Meтoды очистки воды с помощью специальных устройств и фильтров

О.В.Мосин

Cуществует три простых основных способа очистки воды: механи­ческий, ионообменный и сорбционный.

Кроме того, есть методы более сложные методы — мембранный, обратного осмоса, электрохимический и некоторые другие, которые трудно осуществить в домашних условиях:

Механический способ фильтрации. Представим себе стеклянную трёхлитровую банку или кастрюлю, накрытую марлей, через которую наливается вода. Это простей­ший механический фильтр, но он может остановить только мусор миллиметрового размера. К тому же, хотя поверхность марли велика (примерно, один квадратный метр), работает только та ее часть, куда падает поток воды (сечением один квадратный сантиметр), и эта частица поверхно­сти быстро засоряется. Но можно сложить марлю вдвое, вчетверо, в во­семь раз — теперь работают 8 см2 поверхности, фильтр стал плотнее, он задерживает частицы раз­мером 0,1 мм, или 100 мкм, но быстрее засоряется и поток воды через него течет медленнее.

Но если нас интересует качество фильтрации, а не скорость, нужно, чтобы работала вся поверхность марли. С этой целью её можно сложить и поместить в пластмассовый цилиндр сечением 1 см2, через который будет пропускаться струя воды. В малом объеме цилиндра работает вся поверхность марли и задерживает частицы в 10 мкм. Но у этого способа есть недостатки. Резко снижается скорость фильтрации. Работает не полная поверхность марли, а верхние слои быстро забиваются приме­сями и не пропускают воду к средним и нижним слоям. Если увеличить напор воды, чтобы вода как бы продавливалась через всю поверх­ность марлевого фильтра, можно повысить эффективность такого фильтра. Но прогнав литров пять жидкости, можно заметить, что качество фильтрации падает: марля забьётся, и сильный поток воды не очищается, а вымывает из нее мелкий мусор. Поэтому нуж­но часто вытаскивать марлю и очищать ее.

На этом простом примере, взятом из книги Михаила Ахманова “Вода, которую мы пьём” продемонстрировано ряд проблем, возникающих при механическом способе фильтрации:

необходимость уменьшить ячейки сетки или
поры фильтрующего материала, чтобы фильтрация была качественной;
необходимость создать в малом объеме фильтра большую рабочую поверхность, чтобы фильтр мог пропустить большее количество жидкости;
зависимость скорости фильтрации от плотности фильтрующего материала и давления воды;
неизбежное засорение фильтра;
необходимость уловить момент засорения
фильтра и либо заменить фильтр новым, либо
очистить (регенерировать) его.

Пример с марлей – самый простой способ механической фильтрации воды в домашних условиях. На практике механическая фильтрация - это фильтрация через сито или сет­ку, то есть через инертную среду с определенным размером отверстий или пор, не пропускающих более крупные, чем эти отверстия, частицы. В ка­честве фильтрующего материала используется, пористое полипропиленовое волокно — в виде блока-картриджа, который подлежит заме­не по истечении его ресурса.

В зависимости от того, какой размер имеют задержанные порами фильтра частицы, механическую фильт­рацию делят на:

ультрафильтрацию (задерживается 95% частиц размером 0,2—0,5 мкм);
два класса микрофильтрации (задерживается
95% частиц размерами 0,5—5 и 5—15 мкм);
два класса макрофильтрации (задерживается
95% частиц размерами 15—50 и более 50 мкм).

Теоретически механический фильтр способен задерживать крупные и мелкие частицы, взвеси, бактерии и даже вирусы и крупные органические молекулы. Что же касается газов, металлов, хлорорганики, то от этих соединений фильтры не спасают.

Макрофильтрация обычно используется в предфильтрах, патроны которых врезают в входящую водопро­водную трубу. Для более тонкой очистки воды в патроны закладываются катриджи для микрофильтрации. Оптимальный размер пор – 5 мкм, поскольку катриджи с мелкими порами от 0,5 до 1 мкм быстро засоряются.

