Фильтрующий элемент и фильтр для очистки воды
Владельцы патента RU 2432980:
Учреждение Российской академии наук Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (ИФПМ СО РАН) (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство образования и науки Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области очистки воды от примесей и микроорганизмов путем фильтрации с помощью сорбентов и может быть использовано для обеззараживания и очистки питьевой воды в полевых, экстремальных условиях при заборе воды из необорудованных источников воды или в неблагоприятных бытовых условиях. Фильтрующий элемент для очистки воды содержит перфорированный каркас, с каждой из сторон которого размещен фильтрующий материал в виде слоев, которые закреплены по контуру. Фильтр для очистки воды содержит камеру, имеющую вход и выход для потока воды, первую ступень фильтра, размещенную в камере, находящуюся в гидродинамическом сообщении с входом. Первая ступень фильтра содержит фильтрующий элемент с материалом, который удаляет микроорганизмы, вторую ступень фильтра, находящуюся в гидродинамическом сообщении с выходом. Вторая ступень фильтра содержит дополнительный сорбирующий материал и размещена в положении, которое позволяет воде проходить через первую ступень фильтра перед прохождением через вторую ступень. В фильтре использован фильтрующий элемент по любому из вариантов его выполнения. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.
Настоящее изобретение относится к области очистки питьевой воды от примесей и микроорганизмов путем фильтрации с помощью сорбентов. Более конкретно, настоящее изобретение относится к фильтрующим элементам и выполненным на их основе фильтрующим устройствам.
Изобретение может быть использовано для обеззараживания и очистки питьевой воды в полевых, экстремальных условиях при заборе воды из необорудованных источников воды или в неблагоприятных бытовых условиях (без водопровода, отсутствия или недостаточной водоподготовки).
Очевидна актуальность вопроса качества потребляемой людьми питьевой воды. Предполагается, что питьевая вода должна быть свободной от вредных составляющих или содержание таких составляющих должно быть ниже предельно допустимых концентраций. В большей степени опасения относительно качества потребляемой воды могут относиться к воде, получаемой из естественных источников (колодцев, ручьев, рек и. т.д.), как правило, без какой-либо предварительной обработки перед ее употреблением. В соответствии с этим существует необходимость в устройствах для фильтрации жидкости, пригодных для периодического (единовременного) или постоянного применения в подобных условиях нахождения или жизни человека. Устройства, предназначенные для очистки жидкости в подобных условиях, должны быть компактными, удобными в использовании и обязательно бактерицидными.
Типичная система очистки представляет собой присоединенный к источнику очищаемой жидкости фильтр, обеспечивающий очистку жидкости при ее фильтрации через фильтр под действием гравитационных сил самотеком сверху вниз или избыточного давления, создаваемого принудительно при помощи вспомогательных устройств, и сбор очищенной жидкости. В качестве очищающего средства используют различные сорбенты.
Известны индивидуальные портативные устройства для очистки и обеззараживания воды из необорудованных источников в виде тонких трубок, позволяющих потребителю всасывать воду ртом [US 4298475 А, 1981; US 4995976 A 1991; RU 2048855 C1, 1995]. Приведенные устройства обладают ограниченной пропускной способностью, а также являются недостаточно эффективными с точки зрения обеззараживания воды от бактерий и вирусов. Увеличение же количества слоев наполнителя приводит к еще большему снижению скорости прохождения воды и уменьшению пропускной способности устройств. К тому же, часто в известных устройствах для борьбы с бактериями наряду с другими сорбентами используют йод, который выделяется в очищаемую воду в концентрациях, превышающих предельно допустимые.
Известны переносные устройства, используемые в полевых условиях, содержащие фильтрующий модуль, который располагается с возможностью опоры на горловину сосуда, на которую он навинчивается. С помощью принудительного перемещения очищаемая вода проходит через фильтрующий модуль. Для применения этих фильтров необходима емкость, к которой крепятся фильтрующие модули с уплотнителями, обеспечивающими герметичность, иначе производительность будет низкая, хотя и без этого объем сосуда уже ее ограничивает [RU 2131759 С1, 1999; RU 2113410 C1, 1998; WO 0009449 A2, 2000].
Известен ряд устройств, конструктивное решение которых предполагает включение средства для принудительного движения воды.
Известно переносное устройство для фильтрования и очистки воды [US 5366642 А, 1994]. Устройство позволяет фильтровать воду в полевых условиях, однако имеет ряд недостатков. Для получения питьевой воды в полевых условиях в большинстве случаев требуется стерилизация воды, чего известное устройство не обеспечивает. К недостаткам также необходимо отнести размещение фильтрующих элементов в известном фильтре на линии всасывания насоса, что гораздо менее эффективно, чем размещение фильтрующих элементов на линии нагнетания насоса.
