Спосіб кондиціювання питної води

Реферат: Спосіб кондиціювання питної води включає електромагнітне опромінення в оптичному спектрі останньої. Використовують опромінення і процес здійснюють у присутності фотокаталізатора й окиснювача UA 80512 U (54) СПОСІБ КОНДИЦІЮВАННЯ ПИТНОЇ ВОДИ UA 80512 U UA 80512 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області питного водопостачання, зокрема до кондиціювання водопровідної води, і може бути використана для одержання нетоксичної, безпечної для здоров'я людини питної води. Тенденції сучасного розвитку вимагають постійного поліпшення якості питної води, наприклад шляхом кондиціювання водопровідної, артезіанської води. Термін "кондиціювання" у даній заявці вживається в наступному значенні: одержання продукту харчування - питної води, нетоксичної, безпечної, яка відповідає фізіологічним потребам людини. Існуючі системи підготовки питної води забезпечують одержання води, яка відповідає вимогам ДСанПін 2.2.4171-10 "Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною". Зареєстр. у Мінюсті України 1 липня 2010р. № 400 [1]. Однак у процесі підготовки питної води відбувається її забруднення токсичними речовинами (продуктами хлорування органічних сполук антропогенних забруднювачів, що надходять у систему водопідготовки), котрі здатні викликати шкідливу дію на організм людини. Токсичність питної води обумовлена також і присутністю різних мікроорганізмів, вірусів, бактерій, мікроміцет, які виділяють токсини, шкідливі для здоров'я людини. Таким чином, отримана питна вода не є кондиційованою. Розвиток нового шостого технологічного укладу вимагає технологій, що можуть надати способам очищення питної води вищий потенціал, заснований на визначенні нетоксичності кондиційованої питної води методом біотестування (Архипчук В.В., Малиновская М.В. Применение комплекного подхода в биотестировании природных вод // Химия и технология воды, 2000. - Т. 22, № 4. - С. 428-443) [2]. Заявник визначив, що вихідна водопровідна вода м. Києва, згідно з даними біотестування, належить до категорії "умовно небезпечна вода" (таблиця 1, приклад 2), що обумовлено вмістом домішок, які впливають на організм людини і навіть можуть викликати можливий канцерогенний ризик. Проблема кондиціювання питної води, вирішення якої спрямовано на одержання питної води гарантованої якості за рахунок усунення її токсичної дії на організм людини, є нагальною й актуальною. Відомий спосіб кондиціювання питної води (RU патент 212994, МПК 6 С02F 1/68, опубл. 1999.05.10) [3]. Суть способу полягає в пропущенні питної води через шар кальційвмісного матеріалу - суміш CaSO4xO, 5H20 і СаСl2 при співвідношенні (32-19): 1. Спосіб забезпечує 3 збереження кальцію в оброблюваній воді на рівні 80-100 мг/дм , що рекомендується ВОЗ (ТУ 9199-001-27418087-96). Як випливає із технічної суті способу [3], його реалізація забезпечує кондиціювання води за одним елементом, тобто даний спосіб має обмежене застосування. Крім цього для реалізації відомого способу необхідно спеціально готувати кальційвмісний матеріал, що ускладнює технологію кондиціювання води. Відомий також спосіб очищення й кондиціювання води (RU патент 2185328, МПК 7 С02F 1/18, 1/28, 1/68; С02F 103/04, опубл. 20.07.2002) [4]. Спосіб полягає у фільтруванні вихідної води через чотири шари фільтруючого завантаження, що складаються із шунгіта-3 Карелії, скам'янілих останків безхребетних, шунгізиту й природного кременя. Залежно від кількості і якості шкідливих домішок потрібен відповідний добір товщини фільтруючих шарів, швидкості фільтрації, порядку розташування шарів, тобто, спосіб складний, не технологічний. При цьому слід зазначити, що використовуються в основному природні мінерали, які не мають широкого розповсюдження в Україні. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі за технічною суттю й результатом, що досягається, є спосіб обробки питної води з використанням хімічних реагентів і ультрафіолетового випромінювання (RU патент 2182128, МПК 6 C02F 1/50, С02F 1/32, С02F 1/76, С02F 103/04, опубл. 