RU101442U1

RU101442U1 - HEAVY METAL WATER TREATMENT DEVICE

Info

Publication number: RU101442U1
Application number: RU2010139606/05U
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Михайлович Мисин; Евгений Владиленович Майоров; Людмила Дмитриевна Фаткуллина
Original assignee: Учреждение Российской Академии Наук Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Ран (Ибхф Ран); Открытое акционерное общество "Московский комитет по науке и технологиям" (ОАО "МКНТ")
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2011-01-20

Abstract

1. Устройство для доочистки воды от тяжелых металлов, включающее цилиндрический корпус с присоединенными к нему на противоположных торцах диффузором и конфузором и размещенный внутри корпуса соосно ему, по крайней мере, один фильтрующий элемент, представляющий собой свернутое в рулон полотно волокнистого ионообменного материала, скрепленное с гофрированным жестким разделительным материалом, при этом соединения корпуса с диффузором и конфузором выполнены разъемными, диаметр рулона совпадает с внутренним диаметром корпуса, а поток очищаемой воды ориентирован вдоль поверхности полотна волокнистого ионообменного материала. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полотно из ионообменного волокнистого материала представляет собой преимущественно тканое полотно. ! 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве гофрированного жесткого разделительного материала используют гофрированную фольгу из нержавеющей стали или другого нейтрального по отношению к воде гофрируемого материала. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтрующий элемент может быть выполнен составным. 1. A device for the purification of water from heavy metals, comprising a cylindrical body with a diffuser and confuser attached to it at opposite ends and placed at least one filter element coaxially with it, which is a web of fibrous ion-exchange material rolled into a roll, bonded to corrugated rigid separation material, while the connections of the housing with the diffuser and the confuser are made detachable, the diameter of the roll coincides with the internal diameter of the housing, and the flow aemoy water directed along the surface of the fibrous ion exchange material web. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that the fabric of ion-exchange fibrous material is mainly a woven fabric. ! 3. The device according to claim 1, characterized in that corrugated foil made of stainless steel or other corrugated material, neutral with respect to water, is used as a corrugated hard release material. ! 4. The device according to claim 1, characterized in that the filter element can be made integral.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области водоочистки, конкретно - к очистке воды от тяжелых металлов, и предназначена для использования в промышленных и бытовых системах водоочистки для доочистки от тяжелых металлов воды, предварительно очищенной от механических примесей и органических загрязнений.The proposed utility model relates to the field of water purification, specifically to the purification of water from heavy metals, and is intended for use in industrial and domestic water purification systems for the purification of heavy metals from water previously purified from mechanical impurities and organic contaminants.

Большинство современных технологий очистки воды от тяжелых металлов основано на использовании волокнистых ионообменных сорбентов, отличающихся от гранулированных сорбентов лучшими адсорбционными и эксплуатационными характеристиками. Для повышения качества очистки и увеличения ресурса работы сорбентов загрязненная вода должна быть предварительно очищена от механических примесей, поверхностно-активных веществ и нефтепродуктов, адсорбция которых на поверхности сорбентов снижает эффективность извлечения ионных загрязнений. С этой целью чаще всего используют проточные устройства с многослойной загрузкой, в которых последовательно расположены фильтрующие слои, обладающие разными сорбционными свойствами, а направление потока очищаемой воды перпендикулярно плоскости ориентации слоев сорбента [RU 2186036, C1; RU 2038316 С1; 2326715, C1; RU 26548, U1; RU 34526, U1 и др.]. Использование нескольких слоев с загрузкой, обладающей разными физическими характеристиками и сорбционными свойствами, усложняет конструкцию и затрудняет оптимизацию режима работы таких устройств. Общим недостатком устройств, в которых направление потока очищаемой воды перпендикулярно ориентации слоев сорбирующей загрузки, является сравнительно невысокая продолжительность контакта очищаемой воды с сорбентом при высоком сопротивлении потоку, что отрицательно сказывается на эффективности процесса очистки.Most modern technologies for purifying water from heavy metals are based on the use of fibrous ion-exchange sorbents that differ from granular sorbents in the best adsorption and performance characteristics. To improve the quality of cleaning and increase the service life of sorbents, contaminated water should be previously purified from mechanical impurities, surface-active substances and oil products, the adsorption of which on the surface of sorbents reduces the efficiency of extraction of ionic contaminants. For this purpose, flow-through devices with multilayer loading are most often used, in which filter layers with different sorption properties are arranged in series, and the flow direction of the purified water is perpendicular to the orientation plane of the sorbent layers [RU 2186036, C1; RU 2038316 C1; 2326715, C1; RU 26548, U1; RU 34526, U1, etc.]. The use of several layers with a load having different physical characteristics and sorption properties complicates the design and makes it difficult to optimize the operation mode of such devices. A common drawback of devices in which the direction of the stream of purified water is perpendicular to the orientation of the layers of the sorbent charge is the relatively short contact time of the purified water with the sorbent at high flow resistance, which negatively affects the efficiency of the cleaning process.

