Картридж для очистки жидкости (варианты)

Заявляемая полезная модель относится к устройствам для очистки жидкости путем фильтрования с использованием процесса сорбции, в частности, для получения питьевой воды и может быть использована в системах подготовки технологической воды для различных производств, для бытовых нужд, а также в полевых условиях. Задачей заявляемого технического решения является разработка сменного картриджа с высокой степенью очистки жидкости от нежелательных и вредных примесей, а именно, для эффективного удаления отрицательно заряженных частиц, в том числе микробиологических загрязнений, преимущественно бактерий и вирусов. Технический результат: усиление прочности картриджа, и тем самым увеличение срока службы его за счет изменения конструкции перфорированного каркаса картриджа. По первому варианту выполнения задача и технический результат достигаются тем, что картридж для очистки жидкости содержит перфорированный каркас и сформированный вокруг него сорбционно-фильтрующий материал, включающий, по меньшей мере, два слоя защитного материала и размещенный между ними многослойный сорбционный материал, множественность слоев которого обеспечена намоткой в виде рулона, по меньшей мере, одного слоя полотна или ленты вокруг перфорированного каркаса, соединенные торцевыми деталями. По второму варианту выполнения задача и технический результат достигаются также тем, что картридж для очистки жидкости содержит перфорированный каркас и сформированный вокруг него сорбционно-фильтрующий материал, включающий, по меньшей мере, два слоя защитного материала и размещенный между ними многослойный сорбционный материал, множественность слоев которого обеспечена намоткой в виде рулона, по меньшей мере, одного слоя гофрированного полотна или ленты вокруг перфорированного каркаса, соединенные торцевыми деталями. Отличительной особенностью предлагаемого картриджа по первому и второму вариантам выполнения является то, что перфорированный каркас выполнен, по меньшей мере, с четырьмя ребрами жесткости по высоте каркаса и/или, по меньшей мере, двумя ребрами жесткости по окружности каркаса.

Заявляемая полезная модель относится к устройствам для очистки жидкости путем фильтрования с использованием процесса сорбции, в частности, для получения питьевой воды и может быть использована в системах подготовки технологической воды для различных производств, для бытовых нужд, а также в полевых условиях.

Одним из основных узлов различных систем очистки жидкости являются сменные фильтровальные элементы, называемые или картриджами, или патронными фильтрами. Такие фильтровальные элементы часто выполняются из нетканых материалов, обеспечивающих различные виды фильтрации. Согласно описанию предлагаемые варианты устройства относятся к сорбционным картриджным фильтрам, а точнее к сменным фильтровальным элементам-картриджам этих фильтров, применяемым в проточных системах очистки жидкости тупиковым методом фильтрации.

Известен патронный фильтр [SU 1530211 A1, 1989], который содержит перфорированную втулку, на которой размещен фильтрующий материал, смотанный в рулон. Концы перфорированной втулки выполнены в виде обращенных друг к другу вершинами конусов, а торцы рулона скреплены эластичной липкой лентой, размещенной вдоль кромок фильтрующего материала. Края ленты, выступающие за кромку фильтрующего материала, прикреплены к поверхности конусов. Повышается эффективность работы фильтра за счет многократного использования фильтрующего материала.

Известен [RU 2183493 С2, 2002] патронный фильтрующий элемент, который включает гофрированную фильтрующую пленку и внутреннюю перфорированную трубку, соединенные с торцевыми деталями. Фильтрующая пленка выполнена из политетрафторэтилена и имеет средний размер пор от 1 до 100 мкм при эффективной пористости не менее 40%, толщину 100-900 мкм, предпочтительно 300-600 мкм, при этом внутренняя поверхность пленки выполнена профилированной в виде выступов; точечных, протяженных, высотой, равной до 20% от толщины пленки. Внутренняя перфорированная трубка и торцевые детали фильтрующего элемента также выполнены из политетрафторэтилена. Внутренняя перфорированная трубка и сформированная вокруг нее гофрированная фильтрующая пленка с обеих сторон соединены посредством сварки с торцевыми деталями таким образом, чтобы поток жидкости в зонах сварки был исключен. Фильтрующий элемент может иметь также внешние поддерживающие элементы в форме перфорированного каркаса или поясков из политетрафторэтилена. Одна или обе торцевые детали фильтрующего элемента могут иметь посадочное место для соединения с фильтродержателем или друг с другом.