Размещение фильтрующих элементов на линии нагнетания насоса позволяет получать заданную производительность при меньшей поверхности фильтрующих элементов, следовательно, фильтр может быть более компактным и легким, что весьма важно для переносных фильтров.
Этот принцип наблюдается в известных устройствах для очистки воды в полевых условиях [RU 2204433 С2, 2003; RU 1837938 A3, 1993].
Переносной фильтр [RU 2204433 С2, 2003] содержит корпус с крышкой, при этом фильтрующие элементы расположены коаксиально внутри корпуса, ручной поршневой насос размещен коаксиально в полости внутреннего фильтрующего элемента. Между корпусом и фильтрующими элементами имеется зазор для прохождения очищенной воды, причем входной и выходной патрубки расположены в верхней части корпуса фильтра. Корпус имеет съемную крышку с закрепленным на ней поршневым насосом.
К существенным недостаткам переносного фильтра можно отнести то, что он имеет цилиндрическую форму, что делает его неудобным в переноске.
Портативный фильтр [RU 1837938 A3, 1993] содержит цилиндрический корпус с крышкой, тканевый и сорбирующий фильтрующие элементы и поршневой насос. Тканевый фильтрующий элемент размещен на наружной поверхности сорбционного фильтрующего элемента, выполненного из активированного углеродного волокна, и выполнен в виде гофр, а поршневой насос выполнен ручным и размещен внутри сорбционного фильтрующего элемента.
Этот же принцип, а именно размещение фильтрующих элементов на линии нагнетания насоса, наблюдается в известном переносном фильтре для очистки воды в полевых условиях [RU 2271997 С2, 2006], который содержит ручной поршневой насос, фильтрующие элементы, расположенные на линии нагнетания насоса, входной и выходной патрубки для подачи грязной и для отвода чистой воды, а также отдельную емкость для наполнения грязной водой зачерпыванием, в которой закреплен ручной поршневой насос, и автономный фильтрующий блок, выполненный в виде чемоданчика, снабженного защелками и патрубками для подачи грязной и для отвода чистой воды. В чемоданчике размещены по ходу движения жидкости фильтрующие элементы, выполненные, по крайней мере, в виде трех ступеней очистки - металлосетчатого фильтра грубой очистки, металлосетчатого фильтра тонкой очистки и фильтра бактерицидного действия, при этом емкость снабжена выходным напорным патрубком, соединенным гибким рукавом с входным патрубком фильтрующего блока, кроме того, емкость для наполнения грязной водой зачерпыванием выполнена в виде ведра, закрытого крышкой с вырезом, предназначенным для забора воды, а ручной поршневой насос снабжен поворотным рычагом, шарнирно соединенным с выступающим из крышки концом штока насоса и самой крышкой емкости, и предназначен для возвратно-поступательного перемещения поршня в цилиндре. В качестве фильтра бактерицидного действия использован фильтр - ГЕЙЗЕР-1ИС.
К недостаткам двух последних фильтров можно отнести ограниченный перечень фильтруемых загрязнений.
Также известен фильтрующий элемент для очистки жидких (питьевой воды) и газообразных веществ, [RU 2112582 C1, 1998], в котором помещен фильтрующий материал в виде слоев, расположенных один за другим, выполненный из активированного углеродного пористого волокна диаметром 4-10 мкм, удельной поверхностью 590-2550 м2/г, объемом сорбционных пор 0,63-1,82 см3/т, поверхность которого покрыта пористой оболочкой диоксида кремния.
Известный фильтрующий элемент не предназначен для очистки воды от микробиологических загрязнений. Содержащееся в материале серебро выполняет роль лишь бактериостатического компонента.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому выбрана установка доочистки и обеззараживания воды [RU 78482 С2, 2008], данное изобретение раскрывает фильтрующий элемент, содержащий фильтрующий материал в виде слоев, перфорированный каркас, с одной стороны которого размещены фильтрующий материал и, по меньшей мере, один слой защитного материала, при этом перфорированный каркас, слои защитного материала и фильтрующий материал закреплены по контуру.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому выбран фильтр для многоступенчатой фильтрации жидкости [RU 2266253 С2, 2005]. Известный фильтр содержит камеру, имеющую вход для потока жидкости и выход для потока жидкости; первую ступень фильтра, расположенную в указанной камере, находящуюся в гидродинамическом сообщении с указанным входом, причем указанная первая ступень фильтра содержит материал, который удаляет микроорганизмы; вторую ступень фильтра, расположенную в указанной камере, находящуюся в гидродинамическом сообщении с указанным выходом, причем указанная вторая ступень фильтра содержит активированный уголь; при этом указанная вторая ступень фильтра расположена в указанной камере в положении, которое позволяет жидкости проходить через указанную первую ступень фильтра перед прохождением через указанную вторую ступень; и третью ступень фильтра, расположенную в указанной камере, причем указанная третья ступень фильтра находится в указанной камере в таком положении, которое позволяет жидкости проходить через указанную третью ступень фильтра перед прохождением через указанную первую ступень фильтра, и указанная третья ступень фильтра представляет собой полотно из микростекловолокна с уменьшающимся по ходу жидкости размером пор.
