Способ очистки воды от радона и дочерних продуктов распада радона, устройство для его осуществления
METHOD OF PURIFYING WATER FROM RADON AND RADON SUBSTITUTE DECOMPOSITION PRODUCTS, DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к водоподготовке и может быть использована в системах снабжения питьевой водой населенных пунктов, санаториев, домов отдыха, коттеджей, индивидуальных домовладений и т.д., а именно для территорий, располагающих подземными радоновыми водами с выходами их на поверхность.
Для удаления радона и дочерних продуктов распада радона из воды применяют следующие основные методы: аэрация, мембранная очистка, фильтрование воды через сорбирующий материал, в частности активированный уголь.
При фильтровании воды через сорбирующий материал радон и дочерние продукты распада радона, обладающие высокоэнергетическим гамма-излучением, способны адсорбироваться и накапливаться в нем, поэтому фильтр становится источником гамма-излучения. Мощность дозы на поверхности постоянно используемого фильтра и вблизи него зависит от концентрации радона и дочерних продуктов распада радона в необработанной воде, ежедневного водопотребления, объема фильтра, и может достигать опасных величин до нескольких сотен мкЗв/ч, что повышает радиационную опасность процесса очистки в целом.
В местах размещения таких фильтров необходимо организовывать радиационный контроль мощности дозы гамма-излучения. Фильтры нужно помещать в малопосещаемых помещениях. Для проведения работ по замене сорбирующих материалов, выработавших свой ресурс, необходимо выдержать отключенный фильтр в течение не менее 2 недель для распада накопившегося радона и дочерних продуктов распада радона, чтобы исключить облучение персонала, обслуживающего фильтровальную установку.
Кроме того, возможно снижение сорбционной активности фильтра из-за образования на поверхности и в порах его сорбционного материала гидроксидов железа и марганца, если в очищаемой воде присутствуют ионы этих металлов, что снижает ресурс работы сорбционного материала фильтра.
Относительно первого объекта группы изобретений известен способ регенерации фильтра для очистки воды на основе активированного угля, включающий отключение подачи очищаемой воды по мере загрязнения фильтра, обратную промывку фильтра, повышение температуры активированного угля в фильтре за счет его нагрева токами высокой частоты сначала до 100°С для испарения оставшейся воды, а затем до 400-500°С для достижения эффекта восстановления структуры активированного угля, повторную обратную промывку фильтра после его остывания (см. патент РФ №2499770 «Фильтр для очистки воды на основе активированного угля и способ его регенерации», 8 МПК C02F 1/28, B01J 20/34, приоритет от 30.09.2011 г., опубл. 27.11.2013 г.).
К недостаткам указанного способа относится то, что промывные воды сбрасываются в канализацию без выдержки, необходимой для распада радона и дочерних продуктов распада радона, что нарушает санитарные нормы, в процессе образуется большое количество промывных вод, так как промывка осуществляется дважды: до нагревания и после нагревания сорбирующего материала. Кроме того, если в очищаемой воде находились ионы железа и марганца, то образовавшиеся на поверхности и в порах сорбционного материала гидроксиды этих металлов при нагревании до 500°С будут дегидратированы до оксидов и «припекутся». Удалить их промывкой водой не удастся, сорбционные центры сорбирующего материала окажутся заблокированы, что снизит его сорбционную активность и ресурс работы.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ очистки воды от радона, включающий фильтрацию воды через сорбирующий материал, в качестве которого используют гранулированный активированный уголь, отключение подачи очищаемой воды по мере загрязнения фильтра, обратную промывку фильтра, причем температура промывной воды не превышает 25°С (см. «Радон и радий в подземной воде: измерения и уменьшение воздействия», Tuukka Turtiainen STUK-A255/ MARCH 2013, p. 45-60. http://www.researchgate.net/publication/262793635).
К недостаткам данного способа относится то, что при промывке водой с температурой, не превышающей 25°С, не происходит удаления из сорбирующего материала радона и дочерних продуктов распада радона, что снижает ресурс его работы, накопленные на сорбирующем материале дочерние продукты распада радона являются источниками высокоэнергетического гамма-излучения, что требует применения мер радиационной безопасности при техническом обслуживании фильтра и замене сорбирующего материала. Кроме того, если в очищаемой воде находились ионы железа и марганца, то образовавшиеся на поверхности и в порах сорбционного материала гидроксиды этих металлов, при промывке водой с температурой, не превышающей 25°С, удаляются незначительно, что также снижает ресурс работы сорбционного материала.
