Способ энергонезависимой, безреагентной, нетоксичной очистки воды от микробиологических загрязнений на основе нанотехнологий
Изобретение относится к бытовым и промышленным технологиям очистки воды от микробиологических загрязнений, борьбы с биообрастанием в системах фильтрации, хранения и подачи воды. Способ энергонезависимой, безреагентной, нетоксичной очистки воды от микробиологических загрязнений включает протекание потока обрабатываемой воды через бактерицидный фильтр-элемент из пористого полимерного материала, модифицированного наноструктурными частицами, погруженный в обрабатываемую воду и размещенный вдоль направления протекания потока воды. При этом в качестве пористого полимерного материала используют полиэтилен, а в качестве наноструктурных частиц - частицы серебра, меди. Скорость протекания обрабатываемой воды устанавливают не выше 2,5 м/сек. Геометрические размеры системы фильтр-элементов рассчитывают, исходя из того, что время протекания воды вдоль фильтр-элементов составляет не менее 0,25 сек, а соотношение сечений обрабатываемого потока воды и бактерицидного фильтр-элемента составляет не более 5:1. В процессе реализации способа обеспечивается безреагентная очистка воды от микробиологических загрязнений без предварительной очистки воды с эффективным использованием бактерицидных свойств нетоксичных нанокомпозиционных материалов, исключающих миграцию наноструктурных металлов, прочно закрепленных в порах бактерицидных фильтр-элементов. 2 ил., 4 табл.
Изобретение относится к бытовым и промышленным технологиям очистки воды от микробиологических загрязнений, борьбы с биообрастанием в системах фильтрации, трубопроводах и объемах для аккумуляции, хранения и консервации воды.
Заявляемый способ может быть использован в системах водоснабжения, хранения и консервации воды, в бассейнах, скважинах, колодцах, пищевых производствах, для сельскохозяйственных работ и т.д.
Наиболее близким способом обеззараживания воды по отношению к заявляемому способу является физический способ, осуществляемый путем обработки воды оптическим излучением в определенном режиме (заявка RU 94018644 А1 C02F 1/50).
Один из этапов способа заключается в предварительной очистке воды, так как оптическим излучением можно обеззараживать воду, обладающую малой цветностью, не содержащую взвешенных и коллоидных частиц (которые поглощают и рассеивают оптические лучи), а также умягченную, т.к. соли жесткости, в процессе использования оптического излучателя, осаждаются на корпусе излучателя, ослабляя тем самым эффект обеззараживания, следовательно возможна реактивация бактерий в обработанной воде.
Таким образом, в случае отсутствия предварительной подготовки воды снижается надежность и эффективность указанного способа, а также возможна реактивация бактерий в обработанной воде.
Кроме того, указанный способ энергозависим. При отсутствии электроэнергии реализация способа не возможна.
Известен способ обеззараживания воды на основе ионного серебра (патент RU 2125971 C02F 1/50, A23L 3/00, A61L 2/16, C02F 103:04), а также известен способ обработки воды ионным серебром, разработанный академиком Л.А.Кульским. Способ заключается в пропускании постоянного электрического тока через пару погруженных в воду серебряных электродов. Анод растворяется и вода насыщается ионами серебра.
Дезинфицирующий водный раствор на основе ионов серебра (Ag+), полученных путем электролиза с использованием серебряного анода, является рабочей средой, в которой определяющим обеззараживающим эффектом служит концентрация ионов серебра в растворе.
Известно, что ионы серебра, адсорбируясь на поверхности клетки бактерии в результате взаимодействия электростатических сил (Ag+ и протоплазма-), проникают внутрь клетки и связываются с нуклеиновым ядерным веществом, образуя нуклеинаты, этим они нарушают жизнедеятельность бактерий. Обеззараживающий эффект достигается за 1-2 часа при концентрациях электростатического ионного серебра 0,2-0,4 мг/литр. Напомним, что норма содержания серебра в питьевой воде 0,05 мг/литр.
При взаимодействии с другими примесями воды, которые всегда в ней присутствуют, серебро постепенно расходует свой заряд на попутные связи. Это обстоятельство делает ионное серебро весьма ненадежным агентом в борьбе с бактериальной загрязненностью. Но главным отрицательным фактором является то обстоятельство, что серебро - это тяжелый металл, который накапливается в организме.
