Фильтрующее устройство гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды
Владельцы патента RU 2747923:
Акционерное общество "БВТ БАРЬЕР РУС" (АО "БВТ БАРЬЕР РУС") (RU)
Изобретение имеет отношение к фильтрующему устройству гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды. Фильтрующее устройство содержит систему фиксации фильтрующего устройства в воронке фильтра с отверстиями для входа очищаемой воды и выхода воздуха, герметично соединенную с фильтрующим элементом, выполненным из пористого блочного материала в виде полого вертикального сосуда с пористым или герметично закрытым дном, полученным путем сжатия при нагреве смеси порошкообразных компонентов, содержащей частицы активированного угля и полимерного связующего, с расположенным в объеме его внутреннего пространства слоем гранулированного материала для умягчения очищаемой воды, распределитель потока обрабатываемой воды из сетки или ткани с отверстиями, меньшими, чем размер частиц гранулированного материала. Распределитель потока обрабатываемой воды выполнен в форме куполообразного или плоского сетчатого или тканевого элемента и расположен в объеме системы фиксации фильтрующего устройства. Слой гранулированного материала, снижающий жесткость очищаемой воды, заполняет полностью внутренний объем фильтрующего элемента и часть объема системы фиксации фильтрующего устройства, ограниченную распределителем потока. Гранулированный материал для умягчения очищаемой воды с размером гранул 0,1-2,0 мм представляет собой катионит из класса слабокислотных синтетических катионообменных материалов или гранулированный пористый блочный материал с размером пор 10-80 мкм, состоящий из активированного угля, полимерного связующего и малорастворимой соли, связывающей содержащиеся в питьевой воде катионы кальция в малорастворимую соль кальция, либо смесь катионита и гранулированного пористого блочного материала в соотношении катионит: гранулированный пористый блочный материал (10-90):(90-10) мас. %. Технический результат - обеспечение повышенного ресурса стабильного умягчения воды (не менее 350 литров) и аналогичный ресурс высокоэффективной очистки от наиболее распространенных загрязнителей; улучшение качества очистки питьевой воды в бытовых фильтрах кувшинного типа. 5 з.п. ф-лы, 2 табл., 6 пр., 3 ил.
Изобретение относится к фильтрующим устройствам гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды и может быть использовано в бытовых фильтрах кувшинного типа.
Из патентной литературы и интернет-информации (патенты DE000002919901, 1980 год, WO1998017582, 1998 год, RU 2236279, 2004 год, патент WO2005118481, 2005 год, WO2005118104, 2005 год, WO2005118482, 2005 год, RU 2617775, 2017 год, RU 2252062, 2005 год, RU 2437703, 2011 год, RU 2617775, 2017 год, RU 2526377 С1, 20.08.2014 год, патент RU 2540159 С1, 10.02.2015, патент RU 2538746 С2, 10.01.2015, серийная кассета «БАРЬЕР-Жесткость» АО «BWT-Barrier RUS») известны фильтрующие устройства (картриджи, кассеты и др.) гравитационных фильтров, осуществляющие очистку и умягчение питьевой воды.
Очистка воды такими фильтрующими устройствами осуществляется за счет присутствия в них гранулированных углей (очистка от хлора, хлорорганических и органических соединений) и катионитов в виде гранулированных или волоконистых катионообменных материалов (очистка от тяжелых металлов). Умягчение воды осуществляется катионитами за счет обмена содержащихся в них Н+ и Na+ катионов на присутствующие в умягчаемой воде катионы Са++ и Mg++ и их гидрокарбонат-ионы, ответственные за жесткость воды.
Недостатком перечисленных фильтрующих устройств является неравномерность умягчения воды во время их работы: в начале ресурса работы фильтрующего устройства происходит гиперумягчение воды - снижение концентрации катионов Са++ и Mg++ на 90-100%, что делает воду избыточно мягкой, отрицательно влияющей на здоровье человека и обладающей неудовлетворительным вкусом, а в ходе дальнейшей отработки ресурса фильтрующим устройством вода умягчается всего на 10-15%, что фактически оставляет ее в категории «вода средней жесткости» или «жесткая вода» и приводит к появлению накипи при кипячении.
