Картридж для очистки жидкости с фильтрующей загрузкой пониженной влажности Российский патент 2023 года по МПК B01D27/02 C02F1/28 C02F1/42 

[01] Область техники

[02] Изобретение относится к области очистки жидкостей, а именно к фильтрационным устройствам, предназначенным для использования в фильтрах для очистки жидкостей, преимущественно в фильтрах кувшинного типа для получения питьевой воды.

[03] Уровень техники

[04] Из уровня техники известны фильтрационные устройства (картриджи, фильтровальные патроны, сменные фильтры, кассеты), состоящие из корпуса, заполненного фильтрующей загрузкой (материалом, сорбентом), и крышки. В крышке расположены входные отверстия для очищаемой жидкости и отверстия для оттока воздуха. Фильтрующая загрузка таких устройств, в большинстве случаев, выполнена на основе ионообменных смол с влажностью 48-58% (см. таблицу 2 ГОСТ 20298-74 «Смолы ионообменные. Катеониты», 01.01.1976). Между крышкой и корпусом обычно установлено средство фиксации фильтрующей загрузки в виде сетки, мембраны или прокладки. В нижней части корпуса таких устройств расположены одно или несколько отверстий для выхода очищенной жидкости. Фильтрационное устройство вставляют в емкость для приема исходной жидкости. Исходная жидкость проходит сквозь отверстия, расположенные в крышке, и ниже через фильтрующую загрузку, далее очищенная жидкость через отверстие (или отверстия) в нижней части корпуса поступает в приемную емкость (емкость для очищенной жидкости).

[05] Использование в описанных фильтрационных устройствах средства фиксации, выполненного в виде сетки, мембраны или прокладки, приводит достаточно часто к замедлению или прерыванию процесса фильтрации из-за воздушного пузыря, который появляется под средством фиксации, перекрывая его эффективное сечение из-за возникновения на поверхности средства фиксации фильтрующей загрузки поверхностного натяжения. Образование воздушного пузыря объясняется тем, что при протекании жидкости через фильтрующую загрузку воздух, находящийся между гранулами или волокнами сорбента, а также внутри пористой структуры сорбента, вытесняется жидкостью вверх и скапливается под средством фиксации фильтрующей загрузки.

[06] Большинство известных технических решений, разработанных с учетом описанной технической проблемы, направлены на усовершенствование конструкции средства фиксации, расположенного между корпусом, в котором располагается фильтрующая загрузка и крышки устройства. В частности, из патента РФ RU 2241522, 20.04.2004 известно устройство фильтрационное, состоящее из корпуса, заполненного фильтрующей загрузкой, и имеющее не менее одного выходного отверстия в основании, крышки с отверстиями для входа жидкости и оттока воздуха и средства фиксации фильтрующей загрузки в виде сетчатой вставки, расположенного между корпусом и крышкой. При этом у сетчатой вставки из текстильного полотна имеется по меньшей мере одна часть, выступающая во внутренний объем крышки таким образом, что по обе стороны наиболее удаленной от стаканообразного корпуса сетчатой вставки в течение преобладающей части от всей длительности процесса фильтрации находится воздух.

[07] Недостатком данного фильтрационного устройства является ограниченный объем выступающей части сетчатой вставки, предназначенной для накопления воздуха, а также сложность изготовления средства фиксации, отвечающего всем предъявляемым требованиям (форма, расположение, размер, материал), позволяющим обеспечить высокую скорость фильтрации жидкости.

[08] Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является устройство фильтрационное, описанное в патенте РФ RU 2262976, 27.10.2005. Данное устройство содержит полый корпус, в нижней части которого выполнены отверстия для выхода очищенной жидкости, крышку с отверстиями для входа очищаемой жидкости и оттока воздуха, размещенную сверху корпуса, средство фиксации фильтрующей загрузки, размещенное между корпусом и крышкой, и фильтрующую загрузку, размещенную в полости корпуса.

[09] Недостатком данного устройства является то, что выход скопившегося воздуха, препятствующего прохождению жидкости в корпус устройства, обеспечивается за счет средства фиксации клапанного типа. В следствие того, что процесс пропускания жидкости внутрь фильтрующей загрузки происходит одновременно с выходом воздуха из зоны фильтрации через клапан, скорость фильтрации жидкости при этом низкая.

[010] Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, являются низкие эксплуатационные характеристики устройства.

