способ обработки воды, устройство, его реализующее, и загрузка, используемая в них

Формула изобретения

1. Способ обработки воды, включающий последовательное пропускание воды через минеральную загрузку, содержащую слой шунгита-3, слой известняковой породы, слой шунгизита, слой кремнийсодержащей минеральной породы, при этом воду подают через минеральную загрузку снизу вверх, отличающийся тем, что в качестве известняковой породы раздельными слоями используют доломит и глауконит, а в качестве кремнийсодержащей минеральной породы используют маршалит, причем все минералы имеют равноразмерный гранулометрический состав с размером гранул не более 5 мм и с диапазоном размерности гранул в пределах разницы не более 1 мм.

2. Устройство для обработки воды по п.1, содержащее контур, в который включены картриджи, содержащие в себе слои минеральной загрузки, расположенные последовательно от входа в контур к выходу из него, а контур представляет собой сборно-разборную конструкцию из картриджей, собранных снизу вверх согласно слоям минеральной загрузки, с возможностью замены каждого из картриджей на другой, отличающееся тем, что каждый картридж содержит один слой минеральной загрузки, состоящей из слоев: шунгит-3, доломит, глауконит, шунгизит, маршалит, вход и выход каждого картриджа перекрыт мембраной, при этом образованную конструкцию размещают в сборно-разборном корпусе.

3. Минеральная загрузка для обработки воды, содержащая минералы - шунгит-3, известняковую породу, шунгизит и кремнийсодержащую минеральную породу, послойно расположенные по направлению тока воды снизу вверх, при этом используемые минералы подвергнуты термической обработке при 200°С в течение одного часа, отличающаяся тем, что в качестве известняковой породы раздельными слоями используют доломит и глауконит, а в качестве кремнийсодержащей минеральной породы используют маршалит, причем все минералы имеют равноразмерный гранулометрический состав с размером гранул не более 5 мм и с диапазоном размерности гранул в пределах разницы не более 1 мм, а термическую обработку ведут в среде сухого воздуха.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые изобретения относятся к производству питьевой, а также лечебной воды из существующих водопроводных и природных сточных вод и могут найти применение в системах водоснабжения населения, проживающего в мегаполисах либо в курортных районах или в лечебных здравницах. Это обусловлено тем, что данные изобретения позволяют получить воду с заранее заданными полезными и требуемыми для конкретного человека свойствами.

Проблема получения высококачественной питьевой воды с заранее заданными полезными свойствами является актуальнейшей не только для России с ее потенциально богатыми водными ресурсами, но и для всего мира, переживающего в настоящее время острый кризис в решении вопроса обеспечения качественного питьевого водоснабжения.

Общеизвестно, что для осаждения (коагуляции) нерастворимых взвесей, содержащихся в получаемой с водозаборов воде, на водопроводных станциях применяется обработка воды сернокислым алюминием. Но соли алюминия являются сильнейшими нейротоксичными агентами.

Для бактерицидной обработки воды на городских водопроводных станциях используют хлорирование. Хлор активно реагирует с находящимися в получаемой с водозаборов воде органическими веществами, образуя чрезвычайно токсичные хлорорганические соединения, в том числе радикальные и ион-радикальные частицы, являющиеся основной причиной повышения риска развития хронических заболеваний. (Воейков В.Л., Асфарамов P.P., Розенталь В.М. Опасные для здоровья побочные продукты в хлорированной воде, способы их обнаружения и устранения. "Экополис 2000: Экология и устойчивое развитие города". Материалы 111-й Международной конференции, Москва, МГУ, 24-25 ноября 2000 г. М.: Изд-во РАМН, 2000. С.226-230). Однако в случае прекращения хлорирования воды резко возрастает опасность возникновения эпидемий желудочно-кишечных заболеваний.

Следует также добавить, что транспортировка обработанной на водопроводных станциях воды потребителям осуществляется, как правило, по трубам, сильно подверженным коррозии из-за слабой кислотности воды после обработки сернокислым алюминием, а также под воздействием хлора и хлорорганических соединений. Как следствие коррозии водопроводных труб, в воду, предназначенную для питья и приготовления пищи, попадают соединения железа, тяжелых и цветных металлов в количествах, значительно превышающих установленные нормы.

Наряду с проблемой качественной очистки питьевой воды, существует острая необходимость разработки технологии искусственной минерализации качественно очищенной питьевой воды. Эта технология должна включать в себя обогащение качественно очищенной «мягкой» либо дистиллированной воды композицией полезных минеральных солей. Составы и количественные соотношения солей в такой композиции должны соответствовать рекомендованным Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ) физиологическим нормам.

Следовательно, необходима разработка эффективных и недорогих способов получения высококачественной и обладающей полезными свойствами питьевой воды непосредственно в местах ее потребления. Требуются и устройства, способные реализовать такие способы. Нужны и загрузки, используемые в упомянутых способах и устройствах. Одним из таких эффективных и недорогих способов является фильтрование воды с применением в качестве фильтрующих загрузок высокоэффективных и относительно дешевых природных материалов.

Известен «Способ обработки воды с целью улучшения ее качества и применяемые для этого вещества» (заявка JP № 2265685, опубл. 30.10.1990). Для реализации способа предложена фильтрующая загрузка, содержащая известняковые вещества или силикаты из окаменелых раковин, включающая компоненты различных доисторических нектонов, планктона, пресноводных или морских водорослей. Указанные окаменелые раковины измельчают до состояния крупного песка, сушат во вращающейся печи горячим воздухом при температуре 120-150°С, охлаждают в холодильнике, размалывают полученный материал в порошок на шаровой мельнице и выделяют с помощью циклона в виде частиц размером 0,1-50 мкм. После такой обработки, по мнению авторов заявки, получается оптимальный для улучшения качества воды материал. Однако процесс подготовки материала фильтрующей загрузки весьма сложен, многоступенчат и энергоемок, в связи с чем реализация такого способа требует достаточно больших материальных затрат. Кроме того, с его помощью сложно подобрать необходимые компоненты загрузки, чтобы получить питьевую воду с заданными свойствами. Более того, тонко дисперсные частицы, а это 0,1-10 мкм, вымываются из такого фильтра и попадают в питьевую воду, а с ней и в организм человека, где могут засорять и повреждать пищевые каналы.

