УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ОТ РАДИКАЛЬНЫХ И ИОН-РАДИКАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ И ЕЕ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C02F1/18 C02F1/28 C02F103/04 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для улучшения потребительских качеств воды, которая поступает из городского водопровода, накопительных емкостей или природных источников, путем ее очистки и кондиционирования.

Предлагаемое устройство предназначено для различных отраслей народного хозяйства, но может найти наибольшее распространение при индивидуальном применении, для поддержания здоровья человека и улучшения его экологической среды существования.

В последние годы, по мере накопления статистических данных, было доказано, что бактерицидная обработка воды галогенами (фтором, хлором или их соединениями) вызывает существенное повышение риска возникновения различного вида онкологических заболеваний (Hildesheim М.Е. & all. Drinking water source and chlorination byproducts. Risk of colon and rectal cancers. Epidemiology, 1998, v. 9, p. 29-35), [1] дефектов рождения (Magnus P. & all, Water chlorination and birth defects. Epidemiology, 1999, v.10, pp. 513-7) [2] и кардиологических заболеваний (Rewis N. W. & all. Relationship of drinking water disinfectants to plasma cholesterol and tyroid hormone levels in experimental studies. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1986, v. 83(5), p. l485-9) [3]. Однако в случае прекращения бактерицидной обработки, особенно в крупных городах, возникает огромная опасность появления эпидемиологических заболеваний.

Основной причиной появления опухолевых заболеваний при употреблении хлорированной воды можно считать образование в ней долгоживущих радикальных и ион-радикальных частиц органического происхождения при взаимодействии галогена и органических остатков, поступающих из природных источников и водоемов. В последнее десятилетие появились экспериментальные подтверждения возникновения долгоживущих макрорадикалов белковой и пептидной природы в водных растворах, обработанных хлорсодержащими окислителями (Dean R.T. & all. Biochemistry and pathology of radical - mediated protein oxidation. Biochem. J., 1997, v. 324, p. 1-18) [4].

В существующих ГОСТ на питьевую и водопроводную воду определение подобного показателя не предусмотрено, например ГОСТ Р 51232-98 "Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества" [5].

Известно устройство для очистки питьевой воды (патент RU 2078046, C 02 F 1/18, 1997) [6], которое содержит многослойную фильтрующую загрузку, включающую слой волокнистого полимерного материала, слой смеси анионита и катионита, слой йодсодержащего материала, слой волокнистого амфотерного материала, слой сильноосновного анионита и слой смеси активированного волокнистого угля и анионита.

Основным недостатком такого устройства является то, что он имеет ограниченную сорбционную емкость и при ее превышении теряет фильтрующие свойства.

Наиболее близким аналогом к изобретению является устройство для очистки и кондиционировании питьевой воды (патент RU 2056358, C 02 F 1/18, 1997) [7] со слоем загрузки из природного минерала шунгита и последующим слоем из карбонатсодержащей породы.

Основным недостатком этого устройства является то, что карбонатные породы, используемые в фильтре, являются источником микробиологического загрязнения фильтруемой воды, которая после непродолжительного настаивания приобретает болотный вкус и запах.

Задача, на которую направлено изобретение - устранение микробиологического загрязнения воды.

Техническим результатом изобретения является получение воды, изначально очищенной от вредных примесей, патогенных микроорганизмов и, самое главное, радикальных и ион-радикальных частиц.

Вышеназванный технический результат достигается за счет того, что устройство для очистки питьевой воды от радикальных и ион-радикальных частиц и ее кондиционирования, содержащее корпус, верхнюю и нижнюю крышки с подающим и отводящим патрубками и расположенные последовательно по току воды в корпусе активный и нейтрализующий слои, содержит дополнительно водорассекающий слой, расположенный первым по току воды и выполненный из волокнистого полимерного материала или силикатного песка, активный слой выполнен из материала, содержащего не менее 5% по весу фуллерены, и/или графены, и/или углеродные нанотрубки и наполнителя, выбранного из ряда: силикатные породы, алюмосиликаты, кремнезем, а нейтрализующий слой выполнен из стерилизованных карбонатных пород.

Устройство может содержать дополнительные слои между активным и нейтрализующим слоями и/или после нейтрализующего слоя, выполненные из волокнистого полимерного или углеродного материала или песка.

Искомый технический результат может быть также достигнут, если активный и нейтрализующий слои будут расположены в отдельных, соединенных последовательно между собой корпусах, выполненных, например, из керамики или нержавеющей стали.

