фильтрующий патрон для подготовки питьевой воды из источника с низким содержанием ионов кальция, магния и фтора и повышенным содержанием ионов железа

Формула изобретения

1. Фильтрующий патрон для подготовки питьевой воды из источника с низким содержанием ионов кальция, магния и фтора и повышенным содержанием ионов железа, состоящий из последовательно соединенных: узла подачи очищаемой воды, включающего оболочку с радиальными прорезями и снабженного средством крепления в фильтре, выполненного в виде цилиндрической оболочки с резьбой на наружной поверхности; узла фильтрации, выполненного в виде полого цилиндра, на основаниях которого установлены сетки, и снабженного смесью гранулированных адсорбирующих компонентов и слоем нетканого фильтрующего полотна, прилегающим с внутренней стороны к сетке в нижней части узла фильтрации; узла вывода очищенной воды, выполненного в виде воронки с тупым углом и отверстием посредине; отличающийся тем, что узел фильтрации содержит верхний полимерный контейнер, прилегающий с внутренней стороны к сетке в верхней части узла фильтрации, содержащий гранулированный неорганический фторсодержащий материал в количестве 3÷5 мас.%, в качестве которого используют минерал фторида кальция с размером гранул 0.5÷2.0 мм, за которым по ходу течения жидкости установлен нижний полимерный контейнер, содержащий неорганический кальцийсодержащий композит в количестве 10÷20 мас.%, который получают из солей кальция, оба контейнера герметично закреплены на внутренней стенке полого цилиндра и выполнены с отверстиями по ходу течения жидкости; и тем, что смесь гранулированных адсорбирующих компонентов содержит гранулированную каталитическую загрузку на основе природного цеолита, покрытого диоксидом марганца, и магнийсодержащий ионообменный материал при следующем содержании компонентов смеси, об.%:

серебросодержащий активированный уголь	2÷10
активированный уголь	30÷70
каталитическая загрузка	3÷10
магнийсодержащий компонент	25÷50

2. Фильтрующий патрон по п.1, отличающийся тем, что неорганический кальцийсодержащий композит изготовлен в форме цилиндров или усеченных пирамид.

3. Фильтрующий патрон по п.1, отличающийся тем, что в смеси гранулированных адсорбирующих компонентов размер гранул активированных углей и природного цеолита, покрытого диоксидом марганца, составляет 0.3÷1.7 мм.

4. Фильтрующий патрон по п.1, отличающийся тем, что содержание серебра в серебросодержащем активированном угле составляет не более 0.2 мас.%.

5. Фильтрующий патрон по п.1, отличающийся тем, что в качестве магнийсодержащего ионообменного материала используют макропористый слабокислотный катионит, насыщенный ионами магния в диапазоне от 70÷30% от его ионообменной емкости.

6. Фильтрующий патрон по п.1, отличающийся тем, что слой нетканого фильтрующего полотна изготавливается из катионообменного волокна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение предназначено для получения доброкачественной питьевой воды и может быть использовано в бытовых фильтрах в качестве сменного фильтрующего патрона для подготовки питьевой воды из источника с низким содержанием ионов кальция, магния и фтора и повышенным содержанием ионов железа.

Известен фильтр для очистки воды [RU 2206397], включающий корпус, в котором установлен фильтрующий элемент с дозатором добавки, отличающийся тем, что фильтрующий элемент выполнен полым, установлен коаксиально корпусу и снабжен запирающим элементом, на котором установлен дозатор добавки, выполненный в виде контейнера, в котором размещена капсула с перфорированной крышкой, содержащая добавку, при этом фильтрующий элемент и, по меньшей мере, верхняя часть контейнера, контактирующая с перфорированной крышкой, выполнены из материала пространственно-глобулярной структуры, площадь отверстий перфорированной крышки не превышает 2% площади крышки, высота верхней части контейнера не превышает 30% высоты капсулы, а длина фильтрующего элемента превышает высоту контейнера не менее чем в 10 раз. Изобретение относится к водоподготовке и может быть использовано для получения в домашних условиях очищенной питьевой воды с физиологически необходимым (лечебным) содержанием целевых добавок, таких как микроэлементы, соли, витамины и др.

Недостатком данного фильтра является условие наличия давления на входе в фильтр, что ограничивает его применение. Также, ПГС элемент, содержащийся в фильтре, обеспечивает фильтрацию достаточно узкого круга загрязнений. Селективной очистки от железа не происходит.