Известен также ряд способов, реализуемых с помощью устройств для очистки и кондиционирования воды и описанных в патенте РФ № 2049070 (опубл. 27.11.1995), патенте РФ № 2056358 (опубл. 20.03.1996) и патенте РФ № 2135258 (опубл. 27.08.1999). В указанных технических решениях предполагается использование двухступенчатой обработки воды. По патенту № 2049070 первый слой по ходу обрабатываемой воды выполнен из шунгита с суммарным содержанием кремнезема и алюмосиликатов, составляющим 30-70%, а второй слой выполнен из доломита, содержащего органические компоненты не более 0,1% от массы, в том числе серы 1,5-2%, азота 0,3-0,6% от массы органического вещества. Однако указанные показатели - сера и азот - не являются существенным признаком полезности выбранного доломита, т.к. не определяют содержание полезных веществ в нем - кальция, магния и др., и потому не могут гарантировать обеспечение насыщения воды установленными стандартными полезными элементами.

Изобретение по патенту № 2135258 предусматривает получение очищенной и кондиционированной воды путем пропускания ее через двойной слой однородной загрузки. Загрузка представляет собой измельченный минерал, например, шунгит. Загрузку размещают последовательно расположенными слоями таким образом, что ее слои, состоящие, например, из шунгита с размерами частиц от 0,03 мм до 3 мм, делают разной толщины, причем первый слой из них по ходу движения воды имеет толщину и размер частиц в нем от 3 до 8 раз меньше, чем толщина и размер частиц во втором, по ходу движения воды, слое. Недостаток - использование в качестве загрузки только одного минерала, например, шунгита или доломита. Однако указанные названия минеральной группы - шунгит или доломит - не могут гарантировать получение воды с прогнозируемыми свойствами, т.к. под этими названиями подразумевается большая группа минеральных образований с сильно различающимися физико-химическими и биохимическими свойствами. Кроме того, использование указанного состава загрузок и проведение двухступенчатой обработки воды приводит к обезвреживанию воды от примесей тяжелых металлов и органических веществ, переходу в воду ионов кальция и магния и обогащению микропримесями биологически активных веществ в непредсказуемых количествах и пропорциях, что не всегда благотворно влияет на организм человека.

Более того, недостатками указанных технических решений являются неполная очистка воды от органических и бактериальных загрязнений, лишь частичная очистка от соединений тяжелых металлов, а также недостаточно полный переход полезных солей в кондиционируемую воду. Используемые для очистки воды загрузки не позволяют управлять качеством обрабатываемой воды. Задерживая в той или иной степени присутствующие в исходной воде загрязняющие и токсичные вещества, перечисленные загрузки при этом из очищаемой воды удаляют и полезные для человека природные компоненты, как-то природные комплексы микроэлементов, содержащиеся в исходной воде, независимо от ее происхождения (озерная, родниковая, речная, из подземных источников).

Известен способ (патент РФ № 2185328, опубл. 20.07.2002) очистки и кондиционирования питьевой воды и загрузка для его осуществления, в соответствии с которым очищаемая вода проходит последовательно снизу вверх через четыре слоя загрузки: шунгит-3 Карелии, окаменелые останки беспозвоночных, шунгизит и природный кремень. В соответствии с этим известным способом материал для загрузки измельчают до размеров частиц 0,1-5 мм и обрабатывают паром (стерилизуют) при температуре 150-200°С в течение одного часа. Данный способ и используемая загрузка позволяют достаточно эффективно очищать воду от различных вредных веществ, однако указанный способ не дает возможности получить оптимальное насыщение воды микроэлементами и соотношение макроэлементов, в том числе ионов кальция и магния, в профильтрованной через фильтрующую загрузку воде, а значит не представляет возможности полностью и заранее определять конечные свойства воды. При использовании такого устройства невозможно управлять скоростью тока воды через слои загрузки, которая зависит только от естественного давления и плотности набивки секций засыпкой. А значит, такое устройство не может дать возможности регулирования свойствами получаемой воды, так как такие свойства напрямую зависят от времени контакта воды и засыпки, а время такого контакта в указанном устройстве неуправляемо и непредсказуемо.

Анализ представленных известных технических решений показывает, что в процессе развития технологий получения питьевой воды с заданными свойствами активно ведется поиск послойной обработки воды с помощью природных и искусственных веществ. При этом наблюдается поиск многоступенчатой очистки воды от различных физико-химических и биологических загрязнений при последующей минерализации обработанной воды соответствующими минералами.

Из чертежа, поясняющего сущность изобретения «Способ очистки и кондиционирования питьевой воды и загрузка для его осуществления» (патент РФ № 2185328, опубл. 20.07.2002), известно устройство под названием «Царевин ключ». Эта установка представляет собой батарею, в которой секции соединены последовательно, расположены вертикально и объединены единым корпусом, имеющим на торцах входной и выходной патрубки, служащие для подачи и слива воды. Каждая секция - соответствующий слой загрузки. Из нее вода вытекает из верхней части и поступает через сливную трубку в нижнюю часть соседней секции. Любую секцию можно отсоединить от корпуса и заменить на новую. При этом слои загрузки отделены от соседних слоев загрузки соответствующими мембранами. В сущности, это устройство для обработки воды, содержащее контур, в который заключены картриджи с соответствующими слоями загрузки и расположенные в определенной последовательности от входа в контур к выходу из него.

Недостатком такого устройства является то, что при создании секций большого объема очистка и кондиционирование питьевой воды становится затруднительным по ряду причин. Во-первых, при подаче воды с учетом организации движения водных потоков (по трубкам между секциями) в нижней части каждой секции будут образовываться застойные зоны, что будет ухудшать качество очищаемой воды. Во-вторых, подача исходной очищаемой воды будет происходить непосредственно в материале фильтрующей засыпки под напором, что приведет к ее местному размыву турбулентными потоками воды из трубок между секциями и выносу частиц материала засыпки в очищаемую воду. Кроме того, в таком устройстве сложно управлять режимами очистки и кондиционирования питьевой воды.

