композиции для обработки воды

Формула изобретения

1. Композиция для очистки и осветления загрязненной питьевой воды, содержащая

(i) основной коагулянт, выбранный из группы, состоящей из растворимых в воде, многовалентных неорганических солей и их смесей;

(ii) бактерицидное дезинфицирующее средство на основе хлора в количестве, достаточном, чтобы вызвать связанное с марганцем изменение цвета питьевой воды после флокуляции;

(iii) окислительную систему, обеспечивающую каталитическое или автокаталитическое окисление растворимого Mn(II) до MnO ₂;

(iv) образующий поперечные связи флокулянт, выбранный из группы, состоящей из растворимых в воде и диспергируемых в воде анионных и неионных полимеров, имеющих средневесовую молекулярную масу, по меньшей мере, приблизительно 2000000, и их смесей;

(v) растворимую в воде щелочь;

(vii) нерастворимый в воде силикат, выбранный из глин, цеолитов и их смесей;

и где масовое отношение основного коагулянта к образующему поперечные связи флокулянту составляет от приблизительно 10:1 до приблизительно 200:1, предпочтительно от приблизительно 20:1 до приблизительно 100:1, более предпочтительно от приблизительно 25:1 до приблизительно 75:1.

2. Композиция по п.1, включающая растворимое в воде или диспергируемое в воде полимерное вспомогательное вещество, способствующее коагуляции, выбранное из группы, состоящей из растворимых в воде и диспергируемых в воде катионных полимеров, причем полимерное вспомогательное вещество, способствующее коагуляции, имеет средневесовую молекулярную масу меньше чем приблизительно 1500000.

3. Композиция по п.2, где масовое отношение основного коагулянта к вспомогательному веществу, способствующему коагуляции, составляет от приблизительно 8:1 до приблизительно 100:1, предпочтительно от приблизительно 12:1 до приблизительно 30:1, более предпочтительно от приблизительно 15:1 до приблизительно 25:1, масовое отношение вспомогательного вещества, способствующего коагуляции, к образующему поперечные связи флокулянту находится в интервале от приблизительно 10:1 до приблизительно 1:6, предпочтительно от приблизительно 5:1 до приблизительно 1:3, более предпочтительно от приблизительно 3:1 до приблизительно 1:1, и масовое отношение основного коагулянта к бактерицидному дезинфицирующему средству на основе хлора составляет от приблизительно 10:1 до приблизительно 100:1, предпочтительно от приблизительно 12:1 до приблизительно 60:1, более предпочтительно от приблизительно 15:1 до приблизительно 40:1.

4. Композиция по п.1, где окислительная система способна уменьшать концентрацию растворимого марганца в деионизированной воде, содержащей 150 ч./млрд растворимого марганца, по меньшей мере, приблизительно на 50% за одну минуту, и, по меньшей мере, приблизительно на 60% за пять минут, причем концентрацию растворимого марганца измеряют с помощью атомной абсорбционной спектроскопии, а измерение проводят при температуре окружающей среды (20°С) и при уровне окислительной системы, достаточном для обеспечения 200 ч./млрд автокаталитического катализатора или катализатора окисления.

5. Композиция по п.2, содержащая от приблизительно 10 до приблизительно 99 мас.%, предпочтительно от приблизительно 15 до приблизительно 50 мас.%, более предпочтительно от приблизительно 25 до приблизительно 40 мас.% основного коагулянта, от приблизительно 0,1 до приблизительно 10 мас.%, предпочтительно от приблизительно 0,2 до приблизительно 5 мас.%, более предпочтительно от приблизительно 0,4 до приблизительно 3 мас.% образующего поперечные связи флокулянта, от приблизительно 0,1 до приблизительно 10 мас.%, предпочтительно от приблизительно 0,5 до приблизительно 5 мас.%, более предпочтительно от приблизительно 1 до приблизительно 4 мас.% вспомогательного вещества, способствующего коагуляции, и от приблизительно 0,2 до приблизительно 10 мас.%, предпочтительно от приблизительно 0,5 до приблизительно 4 мас.%, более предпочтительно от приблизительно 0,7 до приблизительно 2,5 мас.%, бактерицидного дезинфицирующего средства на основе хлора.

6. Композиция по п.1, где окислительная система выбрана из группы, состоящей из автокаталитических окислителей, комбинаций окислителей и катализаторов окисления, а также их смесей, причем указанные окислители предпочтительно имеют стандартный окислительно-восстановительный потенциал, по меньшей мере, приблизительно 1,23 В, при этом указанные автокаталитические окислители и катализаторы окисления предпочтительно основаны на переходных металлах групп V, VI, VII и VIII Периодической таблицы.

7. Композиция по п.6, где автокаталитические окислители и катализаторы окисления выбраны из перманганатов, диоксида марганца и их смесей.

8. Композиция по п.6, содержащая от приблизительно 0,001 до приблизительно 0,15 мас.% автокаталитического окислителя, катализатора окисления или их смесей.

9. Композиция по п.1, дополнительно содержащая как часть коагулянта или в другой форме от приблизительно 0,005 до приблизительно 0,2 мас.%, марганца в форме Mn(II).

10. Композиция по п.9, где окислительная система содержит перманганат калия, причем масовое отношение Mn(II) к перманганату калия находится в интервале от приблизительно 1:10 до приблизительно 10:1.

11. Композиция по п.1, содержащая от приблизительно 10 до приблизительно 45 мас.% растворимой в воде щелочи и от приблизительно 10 до приблизительно 80 мас.% нерастворимого в воде силиката.

12. Композиция по п.1, где бактерицидное дезинфицирующее средство на основе хлора находится в форме с контролируемым, пролонгированным, отложенным или замедленным высвобождением, в результате чего композиция имеет t_макс, соответствующее времени достижения максимальной концентрации дезинфицирующего средства после добавления к деионизированной воде при 20°С, по меньшей мере, 2 мин, предпочтительно, по меньшей мере, 4 мин и 80%-ную скорость флокуляции растворимого органического материала (t₈₀) менее чем 2 мин, предпочтительно менее чем 1 мин.

13. Композиция по п.1, содержащая гипохлорит кальция в качестве бактерицидного дезинфицирующего средства и поглотитель влаги и композиция имеет содержание свободной влаги менее чем приблизительно 4% от масы композиции.

14. Способ очистки и осветления загрязненной питьевой воды, включающий введение загрязненной воды в контакт с

(i) основным коагулянтом, выбранным из группы, состоящей из растворимых в воде, многовалентных неорганических солей и их смесей;

(ii) бактерицидным дезинфицирующим средством на основе хлора в количестве, достаточном, чтобы вызвать связанное с марганцем изменение цвета питьевой воды после флокуляции;

(iii) окислительной системой, обеспечивающей каталитическое или автокаталитическое окисление растворимого Mn(II) до MnO ₂;

(iv) образующим поперечные связи флокулянтом, выбранным из группы, состоящей из растворимых в воде и диспергируемых в воде анионных и неионных полимеров, имеющих средневесовую молекулярную масу, по меньшей мере, приблизительно 2000000, и их смесей;

(v) растворимой в воде щелочью;

(vi) нерастворимым в воде силикатом, выбранным из глин, цеолитов и их смесей;

и масовое отношение основного коагулянта к образующему поперечные связи флокулянту составляет от приблизительно 10:1 до приблизительно 200:1, предпочтительно от приблизительно 20:1 до приблизительно 100:1, более предпочтительно от приблизительно 25:1 до приблизительно 75:1.

15. Способ по п.14, включающий

(i) стадию коагуляции и флокуляции, на которой загрязненную питьевую воду вводят в контакт при перемешивании с коагулянтом и образующим поперечные связи флокулянтом с тем, чтобы коагулировать и флокулировать загрязнения, содержащиеся в воде, в форме твердого материала;

(ii) стадию дезинфекции, на которой питьевую воду вводят в бактерицидный контакт с дезинфицирующим средством на основе хлора во время или после фактического завершения стадии коагуляции и флокуляции;

(iii) стадию окисления марганца до завершения стадии коагуляции и флокуляции, где питьевую воду вводят в контакт с окислительной системой, в результате чего образующийся MnO ₂ коагулирует и флокулирует с другим твердым материалом на стадии коагуляции и флокуляции;

(iv) стадию разделения, на которой твердый материал физически отделяют от питьевой воды.

16. Способ по п.15 для очистки воды, загрязненной большими количествами марганца, и/или для очистки воды с использованием коагулянта, загрязненного большими количествами марганца, и где очищенная вода имеет концентрацию марганца ниже, чем 50 ч./млрд.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к композиции, способам и наборам для использования при очистке загрязненной питьевой воды с целью сделать ее пригодной для питья. Композиции и наборы особенно предназначены для индивидуального или домашнего применения при периодической очистке и осветлении относительно небольших предопределенных объемов загрязненной питьевой воды. Композиции и наборы также предназначены для индивидуального или домашнего применения при очистке и обогащении питательными веществами загрязненной питьевой воды.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Во всех областях мира существует потребность в пригодной для питья воде. В развитых странах воду очищают и обычно питьевую воду поставляют в больших масштабах крупные национальные или транснациональные компании по использованию водных ресурсов. Такую воду обычно подают непосредственно в дома потребителей в пригодной для питья форме. Однако в некоторых частях света, например в некоторых сельских областях развивающихся стран многие люди или не имеют прямого водоснабжения в их дома, или имеют доступ только к источнику не пригодной для питья коммунальной воды, такому как сельский колодец, или не могут быть уверены, что вода, которую они получают, пригодна для питья. В результате значительные количества людей ежегодно умирают непосредственно из-за потребления грязной питьевой воды. Следовательно, существует потребность в наборах и композициях для очистки воды, которые позволяют потребителю очищать их собственную воду с получением пригодной для питья воды быстрым и эффективным способом.

Современные композиции для очистки воды, доступные сегодня на рынке, состоят главным образом из дезинфицирующих средств, например источников хлора и/или йода, и не очищают воду должным образом. Вода, которую получают после обработки такими наборами для очистки воды, может все еще включать некоторые количества загрязняющих примесей, содержащихся в воде, например ионов тяжелых металлов, таких как мышьяк, который при постоянном потреблении в течение длительного периода времени может привести к серьезным проблемам со здоровьем. Таким образом, существует потребность в разработке композиции для очистки воды, которая удаляет загрязнения, содержащиеся в воде, подобные ионам тяжелых металлов, включая мышьяк и свинец, более рационально и эффективно, чем существующие наборы для очистки воды.

Было обнаружено, что композиции для очистки воды на основе некоторых комбинаций неорганических коагулянтов и растворимых в воде или диспергируемых в воде полимеров удаляют из воды большее количество загрязнителей, содержащихся в воде, таких как тяжелые металлы, по сравнению с существующими композициями для очистки воды.

Кроме того, современные композиции для очистки воды не удаляют, не уничтожают или не дезактивируют должным образом микроорганизмы, такие как бактерии, вирусы и цисты, которые присутствуют в воде. Следовательно, остается потребность в композиции для очистки воды, которая действительно должным образом удаляет, уничтожает или дезактивирует такие микроорганизмы.

В настоящее время установлено, что, когда композиция настоящего изобретения содержит дезинфицирующее средство, эта композиция удаляет, уничтожает или дезактивирует неожиданно большее количество микроорганизмов, таких как бактерии, вирусы и цисты, по сравнению с композициями для очистки воды, известными в данной области техники.

Кроме того, вода, которая должна быть очищена с помощью композиции для очистки воды, обычно содержит большое количество растворимого в воде органического компонента, такого как гуминовая кислота. В современных композициях для очистки воды осветляющее вещество, в особенности осветляющее вещество на основе хлора, может реагировать с растворимым в воде органическим компонентом и образовывать в воде побочные продукты, в том числе производные хлора, такие как хлоруксусная кислота или хлороформ, которые вредны для здоровья человека и животных. Следовательно, существует потребность в композициях для очистки воды, способах и наборах, которые обеспечивают очищенную воду, содержащую низкие количества побочных продуктов дезинфекции.

