ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЙ ПАТРОН ДЛЯ ОЧИСТКИ ФТОРИДСОДЕРЖАЩЕЙ ВОДЫ

Полезная модель предназначена для получения доброкачественной питьевой воды и может быть использована в бытовых фильтрах для очистки питьевой воды с повышенным содержанием фторид-ионов. Техническим результатом является обеспечение эффективной очистки воды с повышенным содержанием фторид-ионов.
3
3
6
В основе удаления фторид-ионов из растворов используется их взаимодействие с гидроксидом или оксигидратом алюминия с образованием смеси труднорастворимых фторида алюминия AIF и гексафторалюмината натрия Na[AIF].
3
Существует способ очистки воды от фтора с использованием гранулированного цеолита (клиноптилолита) [SU 941301], активированного раствором сернокислого алюминия и отмытого водой, при этом отмывная вода подмешивается к исходной очищаемой воде на стадии фильтрования. Удаление сорбированного фтора проводится сернокислым алюминием и емкость такого сорбента равна 500 г/м.
Недостатком такого способа является невысокая сорбционная способность цеолита по фтору, в два раза меньшая, чем для активированного оксида алюминия, и значительные материально-технические затраты при реализации этого способа очистки. Также является недостатком низкая эффективность очистки от активного хлора, хлороформа, меди, ртути, кадмия, свинца, линдана, фенола, бензола. При этом заявленные показатели очистки достижимы при высоте фильтрующего слоя в 4 м, что в бытовых условиях неосуществимо.
Существует способ обесфторивания воды в колонне с использованием макропористого катионита КМ-2п в алюминиевой форме [RU 2220911], при этом перевод сорбента в рабочую форму и его регенерация от фтора проводится раствором соли алюминия. Активирование катионита проводят раствором оксихлорида алюминия.
Недостатками этого способа являются необходимость очищать полученный фильтрат от остаточного алюминия для получения питьевой воды, а также то, что в качестве матрицы используют макропористый карбоксильный катионит, что не позволяет достичь емкости по фторидам более 3.2 мг-экв/л. Цитируемый способ не позволяет также удалять активный хлор, хлороформ, медь, ртуть, кадмий, свинец, линдан, фенол, бензол, а также занижает рН очищаемой воды.
Технической задачей является изыскание сорбента для очистки воды от фторид-ионов, чье присутствие в смеси гранулированных адсорбирующих компонентов вносило бы минимальные изменения в конструкционные элементы фильтровального патрона.
Наиболее близким по совокупности признаков техническим решением является фильтровальный патрон [RU 74822] (прототип), содержащий узел подачи очищаемой воды, соединенный с узлом крепления в фильтре, соединенным с узлом фильтрации, соединенным с узлом вывода очищенной воды, узел фильтрации выполнен в виде оболочки, наполненной смесью адсорбирующих компонентов, узел подачи очищаемой воды выполнен в виде конусообразной оболочки с радиальными прорезями, узел крепления в фильтре выполнен в виде цилиндрической оболочки с резьбой на наружной поверхности, узел вывода очищенной воды выполнен в виде воронки с тупым углом и отверстием посредине, над узлом фильтрации установлена сетка, отличающийся тем, что между узлом фильтрации и узлом вывода очищенной воды установлен дополнительный узел фильтрации, сетка узла фильтрации выполнена плоской.
3
Узел фильтрации заполнен смесью адсорбирующих компонентов, состоящей из смеси серебросодержащего и несеребросодержащего активных углей с йодным числом не менее 1 г/см и дополнительно содержит карбоксильный катионит, при этом серебросодержащий активный уголь содержит серебро в количестве не менее 0.1 мас.%.
Дополнительный узел фильтрации выполнен в виде сетки со слоями нетканого фильтровального полотна из ионообменного волокна.
Недостатком является то, что выбранная в качестве прототипа полезная модель эффективно работает лишь для воды с высоким содержанием железа, при этом степень удаления фторид-ионов крайне низка.
Заявляемый в качестве полезной модели фильтровальный патрон направлен на достижение комплексной и эффективной в бытовых условиях очистки воды, характеризующейся повышенным содержанием фторид-ионов.
Технический результат достигается тем, что предложен фильтровальный патрон для очистки фторидсодержащей воды, состоящий из последовательно соединенных: узла подачи очищаемой воды, включающего оболочку с радиальными прорезями, снабженного средством крепления в фильтре, выполненного в виде цилиндрической оболочки с резьбой на наружной поверхности; узла фильтрации, выполненного в виде полого цилиндра, на основаниях которого установлены сетки; слоя смеси гранулированных адсорбирующих компонентов и селективного по отношению к фторид-ионам сорбента, расположенного между верхней сеткой и слоем нетканого фильтровального полотна, прилегающего к нижней сетке; узла вывода очищенной воды, выполненного в виде воронки с тупым углом и отверстием посредине; при этом в качестве селективного по отношению к фторид-ионам сорбента используется метагидроксид алюминия AIO(OH), иммобилизованный на поверхности гранулированного, с размером гранул 0.25÷1.2 мм, хелатного ионита в количестве 10÷15 мас.%, а содержание в смеси селективного к фторид-ионам сорбента составляет 40÷60 об.%.
