RU2418747C2

RU2418747C2 - Способ энергонезависимой, безреагентной, нетоксичной очистки воды от микробиологических загрязнений на основе нанотехнологий

Info

Publication number: RU2418747C2
Application number: RU2009122909/05A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Анатольевич Максимов (RU); Вячеслав Анатольевич Максимов; Альбина Моисеевна Шубина (RU); Альбина Моисеевна Шубина
Original assignee: Вячеслав Анатольевич Максимов; Альбина Моисеевна Шубина
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2011-05-20
Also published as: RU2009122909A

Abstract

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.

Description

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 (Ag_n ^+m, Cu_n ^+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 (Ag_n ^+m, Cu_n ^+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
Исследуемые образцы пористого полиэтилена	Бактерии, используемые для заражения образцов	5	10
Рецептура 1 (опыт)	Staphylococcus aureus + Escherichia coli	0	0
Рецептура 1 (опыт)	Pseudomonas aeruginosa + Bacillus licheniformis	0	0
Рецептура 1 (контроль)	Staphylococcus aureus + Escherichia coli	4,5×10²	1,6×10²
Рецептура 1 (контроль)	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
Материал	Бактерии, используемые для инфицирования материала	опыт	контроль	опыт	контроль
Нативный (исходный)	Staphylococcus aureus + Escherichia coli	0	4,5×10²	0	1,6×10²
Нативный (исходный)	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
УКИ 2 года старения	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
УКИ 5 лет старения	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.

Claims

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.