Устройство для фильтрации водных растворов

 

Изобретение относится к химической технологии и может быть применено для отделения примесей от жидкости. Устройство содержит канал для подвода жидкости, рабочий объем, в котором размещают гранулированный электрочувствительный гидрогель в качестве фильтрующего элемента. Рабочий объем соединен с делительной камерой , в которой производится селекция гранул по размерам, определяемым степенью их насыщенности влагой, и с двухсекционной коллапсационной камерой, одна секция которой связана транспортером с рабочим объемом а другая секция имеет каналы отвода жидкости, при этом в обеих секциях в коллапсационной камере дополнительно установлены электроды, соединенные с источником напряжения. 1 ил. 3 со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 В 01 0 24/48, 36/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4901987/26 (22) 11.01.91 (46) 30.01.93, Бюл, М 4 (71) Ленинградский государственный университет (72) Т.В,Будтова, И.Э.Сулейменов, С.Я.Френкель, А.Л.Куранов и Э.Н.Сулейменов (56) Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: 1961, с.829.

Будтова Т,В. и др. Азотсодержащие rlo лиэлектролиты. Теэ, докл. конф. Свердловск; 1989, с.1, с.57. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ

ВОДНЫХ РАСТВОРОВ (57) Изобретение относится к химической технологии и может быть применено для

Изобретение отнссится к химической технологии и может быть применено для отделенйя примесей от жидкости.

Известно, что большинство химических реакций проводится в водных растворах, При этом одной из основных технологических Операций является фильтрация растворов. Известные способы фильтрации основаны на следующих приемах: фильтрация с использованием капиллярных свойств фильтрующего элемента; фильтрация с использованием капиллярно .адсорбциойных свойств фильтрующего слоя: фильтрация с, использованием ионообменных смол. Известные способы реализуются с помощью различных аппаратурных приемов, которые, тем не менее, имеют общие недостатки: сравнительно низкий срок службы фильтрующего элемента, связанный с забиванием

Я2 1790974 А1 отделения примесей от жидкости. Устройство содержит канал для подвода жидкости, рабочий объем, в котором размещают гранулированный электрочувствительный гидрогель в качестве фильтрующего элемента.

Рабочий объем соединен с делительной камерой, в которой производится селекция гранул по размерам, определяемым степенью их.насыщенности влагой, и с двухсекционной коллапсационной камерой, одна секция которой связана транспортером с рабочим объемом а другая секция имеет каналы отвода жидкости, при этом в обеих секциях в коллапсационной камере дополнительно установлены электроды, соединенные с источником напряжения. 1 ил. капилляров и насыщением поверхности и объема фильтрующего элемента, а также с сравнительна низкие скорости фильтрации, обусловленные спонтанным характером просачивания жидкости сквозь толщу фильтра.. О

Указанные недостатки обуславливают . V наличие в технологических схемах многосту- 4. ь пенчатых операций разделения водных растворов и суспензий с обязательным присутствием в ответственных случаях операции контрольной фильтрации. Сравнительно низкая скорость фильтрации приводит к использованию громоздкой баковой аппаратуры и значитбльным объемам резервуаров, Преодоление указанных недостатков с целью увеличения скорости фильтрации через фильтры стандартного типа связана с многочисленными технологическими труд1790974

4 ностями, в частности, повышением давления над фильтром, создание ионитов высокой емкости и т,д. Во мйогих случаях преодолеть эти . трудности не удается из-за невозможности согласовать увеличение скорости фильтрации и увеличение плотности фильтра для повышения степени чистоты раствора. Кроме этого, применение фильтров стандартного типа связано с постепенным снижением скорости фильтрации и заиливанием фильтрующего элемента, что вызывает необходимость

его замены;

Известно устройство для фильтрации водных растворов, наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому, включающее фильтрующий элемент, размещенный в рабочем объеме и канал для подвода фильтруемой жидкости. В ходе фильтрации на сорбентах осуществляется как задержка твердых взвесей как фильтроэлементе, так и химическое связывание компонентов раствора (1).

Недостатками прототипа являются постепенное заиливание и отравление фильтрующего слоя, невозможность эффективной регулировкй скорости фильтрации вследствие спонтанного характера просачивания жидкости сквозь толщу фильтра.

Целью изобретения является интенсификация процесса фильтрации за счет возможности регулирования скорости фильтрации.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для фильтрации водных растворов, включающем канал подвода. жидкости, рабочий объем и установленный в нем фильтрующий элемент, выполненный из гидрофильного материала, в соответствии с изобретением, в качестве гидрофильного материала выбран гранулированный электрочувствительный гидрогель, а устройство снабжено делительной камерой, имеющей разделительные сита для селекции гранул по размерам, и коллайсационную камеру с отверстиями для вывода жидкости, при этом в коллапасационной камере размещены наборы электродных секций, соединенных с источником напряжения, а коллапсационная камера связана транспортерами с делительной камерой и рабочим объемом.

