Устройство для опреснения и очистки воды на основе поли(триметилен-дикарбоксилата)
Владельцы патента RU 2772828:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" (RU)
Изобретение относится к устройству для опреснения и очистки воды, содержащему фильтр-опреснитель, включающий в себя угольный фильтр с фильтром грубой очистки и порошок поли(триметилен-дикарбоксилата), расположенный между двумя мембранами из углеродного волокна, помещенный в корпус, емкость с фильтруемой водой, устройство для создания избыточного давления, выполненное с возможностью подключения механического насоса для создания избыточного давления вручную и газового баллона для создания избыточного давления без использования механической работы. При этом все упомянутые элементы соединены при помощи быстросъемных соединений. Техническим результатом является возможность одновременного осуществления физической очистки воды от примесей адсорбцией и прохождением воды через мембрану, а также химической очисткой за счет ионообменных процессов в порошке поли(триметилен-дикарбоксилата), расположенном между двумя мембранами из углеродного волокна. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к устройствам для опреснения и очистки воды за счет ее прохождения через систему фильтров, в том числе селективного поли(триметилен-дикарбоксилата) в виде порошка. Данное устройство позволяет проводить процесс очистки и обессоливания воды с использованием контролируемого давления. Устройство имеет компактный размер, и может быть использовано непосредственно в месте забора воды ее потребителем.
Из уровня техники известно, что предлагаемый патент на WO 2011122986А2 "Гидродинамический способ очистки воды" (C02F 9/00, C02F 1/24, C02F 1/32, PCT/RU 201 1/000086, 17.02.2011, Панасюк Дмитрий Валерьевич(RU)) относится к технологии очистки воды из подземных источников и открытых водоемов, а также промышленных и бытовых вод от механических примесей, солей, металлов, поверхностно-активных веществ, обеззараживания воды. Технология может быть использована для производства воды хозяйственно-питьевого и промышленно-технического назначения. Идентичным для разрабатываемого устройства и данного патента является выравнивание давления до расчетного рабочего давления, удаление мелко и крупнодисперсных примесей и обильное насыщение кислородом воздуха, а также возможность использования накопительного бака до поступления воды к потребителю. Отличием разрабатываемого устройства является возможность очистки воды от ионов натрия за счет использования порошка поли(триметилен-дикарбоксилата), расположенного между двумя мембранами из углеродного волокна.
Известно устройство, описанное в патенте US 10160681 B2 "Очиститель воды типа картридж и очиститель воды типа кувшин" (C02F 1/22, B01D 61/08, B01D 61/18, 2012/052956, от 16.08.2012, Исикава Такеси (JP), Кимура Соудзоу (JP), Такеда Хацуми (JP)). Устройство кувшинного типа содержит корпус в виде кувшина, содержащий цилиндрическую корпусную часть, имеющую днище и перегородку для разделения внутреннего пространства корпусной части, крышку кувшина, непроницаемым для жидкости образом закрывающую открытый верхний край корпуса кувшина, и картридж для очистки воды, съемным образом прикрепляемый к открытой части для крепления в перегородке. Корпусная часть сформирована в форме, при которой поперечное сечение верхнего края имеет приблизительно круговую форму, а днище имеет прямоугольную форму. Картридж для очистки воды содержит материал для очистки воды, предназначенный для обработки воды, корпусной элемент цилиндрической формы, в котором размещается материал для очистки воды. В днище корпусного элемента сформировано выпускное отверстие для выпуска очищенной воды, а верхний край корпусного элемента является открытым. Приемные отверстия для приема воды, которая должна обрабатываться, в картридже для очистки воды сформированы в верхней части боковой стенки корпусного элемента. Основным преимуществом данного и разрабатываемого устройств является их компактность и возможность использования непосредственно в месте забора воды. Недостатком, который свойственен US 10160681 B2, является отсутствие возможности изменения давления в кувшине, а, следовательно, увеличенная длительность процесса очищения.
В патенте ZA 102110 C2 "Фильтр тонкой очистки" (B01J 20/10, B01D 39/2062, B01J 20/14, B01J 20/20, B01J 20/28004, 2010105765/05 от 25.08.2008, Jaideep Chatterjee, Santosh Kumar Gupta (IN)) не содержит системы установки необходимого давления для увеличения скорости фильтрации.
Наиболее близким аналогом является патент WO 2010098691А1 "Установка для очистки жидкости, способ промывки половолоконного фильтра и применение способа промывки половолоконного фильтра" (C02F 9/02, C02F 1/44, C02F 1/463, B01D 29/66, B01D 6502, PCT/RU 2009/000593 от 30.10.2009 Общество с ограниченной ответственностью "Аквафор" (RU)), на группу изобретений, относящихся к устройствам очистки жидкой воды, которые могут использоваться для очистки питьевых и сточных вод, в том числе - морскую, речную, озерную и колодезную воды, от полярных и неполярных органических веществ, ионов тяжелых металлов, микроорганизмов и значительного количества солей. Установка для очистки жидкости содержит средство подвода очищаемой жидкости, блок электрокоагуляции, половолоконный фильтр с обратной промывкой жидкостью, блок обратного осмоса, накопительную емкость, обратный клапан и средство отвода очищенной жидкости. Идентичным для разрабатываемого устройства и данного является компактность установки, допускающей ее переноску вручную. Недостатком данного устройства является отсутствие возможности проведения очистки и обессоливания воды с избыточным давлением.
