Изобретение относится к очистке воды фильтрованием, а также к очистке, регенерации и дезинфекции ионитных наполнителей фильтров. Изобретение может быть использовано для очистки воды, например колодезной, из скважин и др. источников воды, загрязненной нитратами, железом (Fe ⁺² и Fe ⁺³ ), ионами аммония и другими нежелательными ионами, путем фильтрованя, особенно с помощью ионитных фильтров.

Сегодняшний потребитель воды, особенно природной, колодезной или водопроводной, для очистки воды использует различные бытовые фильтры с одноразовыми фильтрующими кассетами, которые быстро становятся непригодными из-за большого загрязнения, особенно микробиологического. Возникают трудости при оценке загрязненности кассеты и определении времени, когда кассету следует поменять на новую. Очевидно, что возникают затраты на приобретение новой кассеты и на утилизацию старой кассеты. Создание бытового фильтра, кассету которого нетрудно было бы обновить, когда ее загрязнение приближается к недопустимой черте, облегчило бы проблему. Это особенно актуально в сельских хозяйствах, местностях с развивающимся сельским туризмом, где нет водопровода, и т.п.

Рассматривая известные решения этой проблемы, можно заметить, что большинство описанных в патентной литературе способов очистки воды фильтрами и соответствующих способов регенерации очистных средств относятся к промышленным, содержат сложное оборудование и применимы для воды под давлением. Для удаления некоторых вредных компонентов воды (в том числе и нитрат-ионов) в промышленных способах используется электролиз (публикация международной заявки WO 03/074430), электролиз и катализаторы (патент США 4956057) и другие технологически сложные процедуры. Электролиз вместе с промыванием регенерирующим и дезинфицирующим раствором используется и для обновления ионитного фильтрующего материала в промышленных масштабах (например, патент Швейцарии CH 619871 и др.) Эти способы из-за их сложности и использования потока воды под давлением непригодны для потребителей бытовых фильтров для очистки питьевой воды.

Например, известен способ обновления ионитных фильтров для очистки питьевой воды, в котором ионитный фильтрующий материал регенерируют потоком регенерирующей жидкости, противоположным направлению фильтрования, а завершают промыванием резкими импульсами этого потока. Этот способ используется в металлургической, химической промышленности, где фильтруется большое количество воды (Российский патент RU 2149685, публ. 2000 г.).

Ввиду того, что изобретение охватывает очень обширную область, детальнее рассмотрим только очистку воды бытовыми фильтрами и очистку фильтрующих кассет таких фильтров, особенно регенерацию и дезинфекцию ионитных кассет.

Известен способ обновления ионитных фильтров для воды, в котором ионитный фильтрующий материал регенерируют промыванием раствором, содержащим анионы хлора, а после этого раствором сульфатов (патент Великобритании JYa 2139522, публ. 1984 г.).

Известен способ обновления ионитных фильтров для воды и устройство для его осуществления, в котором ионитный фильтрующий материал регенерируют, промывая 10% раствором NaCl в специальном устройстве, когда регенерирующий раствор подают в кассету снизу. Кассета, устройство ее промывки и фильтр, в котором эта кассета используется, взаимосогласованы и представляют довольно большой и дорогой комплект. Вопрос дезинфекции фильтра в этом случае вовсе не решается (публикация международной заявки WO 01/24928, публ. 2001 г.).

Ближайшим является способ обновления бытовой ионитной фильтрующей кассеты, в котором фильтрующие элементы, в первую очередь, обрабатывают водным раствором химического реагента, который растворяет частицы загрязнений и регенерирует фильтрующие элементы. После этого кассету промывают водой, воду удаляют из фильтра и 15 мин. продувают воздухом, нагретым до 90° С. Затем фильтр заполняют водой и повторно регенерируют химическим реагентом (описание к авт. свид. SU 1328987, публ. 1990 г.).

В упомянутом способе используются химические реагенты. Несмотря на то, что они вымываются водой, их остатки остаются в фильтрующем материале, а впоследствии, при использовании фильтра после регенерации, они попадают в воду. Поэтому при фильтровании питьевой воды такой способ регенерации может оказаться вредным для здоровья. Для реализации этого способа также необходимо

дополнительное устройство для подачи горячего воздуха, поэтому этот метод для бытовых фильтров трудно применим.