Существейные отличия заявляемого устройства обусловлены следующими физическими явлениями. При помещении сильнонабухающих гидрогелей в воду и ряд водных" растворов йройсходит увеличение их, объема,в несколько сотен раз эа счет г1оглощения ими соответствующего количества жидкости, В набухшем состоянии такие гели представляют собой материал, чувствительный к протеканию через них электрического тока, а именно, при наложении на гель разности электрических потенциалов происходит его коллапс со значительным уменьшением объема. Данный эффект является обратимым, т.е. при снятии разности потенциалов происходит постепенное socстановление первоначального объема геля, Обратимость процессов коллапса в электрическом поле и набухание позволяют организовать фильтрационный цикл, состоящий из процессов набухания геля и принудитель10 ной водоотдачи. При этом собственно процесс фильтрации составляет только та часть цикла, в которой под воздействием электрического поля происходит коллапс геля с выделением очищенной от примесей (взвеси, 15

55 ионы тяжелых металлов и др.). жидкости, B отличие от фильтров обычного типа, где диффузия очищаемой жидкости внутрь вещества фильтра неразрывно связана с истечением жидкости из фильтра, в заявляемом устройстве возможно разделить эти два процесса. При этом возможно проводить часть цикла, связанную с набуханием, сочетая гранулирование материала фильтра с перемешиванием таких гранул в очищаемой жидкости, В результате возможно существенно увеличить как скорость отдачи жидкости фйльтром за Счет приложения электрического поля, так и скорость проникновения жидкости внутрь фильтра за счет гранулирования материала фильтра и перемешивания

На чертеже представлена схема устройства., Устройство содержит каНал подвода фильтруемой жидкости 1, рабочий объем 2, в котором происходит набухание гранулированного геля и его перемешивание, снабженное набором электродных секций 3; предназначенных для регулирования набухания гранул, делительную камеру 4, содержащую разделительные сита 5, предназначенные для селекции гранул гидрогеля но размерам, определяемым степенью отработанности материала, коллапасационные камеры 6 и 7 с отверстиями, в которых происходит коллапс геля при подаче разности потенциалов на электродные секции

8. запитываемые источником напряжения 9, и последующее вытеснение отфильтрованной жидкости. Коллапсационная камера 6 подключена ктранспортеру12, отводящему отработанные гранулы на утилизацию.

Коллапсационная камера 7 подключена к транспортеру 10, отводящему пригодные для дальнейшего использования гранулы в рабочую камеру 2

Устройство работает следующим образом, Фильтруемую жидкость по каналу 1 подводят к рабочему обьему 2, в котором предварительно разместили гранулы сухого

1790974 гидрогеля. В процессе работы пополнение гранулами рабочего объема производят по каналу 11. В рабочей камере производят интенсивное перемешивание гранул с рабочей жидкостью с помощью мешалок 13, за счет чего интенсифицируется процесс набухания. Частота вращения мешалок составляет 0.1 — 10 Гц, Объем гидрогеля в набухшем состоянии составляет 5-30% от общего объема рабочей камеры. Гранулы гидрогеля, достигшие заданной степени набухания, направляют в разделительную камеру 4, где производят их селекцию по степени отработанности, Последнюю производят по гранулометрическому составу. Это возможно осуществить, т.к. ионы тяжелых металлов

"подшивают" гидрогель и степень его набухания уменьшается, соответственно, гранулы, насыщенные ионами тяжелых металлов, имеют меньший диаметр, Разделение гранул в простейшем случае осуществляется посредством делительного сита 5. Из разделительной камеры 4 набухшие гранулы переводят в блоки регенерации коллапсационные камеры 6, 7, в которых отделяется фильтруемая жидкость, Коллапс гидрогеля осуществляют с помощью подводимого к электродным секциям 8 напряжения, Отделение сколлапсировавших гранул от жидкости проводят с помощью транспортера с лентой, выполненной из мелкоячеистой сетки, Размер ячейки подбирают, исходя из упругомеханических свойств гранул набухшего гидрогеля. Коллапсационные камеры 6 и 7 устроены одинаково. В каждой иэ них размещена батарея электродов, причем они расположены на возможно меньшем расстоянии, которое составляет

3 — 4 d, где d — диаметр гранулы в максимально набухшем состоянии. Это связано с необходимостью использовать значительные напряженности (100-300 В/cM) электрического поля для резкой интенсификации коллапса. Для того, чтобы избежать образования

"токовых шнуров" и полдерживать равномерную по объему плотность тока, электроды секционируют и/или применяют модуляцию тока сигналом на звуковых частотах. Для предотвращения необратимого коллапса гидрогеля, связанного с эмиссией ионов металлов с электродов, протекающей вследствие электролиза, используют неметаллические электроды (угольные, саженаполненные полимерные композиции и т.п.)