В известном фильтре возможно вымывание стекловолокна, содержащегося в первой и третьей ступенях фильтра, что приводит ко вторичному загрязнению фильтрата.
Настоящее изобретение направлено на решение некоторых проблем, которые были идентифицированы выше, посредством предложения фильтрующего элемента и фильтра для очистки воды для удаления из нее нежелательных частиц и микроорганизмов, например бактерий, вирусов, простейших животных, дрожжей, грибков, микробиологических цист, и коллоидных частиц.
В основу настоящего изобретения положена задача создания компактного переносного фильтра с фильтрующим элементом для очистки и обеззараживания воды в полевых или экстремальных условиях при заборе воды из необорудованных источников воды или в неблагоприятных бытовых условиях, обеспечивающего безопасность использования за счет качества очистки воды и удобство использования.
Указанная задача при осуществлении заявляемой группы изобретений по объекту фильтрующий элемент достигается тем, что заявляемый фильтрующий элемент для очистки воды содержит фильтрующий материал в виде слоев, перфорированный каркас, с одной стороны которого размещены фильтрующий материал и, по меньшей мере, один слой защитного материала, при этом перфорированный каркас, слои защитного материала и фильтрующий материал закреплены по контуру.
Отличительной особенностью является то, что фильтруемая вода разделена на два потока при поступлении ее внутрь каркаса и после одновременного прохода воды через слои фильтрующего материала, размещенного на каждой стороне перфорированного каркаса, потоки воды соединены.
При этом перфорированный каркас и повторяющие его контур слои защитного материала и слои фильтрующего материала выполнены в форме плоского прямоугольника, квадрата или любой другой формы.
Целесообразно, что фильтрующий материал выполнен многослойным, по меньшей мере, двухслойным, при этом множественность слоев фильтрующего материала обеспечена сложением одного над другим слоев полотна или ленты фильтрующего материала.
Кроме того, фильтрующий материал выполнен из нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного частицами гидрата оксида алюминия.
Кроме того, фильтрующий материал дополнительно содержит антимикробные вещества, например серебро.
При этом нетканый полимерный волокнистый материал образован волокнами из ацетата целлюлозы, полисульфона или другого биоинертного полимера, имеющими диаметр 0,1-10 мкм, предпочтительно 1-3 мкм.
Вышеупомянутый материал получен методом электроформования, мельт-блаун технологии или другими методами, позволяющими получать нетканые материалы с упомянутым диаметром волокна.
Нетканый полимерный волокнистый материал, на волокнах которого закреплены высокопористые частицы гидрата оксида алюминия, получают нанесением на основу из нетканого полимерного волокнистого материала водной или водно-спиртовой суспензии из частиц материала на основе алюминия с последующим гидролизом частиц материала на основе алюминия для закрепления на волокнах основы частиц гидрата оксида алюминия.
При этом высокопористые частицы гидрата оксида алюминия имеют, по существу, пластинообразную форму со стороной 100-200 нм и толщиной 5-8 нм, по меньшей мере, часть частиц гидрата оксида алюминия сгруппирована в агломераты размером 0,2-5,0 мкм, удельной поверхностью 150-350 м2/г, пористостью 50-95%, при этом количество частиц гидрата оксида алюминия в нетканом полимерном волокнистом материале составляет 15-45 мас.%.
В качестве материала на основе алюминия используют материал с размером частиц менее 1 мкм.
Кроме того, содержание антимикробного вещества в фильтрующем материале составляет 0,003-0,03 мас.%.
В качестве антимикробного вещества выбраны ионы серебра.
При этом, по меньшей мере, один слой защитного материала расположен либо с одной, либо с обеих сторон слоя фильтрующего материала.
В качестве защитного материала используют полимерные материалы, например полиэтилен, полипропилен, полиамид и другие термопласты пищевых марок с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм.
Площадь перфорации каркаса составляет 50-80%, преимущественно, 60-70%.
И каркас может быть выполнен из полимерных материалов, например полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика и других термопластов пищевых марок.
Указанная задача при осуществлении заявляемой группы изобретений по объекту фильтр достигается тем, что заявляемый фильтр для очистки воды содержит камеру, имеющую вход и выход для потока воды, первую ступень фильтра, размещенную в указанной камере, находящуюся в гидродинамическом сообщении с указанным входом, причем указанная первая ступень фильтра содержит фильтрующий элемент с материалом, который удаляет микроорганизмы, вторую ступень фильтра, находящуюся в гидродинамическом сообщении с указанным выходом, причем указанная вторая ступень фильтра содержит дополнительный сорбирующий материал, при этом указанная вторая ступень фильтра размещена в указанной камере в положении, которое позволяет воде проходить через указанную первую ступень фильтра перед прохождением через указанную вторую ступень.
