EA017680B1

EA017680B1 - Фильтр

Info

Publication number: EA017680B1
Application number: EA201101132A
Authority: EA
Inventors: Маной Вилас Дагаонкар; Удаян Маджумдар; Моррис Васкар
Original assignee: Юнилевер Н.В.
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2013-02-28
Also published as: AR075192A1; BRPI0924315A2; WO2010086079A2; EP2384234A2; EP2226108A1; EA201101132A1; ZA201104567B; CN102300615A; MX2011007901A; WO2010086079A3; PL2384234T3; EP2384234B1

Abstract

Изобретение относится к фильтру, содержащему углеродистый блок, покрытый снаружи навивным слоем негофрированного волокнистого материала, покрытым, в свою очередь, навивным слоем гофрированного волокнистого материала. Сочетание этих трех элементов обеспечивает удаление цист из загрязненной воды с порядком снижения их содержания, составляющим более 3,5 log в течение срока службы фильтра, за который через фильтр проходит более чем 2300 л воды. Изобретение относится также к устройству для гравитационного фильтрования, которое содержит фильтр, соответствующий изобретению. Заявлен также способ фильтрования воды, согласно которому вода протекает сначала через гофрированный волокнистый материал, затем через негофрированный волокнистый материал и после этого через углеродистый блок.

Description

\Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к фильтру, в частности к фильтру для очистки питьевой воды под действием сил гравитации. Изобретение, более конкретно, относится к фильтру для отделения цист от воды с тем, чтобы сделать её подходящей для потребления человеком.

Уровень техники

Существует множество загрязняющих примесей, которые были обнаружены в воде и которые необходимо удалить для того, чтобы вода была безопасной и привлекательной для потребления человеком. Такие загрязнения включают нерастворимые в воде дисперсные твердые частицы, растворенные соли и органические соединения, подобные промышленным химикатам, пестицидам и их твердым остаткам, а также опасные микроорганизмы, подобные цистам, простейшим организмам, бактериям и вирусам.

В развитых странах и больших городах в развивающихся странах существуют муниципалитеты, располагающие большими станциями водоочистки промышленного масштаба, в которых очищают воду перед её транспортированием по трубопроводам к отдельным жилым зданиям.

Эти станции водоочистки обрабатывают сырую воду посредством проведения стадий технологической обработки, таких как (1) фильтрование, которое удаляет крупные фракции взвешенных частиц с использованием песчаных загрузок фильтра, (и) образование хлопьевидного осадка и коагуляция для осаждения более мелких взвешенных загрязняющих примесей, (ш) ионообмен для умягчения воды и (ίν) использование биоцидов, например галогенов, таких как йод и хлор, убивающих микроорганизмы.

В сельских районах развивающихся стран подобные типы муниципальных очистных станций или отсутствуют или являются неподходящими для использования в целях удовлетворения потребностей населения этих районов к питьевой воде. В этих местах люди вынуждены запасаться водой, взятой непосредственно из озер, рек и скважин. Они накапливают и хранят воду в ёмкостях в своих отдельных жилых домах. Многие люди не очищают воду и, таким образом, становятся жертвами многих болезней. Некоторые из них обращаются к простым методам, таким как фильтрование с помощью ткани и/или флокулирование с помощью квасцов для удаления взвешенной твердой фазы, и кипячение с целью уничтожения бактерий. Кипячение представляет собой дорогостоящий процесс, который требует использования топлива, например угля, древесины или нефти.

Многие отвечающие современным требованиям системы водоочистки для использования в отдельных жилых домах были разработаны и реализованы на рынке. Они основаны на таких методах, как ультрафиолетовое облучение (УФО) воды, обратный осмос и т.п. Вышеуказанные способы обычно требуют наличия непрерывного потока воды и постоянного подвода электрической энергии. Однако в сельских и городских районах развивающихся стран постоянная подача воды через трубопровод и непрерывный подвод энергии зачастую не являются возможными. Поэтому в таких районах подобные водоочистные системы имеют ограниченное применение и использование.

В патентном документе И8 2009/0045106 (Асееве Виешеее Огоир) описана система очистки воды, которая содержит фильтр предварительной очистки, фильтр с углеродистым блоком и фильтр микробиологического действия (ΜΙ). Размер частиц угля находится в интервале от 140 до 500 меш, а в случае ΜΙфильтра составляет от 200 до 230 меш. ΜΙ-фильтр используют в основном для задерживания/инактивации микроорганизмов. Сборная конструкция фильтра может быть использована при расходах воды в интервале от 2,7 до 3,4 л/мин, и, следовательно, он является подходящим для находящихся под рукой систем очистки водопроводной воды, а не для устройств, работающих с подачей воды самотеком, за счет гравитации. Поскольку в устройствах с подачей самотеком давление воды на входе является низким, то использовать частицы угля с указанными малыми размерами не представляется возможным.

Были разработаны и реализованы некоторые устройства настольного типа для очистки воды для жилых зданий. Одно такое устройство описано в патентном документе АО 2004/000732 (Цш^ег), в котором заявлена система очистки воды, поступающей самотеком, содержащая блок фильтрации, приспособленный для фильтрации находящихся в воде твердых частиц, и блок химической очистки, содержащий химический агент очистки, при этом блок химической очистки размещен в герметичной камере и сообщается по текучей среде с блоком фильтрации так, что вода, очищенная в блоке фильтрации, затем стекает за счет гравитации в блок химической очистки и остается в нем в течение предварительно заданного периода времени, после чего вытекает из системы через средство поглощения, которое предназначено для удаления из воды вымытого (из блока очистки) агента химической очистки. Устройство, изготовленное на основе упомянутой заявки на выдачу патента, которая также подана заявителем настоящей заявки, было незамедлительно реализовано на рынке несколько лет назад. Это устройство требует большого количества активированного угля, спрессованного определенным образом для обеспечения возможности удаления цист и других микрочастиц до уровня, отвечающего требованиям.

В качестве одной из попыток решить эту проблему авторы настоящего изобретения в более ранней заявке на выдачу патента, а именно международной заявке АО 2008/028734, предложили фильтр, содержащий навивные слои фильтрующего элемента, включающие гофрированный слой и негофрированный слой.

