ФИЛЬТРУЮЩИЙ ПАТРОН

Полезная модель относится к области очистки сточных вод, а именно к устройствам для очистки от иона марганца, СПАВ, нефтепродуктов и других загрязнений при окончании канализационной сети перед контрольным колодцем.
Известен фильтрующий патрон для устройства обработки воды с гравитационной подачей, содержащий: гидрофильный пористый фильтр очистки от частиц, имеющий открытый верхний конец, закрытый нижний конец и по меньшей мере одну боковую стенку между ними и соединительный элемент, уплотняющий гидрофильный пористый фильтр очистки от частиц в соединении с частью фильтрующего патрона, расположенной вблизи верхнего конца указанного фильтра, причем фильтрующий патрон имеет такую конструкцию и расположен таким образом, чтобы позволять воде течь под действием силы тяжести в открытый верхний конец и через боковые стенки пористого фильтра очистки от частиц по мере вытеснения воздуха из открытого верхнего конца. Гидрофильный пористый фильтр очистки от частиц содержит листовые фильтрующие материалы и зернистые материалы в виде гранулированного активированного угля. (Заявка №9912311, опубликованная от 27.09.2001 В01D 27/00).
Известен фильтрующий патрон для очистки воды, содержащий загрузку, включающую волокнистый механический фильтрующий материал, состоящий из лавсана и синтепона, или минерального стекловолокна, а также гидрофобный зернистый материал, в качестве которого используется модифицированный азотсодержащий уголь, а также решетку для предварительной механической очистки воды, установленную над фильтрующей загрузкой (Патент на полезную модель №59996 опубл 10.01.2007 г. B01D 27/00).
Задачей заявляемой полезной модели является разработка фильтрующего патрона, обеспечивающего использование очищенной воды для технических и технологических целей в водообороте, а также для ее сброса в водохозяйственные и рыбохозяйственные водоемы или городскую общесплавную канализацию.
Технический результат заключается в приобретении способности очистки полезной моделью вод от иона марганца, повышении эффективности очистки воды по анионным СПАВ и нефтепродуктам, а также в увеличении ресурса работы фильтрующего патрона по анионным СПАВ и нефтепродуктам.
Фильтрующий патрон для очистки воды содержит фильтрующую загрузку, включающую листовой волокнистый материал, сорбционную загрузку, включающую активированный уголь, а также решетку для предварительной механической очистки воды. Фильтрующая загрузка содержит между слоями листового волокнистого материала активированную угольную ткань сетчатой структуры. Сорбционная загрузка состоит из слоя малозольного активированного угля с зольностью не более 5% вес. и высокозольного активированного угля с зольностью не менее 10% вес.
На рис.1 представлено схематическое изображение фильтрующего патрона, установленного в железобетонный колодец, где 1 - железобетонный колодец, 2 - опорное кольцо, 3 - плита перекрытия железобетонного колодца, 4 - дождеприемная решетка, 5 - сливной трубопровод, 6 - фильтрующий патрон, 7 - волокнистый материал, 8 - активированная угольная ткань, 9 - малозольный активированный уголь, 10 - высокозольный активированный уголь, 11 - фильтрующая решетка.
Очищенная вода самотеком поступает через дождеприемную решетку 4 люка колодца 1 на фильтрующую решетку 11 фильтрующего патрона 6. На решетке 11 остаются листья, крупные частицы грунта, мусор. Периодически эти загрязнения убирают с решетки 11 вручную.
В верхней части фильтрующего патрона 6, заполненного слоями волокнистого листового фильтрующего материала в виде слоев нетканого полотна 7, между этими слоями находятся слои 8 активированной угольной ткани. В этой части фильтрующего патрона 6 происходит очистка воды от механических примесей и крупных взвесей, а также пленок нефтепродуктов и грубоэмульгированных нефтепродуктов за счет эффекта коалесценции. Наличие активированной угольной ткани, обладающей малым гидродинамическим сопротивлением, способствует дополнительному снижению концентрации средне - и мелкоэмульгированных нефтепродуктов в этой зоне фильтрующего патрона за счет эффектов сорбции и коалесценции вследствие высокой поглощающей способности этой ткани. При насыщении активированной угольной ткани нефтепродуктами на ней образуется пленка из сконденсированной сплошной фазы нефтепродуктов, на которой в дальнейшем происходит эффективное разделение эмульсии нефтепродуктов, что приводит к укрупнению капель эмульсии и более эффективному их задержанию лежащим за слоем активированной угольной ткани слоем волокнистого листового фильтрующего материала, то есть увеличению количества удаляемых нефтепродуктов, а следовательно снижению нагрузки на ниже лежащие сорбционные слои активированных углей.
Далее поток воды, прошедшей предварительную очистку, поступает в нижнюю часть фильтрующего патрона 6, а именно на слой 9 активированного низкозольного угля, где происходит удаление основной части микроэмульгированных и растворенных нефтепродуктов, а также частичное удаление анионных СПАВ и иона марганца. Низкозольные угли имеют наибольший из известных объем макропор, в которых эффективно поглощаются микроэмульгированные нефтепродукты (с размером микрокапель <0,5 мкм). Наличие в низкозольных углях мезо- и микропор обеспечивает сорбцию в них и анионных СПАВ лиофильному сорбционному механизму и частичную сорбцию иона марганца на полярно-окисленных центрах углей.
Пройдя слой низкозольного активированного угля, вода поступает на окончательную доочистку в слое 10 высокозольного активированного угля, где из воды удаляются оставшиеся растворенные нефтепродукты, а также основная часть анионных СПАВ и иона марганца. Высокозольные угли, имеют значительный объем мезо - и микропор, в которых эффективно поглощаются растворенные молекулы нефтепродуктов, анионных СПАВ и ион марганца. В мезопорах, кроме того, происходит эффект капиллярного расслаивания и капиллярного впитывания СПАВ, что приводит к резкому возрастанию общего количества поглощения СПАВ. Увеличению поглощения анионных СПАВ еще способствует и наличие неорганиченных окисных центров угля, содержание которых пропорционально его зольности. На этих центрах по ионообменному механизму происходит локальное сверхравновесное поглощение анионных СПАВ, которое приводит к дальнейшему капиллярному расслаиванию и капиллярному впитыванию расслоившейся фазы СПАВ. Высокозольные активированные угли, таким образом, работают в отношении анионных СПАВ как сепарационная среда, обеспечивающая разделение фаз, что приводит к очень большой динамической емкости по этим веществам, не достигаемой по чисто сорбционному механизму.
2
2
На полярных зольных центрах углей также происходит ионообменная сорбция иона марганца, который в дальнейшем каталитически окисляется на них до нерастворимой фазы диоксида MnO. Образовавшаяся фаза MnO обладает анионообменными свойствами, что способствует увеличению углей по поглощению анионных СПАВ.
После прохождения сорбционной загрузки фильтрующего патрона 6 вода из колодца 1 по сливному трубопроводу 5 отводится на повторное использование, либо сбрасывается в канализационный коллектор или водоем.
Фильтрующий патрон может быть установлен в стандартный колодец без предварительных изменений и дополнений в конструкции колодца.
Эффективность очистки заявляемого фильтрующего патрона составляет по нефтепродуктам с 50 мг/л (на входе в патрон) до 0,01 мг/л (на выходе) и по анионным СПАВ с 50 мг/л (на входе в патрон) до 0,01 мг/л (на выходе), по иону марганца с 3 мг/л (на входе в патрон) до 0,03 мг/л (на выходе).
В таблице представлено сравнение значений ресурса работы заявляемого фильтрующего патрона в двух вариантах сорбционной загрузки со значениями ресурса для фильтрующего патрона прототипа (патент 59996).
Значения ресурса работы фильтрующего патрона определялись как время защитного действия (мин), то есть как время появления на выходе фильтра заданной проскоковой концентрации - 0,3; 0,05 и 0,01 мг/л для нефтепродуктов и анионных СПАВ и 0,10; 0,05 и 0,03 мг/л для иона марганца. В качестве анионного СПАВ использовали лаурилсульфат натрия с исходной концентрацией 50 мг/л, а в качестве нефтепродукта - турбинное масло с исходной концентрацией 50 мг/л.
4
Исходную концентрацию иона марганца 3 мг/л получали растворением соли MnSO в воде в соответствующем количестве.
Испытание проводили на фильтрующем патроне диаметром 100 мм и общей высотой 1800 мм (высота сорбционной загрузки 1600 мм, а высота фильтрующей загрузки с решеткой 200 мм).
Определение зольности применявшихся активированных углей проводили по ГОСТ 12596-67, концентраций анионных СПАВ по ПНД.Ф. 14.1.2:4.158-2000, концентраций нефтепродуктов по ФР. 1.31.2007.03234. Определение концентрации иона марганца проводили по ГОСТ 4974-72.
Для сравнения с фильтрующим патроном-прототипом был взят активированный модифицированный азотсодержащий уголь марки МАУ-2А с зольностью 3,2%.
Сравнение проводилось при одинаковой скорости прохождения жидкой фазы через фильтр (объемной 1,33 л/мин или линейной ~ 10 м/час).
Высота слоя всех углей была одинакова и составляла 1600 мм. В случае применения пары углей высота каждого из них составляла 800 мм.
В таблице представлены времена защитного действия (до проскоковой концентрации 0,3, 0,5 и 0,01 мг/л для анионных СПАВ и нефтепродуктов и до проскоковой концентрации 0,10, 0,05, 0,03 мг/л для иона марганца для индивидуальных углей, а также для комбинаций:
1. Активированный уголь с зольностью 2,4% + активированный уголь с зольностью 12% + синтепон + угольная активированная ткань.
2. Активированный уголь с зольностью 3,0% + активированный уголь с зольностью 19,4% + синтепон + угольная активированная ткань.
3. Уголь МАУ-2А с зольностью 3,2% + синтепон + лавсан. Значение ресурса для индивидуальных углей представлены для их
сравнительной оценки, а также для демонстрации эффекта их сочетанного действия в комбинации.
Значения времени защитного действия (мин) до различных проскоковых концентраций после фильтра для анионных СПАВ, нефтепродуктов и иона марганца
№ п/п
Загрузка фильтра
Анионные СПАВ
Нефтепродукты
Ион марганца Mn<sup>2+</sup>
Проскоковая концентрация
Проскоковая концентрация
Проскоковая концентрация
0,30м г/л
0,05м г/л
0,01 мг/л
0,30 мг/л
0,05 мг/л
0,01 мг/л
0,10 мг/л
0,05 мг/л
0,03 мг/л
1
Активированный уголь с зольностью 12% весовых
1740
1150
30
160
70
Не достигается
370
280
85
2
Активированный уголь с зольностью 19,4% весовых
690
120
40
240
90
10
280
200
60
3
Активированный уголь с зольностью 2,4% весовых
290
160
70
350
80
20
150
Не достигается
Не достигается
4
Активированный уголь с зольностью 3,0% весовых
340
180
100
290
110
30
190
80
Не достигается
5
Активированный уголь МАУ-2А с зольностью 3,2% весовых
70
40
Не достигается
360
80
Не достигается
130
Не достигается.
Не достигается
6
Активированная уголь ткань + синтепон + активированный уголь с зольностью 2,4% весовых + активированный уголь с зольностью 12% весовых
1960
1410
110
420
120
20
290
130
45
7
Активированная угольная ткань + синтепон + активированный уголь с зольностью 3,0% весовых +
850
280
120
400
140
30
250
120
35
активированный уголь с зольностью 19,4% весовых
8
Синтепон + лавсан + МАУ-2А с зольностью 3,2% весовых
70
40
Не достигается
360
100
Не достигается
130
Не достигается
Не достигается
Из таблицы видно, что заявляемый фильтрующий патрон в комбинациях 1 и 2 (смотри выше) имеет существенно больший ресурс по сравнению с фильтрующим патроном-прототипом (комбинация 3) по нефтепродуктам и особенно по анионным СПАВ и иону марганца.
Кроме того, эффективность работы заявляемого фильтрующего патрона выше, чем у фильтрующего патрона-прототипа, так как при работе последнего не достигается проскоковая концентрация по СПАВ и нефтепродуктам 0,01 мг/л, то есть фильтрующий патрон-прототип обеспечивает худшую очистку.
Заявляемый фильтрующий патрон приобретает способность очистки воды по иону марганца, чего не имеет фильтрующий патрон-прототип.