Патент на изобретение №2328333

(54) ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ФИЛЬТРУЮЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области очистки воды для бытовых целей. Предложена многослойная композиция, в которой слои расположены сверху вниз в следующей последовательности и при следующем содержании компонентов, об.%: слой из полиэтиленовых или полистирольных гранул с плотностью менее 1 г/см³ – 15-20, слой низкоосновного макропористого анионита с плотностью 1,04-1,08 г/см³ – 5-10, слой высокоосновного макропористого анионита с плотностью 1,04-1,08 г/см³ – 1-5, слой низкоосновного макропористого анионита, импрегнированного фульвокислотами с плотностью 1,04-1,12 г/см³ – 10-15, слой сильнокислотного катионита с плотностью 1,2-1,3 г/см³ – 43-56, слой фильтрующего материала, состоящий из нефелина, оксида алюминия, бентонита, карбида кремния с плотностью 2,0-2,1 г/см³ – 3-5, слой гравия с плотностью 2,0-2,5 г/см³ – 1-5, слой кальцита с плотностью 2,0-2,5 г/см³ – 1-5. Изобретение обеспечивает комплексную очистку воды. 3 табл., 1 ил.

Изобретение относится к технике фильтрования и предназначено для очистки воды, используемой в технологических и в бытовых целях.

При очистке воды для технологических и бытовых целей необходимо обеспечить удаление нежелательных примесей, которые, как правило, присутствуют в существующих источниках водоснабжения – артезианские скважины, поверхностный водозабор, а также водопроводные системы с недостаточной степенью очистки. Проблема, в разной степени описанная в литературе [1, 2, 3], связана с основными примесями, от которых необходимо производить очистку воды, то есть требуется изменение состава исходной воды:

1. соединения железа – присутствуют в виде растворенного двухвалентного, нерастворенного трехвалентного (гидроокислы железа) и органического (комплексы двух- и трехвалентного железа с гуминовыми веществами природного происхождения – с гуминовыми и фульвокислотами).

2. соединения двухвалентного марганца.

3. тяжелые металлы, присутствующие в воде как в катионной, так и в некатионной форме.

4. соли жесткости – кальций и магний, в основном в виде гидрокарбонатов, а также хлоридов и сульфатов.

5. взвешенные вещества, представляющие собой в основном суспензию нерастворенного трехвалентного железа (гидроокислы железа) различной дисперсности (от 1-3 до 20-50 мкм), а также песок и глину природного происхождения. При дисперсности менее 1 мкм эти примеси могут существовать в виде коллоидов.

6. органические вещества природного происхождения – гуминовые вещества (гуминовые и фульвокислоты, их водорастворимые соли и нерастворимые соли в виде коллоидов).

7. повышенная цветность воды, вызванная в основном примесями, указанными в п.п.5 и 6.

8. повышенная кислотность воды – значение рН меньше 6-6,5 единиц.

В настоящее время существуют разнообразные методы и технологии очистки воды, позволяющие частично решать перечисленные в пп.1-8 проблемы, в том числе и с применением сорбционно-фильтровальных сред (загрузок).

Известен фильтр для очистки воды, содержащий корпус с плавающей загрузкой, распределительную систему, средство для автоматического переключения режима работы фильтра, который оборудован карманом с полифункциональной фильтрующей композицией – замоченным сорбционным или ионообменным материалом из гранул вспененного полистирола, который поступает в плавающую загрузку автоматически по наклонным лоткам в конце процесса промывки фильтра, емкостью для приема отработанного сорбционного или ионообменного материала, плавающей емкостью, служащей для зарядки и включения в работу сифона, причем верхняя часть нисходящей ветви сифона соединена трубкой с емкостью приема промывной воды, в которой размещен поплавок, регулирующий подъем и опускание шибера на подаче сорбционного или ионообменного материала в наклонные лотки [4].

Недостатками данного технического решения являются низкая эффективность использования и узость функциональных возможностей, связанные с тем, что производится очистка воды от ограниченного количества примесей, механически улавливаются только крупные частицы, невозможна корректировка рН очищенной воды.

Известна установка для очистки воды с полифункциональной фильтрующей композицией, состоящая из биореактора, фильтра с плавающей загрузкой и устройства для гидроавтоматической промывки, причем биореактор выполнен в виде колонны переменного сечения, в верхней части которой расположен разбрызгиватель, в средней размещены элементы наживления, выполненные из полимерных материалов с высокоразвитой поверхностью – сильнокислотный катионит в Na-форме и плавающую фильтрующую загрузку из гранул вспененного полистирола, и уменьшающейся по ходу движения воды плотностью упаковки, а в нижней – осадконакопитель с направляющими козырьками, конусное днище которого соединено со сборно-распределительной системой фильтра и сифоном [5].

