Минерализующий картридж напорного фильтра Российский патент 2020 года по МПК C02F1/68 B01D27/02 C02F1/28 C02F1/42 

Изобретение относится к минерализующим картриджам, предназначенным для минерализации воды и используемым в напорных фильтрах.

В настоящее время широкое распространение получили напорные фильтры для очистки воды, работающие от давления, создаваемого насосом или водопроводной сетью. К таким фильтрам относятся обратноосмотические системы, осуществляющие глубокую очистку воды с помощью обратноосмотических мембран, ультрафильтрационные фильтры, осуществляющие очистку воды с использованием ультрафильтрационных мембран, и напорные фильтры, не содержащие мембран, осуществляющие очистку воды с помощью сорбирующих компонентов, расположенных в их фильтрующих модулях. Для всех этих типов напорных фильтров, как правило, требуется дополнительная минерализация воды, которая или восстанавливает ионный состав воды (обратноосмотические фильтры), или обогащает воду до физиологически необходимого уровня полезными для человека минералами (ультрафильтрационные фильтры и напорные, не содержащие мембран, фильтры).

Для осуществления минерализации воды в составе напорных фильтров используют минерализующие картриджи различной конструкции и с различным составом минерализующих веществ. Наиболее распространены минерализующие картриджи, выполненные в виде пластикового корпуса с узлами ввода и вывода воды, внутри которых расположены конструктивно оформленные минерализующие блоки с минерализующими веществами в виде мелкодисперсных частиц растворимых или малорастворимых природных или синтетических минерализующих веществ, или гранулированных ионообменных смол, или блочных материалов из монолитных неорганических соединений типа гипса или спрессованных таблеток, содержащих малорастворимые минерализующие вещества.

Из уровня техники известны минерализующие картриджи напорных фильтров, состоящие из пластикового корпуса с узлами ввода и вывода воды и блока с минерализующим веществом (патенты RU 2515317, 10.05.2014 год, WO 2017021492, 2017 год), в которых минерализующее вещество используется в виде мелкодисперсных частиц малорастворимых соединений магния или кальция или в индивидуальном виде, или в виде смесей с сорбирующими веществами. Такие минерализующие модули, благодаря развитой поверхности контакта обрабатываемой воды с мелкодисперсными частицами минерализующего вещества, обеспечивают эффективную минерализацию воды катионами кальция и магния. Однако использование в указанных минерализующих модулях минерализующего вещества в виде мелкодисперсных частиц требует применения в конструкции таких модулей сложных средств удержания мелкодисперсных частиц от их выноса с потоком проходящей воды, что делает изготовление таких минерализующих модулей технически сложным и дорогостоящим.

Известен минерализующий картридж для питьевой воды (патент RU 2616677, 18.04.2017 год и взятый за прототип), с узлами ввода и вывода воды, выполненный в виде пластикового полого цилиндра, на основаниях которого установлены водопроницаемые пористые перегородки, и содержащего между указанными перегородками по ходу течения воды первую ступень минерализации - кальциевый композит - в форме цилиндра со сквозным отверстием на оси вращения, водопроницаемую пористую перегородку, вторую ступень минерализации, содержащую смесь инертной засыпки и состава, насыщающего воду ионами магния и фтора. В указанном минерализующем картридже минерализующие вещества используют в форме монолитного блока, выполненного из кальциевого композита на основе сульфата кальция с добавками хлорида кальция, и/или йодида кальция, и/или гидросульфата кальция, и/или карбоната кальция, и/или гидрокарбоната кальция, и/или сульфита кальция, и/или гидросульфита кальция и т.п., и мелкодисперсных частиц хлорида магния, и/или карбоната магния, и/или карбоната магния основного, и/или гидроксида магния, и/или оксида магния, и/или природных или синтетических материалов, включающих указанные соединения. Картридж - прототип, благодаря выполнению минерализующего блока в виде двухступенчатой системы минерализации - кальциевого композита в форме полого цилиндра и мелкодисперсных соединений минерализующего вещества в смеси с инертным наполнителем, эффективно насыщает воду минеральными веществами - ионами кальция, магния. Существенным недостатком минерализующего картриджа - прототипа является сложность его конструкции и изготовления, что обусловлено использованием нескольких пористых перегородок, двух зон минерализации, дополнительного пластикового корпуса для первой ступени минерализации.

