способ обеззараживания воды с использованием пероксида водорода

Формула изобретения

1. Способ обеззараживания воды, включающий введение пероксида водорода и контактирование с гетерогенным катализатором, содержащим рутил и частицы серебра, отличающийся тем, что катализатор получают путем измельчения природного минерала рутила до порошка с размером частиц не более 0,5 мм, его окислительного обжига при температуре 800-900°С, осуществляемого в течение 1-2 ч при подаче воздуха снизу вверх для создания кипящего слоя порошка рутила, последующего смешения с частицами металлического серебра размером не более 0,05 мм и бентонитовой глиной при массовом соотношении обожженный рутил: серебро: бентонитовая глина, равном (1200-2000):(1-1,5):(120-200), добавления к смеси воды до образования пасты, ее подсушивания при 100-110°С и последующего формования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пероксид водорода вводят в количестве 50-100 мг/л.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор вводят в количестве 0,5-1,5 мг на литр обрабатываемой воды.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор формуют в виде таблеток или цилиндров.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что перед обработкой пероксидом водорода исходную воду пропускают через устройство с ультрафиолетовыми лампами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам обработки воды пероксидом водорода и гетерогенным катализатором, содержащим серебро и природный минерал рутил. Оно может быть использовано для обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения отдельных построек, населенных пунктах, предприятий пищевой индустрии, а также в чрезвычайных обстоятельствах.

Известен способ обеззараживания воды совместным действием пероксида водорода и ионов серебра (см. Интенсификация процессов обеззараживания воды. Под ред. Л.А.Кульского, Киев, Наукова думка, 1978, с.7-8).

Известно, что для окисления органических примесей, содержащихся в сточных водах, их обрабатывают пероксидом водорода в количестве 100-200 мг/л, ультрафиолетовым излучением и катализатором - нерастворимым в воде порошком титаната бария в количестве 0,01-1 мас.% (US 5330661, С 02 F 1/32, 1994). Этот метод, однако, непригоден для обеззараживания питьевой воды, поскольку используемый катализатор в виде взвеси может оставаться в воде после ее отстаивания и удаления осадка.

Другой известный способ очистки жидкости или газа предусматривает облучение обрабатываемой среды светом и обработку сверхтонкодисперсным оксидом титана, сформованным с помощью оптически прозрачного материала в пористые комьеобразные образования (JP 4-54511, С 02 F 1/72, 1988). Этот способ недостаточно эффективен для удаления из воды различных микроорганизмов.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения по назначению, совокупности существенных признаков и достигаемому результату является известный из RU 2213706, 2003, комплексный способ обеззараживания воды, включающий ее пропускание через реактор с импульсными ксеноновыми лампами сплошного спектра, преимущественно вырабатывающими УФ-излучение длиной волны 200-400 нм при частоте 1-1,3 Гц, после чего в воду вводят пероксид водорода в количестве 50-100 мг/л и пропускают через второй реактор, содержащий гетерогенный катализатор, который получают путем смешения порошка рутила и частиц металлического серебра при их массовом соотношении, соответственно равном (700-1000):1, добавления к смеси воды, подсушивания полученной пасты и формования. Недостатком является относительно большой расход серебра и значительные энергетические, временные и трудовые затраты.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являлось повышение эффективности процесса обеззараживания воды, существенное снижение количества используемого металлического серебра и обеспечение возможность предотвращения внешнего бактериального заражения воды в течение длительного времени - не менее месяца - при температурах до 30-40°С.

Способ обеззараживания воды включает введение пероксида водорода и последующее контактирование с гетерогенным катализатором, содержащим рутил и частицы серебра, и отличается от наиболее близкого аналога тем, что катализатор получают путем измельчения природного минерала рутила до порошка с размером частиц не более 0,5 мм, окислительного обжига при температуре 800-900°С, осуществляемого в течение 1-2 часов при подаче воздуха снизу вверх для создания кипящего слоя порошка рутила, последующего смешения с частицами металлического серебра размером не более 0,05 мм и бентонитовой глиной при массовом соотношении обожженный рутил:серебро:бентонитовая глина, равном (1200÷2000):(1÷1,5):(120÷200), добавления к смеси воды до образования пасты, ее подсушивания при 100-110°С и последующего формования.

Преимущественно, пероксид водорода вводят в количестве 50-100 мг/л.

Предпочтительно, катализатор используют в количестве 0,5-1,5 мг на литр обрабатываемой воды.

Также предпочтительно катализатор формуют в виде таблеток или цилиндров.

В частном случае, исходную воду перед обработкой пероксидом водорода пропускают через устройство с ультрафиолетовыми УФ-лампами.

Рутил - это достаточно распространенный минерал на основе одной из модификаций диоксида титана, который может содержать в виде примесей железо, хром, тантал, ниобий, ванадий. Предлагаемый окислительный обжиг рутила увеличивает содержание в порошке диоксида титана (на 15-20%), повышает его каталитическую активность в отношении процесса обеззараживания воды, что, в свою очередь, позволяет вдвое уменьшить количество вводимого серебра.

