способ энергонезависимой, безреагентной, нетоксичной очистки воды от микробиологических загрязнений на основе нанотехнологий

Формула изобретения

Способ энергонезависимой, безреагентной, нетоксичной очистки воды от микробиологических загрязнений на основе нанотехнологий, включающий протекание потока обрабатываемой воды через бактерицидный фильтр-элемент, погруженный в обрабатываемую воду и размещенный вдоль направления протекания потока воды, при этом фильтр-элемент выполнен из пористого полимерного материала, модифицированного наноструктурными частицами, отличающийся тем, что в качестве пористого полимерного материала используют полиэтилен, а в качестве наноструктурных частиц - частицы серебра, меди, скорость протекания обрабатываемой воды устанавливают не выше 2,5 м/с, причем геометрические размеры системы фильтр-элементов рассчитывают исходя из того, что время протекания воды вдоль фильтр-элементов составляет не менее 0,25 с, а соотношение сечений обрабатываемого потока воды и бактерицидного фильтр-элемента составляет не более 5:1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бытовым и промышленным технологиям очистки воды от микробиологических загрязнений, борьбы с биообрастанием в системах фильтрации, трубопроводах и объемах для аккумуляции, хранения и консервации воды.

Заявляемый способ может быть использован в системах водоснабжения, хранения и консервации воды, в бассейнах, скважинах, колодцах, пищевых производствах, для сельскохозяйственных работ и т.д.

Наиболее близким способом обеззараживания воды по отношению к заявляемому способу является физический способ, осуществляемый путем обработки воды оптическим излучением в определенном режиме (заявка RU 94018644 А1 C02F 1/50).

Один из этапов способа заключается в предварительной очистке воды, так как оптическим излучением можно обеззараживать воду, обладающую малой цветностью, не содержащую взвешенных и коллоидных частиц (которые поглощают и рассеивают оптические лучи), а также умягченную, т.к. соли жесткости, в процессе использования оптического излучателя, осаждаются на корпусе излучателя, ослабляя тем самым эффект обеззараживания, следовательно возможна реактивация бактерий в обработанной воде.

Таким образом, в случае отсутствия предварительной подготовки воды снижается надежность и эффективность указанного способа, а также возможна реактивация бактерий в обработанной воде.

Кроме того, указанный способ энергозависим. При отсутствии электроэнергии реализация способа не возможна.

Известен способ обеззараживания воды на основе ионного серебра (патент RU 2125971 C02F 1/50, A23L 3/00, A61L 2/16, C02F 103:04), а также известен способ обработки воды ионным серебром, разработанный академиком Л.А.Кульским. Способ заключается в пропускании постоянного электрического тока через пару погруженных в воду серебряных электродов. Анод растворяется и вода насыщается ионами серебра.

Дезинфицирующий водный раствор на основе ионов серебра (Ag+), полученных путем электролиза с использованием серебряного анода, является рабочей средой, в которой определяющим обеззараживающим эффектом служит концентрация ионов серебра в растворе.

Известно, что ионы серебра, адсорбируясь на поверхности клетки бактерии в результате взаимодействия электростатических сил (Ag+ и протоплазма-), проникают внутрь клетки и связываются с нуклеиновым ядерным веществом, образуя нуклеинаты, этим они нарушают жизнедеятельность бактерий. Обеззараживающий эффект достигается за 1-2 часа при концентрациях электростатического ионного серебра 0,2-0,4 мг/литр. Напомним, что норма содержания серебра в питьевой воде 0,05 мг/литр.

При взаимодействии с другими примесями воды, которые всегда в ней присутствуют, серебро постепенно расходует свой заряд на попутные связи. Это обстоятельство делает ионное серебро весьма ненадежным агентом в борьбе с бактериальной загрязненностью. Но главным отрицательным фактором является то обстоятельство, что серебро - это тяжелый металл, который накапливается в организме.

Концентрация ионов серебра на уровне 0,5-5 мг/литр снижает иммунологическую активность организма (по показателю фагоцитоза), вызывает изменения сосудистой, нервной и глиозной ткани головного и спинного мозга. Употребление воды с концентрацией серебра 20 мг/литр оказывает неблагоприятное воздействие на процессы синтеза и распада аминокислот, что может отрицательно сказываться на синтезе белков и ферментов. Способ требует обязательного контакта ионов серебра с бактерией для ее инактивации, т.е. присутствия ионов серебра в воде.

В этом способе существует прямая зависимость между эффективностью обеззараживания воды при высоких уровнях зараженности болезнетворными бактериями и концентрацией ионного серебра, требуемого для инактивации бактерий. Метод токсичен и дорог в эксплуатации, поскольку серебро является расходным материалом.

Заявляемый способ направлен на устранение указанных недостатков и заключается в следующем. В любой технологической схеме очистки воды от микробиологических загрязнений в очищаемую воду погружают, по крайней мере, один бактерицидный фильтр-элемент из пористого материала, модифицированного наноструктурными металлами (Ag _n ^+m, Cu_n ^+m). Погружение производят в статический объем или динамический поток очищаемой воды.