Концентрация ионов серебра на уровне 0,5-5 мг/литр снижает иммунологическую активность организма (по показателю фагоцитоза), вызывает изменения сосудистой, нервной и глиозной ткани головного и спинного мозга. Употребление воды с концентрацией серебра 20 мг/литр оказывает неблагоприятное воздействие на процессы синтеза и распада аминокислот, что может отрицательно сказываться на синтезе белков и ферментов. Способ требует обязательного контакта ионов серебра с бактерией для ее инактивации, т.е. присутствия ионов серебра в воде.
В этом способе существует прямая зависимость между эффективностью обеззараживания воды при высоких уровнях зараженности болезнетворными бактериями и концентрацией ионного серебра, требуемого для инактивации бактерий. Метод токсичен и дорог в эксплуатации, поскольку серебро является расходным материалом.
Заявляемый способ направлен на устранение указанных недостатков и заключается в следующем. В любой технологической схеме очистки воды от микробиологических загрязнений в очищаемую воду погружают, по крайней мере, один бактерицидный фильтр-элемент из пористого материала, модифицированного наноструктурными металлами (Agn +m, Cun +m). Погружение производят в статический объем или динамический поток очищаемой воды.
Бактерицидный фильтр-элемент, разработанный авторами заявляемого решения (патент RU 54811, B01D 39/08 от 01.2006) представляет собой полую трубку диаметром от 18 до 104 мм c толщиной стенки от 10 до 15 мм, выполненную из пористого материала, модифицированную наноструктурными металлами (Agn +m, Cun +m) методом диффузии из водноорганического мицеллярного раствора, по «Способу модифицирования фильтровального элемента», разработанному авторами заявляемого способа (патент RU 2135262. С1).
Синтез наноструктурных металлов проводится радиационно-химическим методом в обратных мицеллах с использованием гамма-излучения. Наноструктурные металлы получают в виде дисперсии в предельных углеводородах (изооктане). В процессе синтеза образуются коллоидные частицы металлов наноструктурных размеров, которые обладают особыми свойствами, отличными как от свойств изолированных атомов, так и от массивного металла. Частицы наноструктурных металлов имеют неправильную развитую форму (в отличие от круглой формы ионного серебра) и множество активных связей с некомпенсированным зарядом, чем и объясняется синергетический эффект бактерицидных свойств нанокомпозиционного материала, который используют в предлагаемом способе очистки воды от микробиологического загрязнения.
Наноструктурными металлами, полученными радиационно-химическим способом, модифицированы трубки из пористого материала по разработанной авторами методике. При этом нанометаллы встраиваются в структуру материала и прочно закрепляются на нем. Этим объясняется отсутствие миграции наноструктурных металлов в обрабатываемую воду (Таблица 4).
Исследование микробиологической стойкости и эффективности материала, модифицированного наноструктурным серебром, проводили в эксперименте, который заключался в заражении образцов материалов ассоциацией тест-бактерий, выдерживании образцов в условиях, благоприятных для развития микроорганизмов, с последующей оценкой их количества на материалах в процессе эксперимента. Результаты тестирования микробиологической стойкости опытных и контрольных образцов материала представлены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||
| Результаты исследования биостойкости пористого полиэтилена (количество бактерий на 1 см2 образца) | |||
| Исследуемые образцы пористого полиэтилена | Бактерии, используемые для заражения образцов | Сутки эксперимента | |
| 5 | 10 | ||
| Рецептура 1 (опыт) | Staphylococcus aureus + Escherichia coli | 0 | 0 |
| Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis | 0 | 0 | |
| Рецептура 1 (контроль) | Staphylococcus aureus + Escherichia coli | 4,5×102 | 1,6×102 |
| Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis | 2,3×102 | 1,5×102 | |
| Рецептура 2 (опыт) | Staphylococcus aureus + Escherichia coli | 6 | 0 |
| Рецептура 2 (контроль) | Staphylococcus aureus + Escherichia coli | 6,0×102 | - |
Проведенные исследования демонстрируют высокую микробиологическую стойкость и бактерицидную активность пористого материала, модифицированного наноструктурным серебром, который используется в заявляемом способе.