Относительно второго объекта группы изобретений известен фильтр для очистки воды на основе активированного угля, включающий корпус с патрубками для подвода очищаемой и отвода очищенной воды, а также с патрубками для обратной промывки фильтра и блоки управления подачей воды в режиме очистки и обратной промывки. Внутри стенок корпуса размещен индуктор, выполненный в виде катушки индуктивности, соединенной с генератором токов высокой частоты, причем наружная поверхность корпуса выполнена теплоизоляционной (см. патент РФ №2499770 «Фильтр для очистки воды на основе активированного угля и способ его регенерации», 8 МПК C02F 1/28, B01J 20/34, приоритет от 30.09.2011 г., опубл. 27.11.2013 г.).
Недостатком известного устройства является то, что при его использовании происходит сброс радона и дочерних продуктов распада радона в канализацию, что нарушает санитарные нормы и правила.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является устройство для очистки воды от радона, включающее фильтр с сорбирующим материалом, линию подачи очищаемой воды, линию отвода очищенной воды и систему обратной промывки фильтра (см. «Радон и радий в подземной воде: измерения и уменьшение воздействия», Tuukka Turtiainen STUK-A255/MARCH 2013, p. 45-60.
http://www.researchgate.net/publication/262793635).
Недостатком устройства является его радиационная опасность для персонала при техническом обслуживании и замене сорбирующего материала, и, соответственно, длительное время (не менее 2-х недель) простоя устройства при проведении этих работ для обеспечения радиационной безопасности.
Технический результат заключается в повышении радиационной безопасности способа очистки воды от радона и дочерних продуктов распада радона, а также в увеличении ресурса работы сорбирующего материала за счет использования устройства, позволяющего эффективно осуществлять очистку воды и его безопасное техническое обслуживание.
Согласно первому объекту группы изобретений заявляемый технический результат достигается тем, что способ очистки воды от радона и дочерних продуктов распада радона, включающий фильтрацию очищаемой воды через сорбирующий материал и обратную промывку сорбирующего материала, согласно изобретению, фильтр с сорбирующим материалом защищают экраном, обратную промывку осуществляют водой, нагретой до температуры от 50 до 85°С, которую затем собирают в емкость-сборник и выдерживают до распада радона и дочерних продуктов радона.
При этом время контакта воды, нагретой до температуры от 50 до 85°С, с сорбционным материалом составляет от 3 до 10 минут, а объем используемой для промывки воды составляет от 1 до 5-ти объемов сорбирующего материала.
Промывка водой, нагретой до температуры от 50 до 85°С, осуществляется не менее чем двумя порциями, первая из которых служит для прогревания сорбирующего материала, а вторая и последующие - для удаления радона, дочерних продуктов распада радона.
В качестве сорбирующего материала используют активированный уголь, а также в качестве сорбирующего материала могут быть использованы природные алюмосиликаты - цеолиты, шунгиты, опалы, в том числе химически модифицированные, термообработанные, нетканые материалы, сочетания сорбентов.
Промывную воду очищают от взвесей гидроксидов железа и марганца и используют для хозяйственно-бытовых нужд.
Согласно второму объекту группы изобретений заявляемый технический результат достигается тем, что устройство для очистки воды от радона и дочерних продуктов распада радона, включающее фильтр с сорбирующим материалом, линию подачи очищаемой воды, линию отвода очищенной воды и систему обратной промывки фильтра, согласно изобретению, снабжено источником горячей воды, выпуск которого подведен к линии подвода промывной воды, а также емкостью-сборником, предназначенной для выдержки воды на время распада радона и соединенной с линией отвода промывной воды, дополнительно содержит экран, поглощающий гамма-излучение и выполненный с возможностью защиты фильтра с сорбирующим материалом.
Емкость-сборник может состоять из двух или нескольких секций для попеременного заполнения и слива. Емкость-сборник может быть снабжена датчиками контроля гамма-излучения, подключенными к блоку управления откачивающим насосом.
