Способ очистки воды и устройство для его осуществления

Изобретения могут быть использованы при получении воды для питьевых целей, для медицинских целей, для водных процедур, а также в сельском хозяйстве для растениеводства, животноводства, рыбоводства. Для осуществления способа исходную воду фильтруют через сорбирующий материал, содержащий графены и/или углеродные нанотрубки, и затем - через мембрану, содержащую сквозные поры цилиндрической или конусной формы диаметром 0,005-0,3 микрона. Устройство для очистки воды включает сорбирующий материал, содержащий графены и/или углеродные нанотрубки, и мембрану, содержащую сквозные поры цилиндрической или конусной формы диаметром 0,005-0,3 микрона. Мембрана фильтровального элемента является трековой мембраной. Цилиндрические поры в мембране образованы углеродными нанотрубками. Изобретения позволяют повысить эффективность и надежность очистки воды, а также снизить ее стоимость. В очищенной воде сохраняются полезные для человека минеральные элементы, а вода приобретает повышенную биологическую активность. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к способам глубокой очистки воды и может быть использовано для получения высококачественной питьевой воды, а также воды для производства пищевых продуктов и напитков, оздоровительных пищевых продуктов и напитков, биологически активных добавок к пище и лекарственных средств, косметической продукции, воды для бассейнов, растениеводства, животноводства и других целей.

Известны многочисленные способы очистки воды с использованием сорбентов, таких как активированный уголь, цеолиты и т.д. Общими их недостатками является слабая эффективность очистки воды от химических и биологических загрязнений, а также патогенных микроорганизмов. Из-за сильной вариабельности исходного загрязнения воды контролировать остаточный ресурс сорбента практически невозможно. Невозможно также предотвратить залповые выбросы в воду накопленных на сорбенте токсических веществ. Известны также способы очистки воды с использованием сорбентов, модифицированных серебром. Это позволяет достичь частичного обеззараживания воды, но создает другую проблему - вымывание серебра в фильтруемую воду. Серебро, как известно, относится к тяжелым металлам и согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 относится ко 2 классу опасности, то есть серебро в воде также опасно как, например мышьяк, свинец, кадмий.

Наиболее высокую степень удаления загрязнителей сегодня обеспечивают мембранные технологии очистки воды (например, системы обратного осмоса). Как правило, это много-ступенчатые системы водоочистки, в которых воду сначала пропускают через механический фильтр, затем - через слой сорбента и лишь после этого - через мембрану.

Мембранные системы очистки воды, в том числе системы обратного осмоса хорошо очищают воду от крупных молекул. В то же время низкомолекулярные органические загрязнители удаляются значительно хуже. К этой группе относятся некоторые ароматические и хлорорганические соединения, с высокой токсичностью для человека.

Другими недостатками мембранных систем (особенно систем обратного осмоса) является их высокая стоимость, сложность обслуживания, особенно в бытовых условиях и не достаточно высокая надежность. Самым уязвимым звеном является мембрана, которая повреждается под действием содержащихся в воде оксидантов таких как, например активный хлор. Установка предфильтров для сорбции решает проблему лишь частично, поскольку сорбенты удаляют оксиданты не полностью и по мере исчерпания сорбционной емкости эффективность этой защиты резко снижается.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент RU 2258673, предусматривающий очистку воды на трековой мембране, содержащей сквозные поры цилиндрической формы диаметром 0,05-10 мкм, при этом вода проходит предочистку на активированном угле.

В отличие от систем обратного осмоса трековые мембраны более устойчивы к повреждениям и не приводят к глубокому обессоливанию воды. Тем не менее, сочетание трековой мембраны с фильтром предварительной очистки в виде активированного угля не позволяет достаточно эффективно очищать воду, особенно сильно загрязненную.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности очистки воды (в том числе сильно загрязненной) от токсических примесей и патогенных микроорганизмов.

Для решения этой задачи предложен способ очистки воды, где новым является то, что воду сначала фильтруют через сорбирующий материал, содержащий графены и/или углеродные нанотрубки, и затем - через мембрану, содержащую сквозные поры цилиндрической или конусной формы диаметром 0,005-0,3 микрона.

