Устройство для очистки и обеззараживания воды

Изобретение относится к системам очистки и обеззараживания воды, включая локальные системы подготовки питьевой воды из воды муниципальных систем водоснабжения. Устройство для очистки и обеззараживания воды включает герметичный пустотелый корпус с входным и выходным патрубками, предназначенными для подвода фильтруемой жидкости и отвода отфильтрованной, керамический мембранный фильтр, расположенный внутри корпуса, два электрода, размещенные во внутреннем пространстве керамического мембранного фильтра и соединенные с источником высокочастотного напряжения, располагаемым вне корпуса фильтра, патрубок для подачи сжатого воздуха и сливной патрубок. Технический результат - фильтрация воды с помощью керамического мембранного фильтра с возможностью его автоматической регенерации без значительного усложнения конструкции и процесса эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к водоочистным системам, позволяющим не только удалять имеющиеся загрязнения из воды, но и обеззараживать ее, что особенно важно осуществлять в муниципальных системах водоснабжения, связанных с локальными системами подготовки питьевой воды для пригородных поселений, дачных районов, поселков и хуторов, а также коттеджей.

В настоящее время для этого активно используют мембранные фильтры, имеющие размеры пор, соизмеримые с размерами бактерий и даже вирусов. Именно они находят все большее применение при приготовлении питьевой воды и в производстве различных продуктов.

Известно (Фильтры для городского водопровода / Идеи вашего дома. (http://ad.adriver.ru), что ячейки размером 0,2-0,3 мкм позволяют очистить воду от остаточного хлора и хлорорганики, растворенной органики (в том числе нефтепродуктов), двух- и трехвалентного железа, алюминия и на 100% очищают воду от любых бактерий и патогенных бактериальных агентов, а также значительно снижают концентрацию пестицидов и тяжелых металлов. При этом керамические мембранные фильтры (КМФ), по данным фирмы Daulton, занимают до 70% мирового рынка.

Преимуществами керамических мембранных фильтров по сравнению с полимерными являются:

- высокая механическая прочность рабочей поверхности керамической основы фильтрующего элемента к воздействию абразивных частиц и бактерий;

- отсутствие сменных картриджей (подключение по схеме самоочистки);

- высокая химическая устойчивость рабочей поверхности керамической основы фильтрующего элемента к химически агрессивным жидкостям, практически при любых значениях рН среды, а также в различных растворителях;

- возможность работы при высоких температурах;

- возможность регенерации обратным потоком фильтрата (жидкости), сжатым воздухом.

Одной из важнейших проблем, связанных с эксплуатацией керамических мембранных фильтров (КМФ), является восстановление их фильтрационной способности, что обеспечивается, обычно, обратной промывкой фильтров. Для промывки КМФ используются солевые или щелочные растворы. Но использование этих растворов значительно усложняет технологический процесс восстановления (регенерации) фильтрующей способности фильтров. Также трудно автоматизировать процесс управления таким способом регенерации.

Известны различные способы восстановления фильтрующей способности фильтров, описанные в патентах.

Например, в патенте РФ №2383383 описан фильтр, в котором для восстановления фильтрующей способности предложено использовать чистящие элементы, закрепленные внутри корпуса и перемещаемые вдоль мембран с помощью ручек. Использование такого механического способа очистки фильтра возможно только в бытовых фильтрах небольшого размера, при этом очистке подвергается лишь одна сторона мембраны, тогда как обратная сторона остается загрязненной.

В патенте РФ №2167695 описан фильтр, в котором предусмотрено наличие дополнительных патрубков для подачи воды или специального раствора для восстановления фильтрующей способности фильтра. Таким образом, в данном патенте предлагается регенерацию фильтра проводить с помощью обратной промывки. В таком устройстве процесс регенерации значительно усложняет технологический процесс и не поддается автоматизации и управлению. Кроме того, не происходит обеззараживание очищаемой воды.