Недостатками данного технического решения являются низкая эффективность использования и узость функциональных возможностей, связанные с тем, что производится очистка воды от ограниченного количества примесей.

Известна полифункциональная фильтрующая композиция для комплексной очистки воды, содержащая слой активированного угля, слой цеолита, расположенный перед слоем активированного угля, и слой цеолита, модифицированного серебром и расположенного после слоя активированного угля, при следующем объемном соотношении слоев, об.%: цеолит 2-14, активированный уголь 80-90, цеолит, модифицированный серебром 6-8 [6].

Недостатками данного технического решения являются высокая стоимость, низкая эффективность использования и узость функциональных возможностей, связанные с тем, что невозможно удаление взвешенных веществ, недостаточно эффективно удаление железа, нет возможности контролировать уровень рН выходной воды, а также неконтролируемое повышение содержания серебра в выходной воде.

Известна полифункциональная фильтрующая композиция, содержащая последовательно расположенные слой карбоксильного катионита в Н-форме, затем слой макропористого полистирольного сорбента (сильноосновного анионита) и слой активированного угля, при этом уголь содержит серебро для придания загрузке бактерицидных свойств. При этом удаляются соли жесткости, тяжелые металлы, марганец и частично железо, и природные органические вещества [7].

К недостаткам способа относятся невозможность удаления значительных количеств взвешенных веществ, недостаточно эффективное удаление железа, неконтролируемое повышение содержания серебра в выходной воде. Кроме того, невозможно обеспечить одновременную регенерацию всех компонентов непосредственно в водоочистном аппарате без их выгрузки, а для активированного угля необходима замена после исчерпания его сорбционной емкости.

Известна полифункциональная фильтрующая композиция для комплексной очистки воды, содержащая расположенные последовательно слой плавающего гранулированного полиэтилена или полипропилена, слой слабоосновного анионита в смешанной Cl-OH – форме, слой слабоосновного анионита, импрегнированного гумусовыми веществами, слой сильнокислотного катионита в Na- или в К-форме, и слой кварцевого песка или антрацита, выполняющего функцию нижнего распределительного слоя для потока воды [8].

К недостаткам способа следует отнести: невозможность удаления значительных количеств взвешенных веществ с дисперсностью менее 20 мкм и ограниченную сорбционную емкость по отношению к органическим веществам природного происхождения; кроме того, нет возможности произвести корректировку рН при повышенной кислотности воды.

Технической задачей изобретения является создание эффективной полифункциональной фильтрующей композиции, пригодной для комплексной физико-химической очистки воды в составе одного устройства, а также для регулирования кислотности, и расширение арсенала полифункциональных фильтрующих композиций.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в расширении функциональных возможностей, улучшении потребительских качеств, обеспечении экологической безопасности (так как не применяются сильные окислители – перманганат калия, гипохлорит натрия, и следовательно отсутствует их сброс при регенерации), снижении количества отходов. При этом в одном цикле очистки обеспечивается удаление большинства нежелательных примесей, включая соединения железа – присутствующих в виде растворенного двухвалентного, нерастворенного трехвалентного (гидроокислы железа) и органического (комплексы двух- и трехвалентного железа с гуминовыми веществами природного происхождения – с гуминовыми и фульвокислотами), соединений двухвалентного марганца, тяжелых металлов, присутствующих в воде как в катионной, так и в некатионной форме, солей жесткости – кальция и магния, в основном в виде гидрокарбонатов, а также хлоридов и сульфатов, взвешенных вещества, представляющих собой в основном суспензию нерастворенного трехвалентного железа (гидроокислы железа) различной дисперсности (от 1-3 до 20-50 мкм), а также песок и глину природного происхождения, органических веществ природного происхождения – гуминовые вещества (гуминовые и фульвокислоты, их водорастворимые соли и нерастворимые соли в виде коллоидов). Одновременно устраняется повышенная цветность воды, обусловленная примесями, указанными выше, и повышенная кислотность воды – значение рН меньше 6-6,5 единиц.

Сущность изобретения состоит в том, что полифункциональная фильтрующая композиция содержит слои, расположенные в порядке возрастания истинной плотности материалов, и включает фильтрующий слой из полимерного материала с плотностью менее 1 г/см³, слой низкоосновного анионита, слой импрегнированного низкоосновного анионита, слой сильнокислотного катионита и слои распределительно-фильтрующих материалов, причем композиция дополнительно содержит слой высокоосновного анионита, при этом слои расположены сверху вниз в следующей последовательности и при следующем содержании компонентов в об.%:

Везде по тексту под плотностью понимается физическая (истинная) плотность вещества.

