СПОСОБ ФОТООБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ Российский патент 2004 года по МПК C02F1/32 C02F1/50 C02F103/04 

Изобретение относится к области очистки воды от бактериального загрязнения возбужденным кислородом и может быть применено для обеззараживания воды в различных областях.

Одним из важнейших этапов технологии водоподготовки и водоочистки является обеззараживание. Для уничтожения бактерий и микроорганизмов в воде до сих пор наиболее широко используется хлорирование, однако все большее внимание уделяется разработке экологически безопасных методов обеззараживания воды, которые позволили бы устранить или снизить потребность в хранении, транспортировке или производстве хлора, представляющего опасность как для человека, так и для окружающей среды.

Известен способ обработки питьевой и сточных вод озоном [Патент РФ №2109690, кл. С 02 F 1/32, 1998]. Озон окисляет органические примеси и убивает микроорганизмы в водной среде.

Недостатком способа является его дороговизна, связанная со сложной конструкцией установки, с потреблением большого количества электрической энергии, использованием мощных источников тока высокого напряжения и высокой коррозионной активностью озона.

Известен способ обработки бактериально загрязненной воды ультрафиолетовым светом [Ю.И. Скурлатов, Е.В. Штамм. Химия и рынок. 2001. Т.16. №3. С.32-33]. Бактерицидное действие УФ-света связано с тем, что излучение с длиной волны 260 нм эффективно разрушает молекулы ДНК микроорганизмов, присутствующих в природных и сточных водах. В отличие от хлорирования или озонирования, УФ-обеззараживание воды не сопровождается изменением ее химического состава или появлением каких-либо побочных продуктов.

Однако этот метод является энергоемким и требует больших капитальных и эксплуатационных затрат, обусловленных необходимостью использования мощных кварцевых погружных ламп и очистки их от налипаний.

Капитальные затраты и стоимость очистки воды могут быть снижены, если вместо УФ-ламп использовать искусственные или естественные источники видимого света.

Известен способ обработки бактериально загрязненной воды возбужденным кислородом, полученным путем введения в воду гетерогенного фотосенсибилизатора с последующим облучением его видимым светом [патент РФ №2093472, кл. С 02 F 1/30, 1997], выбранный в качестве прототипа.

Недостатком данного способа является его низкая эффективность вследствие локализации сенсибилизатора на носителе и отсутствия возможности его проникновения в бактерии и микроорганизмы.

Задача изобретения - создание эффективного экологически безопасного способа фотообеззараживания воды с использованием сенсибилизатора активных форм кислорода и излучения видимого диапазона.

Задача решается тем, что для обеззараживания воды с использованием сенсибилизатора и излучения видимого диапазона в присутствии кислорода применяют сенсибилизатор катионного типа, представляющий собой октапиридиниометил фталоцианин цинка или алюминия или его смесь с акридиновым, родаминовым или фенотиазиновым красителем.

Структура фотосенсибилизаторов представлена на чертеже.

Предлагаемый сенсибилизатор поглощает свет видимого диапазона с длиной волны в области от 600 до 700 нм. Использование смеси красителей, поглощающих в разных областях спектра, позволяет увеличить эффективность использования световой энергии видимого диапазона, что позволяет повысить фотобактерицидное действие.

Источником активных форм кислорода является растворенный кислород или кислород воздуха. Удаление сенсибилизатора из очищенной воды осуществляется путем адсорбции на активированном угле, ионообменной смоле либо на каком-либо ином адсорбенте.

Эффективность обеззараживающего действия иллюстрируется следующими примерами.

Примеры 1-7

Готовили раствор октапиридиниометилфталоцианина цинка октахлорида (PymPcZn, сенсибилизатор) в бактериально загрязненной воде. До начала облучения раствор выдерживали в течение времени инкубации (t_инк), необходимого для проникновения сенсибилизатора в клетки микроорганизмов. Затем раствор помещали в реактор (V=200 мл), снабженный рубашкой для охлаждения током воды и облучали 30 мин видимым светом от внешнего источника. Источником света служила галогенная лампа R7s фирмы OSRAM мощностью 300 Вт, расположенная в прожекторе на расстоянии 15 см от реактора. Раствор во время облучения перемешивали и аэрировали барботированием воздуха. Для определения колиформных бактерий (общие колиформные бактерии, ОКБ) микроорганизмы из 100 мл воды высевались на мембранные фильтры, затем инкубировались в термостате при 37°С в течение суток. Данные о концентрации сенсибилизатора, времени инкубации и ОКБ представлены в табл.1.

Пример №8 (сравнительный по прототипу).

Гетерогенный фотосенсибилизатор готовили, как указано в [патент РФ №2093472, кл. С 02 F 1/30, 1997], осаждением метиленового голубого (MB) на сильнокислую катионообменную смолу КУ-2-8 из его раствора в метаноле (0.002 г MB на 100 г смолы). Бактериально загрязненную воду (ОКБ/100 мл=3000) в количестве 200 мл инкубировали с 20 г гетерогенного фотосенсибилизатора в течение 3 ч, затем облучали 30 мин, непрерывно перемешивая током воздуха. После окончания облучения водную фазу отделяли и анализировали на ОКБ, аналогично описанному в примерах №1-7. Показатель ОКБ воды после облучения составил 34.

