ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ЛИВНЕВЫХ СТОКОВ

Областьтехники
Полезная модель относится к области очистки ливневых сточных вод, а именно к устройствам для их очистки.
Уровень техники
Известен фильтр для очистки воды, состоящий из непроницаемого для воды корпуса и проницаемых верхнего и нижнего концов, закрытых проницаемыми верхней и нижней решетками, содержащий сорбционную загрузку из природного цеолита, в котором содержание монтмориллонита не превышает 20% весовых, а содержание клиноптилолита не менее 50% весовых (Патент на полезную модель №151523, B01D 27/02, C02F 1/28, опубл. 10.04.2015).
Недостатком устройства является его малый ресурс работы по очистке вод от катионов тяжелых металлов в присутствии в воде нефтепродуктов.
Известен фильтр для очистки сточных вод в виде фильтрующего патрона, состоящий из непроницаемого для воды корпуса и проницаемых его верхнего и нижнего концов, закрытых проницаемыми верхней и нижней решетками, содержащий сорбционную зернистую загрузку из природного цеолита и слоя зернистого активированного угля, расположенного перед слоем цеолита по ходу движения воды через фильтр. (Патент на полезную модель №156676, B01D 27/02, C02F 1/28, C02F 101/20, C02F 101/32, опубл. 10.11.2015).
Недостатком устройства также является малый ресурс по очистке сточных вод от катионов тяжелых металлов в присутствии в воде нефтепродуктов.
Данное решение является наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели и принято за прототип.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является разработка конструкции фильтрующего патрона, обеспечивающего наилучшую среди известных очистку сточных вод от катионов тяжелых металлов в присутствии нефтепродуктов для технических и технологических целей в водообороте, а также их сброса в водохозяйственные и рыбохозяйственные водоемы и городскую ливневую канализации.
Технический результат полезной модели заключается в увеличении ресурса его работы по очистке сточных вод от катионов тяжелых металлов в присутствии в воде нефтепродуктов.
Заявляемый технический результат достигается тем, что фильтр для очистки ливневых стоков, состоящий из непроницаемого для воды корпуса и проницаемых верхнего и нижнего концов, закрытых проницаемыми верхней и нижней решетками, содержит сорбционную зернистую загрузку, состоящую из слоя природного цеолита и расположенного перед ним по ходу движения воды через фильтр слоя угля, причем в качестве угля используется сульфированный уголь.
В одном из вариантов осуществления полезной модели перед слоем сульфированного угля по ходу движения воды через фильтр находится слой волокнистого фильтрующего материала.
В еще одном из вариантов осуществления полезной модели волокнистый фильтрующий материал в фильтре химически модифицирован с обеспечением увеличения гидрофильности или гидрофобности поверхности этого материала.
В другом варианте осуществления полезной модели волокнистый фильтрующий материал в фильтре химически модифицирован с обеспечением наличия у материала катионнообменных свойств.
В еще одном из вариантов осуществления полезной модели в качестве волокнистого фильтрующего материала используется угольная ткань.
В другом варианте осуществления полезной модели волокнистый фильтрующий материал выполнен многослойным.
В еще одном из вариантов осуществления полезной модели сам фильтрующий материал является катионообменным.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания сущности полезной модели рассматривается ее описание с привлечением сопровождающего чертежа.
Фиг. 1 Общий вид в разрезе фильтра в виде фильтрующего патрона, установленного в бетонный колодец системы ливневой канализации. Предлагаемый чертеж иллюстрирует только один предпочтительный вариант выполнения полезной модели и поэтому не может рассматриваться в качестве ограничения содержания полезной модели, которое не включает другие варианты ее использования.