Для увеличения времени контакта очищаемой воды с сорбентом согласно изобретению [RU 2027677, C1] слои с фильтрующей загрузкой разной природы отделяют друг от друга горизонтальными перфорированными перегородками со строго установленным расположением отверстий и соотношением их площадей, обеспечивающим более равномерное распределение потока очищаемой жидкости и более длительный ее контакт с сорбентом. В полезной модели [RU 13207, U1], содержащей чередующиеся слои активированного угля, ионообменного материала и фильтров грубой и тонкой очистки, повышение эффективности контакта между очищаемой водой и фильтрующими слоями, расположенными перпендикулярно потоку жидкости, обеспечивается с помощью специальных рассекателей потока сложной формы, способствующих образованию завихрений и перемешиванию жидкости. Оба устройства характеризуются сложностью конструкции, невозможностью одновременной регенерации сорбентов с различающимися сорбционными характеристиками и высоким сопротивлением потоку жидкости.To increase the contact time of the purified water with the sorbent according to the invention [RU 2027677, C1], the layers with filter loading of different nature are separated from each other by horizontal perforated partitions with a strictly defined location of the holes and the ratio of their areas, providing a more uniform distribution of the flow of the cleaned liquid and its longer contact with the sorbent. In the utility model [RU 13207, U1], containing alternating layers of activated carbon, ion-exchange material and coarse and fine filters, the contact efficiency between the purified water and the filter layers located perpendicular to the fluid flow is improved by means of special flow dividers of complex shape, contributing to turbulence and fluid mixing. Both devices are characterized by the complexity of the design, the inability to simultaneously regenerate sorbents with different sorption characteristics and high resistance to liquid flow.

Учитывая вышесказанное, представляется целесообразным предварительно очищать воду от механических и органических загрязнений, а затем проводить доочистку от ионов тяжелых металлов на моносорбенте с ионообменными свойствами.In view of the foregoing, it seems advisable to pre-purify water from mechanical and organic contaminants, and then conduct post-treatment of heavy metal ions on a monosorbent with ion-exchange properties.

В качестве прототипа предлагаемой полезной модели взято устройство, описанное в [RU 2112582, С1,]. Устройство включает кожух с днищем и крышкой с отверстием, через которое вытекает очищенная вода, и размещенный внутри кожуха фильтрующий элемент, имеющий перфорированные боковые стенки и центральную, размещенную соосно боковым стенкам, перфорированную трубку, вокруг которой смотаны в рулон слои фильтрующего и разделительного материалов. Крышка кожуха выполнена съемной, корпус фильтрующего элемента размещен с зазором относительно стенок кожуха, а крышка фильтрующего элемента герметично сообщена с его корпусом и кожухом устройства. Подводящий очищаемую воду патрубок расположен в нижней части кожуха, и вода, просачиваясь через слои смотанного в рулон сорбента, очищается и попадает в центральную трубку, из которой выводится через отверстие в крышке. Слои фильтрующего материала, разделенные слоями пористого либо сетчатого материала, жестко присоединены к торцевым стенкам фильтрующего элемента.The device described in [RU 2112582, C1,] is taken as a prototype of the proposed utility model. The device includes a casing with a bottom and a lid with an opening through which purified water flows, and a filter element located inside the casing, having perforated side walls and a central perforated tube placed coaxially to the side walls, around which layers of filtering and separation materials are wound around a roll. The cover of the casing is removable, the housing of the filter element is placed with a gap relative to the walls of the casing, and the cover of the filter element is hermetically connected with its housing and the casing of the device. The pipe leading to the water to be cleaned is located in the lower part of the casing, and the water seeping through the layers of the sorbent wound into a roll is cleaned and enters the central tube, from which it is discharged through an opening in the cover. The layers of filter material, separated by layers of porous or mesh material, are rigidly attached to the end walls of the filter element.

