Сорбционно-фильтрующий материал фильтрующего патрона для очистки воды и способ получения фильтрующего патрона

Изобретение относится к области очистки воды. Предложен материал патронного фильтра для очистки воды, выполненный в виде сформированных на пористом каркасе слоев волокнистого полимерного материала с различной плотностью упаковки взаимосвязанных микроволокон в слоях, и содержащий сорбирующие частицы в одном из волокнистых слоев, в котором первый по ходу потока очищаемой воды слой имеет плотность упаковки волокон, обеспечивающую задержку частиц с размером 10-20 мкм, второй слой содержит сорбирующие частицы и дополнительно химические реагенты, способные обеспечить перевод соединений двухвалентного железа в соединения трехвалентного железа, их гидролиз и коагуляцию гидролизованных форм, третий слой имеет плотность упаковки волокон, обеспечивающую задержку частиц с размером 5-20 мкм, четвертый слой имеет плотность упаковки волокон, обеспечивающую задержку частиц с размером 1-2 мкм, и пятый слой выполнен в виде волокнистой нетканой подложки, размещенной на пористом каркасе. Предложен способ получения фильтра, содержащего заявленный сорбционно-фильтрующий материал. Изобретение позволяет обеспечить высокую степень очистки природных вод от железа, тяжелых металлов и различных взвешенных частиц. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к получению доброкачественной питьевой воды и может быть использовано для получения материала и фильтрующего патрона для очистки воды от железа и тяжелых металлов.

Известен способ изготовления материала для фильтрующего патрона, используемого для очистки воды (патент РФ №2009693, кл. B01D 29/54, опубл. 1994 г.), включающий аэродинамическое выпрядение полимерных микроволокон из расплава полимера, укладку их в формируемый на вращающемся пористом каркасе слой при температуре плавления полимера, затем ионообменный материал наматывают по спирали, а после намотки ионообменного материала производят укладку микроволокон на сформированный слой из ионообменного материала.

Недостатком известного способа является невозможность очистки воды от железа и других тяжелых металлов.

Известен сорбционно-фильтрующий материал фильтрующего фильтра (патент РФ №2040303, кл. B01D 29/58, опубл. 1995 г.), сформированный на пористом каркасе и выполненный в виде совокупности слоев из взаимосвязанных микроволокон с различной плотностью упаковки в слоях и частиц сорбента, расположенных в одном из слоев.

Известный материал имеет недостаточную эффективность при очистке воды от железа и тяжелых металлов.

Известен способ изготовления фильтрующего патрона для очистки воды (патент РФ №2159662, кл. B01D 39/16, опубл. 2000 г.), включающий экструзию расплавленного полимерного материала в виде взаимосвязанных микроволокон из волокнообразующей головки при воздействии на струи расплава потоком сжатого воздуха, послойную укладку образующихся микроволокон на вращающийся пористый каркас при различной плотности упаковки волокон в слоях, создаваемой ступенчатым изменением давления сжатого воздуха.

Известный способ позволяет сформировать фильтрующий патрон, недостатком которого является недостаточная эффективность при очистке воды от элементов железа и тяжелых металлов.

Задачей настоящего изобретения является разработка материала фильтрующего патрона, обладающего высокой степенью очистки воды от железа, а также способа изготовления сорбционно-фильтрующего материала и фильтра на его основе.

Технический результат изобретения состоит в повышении качества сформированного материала и фильтрующего патрона, обеспечивающих высокую эффективность при очистке воды от железа, и тяжелых металлов, и взвешенных частиц.

Поставленная задача решается описываемым сорбционно-фильтрующим материалом для очистки воды, выполненным в виде сформированных на пористом каркасе слоев волокнистого полимерного материала с различной плотностью упаковки в слоях, и содержащим сорбирующие частицы в одном из волокнистых слоев, при этом первый по ходу потока очищаемой воды слой имеет плотность упаковки волокон, обеспечивающую задержку частиц с размером 10-20 мкм, второй слой содержит сорбирующие частицы и дополнительно химические реагенты, способные обеспечить перевод соединений двухвалентного железа в соединения трехвалентного железа, их гидролиз и коагуляцию гидролизованных форм, третий слой имеет плотность упаковки волокон, обеспечивающую задержку частиц с размером 5-20 мкм, четвертый слой имеет плотность упаковки волокон, обеспечивающую задержку частиц с размером 1-2 мкм, и пятый слой выполнен в виде волокнистой нетканой подложки, размещенной на пористом каркасе.

