2323766 - Способ фильтрации жидкости

Способ фильтрации жидкости

Изобретение относится к способам фильтрации жидкостей с применением намывных фильтров, в которых фильтровальное вспомогательное вещество наносится на фильтрующую перегородку. Изобретение раскрывает способ фильтрации жидкости через фильтр с намывным слоем, сформированным из фильтровального вспомогательного вещества на фильтровальной перегородке. После формирования на фильтровальной перегородке по меньшей мере одного намывного слоя фильтровального вспомогательного вещества его фиксируют связующим компонентом. Изобретение обеспечивает создание способа фильтрации жидкости и улучшение фильтрационной способности как в непрерывном, так и в периодическом режиме от механических примесей, суспензий коллоидных частиц, эмульсий нефтепродуктов, растворенных веществ и микроорганизмов. Также сохраняется низкое сопротивление потоку жидкости, устойчивость к сбросу давления в системе и возможность регенерации фильтровальных вспомогательных веществ. 8 з.п. ф-лы, 7 табл., 1 ил.

Реферат

Изобретение относится к способам фильтрации жидкостей с применением намывных фильтров, в которых фильтровальное вспомогательное вещество наносится на фильтрующую перегородку. Изобретение позволяет обеспечить устойчивую фильтрацию жидкостей от взвешенных частиц и растворенных веществ как в непрерывном, так и в периодическом режиме.

Фильтрующие системы с намывными слоями широко используются в технике для промышленной фильтрации различных суспензий и технологических растворов, при осветлении сахарных сиропов, фильтрации напитков, очистке воды от нефтепродуктов и т.д.

Намывные слои представляют собой динамически формируемые в процессе фильтрации жидкости структуры, состоящие из мелких частиц фильтровальных вспомогательных веществ (ФВВ), предотвращающие закупоривание пор фильтрующих перегородок и создающие относительно низкое сопротивление потоку фильтруемой жидкости. Впоследствии намывной слой действует подобно фильтровальной перегородке.

В качестве фильтровальных вспомогательных веществ может применяться широкий спектр тонкозернистых или тонковолокнистых инертных материалов как природного, так и синтетического происхождения, например диатомит, перлит, асбест, гипс, магнезия, целлюлоза, древесные угли и коксы и т.д.

В уровне техники известно применение различных вариантов намывных фильтрующих элементов с использованием фильтровальных вспомогательных веществ (ФВВ). Описаны также различные методы нанесения намывных слоев на фильтровальные перегородки. Обычно эти методы либо включают в себя этап предварительного осаждения слоя фильтровальных вспомогательных веществ циклическим прокачиванием суспензии этих веществ в фильтрате с последующим переключением системы на фильтрацию целевой суспензии, либо добавка фильтровальных вспомогательных веществ производится непосредственно в фильтруемую жидкость, и тогда намывной слой формируется на фильтрующей подложке уже в ходе фильтрации.

Использование намывных слоев из фильтровальных вспомогательных веществ на фильтрующих перегородках позволяет повысить эффективность и производительность систем фильтрации, снизить расходы на оборудование. Но традиционный метод применения намывных слоев имеет и негативные стороны, например при сбросе давления в системе или полном прекращении фильтрации происходит необратимое разрушение намывного слоя, сопровождающееся резким ухудшением качества очистки.

Известны процесс и устройство по ЕР 0204871, опубл. 17.12.1986, МКИ B01D 29/15, в которых фильтрация жидкости осуществляется через намывной фильтр, получаемый предварительным намыванием фильтровального вспомогательного вещества (диатомит, перлит) из суспензии его в фильтрате, с последующим переключением на фильтрование целевой жидкости. Процесс подразумевает проведение фильтрации в непрерывном режиме, остановка фильтрации приведет к разрушению слоя фильтровальных вспомогательных веществ.

Известен намывной фильтрующий элемент по патенту JP 4176309, опубл. 24.06.1992, МКИ B01D 39/20, в котором для облегчения фиксации намывного слоя в качестве фильтровальной перегородки используется пористая матрица, состоящая из спеченной крошки титановой губки. Однако полное удаление слоя фильтровальных вспомогательных веществ обратной промывкой с пористой подложки, имеющей в своей структуре лабиринтные каналы, затруднено, что является существенным недостатком способа.

