Насадка для мікробіологічної очистки води і спосіб її виготовлення

1. Насадка для мікробіологічної очистки води, що виконана у вигляді елемента трубчастої форми з декількох шарів пластифікованого волокнистого полімерного матеріалу, з'єднаних між собою в місцях їхнього перехрещення таким чином, що між ними утворені прохідні отвори для циркуляції води у всіх напрямках системи координат, яка відрізняється тим, що елемент сформований із волокон різної товщини і довільно розташованих, з утворенням звивистої структури пор з розмірами прохідних отворів 2-200 мкм, а внутрішній об'єм еле C2 2 (11) 1 3 83933 куляції стічних вод [ФРН патент №4427576 А1, МПК6, CO2F3/10, опубл. 08.02.96. Offenlegungsschrift] [1]. Бічна поверхня відомої насадки утворена джгутами з пластифікованого полімерного матеріалу, розташованими, наприклад, по спіралі і з'єднаними у вузлових точках їхнього перехрещення в один шар у вигляді сітчастої труби з утворенням прохідних отворів для циркуляції води у поперечному напрямку. Для збільшення питомої площі обростання насадки мікроорганізмами на бічній поверхні насадки розташовані додаткові елементи (один чи декілька) кожний з яких виконаний у ви гляді гладкої смуги полімерного матеріалу і скріплений з бічною поверхнею насадки. Спосіб виготовлення насадки полягає в наступному. Із розплавленого пластифікованого полімерного матеріалу методом екструзії виготовляються джгути, які наносять на оправку, наприклад, по спіралі з протилежним напрямком намотування і термічно з'єднують між собою у вузлових точках їхнього перехрещення в один шар у вигляді тр уби з прохідними отворами для циркуляції води. Потім, на бічній поверхні трубчастого елемента термічно закріплюють додаткові елементи, виконані у вигляді гладких смуг полімерного матеріалу, які можуть бути розташовані по спіралі, уздовж подовжньої осі, кільцеподібно чи перехресно з сітчастою структурою бічної поверхні. При цьому, додаткові елементи перекривають від 20% до 80% бічної поверхні насадки. Як випливає із технічної суті конструкції насадки і способу її ви готовлення, трубчастий елемент сформований із одного шару відносно товстого джгута, а його внутрішній об'єм пустий, в зв'язку з чим не використовується в повній мірі можливості внутрішнього об'єму трубчастого елемента, насадка має малу питому поверхню обростання мікроорганізмами і великі отвори в бічній поверхні трубчастого елемента, через які вільно проходять забруднюючі речовини в міцелярному, плівковому і диспергованому стані. Сітчаста стр уктура елемента трубчастої форми і додаткові елементи мають гладку сорбційно неактивну поверхню, тому на них не досягається надійна іммобілізація мікроорганізмів. В силу вказаних вище недоліків в відомій насадці масообмінні процеси біологічної деструкції забруднюючих речовин протікають повільно і в неповній мірі, в зв'язку з чим насадка має низькі показники очистки води. Таким чином , недоліком відомої насадки і способу її виготовлення [1] є недостатньо висока ефективність очистки води. Найбільш близьким аналогом до винаходу є насадка для іммобілізації мікроорганізмів та спосіб її ви готовлення [UA патент 73428, МПК7, CO2F3/10, BO1J19/32 опубл. 15.07.2005, Бюл. №7, 2005р.] [2]. Відома насадка виконана у вигляді елемента трубчасто ї форми з декількох шарів безперервного джгута із пластифікованого полімерного матеріалу, з'єднаних між собою в місцях їхнього перехрещення таким чином, що між ними утворені 4 прохідні отвори для циркуляції води у всіх напрямках системи координат. Відомий спосіб виготовлення насадки (2) включає формування трубчастого елемента із безперервного джгута, виготовленого шляхом екструзії із пластифікованого полімерного матеріалу, й намотування його на обертову й здійснюючу зворотно-поступальний рух у горизонтальній площині оправку у вигляді декількох шарів співвісних гвинтових спіралей з протилежним напрямком намотування, при цьому при намотуванні на оправку гвинтові спіралі послідовно з'єднують між собою в місцях їхнього перехрещення шляхом термічного склеювання при отвердінні пластифікованого полімерного матеріалу таким чином, що між ними утворюються прохідні отвори для циркуляції стічних вод у всі х напрямках системи координат. З метою надання сорбційної активності по відношенню до розчинених у воді шкідливих речовин і газів в процесі виготовлення джгута в пласти фікований полімерний матеріал вводять сорбуючу речовину. З те хнічної суті рішення (2) витікає наступне: - насадка має малу питому поверхню обростання мікроорганізмами в зв'язку з тим, що трубчастий елемент