ФИЛЬТРУЮЩИЙ ПАТРОН

Область техники
Полезная модель относится к области очистки сточных вод, а именно к устройствам для их очистки.
Уровень техники
Известен мобильный фильтр для очистки сточных вод, содержащий установленный в водоеме каркас с размещенным внутри него заполнителем для очистки. В качестве заполнителя используются щебеночные сорбенты, в том числе цеолит. (Патент рф на полезную модель №41303, C02F 9/00, опубликован 20.10.2004 г.).
Недостатком данного устройства является малая эффективность очистки вод от взвешенных веществ ввиду выделения пыли (мелкодисперсных частиц глинистых минералов, входящих в состав цеолита) в очищенную воду.
Известен также фильтрующий патрон, состоящий из непроницаемого для воды корпуса и проницаемых верхней и нижней решеток и содержащий природный цеолит, для очистки вод от взвешенных веществ и ионов тяжелых металлов (Якунин Л.А. Очистка поверхностного стока сорбцинно-фильтрующими патронами с применением природного цеолита. // Сайт Инновационно-производственной группы "Аква-Венчур" - 2014. - 05 июля [Электронный ресурс]. URL: http://www.aquaventure.ru/page_216_patroni_zeolite.html (дата обращения: 17.09.2014)).
Недостатком данного устройства является также его малая эффективность ввиду выделения пыли (мелкодисперсных частиц) из цеолитсодержащей породы, что увеличивает содержание определяемых взвешенных веществ после фильтра в очищенной от тяжелых металлов воде. Данное решение является наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели и принято за прототип.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является разработка конструкции фильтрующего патрона, обеспечивающего наилучшую, среди известных, очистку сточных вод от взвешенных веществ и ионов тяжелых металлов 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 эффективности очистки вод от взвешенных веществ и ионов тяжелых металлов, при одновременном их наличии в очищаемой воде.
Заявляемый технический результат достигается тем, что фильтрующий патрон, состоящий из непроницаемого для воды корпуса и проницаемых верхней и нижней решеток, содержит сорбционную загрузку из природного цеолита, отличающегося тем, что природный цеолит имеет содержание монтмориллонита не более 20% весовых и клиноптилолита не менее 50% весовых.
В одном из вариантов осуществления полезной модели фильтрующий патрон имеет над и/или под слоем цеолита слой волокнистого фильтрующего материала.
В еще одном из вариантов осуществления полезной модели волокнистый фильтрующий материал химически модифицирован с обеспечением увеличения гидрофильности или гидрофобности поверхности этого материала.
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.
Предлагаемый чертеж иллюстрирует только один предпочтительный вариант выполнения полезной модели и поэтому не может 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 представлено схематическое изображение фильтрующего патрона, установленного в железобетонный колодец системы очистки ливневых канализационных вод, где обозначены: 1 - железобетонный колодец; 2 - опорное кольцо; 3 - плита перекрытия железобетонного колодца; 4 - крышка люка; 5 - сливной трубопровод очищенной воды; 6 - фильтрующий патрон; 7 - природный цеолит; 8 - нижняя решетка; 9 - входной трубопровод неочищенной воды; 10 - верхняя решетка.
Неочищенная вода поступает через входной 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 дробленого природного цеолита и через верхнюю решетку 10 выходит в верхнюю часть колодца 1, откуда сливается через сливной трубопровод 5.
Решетка 8 служит для поддержания слоя дробленого цеолита в фильтрующем патроне 6 и удаления из воды крупных частиц (листья, грунт, мусор и т.д.), 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) и взвешенных веществ (по механизму адгезии и ситового задержания). Природный цеолит состоит из цеолитовой фазы (в основном клиноптилолита) и минералов включения, наиболее часто из глинистого минерала - монтмориллонита. Монтмориллонит, имеющий малую механическую прочность, слабо удерживается в структуре породы (природного цеолита) и вымывается из нее потоком воды. При измельчении пород природных цеолитов в первую очередь измельчается монтмориллонит и дополнительно загрязняет цеолит пылью, которая электростатически налипает на частицах измельченной породы.
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%. Сопутствующим минералом практически всегда является монтмориллонит. Именно соотношение этих минералов в цеолитовой породе влияет на ее основные эксплуатационные свойства - эффективность работы, механическую прочность и устойчивость в воде.
Неустойчивость природного цеолита в воде (малая механическая прочность) приводит к его размоканию и разрыхлению в фильтрующем патроне и увеличению поступления взвешенных частиц (пыли) из цеолита в поток воды, которую он очищает. Такая цеолитсодержащая порода загрязняет воду взвешенными веществами, т.е. происходит ухудшение очистки этой воды по показателям «взвешенные вещества» и «мутность». Качество очистки воды от ионов тяжелых металлов прямо зависит от содержания клиноптилолита, которое, в свою очередь, связано с содержанием монтмориллонита. При увеличении содержания последнего содержание клиноптилолита, как правило, падает.
Таким образом, при увеличении содержания монтмориллонита в цеолитовой породе (природный цеолит) вследствие уменьшения содержания клиноптилолита уменьшается его сорбционная емкость по ионам тяжелых металлов, и возрастает количество взвешенных частиц, вымываемое из этой породы в очищенную воду. Это проявляется в снижении эффективности фильтрующего патрона с природным цеолитом по очистке от взвешенных веществ и ионов тяжелых металлов.
