способ обеззараживания воды

Формула изобретения

Способ обеззараживания воды, включающий ее обработку ультрафиолетовыми излучением, пероксидом водорода и катализатором на основе рутила, отличающийся тем, что катализатор получают смешением растертого в порошок природного минерала рутила с частицами оксида меди (II) при массовом соотношении рутил: оксид меди (50-100):1, последующим добавлением бентонитовой глины в количестве 5-10% от массы смеси рутила и оксида меди, введением воды до получения пасты, ее подсушиванием при температуре 105-120°С и формованием в виде таблеток.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к комбинированным методам обработки питьевой воды с использованием химических реагентов и ультрафиолетового (УФ) излучения. Оно может быть использовано для обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения населенных пунктов, на кораблях, а также в специальных мобильных установках, применяемых в чрезвычайных ситуациях.

Наиболее распространенным способом обеззараживания воды является ее хлорирование. В связи с тем, что большая часть хлора идет на реакции с различными органическими и неорганическими примесями, содержащимися в воде, для достижения собственно обеззараживающего эффекта требуются значительные количества этого реагента. При этом вода приобретает неприятный вкус и залах, повышается опасность ее негативного влияния на организм человека из-за появления в ней хлорорганических соединений. Тем не менее, полной стерилизации воды не происходит, т.к. в ней остаются единичные хлоррезистентные микроорганизмы. Кроме того, хлор не обладает длительным эффектом последействия, т.к. после падения его концентрации вода может подвергнуться вторичному бактериальному загрязнению.

В связи с указанными выше обстоятельствами актуальной задачей является полный отказ от хлорирования в пользу альтернативных методов обеззараживания или уменьшение концентрации хлора за счет его использования в комбинации с другими приемами обработки воды.

Что касается полного отказа от хлорирования, то известен, например, многостадийный способ очистки природных вод, включающий последовательно проводимые две стадии механической обработки, импульсное УФ-облучение сплошного спектра, обрат-ноосмотическое опреснение, пропускание через углеволокнистый сорбент и повторное импульсное УФ-облучение сплошного спектра (RU, 2033976, 1995). Недостатком этого метода является его сложность и высокая стоимость.

Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является комплексный способ обеззараживания воды (патент RU 2213706, опубликован 10.10.2003 г.). Указанный способ состоит в последовательной обработке воды УФ-облучением длиной волны 200-400 нм, пероксидом водорода (50-100 мг/л) и гетерогенным катализатором. Последний получают путем смешения порошка природного минерала - рутила с размерами частиц не более 0,5 мм и металлического серебра с размером частиц не более 0,05 мм при их массовом соотношении, соответственно равном (700-1000):1. К смеси далее добавляют воду до образования пасты, которую подсушивают при 100-150°С и формуют, например, в виде таблеток. Предпочтительно, указанный катализатор вводят в количестве 0,5-1,5 мг/л.

В качестве недостатков указанной технологии можно отметить необходимость использования дорогостоящего серебра, его предварительного дробления, а также возможность хищений. Согласно известной технологии на приготовление 1 т контактной массы потребуется 0,7-1,0 кг металлического серебра.

Задачей предлагаемого изобретения являлось упрощение и удешевление процесса получения катализатора за счет исключения дорогостоящего серебра и процесса его дробления, обеспечение возможности предотвращения вторичного бактериального заражения воды в течение длительного времени (не менее месяца).

Способ обеззараживания воды, включающий ее обработку ультрафиолетовым излучением, пероксидом водорода и катализатором на основе рутила, отличается от наиболее близкого аналога тем, что катализатор получают смешением растертого в порошок природного минерала рутила с частицами оксида меди (II) при массовом соотношении рутил: оксид меди, равном (50-100):1, последующим добавлением бентонитовой глины в количестве 5-10 мас.% от массы смеси рутила и оксида меди, введением воды до получения пасты, ее подсушиванием при температуре (105-120°С) и формованием в виде таблеток.

Таким образом, нами предлагается вместо металлического серебра смешивать порошок рутила с порошком оксида меди (CuO), который, как показали наши исследования, обладает высокой бактерицидной активностью, обеспечивает обработанной им воде длительную (около месяца) антибактериальную устойчивость. Кроме того, оксид меди является катализатором разложения пероксида водорода, в процессе которого образуются сверхактивные в бактерицидном отношении радикалы ОН, ускоряющие уничтожение нежелательных микроорганизмов, которые, в свою очередь, по истечении относительно небольшого промежутка времени (исчисляемого минутами) превращаются в молекулы воды. Одновременное использование всех существенных признаков изобретения приводит к неаддитивному повышению эффективности обработки воды.