Другая проблема, связанная с использованием некоторых дезинфицирующих средств на основе хлора, таких как гипохлорит кальция, состоит в стабильности продукта. В частности, установлено, что известные композиции на основе гипохлорита кальция могут значительно терять дезинфицирующую эффективность при нормальных условиях хранения и применения. Следовательно, существует потребность в очищающих и дезинфицирующих композициях, имеющих улучшенную стабильность при хранении.

После очистки и дезинфекции загрязненной питьевой воды возникает еще одна проблема, проблема сохранения чистоты и эстетического качества воды в течение времени, которое требуется для питья, при обеспечении удовлетворительного вкуса питьевой воды. В этом контексте установлено, что использование хлорных дезинфицирующих средств и коагулянтов для обработки питьевой воды, содержащей высокие уровни растворимых марганцевых загрязнителей, вводимых либо из воды, либо из самого коагулянта, может привести к развитию эффекта изменения цвета воды после стадии флокуляции. Такой эффект изменения цвета называют в данном случае «связанное с марганцем изменение цвета после флокуляции» питьевой воды. Хотя причины такого эффекта не совсем понятны, полагают, что остаточные количества растворимого марганца, оставшиеся после протекания реакции коагуляции и флокуляции, могут окисляться хлорным дезинфицирующим средством с образованием сильно окрашенных чистых или смешанных коллоидных образцов, которые содержат некоторое количество диоксида марганца. Таким образом, существует потребность в композициях, способах и наборах для очистки загрязненной питьевой воды, которые обеспечивают очищенную воду, имеющую улучшенные эстетические характеристики, а также более длительный срок годности и улучшенные вкусовые свойства.

Помимо необходимости в очистке и осветлении загрязненной питьевой воды во многих частях света также существует огромная потребность в улучшении стандартов питания и здоровья. Эффективное снабжение как чистой водой, так и важнейшими минералами и витаминами, очевидно, давало бы положительный результат, и особенно в тех частях света, где пригодная для питья вода находится в дефиците. Следовательно, существует потребность в композициях, способах и наборах для очистки при одновременном обогащении питательными веществами загрязненной питьевой воды.

СУТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к композициям, способам и наборам для очистки и/или осветления загрязненной питьевой воды, а также к композициям, способам и наборам для очистки и обогащения питательными веществами загрязненной питьевой воды. В общих чертах, композиции настоящего изобретения включают, по меньшей мере, основной коагулирующий материал, бактерицидное дезинфицирующее средство и окисляющую систему для предупреждения или уменьшения связанного с марганцем изменения цвета после флокуляции. Особенно предпочтительные композиции также содержат один или несколько так называемых образующих поперечные связи флокулирующих материалов, причем уровни и соотношения коагулянта к флокулянту предпочтительно находятся в пределах определенных интервалов, вспомогательное вещество, способствующее коагуляции, растворимую в воде щелочь, нерастворимый в воде силикат (например, глину, цеолит или их смесь) и пищевую добавку или источник питательного вещества.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается композиция для очистки и осветления питьевой воды, которая содержит основной коагулянт, бактерицидное дезинфицирующее средство на основе хлора, окислительную систему, способную обеспечивать каталитическое или автокаталитическое окисление растворимого Mn(II) до MnO₂, и, необязательно, один или несколько образующих поперечные связи флокулянтов, вспомогательное вещество, способствующее коагуляции, растворимую в воде щелочь, нерастворимый в воде силикат, выбранный из глин, цеолитов и их смесей; а также пищевую добавку или источник питательных веществ. Названные образующий поперечные связи флокулянт и вспомогательное вещество, способствующее коагуляции, являются особенно ценными в сочетании с основным коагулянтом и окислительной системой для минимизации связанного с марганцем изменения цвета после флокуляции. Хотя причины этого до конца не ясны, предполагается, что системы настоящего изобретения особенно эффективны при окислении Mn(II) и при коагуляции и флокуляции образующегося коллоидного диоксида марганца, что сводит к минимуму или предупреждает эффект изменения цвета после флокуляции.

В предпочтительных вариантах воплощения изобретения основной коагулянт выбран из группы, состоящей из растворимых в воде, многовалентных неорганических солей и их смесей, например сульфата железа, хлорида железа, хлорида алюминия, сульфата алюминия, сульфата марганца, хлорида марганца, сульфата меди, хлорида меди, их полиразновидностей, а также их смесей. Обычно рассматриваемые композиции включают от приблизительно 10 до приблизительно 99%, предпочтительно от приблизительно 15 до приблизительно 50%, более предпочтительно от приблизительно 25 до приблизительно 40 мас.% основного коагулянта.

С другой стороны, образующий поперечные связи флокулянт предпочтительно представляет собой высокомолекулярный растворимый в воде или диспергируемый в воде полимер или смесь полимеров, имеющих среднюю молекулярную массу, по меньшей мере, приблизительно 2000000, более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 5000000 и особенно предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 15000000. Образующие поперечные связи флокулянты для использования в данном изобретении выбирают из группы, состоящей из растворимых в воде и диспергируемых в воде анионных и неионных полимеров и их смесей. В общем случае рассматриваемые композиции содержат от приблизительно 0,1 до приблизительно 10%, предпочтительно от приблизительно 0,2 до приблизительно 5%, более предпочтительно от приблизительно 0,5 до приблизительно 3 мас.% образующего поперечные связи флокулянта.

Определение «вспомогательное вещество, способствующее коагуляции» относится к растворимому в воде или диспергируемому в воде полимеру с более низкой молекулярной массой, чем молекулярная масса образующего поперечные связи флокулянта, и это вспомогательное вещество способствует процессу полной агрегации и флокуляции. Вспомогательное вещество, способствующее коагуляции настоящего изобретения, представляет собой низкомолекулярный, растворимый в воде или диспергируемый в воде полимер, который обычно имеет средневесовую молекулярную массу менее чем приблизительно 1500000, предпочтительно менее чем приблизительно 750000 и особенно предпочтительно менее чем приблизительно 300000, а также смеси таких полимеров. Обычно рассматриваемые композиции включают от приблизительно 0,1 до приблизительно 10%, предпочтительно от приблизительно 0,5 до приблизительно 5%, более предпочтительно от приблизительно 1 до приблизительно 4 мас.% вспомогательного вещества, способствующего коагуляции.

Хотя подходящими вспомогательными веществами, способствующими коагуляции, являются анионные полимерные гидрофильные коллоиды, такие как карбоксиметилцеллюлозы, особенно предпочтительными с точки зрения реализации прекрасных характеристик уменьшения содержания тяжелых металлов, суммарного количества растворимого органического материала и цист, являются вспомогательные вещества, способствующие коагуляции, выбранные из группы, состоящей из растворимых в воде и диспергируемых в воде катионных полимеров и их смесей, например катионных полисахаридов, из которых особенно предпочтительным является хитозан. Предпочтительные вспомогательные добавки, способствующие коагуляции, в настоящем изобретении представляют собой по существу нерастворимые в воде, содержащие, по меньшей мере, 10% из расчета на общую сухую массу нерастворенного материала, определяемого с помощью описанного далее метода, и они предпочтительны для приготовления композиций и способов, обеспечивающих низкое общее содержание растворимых в воде органических веществ.

Массовое отношение основного коагулянта к образующему поперечные связи флокулянту в настоящем изобретении составляет предпочтительно от приблизительно 10:1 до приблизительно 200:1, более предпочтительно от приблизительно 10:1 до приблизительно 150:1, еще более предпочтительно от приблизительно 20:1 до приблизительно 100:1 и особенно предпочтительно от приблизительно 25:1 до приблизительно 75:1, причем эти соотношения особенно имеют значение в сочетании с уровнями коагулянта и флокулянта, описанными выше, для достижения оптимального проведения очистки в случае сильно загрязненной воды и для достижения значительно улучшенных скоростей фильтрации и характеристик «не забивающегося» фильтра, а также прекрасной конечной чистоты и прозрачности продукта при использовании бумажных и нетканых фильтров. Хотя причины для такого улучшения скорости фильтрации, характеристик отсутствия забивки и прозрачности продукта не совсем понятны, предполагается, что более высокие уровни и соотношения образующего поперечные связи флокулянта относительно коагулянта повышают «липкость» хлопьев с последующим уменьшением коллоидного материала в форме частиц. Такие композиции также хорошо подходят для использования в настоящем изобретении в сочетании с тканевыми фильтрами.

Таким образом, в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается композиция для очистки и осветления загрязненной питьевой воды, которая содержит основной коагулянт, выбранный из группы, состоящей из растворимых в воде многовалентных неорганических солей и их смесей; бактерицидного хлорного дезинфицирующего средства в количестве, достаточном, чтобы вызвать связанное с марганцем изменение цвета питьевой воды после флокуляции; окислительной системы, обеспечивающей каталитическое или автокаталитическое окисление растворимого Mn(II) в MnO₂; растворимого в воде или диспергируемого в воде полимерного образующего поперечные связи флокулянта, где массовое отношение основного коагулянта к образующему поперечные связи флокулянту составляет от приблизительно 10:1 до приблизительно 150:1, предпочтительно от приблизительно 20:1 до приблизительно 100:1, и более предпочтительно от приблизительно 25:1 до приблизительно 75:1, и, необязательно, растворимого в воде или диспергируемого в воде вспомогательного вещества, способствующего коагуляции. Характеристики фильтрации композиции могут быть оценены с использованием стандартных методов фильтрации и предпочтительно являются такими, что, по меньшей мере, один литр обработанной модельной поверхностной воды после обработки 620 мг/л очищающей композиции проходит через фильтр сорта Whatman 1,2 мкм GF/C менее чем за 1 час, предпочтительно менее чем за 45 мин и более предпочтительно менее чем за 30 мин при обычных температурных условиях (20°С), и, по меньшей мере, 1 л, предпочтительно, по меньшей мере, 2 л, более предпочтительно, по меньшей мере, 3 л обработанной воды будет проходить через фильтр без его забивки.

Описанная модельная поверхностная вода содержит:

(i) 24 мг/л гуминовой кислоты - источник растворимого природного органического материала;

(ii) 20 мг/л тонкодисперсной исследуемой пыли (1-3 мкм) - предназначена для добавления мутности;

(iii) 1500 мг/л соли - для создания тяжелых условий с высоким суммарным количеством растворенных твердых веществ.

Полученная вода имеет высокое общее содержание органических веществ (ОСОВ) (>10 мг/л), сильную окраску (>300 единиц платинового кобальта (ЕПК, PCU, platinum cobalt units)), высокую мутность (>15 единиц нефелометрической мутности (ЕНМ, NTU, nephelometric turbidity units)) и высокое суммарное содержание растворенных твердых веществ (СРТВ). Значение рН воды близко к нейтральному, но также может быть доведено до рН 5 или 9 с использованием HCl или NaOH соответственно для проведения испытаний с нагрузкой. Такую воду в данном описании называют «модельной поверхностной водой».

Композиции, имеющие оптимальные характеристики очистки и осветления, также могут быть охарактеризованы с помощью массового отношения основного коагулянта и вспомогательного вещества, способствующего коагуляции, к образующему поперечные связи флокулянту. То есть в предпочтительных вариантах осуществления изобретения массовое отношение основного коагулянта к вспомогательному веществу, способствующему коагуляции, составляет от приблизительно 8:1 до приблизительно 100:1, предпочтительно от приблизительно 12:1 до приблизительно 30:1 и более предпочтительно от приблизительно 15:1 до приблизительно 25:1. С другой стороны, массовое отношение вспомогательного вещества, способствующего коагуляции, к образующему поперечные связи флокулянту, предпочтительно находится в интервале от приблизительно 10:1 до приблизительно 1:6, предпочтительно от приблизительно 5:1 до приблизительно 1:3, более предпочтительно от приблизительно 3:1 до приблизительно 1:1.

