ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ НА ОСНОВЕ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ И СПОСОБ ЕГО РЕГЕНЕРАЦИИ
ACTIVATED CARBON-BASED WATER FILTER AND METHOD FOR REGENERATION THEREOF

Предлагаемое изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано для реактивации отработанных активных углей с целью их дальнейшего применения в системе водоочистки. В отличие от существующих систем восстановление происходит непосредственно в объеме фильтра без его перегрузки.
Активированный уголь является одним из наиболее распространенных сорбентов, которые применяются для повышения глубины очистки воды от антропогенных неорганических и органических загрязнений, а также для удаления продуктов хлорирования и озонирования на заключительном этапе обработки воды.
Преимуществом сорбционного метода является удаление загрязнений чрезвычайно широкой природы до любой остаточной концентрации, отсутствие вторичных загрязнений и возможность управления процессом.
Наряду с этим повышается надежность работы водоочистной станции в целом и гарантируется требуемое качество питьевой воды.
В качестве сорбционных материалов применяются активные угли отечественного или зарубежного производства в виде зернистых активных углей (гранулированных и дробленых) в качестве загрузки сорбционных фильтров.
Фирмами осуществляется поставка углей различного гранулометрического состава. Чаще всего в водоочистке применяется фракция 12×40 (0,4…1,7 мм).
При сравнительно высокой стоимости активированного угля (АУ) актуальными являются вопросы его регенерации, стоимость регенерированного угля существенно меньше, чем стоимость его получения из исходного сырья.
Существуют несколько способов регенерации АУ, включая:
- химическую регенерацию;
- экстракцию;
- биологическое разложение адсорбированных сорбентов веществ;
- электрохимическую регенерацию;
- обработку перегретым водяным паром или низкотемпературный нагрев от 100 до 200 градусов Цельсия;
- жидкофазное окисление;
- термическую регенерацию;
- с помощью электрического тока;
- с помощью СВЧ-нагрева (950-3000 мГц).
Наиболее целесообразным по технико-экономическим показателям в промышленных масштабах является термический способ реактивации, при котором уголь подвергается воздействию температуры 700-800°С без доступа воздуха в течение 15-20 мин.
Изобретение «КОМПОЗИЦИОННЫЙ РЕГЕНЕРИРУЕМЫЙ АДСОРБЦИОННЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО РЕГЕНЕРАЦИИ» (патент РФ №2171139; Рег. номер заявки: 2000100295/12) позволяет достичь высокой степени регенерации органических как полярных, так и неполярных веществ и ионов тяжелых металлов. При этом способе слой адсорбента заливается раствором электролита и через него пропускается электрический ток.
По «СПОСОБУ РЕГЕНЕРАЦИИ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ» (патент №2064826; Рег. номер заявки: 93039181) загрязненный активированный уголь регенерируют промывкой горячим паровым конденсатом, содержащим 1-2 мас.% тетрагидрофурилового спирта, при одновременном пропускании водяного пара.
Определенный интерес представляет «СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ» (Патент №2071830, Рег. номер заявки - 92011529), при котором активированный уголь после использования его для очистки сахарных сиропов смешивают со щелочным экстрагентом. Через полученную суспензию активированного угля пропускают смесь кислорода и воздуха. Затем на суспензию воздействуют электрогидравлическими ударами, инициируемыми токами с напряжением 36-39 кВ.
2
2
3
Техническое решение по патенту №2076846 «СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ» (Рег. номер заявки 95103082) относится к способам очистки воды фильтрованием. Для осуществления очистки воды от примесей ее пропускают через слой скрытокристаллического графита, включающего, мас.%: углерод 96,80-10,00, SiO 1,63-29,80, AlO 0,87-25,20, металлы (железо, кальций, магний, натрий, калий, марганец, титан и др.) 0,70-35,00, с размером частиц 0,30-4,00 мм, со скоростью 0,05-2,5 л/кг·ч. Сорбент регенерируют обработкой водой с температурой 95-100°С, твердую и жидкую фазу разделяют, сорбент сушат и нагревают до температуры 150-300°С.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому способу является «СПОСОБ РЕАКТИВАЦИИ АКТИВНОГО УГЛЯ» по патенту РФ №2081824. Известное техническое решение сорбционной техники и может быть использовано для промышленной реактивации отработанных активных углей.
