автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.15, диссертация на тему:Формирование потребительских свойств питьевой воды с помощью сорбционных методов

На правах рукописи

ЯКУБАУСКАС АННА НИКОЛАЕВНА

ФОРМИРОВАНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ С ПОМОЩЬЮ СОРБЦИОННЫХ МЕТОДОВ

Специальность 05.18.15 - Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 I :дп 1С 14

МОСКВА-2014

005548318

Работа выполнена на кафедре товароведения и товарной экспертизы Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Калачев Сергей Львович Официальные оппоненты: Сапронова Людмила Алексеевна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств», профессор кафедры «Товароведение и общественное питание»

Евдокимова Оксана Валерьевна

доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Государственный университет -учебно-научно-производственный комплекс» заведующая кафедрой «Технология и товароведение продуктов питания»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского»

Защита диссертации состоится «19» июня 2014 года в 17 час.00 мин. на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.212.196.07 при ФГБОУ ВПО «Российский экономический университет им. Г.В Плеханова» по адресу: 117997, г. Москва, Стремянный пер., д. 36, корп. 3, ауд. 353.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном библиотечном центре имени академика Л.И. Абалкина ФГБОУ ВПО «Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова» и на официальном сайте организации_11ир//ог(15.rea.ru.

Автореферат разослан 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор химических наук Чалых Татьяна Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационного исследования. Питьевая вода является важнейшим продуктом в рационе питания человека и ежедневно потребляется всеми группами детского и взрослого населения России. Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства.

Качество этого продукта питания является одним из основополагающих факторов здоровья, гак как в ежедневном пищевом рационе человека питьевая вода занимает около 65% (по массе). Питьевая вода низкого качества несет риск причинения вреда здоровью человека, степень вреда увеличивается вследствие ее систематического потребления. Питьевая вода является источником поступления в организм человека многих микро- и макроэлементов. Систематическое потребление физиологически неполноценной маломинерализованной воды несет риск развития заболеваний, связанных с недостатком микро- и макроэлементов.

Степень разработанности темы.

Исследованию проблем безопасности и физиологической полноценности питьевой воды и их влияния на организм человека посвящены рабо ты Суриц О.В., Радкевич Л.М., Ерохина М.А. и других. Товароведные работы в области формирования потребительских свойств питьевой воды ограничены исследованием Шишкина В.В. и изданием учебного пособия «Экспертиза питьевой воды. Качество и безопасность» авторов Красновой Т.А. , Юсгратова В.П., Позняковского В.М.

Международное сообщество в последние годы уделяет значительное внимание вопросам качества питьевой воды как элемента питания. ООН объявила 2005-2015 годы Международным десятилетием действий «Вода для жизни». В России с целью решения проблемы качества питьевой воды принята Федеральная государственная программа «Чистая вода 2011-2017».

Согласно данным, публикуемым Роспотребнадзором РФ, не менее 50% населения Российской Федерации вынуждено систематически использовать для питьевых целей и приготовления пищи воду, не соответствующую по ряду показателей установленным нормативам. Качеством литьевой воды не удовлетворено около 60% населения. На сегодняшний день проблема качества питьевой поды не решена.

На сегодняшний день вода из централизованных и децентрализованных источников питьевого водоснабжения в большинстве случаев может являться сырьем для получения питьевой воды. Бутнлированная питьевая вода имеет высокую цену и часто фальсифицируется. Поэтому население в целях экономии, сохранения гигиены питания в современных условиях и обеспечения безопасности, повышения комфортности жизни население получает питьевую воду бытовыми водоочистными устройствами (БВУ). В Москве и Санкт-Петербурге их использует до 70% населения. Однако, частично улучшая показатели безопасности и органолептических свойств воды (путем удаления

типичных загрязнителей), БВУ не решают весь комплекс проблем безопасности воды, а именно — доочистку воды от таких специфических высокотоксичиых загрязнителей, как соединения мышьяка, а также не повышают физиологическую полноценность воды по содержанию жизненно необходимых микро- и макроэлементов, в частности ионов фтора и магния.

Исследование вопросов качества питьевой воды и разработка методов формирования ее потребительских свойств крайне актуальны на сегодняшний день.

Цель диссертационной работы — разработка методов формирования потребительских свойств питьевой воды путем очистки от загрязнителей и повышения физиологической полноценности воды с помощью сорбционных методов, реализуемых в бытовых водоочистных устройствах.

Для достижения цели были решены следующие задачи.

!. Исследованы потребительские свойства питьевой воды, получаемой из централизованных источников питьевого водоснабжения в г. Москве и Санкт-Петербурге, а также воды, доочищенной сорбционными бытовыми водоочистными устройствами и бутилированпой питьевой воды.

2. Обоснован выбор направлений и методов повышения потребительских свойств питьевой воды исходя из выявленных особенностей химического состава воды разных регионов.

3. Исследована возможность и показана рациональность применения сорбционных технологий для формирования требуемых потребительских свойств питьевой воды путем удаления из нее типичных (активный хлор, тяжелые металлы, летучие галогенорганические соединения) и специфических (мышьяк (III) и мышьяк (V)) загрязнителей и научно обоснованы рецептуры сорбционных смесей.

4. На основании анализа состава воды разработаны оригинальные рецептуры сорбционных смесей, удаляющие типичные загрязнители и обогащающие воду ионами магния и/или фтора.

5. Изучены потребительские свойства питьевой воды, формируемые в результате обработки сорбционными смесями, подтверждено ее соответствие установленным требованиям к показателям безопасности, физиологической полноценности, органолептическим характеристикам.

Научная новизна работы.

1. Впервые разработана универсальная методика оценки потребительских свойств питьевой воды, полученной в результате доочистки и обогащения с помощью сорбционных бытовых водоочистных устройств, учитывающая требования российских и зарубежных стандартов.

2. Научно обоснованы способы корректировки ионного состава питьевой воды до уровня физиологической полноценности за счет применения разработанных нами сорбционных смесей для сменных фильтрующих элементов бытовых водоочистных устройств, с учетом особенностей природного (регионального) состава воды, существенно улучшающие ее потребительские свойства.

3. Для селективного удаления из питье-вой воды типичных (активный хлор, тяжелые металлы, летучие галогеиорганические соединения) и специфических (соединения мышьяка) загрязнителей обоснованы и разработаны рецептуры сорбционных смесей.

4. Для повышения физиологической полноценности и обеспечения безопасности маломинерализованной питьевой предложены сорбционные смеси, позволяющие осуществлять комплексную обработку воды с целью удаления типичных (активный хлор) и специфических (железо) загрязнителей с одновременным обогащением ионами фтора и магнйя.

5. Для питьевой воды с оптимальным содержанием ионов кальция и магния разработаны сорбционные смеси, позволяющие удалять типичные загрязнители и обогащать воду ионами фтора.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Разработана, внедрена и применяется методика комплексной оценки потребительских свойств питьевой воды (Акт о внедрении в ЗАО «МЕТТЭ'М-Технологии» № 01-08/2013). Методика позволяет оценить уровень безопасности и физиологическую полноценность питьевой воды, полученной путем доочистки с использованием сорбционных методов.

Проведена сравнительная оценка потребительских свойств воды из централизованных источников питьевого водоснабжения г. Москвы и Санкт-Петербурга, установлен низкий уровень физиологической полноценности и органолептических свойств и потенциальная опасность превышения ПДК типичных и специфических загрязнителей.

Из исходной воды с низки уровнем потребительских свойств путем обработки сорбционнмми смесями 3 типов получена безопасная и физиологически полноценная питьевая вода. Рецептуры смесей внедрены в производство сменных фильтрующих элементов:

- для обеспечения безопасности воды, содержащей типичные (активный хлор, тяжелые металлы, летучие галогеиорганические соединения) и специфические (соединения мышьяка) загрязнители (Акт о внедрении №0107/2013);

-для обеспечения безопасности и физиологической полноценности воды из централизованных источников питьевого водоснабжения, содержащей типичные загрязнители, с пониженным исходным содержанием фтора (Акт о внедрении №02-07/2013);

- для обеспечения безопасности и повышения физиологической полноценности маломинералнзованной воды, загрязненной железом (путем удаления железа, сохранения исходного солесодержания и обогащения ионами фтора и магния) (Акт о внедрении № 01-09/2013).

Результаты исследований использованы при написании учебного пособия «Питьевая вода и бытовые водоочистные устройства: потребительские свойства и экспертиза качества», которое используется при чтении лекций но дисциплине «Безопасность и гигиена питания».

Методология и методы исследования. Методология работы заключается в использовании ионообменных свойств сорбентов для повышения безопасности и физиологической полноценности питьевой воды. В процессе проведения исследований использованы стандартные физико-химические, санитарно-микробиологические и органолептические методы и оригинальная методика оценки потребительских свойств питьевой воды, полученной путем доочистки бытовыми водоочистными устройствами.