Новизной является то, что в нем использован фильтрующий элемент по любому из вариантов его выполнения.
Внутри камеры первая и вторая ступени разделены.
При этом во второй ступени в качестве дополнительного сорбирующего материала используют дробленый активированный уголь, например, из скорлупы кокосовых орехов, березовый активированный уголь.
Целесообразно, что используют активированный уголь с удельной поверхностью 1100-1300 м2/г, с сорбционной емкостью по метиленовому голубому не менее 240 мг/г, характеризующийся йодным числом не менее 1050 мг/г.
Также целесообразно, что используют активированный уголь, модифицированный серебром, при содержании серебра от 0,06 до 0,4 мас.%, предпочтительно, от 0,1 до 0,3 мас.%.
Предпочтительно, используют фракцию активированного угля с размером частиц от 0,1 до 4,75 мм, преимущественно, от 0,45 до 1,5 мм.
В других вариантах выполнения во второй ступени в качестве дополнительного сорбирующего материала используют ионообменную смолу, которая может представлять собой гранулированную или волокнистую ионообменную смолу.
Целесообразно использовать волокнистую ионообменную смолу с диаметром волокон 20-40 мкм, поверхностной плотностью 250-800 г/м2, со статической обменной емкостью от 1,8 до 5,5 мг-экв/г.
Кроме этого используют гранулированную ионообменную смолу с размером гранул от 0,42 до 1,25 мм, со статической обменной емкостью не менее 1,3 г-экв/л.
Кроме того, в указанной второй ступени в качестве дополнительного сорбирующего материала используют сорбент тяжелых металлов, содержащий оксид алюминия, модифицированный наноразмерными частицами оксидов железа.
При этом сорбент тяжелых металлов выполнен в форме гранул высокопористого оксида алюминия с объемом пор не менее 0,55 см3/г, удельной поверхностью не менее 200 м2/г, при этом наноразмерные частицы оксидов железа сформированы в виде слоя на поверхности упомянутых гранул в количестве 2-10% от веса гранул.
Оксид алюминия выполнен в форме гранул, предпочтительно сферической формы, с размером частиц, имеющим диаметр 0,2-4,0 мм.
В качестве оксида алюминия он содержит γ-Al2O3.
Наноразмерные частицы оксидов железа имеют размер от 5 до 40 нм.
Наноразмерные частицы оксидов железа представляют собой наноразмерные частицы, например, гетита и/или гематита.
Указанный фильтр присоединен в месте водоснабжения.
Фильтрующий элемент для очистки воды в составе предлагаемого фильтра содержит перфорированный каркас, с каждой из сторон которого размещен фильтрующий материал, по меньшей мере, один слой защитного материала, при этом перфорированный каркас, слои защитного материала и фильтрующий материал закреплены по контуру. Размещение фильтрующего материала с двух сторон перфорированного каркаса дает возможность уменьшить размеры изготавливаемого элемента, т.е. сделать его компактным, при одновременном увеличении сорбционной емкости в 2 раза.
Форма выполнения перфорированного каркаса, слоев защитного материала и слоев фильтрующего материала может быть разнообразной, например в форме плоского прямоугольника, квадрата или круга. Главное, чтобы эти элементы были одинаковыми по форме в каждом конкретном варианте выполнения фильтрующего элемента.
Фильтрующий материал выполнен многослойным, по меньшей мере, двухслойным, при этом множественность слоев фильтрующего материала обеспечена сложением одного над другим слоев полотна или ленты фильтрующего материала. Например, для очистки воды от коллоидных соединений и/или высокодисперсных механических примесей достаточно выполнить фильтрующий элемент с 2-4 слоями фильтрующего материала. Для очистки воды от микроорганизмов необходимо от 8 до 14 слоев фильтрующего материала.
В качестве фильтрующего материала используют нетканый полимерный волокнистый материал, модифицированный частицами гидрата оксида алюминия.
Материал, обладающий высокой эффективностью удержания микроорганизмов и в то же время низким гидродинамическим сопротивлением, должен иметь развитую удельную поверхность, высокий положительный заряд на поверхности частиц и достаточно высокую пористость, чтобы обеспечивать необходимую скорость фильтрации. Высокой удельной поверхностью и электроположительным зарядом обладает гидрат оксида алюминия, получаемый гидролизом нанопорошков алюминия. Преимуществом материалов из полимерных волокон является их химическая и биологическая инертность, способность сохранять механическую прочность даже после длительного нахождения в воде. Эти материалы не подвергаются микробиологическому разложению, что является очень важным при производстве фильтров для очистки воды.
