Разработка научно-методических основ использования природных минеральных сорбентов (кремней) для улучшения качества питьевой воды, усиле

 

 

Только в бидистиллированной воде и в воде после ее пропускания  через фильтр с шунгитом излучение  при добавлении люминола практически  не менялось и было таким же, как  собственное излучение этих образцов воды.

При пропускании воды через фильтр с шунгитом (и фильтр «Царевин Ключ», в котором присутствует шунгит), содержащим углеродные микрокластеры /83, 84/, ее очистка от свободно-радикальных частиц (присутствие которых сопровождаются люминол зависимой хемилюминесценсией) многократно превышает степень очистки от радикалов при пропускании воды через другие ПМС и находится на уровне бидистиллированной воды. Из полученных данных следует, что очистка воды от радикалов осуществляется микрокластерами углерода, поскольку углерод в форме АУ (в котором микрокластеры отсутствуют) уступает по активности шунгиту и чистит воду на уровне других ПМС.

Предполагаемый  механизм освобождения воды от активных радикалов органической природы заключается в том, что активные центры минеральных сорбентов (в первую очередь углеродные микрокластеры) активируют молекулярный кислород, находящийся в воде, который выступает в качестве перехватчика частиц радикальной и ион-радикальной природы, и способствует их окислению до более низкомолекулярных продуктов.

Таким образом, можно заключить, что шунгит выступает в данной случае не только как сорбент, но проявляет специфическую активность в отношении устранения из воды частиц радикальной и ион-радикальной природы, значительно превосходя в этом отношении как кремень и глауконитовый известняк, так и АУ (в 56, 36 и 31 раз соответственно).

3.5. Биологическое действие воды, активированной кремнем

В литературе описаны  различные феномены, указывающие  на наличие биологической активности у активированной кремнем воды (АКВ) /110, 145, 146/.

В таблице 20 представлены результаты изучения влияния АКВ  на всхожесть семян гороха и овса.

Проращивание  семян в АКВ значительно ускорило сам процесс прорастания и  повысило процент всхожести семян. Для овса это увеличение составило 1,7 раза, для гороха - 1,4 раза.

Активизацию прорастания  семян можно объяснить влиянием микрокомпонентного состава воды, настоенной на измельченном кремне. 

 

 

 

Таблица 20.

Влияние АКВ  на всхожесть семян (Х±х) (n = 3)

Растение	Количество проросших  семян за время наблюдения, сут.
	АКБ			Контроль
	1	2	3	1	2	3
Овес	15 ± 2	54 ± 3	93 ± 6	0	25 ± 1	53 ± 2
Горох	22 ± 2	75 ± 4	98 ± 1	5 ± 2	35 ± 3	68 ± 1

 

 

Примечание: 1.Контролем  служили семена соответствующих  растений, проращиваемые в необработанной водопроводной воде;

2. Количество  семян в каждом варианте - 100 шт.

Сходное стимулирующее  действие кремня на биохимическую активность бифидобактрий наблюдали в эксперименте при приготовлении питательной среды на воде, настоенной на измельченном кремне /145/. При выращивании их на питательной среде, содержащей вытяжку из кремня (в состав которой входят микроколичества калия, натрия, кальция, бария, иода и других катионов и анионов в сбалансированном соотношении), отмечено увеличение скорости роста популяции бифидобактерий и более интенсивное накопление продуктов метаболизма - ацетата, лактата, этанола, внеклеточных протеаз /145/. 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа выполнена на основании директивы ГВМУ МО РФ №161/7/4/3979 от 05.08.99г. в НИЛ перспективных технологий очистки воды НИО питания и водоснабжения НИЦ Военно-медицинской академии.

В ходе выполнения НИР проведены комплексные исследования, включающие изучение распространения и уровней химического и микробиологического загрязнений природной воды, а также ее вторичного загрязнения в водопроводных сетях. Показано, что технология водоподготовки не справляется с задачей получения качественной питьевой воды. Из-за этого большая часть населения употребляет питьевую воду, не удовлетворяющую требованиям санитарных норм и правил.

В работе дана гигиеническая  оценка эффективности имеющихся  и перспективных средств и  способов очистки хозяйственно-питьевой воды. Обобщен отечественный и зарубежный опыт применения в процессах водоочистки и водоподготовки ПМС как эффективных средств удаления загрязнений.

На основе анализа  технико-экономических показателей  для экспериментального изучения выбраны  имеющие отечественную сырьевую базу минеральные сорбенты разной природы: углеродной (шунгит), кремнеземной (кремень), кремнистой и известковой (глауконитовый известняк).

Опытным путем  подобраны условия активации  ПМС. Наиболее значительно (на 35-57%) возросла активность ПМС после кислотной обработки смесью (1:1) 10% щавелевой кислоты и перекиси водорода.

