ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2288190

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

Имя изобретателя: Гутенев Владимир Владимирович (RU); Юнак Алевтин Иванович (RU); Найденко Валентин Васильевич (RU); Осадчий Сергей Юрьевич (RU); Денисова Ирина Анатольевна 
Имя патентообладателя: Гутенев Владимир Владимирович
Адрес для переписки: 123520, Москва, Пятницкое ш., 23, корп.1, кв.25, В.В. Гутеневу
Дата начала действия патента: 2005.06.14

Изобретение относится к комбинированным методам получения питьевой воды в системах водоснабжения населенных пунктов при помощи пероксида водорода, УФ-облучения и ионов тяжелых металлов. Способ включает введение на первой стадии с использованием диспергаторов водного раствора, содержащего соли меди и цинка при массовом соотношении ионов Cu2+:Zn2+, равном 1:5-10, далее после выдержки в течение 0,5-1,0 часа воду обрабатывают пероксидом водорода, после чего выдерживают 0,3-0,4 часа и пропускают через устройство УФ-излучения, в которое одновременно через диспергаторы вводят водный раствор соли серебра или водный раствор соли серебра и аммиачную воду в количестве, соответственно равном 0,0005-0,001 мг/л в пересчете на Ag4+ и 1-1,5 мг/л в пересчете на аммиак. Предпочтительно, обработку ведут при температуре 5-50°С, суммарной концентрации ионов Cu2+ и Zn2+ на первой стадии обработки 0,6-1,7 мг/л, пероксида водорода 1-3 мг/л. Оптимально УФ-обработку ведут при частоте излучения 0,8-1 Гц и удельных энергозатратах 0,8-1 кДж/м3. Способ обеспечивает экологически приемлемый эффективный метод обеззараживания воды с доведением ее до питьевого качества при использовании небольших количеств бактерицидных препаратов (при их концентрации ниже установленных ПДК), обеспечивающих возможность работы в условиях относительно низких и повышенных температур.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к комбинированным методам обработки воды окислением при помощи пероксида водорода, УФ-облучения и ионами тяжелых металлов. Оно может быть использовано для обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения населенных пунктов.

Известен способ, который предусматривает обработку воды путем ее пропускания через электролизер с электродами из сплава меди и серебра, предпочтительно содержащими 97% меди и 3% серебра (US 4680114, С 02 F 1/46, 1987 г.). Данный метод позволяет эффективно устранять в воде бактерии и другие микроорганизмы, однако, в большинстве случаев содержание ионов меди и серебра превосходит установленные для питьевой воды предельно допустимые концентрации (0,05 мг/л для серебра и 1,0 мг/л для меди: ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая»). Кроме того, для осуществления способа требуется предварительно изготавливать электроды посредством сплавления соответствующих металлов в определенном соотношении, что сопровождается значительными энергозатратами.

Другой известный способ обеззараживания воды заключается в совместном действии пероксида водорода и 0,05-1,0 мг/л ионов меди. Последние, проявляя бактерицидные свойства, одновременно служат катализатором разложения пероксида водорода (Савлук О.С. и др. Антимикробные свойства меди. Химия и технология воды, 1986, т.8, №6, с.65-67). Тем не менее, эффективность этого метода недостаточно высока.

Из литературы известны высокие антибактериальные свойства ультрафиолетового (УФ) излучения (см., например, Л.А.Кульский. Основы химии и технологии воды. Киев: Наукова думка, 1991).

Известно также усиление бактерицидных свойств при одновременном использовании ультрафиолетового излучения и ионов серебра и меди (Потапченко Н.Г., Савлук О.С., Илляшенко В.В. Сочетанное действие УФ-излучения ( =254 нм) и ионов меди и серебра на выживаемость E.coli. Химия и технология воды, 1992, т.14, №12, с.935-935).