Основные положения, выносимые на защиту.

- Результаты мониторинга потребительских свойств питьевой воды централизованных источников питьевого водоснабжения г. Москвы и Санкт-Петербурга; бутилироваиной питьевой воды; воды доочищенной серийно выпускаемыми бытовыми водоочистными устройствами.

- Направления улучшения потребительских свойств питьевой воды, учитывающие особенности ее состава.

- Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие качество питьевой воды полученной путем доочистки с помощью сорбционных бытовых водоочистных устройств.

- Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие безопасность питьевой воды после очистки ее экспериментальными смесями ог соединений мышьяка и типичных опасных загрязнителей.

- Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие повышение физиологической полноценности питьевой воды после ее очистки и обогащения ионами фтора и магния экспериментальными сорбционными смесями.

- Методики получения питьевой воды, обеспечивающие улучшение ее физиологической полноценности по содержанию микро- и макроэлементов (на примере дополнительного обогащения воды ионами фтора и магния), при доочистке маломинерализованной воды с высоким содержанием железа, реализуемой в малогабаритных сорбционных бытовых водоочистных устройствах.

Степень достоверности и апробация результатов работы.

Достоверность результатов исследований обеспечивается применением аттестованных методик выполнения измерений, использованием аналитического оборудования и средств измерений, прошедших государственную поверку, проведением экспериментов в шестикратной повторности, матемагико-статистической обработке результатов.

Основные положения и результаты диссертационного исследования были доложены и обсуждались на: 61-ой научно-практической конференции студентов МГУДТ «Молодые ученые - XXI веку» (Москва, 2009); Международной научно-практической конференции «Ценности и интересы современного общества» в рамках Васильевских чтений (Москва, 2009, 2012); Международной научно-практической конференции «Экономика, государство и общество в XXI веке» в рамках Румянцевских чтений (Москва, 2010, 2011, 2013); Всероссийской научно-практической конференции «Технологии и

оборудование химической, биотехпологической и пищевой промышленности» (Бийск, 2011, 2012); Международной заочной научно-практической конференции «Питание в современном мегаполисе» (Хабаровск, 2011); V Международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Челябинск, 201 Г).

Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (гл. 1), экспериментальной части (гл. 2-5), списка цитируемой литературы, включающего 150 наименований, и заключения; работа содержит 169 страниц, включая 38 таблиц и 7 рисунков, 8 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана новизна и практическая значимость работы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе диссертации «Характеристика питьевой воды как продукта питания» систематизированы сведения о значении и роли питьевой воды в питании, о влиянии химического состава воды на организм человека. Показаны основные факторы, снижающие качество питьевой воды (ухудшающие безопасность и органолептические свойства; микро- и макроэлементы, недостаток которых снижает физиологическую полноценность воды).

Описаны факторы, влияющие на формирование потребительских свойств питьевой воды, особенности сорбционных процессов, протекающих при обработке воды сорбционными материалами, способы их реализации в малогабаритных БВУ.

Выполнен анализ нормативных документов, устанавливающих требования к качеству и безопасности питьевой воды, к эффективности доочистки воды БВУ. Показано отсутствие единообразия и несовершенство требований к качеству питьевой воды, к эффективности работы БВУ в российских и зарубежных нормативных документах.

Представлена разработанная номенклатура потребительских свойств и показателей качества питьевой воды.

Показана необходимость исследования и поиска путей улучшения потребительских свойств питьевой воды, повышения безопасности и физиологической полноценности.

Во второй главе дана характеристика объектов и методов исследования. Схема проведения исследования приведена на рисунке 1.

Объекты исследования: питьевая вода из централизованных источников питьевого водоснабжения, как сырье для получения очищенной и обогащенной питьевой воды; бутилированная питьевая вода; питьевая вода с улучшенными

потребительскими свойствами (очищенная от типичных загрязнителей и мышьяка; очищенная от железа и обогащенная ионами фтора и магния).

Анализ и систематизация на учко-технич&ской информации и НД

II этап ^у* Разработка номенклатуры потребительских свойств питьевой воды

г

Безопасность

Физиологическая полноценность

О рган олегттические свойства

^ ^ удалений^

Для удаления \ ^-4®леза и обогащений4-^, мышьяка /\илнами магнияи/ил^-'*

Исследование безопасности, физиологической полноценности, органолептических свойств

Оценка литьевой воды с улучшенными потребительскими свойствами

Формирование заключения и рекомендаций

Рисунок 1 - Схема проведения исследования

Питьевую воду в г. Москве (36 проб воды) и г. Санкт-Петербурге (16 проб воды) исследовали в нескольких районах в разные сезоны года, поскольку водоснабжение этих городов осуществляется разными водопроводными станциями и состав воды в источнике подвержен сезонным колебаниям. Определяли показатели потребительских свойств, устанавливали соответствие требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01.

Питьевую бутилированную воду для исследований закупали из разных партий в 4 сезона года 5 торговых марок в бугылях объемом 19; 5; 1,5; 1; 0,5 и

0,4 дм3. Исследовано 42 пробы. Устанавливали соответствие требованиям СанПиН 2.1.4.1116-02 по безопасности, органолептическим свойствам, физиологической полноценности.

Питьевую воду с улучшенными потребительскими свойствами, полученную доочисткой серийно выпускаемыми БВУ и экспериментальными сорбционными смесями (для очистки от соединений мышьяка или от железа и обогащения ионами магния и /или фтора), исследовали методом ресурсных испытаний. Качество воды оценивали на основе СанПиН 2.1.4.1074-01 по безопасности и СанПиН 2.1.4.1116-02 по физиологической полноценности и органолептическим свойствам.

Воду с улучшенными потребительскими свойствами получали по следующей методике: «составление сорбционной смеси — приготовление исходной воды (модельных растворов, имитирующих загрязненную воду) — пропускание установленного объема модельного раствора — сбор поды с улучшенными потребительскими свойствами».

Показатели потребительских свойств питьевой воды определяли следующими методами: жесткость, перманганатную окисляемость, щелочность, содержание гидрокарбонатов, хлоридов, активного хлора -титриметрическим методом; рН — потенциометрическим методом; содержание ионов металлов (Са, Мд, Ре, Мп, Си, Ag, Аз, Сс1) - методом ато.мно-абсорбциониой спектрофотомегрии; цветность, мутность, содержание нитратов, фторидов — фотометрическим методом; сухой остаток, содержание

сульфатов — гравиметрическим методом; содержание хлороформа -......методом

газовой хроматографии; ОМЧ - методом посева на питательном агаре, колиформные бактерии —методом мембранной фильтрации.

В третьей главе «Результаты исследования потребительских свойств питьевой воды» представлены результаты собственных исследований и их обсуждение.

В результате исследование потребительских свойств питьевой воды централизованных источников питьевого водоснабжения (табл.1.) установлено, что типичными загрязнителями воды централизованных источников питьевого водоснабжения (ЦИПВС) в г. Москве и г. Санкт-Петербурге являются активный хлор, общее железо, окисляемые соединения (по перманганатной окисляемоети). В некоторых пробах были обнаружены ионы тяжелых металлов, хлороформ, марганец, а также неблагоприятные органолептические показатели.

Активный хлор является обязательным компонентом воды ЦИПВС ч обеспечивает бактериостатический эффект при распределении воды. При попадании в' организм человека он негативно влияет на естественную микрофлору организма человека, ухудшает органолептические свойства воды, приводит к образованию Л ГС при кипячении воды. Л ГС обладают кан цероген н ы м эффе кто м.

