В нитяных полипропиленовых картриджах картридж изготовлен из полипропиленового шнура. Намотка полипропиленового шнура производится с различной степенью плотности и натяжения, что позволяет получить картриджи с разным рейтингом фильтрации. Часто применяют сложный способ намотки – так, чтобы плотность намотки возрастала в направлении его сердцевины. Такая технология позволяет увеличить ресурс фильтра. В нитяных картриджах и картриджах из вспененного полипропилена реализован принцип объемной фильтрации.
Картридж – это многослойная конструкция со специально подобранным распределением пор по глубине. Обычно отверстия уменьшаются от периферии к центру, тонкость фильтрации воды обеспечивается самым мелкопористым слоем, а грязеемкость – всем объемом картриджа.
Фронтальная (тупиковая) фильтрация воды реализуется в картриджных (патронных) фильтрах, где сменный элемент представляет собой пленку или мембрану с отверстиями 0,1–100 мкм.
В настоящее время мировыми и отечественными производителями выпускается огромная номенклатура картриджей с тонкостью фильтрации воды от 0,05 до 100 мкм из самых разных материалов – полиэстера, полипропилена или целлюлозы. Повышение качества очистки воды с помощью таких картриджей достигается созданием одинаковых пор по всей поверхности мембраны, а повышение грязеемкости пленочных «бумажных» фильтров достигается увеличением их рабочей поверхности путем гофрировки, что понижает гидродинамическое сопротивление системы и повышает производительность фильтрации, или за счет придания объемности фильтрующим слоям.
Следует отметить, что «бумажные» элементы могут быть частично регенерированы от загрязнений струей воды, мягкой щеткой, а также с помощью обратной промывки.
Объемные элементы практически не поддаются регенерации.
Картриджи для улучшения органолептических свойств воды
Картриджи с активированным углем предназначены для сорбции органических и неорганических примесей (хлора, хлорорганических соединений, пестицидов, бензола). Активированный уголь устраняет неприятный запах, цветность, улучшает вкус и привкус воды.
Процесс очистки прост – вода протекает через угольный картридж, контактирует с углем, происходит сорбция загрязнений.
Адсорбционную способность древесных углей впервые заметили в конце XVIII века. Так, в 1773 г. химик из Штральзунда Карл Шееле сообщил об адсорбции газов на древесном угле. Через несколько лет, в 1785 г., Ловиц установил, что древесный уголь может обесцвечивать некоторые жидкости. Это открытие привело к первому промышленному применению древесного угля на английском сахаро-рафинадном заводе в 1794 г. После установления блокады на континенте в 1808 г. один из французских заводов также использовал древесный уголь для осветления сахарных сиропов.
Появление двух патентов Осгрейко в 1900–1901 гг. открыло путь современной технологии производства активных углей. Предмет одного из патентов – нагревание растительного материала с хлоридами металлов, второго – активирование древесного угля диоксидом углерода и водяным паром при нагревании до слабо-красного каления.
Свойства активированного угля зависят от исходного сырья, способов производства, методов активации поверхности, так как этими параметрами определяются два основных свойства, влияющих на очистку воды, – площадь поверхности и размер пор.
Активные угли делят:
По способу производства:
• дробленые – БАУ, КАД, ДАК и др.;
• гранулированные – АГ-3, АГ-5, СКТ и др.;
• порошковые – ОУ-А, ОУ-Б, КАД-молотый и др.
По исходному сырью:
• из древесины, самая известная марка – БАУ (березовый АУ);
• из каменного угля – КАД и КАД-йодный, АГ-3 и др.;
• из торфа – например, СКТ;
• из косточек фруктовых плодов и скорлупы – 207СР, Граносорб-Ф, – К и др.
