採用含碘物質消毒水的方法
2023-06-08 23:51:26 3
專利名稱：採用含碘物質消毒水的方法
技術領域：
本發明涉及採用含碘物質、特別是次碘酸和溶解分子碘消毒水的方法。
背景技術：
在過去碘已大規模地被用於水的消毒中。由於其對細菌、病毒和孢囊的抗菌作用(狹義地講)，碘已而被廣泛使用，這是因為在保持水源的生物安全性中，這三種病原體是最普遍的威脅健康的因素。通常情況下，添加少量可大大促進碘溶解的KI，由此將晶體碘於靜態條件下溶於水中。
對於飲用水領域，特別要注意的是在人體胃腸道中廣泛感染和復發感染的細菌，即大腸桿菌類細菌，如E.coli。當含糞便的廢水濺入水源，或水源中發生過量的植物厭氧腐敗時，這些細菌常汙染飲用水源。總的來說，人們對碘使細菌、病毒和孢囊的致病性失活的機理尚了解不多。
脊髓灰質炎病毒1(Polio 1)在第三世界國家中尤為流行，在這些國家中幾乎沒有免疫計劃，而且當地的飲用水源和汙水相互靠得很近。
現今碘通常來自碘載體或採用KI助溶的碘水溶液。大多數處理方法採用的pH在9左右。
溶解碘在水溶液中水解生成次碘酸HOI的量與pH成正比，其中pH大於8.5時，碘幾乎全部以HOI形式存在。溶解I2和HOI均具有抗病原體作用。在pH為5-7時，以I2形式存在的碘顯示抗菌作用，而在較高pH，如7-10時，HOI為一種有效的抗病毒藥。Chang(1)報導了pH為8以上時，特別在溶解碘化物的存在下，HOI緩慢分解生成碘化物和碘酸根離子。已發現碘化物和碘酸鹽均不具有殺菌性能。此外，I-與I2反應構成顏色更深的I3-離子，該離子也不具有殺菌性能。
將固體碘溶於有機液體如乙醇、丙酮、乙醚、甲苯、對二甲苯、苯和二硫化碳中可構成多種碘酊劑。此外，用適當的有機物與碘反應可製成多種碘的有機製劑，如碘仿、二碘甲烷。其中最為流行的商品碘-有機物複合體有用作清洗劑和防腐劑的PVP-碘、碘仿和聚維酮-碘製劑。稀釋在水中後，大多數這些化合物具有殺菌作用，其中碘通常以分子碘形式被水合併釋放至水中。通常將多數殺微生物的有機碘稱為碘載體。
通常將I2、三-、五-和七-碘離子連於季銨、苯乙烯-二乙烯苯、交聯的陰離子交換樹脂上，由此構成攜碘樹脂。用水洗脫時，通過陰離子交換機制多碘離子和碘從樹脂上釋放出來。這些樹脂被設計成以按需型進行操作，其中通過以下機制碘僅以殺菌量釋放至通過樹脂的水中(1)藉助內部陰離子交換機制釋放碘，其中I2從多碘化物中間體中轉移出來，(2)碘在樹脂上水解產生HOI，(3)樹脂-多碘化物複合體和/或有機樹脂基體的簡單釋放碘。
Berg等人(2)指出，以KI促進溶解的溶解元素碘在pH=6、碘濃度約2 ppm、15℃時經過1分鐘的接觸可殺滅99.99％的Polio 1。雖然這-殺滅率符合USEPA(美國環境保護局)的規定，由於所規定的殺滅率必須在4℃下取得，故其實驗條件不符合USEPA的規定。此外，其所採用的病毒濃度約為4.13×104PFU/ml，要比USEPA實驗規程中所規定的高2倍。該參考文獻表明，Polio 1可在比以前實驗所預計的更低的pH下被有效地殺滅，增加碘濃度可增加殺滅率，而且碘濃度隨時間而衰減。
Hsu等人(3)指出，在KI存在下，使用溶解元素碘在pH=7、T=37℃和碘濃度約20 ppm時，經10-20分鐘接觸後99.996％的Polio1被殺滅。但該參考文獻也指出，碘離子的存在事實上抑制了病毒失活的速率和數量。雖然其殺滅率符合USEPA的規定，但它們僅在體溫，而非USEPA所要求的較低溫度下達到此殺滅率。其所採用的病毒濃度為4.5×105PFU/ml，高於USEPA規程所規定的20倍。
