Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ВОДОПОДГОТОВКИ

Предлагаемое техническое решение относится к комбинированным устройствам для разделения неоднородных жидких сред. Устройство может быть использовано в сельскохозяйственной мелиорации, в частности в системах капельного полива, микроорошения и дождевания, а также в других областях промышленности и народного хозяйства при водоочистке или водоподготовке.

Известно устройство водоподготовки, содержащее гидроциклоны со смонтированными во внутренней части сетчатыми трубофильтрами для очистки водной суспензии от крупнодисперсных примесей, сборники накопления этих примесей, емкость, заполненную фильтрующим материалом - крупнозернистым песком, для очистки водной суспензии от мелкодисперсных примесей, трубопроводную обвязку для подвода водной суспензии, отвода крупнодисперсных примесей и периодического изменения режима работы: фильтрации водной суспензии и промывки обратным током сетчатых трубофильтров [Патент РФ №2272790, МПК C02F 1/52, B01D 36/00, В04С 9/00].

Недостатком известного технического решения, препятствующим достижению указанного технического результата, является недостаточная надежность конструкции сетчатых трубофильтров из-за возможности их деформации при повышенных давлениях и технологического процесса водоподготовки в целом из-за конструктивной перегруженности устройства водоподготовки, а также невозможность очистки водной суспензии от токсичных примесей и растворенных солей из-за отсутствия в конструкции устройства сорбционных фильтрующих элементов.

Известен трубофильтр, содержащий корпус с размещенным в нем между двумя сетками послойно с чередованием крупной и мелкой фракции сорбентом на основе цеолита, патрубки для подвода фильтруемой водной суспензии и отвода фильтрата. Сорбент размещен в корпусе трубофильтра в следующей последовательности: первый слой загружен фракцией 3-4 мм на 1/3 от общего объема; второй слой - 1,5-2 мм на 1/6 от общего объема; третий слой - 0,5-1 мм на 1/6 от общего объема; четвертый слой - 3-4 мм на 1/3 от общего объема [Патент на п. м. РФ №15174, В01D 24/00].

Недостатком известного технического решения, препятствующим достижению указанного технического результата, является недостаточная надежность конструкции трубофильтра и технологического процесса водоподготовки в целом из-за возможности забиваемости слоев сорбента и снижения пропускной способности трубофильтра в случае высоких концентраций крупнодисперсных примесей в водной суспензии, а также невысокая степень очистки водной суспензии от токсичных примесей и растворенных солей из-за невысокой катионообменной емкости сорбента.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому устройству и принятому за прототип является устройство водоподготовки, содержащее гидроциклон со смонтированным во внутренней части на сливном патрубке посредством резьбы и фланцевого соединения трубофильтром, выполненным из волокнисто-пористой трубы, соосно размещенной на полиэтиленовом перфорированном несущем каркасе с воздушным зазором, емкость для сбора шлама и трубопроводную обвязку, позволяющей периодически изменять режим работы: фильтрация водной суспензии и промывка трубофильтра обратным током [Патент РФ №2411719, МПК A01G 25/09].

Недостатком известного технического решения, препятствующим достижению указанного технического результата, является недостаточная надежность конструкции трубофильтра, обусловленная материалом его изготовления, и технологического процесса водоподготовки в целом из-за малой суммарной площади перфораций и наличия застойных зон между волокнисто-пористой трубой и полиэтиленовым каркасом, а также невозможность очистки водной суспензии от токсичных примесей и растворенных солей из-за отсутствия в конструкции устройства водоподготовки сорбционных фильтрующих элементов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение эксплуатационных показателей технологического процесса водоподготовки и эффективности разделения неоднородных жидкостных систем, улучшение качественных свойств мелиорируемой поливной воды.

Результатом предлагаемого технического решения является повышение надежности конструкции трубофильтра и увеличение его эксплуатационного срока службы, повышение степени очистки водной суспензии от мелкодисперсных взвесей, токсичных примесей и растворенных солей, обогащение поливной воды макро- и микроэлементами питания, необходимыми для поддержания оптимального пищевого режима сельскохозяйственных культур.

Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве водоподготовки, включающем гидроциклон со смонтированным во внутренней части на сливном патрубке трубофильтром, емкость для сбора шлама и трубопроводную обвязку, позволяющую периодически изменять режим работы: фильтрация водной суспензии и промывка трубофильтра обратным током, согласно изобретению трубофильтр содержит внешний и внутренний слои сетчатого, с образованием ячеек, несущего каркаса с размещением на его внутренних цилиндрических поверхностях по меньшей мере двух фильтровальных перегородок, пространство между которыми заполнено фильтровальной глауконитовой загрузкой.