Фильтр может быть снабжен датчиком контроля порогового гамма-излучения, подключенным к входу электронного блока управления, а выходы электронного блока подсоединены к запорным устройствам, позволяющим перекрывать подачу и отвод очищаемой, очищенной и промывной воды, что обеспечивает работу устройства в автоматическом режиме, полностью исключая опасность облучения обслуживающего персонала.
В качестве датчика гамма-излучения может использоваться портативный дозиметр, а управление запорными устройствами, перекрывающими подачу и отвод очищаемой, очищенной, промывной воды, производится в ручном режиме.
В устройстве может быть использовано не менее двух фильтров с сорбирующим материалом, работающих попеременно таким образом, чтобы, по крайней мере, один из фильтров отключался запорным устройством на время, необходимое для обратной промывки фильтра или распада, накопленного в сорбирующем материале радона и дочерних продуктов распада радона, что позволяет обеспечить бесперебойную подачу очищенной воды.
Датчик порогового гамма-излучения расположен на поверхности защитного экрана.
К линии отвода промывной воды может быть присоединен механический фильтр для удаления взвесей гидроксидов железа и марганца.
Согласно первому объекту группы изобретений технический результат предлагаемого решения достигается следующим:
- сбор и выдержка промывной воды в емкости-сборнике позволяет исключить сброс в канализацию воды, содержащей радон и дочерние продукты распада радона;
- промывка водой, нагретой до температуры от 50 до 85°С, обеспечивает быстрое удаление радиоактивности и возвращение фильтра в работу, а при необходимости замены сорбирующего материала позволяет производить работы уже через 3-4 часа после промывки, а не через 2 недели, необходимые для завершения процесса распада радона;
- при контакте сорбирующего материала с водой, нагретой до температуры от 50 до 85°С, происходит его нагревание, при этом связи между сорбирующим материалом и сорбированными молекулами радона ослабевают, а так как растворимость радона в горячей воде значительно снижается (см. И.Т. Гороновский и др. Краткий справочник по химии, Киев, 1962, с. 355, Табл. Растворимость газов), то происходит формирование пузырьков химически инертного газа радона на поверхности сорбирующего материала. Потоком промывной воды, нагретой до температуры от 50 до 85°С, эти пузырьки удаляются в емкость-отстойник. Оставшиеся частично после промывки водой, нагретой до температуры от 50 до 85°С, на поверхности сорбирующего материала дочерние продукты распада радона распадаются за несколько часов, и фильтр перестает быть радиационно опасным. Кроме того, при промывке водой, нагретой до температуры от 50 до 85°С, происходит удаление осадков гидроксидов железа и марганца, так как при нагревании осевшие в порах сорбирующего материала осадки гидроксидов частично дегидратируются, уплотняются и уменьшаются в объеме, вследствие чего уменьшается их сцепление с поверхностью пор, что приводит к подвижности осадков и более легкому их удалению с потоком воды. Освобождение пор от остатков гидроксидов увеличивает ресурс работы сорбирующего материала. При использование воды, нагретой до температуры свыше 85°С, возникает риск попадания парогазовой смеси в помещение, что снижает радиационную безопасность установки.
Согласно второму объекту группы изобретений технический результат предлагаемого решения достигается тем, что исключается опасность облучения персонала при работе с предлагаемым устройством, так как все работы по техническому обслуживанию фильтра производятся после промывки водой с температурой от 50 до 85°С и удаления десорбированных радона и дочерних продуктов распада радона в емкость-сборник, находящуюся в малодоступном месте, например закопанную в грунт.
Наличие датчика контроля порогового гамма-излучения, соединенного с электронным блоком управления позволяет автоматически прекращать работу фильтра при достижении заданного уровня накопленной радиоактивности и включать систему промывки.
Заявляемые технические решения находятся во взаимосвязи и образуют единый изобретательский замысел.
Для осуществления способа очистки воды от радона и дочерних продуктов распада радона было специально разработано устройство, обеспечивающее эффективную очистку воды и радиационную безопасность в процессе работы. Следовательно, заявленные технические решения удовлетворяют требованию единства группы изобретений.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемой группы изобретений, не выявлено, что позволяет сделать вывод о ее соответствии условию патентоспособности «новизна».
