СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК C02F1/28 C02F1/42 

Изобретение относится к способам очистки воды от органических загрязнений, таких как фенолы, инсектициды, поверхностно-активные вещества и другие, неорганических веществ, таких как аммиак, сероводород, тяжелые металлы (свинец, хромат, кадмий, медь, никель, ртуть, марганец, олово и другие), а также микроорганизмов, в частности к способам получения питьевой воды или деионизованной воды из загрязненного пресного источника путем пропускания ее через ионообменники, и/или активированный уголь, и/или их смеси. Изобретение относится также к устройствам (фильтрам) для очистки воды для использования в быту в качестве насадки на водопроводный кран или иной патрубок.

Известен способ очистки водопроводной воды, в котором воду пропускают через смесь активированного угля и ионита в соотношении (1-3):1. В способе повышается на 20-30% сорбция тяжелых металлов по отношению к чистому иониту [1].

Недостатком этого способа является неэффективное использование сорбентов за счет неравномерности потоков, а также применение сульфокислотного катионита с очень малой статической обменной емкостью (1,8) для сорбции тяжелых металлов, по этой причине увеличение емкости на 20 - 30% дает незначительный суммарный эффект.

В качестве прототипа выбран способ обработки воды с использованием волокнистого фильтрующего материала [2].

Однако этот способ имеет невысокую степень очистки по вредным веществам (ниже ПДК при содержании вредных веществ в исходной воде около 10 ПДК) и не способен сохранять глубину очистки при залповых проскоках высоких концентраций вредных веществ (100 - 200 ПДК).

Известно устройство для очистки воды в быту, содержащее цилиндрический корпус с крышкой и днищем, подающий и отводящий патрубки, установленные в корпусе верхнюю, нижнюю и среднюю горизонтальные перфорированные перегородки и расположенный между ними зернистый поглотитель [3].

Это устройство, принятое в качестве прототипа, обладает следующими недостатками:
незначительным сроком эксплуатации из-за неравномерности движения воды через слой сорбентов;
вымывание угольной пыли при каждом включении при режиме снизу-вверх и еще большое сокращение сроков эксплуатации из-за непроизводительного сброса очищенной воды с угольной пылью в канализацию;
неспособность очищать от залповых проскоков воды с высоким содержанием вредных веществ. Это связано с тем, что кинетика сорбции на углях и ионитах как гранульных, так и волокнистых, синтетических и искусственных такова, что при массе фильтра 0,3 - 0,4 кг скорость очищаемого потока воды 0,3 - 0,4 л/мин является предельной, при которой можно достичь степень очистки более 70 - 80% при превышении ПДК по вредному веществу в 3 - 5 раз. При краткосрочном превышении ПДК в очищенной воде в 100 и более раз наблюдается превышение содержания вредных веществ в выходящей воде по величине ПДК в 10 - 50 раз, что связано с кинетическими ограничениями в свойствах сорбентов.

Задачей изобретения является разработка способа и устройства, позволяющих создать компактное устройство для очистки воды (весом 0,3 - 0,4 кг) с большим ресурсом работы (1 год) и высокой степенью очистки по вредным веществам (ниже ПДК при содержании вредных веществ в исходной воде около 10 ПДК), способного сохранять глубину очистки при залповых проскоках высоких концентраций вредных веществ (100 - 200 ПДК).

По предлагаемому способу воду пропускают через пять слоев сорбентов последовательно по ходу потока воды, причем нечетные слои представляют собой ионообменный волокнистый материал на основе хлопковой целлюлозы, имеющий сильнокислотные и среднекислотные катионообменные группы в соотношении 1 : 1 и статическую обменную емкость не менее 2 мг·экв/г и обладающий комплексообразующими свойствами по отношению к тяжелым металлам, а четные слои - смесь слабокислотного комплексообразующего карбоксильного катионита, имеющего статическую обменную емкость не менее 10 мг·экв/г анионита, имеющего статическую обменную емкость не менее 1 мг.экв/г, и активированного угля в объемном соотношении 1:(1-5):(4-10), при объемном соотношении нечетных слоев к четным слоям 1:(2-5).

