Способ регенерации воды из мочи

Изобретение относится к медицине и биологии и может быть использовано в системах водообеспечения длительно функционирующих автономных гермозамкнутых космических и наземных обитаемых объектов.

В авторской заявке (Япония, №58-23156. кл. СO₂ F 1/42, 1/2811 Boi J 47/02, 1983) очистку воды осуществляли путем ее пропускания через колонку с катионитом, анионитом и активированным углем. Однако и этот способ не обеспечивает необходимую очистку получаемого конденсата.

Процессы ионного обмена, реализуемые на неподвижных слоях сорбентов, являются периодическими из-за исчерпания обменной емкости ионообменных смол, активированных углей, что требует их замены или регенерации.

Сорбционный метод не обеспечивает необходимого качества получаемого конденсата, который обычно содержит органические и неорганические соединения.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ регенерации воды из мочи, заключающийся в понижении активной реакции мочи с помощью серной кислоты и добавления химических реагентов, затем из консервированной мочи получают конденсат (дистиллят), который очищают на колонках с ионообменными смолами и активированным углем (Putam D.F., Tomas Е.Е. Recovery of potable water from huma urina. Aerospace Med. 1969, v. 40 p. 736).

По своей технической сущности указанный способ более близок к предлагаемому и поэтому взят в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является то, что консервант мочи на основе ядовитой серной кислоты в межпланетных длительных экспедициях, особенно в больших количествах, опасен для членов экипажа, а также известный способ имеет ограниченный ресурс поглотительной способности колонок с катионитом, анионитом и активированным углем для дополнительной очистки дистиллята. Кроме того, узел доочистки дистиллята в системе регенерации воды увеличивает ее массу, а следовательно, и стартовый вес корабля, что особенно важно при межпланетных экспедициях. Предлагаемая нами для использования в качестве компонента консерванта ортофосфорная кислота Н₃РО₄ нетоксична, она является неорганической кислотой средней силы и применяется в медицине и пищевой промышленности (разрешена как пищевая добавка).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение химической опасности для членов экипажа, снижение веса используемых реагентов, а также повышение качества воды, регенерированной из мочи, что проявляется в более эффективном удалении из получаемого конденсата суммарного органического углерода и азота аммиака, полученный дистиллят не превышает нормативов ГОСТ-50804-95 на питьевую воду.

Этот технический результат достигается тем, что в известном способе регенерации воды из мочи путем сбора ее, консервации с помощью добавления к свежесобранной моче консерванта в виде окисляющих агентов и последующей физико-химической очистки полученной смеси, при консервации мочи окисляющие агенты добавляют к моче до рН смеси от 3 до 5 единиц, при этом в качестве окисляющих агентов добавляют или раствор, содержащий 44,3% ортофосфорной кислоты (Н₃РО₄) и 11% окиси хрома (СrО₃), или водный раствор, содержащий 37% ортофосфорной кислоты, 13% бихромата калия (К₂Сr₂О₇), или водный раствор, содержащий 37,5% ортофосфорной кислоты и 2,5% калия марганцовокислого (КМnО₄), а очистку полученной смеси осуществляют путем помещения ее в поток циркулирующего воздуха низкотемпературного испарителя при температуре +60°С и сбора целевого продукта в виде конденсата.

Способ осуществляют следующим образом.

- Готовят 3 раствора консервантов на основе ортофосфорной кислоты с различными окислителями:

- Раствор, содержащий 44,3%, ортофосфорной кислоты (Н₃РО₄), 11% окиси хрома (СrO₃), 44,7% дистиллированной воды;

- Раствор, содержащий 37% ортофосфорной кислоты, 13% бихромата калия (К₂Сr₂О₇), 50% дистиллированной воды;

- Раствор, содержащий 37,5% ортофосфорной кислоты и 2,5% калия марганцовокислого (КМnО₄), 60% дистиллированной воды.

Растворы хранят в трех разных кислотоустойчивых емкостях.

- Собирают мочу в отдельную емкость - мочесборник, при котором находятся электроды рН-метра для определения рН-мочи. Система приема и консервации мочи (СПК-У) предназначена для предварительной химической обработки (консервации) мочи, поступающей в СРВ-У (система регенерации воды из мочи). По окончании подачи мочи производится слив мочи в емкость с исходным продуктом, затем производится промывка приемного тракта смесью сливной воды и консерванта, забираемого из емкости с консервантом.

