PL218645B1 - Wkład filtracyjny i jego zastosowanie - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest wkład filtracyjny przeznaczony do oczyszczania wody, zasadniczo wody pitnej, przeznaczony do zastosowania w filtrach służących do oczyszczania wody pitnej oraz innych cieczy w warunkach domowych, w dziedzinie medycyny i innych zastosowaniach.

Ze stanu techniki jest znane urządzenie do filtrowania wody (opis patentowy US Nr 5,002,665), które zawiera wkład filtracyjny wypełniony materiałem filtrującym i wykonany w postaci misy, zamkniętej pokrywą posiadającą otwory wylotowe w swojej dolnej części, przy czym te otwory są zamykane od góry siatką z włókien niskotopliwego tworzywa sztucznego, które mogą być zgrzane do dna. Urządzenie to jest dosyć trudne do wytworzenia i ma małe pole powierzchni przepływu, co skutkuje malejącą szybkością filtracji.

Z opisu patentowego US Nr 5049272 jest znana jednostka filtrująca przeznaczona do oczyszczania wody, która zawiera obudowę wykonaną w postaci misy z bocznymi ścianami i dnem z otworami wylotowymi, a także pokrywę z otworami wlotowymi dla cieczy. Wewnątrz obudowy umieszczany jest granulowany materiał filtracyjny. W celu zapobiegania przedostawaniu się materiału filtracyjnego do oczyszczanej cieczy, obecna jest siatka wykonana w postaci płaskiego dysku i zgrzewana do dna, usytuowana pomiędzy materiałem a dnem. Siatka jest wykonana z materiału włókninowego, na przykład polipropylenu. Przy wytwarzaniu tej jednostki konieczne jest dodatkowo mocowanie siatki do podstawy jednostki.

Z opisu patentowego US Nr 6,012,232 jest znana jednostka filtrująca wypełniona materiałem filtracyjnym, która zawiera boczne ściany, pokrywę oraz dno z wylotowymi otworami zamkniętymi siatką. Materiał, z którego wykonana jest siatka, zawiera dwa rodzaje włókien połączonych razem: włókna hydrofilowe i hydrofobowe. Ze względu na małe pole powierzchni przepływu niemożliwe jest uzyskanie dużej szybkości filtracji, co zmniejsza wydajność produktu.

Z opisu patentowego US Nr 6,099,728 jest znany filtrujący wkład, wypełniony granulowanym materiałem filtracyjnym i wykonany w postaci otwartej misy, która może być zamykana pokrywą, a także posiada ściany boczne i dno z wylotowymi otworami zamkniętymi przez materiałową wkładkę posiadającą plastikową ramkę, przy czym rozmiar komórki wynosi od 50 do 300 mikrometrów, korzystnie 80 - 200 mikrometrów. Wylotowe otwory usytuowane w dnie wkładu mają ograniczone pole powierzchni przepływu, co prowadzi do obniżenia szybkości filtracji, to znaczy do pogorszenia pracy produktu. Przy wytwarzaniu tego wkładu wymagany jest odrębny etap, w którym formowana jest wkładka z plastikową ramką. Wytworzona wkładka wykorzystywana jest do wytwarzania samego wkładu metodą formowania wtryskowego. Liczne etapy procesu wytwarzania komplikują technikę produkcji filtrującego wkładu. Sposoby wytwarzania środków filtrujących lub ich elementów z tworzyw sztucznych znane ze stanu techniki opierają się generalnie na sposobie formowania wtryskowego pod ciśnieniem. Jednakże główny problem związany z wytwarzaniem środków filtrujących dotyczy zastosowania materiałów włóknistych, na przykład materiałów włókninowych o małej średnicy włókien, na przykład 2 - 20 mikrometrów. Możliwość zastosowania tego rodzaju materiałów jako części urządzeń filtrujących pozwala na zastosowanie drobniejszego sorbentu w środkach do oczyszczania wody, na przykład sproszkowanego materiału filtracyjnego o rozmiarach cząstek mniejszych niż 50 mikrometrów, co prowadzi do zwiększenia stopnia oczyszczania filtrowanej cieczy. Jednakże w zautomatyzowanym elemencie odcinającym z tego rodzaju materiałów konieczne jest zapewnienie, aby prześwity w odcinającym stemplu były znacznie mniejsze niż średnice włókien, co nie jest możliwe w stanie techniki. Inne metody otrzymywania tego rodzaju produktów polegają na zastosowaniu wykrojników nożowych, cięcia ultradźwiękowego i laserowego oraz cięcia z wykorzystaniem rozgrzanego narzędzia. Wszystkie te sposoby nie zapewniają trwałej automatycznej pracy.

