ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ
TWO-COMPONENT FILTER MATERIAL

Изобретение относится к фильтрующим материалам и предназначено для использования во всех отраслях, где используются процессы фильтрования воды: очистка питьевой воды, очистка воды бассейнов и аквапарков, доочистка канализационных стоков, водоподготовка в пищевой промышленности и других отраслях, где используют очищенную воду в технологических процессах.
Фильтрованием называется процесс прохождения осветляемой воды через слой фильтрующего материала. Фильтрование применяют для осветления воды, то есть для задержания находящихся в воде взвешенных веществ. Фильтрующий материал должен представлять собой пористую среду с весьма малыми порами. В обычных фильтрах вода подается сверху и отводится снизу - через дренажное устройство, а промывка фильтра производится обратным током воды.
При промывке наиболее часто используемых промышленных фильтров с крупными и мелкими зернами фильтрующего материала происходят следующее процессы. Восходящие токи промывной воды взмучивают фильтрующий материал, и объем его увеличивается; это увеличение объема называют расширением фильтрующей загрузки. В восходящем потоке воды мелкие и легкие зерна фильтрующей загрузки оказываются выше более крупных и тяжелых. После прекращения процесса промывки фильтрующий материал оседает. Причем более крупные частицы оседают быстрее, а наиболее мелкие наоборот медленнее. Таким образом, происходит сортировка частиц фильтрующей загрузки по фракциям. Наиболее мелкие фракции скапливаются в верхней части фильтрующей загрузки. А так как вода на фильтрацию подается сверху вниз, то соответственно на мелкозернистую фракцию попадают самые крупные частицы загрязнений и задерживаются на ней. Те мелкодисперсные загрязнения, которым удалось проникнуть сквозь мелкозернистый верхний слой, уже не задерживаются в нижних крупнозернистых слоях загрузки и свободно проходят сквозь них.
После промывки фильтра вода, фильтруемая сверху вниз, отлагает загрязнения главным образом в верхнем наиболее мелкозернистом слое фильтрующей загрузки. Вследствие этого грязеемкость остальной части фильтрующего материала остается неиспользованной. В этих условиях верхние его слои быстро загрязняются, потери напора быстро возрастают, вследствие чего период полезной работы между промывками фильтра оказывается незначительным (Абрамов Н.Н. ВОДОСНАБЖЕНИЕ. Учебник для вузов. - 3-е издание, перераб. и доп. - Москва, Стройиздат, 1982 г. Параграф 101, стр. 277).
Таким образом, для удаления из обрабатываемой воды тех загрязнений, которые прошли через фильтры первой ступени фильтрации, в некоторых случаях приходиться устанавливать дополнительные фильтры второй ступени, что свидетельствует о низкой эффективности подобных фильтров и значительно увеличивает капитальные затраты на систему водоподготовки.
Для частичного решения данной проблемы иногда используют фильтры, загруженные фильтрующими материалами разной насыпной массы и разной крупности зерен.
3
Насыпная масса (объемный насыпной вес) - это масса сыпучего материала в единице объема вместе с пустотами. Выражается насыпная масса в килограммах на кубический метр (кг/м).
Например, известны фильтры с двухслойной фильтрующей загрузкой, содержащей верхний слой из крупнозернистого дробленого антрацита и нижний слой мелкозернистого кварцевого песка. При этом двухслойная загрузка расположена на слое крупнозернистого тяжелого гравия, выполняющего функцию поддерживающего слоя фильтрующей загрузки (патент РФ №64929, опубликовано 27.07.2007 г., патент РФ №75160, опубликовано 27.07.2008 г.).
