СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2024 года по МПК C02F1/28 B01J20/24 

Изобретение относится к очистке воды от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных микроорганизмов из любых природных источников, а также к доочистке воды из водопроводной сети и очистке сточных вод. Фильтрование загрязненной воды проводят через два слоя природных адсорбентов, в качестве которых используют хитозан (размер частиц находится в диапазоне от 212 до 425 мкм) и песок (размер частиц 1-1,5 мм), взятых в соотношении, мас. %: хитозан - 7,5 (верхний слой), песок - 92,5 (нижний слой).

Известен способ водоподготовки (RU №2316479), включающий фильтрацию воды через слой гранулированного серпентинита, который предварительно преобразуют в анионообменный материал путем обработки щелочным раствором.

Недостатком известного способа является отсутствие очистки воды от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных микроорганизмов.

Известен способ очистки вод с применением сорбционно-фильтрующего материала (RU №2411059), включающий фильтрацию воды через отходы производства терморасширенного графита, расположенные слоями в порядке чередования с внешними слоями из отходов полиакрилонитрильного волокна.

Недостатками данного способа являются недостаточная эффективность очистки воды от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных микроорганизмов, и отсутствие информации об эффективности очистки.

Известен способ очистки вод, включающий применение адсорбента на основе торфа, подвергнутого термолизу, обработанного гидроксидами алюминия и железа, с поверхностью, модифицированной поли-1,2-диметил-5-винил-пиридинийметилсульфатом (RU №2156163).

Недостатком данного способа является недостаточная эффективность очистки от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных микроорганизмов.

Известен способ очистки сточных вод (RU №2736497), включающий фильтрацию загрязненных сточных вод через композицию адсорбционно-фильтрующих лигноцеллюлозносодержащих материалов. Способ позволяет очистить промышленные и близкие к ним по составу сточные воды от ионов металлов, нефтепродуктов, органических загрязнений и запаха.

Недостатком известного способа является недостаточная эффективность очистки вод от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных микроорганизмов.

Известен способ комплексной очистки сточных вод (RU №2414430), заключающийся в комплексной очистке сточных вод от нефти и нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ, красителей, фенолов, ионов металлов путем их сорбции на однородном механически прочном сорбенте, обладающем бифункциональными свойствами. В качестве сорбента, обладающего бифункциональными свойствами, используется сапропель, подвергнутый карбонизации в инертной среде. Изобретение позволяет проводить комплексную очистку многокомпонентных сточных вод.

Недостатками данного сорбента являются отсутствие информации по эффективности очистки воды от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных микроорганизмов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ адсорбционной очистки воды, включающий фильтрацию через природный адсорбент (RU №2150997).

Недостатком известного способа является недостаточная эффективность очистки вод от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных микроорганизмов.

Неприятности из-за взвешенных и коллоидных частиц, вызывающих мутность, стали широко распространенными и представляют собой серьезную проблему из-за городского населения и промышленной деятельности. Мутность воды в основном влияет на эстетический вид. Последствиями мутности являются потепление воды, снижение концентрации кислорода, снижение фотосинтетической активности растений и т.д.

Еще одной растущей проблемой является присутствие в воде патогенных организмов (группы колиформ). Известно, что употребление такой воды вызывает заболевания, передающиеся через воду.

Нитраты, в частности, вызывают вспышки таких инфекционных заболеваний, как рак пищеварительного тракта и цианоз среди детей.

Микропластик в воде является одним из наиболее опасных новых загрязнителей и стал серьезной экологической проблемой.

Микропластики попадают в организм водных существ от микроорганизмов до рыб и в итоге встраиваются в пищевую цепь.

Существуют некоторые биологические, химические, электрохимические и физические методы удаления микропластика, однако их широкая применимость и рентабельность вызывают вопросы.

Коагуляция солями алюминия и железа широко применяется на очистных сооружениях, однако эффективность процесса сильно зависит от типа коагулянта и размера/типа микропластика и эффективность очистки обычно низкая (до 50%). Электрокоагуляция также показывает столь же низкую эффективность. Фильтрация биоуглем или активированным углем оказывается весьма эффективной, однако этот процесс протекает медленно, приводит к закупорке пор, а регенерация является очень трудоемкой. Фотокатализ (например, с TiО₂) существенно уменьшает концентрацию микропластика, однако применение этого метода в настоящее время может оказаться неосуществимым из-за высоких затрат и связанных с этим сложностей.

Фильтрация и коагуляция-флокуляция-осаждение являются неразрушающими методами и требуют дополнительных мер для разложения микропластика. Биологическая обработка показывает низкую способность к разрушению микропластика.

В научной литературе имеется очень ограниченное количество исследований по технологиям разложения микропластика.

Обычными методами очистки воды для удаления мутности, болезнетворных микроорганизмов и других загрязняющих веществ являются коагуляция, фильтрация и дезинфекция. Фильтрация обычно представляет собой механическую или физическую операцию, которая используется для отделения твердых веществ от жидкостей путем введения среды, через которую может проходить только жидкость.

