СОРБЦИОННЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к устройствам для очистки сточных вод от загрязняющих веществ, преимущественно ароматических и алициклических аминов, ионов тяжелых металлов, поступающих в окружающую среду со сточными водами промышленных производств, сельского хозяйства и хозяйственно-бытовой деятельности людей.
Известен сорбционный фильтр, включающий корпус, заполненный сорбентом, и электроды, разграничивающие слои сорбента в корпусе и создающие электрохимические источники тока, выполненные из перфорированных дисков из алюминия, имеющих отрицательный потенциал, и перфорированных дисков из графита, имеющих положительный потенциал, между которыми расположен активированный уголь, причем количество последовательно расположенных электрохимических источников тока равно 2-5. В качестве активированного угля используют активированный уголь марки АГ-3. (Патент RU №2422187, кл. B01D 25/00, Бюл. №18, 2011).
Недостатком этого устройства является использование растворимого алюминиевого электрода, который сам является источником загрязнения при его эксплуатации в процессе очистки сточных вод. Кроме этого необходимость установки 5-6 источников тока неоправданно усложняет конструкцию фильтра, его эксплуатацию и техническое обслуживание. Приведенный фильтр имеет ограниченную возможность регенерации фильтрующих материалов обратным током воды ввиду ограниченной способности поляризации активированного угля, заявленного в качестве сорбента.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является сорбционный фильтр, включающий корпус, выполненный в виде водопроницаемой емкости в виде мешков, прошитых вертикальными прерывистыми швами, заполненный сорбентом, и электроды, разграничивающие слои сорбента, выбранного из ряда поляризующихся диэлектрических материалов и расположенного, по меньшей мере, в двух съемных водопроницаемых емкостях, размещенных в корпусе в виде спирали, а электроды выбраны из нерастворимого материала. Электроды выбраны из ряда коррозионно стойких сталей предпочтительно хромоникелевых. При этом электрод, имеющий положительный потенциал, может быть выполнен из листового эластичного армированного нержавеющей сталью графита (Патент RU №2490049, кл. B01D 25/00, Бюл. №23, 2013).
Недостатком данного устройства является сложность конструкции размещения электродов в виде спирали, которая увеличивает трудоемкость обслуживания при работе фильтра и замене сорбента. Кроме того, химически агрессивная среда сточных вод с примесями ароматических и алициклических аминов, ионов тяжелых металлов негативно воздействует на ткань мешков, из которых выполнены водопроницаемые емкости, а также на нитки, которыми прошиты мешки, что способствует скорому разрушению емкостей, необходимости их постоянной замены, а, следовательно, снижению надежности конструкции и ее удорожанию за счет постоянных ремонтов.
Задачей полезной модели является улучшение эксплуатационных характеристик сорбционного фильтра путем повышения надежности за счет исключения материалов, подверженных разрушению в химически агрессивной водной среде, а так же увеличение сорбционного эффекта очистки воды за счет использования сорбента в виде многослойной конструкции из 6 слоев загрузки различных сорбционных материалов.
Технический результат заключается в повышении эффекта адсорбции, и, как следствие, увеличении качества очистки воды, а также повышении надежности конструкции.
Указанная задача решается за счет следующих конструктивных признаков. Во-первых, сорбционный фильтр включает цилиндрический корпус с крышкой и вспомогательными патрубками, заполненный сорбентом, а также электроды, создающие разность потенциалов и расположенные в корпусе вертикально, причем электрод, имеющий положительный потенциал, имеет цилиндрическую форму, размещен в центральной части корпуса и выполнен из прессованного металлографита, а электрод, имеющий отрицательный потенциал, выполнен в виде вставленного в корпус цилиндра из тонколистовой высоколегированной коррозионно-стойкой стали, при этом сорбент выполнен в виде многослойной конструкции. Во-вторых, корпус и крышка выполнены из прочного адаптированного пластика, устойчивого к перепадам температуры и химически агрессивной среде. В-третьих, электрод, имеющий положительный потенциал, может быть выполнен из металлографита марок RC73, RC87 или RC90, при этом толщина стенки металлографитового цилиндра зависит от производительности фильтра, а диаметр его внутренней полой части соразмерен толщине стенки. В-четвертых, многослойный сорбент включает 6 слоев загрузки, расположенных сверху вниз: 1 слой - синтетический цеолит; 2 слой - бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками и глицерином, термически обработанный при температуре 550°C при постепенном повышении температуры; 3 слой - органобентонит ТУ 952752-2000; 4 слой - бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками и глицерином, термически обработанный при температуре 550°C; 5 слой - силикагель марки АСКГ; 6 слой - бентонит термически обработанный при температуре 800°C.
На фиг. 1 изображен сорбционный фильтр (вертикальный разрез); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сравнительная характеристика различных вариантов многослойных сорбентов по эффективности очистки воды.
