Спосіб одержання питної води

Спосіб одержання питної води, що включає гальванокоагуляційну обробку природної води в присутності гальванопари, одним із напівелементів якої є алюміній, який відрізняється тим, що як другий напівелемент гальванопари використовують шунгіт при масовому співвідношенні алюміній:шунгіт, рівному 1:(1,3  1,6), і процес здійснюють при рН середовища 2,8  3,2. UA (11) 97307 (21) a201009414 (22) 27.07.2010 (24) 25.01.2012 (46) 25.01.2012, Бюл.№ 2, 2012 р. (72) ГОНЧАРУК ВЛАДИСЛАВ ВОЛОДИМИРОВИЧ, ДЕРЕМЕШКО ЛЮДМИЛА АРКАДІЇВНА, БАЛАКІНА МАРГАРИТА МИКОЛАЇВНА, КУЧЕРУК ДМИТРО ДМИТРОВИЧ, ШВИДЕНКО ВІКТОР ЗИНОВІЙОВИЧ (73) ІНСТИТУТ КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ ТА ХІМІЇ ВОДИ ІМ. А.В. ДУМАНСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) Grapper D.R., KrishmanS.L, DalionAJ. Brain aluminium distribution in alzheimer"s disease and experimental neurofibrillary degeneration // Science. 1973. - vol. 189; (стор.65-67) Ризо Г.Е. Вода. Проблемы // Водоснабжение. Водоподготовка. Качество питьевых вод. -2008. - № 1; (стор. 39-53) Использование окислительно-восстановительного потенциала в процессах водоподготовки / В.В.Гончарук, В.А.Багрий, Л.А. Мельник и др. // Химия и технология воды. - 2010. - т. 32, № 1; (стор. 1-19) MD 1760 F2; 31.10.2001; (4 сторінки) RU 2168467 C1; 10.06.2001; (15 сторінок) RU 2061660 C1; 10.06.1996; (4 сторінки) C2 2 (19) 1 3 97307 середовище організму людини, що відповідає нормальному його функціонуванню, становить від (100) до (-200) мВ. Для досягнення біологічної сумісності води, яку випиває людина, з внутрішнім середовищем організму віднімаються електрони клітинних мембран, які при цьому піддаються окиснювальному руйнуванню, що призводить до порушення функцій окремих органів і старінню організму в цілому [Ризо Г.Е. Вода. Проблемы // Водоснабжение. Водоподготовка. Качество питьевых вод. - 2008. - № 1. - с. 39 - 53, с. 39] [2]. За рекомендаціями ВОЗ, ОВП питної води не повинен перевищувати 60 мВ [Использование окислительно-восстановительного потенциала в процессах водоподготовки / В.В. Гончарук, В.А. Багрий, Л.А. Мельник и др. // Химия и технология воды. - 2010. - т. 32, № 1. - С. 3 - 19, с. 10] [3], однак ОВП звичайної водопровідної води лежить в інтервалі (+400) - (+500) мВ [2, с. 52]. Тому зниження ОВП у процесі обробки води для питних цілей є доволі важливою задачею. Відомий спосіб одержання питної води в основному за показником вмісту фтор-іонів з використанням свіжоосадженого гідроксиду алюмінію [Кульский Л.А. Основи химии и технологии воды. - К.: Наукова думка. - 1991. - 586 с., с. 205 - 206] [4]. При здійсненні способу [4] у воду вводять сульфат алюмінію, в результаті гідролізу якого утворюється колоїдний гідроксид алюмінію з розвинутою поверхнею, який сорбує домішки, в тому числі, фторіони. Процес здійснюють при рН 5,0 - 5,5 і тривалості обробки 30 хв. Залишковий вміст фтор-іонів визначається дозою введеного сульфату алюмінію; на зниження вмісту фтор-іонів від 5 до 1 3 мг/дм витрати сульфату алюмінію становлять 40 50 мг на 1 мг вилучених з води фтор-іонів. Як недолік способу слід відмітити необхідність введення до очищуваної води великої кількості коагулянту і точного його дозування, завдяки чому цей спосіб, з одного боку, є складним і невигідним в експлуатації, з іншого - його використання призводить до різкого підвищення солевмісту за рахунок сульфат-іонів і розчиненого алюмінію. Це неприпустимо з міркувань, по-перше, тому, що вміст 4 сульфат-іонів у воді питної якості згідно з СаНПіН 3 України не повинен перевищувати 250 мг/дм [1, с. 205], по-друге, - збагачення питної води алюмінієм неприпустимо з міркувань негативного впливу останнього на організм людини [Grapper D.R., KrishmanS.L, DalionAJ. Brain aluminium distribution in alzheimer"s disease and experimental neurofibrillary degeneration // Science. - 1973. - vol. 189. - P. 511 - 513] [5]. До того ж, як відомо, обробкою гідроксидом алюмінію видаляється не більш, ніж 95% мікроорганізмів; таку воду вживати для пиття небезпечно, а тому перед подачею споживачеві її обов'язково слід знезаражувати [4,с. 290]. Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю та результатом, що досягається, є спосіб одержання питної води із природної [Мол7 дова, патент № 1760, МПК С 02 F 1/46, опубл. 