УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДООЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области водоочистки, конкретно - к очистке воды от тяжелых металлов, и предназначена для использования в промышленных и бытовых системах водоочистки для доочистки от тяжелых металлов воды, предварительно очищенной от механических примесей и органических загрязнений.
Большинство современных технологий очистки воды от тяжелых металлов основано на использовании волокнистых ионообменных сорбентов, отличающихся от гранулированных сорбентов лучшими адсорбционными и эксплуатационными характеристиками. Для повышения качества очистки и увеличения ресурса работы сорбентов загрязненная вода должна быть предварительно очищена от механических примесей, поверхностно-активных веществ и нефтепродуктов, адсорбция которых на поверхности сорбентов снижает эффективность извлечения ионных загрязнений. С этой целью чаще всего используют проточные устройства с многослойной загрузкой, в которых последовательно расположены фильтрующие слои, обладающие разными сорбционными свойствами, а направление потока очищаемой воды перпендикулярно плоскости ориентации слоев сорбента [RU 2186036, C1; RU 2038316 С1; 2326715, C1; RU 26548, U1; RU 34526, U1 и др.]. Использование нескольких слоев с загрузкой, обладающей разными физическими характеристиками и сорбционными свойствами, усложняет конструкцию и затрудняет оптимизацию режима работы таких устройств. Общим недостатком устройств, в которых направление потока очищаемой воды перпендикулярно ориентации слоев сорбирующей загрузки, является сравнительно невысокая продолжительность контакта очищаемой воды с сорбентом при высоком сопротивлении потоку, что отрицательно сказывается на эффективности процесса очистки.
Для увеличения времени контакта очищаемой воды с сорбентом согласно изобретению [RU 2027677, C1] слои с фильтрующей загрузкой разной природы отделяют друг от друга горизонтальными перфорированными перегородками со строго установленным расположением отверстий и соотношением их площадей, обеспечивающим более равномерное распределение потока очищаемой жидкости и более длительный ее контакт с сорбентом. В полезной модели [RU 13207, U1], содержащей чередующиеся слои активированного угля, ионообменного материала и фильтров грубой и тонкой очистки, повышение эффективности контакта между очищаемой водой и фильтрующими слоями, расположенными перпендикулярно потоку жидкости, обеспечивается с помощью специальных рассекателей потока сложной формы, способствующих образованию завихрений и перемешиванию жидкости. Оба устройства характеризуются сложностью конструкции, невозможностью одновременной регенерации сорбентов с различающимися сорбционными характеристиками и высоким сопротивлением потоку жидкости.
Учитывая вышесказанное, представляется целесообразным предварительно очищать воду от механических и органических загрязнений, а затем проводить доочистку от ионов тяжелых металлов на моносорбенте с ионообменными свойствами.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели взято устройство, описанное в [RU 2112582, С1,]. Устройство включает кожух с днищем и крышкой с отверстием, через которое вытекает очищенная вода, и размещенный внутри кожуха фильтрующий элемент, имеющий перфорированные боковые стенки и центральную, размещенную соосно боковым стенкам, перфорированную трубку, вокруг которой смотаны в рулон слои фильтрующего и разделительного материалов. Крышка кожуха выполнена съемной, корпус фильтрующего элемента размещен с зазором относительно стенок кожуха, а крышка фильтрующего элемента герметично сообщена с его корпусом и кожухом устройства. Подводящий очищаемую воду патрубок расположен в нижней части кожуха, и вода, просачиваясь через слои смотанного в рулон сорбента, очищается и попадает в центральную трубку, из которой выводится через отверстие в крышке. Слои фильтрующего материала, разделенные слоями пористого либо сетчатого материала, жестко присоединены к торцевым стенкам фильтрующего элемента.
Недостатком прототипа являются то, что поток очищаемой воды движется перпендикулярно плоскости слоев фильтрующего материала, что приводит к увеличению сопротивления потоку, не смотря на присутствие сетчатого или пористого разделителя слоев сорбента.
Задачей настоящей полезной модели является создание простого в эксплуатации устройства для доочистки воды от тяжелых металлов, в котором извлечение тяжелых металлов достигается при минимальных гидравлических потерях.
Поставленная задача решается предлагаемым устройством для доочистки воды от тяжелых металлов, включающим цилиндрический корпус с присоединенными к нему на противоположных торцах диффузором и конфузором для ввода и вывода воды и, размещенный внутри корпуса соосно ему, по крайней мере, один фильтрующий элемент, представляющий собой свернутое в рулон полотно волокнистого ионообменного материала, скрепленное с гофрированным жестким разделительным материалом, при этом соединения корпуса с диффузором и конфузором выполнены разъемными, диаметр рулона совпадает с внутренним диаметром корпуса, а поток очищаемой воды ориентирован вдоль поверхности полотна волокнистого ионообменного материала.
На Фиг.1 схематически показан общий вид предлагаемого устройства.
