Индивидуальное портативное устройство

 

Изобретение относится к обеззараживанию и очистке питьевой воды и может быть использовано в экстремальных и полевых условиях в качестве индивидуального портативного устройства для получения питьевой воды из необорудованных источников. Изобретение позволяет эффективно удалять бактериальное загрязнение, вирусную микрофлору, токсичные вещества при комфортной скорости питья и высокой пропускной способности. Устройство состоит из двух трубок, размещенных одна в другой со смещением по высоте, при этом у верхнего торца наружной трубки сформована внутренняя коническая поверхность, а у нижнего торца внутренней трубки внешняя коническая поверхность с возможностью совмещения конических поверхностей и образования герметичного соединения при аксиальном перемещении внутренней трубки. При этом свободная от внутренней трубки часть наружной трубки содержит по ходу воды последовательные слои волоконного катионообменного материала, волоконного анионообменного материала, углеродного сорбирующего материала, а внутренняя - последовательные слои углеродного сорбирующего материала, йодосодержащей сильноосновной анионообменной смолы, волоконного катионообменного материала, волоконного анионообменного материала, смеси углеродного сорбирующего материала и серебросодержащего сорбирующего материала. 6 з. п. ф-лы, 4 ил. 3 табл.

Изобретение относится к обеззараживанию и очистке питьевой воды и может быть использовано в экстремальных и полевых условиях в качестве индивидуального портативного устройства (ИПУ) для получения питьевой воды из необорудованных источников.

Известно ИПУ для очистки и обеззараживания воды в виде тонкой трубки, позволяющей потребителю всасывать воду ртом. Трубка имеет последовательно расположенные секции от входа воды к выходу: первичный фильтрующий материал полиэфирное волокно первая секция, вторая секция ионообменная трийодидная смола, третья секция вторичный фильтрующий материал, подобный первичному фильтрующему материалу, четвертая секция гранулы активированного угля и пятая секция опять полиэфирное волокно [1] Как показали сравнительные исследования, данное ИПУ обладает ограниченной пропускной способностью (10-15 л) по воде из необорудованных источников (рек, озер, болот), содержащей значительное количество примесей органического и неорганического происхождения, а также является недостаточно эффективным с точки зрения обеззараживания воды от бактерий и вирусов, так как не обеспечивает гарантированное обеззараживание воды.

Наиболее близким к изобретению является ИПУ, состоящее из полимерной трубки, закрытой с обоих концов герметизирующими колпачками (в случае, когда устройство не работает). Трубка содержит чередующиеся слои дезинфицирующего и сорбирующего наполнителя, разделенные пористыми перегородками. После съемного фильтра на входе воды пористого пластика для отделения частиц и осадка из воды располагается слой пентацидной йодсодержащей анионообменной смолы, которая убивает значительную часть бактерий и организмов, присутствующих в воде, затем слой гранул активированного угля для улучшения вкуса, устранения запаха и удаления остаточного йода, и слой трийодидной ионообменной смолы, которая предотвращает проход бактерий в очищенную воду, а также заражение бактериями активированного угля и мундштука. Однако наличие трийодидной смолы на выходе отрицательно сказывается на органолептических свойствах воды. Кроме того, ИПУ все же недостаточно обеззараживает от бактерий и вирусов. Увеличение же количества слоев наполнителя приводит к снижению скорости прохождения воды (до некомфортной) и уменьшению пропускной способности устройства.

Задача изобретения создание ИПУ минимальных размеров и удобное в обращении, эффективное в отношении удаления бактериального загрязнения, вирусной микрофлоры, очистки от токсичных веществ, (таких как тяжелые металлы, радионуклиды, пестициды) при комфортной скорости питья и высокой пропускной способности устройства.

Устройство состоит из двух трубок, размещенных одна в другой со смещением по высоте, при этом у верхнего по ходу воды торца наружной трубки сформована внутренняя коническая поверхность, а у нижнего торца внутренней внешняя коническая поверхность с возможностью совмещения конических поверхностей и образования герметичного соединения при аксиальном перемещении внутренней трубки. При этом свободная от внутренней трубки часть наружной трубки содержит по ходу воды последовательные слои волоконного катионообменного материала, волоконного анионообменного материала, углеродного сорбирующего материала, а внутренняя последовательные слои углеродного сорбирующего материала, йодообменного материала, волоконного анионообменного материала, смеси углеродного сорбирующего материала и серебросодержащего сорбирующего материала при обменной емкости волоконного катионообменного материала не менее 4,5 мг-экв. /г, волоконного анионообменного материала не менее 2,0 мг-экв./г и суммарной поверхностью пор углеродного сорбционного материала не менее 1100 м²/г и объемом микропор не менее 0,4 см³/г.

На входе и выходе устройства расположены герметизирующие колпачки, а слои материалов (где это необходимо) разделены полимерными сетками.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом показал, что предлагаемое решение отличается от прототипа наличием второй трубки, конструктивными особенностями трубок, а также составом наполнителя, обменной емкостью волоконного катионообменного и анионообменного материалов, суммарной поверхностью пор и объемом пор углеродного сорбирующего материала.

