Фильтрующий патрон
Полезная модель относится к области очистки сточных вод, а именно к устройствам для очистки от иона марганца, СПАВ, нефтепродуктов и других загрязнений при окончании канализационной сети перед контрольным колодцем. Технический результат заключается в приобретении способности очистки полезной моделью вод от иона марганца, повышении эффективности очистки воды по анионным СПАВ и нефтепродуктам, а также в увеличении ресурса работы фильтрующего патрона по анионным СПАВ и нефтепродуктам. Заявленный технический результат достигается тем, что фильтрующий патрон содержит фильтрующую загрузку, включающую слоистый листовой волокнистый материал, между слоями которого расположена активированная угольная ткань, сорбционную загрузку, состоящую из слоя малозольного активированного угля с зольностью не более 5% весовых и высокозольного активированного угля с зольностью не менее 6% весовых, а также решетку для предварительной механической очистки воды. 6 з.п.ф., 1 илл.
ФИЛЬТРУЮЩИЙ ПАТРОН
Описание полезной модели
Назначение и область применения
Полезная модель относится к области очистки сточных вод, а именно к устройствам для очистки от иона марганца, СПАВ, нефтепродуктов и других загрязнений при окончании канализационной сети перед контрольным колодцем.
Предшествующий уровень техники
Известен фильтрующий патрон для устройства обработки воды с гравитационной подачей, содержащий: гидрофильный пористый фильтр очистки от частиц, имеющий открытый верхний конец, закрытый нижний конец и по меньшей мере одну боковую стенку между ними и соединительный элемент, уплотняющий гидрофильный пористый фильтр очистки от частиц в соединении с частью фильтрующего патрона, расположенной вблизи верхнего конца указанного фильтра, причем фильтрующий патрон имеет такую конструкцию и расположен таким образом, чтобы позволять воде течь под действием силы тяжести в открытый верхний конец и через боковые стенки пористого фильтра очистки от частиц по мере вытеснения воздуха из открытого верхнего конца. Гидрофильный пористый фильтр очистки от частиц содержит листовые фильтрующие материалы и зернистые материалы в виде гранулированного активированного угля. (Патент РФ 
2225744 по заявке 99123711, опубликованной 27.09.2001, B01D 27/00).
Недостатком данного устройства является низкая эффективность очистки им воды от иона марганца, СПАВ, нефтепродуктов, из-за малой высоты слоя активированного угля, вызванной возможностью вытекания очищенной воды через боковую стенку на уровне, находящимся выше дна фильтра.
Известен фильтрующий патрон для очистки воды, содержащий загрузку, включающую волокнистый механический фильтрующий материал, состоящий из лавсана и синтепона, или минерального стекловолокна, а также гидрофобный зернистый материал, в качестве которого используется модифицированный азотсодержащий уголь, а также решетку для предварительной механической очистки воды, установленную над фильтрующей загрузкой (Патент на полезную модель 59996 опубл 10.01.2007 г. B01D 27/00). Данное техническое решение является наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели и принято за прототип.
2
Недостатком данного устройства является низкая эффективность очистки им воды от иона марганца, СПАВ, нефтепродуктов, которая подтверждается результатами экспериментов, представленными в таблице.
Сущность полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является разработка конструкции фильтрующего патрона, обеспечивающей наилучшую среди известных очистку сточных вод технических и технологических целей в водообороте, а также ее сброса в водохозяйственные и рыбохозяйственные водоемы или городскую ливневую канализацию.
Технический результат заключается в приобретении способности очистки полезной моделью вод от иона марганца, повышении эффективности очистки воды по анионным СПАВ и нефтепродуктам, а также в увеличении ресурса работы фильтрующего патрона по анионным СПАВ и нефтепродуктам.
Заявляемый технический результат достигается тем, что используют фильтрующий патрон для очистки воды содержащий фильтрующую загрузку, включающую листовой фильтрующий волокнистый материал, и сорбционную загрузку, включающую активированный уголь, а также решетку для предварительной механической очистки воды, отличающийся от прототипа тем, что листовой фильтрующий волокнистый материал выполнен многослойным, а фильтрующая загрузка дополнительно содержит угольную ткань сетчатой структуры, расположенную между слоями листового фильтрующего волокнистого материала, при этом сорбционная загрузка состоит из слоя малозольного активированного угля с зольностью не более 5% весовых и слоя высокозольного активированного угля с зольностью не менее 6% весовых, расположенных один за другим по ходу движения воды в фильтрующем патроне.
