СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ИЗ МОРСКОЙ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ Российский патент 2018 года по МПК C02F5/02 C02F1/52 C02F1/58 C02F101/10 C02F103/08 

Изобретение относится к химическим методам обработки морской воды с целью выживания человека в чрезвычайных ситуациях.

Известно, что природная вода включает в себя растворимые и нерастворимые вещества, содержание которых в питьевой воде регламентируется соответствующими стандартами.

Существенное значение для питьевой воды имеет понятие «общая минерализация», которая отражает суммарное содержание солей в воде без разделения на группы и классы.

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.

Этим требованиям не отвечает морская вода. Морская вода непригодна для питья из-за высокого содержания в ней минеральных веществ, для выведения которых из организма требуется воды больше, чем выпитое количество.

Всемирная организации здравоохранения обстоятельно изучавшая материалы многочисленных экспериментов на людях и лабораторных животных, проанализировав случаи использования морской воды терпящими бедствие, пришли к единодушному мнению, что морская вода разрушительно действует на организм человека. Она вызывает глубокие расстройства многих органов и систем (The Danger of drinking Seawater, 1962).

В этой связи, памятками и инструкциями для моряков и летчиков питье морской воды в условиях автономного пребывания на спасательных лодках и плотах категорически запрещается.

Но и без запретов, в обыденной жизни даже в самый жаркий день на пляже никому и в голову не придет мысль сделать пару глотков прямо из моря.

Известно также, что в воде Мирового океана независимо от абсолютной концентрации количественные соотношения между концентрациями главных ионов всегда одинаковы.

Постоянство солевого состава получило название закона Дитмара, по имени английского химика, доказавшего это важное свойство морской воды в 1884 г.

Поэтому в литературе обычно приводится усредненный минеральный состав океанической воды при солености 35.

В таблице 1 приведен ионный состав морской соли, содержащейся в океанической воде при солености 35.

Суммарное содержание твердых растворенных веществ в 1 кг морской воды и выраженное в десятых долях процента (промилле ) - называется соленостью. (от лат. pro mille, «к тысяче») - одна тысячная доля, обозначается дробью «0 делить на 00» (). 1 - 1/1000=0,001=0,1%.

Средняя соленость морской воды на поверхности океана колеблется от 32 до 37%. В некоторых морях отмечается значительное отклонение от этих средних величин. Красное море - самое соленое море Мирового океана. В 1 литре воды здесь содержится 41 г солей, в Черном море 18, в Балтийском всего 5 г.

Из всего количества растворенных веществ в морской воде 99.6% составляют галоидные соли натрия, калия, магния и сульфаты магния и кальция и только 0.4% солевого состава приходится на долю остальных элементов.

Известно также, что потребность взрослого человека, проживающего в умеренном климате, составляет примерно 10-15 грамм пищевой соли (NaCl) в сутки.

Существенное значение для здоровья человека при использовании питьевой воды имеет содержание в ней солей жесткости.

Жесткость воды - степень жесткости принято выражать в миллимолях ионов Са²⁺ или Mg²⁺ (или обоих ионов) в 1 дм³ - ммоль/дм³ или в 1 кг воды - ммоль/кг. В технической литературе часто 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.

Жесткость, обусловленная наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, Са(НСО₃)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 (временной и постоянной) воды носит название общей жесткости.

Жесткость морской воды значительно выше, чем жесткость воды рек и озер. Так, например, вода Черного моря имеет общую жесткость 65,5 ммоль/л, а среднее значение жесткости воды Мирового океана составляет 130,5 ммоль/л.

Временную (карбонатную) жесткость устраняют:

1. Кипячением

Са(HCO₃)₂=СаО+H₂O+CO₂↑

Mg(HCO₃)2=Mg(OH)₂+2CO₂

2 Добавлением гашенной извести

Са(HCO₃)₂+Са(ОН)₂=2CaCO₃+2H₂O

Mg(HCO₃)₂+2Са(ОН)₂=Mg(OH)₂+2CaCO₃+2H₂O

3. Постоянную (некарбонатную) жесткость устраняют добавлением соды.

CaCl₂+Na₂CO₃=СаСО₃+2NaCl

MgSO₄+Na₂CO₃=MgCO₃+Na₂SO₄

4. В целях одновременного устранения обоих видов жесткости применяют смесь гашеной извести и соды - содово-известковый метод.

Как известно, обработка воды коагулянтами - самый распространенный метод очистки больших объемов воды от грубодисперсных коллоидных загрязнений. Масштабы применения метода коагуляции в централизованной водоподготовке в последние годы постоянно совершенствуются. В связи с этим быстро растет ассортимент коагулянтов и сопутствующих им реагентов, предлагаемых для очистки природных вод.

В последнее время все более широкое распространение находит коагулянт - оксихлорид алюминия (ОХА), Al₂(OH)₅Cl - (Другие названия: гидроксихлорид алюминия, поли-оксихлорид алюминия, полиалюминий хлори и пр.), который является перспективным и экономичным коагулянтом нового поколения.

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. [Алексеева Л.П. Оценка эффективности применения оксихлорида алюминия по сравнению с другими коагулянтами. Журнал «ВСТ» №2, 2003 г.]. Следует, однако, отметить, что применение этого коагулянта для получения питьевой воды из морской в патентной информации отсутствует.

Наиболее близким по поставленной цели и решаемой задаче следует отнести патент RU №2188801 С1, 10.09.2002, принятый нами за прототип.

