Фильтрующий материал и фильтр для очистки воды

Полезная модель относится к группе изделий для очистки воды и может быть использовано автономно при получении экологически чистой воды для дома или офиса, а также в составе технологического оборудования для предприятий по получения безалкогольных напитков, для пищевых производств, для кафе, ресторанов и т.п. Сущность технического решения состоит в том, что гранулы фильтрующего материала выполнены пористыми с размером пор от 1 до 40 мкм и диаметром 0,1-2,0 мм и содержат компонеты при, мас.%: диоксид кремния - 10-89, углерод - 10-89, серебро - 1. Размер частиц диоксида кремния и углерода составляет 0,5-80 нм, а серебра - 20-80 нм. Конструкция фильтра включает вертикальный цилиндрический корпус с входным и выходным штуцерами и, установленные в корпусе, верхнее и нижнее перфорированные дренажные перегородки с размещенным между ними гранулированным фильтрующим материалом. Гранулы фильтрующего материала выполнены пористыми с размером пор от 1 до 40 мкм и диаметром 0,1-2,0 мм, а нижняя дренажная перегородка подпружинена. Дренажные перегородки могут быть снабжены серебряным покрытием. Входной и выходной штуцеры размещены соосно оси корпуса. 2 н.п., 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Полезная модель относится к группе изделий для очистки воды и может быть использовано автономно при получении экологически чистой воды для дома или офиса, а также в составе технологического оборудования для предприятий по получения безалкогольных напитков, для пищевых производств, для кафе, ресторанов и т.п.

Известен фильтр, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса с днищем, эллиптической крышкой, входным и выходным штуцерами и установленные в корпусе перфорированные дренажные перегородки, между которыми загружен снизу вверх слоями фильтрующий материал состоящий из зерен марганцевой руды, горелой породы и активированного угля (описание к патенту RU 2139255, МПК 6 C02F 1/64, B01D 24/16, 23.01.1995).

Недостатком известного устройства является низкая скорость фильтрации и высокая трудоемкость разборки за счет многокомпонентности многослойного расположения фильтрующего материала.

Известен фильтрующий материал в виде активированного угля, на зерна которого нанесено металлическое серебро (описание к патенту RU 2139255, МПК 6 C02F 1/64, B01D 24/16, 23.01.1995)..

Недостатками известного фильтрующего материала являются ограниченные возможности сорбирования и низкая механическая прочность, и, как следствие, потери при очистке.

Задача полезной модели - улучшение эксплутационных характеристик фильтра.

Технический результат - увеличение срока службы и пропускной способности фильтра.

Технический результат достигается тем, что в фильтрующем материале для очистки воды в виде гранул импрегнированного серебром углерода, последние выполнены пористыми с размером пор от 1 до 40 мкм диаметром 0,1-2,0 мм и дополнительно содержат диоксид кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при этом размер частиц компонентов составляет диоксида кремния и углерода составляет 0,5-80 нм, а серебра - 20-80 нм.

Технический результат достигается тем, что в фильтре для очистки воды, включающем вертикальный цилиндрический корпус с входным и выходным штуцерами и, установленные в корпусе, верхнее и нижнее перфорированные дренажные перегородки с размещенным между ними фильтрующий материал, нижняя дренажная перегородка подпружинена, а гранулы фильтрующего материала выполнены пористыми с размером пор от 1 до 40 мкм и диаметром 0,1-2,0 мм.

При этом дренажные перегородки могут быть снабжены серебряным покрытием. Входной и выходной штуцеры могут быть размещены соосно оси корпуса.

Гранулы фильтрующего материала могут состоять из частиц диоксида кремния, углерода и серебра размером не более 80 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Выполнение гранул пористыми с размером пор от 1 до 40 мкм и диаметром 0,1-2,0 мм позволяет минимизировать гидродинамическое сопротивление очищаемой жидкости и обеспечивает возможность получения линейной скорости очищаемой жидкости белее 100 м³/м^2· ч.

Использование в качестве исходного сырья для фильтрующего материала наночастиц размером не более 80 нм углерода, диоксида кремния и серебра получить сорбент не только с высокой удельной поверхностью (750-900 м²/г), но и прочностью гранул на уровне пористой керамики (например, керамзита).

Поверхность гранул описываемого материала состоит из пор, отделенных друг от друга тонкими перегородками. Размер пор варьируется от 1 до 40 мкм. Практически вся поверхность занята кластерами углерода и диоксида кремния. Равномерно по поверхности распределены наночастицы серебра. Структура пористости гранул практически не имеет тупиковых пор, она обладает равнодоступностью жидкости ко всему объему нанокомпозита и является условием минимального гидродинамического сопротивления.

Несмотря на то, что каркас является прочным, он также является эластичным. Это подтверждается тем фактом, что при контакте с водой наблюдается увеличение исходного объема на 10-15%, при этом деструкция нанокомпозита не обнаружена. При контакте гранул фильтрующего с водой наблюдается образование флоккул, что объясняется наличием большого поверхностного заряда гранул. Природа этих зарядов объясняется свойствами наночастиц углерода и диоксида кремния. Например, наличие отрицательного заряда на кластерах диоксида кремния и положительного на наночастицах углерода приводит к образованию внутри микрогранул электрических диполей. Таким образом, поверхность, объем, и поры гранул состоят из таких диполей. При сорбции микропримесей места контактов диполей являются наиболее активными. Положительно заряженные частицы (например, коллоиды железа) электростатически притягиваются к отрицательно заряженным полюсам диполей. Отрицательно заряженные (например, фульво- и гуминовые кислоты) - притягиваются к положительно заряженным полюсам диполей. Сорбцию таких малополярных веществ, как бензол, толуол, четыреххлористый углерод, можно объяснить тем, что при попадании таких веществ в поры сорбента, у них появляется индуцированный заряд. Такой механизм сорбции имеет право на существование и экспериментально доказан. Таким образом, нанокомпозит одинаково эффективно поглощает не только примеси, имеющие заряд, но и неполярные электронейтральные вещества.