Целесообразно, что в качестве гранулированных адсорбирующих компонентов используется следующая композиция, мас.%:
серебросодержащий активированный уголь
с размером гранул 0.6÷1.7 мм
-\tab20÷50;
активированный уголь
с размером гранул 0.3÷0.6 мм
-\tab20÷50;
карбоксилсодержащие катиониты
-\tab5÷40;
при этом содержание серебра в серебросодержащем активированном угле составляет не менее 0.2 мас.%.
Предпочтительно, что слой нетканого фильтровального полотна изготавливается из ионообменного волокна. 1
Сущность предлагаемого фильтровального патрона заключается в том, что для повышения эффективности очистки питьевой воды в смеси с адсорбирующими компонентами дополнительно используется селективный по отношению к фторид-ионам сорбент.
Использование слоя нетканого фильтровального полотна, прилегающего к сетке узла фильтрации со стороны узла вывода очищенной воды позволяет избежать вымывания частиц фильтровальной смеси из фильтровального патрона и увеличить эффективность удаления вредных примесей.
Использование в составе селективного по отношению к фторид-ионам сорбента - хелатного ионита, с иммобилизованным на поверхности, включая поверхность пор, метагидроксидом алюминия AIO(OH) - позволяет достичь наилучших показателей селективности и степени извлечения фторидов из раствора. В Табл.1 приведены экспериментальные данные по сорбционной способности сорбента для удаления фторид-ионов в зависимости от содержания метагидроксида алюминия, иммобилизованного на поверхности ионита.
Таблица 1.
Содержание AIO(OH), мас.% относительно ионита
Процент сорбции, %
10
74.4±0.5
12
89.1±0.5
14
97.2±0.5
15
99.4±0.5
Заявляемое содержание метагидроксида алюминия AIO(OH) в количестве 10÷15 мас.% относительно ионита объясняется тем, что более 15 мас.% метагидроксида алюминия иммобилизовать на поверхности ионита не удается, а менее 10 мас.% использовать нецелесообразно из-за низких показателей сорбции, приводящих к значительному уменьшению ресурса фильтровального патрона.
Размер гранул хелатного ионита 0.25÷1.2 мм позволяет обеспечить высокую плотность упаковки в смеси с адсорбирующими компонентами с размерами гранул 0.3÷1.7 мм.
Заявляемое содержание в смеси 40÷60 об.% селективного к фторид-ионам сорбента позволяет адаптировать использование фильтровального патрона для очистки питьевой воды с различным содержанием фторид-ионов.
Селективный по отношению к фторид-ионам сорбент получали следующим образом: хелатный слабокислотный ионит насыщали раствором трихлорида алюминия путем пропускания 1М раствора через находящийся в псевдоожиженном состоянии слой ионита, затем в изотермическом режиме обрабатывали иммобилизующим агентом в присутствии хлорида кальция, далее проводили контролируемое взаимодействие с раствором сильного основания - гидрооксида натрия, при этом часть алюминия на поверхности сорбента переходила в форму метагидрооксида, а часть сохранялась в виде аддукта на функциональных группах хелатного ионита. Избыток раствора удаляли путем мембранной фильтрации. Затем материал промывали тремя-пятью объемами деионизованной или обратноосмотической воды и высушивали до постоянной массы. Получали гранулированный ионит с иммобилизованным на его поверхности метагидроксидом алюминия AIO(OH).
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом и примерами ее реализации.
На Фиг. представлен чертеж фильтровального патрона для очистки фторидсодержащей воды, на котором: 1 - узел подачи очищаемой воды; 2 -радиальные прорези; 3 - средство крепления в фильтре; 4 - верхняя сетка; 5 - узел фильтрации в виде полого цилиндра; 6 - смесь гранулированных адсорбирующих компонентов и селективного по отношению к фторид-ионам сорбента; 7 - слой нетканого фильтровального полотна; 8 - нижняя сетка; 9 - узел вывода очищенной воды в виде воронки с тупым углом; 10 - отверстие воронки.
Фильтровальный патрон работает следующим образом (Фиг.).
С помощью средства крепления 3 патрон устанавливают в бытовой фильтр. Резьбовое соединение фильтровального патрона и фильтра позволяет с достаточной степенью свободы перемещать и наклонять фильтр.
