ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для очистки жидкостей, а в частности к конструкции корпусов данных устройств и может быть использована для очистки, преимущественно питьевой воды, поступающей из источника водоснабжения, загрязненного нефтепродуктами.
Значительная часть известных устройств для фильтрации жидкостей, в том числе и воды, основана на принципе пропускания загрязненной воды через фильтрующий материал с образованием на нем осадка загрязнений. Забивка пор грязью создает основное сопротивление фильтрации, которое приводит к снижению производительности фильтра и качеству получаемой воды.
В настоящее время для очистки воды от примесей применяют фильтры коаксиальной конструкции, в которой грязная вода через внешнюю обечайку картриджа проходит через утрамбованный слой фильтрующего материала (сорбента) и выходит через внутреннюю пористую трубку.
Известно устройство «Фильтр для очистки воды в транспортных средствах» (Патент РФ №2434664, МПК B01D 29/11, опубл. 27.11.2011, Бюл. №18). Фильтр для очистки воды в транспортных средствах состоит из полого цилиндрического корпуса с выпускными патрубками и с фланцем для крепления фильтра к отверстию водяного бака транспортного средства, к корпусу снизу прикреплен отстойник, который установлен в корпусе с радиальным зазором и сменным фильтрующим элементом, выполненным в форме полого цилиндра, состоящего из проволочного проницаемого материала, тонкость очистки которого изменяется по толщине его слоя в направлении от периферии к оси в пределах от 20-30 мкм до 75-85 мкм, сверху отстойник имеет фланец для его крепления к корпусу и для крепления в корпусе фильтрующего элемента, внизу отстойник имеет закрытое пробкой отверстие для механической прочистки фильтра в случае его засорения, а к боковой стенке отстойника прикреплен патрубок с клапаном, служащий для периодического слива отстоя.
Известно также устройство «Фильтр для очистки питьевой воды от химических и механических загрязнений» (Патент РФ №2486136, МПК B01D 27/00, опубл. 27.06.2013, Бюл. №18). Устройство состоит из корпуса и крышки, выполненных с возможностью герметичного соединения этих частей между собой, между которыми размещен сменный фильтрующий элемент. В крышке имеются входной и выходной патрубки. Основа фильтрующего элемента - полипропиленовый пустотелый сердечник с отверстиями для отвода очищенной воды, в торцевой части которого имеется заглушка, не позволяющая смешиваться подаваемой и отфильтрованной воде. Одна сторона сердечника, примыкающая к головной части корпуса, имеет пазы для установки уплотнительных колец, которые не позволяют не фильтрованной воде пройти на выход, минуя сам фильтрующий материал. На сердечник намотан композитный полимерный материал (КПМ). Вода попадает через отверстия в сердечнике во внутреннюю полость и идет в выходной патрубок корпуса.
По патенту РФ №2424983 «Фильтр для горячей воды» (МПК B01J 47/00, C02F 1/18, опубл. 27.07.2011, Бюл. №21) фильтр содержит фильтрующий элемент, установленный в герметичном корпусе, снабженном входным и выходным патрубками, корпус выполнен разъемным и состоящим из нижнего цилиндрического стакана и верхней крышки, соединяемых герметичным разъемом, на верхней крышке снаружи установлены входной и выходной патрубки, а внутри - держатель фильтрующего элемента, выполненный в виде тяг, закрепленных в крышке, на свободных концах которых размещена опора для фильтрующего элемента, при этом последний выполнен в виде полого цилиндра, состоящего из цилиндрического несущего каркаса, на котором закреплен фильтрующий материал, каркас верхним торцом установлен в посадочном месте верхней крышки, а в нижнем его торце установлена пробка в полости каркаса, которым он опирается на опору держателя, при этом коэффициент линейного расширения материала каркаса больше коэффициента линейного расширения тяги держателя, герметичный разъем нижнего цилиндрического стакана и верхней крышки изготовлен в виде выполненных на сопрягаемых кромках обоих деталей встречных расширяющихся конических буртиков, охваченных сегментами с V-образным профилем, сопрягаемым с упомянутыми коническими буртиками, сегменты наружной цилиндрической поверхностью в своей средней части соединены с внутренней поверхностью разъемного ленточного хомута, снабженного замковым устройством, верхняя крышка снабжена направляющим пояском, между которым и коническим буртиком крышки размещена герметизирующая эластичная прокладка, коэффициент объемного расширения материала которой больше коэффициента объемного расширения окружающего ее материала.
Горячая вода через входной патрубок поступает в корпус, проходит через фильтрующий элемент в выходной патрубок и выходит к потребителю.
Недостатком известных конструкций является их низкая производительность вследствие забивки пор на поверхности фильтрующего материала (сорбента).
