УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОДЫ Российский патент 2002 года по МПК C02F1/18 C02F1/28 C02F1/68 C02F103/04 

Изобретение относится к устройствам для очистки водопроводной воды и воды из открытых водоемов от присутствующих в ней вредных органических и неорганических соединений. Изобретение, в частности, позволяет с высокой эффективностью очищать воду от долгоживущих свободно-радикальных частиц, получать питьевую воду, обогащенную ионами кальция и магния до биологически благоприятных концентраций, а также подавляющую размножение микроорганизмов и синтез ими токсических вторичных метаболитов.

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

В последние годы было доказано, что бактерицидная обработка воды галогенами (фтором или хлором) вызывает существенное повышение риска возникновения 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), дефектов рождения (Magnus P. & all, Water chlorination and birth defects., Epidemiology, 1999, v.10, pp.513-7) 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. 1485-9). Однако, в случае прекращения бактерицидной обработки, особенно в крупных городах, резко возрастает опасность возникновения эпидемий желудочно-кишечных инфекций.

Основной причиной повышения риска развития хронических заболеваний при регулярном потреблении подвергнутой хлорированию воды можно считать образование в ней долгоживущих радикальных и ион-радикальных частиц, неизбежно возникающих при взаимодействии галогена и органических соединений, присутствующих в воде из природных водоемов (Воейков В.Л., Асфарамов P.P., Розенталь В.М. Опасные для здоровья побочные продукты в хлорированной воде, способы их обнаружения и устранения. "Экополис 2000: Экология и устойчивое развитие города". Материалы 111-й Международной конференции Москва, МГУ, 24-25 ноября 2000 г. М.: Изд-во РАМН, 2000. С. 226-230). Необходимость очистки питьевой воды от такого рода субстанций является весьма актуальной задачей, хотя 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").

Известно устройство для очистки питьевой воды (патент RU 2078046, C 02 F 1/18, 1997), 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 выходящая с него вода резко обедняется необходимыми для здоровья микроэлементами и солями, к тому же из-за ограниченной сорбционной емкости его элементов они через некоторое время теряют способность очищать воду. Кроме того, адсорбционный принцип очистки воды, заложенный в это и подобные ему устройства, не позволяет полностью устранить из нее радикальные частицы. Дело в том, что концентрация этих частиц в воде очень низка и согласно закону действующих масс скорость реакции (в данном случае - адсорбции частиц на поверхности сорбентов), определяемая их концентрацией, может оказаться недостаточной для их устранения из воды при обычно используемых скоростях протока воды через адсорбент.

Наиболее близким аналогом к изобретению является устройство для очистки и кондиционирования питьевой воды (патент RU 2056358, C 02 F 1/18, 1997) со слоем загрузки из природного минерала шунгита для первичной обработки в нем воды, снижающей рН, и последующем слоем из карбонатсодержащей породы. Шунгит обладает способностью активировать кислород и за счет этого катализировать в воде свободно-радикальные процессы, в ходе которых происходит эффективное удаление радикальных частиц за счет реакций рекомбинации свободных радикалов. Данное техническое решение принято за прототип предложения.

Основным недостатком прототипа является то, что природные минералы, используемые в фильтре, являются источником микробиологического загрязнения фильтруемой воды, которая после непродолжительного настаивания приобретает болотный вкус и запах. Кроме того, в ходе эксплуатации этого устройства оно может подвергнуться дополнительному микробиологическому загрязнению и его стерилизация сопряжена со значительными трудностями.

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

Технический результат, получаемый от реализации изобретения, заключается в получение воды, очищенной от вредных примесей, патогенных микроорганизмов, а также радикальных и ион-радикальных частиц.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для очистки и кондиционирования воды, содержащем корпус с подводящим и отводящим патрубками, заполненный активным и нейтрализующими слоями, и по крайней мере одной перегородкой с отверстиями для протока воды, отделяющей активный и нейтрализующий слои от секции для подачи воды, корпус выполнен из керамики, не глазурованной на внутренней поверхности, а перегородки выполнены из термостойкого инертного материала, например, керамики или серебра, причем размеры отверстий для протока воды в перегородках находятся в пределах 0,1-3 мм.

Керамический корпус устройства снаружи покрыт глазурью.

Активный слой выполнен из материала, содержащего углеродные микрокластеры, преимущественно измельченный шунгит с размерами 3-10 мм.

Нейтрализующий слой, выполнен из измельченных до размеров 3-10 мм карбонатных пород, преимущественно доломита.

Корпус может быть снабжен по крайней мере одной парой дополнительных перегородок, разделяющей чередующиеся активные и нейтрализующие слои. Это позволит предотвратить перемешивание слоев.

