Фильтры Демкова для бытовых и промышленных нужд

Исследования, проводимые с 2005 по 2009 гг., на полупромышленных фильтрующих установках по очистки от нефтеорганики, взвешенных веществах, в 2009г. завершились на образце бытового фильтра, изготовленного из нержавеющей стали.

Данные исследования на опытном образце бытового фильтра проводились на виноматериалах ПАО «Массандра», с участием виноделов к. т. н В.С. Разуваема и А.В. Сибирякова. Для исследований был спроектирован опытный образец бытового фильтра, изготовленного полностью из пищевой нержавейки. На его создание ушло около 20 кг металла. Данными исследованиями решалась проблема более эффективной фильтрации вин, с удалением всех молочно-кислых бактерий и дрожжей, а также решение технико-экономических проблем фильтрации виноматериалов и аналогичных жидкостей (например, пива, водки, напитков и т.д.). На первом этапе, с помощью насоса от фильтрующей установки «Кобра», была проверена его пропускная способность. При давлении около 2 бар начался процесс фильтрации: за 6 секунд расход в 1 литр (10 л/ мин)!

Однако, это продолжалось не долго, давление на фильтре возросло до 3,5 бар (атм.), а производительность упала до 1 л в минуту…. Через несколько минут порвался фильтрующий материал (ФМ),. Это стало очевидным по давлению фильтрации: на входе и выходе давление сравнялось. Так начался процесс поиска приемлемых для производства инженерных, научных решений... Однако сделаем отступление – дайджест по фильтрации вина.

Фильтрация вин

Процесс фильтрации вина, в основном, состоит в создании намывного слоя из самих взвешенных в вине, образующих муть частиц. Второй способ фильтрации вина – фильтрация на фильтрах разной производительности типа «Прогресс» или «Кобра», в качестве фильтрующего материала здесь применяют картон различных типов по ГОСТ 12290 – 89 с размерами листов от 400 х 400 и меньше.

Материал для образования фильтрующего слоя должен пропускать через себя все вещества, растворенные в вине, и удерживать находящиеся во взвешенном состоянии. В качестве фильтрующего материала не могут быть применены растительные и животные полупроницаемые перепонки и оболочки, препятствующие прохождению коллоидов, которые содержатся в вине в растворенном состоянии.
Фильтрующий слой образуется перегородкой фильтра и отлагающимся в ней осадком.
В качестве перегородок в фильтрах применяются хлопчатобумажные, льняные и шерстяные ткани, а также жесткие металлические сетки, асбестовые, целлюлозные, асбестоцеллюлозные пластины, а также пластины из коллодия на целлюлозе, а в последнее время – пленки из перлона.
Некоторые из этих материалов, например ткани и сетки, имеют поры относительно очень большого диаметра, которые без определенной предварительной обработки не могут задерживать очень мелкие частицы, в частности бактерии. Поэтому для создания фильтрующего слоя, который задерживал бы мельчайшие взвешенные частицы, необходимо уменьшить размер пор тканей.

При фильтрации очень мутных вин фильтрующий слой иногда создают при помощи самих взвешенных в вине, образующих муть частиц. Для этого через ткань фильтра пропускают мутное без какой-либо предварительной обработки.
Обычно для создания фильтрующего слоя в вино перед фильтрацией вводят размельченный асбест, глину, целлюлозу, кизельгур (последний в настоящее время получил признание благодаря присущему ему свойству задерживать сложные вещества).
Чаще всего для этой цели применяется асбестовая фильтрационная масса. Эта масса изготовляется нескольких сортов, которые различаются между собой длиной волокна. Во все сорта добавляется целлюлоза. Смешение асбеста с целлюлозой увеличивает его набухаемость и «цепкость», т. е. способность плотно приставать к металлическим сеткам. Помимо этого, с добавлением целлюлозы увеличивается пропускная способность фильтрующего слоя. Так для столовых вин с тонкой, трудно удаляемой мутью, применяется коротко волокнистый чистый асбест, для молодых вин с более грубой мутью, а также для сладких - асбест с примесью целлюлозы.
Иногда для разрушения коллоидной системы вина, затрудняющей фильтрацию, кроме указанных веществ, в фильтрующую массу добавляют также оклеивающие материалы: желатин, рыбий клей и другие. Эта операция (оклейка фильтра) имеет тот недостаток, что в результате ее значительно уменьшается производительность фильтра.

