НАПОЛНИТЕЛЬ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Российский патент 1999 года по МПК C02F1/18 C02F1/28 C02F1/42 C02F1/50 C02F1/68 

Изобретение относится к области получения питьевой воды, в частности, к наполнителям устройств для очистки, обеззараживания и кондиционирования воды из непроверенных источников. В связи с увеличением общего загрязнения источников потребления воды возникает необходимость в надежной очистке и обеззараживании воды, предназначенной для питья. В значительной степени эту проблему можно решить используя устройства малой и средней производительности, в которых используются наполнители, содержащие неорганические бактерициды (йод и серебро), которые при совместном действии проявляют усиленный обеззараживающий эффект. Однако, отсутствие в очищенной питьевой воде ионов фтора способствует ослаблению защитных функций организма от радионуклидов и кариеса (Книжников В. А. Кальций и фтор. Радиационно-гигиенические аспекты. М. , Атомиздат, 1975, 200 с).

Известен наполнитель устройства для доочистки и обеззараживания водопроводной, родниковой или колодезной воды, состоящий из пяти последовательно соединенных между собой секций, которые заполнены материалами. Вода в наполнителе последовательно проходит через волокнистый фильтрующий материал, йодсодержащую анионообменную смолу, активированный уголь, серебросодержащий катионит, йодсодержащую анионообменную смолу, активированный уголь, смесь анионитов, серебросодержащий катионит и активированный уголь (Патент России N 2008273, кл. C 02 F 1/42, 1994). Наполнитель устройства позволяет очищать воду от загрязнений, содержание которых в воде в несколько раз превышает ПДК. На выходе из устройства получают воду, пригодную для питья и соответствующую ГОСТ 2874. К недостаткам такого наполнителя можно отнести то, что в нем отсутствует компонент, позволяющий проводить профилактику от поражения организма радионуклидами и кариесом, а также высокую многослойность, что требует значительного увеличения избыточного давления воды на входе в наполнитель (требуется дополнительное оборудование). Это осложняет возможность использования такого наполнителя в простых устройствах для очистки и кондиционирования воды в полевых условиях и экстремальных ситуациях.

Известен наполнитель многослойного устройства для очистки и обеззараживания воды, состоящий из слоев, разделенных перегородками. Послойно наполнитель состоит из слоя гранулированного активированного угля, слоя пентайодидной анионообменной смолы, третьего слоя - пустого, свободного от компонентов, слоя анионообменной смолы (в качестве сорбента йода) и слоя активированного угля (PCT 97/06109, C 02 F 9/00, 1997). Наполнитель устройства позволяет очищать и обеззараживать воду. Увеличение обеззараживающей способности наполнителя связано с увеличением времени контакта воды с обеззараживающей компонентой, в том числе и с йодом, выделяющимся из слоя пентайодидной анионообменной смолы.

К недостаткам такого наполнителя можно отнести использование только одного дезинфектанта, вследствие чего не наблюдается синергетический (усиливающий) эффект от использования разных типов обеззараживающих средств. Из-за этого введен в устройство дополнительный "пустой" слой. Также в наполнителе отсутствует компонент, позволяющий проводить профилактику от поражения организма радионуклидами и кариесом.

Известна композиция (наполнитель устройства) для обработки питьевой воды, состоящая из активированного угля и полимерного носителя, в который включены малорастворимые соединения фтора (Патент России N 2092451, кл. C 02 F 1/68, 1998). Композиция позволяет очищать воду от хлорорганических соединений и частично от тяжелых металлов. Выделяемые из композиции ионы фтора способствуют защите организма человека от радионуклидов и кариеса. К недостаткам такой композиции можно отнести слабо выраженные ионообменные свойства, которые не позволяют активно удалять такую примесь, как ионы тяжелых металлов. Кроме того, отсутствие в составе композиции обеззараживающих материалов способствует обрастанию ее бактериями.

Известен многослойный наполнитель устройства для очистки и обеззараживания воды, в котором обработка воды заключается в пропускании ее последовательно через слой йодсодержащей анионо-обменной смолы, слой адсорбента, содержащего серебро или смесь углеродного адсорбента с адсорбентом, содержащим серебро. В наполнитель, по ходу воды, перед йодсодержащей анионообменной смолой могут также входить слои катионообменного материала, анионообменного материала, волокнистого углеродсодержащего сорбента или активированного угля. После йодсодержащей анионообменной смолы, по ходу воды, в наполнитель могут входить слои катионообменного материала, анионообменного материала, волокнистого углеродсодержащего сорбента или активированного угля. Между компонентами наполнителя в местах, где это необходимо, а также на входе и выходе установлены перегородки из пористых полимерных материалов (WO 95/31403, C 02 F 1/42, 1995). Наполнитель имеет высокий ресурс по очистке воды от вредных примесей и ее обеззараживанию при высоких скоростях процесса. Так, при использовании его в индивидуальном устройстве трубчатого типа ресурс по очистке и обеззараживанию воды составляет 25-30 л при начальной скорости пропускания воды - 140-145 мл/мин.