С целью использования в заявляемом способе предложено устройство для очистки воды, где новым является то, что устройство включает сорбирующий материал, содержащий графены и/или углеродные нанотрубки, и мембрану, содержащую сквозные поры цилиндрической или конусной формы диаметром 0,005-0,3 микрона.

Предложенный способ и устройство обеспечивают достижение технического результата повышения эффективности и надежности очистки воды (в том числе сильно загрязненной) с сохранением в воде эссенциальных для человека минеральных элементов, снижения стоимости очистки, придания очищенной воде повышенной биологической активности. Этот результат достигается за счет того, что последовательная фильтрация воды через сорбент, содержащий графены и/или углеродные нанотрубки (далее - «графеновый сорбент»), и мембрану, содержащую сквозные поры цилиндрической или конусной формы диаметром 0,005-0,3 микрона (далее - «наномембрана»), оказывает иное воздействие на воду, чем в известных технических решениях.

При фильтрации воды через графеновый сорбент происходит глубокая очистка воды в сочетании с изменением ее физико-химических параметров, что значительно повышает биологическую активность воды, а также эффективность и надежность ее дальнейшей очистки на наномембране. В свою очередь при фильтрации воды через наномембрану эффективная доочистка воды сочетается с усилением и стабилизацией изменений ее физико-химических параметров, благоприятных для живых организмов.

Главной особенностью графенов и углеродных нанотрубок является их поверхность, которая содержит атомы углерода, ковалентно соединенные с окружающими его атомами углерода с образованием гексагональной кристаллической решетки. Кроме того, графены и углеродные нанотрубки имеют чрезвычайно малые размеры (наночастицы), и как следствие рекордно высокую удельную поверхность и чрезвычайно малые размеры пространства между наночастицами сорбента. Благодаря этому графеновый сорбент наиболее полно удаляет из воды гидрофобные загрязнители, в том числе низкомолекулярные хлорорганические соединения. Хлорорганические соединения, как известно, обладают чрезвычайно высокой токсичностью и легко проходят через мембраны, в том числе и мембраны обратного осмоса.

Таким образом, графеновый сорбент глубоко очищает воду от загрязнителей, которые не задерживаются мембранами.

В свою очередь, наномембрана эффективно задерживает именно те загрязнители, которые недостаточно эффективно улавливаются графеновым сорбентом, а также наночастицы сорбента, которые в небольшом количестве неизбежно вымываются в фильтрат. В последние годы появились сообщения о токсичности различных наноматериалов, в частности углеродных нанотрубок, поэтому эффективная защита от вымывания потенциально вредного сорбента также важна для обеспечения безопасности потребления очищенной воды, особенно при ее длительном потреблении.

Большая часть содержащихся в воде микроорганизмов задерживается графеновым сорбентом, при этом некоторые виды сохраняют жизнеспособность. В отличие от известных решений в настоящем изобретении не требуется серебрить сорбент или применять иные методы антибактериальной защиты. Формируя на поверхности частиц сорбента биопленку, микроорганизмы выполняют полезную работу, способствуя дополнительной очистке воды за счет сорбции и биотрансформации токсических веществ. Размножение микроорганизмов в графеновом сорбенте не представляет опасности, поскольку они не могут пройти через поры наномембраны.

В то же время полезные для человека элементы свободно проходят как через графеновый сорбент, так и через наномембрану. В результате глубокая очистка воды достигается без разбалансировки ее минерального состава и обессоливания что является главным недостатком известных методов, особенно систем обратного осмоса.

Обеспечивая глубокую предочистку воды, графеновый сорбент более надежно защищает наномембрану от повреждения, что значительно продляет ее ресурс. Кроме того, наномембрана сама по себе более устойчива к повреждениям, чем мембрана обратного осмоса.

Повреждение мембраны обратного осмоса чаще всего проявляется повышением проницаемости мембраны для более крупных молекул, что незаметно для потребителя.

Повреждение наномембраны проявляется снижением производительности фильтрации без ухудшения качества очистки. Первым признаком исчерпания сорбционной емкости графенового сорбента также является резкое снижение скорости фильтрации воды. Сочетание этих свойств делает заявляемый способ и устройство очистки воды практически безотказным.