Известен способ сорбционной очистки питьевой воды от железа [RU 2100282], включающий последовательное фильтрование через два слоя измельченных минералов, второй из которых цеолит, причем фильтрование ведут при расходе воды 1.2÷1.5 л/мин при отношении объемов сорбентов к часовому объему воды 1:36÷45 и равном массовом соотношении сорбентов, новым является то, что в качестве первого минерала используют минерал гематит. Устройство для осуществления способа представляет собой, например, фильтр, состоящий из двух спаренных корпусов цилиндрической формы и соединительных шлангов. Первый корпус заполнен измельченным гематитом, а второй - шунгитом. Перед работой фильтра один из шлангов надевают на водопроводный кран, через второй шланг очищенная вода поступает потребителю.

Недостатком данного способа является условие наличия давления на входе в фильтр, что ограничивает его применение, а также его немалые габаритные размеры. При этом насыщение воды ионами кальция, магния и фтора не происходит.

Наиболее близким по совокупности признаков техническим решением является фильтрующий патрон [RU 74822] (прототип), содержащий узел подачи очищаемой воды, соединенный с узлом крепления в фильтре, соединенным с узлом фильтрации, соединенным с узлом вывода очищенной воды, узел фильтрации выполнен в виде оболочки, наполненной смесью адсорбирующих компонентов, узел подачи очищаемой воды выполнен в виде конусообразной оболочки с радиальными прорезями, узел крепления в фильтре выполнен в виде цилиндрической оболочки с резьбой на наружной поверхности, узел вывода очищенной воды выполнен в виде воронки с тупым углом и отверстием посредине, над узлом фильтрации установлена сетка, отличающийся тем, что между узлом фильтрации и узлом вывода очищенной воды установлен дополнительный узел фильтрации, сетка узла фильтрации выполнена плоской.

Узел фильтрации заполнен смесью адсорбирующих компонентов, состоящей из смеси серебросодержащего и несеребросодержащего активных углей с йодным числом не менее 1 г/см³ и дополнительно содержит карбоксильный катионит, при этом серебросодержащий активный уголь содержит серебро в количестве не менее 0.1 мас.%.

Дополнительный узел фильтрации выполнен в виде сетки со слоями нетканого фильтрующего полотна из ионообменного волокна.

Недостатком является то, что выбранная в качестве прототипа полезная модель эффективно работает лишь для воды с высоким содержанием железа, при этом насыщение ионами кальция, магния и фтора не происходит.

Технической задачей является изыскание фильтрующей среды, обладающей комплексными свойствами: эффективной очисткой воды от избытков железа и обогащением очищенной воды недостающими ионами кальция, магния и фтора. При этом размещение данной фильтрующей среды должно вносить минимальные изменения в конструкционные элементы типичного фильтрующего патрона.

Сущность изобретения заключается в том, что предложен фильтрующий патрон для подготовки питьевой воды из источника с низким содержанием ионов кальция, магния и фтора и повышенным содержанием ионов железа, состоящий из последовательно соединенных: узла подачи очищаемой воды, включающего оболочку с радиальными прорезями и снабженного средством крепления в фильтре, выполненного в виде цилиндрической оболочки с резьбой на наружной поверхности; узла фильтрации, выполненного в виде полого цилиндра, на основаниях которого установлены сетки, и снабженного смесью гранулированных адсорбирующих компонентов и слоем нетканого фильтрующего полотна, прилегающим с внутренней стороны к сетке в нижней части узла фильтрации; узла вывода очищенной воды, выполненного в виде воронки с тупым углом и отверстием посредине; отличающийся тем, что узел фильтрации содержит верхний полимерный контейнер, прилегающий с внутренней стороны к сетке в верхней части узла фильтрации, содержащий гранулированный неорганический фторсодержащий материал, за которым по ходу течения жидкости установлен нижний полимерный контейнер, содержащий неорганический кальцийсодержащий композит, оба контейнера герметично закреплены на внутренней стенке полого цилиндра и выполнены с отверстиями по ходу течения жидкости; и тем, что смесь гранулированных адсорбирующих компонентов содержит гранулированную каталитическую загрузку на основе природного цеолита, покрытого диоксидом марганца, и магнийсодержащий ионообменный материал при следующем содержании компонентов смеси, об.%:

серебросодержащий активированный уголь	2÷10
активированный уголь	30÷70
каталитическая загрузка	3÷10
магнийсодержащий компонент	25÷50

К тому же, сущность изобретения заключается в том, что каталитическая загрузка представляет собой природный цеолит, допированный диоксидом марганца. Использование каталитической загрузки инициирует реакцию окисления железа (2+) до железа (3+), а последнее, в свою очередь, эффективно сорбируется нетканым фильтрующим полотном.