Предпочтительно, сорбирующие частицы и химические реагенты, содержащиеся во втором слое, имеют размер частиц 1-20 мкм, и выбраны из ряда: оксид марганца, диоксид марганца, гидроксид кальция, гидроксид магния, хлорид и сульфат двухвалентной меди, гидроксиды и водорастворимые соли из группы элементов: титан, цирконий, ниобий, гафний, тантал, при этом массовое отношение суммы сорбирующих частиц и химических реагентов к волокнам данного слоя составляет от 10:1 до 1:10.

Предпочтительно, толщина каждого слоя от общей толщины материала составляет следующие величины: первого слоя по ходу очищаемой воды - 2-5%, второго слоя - 15-45%, третьего слоя - 35-65%, четвертого слоя - 16-27%, пятого слоя - 2-4%.

Материал может быть снабжен защитно-фильтровальной сеткой, выполненной из полимерного материала и размещенной на наружном волокнистом слое.

Поставленная задача решается также описываемым способом изготовления фильтрующего патрона для очистки воды, который содержит сорбционно-фильтрующий материал. Способ включает экструзию расплава полимерного материала из волокнообразующей головки при воздействии на струи расплава потоком сжатого воздуха и послойную укладку образующихся взаимосвязанных микроволокон с различной плотностью упаковки на пористый каркас, вращающийся с постоянной скоростью 80-220 об/мин, при ступенчатом изменении давления потока воздуха, причем вначале на пористом каркасе формируют нетканую волокнистую подложку, затем слой с плотностью упаковки волокон, обеспечивающей задержку частиц с размером 1-2 мкм, затем слой с плотностью упаковки, обеспечивающей задержку частиц с размером 5-20 мкм, после чего формируют волокнистый слой при одновременном напылении в него порошкообразной смеси из сорбирующих частиц и химических реагентов с размером частиц 1-20 мкм, затем формируют слой с плотностью упаковки волокон, обеспечивающей задержку частиц размером 10-20 мкм, затем сформированный на каркасе сорбционно-фильтрующий материал покрывают защитно-фильтровальной сеткой, а в торцах каркаса устанавливают адаптеры и крышки.

Предпочтительно, на пористом каркасе формируют многослойный сорбционно-фильтрующий материал, охарактеризованный выше.

В результате осуществления способа получают конструкцию, изображенную на чертеже.

Сорбционно-фильтрующий материал и фильтрующий патрон на его основе получают следующим образом. Готовят расплав из термопластичного полимерного материала и производят экструзию полимерного расплава при температуре текучести полимерного материала через волокнообразующую головку с равномерно расположенными капиллярами, воздействуя на струйки расплава потоком сжатого воздуха в направлении каркаса, и осуществляют послойную укладку образовавшихся взаимосвязанных микроволокон на каркасе в фильтровальные слои, при этом по мере увеличения фильтрующих слоев производят ступенчатое изменение давления потока воздуха при постоянной частоте вращения каркаса 80-220 об/мин и, по крайней мере, один раз изменяют направление вращения каркаса.

В каждом слое материала обеспечивается определенная пористость за счет создания заданной плотности упаковки волокон для задержки частиц конкретного размера. Далее пористость слоя указывается как размер частиц, задерживаемых волокнистым материалом.

При формировании волокнистой нетканой подложки используют полимерные взаимосвязанные микроволокна, уложенные с пористостью 10-20 мкм. При формировании следующего слоя, так называемого отсечного узла, используют полимерные взаимосвязанные микроволокна, уложенные с пористостью 1-2 мкм. При формировании следующего слоя фильтрующего материала используют полимерные взаимосвязанные микроволокна, уложенные с пористостью 5-20 мкм. С такой же плотностью укладывают волокна следующего слоя, в который производят напыление выбранных сорбирующих частиц и реагентов, обеспечивающих получение гидролизованных форм трехвалентного железа, их коагуляцию и сорбцию. При формировании последнего фильтрующего слоя материала, называемого защитный узел, используют полимерные взаимосвязанные микроволокна, уложенные с пористостью 10-20 мкм. Поверх последнего слоя укладывают защитную полимерную сетку 8.

Полимерные взаимосвязанные микроволокна могут быть выполнены из полипропилена и/или фторопласта, и/или вискозы, и/или полиакрилонитрила. Более подробно: полимерные взаимосвязанные микроволокна могут быть выполнены из полипропилена, или полипропилена и фторопласта, или полипропилена и фторопласта и вискозы, или полипропилена и фторопласта и вискозы и полиакрилонитрила, или полипропилена и вискозы, или полипропилена и вискозы и полиакрилонитрила, или полипропилена и полиакрилонитрила, или фторопласта, или фторопласта и вискозы, или фторопласта и вискозы и полиакрилонитрила, или вискозы и полиакрилонитрила, или полиакрилонитрила.