Дробленый антрацит и кварцевый песок представляет собой материалы, используемые в технологии очистки воды. Антрацит - это сорт каменного угля, кварцевый песок - материал, состоящий в основном из диоксида кремния. При подаче воды сверху вниз при фильтрации крупные частицы загрязнений задерживаются слоем антрацита, более мелкие - слоем песка. Антрацит имеет меньшую насыпную массу, чем кварцевый песок, поэтому после промывки фильтра обратным током воды, песок оседает быстрее антрацита. В итоге, расположение слоев остается прежним, и фильтр после промывки готов к новому циклу очистки. Однако, даже в этой двухслойной фильтрующей загрузке, мы имеем только один слой мелкозернистого кварцевого песка, расположенный сразу под слоем дробленого антрацита, при этом грязеемкость остальной части песка остается неиспользованной. Таким образом, слой антрацита и верхний слой песка быстро забиваются, что приводит к необходимости частых промывок фильтра, перерывам в его работе, что в целом снижает эффективность мероприятий по очистке воды.
Неудобство при использовании рассмотренной фильтрующей загрузки заключается и в том, что различный фильтрующий материал (дробленый антрацит, кварцевый песок) поставляется в разной упаковочной таре и затем послойно загружается в фильтр с соблюдением нужной высоты слоев и прочих параметров. Кроме того, различный фильтрующий материал чаще всего приходится приобретать у разных поставщиков, что дополнительно усложняет процессы.
Также из уровня техники известен двухкомпонентный фильтрующий материал, принятый за наиболее близкий аналог к заявляемому фильтрующему материалу и содержащий слой из стеклянных частиц и слой из кварцевого песка, при этом стеклянные частицы имеют отрицательный заряд для обеспечения бактерицидных свойств и задержки загрязнений, а двухслойный материал расположен на слое крупнозернистого тяжелого гравия, выполняющего функцию поддерживающего слоя фильтрующей загрузки (патент Китая №203954764, опубликовано 26.11.2014 г.).
Дробленое стекло и песок также представляют собой материалы, состоящие в основном из диоксида кремния, при этом насыпная масса стекла меньше насыпной массы песка. Однако в данном решении не раскрывается крупность стеклянных частиц и кварцевого песка и другие показатели гранулометрического состава, которые позволяют судить об эффективности фильтрующих свойств такого материала. В любом случае и дробленое стекло, и кварцевый песок поставляются в разных упаковочных тарах и, как правило, разными поставщиками. Это, как и в предыдущем случае, создает определенные неудобства как при доставке фильтрующих материалов из разных мест, так и при их послойной загрузке в фильтр.
Задача изобретения заключается в изготовлении в производственных условиях двухкомпонентного фильтрующего материала (ДФМ) с последующей расфасовкой его в единую тару, в которой он поступает конечному потребителю для последующего использования в качестве загрузки фильтров.
Технический результат данного изобретения в повышении эффективности мероприятий по очистке воды за счет получения двух последовательных ступеней мелкозернистого фильтрования.
Технический результат достигается при использовании для фильтрации воды двухкомпонентного фильтрующего материала (ДФМ), содержащего два мелкозернистых материала, используемых в технологии очистки воды, имеющих одинаковый гранулометрический состав и разную насыпную массу, отличающуюся на 15-25%.
При этом ДФМ изготавливается в производственных условиях путем смешения двух мелкозернистых материалов (например, кварцевого песка и силикатного стекла) с последующей упаковкой полученного двухкомпонентного фильтрующего материала в общую тару. В этой таре в неизменном виде он поступает конечному потребителю, который осуществляет его загрузку в фильтры для очистки воды путем простого насыпания.
Гранулометрический состав фильтрующего материала подразумевает такие показатели как (СП 31.13330.2012 «Свод правил. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения»):
- минимальный и максимальный диаметр зерен;
- коэффициент неоднородности;
- эквивалентный диаметр зерен.
Эти характеристики должны соответствовать требованиям соответствующих нормативных документов (СП 31.13330.2012, DIN 12904:2005 и др.).
Одинаковый гранулометрический состав означает, что ДФМ содержит два мелкозернистых материала, имеющих такие одинаковые характеристики, то есть находящиеся в пределах согласно нормативам, как: минимальная и максимальная крупность зерен по диаметру, коэффициент неоднородности, эквивалентный диаметр зерен.
