ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЙ ПАТРОН ДЛЯ ОЧИСТКИ МЫШЬЯКСОДЕРЖАЩЕЙ ВОДЫ

Полезная модель предназначена для получения доброкачественной питьевой воды и может быть использована в бытовых фильтрах в качестве сменного фильтровального патрона для очистки питьевой воды с повышенным содержанием мышьяка. Техническим результатом является обеспечение эффективной очистки воды с повышенным содержанием мышьяка.
4
В основе удаления мышьяка из растворов широко используется его взаимодействие с гидроксидом или оксигидратом трехвалентного железа с образованием труднорастворимого арсената железа FeAsО.
3
2
В известном способе очистки сточных вод и водных растворов солей щелочных металлов от мышьяка [RU 2100288] используется аппарат вихревого слоя, в реакционную камеру которого вместе с очищаемым раствором подается щелочной раствор NaOH одновременно с необходимым количеством железосодержащего реагента - раствора соли железа (III), например, FеСl·6НO. При этом атомное соотношение между мышьяком и железом выбирается As:Fe=1:5÷17.
4
3
В результате интенсивного перемешивания, индукционного нагрева до 70÷90°С и воздействия всех положительных факторов вихревого слоя все реакции: окисления-восстановления, замещения, нейтрализации, частичного электролиза воды и т.д. идут до конца. Непосредственно в системе образуется гидроокись железа (III) молекулярной степени дисперсности с получением затем геля заданной структуры с необходимыми свойствами, которая позволяет соосадить практически весь мышьяк. Для разделения твердой и жидкой фаз суспензия поступает в отстойник, затем на центрифугирование. Осадок содержит FeAsO и Fе(ОН). Предлагаемый способ предусматривает предварительное окисление As (III) до As (V) и сорбционное соосаждение уже пятивалентного мышьяка вместе с гидроокисью железа.
К недостаткам этого технического решения относится то, что бытовые фильтры не предназначены для проведения в них химических реакций, связанных с введением дополнительных реагентов и с температурным воздействием. Кроме того, использование раствора соли железа в технологии водоподготовки для питьевых нужд может привести к избытку содержания железа в конечном продукте.
Очистить воду от ионов мышьяка, причем от ионов мышьяка с разной валентностью, позволяет использование известного сорбента [US 6921732]. Он представляет собой цеолит, покрытый нанофазными оксидами железа и марганца, причем сорбент содержит 0.25÷10% оксида железа с молярным соотношением Mn/(Mn+Fe), равным 0.1. Сорбент получают путем добавления цеолита к железо-марганцевому раствору, приготовленному смешением раствора оксида железа с марганецсодержащим соединением. Эту смесь фильтруют, и из отфильтрованного продукта методом сушки получают сорбент в виде цеолита, покрытого нанофазными гидрооксидами железа и марганца.
Недостатком сорбента является то, что в процессе очистки от As (III), широко распространенного в природных условиях, высвобождаются ионы марганца Мn (II), которые также являются загрязнителями воды.
Известен органоминеральный сорбент [RU 2082496], получаемый насыщением анионита ионами трехвалентного железа путем обработки анионита раствором хлорида железа в насыщенном растворе хлорида натрия, при этом в качестве анионита берут слабоосновные или сильноосновные аниониты, а после насыщения анионита проводят осаждение гидроксида железа в порах анионита путем обработки последнего раствором щелочи или аммиака.
Недостатки сорбента связаны с тем, что в порах анионита удается осадить не более 0.25% гидроксида железа, что в условиях бытового фильтра значительно снижает его ресурс. Кроме того, в описании другого известного сорбента [RU 2328341] приведены данные, свидетельствующие о том, что наилучшие сорбционные показатели по отношению к мышьяку достигаются при концентрациях гидроксида железа около 12 мас.%.
В упомянутом [RU 2328341] сорбент для очистки воды от ионов тяжелых металлов состоит из измельченного цеолита и нанофазного материала, который включает в себя гидроксид железа и нанофазный бемит при следующем соотношении компонентов, мас.%:
нанофазный гидроксид железа
12÷18
нанофазный бемит
5÷13
цеолит
остальное
Обладая наилучшими показателями сорбции по отношению к мышьяку, сорбент не пригоден для использования как компонент узла фильтрации бытового фильтра из-за проскока мелких фракций сорбента через фильтрующие элементы и их попадания в очищенную воду. Применение бемита также является источником загрязнения воды алюминием.
Технической задачей является изыскание сорбента для очистки воды от мышьяка, чье присутствие в смеси гранулированных адсорбирующих компонентов, вносило бы минимальные изменения в конструкционные элементы фильтровального патрона, например такого, который производится под маркой «Барьер».
Наиболее близким по совокупности признаков техническим решением является фильтровальный патрон [ПМ 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 мышьяка крайне низка.
Заявляемый в качестве полезной модели фильтровальный патрон направлен на достижение комплексной и эффективной в бытовых условиях очистки воды, характеризующейся повышенным содержанием мышьяка.
Технический результат достигается тем, что предложен фильтровальный патрон для очистки мышьяксодержащей 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, снабженного расположенной между прилегающими к указанным сеткам слоями нетканого фильтровального полотна смесью гранулированных адсорбирующих компонентов и селективного по отношению к мышьяку сорбента; узла вывода очищенной воды, выполненного в виде воронки с тупым углом и отверстием посредине; при этом в качестве селективного по отношению к мышьяку сорбента используется метагидроксид железа FeO(OH), иммобилизованный на поверхности гранулированного, с размером гранул 0.25÷1.0 мм, анионообменного ионита в количестве 12÷15 мас.%, относительно ионита, а содержание в смеси селективного к мышьяку 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
- 20÷50;
активированный уголь
с размером гранул 0.3÷0.6 мм
- 20÷50;
карбоксилсодержащие катиониты
- 5÷40,
при этом содержание серебра в серебросодержащем активированном угле составляет не менее 0.2 мас.%.