Известны фильтры для воды с заменяемыми кассетами, предназначенные для фильтрования питьевой воды в быту. Они удобны при использовании и могут довольно эффективно очищать, например, колодезную воду от ионов многих растворенных солей (патент Германии DE 4200253).

Широко применяются BRITA, KENWOOD и другие фильтры с заменяемыми кассетами для фильтрования. Их недостаток в том, что уже после нескольких недель работы фильтра из-за микробиологического загрязнения кассету нужно заменять новой. Например, известен фильтр для питьевой воды, имеющий резервуар, приспособленную над ним воронку, в отверстие которой вставлена конусная кассета, заполненная фильтрующим материалом или сорбентом. Фильтр имеет фиксатор для вставляемой фильтрующей кассеты, одновременно фиксирующий дату установки кассеты (патент SU 1 801 024, заявлен 1989 г.). Однако, загрязненность кассеты оценивается только по числу дней фильтрования. Не оценивается ни загрязненость фильтруемой воды, ни количество отфильтрованной воды. Кассета такого фильтра является одноразовой.

Ближайшим из известных является ионитный фильтр для питьевой воды, имеющий резервуар, над ним установленную воронку, в отверстие которой вставлена цилиндрическая кассета, содержащая пористый слой полипропилена, слой волокнистого ионитного наполнителя, слой активированного угля, слой гранулированного полимерного материала и серебросодержащий слой для очистки питьевой воды (патентная заявка MD 20010309, публ. 2003 г.).

Недостатком этого и вышеупомянутых фильтров является то, что ресурс фильтрующих слоев, в том числе и слоя ионитного материала, истощается, слои кассеты загрязняются механическими частицами и загрязняются микробиологически. Тогда кассета заменяется новой, а загрязненная кассета утилизируется. Кассеты дорогие, а их утилизация загрязняет окружающую среду. Недостаточно оценивается степень загрязнения кассеты во время фильтрования. Это особенно опасно для здоровья человека.

Целью изобретения является создание фильтра для питьевой воды, фильтрующая кассета которого при ее загрязнении не выбрасывалась бы, а подвергалась многократному обновлению.

Цель достигается благодаря созданию способа обновления бытовой ионитной фильтрующей кассеты, ионитного фильтра для питьевой воды и приспособления для отфильтровывания нитратов из питьевой воды.

В способе обновления бытовой ионитной фильтрующей кассеты наполнитель кассеты регенирируют, фильтруя регенерирующий раствор. Новым является то, что перед регенерацией кассету встряхивают и полоскают в воде; регенерируют, фильтруя 10% раствор поваренной соли, причем объем регенерирующего раствора до 20 раз превышает объем кассеты; наполнитель кассеты дополнительно дезинфицируют, фильтруя кипящую воду объемом, до 20 раз превышающим объем кассеты, или прокипятив кассету до 20 минут, и в заключение промывают кассету объемом воды, превышающим объем кассеты до 20 раз, регулярно повторяя обновление.

Анионитную кассету обновляют, в каждом случае после отфильтровывания количества воды, соотвтствующего 100 - 600 объемов наполнителя кассеты, но не реже чем через 2 недели после начала использования кассеты. Дезинфекцию выполняют сразу после регенерации наполнителя.

Катионитную кассету обновляют в каждом случае после отфильтровывания количества воды, соотвтствующего около 1000 объемов наполнителя кассеты, или через каждые 2 недели, или при закупоривании кассеты. Дезинфекцию выполняют перед или после регенерации наполнителя.

Предложенный ионитный фильтр для осуществления этого способа состоит из резервуара, над которым установлена воронка, имеющая отверстие для установки кассеты, и кассеты, герметично вставленной в отверстие воронки. Новым является то, что резервуар имеет кронштейны, которые поддерживают воронку, кассета заполнена ионитным наполнителем, она имеет форму двух усеченных конусов, причем конусность вставляемой в отверстие воронки части больше, чем конусность остальной части кассеты; сама кассета герметично вставлена в отверстие воронки, объем воронки не менее чем в 10 раз превышает объем кассеты, а кассета пригодна к многократному обновлению в соответствии с пунктами формулы 1 и 2 или 3. Резервуар, воронка и кассета с ионитным наполнителем выполнены из термостойких материалов, стойких к температуре по меньшей мере 100° С. В кассете оставлен незаполненный ионитным наполнителем объем, соответствующий 0,15-0,25 от всего объема кассеты, а в ионитный наполнитель кассеты вложено несколько твердых