Известно фильтрующее устройство гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды (RU 2708855 С1, 11.12.2019), взятое за прототип, с ресурсом умягчения воды до 200 литров, отсутствием эффекта гиперумягчения воды на начальных стадиях ресурса и высокоэффективной фильтрующей способностью. Указанное фильтрующее устройство содержит систему фиксации фильтрующего устройства в воронке фильтра с отверстиями для входа очищаемой воды и выхода воздуха, фильтрующий элемент, выполненный из пористого блочного материала в виде полого вертикального сосуда с пористым или герметично закрытым дном с расположенными в его внутреннем пространстве слоем ионообменного материала для умягчения (снижения жесткости) обрабатываемой воды, и распределителем потока обрабатываемой воды с элементом фиксации, при этом слой ионообменного материала расположен между внутренней поверхностью фильтрующего элемента и распределителем потока обрабатываемой воды и заполняет внутреннее пространство фильтрующего элемента на (20-90)% от его объема, а распределитель потока выполнен в виде вертикального или горизонтального тела с отверстиями меньше размера частиц ионообменного материала. Пористый блочный материал фильтрующего элемента получен путем сжатия при нагреве смеси порошкообразных компонентов, содержащей частицы активированного угля и полимерного связующего, а система фиксации фильтрующего устройства соединена герметично с фильтрующим элементом.
Материал, используемый в фильтрующем устройстве-прототипе для умягчения (уменьшения жесткости) обрабатываемой воды, представляет собой ионообменный материал с сорбционной обменной емкостью (0,5-5) мг-экв/мл с размером гранул (0,1-2,0) мм из класса слабо- или сильнокислотных катионитов в Н+ или Na+ форме и/или неорганических катионообменных материалов из классов природных или синтетических цеолитов, алюмосиликатов, силикагелей и сульфоуглей.
Фильтрующий материал устройства-прототипа, предназначенный для очистки воды, представляет собой корпус фильтрующего элемента из пористого блочного материала в виде полого вертикального сосуда с равнотолщинными или разнотолщинными стенками с размером пор, меньшем размера гранул ионообменного материала, толщиной стенок (5-25) мм с сечением в форме круга (полый цилиндр), квадрата, прямоугольника, овала или сложного профиля, или полой обратной пирамиды или полого обратного конуса, или усеченной полой обратной пирамиды, или усеченного обратного конуса, с пористым или герметично закрытым дном, изготовленный методом экструзии или методом горячего прессования со степенью сжатия при формовании (12-25)% при температуре на (10-40)°С выше температуры размягчения полимерного связующего из смеси частиц с размером (0,05-0,5) мм, предпочтительно (0,07-0,15) мм, активированного угля с йодным числом не менее 1000 мг/г и полимерного связующего из классов полиолефинов и/или полиэфиров и/или их сополимеров с индексом расплава (2-20) г/10 мин. по ASTMD 1238 при 190°С и нагрузке 25 Кг при соотношении активированный уголь : полимерное связующее (75-95):(5-25) мас. %.
Распределитель потока обрабатываемой воды фильтрующего устройства-прототипа с элементом фиксации расположен во внутреннем пространстве фильтрующего элемента и имеет два варианта изготовления: в виде вертикальных одного или нескольких тел с отверстиями меньше размера гранул материала для умягчения воды, изготовленных или из полимерного материала методом литья под давлением, или из пористого блочного материала, имеющих высоту, составляющую (1-100) % от высоты фильтрующего элемента, и сечение в форме круга (полый цилиндр), квадрата, прямоугольника, овала, или сложного профиля, или полой обратной пирамиды или полого обратного конуса, или усеченной полой обратной пирамиды, или усеченного обратного конуса, с пористым или герметично закрытым дном с отверстиями, расположенными в вертикальных стенках и/или на дне либо в виде горизонтального распределителя потока обрабатываемой воды, прикрепленного к внутренней или к торцевой поверхности корпуса фильтрующего элемента, выполненного из сетки или ткани с отверстиями, меньшими, чем размер гранул ионообменного материала для умягчения обрабатываемой воды, с элементом фиксации в виде пластиковой обечайки. Фильтрующее устройство - прототип обеспечивает ресурс работы до 350 литров до снижения эффективности очистки воды от хлора, хлороформа и свинца более чем на 10%, и до 200 литров - до снижения эффективности по умягчению воды более чем на 80%.