Таблица 1 — Потребительские свойства воды централизованных источников питьевого водоснабжения г. Москвы и г. Санкт-Петербурга _

Показатель Концентрация, обеспечивающая Вода централизованных источников питьевого водоснабжения г. Москвы Вода централизованных источников питьевого водоснабжения г. Санкт-Петербурга

физиолопгческую Диапазон Средняя Доля от Диапазон Средняя Доля от

полноценность воды концентраций Концентрация ПДК,»-. концентрации концентрация ПДК.°4

Показатели безопасности

Перманганатыая окисляемость, мг О/дм3 минимум 2,05- 3.4 2.95 59 2.7-3.4 3,1 62

Железо обш.. мг/дм"* н/у' <0.05-0,27 0.07 23 0,09-0.3 0.25 83

Марганец, мг/дм' отсутствие <0,01-0.093 0,067 67 0,031-0.047 0,04 40

Нитраты, мг/дм-' отсутствие <0,1- 6 4.3 10 0.93-1.2 1,1 2

Хлориды, мг/дм3 н/у 15,1-19.2 18,6 5 5.1-9,0 7 5

Хлор активный:

остаточный свободный отсутствие 0.1-0.58 0,45 90 0.3-0.3 0.35 70

остаточный связанный, мг/дм3 0.93- 1.24 0.90 75 0.98-1.12 1.0 83

Хлороформ, мг/дм-1 отсутствие <0,0005- 0.04 0.0034 2 0,0061-0.0098 0.008 4

Медь, мг/дм3 МИНИМУМ <0.0005- 0,003 0.0015 <1 0.0016-0.0033 0.0018 <1

Серебро, мг/дм-5 минимум <0.00001-0.00025 0.000089 <1 <0.00001 <0.00001 <1

Мышьяк. МГ'ДМ'( отсутствие <0.0005 <0.0005 <1 <0.0005 <0.0005 <1

Кадмий, мг/дм-' отсутствие <0.00001 <0.00001 <1 <0.00001 <0.00001 <1

Сульфаты, мг/дм' минимум 15-40 30 6 24-30 27

ОМЧ. КОЕ'100 мл смыва н/о 0 0 <1 0 0 <1

Обшие колнформные бактерии но 0 0 <1 0 0 <1

Показатели физиологической полноценности

Жесткость обшая. мг-экв'дм-1 2-4 3.2-4.15 3,65 52 0.5-0.88 0,81 12

Кальшш. мг/дм' 40-80 20- 72 54,2 н/у 8.6-17 16 НУ

Магнии, мг/дм3 20-30 7,5- 24 14.7 н/у <3 <3 Н'У

Сухой остаток, мг/дм-* 200-500 190-255 232 23 55-79 71 7

Фторид-ион. МТ'ДМ"' 0.25-1.0 <0.06-0.15 0.08 <20 <0.06 <0.06 <4

Гидрокарбонаты. мг/дм' 30-400 122-167 150 ну 14-17 16 НУ

Обшая щелочность, ммоль/дм"' 0,5-6.6" 2.0-2,74 2.35 НУ 0,24-0.28 0.27 И У

Показатели органолеппгческнх и фшпко-хнмгшеских свойств

рН. ед. рН 7 6,2-7.8 7,2 НУ1 6.2-6.6 6,5 НУ

Запах, баллы 0 0-2 1 НУ 0-2 1 ну

Привкус, баллы 0 0-2 1 н/у 0-2 1 НУ

Цветность, град. Ст-Со* <1 <1- 13 6,1 31 6-8 7 35

Мутность, ЕМФ1 <1 <1 <1 <38 <1 <1 <38

Примечания: 1 .н/у- не установлено: 2. град. Сг-Со — градусы хром-кооальтовоЯ шкалы; 3. ЕМФ — елшшиы мутности по форманту.

Удаление активного хлора из воды возможно только непосредственно в местах ее потребления силами потребителя. Общее железо ухудшает органолептические свойства воды, может вызывать аллергические реакции, поэтому его удаление является актуальной задачей.

Вода была физиологически неполноценна по содержанию ионов фтора и магния.

В результате исследования потребительских свойств бутилированной питьевой воды (табл.2), установлено, что проанализированные образцы бутилированной питьевой воды, являлись безопасными (по химическим и микробиологическим показателям), физиологически полноценными, и обладали благоприятным и органолептическими свойствами. Таблица 2 — Потребительские свойства бутилированной питьевой воды 5

Показатель ПДК' (для воды 1 категории), не более 11ормативы фишолоптческой полноненноегн питьевой полы Диапазон копненграпни в пит ьевой воде

Показатели безопасности

Перманганагная окисляемоса ь, М1 О/дм"1 3,0 менее 2 0,3- 1,2

•^г--г^-- Железо (Ют., мг/дм 0,3 - 0,021-0,027

Марганец, мг/дм1 0,1 - <0,0 Г

Нитраты. мг/дм1 45 - 0,85-4,20

Хлориды. М1 /дм 250 - 6,6- 1 12

Хлор активный: оста точный свободный оста (очный связанный, мг/дмэ 0,1 0,05 < 0,05'

Хлооо(1дапм. мг/дм"' 0.06 - < 0,005

Медь, мг/дм 1.0 - <U0 Г

Серебро, мг/;1 1 0,05 - 0,00012-0,029

Мышьяк, мг/дм1 0,05 - <0.0005

Кадмий, мг/дм1 0.001 - <0,00001-0,000032

Сульфаты, мг/дм1 250 - 12,6-26,')

ОМЧ, КОГ/100 мл смыва 100 - 0

Общие колиформные баггерии Отсутствие п 300 мл - 0

Показатели физиологической полноценности

Жесткость общая. мг-жв/дм1 7 2-4 0,1-6,25

Кальций, мг/дм1 H/V" 40-80 <1-81

Магний, мг/дм1 н/у 20-30 <1-27,7

Cvxoh остаток, мг/дм"1 1000 200-500 200-352

Фторид-ион, мг/лм' 1.5 0,25-1 <0,1-0,8

Гнлрокарбонагы, мг/дм н/у 30-400 106-366

Общая шелочпоегь, ммолтУдм1 н/у 0,5-6,6" 1,70- 5,9

Показатели орт аиолегп ичсских и фпнтко-хнмпчеекпх свойств

pH, ел. рП 6.5-8.5 - 7,3-7,9

Запах, баллы 2 - 0

Привкус, баллы 2 - 0

Цветность, трал. Сг-Со 20 - <1

Мутность, ГМФ1 2.6 - <1

Примечания: I. По CaiilinH 2.1.4.1116-02; 2. п/у- не установлено; 3. град. Сг-Со.......градусы хром-кобальтовой

шкалы; 4. Расчегпо, исходя и i tun H\ia'iMioîi котшспфатши гндрокарбонагок; 5. КМФ......единицы мутностино

формазнпу; * во всех исследованных образцах концентрация ниже предела обнаружения метола.

Концентрации веществ, формирующих физиологическую полноценность, в исследованных образцах находились в широком диапазоне. 15 20% исследованных образцов обнаружена низкая концентрация кальция и магния

(по показателю «общая жесткость» — < 0,1 мг-экв/дм3). В других образцах концентрации кальция и магния были близки к оптимальным и варьировали от 38 до 81 мг/дм"' но кальцию и от 20,3 до 27,7 мг/дм* по магнию. Нормативы физиологической полноценности установлены только для бутилированной питьевой воды, что позволяет рассматривать данный тип воды как обладающий оптимизированными потребительскими свойствами в сравнении с водой из

ципвс.

Во всех исследованных образцах не было выявлено превышений ПДК веществ и микроорганизмов, влияющих на безопасность, в 82% образцов концентрации были ниже предела обнаружения использованных методов анализа.

Однако бутилированная питьевая вода, малодоступна основной части населения России (средневзвешенная розничная цена исследованных образцов питьевой воды составляла от 9 до 50 рублей за 1 дм3) и не является основным источником удовлетворения потребности организма в воде, что доказывают данные о годовом объеме потребления — 32,3 дм3 на человека, тогда как общий годовой объем потребления составляет не менее 730 дм\ Поэтому наиболее рациональным является использование БВУ, позволяющих улучшить потребительские свойства воды до уровня бутилированной питьевой воды.

Исследование потребительских свойств питьевой воды, полученной из ЦИПВС после доочистки БВУ. Исследовали изменение концентрации веществ, характеризующих безопасность, функциональные и органолептические свойства питьевой воды в начале и в конце ресурса сменных фильтрующих элементов (СФЭ) БВУ (табл. 3).

Установлено снижение пермангаиатной окисляемосги, концентрации марганца, железа общего, активного хлора, хлороформа, меди, отсутствие микроорганизмов, что свидетельствует о повышении безопасности. Улучшались органолептические свойства за счет удаления веществ, обусловливающих запах, привкус, цветность, мутность. Концентрации в воде ионов кальция, магния, гидрокарбонатов снижались относительно исходной только в начале ресурса БВУ, но оставались в границах диапазона физиологически полноценной воды. В составе доочищенной воды, для сохранения ее физиологической полноценности и вкусовых свойств, должны оставаться микро- и макроэлементы в концентрациях, не ухудшающих безопасность воды.

Проведенные нами исследования показали, что потребительские свойства воды, полученной после доочистки сорбционными БВУ, и бутилированной питьевой воды различались незначительно.