Основным недостатком такого наполнителя является то, что предложенное размещение слоев не позволяет получить на выходе из наполнителя концентрации ионов серебра ниже ПДК (0,05 мг/л), особенно при пропускании первых литров воды. Также к недостаткам наполнителя можно отнести отсутствие компонента, позволяющего проводить профилактику от поражения организма радионуклидами, кариесом и его высокую многокомпонентность, что значительно усложняет наполнитель.

Анализ современного уровня техники показывает, что наиболее близким техническим решением к предлагаемому является наполнитель устройства для обеззараживания воды, который состоит из расположенных последовательно по ходу воды серебросодержащего катионита, модифицированного мадорастворимыми соединениями серебра, йодсодержащего компонента (твердого йода с размером частиц не менее 0,25 мм) и слоя анионита в галогенидной форме - поглотителя йода (Патент России N 2043310, C 02 F 1/50, 1995). Наполнитель устройства позволяет обеззараживать воду с высокой микробной обсемененностью по бактериям различных видов. При этом ресурс обеззараживания воды составляет 30-40 л при скорости пропускания через наполнитель 100 мл/мин. Масса наполнителя при этом составляет 8-10 г. Наполнитель устройства может служить в качестве источника обеззараженной воды в экстремальных ситуациях.

К недостаткам такого наполнителя можно отнести невысокую степень удаления органических примесей (пестициды, хлорорганика) и ионов тяжелых металлов, а также отсутствие компонента, позволяющего проводить профилактику от поражения организма радионуклидами и кариесом. Также к недостаткам можно отнести высокую концентрацию серебра на выходе из наполнителя, которая не соответствует требованиям к питьевой воде (превышение ПДК в 5-9 раз), вследствие чего наполнитель не может быть использован в бытовых целях.

В связи с этим возникла техническая задача - разработка наполнителя устройства для получения питьевой воды с показателями качества удовлетворяющими требованиям ГОСТ 2874 "Вода питьевая", служащей также средством профилактики от поражения организма радионуклидами и кариесом.

Решение задачи достигается тем, что наполнитель устройства для получения питьевой воды включает последовательно слои серебросодержащего адсорбента, йодсодержащего материала, анионита в галогенидной форме, углеродного адсорбента и фторсодержащего адсорбента при их соотношении, об.ч.:
Серебросодержащий адсорбент - 0,5-1,5
Йодсодержащий материал - 1,0-3,0
Анионит в галогенидной форме - 1,0-3,0
Углеродный адсорбент - 0,5-3,0
Фторсодержащий адсорбент - 0,8-3,5
Кроме того, наполнитель может содержать волокнистый полимерный материал в количестве 0,1-4,0 об.ч. с развесом 10-600 г/м, который размещен в виде прокладок между слоями или в виде гибких мешков. Причем в качестве серебросодержащего адсорбента используют смесь серебросодержащего ионита с содержанием серебра 0,1-0,4 г на грамм сухого ионита и углеродного адсорбента, при их соотношении, об.ч.: 0,3-1,0:0-1,0 соответственно, а в качестве фторсодержащего адсорбента используют ионит, содержащий малорастворимый фторид в количестве 0,05-0,4 г/грамм сухого ионита. К тому же, слой фторсодержащего адсорбента может быть расположен после слоя серебросодержащего адсорбента или после слоя анионита в галогенидной форме.

В качестве серебросодержащего ионита используют серебросодержащие сильнокислотные стиролдивинилбензольные катиониты с содержанием серебра не менее 0,1 г серебра на грамм сухого ионита; макропористые катиониты и аниониты, содержащие малорастворимые соединения серебра в таком же количестве.

В качестве йодсодержащего материала используют твердый йод и/или йодсодержащую анионообменную смолу.

В качестве анионита в галогенидной форме используют высокоосновный четвертичноаммониевый стиролдивинилбензольный анионит в хлоридной, бромидной или йодидной форме.

В качестве фторсодержащего адсорбента используют макропористые катиониты и/или аниониты, содержащие в своем составе 0,05-0,4 г фторида кальция или магния на 1 г сухого ионита.

В качестве углеродного адсорбента используют активированные угли или углеродные волокнистые материалы, применяемые в процессах подготовки питьевой воды.