Технической задачей настоящего изобретения является создание относительно простого по конструкции и изготовлению минерализующего картриджа для напорных фильтров, обеспечивающего минерализацию обрабатываемой воды в оптимальных для человеческого организма концентрациях минерализующих веществ в воде.

Поставленная техническая задача достигается предлагаемым минерализующим картриджем напорного фильтра для питьевой воды, содержащим пластиковый корпус с узлами ввода и вывода воды с расположенным в нем минерализующим элементом и, отличающийся тем, что минерализующий элемент выполнен в форме полого цилиндра из пористого блочного материала, изготовленного методом сжатия при нагреве смеси порошкообразных компонентов, содержащей частицы малорастворимого минерализующего вещества, активированного угля и полимерного связующего, при этом минерализующий элемент расположен с зазором от внутренней стенки пластикового корпуса минерализующего картриджа и герметично соединен с узлами ввода и вывода воды торцевыми адаптерами.

Минерализующий элемент герметично соединен с пластиковым корпусом торцевыми адаптерами, выполненными из пластика и герметично соединенными с торцом фильтрующего элемента приклеиванием полимерным расплавом или другим клеящим материалом.

Минерализующий элемент расположен с зазором от внутренней стенки пластикового корпуса минерализующего картриджа на расстоянии (1-10) мм.

Минерализующий элемент выполнен из пористого блочного материала со стенками толщиной (15-30) мм и с размером пор (1-5) мкм. Пористый блочный материал минерализующего элемента изготовлен из термически обработанной смеси порошкообразных материалов из минерализующего вещества, активированного угля с йодным числом более 1000 мг/г и полимерного связующего с размером частиц минерализующего вещества, активированного угля и полимерного связующего (0,05 - 0,5) мм, предпочтительно (0,07 - 0,15) мм, и при соотношении минерализующее вещество: активированный уголь: полимерное связующее (50 - 75):(5 - 25):(10 - 25) мас. %, а в качестве малорастворимых минерализующих веществ используют малорастворимые соединения кальция, магния, фтора и цинка или их смеси. Пористый блочный материал минерализующего элемента изготовлен методом экструзии или методом горячего прессования со степенью сжатия при формовании (12 - 25) % при температуре на (10 - 40)°С выше температуры размягчения полимерного связующего, а в качестве полимерного связующего используют полимеры из классов полиолефинов и/или полиэфиров и/или их сополимеров с индексом расплава (2 - 20) г/10 мин по ASTM D 1238 при 190°С и нагрузке 25 кг.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является принципиально новая, более простая по сравнению с прототипом, конструкция и технология изготовления минерализующего картриджа, предназначенного для минерализации воды в напорных фильтрах, что достигается использованием в минерализующем картридже минерализующего элемента в форме полого цилиндра из пористого блочного материала, содержащего малорастворимое минерализующее вещество. Такая конструкция не требует использования как в прототипе пористых перегородок, дополнительного пластикового корпуса для кальциевого композита, двух ступеней минерализации с различными минерализующими веществами в различной форме, многостадийной технологии сборки. Простота конструкции позволяет совместить две степени минерализации в одном минерализующем элементе, содержащем в пористом блочном материале минерализующего элемента все требующиеся для минерализации вещества, а присутствие в пористом блочном материале минерализующего элемента минерализующего вещества в виде мелкодисперсных частиц, благодаря большой поверхности контакта обрабатываемой воды с минерализующим веществом и выбора малорастворимого минерализующего вещества с оптимальной растворимостью позволяет проводить минерализацию воды с оптимальными для человеческого организма концентрациями минерализующего вещества.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором:

1 - Пластиковый корпус минерализующего картриджа

2 - Узел ввода воды в минерализующий картридж

3 - Узел вывода воды из минерализующего картриджа

4 - Минерализующий элемент, выполненный из пористого блочного материала

5 - Торцевые адаптеры

6 - Клеевое соединение минерализующего элемента с адаптером

Фиг. 1. Изображен общий вид минерализующего картриджа с пластиковым корпусом (1), узлом ввода воды (2) и узлом вывода воды (3), минерализующим элементом (4), торцевыми адаптерами (5), соединенными с минерализующим элементом (4) клеевым соединением (6). Стрелками показано направление потоков воды при ее прохождении через минерализующий картридж изнутри через минерализующий элемент в пространство между корпусом и минерализующим элементом.