Бактерицидный фильтр-элемент, разработанный авторами заявляемого решения (патент RU 54811, B01D 39/08 от 01.2006) представляет собой полую трубку диаметром от 18 до 104 мм c толщиной стенки от 10 до 15 мм, выполненную из пористого материала, модифицированную наноструктурными металлами (Ag_n ^+m, Cu_n ^+m) методом диффузии из водноорганического мицеллярного раствора, по «Способу модифицирования фильтровального элемента», разработанному авторами заявляемого способа (патент RU 2135262. С1).

Синтез наноструктурных металлов проводится радиационно-химическим методом в обратных мицеллах с использованием гамма-излучения. Наноструктурные металлы получают в виде дисперсии в предельных углеводородах (изооктане). В процессе синтеза образуются коллоидные частицы металлов наноструктурных размеров, которые обладают особыми свойствами, отличными как от свойств изолированных атомов, так и от массивного металла. Частицы наноструктурных металлов имеют неправильную развитую форму (в отличие от круглой формы ионного серебра) и множество активных связей с некомпенсированным зарядом, чем и объясняется синергетический эффект бактерицидных свойств нанокомпозиционного материала, который используют в предлагаемом способе очистки воды от микробиологического загрязнения.

Наноструктурными металлами, полученными радиационно-химическим способом, модифицированы трубки из пористого материала по разработанной авторами методике. При этом нанометаллы встраиваются в структуру материала и прочно закрепляются на нем. Этим объясняется отсутствие миграции наноструктурных металлов в обрабатываемую воду (Таблица 4).

Исследование микробиологической стойкости и эффективности материала, модифицированного наноструктурным серебром, проводили в эксперименте, который заключался в заражении образцов материалов ассоциацией тест-бактерий, выдерживании образцов в условиях, благоприятных для развития микроорганизмов, с последующей оценкой их количества на материалах в процессе эксперимента. Результаты тестирования микробиологической стойкости опытных и контрольных образцов материала представлены в таблице 1.

Таблица 1
Результаты исследования биостойкости пористого полиэтилена (количество бактерий на 1 см2 образца)
Исследуемые образцы пористого полиэтилена	Бактерии, используемые для заражения образцов	Сутки эксперимента
5	10
Рецептура 1 (опыт)	Staphylococcus aureus + Escherichia coli	0	0
Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis	0	0
Рецептура 1 (контроль)	Staphylococcus aureus + Escherichia coli	4,5×102	1,6×102
Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis	2,3×102	1,5×102
Рецептура 2 (опыт)	Staphylococcus aureus + Escherichia coli	6	0
Рецептура 2 (контроль)	Staphylococcus aureus + Escherichia coli	6,0×102	-

Проведенные исследования демонстрируют высокую микробиологическую стойкость и бактерицидную активность пористого материала, модифицированного наноструктурным серебром, который используется в заявляемом способе.

Для оценки рабочего ресурса бактерицидной активности указанного материала опытные и контрольные образцы перед началом исследований подвергали ускоренным климатическим испытаниями (УКИ), имитирующим их «ускоренное старение» в течение 2-х и 5-ти лет. «Ускоренное старение» проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ 9.707-81.

Результаты ресурсных испытаний бактерицидной активности образцов из пористого материала, модифицированного наноструктурным серебром, сведены в таблицу 2.

Таблица 2
Результаты ресурсных испытаний бактерицидной активности фильтр-элементов из пористого полиэтилена, модифицированных наноструктурным серебром (количество бактерий на 1 см образца)
Материал	Бактерии, используемые для инфицирования материала	5-е сутки эксперимента	10-е сутки эксперимента
опыт	контроль	опыт	контроль
Нативный (исходный)	Staphylococcus aureus + Escherichia coli	0	4,5×10 2	0	1,6×102
Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis	0	2,3×10 2	0	1,5×102
УКИ 2 года старения	Staphylococcus aureus + Escherichia coli	0	2,3×10 3	0	8,3×102
Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis	0	2,4×10 3	0	4,0×103
УКИ 5 лет старения	Staphylococcus aureus + Escherichia coli	0	6,0×10 3	0	1,3×103
Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis.	0	6,6×10 3	0	8,0×103

Таким образом, пористый материал, модифицированный наноагрегатами серебра, сохраняет бактерицидную активность в течение не менее 5-ти лет и положен в основу заявляемого способа.

Заявляемый способ реализуют в различных системах фильтрации, хранения и подачи воды.

1. В любую картриджную систему фильтрации воды радиального потока (Фиг.1), во внутреннюю полость картриджа (1) размещают бактерицидный фильтр-элемент из нанокомпозиционного материала (2). Таким образом, картридж защищают от биообрастания и увеличивают его рабочий ресурс, так как предотвращают непрогнозируемый процесс вторичного микробиологического загрязнения очищаемой воды. При замене картриджа бактерицидный фильтр-элемент используют многократно.

2. В емкость для хранения питьевой воды погружают бактерицидный фильтр-элемент из нанокомпозиционного материала с заданными параметрами в зависимости от решаемой задачи. Тем самым обеспечивают бактериостатический эффект в питьевой воде в течение длительного срока ее хранения, т.е. в ней не происходит размножения бактерий (Таблица 1).