Z opisu patentowego US Nr 6887413 jest znany sposób wytwarzania skorupy lub części kształtki z bezpośrednio odlewanym elementem mocującym, obejmujący etapy umieszczenia wykrojki, która stanowi element dekoracyjny z warstwą drewnianego forniru, element blaszany lub włókninowe pokrycie na podłożu i tym podobne przynajmniej w formie segmentowej przeznaczonej do formowania pod ciśnieniem, zamknięcie formy i wycięcie (cięcie w dół) uformowanego w ten sposób elementu z arkusza w celu uzyskania dokładnej postaci, a następnie wypełnienie wgłębienia kształtującego formy roztopioną kompozycją w celu odlewania metodą wtryskiwania pod ciśnieniem, a po stwardnieniu kompozycji, wyciągnięcie produktu z formy. W sposobie tym występują problemy z wycinaniem wykrojki, wynikające z zastosowania materiałów włóknistych o małej średnicy włókien.

PL 218 645 B1

Celem wynalazku jest opracowanie wkładu filtracyjnego o dużej wydajności produkcji przy uproszczeniu technik wytwarzania produktu.

Wkład filtracyjny wypełniony materiałem filtracyjnym, mający postać otwartej misy, ewentualnie zamkniętej od góry pokrywą, przy czym ta misa posiada boczne ściany oraz dno z przynajmniej jednym otworem wylotowym zamkniętym przynajmniej jednym materiałem przepuszczającym wodę, według wynalazku charakteryzuje się tym, że dno misy jest zamknięte przepuszczającym wodę materiałem włóknistym, rozciągającym się do krawędzi zewnętrznej bocznych ścian misy i wykonanym z włókien o średnicy wystarczająco małej, aby umożliwić zastosowanie nad nim materiału filtracyjnego zawierającego cząstki proszku, przy czym cały obszar pomiędzy zewnętrzną krawędzią a wewnętrzną krawędzią bocznych ścian misy wzdłuż obrzeża dna stanowi przepuszczający wodę kompozyt polimerowego materiału włóknistego.

Przepuszczający wodę materiał włóknisty zawiera włókna o średnicy większej niż 0,5 mikrometrów, korzystnie 2-20 mikrometrów.

Warstwa przepuszczającego wodę materiału włóknistego ma grubość od 0,02 mm do 3 mm, korzystnie od 0,04 mm do 2 mm, zaś jeszcze korzystniej od 0,05 mm do 0,3 mm.

Przepuszczający wodę materiał włóknisty jest wykonany z jednego spośród włókien wybranych z grupy, na którą składają się włókna poliestrowe, włókna poliolefinowe, włókna poliamidowe oraz mikrowłókna.

Przepuszczający wodę materiał włóknisty jest w postaci materiału pofałdowanego.

Przepuszczający wodę materiał włóknisty jest w postaci przynajmniej dwóch warstw.

Przynajmniej jedna z tych warstw wykonana jest z materiału o określonych właściwościach, zwłaszcza bakteriobójczych, pochłaniających i jonowymiennych.

Dno posiada wzmacniające żeberka.

Wzmacniające żeberka są wykonane z przepuszczającego wodę kompozytu polimerowego materiału włóknistego.

Wzmacniające żeberka są skierowane promieniowo.

Wzmacniające żeberka mają kształt wypukły.

