РАЗДЕЛ II

Фильтрация Картриджного Типа

Этот раздел посвящен фильтрующим системам, известным как системы с фиксированной загрузкой или чаще называемым картриджными фильтрами. Этот тип фильтрования способен производить питьевую воду высокого качества для домашних нужд и при использовании специальных мембран - воду высокой степени чистоты для производственных потребностей.

Большинство фильтрующих возможностей, которыми обладают фильтры корпусного типа и которые уже были отмечены ранее в этой главе, характерны и для фильтров картриджного типа. Картриджные фильтрующие/разделяющие системы могут решать проблемы очистки, которые лежат за пределами возможностей гранулированных засыпных фильтров и при использовании керамических свечных или специальных мембранных элементов могут отделять от воды даже мельчайшие микроскопические частички. Как показано на рисунках 1-12, бактерии и некоторые вирусы могут быть удалены из воды при использовании высокотехнологичных процессов ультра-, микрофильтрации и обратного осмоса.

Преимущества картриджных фильтров по сравнению с засыпными фильтрами:

• просты в подключении к водопроводу, отсутствие необходимости промывки обратным током и отработанных стоков

• просты в обслуживании, которое занимает минимальное время

• пригодны для удаления широкого спектра загрязнений из исходной воды различного и переменного качества

• низкие капитальные затраты на оборудование

• высокие скорости рабочих потоков

• минимальная потребность в площадях для установки оборудования.

Единственное необходимое обслуживание - периодическая замена отработанных
картриджей и дезинфекция корпуса. Эта задача подобна периодической замене
воздушных фильтров при обслуживании автомобилей. Некоторые керамические
коммерческие фильтры и фильтры для бассейнов подлежат отмывке, что продлевает
срок их службы.

Рис. 1.12. Спектр удаляемых фильтрацией примесей

Рис. 1.12 (продолжение). Спектр удаляемых фильтрацией примесей

Среди недостатков картриджных фильтров в сравнении с засыпными фильтрами нужно отметить следующие:

• высокие эксплуатационные затраты при использовании заменяемых элементов

• более легко забиваются плотными частицами, характерными для воды с высокой мутностью

• более высокие требования к обслуживанию по сравнению с автоматическими корпусными фильтрами.

Номинально фильтры подразделяются по размеру частиц, которые они могут удалить, при этом теоретически подразумевается, что фильтр удаляет около 85% частиц указанного и большего размера. На практике фильтры могут удалять 99.9% соответствующих их параметрам загрязнений.

Коммерческие фильтры и фильтры для бассейнов используют картриджные элементы большего размера, наполненные загрузками различного типа. Многие из них могут быть восстановлены и использованы повторно во втором, третьем и четвертом цикле. Кроме того, некоторые коммерческие самоочищающиеся картриджные фильтры имеют Y-образную форму и, по сути, содержат в себе элементы процесса обратной промывки. Элементы в этих системах производятся из мелко перфорированной нержавеющей стали или устойчивого к воздействию пластика. В основном, они классифицируются как поверхностные фильтры, обладающие способностью отделять микрочастицы. Нижний предел разделяющей способности - 40 микрон.

Для промышленных и производственных целей, когда скорость рабочего потока воды высока, предлагаются множественные фильтрующие элементы, наслоенные друг на друга и помещенные в общий корпус (рис. 1-13). Благодаря большой площади фильтрующей поверхности, образуемой множеством элементов, эти коммерческие системы могут работать при высоких скоростях водного потока в отличие от обычных засыпных фильтров. Обычный корпус из нержавеющей стали диаметром 11 дюймов, содержащий кластер из картриджных элементов, может обрабатывать и фильтровать воду со скоростью 35 галлонов США в минуту (133 л/мин). Обычный фильтр такого же размера с песком в качестве загрузки работает при скорости 3 галлона США в минуту (11,5 л/мин). Кроме того, для процесса обратной промывки песчаного фильтра требуется поток воды не менее 8 галлонов США в минуту (27,8 л/мин).