Анализ представленных известных технических решений показывает, что в процессе развития производства питьевой воды с заданными свойствами активно ведется поиск послойной обработки воды с помощью природных и искусственных веществ. При этом наблюдается поиск многоступенчатой очистки воды от различных физико-химических и биологических загрязнений при последующей минерализации обработанной воды соответствующими минералами.

В качестве прототипа способа, устройства и загрузки выбирается способ (патент РФ № 2185328, опубл. 20.07.2002) очистки и кондиционирования питьевой воды и загрузка для его осуществления. Прототип включает первичную очистку воды с помощью слоя шунгита-3 Карелии, глубокую очистку и насыщение полезными солями, макро- и микроэлементами с применением слоя известняков, с дальнейшим удалением из воды вредных веществ, попавших в воду при прохождении предыдущих слоев, с помощью слоя шунгизита и слоя кремнийсодержащей минеральной породы.

Из прототипа известна и минеральная загрузка для обработки воды, содержащая минералы, послойно расположенные по направлению тока воды снизу вверх, при этом применены минералы, измельченные до размеров не более 5 мм и подвергнутые термической обработке.

Прототипы имеют существенные недостатки, которые устраняются заявляемыми изобретениями.

1. С помощью прототипа нельзя из любой загрязненной воды получать питьевую воду с заданными свойствами, отвечающими конкретным потребностям. Это обусловлено тем, что прогнозировать получаемые свойства воды, не зная активности используемой загрузки, невозможно, а активность загрузки невозможно прогнозировать, не зная ее активной площади. Процесс подготовки загрузки, по прототипу, не позволяет прогнозировать полученную, в итоге, ее активную площадь, так как прототипом предусматривается очень большой разброс по размерности засыпки - от 0,1 до 5 мм, что усугубляется непредсказуемым изменением размерности после обработки паром при температуре 120°С-150°С в течение одного часа из-за неизбежной коагуляции.

Но СОГЛАСНО настоящему изобретению можно прогнозируемо управлять активностью загрузки за счет использования маленького диапазона размерности засыпки - в пределах разницы не более 1 мм, а бактерицидную обработку и активацию загрузки проводить при помощи сухого теплового излучения при температуре 200°С в течение одного часа, при которой изменение размеров (коагуляции) невозможно.

2. При использовании прототипа невозможно достичь насыщения воды микроэлементами в необходимом количестве в связи с тем, что единственный слой, содержащий необходимые микроэлементы и способный активно отдавать их в воду, при обычных условиях - слой доломита, образованный из окаменелых останков доисторических беспозвоночных существ: простейших кишечно-полостных, брахиопод, моллюсков, иглокожих. В связи с исключительно животным происхождением указанного по прототипу доломита содержание в нем необходимых микроэлементов, способных к отдаче, очень мало, а значит и вероятность попадания их в воду незначительна и непредсказуема.

Но СОГЛАСНО предлагаемому решению вводится дополнительный слой для сбалансированного регулирования и насыщения необходимыми микроэлементами - горная порода глауконитовых известняков, содержащая биоминералы растительного происхождения, образованные исключительно из окаменелых останков доисторических сине-зеленых водорослей и бактерий (цианей), и окаменелые остатки продуктов их жизнедеятельности, которая в основном состоит из легкорастворимых микроэлементов, легко отдаваемых в воду при обычных условиях.

3. При использовании загрузки по прототипу последний слой - природный кремень - ведет себя недостаточно активно, чтобы полностью и гарантированно справиться с теми микрозагрязнениями, которые попадают в очищаемую воду от предыдущих слоев загрузки.

Но СОГЛАСНО предлагаемому решению в качестве конечного слоя используется слой из кремнийсодержащей породы - маршалита, позволяющий очистить воду от механических взвесей.

4. При использовании устройства, описанного в прототипе, невозможно проводить регулировку скорости тока воды через загрузку, а значит невозможно регулировать время контакта воды с минеральной загрузкой, что является основным критерием воздействия минеральной загрузки на воду для регулирования получаемых свойств.

Но СОГЛАСНО предлагаемому решению используется устройство, включающее: полый корпус, выполненный из инертного к воде материала и снабженный входным и выходным патрубками, и многослойную загрузку, размещенную в полости корпуса, при этом ее слои разделены мембранами, выполненными в виде прокладок из любого пористого материала. При этом входной патрубок расположен внизу, а выходной - вверху устройства. На входном патрубке размещается устройство, регулирующее скорость подачи воды (например: краник, зажим и т.п.). Слои загрузки размещаются в строго определенном порядке, по току движения воды, снизу вверх:

1) слой полной очистки от примесей - шунгит-3;

2) слой глубокой очистки, содержащий доломиты животного происхождения, образованные из окаменелых останков доисторических беспозвоночных существ: простейших кишечно-полостных, брахиопод, моллюсков, иглокожих;

3) слой глубокой очистки, содержащий глаукониты растительного происхождения, образованные биоминералами из окаменелых останков доисторических сине-зеленых водорослей и бактерий (цианей) и окаменелых останков продуктов их жизнедеятельности;

4) слой нейтрализации (сорбции и разложения) биозагрязнений, полученных в результате контакта воды с предыдущими слоями, состоящий из искусственного минерала - шунгизита;

5) слой окончательной очистки от механических взвесей, состоящий из маршалита.

5. В прототипе имеют место быть застойные зоны, что ухудшает качество очищаемой воды. Кроме того, подача исходной очищаемой воды будет происходить непосредственно в материале фильтрующей засыпки под напором, что приведет к ее местному размыву турбулентными потоками воды из трубок между секциями и выносу частиц материала засыпки в очищаемую воду. Более того, в таком устройстве сложно управлять режимами очистки и кондиционирования питьевой воды.

Но СОГЛАСНО предлагаемому решению использована иная структура построения слоев, в которой застойные зоны образуются внизу первого слоя из шунгита-3. Эти зоны в заявляемых изобретениях выполняют полезную функцию, как то: придерживают воду на шунгите, который, чем дольше находится в воде, тем активнее ее обрабатывает. Кроме того, вся минеральная загрузка может быть выполнена как единый картридж или послойно - как набор отдельных картриджей, размещенных в одном корпусе.