Устройство обеспечивает максимально эффективное использование сорбентов за счет того, что организует путь движения воды через сорбенты в 3-4 раза длиннее, чем высота фильтра, и организует умеренные потоки воды через застойные зоны фильтра. Это достигается тем, что внутреннее пространство обечайки фильтра разделено тремя горизонтальными перегородками, имеющими равномерно распределенную по поверхности перегородки перфорацию и доходящими до стенок обечайки с образованием четырех зон, причем верхняя и нижняя перегородки снабжены дополнительно к распределенной равномерно перфорации еще и отверстиями, проходящими по периферии перегородок, кроме того, средняя перегородка снабжена дополнительным центральным отверстием таких размеров, что для всех трех перегородок соотношение между суммарной площадью периферийных или соответственно центрального отверстий с одной стороны и суммарной площадью всех остальных равномерно распределенных перфораций составляет (1-9): 1. При этом в качестве нечетных слоев взят фосфорный эфир целлюлозы, 1-й и 5-й слои расположены соответственно на верхней и нижней перегородках, а 3-й слой - сверху и снизу средней перегородки и прилегает к ней.

Четные слои включают смесь гранульных сорбентов с максимально высокой ионообменной емкостью по трем классам вредных веществ (органическим, катионогенным и анионогенным), обладающих кинетическими свойствами, т.е. скоростью сорбции вредных веществ сорбентами, такими же, как у аналогов и прототипа. Нечетные слои содержат сорбент, обладающий исключительно высокими кинетическими свойствами (в 100 раз выше, чем сорбенты четных слоев) и высокой степенью сорбции из малых концентраций (около 1-2 ПДК). Таким образом, 1-й слой за счет высоких кинетических свойств снимает залповые проскоки высоких концентраций вредных веществ, обеспечивая равномерную работу высокоемких 2- и 4-ого слоев, 5-й слой, обладая высокой степенью сорбции из малых концентраций, добирает следы вредных веществ после работы 2- и 4-ого слоев, обеспечивая большую, чем у прототипа, глубину очистки воды, 3-й слой, кроме разделительной функции, создает две ступени, обеспечивающие большой ресурс работы - четный слой большую глубину очистки (3- и 5-й слои).

Наличие в нечетных слоях, во-первых, ионита, комплексующего тяжелые металлы, и, во-вторых, ионита, несущего сильно- и среднекислотные группы, а в четных слоях ионита с слабокислотными группами, комплексующего тяжелые металлы по карбоксильным группам, дает возможность фильтру удалить из воды все виды ионов тяжелых металлов, обладающих как разными кислотными свойствами, так и различным сродством к комплексообразованию, а также практически все виды загрязненных и полярных молекул и ионов других органических и неорганических веществ.

Наличие в четных слоях смеси анионита и активированного угля обеспечивает удаление из воды оставшихся отрицательно заряженных органических и неорганических ионов, а также незаряженных органических молекул, уголь, кроме того, сорбирует патогенные микроорганизмы различных классов.

Конструкция внутреннего устройства такова, что она, во-первых, обеспечивает разделение слоев, во-вторых, удлинение пути потока воды по сорбенту, ликвидацию застойных зон, а значит, увеличение ресурса работы фильтра за счет снижения потерь из-за неравномерности потока через слои сорбентов.

На чертеже представлен продольный разрез устройства для очистки питьевой воды.

Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1, крышки 2 с подводящим патрубком 3, конического днища 4 с отводящим патрубком 5, верхней 6, средней 7 и нижней 8 горизонтальных перфорированных перегородок. По периферии нижней и верхней перегородок и в центре средней отверстия 9 выполнены большего размера, чем все остальные отверстия 10. Экспериментально было установлено, что для наилучшей работы устройства соотношение суммы площадей отверстий большего размера и суммы площадей остальных отверстий должно составлять (1-9):1.