Фиг. 2. Изображен общий вид минерализующего картриджа с пластиковым корпусом (1), узлом ввода воды (2) и узлом вывода воды (3), минерализующим элементом (4), торцевыми адаптерами (5), соединенными с минерализующим элементом (4) клеевым соединением (6). Стрелками показано направление потоков воды при ее прохождении через минерализующий картридж из пространства между корпусом и минерализующим элементом через минерализующий элемент во внутрь минерализующего элемента.

Работа минерализующего картриджа происходит следующим образом: исходная вода через узел ввода (2) и торцевой адаптер (5) попадает внутрь полого цилиндра минерализующего элемента (4) и, проходя через пористый блочный материал минерализующего элемента (4), содержащий минерализующие вещества, частично растворяет их, повышая их концентрацию в воде до уровня, диктуемого правилом произведения растворимости для малорастворимых соединений. Далее насыщенная минеральными веществами вода поступает в пространство между внутренней стенкой пластикового корпуса (1) минерализующего картриджа и наружной стенкой минерализующего элемента (4) и через узел вывода (3) воды выводится из минерализующего картриджа в систему напорного фильтра.

Для обеспечения высокой скорости фильтрации в сочетании с достижением необходимой степени минерализации воды минерализующий элемент минерализующего картриджа выполнен с толщиной стенок (15 - 30) мм.

Граничные значения выбранного диапазона толщин стенок обусловлены тем, что при толщине стенки менее 15 мм у фильтрующего элемента время контакта минерализующего материала в минерализующем блоке недостаточно для растворения минерализующего вещества, а толщина стенок фильтрующего элемента более 30 мм отрицательно влияет на скорость фильтрации из-за значительного гидродинамического сопротивления.

Для обеспечения максимально доступной для растворения поверхности минерализующего вещества в минерализующем элементе процесс изготовления фильтрующего блока проводят при температуре, на 10-40°С выше температуры размягчения полимерного связующего. При температуре, ниже, чем на 10°С температуры размягчения полимерного связующего не происходит образование прочного блочного материала минерализующего элемента, а при температуре, выше, чем на 40°С температуры размягчения полимерного связующего происходит блокирование значительной поверхности минерализующего вещества в результате затекания полимерного связующего. Диапазон степени сжатия смеси материалов при изготовлении блочного пористого материала минерализующего элемента методом экструзии или методом горячего прессования (12 - 25) % обусловлен тем, что при степени сжатия менее 12% минерализующий блок не обладает достаточной механической прочностью, а при степени сжатия более 25% образующиеся мелкие поры в объеме материала фильтрующего блока приводят к высокому гидродинамическому сопротивлению и, соответственно, снижению скорости фильтрации. Выбор полимерного связующего из класса полиолефинов (например, полиэтилена низкого давления, полиэтилена высокого давления, полипропилена) и полиэфиров, (например, полиэтилентерефталата) или их сополимеров (например, сополимера полиэтилена с винилацетатом) обусловлен, с одной стороны, их химической инертностью и нерастворимостью в воде, с другой стороны, достаточно низкими температурами размягчения, позволяющими интенсифицировать процесс изготовления минерализующего элемента заявляемого минерализующего картриджа.

Для обеспечения прочности минерализующего элемента в процессе отработки ресурса, в ходе которого происходит вымывание из стенок пористого блочного материала минерализующего вещества, что может сопровождаться разрушением каркаса пористого блочного материала, и, как следствие, его разрушением, в состав материала минерализующего элемента вводят активированный уголь, так как он, будучи нерастворимым в воде, способствует образованию неразрушаемого водой каркаса пористого блочного материала минерализующего элемента. Использование активированного угля с йодным числом более 1000 мг/л позволяет материалу минерализующего картриджа осуществлять дополнительную очистку воды, в том числе, устранение посторонних запахов и привкусов, возникающих в процессе ее обработки в обратноосмотических фильтрах.