Существование у фильтрующего устройства-прототипа двух различных по величине ресурсов - ресурса по очистке воды и ресурса по умягчению воды - неудобно для потребителя, поскольку предусмотренные в конструкции фильтра индикаторы завершения ресурса запрограммированы только на индикацию одного ресурса. Кроме того, ресурс фильтрующего устройства по умягчению воды недостаточен с точки зрения потребительских требований. Однако конструкция фильтрующего устройства - прототипа не позволяет повысить ресурс умягчения воды. Это обусловлено наличием зазора в верхней части фильтрующего элемента, выполняющего функцию байпаса, через который проходит очищаемая вода без контакта с материалом для умягчения воды. Наши исследования показали, что этот существующий изначально зазор (байпас) увеличивается при отработке ресурса устройством вследствие контракции (сжатия) используемых в устройстве гранул материала для умягчения обрабатываемой воды: слабо- или сильнокислотных катионитов в Н+ или Na+ форме - в результате перехода их в Са++ или Mg++ форму (Фиг. 3). Величина контракции гранул может достигать 10-15% по диаметру, что сопровождается уменьшением высоты слоя материала для уменьшения жесткости обрабатываемой воды и увеличением размера байпаса в верхней части фильтрующего элемента. В результате большая часть обрабатываемой воды в фильтрующем элементе проходит через увеличенный байпас без контакта с материалом для умягчения воды, что и является причиной значительного снижения эффективности умягчения обрабатываемой воды в процессе отработки ресурса устройством.
Технической задачей настоящего изобретения является создание фильтрующего устройства гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды, обеспечивающего повышенный ресурс умягчения обрабатываемой воды, соизмеримый с ресурсом очистки воды.
Поставленная техническая задача достигается предложенным фильтрующим устройством гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды, содержащим систему фиксации фильтрующего устройства в воронке фильтра с отверстиями для входа очищаемой воды и выхода воздуха, герметично соединенную с фильтрующим элементом, выполненным из пористого блочного материала в виде полого вертикального сосуда с пористым или герметично закрытым дном, полученным путем сжатия при нагреве смеси порошкообразных компонентов, содержащей частицы активированного угля и полимерного связующего, с расположенным в объеме его внутреннего пространства слоем гранулированного материала для умягчения очищаемой воды, распределитель потока обрабатываемой воды из сетки или ткани с отверстиями, меньшими, чем размер частиц гранулированного материала для умягчения воды, и отличающийся тем, что распределитель потока обрабатываемой воды выполнен в форме куполообразного или плоского сетчатого или тканевого элемента и расположен в объеме системы фиксации фильтрующего устройства, слой гранулированного материала для умягчения очищаемой воды заполняет полностью внутренний объем фильтрующего элемента и часть объема системы фиксации фильтрующего устройства, ограниченную распределителем потока, а гранулированный материал для умягчения очищаемой воды представляет собой катионит из класса слабокислотных синтетических катионообменных материалов или гранулированный пористый блочный материал, состоящий из активированного угля, полимерного связующего и малорастворимой соли, связывающей содержащиеся в питьевой воде катионы кальция в малорастворимую соль кальция, либо смесь катеонита и гранулированного пористого блочного материала в соотношении катионит : гранулированный пористый блочный материал (10-90):(90-10) мас. %.
Распределитель потока обрабатываемой воды, выполненный в форме куполообразного или плоского элемента, изготовлен из сетки или ткани с отверстиями, меньшими, чем размер частиц гранулированного материала для умягчения воды, и герметично зафиксирован в системе фиксации фильтрующего элемента приклеиванием или сваркой.
Внутреннее пространство фильтрующего устройства заполнено на (110-150) % от внутреннего объема фильтрующего элемента гранулированным материалом для умягчения воды, с размером гранул в интервале (0,1-2,0) мм. В качестве гранулированного материала для умягчения очищаемой воды используют синтетические катионообменные материалы из класса слабокислотных катионитов в Н+ форме с сорбционной обменной емкостью (0,5-5) мг-экв/мл.
В качестве гранулированного материала для умягчения очищаемой воды используют гранулированный пористый блочный материал, получаемый из термически обработанной смеси порошкообразных материалов с размером частиц (0,05-0,5) мм, предпочтительно (0,07-0,15) мм, состоящей из активированного угля с йодным числом более 1000 мг/г, полимерного связующего из классов полиолефинов и/или полиэфиров и/или их сополимеров с индексом расплава (2-20) г/10 мин. по ASTMD 1238 при 190°С и нагрузке 25 Кг и малорастворимой соли, связывающей содержащиеся в питьевой воде катионы кальция в малорастворимую соль кальция, выбранной из группы, включающей фторид магния, карбонат магния, при соотношении активированный уголь : полимерное связующее : малорастворимая соль (60-80):(5-20):(10-35) мас. %.