Содержание каталитической загрузки менее 3 об.% не позволяет добиться высокой эффективности удаления железа в начале ресурса фильтрующего патрона. Содержание каталитической загрузки выше 10 об.% обеспечивает удаление железа до уровня ниже предела обнаружения применяемых аналитических методов и является экономически нецелесообразным.

Целесообразно, что в смеси гранулированных адсорбирующих компонентов размер гранул активированных углей и природного цеолита, покрытого диоксидом марганца, составляет 0.3÷1.7 мм, а содержание серебра в серебросодержащем активированном угле составляет не более 0.2 мас.%.

Гранулы размером менее 0.3 мм ухудшают гидродинамику, в данном случае, снижают скорость фильтрации, а более 1.7 мм не позволяют достичь желаемых показателей по эффективности очистки, т.к. эффективная поверхность фильтрующего материала снижается.

Введение в смесь гранулированных адсорбирующих компонентов серебросодержащего активированного угля предотвращает биообрастание материала, т.е. создает бактериостатический эффект.

Дополнительная минерализация воды ионами кальция реализуется путем введения в конструктив фильтрующего патрона неорганического композита, получаемого из солей кальция, в количестве 10÷20% от общей массы всех фильтрующих компонентов узла фильтрации. Выделение ионов кальция осуществляется за счет пролонгированного растворения неорганического композита при контакте с водой. При этом избыточная концентрация ионов кальция сорбируется магнийсодержащим катионитом, при этом происходит насыщение воды ионами магния в процессе обмена ионов кальция на ионы магния. В процессе ионного обмена могут участвовать как ионы кальция, выделяющиеся из неорганического кальцийсодержащего композита, так и ионы кальция, содержащиеся в исходной воде. Форма композита может быть различной, однако наиболее предпочтительными являются цилиндр и/или усеченная пирамида.

При содержании кальцийсодержащего композита менее 10 мас.% концентрация ионов кальция в очищенной воде минимальна и нецелесообразна. Содержание кальциевого композита более 20 мас.% приводит к большому выделению кальция в очищенную воду на первых литрах фильтрации и, как следствие, большому выделению магния.

Целесообразно, что для получения неорганического кальцийсодержащего композита используют соли кальция из ряда: CaCl₂ (хлорид кальция), CaI₂ (йодид кальция), Ca(HSO₄)₂ (гидросульфат кальция), CaCO ₃ (карбонат кальция), CaSO₄ (сульфат кальция), Ca(HCO₃)₂ (гидрокарбонат кальция), CaSO ₃ (сульфит кальция), Ca(HSO₃)₂ (гидросульфит кальция).

Предпочтительно, что в качестве магнийсодержащего ионообменного материала используют макропористый слабокислотный катионит, насыщенный ионами магния в диапазоне от 70÷30% от его ионообменной емкости. Использование в смеси гранулированных адсорбирующих компонентов слабокислотного катионита в количестве 25÷50 об.% обеспечивает оптимальную концентрацию магния в отфильтрованной воде.

Увеличив количество магниевой смолы, необходимо увеличить количество кальцийсодержащего композита, что экономически нецелесообразно. При снижении содержания магнийсодержащего компонента менее 25 об.% концентрация ионов магния в очищенной воде минимальна и нецелесообразна.

Предпочтительно, что в качестве гранулированного неорганического фторсодержащего материала используется природный минерал фторида кальция с размером гранул 0.5÷2.0 мм в количестве 3÷5% от общей массы всех фильтрующих компонентов узла фильтрации. При содержании фторирующего компонента менее 3 мас.% концентрация фторид-ионов минимальна и нецелесообразна. При содержании фторирующего компонента более 5 мас.% часть ионов кальция будет связана выделяющимися фторид-ионами, тем самым приводя к снижению концентрации кальция в очищенной воде.

