СРЕДСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ РАСТВОРИМЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И СПОСОБ ОЧИСТКИ
METHOD OF REMOVAL SOLUBLE CONTAMINANTS FROM WATER AND MEANS TO THIS END

Изобретение относится к очистке природных вод, т.е. вод, содержащихся в природных водоемах открытого типа (реки, озера, болота и пр.); при этом решаемся задача очистки воды в бытовых, дачных, походных и иных (чрезвычайных) условиях индивидуальными потребителями с целью обеспечения самих себя количеством питьевой воды, минимально необходимым для суточного потребления.
Насколько известно заявителю и авторам, на сегодня нет технического решения задачи, которое было бы приемлемым для широкого круга индивидуальных потребителей.
Ниже сформулирован комплекс требований к средству и способу очистки природной воды, исходя из поставленной задачи.
1. Средство для очистки воды должно быть экологически безопасным.
2. Средство должно быть совершенно доступным, т.е. производиться в промышленных масштабах по утвержденной в установленном порядке нормативно-технической документации.
3. Средство и способ должны быть простыми в применении для любого индивидуального пользования.
4. Средство должно быть настолько дешевым, чтобы его было использовать одноразово для получения объема воды, удовлетворяющего суточную потребность человека (2-3 литра).
5. Средство и способ должны обеспечить очистку природной воды до кондиций, соответствующих (или близких по значению) требованиям, предъявляемым к питьевой воде по основным нормируемым показателям.
Ближайшим аналогом по отношению к предлагаемому изобретению является разработка «Фильтр «Золотая формула». (http://www.goldenfilter.ru/ Фильтры для очистки воды производства ООО «Холдинг «Золотая формула» на основе УСВР).
В основе этого фильтра в качестве средства для очистки природной воды предложено использовать т.н. углеродную смесь высокой реакционной способности (названную разработчиками УСВР). Согласно данной разработке, воду пропускают через слой УСВР, заключенный в корпус.
Недостаток данной разработки состоит в том, что материал, используемый в фильтре, не является широко доступным и - главное - он слишком дорог для одноразового использования; для того чтобы снизить себестоимость очистки воды, фильтр приходится использовать многократно, при этом неизбежны перерывы, вследствие чего в фильтре возможно развитие биохимических процессов с образованием новых токсичных продуктов, что может привести к вторичному загрязнению воды при многократном использовании фильтра.
В последние два года в широкой печати и средствах массовой информации появилось много критических отзывов о фильтре Петрика. В частности во многих источниках отмечается, что при использовании фильтров Петрика в очищенной воде увеличивается содержание ионов тяжелых металлов. Участники международного форума «Чистая вода 2010» состоявшегося 17.10.10 в Москве, официально обратились к руководству страны с призывом запретить использование фильтров Петрика. (http:/www.infox.ru/science/fake/2010/07/07/FiltryPyetrika-try.phtml). В результате Мосгорсуд запретил использовать аббревиатуру МЧС и фамилию Шойгу на фильтрах Петрика (http:/news.yandex.ru/yandsearek?…). Как следствие, портативные проточные фильтры «Золотая формула Шойгу» сняты с производства.
Еще одним аналогом является патент RU №2381052 «Способ получения высокотермостойкого долговечного фильтрующего
3
волокнистого материала». Как известно (А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. Химия, М., 1971. - с.194), «фильтрование - это процесс разделения суспензий с использованием пористых перегородок, которые задерживают твердую фазу суспензии и пропускают жидкую фазу», т.е. предложенный в патенте RU №2381052 фильтровальный материал предназначен для удаления взвешенных частиц и не приведено никаких данных о сорбции материалом веществ из растворов. Кроме того, высокая плотность (200-900 кг/м) и прочность фильтровального материала обуславливает недостаточно развитую внутреннюю поверхность, в принципе не способную сорбировать растворенные в воде вещества. Несмотря на то, что в фильтрующем материале также присутствуют стеклянные волокна диаметром от 0,2 до 10 мкм, они являются лишь частью, общей композиции из 2-4 разных компонентов фильтровального материла, и с большой вероятностью выполняют лишь армирующую функцию.
3
В данном изобретении в качестве средства для очистки природной воды предлагается использовать объемный материал из стеклянных волоком, скрепленных между собой силами естественного сцепления. Данный материал производится промышленным способом ООО «Новгородский завод стекловолокна» (г.Великий Новгород) в форме т.н. матов - объемных пластин размером 1×1 метр и плотностью 10…15 кг/м. При этом выпускаются маты из стекловолокон, имеющих диаметр 100, 180, 250 и 400 нм, по соответствующим техническим условиям. Данный материал не токсичен, экологически безопасен, не имеет запаха, внешне и на ощупь сходен с обычной хлопковой ватой. Его используют в качестве сырья для производства листовых композиционных материалов типа бумаг и картонов технического назначения.