Фильтр из волокнистого материала, предложенный в упомянутой заявке АО 2008/028734, был не способен в достаточной степени снизить его стоимость по сравнению с типом фильтра, описанным в па

- 1 017680 тентных документах XVО 2004/000732 и XVО 2008/028734, и, как отмечено выше, содержит навивные слои фильтрующего элемента, включающие негофрированный слой и гофрированный слой, и, следовательно, органические вещества перед хлорированием не будут удалены. По этой причине потребность в хлоре будет весьма высокой, поскольку хлор, вымытый из питателя биоцидов, будет вступать в реакцию с органическими соединениями, находящимися в свежей исходной воде. Кроме того, максимальное содержание цист, которые могли быть удалены, в известном фильтре ограничено, а именно логарифм удаления цист (1од-логарифмическая функция снижения загрязнений в воде), когда фильтр был новым, находился в интервале от 1,8 до 3,6, при уменьшении расхода. Однако было обнаружено, что после некоторого периода использования фильтра величина логарифма удаления цист снижается менее чем до 3 1од. Авторы настоящего изобретения исследовали возможность дальнейшего повышения величины логарифма удаления цист, сохраняя в то же время низкие затраты и обеспечивая желательный большой расход воды, в пределах большого литража проходящего через фильтр потока.

Кроме того, настоящее изобретение должно устранить частую забивку фильтра, как это происходило с известными фильтрами. Ранее работоспособность фильтров при их забивке обычно восстанавливали путем или обратной продувки с использованием струи воздуха, или обратной промывки при встряхивании в воде. Однако после нескольких таких циклов восстановления (регенерации) происходит необратимая забивка фильтра, и дальнейший поток или расход полученной фильтрованной воды прекращается, или поток воды существует с несоизмеримо малой скоростью, и поэтому такой фильтр необходимо заменить. Таким образом, проблема, которая неизменно не имеет для фильтрования удовлетворительного решения, заключается в получении достаточно высоких расходов воды при осуществлении процесса фильтрования, обеспечивая в то же время достижение желательной эффективности удаления взвешенной твердой фазы и цист и сохраняя при этом низкие затраты.

Важно было также найти решение по эффективному удалению органических веществ перед хлорированием воды для того, чтобы после хлорирования обеспечить более высокое располагаемое содержание хлора в воде с тем, чтобы уничтожать вирусы и бактерии без увеличения длины пути прохождения потока в фильтре и воздействия на расход. В дополнение к этому цисты, которые были предварительно уловлены используемым фильтрующим материалом, в случае неожиданного улучшения качества воды вымываются. Например, если уровень растворенных солей в воде заметно падает до величины менее 50 ррт (промилей), то в этом случае уловленные фильтром цисты вымываются из фильтра. Следовательно, существует необходимость создания усовершенствованного фильтра, который будет уменьшать вероятность вымывания предварительно уловленных цист в связи с изменением качества воды.

Вышеуказанные факторы, в дополнение к необходимости достаточно продолжительного срока службы фильтра, свидетельствуют о необходимости уменьшения производимых пользователем циклов регенерации/замены фильтрующего вещества.

Авторы изобретения проводили эксперименты, направленные на решение вышеуказанных проблем, учитывая в то же время, что технология изготовления фильтра не должна быть слишком усложненной. В процессе своей работы авторы изобретения неожиданно обнаружили, что уникальное сочетание углеродистого блока и определенной комбинации из фильтра с волокнистым материалом обеспечивает синэнергетические эффекты с точки зрения эффективности удаления цист.

Задачи изобретения

В связи с изложенным задача настоящего изобретения заключается в создании фильтра, который обеспечивает надежное фильтрование твердых частиц с включением цист и в то же время допускает высокий расход фильтрационного потока.

Другая задача настоящего изобретения заключается в создании фильтра, который обеспечивает надежное фильтрование твердых частиц с включением цист, допускает высокий расход фильтрационного потока и имеет срок службы, больший чем фильтры, известные из уровня техники.

Следующая задача настоящего изобретения заключается в создании фильтра, который обеспечивает надежное фильтрование твердых частиц с включением цист, имеет длительный срок службы, обеспечивает желательный высокий расход под действием сил гравитации, обеспечивая при этом снижение стоимости по сравнению с фильтрами, известными из уровня техники.

Ещё одна задача настоящего изобретения заключается в создании фильтра, который обеспечивает надежное фильтрование твердых частиц с включением цист, имеет длительный срок службы, обеспечивает желательный высокий расход под действием сил гравитации, обеспечивая при этом снижение стоимости по сравнению с фильтрами, известными из уровня техники, а также снижает вероятность вымывания предварительно уловленных твердых частиц/цист вследствие неожиданных изменений качества воды.

Сущность изобретения

В соответствии с первым аспектом изобретения обеспечивают фильтр, содержащий углеродистый блок, покрытый снаружи навивным (спирально намотанным) слоем негофрированной ткани, покрытым, в свою очередь, навивным слоем гофрированной ткани. В частности, предпочтительно, чтобы углеродистый блок имел форму кругового цилиндра.

- 2 017680

Подробное описание изобретения

Изобретение обеспечивает усовершенствованный фильтр, который эффективно удаляет твердые частицы, обеспечивая в то же время более высокую эффективность удаления цист по сравнению с известными фильтрами при низкой стоимости фильтра.

Различные типы твердых частиц, эффективно удаляемых с помощью фильтра согласно изобретению, включают крупные твердые частицы размером, как правило, более 3 мкм, микроорганизмы, подобные цистам, и все взвешенные твердые частицы. В то же время обеспечивается высокий расход воды, фильтруемой в условиях действия гравитационного напора.

С помощью фильтра, соответствующего изобретению, эффективно фильтруются устойчивые к воздействию хлора цисты, такие как СгурЮхропкшт ратуит и 01атк1а 1атЬ11а, размер которых составляет от 3 до 6 мкм. Удаление цист может быть охарактеризовано величиной логарифма удаления. Логарифм удаления вычисляют следующим образом: логарифм удаления = 1од₁₀ (входная концентрация частиц/ выходная концентрация частиц).