[011] Раскрытие сущности изобретения

[012] Технический результат изобретения заключается в увеличении скорости фильтрации жидкости и повышении пропускной способности картриджа для очистки жидкости за счет полного удаления воздуха из картриджа, повышении эффективности очистки жидкости от загрязняющих веществ, в частности, солей жесткости, за счет плотного заполнения максимального объема корпуса картриджа фильтрующей загрузкой в набухшем виде, а также в упрощении конструкции картриджа.

[013] Указанный технический результат достигается за счет того, что картридж для очистки жидкости с фильтрующей загрузкой пониженной влажности содержит полый корпус, в нижней части которого выполнено отверстие для выхода очищенной жидкости, крышку с отверстиями для входа очищаемой жидкости и оттока воздуха, размещенную сверху корпуса, верхнее средство фиксации фильтрующей загрузки, размещенное между корпусом и крышкой, нижнее средство фиксации фильтрующей загрузки, размещенное в нижней части корпуса, и фильтрующую загрузку в виде твердых сорбентов, размещенную в полости корпуса между верхним и нижним средствами фиксации, при этом фильтрующая загрузка содержит макропористую слабокислотную катионообменную смолу с гидрофильными ионогенными группами с влажностью от 5 до 30% и размещена в полости корпуса в объеме, обеспечивающим его заполнение до уровня соприкосновения с верхним средством фиксации при поступлении очищаемой жидкости в полость корпуса.

[014] В частных случаях реализации изобретения:

[015] - в качестве твердых сорбентов использованы гранулированные и/или волокнистые сорбенты;

[016] - фильтрующая загрузка дополнительно содержит гранулированный активированный уголь и/или активированные углеродные волокна;

[017] - в качестве гранулированного активированного угля использованы, по меньшей мере, один из следующих компонентов: кокосовый активированный уголь, каменноугольный активированный уголь, древесный активированный уголь, косточковый активированный уголь, активированный уголь, импрегнированный серебром до 0,4 мас. %;

[018] - фильтрующая загрузка включает следующие компоненты в соотношении, об.%: активированный уголь от 25,0 до 70,0; активированный уголь, импрегнированный серебром от 0,5 до 5,0; макропористая слабокислотная катионообменная смола от 25,0 до 70,0;

[019] - в качестве гидрофильных ионогенных групп катионообменной смолы использованы карбоновые кислоты или натриевые/калиевые соли карбоновых кислот;

[020] - верхнее и нижнее средства фиксации фильтрующей загрузки выполнены в виде сетчатой или пористой вставки, диаметр ячейки или пор которых не превышает размера частиц фильтрующей загрузки;

[021] - полная обменная емкость макропористой слабокислотной катионообменной смолы составляет не менее 4,2 г⋅экв/л.

[022] Использование макропористой слабокислотной катионообменной смолы с гидрофильными ионогенными группами с влажностью от 5 до 30% обусловлено тем, что такие характеристики ионообменной смолы обеспечивают высокую набухаемость сорбента, коэффициент набухаемости которого при этом составляет от 2,0 до 1,4, соответственно, в то время как обычно используемые для очистки жидкости ионообменные смолы, как отмечено выше, имеют влажность не менее 48% и, следовательно, более низкий коэффициент набухаемости. Указанные значения коэффициента набухаемости ионообменной смолы в заявленном изобретении позволяют использовать малое количество фильтрующей загрузки в картридже, при этом после контакта фильтрующей загрузки с жидкостью обеспечивается заполнение не менее чем 100% объема корпуса картриджа со скоростью, обеспечивающей быстрое удаление (выталкивание) воздуха, образующегося между гранулами сорбента. При этом фильтрующая загрузка в набухшем виде соприкасается с верхним средством фиксации в виде сетчатой вставки, расположенной между корпусом и крышкой картриджа, за счет чего устраняется поверхностное натяжение, возникающее на верхнем средстве фиксации и осуществляется беспрепятственные протекание жидкости через верхнее средство фиксации и выход воздуха из корпуса картриджа, что обеспечивает высокую скорость фильтрации жидкости. Заполнение не менее чем 100% объема корпуса картриджа фильтрующей загрузкой в набухшем виде обеспечивает эффективное использование всего объема картриджа для очистки большего количества жидкости, и соответственно, высокую пропускную способность картриджа, его рабочий ресурс и более эффективную очистку жидкости от загрязняющих веществ. Плотное заполнение корпуса картриджа фильтрующей загрузкой минимизирует вероятность возникновения канального эффекта в картридже, что также повышает эффективность очистки жидкости от загрязняющих веществ.