Коллапсационные камеры заполняют набухшими гранулами, после чего подают напряжение на электроды 8 от источника 9 и осуществляют вытеснение отфильтрованной жидкости из гранул. По достижении оптимальной для данной жидкости степени коллапса и требований, предъявляемыx к степени ее очистки, подачу напряжения прекращают. Далее отработанные гранулы из камеры 8 направляются на утилизацию, а гранулы из камеры 7 на повторное использование. По мере отработки гранул их добавляют в камеру 2; причем так, что время между их загрузкой в камеру 2 и их подачей в камеру 4 является достаточным для полного набухания. В противном случае в утили5

10 зационный канал попадут гранулы, не достигшие максимального набухания, Устройство позволяет регулировать и резко увеличить скорость фильтрации за счет использования следующих факторов: регулирование гранулометрического состава частиц геля, регулирование интенсивности перемешивания, регулирование величины прилагаемого напряжения. Режим замены вещества фильтра непрерывный.

Выбор конкретного гидрогеля определяется следующими факторами: величиной степени набухания {чем она больше, тем выше скорость фильтрации); химическими свойствами присутствующих в нем функциональных групп с целью осуществления селекции по сорбируемым ионам, как это имеет место и для обычных ионообменников, Прочностные свойства гранул малосу30 ласта и удаленных на расстояние 0,6-1 см.

Процедуру повторяли до уменьшения исходного обьема раствора в 2 раза (исходный

55 обьем раствора медного купороса составлял 1 л, объем геля в набухшем состоянии составлял 5-10 от обьема исходного расщественны L1 влияют, в основном, только на выбор размера ячеек и конфигурацию перемешивающих деталей, Пример конкретного выполнения. Осу35 ществляли очистку воды от медного купороса концентрации 10 — 10 г/л. Измельченный

-з гель 0,3-0,5 fëì на основе сополимера полиакриламида с полиакриловой кислотой при их мольном соотношении 0,95;0,05 — 0,0;1,0, 40. подшитого аллиловыми эфирами целлюлозыы (аллил ка рбоксиметилцеллюлоэа, аллилоксиэтилцеллюлоза и др. со степенью замещения по аллильным группам 0,05-0,80 и СП = 10 — 1000). которые вводятся в сетку в

45 количестве 0,05 — 10 мас.% по отношению к массе мономеров) помещали в очищаемый раствор и подвергали активному перемешиваиию с частотой 2 Гц, Набухшие частицы геля 0 3 — 5 мм извлекали из раствора при

50 помощи сита с диаметром ячеек 1 мм и подвергали коллапсу в поле с напряженностью

500 В/см, которое создавали с помощью двух плоских электродов площадью 120 см .

2 выполненных из угленаполненного фтороп1790974 творе). Это позволило получить около 450 мл очищенной воды за 1,2 ч, на что было израсходовано 0,1 — 0,2 г сухого гидрогеля. . Экспериментальные данные показывают, что в пределах точности эксперимента величина степени очистки раствора не зависит от таких параметров, как мольное отношение полиакриламид: полиакриловая кислота (было проведены измерения при соотношении 0,70:0,30, 0,30:0,70, 0,0;1,0), степень измельченности гидрогеля, количество вводимого в сетку полифункционального кросс-агента (промерялись точки 0.05 и 0,5 ).

Во всех случаях концентрация очищенного

-5 раствора оказывалась меньше 10, т,е. за пределами точности измерений. Концентрация измерялась кондуктометрически при помощи дифференциального усилителя, собранного на базе ОУ К544УД2 с высоким

K00С.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в существенной интенсификации процесса фильтрации за счет постадийного разделения процессов водопоглощения и водоотдачи, с возможностью автоматического режима непрерывной замены фильтрующеfo материала. Устройство дает возможность отделить процесс фильтрации коллоидных частиц от процесса ионообменной очистки, за счет чего можно добиться очистки поверхности набухших гранул при соответствующем выборе режима перемешивания. В частности, возможно отделить от жидкости

5 вредные примеси солей тяжелых металлов, но оставить безвредные глинистые частицы, Формула изобретения

10 Устройство для фильтрации водных растворов, включающее канал подвода жидкости, рабочий объем и установленный в нем фильтрующий элемент, выполненный из гидрофильного материала, о т л и ч а ю щ е е15 с я тем, что, с целью интенсификации процесса фильтрации за счет возможности регулирования скорости фильтрации, в качестве гидрофильного материала используют гранулированный электрочувствительный гидро- .

20 гель, а устройство дополнительно снабжено делительной камерой, соединенной с рабочим объемом и имеющей разделительные сита для селекции гранул гидрогеля по размерам, и двухсекционной коллапсацион25 ной камерой, одна секция которой связана транспортером с рабочим объемом, а другая секция имеет каналы отвода жидкости, при этом в обеих секциях в коллапасационной камере дополнительно установлены электро30 ды, соединенные с источником напряжения,