СПОСОБ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ВОДЫ ДЛЯ ПИТЬЯ Российский патент 2005 года по МПК C02F1/68 C02F1/42 B01J39/04 C02F103/04 

Изобретение относится к области подготовки воды для питья, а именно к способам минерализации и очистки воды, предназначенной для питья в малогабаритных неэнергоемких установках, в том числе и в экстремальных условиях.

Известен способ подготовки воды для производства пива (SU №1013460, С 02 F 1/42, 1983), заключающийся в ионообменной обработке воды путем Н- и Са- катионирования. При этом исходная вода разделяется на два потока, один поток подвергается Н-катионированию, другой - Са-катионированию. После обработки оба потока смешиваются. Способ позволяет получить воду, наиболее подходящую для производства пива. Этот способ нельзя использовать для кондиционирования питьевой воды вследствие того, что значительно снижается рН обработанной воды и из нее удаляются физиологически необходимые ионы магния, калия, натрия.

Известен способ получения питьевой воды из дистиллята (SU №1507742, С 02 F 1/68, 1989), который заключается в разделении дистиллята на два потока, 20-25% объема дистиллята обрабатывается в эжекторе гидроксидом кальция и углекислым газом. Затем потоки смешиваются. В результате получается питьевая вода гидрокарбонатного класса. Недостатками такого способа являются физиологическая неполноценность получаемой воды (присутствие только ионов кальция и бикарбоната), а также сложное аппаратурное оформление.

Известен способ кондиционирования воды для питья (RU №2070149, В 64 G 1/60, 1996, стр. 8, абз.2 и стр.12, абз.2), который применяется в системе регенерации воды из конденсата атмосферной влаги гермообъекта. Обессоленная вода последовательно проходит через камеры, заполненные слоями минерализатора и стерилизатора (полимерных гранульных материалов), металлоуглеродного катализатора, ионитов (полимерных гранульных материалов) и активированного угля, который импрегнирован серебром. В контакте с водой минерализатор выделяет необходимые для кондиционирования соли, стерилизатор выделяет ионное серебро, способствующее обеззараживанию воды, а на ионитах происходит частичный обмен ионов, выделяемых из минерализатора на противоионы ионита. Недостатком такого способа является неравномерность введения солей и ионов консервирующего серебра в воду по мере выработки ресурса блока кондиционирования, то есть выделение в воду солей, в значительной степени превышающее допустимые количества (по ГОСТ Р 50804-95) в начальный период, после перерывов в работе, а также быстрое истощение материалов в процессе работы.

Известен способ для введения добавки в воду, который реализуется через устройство (RU №2212378, С 02 F 1/68, 2003). Устройство состоит из корпуса, контейнера, крышки контейнера с отверстиями и находящейся внутри контейнера добавки, которая может содержать как неорганические соли, так и органические вещества. Устройство помещается в емкость с водой или в поток воды. Вода проникает в контейнер через полупроницаемую перегородку, растворяет добавку, удаляется из контейнера через отверстия в крышке, площадь которых составляет не более 2% от площади крышки. В результате в воде создается необходимая концентрация этой добавки. Недостатком такого способа и устройства для введения добавки в воду является необходимость использования для изготовления добавки совместимых между собой веществ, при растворении которых не происходит взаимодействия между собой. Кроме этого, материал с пространственно-глобулярной структурой, из которого изготовлен контейнер, является малодоступным.

Известен способ кондиционирования воды для питья в гермообъекте и установка для его осуществления (RU №2217387, В 64 G 1/60, 2003). Способ заключается во введении в поток маломинерализованной воды в различных местах концентратов растворов солей при соотношении скорости введения растворов солей к скорости потока воды 1/10-1/30 и обработке на ионите в бикарбонатной форме. С помощью такого способа возможно получение физиологически полноценной питьевой воды. Недостаток - необходимость отдельного приготовления концентратов солей и использование в системе ионита в бикарбонатной форме, имеющего ограниченный ресурс.

