VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Известно, что в организме человека обнаружено подавляющее количество химических элементов, которые встречаются в природе, например, фтор как один из этих элементов, который играет важную роль, влияя на здоровье и состояние нашего организма. Он способствует созреванию и отвердеванию зубной эмали, помогает бороться с кариесом. Фтор также выступает и как антисептик: он уничтожает бактерии и не дает развиваться зубному камню. Тоже самое касается зубного налета, являющегося средой для размножения микробов – при нормальном поступлении фтора он просто не образуется [1].

Фтор выполняет в нашем организме разнообразные полезные функции: придает прочность и твёрдость костной ткани, участвует в правильном формировании костей скелета, влияет на состояние и рост волос, ногтей и зубов, участвует в процессе кроветворения, поддерживает иммунитет, обеспечивает профилактику остеопороза, а при переломах ускоряет срастание костей, предотвращает развитие кариеса, влияет на усвоение железа, способствует выведению из организма солей тяжёлых металлов и радионуклидов [2].

Довольно часто практикуют дополнительное внесение фтора в продукты, чтобы обеспечить потребность в этом элементе людей, проживающих во фтордефицитных районах.

Оренбургская область относится к типу геохимических провинций с недостаточностью в природных средах (и производимых в регионе пищевых продуктах) ионов йода, фтора, селена и лития. Это приводит к повышенной заболеваемости детей и взрослого населения специфическими заболеваниями. В питьевой воде большей части административных территорий области содержание фтора крайне низкое – от 0,02 до 0,8 мг/л, в среднем - 0,27 мг/л. В настоящее время по данным областной стоматологической поликлиники поражённость кариесом среди населения области составляет 68% [3].

Фтор содержится в большинстве повседневных продуктов: черный и зеленый чай, морепродукты, грецкие орехи, овсянка, рис, гречка, яйца, мясо, молоко, салат и др. Дополнительно фторируют молоко, зубную пасту, соль, ополаскиватели для полоскания рта. Однако получать микроэлемент из этих продуктов в суточной дозе очень проблематично.

Питьевая вода по показателю восполнения фтора занимает первое место, так как физиологическая потребность в воде взрослого человека в условиях умеренного климата составляет в среднем 2-3 л в сутки. Поэтому она была и остается основным источником для запаса фтора. Этим объясняется наш выбор питьевой воды как объекта для обогащения.

Фтор относится к микроэлементам, содержание которых в воде для нормальной жизнедеятельности человека находится в строго определённом количестве. Предельно допустимая концентрация фтора в воде составляет 1,5 мг/л. Недостаточные и большие концентрации фтора в питьевой воде вредны для человеческого организма. Недостаток фторидов может привести к развитию кариеса зубов и увеличению ломкости ногтей, костей и зубов, наблюдается выпадение волос, а избыток фтора вызывает изменение цвета и формы зубов, флюороз, остеохондроз, костные наросты, снижает выработку гормона тестостерона и эстрогена [4]. Адекватный уровень потребления фтора - 1,5 мг в сутки, верхний допустимый уровень потребления фтора – 4 мг в сутки.

Нами проведен патентный поиск и анализ способов фторирования воды по следующим классам МПК С02b7/00, С02b1/20, C02F1/46, C02F1/68, C02F1/28, A23L2/38, C02F1/76, B01J39/04, C02F103/04 (таблица 1).

В качестве инструмента для анализа способов фторирования воды мы применили метод SWOT-анализ. Применяемый метод является широко распространённым и признанным методом управления качеством. Он позволяет провести совместное изучение внешней и внутренней среды, с установлением линии связи между сильной и слабой сторонами, внешними угрозами и возможностями, и тем самым определить основные стратегии при выборе технологических методов обеспечения качества.

Применив SWOT-анализ, мы систематизировали известную информацию о способах фторирования, веществах-носителях фтора, в частности их токсичности, вносимых дозах, методах анализа и мониторинга этих веществ в питьевой воде. Результатом SWOT-анализа является матрицы (таблицы 2-10) по известным способам фторирования воды. В настоящее время необходимость и полезность насыщения воды фтором дискуссируется. Многие Европейские страны уже отказались от этого способа восполнения дефицита фтора в рационе питания. Однако в Российской Федерации продолжается фторирование воды, а вопрос о целесообразности применения фтора все ещё дискутируется.

