Електрокоагулятор для очистки води

1. Електрокоагулятор для очистки води, що включає корпус з розміщеними всередині анодом і катодом, який відрізняється тим, що електрокоагулятор додатково обладнаний двома металевими пластинами, що продукують коагулянт, анод виконаний із інертного матеріалу і розміщений поміж пластинами в одній площині. 2. Електрокоагулятор за п. 1, який відрізняється тим, що анод виконаний із платини. 3. Електрокоагулятор за п. 1, який відрізняється тим, що анод виконаний із графіту. UA (21) a201003562 (22) 29.03.2010 (24) 12.09.2011 (46) 12.09.2011, Бюл.№ 17, 2011 р. (72) ГОНЧАРУК ВЛАДИСЛАВ ВОЛОДИМИРОВИЧ, РУДЕНКО АДА ВІКТОРІВНА, САВЛУК ОЛЬГА СЕМЕНІВНА, САПРИКІНА МАРІЯ МИКОЛАЇВНА (73) ІНСТИТУТ КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ ТА ХІМІЇ ВОДИ ІМ. А.В. ДУМАНСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) Naomi Р.В., Farrell С, Williams Т. Electro-Pure Alternating Current Electrocoagulation // Emerging Technology Summary.: United States Environmental Protection Agency, 1993. -P. 1-5. G. Chen Electrochemical technologies in wastewater treatment // Separation and Purification Technology. 2004. - 38. - P. 11- 41. Ghosh D., Solanki H., Purkait M.K. Removal of Fe(II) from tap water by electrocoagulation technique // Journal of Hazardous Materials. 155 (2008) 135-143. SU 981241 A 15.12.1982. UA 41556 U 25.05.2009. SU 110412 A 23.07.1984. JP 9038654 A 10.02.1997. JP 2001225076 A 21.08.2001. C2 2 (19) 1 3 Основними конструктивними елементами електрокоагуляторів [2,3, 4] є металеві катод і анод, які розміщені всередині корпусу. До електродів підведений електричний струм. Очистка води здійснюється шляхом адсорбції забруднюючих речовин на поверхні часток коагулянту, утвореного в міжелектродному просторі. Електрокоагулятор [2] за технічною суттю та результатом, що досягається, є найбільш близьким аналогом до винаходу. Електрокоагулятор містить корпус, наприклад, вертикального типу, всередині якого розміщені катод і анод. Вказані електроди виконано з металевих залізних пластин, до яких підведений електричний струм. Електрокоагулятор працює наступним чином. Вихідна, наприклад, природна вода надходить в корпус електрокоагулятора та проходить між електродами, на які подають електричний струм. Робо2 ча густина струму () складає 10-20 мА/см . В зв'язку з відсутністю кількісних даних з очистки води електрокоагулятором [2] нами були проведені досліди з очистки водопровідної води, забрудненої мікроміцетами. Проблема очистки води від мікроміцетів є актуальною у зв'язку з наявністю цих мікроорганізмів у питній воді та їх небезпечністю по відношенню до здоров'я людини (Гончарук В.В., Савлук О.С, Саприкіна М.М, Руденко А.В., Коваль Е.З. Мікроміцети в питній воді. Оцінка небезпечності нового компонента гідробіоценозів України для здоров'я населення // Вісник НАН України.-2007. - № 12. - С. 21-24) [5]. Процес очистки здійснювали в електрокоагуляторі для очистки води, що містив корпус з розміщеними всередині стальними анодом та катодом, до яких підведено електричний струм. Воду, що піддавали очистці відстоювали протягом доби та стерилізували в автоклаві при 1 атмосфері (t=121 °C), протягом 15 хвилин. В стерильну водопровідну воду вносили суспензію мікроміцетів Candida albicans в кількості, що забезпечила сту5 3 пінь зараження нарівні 10 КУО/см . Підготовлену воду направляли в електрокоагулятор [2] і очищення здійснювали при =20 2 мА/см . При цьому концентрація коагулянту заліза 3 становила 5 мг/дм (в перерахунку на Fe2O3). Після чого воду пропускали через паперовий фільтр. В результаті чого було досягнуто 2 порядки видалення культури Candida albicans від вихідних п'яти. Залишкова концентрація мікроміцетів, яка становить 3 порядки, може бути причиною наявності неприємного запаху та присмаку питної води (Goncalves А.В., Paterson R.R. M., Nelson L.Survey and significance of filamentous fungi from tap water // Internation.J. of hygiene and environ, health.-2006. - V.209,N3. - P.257-264) [6], а також викликати різноманітні інфекційні та алергічні захворювання у споживачів (Hageskal G., Gaustad P., Heier В. Т., Skaar I.Occurrence of moulds in drinking water // Appl.Environ.Microbial.