Композиции, способы и наборы настоящего изобретения также содержат бактерицидное дезинфицирующее средство. Хотя для использования в данном изобретении предусмотрен широкий спектр бактерицидных дезинфицирующих средств, предпочтительным является дезинфицирующее средство на основе хлора. Особенно предпочтительным является гипохлорит кальция. Предпочтительно композиции изобретения содержат основной коагулянт и бактерицидное дезинфицирующее средство в массовом отношении от приблизительно 10:1 до приблизительно 100:1, более предпочтительно от приблизительно 12:1 до приблизительно 60:1 и особенно предпочтительно от приблизительно 15:1 до приблизительно 40:1. Обычно рассматриваемые композиции содержат от приблизительно 0,2 до приблизительно 10%, предпочтительно от приблизительно 0,5 до приблизительно 4%, более предпочтительно от приблизительно 0,7 до приблизительно 2,5 мас.% бактерицидного дезинфицирующего средства.

Композиции, способы и наборы настоящего изобретения также содержат окислительную систему. Функция окислительной системы состоит в окислении растворимого марганца (Mn(II)), содержащегося в питьевой воде, и коагулянта до коллоидного диоксида марганца в наиболее возможной степени в пределах естественной временной рамки реакции коагуляции/флокуляции. Поскольку системы коагуляции/флокуляции композиций настоящего изобретения, будучи высоко активными, обычно обеспечивают, по меньшей мере, 80 %-ное уменьшение содержания органического материала в питьевой воде в пределах 30 секунд и, по существу, полную флокуляцию в течение 5 минут, это налагает значительные требования на окислительные системы. Предпочтительными с точки зрения достижения быстрого и эффективного окисления растворимого марганца и оптимального контроля связанного с марганцем изменения цвета после флокуляции являются окислительные системы, выбранные из группы, состоящей из автокаталитических окислителей, комбинаций окислителей и катализаторов окисления, а также их смесей. Окислители, используемые в данном случае, должны иметь окислительно-восстановительный потенциал больше, чем системы MnO₂/Mn(II) в условиях применения и предпочтительно их стандартный окислительно-восстановительный потенциал должен составлять, по меньшей мере, приблизительно 1,23 В. При введении в композиции настоящего изобретения количество окислительной системы, достаточное для получения 200 ч./млрд автокаталитического окислителя или катализатора окисления, должно быть способно уменьшать концентрацию растворимого марганца в деионизированной воде, содержащей 150 ч./млрд растворимого марганца, по меньшей мере, приблизительно на 50%, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно на 60% за одну минуту и, по меньшей мере, приблизительно на 60%, предпочтительно приблизительно, по меньшей мере, на 70% за пять минут, причем растворимый марганец определяют с помощью атомной абсорбционной спектроскопии и оценку проводят при температуре окружающей среды (20°С). Автокаталитические окислители и катализаторы окисления, предпочтительные для использования в данном изобретении, представляют собой катализаторы на основе переходных металлов, особенно предпочтительно металлов групп V, VI, VII и VIII Периодической Таблицы, таких как Mn, Co, V, Mo и Ru, а также на основе их смесей. Особенно предпочтительными автокаталитическими окислителями для использования в настоящем изобретении являются манганаты и особенно перманганат калия. Катализаторы окисления, приемлемые для использования в данном изобретении, включают сам диоксид марганца и марганцевые и кобальтовые катализаторы, описанные, например, в публикациях WO-A-97/00311, US-A-5246612, US-A-4810410, EP-A-0408131 и US-A-5244594. Окислители, приемлемые для использования в комбинации с катализаторами окисления или, действительно, с автокаталитическими окислителями, включают дезинфицирующие средства на основе хлора, причем комбинация хлорных дезинфицирующих средств и автокаталитических окислителей дает особенно хорошие результаты с точки зрения обеспечения быстрого и эффективного окисления растворимого марганца в пределах временной границы реакции коагуляции/флокуляции.

Предпочтительно композиции настоящего изобретения содержат от приблизительно 0,001 до приблизительно 0,15%, предпочтительно от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,1%, более предпочтительно от приблизительно 0,02 до приблизительно 0,06 мас.% автокаталитического окислителя, катализатора окисления или их смеси.

Химикаты для обработки воды, такие как сульфаты двухвалентного железа и трехвалентного железа, обычно производят из сырьевых материалов, имеющих высокое содержание растворимого марганца, которое сохраняется в различной степени в конечном коммерческом продукте. Хотя некоторые производители предпринимают шаги для минимизации содержания растворимого марганца в их продуктах, установлено, что для целей настоящего изобретения небольшая доля растворимого марганца в коагулянте является весьма желательной по двум причинам. Во-первых, он, как оказывается, активизирует реакцию окисления, что приводит к более низким конечным уровням растворимого марганца, и уменьшает изменение цвета после флокуляции, особенно в условиях сильно загрязненной воды, делая возможным, например, для воды, содержащей до 200-300 ч./млрд растворимого марганца, в некоторых случаях уменьшить его содержание после флокуляции до менее чем 50 ч./млрд или ниже. Во-вторых, он обеспечивает компенсирующую нагрузку в условиях низкого загрязнения растворимым марганцем, что дает возможность после флокуляции сохранять минимальными уровни автокаталитического катализатора. Это особенно важно в случае окислительных систем на основе перманганата калия, который может привести к тому, что обработанная вода приобретает розовый оттенок, если окислитель присутствует в избыточных количествах.

Таким образом, композиции настоящего изобретения предпочтительно содержат в качестве части коагулянта или иным образом от приблизительно 0,005 до приблизительно 0,2%, предпочтительно от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,1% и более предпочтительно от приблизительно 0,015 до приблизительно 0,05% марганца в форме Mn(II). С другой стороны, массовое отношение Mn(II) к автокаталитическому окислителю, такому как перманганат калия, предпочтительно находится в интервале от приблизительно 1:10 до приблизительно 10:1, более предпочтительно от приблизительно 1:5 до приблизительно 5:1 и особенно предпочтительно от приблизительно 1:2 до приблизительно 2:1.

Композиции, способы и наборы настоящего изобретения также обычно содержат растворимую в воде щелочь, причем присутствие щелочи имеет значение для получения оптимального при применении профиля рН. В общем случае уровни основного коагулянта и щелочи должны быть подогнаны так, чтобы обеспечить значение рН при концентрации применения (обычно приблизительно 620 ч./млн всей композиции) в интервале от приблизительно 6,0 до 8,5, но предпочтительно в интервале от приблизительно 6,0 до 7,0, причем это предпочтительно для обеспечения способности композиции сохранять свои функции на загрязненных водах с различными уровнями и типами примесей. Для достижения необходимых уровней рН массовое отношение основного коагулянта к растворимой в воде щелочи обычно будет находиться в интервале от приблизительно 0,8:1 до приблизительно 3:1, предпочтительно от приблизительно 0,9:1 до приблизительно 2,4:1 и более предпочтительно от приблизительно 1:1 до приблизительно 2:1. Обычно композиции включают от приблизительно 10 до приблизительно 45%, предпочтительно от приблизительно 15 до приблизительно 40%, более предпочтительно от приблизительно 20 до приблизительно 35 мас.% растворимой в воде щелочи.

Композиции, способы и наборы настоящего изобретения также могут включать растворимый в воде силикатный материал, такой как глина или цеолит, который способствует процессу флокуляции, выполняя функцию зародышевых частиц или стимулируя абсорбцию или катионный обмен ионов металла. В предпочтительных вариантах воплощения изобретения массовое отношение основного коагулянта к растворимому в воде силикату в данном случае находится в интервале от приблизительно 0,3:1 до приблизительно 5:1, предпочтительно от приблизительно 0,7:1 до приблизительно 2:1 и более предпочтительно от приблизительно 0,8:1 до приблизительно 1,2:1. Обычно композиции настоящего изобретения содержат от приблизительно 10 до приблизительно 80%, предпочтительно от приблизительно 20 до приблизительно 50%, более предпочтительно от приблизительно 25 до приблизительно 35 мас.% растворимого в воде силиката.

Композиции и наборы настоящего изобретения могут быть использованы в различных формах и типах процессов, включая периодические и непрерывные, но предпочтительно композиция находится в форме стандартной дозированной формы и используется при периодической очистке и осветлении относительно небольшого предопределенного объема загрязненной питьевой воды. Относительно небольшой объем означает объем воды, обычно необходимый для немедленного потребления при домашнем или индивидуальном использовании, или который требуется в течение короткого срока хранения и потребления. Обычно композиции данного изобретения будут использоваться при обработке объема загрязненной питьевой воды в интервале от приблизительно 0,1 до приблизительно 100, предпочтительно от приблизительно 0,5 до приблизительно 40, более предпочтительно от приблизительно 5 до приблизительно 20 и особенно от приблизительно 8 до приблизительно 13 литров. С другой стороны, стандартные дозированные количества композиции обычно будут находиться в интервале от приблизительно 50 до приблизительно 2000, предпочтительно от приблизительно 100 до приблизительно 1000, более предпочтительно от приблизительно 250 до приблизительно 750 мг на литр загрязненной питьевой воды. Стандартные дозированные формы, подходящие для использования в настоящем изобретении, включают таблетки, компакты, экструдаты, растворимые в воде мешочки с одним или несколькими отделениями и т.д., но предпочтительными стандартными дозированными формами являются саше с одним отделением или несколькими отделениями, содержащие стандартную дозу гранулированной или порошкообразной композиции, которые открывают перед применением, и компоненты высыпают в заранее определенное количество загрязненной питьевой воды.

Для названных выше целей особенно предпочтительной в настоящем изобретении является композиция в стандартной дозированной форме, содержащая:

(i) от приблизительно 15 до приблизительно 50%, более предпочтительно от приблизительно 25 до приблизительно 40 мас.% основного коагулянта;

(ii) от приблизительно 0,2 до приблизительно 5%, более предпочтительно от приблизительно 0,5 до приблизительно 3 мас.% образующего поперечные связи флокулянта;

(iii) от приблизительно 0,5 до приблизительно 5%, более предпочтительно от приблизительно 1% до приблизительно 4 мас.% вспомогательного вещества, способствующего коагуляции;

(iv) от приблизительно 0,2 до приблизительно 10%, предпочтительно от приблизительно 0,5 до приблизительно 4%, более предпочтительно от приблизительно 0,7 до приблизительно 2,5 мас.% бактерицидного дезинфицирующего средства на основе хлора;

(v) от приблизительно 0,001 до приблизительно 0,15%, предпочтительно от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,1%, более предпочтительно от приблизительно 0,02 до приблизительно 0,06 мас.% автокаталитического катализатора или катализатора окисления на основе переходного металла.

Также важно гарантировать, чтобы при применении композиций эффективные уровни ингредиентов рецептуры высвобождались в образец загрязненной воды, которую необходимо очистить. Таким образом, уровни основного коагулянта, образующего поперечные связи флокулянта, вспомогательного вещества, способствующего коагуляции, дезинфицирующего средства на основе хлора и окислительной системы в комбинации предпочтительно должны быть достаточными, чтобы создать по массе в загрязненной питьевой воде от приблизительно 50 до приблизительно 500, предпочтительно от приблизительно 75 до приблизительно 300, более предпочтительно от приблизительно 100 до приблизительно 250 ч./млн основного коагулянта, от приблизительно 1 до приблизительно 15, предпочтительно от приблизительно 2 до приблизительно 10, более предпочтительно от приблизительно 2,5 до приблизительно 7,5 ч./млн образующего поперечные связи флокулянта, от приблизительно 1 до приблизительно 25, предпочтительно от приблизительно 5 до приблизительно 20, более предпочтительно от приблизительно 8 до приблизительно 12 ч./млн вспомогательного вещества, способствующего коагуляции, от приблизительно 1 до приблизительно 20, предпочтительно от приблизительно 2 до приблизительно 15, более предпочтительно от приблизительно 3 до приблизительно 10 ч./млн дезинфицирующего средства на основе хлора и от приблизительно 10 до приблизительно 1000, предпочтительно от приблизительно 50 до приблизительно 800, более предпочтительно от приблизительно 100 до приблизительно 400 ч./млрд автокаталитического окислителя или катализатора окисления на основе переходного металла.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения бактерицидное дезинфицирующее средство вводят в композиции изобретения в форме с контролируемым, пролонгированным, отложенным или замедленным высвобождением, в результате чего дезинфицирующее средство высвобождается в питьевую воду и вступает в реакцию с растворимыми органическими загрязнителями в ней только после фактического окончания стадии коагуляции и флокуляции, причем это важно для регулирования и сведения к минимуму уровня тригалогенметанов (ТГМ), образующихся в процессе очистки. Величина скорости высвобождения дезинфицирующего средства в данном случае представляет собой t_макс, причем это время представляет собой время, необходимое для достижения максимальной остаточной концентрации дезинфицирующего средства после добавления композиции к деионизированной воде при 20°С при легком перемешивании. Предпочтительно композиции настоящего изобретения имеют t _макс, по меньшей мере, приблизительно 1 мин, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 2 мин, более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 4 мин, и, особенно предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 8 минут. С другой стороны, скорость коагуляции и флокуляции органических загрязнителей измеряют с помощью n%-ной скорости флокуляции растворимого органического материала (t_n). Указанную n%-ную скорость флокуляции растворимого органического материала определяют как время, необходимое для n%-ного уменьшения концентрации гуминовой кислоты при измерении в соответствии с описанной ниже методикой. Предпочтительно t ₈₀ для композиций настоящего изобретения составляет менее чем приблизительно 2 мин, предпочтительно менее чем приблизительно 1 мин, более предпочтительно менее чем приблизительно 30 сек. Более того, в предпочтительных вариантах воплощения t₉₀ для композиций настоящего изобретения составляет менее чем приблизительно 2 мин, предпочтительно менее чем приблизительно 1 мин, более предпочтительно менее чем приблизительно 30 сек. Признаком настоящего изобретения является то, что композиции настоящего изобретения обеспечивают эффективный контроль реакции изменения цвета после флокуляции, несмотря на тот факт, что для целей минимизации образования ТГМ и оптимизации дезинфекции, уничтожения цист и т.д. большая часть дезинфицирующего средства высвобождается только после окончания реакции коагуляции и флокуляции.

