液体净化设备、清洗中空纤维过滤器的方法和清洗中空纤维过滤器的方法的使用

摘要

本发明所要求保护的组涉及流体净化设备，并可尤其用于通过去除极性和非极性有机物质、重金属离子、微生物和大量盐来净化饮用水和废水，包括海水、河水、湖水和井水。本发明的组可用于来自开放源和非加压容器的液体的进入和净化，也可用于来自家用水管的液体(主要是饮用水)的进入和净化。液体净化设备包括：用于供应待净化的液体的装置、电凝结单元、具有液体反洗的中空纤维过滤器、反渗透单元、收集容器、止回阀，和所净化的液体的排放装置。首先用液体，然后用从收集容器供应的液体和空气的加压混合物，来反洗中空纤维过滤器。在从收集容器泵送液体的同时，用止回阀将大气空气供应至收集容器。所提出的水净化设备使得能够延长在设备中使用的膜的使用寿命，此外用于净化液体的系统允许以具有几千克的重量的紧凑型设备的形式进行装配，使得其可用手携带。

说明书

技术领域

本发明所要求保护的组涉及流体净化设备，并可主要用于通过去除极性的和非极性的有机物质、重金属离子、微生物和大量盐来净化饮用水和废水(包括海水、河水、湖水和井水)。本发明的组可用于来自开放源和非加压容器的液体的进入和净化，也可用于来自家用水管的液体(主要是饮用水)的进入和净化。

背景技术

在现有技术中，基于膜过滤(membrane filtration)和反渗透的组合的液体净化系统是已知的。通常，这种系统设置有允许从膜表面周期性地去除一层过滤颗粒以将其渗透性保持恒定的反洗模式。

而且，在本领域中用电凝结(electro-coagulation)从水中去除溶解的有机物质的系统是已知的。

俄罗斯专利No.2171787(2001年公开，C02F 1/18)描述了一种用于净化饮用水的家用设备，其包括：用于供应待净化的水的装置、粗净化单元、电凝结单元、絮凝室、精净化单元、用紫外线辐射进行清洗处理的单元和用于所净化的水的排放装置，这些装置连续地安装。

电凝结单元是平行地布置且由铝或其合金制成的板的系统。需要絮凝室来聚集并沉积氢氧化铝。优选地，需要周期性更换的滤筒过滤元件用作精过滤器。在系统中不使用通常允许重复再生的膜微过滤或超过滤元件。

在用于凝结物的絮凝和沉淀的特殊腔室中，所述发明的严重缺点是必然的。从本发明的描述可以得出结论：絮凝室具有大尺寸和重量。大且重的沉淀室的必然性明显地限制了未设置有凝结物的被迫分离的单元(例如，微过滤单元)的家用电凝结系统的适用性。

与所提出方案最接近的一个技术方案是被认为是原型的水净化设备，该设备包括：用于供应待净化的水的装置、粗净化单元、具有周期性反洗的微过滤单元、反渗透单元、用于收集聚集物的容器和用于所净化的水的排放装置，这些装置在处理过程中连续地安装(美国专利No.6,120,688，2000年公开，C 02 F1/44)。

将具有500微米的孔径大小的过滤器作为粗净化单元。将由具有0.2nm的孔径大小的中空管膜制成的模块作为微过滤单元，该模块设置有内置压缩机以用气泡吹掉(blow off)膜模块，以避免污染物在纤维的工作表面上沉积。用加压的浓缩物(concentrate)周期性地执行设置有中空纤维膜的模块的清洗，在所述设备中的特殊容器中收集所述浓缩物。而且，在清洗设置有中空纤维膜的模块期间，浓缩物被用于供应反渗透单元，因为此时微过滤单元对系统不供应过滤后的水。将浓缩物供应至非加压收集容器，并且当容器充满时，自由地将其排出。通过泵来执行从容器供应浓缩物以进行反洗；落在膜侧上的浓缩物与工作一侧相对，并去除污染物。

当控制器发出信号时，通过打开电磁阀，自动地执行反洗。在反洗中仅使用水，不用空气，这会降低其效果。

已知的设备被设计成用于净化任何质量的水(包括海水、地表水、来自具有不适宜的生态环境的区域以及其他源的水)，并且用于通过去除微生物、病毒、高分子化合物和重金属的盐来净化饮用水。

