ЭКСПРЕСС-МЕТОД ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ИЗ ПРИРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ Российский патент 2017 года по МПК C02F5/00 C02F1/52 C02F103/04 

Изобретение относится к химическим средствам обработки воды из природных источников для использования в быту, в полевых условиях, в чрезвычайных ситуациях (наводнения, техногенные аварии на производствах и системах водоподготовки и центрального водоснабжения, в туристических походах, в условиях военных действий и т.д.).

В реагентной технологии водоподготовки и водоочистки эффективность процесса определяется степенью очистки воды от примесей, длительностью процесса осаждения примесей, продолжительностью цикла фильтрования очищаемой воды и другими факторами.

Одним из основных является доза реагента, которая должна быть минимальной для достижения достаточной степени очистки, что определяется не только экономическими соображениями, но и требованиями инспектирующих органов к качеству очищенной воды, а также санитарными нормами в отношении остаточного количества реагента в очищенной воде [1].

Известно также, что обработка воды коагулянтами - самый распространенный метод очистки больших объемов воды от грубодисперсных, коллоидных, органических и химических загрязнений.

Масштабы применения метода коагуляции в централизованной водоподготовке для бытовых и производственных целей общеизвестны и в последние годы постоянно совершенствуются. В связи с этим быстро растет ассортимент коагулянтов и сопутствующих им реагентов, предлагаемых для очистки природных вод с целью улучшения качества питьевой воды.

Традиционно используемый коагулянт сульфат алюминия - Al₂(SO₄)₃ не во всех случаях обеспечивает требуемое качество очистки. Особенно затруднительно его использование при температурах ниже 8^αC, так как при данных температурах образуются такие высокодисперсные осадки продуктов гидролиза коагулянта, что их трудно отделить от очищаемой воды методами отстаивания и фильтрации.

Для интенсификации процессов реагентной очистки мягких вод с низким содержанием естественных взвесей необходимо дополнительное применение водорастворимых высокомолекулярных полиэлектролитов - флокулянтов. Флокулянты позволяют повысить эффективность коагуляции и седиментации примесей воды, снизить дозу коагулянта.

Так, коагулянтами для водоподготовки технической воды систем горячего водоснабжения могут служить гидрохлориды алюминия - Al(OH)Cl₂ и Al(OH)₂Cl. Однако эти коагулянты обычно используются для перевода солей «временной» жесткости в соли «постоянной» жесткости, но для получения питьевой воды непригодны.

В последнее время все более широкое распространение находит коагулянт - высокоосновный оксихлорид алюминия (ОХА), Al₂(OH)₅Cl. Другие названия: гидроксихлорид алюминия, полиалюминий хлорид (по международной номенклатуре непатентованное название «РАС») является перспективным и экономичным коагулянтом нового поколения, выбранным нами за прототип.

Оксихлорид алюминия широко применяется для очистки природных, оборотных и сточных вод от взвешенных веществ, тяжелых металлов, нефтепродуктов, фосфатов, синтетических поверхностно-активных веществ, для снижения цветности, мутности и пр.

Практика применения коагулянта «Бопак-Е» [2] показала ряд преимуществ его использования в сравнении с традиционно используемым сульфатом алюминия.

1. Дозировка данного препарата меньше, чем сульфата алюминия (в пересчете на Al₂O₃) и затраты на водоподготовку меньше, чем при использовании других неорганических флокулянтов.

2. Применение продукта приводит к стремительному хлопьеобразованию, получению крупных хлопьев и их осаждению, в результате чего образуется быстро выпадающий и хорошо фильтруемый осадок.

3. Оксихлорид алюминия может применяться в расширенном диапазоне температуры воды, обладает хорошей растворимостью.

4. Снижает содержание хлорорганических соединений.

5. Обладает малой коррозийной активностью.

6. Имеет расширенный диапазон оптимальных (pH) и фактически не изменяет щелочность воды.

Выбор коагулянта, учитывающий особенности исходной воды и сезонных изменений ее качества - основа для получения воды, соответствующей нормативным требованиям.

В полевых условиях и в чрезвычайных ситуациях необходимый предварительный контроль качества воды из природных источников не реализуем, а доставка качественной воды населению многократно усложняется. Кроме того требуется очень строгий контроль дозирования реагентов для предотвращения избыточного содержания алюминия в питьевой воде (ПДК 0,02 мг/л. ГОСТ 18165-2014).

Указанных недостатков лишен экспресс-метод приготовления питьевой воды из природных источников в полевых условиях и в чрезвычайных ситуациях, включающий обработку воды химическими реагентами, коагулянтом и содой, отличающийся тем, что сначала к воде при перемешивании прибавляют раствор коагулянта - высокоосновного оксихлорида алюминия Al₂(OH)₅Cl, а затем - пищевую соду NaHCO₃, в эквимолярном соотношении к коагулянту.