Другими отличиями являются объемные соотношения между слоями внешней и внутренней трубок соответственно (1-2):)1-3):(1-2) и (1-2):(3-5):(2-3):(3-6): (0,5-2), гранулометрический состав углеродного сорбирующего материала (0,3-1,0) мм или развес его волокна и волокон катионо- и анионообменных материалов не менее 500 г/м², гранулометрический состав ионообменной смолы (0,3-1,0) мм, а также использование серебросодержащего сорбирующего материала либо в виде импрегнированного серебром углеродного сорбента с суммарной поверхностью пор не менее 1100 см³/г и объемом микропор не менее 0,4 см³/г, либо в виде катионообменного гранулированного или волоконного материала с обменной емкостью не менее 2 мг-экв./г, содержащего в качестве противоиона Ag⁺.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Поиск технических решений в смежных областях техники не позволил выявить отличительные признаки предлагаемого технического решения, что соответствует критерию "изобретательский уровень".

При аксиальном перемещении внутренней трубки до герметизации устройства при совмещении конических поверхностей трубок между слоями наполнителя наружной и внутренней трубок образуется свободное пространство, улучшающее гидродинамические показатели устройства, что позволяет использовать восемь слоев наполнителей, часть из которых волоконные материалы с высокими сорбционными свойствами, при сохранении высокой пропускной способности и комфортной скорости питья. Кроме того, ИПУ в нерабочем состоянии складывается и удобен в ношении в виде авторучки, не превышающей в высоту 15 см. ИПУ эффективно очищает воду от бактерий, вирусов и токсичных веществ.

На фиг. 1 представлено ИПУ, при хранении и транспортировке; на фиг.2 то же устройство, но с удаленными колпачками; на фиг.3 вертикальный разрез внутренней трубки; на фиг.4 вертикальный разрез ИПУ в работе.

ИПУ состоит из наружной полимерной трубки 1 с отверстием для входа воды 2, при этом у верхнего по ходу воды торца 3 сформована внутренняя коническая поверхность 4, а также внутренней полимерной трубки 5, смещенной во внешней трубке 1 на высоту h, с выходным отверстием 6 и с внешней конической поверхностью 7 и нижнего торца 8.

Устройство содержит колпачок 9 с боковым фиксатором 10, а также колпачок 11.

Наружная полимерная трубка 1 по ходу воды содержит слой 12 волоконного катионообменного материала с обменной емкостью не менее 4,5 мг-экв./г, слой 13 волоконного анионообменного материала с обменной емкостью не менее 2 мг-экв. /г и слой 14 углеродного сорбирующего материала с суммарной поверхностью пор не менее 1100 м²/г и объемом микропор не менее 0,4 см³/г, объемное соотношение между которыми составляет (1-2):(1-3):(1-2).

Внутренняя полимерная трубка 5 по ходу воды содержит слой 14 углеродного сорбирующего материала, слой 15 йодсодержащей сильноосновной анионообменной смолы с гранулометрическим составом (0,3-1,0) мм, слой 12 волоконного катионообменного материала, слой 13 волоконного анионообменного материала, слой 16 смесь углеродного сорбирующего материала и серебросодержащего сорбирующего материала при обменном соотношении 1:1. Слои разделены полимерными сетками 17. Объемные соотношения слоев (1-2):(3-5):(2-3):(3-6):(0,5-2).

Устройство работает следующим образом.

Вначале снимаем колпачки 9 и 11, аксиально перемещаем внутреннюю трубку 5 до совмещения конических поверхностей 4 и 7 и образования герметичного соединения двух трубок. Затем опускаем конец трубки 1 с отверстием 2 в воду, вода через отверстие 2, слои наполнителя трубки 1 (12, 13, 14), свободное пространство 18 и слои наполнителя трубки 5 (14, 15, 12, 13 и 16) через отверстие 6 попадает при просасывании в рот пользователя.

Работоспособность устройства определяли по его пропускной способности, скорости прохождения воды через устройство, и по степени очистки и эффективности обеззараживания. Пропускную способность устройства определяли как количество пропущенной воды до трехкратного снижения начальной скорости прохождения воды через устройство. Скорость прохождения воды через устройство определяли по количеству мл воды, прошедшей через устройство за 1 мин. Степень очистки от токсичных примесей оценивали по процентному отношению концентраций этих примесей в исходной воде и в воде после прохождения через устройство. Эффективность очистки от микробиологических загрязнений определяли по содержанию организмов в очищенной воде.

П р и м е р 1. Наружная трубка содержит слои: волоконного катионообменного материала с обменной емкостью не менее 4,5 мг-экв./г (полимер на основе сшитого полиакрилонитрила); волоконного анионообменного материала с обменной емкостью не менее 2,0 мг-экв./г (сополимер акрилонитрила и винилпиридина); углеродного сорбирующего материала с суммарной поверхностью пор не менее 1100 м²/г и объемом пор не менее 0,4 см³/г в виде гранул размером (0,3-1,0) мм. Соотношение слоев наружной трубки 1:1:1.