Проведено изучение влияние состава и свойств  очищаемой воды (жесткости, цветности, обусловленной содержанием гуминовых  веществ) на эффективность действия ПМС.

В работе использован  широкий интервал концентраций химических веществ и микробных агентов: от характерных для водопроводной воды - до концентраций, присутствующих в производственных и бытовых сточных водах.

В модельных  экспериментах по использованию  природных минеральных сорбентов  в процессах очистки воды от химических и микробиологических загрязнений выявлены существенные различия в эффективности рассмотренных сорбентов, определяемые их минеральным составом, микроструктурой, сорбционной емкостью и наличием каталитической активности.

Все изученные ПМС (шунгит, кремень и глауконитовый известняк) удаляли из воды тяжелые металлы (ионы двухвалентной меди) в диапазоне концентраций от 0,5 до 10 ПДК.

В модельной  водопроводной воде (с жесткостью 08÷0,9 мг-экв/л и цветностью 10÷1.5°) при всех использованных концентрациях меди более эффективными сорбентами оказались глауконитовый известняк, кремень, а также комплекс ПМС в фильтре "Царевин ключ". Эффективность шунгита уступала двум вышеназванным сорбентам и АУ. При исходном содержании меди 10 ПДК, глауконит снижал концентрацию примерно в 200 раз, кремень - в 100 раз, а шунгит и АУ в 20 и 33 соответственно.

В воде с повышенным содержанием солей жесткости (7,2 мг-экв/л) ПМС сохраняли свою эффективность  в отношении удаления ионов меди (произошло снижение содержания до нормативов СанПиН). При этом шунгит также уступал кремню, глауконитовому известняку и фильтру "Царевин ключ" в 4÷6,5 раз. В тех же условиях применение АУ (при содержании меди 10 ПДК.) привело к. снижению концентрации меди только до 1.10 мг/л, что превышает ее ПДК в питьевой воде (1,0 мг/л).

В высокоцветной  воде (цветность 178°) эффективность  ПМС сохранялась при всех концентрациях  меди и достоверно превышала таковую для АУ. В то же время при начальной концентрации ионов меди 10 ПДК использование фильтра с АУ оказалось неэффективным. Снижение концентрации меди в данном варианте опыта произошло только в 3 раза (до 3,10 мг/л).

Проведенные исследования позволили заключить, что в отношении  ионов меди ПМС превосходят по эффективности АУ и проявляют  свою активность как при низких, так и при высоких значениях цветности и жесткости обрабатываемой воды. Напротив, эффективность АУ значительно снижается в жесткой воде и воде с повышенной цветностью. Среди ПМС более эффективными, чем шунгит являются кремень и глауконитовый известняк. 

 

Все испытанные ПМС удаляли фенол до величины ПДК при исходной концентрации 50 ПДК независимо от цветности и  жесткости воды. Более высокие концентрации фенола (1,5 ÷ 34,5 мг/л), характерные для промышленных сточных вод, удалялись из модельной водопроводной воды до уровня ПДК шунгитом, а также с помощью фильтра, содержащего комплекс из всех трех ПМС. При этом эффективность шунгита и фильтра «Царевин ключ» не уступала АУ.

В воде с высокой жесткостью при концентрации фенола 1,5 мг/л шунгит, глауконитовый известняк и фильтр «Царевин ключ», также как и АУ, удаляли фенол из воды до концентрации ниже ПДК. Кремень при данной исходной концентрации снижал уровень фенола в 30 раз (до 0,05 мг/л), что превышает ПДК для питьевой воды в 50 раз. При повышении концентрации фенола до 34,5 мг/л только применение фильтра с шунгитом, фильтра «Царевин Ключ» и АУ привело к снижению фенола до величины ПДК. Кремень и глауконитовый известняк в данном случае были неэффективны.

Эффективность шунгита, глауконитового известняка и АУ в высокоцветной воде при концентрациях фенола 1,5÷34,5 мг/л была одинаковой. Кремень уступал всем использованным ПМС и АУ.

Проведенные испытания  ПМС при высоких концентрациях  поллютантов доказывают принципиальную возможность использования их для очистки промышленных и бытовых сточных вод от тяжелых металлов (глауконит и кремень) и фенольных соединений (шунгит).

Токсикологическое исследование воды с помощью биотестирования  на дафниях и микроводорослях  хлорелла показало, что вода, содержащая ионы меди и фенол, оказывала токсическое действие на тест объект. В результате проведенной обработки воды на фильтрах с ПМС токсичность проб воды значительно снижалась во всех случаях. Только при исходной концентрации фенола в воде 1,5 мг/л вода после пропускания через фильтр с кремнем характеризовалась как «слаботоксичная». Во всех остальных случаях токсичность воды отсутствовала.

