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

Область техники, к котором, относится изобретение

Изобретение представляет собой аппаратно-программный комплекс, непосредственно относящийся 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.

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 техническом решении технического результата, который обеспечивается заявленной для патентования системой, 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).

Известна система прерывистой очистки исходной воды обратным осмосом (прототип), которая содержит обратноосмотическую мембрану, имеющую вход для подлежащей прерывистой очистке исходной воды, выход пермеата, накапливаемого в гидроаккумуляторе, и выход концентрата, сбрасываемого в канализацию как через гидравлическое сопротивление, так и напрямую через клапан, а также содержит контроллер для управления процессами очистки исходной воды с перерывами в этом процессе, (см. описание изобретения по патенту RU №2767311 С1, МПК C02F 9/00, G07F 13/00, опубликовано: 17.03.2022 Бюл. №8).

Признаки известный системы (прототипа), общие с признаками заявленной для патентования системы прерывистой очистки воды обратным осмосом, есть перечисленные выше признаки известной системы.

Причина, препятствующая получению в известной системе (прототипах) технического результата, который обеспечивается заявленной для патентования системой, заключается в том, что известной системе очистку мембраны осуществляют промывкой пропускаемым через мембрану интенсивным потоком воды, в качестве которой берут исходную воду, направляемую в процессе промывки в канализацию через упомянутый открытый клапан. 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 направлена заявленная для патентования система 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 ее КПД, т.е. степени выхода пермеата относительно выхода концентрата 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 относительно выхода концентрата без снижения срока эффективной обратноосмотической работы мембраны.

Достигается технический результат в заявленной системе прерывистой очистки исходной воды обратным осмосом тем, что она содержит (фиг. 1):

- обратноосмотическую мембрану 2, имеющую вход 3 для подачи в мембрану 2 под давлением исходной воды через управляемый клапан 1, выход пермеата 4, направляемого в гидроаккумулятор 9, и выход концентрата 5, направляемого в канализацию 8 через гидравлическое сопротивление 6;

- насос 10 выдачи пермеата из гидроаккумулятора 9 потребителю пермеата;

- контроллер 13 для управления процессом очистки исходной воды, характеризующимся наличием перерывов в этом процессе;

- управляемый контроллером 13 насос 11 возвращающей подачи пермеата, так что этот насос 11 включен в данную систему с возможностью подачи во время любого из указанных перерывов находящегося в гидроаккумуляторе 9 пермеата в обратноосмотическую мембрану 2 для ее заполнения этим пермеатом и с возможностью дальнейшей управляемой контроллером 13 диффузионной экспозиции этого пермеата в этой мембране в течение этого перерыва.

Также технический результат в заявленной системе прерывистой очистки исходной воды обратным осмосом достигается тем, что (фиг. 2):

- система содержит насос 14 повышения давления исходной воды на входе 3 мембраны 2;

- система содержит линию возвращающей подачи части концентрата 5 в мембрану 2 при помощи включенного в эту линию указанного насоса 14, при этом эта линия также содержит гидравлическое сопротивление 15 возвращающей подачи концентрата, управляемый клапан 16 и обратный клапан 17.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена функциональная схема заявленной системы без насоса 14 повышения давления исходной воды на входе мембраны 2 (ввиду достаточности давления исходной воды в сети общего водоснабжения) и без линии возвращающей подачи части концентрата с выхода 5 мембраны 2 на вход 3 мембраны 2;

на фиг. 2 приведена функциональная схема заявленной системы, содержащей насос 14 повышения давления исходной воды на входе 3 мембраны 2 (ввиду недостаточности давления исходной воды в сети общего водоснабжения) и линию возвращающей подачи части концентрата с выхода 5 мембраны 2 на вход 3 в мембраны 2 при помощи насоса 14.

При этом на обоих фигурах сплошными линиями показаны гидравлические линии (т.е. трубопроводы), а пунктирными линиями - электрические линии связи контроллера 13 с насосами 10, 11, 14, с датчиком уровня гидроаккумулятора 9, с управляющими входами клапанов 1, 7, 16.

