RU156676U1 - Фильтрующий патрон - Google Patents

Abstract

1. Фильтрующий патрон для очистки сточной воды, состоящий из непроницаемого для воды корпуса и проницаемых его верхнего и нижнего концов, закрытых проницаемыми верхней и нижней решётками, содержащий сорбционную зернистую загрузку из природного цеолита, содержащего не менее 50% весовых клиноптилолита, отличающийся тем, что перед слоем цеолита по ходу движения воды дополнительно расположен слой зернистого активированного угля.2. Фильтрующий патрон по п. 1, отличающийся тем, что перед слоем зернистого активированного угля по ходу движения воды находится слой волокнистого фильтрующего материала.3. Фильтрующий патрон по п. 2, отличающийся тем, что волокнистый фильтрующий материал химически модифицирован с обеспечением увеличения гидрофильности или гидрофобности поверхности этого материала.4. Фильтрующий патрон по п. 2, отличающийся тем, что фильтрующий материал выполнен многослойным.5. Фильтрующий патрон по п. 4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из слоёв фильтрующего материала - угольная ткань.6. Фильтрующий патрон по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что слой активированного угля состоит из, по меньшей мере, двух слоёв активированных углей с различными гидрофильно-гидрофобными свойствами.

Description

Область техники

Полезная модель относится к области очистки сточных вод, а именно к устройствам для их очистки.

Уровень техники

Известен фильтр для очистки сточных вод, содержащий установленный в водоеме каркас с размещенным внутри него заполнителем для очистки. В качестве заполнителя для очистки используются зернистые щебеночные сорбенты, в том числе цеолит (Патент РФ на полезную модель №41303 C02F 9/00, опубл. 20.10.2004 г).

Известен также фильтрующий патрон, состоящий из непроницаемого для воды корпуса и проницаемых верхнего и нижнего концов, закрытых проницаемыми верхней и нижней решетками, содержащий сорбционную загрузку из природного цеолита, в котором содержание клиноптилолита не менее 50% весовых (Патент РФ на полезную модель №151523 B01D 27/02, C02F 1/28, опубл. 10.04.2015 г).

Данное решение является наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели и принято за прототип.

Недостатком данных устройств является их малый ресурс работы при очистке вод от ионов тяжелых металлов при наличии в воде нефтепродуктов, обычно присутствующих в ливневых сточных водах.

Раскрытие полезной модели

Задачей заявляемой полезной модели является разработка конструкции фильтрующего патрона, обеспечивающего наилучшую среди известных очистку сточных вод от ионов тяжелых металлов в присутствии нефтепродуктов для технических и технологических целей в водообороте, а также их сброса в водохозяйственные и рыбохозяйственные водоемы и городскую ливневую канализацию.

Технический результат полезной модели заключается в увеличении ресурса ее работы по очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов в присутствии в воде нефтепродуктов.

Заявляемый технический результат достигается тем, что фильтрующий патрон, состоящий из непроницаемого для воды корпуса и проницаемых верхнего и нижнего концов, закрытых проницаемыми верхней и нижней решетками, содержащий сорбционную зернистую загрузку из природного цеолита, содержащего не менее 50% весовых клиноптилолита, отличающийся тем, что перед слоем загрузки из природного цеолита по ходу движения воды расположен слой зернистого активированного угля.

В одном из вариантов осуществления полезной модели фильтрующий патрон содержит перед слоем зернистого активированного угля по ходу движения воды слой волокнистого фильтрующего материала, который может быть дополнительно химически модифицирован с обеспечением увеличения гидрофильности или гидрофобности поверхности этого материала.

В еще одном из вариантов осуществления полезной модели фильтрующий патрон содержит перед слоем зернистого активированного угля по ходу движения воды волокнистый фильтрующий материал, который может быть выполнен многослойным, причем по меньшей мере один из этих слоев может быть угольной тканью.

В еще одном из вариантов осуществления полезной модели фильтрующий патрон содержит слой зернистого активированного угля, состоящего из по меньшей мере двух слоев активированных углей с различными гидрофильно-гидрофобными свойствами.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания сущности полезной модели рассматривается ее описание с привлечением сопровождающих чертежей.

Фиг. 1. Общий вид в разрезе фильтрующего патрона, установленного в бетонный колодец ливневой канализации, с подачей неочищенной воды снизу.

Фиг. 2 Общий вид в разрезе фильтрующего патрона, установленного в бетонный колодец ливневой канализации, с подачей неочищенной воды сверху.

