Новый подход к задаче очистки и обеззараживания питьевой воды на основе генератора озоно-гидроксильной смеси

Идеальным способом очистки воды является полное окисление всех содержащихся в ней примесей. Хорошо известна и широко применяется очистка воды методом озонирования. Однако озон — селективный окислитель. Имеется много веществ, которые практически не взаимодействуют с озоном. Кроме того, применение сильных окислителей (хлора, озона) для разложения органических соединений приводит к появлению вторичных соединений (хлорорганики, озонидов), токсичность которых может быть выше токсичности исходных веществ. Только гидроксильные радикалы полностью окисляют все соединения до уровня нейтральных солей. В частности, органические соединения окисляются радикалами до углекислого газа и воды. В настоящее время за рубежом интенсивно развивается новое направление, основанное на использовании в качестве окислителей гидроксильных радикалов, которое получило название «улучшенные окислительные технологии» (Advanced Oxidation Technologies, AOT’s).

На основе генератора озоно-гидроксильной смеси реализован новый подход к задаче очистки воды, заключающийся в том, что осуществляется окисление всех веществ, растворенных в воде. При этом полностью сохраняется состав растворенных в воде солей. Ионы тяжелых металлов, содержащиеся в воде, превращаются в нерастворимые карбонаты и выпадают в осадок. В нерастворимые соединения переходят и соли жесткости. Нерастворимые соли, а также соли, выпадающие в осадок после стадии окисления, кристаллизуются и оседают на дно фильтра-отстойника, либо задерживаются простым песчаным фильтром. Если в процессе обработки в разрядную камеру генератора подавать чистый кислород, то вода становится насыщенной кислородом и его активными формами и приобретает целебные свойства.

Установка для очистки воды озоногидроксильной смесью состоит из генератора, в который вмонтирован эжектор с узлом кавитации, и угольного (коксового) фильтра. Фильтр предназначен в первую очередь для нейтрализации активных частиц, остающихся в воде. Озоно-гидроксильная смесь высасывается из генератора эжектором, через который проходит обрабатываемая вода, и смешивается с водой в кавитаторе. Кавитация намного увеличивает эффективность взаимодействия веществ, находящихся в жидкой и газообразной фазе. Гидроксильные радикалы полностью окисляют все вещества, растворенные в воде.

В отличие от озона, гидроксильные радикалы являются универсальным окислителем, их реакционная способность в миллионы раз больше реакционной способности озона. Поэтому степень очистки воды озоно-гидроксильной смесью намного выше, чем при обработке только озоном. Особенно эффективен новый метод очистки воды при малом содержании примесей (как в случае речной воды), т.к. расход электроэнергии на генерацию необходимого количества активных частиц будет мал. В очищенной воде остается растворенный озон (от 1 до 3 мг/л). Такой концентрации озона достаточно для полной дезинфекции воды. Воду непосредственно с выхода генератора (не пропуская ее через угольный фильтр) можно использовать для дезинфекции посуды, рук, пищевых продуктов.

Прежде чем поступить к потребителю, вода должна пройти стадию разложения активных частиц. Для этого вода пропускается через угольный (коксовый) фильтр. Фильтр полностью поглощает все радикалы, находящиеся в воде, и почти полностью разлагает озон.

При взаимодействии озона с углеродом образуются карбонат-ионы, продуктом реакции карбонат-ионов с ионами металлов, находящимися в воде, являются нераствормые карбонаты, выпадающие в осадок. Тем самым осуществляется удаление из воды тяжелых металлов, в частности, железа. Остаточный озон консервирует воду, разливаемую в бутыли, что позволяет долго хранить воду без ухудшения ее качества.

Соли жесткости, растворенные в воде, переходят в нерастворимую форму:

Ca(HCO₃)₂→CaCO₃↓+ H₂CO₃.

В обычной воде этот процесс происходит на горячих поверхностях (стенках чайника или нагревательных элементах), поэтому они покрываются налетом карбоната кальция. После обработки воды предлагаемым способом карбонат образуется во взвешенном состоянии и не оседает на горячих поверхностях.