О применении стекловолокнистых объемных материалов в качестве средства для очистки водных средств от растворимых загрязнений какие-либо сведения отсутствуют.
Нами впервые установлена способность объемного материала из стеклянных волокон поглощать растворенные в воде органические и минеральные вещества и на этой основе предлагается использовать его в качестве средства для очистки воды.
Для проведения очистки воды по предлагаемому способу объемный материал из стеклянных волокон укладывают на воронку и через его слой пропускают очищаемую воду, наливая ее так, чтобы вода полностью закрывала слой стекловолокон; при этом воду из воронки отбирают как в режиме свободного истечения, так и в замедленном режиме, установив на выходе из воронки регулирующий кран. (В последнем случае эффективность очистки повышается, см. пример 2).
2
На эффективность очистки влияют также объем пропущенной воды на единицу массы стекловолокна (л/г - см. пример 1) и поверхностная плотность слоя материала, уложенного на воронке (г/см - см. пример 3). Искусственное уплотнение объемного материла резко снижает эффективность очистки (пример 5). Поэтому уплотнять материал при укладке на воронку не следует.
Предлагаемые материал и способ очистки возможно также использовать и для доочистки водопроводной воды (см. пример 6).
Как видно из приведенного примера 1, удельный расход материала для очистки 1 литра воды составляет от 0.8 до 1.3 г.при существующем уровне цен на стеклянные волокна, производимые ООО «Новгородский завод стекловолокна», стоимость очистки 1 литра воды составит 0,5…2,6 руб., что значительно ниже, чем цены на бутилированную питьевую воду составляющую около 15 руб.
Для обеспечения широкого использования изобретения в дальнейшем возможен выпуск своеобразных «картриджей» - точно отмеренных и соответствующим образом сформированных навесок стекловолокон, помещенных в полиэтиленовые пакеты. Далее достаточно извлечь «картридж», уложить его на воронку (многократного использования) и пропускать через него определенный объем воды. По завершении процесса «картридж» выбрасывают.
ПРИМЕРЫ
3
3
ПРИМЕР 1. В качестве средства для очистки воды использовали объемный материал из стеклянных волокон диаметром 250 нм, выпускаемый OCX) «Новгородский завод стекловолокна» (объемная плотность образца 12 кг/м). Навеску материала в количестве 4 г равномерно распределяли на воронке Бюхнера диаметром 80 мм и через его слой пропускали определенный объем воды, взятой из реки Северная Двина, в режиме свободного истечения. Поверхностная плотность укладки материала на воронке составляла 0,08 г/см, скорость протока воды в, опытах - 19,5 мл/г·мин.
Было проведено 5 опытов, расход воды в которых составлял от] до 5 литров. Результаты опытов представлены в таблице 1, из которой видно, что во всех вариантах очищенная вода по всем исследованным показателям удовлетворяет требованиям СанПиНом 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников». При этом минимальный расход сорбента составляет 0,8 г/л.
Таблица 1
Результаты опытов, пример 1
Объемочищенной воды, л
Показатели загрязнения воды
Перманганатная окисляемость, мг·О<sub>2</sub>/л
Содержание алюминия, мг/дм<sup>3</sup>
Общая жесткость, мл·экв/л
Цветность, град
Показатель рН
1
4,8
0,055
1,7
19
6,5
2
4,8
0,057
1,6
21
7,0
3
5,6
0,061
1,9
24
6,5
4
5,7
0,058
1,9
26
7,0
5
5,7
0,060
1,9
26
6,9
Исходная вода
17,6
0,400
3,1
52
5,8
Нормы по СанПиН 2.1.4.1175-02
в пределах 5-7
не более 0,500
7-10
30
6,0-9,0
ПРИМЕР 2. Две навески по 4 г. объемного материала из стекловолокон диаметром 250 нм поместили на две воронки Бюхнера диаметром 80 мм и через каждую пропускали по 3 л воды, взятой из реки Северная Двина, при этом в первом опыте воду пропускали в режиме свободного истечения (скорость протока составила 20,5 мл/г·мин), а во втором воду пропускали с замедленным отбором (скорость протока - 4,5 мл/г·мин).
Из результатов представленных в таблице 2, видно, что это при искусственном замедлении скорости протока воды через объемный материал достигается более высокий эффект очистки по всем показателям.