Предлагаемые чертежи иллюстрируют только некоторые предпочтительные варианты выполнения полезной модели и поэтому не могут рассматриваться в качестве ограничения содержания полезной модели, которое не включает другие варианты ее исполнения.

Осуществление полезной модели

Заявляемый фильтрующий патрон используется для очистки ливневых, производственных или других сточных вод.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлено схематическое изображение фильтрующего патрона, установленного в железобетонный колодец системы очистки ливневых канализационных вод с подачей воды снизу (фиг. 1) и сверху (фиг. 2), где обозначены: 1 - железобетонный колодец, 2 - опорное кольцо, 3 - плита перекрытия железобетонного колодца, 4 - крышка люка, 5 - верхний трубопровод, 6 - фильтрующий патрон, 7 - природный цеолит, 8 - нижняя решетка, 9 - нижний трубопровод, 10 - верхняя решетка, 11 - слой зернистого активированного угля.

В случае подачи воды снизу (фиг. 1) неочищенная вода поступает через нижний трубопровод 9 внутрь колодца 1 и далее через нижнюю решетку 8 - внутрь фильтрующего патрона 6, расположенного на опорном кольце 2 внутри колодца 1. Внутри фильтрующего патрона 6 неочищенная вода проходит через слой зернистого активированного угля 11, затем дробленного природного цеолита 7 и через верхнюю решетку 10 выходит в верхнюю часть колодца 1, откуда сливается через верхний трубопровод 5.

В случае подачи воды сверху (фиг. 2) неочищенная вода поступает через верхний трубопровод 5 внутрь колодца 1 и далее через верхнюю решетку 10 внутрь фильтрующего патрона 6, расположенного на опорном кольце 2 внутри колодца 1. Внутри фильтрующего патрона 6 неочищенная вода проходит через слой зернистого активированного угля 11, затем дробленного природного цеолита 7 и через нижнюю решетку 8 выходит в нижнюю часть колодца 1, откуда сливается через нижний трубопровод 9.

В обоих случаях решетка 8 служит для поддержания слоя дробленного цеолита в фильтрующем патроне 6, а решетка 10 - для предотвращения высыпания цеолита из фильтрующего патрона 6 при его транспортировке, монтаже и демонтаже внутри колодца 1.

Природный цеолит представляет из себя зернистый материал алюмосиликатной природы, обладающий способностью поглощать ионы тяжелых металлов (по механизму ионного обмена). Природный цеолит состоит из цеолитовой фазы (в основном клиноптилолита) и минералов включения, наиболее часто из глинистого минерала - монтмориллонита.

Материалом, обладающим ионообменными свойствами, а следовательно и поглощающим ионы тяжелых металлов, является клиноптилолит, содержание которого в породе и определяет его эффективность при очистке им вод от ионов тяжелых металлов. Концентрация клиноптилолита в цеолитсодержащих породах различных промышленно освоенных месторождений России колеблется в широких пределах - от 20% весовых до 80%.

Эффективность очистки Э (%) фильтропатроном воды от ионов тяжелых металлов определяется по следующей формуле:

.

В таблице 1 (время работы фильтропатрона - 15 минут) представлено сравнение эффективности очистки модельной воды (концентрации иона марганца и иона меди создавались в воде искусственно и контролировались в пределах 3,15±0,08 мг/л для иона марганца и 2,37±0,25 мг/л для иона меди) на фильтрующем патроне, наполненном различными дроблеными природными цеолитами (фракция 1÷3 мм), отличающимися содержанием клиноптилолита.

Исходную концентрацию ионов в растворе получали растворением их солей в виде сульфатов и хлоридов в соответствующем количестве в дистиллированной воде.

Исходную концентрацию взвешенных частиц (мелкий кварцевый песок) получали по методике ГОСТ Р 51871-2002.

Испытания проводили на фильтрующем патроне диаметром 100 мм и общей высотой 1700 мм.

Определение концентрации ионов тяжелых металлов в пробах воды до и после фильтрующего патрона в процессе его испытаний проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии по ГОСТ Р 51309-99, а концентрации взвешенных веществ - весовым методом по РД 52.24.468-95.

Сравнения проводились при одинаковой линейной скорости прохождения жидкой фазы через фильтрующий патрон (равной 5±0,5 м/час). Высота слоя для всех видов загрузок была одинакова и составляла 1650 мм. Время осуществления замера концентрации соответствующего загрязнителя после фильтрующего патрона с момента начала его работы составляло 15 минут.

Как видно из таблицы 1, наибольшая эффективность очистки по ионам тяжелых металлов получается при содержании клиноптилолита - не менее 50% (весовых).