В одном из вариантов осуществления полезной модели весь волокнистый материал листового фильтрующего волокнистого материала фильтрующей загрузки или его часть могут быть выполнены складчатыми.
В другом варианте осуществления полезной модели в качестве листового волокнистого материала используют нетканный полимерный материал, в частности, полиэфирный.
3
В еще одном варианте осуществления полезной модели весь волокнистый материал листового фильтрующего волокнистого материала или его часть выполнен из химически модифицированного полимерного материала или волокон.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания сущности полезной модели далее рассматриваются ее описание с привлечением сопровождающих чертежей.
Фиг. 1 - Общий вид в разрезе фильтрующего патрона, установленного в бетонный колодец ливневой канализации.
Прилагаемый чертеж иллюстрирует только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения полезной модели, поэтому не может рассматриваться в качестве ограничений содержания полезной модели.
Осуществление полезной модели
Описываемый фильтрующий патрон может использоваться в различных устройствах обработки и очистки воды.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение фильтрующего патрона, установленного в железобетонный колодец, где 1 - железобетонный колодец, 2 -опорное кольцо, 3 - плита перекрытия железобетонного колодца, 4 - дождеприемная решетка, 5 - сливной трубопровод, 6 - фильтрующий патрон, 7 - волокнистый листовой фильтрующий материал, 8 - активированная угольная ткань, 9 - слой малозольного активированного угля, 10 - слой высокозольного активированного угля, 11 -фильтрующая решетка.
Очищаемая вода самотеком поступает через дождеприемную решетку 4 люка колодца 1 на фильтрующую решетку 11 фильтрующего патрона 6. На решетке 11 остаются листья, крупные частицы грунта, мусор. Периодически эти загрязнения убирают с решетки 11 вручную.
В верхней части фильтрующего патрона 6, заполненного слоями волокнистого листового фильтрующего материала 7, предпочтительно выполненными из нетканого полотна, между указанными слоями расположены слои активированной угольной ткани 8. В этой части фильтрующего патрона 6 происходит очистка воды от механических примесей и крупных взвесей, а также пленок нефтепродуктов и грубоэмульгированньгх нефтепродуктов за счет эффекта коалесценции. Наличие активированной угольной ткани, обладающей малым гидродинамическим сопротивлением, способствует дополнительному снижению концентрации средне- и 4
мелкоэмульгированных нефтепродуктов в этой зоне фильтрующего патрона за счет эффектов сорбции и коалесценции вследствие высокой поглощающей способности этой ткани. При насыщении активированной угольной ткани нефтепродуктами на ней образуется пленка из сконденсированной сплошной фазы нефтепродуктов, на которой в дальнейшем происходит эффективное разделение эмульсии нефтепродуктов, что приводит к укрупнению капель эмульсии и более эффективному их задержанию лежащим за слоем активированной угольной ткани слоем волокнистого листового фильтрующего материала, то есть увеличению количества удаляемых нефтепродуктов, а следовательно снижению нагрузки на ниже лежащие сорбционные слои активированных углей.
Далее поток воды, прошедшей предварительную очистку, поступает в нижнюю часть фильтрующего патрона 6, а именно на слой 9 активированного малозольного угля с зольностью не более 5% весовых, где происходит удаление основной части микроэмульгированных и растворенных нефтепродуктов, а также частичное удаление анионных СПАВ и иона марганца. Малозольные угли имеют наибольший из известных объем макропор, в которых эффективно поглощаются микроэмульгированные нефтепродукты (с размером микрокапель <0,5 мкм). Наличие в малозольных углях мезо- и микропор обеспечивает сорбцию в них и анионных СПАВ лиофильному сорбционному механизму и частичную сорбцию иона марганца на полярно-окисленных центрах углей.
Пройдя слой малозольного активированного угля, вода поступает на окончательную доочистку в слое 10 высокозольного активированного угля с зольностью не менее 6% весовых, где из воды удаляются оставшиеся растворенные нефтепродукты, а также основная часть анионных СПАВ и иона марганца. Высокозольные угли, имеют значительный объем мезо- и микропор, в которых эффективно поглощаются растворенные молекулы нефтепродуктов, анионных СПАВ и ион марганца. В мезопорах, кроме того, происходит эффект капиллярного расслаивания и капиллярного впитывания СПАВ, что приводит к резкому возрастанию общего количества поглощения СПАВ. Увеличению поглощения анионных СПАВ еще способствует и наличие неорганиченных окисных центров угля, содержание которых пропорционально его зольности. На этих центрах по ионообменному механизму происходит локальное сверхравновесное поглощение анионных СПАВ, которое приводит к дальнейшему капиллярному расслаиванию и капиллярному впитыванию 5
расслоившейся фазы СПАВ. Высокозольные активированные угли, таким образом, работают в отношении анионных СПАВ как сепарационная среда, обеспечивающая разделение фаз, что приводит к очень большой динамической емкости по этим веществам, не достигаемой по чисто сорбционному механизму.