Таблица 2
Результаты опытов, пример 2
Скоростьпротока воды, мл/г·мин
Показатели загрязнения воды
Перманганатная окисляемоесть, мг·O<sub>2</sub>/л
Содержание алюминия, мг/дм<sup>3</sup>
Общая жесткость, мл·экв/л
Цветность, град
Показатель рН
20,5
5,7
0,081
2,3
26
6,2
4,5
4,8
0,057
1,6
20
7,0
Исходная вода
19,6
0,400
3,0
54
6,0
ПРИМЕР 3. Три навески объемного материала, взятого в условиях примера 1 массой по 4 г., поместили на 3 воронки разного диаметра так, что при одинаковой объемной плотности поверхностная плотность (в г/см") оказалась различной. Через каждую воронку пропускали по 1 литру воды, взятой из реки Северная Двина, при скорости протока 18-20 мл/ гмин. Результаты опытов представлены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты опытов, пример 3
Поверхностная плотность материала, г/см<sup>2</sup>
Показатели загрязнения воды
Перманганатная окисляемость. мг·O<sub>2</sub>/л
Содержание алюминия, мг/дм<sup>3</sup>
Общая жесткость, мл·экв/л
Содержание соединений хлора, *мл/л
Показатель рН
0,05
6,3
0,061
1,8
148
6,5
0,08
5,7
0,057
1,7
120
6,6
0,12
4,9
0,055
1,6
115
6,6
Исходная вода
19,6
0,318
3,2
360
6,0
*) - допустимое содержание хлоридов по СанПиН 2.1.4.1 1 75-02 не более 350 мл/л
С увеличением поверхностной плотности укладки материала на воронке возрастает эффективность очистки воды по показателям перманганатная окисляемость, который в данном примере (как и в предыдущих) является основным, критериальным показателем качества очистки воды, поскольку все остальные показатели очищенной воды намного ниже предельно допустимых (по СанПиН 2.1.4.1 1 75-02) уровней.
3
ПРИМЕР 4. Четыре образца объемного материала из стеклянных волокон, отличающихся по диаметру волокон - 100, 180, 250 и 400 нм - и имеющих примерно одинаковую объемную плотность - 10, 11, 12,5 и 15 кг/м соответственно - поместили на 4 одинаковых воронки Бюхнера диаметром 80 мм (масса образца на каждой воронке 4 г). Через каждую воронку пропустили по 1 л воды, взятой из реки Северная Двина, в режиме свободного истечения.
Результаты испытаний (табл.4) показывают, что все образцы обеспечивают достаточно эффективную очистку воды.
Таблица 4
Результаты опытов, пример 4
Диаметр стекловолокон, нм
Показатели загрязнения воды
Перманганатная окисляемость, мгO<sub>2</sub>/л
Содержание алюминия, мг/дм<sup>3</sup>
Общая жесткость, мл·экв/л
Содержание соединений хлора, мл/л
Показатель рН
100
4,9
0,05
1,6
150
6,6
180
5,0
0,05
1,7
160
6,6
250
5,2
0,06
1,8
160
6,5
400
5,8
0,09
2,1
180
6,4
Исходная вода
25
0,490
4,0
300
5,8
3
3
3
2
2
ПРИМЕР 5. Были проведены 4 опыта, в которых брали по 4 г материала из стекловолокон диаметром 250 им с объемной плотностью 12 кг/м; в первом опыте навеску укладывали без предварительного уплотнения, а в последующих опытах - уплотняли до 17, 26 и 102 кг/м. В каждом опыте через воронку пропускали по 1 л воды из реки Северная Двина, и на выходе контролировали показатель «перманганатная окисляемость», численные значения которого составили при плотностях 12, 17, 26 и 102 кг/м соответственно 5,2; 5,7; 7,2 и 17,4 мг·O/л при начальной загрязненности воды 19,6 мг·O/л.
ПРИМЕР 6.Испытывали эффективность использования
3
2
2
2
стекловолокна для доочистки водопроводной воды. Брали воду из водопроводной сети в одном из окраинных районов г.Архангельска. Условия опыта: материал - из стекловолокон диаметром 250 нм, объемная плотность 12 кг/м, поверхностная плотность 0,08 г/см, скорость тока воды 21,8 мл/г·мин, расход воды 1 л/г. «Перманганатная окисляемость» пропущенной через объемный материал воды составила 6,4 мг·O/л, по сравнению с 7,2 мг.O/л отобранной водопроводной воды, что свидетельствует об эффективности использования объемного материала из стеклянных волокон для доочистки водопроводной воды низкого качества.