ДФМ может быть изготовлен смешением природного кварцевого песка и дробленого силикатного стекла. Главной составной частью этих материалов является диоксид кремния. За счет более низкого содержания диоксида кремния насыпная масса дробленого силикатного стекла на 15-25% меньше, чем насыпная масса кварцевого песка того же гранулометрического состава.
Показатели зернистого фильтрующего материала, характеризующие крупность зерен и их однородность, определяются по результатам ситового анализа, который заключается в рассеве высушенного образца пробы на калиброванных ситах с определением массы зернистого материала, оставшегося на каждом сите. По полученным данным строится график ситового анализа, по которому определяется коэффициент неоднородности и эквивалентный диаметр зерен. Формулы для вычисления показателей гранулометрического состава являются стандартными (https://studme.org/80703/geograflya/opredelenie_granulometricheskogo_sostava_dispersnyh_gr untov, просмотрено 25.06.2019 г., https://vunivere.ru/work16629.просмотрено 25.06.2019 г. и др).
После изготовления ДФМ упаковывают в единую тару и поставляют потребителю, который просто засыпает его в фильтр без разделения на слои и проводит очистку воды. При этом крупные частицы загрязнений оседают в верхней мелкозернистой части ДФМ, а более мелкие задерживаются нижней мелкозернистой частью ДФМ.
В процессе промывки фильтра, загруженного таким ДФМ, зерна более тяжелого кварцевого песка будут располагаться в восходящих токах воды ниже зерен более легкого силикатного стекла той же крупности, что и песок, и на одном уровне с более крупными зернами силикатного стекла. После окончания промывки мелкозернистые частицы кварцевого песка будут опускаться вниз со скоростью более крупных зерен силикатного стекла. Таким образом, мелкие зерна материала с большим насыпным весом (кварцевый песок) распределятся между более крупными зернами материала с меньшим насыпным весом (силикатное стекло) и создадут второй мелкозернистый слой, расположенный в толще фильтрующей загрузки ниже верхнего мелкозернистого слоя. В результате в фильтрующей загрузке после нескольких промывок образуется вторая ступень фильтрации на мелкозернистом слое, расположенная ниже первой - верхней ступени фильтрации. Таким образом, ДФМ формирует в одном фильтре две последовательные ступени мелкозернистого фильтрования.
Применение ДФМ позволит интенсифицировать процесс фильтрования и значительно улучшить качество фильтрата во всех отраслях, где используются процессы фильтрации: очистка питьевой воды, очистка воды бассейнов и аквапарков, доочистка канализационных стоков, водоподготовка в пищевой промышленности и т.п. При этом не требуется замена фильтровального оборудования или увеличение количества фильтров. Достаточно перегрузить фильтры и заменить старый фильтрующий материал новым -двухкомпонентным. Таким образом, решение проблемы с качеством воды достигается без реконструкции водоочистных сооружений и с минимальными затратами. Также применение ДФМ позволит в случае необходимости увеличить производительность очистных сооружений без значительных капитальных затрат за счет увеличения скоростей фильтрования.
На базе ДФМ изготавливается трехкомпонентный фильтрующий материал (ТФМ). В этом случае в ДФМ в процессе производства добавляется третий компонент - дробленый антрацит. При этом характеристики всех используемых фильтрующих материалов и требования к их составу должны соответствовать действующим нормативным документам (СП 31.13330.2012, DIN 12904:2005 и др.). Дробленый антрацит, как наиболее легкий материал, создает в фильтре верхний - крупнозернистый фильтрующий слой, то есть своеобразный предфильтр, служащий для задержания наиболее крупных частиц загрязнений. Таким образом, в фильтре образуются три последовательные ступени фильтрации.
В конечном итоге, комбинируя природные и искусственно изготовленные фильтрующие материалы, можно производить многокомпонентные фильтрующие материалы различного назначения.