Распространенным применением фильтров картриджного типа является предварительная очистка воды, поступающей дальше в системы обратного осмоса, ультрафильтрации, общественные фонтаны, производственные помещения и парки отдыха, рестораны для приготовления напитков, машины для изготовления льда и станции питьевой воды. Также эти системы, позволяющие за счет использования специальных картриджных элементов, получать воду высокой степени очистки, нашли свое применение в фотоделе, печати и на птицефабриках.

Рис. 1.13. Стандартная мультикардриджная система фильтрации

Картриджные фильтры являются идеальным решением для очистки воды в бытовых условиях (в точке использования) благодаря простоте и разнообразию. Они могут использоваться индивидуально и в комбинации с другими средствами обработки для достижения качества воды, необходимого для конкретных целей (17).

В домах, где нет никаких других средств очистки воды, даже единичный картридж, установленный на кран холодной воды в кухне, является «шагом страховки», который должен сделать домовладелец, чтобы улучшить качество воды. Этот шаг будет играть лишь положительную роль и никогда не оказывать отрицательного воздействия на качество исходной воды. Это же утверждение справедливо как для частных колодцев, так и для коммунальных источников питания.

Несмотря на все усилия муниципальных и общественных организаций водо- обеспечения, в воду на ее пути от центральной станции очистки до кухонного крана могут попасть и действительно попадают нежелательные примеси. Они в основном представляют собой нерастворимые частицы, которые образуются из-за старых труб и которые в основном не представляют опасности для здоровья человека. Однако такие примеси нарушают эстетический вид воды. Достаточно часто лишь после грех месяцев использования в домашних условиях картриджный фильтр представляет собой наглядное доказательство того, что он является эффективным барьером для ржавчины и других нерастворимых веществ.

Во время проведения ремонтных работ домашнего водопровода и в некоторых других аварийных случаях качество воды временно ухудшается и, картриджный фильтр, установленный на кухонный кран, сможет обеспечивать пригодной для питья и приготовления пищи водой до нормализации работы водопровода. В этом случае использование картриджного фильтра является необходимым шагом гарантированной водоочистки.

Пары картриджных фильтров, установленных на кухонные краны холодной воды, будет достаточно для обеспечения госпиталя или подобного заведения пригодной для приготовления пищи и напитков водой при не высоких затратах. Аналогичные системы, установленные в ресторанах, удовлетворяют различные, включая эстетические, требования к качеству воды, как на кухне, так и в автоматах.

Дома или офисы могут быть снабжены более чем одним картриджным фильтром. Отдельный дом, в дополнение к фильтру на кухонный кран, может быть оснащен другими большими и маленькими картриджными фильтрами, как показано на рисунке 1-14.

Если для обеспечения офиса или лаборатории нужны более высокие рабочие скорости водных потоков, чем единичный картриджный фильтр может обеспечить, два или более фильтра могут быть установлены параллельно. В случаях, когда требуется вода определенного качества, для достижения которого нужна более чем одна стадия очистки, две или более фильтрующих единиц могут быть установлены последовательно, как показано на рисунке 1-15.

Рис. 1.14. Установка картриджных фильтров для очистки воды из скважины

Структура картриджного фильтра

Картриджный фильтр состоит из трех основных компонентов: (1) основание, к которому подключены шланги для подвода и отвода воды (2) корпус, содержащий фильтрующую загрузку (3) сменный фильтрующий элемент. Рабочий поток воды во многих фильтрах картриджного типа (рис. 1-16) после попадания в корпус проникает и протекает сквозь поверхность загрузки и перфорированную сердцевину и попадает в центральную трубу, где собирается вся очищенная вода, поднимается вверх и выходит через специальный выход. Такой тип движения воды называется радиальным потоком (рис. 1-16). В других фильтрах поток движется вниз вокруг внешней стороны фильтрующего элемента и вверх сквозь фильтрующую загрузку. Такой тип движения воды называется продольным потоком.