Совокупность признаков, изложенных в формуле изобретения, характеризующий этот способ, позволяет получать воду питьевого качества практически из любой природной воды, в том числе с высоким уровнем загрязнения, - речной, озерной, подземной, морской. Использование различных мембранных методов разделения воды - ультрафильтрации и микрофильтрации - способствует эффективному удалению механических частиц, взвесей, антропогенных и сильнодействующих ядовитых веществ, включая пестициды и гербициды, а также бактерий, вирусов и грибков. Дополнительное использование обратноосмотических мембран позволяет опреснить солоноватую и морскую воду до уровня питьевой.

Все способы очистки воды, в том числе прототип, из-за своей громоздкости неосуществимы в условиях чрезвычайных ситуаций на морской воде.

Указанных недостатков лишен, способ приготовления питьевой воды из морской в чрезвычайных ситуациях, основанный на обработке воды химическими реагентами при перемешивании, отличающийся тем, что сначала в воду прибавляют коагулянт - оксихлорид алюминия Al₂(OH)₅Cl, а затем - пищевую соду NaHCO₃ в мольном соотношении 1:1.

Для получения составов и их испытаний были использованы следующие вещества и аппаратура:

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

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

3. Вода Красного моря.

4. pH-Meter, РН-009 (1) СЕ.

5. TDS-Meter, 139 TDS Testers СЕ.

Контрольные испытания проводились в независимых лабораториях, имеющих государственную аккредитацию.

Как известно, обработка воды коагулянтами - самый распространенный метод очистки больших объемов воды от грубодисперсных коллоидных загрязнений. Масштабы применения метода коагуляции в централизованной водоподготовке в последние годы постоянно совершенствуются. В связи с этим быстро растет ассортимент коагулянтов и сопутствующих им реагентов, предлагаемых для очистки природных вод.

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

В действующих Федеральных санитарных правилах, нормах и гигиенических нормативах общая жесткость воды, используемой для питьевых и хозяйственно-бытовых нужд, нормируется: допустимое максимальное содержание солей жесткости в воде по суммарному содержанию в ней ионов кальция и магния составляет 7 мг-экв/л.

Для удаления солей жесткости в работе применяют водные растворы коагулянта ОХА с концентрацией по Al₂(ОН)₅Cl - 17% и пищевую соду, NaHCO₃ - 8,7% в равных мольных соотношениях в соответствии с реакцией (1).

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

Объемное соотношение растворов реагентов 1:1, приведенное в конкретном случае, в свою очередь, позволяет упростить технику дозирования и эксплуатации реагентов, без использования специального аналитического оборудования и профессиональных знаний.

В специальном приложении приведены другие объемные соотношения водных растворов реагентов и безводных твердых реагентов при обязательном условии мольного соотношения этих реагентов равном 1:1.

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

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

Последующее прибавление раствора соды обеспечивает полноту реакции и безопасность наличия избытка ОХА в растворе.

Ниже приведен пример такого испытания.

В полиэтиленовую емкость объемом 0,5 литра с водой Красного моря (содержащей примерно суточную норму пищевой соли для человека) прибавляют 2 мл коагулянта ОХА с содержанием 0,34 г Al₂(ОН)₅Cl и тщательно перемешивают встряхиванием. Наблюдается образование молочного цвета суспензии. При этом происходит физико-химическое взаимодействие реагента с растворимыми и нерастворимыми примесями, а также химическое взаимодействие ОХА с солями временной и постоянной жесткости с выделением нерастворимых карбонатов, гидроокиси алюминия и гидросульфата алюминия [Al₂(OH)₅]₂SO₄.

Далее, при добавлении 2 мл концентрированного раствора соды процесс взаимодействия веществ завершается и происходит выпадение осадка.

Отделение прозрачного раствора от осадка производится декантацией.

Для осуществления контроля состава питьевой воды отбирают 100 мл прозрачного раствора и упаривают нагреванием до полного удаления воды. В результате упаривания образуется белая кристаллическая морская соль - 4 г, которую далее повторно растворяют в дистиллированной воде и доводят до отметки 2 литра.

Полученный раствор подвергают физико-химическому анализу на пригодность соли в пищевых целях.

Результаты комплексного анализа питьевой воды в соответствии с РД 52.10.243-92. («Руководящий документ. Руководство по химическому анализу морских вод»).

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ представлен в таблице 2.

Данные испытания таблицы 2, показывают, что последовательная химическая обработка морской воды в чрезвычайных ситуациях предлагаемым способом позволит получить высокого качества пищевую воду, практически не содержащую солей жесткости и других примесей, обладающую высокими органолептическими показателями.

Малые количества используемых реагентов и суточная норма воды (пластиковая емкость 0,5 л) могут содержаться в аптечке для выживания бедствующих на морской воде.

Способ можно также рекомендовать как экологически чистый для получения пищевой морской соли и морской соли для аквариумов и медицинских целей.

Изобретение может быть использовано в чрезвычайных ситуациях для приготовления питьевой воды из морской. Способ включает последовательное смешение воды сначала с коагулянтом - Al₂(ОН)₅Cl для перевода солей общей жесткости в нерастворимый осадок, а затем с пищевой содой NaHCO₃ в мольном соотношении 1:1 для предотвращения избытка коагулянта. Способ характеризуется простотой выполнения, позволяет использовать морскую воду для питья в чрезвычайных ситуациях без угрозы для здоровья и получать питьевую воду высокого качества, практически не содержащую солей жесткости, обладающую высокими органолептическими показателями, и, кроме того, получать экологически чистую морскую соль для пищевых и медицинских целей.

Способ приготовления питьевой воды из морской в чрезвычайных ситуациях, основанный на обработке воды химическими реагентами при перемешивании, отличающийся тем, что сначала в воду прибавляют коагулянт - оксихлорид алюминия Al₂(ОН)₅Cl, а затем - пищевую соду NaHCO₃ в мольном соотношении 1:1.