ФИЛЬТР ДЛЯ ВОДЫ НА ОСНОВЕ НАНОАНОДИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОВ

Устройство относится к сменным фильтрующим картриджам для бытовых кувшинов, с помощью которых производится очистка воды, взятой из городских сетей водоснабжения, а также природных водоемов от патогенных бактерий, механических и технических загрязнений.
Устройство предназначено к использованию предпочтительно, однако не исключительно, в бытовых кувшинах для очистки водопроводной воды, или воды из других источников и может быть применено в таких областях как экология, медицина, здравоохранение, легкая и пищевая промышленность, сельское хозяйство.
Известны картриджи бытовых фильтров, используемые для очистки и обеззараживания воды, в которых в качестве активного элемента применяется вспененный полипропилен, который с внешней стороны покрыт гидрофильным полипропиленовым волокном с размером волокон 5-60 мкм, на которые нанесены путем вплавления частицы серебра размером 5-20 нм общей площадью не менее 20% от всей поверхности полипропиленового волокна [1]. Недостатками известного картриджа являются ограниченный ресурс фильтра (3 месяца), связанный со снижением эффективности обеззараживания воды в результате вымывания ионов серебра с поверхности бактерицидного слоя фильтра с течением времени.
Известно устройство для очистки и обеззараживания питьевой воды фильтрованием через волокнистый ионообменный фильтрующий материал, полученный щелочным гидролизом полиакрилонитрила в присутствии аминосодержащих соединений [2]. Недостатком данного устройства является низкая скорость фильтрации 10-75 мл/мин, а также отсутствие возможности восстановления после загрязнения в процессе фильтрации.
Известен также фильтр, состоящий из спеченного порошка титана с размером пор 5-40 мкм, выполненный в виде трубы или пластины с толщиной стенок 0.9-10.0 мм [3]. Недостатком вышеописанного фильтра является то, что он эффективен только для очистки воды от соединений железа и микробиальных взвесей, что значительно ограничивает область его применения. Кроме этого, предлагаемое фильтрующее устройство обладает низкой антибактериальной активностью, поскольку при большом содержании микроорганизмов в воде (≥150 КОЕ/мл) его эффективность составляет менее 24%.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является бытовой фильтр очистки воды, содержащий корпус в виде полого цилиндра, наполненный фильтрующими материалами различных видов, которые образуют разделенные между собой и работающие последовательно ступени очистки воды. В данном фильтре антибактериальная очистка реализуется за счет адсорбционно-бактерицидного материала на основе открытопористого полиэтилена с размерами пор от 0.5 до 1 мкм, модифицированного нанокластерами серебра [4]. Этот фильтр и выбран в качестве прототипа. Недостатком данного устройства является малый срок службы обеззараживающего элемента, связанный с быстрым накоплением грязи на его поверхности, что вызывает размножение патогенных микроорганизмов внутри фильтра. Кроме того, конструкция фильтра усложнена, что значительно увеличило его стоимость, предложенная конструкция фильтра не обеспечивает его мобильность, что не позволяет использовать его для очистки воды из природных водоемов.
Техническим результатом является создание фильтра для воды на основе наноанодированных металлов, обладающего мобильностью в эксплуатации, имеющего простую конструкцию, препятствующую размножению патогенных микроорганизмов внутри фильтра, и соответственно, увеличивающую срок службы фильтра.
Технический результат достигается путем того, что фильтр для воды на основе наноанодированных металлов состоит из полого пластмассового корпуса с отверстиями для входа неочищенной и выхода очищенной воды, заполненного последовательно расположенными фильтрующими элементами
в виде двух полипропиленовых сеток и вспененного полипропилена и элементов антибактериальной очистки воды, отличающийся тем, что активные антибактериальные элементы выполнены из алюминиевых пластин и дисков из спеченного порошка титана со сформированными на их поверхности композитными покрытиями, представляющими собой нанопористые анодно-оксидные пленки толщиной 20-40 мкм на пластинах и 0.5 мкм на дисках с диаметром пор 60-80 нм и 50-60 нм, соответственно, модифицированные наночастицами серебра размером 20-40 нм.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется рисунками на фиг. 1 и 2.
2
2
4
На фиг. 1 изображен фильтр для воды на основе наноанодированных металлов (схематическое изображение). На фиг. 2 показано АСМ-изображение поверхности нанопористой анодной оксидной пленки, сформированной наноанодированием алюминия в 3% СНО, после нанесения наночастиц серебра.
Наноанодированием называется процесс электрохимического оксидирования ряда металлов и сплавов (при оптимальных условиях), в результате которого на их поверхности формируются наноструктурированные оксидные пленки, характеризующиеся регулярным расположением пор наноразмерного диаметра.
Известно, что эффективность фильтра против патогенных микроорганизмов определяется двумя факторами: антибактериальной активностью и адсорбционной способностью материалов, из которых он изготовлен. В качестве активного компонента, обладающего высокой антибактериальной активностью, используются наночастицы серебра, бактерицидные свойства которых не вызывают сомнений. Наночастицы серебра заключены в химически инертную по отношению к ним пористую анодную оксидную матрицу, которая предотвращает агрегацию частиц и вымывание их из фильтра, а также защищает от внешних воздействий.
2
2
Адсорбционные свойства материалов зависят от площади контакта со средой. Пористый оксидный слой, сформированный на поверхности алюминия наноанодированием и модифицированный наночастицами серебра, имеет удельную поверхность ~200 м/г. Порошок титана, из которого изготовлены компоненты фильтра, имеет размер гранул ~(0.63-1) мм и обладает удельной поверхностью ~0.134 м/г. Пористый оксид, сформированный на поверхности микрочастиц титана наноанодированием, увеличивает удельную поверхность металла в 20 раз и улучшает адсорбционные свойства материала.