Слабым признаком вышеуказанных технических решений является материал, из которого выполнен основной фильтрующий элемент, который не обеспечивает микробиологической очистки воды.

Известен патронный фильтровальный элемент [RU 60874 U1, 2007]. Предлагается два варианта патронного фильтровального элемента, первый вариант патронного фильтровального элемента содержит перфорированную трубку и сформированный вокруг нее слоистый фильтрующий материал, соединенные торцевыми деталями, фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированной трубки в виде цилиндрического рулона, выполнен в виде «сэндвича», нижний и верхний слои которого являются синтетическим нетканым материалом, свободно пропускающим воду, между которыми расположен внутренний слой сорбционного материала на основе волокнистого листового материала органического или неорганического происхождения, модифицированного наноразмерными частицами гидрата оксида алюминия, предназначенного для тонкой очистки воды и очистки воды от микроорганизмов, при этом внутренний слой выполнен в виде гладкой ленты, сформированной из множества слоев сорбционного материала. Второй вариант патронного фильтровального элемента содержит перфорированную трубку и сформированный вокруг нее слоистый фильтрующий материал, соединенные торцевыми деталями, фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированной трубки в виде цилиндрического рулона, выполнен в виде «сэндвича», нижний и верхний слои которого являются синтетическим нетканым материалом, свободно пропускающим воду, между которыми расположен внутренний слой сорбционного материала на основе волокнистого листового материала органического или неорганического происхождения, модифицированного наноразмерными частицами гидрата оксида алюминия, предназначенного для тонкой очистки воды и очистки воды от микроорганизмов, при этом внутренний слой выполнен в виде гофрированной ленты, сформированной из множества слоев сорбционного материала.

Известный патронный фильтровальный элемент используется при достаточно низких давлениях, когда перепад давления на фильтре составляет не более 0.5 атм. А если перепад давления больший, то происходит деформация каркаса с последующим разрушением фильтра.

Вышеописанный патронный фильтровальный элемент как наиболее близкий по технической сущности и результату к предлагаемому устройству, выбран в качестве прототипа.

Задачей заявляемого технического решения является разработка сменного картриджа с высокой степенью очистки жидкости от нежелательных и вредных примесей, а именно, для эффективного удаления отрицательно заряженных частиц, в том числе микробиологических загрязнений, преимущественно бактерий и вирусов.

Технический результат: усиление прочности картриджа, и тем самым увеличение срока службы его за счет изменения конструкции перфорированного каркаса картриджа.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что картридж для очистки жидкости содержит перфорированный каркас и сформированный вокруг него сорбционно-фильтрующий материал, включающий, по меньшей мере, два слоя защитного материала и размещенный между ними многослойный сорбционный материал, множественность слоев которого обеспечена намоткой в виде рулона, по меньшей мере, одного слоя полотна или ленты вокруг перфорированного каркаса, соединенные торцевыми деталями.

Отличительной особенностью предлагаемого картриджа является то, что перфорированный каркас выполнен, по меньшей мере, с четырьмя ребрами жесткости по высоте каркаса и/или, по меньшей мере, двумя ребрами жесткости по окружности каркаса.

Кроме того, площадь перфорации каркаса составляет 30-60%. преимущественно, 35-50%.

При этом, каркас выполнен преимущественно цилиндрическим из полимерных материалов, например, полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика и других термопластов пищевых марок.

Целесообразно для всех вариантов картриджа использовать сорбционный материал на основе нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного частицами гидрата окиси алюминия.

Кроме того, нетканый полимерный волокнистый материал имеет. предпочтительно, диаметр волокон 1.0-3,0 мкм и получен методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.

Целесообразно, что общая толщина множества слоев сорбционного материала составляет не менее 2 мм.