Внутренняя трубка содержит слои: углеродного сорбирующего материала того же, что и во внешней трубке; йодсодержащей сильноосновной анионообменной смолы марки СИА-1 с гранулами размером (0,3-1,0) мм общей формулы R-CH₂-N⁺J_n^-, где R сополимер стирола с дивинилбензолом, n=3-7; смесь углеродного сорбирующего материала в виде гранул размером (0,3-1,0) мм с суммарной поверхностью пор не менее 1100 м²/г и объемом микропор не менее 0,4 см³/г и серебросодержащего сорбирующего материала в виде импрегнированного серебром углеродного сорбента с суммарной поверхностью пор не менее 1100 м²/г, объемом микропор не менее 0,4 см³/г и содержанием серебра 1% от массы материала. Объемное соотношение компонентов в смеси 1:1.

Объемное соотношение слоев внутренней трубки 1:3:2:3:0,5. Пропускная способность устройства 30 л. Скорость прохождения воды 145 мл/мин. Сведения по обеззараживанию и очистке воды представлены в таблицах 1-3.

П р и м е р 2. Наружная и внутренняя трубка содержит слои, аналогичные описанным в примере 1, только углеродный сорбирующий материал взят в виде волокна с развесом не менее 500 г/м², а серебросодержащий сорбирующий материал в виде катионообменного гранулированного материала с обменной емкостью не менее 2,0 мг-экв./г, содержащего в качестве противоиона Ag⁺. При этом объемное соотношение слоев первой трубки 2:3:2, а во второй трубке 2:5: 3:6:2. Пропускная способность 25 л. Скорость прохождения воды 140 мл/мин.

П р и м е р 3. Трубки содержат слои, аналогичные примеру 2, только серебросодержащий сорбирующий материал представляет собой катионообменный волоконный материала с обменной емкостью не менее 2,0 и обменные соотношения слоев в наружной трубке составляют 1:1:2, а во внутренней 1:5:2:6:2. Пропускная способность 25 л. Скорость прохождения воды 135 мл/мин.

Приведенные примеры показывают, что ИПУ позволяет получить питьевую воду, соответствующую санитарно-гигиеническим требованиям.

Эффективность удаления паразитарных загрязнений составила 100% во всех примерах проба воды на входе содержала в 1 л яйца аскарид 5, цисты лямблий 5, социсты криптосподий 10, а на выходе концентрация патогенов во всех случаях была равна 0.

Эффективность удаления радионуклидов, Hg⁺⁺, Pb⁺⁺, Cd⁺⁺⁺, Sr⁺⁺, Cs⁺, пестицидов во всех случаях составляла 96-98% при использовании данного изобретения.

Формула изобретения

1. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ПОРТАТИВНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее наружную трубку, в которой между водопроницаемыми перегородками расположены чередующиеся слои дезинфицирующего и сорбирующего наполнителя, а также герметизирующие колпачки на входе и выходе воды, отличающееся тем, что в наружной трубке со смещением по высоте размещена внутренняя трубка, у верхнего по ходу воды торца наружной трубки сформована внутренняя коническая поверхность, а у нижнего торца внутренней трубки внешняя коническая поверхность с возможностью совмещения конических поверхностей и образования герметического соединения при аксиальном перемещении внутренней трубки, при этом свободная часть наружной трубки содержит по ходу воды последовательные слои волокнистого катионообменного материала, йодосодержащей сильноосновной анионообменной смолы, волоконного катионообменного материала, волоконного анионообменного материала, смеси углеродного сорбирующего материала и серебросодержащего сорбирующего материала при обменной емкости волоконного катионообменного материала не менее 4,5 ммоль/г, волоконного анионообменного материала не менее 2,0 ммоль/г и суммарной поверхности пор углеродного сорбирующего материала не менее 1100 м²/г и объемом микропор не менее 0,4 см³/г.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что объемное соотношение слоев внешней трубки составляет 1-2 1-3 1-2, а слоев внутренней трубки 1-2 3-5 2-3 3-6 0,5-2,0.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что углеродный сорбирующий материал представляет собой гранулы размером 0,3-1,0 мм.

4. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что углеродный сорбирующий материал, катионо- и анионообменные материалы представляют собой волокна с развесом не менее 500 г/м².

5. Устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что йодосодержащая сильноосновная анионообменная смола имеет гранулометрический состав 0,3-1,0 мм.

6. Устройство по пп. 1-5, отличающееся тем, что серебросодержащий сорбирующий материал представляет собой импрегнированный серебром углеродный сорбент с суммарной поверхностью пор не менее 1100 м²/г, объемом микропор не менее 0,4 см³/г.

7. Устройство по пп. 1-5, отличающееся тем, что серебросодержащий сорбирующий материал представляет собой катионообменный гранулированный или волоконный материал с обменной емкостью не менее 2,0 ммоль/г, содержащий в качестве противоиона Ag⁺.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7