Устройство для очистки питьевой воды от радикальных и ион- радикальных частиц и ее кондиционирования

 

Устройство предназначено для очистки питьевой воды и водных растворов от радикальных и ион-радикальных частиц и ее кондиционирования. Оно представляет собой фильтр, содержащий корпус, верхнюю и нижнюю крышки, подающий и отводящий патрубки и расположенные последовательно по току воды в корпусе водорассекающий слой, выполненный из волокнистого полимерного материала или силикатного песка, активный слой, выполненный из материала, содержащего не менее 5% по весу графены, и/или фуллерены, и/или углеродные нанотрубки, и наполнитель (силикатные породы, алюмосиликаты, кремнезем), а также нейтрализующий (кондиционирующий) слой, выполненный из стерилизованных карбонатных пород, преимущественно доломита. Устройство может содержать дополнительный слой, выполненный из волокнистого полимерного или углеродного материала, расположенный между активным и нейтрализующим слоями и/или после нейтрализующего слоя. Кроме того, активный слой может быть выполнен из предварительно измельченного и стерилизованного природного графен-содержащего минерала шунгита. Устройство обеспечивает получение воды, очищенной от вредных примесей, патогенных микроорганизмов и радикальных и ион-радикальных частиц. 2 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для улучшения потребительских качеств воды, которая поступает из городского водопровода, накопительных емкостей или природных источников, путем ее очистки и кондиционирования.

Предлагаемое устройство предназначено для различных отраслей народного хозяйства, но может найти наибольшее распространение при индивидуальном применении, для поддержания здоровья человека и улучшения его экологической среды существования.

В последние годы, по мере накопления статистических данных, было доказано, что бактерицидная обработка воды галогенами (фтором, хлором или их соединениями) вызывает существенное повышение риска возникновения различного вида онкологических заболеваний (Hildesheim М. Е. & all. Drinking water source and chlorination byproducts. Risk of colon and rectal cancers. Epidemiology, 1998, v. 9, p. 29-35), [1] дефектов рождения (Magnus P. & all, Water chlorination and birth defects. Epidemiology, 1999, v. 10, pp. 513-7) [2] и кардиологических заболеваний (Rewis N. W. & all. Relationship of drinking water disinfectants to plasma cholesterol and tyroid hormone levels in experimental studies. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1986, v. 83(5), p. l485-9) [3] . Однако в случае прекращения бактерицидной обработки, особенно в крупных городах, возникает огромная опасность появления эпидемиологических заболеваний.

Основной причиной появления опухолевых заболеваний при употреблении хлорированной воды можно считать образование в ней долгоживущих радикальных и ион-радикальных частиц органического происхождения при взаимодействии галогена и органических остатков, поступающих из природных источников и водоемов. В последнее десятилетие появились экспериментальные подтверждения возникновения долгоживущих макрорадикалов белковой и пептидной природы в водных растворах, обработанных хлорсодержащими окислителями (Dean R. T. & all. Biochemistry and pathology of radical - mediated protein oxidation. Biochem. J. , 1997, v. 324, p. 1-18) [4] .

В существующих ГОСТ на питьевую и водопроводную воду определение подобного показателя не предусмотрено, например ГОСТ Р 51232-98 "Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества" [5] .

Известно устройство для очистки питьевой воды (патент RU 2078046, C 02 F 1/18, 1997) [6] , которое содержит многослойную фильтрующую загрузку, включающую слой волокнистого полимерного материала, слой смеси анионита и катионита, слой йодсодержащего материала, слой волокнистого амфотерного материала, слой сильноосновного анионита и слой смеси активированного волокнистого угля и анионита.

Основным недостатком такого устройства является то, что он имеет ограниченную сорбционную емкость и при ее превышении теряет фильтрующие свойства.

Наиболее близким аналогом к изобретению является устройство для очистки и кондиционировании питьевой воды (патент RU 2056358, C 02 F 1/18, 1997) [7] со слоем загрузки из природного минерала шунгита и последующим слоем из карбонатсодержащей породы.

Основным недостатком этого устройства является то, что карбонатные породы, используемые в фильтре, являются источником микробиологического загрязнения фильтруемой воды, которая после непродолжительного настаивания приобретает болотный вкус и запах.

Задача, на которую направлено изобретение - устранение микробиологического загрязнения воды.

Техническим результатом изобретения является получение воды, изначально очищенной от вредных примесей, патогенных микроорганизмов и, самое главное, радикальных и ион-радикальных частиц.