Предпочтительно, что слои нетканого фильтровального полотна изготавливаются из катионообменного волокна.
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 мышьяку сорбент, а для компенсации относительного уменьшения доли адсорбирующих компонентов, участвующих в очистке воды, используется дополнительный слой нетканого фильтровального полотна.
Дополнительный по сравнению с прототипом слой нетканого фильтровального полотна прилегает к сетке узла фильтрации со стороны узла подачи и позволяет частично компенсировать относительное уменьшение доли адсорбирующих компонентов, участвующих в очистке воды. Так, для дополнительной очистки от тяжелых металлов, фильтровальное полотно изготавливается из катионообменного волокна.
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 мышьяку сорбента метагидроксида железа FeO(OH) позволяет провести его иммобилизацию на поверхности гранулированного анионообменного ионита, включая поверхность пор, чем достичь значений содержания активного компонента, отвечающих наилучшим показателям селективности. В Табл.1 приведены экспериментальные данные по сорбционной способности сорбента для удаления мышьяка в зависимости от содержания метагидроксида железа, иммобилизованного на поверхности ионита.
Таблица 1.
Содержание FeO(OH), масс.% относительно ионита
Процент сорбции, %
10
68.2±0.5
11
84.5±0.5
12
95.7±0.5
13
97.5±0.5
14
99.2±0.5
15
100
Заявляемое содержание метагидроксида железа FeO(OH) в количестве 12÷15 мас.% относительно ионита объясняется тем, что более 15 мас.% метагидроксида железа иммобилизовать на поверхности ионита не удается, а менее 12 мас.% использовать нецелесообразно из-за низких показателей сорбции, приводящих к значительному уменьшению ресурса фильтровального патрона. Кроме того, при количествах метагидроксида железа, меньших заявляемых, не удается достичь необходимой степени удаления As (III) в слабокислой (рН 6.5) среде.
Размер гранул анионообменного ионита 0.25÷1.0 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 мышьяку сорбента позволяет адаптировать использование фильтровального патрона для очистки питьевой воды с различным содержанием мышьяка.
Селективный по отношению к мышьяку сорбент получали следующим образом: сильноосновный анионит в гидрохлоридной форме насыщали раствором трихлорида железа, затем анионит в изотермическом режиме обрабатывали иммобилизующим агентом в присутствии хлорида кальция, далее проводили взаимодействие с сильным основанием - гидрооксидом натрия. Избыток раствора удаляли путем мембранной фильтрации. Затем материал промывали тремя-пятью объемами деионизованной или обратноосмотической воды и высушивали до постоянной массы. Получали гранулированный анионит с иммобилизованным на его поверхности метагидроксидом железа FeO(OH).
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом и примерами ее реализации.
На Фиг. представлен чертеж фильтровального патрона для очистки мышьяксодержащей воды, на котором: 1 - узел подачи очищаемой воды; 2 - радиальные прорези; 3 - средство крепления в фильтре; 4 - сетка на основании узла фильтрации; 5 - слой нетканого фильтровального полотна; 6 - узел фильтрации в виде полого цилиндра; 7 - смесь гранулированных адсорбирующих компонентов и селективного по отношению к мышьяку сорбента; 8 - узел вывода очищенной воды в виде воронки с тупым углом; 9 - 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 сетку 4а, проходит через слой нетканого фильтровального полотна 5а и попадает в полый цилиндр узла фильтрации 6, заполненный смесью 7 гранулированных адсорбирующих компонентов и селективного по отношению к мышьяку сорбента. Вода проходит через вышеуказанную смесь 7 и очищается от мышьяка, 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 5б нетканого фильтрующего полотна, где задерживаются взвешенные мелкодисперсные частицы фильтровальной смеси из фильтровального патрона. Слои нетканого фильтровального полотна 5а и 5б также дополнительно очищают воду и от вредных примесей.
На выходе из узла фильтрации вода проходит через сетку 4б, попадает в узел вывода очищенной воды 8 и через отверстие 9 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 мышьяка.
Показатель
Вода до прохождения через фильтровальный патрон
Вода после прохождения через фильтровальный патрон
Норматив по СанПиН 2.1.4.1074-01
Мышьяк, мг/дм<sup>3</sup>
0.1
0.011
0.05
Железо, мг/дм<sup>3</sup>
0.8
0.091
0.3
Медь, мг/дм<sup>3</sup>
2.0
0.090
1.0
Ртуть, мг/дм<sup>3</sup>
0.005
<0.0001
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
Свободный хлор, мг/дм<sup>3</sup>
1.2
0.063
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
0.0012
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 мышьяка.
Показатель
Вода до прохождения через фильтровальный патрон
Вода после прохождения через фильтровальный патрон
Норматив по СанПиН 2.1.4.1074-01
Мышьяк, мг/дм<sup>3</sup>
0.1
0.002
0.05
Железо, мг/дм<sup>3</sup>
0.8
0.081
0.3
Медь, мг/дм<sup>3</sup>
2.0
0.085
1.0
Ртуть, мг/дм<sup>3</sup>
0.005
<0.0001
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
Свободный хлор, мг/дм<sup>3</sup>
1.2
0.083
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
0,0014
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 мышьяка позволяет также использовать источники водоснабжения с повышенным содержанием мышьяка.