В качестве волокнистых полимерных материалов, разделяющих слои наполнителя в виде прокладок или гибких мешков используют, например, нейтральные или ионообменные волокнистые материалы с развесом 10-600 г/м.

Наполнитель может быть использован в устройствах малой и средней производительности, выполненных в виде одной или нескольких колонн, имеющих круглое, квадратное или фигурное сечение фильтрующего элемента, цилиндрическую или коническую рабочую часть.

Анализ заявляемого наполнителя устройства для получения питьевой воды и известных технических решений показывает, что не имеется совокупности признаков, тождественных по технической сущности заявляемым. Сопоставительный анализ заявляемого решения с известным техническим решением показывает, что заявленное решение отличается качественным и количественным соотношением компонентов наполнителя, а введение фторсодержащего адсорбента обеспечивает профилактику поражения организма радионуклидами и кариесом, то есть, придает воде физиологически необходимые свойства. Наполнитель обеспечивает получение питьевой воды удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к питьевой воде по большему количеству показателей качества (содержание органических примесей, тяжелых металлов, серебра).

Таким образом, заявляемый наполнитель соответствует критерию изобретения "новизна". В литературе и практике отсутствуют сведения о наполнителе, идентичном предложенному и это не следует явным образом из уровня техники. Это позволяет сделать вывод о том, что заявленное решение соответствует критерию "изобретательский уровень". Предложенное решение обеспечивает достижение технического результата, может быть реализовано при получении и кондиционировании питьевой воды, особенно в экстремальных условиях и обеспечивает возможность его многократного воспроизведения, что позволяет сделать вывод об удовлетворении заявляемого изобретения критерию "промышленная применимость".

Работоспособность наполнителя устройства в каждом из представленных примеров определяли по эффективности обеззараживания, степени очистки воды и насыщения ее ионами фтора и серебра.

Сущность изобретения поясняется примерами.

Пример 1. В колонке с внутренним диаметром 10 мм и высотой 170 мм последовательно по ходу очищаемой воды расположены следующие слои: слой серебросодержащего адсорбента (СА), состоящий из смеси активированного угля (АУ1) СКТ (ТУ 6-16-2477-81) с серебросодержащим катионитом (СИ) КУ-23СМ (ТУ 6-06-10-88), слой йодсодержащего компонента (ЙК) в виде йодсодержащей анионообменной смолы СИА-1 (ТУ 64-2-381-87), слой высокоосновного четвертичноаммониевого анионита АВ-17-8чс (ГОСТ 20301) в хлоридной форме (АВ), слой активированного угля (АУ2) БАУ-Б (ГОСТ 6217) и слой фторсодержащего адсорбента (ИФ) КУ-фторатора (ТУ 2227-374- 09201208-98). Объемное соотношение компонентов (слоев) наполнителя и порядок их расположения представлены в таблице 1.

Через колонку пропускают модельный водный раствор приготовленный на воде из Москвы-реки в количестве 30 л с начальной скоростью 100 мл/мин. В состав модельного раствора входят тяжелые металлы: железо, ртуть, свинец, стронций, кадмий в количестве 10 ПДК, органохлориды (хлороформ) - 5 ПДК, фенол -0,005 мг/л, бактерии группы E.Coli - 10^6 кл/л, Staphilococcus aureus - 10^6 кл/л, B.anthracoides - 10M^6 кл/л, вирус полиомелита - 4,0=0,25 lg ТЦД 50/л, цисты лямблий - 5 экз/л, криптоспоридии - 5 экз/л. Содержание на выходе тяжелых металлов составило не более 0,4-0,8 ПДК. Содержание органохлоридов составляло не более 0,2 ПДК, фенола - 0,0003 мг/л. Содержание в воде ионов фтора и серебра на выходе из наполнителя также соответствовало требованиям ГОСТ 2874. Данные представлены в таблице 2.

Содержание бактерий группы E.Coli, Staphilococcus aureus, B.anthracoides, вируса полиомелита, цист лямблий, криптоспоридий на выходе из наполнителя соответствует гигиеническим нормативам.

Анализы на содержание: ртути, свинца, стронция, кадмия проводились атомно-адсорбционным методом; железа - по ГОСТ 4011; ионов фтора - по ГОСТ 4386; ионов серебра - по ГОСТ 18293; органохлоридов и фенолов - по справочнику "Свойства, методы анализа и очистки воды" - Киев: Наукова думка, 1980, ч.1,2; бактерий, вируса полиомелита, цист лямблий - по методическим указаниям по санитарно-биологическому анализу воды поверхностных водоемов - М.: МЗ СССР, 1981.