Реальные сточные воды (в том числе и поверхностные) содержат различные загрязняющие вещества органической природы и, в первую очередь, нефтепродукты. Нефтепродукты в сточных водах всегда содержатся одновременно в виде нерастворимых форм (пленочных и эмульгированных) и растворимых форм (истинные растворы различных углеводородов, входящих в состав нефтепродуктов).

Адсорбционная способность природных цеолитов по растворенным нефтепродуктам очень мала и они фактически не мешают сорбции ионов тяжелых металлов на активных ионообменных центрах цеолита.

Эмульгированные нефтепродукты, находящиеся в воде в виде микрокапель различного размера, значительно ухудшают сорбционную емкость цеолита по ионам тяжелых металлов. Это происходит вследствие того, что микрокапли нефтепродуктов прилипают к поверхности частиц природного цеолита за счет адгезии и блокируют поры, находящиеся на поверхности этих частиц, что в целом затрудняет массообмен ионов тяжелых металлов с внутренними порами (внутри частиц) цеолита, где они и должны поглощаться.

Это приводит, в свою очередь, к быстрому проскоку ионов тяжелых металлов через фильтропатрон, то есть сокращает ресурс его работы.

Технический результат полезной модели заключается в увеличении ресурса ее работы по очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов в присутствии в воде нефтепродуктов.

В таблицах 2, 3 и 4 представлено сравнение ресурса (времени работы фильтропатрона до появления на выходе проскоковой концентрации ионов тяжелых металлов 0,1 мг/дм³ при отсутствии в воде нефтепродуктов). Для испытаний использовали природный цеолит (порода Бадинского месторождения, Восточная Сибирь, с содержанием в ней клиноптилолита 70±5% весовых и монтмориллонита меньше 5% весовых) фракции 3-5 мм. Анализ проводили по иону Mn²⁺ (марганец), Pb²⁺ (свинец) и Cu²⁺ (медь).

Концентрация ионов тяжелых металлов определялась фотометрически (ГОСТ 4974-72 - для марганца и ГОСТ 4388-72 - для меди) и атомно-абсорбционным методом (ГОСТ 51309-99 - для свинца).

Ресурс выражали, кроме времени работы фильтропатрона до проскока, еще и величиной объема пропущенной через фильтропатрон исходной загрязненной воды, соответствующего времени работы фильтра до проскока.

Исходную концентрацию ионов в растворе (для иона марганца она составлена 3,1±0,1 мг/дм³, для свинца 1,8±0,1 мг/дм³, для меди 2,0±0,1 мг/дм³) получали растворением их солей в виде нитратов в соответствующем количестве в очищенной водопроводной воде.

Исходная концентрация нефтепродуктов (турбинное масло ТН-22 с) ~10±2 мг/ дм.

Испытания проводили на фильтрующем патроне диаметром 200 мм и общей высотой 1800 мм.

Сравнение ресурса работы по ионам тяжелых металлов проводилось при одинаковой линейной скорости прохождения жидкой фазы через фильтрующий патрон (4,5±0,5 м/час). Высота слоя загрузок адсорбионных материалов в фильтрующем патроне была одинакова и составляла 1750 мм. Пробы воды (до и после фильтропатрона) отбирались после начала его работы с интервалом в 10 мин, консервировались и анализировались в соответствии с рекомендациями соответствующих методик определения загрязнителей.

Из таблиц 2, 3 и 4 видно, что наибольший ресурс (количество пропущенной через фильтропатрон воды до проскоковой концентрации на выходе из него 0,1 мг/дм³) наблюдается для свинца (493,5 дм³) и несколько ниже для марганца (305,5 дм³) и меди (258,5 дм³).

Присутствие в воде нефтепродуктов резко снижает ресурс работы фильтропатрона до проскоковой концентрации 0,1 мг/дм³ по этим компонентам.

В таблицах 5, 6, 7 представлено сравнение ресурса (в дм³) работы фильтрующего патрона в условиях, аналогичных предыдущим, но с наличием в воде нефтепродуктов (турбинное масло в концентрации 10±2 мг/дм). Концентрацию нефтепродуктов получали путем добавления эмульсии требуемого количества масла в воде (эмульсию получали на высокоскоростном диспергаторе лопастного типа) в общую расходную емкость с модельной сточной водой, где уже содержались ионы тяжелых металлов указанного выше состава и концентраций. Концентрацию нефтепродуктов в воде определяли по методике ФР 1.31.2007.03234 на приборе ИКН - 025.

Из таблиц 5, 6, 7 видно, что ресурс работы фильтрующего патрона в этом случае резко уменьшился: по ионам свинца и марганца - до 164,5 дм³, а по иону меди - до 141 дм³.