сформований із безперервного відносно товстого джгута, діаметром 1-2мм, а його внутрішній об'єм пустий. Так, в порівнянні з подібними насадками, що випускаються промисловістю, наприклад, „Загрузка для закрепленной микрофлоры типа КС”, яка випускається групою компаній „Экополимер” (Рекламний листок фірми), питома поверхня обростання таких насадок складає від 80м/м до 150м/м, що є недостатнім для ефективної очистки води. - насадка характеризується низькою сорбційною здатністю по відношенню до розчинених у воді забруднюючих речовин в зв'язку з тим, що сорбуючу речовину вводять безпосередньо в пластифікований полімерний матеріал і при формуванні джгута методом екструзії сорбуюча речовина частково чи повністю покривається шаром полімеру і втрачає сорбційні властивості. - у насадці повільно і в неповній мірі протікають процеси біодеструкції і трансформації забруднюючих речовин тому, що трубчастий елемент має прохідні отвори великих розмірів, а внутрішній його об'єм не задіяний в масообмінних процесах, які призводять до біодеструкції забруднюючих речовин іммобілізованими мікроорганізмами. Через великі отвори вільно проходять забруднюючі речовини в плівковому і диспергованому стані, такі як нафтопродукти, детергенти, мікроорганізми, особливо в період виходу насадки на робочий режим, а також після її регенерації. Отвори великих розмірів повільно обростають мікроорганізмами в зв'язку з низькою іммобілізацією мікроорганізмів. Приведені недоліки насадки обумовлені способом її виготовлення і не дозволяють загалом отримувати високі показники очистки води. Наведене вище підтверджується і нашими дослідами по мікробіологічній очистці Дніпровської води, результати яких наведені в таблиці. 5 83933 6 Таблиця № з/п 1. 2. 3. Показники води Розмірність Окисність перманганатна Кала- мг О2/дм 3 мутність мг/дм 3 Кольоровість градус Як видно із наведених в таблиці даних, відома насадка не забезпечує достатньої якості очищеної води. В основу винаходу поставлена задача розробити конструкцію насадки для біологічної очистки води, шля хом формування трубчастого елемента із неоднорідних за товщиною волокон, довільно розташованих в шарах бічної поверхні елемента, з утворенням прохідних отворів різної конфігурації і розмірів та заповненням внутрішнього об'єму елемента волокнистим сорбуючим матеріалом, що забезпечило б збільшення питомої поверхні обростання насадки мікроорганізмами, підвищення сорбуючої здатності насадки, підвищення швидкості процесів біодеструкції і трансформації забруднюючих речовин, і як наслідок, одержання в порівнянні з відомою насадкою вищої якості очищеної води. Задачею винаходу є також розробка способу виготовлення насадки шляхом формування трубчастого елемента із використанням іншого методу екструзії та використанням допоміжних матеріалів і операцій, що дозволить отримати насадку з вказаними вище характеристиками. Для вирішення поставленого завдання запропонована насадка для мікробіологічної очистки води, яка виконана у ви гляді елемента трубчастої форми з декількох шарів пластифікованого волокнистого полімерного матеріалу, з'єднаних між собою в місцях їхнього перехрещення таким чином, що між ними утворені прохідні отвори для циркуляції води у всіх напрямках системи координат, в якій, згідно з винаходом, елемент сформований із волокон різної товщини і довільно розташованих, з утворенням звивистої структури пор з розмірами прохідних отворів 2-200мкм, а внутрішній об'єм елемента містить волокнистий гідрофобний матеріал, і останній відділений від елемента водорозчинною прокладкою. При цьому, як пластифікований полімерний матеріал елемент містить волокна із поліетилену, або поліпропілену, або полівінілацетату, як волокнистий гідрофобний матеріал насадка містить активовані вуглецеві волокна, або волокна із капрону, або волокна із поліефіру. Поставлена задача вирішується і способом виготовлення насадки, що включає формування трубчастого елемента із волокон, виготовлених шляхом екструзії пластифікованого полімерного матеріалу, і нанесених на оправку у вигляді декількох шарів, які з'єднані між собою з утворенням прохідних отворів для циркуляції води у всіх напрямках координат, в якому, згідно з винаходом, спочатку на оправці послідовно закріплюють волокнистий гідрофобний матеріал і водорозчинну прокладку, а процес формування елемента трубчастої Вихідна вода 17 600 150 Вода після очистки Відома насад- Заявляєма нака садка 10 5 300 20 60 15 форми проводять із волокон, виготовлених методом пневматичноїекструзії шляхом розпилення розплавленого пластифікованого