Согласно фиг. 1, фильтр для воды на основе наноанодированных металлов состоит из полого пластмассового цилиндрического корпуса с отверстиями для входа и выхода воды, в корпусе 1 расположены фильтрующие элементы в виде двух полипропиленовых сеток 2, 9 и вспененного полипропилена 3, задерживающих частицы размером 1-50 мкм, которые закреплены внутри корпуса и занимают ~20% его объема. Активные антибактериальные элементы 4-8, изготовленные из наноанодированных алюминия 5, 7 и спеченного порошка титана 4, 6, 8, закреплены внутри корпуса после слоя вспененного полипропилена и занимают ~20% объема корпуса. Такое расположение элементов препятствует их механическому загрязнению. Размеры фильтра и его составных элементов задаются моделью и размерами кувшинов для воды.
На деталях из алюминия и спеченного порошка титана наноанодированием формируют пористый оксид толщиной 20-40 мкм и 0.5 мкм с диаметром пор 60-80 нм и 50-60 нм, соответственно. Электрохимические процессы при наноанодировании проводятся с использованием слабых, нетоксичных электролитов и низких потенциалов, что определяет малые энергозатраты и высокую степень экологичности технологии их получения. Пористый оксид, сформированный на поверхности алюминия и спеченного порошка титана, модифицируют наночастицами
серебра размером 20-40 нм [5]. Стенки пор предотвращают агрегацию наночастиц серебра в массивы, тем самым обеспечивая долговечность работы фильтра.
Предлагаемый фильтр работает следующим образом. Водопроводная вода или вода из природного водоема поступает в фильтр через входное отверстие, проходит через фильтрующие элементы из двух полипропиленовых сеток и вспененного полипропилена, задерживающие частицы размером 1-50 мкм, затем через антибактериальные фильтры из наноанодированных металлов.
В ходе испытаний установлено, что фильтр для воды на основе наноанодированных металлов имеет пропускную способность ~200 мл/мин, допустимое время постоянного контакта активного фильтрующего элемента с водой составляет не менее двух месяцев, а ресурс фильтра ~28000 литров.
Антибактериальная активность устройства была протестирована путем микробиологического анализа взятой из природного водоема воды до и после контакта с антибактериальными компонентами сменного фильтр-картриджа в течение 30 мин. Микробиологический анализ проводился по стандартной методике в соответствии с нормативными документами [6, 7]. Результаты тестов приведены в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что имеет место значительное снижение общего микробного числа (ОМЧ) при анализе проб воды, отобранных в присутствии антибактериального элемента, изготовленного из наноанодированного алюминия, модифицированного наночастицами серебра. Количество патогенных микроорганизмов в воде снижается более чем в 5 раз. Пробы воды, прошедшие антимикробную обработку, соответствуют требованиям санитарных норм. Антибактериальная активность серебросодержащих нанокомпозитных покрытий сохраняется не менее 1 года.
Фильтр №1, 2 - наноанодированные алюминиевые пластины, модифицированные наночастицами серебра.
Положительный эффект от заявляемой полезной модели - эффективное очищение и обеззараживание воды - обеспечивается большой удельной поверхностью анодной оксидной пленки и присутствием в ее порах наночастиц серебра. Размещение наночастиц в порах оксидной пленки предотвращает агрегацию серебра в массивы, сохраняя эффективность использования фильтра. После использования сменного фильтр-картриджа возможно восстановление его антибактериальных свойств или безотходная утилизация.
Источники информации.
1. Патент Картридж фильтра для обеззараживания воды: пат. 120014 Рос. Федерация: МПК B01D 39/16, C02F 1/00. Опубл. 06.04.2012.
2. Патент Фильтрующий материал, способ его получения и способ фильтрования: пат. №2531829 Рос. Федерация: МПК B01D 39/16, D01F 11/04, C08J 5/20, B01J 20/26 / Фридкин A.M., Гребенщиков Н.Р., Сафин В.М. Патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Акватория"; заявл. 29.03.2013; опубл. 10.10.2014, Бюл. №28.
3. Патент Способ очистки воды от железа: пат. №2006471 Рос. Федерация: МПК C1, C02F 1/04, B01D 39/00/. Радченко С.С., Быкадоров Н.У., Шишлянников В.В., Гуреев Н.Г., Озолс А.И., Скуднова Н.Н., Холоденков Ю.Н. Заявитель: Волгоградский политехнический институт; Государственное научно-производственное малое предприятие "Экоцентр. Заявл. 13.08.1990; Опубл. 30.01.1994.
4. Патент Бытовой фильтр для очистки воды: пат. №108317. Рос. Федерация: МПК B01D 29/54, C02F 1/18/. Гарин. В.Б.; патентообладатель Гарин. В.Б. - заявл. 26.01.2011. опубл. 20.09.2011.
5. Патент Способ формирования нанокомпозитного покрытия на пористом слое оксида алюминия: пат №2425802 Рос. Федерация: МПК C2, C01F 7/00, В82В 1/00, G03C 1/74 / Кокатев А.Н., Чупахина Е.А., Яковлева Н.М., Яковлев А.Н. заявл. 18.05.2009, опубл. 10.08.2011.
6. МУК 4.2.1884-04 «Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов». Методические указания. [Текст]. - Взамен МУ 2285-81; введ. С 03.03.2004. - М.: Изд-во Госсанэпиднадзор, 2005. - 69 с.
7. СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод». Санитарные правила и нормы. [Текст]. - Введен с 01.01.2001. - М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2001. - 18 с.