СПОСОБ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
METHOD OF PURIFYING DRINKING WATER

Изобретение относится к области водоочистки и может быть использовано для получения питьевой воды высшего качества с улучшенными физико-химическими и органолептическими свойствами, в том числе пригодной для ее бутилирования, в бытовых условиях, в общественных учреждениях, в детских и медицинских учреждениях, в полевом водоснабжении.
Известен способ очистки питьевой воды, включающий предварительную очистку, сорбционную очистку и финишную очистку с помощью микрофильтрации. Для предварительной очистки используют пористые фильтровальные материалы, обладающие способностью задерживать и обезвреживать бактерии. Для сорбционной очистки используют расположенные последовательно по ходу движения потока слои катионита в Н-форме и активного угля различной пористости в бактерицидной форме. Для финишной очистки используют микрофильтрационные перегородки из прессованных волокон активного угля (патент ЕР №0253132 на изобретение «Тар water filter», МПК C02F 1/42, опубл. 20.01.1988 г.). Данный способ обеспечивает комплексную очистку воды от различных примесей, в том числе ионов токсичных металлов, микровзвесей, органических и хлорорганических загрязнителей. Недостатком известного способа является ограниченность его применения, т.к. он способен непродолжительное время лишь улучшать органолептические показатели воды.
Известны способы электрохимической очистки воды, обладающие наиболее широким спектром удаляемых из воды загрязнений и обеспечивающие возможность корректировки кислотности, солевого состава воды, удаление бакофлоры.
+
6
Известен способ очистки воды, включающий ее электролиз и сорбцию, при этом процесс электролиза проводят при напряжении 16-18 В и токе 150МА-2А, в качестве сорбентов применяют активированный уголь СГН-30А и сильнокислотный катионит в H-форме, воду пропускают последовательно вначале через катионит, а затем через активированный уголь и объемное соотношение активированного угля и катионита выдерживают равным 1:(0,04-0,06). (Патент РФ №2129529 на изобретение «СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ», МПК  C02F 1/46, C02F 1/28, C02F 9/00, опубл. 27.04.1999). В процессе электролиза анод (изготовленный из алюминия марки А-6) растворяется, в раствор переходят ионы алюминия, образующие в воде гидроксид алюминия. Гель Al(OH)з, на который в процессе электрокоагуляции сорбируются положительно заряженные ионы, выступает в роли коллектора загрязнений. На катоде, выполненном из меди, при этом восстанавливаются присутствующие в воде анионы, например, роданиды, бихроматы, катионы меди и, если они попадают в питьевую воду, катионы ртути и некоторые органические соединения, например фенолы, которые относятся к наиболее токсичным загрязнителям. В зависимости от загрязнителей, после электролизера в очищаемой воде остается от 35 до 65% примесей, полностью разлагается остаточный хлор, в 5-6 раз снижается содержание железа. Последовательная сорбция на сульфокатионите и активированном угле удаляет из воды остатки загрязнений тяжелыми металлами, анионами, органическими веществами и смягчает воду. К недостаткам способа следует отнести неэффективность очистки по тяжелым металлам, а также по хлорорганике и анионам. Очистка, основанная на эффекте электрокоагуляции, ведет к быстрому расходованию материала электродов, пассивации и возникновению перенапряжения на их поверхности, что, безусловно, сказывается на качестве очистки. При электрокоагуляции (особенно при силе тока 2А) с использованием алюминиевых и медных электродов всегда есть возможность попадания этих металлов в очищенную воду.
Известен способ непрерывной очистки воды в трехкамерном диафрагменном электролизере, в соответствии с которым очищаемая вода под давлением подается в катодную камеру, из которой вместе с выделившимся при электролизе газообразным водородом проходит в среднюю камеру через диафрагму, освобождаясь от образовавшихся труднорастворимых соединений, и затем большей своей частью из средней камеры направляется потребителю, меньшей регулируемой проникает через диафрагму в анодную камеру и выводится из нее в дренаж, а электродные газы удаляются в атмосферу из средней и анодной камер (заявка РФ №2005125126 на изобретение «ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ "НИКА" ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ», МПК C02F 1/00, опубл. 20.02.2007 г). Недостатком указанного способа является выделение значительных количеств взрывоопасных газов (смесь водорода и кислорода, выделяющаяся при заданных параметрах электролиза), что исключает использование этого способа в быту. Кроме того, удаление из анодной камеры части воды (аналита - раствора кислых солей щелочных металлов) в дренаж обедняет естественный солевой состав исходной воды, сдвигая ее рН в щелочной диапазон, при этом возможно превышение норм рН по СанПиН.
