КОМПЛЕКСНЫЙ СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ Российский патент 2003 года по МПК C02F9/04 C02F9/04 C02F1/32 C02F1/50 C02F1/72 C02F103/04 

Изобретение относится к методам обработки воды ультрафиолетовым излучением, пероксидом водорода и гетерогенным катализатором, содержащим серебро и диоксид титана. Оно может быть использовано для обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения отдельных построек, городов и других населенных пунктов.

Известен способ обеззараживания воды совместным действием пероксида водорода и ионов серебра (Интенсификация процессов обеззараживания воды. / Под ред. Л.А. Кульского, Киев: Наукова думка, 1978, с. 7-8). Однако этот процесс достаточно продолжителен.

Известно, что для окисления органических примесей, содержащихся в сточных водах, их обрабатывают пероксидом водорода в количестве 100-200 мг/л, ультрафиолетовым излучением и катализатором - нерастворимым в воде порошком титаната бария в количестве 0,01-1 мас.% (US 5330661, С 02 F 1/32, 1994). Этот метод, однако, непригоден для обеззараживания питьевой воды, поскольку используемый катализатор в виде взвеси может оставаться в воде после ее отстаивания и удаления осадка.

Известен способ подготовки питьевой воды, включающий стадии анодного окисления, каталитического доокисления с использованием в качестве катализатора диоксида титана, покрывающего поверхность анода, магнитной обработки и катодного восстановления (RU 2104959, С 02 F 1/46, 1998). Этот способ достаточно сложный и энергоемкий.

Другой известный способ очистки жидкости или газа предусматривает облучение обрабатываемой среды светом и обработку сверхтонкодисперсным оксидом титана, сформованным с помощью оптически прозрачного материала в пористые комьеобразные образования (JP 4-54511, С 02 F 1/72, 1988). Этот способ недостаточно эффективен для удаления из воды различных микроорганизмов.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения по назначению, совокупности существенных признаков и достигаемому результату является известный из RU 2188170, С 02 F 9/04, 27.08.2002 г. способ обеззараживания питьевой воды, включающий ее обработку пероксидом водорода, пропускание через реактор, содержащий импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно вырабатывающие УФ излучение длиной волны 200-400 нм, при частоте 1-1,3 Гц, удельных энергозатратах 1-3 кДж/м³ и плотности потока 1-3 кВт/м², введение раствора соли серебра и последующее добавление раствора соли меди. Ионы серебра и меди в данном процессе не только сами обладают бактерицидными свойствами, но и являются катализаторами окисления примесей пероксидом водорода. Недостатком является то, что этот метод требует значительных энергетических, временных и трудовых затрат.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являлось упрощение процесса обеззараживания воды до питьевого качества и повышение его эффективности с обеспечением возможности предотвращения вторичного бактериального заражения воды в течение длительного времени (не менее месяца).

Поставленная задача решается тем, что способ обеззараживания воды, включающий ее обработку пероксидом водорода, пропускание через реактор с импульсными ксеноновыми лампами сплошного спектра, преимущественно вырабатывающими УФ излучение длиной волны 200-400 нм при частоте 1-1,3 Гц, и серебром, отличается от наиболее близкого аналога тем, что исходную воду пропускают через указанный реактор со скоростью 0,6-1,0 м³/ч при удельных энергозатратах 2-5 кДж/м³ и плотности потока 2-5 кВт/м², после чего в воду вводят пероксид водорода в количестве 50-100 мг/л и пропускают через второй реактор, содержащий гетерогенный катализатор, который получают путем смешения порошка рутила с размерами частиц не более 0,5 мм и металлического серебра с размером частиц не более 0,05 мм при их массовом соотношении, соответственно равном (700-1000): 1, последующего добавления к смеси воды до получения пасты, ее подсушивания при температуре (100-110)^oС и формования.

Предпочтительно указанный катализатор вводят в количестве 0,5-1,5 мг/л.

В частном случае катализатор формуют в виде таблеток.

Именно указанная выше совокупность существенных признаков предложенного изобретения обеспечивает получение предусмотренного технического результата.

