Сучасні підходи до підготовки питної води стабільно високої якості
| dc.contributor.advisor | Мітченко, Тетяна Євгенівна | |
| dc.contributor.author | Мудрик, Ростислав Ярославович | |
| dc.date.accessioned | 2026-05-29T06:49:07Z | |
| dc.date.available | 2026-05-29T06:49:07Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Mudryk R. Modern Approaches to the Production of Drinking Water of Consistently High Quality. – Qualification research work (manuscript). Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Specialty 161 “Chemical Technologies and Engineering.” – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute,” Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2026. This dissertation is devoted to developing modern approaches to the production of drinking water with consistently high quality. The aim of the research is to develop a process for producing drinking water of consistently high quality—meeting safety and physiological adequacy requirements— from tap water of various compositions using membrane purification systems. The first chapter presents an analytical review of drinking water treatment processes. It is demonstrated that the quality of tap water in Ukraine is deteriorating, and the proportion of non-compliant samples that do not meet the requirements of DSanPiN 2.2.4-171-10 is increasing. Typical non-compliant indicators include color, oxidizability, turbidity, and hardness. In recent years, this list has expanded to include total dissolved solids, iron, and manganese. While 99% of the urban population is supplied with centralized water services, the declining water quality leads consumers to increasingly choose alternative drinking water sources. A comparative analysis of such alternatives— bottled water, household filters, and collective water treatment systems—is provided. It is substantiated that collective systems, particularly water vending machines, represent the most rational means of providing the population with drinking water. These machines function as mini-plants that further purify tap water and dispense drinking water into the user’s bottle. Reverse osmosis is the main purification technology employed, and although widely used, RO-treated water typically does not meet requirements of physiological adequacy. Based on state and industry regulations, the dissertation formulates requirements for drinking water of consistently high quality. Available methods for producing such water are reviewed, and the feasibility of using reverse osmosis elements of various rejection—manufactured from polyamide membrane sheets—is justified. A list of physico-chemical characteristics of these sheets is provided, including rejection for indicator substances, contact angle, zeta potential, and pore radius. The second chapter describes the research objects and methodology. The objects include seven samples of polyamide membrane sheets—nanofiltration, reverse osmosis, and modified types—and samples of tap water from Kyiv, Lutsk, and Kryvyi Rih used in laboratory, pilot, and semi-industrial trials. The research methods encompass laboratory equipment and procedures for determining membrane properties such as rejection, pore radius, contact angle, and zeta potential. Methods for determining water quality indicators are listed. A test stand for membrane element evaluation and the principle of its operation are described. A pilot and semi-industrial testing unit is presented alongside operating conditions. Relevant formulas for processing experimental data are provided. The third chapter presents the research results, interpretations, and conclusions. The “Water Quality Map” database is analyzed, and a classification of tap water by type and mineralization level is proposed. For each water type, the required reduction in total dissolved solids and hardness levels to meet the requirements of consistently high-quality drinking water is calculated. The physico-chemical properties of the membrane sheets are determined. The relationship between their rejection toward indicator and mineral quality parameters and their contact angle, zeta potential, and pore radius is established. The most effective sheets for producing water of the required quality are identified. Two membrane elements were manufactured from sheets of different rejection, and their properties—selectivity toward total dissolved solids, hardness, and productivity— were determined. An algorithm for selecting membrane elements or their combinations for each of the three tap water types is developed. A formula for calculating the ratio of permeate flows obtained from membrane elements of different rejection is proposed. Pilot tests of the process for producing consistently high-quality drinking water from tap water of different types were conducted using the developed algorithm. The tests confirmed the correctness of membrane flat sheet selection and the adequacy of the proposed algorithm. Based on pilot test results, an improved technological scheme for water vending machines was proposed. In the new configuration, the stages of reverse osmosis and remineralization are replaced by a single stage—reverse osmosis with elements of different selectivity. A concept for the digitalization of vending machines is also proposed, including sensors, detectors, a microprocessor-based controller, and software for remote monitoring of water quality and production volume. Semi-industrial trials using Kyiv tap water demonstrated that throughout operation, the indicator parameters of drinking water quality—total dissolved solids, hardness, pH, and color—met the requirements of consistently high-quality drinking water. The service