СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Российский патент 1997 года по МПК B01D63/10 C02F1/18 

Изобретение относится к способам изготовления устройств для получения воды питьевого качества с предварительной бактерицидной обработкой рабочих поверхностей водоочистителя. Изобретение может быть использовано в технологии изготовления приборов и устройств для получения питьевой воды, апирогенной и воды для гемодиализа, а также мембран для этих устройств.

Известны способы получения питьевой воды, реализованные в водоочистителях различной конструкции, основным недостатком которых является попадание и последующее размножение микроорганизмов в застойных зонах водоочистителя и/или на поверхностях деталей, соприкасающихся с водой, особенно при прекращении ее отбора на длительный период. Для предотвращения этого процесса предлагаются различные методы.

Известен способ получения питьевой воды, реализованный в приборе, в котором камера предварительного фильтрования заполнена биоцидным агентом, иммобилизованным на пористой насадке [1]
Также известен способ стерилизации питьевой воды, реализованный в устройстве, основным элементом которого является фильтр, заполненный микробиоцидной смолой [2]
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, реализованный при изготовлении устройства для очистки воды [3] содержащего последовательно расположенные угольный и мембранный половолоконный фильтр, между которыми размещают бактерицидный агент, например, тиобендазол. Причем тиобендазол или вводится в сырье, из которого изготавливают полое волокно, или в виде порошка наносят непосредственно на готовый фильтр с последующим пропусканием воды через водоочиститель. Посредством диффузии бактерицидный агент проникает в поверхность фильтра.

Однако известный способ не обеспечивает защиты всех поверхностей водоочистителя от вторичного биопоражения (т.е. попадания микробной флоры из воздуха в полости водоочистителя), особенно в период длительных перерывов. Кроме того, микробная флора из исходной воды сорбируется на первичном (угольном) фильтре и выделяет в фильтрат продукты своей жизнедеятельности (токсины), против которых бессилен вторичный фильтр.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое решение, является способ получения водоочистителя, заключающийся в нанесении бактерицидного агента на рабочие поверхности водоочистителя, включая трубопроводы, первичный и вторичный фильтры, с целью исключения не только вторичного биопоражения, но и проскока живой микробной флоры на первичном фильтре.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе фильтрующий элемент и трубопроводы обрабатывают бактерицидным агентом, а в патрон с сорбентом (активированный уголь) добавляют цеолит, также предварительно обработанный бактерицидным агентом.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что мембранный фильтрующий элемент предварительно обрабатывают 0,02-0,15 мас. водным раствором полиакриламида в течение 10-60 с, затем 0,1-1,0 мас. раствором полигексаметиленгуанидина в этаноле в течение 10-60 с при давлении не более 7 атм с последующей продувкой азотом в течение 1-3 мин и промывкой водой в течение 2-5 мин, трубопроводы обрабатывают 0,5-2,0% раствором полигексаметиленгуанидина в смеси ацетон-этанол в соответствии, как 1-2/1 в течение 10-30 мин, при этом в патрон с сорбентом добавляют цеолит, обработанный полигексаметиленгуанидином в количестве не менее 0,5 мас.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Выбор бактерицидного агента обусловлен, с одной стороны, безопасностью для человека, а с другой способностью поражать микробную флору любого происхождения, даже при малой экспозиции, так как в конструкциях водоочистителей время контакта исходной зоны с фильтрующими элементами, как правило, ограничено. Кроме того, бактерицидный агент должен быть нерастворимым в воде, хорошо наноситься на поверхность фильтрующих элементов, образуя при этом прочный трудно разрушаемый слой. Всем перечисленным требованиям удовлетворяет известный метацид полигексаметиленгуанидин (ПГМГ) в своей водонерастворимой форме. Однако известный бактерицид не обладает способностью образовывать прочные соединения с поверхностью мембраны, что может привести к вымыванию бактерицидного агента в процессе дальнейшей эксплуатации прибора в целом, что недопустимо. Поэтому на поверхность мембранного фильтрующего элемента наносят микропористый полимерный слой, причем в качестве полимера выбран полиакриламид в своей водорастворимой форме, способный образовывать на поверхности мембраны тонкую эластичную микропористую пленку, а при последующем нанесении раствора полигексаметиленгуанидина образовывать с последним интер-полимерный комплекс.

Выбор концентрации водного раствора полиакриламида должен обеспечить образование равномерной тонкой полимерной пленки на поверхности мембранного фильтрующего элемента.

Уменьшение концентрации водного раствора полиакриламида не обеспечивает образование равномерной микропористой полимерной пленки на поверхности мембранного фильтрующего элемента.