Под термином условия гравитационного напора подразумевают поток воды при отсутствии какого-либо повышения давления. Гравитационный напор воды обычно составляет порядка от 10 до 100 см, предпочтительно от 15 до 50 см. В переводе на избыточное давление это составляет менее 0,1 бар, более предпочтительно менее 0,7 бар, ещё более предпочтительно менее 0,04 бар и наиболее предпочтительно избыточное давление составляет менее 0,03 бара.

Хотя фильтр согласно изобретению является весьма подходящим для фильтрования воды под действием гравитационного напора, такой фильтр может быть использован также для фильтрования воды, которая находится под давлением. Несмотря на то что фильтр, соответствующий изобретению, является весьма подходящим для приготовления воды, которая является пригодной для питья, например, питьевой воды, воды для кулинарии, для приготовления пищи и напитков, настоящее изобретение является также полезным и для других бытовых и промышленных применений, например для мойки инструментов в биомедицинской и лабораторной практике, а также в качестве воды, потребляемой в стиральных и посудомоечных машинах, помимо основных других применений.

Углеродистый блок, используемый в конструкции фильтра согласно изобретению, содержит частицы активированного угля, связанные между собой с помощью полимерного связующего материала. Частицы активированного угля предпочтительно выбраны из одного или более материалов, включающих битуминозный уголь, скорлупу кокосового ореха, древесину и нефтяную смолу. Площадь поверхности частиц активированного угля предпочтительно превышает 500 м²/г, более предпочтительно превышает 1000 м²/г. Предпочтительно активированный уголь имеет коэффициент однородности размера менее 2, более предпочтительно менее 1,5. Адсорбция по четыреххлористому углероду превышает 50%, более предпочтительно превышает 60%. Активированный углерод предпочтительно имеет йодистый индекс, превышающий 800, более предпочтительно он превышает 1000. Частицы активированного угля имеют такие размеры, что проходят сквозь сито с отверстиями в интервале от 5 до 300 меш, более предпочтительно от 16 до 200 меш и наиболее предпочтительно от 30 до 100 меш.

Частицы активированного угля в углеродистом блоке связаны друг с другом с использованием полимерного связующего. Полимерные связующие, имеющие скорость течения расплава (МРВ) менее 5 г/10 мин, являются также более предпочтительными. Материал связующего предпочтительно имеет величину скорости течения расплава менее 2г/10 мин, более предпочтительно менее 1г/10 мин. Оптимальная величина скорости течения расплава близка к нулю. Скорость течения расплава измеряют с помощью теста, проводимого по стандарту А8ТМ Ό 1238 (Ι8Θ 1133) при температуре 190°С и при нагрузке 15 кг.

Количество полимера, накопленного после определенного интервала времени, взвешивают и нормализуют по количеству граммов, которые могли быть экструдированы в течение 10 мин: скорость текучести расплава выражают в граммах, отнесенных к соответствующему времени.

В качестве связующего предпочтительно используют термопластичный полимер. Подходящие примеры включают сверхвысокомолекулярный полимер, предпочтительно полиэтилен, полипропилен и их комбинации, которые характеризуются указанными низкими величинами МРВ. Молекулярный вес предпочтительно находится в интервале от 10⁶ до 10⁹ г/моль. Связующие вещества этого типа имеются на рынке под торговыми наименованиями ΗΟ8ΤΑΕΕΝ от Тусопа ОМВН, ОИВ, 8ип1те (от АзаЫ, 1араи), Ηί/ех (от МйзиЫзЫ) и от Втазкеи Согр (ВгахП). Другие подходящие связующие включают ПЭНП (полиэтилен низкой плотности), реализуемый на рынке как луполен (от Вазе1 Ро1уо1еПп8) и ЛПЭНП (линейный полиэтилен низкой плотности) от Оипоз (Аи81га11а).

Насыпная (объемная) плотность связующего, используемого в соответствии с изобретением, предпочтительно составляет <0,6 г/см³, более предпочтительно <0,5 г/см³ и более предпочтительно составляет <0,25 г/см³. Содержание связующего может быть измерено любым известным способом, и предпочтительно его измеряют с помощью термогравиметрического анализа. Размер части полимерного связующего предпочтительно составляет от 20 до 200 мкм, более предпочтительно от 40 до 60 мкм.

Массовое отношение полимерного связующего к частицам активированного угля предпочтительно

- 3 017680 находится в интервале от 1:1 до 1:20, более предпочтительно в интервале от 1:2 до 1:10. Углеродистый блок предпочтительно имеет форму кругового цилиндра, диэдра, полусферы или усеченного конуса. Более предпочтительной является форма кругового цилиндра. Предпочтительно, чтобы наиболее короткая длина пути поперек углеродистого блока, т.е. наименьшее расстояние от входной его поверхности, где вода входит в углеродистый блок, до выходной поверхности, где вода вытекает из углеродистого блока, составла от 5 до 50 мм, более предпочтительно от 10 до 30 мм.

Углеродистый блок предпочтительно изготавливают с использованием технологического процесса, который включает следующие стадии:

(a) частицы активированного угля смешивают с полимерным связующим в присутствии воды для приготовления сырой смеси;

(b) сырую смесь затем добавляют в форму желаемого размера;

(c) затем форму нагревают до температуры в интервале от 150°С до 350°С и (б) форму охлаждают, после чего углеродистый блок извлекают из формы.

Смешивание частиц активированного угля, полимерного связующего и воды предпочтительно осуществляют в сосудах, которые содержат встряхивающее устройство, мешалку с затупленными лопастями крыльчатки, ленточно-винтовую мешалку, ротационную мешалку, шнековую мешалку или любую другую мешалку с малыми сдвиговыми усилиями, которая лишь незначительно изменяет распределение частиц по размерам. Перемешивание осуществляют для приготовления однородной смеси. Время перемешивания предпочтительно составляет от 0,5 до 30 мин. Предпочтительно масса используемой воды при приготовлении сырой смеси не более чем в 4 раза превышает массу твердых частиц, более предпочтительно превышает массу твердых частиц не более чем в 3 раза. Оптимально масса используемой воды составляет от 0,5 до 1, 5 от массы частиц угля. Затем к вышеуказанной смеси добавляют связующее и дополнительно перемешивают. Наиболее предпочтительным смесителем является шнековая мешалка.

