СПОСОБ АСИНХРОННОГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ИСХОДНОЙ ВОДЫ МЕМБРАНОЙ С ПЕРЕРЫВАМИ В ЭТОЙ ОЧИСТКЕ И ДИФФУЗИОННОЙ ОЧИСТКИ МЕМБРАНЫ В ЭТИХ ПЕРЕРЫВАХ ОБЕДНЁННОЙ ПРИМЕСЯМИ ВОДОЙ И АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОСМПЛЕКС ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА Российский патент 2023 года по МПК C02F1/44 B01D65/02 B01D61/02 G07F13/00 

Область техники, к которой, относятся изобретения

Изобретения относятся преимущественно к аквавендингу, а именно, к автоматам продажи питьевой воды, полученной из воды сети общего водоснабжения путем ее очистки с использованием обратного осмоса, характеризующегося прерывистым характером своего функционирования, объективно обусловленным характером аквавендинга. Однако заявленные патентные притязания не ограничиваются аквавендингом, но распространяются на любую очистку воды с использованием мембраны обратного осмоса, характеризующуюся как естественным (аквавендинг), так и искусственно созданным прерывистым характером этой очистки, так что в перерывах между очистками воды (во всех перерывах или в части) осуществляется диффузионная очистка мембраны обедненной примесями водой. Уровень техники

Общеизвестно использование обратного осмоса для очистки воды (https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Обратный_ocмoc&stable=0&redire ct=no).

Известна и проблема такой очистки, связанная с забиванием пор обратноосмотической мембраны примесями, содержащимися в исходной воде, и отложением осадков этих примесей на ее поверхности. На это есть несколько причин: это и концентрационная поляризация, и адсорбция, и образование геля.

При этом известны два способа решения этой проблемы: химическая очистка поверхности мембраны и очистка поверхности мембраны водой, а именно, интенсивным потоком воды (смывание потоком воды).

Химическая очистка заключается в использовании ряда химических реагентов как по отдельности, так и в различных сочетаниях. Такая химическая очистка включает рециркуляцию раствора химического агента в течение 20-30 минут, экспозицию этого раствора в течение 20-30 минут, дополнительную рециркуляцию в течение 15-20 минут, дальнейший смыв раствора с поверхности мембраны очищенной водой (см., например, https://www.c-o-k.ru/articles/obratnyy-osmos-teoriya-praktika-rekomendacii).

Причина, препятствующая получению в этом известном техническом решении, использующим химическую очистку, технического результата, который обеспечивается заявленными для патентования способом и соответствующим аппаратно-программным комплексом, заключается в использовании именно химической очистки, которая сложна технологически, требует значительного времени, предъявляет повышенные требования как к химической устойчивости мембраны к реагенту, так и к процедуре последующего удаления реагента из мембраны (очистки мембраны от реагента).

Известен способ прерывистой очистки воды обратным осмосом, заключающийся в подаче с перерывами исходной воды под давлением на вход обратноосмотической мембраны, осуществляющей разделение этой воды на пермеат и концентрат (перерывы обусловлены характером аква-вендинга). Полученный пермеат модифицируют путем корректировки как минимум его органолептических свойств. Далее модифицированный пермеат аккумулируют в гравитационном гидроаккумуляторе, где его также обеззараживают ультрафиолетом при помощи соответствующей лампы, расположенной в гидроаккумуляторе. Выдачу пермеата потребителю пер-меата осуществляют из гидроаккумулятора, а концентрат направляют в канализацию через гидравлическое сопротивление отвода концентрата. При этом очистку обратноосмотической мембраны от отложений осуществляют спорадически путем ее промывки интенсивным потоком воды (см. описание изобретения по патенту RU №2767311 С1, МПК C02F 9/00, G07F 13/00, опубликовано: 17.03.2022 Бюл. №8).

Известна система (аппаратно-программный комплекс) прерывистой очистки исходной воды обратным осмосом, предусматривающая возможность очистки мембраны водой. При этом сама эта система внутри себя не содержит средств очистки мембраны водой, но лишь резервирует возможность очистки мембраны интенсивным потоком воды тем, что содержит патрубок с соответствующим клапаном для прямого отвода воды из мембраны в канализацию, т.е. минуя то гидравлическое сопротивление, которое необходимо обусловливает нормальную работу мембраны (выход пермеата). При этом эта известная система как таковая решает только задачу обратноосмотической очистки воды и для этого она содержит обратноос-мотическую мембрану, имеющую вход для подлежащей прерывистой очистке исходной воды, выход очищенной воды (пермеата) и выход концентрата (неочищенной воды с повышенной концентрацией примесей), сбрасываемого в канализацию через гидравлическое сопротивление, а также гидроаккумулятор для промежуточного накапливания пермеата, насос для подачи исходной воды в мембрану, контроллер для управления процессами очистки исходной воды с перерывами в этом процессе (см., например, описание изобретения по патенту RU №2767311 С1, МПК C02F 9/00, G07F 13/00, опубликовано: 17.03.2022 Бюл. №8).