-2007. - V.102,N.3. P.774-780) [7]. Таким чином, основним недоліком електрокоагулятора [2] для очистки води від мікроміцетів є недостатньо високий ступінь їх вилучення. Задачею винаходу є розробка конструкції електрокоагулятора, в якому використання інертного 95857 4 анода і додаткове обладнання металевими пластинами, що продукують коагулянт, та їх взаємне розміщення в корпусі електрокоагулятора забезпечило б підвищення ступеня очистки води від мікроміцетів. Для вирішення поставленої задачі запропоновано електрокоагулятор для очистки води, що включає корпус з розміщеними всередині анодом і катодом, який, згідно з винаходом, додатково обладнаний двома металевими пластинами, що продукують коагулянт, анод виконаний із інертного матеріалу і розміщений поміж пластинами в одній площині; причому анод виконаний із платини чи із графіту. Нами вперше запропоновано оригінальну конструкцію електрокоагулятора, в якому анод виконано з інертного (нерозчинного) матеріалу, а одержання коагулянту забезпечується наявністю залізних пластин, які розчиняються в електричному полі анода. Слід відмітити, що ефективне та достатньо швидке розчинення пластин досягається розміщенням інертного анода між пластинами в одній площині, а наявність окислюючих агентів, що утворилися на поверхні інертного анода, прискорює процес переведення заліза (II) в (III) форму. Це в свою чергу прискорює процес отримання пластівців коагулянту, які характеризуються високою щільністю та розвиненою поверхнею, що підвищує сорбційні властивості по відношенню до забруднень, а саме, до мікроміцетів. Таким чином, сукупність суттєвих ознак електрокоагулятора для очистки води, що заявляється, є необхідною і достатньою для досягнення технічного результату, який забезпечується винаходом підвищення ступеня вилучення мікроскопічних грибів. Високий ступінь вилучення мікроміцетів дає можливість отримувати безпечну для споживання воду. Схематичне зображення електрокоагулятора представлено на кресленнях: де на фіг. 1 зображена стінка корпусу А, з прикріпленими анодом та металевими пластинами (вид спереду); на фіг. 2 зображена стінка корпусу Б, з прикріпленим катодом, паралельно стінці А (вид спереду); на фіг. 3 представлена стінка А, а на фіг. 4 - стінка Б (вид збоку в розрізі). Електрокоагулятор складається з корпусу (1) всередині якого розміщені: на стінці А корпусу (1) прикріплені інертний анод (2), який розміщений між двома металевими пластинами (3). Інертний анод (2) виготовлений у вигляді пластини з платинованого титанового матеріалу (ПТА) ГОСТ 1980774, або з графіту ТУ 48-20-12-87. Металеві пластини виготовлені з сталі марки 03Н12 × 5М3ТЛ (сталь-3), або з алюмінію марки А5; на стінці Б корпусу (1) прикріплений катод (4), який виконано з нержавіючої сталі марки 12-Х-18HIОТ. Електрокоагулятор працює наступним чином. У водопровідну воду попередньо вносили суспензію мікроскопічних грибів, а саме дріжджоподібні гриби роду Candida та міцеліальні гриби роду Aspergillus. 5 Candida albicans10231 отримали з музею інституту епідеміології інфекційних захворювань імені А.В. Громашевського АМН України. Триденну бульйонну культуру (бульйон Сабуро) центрифугували при швидкості 5000 обертів протягом 10 хвилин. Отриманий осад тричі відмивали у ізотонічному розчині натрію хлориду та ре7 суспендували у тому ж розчині до густини 10 ко3 лонієутворюючих одиниць (КУО) в одному см . Необхідний об'єм вихідної суспензії вносили у водопроводну воду. Ступінь зараження води скла45 3 дав 10 10 КУО/см . Aspergillus niger v.Tiegh. було виділено з водопровідної води та ідентифіковано відповідно до опису (Саттон Д., Фотергилл Ф., Ринальди М. Определитель патогенных и условно патогенных грибов. - М.: Мир, 2001.-468 с.) [8]. Виділену культуру переносили за допомогою мікробіологічної петлі на косяк з агаризованим середовищем Сабуро та витримували в термостаті 10 днів при температурі 27 °C. Отримані колонії 3 гриба змивали двічі п'ятьма см стерильної водопровідної води. Таким чином густина суспензії 7 3 складала 10 КУО/см . Необхідний об'єм вихідної суспензії вносили у приготовлену стерильну водопровідну воду. Ступінь зараження води складала 34 3 10 10 КУО/см . Контаміновану (забруднену) воду подавали всередину корпусу електрокоагулятора. Очищення 2 проводили при густині струму 20 мА/см . Оброблена в електрокоагуляторі вода направлялась на фільтрування, наприклад, подавалась на зернисте завантаження, що являло собою