Спосіб очистки води

1. Спосіб очистки води, що включає фільтрування через пористий елемент при накладанні електричного поля, який відрізняє ться тим, що процес ведуть при питомій кількості пропущеної електрики 300-600 Кл/дм 3, а як пористий елемент беруть картридж із товщиною стінок 13-17 мм, що містить хімічно стійке дисперсне завантаження з мінерального чи органічного матеріалу. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як мінеральний матеріал беруть кварцовий пісок чи керамзит. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як органічний матеріал беруть поліпропілен чи вугілля. Винахід відноситься до області обробки води, зокрема, до мікрофільтрації через пористі середовища, і може бути використай для очистки води від важких металів, завислих і органічних речовин, а також для її зм'якшення і знезаражування. Відомий спосіб очистки води шляхом її фільтрування при накладанні / електричного полю через пористий елемент [Россия. Патент 2134238, МПК C02F1/28, B01D39/00. Опубл. 8.10.1999. Б.И. № 10] [1]. Сутність способу полягає в тому, що воду фільтрують через пористий елемент будь-якої конструкції, виготовлений зі спеченого порошку титана. Фільтруючий пористий елемент може мати форму циліндричної чи оребреної труби, склянки, чи пластини, з товщиною фільтруючого шар у до 10 мм і розміром пор 5-300мкм. З боку подачі води, що очищається, його покривають шаром диоксида титана товщиною 1-10мкм і аморфизованого гидроксида заліза, товщина шару якого залежить від концентрації заліза у воді, що очищається, і може досягати 10мм. Процес очистки води здійснюють у фільтрах будь-якого типу, наприклад, у фільтрі, що має циліндричний металевий корпус і коаксіально розташований циліндричний фільтруючий елемент із пористого титана при подачі різниці потенціалів на фільтруючий елемент чи фільтруючий елемент і корпус не більше 10 В. Винахід дозволяє очищати воду від важких металів з вихідною концентрацією (мг/л): заліза 10, цинку-5, свинцю - 1, міді - 1, а також від алюмінію, органічних і завислих речовин. Концентрація зазначених елементів в очи щеній воді складає, відповідно, (мг/л) залізо - 0,25, свинець і цинк - не виявлені, мідь - 0,1. За основними показниками очищена вода відповідає вимогам ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» і СанПин 2.1.4.559-96. Іони важких металів і алюмінію осаджуються на фільтрі у виді гідроксидів, одночасно з ними на фільтрі утримуються також органічні і завислі речовини. Регенерацію фільтра проводять шляхом зміни полярності прикладеної різниці потенціалів. У той же час відомо, що титан не стійкий в (19) UA (11) 82295 (13) C2 (21) a200611561 (22) 02.11.2006 (24) 25.03.2008 (46) 25.03.2008, Бюл.№ 6, 2008 рік (72) ГОНЧАРУК ВЛАДИСЛАВ ВОЛОДИМИРОВИЧ, UA, ЧЕБОТАРЬОВА РАЇС А ДМИТРІВН А, U A, БАГРІЙ ВАСИЛЬ АНДРІЙОВИЧ, UA, БАШТАН СОФІЯ ЮРІЇВН А, U A, РЕМЕЗ СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ ТА ХІМІЇ ВОДИ ІМ. А.В. ДУМАНСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ Н АУК УКРАЇНИ, UA (56) UA 74083, 15.09.2005, C2 UA 56513, 15.05.2003, A RU 2134238, 10.08.1999, C1 RU 2083500, 10.07.1997, C1 GB 2253860, 23.09.1992, A 3 82295 анодному процесі [В.В. Стендер. Прикладная электрохимия. - Изд. Харківського університету, 1961. - 538 с.] [2], і при регенерації фільтра, яка здійснюється зміною полярності прикладеного струму, відбувається розчинення титану. Таким чином, недоліком відомого способу є низька стійкість фільтруючого елемента в процесі очистки води. Найбільш близьким аналогом до винаходу, що заявляється, за технічною суттю і результатом, що досягається, є спосіб очистки природних, мінералізованих і стічних вод [Україна. Патент 74083, МПК C02F 1/00; B01D 61/13. Опубл. 