Слой, содержащий частицы сорбентов и реагентов, обеспечивает каталитический окислительный перевод двухвалентного железа в трехвалентное; подщелачивание очищаемой воды до рН ≥7 и гидролиз соединений железа и других тяжелых металлов; быструю коагуляцию гидролизованных форм соединений железа и других тяжелых металлов; их последующую фильтрацию на полимерном микроволокне вплоть до отсечного узла. Кроме того, он способствует защите фильтра от биообрастания. Присутствие в этом слое элементов 4-й и/или 5-й групп Периодической системы элементов придают ему ионообменную функциональность, что позволяет удалять из воды катионы тяжелых металлов (свинца, кадмия и др. элементов).

Полученная конструкция фильтрующего патрона (фильтра) приведена на чертеже, где указаны пористый каркас 1, фильтрующий блок 2, который состоит из слоев 3-7 волокнистого материала различной плотности, включая волокнистый слой 6, содержащий порошкообразные частицы сорбентов и реагентов, защитная сетка 8. С торцов фильтрующий патрон защищен адаптерами 9, 10, на которых установлены крышки 11 и 12.

Фильтрующий патрон работает следующим образом.

Очищаемая вода поступает в емкость с размещенным в ней фильтрующим патроном. Сетка 8 задерживает механические примеси и пропускает воду к первому слою волокнистого материала 7, который отделяет примеси размером до 10-20 мкм. Далее вода контактирует со вторым по ходу ее движения слоем 6, содержащим напыленные порошкообразные частицы сорбентов и реагентов, где обеспечивается каталитический окислительный перевод двухвалентного железа в трехвалентное, подщелачивание очищаемой воды до рН≥7 и гидролиз соединений железа и других тяжелых металлов, коагуляция гидролизованных форм соединений железа и других тяжелых металлов, и их фильтрация на полимерном микроволокне третьего слоя 5 вплоть до отсечного узла 4, обеспечивающего задержку частиц размером 1-2 мкм. Далее вода проходит через подложку 3, попадает во внутреннюю полость фильтрующего патрона, откуда через трубопровод выдается в емкость сбора очищенной воды. Попадание неочищенной воды внутрь фильтрующего патрона предупреждается адаптерами 9, 10 и крышками 11, 12.

Общая сорбционная емкость фильтрующего патрона по железу при его исходном содержании в воде до 5-7 ПДК (1,5-2,0 мг/л) составляет до 15,0 г.

Ниже приведены конкретные примеры выполнения материала фильтра и результаты по очистке воды фильтрованием.

Пример 1.

Сорбционно-фильтрующий материал выполнен из взаимосвязанных волокон из полипропилена в соответствии с описанным выше способом, при этом толщина подложки составляет 2%, толщина отсечного узла 27%, толщина фильтрующего узла 39%, толщина слоя с сорбентом 30%, толщина защитного узла 2% от общей толщины фильтрующего блока, массовое соотношение микроволокна: напыленная смесь порошкообразных материалов в слое с сорбентом составляет 6÷1, пористость подложки составляет 15 мкм, пористость отсечного узла - 2 мкм, пористость фильтрующего узла - 10 мкм, пористость защитного узла - 15 мкм, компоненты напыляемой смеси порошкообразных материалов во втором по ходу воды слое соответствуют следующему соотношению в весовых частях: CuSO₄ - 8, CuCl₂ - 2, MnO - 4, MnO₂ - 6, Са(ОН)₂ - 10, Mg(ОН)₂ - 15, смесь гидроксидов и водорастворимых солей группы элементов Nb - 5, сетка выполнена из полиэтилена.

Эффективность очистки воды от железа составляет 86-97%.

Пример 2.

Материал выполнен из взаимосвязанных микроволокон из полиакрилонитрила в соответствии с описанным выше способом, при этом толщина подложки составляет 2%, толщина отсечного узла 16%, толщина фильтрующего узла 65%, толщина слоя с сорбентом 15%, толщина защитного узла 2% от общей толщины фильтрующего блока, массовое соотношение во втором слое микроволокна: напыленная смесь порошкообразных материалов 10÷1, пористость подложки составляет 10 мкм, пористость отсечного узла - 1 мкм, пористость фильтрующего узла - 20 мкм, пористость защитного узла - 20 мкм, компоненты напыляемой смеси порошкообразных материалов в слое с сорбентом соответствуют следующему соотношению (вес. части): CuSO₄ - 1, CuCl₂ - 10, MnO - 1, MnO₂ - 10, Ca(OH)₂ - 5, Mg(ОН)₂ - 25, смесь гидроксидов и водорастворимых солей Zr - 15, сетка выполнена из полипропилена.