Таблица 3 — Показатели потребительских свойств питьевой воды, доочищегшой бытовыми водоочистными устройствами

Показатель ПДК'. Оптимальная Средняя Сменные фильтрующие Сменные фильтрующие Сменные фильтрующие

не более концеггтрация концентрация элементы №2 элементы №5 элементы №6

в исходной Начало Конец Начало Конец Начало Конец

воде ресурса ресурса рес\рса ресурса ресурса ресурса

Показатели безопасности

Перманганатная окисляемость. 5,0 - 2.95 0.92 1.58 1,32 2,98 1,50 2.76

мг О/лм'

Железо общ., мг/лм" 0.3 нУ 0.07 <0.05 <0.05 <0,05 <0.05 0.06 0.07

Марганец, мг/дм'' 0.1 0 0.067 <0,01 <0.01 <0.01 <0.01 <0,01 <0,01

Нитраты. мг/л'.г 45 0 4.3 3." 3.9 4.3 4,2 4.1 4.3

Хлориды, мг/дм"1 350 ну 18.6 15 14 12 17 16 13

Хлор активный: 0.3-0.5 0 0.45 <0.05 0.06 <0.05 0,1 0.09 0.12

остаточный своооднып 0.8-1.2 0.90 <0.05 0.2 <0,05 0.28 0.06 0.14

остаточный связанный, мг дм'1

Хлороформ, мг/дм3 0.2 0 0.0025 <0.0005 <0.0005 <0.0005 <0,0005 <0.0005 <0.0005

Мель. мг/дм° 1.0 - 0.0015 <0.001 <0.001 <0.001 0.0011 0.0011 0.0014

Серебро. мг/дм'1 0.05 - 0.00008 0.00014 0.00009 0.00015 <0,00005 0.00012 <0.00005

Мышьяк, мг/дм1 0.05 0 <0.0005 <0.0005 <0.0005 <0,0005 <0,0005 <0.0005 <0.0005

Кадмий, мг/дм1 0.001 0 <0,00001 <0.00001 <0,00001 <0.00001 <0.00001 <0.00001 <0,00001

Сульфаты, мг/дм1 500 - 15 14 12 12 14 15 14

ОМЧ, КОЕ ЮО мл смыва 50 0 12 0 0 0 0 0 0

Общие коллформные бактерии отсутствие 0 0 0 0 0 0 0 0

Показатели физиологической полноценности

Жесткость общ., мг-экв'дм3 7 2-4 3,6 3,0 3,5 2 2 3.45 3,35 3.6

Кальций, мг/дм3 НЛ' 40-80 54.2 44 52 31 50 49 51

Магний, мг/дм1 н/\' 20-30 14.7 9.8 11.6 7.9 И 10.6 11

Сухой остаток, '.п-'дч'' 1000 200-500 232 205 220 158 200 215 220

Фторид-ион. мг/дм"1 1.5 0,25-1.0 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08

Пирокарбонаты, лл/лм1 ну 30-400 150 74 120 55 115 • 80 95

Общая щелочность, ммоль'дм1 Н V 0.5-6,6 2.35 1.21 1.97 0.9 1,9 1.31 1,56

Показатели органолентнческих и физико-химических свопа в

рН. ед. рН 6-9 7 7.1 7.2 7.12 6.5 6.7 6.4 7.0

Запах, баллы 2 0 1 0 0 0 0 0 0

Прпвкчс. баллы О 0 1 0 0 0 0 0 0

Цвепгость. гр.тд. Сг-Со" 20 0 6.1 <1 <1 <1 <1 1.7 4.5

Мгтность. ЕМФ" 2.6 0 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1

Примечания: 1. По СанЛпН 2.1.4.1074-01; 2. н у- не установлено; 3. град. Сг-Со —тран сы хром-кобальтовой шкалы; 4. ЕМФ — елинниы мутности по формачнну;

Эффективность удаления железа

SO

____ ! №5 ; »"—♦—-Л- . №2

№4

min

40

О 100 200 300 400 БОС Объем подученной воды, дм3

Рисунок 2 - Динамика изменения эффективности удаления железа СФЭ БВУ

Эффективность удаления активного хлора

100

н S0

60

40

__№1

N»2 ^мп

- - - - У- Bin

100 200 300 400 Объем полученной воды, дм3

Рисунок 3 - Динамика изменения эффективности удаления активного хлора СФЭ БВУ

Эффективность удаления меди

g 60

40

ft"

О 100 200 300 400 500 Объем полученной воды, дмЛ Рисунок 4 - Динамика изменения эффективности удаления мелди СФЭ БВУ

слабокислой среде (рис. 6), до со лесо дер жан и е м - 250 мг/дмJ.

Анализ потребительских

свойств питьевой воды,

формируемых при доочистке воды с помощью БВУ от загрязнителей различной химической природы, был проведен путем ресурсных испытаний СФЭ (рис. 2-5). Полученные результаты

показывают, что питьевая вода, полученная путем доочистки БВУ с серийно выпускаемыми

универсальными и селективными СФЭ, соответствует требованиям безопасности по концентрации активного хлора, железа общего, меди, хлороформа при двукратном превышении ПДК в исходной воде. Снижение концентрации активного хлора в воде, полученной с применением сорбционных БВУ, в рамках ресурса СФЭ составляло не менее 80%. При превышении ресурса, заявленного

изготовителями БВУ, полученная вода так же соответствовала требованиям безопасности и степень очистки составляла более 50%. Поскольку активный хлор является типичным компонентом воды ¡п ЦИПВС, оказывающим влияние на безопасность и органолептические свойства питьевой воды, удаление данного загрязнителя можно назвать основной функцией сорбционных БВУ.

Снижение концентрации меди (маркера тяжелых металлов) отличалось при испытаниях различных СФЭ и составляло в среднем в течение ресурсов от 99% при доочистке

маломинерализованной воды,

содержащей только ионы меди в 79% при доочистке воды с общим

Эффективность удаления хлороформа

80

60

40

1 N* 5

Ц Ш

min

О

500

100 200 300 400 Объем полученной воды, дм3

Рисунок 5 - Динамика изменения эффективное'™ удаления хлороформа СФЭ БВУ

И он ы двух вале нтн ы х

металлов удаляются на

ионообменных смолах и материалах, которые работают более эффективно в слабокислой среде, благодаря чему может достигаться практически полное удаление ионов меди. В слабощелочной среде (рис. 7) при высоком солесо держан ии

очищаемой воды (~ 450 мг/дм ) эффективность удаления металлов (меди, ртути, кадмия) ниже, но

полученная вода так же отвечает требованиям безопасности. При совместном содержании в модельном растворе (рН -7,5 ед, общее еолесодержание ~ 250

мг/дм"

Эффективность удаления металлов

85

загрязнителей различных химических групп (активного хлора, меди,

хлороформа) эффективность СФЭ достаточно высока (более 72%). Медь и хлороформ удаляются более эффективно, чем активный хлор — 90%, 88% и 72% соответственно. Показатели безопасности воды, полученной с использованием СФЭ наиболее известных торговых марок, при содержании в исходной воде типичных загрязнителей отвечают требованиям стандартов (ГОСТ Р 51871-2002, ЫБР 53-2011). Однако, сорбнионные БВУ, присутствующие в

производствен ном ассортименте, имеют в своем составе активированные угли (удаление активного хлора, ЛГС',

органических соединений),

катионообменные смолы и ионообменные волокна (удаление катионов металлов), селективные иониты (удаление железа), что ограничивает их область применения. Они не могут обеспечивать безопасность воды, содержащей такие

высокотоксичные загрязнители, как соеди пени я мы шьяка,

100 200 300 400 500 600 700 800

Объем полученной воды, дм3

Рисунок 6 - Динамика изменения эффективности удаления металлов в слабокислой среде

100

Э 45 h а

g 90

и. Ж ртуть * кадмии Эффективность удаления мет аллов

P

i i |

f 1 1 1 ! t

== 1 ] 1

О 100 200 300 400 500 600 700 800

Объем полученной воды, дм3

Рисунок 7 - Динамика изменения эффективности удаления металлов в слабокислой среде

содержащиеся в воде в форме анионов.

Четвертая глава «Разработка комплексных сорбционных технологий доочистки питьевой воды с помощью экспериментальных селективных смесей для бытовых водоочистных устройств» посвящена разработке технологии получения питьевой воды с улучшенными потребительскими свойствами из исходной воды, загрязненной соединениями мышьяка. Соединения мышьяка присутствуют в питьевой воде в ряде регионов России, а также в США, Великобритании, Индии. Для повышения безопасности питьевой воды путем удаления соединений мышьяка нами была разработана рецептура сорбционной смеси с предполагаемым ресурсом 350 дм3, включающая в состав активированный уголь, катионообменную и анионообменную смолы, гибридные сорбенты. Соединения мышьяка содержатся в воде разных регионов, отличающейся содесодержанием, рН, концентрацией типичных загрязнителей, поэтому для исследования потребительских свойств очищенной воды использовали модельные растворы, содержащие соединения мышьяка (III) в концентрации 0,1 мг/дм3 или мышьяка (V) в концентрации 0,05 мг/дм3 при рН 6,5; 7,5 и 8,5.