После прохождения через слой графенового сорбента вода становится более текучей и легче проходит через поры наномембраны. Это позволяет увеличивать производительность очистки воды без увеличения размеров дорогостоящей наномембраны, а также использовать наномембраны с порами меньшего диаметра, что в итоге позволяет значительно повысить эффективность очистки.

Предполагаемый механизм этого явления заключается в том, что при взаимодействии с водой графены поглощают электромагнитные волны, образующиеся в результате собственных колебаний молекулы воды и содержащихся в них веществ. Одним из свойств графенов является их способность работать как умножитель частоты, то есть в ответ на поглощение электромагнитных волн испускать излучение более высокой частоты. Это в свою очередь может возбуждать более высокочастотные колебания молекул воды. Поскольку известно, что сила водородных связей в воде уменьшается при увеличении частоты колебаний молекул воды (K. Ohno et al., 2005) взаимодействие воды с графеном делает межмолекулярные водородные связи в воде более слабыми. Это способствует разбиению крупных водных кластеров на более мелкие.

Проходя через узкие поры графенового сорбента в условиях ограниченно го пространства, вода взаимодействует с гексагонально расположенными атомами углерода, при этом графены, а также нанотрубки выполняют функцию, матрицы для формирования из хаотично расположенных молекул воды упорядоченных водных кластеров гексагонального типа, характерных для талой воды, а также клеточной воды живых существ. Дальнейшее изменение свойств воды происходит при входе в поры наномембраны. В результате на поверхности мембраны образуется пристеночный слой воды, из которого происходит выталкивание частиц растворенных веществ (подобно процессу очистки воды методом замораживания).

Через эту зону свободно проникают одиночные молекулы воды и водные микрокластеры вплоть до гексагональных, а также эссенциальные минеральные элементы, которые легко встраиваются в гексагональные водные кластеры и стабилизируют ее своим присутствием. В то же время растворимость загрязнителей (например, тяжелых металлов), которые не встраиваются в гексагональные кластеры воды, при входе в эту зону резко понижается. В результате они «выдавливаются» за пределы этой зоны и удаляются в дренаж.

Прошедшие через сорбент и наномембрану эссенциальные элементы в сочетании со сформировавшимися при взаимодействии с графеновым сорбентом кластерами воды гексагонального типа становятся «зародышами» формирования воды, по своим параметрам близкой к воде живого организма.

В отличие от мембран, имеющих сетчатую структуру пор, мембраны с цилиндрическими, а также конусными порами не разрушают гексагональные кластеры воды.

Таким образом, за счет глубокой очистки воды от загрязнителей в сочетании с комплексным воздействием на ее физико-химические свойства и сохранением полезных элементов, настоящее изобретение позволяет даже сильно загрязненную воду очистить до уровня питьевой воды высшей категории качества и обладающей повышенной биологической активностью.

Осуществление изобретения

Изобретение представляет собой очистку воды за счет ее последовательной фильтрации через графеновый сорбент и наномембрану.

Графеновый сорбент может быть получен одним из известных способов деструкции графита, например, галоген-кислородными соединениями (патент РФ 2184086).

Графеновый сорбент может быть также получен иным способом, например термо-каталитическим методом с применением различных углеводородов в качестве источника углерода (например, Патент РФ №2338686). В качестве наномембраны может быть использована трековая мембрана, содержащая сквозные поры цилиндрической или конусной формы диаметром 0,005-0,3 микрона, наиболее предпочтительно - 0,05-0,1 микрон.

Возможно также применение трековых мембран с порами конусной формы. По сравнению с трековыми мембранами, имеющими цилиндрические поры, мембраны с конусными порами имеют большую производительность фильтрации, но более чувствительны к повреждениям. Предфильтрация через слой графенового сорбента позволяет значительно повысить надежность и ресурс такой мембраны.

Для очистки воды, пропущенной через слой графенового сорбента, также может быть использована мембрана, цилиндрические поры которой образованы углеродными нанотрубками. Для данного типа мембран чрезвычайно важна глубокая предочистка воды, поскольку открытые концы нанотрубок имеют высокую сорбционную способность и при подаче недостаточно подготовленной воды мембрана из нанотрубок быстро забивается. Предочистка воды через слой сорбирующего материала содержащего графены и (или) нанотрубки имеющие такие же сорбционные свойства, что и открытые концы встроенных в мембрану нанотрубок, предотвращает возникновение этой проблемы.

