СПОСОБ ПРЕРЫВИСТОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОБРАТНЫМ ОСМОСОМ Российский патент 2023 года по МПК C02F1/44 B01D61/02 G07F13/00 

Область техники, к которой, относится изобретение

Изобретение относится к аквавендинговым аппаратам, т.е. к автоматам продажи питьевой воды, полученной из воды сети общего водоснабжения путем ее многоступенчатой очистки с использованием обратного осмоса, характеризующегося прерывистым характером своего функционирования, объективно обусловленным характером аквавендинга.

Уровень техники

Общеизвестно использование обратного осмоса для очистки воды (https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Обратный_осмос&stable=0&redirect=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. Также известно и решение этой проблемы, заключающееся в химической очистке поверхности мембраны, которая 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 указанном известном способе очистки воды обратным осмосом технического результата, который обеспечивается заявленным для патентования способом, 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 (прототип), заключающийся в подаче с перерывами исходной воды под давлением на вход обратноосмотической мембраны, осуществляющей разделение этой воды на пермеат и концентрат (перерывы обусловлены характером аквавендинга). 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. При этом выдачу пермеата покупателю осуществляют из гидроаккумулятора, а концентрат направляют в канализацию через гидравлическое сопротивление отвода концентрата. Очистку обратноосмотической мембраны от отложений осуществляют ее промывкой интенсивным потоком воды (см. описание изобретения по патенту RU №2767311 С1, МПК C02F 9/00, G07F 13/00, опубл.: 17.03.2022, Бюл. №8).

Признаки известного способа (прототипа), общие с признаками заявленного для патентования способа прерывистой очистки воды обратным осмосом, заключаются в том, что исходную воду с перерывами под давлением подают на вход обратноосмотической мембраны, осуществляющей разделение этой воды на пермеат и концентрат, так что пермеат аккумулируют в гидроаккумуляторе, из которого осуществляют выдачу пермеата потребителю пермеата, а концентрат направляют в канализацию через гидравлическое сопротивление отвода концентрата.

Причина, препятствующая получению в известном способе (прототипах) технического результата, который обеспечивается заявленным для патентования способом, заключается в том, что очистку мембраны осуществляют промывкой интенсивным потоком воды, в качестве которой берут исходную воду, направляемую в процессе промывки в канализацию. Это требует большого расхода очищающей воды, уходящей при этом в канализацию, и при этом характеризуется малой эффективностью очистки из-за сугубо механического воздействия потока очищающей воды на подлежащие удалению отложения осадков на поверхности мембраны.

Техническая проблема, на решение которой направлен заявленный для патентования способ прерывистой очистки воды обратным осмосом, заключается в необходимости повышения эффективности нехимической очистки мембраны (т.е. очистки водой) и, как следствие, в увеличении продолжительности ее (мембраны) эффективной работы с возможностью повышения при этом степени выхода пермеата за счет частичного подмешивания концентрата в исходную воду.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат, опосредствующий решение данной технической проблемы, заключается в том, что впервые для очистки мембраны использован эффект диффузионной очистки мембраны внутренним (для этой мембраны) пермеатом, который для этого взят из гидроаккумулятора и который после его использования для указанной диффузионной очистки направляется вновь через мембрану с обычным разделением на пермеат и концентрат. При этом данный внутренний пермеат, используемый для указанной очистки, в каждом перерыве в работе мембраны неподвижно (статично) находится внутри мембраны, создавая тем самым эффект его (пермеата) диффузионной экспозиции, когда за счет разности в концентрациях молекул примесей в отложениях на мембране и молекул таких же примесей в объеме внутреннего пермеата осуществляется спонтанный диффузионный перенос молекул примесей из отложений во внутренний пермеат, за счет чего происходит диффузионная очистка поверхности мембраны. Высокая эффективность такой диффузионной очистки обусловлена тем, что она может осуществляться в каждом перерыве в работе мембраны, коих в аквавендинге большое множество. При этом для этого не требуется дополнительный расход исходной воды, подлежащей сбрасыванию в канализацию.

В свою очередь такая диффузионная очистка в процессе обратноосмотической работы мембраны дает возможность направлять часть концентрата обратно на вход мембраны, повышая тем самым степень выхода пермеата без снижения срока эффективной обратноосмотической работы мембраны.

Достигается технический результат в заявленном способе прерывистой очистки воды обратным осмосом тем, что исходную воду подают на вход обратноосмотической мембраны с перерывами под соответствующим давлением, так что указанная мембрана осуществляет разделение этой воды на пермеат и концентрат, при этом полученный в результате разделения пермеат аккумулируют в гидроаккумуляторе, из которого осуществляют выдачу пермеата потребителю пермеата по его запросу, а полученный в результате этого разделения концентрат направляют в канализацию через гидравлическое сопротивление отвода концентрата, при этом в отношении любого перерыва, взятого из числа указанных перерывов подачи исходной воды, в начале перерыва на вход этой мембраны из гидроаккумулятора подают пермеат и тем самым заполняют мембрану этим пермеатом, вытесняя тем самым полностью или частично имеющийся там остаток исходной воды, так что этот пермеат вследствие этого становится внутренним пермеатом мембраны, а по заполнении подачу пермеата на вход мембраны из гидроаккумулятора прекращают и осуществляют диффузионную экспозицию этого внутреннего пермеата мембраны.