Недостатком прототипа являются то, что поток очищаемой воды движется перпендикулярно плоскости слоев фильтрующего материала, что приводит к увеличению сопротивления потоку, не смотря на присутствие сетчатого или пористого разделителя слоев сорбента.The disadvantage of the prototype is that the flow of purified water moves perpendicular to the plane of the layers of filter material, which leads to an increase in resistance to flow, despite the presence of a mesh or porous separator of the sorbent layers.

Задачей настоящей полезной модели является создание простого в эксплуатации устройства для доочистки воды от тяжелых металлов, в котором извлечение тяжелых металлов достигается при минимальных гидравлических потерях.The objective of this utility model is to create an easy-to-use device for the purification of water from heavy metals, in which the extraction of heavy metals is achieved with minimal hydraulic losses.

Поставленная задача решается предлагаемым устройством для доочистки воды от тяжелых металлов, включающим цилиндрический корпус с присоединенными к нему на противоположных торцах диффузором и конфузором для ввода и вывода воды и, размещенный внутри корпуса соосно ему, по крайней мере, один фильтрующий элемент, представляющий собой свернутое в рулон полотно волокнистого ионообменного материала, скрепленное с гофрированным жестким разделительным материалом, при этом соединения корпуса с диффузором и конфузором выполнены разъемными, диаметр рулона совпадает с внутренним диаметром корпуса, а поток очищаемой воды ориентирован вдоль поверхности полотна волокнистого ионообменного материала.The problem is solved by the proposed device for the purification of water from heavy metals, including a cylindrical body with a diffuser and a confuser attached to it at opposite ends for water inlet and outlet and placed at least one filter element coaxial to it, which is folded into a roll of a web of fibrous ion-exchange material bonded to a corrugated rigid release material, while the connections of the housing to the diffuser and the confuser are detachable, di the roll meter coincides with the inner diameter of the body, and the flow of purified water is oriented along the surface of the web of fibrous ion-exchange material.

На Фиг.1 схематически показан общий вид предлагаемого устройства.Figure 1 schematically shows a General view of the proposed device.

На Фиг.2 схематически показано предлагаемое устройство в разрезе. В сечении А-А спиральный след двухслойной ленты, состоящей из скрепленных слоев фильтрующего полотна и разделительного материала, изображен условно в виде концентрических окружностей. Вид Б схематически показывает расположение каналов для тока воды, образованных зазорами между фильтрующим полотном и гофрами разделительного материала.Figure 2 schematically shows the proposed device in section. In section AA, a spiral trace of a two-layer tape consisting of bonded layers of a filtering cloth and a separation material is conventionally depicted in the form of concentric circles. View B schematically shows the location of the channels for the flow of water formed by the gaps between the filter cloth and the corrugations of the separation material.

На Фиг.3 показана схема устройства с использованием составного фильтрующего элемента.Figure 3 shows a diagram of a device using a composite filter element.

На Фиг.4 схематически показан вариант включения устройства в магистраль, позволяющий менять направление потока жидкости: схемы 4а и 46 соответствуют положениям 4-х ходового крана, обеспечивающим, соответственно, прямой и обратный поток воды.Figure 4 schematically shows a variant of the inclusion of the device in the highway, allowing you to change the direction of fluid flow: circuits 4a and 46 correspond to the positions of the 4-way valve, providing, respectively, direct and reverse flow of water.