Находящийся в форме материал перед нагреванием предпочтительно подвергают прессованию. Давление прессования может составлять от 0 до 15 кг/см². Подходящее давление прессования не превышает 12 кг/см², предпочтительно составляет от 3 до 10 кг/см² и наиболее предпочтительно от 4 до 8 кг/см². Такое давление предпочтительно создают, используя или гидравлический пресс, или пневматический пресс, более предпочтительно использование гидравлического пресса.

Форму обычно изготавливают из алюминия, чугуна, стали или любого материала, способного выдерживать температуры, превышающие 400°С. Предпочтительно внутреннюю поверхность формы покрывают материалом, облегчающим выемку изделия из формы. Указанный материал, облегчающий выемку изделия из формы, предпочтительно выбирают из силиконовой смазки, алюминиевой фольги или тефлона, или любого другого материала, облегчающего выемку изделия из формы, который лишь незначительно адсорбируется или вообще не адсорбируется на материале фильтра.

Форму затем нагревают до температуры в интервале от 150 до 350°С, предпочтительно в интервале от 200 до 300°С. Форму поддерживают нагретой в течение более чем 60 мин, предпочтительно в интервале от 90 до 300 мин. Форму предпочтительно нагревают в печи, используя для этого неконвекционную печь или конвекционную печь с принудительной подачей воздуха или инертного газа.

Форму затем охлаждают и освобождают из неё прессованный фильтр.

Фильтр согласно изобретению содержит углеродистый блок, покрытый снаружи навивным слоем негофрированного волокнистого материала, покрытым, в свою очередь, сверху навивным слоем гофрированного волокнистого материала. Предпочтительно, чтобы фильтр содержал большое количество слоев негофрированного волокнистого материала.

В соответствии с конструкцией фильтра согласно изобретению навивной негофрированный слой волокнистого материала первым покрывает углеродистый блок. Под волокнистым материалом здесь подразумевается тканый, плетеный или нетканый волокнистый материал. Волокнистый материал может быть изготовлен из натуральных волокон или ткани или может иметь синтетическое происхождение. Предпочтительным является нетканый материал. Предпочтительным материалом для изготовления волокнистого материала является синтетический материал, предпочтительно полимерный. Подходящими полимерными материалами в структуре волокнистого материала являются хлопок, полиэфир, полипропилен или нейлон. Средний размер пор негофрированного волокнистого материала составляет от 1 до 400 мкм, более предпочтительно от 10 до 300 мкм, наиболее предпочтительно от 25 до 200 мкм.

Волокнистый материал, образующий негофрированные слои, имеет толщину в интервале от 1 до 10 мм, более предпочтительно в интервале от 2 до 6 мм. Число спиральных витков в негофрированных слоях предпочтительно составляет от 1 до 10, более предпочтительно от 1 до 7. Общая толщина навивных слоев негофрированного волокнистого материала предпочтительно составляет от 1 до 30 мм, более предпочтительно от 2 до 20 мм. Общая площадь поверхности негофрированного слоя предпочтительно составляет от 100 до 2500 см², более предпочтительно от 200 до 1500 см².

Волокна негофрированного волокнистого материала имеют зета-потенциал, предпочтительно превышающий 40 мВ, более предпочтительно превышающий 30 мВ. Зета-потенциал представляет собой электрический потенциал, который существует около плоскости сдвига частицы, которая находится на

- 4 017680 некотором небольшом расстоянии от ее поверхности. Зета-потенциал определяют по результатам измерения распределения подвижности дисперсной системы заряженных частиц, когда они подвержены действию электрического поля. Подвижность определяют как скорость частицы, отнесенную к единице измерения электрического поля, и измеряют путем приложения электрического поля к дисперсной системе частиц и измерения их средней скорости.

Негофрированный волокнистый материал имеет удельную проницаемость для жидкости, предпочтительно составляющую менее 4х10^-11 м², более предпочтительно - менее 2,5х10^-11 м² при гидростатическом давлении, равном 170 мм водяного столба. Указанную проницаемость определяют как величину объемного расхода жидкости, протекающей через единицу площади поверхности в единицу времени при постоянной разности давлений воды. Истинная проницаемость, называемая также удельной проницаемостью или абсолютной проницаемостью волокнистого материала, является характерным свойством волокнистой структуры и характеризует объем пор пустот, через которые может проходить текучая среда. Удельная проницаемость для жидкость к определяется из закона Дарси, представленного в следующем виде:

где с.| - объемный расход жидкости на единицу площади поперечного сечения потока (м/с), к удельная проницаемость (м²), бр - разность давления жидкости (Па), бх - толщина волокнистого материала (м), μ - вязкость жидкости (Па-с).

Негофрированный волокнистый материал имеет пористость предпочтительно менее 20%, и наиболее предпочтительно - менее 12%. Поверхностную пористость определяют как отношение занятой пустотами площади в плоскости поперечного сечения пористого материала к общей площади поперечного сечения.

Не приводя теоретические объяснения, считается, что волокна навивных слоев гофрированного волокнистого материала, имеющие величины поверхностной пористости и проницаемости для жидкости в предпочтительном интервале, обеспечивают относительно лучшее удаление цист и в то же время нуждаются в относительно меньшем количестве циклов восстановления работоспособности.

Согласно изобретению навивные слои гофрированного волокнистого материала покрывают снаружи негофрированные слои. Материал, используемый в структуре из гофрированных слоев, может отличаться от негофрированных слоев или может быть таким же, но предпочтительно, чтобы он был таким же. Таким образом, предпочтительные подходы к выбору волокнистого материала, используемого для выполнения гофрированного слоя, являются аналогичными используемым для негофрированного слоя, т.е. волокнистый материал может быть выполнен из натуральных волокон или материала, или он может иметь синтетическое происхождение. Предпочтительным материалом является нетканый. Предпочтительным материалом волокнистого материала является синтетический материал, предпочтительно полимерный. Подходящими полимерными материалами в конструкции волокнистого материала являются полиэфир, полипропилен или нейлон. Средний размер пор гофрированного волокнистого материала составляет от 1 до 400 мкм, более предпочтительно от 10 до 300 мкм, наиболее предпочтительно от 25 до 200 мкм. Число спиральных витков в гофрированных слоях предпочтительно составляет от 1 до 10, более предпочтительно от 1 до 5. Толщина гофрированного слоя предпочтительно находится в интервале от 1 до 10 мм. Общая толщина навивных слоев негофрированного волокнистого материала предпочтительно составляет от 1 до 30 мм, более предпочтительно от 2 до 20 мм.