Общим недостатком всех вышеперечисленных аналогов является то, что они не позволяют точно и универсально контролировать давление в процессе очистки и обессоливания воды. Кроме того, стоит отметить, что многие устройства способны выполнять только одну из технических задач - очистка или обессоливание, в то время как задача одновременного процесса является достаточно актуальной. Все эти недостатки устранены в предложенном к рассмотрению устройстве, специально разработанном для опреснения и очистки воды, в котором реализована система поэтапной очистки воды, за счет использования системы фильтров, в том числе фильтра на основе поли(триметилен-дикарбоксилата), с возможностью контроля давления.
Основной задачей настоящего изобретения является получение очищенной и обессоленной воды за счет эффективного и необратимого удаления вредных примесей. Глубоко очищая воду, разрабатываемое устройство будет способно удерживать все накопленные загрязнители в течение всего срока использования.
В предложенном устройстве появляется возможность контроля давления за счет системы из устройств высокого и низкого давления. Избыточное давление может создаваться механическим насосом и контролироваться манометром низкого давления, либо газовым баллоном и контролироваться манометрами высокого и низкого давления. Данная система позволяет настраивать необходимое давление в системе в зависимости от необходимости, что позволяет сделать планирование ресурсов наиболее эффективным.
Устройство включает фильтр на основе селективного поли(триметилен-дикарбоксилата) в виде порошка, располагающийся между двумя мембранами из углеродного волокна, защищенными внешним корпусом.
Техническим результатом изобретения является очищение устройством воды от механических примесей и солей с возможностью контроля давления в процессе очищения и обессоливания.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемом устройстве для опреснения и очистки воды, содержащем фильтр-опреснитель с порошком поли(триметилен-дикарбоксилата), способного селективно осаждать ионы Na+ [1-3], расположенным между двумя мембранами из углеродного волокна, емкость с фильтруемой водой, устройство для создания избыточного давления. Устройство для создания избыточного давления выполнено с возможностью подключения механического насоса или газового баллона для создания избыточного давления над поверхностью фильтруемой воды, и при этом все упомянутые элементы соединены при помощи быстросъемных соединений. При этом устройство для создания избыточного давления содержит обратные клапаны и сбросной клапан, необходимый для сброса давления при превышении значения в 1 бар.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен вид устройства в сборе.
На фиг. 2 изображен вид устройства создания избыточного давления с разнесенными частями.
На фиг. 3 изображен вид устройства создания избыточного давления в сборе без насоса и газового баллона.
На фиг. 4 изображен общий вид фильтра-опреснителя.
На фиг. 5 представлена отдельно часть фильтра-опреснителя.
На фиг. 6 представлена зависимость концентрации ионов натрия в растворе С (Na+) г/мл от номера цикла использования устройства для опреснения и очистки воды на основе поли(триметилен-дикарбоксилата).
На фиг. 7 представлена зависимость формазивных единиц (ЕМФ) от номера цикла для фильтрата, полученного с использованием устройства для опреснения и очистки воды на основе поли(триметилен-дикарбоксилата).
Позициями на чертежах обозначены: 1 - механический насос (например, ручной велосипедный), 2 - регулятор давления, 3 - манометр низкого давления, 4 - манометр высокого давления, 5 - обратный клапан, 6 - газовый баллон (СО2 баллон 80 г), 7 - емкость с фильтруемой водой, 8 - быстросъемное соединение, 9 - фильтр-опреснитель, 10 - сбросной клапан, 11 - уплотнительное кольцо, 12 - щтуцер, 13 - место подсоединения газового баллона, 14 это фильтр-мембрана, включающая порошок поли(триметилен-дикарбоксилата), 18 - расположенный между двумя мембранами из углеродного волокна 16 и помещенный в корпус 17, 15 - угольный фильтр.