Przepuszczający wodę materiał włóknisty jest usytuowany pomiędzy wzmacniającymi żeberkami i ma kształt wypukły, przy czym ten materiał włóknisty ma pole powierzchni większe niż przekrój poprzeczny obszaru pomiędzy wzmacniającymi żeberkami.

Materiał filtracyjny zawiera cząstki proszku i cząstki włókniste.

Materiał filtracyjny zawiera cząstki o wielkości mniejszej niż 50 mikrometrów.

Korzyścią wynikającą wynalazku jest zwiększenie szybkości filtracji poprzez zwiększenie pola powierzchni przepływu i jednocześnie zwiększenie wydajności oczyszczania cieczy.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok ogólny oraz widok z dołu wkładu filtracyjnego według wynalazku, w którym boczne ściany są zaprojektowane w postaci powierzchni cylindrycznej, fig. 2 - widok ogólny oraz widok z dołu wkładu filtracyjnego, w którym boczne ściany są zaprojektowane w postaci powierzchni cylindrycznej posiadającej rowek w kształcie litery V, fig. 3 - widok z dołu wkładu filtracyjnego, w którym żeberka wzmacniające są skierowane promieniowo, zaś boczne ściany są zaprojektowane w postaci powierzchni cylindrycznej, fig. 4 - widok z dołu wkładu filtracyjnego, w którym żeberka wzmacniające są skierowane promieniowo, zaś boczne ściany są zaprojektowane w postaci cylindrycznej powierzchni posiadającej rowek w kształcie litery V, fig. 5 - widok ogólny oraz widok z dołu wkładu filtracyjnego, w którym żeberka wzmacniające są rozmieszczone wzdłuż powierzchni stożkowej, fig. 6 - widok ogólny oraz widok z dołu wkładu filtracyjnego, w którym materiał przepuszczający wodę jest materiałem fałdowanym, fig. 7 - widok ogólny oraz widok z dołu wkładu filtracyjnego, w którym materiał przepuszczający wodę usytuowany pomiędzy żeberkami wzmacniającymi ma pole powierzchni większe niż pole przekroju poprzecznego pomiędzy żeberkami wzmacniającymi, fig. 8 - filtr typu dzbanowego z wkładem filtracyjnym usytuowanym wewnątrz, a fig. 9 - schemat formy do wytwarzania wkładu.

Zasadnicza cecha pokazanego na fig. 1 wkładu filtracyjnego 1 według wynalazku polega na tym, że jego dno wykonane jest z materiału przepuszczającego wodę, który dochodzi do zewnętrznej krawędzi ścian bocznych i wykonany jest z włókien o odpowiednio małej średnicy. Zastosowanie materiału przepuszczającego wodę wykonanego z cienkich włókien pozwala na uzyskanie wysokiej przepuszczalności dla gazów i wody wyjściowego filtra, który stanowi dno wkładu filtracyjnego, ze względu na zwiększenie całkowitego pola powierzchni przepływu, to znaczy pozwala na zwiększenie szybkości filtrowania, a ponadto na zastosowanie we wkładzie filtracyjnym środka pochłaniającego o mniejszych

PL 218 645 B1 rozmiarach, na przykład sproszkowanego węgla aktywnego o rozmiarach cząstek mniejszych niż 50 mikrometrów (korzystnie 20 mikrometrów i mniej), co z kolei prowadzi do zwiększenia stopnia oczyszczenia filtrowanej cieczy.

Wkład filtracyjny 1, wykonany w postaci misy i napełniony materiałem filtracyjnym 4, składa się z bocznych ścian 2, które mogą być wykonane na przykład w postaci powierzchni cylindrycznej (fig. 1) lub w postaci powierzchni cylindrycznej z rowkiem 7 w kształcie litery V (fig. 2), służącym do zamocowania wkładu filtracyjnego w pojemniku przyjmującym, przeznaczonym na czyszczoną wodę, a także z dna 3.

