Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

Настоящая заявка относится к устройству для многоступенчатой модульной очистки питьевой воды, причем один модуль содержит хелатообразующий гель или хелатообразующий и бактерицидный гель для удаления тяжелых металлов или для удаления тяжелых металлов и бактерий.

В связи с увеличением потребностей растущего населения мира, увеличением загрязнения окружающей среды в мировом масштабе и повышением требований к качеству, важность очистки воды нельзя недооценивать.

На качество воды, особенно питьевой воды, может влиять большое количество самых различных, частично вредных загрязняющих веществ. Каждый раз вызывают обеспокоенность особенно тяжелые металлы, поступающие из трубопроводных систем (особенно свинец), от сельского хозяйства (например, кадмий), от электроснабжения на угольной основе (ртуть) или из природных источников (цинк, уран, лантаноиды).

С другой стороны, в питьевой воде содержится большое количество органических микрозагрязняющих веществ, главным образом антропогенного происхождения. Наиболее значимыми представителями здесь являются гормоны (изначально использующиеся для контрацепции), остатки лекарственных препаратов или продуктов их распада, или агрохимикаты.

Бактерии образуют третью группу нежелательных веществ в питьевой воде. Они часто поступают из устройств для обработки воды, используемой для хозяйственно-бытовых нужд, или, особенно в более теплых частях света, из трубопроводной системы. Наибольшую опасность эти бактерии представляют для детей грудного и раннего возраста или для людей с ослабленной иммунной системой, таких как, например, пожилые люди.

В некоторых странах для дезинфекции и уничтожения бактерий в питьевую воду добавляют "хлор" (гипохлорит). Это обеспечивает стерильность, но значительно влияет на вкус воды.

Другие нежелательные, хотя и не вредные, компоненты воды - это присутствующие в высокой концентрации кальций и магний, которые, как средства придания жесткости, отвечают за жесткость воды. Низкие концентрации не только безопасны, а наоборот, полезны для здоровья человека. Но в высоких концентрациях (высокая жесткость воды) кальций и магний вызывают заметное ухудшение вкуса, а также нежелательные «пятна от воды» на кухне и в ванной, или так называемую котельную накипь в водонагревателях (бойлерах) и на посуде для приготовления пищи.

На рынке представлено большое количество различных, частично дополняющих друг друга устройств для очистки питьевой воды. В некоторых случаях предлагаемое оборудование сочетает в себе разные способы очистки воды, но имеет недостатки в отношении полного устранения или удаления отдельных загрязняющих веществ или классов загрязняющих веществ. В то же время многие из известных технологий имеют явные недостатки, такие как малая производительность, низкая эффективность, дополнительное загрязнение, высокое потребление энергии, шумовое загрязнение от насосов и т.д.

При обратном осмосе (англ. Reverse osmosis, RO) используется мембрана, через которую очищаемая вода перекачивается под высоким давлением для удаления загрязняющих веществ. Но в ретентате остаются и снова сосредотачиваются не только загрязняющие вещества, но и важные минералы. Этот метод имеет много недостатков для обработки питьевой воды, таких как высокая потеря воды (>80% ретентата), высокое рабочее давление, которое необходимо обеспечивать за счет дополнительного насоса (наряду с высоким энергопотреблением и шумовым загрязнением), и, не в последнюю очередь, деминерализация, что частично необходимо устранить последующим добавлением кальция и магния. Несмотря на эти многочисленные недостатки, обратный осмос широко используется для очистки воды в местах потребления.

Ультрафильтрация, часто используемая в промышленном производстве пищевых добавок (производстве вина и пива), удаляет взвешенные вещества и бактерии с относительной надежностью, но не подходит для удаления тяжелых металлов или «хлора». Органические микрозагрязняющие вещества также не устраняются, а если и устраняются, то недостаточно.

Активированный уголь используется во многих бытовых водоочистителях, в первую очередь для удаления вкуса «хлора» и одновременно для удаления органических микрозагрязняющих веществ. Активированный уголь не связывает тяжелые металлы, не снижает жесткость воды и из-за своей структуры очень восприимчив к росту бактерий (образованию биопленок), что, в свою очередь, может привести к загрязнению питьевой воды бактериями и продуктами их обмена веществ («энтеротоксинами»).

Например, картридж, имеющийся в продаже под названием MetCap-Т для удаления тяжелых металлов, наполнен хелатообразующей смолой (instrAction MetCap), производство которой раскрыто в DE 10 2014 012 566 А1 и DE 10 2016 007 662 А1. Применение картриджа также раскрыто в качестве примера в DE 102016007662 А1.