Причина, препятствующая получению в этих известных способе и системе технического результата, который обеспечивается заявленными для патентования способом и соответствующим аппаратно-программным комплексом, заключается в том, что известная система внутри себя не имеет интегрированных в нее средств очистки мембраны, но лишь дает возможность очистки мембраны водой при помощи внешних для этой системы средств. Другими словами, оба эти процесса (очистка воды и очистка мембраны) не объединены в единое целое, но лишь сосуществуют, функционируя по отдельности вне какой-либо связи друг с другом. По этой причине очистка мембраны интенсивным потоком воды (осуществляемая отдельно от процесса обратноосмотической очистки воды) осуществляется спорадически и с относительно длинными интервалами времени, так как требует соответствующих материальных средств и организационных усилий, так что частицы примесей на внутренней поверхности мембраны за эти длинные интервалы успевают закрепиться на мембране, по причине чего интенсивный поток промывочной воды на них мало действует. Но тогда для повышения эффективности очистки мембраны потоком этой промывочной воды надо увеличивать скорость течения этого потока (а для этого надо повышать давление этой воды) и время этого течения, что значительно увеличивает расход промывочной воды, и при этом все же не дает желаемого результата, так как имеются известные технические ограничения на повышение давления промывочной воды, а без давления не получить скорость течения промывочной воды через мембрану, а без надлежащей скорости не смыть с мембраны прилипшие к ней (а еще и успевшие закрепиться на ней) частицы примесей.

Таким образом, известные способ и система обратноосмотической очистки воды характеризуется отсутствием в ней интегрированных в нее технологических операций и технических средств очистки мембраны водой, а известные внешние для нее технологические операции и технические средства ее промывки потоком промывочной воды сложны в осуществлении и явно недостаточно эффективны из-за сугубо механического воздействия потока промывочной воды на подлежащие удалению отложения частиц примесей на внутренней поверхности мембраны.

В то же время основные технологические операции и конструктивные элементы указанного известного способа и указанной известной системы (патент RU №2767311), обеспечивающие искомый обратноосмотический процесс очистки воды (мембрана, насос на входе мембраны, гидравлическое сопротивление, гидроаккумулятор и контроллер), также содержит и заявленные для патентования способ и соответствующий аппаратно-программный комплекс, но с той существенной оговоркой, что данный заявленный комплекс дополнительно содержит управляемый контроллером трубопровод обратной подачи очищенной воды (пермеата) в мембрану, что при соответствующем программном обеспечении контроллера придает заявленному способу и соответствующему аппаратно-программному комплексу новое фундаментальное свойство - возможность осуществления единого технологического процесса, координируемого контроллером, обратноосмотической очистки воды мембраной и очистки этой мембраны обедненной примесями водой, причем водой статической (неподвижно находящейся в мембране) за счет эффекта диффузии, существенно более эффективного относительно известного механического смывания частиц примесей потоком промывочной воды.

При таких обстоятельства можно утверждать, что заявленные для патентования способ и соответствующий аппаратно-программный комплекс не имеют в предшествующем уровне техники технических аналогов, что придает заявленным изобретениям статус пионерских в рассматриваемой области технике.

Техническая проблема, на решение которой направлены заявленные изобретения, заключается в необходимости повышения эффективности очистки водой мембраны (а попутно и насоса на входе мембраны вместе с соответствующим трубопроводом подачи исходной воды в мембрану) при одновременном упрощении конструкции за счет универсального использования оборудования (особенно повышающего насоса на входе мембраны) и, как следствие, в увеличении продолжительности ее (мембраны) эффективной работы с возможностью повышения при этом ее КПД, т.е. степени выхода пермеата относительно выхода концентрата, сбрасываемого в канализацию, за счет частичного подмешивания концентрата в исходную воду.

Раскрытие сущности изобретений

Технический результат, опосредствующий решение данной технической проблемы, заключается, во-первых, в том, что впервые для очистки мембраны (а также попутно и повышающего насоса с соответствующим трубопроводом) использован эффект диффузионной очистки мембраны внутренней (для этой мембраны) обедненной примесями водой, сформированной смешиванием исходной воды с пермеатом, взятым для этого из гидроаккумулятора, и которая (обедненная примесями вода) после ее использования для указанной диффузионной очистки мембраны направляется вновь через мембрану с обычным разделением на пермеат (очищенную воду) и концентрат. При этом данная внутренняя обедненная примесями вода, используемая для указанной очистки, в каждом перерыве в обратноосмотической работе мембраны неподвижно (статично) находится внутри мембраны (а попутно и внутри насоса и соответствующего трубопровода), создавая тем самым эффект ее (обедненной примесями воды) диффузионной экспозиции внутри мембраны, когда за счет разности в концентрациях молекул примесей в отложениях на внутренних поверхностях мембраны и молекул таких же примесей в объеме внутренней обедненной примесями воды осуществляется спонтанный диффузионный перенос молекул примесей из указанных отложений во внутреннюю обедненную примесями воду, за счет чего происходит диффузионная очистка рассматриваемых загрязненных поверхностей мембраны. Высокая эффективность такой диффузионной очистки обусловлена тем, что она может осуществляться в каждом перерыве в обратноосмотической работе мембраны, коих в аквавендинге большое множество. При этом для этого не требуется дополнительный значительный расход промывочной воды, подлежащей сбрасыванию в канализацию.