Устройство в сборе представляет собой составную конструкцию, основные элементы: устройство создания избыточного давления (фиг. 2), емкость 7 с фильтруемой водой, фильтр-опреснитель 9. Все элементы конструкции соединяются между собой с помощью быстросъемных соединений 8. Устройство создания избыточного давления выполнено с возможностью использования газового баллона 6. В случае, если газ в баллоне закончился, предусмотрена возможность использования механического насоса 1, который подключается к штуцеру 12. Допускается использовать любой насос, на рисунке изображен ручной велосипедный насос. Скорость фильтрации определяется величиной избыточного давления над поверхностью фильтруемой воды в емкости 7. Величина этого давления задается регулятором давления 2 и контролируется манометром низкого давления 3. Также в устройстве имеются обратные клапаны 5, которые необходимы для независимой работы контуров с насосом 1 и с газовым баллоном 6. Эффективность процесса фильтрации и опреснения зависит от скорости прохождения фильтруемой воды через систему (чем ниже скорость, тем процесс фильтрации и опреснения проходит эффективнее), а так как эта скорость зависит от величины избыточного давления над поверхностью фильтруемой воды, - необходимо ее ограничить. Для выполнения этого условия в системе имеется сбросной клапан 10, который открывается в случае превышения максимально допустимого избыточного давления в 1 бар. Основным элементом конструкции является фильтр-опреснитель 9, который состоит из угольного фильтра 15 и порошка поли(триметилен-дикарбоксилата), расположенного между двумя мембранами из углеродного волокна 14, порошок поли(триметилен-дикарбоксилата) 18 располагается между двумя мембранами из углеродного волокна 16 и помещен в корпус 17. Все необходимые соединения снабжены уплотнительными кольцами 11.
Результатом использования устройства является получение пресной воды (C(Na+)<0,001 г/мл). На фиг 6. показана концентрация ионов Na+, определенная титрованием, в отфильтрованной воде для 60 циклов использования устройства (объем фильтрата 100 мл для каждого цикла), где в качестве фильтруемого раствора использовался 1.0 М раствор NaCl (56 г/л). Согласно изученной зависимости, концентрация Na+ от 0,0004 до 0,0008 г/мл. Кроме того, результатом использования устройства является получение воды, очищенной от механических примесей. На фиг. 7 показана зависимость формазивных единиц (ЕМФ) - показателя, характеризующего уменьшение прозрачности воды в связи с наличием тонкодисперсных взвешенных частиц - для отфильтрованной воды от номера цикла. Питьевая вода характеризуется мутностью не более 2.6 ЕМФ. Для проведения измерений с использованием устройства была отфильтрована стандартная формазиновая суспензия с 40 ЕМФ в течение 60 циклов использования устройства (объем фильтрата 100 мл для каждого цикла) и методом светорассеяния определена мутность фильтрата. Согласно изученной зависимости мутность фильтратов лежит в пределах от 0,8 до 1,2 ЕМФ.
Ниже представлено описание работы устройства для опреснения и очистки воды на основе селективного поли(триметилен-дикарбоксилата).
Необходимо наполнить емкость 7 водой, которую необходимо профильтровать и опреснить. Далее, с помощью быстросъемных соединений 8, к емкости подключаются устройство создания избыточного давления без подключенного баллона 6 и фильтр-опреснитель 9. Регулятор 2 нужно повернуть в положение «закрыт». После чего производится подключение газового баллона 6 к месту подсоединения газового баллона 13. Манометр высокого давления 4 теперь показывает давление внутри баллона. Далее нужно задать величину избыточного давления с помощью регулятора 2, постепенно открывая его, при этом отображаемое значение давления на манометре низкого давления 3 начнет меняться и будет соответствовать давлению, создаваемому над поверхностью фильтруемой воды. Для представленной конструкции рекомендуется выставлять значение избыточного давления в пределах 0,5 - 1 бар. После того, как газ в баллоне закончился, есть возможность создавать избыточное давление с помощью механического насоса 1.
Источники информации
1. 
Blandine Brissault, Agustin Rios de Anda, Jacques Penelle, Synthesis, Characterization, and Solid-State Properties of (CH2-CH2-C(COOH)2)n: A Highly Symmetrical, Semicrystalline Carbon-Chain Poly(carboxylic acid), Macromolecules 2020, 53, 15, 6204-6212.
2. Jacques Penelle, Tao Xie, Synthesis, Characterization, and Thermal Properties of Poly(trimethylene-1,1-dicarboxylate) Polyelectrolytes, Macromolecules 2001, 34, 15, 5083-5089.
3. NohaElhalawany, ClaireNegrell, NicolasIlly, BlandineBrissault, JacquesPenelle, Preliminary investigations on a simple polyelectrolyte derived from (СН2СН2С(СООН)2)n: Unexpected solubility-insolubility pattern controlled selectively by the nature of the alkali counterion, Polymer 2017, 116, 515-522.
1. Устройство для опреснения и очистки воды, содержащее фильтр-опреснитель, включающий в себя угольный фильтр с фильтром грубой очистки и порошок поли(триметилен-дикарбоксилата), расположенный между двумя мембранами из углеродного волокна, помещенный в корпус, емкость с фильтруемой водой, устройство для создания избыточного давления, выполненное с возможностью подключения механического насоса для создания избыточного давления вручную и газового баллона для создания избыточного давления без использования механической работы, и при этом все упомянутые элементы соединены при помощи быстросъемных соединений.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство для создания избыточного давления содержит обратные клапаны.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в устройстве для создания избыточного давления имеется сбросной клапан.
