Высоконаполненный гранулированный материал для минерализации питьевой воды

Изобретение относится к высоконаполненным гранулированным материалам, используемым в безнапорных и напорных фильтрах в водоочистных устройствах для минерализации (обогащения ионами макро- и микроэлементов) воды, очищаемой сорбционными, мембранными, дистилляционными и др. методами. Высоконаполненный гранулированный материал содержит (мас.%): полиэтилен - 18-30, полиэтиленовый воск - 1-6, шунгит - 15-40, окислы металлов и/или соли неорганических кислот - 30-59 и, при необходимости, стеарат кальция - 0,5-1,5%. Технический результат состоит в создании материала, характеризующегося равномерным выделением микро- и макроэлементов в обрабатываемую воду, существенным снижением настоев солей при перерывах в работе при сохранении высокого ресурса работы материала по макроэлементам до 1500 об/об и достижения ресурса по микроэлементам до 8000 об/об. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к высоконаполненным гранулированным материалам, используемым в безнапорных и напорных фильтрах в водоочистных устройствах для минерализации (обогащения ионами макро- и микроэлементов) воды, очищаемой сорбционными, мембранными, дистилляционными и др. методами.

Известны минерализующие материалы искусственного изготовления, которые представляют собой гранулы, содержащие мелкокристаллический цеолит, цитрат натрия, карбонат натрия, карбоксиметилцеллюлозу и полиакрилатное связующее (патент ФРГ №3614779, МКИ С02F 5/08, опубл. 15.11.1987).

При получении материала, используемого в производстве минерализованной воды, в качестве связующего может быть использован силикат натрия (заявка Японии №0884992, МКИ С02F 1/68, опубл. 02.04.1996). Это же связующее было использовано при изготовлении фторирующего материала для минерализации питьевой воды. В состав композиции в качестве минеральной составляющей входит карбонат кальция и кремнефтористый натрий (заявка РФ №2000112439/12, МКИ С02F 1/28, опубл. 27.02.2002).

Общим недостатком материалов такого типа является неконтролируемое выделение минеральных веществ.

Для минерализации регенерированной воды на орбитальных станциях разработан ряд пластиковых гранулятов, которые состоят из комплекса измельченных минеральных солей и полиэтилена низкого давления. (Пластические массы. - 1974. - №6, - С.72-73, Химия и технология воды. - 1987. - т.9, №4. - С.350-352).

Основным недостатком этих материалов является образование «настоев» солей при перерывах в работе систем соленасыщения.

Для улучшения качества материалов такого типа предложено вводить в состав высоконаполненной композиции в качестве пластификатора глицерин («Пластические массы», - 2003. - №11, - С.49, аналог).

Введение глицерина обеспечивает улучшенную перерабатываемость высоконаполненной композиции данного состава в материал и способствует более полному и интенсивному выделению солей жесткости из материала за счет образования дополнительных каналов в структуре гранулята при пропускании через него воды.

Основным недостатком аналога является то, что входящий в состав высоконаполненного гранулированного материала глицерин интенсивно вымывается благодаря хорошей растворимости и поступает в получаемую минерализованную воду, тем самым значительно ухудшая качество воды по показателю «окисляемость перманганатная» - до 70 мг O₂/л вместо 5,0 мг О₂/л согласно СанПиН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем водоснабжения. Контроль качества». При этом загрязнение кондиционированной воды глицерином происходит до 50-60% общего ресурса работы материала.

Известны высоконаполненные пластиковые грануляты для минерализации питьевой воды, наиболее близкие по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому материалу, перерабатываемые экструзией при температуре на 30-60°С выше температуры плавления термопласта, полученные при соотношении компонентов в смеси (мас.%): термопласт - 26-70, минеральные и/или органические добавки - 30-74 (патент РФ №2096341, МКИ С02F 1/68, опубл. 20.11.1997 - прототип).

В качестве термопласта по прототипу, в частности, могут быть использованы полиолефины (полиэтилен высокого и низкого давления, полипропилен), а в качестве минеральных добавок окислы металлов (в частности, CaO, MgO), соли (в частности, сульфаты, карбонаты, галогениды кальция, магния, натрия, калия и серебра), сорбенты (в частности, активированные угли) или смеси указанных компонентов (колонка 5, абзацы 4, 6).

