засыпка для обработки питьевой воды и способ для обработки питьевой воды

Формула изобретения

1. Засыпка для обработки питьевой воды, включающая углеродный сорбент и материал, содержащий органическое соединение и неорганические малорастворимые соединения, отличающаяся тем, что в качестве органического соединения материал содержит органические иониты, обладающие пористой структурой в воздушно-сухом состоянии, и малорастворимые неорганические соединения при их массовом соотношении 35 - 90 : 10 - 65 соответственно при соотношении компонентов засыпки, мас.%:

Углеродный сорбент - 1 - 70

Органические иониты с малорастворимыми соединениями - 30 - 99

2. Засыпка по п.1, отличающаяся тем, что содержит ионит бактерицидного действия при соотношении компонентов засыпки, мас.%:

Углеродный сорбент - 1 - 70

Органические иониты с малорастворимыми соединениями - 30 - 99

Ионит бактерицидного действия - 0,5 - 5,0

3. Способ обработки питьевой воды введением физиологически необходимых неорганических ионов путем пропускания воды через засыпку, включающую углеродный сорбент и материал, содержащий органическое соединение и неорганические малорастворимые соединения, отличающийся тем, что материал в качестве органического соединения содержит органические иониты, обладающие пористой структурой в воздушно-сухом состоянии, и малорастворимые неорганические соединения при их массовом соотношении 35 - 90 : 10 - 65 соответственно при соотношении компонентов засыпки, мас.%:

Углеродный сорбент - 1 - 70

Органические иониты с малорастворимыми соединениями - 30 - 99

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что засыпка дополнительно содержит ионит бактерицидного действия при соотношении компонентов засыпки, мас.%:

Углеродный сорбент - 1 - 70

Органические иониты с малорастворимыми соединениями - 30 - 99

Ионит бактерицидного действия - 0,5 - 5,0L

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области водоподготовки и, в частности, к области обработки питьевой воды путем введения в нее физиологически необходимых макро- и микроэлементов.

Известен способ обработки питьевой воды посредством пропускания ее через доломитсодержащую породу следующего состава, мас. % : кальций - 20, магний - 11, железо - 0,002, медь - 0,01, кобальт - 0,001, никель - 0,002, цинк - 0,01, хром - 0,002, ванадий - 0,001. При пропускании воды через засыпку в виде гранул этого минерала размером 1-5 мм происходит введение в нее физиологически необходимых для человека ионов макроэлементов (кальций, магний) и микроэлементов (железо, медь, цинк) (Патент РФ N 2056358, МКИ C 02 F 1/18, опубл. 20.03.96).

К недостаткам такого способа, а также засыпки можно отнести невозможность корректировки содержания в обработанной воде конкретных видов макро- и микроэлементов, невозможность введения в воду микроэлементов, не содержащихся в доломитсодержащем минерале. Скорость пропускания воды через такую засыпку невысока (1-2 л/ч).

Известны способ и засыпка для кондиционирования опресненной воды. Способ заключается в том, что фильтрование воды для насыщения ее физиологически необходимыми ионами кальция и магния производят через засыпку в виде гранул активированного угля, на поверхности пор которого находятся неорганические малорастворимые соединения, содержащие в своем составе выделяемые в воду ионы (АС СССР N 1608138, МКИ C 02 F 1/68, опубл. 23.11.90). Известные способ и засыпка позволяют поддерживать в фильтруемой воде концентрации ионов кальция и магния на физиологически необходимом уровне на протяжении 30 л пропущенной воды при массе засыпки - 100 г и скорости потока - 50 мл/мин, а 1 л засыпки может насытить солями около 500 л опресненной воды.

К недостаткам такого способа и засыпки для обработки относится их использование исключительно для введения макроэлементов, таких как магний, кальций, калий. Засыпка обладает невысокой емкостью при сорбции ионов тяжелых металлов. Кроме того, скорость пропускания воды через такую засыпку и ее ресурс по соленасыщению невелики.

Анализ современного уровня техники показывает, что наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ фторирования (кондиционирования) питьевой воды посредством пропускания ее через засыпку, состоящую из гранул размером 0,3-1,5 мм, включающих в себя сложный эфир целлюлозы (преимущественно ацетат целлюлозы) и неорганическое соединение, содержащее ион фтора (преимущественно фторид кальция - малорастворимое соединение), а также гранул активированного угля размером 0,01-0,5 мм. Соотношение компонентов в засыпке составляет,мас. %: 1-50 : 10-90 : 1-85. (Патент РФ N 2092451, МКИ C 02 F 1/68, опубл. 10.10.97). Такой способ и засыпка для его осуществления позволяют насыщать воду ионами фтора в количестве 0,5 - 1,5 мг/л при удельной скорости прохождения воды через засыпку 0,5 - 5 мин^-1. Кроме введения в питьевую воду ионов фтора, засыпка объемом 100-120 мл способна удалять из воды органические примеси на протяжении 350-400 л.