Технический результат, во-вторых, заключается в том, что насос на входе мембраны выполняет под управлением контроллера три функции - функцию подачи в мембрану исходной воды, подлежащей обратноосмотической очитке, функцию подачи в мембрану исходной воды для замены этой водой внутренней обогащенной примесями воды и функцию обратной подачи в мембрану пермеата для его смешивания с внутренней исходной водой для формирования внутри мембраны внутренней обедненной примесями воды с ее последующей диффузионной экспозицией в мембране (а также в указанном насосе и в соответствующем трубопроводе), что впервые дает возможность реализовать в едином асинхронно осуществляемом технологическом процессе обратноосмотическую очистку исходной воды и диффузионную очистку внутренней поверхности мембраны обедненной примесями водой. При этом использование для искомой диффузионной экспозиции именно обедненной примесями воды (т.е. смеси пермеата и исходной воды), а не чистого пермеата, обусловлено потребностью экономии пермеата как наиболее дорогой воды. Смесь, таким образом, является допустимым компромиссом между более эффективным (для диффузионной очистки мембраны) и одновременно более дорогим пермеатом и несколько менее эффективной, но относительно дешевой смесью, т.е. обедненной примесями водой, полученной двойной заменой воды в мембране (сначала замена обогащенной примесями воды на исходную воду, а затем смешивание этой исходной воды с пермеатом).

В свою очередь такая диффузионная очистка мембраны обедненной примесями водой в едином асинхронном (т.е. разделенном во времени) процессе обратноосмотической очистки воды мембраной и диффузионной очистки мембраны водой дает возможность направлять часть концентрата с выхода мембраны обратно на вход мембраны, повышая тем самым КПД мембраны (т.е. отношение выхода пермеата к выходу концентрата, сбрасываемого в канализацию) без снижения срока эффективной обратноосмотической работы мембраны (и насоса на входе мембраны).

Достигается технический результат тем, что предложен не имеющий аналогов способ асинхронного осуществления процессов обратноосмотической очистки исходной воды мембраной с перерывами в этой очистке и диффузионной очистки мембраны в этих перерывах обедненной примесями водой, который, во-первых, заключается в подаче с перерывами под соответствующим давлением исходной воды на вход мембраны, осуществляющей при этом в этом обратноосмотическом процессе разделение этой воды на пермеат и концентрат, так что полученный в результате этого разделения пермеат аккумулируют в гидроаккумуляторе, из которого осуществляют выдачу пермеата потребителю пермеата по его запросу, а полученный в результате этого обратноосмотического разделения концентрат направляют в канализацию через гидравлическое сопротивление отвода концентрата, и который, во вторых, характеризуется тем, что в отношении любого перерыва в рассматриваемом процессе обратноосмотической очистки в начале этого перерыва в течение заданного времени через мембрану пропускают исходную воду, сбрасываемую при этом в канализацию в обход упомянутого гидравлического сопротивления, а затем, по окончании этого пропускания исходной воды, из гидроаккумулятора в мембрану в течение заданного времени подают пермеат и тем самым внутри мембраны смешивают этот пермеат с находящейся там исходной водой, формируя тем самым внутри мембраны обедненную примесями воду, излишки которой напрямую сбрасывают при этом в канализацию в обход упомянутого гидравлического сопротивления, после чего в оставшееся время рассматриваемого перерыва осуществляют диффузионную экспозицию указанной внутренней обедненной примесями воды.

Достигается технический результат в заявленном для патентования способе также тем, что к исходной воде в период ее обратноосмотической очистки мембраной подмешивают концентрат, взятый с выхода мембраны.