Осмотическая фильтрация зависит от различной пропускной способности специальных полупроницаемых плёночных мембран (фильтров), изготовленных на основе синтетических полимерных материалов. Толщина таких мембран варьирует от 0,1 до 1 мм и между молекулами в плёнке существуют мельчайшие «отверстия-поры», причем очень маленькие, гораздо меньше, чем в механических фильтрах. Питьевая вода со­стоит из молекул Н2О и множества молекул и ио­нов примесей, и все они имеют хотя и малые, но разные размеры. Если процеживать воду через мембрану, то пройдут небольшие молекулы Н2О и близкие к ним по величине, а более крупные бу­дут задержаны. Это и есть механизм осмотической, или мембранной, фильтрации.

Для реализации этого метода нужно взять открытую с обоих сторон цилиндрическую ёмкость; один конец (служащий дном) затянуть пленкой из полиэтилена, налить в ци­линдр раствор сахара в воде и погрузить его дном в сосуд с чистой водой. Большие молекулы сахара не могут пройти сквозь полиэтиленовую плёнку, а моле­кулы воды проходят, в результате, уровень жидкости в цилиндре изменится. Полиэтиленовая плёнка в данном случае является простой полупроницаемой мембраной.

В промышленности такие мембраны изготавливают из полимерных и керамических материалов. В зависимости от размера пор, с их помощью осу­ществляется:

обратный осмос;
нанофил ьтрация (нанометр — одна миллиардная метра, или одна тысячная микрона, то есть 1 нм = 10 анг­стрем = 0,001 мкм.);
ультрафильтрация;
микрофильтрация.

Самая мелкая «сетка» (обратный осмос) пропускает лишь молекулы воды, и в результате получается вода, близкая к дистиллирован­ной. При нанофильтрации задерживаются взвеси, микрофлора (включая вирусы), органика и частично ионы натрия, кальция и магния; при ультрафильтрации — взвеси, микрофлора и крупные органические молекулы; при микрофильтра­ции — взвеси и бактерии. Этот способ фильтра­ции применяется для удаления бактериологических и органических загрязнений (в том числе — хлорорганики), а также обессоливания воды (в случае обратного осмоса). Можно сочетать в фильтре несколько мембран одного или разных типов и комбинировать мем­бранный фильтр с другими — например, с рабо­тающими по принципу ионного обмена. Но методы мембранной фильтрации очень дорогие и рас­считаны скорее на коллективное, чем индивиду­альное применение.

Другой распространённый метод фильтрации – сорбционная фильтрация. Сорбцией называется поглощение растворенных в воде веществ поверхностью твердого сорбента, в данном случае — материала, наполняющего фильтр. От механической фильтрации этот процесс отличается тем, что материал механического фильтра не инертен, а сорбционного — активен: он захватывает примеси и удерживает их силами молекулярного притя­жения. Но поверхность сорбции должна быть велика, чтобы как можно больше примесей задерживалось в его порах. Это достигается тем, что пористый сорбент состоит из мелких частиц, занимающих большой объём.

Самый подходящий сорбент для этого – уголь. В каждой частице угля размером 1 мм имеется множество внут­ренних пор, незаметных глазу, но значительно увеличивающих его поверхность. Уголь совершенно безвреден и легко дробится в порошок. Он захватывает и сорбирует на своей поверхности (в основ­ном в порах) различные примеси и его можно активировать. Активация — особая процедура, в результате которой различных пор, диа­метром от 20—30 до 1000 ангстрем и еще крупнее, становится гораздо больше. Их так много, что полная поверхность 1 г активированного угля, производимого отечественными и зарубежными фирмами, равна 800—1500 м2.

