Как применяется угольный фильтр для очистки воды

Что такое угольный фильтр

В основу работы угля в качестве фильтрующего элемента положены его сорбционные качества — способность поглощения из воды различных компонентов благодаря пористой структуре. По характеру связывания веществ, находящихся в водной среде (сорбатов), активированный уголь относится к адсорбентам — веществам, концентрирующим сорбат на поверхности раздела фаз (границе между твердой поверхностью угольных частиц и жидкостью) или впитывающим его своим поверхностным слоем. То есть уголь отличается от материалов, поглощающих различные вещества из водной среды и распределяющих их по всему объему (данный эффект называют абсорбцией).

Благодаря адсорбционным качествам угля, то есть концентрации им вредных веществ на поверхности, становится понятен принцип работы многих угольных фильтров, в которых используется технология периодической очистки и восстановления исходного состояния загрязненного углесодержащего наполнителя промывкой сильным обратным потоком воды.

В отличие от технологии древних и самостоятельно изготавливаемых фильтров с углем, в современных устройствах для водоочистки используется активированный уголь — пористый компонент, получаемый методом специальной обработки углесодержащих материалов: древесного, каменного угля, кокса от нефтепереработки, скорлупы кокосов. После обработки материал получает огромное число пор, площадь его поверхности возрастает в такой же пропорции. В зависимости от техпроцесса активации угля 1 грамм вещества имеет площадь от 500 до 2200 квадратных метров — это значительно повышает его адсорбционные качества в сравнении с обычным необработанным угольным материалом.

Помимо процесса адсорбции, благодаря которому уголь удаляет из воды загрязняющие ее компоненты, при его взаимодействии с некоторыми веществами происходит химическая реакция — каталитическое окисление.

В результате такой окислительной реакции свободный хлор превращается в соляную кислоту, которая затем нейтрализуется бикарбонатной щелочностью воды. Рассмотренный процесс ликвидации хлора называют дехлорированием, при этом активированный уголь не разлагается и не расходуется.

Таким образом, содержащиеся в воде сильные окислители хлор и хлорамин, попадая в среду активированного угля, удаляются из нее за счет каталитического окисления, а другие органические и неорганические компоненты поглощаются при срабатывании механизма адсорбции.

Степень очистки воды различными методами фильтрации

Особенности

Хотя водопроводная вода в коммунальных сетях удовлетворяет большинству требований государственных стандартов (ГОСТ), санитарным нормам и правилам (СанПиН), более высокие международные нормативы делают ее непригодной для питья по широкому ряду параметров. Применение угольных фильтров способно принести пользу здоровью, избавив воду от приведенных ниже отрицательных свойств или существенно снизив концентрацию следующих видов загрязнений:

Свободный хлор. Вредное для здоровья вещество, ухудшающие запах и вкус воды, содержится в ней как результат дезинфицирования, используемого для истребления большого числа различного вида болезнетворных микроорганизмов и бактерий. Хлорсодержащие компоненты удаляются каталитическим окислением.

Органика. Данные виды загрязнений присутствует в воде из-за попадания в нее продуктов органического распада живых организмов, отходов их жизнедеятельности, при фильтрации адсорбируются.

Хлорорганические соединения. В результате сложных химических реакций свободного хлора с присутствующей в воде органикой (отходы жизнедеятельности человека и животных, продукты распада живых организмов) образуется очень вредные для здоровья человека органические соединения — тригалометаны, в состав которых входят хлороформ, бромдихлорметан, дибромхлорметан и трибромметан. Они накапливаются в жизненно важных органах (печени, почках) и могут вызвать рак из-за высоких канцерогенных свойств.

Нефтепродукты и неорганические соединения. Угольные фильтры за счет адсорбции эффективно поглощают из воды бензин, мазут, фенолы, бензолы, сероводород. Очистка снижает уровни окисляемости, концентрацию содержащихся в воде радионуклидов, аммиака, нитратов, пестицидов, эпоксидов и их производных.

Запахи и привкус. Угольный фильтр для водоочистки вместе с ликвидацией хлора, адсорбированием нерастворимых солей железа, извести, бактерий и микроорганизмов, улучшает ее вкусовые качества и уничтожает запахи хлора и тины.

Цветность. Уголь поглощает органические и глинистые взвеси, зеленые водоросли, нерастворимое трехвалентное железо, придающее водной среде красноватый оттенок — эти факторы способствуют снижению цветности и повышению прозрачности воды.