шариков, выполненных из инертного материала, плотность которого превышает плотность наполнителя в 1,1-1,2 раза. Резервуар, необязательно, может быть оборудован нагревательным элементом. Для приготовления регенерирующего раствора в комплект к фильтру прилагаются стакан для измерения количества поваренной соли, объем которого составляет до полутора объемов кассеты и, необязательно, индикаторы на нитраты (производства Меrсk).

Данное изобретение, используя стадию термической дезинфекции, позволяет обойтись без неприемлемых в быту химических дезинфицирующих материалов; кроме того, исключена опасность, что в фильтре останутся остатки дезинфицирующих веществ.

Встряхивая и полоская в воде кассету отделяют и вымывают осевшие механические и коллоидные частицы.

При регенерации кассеты 10% раствором NaCl в объеме, равном 20-ти объемам ее наполнителя, катионит полностью возвращается в форму Na , а анионит в форму СГ.

Дезинфицируя кассету объемом горячей воды, до 20-ти раз превышающим объем кассеты, или прокипятив ее до 20 мин. в воде, полностью или в достаточной мере уничтожается микробиологическое загрязнение фильтров.

Промывая кассету 20-кратным объемом воды, окончательно вымывают остатки регенерирующго раствора и обезвреженной биомассы.

Отфильтровывая воду от нитратов по предлагаемому изобретению, индикатором нитратов можно определить степень загрязнения кассеты и, когда загрязнения превышают допустимые нормы, кассету следует обновлять.

Таким образом, по предлагаемому изобретению ионитную фильтрующую кассету можно в бытовых условиях обновить многократно.

Изобретение илюстрируется чертежами, на которых изображен: Фиг.l - предлагаемый ионитный фильтр,

Фиг.2 - график истощения ионитного фильтра в конкретном случае, Фиг.З - график регенерации кассеты ионитного фильтра в конкретном случае, Фиг.4 - график дезинфицирования кассеты ионитного фильтра в конкретном случае.

Предлагаемый ионитный фильтр для питьевой воды (Фиг.l) содержит резервуар 1, над которым установлена воронка 2, имеющая отверстие для кассеты, и кассету, герметично вставленную в отверстие воронки. Резервуар 1 имеет

кронштейны, которые придерживают установленную воронку 2, кассета заполнена ионитным наполнителем 6; заполненная часть имеет форму двух между собой соединенных усеченных конусов. Часть кассеты 4, вставляемая в отверстие воронки, имеет большую конусность, чем остальная часть кассеты 4; сама кассета 4 вставляется герметично в отверстие 3 воронки 2. Объем воронки 2 не меньше чем в 10 раз превышает объем кассеты 4, а кассета пригодна быть обновляемой многократно в соответствии с пунктами формулы 1- 3.

Резервуар 1, воронка 2 и кассета 3 и ионитный наполнитель выполнены из термостойких материалов, устойчивых по меньшей мере к температуре 100° С или, если кассету предусмотрено дезинфицировать путем ее кипячения, только кассета с ионитным наполнителем изготовлены из устойчивых материалов, стойких по меньшей мере к температуре 100° С. Ионитным наполнителем может служить анионит формы СГ или катионит формы Na .

В кассете оставлен незаполненный ионитным наполнителем объем 0,15-0,25 от всего объема кассеты для более свободного встряхивания и промывания наполнителя. В ионитный наполнитель кассеты помещено несколько твердых шариков, выполненных из инертного материала, плотность которого превышает плотность наполнителя в 1,1-1,2 раза.

Для более удобного дезинфицирования фильтрующей кассеты или для дезинфекции отфильтрованной воды резервуар 1, необязательно, может быть оборудован нагревательным элементом. (На чертеже не показано).