Благодаря своим хелатообразующим свойствам, смола MetCap-T почти полностью связывает тяжелые металлы. Щелочные и щелочноземельные металлы вообще не связываются или связываются очень слабо из-за их гораздо более низких констант комплексного связывания и замещаются ими в присутствии тяжелых металлов. Эта избирательность прямо противоположна избирательности ионообменников, используемых для умягчения.

В дополнение к свойству смолы типа MetCap-T связывать все тяжелые металлы с высокой производительностью и необратимо, вариант MetCap-T (как раскрыто в немецкой заявке 10 2017 007 273.6) одновременно удаляет бактерии, т.е. он обладает бактерицидным действием в дополнение к его функции как поглотителя тяжелых металлов.

Фильтр твердых частиц часто устанавливают на входной стороне устройств для очистки воды для удаления взвешенных веществ и частиц из водопроводной воды. Они используются в первую очередь для защиты остальных устройств от засорения и, таким образом, для предотвращения повышения давления и снижения производительности.

Ионообменники в составе модулей для умягчения воды используются для снижения жесткости воды за счет удаления кальция и магния. Однако эти ионообменники не устраняют микрозагрязняющие вещества, равно как не устраняют хлор или бактерии; напротив, на них часто воздействует образование биопленок. Еще один недостаток заключается в их малой производительности, особенно в жесткой воде.

Именно там, где особенно показано использование модулей для умягчения воды, производительность ионообменных смол исчерпывается довольно быстро. Из всех технологий очистки воды ионообменник наиболее вероятно потребует восстановления. Обычно это делают путем ополаскивания концентрированным раствором соли.

В дополнение к кальцию и магнию, ионообменники также связывают тяжелые металлы. Но чем больше исчерпывается связующая способность, последние замещаются гораздо более концентрированными ионами кальция и магния и в результате концентрируются в элюате. В конечном счете ионообменник не обладает избирательностью в отношении тяжелых металлов по сравнению с кальцием и магнием. Поскольку последние находятся в прямой конкуренции с тяжелыми металлами, они имеют преимущество в отношении мест связывания, в связи с их гораздо более высокой концентрацией в простом ионном обмене.

Напротив, вышеупомянутая смола MetCap-T избирательно и с большим преимуществом связывает тяжелые металлы и обеспечивает возможность вредным для здоровья ионам кальция и магния проходить в значительной степени несвязанными.

В этом состоит центральное и существенное различие между ионообменниками, которые связывают все катионы неизбирательно, и хелатообразующей смолой MetCap-T, которая избирательно или с большим преимуществом связывает тяжелые металлы из раствора.

Как может быть представлено в вышеупомянутых вариантах осуществления, ни один из перечисленных компонентов не подходит сам по себе для устранения комплексных и многоуровневых составов примесей, или, как обратный осмос (RO), обладает серьезными недостатками.

По этой причине на рынке уже есть ряд производителей, предлагающих устройства, сочетающие в себе несколько перечисленных технологий. Одним из примеров является устройство, раскрытое в CN 206359334 U, в котором объединены фильтр твердых частиц, хелатообразующая смола и ультрафильтрационный блок. В этом случае вкус «хлора» и органические микрозагрязняющие вещества не удаляются.

Многие устройства имеют фильтр грубой очистки на входной стороне. Это служит для защиты присоединенного устройства от частиц грязи и, таким образом, от засорения и повышения давления, а также связанного с этим снижения производительности. Серьезным недостатком многих из перечисленных модулей очистки является образование биопленки, что (как в случае с модулем с активированным углем и ионообменником) может иметь множество негативных последствий, некоторые из которых можно упомянуть здесь: снижение производительности, потеря фильтрующей способности, увеличение давления, снижение продуктивности, загрязнение питьевой воды вредными бактериями и/или их токсичными продуктами обмена веществ, в целом, снижение качества питьевой воды.

Таким образом, возникла необходимость преодолеть вышеупомянутые недостатки существующей технологии.

Эта задача была решена с помощью устройства для многоступенчатой модульной очистки питьевой воды, в котором модуль содержит хелатообразующий гель или хелатообразующий и бактерицидный гель для удаления тяжелого металла или тяжелого металла и бактерии.

Согласно одному варианту осуществления устройство может состоять из комбинации различных независимых модулей или картриджей, которые соединены друг с другом посредством труб или напрямую.