Все используемые компоненты исходной смеси для изготовления пористого блочного материала минерализующего картриджа (минерализующее вещество, активированный уголь и полимерное связующее) используют в порошкообразной форме с размером частиц (0,05 - 0,5) мм, предпочтительно (0,07 - 0,15) мм. При размере частиц менее 0,05 мм возрастает гидродинамическое сопротивление пористого блочного материала, что приводит к снижению скорости фильтрации. При размере частиц минерализующего вещества, активированного угля и полимерного связующего более 0,5 мм снижается эффективность минерализации воды за счет уменьшения реальной поверхности контакта частиц минерализующего вещества с водой.

Выбор диапазона пор заявляемого гранулированного материала, составляющий (1-5) мкм обусловлен возможностью прохождения через эти поры воды (при размере пор менее 1 мкм этот процесс затруднен) и оптимальным временем и поверхностью контакта воды с частицами сорбирующего и минерализующего вещества (при размере пор более 5 мкм часть воды будет проходить через материал без контакта с сорбирующими и минерализующими частицами материала).

Использование в качестве минерализующего вещества малорастворимых соединений кальция, магния, фтора и цинка, или их смеси обусловлено принципом растворения таких соединений в воде, основанном на малой величине их произведения растворимости (10^-9 - 10^-12). Эти величины произведений растворимости обеспечивают возможность получения концентраций таких веществ в воде порядка (10⁰ - 10²) мг/л, что соответствует существующим нормативам на питьевую воду. В случае исходной воды, уже содержащей значительные количества минерализующих веществ и не нуждающейся в дополнительной минерализации, по закону произведения растворимости растворение малорастворимых соединений кальция, магния, фтора и цинка, или их смеси или не будет происходить, или будет происходить частично.

Ниже приведены примеры конструкции, состава и условий изготовления минерализующего картриджа, а в таблице 2 представлены результаты его испытаний по эффективности минерализации воды и устранения посторонних привкусов и запахов.

Приведенные примеры дают представление о характеристиках заявляемого фильтрующего устройства, но не являются исчерпывающими.

Пример 1. Минерализующий картридж с узлами ввода и вывода воды с пластиковыми торцевыми адаптерами, герметично подсоединенными путем механического соединения с узлами ввода и вывода минерализующего картриджа и герметично приклеенными расплавом полиэтилена к торцам минерализующего элемента, выполненного в форме полого цилиндра высотой 230 мм, наружным диаметром 62 мм и толщиной стенок 15 мм. Состав исходной смеси для изготовления минерализующего элемента: минерализующее вещество - смесь (1:1:1 по массе) сульфата кальция, карбоната магния и фторида магния - 60 мас. %, активированный уголь с йодным числом 1200 мг/г - 25 мас. %, полимерное связующее - смесь (9:1 по массе) полиэтилена низкого давления и полиэтилентерефталата с температурой размягчения 115°С - 15 мас. %, размер частиц компонентов смеси (0,07 - 0,1) мм. Пористый блочный материал корпуса минерализующего элемента изготовлен методом экструзии при температуре 130°С при степени сжатия 12% и с пористостью 2-5 мкм.

Примеры 2-4. Конструкция минерализующего картриджа, способ его изготовления, форма, наружный диаметр и высота аналогичны, приведенными в примере 1. Толщина стенок минерализующего элемента, состав блочного пористого материала, размер частиц компонентов смеси, метод изготовления, температура и степень сжатия при изготовлении пористого блочного материала минерализующего элемента и его пористость приведены в таблице 1.