Известен способ для обработки воды посредством введения химиката (ЕР 575027, С 02 F 1/68, 1993). Способ подразумевает наличие емкости с химикатом и включает подведение потока, разделение потока на основной и вторичный поток, контакт вторичного потока с химикатом, при котором происходит насыщение воды этим химикатом и смешение обоих потоков таким образом, что в объединенном потоке создается концентрация химиката, необходимая для обработки всего потока воды. Отмечается, что вторичный поток преимущественно составляет 0,5-2% от объема общего потока, а для гарантированной организации второго потока в месте его объединения с основным потоком производится сужение (до 50%) сечения основного потока, то есть используется принцип «Вентурри». В связи с тем, что это техническое решение в первую очередь касается обработки воды в испаряющей системе охлаждения и решения проблемы биообрастания, в качестве химиката был выбран твердый йод. С помощью предлагаемого способа возможно осуществление гарантированного введения постоянных концентраций йода в воду.

Недостатком этого способа, как и большинства известных, является невозможность введения нескольких веществ в обрабатываемую воду. Кроме этого, таким способом невозможно осуществлять одновременно с насыщением химикатом доочистку воды от вредных примесей.

Наиболее близким к заявляемым способам является способ минерализации воды (SU №639817, С 02 F 1/68, 1978), заключающийся в разделении потока воды на два потока, контактировании одного из потоков воды после прохождения через осмотическую мембрану с насыщенным раствором химического реагента, содержащим твердую фазу в виде твердого вещества, растворимого в воде. Далее происходит объединение потока, выходящего из емкости с насыщенным раствором химического реагента через дозирующий элемент, с потоком воды, идущим по трубопроводу. В результате обработки получается питьевая вода, содержащая один вид катионов и один вид анионов.

Основным недостатком такого способа является невозможность дозирования в воду нескольких физиологически необходимых веществ вследствие протекания химических реакций, сопровождающихся гидролизом, осадко- и газообразованием в емкости, в которой находится насыщенный раствор в контакте с твердой фазой. Кроме этого, при растворении твердого вещества возможно попадание его частиц в дозирующий элемент, что приводит к нестабильной работе.

В связи с этим возникла техническая задача - разработка способа минерализации воды для питья, обеспечивающего введение нескольких физиологически активных веществ в воду при отсутствии попадания частиц твердого материала в дозирующие устройства, снижение вероятности протекания химических реакций, сопровождающихся гидролизом, осадко- и газообразованием.

Решение технической задачи по разработке способа минерализации воды для питья осуществляется путем подведения потока воды, разделения его на основной и вторичный потоки, контактирования вторичного потока с твердым материалом, состоящим из полимерного гранульного материала, содержащего физиологически активные вещества, с последующим объединением обоих потоков, при этом объемный расход вторичного потока воды составляет 2,5-15,0% от объемного расхода основного потока воды.

В качестве полимерных гранульных материалов, содержащих физиологически активные вещества используют: органические иониты, обладающие пористой структурой в воздушно-сухом состоянии и содержащие в своем составе малорастворимые неорганические вещества в количестве 10-65 мас.%; иониты в солевой (серебряной, полигалоидной, гидрокарбонатной) формах; дробленые сплавы из термопластов, неорганических и органических веществ при соотношении, соответственно, 15-30:50-84,5:0,5-20 мас.%, то есть гранульные материалы, имеющие нерастворимый в воде полимерный каркас.

Кроме того, вторичный поток воды может дополнительно разделяться на 2-5 потоков, расположенных параллельно и/или последовательно, которые контактируют с 2-5 полимерными гранульными материалами. Кроме того, на пути вторичного потока или потоков могут размещаться осмотические мембраны.

Основной поток может проходить через сорбент, удаляющий из воды вредные примеси. В качестве сорбента могут использоваться любые известные сорбенты, например: активированный уголь, сорбент железа и другие, способные удалять вредные примеси из обрабатываемой воды.

Получение необходимого соотношения объемов основного и вторичного потоков достигается за счет разности сечений конструкционных элементов, по которым проходят основной и вторичный потоки, и отношение минимального сечения основного потока к минимальному сечению вторичного потока составляет 1:0,005-0,2.

