Композиція для очищення води, спосіб її використання та застосування вказаної композиції

Реферат: Винахід належить до композиції для очищення води, яка, зокрема, є особливо корисною для видалення слідових кількостей шкідливого забруднення, такого як миш'як, на додачу до видалення мікроорганізмів, таких як віруси, бактерії та цисти, щоб зробити воду придатною для вживання людьми, яка містить: (а) коагулюючий агент, який представлений водорозчинною неорганічною сіллю металу, що має тривалентний катіон; (b) флокулюючий агент, який є високомолекулярним водорозчинним полімером; (с) адсорбент, який є водонерозчинним оксидом, гідроксидом або оксогідроксидом титану, цирконію, заліза, міді або цинку; і (d) біоцид, який є галогеновою сполукою. UA 99275 C2 (12) UA 99275 C2 UA 99275 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід відноситься до композиції для очищення води. Винахід, зокрема, відноситься до композиції для очищення води, яка є особливо корисною для видалення слідових кількостей шкідливого забруднення, такого як миш'як, на додачу до видалення мікроорганізмів, таких як віруси, бактерії і цисти, для того, щоб зробити воду придатною для вживання людьми. Велика частина народонаселення в світі живе в країнах, що розвиваються та малорозвинених, в яких існує жорстка нестача гігієнічної питної води. Великий відсоток цих людей живе в сільських областях, в яких немає систем очищення води, таких як ті, що забезпечуються муніципальними спорудами для очищення питної води. Багатьом людям в цих областях доводиться безпосередньо бути залежними від ґрунтових і підземних джерел води, таких як колодязі, трубчасті колодязі, ставки і річки. Часто ці джерела води забруднюються стічними водами, промисловими стоками та сільськогосподарськими відходами. Різні доступні типи систем очищення води, такі як ті, що використовують УФ-опромінення, галогеновані смоли, зворотний осмос і так далі, не дуже зручні для використання в цих сільських областях, оскільки вони або вимагають проточної води і/або електрики або є дуже дорогими для споживачів. Отже, багато людей в цих сільських областях удаються до кип'ятіння води, щоб убити патогенні мікроорганізми в своїй питній воді. Це також часто є нездійсненним, оскільки кип'ятіння вимагає великої кількості палива, яке стає все більш дефіцитним. Крім того, в світі існує багато областей, які є природно забрудненими високими кількостями неорганічних забруднень, таких як миш'як. Миш'як є виключно шкідливим забрудненням. Люди продовжують споживати воду з такими високими рівнями вмісту мікроорганізмів і забруднень, таких як миш'як, що є причиною високої смертності та захворювань в цих областях. Миш'як є одним з найбільш токсичних забруднень, із тих що знаходяться в навколишньому середовищі. Миш'як виявляють в ґрунтах, скелях, природних водах і організмах. Миш'як є двадцятим за ступенем поширеності елементом в земній корі. Найбільш звичайними ступенями окислення миш'яку є +3 і +5. Серед всіх сполук миш'яку, присутніх в навколишньому середовищі, особливий інтерес представляє арсеніт (який містить миш'як у формі As (III)), який є в 25-50 разів токсичнішим, ніж арсенат (який містить миш'як у формі As (V)) і в 70 разів токсичнішим, ніж метиловані продукти диметиларсенат (DMA) і монометиларсонат(MMA). Ці факти пояснюють, чому першорядний інтерес представляв би розвиток технологій для видалення As (III) з питної води. Неорганічний миш'як визначають як канцероген 1 групи для людей. Більше ніж 100 мільйонів людей у всьому світі вражаються внаслідок вживання питної води, забрудненої миш'яком. Питна вода в багатьох з цих областей має вміст миш'яку до 300 частин на мільярд (ppb). MCL (максимальна концентрація забруднення) миш'яком питної води, рекомендована ВОЗ і Агентством із Захисту Навколишнього Середовища США (USEPA), складає 10 ppb. Доступними