Для определения степени загрязненности ионитного фильтра нитратами, в комплект к фильтру для питьевой воды прилагаются индикаторы на нитраты (производства Меrсk), при помощи которых можно определить количество нитратов в отфильтрованной воде, и, если оно превышает допустимое, кассету следует обновить. Для упрощения приготовления регенерирующего раствора приспособление содержит стакан для измерения количества поваренной соли, объем которого составляет около полутора объемов кассеты.

В случае очистки воды от нитратов обновление бытовой анионитной фильтрующей кассеты при помощи фильтра (Фиг.l) и предложенного комплекта выполняется следующим образом.

Для фильтрования, например, колодезной воды, загрязненной нитратами, берут фильтр, изготовленный по чертежу Фиг.l. Наполнителем его кассеты может

быть, например, Рurоlitе А 520E, крупнопористая сильноосновная ионообменная смола, специально предназначенная для удаления нитратов из питьевой воды. В воронку 2 вливают фильтруемую воду. Она фильтруется, проходя через наполнитель кассеты, где происходит ионный обмен:

[An]Cl + NO ₃ ^" = [An] NO ₃ + Cl ^" (1)

В процессе фильтрования ионитные фильтры истощаются, то есть все СГ анионитные группы замещаются, и иониты больше не связывают находящиеся в воде нежелательные ионы нитратов.

Таким образом, отфильтровав количество воды, соответствующее 100 - 600 объемам наполнителя кассеты, или спустя 2 недели после начала использования кассеты, или определив при помощи упомянутого индикатора, что в отфильтрованной воде нитраты превышают допустимую норму, кассету следует обновить. Для этого кассету 4 извлекают, встряхивают и полоскают в отдельном объеме воды. Так отделяют и вымывают осевшие механические и коллоидные частицы. Фильтрующую кассету 4 вставляют обратно в отверстие воронки для регенерирования. Соотношение объемов воронки 2 и кассеты 4 составляет ~10/l. Воронку 2 и кассету 4 устанавливают в сосуде для сбора вытекающего регенерирующего раствора, например в резервуаре 1, или на любом сосуде, объем которого не менее 20 раз превышает объем наполнителя фильтрующей кассеты.

В воронку порциями вливают регенерирующий 10% раствор NaCl (объемом около 20 объемов кассеты), который самотеком без дополнительного давления протекает через наполнитель кассеты и собирается в резервуаре. Во время регенерации наполнителя кассеты восстанавливается его СГ форма: [An] NO ₃ + СГ = [An]Cl + NO ₃ - (2)

Регенерирующий раствор, загрязненный продуктами регенерациии (NO ₃ ^" ) из резервуара выливают.

Для регенерации бытовых ионитных фильтров без дополнительного давления используют увеличенные количества регенерирующего раствора: по меньшей мере в 5 раз больше чем рекомендовано в техническом описании используемого ионита. Для достижения полного восстановления наполнителя в форму СГ, кассету регенерируют 20-тью ее объемами 10% NaCl, поскольку в условиях нерегулируемого потока регенерирующего раствора (когда трудно уменьшить или увеличить поток) именно такие количества обеспечивают полную или достаточную регенерацию наполнителя

кассеты. Сразу после этого кассету 4 дезинфицируют фильтрованием объема воды температуры 95-100° С до 20 раз превышающего объем кассеты или кипячением ее до 20 мин. Обновление кассеты завершают, промывая ее водой.

Такое обновление кассеты регулярно повторяют в каждом случае отфильтровав объем воды, составляющий 100 - 600 объемов наполнителя кассеты, но не реже чем спустя 2 недели после начала использования кассеты, оптимально - каждую неделю. Обновление можно производить многократно.

В случае очистки воды от железа, амония и других нежелательных ионов обновление бытовой катионитной фильтрующей кассеты при помощи фильтра (Фиг.l) и приспособления для фильтрования питьевой воды от нитратов выполняют следующим образом.

Для фильтрования воды, загрязненной ионами железа, амония или другими нежелательными ионами, берут фильтр (Фиг.l.), наполнителем кассеты которого является катионит в форме Na ⁺ , например Рurоlitе С 100E, сильнокислотная ионообменная смола, специально предназначенная для удаления нежелательных катионов из питьевой воды. В воронку 2 вливают фильтруемую воду. Она фильтруется через наполнитель кассеты, где происходит ионный обмен: [Kat]Na ₃ + Fe ⁺³ = [Каt] Fe + 3Na ⁺ (3)

В процессе фильтрования ионитные фильтры истощаются, то есть все Na катионитные группы замещаются, и иониты больше не связывают находящиеся в воде нежелательные катионы.