Ввиду того, что вторичный поток проходит через полимерный гранульный материал со значительно меньшей скоростью, чем скорость основного потока, при прохождении воды через полимерный гранульный материал происходит равномерное насыщение воды физиологически необходимыми веществами. При этом, в отличие от известных технических решений, при изменении скорости пропускания общего потока воды концентрация физиологически активных веществ в объединенном потоке изменяется незначительно, то есть обеспечивается стабильность процесса насыщения. При объеме вторичного потока менее 2,5% от основного потока происходит более быстрое истощение полимерных гранульных материалов и, как следствие этого, снижение общего количества получаемой воды с улучшенными физиологическими свойствами. При объеме вторичного потока более 15,0% от основного потока не достигается требуемой концентрации физиологически необходимых веществ.

Использование в качестве полимерных гранульных материалов, содержащих физиологически активные вещества, органических ионитов, обладающих пористой структурой в воздушно-сухом состоянии или ионитов в солевых (серебряной, полигалоидной, гидрокарбонатной) формах, или дробленых сплавов из термопластов, неорганических и органических веществ, то есть материалов, имеющих твердую нерастворимую основу и равномерный гранулометрический состав, при предлагаемом соотношении объемного расхода основного и вторичного потоков, обеспечивает равномерное дозирование двух или более физиологически активных веществ в оптимальных для организма человека количествах. Использование полимерных гранульных материалов позволяет также избегать попадания частиц материала в конструкционные места сужения вторичного потока (дозаторы) и образования концентрированных растворов веществ, которые при контакте между собой способны образовывать малорастворимые и газообразные соединения.

Реализация способа введения физиологически необходимых веществ в воду, предназначенную для питья, осуществляется следующим образом. Общий поток воды подается на узел разделения потока. Основной поток направляется по трубопроводу к узлу объединения потока, а вторичный поток поступает в емкость с полимерным гранульным материалом, где происходит его насыщение физиологически необходимыми веществами. Далее вторичный поток поступает на узел объединения потока, в котором происходит его объединение с основным потоком.

В качестве конструкционного элемента, обеспечивающего заявляемые соотношения объемов основного и вторичного потоков, используется сужение сечения, по которому проходит вторичный поток. Это сужение располагается в узле разделения потока и/или на входе в емкость, на выходе из емкости, в узле смешения потока. При отношении минимального сечения основного потока к минимальному сечению вторичного потока более 1:0,005 происходит неравномерное прохождение вторичного потока по схеме, а при отношении менее 1:0,2, в связи с со свойствами полимерных гранульных материалов, не достигается требуемая концентрация физиологически активных веществ.

Объем минерализованной воды, получаемой предлагаемым способом, определяется внутренним объемом емкостей, по которым проходит вторичный поток, содержанием в полимерных гранульных материалах физиологически активных веществ и их количеством в емкостях. Увеличение проницаемости мембран и гидравлического сопротивления, создаваемого слоем сорбента, способствует увеличению концентрации физиологически активных веществ в объединенном потоке.

Анализ заявляемого способа введения физиологически активных веществ в воду и известных технических решений показывает, что не имеется совокупности признаков, тождественых по технической сущности заявляемым. Сопоставительный анализ заявляемых решений с прототипом показывает, что заявленное решение отличается от прототипа использованием новой совокупности отличительных признаков.

Таким образом, заявляемый "способ" соответствует критерию изобретения "новизна". В литературе и практике отсутствуют сведения о способе идентичном предложенному и это не следует явным образом из уровня техники. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые решения соответствуют критерию "изобретательский уровень". Предложенное решение обеспечивает достижение технического результата, может быть реализовано в системах минерализации воды, предназначенной для питья, и обеспечивает возможность многократного воспроизведения, что позволяет сделать вывод об удовлетворении заявляемого технического решения критерию "промышленная применимость". Сущность изобретения поясняется примерами.

Пример 1.