Известные технические решения не позволяют в полной мере достигать поставленный технический результат.

В отличие от известных решений предлагаемое позволяет достигнуть поставленный технический результат за счет того, что активный слой устройства выполнен из материала, содержащего графены, фуллерены и углеродные нанотрубки (см. Endo M., Takeuchi К. & all. Staking nature of grahpene layers in carbon nanotubes and nanofibers. J. of Phys. & Chem. Solids, 1997, v. 58, pp. 1707-12 [8]), который очищает воду по каталитическому принципу и дезактивирует свободные радикалы.

В качестве материала, содержащего графены, фуллерены и углеродные нанотрубки, могут быть использованы как искусственно приготовленные смеси, смешанные с наполнителем, так и предварительно стерелизованные и измельченные природные минералы или породы, содержащие указанные вещества в своем составе, например карельский шунгит.

В качестве нейтрализующего и очищающего слоя могут быть использованы любые измельченные карбонатные породы. Необходимое условие - тщательная стерилизация подготовленных к использованию пород.

Устройство работает следующим образом.

С помощью переходника устройство присоединяют к водопроводному крану и включают воду. Очищаемая вода по патрубку через нижнюю крышку входит в корпус устройства и распределяется с помощью волокнистого полимерного материала или песка, где одновременно освобождается от макрочастиц.

После этого вода поступает на активный слой, где удаляются радикальные, ион-радикальные и коллоидные частицы, частицы высокодисперсных взвесей железа, в частности окисного, и временно понижается pH раствора до величины 4-5,5.

Предполагаемый механизм освобождения воды от макрорадикалов органической природы заключается в том, что фуллерены, и/или графены, и/или углеродные нанотрубки активируют молекулярный кислород, находящийся в воде, который, во-первых, выступает в качестве перехватчика частиц радикальной и ион-радикальной природы, а во вторых, способствует их окислению до более низкомолекулярных продуктов.

После прохождения активного слоя фильтруемая вода поступает на нейтрализующий и очищающий слой. В этом слое при взаимодействии подкисленной воды с карбонатной породой временно сниженный pH раствора нейтрализуется до величины 7,4, в воду переходят катионы в основном второй группы периодической системы кальция, магния, а также карбонатные анионы, которые при взаимодействии с водой превращаются в гидрокарбонатные. Следует отметить, что на границах контакта карбонатных частиц возможно образование золей и гелей, улавливающих тяжелые металлы.

Полученная в результате очистки вода относится к гидрокарбонатным водам и оптимальна по солевому составу для обеспечения жизнедеятельности человека.

После прохождения нейтрализующего слоя очищенная вода по патрубку, расположенному на верхней крышке, поступает к потребителю.

Подобное размещение слоев многослойной сорбционной загрузки позволяет производить глубокую высокоэффективную очистку воды как от механических примесей, так и радикальных и ион-радикальных частиц. Конструкционная особенность устройства, динамическое образование дополнительного фильтрующего слоя, позволяет долгое время обеспечивать эффективную очистку воды и водных растворов.

Таким образом, настоящей заявкой предлагается устройство для очистки питьевой воды от радикальных и ион-радикальных частиц и ее кондиционирования, разработанное и опробованное на основании результатов инициативных работ сотрудников ряда естественных факультетов МГУ им. М.В. Ломоносова и лечебных учреждений г. Москвы. Результаты этих работ свидетельствуют о возможности создания устройства, позволяющего значительно снизить концентрацию радикальных и ион-радикальных частиц в потребляемой человеком питьевой воде (в том числе и водопроводной). Опытные образцы устройства для очистки питьевой воды от радикальных и ион-радикальных частиц и ее кондиционирования успешно круглосуточно работают в течение более чем 6 месяцев без потери эффективности очистки.

Например, как следует из представленных ниже данных (таблица), исследования Московской водопроводной воды методом хемолюминисценции с добавлением люминола (Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов, М.: Высшая Школа, 1989, 199 стр.), отражающим общую активность свободно-радикальных частиц в исследуемом растворе, показало, что при использовании предлагаемого устройства для очистки питьевой воды люминол-зависимая хемолюминесценция воды на выходе полностью исчезает, вне зависимости от ее интенсивности в воде на входе.