Также технический результат в заявленном способе достигается тем, что к исходной воде при ее подаче на вход мембраны частично добавляют концентрат.

Краткое описание чертежа

На прилагаемом чертеже (без номера) в качестве примера приведена функциональная схема системы, при помощи которой может быть осуществлен заявленный способ.

Осуществление изобретения

Система в ее основной части содержит: управляемый клапан 1 подачи исходной воды на вход системы; повышающий насос 2 для повышения давления исходной воды; полупроницаемую обратноосмотическую мембрану 3 с входом 4 для исходной воды, поступающей с выхода насоса 2, и выходами пермеата 5 и концентрата 6; гидравлическое сопротивление 7 отвода концентрата в канализацию 8; управляемый клапан 9 для прямого отвода концентрата в канализацию, т.е. минуя сопротивление 7; гидроаккумулятор 10 для временного хранения резерва пермеата; насос 11 для выдачи пермеата потребителю пермеата из гидроаккумулятора 10; насос 12 для активной возвращающей подачи пермеата из гидроаккумулятора 10 на вход 4 мембраны 3 через управляемый клапан 13 и обратный клапан 14. При этом система также содержит контроллер для управления работой системы, так что все управляемые клапаны системы своими управляющими входами связаны с контроллером (не показан).

Кроме того, дополнительно (в порядке опции) система содержит линию возвращающей подачи части концентрата с выхода 6 мембраны 3 через включенные в линию гидравлическое сопротивление 15, управляемый клапан 16 и обратный клапан 17 на вход повышающего насоса 2 с целью увеличения производительности мембраны 3 (производительного выхода пермеата относительно выхода концентрата).

Применяемая в аквавендинговых аппаратах мембрана 3 по экономическим причинам характеризуется относительно небольшой производительностью. При этом в аквавендинге, использующем в качестве входной воды предварительно очищенную фильтрами воду из сети общего водоснабжения, мембрана 3 может применяться без повышающего насоса 2 в том случае, когда давление воды в сети общего водоснабжения достаточно для работы мембраны и приемлемо с точки зрения ее производительности. Однако в большинстве случаев указанное давление либо недостаточно для работы мембраны, либо достаточно, но дает слишком малую производительность мембраны, что и делает целесообразным применение насоса 2. Но и в этом случае производительность мембраны 3, как правило, не является такой, что выдача пермеата потребителю пермеата могла бы осуществляться непосредственно с выхода 5, так как для этого понадобилось бы слишком большое время выдачи пермеата потребителю пермеата, что и обусловливает необходимость применения гидроаккумулятора 10 и, соответственно, достаточно производительного насоса 11.

Повышающий насос 2 предназначен для повышения давления исходной воды с целью обеспечения нормальной работы мембраны 3. При этом в качестве насоса 2 может использоваться диафрагменный насос, который, 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 аквавендинга. Кроме того, исходя из задачи электробезопасности использован насос с электроприводом постоянного тока небольшой мощности с низковольтным питанием (12, 24, 36, или 48В).

Выход пермеата 5 мембраны 3 гидравлически связан с входом гидроаккумулятора 10 (обычно выполненного в виде гравитационного гидроаккумулятора и при этом содержащего источник ультрафиолетового излучения), выход которого связан с насосом 11 для выдачи пермеата потребителю пермеата.

Что касается выхода концентрата 6 мембраны 3, то он через сопротивление 7 гидравлически связан с канализацией 8, а параллельно ему (сопротивлению 7) включен управляемый клапан 9 для прямого (т.е. минуя сопротивление 7) отвода концентрата 6 в канализацию 8 на случай (как правило) промывки мембраны 3 потоком воды. Наличие сопротивления 7 является, как это широко известно, обязательным условием обратноосмотической работы мембраны 3, а наличие клапана 9 обычно связано с необходимостью промывки мембраны 3 потоком воды. Однако в заявленном способе клапан 9 связан (как вариант) с выполнением функции заполнения мембраны 3 пермеатом (внутренним пермеатом мембраны), предусмотренной заявленным для патентования способом.

Линия возвращающей подачи пермеата из гидроаккумулятора 10 на вход 4 мембраны 3 содержит насос 12 (диафрагменный насос, как и описанный выше насос 2), управляемый клапан 13 и обратный клапан 14. При этом функционально основным является именно управляемый клапан 13, а обратный клапан 14 предусмотрен на аварийный случай.