Основным недостатком такого способа и засыпки является использование их исключительно для введения в питьевую воду ионов фтора. Слабо выраженные ионообменные свойства гранул композиционного материала не позволяют засыпку и описанный способ для активного удаления такой вредной примеси, как ионы тяжелых металлов. Кроме того, отсутствие в составе засыпки обеззараживающих материалов способствует обрастанию ее бактериями.

В связи с эти возникла техническая задача - разработка засыпки для обработки питьевой воды, а также способ введения в воду физиологически необходимых микро- и макроэлементов с одновременной сорбцией из нее примесей ионов тяжелых металлов и органических соединений, увеличение надежности защиты засыпки от биообрастания.

Решение задачи состоит в том, что засыпка для обработки питьевой и опресненной воды включает углеродный сорбент и материал, содержащий физиологически необходимые для человека добавки в виде малорастворимых неорганических соединений на носителе, в качестве которого используют органические иониты, обладающий пористой структурой в воздушно-сухом состоянии, при их массовом соотношении 10-65 : 35-90 соответственно при соотношении компонентов засыпки, мас.%:

Углеродный сорбент - 1 - 70

Органические иониты с малорастворимыми соединениями - 30 - 99

Кроме того, засыпка может дополнительно содержать ионит бактерицидного действия, содержащий в своем составе серебро, при соотношение компонентов засыпки, мас.%:

Углеродный сорбент - 1 - 70

Органические иониты с малорастворимыми соединениями - 30 - 99

Ионит бактерицидного действия - 0,5 - 5,0

Способ обработки питьевой или опресненной воды физиологически необходимыми добавками состоит в пропускании воды через описанную засыпку.

В материале в качестве органических ионитов, обладающих пористой структурой в воздушно-сухом состоянии, используют органические макропористые или макросетчатые сильно- и/или слабокислотные катиониты с полистирольной, полиакриловой и полиметакриловой матрицей, а также органические макропористые или макросетчатые высоко- и/или низкоосновные аниониты с полистирольной и полиакриловой матрицей или другие катиониты и аниониты, аналогичные по структуре и свойствам, обладающие суммарным объемом пор 0,1 - 1,0 см³/г и размером гранул 0,3-1,5 мм.

В качестве неорганических малорастворимых соединений (МРС) материал содержит неорганические соли, оксиды, гидроксиды, кислоты, обладающие растворимостью ниже 8 г/л и имеющие в своем составе физиологически необходимые для жизни человека элементы, такие как Ca, Mg, F, Se, Zn, Cu, Fe, Mn, Cr и другие. МРС, включающие физиологически необходимые элементы, образуются в результате обменных и окислительно-восстановительных реакций.

Неорганические малорастворимые соединения осаждают в порах органического ионита путем последовательных обработок его растворами веществ, вступающих в обменные или окислительно-восстановительные реакции с осаждением одного или нескольких продуктов реакций.

В качестве углеродного сорбента используют углеродные волокнистые материалы типа АМН, КМН, АУТ-М, ПКМ, которые обладают способностью сорбировать органические примеси и соединения тяжелых металлов из воды или же активированные угли с суммарным объемом пор 0,6-1,8 см³/г. Для достижения обеззараживающего и/или стерилизующего эффекта могут быть использованы углеводородные сорбенты, содержащие серебро, например АГ-3С, АГ-8С и другие.

В качестве ионита бактерицидного действия могут быть использованы катиониты в серебряной форме, например КУ-23СМ, С-150АС, или аналогичным им по свойствам.

Анализ заявляемых засыпки для обработки питьевой воды и способа для обработки питьевой воды и известных технических решений показывает, что не имеется совокупности признаков, тождественных по технической сущности заявляемым. Сопоставительный анализ заявляемых решений с прототипом показывает, что заявленные решения отличаются от прототипа использованием нового носителя для малорастворимых соединений с определенным соотношением входящих в состав засыпки компонентов.

Таким образом, заявляемые "засыпка" и "способ" соответствуют критерию изобретения "новизна". В литературе и практике отсутствуют сведения о способе и засыпке идентичных предложенным и это не следует явным образом из уровня техники. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые решения соответствуют критерию "изобретательский уровень". Предложенные решения обеспечивают достижение технического результата, могут быть реализованы при обработке воды, обогащении ее физиологически необходимыми для человека элементами и обеспечивают возможность их многократного воспроизведения, что позволяет сделать вывод об удовлетворении заявляемых технических решений критерия "промышленная применимость".