Cramer等人(4)已證實，稀的碘酊劑在30ppm、pH=10、T=27℃時與3型脊髓灰質炎病毒接觸30分鐘，其殺滅率約99.99999％。但是，儘管達到USEPA所要求的殺滅率，它們所採用的並不是USEPA實驗規程所要求的苛刻的實驗條件。此外，不幸的是該實驗所採用1×106PFU/ml Polio 3濃度，其數值要高於規定值300倍。
Taylor和Bulter(5)指出，5℃、pH=9時，Polio 1與30μM溶解的元素「碘」(其具體說明未知)接觸10分鐘殺滅率為99.8％。但病毒和「碘」的濃度並未給出。此外，也未達到USEPA所規定的殺滅率。
Alvarez等人(6)指出，採用一種酊劑中的1-2ppm的碘，在pH=10、T=25℃、接觸時間約15分鐘時，Polio 1可被殺滅90至99％。該參考文獻還指出，通過幹擾宿主細胞對病毒的吸收能力，碘使Polio 1滅活。不幸的是，這些條件並未滿足USEPA規程所規定的殺滅率。
因此，仍需要一種有效的方法，使得其對病毒、特別是Polio 1病毒的殺滅率符合USEPA的實驗規程和殺滅率指標，而且此方法對細菌的殺滅率也符合本領域所規定的程度。
公開文獻1、Chang,S.L.,J.Amer.Pharm.Ass.,(1958),47，第417-423頁。
2、Berg G.等人，Virology(1964),22，第469-481頁。
3、Hsu等人，Journal of Epidemiology(1996),82,3，第317-頁。
4、Cramer W.N.等人(1976),48,1，第61-67頁。
5、Taylor GR.和Butler M.,J.Hyg.Camb.(1982),89，第321-328頁。
6、Alvarez M.E.和O』Brien R.t.,Applied EnvironmentalMicrobiology(November 1982),44,5，第1064-1071頁。
發明簡述本發明的一個目的是提供一種可有效地殺滅飲用水中的細菌並符合USEPA規程中的規定的方法。
本發明的再一個目的是提供一種可有效地殺滅飲用水中的病毒並符合USEPA規程中的規定的方法。
本發明的又一個目的是提供一種可實現本發明上述兩個目的的水處理系統和裝置。
因此，本發明的一個方面是提供一種消毒水以殺滅細菌和病毒的方法，其中採用包括次碘酸和碘水溶液的含碘物質，所述方法包括在pH選自9-10時，採用有效量的所述含碘物質處理含所述細菌和病毒的所述水，以提供無細菌和病毒的水。
優選地，含碘物質的濃度選至2至200ppm，更優選為10至20ppm。最為優選地，消毒溶液中主要由HOI和I2組成。
本專利說明書中所採用的術語「含碘物質」是指pH在9-10之間存在的溶解分子碘和次碘酸的總稱。此處的ppm濃度指化學上游離的，未與病原體反應的含碘物質的濃度，即I2和HOI的總濃度。
我們已發現，依賴於溫度和含碘物質的濃度，適當的接觸時間約為1至30分鐘。在本發明的動態方法中，pH=9.5、濃度為10-15ppm、溫度在12至18℃之間時，適當的接觸時間約為10分鐘。
在本發明的一個優選方案中，將少量相對高濃度的含碘物質溶液與大量未處理的水在以上所定義的處理條件下相混合，製備包含有效量含碘物質的水。