Таким образом, отфильтровав объем воды около 1000 объемов наполнителя кассеты, или спустя 2 недели после начала использования кассеты, или когда кассета начинает закупориваться, кассету следует обновить. Для этого кассету 4 извлекают, встряхивают и полоскают в отдельном объеме воды. Так отделяют и вымывают осевшие механические и коллоидные частицы. Кассету 4 вставляют обратно в отверстие воронки для регенерации. Соотношение объемов воронки 2 и кассеты 4 составляет -10/1. Воронку 2 и кассету 4 устанавливают в сосуд для сбора вытекающего регенерирующего раствора, например в резервуар 1, или в любой сосуд, объем которого не меньше чем в 20 раз превышает объем наполнителя фильтрующей кассеты. В воронку 2 порциями вливают регенерирующий 10% раствор NaCl (общий объем около 20 объемов кассеты), который самотеком без дополнительного давления протекает через наполнитель кассеты и собирается в

резервуаре. Во время регенерации наполнителя кассеты восстанавливается его Na форма:

[Kat] Fe + 3Na ⁺ = [Kat]Na ₃ + Fe ⁺³ (4)

Регенерирующий раствор, загрязненный продуктами (Fe ⁺³ ) регенерациии, из резервуара выливают.

Для регенерации бытовых катионитных фильтров также используются увеличенные количества регенерирующего раствора: по меньшей мере в 5 раз большие, чем рекомендовано в техническом описании используемого катионита. Для достижения полного восстановления в Na ⁺ форму, кассету регенерируют объемами 10% NaCl, соответствующими 20-кратному объему кассеты, поскольку в условиях нерегулируемого потока регенерирующего раствора (когда трудно уменьшить или увеличить поток), именно такие количества обеспечивают полную или достаточную регенерацию фильтра.

После этого кассету дезинфицируют фильтрованием через нее объема воды температуры 95-100° С до 20 раз превышающим объем кассеты или кипячением до 20 мин. В этом случае дезинфицировать можно и перед регенерацией катионитного наполнителя кассеты. Во всех случаях обновление кассеты завершают, промывая ее водой.

Такое обновление кассеты регулярно повторяют, в каждом случае отфильтрировав объем воды около 1000 объемов наполнителя кассеты, но не реже чем спустя 2 недели после начала использования кассеты, оптимально - каждую неделю. Обновление можно производить многократно.

Как в случае обновления анионитной, так и в случае обновления катионитной кассеты, для приготовления регенерирующего раствора берут полный стакан, объем которого соответствует полутору объемов кассеты, соли NaCl и растворяют в объеме воды, соответствующем 20-и объемам кассеты.

Такое многоразовое обновление бытовых фильтрующих кассет для воды в литературе не описано и для кассет обычных фильтров (BRITA, KENWOOD и др.) не используется.

Примеры осуществления способа обновления ионитной фильтрующей кассеты

Пример 1.Обновление кассеты с анионитным наполнителем

Через фильтрующую кассету объемом в 150 мл, заполненную селективным на нитраты анионитом Рurоlitе А 520E, пропускали 100 л природной воды, загрязненной нитратами (107 мгNO ₃ /л).

Отфильтровав 85 л воды, концентрация нитратов в фильтрате увеличивалась до уровня концентрации в фильтруемой воде. Истощение ионитных фильтров в этом случае изображено в Фиг.2, где на оси X показан объем отфильтрованной воды в литрах, а в оси Y- концентрация NO ₃ ^" анионов в фильтруемой воде (верхняя кривая) и в фильтрате, в мгNO ₃ /л. Из этой кривой очевидно, что отфильтровав 85 литров воды кассета истощается и ее обязательно нужно регенерировать. Далее эту кассету, после ее встряхивания и полоскания в отдельном объеме воды, регенерируют 3-мя литрами 10% NaCl. Это изображено на графике регенерации Фиг.З: на оси X показан объем регенерирующего раствора в литрах, в оси У - концентрация NO ₃ анионов в вытекающем из кассеты регенеранте, в г/л. Из кривой регенерации видно, что для полной регенерации кассеты объем регенерирующего раствора в 3 литра был оптимальным. Затем эту кассету дезинфицируют, для чего через нее фильтруют объем горячей (95-100 ⁰ C) воды, соответствующий 10-20-и объемам кассеты, или кассету извлекают из воронки и 10-20 мин. кипятят в воде.И в одном, и в другом случае достигаются похожие результаты дезинфицирования: после этих процедур микробиологическое загрязнение отфильтрованной воды уменьшается до 500000 раз.