Пример 1. Анионит АВ-17-10П (ГОСТ 20301) в количестве 10 мл обрабатывают раствором Na₂SO₄ до полного перевода в сульфатную форму. Затем обрабатывают анионит раствором CaCl₂. Полученный материал содержит малорастворимое соединение (МРС) CaSO₄ при массовом соотношении МРС: ионит (МРС:И) 65:35. Получение засыпки заключается в том, что материал помещают в колонку с внутренним диаметром 11 мм. Над ним помещают углеродный сорбент КНМ при массовом соотношении сорбент:ионит (С:И) 1:99.

Реализация способа заключается в пропускании маломинерализованной воды (общая жесткость (ОЖ) - 0,5 мг-экв/л) через описанную в примере засыпку сверху вниз. Для проверки способности сорбировать ионы тяжелых металлов в исходную воду вводят ионы свинца (II) а количестве 3 ПДК (0,3 мг/л). На выходе из колонки определяют содержание ионов свинца в воде плюмбоновым методом (ГОСТ 18293) и содержание ионов кальция (ГОСТ 1451) после пропускания 30 л воды со скоростью 50 мл/мин. Удельная производительность (УП) при этом составляет 5 мин^-1. Содержание ионов кальция в фильтрате составляет 1,6 мг-экв/л, содержание ионов свинца - 0,002 мг/л. Ресурс составляет 3000 объемов воды на объем засыпки. Параметры материала и засыпки представлены в таблице 1. В таблице 2 представлены результаты анализов и физиологические нормы (ФН) для содержания элементов в воде.

Пример 2. Аналогичен примеру 1, за исключением того, что в материале в качестве носителя использован катионит КУ-23 (ГОСТ 20298), содержащий в качестве МРС CaF₂. В качестве углеродного сорбента использован активированный уголь БАУ-А (ГОСТ 6217), расположенный после материала. Исследована способность сорбировать ионы алюминия. Для этого в исходную воду введены ионы алюминия с концентрацией 1,2 мг/л. На выходе из колонки определяют также содержание ионов алюминия (ГОСТ 18165). Параметры материала и засыпки представлены в таблице 1. Результаты анализов представлены в таблице 2.

Пример 3. Аналогичен примеру 1, за исключением того, что в материале в качестве носителя использован катионит С-106 (PUROLITE), содержащий в качестве МРС Cu(OH)₂. В качестве углеродного сорбента использован активированный уголь АC-20G (PUROLITE), расположенный перед материалом. Исследование сорбции тяжелых металлов не проводят. На выходе из колонки определяют содержание ионов меди (II) (ГОСТ 4388). Параметры материала и засыпки представлены в таблице 1. Результаты анализов представлены в таблице 2.

Пример 4. Аналогичен примеру 1, за исключением того, что в материале в качестве носителя использован А-835 (PUROLITE), содержащий в качестве МРС Ag₂SeO₃. В качестве углеродного сорбента использован активированный уголь АГМ (ТУ 6-16-2589-82), расположенный после материала. Исследование сорбции тяжелых металлов не проводят. На выходе из колонки определяют содержание селена спектрофотометрическим методом с реактивом 3,3""-диаминобензидином. Параметры материала и засыпки представлены в таблице 1. Результаты анализов представлены в таблице 2.

Пример 5. Аналогичен примеру 1, за исключением того, что материал содержит МРС Mg(OH)₂. В качестве углеродного сорбента использован волокнистый сорбент AНМ (ТУ 6-16-3091-89), расположенный после материала. Исследована способность сорбировать ионы бария. Параметры материала и засыпки представлены в таблице 1. Результаты анализов представлены в таблице 2.

Пример 6. Аналогичен примеру 1, за исключением того, что в материале в качестве носителя использован катионит С-150 (PUROLITE), содержащий МРС ZnCO₃. В качестве углеродного сорбента используют активированный уголь ФАС (ТУ 6-16-3096-89), перемешанный с материалом. Исследование сорбции тяжелых металлов не проводят. На выходе из колонки определяют содержание ионов цинка (II) (ГОСТ 18293). Параметры материала и засыпки представлены в таблице 1. Результаты анализов представлены в таблице 2.

Пример 7. Анионит АН-511 (ТУ 6-05-211-1311-85) в количестве 10 мл обрабатывают раствором NaOH до полного перевода в гидроксильную форму. Затем анионит обрабатывают раствором KMnO₄. Материал содержит МРС Mn(OH)₂ и MnO₂ в количестве 25 мас.% в пересчете на марганец. Для установления содержания в материале МРС материал сжигают и в остатке определяют содержание марганца (ГОСТ 4974). В качестве углеродного сорбента используют активированный уголь СКТ (ТУ 6-16-2477-88), который перемешивают с материалом. Далее аналогично примеру 1, за исключением того, что в фильтрате определяют содержание марганца и исследуют сорбцию железа (III). Содержание железа в исходном растворе и фильтрате определяют по ГОСТ 4011. Параметры материала и засыпки представлены в таблице 1. Результаты анализов представлены в таблице 2.

