СОРБЦИОННЫЙ ФИЛЬТР
SORPTION FILTER

Изобретение относится к области коммунального хозяйства в централизованных и децентрализованных системах водоснабжения, а также может быть использовано в водоподготовке для целей водоснабжения промышленных предприятий.
Известен сорбционный фильтр, загруженный активированным углем (Журба М.Г. Водоснабжение. - М.: Изд. Архитектурно-строительных вузов, 2004 г., с.146-151). Недостатками устройства являются большие габариты фильтра, а также невысокий эффект очистки.
Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявляемому устройству по совокупности существенных признаков и максимально достижимому положительному эффекту является сорбционный фильтр (Патент РФ 2315647, B01D 25/00, C02F 1/46, опубликованный 2005.03.11).
Устройство содержит сорбент из цеолита, размещенный в цилиндрическом корпусе, и электроды, разграничивающие слои сорбента, где положительный полюс подключен к первому от корпуса электроду, к третьему и т.д., ко всем нечетным по номерам электродам, а отрицательный полюс подключен ко второму, четвертому и т.д., ко всем четным по номерам электродам. Устройство содержит один или несколько соединенных между собой параллельно идентичных корпусов со смесью активированного угля или сульфоугля и цеолита и подключенные к ним последовательно один или несколько соединенных между собой параллельно идентичных корпусов с электродами, где первую половину зазора между стенкой корпуса и первым электродом заполняет слой сорбента из цеолита, далее следует разделительная перегородка в виде сетки из диэлектрического материала, а вторую половину этого зазора заполняет слой сорбента из амфотерных материалов. Далее слои указанных сорбентов из цеолита и амфотерных материалов чередуются, начиная с амфотерных материалов, при этом слои между электродами имеют толщину 0,02-0,2 м, а электроды подключены к выпрямителю с постоянным напряжением 5-220 В.
Недостатком устройства является то, что очистка воды происходит при высоких энергозатратах. Кроме того, при поляризации электродов происходят растворение анода и его пассивация, отложение солей жесткости на катоде.
Задачей изобретения является уменьшение энергозатрат при очистке воды.
Поставленная задача решается тем, что сорбционный фильтр, включающий корпус, заполненный сорбентом, и электроды, разграничивающие слои сорбента в корпусе, согласно изобретению содержит электроды, создающие электрохимические источники тока, выполненные из перфорированных дисков из алюминия, имеющих отрицательный потенциал и перфорированных дисков из графита, имеющих положительный потенциал, между которыми расположен гранулированный сорбент, причем количество электрохимических источников тока больше одного. Фильтрование ведут со скоростью 5-11 м/ч. В качестве сорбента используется активированный уголь марки АГ-3. Количество последовательно расположенных источников тока равно 2-5, а расстояние между электродами электрохимического источника тока равно 187-241 мм.
На фиг.1 представлен эскиз сорбционного фильтра, на фиг.2 - графики зависимости мощности электрохимического источника тока от межэлектродного расстояния и концентрации водного раствора хлористого натрия.
Сорбционный фильтр (фиг.1) состоит из цилиндрического корпуса 1, закрытого сверху и снизу эллиптическими крышками 2. Подача воды в фильтр осуществляется через патрубок 3, находящийся в верхней части корпуса фильтра. Отвод очищенной воды производится через патрубок 4, расположенный в нижней части корпуса фильтра. В корпусе фильтра 1 последовательно по ходу движения воды расположены электрохимические источники тока, состоящие из алюминиевого диска 5 и графитового диска 6, разделенные гранулированным сорбентом, например активированным углем 7.
3
Сорбционный фильтр работает следующим образом. Очищаемую воду фильтруют в загрузке фильтра в направлении сверху вниз. В электрохимических источниках тока, состоящих из дисков 5, обладающих отрицательным значением электродного потенциала, и дисков 6, обладающих положительным значением электродного потенциала, возникает электродвижущая сила и, соответственно, электрический ток. Сорбент, находящийся в электрическом поле между двумя электродами, поляризуется, при этом увеличиваются силы адгезии. Кроме того, электроотрицательный алюминиевый электрод растворяется. Ионы алюминия в воде гидролизуются с образованием нерастворимой соли Al(ОН), являющейся коагулянтом. Процесс образования гидроксида алюминия интенсивно протекает на поверхности сорбента, за счет чего существенно увеличивается сорбционная емкость.
Экспериментально установлено, что мощность электрохимического источника тока имеет экстремальную зависимость от межэлектродного расстояния в широком диапазоне концентраций раствора. На фиг.2 приведены графики зависимости мощности электрохимического источника тока от расстояния в растворах хлористого натрия концентрацией от 1 до 100 г/л.