该设备的一个缺点是反渗透膜的较短的使用寿命。这是由于膜孔的渗透性的急剧减小而导致的，而这种减小是由于所净化的水中的高分子化合物的原因而导致的，在原型中使用的吸收方法不可能通过在初始净化阶段去除这些化合物。

除此之外，已知设备的缺点是用于空气压缩和分配的复杂且昂贵的系统，其中，微过滤模块的连续吹掉促使其表面上的需氧细菌的发展。此外，该设备消耗大量水，并额外包括用于清洗微过滤模块的功率充足且体积大的泵。所有这些全部使已知设备的结构变得复杂，并提高其价格。

通常，在最现代的水净化系统中使用的膜设备允许基本上浓缩有害杂质并获得适于后续使用的深度净化的水，例如，在家用水使用中。在膜技术(反渗透、微过滤和超过滤)的使用中产生的主要问题是，在所净化的水中对可溶高分子有机物质含量的限制。由于所使用的膜的使用寿命基本上减少，这些杂质基本上限制膜技术的使用。

发明内容

本发明的组的主要目的和要求的技术效果是，提供一种新的液体净化设备、清洗中空纤维过滤器的有效方法和延长在设备中使用的膜的使用寿命。

本发明的组的另一目的是，提供与具有几千克重量的原型相比将系统装配为紧凑型设备的可能性，使得其可用手携带。

通过提供一种液体净化设备来实现此目的和使用本发明的组产生的要求的技术效果，该液体净化设备包括：用于供应待净化的液体的装置、具有液体反洗的中空纤维过滤器、反渗透单元、具有上支管和下支管的收集容器和用于所净化的液体的排放装置，根据本发明，具有电凝结单元，其输入端(input)连接至用于供应待净化的液体的装置的输出端(output)，并且其输出端连接至中空纤维过滤器的输入端，具有用于将大气空气供应至收集容器中的止回阀，该收集容器被布置为在其内部产生真空，用于供应大气空气并且用于首先用液体反洗中空纤维过滤器，然后用从那里供应的液体和空气的混合物进行反洗。可将用于将大气空气供应至收集容器中的止回阀安装在收集容器的上部中，或安装在与收集容器的上支管连接的管线上。收集容器的上支管被布置成深入其内部，其中上支管的下边缘比下支管高不少于50mm。下支管旨在将液体供应至反渗透单元，反渗透单元布置为在收集容器中产生真空。上支管旨在用于将液体供应至收集容器中，以使液体流出，然后将液体和空气的混合物供应至中空纤维过滤器。

通过执行清洗中空纤维过滤器的方法来实现此目的和使用本发明的组的要求的技术效果，该方法包括反洗，根据本发明，首先用液体进行反洗，然后用从收集容器供应的液体和空气的加压混合物进行反洗。在从收集容器泵送液体的同时，用止回阀将大气空气供应至收集容器中。执行反洗少于5秒的时间，优选地，少于3秒。在初始阶段，在由收集容器的上部中的气垫产生的压力下，用液体执行反洗。

在反洗具有中空纤维膜的模块之前，收集容器中的大气空气的压力由于通过上支管连续供应入所述收集容器中的液体的压力而增加。当达到压缩大气空气的所定义的压力时，并且收集容器内的液面高于上支管的下边缘的端部时，清洗过程开始，通过所述上支管供应液体以进行清洗，并且当液面将达到上支管的下边缘的端部时，空气开始通过所述上支管用于清洗，带走收集容器中剩余的一部分液体，形成液体和空气的混合物，在清洗的最终阶段使用该混合物，其中执行至少一个设置有中空纤维膜的模块的高效净化。在反洗阶段结束时，将剩余的液体通过收集容器的下支管泵送至反渗透单元中，由于大气空气通过止回阀进入收集容器外部，而在收集容器内产生真空。与仅用液体进行清洗相比，液体和空气组合的使用大幅度增加了中空纤维过滤器清洗的效果。

与原型相比，液体净化设备包括用于液体(优选地，饮用水)的深度净化的电凝结单元，其中出现液体净化的膜前附加阶段。这允许将有机化合物转变成胶体，通过后续的过滤可轻松地分离胶体，由此保护反渗透膜并延长其使用寿命。