Ближе всего по составу к предлагаемому высоконаполненному гранулированному материалу для минерализации питьевой воды гранулят следующего состава (мас.%):

- термопласт (полиэтилен низкого давления) - 26;

- минеральная добавка (активированный уголь, CaSO₄, MgCO₃, MgO, Ag₂SO₄, NaCl, KCl) - 74 (колонка 7, пример 1). Максимальный ресурс по макроэлементам 1250 об./об., по микроэлементам не приводится.

Недостатками прототипа являются неравномерность выделения и очень высокий уровень выделения ионов после перерыва в работе материала.

Технической задачей изобретения является создание высоконаполненного гранулированного материала, позволяющее получить технический результат, проявляющийся в равномерности выделения микро- и макроэлементов в обрабатываемую воду, существенное снижении настоев солей при перерывах в работе при сохранении высокого ресурса материала по макроэлементам (до 1500 об./об.) и достижение ресурса по микроэлементам до 8000 об./об.

Указанный технический результат достигается тем, что высоконаполненный гранулированный материал для минерализации питьевой воды, включающий полиэтилен, неорганические вещества в виде окислов металлов и/или солей неорганических кислот, дополнительно содержит шунгит и полиэтиленовый воск при следующем соотношении компонентов (мас.%):

полиэтилен	18-30
полиэтиленовый воск	1-6
шунгит	15-40
окислы металлов и/или соли неорганических кислот	30-59

При необходимости, в составе материала может быть введен стеарат кальция в количестве 0,5-1,5 мас.%.

При использовании минеральных составляющих важно их общее количество независимо от соотношения конкретных компонентов в смеси.

Принципиальным отличием предлагаемого материала от прототипа и аналога является введение в состав композиции шунгита в сочетании с полиэтиленовым воском. Шунгит - природный материал, обладающий сорбционными, каталитическими и бактерицидными свойствами. (III Международная научно-практическая конференция «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использованиям. Сборник материалов. Пенза, 7-8 июня 2001. С.39-41; патент РФ 2074120, МКИ С02F 1/28, опубл. 21.05.1997).

Высоконаполненный гранулированный материал для минерализации питьевой воды изготавливают следующим методом: предварительно высушенные, измельченные компоненты, взятые в определенном соотношении, смешивают, полученную смесь экструдируют при температуре (165±15)°С через фильеру диаметром 2 мм, стренги режут на гранулы длиной 2-8 мм.

Работоспособность полученных высоконаполненных гранулированных материалов для минерализации питьевой воды характеризуют по выделению солей жесткости и фторидов в обрабатываемую воду. Для этого материал, взятый в количестве 10 см³, помещают в колонку с внутренним диаметром 12 мм и пропускают дистиллированную воду со скоростью 30 см³/мин при комнатной температуре.

Общую жесткость полученной минерализованной воды определяют согласно ГОСТ 4151, содержание ионов фтора согласно ГОСТ 4245, ионов кальция, магния, массовую концентрацию ионного серебра согласно (Руководство по химическому и технологическому анализу воды // М.: Стройиздат - 1973. - 272 с.).

Ресурс работы материала характеризуют отношением общего объема полученной минерализованной воды на один объем загруженного материала (об/об). При получении минерализованной воды фильтрование прекращают после достижения общей жесткости фильтрата 0,45 мг·экв/л.

Для доказательства возможности применимости высоконаполненных гранулированных материалов для кондиционирования воды приведены примеры их реализации (см. таблицу).

Пример 1.

Шунгит марки ШН5 с массовой долей углерода 25-40% (ТУ 2169-002-56840806-2003 Наполнитель шунгитовый) сушат при температуре (105±2)°С в течение (3,5±0,5) часов;

CaF₂, порошкообразный полиэтилен высокого (ГОСТ 16337-77) или низкого (ГОСТ 16338-85) давления, полиэтиленовый воск каждый в отдельности измельчают до достижения размеров частиц не более 0,25 мм.

