Намывные фильтры
Опубликовано: 19 октября 2009 г.
1397
Фильтрация – самый распространенный сегодня способ очистки воды. Для его успешной реализации необходимо, чтобы фильтрующий элемент обладал хорошей разделительной способностью, незначительным гидравлическим сопротивлением, высокой удельной концентрацией фильтровальных каналов с равномерным их распределением по всей поверхности, а также способностью к относительно легкой регенерации. В то же время самый популярный тип фильтрационного оборудования – насыпные фильтры – не в полной мере отвечают приведенным выше требованиям. К их наиболее существенным недостаткам относятся высокое гидравлическое сопротивление и неравномерность загрязнения фильтровального материала, из-за которого в ходе эксплуатации больше всего страдает поверхностный слой. В качестве современной альтернативы традиционным насыпным фильтрам могут рассматриваться так называемые намывные фильтры.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
М. Иванов, к. х. н.
Свое название намывные фильтры получили из-за дополнительного фильтровального слоя, формируемого на поверхности фильтрующего элемента в процессе подготовки установки к работе. При этом верхний слой зернистого материала имеет фильтровальные каналы несколько большего размера, чем поры фильтрующего элемента, что способствует более равномерному осаждению примесей во всем объеме намывного слоя и повышает эффективность фильтрации. Для создания намывного слоя используются различные сыпучие материалы. Помимо общих требований, предъявляемых к засыпкам для насыпной фильтрации, они должны обладать узким фракционным составом и высокой пористостью. Первое необходимо для формирования фильтровальных каналов, второе — для адсорбции примесей. Чаще всего в намывных фильтрах применяют прокаленные, размолотые и фракционированные по размеру зерен природные материалы, из которых в первую очередь следует упомянуть доломитовую муку. Она получается перемалыванием доломита — минерала, содержащего двойные карбонаты кальция и магния -CaMg(CO3)2. Другая распространенная минеральная засыпка — перлит — состоит из двух компонентов: феррита (железо с незначительными примесями углерода) и цементита (Fe3C). В намывных фильтрах применяются перлитовые порошки, выпускаемые в нашей стране по ТУ 5712-001-01394484-00. Согласно этому документу, для порошков группы «А» насыпная плотность составляет 80-120 кг/м3, группы «Б» — 120-160 кг/м3. Имеются различия и в фильтрационной проницаемости по воде: 1,1—2,0 Д (Дарси) для порошков группы «А», 0,5-1,0 Д — для группы «Б». Также применяется фильтроперлит (выпускается по ГОСТ 30566-98) с размерами зерен от 1 до 120 мкм. Вспученный путем прокаливания при температуре 900-1100 °С перлит (ГОСТ 10832-91) находит применение не только в водоочистке, но и во многих других областях. В числе производителей фильтровальных материалов на основе перлита назовем ЗАО «Апрелевский завод теплоизделий» (Московская обл.), ООО «Перлит» (Ксто-во, Нижегородская обл.), ООО «Петро-Перлит» (Санкт-Петербург). Наряду с перечисленными материалами для образования намывных слоев при фильтрации используют глинозём (Al2O3), кремнезём (SiO2), а также — щёлочно-зе-мельные или щелочные глины и кремнистые породы, способные (в естественном виде или после специальной активации) поглощать различные соединения. Особое место среди материалов для намывной фильтрации занимает кизельгур (другие названия — диатомит, инфузорная земля, горная мука), обладающий высокими сорбционными свойствами. Его пористость достигает 60-65 %. Основным (содержание — от 70 до 96 %) компонентом кизельгура является водный кремнезём, находящийся в аморфном состоянии. Другие составляющие — глинозём (3-12 %) и — в небольших количествах — оксиды железа, магния и кальция. Остатки океанических отложений одноклеточных водорослей -диамитов — образуют в кизельгуре микроскопически тонкую структуру.
Наиболее известное предприятие по добыче кизельгура в нашей стране — 000 «Диамитовый комбинат» (Инза, Ульяновская обл.). Он также добывается в Калужской, Костромской, Пензенской, Ростовской, Свердловской и других областях. Мировой лидер по добыче этого и других подобных фильтровальных материалов — компания World Minerals (США).