W celu zwiększenia szybkości filtrowania dzięki zwiększeniu pola powierzchni przepływu, dno 3 wkładu filtracyjnego 1 jest całkowicie wykonane z materiału 5 przepuszczającego wodę wykonanego z włókien o wystarczająco małej średnicy, który to materiał dochodzi do zewnętrznych krawędzi bocznych ścian 2, tak iż obszar 6 pomiędzy zewnętrznymi krawędziami a wewnętrznymi krawędziami bocznych ścian 2 stanowi kompozyt polimerowego materiału 5 przepuszczającego wodę (widok I, fig. 1). W charakterze materiału 5 przepuszczającego wodę i przechwytującego cząstki stosowany jest materiał włókninowy, wykonany z polipropylenu lub inny podobny, na przykład o średnicy włókien wynoszącej 10 mikrometrów lub też stosowana jest tkanina, na przykład siatka z włókien poliestrowych o grubości włókna wynoszącej 0,3 mm i średnicy włókna 20 mikrometrów. Dno 3 wkładu filtracyjnego 1 może być wykonane z płaskiego materiału 5 przepuszczającego wodę (fig. 1, 2) lub falistego materiału 5 przepuszczającego wodę (stosowany jest materiał cieńszy lub bardziej ściśliwy) (fig. 6). Materiał 5 przepuszczający wodę może być przykładowo wykonany z kilku warstw, co pozwala na zmniejszenie oporu hydraulicznego, zaś w konsekwencji zwiększenie szybkości przepływu cieczy, przy czym, przynajmniej jedna z warstw może być wykonana z materiału o określonych właściwościach, na przykład z materiału bakteriobójczego, materiału pochłaniającego lub materiału o właściwościach jonowymiennych.

Dno 3 wkładu filtracyjnego 1 może zawierać żeberka wzmacniające 8, które pozwalają na ochronę materiału przepuszczającego wodę przed przypadkowym uszkodzeniem mechanicznym, a także, w przypadku dużych rozmiarów wkładu filtracyjnego 1, na zapewnienie niezawodności konstrukcji. Jednocześnie pole powierzchni przepływu pomiędzy żeberkami wzmacniającymi jest znacznie większe niż pole przepływu według najbliższego rozwiązania ze stanu techniki, również dzięki temu, że żeberka wzmacniające 8 mają mniejszą wielkość. Żeberka wzmacniające 8 stanowią (jak również obszar 6 pomiędzy krawędzią zewnętrzną a krawędzią wewnętrzną ścian 2 wzdłuż obrzeża dna 3) kompozyt polimerowego materiału 5 przepuszczającego wodę, który jest materiałem bardziej wytrzymałym. Pod tym względem żeberka wzmacniające 8 zajmują mniejsze pole powierzchni dna 3 wkładu filtracyjnego 1 niż pole powierzchni przepływu uformowane przez materiał przepuszczający wodę. Żeberka wzmacniające 8 mogą być na przykład wykonane w kształcie promieniowym (fig. 3, 4) lub też mogą być rozmieszczone wzdłuż powierzchni stożkowej (fig. 5).

Materiał 5 przepuszczający wodę usytuowany pomiędzy żeberkami wzmacniającymi 8 może mieć większe pole powierzchni niż pole przekroju poprzecznego pomiędzy żeberkami, zgodnie z tym, co pokazano na fig. 7. Ze względu na to, że materiał przepuszczający wodę jest łatwo formowany, to pomiędzy zamkniętymi połówkami formy są formowane nieuchronnie fałdy materiału, przy czym te fałdy są wypełnione materiałem polimerowym, to znaczy miejsca materiału polimerowego są formowane pomiędzy wypukłymi elementami materiału przepuszczającego wodę, co dzięki zwiększeniu pola powierzchni przepływu, pozwala także na zwiększenie szybkości filtrowania.

W charakterze materiału filtracyjnego 4 stosowane są na przykład cząstki granulowanego węgla aktywnego (granulowany węgiel aktywny) i/lub polimerowe granulki o właściwościach jonowymiennych (żywica jonowymienna) a także cząstki proszku o rozmiarze mniejszym niż 50 mikrometrów (sproszkowany węgiel aktywny o rozmiarach cząstek 20 mikrometrów i mniej) i/lub włókniste cząstki o średnicy włókien mniejszej niż 50 mikrometrów (włókna żywicy jonowymiennej, jak na przykład jonowymienne włókna poliakrylonitrylowe o średnicy włókien 15 - 20 mikrometrów).