На чертеже изображен фильтр, в котором размещена полифункциональная фильтрующая композиция.

Полифункциональная фильтрующая композиция содержит слои, расположенные в порядке возрастания истинной плотности материалов, при

следующем содержании компонентов в об.%:

Фильтрующая композиция размещена в едином корпусе 9, имеющем подводящий и отводящий патрубки 10, 11. Для равномерного распределения потока в нижней части корпуса 9 выполнен коллектор 12.

Фильтрующий слой 1 представляет собой плавающий слой с загрузкой из полиэтиленовых или полистирольных гранул с размером 1,4-8 мм.

Между слоями 1 и 2 формируется слой воды, т.к. плотность слоя 1 выше, а слоя 2 – ниже плотности воды.

Слой 2 низкоосновного макропористого анионита, например, стирол-дивинилбензольного (любого производителя в смешанной Cl-10%ОН-форме (Это означает, что 90% анионита находится в Cl-форме, а 10% находятся в ОН-форме).

Слой 3 высокооосновного анионита, например, акрилатного анионита (любого производителя) в смешанной Cl-10%ОН-форме, работающего в качестве органополотителя (скавенджера), это общепринятый синоним > обеспечивает более эффективное поглощение органических вещества природного происхождения в случае их присутствия в повышенной концентрации.

Слой 4 низкоосновного макропористого анионита, импрегнированного фульвокислотами, представляет собой слой ионообменного материала с селективной сорбционной способностью, преимущественно, по отношению к двух – и трехвалентному железу, алюминию, тяжелым металлам в некатионной форме, некоторым типам коллоидов (гидроксокомплексы железа), т.е. способного к комплексообразованию с ионами железа, марганца и других d-элементов. Насыщенность слоя 4 комплексообразователем составляет до 15-18 г/литр смолы анионита.

Слой 5 сильнокислотного катионита, преимущественно, гелевого или макропористого стиролдивинилбензольного сильнокислотного катионита (любого производителя) в Na- или К-форме (Это означает, что 100% катионита находится в Na-форме, или же 100% находятся в К-форме). Слой 5 предпочтительно имеет толщину в 2 раза большую, чем остальные слои.

Фильтрующий слой 6 состоит из нефелина, оксида алюминия, бентонита, карбида кремния и является слоем тонкой очистки для фильтрации частиц размером от 3-5 мкм и более.

Состав слоя: 1-15% материала для фильтрации воды Macrolite (его состав – нефелиновый сиенит (85-95%), оксид алюминия (1-15%), бентонит (3-5%), карбид кремния (1-3%). Размер гранул – 0,35-0,50 мм.

Распределительно-фильтрующий слой 7 гравия служит для фильтрации частиц размером от 20 мкм и более. Состав слоя: 1-20% фильтрующего материала с плотностью не менее 1,4-2,5 г/см³ и с размером гранул 1,5-8 мм из группы: кварцевый песок, гравий, гранат (гарнет), антрацит (гидроантрацит), шунгизит, фильтроперлит.

Распределительно-фильтрующий слой 8 кальцита обладает свойствами корректировки рН (для обработки воды, обладающей повышенной кислотностью), предпочтительно с размером гранул 1,5-8 мм.

Содержание каждого компонента может варьироваться в указанных выше пределах; конкретный состав зависит от качества обрабатываемой воды, то есть от содержания удаляемых примесей, и может быть оптимизирован в каждом конкретном случае.

Работа полифункциональной фильтрующей композиции происходит следующим образом.

Полифункциональная фильтрующая композиция размещается в типовом устройстве, представляющем из себя корпус (емкость) 9, снабженный верхним и нижним дренажно-распределительными устройствами (с размером отверстий 0,2-0,3 мм), в котором вода в рабочем режиме протекает сверху вниз через последовательно расположенные слои 1-8 полифункциональной фильтрующей композиции, которые обеспечивают удаление примесей. Высота слоев 1-8 загрузки должна быть не менее 0,5 м при степени заполнения объема емкости 60-70%.

В устройстве, изображенном на чертеже, предусмотрена возможность проведения регенерации сорбционных свойств материала 8-10% раствором NaCl или KCl, а также возможность обратной промывки (вода направляется снизу вверх для вымывания взвешенных веществ, поглощенных слоями 1, 6, 7, 8, а также для перемешивания компонентов всех слоев).