Процесс очистки с помощью намывных фильтров состоит из трех стадий — нанесения вспомогательного слоя, фильтрования и регенерации материала. Формирование намывного слоя — чрезвычайно важный этап, на котором пульпа определенной концентрации постепенно вводится в аппарат с помощью насоса и равномерно наслаивается на фильтрующий элемент. Как правило, время создания намывного слоя составляет около 30 мин. В ряде случаев для повышения рыхлости намывного слоя в пульпу вводят специальное структурирующее вещество. Его количество рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить полный расход добавки при образовании пористой структуры слоя. Затем производится санитарная промывка установки (вода, пропущенная через фильтр на этом этапе, подлежит сливу в дренаж), по завершении которой оборудование можно использовать по назначению. При этом в некоторых случаях (особенно при большом количестве примесей в исходной воде) вместе с очищаемой водой подается суспензия вспомогательного вещества, способствующая увеличению емкости намывного слоя и повышению за счет этого эффективности очистки. После выработки фильтрационным слоем своего ресурса его удаляют и заменяют новым. В одних случаях отработанный материал выбрасывают, в других -подвергают регенерации. (Таким образом, фильтровальные слои в намывных фильтрах бывают одноразовыми и обновляемыми.) По причине кажущейся схожести следует подробнее остановиться на различиях в механизмах действия у намывных и насыпных фильтров. Плотная мелкозернистая среда традиционного насыпного фильтра образует каналы небольшого размера. В процессе фильтрации примеси задерживаются в поверхностном слое, еще более сужая размер каналов. Поэтому со временем в таком фильтре начинают задерживаться всё более мелкие частицы, вплоть до коллоидных образований и даже бактерий. В результате качество очистки воды повышается, а производительность установки падает. Фильтрация с помощью намывных фильтров основана на ином механизме. Намывной слой имеет рыхлую структуру с системой разветвленных фильтровальных каналов значительно большего размера, чем в насыпных фильтрах. (Это обусловлено как методом нанесения фильтрационного материала, так и веществами, повышающими его рыхлость.) Частицы примесей, проходящие через фильтровальные каналы, удерживаются затем порами материала (сорбция) или основным фильтрующим элементом. Конечно, с течением времени и в такой структуре постепенно происходит уменьшение размера каналов, но количество поглощенных с начала фильтрации до прекращения вытекания осветленной воды загрязнений при этом будет несоизмеримо большим. Из изложенного понятно, что все преимущества фильтров с намывным слоем относительно насыпных фильтров основаны на более рыхлой, менее уплотненной среде намывного слоя. Важно отметить, что наличие намывного слоя не приводит к существенному повышению гидравлического сопротивления фильтра. Площадь фильтрующего элемента у намывных фильтров примерно в десять раз меньше, чем у насыпных гравийных или песчаных фильтров той же производительности, что дает возможность использовать оборудование меньших размеров. Кроме того, намывные фильтры позволяют достичь более высокой степени очистки воды. Для организации намывной фильтрации не требуются аппараты специальной конструкции. Наиболее простая установка — вертикальный аппарат с горизонтальной фильтрующей перегородкой, на которой находится намывной слой. Также могут применяться аппараты дискового типа. Наиболее перспективны свечные патронные намывные фильтры, предназначенные для тонкой фильтрации воды с содержанием взвешенных примесей до 5 мг/л. Конструкция такого аппарата представляет собой герметичную емкость из нержавеющей стали с перегородкой внутри. В имеющихся на перегородке отверстиях закрепляются патроны цилиндрической формы, в каждом из которых размещен фильтрующий элемент из металлической сетки. Поверх последней намывается вспомогательный материал. В водоочистке намывные фильтры обычно используют на стадии осветления воды, а также в тех случаях, когда требуется полное удаление механических примесей и коллоидных частиц, например, перед установками обратного осмоса. Область применения намывных фильтров охватывает очистку сточных вод в ЖКХ, пищевую и другие отрасли промышленности. С 1970-х намывные патронные фильтры применяют для очистки сконденсированного водного пара на тепловых и атомных электростанциях. Также намывные фильтры используются для очистки воды из открытых водозаборов и артезианских скважин для нужд ТЭЦ, АЭС и котельных.
Словарь терминов
Дарси — внесистемная единица проницаемости пористых сред. За 1 Д принимают проницаемость пористой среды, при фильтрации через образец которой площадью 1 см2 и толщиной 1 см при разности давлений 1 кгс/см3 расход жидкости вязкостью 1 сП (сантипуаз; 1 сП = 1 мПа-с ) составляет 1 см3/с (1 Д приблизительно равен 1 мкм2).