Введены следующие сокращения:

Полиэтилен высокого давления - ПЭВД; полиэтилен низкого давления ПЭНД; шунгит - Ш; полиэтиленовый воск - ПВ; минеральные составляющие (окислы металлов и соли неорганических кислот) - МС; активированный уголь - АУ.

Подготовленные соль, полиэтилен, шунгит, полиэтиленовый воск берут в соотношении (мас.%):

ПЭВД - 18; ПВ - 6; Ш - 40; МС (CaF₂) - 36.

Загружают в шаровую мельницу и перемешивают в течение 2-х часов. Полученную смесь экструдируют при температуре (165±15)°С через фильеру диаметром 2 мм. Стренги режут на гранулы длиной 2-8 мм.

Характеристика эксплуатационных свойств материалов по всем примерам приведена в таблице.

Примеры 2-6 - высоконаполненные гранулированные материалы получают по описанной выше методике, но с использованием иных качественных и количественных составов из числа заявленных, пример 7- по аналогу, пример 8 аналогичен примеру 1 прототипа, пример 9 по количественному составу (соотношение термопласта и минеральной добавки) аналогичен примеру 1 прототипа, а по качественному - наиболее близок к примеру 4 (обогащение воды ионами фтора).

Пример 2.

Состав композиции (мас.%):

ПЭНД - 30; ПВ - 1; Ш - 29; МС (CaF₂) - 40.

Пример 3.

Состав композиции (мас.%):

ПЭВД - 25; ПВ - 5; Ш - 40; МС (CaF₂) - 30.

Пример 4.

Минеральные составляющие: CaSO₄·2H₂О сушат при температуре (170±5)°С; MgSO₄·7H₂О, MgCO₃·mMg(OH)₂·nH₂О - при (180±5)°С в течение (3,5±0,5) часов.

Состав композиции (мас.%):

ПЭВД - 25; ПВ - 5; Ш - 30; МС (CaSO₄, MgCO₃, Ag₂SO₄) - 40.

Пример 5.

Состав композиции (мас.%):

ПЭВД - 20; ПВ - 5; Ш - 16; МС (CaSO₄, NaCl, KCl, MgCO₃, Ag₂SO₄) - 58,5; стеарат кальция - 0,5.

Пример 6.

Состав композиции (мас.%):

ПЭНД - 20; ПВ - 4,5, Ш - 15; МС (CaSO₄, NaCl, KCl, MgCO₃, Ag₂SO₄) - 59; стеарат кальция - 1,5.

Пример 7 (аналог).

Состав композиции (мас.%):

ПЭНД - 26; АУ - 12; МС (CaSO₄, MgO, MgSO₄) - 57; глицерин - 5.

Пример 8 (по прототипу).