Однако главной задачей сделать из виноматериалов продукт вино, которое можно разливать в бутылки и отправлять в магазины – это избавиться от имеющихся дрожжей и молочно – кислых бактерий. Похожая проблема стоит и при производстве пива и других напитков. В сухих винах эта задача имеет особое значение, иначе вино будет бродить в бутылке. Для решения проблемы стерилизации сухого вина его разливают при температуре 60˚ - 70˚ С – это и потери тепла, вкуса, необходимости дополнительного оборудования и котельной….

Фильтры. Среди применяемых в настоящее время в винодельческой промышленности систем фильтров основными являются намывные фильтры и фильтрпрессы. Эти фильтры выпускаются различных конструкций, изготовляются из разных материалов и различаются между собой по размерам и производительности.

Как видим, что процесс осветления вина очень сложный и не дешевый. Фильтр пресс из картона имеют существенные недостатки: ресурс по давлению до 2,5 – 3 бар, происходит тангенциальная фильтрация, в результате часть вина возвращается в емкости, картонный фильтр практически не регенерируют, для получения качественного вина перед фильтрацией его оклеивают. С кизельгуровыми фильтрами, не смотря на его лучшее качество фильтрации, проблем с намыванием слоя и регенерацией вызывают то же сложные проблемы, связанные с утилизацией или промывкой кизельгура, потери электроэнергии и времени для намывании слоя и другие.

Справка: молочно – кислые бактерии – в виде коки размером 0,5 -0,6 до 1 мкм; в виде палочки – размеры от 0,7 -1,1 до 3 - 8 мкм.

Процесс исследования фильтрации виноматериалов продолжился после некоторых конструктивных изменений в фильтре: усиления конструкций удерживающих шпилек, рамок, увеличения толщины слоя фильтрующего материала. Главная гидравлическая задача — перенести нагрузку в процессе фильтрации на все слои равномерно. Это может решаться только на реальных жидкостях в ходе экспериментов, с использованием устройства по очистки жидкости по патенту 87346 UA. Основные проблемы по фильтрации виноматериалов были решены на давлении до 3,5 бар. Однако этого было недостаточно: фильтрующие материалы могли выдержать максимальную нагрузку до 10 бар. Кстати, с таким давлением не работают ни кизельгуровые, ни картонные фильтры. От максимального давления фильтрации зависят технико-экономические показатели установки: производительность, фильтроцикл, ресурс фильтрующих материалов, надежность и т.д. Проблема фильтрации на таком давлении существенная: в ПАО «Массандра» отсутствуют насосы, способные создавать такое давление. Поэтому на последнем этапе исследований фильтрование виноматериалов проходило через кеговую бочку из-под пива. В бочку с виноматериалом подавался углекислый газ, под необходимым давлением от редуктора, в целях безопасности максимальное давление фильтрации было до 6 бар. Так получилось, что не оклеенный виноматериал, предназначенный для исследований, простоял больше недели. Не закрывая фланец на выходе фильтра, мы решили посмотреть, как идет изнутри процесс фильтрации. Начали подавать на фильтр виноматериал: 2, 4, 6 бар – фильтр выдал несколько капель – слез вина и больше мы из него не могли выдавить. Мы возмущались на него по этому поводу, а он только выделял слезы из вина на чистую поверхность фильтрующего материала… Мои виноделы махнули на фильтр рукой и разошлись по своим делам. Я стоял около своего фильтра и не мог понять, что же произошло. Подставив кружку под байпасную входную трубку, открыл кран, чтобы отобрать пробу виноматериала, который подавали на фильтр. В кружку потекла мутная, темно – коричневая жидкость. Тут я все понял и возмущенный с кружкой пошел к виноделам: «Мы должны фильтровать вино, а не этот выпавший на дно осадок!». Они поняли меня, без дальнейших объяснений: осадок был удален, фильтр регенерировали промывкой теплой водой в течение 3 минут. Включили снова фильтр в работу. После давления в 2 бар через фильтр потекла жидкость, которую можно уже назвать вином херес. Даже визуально можно было видеть, что эффективность фильтрации хорошая. Взяли пробы на анализ, до и после фильтрации, см. рис. 20. В лаборатории не было обнаружено ни бактерий, ни дрожей в пробе фильтрации. Вино стало стерильным! Вывод: фильтр может быть регенерирован даже после такой тяжелой фильтрации! Виноделы убедились в его эффективности и надежности в эксплуатации.