Кроме того, дополнительно (в порядке опции) система содержит линию возвращающей подачи части концентрата с выхода 6 мембраны 3 на вход насоса 2 через гидравлическое сопротивление 15, управляемый клапан 16 и обратный клапан 17. При этом величина гидравлического сопротивления 15 определяет долю концентрата 6, которую надо подмешать к исходной воде на входе повышающего насоса 2 с целью повышения производительности мембраны 3 (повышения производства пермеата 5 относительно производства концентрата 6).

Работа системы и пример осуществления заявленного способа заключается в следующем.

В период времени, предшествующий началу работы системы, все насосы системы выключены, все управляемые клапаны закрыты, а гидроаккумулятор 10 пуст. При включении системы в работу контроллер включает повышающий насос 2 и открывает клапан 1. Вследствие этого исходная вода (взятая из сети общего водоснабжения и предварительно очищенная фильтрами) поступает на вход 4 мембраны 3, где осуществляется ее (исходной воды) разделение на пермеат (выход 5 мембраны 3) и концентрат (выход 6 мембраны 3). При этом пермеат с выхода 5 поступает в гидроаккумулятор 10 до его заполнения, а концентрат с выхода 6 через гидравлическое сопротивление 7 поступает в канализацию 8.

В дополнительном варианте осуществления способа контроллер также открывает клапан 16, вследствие чего часть концентрата с выхода 6 мембраны 3 поступает на вход повышающего насоса 2 через гидравлическое сопротивление 15, управляемый клапан 16 и обратный клапан 17, в результате чего насос 2 на вход 4 мембраны 3 подает обогащенную концентратом исходную воду (степень обогащения определяется величиной сопротивления 15), что позволяет увеличить производительность мембраны за счет повышения производства пермеата 5 относительно производства концентрата 6.

В связи с этим надо заметить, что побочным и неизбежным продуктом любого процесса обратного осмоса является образование на внутренней поверхности мембраны 3 слоя отложений молекул веществ примесей, которые содержатся в исходной воде и которые не прошли через поры мембраны 3 и вследствие этого «забивают» поры мембраны, повышая тем самым гидравлическое сопротивление мембраны, снижающее со временем ее производительность. При этом этот эффект засорения мембраны 3 усиливается при указанном подмешивании концентрата в исходную воду через сопротивление 15. Таким образом, в этом дополнительном варианте осуществления способа имеет место так называемый «Тришкин кафтан»: повышение кпд мембраны (отношение выхода пермеата к выходу концентрата в пользу пермеата) осуществляется за счет интенсификации процесса ее засорения. Отсюда актуальность эффективной очистки мембраны именно водой (т.е. без химических реагентов). Существенно компенсировать эту интенсификацию засорения как раз и позволяет предлагаемый здесь способ диффузионной очистки мембраны пермеатом в перерывах процесса аквавендинга, основанный на периодически повторяемой диффузионной экспозиции внутреннего пермеата.

По заполнении гидроаккумулятора 10 по сигналу от датчика уровня (датчик не показан) контроллер закрывает клапан 1 (и клапан 16 при его наличии) и отключает насос 2, вследствие чего в работе мембраны 3 возникает первый перерыв, который длится до прихода первого потребителя пермеата.

При этом в самом начале этого перерыва контроллер включает насос 12 и открывает клапаны 13 и 9, вследствие чего из гидроаккумулятора 10 по данной линии возвращающей подачи пермеата на вход 4 мембраны 3 поступает пермеат и, поступая, вытесняет содержащийся в мембране 3 остаток исходной воды (или исходной воды, обогащенной концентратом), который выходит из мембраны 3 через клапан 9 в канализацию 8 (либо, как вариант, он проходит через мембрану 3 с его обычным разделением на пермеат и концентрат, при этом клапан 9 в этом случае закрыт или его вовсе нет в системе).

По окончании указанного процесса вытеснения из мембраны 3 указанного остатка исходной воды, т.е. когда мембрана 3 будет полностью или по большей части заполнена пермеатом, взятым из гидроаккумулятора 10 (т.е. заполнена внутренним пермеатом мембраны), контроллер выключает насос 12 и закрывает клапан 13, при этом другие клапаны также закрыты и насос 2 по-прежнему выключен. При таких обстоятельствах далее осуществляется диффузионная экспозиция этого внутреннего пермеата в этой мембране в течение всего рассматриваемого перерыва в ее работе. Эта диффузионная экспозиция внутреннего пермеата мембраны 3 заключается в том, что этот внутренний пермеат в течение всего времени перерыва в работе мембраны 3 находится в мембране 3 без движения. При этом, поскольку концентрация молекул примесей в объеме этого внутреннего пермеата весьма мала, а в пристенном слое отложений мембраны 3 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 3 в объем внутреннего пермеата мембраны 3, в результате чего пристенный слой мембраны 3 обедняется молекулами примесей (т.е. происходит процесс диффузионной очистки мембраны 3), а внутренний пермеат мембраны наоборот обогащается, приближаясь тем самым по своему составу к исходной воде или даже становясь эквивалентным ей.