Технология получения катализатора на основе рутила и оксида меди состоит в следующем. Порошок рутила с размерами частиц не более 0,5 мм смешивают с порошком оксида меди CuO (размер частиц 0,2-0,5 мм) при заданном соотношении. К полученной смеси добавляют бентонитовую глину в качестве связующего и воду до консистенции пасты, далее ее подсушивают при 105-120°С и формуют. Предпочтительно, указанный катализатор вводят в количестве 1-1,5 г на 1 м³ обеззараживаемой воды.

Известно, что пероксид водорода является экологически чистым, относительно недорогим бактерицидным препаратом для обеззараживания питьевой воды, который не изменяет ее физико-химические характеристики.

Рутил - минерал, одна из кристаллических модификаций диоксида титана, иногда с примесью железа, тантала, ниобия. Твердость по минералогической шкале 6-6,5; плотность 4200-4300 кг/м ³. Диоксид титана практически нерастворим в воде, поэтому использование катализатора в виде таблеток предотвращает попадание его частиц в питьевую воду. Кроме того, такие таблетки удобно хранить до использования в процессе обеззараживания. Метод их приготовления очень прост. Катализатор также способствует удалению избытка пероксида водорода после окончания процесса обеззараживания воды.

Ниже приведены примеры осуществления предложенного способа.

Пример 1.

Природную воду с концентрацией микроорганизмов, указанной в таблице, при температуре 20°С и рН 6,8 помещали в реактор и облучали импульсными ксеноновьми лампами сплошного спектра, преимущественно излучающие в диапазоне 200-400 нм при частоте импульсов 2 Гц, плотности потока 2 кВт/см ² и удельных энергозатратах 2 Дж/см³ воды. Затем в воду вводили пероксид водорода в количестве 50 мг/л. Полученную воду выдерживали в течение 0,2 часа, после чего в нее вводили таблетки катализатора на основе рутила и оксида меди в количестве 1 мг/л (1 г/м³). Таблетки предварительно готовили путем смешения порошка рутила (размер частиц 0,01-0,5 мм) с порошком оксида меди (чда) при массовом соотношении рутил: оксид меди, равном 50:1, последующего добавления бентонитовой глины в количестве 5 мас.% от массы вышеуказанной смеси и воды до получения пасты, ее подсушивания при температуре 105°С и формования на прессе в виде таблеток диаметром 15 мм и высотой 8 мм. После введения катализатора воду в реакторе выдерживали в течение 1 часа. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 2.

Для испытаний использовали исходную воду, зараженную кишечной палочкой E.coli 1257 с концентрациями, указанными в таблице. Воду обрабатывали в соответствии с примером 1, за исключением того, что концентрация пероксида водорода составляла 100 мг/л, массовое соотношение рутил: оксид меди было равно 100:1, количество бентонитовой глины составляло 10 мас.% от массы смеси рутила и оксида меди, а температура подсушивания пасты - 120°С. Результаты испытаний представлены в таблице.

Как следует из результатов испытаний, представленных в таблице, предлагаемый способ вполне эффективен в бактерицидном отношении. При этом по истечении 1 часа контактирования катализатора с водой, содержащей пероксид водорода, следов последнего обнаружено не было. С целью изучения эффекта бактерицидного последействия поставили отдельный эксперимент. Обработанную воду (см. примеры 1 и 2, исходная концентрация E.coli 10⁵ особей/л) выдерживали в течение 48 часов, а затем определяли их число. Указанные микроорганизмы обнаружены не были, что свидетельствовало о наличии эффекта последействия, обусловленного присутствием катализатора. Аналогичные анализы, проведенные в течение последующих 28 суток с интервалом 48 часов, дали те же результаты, т.е. эффект бактерицидного последействия (способность сопротивляться вторичному бактериальному загрязнению) сохранялся в течение месяца. Запах и неприятный вкус у воды отсутствовали, цвет не изменился.

Для сравнения проводили эксперименты по обработке воды (после воздействия УФ-излучения) только пероксидом водорода, только рутилом в виде порошка (без добавки оксида меди), а также только предлагаемым катализатором. В первом случае уже через двое суток в воде отмечено появление микроорганизмов E.coli, во втором - через 4 суток. Только в присутствии готовой формы катализатора обнаружился устойчивый обеззараживающий и консервирующий эффект.

Таким образом, предложенный способ обеззараживания воды может быть охарактеризован как эффективный и отличающийся относительной простотой и доступностью. Его можно использовать в случаях, когда велика опасность вторичного бактериального загрязнения воды.

СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ ПЕРОКСИДОМ ВОДОРОДА И КАТАЛИЗАТОРОМ Таблица
Вид микроорганизма	Исходное число микроорганизмов, особей/л	Конечная концентрация микроорганизмов, особей/л
		пример 1	пример 2
Кишечная палочка E.coli	10 3	2	не обнаружена
	104	3	2
	10 5	45	50