Известен способ намыва фильтрующего слоя по патенту РФ 1220183, опубл. 20.12.2001, МКИ B01D 37/02, в котором с целью обеспечения работоспособности фильтра в нестационарных режимах и при кратковременных снижениях перепада давления на фильтре до нулевых значений путем упрочнения намывного слоя, в конце намыва суспензии импульсно повышают перепад давления до величины, равной рабочему давлению суспензии на входе в фильтр. Импульсное повышение давления в конце намыва приведет к существенному сжатию слоя фильтровальных вспомогательных веществ, так что этот слой будет иметь высокое гидравлическое сопротивление, что в свою очередь приведет к сокращению периода работы фильтра до регенерации.

В ряде патентов для улучшения фильтрующих свойств слоя фильтровальных вспомогательных веществ применяются различные модифицирующие вещества. Так, согласно патенту РФ 2071825, опубл. 20.01.1997, МКИ B01J 20/16 производится гидрофобизация перлита обработкой силиконовым маслом. Сходным образом по патенту РФ 2097333, опубл. 27.11.1887, МКИ C02F 1/28 вспученный перлит обрабатывают раствором полиэтилсилоксана. Известен фильтрующий материал по патенту US 3872016, опубл. 18.03.1975, МКИ B01D 37/02, который для лучшего взаимодействия с малополярными органическими жидкостями обрабатывают органическими эфирами фосфорной кислоты. Все перечисленные материалы имеют повышенное сродство к органическим веществам, однако высокая гидрофобность частиц будет препятствовать образованию плотного фильтрующего слоя в водной среде.

Наиболее близким аналогом данного изобретения является метод фильтрации по патенту JP 62191014, опубл. 21.08.1987, МКИ B01D 37/00. Согласно этому изобретению для усиления фильтрующей способности слоя фильтровальных вспомогательных веществ непосредственно после обратной промывки фильтра одновременно с подачей их происходит введение повышенного количества флокулянта. Таким образом, формирование вспомогательного фильтрующего слоя происходит из частиц флока, существенно более крупных, нежели исходный ФВВ. К достоинствам такого метода формирования намывного фильтрующего слоя относится низкое гидравлическое сопротивление слоя. В то же время слой из крупных частиц обладает заметно худшей по сравнению с нефлокулированным материалом фильтрующей способностью, что является существенным недостатком.

Рассмотренные в уровне техники технические решения, касающиеся способов фильтрации жидкости с применением намывного слоя, направлены либо на усовершенствование фильтровальной основы, либо на модификацию свойств фильтровальных вспомогательных веществ перед его намыванием на эту основу. При этом агломерирование частиц фильтровальных вспомогательных веществ снижает фильтрующую способность слоя, а попытка удержать слой немодифицированного ФВВ на фильтровальной основе приводит к затруднениям при обратной промывке.

Таким образом, в рассмотренной области имеется техническая проблема получения плотных, механически устойчивых намывных слоев ФВВ с умеренным гидравлическим сопротивлением, устойчивых к эксплуатации в нестационарных режимах.

Задачей данного изобретения и достигаемым техническим результатом является создание способа фильтрации жидкости, обеспечивающего повышение эффективности очистки жидкостей и улучшение фильтрационной способности как в непрерывном, так и в периодическом режиме от механических примесей, суспензий, коллоидных частиц, эмульсий нефтепродуктов, растворенных веществ и микроорганизмов при сохранении низкого сопротивления потоку жидкости, устойчивости к сбросу давления в системе и возможности регенерации фильтровальных вспомогательных веществ.