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ обеззараживания питьевой воды (RU 2188170, 2003 г.), включающий ее обработку пероксидом водорода с последующим введением ионов серебра и меди, полученных при растворении их солей. Пероксид водорода вводят в воду в количестве 1-3 мг/л, затем воду выдерживают в течение 0,4-2 часов и со скоростью 0,1-0,5 м3/ч пропускают через реактор, содержащий импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно вырабатывающие УФ-лучи длиной волны 200-400 нм, при частоте 1-1,3 Гц, удельных энергозатратах 1-3 кДж/м3 и плотности потока 1-3 кВт/м2. После облучения в обрабатываемую воду вводят раствор соли серебра до достижения концентрации ионов Ag+ в воде, равной 0,001-0,005 мг/л, а затем добавляют раствор соли меди до достижения концентрации Cu2+, равной 0,01-0,2 мг/л. Данный способ является относительно эффективным, однако имеет ограничения по применению при повышенных и пониженных температурах воды.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являлась разработка экологически приемлемого, эффективного способа обеззараживания воды с доведением ее до питьевого качества при использовании небольших количеств бактерицидных препаратов (при их концентрации ниже установленных ПДК), обеспечивающих возможность работы в условиях относительно низких и повышенных температур.

Поставленная задача решается тем, что способ получения питьевой воды, включающий обработку исходной воды пероксидом водорода, ультрафиолетовым (УФ) излучением с длиной волны 200-400 нм и ионами металлов, отличается тем, что на первой стадии с использованием диспергаторов в воду вводят водный раствор, содержащий соли меди и цинка при массовом соотношении ионов Cu2+:Zn 2+, равном 1:5-10, далее после выдержки в течение 0,5 -1,0 часа воду обрабатывают пероксидом водорода, после чего выдерживают 0,3-0,4 часа и пропускают через устройство УФ-излучения, в которое одновременно через диспергаторы вводят водный раствор соли серебра или водный раствор соли серебра и аммиачную воду в количестве, соответственно равном 0,0005-0,001 мг/л в пересчете на Ag + и 1-1,5 мг/л в пересчете на аммиак.

Предпочтительно, обработку исходной воды ведут при температуре 5-50°С.

Оптимально суммарная концентрация ионов Cu2+ и Zn2+ на первой стадии обработки составляет 0,6-1,7 мг/л, а пероксид водорода вводят до его содержания 1-3 мг/л. Также оптимально УФ-обработку ведут при частоте излучения 0,8-1 Гц и удельных энергозатратах 0,8-1 кДж/м3.

Предлагаемые нами для реализации способы обеззараживания воды концентрации ионов тяжелых металлов существенно ниже их ПДК. Согласно ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» ПДК для меди составляет 1 мг/л, для цинка - 5 мг/л, для серебра - 0,05 составляет 5 мг/л.

Совместная обработка воды в последовательности ионы меди + ионы цинка --> пероксид водорода --> УФ-излучение + ионы серебра дает следующие преимущества перед известным (RU 2188170) способом: 1) возможность работы при температурах 5÷50°С и более широком интервале рН 5,7÷9,8; 2) снижение дозы применяемого серебра; 3) обеспечение длительной бактериологической стойкости обработанной воды. Ионы меди и цинка при совместном использовании в предложенном оптимальном соотношении дают синергетический бактерицидный эффект (т.е. неадекватное усиление). Отметим, кроме того, что введенные в воду на первой стадии обработки ионы меди и цинка, выполнив функцию активаторов бактерицидных свойств пероксида водорода и ультрафиолетового излучения, беспрепятственно проходят через реактор с пероксидом и устройство УФ-излучения и в сочетании с введенными на последней из упомянутых стадий (УФ-излучение) ионами серебра способствуют существенному увеличению времени сохранности воды. Особенно этот показатель возрастает при одновременном введении ионов серебра и аммиака (в виде аммиачной воды). Это обусловлено образованием аммиачных комплексных катионов: [Ag(NH3)2 ]+, [Cu(NH3)4]2+ и [Zn(NH3)4]2+, которые стабилизируют серебро, медь и цинк в состоянии, проявляющем максимальные бактерицидные свойства. Введение в исходную воду раствора солей меди, цинка и серебра через диспергаторы способствует ускорению распределения ионов Cu2+, Zn2+ и Ag+ в воде и их воздействия на патогенные микроорганизмы.

Предложенные параметры процесса и концентрации реагентов являются оптимальными для данной схемы обеззараживания воды.

Ниже приведены примеры осуществления предложенного способа.