Осуществление изобретения

Система в ее основной части, т.е. по пункту 1 формулы (фиг. 1), содержит: управляемый клапан 1 подачи исходной воды на вход системы под давлением, имеющим место в сети общего водоснабжения; полупроницаемую обратноосмотическую мембрану 2 с входом 3 для исходной воды, поступающей через клапан 1, и выходами пермеата 4 и концентрата 5; гидравлическое сопротивление 6 отвода концентрата в канализацию 8; управляемый клапан 7 для прямого отвода концентрата 5 в канализацию 8 (т.е. минуя сопротивление 7); гидроаккумулятор 9 для временного хранения резерва пермеата и ультрафиолетовой дезинфекции этого пермеата при помощи расположенного в гидроаккумуляторе 9 источника ультрафиолетового излучения (источник не показан); насос 10 для выдачи пермеата потребителю пермеата из гидроаккумулятора 9; насос 11 возвращающей подачи пермеата из гидроаккумулятора 10 на вход 3 мембраны 2 через обратный клапан 12. При этом система также содержит контроллер 13 для управления работой системы, так что все управляемые клапаны, насосы и гидроаккумулятор электрически связаны с контроллером. При этом насос 11 включен в рассматриваемую систему с возможностью подачи во время любого перерыва из указанных перерывов находящегося в гидроаккумуляторе 9 пермеата в мембрану 2 (на ее вход 3) до ее заполнения этим пермеатом и с возможностью дальнейшей управляемой контроллером 13 диффузионной экспозиции этого пермеата в мембране 2 в течение рассматриваемого перерыва.

Система в ее дополнительной части, т.е. по пункту 2 формулы (фиг. 2), также содержит насос 14 повышения давления исходной воды на входе 3 мембраны 2, применяемый в случае недостаточности давления в сети общего водоснабжения, являющейся источником исходной воды для рассматриваемой системы.

Система в ее дополнительной части, т.е. по пункту 3 формулы (фиг. 2), также содержит линию возвращающей подачи части концентрата 5 в мембрану 2 при помощи насоса 14 повышения давления исходной воды на входе мембраны, при этом указанная линия содержит гидравлическое сопротивление 15 возвращающей подачи концентрата, определяющее искомую возвращаемую часть концентрата, управляемый клапан 1 6 и обратный клапан 17.

Применяемая в аквавендинговых аппаратах мембрана 2 по экономическим причинам характеризуется относительно небольшой производительностью. При этом в аквавендинге, использующим в качестве исходной воды предварительно очищенную фильтрами воду из сети общего водоснабжения, мембрана 2 может применяться без повышающего насоса 14 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 14. Но и в этом случае производительность мембраны 2, как правило, не является такой, что выдача пермеата потребителю пермеата могла бы осуществляться непосредственно с выхода 4 мембраны 2, так как для этого понадобилось бы слишком большое время выдачи пермеата потребителю пермеата, что и обусловливает необходимость применения гидроаккумулятора 9 и, соответственно, достаточно производительного насоса 10.

Повышающий насос 14 предназначен для повышения давления исходной воды с целью обеспечения нормальной работы мембраны 2. При этом в качестве насоса 14 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 48 В).

Выход пермеата 4 мембраны 2 гидравлически связан с входом гидроаккумулятора 9 (обычно выполненного в виде гравитационного гидроаккумулятора и при этом содержащего источник ультрафиолетового излучения), выход которого связан с насосом 10 для выдачи пермеата потребителю пермеата из гидроаккумулятора 9.

Что касается выхода концентрата 5 мембраны 2, то он через сопротивление 6 гидравлически связан с канализацией 8, а параллельно ему (сопротивлению 6) включен управляемый клапан 7 для прямого (т.е. минуя сопротивление 6) отвода концентрата 5 в канализацию 8 на случай (как правило) промывки мембраны 2 потоком воды. Наличие сопротивления 6 является, как это широко известно, обязательным условием обратноосмотической работы мембраны 2, а наличие клапана 7 обычно связано с необходимостью промывки мембраны 2 потоком воды. Однако в рассматриваемой здесь системе клапан 7 связан (как преимущественный вариант) с выполнением функции заполнения мембраны 2 пермеатом (внутренним пермеатом мембраны), предусмотренной рассматриваемой здесь системой.

Линия возвращающей подачи пермеата из гидроаккумулятора 9 на вход 3 мембраны 2 содержит насос 11 (преимущественно диафрагменный насос, как и описанный выше насос 14) и обратный клапан 12.

Кроме того, дополнительно (в порядке опции) система содержит линию возвращающей подачи части концентрата с выхода 5 мембраны 2 на вход насоса 14 через гидравлическое сопротивление 15, управляемый клапан 16 и обратный клапан 17. При этом величина гидравлического сопротивления 15 определяет ту долю концентрата 5, которую надо подмешать к исходной воде на входе повышающего насоса 14 с целью повышения КПД мембраны 2 (т.е. повышения производства пермеата 4 относительно производства концентрата 5, направляемого в канализацию 8).

Работа системы заключается в следующем.

В период времени, предшествующий началу работы системы, все насосы системы выключены, все управляемые клапаны закрыты, а гидроаккумулятор 9 пуст.