Поставленная задача решается внесением связующего компонента в намывной слой фильтровального вспомогательного вещества, которое осуществляется после формирования указанного слоя. За счет адсорбции связующего компонента на поверхности частиц фильтровального вспомогательного вещества происходит увеличение их адгезии друг к другу. Одновременно происходит модификация поверхности каналов протекания жидкости через намывной слой, так что наблюдается возрастание фильтрующей способности слоя без увеличения его гидравлического сопротивления. Кроме того, введение связующего по изобретению происходит при гидравлическом сжатии слоя фильтровальных вспомогательных веществ, что способствует заполнению крупных каналов гидрофилизированными частицами ФВВ. Скрепленный слой фильтровальных вспомогательных веществ сохраняется на фильтровальной основе даже при отсутствии потока жидкости.

Формирование намывного слоя так же, как и его регенерация, может осуществляться как в потоке жидкости, так и в потоке газа.

В качестве фильтровального вспомогательного вещества используются мелкодисперсные материалы, обладающие как фильтрующей способностью (перлит, вермикулит), так и имеющие выраженные сорбционные свойства (активированный уголь). Для эффективной реализации способа фильтрации необходима высокая внешняя удельная поверхность материала, так как фиксация слоя осуществляется за счет взаимодействия поверхностей соседних частиц посредством молекул связующего компонента.

В качестве связующего компонента по данному изобретению используются полимерные вещества, способные к эффективному связыванию на поверхности частиц фильтровальных вспомогательных веществ. Такими свойствами обладают полимерные молекулы, при этом их первичная полимерная структура может не меняться в процессе связывания, а может формироваться в процессе фильтрации связующего через слой фильтровальных вспомогательных веществ. К первому типу связующих относятся гидрофильные органические полимеры, например флокулянты на основе полиакриламида. Ко второму типу связующих можно отнести полимерные неорганические вещества, например кремниевую кислоту.

Адсорбция связующего на поверхности фильтровальных вспомогательных веществ не только скрепляет намывной слой, но также существенно изменяет его физико-химические свойства: заряд поверхности, содержание ионогенных групп, поверхностное натяжение. Таким образом, данное изобретение дает возможность модификации сорбционных свойств слоя для преимущественного связывания примесей конкретного типа. Например, можно использовать связующие вещества на основе полиакриламида, содержащих заряженные группы, что приведет к изменению поверхностного заряда инертного перлита и придаст этому материалу ионообменные свойства.

На основе изобретения могут быть реализованы многослойные намывные фильтры, каждый из слоев которых связан необходимым связующим. Это дает возможность использования многослойных фильтрующих слоев, где отдельные слои отличаются по гидрофобно-гидрофильному балансу или имеют различные поверхностные заряды.

Связывание намывного фильтрующего слоя согласно изобретению приводит к его устойчивости к работе в нестационарных режимах. К таким режимам прежде всего относятся ситуации периодических включений-выключений фильтра, при которых намывной слой должен удержаться на фильтровальной основе. Такого рода режимы наиболее характерны для бытовых фильтрующих устройств.

Повышение механических свойств связанного намывного слоя приводит к тому, что при регенерации фильтра обратной промывкой фильтровальный слой распадается на куски, а не на отдельные частицы. В связи с этим, согласно изобретению, целесообразно использовать фильтровальные основы, дающие возможность механического разрушения фильтрующего слоя. К таковым относятся пружинные фильтрующие элементы, наборные дисковые фильтрующие элементы, сеточные фильтрующие элементы с подвижными частями. Возможно применение в качестве фильтровальной основы пористых материалов, в том числе микропористых полых волокон или микрофильтрационных мембран.

Сущность изобретения и его преимущества поясняются следующими примерами.

В примерах 1-4 приведены сравнительные параметры фильтрации различных примесей на намывных слоях трех типов: слой фильтровальных вспомогательных веществ, обработанный связующим (полиакриламид); слой фильтровальных вспомогательных веществ без добавок; слой фильтровальных вспомогательных веществ, обработанный связующим веществом перед намыванием. Пример 5 иллюстрирует применение двухслойного намывного слоя. Во всех примерах в качестве фильтровальной основы используется пружинный фильтр. Пример 6 иллюстрирует использование в качестве фильтровальной основы полых микрофильтрационных волокон. Пример 7 демонстрирует возможность использования в качестве связующего неорганического полимера - кремниевой кислоты.