При увеличении концентрации полиакриламида образуется полимерная пленка равномерной толщины, но дальнейшее увеличение концентрации может привести к образованию толстого полимерного слоя, что вызывает снижение транспортных характеристик мембранного фильтрующего элемента.

Экспериментально определено, что оптимальной концентрацией полиариламида при обработке поверхности мембранного фильтрующего элемента является 0,02-0,2 мас.

Время обработки водным раствором полиакриламида также обусловлено образованием сплошной тонкой полимерной пленки на поверхности мембранного фильтрующего элемента.

Недостаточное время обработки приводит к образованию неравномерной полимерной пленки, увеличение времени обработки обеспечивает образование равномерной полимерной пленки, но дальнейшее увеличение может привести к образованию слишком толстого полимерного слоя, что вызывает снижение транспортных характеристик мембранного фильтрующего элемента.

Экспериментально определено, что оптимальное время обработки составляет 10-60 с.

Концентрация ПГМГ в растворе, наносимом на поверхность мембранного фильтрующего элемента должна быть достаточна для последующего проявления бактерицидного эффекта. При низкой концентрации не вся поверхность мембранного фильтрующего элемента, особенно поры микропористой полимерной пленки из полиакриламида, покрываются бактерицидным агентом, что значительно снижает бактерицидный эффект. Увеличение концентрации ПГМГ в растворе приведет к наличию бактерицидного агента не только на поверхности мембранного фильтрующего элемента, но и в микропорах полимерной пленки из полиакриламида, что увеличит бактерицидный эффект, но может привести к забиванию пор полимерной пленки из полиакриламида мембранного фильтрующего элемента, что будет препятствовать процессу массопереноса, т.е. снижению производительности мембранного фильтрующего элемента. Кроме того, приведет к необоснованному перерасходу реагента.

Экспериментально определено, что оптимальной концентрацией является 0,1-1,0 мас. раствор ПГМГ в этаноле.

Время, в течение которого проводится обработка раствором ПГМГ, должно обеспечить необходимую концентрацию ПГМГ на поверхности мембранного фильтрующего элемента и в микропорах полимерной пленки, но при этом нельзя допустить забивания микропор полимерной пленки на поверхности мембранного фильтрующего элемента.

При недостаточном времени обработки ПГМГ не проникает в микропоры полимерной пленки. При этом не достигается необходимая концентрация ПГМГ на поверхности мембранного фильтрующего элемента и не устанавливается равновесие между сорбцией и десорбцией ПГМГ и активными группами материалов, не происходит полного взаимодействия между ПГМГ и полиакриламидом при образовании интер-полимерного комплекса.

Увеличение времени приводит к равновесию между сорбцией и десорбцией, ПГМГ проникает в поры полимерной пленки из полиакриламида на поверхности мембранного фильтрующего элемента, надежно закрепляясь на поверхности и в порах за счет образования интер-полимерного комплекса. Однако дальнейшее увеличение времени обработки приводит к образованию слишком толстого слоя бактерицидного агента на поверхности и в порах полимерной пленки мембранного фильтрующего элемента, что приводит к снижению производительности.

Экспериментально определено, что оптимальным временем обработки является 10-60 с.

Под воздействием давления пористый полимерный слой мембраны фильтрующего элемента сжимается и отходит от турбулизирующей сетки. При этом ПГМГ проникает в места контакта турбулизирующей сетки с поверхностью мембраны фильтрующего элемента. Это обеспечивает не только равномерный слой бактерицидного агента на поверхности мембраны, но одновременно и "ремонтирует" опасные зоны точки контакта турбулизатора с поверхностью мембраны. В случае обработки мембранного полотна давления не требуется.

При недостаточном давлении пористый полимерный слой мембраны фильтрующего элемента сжат и ПГМГ не проникает в места контакта турбулизатора с поверхностью мембраны, что не обеспечивает нанесения равноверного слоя ПГМГ. Увеличение давления вызывает достаточное сжатие мембраны, что обеспечивает проникновение ПГМГ в места контакта турбулизатора с поверхностью мембраны и при этом образуется равномерный слой ПГМГ на поверхности мембраны фильтрующего элемента. Однако воздействие слишком сильного давления может привести к сильному сжатию мембраны вплоть до ее разрушения.

Экспериментально найдено, что оптимальным давлением для обработки является давление не более 7,0 атм.

Последующая продувка мембранного фильтрующего элемента азотом должна обеспечить получение прочного слоя бактерицидного агента на поверхности мембранного фильтрующего элемента и в порах полимерного слоя.

При недостаточном времени продувки образуется рыхлый легко смываемый содой слой, увеличение времени обеспечивает получение слоя необходимой прочности, но может привести к пересыханию фильтрующего элемента с потерей фильтрующих свойств.