Целесообразно, что слой нетканого ионообменного полотна изготавливается из катионообменного волокна, который обеспечивает дополнительную селективную очистку воды как от железа, так и от других тяжелых металлов.

Использование слоя нетканого фильтрующего полотна, прилегающего к сетке узла фильтрации со стороны узла вывода очищенной воды позволяет также избежать вымывания частиц смеси гранулированных адсорбирующих компонентов из фильтрующего патрона и увеличить эффективность удаления вредных примесей.

Сущность изобретения поясняется чертежом и примерами его реализации. Чертеж и примеры иллюстрируют, но не ограничивают реализацию и применение предложенного фильтрующего патрона.

Представлен чертеж фильтрующего патрона для очистки железосодержащей воды с низким содержанием ионов кальция, магния и фтора, на котором: 1 - узел подачи очищаемой воды; 2 - радиальные прорези; 3 - средство крепления в фильтре; 4 - верхняя сетка; 5 - верхний полимерный контейнер; 6 - гранулированный неорганический фторсодержащий материал; 7 - нижний полимерный контейнер; 8 - неорганический кальцийсодержащий композит; 9 - узел фильтрации в виде полого цилиндра; 10 - смесь гранулированных адсорбирующих компонентов; 11 - слой нетканого фильтрующего полотна; 12 - нижняя сетка; 13 - узел вывода очищенной воды в виде воронки с тупым углом; 14 - отверстие воронки.

Фильтровальный патрон работает следующим образом (см. чертеж).

С помощью средства крепления (3) патрон устанавливают в бытовой фильтр. Резьбовое соединение фильтрующего патрона и фильтра позволяет с достаточной степенью свободы перемещать и наклонять фильтр.

Очищаемая вода через радиальные прорези (2) оболочки узла подачи очищаемой воды (1) попадает на верхнюю сетку (4) и далее в узел фильтрации (9), в котором сначала проходит через верхний полимерный контейнер (5), снабженный отверстиями и содержащий гранулированный неорганический фторсодержащий материал (6), при этом осуществляется выделение ионов фтора за счет пролонгированного растворения неорганического фторсодержащего материала при контакте с водой. Далее жидкость проходит через нижний полимерный контейнер (7), где при контакте с кальцийсодержащим композитом (8) происходит насыщение воды ионами кальция. При этом избыточная концентрация ионов кальция сорбируется магнийсодержащим катионитом, содержащимся в смеси гранулированных адсорбирующих компонентов (10), при этом происходит насыщение воды ионами магния в процессе обмена ионов кальция на ионы магния. Наличие в смеси (10) каталитической загрузки в виде природного цеолита, допированного диоксидом марганца, инициирует реакцию окисления железа (2+) до железа (3+), а последнее, в свою очередь, эффективно сорбируется нетканым фильтрующим полотном (11).

Проходя через смесь гранулированных адсорбирующих компонентов (10), жидкость также очищается от активного хлора, органических и хлорорганических соединений, пестицидов, нефтепродуктов, неприятных запахов и привкусов. Наличие серебра в составе гранулированных сорбентов предотвращает биообрастание материала, т.е. создает бактериостатический эффект.

Далее очищаемая вода попадает на слой нетканого фильтрующего полотна (11), где задерживаются взвешенные мелкодисперсные примеси и происходит дополнительная селективная очистка от железа и других тяжелых металлов.

На выходе из узла фильтрации вода проходит через нижнюю сетку (12), попадает в узел вывода очищенной воды (13) и через отверстие (14) в тупоугольной воронке узла вывода выливается в емкость сбора очищенной воды.

Ниже приведены примеры достижения технического результата при использовании заявляемого фильтровального патрона производительностью 1 дм³/ч. В качестве примеров приведены данные протокола лабораторных исследований проб воды из системы централизованного водоснабжения г. Москвы, очищенной с помощью системы обратного осмоса с последующим искусственным контаминированием исследуемыми загрязнителями, до и после использования заявляемого фильтровального патрона.

Пример 1. Фильтровальный патрон, содержащий в смеси гранулированных сорбентов 4 об.% каталитической загрузки, 25 об.% магнийсодержащего катионита, 10 мас.% кальцийсодержащего композита и 3 мас.% фторсодержащего материала.