Таким образом, в соответствии с другим аспектом изобретения предлагается композиция для очистки и осветления загрязненной питьевой воды, и эта композиция содержит:

(i) основной коагулянт, выбранный из группы, состоящей из растворимых в воде, многовалентных неорганических солей и их смесей;

(ii) бактерицидное дезинфицирующее средство на основе хлора;

(iii) окислительную систему, обеспечивающую каталитическое или автокаталитическое окисление растворимого Mn(II) до MnO₂; и необязательно

(iv) растворимый в воде или диспергируемый в воде полимерный образующий поперечные связи флокулянт;

и где бактерицидное дезинфицирующее средство находится в форме с контролируемым, пролонгированным, отложенным или замедленным высвобождением, в результате чего композиция имеет t_макс, соответствующее времени достижения максимальной концентрации дезинфицирующего средства после добавления к деионизированной воде при 20°С, которое больше чем 80%-ная скорость флокуляции растворимого органического материала (t₈₀) и предпочтительно больше 90%-ной скорости флокуляции растворимого органического материала (t₉₀) композиции.

Предпочтительно t_макс составляет, по меньшей мере, приблизительно на 1 мин, более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно на 2 мин, даже более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно на 4 мин и в особенности, по меньшей мере, на 8 мин больше чем t₈₀ и предпочтительно больше чем t₉₀.

n%-ную скорость флокуляции органического материала измеряют на модельной поверхностной воде, описанной в данной работе выше. Добавляют при перемешивании 620 мг композиции для очистки воды к 1 литру образца модельной поверхностной воды. Аликвоты жидкости отбирают через 30-секундные интервалы, причем каждую аликвоту фильтруют через 0,45 мкм фильтр. Цвет аликвоты измеряют с использованием, например, определителя цвета Hanna HI93727, и сравнивают с набором стандартов известной концентрации гуминовой кислоты и показанием прибора. Такая n%-ная скорость флокуляции органического материала представляет собой время, требуемое для достижения показания прибора, соответствующего уровню гуминовой кислоты, который равен (100-n)% от начального уровня (24 ч./млн).

Предпочтительно конечный цвет, достигаемый (например, после флокуляции через 30 мин и при хранении в течение до 72 час) с использованием очищающих композиций настоящего изобретения или in vivo или на модельной поверхностной воде, составляет меньше чем 20 ЕПК, более предпочтительно менее чем 15 ЕПК и в особенности менее чем 10 ЕПК. С другой стороны, конечная мутность, достигаемая с использованием очищающих композиций настоящего изобретения или in vivo или на модельной поверхностной воде, предпочтительно составляет менее чем 5 ЕНМ, более предпочтительно менее чем 2 ЕНМ и в особенности менее чем 1 ЕНМ, причем мутность измеряют с использованием нефелометра Jenway 6035, калибруемого ежедневно относительно стандарта на 5 ЕНМ.

В альтернативном варианте воплощения изобретения дезинфицирующее средство и остальная часть композиции для очистки воды (не содержащая дезинфицирующего средства композиция) могут быть использованы на отдельных стадиях обработки, или одновременно, или последовательно одна за другой.

Предпочтительно массовое отношение не содержащей дезинфицирующее средство композиции к дезинфицирующему средству при использовании отдельно составляет от 10000:1, или предпочтительно от 5000:1, или предпочтительно от 1000:1, или предпочтительно от 500:1 и предпочтительно до 2:1, или предпочтительно до 10:1, или предпочтительно до 25:1, или предпочтительно до 50:1, или предпочтительно до 100:1.

Композиции, способы и наборы настоящего изобретения также могут предпочтительно содержать пищевую добавку или источник питательного вещества, причем это важно для получения питьевой воды, которая является не только чистой, но также может содержать жизненно важные минералы и другие пищевые добавки, необходимые для хорошего здоровья и питания. Пищевая добавка и источник питательного вещества могут быть включены в наборы настоящего изобретения в виде одной или нескольких отдельных композиций в стандартной дозированной форме, или они могут быть введены непосредственно в саму композицию для очистки воды.

Таким образом, в соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается композиция для очистки, осветления и обогащения питательными веществами загрязненной питьевой воды, и эта композиция содержит:

(i) основной коагулянт, выбранный из группы, состоящей из растворимых в воде, многовалентных неорганических солей и их смесей;

(ii) растворимый в воде или диспергируемый в воде полимерный образующий поперечные связи флокулянт;

(iii) бактерицидное дезинфицирующее средство на основе хлора;

(iv) окислительную систему, обеспечивающую каталитическое или автокаталитическое окисление растворимого Mn(II) до MnO₂; и

(v) пищевую добавку или источник питательных веществ.

В случае пищевых добавок и источников питательных веществ, которые не способны коагулироваться или которые, по меньшей мере, частично выдерживают процесс коагуляции и флокуляции, например фторирующие агенты, йодирующие агенты и жизненно важные минеральные вещества, такие как цинк и железо, пищевые добавки и флокулянт могут быть введены без специальных измерений в композицию для очистки воды. С другой стороны, пищевая добавка и источники питательных веществ также могут быть введены в форме с контролируемым, пролонгированным, отложенным или замедленным высвобождением, которые упомянуты в описании в связи с дезинфицирующим средством. В этом случае композиция должна иметь t_макс, соответствующее времени достижения максимальной концентрации питательного вещества после добавления к деионизированной воде при 20°С, которое больше чем 80%-ная скорость флокуляции растворимых органических веществ (t₈₀) и предпочтительно больше чем 90%-ная скорость флокуляции растворимых органических веществ (t₉₀) композиции.

В данном изобретении также желательно регулировать содержание свободной влаги в композиции для очистки воды, особенно в тех композициях изобретения, которые содержат гипохлорит кальция в качестве бактерицидного дезинфицирующего средства. Следует понимать, что многие ингредиенты композиций настоящего изобретения, такие как бентонитные глины, коагулянты на основе квасцов и т.д., содержат естественное количество свободной влаги, и это, как установлено, оказывает особенно отрицательное влияние на стабильность гипохлорита. Следовательно, в предпочтительных вариантах воплощения изобретения композиции изобретения должны иметь содержание свободной влаги менее чем приблизительно 6%, предпочтительно менее чем приблизительно 4% и более предпочтительно менее чем приблизительно 2,5 мас.%. Также весьма желательно вводить один или несколько ингредиентов, которые способны действовать как поглотитель влаги, например предварительно высушенные глины с низким содержанием влаги и гидратируемые соли в безводной или частично гидратированной форме, в результате чего содержание свободной влаги композиции сохраняется ниже теоретического количества, необходимого для 100%-ной гидратации компонентов композиции. Особенно предпочтительными поглотителями влаги являются предварительно высушенные глины и алюмосиликаты, безводный карбонат натрия и их смеси. Предпочтительно поглотители влаги имеют содержание свободной влаги менее чем приблизительно 4%, более предпочтительно менее чем приблизительно 3%, особенно предпочтительно менее чем приблизительно 2,5% и более предпочтительно менее чем приблизительно 1,5 мас.%. Содержание свободной влаги продукта или поглотителя влаги определяют следующим образом. Экстрагируют 2 г образца продукта или поглотителя влаги в 50 мл сухого метанола при комнатной температуре в течение 20 мин. Отбирают аликвоту в 1 мл этого раствора и определяют свободную влагу с помощью стандартного титрования по Карлу Фишеру. Содержание свободной влаги выражают в виде массового процента воды относительно массы образца (в данном случае 2 г).

Таким образом, в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается композиция для очистки и осветления загрязненной питьевой воды, и эта композиция содержит:

(i) основной коагулянт, выбранный из группы, состоящей из растворимых в воде, многовалентных неорганических солей и их смесей;

(ii) растворимый в воде или диспергируемый в воде полимерный образующий поперечные связи флокулянт;

(iii) гипохлорит кальция в качестве бактерицидного дезинфицирующего средства;

(iv) окислительную систему, обеспечивающую каталитическое или автокаталитическое окисление растворимого Mn(II) до MnO ₂; и необязательно

поглотитель влаги, и где композиция имеет содержание свободной влаги меньше чем приблизительно 6%, предпочтительно меньше чем приблизительно 4% и более предпочтительно менее чем приблизительно 2,5 мас.%.

Настоящее изобретение также относится к способам очистки загрязненной питьевой воды, включающим введение воды в контакт, по меньшей мере, с основным коагулирующим материалом, бактерицидным дезинфицирующим средством и окислительной системой. Особенно предпочтительные способы настоящего изобретения также включают введение питьевой воды в контакт с одним или несколькими образующими поперечные связи флокулирующими материалами, где уровни и соотношения коагулянта и флокулянта предпочтительно попадают в пределы определенных интервалов; вспомогательным веществом, способствующим коагуляции; растворимой в воде щелочью; нерастворимым в воде силикатом (например, глиной, цеолитом и их смесями) и пищевой добавкой или источником питательного вещества. Таким образом, в части аспекта «способ» настоящее изобретение также относится к способу очистки и осветления загрязненной питьевой воды, и этот способ включает введение загрязненной воды в контакт с:

(i) основным коагулянтом, выбранным из группы, состоящей из растворимых в воде, многовалентных неорганических солей и их смесей;

(ii) бактерицидным дезинфицирующим средством на основе хлора в количестве, достаточном, чтобы вызвать связанное с марганцем изменение цвета питьевой воды после флокуляции; и

(iii) окислительной системой, обеспечивающей каталитическое или автокаталитическое окисление растворимого Mn(II) до MnO ₂; и предпочтительно

(iv) образующим поперечные связи флокулянтом, выбранным из группы, состоящей из растворимых в воде и диспергируемых в воде анионных и неионных полимеров, имеющих средневесовую молекулярную массу, по меньшей мере, приблизительно 2000000, и их смесей.