[023] Допущение, что в известных аналогах изобретения с влажностью ионообменной смолы не менее 48%, использующейся в фильтрующей загрузке, за счет заполнения корпуса картриджа большим количеством сухой фильтрующей загрузки обеспечивается соприкосновение фильтрующей загрузки с верхним средством фиксации, не может свидетельствовать о достижении такого же технического результата. Это связано с тем, что пониженная влажность ионообменной смолы от 5 до 30% заявленного технического решения обеспечивает высокую скорость набухания фильтрующей загрузки и, соответственно, лучшее удаление воздуха из картриджа, что приводит к высокой скорости фильтрации жидкости.

[024] Таким образом, степень (коэффициент) набухаемости ионообменной смолы зависит от:

[025] - влажности (массовой доли влажности), которая составляет от 5 до 30%, что значительно меньше, чем в обычно используемых в фильтрующей загрузке ионообменных смолах;

[026] - структуры матрицы (каркаса) ионообменной смолы. Макропористая полимерная матрица катионообменной смолы, на основе которой выполнена фильтрующая загрузка по настоящему изобретению, обладает более высокой набухаемостью за счет своей губчатой структуры в отличие от гелевых матриц ионообменных смол;

[027] - наличия гидрофильных групп. Введение гидрофильных ионогенных групп в матрицу ионообменной смолы обеспечивает ее способность к набуханию и превращает смолу в полиэлектролит.

[028] Краткое описание чертежей

[029] Изобретение поясняется фигурой, где приведена конструкция картриджа для очистки жидкости с фильтрующей загрузкой пониженной влажности в разрезе. [030] Элементы обозначены на фигуре следующими позициями:

1 - корпус;

2 - крышка;

3 - отверстия в крышке (2) для входа очищаемой жидкости и оттока воздуха из корпуса (1);

4 - верхнее средство фиксации между корпусом (1) и крышкой (2);

5 - нижнее средство фиксации в нижней части корпуса (1);

6 - отверстие для выхода очищенной жидкости из корпуса (1);

7 - фильтрующая загрузка;

8 - выступ, соединяющий корпус (1), крышку (2), верхнее средство фиксации (4).

[031] Осуществление изобретения

[032] Картридж для очистки жидкости (фиг. 1) состоит из корпуса (1), заполненного фильтрующей загрузкой (материалом) (7) и крышки (2). В крышке (2), расположенной сверху корпуса (1), спроектированы отверстия (3) для входа очищаемой жидкости внутрь корпуса (1) и оттока воздуха из корпуса (1). В нижней части (основании) корпуса (1) спроектировано отверстие (6) для выхода очищенной жидкости из корпуса (1). Внутри корпуса (1) установлены верхнее и нижнее средства фиксации (4,5) фильтрующей загрузки (7), выполненные в виде сетчатой или пористой вставки или в виде любой другой проницаемой для жидкости структуры, позволяющей удерживать фильтрующую загрузку. Верхнее средство фиксации (4) расположено между корпусом (1) и крышкой (2), нижнее средство фиксации (5) - между фильтрующей загрузкой (7) и основанием корпуса (1) перед отверстием (6) для выхода очищенной жидкости. Верхнее средство фиксации (4) фильтрующей загрузки (7) выполнено гибким для удерживания фильтрующей загрузки (7) в набухшем виде при заполнении объема корпуса (1) от 100 до 130%. Корпус (1) может иметь стаканообразную форму. В верхней части корпуса (1) предусмотрен кольцеобразный выступ (8), служащий для соединения крышки (2) с внутренней поверхностью корпуса (1) и верхним средством фиксации (4), например, методом ультразвуковой сварки. Нижнее средство фиксации (5), расположенное между фильтрующей загрузкой (7) и основанием корпуса (1), может быть соединено со стенками корпуса (1) также методом ультразвуковой сварки.

[033] Далее приведены примеры фильтрующей загрузки (7) картриджа для очистки жидкости.

[034] Пример 1 - Фильтрующая загрузка, содержащая в об. %: гранулированный кокосовый активированный уголь (например, марки КА- 67,5 УСОРБ 12×40),

макропористая слабокислотная катионообменная смола в Na⁺/H⁺форме с 27,5 влажностью 5% (например, марки ТОКЕМ 250),

гранулированный кокосовый активированный уголь, импрегнированный 5,0 серебром 0,1 мас. % (например, марки CarboTech DGK 12×40 01 AG).