Достигается технический результат тем, что предложен осуществляющий заявленный способ аппаратно-программный комплекс, который включает повышающий насос (5), предназначенный для подачи воды в мембрану (6) через ее вход (7) по общему входному трубопроводу (3), в разрыв которого включен повышающий насос (5), гидроаккумулятор (12), предназначенный для накопления пермеата, взятого с выхода пермеата (8) этой мембраны, и контроллер (18), предназначенный для асинхронного управления указанными процессами, так что повышающий насос (5) включен в разрыв общего входного трубопровода (3) с возможностью программного управления при помощи контроллера (18) асинхронно осуществляемыми повышающим насосом (5) тремя процессами указанной подачи воды в мембрану (6) по общему входному трубопроводу (3): процессом подачи исходной воды по управляемому контроллером (18) входному трубопроводу (1) подачи исходной воды и по общему входному трубопроводу (3) при помощи повышающего насоса (5) для обратноосмотической очистки этой исходной воды, процессом подачи исходной воды по управляемому контроллером (18)входному трубопроводу (1) подачи исходной воды и по общему входному трубопроводу (3) при помощи повышающего насоса (5) для замены внутри мембраны (6) обогащенной примесями воды на исходную воду и процессом подачи пермеата из гидроаккумулятора (12) по общему входному трубопроводу (3) и по управляемому контроллером (18) трубопроводу (16) обратной подачи пермеата в мембрану (6) при помощи повышающего насоса (5) для смешивания этого пермеата с исходной водой внутри мембраны (6) и формирования тем самым внутри мембраны (6) внутренней обедненной примесями воды с возможностью обеспечиваемой контроллером (18) последующей диффузионной экспозиции этой обедненной примесями воды.

Достигается технический результат в заявленном для патентования аппаратно-программном комплексе также тем, что он содержит трубопровод (19) для управляемой контроллером (18) обратной подачи части концентрата с выхода концентрата (9) мембраны (6) на вход повышающего насоса (5) для его смешивания с исходной водой при помощи тройника (20).

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена функциональная схема заявленного аппаратно-программного комплекса, предназначенного для осуществления заявленного способа; на фиг. 2 - тот же комплекс с добавленным трубопроводом обратной подачи части концентрата в мембрану. При этом на обоих фигурах сплошными линями показаны трубопроводы, а пунктирными линиями электрические соединения. Осуществление изобретения

Аппаратно-программный комплекс в его основной части (фиг. 1) содержит:

- входной трубопровод 1 подачи исходной воды, в разрыв которого включен управляемый клапан 2;

- общий входной трубопровод 3, который своим входом соединен с выходом трубопровода 1 и выходом трубопровода 16 при помощи тройника 4, а своим выходом - с входом 7 мембраны 6, при этом в разрыв трубопровода 3 включен повышающий насос 5;

- полупроницаемую обратноосмотическую мембрану 6 с входом 7 и выходами пермеата (очищенной обратным осмосом воды) 8 и концентрата 9 (т.е. неочищенной воды с существенно повышенной концентрацией примесей);

- гидравлическое сопротивление 10, через которое выход концентрата 9 мембраны 6 гидравлически связан с канализацией и которое определяет отношение производства выхода пермеата 8 к производству выхода концентрата 9;

- управляемый клапан 11, предназначенный для прямого (т.е. минуя сопротивление 10) отведения концентрата 9 в канализацию;

- гидроаккумулятор 12, который внутри себя содержит источник ультрафиолетового излучения для постоянного облучения ультрафиолетом находящейся в гидроаккумуляторе очищенной воды (пермеата) с целью ее дезинфекции (источник не показан) и который снабжен входным патрубком 13, гидравлически связанным при помощи соответствующего трубопровода с выходом пермеата 8 мембраны 6, и выходным патрубком 14, который, с одной стороны гидравлически связан при помощи соответствующего трубопровода с входом насоса 15 для выдачи из гидроаккумулятора 12 пермеата потребителю пермеата, а с другой стороны, гидравлически связан при помощи трубопровода 16 обратной подачи пермеата, тройник 4 и части общего входного трубопровода 3 с входом повышающего насоса 5, при этом в разрыв трубопровода 16 включен управляемый клапан 17, электрически связанный с контроллером 18, а также обратный клапан 24;

- контроллер 18, который предназначен для автоматического управления асинхронно объединенными (т.е. объединенными с разделением времени осуществления) в единый процесс обратноосмотической очистки воды мембраной и диффузионной очистки мембраны очищенной водой, при этом с контроллером электрически связаны управляющие входы всех управляемых клапанов (т.е. клапанов 2, 11, 17), электрические цепи питания всех насосов (т.е. насосов 5, 15), а также датчик уровня воды в гидроаккумуляторе 12 (датчик не показан).

Аппаратно-программный комплекс в его дополнительной части (фиг. 2) дополнительно содержит трубопровод 19 обратной подачи части концентрата с выхода 9 мембраны 6 через тройник 20 на вход повышающего насоса 5, при этом в разрыв этого трубопровода включены гидравлическое сопротивление 21, определяющее искомую возвращаемую часть концентрата, управляемый клапан 22, электрически связанный с контроллером 18, а также обратный клапан 23.