Способ, предложенный в этом изобретении, включает в себя:
- обработку угля в продуктах сгорания топочных газов при температуре 200-800°С;
- промывку угля соляной кислотой с концентрацией 1-10 мас.% и водой;
- активацию с водяным паром при температуре 750-850°С.
При нагреве до 400°С происходит деструкция молекулярных связей, а при более высокой температуре - их упорядочение. Недостатками прототипа являются следующие:
- трудоемкость процесса, высокая стоимость и необходимость остановки оборудования, поскольку предусматривается сбор отработанного активированного угля в местах его использования и отправка на промышленную регенерацию,
- невозможность контролировать процесс регенерации,
- высокое потребление электроэнергии.
Известны различные фильтры на основе активированного угля, используемые в системах водоочистки и водоподготовки. Например, известно устройство для подготовки воды по патенту РФ на полезную модель №96367. Полезная модель относится к фильтрам для очистки воды и может быть использована для подготовки воды в пищевой промышленности. К нижней части одной колонки подведен трубопровод, на котором установлен гидронасос, колонки соединены трубопроводом таким образом, что трубопровод, выходящий из верхней части первой колонки, подведен к нижней части второй колонки, причем в первой колонке в качестве фильтра используется активированный уголь, а во второй колонке окисленный уголь, причем в каждой из колонок за слоем угля по направлению движения воды установлена сетка.
3
Известна также установка для очистки и обеззараживания воды по патенту РФ на полезную модель №71650. Полезная модель относится к области водоснабжения коллективных пользователей и может быть использована для подготовки воды поверхностных или подземных источников с целью получения питьевой воды заданного по физико-химическим свойствам качества. Для этого в установке по первому варианту, включающей фильтр грубой очистки, напорный сорбционный фильтр, фильтр тонкой очистки и ультрафиолетовый облучатель, напорный сорбционный фильтр включает активированный уголь в качестве сорбента, при этом перед ним установлен дополнительный напорный сорбционный фильтр, оба фильтра снабжены блоками управления, реализующими, по меньшей мере, две функции, одна из которых служит для подачи сверху очищаемой воды, а другая - для подачи воды снизу в режиме промывки, причем диаметры сорбционных фильтров лежат в пределах 1,6-4,0 дм, а объем засыпки в них сорбента составляет 25-37 дм. В установке по второму варианту, в дополнение к признакам первого варианта, выход фильтра тонкой очистки снабжен обратноосмотическим блоком, который связан с ним через собственный напорный насос.
Данное техническое решение как наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому выбрано авторами за прототип.
Недостатками всех приведенных выше технических решений являются невозможность регенерации используемых в них активированных углей без их выемки и последующей загрузки, а следовательно, трудоемкость процесса, высокая стоимость эксплуатации и необходимость остановки оборудования для регенерации используемого активированного угля.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка такого фильтра для очистки воды на основе активированного угля и способа его регенерации в устройствах водоочистки и водоподготовки, который бы позволил проводить его без выемки и последующей загрузки угля из оборудования, что позволило бы значительно упростить и удешевить процесс регенерации. Еще одной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение контроля за загрязнением угля и за процессом регенерации активированного угля.
В основу предлагаемого технического решения положен эффект бесконтактного нагревания активированного угля как электрического проводника в электромагнитном поле высокой частоты.
Для решения поставленной задачи предлагается фильтр для очистки воды на основе активированного угля, включающий корпус с патрубками для подвода очищаемой и отвода очищенной воды, а также патрубками для обратной промывки фильтра и блоки управления подачей воды в режиме очистки и обратной промывки, выполнить следующим образом:
- внутри стенки корпуса разместить (заармировать) индуктор, выполненный в виде катушки индуктивности, соединенной с генератором тока высокой частоты,
- наружную поверхность корпуса покрыть теплоизоляцией.