Сорбционный фильтр включает цилиндрический корпус 1 с крышкой 2, вспомогательным патрубком 3 для подачи воды в корпус 1, вспомогательным патрубком 4 для отвода очищенной воды и вспомогательным патрубком 5 для промывки фильтрующих материалов обратным током воды, заполненный многослойным сорбентом 6, а также электроды 7 и 8, создающие разность потенциалов и расположенные в корпусе 1 вертикально, причем электрод 7, имеющий положительный потенциал, имеет цилиндрическую форму, размещен в центральной части корпуса 1 и выполнен из прессованного металлографита, обладающего достаточно высокой электропроводимостью. Другой электрод 8, имеющий отрицательный потенциал, выполнен в виде вставленного в корпус 1 цилиндра из тонколистовой высоколегированной коррозионно-стойкой стали. Сорбент выполнен в виде многослойной конструкции. Электроды 7 и 8 подключены соответственно к катоду 9 и аноду 10, выходы которых установлены на крышке 2. Корпус 1 и крышка 2 выполнены из прочного адаптированного пластика, устойчивого к перепадам температуры и химически агрессивной среде. Электрод 7, имеющий положительный потенциал, может быть выполнен из металлографита марок RC73, RC87 или RC90, обладающих наименьшим сопротивлением, при этом толщина стенки металлографитового цилиндра зависит от производительности фильтра и составляет от 25 мм (для сорбционных фильтров хозяйственно-бытового назначения) до 100 мм (для сорбционных фильтров промышленных производств), а диаметр его внутренней полой части соразмерен толщине стенки, что позволяет обеспечить достаточную прочность электрода. Многослойный сорбент 6 включает шесть слоев загрузки, расположенных сверху вниз: первый слой 11 - синтетический цеолит; второй слой 12 - бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками и глицерином, термически обработанный при температуре 550°C при постепенном повышении температуры; третий слой 13 - органобентонит ТУ 952752-2000; четвертый слой 14 - бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками и глицерином, термически обработанный при температуре 550°C; пятый слой 15 - силикагель марки АСКГ; шестой слой 16 - бентонит термически обработанный при температуре 800°C. Указанный многослойный сорбент показал наилучшие качественные результаты очистки загрязненных ароматическими и алициклическими аминами, а также ионами тяжелых металлов, водных растворов.
Сорбционный фильтр работает следующим образом.
Очищаемая вода поступает через вспомогательный патрубок 3 в корпус 1 к загрузке фильтра 6 и фильтрует в направлении сверху вниз через слои 9-14 последовательно к патрубку 4. Многослойный сорбент, находящийся в электрическом поле между электродами 7 и 8, поляризуется, приводя к поляризации коллоидные частицы фильтруемой загрязненной воды. Взаимная поляризация гранул сорбента и коллоидных частиц способствует эффективной адсорбции ионов загрязняющих веществ на поверхности гранул сорбента.
Пример. Результаты сравнительных испытаний предлагаемого сорбционного фильтра.
Перечень компонентов сорбента:
- органобентонит ТУ 952752-2000; представляет собой продукт взаимодействия природных монтмориллонитовых глин с четвертичными аммонийными солями (№1);
- бентонит, термическая обработка при 650°C (№2);
- бентонит, термическая обработка при 800°C (№3);
- бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками и глицерином, термическая обработка при 650°C (№4);
- бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками и глицерином, термическая обработка при 650°C при постепенном повышении температуры (№5);
- бентонит, модифицированный глицерином, термическая обработка при 650°C (№6);
- бентонит, термическая обработка при 550°C (№7);
- бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками, термическая обработка при 550°C (№8);
- бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками и глицерином, термическая обработка при 550°C при постепенном повышении температуры (№9);
- бентонит, модифицированный углеродными нанотрубками и глицерином, термическая обработка при 600°C (№10);
- силикагель марки АСКГ (№11);
- синтетический цеолит (№12);
- торф (№13).
Было составлено 7 вариантов многослойных сорбентов. Количество компонентов многослойного сорбента составляло от 4 до 6. Подробно состав каждого варианта фильтрующей загрузки приведен в таблице.
По результатам исследований построена диаграмма на Фиг. 3, отражающая сравнительную характеристику эффективности каждого варианта многослойного сорбента и позволяющая сравнить их эффективность. На оси X указан номер многослойного сорбента, на оси Y - соответствующая эффективность (%).
Исследуемые модельные растворы n-динитробензола, м-аминофенола, n-нитрофенола, n-нитроанилина и o-толуидина пропускали через каждый сорбционный фильтр, заполненный одной из фильтрующих загрузок, обозначенных в таблице.
Полученные результаты показали, что фильтры с загрузками №1, №2 и №6 имеют существенное преимущество по эффективности очистки сточных вод, наиболее эффективным из которых оказался многослойный сорбент №6.