В испытаниях очистки природной воды были использованы следующие реагенты и аппаратура:

1. Коагулянт - ОХА, Al₂(OH)₅Cl, ТУ 216-350-002-39928758-02.

2. Сода пищевая - NaHCO₃, ГОСТ 2156-76.

3. Вода питьевая и жесткая - по НПБ 304-2001.

4. pH-Meter, РН-009(1) СЕ.

5. TDS-Meter, 139 TDS Testers CE.

Реагенты 1 и 2 могут раздельно храниться неограниченно долго в виде водных растворов в пластиковой таре.

Согласно требованиям Управления по охране окружающей среды (ЕРА) максимально допустимый уровень загрязнения воды составляет 500 мг/литр или 500 частиц на миллион (parts per million, ppm) к общему количеству растворенных в воде твердых частиц.

Жесткость воды отражает содержание в ней ионов кальция и магния.

Жесткость, обусловленная наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, Ca(HCO₃)₂; Mg(HCO₃)₂ называется временной или карбонатной (Ж_вр).

Жесткость, обусловленная хлоридами и сульфатами этих металлов (CaCl₂, MgCl₂, CaSO₄, MgSO₄,), называется постоянной (Ж_п). Суммарная жесткость воды носит название общей жесткости.

Жесткость воды (степень жесткости принято выражать в миллимолях ионов Ca²⁺ или Mg²⁺ (или обоих ионов) в 1 дм³ или 1 кг воды - ммоль/дм³ или ммоль/кг. В технической литературе встречается единица измерения степени жесткости воды - мг экв/дм³ или мг-экв/л.

Общая жесткость воды, используемой для питья, согласно СанПиН 2.1.4.599-96 должна находиться в пределах - от 1,5 до 7 мг-экв/л, при этом кальция должно быть не более 140 мг/л, а магния - не более 85 мг/л.

Питьевая вода в разных регионах отличается по своему составу, по содержанию вредных примесей солей и требует использования специальных реагентов для ее очистки.

Так, в Дагестане не соответствует гигиеническим нормативам около 40% проб водопроводной воды. Наиболее низкое качество воды отмечено в столице республики, Избербаше, Хасавюрте, Буйнакске, Дагестанских Огнях, Дербенте.

К неблагополучным районам можно причислить - Ахтынский, Акушинский, Бабаюртовский, Каякентский, Казбековский, Карабудахкентский, Левашинский, Новолакский, Кизилюртовский, Хасавюртовский, Буйнакский, Цумадинский, Лакский, Сулейман-Стальский, Гергебильский, Гунибский, Дахадаевский, Сергокалинский.

Проведенный специальными службами республики анализ состояния водоснабжения городов и районов Дагестана показывает, что ситуация с питьевым водоснабжением неудовлетворительна.

Причины неудовлетворительного качества воды, как и во многих регионах России, - недоочистка стоков и требующие реконструкции водопроводные трубы.

(Источник: Акваэксперт (http://www.aquaexpert.ru/news/2008/08/15/dagestan/). Все испытания по очистке воды экспресс-методом проводят на водопроводной и природной воде г.Хасавюрт, Республики Дагестан.

В таблице 1, приведены данные протокола испытаний питьевой воды городского водоснабжения г. Хасавюрт.

По данным анализа проба воды по исследованиям санитарно-химических показателей не соответствует СанПиН 2.1.4.10745-01 «Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения» по следующим показателям: Цветность, Мутность.

Исходя из результатов исследования установлено, что проба из источника не соответствует нормам, применяемым как к питьевой воде, так и к бытовой.

Поэтому было необходимо на основании протокола исследования подобрать комплексную систему водоподготовки, для исключения негативного влияния такой воды на здоровье.

Реагенты коагулянт - ОХА и пищевая сода были сбалансированы так, что их используют поэтапно в равных расчетных эквимолярных соотношениях.

Реакция (1) позволяет в любых условиях применения реагентов избежать избытка коагулянта, ограниченного требованиями ПДК (0,02 мг/л).

В соответствии с техническими условиями ТУ 216-350-002-39928758-02 коагулянт ОХА содержит не менее 34% основного продукта - Al₂(OH)₅Cl. В примерах описания изобретения для удобства практического применения и дозирования в малые объемы контейнеров (1,5 л), ОХА разбавляют водой в 2 раза (17%) для использования в полевых условиях или чрезвычайных ситуациях в паре с раствором пищевой соды в воде (8,7%) в равном объемном соотношении 1:1, вместо 0,5:1. Иными словами, при любом разбавлении взаимодействующих компонентов необходимо учитывать лишь требование их эквимолярного соотношения по реакции (1).