Пример 8. В колонку с внутренним диаметром 25 мм помещают последовательно (по ходу воды) углеродный сорбент КНМ (ТУ 6-16-28-1561-93); материал, содержащий 10 мл CaSO₄ (из примера 1); материал, содержащий 10 мл Mg(OH)₂ (из примера 5); материал, содержащий 3 мл CaF₂ (из примера 2); материал, содержащий 5 мл Cu(OH)₂ (из примера 3) при соотношении С:И 10:90 мас.%.

Реализация способа заключается в пропускании дистиллированной воды через описанную в примере засыпку. На выходе из колонки определяют содержание в воде ионов кальция, магния, фтора и меди после пропускания 30 л воды удельной производительностью 3,0 мин^-1. Параметры материала и засыпки представлены в таблице 1. Результаты анализов представлены в таблице 2.

Пример 9. Катионит КУ-23 (ГОСТ 20298) обрабатывают раствором CaCl₂. Затем катионит обрабатывают раствором MgSO₄. После этого катионит обрабатывают раствором Na₂CO₃. Содержание МРС CaSO₄ и MgCO₃ в материале составляет 45 мас. %. В колонку с внутренним диаметром 46 мм помещают последовательно (по ходу воды) посеребренный активированный уголь АГ-3С (ГОСТ 20464) и 10 мл материала при массовом соотношении С:И 70:30 мас.%.

Реализация способа заключается в пропускании дистиллированной воды, в которую предварительно введены ионы кадмия в количестве 0,1 мг/л. Пропускание воды осуществляется с удельной производительностью 1,0 мин^-1. На выходе из колонки определяют содержание в воде ионов кальция, магния, кадмия. Параметры материала и засыпки представлены в таблице 1. Результаты анализов представлены в таблице 2.

Пример 10. Аналогично примеру 2, за исключением того, что в исходную воду не вводят соединения алюминия. В состав засыпки вводят ионит бактерицидного действия КУ-23СМ (ТУ 6-06-10-88), который размещают между слоями материала и углеродного сорбента, при соотношении С:И:КУ-23СМ 40:59,5:0,5 мас. % На выходе из колонки определяют содержание в воде ионов серебра (ГОСТ 18293) и ионов фтора. Концентрация ионов фтора составляет 0,8 мг/л, ионов серебра - 0,01 мг/л.

Пример 11. Аналогично примеру 10, за исключением того, что вводимый ионит бактерицидного действия перемешивают с материалом, при соотношении С:И: КУ-23СМ 40: 55:5 мас.%. Концентрация ионов фтора составляет 0,7 мг/л, ионов серебра - 0,04 мг/л.

Приведенные примеры не ограничивают расположения компонентов засыпки, количество и вид используемых в них материалов, содержащих органические иониты и неорганические малорастворимые соединения.

Использование в засыпке в качестве носителя малорастворимых соединений ионитов, обладающих пористой структурой в воздушно-сухом состоянии, в количестве 35-90 мас.% обусловлено тем, что другие пористые носители не обеспечивают равномерного выделения микро- и макроэлементов в воду при удельной производительности (скорости пропускания воды) более 1 мин^-1.

Содержание в материале малорастворимых неорганических соединений в количестве 10-65 мас.% обусловлено тем, что при меньшем количестве МРС на ионите в воду не попадает достаточного количества физиологически необходимых ионов. При увеличении содержания МГС на ионите более 65 мас.% резко увеличивается число необходимых обработок ионитов хорошо растворимыми соединениями, что усложняет способ получения материала.

Количество углеродного сорбента (1-70 мас.%) обусловлено тем, что меньшее количество не позволяет в достаточной степени сорбировать органические примеси и ионы тяжелых металлов, а большее количество не позволяет поддерживать выделение физиологически необходимых веществ на требуемом уровне.

Как видно из представленных примеров и таблиц 1 и 2, использование предложенной засыпки и способа введения физиологически необходимых добавок позволяет вводить в воде макро-, и микроэлементы как единично, так и в любой необходимой совокупности, сорбировать не только вредные органические примеси, но и ионы тяжелых металлов, алюминия и железа, что практически невозможно при использовании известного технического решения. Удельная производительность при насыщении воды, например, ионами фтора может быть увеличена в 2 раза по сравнению с известным техническим решением. Использование в предлагаемых засыпках ионита бактерицидного действия или серебросодержащего активированного угля позволяет предотвратить их биообрастание.