Внешний и внутренний слои несущего каркаса выполнены из стекловолокон, обработанных эпоксидным компаундом.

Фильтровальные перегородки выполнены из гладких полимерных моноволокон в виде сетки с размером ячеек 0,07…0,3×0,07…0,3.

Существенным отличительным признаком заявленного технического решения является трубофильтр с фильтровальной глауконитовой загрузкой, смонтированный на сливном патрубке во внутренней части гидроциклона, у которого слои несущего каркаса уложены с образованием ячеек и изготовлены из обработанных эпоксидным компаундом стекловолокон, а фильтровальные перегородки - из гладких полимерных моноволокон в виде сетки с размером ячеек 0,07…0,3×0,07…0,3.

Данная конструкция трубофильтра в сравнении с известными устройствами имеет следующие преимущества:

1) высокая коррозионная стойкость, прочность и упругость композитного материала, вследствие чего конструктивная надежность повышается, а эксплуатационный срок службы увеличивается;

2) большая пропускная способность фильтровальных слоев несущего каркаса и фильтровальных перегородок, а также отсутствие эффекта налипания на них фильтруемых частиц (осадка) за счет подобранного материала и структуры, вследствие чего эффективность разделения неоднородных жидкостных систем повышается;

3) низкая материалоемкость - вес несущего каркаса из стекловолокон в сравнении с известными аналогами из металла ниже в 3,5 раза;

4) возможность клеевого соединения несущего каркаса трубофильтра с металлическим сливным патрубком гидроциклона вследствие близких по значению коэффициентов температурного расширения металла и стекловолокон, что особенно важно в полевых условиях на мелиорируемых участках при отсутствии соответствующего материально-технического обеспечения.

Наличие фильтровальной глауконитовой загрузки в пространстве между фильтровальными перегородками трубофильтра способствует повышению эффективности разделения неоднородных жидкостных систем от мелкодисперсных взвесей, токсичных примесей и растворенных солей, а также улучшению качественных показателей поливной воды.

Глауконит - это природный аутогенный монопризматический минерал из группы гидрослюд подкласса слоистых водных алюмосиликатов с химической формулой (K, Na, Ca)(Fe³⁺, Mg, Fe²⁺, Al)₂[(Al, Si)Si₃O₁₀](OH)₂·nH₂O.

Основные показатели и свойства глауконита, характеризующие его преимущества по сравнению с другими насыпными зернистыми материалами, показаны в таблице 1.

Глаукониты имеют сложный химический состав, который в зависимости от месторождения может варьироваться в широком диапазоне: K₂O - 3,0-10,0%, Na₂O - до 3,5%, Al₂O₃ - 7,0-18,0%, Fe₂O₃, FeO - 7,0-11,0%, MgO - 2,5-7,0%, SiO₂ - 29,0-56,0%, H₂O - 5-13,5%, P₂O₅ - до 3%. В составе минерала также имеется более 20 наименований микроэлементов, которые находятся в легко извлекаемой форме обменных катионов, способных к замещению с находящимися в избытке в окружаемой среде элементами.

Улучшение качественных свойств поливной воды состоит в частичном обогащении ее макро- и микроэлементами (оксидами кремния, калия, магния, фосфора, железа, а также медью, марганцем, цинком, молибденом, кобальтом и другими веществами), необходимыми для поддержания оптимального пищевого режима и влияющими на продуктивность сельскохозяйственных культур. Обогащение поливной воды происходит в процессе ее фильтрации через фильтровальную глауконитовую загрузку, который сопровождается медленным растворением минералов. В частности, оксид кремния переходит в состояние биогенного кремния, который, в том числе с другими растворенными веществами, переносится поливной водой, например, через систему капельного орошения точечно в корнеобитаемый участок, на котором произрастают растения. В почве происходит образование нитритов кремния, силанов и алкосиланов, которые токсичны для вредителей и возбудителей болезней. Кроме того, кремниевая кислота выполняет фитосанитарную функцию, снижая популяцию сапрофитных грибов, в том числе корневых гнилей. При питании растений такой влагой в эпидермальных тканях происходит образование защитного кремниевого барьера. В результате корневая система растений более развита, площадь поверхности листьев, толщина и прочность стебля увеличиваются, податливость болезням снижается, а продуктивность возрастает.

