ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2025 года по МПК B01J20/02 B01J20/30 B01D39/02 

Изобретение относится к области водоподготовки и может быть использовано для очистки скважинной воды для различных нужд.

Опыт показывает, что вода, поступающая из скважин или колодцев, может содержать вредные примеси, а зачастую их количество может превышать допустимые нормы и быть опасным для здоровья. В число таких примесей входят, например, марганец, железо и сероводород. В настоящее время для очистки воды от вредных примесей широко используются фильтры с загрузкой на основе природного зернистого материала с каталитически активным слоем на его поверхности. Эти материалы объединены в группы (серии), это так называемые катализатор пропиточный и медьсодержащий химический сорбент. И та и другая группа материалов содержит в качестве инертной основы природный зернистый материал, на который нанесена активная оболочка.

Известен, например, фильтрующий зернистый материал, представляющий собой инертную зернистую основу природного происхождения, покрытую каталитически активной оболочкой, а также известен способ получения такого материала (RU 2275335).

Известен также фильтрующий материал на зернистой инертной основе природного происхождения (RU 2447922), содержащий каталитически активный слой, нанесенный на инертную основу.

Недостатком большинства известных зернистых материалов, изготовленных с использованием инертной основы природного происхождения с каталитически активным наружным слоем, является их недолговечность в результате непрочной оболочки каталитического слоя, быстро истирающейся или разрушающейся в процессе эксплуатации. Частицы разрушающейся оболочки забивают фильтр, снижая его рабочий ресурс и качество очистки воды. Кроме того, использование для инертной основы материалов с большой насыпной плотностью более 1300 кг/м³, также отрицательно сказывается на работе фильтрующей загрузки, поскольку значительно усложняет ее регенерацию.

Известные способы производства вышеописанных фильтрующих материалов не обеспечивают необходимое их качество, в результате чего при эксплуатации (в процессе очистки воды и при регенерации загрузки) происходит разрушение оболочек зерен фильтрующей загрузки, что отражается на качестве очистки и на рабочем ресурсе фильтра.

Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение эксплуатационного ресурса фильтрующего материала (фильтрующей загрузки) при одновременном обеспечении высокой степени очистки воды.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что фильтрующий материал, включает инертную основу из зернистого материала, частицы которого выполнены с покрытием в виде двухслойной активной каталитической оболочки, при этом внутренний ее слой выполнен из материала на основе соли трехвалентного железа с добавлением оксида магния, щелочного связующего и меди, а наружный ее слой выполнен в виде порошкового напыления из сухого активного компонента. При этом материал на основе соли трехвалентного железа с добавлением оксида магния, щелочного связующего и меди берут в количественном соотношении компонентов равным от 3:2:1:1 до 10:2:2:1 соответственно.

Под инертными материалами будем понимать легкие материалы с насыпной плотностью не более 1,8 г/см³, предпочтительно не более 1,3 г/см³, наиболее предпочтительно не более 1,0 г/см³. Наиболее предпочтительным материалом для инертной основы является дробленый керамзитовый песок (фракции ~ от 0,8 до 1,8 мм) или F-Ag (фильтр-агрегат). По составу Filter-Ag - безводный алюмосиликат с большой поверхностью фильтрования, гранулированный, вспененный. Также не исключено использование таких инертных материалов природного происхождения, как, например, вулканический туф, пемза, известняк-ракушечник и др.

В качестве порошкового активного компонента для напыления могут быть использованы смесь оксида магния и пиролюзита, взятых в соотношении 1:(13-13,5), или оксид магния. В качестве щелочного связующего в составе материала оболочки можно использовать гидроокись натрия или гидроокись калия.

Способ производства фильтрующего материала осуществляют путем нанесения двухслойной каталитически активной оболочки на инертную основу из зернистого материала. Исходный зернистый материал, загруженный во вращающееся перемешивающее устройство, равномерно увлажняют и далее, при непрерывном перемешивании, соединяют с суспензией на основе соли трехвалентного железа, содержащей оксид магния, медь и щелочное связующее, после чего осуществляют опудривание полученной смеси сухим активным компонентом, а затем включают обогрев и продолжают перемешивание до достижения температуры смеси, равной 50±5°С. Выключают обогрев, выгружают из перемешивающего устройства полученный продукт и досушивают его до относительной влажности 50-60%, например, на открытом воздухе. Допустимы и другие известные варианты сушки.

В качестве увлажняющего агента может быть использована вода или водный раствор жидкого стекла.

Заявленное решение выгодно отличается от аналогичных известных технических решений.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает долговременную работу фильтрующего материала, без снижения при этом качества очистки воды, за счет использования определенного состава материала, наносимого на поверхность зернистой инертной основы, при одновременном соблюдении определенного (вышеописанного) режима его нанесения. Именно такое сочетание в совокупности обеспечивает достижение указанного технического результата.

Двухслойная оболочка, в виде каталитически активного слоя с дополнительным наружным напылением сухого активного компонента, прочно закрепляется на зернистой основе и не поддается разрушению в процессе эксплуатации, обеспечивая при этом качественную очистку воды от соединений марганца, железа и сероводорода. В сочетании с низкой насыпной плотностью материала инертной основы, предлагаемая фильтрующая загрузка показывает хорошие результаты как в режиме очистки воды, так и в режиме регенерации.