полімерного матеріалу в закрученому потоці нагрітого повітря, і нанесених на оправку із газоволокнистого факела. Нами показано, що формування трубчастого елемента із волокон, виготовлених методом пневматичної екструзії в закрученому потоці нагрітого повітря з нанесенням їх на оправку із газоволокнистого факела дозволяє отримати елемент із збільш тонких неоднорідних за товщиною волокон, довільно розташованих в шарах бічної поверхні елемента, з утворенням звивистої структури пор з меншими розмірами прохідних отворів - 2-100мкм, що підтверджується мікрофотографією бічної поверхні елемента (Фіг.2). Нові конструктивні відмінності трубчастого елемента дозволяють збільшити питому поверхню обростання насадки мікроорганізмами, а також підвищити надійність іммобілізації мікроорганізмів. Відносно малі отвори бічної поверхні трубчастого елемента дозволяють збільшити швидкість обростання його мікроорганізмами, що особливо важливо в період виходу насадки на робочий режим після її регенерації. Звивиста волокнисто-пориста структура дозволяє затримувати забруднюючі речовини в міцелярному, плівковому і диспергованому станах, в результаті чого прискорюється і забезпечується більш повна їх біологічна деструкція і трансформація в прості нешкідливі речовини і, відповідно, підвищуються якісні показники очищеної води. Крім того, заповнення внутрішнього об'єму елемента волокнистим, сорбційно-активним матеріалом дозволяє збільшити загальну площу насадки, а також підвищити її сорбційну ємність, що також сприяє підвищенню якості очищеної води. Таким чином, сукупність суттєви х ознак насадки і способу її виготовлення, що заявляються є необхідні і достатні для досягнення забезпечуваного винаходом технічного результату - підвищення якості очищеної води. Винахід пояснюється кресленнями, де на Фіг.1 зображена конструкція насадки в продольному розрізі, а на Фіг.2 - мікрофотографія бічної поверхні трубчастого елемента насадки. Насадка (Фіг.1) містить трубчастий елемент (1) сформований із декількох шарів волокон із пластифікованого поліпропілену марка ЛІТОЛ-А4/71Е, ТУУ 54008400-001-97, або поліетилену ГОСТ16337 - 85, марка 10803-020, або полівінілацетату ТУ 38 - 103511-81. Волокна мають різну товщин у і довільно розташовані, з утворенням звивистої стр уктури пор з розмірами прохідних отворів 2-200мкм (Фіг.2, 1-волокна, 2 - прохідні 7 83933 отвори). Внутрішній об'єм елемента містить волокнистий гідрофобний матеріал (2), який термічно з'єднаний з волокнами трубчастого елемента в місцях (3), і може виконувати вільні коливальні рухи в об'ємі трубчастого елемента. Як волокнистий гідрофобний матеріал (2) насадка містить вуглецеві волокна Углен-9 ТУ6-06 И87-81, або нитки із поліефіру ГОСТ 24662-2002, або нитки із капрону ТУ 6-06-С11-87. Для запобігання термічного склеювання волокнистого гідрофобного матеріалу з волокнами трубчастого елемента в процесі його формування насадка містить водорозчинну прокладку (4) із водорозчинного паперу ДСТУ 4267:2003, або із полівінілового спирту [Журнал „Торговое оборудование” за июнь 2004. Водорастворимые пленки], з характеристиками: товщина 60-80мкм; час повного розчинення у воді при 20°С - не більше 180 секунд. При запуску насадки в експлуатацію прокладка видаляється шляхом розчинення у воді. Спосіб виготовлення насадки полягає в наступному. Беруть оправку відповідної довжини і діаметру. На бічну поверхню оправки наносять шар волокнистого гідрофобного матеріалу (2), який закріплюють, наприклад, шляхом обв'язування ниткою, або джутом. Поверх закріпленого волокнистого гідрофобного матеріалу закріпляють водорозчинну прокладку (3) таким чином, щоб кінці волокнистого гідрофобного матеріалу (2) залишалися непокритими прокладкою в місцях з'єднання (4) волокнистого гідрофобного матеріалу з трубчастим елементом (1). Трубчастий елемент (1) формується методом пневматичної екструзії. Пластифікований полімерний матеріал завантажують в бункер екструдера, нагрівають до температури плавлення і подають в пристрій розпилювання, в який через камеру закрутки поступає нагріте повітря. На виході із розпилювального пристрою утворюється газоволокнистий факел, в якому волокна витягуються по закрученій траєкторії. В силу того, що полімер знаходиться у в'язкотекучому стані, в місцях перехрещення волокон відбувається їх сплавлення. За рахунок здійснення оправкою зворотнопоступального і обертового рухів у горизонтальній площині волокна наносяться шарами, які сплавляються між собою в місцях контакту і утворюють звивисту стр уктур у пор з розмірами прохідних отворів 2-200мкм. В процесі