Таблица 1 – Сводные данные по основным признакам патентов на способы фторирования воды	Объект	6	Вода	Питьевая вода	Питьевая вода	Питьевая или опреснённая вода
	Вещество	5	Кремнефтористый натрий - Na2SiF6	Фторирующий реагент ( кремнефтористый натрий - Na2SiF6. фтористый натрий - NaF, фтористый калий - KF)	Сложная многокомпонентная смесь	Засыпка
	Способ	4	Фторирование путём введения в воду фторсодержащего соединения с раствором коагулянта, н-р сернокислого алюминия, отличающийся тем что с целью ускорения и упрощения процесса в качестве фторсодержащего соединения берут кремнефториды, например Nа2SiF6	Фторирование воды ведут раствором фторирующего реагента произвольной концентрации, причём его направляют в катодную камеру двухкамерного диафрагменного электролизера с анионообменной мембраной, а обрабатываемую воду или часть её объёма направляют в анодную камеру.	Композицию, состоящая из неорганических соединений фтора (MeF – фториды) и дополнительно содержит водонерастворимое связующее из класса сложных эфиров целлюлозы [C6H7O2(OH)3-k(OR)k]n, загружают в устройство и подают воду, подлежащую очистке и фторированию.	Способ насыщения воды физиологически необходимыми добавками состоит в пропускании питьевой или опресненной воды через засыпку. Предлагаемая засыпка включает, мас. %: углеродный сорбент 1-70 и материал, состоящий из органического ионита, обладающего пористой структурой в воздушно-сухом состоянии, и неорганических малорастворимых соединений, при их соотношении 35-90: 10-65 соответственно 30-99. Кроме того засыпка дополнительно может содержать ионит бактерицидного действия в количестве 0,5-5,0 мас.%.
	Концентрация фтора в обогащенной питьевой воде *	3	0,8 мг/л	1,0 мг/л	1,0 мг/л	0,8 мг/л
	Номер патента, дата опубликования (классы МПК)	2	CCCР № 430069 От 30.05.74 г. ( С02b7/00, С02b1/20)	СССР № 950679 От 15.08.82 г. ( C02F1/46)	РФ № 2092451 От 10.10.1997 г. ( C02F1/68)	РФ № 2123978 От 27.12.1998 г. ( C02F1/68, C02F1/28)
	Поряд-ковый номер патента	1	1	2	3	4

Продолжение таблицы 1	6	Питьевая вода	Природная вода	Природная вода	Питьевая вода	Природная вода	Примечание * – Адекватный уровень потребления (ед. измерения: мкг, мг, г, КОЕ/сутки) – 1,5 мг; – Верхний допустимый уровень потребления (ед. измерения: мкг, мг, г, КОЕ/сутки) – 4 мг; – Предельно допустимая концентрация фтора в воде 1,5 мг/л.
	5	Многокомпонентная смесь	Кремнефтористый натрий Na2SiF6	Оксифторид магния Mg(OH)F	Многокомпонентная смесь	Оксифторид магния Mg(OH)F
	4	Получение питьевой воды, в частности, из исходной маломинерализованной, полностью или частично обессоленной воды, которая может быть получена, например, при работе электрохимических генераторов и из воды, обессоленной на ионитной, опреснительной или мембранной установках. Искусственная минерализованная питьевая вода содержит воду и ионы кальция, магния, калия, натрия, серебра, хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты, фториды, а также ацетаты.	Фильтрование воды через слой искусственного фильтрующего материала, содержащего мел, жидкое стекло, кремнефтористый натрий	Добавление осадка MgOHF (оксифторид магний) в раствор сернокислого алюминия ( Al2(SO4)3 ) последующем дозировании этого раствора в обрабатываемую воду.	Способ минерализации воды для питья, включающий подведение потока воды, разделение потока на основной и вторичный потоки, контактирование вторичного потока с твердым материалом и объединение потоков воды, отличающийся тем, что объемный расход вторичного потока воды составляет 2,5-15% от объемного расхода основного потока, а твердый материал состоит из полимерного гранульного материала, содержащего физиологически активные вещества.	Готовят в течение не более чем 30 минут водную суспензию с 0,22% содержанием Mg(OH)F, которую направляют не менее чем на 20 минут в разбавитель, откуда раствор Mg(OH)F, имеющий концентрацию не более 67 г/м3 по фтору, эжектируется в общий поток обрабатываемой воды.
	3	0,0001-0,0008 мг/л	1,6-2,9 мг/л	0,99 мг/л	0,5-1,2 мг/л	0,067 мг/л
	2	РФ № 2164498 От 27.03.2001 г. ( C02F1/68, A23L2/38)	РФ № 2179957 От 27.02.2002 г. ( C02F1/68, C02F1/76)	РФ № 2181700 От 27.04.2002 г. ( C02F1/68, C02F1/76)	РФ №2266257 От 20.12.2005 ( C02F1/68, C02F1/42, B01J39/04 C02F103:04)	РФ № 2452692 От 10.06.2012 г. (C02F1/68 ,C02F1/76 , C02F103/04)
	1	5	6	7	8	9