[035] Пример 2 - Фильтрующая загрузка, содержащая в об. %:

гранулированный древесный активированный уголь (например, марки БА- 48,75 УСОРБ 12×40),

макропористая слабокислотная катионообменная смола в Na⁺+K⁺/H⁺48,75 форме с влажностью 15% (например, марки ТОКЕМ 250),

гранулированный кокосовый активированный уголь, импрегнированный 2,5 серебром 0,3 мас. %. (например, марки CarboTech DGK 12×40 03AG)

[036] Пример 3 - Фильтрующая загрузка, содержащая в об.%: гранулированный каменноугольный активированный уголь (например, 29,5 марки ДАУСОРБ 12×40),

макропористая слабокислотная катионообменная смола в K⁺/Н⁺форме с 70,0 влажностью 30% (например, марки ТОКЕМ 250),

гранулированный кокосовый активированный уголь, импрегнированный 0,5 серебром 0,4 мас. % (например, марки CarboTech DGK 12×40 04AG).

[037] В фильтрующей загрузке можно использовать ионообменные смолы и компоненты других производителей. При этом наличие в фильтрующей загрузке активированного угля не является строго обязательным для достижения технического результата, заключающегося в увеличении скорости фильтрации жидкости и повышении пропускной способности картриджа.

[038] В таблице 1 приведены результаты испытаний фильтрующей загрузки по примеру 1 настоящего изобретения и фильтрующих загрузок с другими параметрами влажности для сравнения при следующем соотношении компонентов: катионообменная смола 27,5 об. %, гранулированный кокосовый активированный уголь 67,5 об. %, гранулированный кокосовый активированный уголь, импрегнированный серебром 5,0 об. %.

[039] В таблице 2 приведены результаты испытаний фильтрующей загрузки по примеру 2 настоящего изобретения и фильтрующих загрузок с другими параметрами влажности для сравнения при следующем соотношении компонентов: катионообменная смола 48,75 об. %, гранулированный древесный активированный уголь 48,75 об. %, гранулированный кокосовый активированный уголь, импрегнированный серебром 2,5 об. %.

[040] В таблице 3 приведены результаты испытаний фильтрующей загрузки по примеру 3 настоящего изобретения и фильтрующих загрузок с другими параметрами влажности для сравнения при следующем соотношении компонентов: катионообменная смола 70,0 об. %, гранулированный каменноугольный активированный уголь 29,5 об. %, гранулированный кокосовый активированный уголь, импрегнированный серебром 0,5 об. %.

[041] Данные по таблицам 1-3 приведены для стандартного картриджа, имеющего высоту 133 мм и диаметр 62,4 мм.

[045] Как следует из приведенных данных наилучшие результаты значения скорости фильтрации жидкости при прочих равных условиях достигаются при параметрах влажности ионообменной смолы от 5 до 30% и коэффициента набухания (который, по большей части, зависит от влажности) фильтрующей загрузки от 2,0 до 1,4 соответственно.

[046] Заполнение объема корпуса картриджа не менее чем на 100% обеспечивает более высокую пропускную способность картриджа, повышенную эффективность очистки жидкости от загрязняющих веществ по сравнению с аналогами, в которых реализуется меньшее заполнение или используются ионообменные смолы с большей влажностью

[047] Ниже приведен принцип работы устройства.

[048] Картридж для очистки жидкости с фильтрующей загрузкой пониженной влажности вставляют в отверстие емкости для очищаемой жидкости, предпочтительно кувшинного типа. Неочищенная жидкость через имеющиеся в крышке (2) отверстия (3) поступает внутрь корпуса (1) картриджа и проходит через верхнее средство фиксации (4) и затем через фильтрующую загрузку (7). При контакте с жидкостью ионообменная смола, на основе которой изготовлена фильтрующая загрузка (7), стремительно набухает, заполняя объем корпуса (1) картриджа не менее чем на 100% так, что фильтрующая загрузка (7) соприкасается с поверхностью верхнего средства фиксации (4). Жидкость выходит очищенной от различных загрязнений через нижнее средство фиксации (5) и далее через отверстия (6), расположенные в основании корпуса (1). При этом воздух, скопившийся между частицами фильтрующей загрузки, а также в порах фильтрующей загрузки (7), вытесняется жидкостью и проходит через верхнее средство фиксации (4) и затем через отверстия (3) в крышке (2) картриджа наружу, за счет чего процесс очистки жидкости протекает без прерывания фильтрации с высокой скоростью.

[049] Таким образом, рассматриваемое техническое решение обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками, такими как повышенная пропускная способность картриджа для очистки жидкости, увеличенная скорость фильтрации жидкости, повышенная эффективность очистки жидкости от загрязняющих веществ, в частности, солей жесткости.