最為優選地，獲得適當含碘物質之濃水溶液的最好方法是在動態水流條件下，其中水流以一流速經過片狀元素碘而產生所需濃度，優選為100至500ppm。將該濃溶液按一定速率加到待處理的主水源中使得含碘物質濃度達到所需的10至20ppm。
在本發明的另一方面中，本發明提供一種從含細菌和病毒的水源製造無細菌和病毒的水的水處理系統，所述系統包括(a)容納固體元素碘並允許所述碘在動態水流中溶解的發生裝置；(b)將第一部分的所述水源輸送到所述發生裝置中並產生濃的碘水溶液的裝置；(c)提供第二部分的所述水源的裝置；(d)將所述濃的碘水溶液輸送至所述第二部分的所述水源中並提供混合水源的裝置；(e)用於保持所述混合水源以提供所述無細菌和病毒的水的貯存裝置；(f)測量所述第一和第二部分水源流量的裝置；(g)測量所述第二部分水源pH的裝置；
(h)調節所述第二部分水源pH的裝置；(i)測量所述濃水溶液溫度的裝置；和(j)用於接受由所述測量第一和第二部分水源流量的裝置、所述測量所述第二部分水源pH的裝置、所述測量所述濃水溶液溫度的裝置以及所述調節所述第二部分水源pH的裝置中的流量、pH和溫度數據的控制裝置。
更為優選地，採用碘和/或碘化物分離器可容易地將過量含碘物質從處理好的水中除去。附圖簡述為更好地理解本發明，現以附圖為參考以實施例形式描述一個優選實施方案，其中
圖1為本發明方法、裝置和系統的示意流程圖，其中虛線表示電連接。
優選實施方案描述參見圖1，該系統包括一個將進水輸送至預處理器12中的進水管10。典型的進水為城市飲用水，以下稱為「主水流」，典型地進水以環境溫度進到系統中。除此之外，本發明系統被設計成也可接受在0至40℃之間的水。預處理器12為任選的特徵，視水源的質量及化學而取捨，預處理器可包括預過濾器、以及水軟化器或酚分離器。
主水流水從預處理器12中流出並通過水管14流經系統。用壓力表16測量進水的壓力，其壓力用電腦化控制器18監視，使得壓力不超過操作條件，其典型數值為45-100psi。如果超過壓力限制，系統將關閉。用流量計20測量主水流的流量並將數據輸送至控制器18中。控制該實施方案的系統的運行，以使流量被控制在0至12 USGPM之間。
水管14通向一個用於除去不希望有的滷素、三滷甲烷和有機殘渣的碳預過濾器22以及一個除去細礦物質、有機物和碳顆粒的顆粒過濾器24，典型地，該顆粒過濾器纏有棉花提供大於5微米的過濾。過濾器的下遊是一個如圖以23標示的pH控制站，該控制站有一個酸和/或鹼貯液池26和一個靜態混合器28。依據pH計30所提供的pH信息，在控制器18的控制下，由貯液池26提供酸鹼。所添加的鹼優選為氫氧化鈉，通過在線式靜態混合器28與主水流混合。
調好pH的主流流出靜態混合器28，其中主水流的一部分分流至如圖所示總稱為31的碘發生器和碘傳感器的迴路中，該迴路包括支管32、泵34、流量計36、二個串連的碘發生器38和碘傳感器40。碘傳感器的波長用於檢測總游離碘，即I2+HOI。碘發生器包括PVC罐，其中含有晶體碘並且有進水口和濃溶液流出孔(未顯示)。所得濃的碘溶液，此處稱為「濃溶液」，以控制器18仔細監控的速度混回主水流中。濃溶液的溫度用溫度計42測量，並將數值報告給控制器18，同樣用pH計44測量水管14中混合主水流的pH。
混合主水流經過孢囊過濾器46流入滯留接觸池48中。孢囊過濾器46除去顆粒和孢囊(如原生動物、阿米巴)，其孔徑大於約1微米。通過滯留接觸池48，水管14將處理過的混合主水流水輸送至一個活性炭碘分離器50中，將任何游離含碘物質如分子碘和次碘酸從混合主水流中有效地分離出來。從碘分離器50中流出的處理過的水經過一個如含Purolite樹脂的碘離子交換分離器52。將無碘的、經消毒的飲用水從分離器52中排出供隨後使用。
