Сучасні підходи до підготовки питної води стабільно високої якості
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Мудрик Р.Я. Сучасні підходи до підготовки питної води стабільно високої якості. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2026.
Дисертаційна робота присвячена розробці сучасних підходів до виробництва питної води стабільно високої якості. Мета роботи - розробити процес підготовки питної води стабільно високої якості за показниками безпечності та фізіологічної повноцінності з водопровідної різного складу з використанням мембранних систем очищення води. В першому розділі наведений аналітичний огляд процесів підготовки питної води. Показано, що якість водопровідної води в Україні погіршується. Частка нестандартних проб, таких що не відповідають ДСанПіН 2.2.4-171-10, зростає. Характерними показниками якості водопровідної води, що не відповідають вимогам, є забарвленість, окиснюваність, каламутність та жорсткість. В останні роки до цього переліку додались сухий залишок, вміст заліза та марганцю. У містах рівень забезпечення населення централізованим водопостачанням становить 99%. Проте, зважаючи на погіршення якості водопровідної води, люди все частіше обирають інші джерела питної води. Зроблено порівняльний аналіз альтернативних джерел питної води: бутильована вода, домашні фільтри та колективні системи очищення води. Аргументовано, що колективні системи, зокрема водні вендингові автомати, є найбільш раціональним способом забезпечити населення питною водою. Водні вендингові автомати – це міні-заводи з доочищення водопровідної води та розливу питної води в пляшку користувача. Основною технологією доочищення є зворотний осмос. Продемонстровано, що ця технологія є найпопулярнішою для одержання безпечної питної води. Але очищена таким чином вода не відповідає вимогам фізіологічної повноцінності. На основі державних та галузевих нормативів до питної води в роботі були сформульовані вимоги до питної води стабільно високої якості. В розділі зроблений огляд наявних способів одержання води такої якості. Обґрунтовано, що найбільш доцільним є використання зворотноосмотичних елементів із різною селективністю, які виготовляють з поліамідних мембранних полотен. В розділі наведений перелік фізико-хімічних характеристик полотен, за якими визначають їх властивості, зокрема, селективність, кут змочування, дзета-потенціал та радіус пор. В другому розділі роботи наведено інформацію щодо об’єктів та методів дослідження. Серед об’єктів – 7 зразків поліамідних полотен: нанофільтраційні, зворотноосмотичні та модифіковані, а також зразки водопровідної води м. Київ, м Луцьк, м. Кривий Ріг, з якими проводились лабораторні, пілотні або досліднопромислові випробування. В методах дослідження описано лабораторне обладнання для визначення характеристик мембранних полотен, а саме – селективності, радіусу пор, кута змочування, дзета-потенціалу. Перераховані методики визначення показників якості води. Описано стенд для дослідження мембранних елементів та принцип його роботи. Продемонстрована установка для проведення пілотних та дослідно-промислових випробувань та описані умови їх проведення. Зазначені формули для обробки отриманих результатів. В третьому розділі викладені результати проведених досліджень з їх поясненнями та висновками. Проаналізована база даних «Карта якості води», зроблена класифікація водопровідної води за рівнем та типом мінералізації. Для кожного типу розрахований ступінь зниження показників сухий залишок та жорсткість до рівня вимог питної води стабільно високої якості. Визначені фізико-хімічні властивості мембранних полотен. Встановлена залежність між їх селективністю за показниками гідрокарбонат та сульфат натрію, сухий залишок, жорсткість та забарвленість, кутом змочування, дзета-потенціалом і радіусом пор. Обрані найбільш ефективні полотна для одержання питної води заданої якості. З обраних полотен різної селективності були виготовлені два мембранні елементи та визначені їх властивості: селективність по відношенню до сухого залишку і жорсткості та продуктивність. Розроблено алгоритм вибору мембранних елементів або їх комбінації для кожного з трьох типів водопровідної води. Запропонована формула розрахунку співвідношення потоків пермеатів одержаних з мембранних елементів різної селективності. Згідно розробленого алгоритму проведені пілотні випробування процесу одержання питної води стабільно високої якості з водопровідної різних типів. Показано, що випробування підтвердили правильність вибору мембранних полотен та адекватність запропонованого алгоритму. На основі результатів пілотних випробувань, була запропонована вдосконалена технологічна схема підготовки питної води у водному вендинговому автоматі. Зокрема, стадії зворотний осмос та домінералізація замінені на одну стадію – зворотний осмос із різною селективністю. Для віддаленого контролю якості та об’єму очищеної води запропоновано використання засобів цифровізації вендингового автомату, що включає сенсори, датчики, контролер з мікропроцесором та програмне забезпечення. Проведено дослідно-промислові випробування на водопровідній воді міста Києва. Встановлено, що в процесі очищення