Поток питьевой воды с объемной скоростью 150 мл/мин (Фиг.1) подводится к узлу разделения потока (1), представляющего из себя тройник. Основной поток далее направляется по трубопроводу (2) с сечением 5 мм² к узлу объединения потока (3), а вторичный поток с объемной скоростью 3 мл/мин через калиброванное отверстие (4) с сечением 0,025 мм² - в емкость (5) объемом 200 мл. В емкости расположены послойно полимерные гранульные материалы (6), состоящие из органических ионитов, содержащих в своем составе фтористый кальций (ТУ 2227-374-09201208-98) и хлорид серебра (ТУ 2227-363-09201208-96). При контактировании вторичного потока с полимерными гранульными материалами происходит насыщение его ионами кальция, серебра, фторидами, хлоридами. После этого вторичный поток проходит через калиброванное отверстие (4) с сечением 0,025 мм² и далее объединяется с основным потоком в узле объединения потока (3). Калиброванные отверстия на входе и выходе емкости (5) обеспечивают необходимое соотношение основного и вторичного потоков, то есть вторичный поток составляет 2,5% от общего объема потока. На выходе из устройства определяют содержание в воде ионов серебра согласно документации, фтора (по ГОСТ 4386). В объединенном потоке создается концентрация ионов фтора 0,5-1,2 мг/л, ионов серебра 0,03-0,05 мг/л, незначительно увеличивается содержание ионов кальция и хлора.

Пример 2.

Поток обессоленной воды с объемной скоростью 150 мл/мин (Фиг.2) подводится к узлу разделения потока (тройнику) (1). Основной поток по трубопроводу (2) с сечением 5 мм² далее направляется к узлу объединения потока (3), а вторичный поток дополнительно разделяется на 5 потоков в узлах разделения вторичного потока (7), представляющих из себя тройники, и направляется в емкости (5), в которых расположены полимерные гранульные материалы: органический ионит, содержащий в своем составе фтористый кальций (ТУ 2227-374-09201208-98); органический ионит в серебряной форме (ТУ 6-06-10-88); сплав полиэтилена 25 мас.% с минеральными солями кальция и магния 55 мас.%, минеральными солями калия, натрия и серебра 19 мас.% и стеаратом кальция 1,0 мас.% (ТУ 6-06-240-92); сплав полиэтилена 30 мас.% с минеральной солью NaCl 69,5 мас.% и стеаратом кальция 0,5 мас.%; сплав полиэтилена 15 мас.% с гидрокарбонатом калия 70 мас.% и глицерином 15 мас.% Во входных отверстиях емкостей с полимерными гранульными материалами, содержащими хлорид натрия и гидрокарбонат калия, размещены осмотические мембраны (8) (Свойства обратноосмотических мембран из полиоксадиазола / Аскерния А.А., Гриль М.Л., Хакимов P.O., Гоциридзе Р.С. // Тр. ВНИИ ВОДГЕО. - 1989. - С.91-94). Вторичный поток проходит через емкости с материалами, насыщается ионами кальция, магния, калия, натрия, фторидами, хлоридами, сульфатами и гидрокарбонатами и поступает на узлы объединения вторичного потока (9). Эти узлы представляют тройники, отверстия в которых со стороны емкостей имеют сужения (калиброванные отверстия), общее сечение которых составляет 1 мм². Далее вторичный поток объединяется с основным потоком в узле объединения потока (тройнике). Скорость основного потока составляет 130 мл/мин. Площадь мембран на входе в емкости с материалами, содержащими хлорид калия и бикарбонат натрия, составляет, соответственно, 700 мм² и 1250 мм².

В результате в объединенном потоке получается сбалансированная по ионам питьевая вода сульфатно-хлоридно-гидрокарбонатного класса. На выходе из устройства определяют содержание в воде жесткости (по ГОСТ 4151), фтора (по ГОСТ 4386), хлоридов (по ГОСТ 4245), сульфатов (по ГОСТ 4389), содержание бикарбонатов, кальция, серебра согласно документации. В объединенном потоке создается концентрация ионов фтора 0,5-1,2 мг/л, ионов кальция 20-60 мг/л, сульфатов 48-144 мг/л, ионов магния 6-18 мг/л, ионов натрия и калия 20-40 мг/л, хлоридов 15-30 мг/л, бикарбонатов 20-60 мг/л.

Пример 3.