Пример 2. В устройстве квадратного сечения со стороной 70 мм и высотой 100 мм последовательно по ходу очищаемой воды расположены следующие слои наполнителя: слой на основе смеси углеродсодержащего волокнистого адсорбента КНМ (ТУ 6-16-28-1561-93) с анионитом АВ-17-10П (ГОСТ 20301), содержащим в своем составе малорастворимое соединение серебра AgCl; слой анионита А-505 (PUROLITE), содержащего малорастворимое соединение фтора MqF.; слой йодсодержащей анионообменной смолы БА-1 (ТУ 2227-351-09201208-95); слой высокоосновного четвертичноаммониевого анионита АВ-17-10П в йодидной форме; слой активированного угля АГС-4 (ТУ 6-16-2420-80).

Через наполнитель пропускают модельный водный раствор, приготовленный на водопроводной дехлорированной воде г. Москвы в количестве 450 л с начальной скоростью 150-200 мл/мин. В состав модельного раствора входили тяжелые металлы: железо, ртуть, свинец, кадмий в количестве 5 ПДК, органохлориды - 2 ПДК, фенол - 0,005 мг/л, бактерии группы E.Coli - 10^6 кл/л, Staphilococcus aureus - 10^6 кл/л, B.anthracoides - 10^6 кл/л, вирус полиомелита - 2,0=0,25 lg ТЦД 50/л, криптоспоридии - 5 экв/л. Содержание на выходе тяжелых металлов составило не более 0,4 - 0,8 ПДК. Содержание органохлоридов составляло не более 0,1 ПДК, фенола - 0,0003 мг/л. Содержание в воде ионов фтора и серебра на выходе ив наполнителя также соответствовало требованиям ГОСТ 2874. Данные представлены в таблице 2.

Объемное соотношение компонентов (слоев) наполнителя и порядок их расположения представлены в таблице 1. Содержание ионов серебра, фтора, железа, ртути, свинца, кадмия, хлорорганических соединений и фенола в воде, представлено в таблице 2.

Содержание бактерий группы E.Coli, Staphilococcus aureus, B.anthracoides, вируса полиомелита, криптоспоридии на выходе из наполнителя соответствует гигиеническим нормативам.

Пример 3. В устройстве, состоящем из отдельно расположенных четырех колонок, объемом 550 мл каждая, по ходу воды, загружают наполнитель: слой из смеси активированного угля AC-20G (PUROLITE) с катионитом С-150 (PUROLITE), содержащим в своем составе малорастворимое соединение серебра AgO; слой из смеси йодсодержащей анионообменной смолы БA-1 с твердым йодом (ГОСТ 4159) (размер частиц 1-2,5 мм) в соотношении 1:1; слой высокоосновного четвертичноаммониевого анионита А-100 (PUROLITE) в хлоридной форме; слой углеродсодержащего адсорбента КНМ; слой катионита КУ-23, содержащего малорастворимое соединение фтора CaF. Каждый из слоев наполнителя упакован в гибкий мешок с водопроницаемыми стенками из волокнистого полимерного материала (ВПМ) Agril с развесом 10 г/м.

Через наполнитель пропускают модельный водный раствор в количестве 3000 л со скоростью 1,0 - 1,2 л/мин. Параметры модельного раствора представлены в примере 1. Объемное соотношение компонентов (слоев) наполнителя и порядок их расположения представлены в таблице 1. Содержание ионов серебра, фтора, железа, ртути, свинца, стронция, хлорорганических соединений и фенола в воде, представлено в таблице 2.

Содержание бактерий группы Е.Coli, Staphilococcus aureus, B.anthracoides, вируса полиомелита, цист лямблий на выходе из наполнителя соответствует гигиеническим нормативам.

Пример 4. В колонке с внутренним диаметром 12 мм и высотой 200 мм последовательно по ходу очищаемой воды расположены следующие слои: слой серебросодержащего катионита КУ-23СП (ТУ 2227-363-09201208-96), слой твердого йода, слой высокоосновного четвертичноаммониевого анионита АВ-17-8чс в хлоридной форме, слой активированного угля F400 (Chemviron Carbon), слой высокоосновного анионита АВ-17-10П, содержащего в своем составе малорастворимое соединение CaF. Каждый слой наполнителя отделен от другого волокнистым полимерным материалом ВИОН КН-1 (ТУ 6-12-31-772-91), а на входе и выходе расположен волокнистый полимерный материал ФВНР (ТУ 6-06-655-78) с развесом 600 г/м. Объемное соотношение компонентов (слоев) наполнителя и порядок их расположения представлены в таблице 1. Далее по примеру 1.