Предпочтительно, что в качестве защитного материала используют синтетический нетканый материал, например, полипропилен, полиамид, полиэтилен с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм.

Кроме того, для всех вариантов картриджа на сорбционно-фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированного каркаса, надет поддерживающий элемент, например, полимерная сетка.

Кроме того, торцевые детали конструктивно совместимы с фильтродержателем.

Поставленная задача и технический результат достигаются также тем, что картридж для очистки жидкости содержит перфорированный каркас и сформированный вокруг него сорбционно-фильтрующий материал, включающий, по меньшей мере, два слоя защитного материала и размещенный между ними многослойный сорбционный материал, множественность слоев которого обеспечена намоткой в виде рулона, по меньшей мере, одного слоя гофрированного полотна или ленты вокруг перфорированного каркаса, соединенные торцевыми деталями.

Новым является то, что перфорированный каркас выполнен, по меньшей мере, с четырьмя ребрами жесткости по высоте каркаса и/или, по меньшей мере, двумя ребрами жесткости по окружности каркаса.

Кроме того, площадь перфорации каркаса составляет 30-60%. преимущественно, 35-50%.

При этом, каркас выполнен преимущественно цилиндрическим из полимерных материалов, например, полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика и других термопластов пищевых марок.

Целесообразно для всех вариантов картриджа использовать сорбционный материал на основе нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного частицами гидрата окиси алюминия.

Кроме того, нетканый полимерный волокнистый материал имеет, предпочтительно, диаметр волокон 1,0-3,0 мкм и получен методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.

Целесообразно, что общая толщина множества слоев сорбционного материала составляет не менее 2 мм при глубине гофр от 10 до 30 мм, преимущественно, от 15 до 20 мм.

Предпочтительно в качестве защитного материала используют синтетический нетканый материал, например, полипропилен, полиамид, полиэтилен с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм.

Кроме того, защитный материал формируют гофрированным совместно с сорбционным материалом.

Кроме того, на сорбционно-фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированного каркаса, надет поддерживающий элемент, например, полимерная сетка.

Кроме того, торцевые детали конструктивно совместимы с фильтродержателем.

Термин "жидкость", используемый в данном тексте описания, включает водные растворы для биомедицинского назначения, пищевой индустрии, бытовых и технологических целей.

Корпуса фильтров, в зависимости от требуемой производительности, могут быть различных типоразмеров. Мировые производители корпусов фильтров, как правило, выполняют их в одном из двух типоразмеров: Slim Line (высотой 5, 10 или 20 и диаметром 62 мм) и Big Blue (высотой 5, 10 или 20" и диаметром 114 мм). Фильтры Big Blue по сравнению со Slim Line имеют больший диаметр. За счет этого, при прочих равных условиях (давление на входе, температура жидкости, степень ее загрязненности, размер присоединительных портов корпуса фильтра, тонкость фильтрации сменного элемента), фильтры Big Blue по сравнению со Slim Line обладают большей производительностью и грязеемкостью. Это обеспечивается большей по сравнению со Slim Line площадью фильтрующей поверхности.

Соответственно и каркасы к сменным фильтрующим элементам тоже выпускаются определенных типоразмеров.

Площадь перфорации каркаса предлагается равной 30-60%. преимущественно. 35-50%. Это объясняется тем, что при перфорации меньшей 30% не обеспечивается необходимая скорость фильтрования. А при перфорации больше 60% не достигается необходимая механическая прочность каркаса, при высоких давлениях в системе происходит деформация каркаса.

Для решения проблемы прочности картриджа в целом особо рассматривали проблему прочности перфорированного каркаса. Перфорированный каркас выполнен, по меньшей мере, с четырьмя ребрами жесткости по высоте каркаса и/или, по меньшей мере, двумя ребрами жесткости по окружности каркаса. Выполнение перфорированного каркаса с менее 4-мя ребрами жесткости по высоте и с 2-мя по окружности не обеспечивает необходимой механической прочности при давлении более 2-х атм в системе.