По другому аспекту способа настоящее изобретение также относится к способу очистки и осветления загрязненной питьевой воды, и этот способ включает введение загрязненной воды в контакт с:

(i) основным коагулянтом, выбранным из группы, состоящей из растворимых в воде, многовалентных неорганических солей и их смесей;

(ii) бактерицидным дезинфицирующим средством на основе хлора в количестве, достаточном, чтобы вызвать связанное с марганцем изменение цвета питьевой воды после флокуляции;

(iii) окислительной системой, обеспечивающей каталитическое или автокаталитическое окисление растворимого Mn(II) до MnO ₂;

(iv) растворимым в воде или диспергируемым в воде полимерным образующим поперечные связи флокулянтом, выбранным из группы, состоящей из растворимых в воде и диспергируемых в воде анионных и неионных полимеров, причем полимерный образующий поперечные связи флокулянт имеет средневесовую молекулярную массу, по меньшей мере, приблизительно 2000000, и где массовое отношение основного коагулянта к образующему поперечные связи флокулянту составляет от приблизительно 10:1 до приблизительно 150:1, предпочтительно от приблизительно 20:1 до приблизительно 100:1, и более предпочтительно от приблизительно 25:1 до приблизительно 75:1; и предпочтительно

(v) растворимым в воде или диспергируемым в воде полимерным вспомогательным веществом, способствующим коагуляции предпочтительно выбранным из группы, состоящей из растворимых и диспергируемых в воде катионных полимеров, причем полимерное вспомогательное вещество, способствующее коагуляции, имеет средневесовую молекулярную массу менее чем приблизительно 1500000.

Настоящее изобретение также относится к способу для очистки, осветления и обогащения питательными веществами загрязненной питьевой воды, и этот способ включает введение загрязненной воды в контакт с:

(i) основным коагулянтом, выбранным из группы, состоящей из растворимых в воде, многовалентных неорганических солей и их смесей;

(ii) растворимым в воде или диспергируемым в воде полимерным образующим поперечные связи флокулянтом;

(iii) бактерицидным дезинфицирующим средством на основе хлора;

(iv) окислительной системой, обеспечивающей каталитическое или автокаталитическое окисление растворимого Mn(II) до MnO₂; и

(v) пищевой добавкой или источником питательных веществ.

Способы настоящего изобретения включают ряд отдельных химических и физических стадий, которые могут быть проведены либо одновременно, либо последовательно. В широком смысле эти стадии включают:

(i) стадию коагуляции и флокуляции, на которой загрязненную питьевую воду вводят при перемешивании в контакт с коагулянтом, образующим поперечные связи флокулянтом и, если оно присутствует, с вспомогательным веществом, способствующим коагуляции, с тем, чтобы коагулировать и флокулировать загрязнения, содержащиеся в воде, в форме твердого материала;

(ii) стадию дезинфекции, на которой питьевую воду вводят в бактерицидный контакт с дезинфицирующим средством на основе хлора во время или после фактического окончания стадии коагуляции и флокуляции;

(iii) стадию окисления марганца до завершения стадии коагуляции и флокуляции, где питьевую воду вводят в контакт с окислительной системой, в результате чего MnO₂ коагулирует и флокулирует с другим твердым материалом на стадии коагуляции и флокуляции; и

(iv) стадию разделения, на которой твердый материал физически отделяют от питьевой воды.

Предпочтительно питьевую воду вводят в контакт дезинфицирующим средством после фактического завершения стадии коагуляции и флокуляции, в результате чего t_макс, которое определено выше, имеет значение больше чем 80%-ная скорость флокуляции растворимого органического материала (t₈₀) и предпочтительно больше чем 90%-ная скорость флокуляции растворимого органического материала (t₉₀) композиции.

Кроме того, способы настоящего изобретения также предпочтительно включают стадию нейтрализации, на которой питьевую воду вводят в контакт с нейтрализующим дезинфицирующее средство агентом после указанной стадии разделения, чтобы сохранить чистоту питьевой воды при ее хранении, и уменьшения или удаления избытка дезинфицирующего средства перед применением. В случае хлорных дезинфицирующих средств подходящими агентами для нейтрализации дезинфицирующего средства являются активированный уголь и восстанавливающие агенты, такие как тиосульфат натрия, сульфит натрия, перекись водорода и перкарбонат натрия.

Таким образом, в соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предлагается способ очистки и осветления загрязненной питьевой воды, и по этому способу загрязненную воду подвергают:

(i) стадии коагуляции и флокуляции, на которой загрязненную питьевую воду вводят при перемешивании в контакт с основным коагулянтом, полимерным образующим поперечные связи флокулянтом и необязательно полимерным вспомогательным веществом, способствующим коагуляции, с тем, чтобы коагулировать и флокулировать загрязнения, содержащиеся в воде, в форме твердого материала;

(ii) стадии дезинфекции, на которой питьевую воду вводят в бактерицидный контакт с дезинфицирующим средством на основе хлора во время или после фактического окончания стадии коагуляции и флокуляции;

(iii) стадии окисления марганца до завершения стадии коагуляции и флокуляции, где питьевую воду вводят в контакт с окислительной системой, обеспечивающей каталитическое или автокаталитическое окисление Mn(II) до MnO ₂, в результате чего образующийся MnO₂ коагулирует и флокулирует с другим твердым материалом на стадии коагуляции и флокуляции;

(iv) стадии разделения, на которой твердый материал физически отделяют от питьевой воды;

(v) стадии нейтрализации, на которой питьевую воду вводят в контакт с агентом для нейтрализации дезинфицирующего средства после указанной стадии разделения, чтобы уменьшить или удалить избыток дезинфицирующего средства.

Кроме того, способы настоящего изобретения также предпочтительно включают стадию обогащения питательными веществами, на которой питьевую воду вводят в контакт с пищевой добавкой или источником питательных веществ до или после стадии разделения.

Таким образом, в соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения по аспекту способ предлагается способ очистки, осветления и обогащения питательными веществами загрязненной питьевой воды, и по этому способу загрязненную воду подвергают:

(i) стадии коагуляции и флокуляции, на которой загрязненную питьевую воду вводят при перемешивании в контакт с основным коагулянтом, полимерным образующим поперечные связи флокулянтом и, необязательно, полимерным вспомогательным веществом, способствующим коагуляции, с тем, чтобы коагулировать и флокулировать загрязнения, содержащиеся в воде, в форме твердого материала;

(ii) стадии дезинфекции, на которой питьевую воду вводят в бактерицидный контакт с дезинфицирующим средством на основе хлора во время или после фактического окончания стадии коагуляции и флокуляции;

(iii) стадии окисления марганца до окончания стадии коагуляции и флокуляции, где питьевую воду вводят в контакт с окислительной системой, обеспечивающей каталитическое или автокаталитическое окисление Mn(II) до MnO ₂, в результате чего образующийся MnO₂ коагулирует и флокулирует с другим твердым материалом на стадии коагуляции и флокуляции;

(iv) стадии разделения, на которой твердый материал физически отделяют от питьевой воды; и

(v) стадии обогащения питательными веществами, на которой питьевую воду вводят в контакт с пищевой добавкой или источником питательного вещества до или после указанной стадии разделения.

По аспекту способ настоящего изобретения основной коагулянт обычно добавляют в количестве от приблизительно 50 до приблизительно 500, предпочтительно от приблизительно 75 до приблизительно 300, более предпочтительно от приблизительно 100 до приблизительно 250 ч./млн по массе из расчета на загрязненную питьевую воду; образующий поперечные связи флокулянт обычно добавляют в количестве от приблизительно 1 до приблизительно 15, предпочтительно от приблизительно 2 до приблизительно 10, более предпочтительно от приблизительно 2,5 до приблизительно 7,5 ч./млн по массе из расчета на загрязненную питьевую воду; вспомогательное вещество, способствующее коагуляции, обычно добавляют в количестве от приблизительно 1 до приблизительно 25, предпочтительно от приблизительно 5 до приблизительно 20, более предпочтительно от приблизительно 8 до приблизительно 12 ч./млн по массе из расчета на загрязненную питьевую воду; бактерицидное дезинфицирующее средство обычно добавляют в количестве от приблизительно 1 до приблизительно 20, предпочтительно от приблизительно 2 до приблизительно 15, более предпочтительно от приблизительно 3 до приблизительно 10 ч./млн по массе из расчета на загрязненную питьевую воду; и окислительную систему обычно добавляют в количестве, которое обеспечивает от приблизительно 10 до приблизительно 1000, предпочтительно от приблизительно 50 до приблизительно 800, более предпочтительно от приблизительно 100 до приблизительно 400 ч./млрд по массе автокаталитического окислителя или катализатора окисления на основе переходного металла из расчета на загрязненную питьевую воду. Объем обработанной загрязненной питьевой воды в соответствии со способами настоящего изобретения предпочтительно находится в интервале от приблизительно 0,1 до приблизительно 100, более предпочтительно от приблизительно 0,5 до приблизительно 40, еще более предпочтительно от приблизительно 5 до приблизительно 20 и особенно предпочтительно от приблизительно 8 до приблизительно 13 литров.

Хотя может быть использован любой удобный способ отделения твердого материала от частично очищенной питьевой воды, например декантирование, седиментация, флотация и др., предпочтительно отделение проводят путем фильтрования на стадии разделения с использованием бумажного, нетканого или тканевого фильтрующего элемента. Более того, отделение твердого материала предпочтительно проводят на одной стадии фильтрации без необходимости замены фильтрующего элемента. Признаком настоящего изобретения является то, что композиции и способы имеют превосходные характеристики фильтрации через одноразовые бумажные или нетканые фильтры, и такие средства фильтрации могут быть предпочтительными для достижения оптимальных характеристик при удалении заражения цистами и бактериями. Композиции и способы настоящего изобретения также обеспечивают превосходные характеристики фильтрации через тканые фильтрующие элементы, изготовленные из гидрофильного субстрата, такого как хлопок, и такие системы могут быть предпочтительны с точки зрения стоимости и защиты окружающей среды, обеспечивая при этом очень эффективные характеристики фильтрации.

Композиции, способы и наборы настоящего изобретения имеют значение для очистки загрязненной воды с высоким уровнем растворимого марганца (например, при уровнях свыше приблизительно 150 ч./млрд, предпочтительно свыше приблизительно 200 и даже 300 ч./млрд) и/или для очистки воды с использованием коагулянта, загрязненного высоким уровнем растворимого марганца (например, при уровнях свыше приблизительно 0,05%, предпочтительно свыше приблизительно 0,075% и даже 0,1% из расчета коагулянта), и где очищенная вода имеет концентрацию растворимого марганца ниже чем приблизительно 100 ч./млрд., предпочтительно ниже чем приблизительно 80 ч./млрд и более предпочтительно ниже чем приблизительно 50 ч./млрд.

Композиции, способы и наборы настоящего изобретения также имеют особое значение при очистке воды, которая загрязнена тяжелыми металлами, такими как мышьяк и/или свинец, и эффективны при очистке воды до концентрации мышьяка ниже чем приблизительно 5 ч./млрд, предпочтительно ниже чем приблизительно 2 ч./млрд и до концентрации свинца ниже чем приблизительно 15 ч./млрд, предпочтительно ниже чем приблизительно 10 ч./млрд.

Композиции, способы и наборы настоящего изобретения также имеют значение при очистке воды, которая загрязнена растворимыми органическими примесями, такими как гуминовая кислота, и эффективны при очистке воды до суммарного содержания органических веществ ниже чем приблизительно 10 ч./млн, предпочтительно ниже чем приблизительно 7 ч./млн и более предпочтительно ниже чем приблизительно 4 ч./млн и до уровней тригалогенметана (ТГМ) ниже чем приблизительно 100 ч./млрд, предпочтительно ниже чем приблизительно 70 ч./млрд, более предпочтительно ниже чем приблизительно 40 ч./млрд.

Композиции, способы и наборы настоящего изобретения также имеют значение при очистке воды, которая загрязнена цистами, такими как Giardia и Cryptosporidium parvum, и где концентрация цист снижается с коэффициентом, по меньшей мере, приблизительно log 2, предпочтительно приблизительно log 3 и более предпочтительно с коэффициентом, по меньшей мере, приблизительно log 3,5.

По аспекту набор настоящее изобретение относится к набору для очистки и осветления загрязненной питьевой воды, и этот набор включает:

(i) одну или несколько стандартных доз композиции для очистки воды настоящего изобретения, и

(ii) средства для физического отделения твердого материала от питьевой воды.

Средства для физического отделения твердого материала от питьевой воды включают тканевые, бумажные и нетканые фильтры, которые описаны выше.