Устройство содержит цилиндрический корпус 1, изготовленный из любого, инертного по отношению к воде материала, и расположенные в противоположных торцах корпуса диффузор 2 и конфузор 3, присоединенные к корпусу с помощью разъемных, например, резьбовых, соединений (на рисунках не показаны). Посредством резьбовых или других подходящих соединений через диффузор и конфузор устройство включают в магистральный водопровод. Внутри корпуса размещен фильтрующий элемент 4, представляющий собой расположенный соосно корпусу рулон из полотна волокнистого ионообменного материала 5, скрепленного с гофрированным разделительным материалом 6.The device comprises a cylindrical housing 1 made of any material inert with respect to water, and a diffuser 2 and a confuser 3 located at opposite ends of the housing and attached to the housing using detachable, for example, threaded, connections (not shown in the figures). Through threaded or other suitable connections through the diffuser and confuser, the device is included in the main water supply. Inside the housing there is a filter element 4, which is a roll of a web of fibrous ion-exchange material 5 located coaxially with the corrugated spacer material 6 located coaxially to the housing.

В качестве волокнистого ионообменного материала может быть использовано как нетканое, так и тканое полотно, однако, предпочтительно используют тканое полотно, которое, в отличие от нетканого полотна, хорошо держит форму, не разбухает и не комкуется под напором воды. В качестве ионообменного материала может быть использовано полотно, полученное на основе кислотных ионитов, например ВИОН КН-1, или полиамфолитов, например ВИОН АН-1, или их комбинаций.Both non-woven and woven fabric can be used as the fibrous ion-exchange material, however, a woven fabric is preferably used, which, unlike the non-woven fabric, keeps its shape well, does not swell and does not crumple under the pressure of water. As the ion-exchange material, a web based on acidic ion exchangers, for example VION KN-1, or polyampholytes, for example VION AN-1, or combinations thereof, can be used.

В качестве гофрированного разделительного материала может быть использована фольга толщиной 0,05-0,5 мм из нержавеющей стали или другого, нейтрального по отношению к воде, гофрируемого материала.As a corrugated release material, a 0.05-0.5 mm thick foil made of stainless steel or other water-neutral corrugated material can be used.

Для предотвращения сбивания полотна под напором жидкости его скрепляют с гофрированным разделительным материалом любым подходящим способом (например, заклепками или скобами из нержавеющей стали) в нескольких, расположенных случайным образом местах 7, а затем полученную двухслойную ленту сворачивают в рулон. Внешний диаметр рулона 4 совпадает с внутренним диаметром цилиндра 1. При использовании одного фильтрующего элемента его длина равна длине цилиндрического корпуса 1.To prevent the web from being knocked under the pressure of the liquid, it is fastened to the corrugated release material in any suitable way (for example, rivets or stainless steel brackets) in several randomly located places 7, and then the resulting two-layer tape is rolled up. The outer diameter of the roll 4 coincides with the inner diameter of the cylinder 1. When using one filter element, its length is equal to the length of the cylindrical body 1.

Возможно использование составного фильтрующего элемента, в котором каждая укороченная секция 8 устроена, как описано выше, а их суммарная длина равна длине цилиндрического корпуса.It is possible to use a composite filter element in which each shortened section 8 is arranged as described above, and their total length is equal to the length of the cylindrical body.

Гофрированный разделительный материал в конструкции фильтрующего элемента выполняет двоякую функцию: с одной стороны, он играет роль каркаса, предотвращающего сбивание и комкование фильтрующего полотна, а с другой стороны, формирует каналы для протекания очищаемой жидкости через фильтрующий элемент с минимальными гидравлическими потерями. Оси каналов, образующихся при сворачивании ленты в рулон, совпадают с осью цилиндрического корпуса 1 и с линиями тока жидкости. При ширине гофр около 1 мм образуются каналы с площадью сечения около 1 мм, обеспечивающие при незначительном гидравлическом сопротивлении эффективный контакт жидкости с сорбентом и эффективное поглощение тяжелых металлов.Corrugated separation material in the design of the filter element has a dual function: on the one hand, it plays the role of a frame that prevents knocking and clumping of the filter cloth, and on the other hand, forms channels for the flow of the cleaned fluid through the filter element with minimal hydraulic losses. The axis of the channels formed when the tape is rolled into a roll, coincide with the axis of the cylindrical body 1 and with the fluid flow lines. With a corrugation width of about 1 mm, channels are formed with a cross-sectional area of about 1 mm, which, with low hydraulic resistance, ensure effective contact of the liquid with the sorbent and effective absorption of heavy metals.