Корпус также может быть снабжен дополнительной перегородкой, отделяющей верхний слой наполнителя от секции для отбора воды. Такое выполнение предотвратит забивание выходного отверстия наполнителем, если пользователь ошибочно начнет пропускать через устройство воду с повышенной скоростью.

В случае расположения наполнителя так, что его верхним слоем является активный, обеспечивается получение воды с повышенной активностью водородных ионов (пониженное значение рН), обладающей лечебными свойствами при специфических заболеваниях.

В случае же, если верхним слоем наполнителя является нейтрализующий, очищенная вода обладает свойствами столовой минеральной воды (нормальное значение рН, оптимальные концентрации ионов Са²⁺ и Mg²⁺.

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

Предлагаемое же изобретение свободно от недостатков прототипа и описанных известных аналогов, а кроме того, решает принципиально новую с точки зрения потребителя задачу: освобождая воду от радикальных и ион-радикальных частиц, оно может функционировать в течение неопределенно долгого времени благодаря возможности с помощью простой операции и без применения химических средств регулярно стерилизовать и реактивировать устройство для очистки воды в ходе его эксплуатации без замены его активных компонентов. Это позволяет считать предложение, соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства; на фиг.2 - график измерения люминол-зависимой хемолюминесценции воды.

Устройство содержит выполненный из пищевой керамики цилиндрический корпус 1, в нижней части которого имеется отверстие 2 для патрубка ввода очищаемой воды; а в верхней - отверстие 3 для вывода очищенной воды, верхнюю крышку 4, герметично фиксированную на корпусе. Внутри корпуса 1 по ходу движения очищаемой воды размещены следующие слои: термостойкая перегородка 5 с отверстиями диаметром 0,1-3 мм, активный слой 6, выполненный из материала, содержащего углеродные микрокластеры, термостойкая перегородка 7 с отверстиями диаметром 0,1-3 мм, нейтрализующий слой 8, выполненный из минеральных пород, содержащих карбонаты кальция и магния, например доломит, термостойкая перегородка 9 с отверстиями диаметром 0,1-3 мм.

В качестве материала, содержащего углеродные микрокластеры, могут быть использованы как искусственно приготовленные смеси, смешанные с наполнителем, так и измельченные, содержащие их природные минералы, например карельский шунгит.

Термостойкие перегородки с отверстиями для протока воды выполнены из инертного материала, например керамики или серебра.

Керамический корпус выполнен таким образом, что его внутренняя поверхность частично или полностью не глазурована. Также не покрываются глазурью перегородки, разделяющие слои минералов, если они выполнены из керамики.

Каждый из материалов, из которых изготовлено устройство, выполняет собственную функцию, обеспечивающую общий полезный эффект.

Устройство работает следующим образом. После сборки устройства его подвергают стерилизации либо путем автоклавирования при 0,8 атм. в течение 40 минут, либо путем выдерживания в кипящей воде в течение одного часа. В результате осуществляется полная стерилизация компонентов фильтра.

Для очистки водопроводной воды подводящее отверстие устройства с помощью патрубка и переходника присоединяют к емкости с водопроводной водой или водопроводному крану и подают на него воду со скоростью, не превышающей 6 литров в час. После консервации устройства на срок более 1 недели рекомендуется перед его последующим использованием подвергнуть устройство стерилизации путем кипячения в воде в течение 1 часа.

Предлагаемый механизм освобождения воды от макрорадикалов органической природы заключается в том, что материал, содержащий углеродные микрокластеры, способствует окислению частиц радикальной и ион-радикальной природы до более низкомолекулярных продуктов. Благодаря известным физико-химическим процессам, обусловленным закислением воды в активном слое и ее защелачиванием в нейтрализующем, на границе двух слоев происходит удержание солей металлов, в частности солей железа, а при взаимодействии подкисленной воды с карбонатной породой в воду переходят в основном катионы кальция, магния (второй группы периодической системы), а также карбонатные анионы, которые при взаимодействии с водой превращаются в гидрокарбонатные. Полученная вода содержит ионы магния и кальция в оптимальных для жизнедеятельности человека концентрациях.

Активную роль в очистке воды от радикальных частиц играет керамический корпус устройства и установленные в нем керамические перегородки. Как следует из фиг.2, даже при простом отстаивании водопроводной воды в керамическом, но не покрытом изнутри глазурью стакане, скорость снижения ее люминол-зависимой хемилюминесценции существенно возрастает по сравнению с той, которая наблюдается при отстаивании той же воды в стеклянном или покрытом изнутри глазурью стакане (интенсивность люминол-зависимой хемилюминесценции водопроводной воды отражает скорость протекающих в ней окислительных процессов, связанных с устранением свободных радикалов). Следовательно, неглазурованная керамика обладает способностью ускорять реакции, при которых происходит инактивация свободных радикалов.

