Фильтрующий элемент для очистки воды - RU2411057C2

Чертежи

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к фильтрующему элементу для фильтрации воды и, более конкретно, к недорогому фильтрующему элементу для безнапорной фильтрации воды, по существу не содержащей загрязнителей в виде взвешенных частиц, в том числе микроорганизмов типа цист, устойчиво поддерживая относительно высокие скорости выходящей воды.

Уровень техники

Вода, как правило, содержит загрязнители, которые включают взвешенные частицы, химические вещества и микроорганизмы. В случае питьевой воды для поддержания хорошего здоровья особенно желательно удалять из жидкостей перед употреблением вредные загрязнители.

Известны несколько разных способов очистки воды, на основе которых были разработаны и имеются в продаже много устройств и аппаратов. Эти способы и устройства меняются в зависимости от типа присутствующих в воде примесей.

Взвешенные частицы, обычно крупнее 3 мкм, отфильтровывают с помощью либо тканевого фильтра, либо объемного фильтра, например сформованного в блок слоя активированного угля или глины. Преимуществом угля и глины является к тому же еще и то, что они являются высокопористыми материалами, что облегчают также и удаление растворимых примесей путем адсорбции, например растворенных органических соединений, соединений, которые придают воде неприятный запах и вкус, пестицидов, пестицидных остатков и т.д. Вода, имеющаяся в наличии во многих удаленных, бедных водой регионах, сильно загрязнена почвой, которая содержит оксиды и гидроксиды железа и алюминия.

Авторы настоящего изобретения убедились в том, что имеющиеся в настоящее время фильтрующие элементы с угольными блоками очень часто забиваются при их использовании, особенно в случае безнапорных водяных фильтров, и после определенного времени эксплуатации обеспечивают очень низкие скорости потока воды, что для потребителя является нежелательным. В случае такой забивки потребитель часто пытается восстановить элемент, встряхивая его в воде или используя обратную промывку. Существующие в настоящее время элементы трудно восстановимы. По этой причине потребителю необходимо заменять фильтрующий элемент новым фильтрующим элементом, что требует больших расходов. Авторы настоящего изобретения в одновременно поданной заявке 801/MUM/2005 (WO 02007/003259) предприняли решение этой проблемы, предложив фильтрующий элемент, обеспечивающий в достаточной степени высокие скорости потока воды желаемого качества, обеспечивая при этом легкость очистки и замены помещенных в него угольных блоков с гарантией сведения к минимуму общей стоимости элемента.

В одновременно поданной заявке предлагается фильтрующий элемент для фильтрации воды, включающий в себя угольный блок, помещенный в корпус элемента, имеющего отверстие для вывода воды, причем этот угольный блок разъемным образом закреплен в корпусе с помощью крепежного устройства и уплотнительного устройства так, что вся вводимая вода перед ее выходом из фильтрующего элемента проходит через угольный блок.

Хотя в настоящем изобретении и одновременно поданной заявке для фильтрации воды предусмотрен недорогой фильтрующий элемент, обеспечивающий высокие скорости потока и хорошую эффективность фильтрации, было замечено, что скорость потока выходящей воды не столь постоянна, как бы этого хотелось. Эта проблема, согласно наблюдениям становится более острой, когда фильтр в течение некоторого периода времени хранится в неработающем состоянии. После проведения множества экспериментов авторы настоящего изобретения разработали новое решение проблемы, в котором фильтрующий элемент модифицируется таким образом, что при этом обеспечиваются устойчиво высокие скорости потока.

Таким образом, основной задачей настоящего изобретения является создание недорогого фильтрующего элемента, который обеспечивает желаемое удаление взвешенных частиц, включая микроорганизмы типа цист, одновременно обеспечивая желаемую высокую скорость потока, в большей степени постоянного для большего объема вводимой воды по сравнению с элементами существующего уровня техники.

Раскрытие изобретения

Согласно настоящему изобретению предлагается фильтрующий элемент для фильтрации воды, включающий в себя угольный блок, помещенный в корпус элемента, причем угольный блок разъемным образом закреплен в указанном корпусе с помощью крепежного устройства и уплотнительного устройства и при этом фильтрующий элемент включает в себя сборную камеру, расположенную под угольным блоком в корпусе, для сбора воды, которая выходит из угольного блока, причем эта сборная камера включает в себя:

(a) куполообразную опорную плиту, имеющую, по меньшей мере, одно разгрузочное отверстие для воды, и при этом плита расположена в непосредственной близости от угольного блока,

(b) выпускной патрубок для воды, имеющий входной и выходной концы, причем входной конец расположен в непосредственной близости от нижней стороны плиты таким образом, что вода, проходящая через угольный блок, собирается в пространстве между вершиной плиты и угольным блоком, после чего выходит через разгрузочное отверстие, заполняя сборную камеру, и далее уходит через патрубок.

