Жизнь зарождается
в воде, в какой -
решать вам!
(050) 908-56-58
(096) 510-38-40 заказать звонок
(0)
Корзина пуста!

Фильтрующие картриджи: от простого к сложному

В. Л. Пономарев, к. т. н., ведущий инженер отдела исследований и разработок НПО «Экософт»

В последние десятилетия словосочетание «фильтрующий элемент», хорошо знакомое специалистам, уходит в прошлое. На смену ему в быту и технике появился современный термин «картридж». Картридж (англ. cartridge – патрон к огнестрельному оружию), или в более широком смысле – цельный и самодостаточный сменный элемент к какому-либо оборудованию. На наш взгляд, подобное толкование вполне подходит сегодняшнему предмету нашего обсуждения. Мы оставляем за собой право иногда по тексту называть его по-старому, из уважения к техническим достижениям прошлого века.

Картриджей для фильтрации жидкостей и газов существует великое множество. Отличаются они по форме, структуре, материалам, назначению, свойствам, технологиям изготовления, оборудованию для фильтрации, пр. Поэтому в данной статье нам придется на чем-то остановиться.

К обсуждению в данной статье предлагается механический (или осадочный) картридж для фильтрации воды, как наиболее известный и используемый широким кругом читателей в домашних условиях. В общем, он очень похож на обыкновенное сито, которое удерживает частицы, неспособные из-за своихкрупныхразмеровпройтичерезотверстия в сетке. В отличие от мелкозернистых засыпных фильтров баллонного типа, рассматриваемые фильтрующие элементы в большинстве случаев являются одноразовыми, «работают пока работают», т. е. пока не забьются осадками, а затем меняются на новые.Некоторыеиз них,к примеру, гофрированного типа «грубого рейтинга» в 100 микрон, могут быть очищены от осадка водойиз садовогошлангаи использоваться повторно. Но это скорее исключение из правил, чем правило. Итак, механический картридж. Это всегда цилиндрическое тело определенной длины и диаметра. Поток воды под давлением входит в цилиндр снаружи и выходит изнутри. Серьезное отношение к его геометрическим размерам связано с корпусами, которые также имеют строгие геометрические размеры. При нарушении этих правил либо корпус не закрывается, либо картридж не «замкнется» уплотнениями. В результате что он есть, что его нет – эффект фильтрации отсутствует. Понятно, что и картридж, и корпус не работают друг без друга, и связаны они поэтому, как нитка с иголкой. Именно их объединение в одном устройстве получило название фильтр (рис. 1).

Какие бывают механические картриджи и как они работают

Структура цилиндрического тела обсуждаемого объекта напрямую связана с эффективностью удержания механических примесей и ресурсом работы. Общепринято, что чем лучше фильтрующий элемент «чистит» и чем больше времени проходит до его замены при прочих равных условиях, тем он надежнее, а обслуживание узла фильтрации дешевле. Поэтому при формировании структуры цилиндра инженеры и ученые используют много хитростей. В свое время топ-идеей явилось увеличение площади фильтрующей поверхности цилиндра за счет гофрирования фильтрующего материала. Так называемые поверхностные картриджи изготавливаются гофрированием пакета тонких слоев листового фильтрующего материала и опорных подложек. Они выгодно отличаются низким гидродинамическим сопротивлением потоку, длительным ресурсом работы и высокой эффективностью. Так называемый намывной слой загрязнений всегда концентрируется на поверхности, что в значительной степени увеличивает тонкость фильтрации. В качестве фильтрующих используются разнообразные материалы, в том числе и мембранного типа. Однако в области «тонких фильтраций» воды они дороговаты и используются в основном в промышленности на завершающих этапах ответственной технологической цепочки. В бытовой водоочистке «гофрированные» картриджи встречаются, но довольно редко.

Конкурируют с ними элементы объемного или глубинного действия из «вспененного» полипропилена (рис. 2) и нитяные (рис. 3).