Наборы настоящего изобретения также могут включать одну или несколько стандартных доз как не содержащей дезинфицирующего средства композиции для очистки воды, так и композиции бактерицидного дезинфицирующего средства, и/или одну или несколько стандартных доз композиции пищевой добавки или питательного вещества. Композиция бактерицидного дезинфицирующего средства может быть использована с не содержащей дезинфицирующее средство композицией для очистки воды либо одновременно, либо последовательно. Кроме того, с композицией для очистки воды может быть использована композиция пищевой добавки или питательного вещества либо одновременно, либо последовательно.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основной коагулянт

Основные коагулянты, приемлемые для использования в настоящем изобретении, включают растворимые в воде неорганические соли и их смеси. В особенно предпочтительных вариантах воплощения изобретения композиции содержат неорганическую соль металла, выбранную из группы, состоящей из сульфата железа, хлорида железа, сульфата марганца, хлорида марганца, сульфата меди, хлорида меди, сульфата алюминия, хлорида алюминия, их полиразновидностей и их комбинаций. Неорганическую соль металла настоящего изобретения выбирают, исходя из того, что она действует как коагулянт и может взаимодействовать с заряженными растворимыми в воде примесями таким образом, что нейтрализует заряд указанной растворимой в воде примеси с образованием нерастворимой в воде примеси, обычно с образованием нерастворимой в воде соли указанной примеси, которая выпадает из раствора в осадок. Неорганическая соль композиции настоящего изобретения может также уменьшать мутность воды за счет увеличения размера частиц нерастворимых в воде примесей, возможно вызывая седиментацию или ускоряя удаление этих нерастворимых примесей путем фильтрования или с помощью других методик удаления нерастворимого в воде материала, например, флотацией или декантированием. Неорганические соли, выбранные в данном изобретении, также могут соосаждать ионы тяжелых металлов из воды, и также могут снижать общее содержание органических веществ, присутствующих в воде путем коагуляции или адсорбции этих органических компонентов на нерастворимых в воде примесях, которые образовались в воде.

Предпочтительно неорганическая соль металла композиции настоящего изобретения является многовалентной, предпочтительно двух- или трехвалентной, неорганической солью металла, такой как сульфат алюминия III, сульфат железа II (железистый) или сульфат железа III (железный). Наиболее предпочтительной неорганической солью металла в данном случае является сульфат железа III. Определение «неорганическая соль металла» включает все полиразновидности солей, такие как полиалюминий хлорид и полижелезный материал, но не включает соединения, содержащие метильную или этильную группы. Неорганические соли металла предпочтительно не содержат атомов углерода. Определение «неорганические соли металлов, которые не содержат атомов углерода», включает неорганические соли металлов, которые содержат незначительные количества углеродной примеси, которая часто обнаруживается в природных источниках неорганической соли металла. Например, предпочтительные неорганические соли металлов композиции настоящего изобретения содержат (из расчета на массу указанной соли) менее чем 5%, более предпочтительно менее чем 3%, более предпочтительно менее чем 1%, даже более предпочтительно менее чем 0,1%, даже более предпочтительно менее чем 0,01% атомов углерода.

Особенно предпочтительными являются те неорганические соли металлов, которые являются источником кислоты, такие как сульфат алюминия III или сульфат железа. Это особенно справедливо, когда рассматриваемая композиция также включает источник карбоната, такого как карбонат натрия, так как источник кислоты и источник карбоната могут вступать в реакцию с образованием газа. Этот процесс известен как бурное газообразование и способствует дисперсии композиции, особенно, когда рассматриваемая композиция находится в форме таблетки.

Рассматриваемая композиция предпочтительно содержит (по массе) от 1%, или предпочтительно от 5%, или предпочтительно от 10%, или предпочтительно от 15%, или предпочтительно от 20%, или предпочтительно от 25% и предпочтительно до 50%, или предпочтительно до 40%, или предпочтительно до 30% неорганической соли, выбранной из группы, состоящей из сульфата железа, хлорида железа, сульфата марганца, хлорида марганца, сульфата меди, хлорида меди, сульфата алюминия, хлорида алюминия, их полиразновидностей и их комбинаций.

Вспомогательное вещество, способствующее коагуляции

Композиция для очистки воды настоящего изобретения предпочтительно содержит вспомогательное вещество, способствующее коагуляции (иногда называемое в описании «первым полимерным материалом»). Особенно предпочтительными являются полимерные материалы, которые содержат аминогруппу и которые поэтому являются катионными по природе. Первый полимерный материал выбирают, исходя из того, что он может способствовать процессу коагуляции и флокуляции, и в особенности может в сочетании с основным коагулянтом способствовать прилипанию частиц и агрегации нерастворимых в воде частиц в более крупные нерастворимые в воде собранные в одно целое комплексы, известные как хлопья. Первый полимерный материал может также адсорбировать или коагулировать масла, жиры и другие органические или неорганические материалы и может выводить ионы тяжелых металлов.

Понятие «аминогруппа» в данном случае включает первичные аминогруппы, вторичные аминогруппы, третичные аминогруппы, четвертичные аминогруппы, такие как четвертичные аммонийные группы, но понятие «аминогруппа» не включает амидные группы. Указанная аминогруппа может представлять собой группу, соединяющую мономерные звенья главной цепи полимерного материала, или может присутствовать в качестве боковой группы полимерного материала, например в качестве боковой аминогруппы полисахарида. Предпочтительно аминогруппа присутствует в виде боковой группы.

Предпочтительно полимерный материал является по существу нерастворимым в воде. Определение «по существу нерастворимый в воде» означает в данном случае как содержащий, по меньший мере, 10% из расчета на сухую общую массу присутствующего нерастворимого материала, как определяют следующим способом.

Добавляют 1 г материала к 1 л дистиллированной воды при рН в интервале между 6,0 и 8,0 при 20°С и интенсивно перемешивают в течение 24 ч. Затем воду фильтруют через 3 мкм фильтр, и нерастворенный материал, который собирают с помощью стадии фильтрования, сушат при 80°С до постоянной массы, обычно в течение от 24 до 48 час. Затем определяют массу полученного нерастворенного материала и рассчитывают % сухой массы этого нерастворенного материала.

Аминогруппа первого полимерного материала предпочтительно, по меньшей мере, частично протонируется, когда первый полимерный материал вступает в контакт с водой, обычно такая реакция протонирования имеет место при рН ниже 9,0 и предпочтительно при рН в интервале от 3 до 8. Таким образом, первый полимерный материал является катионным, когда он находится в растворе воды при рН ниже 9. Альтернативно, аминогруппа первого полимерного материала может уже находиться в заряженном состоянии, например в замещенном или протонированном состоянии. Аминогруппа первого полимерного материала может представлять собой катионную четвертичную аммонийную группу.

Первый полимерный материал включает полисахарид, содержащий аминогруппу. Первый полимерный материал может включать катионный крахмал, например катионный крахмал, полученный из кукурузного крахмала, крахмала воскового маиса, кукурузного крахмала, пшеничного крахмала и рисового крахмала. Более предпочтительно первый полимерный материал включает полисахарид, который содержит аминогруппу, связанную непосредственно с мономерной сахаридной главной цепочкой указанного полисахарида. Более предпочтительно первый полимерный материал содержит полимер глюкозамина, где все мономерные сахаридные звенья главной цепочки соединены в линейной конформации через бета-1-4-гликозидные связи. Более предпочтительно первый полимерный материал содержит модифицированный хитин, такой как хитозан, модифицированный хитозан или их соли. Наиболее предпочтительно первый полимерный материал содержит хитозан или модифицированный хитозан. Первый полимерный материал может быть примесью хитина и, следовательно, хитин может быть предпочтительным источником полимерного материала для использования в настоящем изобретении. Хитозан, приемлемый для использования в настоящем изобретении, обычно получают из хитина ракообразных, таких как крабы, омары и креветки. Хитозан, полученный из хитина грибов, также может быть использован в изобретении. Хитозан для использования в настоящем изобретении обычно находится в панцире ракообразных и может быть экстрагирован с помощью любой методики, известной в данной области, например с использованием методики экстракции, описанной в патентах США 3533940, 3862122, 3922260 и 4195175.

Первый полимерный материал для использования в настоящем изобретении обычно имеет степень аминной модификации, по меньшей мере, 0,1, более предпочтительно, по меньшей мере, 0,2, или предпочтительно, по меньшей мере, 0,3, или предпочтительно, по меньшей мере, 0,4, или предпочтительно, по меньшей мере, 0,5, или предпочтительно, по меньшей мере, 0,6, или предпочтительно, по меньшей мере, 0,7, или предпочтительно, по меньшей мере, 0,8, или предпочтительно, по меньшей мере, 0,9, или предпочтительно, по меньшей мере, 1,0. Указанная степень модификации означает количество аминных групп, присутствующих в материале, и определяется как численное отношение количества аминных групп, присутствующих в полимерном материале, на мономерное звено полимерного материала.

Предпочтительно первый полимерный материал имеет средневесовую молекулярную массу, по меньшей мере, 10000, или предпочтительно, по меньшей мере, 25000, или предпочтительно, по меньшей мере, 50000, или предпочтительно, по меньшей мере, 75000, или предпочтительно, по меньшей мере, 100000.

Композиция настоящего изобретения предпочтительно содержит (по массе) от 0,1%, или предпочтительно от 0,5%, или предпочтительно от 1%, или предпочтительно от 1,5%, или предпочтительно от 2%, или предпочтительно от 2,5%, и предпочтительно до 50%, или предпочтительно до 40%, или предпочтительно до 30%, или предпочтительно до 20%, или предпочтительно до 10%, или предпочтительно до 5%, или предпочтительно до 4% первого полимерного материала.

Образующий поперечные связи флокулянт

Композиция настоящего изобретения также содержит образующий поперечные связи флокулянт (иногда также называемый в данном описании вторым полимерным материалом). Предпочтительно второй полимерный материал является по существу растворимым в воде при используемой концентрации и имеет средневесовую молекулярную массу, по меньшей мере, приблизительно 100000, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 2000000. Второй полимерный материал выбирают, исходя из того, что он действует как флокулянт и вызывает агрегацию нерастворимых в воде частиц в более крупные нерастворимые в воде собранные вместе комплексы, известные как хлопья. Предполагается, что способность второго полимерного материала выполнять функцию флокулянта обусловлена сочетанием его высокой молекулярной массы, структуры и растворимости в воде.

Второй полимерный материал обычно имеет более высокую молекулярную массу, чем первый полимерный материал и предпочтительно не содержит аминогруппу. Предпочтительно второй полимерный материал содержит амидную группу. Более предпочтительно второй полимерный материал представляет собой полиакриламид. Второй полимерный материал предпочтительно не является катионным полиакриламидом, и предпочтительно второй полимерный материал не является катионным.

Предпочтительно второй полимерный материал для использования в настоящем изобретении является неионным или анионным, предпочтительно анионным, более предпочтительно второй полимерный материал содержит, по меньшей мере, 0,02, или предпочтительно, по меньшей мере, 0,05, или предпочтительно, по меньшей мере, 0,1 анионную группу на мономерное звено.

Второй полимерный материал для использования в настоящем изобретении обычно представляет собой полиакриламид, особенно предпочтительными являются анионные или неионные полиакриламиды. Типичными анионными и неионными полиакриламидами для использования в настоящем изобретении являются полиакриламиды серии Magnafloc, поставляемой Ciba. Из этих полиакриламидов особенно предпочтительными являются полиакриламиды, известные под торговым названием Magnafloc LT20, Magnafloc LT25, Magnafloc LT25S, Magnafloc LT26, Magnafloc LT28, Magnafloc 351 и Magnafloc 919.

Предпочтительно, чтобы в композиции изобретения присутствовало небольшое количество по существу растворимого в воде органического материала. «Небольшое количество по существу растворимого в воде материала» может быть определено следующим способом.