life of membrane elements with different rejection was determined to be 105 m³. It is shown that combining the improved technological scheme with digitalization reduces service frequency from four times to twice per year. The fourth chapter substantiates the economic feasibility of implementing the modern approach to preparing consistently high-quality drinking water in membranebased vending machines. Annual operating costs of current and improved vending machine networks are compared, demonstrating a 39% reduction in expenses. The environmental benefits of water vending machines are assessed, showing that a network of 50 units can reduce plastic waste by 100,000 kg per year. Scientific novelty: For the first time, it has been demonstrated that the production of drinking water of consistently high quality from tap water of varying composition can be achieved by using membrane elements fabricated from membrane sheets characterized by a water contact angle of 55 ± 5° and 45 ± 5°, and a zeta potential at pH 7 of −22 ± 2 mV and −25 ± 2 mV, respectively. For the first time, it has been established that the water contact angle and zeta potential serve as markers of the physicochemical properties of membrane sheets, enabling the prediction of their selectivity with respect to hardness ions, total dissolved solids (TDS), bicarbonates, and color. For the first time, a formula has been proposed to calculate the ratio of permeate flow rates from different membrane sheets; this formula predicts the quality of the produced water as a function of tap-water composition and can serve as a basis for the digitalization of drinking-water treatment processes. Practical significance: The study describes the performance of modified membrane sheets with respect to reducing total dissolved solids (TDS), hardness, color, and the concentrations of sulfates, bicarbonates, and other constituents. It is shown that modified reverse-osmosis (RO) sheets can partially reduce TDS, hardness, and bicarbonate content, while almost completely removing water color as well as sulfate, iron, and manganese ions. In contrast, conventional RO membranes almost completely remove all of the above parameters. This indicates that modified RO sheets can be applied in drinking-water treatment processes in a manner that satisfies both safety requirements and recommendations regarding physiological adequacy of drinking water. Markers of the physicochemical properties of membrane sheets are proposed, enabling prediction of membrane selectivity with respect to hardness, TDS, sulfates, bicarbonates, and color. This approach will substantially facilitate further research on modified RO sheets. During pilot-scale and demonstration-scale testing of membrane elements fabricated from different membrane sheets, drinking water of consistently high quality was produced from tap water of varying composition. Based on these results, the existing drinking-water production technology was improved by replacing the two-stage sequence of reverse osmosis followed by remineralization with a single reverse-osmosis stage employing membranes of different selectivity. This improvement is confirmed by an implementation act documenting the deployment of the developed technological solutions at LLC “SPC ‘Ecosoft’.” The study substantiates the use of two membrane elements installed in parallel and fabricated from membrane sheets with different selectivity to obtain drinking water of a specified quality from tap water of varying composition. A formula was developed to calculate the ratio of permeate flow rates from the two different elements as a function of tap-water composition. The study also formulates proposals for the digitalization of water-treatment systems (using a water vending machine as an example) to enable remote monitoring of producedwater quality and system productivity. It is shown that the reduction in operating costs achieved through the use of modified membrane elements and the implementation of digitalization amounts to 39%, thereby providing a commercial rationale for the widespread adoption of the proposed approaches. The developed approach promotes broader adoption of water vending machines, which contributes to environmental sustainability, supports the achievement of UN Sustainable Development Goals, and aligns with EU directives aimed at reducing the impact of single-use plastic bottles. | |
| dc.format.extent | 119 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/81350 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | питна вода | |
| dc.subject | технології водопідготовки | |
| dc.subject | зворотний осмос | |
| dc.subject | домінералізація | |
| dc.subject | адсорбція | |
| dc.subject | фільтр | |
| dc.subject | модифіковані мембранні полотна | |
| dc.subject | фізикохімічні властивості мембран | |
| dc.subject | селективність | |
| dc.subject | водні вендингові автомати | |
| dc.subject | цифровізація | |
| dc.subject | drinking water | |
| dc.subject | water treatment technologies | |
| dc.subject | reverse osmosis | |
| dc.subject | remineralization | |
| dc.subject | adsorption | |
| dc.subject | filter | |
| dc.subject | modified membrane elements | |
| dc.subject | physico-chemical properties of membranes | |
| dc.subject | rejection | |
| dc.subject | water vending machines | |
| dc.subject | digitalization | |
| dc.subject.udc | 628.16, 628.1.033, 66.067.123.3, 681.5 | |
| dc.title | Сучасні підходи до підготовки питної води стабільно високої якості | |
| dc.title.alternative | Modern Approaches to the Production of Drinking Water of Consistently High Quality | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: