Фільтр для води та водних розчинів

1 Фільтр для води та водних розчинів, який складається з відкритого зверху та знизу корпусу, в якому розміщені не менш ніж два шари фільтрувального наповнювача, який відрізняється тим, що хоч один з вище розміщених шарів виконаний з подрібненого спонголіту фракції 3,0 7,0мм, а хоч один з нижче розміщених шарів виконаний з подрібненого кременю фракції 0,3 4,0мм 2 Фільтр за п 1, який відрізняється тим, що вище шару подрібненого спонголіту має шар подрібненого цеоліту фракції 6,0 9,0мм 3 Фільтр за п 1, який відрізняється тим, що нижче шару подрібненого кременю має шар подрібненого граната фракції 0,2 0,5мм Винахід відноситься до фільтрів, що призначені для фільтрування води і водних розчинів, і Вищезгадані засоби та способи забезпечують фізико-хімічний вплив на воду або водний розчин, але із-за неефективних засобів обробки поли та водних розчинів не забезпечують одночасного ефективного фільтрування, що відчутно обмежує їх використання в промисловості та не дає можливості виключити з схем водопідготовки традиційне фільтрування води через фільтри з активованим вугіллям та кварцовим піском Фільтрування зверху донизу в напрямку зменшення розміру часток наповнювача реалізується в багатошарових фільтрах з використанням декількох фільтрувальних наповнювачів Таке фільтрування сприяє рівномірному розподілу відкладень по товщині шару наповнювача та зниженню темпу приросту втрат напору Цей принцип надає можливість значно підвищити навантаження на наповнювач по домішках, що видаляються, та забезпечити ефективне фільтрування Він реалізований у багатошаровому фільтрі, що обраний нами за прототип (US 4197205 A, B01D23/10, 08 04 1980), який складається з корпусу, в якому розміщені декілька різних суміжних шарів зернистого наповнювача, та призначений для фільтрування механічних домішок в напрямку зверху до низу Шари наповнювача розміщені таким чином, що в напрямку фільтрування зменшується характерний розмір часток та збільшується ЩІЛЬНІСТЬ матеріалу, з якого вони виготовлені По меншій мірі деякі з шарів складені з рівних за розміром та формою змочуваних синтетичних гранул При використанні фільтру досягається фільтрування, при якому великі забруднювальні домішки затримуються верхніми шарами можуть використовуватись при ВОДОПІДГОТОВЦІ в харчовій промисловості та комунальному господарстві Відоме використання подрібненого кременя як фільтрувального наповнювача для очищення води водоймищ Так згідно патенту RU 2147294, МІЖ C02F1/28, 2000 р, кремінь подрібнюють на шматки з еквівалентним діаметром не більше 40мм та рівномірно розподіляють по акваторії водоймища із розрахунку не менш 15г/м3 води В результаті вода знезаражується та підвищується її ХІМІКО бюлопчна активність Згідно опублікованої заявки RU 93019148, МПК C02F1/50, 1996 р, кремінь подрібнюють до розмірів піску, розміщують на плавучий пристрій та пускають його у водоймище При цьому кремінь інтенсивно взаємодіє з водою та видаляє з и складу розчинені газоподібні та дрібнодисперсні органічні та неорганічні домішки, в результаті чого вода стає біологічно чистою В лабораторних умовах хімічну активність води підвищують шляхом занурення гранул кременя в воду та дією на систему "кремінь-вода" ультрафіолетовим випромінюванням При цьому підвищується окислювально-відновний потенціал води (патент RU 2112746, МПК C02F1/32, 1998 р) Використання кременя для приготування питної води відомо з патенту RU 2040474, МПК C02F1/32, 1995 р Спеціально приготовлений та подрібнений кремінь в закритій ємності в присутності світла та ультрафіолетового випромінювання виявляє на воду бактерицидну та вируліцидну дію ю 52244 наповнювача, а більш дрібні забруднювальні домішки накопичуються у нижніх шарах наповнювача, завдяки чому в процесі фільтрування приймають участь всі шари наповнювача, що дозволяє досягти великої ємності фільтру по забруднювальних домішках При зворотній промивці фільтру шари добре перемішуються, що покращує результати промивки, та відновлюють розшарування фільтру одразу по її закінченню Недоліком прототипу є те, що він забезпечує виключно фільтрування з метою виділення механічних домішок, та не робить позитивного впливу на фізико-хімічну структуру води Із-за використання в фільтрі наповнювачів з штучних синтетичних матеріалів значно обмежується використання такого фільтру для водопідготовки в харчовій промисловості та комунальному господарстві Задачею, на вирішення якої спрямовано винахід, є створення багатошарового фільтру для фільтрування води та водних розчинів із шарами наповнювача з кременистих матеріалів, який би забезпечував ефективне фільтрування від механічних домішок та одночасне покращання органолептичних показники води та водних розчинів, був придатним до тривалого використання та легкого очищення, регенерації та відновлення, шляхом підбору кременистих матеріалів визначених фракцій у ефективному співвідношенні Поставлена задача досягається тим, що створений фільтр для води та водних розчинів, призначений для фільтрування у напрямку зверху до низу, який складається з відкритого зверху та знизу корпусу, в якому розміщені не менш ніж два шари фільтрувального наповнювача таким чином, що в напрямку фільтрування зменшується характерний розмір часток та збільшується ЩІЛЬНІСТЬ матеріалу, з якого вони виготовлені Згідно винаходу хоч один з вище розміщених шарів виконаний з подрібненого спонголіту фракції 3,0 7,0мм, а хоч один з нижче розміщених шарів виконаний з подрібненого кременю фракції 0,3 4,0мм У додатковому варіанті фільтр вище шару подрібненого спонголіту має шар подрібненого цеоліту фракції 6,0 9,0мм У другому додатковому варіанті фільтр нижче шару подрібненого кременю має шар подрібненого гранату фракції 0,2 0,5мм Спонголіт являє собою кременисту осадову породу, складену більше ніж на 50% з спікул кременевих губок (спонпй) та опалової основної маси Основна мінеральна складова спонголіту - опалкрістобаліт, основний ХІМІЧНИЙ компонент - S1O2 (91-94%) Кремінь являє собою гірську породу від жовтобурого до чорного кольору, яка складається з халцедону та кварцу з домішками опалу та характеризується високою ЩІЛЬНІСТЮ та твердістю (біля 7 одиниць) Основний ХІМІЧНИЙ компонент - S1O2 Кременисті матеріали - гірська порода спонголіт та мінерал кремінь -характеризуються рядом спільних рис, а саме мають в своїй основі дюксид кремнію (S1O2), який вміщують у вигляді мікроголок, завдяки чому обидва матеріали мають мікропористу структуру, а також подібним один до одного чином змінюють структуру води, водних розчинів, спирту та інших рідин Крім того, вказані матеріали мають іонообмінні властивості, завдяки чому на відміну від активованого вугілля сорбують іони важких металів та радіонукліди, але на відміну від активованого вугілля не мають надмірних каталітичних властивостей, завдяки чому не підвищують у водних розчинах вміст продуктів окислення та небажаних ХІМІЧНИХ реакцій При такому підборі кременистих матеріалів вищезазначених фракцій в напрямку по ходу води або водного розчину, що фільтрують, тобто зверху до низу забезпечується зменшення характерного розміру часток наповнювача, зменшення характерного розміру шпар часток наповнювача, збільшення ЩІЛЬНОСТІ матеріалу наповнювача, збільшення МІЦНОСТІ часток матеріалу наповнювача Завдяки зменшенню характерного розміру часток наповнювача зверху до низу досягається рівномірний розподіл відкладень по висоті фільтру та зменшуються втрати напору Це надає можливість значно підвищити навантаження на наповнювач по домішках, що видаляються, та забезпечити ефективне фільтрування макрочасток домішок Завдяки зменшенню характерного розміру шпар часток наповнювача зверху до низу, що обумовлено більшими шпарами в більш "молодому" СПОНГОЛІТІ, ніж в кремені, забезпечується більш ефективне відфільтровування мікрочасток домішок, так як більші мікрочастки затримуються у верхніх шарах наповнювача, що забезпечує більш рівномірний розподіл відкладень по висоті фільтру та зменшує втрати напору на фільтрі При цьому в сукупності з ефектом, що надає зменшення характерного розміру часток наповнювача зверху до низу, досягається синергетичний ефект фільтрування фільтром, що заявляється, який заключається у ефективному відфільтровуванні домішок в широкому діапазоні характерних розмірів, в тому числі значно менших за відстань між найменшими частками наповнювача Це обумовлено одночасним фільтруванням часток домішок у чотирьох діапазонах характерних розмірів, які частково перекриваються (двох діапазонів для макрочасток, обумовлених різними розмірами шарів наповнювача, та двох діапазонів для мікрочасток, обумовлених різними розмірами шпар для спонголіту та кременю) Таким чином, фільтр, що заявляється, за рахунок своєї пористої структури відфільтровує не тільки механічні домішки, які видимі людським оком, а й колоїдні та розчинені інгредієнти, знімає опал у воді або водному розчині Додатково фільтрувальний ефект посилюється при використанні кременю та спонголіту більш темного кольору - сірого або чорного, який має значний вміст залишків вуглецю, що утворює з іншими компонентами мінералу хіміко-фізичні зв'язки - вуглецеві містки, які забезпечують матеріалу фільтрувальні властивості по типу активованого вугілля Завдяки збільшенню ЩІЛЬНОСТІ матеріалу наповнювача зверху до низу забезпечується постійний розподіл шарів наповнювача по висоті фільтру та збереження цього розподілу при зворотній промивці фільтру В результаті властивості фільтру 52244 зберігаються впродовж тривалого часу та забезпечується можливість очищення фільтру шляхом зворотної промивки без вивантаження наповнювача з корпусу фільтра, що в цілому підвищує ефективність його використання в промислових умовах Завдяки збільшенню МІЦНОСТІ часток матеріалу наповнювача зверху до низу досягається підвищення терміну придатності фільтру для використання та спрощується його відновлення Частки нижніх шарів наповнювача, які знаходяться під постійним тиском верхніх шарів в умовах великої площі контакту із сусідніми частками, зазнають значно більших механічних навантажень та швидше стираються, ніж великі частки верхніх шарів У одношаровому фільтрі з декількома фракціями кременю в процесі експлуатації відбувається сильне подрібнення середніх за розміром часток при майже незмінних розмірах великих, і для відновлення фільтру необхідно внести в корпус частки майже всіх фракцій та вивести дрібні частки Виконання нижніх шарів наповнювача з МІЦНІШОГО кременю забезпечує більш рівномірне стирання наповнювача у порівнянні з одношаровим фільтром з декількома фракціями кременю, в результаті чого більш рівномірно зменшуються характерні розміри часток наповнювача, включаючи найбільші частки, що в цілому знижує приросту втрат напору в процесі експлуатації фільтру та подовжує строк його використання Це також забезпечує можливість майже повного відновлення властивостей фільтру шляхом додавання великих часток спонголіту у верхню частину фільтру та виведення дрібних часток з нижньої частини фільтру, яке є набагато більш технологічним та дешевим (за рахунок додавання тільки великих часток спонголіту, на отримання яких витратили менше енергії, ніж на дрібні) за відновлення одношарового фільтру з декількома фракціями кременю Завдяки використанню як фільтрувальних матеріалів спонголіту і кременю, які є кременистими матеріалами з високим вмістом S1O2, забезпечується інтенсивне покращання органолептичних показників - смаку, запаху, кольору Оброблена вода набуває чистого джерельного смаку, без будь-яких неприємних запахів, чиста та прозора на вигляд Така вода сама по собі або в складі водних розчинів завдяки покращеним органолептичним показникам набуває більшої привабливості для споживача харчових продуктів на и основі При цьому органолептичні показники води, що пройшла оброблення спонголітом та кременем, виявляються більш кращими, ніж показники води, яка пройшла оброблення тільки одним з цих матеріалів Це можна пояснити зазначеним вище синергетичним ефектом від фільтрування матеріалами із різними розмірами часток наповнювача та різними розмірами шпар Фільтрування такого водного розчину, як суміш води зі спиртом етиловим ("сортировки"), активованим вугіллям надає їй горілчаних тонів, але погіршує її споживчі якості за рахунок каталітичного окислення спирту до альдегідів, кислот, ефірів При фільтрації через фільтр, що заявляється, сортировка набуває горілчаних тонів, але її споживчі якості не погіршуються, так як не відбувається каталітичне окислення спирту за рахунок низької концентрації вуглецю в структурі кременистого матеріалу Цеоліт являє собою мікрошпаристий природний або синтетичний алюмосилікат, кристалічна структура якого утворена тетраедричними фрагментами S1O4 та АІО4, поєднаними загальними вершинами в тривимірний каркас, що пронизаний порожнинами та каналами В останніх знаходяться молекули води та катіони металів, амонію та ш Цеоліти здатні селективно виділяти та втримувати різні речовини, наприклад воду, а також обмінювати катіони Зустрічаються в природі (по походженню переважно низькотемпературні гідротермальні мінерали), але можуть бути отримані штучно ВІДОМІ адсорбційні та іонообмінні властивості цеоліту Так, цеоліт відбирає на себе іони важких металів, та завдяки пористій структурі є ефективним фільтрувальним матеріалом Гранат являє собою мінерал на основі АЬОз (>94%), характеризується високою твердістю, МІЦНІСТЮ та ЩІЛЬНІСТЮ, та має розвинуту структуру дуже дрібних мікрошпар Завдяки використанню додаткового верхнього шару з наповнювача з цеоліту фракції 6,0 - 9,0мм та/або нижнього шару з гранату також забезпечується ВІДПОВІДНІСТЬ фільтру вказаним умовам, а саме зменшення характерного розміру часток наповнювача зверху до низу, зменшення характерного розміру шпар часток наповнювача зверху до низу, збільшення ЩІЛЬНОСТІ матеріалу наповнювача зверху до низу, збільшення