СПОСОБ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ, БЕЗРЕАГЕНТНОЙ, НЕТОКСИЧНОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ОСНОВЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
METHOD FOR ENERGY-INDEPENDENT, NON-REAGENT, NON-TOXIC PURIFICATION OF WATER FROM MICROBIOLOGICAL CONTAMINANTS BASED ON NANOTECHNOLOGIES

Изобретение относится к бытовым и промышленным технологиям очистки воды от микробиологических загрязнений, борьбы с биообрастанием в системах фильтрации, трубопроводах и объемах для аккумуляции, хранения и консервации воды.
Заявляемый способ может быть использован в системах водоснабжения, хранения и консервации воды, в бассейнах, скважинах, колодцах, пищевых производствах, для сельскохозяйственных работ и т.д.
Наиболее близким способом обеззараживания воды по отношению к заявляемому способу является физический способ, осуществляемый путем обработки воды оптическим излучением в определенном режиме (заявка RU 94018644 А1 C02F 1/50).
Один из этапов способа заключается в предварительной очистке воды, так как оптическим излучением можно обеззараживать воду, обладающую малой цветностью, не содержащую взвешенных и коллоидных частиц (которые поглощают и рассеивают оптические лучи), а также умягченную, т.к. соли жесткости, в процессе использования оптического излучателя, осаждаются на корпусе излучателя, ослабляя тем самым эффект обеззараживания, следовательно возможна реактивация бактерий в обработанной воде.
Таким образом, в случае отсутствия предварительной подготовки воды снижается надежность и эффективность указанного способа, а также возможна реактивация бактерий в обработанной воде.
Кроме того, указанный способ энергозависим. При отсутствии электроэнергии реализация способа не возможна.
Известен способ обеззараживания воды на основе ионного серебра (патент RU 2125971 C02F 1/50, A23L 3/00, A61L 2/16, C02F 103:04), а также известен способ обработки воды ионным серебром, разработанный академиком Л.А.Кульским. Способ заключается в пропускании постоянного электрического тока через пару погруженных в воду серебряных электродов. Анод растворяется и вода насыщается ионами серебра.
Дезинфицирующий водный раствор на основе ионов серебра (Ag+), полученных путем электролиза с использованием серебряного анода, является рабочей средой, в которой определяющим обеззараживающим эффектом служит концентрация ионов серебра в растворе.
Известно, что ионы серебра, адсорбируясь на поверхности клетки бактерии в результате взаимодействия электростатических сил (Ag+ и протоплазма-), проникают внутрь клетки и связываются с нуклеиновым ядерным веществом, образуя нуклеинаты, этим они нарушают жизнедеятельность бактерий. Обеззараживающий эффект достигается за 1-2 часа при концентрациях электростатического ионного серебра 0,2-0,4 мг/литр. Напомним, что норма содержания серебра в питьевой воде 0,05 мг/литр.
При взаимодействии с другими примесями воды, которые всегда в ней присутствуют, серебро постепенно расходует свой заряд на попутные связи. Это обстоятельство делает ионное серебро весьма ненадежным агентом в борьбе с бактериальной загрязненностью. Но главным отрицательным фактором является то обстоятельство, что серебро - это тяжелый металл, который накапливается в организме.
Концентрация ионов серебра на уровне 0,5-5 мг/литр снижает иммунологическую активность организма (по показателю фагоцитоза), вызывает изменения сосудистой, нервной и глиозной ткани головного и спинного мозга. Употребление воды с концентрацией серебра 20 мг/литр оказывает неблагоприятное воздействие на процессы синтеза и распада аминокислот, что может отрицательно сказываться на синтезе белков и ферментов. Способ требует обязательного контакта ионов серебра с бактерией для ее инактивации, т.е. присутствия ионов серебра в воде.
В этом способе существует прямая зависимость между эффективностью обеззараживания воды при высоких уровнях зараженности болезнетворными бактериями и концентрацией ионного серебра, требуемого для инактивации бактерий. Метод токсичен и дорог в эксплуатации, поскольку серебро является расходным материалом.
n
n
+m
+m
Заявляемый способ направлен на устранение указанных недостатков и заключается в следующем. В любой технологической схеме очистки воды от микробиологических загрязнений в очищаемую воду погружают, по крайней мере, один бактерицидный фильтр-элемент из пористого материала, модифицированного наноструктурными металлами (Ag , Cu ). Погружение производят в статический объем или динамический поток очищаемой воды.
n
n
+m
+m
Бактерицидный фильтр-элемент, разработанный авторами заявляемого решения (патент RU 54811, B01D 39/08 от 01.2006) представляет собой полую трубку диаметром от 18 до 104 мм c толщиной стенки от 10 до 15 мм, выполненную из пористого материала, модифицированную наноструктурными металлами (Ag , Cu ) методом диффузии из водноорганического мицеллярного раствора, по «Способу модифицирования фильтровального элемента», разработанному авторами заявляемого способа (патент RU 2135262. С1).