Вышеназванный технический результат достигается за счет того, что устройство для очистки питьевой воды от радикальных и ион-радикальных частиц и ее кондиционирования, содержащее корпус, верхнюю и нижнюю крышки с подающим и отводящим патрубками и расположенные последовательно по току воды в корпусе активный и нейтрализующий слои, содержит дополнительно водорассекающий слой, расположенный первым по току воды и выполненный из волокнистого полимерного материала или силикатного песка, активный слой выполнен из материала, содержащего не менее 5% по весу фуллерены, и/или графены, и/или углеродные нанотрубки и наполнителя, выбранного из ряда: силикатные породы, алюмосиликаты, кремнезем, а нейтрализующий слой выполнен из стерилизованных карбонатных пород.

Устройство может содержать дополнительные слои между активным и нейтрализующим слоями и/или после нейтрализующего слоя, выполненные из волокнистого полимерного или углеродного материала или песка.

Искомый технический результат может быть также достигнут, если активный и нейтрализующий слои будут расположены в отдельных, соединенных последовательно между собой корпусах, выполненных, например, из керамики или нержавеющей стали.

Известные технические решения не позволяют в полной мере достигать поставленный технический результат.

В отличие от известных решений предлагаемое позволяет достигнуть поставленный технический результат за счет того, что активный слой устройства выполнен из материала, содержащего графены, фуллерены и углеродные нанотрубки (см. Endo M. , Takeuchi К. & all. Staking nature of grahpene layers in carbon nanotubes and nanofibers. J. of Phys. & Chem. Solids, 1997, v. 58, pp. 1707-12 [8] ), который очищает воду по каталитическому принципу и дезактивирует свободные радикалы.

В качестве материала, содержащего графены, фуллерены и углеродные нанотрубки, могут быть использованы как искусственно приготовленные смеси, смешанные с наполнителем, так и предварительно стерелизованные и измельченные природные минералы или породы, содержащие указанные вещества в своем составе, например карельский шунгит.

В качестве нейтрализующего и очищающего слоя могут быть использованы любые измельченные карбонатные породы. Необходимое условие - тщательная стерилизация подготовленных к использованию пород.

Устройство работает следующим образом.

С помощью переходника устройство присоединяют к водопроводному крану и включают воду. Очищаемая вода по патрубку через нижнюю крышку входит в корпус устройства и распределяется с помощью волокнистого полимерного материала или песка, где одновременно освобождается от макрочастиц.

После этого вода поступает на активный слой, где удаляются радикальные, ион-радикальные и коллоидные частицы, частицы высокодисперсных взвесей железа, в частности окисного, и временно понижается pH раствора до величины 4-5,5.

Предполагаемый механизм освобождения воды от макрорадикалов органической природы заключается в том, что фуллерены, и/или графены, и/или углеродные нанотрубки активируют молекулярный кислород, находящийся в воде, который, во-первых, выступает в качестве перехватчика частиц радикальной и ион-радикальной природы, а во вторых, способствует их окислению до более низкомолекулярных продуктов.

После прохождения активного слоя фильтруемая вода поступает на нейтрализующий и очищающий слой. В этом слое при взаимодействии подкисленной воды с карбонатной породой временно сниженный pH раствора нейтрализуется до величины 7,4, в воду переходят катионы в основном второй группы периодической системы кальция, магния, а также карбонатные анионы, которые при взаимодействии с водой превращаются в гидрокарбонатные. Следует отметить, что на границах контакта карбонатных частиц возможно образование золей и гелей, улавливающих тяжелые металлы.

Полученная в результате очистки вода относится к гидрокарбонатным водам и оптимальна по солевому составу для обеспечения жизнедеятельности человека.

После прохождения нейтрализующего слоя очищенная вода по патрубку, расположенному на верхней крышке, поступает к потребителю.

Подобное размещение слоев многослойной сорбционной загрузки позволяет производить глубокую высокоэффективную очистку воды как от механических примесей, так и радикальных и ион-радикальных частиц. Конструкционная особенность устройства, динамическое образование дополнительного фильтрующего слоя, позволяет долгое время обеспечивать эффективную очистку воды и водных растворов.