У картриджей глубинного действия толщина фильтрующего слоя значительно больше, чем у поверхностных. По замыслу разработчиков увеличена не площадь поверхности, а объем пор цилиндра. Чем больше величина так называемой открытой пористости и чем равномернее распределение пор по размерам в разных участках объема, тем лучше. Причем работает он по принципу воронки: на поверхности цилиндра поры больше, а внутри меньше, что способствует проработке всего фильтрующего объема и равномерному распределению частиц в толще материала. Для того чтобы проникнуть через такую преграду, частица вынуждена пройти очень сложный и извилистый путь, что расширяет возможности для ее захвата. Картриджи глубинного действия позволяют улавливать частицы различных размеров. Правда, подобный фильтрующий слой, накапливая загрязнения, приводит к более высоким перепадам давления, чем поверхностный, при сопоставимом размере пор.

Всем хорошо известны и очень популярны элементы из прессованных мелких гранул активированного угля, называемые карбон-блоками, которые также, по сути, можно отнсти к разряду адсорбционно-механических (рис. 4).

Наряду с глубинной фильтрацией, они эффективно адсорбируют хлор и хлорпроизводные, удаляют запахи и привкусы, снижают мутность за счет адсорбции мельчайших коллоидных частиц.

Одной из последних интересных разработок являются, так называемые «заряженные» адсорбционные картриджи. Они могут быть выполнены как в гофрированном варианте, так и глубинном, но отличаются способностью помимо механической осадочной фильтрации обеспечивать еще и «электрокинетическую адсорбцию». Благодаря этому свойству «заряженные» могут удерживать из потока воды микроорганизмы и коллоидные частицы значительно меньших размеров, чем самые маленькие структурные поры. Например, при среднем размере пор 2 микрона, за счет адсорбционных свойств удерживаются частицы и бактерии диаметром до 0,2 микрон.

Немного о технологии производства

Выбрав механические картриджи как предмет обсуждения, мы с гордостью можем отметить, что сегодня они выпускаются в Украине и необходимость приобретения большинства из них за рубежом отпала. Поэтому, пользуясь возможностью иллюстрировать статью «живыми» фотографиями украинскогопроизводства,предлагаем ознакомиться с краткой технологией изготовления некоторых из них. Итак, фильтрующие элементы из «вспененного» полипропилена. Хотим сразу отметить, что пены в них никакой нет, и откуда появилось такое название, нам неизвестно. В Европе и США данная технология производства картриджей и нетканых полотен называется melt blowning, сокращенно МВ, что дословно означает «раздувающийся расплав». У нас – пневмоэкструзия, а картриджи – пневмоэкструзионные. Процесс этот поистине уникальный, поскольку позволяет получить микроволокна с диаметрами в диа- пазоне от 2 до 4 микрон. Хотя технология «способна» и на более тонкие волокна до 0,1 микрона, и на более грубые. Понятно, что чем тоньше диаметр волокон в слое, тем меньше размеры пор в фильтрующем элементе и тем он лучше задерживает микронные частицы. «Тонкий» картридж сделать значительно труднее, чем «грубый». Стандартные же методы формования химических волокон из расплавов полимеров ограничены в своих возможностях по уменьшению диаметра элементарного волокна.

Если все вышеизложенное выразить сухим языком технологического регламента, то получаем метод, который заключается в формовании расплава полипропилена через фильеры с последующим растяжением неостывших экструдатов потоком горячего воздуха и нанесением на вращающийся винтовой цилиндрический стержень. Конструкция приемного устройства (он же вращающийся винтовой стержень) позволяет обеспечить непрерывный процесс формирования бескаркасных элементов,их порезкуи съем. Полученная структура картриджей жесткая и стабильная, поскольку зафиксирована термическимисшивками микроволокон и слегка подпрессована специальным валиком. Приемная часть пневмоэкструзионной технологической линии показана на рис. 5. При кажущейся простоте технологии оператор долженконтролировать19 параметров процесса, не считая входного контроля качества исходного сырья. Изменяя ключевые параметры, можно получать картриджи различного микронного рейтинга от 1 до 100 микрон, различной длины и диаметра, начиная с 10 дюймови заканчивая 40 дюймами. С нитяными картриджами вопрос обстоит немного проще. Установка фактически перематывает текстурированную мультифиламентную нить с бобины на вращающийся съемный перфорированный дренажный каркас, который служит основой будущего фильтрующего элемента (рис. 6).