Поток водопроводной воды с объемной скоростью 1000 мл/мин (Фиг.3) подводится к узлу разделения потока (1), представляющего из себя тройник. Основной поток далее направляется по трубопроводу с сечением 7 мм² к узлу объединения потока (3) через дополнительную емкость (10), заполненную активированным углем 207С (11) (Chemiviron Carbon), a вторичный поток вначале поступает в емкость (5) объемом 200 мл. В емкости расположен полимерный гранульный материал (6), представляющий ионит, содержащий в своем составе фтористый кальций (ТУ 2227-374-09201208-98). Далее вторичный поток направляется в емкость (5), заполненную анионитом в полигалоидной форме (6) (ТУ 2227-351-09201208-95). Вторичный поток с объемной скоростью 90 мл/мин, проходя через емкости с материалами, насыщается ионами кальция, фторидами и йодом, далее объединяется с основным потоком в узле объединения потока (2), в котором установлено калиброванное отверстие (4) с сечением 0,065 мм². Калиброванное отверстие обеспечивает необходимое соотношение основного и вторичного потоков, то есть вторичный поток составляет 10% от общего объема потока. При этом в объединенном потоке, дополнительно к имеющимся физиологически необходимым веществам, создается концентрация йода 0,08 - 0,12 мг/л и ионов фтора 0,5-1,2 мг/л. На выходе из устройства определяют содержание в воде фторидов (по ГОСТ 4386), йода в соответствие с документацией.

Пример 4.

Поток обессоленной воды с объемной скоростью 110 мл/мин (Фиг.4) подводится в дополнительную емкость (10) объемом 500 мл и внутренним диаметром 50 мм. Внутри емкости поток разделяется. Вторичный поток направляется через разделитель основного и вторичного потока - отверстие (1) диаметром 3 мм, в емкость (5) с объемом 100 мл и внешним диаметром 32 мм. Вторичный поток внутри емкости проходит через полимерный гранульный материал, представляющий сплав полиэтилена 25 мас.% с минеральными солями кальция и магния 55 мас.%, минеральными солями калия, натрия и серебра 19 мас.% и стеаратом кальция 1,0 мас.% (ТУ 6-06-240-92) и после выхода через отверстие (4) диаметром 3 мм, являющееся узлом объединения, объединяется с основным потоком в общий поток. Основной поток направляется вне емкости с полимерным гранульным материалом по внутренней полости дополнительной емкости (10). Соотношение минимальных сечений, по которым проходят основной и вторичный потоки, составляет 1:0,006. Вторичный поток проходит через емкость с материалом, насыщается ионами серебра, кальция, магния, калия, натрия, хлоридами, сульфатами. При этом на выходе из дополнительной емкости создается концентрация ионов кальция 20-60 мг/л, сульфатов 20-90 мг/л, ионов магния 6-18 мг/л, ионов натрия и калия 5-15 мг/л, хлоридов 5-20 мг/л.

Пример 5.

Поток маломинерализованной воды, содержащей 3 мг/л ионов железа с объемной скоростью 300 мл/мин (Фиг.5), подводится в дополнительную емкость (10) объемом 500 мл и внутренним диаметром 50 мм. Внутри емкости поток разделяется. Вторичные потоки направляются через разделители основного и вторичного потока - отверстия (1) в три емкости (5) с объемом 100, 80, 20 мл. Вторичные потоки внутри емкости проходят через полимерные гранульные материалы, которые, соответственно, представляют органический ионит в гидрокарбонатной форме (ОСТ 6-06-5089-92), сплав полиэтилена 25 мас.% с минеральными солями кальция и магния 55 мас.%, минеральными солями калия, натрия и серебра 19 мас.% и стеаратом кальция 1,0 мас.% (ТУ 6-06-240-92), сплав полиэтилена 30 мас.% с минеральной солью KCl 69,5 мас.% и стеаратом кальция 0,5 мас.% и после выхода через отверстия (4), являющееся узлами объединения, объединяются с основным потоком в общий поток. Диаметр отверстий на входе и выходе из емкостей составляет, соответственно, 0,8, 1,0, 0,5 мм. Основной поток направляется вне емкости с полимерным гранульным материалом по внутренней полости дополнительной емкости (10), заполненной сорбентом железа MZ-10 (11) (Purolite, Wales). Соотношение минимальных сечений, по которым проходят основной и вторичный потоки, составляет 1: 0,01. Вторичный поток проходит через емкость с материалом, насыщается ионами серебра, кальция, магния, калия, натрия, хлоридами, сульфатами, гидрокарбонатами. При этом на выходе из дополнительной емкости создается концентрация ионов кальция 20-60 мг/л, сульфатов 20-90 мг/л, ионов магния 6-18 мг/л, ионов натрия и калия 5-15 мг/л, хлоридов 5-20 мг/л, бикарбонатов 10-40 мг/л, серебра 0,05-0,08 мг/л. Содержание железа в воде снижается до 0,2 мг/л (ГОСТ 4011).

