Композиція для зменшення жорсткості води

Реферат: Даний винахід стосується композиції для зменшення жорсткості води, що включає в себе водорозчинний кремнезем, карбонат натрію та іліт. Композиція для зменшення жорсткості води за даним винаходом може зменшувати жорсткість жорсткої води до рівня її придатності для пиття у простий спосіб і на маломасштабному рівні на тих площах, де відсутнє великомасштабне водоочисне устаткування. UA 99681 C2 (12) UA 99681 C2 UA 99681 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Даний винахід належить до композиції для зменшення рівня жорсткості води, яка уможливлює зменшення рівня жорсткості сирої води, що через її занадто високу жорсткість не являється питною, з метою її використання у якості питної води; зокрема він має відношення до зменшення рівня жорсткості води, яку можна було б застосовувати у побутовому водоочиснику відносно невеликої місткості. За класифікацією у галузі водопідготовки вода поділяється на воду високої якості, воду середньої якості та воду низької якості. Вода високої якості являє собою воду, яка вживається для пиття або прання, вода середньої якості - воду після одноразового використання і оброблену для повторного використання, вода низької якості - забруднену після використання воду. Метою даного винаходу є композиція для зменшення жорсткості води, яка створює можливість змінити склад сирої води з високим рівнем жорсткості таким чином, щоб її можна було вживати як питну воду високої якості, з прийнятним рівнем жорсткості. Застосовуються різноманітні способи зменшення рівня жорсткості сирої води, наприклад, механічна очистка, хімічна очистка та біологічна очистка, причому засіб очистки використовується головним чином як допоміжний до вказаних способів водопідготовки. Побутовий пристрій для водоочистки має широкий спектр можливостей щодо зменшення жорсткості сирої води. Пристрій для очистки побутової води включає в себе флокуляційний накопичувач для флокуляції мікроскопічних завислих речовин, осаджувальний накопичувач для осадження флокульованої речовини та фільтрувальний накопичувач для фільтрування осадженої речовини за допомогою фільтрувальної системи. Пристрій для очистки води обладнаний широкою гамою технічних засобів, здатних безперервно виготовляти цілодобово велику кількість води високої якості. В Кореї маркована велика кількість реагентів для водопідготовки. Існує сім видів флокуляційних реагентів, наприклад, поліхлорид алюмінію, сульфат алюмінію, тощо, і п'ять стерилізуючих дезинфікуючих реагентів, наприклад, рідкий хлор, тощо, і сім видів інших реагентів, наприклад, активоване вугілля, цеоліт, ілліт, тощо, і один вид - інгібітор іржавлення. Повністю марковані двадцять видів реагентів. Флокуляційний реагент служить для флокуляції мікроскопічних часток, суспендованих і плавних часток, а також колоїдних часток більших розмірів, а також для їхнього осадження та відділяння. Іліт має адсорбційну характеристику і звичайно використовується як реагент для видалення речовин, що спричиняють мутність води. Сира вода для виготовлення питної води, у якості якої використовується природна вода як необроблена речовина, містить в собі ряд мінеральних компонентів, наприклад, Mg, Ca, Fe, тощо. Вода, що містить в собі багато солей кальцію та магнію, називається жорсткою водою, а вода, що містить в собі менше солей кальцію та магнію, називається м'якою водою. Йони магнію та кальцію у воді походять від сульфату, карбонату водню і гідрохлориду. Те, що існує у вигляді карбонату водню, треба піддати кип'ятінню та осадженню, завдяки чому відбувається пом'якшення води, яка у цьому випадку називається тимчасово жорсткою водою. Оскільки те, що існує у вигляді сульфату, не осаджується навіть після кип'ятіння, то вода у цьому випадку називається постійно жорсткою водою. Постійно жорстку воду можна пом'якшити при її обробці йонообмінними смолами. Значення, одержане при заміщенні певної кількості Mg і Са у мг, що міститься в 1 л води, на певну кількість СаСО3, називається жорсткістю, і вода з жорсткістю вище 200 називається жорсткою водою, а вода з жорсткістю нижче 100 - м'якою водою. Коли жорсткість води більш висока, вона набуває гіркуватого присмаку, і коли ми вживаємо таку воду, то вона має гіркуватий смак. Відомо, що на легкість пиття води головним чином впливає жорсткість води, тому жорсткість стає при оцінці якості питної води ключовим фактором. У різних країнах існують стандарти на допустиму