2001.10.31, ВОРІ № 20/2001. - P. 18] [6]. Суть способу полягає в наступному. У гальванокоагулятор завантажують гальванопару з напівелементами, одним з яких є алюмінієва стружка, а іншим - вуглецевий матеріал (активоване вугілля або графіт з розміром часток 0,5-1,0 мм). Додатково в завантаження гальванокоагулятора вводять корунд для абразивно-механічної дії на алюмінієву стружку, і діатоміт як активний сорбент для зменшення витрат алюмінію в процесі очищення. Процес здійснюють у циліндричному гальванокоагуляторі, що обертається зі швидкістю 10 об./хв. із завантаженням з алюмінієвої стружки, діатоміту (розмір часток 0,5 мм) і графіту (розподіл часток від 0,5 до 1,0 мм) у масовому співвідношенні вихідна вода:алюміній:діатоміт:графіт = 55:30:10:5 протягом 30 хв. При вихідному вмісті фтор-іонів 3 8,7 мг/дм одержують очищену воду з концентра3 цію іонів 0,26 мг/дм . Для визначення ефективності способу [6] за досягненням інших показників фізіологічної повноцінності води - наявності коліформних бактерій і ОВП, нами були проведені досліди з одержання питної води з артезіанської, показники якої представлені в таблиці 1, графа 2. Результати представлені в таблиці 1, графа 3. Таблиця 1 Показник 3 Вміст іонів F , мг/дм Загальні коліформні бакте3 рії, кількість у 100 см ОВП, мВ Вихідна артезіанська вода 9,1 700 340 Вода, одержана за Вимоги нормативного документа способом [6] < 1,5 [1, с. 206] 0,27 не повинні виявлятися в будь-який 47 3 пробі об'ємом 100 см [1, с. 201] 60 мВ[3, с. 10] 310 Як випливає з даних таблиці 1, реалізація відомого способу [6] не забезпечує знезараження одержаної води та характеризується незначним, всього на 30 мВ, зниженням ОВП, яке за абсолютною величиною перевищує рекомендоване в ~ 5 разів. Таким чином, недоліками відомого способу [6] є наявність мікробіологічного забруднення одержаної води, що не відповідає показникам фізіологічно повноцінної питної води, та досить високий ОВП. Задачею, на вирішення якого направлений винахід, є розробка способу одержання питної води, в якому використання вуглецевого напівелемента гальванопари іншої структури і проведення процесу в заявлюваному режимі забезпечило б одержання фізіологічно повноцінної води, що характеризується нормованим вмістом фторидів, відсутністю патогенних мікроорганізмів і при цьому значно зниженим значенням ОВП при суттєвому скороченні тривалості процесу. 5 Для вирішення поставленої задачі запропонований спосіб одержання питної води, що включає гальванокоагуляційну обробку природної води в присутності гальванопари, одним із напівелементів якої є алюміній, в якому згідно з винаходом, як другий напівелемент гальванопари використовують шунгіт при масовому співвідношенні алюміній:шунгіт, рівному 1:(1,3  1,6), і процес здійснюють при рН середовища 2,8  3,2. Нами показано, що при використанні як вуглецевого матеріалу шунгіту при заявлюваному співвідношенні алюміній:шунгіт створюються в процесі гальванокоагуляції умови ефективного коагуляційно-сорбційного видалення фтор-іонів, патогенних мікроорганізмів і значного зниження ОВП. Цей ефект досягається, як ми вважаємо, за рахунок сумісної дії специфічної структури шунгіту та одержаного при виникненні змінних контактів напівелементів гальванопари in situ активного коагулянту. Результатом заявлюваного процесу є одержання фізіологічно повноцінної питної води. Спосіб реалізується наступним чином. Для одержання фізіологічно повноцінної питної води піддають обробці воду з артезіанських свердловин. Процес здійснюють у гальванокоагуляторі барабанного типу. За напівелементи гальванопари використовують алюмінієву стружку та шунгіт при масовому співвідношенні 1:(1,3  1,6) відповідно. Шунгіт Полєжаєвського родовища (Карелія) має розмір часток 0,5-1,5 см [ТУ 9648-007-49933708-02 Шунгит дробленый] [7] містить (%): вуглець 60 - 70, SiO2 35 - 50, Аl2О3 10 - 25, K2О 4-6, Na2O 1 – 5 %, ТіО2 1 - 4 і також домішки інших елементів. Підкислену до рН 2,8  3,2 артезіанську воду подають в гальванокоагулятор, який обертається з кутовою швидкістю 10 об./хв. Процес очищення проводять протягом 1-1,5 хв. У вихідній і одержаній воді визначали: - вміст фтор-іонів за допомогою фторселективного електрода EJHC-131F й іономера І-160МІ згідно з інструкцією [Иономер лабораторный И160МИ. Руководство по эксплуатации. М.: НПО «Измерительная техника ИТ», 2005. - 57 с., с. 38 49] [8], [Электрод ионоселективный ЭЛИС-131 F. Паспорт. М.: НПО «Измерительная техника ИТ», 2005. - 8 с.] [9]; - кількість загальних коліформних бактерій за допомогою методу фільтрування через мембрану з розміром пор порядку 0,45 мкм [1, с. 202]; - ОВП за допомогою хлор-срібного електрода порівняння та платинового електрода для вимірю 97307 6 вання окислювально-відновлювального потенціалу й іономера І-160МІ відповідно до інструкції [8, с. 16]. Приклад виконання за винаходом. 