Примеры №9-13

Бактериальная активность различных фотосенсибилизаторов оценивалась, аналогично описанному в примерах №1-7. Время инкубации составляло 2-3 ч, облучение - 30 мин. Полученные результаты приведены в табл.2.

Пример №14

Раствор бактериально загрязненной воды (ОКБ=1500), содержащий PymPcZn (5×10^-7 моль/л) и AY (7×10^-7 моль/л), инкубировали 2 ч, затем облучали в течение 30 мин и анализировали на ОКБ, аналогично описанному в примерах №1-7. Показатель ОКБ после облучения составил 3 в сравнении с ОКБ=40 и 18 для индивидуальных растворов PymPcZn и AY той же концентрации соответственно.

Пример №15

Раствор бактериально загрязненной воды (ОКБ=1500), содержащий PymPcZn (5×10^-7 моль/л) и AY (1.5×10^-6 моль/л), инкубировали 2 ч, затем облучали в течение 30 мин и анализировали на ОКБ, аналогично описанному в примерах №1-7. Показатель ОКБ после облучения составил 0 в сравнении с ОКБ=40 и 2 для индивидуальных растворов PymPcZn и AY той же концентрации соответственно.

Пример №16

Раствор бактериально загрязненной воды (ОКБ=130), содержащий PymPcAl (5×10^-7 моль/л), BrRh123 (5×10^-7 моль/л) и AY (7×10^-7 моль/л), инкубировали 2 ч, затем облучали в течение 30 мин и анализировали на ОКБ, аналогично описанному в примерах №1-7. Показатель ОКБ после облучения составил 0 в сравнении с ОКБ=20, 35 и 5 для индивидуальных растворов PymPcAl, BrRh123 и AY той же концентрации соответственно.

Пример №17

Раствор бактериально загрязненной воды (ОКБ=130), содержащий PymPcAl (5×10^-7 моль/л), фенотиазиновый краситель MB (5×10^-7 моль/л) и AY (7×10^-7 моль/л), инкубировали 2 ч, затем облучали в течение 30 мин и анализировали на ОКБ, аналогично описанному в примерах №1-7. Показатель ОКБ после облучения составил 0, в сравнении с ОКБ=20, 14 и 5 для индивидуальных растворов PymPcAl, MB и AY той же концентрации соответственно.

Из данных табл.1 и 2 следует, что катионные красители PymPcZn, PymPcAl, MB, BrRh123 и AY являются эффективными сенсибилизаторами фотообеззараживания воды. Очевидно, что положительный заряд на молекуле сенсибилизатора благоприятствует его проникновению в клетки колиформных бактерий, мембраны которых в водной среде имеют отрицательный заряд.

MB заявлен в прототипе на носителе как гетерогенный фотокатализатор активных форм кислорода. Однако из сравнения примеров №8 (прототип) и №9 следует, что краситель в растворе существенно эффективнее, чем MB на КУ-2-8: в сопоставимых условиях облучения ОКБ исходной воды снижалось с 3000 до 4 по предлагаемому методу и лишь до 34 по прототипу. Такое различие обусловлено тем, что бактерии убивает лишь тот сенсибилизатор, который находится в клетках микроорганизмов. Локализованный же на носителе сенсибилизатор (прототип) такой возможности не имеет.

Сенсибилизаторы PymPcZn (λ_макс 680 нм) и PymPcAl (λ_макс 677 нм), предложенные в данном изобретении, превосходят по активности прототип, а также другие сенсибилизаторы для того же спектрального диапазона (MB, BrMB). Так, для достижения одинакового эффекта обеззараживания при использовании PymPcZn и PymPcAl требуются меньшие концентрации и времена инкубации (примеры №1-7, 10), чем при использовании MB и BrMB (примеры №9, 11).

Примеры №14-17 демонстрируют, что совместное использование сенсибилизаторов, поглощающих в разных областях спектра, позволяет лучше использовать световую энергию и достигать хорошего обеззараживающего эффекта, превышающего эффект отдельно взятых компонентов.

Обработка водных растворов использованных катионных красителей активированным углем либо катионообменными смолами дает спектрально чистую воду.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает эффективное и полное обеззараживание бактериально загрязненных вод и превосходит прототип по эффективности.

Изобретение относится к области очистки воды от бактериального загрязнения возбужденным кислородом и может быть применено для обеззараживания воды в различных областях. Обеззараживание воды осуществляют с использованием сенсибилизатора и излучения видимого диапазона в присутствии кислорода, причем применяют сенсибилизатор катионного типа в растворе. В качестве фотосенсибилизаторов используют катионные красители, представляющие собой октапиридиниометил фталоцианин цинка или алюминия или его смесь с акридиновым, родаминовым или фенотиазиновым красителем. Способ обеспечивает эффективную и экологически безопасную технологию полного обеззараживания бактериально загрязненных вод. 1 ил., 2 табл.

Способ фотообеззараживания воды с использованием сенсибилизатора и излучения видимого диапазона в присутствии кислорода, отличающийся тем, что используют сенсибилизатор катионного типа в растворе, представляющий собой октапиридиниометилфталоцианин цинка или алюминия или его смесь с акридиновым, родаминовым или фенотиазиновым красителем.