Таблица 2 – SWOT-анализ способа фторирования воды по патенту СССР № 430069

Фторирование 430069	Положительное влияние	Отрицательное влияние
1	2	3
Внутренняя среда	1) Ускорение и упрощение способа за счёт использования в качестве фторсодержащего соединения кремнефторидов (кремнефтористый натрий - Na2SiF6); 2) Хорошая растворимость Na2SiF6 в растворе сернокислого алюминия и с отсутствием осадков.	1) Необходимость приготовления раствора фторирующего реагента определённой концентрации; 2) Невозможность постоянного и непрерывного контроля в потоке за количеством фтора, вводимого в обрабатываемую вод; 3) Необходимость отбора проб и проверки содержания фтора аналитическим путём; 4) Малая растворимость сернокислого алюминия.
Внешняя среда	Простота и надёжность перемешивания воды сжатым воздухом.	1) Вместе с воздухом в воду могут попасть бактерии или инородные частицы; 2) Высокая коррозионная опасность.

Таблица 3 – SWOT-анализ способа фторирования воды по патенту СССР №950679

Фторирование 950679	Положительное влияние	Отрицательное влияние
1	2	3
Внутренняя среда	1) Упрощает процесс за счёт использования фторирующего реагента произвольной концентрации и с нелимитированным содержанием примесей; 2) Отсутствует необходимость контроля концентрации фтора в потоке.	1) Возможное нарушение дозирования (из-за колебаний напряжения в сети); 2) Низкая точность дозирования (погрешности дозирования).
Внешняя среда	1) Отсутствует контакт между реагентом и питьевой водой; 2) Фторирование ведут в анодной камере; 3) Фторирующий реагент – в катодной камере.	1) Большое потребление электроэнергии; 2) Низкая интенсивность перемешивания.

Таблица 4 – SWOT-анализ способа фторирования воды по патенту РФ №2092451

Фторирование 2092451	Положительное влияние	Отрицательное влияние
1	2	3
Внутренняя среда	1) Очистка от токсичных органических примесей и активного хлора; 2) Применение активных углей с заданным пирометрическим составом; 3) В качестве неорганических соединений фтора используют комплекс фторидов общей формулой MeFx, где Me - Ca2+, Mg2+, Na+, K+ или их смесь.	1) Использование засыпки исключительно для введения в питьевую воду ионов фтора; 2) Слабо выраженные ионообменные свойства гранул композиционного материала не позволяют применять засыпку и описанный способ для активного удаления ионов тяжелых металлов; 3) Отсутствие требуемой стабильной концентрации фтора в питьевой воде.
Внешняя среда	Увеличенная объёмная скорость фторирования воды.	Сложность способа получения данного материала.

Таблица 5 – SWOT-анализ способа фторирования воды по патенту РФ №2123978

Фторирование 2123978	Положительное влияние	Отрицательное влияние
1	2	3
Внутренняя среда	1) Сорбция из воды примесей ионов тяжёлых металлов и органических соединений; 2) Высокая удельная производительность.	1) Не известна концентрация фтора в исходной воде; 2) Невозможность корректировки содержания в обработанной воде конкретных видов макро- и микроэлементов.
Внешняя среда	1) Комплексное насыщение воды; 2) Увеличенная надёжность защиты засыпки от биообрастания.	Низкая точность дозирования элементов в обрабатываемую воду.

