Устройство микрофильтрационное для очистки воды от механических загрязнений
Владельцы патента RU 2630121:
Акционерное общество "Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" (АО "НИФХИ им. Л.Я. Карпова") (RU)
Изобретение относится к устройствам, предназначенным для очистки водопроводной питьевой воды в быту и в местах массового скопления людей (школы, больницы, детские сады и т.д.). Устройство включает фильтр, трубопроводную арматуру, систему контрольно-измерительных приборов и аппаратуры, фильтр выполнен в виде двух секций, причем первая из последовательно соединенных секций содержит два вертикально установленных фильтрующих элемента патронного типа, изготовленных из пористого полиэтилена, с размерами микропор 10 мкм, а вторая имеет такую же конструкцию и два аналогичных фильтрующих элемента с размерами микропор 1,0 мкм, при этом регенерация фильтра осуществляется путем последовательной продувки секций противотоком сжатого воздуха без разборки устройства. Устройство снабжено автоматизированной системой управления и контроля. Техническим результатом изобретения является улучшение качества очистки воды и увеличение скорости фильтрования. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл., 1 пр.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Высокая степень изношенности действующих в стране систем централизованного водоснабжения приводит к тому, что водопроводная вода, поступающая потребителю для использования в быту, имеет неудовлетворительное качество. В ряде случаев вода из водопровода имеет высокую жесткость, неприятный вкус, высокую мутность и цветность. Особую проблему составляет повышенное содержание в воде железа, особенно окисного, в виде частиц ржавчины. Поэтому является актуальным разработка устройств дополнительной микроочистки водопроводной воды, которые могут быть использованы как в условиях домашнего хозяйства для очистки питьевой воды из городского водопровода, так и в ряде других случаев, например при заборе воды из приповерхностных источников (колодцы, открытые водоемы, сборники дождевой воды).
Изобретение относится к устройствам, предназначенным для очистки водопроводной питьевой воды в быту и в местах массового скопления людей (школы, больницы, детские сады и т.д.). Устройство микрофильтрационное предназначено для очистки и осветления воды путем удаления механических примесей, снижения мутности и цветности, с использованием набора фильтрующих элементов на основе пористого полиэтилена (ФПЭ) с размерами микропор от 1 до 10 микрон и улучшения качества жизни широких слоев населения страны, использующих в быту воду из централизованных систем водоснабжения.
ХАРАКТЕРИСТИКА АНАЛОГОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известно устройство для очистки питьевой водопроводной воды [патент РФ 2052278; В01D 63/00; 20.01.1996], содержащее цилиндрический корпус, фильтровальную ячейку с одним или несколькими керамическими фильтрующими элементами с волокнистой керамической мембраной высокой производительности, и накопительную емкость, в которой размещается сорбент-поглотитель растворенных токсичных и пахучих веществ. Достигаемый технический результат при использовании устройства - стерилизация воды и удержание любых твердых взвесей с размерами более 0,1-0,2 мкм, продолжительность фильтроцикла - до одного года, возможность самопроизвольной регенерации мембраны при пользовании водой на технические нужды за счет тангенциального скоростного потока, а также импульса обратного давления фильтрата через мембрану из накопительной емкости.
Недостатками известного устройства является высокая стоимость и сложная технология изготовления используемых и керамических фильтрующих элементов, отсутствие системы автоматического управления работой устройства в процессе очистки воды.
Известен фильтр для очистки питьевой воды от химических и механических загрязнений [патент РФ 2486136; C02F 1/00; B01D 27/00, 29/11; 27.06.2013], размещенный в разборном корпусе с крышкой, содержит пустотелый сердечник с отверстиями с намотанными слоями фильтрующего материала. В крышке разборного корпуса выполнены входной и выходной патрубки. С торцевой стороны сердечника установлена заглушка. Одна из сторон сердечника примыкает к головной части корпуса. Фильтрующий материал представляет собой композитный полимерный материал с возможностью изменения плотности намотки, поверх которого установлена полиэтиленовая изоляция или изоляция, предотвращающая радиально-поперечный проход воды. В пазах сердечника установлены уплотнительные кольца. Техническим результатом является повышение качества фильтрации воды, очистка ее от вредных примесей и патогенных микроорганизмов и получение воды, соответствующую требованиям СанПиНа, с одновременным упрощением процесса фильтрации.
Недостатками известного устройства является высокая стоимость и сложная технология изготовления используемых фильтрующих элементов на основе композитных полимерных материалов, отсутствие системы автоматического управления работой устройства в процессе очистки воды.