На перегородках 6 и 8 и с обеих сторон перегородки 7 расположены слои 11 ионообменного волокнистого материала, например, на основе целлюлозы, а между этими слоями расположен зернистый поглотитель 12, выполненный в виде смеси слабокислотного комплексообразующего карбоксильного катионита, анионита и активированного угля.

Устройство работает следующим образом.

Вода из источника загрязненной пресной воды, например из водопроводного крана (не показан), при помощи муфты, выполненной, например, в виде резинового патрубка (не показан), поступает во входной патрубок, проходит через первый слой нижней и верхней перегородок так, что большая часть потока проходит через периферийные отверстия 9, а меньшая часть потока - через перфорацию в верхней перегородке. Таким образом достигается удлинение пути потока и равномерное распределение потока по всему слою смеси сорбентов. Это осуществляется также с помощью средней перегородки 7, через которую вода поступает большим потоком через центральное отверстие 9 и меньшим потоком через перфорацию, при этом вода проходит через слои 11, прилегающие снизу и сверху к средней перегородке. Далее основной поток воды расходится в радиальном направлении от центрального отверстия средней перегородки к периферийным отверстиям 10 нижней перегородки 8, проходя через толщу слоя поглотителя 12 из смеси сорбентов и последнего слоя 11, при этом равномерность распределения потока по толще сорбентов обеспечивают отверстия 10 средней и нижней перегородок. Далее вода свободно стекает в днище 4 и через отводящий патрубок 5 выливается наружу.

П р и м е р 1. Фильтр, изображенный на чертеже, диаметром и высотой обечайки соответственно 100 и 70 мм содержит в 1, 3 и 5-ом слоях 80 см³ (в сумме) ФЭЦ с СОЕ = 2,1 мг·экв/г , во 2 и 4-ом слоях 30 см³катионита КБ-4 и СОЕ = 10,5 мг·экв/г, 60 см³ анионита АВ-17х8-ч с СОЕ = =1,1 мг·экв/г и 120 см³ активированного угля ГС-01, в результате объемное соотношение карбоксильного катионита к аниониту и активированному углю равно 1:2:4, а отношение 1,3,5-ого слоев к 2 и 4-ому равно 1:2,6. Перегородки имели площадь отверстий 1,77 см², а площадь перфораций 0,8 см², отношение площади отверстий к площади перфораций равно 2,2: 1. Через фильтр со скоростью 300 мл/мин пропускали водопроводную воду, содержащую свинец, кадмий, хром (III), хром (IV) в количестве по 1 мг/л, фенол в количестве 0,05 мг/л, пропускали 3,7 см³ воды и анализировали. Очищенная вода содержала свинца 0,1 мг/л, кадмия 0,03 мг/л, хрома (III) 0,02 мг/л, хрома (IV) 0,01 мг/л, фенола 0,0005 мг/л. Таким образом, полностью очищена до ПДК вода в объеме годового потребления при условии расхода воды 10 л/сут. Кроме того, вода эффективно очищена от микроорганизмов.

П р и м е р 2. Используют фильтры, как в примере 1, с тем отличием, что:
2.1. Применен карбоксильный катионит:
КРК - 1 - 20 с СОЕ = 8 мг·экв/г ФЭЦ с СОЕ = 1,5 мг·экв/г, анионит с СОЕ =0,6 мг·экв/г.

2.2. Площадь перфорации - 2 см² (0,9:1 соотношение).

2.3. Площадь перфораций 0,12 см² (соотношение 15:1).

В случае 2.1 до тех же значений концентраций очищено 2,9 м³ воды, в случае 2.3 - 2,5 м³ воды, что связано в 2.1 с нехваткой емкости сорбентов, а в 2,3 наличием застойных зон и неполном использовании сорбентов.

В случае 2.2 очищено 3,4 м³ воды до концентраций по свинцу 0,15 мг/л, кадмию 0,38 мг/л, хрому (III) 0,03 мг/л, хрому (IV) 0,02 мг/л, фенолу 0,001 мг/л. Ухудшение очистки связано с тем, что снижена часть основного потока, проходящая длинный путь: большая часть потока через перфорации проходит прямой путь через фильтр.