Очищаемая вода через радиальные прорези 2 оболочки узла подачи очищаемой воды 1 попадает на верхнюю сетку 4 и далее в полый цилиндр узла фильтрации 5, заполненный смесью 6 гранулированных адсорбирующих компонентов и селективного по отношению к фторид-ионам сорбента. Вода проходит через вышеуказанную смесь 6 и очищается от фторид-ионов, активного хлора, органических и хлорорганических соединений, пестицидов, нефтепродуктов, неприятных запахов и привкусов. Карбоксильный катионит, содержащийся в смеси, снижает жесткость воды и содержание тяжелых металлов. Наличие серебра в составе гранулированных сорбентов предотвращает биообрастание материала, т.е. создает бактериостатический эффект. Далее очищаемая вода попадает на слой нетканого фильтрующего полотна 7, где задерживаются взвешенные мелкодисперсные частицы фильтровальной смеси из фильтровального патрона. Слой нетканого фильтровального полотна 7 также дополнительно очищают воду и от вредных примесей.
На выходе из узла фильтрации вода проходит через нижнюю сетку 8, попадает в узел вывода очищенной воды 9 и через отверстие 10 в тупоугольной воронке узла вывода выливается в емкость сбора очищенной воды.
3
Ниже приведены примеры достижения технического результата при использовании заявляемого фильтровального патрона производительностью 6 дм/ч. Примеры иллюстрирует, но не ограничивают применение предложенного фильтровального патрона.
В качестве примеров приведены данные протокола лабораторных исследований проб воды из системы централизованного водоснабжения г. Москвы, искусственно контаминированных исследуемыми загрязнителями, до и после использования заявляемого фильтровального патрона.
Пример 1. Фильтровальный патрон, содержащий в смеси гранулированных адсорбирующих компонентов 40 об.% сорбента для селективного удаления фторид-ионов.
Показатель
Вода до прохождения через фильтровальный патрон
Вода после прохождения через фильтровальный патрон
Норматив по СанПиН 2.1.4.1074-01
Фториды, мг/дм<sup>3</sup>
4.0
0.039
1.5
Железо, мг/дм<sup>3</sup>
0.62
0.090
0.3
Медь, мг/дм<sup>3</sup>
2.0
0.081
1.0
Ртуть, мг/дм<sup>3</sup>
0.005
О.0001
0.0005
Кадмий, мг/дм<sup>3</sup>
0.004
<0.0001
0.001
Свинец, мг/дм<sup>3</sup>
0.06
<0.0001
0.03
Алюминий, мг/дм<sup>3</sup>
0.51
0.018
0.5
Свободный хлор, мг/дм<sup>3</sup>
1.2
0.043
0.3÷0.5
Фенол, мг/дм<sup>3</sup>
0.01
<0.0001
0.001
Хлороформ, мг/дм<sup>3</sup>
0.4
<0.005
0.2
Бензол, мг/дм<sup>3</sup>
0.05
0.0011
0.01
Гамма-ГХЦГ (линдан), мг/дм<sup>3</sup>
0.01
<0.0001
0.002
Пример 2. Фильтровальный патрон, содержащий в смеси гранулированных адсорбирующих компонентов 60 об.% сорбента для селективного удаления фторид-ионов.
Показатель
Вода до прохождения через фильтровальный патрон
Вода после прохождения через фильтровальный патрон
Норматив по СанПиН 2.1.4.1074-01
Фториды, мг/дм<sup>3</sup>
4.0
0.018
1.5
Железо, мг/дм<sup>3</sup>
0.62
0.092
0.3
Медь, мг/дм<sup>3</sup>
2.0
0.094
1.0
Ртуть, мг/дм<sup>3</sup>
0.005
<0.0001
0.0005
Кадмий, мг/дм<sup>3</sup>
0.004
О.0001
0.001
Свинец, мг/дм<sup>3</sup>
0.06
<0.0001
0.03
Алюминий, мг/дм<sup>3</sup>
0.51
0.021
0.5
Свободный хлор, мг/дм<sup>3</sup>
1.2
0.085
0.3÷0.5
Фенол, мг/дм<sup>3</sup>
0.01
<0.0001
0.001
Хлороформ, мг/дм<sup>3</sup>
0.4
0.008
0.2
Бензол, мг/дм<sup>3</sup>
0.05
0.0013
0.01
Гамма-ГХЦГ (линдан), мг/дм<sup>3</sup>
0.01
<0.0001
0.002
Выполнение заявленного фильтровального патрона для очистки питьевой воды позволяет обеспечить эффективное удаления излишних количеств солей и загрязнений, а за счет избирательной очистки от фторид-ионов позволяет также использовать источники водоснабжения с повышенным содержанием фторидов.