МІЦНОСТІ часток матеріалу наповнювача зверху до низу Це призводить до покращання фільтрувальних властивостей фільтру та органолептичних показників води або водних розчинів, що фільтруються, що обумовлено розширенням спектру розмірів домішок, що відфільтровуються, та дією цеоліту та гранату на органолептичні показники води або водних розчинів Загалом при використанні додаткових шарів виявляється можливим проводити повний цикл фільтраційного очищення води або водних розчинів на харчовому підприємстві з використанням виключно фільтру, що заявляється, та замінити звичайні фільтри на основі наповнювачів з активованого вугілля та кварцового піску Це також надає можливості значно збільшити строк служби та ємкість фільтрів, зменшити габарити та/або КІЛЬКІСТЬ фільтрів, і одночасно забезпечити покращання органолептичних показників води та водних розчинів, які безпосередньо призначені для пиття або є основою для напоїв Фільтрувальні наповнювачі, використані у фільтрі, не мають шкідливих для людини властивостей, не утворюють у воді і повітряному середовищі шкідливих для людини сполучень, не розчинні в нейтральних, помірно лужних та кислотних водних середовищах, має високу гряземісткість і призначені для довгострокового використання Конструкція фільтру передбачає можливість його дешевого та високотехнолопчного очищення, регенерації та відновлення Очищення фільтру здійснюють зворотною 52244 промивкою водою При цьому проходить перемішування часток наповнювача в кожному з шарів, яке супроводжується вивільненням та виносом домішок При цьому зберігається загальний розподіл наповнювача по шарах з однаковим характерним розміром часток ВІДПОВІДНОГО матеріалу Регенерацію фільтру - відновлення контактних поверхонь - здійснюють зворотною промивкою слабким водним розчином кислоти, яка утворює в результаті реакції із матеріалами наповнювача та адсорбованими з розчинів іонами важких металів та радіонуклідів розчинні солі, не являється токсичною і не утворює токсичних речовин (наприклад, оцтова кислота, соляна кислота) При цьому проходить вимивання з поверхні частини крейди, яка наявна в мінералі та являється залишками древніх організмів В результаті на поверхні мінералів відкриваються мікрошпари, за рахунок яких значно збільшується поверхня контакту між мінералом та рідиною, що його оточує Завдяки цьому різко збільшується інтенсивність масообміну між рідиною та фільтрувальним наповнювачем та підвищуються адсорбційні властивості фільтрувального наповнювача, що призводить до більш високої інтенсивності переходу з фільтрувального наповнювача в фільтрат активного S1O2 і вода швидше набуває покращених органолептичних якостей, а також до більш ефективного відфільтровування механічних домішок Відновлення фільтру (тобто надання йому властивостей нового фільтру) здійснюють шляхом 8 додавання великих часток спонголіту у верхню частину фільтру та виведення дрібних часток з нижньої частини фільтру Приклади конкретного виконання та використання фільтрів наведені в таблиці Через фільтри довжиною 1,2м пропускають воду зі швидкістю 10м/хв Фільтр згідно прикладу 1 складається з 30% об спонголіту фракції 3,0мм та 70%об кременю фракції 2,0мм Фільтр згідно прикладу 2 складається з 15%об цеоліту фракції 6,0мм, 30%об спонголіту фракції 3,0мм, 35%об кременю фракції 2мм та 20%об гранату фракції 0,5мм Фільтр згідно прототипу складається з 20% об кременю фракції 0,5мм, 50%об кременю фракції 2,0мм та 30%об кременю фракції 4,0мм В результаті виконання прикладів отримують фільтри із експлуатаційними показниками фільтрів та показниками фільтрату, які зведені у таблицю та викладені у порівнянні із прототипом Як видно з таблиці, фільтри, який отриманий у спосіб, що заявляється, має підвищені фільтраційні властивості та покращену дію на органолептичні показники води і харчових рідин, а також має підвищений термін придатності до використання Фільтр для води та водних розчинів може бути створений промисловим шляхом із використанням стандартного обладнання та технологій як безпосередньо на підприємствах-користувачах, так і централізовано на підприємстві-виробнику Таблиця мутність, Д забарвленість, град сорбційна здатність, % смак аромат ЗОВНІШНІЙ ВИГЛЯД Приклад 1 Приклад 2 Показник фільтраційних властивостей фільтру 0,0035 0,0010 3,5 2,0 67 75 Органолептичні показники фільтрату без присмаку ЧИСТИЙ, СВІЖИЙ чистий, без сторон- без стороннього нього аромату аромату без осаду без осаду Тривалість використання фільтру, годин 72 96 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 Прототип 0,0050 5,0 60 без присмаку чистий можливий ледь помітний осад 48