Следует отметить, что на предлагаемом чертеже показано движение воды сверху вниз в заявляемом фильтре, что однако не исключает возможность подачи воды в обратном направлении, то есть снизу вверх, в данном случае фильтр будет развернут в пространстве на 180 градусов без изменения его конструкции. Способ подачи воды не изменяет сущность полезной модели, а лишь создает варианты ее использования и применения.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 представлено схематичное изображение заявляемого фильтра в виде фильтрующего патрона, установленного в железобетонный колодец для очистки стока в сети ливневой канализации, где обозначены: 1 - железобетонный колодец, 2 - опорное кольцо, 3 - плита перекрытия железобетонного колодца, 4 - крышка люка колодца, 5 - входной трубопровод неочищенной воды, 6 - фильтр, 7 - зернистая загрузка из природного цеолита, 8 - нижняя сетка (решетка), 9 - выходной трубопровод очищенной воды, 10 - верхняя сетка (решетка), 11 - сульфированный уголь.
Фильтр установлен внутри бетонного канализационного колодца 1 на опорном кольце 2. Колодец закрыт плитой перекрытия 3 и крышкой люка 4. Неочищенная вода поступает через входной трубопровод 5 внутрь колодца 1 и далее через верхнюю сетку (решетку) 10 внутрь фильтра 6, расположенного внутри колодца 1 на опорном кольце 2, обеспечивающем герметичное расположение фильтра 6 между верхней и нижней частями колодца и позволяющем очищаемой воде перетекать из одной части колодца в другую исключительно через фильтр. Пройдя сетку (решетку) 10, на которой задерживается крупный мусор, сточная вода поступает в слой сульфированного угля 11, где происходит удаление из воды эмульгированных нефтепродуктов и частичное удаление катионов тяжелых металлов. Далее частично очищенная вода поступает в слой зернистой загрузки из природного цеолита 7, где окончательно доочищается от катионов тяжелых металлов, а затем через нижнюю решетку 8 выходит в нижнюю часть колодца 1, откуда сливается через нижний трубопровод 9.
Природный цеолит представляет собой зернистый материал алюмосиликатной природы, обладающий способностью поглощать катионы тяжелых металлов из воды по механизму катионного обмена, причем глубина очистки на цеолитах превосходит таковую на синтетических органических катионообменниках (смолах). С этой целью цеолит и применяется для глубокой и высококачественной доочистки уже частично очищенных вод.
Реальные сточные воды (в том числе, и поверхностные) содержат различные загрязняющие вещества органической природы, и в первую очередь, нефтепродукты. Нефтепродукты в сточных водах всегда содержатся одновременно в виде нерастворимых форм (пленочных и эмульгированных) и растворимых форм (истинные растворы различных углеводородов, входящих в состав нефтепродуктов).
Адсорбционная способность природных цеолитов по растворенным нефтепродуктам очень мала и они фактически не мешают сорбции катионов тяжелых металлов на активных катионообменных центрах цеолита.
Эмульгированные нефтепродукты, находящиеся в воде в виде микрокапель различного размера, могут значительно ухудшать сорбционную емкость цеолита по катионам тяжелых металлов. Это происходит вследствие того, что микрокапли нефтепродуктов прилипают к поверхности частиц природного цеолита за счет адгезии и блокируют поры, находящиеся на поверхности этих частиц, что в целом затрудняет массообмен катионов тяжелых металлов внутренними порами (внутри частиц цеолита), где они и должны поглощаться. Это приводит к быстрому проскоку катионов тяжелых металлов через фильтр, то есть сокращает ресурс его работы.
Наличие перед слоем с цеолитовой загрузкой слоя активированного угля позволяет удалять эмульгированные и растворенные нефтепродукты, что приводит к увеличению ресурса работы цеолитовой загрузки по причинам, описанным выше. Однако, активированный уголь, с одной стороны, поглощает не только эмульгированные, но и растворенные нефтепродукты, что приводит к его быстрому насыщению и потере возможности производить очистку, что сказывается на уменьшении ресурса работы цеолитовой загрузки. Для работы цеолитовой загрузки наличие растворенных (молекулярных) нефтепродуктов не имеет значения, поскольку они никак не взаимодействуют с поверхностью цеолита. С другой стороны, активированный уголь как в исходном состоянии, так и в состоянии насыщения нефтепродуктами, не может поглощать катионы тяжелых металлов из воды, а сульфированный уголь может. Такие материалы называются катионитами - сульфоуглями, так как способны поглощать из воды катионы тяжелых металлов в обмен на эквивалентное количество других положительно заряженных ионов (катионов), переходящих в воду. Данный факт широко описан в литературе, например, «Клячко В.А., Апельцин Н.Э. Очистка природных вод - М. Изд-во «Стройиздат», 1971-579».
