Фильтровальные материалы на основе наноструктурных частиц оксидно-гидроксидных фаз алюминия

В настоящее время проблема обеззараживания воды от патогенных микроорганизмов становится все более актуальной. Несмотря на меры, принимаемые для обеспечения микробиологической безопасности питьевой воды, болезнетворные микроорганизмы регулярно передаются через системы водоснабжения. По данным Всемирной организации здравоохранения, 80% всех инфекционных болезней в мире связано с неудовлетворительным качеством воды или нарушением санитарно-гигиенических норм вследствие её недостатка.

Сегодня обеззараживание воды, в основном, производится с помощью хлорсодержащих агентов. Химические окислители достаточно эффективно уничтожают бактерии. Однако вирусы более устойчивы по отношению к процессам химической обработки, чем многие из бактерий. Кроме того, специалисты высказывают все более растущее беспокойство по
поводу токсичности и потенциальной канцерогенности вторичных продуктов окисления, которые образуются в результате химической обработки воды. Очевидно, что для решения указанной проблемы к существующим технологиям водоочистки должны подключаться дополнительные методы стерилизации воды, например фильтрацией

Однако полномасштабное применение в системах водоснабжения населения стерилизации воды фильтрацией затруднено по причинам высокой стоимости и низкой производительности существующих микробиологических фильтров.

В последнее время решение задачи повышения эффективности удаления микроорганизмов из воды связывается с использованием адсорбционных фильтров с модифицированным зарядом. Поскольку большинство встречающихся в природе примесей (в том числе микроорганизмы и вирусы) в воде электроотрицательны, то фильтрующий материал с положительным электрокинетическим потенциалом будет высокоэффективен для извлечения из воды широкого спектра загрязняющих веществ. При этом размер пор фильтра не накладывает ограничения на его производительность. Было установлено, что пористые электроположительные фильтры способны адсорбировать вирусы и эндотоксины, размер которых во много раз меньше среднего размера пор фильтра. Подобные фильтры могут расширить диапазон размеров частиц и типов веществ, которые могут удаляться при помощи конкретного сорбционного фильтра при сохранении высокой пропускной способности. Исходя из свойств наноструктурных частиц оксигидроксида алюминия синтезированных гидролизом электровзрывных алюмонитридных нанопорошков (дзета - потенциала частиц в дистиллированной воде составляет величину около 40 мВ), можно утверждать, что созданный на их основе фильтровальный материал будет высокоэффективен для удаления из воды широкого спектра загрязнений.

В Институте физики прочности и материаловедения СО РАН и ООО «Аквелит» разработан композиционный электроположительный в водных средах листовой фильтровальный материал AquaVallis на основе частиц оксигидроксида алюминия (рис. 1), который обладают уникальной сорбционной емкостью по отношению к вирусам и бактериям.

Рис. 1. Изображение структуры (а) и листов фильтровального материала (б):
1 - нановолокнистые частицы гидроксида алюминия,
2 - волокна полимерной матрицы

Было установлено, что материал AquaVallis способен адсорбировать бактерии, вирусы и эндотоксины, размер которых во много раз меньше среднего размера пор материала с эффективностью 100%. Фильтровальный материал и картриджи на его основе имеют следующие характеристики:
1. Оптимальная скорость фильтрования 0,17 см/с или 100 л/мин через 1 м2 материала.
2. Сорбционная емкость 107 КОЕ/см2.
3. Грязеудерживающая способность составляет около 1000 мг/см2.
4. Толщина материала около 2 мм.
5. Перепад давления на фильтровальном материале около 0,5 атм.
6. Фильтровальный материал производится в листах с размерами 120 см´80 см.
7. На основе фильтровального материала выпускаются картриджи с размерами 5 и 10 дюймов, предназначенные для использования в стандартных фильтродержателях для удаления из воды микробиологических загрязнений и коллоидных частиц.


Рис. 2. Зависимость объемной скорости фильтрации V от перепада давления Р при пропускании дистиллированной воды

Собственная гидравлическая характеристика фильтровального материала представлена на рис. 2. По совокупности параметров, материал AquaVallis сегодня не имеет аналогов в мире.

Литература

1. Международная заявка № РСТ/RU2006/ 000410. Фильтрующий материал, способ его получения и способ фильтрования. М. Лернер, Н. Сваровская, С. Псахье, Г. Руденский, В. Репин, В. Пугачев. Международная публикации № WO 2007/ 018454

2. Савельев Г.Г., Лернер М.И., Н.В. Сваровская Н.В., Ложкомоев А..С.Изучение адсорбции танниновой кислоты фильтровальным сорбционным материалом на основе нановолокон оксигидроксида алюминия // Материалы IV международной научной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий». УДК 54, г.Томск: изд-во ТПУ, 2006 г.,. Т.1., с. 122-123.

3. Ложкомоев А.С., Савельев Г.Г., Сваровская Н.В., Лернер М.И. Адсорбция отрицательных ионов эозина, молекул танина и латексных сфер на нановолокнах оксогидроксида алюминия. // Журнал прикладной химии. 2009. Т. 82. Вып. 4. С. 588-593.

4. Патент RU 2349368. Лернер М.И., Сваровская Н.В., Псахье С.Г., Руденский Г.Е., Глазкова Е.А. Фильтрующий материал для очистки воздуха и способ его получения. Опубл. 20.03.2009. БИ № 8.

5. Патент RU 2366487. Давыдович В.И., Сваровская Н.В., Псахье С.Г., Кирилова
Н.В., Глазкова Е.А., Ложкомоев А.С., Черненко В.П. Способ изготовления композиционного листового сорбента. Опубл. 10.09.2009. БИ № 25.