Под активным сухим компонентом для напыления понимается либо оксид магния (сорбционная активность), используемый при изготовлении медьсодержащего химического сорбента, либо смесь оксида магния и пиролюзита (каталитическая активность), используемая при изготовлении так называемого катализатора пропиточного.

То есть обе модификации заявленного фильтрующего материала представляют собой инертную зернистую основу из материала природного или искусственного происхождения, частицы которого покрыты двухслойной оболочкой, внутренний слой которой содержит компоненты, обладающие каталитической активностью, а наружный слой, также являющийся активным, в одной из модификаций проявляет каталитическую активность, а в другой - в большей мере сорбционную активность. В связи с этим материал модификации, которая проявляет каталитическую активность, в большей степени предназначен для удаления из воды примесей железа и марганца, а материал модификации, проявляющей сорбционную активность, в большей степени предназначен для удаления из воды сероводорода. Фильтрующая загрузка из смеси обеих модификаций позволяет осуществлять качественную комплексную очистку воды.

Для получения предлагаемой зернистой фильтрующей загрузки в качестве инертной основы можно использовать, например, дробленый материал искусственного происхождения, преимущественно дробленый керамзитовый песок. Под дробленым керамзитовым песком понимается песок фракции 0,6-2,0 мм, полученный в результате дробления керамзита.

В процессе изготовления, поверхность зерен инертной основы обрабатывается суспензией на основе соли трехвалентного железа, содержащей оксид магния, щелочь и медь, в результате чего на поверхности зерен образуется каталитически активный слой, на поверхность которого затем наносится, путем опудривания сухими активными компонентами, поверхностный слой. В качестве сухих компонентов для опудривания используют либо оксид магния, либо смесь оксида магния с диоксидом марганца (пиролюзитом). При соблюдении предложенного соотношения компонентов и соответствующего температурного режима обработки на поверхности основы образуется двухслойная каталитически активная оболочка, которая прочно закрепляется на поверхности зерна фильтрующей загрузки. Экспериментальным путем установлено оптимальное сочетание количественного и качественного состава материалов при одновременном подборе режимов процесса, в результате чего фильтрующий материал, полученный заявленным способом, обладает повышенным эксплуатационным ресурсом, одновременно обеспечивая при этом высокое качество очистки воды.

Регенерация фильтрующей загрузки осуществляется обратной промывкой. Благодаря малой насыпной плотности загрузки в сочетании с прочной и хорошо удерживаемой на инертной основе оболочки каталитически активного слоя, фильтрующий материал не разрушается и легко отмывается при минимальном расходе промывной воды.

Предложенная фильтрующая загрузка в отличие от известных материалов (более тяжелой загрузки), может работать на скважинах с малым дебитом или с малопроизводительным насосным оборудованием, при этом будет обеспечен гарантированный поток воды на обратную промывку.

Примеры конкретного осуществления способа получения фильтрующего материала

Пример 1. Технологическое описание производства фильтрующего материала, проявляющего каталитическую активность (катализатор пропиточный), по стадиям приводится из расчета компонентов на 1 производственный цикл - 2 мешка по 28 л материала:

- во вращающийся бетоносмеситель загружают исходный зернистый материал -керамзитовый песок в объеме 56 литров (2 Cu. Ft.);

- не прекращая перемешивания, осуществляют равномерное увлажнение керамзитового песка, путем добавления в смеситель 4,5 л увлажняющего агента в виде водного раствора жидкого стекла. При этом жидкое стекло в количестве 50 мл предварительно разбавляют в 50 мл воды, после чего вводят в основной объем воды. В итоге соотношение объемов керамзитового песка: воды: жидкого стекла составляло 1120:89:1;

- вводят 5 литров разбавленной суспензии (2 л суспензии, остальное - вода) на основе трехвалентной соли железа, содержащей оксид магния, гидроокись натрия и медь;

- далее добавляют смесь сыпучих компонентов (в режиме опудривания): магний оксид 0.15 кг и диоксид марганца (пиролюзит) 2 кг. Соотношение компонентов магния оксида: диоксида марганца при этом составило 1:13,3);

-включают обогрев для высушивания смеси в бетоносмесителе до достижения температуры смеси 48-52°С;

- смесь выгружают из бетоносмесителя и продолжают высушивание воздуходувкой до достижения влажности готового продукта 50-60%.