Для оценки рабочего ресурса бактерицидной активности указанного материала опытные и контрольные образцы перед началом исследований подвергали ускоренным климатическим испытаниями (УКИ), имитирующим их «ускоренное старение» в течение 2-х и 5-ти лет. «Ускоренное старение» проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ 9.707-81.
Результаты ресурсных испытаний бактерицидной активности образцов из пористого материала, модифицированного наноструктурным серебром, сведены в таблицу 2.
| Таблица 2 | |||||
| Результаты ресурсных испытаний бактерицидной активности фильтр-элементов из пористого полиэтилена, модифицированных наноструктурным серебром (количество бактерий на 1 см образца) | |||||
| Материал | Бактерии, используемые для инфицирования материала | 5-е сутки эксперимента | 10-е сутки эксперимента | ||
| опыт | контроль | опыт | контроль | ||
| Нативный (исходный) | Staphylococcus aureus + Escherichia coli | 0 | 4,5×102 | 0 | 1,6×102 |
| Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis | 0 | 2,3×102 | 0 | 1,5×102 | |
| УКИ 2 года старения | Staphylococcus aureus + Escherichia coli | 0 | 2,3×103 | 0 | 8,3×102 |
| Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis | 0 | 2,4×103 | 0 | 4,0×103 | |
| УКИ 5 лет старения | Staphylococcus aureus + Escherichia coli | 0 | 6,0×103 | 0 | 1,3×103 |
| Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis. | 0 | 6,6×103 | 0 | 8,0×103 |
Таким образом, пористый материал, модифицированный наноагрегатами серебра, сохраняет бактерицидную активность в течение не менее 5-ти лет и положен в основу заявляемого способа.
Заявляемый способ реализуют в различных системах фильтрации, хранения и подачи воды.
1. В любую картриджную систему фильтрации воды радиального потока (Фиг.1), во внутреннюю полость картриджа (1) размещают бактерицидный фильтр-элемент из нанокомпозиционного материала (2). Таким образом, картридж защищают от биообрастания и увеличивают его рабочий ресурс, так как предотвращают непрогнозируемый процесс вторичного микробиологического загрязнения очищаемой воды. При замене картриджа бактерицидный фильтр-элемент используют многократно.
2. В емкость для хранения питьевой воды погружают бактерицидный фильтр-элемент из нанокомпозиционного материала с заданными параметрами в зависимости от решаемой задачи. Тем самым обеспечивают бактериостатический эффект в питьевой воде в течение длительного срока ее хранения, т.е. в ней не происходит размножения бактерий (Таблица 1).
3. В любую существующую систему подачи и очистки воды устанавливают проточное бактерицидное устройство (патент RU 54811, B01D 39/08), разработанное авторами заявляемого решения (Фиг.2). Бактерицидное устройство представляет собой систему бактерицидных фильтр-элементов (3), расположенных в определенном порядке внутри корпуса (4) таким образом, что фильтр-элементы размещают вдоль направления протекания потока обрабатываемой воды, при этом устанавливают скорость протекания обрабатываемой воды не выше 2,5 м/сек. В таких системах устанавливают 3 и более бактерицидных фильтр-элементов общей длиной от 630 мм таким образом, что геометрические размеры фильтр-элементов рассчитывают, исходя из того, что время, достаточное для очистки от микробиологических загрязнений воды, протекающей вдоль фильтр-элементов, составляет не менее 0,25 сек, при этом соотношение сечений обрабатываемого потока воды и бактерицидных фильтр-элементов составляет не более 5:1.
Эффективность работы бактерицидных фильтр-элементов подтверждена исследованием, проведенным в Институте медико-биологических проблем РАН с помощью установки, через которую с различной скоростью (производительностью) пропускали модельный раствор, предварительно зараженный тест-культурами бактерий. Результаты исследований сведены в таблицу 3.
