Способ гетерогенно-каталитического обеззараживания воды пероксидом водорода

Изобретение относится к методам обработки воды и может быть использовано для обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения. В способе обеззараживания воды пероксид водорода вводят в воду однократно и выдерживают в течение 0,1-0,2 часа. Далее воду пропускают через слой гранулированного или таблетированного катализатора, загруженного в реактор, таким образом, чтобы время контактирования воды и слоя катализатора составляло 0,5-1 час. Катализатор получают смешением растертого в порошок пиролюзита с соединением меди, выбранным из группы: медный купорос CuSO₄·5H₂O, нитрат меди Cu(NO₃)₂, хлорид меди CuCl₂, гидроксид меди Cu(OH)₂, оксид меди (II), при соотношении пиролюзита и соединения меди в пересчете на ионы Cu²⁺, соответственно равном (100-150):1, смачиванием полученной порошкообразной смеси дистиллированной водой до получения пасты, ее таблетированием или гранулированием и подсушиванием гранул или таблеток при температуре 105-150°С. Изобретение обеспечивает упрощение процесса обеззараживания воды, снижение материальных затрат на приготовление катализатора, а также предотвращение вторичного бактериального заражения воды в течение длительного времени. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к методам обработки воды пероксидом водорода в присутствии гетерогенного катализатора, содержащего соединения марганца и меди. Оно может быть использовано для обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения населенных пунктов, а также предприятий пищевой индустрии.

Как известно, для обеззараживания сточных вод, содержащих органические пероксиды, используют гетерогенный катализатор - пиролюзит (RU 2048454, С 02 F 1/467, 1995). Этот метод малопригоден для обеззараживания питьевой воды, так как для катализатора необходим дорогостоящий компонент - палладий.

Известен способ обеззараживания воды, заключающийся в совместном действии пероксида водорода и 0,05-1,0 мг/л ионов меди. При этом медь не только усиливает бактерицидные свойства пероксида водорода, но и является катализатором его разложения (Савлук И.П. и др. Антимикробные свойства меди // Химия и технология воды, 1986, т.8, №6, с.65-67). Однако эффективность этого метода недостаточно высока.

Наиболее близким аналогом предложенного изобретения по назначению, совокупности существенных признаков и достигаемому результату является известный из патента RU 2213707, опубликованный 10.10.2003 г., способ обеззараживания воды, по которому в емкость с исходной водой добавляют часть используемого в процессе пероксида водорода и выдерживают, затем в воду вводят гетерогенный катализатор, выдерживают, добавляют оставшуюся часть пероксида водорода и вновь выдерживают. Катализатор получают смешением растертого в порошок пиролюзита с частицами мелко раздробленного металлического серебра при массовом соотношении пиролюзит : серебро, равном (800-1500):1, последующим добавлением к смеси воды, подсушиванием полученной пасты и формованием на прессе в виде таблеток. Этот способ, хотя и эффективен в бактерицидном отношении, отличается сложностью технологической схемы, а также необходимостью применения дорогостоящего и дефицитного серебра.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являлось упрощение процесса обеззараживания воды, снижение материальных затрат на приготовление катализатора, а также предотвращение вторичного бактериального заражения воды в течение длительного времени (не менее месяца).

Поставленная задача решается тем, что способ обеззараживания воды, включающий ее обработку пероксидом и гетерогенным катализатором на основе пиролюзита, отличается от наиболее близкого аналога тем, что пероксид водорода вводят в воду однократно, выдерживают в течение 0,1-0,2 часа и пропускают через слой гранулированного или таблетированного катализатора, загруженного в реактор, таким образом, чтобы время контактирования воды и слоя катализатора составляло 0,5-1 час, при этом указанный катализатор получают смешением растертого в порошок пиролюзита с соединением меди, выбранным из группы: медный купорос CuSO₄·5H₂O, нитрат меди Cu(NO₃)₂, хлорид меди CuCl₂, гидроксид меди Cu(ОН)₂, оксид меди (II), при соотношении пиролюзита и соединения меди в пересчете на ионы Cu²⁺ соответственно равном (100-150):1, смачиванием полученной порошкообразной смеси дистиллированной водой до получения пасты, ее таблетированием или гранулированием и подсушиванием гранул или таблеток при температуре 105-150°С.

Дополнительно способ может отличаться тем, что после обработки катализатором воду пропускают через механический фильтр.

Использование катализатора в виде таблеток или гранул снижает до минимума риск попадания его частиц в питьевую воду. Кроме того, их удобно хранить до использования в процессе обеззараживания. Для полного предотвращения возможности попадания частиц катализатора в воду используют механический фильтр (мелкую сетку), установленный на выходе из реактора.