Пример 1

Природная вода с рН=7,1 была искусственно заражена санитарно-показательными микроорганизмами E.coli из расчета 1,5·105 кл/см 3 и охлаждена до 5°С. Далее в воду через диспергаторы ввели водный раствор, содержащий сульфат меди и сульфат цинка, в количестве, соответствующем содержанию ионов Cu2+ 0,2 мг/л и ионов Zn2+ 1 мг/л (массовое соотношение Cu2+:Zn2+=1:5), выдержали 0,5 часа, обработали пероксидом водорода (2 мг/л) и выдержали 0,3 часа. Затем воду пропустили со скоростью 5 л/мин (0,3 м3/ч) через установку УФ-обработки, содержащую размещенные в слое воды импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно излучающие в диапазоне 200-400 нм при частоте импульсов 1 Гц, плотности потока 1 кВт/см 2 и удельных энергозатратах 1 Дж/см3 воды. Одновременно с обработкой ультрафиолетовым излучением через диспергаторы подали водный раствор Ag2SO4 с тем, чтобы концентрация Ag+ в воде составила 0,001 мг/л.

После 3-часовой выдержки обработанной воды провели анализ по определению числа выживших микроорганизмов. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 2

Исследования выполнены аналогично примеру 1. Отличие состояло в температуре, которая поддерживалась равной 30°С±1°С. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 3

Исследования выполнены аналогично примеру 1. Отличие состояло в температуре, равной 50°С±2°С. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 4

Исследования выполнены аналогично примеру 3, но исходная величина рН воды составляла 5,7. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 5

Исследования выполнены аналогично примеру 3, но исходная величина рН воды составляла 8,2. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 6

Природная вода рН=6,0 при температуре 10°С была заражена E.coli в количестве 1,45·105 кл/см3. Далее в воду через диспергаторы ввели водный раствор, содержащий сульфат меди и сульфат цинка при их массовом соотношении, соответственно равном 1:10 до достижения в воде концентрации 0,15 мг Cu2+ /л и 1,5 мг Zn2+/л. После выдержки в течение 1 часа воду обработали пероксидом водорода (3 мг/л), выдержали в течение 0,4 часа и подвергли УФ-облучению в соответствии с примером 1, за исключением того, что частота импульсов составляла 0,8 Гц и удельные энергозатраты - 0,8 Дж/см3 воды, концентрация Ag+ (вводили в виде раствора азотнокислого серебра) составляла 0,0005 мг/л. После 3-часовой выдержки проводили анализ по определению числа выживших микроорганизмов. Результаты представлены в таблице.

Пример 7

Природная вода имела рН=9,8, зараженность 1,45·105 кл/см3, температуру 40±2°С. Далее обработку воды вели по примеру 6. Результаты представлены в таблице. Конечная величина рН составляла 7,9.

Пример 8

Природная вода с рН=9,8 и зараженностью 1,3·10 5 кл/см3 при температуре 15°С прошла обработку: введение через диспергаторы водного раствора, содержащего хлорид меди и хлорид цинка при массовом соотношении 1:5 (из расчета 0,25 мг Cu2+/л и 1,25 мг Zn2+/n), выдержку в течение 0,5 часа, обработку пероксидом водорода (3 мг/л), выдержку 0,5 часа, облучение ультрафиолетом (параметры по примеру 1) с одновременным введением через дипергаторы водного раствора сульфата серебра Ag2SO4 с тем, чтобы концентрация Ag+ составляла 0,001 мг/л. После 3-часовой выдержки провели анализ по определению числа выживших микроорганизмов. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 9

Способ осуществляли аналогично примеру 8. Отличия: рН исходной воды 5,7, вместе с раствором Ag2SO4 вводили аммиачную воду из расчета 1 мг NH3/л. Величина рН воды после обработки составляла 7,3.

Пример 10 (для сопоставления с аналогом по RU 2188170)

Природная вода - по примеру 7. Обработку воды проводили в соответствии с аналогом - RU 2188170: в воду вводили пероксид водорода в количестве 2 мг/л, выдерживали в течение 1 ч, после этого воду пропускали со скоростью 5 л/мин (0,3 м3/ч) через установку УФ-обработки, содержащую размещенные в слое воды импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно излучающие в диапазоне 200-400 нм при частоте импульсов 1 Гц, плотности потока 1 кВт/см2 и удельных энергозатратах 1 Дж/см3 воды. Затем в воду в течение 10 мин вводили при помощи дозатора предварительно приготовленный в отдельной емкости раствор AgNO3 до концентрации Ag+, равной 0,005 мг/л. По прошествии 10 мин в воду дозировали предварительно приготовленный в другой емкости раствор CuSO4·5H2O до достижения концентрации Cu2+, равной 0,2 мг/л. Результаты испытаний представлены в таблице.