Устройство объединяет и упрощает различные независимые технологии очистки воды таким образом, чтобы удовлетворить самые высокие требования к качеству за счет последовательного устранения различных спектров загрязняющих веществ.

Картриджи имеют впускное отверстие, через которое вода из трубопроводной системы/крана или расположенного выше по потоку картриджа поступает в картридж и вступает в контакт с соответствующим наполнением картриджа. Кроме того, картридж имеет выпускное отверстие, через которое обработанная очищенная вода протекает в следующий картридж или достигает точки удаления.

Предпочтительно картриджи соединены друг с другом и закреплены в устройстве таким образом, чтобы их можно было извлекать, заменять или восстанавливать по отдельности.

Устройство работает при давлении в трубопроводе предпочтительно 0,5-6 бар, более предпочтительно 1-5 бар, наиболее предпочтительно 2-4 бар.

Основным из представленных в настоящем документе устройств является картридж, заполненный хелатообразующей смолой MetCap-Т для удаления токсичных тяжелых металлов с бактерицидной функцией и без нее. Если используется бактерицидный вариант смол MetCap-T, как раскрыто в заявке на патент Германии 10 2017 007 273.6, то дополнительные блоки для удаления бактерий не являются необходимыми.

Центральный картридж можно объединять с рядом других картриджей, каждый из которых устраняет определенные спектры загрязняющих веществ, которые не устраняются хелатообразующей смолой. Эти картриджи могут располагаться выше или ниже по потоку от центрального картриджа MetCap-T.

Кроме того, все устройство может быть присоединено к резервуару или непосредственно к отводящему клапану. Устройство также можно использовать в качестве компонента в системе для нагрева воды.

Поскольку часто необходимо восстановление, картридж с ионообменной смолой снабжен устройством для простого восстановления. Это достигается путем ополаскивания концентрированным раствором соли. В предпочтительном варианте осуществления необходимость восстановления определяется соответствующими датчиками (например, жесткости воды, проводимости, проточной ячейки и т.д.) и указывается предупредительными световыми сигналами.

Восстановление может быть ручным, полуавтоматическим или автоматическим, в зависимости от того, оборудовано ли устройство соответствующими датчиками и резервуарами для хранения соли или раствора соли в соответствующем варианте осуществления. В предпочтительном варианте осуществления модуль для умягчения воды снабжен соответствующими соединениями и клапанами для этой цели. Излишки соли сбрасываются прямо через водосточную трубу в канализацию или через отводящий клапан.

Для всех других картриджей восстановление невозможно и/или технически недостижимо с помощью товаров бытовой химии.

В предпочтительном варианте осуществления устройства вход фильтра твердых частиц соединен с системой подачи воды, выход которой соединен со входом модуля с активированным углем, выход которого, в свою очередь, соединен со входом модуля для умягчения воды, выход которого соединен с картриджем MetCap, выход которого, в свою очередь, соединен с модулем обратного осмоса, выходной продукт которого затем протекает в точку извлечения (см. фиг. 1). Когда давление воды на входной стороне устройства низкое, присоединяют насос.

В качестве альтернативы фильтр твердых частиц может быть непосредственно соединен с модулем с активированным углем, затем с картриджем MetCap и, наконец, с модулем обратного осмоса (см. фиг. 2).

В последних двух вариантах осуществления порядок расположения картриджа MetCap и модуля для умягчения воды также может быть обратным.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления фильтр твердых частиц соединен с модулем с активированным углем, который соединен с модулем для умягчения воды, а затем с картриджем MetCap, за которым следует ультрафильтрационный модуль (см. фиг. 3). В качестве альтернативы, фильтр твердых частиц также может быть непосредственно соединен с модулем с активированным углем, картриджем MetCap и ультрафильтрационным модулем (см. фиг. 4). При необходимости выше по потоку от картриджа MetCap можно установить модуль для умягчения воды. Преимущества этого варианта осуществления заключаются в том, что обычно насос не требуется, поскольку устройство имеет такое низкое встречное давление, что давления в трубопроводе достаточно для нормальной работы.

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления фильтр твердых частиц соединен с модулем с активированным углем и картриджем для умягчения воды, который, в свою очередь, соединен с картриджем MetCap, который содержит хелатообразующий и бактерицидный гель (см. фиг. 5).

В качестве альтернативы, фильтр твердых частиц также может быть непосредственно соединен с модулем с активированным углем, а последний - непосредственно с картриджем MetCap, заполненным хелатообразующим и бактерицидным гелем (см. фиг. 6).

В этом варианте осуществления можно отказаться от дополнительных мембран для удаления бактерий.