Очистке с помощью разработанной установки может подвергаться речная вода, прошедшая предварительную очистку от механических примесей; вода из водопровода с характеристиками, не соответствующими санитарным нормам на питьевую воду; вода из артезианских скважин и других природных источников. Последовательность процессов, происходящих в установке, выглядит следующим образом:

1. Генерация химически активных частиц: гидроксильных радикалов, озона, перекиси водорода.
2. Контактирование газовой смеси, содержащей активные частицы, с потоком жидкости.
3. Кавитация (образование парогазовых пузырьков в жидкости) и перемешивание обрабатываемой жидкости с озоногидроксильной смесью.
4. Окисление органических и неорганических примесей воды.
5. Насыщение воды активными формами кислорода и самим кислородом.
6. Отделение неиспользованного газа от потока жидкости.
7. Нейтрализация радикалов, накопившихся в жидкости.
8. Перевод ионов тяжелых металлов в нерастворимые карбонаты.
9. Отделение нерастворимого осадка.

Схема обработки питьевой воды представлена на рис. 1. Генератор включается по схеме, представленной на рис. 2.

Промежуточная емкость 3 на рис. 2 должна быть такой, чтобы среднее время удержания воды было не менее 1 мин. После обработки вода может поступать непосредственно потребителю, либо в накопительную емкость. Такая схема может быть использована для очистки воды на предприятиях общественного питания, при бутилировании воды, для снабжения водой индивидуального потребителя.

В этом случае объем емкости 3 составляет 10–15 л. Если с помощью озоногидроксильной смеси проводится очистка воды для поселка, то емкость 3 должна иметь объем от сотен литров до десятков кубометров.

Параметры и лечебные свойства воды

Возможно производство воды трех типов:

а) очищенная вода с низким окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП);

б) очищенная вода, насыщенная активными формами кислорода и самим кислородом;

в) дезинфицирующая жидкость. Характеристика разных видов воды приведена в табл. 1.

Очищенная вода не содержит вредных для здоровья веществ, полностью сохраняет солевой состав, имеет низкий ОВП. Вода, насыщенная кислородом, обладает целебными свойствами. Дезинфицирующая жидкость обладает обеззараживающим действием благодаря содержанию в ней озона и перекиси водорода. Величина окислительно-восстановительного потенциала является важной характеристикой воды.

Влияние величины и знака ОВП на характер электрохимических процессов в пробе этой воды показано в табл. 2. Результаты измерения характеристик воды из разных источников представлены в табл. 3.

Сравнение приведенных здесь характеристик воды показывает, что сырая водопроводная вода имеет высокий ОВП и непосредственно для питья не рекомендуется. Кипячение воды существенно улучшает ее характеристики, хотя имеется много загрязняющих примесей, которые при кипячении сохраняются. Питьевая вода, продаваемая в бутылях, даже одной марки, имеет широкий разброс свойств (от целебной до едва соответствующей санитарным нормам). Святая вода соответствует своему названию и является целебной. Полезной является талая вода, укоторой потенциал существенно ниже водопроводной.

Вода, очищенная озоно-гидроксильной смесью, имеет ОВП существенно ниже водопроводной, в кипяченом виде ОВП ≈򖅀, и вода является полезной.

Оксигенизированная вода с повышенным содержанием кислорода и его активных форм является целебной. Кислород, содержащийся в этой воде и определяющий ее более высокий ОВП, легко отделяется от воды в организме человека и используется для усиления дыхания клеток, в то время как более высокий потенциал водопроводной воды определяется ее химическим составом и может негативно влиять на здоровье.

Характеристики установок обработки воды озоно-гидроксильной смесью приведены в табл. 4. Установки могут изготавливаться в комнатном и герметичном влагозащитном исполнении.

Технология применения разных видов воды, обработанной озоно-гидроксильной смесью, представлена в табл. 5.

Остановимся более подробно на генерировании дезинфицирующего раствора.

Концентрация озона в воде, при которой достигается антимикробный эффект, составляет 1–2 мг/л. Максимальная концентрация кислорода в воде при 20°С ≈� мг/л, т.е. в воде легко достигается соотношение концентрации озона к концентрации кислорода 10–20 %. Концентрация кислорода в воздухе равна примерно 0,3 г/л. Доля озона 10–20 % от этой величины будет 30–60 мг/л. На воздухе для достижения того же соотношения концентраций, как в воде, озона нужно в 30 раз больше. Поэтому убивать микробы выгоднее в озонированной воде, чем на воздухе.

Возможные технологии применения установок представлены в табл. 6.