На Фиг.2 схематически показано предлагаемое устройство в разрезе. В сечении А-А спиральный след двухслойной ленты, состоящей из скрепленных слоев фильтрующего полотна и разделительного материала, изображен условно в виде концентрических окружностей. Вид Б схематически показывает расположение каналов для тока воды, образованных зазорами между фильтрующим полотном и гофрами разделительного материала.
На Фиг.3 показана схема устройства с использованием составного фильтрующего элемента.
На Фиг.4 схематически показан вариант включения устройства в магистраль, позволяющий менять направление потока жидкости: схемы 4а и 46 соответствуют положениям 4-х ходового крана, обеспечивающим, соответственно, прямой и обратный поток воды.
Устройство содержит цилиндрический корпус 1, изготовленный из любого, инертного по отношению к воде материала, и расположенные в противоположных торцах корпуса диффузор 2 и конфузор 3, присоединенные к корпусу с помощью разъемных, например, резьбовых, соединений (на рисунках не показаны). Посредством резьбовых или других подходящих соединений через диффузор и конфузор устройство включают в магистральный водопровод. Внутри корпуса размещен фильтрующий элемент 4, представляющий собой расположенный соосно корпусу рулон из полотна волокнистого ионообменного материала 5, скрепленного с гофрированным разделительным материалом 6.
В качестве волокнистого ионообменного материала может быть использовано как нетканое, так и тканое полотно, однако, предпочтительно используют тканое полотно, которое, в отличие от нетканого полотна, хорошо держит форму, не разбухает и не комкуется под напором воды. В качестве ионообменного материала может быть использовано полотно, полученное на основе кислотных ионитов, например ВИОН КН-1, или полиамфолитов, например ВИОН АН-1, или их комбинаций.
В качестве гофрированного разделительного материала может быть использована фольга толщиной 0,05-0,5 мм из нержавеющей стали или другого, нейтрального по отношению к воде, гофрируемого материала.
Для предотвращения сбивания полотна под напором жидкости его скрепляют с гофрированным разделительным материалом любым подходящим способом (например, заклепками или скобами из нержавеющей стали) в нескольких, расположенных случайным образом местах 7, а затем полученную двухслойную ленту сворачивают в рулон. Внешний диаметр рулона 4 совпадает с внутренним диаметром цилиндра 1. При использовании одного фильтрующего элемента его длина равна длине цилиндрического корпуса 1.
Возможно использование составного фильтрующего элемента, в котором каждая укороченная секция 8 устроена, как описано выше, а их суммарная длина равна длине цилиндрического корпуса.
Гофрированный разделительный материал в конструкции фильтрующего элемента выполняет двоякую функцию: с одной стороны, он играет роль каркаса, предотвращающего сбивание и комкование фильтрующего полотна, а с другой стороны, формирует каналы для протекания очищаемой жидкости через фильтрующий элемент с минимальными гидравлическими потерями. Оси каналов, образующихся при сворачивании ленты в рулон, совпадают с осью цилиндрического корпуса 1 и с линиями тока жидкости. При ширине гофр около 1 мм образуются каналы с площадью сечения около 1 мм, обеспечивающие при незначительном гидравлическом сопротивлении эффективный контакт жидкости с сорбентом и эффективное поглощение тяжелых металлов.
Устройство работает следующим образом. Предварительно очищенная от взвешенных частиц и органических примесей вода через диффузор 2 поступает в фильтрующий элемент 4, расположенный в цилиндрической части корпуса 1, при этом скорость потока снижается пропорционально соотношению площадей широкой и узкой частей диффузора. При движении вдоль каналов, образованных гофрами и сорбирующим полотном, вода на всем протяжении взаимодействует с ионообменным материалом, при этом происходит турбулизация потока, повышающая эффективность ионообмена. Движение потока воды вдоль слоев фильтрующего материала, а не перпендикулярно им, как в прототипе, обеспечивает извлечение ионов металлов при минимальных гидравлических потерях. На выходе из устройства через конфузор 3 очищенная вода восстанавливает скорость движения и попадает к потребителю.
Заполнение свободных ионных вакансий на поверхности сорбента приводит к снижению его адсорбционных характеристик и требует замены материала или его регенерации. Предлагаемая разъемная конструкция позволяет при необходимости легко проводить замену фильтрующих элементов.
Дезактивация сорбирующего материала происходит неравномерно: по мере использования устройства в первую очередь дезактивируются участки сорбента, расположенные ближе к входной части. Для легкой частичной замены фильтрующего материала удобно использовать многосекционную загрузку, как показано на Фиг.3 в форме нескольких последовательно установленных коротких фильтрующих элементов. При этом потерявшие активность секции 8 могут быть легко заменены на новые и подвергнуты регенерации обычными способами вне устройства.
Ресурс работы устройства можно увеличить, включив его в магистраль как показано на Фиг.4 посредством 4-х ходового крана 9, позволяющего менять направление тока жидкости на противоположное (4а и 4б), переключая, таким образом, повышенную сорбционную нагрузку на более активные участки сорбента.