В патенте РФ №2179061 описаны способ и устройство для мембранной фильтрации. Согласно ему фильтрация ведется из потока раствора, перпендикулярного направлению транспорта, на жестких полупроницаемых керамических мембранах высокой пористости. Отличительной особенностью этого и ему подобным способам является создание условий фильтрации, при которых предотвращается образование гелевого слоя на поверхности мембраны в течение всего процесса фильтрации, для этого предлагается проводить фильтрацию в сочетании знакопеременного трансмембранного давления (ТМД) с направленными потоками фильтруемой жидкости. При положительном ТМД фильтруемая жидкость движется вдоль поверхности мембраны, а фильтрат удаляется наружу: при отрицательном ТМД часть фильтрата (не более 20%) возвращается обратно через поры мембраны и обеспечивает их очистку от застрявших частиц, при этом последующий поток фильтруемой жидкости, когда вновь создается положительное ТМД, смешивается с этими частицами и фильтрация происходит вновь на чистых мембранах. Заявлены устройства, одно из которых состоит из фильтр-поршня, который совершает возвратно-поступательное перемещение в жестком корпусе, при этом, благодаря использованию трех клапанов однонаправленного потока, двух эластичных непроницаемых мембран, двух дистанционных колец и других конструктивных особенностей. Во втором устройстве мембранный фильтр выполнен в виде жесткой конструкции, неподвижно закрепленной в корпусе. Фильтр может состоять из одного пористого полупроницаемого цилиндра или кассеты из нескольких небольшого диаметра полупроницаемых трубок. Для создания пульсирующего ТМД используется поршень мембранного типа, который совершает возвратно-поступательное перемещение благодаря использованию соленоида. Соленоид также предлагается использовать для осуществления возвратно-поступательного перемещения фильтр-поршня. Кроме того, для создания необходимого рабочего зазора вдоль поверхности мембраны при использовании жестко закрепленного мембранного фильтра в конструкции предложено использовать плавающие или неподвижные мандрены.

Данное техническое решение, как наиболее близкое по совокупности существенных признаков, выбрано в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются:

- сложность конструкции,

- длительность процесса регенерации,

- значительное удорожание как самого фильтра, так и его эксплуатации.

Задачей настоящего изобретения является создание такой конструкции устройства для очистки и обеззараживания воды, которая позволяла бы достичь следующего технического результата, а именно проводить фильтрацию жидкостей с помощью КМФ с возможностью их автоматической регенерации без значительного усложнения конструкции и процесса эксплуатации.

Поставленная задача решена следующим образом. В устройство для очистки и обеззараживания воды, включающее герметичный пустотелый корпус с входным и выходным патрубками, предназначенными для подвода фильтруемой жидкости и отвода отфильтрованной, и керамический мембранный фильтр, расположенный внутри корпуса, предлагается ввести два электрода, размещенные во внутреннем пространстве керамического мембранного фильтра и соединенные с источником высокочастотного напряжения, располагаемого вне корпуса фильтра, а также ввести патрубок для подачи сжатого воздуха и сливной патрубок.

Дополнительными отличиями предлагаемого устройства для очистки и обеззараживания воды являются:

- электроды выполнены в виде аксиальных цилиндров, поверхность которых может быть сетчатой,

- поверхности электродов могут быть покрыты серебром,

- устройство для очистки и обеззараживания воды может содержать дополнительный патрубок для подачи воды для промывки керамического мембранного фильтра.

Предлагаемое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата, так как введение электродов и их подключение к генератору позволяет очистку КМФ проводить с помощью озона, который генерируется из кислорода, содержащегося в воздухе, под воздействием коронного разряда во внутреннем объеме фильтра.

Предлагается использовать источник высокочастотного напряжения до 10 кВ с частотой 50-500 кГц.

Молекулы озона, распадаясь и смешиваясь с водой, образуют кислую среду, которая способствует разрушению органических остатков, застрявших в корпусе и мембране фильтра, а на поверхности мембраны фильтра взаимодействует с окислами железа, переводя их в закись железа, которое коагулируется в структуры достаточно большого размера, что способствует их удалению с поверхности мембраны. Таким образом, не требуется проводить промывку фильтра солевыми или щелочными растворами, достаточно обычной воды.

Предлагаемая конструкция устройства позволяет проводить регенерацию КМФ достаточно простым, дешевым и легко управляемым способом. При этом значительно повышается срок службы фильтров, следовательно, повышается экономичность их эксплуатации при незначительном повышении первоначальной стоимости.