жорсткість питної води. Стандартом WHO рекомендується жорсткість нижче 500, а в Кореї - нижче 300. "Аналітичний клуб смачної води" при міністерстві охорони здоров’я і соціального забезпечення Японії, у якості параметрів води, пропонує дев'ять рівнів жорсткості у діапазоні 10100 мг/л, вміст ізольованого кисню - 330 мг/л і присутність SiO2. Жорсткість води знаходиться у пропорціональній залежності від вмісту йонів кальцію та магнію, які знаходяться у воді у вигляді двовалентних позитивних йонів, а кремнієва кислота служить для надання воді смаку. У якості компонентів, що погіршують органолептичні властивості води, відомі йони сірчаної кислоти, йони хлористоводневої кислоти та йони магнію як такі, що погіршують смакові якості води. Йони кальцію та йони магнію у сирій воді походять головним чином з CaSO 4 або MgSO4, СаСІ2 або МgСІ2 і СаНСО3 або МgНСО3. 1 UA 99681 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Жорсткість сирої води відрізняється своїм рівнем в залежності від джерела її походження. Звичайно коливається жорсткість сирої води в межах діапазону 80500. Для питної води відповідний діапазон жорсткості знаходиться в межах 60100. Сира вода, що добувається, зокрема, з площ, які багаті на вапнякові породи, має жорсткість, що перевищує 500. У патенті Кореї з реєстраційним номером публікації 10-0330255 описується композиція неорганічного флокуляційного реагенту для водопідготовки, який виготовляється за допомогою пластичного формування з подрібнененої суміші порошку "ячмінного" каменю, вугільного летючого попелу, десульфурованого гіпсу та цеоліту. Вищезгадана композиція використовується для флокуляції мікроскопічних плаваючих речовин. Оскільки ця композиція містить в собі шкідливі для людини компоненти, наприклад, десульфурований гіпс та вугільний летючий попіл, вона не підходить для використання як реагент для підготовки питної води. У патенті Кореї з реєстраційним номером публікації 10-0484561 описується композиція для водопідготовки з метою дезодорації та видалення важких металів, що виготовляється шляхом процесу формування цеоліту, лесу, іліту та діоксиду титану у вигляді гранул. Проте вказана композиція у ролі реагенту для водопідготовки, з метою зменшення рівня жорсткості сирої води, не підходить. Існує спосіб видалення компонентів з кальцієм та магнієм з жорсткої води шляхом обробки жорсткої води йонообмінною смолою. Коли жорстка вода обробляється йонообмінною смолою, а йони Са і Мg заміщуються йонами Na, з сирої води можна видалити більшу частину жорстких компонентів. Коли з сирої води видаляються всі компоненти жорсткої води, видаляються також і корисні для людини мінеральні компоненти, через що смак води погіршується і починає нагадувати дистильовану воду, яка у ролі питної води не годиться. У такому випадку, щоб таку воду можна було вживати як питну, необхідно додати до води певні мінеральні компоненти. Людський організм має потребу у різноманітних мінеральних елементах. Коли таких мінералів не вистачає, людина може захворювати навіть тоді, коли є нестача лише невеликої їх кількості. Найважливіші мінерали у невеликій кількості містяться у продуктах харчування та питній воді і постачаються до всіх частин людського організму. Кальцій та магній - це види найважливіших мінералів, причому кальцій служить для формування кісток та зубів і допомагає забезпечити процес коагуляції крові. Коли виникає нестача кальцію, має місце остеопороз та проблеми, пов'язані з затримкою процесу коагуляції. Відомо, що магній приймає участь у створенні аденозинтрифосфату, що є ключовою речовиною метаболізму людського організму. Коли жорсткість сирої води занадто висока, вода має гіркий присмак, тому вживати її як питну воду не годиться. Коли жорсткість сирої води занадто низька, вода стає неприємною на смак, і припиняється постачання до організму мінералів, корисних для людини, через що виникає потреба підтримання необхідного рівня жорсткості для питної води. Коли природна вода з високим рівнем жорсткості призначається для її перетворення на м'яку воду, з метою використання як питної води, для її використання у ролі питної необхідно підтримувати відповідний рівень жорсткості, причому рівень кальцію та магнію не повинен перевищувати значення жорсткості 100. У будь-якому разі, необхідний для цього рівень очистки води, що відповідав би вищезазначеним стандартам, став би при застосуванні у галузі очистки води корисним засобом. Відповідним чином, задачею даного