10.05.2002) [5]. Спосіб полягає в пропущенні питної води через колонку, завантажену кварцовим піском, обробці зрідженим хлором з балона, витримуванні, електромагнітному опроміненні в оптичному спектрі шляхом обробки ртутними лампами низького тиску, що переважно виробляють Уф-випромінювання довжиною хвилі 254 нм із наступним уведенням розчину аміачної комплексної сполуки срібла формули Ag(NH 3)2O3 або [Ag(NH3)2]O4, або суміші зазначених сполук до досягнення в оброблюваній воді концентрації 3 срібла 0,005-0,05 мг/дм . Згідно з нашими даними, реалізація відомого способу [5] не забезпечує одержання кондиційованої води, тобто нетоксичної, нешкідливої, з фізіологічно повноцінним мінеральним складом. Про це свідчать результати біотестування (Arkhipchuk V.V., Romanenko V.D., Malinovskaya M.V. et al. // Environ. Toxicol., 2000, vol.15, № 4, P. 277-286) [6]: величина індексу загальної токсичності - Ізт становить 57 у.о., що відповідає категорії води "умовно небезпечна" (Таблиця 1, приклад 6). 1 UA 80512 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Задача корисної моделі - вдосконалення способу кондиціювання питної води шляхом використання комплексної дії, яка поєднує опромінення, окиснення й фотокаталіз, що забезпечило б практично повну детоксикацію й знезараження води, і, як наслідок, одержання нетоксичної нешкідливої, що відповідає фізіологічним потребам організму людини, питної води, згідно з показниками біотестування. Поставлена задача вирішується тим, що запропонований спосіб кондиціювання питної води, що включає електромагнітне опромінення в оптичному спектрі останньої, у якому, згідно з корисною моделлю, використовують опромінення в діапазоні довжин хвиль 10 - 760 нм і процес здійснюють у присутності фотокаталізатора й окиснювача; при цьому як фотокаталізатор використовують іони перехідних металів, комплекси іонів перехідних металів, колоїдні системи перехідних металів, напівпровідникові оксиди перехідних металів і напівпровідникові сульфіди перехідних металів, причому колоїдні системи, оксиди і сульфіди перехідних металів 6 використовують із розміром часток 0,5 - 10 нм; електромагнітне опромінення використовують у -5 6 безперервному режимі й в імпульсному режимі із частотою імпульсів 2,5 × 10 - 5 × 10 Гц і -6 3 періодом опромінення 10 - 1,8 × 10 с; як перехідний метал використовують іони заліза, іони церію, іони міді, іони ванадію, іони срібла, іони золота, іони цинку; як комплекс іону перехідного металу використовують гескаціаноферати; як колоїдну систему перехідного металу використовують залізо, срібло, церій, золото; як напівпровідниковий оксид перехідного металу використовують діоксид титану, оксид заліза, оксид цинку, оксид ванадію; як сульфід перехідного металу використовують сульфід цинку, сульфід кадмію; як окиснювач використовують речовину, що містить кисень. Спільна обробка вихідної питної води електромагнітним опроміненням, фотокаталізатором і окиснювачем при умовах, що заявляються, підвищує ступінь деструкції домішок природного й антропогенного походження за рахунок підвищення ступеня використання окиснювача й ефективності опромінення в присутності фотокаталізатора. Таким чином, реалізація способу, що заявляється, дозволяє провести кондиціювання питної води з одержанням нетоксичної, знешкодженої води при збереженні макро- і мікроелементного складу, тобто якість води відповідає фізіологічним потребам людини. Саме сукупність суттєвих ознак корисної моделі, наведених у незалежному пункті формули, забезпечує одержання зазначеного вище технічного результату, а ознаки залежних пунктів, що уточнюють режим електромагнітного опромінення, природу фотокаталізатора, підсилюють цей результат або відображають окремі випадки використання корисної моделі. Спосіб реалізується в такий спосіб. Для здійснення способу використовують кварцовий (термостатований) реактор. У вихідну воду вводять фотокаталізатор