Таким образом, основные указанные недостатки прототипа - невозможность прогнозирования качественных и количественных изменений свойств, приобретаемых водой, - в совокупности не позволяют прототипу получать конечную воду с прогнозируемыми свойствами. Такие недостатки присущи различным устройствам и загрузкам, которые реализуют прототипы.

Но СОГЛАСНО предлагаемым изобретениям все рассмотренные недостатки прототипов устраняются, что позволяет получать конечную воду с необходимыми свойствами, превосходящими свойства воды, получаемой по прототипам.

Предлагаемые в новом способе технические решения всей своей совокупностью существенных признаков позволяют достичь новых технических результатов.

1. Дают возможность не только эффективно и полно очищать исходную воду от самых различных присутствующих в ней загрязняющих и токсичных веществ, но и насыщать очищенную воду полезными макро- и микроэлементами, для чего применены минеральные загрузки, имеющие состав, сходный по форме геохимического формирования и биохимическим свойствам. Это значит, что они обладают полной совместимостью и возможностью вести минерализацию обрабатываемой воды по максимально возможным критериям.

2. Иметь в своем составе легко доступные, относительно дешевые природные материалы (породы и минералы), состав и свойства которых позволяют воспроизводить (моделировать) природные процессы самоочищения и кондиционирования воды.

3. Осуществлять высокую эффективность при использовании как в крупногабаритных, так и в малогабаритных устройствах, входящих в состав систем питьевого водоснабжения, включая бытовые фильтры.

4. Допускает возможность безразборной регенерации за счет пропускания через всю загрузку, без разборки устройства, специальной смеси или быстрой замены всей или части загрузки за счет картриджной системы устройства.

5. Допускает возможность использования для водоподготовки в сетях не только холодного, но и горячего водоснабжения, а также для очистки сточных вод различных производств. Это обусловлено физико-химическими свойствами используемых минеральных наполнителей-загрузок и заключается в одинаковой их относительной активности независимо от температур рассматриваемого потребительского диапазона - не выше 100°С.

6. Позволяет регулировать время контакта «вода - минеральная загрузка» путем регулирования скорости тока воды специальным устройством на входном патрубке.

7. Позволяет прогнозируемо управлять активностью загрузки за счет использования маленького диапазона размерности засыпки - в пределах разницы не более 1 мм, а бактерицидную обработку и активацию загрузки проводить при помощи сухого теплового излучения при температуре 200°С в течение одного часа.

Проведенный заявителем патентный поиск по данной тематике показал, что заявляемая совокупность существенных признаков предлагаемых изобретений не известна. Следовательно, заявленные изобретения соответствуют условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленных изобретений критерию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипов признаками заявленного способа, его устройства и загрузки. Результаты поиска показали, что заявленные изобретения не вытекают для специалиста средней квалификации явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленных изобретений преобразований для достижения технических результатов.

Следовательно, предлагаемые изобретения соответствуют условию "изобретательский уровень".

Практическая применимость этих изобретений поясняется чертежом, таблицами и нижеследующим описанием.

Предлагаемый способ обработки воды включает последовательное пропускание воды через минеральную загрузку, содержащую слой шунгита-3, слой известняковой породы, слой шунгизита, слой кремнийсодержащей минеральной породы, при этом воду подают через минеральную загрузку снизу вверх.

В качестве известняковой породы раздельными слоями используют доломит и глауконит, а в качестве кремнийсодержащей минеральной породы используют маршалит, причем все минералы имеют равноразмерный гранулометрический состав с размером гранул не более 5 мм и с диапазоном размерности гранул в пределах разницы не более 1 мм.

Этот способ реализуется следующим устройством, изображенным на чертеже в виде схемы. Оно содержит контур 1, в который заключена загрузка 2, разделенная мембранами 3 на слои 4, 5, 6, 7, 8. Каждый слой заключен в соответствующий картридж. Они расположены в определенной последовательности от входного патрубка 9 в контур 1 к выходному патрубку 10 из него. Вход и выход каждого картриджа перекрыт мембраной 3, а контур 1 представляет собой сборно-разборную конструкцию, образованную из картриджей, собранных снизу вверх в определенной последовательности с возможностью замены каждого из них на другой (на чертеже не показано). При этом образованная конструкция может помещаться в соответствующий сборно-разборный корпус 1.

В способе и устройстве для обработки воды применена минеральная загрузка. Она содержит минералы, послойно (4, 5, 6, 7, 8) расположенные по направлению тока воды снизу вверх. При этом применяемые минералы измельчены до размеров не более 5 мм и подвергнуты термической обработке. Особенность заключается в том, что введен дополнительный минеральный слой из глауконита, образованный растительными биоминералами из окаменелых останков доисторических сине-зеленых водорослей и бактерий цианей и окаменелых останков продуктов их жизнедеятельности. Причем все минералы имеют равноразмерный гранулометрический состав и подвергнуты термической обработке в среде сухого воздуха. Слои 4, 5, 6, 7, 8 минералов распределены не менее чем в пять соответствующих слоев, расположенных от входа в корпус к его выходу в определенном порядке снизу вверх и имеющих комплексную возможность обеспечить последовательную, снизу вверх, обработку воды от исходных до требуемых ее свойств.

Реализация всех заявляемых изобретений в общем виде поясняется работой устройства. Вода (на чертеже не показана) подается в корпус 1 через его входной патрубок 9 и равномерно растекается по первому слою 4 загрузки, заключенному в соответствующий картридж, и равномерно, что обеспечивается корпусом 1, поднимается к следующему слою 5 загрузки, который также заключен в соответствующий картридж. На разделяющей их мембране 3 задерживаются соответствующие макрочастицы взвеси в воде. Затем вода из второго слоя 5 загрузки поступает в следующий слой 6 загрузки, проходит в нем соответствующую обработку и достигает за счет напора подаваемой исходной воды следующего слоя 7 загрузки. И так далее, пока не выйдет из последнего слоя 8 загрузки в выходной патрубок 10.