Заявляемые существенные признаки группы изобретений, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о ее соответствии условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждают примеры конкретного выполнения заявляемой группы изобретений.
На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства для осуществления заявляемого способа очистки воды от радона и дочерних продуктов распада радона.
Устройство для очистки воды от радона и дочерних продуктов распада работает следующим образом. Вода, содержащая радон, поступает по линии подачи 1 через запорное устройство 2 в фильтр 3 с сорбирующим материалом, после чего очищенная вода через запорное устройство 4 выходит на линию отвода очищенной воды 5. После накопления на фильтре 3 заданного значения радиоактивности запорное устройство 2 перекрывает подачу очищаемой воды и открывает выход в линию отвода промывной воды 6. Запорное устройство 4 перекрывает линию отвода очищенной воды 5 и открывает линию подачи горячей воды 7 от источника горячей воды 8. Промывная горячая вода проходит через фильтр 3 в направлении, обратном потоку очищаемой воды, вымывает из сорбирующего материала взвеси гидроксидов железа и марганца, десорбирует радон и дочерние продукты распада радона и по линии сброса 6 поступает в емкость-сборник 9, где выдерживается не менее 2-х недель для распада радона и дочерних продуктов распада радона.
В качестве запорных устройств могут выступать электроклапаны, связанные с блоком управления и датчиком порогового гамма-излучения, расположенным на корпусе фильтра 3.
Фильтр 3 с сорбирующим материалом может быть защищен экраном (на чертеже не указан), поглощающим гамма-излучение, а датчик порогового гамма-излучения расположен на поверхности защитного экрана.
Устройство может содержать два и более фильтра 3, подключаемые управляющим блоком попеременно для обеспечения бесперебойного поступления очищенной воды.
На линии сброса промывной воды 6 может быть установлен механический фильтр для удаления взвесей, отделившихся от сорбирующего материала при промывке.
Ниже приведен пример осуществления заявляемого способа.
Пример 1
3
Воду из скважины, содержащую 770 Бк/л радона-222 в количестве 10 м, прокачали в течение 5 дней через фильтр, содержавший 80 литров гранулированного активированного угля. Содержание железа и марганца в воде не превышало 0,05 мг/л.
Степень очистки от радона составила 95%, что позволило очистить воду до санитарных норм.
Мощность дозы гамма-излучения на расстоянии 1 м от поверхности фильтра превышала фоновое значение в 10 раз. После отключения подачи в фильтр очищаемой воды, обратным потоком в фильтр закачали 80 л воды с температурой 85°С, выдержали в фильтре в течение 5 минут, после чего прокачали через фильтр еще 160 л горячей воды, направляя через линию отвода промывной воды в емкость-сборник. Через 15 дней выдержки в емкости-сборнике промывная вода содержала менее 50 Бк/л радона-222, что ниже санитарных норм, и была сброшена в канализационную сеть.
После проведения вышеописанной десорбции радона и его дочерних продуктов распада мощность дозы гамма-излучения на поверхности фильтра не превышала фонового значения для помещения, где находился фильтр.
Пример 2
3
Воду из скважины, содержащую 1710 Бк/л радона-222, 1,5 мг/л железа и 0,3 г/л марганца в количестве 10 м, прокачали в течение 5 дней через 4 одинаковых не связанных между собой фильтра, содержавших каждый смесь 60 литров гранулированного активированного угля и 20 литров гранулированного катализатора на основе двуокиси марганца. Мощность дозы гамма-излучения на поверхности фильтров составила 200±6 мкЗв/час. Обратную промывку фильтров производили водой разной температуры. Мощность дозы гамма-излучения на поверхности фильтров после промывки водой разной температуры приведена в таблице 1.
Промывная вода была закачана в емкость-сборник. Через 15 дней выдержки в емкости-сборнике промывную воду содержавшую менее 50 Бк/л радона-222, что ниже санитарных норм, профильтровали через механический фильтр с размером пор 5 мкм и использовали для хозяйственно-бытовых нужд.
Заявляемая группа изобретений обеспечивает повышение радиационной безопасности способа очистки воды от радона и дочерних продуктов распада радона, а также увеличение ресурса работы сорбирующего материала за счет использования устройства, позволяющего эффективно осуществлять очистку воды и его безопасное техническое обслуживание.