Сырье для производства активированного угля

Виды используемого угля

Сырьем для производства активированного угля служат природные материалы, их сначала обугливают, а затем подвергают процедуре активирования. Сущность техпроцесса заключается во вскрывании микроскопических пор, закрытых в обычном угле. Активацию проводят термохимическим методом, пропитывая угольную массу карбонатокалиевыми, хлоридоцинковыми или другими растворами, после чего ее подвергают термической обработке без присутствия воздуха.

Вторая методика активации угля — обработка его перегретым паром, углекислым газом или их смесью при температуре 800 — 850 °С. Так как сложно получить парообразную среду из воды с такими температурными параметрами, практикуют технологию с дополнительной подачей воздуха в рабочую зону, при этом часть перерабатываемого угля сгорает, что заметно уменьшает выход активированного компонента.

Технология позволяет получать у лучших марок активированного угля удельную поверхность от 1800 до 2200 квадратных метров на 1 г вещества. Сами поры по их диаметру делят на следующие категории:

• Макро — имеют диаметр более 50 нанометров (нм), поры такого размера характерны для активированных угольных засыпок на основе древесного сырья.
• Мезо — поры размером от 2 до 50 нм, присутствуют в подавляющем количестве в активированном составе, полученном из каменного угля.
• Микро — поры с диаметром менее 2 нм, находятся в активированном угле, полученном из скорлупы кокосов.

Сырьем для получения активированного угля служат следующие материалы:

• Древесина, ее обугливает без доступа воздуха, а затем активируют. Полученный из нее уголь с крупными порами используют для дехлорирования воды и ее грубой очистки на предварительном этапе при входе водопровода в дом, в самодельных очистных устройствах.
• Каменный или битумный уголь после активации способен улавливать пестициды, фенолы, осветлять и избавлять воду от хлора и его запаха.
• Скорлупа кокосовых орехов. Полученный из данного материала активированный уголь используют в большинстве фильтрующих систем для воды. Благодаря малым порам и соответственно большой рабочей поверхности, активированный из обугленной кокосовой скорлупы компонент способен поглощать из водной среды значительное количество и широкий ряд элементов, наносящих вред человеческому здоровью.

Примеры фильтрующей засыпки

Дополнительные компоненты угольных фильтров

Помимо активированного угля в фильтрах нередко используют следующие дополнительные компоненты:

Синтетические волокна. Синтетические материалы используются в фильтрующих картриджах как элементы механической водоочистки (диски на входе картриджей) от крупных нерастворимых примесей, предотвращая их проникновение в угольную массу и забивание ее каналов. Также фильтры из синтетических пористых материалов ставят на выходе картриджей для доочистки, удержания засыпки и предотвращения ее попадания в воду.

В некоторых фильтрующих системах (Аквафор) угольная засыпка перемешана с синтетическими волокнами, уплотняющими ее структуру и поддерживающими форму. В результате плотная масса активированного угля эффективнее очищает водный поток от вредных примесей.

Цеолиты — природные минералы, гидратированные алюмосиликаты кальция и натрия, напоминающие по внешнему виду мутное стекло или перламутр, известны своей способностью поглощать и отдавать воду в зависимости от условий окружающей среды. Еще одна отличительная особенность цеолитов — способность к катионному и ионному обмену путем впитывания и отдачи различных веществ своей поверхностной структурой.

Шунгит — (аспидный камень) горная порода докембрийского периода, состоящая на 99% из углерода, по структуре сильно напоминает графит. Минерал известен с давних времен как отличный природный очиститель воды, шунгитовым водным источникам во времена Петра Первого приписывали чудодейственные целебные свойства, а солдатам рекомендовали носить с собой в походах шунгитовый камень и очищать с его помощью воду. В настоящее время шунгит известен как обладающий высокими впитывающими (сорбционными) и каталитическими свойствами минерал, к тому же он является отличным антиоксидантом.

Ионообменная смола применяется для смягчения воды, по внешнему виду напоминает мелкую икру рыб диаметром не более 1 мм коричневого, желтого, темных цветов. Смола обменивается ионами с солями растворимых в воде оксидов металлов (кальция, магния, железа, марганца), в результате чего они приклеиваются к поверхности круглых гранул. При добавлении в воду солей хлорида натрия (NaCl) происходит процесс регенерации, соли вредных металлов отделяются от поверхности шариков ионообменной смолы и смываются в канализацию.

Антибактериальные добавки. Для борьбы с размножением микробов и бактерий, обеззараживания воды, в угольные фильтры часто добавляют ионы серебра в виде мелких шариков серого цвета.

Кварцевый мелкозернистый гравий. Применяется в качестве поддерживающей засыпки, позволяющей равномерно пропускать поток при прохождении очищаемой воды через угольный слой, используется в крупногабаритных углесодержащих системах для очистки больших объемов воды.