Известен «Фильтр для очистки воды от нефтепродуктов» (Патент РФ №2081672, МПК B01D 24/12, опубл. 23.12.1994, Бюл. №25), который содержит корпус с торцевыми крышками, к которым присоединены входящий и выходящий патрубки, установленные в корпусе перфорированные диски, стержень и волокнистый фильтрующий материал, стержень установлен по оси корпуса с возможностью съема, диски выполнены с диаметром перфораций 1 мм и жестко прикреплены попарно к стержню на расстоянии между парными дисками, составляющем 20 мм, и между парами дисков 10-150 мм, волокна выполнены из синтетических и натуральных материалов и расположены на обеих сторонах дисков слоями толщиной 4-5 мм.
Известно «Устройство для очистки воды от нефтепродуктов» (Патент РФ №2100284, МПК C02F 1/40, опубл. 27.12.1997, Бюл. №36). Устройство содержит корпус, снабженный входным и выходным патрубками. На перфорированной пластине размещен первый слой, состоящий из смеси модифицированного торфа, керамзита со средним размером гранул 3 см и лавсанового волокна размером 1,0 см. Соотношение между ними в объемных частях равно торф: керамзит: лавсановое волокно 5:2:0,1.
Второй слой выполнен из торфяных фильтрующих элементов патронного типа. Фильтрующие элементы размещены на подставке с отверстиями, через которые собираются очищенные воды.
Вода, содержащая нефтепродукты, поступает через входной патрубок, проходит через первый слой, потом через фильтры и выходит через выходной патрубок.
Указанные конструкции фильтров также не обеспечивают качественную очистку из-за присутствия при очистке «пристенного эффекта» протекания жидкости мимо фильтрующего материала.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемой полезной модели является «Устройство для очистки воды» (Патент РФ №2183983, МПК B01D 29/58, C02F 1/15, опубл. 27.06.2002, Бюл. №18). Предлагаемое устройство, содержит корпус с крышкой и днищем, входным и выходным патрубками и закрепленный внутри корпуса коаксиально с ним элемент для очистки воды в форме полого цилиндра, с крышкой, имеющей центральное отверстие, и дном цилиндра, боковая стенка которого выполнена из материала, содержащего слой сорбента, причем материал боковой стенки содержит дополнительно, по крайней мере, по одному слою фильтрующего полотна с каждой стороны от сорбента, в качестве сорбента используется углеродное нетканое волокнистое активированное полотно, при этом материал уложен соосно с полым цилиндром гофрами и помещен между металлическими сетками, а элемент для очистки воды снабжен распорным элементом, установленным внутри полого цилиндра.
В известном фильтре конструкция фильтрующего элемента также не исключает присутствие «пристенного эффекта», когда часть еще не очищенной воды обтекает стенки фильтрующего элемента и попадает в уже отфильтрованную воду. Это приводит к низкой производительности оборудования и некачественной очистки воды.
Основной задачей предлагаемой полезной модели является создание фильтра для очистки воды от нефтепродуктов с повышенной производительностью оборудования.
Техническим результатом является повышение качества получаемой воды.
Технический результат достигается тем, что в фильтре для очистки воды от нефтепродуктов, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, слой фильтрующего материала и картридж, корпус выполнен в виде овальной бочки, внутри перпендикулярно ему установлены трубки-стяжки, а вертикально - ребра жесткости, на торцевых частях корпуса закреплены фланцы, на одном из которых установлены входной и выходной патрубки, а на другом - выполнен люк для загрузки фильтрующего материала, в верхней части корпуса расположен воздухоотвод, а в нижней - отверстие для слива воды, картридж установлен в верхней части корпуса соосно с выходным патрубком, в нижней части корпуса соосно с входным патрубком дополнительно установлен дистрибьютор, а фильтрующий материал расположен в корпусе неравномерно, чем ближе к поверхности выходного патрубка, тем плотность его засыпки выше, причем картридж выполнен в виде полого цилиндра с защитой в виде пористого материала, закрепленного перфорированной сеткой, причем диаметр цилиндра задается в зависимости от требуемой производительности фильтра.
Предлагаемая конструкция фильтра с дополнительно введенными элементами конструкции позволяет достичь технического результата за счет устранения пристеночного протекания воды через фильтрующий материал и сквозных каналов за счет самозалечивания слоя фильтрующего материала (графенового сорбента).
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на:
Фиг. 1 - представлена конструкция предлагаемого фильтра;
Фиг. 2 - представлена конструкция дистрибьютера;
Фиг. 3 - представлена конструкция картриджа.
Фильтр для очистки воды от нефтепродуктов состоит из корпуса 1, выполненного в виде овальной бочки, внутри которого в нижней его части расположены входной патрубок 2, соосно с которым расположен дистрибьютор 3 (являясь продолжением входного патрубка), представляющий собой трубку с отверстиями и служащий для равномерного распределения воды внутри корпуса, слой фильтрующего материала 4, в качестве которого использован, например, графеновый сорбент. На торцевых частях корпуса 1 закреплены фланцы 5.
В верхней части корпуса 1 расположен картридж 6, установленный на фланце 5 соосно с выходным патрубком 7. Картридж 6 выполнен в виде полого цилиндра с защитой в виде пористого материала, закрепленного перфорированной сеткой. В качестве пористого материала использован, например, пористый полипропилен, перфорированная сетка выполнена, например, из нержавеющей стали, а диаметр цилиндра задается в зависимости от требуемой производительности фильтра.
Слой фильтрующего материала 4, распределен в корпусе 1 неравномерно, чем ближе к поверхности картриджа 6, тем плотность его засыпки выше.
На одном из фланцев 5 расположен люк 8 для загрузки фильтрующего материала 4 в полость корпуса 1, который может быть также использован и для удаления фильтрующего материала 4 путем его вымывания, не разбирая при этом фильтр.
Для прочности корпуса 1 внутри перпендикулярно ему установлены трубки-стяжки 9, а вертикально - установлены ребра жесткости 10. При заполнении фильтра водой в верхней части корпуса 1 предусмотрен воздухоотвод 11 для стравливания воздуха, а в нижней его части выполнено сливное отверстие 12, закрывающееся пробкой.
Устройство работает следующим образом:
Через люк 8 производят загрузку фильтрующего материала (графенового сорбента) в полость корпуса 1.
Вода из сети или от насоса поступает в корпус фильтра 1 через входной патрубок 2, распределяется через дистрибьютор 3, проходит через слой фильтрующего материала 4 и через стенки картриджа 6 попадает в его внутреннюю полость и выливается через выходной патрубок 7.
При подаче воды в корпус 1 происходит всплывание фильтрующего материала 4, а поступившая вода обжимает его вокруг картриджа 6, уплотняет, устраняя этим дефекты набивки и возможность возникновения пристеночного эффекта перетекания воды мимо фильтрующего материала 4. Крупные примеси в воде удерживаются слабо уплотненным фильтрующим материалом, а мелкие - сильно уплотненным. Примеси крупнее 100 нм, которые представляют собой коллоидные примеси и бактерии не смогут проскочить через плотно упакованный фильтрующий материал. В случае образования в нем канала в него устремляется вода, идя по линии наименьшего сопротивления. Она захватывает свободные плавающие частицы фильтрующего материала, которые устремляются в эти отверстия и заполняют каналы, т.е. происходит эффект самовосстановления слоя.
Такая конструкция фильтра позволяет иметь площадь картриджа 6 больше, чем любая известная конфигурация фильтра.
Как видно из вышеизложенного, предлагаемая конструкция фильтра позволяет повысить качество получаемой воды и увеличить производительность оборудования при очистке воды от нефтепродуктов.
Дополнительный технический результат заключается в том, что при давлении воды трубки-стяжки 9 удерживают корпус 1 от деформации, что позволяет использовать более тонкий металл при изготовлении корпуса, снижая при этом массу конструкции и удешевляя ее стоимость.
Заявителем изготовлены и испытаны фильтры для очистки воды от нефтепродуктов на основе графенового сорбента.
Результаты испытания очистки воды от нефтепродуктов приведены на примере использования индустриального масла. Испытания проводили на стенде с фильтром, к которому присоединили емкость со 100 л воды и в качестве «загрязнителя» использовали 100 г индустриального масла, которое тщательно перемешали с водой. При заданном расходе эмульсии через фильтр, проводили отбор проб и на спектрофотометре по изменению оптической плотности раствора определяли содержание масла в воде. После пропускания воды через фильтр проводился периодический отбор проб.
Результаты испытаний представлены в Таблице 1.
3
Измерение оптической плотности проб воды после фильтрования 4,7 м показало, что оно находится на уровне исходной воды и составляет 0,005-0,006. Проверка содержания масла в исходной смеси (1 г/л), в процессе (0,74 г/л) и после окончания фильтрования соответственно составляет (0,44 г/л). Это значит, что сорбент поглотил 56 г масла, при этом в отфильтрованной воде его содержание составляет 0,0044 г, что доказывает высокую сорбционную емкость фильтра по отношению к нефтепродуктам.
Дальнейшие испытания проводили на фильтре с загрузкой графенового сорбента 2,5 кг.
3
Для этого в емкость загрузили 200 л воды и при перемешивании добавляли по 400 г Индустриального масла после каждой прокачки через фильтр 5 м.
3
3
В Таблице 2 приведены результаты поглощения масла в образцах воды после прокачивания каждых 5 м. Видно, что пробой фильтра наступает только после поглощения 3900 г масла в цикле 50 м воды. Таким образом, 1 г сорбента поглотил 1,56 г масла. После прокачивания эмульсии в опытах 4 и 8, наблюдается повышение содержания масла в образце, но после повторного фильтрования с добавлением еще 400 г масла, показания снижаются до уровня ниже ПДК.
Фильтры предлагаемой конструкции на основе графенового сорбента эффективны для очистки воды от нефтепродуктов на примере Индустриального масла.
3
На основе графенового сорбента разработаны и изготовлены фильтры для очистки воды от нефтепродуктов, на основе которых предложено изготовление модульной мобильной установки с производительностью до 10 м/час, предназначенной для получения питьевой или технической воды, в случаях разлива нефтепродуктов.
Данные исследования были проведены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках соглашения о предоставлении субсидии № RFMEFI57816X0222.