Нетканый полимерный материал образован волокнами, например, из ацетата целлюлозы, полисульфона, как раз и обладает достаточной пористостью и имеет диаметр волокон 0,1-10 мкм, предпочтительно 1-3 мкм. Использование материала с меньшим диаметром волокон приводит к увеличению гидродинамического сопротивления материала, а на материале с большим диаметром волокон закрепляется меньше частиц гидрата оксида алюминия, что приводит к снижению эффективности очистки воды от микроорганизмов и коллоидных частиц. Такие материалы с нужным диаметром волокна получают различными методами, например методом электроформования, мельт-блаун технологии и др.
В других вариантах выполнения фильтрующего элемента может быть использован материал с усиленным бактерицидным свойством, выполненный из нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного частицами гидрата оксида алюминия, при этом материал дополнительно содержит антибактериальный компонент. Содержание антибактериального компонента в материале составляет 0,003-0,03 мас.%. В качестве антибактериального компонента выбраны ионы серебра. Такое содержание ионов серебра обеспечивает бактериостатический эффект, и в то же время содержание серебра в фильтрате не превышает предельно допустимого уровня и не происходит вторичного загрязнения фильтрата серебром.
Площадь перфорации каркаса предлагается равной 50-80%, преимущественно, 60-70%. Это объясняется тем, что при перфорации, меньшей 50%, не обеспечивается необходимая скорость фильтрования. А при перфорации больше 80% не достигается необходимая механическая прочность каркаса, при высоких давлениях в системе происходит деформация каркаса.
Фильтрующий материал, сформированный с двух сторон перфорированного каркаса, снабжен защитным материалом, который расположен либо с одной, либо с обеих сторон слоя фильтрующего материала, для дополнительной защиты от механических повреждений фильтрующего материала. Это могут быть полимерные материалы, например полиэтилен, полипропилен, полиамид и другие термопласты пищевых марок с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм. Кроме того, защитный материал может быть выполнен в виде металлической сетки из нержавеющей стали.
В воде кроме микробиологических загрязнений присутствуют химические загрязнения. Поэтому для комплексной очистки воды вторая ступень фильтра может содержать дополнительные сорбенты, такие как активированный уголь, ионообменную смолу, сорбент тяжелых металлов, удерживающие определенные виды загрязнений.
В качестве активированного угля используют дробленый активированный уголь, например, из скорлупы кокосовых орехов, березовый активированный уголь. Используют активированный уголь с удельной поверхностью 1100-1300 м2/г, с сорбционной емкостью по метиленовому голубому не менее 240 мг/г, характеризующийся йодным числом не менее 1050 мг/г, модифицированный серебром, при содержании серебра от 0,06 до 0,4 мас.%, предпочтительно, от 0,1 до 0,3 мас.%. Предпочтительно используется уголь, модифицированный серебром, так как существует необходимость защиты от биообрастания. Такое содержание серебра в активированном угле обеспечивает бактериостатический эффект, т.е. предохраняет фильтр от биообрастания. Предпочтительно выбирают для загрузки фракцию активированного угля с размером частиц от 0,1 до 4,75 мм, преимущественно, от 0,45 до 1,5 мм. Такой размер частиц угля выбран не случайно, чем меньше размер, тем эффективнее очистка от органических загрязнений. Если использовать уголь с мелкими частицами (0,1-0,45 мм), производительность фильтра снижается из-за возрастания гидродинамического сопротивления. Если же использовать уголь с размером частиц более 1,5 мм, то эффективность адсорбции органических примесей снижается.
Ионообменная смола во второй ступени фильтра может представлять собой гранулированную или волокнистую ионообменную смолу. Используют волокнистую ионообменную смолу с диаметром волокон 20-40 мкм, поверхностной плотностью 250-800 г/м2, со статической обменной емкостью от 1,8 до 5,5 мг-экв/г, с размером гранул от 0,42 до 1,25 мм, со статической обменной емкостью не менее 1,3 г-экв/л. Выбор ионообменной смолы обоснован тем ассортиментом, что предлагается производителями ионообменных смол, а также перечнем ионообменных смол, разрешенных для применения в пищевой промышленности и очистке питьевой воды.
В фильтрах во второй ступени в качестве дополнительного сорбента предлагается использовать и сорбент тяжелых металлов, конкретно, содержащий оксид алюминия, модифицированный наноразмерными частицами оксидов железа.
Раскрытие изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 представлен вид фильтра для очистки воды, в разрезе.
На фиг.2 изображен фильтрующий элемент для очистки воды, в разрезе,
где а) - вид сверху; б) - вид сбоку.