і окиснювач. Як фотокаталізатор використовують гомогенний каталізатор - іони перехідних металів (іони заліза, міді, ванадію, срібла, золота, цинку) або комплекси іонів перехідних металів (гексаціаноферати); або гетерогенний каталізатор - колоїдні системи перехідних металів (залізо, срібло, церій); напівпровідникові оксиди перехідних металів (діоксид титану, оксид заліза, оксид цинку, оксид ванадію) або напівпровідникові сульфіди перехідних металів (сульфід цинку, сульфід кадмію). Колоїдні системи перехідних металів, 6 напівпровідникові оксиди й сульфіди використовують із розміром часток 0,5-10 нм. Як окиснювач використовують пероксид водню, воду, кисень, озон. Пероксид водню вводять у вигляді розчину, а при використанні газоподібного окиснювача воду змішують із озоноповітряною сумішшю або з повітрям, або з киснем. Одержану суміш води з каталізатором і окиснювачем піддають електромагнітному опроміненню в оптичному спектрі в діапазоні довжин хвиль 10 - 760 нм (10-390 нм, область ультрафіолетового випромінювання; 400-760 нм, область видимого світла) при температурі 1 - 600 °C. Опромінення проводять як у безперервному -5 6 режимі, так і в імпульсному режимі із частотою імпульсів 2,5 × 10 - 5 × 10 Гц і періодом -6 3 опромінення 10 - 1,8 × 10 с. Обробку Уф-випромінюванням здійснюють за допомогою дейтерієвої лампи; ртутно-кварцових ламп низького тиску класу ДРБ, ламп середнього тиску класу ДРТ, ламп високого тиску класу ДРК, ДРШ; натрієвої лампи класу ДНАТ; і імпульсних ламп: ксенонових, ртутно-ксенонових класу ИФП, ИФК, ИФБ, ИСШ, ИСП, імпульсної кільцевої лампи залежно від необхідного режиму опромінення. Якість отриманої кондиційованої води визначають методом біотестування [2,6]. Приклади виконання за корисною моделлю. Приклад 1. Обробці піддають воду, узяту з водопровідної мережі м. Києва, яка відповідає вимогам 3 ДСанПіН [1]. У вихідну воду об'ємом 1 дм уводять фотокаталізатор - іони заліза в кількості 2 мг і окиснювач - пероксид водню в кількості 6 мг. Температура розчину 200 °C. Розчин поміщають у 2 UA 80512 U 5 10 15 20 25 30 35 реактор і опромінюють світлом з довжиною хвилі 254 нм за допомогою ртутної лампи низького тиску класу ДРБ у безперервному режимі протягом 5 хв. Оброблену воду піддають аналізу. Якість вихідної й кондиційованої води визначають методом біотестування. Біотестування проводять за методикою, розробленою в ІКХХВ ім. Думанського НАН України. Суть методики полягає в комплексному підході до оцінки якості питної води за допомогою біотестування батареєю (набором) тваринних і рослинних організмів [2]. Як тест-об'єкти, тобто інструментів дослідження питної води, використовували: Ріпчаста цибуля (Аllium caepa) - представник однодольних рослин. Процедура біотестування полягає в пророщенні відкаліброваних посадкових цибулин у досліджуваній воді. Критерієм токсичності служать достовірні зміни розмірно-вагових показників корінців у досліджуваній групі в порівнянні з контрольною після експозиції протягом 72 годин. Гідра прісноводна (Hydra attenuata) - представник безхребетних кишковопорожнинних тварин. При проведенні біотестування реєструються морфологічні зміни (сублетальный ефект) і виживаність (летальний ефект) протягом 96 годин. Церіодафнія (Ceriodaphnia affinis Lilljeborg) - більш дрібний і чутливий вид нижчих ракоподібних, які використовують у біотестуванні вод. Критерієм токсичності служить смертність тест-організмів протягом 48 годин (гостра токсичність) і зниження народжуваності при експозиції протягом 7 доби (168 годин) (хронічна токсичність). Риба карась сріблястий (Carassius auratus gibelio) - представник хребетних водних тварин. При проведенні процедури біотестування реєструється кількість загиблих особин у досліджуваній воді протягом 96 годин. Набір тест-організмів, що був використаний, дозволив оцінити загальну токсичність водного зразка, для кількісного вираження якої розроблений індекс загальної токсичності – Iзт [6]. Величина індексу являє собою суму ефектів усіх біотестів, включених у батарею. При використанні 4 біотестів даний індекс не може перевищувати 400 умовних одиниць. За значенням Iзт визначають категорію води від "безпечної" до "дуже небезпечної". Якщо величина Ізт перебуває в межах від 0 до 50 у.