Сорбционные фильтры удаляют из воды хлорорганику (хлороформ, четыреххлористый углерод, бромдихлорметан и другие вещества), а также тяжелые металлы (железо, свинец и др.), взвесь, бактерии и, в пределах своих возможностей, ви­русы. При таком способе фильтрации загрязненной воды примеси, осевшие в порах, забивают их, и спустя некоторое время, определяемое сорбционной способностью фильтра, его необходимо заменить. К тому же уловленные фильтром мик­роорганизмы никуда не исчезают и даже способны размножаться в фильтрующем материале. Чтобы этого не случилось, требуются специальные меры. Еще один важный момент: не­обходимо, чтобы вода проходила через угольный фильтр с небольшой скоростью (примерно один стакан в минуту на 100 г угля), иначе качествен­ной очистки не получится.

Существует возможность улучшить практически все показатели сорбционного фильтра, если смешать гранулы угля с измельченным полиэтиленом и подвергнуть смесь спеканию ли­бо получить угольное волокно путем карбониза­ции волокон вискозы с последующей его актива­цией. Структура такого материала напоминает клубок нитей толщиной 6—10 мкм, с большим количеством пор и огромной активной поверхно­стью. Подобная разработка выполнена известной фирмой «Аквафор»: в выпускаемых фирмой фильт­рах используется материал аквален.

Следующий метод — ионообменный метод фильтрации. Он основан на использовании ионитов — ионообменных (катионных и анионных) смол или искусственных материалов с такими же свойства­ми. Эти свойства состоят в том, что ионообмен­ный материал способен захватывать из воды одни ионы, насыщая ее другими ионами, входящими в его состав, то есть обменивать «свои» ионы на «чу­жие». Чтобы пояснить этот процесс, рассмотрим воду, в которой имеется соль NaCl, диссоцииро­вавшая на ионы Na+ и С1-. Пропустим ее через два фильтра: катионный, который обменивает ион Na+ на ион водорода Н+, и анионный, кото­рый обменивает ион С1на ион гидроксильной группы ОН-. В результате ионы натрия и хлора будут захвачены фильтрующими материалами, тогда как в воде окажутся ионы Н+ и ОН-, т.е вода. Избирательность являет­ся самым замечательным свойством ионитов, а в остальном они подобны сорбционным материа­лам: тоже пористые, также забиваются извлечен­ными из воды примесями и имеют определенный ресурс. Ионообменные фильтры обычно исполь­зуют для очистки воды от катионов тяжелых ме­таллов и смягчения ее жесткости — захвата избы­точных ионов магния и кальция. У них есть важное достоинство: если заложить в фильтр ионит, обменивающий находящиеся в воде ионы на ио­ны йода или серебра, то микрофлора в такой среде погибнет. При этом, однако, придется просле­дить, чтобы концентрация йода или серебра не превысила допустимую.

Ионный обмен

Метод электрохими­ческой фильтрации воды - это наиболее современный метод, основанный на электролизе:

Представим себе воду, в которой имеется только соль NaCl и больше никаких примесей. Соль диссоциирует на ионы Na+ и С1-, а вода, хоть и слабо, тоже диссоциирует на ионы Н+ и ОН-, то есть, у нас имеется электролит. Опустим в него электроды, подадим на них напряжение — на левый «плюс» (анод), на правый «минус» (катод), а кроме того, поставим между электродами перегородку-диафрагму, отделяющую анодное пространство от катодного (левое от правого). Через электролит потечет ток: положительно заряженные ионы устремятся к катоду, отрицательно заряженные — к аноду. Ионы Н+ и ОН— небольшого размера, более подвижные и двигаются быстрее более крупных ионов Na+ и Сl-; поэтому, из анодного пространства быстро уйдут ионы ОН-, превратившись на аноде в кислород и воду, а из катодного — ионы Н+, которые на катоде превратятся в водород. Поскольку наш электролит раз­делен диафрагмой, она не пропустит ионы ОНиз правого объема — к аноду, а ионы Н+ из левого объема — к катоду. В результате в левом (анод­ном) объеме будет много ионов Н+, которые с ио­нами С1образуют соляную кислоту НС1. В пра­вом (катодном) объеме окажется много ионов ОН-, которые с ионами Na+ образуют щелочь NaOH. В результате в анодной половине — слегка кислотная среда, она же — «мертвая» вода, в катодной половине — слегка щелочная среда, она же — вода «живая».