Известен фильтр для очистки питьевой воды [патент РФ 2078046; C02F 1/18; 27.02.1997], содержащий корпус, подающий и отводящий патрубки, и расположенные последовательно в корпусе ионообменный слой из смеси катионита и анионита, бактерицидный слой, и композитный слой, содержащий активированный уголь с добавкой волокнистого нейтрального и/или ионообменного амфотерного материала, анионита и катионита, предназначенный для очистки питьевой воды с повышенным содержанием железа, в частности окисного, в виде высокодисперсных взвесей, обуславливающего низкие показатели воды по цветности.
Недостатком известного устройства является сложная технология изготовления фильтра, низкая продолжительность фильтроцикла, определяемая сорбционной емкостью ионообменного слоя, отсутствие системы автоматического управления и контроля за состоянием фильтра в процессе очистки воды.
Известен фильтр для очистки питьевой воды МСХ-30 [патент РФ 2134141; В01D 29/56, В01D 63/08, C02F 9/00; 27.03.2007], который содержит корпус с расположенным в нем фильтром обеззараживания в виде пакета мембранных элементов, каждый из которых состоит из двух плоских мембран и размещенной между ними разделительной пластины, залитых в моноблок. Каждая пластина имеет четыре отверстия по углам, два из которых предназначены для отвода очищенной воды, а два других - для подачи воды. Кроме фильтра для обеззараживания устройство содержит сорбционный блок, блок из углеволокнистой ткани БУСОФИТ и хемосорбционный блок из волокнистого материала ВИОН и снабжено вентилем, подсоединяемым посредством полухомута к водопроводной сети и установленным между вентилем и фильтром обеззараживания регулятором давления. Техническим результатом является улучшение качества очистки воды и увеличение скорости фильтрования.
Недостатками известного устройства являются сложная конструкция мембранных модулей, отсутствие автоматизированного контроля процесса эксплуатации фильтра, малая продолжительность фильтроцикла, которая обусловлена величиной сорбционной емкости используемых сорбентов.
ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОТОТИПА И КРИТИКА ЕГО НЕДОСТАТКОВ
Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является устройство для микрофильтрации жидких технологических сред [патент РФ 144132, B01D 29/11, 29/60, 15.11.2013].
Известное устройство включает фильтр в виде трех параллельно установленных ФПЭ с одинаковым эффективным размером микропор, очистка которого осуществляется методом противотока, систему автоматизированной системы контроля и управления процессом эксплуатации установки.
Недостатком известного устройства является малая продолжительность фильтроцикла и снижение производительности устройства в связи с необходимостью частой регенерации противотоком трех параллельно расположенных ФПЭ с одинаковыми размерами микропор. Указанные недостатки обусловлены отсутствием в конструкции фильтра защиты ФПЭ от забивки пор в случае очистки сильно замутненных природных и сточных вод, а также необходимостью применения очищенной воды для регенерации ФПЭ.
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ
Техническим результатом изобретения является создание устройства микрофильтрационного для получения осветленной и очищенной от механических загрязнений воды, в т.ч. водопроводной, которая соответствует требованиям Санитарных Правил и Норм (СанПиН2.1.4.1074-01) с одновременным упрощением и оптимизацией режимов эксплуатации устройства за счет: а) использования для очистки водопроводной воды двухсекционного фильтра, причем первая из последовательно соединенных секций содержит два вертикально установленных фильтрующих элемента патронного типа, изготовленных из пористого полиэтилена, с размерами микропор 10 мкм, а вторая - два вертикально установленных фильтрующих элемента, изготовленных из пористого полиэтилена, с размерами микропор 1,0 мкм, соответственно; б) обеспечения возможности регенерации фильтра продувкой сжатым воздухом без разборки устройства, и устранение указанных выше недостатков, а именно, низкой продолжительности фильтроцикла, сложной конструкции фильтров, использования дорогостоящих фильтрующих материалов; в) автоматизации.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для достижения технического результата в устройство представляющее собой: фильтр, трубопроводную арматуру для присоединения к сети централизованного водоснабжения и обеспечения транспорта воды между частями конструкции установки, систему контрольно-измерительных приборов и аппаратуры, введены следующие новые элементы:
- двухсекционный фильтр в составе: а) фильтрационная камера предварительной очистки, содержит два ФПЭ с эффективным диаметром пор 10 мкм;
- фильтрационная камера финишной очистки содержит два ФПЭ с эффективным диаметром пор 1,0 мкм;
- система очистки ФПЭ от загрязнений продувкой сжатым воздухом в противотоке; - система автоматизированного управления и контроля.