Шунгит проявлял специфическую активность в отношении  частиц радикальной и ион-радикальной  природы, значительно превосходя в  этом отношении как кремень и глауконитовый известняк, так и АУ (в 56, 36 и 31 раз соответственно).

Результаты проведенных  санитарно-микробиологических исследований показали, что ПМС имеют выраженные сорбционные свойства в отношении  бактерий E.coli штамм К12, а также спор B.subtilis и C.perfringes. Все изученные ПМС и их комбинация в фильтре «Царевин ключ» эффективно удаляют из воды микробное загрязнение при исходной концентрации (1,2÷3,5)x10³ кл/мл, не уступая по своему действию фильтру с АУ. При повышении концентрации до (3,1÷3,5)x10⁴ кл/мл шунгит и глауконитовый известняк действовали эффективнее, чем кремень (на уровне АУ).

Использование фильтров с ПМС позволяет очистить поду от избыточного содержания ионов железа в изученном интервале концентраций от 0,5 до 40 мг/л. После пропускания через фильтры с ПМС концентрация железа во всех пробах воды снижается до величин допустимых СанПИН. В интервале концентраций от 0,5 до 5 мг/л эффективность всех ПМС одинакова и не отличается от таковой для АУ. При самой высокой изученной концентрации железа фильтр с шунгитом превосходит по эффективности АУ, кремень и глауконитовый известняк в 2 раза.

ПМС, представленные в фильтре «Царевин Ключ», обеспечивают не только глубокую очистку воды, но и коррекцию ее солевого состава (кондиционирование), что особенно актуально для регионов с маломинерализированной природной водой и искусственно получаемой питьевой воды, приготавливаемой на основе промышленного дистиллята.

Изучение биологического действия активированной кремнем воды на прорастание семян растений показало, что в результате предпосевной обработки значительно ускоряется процесс прорастания и повышается в 1,4÷1,7 раз процент всхожести семян. Активизация прорастания семян объясниется стимурирующим действием воды, настоянной на измельченном кремне, которая имеет сбалансированный макро и микрокомпонентный состав.

ПМС превосходят  АУ по механической прочности, у них  практически отсутствуют вещественные потери при регенерации, в то же время  у АУ они составляют от 30 до 75%.

Цена 1 т шунгита составляет $250 за тонну, в то время, для АУ - $3000. Таким образом, устройства и технологии, использующие ПМС по меньшей мере на порядок дешевле, чем аналогичные с использованием АУ. При этом, как показали исследования, комплекс из углеродных, кремнистых и известняковых пород (шунгит, кремень и глауконитовый известняк) не уступает по эффективности АУ, а в отношении сорбции тяжелых металлов и удаления свободно-радикальных частиц превосходит его.

На основе использования комплекса ПМС могут быть разработаны установки

малой производительности 10÷20 л/сутки (для индивидуального пользования), средней - на 2000 л/сутки (для коллективов) и большой - до 20 м³/сутки для небольших водопроводных станций. Положительным моментом таких установок является возможность многократной (до 50 циклов) регенерации в процессе эксплуатации.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие  выводы:

1. Для очистки воды от ионов тяжелых металлов наиболее перспективными ПМС являются кремень и глауконитовый известняк. Их эффективность превосходит АУ и остается на высоком уровне при разных исходных параметрах обрабатываемой воды (низкая и высокая жесткость, цветность, обусловленная гуминовыми веществами).
2. Все ПМС удаляют из воды фенол в концентрации до 50 ПДК. При более высоких концентрациях эффективность шунгита выше, чем кремня и глауконитового известняка при всех исследованных параметрах модельной воды.
3. Шунгит проявляет специфическую активность в удалении из воды частиц радикальной и ион-радикальной природы, значительно превосходя в этом отношении как кремень и глауконитовый известняк, так и АУ (в 56, 36 и 31 раз соответственно).
4. Изученные сорбенты очищают воду от избыточного содержания ионов железа в изученном интервале концентраций от 0,5 до 40 мг/л. При самой высокой концентрации железа фильтр с шунгитом превосходит по эффективности АУ, кремень и глауконитовый известняк в 2 раза.
5. Природные сорбенты обладают выраженными сорбционными свойствами в отношении бактерий Е.соli штамм К12, спор B.subtilis и C.perfringes. Эффективность на уровне АУ в удалении клеток микроорганизмов из воды проявляют шунгит и глауконитовый известняк.
6. Вода, обработанная ПМС улучшает свои биологические свойства за счет глубокой очистки от химических загрязнений, снижения токсичности, а также обогащения эссенциальными макро- и микроэлементами.
7. Исследованные ПМС являются перспективными для использования в системах и средствах улучшения качества воды как в коммунальном водоснабжении, так и в интересах Вооруженных Сил.