Общая площадь внешней поверхности гофрированного слоя, который образует самую наружную поверхность фильтра, предпочтительно составляет от 100 до 2500 см², более предпочтительно от 200 до 1500 см².

Согласно другому аспекту изобретения обеспечивается способ фильтрования воды, включающий прохождение воды через фильтр, соответствующий первому аспекту изобретения, при этом вода проходит сначала через гофрированный волокнистый материал, затем через негофрированный волокнистый материал и после этого через углеродистый блок.

При этом согласно предпочтительному аспекту, в случае выполнения углеродистого блока в виде кругового цилиндра, на который навиты слои негофрированного волокнистого материала и затем навиты слои гофрированного волокнистого материала, способ согласно изобретению включает стадию фильтрования воды, которая протекает радиально в направлении внутрь фильтра, сначала через гофрированный слой волокнистого материала, затем через негофрированный волокнистый материал, после этого через углеродистый блок и выходит из фильтра через полую внутреннюю цилиндрическую часть углеродистого блока.

В соответствии с ещё одним аспектом изобретения обеспечивается применение фильтра согласно изобретению для удаления цист с эффективностью, соответствующей величине логарифма снижения (порядка снижения) более 3,5 1од. Таким образом, изобретение является подходящим для удаления цист из загрязненной воды, делая её пригодной для питья. Фильтр согласно изобретению удаляет также более 95% взвешенных твердых частиц и более 90% органических веществ из загрязненной воды при исполь

- 5 017680 зовании для гравитационного фильтрования воды. Фильтр согласно изобретению является полезным для фильтрования взвешенной твердой фазы с размером частиц в интервале от 0,01 до 500 мкм, более предпочтительно в интервале от 0,05 до 100 мкм. Фильтр согласно изобретению, как было установлено, является подходящим для фильтрования до 1500 л, а в предпочтительных аспектах - до 2300 л загрязненной воды, протекающей под действием гравитационного напора.

В соответствии с ещё одним аспектом изобретения обеспечивается устройство для гравитационного фильтрования, содержащее входное отверстие, расположенное выше по потоку от верхней камеры, и выходное отверстие, расположенное ниже по потоку от нижней камеры; фильтр согласно изобретению, прикрепляемый с возможностью замены к основанию указанной верхней камеры так, что вода, направляемая в верхнюю камеру через указанное входное отверстие, фильтруется сначала через гофрированный волокнистый материал, затем через негофрированный волокнистый материал и после этого через углеродистый блок, перед накапливанием в нижней камере для последующего отпуска потребителю через выпускное отверстие.

Было установлено, что работоспособность фильтра согласно изобретению может быть легко восстановлена, и этот фильтр имеет длительный срок службы, включающий несколько таких циклов использования и восстановления. Расход фильтруемой воды после каждого восстановления остается неизменно высоким.

Указанные выше и другие задачи, преимущества и особенности изобретения будут легко понятны и проанализированы из раскрытого ниже не ограничивающего примера воплощения фильтра, соответствующего изобретению.

Краткое описание фигур

Фиг. 1 - схематическое изображение воплощения фильтра согласно изобретению.

Фиг. 2 - графическая зависимость расхода, полученного при использовании фильтра согласно примеру 7, от продолжительности использования фильтра.

Фиг. 3 - иллюстрация удаления мутности с помощью фильтра согласно примеру 7.

Фиг. 4 - иллюстрация удаления всех органических веществ с помощью фильтра по примерам, 7. 5.

Подробное описание фигур

На фиг. 1 показан фильтр (Р) согласно изобретению. Фильтр (Р) содержит углеродистый блок (СВ) в виде кругового цилиндра, размещенный в центре конструкции фильтра. Углеродистый блок (СВ) покрыт навивными слоями негофрированного волокнистого материала (ΝΡ). Указанные навивные слои негофрированного волокнистого материала, в свою очередь, покрыты снаружи навивным слоем гофрированного волокнистого материала (Р).

При использовании фильтра вода поступает в фильтр в направлении (ΙΝ), как показано на фиг. 1. Загрязненная вода, вероятно, может содержать взвешенные твердые частицы и цисты. Сначала вода проходит через гофрированный слой (Р) волокнистого материала. После этого вода протекает через навивные слои негофрированного волокнистого материала (ΝΡ), затем проходит через углеродистый блок (СВ) и выходит из фильтра в направлении (ОиТ), как показано на фиг. 1. Вода, выходящая из фильтра, как было установлено, по существу не содержит взвешенных твердых частиц и цист, удовлетворяя желательному критерию, соответствующему величине логарифма удаления цист, превышающей 3.5 1од.

Примеры 1-9.

Были проведены эксперименты с фильтрами, выполненными с негофрированным слоем волокнистого материала, гофрированным слоем волокнистого материала, слоем гранулированного угля, углеродистым блоком и различными их комбинациями. Кроме того, были проведены эксперименты с каждым из вышеуказанных материалов и их комбинациями при различных суммарных длинах пути потока через фильтр. Подробные данные относительно фильтров, выполненных таким образом, суммированы в табл. 1.

- 6 017680

Таблица 1

Пример	Конструкция фильтра	Длина пути через волокнистый материал (мм)	Длина пути через углерод (мм)	Общая длина пути (мм)
1	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой (6)	10,9	-	10,9
2	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой (18)	30,1	-	30,1
3	Углеродистый блок	-	15,0	15,0
4	Углеродистый блок	-	40,0	40,0
5	Гофрированный слой (1) + слой гранулированного угля	1,3	15,0	16,3
6	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой (6) + слой гранулированного угля	10,9	15,0	25,9
7	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой (6)+ углеродистый блок	10,9	15,0	25,9
7А	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой (2)+ углеродистый блок	5,7	25,0	30,7
8	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой (6)+ углеродистый блок	13,3	15,0	28,3
9	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой (6)+ углеродистый блок	10,9	15,0	25,9
9А	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой (6)+ углеродистый блок	10,9	15,0	25,9

Цифра в скобках в табл. 1 обозначает количество витков соответствующего волокнистого материала.