以下的描述說明了利用上述裝置本發明一個典型的處理過程。
城市用水以選自4.5至12 USGPM的流速流經進水管10和預處理器12,pH 5-9，溫度10C，用在電腦化控制器18控制下的壓力計16測得壓力為85psi。主水流水進入並離開碳過濾器22，其中主水流經過後pH升高1-2pH。傳送至主水流的，通常為氫氧化鈉的酸或鹼，用量為10摩爾氫氧化鈉，使得碘化的混合水用pH計44測量pH為9.5±0.2pH。用控制器18控制分流至迴路32中的主水流的流量，其中控制器18控制泵34將水以適當的流量輸送至碘發生器38，以產生足量的含碘物質的水溶液，使得在管14中的混合主水流的游離碘濃度達最終濃度10ppm。通過迴路32的典型流量為0.08至1.46 USPGM(166ml/min-2806ml/min)，使發生器38下遊支流中所得碘值為高達100-500ppm.，每個發生器38含1.75kg片狀純晶體碘。流量、溫度和預先測定的溶解度曲線產生正確的碘濃度，碘濃度用傳感器40測量。優選的碘傳感器40為一種帶有dedicated檢測器的在線式分光光度流通池，該檢測器的波長調為460nm，用於測量有色含碘物質，主要是次碘酸。傳感器40的主要功能是當濃溶液中碘濃度降至約130ppm時通告控制器18。數字式測溫監視器42測量從傳感器40流出的濃溶液的溫度。溫度數值被傳送至控制器18中，在此將溫度數據帶入濃溶液/泵流量方程中，使得濃溶液的濃度、以及混合流量適當。由於本系統有可能空轉幾小時或幾天，最優選地，傳感器40如圖所示處於迴路32中，使碘晶體以及與其緊密接觸的溶液可平衡至環境溫度，這一溫度可不同於進水溫度。如果溫度傳感器42置於迴路32上遊的水管14中，混合中可能將錯誤量的碘濃溶液輸送至主水流管14中。在本實施方案中，溫度探頭的位置體現出濃溶液在碘發生器迴路中的任何逐漸變冷或變熱的溫度變化，以及系統溫度和進水溫度再平衡所造成的相應濃溶液濃度的變化。pH計44向控制器18報告數據使pH控制站23添加適量的氫氧化鈉，使得碘化後混合水流pH為9.5。
碘化的混合水流被控制成使游離碘濃度在10-20ppm之間。本發明的上述方法使碘化水的保持時間為10分鐘，以確保殺滅主水流中的所有病毒和細菌，這種殺滅作用主要是由於pH=9.5時，HOI的存在造成的。碘化的混合主水流由碘分離器50中流過，使主水流pH提高約1-2pH單位。活性炭將一些游離分子碘轉化成碘化物。所得溶液由碘化物分離器52中流過，使排出水的pH降低3-4個單位。痕量的分子碘(2-4ppm)也可被離子交換樹脂除去。此時排出水的總碘濃度的可接受值為40ppb或更少。所得pH為5-7時最為接受。
控制器18為一個高級的預裝程序的計算機，如上所述，通過與置於預定位置的pH、溫度、壓力、流量和I2傳感器間的聯繫，將系統中的過程監控在所需範圍內。
在此描述的實施方案中，通過用戶操作鍵盤，控制器是可以訪問的，當安裝或系統發生錯誤關機時，可改變系統參數以優化系統。可改變某些操作者定義的系統參數的初始輸入值，以補償本領域中所遇到的物理和化學條件的變化，如壓力、流量。使用者可根據任務改變其它參數如碘濃度和出水的pH。通過測量進水的溫度和pH，控制器可將水的pH調至約10.0，使得碘的溶解僅受溫度的影響，並使主管線14中的碘濃度約為10ppm。控制器預裝了溫度-碘溶解度曲線，使得具有正確濃度的適量濃溶液進入到主水流中。碘的溶解使pH降低0.5pH單位，而將主管線水的pH調節至約9.5。實施例實施例1用1型脊髓灰質炎病毒評價本發明方法的殺病毒能力，該方法提供10ppm的碘化測試水，按下列規程在pH9.5、4℃下暴露10分鐘進行實驗。