Гранулированный пористый блочный материал для умягчения очищаемой воды содержит поры размером (10-80) мкм и изготовлен или методом экструзии, или горячего прессования смеси порошкообразных материалов со степенью сжатия смеси при формовании (12-25) % и при температуре на (10-40)°С выше температуры размягчения полимерного связующего, последующего дробления полученного блочного материала методом раздавливания и сухого рассеивания раздробленного материала на ситах с размером ячейки (0,1-2,0) мм.
Пористый блочный материал фильтрующего элемента изготовлен или методом экструзии, или горячего прессования смеси порошкообразных компонентов с размером частиц (0,05-0,5) мм, предпочтительно (0,07-0,15) мм, состоящей из активированного угля с йодным числом более 1000 мг/г и полимерного связующего из классов полиолефинов, и/или полиэфиров, и/или их сополимеров с индексом расплава полимерного связующего (0,2-20) г/10 мин по ASTMD 1238 при 190°С и нагрузке 25 Кг со степенью сжатия при формовании (12-25)% и при температуре на (10-40)°С выше температуры размягчения полимерного связующего, при соотношении активированный уголь : полимерное связующее (75-95):(5-25) мас. %.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
1 - Кувшин
2 - Приемная воронка
3 - Фильтрующее устройство
4 - Фильтрующий элемент, выполненный из пористого блочного материала
5 - Распределитель потока обрабатываемой воды
6 - Гранулированный материал для умягчения очищаемой воды
7 - Дно (пористое или герметично закрытое заглушкой)
8 - Система фиксации фильтрующего устройства
Стрелками показано направление потоков воды через фильтрующее устройство.
На Фиг. 1 изображен общий вид кувшинного фильтра (1) с приемной воронкой (2) и размещенным в нем фильтрующим устройством (3) с фильтрующим элементом (4), выполненным из пористого блочного материала в форме полого цилиндра, с гранулированным материалом для умягчения воды (6) и с герметично закрытым заглушкой дном (7), с распределителем потока обрабатываемой воды (5) в форме купола, размещенным в системе фиксации (8) фильтрующего устройства (3).
На Фиг. 2 изображен общий вид кувшинного фильтра (1) с приемной воронкой (2) и размещенным в нем фильтрующим устройством (3) с фильтрующим элементом (4), выполненным из пористого блочного материала в форме полого цилиндра, с гранулированным материалом для умягчения воды (6) и с дном (7) из пористого блочного материала, с распределителем потока обрабатываемой воды (5) в форме горизонтальной сетки, размещенной в системе фиксации (8) фильтрующего устройства (3).
На Фиг. 3 изображены гранулы слабокислотных катионитов в Н+ или Na+ форме до и после обработки катионами Са++. Линейные размеры гранул катионитов после обработки катионами Са++ меньше исходных на 10-15%. Работа фильтрующего устройства происходит следующим образом: исходная вода из приемной воронки (2) кувшинного фильтра (1) через отверстия в системе фиксации (8) фильтрующего устройства (3) проходит в распределитель потока обрабатываемой воды (5) и поступает в зону умягчения воды с гранулированным материалом для умягчения воды (6), который заполняет внутреннее пространство корпуса фильтрующего элемента (4) и часть объема системы фиксации (8) фильтрующего устройства (3), ограниченную куполообразным или плоским сетчатым или тканевым распределителем потока (5). Далее умягченная вода поступает для очистки в зону пористого блочного материала фильтрующего элемента (4), выполненного виде полого вертикального сосуда с размером пор, меньшем размера гранул материала для умягчения воды с пористым или герметично закрытым заглушкой дном (7), после которой попадает в нижнюю часть кувшинного фильтра (1), предназначенную для хранения чистой воды.