Реализация полезной модели, то есть размещение слоя активированного угля перед слоем цеолита по ходу движения воды через фильтрующий патрон значительно увеличивает ресурс его работы по ионам тяжелых металлов в присутствии нефтепродуктов.

В таблицах 8, 9, 10 представлены результаты эксперимента по удалению ионов тяжелых металлов в присутствии нефтепродуктов в условиях, аналогичных предыдущим экспериментам, но при наличии перед слоем цеолита слоя активированного угля (применяли уголь марки БАУ-А ГОСТ 6217-74). Высота слоя угля составляла 200 мм.

Из таблиц 8, 9, 10 видно, что ресурс работы фильтрующего патрона до проскоковой концентрации 0,1 мг/дм³ по ионам тяжелых металлов значительно возрастает при использовании слоя активированного угля по сравнению с ресурсом работы фильтропатрона без слоя угля (табл. 5, 6, 7) и приближается к ресурсу работы фильтропатрона с природным цеолитом в условиях отсутствия в воде нефтепродуктов (табл. 2, 3, 4).

Эффект уменьшения ресурса работы природного цеолита по ионам тяжелых металлов в присутствии нефтепродуктов объясняется блокирующим действием микрокапель масла, которые, прилипая к поверхности частиц цеолита, препятствуют диффузии ионов тяжелых металлов внутрь этих частиц, что, соответственно, приводит к уменьшению их сорбции цеолитом.

Эффект увеличения ресурса работы природного цеолита по ионам тяжелых металлов в присутствии нефтепродуктов при наличии перед слоем цеолита слоя активированного угля по ходу движения воды (то есть реализации данной полезной модели) объясняется тем, что слой активированного угля поглощает микрокапли масла, которые в результате этого уже не доходят до слоя цеолита, не блокируют его поры, что предотвращает ухудшение сорбции ионов тяжелых металлов цеолитом.

В качестве активированных углей используются известные в настоящее время, выпускаемые серийно и использующиеся для очистки жидких сред древесные, кокосовые, каменноугольные и другие активированные угли, например: БАУ-А, ДАК, БАУ, БОУ, АГ-3, АГ-3П, АКВАСОРБ, АБГ, АРМ, СКД, КАУСОРБ, СОРБЕР, ДАУСОРБ, Silcarbon, NWC, МАУ и другие. Эти угли, изготавливаемые из угольного сырья методом активации, имеют развитую пористость и способны поглощать нефтепродукты за счет сил адсорбции и капилярного впитывания. Особенности частных форм активированных углей не влияют на достижение заявляемого технического результата. Получение технического результата обеспечивается общими характеристиками указанных частных форм материалов, поскольку любой активированный уголь имеет поры разного (в том числе и малого) размера, а следовательно, способен задерживать микрокапли эмульгированных нефтепродуктов.

Наличие в заявляемом фильтрующем патроне перед слоем активированного угля (по ходу движения воды) слоя волокнистого фильтрующего материала также способствует увеличению ресурса работы фильтрующего патрона по очистке от ионов тяжелых металлов в присутствии нефтепродуктов, поскольку этот слой, за счет коалесцентного разделения фаз, поглощает большое количество эмульгированных микрокапель нефтепродуктов, что предотвращает их попадание на слой активированного угля и увеличивает ресурс его работы по нефтепродуктам, а это, в свою очередь, еще больше увеличивает ресурс работы цеолитовой загрузки и всего фильтрующего патрона по ионам тяжелых металлов.

Кроме того, микрокапли эмульгированных нефтепродуктов могут задерживаться волокнами фильтрующего материала не только за счет чисто ситового эффекта, но и вследствие «прилипания» этих частиц к волокнам по механизму адгезии (в том числе, электростатической адгезии).

В качестве волокнистого фильтрующего материала используются известные в настоящее время, выпускаемые серийно и использующиеся для фильтрации жидких сред тканые и нетканые материалы: геотекстиль (дорнит), синтепон, пористые полипропиленовые материалы (поливом и фильтропласт), ткани для фильтрации жидких сред (хлопчатобумажные, полипропиленовые, капроновые, угольные), стеклоткани и другие. Эти материалы, изготавливаемые из волокон в виде листа, имеют тканую или нетканую структуру и обладают способностью к просачиванию (фильтрации) через них жидкостей, что позволяет им задерживать микрокапли эмульгированных нефтепродуктов. Особенности частных форм листовых фильтрующих материалов не влияют на достижение заявляемого технического результата. Получение технического результата обеспечивается общими характеристиками указанных частных форм материалов, поскольку любой волокнистый фильтрующий материал имеет поры разного (в том числе и малого) размера, образованные волокнами, а следовательно, способен задерживать микрокапли эмульгированных нефтепродуктов.