технологіями видалення миш'яку є: мембранне розділення, іонний обмін та адсорбція. Ці технології або вимагають дорогого устаткування, яке є недоступним в багатьох частинах світу, або не є ефективними для видалення миш'яку, особливо миш'яку As (III), до нормативу, рекомендованого ВОЗ. Крім того, кип'ятіння води, до якого багато людей вдаються для очищення води, не видаляє миш'яку. Таким чином, однією з головних проблем в цій галузі є недостатнє видалення миш'яку (III). Додатково, крім того, що миш'як в очищеній воді повинен задовольняти ці строгі вимоги, технологія повинна також забезпечувати видалення шкідливих мікроорганізмів, таких як цисти, бактерії і віруси до рівня, який є безпечним для споживання людьми. За твердженням Управління із Охорони Навколишнього Середовища (EPA), вода з будь-якого невідомого джерела може бути визнаною мікробіологічно безпечною для пиття, якщо досягнуте видалення log 6 бактерій, log 4 вірусів і log 3 цист. Таким чином, загальноприйнятими критеріями видалення бактерій, вірусів і цист є log 6, log 4 і log 3 видалення відповідно. Велике число хімічних методів очищення води відоме і використовується на муніципальному, місцевому і домашньому рівнях. Хімікати включають коагулянти і флокулянти для осадження суспендованих і розчинених забруднень і біоциди для знищення мікроорганізмів. Публікація WO 02/00557 (Proctor and Gamble) описує композицію для очищення води разом з харчовою добавкою, оскільки крім очищення і відділення домішок питної води в багатьох частинах світу відчувалася необхідність поліпшення стандартів харчування і здоров'я. Розкрита композиція містить, в основному, первинний коагулянт, мостиковий флокулянт і допоміжний коагулюючий засіб. Хоча ця публікація заявляє видалення миш'яку, наші винахідники виявили, що потрібні подальші поліпшення технології для того, щоб задовольнити строгі стандарти ВОЗ для безпечної питної води. Діоксид титану використовували для видалення миш'яку з води. Патент US 6919029 (2005), Stevens Institute of Technology, повідомляє про використання особливої форми діоксиду титану 1 UA 99275 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 для поліпшення видалення миш'яку. Наші винахідники виявили, що застосування тільки одного діоксиду титану не забезпечує майже повного видалення миш'яку. JP 2005058987 розкриває композиції для очищення стічної води, які містять дев'ять компонентів, а саме: сульфат кальцію, сульфат алюмінію, діоксид кремнію, соду, полімерний флокулянт, тальк, цеоліт, активоване вугілля і оксид титану. Ця патентна заявка описує знешкодження стічної води з осадом з використанням оксиду титану як фотокаталізатора. Наші винахідники виявили, що ця композиція не придатна для очищення сирої води настільки, щоб відповідати критеріям для питної води, встановленим ВОЗ та іншими агентствами із здоров'я. Наші винахідники активно працювали над вирішенням цієї проблеми. Вони знайшли, що застосування адсорбентів, таких як діоксид титану, в флокулюючій готовій формі, хоча і забезпечує поліпшення видалення сполук миш'яку (V) з води, не може задовольнити вимоги із видалення токсичніших і складніших для видалення сполук миш'яку (III). Тому надалі вони працювали на кількох фронтах, щоб вирішити цю проблему і знайшли, що застосування певних селективних біоцидів вирішує проблему видалення всіх сполук миш'яку з тим, щоб задовольнити строгі стандарти ВОЗ. На додачу, селективні біоциди забезпечують достатнє видалення мікроорганізмів. Таким чином, завдання даного винаходу полягає в тому, щоб запропонувати композицію для очищення води, яка вирішує велику частину проблем, з якими стикаються при використанні композицій, описаних раніше. Інше завдання даного винаходу полягає в тому, щоб запропонувати композицію для очищення води, яка забезпечує очищену воду з низьким вмістом миш'яку, що