Цинк и медь высокой чистоты. Данные вещества входят в состав одной из последних запатентованных инновационные разработок — фильтрующей засыпки KDF (Kinetic Degreadation Fluxion), обладающей более высокой производительностью и степенью очистки воды от вредных примесей в сравнении с традиционными наполнителями. Помимо металлов KDF содержит в своем составе активированный уголь и ионообменные смолы.

Вариант засыпки кувшинных картриджей

Какие фильтры используют в своем составе уголь

При очистке воды до состояния питьевой учитывают следующие факторы. Обычно хлорированная вода поставляется в квартиры коммунальными службами, при этом количество содержащихся в ней вредных элементов нормировано. Для борьбы с хлором и солями металлов, если вода используется для питьевых нужд, можно использовать малоэффективные варианты отстаивания или кипячения воды.

Но учитывая, что с хлоркой отлично справляются угольные фильтры, их использование в этом случае принесет более ярко выраженный эффект, сэкономит время на дехлорирование. Поэтому для водоочистки только для нужд питья из коммунальных водопроводных магистралей большинство потребителей использует небольшие по объему углесодержащие фильтры.

Если на индивидуальном участке организовано автономное водоснабжение из скважинных или колодезных источников, понадобятся иные фильтрационные системы. Нередко вода поступает в дом из водных пластов неглубокого залегания, к которым относятся колодцы или абиссинские скважины. В этом случае велика вероятность попадания в водный бассейн загрязненных поверхностных вод, различного вида микроорганизмов и микробов, органических примесей, при этом сама вода имеет обычно небольшое количество солей металлов, придающих ей жесткость, ухудшающих цвет и вкусовые качества.

В этом случае применение водоочистных углесодержащих фильтров не только для нужд питья, но и бытового использования, является оптимальным решением, и многие пользователи устанавливают емкости большого объема с углем для проведения очистных работ.

Угольный фильтр для очистки воды, в случае если на индивидуальном участке используется артезианский источник с чистой водой, обычно из вредных элементов имеющий только высокое содержание солей металлов, не столь необходим. В очистных системах артезианских скважин используют в основном установки для обезжелезивания, а угольную фильтрацию применяют для доочистки.

Картридж кувшинного фильтра Барьер — устройство

Кувшинные

Самый простой и популярный вид водоочистных фильтров для коммунальных сетей водоснабжения в домашних условиях — прибор в виде кувшина со сменным картриджем. Сорбционного картриджа в фильтре кувшинного типа в условиях городского водоснабжения по отзывам пользователей обычно хватает, чтобы получать пригодную для питьевых нужд воду семьей из трех человек в течение месяца.

Насыпка картриджей у различных производителей может отличаться не только по составу, но и по количественному соотношению различных компонентов.

Большинство картриджей от известных производителей (Аквафор, Брита, Барьер, Новый ключ) заполняют активированным углем, полученным из обожженного кокоса, для борьбы с микробами добавляют шарики с ионным серебром, а для смягчения воды используют ионообменную смолу.

Таким образом, бытовые кувшинные фильтры чистят воду от хлора, частично удаляют соли металлов и адсорбируют нерастворимые частицы прочих загрязняющих веществ.

Проточный кувшинный фильтр — засыпка, конструкция

Магистральные

Многоразовые углесодержащие фильтры магистрального типа устанавливают в индивидуальные системы водоснабжения частных домов. Конструктивно они выполнены в стаканообразном корпусе, внутрь которого помещен трубчатый картридж с наполнителем. Корпус герметично закрывается крышкой с резьбой и прокладкой, имеющей вверху два отверстия для подсоединения к водопроводной магистрали.

Вода через входное отверстие попадает в фильтр и после очистки направляется к потребителю. В нижней части стакана имеется кран для осуществления обратной промывки угольного наполнителя картриджа от загрязнений.

Магистральный углесодержащий картридж — конструкция

Установки обратного осмоса

Принцип водоочистки в обратноосматических системах (популярные марки таких установок — Bosfor, Agua, Гейзер, Барьер, Atoll) состоит в подаче жидкости через тонкостенную мембрану со сверхмалыми порами под давлением, в результате на выходе получается дистиллированная вода без солей металлов, чего нельзя добиться ни в одном из рассмотренных угольных фильтров.

Для эффективной работы установки обратного осмоса на вход мембраны должна поступать максимально очищенная вода, поэтому в стандартной системе для ее очистки используют три проточных фильтра, в двух из которых основным компонентом является активированный уголь.