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления фильтр твердых частиц непосредственно соединен с модулем для умягчения воды, а последний непосредственно соединен с картриджем MetCap, заполненным хелатообразующим и бактерицидным гелем (см. фиг 7).

Еще в одном варианте осуществления устройства фильтр твердых частиц непосредственно соединен с картриджем MetCap, заполненным хелатообразующим и бактерицидным гелем (см. фиг. 8). Этот вариант осуществления аналогичен картриджу, раскрытому в DE 102016007662 А1, но отличается от него заполнением хелатообразующим и бактерицидным гелем.

Устройство можно легко объединять со всеми другими распространенными модулями для очистки или хранения, такими как расположенный рядом резервуар для хранения очищенной воды, или с другими технологиями очистки, такими как УФ-дезинфекция (в резервуаре или в сети), окислительно-восстановительные фильтры и т.д., или для дальнейшего использования при приготовлении горячей воды, с модулем добавки СО₂ для производства газированной воды, с возможным хлорированием или добавкой перекиси водорода для последующей дезинфекции или предотвращения порчи и т.д.

Устройство не влияет и не является помехой типу последующего извлечения воды или обработки воды.

Производительность устройства можно контролировать с помощью соответствующих датчиков в соответствующем месте, либо в точке извлечения, либо в точках между отдельными модулями. Примеры соответствующих датчиков содержат, помимо прочего, датчики рН, датчики проводимости, датчики обнаружения концентрации бактерий, ионоселективные датчики, УФ-датчики и т.д. Проточная ячейка может измерять количество обработанной воды.

В предпочтительном варианте осуществления датчики присоединены к системе обработки данных, которая отслеживает работу отдельных модулей на основе измеренных значений и выдает соответствующие сообщения, когда картридж необходимо заменить или восстановить. С помощью указанных датчиков заменой модулей также можно управлять исключительно по времени или по объему. В зависимости от варианта осуществления система обработки данных может запустить процесс автоматического восстановления модуля для умягчения воды или закрыть клапан, чтобы принудительно заменить модули в качестве предварительного условия для продолжения работы.

Впервые описанные в настоящем документе устройства обеспечивают возможность проведения глубокой очистки питьевой воды в качестве простого решения для домашнего хозяйства, которое превосходит все известные системы с точки зрения качества очищенной воды, эффективности или потребления энергии.

С одной стороны, устройства предназначены для удаления действительно вредных, частично токсичных веществ, а с другой - для общего улучшения качества воды за счет улучшения вкуса (например, за счет удаления «хлора»).

В самом маленьком варианте устройство подходит для использования в домашних условиях и рассчитано на стандартное потребление. В более расширенных вариантах устройство также может использоваться в многоквартирных домах, жилых комплексах, ресторанах, больницах, на кораблях или в других объектах, где требуется питьевая вода высокого качества.

Соответственно, другой задачей настоящего изобретения является использование вышеупомянутых устройств для очистки питьевой воды.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Следующие чертежи служат для дальнейшего пояснения настоящего изобретения. На них показано следующее:

Фиг. 1: Схематическая конструкция устройства для очистки воды с фильтром твердых частиц, модулем с активированным углем, модулем для умягчения воды, модулем MetCap и модулем обратного осмоса.

Фиг. 2: Схематическая конструкция устройства для очистки воды с фильтром твердых частиц, модулем с активированным углем, модулем MetCap и модулем обратного осмоса.

Фиг. 3: Схематическая конструкция устройства для очистки воды с фильтром твердых частиц, модулем с активированным углем, модулем для умягчения воды, модулем MetCap и ультрафильтрационным модулем.

Фиг. 4: Схематическая конструкция устройства для очистки воды с фильтром твердых частиц, модулем с активированным углем, модулем MetCap и ультрафильтрационным модулем.

Фиг. 5: Схематическая конструкция устройства для очистки воды с фильтром твердых частиц, модулем с активированным углем, модулем для умягчения воды и модулем MetCap с дополнительным бактерицидным действием.

Фиг. 6: Схематическая конструкция устройства для очистки воды с фильтром твердых частиц, модулем с активированным углем и модулем MetCap с дополнительным бактерицидным действием.

Фиг. 7: Схематическая конструкция устройства для очистки воды с фильтром твердых частиц, модулем для умягчения воды и модулем MetCap с дополнительным бактерицидным действием.

Фиг. 8: Схематическая конструкция устройства для очистки воды с фильтром твердых частиц и модулем MetCap с дополнительным бактерицидным действием.