задовольняє стандартам ВОЗ (менш ніж 10 ppb), особливо сполук миш'яку (III). Ще одне завдання даного винаходу полягає в тому, щоб запропонувати композицію для очищення води, яка також задовольняє високим мікробіологічним стандартам видалення 6 log бактерій, 4 log вірусів і 3 log цист. За одним об'єктом даного винаходу запропонована композиція для очищення води, яка містить: (а) коагулюючий агент, який представлений водорозчинною неорганічною сіллю металу, що має тривалентний катіон; (b) флокулюючий агент, який представлений високомолекулярним водорозчинним полімером; (с) адсорбент, який представлений водонерозчинним оксидом, гідроксидом або оксогідроксидами титану, цирконію, заліза, міді або цинку; і (d) біоцид, який є галогеновою сполукою. Є, зокрема, бажаним, щоб адсорбентом був діоксид титану або оксогідроксид заліза. Відповідно до кращого варіанта, об'єктом винаходу є запропонована композиція для очищення води, яка містить дві просторово розділені частини, де перша частина містить біоцид, а друга частина містить флокулюючий агент, і коагулюючий агент. Всі частки тут є масовими частками, якщо не обумовлено інакше. Композиція для очищення води запропонована даним винаходом містить коагулюючий агент, флокулюючий агент, селективний адсорбент і селективний біоцид. Коагулюючий агент, є сполукою, яка є водорозчинною неорганічною сіллю металу, що має 3+ 3+ тривалентний катіон. Придатними тривалентними катіонами є Al і Fe . Коагулянт зазвичай не містить атомів вуглецю. Прикладами коагулюючих агентів, є сульфат заліза (II), сульфат алюмінію і поліалюмінійхлорид. Не бажаючи бути обмеженими теорією, автори вважають, що ці коагулюючі агенти, при додаванні до води утворюють гелевидні гідроксидні сполуки при pH більшому або рівному 6. Механізм коагуляції через утворення гелевидного гідроксиду є оптимальним, якщо pH встановлений між 6 і 8,5. Гелевидний осад захоплює дрібнозернисті суспендовані частинки та мікроби, у міру осадження або коагуляції. Коагулюючий агент, бажано, присутній в кількості в діапазоні від 5 до 50 %, краще, від 15 до 40 % від маси композиції. Флокулюючий агент, відповідно до винаходу є сполукою, яка є високомолекулярним водорозчинним полімером. Прикладами флокулюючих агентів, є полісахариди (декстан целюлоза), білки, модифікована целюлоза (гідроксиетил/гідроксипропіл або карбоксиметил), і поліакриламіди, бажано, високомолекулярний поліакриламід. Особливо бажано щоб поліакриламід був або аніонним, або неіонно модифікованим, краще, аніонним модифікованим. Придатні молекулярні маси цих поліакриламідів знаходяться в діапазоні від 105 до 107. Кращим флокулюючим агентом, є Superfloc (з Cytec). Більш бажана кількість флокулюючого агента становить від 0,5 до 15 %, краще, від 1 до 10 % і, найкраще, від 2 до 8 % від маси композиції. Композиція для очищення води запропонована винаходом містить адсорбент, однозначно вибраний, щоб мати бажані властивості. Адсорбент є водонерозчинним оксидом, гідроксидом або оксогідроксидом титану, цирконію, заліза, міді або цинку. Особливо бажаними 2 UA 99275 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 адсорбентами є водонерозчинний оксид, гідроксид або оксогідроксид титану і заліза. Придатними адсорбентами є діоксид титану, оксид цирконію, оксид заліза, оксид міді, оксид цинку, оксогідроксид заліза, оксогідроксид титану, цирконію оксогідроксид або поєднання цих адсорбентів. Більш бажаними адсорбентами є діоксид титану, оксогідроксид титану, оксид заліза, гідроксид заліза або оксогідроксид заліза, при цьому найкращими адсорбентами є діоксид титану і оксогідроксид заліза. Бажані кількості адсорбенту лежать в діапазоні від 5 до 70 %, краще, від 10 до 50 %, найкраще, від 15 до 30 % від маси композиції. Композиція запропонована винаходом містить біоцид, який є галогеновою сполукою. Бажаними галогеновими