Пример 2. Технологическое описание производства фильтрующего материала проявляющего сорбционную активность (медьсодержащий сорбент) по стадиям приводится из расчета компонентов на 1 производственный цикл - 2 мешка по 28 л материала:

- во вращающийся бетоносмеситель загружают исходный зернистый материал - керамзитовый песок в объеме 56 литров (2 Cu. Ft.);

- не прекращая перемешивания, осуществляют равномерное увлажнение керамзитового песка, путем добавления в смеситель 4.5 л увлажняющего агента в виде водного раствора жидкого стекла. При этом жидкое стекло в количестве 50 мл предварительно разбавляют в 50 мл воды, после чего вводят в основной объем воды. В итоге соотношение объемов керамзитового песка: воды: жидкого стекла составляло 1120:89:1;

- вводят 5 литров суспензии на основе трехвалентной соли железа, содержащей также оксид магния, гидроокись натрия и медь;

- далее добавляют (в режиме опудривания) магний оксид 0.15 кг;

-включают обогрев для высушивания смеси в бетоносмесителе до достижения температуры смеси 48-52°С;

- смесь выгружают из бетоносмесителя и продолжают высушивание воздуходувкой до достижения влажности готового продукта 50-60%.

Вместо бетоносмесителя может быть использовано любое перемешивающее оборудование.

При изготовлении фильтрующего материала соотношение компонентов суспензии на основе соли трехвалентного железа, включающей также оксид магния, гидроксид натрия и медь составляет от 3:2:1:1 до 10:2:2:1 соответственно. Указанное соотношение компонентов подбиралось экспериментально. Опытным путем было установлено, что именно указанный состав компонентов в подобранном интервале соотношений обеспечивает оптимальное сочетание высокого качества очистки воды и значительного увеличения рабочего ресурса фильтрующей загрузки. Изменение указанных соотношений, а также несоблюдение временных и температурных интервалов обработки, значительно снижает качество конечного продукта (зернистого фильтрующего материала) и в конечном итоге отрицательно сказывается на его эксплуатационных характеристиках.

Таким образом, предложенная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения и отражающая указанное выполнение фильтрующего материала, а также определенную последовательность действий (операций) и использование определенных, экспериментальным путем установленных (подобранных) параметров (режимов и соотношения компонентов), обеспечивает достижение указанного технического результата, а именно, позволяет обеспечить высокую степень очистки воды при одновременном увеличении эксплуатационного ресурса фильтрующей загрузки.

Группа изобретений относится к области водоподготовки и может быть использована для очистки скважинной воды для различных нужд. Фильтрующий материал включает инертную основу из зернистого материала, частицы которого выполнены с покрытием в виде двухслойной активной каталитической оболочки, при этом внутренний ее слой выполнен из материала на основе соли трехвалентного железа с добавлением оксида магния, щелочного связующего и меди, а наружный ее слой выполнен в виде порошкового напыления из сухого активного компонента. Материалом инертной основы может являться дробленый керамзитовый песок или F-Ag (фильтр-агрегат). В качестве порошкового активного компонента для напыления используют оксид магния или смесь оксида магния и пиролюзита (диоксида марганца), а в качестве щелочного связующего в составе материала оболочки используют гидроокись натрия или гидроокись калия. Также заявлен способ производства фильтрующего материала путем нанесения двухслойной каталитически активной оболочки на инертную основу из зернистого материала. Группа изобретений обеспечивает увеличение эксплуатационного ресурса фильтрующего материала (фильтрующей загрузки) при одновременном обеспечении высокой степени очистки воды. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Фильтрующий материал, включающий инертную основу из зернистого материала, частицы которого выполнены с покрытием в виде двухслойной активной каталитической оболочки, при этом внутренний ее слой выполнен из материала на основе соли трехвалентного железа с добавлением оксида магния, щелочного связующего и меди, а наружный ее слой выполнен в виде порошкового напыления из сухого активного компонента.

2. Фильтрующий материал по п. 1, отличающийся тем, что материал на основе соли трехвалентного железа с добавлением оксида магния, щелочного связующего и меди берут в количественном соотношении компонентов равным от 3:2:1:1 до 10:2:2:1 соответственно.

3. Фильтрующий материал по п. 1, отличающийся тем, что материалом инертной основы является дробленый керамзитовый песок или F-Ag (фильтр-агрегат).

4. Фильтрующий материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве порошкового активного компонента для напыления используют оксид магния или смесь оксида магния и пиролюзита (диоксида марганца).

5. Фильтрующий материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве щелочного связующего в составе материала оболочки использована гидроокись натрия или гидроокись калия.

6. Способ производства фильтрующего материала путем нанесения двухслойной каталитически активной оболочки на инертную основу из зернистого материала, заключающийся в том, что исходный зернистый материал, загруженный во вращающееся перемешивающее устройство, равномерно увлажняют и далее, при непрерывном перемешивании, соединяют с суспензией на основе соли трехвалентного железа, содержащей оксид магния, щелочное связующее и медь, после чего осуществляют опудривание полученной смеси сухим активным компонентом, а затем включают обогрев и продолжают перемешивание до достижения температуры смеси, равной 50±5°С, после чего выгружают из перемешивающего устройства полученный продукт и досушивают его до относительной влажности 50-60%.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве увлажняющего агента используют воду или водный раствор жидкого стекла.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве сухого активного компонента для опудривания используют смесь оксида магния и пиролюзита, взятых в соотношении 1:(13-13,5), или оксид магния.

9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве щелочного связующего в составе материала оболочки использована гидроокись натрия или гидроокись калия.