По данной теме заявителем проведен патентно-информационный поиск, который показал, что заявляемая совокупность существенных признаков не известна. Поэтому данное техническое решение можно признать новым.

Предлагаемое изобретение обладает изобретательским уровнем, так как оно для специалиста средней квалификации логически не следуют из известного уровня техники. Это обусловлено тем, что в керамических мембранных фильтрах для очистки мембран не применялся озон, который возникает в результате коронного разряда, вызываемого внутри фильтра.

Ниже следующее описание предлагаемого устройство показывает, что оно промышленно применимо, и его сущность поясняется приведенным чертежом.

На фиг.1 приведен пример варианта устройства в виде колбы, где

1 - входной патрубок

2 - выходной патрубок

3 - патрубок для подачи сжатого воздуха

4 - сливной патрубок

5 - керамический мембранный фильтр

6, 7 - электроды

8 - высокочастотный генератор

9 - корпус

10 - патрубок для сброса сжатого воздуха

11 - дополнительный патрубок подачи воды для промывки фильтра.

Предлагаемое устройство для очистки и обеззараживания воды включает герметичный пустотелый корпус 9 с входным патрубком 1, предназначенным для подвода фильтруемой жидкости (на чертеже жидкость показана штриховкой), и выходным патрубком 2, предназначенным для отвода отфильтрованной жидкости (отфильтрованная жидкость на чертеже не показана), керамический мембранный фильтр 5, расположенный внутри корпуса 9. Через корпус 9 во внутреннее пространство керамического мембранного фильтра 5 введены два электрода 6 и 7, которые соединены с источником высокочастотным генератором 8, расположенным вне корпуса фильтра, патрубок 3 для подачи сжатого воздуха и сливной патрубок 4.

Причем, электроды 6 и 7 выполнены в виде аксиальных цилиндров, поверхность которых может быть сетчатой. На поверхности аксиальных цилиндров нанесено серебро. Имеется также и дополнительный патрубок 11 для подачи воды для промывки керамического мембранного фильтра.

Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом.

Вода из магистрали по патрубку через патрубок 1 попадает во внешнюю полость фильтра, проходит через мембранную оболочку КМФ 5, и уже очищенная от механических частиц и биологических составляющих поступает в трубопровод через патрубок 2 для непосредственного использования или последующей ее обработки.

По мере загрязнения КМФ, которое можно определить по перепаду давления и расходу воды на участке, фильтр переводится в режим регенерации.

Для этого патрубки 1 и 2 перекрываются, а вода из полости фильтра вытесняется сжатым воздухом через патрубок 3 при открытом сливном патрубке 4.

От генератора 8 на электроды 6 и 7 импульсами подается высокочастотное напряжение до 10 кВ с несущей частотой 50-500 кГц. Во внутреннем объеме фильтра создается коронный разряд, под воздействием которого генерируется озон из воздуха, который способствует очищению КМФ. Необходимое количество циклов регенерации уточняется по результатам испытаний опытного образца.

В результате проведения нескольких циклов регенерации, без открытия патрубка 2, фильтр очищается.

Для дополнительной очистки фильтра в нем может быть предусмотрен патрубок для подачи воды для промывки.

1. Устройство для очистки и обеззараживания воды, включающее герметичный пустотелый корпус с входным и выходным патрубками, предназначенными для подвода фильтруемой жидкости и отвода отфильтрованной, керамический мембранный фильтр, расположенный внутри корпуса, отличающееся тем, что дополнительно содержит два электрода, размещенные во внутреннем пространстве керамического мембранного фильтра и соединенные с источником высокочастотного напряжения, располагаемым вне корпуса фильтра, патрубок для подачи сжатого воздуха и сливной патрубок.

2. Устройство для очистки и обеззараживания воды по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде аксиальных цилиндров, поверхность которых может быть сетчатой.

3. Устройство для очистки и обеззараживания воды по п.2, отличающееся тем, что поверхности аксиальных цилиндров покрыты серебром.

4. Устройство для очистки и обеззараживания воды по п.1, отличающееся тем, что содержит дополнительно патрубок для подачи воды для промывки керамического мембранного фильтра.