Приведенные примеры показывают, что предлагаемый наполнитель устройства для получения питьевой воды позволяет получать воду, являющуюся профилактическим средством от поражения организма радионуклидами и кариесом. Уровень содержания ионов фтора в очищенной и обеззараженной воде соответствует требуемым нормативам (0,5 - 1,5 мг/л). Вода, получаемая с помощью наполнителя, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к питьевой воде по микробиологическим показателям, а также по показателям: содержание органических примесей, тяжелых металлов, серебра. Таких результатов невозможно было добиться при использовании известных технических решений, а использование волокнистых полимерных материалов в виде гибких мешков с водопроницаемыми стенками, в которые загружают компоненты (слои) наполнителя позволяет значительно упростить процесс компановки устройств с использованием предлагаемого наполнителя.

Изобретение относится к получению питьевой воды, в частности, к наполнителям устройств для очистки, обеззараживания и кондиционирования воды из непроверенных источников. Наполнитель устройства для получения питьевой воды включает последовательно по ходу воды слои серебросодержащего адсорбента, йодсодержащего материала, анионита в галогенидной форме, углеродного адсорбента и фторсодержащего адсорбента при их соотношении, об.ч.: серебросодержащий адсорбент 0,5-1,5, йодсодержащий материал 1,0-3,0, анионит в галогенидной форме 1,0-3,0, углеродный адсорбент 0,5-3,0, фторсодержащий адсорбент 0,8-3,5. Кроме того, наполнитель может содержать волокнистый полимерный материал в количестве 0,1-4,0 об.ч. с развесом 10-600 г/м, который размещен в виде прокладок между слоями или в виде гибких мешков. Причем в качестве серебросодержащего адсорбента используют смесь серебросодержащего ионита с содержанием серебра 0,1-0,4 г/г сухого ионита и углеродного адсорбента, при их соотношении, об.ч.: 0,3-1,0 : 0-1,0 соответственно, а в качестве фторсодержащего адсорбента используют ионит, содержащий малорастворимый фторид в количестве 0,05-0,4 г/г сухого ионита. Слой фторсодержащего адсорбента может быть расположен после слоя серебросодержащего адсорбента или после слоя анионита в галогенидной форме. Полученная питьевая вода удовлетворяет требованиям к питьевой воде по таким показателям качества, как содержание вредных органических примесей, тяжелых металлов, микробиологическим показателям, а также обладает профилактическими свойствами от поражения организма радионуклидами и кариесом. 9 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Наполнитель устройства для получения питьевой воды, включающий слои серебросодержащего адсорбента, йодсодержащего материала и анионита в галогенидной форме, отличающийся тем, что он дополнительно содержит слои углеродного адсорбента и фторсодержащего адсорбента при соотношении слоев наполнителя, об.ч.:
Серебросодержащий адсорбент - 0,5 - 1,5
Йодсодержащий материал - 1,0 - 3,0
Анионит в галогенидной форме - 1,0 - 3,0
Углеродный адсорбент - 0,5 - 3,0
Фторсодержащий адсорбент - 0,8 - 3,5
2. Наполнитель по п.1, отличающийся тем, что серебросодержащий адсорбент представляет смесь серебросодержащего ионита с содержанием 0,1 - 0,4 г серебра на 1 г сухого ионита и углеродного адсорбента при соотношении в смеси, об.ч.:
Углеродный адсорбент - 0 - 1,0
Серебросодержащий ионит - 0,3 - 1,0
3. Наполнитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве йодсодержащего материала используют йодсодержащую анионообменную смолу и/или твердый йод. 4. Наполнитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве фторсодержащего адсорбента используют ионит, содержащий малорастворимый фторид в количестве 0,05 - 0,4 г/г сухого ионита. 5. Наполнитель по п.1, отличающийся тем, что слой фторсодержащего адсорбента расположен после слоя серебросодержащего адсорбента. 6. Наполнитель по п.1, отличающийся тем, что слой фторсодержащего адсорбента расположен после слоя анионита в галогенидной форме. 7. Наполнитель по п.1, отличающийся тем, что он содержит волокнистый полимерный материал в количестве 0,1 - 4,0 об.ч. 8. Наполнитель по пп.1 - 7, отличающийся тем, что в качестве волокнистого материала используют волокнистый полимерный материал с развесом 10 - 600 г/м. 9. Наполнитель по пп.1 - 7, отличающийся тем, что волокнистый полимерный материал используют в виде прокладок между слоями. 10. Наполнитель по пп.1 - 7, отличающийся тем, что каждый слой наполнителя помещен в гибкие мешки с водопроницаемыми стенками из волокнистого полимерного материала.