Изобретение относится к области очистки жидкостей, а именно к фильтрационным устройствам, предназначенным для использования в фильтрах для очистки жидкостей, преимущественно в фильтрах кувшинного типа для получения питьевой воды. Картридж для очистки жидкости с фильтрующей загрузкой пониженной влажности включает полый корпус (1), в нижней части которого выполнено отверстие (6) для выхода очищенной жидкости, крышку (2) с отверстиями (3) для входа очищаемой жидкости и оттока воздуха, размещенную сверху корпуса (1), верхнее средство фиксации (4) фильтрующей загрузки (7), размещенное между корпусом (1) и крышкой (2), нижнее средство фиксации (5) фильтрующей загрузки (7), размещенное в нижней части корпуса (1), фильтрующую загрузку (7) в виде твердых сорбентов, размещенную в полости корпуса (1) между верхним и нижним средствами фиксации (4, 5). Фильтрующая загрузка (7) содержит макропористую слабокислотную катионообменную смолу с гидрофильными ионогенными группами с влажностью от 5 до 30% и размещена в полости корпуса (1) в объеме, обеспечивающем его заполнение до уровня соприкосновения с верхним средством фиксации (4) при поступлении очищаемой жидкости в полость корпуса (1). Технический результат: увеличение скорости фильтрации жидкости и повышение пропускной способности картриджа для очистки жидкости за счет полного удаления воздуха из картриджа, повышение эффективности очистки жидкости от загрязняющих веществ за счет плотного заполнения максимального объема корпуса картриджа фильтрующей загрузкой в набухшем виде, упрощение конструкции картриджа. 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл., 3 пр.

1. Картридж для очистки жидкости, включающий

полый корпус (1), в нижней части которого выполнено отверстие (6) для выхода очищенной жидкости,

крышку (2) с отверстиями (3) для входа очищаемой жидкости и оттока воздуха, размещенную сверху корпуса (1),

верхнее средство фиксации (4) фильтрующей загрузки (7), размещенное между корпусом (1) и крышкой (2),

нижнее средство фиксации (5) фильтрующей загрузки (7), размещенное в нижней части корпуса (1),

фильтрующую загрузку (7) в виде твердых сорбентов, размещенную в полости корпуса (1) между верхним и нижним средствами фиксации (4, 5),

отличающийся тем, что фильтрующая загрузка (7) содержит макропористую слабокислотную катионообменную смолу с гидрофильными ионогенными группами с влажностью от 5 до 30%, при этом фильтрующая загрузка (7) размещена в полости корпуса (1) в объеме, обеспечивающем его заполнение до уровня соприкосновения с верхним средством фиксации (4) при поступлении очищаемой жидкости в полость корпуса (1).

2. Картридж для очистки жидкости по п. 1, отличающийся тем, что в качестве твердых сорбентов использованы гранулированные и/или волокнистые сорбенты.

3. Картридж для очистки жидкости по п. 1 или 2, отличающийся тем, что фильтрующая загрузка (7) дополнительно содержит гранулированный активированный уголь и/или активированные углеродные волокна.

4. Картридж для очистки жидкости по п. 3, отличающийся тем, что в качестве гранулированного активированного угля использован, по меньшей мере, один из следующих компонентов: кокосовый активированный уголь, каменноугольный активированный уголь, древесный активированный уголь, косточковый активированный уголь, активированный уголь, импрегнированный серебром до 0,4 мас.%.

5. Картридж для очистки жидкости по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что фильтрующая загрузка (7) включает следующие компоненты в соотношении, об.%:

активированный уголь 25,0-70,0 активированный уголь, импрегнированный серебром 0,5-5,0 макропористая слабокислотная катионообменная смола 25,0-70,0

6. Картридж для очистки жидкости по п. 1, отличающийся тем, что в качестве гидрофильных ионогенных групп катионообменной смолы использованы карбоновые кислоты или натриевые/калиевые соли карбоновых кислот.

7. Картридж для очистки жидкости по п. 1, отличающийся тем, что верхнее и нижнее средства фиксации (4, 5) фильтрующей загрузки (7) выполнены в виде сетчатой или пористой вставки, диаметр ячейки или пор которой не превышает размера частиц фильтрующей загрузки (7).

8. Картридж для очистки жидкости по п. 1, отличающийся тем, что полная обменная емкость макропористой слабокислотной катионообменной смолы составляет не менее 4,2 г-экв/л.