сполуками є сполуки хлору або йоду, краще, сполуки хлору. Придатними сполуками хлору є неорганічні сполуки, такі як гіпохлорит натрію, гіпохлорит кальцію, діоксид хлору або хлораміни, або сполуки органічного хлору, такі як дихлорізоціанурат натрію, або трихлорізоціанурова кислота. Біоцид, бажано, присутній в кількості в діапазоні від 1 до 20 %, краще, від приблизно 2 до 12 % від маси композиції. Найбільш придатним біоцидом є гіпохлорит кальцію. Наші винахідники виявили, що не всі біоциди є ефективними для виконання завдань даного винаходу. Декілька загальноприйнятих біоцидів, таких як четвертинні амонієві сполуки, триазин, глутаровий альдегід, ізотіазолін, оловоорганічні сполуки, карбамати, метилентіоціанат, були використані, і, хоча вони були корисні для мікробіологічного видалення, вони були малоефективними для відносно задовільного видалення миш'яку. Таким чином, винахід є особливо ефективним для видалення миш'яку, особливо, коли вода є сильно забрудненою сполуками миш'яку, які знаходяться у формі As(III), що завжди було складно досягти при використанні способів попереднього рівня техніки. Композиція для очищення води працює краще всього, коли упакована так, щоб мати вміст вологи не більше ніж 5 %, краще, не більше ніж 3 %, і, найкраще, не більше ніж 2 % від маси композиції. Очищаюча дія запропонованої винаходом композиції може бути досягнута при pH наявної сирої води. У кращому випадку pH композиції може бути встановлений відповідно до бажаного рівня шляхом включення буферного агента до композиції. Придатними буферними агентами є оксид кальцію, карбонат натрію або бікарбонат натрію. Буферний агент, якщо він присутній, включений в кількості в діапазоні від 0,5 до 10 % від маси композиції. Композиція для очищення води може, за бажання, містити спів-адсорбент. Спів-адсорбент, бажано, є матеріалом, який здатний адсорбувати великі кількості води і органічних або неорганічних сполук. Придатним спів-адсорбентом є глина. Прикладами глини можуть бути монтморилонітова глина (діоктаедрична смектитна глина), лапоніт, гекторит, нонтроніт, сапоніт, волконсит, сауконіт, бейделіт, алеварліт (Allevarlite), іліт, галуазит, атапульгіт, морденіт, каоліни та бентоніт. Найбільш бажаним варіантом глини відповідно до даного винаходу є бентонітова глина. Якщо спів-адсорбенти включені, вони присутні в кількості в діапазоні від 5 до 75 %, краще, від приблизно 10 до 60 % від маси композиції. Відповідно до кращого об'єкту винаходу, композицію для очищення води поставляють у вигляді двокомпонентної системи. Двокомпонентна система містить першу частину і другу частину, які тримають просторово розділеними. Перша частина містить біоцид, а друга частина містить флокулюючий агент, і коагулюючий агент. Ще один кращий об'єкт містить адсорбент, присутній в другій частині двокомпонентної системи. При постачанні композиції у вигляді двокомпонентної системи бажаним є, щоб перша частина містила менше ніж 5 % вологи від маси вказаної першої частини. У двокомпонентній системі спів-адсорбент, якщо він присутній, може бути включений як до першої частини, так і до другої частини або може бути присутнім в будь-якій одній з частин. Ще один кращий об'єкт винаходу передбачає, щоб друга частина містила нейтралізатор біоцида, який здатний реагувати з біоцидом, щоб зробити його безпечним і естетично прийнятним для вживання людьми. Придатними нейтралізаторами є тіосульфат натрію і аскорбінова кислота. Нейтралізатор переважно присутній в кількості в діапазоні від 1 до 20 % від маси другої частини, краще, приблизно від 2 до 12 % від маси другої частини. Тверда форма є найбільш придатною формою композиції запропонованої винаходом. Перелік придатних твердих форм включає форми порошку, гранули і пігулки, найбільш бажаною формою є форма порошку. При постачанні у вигляді двокомпонентної системи найкращою