Пример 1. Через различные намывные фильтры фильтровали золь гидроксида железа (III). Фильтрация производилась на установке, изображенной на чертеже, со скоростью 1.5 дм³/мин.

Намывной слой перлита и намывной слой перлита для последующей флокуляции получали инжекцией 1 дм³ суспензии вспученного перлита концентрацией 3.5 г/дм³ в поток. Связывание намывного слоя в случае намывания перлита с последующим связыванием производили прокачкой 1 дм³ раствора нейтрального полиакриламида с концентрацией 1 мг/дм³.

В случае намывания флокулированного перлита предварительную флокуляцию перлита производили добавлением в 1 дм³ суспензии перлита концентрацией 3.5 г/дм³ 10 см³ раствора полиакриламида концентрацией 100 мг/дм³. Намывной слой флокулированного перлита получали последующей фильтрацией суспензии флокулированного перлита.

Золь гидроксида железа концентрацией 4 мг/дм³ получали по [3]. Определение концентрации общего железа производили по ГОСТ 4011-72 с сульфосалициловой кислотой.

Результаты приведены в таблице 1.

После прекращения фильтрации фильтры выдерживали в течение 12 часов, после чего визуально определяли целостность намывного слоя. Обнаружили: перлит без связующего - полное разрушение слоя, слой флокулированного перлита - частичное разрушение, связанный слой - без изменений.

Таблица 1.
Метод получения намывного слоя	Объем модельного раствора, дм³
1	5	10	20
Р, атм	Fe³⁺, мг/дм³	Р, атм	Fe³⁺, мг/дм³	Р, атм	Fe³⁺, мг/дм³	Р, атм	Fe³⁺, мг/дм³
Намывание перлита	0.95	0.93	1.25	1.12	1.40	1.21	1.85	1.50
Намывание флокулированного перлита	2.05	0.82	2.15	1.05	2.30	1.12	2.70	1.36
Намывание перлита с последующим связыванием	1.15	0.28	1.50	0.31	1.70	0.35	2.20	0.75

Пример 2. Через различные намывные фильтры фильтровали суспензию дрожжевых клеток. Фильтрация производилась на установке, изображенной на чертеже, со скоростью 1.5 дм³/мин. Намывной слой получали инжекцией 1 дм³ суспензии перлита концентрацией 3.5 г/дм³ в поток.

В случае намывания флокулированного перлита предварительную флокуляцию перлита производили добавлением в 1 дм³ суспензии перлита концентрацией 3.5 г/дм³ 10 см³раствора полиакриламида концентрацией 100 мг/дм³. Намывной слой флокулированного перлита получали последующей фильтрацией суспензии флокулированного перлита.

Объем пропущенной суспензии дрожжевых клеток составлял 1 дм³. Приготовление суспензии и определение концентрации дрожжевых клеток проводили в соответствии с [4]. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2.
Метод получения намывного слоя	Р, атм	Исходная конц., КОЕ/л	Конц. в фильтрате, КОЕ/л
Намывание перлита	1.50	96000	800
Намывание флокулированного перлита	2.30	96000	960
Намывание перлита с последующим связыванием	2.00	96000	0

Пример 3. Через различные намывные фильтры фильтровали суспензию клеток кишечной палочки Escherihia Coli. Фильтрация производилась на установке, изображенной на чертеже, со скоростью 1.5 дм³/мин. Намывной слой получали инжекцией 1 дм³ суспензии перлита концентрацией 3.5 г/дм³ в поток.

В случае намывания флокулированного перлита предварительную флокуляцию перлита производили добавлением в 1 дм³ суспензии перлита концентрацией 3.5 г/дм³ 10 см³раствора полиакриламида концентрацией 100 мг/дм³. Намывной слой флокулированного перлита получали последующей фильтрацией суспензии флокулированного перлита.

Объем пропущенной суспензии кишечной палочки составлял 1 дм³. Приготовление суспензии кишечной палочки Escherihia Coli (штамм М-17) и определение концентрации клеток Е.Coli проводили в соответствии с [4].

Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3.
Метод получения намывного слоя	Р, атм	Исходная конц., КОЕ/л	Конц. в фильтрате, КОЕ/л
Намывание перлита	0.90	33000	3800
Намывание флокулированного перлита	1.65	42000	5600
Намывание перлита с последующим связыванием	1.15	52000	2000

Пример 4. Через намывные фильтры на основе порошкового активированного угля фильтровали водный раствор органического красителя метиленового голубого. Фильтрация производилась на установке, изображенной на чертеже, со скоростью 1.5 дм³/мин.

Намывной слой активированного угля и намывной слой активированного угля для последующей флокуляции получали инжекцией 1 дм³ суспензии активированного угля концентрацией 0.5 г/дм³ в поток. Связывание намывного слоя в случае намывания активированного угля с последующим связыванием производили прокачкой 1 дм³ раствора нейтрального полиакриламида с концентрацией 1 мг/дм³.

В случае намывания флокулированного активированного угля предварительную флокуляцию активированного угля производили добавлением в 1 дм³ суспензии активированного угля концентрацией 0.5 г/дм³ 10 см³ раствора полиакриламида концентрацией 100 мг/дм³. Намывной слой флокулированного активированного угля получали последующей фильтрацией суспензии флокулированного перлита.

Раствор метиленового голубого концентрацией 10 мг/дм³ готовили разбавлением водного раствора метиленового голубого концентрацией 1500 мг/дм³, приготовленного по точной навеске. Определение концентрации метиленового голубого производили фотометрическим методом.

Результаты приведены в таблице 4.

После прекращения фильтрации фильтры выдерживали в течение 12 часов, после чего визуально определяли целостность намывного слоя. Обнаружили: активированный уголь без связующего - полное разрушение слоя, слой флокулированного активированного угля - частичное разрушение, связанный слой - без изменений.

Таблица 4.
Метод получения намывного слоя	Р, атм	Конц. метиленового голубого в фильтрате, мг/дм³
Намывание активированного угля	2.00	4.2
Намывание флокулированного активированного угля	2.40	5.1
Намывание активированного угля с последующим связыванием	2.15	1.8

Пример 5. Исследовали фильтрацию метиленового голубого через дополнительный намывной слой порошкообразного активированного угля на намытом и сфлокулированном слое перлита на пружинном фильтре в отношении органического красителя метиленового голубого. Для сравнения приведены данные по фильтрации раствора метиленового голубого в аналогичных условиях на последовательных намывных слоях перлита и активированного угля без добавления связующего и на намывном слое перлита, на который нанесен намывной слой активированного угля, предварительно обработанного полиакриламидом.

Фильтрация производилась на установке, изображенной на чертеже, со скоростью 1.5 дм³/мин.

Намывной слой активированного угля получали инжекцией 1 дм³ суспензии активированного угля концентрацией 0.5 г/дм³ в поток.

Чередующиеся намывные слои получали последовательной фильтрацией соответствующих суспензий.

Результаты приведены в таблице 5.

Таблица 5.
Метод получения намывного слоя	Р, атм	Конц. метиленового голубого в фильтрате, мг/дм³
Последовательные намывные слои перлита и активированного угля	2.30	3.1
Последовательные намывные слои перлита и предварительно флокулированного активированного угля	2.70	4.7
Последовательные намывные слои перлита, обработанного связующим после намывки, и активированного угля	2.35	1.2

Пример 6. Золь гидроксида железа (III) фильтровали через полые микрофильтрационные волокна из полиэтилена, на поверхности которых сформирован намывной слой вспученного перлита. Намывной слой получали инжекцией 1 дм³ суспензии вспученного перлита концентрацией 3.5 г/дм³ в поток.

Удаление намытого слоя при регенерации осуществляли обратным током жидкости в сочетании с ультразвуковым воздействием.

В таблице 6 приведены сравнительные данные для полых волокон и полых волокон с намытым слоем.