протягом дослідно-промислової експлуатації вдосконаленого водного вендингового автомату індикаторні показники якості питної води, а саме сухий залишок, жорсткість, рН, забарвленість, відповідають вимогам до питної води стабільно високої якості. Визначено ресурс мембранних елементів із різною селективністю, який складає 105 м3 . Продемонстровано, що поєднання вдосконаленої технологічної схеми та цифровізації у водному вендинговому автоматі дає можливість знизити частоту сервісного обслуговування автоматів з 4 разів до 2 разів на рік. В четвертому розділі обґрунтовано економічну доцільність впровадження сучасного підходу до підготовки питної води стабільно високої якості у мембранний водний вендинговий автомат. Здійснено порівняння річних витрат на експлуатацію мереж існуючих та вдосконалених автоматів і продемонстрована економія 39 %. Оцінена екологічна доцільність впровадження водних вендингових автоматів, показана можливість зниження кількості пластикових відходів на 100 000 кг на рік при роботі мережі з 50 одиниць. Наукова новизна роботи полягає в наступному: Вперше показано, що отримання питної води стабільно високої якості з водопровідної води різного складу досягається за рахунок застосування мембранних елементів, виготовлених з полотен, що характеризуються кутом змочування 55±5 і 45±5 градусів та дзета потенціалом при рН 7 -22±2 і -25±2 мВ. Вперше встановлено, що кут змочування та дзета потенціал є маркерами фізико-хімічних властивостей мембранних полотен, які дозволяють прогнозувати їх селективність по відношенню до іонів жорсткості, сухого залишку, гідрокарбонатів та забарвленості. Вперше запропонована формула розрахунку співвідношення потоків пермеату з мембранних полотен, яка прогнозує якість одержаної води в залежності від складу водопровідної, що може бути покладено в основу цифровізації процесу підготовки питної води. Теоретичне та практичне значення результатів роботи полягає в наступному: в роботі описані властивості модифікованих мембранних полотен щодо зниження показників сухий залишок, жорсткість, забарвленість та вмісту сульфатів, гідрокарбонатів, інших сполук. Показано, що модифіковані версії зворотноосмотичних полотен, можуть частково знижувати показники сухий залишок, жорсткість і вміст гідрокарбонатів, та практично повністю знижувати забарвленість води, вміст сульфатів, іонів заліза, марганцю. На відміну від зворотноосмотичних, які практично повністю знижують всі зазначені показники. Це означає, що модифіковані зворотноосмотичні полотна можна використовувати в процесах підготовки питної води, що відповідає і вимогам щодо безпечності, і рекомендаціям щодо фізіологічної повноцінності. Запропоновані маркери фізико-хімічних властивостей полотен, за якими можна передбачити селективність полотен по відношенню до жорсткості, сухого залишку, сульфатів, гідрокарбонатів, забарвленості. Такий підхід суттєво сприятиме подальшим дослідженням модифікованих зворотноосмотичних полотен. В ході пілотних та дослідно-промислових випробувань мембранних елементів, виготовлених з різних полотен, одержано питну воду стабільно високої якості із водопровідної різного складу. Завдяки отриманим результатам вдосконалено існуючу технологію отримання питної води за рахунок заміни двох стадій зворотний осмос та домінералізація на одну стадію зворотний осмос із різною селективністю. Це підтверджується актом впровадження розроблених технологічних рішень на ТОВ «НВО «Екософт». В роботі обґрунтовано використання двох паралельно встановлених мембранних елементів, виготовлених з полотен із різною селективністю, для одержання питної води заданої якості із водопровідної різного складу. Розроблена формула розрахунку співвідношення потоків пермеату одержаного з двох різних елементів в залежності від складу водопровідної води. В роботі сформульовані пропозиції щодо цифровізації систем підготовки води (на прикладі водного вендингового автомату) з метою віддаленого контролю якості одержаної води та продуктивності. Показано, що зниження експлуатаційних витрат за рахунок використання модифікованих мембранних елементів та впровадження цифровізації становить 39 %. Це створює комерційне підґрунтя для широкого впровадження запропонованих підходів. Розроблений підхід створюватиме умови для ширшого впровадження водних вендингових автоматів, що в свою чергу матиме позитивний вплив на екологію, сприятиме виконанню цілей сталого розвитку ООН та реалізації вимог директиви ЄС щодо зменшення впливу одноразових пластикових пляшок.
Опис
Ключові слова
питна вода, технології водопідготовки, зворотний осмос, домінералізація, адсорбція, фільтр, модифіковані мембранні полотна, фізикохімічні властивості мембран, селективність, водні вендингові автомати, цифровізація, drinking water, water treatment technologies, reverse osmosis, remineralization, adsorption, filter, modified membrane elements, physico-chemical properties of membranes, rejection, water vending machines, digitalization
Бібліографічний опис
Мудрик, Р. Я. Сучасні підходи до підготовки питної води стабільно високої якості : дис. … д-ра філософії : 161 Хімічні технології та інженерія / Мудрик Ростислав Ярославович. – Київ, 2026. – 119 с.