В обратоосматических установках применяются следующие разновидности наполнителей углесодержащих фильтров:

Гранулированный активированный уголь (GAC). Изготовленный из обожженной скорлупы кокосов компонент эффективно очищает воду от органики, пестицидных, хлорных загрязнений, вирусных и бактериальных организмов, убирает посторонние запахи. Полезная площадь 1 г данного вещества достигает 1000 квадратных метров.

Гранулированный уголь с KDF (GAC-KDF). Дополнительное присутствие в засыпке составляющих KDF позволяет эффективно устранять из воды помимо биологических, сероводородных, пестицидных, фенольных, бензольных загрязнений, также тяжелые ртутные, кадмиевые, свинцовые, железистые соли металлов.

Прессованный активированный уголь из кокосов СВС (карбонблок). Сжатый высококачественный уголь является сорбционным фильтром, отлично удаляющим из протекающей воды органику, хлорные соединения, продукты переработки нефти, пестициды. После очистки устраняется посторонний запах и улучшается вкус воды.

Конструкция обратноосматической установки с угольными картриджами

Баллонного типа

Угольные фильтры значительных объемов применяют для очистки воды в промышленных масштабах и коммунальном хозяйстве на большое число потребителей. Их основным конструктивным элементом является емкость с крышкой, изготовленная из пищевого полиэтилена высокого давления, стеклопластика.

В крышке размещены патрубки подводки и отвода отфильтрованной воды, дренажная труба, а также блок управления, автоматически задающий режимы работы прочистки системы, позволяющей восстанавливать исходное состояние угольного наполнителя. Засыпка представляет собой активированный уголь и гравийную подложку очищенного и протравленного кварца с размером фракций 2 — 5 мм, назначение гравия — равномерное распределение водного потока.

При работе сорбционного фильтра вода через входной патрубок поступает в емкость и проходит через активированный угольный наполнитель сверху вниз, далее она попадает в водоподъемную трубу с фильтрующей корзиной на конце, опущенной в гравийную засыпку, и отправляется по ней к потребителю через выходной патрубок в крышке.

В режиме промывки вода с высоким давлением подается в обратном направлении: по водоподъемной трубе вниз через фильтрующую корзинку и гравийную засыпку, взбаламучивает слой активированного угля и выводится наружу через дренажный патрубок. По окончании обратной промывки взрыхленный слой активированного угля уплотняют прямой промывкой, пропуская воду в течение короткого времени с высокой скоростью сверху вниз и спуская ее в дренаж. Благодаря процедурам промывания ресурс угольной засыпки в сорбционных фильтрах достигает одного — двух лет.

Устройство баллонного угольного фильтра

Самодельные

Многие потребители водных ресурсов для экономии финансовых средств делают простой эффективный угольный фильтр для воды своими руками по технологии, разработанный много веков назад на разных континентах. Для этого вверху 6-литровой бутылки делают прорезь для засыпки фильтрующих компонентов, в пробке просверливают ряд мелких отверстий и закрывают ее с внутренней стороны ватными дисками.

Затем внутрь бутыли засыпают измельченный активированный древесный уголь (получают пропариванием обожженного сырья), его более крупные фракции, мелкий и крупнозернистый речной песок. Бутылка для воды с угольным фильтром может быть полезна в дальнем походе, если придется набирать загрязненную мутную воду из ручья или другого источника, а затем ее фильтровать и кипятить.

Различные системы фильтрации и их особенности

Плюсы и минусы

Использование угольных фильтров имеет следующие достоинства и недостатки:

• При очистке углем воды от хлора автоматически происходит каталитическая химическая реакция, при этом практически не расходуется угольная фракция — данное свойство угля делает его незаменимым компонентом при дихлорировании воды.
• Хотя активированный уголь очищает воду от широкого ряда вредных примесей, он не может адсорбировать свинцовые, ртутные, кадмиевые, железистые соли тяжелых металлов в традиционных фильтрующих системах. Данный недостаток устранен в современных засыпках KDF с медью и цинком, которые пока не нашли широкого применения в картриджах для популярных кувшинов.
• Средний срок службы сменных кувшинных картриджей ограничен двумя месяцами, после чего теряется эффективность очистки и требуется его замена. Это приводит к финансовым расходам, которые для некоторых семей могут быть довольно существенными. В сорбционных фильтрах также приходится менять засыпку через 1 — 2 года, из-за ее большого объема расходы на покупку нового активированного угля могут ощутимо ударить по семейному бюджету.

Конструкция самодельных угольных фильтров

Фильтры из активированного угля относят к эффективным и бюджетным способам очистки воды от широкого ряда вредных примесей и особенно хлора. После прохождения через углесодержащую засыпку все ее органолептические показатели значительно улучшаются. Во многих системах очистки угольная фильтрация является дополнительным узлом предварительной или финишной очистки воды.