Устройство работает следующим образом. Предварительно очищенная от взвешенных частиц и органических примесей вода через диффузор 2 поступает в фильтрующий элемент 4, расположенный в цилиндрической части корпуса 1, при этом скорость потока снижается пропорционально соотношению площадей широкой и узкой частей диффузора. При движении вдоль каналов, образованных гофрами и сорбирующим полотном, вода на всем протяжении взаимодействует с ионообменным материалом, при этом происходит турбулизация потока, повышающая эффективность ионообмена. Движение потока воды вдоль слоев фильтрующего материала, а не перпендикулярно им, как в прототипе, обеспечивает извлечение ионов металлов при минимальных гидравлических потерях. На выходе из устройства через конфузор 3 очищенная вода восстанавливает скорость движения и попадает к потребителю.The device operates as follows. Pre-purified from suspended particles and organic impurities, water passes through a diffuser 2 to a filter element 4 located in the cylindrical part of the housing 1, while the flow rate decreases in proportion to the ratio of the areas of the wide and narrow parts of the diffuser. When moving along the channels formed by the corrugations and the sorbent web, water interacts with the ion-exchange material throughout, with turbulence in the flow increasing the efficiency of ion exchange. The movement of the water flow along the layers of the filter material, and not perpendicular to them, as in the prototype, provides the extraction of metal ions with minimal hydraulic losses. At the exit of the device through the confuser 3, purified water restores the speed of movement and enters the consumer.

Заполнение свободных ионных вакансий на поверхности сорбента приводит к снижению его адсорбционных характеристик и требует замены материала или его регенерации. Предлагаемая разъемная конструкция позволяет при необходимости легко проводить замену фильтрующих элементов.Filling of free ion vacancies on the surface of the sorbent leads to a decrease in its adsorption characteristics and requires replacement of the material or its regeneration. The proposed detachable design allows, if necessary, to easily replace the filter elements.

Дезактивация сорбирующего материала происходит неравномерно: по мере использования устройства в первую очередь дезактивируются участки сорбента, расположенные ближе к входной части. Для легкой частичной замены фильтрующего материала удобно использовать многосекционную загрузку, как показано на Фиг.3 в форме нескольких последовательно установленных коротких фильтрующих элементов. При этом потерявшие активность секции 8 могут быть легко заменены на новые и подвергнуты регенерации обычными способами вне устройства.Deactivation of the sorbent material occurs non-uniformly: as the device is used, the sites of the sorbent located closer to the inlet are first deactivated. For easy partial replacement of the filter material, it is convenient to use a multi-section loading, as shown in FIG. 3 in the form of several successively installed short filter elements. In this case, sections 8 that have lost activity can be easily replaced with new ones and regenerated by conventional methods outside the device.

Ресурс работы устройства можно увеличить, включив его в магистраль как показано на Фиг.4 посредством 4-х ходового крана 9, позволяющего менять направление тока жидкости на противоположное (4а и 4б), переключая, таким образом, повышенную сорбционную нагрузку на более активные участки сорбента.The service life of the device can be increased by including it in the line as shown in Fig. 4 by means of a 4-way valve 9, which allows changing the direction of the fluid flow to the opposite (4a and 4b), thus switching the increased sorption load to more active sections of the sorbent .

Claims

1. A device for the purification of water from heavy metals, comprising a cylindrical body with a diffuser and confuser attached to it at opposite ends and placed at least one filter element coaxially with it, which is a web of fibrous ion-exchange material rolled into a roll, bonded to corrugated rigid separation material, while the connections of the housing with the diffuser and the confuser are made detachable, the diameter of the roll coincides with the internal diameter of the housing, and the flow aemoy water directed along the surface of the fibrous ion exchange material web.

2. The device according to claim 1, characterized in that the fabric of ion-exchange fibrous material is predominantly a woven fabric.

3. The device according to claim 1, characterized in that corrugated foil made of stainless steel or other corrugated material, neutral with respect to water, is used as a corrugated hard release material.

4. The device according to claim 1, characterized in that the filter element can be made integral.