Тупиковая фильтрация воды

Принцип работы многослойного «глубинного» фильтра

Фронтальная (тупиковая) фильтрация воды реализуется в так называемых картриджных (патронных) фильтрах, основой которых является сменный фильтрующий элемент – картридж, или патрон. Мембраны с отверстиями 0,1–100 мкм для задержания частиц в воде таких размеров стоят относительно дешево. Поэтому они часто используются однократно. В настоящее время мировыми и отечественными производителями разработана и выпускается огромная номенклатура картриджей с тонкостью фильтрации воды (рейтингом) от 0,05 до 100 мкм из самых разных материалов.

Они бывают двух основных типов – с поверхностной и объемной фильтрацией. В первом случае используется тонкослойная мембрана типа пленки или бумаги. Вода пропускается через мембрану и все взвеси с размером, большим размера ее отверстий, задерживаются и накапливаются на ее поверхности. Во втором случае – это многослойная конструкция со специально подобранным распределени ем пор по ее глубине (см. рис.), таким, что их отверстия уменьшаются от периферии к центру. В таком картридже тонкость фильтрации воды обеспечивается самым мелкопористым слоем, а грязеемкость – всем объемом картриджа.

Между разработчиками этих направлений постоянно идет жесткая конкуренция по повышению качества очистки воды и увеличению грязеемкости. Первое обеспечивается созданием одинаковых пор по всей поверхности мембраны. Повышение грязеемкости пленочных «бумажных» фильтров достигается увеличением их рабочей поверхности путем гофрировки, что также снижает гидродинамическое сопротивление и повышает производительность фильтрации, а для объемных – оптимизацией слоистой структуры.

Следует отметить, что «бумажные» элементы могут быть частично регенерированы вне фильтра отмывкой от загрязнений струей воды и мягкой щеткой, а также низкоинтенсивной обратной промывкой. Объ емные элементы, в реальной жизни, практически не поддаются регенерации, кроме тех случаев, когда задержанные частицы могут быть растворены химическими реактивами.

Конструкция сменных элементов и их размеры были разработаны в 60-х гг. фирмами Millipor и Pall и стали мировым стандартом. Различаются два основных типа картриджей с плоскими торцами и со специальным фланцем, снабженным уплотняющими кольцами (рис. 2). Остальные конструкции представляют собой их варианты, предназначенные для разных корпусов и обеспечивающие возможность увеличения рабочей длины путем соединения нескольких картриджей.

Стандартные размеры картриджей составляют:

Длина: для импортных – 254 ( 10” ), 508 ( 20” ), 762 ( 30” ), 1016 ( 40” ) мм;

для отечественных – 250, 500, 750, 1000 мм либо аналогичная импортным.

Диаметр: стандартные 67–70 и для « Big Blue » 114–115 мм.

Элементы с фланцем имеют посадочный диаметр 44,5 либо 56 мм .

Патронный фильтрующий элемент (картридж) представляет собой перфорированный цилиндр, на который уложен фильтровальный материал (пленочный, тканный, волоконный, порошковый, нитяной или сетчатый), к торцам которого приварены концевые детали.

В мембранных (пленочных) элементах используется листовая мембрана, которая для увеличения площади фильтрации гофрируется. Торцы мембраны герметично заделываются в концевые детали.

В качестве мембраны могут использоваться металлические и полимерные сетки саржевого плетения, закрепленные на специальном каркасе.

Полимерные мембраны изготавливаются из капрона, стекловолокна, целлюлозы и полипропилена, а также из фторопласта [87–93, 104, 110–112]. Фторопластовые мембраны могут быть гидрофильными или гидрофобными. Они предназначены для высокоагрессивных сред и для работ при высокой температуре. Тонкость фильтрации, т. н. рейтинг, пленочных фильтров составляет до 0,05 мкм. Степень задержания частиц с размером, соответствующим рейтингу мембраны, составляет до 99% для мембран отечественных производителей и 99,9% для изделий, например, фирмы « Harmsco ». Последняя производит картриджи из гофрированной пленки из смеси целлюлозы с полиэстером с увеличенной площадью фильтрации и соответственно с большими производительностью и грязеемкостью.