所提出的液体净化设备的特征在于一种首先用液体清洗然后用液体和空气的混合物清洗中空纤维过滤器的高性能方法，与原型相比，该方法不需要额外的体积大的泵和空气压缩机。

此外，随着所述膜周期性地接触空气(仅在清洗期间)，空气不会导致在中空纤维膜的表面上开始发展并形成细菌和生物膜。

附图说明

在下面，参照附图示出了本发明的组的公开内容，在附图中：

图1示出了液体净化设备的总体视图；

图2示出了通过管线连接至止回阀的收集容器；

图3示出了通过直接安装在上部中的接头与止回阀连接的收集容器；

图4示出了具有在开始反洗之前的液面的收集容器；

图5示出了具有紧接在反洗之后的液面的收集容器；

图6示出了在对反渗透单元泵入液体期间的收集容器。

具体实施方式

液体净化设备包括：用于供应待净化的液体的装置1、电凝结单元2、中空纤维过滤器3、反渗透单元4、收集容器5、用于输出所净化的液体的排放装置6，这些装置连续地安装(图1)。

用于供应待净化的液体的装置1的输出端连接至电凝结单元2的输入端。电凝结单元2是电极的系统，这些电极可以设置为以下形式：平行布置的板或嵌入式同心管，布置为施加100V的恒定/脉冲电压。阳极由铝制成。阴极可由铝和惰性材料(例如，不锈钢)制成。当两个电极均由铝制成时，将具有极性变化的交流电压施加不少于10-4秒，以将它们均匀地溶解。可根据水污染的程度来调节电流水平。电凝结单元2的输出端连接至中空纤维过滤器3的输入端，该中空纤维过滤器由至少一个设置有中空纤维膜的模块组成。通过具有中空纤维膜8的模块来执行过滤，该中空纤维膜具有，例如，从0.01至5μm，优选地，从0.05至0.8μm的孔。中空纤维过滤器3的输出端连接至收集容器5，其中收集容器5的体积超过中空纤维过滤器3的体积的2至10倍。收集容器5具有上支管14和下支管15。上支管14部分地深入容器5中，其中将上支管14的下切口放在容器5中，比下支管15高了大于50mm。下支管15旨在将液体供应至反渗透单元4，并为了在收集容器5内产生真空的可能性。上支管14旨在将液体供应至收集容器5，用于使液体流出，然后将液体和空气的混合物供应至中空纤维过滤器3。通过止回阀21供应大气空气。可将所述阀21安装在管线19上，该管线连接至收集容器5的上支管14(图2)或在收集容器5的上部中(例如，在收集容器5的上部中直接连接的接头中)。在收集容器5中产生液体和空气的混合物，以逆流清洗中空纤维过滤器3。通过阀自动地调节反洗的过程。通常，执行清洗少于5秒，优选地，少于3秒。收集容器5连接至反渗透单元4。反渗透单元4由泵16、至少一个用于吸附净化的模块17和至少一个设置有反渗透膜18的模块组成。通过主管线10执行污染物的排放，通过主管线6排出所净化的液体，以用于使用(图1)。

如果液体净化设备旨在从开放源和非加压容器引入液体，那么，用于供应待净化的液体的装置1可能是，例如由粗过滤器和泵组成的供应组件的形式。作为粗过滤器，优选地使用能够保留20至1000μm的机械污染物的一组栅格和/或深度过滤器(无纺织物层形式的平坦过滤器或滤筒过滤器)。

如果液体净化设备旨在从加压主管线，例如从家用水管，引入液体，那么用于供应待净化的液体的装置1可能是设置有阀的接头的形式。

液体净化设备以以下方式操作：

将来自开放源和非加压容器的已经经过用于供应待净化的液体的装置1的液体，供应至电凝结单元2的输入端。

在电凝结单元2中，液体流过电极系统，电极在溶解的同时产生导致高分子有机化合物凝结的氢氧化铝，待净化的液体中的甚至少量的高分子有机化合物的存在都会急剧地缩短反渗透膜的使用寿命，并部分地缩短过滤膜的使用寿命。紧跟在电凝结单元2之后，可设置止回阀7，其用于当中空纤维过滤器3处于高压下时防止进水方向上的反向水流。