Таблица.
Характеристика эксплуатационных свойств высоконаполненных гранулированных материалов для минерализации питьевой воды, полученных в соответствии с изобретением, в сравнении с аналогом и прототипом.
Пример №№	Состав композиции, мас.%	Насыпная масса, г/см3	Диапазон концентраций микро- и макроэлементов в обрабатываемой воде	Ресурс, об/об	Окисляемость фильтрата, мг О2/л	Концентрация микро- и макроэлементов в первой пробе обрабатываемой воды после перерыва 0,5 суток (настои)	Примечание
1	2	3	4	5	6	7	8
1	ПЭВД - 18 ПВ - 6 Ш - 40 МС (CaF2) - 36	0,85	F - мг/л 0,6-0,3	8.000	1-й литр - <1	F - мг/л 0,7-0,4	Объем пробы 0.2 л.
2	ПЭНД - 30 ПВ - 1 Ш - 29 МС (CaF2) - 40	0.81	F - мг/л 0,5-0,3	8.000	1-й литр - <1	F - мг/л 0,9-0,6	Объем пробы 0.2 л.
3	ПЭВД - 25 ПВ - 5 Ш - 40 МС (CaF2) - 30	0.85	F - мг/л 0,5-0,3	6000	1-й литр - <1	F - мг/л 0,7-0,5	Объем пробы 0.2 л.
4	ПЭВД - 25 ПВ - 5 Ш - 30 МС (CaSO4, MgCO3, AgSO4) - 40	0,68	ОЖ мг·экв/л 1.9-0.45	1500	1-й литр - <2	ОЖ мг·экв/л 3-4	Объем пробы 0.4 л.
5	ПЭВД - 20 ПВ - 5 Ш - 16 МС (CaSO4, MgCO3, Ag2SO4, NaCl, KCl) - 58.5 Стеарат кальция - 0,5	0.75	ОЖ мг·экв/л 1.5-0.45	1300	1-й литр - <2	ОЖ мг·экв/л 3-4	Объем пробы 0.4 л.
6	ПЭНД - 20 ПВ - 4,5 Ш - 15 МС (CaSO4, MgCO4, Ag2SO4, NaCl, KCl) - 59 Стеарат кальция - 1,5	0.85	ОЖ мг·экв/л 3.4-0.45	1200	1-й литр - <2	ОЖ мг·экв/л 3-4
7 аналог	ПЭНД - 26 АУ - 12 МС (CaSO4 MgO, MgSO4) - 57 Глицерин - 5	0,85	ОЖ мг·экв/л 6,0-0.45	1100	1-й литр - >100 Превышение ПДК более 60% от ресурса	Не определяли
8 по прототипу	Термопласт (ПЭНД) - 26 Минеральная добавка (АУ-8, смесь CaSO4, MgCO3, MgO, Ag2SO4, NaCl, KCl-66) - 74	0.84	ОЖ мг·экв/л 3.6-0.45	1250-	1-й литр - <2-	ОЖ мг·экв/л 6.5-4.1
9 по прототипу	Термопласт (ПЭНД) - 26 Минеральная добавка (АУ-16, CaF2-58) - 74	0,80	F- мг/л 0,3-0,1	800	Не определяли	F- мг/л 6-4

Состав композиции (мас.%):

Термопласт (ПЭНД) - 26; минеральная добавка (АУ-8, смесь CaSO₄, MgCO₃, MgO, Ag₂SO₄, NaCl, KCl-66) - 74.

Пример 9 (по прототипу)

Состав композиции (мас.%):

Термопласт (ПЭНД) - 26; минеральная добавка (АУ-16; CaF₂-58) - 74.

Представленные примеры подтверждают, что введение в состав перерабатываемой композиции шунгита и полиэтиленового воска в предлагаемых соотношениях обеспечивает достижение следующего технического результата: создан материал, характеризующийся равномерностью выделения микро- и макроэлементов, существенным снижением настоев солей при перерывах в работе при сохранении высокого ресурса работы материала по макроэлементам до 1500 об./об. и достижения ресурса по микроэлементам до 8000 об./об.

При этом обеспечивается получение воды, соответствующей требованиям СанПиН 2.1.4.559-96 по показателю «перманганатная окисляемость».

Кроме того, высоконаполненный гранулированный материал можно получить и без введения в состав композиции пластификатора и он работоспособен.

При этом полученный технический результат не является очевидным. Сведения о введении шунгита в состав композиционных материалов для обеспечения равномерности и стабильности минерализации воды нами не обнаружены.

Введение полиэтиленового воска также дало неочевидный эффект - позволило снизить нижний предел содержания термопласта до 18 мас.% вместо 26 мас.% и дало возможность перерабатывать высоконаполненную композицию методом экструзии без использования пластификатора, как это предлагается в аналоге.

1. Высоконаполненный гранулированный материал для минерализации питьевой воды, включающий полиэтилен, неорганические вещества в виде окислов металлов и/или солей неорганических кислот, отличающийся тем, что он дополнительно содержит шунгит и полиэтиленовый воск при следующем соотношении компонентов, мас.%:

полиэтилен	18-30
полиэтиленовый воск	1-6
шунгит	15-40
окислы металлов и/или
соли неорганических кислот	30-59

2. Высоконаполненный гранулированный материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стеарат кальция в количестве 0,5-1,5 мас.%.