На полярных зольных центрах углей также происходит ионообменная сорбция иона марганца, который в дальнейшем каталитически окисляется на них до нерастворимой фазы диоксида MnO2. Образовавшаяся фаза MnO2 обладает анионообменными свойствами, что способствует увеличению углей по поглощению анионных СПАВ.
После прохождения сорбционной загрузки фильтрующего патрона 6 вода из колодца 1 по сливному трубопроводу 5 отводится на повторное использование, либо сбрасывается в канализационный коллектор или водоем.
Фильтрующий патрон может быть установлен в стандартный колодец без предварительных изменений и дополнений в конструкции колодца.
Технический результат заключается в достижении эффективности очистки заявляемого фильтрующего патрона составляет по нефтепродуктам с 50 мг/л (на входе в патрон) до 0,01 мг/л (на выходе) и по анионным СПАВ с 50 мг/л (на входе в патрон) до 0,01 мг/л (на выходе), по иону марганца с 3 мг/л (на входе в патрон) до 0,03 мг/л (на выходе).
В таблице представлено сравнение значений ресурса работы заявляемого фильтрующего патрона в двух вариантах сорбционной загрузки со значениями ресурса для фильтрующего патрона-прототипа.
Значения ресурса работы фильтрующего патрона определялись как время защитного действия (мин), то есть как время появления на выходе фильтра заданной проскоковой концентрации - 0,3; 0,05 и 0,01 мг/л для нефтепродуктов и анионных СПАВ и 0,10; 0,05 и 0,03 мг/л для иона марганца. В качестве анионного СПАВ использовали лаурилсульфат натрия с исходной концентрацией 50 мг/л, а в качестве нефтепродукта - турбинное масло с исходной концентрацией 50 мг/л.
Исходную концентрацию иона марганца 3 мг/л получали растворением соли MnSO4 в воде в соответствующем количестве.
Испытание проводили на фильтрующем патроне диаметром 100 мм и общей высотой 1800 мм (высота сорбционной загрузки 1600 мм, а высота фильтрующей загрузки с решеткой 200 мм).
6
Определение зольности применявшихся активированных углей проводили по ГОСТ 12596-67, концентраций анионных СПАВ по ПНД.Ф. 14.1.2:4.158-2000, концентраций нефтепродуктов по ФР. 1.31.2007.03234. Определение концентрации иона марганца проводили по ГОСТ 4974-72.
Для сравнения использовались значение ресурса для индивидуальных углей, включающих активированный уголь с разной зольностью: 12% весовых (п. 1 Таблицы), 19, 4% весовых (п. 2 Таблицы), 2,4% весовых (п. 3 Таблицы). 3,0% весовых (п. 4 Таблицы)
Для сравнения с фильтрующим патроном-прототипом был взят активированный модифицированный азотсодержащий уголь марки МАУ-2А с зольностью 3,2% (п. 5 Таблицы)
Сравнение проводилось при одинаковой скорости прохождения жидкой фазы через фильтр (объемной 1,33 л/мин или линейной примерно 10 м/час).
Высота слоя всех углей была одинакова и составляла 1600 мм. В случае применения пары углей высота каждого из них составляла 800 мм.
В таблице представлены времена защитного действия: до проскоковой концентрации 0,3, 0,5 и 0,01 мг/л для анионных СПАВ и нефтепродуктов и до проскоковой концентрации 0,10, 0,05, 0,03 мг/л для иона марганца для индивидуальных углей, а также для комбинаций:
1. Активированный уголь с зольностью 2,4%+активированный уголь с зольностью 12%+синтепон+угольная активированная ткань (п. 6 Таблицы).
2. Активированный уголь с зольностью 3,0%+активированный уголь с зольностью 19,4%+синтепон+угольная активированная ткань (п. 7 Таблицы).
3. Уголь МАУ-2А с зольностью 3,2%+синтепон+лавсан (п. 8 Таблицы).
Значение ресурса для индивидуальных углей представлены для их сравнительной оценки, а также для демонстрации эффекта их сочетанного действия в комбинации.
7
Из таблицы видно, что заявляемый фильтрующий патрон в комбинациях 1 и 2 (смотри выше) имеет существенно больший ресурс по сравнению с фильтрующим патроном-прототипом (комбинация 3) по нефтепродуктам и особенно по анионным СПАВ и иону марганца.
