СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ


RU (11) 2027677 (13) C1

(51) 6 C02F1/28, C02F1/42 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 26.12.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 92014415/26 
(22) Дата подачи заявки: 1992.12.24 
(45) Опубликовано: 1995.01.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Авторское свидетельство СССР N 524562, кл. C 02F 1/28, 1977. 2. Аширов А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. Л.: Химия, 1983, с.99. 3. Авторское свидетельство СССР N 566605, кл. B 01D 24/16, 1976. 
(71) Заявитель(и): Международный центр дизайна техники и технологии "Рутек" 
(72) Автор(ы): Филатов В.Н.; Савриков Е.В. 
(73) Патентообладатель(и): Международный центр дизайна техники и технологии "Рутек" 

(54) СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 

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. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



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 мгэкв/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 мгэкв/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 мгэкв/г , во 2 и 4-ом слоях 30 см3катионита КБ-4 и СОЕ = 10,5 мгэкв/г, 60 см3 анионита АВ-17х8-ч с СОЕ = =1,1 мгэкв/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 мгэкв/г ФЭЦ с СОЕ = 1,5 мгэкв/г, анионит с СОЕ =0,6 мгэкв/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). 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ очистки воды, включающий ее пропускание через слой волокнистого фильтрующего ионообменного материала и/или активированного угля, отличающийся тем, что воду последовательно пропускают через пять слоев фильтрующего материала, при этом в качестве ионообменного волокнистого материала в нечетных по ходу движения слоях используют фосфорнокислый эфир целлюлозы, а в четных по ходу движения слоях - смесь карбоксильного катионита с величиной статической обменной емкости (СОЕ) 10 мг экв/г, аннионита с величиной СОЕ 1 мг экв/г и активированного угля, взятых в объемном соотношении 1 : (1 - 5) : (4 - 10) соответственно, причем соотношение суммы объемов нечетных слоев к сумме объемов четных слоев составляет 1 : (2 - 5).

2. Устройство для очистки воды, 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, отличающееся тем, что оно снабжено расположенными на верхней, под нижней и с обеих сторон средней перегородки слоями из волокнистого ионообменного материала, при этом соотношение суммы площадей отверстий, расположенных по периферии верхней и нижней перегородок и в центре средней, и суммы площадей остальных отверстий выполнено составляющим 1 - 9 : 1.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что днище выполнено коническим и к нему присоединен отводящий патрубок, а подводящий патрубок присоединен к крышке.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Воздухо- и водоочистка. Опреснительные установки






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "и" означает, что будут найдены только те страницы, где встречается каждое из ключевых слов. Например, при запросе "очистка воды" будет найдено словосочетание "очистка воды". При использовании режима "или" результатом поиска будут все страницы, где встречается хотя бы одно ключевое слово ("очистка" или "воды").

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+очистка -воды".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "сток" будут найдены слова "стоков", "стоки" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу "сток!".


Устройства и способы водоочистки | Опреснительные установки. Дистилляторы | Устройства и способы воздухоочистки


Рейтинг@Mail.ru