Исследование питьевой воды, очищенной от соединений мышьяка (V) смесями различной рецептуры показало, что наиболее эффективна сорбционная смесь, имевшая в составе гибридный сорбент. Предложенная смесь «As6» обеспечивала получение 700 дм3 питьевой воды, с улучшенными потребительскими свойствами из воды, содержащей соединения мышьяка в слабокислой и в слабощелочной среде. Степень очистки воды в среднем в течение ресурса составляла 97%, при этом снижалась с увеличением объема доочищенной воды от 99 до 91%.

Питьевая вода, обработанная экспериментальной смесыо «As6», была исследована по содержанию мышьяка (III), активного хлора и меди (II)

При получении 420 питьевой воды из модельного раствора с исходной концентрацией мышьяка (III) 0,095— 0,11 мг/дм3 (эквивалентно двукратному

превышению ПДК), доочищенная вода содержала от 0,0024 до 0,0042 мг/дм' мышьяка (Ш), что составляло в среднем 6% от ПДК. Степень очистки воды от мышьяка (III) была стабильно высокой — от 96 до 98%, в среднем 97%.

Исследование питьевой воды, полученной в результате обработки смесью «As6» от активного хлора и меди (II), показало универсальность работы смеси: степень очистки от активного хлора составляла от 86 до 94%;

100 f 90

R1 О

* 80

£ 70 о

л 60

X с

£ 50 vj

40

min

300

400

0 100 200

Объем получен иной воды, дм3

Рисунок Н - Степень очистки воды от загрязнителей различной природы смесыо «As6»

•—^г—»мышьяк (V) "Hsh— мышьяк (iII)

• • ;iктинный хлор ' "Ф "■■ медь (II) — — min

от меди (II) — от 62 до 96%, что соответствует эффективности серийно выпускаемых СФЭ.

Оценка потребительских свойств питьевой воды, доочишениой от соединений мышьяка и типичных загрязнителей разработанной сорбциониой смесью, подтвердила рациональность ее применения. Смесь «Аэб» позволяла получать питьевую воду, обладающую лучшими значениями показателей потребительских свойств, чем исходная вода. Смесь «Аяб» может быть использована при массовом производстве СФЭ БВУ для очистки воды от соединений мышьяка, а также других загрязнителей, характерных для воды ЦИПВС.

В пятой главе «Разработка еорбционных технологий формирования функциональных свойств питьевой воды» представлены результаты исследования питьевой воды, полученной путем доочистки и обогащения ионами фтора и магния.

Результаты исследования потребительских свойств питьевой воды свидетельствуют о том, что вода в г. Санкт-Петербурге отличается низкой минерализацией при высоком содержании железа и слабокислым рН. Согласно данным, публикуемым Роспотребнадзором, обозначенная проблема получила распространение и в других городах в Северо-Западном и Дальневосточном федеральных округах России. Для улучшения потребительских свойств воды, обладающей этими особенностями, необходимо обеспечить удаление загрязнителей, сохранение исходного солесодержания и обогащение микро- и макроэлементного состава. В г. Москве вода содержит активный хлор, имеет близкое к оптимальному содержание ионов кальция и магния при выраженном недостатке фторидов, поэтому требует удаления типичных загрязнителей и нормализации физиологической полноценности по содержанию фторидов.

Таким образом, подходы к повышению уровня потребительских свойств питьевой воды требуют учета региональных особенностей исходной воды. Для решения проблемы недостатка фтора в питьевой воде была разработана рецептура сорбциониой смеси, обеспечивающая кроме доочистки от загрязнителей введение фторид-ионов в доочищенную воду в профилактических концентрациях. При разработке сорбциониой смеси для повышения физиологической полноценности маломинерализованной воды были введены компоненты, обогащающие воду ионами фтора и магния, компоненты для селективного удаления железа, обеспечивающие сохранение значения р11 воды, общего солесодержания, жесткости и щелочности.

Для получения питьевой воды с улучшенной физиологической полноценностью исходную воду обрабатывали сорбционными смесями. Были разработаны смеси 2 типов, предназначенные для воды с различным солесодержанием:

1. Для исходной водь; с оптимальным общим солесодержанием (более 250 мг/дм"), (далее — смесь «Ф1»);

2. Для воды с низким общим солесодержанием (менее 50 мг/дм'), (далее — смесь «ФЗ»),

При разработке рецептур был установлен предполагаемый объем получаемой воды, составляющий для смеси «Ф1» 350 дм: и для смеси «ФЗ» 200 дм3.

Анализ потребительских свойств питьевой воды, полученной после доочистки с обогащением ионами фтора и магния экспериментальными сорбционными смесями, показал эффективность повышения безопасности и физиологической полноценности, предложенным методом.

Питьевая вода, обладающая улучшенной физиологической полноценностью и безопасностью была получена путем обработки

сорбционными смесями «Ф1» и «ФЗ» (рис.9; табл.4).

Питьевая вода, полученная при обработке смесыо «Ф1» была обогащена ионами фтора в диапазоне концентраций от 0,15 до 0,3 мг/дм3 в объеме 420 дм3.

Обогащение питьевой воды фторид-ионами было при обработке воды смесыо «ФЗ» было в диапазоне от 0,15 до 0,41 мг/дм3; ионами магния — от 6,8 до 13,2 мг/дм3. Полученную концентрацию фторид-ионов и ионов магния в питьевой воде можно считать профилактической, поскольку потребление обогащенной воды в общепринятых количествах (2 дм') позволяет получать от 0,26 до 1,52 мг фтора и от 1 1,4 до 26,4 мг магния, учитывая поступление с пищей (0,3-1,5 мг фтора и 200 мг магния). Обогащение на данном уровне позволит удовлетворить физиологическую потребность организма в этих элементах и не будет создавать риска для здоровья от их избыточного поступления.

Таблица 4 — Зависимость концентрации фторид-ионов и ионов магния от объема полученной воды при обработке сорбционной смесью «ФЗ»_

Объем полученной 3 воды, дм Выделение фторид-ионов, мг/дм1 Выделение ионов магния, -мг/дм1

с, С г ДС(Г) с, С 2 АС(М<г )

5 0,10 0,25 0,1 5 1,5 14,7 13,2

20 0,24 0,54 0,30 1,2 I 1,2 10,0

40 0,13 0,42 0,29 1,5 12,3 10,8

100 0,16 0,41 0,25 1,5 1 1,6 10,1

160 0,10 0,41 0,31 1.1 10,7 9,6

200 0,05 0,46 0,41 1,2 8,8 7,6

240 0,11 0,32 0,21 1.1 7,9 6,8

С 1- концентрация в исходной воде; Сконцентрация в доочищенной воде: ДС-выделение обогащающего компонента

Таким образом, предложенные сорбционные смеси позволяют получать питьевую воду с улучшенными функциональными свойствами,

0 100 200 300 400 Объем полученннон воды, дм1

Рисунок 9 - Обогащение питьевой волы нонами фтора при обработке сорбционной смесыо "(1)1"

I выделение ионов фтора

соответствующую требования СаиПиН 2.1.4.1116-02 к воде высшей категории из физиологически неполноценной воды различного состава,

И сс ле до ва н и е п о казате л е й

безопасности питьевой воды, обработанной смесью «ФЗ» для удаления активного хлора и железа (рис. 10), позволило установить, что питьевая вода соответствовала требованиям СанПиН 2.1.4.10740!.

Степень очистки от активного хлора составляла от 84 до 95%, в среднем э — 90%; от железа — от 87 до 93% и 88% соответственно. Степень очистки от указанных загрязнителей, ухудшающих безопасность и органолептические свойства воды, превосходила эффективность серийно выпускаемых и присутствующих в ассортименте розничных торговых организаций СФЭ БВУ, ч то показывает рациональность предложенного метода получения воды с улучшенными потребительскими свойствами (табл.5).