Все картриджные элементы имеет ограниченный срок службы и должны заменяться либо каждые три месяца или когда давление потока воды падает до 1-1,5 атмосфер. В некоторых картриджах есть специальные измерительные приспособления, которые перекрывают поступление воды в картридж, после

того, как определенное техническими условиями количество воды было обработано,
и лишь замена картриджа позволит дальнейшую обработку воды. Другие
измерительные приспособления выводят на дисплей сигнал: «время заменить
картридж». Замена картриджа - простейшая операция, не требующая специальных
навыков. Считается полезным перед установкой нового картриджа очистить и отмыть
с помощью бытовых средств корпус фильтра.

Рис. 1.15. Процесс трехстадийной фильтрации с помощью картриджных фильтров

Уникальным качеством фильтров картриджного типа является то, что при ограниченности свободного пространства они могут функционировать эффективно в положении «вверх ногами» или на боку.

Большинство обычных картриджных фильтров для очистки воды в доме, офисе или на ферме имеют малый размер и могут быть легко установлены под мойкой или подвешены на крючок над полкой в лаборатории, или помещены на трубу холодной воды в подвале дома. Приведем размеры двух популярных в домашнем применении - единичного и двойного - картриджных фильтров:

1. 12 ³/₄ дюйма высота х 5 ¹/₄ дюйма диаметр (32,3 х 13,0 см)

2. 22 ¹/₄ дюйма высота х 5 ¹/₄ дюйма диаметр (56,9 х 13,0 см)

Размер стандартного
подключения для этих картриджей ³/₄ дюйма, который легко
может быть адаптирован к необходимому размеру. Скорости потоков воды,
установленные для фильтров указанных размеров, могут варьировать от 1 галлона США в минуту (3,8 л/мин) для более короткого фильтра до 10 галлонов США в минуту (38 л/мин). Однако для высокого фильтра пропускная способность может достигать и 18 галлонов США в минуту (68 л/мин). Однако на скорость рабочего потока воды оказывает влияние и такие факторы, как:

- какие именно вещества должны быть удалены из воды

- оптимальные условия их адсорбции из воды

Рис. 1.16. Стандартный бытовой картриджный фильтр.

Схемы радиального и продольного обтекания

Для удаления тяжелых частиц требуется невысокая скорость рабочего потока, и в этом случае приспособление, контролирующее скорость, разумно расположить за фильтрующим элементом для эффективного сдерживания потока воды.

Еще одним типом картриджных фильтров, популярность использования которого в домашних машинах по производству льда постоянно возрастает, является маленький единичный фильтр, работающий при низких скоростях водного потока и представленный двумя вариантами:

1. 6 дюймов длина х 2 дюйма диаметр (22,6 х 7,5 см)

2. 10 дюймов длина х 2 дюйма диаметр (3,8 х 7,5 см)

Фильтрующая загрузка представлена гранулированным активированным углем. Фильтр монтируется в горизонтальном положении (рис. 1-17) и при истощении загрузки производится замена всего картриджа. Обычно используется медное подключение ¹/₄ дюйма.

Рис. 1.17. Угольный фильтр для машины по изготовлению льда

Картриджные элементы

Несмотря на то, что спектр картриджных элементов очень широк (от удаляющих крупные частицы в 100 микрон до удаляющих частицы 1 микрон и используемых для предподгоговки воды перед обратноосмотическими процессами), их можно разделить на две основные категории: 1 - удаляющие нерастворимые частицы 2 - удаляющие вкус и запах (хлор), органику и гидрокарбонатные соединения. В этих картриджных элементах происходят как поверхностные, так и глубокие процессы фильтрования.