При производстве сельскохозяйственной продукции допускается использование только экологически чистых материалов, за исключением особых случаев, например при выращивании культур на биотопливо; отсутствие токсичности у глауконита позволяет использовать его в данной области без ограничений.

Ионообменные и катионнообменные свойства глауконитов (сорбционная способность) по отношению к тяжелым металлам, радионуклидам, солям, органическим и иным токсичным веществам обусловлены слоистой, в основном в виде пластин или чешуек, структурой. Степень извлечения глауконитом тяжелых металлов из водных растворов показана таблице 2.

Слоистая структура глауконита относится к типу 2:1, т.е. в элементарном пакете сетка октаэдров, в центре которой находится, например, Al, а в вершине - гидроксильная группа (ОН), заключена между двумя сетками из кремнекислородных тетраэдров ( ). Сетки также могут содержать Fe³⁺, Fe²⁺, Mn, Mg и др. Слои между собой жестко соединены прослойками преимущественно из катионов K⁺, молекул воды и обменных катионов (Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺ и др.). Характерным для структуры гидрослюд является дефицит связывающего катиона (K⁺ и др.) и, соответственно, наличие вакансий структурных катионов. В связи с этим до 20% прослоек в структуре глауконита обладают свойством лабильности (неустойчивости) [Тарасевич Ю.И. Строение и химия поверхности слоистых силикатов. - Киев: Наука, 1988. - 248 с. ].

Одним из важных качественных показателей поливной воды является ее жесткость. Непостоянная жесткость характеризуется присутствием в воде, в большей степени, растворенных гидрокарбонатов кальция Са(НСО₃)₂, в меньшей степени, магния Mg(НСО₃)₂ и железа Fe(НСО₃)₂, а постоянная - кальциевых и магниевых солей сильных кислот (сульфатов и хлоридов): MgSO₄, CaSO₄, MgCl₂, CaCl₂. При поливе жесткой водой (более 8 мг-экв/л) в растениях происходит нарушение процесса образования хлорофилла, а также снижение фотосинтезирующей способности, культуры поражаются хлорозом. Из-за высокого содержания в почве солей кальция питательные вещества переходят в недоступную (связанную) для растений форму. Кроме того, регулярное орошение жесткой поливной водой постепенно нейтрализуют, а далее и защелачивают почву с образованием солевых отложений.

Незначительная (оптимальная) жесткость (4-8 мг-экв/л), наоборот, благоприятно сказывается на общем режиме питания и развития растений. Магний входит в состав хлорофилла и задействован в белковом обмене, железо участвует в синтезе хлорофилла, а кальций - важный компонент клеточных оболочек растений. Дефицит этих макроэлементов также негативно сказывается на развитии культур.

Таким образом, использование фильтровальной загрузки из глауконита, способного к замещению элементов, находящихся в избытке в окружающей среде и оставаться нейтральным - при их равновесных (оптимальных) составах, обуславливает его преимущество в данном техническом решении.

Устройство водоподготовки поясняется чертежами: фиг. 1 - общий вид устройства водоподготовки; фиг. 2 - вид сверху устройства водоподготовки; 3 - трубофильтр.

Устройство водоподготовки включает гидроциклон 1 со сливным патрубком 2 и трубофильтром 3, емкость для сбора шлама 4 и трубопроводную обвязку - магистральный 5, распределительный 6 и промывной 7 трубопроводы с задвижками 8, 9 и 10.

Трубофильтр 3 состоит из внешнего 11 и внутреннего 12 фильтровальных слоев несущего каркаса, фильтровальных перегородок 13 и 14, фильтровальной глауконитовой загрузки 15, нижней и верхней запорных крышек (не показано), причем верхняя крышка выполнена с возможностью пропуска фильтрата и монтажа (демонтажа) трубофильтра 3 к сливному патрубку 2 гидроциклона 1.

Устройство водоподготовки может работать в двух режимах: фильтрация подводящей водной суспензии гидроциклоном 1 и трубофильтром 3; промывка трубофильтра 3 и емкости для сбора шлама 4 обратным током водной суспензии в сбросную систему (не показано).

В режиме фильтрации водная суспензия поступает по магистральному 5 трубопроводу в гидроциклон 1 по касательной, при этом задвижки 8 и 9 открыты, а 10 - закрыта. Поток в гидроциклоне 1 закручивается, тяжелые фракции, ударяясь о стенки гидроциклона 1, опускаются и попадают в емкость для сбора шлама 4.