В сущности, это фильтр, с помощью которого заявитель осуществлял лабораторные проверки основных принципов реализации заявленного способа и применяемой в нем загрузки. Полученные результаты приведены в примерах, представленных ниже по тексту.

Природные материалы загрузки измельчают, придавая им равноразмерный гранулометрический состав. Это дает возможность вести закладку минеральной загрузки с разной и регулируемой активной площадью. После чего измельченные природные материалы подвергают сухому тепловому облучению, например, сухим горячим воздухом при температуре 200°С в течение одного часа. Термическая обработка минеральной загрузки позволяет избежать возможного спекания (коагуляции) измельченных ее фракций (особенно пылевых) в конгломераты, что упрощает технологию подготовки засыпки с заранее заданной активной площадью.

При проведении экспериментов современными биологическими и физико-химическими методами в специализированной лаборатории ВМедА МО РФ установлено, что заявленный способ проявляет специфическую активность в устранении из воды частиц радикальной и ион-радикальной природы, значительно превосходя в этом отношении, по отдельности, как кремень и глауконитовый известняк, так и активированный уголь. Вода, обработанная заявленным способом, улучшает свое качество за счет глубокой очистки от химических загрязнений, снижения токсичности. Технологии и очистные устройства, использующие заявленный способ, дешевле по себестоимости. Россия располагает мощной сырьевой базой используемых в заявленном способе природных материалов, что делает этот способ перспективным в технологиях получения питьевой воды на территории России.

Функциональная схема устройства с загрузкой и ее работа поясняет действие предлагаемого способа обработки воды. Эти действия основаны на особенностях и свойствах каждой группы минеральной загрузки, и исходя из этого устанавливают определенную очередность таких минеральных загрузок и их разделение с целью предотвращения их смешения между собой. Для исключения такого смешивания используют мембраны и элементы корпуса устройства, с помощью которых можно реализовать оперативную смену соответствующих слоев загрузки на другие.

Указанная в заявке очередность слоев по направлению тока воды снизу вверх выбрана преднамеренно с целью поочередного влияния минеральных слоев на проходящую через них воду.

Направление тока воды «снизу вверх» выбрано преднамеренно с целью:

- улучшения условий очистки от твердофазных дисперсных взвесей в исходной и проходящей воде за счет их естественного осаждения;

- исключения возможности осаждения на слои минеральной загрузки воздушных пузырьков, присутствующих и/или образующихся в воде, что приводит к «осушению» активных слоев минеральной загрузки и снижению площади контакта - «вода - минеральная загрузка».

Придание воде необходимых количественных и качественных характеристик при ее контакте с минеральной загрузкой и регулировку ожидаемых свойств можно регулировать различными способами:

1) временем контакта за счет регулировки скорости тока воды;

2) площадью контакта, изменяя активную площадь контакта - «вода - минеральная загрузка», за счет тонкости помола и/или количества общего объема минеральной загрузки;

3) изменением активности минеральной загрузки за счет различных способов физико-химической активации и/или обогащения минеральной загрузки;

4) размерностью помола при условии разницы размеров зерен в диапазоне не более 1 мм.

Указанный в заявке способ принципиально не зависит от качества и свойств исходной воды, так как это уравновешивается вышеуказанными способами регулировки качественных и количественных характеристик получаемой воды.

Независимо от упомянутых способов изменения контакта - «вода - минеральная загрузка» - каждый слой минеральной загрузки, в большей или меньшей степени, влияет на проходящую воду, изменяя ее определенные свойства, при этом не ухудшая свойств, приобретенных при прохождении предыдущего слоя.

Рациональность применения того или иного способа изменения контакта «вода - минеральная загрузка» осуществляется в зависимости от:

1) местных условий и возможностей;

2) первоначальных свойств воды;

3) заданных свойств воды.

Достижение заданных свойств воды возможно с применением любого из указанных способов изменения контакта - «вода - минеральная загрузка», отдельно и/или в любом их сочетании.

Свойства и назначение слоев минеральной загрузки:

1-й слой - Шунгит-3.

Силикатная горная осадочная порода с большим содержанием углерода.

Сложная разупорядоченная переплетенная структура из углеродной и силикатной решеток. Является «твердой кислотой» и обладает большой сорбционной возможностью и ионообменными свойствами.

Основное назначение:

- адсорбция микропримесей;

- создание повышенной кислотности водной среды;

- катализатор окислительно-восстановительных реакций;

- разложение фенолов, фтор- и хлорорганических соединений;

- полное уничтожение бактериальной среды.

2-й слой - доломитовая порода, содержащая биоминералы осадочных глауконитовых известняков животного происхождения - простейших живых организмов.

Обладает свойствами изоморфизма и большой миграционной способностью. Содержит окиси калия, кальция, магния, натрия, железа и др.

Основное назначение:

- адсорбирование макропримесей;

- обогащение эссенциальными микро- и макроэлементами;

- удаление ионов тяжелых металлов;

- насыщение воды солями, в т.ч. солями калия, кальция, магния, натрия, железа и др.;

- корректировка кислотности - снижение;

- другое.

3-й слой - порода, содержащая биоминералы осадочных глауконитовых известняков растительного происхождения - сине-зеленые водоросли и бактерии циании.

Обладает свойствами изоморфизма и большой миграционной способностью. Содержит макро- и микроэлементы калия, кальция, магния, натрия, железа и др.

Основное назначение:

- адсорбирование микропримесей;

- обогащение эссенциальными микроэлементами;

- удаление ионов тяжелых металлов;

- насыщение воды микро- и макроэлементами, в том числе ионами калия, кальция, магния, натрия, железа и др.;

- корректировка кислотности - снижение;

- другое.

Касательно этого слоя отметим, что это добавочный слой, который существенно увеличивает (расширяет) возможность управления свойствами получаемой воды и способствует образованию в ней полезной для белковых организмов биосреды, что значительно улучшает усвоение такой воды организмом и значительно уменьшает шлакообразование при усвоении такой воды. Таким образом, использование добавочного слоя - глауконита, образованного водорослями и микроорганизмами, позволяет в значительно большей степени и форме регулировать не только количественные показатели, но и придавать воде новые качественные характеристики - насыщение микроэлементами.