Экспериментально определено, что оптимальным временем продувки является 1-3 мин.

Промывка должна обеспечить удаление излишков бактерицидного агента из слоя и легко растворимых фракций. При недостаточном времени промывки происходит не полное удаление излишков бактерицидного агента. Увеличение времени проведения промывки обеспечивает полное удаление излишков ПГМГ и легко растворимых фракции из слоя, поэтому проведение дальнейшей промывки нецелесообразно, так как приводит к необоснованному увеличению времени процесса.

Опытным путем найдено, что оптимальным временем промывки является 2-5 мин.

Нанесение бактерицидного агента в виде раствора ПГМГ на трубопроводы должно обеспечить защиту всех поверхностей водоочистителя от вторичного биопоражения, особенно в период длительных перерывов в работе.

Выбор оптимальной концентрации раствора ПГМГ, необходимого для нанесения на внутренние поверхности трубопроводов, обусловлен обеспечением необходимых бактерицидных свойств. При недостаточной концентрации ПГМГ в растворе не обеспечивается достаточная концентрация ПГМГ на внутренних поверхностях трубопроводов, что снижает бактерицидный эффект. Увеличение концентрации обеспечивает достаточно плотный слой ПГМГ на поверхности трубопроводов, но дальнейшее увеличение концентрации нецелесообразно, так как образованный слой теряет эластичность и становится хрупким.

Экспериментально определено, что оптимальный бактерицидный эффект достигается при обработке трубопроводов ПГМГ в растворе с концентрацией 0,5-2,0 мас.

Выбор концентрации растворителя ПГМГ, необходимой для обработки внутренних поверхностей трубопроводов, обусловлен материалом трубопроводов. Т.е. обработка раствором ПГМГ определенной концентрации должна обеспечивать хорошую адгезию, но не вызывать сильной пластификации трубопроводов. При снижении концентрации ацетона в этаноле снижается адгезия ПГМГ к поверхности пластиковых трубопроводов. Увеличение концентрации ацетона в этаноле увеличивает адгезию, но может вызвать пластификацию трубопроводов, что приводит к ухудшению механических свойств трубопроводов.

Экспериментально определено, что оптимальным соотношением растворителей является соотношение ацетон-этанол, как 1-2/1.

Время обработки внутренних поверхностей трубопроводов зависит от необходимости проникновения ПГМГ не только в поверхностные, но и в приповерхностные слои.

Уменьшение времени обработки не обеспечивает проникновение ПГМГ в поверхностные слои, что не обеспечивает достаточный бактерицидный эффект. Увеличение времени обработки обеспечивает проникновение ПГМГ не только в поверхностные, но и в приповерхностные слои трубопроводов, но может вызвать сильную пластификацию трубопроводов, что приводит к ухудшению механических свойств трубопроводов.

Экспериментально найдено, что оптимальным временем обработки является 10-30 мин.

Для придания бактерицидных свойств угольному фильтру и защиты его от вторичного биопоражения в него добавляют цеолит, обработанный полигексаметиленгуанидином известным способом.

Количество вводимого в активированный уголь ПГМГ зависит от степени достигаемого при этом бактерицидного эффекта. При недостаточном количестве ПГМГ в активированном угле может быть не достигнута необходимая степень бактерицидности, при которой поражается вся микробная флора. Увеличение количества ПГМГ приводит к достижению необходимой степени бактерицидности, но дальнейшее увеличение количества ПГМГ нецелесообразно, так как не приводит к дальнейшему увеличению степени бактерицидности.

Экспериментально определено, что для достижения необходимого бактерицидного эффекта достаточно ввести в активированный уголь цеолит, обработанный ПГМГ в количестве не менее 0,5 мас.

Пример 1. Берут рулонный элемент марки ЭРО-45-350 на основе ацетатцеллюлозной обратноосмотической мембраны с исходными характеристиками: производительность по водопроводной воде при температуре 15^oC и давлении 3 атм и содержании Ca²⁺65-70 мг/л 1,5-1,6 л/ч и селективностью по Ca²⁺40-42%
Обрабатывают рулон водным раствором полиакриламида (ПАА) концентрацией 0,05 мас. путем прокачивания раствора насосом через напорный канал рулонного элемента при давлении 2 атм в течение 15 с. Затем раствор ПАА из рулонного элемента сливают. После этого обработанный полиакриламидом элемент обрабатывают 80% спиртовым раствором ПГМГ концентрацией 0,2 мас. в течение 5 мин путем прокачки через элемент при давлении 2 атм.

Обработанный рулон продувают азотом при давлении 2 атм, создаваемым линией сжатого азота, в течение 2 мин, для удаления избытка раствора ПГМГ и формирования тонкой полимерной пленки.