Добавляют 500 мг указанной композиции к 1 литру деионизированной воды, которая не содержит определяемых количеств по существу растворимого органического материала, с получением раствора. Указанный раствор оставляют, перемешивая время от времени, на 30 мин и затем фильтруют через бумагу Whatman GF/C, имеющую средний размер пор 1,2 мкм, с получением очищенной воды. Уровень общего содержания органического материала (ОСО) в указанной очищенной воде определяют с использованием метода ISO 8245:1999. Композиция, содержащая «по существу низкое количество растворимого в воде материала», определяется как композиция, которая дает ОСО в указанной очищенной воде менее чем 10 ч./млн, предпочтительно меньше чем 7 ч./млн, более предпочтительно меньше чем 4 ч./млн при определении с использованием данного способа.

Также предпочтительно, чтобы низкое количество по существу растворимого в воде органического материала было получено при использовании композиции или in-vivo или на модельной поверхностной воде. Для этих целей добавляют 620 мг композиции к 1 л in-vivo или модельной поверхностной воде соответственно, и опыт повторяют. Предпочтительно ОСО в воде после обработки составляет менее чем 10 ч./млн, более предпочтительно менее чем 7 ч./млн и особенно предпочтительно менее чем 4 ч./млн.

Предпочтительно второй полимерный материал не содержит полисахарид, и более предпочтительно второй полимерный материал не содержит карбоксиметилцеллюлозу или ее производные.

Предпочтительно средневесовая молекулярная масса второго полимерного материала составляет, по меньшей мере, 2500000, или предпочтительно, по меньшей мере, 3000000, или предпочтительно, по меньшей мере, 5000000, или предпочтительно, по меньшей мере, 7500000, или предпочтительно, по меньшей мере, 10000000, или предпочтительно, по меньшей мере, 15000000.

Предпочтительно композиция настоящего изобретения содержит (по массе) от 0,1%, или предпочтительно от 0,2%, или предпочтительно от 0,5%, или предпочтительно от 1% и предпочтительно до 30%, или предпочтительно до 20, или предпочтительно до 10%, или предпочтительно до 5%, или предпочтительно до 3% второго полимерного материала.

Бактерицидное дезинфицирующее средство

Композиция настоящего изобретения содержит бактерицидное дезинфицирующее средство (иногда называемое в данном описании дезинфицирующим средством). Дезинфицирующее средство может содержать любое соединение, которое дезинфицирует или улучшает санитарное состояние воды. Дезинфицирующее средство может быть неорганическим, таким как соли серебра, коллоидное серебро, наносеребро, озон, диоксид хлора, хлор, гипохлорит натрия или хлорамин. Дезинфицирующее средство также может быть органическим, таким как четвертичное аммонийное соединение. Предпочтительными дезинфицирующими средствами являются неорганические хлорные дезинфицирующие средства, где хлор находится в формальной степени окисления, которая не равна минус один, предпочтительно превышает минус один. Предпочтительные источники хлора содержат гипохлориты (особенно гипохлорит кальция) и органические источники хлора, такие как изоцианураты. Другими подходящими дезинфицирующими средствами являются йод и источники йода, такие как полийодные смолы.

Как обсуждалось ранее, дезинфицирующее средство предпочтительно используют в форме с контролируемым, пролонгированным, отложенным или замедленным высвобождением. Средства для создания такого контролируемого, пролонгированного, отложенного или замедленного высвобождения (далее «средства для создания пролонгированного высвобождения») могут включать смешение дезинфицирующих средств или нанесение покрытия на дезинфицирующие средства, например, с использованием плохо растворимого в воде или гидрофобного материала, или путем создания покрытия достаточной толщины, чтобы кинетика растворения покрытия обеспечивала пролонгированное высвобождение. Плохо растворимые в воде или гидрофобные материалы включают воски, парафины, диоксиды кремния, цеолиты, глины, полимерные смолы, целлюлозу, сшитые полимеры, нерастворимые соли, такие как карбонат кальция и др. Покрывающий материал может быть нанесен путем агломерации, например, в барабанном смесителе, смесителе с вращающимся барабаном и вертикальном смесителе, или путем распылительной пульверизации. Другие средства для обеспечения пролонгированного высвобождения включают механические средства для изменения физических свойств дезинфицирующего средства, например уплотняющие, гранулирующие средства для изменения распределения частиц по размерам дезинфицирующего агента и др.

Особенно предпочтительным в настоящем изобретении для достижения оптимальной характеристики флокуляции и дезинфекции в воде, загрязненной большим количеством органических примесей, является дезинфицирующее средство в форме частиц, предпочтительно гипохлорит кальция, имеющий такое распределение частиц по размерам, что, по меньшей мере, приблизительно 50%, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 75%, более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 90 мас.%, удерживается 210 мкм ситом (Tyler 65 меш), предпочтительно 425 мкм ситом (35 меш), более предпочтительно 600 мкм ситом (28 меш), еще более предпочтительно 710 мкм ситом (24 меш) и даже более предпочтительно 850 мкм ситом (20 меш), и особенно предпочтительно 1000 мкм ситом (16 меш).

Чтобы минимизировать случайные колебания образца конечной стандартной дозированной композиции, также предпочтительно, чтобы дезинфицирующее средство в форме частиц имело такое распределение частиц по размерам, что, по меньшей мере, приблизительно 50%, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 75 мас.% средства проходило через 2000 мкм сито (9 меш) и более предпочтительно через 1400 мкм сито (12 меш).

Предпочтительно композиция настоящего изобретения содержит (по массе) от 0,01%, или предпочтительно от 0,1%, или предпочтительно от 0,2%, или предпочтительно от 0,5%, или предпочтительно от 0,7%, или предпочтительно от 1,0%, или предпочтительно от 1,2%, или предпочтительно от 1,5%, и предпочтительно до 20%, или предпочтительно до 10%, или предпочтительно до 5%, или предпочтительно до 4%, или предпочтительно до 2,5% дезинфицирующего средства.

Окислительная система

Окислительные системы, приемлемые для применения в настоящем изобретении, подробно описаны выше. Особенно предпочтительными являются автокаталитические окислители, такие как манганаты, и особенно перманганат калия. Такие системы являются автокаталитическими в том смысле, что продукт реакции с растворимым марганцем, коллоидный диоксид марганца, сам действует как катализатор реакции окисления, обеспечивая быстрое окисление в пределах временных рамок реакции коагуляции/флокуляции.

Предпочтительно композиции настоящего изобретения содержат от приблизительно 0,001 до приблизительно 0,15%, предпочтительно от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,1%, более предпочтительно от приблизительно 0,02 до приблизительно 0,06 мас.% автокаталитического окислителя, катализатора окисления или их смеси.

Чтобы свести к минимуму случайные колебания образца в конечной стандартной дозированной композиции, предпочтительно, чтобы автокаталитический окислитель или катализатор находился в форме частиц с минимальным количеством частиц на стандартную дозу приблизительно 100, причем количество частиц предпочтительно составляет больше чем приблизительно 150 и более предпочтительно больше чем приблизительно 200. Предпочтительно отдельные частицы имеют среднюю массу менее чем приблизительно 20 мкг, более предпочтительно менее чем приблизительно 10 мкг.

Нерастворимый в воде силикат

Композиция настоящего изобретения предпочтительно содержит нерастворимый в воде силикат, выбранный из глин, цеолитов и их смесей.

Особенно предпочтительными силикатами для использования в данном случае являются глины. Глина действует как зародышевая частица, на которой нерастворимые в воде примеси могут агрегироваться с образованием хлопьев. Присутствие глины в композиции улучшает скорость образования хлопьев и обеспечивает образование более крупных хлопьев по сравнению с вариантом, когда в рассматриваемой композиции отсутствует глина. Глина также может действовать в качестве агента, вызывающего набухание, и если рассматриваемая композиция находится в форме таблетки, глина улучшает скорость, при которой таблетка дезинтегрируются при контакте с водой за счет набухания при контакте с водой так, что компоненты таблетки выталкиваются частицами набухшей глины. Глина также может действовать в качестве осушителя внутри таблетки. Глина также может действовать в качестве катионообменного агента для удаления ионов металлов из воды, и, кроме того, глина может убирать цвет, тяжелые металлы и некоторые органические материалы из воды путем адсорбции.

Глина предпочтительно представляет собой смектитную глину, предпочтительно двухвосьмигранную смектитную глину, такую как монтмориллонит, или трехвосьмигранную глину, такую как гекторит. Глины, найденные в отложениях бентонитной глины, также предпочтительны. Особенно предпочтительными глинами для использования в настоящем изобретении являются лапонит, гекторит, монтмориллонит, нонтронит, сапонит, волконзит, сауконит, бейделлит, аллеварлит (allevarlite), иллит, галлоизит и аттапульгит. В композициях, содержащих гипохлорит кальция, содержание свободной влаги в глине необходимо тщательно контролировать, чтобы обеспечить приемлемую стабильность дезинфицирующего средства. Предпочтительно содержание свободной влаги должно быть менее чем приблизительно 4%, более предпочтительно менее чем приблизительно 3%, в особенности менее чем приблизительно 2,5% и особенно предпочтительно менее чем приблизительно 1,5 мас.%. Содержание свободной влаги определяют на образце исследуемого материала весом 2 г по методике, описанной выше.

Особенно предпочтительными для использования в настоящем изобретении с целью получения оптимальной стабильности дезинфицирующего средства являются предварительно высушенные глины, которые в их осушенной форме обладают потенциальной возможностью удалять или собирать влагу. Такие глины могут быть описаны в условиях их так называемого «водного числа», определяемого как равновесный массовый процент влаги, собранной небольшим образцом (например, 10 мг) высушенного материала из воздуха при относительной влажности 80% и при 20°С при измерении с помощью методики динамической сорбции паров. Например, если 10 мг высушенной глины собирает 2 мг влаги, то высушенная глина имеет водное число 20%. Для использования в настоящем изобретении предпочтительны высушенные глины, имеющие водное число, по меньшей мере, приблизительно 10%, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 15% и более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 18%.

Композиция настоящего изобретения предпочтительно содержит (по массе) от 1%, или предпочтительно от 5%, или предпочтительно от 10%, или предпочтительно от 15%, или предпочтительно от 20%, или предпочтительно от 25% и предпочтительно до 80%, или предпочтительно до 50%, или предпочтительно до 35% глины.

Алюмосиликаты могут быть использованы в настоящем изобретении вместо или в дополнение к глине. Алюмосиликат может действовать как катионообменный агент для удаления ионов металлов из воды и также может действовать в качестве зародышевой частицы для ускорения образования хлопьев и в качестве осушителя для повышения стабильности дезинфицирующего агента. Предпочтительными алюмосиликатами для использования в настоящем изобретении являются цеолит А, цеолит Х, цеолит Y, цеолит Р и цеолит бета. Предпочтительно содержание свободной влаги в алюмосиликате должно быть менее чем приблизительно 4%, более предпочтительно менее чем приблизительно 3%, в особенности менее чем приблизительно 2,5% и более предпочтительно менее чем приблизительно 1,5 мас.%.

Особенно предпочтительными для использования в настоящем изобретении с целью оптимизации стабильности дезинфицирующего средства являются алюмосиликаты, которые в их высушенной форме обладают потенциальной возможностью удалять или собирать влагу. Такие алюмосиликаты могут быть описаны в условиях так называемого «водного числа», которое определено выше. Для использования в настоящем изобретении предпочтительны высушенные алюмосиликаты, имеющие водное число, по меньшей мере, приблизительно 10%, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 15% и более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 18%.

Композиция настоящего изобретения предпочтительно содержит (по массе) от 1%, или предпочтительно от 5%, или предпочтительно от 10%, или предпочтительно от 15%, или предпочтительно от 20%, или предпочтительно от 25% и предпочтительно до 80%, или предпочтительно до 50%, или предпочтительно до 35% алюмосиликата.

Третий полимерный материал

Композиция настоящего изобретения может содержать третий полимерный материал. Указанный третий полимерный материал не содержит аминогруппу и является по существу нерастворимым в воде. Понятие «по существу нерастворимый в воде» определено ранее. Следовательно, третий полимерный материал отличается от первого полимерного материала или второго полимерного материала и не является ими. Третий полимерный материал выбирают, исходя из того, что он может действовать как зародышевая частица для ускорения образования хлопьев. Третий полимерный материал может быть использован вместо или в дополнение к глине или цеолиту. Предпочтительно содержание свободной влаги в третьем полимерном материале должно составлять менее чем приблизительно 4%, более предпочтительно менее чем приблизительно 3%, в особенности менее чем приблизительно 2,5% и более предпочтительно менее чем приблизительно 1,5 мас.%.

