CC BY
501
УДК 628.16.067
АДСОРБЦИОННЫЕ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ФИЛЬТРУЮЩИХ ЗАГРУЗОК ВОДООЧИСТНЫХ ФИЛЬТРОВ
ADSORPTION FILTERING PROPERTIES OF FILTERING LOADINGS OF WATER-PURIFYING FILTERS
В.В. Якубов, кандидат технических наук, доцент
ФГОУ ВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия
V.V. Yakubov
Конт. т. 8 8442 418153
Volgograd state agricultural academy
Рассмотрена внутренняя структура различных фильтрующих материалов, применяемых на водоочистных фильтрах. Приводятся результаты технологического моделирования процессов осветления искусственно замутненной воды через различные пористые среды и экономическая эффективность фильтрующих загрузок.
The internal structure of the various filtering materials used on water-purifying filters is considered. Results of technological modelling of processes of clarification are resulted is artificially tubid water through various porous environments and economic efficiency of filtering loadings.
Ключевые слова: фильтрующие материалы - кварцевый песок, керамзит, пенополистирол, шунгит, цеолит (опока), сульфоуголь, кремний, осветление воды, грязеемкость пористой среды.
Key words: filtering materials - quartz sand; claydite; expanded polystyrene; schungite; zeolite (flask) sulfonated coal, water clarification,. contaminant capacity porous medium.
Возрастающая потребность в питьевой воде диктует развитие технологии очистки поверхностных и артезианских вод, а вслед за этим усовершенствование применяемых различных фильтрующих материалов. Если ранее эти технологии в основном совершенствовались в конструктивном направлении и за счет автоматизации управления системами очистки, то теперь можно ожидать, что существенное, качественное изменение произойдет при использовании высоко селективных, грязеемких фильтрующих материалов. При этом их регенерация не должна сопровождаться применением химических реагентов, загрязняющих окружающую среду или создающих значительные проблемы с утилизацией, что характерно для некоторых селективных фильтров, выпускаемых в настоящее время.
Характеризуя разнообразные фильтрующие материалы в качестве загрузки фильтров для водоподготовки, следует отметить, что наибольшее применение нашли такие загрузки, как кварцевый песок, сульфоуголь, керамзит, пенополистирол, которые соответствуют требованиям ГОСТ Р 51641-2000 «Материалы фильтрующие зернистые» и совсем недавно (последние 5-7 лет) стали применяться шунгит, цеолит, кремний (рис. 1).
Рисунок 1 - Разнообразные фильтрующие материалы
Пористая структура этих загрузок после предварительного измельчения представлена на рисунках 2-7 (84-х кратное увеличение на микроскопе Биолам-М). Кварцевый материал является единственной пористой средой из представленных, с минимальной межзерновой пористостью и окатанной поверхностью. Осветление воды на такой загрузке, как правило, сопровождается механическим защемлением в порах и электростатическим притяжением разноименных по зарядам частиц взвеси и поверхности фильтрующего материала. Более сложная внутрення структура представляется у сульфоугля, цеолита и пенополистирола, такие загрузки, естественно, обладают повышенной грязеемкостью, они относятся к крупнопористым материалам с диаметром пор 8-10 нм [1] и обладают сорбционными свойствами. Новые фильтрующие компоненты: шунгит и кремний используют в бытовых фильтрах для доочистки водопроводной воды. Широкое применение в промышленном водоснабжении сдерживает их высокая стоимость и малые выпускаемые объемы. Эти загрузки повышенной плотности, микропористые с размерами пор менее 6 нм обладают многоцелевыми сорбционными, каталитическими и бактерицидными свойствами.
Рисунок 2 - Сульфоуголь Рисунок 3 - Кварцевый песок
Рисунок 4 - Цеолит
Рисунок 5 - Шунгит
Рисунок 6 - Кремний Рисунок 7 - Пенополистирол
Фильтрующие материалы являются основным компонентом многослойных и однослойных фильтров. Они выполняют функции осветления воды, окисления и задержания железа, сорбции органических соединений и свободного хлора. В промышленных фильтрах в качестве фильтрующего материала в большинстве случаев используют кварцевый песок. Преимуществом использования песчаных зернистых загрузок является то, что они оказывают относительно низкое сопротивление фильтрации, недороги в промышленном производстве и использовании. Недостатком использования песчаной загрузки на основе кварцевого песка является относительно низкая сорбционная способность и грязеемкость зерен кварца, вследствие чего возникают дополнительные производственные затраты на частую промывку загрузки, увеличение времени очистки жидкостей и недостаточная очистка воды, содержащей растворенные загрязнения. Для устранения этих технических недостатков разрабатывают новые фильтрующие материалы, способы их получения и способы фильтрационной очистки.