винаходу є створення композиції для зменшення жорсткості води, яка через свою занадто високу жорсткість не підходить у ролі питної води. Винахідники заявленого винаходу встановили, що розчинний кремнезем легко реагує з йонами кальцію та магнію, які, утворюючи у такий спосіб ЗСаО, SiO 2 і 2MgOSiO2, є компонентами жорсткості сирої води, і що компоненти жорсткості при використанні розчинного кремнезему легко видаляються; отже це і є предметом заявленого винаходу. Композиція для зменшення жорсткості води, згідно з даним винаходом, служить для зменшення жорсткості сирої води, яка буде використовуватися як вода високої якості, до рівня питної води, застосовуючи малогабаритний пристрій в районах, де не обладнані великомасштабні установки. Способи виконання винаходу Жорсткість сирої води, яка переробляється для використання у ролі води високої якості, відрізняється в залежності від районів її добування, але в основному коливається у межах 80180. Сира вода, що добувається у районах з заляганням вапняку, має жорсткість вище 500. Необхідно зменшити цю жорсткість до значень у межах 60100, що є прийнятним рівнем для питної води, якщо вода з високою жорсткістю призначається для використання в якості питної води. Даний винахід має за мету створення композиції для зменшення жорсткості води, що 2 UA 99681 C2 5 10 15 20 25 30 уможливлює зменшення жорсткості сирої води за допомогою розчинного кремнезему. Приклади застосування даного винаходу будуть описані детально. Приклад 1 Тест на визначення характеристики зменшення жорсткості був проведений з використанням сирої води високої якості, зібраної у водоочисній водоймі, розміщеній в Еосангчун-мюн, Данянггун, Чунгбук, Корея. Склад сирої води високої якості наступний. Жорсткість: 163,9 Концентрація кальцію: 49,5 ррm Концентрація магнію: 9,8 ррm -2 Концентрація SO4 : не виявлена Жорсткість = 49,5 (концентрація кальцію)  2,5+9,8 (концентрація магнію)  4.1 10 л сирої води високої якості було влито у скляну тару для питної води місткістю 18 л, сюди помістили на дві години бавовняний пакетик з 20 г розчинного кремнезему, і проводилося вимірювання жорсткості. Одержані результати наведені в Таблиці 1. Коли бавовняний пакетик поміщали на 10 хвилин, утворювалися мікроскопічні частки осаду, який осідав на дно тари. Коли осад був відфільтрований і видалений, була одержана питна вода. Воду високої якості нагрівали і кип'ятили при 100 °C, через що зміна жорсткості була невеликою. Після аналізу встановили, що білі мікроскопічні частки осаду являли собою суміш силікату кальцію та силікату магнію. Розчинний кремнезем, згідно з даним винаходом, був одержаний з копальні кремнезему і подрібнений для одержання порошкоподібних форм з розміром зерен за номером сита 300~400 мешів, а іліт був одержаний з копальні іліту, звідки була відкачана вода, причому іліт був подрібнений до розміру зерен 100200 мешів. SiO2, одержаний у природних умовах, перебуває у різноманітних формах в залежності від кристалічної будови, і тільки кремнієвих водах є розчинним. 3SiO 2H2O має низьку розчинність, але у невеликих кількостях у воді розчиняється. Розчинний кремнезем, що використовується у даному винаході, був добутий у копальні кремнезему, розміщеній в Хйенгсунг-гун, Гангвон-до, Корея. Розчинний кремнезем використовується як звичайний мінеральний кремнезем. Розчинність розчинного кремнезему у воді дорівнює 0,15 г/л (20 °C). Таблиця 1 Класифікація Жорсткість води високої якості Залишкова жорсткість після очистки Зменшення жорсткості Коефіцієнт зменшення жорсткості (%) 35 40 45 50 Очистка кремнеземом 163,9 79,75 84,15 51,39 Очистка нагріванням 145 105 40 27,6 Згідно з оцінками, зменшення концентрації йонів кальцію та магнію, що є елементами жорсткості сирої води, відбувається в результаті реакцій, в основі яких лежать наступні формули реакцій розчинної кремнієвої кислоти. -4 + 3SiO2H2O + Н2О SiO4 + Н +2 -4 Са +SiO2 + Н2О  3CaOSiO2 (силікат кальцію) +2 -4 Мg + SiO2 + Н2О  2MgOSiO2 (силікат магнію) Оскільки силікат кальцію та силікат магнію у воді не розчиняються, осадженням їх розділити неможливо. Приклад 2 Тест на визначення характеристики зменшення жорсткості був проведений з використанням високоякісної сирої води, зібраної у водоочисній водоймі, розміщеній в Букмйеон, Йоунгйеолгун, Гангвон-до, Корея. Сира вода високої якості має наступний склад. Жорсткість: 187,13 Концентрація кальцію: 55,5 ррm Концентрація магнію: 11,8 ppm -2 Концентрація йонів сірчаної кислоти (SC4 ): 152 ppm Був приготований бавовняний пакетик з 41 г композиції для зменшення жорсткості, що містить 20 г порошкоподібного кремнезему, 1,0 г карбонату натрію і 20 г іліту. У цих композиціях кремнезем складав 48,8 ваг. %, карбонат натрію - 2,4 ваг. % і іліт - 48,8 ваг. %. У скляну тару для питної води місткістю 18 л було влито 10 л сирої води високої якості, сюди на дві години помістили бавовняний пакетик, і проводилося вимірювання жорсткості. Одержані результати 3 UA 99681 C2 5 10 наведені в Таблиці 2. Воду високої якості нагрівали і кип'ятили при 100 °C. У кінцевому результаті зміна жорсткості була невеликою. Коли йони Са знаходяться у воді у формі СаНСО3, тобто у випадку використання тимчасово жорсткої води, вони вступають в реакцію з розчинним кремнеземом, в результаті чого утворюється осад силікату кальцію. Коли йони Са знаходяться у воді у формі CaSO 4, тобто у випадку використання постійно жорсткої води, спостерігається дуже низька реакційна здатність розчинного кремнезему. У цьому випадку додають Na 2СО3, щоб перетворити CaSO4 у CaНСО3, а потім проводиться реакція з розчинним кремнеземом. Іліт в основному використовується як водоочисний реагент. Іліт має високу адсорбційну характеристику, завдяки чому він ефективно склеює і видаляє мікроскопічні плавні речовини та підводні мікроорганізми. Оскільки сиру воду високої якості одержують з природних джерел, є потреба у видаленні мікроскопічних плавних речовин та підводних мікроорганізмів. Таблиця 2 Класифікація Жорсткість води високої якості Залишкова жорсткість після очистки Зменшення жорсткості Коефіцієнт зменшення жорсткості (%) Очистка композицією для зменшення жорсткості 187,13 93,04 94,09 50,3 Очистка нагріванням 187,13 136 51,13 27,33 15 20 25 Вміст Са після очистки був 23,5 ррm, а вміст Мg - 4,42 ррm. Приклад 3 Тести проводилися з використанням сирої води високої якості, зібраної у водозбірній водоймі, яка використовувалася у прикладі 2. Був підготовлений бавовняний пакетик з композицією для зменшення жорсткості, що складалася з 22 г розчинного кремнезему, 1,2 г карбонату натрію і 20 г іліту. У цих композиціях розчинний кремнезем складав 51 ваг. %, карбонат натрію - 2,8 ваг. % і іліт - 46,2 ваг. %. У скляну тару для питної води місткістю 18 л було влито 10 л сирої води високої якості, сюди помістили на дві години бавовняний пакетик, і проводилося вимірювання жорсткості. Результати вимірювання показані в Таблиці 3. Воду високої якості нагрівали і кип’ятили при 100 °C. У кінцевому результаті зміна жорсткості була відносно невеликою. Таблиця 3 Класифікація Жорсткість води високої якості Залишкова жорсткість після очистки Зменшення жорсткості Коефіцієнт зменшення жорсткості (%) 30 35 40 Очистка реагентом для водопідготовки 120 57 63 52,5 Очистка нагріванням 120 103 17 14,2 Сира вода з жорсткістю у інтервалі 120200 характеризується тим, що концентрація йонів кальцію знаходиться у межах 3060 ррm, концентрація йонів магнію - 1015 ррm, розчинність водовмісного кремнезему у воді менша за 0,15 г/л, завдяки чому жорсткість води можна -4 зменшити до рівня 60100, підтримуючи вміст йонів кремнезему (SiO 4 ) у воді на рівні 30120 ррm. -4 Підтримувати концентрацію (SiO4 ) на рівні 30120 ррm необхідно для того, щоб знизити концентрацію йонів кальцію та йонів магнію у воді. У композиції для зменшення жорсткості води, згідно з даним винаходом, що складається з розчинного порошкоподібного кремнезему, карбонату натрію та іліту, співвідношення у композиції порошку кремнезему та карбонату натрію визначається в залежності від жорсткості сирої води та вмісту сульфату. Краще, щоб його ваговий % був такий же самий, що і ваговий % водовмісного порошку кремнезему та іліту. 4 UA 99681 C2 5 Необхідно підтримувати рівень 18-22 г порошку кремнезему, 1-1,2 г карбонату натрію і 18-22 г іліту, щоб підтримувати у сирій воді, яка має жорсткість в інтервалі 120200 і концентрацію йонів сірчаної кислоти в інтервалі 100200 ррm, рівень жорсткості 60100. У цих композиціях міститься 44-54 ваг. % розчинного кремнезему, 2,0-3,0 ваг. % карбонату натрію і 44-54 ваг. % іліту. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 Композиція для зменшення жорсткості води, яка відрізняється тим, що вказана композиція складається з 44~54 ваг. % порошку розчинного кремнезему, 2,0~3,0 ваг. % карбонату натрію і 44~54 ваг. % іліту. Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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