Предпочтительно третий полимерный материал содержит целлюлозу, более предпочтительно третий полимерный материал содержит немодифицированную целлюлозу. Наиболее предпочтительно третий полимерный материал содержит порошкообразную целлюлозу.

Композиция настоящего изобретения предпочтительно содержит (по массе) от 1%, или предпочтительно от 5%, или предпочтительно от 10%, или предпочтительно от 15%, или предпочтительно от 20%, или предпочтительно от 25% и предпочтительно до 80%, или предпочтительно до 50%, или предпочтительно до 35% третьего полимерного материала.

Щелочной агент

Композиция настоящего изобретения может содержать щелочной агент. Щелочной агент может представлять собой любое соединение, которое придает щелочность при контакте с водой. Щелочной агент, используемый в настоящем изобретении, не является полимерным материалом. Композиция изобретения содержит предпочтительно такое количество щелочного агента, которое при контакте композиции с водой образует раствор, и указанный раствор имеет рН в интервале от 5 до 8, предпочтительно от 6 до 7.

Предпочтительные щелочные агенты выбирают из группы, состоящей из карбоната натрия, бикарбоната натрия, гидроксида натрия, оксида натрия, карбоната кальция, бикарбоната кальция, гидроксида кальция, оксида кальция, карбоната калия, бикарбоната калия, гидроксида калия, оксида калия и их комбинаций.

Конкретные щелочные агенты, которые являются источниками карбоната при контакте с водой, например карбонат натрия или бикарбонат натрия, предпочтительны для использования в настоящем изобретении. Если композиция настоящего изобретения содержит источник кислоты, например неорганическую соль композиции настоящего изобретения, такую как сульфат железа, то указанный щелочной агент, который представляет собой источник карбоната, может реагировать с указанным источником кислоты в присутствии воды с образованием газа. Этот процесс известен как бурное газообразование и улучшает скорость, с которой композиция диспергируется, особенно, когда композиция настоящего изобретения находится в форме таблетки.

Особенно предпочтительными в настоящем изобретении, особенно в композициях, содержащих гипохлорит кальция в качестве дезинфицирующего средства, являются щелочи, которые также могут действовать как поглотители влаги, особенно безводный карбонат натрия.

Композиция настоящего изобретения обычно содержит (по массе) от 1 до 50%, предпочтительно от 10%, или предпочтительно от 15%, или предпочтительно от 20%, или предпочтительно от 25% и предпочтительно до 45%, или предпочтительно до 40%, или предпочтительно до 35% щелочного агента.

Композиция

Композиция настоящего изобретения предпочтительно находится в виде твердой стандартной дозированной формы, наиболее предпочтительно в форме таблетки или порошка. Композиция настоящего изобретения предпочтительно упакована так, что она защищена от условий окружающей среды, например от влаги. Предпочтительно композицию настоящего изобретения упаковывают в непроницаемый для воды материал, такой как полипропилен или обычный ламинат. Примером такого ламината является ламинат, поставляемый Akerlund & Raus, содержащий слои покрытой бумаги (внешний слой), ПЭНП, алюминиевой фольги и внутренний слой Surlyn (сополимер этилена/метакрилата), пищевая упаковка, одобренная FDA (Управлением контроля за качеством лекарств и пищевых продуктов США).

Способ применения

Композиция настоящего изобретения может быть применена для очистки воды с использованием способа, включающего стадии: (а) введения композиции изобретения в контакт с водой с получением частично очищенной воды, содержащей твердый материал; (б) удаления, по меньшей мере, части указанного твердого материала из указанной частично очищенной воды: (i) фильтрованием; или (ii) декантированием; или (iii) седиментацией; или (iv) флотацией; или (v) комбинацией этих способов, с получением очищенной воды.

Композиция настоящего изобретения может находиться в форме таблетки или порошка твердого материала, которые добавляют к воде, обычно с получением частично очищенной воды, содержащей твердый материал, такой как хлопья. Такой твердый материал может быть удален или отделен от остальной части частично очищенной воды с помощью любой методики, обычно путем фильтрования, но также можно использовать декантирование, седиментацию и флотацию. Под фильтрованием понимают пропускание частично очищенной воды через фильтр. Фильтрование можно осуществить с помощью разливных средств, например путем пролива частично очищенной воды через фильтр для удаления, по меньшей мере, части твердого вещества из указанной частично очищенной воды. Фильтрование может быть проведено с помощью средств с центростремительными силами, например, путем огораживания частично очищенной воды фильтром и вращения указанной частично очищенной воды и указанного фильтра так, что указанная частично очищенная вода проходит через указанный фильтр, а, по меньшей мере, часть указанного твердого материала отделяется от указанной частично очищенной воды. Фильтрование также можно осуществить с помощью погружных средств, например путем погружения или перемещения фильтра через указанную частично очищенную воду так, что, по меньшей мере, часть указанного твердого материала отделяется от указанной частично очищенной воды.

Обычно используемые фильтры включают тканевые фильтры, нетканые и бумажные фильтры и фильтры для окончательной очистки, такие как фильтры, содержащие активированный уголь, стекловолокно, цеолит, ионообменную среду или их комбинации, которые удаляют из воды оставшиеся содержащиеся в воде загрязнители, например органические вещества, ионы тяжелых металлов и остаточные количества дезинфицирующего средства. Фильтры, приемлемые для применения, могут быть пропитаны серебром или другими биостатическими компонентами так, что бактерии не могут развиваться на указанном фильтре и фильтр может быть использован повторно несколько раз без загрязнения воды, которая подвергается фильтрации. Также могут быть использованы песчаные фильтры, и в настоящем изобретении можно использовать в комбинации более чем один фильтр.

Предпочтительно от 10 мг, или предпочтительно от 50 мг, или предпочтительно от 75 мг, или предпочтительно от 100 мг, или предпочтительно от 150 мг, или предпочтительно от 200 мг, или предпочтительно от 250 мг, или предпочтительно от 300 мг и предпочтительно до 2000 мг, или предпочтительно до 1000 мг, или предпочтительно до 750 мг композиции настоящего изобретения добавляют в 1 л воды. Количество рассматриваемой композиции, которое добавляют к воде, зависит от примесей в указанной воде. Например, меньше композиции необходимо для соответствующей очистки воды, которая не сильно загрязнена, по сравнению с количеством композиции, которое требуется для очистки сильно загрязненной воды.

ПРИМЕРЫ

Пример 1

Следующие композиции находятся в соответствии с настоящим изобретением. Все проценты являются массовыми из расчета на композицию. В примерах сульфат железа III содержит приблизительно 0,075% растворимого марганца, а сульфат алюминия содержит менее чем приблизительно 0,01% растворимого марганца.

Ингредиент	Композиция
	A	B	C	D	E	F	G		H	I	J	K
Хитозан	3,5	4		1,5	3	15	1		2		3	1,5
Катионно-модифицированный картофельный крахмал			3							1
Magnofloc LT20				2	5	10			1
Magnofloc LT25	1,5	2		1					3		3
Magnofloc LT28			3				1			5		1,5
Сульфат алюминия		32		15	10	30	45		25	10		35
Сульфат железа III	30		22								25
Гипохлорит кальция		2			0,5			1
Йод				1
Гекторит (глина)			40			15		20			40	25
Монтмориллонит (глина)	30	32		55			5			70
Цеолит Х			12		70			20
Карбонат натрия	30	25	15		10	30				10	25
Бикарбонат натрия				22			45	25				35
KMnO4	0,04	0,02	0,03	0,01	0,01	0,02	0,03	0,02		0,01	0,04	0,02
Остальные компоненты	до 100	до 100	до 100	до 100	до 100	до 100	до 100	до 100		до 100	до 100	до 100

Пример 2

Добавляют 500 мг композиций А-К примера 1 в форме порошка или таблетки к 1 литру воды соответственно. Воду затем слегка взбалтывают или перемешивают. Воду оставляют на 5 мин в покое, после чего указанную воду перемешивают или взбалтывают еще минуту и затем оставляют в покое еще на 20 мин. За это время в воде образуются нерастворимые в воде хлопья. Затем воду осторожно проливают через плотно сплетенный тканевый фильтр для удаления указанных нерастворимых в воде хлопьев, а остальную часть воды собирают. Остальная часть воды представляет собой очищенную воду.

Пример 3

Добавляют 500 мг композиций А, C, D, F, G, I, J и K в форме порошка или таблетки к 1 литру воды соответственно. Воду затем слегка взбалтывают или перемешивают. Воду оставляют на 10 мин в покое, после чего указанную воду перемешивают или взбалтывают еще минуту и затем оставляют в покое еще на 20 мин. За это время в воде образуются нерастворимые в воде хлопья. Затем воду осторожно проливают через плотно сплетенный тканевый фильтр для удаления указанных нерастворимых в воде хлопьев, и остальную часть воды собирают. К собранной воде затем добавляют 1 мг гипохлорита кальция и собранную воду немного взбалтывают или перемешивают. Эта собранная вода представляет собой очищенную воду.

Пример 4

Следующие композиции находятся в соответствии с настоящим изобретением. Все проценты являются массовыми из расчета на композицию.

Ингредиент	Композиция
	L	M	N	O	P	Q	R	S	T	U	V
Хитозан	1,7	2		1,5	1,3	3	1	2		1,8	1,5
Катионно-модифицированный картофельный крахмал			1,5						1
Magnofloc LT20				0,2	0,5	1,1		0,3
Magnofloc LT25	1,5	0,8		1				0,3		0,9
Magnofloc LT28			1,3				1		1,5		1,5
Сульфат алюминия		34		33		35		29			36
Сульфат железа III	33		25		30		37		29	30
Гипохлорит кальция	0,8	1	1,5	1	0,5	0,8	1,2	1	1,5	0,9	1,1
Гекторит (глина)			35			28		20		40	26
Монтмориллонит (глина)	32	34		35			27		45
Цеолит Х			12		40			20
Карбонат натрия	31	27	23	26	27	31	32	25	22	25	33
Фторид натрия		0,9		1,5		0,4		2,2		1
KMnO 4	0,05	0,03	0,04	0,02	0,04	0,02	0,05	0,01	0,04	0,04	0,02
Остальные компоненты	до 100	до 100	до 100	до 100	до 100	до 100	до 100	до 100	до 100	до 100	до 100

Как было показано ранее, гипохлорит кальция добавляют в гранулированной форме, содержащей частицы со средним размером частиц приблизительно 1212 мкм с менее чем 25 мас.% крупнее чем 1400 мкм, с менее чем 0,5 мас.% крупнее чем 2000 мкм и с менее чем 3 мас.% мельче чем 150 мкм. Свободное содержание влаги в композициях находится в интервале от 1 до 4%. Гекторит, монтмориллонит и цеолит Х предварительно высушены до содержания свободной влаги ниже 1,5 мас.%, и они имеют водное число свыше 18%. Композиции имеют t_макс, по меньшей мере, 8 минут, и t₈₀ менее чем приблизительно 30 сек. Добавляют 6,2 г композиций L-V в виде порошка из стандартных дозированных полиэтиленовых мешочков к 10 л питьевой воды, загрязненной тяжелыми металлами, органическим материалом, цистами и большим количеством марганца. Затем воду слегка взбалтывают или перемешивают. Воду оставляют в покое на 5 мин, после чего указанную воду снова перемешивают или взбалтывают в течение еще минуты, оставляют в покое еще на 5 мин, после чего указанную воду перемешивают или взбалтывают в течение еще минуты, а затем оставляют стоять еще на 5 мин. За это время в воде образуются нерастворимые в воде хлопья. Затем жидкость фильтруют через хлопковый тканевый или нетканый фильтр для удаления указанных нерастворимых в воде хлопьев, фильтрат собирают. Фильтрат выдерживают в течение еще 15 минут, и он представляет собой очищенную воду. Вода не имеет цвета ( 15 ЕПК) как вначале, так и при стоянии в течение недели или более.