формування трубчастого елемента, при нанесенні перших шарів волокон із газо-волокнистого факелу на оправку, в місцях не покритих водорозчинною прокладкою (3) відбувається їх термічне склеювання з закріпленим на оправці гідрофобним волокнистим матеріалом. В місцях ,покритих водорозчинною прокладкою, волокнистий гідрофобний матеріал не склеюється з волокнами трубчастого елемента і після зняття насадки з оправки може здійснювати у вн утрішньому об'ємі елемента коливальні рухи у всіх напрямках координат. Приклад виконання за винаходом. Була виготовлена насадка (Фіг.1), яка містила трубчастий елемент (1) сформований із пластифікованого поліпропілену. Внутрішній об'єм елемен 8 та заповнений гідрофобним волокнистим матеріалом (2) - вуглецевими волокнами марки Углен-9, у вигляді джгута. Між внутрішньою поверхнею трубчастого елемента і вуглецевими волокнами розміщена водорозчинна прокладка із полівінілового спирту (3). Прокладка покриває всю площу поверхні вуглеви х волокон за винятком місць його з'єднання (4) з волокнами трубчастого елемента. Насадка мала наступні характеристики. Довжина - 500мм, зовнішній діаметр - 50мм, питома поверхня 800м/м, об'єм волокнистого гідрофобного матеріалу - 0,4дм 3. Трубчастий елемент: товщина стінки - 10мм, діаметр поліпропіленових волокон в шарах бічної поверхні - від 3 до 20мкм, діаметр прохідних отворів - 2-200мкм. Спосіб виготовлення насадки реалізували наступним чином. Насадку виготовляли на промисловому екструдері марки ЧП-45/12. На поверхню оправки екструдера діаметром 30мм, довжиною 500мм рівномірно наносять шар вуглецевих волокон загальним об'ємом 0,4дм 3 і закріпляють його до оправки шляхом обв'язування джгутом із того ж матеріалу. Поверх волокнистого матеріалу накладають водорозчинну прокладку таким чином, щоб кінці вуглецевих волокон на 20-30мм залишалися непокритими прокладкою. Прокладку закріплюють шляхом обв'язування смужками із тієї ж прокладки. Поверх прокладки і непокритої прокладкою поверхні вуглецевих волокон формують трубчастий елемент. Трубчастий елемент формували із поліпропілену марки ЛІТОЛ-А4/71Е з температурою плавлення 210-300°С методом пневматичної екструзії. Пластифікований полімерний матеріал завантажують в бункер екструдера, нагрівають до температури плавлення і подають в пристрій розпилювання, в який через камеру закрутки поступає нагріте до 200°С повітря. На виході із розпилювального пристрою утворюється газоволокнистий факел з діаметром волокон 10-50мкм, які витягуються по траєкторії закрученим повітряним струменем. Температура волокон на поверхні оправки становить 50-60°С. В силу того, що полімер знаходиться у в'язкотекучому стані, в місцях перехрещення волокон відбувається їх сплавлення. За рахунок здійснення оправкою зворотнопоступального і обертового рухів у горизонтальній площині, волокна наносяться шарами , які сплавляються між собою в місцях їх контакту і утворюють звивисту стр уктур у пор з розмірами прохідних отворів 2-200мкм. При нанесенні перших шарів волокон із газоволокнистого факелу на оправку, в місцях не покритих водорозчинною прокладкою відбувається їх термічне склеювання з закріпленими на оправці вуглецевими волокнами. В місцях, покритих водорозчинною прокладкою, волокнистий гідрофобний матеріал не склеюється з волокнами трубчастого елемента. При досягненні товщини стінки трубчастого елемента 10мм процес формування закінчують і після охолодження насадку знімають з оправки. 9 83933 Виготовлену таким чином насадку використовують при очистці Дніпровської води, характеристика якої представлена в таблиці. Насадку поміщають в лабораторний аеротенк і проводять процес очистки Дніпровської води. Очищена вода має наступні характеристики: показник перманганатної окисності - 5мг О2/дм 3; каламутність - 20мг/дм 3; колірність - 15град. Як видно із наведених даних насадка, що заявляється забезпечує достатньо високу якість очистки води. Переваги запропонованої насадки та способу її виготовлення в порівнянні з відомою насадкою полягають в підвищенні якості очищеної води: Комп’ютерна в ерстка Т. Чепелев а 10 - показник перманганатної окисності зменшується з 10 до 5мгО2/дм 3, тобто в 2 рази; - каламутність зменшується з 300 до 20мг/дм 3, тобто в 15 разів; - колірність зменшується з 60 до 15град, тобто в 4 рази. Одержані результати очистки води показують, що заявляєма насадка може бути успішно використана, наприклад, в схемах підготовки питної води, на стадії попередньої очистки води джерел водопостачання низького класу якості. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601