Характеристики волокнистого материала, используемого для гофрированного слоя, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Параметр	Гофрированный волокнистый материал
С8М (вес в граммах квадратного метра материала)	500
Толщина (мм)	1,5-1,7
Проницаемость для воздуха (при давлении 20 мм водяного столба) (л/дм² мин)	130
Прочность на продавливание (кг/см²)	30
Предел прочности на разрыв (кг/см²)	100

Характеристики волокнистого материала, используемого для негофрированного слоя в примерах 1, 2, 6, 7 и 9, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Параметр	Не гофрированный волокнистый материал
ОЗМ (вес в граммах квадратного метра материала)	620
Толщина (мм)	1,6-2
Проницаемость для воздуха (при давлении 20 мм водяного столба) (л/дм² мин)	110
Прочность на продавливание (кг/см²)	33
Предел прочности на разрыв (кг/см²)	100
Проницаемость для жидкости при давлении 170 мм водяного столба (м²)	1,7-2,2 ПО’¹¹
Поверхностная пористость (%)	7

Характеристики негофрированного слоя, используемого в примере 8, приведены в табл. 4.

- 7 017680

Таблица 4

Параметр	Не гофрированный волокнистый материал
С18М (вес в граммах квадратного метра материала)	750
Толщина (мм)	2
Проницаемость для воздуха (при давлении 20 мм водяного столба) (л/дм² мин)	160
Прочность на продавливание (кг/см²)	40
Предел прочности на разрыв (кг/см²)	110
Проницаемость для жидкости при давлении 170 мм водяного столба (м²)	1,2x10'”
Поверхностная пористость (%)	12,6

Таблица 5

Пример	Форма и геометрия углеродистого блока	Размер частиц углерода (меш)	Внешний диаметр углеродистого слоя или блока (мм)	Высота насыпного слоя или блока (мм)
3	Блок, круговой цилиндр	от 30 до 60	35	55
4	Блок, диэдр	от 30 до 60	120	60
5	Насыпные гранулы, круговой цилиндр	от 30 до 60	35	55
6	Насыпные гранулы, круговой цилиндр	от 30 до 60	35	55
7	Блок, круговой цилиндр	от 30 до 60	35	55
7А	Блок, круговой цилиндр	от 30 до 60	70	55
8	Блок, круговой цилиндр	от 30 до 60	35	55
9	Блок, круговой цилиндр	от 60 до 90	35	55

Подаваемая в опытах вода (согласно протоколу 53 Ν8Ρ) была приготовлена такой, как указано ниже:

карбонат кальция: 100 мг/л;

хлористый кальций: 200 мг/л;

рН: от 6,5 до 8,5;

мутность: менее 1 ΝΤϋ (нефелометрическая единица мутности).

В дополнительно используемую в опытах воду были добавлены цисты (Сгурйэкропбшт оосуЧ) при концентрации 50000/л. Эту приготовленную для опытов воду фильтровали через все конструкции фильтров, указанных в табл. 1 (примеры 1-9), при максимальном расходе 250 мл/мин. В примерах 1-8 направление потока было таким, что воду сначала фильтровали через гофрированный слой, затем через негофрированный слой и после этого через углеродистый блок, если он использовался. В примере 9А направление потока воды было изменено на обратное по отношению к примеру 9, т.е. вода протекала сначала через углеродистый блок, затем через негофрированный слой и после этого через гофрированный слой. Данные по эффективности удаления для фильтров, выраженной величиной логарифма удаления, обобщены в табл. 6.

- 8 017680

Таблица 6

Пример	Конструкция фильтра	Длина пути через волокнистый материал (мм)	Длина пути через углерод (мм)	Общая длина пути (мм)	Логарифм удаления цист
1	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой (6)	10,9	-	10,9	1,80
2	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой (18)	30,1	-	30,1	1,99
3	Углеродистый блок	-	15,0	15,0	0,69
4	Углеродистый блок	-	40,0	40,0	3,30
5	Гофрированный слой (1) + слой гранулированного угля	1,3	15,0	16,3	0,92
6	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой (6) + слой гранулированного угля	10,9	15,0	25,9	1,82
7	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой(6)+ углеродистый блок	10,9	15,0	25,9	4,30
7А	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой(2)+ углеродистый блок	5,7	25,0	30,7	4,5
8	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой(6)+ углеродистый блок	13,3	15,0	28,3	3,93
9	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой(6)+ углеродистый блок	10,9	15,0	25,9	4,56
9А	Гофрированный слой (1) + не гофрированный слой(6)+ углеродистый блок (реверсный поток воды)	10,9	15,0	25,9	*

Удаление цист было аналогичным примеру 9, за исключением того, что по отношению к примеру 9 фильтр забивался много легче, чем ранее.

Приведенные в табл. 6 данные показывают, что фильтры, выполненные согласно изобретению (примеры 7, 8, 9), обеспечивают синэнергетическое улучшение удаления цист по сравнению с фильтром, содержащим только углеродистый блок или комбинацию гофрированного и негофрированного волокнистого материала.

Как видно на фиг. 2, использование фильтра согласно изобретению (пример 7) при повышенной продолжительности использования (сроке службы) фильтра (до 2250 л) обеспечивает очень хороший расход - от 100 до 250 мл/мин, при этом производили лишь 6 промывок фильтра. Фильтр, кроме того, очень хорошо удаляет твердые частицы, как это видно из фиг. 3, где для большей части продолжительности использования фильтра мутность выходящей воды неизменно оставалась ниже 0,1 ΝΤυ. Общее количество органических веществ, удаляемых фильтром (см. пример 4), соответствующим изобретению (пример 7), также очень высокое в течение более чем 90% всего срока службы фильтра.

Пример 10. Были проведены опыты с фильтрами, которые были изготовлены в соответствии с примером 7 (фильтр А) и примером 9 (фильтр В), в различные моменты времени в течение срока службы фильтра для определения профиля скорости потока, эффективности удаления взвешенных твердых частиц, а также общего количества органических веществ и цист. Внешняя площадь поверхности гофрированного волокнистого материала составляла 500 см².