Устройство, работающее по способу настоящего изобретения, схематически представлено на Фиг.1.

Устройство содержит слой графенового сорбента 2 заключенного с обеих сторон в фильтр механической очистки 1 и 3, наномембрану 5, содержащую цилиндрические или конусные поры 6, корпус 7, отверстие для выпуска очищенной воды 8. Устройство также оснащено дренажным отверстием 4. Устройство работает следующим образом:

Исходную воду пропускают через слой графенового сорбента, заключенного с обеих сторон в фильтр механической очистки. В результате происходит глубокая очистка воды преимущественно от гидрофобных загрязнителей, а также изменение ее физико-химических параметров. В частности, происходит повышение текучести воды, а также формирование водных кластеров гексагонального типа и включение в эти кластеры эссенциальных элементов. Благодаря этому вода более эффективно очищается на мембране. Далее часть воды проходит через поры наномембраны а часть удаляется в дренаж. При входе в цилиндрические или конусные поры наномембраны происходит агрегация загрязнителей, в результате чего через поры свободно проходит вода и эссенциальные элементы, а загрязнители выдавливаются из пристеночной зоны в слой объемной воды и удаляются в дренаж.

В результате получается глубокоочищенная от загрязнителей вода, обладающая благоприятным воздействием на живые организмы. Для поддержания высокой скорости фильтрации через мембрану желательно периодически осуществлять ее обратную промывку фильтратом.

Методом двукратного пропускания воды через фильтр, содержащий графеновый сорбент и наномембрану, может быть получена вода особо высокой степени очистки. С использованием способа, включающего фильтрацию воды через графеновый сорбент и наномембрану возможно также получение воды со сниженным содержанием тяжелых изотопов водорода.

Далеко не исчерпывающий список примеров осуществления предлагаемого изобретения приводится ниже:

Пример 1

Пример демонстрирует возможность получения питьевой воды из сильно загрязненного источника.

Воду из болота очищали методом последовательной фильтрации через графеновый сорбент («Геракл») и трековую мембрану с цилиндрическими порами диаметром 0,2 мкм («Nerox»). В результате получилась чистая вода, по санитарным показателям соответствующая требованиям, предъявляемым к питьевой воде.

Пример 2

Пример демонстрирует возможность повышения биологической активности воды.

Водопроводную воду фильтровали, как описано в примере 1. Далее эту воду использовали для проращивания семян овса. В качестве контроля использовали воду без очистки.

Всхожесть семян в очищенной воде составила 90%, а в контрольной пробе - всего 55%.

Пример 3

Пример демонстрирует, что повышение биологической активности воды не связано с очисткой ее от химических загрязнений.

Для выращивания томатов использовали дистиллированную воду, пропущенную через графеновый сорбент и трековую мембрану (опыт), дистиллированную воду (контроль №1), и растопленный снег (контроль №2).

Томаты в опытной группе, а также в контроле №2 росли на 30% быстрее, чем в контроле №1. Таким образом, вода, очищенная по способу настоящего изобретения, повышала биологическую активность до уровня, характерного для талой воды.

Пример 4

Пример демонстрирует возможность получения питьевой воды с использованием разных вариантов графенового сорбента.

Водопроводную воду очищали методом последовательной фильтрации через графеновый сорбент («Геракл») с добавлением углеродных нанотрубок и трековую мембрану с цилиндрическими порами диаметром 0,2 мкм («Nerox»). В результате получилась чистая вода, по санитарным показателям соответствующая требованиям, предъявляемым к питьевой воде.

Водопроводную воду очищали методом последовательной фильтрации через тонко помолотый древесный уголь с добавлением углеродных нанотрубок и трековую мембрану с цилиндрическими порами диаметром 0,2 мкм («Nerox»). В результате получилась чистая вода, по санитарным показателям соответствующая требованиям, предъявляемым к питьевой воде.

Пример 5

Пример демонстрирует возможность получения питьевой воды с использованием мембран с разными размерами пор.