Применяемая в аквавендинговых аппаратах мембрана 6 по экономическим причинам характеризуется относительно небольшой производительностью. При этом в аквавендинге, использующим в качестве исходной воды предварительно очищенную фильтрами воду из сети общего водоснабжения, в большинстве случаев давление сети либо недостаточно для работы мембраны, либо достаточно, но дает слишком малую производительность мембраны, что делает целесообразным применение повышающего насоса 5. Но и в этом случае производительность мембраны 6, как правило, не является такой, что выдача пермеата потребителю пермеата могла бы осуществляться непосредственно с выхода 8 мембраны 6, так как для этого понадобилось бы слишком большое время выдачи пермеата потребителю пермеат, что и обусловливает необходимость применения гидроаккумулятора 12 и, соответственно, достаточно производительного насоса 15.

Повышающий насос 5 предназначен для повышения давления исходной воды с целью обеспечения нормальной работы мембраны 6. При этом в качестве насоса 5 может быть использован диафрагменный насос, что предпочтительно в аквавендинге, использующем обратный осмос. Известно, что диафрагменный насос, с одной стороны, функционально ориентирован именно на повышение давления, а с другой стороны, требует перерывов в работе для предотвращения перегрева его электропривода, что в целом вполне релевантно задачам такого аквавендинга. Кроме того, исходя из задачи электробезопасности необходимо использовать насос с электроприводом постоянного тока небольшой мощности с низковольтным питанием (12, 24, 36, или 48 В), что характерно для диафрагменных насосов, выпускаемых промышленностью.

Выход пермеата 8 мембраны 6 гидравлически связан с входным патрубком 13 гидроаккумулятора 12 (обычно выполненного в виде гравитационного гидроаккумулятора и при этом содержащего внутри себя источник ультрафиолетового излучения), при этом выходной патрубок 14 гидроаккумулятора 12 гидравлически связан (через соответствующий тройник) с входом насоса 15 выдачи пермеата из этого гидроаккумулятора потребителю пермеата и входом трубопровода 16 обратной подачи пермеата.

Что касается выхода концентрата 9 мембраны 6, то он через сопротивление 10 гидравлически связан с канализацией, а параллельно ему (сопротивлению 10) включен управляемый клапан 11 для прямого (т.е. минуя сопротивление 10) отвода концентрата 9 в канализацию на случай (как это предусмотрено в известных способах) промывки мембраны 6 потоком воды. Наличие сопротивления 10 является, как это широко известно, обязательным условием обратноосмотической работы мембраны 6. При этом в рассматриваемом здесь аппаратно-программном комплексе наличие клапана 11 связано с выполнением функции заполнения мембраны 6 обедненной примесями водой (смеси пермеата и исходной воды), вследствие чего эта вода становится внутренней обедненной примесями водой.

Трубопровод 16 обратной подачи пермеата своим входом через соответствующий тройник соединен с выходным патрубком 14 гидроаккумулятора 12 и входом насоса 15, а своим выходом он (трубопровод 16) соединен через тройник 4 с входом общего входного трубопровода 3 и выходом трубопровода 1, при этом в разрыв трубопровода 16 включены управляемый клапан 17, а также обратный клапан 24 для подстраховки от недопустимого движения воды по трубопроводу 16 в сторону гидроаккумулятора 12 и насоса 15, так что при помощи клапана 17 и насоса 5 контроллер 18 при закрытом клапане 2 осуществляет управление процессом обратной подачи пермеата из гидроаккумулятора 12 в мембрану 6 для его (пермеата) смешивания с находящейся в мембране 6 исходной водой.

Кроме того, дополнительно (в порядке опции, фиг. 2) комплекс содержит трубопровод 19 обратной подачи концентрата (точнее, части концентрата) с выхода концентрата 9 мембраны 6 на вход насоса 5 через тройник 20, а также через гидравлическое сопротивление 21, управляемый клапан 22 и обратный клапан 23, включенные в разрыв трубопровода 19. При этом величина гидравлического сопротивления 21 определяет ту долю концентрата 9, которую надо подмешать к исходной воде на входе повышающего насоса 5 с целью повышения КПД мембраны 6 (т.е. повышения производства пермеата 8 относительно производства концентрата 9, направляемого в канализацию через сопротивление 10). Что касается обратного клапана 23, то он предназначен лишь для подстраховки от недопустимого движения воды по трубопроводу 19 в сторону выхода концентрата 9 мембраны 6 и клапана 11.

Работа аппаратно-программного комплекса в его основном варианте выполнения (фиг. 1) и пример осуществления способа заключается в следующем.

В период времени, предшествующий началу работы комплекса, насосы 5 и 15 выключены, управляемые клапаны 2, 11, 17 закрыты, а гидроаккумулятор 12 пуст.

При включении комплекса в работу контроллер 18 открывает клапан 2 и включает насос 5. Вследствие этого исходная вода (взятая из сети общего водоснабжения и предварительно очищенная фильтрами) поступает под давлением, создаваемым насосом 5, в мембрану 6 через ее вход 7. В мембране 6 осуществляется разделение исходной воды на пермеат (выход 8 мембраны) и концентрат (выход 9 мембраны, т.е. неочищенную воду с существенно повышенной концентрацией примесей). При этом концентрат 9 через сопротивление 10 поступает в канализацию, а пермеат 8 через входной патрубок 13 поступает в гидроаккумулятор 12 до его полного заполнения.