Дополнительным отличием является также то, что внутри корпуса фильтра установлены перпендикулярно потоку две керамические решетки.
Для решения поставленной задачи предлагается также способ регенерации фильтра для очистки воды на основе активированного угля, включающий нагрев активированного угля, проводить следующим образом:
- по мере загрязнения фильтра отключать подачу очищаемой воды;
- произвести обратную промывку фильтра;
- включить индуктор для нагрева угля до 100°С для испарения оставшейся воды;
- а затем при закрытом клапане довести температуру угля до 400-500°С для достижения эффекта восстановления структуры активированного угля;
- после остывания произвести обратную промывку фильтра, обеспечивающую удаление выделившихся при прокаливании частиц, после чего фильтр готов к работе.
Пример схемы фильтра с возможностью регенерации представлен на фиг.1.
1 - входной патрубок от магистрали водоснабжения, 2 - выходной патрубок к магистрали потребителя, 3 - активированный уголь, 4 - корпус фильтра, 5 - керамические решетки, 6 - патрубок для обратной промывки фильтра, 7 - крышки фильтра, 8 - сливной патрубок, 9 - витки индуктора, 10 - генератор токов высокой частоты, 11 - теплоизоляция.
Датчики давления, расхода воды и температуры на фиг.1 не показаны.
Суть предлагаемого способа регенерации заключается в проведении следующих операций:
1) по мере загрязнения фильтра производится закрытие клапанов на патрубках 1 и 2.
Основой для принятия решения о регенерации фильтра является сопоставление текущей и эталонной (исходной) гидравлических характеристик - DP=f(Q),
где Q - значение расхода воды;
DP - разность показаний датчиков давления на входном и выходном патрубках;
2) производится обратная промывка фильтра путем открытия клапанов на патрубках 1, 6 и 8, после чего эти клапаны закрываются;
3) последующее открытие клапана на патрубке 8 приводит к последующему вытеканию воды из фильтра;
4) на индуктор 9 подается ток от генератора тока высокой частоты (ТВЧ) 10;
5) повышение температуры в фильтре до 100°С свидетельствует об истечении воды из фильтра и начале испарения воды, и при достижении этой температуры клапан на патрубке 8 закрывается и происходит дальнейшее нагревание влажного угля и повышение давления;
доп.
6) при превышении в фильтре допустимого давления Р(давление устанавливается в зависимости от конструкции и материала фильтра) производится открывание клапана на патрубке 8;
7) после сброса давления клапан на патрубке 8 закрывается и нагрев продолжается (п.6). Признаком окончания стравливания пара является стабилизация давления;
8) циклы 6-7 продолжаются до тех пор, пока температура угля внутри фильтра не достигнет 400°С, после чего нагрев прекращается;
9) после понижения температуры угля меньше 100°С открываются клапаны на патрубках 6 и 8 для обратной промывки фильтра, после которой указанные клапаны закрываются;
10) окончательная промывка производится после открытия клапанов на патрубке 1 и 8;
11) ввод фильтра в действие производится после закрытия клапана на патрубке 8 и открытия клапана на патрубке 2.
Конструктивно фильтр выполняется из 3-х отдельных частей: верхнего и нижнего конуса и цилиндрической части, которые при сборке соединяются между собой тем или иным способом. Основным материалом для их изготовления является керамика (в частности, фарфор), обладающая необходимым свойствами.
Снаружи эти части должны быть покрыты термоизоляцией.
Клапаны в верхней и нижней частях фильтра могут быть заменены многоходовыми кранами, что может удешевить и упростить управление ими.
Достоинствами предлагаемого технического решения является:
- возможность регенерации сорбента на основе активированного угля без его выемки и последующей загрузки,
- возможность автоматизации процесса регенерации,
- удешевление и упрощение эксплуатации фильтров для очистки воды на основе активированного угля.