Технический результат полезной модели заключается в увеличении эффективности очистки вод от взвешенных веществ и ионов тяжелых металлов, при одновременном их наличии в очищаемой воде.
Эффективность очистки Э (%) определяется по следующей формуле:
В таблицах 1 и 2 представлено сравнение эффективности очистки модельной воды (концентрации взвешенных веществ, иона марганца и иона меди создавались в воде искусственно и контролировались в пределах 202±2 мг/л для взвешенных веществ, 3,15±0,08 мг/л для иона марганца и 2,37±0,25 мг/л для иона меди) на фильтрующем патроне, заполенном различными дроблеными природными цеолитами (фракция 1÷3 мм), отличающимися содержанием клиноптилолита и монтмориллонита.
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 Ρ 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 Ρ 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 и 240 минут.
Из таблиц видно, что все образцы природных цеолитов при пропускании через них исходной воды (время пропускания 15 минут) загрязняют ее пылевыми частицами (т.е. увеличивают в ней содержание взвешенных частиц), однако для образцов с низким содержанием монтмориллонита степень этого загрязнения значительно ниже. Вместе с тем, эффективность очистки по ионам тяжелых металлов (марганца и меди) является высокой (более 99%) для этих образцов и снижается при уменьшении содержания клиноптилолита в породе.
При увеличении времени пропускания воды (240 минут) через загрузку цеолита в фильтрующем патроне количество взвешенных частиц, выделяемых в воду из цеолита, уменьшается, т.е. происходит его отмывка, и на этом фоне видно, что цеолиты с низким содержанием монтмориллонита удаляют из воды взвешенные вещества введенные в воду искусственно.
Для образцов цеолитов с высоким содержанием монтмориллонита наблюдается и в этом случае загрязнение воды взвешенными веществами, образующимися как из пыли, которая не отмылась, так и из мелкодисперсных частиц цеолита, образовавшихся вследствие его разрушения в процессе эксплуатации фильтрующего патрона (низкая водостойкость образцов цеолитов с высоким содержанием монтмориллонита). Вместе с тем, эффективность очистки по ионам тяжелых металлов сохраняется на том же уровне, что и при времени работы фильтрующего патрона - 15 минут, но и в этом случае она значительно ниже для образцов цеолитов с низким содержанием клиноптилолита.
Как видно из таблиц 1 и 2, наибольшая эффективность одновременной очистки по взвешенным веществам и ионам тяжелых металлов получается при содержании монтмориллонита не более 20% (вес.) и клиноптилолита - не менее 50% (вес).
Наличие в заявляемом фильтрующем патроне над и/или под слоем цеолита слоя волокнистого фильтрующего материала также способствует увеличению эффективности удаления (очистки) взвешенных веществ (при этом эффективность очистки по ионам тяжелых металлов сохраняется на прежнем уровне). Это связано с тем, что при нахождении слоя волокнистоо фильтрующего материала под слоем цеолита (т.е. перед ним по ходу движения воды через фильтрующий патрон в соответствии с фиг. 1) на фильтрующем материале задерживается часть взвешенных частиц, присутствующая в исходной неочищенной воде. При нахождении слоя волокнистого фильтрующего материала над слоем цеолита (т.е. после него по ходу движения воды через фильтрующий патрон) на фильтрующем материале задерживаются взвешенные частицы, которые не осели на цеолите и (в случае использования фильтрующего материала одновременно и перед слоем цеолита) на первом слое фильтрующего материала (по ходу движения воды).
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. Эти материалы, изготавливаемые из волокон в виде листа, имеют тканую или нетканую структуру и обладают способностью к просачиванию (фильтрации) через них жидких сред, что позволяет им задерживать взвешенные вещества по ситовому, адгезионному и электростатическому механизмам. 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 частицы взвешенных веществ, вымываемые потоком воды из слоя зернистого сорбционного материала. Кроме того, частицы взвешенных веществ 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). Таким образом, получение технического результата обеспечивается общими свойствами частных форм волокнистого фильтрующего материала.
Наличие в составе фильтрующего патрона химически модифицированного волокнистого фильтрующего материала с обеспечением увеличения гидрофильности или гидрофобности поверхности этого материала, приводит к увеличению поглощения им взвешенных частиц за счет явлений адгезии и электростатического притяжения, влияние которых увеличивается после химической обработки зернистого сорбционного материала с обеспечением увеличения гидрофильности или гидрофобности поверхности это материала. При увеличении гидрофильности поверхности волокнистого фильтрующего материала увеличивается адгезия и электростатическое притяжение к нему заряженных взвешенных частиц. При увеличении же гидрофобности поверхности волокнистого фильтрующего материала увеличивается адгезия и электростатическое притяжение к нему не заряженных взвешенных частиц. Поскольку при образовании пыли (взвешенных частиц) цеолитов при их производстве, транспортировке, хранении и эксплуатации (вымывание монтмориллонита) образуются как заряженные так и не заряженные пылеобразные частицы этих материалов то очевидно что, химическая модификация с обеспечением увеличения гидрофильности или гидрофобности поверхности волокнистого фильтрующего материала способствует достижению заявленного технического результата полезной модели.