Синтез наноструктурных металлов проводится радиационно-химическим методом в обратных мицеллах с использованием гамма-излучения. Наноструктурные металлы получают в виде дисперсии в предельных углеводородах (изооктане). В процессе синтеза образуются коллоидные частицы металлов наноструктурных размеров, которые обладают особыми свойствами, отличными как от свойств изолированных атомов, так и от массивного металла. Частицы наноструктурных металлов имеют неправильную развитую форму (в отличие от круглой формы ионного серебра) и множество активных связей с некомпенсированным зарядом, чем и объясняется синергетический эффект бактерицидных свойств нанокомпозиционного материала, который используют в предлагаемом способе очистки воды от микробиологического загрязнения.
Наноструктурными металлами, полученными радиационно-химическим способом, модифицированы трубки из пористого материала по разработанной авторами методике. При этом нанометаллы встраиваются в структуру материала и прочно закрепляются на нем. Этим объясняется отсутствие миграции наноструктурных металлов в обрабатываемую воду (Таблица 4).
Исследование микробиологической стойкости и эффективности материала, модифицированного наноструктурным серебром, проводили в эксперименте, который заключался в заражении образцов материалов ассоциацией тест-бактерий, выдерживании образцов в условиях, благоприятных для развития микроорганизмов, с последующей оценкой их количества на материалах в процессе эксперимента. Результаты тестирования микробиологической стойкости опытных и контрольных образцов материала представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты исследования биостойкости пористого полиэтилена (количество бактерий на 1 см<sup>2</sup> образца)
Исследуемые образцы пористого полиэтилена
Бактерии, используемые для заражения образцов
Сутки эксперимента
5
10
Рецептура 1 (опыт)
Staphylococcus aureus + Escherichia coli
0
0
Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis
0
0
Рецептура 1 (контроль)
Staphylococcus aureus + Escherichia coli
4,5×10<sup>2</sup>
1,6×10<sup>2</sup>
Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis
2,3×10<sup>2</sup>
1,5×10<sup>2</sup>
Рецептура 2 (опыт)
Staphylococcus aureus + Escherichia coli
6
0
Рецептура 2 (контроль)
Staphylococcus aureus + Escherichia coli
6,0×10<sup>2</sup>
-
Проведенные исследования демонстрируют высокую микробиологическую стойкость и бактерицидную активность пористого материала, модифицированного наноструктурным серебром, который используется в заявляемом способе.
Для оценки рабочего ресурса бактерицидной активности указанного материала опытные и контрольные образцы перед началом исследований подвергали ускоренным климатическим испытаниями (УКИ), имитирующим их «ускоренное старение» в течение 2-х и 5-ти лет. «Ускоренное старение» проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ 9.707-81.
Результаты ресурсных испытаний бактерицидной активности образцов из пористого материала, модифицированного наноструктурным серебром, сведены в таблицу 2.
Таблица 2
Результаты ресурсных испытаний бактерицидной активности фильтр-элементов из пористого полиэтилена, модифицированных наноструктурным серебром (количество бактерий на 1 см образца)
Материал
Бактерии, используемые для инфицирования материала
5-е сутки эксперимента
10-е сутки эксперимента
опыт
контроль
опыт
контроль
Нативный (исходный)
Staphylococcus aureus + Escherichia coli
0
4,5×10<sup>2</sup>
0
1,6×10<sup>2</sup>
Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis
0
2,3×10<sup>2</sup>
0
1,5×10<sup>2</sup>
УКИ 2 года старения
Staphylococcus aureus + Escherichia coli
0
2,3×10<sup>3</sup>
0
8,3×10<sup>2</sup>
Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis
0
2,4×10<sup>3</sup>
0
4,0×10<sup>3</sup>
УКИ 5 лет старения
Staphylococcus aureus + Escherichia coli
0
6,0×10<sup>3</sup>
0
1,3×10<sup>3</sup>
Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis.
0
6,6×10<sup>3</sup>
0
8,0×10<sup>3</sup>
Таким образом, пористый материал, модифицированный наноагрегатами серебра, сохраняет бактерицидную активность в течение не менее 5-ти лет и положен в основу заявляемого способа.
Заявляемый способ реализуют в различных системах фильтрации, хранения и подачи воды.
1. В любую картриджную систему фильтрации воды радиального потока (Фиг.1), во внутреннюю полость картриджа (1) размещают бактерицидный фильтр-элемент из нанокомпозиционного материала (2). Таким образом, картридж защищают от биообрастания и увеличивают его рабочий ресурс, так как предотвращают непрогнозируемый процесс вторичного микробиологического загрязнения очищаемой воды. При замене картриджа бактерицидный фильтр-элемент используют многократно.
2. В емкость для хранения питьевой воды погружают бактерицидный фильтр-элемент из нанокомпозиционного материала с заданными параметрами в зависимости от решаемой задачи. Тем самым обеспечивают бактериостатический эффект в питьевой воде в течение длительного срока ее хранения, т.е. в ней не происходит размножения бактерий (Таблица 1).
