнитный клапан с выходом для воды 2 типа и модуль получения воды 1 типа, включающий в себя ультрафиолетовый стерилизатор, представляющий собой коаксиальное устройство, по оси которого в кварцевой трубке расположена ультрафиолетовая лампа с длинами волн 185/254 нм, а вокруг кварцевой трубки цилиндрическое УФ-зеркало с высокоотражательным металлическим внутренним покрытием и защитным слоем SiO₂, при этом расстояние от поверхности ультрафиолетовой лампы до внутренней поверхности цилиндрического УФ-зеркала составляет не более 1 см, ось входного штуцера в УФ-стерилизатор образует тупой угол к продольной оси стерилизатора по течению воды и расположена по касательной к внутренней стенке металлического корпуса, за ультрафиолетовым стерилизатором последовательно расположены комбинированный картридж, состоящий из каталитического гранулированного активированного угля, ультрадисперсного металл-аффинного сорбента на основе оксидов металлов и ионообменной смолы смешанного типа, и комбинированный картридж, состоящий из ультрадисперсного металл-аффинного сорбента на основе оксидов металлов и ионообменной смолы смешанного типа, далее последовательно присоединены трехходовой электромагнитный клапан, ультрафильтрационная мембрана, электромагнитный клапан в канале обратной связи, присоединенный ко второму входу накопительного резервуара модуля получения воды 2 типа.