В предлагаемых вариантах картриджа используется сорбционно-фильтрующий материал, содержащий слой сорбционного материала на основе волокнистого листового материала органического или неорганического происхождения, модифицированного наноразмерными частицами гидрата окиси алюминия, способными создавать электрический потенциал 50-100 мВ даже при контакте с дистиллированной водой. Такой электроположительный волокнистый материал удаляет из жидкости микробиологические загрязнения вследствие электрокинетического удержания отрицательно заряженных частиц. При этом наблюдаются высокие скорости адсорбции, что дает возможность создания компактной и высокопроизводительной аппаратуры для очистки жидкости. Частицы загрязнений размером, превышающим диаметр пор синтетического нетканого материала, задерживаются на его поверхности.

Сорбционно-фильтрующий материал - это «сэндвич», содержащий внутренний слой сорбционного электроположительного волокнистого материала, представляющего собой гладкую или гофрированную ленту или полотно, выполненную из множества таких слоев. Экспериментально установлено, что для эффективной сорбции общая толщина должна быть не менее 2 мм, что обеспечено намоткой в 7 оборотов двухслойного исходного материала или намоткой в 14 слоев этого материала.

Нижний и верхний слои «сэндвича» играют защитную роль и выполняют их из синтетического нетканого материала, свободно пропускающего воду или иную жидкость. И наряду с защитной функцией выполняют роль фильтра от механических примесей.

На сорбционно-фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированного каркаса, надет поддерживающий элемент, например, полимерная сетка, для дополнительной защиты от обвисания или от повреждения сорбционного материала.

В случае если сорбционно-фильтровальный материал имеет форму гофры, намотка на перфорированный каркас производится таким образом, чтобы гофры сохраняли свою геометрию. Общая толщина множества слоев сорбционного материала составляет не менее 2 мм при глубине гофр от 10 до 30 мм, преимущественно, от 15 до 20 мм. Применение гофрирования позволяет увеличить площадь фильтрующей поверхности в 4-6 раз, а глубина гофрировки зависит от типоразмера картриджа. Например, фильтры Big Blue могут быть выполнены с максимальной глубиной гофрировки 30 мм, а фильтры Slim Line могут быть выполнены с минимальной глубиной гофрировки 10 мм.

Защитный материал формируют гофрированным совместно с сорбционным материалом.. С практической точки зрения это целесообразно, так как очень сложно отдельно гофрированный сорбционный материал соединять с отдельно гофрированным защитным материалом.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-фиг.4.

На фиг.1 представлен вид картриджа (в разрезе), в котором сорбционный материал сформирован в виде гладкого полотна или ленты.

На фиг.2 изображен вид перфорированного каркаса картриджа.

На фиг.3 изображен картридж (поперечный разрез), в котором сорбционный материал сформирован в виде гладкого полотна или ленты.

На фиг.4 изображен картридж (поперечный разрез), в котором сорбционный материал сформирован в виде гофрированного полотна или ленты.

Картридж (фиг.1) содержит перфорированный каркас 1, на котором сформирован виде цилиндрического рулона сорбционно-фильтрующий материал с внутренним сорбционным слоем 2. Внутренний сорбционный слой 2 размещен между двумя защитными слоями (верхним и нижним) 3 и 3. На перфорированном каркасе 1, выполненном из полиэтилена или из полиамида, или из полипропилена, или АБС-пластика формируют цилиндрический рулон сорбционно-фильтрующего материала, предварительно изготовленного в виде «сэндвича», внутренний сорбционный слой 2 которого получают сложением 2-х слоев при намотке в 7 оборотов или намоткой одного слоя материала в 14 оборотов (общая толщина не менее 2 мм в любом случае). Сорбционно-фильтрующий материала изготовлен на основе фильтра Петрянова марки ФПА-15-2,0, модифицированного наноразмерными частицами гидрата окиси алюминия, имеющими размер 0,2-5 мкм или нановолокнами гидрата окиси алюминия, имеющими размер 5-8 нм в диаметре и 200 нм в длину, удельную поверхность 200-300 м²/г и пористость 30-40%.

Сорбционно-фильтрующий материал с внутренним сорбционным слоем 2 и защитными слоями 3 и 3' дополнительно поддерживаются полимерной сеткой 4, надетой на сорбционно-фильтрующий материал.