Таблица 5 —■•■■ Сравнительная характеристика потребительских свойств питьевой воды из различных источников_

Показатель 11ДК, не более С о,,ТИМ Диапазон концентрации в питьевой ьож

ж Щ 1 § Р <= из' ЦИПВС г. Москвы ч £ 151 я & После обработки серийными БВУ* * м к И к л 8 12 В 3 о о X и ^ ою л ^ с о, и 2 юг >, £ О О » 53 8Н1 и О « о 3 Й и 1— £ 5 'о о О 1С о

1 Указатели безопасности

Перманганатная окисляемость, мт О/дм3 5,0 0 0.3- 1,2 2,05-3,4 2.7-3.4 0,92-1,58 1,5-2,2 1,24-1,53

Железо общ., мг/дм3 0.3 0 0,021-0.027 <0.05-0.27 0,09-03 <0.05 <0.01 <0,01

Хлор активный: остаточный свободный остаточный связанный, мг/дм3 0.3-0.5 0,8-1,2 0 <0,05 0,1-0,58 0.93- 1,24 0,3-0,3 0,98-1,12 <0,05 <0,05 <0.05

ОМЧ, КОЕ/¡00 мл смыва 50 0 0 0 0 0 0 0

Показатели физиологическоП полноценности

Жест кость об та я, мг-экв/д.м 7 2-4 0,1- 6,25 3,2-4,15 0,5-0.88 3-3,5 3,6-3,7 3.5-3.55

Магний, мг/дм3 и/и 20-30 <1- 27,7 7,5- 24 <3 9.8-1 1,6 11,8-13,4 7,9-14,7

Фторид-ион, мг/дм"* 1,5 0.25-1 <0.1-0.8 <0,06- 0,15 <0.06 <0.1 <0.1 0,25-0,54

Показатели органолентическнх свойств

Запах, баллы 2 0 0 0-2 0-2 0 0 0

Привкус, баллы 2 0 0 0-2 0-2 0 0 0

Цветность, ¡рад.2 2,6 0 0 <1-13 6-8 0 0 0

1. н/н — не нормируется; 2.град— градусы по хром-кобальтовой шкале. * для обрабо тки взята вода ЦИ1ТВС г. Москвы.

100 V 90

2 70 н

в 60

I40

н О

__—< ЭЙТИ8НЫЙ хлор!

1

. ... .... . ГШ.О............:

О 100 200

О бьем полученнной воды, дм

Рисунок 10 - Степень очистки воды от загрязнителей различной природы смесью «ФЗ»

активный хлор

* общее железо

Предложенные сорбциоииые смеси могут быть использованы при массовом производстве СФЭ БВУ для получения питьевой воды с улучшенными потребительскими свойствами из физиологически неполноценной воды.

Питьевая вода, полученная в результате обработки серийно выпускаемыми сменными фильтрующими элементами БВУ, обладала улучшенной физиологической полноценностью, отвечала требованиям безопасности по химическим и микробиологическим показателям, имела оптимальные органолептические характеристики. В результате обработки снижались концентрации активного хлора, соединений железа, перманганатная окисляемосгь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследование факторов, влияющих на качество питьевой воды, потребляемой населением г. Москвы и Санкт-Петербурга показало недостаточную физиологическую полноценность воды. Установлена нестабильность качества питьевой воды централизованных источников питьевого водоснабжения по показателям общей жесткости, перманганатной окиеляемости, концентрации активного хлора, марганца, железа в зависимости от сезона года и технологии водоподготовки.

2. Разработаны направления повышения уровня потребительских свойств воды централизованных источников питьевого водоснабжения: повышение уровня показателей безопасности воды путем снижения концентрации активного хлора, тяжелых металлов; улучшения органолептических показателей за счет удаления веществ, определяющих запах, цветность, мутность воды; формирование функциональных свойств путем сохранения и привнесения компонентов, обусловливающих физиологическую полноценность питьевой воды.

3. Исследование потребительских свойств бутилированной питьевой воды наиболее известных торговых марок, показали, что состав воды оптимален у большинства исследованных образцов. Однако объем потребления бутилированной питьевой воды невысокий, поэтому необходим поиск альтернативного пути решения проблемы получения питьевой воды с высоким уровнем потребительских свойств.

4. На основе анализа требований российских и зарубежных нормативных документов, разработана универсальная методика оценки потребительских свойств питьевой воды, полученной в результате доочистки и обогащения с помощью сорбционных бытовых водоочистных устройств.

5. Исследование потребительских свойств питьевой воды, дочищенной бытовыми водоочистными устройствами, показало, что они не могут обеспечить удаления специфических загрязнителей, таких как соединения мышьяка, а так же не позволяют обогащать воду биогенными элементами.

6. Разработаны 3 типа сорбционных смесей для сменных фильтрующих элементов бытовых водоочистных устройств, улучшающие потребительские свойства воды в следующих направлениях:

- снижение в питьевой воде концентрации типичных загрязнителей (активный хлор, тяжелые металлы) и соединений мышьяка (III) и мышьяка (V);

- снижение в питьевой воде концентрации типичных загрязнителей (активный хлор, тяжелые металлы, летучие галогенорганические соединения) и повышение физиологической полноценности путем обогащения ионами фтора;

- снижение в питьевой маломинерализованной воде концентрации типичных (активный хлор) и специфических (соединения железа) загрязнителей и формирование физиологической полноценности путем обогащения ионами фтора и магния.

7. Предложенная технология очистки и состав смесей позволяют учитывать состав воды и очищать воду в разных диапазонах pH. В слабокислой среде средняя эффективность снижения концентрации мышьяка (V) составляла от 85% до 97%, в слабощелочной среде — от 61% до 97%, что позволяет применять смеси для очистки воды различного состава. Наибольшую универсальность показала сорбционная смесь, позволяющая удалять соединения мышьяка (III) и мышьяка (V) с эффективностью 97%. Установлены ресурсы применения сорбционной смеси, что позволяет рекомендовать ее для применения в производстве сменных фильтрующих элементов бытовых водоочистных устройств. Вода, полученная по предложенной технологии с применением данной сорбционной смеси соответствовала требованиям безопасности, обладала высокой физиологической полноценностью, благоприятными оргаполептическими свойствами.

8. Сменные фильтрующие элементы с разработанными сорбционными смесями эффективны для решения локальных задач улучшения потребительских свойств воды с учетом особенностей ее состава:

- сорбционная смесь, предназначенная для улучшения потребительских свойств воды с нормальным уровнем минерализации, позволяет' получать питьевую воду, обладающую улучшенной безопасностью (удаление типичных загрязнителей) и повышенной физиологической полноценностью за счет обогащения воды фторид-ионами в концентрации 0,1-0,76 мг/дм'.

- сорбционная смесь, предназначенная для улучшения потребительских свойств питьевой воды с высокой концентрацией железа и активного хлора при низкой минерализации позволяет удалять активный хлор с эффективностью 84-95%; общее железо — 87-93% и обогащать питьевую воду фторид-ионами в концентрации 0,25-0,54 мг/дм', ионами магния в концентрации 7,9-14,7 мг/дм'.

9. Данный научный подход позволяет разработать пути решения локальных задач получения питьевой воды с высоким уровнем потребительских свойств с учетом особенностей состава исходной воды в различных регионах и создать комплекс мероприятий по улучшению качества и физиологической полноценности питьевой воды.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Калачей СЛ., Якубаускас А.Н. Оценка эффективности функционирования сорбционных бытовых водоочистных устройств/ Вода: химия и экология, №6,2010г. С. 13-17

2. Якубаускас А.Н., Мельников И.О. Сравнительный анализ требований, предъявляемых национальными стандартами России, США, Германии и Франции к малогабаритным водоочистным устройствам/ Вода: химия и эколог ия: №11, 2012 г.С.41-47

3. Якубаускас А. Н., Калачев С. Л., Бусыгина Н. С. Проблема безопасности питьевой воды, содержащей соединения мышьяка (V), и пути ее решения/ Товаровед продовольственных товаров № 6/ 2012.С. 25-31

4. Якубаускас А.Н. Критерии оценки качества бытовых водоочистных устройств по российскому и зарубежным стандартам/ Стандарты и качество, №6 (2012), С.39

5. Мельников И.О., Маслюков А.П., Якубаускас А.Н., Новиков A.B. Исследование механизма извлечения ионов меди (II) малогабаритными водоочистными устройствами с использованием метода электронного парамагнитного резонанса/ Вода: химия и экология №3,2013 г.С.106-113

6. Якубаускас А.Н., Калачев СЛ. Качество питьевой воды, полученной с применением сорбционных бытовых водоочистных устройств/ Товаровед продовольственных товаров №6/2013. С. 25-31

Публикации в других изданиях и материалах конференций:

7. Якубаускас А.Н. Оценка эффективности работы бытовых водоочистных устройств. 61 научно-практическая конференция студентов МГУДТ «Молодые ученые- XXI веку», тезисы докладов, Москва, 2009, с. 100

8. Якубаускас А.Н., Калачев СЛ., Макаров-Земляпскии Я.Я. Оценка эффективности функционирования сорбционных бытовых водоочистных устройств/ Материалы Международной научно-практической конференции «Ценности и интересы современного общества» в рамках Васильевских чтений М.: Изд-во РГТЭУ, 2009, с. 130-138

9. Калачев СЛ., Якубаускас А.Н. Питьевая вода и бытовые водоочистные устройства: потребительские свойства и экспертиза качества. М.: Изд-во РГТЭУ, 2010, 104 с.