Распределитель потока обрабатываемой воды в настоящем изобретении, помимо выполнения своей непосредственной функции - равномерного распределения потока воды, выполняет еще и функцию ограничителя объема гранулированного материала для умягчения воды и, поскольку объем этого материала больше внутреннего объема фильтрующего элемента, распределитель потока располагается в системе фиксации фильтрующего устройства. Выполнение распределителя потока в куполообразной или плоской форме зависит от конструкции элемента фиксации, технологии изготовления распределителя потока и его крепления к элементу фиксации. Заполнение фильтрующего устройства гранулированным материалом для умягчения воды в количестве (110-150) % от внутреннего объема фильтрующего элемента обусловлено необходимостью исключения зазора (байпаса) в верхней части фильтрующего элемента, через который возможно прохождение очищаемой воды без контакта с материалом для умягчения воды, в процессе отработки ресурса. Появление такого зазора в отсутствие избытка гранулированного материала для умягчения воды, достаточного для компенсации зазора, возможно в результате контракции гранулированного материала для умягчения воды при переходе его в Са++ форму в процессе умягчения воды. При этом количество гранулированного материала для умягчения воды, составляющее 110% от внутреннего объема фильтрующего элемента, является минимальным количеством, гарантирующим отсутствие появления зазора (байпаса), а количество гранулированного материала для умягчения воды, составляющее 150% от внутреннего объема фильтрующего элемента, является максимальным количеством, которое может быть размещено в существующих системах фиксации фильтрующего элемента. Размер гранул материала для умягчения воды в интервале (0,1-2,0) мм обусловлен тем, что гранулы с размером менее 0,1 мм создают высокое гидродинамическое сопротивление, что приводит к снижению скорости фильтрации и, кроме того, требуют использования мелкоячеистых сетчатых или тканевых материалов для изготовления рассекателя потока, которые также снижают гидродинамическое сопротивление и ухудшают выход воздуха из фильтрующего устройства, что приводит к снижению скорости и эффективности фильтрации воды. Гранулы размером более 2 мм не обеспечивают удовлетворительный контакт с умягчаемой водой вследствие снижения поверхности контакта, что приводит к ухудшению эффективности умягчения воды.
Размер пор пористого блочного материала для умягчения воды в интервале (10-80) мкм обусловлен тем, что для материала с порами меньше 10 мкм затруднена внутренняя диффузия умягчаемой воды, что приводит к ухудшению эффективности умягчения. Для материала с порами более 80 мкм также характерно снижение эффективности умягчения воды вследствие снижения поверхности контакта с умягчаемой водой.
Введение в состав гранулированного блочного материала для умягчения воды малорастворимой соли, связывающей содержащиеся в питьевой воде катионы кальция в малорастворимую соль кальция, выбранной из группы, включающей фторид магния и карбонат магния, позволяет снизить концентрацию кальция в умягчаемой воде за счет взаимодействия катионов кальция с анионами малорастворимой соли, находящихся в воде за счет ее частичного растворения. В результате такого взаимодействия образуется осадок малорастворимой соли кальция, который задерживается порами гранулированного пористого материала для умягчения воды или пористого блочного материала фильтрующего элемента. Этот процесс описывается следующими уравнениями:
где: К - катион, А - анион малорастворимой соли, входящей в состав гранулированного блочного материала для умягчения воды, Са++ катион кальция, СаАосадок - образующаяся в виде осадка малорастворимая соль кальция.
Эффективность процесса перевода кальция из растворенной формы в нерастворимый осадок определяется произведениями растворимости малорастворимой соли (ПРмс) (выбранной из группы, включающей фторид магния и карбонат магния), входящей в состав гранулированного блочного материала для умягчения воды, и образующейся в виде осадка малорастворимой соли кальция (ПРСаА). Нами экспериментально было установлено, что для достижения высокоэффективного умягчения воды гранулированным блочным материалом для умягчения воды ПРСаА должно быть в 8-10 раз меньше ПРмс, что обеспечивает использование малорастворимой соли, выбранной из группы, включающей фторид магния и карбонат магния.