Для составления общей характеристики фильтрующих материалов в осветлительных фильтрах были выполнены эксперименты по определению фильтрующих свойств каждого материала. Фильтровали (сверху вниз), предварительно замутненную воду Просяновским коалином концентрацией Со = 100 мг/дм через стеклянные колонки диаметром 150 мм со скоростью 5 м/ч и пористый слой толщиной 70 см. На выходе колонок контролировали концентрацию фильтрата до превышения 1,5 мг/дм3 и послойные потери напора.
По увеличению мутности (концентрации) на выходе фильтровальной колонки в фильтрате определяли защитное действие каждой фильтрующей загрузкой, т.е предельное время работы загрузки. Параметры фильтрования определялись по методике технологического моделирования Д. М. Минца [2]. Относительная концентрация выходной и входной мутности воды составляет С/Со = 0,015 мг/дм (С - концентрация фильтрата, 1,5 мг/л, С0 = 100 мг/л - концентрация исходной воды).
Лабораторные исследования фильтрационных свойств различных материалов (кварцевый песок, шунгит, цеолит, пенополистирол) представ-лены на рис. 8. Из графика видно, что минимальные потери напора при нисходящем фильтровании воды со скоростью V = 5 м/ч наблюдаются для пенолистирольной и цеолитовой загрузки.
Рисунок 8 - Прирост потерь напора в фильтрующем слое 0,7 м, при входной концентрации С=100 мг/дм3 и скорости фильтрования 5 м/ч различных фильтрующих загрузок 1 - кварцевый песок; 2 - сульфоуголь АГ-3;
3 - пенополистирол марки ПСВ; 4 - цеолит (опока)
Эффект осветления для всех загрузок составлял С/Со=0,015. К примеру, на 6 час фильтрования потери напора для кварцевого песка возросли относительно пенополистирольной и цеолитовой загрузки в 1,5 раза, а для сульфоугля - в 2,25 раза. Интенсивность прилипания загрязнений, что характеризуется параметром (в), выше у песка. Скорость проникновения загрязнений в глубину загрузки, параметр (а/в) - примерно одинаков для песка и полимера. Прирост потерь напора в загрузке (h/t) и начальное сопротивление загрузки - выше у песка, что даёт меньшее защитное время фильтрования (до проскока загрязнений в фильтрат). Тем самым можно предположить, что грязеемкость (накопительная способность) кварцевого песка и сульфоугля будет значительно меньше, чем у цеолитов и ПСВ. Чтобы экономически обосновать выбор фильтрующих загрузок для водоочистных фильтров составлена таблица технико-экономической эффективности рассматриваемых загрузок (табл. 1).
Таблица 1 - Технико-экономические характеристики _____________________фильтрующих загрузок
Наименование
Средняя цена по центральному региону России 1 куб.м., р.
к
о
с
е
п
«
3
ю
е
ц
р
а
CÛ
«
1200
I
ь
л
о
г
у
о
&
ь
л
у
С
3000
PQ
С
С
л
о
р
и
т
с
и
л
о
п
о
н
е
С
500
и
к
о
п
т
и
л
о
е
1500
Время (ч) достижения потерь напора (0,03 МПа) в загрузке 14 10 19 25
Объем воды (куб.м.) одного фильтроцикла 1,23 0,88 1,67 2,2
Объем получаемой воды (^) (куб.м) за 1 год 440 320 605 800
Эффективность применяемой загрузки (Ц/^) 2,72 9,37 0,82 1,87
Из таблицы видно, что наиболее эффективными будут пенополистирольные и цеолитовые загрузки. Их гранулы имеют более высокие адгезионные и электрокинетические свойства, чем у песка, использование таких пористых сред интенсифицирует процесс фильтрования воды. Так, фильтры с пенополистирольной (плавающей загрузкой) позволяют работать с более загрязненной водой и с большей скоростью фильтрования, упрощается регенерация загрузки, снижаются затраты на промывные насосы и емкости для промывной воды.
Библиографический список
1. Нетрадиционные виды нерудного минерального сырья / под ред. У.Г. Дистанова, А.С. Филько. - М.: Недра, 1990. - 261 с.
2. Минц, Д.М. Теоретические основы технологии очистки воды / Д.М. Минц. - М.: Стройиздат, 1964. -
156 с.