Фильтрующие элементы седиментационного типа (рис. 1-18) бывают нескольких форм и производятся из различных материалов:

Складчатая импрегнированная целлюлоза - представляет собой покрытую смолами бумагу, является наиболее экономичной, обладает большой фильтрующей поверхностью, которая за счет складок может достигать 600 квадратных дюймов (3400 кв. см). Размер пор - 20 микрон, рабочая скорость водного потока 5 галлонов США воды в минуту (19 л/мин). Функционирует как поверхностный фильтр и эффективен при удалении грязи, ржавчины, водного камня и мелкого ила. Однако этот материал подвергается деструкции разрушающими целлюлозу бактериями (18).

Рис. 1.18. Виды оформления фильтров

Складчатая синтетическая ткань (Pleated synthetic fabric) - характеризуется большой фильтрующей поверхностью - сверх 500 квадратных дюймов, устойчива к действию бактерий, разрушающих целлюлозу, рабочая скорость водного потока от 3,5 до 5 галлонов США в минуту (13-19 л/мин). Есть варианты с порами от 1 до 100 микрон, действует как поверхностный фильтр, эффективен для глины, мелкого ила и водного камня.

Скрученные волокона (String-wounded fiber) - производятся из натуральных или синтетических нитей, тесно обмотанных вокруг перфорированной сердцевины, которая имеет послойную структуру, относятся к фильтрующим элементом глубинного типа. Размер пор может колебаться от 0,5 микрон для мельчайших частиц до 100 микрон - для грубых нерастворимых частиц.

Склеенный фильтр (Bonded filter) - состоит из синтетической или целлюлозной ткани, которая свернута в определенную форму и затем обработана полимером смолы и высушена. После чего на материал наносятся бороздки с целью увеличения площади поверхности. Данный фильтрующий материал имеет низкую стоимость, производится в различных вариантах - для очистки воды от крупных, средних и мелких частиц и относится к поверхностным фильтрующим элементам широкого применения.

Картриджные фильтры с активированным углем являются многофункциональными и в этом смысле схожи с засыпными фильтрами. Они эффективно удаляют осадок, адсорбируют хлор, корректируют вкус, снижают уровень пестицидов и других синтетических органических соединений. Три типа активированных углей используются в картриджных фильтрах: гранулированный, порошковый и порошковый прессованный.

Картридж из порошкового активированного угля, импрегнированного целлюлозой - изготавливается из активированного угля, связанного со складчатой фильтровальной бумагой, или угля, свернутого в виде волокнистого мата. Этот тип картриджа может снижать содержание нерастворимых частиц, цветность, запах и уровень органических веществ. Он функционирует как поверхностный фильтр, при удалении механических частиц - скорость рабочего потока от 2,5 до 5 галлонов США в минуту (9-19 л/мин), при удалении хлора и органики скорость потока должна быть снижена до 2 галлонов США в минуту (7,5 л/мин) (19).

Картридж из гранулированного активированного угля (GAC) - содержит почти 1 фунт угля, плотно упакованного и либо укутанного синтетическим материалом, или помещенного в пластиковый цилиндр. Внешняя оболочка из синтетического материала действует как поверхностный фильтр, удерживающий механические нерастворимые частицы, активированный уголь функционирует как фильтр глубокой фильтрации. Такой тип картриджа может удалять остаточный хлор, снижать уровень фенола, йода, углеводородов и многих других нежелательных органических примесей. Скорость рабочего потока обычно от 1 до 4 галлонов США в минуту (3,8-11,4 л/мин).

Блок карбон - картридж из прессованного угля - является нововведением в области бытовой очистки воды. Порошковый уголь смешивается со скрепляющей основой и прессуется для придания ему определенной формы. Мелкий уголь обладает большой рабочей поверхностью, и это увеличивает его способность к снижению уровня нежелательных примесей. Этот тип картриджей осуществляет глубокую фильтрацию и очень эффективен при снижении цветности, запаха, уровня органических веществ, однако при эксплуатации этого типа падение давления происходит более быстро, чем при эксплуатации картриджей, заполненных гранулированным углем. Картриджи из прессованного угля не следует использовать для очистки воды только от механических нерастворимых частиц из-за их высокой стоимости и способности очень быстро забиваться. Скорость рабочего потока воды от 1 до 3 галлонов США в минуту (3,8 - 11,4 л/мин) (20).

