СОРБЦИОННО-КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к области очистки производственных сточных вод от растворенных органических веществ, в том числе нефтяных углеводородов.
Известен сорбционный фильтр, загруженный активированным углем (Журба М.Г. Водоснабжение. - М.: Изд. архитектурно-строительных вузов. 2004. - c.146-151). Недостатком устройства являются большие габариты фильтра, а также недостаточно высокий эффект очистки воды.
Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявляемому устройству является сорбционный фильтр (Патент RU на изобретение №2422187, опубл. 27.06.11, БИ №18)
Сорбционный фильтр включает корпус, заполненный активированным углем марки АГ-3, и электроды, разграничивающие слои сорбента. Электроды образуют электрохимические источники тока, выполнены из перфорированных дисков из алюминия и графита, между которыми размещен гранулированный сорбент. Количество электрохимических источников тока равно 2-5. Фильтрование ведут со скоростью 5-11 м/ч. Недостатком фильтра является недостаточно высокая скорость очистки воды от растворенных органических веществ, в частности, нефтяных углеводородов.
Задачей полезной модели является увеличение скорости фильтрования, а соответственно увеличение скорости очистки воды от растворенных органических веществ.
Поставленная задача решается тем, что в сорбционно-каталитическом фильтре, включающем корпус, заполненный гранулированным сорбентом, и электроды, состоящие из алюминиевых и графитовых дисков, разграничивающие слои сорбентов в корпусе и создающие электрохимические источники тока, согласно полезной модели перед входным патрубком к трубопроводу подключен компрессор, а электрохимические источники тока соединены последовательно друг с другом и сопротивлением нагрузки, при этом гранулы сорбционного материала выполнены из смеси отвальных хвостов горнообогатительного комбината, содержащих многовалентные металлы, и древесных опилок, подвергнутой термической активации в среде водяного пара. Фильтрование ведут со скоростью 11-15 м/ч. Количество последовательно соединенных электрохимических источников тока равно 2-5. Содержание древесных опилок в гранулированных сорбентах составляет 20-40% масс.
На фигуре представлен эскиз сорбционного фильтра.
Сорбционно-каталитический фильтр состоит из цилиндрического корпуса 1, закрытого сверху и снизу эллиптическими крышками 2. Подача воды в фильтр осуществляется через патрубок 3, находящийся в нижней части корпуса фильтра. Отвод очищенной воды происходит через патрубок 4, расположенный в верхней части корпуса фильтра. В корпусе фильтра 1 последовательно по ходу движения воды расположены электрохимические источники тока, состоящие из алюминиевого перфорированного диска 5 и графитового перфорированного диска 6, разделенные гранулированным сорбентом 7. Электрохимические источники тока соединены последовательно друг с другом и с сопротивлением нагрузки 8. Перед входным патрубком к трубопроводу подсоединен компрессор 9.
Сорбционно-каталитический фильтр работает следующим образом. Очищаемую воду фильтруют в загрузке фильтра в направлении снизу вверх. В электрохимических источниках тока возникает электродвижущая сила и электрический ток. Сорбент 7, находящийся в электрическом поле между электродами, поляризуется, при этом увеличивается сила адгезии молекул растворенных органических веществ, в том числе нефтяных углеводородов.
Сорбентом является гранулированный материал, который получен следующим путем. Отвальные хвосты хвостохранилища горнообогатительного комбината, содержащие многовалентные металлы (Fe, Сu, Zn, Mn, Al) (таблица 1), смешивают с древесными опилками в количестве 20-40% мас., разбавляют водой до вязкотекучего состояния, выдерживают в муфельной печи при температуре 850°С в течение двух часов в среде водяного пара. При этом из опилок получается активированный уголь, а многовалентные металлы выполняют роль катализатора окислительных процессов.
Таблица 1
Состав отвальных хвостов Учалинского ГОК
Компонент
Содержание компонента в отходе, %
Железо
38,0
Алюминий
3,0
Кремний
8,0
Цинк
4,0
Медь
0,9
Титан
0,3
Магний
1,7
Сера
35,9
Натрий
5,4
Кальций
2,8
Итого
100
При фильтровании воды снизу вверх и барботаже воды воздухом, подаваемым компрессором 9, происходит сорбция растворенных органических веществ и окисление кислородом воздуха в присутствии катализатора. Электрическое поле, создаваемое электрохимическими источниками тока, повышает сорбционную активность сорбента 7 и увеличивает скорость окисления органических веществ. Это приводит к увеличению скорости очистки воды от растворенных нефтяных углеводородов, увеличению скорости фильтровании, увеличению фильтроцикла.