На графике Фиг.4 изображены данные дезинфицирования, где ось X овозначает время использования фильтра, в днях; ось Y - число бактерий в фильтрованной воде, единицы/ мл. Во время этого испытания через упомянутую кассету объемом 150 мл, заполненную селективным на нитраты анионитом Рurоlitе А 520E, две недели фильтровали воду, загрязненную нитратами (всего 50 литров). Число бактерий в миллилитре отфильтрованной воды на 14-ый день выросло до 4,5 миллионов/мл. После регенерации и сразу последовавшей стадии дезинфицирования (путем пропускания 1,5 литров воды температуры 95-100 ⁰ C) микробиологическое загрязнение уменьшилось до 100 ед./мл. Аналогичные результаты получены, на 14- ый день выполнив дезинфицирование кипячением кассеты в течении 5 мин. в воде. Как видно из Фиг.4, число бактерий упало до 100 ед./мл. Таким образом можно делать вывод, что повторять дезинфицирование оптимально через каждую неделю.

Обновленная кассета, после промывания ее объемом воды, соответствующим 20-и объемам кассеты, опять пригодна к использованию по назначению.

Опыты показали, что свойства наполнителя кассеты отлично восстанавливаются, обновляя ее по меньшей мере 25 раз. Кассета остается пригодной для очистки питьевой, например колодезной, воды и после 50 разового обновления — ограничения связаны только с терминами употребления наполнителя, определенными производителем, и термостойкостью корпуса кассеты.

Предлагаемый способ обновления бытовой фильтрующей кассеты, ионитный фильтр для питьевой воды и приспособление для отфильтровывания нитратов из питьевой воды, сопоставляя его с известными, отличается тем, что по предлагаемому изобретению при обновлении кассеты с использованием стадии термической дезинфекции, удается избежать применения неприемлимых в быту дезинфицирующих материалов, остатков таких веществ в наполнителе кассеты. Встряхивая и полоская в воде кассету с ионитами вымываются осевшие механические и коллоидные частицы; регенерируя кассету объемом 10% NaCl, равным 20-и объемам наполнителя фильтра, катионит полностью возвращается в форму Na ⁺ , а анионит - в форму СГ; дезинфицируя кассету 10-20-кpaтными объемами горячей воды (95-100° С) или прокипятив ее 10-20 мин. полностью или в достаточной мере обезвреживается микробиологическое содержимое кассеты; промывая кассету 20-ю объемами воды окончательно вымываются остатки регенерирующего раствора и обезвреженной биомассы. Ионитную кассету в случае необходимости можно обновить около 25-50 раз, в зависимости от материала наполнителя кассеты и от термостойкости корпуса кассеты.

Использование предлагаемого способа обновления бытовой ионитной фильтрующей кассеты, ионитного фильтра для питьевой воды и приспособления для отфильтровывания нитратов из питьевой воды обеспечивает достаточное восстановление свойств кассеты и отличается простотой и низкой ценой благодаря тому, что для обновления ионитной кассеты достаточно подручных средств - сосуда для кипящей воды и стакана NaCl. Обновление ионитной кассеты для фильтра можно повторять многократно. В случае загрязненности воды нитратами, потребитель, измерив количество нитратов индикатором, может в первую очередь обеспечить нужное качество воды, во вторых - имея ионитную кассету потребитель может ее многократно обновить, нет необходимости покупать новую, не нужно утилизировать однократно использованную. Использование предлагаемого способа обновления бытовой ионитной фильтрующей кассеты, ионитного фильтра для питьевой воды и

приспособления для отфильтровывания нитратов из питьевой воды особенно эффективно в сельских местностях проживания.