Использование в качестве гранулированного материала для умягчения воды либо катионита из класса слабокислотных синтетических катионообменных материалов, либо гранулированного пористого блочного материала, состоящего из активированного угля, полимерного связующего и малорастворимой соли, связывающей содержащиеся в питьевой воде катионы кальция в малорастворимую соль кальция, либо смеси катионита и гранулированного пористого блочного материала, снижающего жесткость очищаемой воды, обусловлено вариантом умягчения воды:
- в случае умягчения воды путем удаления из воды катионов кальция и незначительного снижения содержания катионов магния предпочтительно использовать в качестве материала для умягчения воды слабокислотные синтетических катионообменные материалы с сорбционной обменной емкостью (0,5-5) мг-экв/мл; нижнее значение сорбционной обменной емкости 0,5 мг-экв/г обусловлено тем, что при использовании материалов с меньшей сорбционной обменной емкостью для достижения достаточной эффективности умягчения воды в течение большого ресурса по умягчению их потребовалось бы использовать в количестве, несовместимым с объемом фильтрующего устройства; материалы с сорбционной обменной емкостью свыше 5 мг-экв/мл являются дорогостоящими и поэтому не могут быть применены в массово выпускаемых фильтрах;
- в случае умягчения воды путем удаления из воды катионов кальция и значительного увеличения содержания в ней катионов магния предпочтительно использовать в качестве материала для умягчения воды гранулированный пористый блочный материал, состоящий из порошкообразных материалов с размером частиц (0,05-0,5) мм, предпочтительно (0,07-0,15) мм, - активированного угля с йодным числом более 1000 мг/г и с рН водной вытяжки менее 9, полимерного связующего из классов полиолефинов и/или полиэфиров и/или их сополимеров с индексом расплава (2-20) г/10 мин. по ASTMD 1238 при 190°С и нагрузке 25 Кг и малорастворимой соли, связывающей содержащиеся в питьевой воде катионы кальция в малорастворимую соль кальция, выбранной из группы, включающей фторид магния и карбонат магния, при соотношении активированный уголь : полимерное связующее : малорастворимая соль (60-80):(5-20):(10-35) мас. %. Выбранное соотношение компонентов гранулированного блочного материала обусловлено тем, что при содержании активированного угля менее 60 мас. % снизится пористость материала, что ухудшит процесс задерживания порами гранулированного пористого материала осадка малорастворимой соли кальция; при содержании активированного угля более 80 мас. % доля остальных компонентов гранулированного материала для умягчения воды станет недостаточной для связывания компонентов в прочный блочный материал и для связывания катионов кальция в малорастворимую соль. Содержание связующего в гранулированном материале менее 5 мас. % приводит к получению блочного материала с недостаточной механической прочностью, при содержании связующего более 20 мас. % возможна блокировка связующим значительной поверхности гранул материала для умягчения воды, что отрицательно влияет на эффективность умягчения воды. Содержание в гранулированном материале для умягчения воды малорастворимой соли, связывающей содержащиеся в питьевой воде катионы кальция в малорастворимую соль кальция, менее 10 мас. % недостаточно для эффективного связывания катионов кальция в нерастворимую соль кальция на протяжении значительного ресурса; содержание малорастворимой соли более 35 мас. % нецелесообразно, так как это может привести к гиперумягчению воды;
- в случае умягчения воды путем удаления из воды катионов кальция и незначительного увеличения содержания в ней катионов магния предпочтительно использовать для умягчения воды смесь катионита и гранулированного пористого блочного материала, снижающего жесткость очищаемой воды при соотношении катионит : гранулированный пористый блочный материал (10-90)-(90-10) мас. %.
Использование в смеси менее 10 мас. % катионита приведет к недостаточному умягчению воды; использование в смеси более 90 мас. % катионита приведет к варианту гиперумягчения воды в начале ресурса; использование в смеси менее 10 мас. % гранулированного пористого блочного материала приведет к варианту умягчения с удалением из воды значительного количества магния, что нежелательно с точки зрения физиологической полноценности питьевой воды; использование в смеси более 90 мас. % гранулированного пористого блочного материала не позволит ввести в смесь достаточное количество катионита для выполнения целевой задачи данного варианта умягчения - удаления из воды катионов кальция и незначительного увеличения содержания в ней катионов магния.
Пористый блочный материал фильтрующего элемента и пористый блочный материал для гранулированного пористого материала для умягчения воды изготавливают с использованием активированных углей с йодным числом более 1000 мг/л, так как такие угли обеспечивают эффективную сорбцию и, следовательно, очистку воды на протяжении значительного ресурса, все используемые компоненты используют в порошкообразной форме с размером частиц (0,05-0,5) мм, предпочтительно (0,07-0,15) мм. При размере частиц активированного угля и полимерного связующего менее 0,05 мм возрастает гидродинамическое сопротивление пористого блочного материала, что приводит к снижению скорости фильтрации. При размере частиц активированного угля и полимерного связующего более 0,5 мм снижается эффективность очистки воды за счет уменьшения поверхности фильтрации. Для обеспечения максимально доступной для сорбции поверхности сорбентов материала фильтрующего элемента процесс изготовления фильтрующего блока проводят при температуре, на 10-40°С выше температуры размягчения полимерного связующего. При температуре ниже, чем на 10°С температуры размягчения полимерного связующего, не происходит образование прочного блочного материала фильтрующего элемента, а при температуре, выше, чем на 40°С температуры размягчения полимерного связующего, происходит блокирование значительной поверхности сорбента в результате затекания полимерного связующего. Диапазон степени сжатия смеси материалов при изготовлении фильтрующего блока методом экструзии или методом горячего прессования (12-25) % обусловлен тем, что при степени сжатия менее 12% фильтрующий блок не обладает достаточной механической прочностью и не способен выполнять функцию корпуса, а при степени сжатия более 25% образующиеся мелкие поры в объеме материала фильтрующего блока приводят к высокому гидродинамическому сопротивлению и, соответственно, снижению скорости фильтрации.