各100ml(ⅰ)蒸餾水，pH=7.25；(ⅱ)Dartmouth城市用水(Nova Scotia,Canada),pH調至9.5；和(ⅲ)測試用水，被分裝至玻璃瓶中並在冰箱中冷卻。將10μl含約2.6×106空斑形成單位(PFU)的測試病毒Poliovims 1(P1)原液加到各樣品中，在各測試樣品中產生2.6×104PFU/ml的效價。各樣品在冰箱中溫孵10分鐘，其間不時混合，接著將2ml 0.1％硫代硫酸鈉溶液加到各樣品中以停止碘的進一步作用。在6孔BGMK(Buffalo綠猴腎細胞)單層培養基上用空斑實驗測量殘餘病毒的傳染性。實施例2採用依據本發明處理的測試用水(2)進行類似實施例1的評價實驗，該測試用水在pH=10.10、I2濃度為10ppm、溫度為12-14℃條件下處理10分鐘。
各100ml(ⅰ)蒸餾水，pH=7.25；(ⅱ)Dartmouth城市用水(Nova Scotia,Canada),pH調至9.5；和(ⅲ)測試用水，被分裝至玻璃瓶中並置於12-14℃之下。將10μl含約2.6×106空斑形成單位(PFU)的測試病毒Poliovirus 1(P1)原液加到各樣品中，在所有三個測試樣品中分別產生2.6×104PFU/ml的效價。各樣品在12-14℃溫孵1分鐘，其間不時混合，接著將2ml 0.1％硫代硫酸鈉溶液加到各樣品中以停止碘的進一步作用。在6孔BGMK單層培養基上用空斑實驗測量殘餘病毒的傳染性。表1表1顯示所選參考文獻的殺滅細菌和病毒的結果。
表2顯示根據本發明方法的碘化作用在所述條件下對抗K。pneumonia菌的效能。結果顯示碘化水在相對高的pH條件下，pH=9.5，與預計的在較低pH條件下，pH=6，相比效果同樣令人滿意。結果表明本方法符合USEPA的規定，在4℃時針對致病力強的K.pneumonia菌其殺滅率符合所規定數值。表2細菌
表3顯示根據本發明方法的碘化作用在所述條件下對抗Poliovirus 1病毒的效能。結果顯示出本發明碘化作用對Polio 1的殺滅作用。本發明的方法基本仿效USEPA實驗規程並超過所規定的殺滅率。表3病毒
雖然本發明公開已描述和說明了本發明的某些優選實施方案，應認識到的是本發明並不局限於這些具體的實施方案。本發明也包括所有功能和原理與所描述和說明的具體實施方案和特徵等價的實施方案。
權利要求
1.一種使用包括次碘酸和碘水溶液的含碘物質殺滅細菌和病毒而使水消毒的方法，所述方法包括採用消毒有效量的所述含碘物質在pH選自9-10時處理含所述細菌和病毒的所述水，從而提供無細菌和病毒的水。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述含碘物質基本上為次碘酸，其濃度選自2-200ppm。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述濃度選自10-20ppm。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述處理方法包括用所述含碘物質處理所述水，其接觸時間為5-30分鐘。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述病毒為Poliovirus 1。