П р и м е р 3. Используют фильтр, как в примере 1, с тем отличием, что:
3.1 вместо пяти слоев брали только два слоя, совмещая 1,3 и 5, а также 2 и 4;
3.2 объемное соотношение нечетных (1,3,5) слоев и четных (2,4) брали 1: 1;
3.3 объемное отношение нечетных слоев к четным брали 1:6;
3.4 вместо ФЭЦ на основе хлопковой целлюлозы брали ФЭЦ на основе вискозы.

Эксперименты проводили с залповым проскоком высоких концентраций веществ - пропускали 20 л водопроводной воды с концентрацией свинца, кадмия, хрома (III) и хрома (IV) 20 мг/л, фенола 0,5 мг/л. В очищенной воде анализировали вредные вещества. Результаты анализа приведены в табл. 1 (для наглядности в ней представлены и данные опыта 1).

Как видно из примера 3, изменение соотношений нечетных слоев к четным или изменение их порядка приводит к снижению глубины очистки в несколько раз (по свинцу в 3 раза). Такой же эффект наблюдается при замене ФЭЦ на основе хлопковой целлюлозы на ФЭЦ на основе вискозы или на другой волокнистый катионит, например волокнистый полипропилен с привитой полиакриловой кислотой или волокнистый ВИОН КН-1, представляющий собой омыленный полиакрилонитрил.

Снижение глубины очистки в примерах 3.1-3.4 по сравнению с примером 1 связано: в 3.1 с отсутствием слоев 3 и 5 с добирающих уже сниженные концентрации вредных веществ после прохождения слоев 2 и 4 с высокоемкими сорбентами; 3.2 со снижением содержания в фильтре слоя высокоемких сорбентов; в 3.3 со снижением содержания ФЭЦ, быстро снимающего высокие концентрации вредных веществ и обеспечивающего благоприятные условия работы 2 и 4 слоев: в 3.4 - с тем, что любые другие волокнистые сорбенты обладают худшей кинетикой сорбции, чем ФЭЦ на основе хлопковой целлюлозы.

П р и м е р 4 (сравнительный).

Изобретение относится к способам и устройствам (фильтрам) для очистки воды от примесей органической природы, тяжелых металлов и микроорганизмов и может быть использовано в быту для очистки водопроводной воды. Способ осуществляется с помощью устройства, выполненного в виде цилиндрической обечайки, диаметр которой равен или больше ее высоты с коническими крышкой и днищем, снабженными соответствующими входным и выходным штуцерами для воды, причем внутреннее пространство обечайки разделено по высоте тремя перегородками на зоны. Эти перегородки имеют равномерно распределенную по всей площади перфорацию, при этом верхняя и нижняя перегородки дополнительно имеют разнесенные по периферии отверстия, а средняя имеет одно центральное отверстие таких размеров, что для каждой перегородки соотношение между площадью дополнительных отверстий и остальной перфорацией составляет (1-9) : 1. Над верхней и нижней перегородками помещен слой фосфорнокислого эфира целлюлозы (ФЭЦ) с величиной статической обменной емкости (СОЕ) ≥, который также с обеих сторон прилегает к средней перегородке, а оставшееся пространство внутри обечайки заполнено смесью карбоксилсодержащего катионита с COE> 10 мг экв/г, анионита с COE> 1 мг экв/г и активированного угля в объемном соотношении трех последних сорбентов, равном 1 : (1-5) : (4-10), при соотношении объема ФЭЦ и других сорбентов, равном 1 : (2-5). Устройство для очистки питьевой воды состоит из цилиндрического корпуса с крышкой и коническим днищем, к которым соответственно присоединены подводящий и отводящий патрубки, горизонтальных перегородок, в которых выполнены отверстия разных размеров, расположенных на нижней и верхней и с обеих сторон средней перегородок слоев волокнистого ионообменного материала и зернистого поглотителя, размещенного между указанными слоями. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.