Выбор полимерного связующего из класса полиолефинов (например, полиэтилена низкого давления, полиэтилена высокого давления, полипропилена) и полиэфиров (полиэтилентерефталата) или их сополимеров (например, сополимера полиэтилена с винилацетатом) обусловлен, с одной стороны, их химической инертностью и нерастворимостью в воде, с другой стороны, достаточно низкими температурами размягчения, позволяющими интенсифицировать процесс изготовления фильтрующего элемента заявляемого фильтрующего устройства в виде пористого блочного материала.
Ниже приведены примеры конкретных вариантов исполнения фильтрующего устройства для умягчения и очистки питьевой воды, а в таблице 2 представлены результаты испытаний устройства по эффективности умягчения и эффективности очистки воды.
Приведенные примеры дают представление о характеристиках заявляемого фильтрующего устройства, но не являются исчерпывающими.
Пример 1. Фильтрующее устройство с фильтрующим элементом в форме полого цилиндра с герметично закрытым заглушкой дном, с фиксирующей системой в форме резьбового узла, соединенной с фильтрующим элементом приклеиванием расплавом полиэтилена (Фиг. 1). Размеры фильтрующего элемента: высота 90 мм, наружный диаметр 56 мм, толщина стенок 12 мм. Состав исходной смеси для изготовления фильтрующего элемента: активированный уголь с йодным числом 1200 мг/г - 87 мас. %, полимерное связующее - полиэтилен низкого давления - 13 мас. % с индексом расплава 8 г/10 мин., активированный кокосовый уголь с йодным числом 1150 мг/г, размер частиц компонентов смеси (0,1-0,15) мм. Пористый блочный материал корпуса фильтрующего элемента с пористостью 30-50 мкм изготовлен методом экструзии со степенью сжатия при формовании 15% при температуре 145°С. Фильтрующее устройство заполнено на 115% от внутреннего объема фильтрующего элемента слабокислотным катионообменным материалом в Н+ форме с сорбционной обменной емкостью 4 мг-экв/мл с размером гранул (0,3-1,0) мм. Распределитель потока обрабатываемой воды выполнен в виде куполообразного сетчатого элемента с размером ячеек 0,1 мм, закрепленного приклеиванием расплавом полиэтилена к нижней части элемента фиксации фильтрующего устройства. Испытания по эффективности умягчения и эффективности очистки воды проводили при размещении фильтрующего элемента в воронке кувшинного фильтра.
Примеры 2-6. Фильтрующее устройство с фильтрующим элементом в форме полого цилиндра с дном из пористого блочного материала аналогичного материалу фильтрующего элемента, с фиксирующей системой в форме резьбового узла, соединенной с фильтрующим элементом приклеиванием расплавом полиэтилена (Фиг. 2). Размеры фильтрующего элемента: высота 90 мм, наружный диаметр 56 мм, толщина стенок 12 мм. Состав исходной смеси для изготовления фильтрующего элемента, размер частиц компонентов смеси, метод и параметры изготовления фильтрующего элемента, пористость пористого блочного материала фильтрующего элемента, состав гранулированного материала для умягчения воды, степень заполнения фильтрующего устройства гранулированным материалом для умягчения воды, характеристики гранулированного пористого материала для умягчения воды, метод, материалы для его изготовления и параметры его изготовления, соотношение катионита и гранулированного пористого материала, а также степень заполнения фильтрующего устройства гранулированным материалом для умягчения воды и форма, материал и размер ячеек распределителя потока фильтрующего устройства приведены в таблице 1.
Испытания по эффективности умягчения и эффективности очистки воды проводили при размещении фильтрующего элемента в воронке кувшинного фильтра.
Оценку эффективности умягчения и очистки воды проводили в соответствии с ГОСТ 31952-2012 УСТРОЙСТВА ВОДООЧИСТНЫЕ. Общие требования к эффективности и методы ее определения. Результаты испытаний представлены в таблице 2.
Как следует из приведенных в таблице 2 результатов ресурсных испытаний по умягчению и очистке воды, заявляемое фильтрующее устройство обеспечивает высокую эффективность очистки воды от наиболее распространенных загрязнителей и ее умягчение на протяжении одинакового и удовлетворительного для потребителей ресурса.
