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 , 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!