Эффективность очистки воды от железа составляет 87-98%.

Пример 3.

Материал выполнен в соответствии с описанным выше способом в виде слоев из взаимосвязанных микроволокон полипропилена и фторопласта, при этом толщина подложки составляет 4%, толщина отсечного узла 16%, толщина фильтрующего узла 35%, толщина слоя с сорбентом 40%, толщина защитного узла 5% от общей толщины фильтрующего блока, весовое соотношение микроволокна: напыленная смесь порошкообразных материалов во втором слое составляет 1÷1, пористость подложки составляет 20 мкм, пористость отсечного узла - 2 мкм, пористость фильтрующего узла - 5 мкм, пористость защитного узла - 10 мкм, компоненты напыляемой смеси порошкообразных материалов соответствуют следующему соотношению (вес. части): CuSO₄ - 10, CuCl₂ - 1, MnO - 10, MnO₂ - 1, Ca(OH)₂ - 25, Mg(ОН)₂ - 5, смесь гидроксидов и водорастворимых солей Ti - 1, сетка выполнена из полиамида.

Эффективность очистки воды от железа составляет 79-98%.

Пример 4.

Фильтрующий патрон выполнен в соответствии с описанным выше способом в виде слоев из взаимосвязанных микроволокон вискозы, при этом толщина подложки составляет 2%, толщина отсечного узла 20%, толщина фильтрующего узла 30%, толщина слоя с сорбентом 45%, толщина защитного узла 3% от общей толщины фильтрующего блока, весовое соотношение во втором (по ходу движения воды) слое микроволокна: напыленная смесь порошкообразных материалов 10÷1, пористость подложки составляет 10 мкм, пористость отсечного узла - 1 мкм, пористость фильтрующего узла - 20 мкм, пористость защитного узла - 20 мкм, компоненты напыляемой смеси порошкообразных материалов во втором слое соответствуют следующему соотношению (вес. части): CuSO₄ - 1, CuCl₂ - 10, MnO - 1, MnO₂ - 10, Ca(OH)₂ - 5, Mg(OH)₂ - 25, смесь гидроксидов и водорастворимых солей Hf - 10, сетка выполнена из полипропилена.

Эффективность очистки воды от железа составляет 81-91%.

Пример 5.

Фильтрующий патрон выполнен в соответствии с описанным выше способом в виде слоев из взаимосвязанных микроволокон полипропилена и вискозы, при этом толщина подложки составляет 2%, толщина отсечного узла 20%, толщина фильтрующего узла 30%, толщина со слоем сорбента 45%, толщина защитного узла 3% от общей толщины фильтрующего блока, весовое соотношение во втором слое микроволокна: напыленная смесь порошкообразных материалов 4÷1, пористость подложки составляет 10 мкм, пористость отсечного узла - 1 мкм, пористость фильтрующего узла - 20 мкм, пористость защитного узла - 20 мкм, компоненты напыляемой смеси порошкообразных материалов во втором слое соответствуют следующему соотношению (вес. части): CuSO₄ - 5, CuCl₂ - 5, MnO - 5, MnO₂ - 5, Са(ОН)₂ - 7, Mg(ОН)₂ - 12, смесь гидроксидов и водорастворимых солей Та - 3, сетка выполнена из полипропилена.

Эффективность очистки воды от железа составляет 85-88%.

В таблицах 1-2 приведены детальные результаты испытаний некоторых фильтров, выполненных по предлагаемому способу и содержащих заявленный материал.

Таблица 1. Эффективность очистки воды от железа фильтрующими патронами
Ресурс, л	Концентрация железа в модельном растворе, мг/л	Остаточное содержание железа в фильтрате (мг/л)/эффективность очистки (%) фильтрующими патронами:
Пример №1	Пример №2	Пример №3	Пример №4
500	1,69	0,14/92,7	0,17/89,9	0,23/86,4	0,18/89,4
1000	2,40	0,06/97,5	0,04/98,3	0,04/98,3	0,03/98,7
3000	1,67	0,04/97,6	0,04/97,6	0,04/97,6	0,05/96,8
5000	1,55	0,05/96,8	0,02/98,7	0,02/98,7	0,03/98,1
8000	1,25	0,11/91,2	0,10/92,0	0,13/89,6	0,09/92,8
10000	1,26	0,15/88,1	0,13/89,5	0,26/79,0	0,13/89,7
11000	1,46	0,20/86,3	0,18/87,7	0,24/83,6	0,21/85,6

Общее количество сорбированного железа фильтрующими патронами (Примеры №№1-4) составило 15,05 г, 15,13 г, 14,81 г и 14,97 г соответственно.