Побочным и неизбежным продуктом этого процесса обратного осмоса является, как известно, образование на внутренней поверхности мембраны 6 слоя отложений молекул веществ примесей, которые по определению содержатся в исходной воде и которые, зайдя вместе с исходной водой в мембрану 6, не прошли через поры мембраны 6 и вследствие этого значительная их часть «застряли» на входе в поры мембраны, закрывая тем самым ее поры и повышая тем сам гидравлическое сопротивление мембраны, снижающее со временем ее производительность.

Но, кроме того, другая «не застрявшая» их часть по окончании рассматриваемого обратноосмотического периода, осталась в объеме той исходной воды, которая осталась внутри мембраны 6, и которая по этой причине имеет более высокий процент содержания примесей по отношению к исходной воды (измерения показали превышение в 2-2,5 раза). По этой причине эту оставшуюся внутри мембраны исходную воду мы (в рамках данной заявки) идентифицируем как внутреннюю обогащенную примесями воду (т.е. внутреннюю для мембраны 6).

По заполнении гидроаккумулятора 12 заканчивается конкретный период обратноосмотической очистки исходной воды и начинается перерыв в этой очистке. В связи с этим в начале этого перерыва по сигналу датчика уровня воды в гидроаккумуляторе (датчик не показан) контроллер 18 открывает на короткое время (порядки 10 секунд, т.е. на заведомо меньшее время относительно времени данного конкретного перерыва) клапан 11, в то время как клапан 2 остается открытым и насос 5 продолжает работать. В результате этого исходная вода, подаваемая по-прежнему насосом 5 в мембрану 6, не проходит обратноосмотический процесс ее очистки (т.е. не проходит через мембрану 6 на ее выход 8 в виде пермеата), а вся эта исходная вода, входя в мембрану 6, вытесняет из мембраны 6 находящуюся там внутреннюю обогащенную примесями воду, которая вследствие этого вытесняется в канализацию через открытый клапан 11. В результате происходит полная замена внутри мембраны 6 содержащейся в ней внутренней обогащенной воды на исходную воду, в которой концентрация примесей примерно в 2-2,5 раза меньше относительно указанной внутренней обогащенной воды. При этом данный период времени (назовем его периодом первой замены воды в мембране) рассчитывается заранее и по его окончании контроллер 18 закрывает клапан 2 и на заданное время (меньшее относительно разности времени перерыва и времени периода первой замены воды) открывает клапан 17 (насос 5 продолжает работать, а клапан 11 по-прежнему открыт). В результате этого пермеат через выходной патрубок 14 из гидроаккумулятора 12 по трубопроводу 16, через открытый клапан 17, обратный клапан 24, тройник 4 и трубопровод 3 благодаря продолжающейся работе насоса 5 поступает в мембрану 6 через ее вход 7, смешиваясь с находящейся в мембране 6 исходной водой, излишки которой при этом сбрасываются в канализацию через открытый клапан 11. Причем именно смешивается, но не вытесняет, в результате чего внутри мембраны 6 образуется смесь пермеата и исходной воды, т.е. внутренняя обедненная примесями вода (обедненная относительно исходной воды). Происходит, следовательно, вторая замена воды в мембране 6, условия которой определяются периодом времени, на которое открывается клапан 17 (период второй замены воды в мембране). По его окончании контроллер закрывает клапаны 11 и 17 и выключает насос 5 (клапан 2 остается закрытым); наступает период диффузионной экспозиции находящейся внутри мембраны смеси пермеата и исходной воды (т.е. внутренней обедненной примесями воды), который длится до конца перерыва.

При этом в течение всего этого оставшегося времени перерыва внутренняя обедненная примесями вода неподвижно находится в трубопроводе 3, в насосе 5 и, самое главное, в мембране 6. При таких обстоятельствах далее до конца перерыва осуществляется диффузионная экспозиция этой внутренней обедненной примесями воды в мембране 6 (а также в трубопроводе 3 и насосе 5) в течение всего рассматриваемого перерыва в ее работе. Эта диффузионная экспозиция заключается в том, что эта внутренняя обедненная примесями вода в течение всего времени перерыва в работе мембраны 6 находится в мембране 6 без движения. При этом, поскольку концентрация молекул примесей в объеме этой внутренней обедненной примесями воды весьма мала, а в пристенном слое отложений мембраны 6 наоборот, весьма высока, то благодаря именно такой значительной разности концентраций примесей в течение всего рассматриваемого перерыва осуществляется спонтанная диффузия молекул примесей из пристенного слоя мембраны 6 в объем внутренней обедненной примесями воды, в результате чего пристенный слой мембраны 6 обедняется молекулами примесей (т.е. происходит процесс диффузионной очистки мембраны 6), а внутренняя обедненная примесями вода наоборот обогащается, приближаясь тем самым по своему составу к исходной воде или даже становясь эквивалентным ей. В связи с этим можно утверждать, что и в насосе 5 (как и в трубопроводе 3) при определенных условиях может образовываться налет примесей на их внутренних поверхностях, и тогда данный диффузионный процесс позволит произвести и их диффузионную очистку.