3 1 дм води з артезіанської свердловини смт Машевка Полтавської обл., показники якої представлені в таблиці 2, рядок 1, підкислюють, наприклад, сірчаною кислотою до рН3,0 і поміщають у гальванокоагулятор. У гальванокоагулятор завантажують 71г алюмінію та 107 г шунгіту, що відповідає масовому співвідношенню алюміній:шунгіт =1:1,5. Процес гальванокоагуляційної обробки води проводять при кутовій швидкості обертання гальванокоагулятора 10 об./хв. протягом 1 хв. Одержана вода характеризується такими показниками (табл. 2, приклад 3): 3 - вміст фтор-іонів 0,03 мг/дм ; - загальні коліформні бактерії - не виявлено в 3 пробі объемом 100 см ; - ОВП 255 мВ. Аналогічно прикладу виконання за винаходом були здійснені досліди з обробки артезіанської 3 води (вміст іонів F 9,1 мг/дм , кількість загальних 3 коліформних бактерій 700 колоній/дм , ОВП 340 мВ) при різних масових співвідношеннях елементів гальванопари та рН середовища як у діапазонах, що заявляються, так і при позамежних значеннях (табл. 2, приклади 2 - 12). Одержання фізіологічно повноцінної води досягається при масовому співвідношенні алюміній:шунгіт = 1-(1,3  1,6) в діапазоні рН середовища 2,8  3,2, що забезпечує ефективну сукупну дію шунгіту та коагулянту, одержаного in situ (табл. 2, приклади 2 - 8). При позамежному збільшенні співвідношення алюміній:шунгіт (1:1,2), тобто при зменшенні кількості шунгіту (катодної складової гальванопари), при гальванокоагуляції не виникає необхідної кількості гальваноконтактів, що призводить до зниження ефективності процесу: різко підвищується вміст фторидів і зростає величина ОВП (табл. 2, приклад 9). При позамежному зменшенні співвідношення алюміній:шунгіт (1:1,7), тобто при зменшенні кількості алюмінію (анодної складової гальванопари), утворюється недостатня кількість коагулянту, й ефективність гальванокоагуляційної обробки знижується: одночасно суттєво збільшується залишковий вміст фторидів і зростає ОВП (табл. 2, приклад 10). 7 97307 8 Таблиця 2 № п/п Умови обробки масове співвідношення алюміній:шунгіт 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 1:1,3 1:1,5 1:1,6 1:1,5 1:1,5 1:1,3 1:1,6 3,0 3,0 3,0 2,8 3,2 3,2 2,8 9. 10. 11. 12. 1:1,2 1:1,6 1:1,5 1:1,5 3,0 3,0 2,7 3,3 в. рН Показники одержаної води вміст іонів F , загальні коліформні бактерії, 3 3 мг/дм кількість у 100 см вихідна артезіанська вода 9,1 700 за винаходом 0,029 відсутність 0,030 -//0,028 -//0,028 -//0,031 -//0,032 -//0,030 -//позамежні значення 1,52 відсутність 1,68 -//13,2 -//4,8 -//за способом [5] 0,27 47 Важливим показником процесу є рН середовища. Проведення обробки води при рН нижче заявлюваної межі, наприклад, при рН 2,7, призводить до унеможливлення утворення достатньої кількості коагулянту, що в свою чергу призводить до різкого зростання вмісту фтор-іонів і підвищення ОВП в одержаній воді (табл. 2, приклад 11). Проведення обробки води при рН вище заявлюваної межі, наприклад, при рН 3,3, сприяє утворенню крупніших пластівців коагулянту і зниженню його активності: одержана вода характеризується вмістом фторидів, що в ~ 3 рази перевищує регламентований показник і має високе значення ОВП (табл. 2, приклад 12). Комп’ютерна верстка Д. Шеверун ОВП, мВ 340 263 255 265 268 261 260 270 285 294 297 292 310 Переваги запропонованого способу одержання питної води полягають у наступному: - реалізація запропонованого способу забезпечує одержання фізіологічно повноцінної води, яка характеризується вмістом фтор-іонів 0,028 3 0,032 мг/дм (при регламентованому показнику  1,5 мг/дм [1, с. 206], відсутністю коліформних бактерій і величиною ОВП на рівні 255 -270 мВ, що не досягається способом [6]; - слід також відмітити, що висока ефективність запропонованого способу дозволяє здійснювати обробку води за досить короткий час - протягом 11,5 хв., що в 20 - 30 разів менше, ніж у відомому способі [6]. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601