Такое свойство керамики позволяет повысить скорость протока воды через устройство, корпусом которого является неглазурованная изнутри керамика, в 3-5 раз по сравнению со скоростью протока воды через сосуды такой же конфигурации, и емкости, заполненные теми же минералами, и в том же соотношении, но выполненные из других материалов (пластик, стекло, нержавеющая сталь, покрытая глазурью керамика) с достижением более высокого количественного эффекта по уменьшению содержания в воде радикалов (табл.1).

Изготовление корпуса из керамики резко облегчает и другую важную задачу, обеспечивающую повышение потребительских качеств пропущенной через устройство воды и обеспечение ее безопасности. Поскольку активными фильтующими элементами в устройстве являются природные минералы, обсемененные различными микроорганизмами, то пропущенная через них вода может обогащаться ими, что не только ухудшает ее запах и вкус, но даже может вызывать нежелательные реакции организма. Действительно, как следует из табл.1, если устройство для очистки воды заполнять нестерильными компонентами, то титр микроорганизмов в прошедшей через фильтр воды существенно превышает их титр на входе. Следовательно, наполнители требуют предварительной стерилизации.

Применение керамики позволяет стерилизовать устройство целиком после его сборки, вместо того, чтобы стерилизовать минералы и корпус устройства по отдельности, а затем производить в стерильных условиях сборку устройства.

Необходимость стерилизации компонентов устройства видна из табл.1, где показано, что даже после 8 дней непрерывного пропускания через него водопроводной воды с титром микроорганизмов в ней 1,2•10² кл/мл титр микроорганизмов в отфильтрованной воде увеличивается почти в 10 раз.

После стерилизации устройства титр микроорганизмов в прошедшей через него воде, напротив, снижается. Это следует из эксперимента, в котором для определения адсорбирующей или дезинфицирующей способности фильтра были приготовлены микробные суспензии с использованием двух видов микроорганизмов - кишечной палочки (Escherichia coli) и бациллы (Bacillus licheniformis). Кишечная палочка является индикаторным микроорганизмом для определения микробиологической загрязненности водопроводной воды и относительно ее определяется коли-индекс и коли-титр водопроводной воды. Бациллы различных видов являются спорообразующими микроорганизмами, более устойчивыми к различным дезинфицирующим воздействиям, поэтому представляло интерес оценить влияние на них компонентов фильтра.

Суспензии микроорганизмов были приготовлены на стерильной воде, титр клеток составлял 5-6•10³ кл/мл. Известно, что по санитарно-гигиеническим нормам водопроводная вода должна содержать не более 5•10¹ кл/мл, но, как правило, в различное время года эти показатели варьируют, поэтому мы использовали суспензии с более высоким уровнем загрязненности.

Методом автоклавирования были приготовлены два стерильных фильтра. Через каждый из них сначала проливали по 1 л стерильной воды, а затем по 1 л микробной суспензии данного вида микроорганизмов. Определяли микробное число суспензии (титр клеток в одном миллилитре) до и после фильтров. В стерильной воде, пропущенной через стерилизованное устройство, микроорганизмы не обнаружены. Данные по очистке микробных суспензий после их пропускания через фильтр представлены в табл. 3.

Как видно из данных таблицы, фильтр задерживает определенное количество микроорганизмов при пропускании через него водной микробной суспензии. Число микрофлоры в воде после фильтра уменьшается в 30-50 раз. Это указывает на адсорбционные или дезинфицирующие свойства фильтра и его способность улучшать микробиологические показатели воды. Таким образом, фильтр обладает способностью задерживать часть микроорганизмов из не стерильной воды.

Существенной особенностью пропущенной через это устройство воды является ее бактериостатические свойства. Эту воду выдерживали в обычном стеклянном сосуде при комнатной температуре в течение 3 недель, каждую неделю отбирая пробы для ее микробиологического анализа. Со временем содержание микроорганизмов в воде и главное их состояние существенно изменялось. Уменьшилось разнообразие микроорганизмов, резко затормозился рост их колоний.