Адаптеры 5, 5', расположенные на концах картриджа, механически связанные с перфорированным каркасом 1, не позволяют смещаться вдоль перфорированного каркаса 1 сорбционно-фильтрующему материалу и служат для присоединения картриджа к фильтродержателю (не показан).

Нижний и верхний защитные слои 3 и 3' выполнены из полиэтилена или из полиамида, или из полипропилена с размерами элементарных пор от 1 до 100 мкм, предпочтительно, от 1 до 50 мкм, из этого же материала выполнен дополнительный поддерживающий слой 4 (сетка). Каркас 1 и адаптеры 5, 5' также выполнены из полиэтилена или из полипропилена, или из АБС-пластика или других термопластов пищевых марок.

При использовании гофрированной полосы или ленты ее получают, гофрируя 14 слоев вышеуказанного сорбционного материала вместе с защитным материалом. В этом случае намотка на перфорированный каркас 1 производится таким образом, чтобы гофры сохраняли свою геометрию.

На фиг.2 изображен вид перфорированного каркаса картриджа, показано на нем расположение ребер жесткости 6.

Перфорированный каркас выполнен, по меньшей мере, с четырьмя ребрами жесткости по высоте каркаса и/или, по меньшей мере, двумя ребрами жесткости по окружности каркаса. Выполнение перфорированного каркаса с менее 4-мя ребрами жесткости по высоте и с 2-мя по окружности не обеспечивает необходимой механической прочности при давлении более 2-х атм в системе.

На фиг.3 изображен картридж (поперечный разрез), в котором сорбционный материал 2 сформирован в виде гладкого полотна или ленты.

На фиг.4 изображен картридж (поперечный разрез), в котором сорбционный материал 2 сформирован в виде гофрированного полотна или ленты.

Картридж с сорбционно-фильтрующим материалом, внутренний сорбционный слой которого сформирован в виде полотна или ленты, или гофр, работает следующим образом.

Картридж монтируется в посадочном гнезде фильтродержателя (не показан). Фильтруемая жидкость, подаваемая в корпус фильтродержателя, проходит через поры слоя 3' синтетического нетканого материала, попадает во внутренний сорбционный слой 2, в котором происходит электрокинетическое удержание отрицательно заряженных частиц - бактерий и вирусов, проходит слои синтетического нетканого материала 3, проходит в зазоре между складками, далее через перфорированный каркас 1 во внутреннюю полость картриджа и через выход фильтродержателя (не показан) попадает к потребителю.

Для подтверждения задач заявляемого технического решения выбирались картриджи с типоразмерами Slim Line (высотой 5, 10 или 20 и диаметром 62 мм). В случае картриджа, сформированного в виде полотна или ленты общая площадь его фильтрующей поверхности получается равной соответственно: S=190 см², 470 см ² и 960 см² с максимальной производительностью картриджей соответственно: 2, 4 и 8 л/мин. В случае картриджа, сформированного в виде гофрированной (полосы) ленты общая площадь поверхности равна: S=800 см², 1600 см² или 3250 см² с максимальной производительностью картриджей соответственно: 8, 14 и 27 л/мин. Эффективность очистки воды (жидкости) во всех случаях типоразмеров и производительности картриджей составляла 100% при исходной концентрации бактерий E.coli 10⁵ КОЕ/мл, вирусов MS 2 10⁴ БОЕ/мл. При создании в системе давления воды более 2-х атм при использовании вышеописанных картриджей с каркасами, в которых отсутствуют ребра жесткости происходит деформация каркаса вплоть до его разрыва, что приводит к нарушению водоочистки. Однако, если усилить каркас необходимым количеством ребер жесткости, данная проблема прочности картриджа в целом становится решенной. Предлагаемые картриджи выдерживают давление в системах до 3-4 атм с сохранением требуемой эффективности очистки.

Предлагаемые варианты полезной модели могут быть использованы, в основном, в питьевом водоснабжении, в бытовых фильтрах для финишной очистки воды от электроотрицательных частиц, например, бактерий, вирусов, коллоидных частиц, пирогенов, нуклеиновых кислот, протеинов, энзимов и др.