10. Калачев СЛ., Якубаускас А.Н. Состояние российского рынка питьевой воды и бытовых водоочистных устройств/ Вестник РГТЭУ №5 (54), 2011 С. 158-164

11. Якубаускас А.Н., Калачев СЛ. Влияние сорбционных водоочистителей на физиологическую полноценность питьевой воды. Питание в современном мегаполисе: материалы международной заочной научно-практической конференции/ под науч. ред. Д.А. Попова,- Хабаровск: РИЦ ХГАЭП, 2011. С. 167-172

12. Якубаускас А.Н., Калачев СЛ. Сравнительная характеристика требований стандартов эффективности очистки питьевой воды водоочистными устройствами /Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: Мат. 4 Всероссийской научн.-нракт. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с Междунар. участием (27-29 апреля 2011г., г. Бийск)/Алт. гос. техн. ун-т, БТИ.-Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2011 .-С.439-443

13. Якубаускас А.Н. Оптимизация состава питьевой воды путем применения бытовых водоочистных устройств с фторированием воды//Сборник «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (Материалы V Международной научно-практической конференции, г. Челябинск, 21-22 октября, 2011 г.- Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. - Т. I. С. 23-27)

14. Калачев СЛ., Маелова О.В., Якубаускас А.Н. Питьевая вода: систематизированная номенклатура потребительских свойств и показателей качества// Материалы конференции. Юбилейные X Румянцевские чтения. Материалы международной научно-практической конференции «Экономика, государство и общество в XXI веке» Часть VI. М.:Изд-во РГТЭУ.-2012. С.320-326

15. Якубаускас А.Н., Калачев СЛ.. Горголина Ю.В. Идентификация питьевой воды/ Материалы конференции. Юбилейные X Румянцевские чтения. Материалы международной научно-практической конференции «Экономика, государство и общество в XXI веке» Часть III. М.: Изд-во РГТЭУ.-2012. С.279-284

16. Якубаускас А.Н. Исследование потребительских свойств питьевой воды, полученной с помощью сорбционных бытовых водоочистных устройств/Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности; материалы 5-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием.Часть2/Алт. гос.техн. ун-т, БТИ.-Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2012. - С. 88-93

17. Якубаускас А.Н., Калачев СЛ. Анализ методик испытаний водоочистных устройств/ Научные труды Российского государственного торгово-экономического университета: Сб. научн. тр. Том 1. / под общ. ред. проф. С.Н. Бабурина. - М.: Издательство РГГЭУ, ЗАО «Книжный мир», 2012.-С. 23-27

18. Якубаускас А.IT., Толочко М.С. Применение сорбционных БВУ для фторирования питьевой воды/ Студенческий научный журнал «Молодежь науки» №12, 2012. С. 12-16

Благодарности. Автор благодарит д.т.н. Александра Петровича Маслюкова за внимание к работе, к.х.н Игоря Олеговича Мельникова за содействие в постановке задач и организации экспериментальной работы, к.х.н. Наталью Сергеевну Бусыгину за методическую помощь и всестороннюю поддержку.

Подписано в печать 18.04.2014 г. Печать трафаретная Печатных листов формат 60*90/16 - 1,5 Заказ N° 1675 Тираж: 100 экз. Типография «БапргтКЭ» 119334, Москва, Ленинский пр-т. д.37А (495) 626-42-43

www.sanpfint.ru / www.sanpromo.ru •

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова 0420145373"

На правах рукописи

ЯКУБАУСКАС АННА НИКОЛАЕВНА

ФОРМИРОВАНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ С ПОМОЩЬЮ СОРБЦИОННЫХ МЕТОДОВ

Специальность 05.18.15 - Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и

общественного питания

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -к.т.н., доцент Калачев Сергей Львович

МОСКВА 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ХАРАРКТЕРИСТИКА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ КАК ПРОДУКТА ПИТАНИЯ.................................................................................................................14

1.1. Значение и роль питьевой воды для питания человека..................................14

1.2. Структура потребления питьевой воды из различных источников..............17

1.3. Химический состав питьевой воды..................................................................20

1.4. Номенклатура потребительских свойств питьевой воды..............................26

1.4.1. Безопасность питьевой воды..........................................................................30

1.4.2. Функциональные свойства питьевой воды..................................................37

1.4.3. Органолептические свойства питьевой воды...............................................44

1.5. Анализ современных требований к качеству питьевой воды в России и за рубежом......................................................................................................................47

1.6. Сорбционные методы улучшения состава и свойств питьевой воды централизованных источников питьевого водоснабжения..................................51

1.7. Реализация сорбционных методов доочистки воды в малогабаритных бытовых водоочистных устройствах......................................................................62

1.8. Методики оценки качества питьевой воды, получаемой с помощью бытовых водоочистных устройств, применяемые в России и за рубежом.........66

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................75

2.1. Объекты исследования......................................................................................75

2.2. Методы исследования потребительских свойств питьевой воды, получаемой из различных источников...................................................................76

2.3. Методики исследования потребительских свойств питьевой воды, доочищенной с помощью сорбционных БВУ при ресурсных испытаниях........78

2.4. Методика исследования потребительских свойств воды, доочищенной от мышьяка экспериментальными селективными смесями......................................83

2.5. Методика исследования потребительских свойств доочищенной и обогащенной ионами фтора и магния воды...........................................................85

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ...............................................................................88

3.1. Потребительские свойства питьевой воды централизованных источников водоснабжения...........................................................................................................88

3.2. Потребительские свойства бутилированной питьевой воды........................94

3.3. Характеристика потребительских свойств питьевой воды, полученной путем обработки с помощью сорбционных бытовых водоочистных устройств.96

3.4. Изучение эффективности применения сорбционных бытовых водоочистных

устройств для очистки модельных растворов от загрязнителей различной химической природы..............................................................................................100

3.4.1. Изучение эффективности очистки модельных растворов от соединений железа с помощью универсальных и селективных сменных фильтрующих элементов бытовых водоочистных устройств......................................................101

3.4.2. Изучение эффективности очистки модельных растворов от активного хлора с помощью универсальных и селективных сменных фильтрующих элементов бытовых водоочистных устройств......................................................102

3.4.3. Изучение эффективности удаления комплекса химических загрязнителей (активного хлора, меди (И) и хлороформа) универсальными сменными фильтрующими элементами сорбционных бытовых водоочистных устройств 104

3.4.4. Изучение эффективности удаления цинка универсальными сменными фильтрующими элементами сорбционных бытовых водоочистных устройств 109

3.4.5. Изучение эффективности применения сорбционных бытовых водоочистных устройств со сменными фильтрующими элементами, предназначенными для снижения жесткости для очистки модельных растворов от загрязнителей различной химической природы.............................................111

3.5. Общие закономерности изменения потребительских свойств питьевой воды под влиянием сорбционных бытовых водоочистных устройств.......................117

ГЛАВА 4. РАЗАБОТКА КОМПЛЕКСНЫХ СОБЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ПОЛУЧЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ, ОБЛАДАЮЩЕЙ УЛУЧШЕННЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ СВОЙСТВАМИ С ПОМОЩЬЮ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СЕЛЕКТИВНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ МЫШЬЯКА.................................................................................121

4.1. Разработка сорбционных технологий доочистки питьевой воды от соединений мышьяка с помощью бытовых водоочистных устройств..............121

4.2. Изучение эффективности применения экспериментальной сорбционной смеси для удаления мышьяка для очистки модельных растворов от загрязнителей различной химической природы..................................................127

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СОРБЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ 132

5.1. Обоснование рецептуры экспериментальной сорбционной смеси для сменных фильтрующих элементов бытовых водоочистных устройств с функцией обогащения воды ионами фтора и магния..........................................132

5.2. Характеристика потребительских свойств питьевой воды, полученной после доочисгки с обогащением ионами фтора и магния экспериментальными сменными фильтрующими элементами бытовых водоочистных устройств.... 135

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ....................................................................146

Список литературы.................................................................................................147

Приложение А.........................................................................................................160

Приложение Б..........................................................................................................161

Приложение Г..........................................................................................................165

Приложение Д..........................................................................................................166

Приложение Е..........................................................................................................167

Приложение Ж.........................................................................................................168

Приложение И.........................................................................................................169

ВВЕДЕНИЕ

Питьевая вода является важнейшим продуктом в рационе питания человека и ежедневно потребляется всеми группами детского и взрослого населения России.

Питьевая вода — это вода, по качеству в естественном состоянии или после подготовки, отвечающая гигиеническим нормативам [88] и предназначенная для удовлетворения питьевых потребностей человека, либо для производства продукции, потребляемой человеком [25,30].

Для питьевых целей и приготовления пищи большинство городского населения России использует воду из централизованных источников питьевого водоснабжения (ЦИПВС), либо в исходном состоянии,- либо после дополнительной обработки: отстаивания, кипячения, доочистки с помощью бытовых водоочистных устройств (БВУ).