| Таблица 3 | |||
| Длина бактерицидного элемента | Производительность установки (л/мин) | Скорость потока (м/сек) | Количество тест-микробов в 1 мл воды (KOE) |
| - | Исходная вода (до заражения) | - | Не обнаружены |
| - | Исходная вода (после заражения) | - | 550 (из них 10 E.coli) |
| 210 | 2,5 - 3 л/мин | 0,25 м/сек | 520* |
| 630 | 3 л/мин | 0,25 м/сек | Не обнаружены |
| 630 | 12 л/мин | 1,0 м/сек | Не обнаружены |
| 630 | 19 л/мин | 1,6 м/сек | 45* |
| 630 | 30 л/мин | 2,5 м/сек | 25* |
| * - Наличие St.epidermidis |
В проведенных испытаниях размер фильтр-элемента был:
- 210 мм, скорость протекания обрабатываемой воды - 0,25 м/сек, при этом эффективность очистки от Escherichia coli составила 100%, а от Staphylococcus epidermidis - 5%;
- 630 мм, скорость протекания обрабатываемой воды - 0,25 м/сек, при этом эффективность очистки составила 100%;
- 630 мм, скорость протекания обрабатываемой воды - 1 м/сек, при этом эффективность очистки составила 100%;
- 630 мм, скорость протекания обрабатываемой воды - 2,5 м/сек, при этом эффективность очистки составила более 95%.
В результате проведенных испытаний установлено, что для системы подачи воды с производительностью 1,8 м3/час следует устанавливать бактерицидные фильтр-элементы длиной, по крайней мере, 630 мм. При этом эффективность очистки от микробиологических загрязнений - более 95%.
Параллельная установка нескольких бактерицидных фильтр-элементов обеспечивает очистку обрабатываемой воды любой требуемой производительности.
Заявляемый способ очистки воды от микробиологических загрязнений не требует водоподготовки (обесцвечивания и удаления жесткости), обеспечивает пролонгированный бактериостатический эффект и энергонезависим.
Кроме того, заявляемый способ отличается тем, что нарушение жизнедеятельности бактерий наноструктурные металлы осуществляют бесконтактным методом, не мигрируя в воду, за счет мощного некомпенсированного заряда. Отсутствие миграции наноструктурных металлов в воду обеспечивает нетоксичность метода и длительный рабочий ресурс.
Технический результат заявляемого способа заключается в том, что в процессе его реализации обеспечивают очистку воды от микробиологических загрязнений за счет оптимизации конструктивного расположения бактерицидных фильтр-элементов в различных схемах очистки воды с эффективным использованием бактерицидных свойств нанокомпозиционных материалов в различных рабочих режимах водоподготовки.
Заявляемый способ нетоксичен, поскольку исключает миграцию тяжелых металлов в воду, обеспечивая тем самым экологическую чистоту. Это подтверждается испытаниями, проведенными по ГОСТ Р51871-02.
| Таблица 4 | |||
| Номенклатура показателей, единицы измерения | Значение показателя | ПДК, СанПиН 2.1.4.1074-01 | Метод испытаний (ссылка на НД) |
| Серебро, мг/л | <0,001 | 0,05 | ГОСТ Р 51309-99 |
Безреагентность заявляемого способа обеспечивает длительный рабочий ресурс по параметру биоцидности, что определяет его надежность и удобство в эксплуатации. Наноструктурный металл в заявляемом способе не является расходным материалом.
Энергонезависимость заявляемого способа ставит его в ряд энергосберегающих технологий и снижает его эксплуатационные расходы.
Заявляемый способ не требует предварительной очистки и его эффективность не зависит от присутствия каких-либо примесей химических элементов в обрабатываемой воде.
Бесконтактность заявляемого способа определяется способностью нанокомпозиционного материала инактивировать бактерии на расстоянии за счет мощного некомпенсированного заряда, что позволяет использовать его в проточных системах высокой производительности.
Способ энергонезависимой, безреагентной, нетоксичной очистки воды от микробиологических загрязнений на основе нанотехнологий, включающий протекание потока обрабатываемой воды через бактерицидный фильтр-элемент, погруженный в обрабатываемую воду и размещенный вдоль направления протекания потока воды, при этом фильтр-элемент выполнен из пористого полимерного материала, модифицированного наноструктурными частицами, отличающийся тем, что в качестве пористого полимерного материала используют полиэтилен, а в качестве наноструктурных частиц - частицы серебра, меди, скорость протекания обрабатываемой воды устанавливают не выше 2,5 м/с, причем геометрические размеры системы фильтр-элементов рассчитывают исходя из того, что время протекания воды вдоль фильтр-элементов составляет не менее 0,25 с, а соотношение сечений обрабатываемого потока воды и бактерицидного фильтр-элемента составляет не более 5:1.