Кроме катионоообменных свойств сульфоугли, поскольку они являются углеродными материалами и имеют сродство к органическим веществам, задерживают эмульгированные нефтепродукты по механизму адгезии и коалесценции.
В настоящее время катионнообменники на основе сульфоуглей серийно выпускаются промышленностью (например, сульфоугли марок СК и СМ).
Эти материалы представляют собой частицы угля неправильной формы, химически обработанные таким образом, что имеют на своей поверхности сульфо-группы, доступные для обмена на них катионов. Особенности частных форм частиц на основе углей с сульфо-группами не влияют на достижение заявляемого технического результата. Получение технического результата обеспечивается общими характеристиками указанных частных форм материалов, поскольку любые частицы на основе углей с сульфо-группами способны обменивать катионы тяжелых металлов из раствора на катионы, находящиеся изначально на сульфо-группах (как правило, это катионы натрия, кальция или водорода) и одновременно поглощать эмульгированные нефтепродукты из раствора.
Таким образом, наличие в заявляемой полезной модели сульфированного угля перед слоем природного цеолита по ходу движения воды через фильтр способствует достижению технического результата по двум направлениям: поглощению из воды только эмульгированных нефтепродуктов (что способствует более продолжительному сроку службы загрузок на основе сульфированного угля и цеолита), а также увеличению общей катионообменной емкости фильтра по катионам тяжелых металлов (за счет дополнительной катионнообменной емкости загрузки на основе сульфированного угля), что способствует меньшей нагрузке по катионам тяжелых металлов на цеолитовую загрузку, то есть приводит к увеличению ресурса работы фильтра в целом по этим катионам.
Наличие в заявляемом фильтрующем патроне перед слоем сульфированного угля (по ходу движения воды) слоя волокнистого фильтрующего материала также способствует увеличению ресурса работы фильтра по очистке от катионов тяжелых металлов в присутствии нефтепродуктов. Это связано с тем, что этот слой за счет коалесцентного разделения фаз поглощает большое количество эмульгированных микрокапель нефтепродуктов, что предотвращает их попадание на слой сульфированного угля и увеличивает ресурс его работы по нефтепродуктам и катионам тяжелых металлов, а это, в свою очередь, как было сказано выше, увеличивает ресурс работы цеолитовой загрузки по катионам тяжелых металлов, то есть всего фильтра.
В качестве волокнистого фильтрующего материала используются известные в настоящее время, выпускаемые серийно и использующиеся для фильтрации жидких сред тканые и нетканые материалы: геотекстиль (дорнит), синтепон, пористые полипропиленовые материалы (поливом и фильтропласт), ткани для фильтрации жидких сред (хлопчатобумажные, полипропиленовые, капроновые, угольные), стеклоткани. Эти материалы, изготавливаемые из волокон в виде листа, имеют тканую или нетканую структуру и обладают способностью к просачиванию (фильтрации) через низ жидких сред, что позволяет им задерживать микрокапли эмульгированных нефтепродуктов по ситовому, адгезионному и электростатическому механизмам. Особенности частных форм листовых фильтрующих материалов не влияют на достижение заявляемого технического результата. Получение технического результата обеспечивается общими характеристиками указанных частных форм материалов, поскольку любой волокнистый фильтрующий материал имеет поры разного (в том числе, и малого) размера, образованные волокнами, а следовательно, способен задерживать микрокапли эмульгированных нефтепродуктов.
Кроме того, микрокапли эмульгированных нефтепродуктов могут задерживаться волокнами фильтрующего материала не только за счет чисто ситового эффекта, но и вследствие «прилипания» этих частиц к волокнам по механизму адгезии (в том числе и электростатической адгезии). Таким образом, получение технического результата обеспечивается общими свойствами частных форм волокнистого фильтрующего материала.
Наличие в составе фильтрующего патрона химически модифицированного волокнистого фильтрующего материала с обеспечением увеличения гидрофильности или гидрофобности поверхности этого материала, приводит к увеличению поглощения им микрокапель эмульгированных нефтепродуктов за счет явлений адгезии и электростатического притяжения, влияние которых увеличивается после химической обработки волокнистого фильтрующего материала с обеспечением увеличения гидрофильности или гидрофобности поверхности этого материала. При увеличении гидрофобности поверхности волокнистого фильтрующего материала увеличивается адгезия к нему незаряженных микрокапель нефтепродуктов. При увеличении гидрофильности поверхности волокнистого материала увеличивается адгезия к нему гидрофильных обратных мицелл (заряженных микрокапель нефтепродуктов, покрытых слоем противоионов и поверхностно-активных веществ, природного или искусственного происхождения), которые всегда есть в реальных сточных водах, а также заряженных микрокапель нефтепродуктов, образующихся вследствие их сольватации при сорбции органических ионнобменных веществ (например, гуминовой природы). Таким образом, увеличение гидрофильности или гидрофобности волокнистого материала способствует достижению заявляемого технического результата полезной модели.
Наличие волокнистого фильтрующего материала, химически модифицированного с обеспечением наличия у фильтрующего материала катионнообменных свойств, способствует достижению заявляемого технического результата полезной модели, так как в данном случае у фильтрующего материала остается способность поглощать эмульгированные нефтепродукты по механизму коалесценции, но дополнительно приобретается катионообменная емкость по катионам тяжелых металлов за счет наличия у катионообменного фильтрующего материала собственных катионообменных групп. Все это приводит к уменьшению нагрузки на катионообменные группы сульфированного угля и цеолита, что приводит к увеличению ресурса работы всего фильтрующего патрона.
Наличие в составе фильтра волокнистого фильтрующего материала, выполненного многослойным, также способствует достижению заявляемого технического результата полезной модели, поскольку различные слои этого материала могут задерживать различные по величине заряда и гидрофильно-гидрофобным свойствам микрокапли нефтепродуктов, то есть расширять перечень удаляемых форм нефтепродуктов из воды, что в целом способствует снижению нагрузки на слой сульфированного угля, а следовательно, и увеличивать ресурс работы цеолитовой загрузки фильтропатрона по катионам тяжелых металлов.
Использование в качестве фильтрующего материала угольной ткани также способствует достижению заявляемого технического результата полезной модели, по причине того, что угольная ткань состоит из волокон, имеющих значительное количество пор внутри этих волокон, которые при контакте с осевшими на волокнах микрокаплями эмульгированных нефтепродуктов интенсивно впитывают (за счет капиллярного эффекта) жидкую фазу нефтепродуктов внутрь объема волокна, освобождая ее поверхность для адгезии новых микрокапель. Это приводит к увеличению количества поглощенных нефтепродуктов слоем фильтрующего материала, а следовательно, и к увеличению эффективности фильтрующего патрона по катионам тяжелых металлов.
Наличие фильтрующего материала, являющегося катионнообменным, способствует достижению технического результата, так как фильтрующий материал в данном случае способен поглощать эмульгированные нефтепродукты по механизму коалесценции, а также, за счет наличия у катионнообменного фильтрующего материала собственных катионнообменных групп, - катионы тяжелых металлов. Это приводит к уменьшению нагрузки на катионнообменные группы сульфированного угля и цеолита, что приводит к увеличению ресурса работы всего фильтрующего патрона.