формою є форма порошку, як в першій частині, так і в другій частині. Композицію для очищення води запропоновану винаходом переважно поставляють в кількостях в діапазоні від 0,5 до 10 грам, краще, в діапазоні від 1 до 5 грам. Цю кількість зазвичай додають до 5-20 літрів води. При постачанні у вигляді двокомпонентної системи, придатна маса першої частини складає 0,01-5 грам, краще, 0,1-1 грам, а придатна маса другої частини складає 0,5-10 грам. 3 UA 99275 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Композицію для очищення води запропоновану винаходом можна поставляти споживачеві в упаковці будь-якої відомої придатної форми. Якщо композиція виготовлена у вигляді пігулок, упаковка може бути представлена металізованим ламінатом або блістерною упаковкою. Коли композиція виготовлена у вигляді порошку, придатною упаковкою є металізований ламінат. Проте металізована ламінатна упаковка повинна бути такою, щоб галогеновані сполуки, які зазвичай реагують з металами, були відокремлені від металевої частини ламіната шляхом застосування придатних полімерних шарів на шарі металу. Відповідно до іншого об'єкту винаходу запропонований спосіб очищення води, який включає стадії (i) змішування композиції запропонованої винаходом з водою, яка потребує очищення і (ii) виділення флокульованої маси з суміші. Якщо продукту надають форму двокомпонентної системи, придатний спосіб передбачає послідовні стадії змішування першої частини композиції з водою, яка потребує очищення; яке супроводжується стадією змішування другої частини композиції з водою, а потім відділення флокульованої маси із суміші. Першу частину зазвичай перемішують протягом періоду часу 0,55 хвилин, а потім воду залишають стояти протягом періоду часу 2-10 хв., після якого додають другу частину. Суміш потім перемішують протягом періоду часу 0,5-5 хвилин і знову залишають стояти на 2-10 хв. Флокульовану масу потім залишають для осідання, а потім відокремлюють від суміші зазвичай шляхом фільтрації або декантації. Для фільтрації може бути використана звичайна тканина. Спосіб запропонований винаходом є особливо придатним для очищення води, яка містить миш'як. У забруднених областях, середня концентрація миш'яку в сирій воді складає близько 300 ppb за масою. При використанні способу запропонованого винаходом є можливим отримання очищеної води, яка має вміст миш'яку менший ніж 10 ppb від маси очищеної води. Винахід тепер буде проілюстрований наступними необмежуючими прикладами. ПРИКЛАДИ Приготування води для випробувань: Брали 10 літрів R.О-води (води, очищеної зворотним осмосом), і додавали до неї 15 г морської солі, 0,025 г гумінової кислоти і 1,5 г дрібнозернистого пилу (пил для випробувань Арізона). Загальна кількість розчинених солей складала менше ніж 50 ppm (частин на мільйон). Сполуки миш'яку: або арсенат натрію (Na2HAsO4,7H2O) в якому миш'як знаходиться у формі As (V), або арсеніт натрію (NaAsО2), в яких миш'як знаходиться в стані As (III), додавали до піддослідної води, за бажанням. Визначення вмісту миш'яку Оптичну електронну мікроскопію індуктивно-зв'язаної плазми (ІСП-ОЕС (ICP-OES)) (VarianVista-PRO) застосовували для вимірювання загальної концентрації миш'яку (>50 ppb) в розчині. Загальні концентрації миш'яку, які були нижчими, ніж 50 ppb, аналізували за допомогою масспектрометрії індуктивно-зв'язаної плазми (ІСП-МС(ICP-MS)) (Eldrin 9000). У обох аналітичних методах зразки уприскували в прилади без якої-небудь попередньої концентрації або попереднього розбавлення, і вимірювали загальні концентрації миш'яку. Порівняльний Приклад A Використовували піддослідну воду, яка містить 300 ppb миш'яку з арсенату натрію (форма миш'як (V)). Спосіб очищення був наступним: Спосіб очищення: 10 літрів піддослідної води набирали в посуд, і композицію, приведену в Таблиці 1, додавали до піддослідної води і