(При использовании прототипа в полученной воде недостаточно содержание полезных микроэлементов, что сбалансировано в предлагаемом способе за счет использования 3-го слоя.)

4-й слой - искусственный минерал - шунгизит.

Получается путем высокотемпературной обработки (1100°С) шунгитов.

Обладает повышенной активной площадью за счет микропористости.

Основное назначение:

- адсорбирование примесей, в том числе образующихся при взаимодействии воды с предыдущими слоями;

- корректировка по содержанию ионов железа;

- повышение кислотности с целью уничтожения микрофлоры, занесенной со 2-го и 3-го слоев;

- разложение адсорбированных примесей;

- другое.

5-й слой - кремнезем опал-кристобалитовой группы - маршалит.

Основное назначение:

- корректировка макро- и микропримесей, образующихся от контакта воды с предыдущими слоями;

- удаление ионов тяжелых металлов;

- корректировка кислотно-щелочных свойств, рН 7,0-7,5;

- корректировка биогенных свойств;

- другое.

Пять предлагаемых слоев загрузки, относительное соотношение и очередность их расположения являются модифицированной копией геологических срезов земной коры в районе нахождения природных целебных источников, расположенных в районе Онеги (Карелия).

Вода, обработанная по предлагаемой схеме, независимо от первоначальных свойств улучшает свое качество за счет глубокой очистки от химических, физических и биологических загрязнений, снижения токсичности, а также обогащается эссенциальными макро- и микроэлементами.

Использование заявленного способа по предлагаемой функциональной схеме предполагает возможность неоднократной безразборной регенерации всех слоев минеральной загрузки с восстановлением их свойств. В качестве регенерируещего жидкого раствора используется смесь щавелевой кислоты и перекиси водорода.

Для достижения необходимого результата при обычных условиях необходимо знать начальные (входные) характеристики воды, что нецелесообразно и трудоемко для каждого случая. Для упрощения задачи заявленным способом предусматривается начальная операция, которая с высокой степенью гарантии приводит любую входящую воду к одному (сравнимому) состоянию, при котором такую воду можно считать полностью «чистой».

Роль такого «полного очистителя» в способе выполняет минеральная порода - шунгит-3.

Роль последующих слоев минеральной загрузки - придание воде необходимых заданных свойств по требованию, без ухудшения свойств входящей воды.

Такое изменение свойств воды происходит за счет:

- физико-механического «вымывания» водой необходимых элементов из минеральных пород;

- химико-физической активности минералов к воде;

- сорбционной способности минеральных пород.

Экспериментально установлено, что очередность влияния на воду, предварительно пропущенную через шунгит, различных минеральных наполнителей, и очередность придания такой воде определенных свойств имеет максимально положительный эффект в следующем случае:

- удаление нежелательных продуктов химической реакции - «шунгит - вода»;

- снижение кислотности воды;

- наполнение воды макроэлементами;

- наполнение воды микроэлементами;

- удаление нежелательных примесей, полученных от контакта с минеральными загрузками, и обеззараживание воды;

- выравнивание кислотно-щелочных свойств до оптимальных;

- окончательная очистка от нежелательных примесей.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАЯВЛЕННОГО СПОСОБА ОБРАБОТКИ ВОДЫ.

Для проверки заявленного способа была собрана специальная экспериментальная установка, соответствующая настоящей заявке - «ФИЛЬТР».

Пример 1

Для проверки способности к обогащению воды по макроэлементам через ФИЛЬТР (заявленный способ) пропускали дистиллированную воду.

Дистиллированная вода была взята для примера по следующим причинам.

1. Независимость способа от начального количества присутствующих концентраций рассматриваемых элементов в исходной воде.

2. Для чистоты эксперимента и исключения погрешностей, возникающих (могущих возникнуть) от «появления - удаления» рассматриваемых элементов из исходной воды после ее контакта с минералами загрузки.

3. Практическая применимость (востребованность!) способа для получения нормальной питьевой воды в реальных условиях автономии, например: морской флот, космос, территории приморья, пустынь, высокогорья, Арктики и Антарктики, чрезвычайные ситуации, медицина, косметология и другое. Любые объекты и сферы жизнедеятельности человека, где вода добывается - производится путем выпаривания и/или другого способа выделения - получения питьевой воды из исходного вещества, например: морская вода, снег, лед, мочевина и пр.

4. Единственная возможность, без погрешности, практически определить количественные характеристики и результативность способа по насыщению воды рассматриваемыми элементами исходя из параметров минеральной загрузки.

5. Приведенный пример - выборка из нескольких опытов, характерная для заявленного назначения способа.

Результаты анализов исходной (дистиллированной) воды и воды, полученной указанным в настоящем изобретении способом, приведены в таблице 1.

Таблица 1.
Компонент	В дистиллированной воде, мг/л	В воде после ФИЛЬТРА, мг/л
Кальций	не обнаружено	20
Магний	не обнаружено	10
Натрий	не обнаружено	5
Калий	не обнаружено	2

Полученные анализы воды подтверждают, что с применением заявленного способа можно корректировать состав очищенной воды по макроэлементам, подобрав для этого соответствующее процентное соотношение по объему слоев фильтрующей засыпки. Также установлено, что насыщенность воды макроэлементами зависит от времени контакта и величины активной площади контакта очищаемой воды с материалами загрузки фильтра.

Пример 2

Определение степени изменения органолептических показателей и рН проб водопроводной воды (Московский р-н г.Санкт-Петербург). Усредненные результаты анализов проб воды «до и после» использования заявленного способа представлены в таблице 2.

Таблица 2.
Показатели, ед. изм.	Исходная вода	Норма СанПиН (не более)
ФИЛЬТР
Запах, балл	3	2	0
Привкус, балл	3	2	0
Цветность, °	29	20	0
Мутность, ЕМ	4	2,6	0
рН	6	6-9	7,2

Исходная водопроводная вода имела повышенные цветность и мутность, а также выраженный запах хлора.