Особенно предпочтительно, чтобы угольный блок представлял собой угольный диск.

Детальное описание изобретения

Было обнаружено, в частности, то, что, когда угольный блок одновременно поданной заявки 801/MUM/2005 находится в неработающем состоянии в течение некоторого периода времени, скорость отходящего потока воды, выходящей из фильтрующего элемента, была непостоянной. Непостоянство скорости потока связано с проблемой воздушных пробок. Воздушные пробки являются серьезной проблемой, с которой сталкиваются во многих фильтрационных аппаратах низкого давления (с безнапорной подачей), в особенности в аппаратах, работающих в режиме нисходящего потока. Когда такие фильтры оставляют неработающими на определенные периоды времени, в полости на маршруте потока воды попадает воздух. Вслед за этим, когда фильтрующий элемент вновь используют для фильтрации воды, более легкий по сравнению с водой воздух захватывается в виде пузырьков в полостях фильтра, особенно близких к нижней части фильтрационной среды (в настоящем изобретении угольного блока), и создает противодавление, сопровождающееся потерей площади фильтрационной поверхности, причем и то, и другое снижает скорость потока воды. Заявителем настоящего изобретения разработан фильтрующий элемент, который сводит к минимуму эту проблему, что приводит к устойчиво высоким скоростям фильтрации.

Предполагается, что конструкционные особенности, предусмотренные в настоящем изобретении, а именно куполообразная опорная плита (HP), расположенная вблизи угольного блока, разгрузочное отверстии (DP) для воды на этой плите и выпускной патрубок (ON) для воды, входной конец которого расположен в непосредственной близости от нижней стороны плиты, эффективно работают в тандеме, обеспечивая желаемые постоянные во времени скорости потока из фильтрующего элемента изобретения. Далее, когда воздух захватывается нисходящим потоком в угольном блоке, конструкционные особенности изобретения обеспечивают эффективное слипание пузырьков в один воздушный пузырь, который направляется к небольшому объему вблизи выходного конца выводного патрубка. Кроме того, профильтрованная вода вначале собирается на указанной плите, не содержа диспергированных воздушных пузырьков, и давление, которое оказывает собранная вода, обеспечивает то, что вначале через выводной патрубок проталкивается единственный воздушный пузырь, что освобождает фильтрующий элемент от проблемы воздушных пробок и является, таким образом, изящным и эффективным решением указанной проблемы.

Весьма предпочтительным угольным блоком изобретения является угольный диск. Этот диск может иметь круглое, овальное, квадратное или прямоугольное поперечное сечение, предпочтительно круглое поперечное сечение. Когда используют угольный диск, предпочтительно, чтобы его размеры были такими, которые бы обеспечивали отношение наиболее длинного измерения к толщине в пределах от 2:1 до 20:1 и, более предпочтительно, от 3:1 до 15:1.

Сборная камера в корпусе фильтрационного элемента включает в себя куполообразную опорную плиту, которая расположена в непосредственной близости от нижней части угольного блока. Опорная плита преимущественно имеет гофры с впадинами и пиками. Впадины образуют канавки на верхней стороне опорной плиты. Собравшаяся в канавках гофров вода направляется к разгрузочному отверстию для воды. Канавки преимущественно ориентированы по спирали. Опорная плита имеет, по меньшей мере, одно разгрузочное отверстие для воды, преимущественно 2 или более, предпочтительнее 4 или более. Сборная камера включает в себя также выводной патрубок для воды, который имеет входной конец и выходной конец. Входной конец выводного патрубка находится в непосредственной близости от нижней части опорной плиты и преимущественно расположен эквидистантно к периферии куполообразной опорной плиты.

Крепежным устройством может быть крышка, которая может быть строго подогнана к корпусу, или скоба, которая удерживает угольный блок на корпусе. Уплотнительным устройством может быть прокладка, уплотнительное кольцо или какое-либо другое устройство, выполняющее роль прокладки, обеспечивающей герметичность по отношению к просачиванию воды при использовании крепежного устройства, скрепляющего вместе две детали.