Пропущенная через устройство водопроводная вода существенно модифицировала и другие свойства микроорганизмов. Например, при выращивании микроорганизмов Bacillus licheniformis u Streptomyces aureofaciens - промышленных штаммов-суперпродуцентов определенных метаболитов, на питательных средах, приготовленных на обычной водопроводной воде и воде, пропущенной через устройство, уровень избыточного синтеза метаболитов снижался. Как следует из данных табл. 4 и 5, при выращивании клеток B. licheniformis уровень синтеза ими фермента щелочной протеазы снижается в 4 раза, а уровень синтеза хлортетрациклина клетками S. aureofaciens - в 3 раза при том, что рост этих микроорганизмов на средах, приготовленных на водопроводной и пропущенной через устройство воды не отличался. Если экстраполировать полученные данные на патогенную микрофлору, то можно предположить возможность снижения ими синтеза таких вторичных метаболитов, как бактериальные токсины.

В водопроводной воде также могут содержаться микроорганизмы, которые в процессе эксплуатации устройства могут постепенно накапливаться на его отдельных компонентах, либо прорастать в условиях длительного хранения влажного фильтра при повышенных температурах, а затем вымываться в проходящую через фильтр воду. Об этом свидетельствуют результаты, представленные в табл. 6. Устройство законсервировали во влажном состоянии на 14 дней после промывки его водопроводной водой с высоким содержанием микроорганизмов - 3,3•10³ кл/мл. Титр микроорганизмов в водопроводной воде в момент, когда фильтр расконсервировали, был существенно ниже и соответствовал санитарным нормам 5•10¹ кл/мл. Оценка микрофлоры в пробах, взятых сразу после подачи этой воды на фильтр (0 мин), через 5 и 30 минут, показала, что количество микроорганизмов в фильтрате возросло примерно до 10⁴ кл/мл, т.е. увеличилось примерно в 8-10 раз по сравнению с тем уровнем, когда была прекращена подача воды. Только через 7 суток непрерывной промывки устройства водопроводной водой титр микроорганизмов в воде снизился до санитарно допустимых норм, хотя и несколько превышал титр в поступающей воде. Керамический корпус устройства позволяет в подобных условиях регулярно его стерилизовать в домашних условиях без разборки путем, например, помещения его на несколько десятков минут в кипящую воду.

Изобретение относится к устройствам для очистки воды от присутствующих в ней вредных органических и неорганических соединений, а также свободно-радикальных частиц и может быть использовано при индивидуальном применении для поддержания здоровья человека и улучшения среды его существования. Устройство для очистки и кондиционирования воды содержит керамический корпус с подводящими и отводящими отверстиями, причем корпус заполнен наполнителем в виде активных и нейтрализующих слоев соответственно из шунгита и доломита, а перегородка отделяет наполнитель от секции для подачи воды. Внутренняя поверхность корпуса выполнена неглазурованной, активный и нейтрализующий слои разделены дополнительной перегородкой, выполненной из неглазурованной керамики с размерами отверстий в пределах 0,1-3 мм, причем размеры частиц шунгита и доломита находятся в пределах 3-10 мм. В устройстве верхним слоем наполнителя является шунгит, а нижним - доломит. Наполнитель может быть выполнен в виде чередующихся активных и нейтрализующих слоев, разделенных перегородками, выполненными из неглазурованной керамики. Перегородка, отделяющая наполнитель от секции для подачи воды, также может быть выполнена из неглазурованной керамики. В устройстве подводящее и отводящее воду отверстия расположены соответственно в нижней и верхней частях корпуса. В предпочтительном варианте керамический корпус снаружи покрыт глазурью. Устройство обеспечивает устранение микробиологического загрязнения воды, очистку от вредных органических и неорганических соединений, а также очистку от радикальных и ион-радикальных частиц. 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 6 табл.

1. Устройство для очистки и кондиционирования воды, содержащее керамический корпус с подводящими и отводящими отверстиями и перегородкой, причем корпус заполнен наполнителем в виде активных и нейтрализующих слоев соответственно из шунгита и доломита, а перегородка отделяет наполнитель от секции для подачи воды, отличающееся тем, что внутренняя поверхность корпуса выполнена неглазурованной, активный и нейтрализующий слои разделены дополнительной перегородкой, выполненной из неглазурованной керамики с размерами отверстий в пределах 0,1-3 мм, причем размеры частиц шунгита и доломита находятся в пределах 3-10 мм. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхним слоем наполнителя является шунгит, а нижним - доломит. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что наполнитель выполнен в виде чередующихся активных и нейтрализующих слоев, разделенных перегородками, выполненными из неглазурованной керамики. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перегородка, отделяющая наполнитель от секции для подачи воды, выполнена из неглазурованной керамики. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что керамический корпус снаружи покрыт глазурью. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подводящее и отводящее воду отверстия расположены соответственно в нижней и верхней частях корпуса.