Этот первый перерыв в работе системы заканчивается, когда до системы доходит первый потребитель пермеата и запускает процесс выдачи ему пермеата, а контроллер вследствие этого включает насос 11, осуществляющий выдачу пермеата из гидроаккумулятора 10 в тару потребителя пермеата с приемлемой для этого автономной производительностью. В свою очередь эта выдача ведет к понижению уровня пермеата в гидроаккумуляторе 10, что требует соответствующей компенсации. Тогда, как раз для этой компенсации, по сигналу датчика уровня пермеата в гидроаккумуляторе 10 контроллер открывает клапан 1 и включает насос 2, запуская тем самым обычную обратноосмотическую работу мембраны 3. В результате этой обычной работы на вход мембраны 3 поступает исходная вода (а также, возможно, обогащенная концентратом исходная вода в дополнительном варианте системы при открытом клапане 16), поток которой неизбежно интегрируется с внутренним (диффузионно обогащенным) пермеатом мембраны, и вся эта, образно говоря «интегрированная», вода проходит далее обычное обратноосмотическое разделение мембраной 3 на пермеат 5 и концентрат 6, так что пермеат 5 как обычно поступает в гидроаккумулятор 10, а концентрат 6 - в канализацию 8 через сопротивление 7 и, возможно, частично на вход насоса 2 через сопротивление 15.

После окончания описанных выше процессов возникает второй перерыв с теми же процессами, что и в первом перерыве, после которого до системы доходит второй потребитель пермеата и так далее. Таким образом, процесс аквавендинга характеризуется наличием последовательности перерывов с неопределенным числом перерывов в этой последовательности и неопределенным временем каждого перерыва. И при этом каждый перерыв используется для диффузионной очистки мембраны путем диффузионной экспозиции внутреннего пермеата. При этом эффективность такой диффузионной очистки во многом обусловлена тем, что она производится в отношении частиц примесей на поверхности мембраны, которых еще мало на поверхности мембраны 3 и они еще не успели как следует закрепиться на поверхности мембраны 3, так как процесс диффузионной очистки начинается сразу же, как только заканчивается очередной рабочий период обратного осмоса.

Изобретение относится к аквавендинговым аппаратам, т.е. к автоматам продажи питьевой воды, полученной из воды сети общего водоснабжения путем ее многоступенчатой очистки. Способ заключается в подаче с перерывами под соответствующим давлением исходной воды на вход обратноосмотической мембраны, осуществляющей при этом разделение этой воды на пермеат и концентрат. Полученный в результате разделения пермеат аккумулируют в гидроаккумуляторе, из которого осуществляют выдачу пермеата потребителю пермеата по его запросу. Полученный в результате разделения концентрат направляют в канализацию через гидравлическое сопротивление отвода концентрата. В отношении любого перерыва, взятого из числа указанных перерывов подачи исходной воды, в начале перерыва на вход мембраны из гидроаккумулятора подают пермеат. Заполняют мембрану пермеатом, вытесняя полностью или частично имеющийся там остаток исходной воды. Пермеат вследствие этого становится внутренним пермеатом мембраны. По заполнении подачу пермеата на вход мембраны из гидроаккумулятора прекращают и осуществляют диффузионную экспозицию внутреннего пермеата мембраны. Во время окончания перерыва экспозицию мембраны завершают. Технический результат: повышение эффективности нехимической очистки мембраны (т.е. очистки водой) и, как следствие, увеличение продолжительности ее (мембраны) эффективной работы с возможностью повышения при этом степени выхода пермеата. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ прерывистой очистки воды обратным осмосом, заключающийся в подаче с перерывами под соответствующим давлением исходной воды на вход обратноосмотической мембраны, осуществляющей при этом 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 разделения концентрат направляют в канализацию через гидравлическое сопротивление отвода концентрата, отличающийся тем, что в отношении любого перерыва, взятого из числа указанных перерывов подачи исходной воды, в начале перерыва на вход мембраны из гидроаккумулятора подают пермеат и тем самым заполняют мембрану этим пермеатом, вытесняя тем самым полностью или частично имеющийся там остаток исходной воды, так что этот пермеат вследствие этого становится внутренним пермеатом мембраны, а по заполнении подачу пермеата на вход мембраны из гидроаккумулятора прекращают и осуществляют диффузионную экспозицию этого внутреннего пермеата мембраны.

2. Способ по п. 1, в котором к исходной воде при ее подаче на вход мембраны частично добавляют концентрат.