1. Картридж для очистки жидкости, содержащий перфорированный каркас и сформированный вокруг него сорбционно-фильтрующий материал, включающий, по меньшей мере, два слоя защитного материала и размещенный между ними многослойный сорбционный материал, множественность слоев которого обеспечена намоткой в виде рулона, по меньшей мере, одного слоя полотна или ленты вокруг перфорированного каркаса, соединенные торцевыми деталями, отличающийся тем, что перфорированный каркас выполнен, по меньшей мере, с четырьмя ребрами жесткости по высоте каркаса и/или, по меньшей мере, двумя ребрами жесткости по окружности каркаса.

2. Картридж по п.1, отличающийся тем, что площадь перфорации каркаса составляет 30-60%, преимущественно, 35-50%.

3. Картридж по пп.1 или 2, отличающийся тем, что каркас выполнен преимущественно цилиндрическим из полимерных материалов, например, полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика и других термопластов пищевых марок.

4. Картридж по п.1, отличающийся тем, что используют сорбционный материал на основе нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного частицами гидрата окиси алюминия.

5. Картридж по п.1 или 4, отличающийся тем, что нетканый полимерный волокнистый материал имеет, предпочтительно, диаметр волокон 1,0-3,0 мкм и получен методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.

6. Картридж по п.1 или 4, отличающийся тем, что общая толщина множества слоев сорбционного материала составляет не менее 2 мм.

7. Картридж по п.1, отличающийся тем, что в качестве защитного материала используют синтетический нетканый материал, например, полипропилен, полиамид, полиэтилен с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм.

8. Картридж по п.1, отличающийся тем, что на сорбционно-фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированного каркаса, надет поддерживающий элемент, например, полимерная сетка.

9. Картридж по п.1, отличающийся тем, что торцевые детали конструктивно совместимы с фильтродержателем.

10. Картридж для очистки жидкости, содержащий перфорированный каркас и сформированный вокруг него сорбционно-фильтрующий материал, включающий, по меньшей мере, два слоя защитного материала и размещенный между ними многослойный сорбционный материал, множественность слоев которого обеспечена намоткой в виде рулона, по меньшей мере, одного слоя гофрированного полотна или ленты вокруг перфорированного каркаса, соединенные торцевыми деталями, отличающийся тем, что перфорированный каркас выполнен, по меньшей мере, с четырьмя ребрами жесткости по высоте каркаса и/или, по меньшей мере, двумя ребрами жесткости по окружности каркаса.

11. Картридж по п.10, отличающийся тем, что площадь перфорации каркаса составляет 30-60%, преимущественно, 35-50%.

12. Картридж по п.10 или 11, отличающийся тем, что каркас выполнен преимущественно цилиндрическим из полимерных материалов, например, полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика и других термопластов пищевых марок.

13. Картридж по п.10, отличающийся тем, что используют сорбционный материал на основе нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного частицами гидрата окиси алюминия.

14. Картридж по п.10 или 13, отличающийся тем, что нетканый полимерный волокнистый материал имеет, предпочтительно, диаметр волокон 1,0-3,0 мкм и получен методом электроформования, например, из ацетата целлюлозы или полисульфона.

15. Картридж по п.10 или 13, отличающийся тем, что общая толщина множества слоев сорбционного материала составляет не менее 2 мм при глубине гофр от 10 до 30 мм, преимущественно, от 15 до 20 мм.

16. Картридж по п.10, отличающийся тем, что в качестве защитного материала используют синтетический нетканый материал, например, полипропилен, полиамид, полиэтилен с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм.

17. Картридж по п.10 или 16, отличающийся тем, что защитный материал формируют гофрированным совместно с сорбционным материалом.

18. Картридж по п.10, отличающийся тем, что на сорбционно-фильтрующий материал, сформированный вокруг перфорированного каркаса, надет поддерживающий элемент, например полимерная сетка.

19. Картридж по п.10, отличающийся тем, что торцевые детали конструктивно совместимы с фильтродержателем.