Регенерация фильтра происходит в том же направлении при более высокой скорости потока.
0
Последовательное соединение электрохимических источников тока увеличивает суммарную электродвижущую силу, и, соответственно, напряжение, создаваемое на сопротивлении нагрузки R. Это напряжение используется либо для системы автоматического регулирования процесса, либо для подключения сигнальных индикаторных ламп. Пример 1. В очищаемую воду введен органический краситель - хромоген черный, относящийся к трудноокисляемым веществам. Степень загрязнения воды определяли по оптической плотности D с помощью фотоэлектрокалориметра. Исходное значение оптической плотности D=2,0. Результаты экспериментов по очистке воды фильтрованием в сорбционном фильтре (прототип) и в предлагаемом сорбционно-каталитический фильтре приведены в таблице 2.
Таблица 2
Оптическая плотность воды после очистки в зависимости от скорости фильтрования
Тип сорбционного фильтра
Скорость фильтрования м/ч
1
3
5
8
11
15
20
с 2 источниками тока (прототип)
0,40
0,40
0,40
0,42
0,46
0,55
0,74
с 5 источниками тока (прототип)
0,18
0,18
0,20
0,20
0,25
0,30
0,37
с 2 источниками тока (полезная модель)
0,24
0,24
0,24
0,24
0,25
0,30
0,42
с 5 источниками тока (полезная модель)
0,10
0,10
0,10
0,10
0,10
0,12
0,20
Из результатов экспериментов следует, что скорость фильтрования воды по полезной модели увеличилась относительно прототипа с 5-11 м/ч до 11-15 м/ч, при этом улучшилось качество очищенной воды. Эффект очистки воды по полезной модели с 2 источниками тока увеличился на 37,5% относительно прототипа, с 5 источниками тока - на 60,0%.
Пример 2. В очищаемую воду введен бензол с концентрацией 1000 мг/л, после чего миксером с числом оборотов 3000 об/м образовали эмульсию. Известно, что бензол весьма хорошо растворяется в воде, поэтому эмульсию отстояли в течение двух часов. Затем профильтровали ее через бумажный фильтр (синяя лента). Полученный истинный раствор бензола в воде подвергали очистке сорбционным фильтром (прототип) и предлагаемым сорбционно-каталитическим фильтром. Результаты эксперимента приведены в таблице 3.
Таблица 3
Содержание бензола в очищенной воде (мг/л) при исходной концентрации 220 мг/л
Тип сорбционного фильтра
Скорость фильтрования м/ч
1
3
5
8
11
15
20
с 2 источниками тока (прототип)
42
42
42
42
44
48
54
с 5 источниками тока (прототип)
18
18
18
18
21
26
34
с 2 источниками тока (полезная модель)
27
27
27
27
27
31
39
с 5 источниками тока (полезная модель)
9
9
9
9
9
11
16
Из результатов экспериментов следует, что скорость фильтрования воды по полезной модели увеличилась относительно прототипа с 5-11 м/ч до 11-15 м/ч, при этом улучшилось качество очищенной воды. Эффект очистки воды по полезной модели с 2 источниками тока увеличился на 34,1% относительно прототипа, с 5 источниками тока - на 50,0%.
Пример 3. В очищаемую воду введен органический краситель - хромоген черный. Воду фильтровали в сорбционно-каталитическом фильтре. Степень загрязнения воды определяли по оптической плотности. Исходноезначение оптической плотности D=2,0. Фильтрование вели со скоростью 11 м/ч. В фильтрах использовали гранулированный сорбент, содержащий различную долю древесных опилок от 5-50% мас., термообработанных при температуре 850°С в среде водяного пара в течении двух часов. Результаты экспериментов по очистке воды фильтрованием в сорбционном фильтре (по полезной модели) приведены в таблице 4.
Таблица 4
Оптическая плотность воды после очистки в зависимости от содержания опилок
Тип сорбционного фильтра
Содержание опилок, % масс
5
10
20
30
40
50
с 5 источниками тока (полезная модель)
0,21
0,18
0,13
0,11
0,09
0,08
Из результата эксперимента следует, что с увеличением содержания опилок монотонно снижается оптическая плотность, то есть увеличивается эффект очистки. Установлено, что при содержании опилок более 40% масс гранулы сорбента становятся рыхлыми, что уменьшает их прочность. Судя по приведенным данным лучший эффект очистки наблюдается при содержании опилок в интервале 20-40% мас.