Wkład filtracyjny 1 może być zamknięty od góry pokrywą 9.

Wkład filtracyjny według wynalazku może być stosowany w urządzeniu do oczyszczania cieczy, zasadniczo wody, na przykład w filtrze typu dzbanowego.

Wkład filtracyjny oraz urządzenie do oczyszczania cieczy, na przykład wody, działa w następujący sposób. Wkład filtracyjny 1 wypełniony materiałem filtracyjnym 4 i zamknięty pokrywą 9 jest wkładany do pojemnika przyjmującego 10 przeznaczonego na wodę, która ma być oczyszczana (fig. 8).

PL 218 645 B1

Przyjmujący pojemnik 10, zaprojektowany w postaci leja z wkładem filtracyjnym 1, umieszczony jest w pojemniku 11 w postaci dzbanka przeznaczonego na oczyszczoną wodę. Na początku procesu filtrowania woda nalewana jest do przyjmującego pojemnika 10. Surowa woda przepływa przez otwory w pokrywie 9 wkładu filtracyjnego 1 i przechodzi poprzez materiał filtracyjny 4, po czym oczyszczona woda przepływa przez dno 3 wkładu filtracyjnego i wpływa do pojemnika 11, przy czym niewielkie cząstki materiału filtracyjnego (sorbentu) nie przechodzą do oczyszczonej wody. Oczyszczona woda może być nalewana poprzez przechylanie urządzenia do oczyszczania wody.

Na fig. 9 jest przedstawiony sposób wytwarzania wkładu filtracyjnego techniką formowania wtryskowego pod ciśnieniem, polegający na tym, że wykrojka 13 z materiału przepuszczającego wodę umieszczana jest w segmentowej formie (fig. 9), w której formowany jest obszar 12, przy czym wykrojkę 13 może stanowić na przykład przepuszczający wodę materiał o średnicy włókien większej niż 0,5 mikrometrów, na przykład materiał włókninowy - polipropylen lub podobny o średnicy wynoszącej 10 mikrometrów lub też materiał tkany, na przykład siatka z włókien poliestrowych o średnicy włókien wynoszącej 20 mikrometrów i grubości 0,3 mm.

Forma jest zamykana i napełniana roztopionym polimerem (na przykład polipropylenem lub polietylenem) techniką wtryskiwania pod ciśnieniem. Po operacji napełniania formy i stwardnieniu polimeru, natychmiast wykonywane jest wycinanie elementu do danego kształtu wzdłuż strefy cięcia 14. Operacja wycinania elementu do danego kształtu oraz operacja wyjęcia gotowego produktu są połączone i wykonywane jednocześnie. Wykrojka 13 (pasy materiału przepuszczającego wodę) przemieszcza się automatycznie po każdym cyklu napełniania kształtującego wgłębienie formy roztopionym polimerem i wycinania.

Obszar 12 w formie jest kształtowany przez występy (o grubości wynoszącej na przykład 0,2 - 0,6 mm) nadające kształt elementów formy, które mają styczność z wykrojką 13, co pozwala na realizację procesu wycinania elementu wzdłuż strefy cięcia 14 poprzez użycie wykrojki wykonanej z materiału przepuszczającego wodę o wystarczająco małej średnicy włókien.

W trakcie formowania roztopiony polimer, w odrębnych elementach, na przykład w strefie cięcia, wzmacniających żeberkach, obszarze pomiędzy zewnętrznymi krawędziami a wewnętrznymi krawędziami bocznych ścian, może pokrywać wykrojkę 13 z jednej strony lub pokrywać ją z dwóch stron poprzez utworzenie występów nadających kształt elementów formy albo z jednej strony albo z dwóch stron wykrojki 13.