Заявителем не обнаружено решений, содержащих фильтр, состоящий из двух последовательно соединенных фильтрационных камер, каждая из которых включает по два ФПЭ с эффективными размерами микропор 10 и 1,0 микрон соответственно, что позволяет увеличить продолжительность фильтроцикла; при этом очистка фильтра от загрязнений производится путем обратной продувки ФПЭ сжатым воздухом без разборки фильтра. Таким образом, заявляемое решение обладает существенными отличиями.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
Фиг. 1. Технологическая схема автоматизированной установки микрофильтрационной, где 1 - фильтрационная камера предварительной очистки, содержащая два фильтрующих элемента с эффективным размером пор 10 мкм; 2 - фильтрационная камера финишной очистки, содержащая два фильтрующих элемента с эффективным размером пор 1,0 мкм; 3-6 - клапаны электромагнитные гидравлические; 7, 8 - клапаны электромагнитные пневматические; 9 - компрессор; 10, 11 - датчики давления; 12, 13 - датчики температуры; 14 - расходомер; 15 - блок управления; 16 - вход воды из водопровода; 17 - выход промывных вод; 18 - выход осветленной и очищенной воды из водопровода; 17 - выход промывных вод; 18 - выход осветленной и очищенной воды; I - гидравлическая магистраль; II - воздушная магистраль; III - электрические соединения.
Фиг. 2. Чертеж общего вида фильтрационной камеры, в том числе: 21 - крышка верхняя, вид сверху, и вид сбоку, где: 22 - входной патрубок для подачи водопроводной воды, 23 - составной фильтрующий элемент, включающий два последовательно соединенных картриджа патронного типа, изготовленных из порошкообразного полиэтилена методом спекания; 24 - фильтрационная камера в сборе; 25 - крышка нижняя.
ОПИСАНИЕ ЗАЯВЛЯЕМОГО УСТРОЙСТВА В СТАТИКЕ
Как следует из Фиг. 1, автоматизированное устройство микрофильтрационное (далее - устройство) включает две фильтрационных камеры предварительной и финишной очистки 1, 2, содержащие по два ФПЭ с эффективными размерами микропор 10 и 1,0 мкм, соответственно (Фиг. 2). Транспорт воды осуществляется по гидравлической магистрали I и контролируется электромагнитными клапанами 3-6, где 3 - предназначен для регулирования входного потока водопроводной воды, 4, 5 - для сброса промывных вод, образующихся в процессе регенерации ФПЭ в фильтрационных камерах 1 и 2 соответственно, 6 - для регулирования потока осветленной и очищенной от механических загрязнений воды. Подача сжатого воздуха в фильтрационные камеры I и 2 осуществляется по воздуховоду II и контролируется с помощью электромагнитных клапанов 7, 8, соответственно. В качестве генератора сжатого воздуха используют компрессор 9. В состав системы контрольно-измерительных приборов и аппаратуры (КИПиА) входят датчики давления 10, 11 и температуры 12, 13, расходомер 14 и блок управления 15, соединенные сетью электрических контактов III. Датчики давления 10 и температуры 12 предназначены для контроля давления и температуры водопроводной воды, поступающей из сети централизованного водоснабжения. Датчики давления 11 и температуры 13, а также расходомер 14 предназначены для контроля давления и температуры, расхода очищенной и осветленной воды. Управление работой устройства осуществляется с помощью блока управления 15, который осуществляет сбор и анализ информации о давлении, температуре и расходе воды, поступающей от датчиков 10-13 и расходомера 14. На основании анализа полученной информации, с помощью специальной управляющей программы, из блока управления 15 поступает команда об открытии или закрытии электромагнитных клапанов 3-8, смене режима работы устройства. На схеме также обозначены точки присоединения устройства к сети централизованного водоснабжения 16, сброса промывных вод в канализацию 17, выдачи очищенной от механических загрязнений и осветленной воды 18.