Таблица 6 – SWOT-анализ способа фторирования воды по патенту РФ №2164498

Фторирование 2164498	Положительное влияние	Отрицательное влияние
1	2	3
Внутренняя среда	Возможность обеззараживания воды перед минерализацией, что позволяет дополнительно вносить в питьевую воду йод и/или его соединения.	Сложный дорогостоящий способ подготовки к обогащению.
Внешняя среда	1) При длительном хранении воды соли не выпадают в осадок; 2) Не происходит зарастание микроорганизмами, т.е. отсутствует биообрастание. 3) Обеспечивается полноценный минеральный состав.	В искусственной минерализованной воде могут находиться другие химические элементы и соединения низкого физиологического действия из-за несовершенства систем очистки.

Таблица 7 – SWOT-анализ способа фторирования воды по патенту РФ № 2179957

Фторирование 2179957	Положительное влияние	Отрицательное влияние
1	2	3
Внутренняя среда	Низкая коррозионная опасность и упрощённый способ фторирования, за счёт искусственного фильтрующего материала.	1) Искусственный фильтрующий материал полностью задерживает железо в фильтрате; 2) Применим для обогащения воды, соответствующей физиологическим нормам потребности фтора; 3) Фторирование проводилось на безнапорной установке, что не позволяло регулировать скорость фильтрации в больших пределах; 4) Большое количество промываний фильтрующего материала (количество промывной воды должно составлять не менее 30 объемов промывной воды на 1 объем фильтрующего материала).
Внешняя среда	Способ прост в аппаратурном исполнении.	При невозможности увеличения скорости фильтрования насыщение фтором происходит только части питьевой воды и в дальнейшем фторированную воду разбавляют нефторированной водой до нужной концентрации.

Таблица 8 – SWOT-анализ способа фторирования воды по патенту РФ№ 2181700

Фторирование 2181700	Положительное влияние	Отрицательное влияние
1	2	3
Внутренняя среда	1) Упрощение технологии фторирования воды, повышение безопасности и уменьшение эксплуатационных затрат за счёт добавления осадка MgOHF в раствор сернокислого алюминия; 2) Учёт концентрации фтора в исходной воде при расчёте доз.	1) Ограниченность применения; 2) Эффективность процесса фторирования воды зависит от эффективности процесса коагуляции; 3) Дозирования фтора происходит в обрабатываемую воду.
Внешняя среда	Проводят дефторирование при содержании в воде фтора более 1,5 мг/л, что дополнительно позволяет осветлить, обесцветить и умягчить воду.	Низкая точность дозирования фтора в обрабатываемую воду.

Таблица 9 – SWOT-анализ способа фторирования воды по патенту РФ № 2266257

Фторирование 2266257	Положительное влияние	Отрицательное влияние
1	2	3
Внутренняя среда	1) Введение нескольких физиологически активных веществ в воду; 2) Снижение вероятности протекания химических реакций сопровождающихся гидролизом, осадко- и газообразованием.	1) Сложность достижения требуемой концентрации физиологически активных веществ. 2) Неизвестна концентрация необходимых веществ до обогащения воды.
Внешняя среда	1) Отсутствие попадания частиц твердого материала в дозирующие устройства; 2) Равномерное насыщение воды необходимыми веществами.	Отсутствие в составе засыпки обеззараживающих материалов способствует обрастанию её бактериями.

Таблица 10 – SWOT-анализ способа фторирования воды по патенту РФ № 2452692

Фторирование 2452692	Положительное влияние	Отрицательное влияние
1	2	3
Внутренняя среда	1) Быстрота приготовления суспензии (в течение 30 минут; 2) Оксифторид магния Mg(OH)F не токсичен; 3) Отсутствуют побочные примеси.	1) Сложность процесса; 2) Концентрация фтора в растворе зависит от содержания солей и температуры воды.
Внешняя среда	Эффективное и точное дозирование фторсодержащего реагента происходит за счёт применения дозаторов реагентов, датчиков уровней в реакторе, емкостей с механическими мешалками, эжектора.	Отсутствие конкретной концентрации раствора до разбавления.