Для регистрации хемилюминесценции проб воды использовали сцинтилляционный спектрограф Mark II (Nuclear Chicago, США), оснащенный ФЭУ EMI 9750QB/1 с максимальной фоточувствительностью в сине-зеленой области спектра, работающий в режиме счета одиночных фотонов. Воду в объеме 20 мл наливали в стандартные флаконы для сцинтилляционного счета, изготовленные из боросиликатного стекла. Флакон с водой помещали в счетную камеру и после регистрации уровня "собственного" излучения воды в нее вносили 0,1 мл запасного раствора люминола до конечной концентрации 25 мкМ. Излучение регистрировали в течение 6 мин. В качестве контроля с минимальным уровнем излучения и полным отсутствием реакции на внесение люминола использовали бидистиллированую воду - особо чистую воду, практически не содержащую посторонних неорганических и органических примесей, которая предназначена для использования сугубо в научных целях.

Как следует из представленных в таблице данных, наилучшие результаты по очистке воды от радикальных и ион-радикальных частиц получены при пропускании воды через предлагаемое устройство, хотя и фильтр-прототип очищает воду существенно лучше, чем фильтры, наполнителем которых является активированный уголь. Из полученных данных следует, что очистка воды определяется углеродными микрокластерами, однако стерилизация материалов позволяет еще в большей степени повысить степень очистки воды. Кроме того, сравнение эффективности очистки воды фильтром-прототипом и предлагаемым устройством после их использования более 6 месяцев показало заметное ухудшение чистящих свойств прототипа (степень превышения излучения над излучением бидистиллированной воды возросла до 30-40) и неизменность эффективности очистки воды на предлагаемом устройстве за счет постепенного увеличения содержания микроорганизмов в слое нестерилизованного доломита фильтра-прототипа.

Поскольку предлагаемая конструкция фильтра предназначена, в основном, для использования в бытовых целях, то существуют некоторые ограничения на использование материалов, из которых изготавливаются корпус и крышки с патрубками. Основное требование - материалы должны быть разрешены к применению в пищевом производстве. С этой точки зрения наиболее предпочтительными материалами для изготовления корпуса фильтра являются керамика и пищевая сталь. Применение стекла или другого прозрачного материала для изготовления корпуса фильтра - нежелательно, т.к. прозрачное стекло пропускает солнечные лучи и в процессе эксплуатации фильтра на свету, в водной среде, возможно начало роста сине-зеленых водорослей.

Устройство предназначено для очистки питьевой воды и водных растворов от радикальных и ион-радикальных частиц и ее кондиционирования. Оно представляет собой фильтр, содержащий корпус, верхнюю и нижнюю крышки, подающий и отводящий патрубки и расположенные последовательно по току воды в корпусе водорассекающий слой, выполненный из волокнистого полимерного материала или силикатного песка, активный слой, выполненный из материала, содержащего не менее 5% по весу графены, и/или фуллерены, и/или углеродные нанотрубки, и наполнитель (силикатные породы, алюмосиликаты, кремнезем), а также нейтрализующий (кондиционирующий) слой, выполненный из стерилизованных карбонатных пород, преимущественно доломита. Устройство может содержать дополнительный слой, выполненный из волокнистого полимерного или углеродного материала, расположенный между активным и нейтрализующим слоями и/или после нейтрализующего слоя. Кроме того, активный слой может быть выполнен из предварительно измельченного и стерилизованного природного графен-содержащего минерала шунгита. Устройство обеспечивает получение воды, очищенной от вредных примесей, патогенных микроорганизмов и радикальных и ион-радикальных частиц. 2 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Устройство для очистки питьевой воды от радикальных и ион-радикальных частиц и ее кондиционирования, содержащее корпус, верхнюю и нижнюю крышки с подающим и отводящим патрубками и расположенные последовательно по току воды в корпусе, активный и нейтрализующий слои, отличающееся тем, что оно содержит дополнительно водорассекающий слой, расположенный первым по току воды и выполненный из волокнистого полимерного материала или силикатного песка, активный слой выполнен из материала, содержащего не менее 5% по весу фуллерены и/или графены и/или углеродные нанотрубки, и наполнителя, выбранного из ряда: силикатные породы, алюмосиликаты, кремнезем, а нейтрализующий слой выполнен из стерилизованных карбонатных пород. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит дополнительные слои между активным и нейтрализующим слоями и/или после нейтрализующего слоя, выполненные из волокнистого полимерного или углеродного материала, или песка. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что активный и нейтрализующий слои расположены в отдельных, соединенных последовательно между собой корпусах.