Фильтрующий материал может быть получен путем выбора компонентов, смешивания компонентов и пористого химически нейтрального связующего до глинообразного состояния, гранулирования полученной массы и последующей термообработки полученного гранулированного материала.

Количественный выбор компонентов осуществляется исходя из целей очистки. Так, например, для удаления органических примесей в соотношении компонентов, мас.% - диоксида кремния 10, углерода - 89, неорганических (железо, ионы тяжелых металлов) - диоксида кремния 89, углерода - 10. Для воды из водоемов средней полосы России - диоксида кремния и углерода в равных количествах.

На рис.1 представлено изображение при сканировании гранул фильтрующего материала на электронном микроскопе при разрешении 10 мкм; на рис.2, 3 - при разрешении 1 мкм; на рис.4 - при разрешении 0,5 мкм; рис.5 схематично представлен фильтр для очистки.

Фильтр включает полый вертикальный цилиндрический корпус 1 с соосными ему входным 2 и выходным 3 штуцерами. Внутри корпуса между двумя перфорированными дренажными перегородками 4 и 5 размещен гранулированный фильтрующий материал 6. Нижняя дренажная перегородка 4 подпружинено тарированной пружиной 7. Нижняя часть корпуса 1 закрыта днищем 8 и смыкается с корпусом хомутом 9 через уплотнение 10. Фильтр установлен на подставке 11, которая привинчивается к днищу 8 винтом 12. Нижний штуцер 3 соединяется одним концом с водной магистралью (трубопроводом), другой конец штуцера закрыт заглушкой 13. Верхний штуцер запитан на кран (не показан), регулирующий скорость отбора чистой воды.

Для очистки сырая неочищенная вода из водопровода или природного источника (в том числе, открытых водоемов: рек, прудов, водохранилищ или скважин) подается на фильтр снизу-вверх под избыточным давлением 0,2÷6,0 атм. Через нижний штуцер 2 и попадает в камеру-ловушку 14 крупных частиц (железная окалина, песок). Последняя образована в корпусе 1 между днищем 8 и нижней распределительной перегородкой 4. После прохождения всего слоя фильтрующего материала 6 очищенная вода собирается в камере сборки фильтрата 15, образованной верхней распределительной перегородкой 5 и крышкой корпуса 1 и через верхний штуцер 3 подается потребителю.

Очистка питьевой воды в фильтре происходит по сорбционно-фильтрационному механизму, осуществляемому в гравитационном поле. Крупные частицы примесей осаждаются в камере ловушке за счет потери линейной скорости и сил гравитации. Мелкие частицы в виде суспензии гидроксида железа (III) и примесей глины задерживаются, то есть отфильтровываются в межгранульном пространстве фильтрующего материала. Коллоидные частицы железа (II) и железа(III), ионы тяжелых металлов, радионуклиды, фульво- и гуминовые кислоты, нефтепродукты, активный хлор сорбируются гранулами фильтрующего материала.

Ресурс фильтра с фильтрующим материалом рассчитан на очистку 100 м³ среднезагрязненной воды. Этого объема хватает на 4 года использования для семьи из 3-5 человек. При этом ежедневный отбор чистой воды может достигать до 100 л в сутки.

Для возвращения фильтрующих свойств гранулы фильтрующего материала регенерируют путем очистки.

1. Фильтрующий материал для очистки воды в виде гранул импрегнированного серебром углерода, отличающийся тем, что гранулы выполнены пористыми с размером пор от 1 до 40 мкм и диаметром 0,1-2,0 мм и дополнительно содержат диоксид кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%: диоксид кремния - 10-89, углерод - 10-89, серебро - 1, при этом размер частиц компонентов составляет: диоксида кремния и углерода - 0,5-80 нм, а серебра - 20-80 нм.

2. Фильтр для очистки воды, включающий вертикальный цилиндрический корпус с входным и выходным штуцерами и установленные в корпусе верхнюю и нижнюю перфорированные дренажные перегородки с размещенным между ними гранулированным фильтрующим материалом, отличающийся тем, что нижняя дренажная перегородка подпружинена, а гранулы фильтрующего материала выполнены пористыми с размером пор от 1 до 40 мкм и диаметром 0,1-2,0 мм.

3. Фильтр по п.2, отличающийся тем, что дренажные перегородки снабжены серебряным покрытием.

4. Фильтр по п.2, отличающийся тем, что входной и выходной штуцеры размещены соосно оси корпуса.

5. Фильтр по п.2, отличающийся тем, что гранулы фильтрующего материала содержат частицы диоксида кремния, углерода и серебра размером не более 80 нм при следующем соотношении компонентов, мас.%: диоксид кремния - 10-89, углерод - 10-89, серебро - 1.