На фиг.1 фильтр содержит камеру 1 с входом для очищаемой воды и выходом фильтрата, внутри которой размещены разделенные первая ступень очистки воды 2 и вторая ступень очистки воды 3, фильтрующий элемент 4 размещен в первой ступени очистки воды 2.
На фиг.2 фильтрующий материал 5 фильтрующего элемента 4 размещен с дух сторон перфорированного каркаса 6, при этом фильтрующий материал 5 находится между слоями защитного материала 7.
Фильтр работает следующим образом.
Фильтруемая вода, подаваемая в камеру 1, поступает на первую ступень очистки 2, поступает внутрь перфорированного каркаса 6, где разделяется на два потока и проходит одновременно через слои фильтрующего материала 5, размещенные с двух сторон перфорированного каркаса 6. При этом на фильтрующем материале 5 происходит удержание микроорганизмов или коллоидных частиц. После чего потоки фильтруемой воды соединяются, затем фильтруемая вода поступает на вторую ступень очистки 3. На этой стадии очистки происходит очистка от химических загрязнений. После второй ступени очистки 3 вода поступает потребителю.
Максимальная микробиологическая нагрузка на фильтрующий элемент составляет 107 КОЕ/см2.
При максимальных микробиологических и химических нагрузках, при отсутствии угрозы биообрастания (одноразовое использование фильтра) целесообразно использовать фильтр с фильтрующим материалом без добавления ионов серебра. При длительном использовании фильтра применяется фильтрующий материал с добавками ионов серебра для предотвращения биообрастания.
Производительность фильтра может быть увеличена параллельным соединением двух и более фильтров.
Фильтр присоединяется в месте водоснабжения. Вода подается в фильтр под действием гравитационных сил самотеком сверху вниз (например, из накопительной емкости) или под действием избыточного давления, создаваемого принудительно при помощи вспомогательных устройств (например, насоса).
Для подтверждения технического результата готовилась загрязненная модельная вода, которая пропускалась через фильтр, в котором во второй ступени очистки размещен дополнительный сорбент, состоящий из разных загрузок. Результаты очистки воды представлены в таблицах 1-3.
Использовали в экспериментах фильтрующий материал, изготовленный на основе фильтра Петрянова марки ФПА-15-2,0, модифицированного высокопористыми частицами гидрата оксида алюминия, При этом высокопористые частицы гидрата оксида алюминия имеют, по существу, пластинообразную форму со стороной 100-200 нм и толщиной 5-8 нм, по меньшей мере, часть частиц гидрата оксида алюминия сгруппирована в агломераты размером 0,2-5,0 мкм, удельной поверхностью 150-350 м2/г, пористостью 50-95%, при этом количество частиц гидрата оксида алюминия в нетканом полимерном волокнистом материале составляет 15-45 мас.%.
В качестве ионообменной смолы использовали волокнистую смолу пищевых марок ВИОН КН-1, ВИОН АН-3, ФИБАН и др., гранулированную смолу пищевых марок фирмы RESINEX: KW-8, KW-H, AW-4, NR-1, А-4, К-8 и других производителей ионообменных смол, таких как BAYER AG, ROHM&HAAS, PURALITE, DOW.
Загрузка из активированного угля представляла собой: гранулированный активированный уголь (из скорлупы кокосовых орехов, березовый активированный уголь) или углеродные волокна (Бусофит, Вискумак, Карбопон и др.), модифицированные серебром с содержанием последнего 0,2 мас.%.
| Таблица 1. | |||
| Эффективность очистки воды от вредных химических веществ и микробиологических загрязнений фильтрами, включающими фильтрующий материал и активированный уголь из скорлупы кокосовых орехов. | |||
| № | Показатель | Концентрация загрязнителя, мг/л | |
| До фильтрации | После фильтрации | ||
| 1 | Нефтепродукты* | 0,1 | <0,05 |
| 2 | Хлорфенол | 0,023 | 0,0008 |
| 3 | Гексахлорциклогенсан | 0,05 | 0,017 |
| 4 | Остаточный хлор | 0,5 | не обнаруж. |
| 5 | Мутность, ЕМФ | 12 | 0,01 |
| 6 | E.coli, КОЕ/мл | 1,3×103 | 0 |
| *Нефтепродукты представлены стандартной смесью: гексадекан, изо-октан, бензол. |
| Таблица 2. | |||
| Эффективность очистки воды от тяжелых металлов и микробиологических загрязнений фильтрами, включающими фильтрующий материал и ионообменную смолу (волокнистую смолу ВИОН КН-1 и/или ВИОН АН-3). | |||
| № | Показатель | Концентрация загрязнителя, мг/л | |
| До фильтрации | После фильтрации | ||