Ключевым элементом устройства являются две последовательно соединенных фильтрационных камеры одинаковой конструкции (Фиг. 2), в совокупности образующих двухсекционный фильтр. Конструкция фильтрационной камеры включает крышку верхнюю 21, к которой прикреплены входной патрубок для подачи очищаемой воды 22 и составной фильтрующий элемент 23, состоящий из двух последовательно соединенных картриджей патронного типа, изготовленных из порошкообразного полиэтилена методом спекания. Также в крышке проделаны отверстия для крепежных болтов и два отверстия для подачи загрязненной и выхода очищенной воды. Отверстие для выхода очищенной воды также может быть использовано для подачи сжатого воздуха при проведении очистки ФПЭ. Сборка фильтрационной камеры осуществляется посредством прикрепления с помощью болтов крышки верхней 21 вместе с присоединенными элементами 22, 23 к корпусу 24. Далее с помощью болтов присоединяют крышку нижнюю 25. Для обеспечения герметичности фильтрационной камеры в местах соединений используют прокладки из резины.
Технические характеристики устройства микрофильтрационного:
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА
Подготовка устройства к эксплуатации:
- подключить входную магистраль устройства с наружной резьбой 
" (на редукторе входного давления) к сети централизованного водоснабжения;
- подключить выходную магистраль устройства с внутренней резьбой " к сборнику осветленной и очищенной воды;
- подключить выходную магистраль «Промывные воды» с внутренней резьбой 
" к канализационной сети;
- осуществить электрическое заземление корпуса установки от клеммы «земля» медным проводом с сечением не менее 2,5 мм2.
После подключения устройства к сети централизованного водоснабжения, канализации и электрической сети, необходимо включить устройство нажатием клавиши «ВКЛ» и выбрать режим управления установки путем нажатия на клавишу «АВТОНОМ» или «РС» на передней панели управления. Запуск управляющей программы осуществляется нажатием кнопки «ПУСК».
Основным элементом системы управления работой устройства является блок управления 15, причем микроконтроллер размещен на печатной плате, и который установлен на задней стенке устройства под панелью управления. Управление системы может осуществляться автономно с использованием микроконтроллера или управляющего компьютера через USB порт.
Эксплуатация автоматизированного устройства микрофильтрационного (далее - устройства) возможна в следующих режимах:
а) Режим №1. «Заполнение» (заполнение водой фильтрационной камеры),
б) Режим №2. «Фильтрация» (основной режим работы),
в) Режим №3. «Прочистка» (очистка ФПЭ от загрязнений сжатым воздухом).
В режиме «Заполнение» из централизованной системы водоснабжения через вход 16 и электромагнитный клапан 3, находящийся в положении «открыто», вода поступает в фильтрационную камеру 1, в которой осуществляется предварительная очистка от механических загрязнений размером более 10 мкм. Если давление и температура водопроводной воды на входе не превышают 10 атм и 40°С, соответственно, то происходит заполнение фильтрационной камеры 1; при этом на экране жидкокристаллического дисплея, расположенном на лицевой панели, высвечивается индикация «ЗАПОЛНЕНИЕ», а также значения входного давления и температуры. После заполнения фильтрационной камеры 1, в случае, если входное давление превышает 0,5 атм, открывается электромагнитный клапан 6, и работа устройства переходит в режим работы «Фильтрация». Если давление воды, поступающей из системы централизованного водоснабжения, не превышает 0,5 атм, дальнейшая работа устройства блокируется.
Водопроводная вода накапливается в фильтрационной камере 1, ее давление возрастает, и при давлении воды свыше 0,5 атм начинается процесс микрофильтрации, а устройство переходит на работу в режиме «Фильтрация». Фильтрационная камера 1 представляет собой цилиндрический сосуд из нержавеющей стали, внутри которого размещены вертикально два последовательно соединенных патронных ФПЭ с эффективным диаметром пор 10 мкм, а в верхней крышке расположены два отверстия для входа и выхода воды. Отверстие для выхода очищенной воды также может быть использовано для подачи сжатого воздуха при проведении очистки ФПЭ.
В режиме «Фильтрация» поток фильтруемой воды направлен от внешней поверхности ФПЭ к внутренней. В процессе прохождения сквозь капиллярно-пористую структуру ФПЭ происходит очистка водопроводной воды от частиц ржавчины и других механических загрязнений размерами более 10 мкм.
Конструкция фильтрационной камеры 2, в которой осуществляется финишная очистка воды от загрязнений размером более 1,0 мкм, аналогична конструкции 1, однако эффективный диаметр пор двух последовательно соединенных ФПЭ равен 1 мкм. Процесс очистки воды, прошедшей предварительную очистку в фильтрационной камере 1, от механических загрязнений с размерами частиц от 1 до 10 мкм, протекает аналогично. Далее осветленная и очищенная вода через выход 18 поступает к потребителю; при этом электромагнитные клапаны 4, 5 находятся в положении «закрыто», а электромагнитный клапан 6 - в положении «открыто».