После пропускания через ФИЛЬТР органолептические показатели воды улучшились и стали полностью удовлетворять всем требованиям СанПиН.

Пример 3

Определение степени изменения органолептических показателей и рН проб воды, взятых из сельскохозяйственного мелиоративного канала (Петродворцовый район г.Санкт-Петербург).

Усредненные результаты анализов проб воды «до и после» использования заявленного способа представлены в таблице 3.

Таблица 3
Показатели, ед.изм.	Исходная вода	Норма СанПиН (не более)
ФИЛЬТР
Запах, балл	3	2	0
Цветность, °	112	20	0
Мутность, ЕМ	5	2,6	0
рН	6,5	6-9	7,3

Вода из мелиоративного канала имела органолептические показатели, значительно отличающиеся в худшую сторону, от нормативов СанПиН 2.1.4.1074-01 для питьевой воды (высокую цветность, обусловленную содержанием гуминовых веществ, повышенную мутность и болотный запах). После пропускания через ФИЛЬТР значения органолептических показателей стали полностью соответствовать требованиям указанных СанПиН. Таким образом, можно заключить, что обработка воды с помощью заявленного способа в режиме фильтрации приводит к значительному улучшению органолептических свойств воды, даже в случае, когда исходная вода значительно отличается по показателям качества от нормативов СанПиН.

Пример 4

Заявленный способ проверялся на способность к очистке воды от ионов железа.

Для достоверности было взято три разных пробы воды, а результативность сравнивалась с другими существующими способами.

Результаты сведены в таблице 4

Таблица 4
Содержание ионов железа в воде, мг/л
N	Исходное	Тип фильтра
		Шунгит	Кремень	Глауконит	ФИЛЬТР	АУ
1	0,5±0,1	0,10±0,01	0,10±0,01	0,12+0,01	0,10±0,01	0,10±0,1
2	4,6±1,2	0,15±0,01	0,30±0,02	0,25±0,02	0,12±0,01	0,14±0,01
3	40,2±2,2	0,14±0,01	0,30±0,02	0,30±0,03	0,25±0,02	0,30±0,03
Примечание
1. Проба 1 - водопроводная вода из Московского района г.Санкт-Петербург.
2. Проба 2 - вода из скважины на территории п.Токсово (Всеволожский район Ленинградской обл.).
3. Проба 3 - вода из скважины на территории п.Красницы (Гатчинский район Ленинградской обл.).
4. ФИЛЬТР - заявленный способ.
5. АУ - фильтр с активированным углем - контроль.
6. ПДК железа в питьевой воде - 0,3 мг/л.

После пропускания через различные фильтры концентрация ионов железа во всех пробах воды снизилась до допустимых величин. При этом эффективность очистки воды от железа с применением ФИЛЬТРА не уступала эффективности АУ при всех изученных концентрациях.

Пример 5

Заявленный способ проверялся на способность к очистке воды от ионов меди.

Для достоверности было взято три разных пробы воды, а результативность сравнивалась с другими существующими способами.

Результаты сведены в таблице 5.

Таблица 5
Содержание ионов меди в воде, мг/л
Исходное	Тип фильтра
	Шунгит	Кремень	Глауконит	ФИЛЬТР	АУ
0,58±0,02	0,20±0,01	0	0,04±0,002	0	0,20±0,03
4,60±0,1	0.50±0,01	0.1±0.01	0,16±0,01	0.1±0.01	0,62±0,02
9,95±0,5	0,50±0,1	0.1±0,02	0,05±0,001	0	0,30±0,02
Примечания
1. Жесткость водопроводной воды - 0,8÷0,9 мг-экв/л цветность - 10°.
2. ФИЛЬТР - заявленный способ.
3. АУ - фильтр с активированным углем - контроль.
4. ПДК ионов меди - 1,0 мг/л.

Следует отметить, что при всех использованных концентрациях меди во всех трех вариантах более эффективным способом оказался ФИЛЬТР - заявленный способ.

Пример 6

Заявленный способ проверялся на способность к очистке воды от фенола. Для достоверности было взято три разных пробы воды, а результативность сравнивалась с другими существующими способами.

Результаты сведены в таблице 6.

Таблица 6
Содержание фенола в воде, мг/л
Исходное	Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	ФИЛЬТР	АУ
34,5±1,5	<0,001	11,1±0,5	0,08±0,003	<0,001	<0,001
1,5±0,1	<0,001	0.01±0.001	0,002±0,001	<0,001	<0,001
0,05±0,001	<0,001	<0.001	<0,001	<0,001	<0,001
Примечание
1. Жесткость воды - 0,8-0.9 мг-экв/л, цветность - 10°.
2. ПДК фенола - 0,001 мг/л.
3. ФИЛЬТР - заявленный способ.
4. АУ - фильтр с активированным углем - контроль.

Из приведенных результатов анализа следует, что все испытанные способы успешно справлялись с удалением из водопроводной воды фенола на уровне 0,05 мг/л (что составляет 50 ПДК).

При этом эффективность заявленного способа не уступает эффективности АУ.

Пример 7

Заявленный способ проверялся на способность к очистке воды от присутствия различных вредоносных микроорганизмов.

Для достоверности было взято три разных пробы воды, а результативность сравнивалась с другими существующими способами.

Результаты сведены в таблицах 7, 8, 9.

Таблица 7
Численность микроорганизмов E.coli в воде до и после фильтрования
Численность микроорганизмов E.coli, кл/мл
Исходное	Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	ФИЛЬТР	АУ
(1,2±0,1)×10 3	0	0	0	0	0
(3,5±0,2))×10 3	0	0	0	0	0
(3,2±0,2)×10 4	(0,8±0,1)×10 1	(1,5±0,3)×10 1	(0,7±0,05)×10 1	(0,8±0,05)×10 1	(0,6±0,03)×10 1
Примечание
1. ФИЛЬТР - заявленный способ.
2. АУ - фильтр с активированным углем - контроль.