Воду, обработанную по всем примерам, проверяли на антибактериальную устойчивость. Для этого воду выдерживали в предварительно стерилизованной таре с периодическим отбором проб на анализ. Из табличных данных следует, что вода в широком диапазоне температур и рН, обработанная предложенным способом, оставалась безопасной в санитарно-гигиеническом отношении в течение 3-х месяцев (примеры 1-9). В случае примера 9 вода сохраняла антибактериальную устойчивость в течение 6-ти месяцев. В то же время известный способ обеззараживания воды (RU 2188170) не обеспечил ей надлежащую устойчивость: уже через 1 месяц вода превысила порог санитарной безопасности.

Таким образом, предложенный способ обеззараживания воды является эффективным, относительно простым и доступным. Наиболее целесообразно использовать его для подготовки питьевой воды в чрезвычайных ситуациях, например в целях предотвращения эпидемий, а также когда велика опасность вторичного бактериального загрязнения воды, прежде всего в жаркое время года.

Таблица.
Пример Число микроорганизмов, кл/см3 Стадии обработки, реактивы Температура рН (исходный) Число выживших организмов, кл/л
через 3 часа через 1 месяц через 3 месяца
1 1,5·105 0,2 мг/л Cu2++1 мг/л Zn2+,

2 мг/л Н2O2, УФ+0,001 мг/л Ag+
5°С 7,1 не обн. 1 3
2 1,5·105 аналогично примеру 1 30±1°С 7,1 не обн. не обн. 2
3 1,5·105 аналогично примеру 1 50±2°С 7.1 не обн. не обн. не обн.
4 1,5·105 аналогично примеру 1 50±2°С 5,7 не обн. не обн. не обн.
5 1,5·105 аналогично примеру 1 50±2°С 8,2 не обн. не обн. не обн.
6 1,45·105 0,15 мг/л Cu2++1,5 мг/л Zn2+, 3 мг/л Н2O 2, УФ +0,0005 Ag+мг/л 10°С 6,0 1 1 3
7 1,45·105 аналогично примеру 6 40±2°С 9,8 не обн. не обн. 1
8 1,3·105 0,25 мг/л Cu2++1,25 мг/л Zn2+, 3 мг/л Н2O 2, УФ+0,001 мг/л Ag 15°С 9,8 1 2 3
9 1,3·105 0,25 мг/л Cu2++1,25 мг/л Zn 2+, 3 мг/л Н2O2 , УФ+0,001 мг/л Ag++1 мг/л NH 3 15°С 5,7 не обн. 1 не обн.
10 1,45·105 аналогично примеру 7 40±2°С 9,8 3 12 ˜5·102

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения питьевой воды, включающий обработку исходной воды пероксидом водорода, ультрафиолетовым (УФ) излучением с длиной волны 200-400 нм и ионами металлов, отличающийся тем, что на первой стадии с использованием диспергаторов в воду вводят водный раствор, содержащий соли меди и цинка при массовом соотношении ионов Cu2+:Zn2+, равном 1:5-10, далее после выдержки в течение 0,5-1,0 ч воду обрабатывают пероксидом водорода, после чего выдерживают 0,3-0,4 ч и пропускают через устройство УФ-излучения, в которое вводят водный раствор соли серебра или водный раствор соли серебра и аммиачную воду в количестве, соответственно равном 0,0005-0,001 мг/л в пересчете на Ag+ и 1-1,5 мг/л в пересчете на аммиак.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что его проводят при температуре воды 5-50°С.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что суммарная концентрация ионов Cu+ и Zn+ на первой стадии обработки составляет 0,6-1,7 мг/л, а пероксид водорода вводят до его содержания 1-3 мг/л.

4. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что УФ-обработку ведут при частоте излучения 0,8-1 Гц и удельных энергозатратах 0,8-1 кДж/м3.

Версия для печати
Дата публикации 22.02.2007гг


вверх