Перед началом работы обязательно необходимо провести первоначальную регенерацию полифункциональной фильтрующей композиции в описанном устройстве; при этом происходит седиментационное разделение слоев 1-8 в воде после проведения обратной промывки в процессе регенерации сорбционных свойств загрузки: материалы располагаются в емкости в зависимости от их плотности – сверху наиболее легкие (1, 2, 3, 4), внизу наиболее тяжелые (5, 6, 7, 8). После этого аппарат готов к работе. Частичное перекрытие слоев, близких по плотности (2, 3, 4, а также 6, 7, 8), не мешает протеканию процесса очистки.

Фильтрующий слой 1 с плавающей загрузкой состоит из гранул с плотностью меньшей, чем плотность воды, поэтому эти гранулы всплывают и образуют плавающую фильтрующую загрузку, обеспечивает эффективную фильтрацию взвешенных частиц размером более 20 мкм и далее фильтрацию частиц размером более 3-5 мкм, а также равномерное распределение потока поступающей воды по сечению, защищает последующие слои от загрязнения и блокирования активной поверхности взвешенными веществами, тем самым обеспечивает их работоспособность.

Слой 2 низкоосновного анионита обеспечивает поглощение органических вещества природного происхождения – гуминовых веществ (гуминовые и фульвокислоты, их соли и коллоиды), органическое железо и, тем самым, снижение показателя окисляемости воды, а также предотвращает загрязнение поверхности последующего катионитного слоя органическими веществами и, следовательно, ухудшения его сорбционных свойств. Поглощение происходит по следующему механизму:

RCl+R1^–=RR1=Ca^– (здесь R – ионообменная матрица анионита без обменного иона, считающаяся одновалентной, R1^– – органические вещества природного происхождения в анионной форме). Коллоидные формы веществ поглощаются также по адсорбционному механизму за счет адсорбции на поверхности пор анионита.

Слой 3 высокооосновного анионита (органополотитель – скавенджер) обеспечивает дальнейшее поглощение органических вещества природного происхождения в случае их присутствия в повышенной концентрации (механизм поглощения примесей такой же, как и для слабоосновного анионита).

Слой 4 низкоосновного макропористого анионита, импрегнированного фульвокислотами, обладающий селективной сорбционной способностью, селективно поглощает катионы двух- и трехвалентного железа, алюминия, тяжелые металлы в некатионной форме, некоторым типам коллоидов (гидроксокомплексы железа); он обеспечивает поглощение этих примесей и тем самым предотвращает загрязнение поверхности последующего катионитного слоя железом и, следовательно, ухудшения его сорбционных свойств.

Структурная схема показывает результат образования на слое 4 хелатного комплекса иона железа с фрагментом гуминовых – или фульвокислот, иммобилизованных на поверхности низкооосновного анионита; это взиамодействие и обеспечивает селективную сорбцию указанных примесей, т.е. выполняет функцию ион-селективного катионита.

Слой 5 сильнокислотного катионита обеспечивает поглощение солей жесткости – Са²⁺, Mg²⁺, частично Fe²⁺, а также Mn²⁺, аммония и тяжелых металлов в катионной форме по следующему механизму:

2RNa+Са²⁺=R₂Ca=Na⁺ (здесь R – ионообменная матрица катионита без обменного иона, считающаяся одновалентной). Аналогичные реакции обмена происходят и с участием других катионов – Mg²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, NH₄ ⁺.

Работоспособность слоев 2-5, осуществляющих удаление органических веществ, железа и катионов, обеспечивается предварительной очисткой от взвешенных веществ в фильтрующем слое 1 с плавающей загрузкой. Применения слоя 4, обладающего селективной сорбционной способностью к железу, обеспечивает работу слоя 5 сильнокислотного катионита. В противном случае работа катионообменного слоя 5 может быть нарушена при содержании двухвалентного железа более 0,5 мг/литр и при наличии гуминовых веществ природного происхождения, так как происходит блокирование поверхности катионита этими веществами.

Фильтрующий слой 6 тонкой очистки обеспечивает фильтрацию частиц размером более 3-5 мкм (то есть выполняет функцию фильтра тонкой очистки).

Фильтрация частиц происходит по адсорбционно-когезионному механизму благодаря развитой шероховатой поверхности примененного материала.

Распределительно-фильтрующий слой 7 обеспечивает фильтрацию взвешенных частиц размером более 20 мкм, а также равномерное распределение потока воды.