Для исследования профиля скорости потока, удаления взвешенных твердых частиц и общего количества органических веществ была приготовлена подаваемая для опытов вода 2, имеющая мутность около 15 ΝΤυ, общее содержание взвешенных твердых частиц, приблизительно равное 15 ррт, общую нагрузку органических веществ около 2,5 ррт, общее количество растворенных солей около 1500 ррт и величину рН около 8,5. С этой целью в дистиллированную воду добавляли тестовую тонкодисперсную пыль с размером частиц 0,5 -200 микрон, взятую в штате Аризона, вводимую с использованием технологии Ро\тсг Тес1по1оду ΙΝΟ, и8А, гуминовую кислоту, бикарбонат натрия и хлористый кальций. Опыты проводили путем пропускания испытуемой воды через фильтр, поддерживая напор воды постоянным и равным 15 см.

Опыты проводили для большого объема воды, приблизительно равного 2300 л подаваемой воды. Расход фильтруемой воды измеряли с помощью мерного цилиндра и секундомера с остановом. Когда расход фильтруемой воды уменьшался до величины менее 100 мл/мин, осуществляли регенерацию

- 9 017680 фильтра путем промывки струей воды и вновь использовали его для продолжения опытов. Мутность и общее содержание органических веществ в воде измеряли так, как описано ниже.

Мутность воды измеряли с использованием измерителя мутности Мегск ТигЬк.|иап1 1500Т. Для измерений использовали примерно 20 мл представительной пробы воды. Общее содержание органических веществ определяли с использованием УФ-спектрофотометра путем измерения поглощения при длине волны 254 нм. Для измерения было использовано 5 мл представительной пробы воды. Процент (%) удаления вычисляли следующим образом: % (удаление мутности или всех содержащихся органических веществ) = 1 -(мутность или общее содержание органических веществ в фильтрованной воде/мутность или общее содержание органических веществ в подаваемой воде) х 100.

Эффективность удаления цист (СгурФкропбшт оосуЧ) с помощью фильтра А и фильтра В вычисляли после прохождения через указанные фильтры подаваемой испытуемой воды 2 в количестве 0 л (начало срока службы свежего фильтра), 750 л, 1500 л и 2300 л. Для определения эффективности удаления цист были проведены опыты с использованием подаваемой испытуемой воды 1. Эффективность удаления цист, выраженная в виде логарифма удаления, для фильтров в различные моменты времени, суммирована в табл. 7.

Таблица 7

Объем пропущенной через фильтр подаваемой испытуемой воды 2 (литр)	Логарифм удаления цист с использованием фильтра А, (Ιο§ιο)	Логарифм удаления цист с использованием фильтра В, (1о§ю)
0	4,09	4,56
750	3,67	4,28
1500	3,77	4,62
2300	4,44	4,39

Данные, приведенные на фиг. 2, 3 и 4, обобщают поведение расхода фильтрованной воды, % удаления мутности и % удаления всех органических веществ в период времени использования фильтра А. Из фиг. 2 видно, что фильтр согласно изобретению сохраняет расчетный ресурс работы, соответствующий пропусканию 2300 л воды. После каждого цикла регенерации фильтр вновь восстанавливает свой расход. Из фиг. 3 ясно, что фильтр согласно изобретению отводит воду с мутностью менее 0,2 ΝΤυ при входной мутности 15-20 ΝΤυ для всего расчетного срока службы фильтра. Из фиг. 4 ясно, что фильтр согласно изобретению удаляет более 90% всех органических веществ в период всего расчетного ресурса работы фильтра.

Пример 11.

Было исследовано вымывание предварительно уловленных фильтром цист вследствие внезапного снижения уровня общего содержания растворенных солей.

Пример 11А. Фильтрование с использованием испытуемой подаваемой воды, характеризуемой высоким ΤΌ8 (общим количеством растворенных в воде солей).

Было использовано два фильтра С и Ό, аналогичных фильтру А (рассмотренному в примере 10). Через эти фильтры было пропущено 2300 л испытуемой подаваемой воды 2 (с высокой величиной ΤΌ8), и затем была вычислена эффективность удаления цист фильтрами С и Ό путем пропускания через указанные фильтры 8 л испытуемой подаваемой воды 1, содержащей 50000/л цист (СгурФкропбшт оосуЧ, загрузка 1). Данные по удалению цист приведены в табл. 8.

Пример 11В. Фильтрование с использованием воды, характеризуемой низкой величиной ΤΌ8.

Через фильтр С, который был использован в примере 11А, было пропущено 8 л в дистиллированной воды (рН ~7 и общее количество растворенных солей менее 2 ррт), содержащей 50000/л цист (Сгурфкропбшт оосуЧ, загрузка 2), и отведенная вода была собрана для проведения анализа. Через фильтр Ό, который был использован в примере 11 А, было пропущено 8 литров дистиллированной воды (рН ~7 и общее количество растворенных солей менее 2 ррт), и отведенная вода была собрана для анализа. Суммарную величину логарифма удаления вычисляли следующим образом.

Суммарная величина логарифма удаления = Бод₁₀ [(пример 11 А, входящая вода + пример 11В, входящая вода)/(пример 11 А, выходящая вода + пример 11В, выходящая вода)].

Суммарная величина логарифма удаления цист для фильтров С и Ό в табл. 8 указана как логарифм удаления цист для примера 11В.

Таблица 8

Фильтр	Объем испытуемой подаваемой воды 2	Логарифм удаления цист согласно Примеру НА, (1о§ю)	Логарифм удаления цист согласно Примеру 11В, (1о£₁₀)
С	2300	4,44	4,21
ϋ	2300	4,41	4,41

- 10 017680

Табл. 8 ясно показывает, что, несмотря на резкое снижение уровня всех растворенных солей в подаваемой дистиллированной воде, указанные фильтры демонстрируют удаление цист, превышающее величину 4 1од в конце срока использования фильтра, как в присутствии, так и в отсутствие цист в дистиллированной воде.

Влияние характеристик волокнистого материала фильтра с негофрированным слоем

Приготовление испытуемой воды IV (с микросферами из флуоресцирующего полистирола)

Пять литров состава, содержащего микросферы из флуоресцирующего полистирола размером 3 микрона (полученных от компании НиогекЬгйе), добавили к 500 мл дистиллированной воды при перемешивании и хранили при 4°С с получением базового раствора. Испытуемая вода IV была приготовлена путем добавления 30 мл указанного базового раствора в воду объемом 10 л, содержащую 2 г хлористого кальция и 1 г бикарбоната натрия. Микросферы моделировали цисты.