| 1 | Железо (Fe, общее) | 0,5 | 0,1 |
| 2 | Мышьяк (As, суммарно) | 0,11 | 0,04 |
| 3 | Ртуть (Hg) | 0,001 | 0,0005 |
| 4 | Кадмий (Cd) | 0,0015 | 0,001 |
| 5 | Свинец (Pb) | 0,4 | 0,2 |
| 6 | Марганец (Mn) | 0,3 | 0,1 |
| 7 | Мутность, ЕМФ | 12 | 0,01 |
| 8 | E.coli, КОЕ/мл | 1,3×103 | 0 |
| Таблица 3. | |||
| Эффективность очистки воды от вредных химических веществ и микробиологических загрязнений фильтрами, включающими фильтрующий материал и ионообменную смолу (смесь катионообменной и анионообменной смол). | |||
| № | Показатель | Концентрация загрязнителя | |
| До фильтрации | После фильтрации | ||
| 1 | E.coli, КОЕ/мл | 1,3×103 | 0 |
| 2 | Жесткость, мг-экв/л | 7,4 | 6,9 |
| 3 | Мутность, ЕМФ | 12 | 0,01 |
| 4 | Железо (Fe, общее) | 0,5 | 0,1 |
| 5 | Марганец (Mn) | 0,26 | 0,1 |
| 6 | Нитраты (NO3 -) | 55 | 41 |
| 7 | Нитриты (NO2 -) | 4 | 2,5 |
| 8 | Сульфаты (SO4 2-) | 571 | 435 |
Задача создания переносного фильтра с фильтрующим элементом для очистки и обеззараживания воды в полевых или экстремальных условиях при заборе воды из необорудованных источников воды или в неблагоприятных бытовых условиях достигнута. Переносной фильтр компактен, удобен в использовании и эффективен за счет рационального размещения предложенного фильтрующего материала в фильтрующем элементе.
1. Фильтрующий элемент для очистки воды, содержащий фильтрующий материал в виде слоев, перфорированный каркас, с одной стороны которого размещены фильтрующий материал и, по меньшей мере, один слой защитного материала, при этом перфорированный каркас, слои защитного материала и фильтрующий материал закреплены по контуру, отличающийся тем, что фильтруемая вода разделена на два потока при поступлении ее внутрь каркаса, и после одновременного прохода воды через слои фильтрующего материала, размещенного на каждой стороне перфорированного каркаса, потоки воды соединены.
2. Фильтрующий элемент по п.1, отличающийся тем, что перфорированный каркас и повторяющие его контур слои защитного материала и слои фильтрующего материала выполнены в форме плоского прямоугольника, квадрата или любой другой формы.
3. Фильтрующий элемент по п.1, отличающийся тем, что фильтрующий материал выполнен многослойным, по меньшей мере, двухслойным, при этом множественность слоев фильтрующего материала обеспечена сложением одного над другим слоев полотна или ленты фильтрующего материала.
4. Фильтрующий элемент по п.1 или 3, отличающийся тем, что фильтрующий материал выполнен из нетканого полимерного волокнистого материала, модифицированного частицами гидрата оксида алюминия.
5. Фильтрующий элемент по п.1 или 3, отличающийся тем, что фильтрующий материал дополнительно содержит антимикробные вещества, например серебро.
6. Фильтрующий элемент по п.1 или 3, отличающийся тем, что нетканый полимерный волокнистый материал образован волокнами из ацетата целлюлозы, полисульфона или другого биоинертного полимера, имеющими диаметр 0,1-10 мкм, предпочтительно 1-3 мкм.
7. Фильтрующий элемент по п.1 или 3, отличающийся тем, что вышеупомянутый материал получен методом электроформования, мельт-блаун технологии, или другими методами, позволяющими получать нетканые материалы с упомянутым диаметром волокна.
8. Фильтрующий элемент по п.1 или 3, отличающийся тем, что нетканый полимерный волокнистый материал, на волокнах которого закреплены высокопористые частицы гидрата оксида алюминия, получают нанесением на основу из нетканого полимерного волокнистого материала водной или водно-спиртовой суспензии из частиц материала на основе алюминия, с последующим гидролизом частиц материала на основе алюминия для закрепления на волокнах основы частиц гидрата оксида алюминия.
9. Фильтрующий элемент по п.8, отличающийся тем, что высокопористые частицы гидрата оксида алюминия имеют, по существу, пластинообразную форму со стороной 100-200 нм и толщиной 5-8 нм, по меньшей мере, часть частиц гидрата оксида алюминия сгруппирована в агломераты размером 0,2-5,0 мкм, удельной поверхностью 150-350 м2/г, пористостью 50-95%, при этом количество частиц гидрата оксида алюминия в нетканом полимерном волокнистом материале составляет 15-45 мас.%.
10. Фильтрующий элемент по п.8, отличающийся тем, что в качестве материала на основе алюминия используют материал с размером частиц менее 1 мкм.