Согласно одному из предпочтительных аспектов изобретения крепежным устройством является крышка с резьбой, которая имеет отверстие для входа воды и вворачивается в корпус, вмещающий в себя угольный блок. В корпусе имеется соответствующая резьба для прижатия угольного блока к уплотнительному устройству, расположенному в основании корпуса и, таким образом, закрепляющая угольный блок в фильтрующем элементе. На нижней поверхности крышки могут быть выполнены выступающие вниз элементы, которые прижимаются к верхней поверхности угольного блока по мере того, как крышка приворачивается к корпусу, прижимая при этом нижнюю поверхность угольного блока к уплотнительному устройству, расположенному в основании корпуса, в результате чего обеспечивается герметичность в отношении просачивания воды. Когда возникает необходимость извлечь угольный блок из фильтрующего элемента, крышку отвинчивают от корпуса, освобождая тем самым угольный блок. На крышке выполнено одно или более отверстий для прохода воды к угольному блоку. Предпочтительно, чтобы отверстие занимало не менее 30% площади верхней поверхности крышки.

Изобретение в особенности пригодно и сконфигурировано для обеспечения возможности фильтрации воды, загрязненной частицами, включающими пыль и микроорганизмы, например протозойную цисту типа Cryptosporidium, или Giardia. Изобретение позволяет удалять 99% (логарифм удаления равный двум), преимущественно удалять 99,9% (логарифм удаления равный трем) цист. Логарифм удаления определяется как log₁₀ числа вошедших частиц минус log₁₀ числа вышедших частиц. Угольные блоки изготовляют из активированного угля и, более предпочтительно, из порошкового активированного угля.

Желательно включение сменного фильтра-отстойника, который бы облегал снаружи угольный блок с целью того, чтобы вода перед тем, как пройти через угольный блок, проходила через фильтр-отстойник. Предпочтительно, чтобы фильтр-отстойник соответствовал по форме угольному блоку. Фильтр-отстойник может быть как промываемым, так и сменным и представляет собой преимущественно тканый или нетканый материал, более предпочтительно нетканый материал с микропорами. Фильтр-отстойник обеспечивает отфильтровывание частиц обычно размером более 3 мкм. Фильтр-отстойник можно промывать или ополаскивать струей водопроводной воды с легкой прочисткой щеткой.

Корпус и крепежное устройство выполнены преимущественно из полимерных материалов. В число предпочтительных полимерных материалов входят полипропилен, полиэтилен, акрилонитрил/бутадиен/стирольный или стирол/акрилонитриловый [сополимеры]. Уплотнительное устройство преимущественно выполнено из природного или синтетического каучука, синтетических эластомеров, тефлона, нитрильного каучука или силикона. Выражение «угольный блок» используется для обозначения блока, изготовленного с использованием частиц активированного угля, связываемых между собой с помощью полимерных связующих под действием тепла или давления. Выражение «полимерное связующее» относится преимущественно к связующему, характеризующемуся скоростью течения расплава (MFR) ниже 5 г/10 мин, преимущественно ниже 2 г/10 мин и, более предпочтительно, ниже 1 г/10 мин. Скорость течения расплава измеряют с помощью теста ASTM D 1238 (ISO 1133). Объемная плотность используемого в изобретении связующего преимущественно меньше или равна 0,6 г/см³, более предпочтительно меньше или равна 0,5 г/см³ и, еще более предпочтительно, меньше или равна 0,25 г/см³.

Угольный блок преимущественно содержит порошковый активированный уголь (ПАУ), размер частиц которого таков, что не более 5% материала проходит через сито 200 меш и не более 5% удерживается ситом 12 меш. ПАУ выбирают преимущественно из битуминозного угля, скорлупы кокосового ореха, древесины и нефтяной смолы. Площадь поверхности ПАУ преимущественно подбирают такой, чтобы она превосходила 500 м²/г и, более предпочтительно, чтобы превосходила 1000 м²/г.

Предпочтительно, чтобы ПАУ имел коэффициент однородности размера ниже 2 или, что более предпочтительно, ниже 1,5, углерод-тетрахлоридное число выше 50% и, более предпочтительно, выше 60%. Йодное число ПАУ преимущественно выше 800 и, более предпочтительно, выше 1000.

Весовое отношение связующего материала к частицам ПАУ подбирают таким, чтобы оно преимущественно было в пределах от 1:1 до 1:10 и, более предпочтительно, в пределах от 1:2 до 1:6.