- К одному объему этой собранной мочи добавляют один из 3-х растворов консервантов до рН от 3 до 5 единиц. Перемешивают.

- Полученную смесь - консервированную мочу - помещают в поток циркулирующего воздуха низкотемпературного испарителя при температуре +60.

- Выделяющийся конденсат собирают. Этот конденсат является целевым продуктом, т.е. чистым дистиллятом воды.

- Оставшаяся после конденсации суспензия складируется отдельно.

- Конденсат анализируют на наличие химических примесей.

- Этот конденсат не требует дополнительной сорбционной очистки - ГОСТ-50804-95 на питьевую воду.

Приготовление раствора консервантов, содержащего 44,3%, ортофосфорной кислоты и 11% окиси хрома (СrО₃)

Удельный вес ортофосфорной кислоты (Н₃РО₄) равен 1,87 (1 мл весит 1,87 г), следовательно, 44,3 г займет объем 44,3:1,87=23,7. 11 г окиси хрома растворяют в 44,7 мл дистиллированной воды, затем по каплям добавляют концентрированную ортофосфорную кислоту в количестве 23,7 мл, встряхивая и следя, чтобы не было перегрева.

Приготовление раствора консервантов, содержащего 37% ортофосфорной кислоты и 13% бихромата калия (К₂Сr₂О₇)

Ортофосфорная кислота в данном случае занимает объем 37:1,87=19,8 мл. 13 г бихромата калия растворяем в 50 мл дистиллированной воды, затем по каплям добавляют концентрированную ортофосфорную кислоту в количестве 19,8 мл, встряхивая и следя, чтобы не было перегрева.

Приготовление раствора консервантов, содержащего 37,5% ортофосфорной кислоты и 2,5% калия марганцовокислого

Ортофосфорная кислота в данном случае занимает объем 37,5:1,87=20 мл. 2,5 г бихромата калия растворяют в 60 мл дистиллированной воды, затем по каплям добавляют концентрированную ортофосфорную кислоту в количестве 20 мл, встряхивая и следя, чтобы не было перегрева.

Растворы хранят в трех кислотоустойчивых емкостях.

Пример осуществления способа

К собранной моче в количестве 1 л добавляли 8,20 мл водного раствора, содержащего 44,3% ортофосфорной кислоты и 11% окиси хрома, или 6,33 мл водного раствора, содержащего 37% ортофосфорной кислоты и 13% бихромата калия, или 8,35 мл водного раствора, содержащего 37,5% ортофосфорной кислоты и 2,5% калия марганцовокислого. Перемешивали и встряхивали.

Полученную смесь - консервированную мочу - помещали в поток циркулирующего воздуха низкотемпературного испарителя при температуре +60.

Выделившийся конденсат в количестве 85% от собранной мочи собрали и подвергли лабораторному исследованию.

Методы анализа дистиллята

1. Общая жесткость - комплексонометрический метод определения Са, Mg.

2. Определение сульфатов - осаждение в кислой среде ионов SO₄^2- хлористым барием.

3. Определение хлоридов - осаждение Сl^- иона в нейтральной или слабощелочной среде азотнокислым серебром, индикатор - хромовокислый калий.

4. Азот аммиака - определение на основе реактива Несслера.

5. Нитриты - фотоколориметрическим методом - 520 нм.

6. Нитраты фотоколориметрическим методом при длине волны 480 нм.

7. Содержание органического и неорганического углерода - на основе анализатора общего содержания углерода «Slevers-900» с использованием химического окислителя персульфата аммония и ультрафиолетовой радиации.

8. Определение рН - рН-метр «Эксперт рН».

9. Микробная, грибковая, дрожжевая обсемененность - подсчет колоний на чашках Петри.

Характеристики дистиллята, получаемого из мочи с консервантом на основе ортофосфорной кислоты и с различными окислителями качества

Важнейшими характеристиками получаемого дистиллята являются - бихроматная окисляемость и содержание азота аммиака.

Бихроматная окисляемость позволяет суммарно на 90-95% оценить содержание в дистилляте органических примесей.

Норматив воды питьевых кондиций по ГОСТ-50804-95 на органический углерод - 25 мг/дм³, а азот аммиака - 2.0 мг/дм³.

Для сравнения качества дистиллята, полученного с использованием консерванта на основе ортофосфорной кислоты и с различными окислителями, а также с консервантом Putnam.D.F. с серной кислотой и окисью хрома. В качестве окислителей с ортофосфорной кислотой использовали СrО₃, КМnО₄, K₂Cr₂O₇.