В режиме работы «Фильтрация» вычисляется производительность (в л/мин, по данным расходомера), измеряется давление и температура водопроводной воды на входе, и очищенной, и осветленной воды на выходе устройства. Полученная информация о работе устройства показывается на экране дисплея.
В процессе очистки давление и температура воды на входе и выходе устройства контролируются датчиками 10, 12 и 11, 13 соответственно. По мере загрязнения ФПЭ увеличивается гидродинамическое сопротивление и возрастает перепад давлений между входом и выходом. При достижении критических значений величины перепада давлений (2,5 атм, как это значение задано в программе управления) устройство автоматически изменяет режим работы: работа в режиме «Фильтрация» прекращается, и наступает режим «Прочистка».
Режим «Прочистка» осуществляется в два этапа. Сначала происходит очистка ФПЭ в фильтрационной камере 1 (соответствующая индикация на экране дисплея «ПРОЧИСТКА 1»). На втором этапе аналогичным образом осуществляется очистка ФПЭ в фильтрационной камере 2 (индикация на экране дисплея «ПРОЧИСТКА 2»).
В режиме «Прочистка» происходит очистка ФПЭ от загрязнений посредством продувки картриджей сжатым воздухом. При этом электромагнитные клапаны 3 и 6 переводятся в положение «закрыто», а клапан 8, обеспечивающий подачу сжатого воздуха в фильтрационную камеру 1 от компрессора 9, - в положение «открыто». Происходит прочистка ФПЭ в фильтрационной камере 1. По завершении продувки ФПЭ сжатым воздухом компрессор 9 прекращает работу, и электромагнитный клапан 8 переводится в положение «закрыто». Для удаления промывных вод, прошедших противотоком сквозь ФПЭ в фильтрационную камеру 1 под действием сжатого воздуха, переводят электромагнитный клапан 4 в положение «открыто». Промывные воды самотеком сливаются в канализацию из фильтрационной камеры 1.
Для проведения очистки ФПЭ, размещенных в фильтрационной камере 2, автоматически переводят электромагнитные клапаны 4 и 8 в положение «закрыто», а клапан 7 - в положение «открыто», включают компрессор 9 и проводят обратную продувку ФПЭ сжатым воздухом в течение заранее заданного промежутка времени. Затем выключают компрессор 9, переводят клапан 7 в положение «закрыто», а электромагнитный клапан 5 - в положение «открыто». После того, как промывные воды будут слиты самотеком в канализацию, переводят клапан 5 в положение «закрыто». По завершении режима «Прочистка» устройство начинает работу в режиме «Фильтрация».
Прекращение работы устройства в любом из выше перечисленных режимов осуществляется нажатием кнопки «СТОП» на панели управления. При этом все электромагнитные клапаны закрываются, компрессор выключается, и на экране дисплея показывается команда «СТОП». Полное выключение устройства осуществляется переключением клавиши «ВКЛ» в выключенное состояние.
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ИЛИ ИНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Пример. В таблице приведены результаты анализа двух проб водопроводной воды, причем проба №1 не подвергалась очистке, а проба №2 была очищена с использованием микрофильтрационного устройства. Продолжительность испытаний - 8 часов, производительность автоматизированного устройства микрофильтрационного - 2,0 м3/час.
Проба воды №1 не соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения» по показателям цветность, мутность, жесткость общая и железо общее.
Проба воды №2 соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения» по показателям цветность, мутность, жесткость общая и железо общее.
Таким образом, с применением заявленного устройства микрофильтрационного удается достичь технического результата - осветления и очистки воды, в том числе водопроводной, от механических примесей, получения воды, соответствующей требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения» по показателям цветность, мутность, железо общее.
1. Устройство микрофильтрационное для очистки воды от механических загрязнений, включающее фильтр, трубопроводную арматуру, систему контрольно-измерительных приборов и аппаратуры, отличающееся тем, что фильтр выполнен в виде двух секций, причем первая из последовательно соединенных секций содержит два вертикально установленных фильтрующих элемента патронного типа, изготовленных из пористого полиэтилена, с размерами микропор 10 мкм, а вторая имеет такую же конструкцию и два аналогичных фильтрующих элемента с размерами микропор 1,0 мкм, при этом регенерация фильтра осуществляется путем последовательной продувки секций противотоком сжатого воздуха без разборки устройства.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено автоматизированной системой управления и контроля.