Предлагаемый способ обработки воды по сравнению с использованием только пероксида водорода значительно увеличивает скорость реакции окисления и разложения органических примесей, бактерий, вирусов и грибков. Диоксид титана (рутил) в смеси с серебром обладает значительными бактерицидными свойствами, кроме того, эти вещества являются катализаторами процесса окисления примесей пероксидом водорода. Указанные в формуле размеры частиц рутила являются оптимальными как с точки зрения эффективности проведения его окислительного обжига, так и снижения потерь при этом обжиге. Размеры частиц серебра являются оптимальными с точки зрения каталитической активности. Бентонитовая глина улучшает технологические свойства смеси катализаторов, ее пластичность и формуемость. Она является оптимальной добавкой к смеси рутила и серебра. Преимуществом предлагаемого катализатора является также то, что он способствуют удалению избытка пероксида водорода после окончания процесса обеззараживания воды.

Использование катализатора в формованном виде, например в виде таблеток или цилиндров, предотвращает попадание его частиц в питьевую воду. Кроме того, его удобно хранить до использования в процессе обеззараживания. Катализатор может быть формован также в виде гранул, шариков и т.п.

Предложенные параметры процесса и концентрации реагентов являются оптимальными для данной схемы обработки воды.

Дополнительная обработка УФ-излучением целесообразна в случаях сильного загрязнения воды патогенными микроорганизмами и грибами, а также при наличии большого количества органических примесей. Использование ультрафиолетового излучения, включающего "бактерицидный" участок и участок, соответствующий условиям деструкции органических соединений, позволяет получить высокий обеззараживающий и очищающий эффект.

Ниже приведены примеры осуществления предложенного способа.

Пример 1.

Исходную воду объемом 100 л, содержащую 10⁴ клеток/л санитарно-показательных микроорганизмов E.coli, подавали в смеситель и вводили пероксид водорода в количестве 50 мг/л, затем со скоростью 10 л/мин (0,6 м³/ч) пропускали через реактор, содержащий таблетки катализатора, общее количество которого рассчитывали исходя из его концентрации 1 мг на литр воды. Испытания проводили с водой, температура которой составляла 20, 30 и 40°С.

Катализатор получали путем измельчения природного минерала рутила с содержанием TiO₂ около 93% до порошка с размером частиц не более 0,5 мм (распределение частиц по размерам: 0,1-0,3 мм - 30%, 0,31-0,5 мм - 70%) и окислительного обжига при температуре 800°С, осуществляемого в течение 2 часов при подаче воздуха снизу вверх для создания кипящего слоя порошка рутила. Содержание TiO₂ в обожженом рутиле повышалось до 99,5%. Затем обожженный рутил смешивали с частицами металлического серебра размером 0,05 мм и бентонитовой глиной при массовом соотношении рутил:серебро:бентонитовая глина, равном 1200:1:120, добавляли к смеси воду до образования пасты, ее подсушивали при 100°С и формовали в виде таблеток диаметром 15 мм и высотой 6 мм.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Пример 2.

Обеззараживание воды проводили аналогично примеру 1 с изменением некоторых параметров: концентрация пероксида водорода - 100 мг/л, концентрация катализатора - 1,5 мг/л, рутил обжигали при температуре 900°С в течение 1 часа, массовое соотношение рутила, серебра и бентонитовой глины составляло 2000:1,5:200, пасту, приготовленную из компонентов катализатора и воды, подсушивали при температуре 110°С и формовали в виде цилиндров диаметром 8 мм и высотой 25 мм. Результаты приведены в таблице.

Пример 3.

Исходную воду объемом 100 л, содержащую 10⁴ клеток/л санитарно-показательных микроорганизмов E.coli, а также 10³ особей/л дрожжеподобных грибов рода Candida, пропускали со скоростью 16,7 л/мин (1,0 м³/ч) через реактор, содержащий размещенные в слое воды импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно излучающие в диапазоне 200-400 нм при частоте импульсов 1 Гц, плотности потока 2,5 кВт/см ² и удельных энергозатратах 2,5 Дж/см³ воды. Затем воду обрабатывали аналогично примеру 1 с изменением лишь концентрации катализатора - 0,5 мг/л. Результаты приведены в таблице.

В качестве объекта сравнения был использован способ обеззараживания воды, проведенный также, как описано в примере 1, но с использованием катализатора, полученного в соответствии с RU 2213706 и содержащего необожженный рутил и металлическое серебро в соотношении 1000:1.

Представленные данные свидетельствуют о высоком качестве обеззараживания воды, проведенного предложенным способом. При этом также улучшаются другие показатели воды - вкус, залах, цветность, уменьшается содержание неорганических и органических примесей. После хранения обработанной воды в укупоренных бутылях емкостью 20 л в течение месяца при температуре до 40°С в ней не были обнаружены патогенные микроорганизмы.

Таблица СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА
Катализатор	Время для достижения полного обеззараживания воды при разных температурах, часы
	20°С	30°С	40°С
По примеру №1	2,5	1,5	1,0
По примеру №2	2,75	2,0	1,5
По примеру №3	2,0	1,8	1,0
Полученный по RU 2213706	3,5	2,5	2,0