Показатель	Вода до прохождения через фильтровальный патрон	Вода после прохождения через фильтровальный патрон	Норматив по СанПиН 2.1.4.1074-01
pH, ед. pH	6.0	6.1	6÷9
Железо общее, мг/дм3	0.6	0.05	0.3
Кальций, мг/дм3	10.5	25.4	-
Магний, мг/дм3	-	9.1	-
Общая жесткость, мг-экв/л	0.5	2.1	7
Фториды, мг/дм3	<0.08	0.52	1.2 (1.5)
Ртуть, мг/дм3	0.001	<0.0001	0.0005
Медь, мг/дм3	2.0	0.170	1.0
Кадмий, мг/дм3	0.002	<0.0001	0.001
Свинец, мг/дм3	0.06	0.003	0.03
Свободный хлор, мг/дм3	0.8	0.080	0.3÷0.5
Фенольный индекс, мг/дм3	0.55	0.09	0.25
Хлороформ, мг/дм3	0.4	<0.005	0.2
Бензол, мг/дм3	0.03	0.0010	0.01
ПАВ анионактивные, мг/дм3	1.0	0.10	0.5

Пример 2. Фильтровальный патрон, содержащий в смеси гранулированных сорбентов 4 об.% каталитической загрузки, 35 об.% магнийсодержащего катионита, 20 мас.% кальцийсодержащего композита и 5 мас.% фторсодержащего материала.

Показатель	Вода до прохождения через фильтровальный патрон	Вода после прохождения через фильтровальный патрон	Норматив по СанПиН 2.1.4.1074-01
pH, ед. pH	6.4	6.2	6÷9
Железо общее, мг/дм3	0.6	0.05	0.3
Кальций, мг/дм3	10.5	20.9	-
Магний, мг/дм3	-	24.6	-
Общая жесткость, мг-экв/л	0.5	3.0	7
Ртуть, мг/дм3	0.001	<0.0001	0.0005
Фториды, мг/дм3	<0.08	0.82	1.2 (1.5)
Медь, мг/дм3	2.0	0.190	1.0
Кадмий, мг/дм3	0.002	<0.0001	0.001
Свинец, мг/дм3	0.06	0.002	0.03
Ртуть, мг/дм3	0.001	<0.0001	0.0005
Свободный хлор, мг/дм3	0.8	0.085	0.3÷0.5
Фенольный индекс, мг/дм3	0.55	0.10	0.25
Хлороформ, мг/дм3	0.4	<0.005	0.2
Бензол, мг/дм3	0.03	0.0014	0.01
ПАВ анионактивные, мг/дм3	1.0	0.16	0.5

Пример 3. Фильтровальный патрон, содержащий в смеси гранулированных сорбентов 10 об.% каталитической загрузки, 45 об.% магнийсодержащего катионита, 20 мас.% кальцийсодержащего композита и 5 мас.% фторсодержащего материала.

Показатель	Вода до прохождения через фильтровальный патрон	Вода после прохождения через фильтровальный патрон	Норматив по СанПиН 2.1.4.1074-01
pH, ед. pH	6.2	6.7	6÷9
Железо общее, мг/дм3	0.6	<0.01	0.3
Кальций, мг/дм3	10.5	18.4	-
Магний, мг/дм3	-	40.5	-
Общая жесткость, мг-экв/л	0.5	4.8	7
Ртуть, мг/дм3	0.001	<0.0001	0.0005
Фториды, мг/дм3	<0.08	0.70	1.2 (1.5)
Медь, мг/дм3	2.0	0.180	1.0
Кадмий, мг/дм3	0.002	<0.0001	0.001
Свинец, мг/дм3	0.06	0.002	0.03
Ртуть, мг/дм3	0.001	<0.0001	0.0005
Свободный хлор, мг/дм3	0.8	0.082	0.3÷0.5
Фенольный индекс, мг/дм3	0.55	0.15	0.25
Хлороформ, мг/дм3	0.4	<0.005	0.2
Бензол, мг/дм3	0.03	0.0017	0.01
ПАВ анионактивные, мг/дм3	1.0	0.17	0.5

Выполнение заявленного фильтровального патрона для подготовки питьевой воды из источника с низким содержанием ионов кальция, магния и фтора и повышенным содержанием ионов железа позволяет получать воду, очищенную от железа и других вредных примесей и содержащую при этом необходимые ионы кальция, магния и фтора.