Другие картриджные элементы

Хотя основной функцией картриджных фильтров является непосредственно фильтрация/адсорбция, некоторые производители предлагают фильтры с добавками, позволяющими решать многие другие проблемы очистки воды. Некоторые предлагают добавлять в воду химические соединения, такие как полифосфаты, которые оказываются эффективными для контроля над образованием накипи и коррозией; соединение угля и гексаметафосфатов - для коррекции вкуса, запаха, накипи; марганцевый гринсанд - для удаления железа; активированный алюминий - для удаления фтора, мышьяка, селена и свинца.

Для особых коммерческих нужд, например для деионизации воды в соответствии
с лабораторными требованиями, предлагаются сменные картриджи из смеси
ионообменных смол.

Технические термины

химически реактивная среда (chemically reactive media) - гранулированный или зернистый материал, который химически реагирует с присутствующими в воде компонентами и изменяет их качество, например, кальцит, действующий как pH - модификатор, или марганцевый гринсанд, пиролюзит, активированный уголь, работающие как катализаторы, инициирующие химические реакции и разрушающие сплавы металлов.

глубокая фильтрация - процесс, при котором вода проходит через мелкие поры в слое фильтрующей среды. Системы глубокой фильтрации разработаны для улавливания частиц на протяжении всего слоя фильтрующей загрузки, в противоположность к поверхностным фильтрам, в которых фильтрация осуществляется только поверхностным слоем. Глубокая фильтрация также называется мультимедийной фильтрацией.

фильтрат - 1. жидкость, выходящая из фильтрующей системы, та часть потока, которая прошла через фильтр. 2. жидкость, остающаяся после удаления твердых частиц, например, жидкость, которая остается после образования фильтрующей глазури.

фильтрация - процесс отделения твердых частиц от жидкости посредством пористых веществ, таких как: проницаемая ткань, мембраны или слои инертной среды.

фиксированная загрузка - 1. фильтр или ионообменная среда, помещенная в сосуд. 2. также называются фильтры, которые заполнены доверху или до ограничивающего барьера фильтрующей загрузкой, которая не расширяется при обратной промывке.

инертная среда - синтетические смолы или материалы для обработки воды, которые не являются реактивными. Инертные среды используются в качестве нейтрального нереактивного слоя для более эффективного разделения катионитов от анионитов в деионизаторах с комплексными загрузками для возможности проведения раздельной регенерации.

засыпные фильтры (со свободными загрузками) - фильтры, в которых загрузки размещены таким образом, что отдельные гранулы и частицы среды могут двигаться друг относительно друга во время прохождения прямого или обратного водных потоков - сравните с фильтрами с фиксированной загрузкой или фиксированным твердым блоком фильтрующей среды.

мембранное разделение - процессы, участвующие в завершающих стадиях разделения атомов, молекул и органических частиц. К ним относятся гиперфильтрация (обратный осмос), нанофильтрация (мембранное умягчение), ультрафильтрация (макромолекулярная фильтрация) и микрофильтрация (субмикронная фильтрация).

многофункциональные загрузки - единственный фильтр или ионообменный материал, которые используются для очистки воды от более, чем одного нежелательного компонента. Примерами являются активированные угли - для удаления хлора и механических частиц, кальцит - для модификации pH и удаления преципитированного желез, катиониты - для удаления нерастворимого железа и жесткости (табл. 1-4).

поверхностная фильтрация - фильтрация, происходящая в поверхностном слое фильтра, в отличие от глубокой фильтрации, и заключающаяся в прохождении фильтруемой жидкости сквозь фильтры типа решеток, экранов, сит или мембранных тканей, содержащих микроотверстия. Размер отверстий в фильтрах определяет тип очищаемого материала и качество очищенного.