17.10.2005,. Б.і.№10] [3]. Очистки води у відомому способі здійснюють у мікрофільтраційному апараті при накладанні електричного полю в проточно-рециркуляційному режимі. Як фільтруючий елемент використовують пористу керамічну мембрану, що має форму трубки довжиною 120мм із зовнішнім діаметром 12, внутрішнім діаметром 6мм і середнім розміром пор 2,3-7,5мкм. Керамічна трубка розміщується усередині апарата, у її центрі знаходиться анод, на зовнішню поверхню трубки намотується катод. Реалізація способу здійснюється шляхом пропущення води, що містить мікроорганізми Е.Соіі, під тиском 0,2-0,4мПа через керамічний фільтр, поміщений в електричне поле з градієнтом потенціалу 10-25В/см. При співвідношенні розмірів мікроорганізмів і пор фільтра 1:(3-10) відбувається знезаражування води до необхідної якості з одночасним досягненням високої продуктивності фільтра від 0,63 до 1,21м 3/(м 2ч) при різній концентрації Е.Соіі у ви хідній воді. Однак, у зв'язку з досить маленькою товщиною стінок керамічної мембрани (3мм), а також вузьким розподілом пор по розмірах (2,37,5мкм), такі фільтри характеризуються низькою продуктивністю і, згідно з нашими даними, низькою тривалістю сталої роботи при очищенні води, що містить крім мікроорганізмів і інші забруднення: важки метали, великі органічні іони, солі жерсткості. При очищенні модельної води, яка вміщує 5 мг/л заліза, 2мг/л цинку, 15мг/л гумінових речовин, 105 ед/л Е.Соіі до вимог ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая" (табл.) (склад модельної води представлений у табл., п.1) відбувається забивання пор частками суспензії, настає т.зв. "отруєння" керамічної мембрани, і продуктивність фільтра швидко і неухильно знижується. Залежність продуктивності мікрофільтраційної установки з керамічною мембраною від тривалості процесу, здійснюваного за способом [3], при очищенні модельної води зазначеного вище складу, представлена на фіг., крива 1, з якої видно, що продуктивність установки монотонно зменшується, вже після першої години роботи на 0,2 м 3/(м 2ч), аза 10 годин роботи вона від початкової 1,21м 3/(м 2ч) знижується до 0,85м 3(м 2ч) (табл. п.20). Таким чином, недоліком відомого способу очистки води [3] є низька продуктивність при очищенні води від багатокомпонентних 4 забруднень, а також швидке зменшення продуктивності фільтра від тривалості роботи. В основу винаходу поставлена задача удосконалити спосіб очистки води шляхом фільтрування останньої при накладанні електричного поля через фільтруючий елемент, що представляє собою картридж, заповнений хімічно стійким сипучим матеріалом. Застосування фільтруючого картриджу з дисперсним завантаженням з мінеральних чи органічних матеріалів при накладанні електричного поля дозволить збільшити продуктивність і тривалість сталої роботи фільтра, а також розширити область його застосування - здійснювати комплексне очистки води від багатокомпонентних домішок - від важких металів, солей жерсткості, мікроорганізмів і великих органічних іонів. Для вирішення поставленої задачі запропоновано спосіб очистки води, що включає фільтрування через пористий елемент при накладанні електричного полю, у якому, відповідно до винаходу, як пористий елемент використовують картридж із товщиною стінок 13-17мм, що містить хімічно стійке дисперсне завантаження з мінерального чи органічного матеріалу; при цьому процес ведуть при питомій кількості пропущеної електрики 300-600Кл/дм 3, як мінеральний матеріал використовують кварцевий пісок чи керамзит, а як органічний матеріал використовують вугілля чи поліпропілен. У запропонованому способі фільтруючий картридж являє собою порожній циліндр, у якому