Kolejność wykonywania operacji wycinania elementu po operacji napełnienia formy roztopionym polimerem pozwala na realizację procesu wycinania elementu. Kombinacja zmiany kolejności operacji tworzenia i formowania strefy cięcia 14 w celowo utworzonym obszarze formy daje możliwość traktowania materiału przepuszczającego wodę o wystarczająco małej średnicy włókna i różnej grubości włókna w zakresie zamówionych rozmiarów, zaś kombinacja operacji wycinania elementu i wyjęcia gotowego produktu pozwala na uproszczenie techniki wytwarzania.

Claims (15)

1. Wkład filtracyjny wypełniony materiałem filtracyjnym, mający postać otwartej misy, ewentualnie zamkniętej od góry pokrywą, przy czym ta misa posiada boczne ściany oraz dno z przynajmniej jednym otworem wylotowym zamkniętym przynajmniej jednym materiałem przepuszczającym wodę, znamienny tym, że dno (3) misy jest zamknięte przepuszczającym wodę materiałem włóknistym (5), rozciągającym się do krawędzi zewnętrznej bocznych ścian (2) misy i wykonanym z włókien o średnicy wystarczająco małej, aby umożliwić zastosowanie nad nim materiału filtracyjnego (4) zawierającego cząstki proszku, przy czym cały obszar (6) pomiędzy zewnętrzną krawędzią a wewnętrzną krawędzią bocznych ścian (2) misy wzdłuż obrzeża dna (3) stanowi przepuszczający wodę kompozyt polimerowego materiału włóknistego (5).

2. Wkład według zastrz. 1, znamienny tym, że przepuszczający wodę materiał włóknisty (5) zawiera włókna o średnicy większej niż 0,5 mikrometrów, korzystnie 2-20 mikrometrów.

3. Wkład według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa przepuszczającego wodę materiału włóknistego (5) ma grubość od 0,02 mm do 3 mm, korzystnie od 0,04 mm do 2 mm, zaś jeszcze korzystniej od 0,05 mm do 0,3 mm.

PL 218 645 B1

4. Wkład według zastrz. 1, znamienny tym, że przepuszczający wodę materiał włóknisty (5) jest wykonany z jednego spośród włókien wybranych z grupy, na którą składają się włókna poliestrowe, włókna poliolefinowe, włókna poliamidowe oraz mikrowłókna.

5. Wkład według zastrz. 1, znamienny tym, że przepuszczający wodę materiał włóknisty (5) jest w postaci materiału pofałdowanego.

6. Wkład według zastrz. 1, znamienny tym, że przepuszczający wodę materiał włóknisty (5) jest w postaci przynajmniej dwóch warstw.

7. Wkład według zastrz. 6, znamienny tym, że przynajmniej jedna z tych warstw wykonana jest z materiału o określonych właściwościach, zwłaszcza bakteriobójczych, pochłaniających i jonowymiennych.

8. Wkład według zastrz. 1, znamienny tym, że dno (3) posiada wzmacniające żeberka (8).

9. Wkład według zastrz. 8, znamienny tym, że wzmacniające żeberka (8) są wykonane z przepuszczającego wodę kompozytu polimerowego materiału włóknistego.

10. Wkład według zastrz. 8, znamienny tym, że wzmacniające żeberka (8) są skierowane promieniowo.

11. Wkład według zastrz. 8, znamienny tym, że wzmacniające żeberka (8) mają kształt wypukły.

12. Wkład według zastrz. 8, znamienny tym, że przepuszczający wodę materiał włóknisty (5) jest usytuowany pomiędzy wzmacniającymi żeberkami (8) i ma kształt wypukły, przy czym ten materiał włóknisty (5) ma pole powierzchni większe niż przekrój poprzeczny obszaru pomiędzy wzmacniającymi żeberkami (8).

13. Wkład według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał filtracyjny (4) zawiera cząstki proszku i cząstki włókniste.

14. Wkład według zastrz. 13, znamienny tym, że materiał filtracyjny (4) zawiera cząstki o wielkości mniejszej niż 50 mikrometrów.

15. Zastosowanie wkładu filtracyjnego według dowolnego z zastrzeżeń 1 do 14, w urządzeniu przeznaczonym do oczyszczania cieczy, zwłaszcza wody pitnej.