При включении системы в работу контроллер 13 открывает клапан 1 (и включает насос 14 в варианте на фиг. 2). Вследствие этого исходная вода (взятая из сети общего водоснабжения и предварительно очищенная фильтрами) поступает под давлением на вход 3 мембраны 2, в которой осуществляется ее (исходной воды) разделение на пермеат (выход 4 мембраны 2) и концентрат (выход 5 мембраны 2). При этом пермеат с выхода 4 поступает в гидроаккумулятор 9 до его заполнения, а концентрат с выхода 5 через гидравлическое сопротивление 6 поступает в канализацию 8.

В варианте на фиг. 2 контроллер 13 также открывает клапан 16, вследствие чего часть концентрата с выхода 5 мембраны 2 поступает на вход повышающего насоса 14 через гидравлическое сопротивление 15, управляемый клапан 16 и обратный клапан 17, в результате чего насос 14 на вход 3 мембраны 2 подает обогащенную концентратом исходную воду (степень обогащения определяется величиной сопротивления 15), что позволяет увеличить КПД мембраны за счет повышения производства пермеата 4 относительно производства концентрата 5, направляемого в канализацию 8.

В связи с этим надо заметить, что побочным и неизбежным продуктом любого процесса обратного осмоса является образование на внутренней поверхности мембраны 2 слоя отложений молекул веществ примесей, которые содержатся в исходной воде и которые не прошли через поры мембраны 2 и вследствие этого «забивают» поры мембраны, повышая тем сам гидравлическое сопротивление мембраны, снижающее со временем ее производительность. При этом этот эффект засорения мембраны 2 усиливается при указанном подмешивании концентрата в исходную воду через сопротивление 15. Таким образом, в этом дополнительном варианте осуществления способа повышение КПД мембраны (отношение выхода пермеата к выходу концентрата в пользу пермеата) осуществляется за счет интенсификации процесса засорения мембраны. Отсюда актуальна эффективная очистка мембраны именно водой, максимально очищенной от примесей. Существенно компенсировать эту интенсификацию засорения как раз и позволяет предлагаемая здесь диффузионная очистка мембраны пермеатом в перерывах процесса аквавендинга, основанная на периодически повторяемой диффузионной экспозиции внутреннего пермеата.

По заполнении гидроаккумулятора 9 по сигналу, поступившему в контроллер 13 от датчика уровня гидроаккумулятора 9 (датчик не показан), контроллер 13 закрывает клапан 1 (а в варианте на фиг. 2 также закрывает клапан 16 и отключает насос 14), вследствие чего в работе мембраны 2 возникает первый перерыв, который длится до прихода первого потребителя пермеата.

При этом в самом начале этого перерыва контроллер 13 включает насос 11 и открывает клапан 7, вследствие чего из гидроаккумулятора 9 по данной линии возвращающей подачи пермеата на вход 3 мембраны 2 поступает пермеат и, поступая, вытесняет содержащийся в мембране 2 остаток исходной воды (или исходной воды, обогащенной концентратом), который выходит из мембраны 2 через клапан 7 в канализацию 8 (либо, как вариант, он проходит через мембрану 2 с его обычным разделением на пермеат и концентрат, при этом клапан 7 в этом случае закрыт или, как вариант, его вовсе нет в системе). При этом клапан 1 закрыт и насос 14 выключен.

По окончании указанного процесса вытеснения из мембраны 2 указанного остатка исходной воды, т.е. когда мембрана 2 будет полностью или по большей части заполнена пермеатом, взятым из гидроаккумулятора 9 (т.е. заполнена внутренним пермеатом мембраны 2), контроллер 13 выключает насос 11 и закрывает клапан 7, при этом другие клапаны также остаются закрытыми и насос 14 по-прежнему выключен. При таких обстоятельствах далее осуществляется диффузионная экспозиция этого внутреннего пермеата в мембране 2 в течение всего рассматриваемого перерыва в ее работе. Эта диффузионная экспозиция внутреннего пермеата мембраны 2 заключается в том, что этот внутренний пермеат в течение всего времени перерыва в работе мембраны 2 находится в мембране 2 без движения. При этом, поскольку концентрация молекул примесей в объеме этого внутреннего пермеата весьма мала, а в пристенном слое отложений мембраны 2 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 2 в объем внутреннего пермеата мембраны 2, в результате чего пристенный слой мембраны 2 обедняется молекулами примесей (т.е. происходит процесс диффузионной очистки мембраны 2), 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 13 вследствие этого включает насос 10, осуществляющий выдачу пермеата из гидроаккумулятора 9 в тару потребителя пермеата с приемлемой для этого автономной производительностью. В свою очередь эта выдача ведет к понижению уровня пермеата в гидроаккумуляторе 9, что требует соответствующей компенсации. Тогда, как раз для этой компенсации, по сигналу от датчика уровня пермеата в гидроаккумуляторе 9 контроллер 13 открывает клапан 1, а в варианте на фиг. 2 также включает насос 14, запуская тем самым обычную обратноосмотическую работу мембраны 2. В результате этой обычной работы на вход 3 мембраны 2 поступает исходная вода (а также, возможно, обогащенная концентратом исходная вода в варианте системы на фиг. 2 при открытом клапане 16), поток которой неизбежно интегрируется с внутренним (диффузионно обогащенным) пермеатом мембраны 2, и вся эта, образно говоря «интегрированная», вода проходит далее обычное обратноосмотическое разделение мембраной 2 на пермеат 4 и концентрат 5, так что пермеат 4 как обычно поступает в гидроаккумулятор 9, а концентрат 5 - в канализацию 8 через сопротивление 6 и, возможно, частично на вход насоса 14 через сопротивление 15, открытый контроллером 13 клапан 16 и обратный клапан 17.