11. Фильтрующий элемент по п.5, отличающийся тем, что содержание антимикробного вещества в фильтрующем материале составляет 0,003-0,03 мас.%.
12. Фильтрующий элемент по п.5, отличающийся тем, что в качестве антимикробного вещества выбраны ионы серебра.
13. Фильтрующий элемент по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один слой защитного материала расположен либо с одной, либо с обеих сторон слоя фильтрующего материала.
14. Фильтрующий элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве защитного материала используют полимерные материалы, например полиэтилен, полипропилен, полиамид и другие термопласты пищевых марок с размером пор 1-100 мкм, преимущественно, 1-50 мкм.
15. Фильтрующий элемент по п.1, отличающийся тем, что площадь перфорации каркаса составляет 50-80%, преимущественно 60-70%.
16. Фильтрующий элемент по п.1, отличающийся тем, что каркас выполнен из полимерных материалов, например полиэтилена, полипропилена, АБС-пластика и других термопластов пищевых марок.
17. Фильтр для очистки воды, содержащий камеру, имеющую вход и выход для потока воды, первую ступень фильтра, размещенную в указанной камере, находящуюся в гидродинамическом сообщении с указанным входом, причем указанная первая ступень фильтра содержит фильтрующий элемент с материалом, который удаляет микроорганизмы, вторую ступень фильтра, находящуюся в гидродинамическом сообщении с указанным выходом, причем указанная вторая ступень фильтра содержит дополнительный сорбирующий материал, при этом указанная вторая ступень фильтра размещена в указанной камере в положении, которое позволяет воде проходить через указанную первую ступень фильтра перед прохождением через указанную вторую ступень, отличающийся тем, что фильтрующий элемент выполнен по любому из пп.1-16.
18. Фильтр по п.17, отличающийся тем, что внутри камеры первая и вторая ступени разделены.
19. Фильтр по п.17, отличающийся тем, что в указанной второй ступени в качестве дополнительного сорбирующего материала используют дробленый активированный уголь, например, из скорлупы кокосовых орехов, березовый активированный уголь.
20. Фильтр по п.17 или 19, отличающийся тем, что используют активированный уголь с удельной поверхностью 1100-1300 м2/г, с сорбционной емкостью по метиленовому голубому не менее 240 мг/г, характеризующийся йодным числом не менее 1050 мг/г.
21. Фильтр по п.17 или 19, отличающийся тем, что используют активированный уголь, модифицированный серебром, при содержании серебра от 0,06 до 0,4 мас.%, предпочтительно от 0,1 до 0,3 мас.%.
22. Фильтр по п.17 или 19, отличающийся тем, что используют фракцию активированного угля с размером частиц от 0,1 до 4,75 мм, преимущественно от 0,45 до 1,5 мм.
23. Фильтр по п.17, отличающийся тем, что в указанной второй ступени в качестве дополнительного сорбирующего материала используют ионообменную смолу, которая может представлять собой гранулированную или волокнистую ионообменную смолу.
24. Фильтр по п.17 или 23, отличающийся тем, что используют волокнистую ионообменную смолу с диаметром волокон 20-40 мкм, поверхностной плотностью 250-800 г/м2, со статической обменной емкостью от 1,8 до 5,5 мг-экв/г.
25. Фильтр по п.17 или 23, отличающийся тем, что используют гранулированную ионообменную смолу с размером гранул от 0,42 до 1,25 мм, со статической обменной емкостью не менее 1,3 г-экв/л.
26. Фильтр по п.17, отличающийся тем, что в указанной второй ступени в качестве дополнительного сорбирующего материала используют сорбент тяжелых металлов, содержащий оксид алюминия, модифицированный наноразмерными частицами оксидов железа.
27. Фильтр по п.17 или 26, отличающийся тем, что сорбент тяжелых металлов выполнен в форме гранул высокопористого оксида алюминия с объемом пор не менее 0,55 см3/г, удельной поверхностью не менее 200 м2/г, при этом наноразмерные частицы оксидов железа сформированы в виде слоя на поверхности упомянутых гранул в количестве 2-10% от веса гранул.
28. Фильтр по п.17 или 26, отличающийся тем, что оксид алюминия выполнен в форме гранул, предпочтительно сферической формы, с размером частиц, имеющим диаметр 0,2-4,0 мм.
29. Фильтр по п.17 или 26, отличающийся тем, что в качестве оксида алюминия он содержит γ-Al2O3.
30. Фильтр по п.17 или 26, отличающийся тем, что наноразмерные частицы оксидов железа имеют размер от 5 до 40 нм.
31. Фильтр по п.17 или 26, отличающийся тем, что наноразмерные частицы оксидов железа представляют собой наноразмерные частицы, например гетита и/или гематита.
32. Фильтр по п.17, отличающийся тем, что указанный фильтр присоединен в месте водоснабжения.