Этот первый перерыв заканчивается тогда, когда приходит первый потребитель пермеата и запускает процесс выдачи ему воды, а контроллер 18 вследствие этого включает насос 15, осуществляющий выдачу пермеата из гидроаккумулятора 12 в тару потребителя пермеата с приемлемой для этого автономной производительностью. В свою очередь эта выдача ведет к понижению уровня пермеата в гидроаккумуляторе 12, что требует соответствующей компенсации. Тогда по сигналу от датчика уровня воды в гидроаккумуляторе 12 контроллер 18 открывает клапан 2 и включает насос 5, запуская тем самым обычную обратноосмотическую работу мембраны 6. В результате этой обычной работы на вход 7 мембраны 6 поступает исходная вода, поток которой неизбежно интегрируется с внутренней (диффузионно обогащенной) водой мембраны 6, и вся эта, образно говоря «интегрированная», вода проходит далее обычное обратноосмотическое разделение мембраной 6 на пермеат 8 и концентрат 9, так что полученный пермеат 8 как обычно поступает в гидроаккумулятор 12, а концентрат 9 - в канализацию через сопротивление 10.

После окончания описанных выше процессов возникает второй перерыв с теми же процессами, что и в первом перерыве, после которого до системы доходит второй потребитель очищенной воды (пермеата) и так далее. Таким образом, процесс аквавендинга характеризуется наличием последовательности перерывов в работе мембраны 6 с неопределенным числом перерывов в этой последовательности и неопределенным временем каждого перерыва. И при этом каждый перерыв используется для диффузионной очистки мембраны 6 путем диффузионной экспозиции внутренней обедненной примесями воды в мембране 6. При этом высокая эффективность такой диффузионной очистки во многом обусловлена тем, что она производится в отношении частиц примесей на поверхности мембраны 6, которых еще мало на поверхности мембраны 6 и которые еще не успели как следует закрепиться на поверхности мембраны 6, так как процесс ее диффузионной очистки начинается сразу же, как только заканчивается очередной предшествующий этой очистке рабочий период обратного осмоса. Те же эффекты диффузионной очистки при помощи диффузионной экспозиции внутренней обедненной примесями воды относятся и к трубопроводу 3 и к насосу 5, хотя это и не так актуально, поскольку степень их возможного загрязнения много меньше относительно загрязнения мембраны 6.

В производном варианте на фиг. 2 дополнительно предусмотрена обратная подача части концентрата с выхода 9 мембраны 6 на вход насоса 5, чем осуществляется подмешивание концентрата в исходную воду в процессе ее подачи в мембрану 6 насосом 5 (клапаны 2 и 22 открыты, насос 5 включен, клапаны 11 и 17 закрыты). Это делается, как известно, для повышения КПД мембраны 6 (повышения отношения выхода пермеата 8 к выходу концентрата 9, направляемого в канализацию). Однако, и это также известно, такое повышение КПД мембраны 6 ускоряет процесс засорения мембраны 6 примесями исходной воды, сокращая тем самым срок ее службы. Отсюда повышенные требования к эффективности очистки мембраны 6. Этому условию удовлетворяет диффузионная очистка мембраны путем периодически повторяемой диффузионной экспозиции внутренней обедненной примесями воды в мембране. Именно частая повторяемость указанной диффузионной экспозиции (обусловленная использованием для этого каждого или почти каждого перерыва в обратноосмотической работе мембраны), когда частицы примесей не успевают закрепиться на поверхности мембраны, и создает тот компенсационный эффект, который сводит на нет указанное ускоренное засорение мембраны.