сипучий дисперсний матеріал знаходиться між проникними, розташованими коаксіально, перегородками. Анод розміщується усередині картриджа, а катод ззовні. Така комбінація елементів фільтра при накладанні електричного струму і подачі води в катодний простір дозволяє проводити зм'якшення води з одночасним утриманням на фільтрі солей жерсткості, а також важких металів, мікроорганізмів і органічних речовин, що мають великі молекули. Нами встановлене, що використання картриджу у вигляді порожнього циліндру з товщиною стінок 13-17 мм, заповненого сипучими фільтруючими матеріалами неорганічної чи органічної природи, з розташуванням аноду всередині картриджу, а катоду ззовні, при накладанні електричного поля і проходженні кількості електрики 300-600Кл/дм 3 забезпечує високу продуктивність і велику тривалість сталої роботи фільтра при високій якості очистки води (до вимог ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая" (табл.). При товщині стінок фільтруючого картриджу 13-17 мм створюється висока грязеємність фільтру стосовно дисперсних часток - важко розчиненим солям жорсткості, гидроксидам важких металів і мікроорганізмам, що забезпечує високу якість очищеної води від різного роду домішок при великій тривалості сталої роботи. Кількість електрики, що пройшла 300600Кл/дм 3 виявляється достатню для збільшення рН води до значень, що забезпечують зм'якшення води й очистки її від іонів важких металів до норм, установлених ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая». 5 82295 Таким чином, сукупність суттєви х ознак способу очистки води, що заявляється, є необхідною і достатньою для досягнення забезпечуваного винаходом технічного результату - збільшення продуктивності і тривалості сталої роботи фільтра, а також розширення області його застосування - здійснення комплексного очистки води від багатокомпонентних домішок - від важких металів, солей жерсткості, мікроорганізмів і великих органічних іонів. Спосіб реалізується таким чином. Очистки води проводиться на установці, що складається з коаксіально розташованих фільтруючого картриджа, усередині якого розташований анод, а ззовні катод, при постійному струмі з кількістю електрики, що пройшла, 300-600Кл/дм 3. Фільтруючий картридж, що представляє собою порожній циліндр, із засипаним дисперсним матеріалом у простір між проникними, розташованими коаксіально, перегородками, має такі розміри: висота 250мм, зовнішній діаметр 6872мм, внутрішній діаметр 55мм, товщина стінок 13-17мм. Подача води здійснюється в проточному режимі, з використанням перистальтичного насосу зі швидкістю 20-30дм 3/ч. Дослідження проводили на модельних розчинах, що містять 7-10мг-екв/л солей жорсткості, 5-7мг/л заліза, 15-20мг/л гумінових речовин, 105-106 кл/л мікроорганізмів Е.Соіі. Процес здійснювали протягом 10-12 годин. Приклади виконання за винаходом. Приклад 1 Очистки води проводили в описаному вище апараті із завантаженням фільтруючого картриджу матеріалом мінеральної природи - кварцевим піском із гранулометричним складом 0,7-1,2мм, із товщиною стінок картриджа 15 мм. Для моделювання необхідної жорсткості і лужності в модельний розчин вносили 10мг-екв/л хлориду кальцію і 7мг-екв/л гідрокарбонату натрію, а також 5мг/л Fe3+ у виді хлориду заліза, 15мг/л гумінових кислот з молекулярною масою 1000 у.е. і 10 6кл/л мікроорганізмів Е.