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 в работе мембраны 2 с неопределенным числом перерывов в этой последовательности и неопределенным временем каждого перерыва. И при этом каждый перерыв используется для диффузионной очистки мембраны 2 путем диффузионной экспозиции внутреннего пермеата в мембране 2. При этом высокая эффективность такой диффузионной очистки во многом обусловлена тем, что она производится в отношении частиц примесей на поверхности мембраны 2, которых еще мало на поверхности мембраны 2 и которые еще не успели как следует закрепиться на поверхности мембраны 2, так как процесс ее диффузионной очистки начинается сразу же, как только заканчивается очередной предшествующий этой очистке 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 с использованием обратного осмоса, характеризующегося прерывистым характером своего функционирования, объективно обусловленным характером аквавендинга. Система содержит обратноосмотическую мембрану (2), имеющую вход (3) для подачи в мембрану (2) под давлением исходной воды через управляемый клапан (1), выход пермеата (4), направляемого в гидроаккумулятор (9), и выход концентрата (5), направляемого в канализацию (8) через гидравлическое сопротивление (6), насос (10) выдачи пермеата из гидроаккумулятора (9) потребителю пермеата, а также контроллер (13) для управления процессом очистки исходной воды. Cистема содержит управляемый контроллером (13) насос (11) возвращающей подачи пермеата. Насос включен в систему с возможностью подачи во время любого из перерывов находящегося в гидроаккумуляторе (9) пермеата в обратноосмотическую мембрану (2) для ее заполнения этим пермеатом и с возможностью дальнейшей управляемой контроллером (13) диффузионной экспозиции пермеата в мембране в течение этого перерыва. Система также содержит насос (14) повышения давления исходной воды на входе (3) мембраны (2), а также линию возвращающей подачи части концентрата (5) в мембрану (2) при помощи включенного в эту линию насоса (14). Эта линия также содержит гидравлическое сопротивление (15) возвращающей подачи концентрата, управляемый клапан (16) и обратный клапан (17). Технический результат: повышение 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. 2 ил.

Система прерывистой очистки исходной воды обратным осмосом, которая содержит обратноосмотическую мембрану (2), имеющую вход (3) для подачи в мембрану (2) под давлением исходной воды через управляемый клапан (1), выход пермеата (4), направляемого в гидроаккумулятор (9), и выход концентрата (5), направляемого в канализацию (8) через гидравлическое сопротивление (6), насос (10) выдачи пермеата из гидроаккумулятора (9) потребителю пермеата, а также контроллер (13) для управления процессом очистки исходной воды, характеризующимся наличием перерывов в этом процессе, отличающаяся тем, что она содержит управляемый контроллером (13) насос (11) возвращающей подачи пермеата, так что этот насос включен в данную систему с возможностью подачи во время любого из указанных перерывов находящегося в гидроаккумуляторе (9) пермеата в обратноосмотическую мембрану (2) для ее заполнения этим пермеатом и с возможностью дальнейшей управляемой контроллером (13) диффузионной экспозиции этого пермеата в этой мембране в течение этого перерыва, насос (14) повышения давления исходной воды на входе (3) мембраны (2), а также линию возвращающей подачи части концентрата (5) в мембрану (2) при помощи включенного в эту линию указанного насоса (14), при этом эта линия также содержит гидравлическое сопротивление (15) возвращающей подачи концентрата, управляемый клапан (16) и обратный клапан (17).