Затем рулонный элемент устанавливают на стенд промывки водой при давлении 5 атм и промывают элемент в течение 8 мин.

Обработанный элемент испытывают на водопроводной воде при 15^oC и давлении 3 атм.

Рулонный элемент имеет следующие характеристики: производительность 2,3, -2,4 л/ч и селективность по Ca²⁺53-56% при содержании Ca²⁺ в исходной водопроводной воде 70 мг/л.

Трубопроводы обрабатывают отдельно путем прокачивания спирто-ацетонового 0,2 мас. раствора ПГМГ при соотношении ацетон:этанол, как 2:1 в течение 1 мин насосом при давлении 2 атм.

Затем трубопроводы продувают азотом от сети сжатого азота в течение 10 мин и температуре 15^oC.

Придание бактерицидности угольному патрону осуществляется путем добавки к активированному углю 5% гранул цеолита с привитым метацидом (ПГМГ) (30%).

Обработанные трубопроводы, мембранный элемент и угольный патрон с гранулами цеолита собирают в мембранный бытовой прибор.

Пример 2. Берут рулонный элемент марки ЭРО-45-350 на основе ацетатцеллюлозной обратноосмотической мембраны с исходными характеристиками: производительность по водопроводной воде при температуре 16^oC и давлении 3 атм и содержании Ca²⁺65-70 мг/л 1,8 м/ч и селективностью по Ca²⁺38%
Обрабатывают рулон водным раствором ПАА концентрацией 0,1 мас. путем прокачивания раствора ПАА насосом через напорный канал рулонного элемента при давлении 3 атм в течение 3 мин. Затем раствор ПАА из рулонного элемента сливают. После этого рулонный элемент обрабатывают 60%-ным спиртовым раствором ПГМГ концентрацией 0,3 мас. в течение 3 мин путем прокачки через элемент при давлении 3,5 атм. После обработки спиртовой раствор сливают из рулонного элемента.

Обработанный рулон продувают азотом при давлении 1 атм, в течение 5 мин с целью удаления избытка раствора ПГМГ и формирования тонкой полимерной пленки.

Затем рулонный элемент устанавливают на стенд промывки водой при давлении 3 атм и промывают элемент в течение 6 мин.

Обработанный элемент испытывают на водопроводной воде при 18^oC и давлении 3 атм.

Рулонный элемент имеет следующие характеристики: производительность 2,5 л/ч и селективность по Ca²⁺60% при содержании Ca²⁺ в исходной водопроводной воде 68 мг/л.

Трубопроводы и угольный патрон обрабатывают аналогичным способом как в примере 1.

Результаты, приведенные в таблице, свидетельствуют о высокой эффективности предлагаемого способа бактерицидной обработки всех рабочих поверхностей водоочистителя. Проверка, проводившаяся в санэпидстанции г. Владимира, показала, что фильтрат, полученный с помощью такого водоочистителя, имеет показатели по микробиологии соответствующие ГОСТу на питьевую воду, т.е. коли-индекс < 3.

Использование: изготовление устройств для получения питьевой воды. Сущность изобретения: мембранный фильтрующий элемент обрабатывают 0,02-0,2 мас. % водным раствором полиакриламида в течение 10-60 с, затем 0,1-1,0% раствором полигексаметиленгуанидина в этаноле в течение 10-60 с при давлении не более 7 атм с последующей продувкой азотом в течение 1-3 мин и промывкой водой в течение 2-5 мин, трубопроводы обрабатывают 0,5-2,0 мас.% раствором полигексаметиленгуанидина в смеси ацетон-этанол, в патрон с сорбентом добавляют цеолит, обработанный полигексаметиленгуанидином в количестве не менее 0,5 мас. % и затем осуществляют сборку устройства и подключение к водопроводу. 1 табл.

Способ изготовления устройства для получения питьевой воды, включающий сборку мембранного фильтрующего элемента, патрона с сорбентом в корпус с крышками, трубопроводов ввода водопроводной воды, отвода очищенной воды и концентрата, отличающийся тем, что мембранный фильтрующий элемент предварительно обрабатывают 0,02 0,2 мас. водным раствором полиакриламида в течение 10 60 с, затем 0,1 1,0 мас. раствором полигексаметиленгуанидина в этаноле в течение 10 60 с при давлении не более 7 атм с последующей продувкой азотом в течение 1 3 мин и промывкой водой в течение 2 5 мин, трубопроводы обрабатывают 0,5 2,0%-ным раствором полигексаметиленгуанидина в смеси ацетон-этанол в соотношении 1 2/1 в течение 10 30 мин, при этом в патрон с сорбентом добавляют цеолит, обработанный полигексаметиленгуанидином в количестве не менее 0,5 мас.