«Домотав» до определенного диаметра, она автоматически останавливается, оператор обрезает нить, снимает готовый картридж, ставит новый дренажный каркас, заправив в него конец нити, и процесс продолжается. Секрет «успешного» картриджа заложен в свойствах исходной текстурированной нити и геометрии возвратно-поступательного механизма, проще матрицы, задающей нитера- складчику нужный характер перемещений. Именно от матрицы зависит микронный рейтинг и геометрические размеры фильтрующего элемента.

Переходим к угольным картриджам. Технология производства элементов типа карбон-блок заключается в формировании трубной заготовки из смеси мелкодисперсного гранулированногоугляи полимерногонаполнителя экструзионным способом при повышенной температуре и давлении(рис.7).Способ изготовления такого элемента позволяет создавать изделия различной пористости, в зависимости от заданных технологических параметров, и получать плотную структуру блока, что практически исключает возмож- ностьобразования проходных каналов дляпотокажидкости приегоиспользовании.Внешняя и внутренняя поверхности элемента закрываются нетканым материалом, выполняющим функции пред- и постфильтра. Наклеенные расплавом торцевые крышки с плоскими прокладками обеспечивают надежное уплотнение фильтрующего элемента при использовании. Производство включает главную технологическую линию, которая заканчивается порезкой трубной заготовки на необходимые сегменты (брикеты), участки комплектации, склеивания и упаковки в термоусадочную пленку (рис. 8).

О критериях качества

Поскольку мы уже знаем, какие бывают разновидности механических картриджей и как они получаются, то самое время углубиться в более тонкий вопрос – эффективности их работы и ее проверки. Для этой цели международными нормами приняты три критерия оценки: номинальный рейтинг, абсолютный рейтинг и бета-коэффициент. Рейтинги обычно указываются в микронах. Микрон это стандартная мера размера, которую используют все производители «тонких» фильтров. Для простоты вспомним, что диаметр человеческого волоса состав- ляет в среднем 90 микрон, а нижняя зона действия рассматриваемых нами изделий приблизительно составляет 1/300 диаметра человеческого волоса.

Большинство производителей, рекламируя своею продукцию, характеризуют ее по способности удаления частиц из воды до заданного размера. К размерам частиц и их количеству «привязаны» прямые критерии оценки. Наиболее распространенными критериями являются номинальный и абсолютный рейтинги. По правилам WQA (США), номинальный рейтинг означает, что картридж будет удерживать по меньшей мере 85% частиц, для которых он разработан. Другими словами, сменный элемент, который оценивается номиналом в 1 микрон, должен отфильтровать из прошедшей через него воды 85% частиц размером 1 микрон и более. Правда, понятие номинального рейтинга варьируется от одного производителя к другому. Некоторые из них для некритических приложений своей продукции рассматривают и 70% эффективности вполне подходящей. Рассмотрим данные таблицы 1.

Таблица 1. Номинальные и абсолютные рейтинги картриджей из полипропилена (РР)

Наименование Размер частиц, микрон Удержание частиц, 90% Удержание частиц, 95% Удержание частиц, 99, 98%
1 2 3 4 5
РР-005 0.5 0.5 2.0 4.0
РР-01 1.0 1.0 3.0 8.0
РР-03 3.0 3.0 5.0 12.0
РР-05 5.0 5.0 8.0 20.0
РР-10 10.0 10.0 13.0 30.0
РР-25 25.0 25.0 30.0 50.0
РР-5О 50.0 50.0 60.0 100.0
РР-75 75.0 75.0 110.0 150.0
РР-100 100.0 100.0 125.0 200.0

В колонках 1 и 2 приведены их маркировка и размер частиц, по которым «специализируется» картридж определенной марки. В колонках 3 и 4 представлены данные по номинальному рейтингу, а в колонке 5 – по абсолютному. К примеру, вы хотите извлечь из воды не менее 85% 5-микронных частиц. Находим во 2-й колонке размер 5 микрон, переходим направо по строке в клетку, где указанно 5.0, а затем в верх колонки, где показан процент удержания. В данном случае 90%. Вы выбрали марку картриджа РР-05, номинальный рейтинг которого 90%, что даже лучше поставленной задачи в 85%. Если необходимо повысить номинальный рейтинг до 95%, следует перейти в колонку 4 и выбрать маркировку РР-03. Если же вас интересует полное удержание 5-микронных частиц, ведете поиск по колонке 5 абсолютного рейтинга и выбираете маркировку картриджа РР-005. Абсолютный рейтинг означает, что изделие не пропускает частицы заданного размера и его эффективность не менее 99,98%. Изделия с абсолютными рейтингами, как правило, используются для очень ответственной фильтрации, где эффективность действительно имеет значение. Например, если производитель обещает удаление из воды кишечной палочки только на 85%, это, наверное, не очень убедительно. Есливы собираетесь доверить свое здоровье картриджу, то ожидаете от него эффективность не менее 99,98%, а лучше 99,99%.

Все представленные выше механические картриджи для домашней водоподготовки выпускаются украинским производителем с номинальным рейтингом не менее 85%. Данный параметр проверяется на основе стандарта Великобритании BS EN 13443- 2:2005+A1:2007, который называется “Water conditioning equipment inside buildings – Mechanical filters”.

Еще один критерий оценки эффективности механических картриджей – бета-коэффициент, используется значительно реже. Он устанавливает соотношение между частицами, которые гофрированный элемент задержал и частицами, которые он пропустил. Математически это выражается делением количества частиц в исходной воде на количество частиц в фильтрате. Понятно, что чем выше бета-коэффициент, тем лучше. К примеру, коэффициент равный 5000 будет означать, что через сменный элемент может пройти только одна частица из пяти тысяч, а коэффициент 100, соответственно, означает одну прошедшую частицу из 100. Соответственно картридж с бета-коэффициентом 5000 в пятьдесят раз лучше аналога с бета-коэффициентом 100.

К сожалению, в настоящее время не существует универсального стандарта, подтверждающего абсолютный рейтинг или бета-коэффициент 5000. Но у конечного пользователя, где сменные элементы применяются в ответственных технологиях (фармацевтическая, электронная, медицинская промышленность), существуют собственные методики проверки. В большинстве случаев линия фильтрации проектируется по данным производителя фильтров, а оценивается по свойствам готовой продукции или фильтрата. Однако полученные в лаборатории цифры не дают никакой гарантии, что в реальных, а не лабораторных условиях микрофильтрация будут так же эффективна. Картридж, хорошо работающий в одних условиях, может не работать в других, поскольку очень важны не только его пористые характеристики, но и условия работы. Но об этом мы поговорим чуть позже.

О загрязнениях в воде

Полезно более подробно остановиться на характере загрязнений. Подготовленная водоканалами вода, прошедшая длинный путь по трубопроводам, не балует разнообразием механических загрязнителей. Встречаются в ней всем знакомые микрочастицы ржавчины и глины желто-коричневого цвета, сколы труб, частички песка. Эти загрязнители легко удаляются из воды. А вот гибкие волокнообразные бактериальные структуры удаляются значительно сложнее, поскольку имеют свойство «проползать» через самые извилистые фильтрующие матрицы. Но наиболее коварны гели. Примером геля является бактериальная слизь, появляющаяся в давно не хлорируемых водопроводах в жаркое время года. Она за пару дней может вывести из строя самый «свежий» фильтр.

Говоря о загрязнениях, следует понимать, какой объем частиц должен быть удален фильтрованием. Если концентрационная нагрузка небольшая, как, к примеру, в водопроводной воде, могут быть использованы относительно простые схемы. Если концентрация загрязнений значительна, используются принципиально иные фильтры непрерывного действия, сбрасывающие накопленный осадок, или многоступенчатая схема.

Теперь пришло время обсудить технологические и технические аспекты применения механических картриджей. В промышленности, где используется вода или растворы на ее основе, процесс микрофильтрации имеет решающее значение для качества продуктов, производительности процессов и их стоимости. При неверно подобранных фильтрах или неправильно намеченном месте их установки могут быть выведены из строя насосы, жидкая среда станет непригодной, а конечный продукт загрязнен. Поэтому из года в год растет перечень характеристик и нормативных критериев «правильной фильтрации». На некоторых из них мы остановимся ниже.

Какая требуется чистота

В первую очередь конечный потребитель должен определить желаемый результат микрофильтрации.Другими словами, насколько очищена должна быть технологическая среда. После этого выбирается соответствующая система по пяти критериям: расход, давление, температура, совместимость, стоимость. Если она выбрана правильно – будет и эффективна, и экономична. Чтобы определить, какой степени очистки нужно добиться, мы должны знать, где и как будет использована отфильтрованная жидкость. Например, это охлаждающая вода в рециркуляции или очистка и возврат в производство сточных вод, или вода для напитков, или промывка деионизованной водой микросхем в электронике, или производство инъекционных растворов, или вода в квартире. Требования для разных сегментов рынка значительно отличаются, но они могут быть и очень похожими.

Какой должна быть производительность

При выборе нужного размера картриджей и их количества, типа корпуса для установки, всегда следует сбалансировать ожидаемый результат и затраты. Проще говоря, если фильтр слишком большой и выбран с «запасом», это может стоить слишком дорого. А если он будет слишком маленький, то будет перегружен и не сможет обеспечить требуемый расход. Кроме того, увеличится частота замен картриджей, снизится эффективность и пр.

Несколько слов о домашней водоподготовке

Вернемся к первому рисунку в начале статьи, где показан комплект из корпуса и картриджа для очистки холодной воды, поступающей в квартиру. Выбор домашней системы требует определенных знаний и опыта. Если на производстве в основе всех волнений лежит качество выпускаемой продукции, то в домашних условиях желание получить воду безосадков должно(как говоритнаука) коррелировать с безопасностью вашей квартиры и соседей снизу. В основе выборалежитнадежность,надежностьи ещеразнадежность. По правилам NSF, корпус должен иметь соответствующую устойчивость к давлению и гидроударам, что должно быть отражено на этикетке. Всю комплектацию, включая присоединительные фитинги, следует покупать в фирменных магазинах с гарантийным талоном и чеком. Не нужнона этом экономить и разыскивать на базарах, что дешевле. Если вы живете в многоэтажке, где высокоедавление воды в магистралях и существуе твозможность гидроударов,без компенсатора гидроударов и регулятора давления настоятельно рекомендуем даже не начинать движение. Кстати, упомянутые устрой- ства не только помогут вам в аварийных ситуациях, но и прилично сэкономят расход воды, а соответственнои деньги.

Посмотрите в платежные квитанции за квартиру – сколько вы тратите, в среднем, горячей и холодной воды в месяц. Это и есть базовые цифры. А затем ознакомьтесь с этикеткой выбранного картриджа, переговорите с консультантом. Разделив потребление воды в месяц на ресурс выбранного фильтра, вы определите частоту замены элемента и затраты на его периодическое приобретение. Используете много воды? В квартире ванна джакузи или маленькие дети? Ваш выбор – корпус ВВ20 и механический 5-микронный элемент для холодной воды плюс фильтр 20 дюймов для горячейводына входе в квартиру. Экономите воду? Надежные десятидюймовые корпуса и соответствующие элементы будет вполне приемлемы. Не следует забывать и о дехлорировании воды. Для этоготакже есть специальные средства, которые комбинируются с «механикой».

В заключение хотим показать читателю фотографию двух механических нитяных картриджей, отработавших штатный ресурс на достаточно благоприятной воде, подготовленной водоканалом (рис. 9). Не сомневаясь в качестве производимой им воды, мы, тем не менее, наблюдаем отчетливую картину загрязнений, связанную с транспортировкой воды по трубопроводам «не первой молодости» от водоканала до квартиры.

К сожалению, подобная картина наблюдается во многих городах Украины и показывает, что обсуждаемая нами сегодня тема очень актуальна, а механические картриджи, исходя из вышеизложенного, устройства совсем не примитивные, а «продвинутые» и технологически оправданные. Кроме того, мы глубоко убеждены, что их использование населением, наряду с другими способами водоподготовки, – это недорогое и эффективное решение проблемы вторичных загрязнений питьевой воды старыми трубопроводами.