Соіі. Процес проводили протягом 10г при швидкості подачі води 20л/ч, продуктивності апарата 1,5м 3/м 2г і струмі 2,5 А при питомій кількості пропущеної електрики 300Кл/л (таблиця, приклад 4). Очищена вода по всіх контрольованих показниках відповідала вимогам ГОСТ 2874-82 на питну воду (табл) - твердість знижувалася з 10 до 7мг-екв/л, зміст заліза з 5 до 0,2мг/л, цинку з 2 до 0,1мг/л, концентрація гумінових речовин зменшувалася з 15 до 7мг/л, і кількість мікроорганізмів з 105кл/л до 3ед/л. При цьому протягом 10 г продуктивність фільтра залишалася на рівні початкової -1,5м 3/м 2г, що підтверджується даними, представленими на фіг., крива 2. Приклад 2 Очистки води проводили в апараті, як у прикладі 1, із завантаженим фільтруючого картриджа матеріалом органічної природи вугіллям із гранулометричним складом 0,5-1,2мм з використанням модельного розчину такого ж складу і при умовах, як у прикладі 1 (таблиця, приклад 13). Очищена вода за всіма 6 контрольованими показниками відповідала вимогам ГОСТ 2874-82 на питну воду (табл) жорсткість знижувалася з 10 до 6мг-екв/л, вміст заліза з 5 до 0,1мг/л, цинку з 2 до 0,05мг/л, концентрація гумінових речовин зменшувалася з 15 до 4мг/л, і кількість мікроорганізмів з 10 5кл/л до 2ед/л. При цьому протягом 10г продуктивність фільтра залишалася на рівні початкової 1,5м 3/м 2г. При очищенні імітату води такого ж складу і за тих самих умов проведення процесу, але з використанням як фільтруючого елементу керамічної мембрани, продуктивність процесу складала 1,2м /(м 2г) лише протягом однієї години роботи (табл., приклад 19). Однак, при збільшенні тривалості до 10г, продуктивність падала до 0,8м 3/(м 2г) і якість очищеної води не відповідала вимогам, встановленим для питної води за ГОСТ 2874-82 (таблиця, приклад 20). Аналогічно прикладам конкретного виконання були виконані досліди по очищенню багатокомпонентної модельної води, що має склад, зазначений у табл. п.1, на установці з фільтруючим картриджем, заповненим завантаженнями неорганічної природи (піском і керамзитом) і органічної природи (поліпропіленом і активним вугіллям) з товщиною стінок і при проходженні кількості електрики, що відповідають діапазону, що заявляється. Установлено, що конструктивні особливості установки, що заявляються, і параметри, що заявляються, забезпечують високу продуктивність і тривалість процесу з одержанням води високої якості, що відповідає необхідним стандартам на питну воду (табл. приклади 2-14). Товщина стінок фільтруючого картриджу менше 13мм не дозволяє ефективно утримувати на фільтрі дисперсні частки солей жорсткості, гідроксидів важких металів і мікроорганізмів, що проявляється в погіршенні якості очищеної води (прикл. 15, табл). Позамежне збільшення товщини стінок фільтруючого картриджу приводить до зниження продуктивності фільтра і підвищенню витрати електроенергії на процес очистки (прикл. 16, табл.). Необгрунтовано висока витрата електроенергії відбувається також і при збільшенні кількості електрики, яка пройшла, хоча при цьому забезпечується висока якість очищеної води (прикл.17, табл). Недостатня кількість пропущеної електрики не забезпечує необхідного значення рН води в катодній камері, а отже і високоїй якості очищеної води (прим.18, табл.). Забезпечуваний винаходом високий результат досягається як за рахунок параметрів процесу, що заявляються, (кількості пропущеної електрики), так і конструктивних особливостей апарата (товщини стінок фільтруючого картриджу) і природи дисперсного завантаженим. Перевагою запропонованого способу очистки води, у порівнянні з відомим [2], є збільшення продуктивності процесу з 1,21 до 1,5м 3/(м 2г), значне збільшення тривалості сталої роботи приблизно в 10 разів - з 1 до 10год., а також розширення області застосування способу 7 82295 можливість використання його для очистки багатокомпонентних розчинів. Достоїнством запропонованого способу є компактність і простота процесу очистки води від багатокомпонентних домішок, а також його безреагентність і екологічна чистота. 8