Использование импульсных ксеноновых ламп сплошного спектра, предпочтительно излучающих в области 200-400 нм ультрафиолетового спектра, включающей "бактерицидный" участок и участок, соответствующий условиям деструкции органических соединений, позволяет получить высокий обеззараживающий и очищающий эффект, снижает время обработки и обеспечивает экологическую чистоту, поскольку замена ртутных ламп на ксеноновые исключает возможность заражения воды ртутью при разрушении лампы.

Предлагаемая схема обработки воды на несколько порядков (по сравнению с использованием только пероксида или только ультрафиолета) увеличивает скорость реакции окисления и разложения органических примесей, бактерий, вирусов и грибков. Эффект еще заметнее при применении указанного гетерогенного катализатора. Диоксид титана (рутил) в смеси с серебром обладает значительными бактерицидными свойствами, кроме того, эти вещества являются катализаторами процесса окисления примесей пероксидом водорода. Нами было обнаружено, что при применении порошка рутила в смеси с частицами серебра не аддитивно повышается эффективность процесса. Указанные в формуле размеры частиц ингредиентов катализатора являются оптимальными. Преимуществом является также то, что они способствуют удалению избытка пероксида водорода после окончания процесса обеззараживания воды.

Рутил - это достаточно распространенный минерал на основе одной из модификаций диоксида титана, который может содержать в виде примесей железо, хром, тантал, ниобий, ванадий.

Использование катализатора в формованном виде, например в виде таблеток, предотвращает попадание его частиц в питьевую воду. Кроме того, такие таблетки удобно хранить до использования в процессе обеззараживания. Метод их приготовления очень прост. Катализатор может быть формован также в виде гранул, шариков и т.п.

Предложенные параметры процесса и концентрации реагентов являются оптимальными для данной схемы обработки воды.

Ниже приведены примеры осуществления предложенного способа.

Пример 1.

Исходную воду объемом 100 л фильтровали через колонку, загруженную кварцевым песком, после чего ее пропускали со скоростью 16,7 л/мин (1,0 м³/ч) через реактор, содержащий размещенные в слое воды импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно излучающие в диапазоне 200-400 нм при частоте импульсов 1 Гц, плотности потока 2,5 кВт/см² и удельных энергозатратах 2,5 Дж/см³ воды.

Затем воду подавали в смеситель и вводили в нее пероксид водорода в количестве 50 мг/л и со скоростью 10 л/мин (0,6 м³/ч) пропускали через второй реактор, содержащий таблетки катализатора, общее количество которого рассчитывали исходя из его концентрации 0,7 мг на л воды.

Таблетки предварительно готовили путем смешения порошка рутила с содержанием ТiO₂>98% (распределение частиц по размерам: 0,01-0,1 мм - 30%, 0,11-0,5 мм - 70%) с частицами мелко раздробленного металлического серебра размером 0,03-0,05 мм при массовом соотношении рутил : Аg, равном 1000:1, последующего добавления воды до получения пасты, ее подсушивания при температуре 105^oС и формования на прессе в виде таблеток диаметром 15 мм и высотой 5 мм.

В таблице приведены некоторые показатели качества воды до обработки и после нее. Представленные данные свидетельствуют о высоком качестве обработки воды, проведенной предложенным способом. При этом достигается обеззараживание воды и улучшаются другие показатели - вкус, запах, цветность, содержание неорганических и органических примесей. Полученную воду разлили в бутыли емкостью 20 л и укупорили. После хранения обработанной воды в течение месяца в ней не обнаружили патогенные микроорганизмы.

Пример 2.

Для испытаний использовали прудовую воду мутностью 4,8 мг/л, цветностью 60 град. , рН 7,6, с окисляемостью 18,1 мг О/л. Воду заражали одним из наиболее устойчивых к внешним воздействиям микроорганизмов - Aerobacter cloacae в количестве 10⁹ особей/л. Воду обрабатывали аналогично примеру 1 с изменением некоторых параметров: скорость движения воды в установке УФ излучения 0,6 м³/ч, частота импульсов 1,3 Гц, плотность потока излучения 5 кВт/см² и удельные энергозатраты 5 Дж/см³ воды, концентрация пероксида водорода 100 мг/л, в качестве катализатора использовали таблетки, приготовленные из рутила и серебра, взятых соответственно в соотношении 900:1, которые вводили в количестве 1,5 мг/л.