3. В любую существующую систему подачи и очистки воды устанавливают проточное бактерицидное устройство (патент RU 54811, B01D 39/08), разработанное авторами заявляемого решения (Фиг.2). Бактерицидное устройство представляет собой систему бактерицидных фильтр-элементов (3), расположенных в определенном порядке внутри корпуса (4) таким образом, что фильтр-элементы размещают вдоль направления протекания потока обрабатываемой воды, при этом устанавливают скорость протекания обрабатываемой воды не выше 2,5 м/сек. В таких системах устанавливают 3 и более бактерицидных фильтр-элементов общей длиной от 630 мм таким образом, что геометрические размеры фильтр-элементов рассчитывают, исходя из того, что время, достаточное для очистки от микробиологических загрязнений воды, протекающей вдоль фильтр-элементов, составляет не менее 0,25 сек, при этом соотношение сечений обрабатываемого потока воды и бактерицидных фильтр-элементов составляет не более 5:1.

Эффективность работы бактерицидных фильтр-элементов подтверждена исследованием, проведенным в Институте медико-биологических проблем РАН с помощью установки, через которую с различной скоростью (производительностью) пропускали модельный раствор, предварительно зараженный тест-культурами бактерий. Результаты исследований сведены в таблицу 3.

Таблица 3
Длина бактерицидного элемента	Производительность установки (л/мин)	Скорость потока (м/сек)	Количество тест-микробов в 1 мл воды (KOE)
-	Исходная вода (до заражения)	-	Не обнаружены
-	Исходная вода (после заражения)	-	550 (из них 10 E.coli)
210	2,5 - 3 л/мин	0,25 м/сек	520*
630	3 л/мин	0,25 м/сек	Не обнаружены
630	12 л/мин	1,0 м/сек	Не обнаружены
630	19 л/мин	1,6 м/сек	45*
630	30 л/мин	2,5 м/сек	25*
* - Наличие St.epidermidis

В проведенных испытаниях размер фильтр-элемента был:

- 210 мм, скорость протекания обрабатываемой воды - 0,25 м/сек, при этом эффективность очистки от Escherichia coli составила 100%, а от Staphylococcus epidermidis - 5%;

- 630 мм, скорость протекания обрабатываемой воды - 0,25 м/сек, при этом эффективность очистки составила 100%;

- 630 мм, скорость протекания обрабатываемой воды - 1 м/сек, при этом эффективность очистки составила 100%;

- 630 мм, скорость протекания обрабатываемой воды - 2,5 м/сек, при этом эффективность очистки составила более 95%.

В результате проведенных испытаний установлено, что для системы подачи воды с производительностью 1,8 м³ /час следует устанавливать бактерицидные фильтр-элементы длиной, по крайней мере, 630 мм. При этом эффективность очистки от микробиологических загрязнений - более 95%.

Параллельная установка нескольких бактерицидных фильтр-элементов обеспечивает очистку обрабатываемой воды любой требуемой производительности.

Заявляемый способ очистки воды от микробиологических загрязнений не требует водоподготовки (обесцвечивания и удаления жесткости), обеспечивает пролонгированный бактериостатический эффект и энергонезависим.

Кроме того, заявляемый способ отличается тем, что нарушение жизнедеятельности бактерий наноструктурные металлы осуществляют бесконтактным методом, не мигрируя в воду, за счет мощного некомпенсированного заряда. Отсутствие миграции наноструктурных металлов в воду обеспечивает нетоксичность метода и длительный рабочий ресурс.

Технический результат заявляемого способа заключается в том, что в процессе его реализации обеспечивают очистку воды от микробиологических загрязнений за счет оптимизации конструктивного расположения бактерицидных фильтр-элементов в различных схемах очистки воды с эффективным использованием бактерицидных свойств нанокомпозиционных материалов в различных рабочих режимах водоподготовки.

Заявляемый способ нетоксичен, поскольку исключает миграцию тяжелых металлов в воду, обеспечивая тем самым экологическую чистоту. Это подтверждается испытаниями, проведенными по ГОСТ Р51871-02.

Таблица 4
Номенклатура показателей, единицы измерения	Значение показателя	ПДК, СанПиН 2.1.4.1074-01	Метод испытаний (ссылка на НД)
Серебро, мг/л	<0,001	0,05	ГОСТ Р 51309-99

Безреагентность заявляемого способа обеспечивает длительный рабочий ресурс по параметру биоцидности, что определяет его надежность и удобство в эксплуатации. Наноструктурный металл в заявляемом способе не является расходным материалом.

Энергонезависимость заявляемого способа ставит его в ряд энергосберегающих технологий и снижает его эксплуатационные расходы.

Заявляемый способ не требует предварительной очистки и его эффективность не зависит от присутствия каких-либо примесей химических элементов в обрабатываемой воде.

Бесконтактность заявляемого способа определяется способностью нанокомпозиционного материала инактивировать бактерии на расстоянии за счет мощного некомпенсированного заряда, что позволяет использовать его в проточных системах высокой производительности.