将来自电凝结单元2的液体供应至中空纤维过滤器3的输入端。当液体经过中空纤维过滤器3时，去除具有吸收于其上的高分子有机物质的胶状氢氧化铝，仅保留低分子有机物质和非有机离子。在过滤之后，通过阀12将液体供应至反渗透单元4的泵16。泵16将液体引导至至少一个在其中去除剩余的有机物质的吸附净化模块17，然后引导至至少一个设置有具有0.0001μm的孔的反渗透膜18的模块。反渗透膜具有最窄的孔，并由此是最佳的选择。它们在液体净化的最终阶段使用，因为其能够留下细菌、病毒和大部分可溶盐及有机物质。

在液体经过设置有反渗透膜的模块之后，产生渗入物-净化的液体和浓缩物。渗入物在主管线6上供应以进行使用，而浓缩物(进一步简单地叫做液体)在主管线19上通过排水控制装置20供应至收集容器5中。此时，阀9、11、12关闭。

在反洗阶段开始之前，依靠用连续流入容器的液体压缩容器内的大气空气，使得收集容器5内的压力逐渐增加。优选地，在达到不小于1.5且不大于10个大气压且液面高于上支管14的切口时，阀9、11被迫打开而阀12被迫同时关闭。例如，通过特殊的控制器系统，来提供设备操作期间的阀9、11、12和13的被迫打开/关闭以及反洗方法的执行。

在清洗开始时，在由气垫产生的压力下，将来自收集容器5(图4)的液体从上方通过上支管14供应至中空纤维过滤器3的输入端，并清洗至少一个设置有中空纤维膜8的模块。当收集容器中的水面达到上支管14的下切口时(图5)，收集容器5的上部中挤压其内部液体的空气，开始通过所述上支管14从收集容器5供应至输出端，带走在所述容器5内剩余液体的一部分。此时，在收集容器5内产生液体和空气的混合物。所述液体和空气的混合物中的大量气泡通过中空纤维膜的孔，与原型不同，提供了更好的净化，在原型中，由微过滤单元内的分开的空气压缩机产生的气泡仅从膜纤维的外表面(操作表面)去除污染物，不深入地穿入其孔中。对于中空纤维膜的每1m²，反洗的速度可能是3至20ml每1秒。中空纤维过滤器3的总清洗时间不大于连续设备操作的总时间的2％。

通过主管线10排出污染物。在完成净化过程时，迫使阀9、11关闭，而阀13打开。泵16开始通过下支管15将液体泵送至至少一个吸附净化模块17，并进一步至至少一个设置有反渗透膜18的模块。在泵送期间，所述容器5内的排气增加，需要通过止回阀21供应大气空气(图6)。此外，由于使用收集容器5中剩余的清洗液体，实现系统的独立闭环操作，允许反渗透单元连续地运行。系统的闭环操作的优点是有效地节省液体。例如，对于淡水，用于反洗和排水的液体的总体积不超过所消耗的液体的总体积的20％，优选地，不超过5％。

在清空容器5时，设备进入从外部源引入用于净化的水的模式。

由初始水的质量和对所接受的液体的纯度和质量的需求，来确定设备的具体实现。

根据初始水的质量，可调节中空纤维过滤器3的反洗的重复频率和反渗透单元4中的渗入物/浓缩物比例。可手动地和通过使用电导传感器、光度传感器、涡轮动力传感器和其他传感器的反馈算法，来执行调节。

由于从电凝结单元去除了可溶高分子有机物质，以及首先用液体然后用空气反洗中空纤维过滤器的开发的有效方法的原因，液体净化设备使得延长了膜部件的使用寿命。

附加的结果是，依靠电凝结单元2的小尺寸和高速度，可能装配具有几千克的重量和高比容量(每1.4kg设备重量，高达11/min)的紧凑型设备的形式的系统。

可在各种变型中实现该液体净化设备，这些变型包括安装附加单元(在中空纤维单元之后和在反渗透单元之后)，例如，光催化单元、吸附单元、离子交换单元和用特殊树脂(例如，抗菌树脂)填充的模块与滤筒，紫外线源以及氧化单元。

根据设备变型的情况，可能用过滤膜和微过滤膜作为中空纤维过滤器，并且可用超过滤膜代替反渗透膜。因此，不仅在所要求保护的净化液体设备中，而且在包括各种过滤单元的设备中(其必定包括中空纤维过滤器)，可应用用于净化中空纤维过滤器的方法。