о., то вода належить до категорії "безпечна"; якщо величина Ізт становить 51-100 у.о., то вода відповідає категорії "умовно небезпечні води"; при величині І зт, що перебуває в діапазоні 101-200 у.о., воду відносять до категорії "небезпечні води", а у випадках, коли Ізт досягає величини вище 200 у.о., вода належить до категорії "дуже небезпечні води". Як контроль взята "Моршинська" вода. Дані з біотестування контрольної води, кондиційованої води й вихідної водопровідної води представлено в Таблиці 1. Згідно з даними біотестування вихідна водопровідна вода належить до класу "умовно небезпечна", тому що індекс токсичності Ізт рівний 70 у.о. (приклад 2), а кондиційована вода відповідає категорії "безпечна", згідно з величиною І зт, рівною 0 у.о. (Таблиця 1, приклад 3; Таблиця 2, приклад 1) Таблиця 1 № п/п Індекс токсичності 1 Моршинська (контроль) 0 2 Вихідна водопровідна вода 70 Кондиційована вода (приклад виконання 3 0 за корисною моделлю 1) Кондиційована вода (приклад виконання 4 0 за корисною моделлю 2) Кондиційована вода за корисною 5 0-30 моделлю (приклади 1-14, Таблиця 2) 6 Кондиційована вода за способом [5] 57 Категорія води безпечна умовно небезпечна безпечна безпечна безпечна умовно небезпечна 40 45 Приклад 2. Кондиціюванню піддають водопровідну воду, що використовували в прикладі 1 (Таблиця 1, 3 приклад 2). Беруть 1 дм води, вносять фотокаталізатор - іони церію в кількості 2 мг і отриманий розчин поміщають у реактор. Температура розчину 300 °C. Як електромагнітне опромінення в оптичному спектрі використовують Уф-випромінювання з довжиною хвилі 185 нм, що забезпечує використання лампи низького тиску марки ДРБ із частотою імпульсного опромінення 2 2 10 Гц і періодом опромінення 10- с. Обробку проводять протягом 7 хв. У даних умовах 3 UA 80512 U 5 10 окиснювачем служать продукти фотолізу води - гідроксилрадикал, пероксилрадикал, сингелетний кисень. За даними біотестування кондиційована вода належить до класу "безпечна" згідно з величиною Ізт, рівною 0 у.о. (Таблиця 1, приклад 4; Таблиця 2, приклад 3). Аналогічно прикладам конкретного виконання були здійснені досліди з кондиціювання питної води з використанням фотокаталізатора й окиснювача різної природи при електромагнітному опроміненні питної води в оптичному спектрі в діапазоні довжин хвиль 10-760 нм у безперервному й імпульсному режимах. Дані представлено в Таблиці 2. Отримані дані свідчать про високу ефективність способу, що заявляється, реалізація якого забезпечує одержання нетоксичної, знезараженої кондиційованої води, що підтверджується результатами біотестування: величина індексу загальної токсичності - Ізт перебуває в діапазоні 0-30 у.о., що відповідає категорії води "безпечна" ( Таблиця 2, приклади 1-14). Таблиця 2 каталізатор 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 25 30 35 окиснювач Режим опромінення Якість води імпульсний Величина Категорія Кількість, Розмір Кількість, Безпере- Частота Період токсичного кондиціприрода Природа мг/дм3 часток, нм мг/дм3 рвний імпульсів, опромінення, індексу, Ізт йованої Гц с у.о. води Іони заліза 2,0 Н2О2 6,0 + 0 "безпечна" Іони міді 2,0 Н2О2 8,0 10-2 10 "-" Іони церію 2,0 Н2О 10-2 0 "-" Іони цинку 2,0 Н2О2 8,0 + 20 "-" Колоїдна система O2 2 2,0 0,5 × 10 + 0 "-" церію (повітря) Колоїдна система 2,0 0,5 × 102 Н2О2 8,0 102 10-2 0 "-" срібла Колоїдна система 2,0 2,0 × 10 Н2О2 6,0 103 10-3 0 "-" титану 5 2 Гексаціаноферат II 3,0 Н2О2 8,0 2,5 × 1010 20 "-" Гексаціаноферат IIІ 3,0 Н2О2 8,0 102 1,8 × 103 20 "-" Напівпровідниковий O2 6 3,0 10 + 0 "-" оксид титану (повітря) Напівпровідниковий 3,0 10 Н2О2 8,0 102 10-2 30 "-" оксид цинку Напівпровідниковий 2,0 10 Н2О2 6,0 106 10-6 30 "-" оксид ванадію Напівпровідниковий 4 2 2 3,0 10 Н2О2 8,0 10 1020 "-" сульфід цинку Напівпровідниковий 3,0 10 Н2О2 6,0 102 10-2 10 "-" сульфід кадмію ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб кондиціювання питної води, що включає електромагнітне опромінення в оптичному спектрі останньої, який відрізняється тим, що використовують опромінення в діапазоні довжин хвиль 10-760 нм і процес здійснюють у присутності фотокаталізатора й окиснювача. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як фотокаталізатор використовують іони перехідних металів. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як фотокаталізатор використовують комплекси іонів перехідних металів. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як фотокаталізатор використовують колоїдні системи перехідних металів. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як фотокаталізатор використовують напівпровідникові оксиди перехідних металів. 6. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як фотокаталізатор використовують напівпровідникові сульфіди перехідних металів. 7. Спосіб за пп. 1, 4, 5, 6, який відрізняється тим, що використовують колоїдні системи, 6 напівпровідникові оксиди й сульфіди перехідних металів з розміром часток 0,5-10 нм. 8. Спосіб за пп. 1-7, який відрізняється тим, що використовують електромагнітне опромінення в безперервному режимі. 9. Спосіб за пп. 1-7, який відрізняється тим, що використовують електромагнітне опромінення в імпульсному режимі. 4 UA 80512 U 5 10 15 20 25 30 35 40 10. Спосіб за п. 9, який відрізняється тим, що використовують імпульсний режим із частотою -5 6 -6 3 імпульсів 2,5 × 10 - 5 × 10 Гц і періодом опромінення 10 - 1,8 × 10 с, 11. Спосіб за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що як перехідний метал використовують іони заліза. 12. Спосіб за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що як перехідний метал використовують іони церію. 13. Спосіб за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що як перехідний метал використовують іони міді. 14. Спосіб за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що як перехідний метал використовують іони ванадію. 15. Спосіб за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що як перехідний метал використовують іони срібла. 16. Спосіб за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що як перехідний метал використовують іони золота. 17. Спосіб за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що як перехідний метал використовують іони цинку. 18. Спосіб за пп. 1, 3, який відрізняється тим, що як комплекс іону перехідного металу використовують гексаціаноферат. 19. Спосіб за пп. 1, 4, який відрізняється тим, що як колоїдну систему перехідного металу використовують залізо. 20. Спосіб за пп. 1, 4, який відрізняється тим, що як колоїдну систему перехідного металу використовують срібло. 21. Спосіб за пп. 1, 4, який відрізняється тим, що як колоїдну систему перехідного металу використовують церій. 22. Спосіб за пп. 1, 4, який відрізняється тим, що як колоїдну систему перехідного металу використовують золото. 23. Спосіб за пп. 1, 5, який відрізняється тим, що як напівпровідниковий оксид перехідного металу використовують діоксид титану. 24. Спосіб за пп. 1, 5, який відрізняється тим, що як напівпровідниковий оксид перехідного металу використовують оксид заліза. 25. Спосіб за пп. 1, 5, який відрізняється тим, що як напівпровідниковий оксид перехідного металу використовують оксид цинку. 26. Спосіб за пп. 1, 5, який відрізняється тим, що як напівпровідниковий оксид перехідного металу використовують оксид ванадію. 27. Спосіб за пп. 1, 6, який відрізняється тим, що як сульфід перехідного металу використовують сульфід цинку. 28. Спосіб за пп. 1, 6, який відрізняється тим, що як сульфід перехідного металу використовують сульфід кадмію. 29. Спосіб за пп. 1-28, який відрізняється тим, що як окиснювач використовують речовину, що містить кисень. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 5