Таким образом, применение SWOT-анализа позволяет выявить преимущества и недостатки способов фторирования воды и при дальнейшем анализе выявить перспективное направление способа, соответствующее поставленным целям обогащения.

Анализ показал, что разработке композиций на основе фтора и способов внесения фторсодержащих реагентов в воду в РФ уделяется большое внимание.

В результате проведённого нами анализа было также установлено:

– объектом насыщения фтором является как природная артезианская вода централизованного водоснабжения, так и питьевая вода;

– обогащение дорогостоящими соединениями фтора питьевой воды централизованного водоснабжения (водопроводной) экономически нецелесообразно, поскольку способы основаны на различных модификациях фильтрационной засыпки, вносимой в водозаборные установки;

– отдельные виды сорбентов не предусматривают применение дезинфицирующих веществ;

– выявлена тенденция усложнения систем обработки и подготовки реагентов;

– при фторировании воды не используются органические формы фтора;

– самым безопасным реагентом для фторирования воды является оксифторид магния Mg(OH)F;

– наиболее оптимальным способом повышения физиологической ценности питьевой воды путем ее фторирования мы считаем способ, предложенный в патенте СССР №950679. Предложенный способ фторирования воды существенно снижает коррозионную опасность, обеспечивает внесение фтора в контролируемых концентрациях (известны дозы), а также исключен контакт между реагентом и питьевой водой.

Список использованных источников

1 Влияние микроэлементов и макроэлементов на наше здоровье: фтор [Электронный ресурс] / Основы здоровья: // Copyright © 2008-2013 – Режим доступа: http://www.vita-club.ru/zdorov/mikroelement2.htm#F. – 23.12.2014.

2 Фтор: недостаток и избыток фтора, нормы потребления фтора [Электронный ресурс] / Медицина для всех // Фармакология. Медицина: официальный медицинский сайт F-med.ru: – Режим доступа: http://www.f-med.ru/supplements/Fluoride.php. – 22.12.2014.

3 Молочный продукт: Третьяк Л. Н., Герасимов Е. М., Богатова О. В.; патент на изобретение RUS 2495580. – опубл. 20.10.13, Бюл. №29 – 11 с.

4 Макро-и микроэлементы: фтор [Электронный ресурс] / Здоровый образ жизни // nazdor-e.ru©2009-2014. All rights reserved: – Режим доступа: http://nazdor-e.ru/index.php/zdorovoe-pitanie/mikroelementy/55-ftor. – 23.12.2014.

5 Способ фторирования воды: Савчук С. И., Царюк М. П.; патент на изобретение СССР 430069. – опубл. 30.05.74, Бюл. №20 – 1 с.

6 Способ фторирования воды: Зайцев В. М., Богомолов Р. И.; патент на изобретение СССР 9506679. – опубл. 15.08.82, Бюл. №30 – 2 с.

7 Композиция для обработки питьевой воды и способ обработки питьевой воды: Захаров С. В. [и др.]; патент на изобретение RUS 2092451. – опубл. 10.10.1997. – 4 с.

8 Засыпка для обработки питьевой воды и способ для обработки питьевой воды: Краснов М. С. [и др.]; патент на изобретение RUS 2123978.– опубл. 27.12.1998. – 5 с.

9 Искусственная минерализованная питьевая вода: Скляр Е. Ф. [и др.]; патент на изобретение RUS 2164498. – опубл. 27.03.2001. – 4 с.

10 Способ фторирования воды: Назаров В.Д., Вадулина Н.В., Русакович А.А.; патент на изобретение RUS 2179957. – опубл. 27.02.2002. – 8 с.

11 Способ фторирования воды: Прончева Л.Е., Тихановская Г.А., Чудновский С.М.; патент на изобретение RUS 2181700. – опубл. 27.04.2002. – 7 с.

12 Способ минерализации воды для питья: Краснов М. С.; патент на изобретение RUS 2266257. – опубл. 20.12.2005, Бюл. № 35. – 8 с.

13 Способ фторирования воды и устройство для его осуществления: Чудновский С. М. [и др.]; патент на изобретение RUS 2452692. – опубл. 20.12.2011, Бюл. № 16. – 10 с.

11

Код для цитирования: Скопировать