Совместная обработка воды пероксидом водорода и предлагаемым гетерогенным катализатором более чем на порядок (по сравнению с применением только пероксида водорода или только катализатора) увеличивает глубину обеззараживания воды. Поскольку катализатор одновременно разлагает остатки пероксида водорода по реакции Н₂О₂→Н₂О+1/2O₂, вода быстро освобождается от пероксида.

Ниже приведены примеры осуществления предложенного способа.

Пример 1.

В воду с концентрацией микроорганизмов E.coli 1,5·10⁴ особей/л при температуре 19±1°С и рН 6,7 вводили пероксид водорода с концентрацией 300 мг/л. Далее воду объемом 100 л пропускали через реактор со слоем гетерогенного катализатора в течение 0,5 часа, на выходе из реактора устанавливали механический фильтр. Катализатор получали смешением растертого в порошок пиролюзита с порошком медного купороса CuSO₄·5H₂O в соотношении пиролюзит : купорос (в расчете на Cu²⁺), равном 150:1, соответственно. Полученную механическую смесь смачивали дистиллированной водой до состояния пасты, далее ее гранулировали, подсушивали при температуре 150°С и загружали в реактор в количестве 0,2 кг. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 2.

Опыты проводили аналогично примеру 1. Отличия состояли в том, что: 1) в качестве медьсодержащего компонента катализатора использовали нитрат меди Cu(NO₃)₂; 2) соотношение пиролюзит : нитрат меди (в пересчете на Cu²⁺) было равно 125:1; 3) сушку гранул проводили при температуре 105°С. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 3.

Опыты проводили аналогично примеру 1. Отличия состояли в том, что: 1) в качестве соединения меди в катализаторе использовали хлорид меди CuCl₂; 2) сушку гранул проводили при температуре 125°С. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 4.

Опыты проводили аналогично примеру 1. Отличия: 1) в качестве соединения меди использовали гидроксид меди Cu(ОН)₂; 2) соотношение пиролюзит : гидроксид меди (в пересчете на Cu²⁺) было равно 100:1; 3) сушку полученных таблеток проводили при температуре 105°С. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 5.

Опыты проводили аналогично примеру 4. Отличия состояли в том, что в качестве соединения меди использовали оксид меди (II) CuO. Результаты испытаний представлены в таблице.

Как следует из полученных данных (см. таблицу), предлагаемый способ практически не отличается по бактерицидной эффективности от известного способа. В обработанной воде были обнаружены ионы меди и марганца (входящего в состав пиролюзита) в количестве, меньшем, чем их ПДК. Частицы пиролюзита и соединений меди в воде обнаружены не были.

Исследования, выполненные для установления уровня бактериальной устойчивости обработанной известным и предлагаемым способами воды, показали, что во всех случаях вода сохраняет устойчивость к внешнему бактериальному загрязнению в течение длительного времени - не менее месяца.

Преимуществами предложенного способа являются: 1) отсутствие в катализаторе серебра (оно заменено на менее дефицитные и доступные по цене соединения меди); 2) более простая схема обеззараживания (в одну стадию); 3) более простая технология получения катализаторов; 4) обеспечивается длительная сохранность воды.

СПОСОБ ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ ПЕРОКСИДОМ ВОДОРОДА Таблица Результаты испытаний обеззараживания воды (исходное число микроорганизмов 1,5·104 особей/л)
Катализатор	Число микроорганизмов в воде особей/л
через сутки	через 5 суток	через 15 суток	через 30 суток
По примеру 1	не обнар.	не обнар.	1	5
По примеру 2	не обнар.	1	2	4
По примеру 3	2	3	3	6
По примеру 4	1	3	4	8
По примеру 5	3	2	6	6
Известный из RU 2213707	не обнар.	2	4	10

1. Способ обеззараживания воды, включающий ее обработку пероксидом и гетерогенным катализатором на основе пиролюзита, отличающийся тем, что пероксид водорода вводят в воду однократно, выдерживают в течение 0,1-0,2 ч и пропускают через слой гранулированного или таблетированного катализатора, загруженного в реактор, таким образом, чтобы время контактирования воды и слоя катализатора составляло 0,5-1 ч, при этом указанный катализатор получают смешением растертого в порошок пиролюзита с соединением меди, выбранным из группы медный купорос CuSO₄·5H₂O, нитрат меди Cu(NO₃)₂, хлорид меди CuCl₂, гидроксид меди Cu(ОН)₂, оксид меди (II), при соотношении пиролюзита и соединения меди в пересчете на ионы Cu²⁺ соответственно (100-150):1, смачиванием полученной порошкообразной смеси дистиллированной водой до получения пасты, ее таблетированием или гранулированием и подсушиванием гранул или таблеток при температуре 105-150°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после обработки катализатором воду пропускают через механический фильтр.