Таблица 2 Санитарно-гигиеническая оценка фильтрующих патронов
Оцениваемые показатели и единицы измерения	Результаты исследования после контакта фильтрэлементов с дистиллированной водой в течение:	Норматив
1 суток	7 суток	10 суток
Запах, баллы	0-1	0-1	0-1	2
Окисляемость перманганатная, мгО/л	0,96	1,04	1,05	5,0
Содержание меди, мг/л	0,21	0,23	0,20	1,0
Содержание марганца, мг/л	0,01	0,01	0,01	0,1

Таким образом, изобретение позволяет повысить качество сформированного материала и фильтрующего патрона, обеспечивающих повышенную степень очистки воды от железа, тяжелых металлов и взвешенных частиц и тем самым повышающих эффективность очистки.

1. Сорбционно-фильтрующий материал фильтрующего патрона для очистки воды, выполненный в виде сформированных на пористом каркасе слоев волокнистого полимерного материала с различной плотностью упаковки взаимосвязанных микроволокон в слоях и содержащий сорбирующие частицы в одном из волокнистых слоев, отличающийся тем, что первый по ходу потока очищаемой воды слой имеет плотность упаковки волокон, обеспечивающую задержку частиц с размером 10-20 мкм, второй слой содержит сорбирующие частицы и дополнительно химические реагенты, способные обеспечить перевод соединений двухвалентного железа в соединения трехвалентного железа, их гидролиз и коагуляцию гидролизованных форм, третий слой имеет плотность упаковки волокон, обеспечивающую задержку частиц с размером 5-20 мкм, четвертый слой имеет плотность упаковки волокон, обеспечивающую задержку частиц с размером 1-2 мкм, и пятый слой выполнен в виде волокнистой нетканой подложки, размещенной на пористом каркасе.

2. Сорбционно-фильтрующий материал по п.1, отличающийся тем, что сорбирующие частицы и химические реагенты, содержащиеся во втором слое, имеют размер частиц 1-20 мкм, и выбраны из ряда: оксид марганца, диоксид марганца, гидроксид кальция, гидроксид магния, хлорид и сульфат двухвалентной меди, гидроксиды и водорастворимые соли из группы элементов: титан, цирконий, ниобий, гафний, тантал, при этом массовое отношение суммы сорбирующих частиц и химических реагентов к волокнам данного слоя составляет от 10:1 до 1:10.

3. Сорбционно-фильтрующий материал по п.1, отличающийся тем, что толщина каждого слоя от общей толщины материала составляет следующие величины: первого слоя по ходу очищаемой воды 2-5%, второго слоя 15-45%, третьего слоя 35-65%, четвертого слоя 16-27%, пятого слоя 2-4%.

4. Сорбционно-фильтрующий материал по п.1, отличающийся тем, он снабжен защитно-фильтровальной сеткой, выполненной из полимерного материала и размещенной на наружном волокнистом слое.

5. Способ изготовления фильтрующего патрона для очистки воды, содержащего сорбционно-фильтрующий материал, включающий экструзию расплава полимерного материала из волокнообразующей головки при воздействии на струи расплава потоком сжатого воздуха и послойную укладку образующихся взаимосвязанных микроволокон с различной плотностью упаковки на пористый каркас, вращающийся с постоянной скоростью, при ступенчатом изменении давления потока воздуха, отличающийся тем, что вначале на пористом каркасе формируют нетканую волокнистую подложку, затем слой с плотностью упаковки волокон, обеспечивающей задержку частиц с размером 1-2 мкм, затем слой с плотностью упаковки, обеспечивающей задержку частиц с размером 5-20 мкм, после чего формируют волокнистый слой при одновременном напылении в него порошкообразной смеси из сорбирующих частиц и химических реагентов с размером частиц 1-20 мкм, затем формируют слой с плотностью упаковки волокон, обеспечивающей задержку частиц размером 10-20 мкм, затем сформированный на каркасе сорбционно-фильтрующий материал покрывают защитно-фильтровальной сеткой, а в торцах каркаса устанавливают адаптеры и крышки.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что на пористом каркасе формируют многослойный сорбционно-фильтрующий материал, охарактеризованный в пп.1-3.