Проблема качества питьевой воды из централизованных источников питьевого водоснабжения в России широко обсуждается в настоящее время [1,93]. В воде многих регионов присутствуют типичные загрязнители: активный хлор, тяжелые металлы, летучие галогенорганические соединения (ЛГС), нефтепродукты. Согласно данным, публикуемым Роспотребнадзором, не менее 50% населения Российской Федерации вынуждено систематически использовать для питьевых целей и приготовления пищи воду, не соответствующую по ряду показателей установленным нормативам. Качеством воды не удовлетворено около 60% населения. Вода в разных регионах имеет особенности химического состава, связанные качеством водоисточника. Так, для воды Северо-западного региона характерна низкая минерализация, высокая концентрация железа. Для многих регионов актуальна проблема присутствия в воде высокотоксичных соединений мышьяка [63]. Загрязнение соединениями мышьяка распространено не только в России, но и в Индии, Бангладеш, Чили,

Малайзии, Аргентине, Мексике, Венгрии, Румынии, Камбодже, Китае, США, Великобритании, Германии [99,115,116].

Питьевая вода низкого качества несет риск причинения вреда здоровью человека, степень вреда увеличивается вследствие ее систематического потребления. Снабжение населения качественной питьевой водой является одним из основополагающих факторов охраны здоровья. В связи с этим международное сообщество в последние годы уделяет значительное внимание вопросам обеспечения населения безопасной питьевой водой. ООН объявила 2005-2015 годы Международным десятилетием действий «Вода для жизни». В России с целью решения проблемы качества питьевой воды принята Федеральная государственная программа «Чистая вода 2011-2017» [101]. На сегодняшний день проблема качества питьевой воды не решена.

Питьевая вода является источником поступления в организм человека многих микро- и макроэлементов. Систематическое потребление физиологически неполноценной маломинерализовапной воды несет риск развития заболеваний, связанных с недостатком микро- и макроэлементов [73,96]. Исследованию проблем безопасности и физиологической полноценности питьевой воды и их влияния на организм человека посвящены работы Суриц О.В., Радкевич Л.М., Ерохина М.А. и других. Товароведные работы в области формирования потребительских свойств питьевой воды ограничены исследованием Шишкина В.В.

Широкое распространение получила доочистка воды централизованных источников питьевого водоснабжения бытовыми водоочистными устройствами. В Москве и Санкт-Петербурге их использует до 70% населения. Однако, частично улучшая показатели безопасности и органолептических свойств воды (путем удаления типичных загрязнителей), они не позволяют решать весь спектр проблем безопасности воды. Проблема содержания в питьевой воде таких специфических высокотоксичных загрязнителей, как соединения мышьяка не имеет доступного и реализуемого в бытовых условиях решения.

Также, присутствующие в производственном ассортименте БВУ не обеспечивают оптимизации физиологической полноценности воды по содержанию жизненно необходимых микро- и макроэлементов, в частности, фтора и магния.

На сегодняшний день вода из централизованных и децентрализованных источников в большинстве случаев может выступать только сырьем для получения питьевой воды и в ряде случаев требует селективной обработки. Бутилированная питьевая вода часто фальсифицируется. Кипячение воды незначительно влияет на ее химическую безопасность, но может повышать микробиологическую безопасность. Решение проблемы обеспечения населения безопасной и физиологически полноценной питьевой водой является важной задачей. Поскольку комплексное централизованное решение этой проблемы отсутствует, необходимо исследовать возможности оптимизации потребительских свойств питьевой воды в индивидуальном порядке, непосредственно потребителями.

Такие возможности могут быть заложены в бытовые водоочистные устройства (БВУ). Пока, основным критерием качества БВУ является соответствие воды, полученной с помощью этих устройств нормативам СанПиН 2.1.4.1074-01. Вода, соответствующая требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 безопасна, но не обладает достаточным уровнем потребительских свойств. Более высоким уровнем потребительских свойств обладает вода, соответствующая требованиям СанПиН 2.1.4.1116-02. БВУ удаляют из воды ЦИПВС только наиболее распространенные и опасные для здоровья человека загрязнители. В большинстве случаев, этого не достаточно для получения воды высокого качества. Так, вода во многих регионах России существенно отличается по составу, в ней могут содержаться загрязнители различной природы и отсутствовать необходимые микро- и макроэлементы.

Для получения из воды ЦИПВС питьевой воды высокого качества необходимо удаление из нее наряду с типичными загрязнителями

специфических, распространенных в некоторых водоисточниках, а так лее нормализация ее микро- и макроэлементного состава.

Питьевая вода высокого качества не должна содержать механических, химических и биологических примесей, в тоже время, она должна иметь в своем составе необходимые организму микро- и макроэлементы. Согласно результатам исследований, опубликованным в последние годы Институтом питания РАМН, в настоящее время с пищей в организм человека поступает недостаточное количество биогенных элементов, дефицит которых можно нивелировать за счет потребления питьевой воды, содержащей биогенные элементы [74,103].

Под биогенными понимаются элементы, необходимые организму для построения и поддержания жизнедеятельности клеток, тканей и органов. С питьевой водой в организм поступают следующие биогенные элементы и их соединения: кальций, магний, фториды, гидрокарбонаты, хлориды, йодиды, селен.

Вода, полученная с помощью БВУ, имеет благоприятные органолептические свойства, доочигцена от наиболее распространённых загрязнителей, но не обладает улучшенной физиологической полноценностью, поскольку основное назначение БВУ - обеспечение химической безопасности воды. Рецептуры сорбциоиных смесей, используемых в сорбционных БВУ, не предназначены для удаления из воды нетиповых загрязнителей и обогащения воды микроэлементами. При обедненном микро- и макроэлементами химическом составе, присутствии нетиповых загрязнителей, доочищенная вода сохранит эти недостатки.

Целыо диссертационной работы являлась разработка методов формирования потребительских свойств питьевой воды путем очистки от загрязнителей и повышения физиологической полноценности воды с помощью сорбционных методов, реализуемых в бытовых водоочистных устройствах.

Для достижения цели были решены следующие задачи.

1. Исследованы потребительские свойства питьевой воды, получаемой из централизованных источников питьевого водоснабжения в г. Москве и Санкт-Петербурге, а также воды, доочищенной сорбционными бытовыми водоочистными устройствами и бутилированной питьевой воды.

2. Обоснован выбор направлений и методов повышения потребительских свойств питьевой воды исходя из выявленных особенностей химического состава воды разных регионов.

3. Исследована возможность и показана рациональность применения сорбционных технологий для формирования требуемых потребительских свойств питьевой воды путем удаления из нее типичных (активный хлор, тяжелые металлы, летучие галогеиорганические соединения) и специфических (мышьяк (III) и мышьяк (V)) загрязнителей и научно обоснованы рецептуры сорбционных смесей.

4. На основании анализа состава воды разработаны оригинальные рецептуры сорбционных смесей, удаляющие типичные загрязнители и обогащающие воду ионами магния и/или фтора.

5. Изучены потребительские свойства питьевой воды, формируемые в результате обработки сорбционными смесями, подтверждено ее соответствие установленным требованиям к показателям безопасности, физиологической полноценности, органолептическим характеристикам.

Научная новизна работы.

1. Впервые разработана универсальная методика оценки потребительских свойств питьевой воды, полученной в результате доочистки и обогащения с помощью сорбционных бытовых водоочистных устройств, учитывающая требования российских и зарубежных стандартов.

2. Научно обоснованы способы корректировки ионного состава питьевой воды до уровня физиологической полноценности за счет применения разработанных нами сорбционных смесей для сменных фильтрующих элементов бытовых водоочистных устройств, с учетом особенностей

природного (регионального) состава воды, существенно улучшающие ее потребительские свойства.

3. Для селективного удаления из питьевой воды типичных (активный хлор, тяжелые металлы, летучие галогенорганические соединения) и специфических (соединения мышьяка) загрязнителей обоснованы и разработаны рецептуры сорбционпых смесей.

4. Для повышения физиологической полноценности и обеспечения безопасности маломинерализованной питьевой предложены сорбционные смеси, позволяющие осуществлять комплексную обработку воды с целью удаления типичных (активный хлор) и специфических (железо) загрязнителей с одновременным обогащением ионами фтора и магния.

5. Для питьевой воды с оптимальным содержанием ионов кальция и магния разработаны сорбционные смеси, позволяющие удалять типичные загрязнители и обогащать воду ионами фтора.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Разработана, внедрена и применяется методика комплексной оценки потребительских свойств питьевой воды (Акт о внедрении в ЗАО «МЕТТЭМ-Технологии» № 01-08