Результаты исследования отражены в таблицах №4-№7. Дополнительно проводили исследования по влиянию рН консерванта без окислителя (таблицы №1-№3).

В Таблице 1 представлены сроки начала роста различных видов микрофлоры в зависимости от величины активной реакции - рН мочи, создаваемой ортофосфорной кислотой с рН -5, 4, 3, 2, 1 ед. Целесообразно иметь для получения воды из мочи рН=3 ед., т.к. бактерии, дрожжи, микроскопические грибы не растут около 3-х месяцев; рН=4 ед. - рост дрожжей на 10 сутки, рН=5 ед. бактерии - 1 сутки.

В Таблице 2 приводится характеристика дистиллята, полученного из 10-суточной мочи без использования консерванта. Содержание органического углерода 181±5,41 мг/дм³, содержание азота аммиака 234±23,4 мг/дм³.

В Таблице 3 - ортофосфорная кислота без окислителя. рН мочи - 3 ед. Содержание органического углерода 6,37±0,1 мг/дм³, а норматив 25 мг/дм³. Содержание азота аммиака 0,9±0,03 мг/дм³, а норматив 2 мг/дм³.

В Таблице 4 - ортофосфорная кислота с окислителем СrО₃, рН мочи - 3 ед. Содержание органического углерода 18,6±0,55 мг/дм³, а норматив 25 мг/дм³. Содержание азота аммиака 0,49±0,053 мг/дм³, а норматив 2 мг/дм³.

В Таблице 5 - серная кислота, окислитель - окись хрома, рН мочи - 3 ед. Содержание органического углерода 16,4±0,49 мг/дм³, а норматив 25 мг/дм³. Содержание азота аммиака 0,7±0,08 мг/дм³, а норматив 2 мг/дм³.

В Таблице 6 - ортофосфорная кислота, окислитель марганцовокислый калий, рН мочи - 3 ед. Содержание органического углерода 3,08±0,09 мг/дм³, а норматив 25 мг/дм³. Содержание азота аммиака 0,35±0,07 мг/дм³, а норматив 2 мг/дм³.

В Таблице 7 - ортофосфорная кислота, окислитель - бихромат калия, рН мочи - 3 ед. Содержание органического углерода 1,72 мг/дм³, а норматив 25 мг/дм³. Содержание азота аммиака 0,18 мг/дм³, а норматив 2 мг/дм³.

Консервант создает кислую реакцию мочи, которая подавляет рост и развитие бактерий. Однако при этом создаются более благоприятные условия для развития в моче дрожжей и микроскопических грибов. В связи с этим исследовали влияние различных значений рН мочи на состав микрофлоры при использовании ортофосфорной кислоты в качестве консерванта. Собранную мочу от разных доноров обрабатывали консервантом, создавая величину рН в диапазоне от 1 ед. до 5 ед. и оставляли на хранение в колбах под ватными пробками. Исходная обсемененность свежей мочи в среднем составляла 5×10⁵ микр. тел/мл.

К 15 суткам хранения необработанной мочи общее количество достигло 1,8×10⁷ микр. тел/мл. Среди них бактерии родов - Pseudomonas, Micrococcus, Escherichia, Arthrobacter, Streptococcus.

Внесение консерванта в мочу - рН=4 ед. приостанавливает в ней рост бактерий со сроком до одного месяца; при рН=3 ед. рост бактерий в моче отсутствует в течение 3-х месяцев, при рН=2 ед. - 6 месяцев, с рН=1 ед. - до 1 года.

Подкисление мочи способствует росту плесневых грибков Penicillium glaucum, Aspergillus niger. Грибки при рН мочи - 3 ед. не растут в течение 90 суток хранения; при рН=2 ед. рост отсутствует 270 суток, с рН=1 ед. - роста нет (Таблица 1).

Однако бихроматная окисляемость воды минимальна при величине рН исходной мочи от 3 до 5 единиц. При рН=2 и рН=1 бихроматная окисляемость полученной воды превышает величину окисляемости воды из необработанной консервантами мочи.

На основании полученных экспериментальных данных целесообразно иметь исходную мочу с активной реакцией рН=3 ед., т.к. при такой кислотности нет роста у бактерий, дрожжей, микроскопических грибов в течение 90 суток, а при рН=4 ед. - рост дрожжей - на 10 сутки, а микроскопических грибов - рост на 30 сутки; при рН=5 ед. - рост бактерий на первые сутки.