Как следует из фиг.2, на графике наблюдается два максимальных значения мощности электрохимического фильтра. Расстояние между электродами, соответствующее первому и второму максимуму, определится дифференцированием соответствующих уравнений регрессии (табл.1).
Таблица 1
Расстояния между электродами, соответствующие первому, второму максимуму мощности электрохимического фильтра
Концентрация раствора, г/л
Первый максимум
Второй максимум
Уравнение
Расстояние, мм
Уравнение
Расстояние, мм
100
у=-0,0353х<sup>2</sup>+0,9426х-3,4118
13,35
у=-0,00006х<sup>2</sup>+0,027х+0,7966
225
50
у=-0,0458x<sup>2</sup>+1,3143х-7,0771
14,34
у=-0,00002x<sup>2</sup>+0,0095х-0,112
237
10
у=-0,0321x<sup>2</sup>+0,9245х-5,2906
14,40
у=-0,000006x<sup>2</sup>+0,0029х+0,0428
241
5
у=-0,0246x<sup>2</sup>+0,7107х-4,0992
14,44
у=-0,000004x<sup>2</sup>+0,0016х+0,0384
200
1
у=-0,0257x<sup>2</sup>+0,7512х-4,538
14,61
у=-0,00000008x<sup>2</sup>+0,00003х+0,0753
187
Среднее значение
14,23
Среднее значение
218
Из полученных результатов следует, что в широком диапазоне концентраций раствора положение первого и второго максимума изменяется несущественно и может быть определено средним значением межэлектродного расстояния, а именно 14 и 218 мм. Так как высота фильтрующего слоя должна быть не менее 1 м, то электрохимический фильтр должен быть преобразован в многоэлектродный, а количество источников тока, соответственно, должно равняться 71 и 5 шт. Отсюда следует, что на практике нерационально использовать первый максимум из-за сложности конструкции фильтра. Таким образом, оптимальным значением межэлектродного расстояния следует считать 187-241 мм, а количество последовательно расположенных источников тока равно 5.
Затраты энергии в электрохимическом фильтре отсутствуют.
Регенерация фильтрующих материалов осуществляется обратным током воды. Форма корпуса и его геометрического размера роли не играют, поэтому корпус может быть цилиндрическим, прямоугольным или другой формы.
Пример 1. Воду фильтровали в сорбционном фильтре в направлении сверху вниз. В верхней части фильтра располагали алюминиевый перфорированный диск, в нижней части - графитовый перфорированный диск. Пространство между дисками заполняли активированным углем марки АГ-3.
Скорость фильтрования изменяли в пределах от 1 до 20 м/ч.
В таблице 2 и 3 приведены данные о степени очистки воды в сравнении с очисткой той же воды на устройстве-прототипе, при различных скоростях фильтрования, а также различных исходных концентрациях загрязнений. В воду искусственно был введен органический загрязнитель - хромоген черный. Степень загрязнения воды определяли по оптической плотности D. Исходное значение оптической плотности воды составляло D=0,08 (табл.2) и D=2,0 (табл.3).
Таблица 2
Оптическая плотность воды после очистки
Скорость фильтрования, м/ч
Оптическая плотность воды после очистки
1
3
5
8
11
15
20
Устройство-прототип
0,037
0,038
0,038
0,039
0,043
0,047
0,055
Сорбционный фильтр с 1 источником тока
0,038
0,038
0,038
0,038
0,039
0,042
0,045
Сорбционный фильтр с 5 источниками тока
0,030
0,030
0,031
0,031
0,032
0,034
0,035
Таблица 3
Оптическая плотность воды после очистки
Скорость фильтрования, м/ч
Оптическая плотность воды после очистки
1
3
5
8
11
15
20
Устройство-прототип
0,50
0,50
0,51
0,67
0,81
1,30
1,70
Сорбционный фильтр с 1 источником тока
0,48
0,48
0,48
0,48
0,55
0,73
0,89
Сорбционный фильтр с 5 источниками тока
0,18
0,18
0,20
0,20
0,25
0,30
0,37
Из результатов опытов следует, что при скорости фильтрования 1-8 м/ч оптическая плотность воды, очищенной сорбционным фильтром по прототипу и фильтром с одним источником тока, практически одинакова, однако при увеличении скорости фильтрования до 20 м/ч фильтр с одним источником тока дает больший эффект очистки воды.
Сорбционный фильтр с пятью источниками тока дает существенно лучшее качество воды в широком диапазоне скоростей от 1 до 20 м/ч. Очевидно, что для практических целей большая скорость фильтрования представляет больший интерес, так как уменьшаются габариты сооружений.