Изобретения относятся к аквавендингу, а именно к автоматам продажи питьевой воды, полученной из воды сети общего водоснабжения путем ее многоступенчатой очистки с использованием обратного осмоса. Исходную воду подают с перерывами под соответствующим давлением в мембрану обратного осмоса. Полученный пермеат аккумулируют в гидроаккумуляторе, а полученный концентрат направляют в канализацию через гидравлическое сопротивление отвода концентрата. В отношении любого перерыва в его начале в течение заданного времени через мембрану пропускают исходную воду, сбрасываемую в канализацию в обход гидравлического сопротивления. Из гидроаккумулятора в мембрану подают пермеат и внутри мембраны смешивают этот пермеат с находящейся там исходной водой, формируя внутри мембраны обедненную примесями воду. После этого в оставшееся время перерыва осуществляют диффузионную экспозицию обедненной примесями воды. Аппаратно-программный комплекс содержит повышающий насос 5, мембрану 6, гидроаккумулятор 12. Насос 5 включен в разрыв общего входного трубопровода 3. Контроллер 18 осуществляет программное управление насосом 5 тремя процессами подачи воды в мембрану 6 по общему входному трубопроводу 3: процессом подачи исходной воды по трубопроводам 1 и 3 для обратноосмотической очистки исходной воды, процессом подачи исходной воды по трубопроводам 1 и 3 для замены внутри мембраны 6 обогащенной примесями воды на исходную воду и процессом подачи пермеата из гидроаккумулятора 12 по трубопроводам 16 и 3 в мембрану 6 для смешивания пермеата с исходной водой внутри мембраны 6 и формирования внутри мембраны 6 внутренней обедненной примесями воды. Контроллер 18 обеспечивает последующую диффузионную экспозицию обедненной примесями воды. Технический результат: повышение эффективности очистки и уменьшение засорения мембраны без дополнительного расхода промывочной воды с использованием смеси пермеата и исходной воды. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ асинхронного осуществления процессов обратноосмотической очистки исходной воды мембраной с перерывами в этой очистке и диффузионной очистки мембраны в этих перерывах обеднённой примесями водой, заключающийся в подаче с перерывами под соответствующим давлением исходной воды на вход мембраны, осуществляющей при этом в этом обратноосмотическом процессе разделение этой воды на пермеат и концентрат, так что полученный в результате этого разделения пермеат аккумулируют в гидроаккумуляторе, из которого осуществляют выдачу пермеата потребителю пермеата по его запросу, а полученный в результате этого обратноосмотического разделения концентрат направляют в канализацию через гидравлическое сопротивление отвода концентрата, характеризующийся тем, что в отношении любого перерыва в рассматриваемом процессе обратноосмотической очистки в начале этого перерыва в течение заданного времени через мембрану пропускают исходную воду, сбрасываемую при этом в канализацию в обход упомянутого гидравлического сопротивления, затем, по окончании этого пропускания исходной воды, из гидроаккумулятора в мембрану в течение заданного времени подают пермеат и тем самым внутри мембраны смешивают этот пермеат с находящейся там исходной водой, формируя тем самым внутри мембраны обеднённую примесями воду, излишки которой напрямую сбрасывают при этом в канализацию в обход упомянутого гидравлического сопротивления, после чего в оставшееся время рассматриваемого перерыва осуществляют диффузионную экспозицию указанной обеднённой примесями воды.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что к исходной воде в период её обратноосмотической очистки мембраной подмешивают концентрат, взятый с выхода мембраны.

3. Аппаратно-программный комплекс для асинхронного осуществления процессов обратноосмотической очистки исходной воды мембраной с перерывами в этой очистке и диффузионной очистки мембраны в этих перерывах обеднённой примесями водой, который при этом включает повышающий насос (5), предназначенный для подачи воды в мембрану (6) через её вход (7) по общему входному трубопроводу (3), в разрыв которого включен повышающий насос (5), гидроаккумулятор (12), предназначенный для накопления пермеата, взятого с выхода пермеата (8) этой мембраны, и контроллер (18), предназначенный для асинхронного управления указанными процессами, так что повышающий насос (5) включен в разрыв общего входного трубопровода (3) с возможностью программного управления при помощи контроллера (18) асинхронно осуществляемыми повышающим насосом (5) тремя процессами указанной подачи воды в мембрану (6) по общему входному трубопроводу (3): процессом подачи исходной воды по управляемому контроллером (18) входному трубопроводу (1) подачи исходной воды и по общему входному трубопроводу (3) при помощи повышающего насоса (5) для обратноосмотической очистки этой исходной воды, процессом подачи исходной воды по управляемому контроллером (18) входному трубопроводу (1) подачи исходной воды и по общему входному трубопроводу (3) при помощи повышающего насоса (5) для замены внутри мембраны (6) обогащённой примесями воды на исходную воду и процессом подачи пермеата из гидроаккумулятора (12) по общему входному трубопроводу (3) и по управляемому контроллером (18) трубопроводу (16) обратной подачи пермеата в мембрану (6) при помощи повышающего насоса (5) для смешивания этого пермеата с исходной водой внутри мембраны (6) и формирования тем самым внутри мембраны (6) внутренней обеднённой примесями воды с возможностью обеспечиваемой контроллером (18) последующей диффузионной экспозиции этой обеднённой примесями воды.

4. Аппаратно-программный комплекс по п.3, характеризующийся тем, что содержит трубопровод (19) для управляемой контроллером (18) обратной подачи части концентрата с выхода концентрата (9) мембраны (6) на вход повышающего насоса (5) для его смешивания с исходной водой при помощи тройника (20).