Однако вернемся к воде. Последние испытания фильтра на вине более наглядно продемонстрировало качество фильтрации жидкостей, а не только воды. Посмотрите на фотографию бокалов с вином до фильтрации и после (рис.19). Отличие видно на глаз, даже без анализов. Такое различие не возможно было бы увидеть на воде, где первоначальная мутность не большая, особенно на питьевой водопроводной воде.

Используя весь накопленный производственный, научный, инженерный опыт мной был создан бытовой фильтр на номинальную производительность около 400 л/час. Этот фильтр предназначен для установки в квартирах, частных домах, с установкой под кухонную мойку.

Технологический процесс фильтрации (снизу вверх, разделения фильтрующих слоев, регенерация и т.д.), и построения конструктивно фильтра на самую малую производительность была выполнена в соответствии с заявленной формулой изобретения (патент № 87346 UA). Данная конструкция оптимальна как по производительности, так и по эффективности фильтрации. Нами не поставлена задача на максимум — задержать все примеси в воде, в том числе минеральные соли (как для мембранных, обратноосмотических фильтров), а по житейски, оптимально просто и надежно: очистить воду от бактерий, взвешенных веществ на 100%, от органических примесей на 95%. При этом закладывались решения по надежности фильтра на разрыв. Конструктивно, после фильтрующий материал фиксируется резьбовым соединением шпильками на М8 на полную затяжку. Такого надежного, прочного соединения фильтрующего материала нет ни в одном цилиндрическом фильтре с картриджем (в том числе от компаний «Аквафор», «Гейзер» и других). Толщина стенок корпуса фильтра, изготовленной из стали 12Х18Н10Т, - 5, 10 мм! Она выдержит давление внутри 20 бар и более.

Сам фильтрующий материал рассчитал на давление по гидравлическому сопротивлению фильтрации до 10 бар! Это то давление на фильтр, при котором он не порвется. Надо отметить, что к давлению в фильтре надо подходить ответственно. Давление в водопроводных сетях достигает 10 – 15 бар, например в г. Ялта. Это давление, иногда, не выдерживают баки для горячей воды, и поэтому рекомендуют устанавливать редукторы давления. Это дополнительные затраты. Вот почему фильтрующий корпус фильтра из прочного металла.

Ресурс фильтрующего материала — почти бесконечная величина. Почему?

1. Он не истирается, потому как находиться в статическом состоянии.
2. Он не может порваться, т. к. рассчитан на давление фильтрации около 10 бар.
3. Механическая прочность полимера полипропилен почти не меняется со временем – на Ваш век хватит!

Фильтр, обслуживаемый производителем на трех технологических операциях.

Регенерация фильтрующего материала.

Для регенерации предусмотрена технологическая схема. Работает эта схема так. Закрывается кран 1/2" отбора воды. Открывается 3/4" кран на трубу с пластиковой бутылкой из – под минеральной воды «Оболонь» (качественная тара). Вода заполняет эту бутылку до определенного уровня, т. к. там находиться воздух. Он исполняет роль пружины – запас кинетической энергии. Далее закрываем 1/2" кран подачи воды и быстро открываем 3/4" кран на канализационную трубу. Давление воздуха в бутылке протолкнет профильтрованную воду в обратном направлении и смоет слой осадка из фильтра в канализацию. Сразу же закрываем кран на канализационную трубу. Такую операцию можно повторить несколько раз, но можно ограничиться и одной. Почему предлагаем повторить процесс промывки. Конструктивно хотелось бы иметь пластиковую бутылку, скажем, на 2 – 3 л, однако габариты кухонной мойки по высоте не позволяют устанавливать такие высокие бутылки, и мы остановились на одно литровой бутылке. Бутылку можно устанавливать как пластиковую, так и стеклянную, на выбор покупателя. Предлагаем операции промывки повторять 2 – 3 раза.