Определение количества микросфер в пробе воды

Проба воды была разбавлена в пять раз большим количеством дистиллированной водой. Дистиллированную воду объемом 5 мл фильтровали через мембрану с размером пор 0,4 мкм под разрежением. Мембрану удерживали на предметном стекле, и количество микросфер визуально подсчитывали с использованием микроскопа О1утри8 ВХ40.

Опыты по удалению контрольных микросфер и в некоторых случаях по удалению цист проводили с волокнистым материалом, имеющим характеристики, отличающиеся от характеристик материала негофрированного фильтра. Полученные результаты приведены в виде таблицы ниже. Данные для примеров 7 и 8 воспроизведены для наглядности.

Таблица 9

Пример	Характеристики не гофрированного волокнистого материала	Логарифм удаления микросфер, (1оёю)	Логарифм удаления цист, (1о8ю)
Проницаемость для жидкости при давлении 170 мм водяного столба (м²)	Поверхностная пористость (%)
7	1,7 х 10’¹¹	7	2,1	4,3
8	1,2 х 10'¹’	12,6	1,9	3,9
12	1,7 х Ю’¹¹	5,4	2,4	4,4

13	8,5 х 1О‘^П	4,64	2,1	4,1
14	1,8 х 10‘“	23	1,53	не измеряли
15	2,7 х 10'“	7,7	1,52	не измеряли

Приведенные данные величин логарифма удаления микросфер показывают, что негофрированные волокнистые материалы, имеющие поверхностную пористость менее 20% и проницаемость для жидкости менее 2х10^-11 м², являются относительно более эффективными.

Влияние присутствия органических веществ на потребность в хлоре

Требуемое количество 1%-ного гипохлорита кальция было добавлено к 5 л воды, не содержащей органических веществ, с получением воды, содержащей 5 ррт растворенного в ней хлора (пример 16). Вода, содержащая 5 ррт гуминовой кислоты, была пропущена через фильтр, описанный в примере 1, и к фильтрованной воде было добавлено требуемое количество 1%-ного гипохлорита кальция с получением воды, содержащей 5 ррт растворенного в ней хлора (пример 17). В другом примере воду, содержащую 5 ррт гуминовой кислоты, пропускали через фильтр, описаны в примере 9, и к фильтрованной воде добавляли требуемое количество 1%-ного гипохлорида кальция с получением воды, содержащей 5 ррт растворенного в ней хлора (пример 18). Содержание хлора измеряли вплоть до истечения 4 часов, и потребность в хлоре вычисляли путем вычитания содержания хлора в присутствии органических веществ из содержания хлора в отсутствие органических веществ. Полученные результаты приведены в табл. 10.

Таблица 10

Опыт	Располагаемое содержание хлора, ррт
5 мин	30 мин	1 час	2 часа	3 часа	4 часа
Пример 16	5,52	5,52	5,52	5,52	5,38	5,38
Пример 17	4,17	3,66	2,67	2,41	2,00	1,36
Потребность в хлоре (ррт)	1,35	1,86	2,85	3,11	3,38	4,02
Пример 18	5,37	5,33	5,33	5,29	5.09	4,93
Потребность в хлоре (ррт)	0,15	0,19	0,19	0,23	0,29	0,45

Данные, представленные в табл. 10, показывают, что если в воде присутствуют органические вещества, потребность в хлоре более высокая, и удаление органических веществ, осуществляемое перед вводом биоцида, путем фильтрования через фильтр, соответствующий изобретению, например, хлора, значительно снижает потребность в хлоре.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Фильтр, содержащий углеродистый блок, покрытый снаружи навивным слоем негофрированного волокнистого материала, покрытым, в свою очередь, навивным слоем гофрированного волокнистого материала, при этом негофрированный волокнистый материал имеет поверхностную пористость менее 20% и проницаемость для жидкости менее 2,5х10^-11, причем средний размер пор негофрированного волокнистого материала находится в интервале от 10 до 300 мкм.
2. Фильтр по п.1, в котором указанный углеродистый блок имеет форму кругового цилиндра.
3. Фильтр по п.1 или п.2, в котором углеродистый блок содержит частицы активированного угля, связанные друг с другом с помощью полимерного связующего вещества, имеющего скорость течения расплава менее 5 г/10 мин.
4. Фильтр по п.3, в котором указанные частицы активированного угля имеют такие размеры, что проходят сквозь сито с отверстиями в интервале от 5 до 300 меш.
5. Фильтр по любому из пп.1-4, в котором самая короткая длина пути воды через углеродистый блок составляет от 5 до 50 мм.
6. Фильтр по п.1, в котором волокнистым материалом является нетканый волокнистый материал.
7. Фильтр по любому из пп.1-6, в котором указанный волокнистый материал изготовлен из хлопка, полиэфира, полипропилена или нейлона.
8. Фильтр по любому из пп.1-7, в котором общая толщина навивных слоев негофрированного волокнистого материала находится в интервале от 1 до 30 мм.
9. Фильтр по любому из пп.1-8, в котором общая внешняя площадь поверхности фильтра составляет от 100 до 2500 см².
10. Устройство для гравитационного фильтрования, содержащее входное отверстие, находящееся выше по потоку от верхней камеры, и выходное отверстие, расположенное ниже по потоку от нижней камеры;

фильтр по любому из пп.1-9, прикрепленный с возможностью замены к основанию указанной верхней камеры так, что жидкость, направляемая в верхнюю камеру через указанное входное отверстие, фильтруется сначала через гофрированный волокнистый материал, затем через негофрированный волокнистый материал и после этого через углеродистый блок, перед накапливанием в нижней камере для последующего отпуска потребителю через выпускное отверстие.
11. Способ фильтрования воды, включающий пропускание воды через фильтр, соответствующий любому из пп.1-9, так, что вода протекает сначала через указанный гофрированный волокнистый материал, затем через указанный негофрированный волокнистый материал и после этого через указанный углеродистый блок.
12. Применение фильтра по любому из пп.1-9 для удаления из воды цист с порядком снижения их содержания более чем 3,5 1од.