После проведенной обработки показатели качества воды были следующие: мутность 0,5 мг/л, цветность 15 град, рН 7,2, окисляемость 7 мг О/л. Aerobacter cloacae обнаружены не были.

Обработанную воду выдерживали в предварительно стерилизованной таре в течение 48 часов, а затем определяли концентрацию Aerobacter cloacae. Указанные микроорганизмы обнаружены не были, что свидетельствовало об эффекте последействия предлагаемого способа. После этого воду подвергали повторному бактериологическому заражению культурой Aerobacter cloacae в количестве 10² особ./л и через 24 часа проводили бактериологический анализ воды. Aerobacter cloacae были обнаружены в количестве 2 особ./л. Запах и неприятный вкус у воды отсутствовали. Эффект сохранялся не менее 1 месяца.

Для сравнения проводили эксперименты по обработке воды только УФ облучением, только пероксидом водорода, только катализатором, выполненным в виде описанных в примере таблеток, а также только рутилом в виде порошка (без добавления серебра). При индивидуальной обработке параметры процесса и концентрации ингредиентов соответствовали указанным выше для комплексной обработки воды. Ни в одном из этих случаев не удалось получить устойчивый обеззараживающий и консервирующий эффект.

Таким образом, предложенный способ обеззараживания воды является эффективным и относительно простым и доступным, причем его можно использовать в случаях, когда загрязненность исходной воды достаточна высокая и когда велика опасность ее вторичного бактериального заражения.

Изобретение относится к методам обработки воды ультрафиолетовым излучением, пероксидом водорода и гетерогенным катализатором, содержащим серебро и диоксид титана. Оно может быть использовано для обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения отдельных построек, городов и других населенных пунктов. Способ обеззараживания воды состоит в том, что исходную воду со скоростью 0,6-1,0 м³/ч пропускают через реактор с импульсными ксеноновыми лампами сплошного спектра, преимущественно вырабатывающим УФ-излучение длиной волны 200-400 нм при частоте 1-1,3 Гц, удельных энергозатратах 2-5 кДж/м³ и плотности потока 2-5 кВт/м², после чего в воду вводят пероксид водорода в количестве 50-100 мг/л и пропускают через второй реактор, содержащий гетерогенный катализатор, который получают путем смешения порошка рутила с размерами частиц не более 0,5 мм и металлического серебра с размером частиц не более 0,05 мм при их массовом соотношении, соответственно равном (700-1000): 1, последующего добавления к смеси воды до образования пасты, ее подсушивания при 100-110^oС и формования, например, в виде таблеток. Предпочтительно указанный катализатор вводят в количестве 0,5-1,5 мг/л. Технический результат - упрощение процесса обеззараживания воды до питьевого качества и повышение его эффективности с обеспечением возможности предотвращения вторичного бактериального заражения воды в течение длительного времени (не менее месяца). 2 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ обеззараживания воды, включающий ее обработку пероксидом водорода, пропускание через реактор с импульсными ксеноновыми лампами сплошного спектра, преимущественно вырабатывающими УФ-излучение длиной волны 200-400 нм при частоте 1-1,3 Гц, и серебром, отличающийся тем, что исходную воду пропускают через указанный реактор со скоростью 0,6-1,0 м³/ч при удельных энергозатратах 2-5 кДж/м³ и плотности потока 2-5 кВт/м², после чего в воду вводят пероксид водорода в количестве 50-100 мг/л и пропускают через второй реактор, содержащий гетерогенный катализатор, который получают путем смешения порошка рутила с размерами частиц не более 0,5 мм и металлического серебра с размером частиц не более 0,05 мм при их массовом соотношении, соответственно равном (700-1000): 1, последующего добавления к смеси воды до получения пасты, ее подсушивания при 100-110^oC и формования. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный катализатор вводят в количестве 0,5-1,5 мг/л. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанный катализатор формуют в виде таблеток.