С помощью описанного выше фильтрующего элемента изобретения можно достигать средней скорости потока воды, начиная с высоты 200 мм и вниз до 50 мм в безнапорном режиме, равной 600-50 мл/мин и, преимущественно, 200-50 мл/мин без нарушения требований к удалению взвешенного материала, включая микроорганизмы, и химических загрязнителей.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ получения профильтрованной воды при скоростях потока в пределах от 50 до 600 мл/мин, включающий стадии:

(i) фильтрация воды через фильтрующий элемент изобретения и

(ii) замена угольного блока, когда скорость потока воды становится ниже заданного значения, с помощью блока, который обеспечивает заданную скорость потока.

Настоящее изобретение облегчает удаление угольного блока из элемента с целью его регенерирования, после чего угольный блок легко закрепляется в элементе.

Детали изобретения, его цели и преимущества объясняются более детально далее на основе приведенных ниже не ограничивающих изобретения типичных вариантов осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг.1 - фильтрующий элемент изобретения с угольным дисковым фильтром, собранный в корпусе, включающий в себя куполообразную опорную плиту и выводной патрубок;

фиг.2 - деталь конструкции типичной куполообразной опорной плиты с гофрами.

Детальное описание чертежей

Как следует из фиг.1, фильтрующий элемент включает в себя угольный диск (СВ), посаженный на уплотнение (G), помещенное в основании корпуса (R), который имеет сборную камеру (СС), имеющую куполообразную опорную плиту (HP) и выводной патрубок (ON) для вывода воды. Выводной патрубок имеет входной конец (IE) и выходной конец (ОЕ). Куполообразная опорная плита расположена вблизи нижней стороны угольного блока. Куполообразная опорная плита имеет два разгрузочных отверстия (DP) на или вблизи периферийных краев плиты. Входной конец (IE) выводного патрубка расположен вблизи нижней стороны куполообразной опорной плиты, предпочтительно на одинаковых расстояниях от периферийных краев. Корпус имеет крышку (CL), на верхней поверхности которой имеется отверстие (не показано) для ввода воды. Крышка имеет резьбу (ST1), при помощи которой она приворачивается к корпусу, на котором имеется соответствующая нарезка (ST2). На крышке имеются выступающие вниз элементы (М) для прижатия угольного диска к уплотнению по мере того, как крышка приворачивается к корпусу. Уплотнение обеспечивает выход без подтеков, благодаря чему вся подаваемая в фильтрующий элемент вода проходит перед выходом из него через угольный блок.

На фиг.2 куполообразная опорная плита имеет на верхней стороне гофрировку (С), образующую канавки (GR).

В процессе работы вода поступает в крышку (CL) через выполненное в нем отверстие (не показано) и проходит через угольный диск (СВ), где осуществляется фильтрация, и собирается вначале в пространстве между угольным диском и куполообразной опорой, после чего выходит в донную часть (В) сборной камеры через разгрузочные отверстия (DP). Вода собирается и заполняет сборную камеру. Когда заполнение водой доходит до уровня входного конца (IE) выводного патрубка (ON), вода поступает в выводной патрубок через входной конец (IE), проходит в направлении вниз и выходит из фильтрующего элемента через выходной конец (ОЕ) выводного патрубка.

Таким образом, изобретение предлагает фильтрующий элемент, который делает возможным желаемое удаление взвешенных частиц, обеспечивая при этом необходимую высокую скорость потока воды, очень устойчивую для больших объемов воды, и обеспечивая более высокую эффективность, выражаемую в количестве воды, профильтрованной на данном количестве угля.

Реферат

Изобретение относится к фильтрующему элементу для фильтрации воды. Фильтрующий элемент включает в себя угольный блок, который помещен в корпус, причем указанный угольный блок разъемным образом закреплен в указанном корпусе с помощью крепежного устройства и уплотнительного устройства и при этом фильтрующий элемент включает в себя сборную камеру, расположенную под угольным блоком в корпусе, для сбора воды, которая выходит из угольного блока, причем указанная сборная камера включает в себя куполообразную опорную плиту, имеющую, по меньшей мере, одно разгрузочное отверстие для воды и расположенную в непосредственной близости от угольного блока, и выпускной патрубок для воды, имеющий входной и выходной концы, причем указанный входной конец расположен в непосредственной близости от нижней стороны плиты. Технический результат: обеспечение желаемого удаления взвешенных частиц, включая микроорганизмы типа цист, одновременно обеспечивая желаемую высокую скорость потока с большей постоянностью для большего объема вводимой воды по сравнению с элементами существующего уровня техники. 3 н.з. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула