Фільтруючі картриджі: від простого до складного

В. Л. Пономарьов, к. т. н., провідний інженер відділу досліджень та розробок НВО «Екософт»

В останні десятиліття словосполучення «фільтруючий елемент», добре знайоме фахівцям, сягає минулого. На зміну йому в побуті та техніці з'явився сучасний термін «картридж». Картридж (англ. cartridge – патрон до вогнепальної зброї), або у ширшому розумінні – цілісний та самодостатній змінний елемент до будь-якого обладнання. На наш погляд, подібне тлумачення цілком відповідає сьогоднішньому предмету нашого обговорення. Ми залишаємо за собою право іноді за текстом називати його по-старому, з поваги до технічних досягнень минулого століття.

Картриджів для фільтрації рідин та газів існує безліч. Відрізняються вони за формою, структурою, матеріалами, призначенням, властивостями, технологіями виготовлення, обладнанням для фільтрації тощо. Тому в цій статті нам доведеться на чомусь зупинитися.

До обговорення у цій статті пропонується механічний (або осадовий) картридж для фільтрації води, як найбільш відомий і використовуваний широким колом читачів у домашніх умовах. Загалом він дуже схожий на звичайне сито, яке утримує частинки, нездатні через свої великі розміри пройти через отвори в сітці. На відміну від дрібнозернистих засипних фільтрів балонного типу, аналізовані елементи, що фільтрують, в більшості випадків є одноразовими, «працюють поки працюють», тобто поки не заб'ються опадами, а потім змінюються на нові. Деякі з них, наприклад, гофрованого типу «грубого рейтингу» в 100 мікрон, можуть бути очищені від осаду водою із садового шланга та використовуватися повторно. Але це швидше виняток із правил, ніж правило. Отже, механічний картридж. Це завжди циліндричне тіло певної довжини та діаметра. Потік води під тиском входить у циліндр зовні та виходить зсередини. Серйозне ставлення до його геометричних розмірів пов'язане з корпусами, які мають строгі геометричні розміри. При порушенні цих правил або корпус не закривається, або картридж не замкнеться ущільненнями. В результаті, що він є, що його немає - ефект фільтрації відсутній. Зрозуміло, що і картридж, і корпус не працюють один без одного, і пов'язані вони тому, як нитка з голкою. Саме їхнє об'єднання в одному пристрої отримало назву фільтр (рис. 1).

Які бувають механічні картриджі та як вони працюють

Структура циліндричного тіла об'єкта, що обговорюється, безпосередньо пов'язана з ефективністю утримання механічних домішок і ресурсом роботи. Загальноприйнято, що краще фільтруючий елемент «чистить» і що більше часу проходить до його заміни за інших рівних умов, тим він надійніше, а обслуговування вузла фільтрації дешевше. Тому при формуванні структури циліндра інженери та вчені використовують багато хитрощів. Свого часу топ-ідеєю стало збільшення площі фільтруючої поверхні циліндра за рахунок гофрування фільтруючого матеріалу. Так звані поверхневі картриджі виготовляються гофруванням пакета тонких шарів листового фільтруючого матеріалу та опорних підкладок. Вони вигідно відрізняються низьким гідродинамічним опором потоку, тривалим ресурсом роботи та високою ефективністю. Так званий намивний шар забруднень завжди концентрується на поверхні, що значно збільшує тонкість фільтрації. Як фільтруючі використовуються різноманітні матеріали, в тому числі і мембранного типу. Проте в області «тонких фільтрацій» води вони дорогі і використовуються в основному в промисловості на завершальних етапах відповідального технологічного ланцюжка. У побутовому водоочищенні "гофровані" картриджі зустрічаються, але досить рідко.

Конкурують з ними елементи об'ємної або глибинної дії з «спіненого» поліпропілену (рис. 2) та ниткові (рис. 3).

У картриджів глибинної дії товщина шару, що фільтрує, значно більша, ніж у поверхневих. За задумом розробників збільшена не площа поверхні, а об'єм пор циліндра. Чим більша величина так званої відкритої пористості і чим рівномірніший розподіл пір за розмірами в різних ділянках обсягу, тим краще. Причому працює він за принципом вирви: на поверхні циліндра пори більше, а всередині менше, що сприяє опрацюванню всього об'єму, що фільтрує, і рівномірному розподілу частинок в товщі матеріалу. Для того щоб проникнути через таку перешкоду, частка змушена пройти дуже складний і звивистий шлях, що розширює можливості її захоплення. Картриджі глибинної дії дозволяють вловлювати частинки різних розмірів. Правда, подібний шар, що фільтрує, накопичуючи забруднення, призводить до більш високих перепадів тиску, ніж поверхневий, при порівнянному розмірі пор.

Всім добре відомі і дуже популярні елементи з дрібних пресованих гранул активованого вугілля, звані карбон-блоками, які також, по суті, можна віднести до розряду адсорбційно-механічних (рис. 4).

Поряд із глибинною фільтрацією, вони ефективно адсорбують хлор та хлорпохідні, видаляють запахи та присмаки, знижують каламутність за рахунок адсорбції дрібних колоїдних частинок.

Однією з останніх цікавих розробок є так звані «заряджені» адсорбційні картриджі. Вони можуть бути виконані як в гофрованому варіанті, так і глибинному, але відрізняються здатністю крім механічної осадової фільтрації забезпечувати ще й «електрокінетіческую адсорбцію». Завдяки цій властивості «заряджені» можуть утримувати з потоку води мікроорганізми та колоїдні частинки значно менших розмірів, ніж найменші структурні пори. Наприклад, при середньому розмірі пор 2 мікрони, за рахунок адсорбційних властивостей утримуються частинки та бактерії діаметром до 0,2 мікронів.

Трохи про технологію виробництва

Вибравши механічні картриджі як предмет обговорення, ми з гордістю можемо відзначити, що сьогодні вони випускаються в Україні та необхідність придбання більшості з них за кордоном відпала. Тому, користуючись можливістю ілюструвати статтю «живими» фотографіями українського виробництва, пропонуємо ознайомитись із короткою технологією виготовлення деяких із них. Отже, елементи, що фільтрують, з «спіненого» поліпропілену. Хочемо відразу відзначити, що піни в них немає, і звідки з'явилася така назва, нам невідомо. У Європі та США дана технологія виробництва картриджів і нетканих полотен називається melt blowning, скорочено МВ, що дослівно означає «розплав, що роздувається». У нас – пневмоекструзія, а картриджі – пневмоекструзійні. Процес цей справді унікальний, оскільки дозволяє отримати мікроволокна з діаметрами в діапазоні від 2 до 4 мікрон. Хоча технологія «здатна» і більш тонкі волокна до 0,1 мікрона, і більш грубі. Зрозуміло, що чим тонший діаметр волокон у шарі, тим менші розміри пір у фільтруючому елементі і тим краще затримує мікронні частинки. "Тонкий" картридж зробити значно важче, ніж "грубий". Стандартні методи формування хімічних волокон з розплавів полімерів обмежені у своїх можливостях зменшення діаметра елементарного волокна.

Якщо все вищевикладене висловити сухою мовою технологічного регламенту, то отримуємо метод, який полягає у формуванні розплаву поліпропілену через фільєри з наступним розтягуванням екструдатів, що не остигли, потоком гарячого повітря і нанесенням на обертовий гвинтовий циліндричний стрижень. Конструкція приймального пристрою (він же обертовий гвинтовий стрижень) дозволяє забезпечити безперервний процес формування безкаркасних елементів, їх різання та знімання. Отримана структура картриджів жорстка і стабільна, оскільки зафіксована термозшивками мікроволокон і злегка підпресована спеціальним валиком. Приймальна частина пневмоекструзійної технологічної лінії показана на рис. 5. При простоті технології оператор повинен контролювати 19 параметрів процесу, крім вхідного контролю якості вихідної сировини. Змінюючи ключові параметри, можна отримувати картриджі різного мікронного рейтингу від 1 до 100 мікрон, різної довжини та діаметра, починаючи з 10 дюймів і закінчуючи 40 дюймами. З нитковими картриджами питання трохи простіше. Установка фактично перемотує текстуровану мультифіламентну нитку з бобіни на знімний, що обертається, перфорований дренажний каркас, який служить основою майбутнього фільтруючого елемента (рис. 6).

"Домотавши" до певного діаметру, вона автоматично зупиняється, оператор обрізає нитку, знімає готовий картридж, ставить новий дренажний каркас, заправивши в нього кінець нитки, і процес триває. Секрет «успішного» картриджа закладено у властивостях вихідної текстурованої нитки та геометрії зворотно-поступального механізму, простіше матриці, що задає нітера-складачеві необхідний характер переміщень. Саме від матриці залежить мікронний рейтинг та геометричні розміри фільтруючого елемента.

Переходимо до вугільних картриджів. Технологія виробництва елементів типу карбон-блок полягає у формуванні трубної заготовки із суміші дрібнодисперсного гранульованого вугілля та полімерного наповнювача екструзійним способом при підвищеній температурі та тиску (рис.7). Спосіб виготовлення такого елемента дозволяє створювати вироби різної пористості, залежно від заданих технологічних параметрів, і отримувати щільну структуру блоку, що практично унеможливлює утворення прохідних каналів для потоку рідини при його використанні. Зовнішня та внутрішня поверхні елемента закриваються нетканим матеріалом, що виконує функції перед- та постфільтра. Наклеєні розплавом торцеві кришки з плоскими прокладками забезпечують надійне ущільнення елемента, що фільтрує, при використанні. Виробництво включає головну технологічну лінію, яка закінчується порізкою трубної заготовки на необхідні сегменти (брикети), ділянки комплектації, склеювання та пакування в термозбіжну плівку (рис. 8).

Про критерії якості

Оскільки ми вже знаємо, які бувають різновиди механічних картриджів і як вони виходять, то саме час заглибитись у більш тонке питання – ефективності їхньої роботи та її перевірки. З цією метою міжнародними нормами прийнято три критерії оцінки: номінальний рейтинг, абсолютний рейтинг та бета-коефіцієнт. Рейтинги зазвичай вказуються у мікронах. Мікрон це стандартна міра розміру, яку використовують усі виробники «тонких» фільтрів. Для простоти пригадаємо, що діаметр людського волосся складає в середньому 90 мікрон, а нижня зона дії виробів, що розглядаються, приблизно становить 1/300 діаметра людського волосся.

Більшість виробників, рекламуючи свою продукцію, характеризують її за здатністю видалення частинок із води до заданого розміру. До розмірів частинок та їх кількості «прив'язані» прямі критерії оцінки. Найбільш поширеними критеріями є номінальний та абсолютний рейтинги. За правилами WQA (США), номінальний рейтинг означає, що картридж утримуватиме щонайменше 85% частинок, для яких він розроблений. Іншими словами, змінний елемент, який оцінюється номіналом в 1 мікрон, повинен відфільтрувати з води, що пройшла через нього, 85% частинок розміром 1 мікрон і більше. Щоправда, поняття номінального рейтингу варіюється від одного виробника до іншого. Деякі з них для некритичних додатків своєї продукції розглядають і 70% ефективності, що цілком підходить.

Усі представлені вище механічні картриджі для домашньої водопідготовки випускаються українським виробником із номінальним рейтингом не менше 85%. Цей параметр перевіряється на основі стандарту Великобританії BS EN 13443-2:2005+A1:2007, який називається “Water conditioning equipment inside buildings – Mechanical filters”.

Ще один критерій оцінки ефективності механічних картриджів – бета-коефіцієнт, що використовується значно рідше. Він встановлює співвідношення між частинками, які затриманий гофрований елемент і частинками, які він пропустив. Математично це виражається розподілом кількості частинок у вихідній воді на кількість частинок у фільтраті. Зрозуміло, що що вище бета-коэффициент, краще. Наприклад, коефіцієнт рівний 5000 означатиме, що через змінний елемент може пройти тільки одна частка з п'яти тисяч, а коефіцієнт 100, відповідно, означає одну минулу частинку зі 100. Відповідно картридж з бета-коефіцієнтом 5000 в п'ятдесят разів краще аналога з бета- коефіцієнтом 100.

На жаль, в даний час не існує універсального стандарту, що підтверджує абсолютний рейтинг або бета-коефіцієнт 5000. Але в кінцевого користувача, де змінні елементи використовуються у відповідальних технологіях (фармацевтична, електронна, медична промисловість), існують власні методики перевірки. Найчастіше лінія фільтрації проектується за даними виробника фільтрів, а оцінюється за властивостями готової продукції чи фільтрату. Однак отримані в лабораторії цифри не дають жодної гарантії, що в реальних, а не лабораторних умовах мікрофільтрація так само ефективна. Картридж, який добре працює в одних умовах, може не працювати в інших, оскільки дуже важливі не тільки його пористі характеристики, а й умови роботи. Але про це ми поговоримо трохи згодом.

Про забруднення у воді

Корисно докладніше зупинитися характері забруднень. Підготовлена ​​водоканалами вода, що пройшла довгий шлях трубопроводами, не балує різноманітністю механічних забруднювачів. Зустрічаються в ній усім знайомі мікрочастинки іржі та глини жовто-коричневого кольору, сколи труб, частинки піску. Ці забруднювачі легко видаляються із води. А ось гнучкі волокноподібні бактеріальні структури видаляються значно складніше, оскільки мають властивість «проповзати» через звивисті фільтруючі матриці. Але найбільш підступні гелі. Прикладом гелю є бактеріальний слиз, що з'являється в водопроводах, що давно не хлоруються, в жарку пору року. Вона за пару днів може вивести з ладу найсвіжіший фільтр.

Говорячи про забруднення, слід розуміти, який обсяг часток має бути видалено фільтруванням. Якщо концентраційне навантаження невелике, як, наприклад, у водопровідній воді, можуть бути використані відносно прості схеми. Якщо концентрація забруднень значна, використовують принципово інші фільтри безперервної дії, що скидають накопичений осад, або багатоступінчаста схема.

Тепер настав час обговорити технологічні та технічні аспекти застосування механічних картриджів. У промисловості, де використовується вода або розчини на її основі, процес мікрофільтрації має вирішальне значення для якості продуктів, продуктивності процесів та їх вартості. При неправильно підібраних фільтрах або неправильно наміченому місці їх установки можуть бути виведені з ладу насоси, рідке середовище стане непридатним, а кінцевий продукт забруднений. Тому рік у рік зростає перелік характеристик та нормативних критеріїв «правильної фільтрації». На деяких із них ми зупинимося нижче.

Яка потрібна чистота

В першу чергу кінцевий споживач повинен визначити бажаний результат мікрофільтрації. Іншими словами, наскільки очищене має бути технологічне середовище. Після цього вибирається відповідна система за п'ятьма критеріями: витрата, тиск, температура, сумісність, вартість. Якщо її обрано правильно – буде і ефективна, і економічна. Щоб визначити, якою мірою очищення потрібно досягти, ми повинні знати, де і як буде використана відфільтрована рідина. Наприклад, це охолодна вода в рециркуляції або очищення та повернення у виробництво стічних вод, або вода для напоїв, або промивання деіонізованою водою мікросхем в електроніці, або виробництво ін'єкційних розчинів, або вода в квартирі. Вимоги для різних сегментів ринку значно відрізняються, але вони можуть бути дуже схожими.

Якою має бути продуктивність

При виборі потрібного розміру картриджів та їх кількості типу корпусу для установки завжди слід збалансувати очікуваний результат і витрати. Простіше кажучи, якщо фільтр занадто великий і вибраний із «запасом», це може коштувати занадто дорого. А якщо він буде надто маленький, то буде перевантажений і не зможе забезпечити необхідну витрату. Крім того, збільшиться частота замін картриджів, знизиться ефективність та ін.

Декілька слів про домашню водопідготовку

Повернемося до першого малюнку на початку статті, де показаний комплект із корпусу та картриджа для очищення холодної води, що надходить у квартиру. Вибір домашньої системи потребує певних знань та досвіду. Якщо на виробництві в основі всіх хвилювань лежить якість продукції, то в домашніх умовах бажання отримати воду безосадків має корелювати з безпекою вашої квартири і сусідів знизу. В основі вибору лежить надійність, надійність і ще раз надійність. За правилами NSF, корпус повинен мати відповідну стійкість до тиску та гідроударів, що має бути відображено на етикетці. Усю комплектацію, включаючи приєднувальні фітинги, слід купувати у фірмових магазинах із гарантійним талоном та чеком. Не треба на цьому економити та розшукувати на базарах, що дешевше. Якщо ви живете в багатоповерхівці, де високий тиск води в магістралях і існує можливість гідроударів, без компенсатора гідроударів і регулятора тиску рекомендуємо навіть не починати рух. До речі, згадані пристрої не тільки допоможуть вам в аварійних ситуаціях, а й пристойно заощадять витрату води, а відповідно гроші.

Подивіться в платіжні квитанції за квартиру – скільки ви витрачаєте, у середньому, гарячої та холодної води на місяць. Це і є базові цифри. А потім ознайомтеся з етикеткою вибраного картриджа, переговоріть із консультантом. Розділивши споживання води на місяць на ресурс вибраного фільтра, ви визначите частоту заміни елемента та витрати на його періодичне придбання. Використовуєте багато води? У квартирі ванна джакузі чи маленькі діти? Ваш вибір - корпус ВВ20 і механічний 5-мікронний елемент для холодної води плюс фільтр 20 дюймів для гарячої води на вході в квартиру. Заощаджуєте воду? Надійні десятидюймові корпуси та відповідні елементи будуть цілком прийнятними. Не слід забувати і про дехлорування води. Для цього також є спеціальні засоби, які комбінуються з «механікою».

Насамкінець хочемо показати читачеві фотографію двох механічних ниткових картриджів, які відпрацювали штатний ресурс на досить сприятливій воді, підготовленій водоканалом. Не сумніваючись у якості води, яку він виробляє, ми, проте, спостерігаємо виразну картину забруднень, пов'язану з транспортуванням води трубопроводами «не першої молодості» від водоканалу до квартири.

На жаль, подібна картина спостерігається в багатьох містах України і показує, що тема, що обговорюється сьогодні, дуже актуальна, а механічні картриджі, виходячи з вищевикладеного, пристрої зовсім не примітивні, а «просунуті» і технологічно виправдані. Крім того, ми глибоко переконані, що їх використання населенням поряд з іншими способами водопідготовки – це недороге та ефективне вирішення проблеми вторинних забруднень питної води старими трубопроводами.