Описанные в примерах типоразмеры емкостей, скоростей потоков, соотношений сечений, применяемых гранульных материалов, не ограничивают варианты реализации предлагаемого способа введения в воду, предназначенную для питья, физиологически необходимых веществ.

Приведенные в описании данные показывают, что предлагаемый способ минерализации воды для питья обеспечивает получение воды, содержащей необходимое и заданное количество физиологически активных веществ. Использование предлагаемых полимерных гранульных материалов при эксплуатации обеспечивает отсутствие попадания частиц твердого материала в дозирующие устройства, снижение вероятности протекания химических реакций, сопровождающихся гидролизом, осадко-и газообразованием.

Приведенные схемы подтверждают многовариантность исполнения способа, простоту его оформления и отсутствие нестандартного оборудования.

Изобретение относится к области подготовки воды для питья, а именно к способам минерализации и очистки воды, предназначенной для питья в малогабаритных неэнергоемких установках, в том числе и в экстремальных условиях. Способ минерализации воды для питья осуществляют путем подведения потока воды, разделения его на основной и вторичный потоки, контактирования вторичного потока с твердым материалом, состоящим из полимерного гранульного материала, содержащего физиологически активные вещества, с последующим объединением обоих потоков, при этом объемный расход вторичного потока воды составляет 2,5-15,0% от объемного расхода основного потока воды. Кроме того, вторичный поток воды может дополнительно разделяться на 2-5 потоков, расположенных параллельно и/или последовательно, которые контактируют с 2-5 полимерными гранульными материалами, а на пути вторичного потока или потоков могут размещаться осмотические мембраны. Основной поток может проходить через сорбент. Предложенный способ минерализации воды для питья обеспечивает введение нескольких физиологически активных веществ в воду при отсутствии попадания частиц твердого материала в дозирующие устройства, снижение вероятности протекания химических реакций, сопровождающихся гидролизом, осадко- и газообразованием. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ минерализации воды для питья, включающий подведение потока воды, разделение потока на основной и вторичный потоки, контактирование вторичного потока с твердым материалом и объединение потоков воды, отличающийся тем, что объемный расход вторичного потока воды составляет 2,5-15% от объемного расхода основного потока, а твердый материал состоит из полимерного гранульного материала, содержащего физиологически активные вещества.2. Способ минерализации воды по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерного гранульного материала используют органические иониты, содержащие малорастворимые неорганические вещества.3. Способ минерализации воды по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерного гранульного материала используют органические иониты в солевой форме.4. Способ минерализации воды по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерного гранульного материала используют дробленые сплавы из термопластов, неорганических и органических веществ.5. Способ минерализации воды по пп.1-4, отличающийся тем, что вторичный поток дополнительно разделяется на 2-5 потоков, расположенных параллельно и/или последовательно и проходящих через полимерные гранульные материалы.6. Способ минерализации воды по п.1, отличающийся тем, что на пути вторичного потока или потоков размещены осмотические мембраны.7. Способ минерализации воды по п.1, отличающийся тем, что основной поток проходит через сорбент.8. Способ минерализации воды по п.1, отличающийся тем, что отношение минимального сечения основного потока к минимальному сечению вторичного потока или потоков составляет 1: 0,005-0,2.