Распределительно-фильтрующий слой 8, обладающий свойствами корректировки рН обеспечивает фильтрацию взвешенных частиц размером более 20 мкм, дает возможность корректировки рН, позволяет повысить жесткость обработанной воды. Это происходит за счет растворения материала в гидрокарбонатной среде:

1. Повышение жесткости, то есть насыщение воды ионами Са²⁺

Н₂CO₃+СаСО₃=Са²⁺+2НСО₃ ^–

2. Связывание избыточных ионов водорода, то есть повышение рН

Н⁺+НСО₃ ^–=Н₂CO₃

Выполняет равномерное распределение потока выходящей воды по сечению.

Проведенные испытания на нескольких образцах показали, что с помощью предложенной полифункциональной фильтрующей композиции проводится очистка воды с высокими уровнями загрязнения; при этом загрязнения удаляются до весьма низких уровней. Очищенная вода удовлетворяет требованиям, предъявляемым СанПиН 2.1.4.1175-02 к качеству воды нецентрализованного водоснабжения и, как правило, превосходит их. В табл.1 приведены типичные значения концентрации примесей входной воды и воды после очистки.

При подборе состава полифункциональной фильтрующей композиции (в указанных пределах) следует учитывать, что конкретный состав зависит от качества обрабатываемой воды, то есть от содержания удаляемых примесей, и уточняется в каждом конкретном случае.

В табл.2 приведен пример используемых компонентов; образец 1 – используется для обработки воды с повышенной окисляемостью и низким уровнем рН, образец 2 – для воды, которая не требует корректировки рН, но имеет высокое содержание взвешенных веществ.

В табл.3 приведены результаты испытаний для этих двух вариантов состава полифункциональной фильтрующей композиции.

Таким образом, результаты испытаний подтверждают высокую степень очистки воды от примесей при применении предложенной полифункциональной фильтрующей композиции.

В результате изобретения создана эффективная полифункциональная фильтрующая композиция, пригодная для комплексной физико-химической очистки воды в составе одного устройства, а также для регулирования кислотности и расширения арсенала полифункциональных фильтрующих композиций.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в расширении функциональных возможностей, улучшении потребительских качеств, обеспечении экологической безопасности (так как не применяются сильные окислители – перманганат калия, гипохлорит натрия, и следовательно отсутствует их сброс при регенерации), снижении количества отходов. При этом в одном цикле очистки обеспечивается удаление большинства нежелательных примесей, включая соединения железа – присутствующих в виде растворенного двухвалентного, нерастворенного трехвалентного (гидроокислы железа) и органического (комплексы двух- и трехвалентного железа с гуминовыми веществами природного происхождения – с гуминовыми и фульвокислотами), соединений двухвалентного марганца, тяжелых металлов, присутствующих в воде как в катионной, так и в некатионной форме, солей жесткости – кальция и магния, в основном в виде гидрокарбонатов, а также хлоридов и сульфатов, взвешенных вещества, представляющих собой в основном суспензию нерастворенного трехвалентного железа (гидроокислы железа) различной дисперсности (от 1-3 до 20-50 мкм), а также песок и глину природного происхождения, органических веществ природного происхождения – гуминовые вещества (гуминовые и фульвокислоты, их водорастворимые соли и нерастворимые соли в виде коллоидов). Одновременно устраняется повышенная цветность воды, обусловленная примесями, указанными выше, и повышенная кислотность воды – значение рН меньше 6-6,5 единиц.

Источники информации

1. Б.Н.Фрог, А.П.Левченко. «Водоподготовка». Москва, 2003 г.

2. Б.Е.Рябчиков. «Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования». Москва, 2004 г.

3. А.С.Копылов, В.М.Лавыгин, В.Ф.Очков. «Водоподготовка в энергетике». Москва, 2003 г.

4. RU №2142317, 1997 г.

5. RU №2144005, 1998 г.

6. RU №2049053, 1995 г.

7. UA №36461 А, 2001 г.

8. UA №53167 А, 2002 г.

9. US №4632876, 4680230.

Формула изобретения

Полифункциональная фильтрующая композиция, содержащая слои, расположенные в порядке возрастания истинной плотности материалов, включающая фильтрующий слой из полимерного материала с плотностью менее 1 г/см³, слой низкоосновного анионита, слой импрегнированного низкоосновного анионита, слой сильнокислотного катионита и слои распределительно-фильтрующих материалов, отличающаяся тем, что композиция дополнительно содержит слой высокоосновного анионита, при этом слои расположены сверху вниз в следующей последовательности и при следующем содержании компонентов, об.%:

РИСУНКИ