перемішували протягом однієї хвилини, після чого воду залишали стояти на п'ять хвилин. Флокульовану масу потім відфільтровували крізь декілька шарів тканини. Вміст миш'яку в очищеній воді вимірювали, і результат підсумовували в Таблиці 1. Порівняльний Приклад В Використовували піддослідну воду, яка містить 300 ppb миш'яку з арсеніту натрію (форма миш'як (III)). Спосіб очищення був таким же, який застосовували для порівняльного Прикладу A. Вміст миш'яку в очищеній воді вимірювали, і результат підсумовували в Таблиці 1. Приклад 1 Композицію для очищення води, приведену в Таблиці 1, використовували для очищення води. Композиція була двокомпонентною системою з першим компонентом, який містить гіпохлорит кальцію, і другим компонентом, який містить поліалюмінійхлорид, поліакриламід і діоксид титану. Спосіб очищення був наступним. Спосіб очищення: 10 літрів піддослідної води набирали в посуд і композицію, приведену в Таблиці 1, додавали до піддослідної води і перемішували протягом однієї хвилини, після чого воду залишали стояти на п'ять хвилин. Після цього додавали другий компонент, і перемішували протягом однієї хвилини, після чого її залишали стояти на п'ять хвилин. Флокульовану масу 4 UA 99275 C2 5 10 потім відфільтровували крізь багатошарову тканину. Вміст миш'яку в очищеній воді вимірювали, і результат підсумовували в Таблиці 1. Приклад 2 Використовували композицію за прикладом 1. Піддослідна вода була такою ж, яку застосовували в Прикладі 1, за винятком того, що піддослідна вода містила 150 ppb арсеніту натрію і 150 ppb арсенату натрію, з якими зазвичай стикаються в ґрунтовій воді, забрудненій миш'яком. Вміст миш'яку в очищеній воді вимірювали, і результат підсумовували в Таблиці 1. Приклад 3 Використовували композицію для очищення води, таку як в Прикладі 1, як показано в Таблиці 1, за винятком того, що використовували оксид заліза замість діоксиду титану. Композицію готували у вигляді двокомпонентної системи. Таблиця 1 Порівняльний Приклад A Порівняльний Приклад В Приклад 1 Приклад 2 Приклад 3 0,15 0,15 0,15 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,08 0,08 0,08 0,08 Адсорбент TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 Адсорбент, г 0,50 0,50 0,50 Форма миш'яку у піддослідній воді As(V) As(III) As(III) 0,50 As(III)+ As(V) в співвідношенні 1:1 за масою 0,08 Оксогідроксид заліза 0,50 5 100 5 Приклад Кальцію гіпохлорит, г Поліалюміній хлорид, г Поліакриламід, г ppb миш'яку очищеній воді 15 20 25 в 5 As(III) 10 Дані в Таблиці 1 показують, що при використанні композиції з попереднього рівня техніки (Порівняльний Приклад A) нормативи видалення As (V) можуть бути досягнуті, але виконати нормативи очищення від As (III) є неможливим (Порівняльний Приклад B). Проте за умови використання композицій запропонованих даним винаходом (Приклади 1-3), можливо забезпечити видалення миш'яку у формі As (III), одного або у вигляді суміші форм As (III) і As (V). Біоцидна ефективність Готували таку піддослідну воду, яку застосовували для Прикладу 1, і на додачу додавали до неї мікроорганізми, а саме, цисти, бактерії і віруси, в концентрації, як показано в Таблиці 2. Піддослідну воду очищали способом, застосованим для Прикладу 1. Кількості мікроорганізмів в очищеній воді визначали, і результат підсумовували в Таблиці 2. Спосіб, який використовували для вимірювання кількості різних мікроорганізмів у воді, детально описаний в публікації "Tropical Medicine and International Health, volume 11, no 9, pp 1399-1405, September 2006, в статті, яка має назву "Microbiological performance of а water treatment unit designed for housеhold use in developing countries", Thomas Clasen, Suresh Nadakatti і Shashikala Menon. Таблиця 2 Мікроби Бактерії (E.coli) Поліовірус Цисти (опромінені) Конц. на вході 6 7 × 10 /100 мл 4.10 10 КУО/100 мкл 4 5 × 10 /л Конц. на виході