Это лишь наглядная иллюстрация разнообразных процессов, которые могут происходить в воде в зависимости от наличия в ней тех или иных при­месей, материала электродов и разделяющих их диафрагм. Так, например, если в воде имеются хлориды, то при электролизе будет выделяться хлор и другие активные окислители, уничтожающие микрофлору точно так же, как в случае хлорирования воды на водопроводной станции; а затем эти соединения будут разрушены на следующих стадиях электролити­ческого процесса. Этим же способом можно раз­рушить или перевести в нейтральные соединения многие вредные вещества, либо сосредоточить их в определенном объеме и выпустить вместе с водой в сток. Данный метод позволяет от­делить очищенную воду от грязной, причем рабо­тает электрический ток, а не сорбент; ничего не надо заменять, ресурс практически неограничен, расходных картриджей не имеется.

Однако этот способ имеет недостатки: высокая цена, необходимость регулярно промывать электроды слабым раствором кислоты и невозможность контроля за качеством фильтрации. С фильтрую­щими модулями «Аквафор», «Гейзера» или «Барь­ера» проще: их можно вскрыть или выта­щить картриджи в начале, в середине или в конце процесса фильтрации и убедиться, что картриджи темнеют и, значит, работают. С электрохимиче­ским фильтром дела обстоят по-другому: из од­ной трубки течет очищенная вода, из другой —грязная, но различия между ними не слишком заметны.
Таким образом, все указанные методы фильтрации имеют свои достоинства и недостатки:

Если не принять специальных мер, фильтр может вместе с вредными примесями забрать из воды полезные минеральные добавки — соли натрия, магния, калия и кальция.

В конце процесса, когда фильтрующий материал сильно забит вредными химическими примесями и микроорганизмами, задержанными в процессе многодневной эксплуатации, фильтр мо­жет «слить» все загрязнения в стакан. Произво­дители ряда фильтрующих систем (компания «Аквафор») свидетельствуют, что их уникальный сорбент убивает микрофлору и настолько прочно удерживает загрязнения, что такого не может случиться никогда: ни по истечении срока годности фильт­ра, ни тем более в начале эксплуатации. Другие производители (компания «Гейзер») вводят в свой фильтрующий материал серебро, чтобы уничтожить бактерии и предотвратить их размножение в фильтрующем материале. Поэтому любые фильтры рекомендуется менять как можно чаще.

От залповых выбросов (например, ржавая вода после застоя в трубах), когда бактерии или какое-либо вредное вещество содержатся в воде в концентрации, которая в десятки-сотни раз пре­вышает ПДК, не спасет никакой бытовой фильтр. Возможно, он очистит 10—20 л воды, но после этого будет забит до отказа. Тогда вода польется из всех отверстий корпуса. Залповый выброс — ситуа­ция сравнительно редкая, и такую воду обрабатывать бытовым фильтром не стоит; лучше поберечь фильтре.

Кроме того, фильтр не должен насыщать воду веществами, входящими в ма­териалы его конструкции. Это, а также необрати­мость захвата примесей и бережное отношение к полезным минералам — обязательства произво­дителей фильтров перед пользователями. Мы же, в свою очередь, должны понимать, что вечных фильтров не бывает, и должны эксплуати­ровать их в соответствии с инструкцией.

 

                 

  • Пользуюсь фильтром Барьер, который помоему лучше других очищает воду, сменного картриджа хватает на длительное время, кроме того имеется индикатор ресурса кассеты - очень удобно. Вот ссылка: c.gdeslon.ru/c/da5cfd7b4dd8dd19820606c8f39d3b6a6aba8779

    Приобретайте и пользуйтесь на здоровье!

    Гость (Ирина)