Кроме того, эффективность работы заявляемого фильтрующего патрона выше, чем у фильтрующего патрона-прототипа, так как при работе последнего не достигается проскоковая концентрация по СПАВ и нефтепродуктам 0,01 мг/л, то есть фильтрующий патрон-прототип обеспечивает худшую очистку.
Заявляемый фильтрующий патрон приобретает способность очистки воды по иону марганца, что не позволяет обеспечить фильтрующий патрон-прототип.
Складчатый фильтрующий материал имеет большую поверхность по сравнению с плоским, что увеличивает его емкость по взвешенным веществам и эмульгированным нефтепродуктам, что, в свою очередь, увеличивает эффективность очистки в целом.
8
Полимерный материал, в приведенных примерах, состоит из полиэфирных волокон, хорошо впитывающих масла из воды, в следствие чего увеличивается эффективность очистки от нефтепродуктов и СПАВ патрона в целом.
Согласно заявленной полезной модели, весь волокнистый материал листового фильтрующего волокнистого материала или его часть могут быть выполнены из химически модифицированного полимерного материала или волокон. При этом, химическая модификация материала или волокон листового фильтрующего материала или его части, обеспечивающая направленное изменение свойств полимерного материала введением в состав макромолекул малого количества фрагментов иной, отличной от основы, природы, направлена на придание ему новых, по сравнению с оригинальным полимерным материалом, свойств, в частности: ионообменных, предполагающих дополнительное поглощение ионов марганца по ионообменному механизму, и/или каталитических, обеспечивающих в частности, окисление иона марганца до нерастворимой фазы диоксида марганца, и/или сорбционно-защитных, в частности, за счет увеличения его емкости по неполярным загрязнителям, таким, как нефтепродукты при изменения потенциала поверхности материала. Наличие этих свойств у материала, расположенного над активированными углями, приводит к уменьшению сорбционной нагрузки на угли и за счет этого увеличивает эффективность очистки фильтрующего патрона в целом и срок его службы.
В качестве вышеуказанных химически модифицированных полимерных материалов или волокон могут быть использованы любые известные в данной области техники химически модифицированные материалы с указанным направленным изменением свойств любым известным в уровне техники способом химической модификации, применяемым для их достижения
1. Фильтрующий патрон для очистки воды, содержащий фильтрующую загрузку, включающую листовой фильтрующий волокнистый материал, и сорбционную загрузку, включающую активированный уголь, а также решётку для предварительной механической очистки воды, отличающийся тем, что листовой фильтрующий волокнистый материал выполнен многослойным, а фильтрующая загрузка содержит дополнительно угольную ткань, расположенную между слоями листового фильтрующего волокнистого материала, при этом сорбционная загрузка состоит из слоя активированного угля с зольностью не более 5 вес.% и слоя активированного угля с зольностью не менее 6 вес.%, расположенных один за другим по ходу движения воды в фильтрующем патроне.
2. Фильтрующий патрон по п. 1, отличающийся тем, что в качестве листового фильтрующего волокнистого материала фильтрующей загрузки используют нетканый полимерный материал.
3. Фильтрующий патрон по п. 2, отличающийся тем, что весь волокнистый материал листового фильтрующего волокнистого материала или его часть выполнен из химически модифицированного полимерного материала или волокон с обеспечением возможности уменьшения сорбционной нагрузки на слои активированного угля.
4. Фильтрующий патрон по п. 3, отличающийся тем, что весь волокнистый материал листового фильтрующего волокнистого материала или его часть выполнен из химически модифицированного полимерного материала или волокон с обеспечением возможности дополнительного поглощения ионов марганца по ионообменному механизму.
5. Фильтрующий патрон по п. 3, отличающийся тем, что весь волокнистый материал листового фильтрующего волокнистого материала или его часть выполнен из химически модифицированного полимерного материала или волокон с обеспечением возможности окисления иона марганца до нерастворимой фазы диоксида марганца.
6. Фильтрующий патрон по п. 3, отличающийся тем, что весь волокнистый материал листового фильтрующего волокнистого материала или его часть выполнен из химически модифицированного полимерного материала или волокон с обеспечением возможности повышения его сорбционно-защитных свойств за счет увеличения егоёмкости по неполярным загрязнителям, таким, как нефтепродукты при изменении потенциала поверхности материала.
7. Фильтрующий патрон по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что весь волокнистый материал листового фильтрующего волокнистого материала фильтрующей загрузки или его часть выполнен складчатым.