3. В любую существующую систему подачи и очистки воды устанавливают проточное бактерицидное устройство (патент RU 54811, B01D 39/08), разработанное авторами заявляемого решения (Фиг.2). Бактерицидное устройство представляет собой систему бактерицидных фильтр-элементов (3), расположенных в определенном порядке внутри корпуса (4) таким образом, что фильтр-элементы размещают вдоль направления протекания потока обрабатываемой воды, при этом устанавливают скорость протекания обрабатываемой воды не выше 2,5 м/сек. В таких системах устанавливают 3 и более бактерицидных фильтр-элементов общей длиной от 630 мм таким образом, что геометрические размеры фильтр-элементов рассчитывают, исходя из того, что время, достаточное для очистки от микробиологических загрязнений воды, протекающей вдоль фильтр-элементов, составляет не менее 0,25 сек, при этом соотношение сечений обрабатываемого потока воды и бактерицидных фильтр-элементов составляет не более 5:1.
Эффективность работы бактерицидных фильтр-элементов подтверждена исследованием, проведенным в Институте медико-биологических проблем РАН с помощью установки, через которую с различной скоростью (производительностью) пропускали модельный раствор, предварительно зараженный тест-культурами бактерий. Результаты исследований сведены в таблицу 3.
Таблица 3
Длина бактерицидного элемента
Производительность установки (л/мин)
Скорость потока (м/сек)
Количество тест-микробов в 1 мл воды (KOE)
-
Исходная вода (до заражения)
-
Не обнаружены
-
Исходная вода (после заражения)
-
550 (из них 10 E.coli)
210
2,5 - 3 л/мин
0,25 м/сек
520<sup>*</sup>
630
3 л/мин
0,25 м/сек
Не обнаружены
630
12 л/мин
1,0 м/сек
Не обнаружены
630
19 л/мин
1,6 м/сек
45<sup>*</sup>
630
30 л/мин
2,5 м/сек
25<sup>*</sup>
<sup>*</sup> - Наличие St.epidermidis
В проведенных испытаниях размер фильтр-элемента был:
- 210 мм, скорость протекания обрабатываемой воды - 0,25 м/сек, при этом эффективность очистки от Escherichia coli составила 100%, а от Staphylococcus epidermidis - 5%;
- 630 мм, скорость протекания обрабатываемой воды - 0,25 м/сек, при этом эффективность очистки составила 100%;
- 630 мм, скорость протекания обрабатываемой воды - 1 м/сек, при этом эффективность очистки составила 100%;
- 630 мм, скорость протекания обрабатываемой воды - 2,5 м/сек, при этом эффективность очистки составила более 95%.
3
В результате проведенных испытаний установлено, что для системы подачи воды с производительностью 1,8 м/час следует устанавливать бактерицидные фильтр-элементы длиной, по крайней мере, 630 мм. При этом эффективность очистки от микробиологических загрязнений - более 95%.
Параллельная установка нескольких бактерицидных фильтр-элементов обеспечивает очистку обрабатываемой воды любой требуемой производительности.
Заявляемый способ очистки воды от микробиологических загрязнений не требует водоподготовки (обесцвечивания и удаления жесткости), обеспечивает пролонгированный бактериостатический эффект и энергонезависим.
Кроме того, заявляемый способ отличается тем, что нарушение жизнедеятельности бактерий наноструктурные металлы осуществляют бесконтактным методом, не мигрируя в воду, за счет мощного некомпенсированного заряда. Отсутствие миграции наноструктурных металлов в воду обеспечивает нетоксичность метода и длительный рабочий ресурс.
Технический результат заявляемого способа заключается в том, что в процессе его реализации обеспечивают очистку воды от микробиологических загрязнений за счет оптимизации конструктивного расположения бактерицидных фильтр-элементов в различных схемах очистки воды с эффективным использованием бактерицидных свойств нанокомпозиционных материалов в различных рабочих режимах водоподготовки.
Заявляемый способ нетоксичен, поскольку исключает миграцию тяжелых металлов в воду, обеспечивая тем самым экологическую чистоту. Это подтверждается испытаниями, проведенными по ГОСТ Р51871-02.
Таблица 4
Номенклатура показателей, единицы измерения
Значение показателя
ПДК, СанПиН 2.1.4.1074-01
Метод испытаний (ссылка на НД)
Серебро, мг/л
<0,001
0,05
ГОСТ Р 51309-99
Безреагентность заявляемого способа обеспечивает длительный рабочий ресурс по параметру биоцидности, что определяет его надежность и удобство в эксплуатации. Наноструктурный металл в заявляемом способе не является расходным материалом.
Энергонезависимость заявляемого способа ставит его в ряд энергосберегающих технологий и снижает его эксплуатационные расходы.
Заявляемый способ не требует предварительной очистки и его эффективность не зависит от присутствия каких-либо примесей химических элементов в обрабатываемой воде.
Бесконтактность заявляемого способа определяется способностью нанокомпозиционного материала инактивировать бактерии на расстоянии за счет мощного некомпенсированного заряда, что позволяет использовать его в проточных системах высокой производительности.