Известен наиболее близкий к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранный в качестве прототипа способ очистки питьевой воды.
6
Известный способ очистки питьевой воды включает механическую, ионообменную, сорбционную очистку и электролиз в диафрагменном электролизере, при этом потоки, выходящие из катодной и анодной камер диафрагменного электролизера, подвергают обработке в блоках ионообменной очистки (заявка RU №94024593 на изобретение «Способ получения особо чистой воды и устройство для его реализации», опубл. 27.04.1996, МПК  C02F 9/00). Недостатком известного способа является низкая скорость очистки и отсутствие возможности регулирования солевого состава очищенной воды.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества очистки воды.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в повышении степени и скорости очистки воды, обеспечении возможности регулирования кислотно-основных свойств (рН) и солевого состава очищенной воды и увеличении ресурса работы сорбентов за счет оптимизации схемы организации водоочистки.
Указанный технический результат достигается тем, что способ очистки питьевой воды включает механическую, ионообменную, сорбционную очистку и электролиз в диафрагменном электролизере. Потоки, выходящие из катодной и анодной камер диафрагменного электролизера, подвергают обработке в блоках ионообменной очистки. Поток, выходящий из анодной камеры электролизера, подвергают обработке на анионообменном сорбенте, а поток, выходящий из катодной камеры электролизера, подвергают обработке на катионообменном сорбенте, при этом на выходе из анодной камеры поддерживают значение рН воды 2,5-6,0, а на выходе из катодной камеры 7,5-11,0.
Предпочтительно, чтобы водные потоки после раздельной обработки в блоках ионообменной очистки объединяли и подвергали дополнительной сорбционной и механической очистке.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что во всех случаях выполнения оно отличается от известного, наиболее близкого технического решения тем, что:
- поток, выходящий из анодной камеры электролизера, подвергают обработке на анионообменном сорбенте;
- поток, выходящий из катодной камеры электролизера, подвергают обработке на катионообменном сорбенте;
- на выходе из анодной камеры поддерживают значение рН воды 2,5-6,0,
- на выходе из катодной камеры поддерживают значение рН воды 7,5-11,0.
В предпочтительных случаях выполнения заявляемое изобретение отличается от известного указанного выше, наиболее близкого к нему:
- наличием дополнительной сорбционной и механической очистки водных потоков, объединенных после раздельной обработки в блоках ионообменной очистки.
Как показывали проведенные лабораторные исследования, именно приведенная схема организации водоочистки при указанных интервалах изменения рН является оптимальной, поскольку обеспечивает повышение скорости очистки воды, позволяя регулировать солевой состав очищенной воды, и увеличивает ресурс работы сорбентов, повышает степень очистки воды и обеспечивает удаление органических (в т.ч. хлорорганических) загрязнителей, которые сорбируются на ионоактивных сорбентах. Изменение рН водного раствора сильно увеличивает обменную емкость ионитов, что в свою очередь повышает скорость очистки воды, позволяет регулировать солевой состав очищенной воды и увеличивает ресурс работы сорбентов. Эффект сильного увеличения обменной емкости ионитов при изменении рН в водно-солевых растворах (даже на 1-2 единицы) известен (Кокотов Ю.А. «Иониты и ионный обмен», Л.: Химия, 1980, 152 с.) и используется для разделения трансурановых и выделения редкоземельных элементов и т.п., но для задач очистки питьевой воды он не использован, что позволяет заявлять у предложенного способа наличие изобретательского уровня.
Предлагаемый способ исключает подачу кислого аналита на вход системы, что позволяет повысить надежность установок, применяемых для осуществления предлагаемого способа, и увеличить срок их службы.
Поддержание рН потока, выходящего из катодной камеры, в интервале 7,5-11,0, а рН потока, выходящего из анодной камеры, в интервале 2,5-6,0 является предпочтительным, поскольку превышение этих значений приводит к повышенной коррозионной активности потоков.
Предлагаемый способ очистки воды осуществляется следующим образом.