6.如權利要求1所述的方法，其中，所述水的溫度低於30℃。
7.如權利要求1所述的方法，其進一步包括處理所述無細菌和病毒的水，以除去所述經消毒的水中的碘化物和碘。
8.如權利要求1所述的方法，其包括製備所述含碘物質的濃水溶液並將足量所述溶液加到含所述細菌和病毒的所述水中，以構成殺微生物的混合溶液，從而殺滅所述細菌和病毒並提供所述無細菌和病毒的水。
9.如權利要求8所述的方法，其中，在動態水流條件下將碘溶於水中，由此製備所述濃水溶液。
10.如權利要求8所述的方法，其中，所述濃水溶液含100-1000ppm的含碘物質。
11.如權利要求8所述的方法，其包括處理第一部分的水源以形成所述濃水溶液，並將所述濃水溶液輸送至第二部分的水源中以形成所述殺微生物的混合溶液。
12.如權利要求11所述的方法，其中，所述濃水溶液含100-500ppm的含碘物質，所述殺微生物的混合溶液含5-30 ppm的含碘物質；並且通過加入足量的鹼以控制所述第二部分的所述水源pH，使所述混合溶液的pH在9.0至10.0之間。
13.如權利要求12所述的方法，其進一步包括處理所述無細菌和病毒的水，以除去所述經消毒的水中的碘化物和碘。
14.一種從含細菌和病毒的水源製造無細菌和病毒的水的水處理系統，所述系統包括(a)容納固體元素碘並允許所述碘在動態水流中溶解的發生裝置；(b)將第一部分的所述水源輸送到所述發生裝置中並產生濃的碘水溶液的裝置；(c)提供第二部分的所述水源的裝置；(d)將所述濃的碘水溶液輸送至所述第二部分的所述水源中並提供混合水源的裝置；(e)用於保持所述混合水源以提供所述無細菌和病毒的水的貯存裝置；(f)測量所述第一和第二部分水源流量的裝置；(g)測量所述第二部分水源pH的裝置；(h)調節所述第二部分水源pH的裝置；(i)測量所述濃水溶液溫度的裝置；和(j)用於接受由所述測量所述第一和第二部分水源流量的裝置、所述測量所述第二部分水源pH的裝置、所述測量所述濃水溶液溫度的裝置以及所述調節所述第二部分水源pH的裝置中的流量、pH和溫度數據的控制裝置。
15.如權利要求14所述的系統，其進一步包括從所述無細菌和病毒的水中除去碘和碘離子的裝置。
全文摘要
本發明涉及一種從含細菌和病毒的水源製造無細菌和病毒的水的水處理方法和系統,所述系統包括:(a)容納固體元素碘並允許所述碘在動態水流中溶解的發生裝置(38);(b)將第一部分的所述水源輸送到所述發生裝置中並產生濃的碘水溶液的裝置(32);(C)提供第二部分的所述水源的裝置;(d)將所述濃的碘水溶液輸送至所述第二部分的所述水源中並提供混合水源的裝置;(e)用於保持所述混合水源以提供所述無細菌和病毒的水的貯存裝置(48);(f)測量所述第一和第二部分水源流量的裝置(20、36):(g)測量所述第二部分水源pH的裝置(30):(h)調節所述第二部分水源pH的裝置(26);(i)測量所述濃水溶液溫度的裝置(42);和(j)用於接受由所述測量第一和第二部分水源流量的裝置、所述測量所述第二部分水源pH的裝置、所述測量所述濃水溶液溫度的裝置以及所述調節所述第二部分水源pH的裝置中的流量、pH和溫度數據的控制裝置(18)。
文檔編號C02F1/50GK1230161SQ97197220
公開日1999年9月29日 申請日期1997年8月15日 優先權日1996年8月22日
發明者韋恩·A·哈維, 特倫絲·F·穆林斯, 丹尼爾·J·麥克唐納 申請人:碘液公司