гранульований силікат алюмінію, або на паперовий фільтр. Відфільтровані зразки води аналізували на наявність мікроскопічних грибів. Виживання виду визначали за наявністю КУО при посіві відібраних проб на агаризоване середовище Сабуро (Методы общей бактериологии: Пер. с англ. / Под. ред. Ф. Герхардта и др. - М.: Мир, 1983. - С. 460-464) [9], та культивуванні протягом двох-трьох діб при 27 °C. Результат виражали, використовуючи модель Чіка - Ватсона (ChickWatson), як від'ємний логарифм співвідношення колоній грибів, що вижили після обробки води (Nt), до вихідної їх кількості (N0) (Haas, С. N., Joffe J., Anmangandla U., Homberger J.C, Heath M.S., Jacangelo J., and dicker J.1995.Development and validation of radiational design methods of disinfection.AWWA Research Foundation, Denver, Colo) [10]. 95857 6 Ступінь видалення культури з води розраховували за співвідношенням: Св=-lg(Nt/N0) де: Св - ступінь видалення культури з води; Nt - кількість колонієутворюючих одиниць після 3 обробки води, КУО/см ; N0 - вихідна кількість колонієутворюючих оди3 ниць у воді, КУО/см . Приклади реалізації за винаходом. Приклад 1. Очистці піддавали воду, контаміновану культурою Candida albicans, як описано вище, ступінь 5 3 зараження становив 110 КУО/см . Воду наливали 3 у ємність об'ємом 2 дм та перистальтичним насо3 сом з швидкістю 1,56 дм /год. подавали в електрокоагулятор. Процес обробки води коагулянтом 2 проводили при =20 мА/см . Оброблену воду фільтрували через паперові фільтри. Залишкова концентрація культури Candida albicans складала 3 0 КУО/см . Ступінь видалення культури з води складала: 5 Св=-lg(0/110 )=5. Тобто, Св=5 означає, що з води видалили всі п'ять порядків дріжджоподібних грибів Candida albicans, так, як вихідне зараження води становило 5 3 110 КУО/см . Дані з видалення Candida albicans з води приведені в таблиці (приклад 2). Приклад 2. Очистці піддавали воду, контаміновану культурою Aspergillus niger, як описано вище, ступінь 4 3 зараження становив 110 КУО/см . Воду наливали 3 у ємність об'ємом 2 дм та перистальтичним насо3 сом з швидкістю 1,56 дм /год. подавали в електрокоагулятор. Процес обробки води коагулянтом 2 проводили при =20 мА/см . Оброблену воду фільтрували через паперові фільтри. Залишкова концентрація культури Aspergillus niger складала 0 3 КУО/см . Ступінь видалення культури з води складала: 4 Св=-lg(0/110 )=4. Тобто, Св=4 означає, що з води видалили чотири порядки міцеліальних грибів Aspergillus niger, 4 так як вихідне зараження води становило 110 3 КУО/см . Дані з видалення Aspergillus niger з води наведені в таблиці (приклад 4). Аналогічно прикладам виконання за винаходом 1,2 були проведені експерименти по видаленню мікроскопічних грибів з води при різному ступені забруднення та різній природі анода. Дані наведені в таблиці, приклади 1-6. 7 95857 8 Таблиця Вихідна кількість колонієутворюючих одиниць мікроскопіМатеріал анода 3 чних грибів у воді, КУО/см Candida albicans Aspergillus niger За винаходом 4 1 10 ПТА 5 2 10 ПТА 5 3 10 Графіт 3 4 10 ПТА 4 5 10 ПТА 4 6 10 Графіт За електрокоагулятором [2] 5 7 10 Сталь-3 4 8 10 Сталь-3 № п/п Як випливає з представлених даних (див. табл., приклади 1-6), здійснення очистки води в електрокоагуляторі заявлюваної конструкції, з використанням інертного анода різної природи, забезпечує високий ступінь очищення води від мікроскопічних грибів, при її зараженні дріжджоподібними грибами роду Candida та міцеліальними грибами роду Aspergillus. Так, при кон45 3 центрації культури Candida albicans10 10 КУО/см 34 3 та Aspergillus niger10 10 КУО/см спостерігається практично повне їх вилучення з води, а саме залишкова концентрація цих мікроорганізмів в очи Ступінь видалення культури, Св 4 5 4,8 3 4 3,9 2 3 3 щеній воді становить 0-2 КУО/см . Одержаний результат не досягається при використанні електрокоагулятора [2] для очистки води (див. табл., приклади 7,8). Перевага запропонованого електрокоагулятора, в порівнянні з відомим [2], полягає в підвищенні ступеня очистки води від мікроміцетів з 1-2 порядків до 4-5 порядків, забезпечуючи при цьому практично повне вилучення мікроскопічних грибів. Це дає можливість одержати безпечну питну воду для споживача. 9 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 95857 Підписне 10 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