Вода поступает на питание в фильтр механический очистки и далее через предварительную сорбционную ступень в диафрагменный электролизер, на выходе из которого формируются два потока. На выходе из анодной камеры - анолит с рН 2,5-6, а из катодной камеры- католит с рН 7,5-11,0 в зависимости от рН исходной воды. Далее эти потоки подвергаются раздельной очистке на анионо и катионообменных сорбентах соответственно. Затем очищенные потоки объединяются в смесителе, подаются на фильтр доочистки, затем в фильтр механический очистки и далее потребителю.
В качестве катионообменных материалов могут быть использованы катионообменные смолы (в виде гранулированного или волокнистого исполнения), неорганические алюмосиликаты (например, цеолиты, шунгиты), специально обработанные угли (например, сульфоуголь) и т.п.
В качестве анионообменных материалов могут быть использованы анионообменные смолы (в виде гранулированного или волокнистого исполнения); неорганические минералы, содержащие карбонаты, оксиды и гидроксиды кальция, магния, натрия (например, доломит, кальцит, мрамор, магнезит, натрокальцит), и т.п.
Вода, очищенная этим способом, не только удовлетворяет всем требованиям ГОСТ 2878-82 "Вода питьевая", но и по ряду параметров на порядок превосходит эти требования. Полученную воду можно подвергать бутилированию, т.к. она практически не содержит бактериальную микрофлору и поэтому может подвергаться длительному (3 и более месяцев) хранению без специальных консервантов.
Преимуществом данного способа является его универсальность, благодаря чему он может быть использован при очистке самых различных вод.
Преимущество способа в различных режимах иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1 (прототип).
В устройство для получения питьевой воды подавали очищаемую водопроводную воду с известным содержанием примесей (таблица 1). Воду пропускали через камеры сорбции, заполненные катионно-обменной смолой КУ-2 и цеолитом, и электродную камеру. Объемы загрузок сорбентов по 0,7 литра. Скорость подачи воды на очистку 30 л/ч.
На эжекторный насос подавали 30% от общего потока воды. Анализы воды отбирали после промывки системы (1000 литров), в объеме 2 литра. Результаты анализов представлены в таблице.
Пример 2 (заявляемый способ).
Очищаемую водопроводную воду пропускали через диафрагменный электролизер, подавая напряжение 20 вольт, а затем кислый и щелочной поток подавался на раздельную очистку. Щелочной поток с рН=8,5 на фильтр с сульфскатиснитом КУ-2, а кислый с рН=3,5 на фильтр, заполненный минералом доломит. Далее оба потока соединялись и подавались на фильтр, заполненный активированным углем. Объемы всех загрузок - по 0,7 литра. Скорость подачи воды на очистку 30 л/ч. Воду собирали и анализировали после промывки 1000 л. Результаты анализов представлены в таблице.
Пример 3 (заявляемый способ).
Очищаемую водопроводную воду пропускали через диафрагменный электролизер, подавая напряжение 35 вольт, а затем кислый и щелочной поток подавался на раздельную очистку. Щелочной поток с рН=10,6 на фильтр с сульфскатиснитом КУ-2, а кислый с рН=2,9 на фильтр, заполненный минералом доломит. Далее оба потока соединяются и подаются на фильтр, заполненный активированным углем. Объемы всех загрузок - по 0,7 литра. Скорость подачи воды на очистку 30 л/ч. Воду собирали и анализировали после промывки 1000 л. Результаты анализов представлены в таблице.
Результаты очистки воды при помощи прототипа и предлагаемого способа
Прим. №
рн
Конц. железа Мг./л
Конц. свинца Мг./л
Конц. алюминия Мг./л
Конц. кальция Мг./л*
Конц. магния Мг./л*
Конц. цинка Мг./л
Конц. меди Мг./л
Конц. фенолов Мг./л
Конц. хлора Мг./л
Конц. 4-хлоруглерод Мг./л
Исход. вода
6,6
0,25
0,003
0,1
13,0
4,0
0,08
0,02
0,01
1,2
0,008
1. Прототип
6,7
0,12
0,002
0,08
15,0
3,5
0,05
0,01
0,01
1,0
0,008
2. Предл. способ
7,2
0,02
0,001
0,01
22,0
12,2
0,02
0,005
0,0005
0,1
0,0001
3. Предл. способ
7,5
0,025
0,001
0,008
28,0
16,4
0,018
0,005
0,0006
0,15
0,0001
* Физиологическая полноценность воды, согласно СанПин 2.1.4.1116-02: по кальцию 25-80, по магнию 5-50 мг/л