Испытания по минерализации воды и эффективность посторонних запахов и привкусов проводили при подсоединении минерализующего картриджа к обратноосмотической установке. Через минерализующий картридж пропускали воду после картриджа с обратноосмотической мембраной при скорости прохождения воды через минерализующий картридж 15 литров/час. Определение концентраций минерализующих веществ в воде после ее прохождения через минерализующий картридж и эффективность устранения посторонних привкусов и запахов проводили по методикам ГОСТ 31952-2012 УСТРОЙСТВА ВОДООЧИСТНЫЕ. Общие требования к эффективности и методы ее определения. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание принципиально новой, более простой по сравнению с прототипом, конструкции, нового минерализующего состава и технологии изготовления минерализующего картриджа, обеспечивающие выделение в обрабатываемую воду оптимальные для человеческого организма концентрации минерализующих веществ - кальция, магния, цинка и фтора - на протяжении ресурса работы картриджа, достигающего 10000 литров, и эффективность устранения посторонних запахов и привкусов на протяжении ресурса до 25000 литров.

Изобретение предназначено для минерализации питьевой воды в напорных фильтрах. Минерализующий картридж напорного фильтра для питьевой воды содержит пластиковый корпус 1 с узлами ввода 2 и вывода 3 воды с расположенным в нем минерализующим элементом 4. Минерализующий элемент 4 выполнен в форме полого цилиндра из пористого блочного материала, изготовленного методом сжатия при нагреве смеси порошкообразных компонентов, содержащей частицы малорастворимого минерализующего вещества, активированного угля и полимерного связующего. Минерализующий элемент 4 расположен с зазором от внутренней стенки пластикового корпуса минерализующего картриджа и герметично соединен с узлами ввода 2 и вывода воды 3 торцевыми адаптерами 5. Изобретение позволяет упростить конструкцию картриджа, обеспечить выделение в обрабатываемую воду оптимальных для человеческого организма концентраций минерализующих веществ на протяжении ресурса работы картриджа, достигающего 10000 литров, и эффективность устранения посторонних запахов и привкусов на протяжении ресурса до 25000 литров. 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Минерализующий картридж напорного фильтра для питьевой воды, содержащий пластиковый корпус с узлами ввода и вывода воды с расположенным в нем минерализующим элементом, отличающийся тем, что минерализующий элемент выполнен в форме полого цилиндра из пористого блочного материала, изготовленного методом сжатия при нагреве смеси порошкообразных компонентов, содержащей частицы малорастворимого минерализующего вещества, активированного угля и полимерного связующего, при этом минерализующий элемент расположен с зазором от внутренней стенки пластикового корпуса минерализующего картриджа и герметично соединен с узлами ввода и вывода воды торцевыми адаптерами.

2. Минерализующий картридж напорного фильтра для питьевой воды по п. 1, отличающийся тем, что полый цилиндр минерализующего элемента из пористого блочного материала выполнен со стенками толщиной 15-30 мм и с размером пор 1-5 мкм.

3. Минерализующий картридж напорного фильтра для питьевой воды по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пористого блочного материала минерализующего элемента используют термически обработанную смесь порошкообразных материалов из минерализующего вещества, активированного угля с йодным числом более 1000 мг/г и полимерного связующего с размером частиц минерализующего вещества, активированного угля и полимерного связующего 0,05-0,5 мм, предпочтительно 0,07-0,15 мм, и при соотношении минерализующее вещество : активированный уголь : полимерное связующее (50-75):(5-25):(10-25) мас.%.

4. Минерализующий картридж напорного фильтра для питьевой воды по п. 1, отличающийся тем, что в качестве малорастворимых минерализующих веществ используют малорастворимые соединения кальция, магния, фтора и цинка или их смеси.

5. Минерализующий картридж напорного фильтра для питьевой воды по п. 1, отличающийся тем, что пористый блочный материал минерализующего элемента изготовлен или методом экструзии, или методом горячего прессования со степенью сжатия при формовании 12-25% при температуре на 10-40°С выше температуры размягчения полимерного связующего, а в качестве полимерного связующего используют полимеры из классов полиолефинов и/или полиэфиров, и/или их сополимеров с индексом расплава 2-20 г/10 мин по ASTM D 1238 при 190°С и нагрузке 25 кг.

6. Минерализующий картридж напорного фильтра для питьевой воды по п. 1, отличающийся тем, что минерализующий элемент расположен с зазором от внутренней стенки пластикового корпуса минерализующего картриджа на расстоянии 1-10 мм, а торцевые адаптеры выполнены из пластика и герметично соединены с торцом минерализующего элемента приклеиванием полимерным расплавом или другим клеящим материалом.