Наличие в составе фильтрующего патрона химически модифицированного волокнистого фильтрующего материала с обеспечением увеличения гидрофильности или гидрофобности поверхности этого материала приводит к увеличению поглощения им микрокапель эмульгированных нефтепродуктов за счет явлений адгезии и электростатического притяжения, влияние которых увеличивается после химической обработки зернистого сорбционного материала с обеспечением увеличения гидрофильности или гидрофобности поверхности этого материала. При увеличении гидрофобности поверхности волокнистого фильтрующего материала увеличивается адгезия к нему незаряженных микрокапель нефтепродуктов. При увеличении гидрофильности поверхности волокнистого материала увеличивается адгезия к нему гидрофильных обратных мицелл (микрокапель нефтепродуктов, покрытых слоем поверхностно-активных веществ, природного или искусственного происхождения), которые всегда есть в реальных сточных водах, а также загрязненных микрокапель нефтепродуктов, образующихся вследствие их сольватации при сорбции органических ионообменных веществ (например, гуминовой природы). Таким образом, увеличение гидрофильности или гидрофобности волокнистого материала способствует достижению заявляемого технического результата полезной модели.

Наличие в составе фильтрующего патрона волокнистого фильтрующего материала, выполненного многослойным, также способствует достижению заявляемого технического результата полезной модели, поскольку различные слои этого материала могут задерживать различные по величине заряда и гидрофильно-гидрофобным свойствам микрокапли нефтепродуктов, то есть расширять перечень удаляемых форм нефтепродуктов из воды, что в целом способствует снижению нагрузки на слой активированного угля, а следовательно, и увеличивает ресурс работы цеолитовой загрузки фильтрующего патрона по ионам тяжелых металлов.

Использование в составе многослойного волокнистого фильтрующего материала по меньшей мере одного слоя угольной ткани также способствует достижению заявляемого технического результата полезной модели, по причине того, что угольная ткань состоит из волокон, имеющих значительное количество пор внутри этих волокон, которые при контакте с осевшими на волокнах микрокаплями эмульгированных нефтепродуктов интенсивно впитывают (за счет капиллярного эффекта) жидкую фазу нефтепродуктов внутрь объема волокна, освобождая его поверхность для адгезии новых микрокапель. Наличие же больше, чем одного слоя угольной ткани увеличивает общее количество нефтепродуктов, которое может быть впитано всеми слоями фильтрующего материала. Все это способствует снижению нагрузки на слой активированного угля, а следовательно, и увеличивает ресурс работы цеолитовой загрузки фильтрующего патрона по ионам тяжелых металлов.

Использование в фильтрующем патроне слоя активированного угля, состоящего из по меньшей мере двух слоев активированных углей с различными гидрофильно-гидрофобными свойствами, также способствует достижению заявляемого технического результата полезной модели потому, что различные угли обладают различными гидрофильно-гидрофобными свойствами, а следовательно, расширяют спектр удаляемых нефтепродуктов из водного потока и тем самым способствует увеличению ресурса работы цеолитовой загрузки фильтрующего патрона по ионам тяжелых металлов.

Claims (6)

1. Фильтрующий патрон для очистки сточной воды, состоящий из непроницаемого для воды корпуса и проницаемых его верхнего и нижнего концов, закрытых проницаемыми верхней и нижней решётками, содержащий сорбционную зернистую загрузку из природного цеолита, содержащего не менее 50% весовых клиноптилолита, отличающийся тем, что перед слоем цеолита по ходу движения воды дополнительно расположен слой зернистого активированного угля.

2. Фильтрующий патрон по п. 1, отличающийся тем, что перед слоем зернистого активированного угля по ходу движения воды находится слой волокнистого фильтрующего материала.

3. Фильтрующий патрон по п. 2, отличающийся тем, что волокнистый фильтрующий материал химически модифицирован с обеспечением увеличения гидрофильности или гидрофобности поверхности этого материала.

4. Фильтрующий патрон по п. 2, отличающийся тем, что фильтрующий материал выполнен многослойным.

5. Фильтрующий патрон по п. 4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из слоёв фильтрующего материала - угольная ткань.

6. Фильтрующий патрон по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что слой активированного угля состоит из, по меньшей мере, двух слоёв активированных углей с различными гидрофильно-гидрофобными свойствами.

Images