Таблица 6.
Метод получения намывного слоя	Объем модельного раствора, дм³
1	5	10	20
Р, атм	F³⁺, мг/дм³	Р, атм	F³⁺, мг/дм³	Р, атм	F³⁺, мг/дм³	Р, атм	F³⁺, мг/дм
Полые волокна без намывного слоя	1.2	0.35	1.45	0.30	1.60	0.35	1.85	0.30
Полые волокна с намывным слоем перлита	1.30	0.15	1.80	0.10	2.00	0.12	2.20	0.12

Пример 7. Через различные намывные фильтры фильтровали золь гидроксида железа (III). Фильтрация производилась на установке, изображенной на чертеже, со скоростью 1.5 дм³/мин.

Намывной слой перлита и намывной слой перлита для последующей флокуляции получали инжекцией 1 дм³ суспензии вспученного перлита концентрацией 3.5 г/дм³ в поток. Связывание намывного слоя в случае намывания перлита с последующим связыванием производили прокачкой 1 дм³ подкисленного до рН=6 раствора силиката натрия концентрацией 10 мг/дм³.

В случае намывания флокулированного перлита предварительную флокуляцию перлита производили добавлением в 1 дм³ суспензии перлита концентрацией 3.5 г/дм³ 10 см³ раствора полиакриламида концентрацией 1.0 г/дм³. Намывной слой флокулированного перлита получали последующей фильтрацией суспензии флокулированного перлита.

Результаты приведены в таблице 7.

Таблица 7.
Метод получения намывного слоя	Объем модельного раствора, дм³
1	5	10	20
Р, атм	F³⁺, мг/дм³	Р, атм	F³⁺, мг/дм³	Р, атм	Fe³⁺, мг/дм³	Р, атм	Fe³⁺, мг/дм
Намывание перлита	0.95	0.90	1.05	1.00	1.40	1.10	1.45	1.20
Намывание флокулированного перлита	1.95	0.85	2.00	1.05	2.05	1.15	2.40	1.25
Намывание перлита с последующим связыванием	1.10	0.30	1.20	0.35	1.30	0.35	1.45	0.40

Источники информации

1. Жужиков В.А. Теория и практика разделения суспензий. - М.: Химия, 1971.

2. Малиновская Т.А., Кобринский И.А., Кирсанов О.С., Рейнфарт В.В. Разделение суспензий в химической промышленности. - М.: Химия, 1983.

3. Фролов Ю.Г., Гродский А.С., Назаров В.В. и др. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. - М.: Химия, 1986.

4. Общая и санитарная микробиология с техникой микробиологических исследований: Учебное пособие / Под ред. А.С. Лабинской, Л.П. Блинкаревой, А.С. Ещиной. - М.: Медицина, 2004.

1. Способ фильтрации жидкости через фильтр с намывным слоем, сформированным из фильтровального вспомогательного вещества на фильтровальной перегородке, отличающийся тем, что после формирования на фильтровальной перегородке по меньшей мере одного намывного слоя фильтровального вспомогательного вещества его фиксируют связующим компонентом.

2. Способ фильтрации жидкости по п.1, отличающийся тем, что в качестве связующего компонента используют органический или неорганический полимер, содержащий гидрофильные группы.

3. Способ фильтрации жидкости по п.2, отличающийся тем, что в качестве связующего компонента используют полимер на основе полиакриламида.

4. Способ фильтрации жидкости по п.2, отличающийся тем, что в качестве связующего компонента используют кремниевую кислоту.

5. Способ фильтрации жидкости по п.1, отличающийся тем, что фильтровальное вспомогательное вещество представляет собой мелкодисперсный материал.

6. Способ фильтрации жидкости по п.5, отличающийся тем, что в качестве фильтровального вспомогательного вещества используют активированный уголь.

7. Способ фильтрации жидкости по п.5, отличающийся тем, что в качестве фильтровального вспомогательного вещества используют вспученный перлит.

8. Способ фильтрации жидкости по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что дополнительно проводят уплотнение намывного слоя фильтровального вспомогательного вещества после его формирования.

9. Способ фильтрации жидкости по п.1, отличающийся тем, что фильтровальная перегородка представляет собой проницаемую или пористую конструкцию с возможностью регенерации посредством гидравлических и/или механических воздействий.

Способ фильтрации жидкости

Патент 2323766