Для сорбционной очистки воды больше всего используются активные угли, условно делящиеся на гранулированные и порошковые. Преобладающий размер частиц (не менее 90 %) гранулированных углей – от 0,18 до 7 мм, порошковых – не более 0,18 мм. При производстве активированного угля углеродсодержащее сырье (уголь, антрацит, древесина, торф, полимеры, промышленные отходы) подвергают карбонизации – обжигу при высокой температуре в инертной атмосфере без доступа воздуха. Полученный карбонизат обладает плохими адсорбционными свойствами, поскольку размеры его пор и внутренняя площадь поверхности невелики. Поэтому карбонизат подвергают активации. Активация углей может осуществляться посредством обработки водяным паром или специальными химическими реагентами. Активация водяным паром проводится при температуре 800–1000 °C в контролируемых условиях. При этом на поверхности пор происходит химическая реакция между водяным паром и углем, в результате чего образуется развитая структура пор и увеличивается их внутренняя поверхность.
При активировании углеродсодержащего материала происходит значительное уменьшение массы твердого вещества, в оптимальных условиях это аналогично увеличению пористости. Исходя их этого, можно простым весовым способом оценить увеличение активности угля.
Важными факторами, позволяющими сделать правильный выбор активных углей для определенных целей, являются гранулометрический состав, площадь внутренней поверхности (объема пор), распределение пор по размерам, природа и содержание примесей. По внешнему виду различают: порошковые угли (используются преимущественно для обесцвечивания), зерненые угли с неправильной формой зерен, а также формованные угли, которые в большинстве случаев состоят из цилиндрических гранул.
Значение удельной поверхности пор у лучших марок активных углей может достигать 1800–2200 м2 на 1 г угля 0,5–1,6 нм, что соизмеримо с радиусами адсорбируемых молекул. Поры радиусом менее 0,5 нм практически недоступны для молекул органических примесей, задержание которых – основная цель использования активного угля. Суммарный объем пор радиусом 0,5–1,6 нм равен приблизительно 0,15–0,50 см3/г.
Активные угли, изготовленные из скорлупы кокосовых плодов, более эффективны, чем те, которые изготовлены из каменного угля. При очистке питьевой воды от остаточного хлора, озона, «органики» их сорбционная способность больше в 2–4 раза.
Конструктивно изготавливают картриджи двух видов: засыпные и из угольных блоков. В засыпных картриджах фильтрующий материал – гранулированный активированный уголь – расположен внутри полимерного внешнего корпуса. Верхняя и нижняя крышка фиксируют фильтрующий материал. С внутренней стороны крышки монтируется расширитель, препятствующий прохождению потока воды в обход капсулы с углем. В фильтрующий элемент встроен 20-микронный постфильтр для удаления микрочастиц угля и прочих механических загрязнений.
Фильтрующий элемент состоит из прессованного угольного блока, внешней оболочки из полипропилена, которая фиксирует его и играет роль префильтра грубой механической очистки и сердечника, обеспечивающего жесткость всей конструкции. Все эти элементы фиксируются с помощью специальных наконечников.
Картридж из угольного блока рекомендован для удаления сложных хлорсодержащих соединений. Он позволяет улучшить вкус и запах воды, удалить органические соединения, пестициды и другие химикаты. Площадь фильтрации угольного блока практически вдвое больше площади обычного гранулированного угля, кроме того, он имеет большую адсорбирующую способность и более длительный срок службы.
После исчерпания сорбционной емкости активированного угля необходима его замена или регенерация. Для картриджей вопрос регенерации не стоит, при исчерпании сорбционной емкости картридж заменяют новым. Если это не сделать вовремя, то картридж начнет «отдавать» в воду поглощенные загрязнения и сам может стать источником загрязнения воды. Срок службы угольных картриджей зависит от качества исходной воды и конструкции очистной системы.
Картриджи специального назначения
С жесткой водой сталкивается каждый, достаточно вспомнить о накипи в чайнике.
Жесткость пресных природных водоемов меняется в течение года, имея минимум в период паводка. Например, в Москве, которую обслуживают четыре станции водоочистки, забор воды производится из Москвы-реки и из Волги (через канал им. Москвы), поэтому жесткость воды различна в разных районах и варьируется от 2,3 до 4,6 мг-экв/л. Артезианская вода, как правило, более жесткая, чем вода из поверхностных источников. В Подмосковье, например, жесткость артезианских вод меняется от 3 до 15–20 мг-экв/л в зависимости от места и глубины скважины.