Когда надо проводить промывку, регенерацию ФМ? В динамическом режиме отбора воды, на номинальной производительности, надо посмотреть на показания верхнего и нижнего манометра. Если разница превышает 3 бар – проводите промывку. Она будет проходить быстрее, легче, чем при больших слоях осадка на фильтре.

Осадок на фильтрующем материале это хорошо или плохо? С точки зрения гидравлического сопротивления на ФМ это плохо (уменьшается производительность, больше давление). С точки зрения эффективности фильтрации - это хорошо, т. к. осадок выступает в качестве фильтра с «намывным слоем» (аналог – кизельгуровый фильтр): через него не будут проходить частицы примесей гораздо меньше, чем размер пор в фильтре, если бы такого слоя не было, - качество фильтрата улучшается. Поэтому в каждом случае надо искать самостоятельное решение – это задача собственника фильтра.

1. 1. Химическая дезинфекция фильтра.

При всем хорошем, что дает регенерация ФМ, предлагаем проводить после нее несложную химическую дезинфекцию фильтра. Когда ее надо проводить? Считаем, по времени, раз в месяц. Мы перестраховываемся потому, что те микробы, которые прошли в тело ФМ, их надо инактивировать перекисью водорода или перманганатом калия. Как это надо делать? Прежде всего, проводим регенерацию ФМ. Опорожнили фильтр. В 300 мл. воды растворяем упаковку из 6 таблеток гидроперита, что продается в аптеках по 2,5 грн. Через 15 минут проводим одну регенерацию фильтра, потом, через 10 минут, вторую. После второй регенерации фильтр можно включать в эксплуатационный режим. Это предлагаемый от производителя вариант. Можно искать, применять и другие – здесь нет трафаретных решений!

1. 2. «Стирка» фильтрующего материала.

Мы назвали этот процесс стиркой, т. к. фильтрующий материал, со временем, накапливает в себе микробы, мелкие примеси, от которых желательно избавиться. Для того чтобы все это почистить, и нужна эта технологическая операция. Рекомендуем ее проводить раз в месяц. Лучше это делать на ночь, когда фильтр не работает. Регламент. Проводим регенерацию ФМ, а затем на корпус фильтра сверху закрепляем излучатель из стиральной ультразвуковой машинки «Ретона» ("Экотон" или др.). Закреплять излучатель удобно или сырой резиной, или, положив излучатель в разрезанную пластиковую бутылку, вместо демонтированной для регенерации, для этого необходимо, чтобы корпус фильтра был заполнен водой, а в последнем варианте заполнена и разрезанная бутылка. Надо сказать, что скорость ультразвука в воде 1500 м/с, а в стали – 5000 м/с – в три раза больше. Поэтому кран на этой бутылки можно держать закрытой, чтобы не было перелива воды при каких либо ошибочных действиях.

После продолжительной обработки ультразвуком необходимо провести три интенсивных регенерации ФМ. Таким образом, мы провели физическую дезинфекцию фильтра. Он готов Вам служить и быть полезен.

Как видим, это новые взгляды на эксплуатацию бытового фильтра, которые отсутствуют у ближайших его аналогов.

По конструкции фильтра. Фильтр отличается от других конструкций своей многократной регенерацией ФМ. Этим решается проблема долгой эксплуатации фильтрующего материала. Почему это стало возможным? Для лучшей регенерации ФМ в бытовом фильтре мы ставим на входе 30 мкм фильтропласт, а на последнюю стадию фильтропласт с 0,3 мкм размер пор – соотношение 1:100. Между ними есть разрыв в 10 мм, чтобы осадок мог накапливаться между слоями. Таким образом, гарантировано, что все взвешенные вещества, бактерии не будут проходить через данный фильтр, фильтр будет многократно регенерируемый.