Возможные варианты применения Na₂CO₃ и NaOH, вместо пищевой соды, по соображениям доступности и безопасности в бытовых условиях не рассматривались.

Предварительные исследования показали, что мелкодисперсный золь гидроокиси алюминия, образующийся в первый момент времени коагуляции, характеризуется максимально высокой сорбционной активностью. Поэтому особенно важно обеспечить быстрое и равномерное смешение коагулянта со всем объемом очищаемой воды.

Ниже приведены примеры таких испытаний.

Пример 1.

В полиэтиленовую емкость объемом 6 литров с водопроводной водой прибавляют 1 мл коагулянта ОХА с содержанием 0,17 г Al₂(OH)₅Cl и тщательно перемешивают встряхиванием. Наблюдается коагуляция примесей и хлопьеобразование. При этом происходит химическое взаимодействие ОХА с солями временной жесткости и перевод их в осадок CaCO₃ и MgCO₃.

Одновременно протекает взаимодействие ОХА с солями постоянной жесткости, сульфатами CaSO₄ и MgSO₄ с образованием нерастворимого осадка - [Al₂(OH)₅]₂SO₄.

Очищенная вода практически не содержит сульфатов металлов.

Далее в объем воды добавляют 1 мл насыщенного раствора пищевой соды и также тщательно перемешивают для связывания избытка коагулянта и ускорения образования осадка.

Пример 2.

Отличался от примера 1 лишь объемами очищаемой водопроводной воды - 60 литров и соответственно объемами используемых реагентов ОХА и соды по 10 мл каждого.

Пример 3.

Отличался от примера 1 лишь объемами очистки природной воды - 1,5 л и соответственно используемых реагентов ОХА и соды по 0,25 мл каждого.

Учитывая столь малые объемы применяемых реагентов, было определено содержание капель в 1 мл раствора из стандартного одноразового шприца (с калибровкой на - 2 миллилитра), без использования иглы. Измерения показали, что в 1 миллилитре воды содержится 20 капель по 0,05 мл.

Таким образом, для получения 1,5 л питьевой воды из природных источников в походных условиях или в чрезвычайных ситуациях, достаточно использовать по 5 капель соответствующих реагентов для обеспечения безопасности воды для здоровья.

Наличие в аптечке флаконов по 20 мл каждого из реагентов может обеспечить питьевую воду из природных источников объемом 120 литров.

Результаты анализа питьевой воды представлены в таблице 2.

Проба воды по исследованным санитарно-химическим показателям соответствует СанПиН 2.1.4.10745-01 «Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения».

Результаты анализов образца говорят о высоком качестве воды, переданной для анализа.

Дополнительные меры по водоподготовке не требуются, вода может быть использована как питьевая без ограничений (ХАЦ ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова).

Технический результат заявленного изобретения заключается в обеспечении приготовления питьевой воды, соответствующей нормативным требованиям в походных условиях и чрезвычайных ситуациях.

К важным преимуществам применения экспресс-метода следует также отнести отсутствие необходимости в проведении предварительного аппаратурного анализа качества природной воды и возможной передозировки используемых химических реагентов.

Литература

1. Ксенофонтов Б.С. Водопользование и очистка промстоков // Безопасность жизнедеятельности. - 2003. - №9. - С. 1-10.

2. Алексеева Л.П. Оценка эффективности применения оксихлорида алюминия по сравнению с другими коагулянтами. Журнал «ВСТ» №2, 2003 г.

Изобретение относится к химическим средствам обработки воды из природных источников и может быть использовано в питьевом водоснабжении в быту или в полевых условиях. Экспресс-метод приготовления воды из природных источников в полевых условиях и в чрезвычайных ситуациях включает обработку воды коагулянтом и содой. Сначала к воде при перемешивании прибавляют раствор коагулянта - высокоосновного оксихлорида алюминия - Al₂(ОН)₅Cl, а затем - пищевую соду NaHCO₃ в эквимолярном соотношении к коагулянту. Изобретение позволяет обеспечить приготовление питьевой воды, соответствующей нормативным требованиям, в походных условиях и чрезвычайных ситуациях. 2 табл., 3 пр.

Экспресс-метод приготовления питьевой воды из природных источников в полевых условиях и в чрезвычайных ситуациях, включающий обработку воды химическими реагентами, коагулянтом и содой, отличающийся тем, что сначала к воде при перемешивании прибавляют раствор коагулянта - высокоосновного оксихлорида алюминия Al₂(OH)₅Cl, а затем - пищевую соду NaHCO₃, в эквимолярном соотношении к коагулянту.