Для особо тонкой очистки воды представляют интерес так называемые «ядерные» фильтры. Они получаются при облучении лавсановой пленки в ускорителе тяжелыми ионами с последующим протравливанием полученных отверстий. Такие мембраны характеризуются высокой равномерностью размеров отверстий, но малым проходным сечением.

Глубинные элементы изготавливаются из полиэтилена, полипропилена, фторопласта. Наилучшие характеристики по эффективности и грязеемкости обеспечивают многослойные элементы из полипропиленового волокна.

Рис. 2. Основные типы картриджей и их уплотнений:

а – со специальным фланцем, снабженным уплотняющими кольцами; б – с плоскими торцами

Элементы, изготовленные намоткой полипропиленового шпагата, имеют номинальную тонкость фильтрации 0,5–50 мкм, но реально не обеспечивают гарантированного задержания частиц воды заданного размера и предназначаются для грубой предфильтрации воды. Их стоимость минимальна.

Описанные картриджи в зависимости от размера пор используются для макро- и микрофильтрации воды. В промышленности такие фильтры наиболее широко используются для предварительной фильтрации перед обратным осмосом и нанофильтрацией, а также для стерилизации растворов, фильтрации пива и придания «блеска» питьевой воде и водке. В бытовых установках они часто применяются для удаления из воды взвесей и окисленного железа.

Крупнейшими западными производителями являются компании «Millipore», «Pall», «Osmonics», «Harmsco», «Ametek», «US Filter», «Atlas Filter».

Корпуса фил ьтров, т. н. фильтродержатели, в зависимости от требуемой производительности рассчитываются на установку одного или нескольких картриджей, соответственно они называются одно- или многопатронные. Они изготавливаются из различных марок пластмасс и нержавеющей стали.

Однопатронные корпуса выпускаются огромным количеством производителей и рассчитываются в основном на патроны с диаметром 67–70 мм. Выпускаются также корпуса под картриджи диаметром 114 мм – так называемые по размеру и цвету корпуса « Big Blue ». Высота корпусов позволяет устанавливать 1, 2, 3 или 4 стандартных картриджа, соединенных последовательно в одну сборку, либо менее распространенные картриджи соответствующей длины 250, 500, 750 и 1000 мм . Производительность определяется типом картриджа и пропорциональна количеству и высоте установленных картриджей .

а                                                                     б

Рис. 3. Корпуса, рассчитанные на 1 картридж, высотой 5, 10, 20” и диаметром 67–70 ( а ) и 114 мм ( б )

Многопатронные корпуса (рис. 4) используются, когда необходимо обеспечить еще большую производительность. В РФ серийно выпускаются корпуса, рассчитанные на установку до 8 элементов длиной 750 мм , производительностью до 15 м³ /ч, а за рубежом до 200 стандартных 250 мм картриджей (или 100 ? 500 мм) производительностью до 200 м³ /ч.

Рис. 4. Многопатронный фильтр

Интересным решением являются фильтры «Ураган» (« Hurricane ») фирмы « Harmsco », которые представляют собой гидроциклон с расположенным по центру крупногабаритным картриджем. В «Урагане» сочетается удаление крупных взвесей за счет центробежных сил и последующая макрофильтрационная доочистка. Один фильтр такого типа позволяет очистить до 130 м³ /ч. Предварительная очистка воды не требуется. Из фильтра постоянно удаляются крупные загрязнения воды в виде шлама, а мелкие задерживаются картриджем. Картридж может быть регенерирован отмывкой водой вне фильтра.

Поскольку размер отверстий относительно велик, то сопротивление таких мембран незначительно. Потери давления составляют, как правило, не более 0,1–0,2 МПа. Производительность пропорциональна приложенному давлению. По мере загрязнения перепад давления увеличивается, и это сигнализирует о необходимости замены картриджа. Чем мельче отверстия в мембране, тем быстрее она.

Естественно, что для увеличения срока службы таких фильтров, желательно предварительно удалять основную массу крупных взвесей из воды, например, на регенерируемых засыпных фильтрах.

В некоторых случаях, при малых расходах воды, например, в коттеджах, экономичнее чаще менять картриджи, чем устанавливать дорогие засыпные фильтры.