Водопроводную воду очищали методом последовательной фильтрации через графеновый сорбент и трековую мембрану с цилиндрическими порами диаметром 0,005 мкм. В результате получилась чистая вода, по санитарным показателям соответствующая требованиям, предъявляемым к питьевой воде.

Водопроводную воду очищали методом последовательной фильтрации через графеновый сорбент и трековую мембрану с цилиндрическими порами диаметром 0,03 мкм. В результате получилась чистая вода, по санитарным показателям соответствующая требованиям, предъявляемым к питьевой воде.

Пример 6

Пример демонстрирует возможность получения воды для медицинских целей.

Водопроводную воду двукратно очищали методом последовательной фильтрации через графеновый сорбент («Геракл») и трековую мембрану с цилиндрическими порами диаметром 0,2 мкм («Nerox»). В результате получилась чистая вода, пригодная для приготовления лекарственных средств, например экстрактов лекарственных растений.

Литература

1. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. СанПиН 2.1.4.1074-01», утверждены Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 26 сентября 2001 г.

2. Евразийский патент №005222 "Способ тонкой очистки воды и фильтр-корректор"

3. K. Ohno, М. Okimura, N. Akai and Y. Katsumoto. The effect of cooperative hydrogen bonding on the OH stretching-band shift for water clusters studied by matrix-isolation infrared spectroscopy and density functional theory / Phys. Chem. Chem. Phys. 7 (2005) 3005-3014.

4. Патент РФ №2184086 «Способ удаления нефти, нефтепродуктов и/или химических загрязнителей из жидкости, и/или газа и/или с поверхности»

5. Патент РФ №2338686 «Способ получения углеродных нанотрубок»

1. Способ очистки воды, включающий стадии на которых:
(А) фильтруют воду через сорбирующий материал, содержащий графены и/или углеродные нанотрубки,
(Б) фильтруют воду через мембрану, содержащую сквозные поры цилиндрической или конусной формы диаметром 0,005-0,3 микрона.

2. Способ очистки воды по п.1, отличающийся тем, что мембрана фильтровального элемента является трековой мембраной.

3. Способ очистки воды по п.1, отличающийся тем, что цилиндрические поры в мембране образованы углеродными нанотрубками.

4. Способ очистки воды по п.1, отличающийся тем, что применяется для получения воды, выбранной из группы: вода для питьевых целей, в том числе для производства напитков, вода для пищевых целей, в том числе для производства пищевых продуктов.

5. Способ очистки воды по п.1, отличающийся тем, что применяется для получения воды, выбранной из группы: вода для медицинских целей, в том числе для производства лекарственных средств; вода для косметических целей, в том числе для производства косметических продуктов.

6. Способ очистки воды по п.1, отличающийся тем, что применяется с целью получения воды для водных процедур.

7. Способ очистки воды по п.1, отличающийся тем, что применяется с целью получения воды для сельского хозяйства, в том числе для растениеводства, животноводства, рыбоводства.

8. Устройство для очистки воды, включающее:
(А) сорбирующий материал, содержащий графены и/или углеродные нанотрубки,
(Б) мембрану, содержащую сквозные поры цилиндрической или конусной формы диаметром 0,005-0,3 микрона.

9. Устройство для очистки воды по п.8, отличающееся тем, что мембрана фильтровального элемента является трековой мембраной.

10. Устройство для очистки воды по п.8, отличающееся тем, что что цилиндрические поры в мембране образованы углеродными нанотрубками.

11. Устройство для очистки воды по п.8, отличающееся тем, что применяется для получения воды, выбранной из группы: вода для питьевых целей, в том числе для производства напитков, вода для пищевых целей, в том числе для производства пищевых продуктов.

12. Устройство для очистки воды по п.8, отличающееся тем, что применяется для получения воды, выбранной из группы: вода для медицинских целей, в том числе для производства лекарственных средств; вода для косметических целей, в том числе для производства косметических продуктов.

13. Устройство для очистки воды по п.8, отличающееся тем, что применяется с целью получения воды для водных процедур.

14. Устройство для очистки воды по п.8, отличающееся тем, что применяется с целью получения воды для сельского хозяйства, в том числе для растениеводства, животноводства, рыбоводства.