Таким образом, настоящей заявкой предлагается устройство для очистки питьевой воды от радикальных и ион-радикальных частиц и ее кондиционирования, разработанное и опробованное на основании результатов инициативных работ сотрудников ряда естественных факультетов МГУ им. М. В. Ломоносова и лечебных учреждений г. Москвы. Результаты этих работ свидетельствуют о возможности создания устройства, позволяющего значительно снизить концентрацию радикальных и ион-радикальных частиц в потребляемой человеком питьевой воде (в том числе и водопроводной). Опытные образцы устройства для очистки питьевой воды от радикальных и ион-радикальных частиц и ее кондиционирования успешно круглосуточно работают в течение более чем 6 месяцев без потери эффективности очистки.

Например, как следует из представленных ниже данных (таблица), исследования Московской водопроводной воды методом хемолюминисценции с добавлением люминола (Владимиров Ю. А. , Потапенко А. Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов, М. : Высшая Школа, 1989, 199 стр. ), отражающим общую активность свободно-радикальных частиц в исследуемом растворе, показало, что при использовании предлагаемого устройства для очистки питьевой воды люминол-зависимая хемолюминесценция воды на выходе полностью исчезает, вне зависимости от ее интенсивности в воде на входе.

Для регистрации хемилюминесценции проб воды использовали сцинтилляционный спектрограф Mark II (Nuclear Chicago, США), оснащенный ФЭУ EMI 9750QB/1 с максимальной фоточувствительностью в сине-зеленой области спектра, работающий в режиме счета одиночных фотонов. Воду в объеме 20 мл наливали в стандартные флаконы для сцинтилляционного счета, изготовленные из боросиликатного стекла. Флакон с водой помещали в счетную камеру и после регистрации уровня "собственного" излучения воды в нее вносили 0,1 мл запасного раствора люминола до конечной концентрации 25 мкМ. Излучение регистрировали в течение 6 мин. В качестве контроля с минимальным уровнем излучения и полным отсутствием реакции на внесение люминола использовали бидистиллированую воду - особо чистую воду, практически не содержащую посторонних неорганических и органических примесей, которая предназначена для использования сугубо в научных целях.

Как следует из представленных в таблице данных, наилучшие результаты по очистке воды от радикальных и ион-радикальных частиц получены при пропускании воды через предлагаемое устройство, хотя и фильтр-прототип очищает воду существенно лучше, чем фильтры, наполнителем которых является активированный уголь. Из полученных данных следует, что очистка воды определяется углеродными микрокластерами, однако стерилизация материалов позволяет еще в большей степени повысить степень очистки воды. Кроме того, сравнение эффективности очистки воды фильтром-прототипом и предлагаемым устройством после их использования более 6 месяцев показало заметное ухудшение чистящих свойств прототипа (степень превышения излучения над излучением бидистиллированной воды возросла до 30-40) и неизменность эффективности очистки воды на предлагаемом устройстве за счет постепенного увеличения содержания микроорганизмов в слое нестерилизованного доломита фильтра-прототипа.

Поскольку предлагаемая конструкция фильтра предназначена, в основном, для использования в бытовых целях, то существуют некоторые ограничения на использование материалов, из которых изготавливаются корпус и крышки с патрубками. Основное требование - материалы должны быть разрешены к применению в пищевом производстве. С этой точки зрения наиболее предпочтительными материалами для изготовления корпуса фильтра являются керамика и пищевая сталь. Применение стекла или другого прозрачного материала для изготовления корпуса фильтра - нежелательно, т. к. прозрачное стекло пропускает солнечные лучи и в процессе эксплуатации фильтра на свету, в водной среде, возможно начало роста сине-зеленых водорослей.

Формула изобретения

1. Устройство для очистки питьевой воды от радикальных и ион-радикальных частиц и ее кондиционирования, содержащее корпус, верхнюю и нижнюю крышки с подающим и отводящим патрубками и расположенные последовательно по току воды в корпусе, активный и нейтрализующий слои, отличающееся тем, что оно содержит дополнительно водорассекающий слой, расположенный первым по току воды и выполненный из волокнистого полимерного материала или силикатного песка, активный слой выполнен из материала, содержащего не менее 5% по весу фуллерены и/или графены и/или углеродные нанотрубки, и наполнителя, выбранного из ряда: силикатные породы, алюмосиликаты, кремнезем, а нейтрализующий слой выполнен из стерилизованных карбонатных пород.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит дополнительные слои между активным и нейтрализующим слоями и/или после нейтрализующего слоя, выполненные из волокнистого полимерного или углеродного материала, или песка.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что активный и нейтрализующий слои расположены в отдельных, соединенных последовательно между собой корпусах.

РИСУНКИ

Рисунок 1