Хитозан, природный линейный биополиаминосахарид, получаемый щелочным деацетилированием хитина, получаемого из клеточной стенки грибов, экзоскелетов ракообразных, кутикулы насекомых и некоторых водорослей. Известно, что хитозан обладает различными свойствами: он нетоксичен, обладает биоадгезивными и антибактериальными свойствами, а также известен как биоразлагаемый компонент.

Хитозан приобрел важное значение в биомедицинской и экологической биотехнологии благодаря своей очень высокой адсорбционной способности.

Хитозан является природным дезинфицирующим средством против болезнетворных микроорганизмов, передающихся через воду, и его эффективность доказана.

Обычными фильтрующими материалами, используемыми для фильтрации, являются песок, антрацит, активированный уголь и т.д. Эти фильтрующие материалы, хотя и эффективны при фильтрации, имеют различные недостатки.

Хитозан благодаря своим выгодным свойствам рассматривается как альтернатива обычным фильтрующим материалам, поскольку он не только эффективно фильтрует воду, но и придает ей полезные свойства, делая воду безопасной и полезной для потребления.

Предлагаемый способ обеспечивает высокую степень очистки воды от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных микроорганизмов.

Задачей изобретения является повышение степени очистки воды от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных микроорганизмов. Для достижения технического результата загрязненные воды фильтруют через природные адсорбенты, в качестве которых используют хитозан (размер частиц находится в диапазоне от 212 до 425 мкм) и песок (размер частиц 1-1,5 мм), взятых в соотношении, мас. %:

Хитозан - 7,5 (верхний слой),

Песок - 92,5 (нижний слой).

Фильтрацию проводилась в колонке из боросиликатного стекла высотой 1 м и диаметром 0,10 м, в которую был помещен фильтрующий материал. Образец транспортировался по трубе диаметром 5 мм. Контроллер потока использовался для управления потоком воды со скоростью 100 мл/мин (фигура 1).

Использовался хитозана толщиной 20 мм над слоем песка молщиной 250 мм, через который пропускали пробы загрязненной воды со скоростью потока 100 мл/мин, поддерживая постоянный напор высотой 100 мм от верхней поверхности хитозанового фильтрующего материала. Пробу воды анализировали на предмет ее исходных физико-химических и бактериологических характеристик, таких как мутность, рН, общее количество твердых веществ, общее количество растворенных твердых веществ, общая жесткость, постоянная жесткость, нитраты, микропластики и общее количество колиформных бактерий.

В таблице 1 представленный физико-химические показатели загрязненной воды.

В таблице 2 представленный физические и бактериологические показатели загрязненной воды.

Двойной фильтрующий материал эффективен в снижении мутности, содержания нитратов, микропластиков и общего количества колиформ (фигура 2).

Хитозан, использованные в исследовании на колонке, имел размер частиц в диапазоне от 212 мкм до 425 мкм. Мутность снизилась на 93%, нитраты - на 85%, а общее количество колиформных бактерий - на 100%).

Было обнаружено, что произошло значительного снижения общего содержания твердых веществ (45%), общего количества растворенных твердых веществ (3%), общей жесткости (27%) и постоянной жесткости (31%). рН остался неизменным. Заявленный способ комбинированной очистки воды от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных микроорганизмов отличается от известных прототипов по следующим параметрам:

- высокая адсорбционная способность в отношении колиформных бактерий, микропластиков, нитратов;

- высокая производительность технологического процесса;

- низкая стоимость адсорбционных материалов;

- простота технологического процесса очистки воды, т.к. в данном случае не требуется предварительная и дополнительных стадий очистки;

- высокое качество очищаемой воды;

- расширение области применения природного адсорбционного сырья;

- размер частиц хитозана находится в диапазоне от 212 до 425 мкм, частицы, придающие мутность, эффективно улавливаются слоями хитозана и, следовательно, эффективно уменьшают мутность воды (эффективность снижения мутности свыше 93%);

- сочетание хитозана и песка в качестве двойного фильтрующего материала является многообещающим методом очистки воды.

Изобретение относится к очистке воды от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных микроорганизмов из любых природных источников, а также к доочистке воды из водопроводной сети и очистке сточных вод. Фильтрование загрязненной воды проводят через два слоя природных адсорбентов. В качестве адсорбентов используют хитозан с размером частиц в диапазоне от 212 до 425 мкм и песок размером частиц 1-1,5 мм. Хитозан помещен в верхний слой, песок – в нижний. Компоненты взяты в соотношении, мас. %: хитозан - 7,5, песок - 92,5 (нижний слой). Технический результат: высокая степень очистки воды от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных бактерий. 2 ил., 2 табл.

Способ комбинированной очистки воды от взвешенных, коллоидных частиц, микропластиков, нитратов и болезнетворных микроорганизмов, включающий фильтрацию через два природных адсорбента, отличающийся тем, что в качестве адсорбентов используют хитозан с размером частиц в диапазоне от 212 до 425 мкм, помещенный в верхний слой, и песок с размером частиц 1-1,5 мм, помещенный в нижний слой, при этом хитозан и песок взяты в соотношении, мас. %: хитозан - 7,5, песок - 92,5.