Таблица 8
Численность микроорганизмов B.subtilis в воде до и после фильтрования
Численность микроорганизмов B.subtilis, кл/мл
Исходное	Тип фильтра
	Шунгит	Кремень	Глауконит	ФИЛЬТР	АУ
(1,5±0,1)×103	0	0	0	0	0
(3,4±0,2)×10 3	0	0	0	0	0
(3,2±0,1)×10 4	(0,7±0,1)×10 1	(1,5±0,1)×10 1	(0,7±0,02)×10 1	(0,8±0,02)×10 1	(0,8±0,01)×10 1
Примечание
1. ФИЛЬТР - заявленный способ.
2. АУ - фильтр с активированным углем - контроль.

Таблица 9
Численность микроорганизмов C.perfringens в воде до и после фильтрования.
Численность микроорганизмов C.perfringens, кл/мл
Исходное	Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	ФИЛЬТР	АУ
(1,3±0.1)×10 3	0	0	0	0	0
(3,2±0,2)×10 3	0	0	0	0	0
(3,1±0,2)×10 4	(0,6±0,01)×10 1	(1,6+0,1)×10 1	(0,8±0,04)×10 1	(0,7±0,03)×10 1	(0,7±0,05)×10 1
Примечание
1. ФИЛЬТР - заявленный способ.
2. АУ - фильтр с активированным углем - контроль.

В результате проведения микробиологических исследований установлено, что в отношении бактерий E.coli, спор B.subtilis и C.perfringens наибольшую эффективность в удалении клеток микроорганизмов из воды проявили шунгит и заявленный способ, не уступая в этом отношении способу АУ.

Пример 8

Проводились исследования по влиянию заявленного способа на изменение токсичности воды.

Для достоверности было взято четыре разных пробы воды, а результативность сравнивалась с другими существующими способами.

Результаты сведены в таблицах 10 и 11.

Таблица 10
Влияние заявленного способа на гибель Daphnia magna (% к контролю) в пробах воды, содержащей токсиканты (n=5)
Содержание токсиканта, мг/л	Исходная вода	Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	ФИЛЬТР	АУ
CuSO 4	10,0	85,5±5,0	5,0±0,5	4,0±0,2	3,0±0.2	4,0±0,1	5,0±0,2
45,0	59,0±3,0	4,0±0,2	3,0±0,1	3,0±0,2	3,0±0,2	4,0±0.2
Фенол	1,5	73,0±2.5	3,0±0,2	11,0±0.5	4.0±0,3	3,5±0,1	3,5±0,2
0,05	57,0±1,5	2,5±0,1	3,0±0,2	3,0±0,1	4,0±0,2	4,0±0,3
Примечания
1. В контроле (вода для культивирования) гибели не отмечалось.
2. Длительность культивирования Daphnia magna в пробах воды - 96 часов.
3. После пропускания через фильтры рН воды во всех вариантах опыта устанавливали в пределах 7,0÷7,2. Воду аэрировали в течение 1 часа.
4. ФИЛЬТР - заявленный способ.
5. АУ - фильтр с активированным углем.

Таблица 11
Значения индекса токсичности (Sf) проб воды (n=5) для Chlorella vulgaris
Содержание токсиканта, мг/л	Исходная вода	Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	ФИЛЬТР	АУ
CuSO 4	10,0	95,0±5,0	7,0±0,4	4,5±0,4	5,0±0.5	6,0±0,3	6,5±0,5
5,0	64,0±3,0	4,5±0,5	3,0±0,3	5,5±0,4	5,0±0,5	7,0±0,4
Фенол	1,5	75,0±5.0	3,0±0,2	18,0±1,5	7,0±0,6	4,5±0,2	6,0±0,3
0,5	56,0±3,0	3,5±0,3	9,0±0,6	4,5±0,5	3,5±0.3	5,5±0,5
Примечание
1. Контролем служила вода из сосудов, где культивировалась хлорелла.
2. После пропускания через фильтры рН воды во всех вариантах опыта устанавливали в пределах 7,0-7,2.
3. ФИЛЬТР - заявленный способ.
4. АУ - фильтр с активированным углем.

Исследование по влиянию на токсичность показало, что вода до очистки на фильтрах оказывала токсическое действие на тест-объекты, причем его выраженность коррелировала с концентрацией химических веществ в воде (значения индекса токсичности S_f составили 95 и 64 при содержании меди в воде в концентрации 10 и 5 мг/л соответственно; индекс S_f равнялся 75 и 56 при содержании фенола 1,5 и 0,05 мг/л). В результате проведенной обработки воды значения индекса S_f значительно снизились во всех случаях. Только при исходной концентрации фенола в воде 1,5 мг/л вода, после пропускания через фильтр с кремнем, имела индекс S_f 18 и характеризовалась как "слаботоксичная". Во всех остальных вариантах опыта вода, прошедшая через фильтры, характеризовалась как нетоксичная (S_f<10).

Пример 9

Заявленный способ исследовался на предмет влияния на радикальные и ион-радикальные частицы в воде.

Для достоверности было взято две разных пробы воды, а результативность сравнивалась с другими существующими способами.

Результаты сведены в таблице 12

Таблица 12
Образец воды	Импульс за 3 сек	% снижения излучения	Степень повышения излучения над излучением бидистиллированной воды
Водопроводная	10000±120	-	526
Бидистилированная	76±3	99,8	-
После:
- кремня	11000±57	59,5	181
- глауконита	9000±35	77,5	118
- шунгита	250±12	99,1	3,3
ФИЛЬТР	200±15	99,5	2,6
АУ	8000±105	80,0	105

При пропускании воды через ФИЛЬТР (заявленный способ, в котором присутствует шунгит), содержащий углеродные микрокластеры, очистка воды от свободно-радикальных частиц многократно превышает степень очистки от радикалов при пропускании воды через другие фильтры и находится на уровне бидистиллированной воды. При этом только в бидистиллированной воде и в воде после шунгита и ФИЛЬТРА (заявленный способ) излучение при добавлении люминола практически не менялось и было таким же, как собственное излучение этих образцов воды.

Из приведенных результатов исследований экспериментального образца, реализующего заявляемые изобретения, следует, что эти изобретения в комплексе применимы и обеспечивают получение воды с заданными свойствами путем регулирования ее количественных и качественных характеристик.