Технический результат: предложено фильтрующее устройство гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды, обеспечивающее повышенный ресурс стабильного умягчения воды (не менее 350 литров) и аналогичный ресурс высокоэффективной очистки от наиболее распространенных загрязнителей.
1. Фильтрующее устройство гравитационного фильтра для умягчения и очистки питьевой воды, содержащее систему фиксации фильтрующего устройства в воронке фильтра с отверстиями для входа очищаемой воды и выхода воздуха, герметично соединенную с фильтрующим элементом, выполненным из пористого блочного материала в виде полого вертикального сосуда с пористым или герметично закрытым дном, полученным путем сжатия при нагреве смеси порошкообразных компонентов, содержащей частицы активированного угля и полимерного связующего, с расположенным в объеме его внутреннего пространства слоем гранулированного материала для умягчения очищаемой воды, распределитель потока обрабатываемой воды из сетки или ткани с отверстиями, меньшими, чем размер частиц гранулированного материала, отличающийся тем, что распределитель потока обрабатываемой воды выполнен в форме куполообразного или плоского сетчатого или тканевого элемента и расположен в объеме системы фиксации фильтрующего устройства, слой гранулированного материала, снижающий жесткость очищаемой воды, заполняет полностью внутренний объем фильтрующего элемента и часть объема системы фиксации фильтрующего устройства, ограниченную распределителем потока, а гранулированный материал для умягчения очищаемой воды с размером гранул 0,1-2,0 мм представляет собой катионит из класса слабокислотных синтетических катионообменных материалов или гранулированный пористый блочный материал с размером пор 10-80 мкм, состоящий из активированного угля, полимерного связующего и малорастворимой соли, связывающей содержащиеся в питьевой воде катионы кальция в малорастворимую соль кальция, либо смесь катионита и гранулированного пористого блочного материала в соотношении катионит: гранулированный пористый блочный материал (10-90):(90-10) мас. %.
2. Фильтрующее устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутреннее пространство фильтрующего устройства заполнено на 110-150% от внутреннего объема фильтрующего элемента гранулированным материалом для умягчения воды с размером гранул в интервале 0,1-2,0 мм.
3. Фильтрующее устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве гранулированного материала для умягчения воды используют синтетические катионообменные материалы из класса слабокислотных катионитов в Н+ форме с сорбционной обменной емкостью 0,5-5 мг-экв/мл.
4. Фильтрующее устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве гранулированного материала для умягчения воды используют гранулированный пористый блочный материал, получаемый из термически обработанной смеси порошкообразных материалов с размером частиц 0,05-0,5 мм, предпочтительно 0,07-0,15 мм, состоящей из активированного угля с йодным числом более 1000 мг/г, полимерного связующего из классов полиолефинов, и/или полиэфиров, и/или их сополимеров с индексом расплава 2-20 г/10 мин по ASTMD 1238 при 190°С и нагрузке 25 Кг и малорастворимой соли, выбранной из группы, включающей фторид магния и карбонат магния, при соотношении активированный уголь: полимерное связующее: малорастворимая соль (60-80):(5-20):(10-35) мас. %.
5. Фильтрующее устройство по пп. 1, 4, отличающееся тем, что гранулированный пористый блочный материал для умягчения воды с размером пор 10-80 мкм изготовлен или методом экструзии, или горячего прессования смеси порошкообразных материалов со степенью сжатия смеси при формовании 12-25% и при температуре на 10-40°С выше температуры размягчения полимерного связующего, последующего дробления полученного блочного материала методом раздавливания и сухого рассеивания раздробленного материала на ситах с размером ячейки 0,1-2,0 мм.
6. Фильтрующее устройство по п. 1, отличающееся тем, что пористый блочный материал фильтрующего элемента с пористостью 20-100 мкм изготовлен или методом экструзии, или горячего прессования смеси порошкообразных компонентов с размером частиц 0,05-0,5 мм, предпочтительно 0,07-0,15 мм активированного угля с йодным числом более 1000 мг/г и полимерного связующего из классов полиолефинов, и/или полиэфиров, и/или их сополимеров с индексом расплава полимерного связующего 0,2-20 г/10 мин по ASTMD 1238 при 190°С и нагрузке 25 Кг со степенью сжатия при формовании 12-25% и при температуре на 10-40°С выше температуры размягчения полимерного связующего, при соотношении активированный уголь: полимерное связующее (75-95):(5-25) мас. %.