Далее водная суспензия, уже очищенная от крупнодисперсных примесей, проходит сквозь трубофильтр 3 - внешний фильтровальный слой 11 несущего каркаса, фильтровальную перегородку 13, фильтровальную глауконитовую загрузку 15, фильтровальную перегородку 14 и внутренний фильтровальный слой 12 несущего каркаса - и очищается от мелкодисперсных взвесей, токсичных примесей и растворенных солей, а также обогащается макро- и микроэлементами питания, необходимыми для поддержания оптимального пищевого режима сельскохозяйственных культур.

Так, на глауконитовой фильтрующей загрузке, например, реакции замещения катионов Са²⁺ катионами Na⁺, в молекулярной форме запишутся следующим образом:

2NaR+Са(НСО₃)₂→CaR₂+2NaHCO₃;

2NaR+CaSO₄→CaR₂+Na₂SO₄;

2NaR+CaSiO₃→CaR₂+Na₂SiO₃;

2NaR+CaCl₂→CaR₂+2NaCl,

или в ионной форме:

2Na⁺R^-+Са²⁺→Ca²⁺R₂ ^-+2Na⁺,

где R - сложный радикал катионита, не подлежащий растворению в водной суспензии и выполняющий роль аниона; NaR - натрий-катионит; CaR и др. - солевые формы катионита. Уравнения реакций с солями магния и железа аналогичные.

Подготовленная поливная вода через сливной патрубок 2 гидроциклона 1 поступает в распределительный 6 трубопровод и далее, например, в капельные ленты системы капельного орошения, где через микроводовыпуски (эмиттеры) точечно подается в корнеобитаемый участок почвы, на котором произрастают растения.

В режиме промывки трубофильтра 3 и емкости для сбора шлама 4 обратным током водной суспензии в сбросную систему задвижки 8 и 9 закрыты, а 10 - открыта. Водная суспензия из магистрального 5 трубопровода подается в промывной 7, который сообщается с распределительным 6 трубопроводом, а он в свою очередь - со сливным патрубком 2 гидроциклона 1, на котором смонтирован трубофильтр 3.

Водная суспензия, проходя через трубофильтр 3, вымывает из фильтровальных слоев 11 и 12 несущего каркаса, фильтровальных перегородок 13 и 14 и фильтровальной глауконитовой загрузки 15 накопившийся осадок в емкость для сбора шлама 4, а далее - в сбросную систему.

В процессе удаления растворенных солей из фильтруемой водной суспензии - замены обменных катионов Na⁺ катионами Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ или Fe³⁺ - глауконит, являющийся катионитом, постепенно истощается и теряет катионообменную способность. Для восстановления первоначальной величины емкости поглощения необходимо удержанные глауконитом катионы удалить из него и заменить обменным катионом Na⁺, т.е. провести регенерацию катионита. Регенерация, ионный обмен в обратном порядке, проводится путем фильтрации раствора, например, NaCl через слой истощенного катионита.

Реакции регенерации в молекулярной форме запишутся следующим образом:

2NaCl+CaR₂→2NaR+CaCl₂;

Для солей MgR₂ и FeR₂ реакции регенерации будут аналогичными.

В полевых условиях количество операций регенерации определяется содержанием солей в исходной водной суспензии, отбираемой для полива сельскохозяйственных культур, и объемом фильтровальной глауконитовой загрузки 15.

Регенерацию глауконита можно проводить и стационарно. В течение поливного сезона при истощении фильтровальной глауконитовой загрузки 15 проводится демонтаж трубофильтра 3, замена отработанного глауконита на новый и монтаж трубофильтра 3 обратно - на сливной патрубок 2 гидроциклона 1. По окончании сезонных полевых работ регенерацию проводят на стационаре - пунктах хранения, обслуживания или ремонта сельскохозяйственной и прочей техники.

Таким образом, повышение надежности трубофильтра и увеличение его эксплуатационного срока службы достигается за счет применения в его конструкции высокопрочных и упругих коррозионно-стойких материалов, уложенных с образованием ячеистой и сетчатой структуры; повышение степени очистки водной суспензии от мелкодисперсных взвесей, токсичных примесей и растворенных солей, обогащение поливной воды макро- и микроэлементами питания, необходимыми для поддержания оптимального пищевого режима сельскохозяйственных культур, достигается за счет конструкции трубофильтра, смонтированного на сливном патрубке гидроциклона и фильтровальной глауконитовой загрузки с высокими катионообменными и технологическими свойствами.