"Вода, которую мы пьем" - читать интересную книгу автора (Ахманов Михаил)

Методы очистки воды с помощью специальных материалов и устройств

Традиционных способов имеется три: механический, ионообменный и сорбционный.

Механический способ фильтрации. Для начала представим себе кастрюлю, накрытую марлей, через которую мы пропускаем воду. Это простейший механический фильтр, но что он остановит? Мусор миллиметрового размера… К тому же, хотя поверхность марли велика (например, один квадратный метр), работает только та ее часть, куда падает поток воды (допустим, сечением один квадратный сантиметр), и эта частица поверхности быстро засоряется. Разумеется, мы знаем, как поступить: сложим 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 скомкаем ее и запихнем в пластмассовый цилиндр сечением 1 см², через который и будем пропускать струю воды. В малом объеме цилиндрика вроде бы работает вся поверхность марли и задерживает частицы в 10 мкм. Но у этого способа есть недостатки: во-первых, резко снизилась скорость фильтрации; во-вторых, работает все же не полная поверхность марли, а верхние слои быстро забиваются примесями и не пропускают воду к средним и нижним слоям. Увеличим напор воды, таким образом, вода будет с силой продавливаться через всю поверхность марлевого фильтра. Но прогнав литров пять жидкости, мы заметим, что качество фильтрации падает: марля забита, и сильный поток воды не очищается, а вымывает из нее мелкий мусор. Нужно вытащить марлю и очистить ее.

На этом простом примере я продемонстрировал 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 побольше жидкости (то есть имел большой ресурс);

– зависимость скорости фильтрации от плотности фильтрующего материала и давления воды;

– неизбежное засорение фильтра (исчерпание его ресурса);

– необходимость уловить момент засорения фильтра и либо заменить фильтр новым, либо очистить (регенерировать) его.

Наконец, последняя неприятность: представим, что, складывая марлю, мы можем добиться таких показателей фильтра, что через него не проходят частицы размером в несколько ангстрем – то есть молекулы, атомы, ионы. Казалось бы, прекрасно – мы задержим взвесь, бактерии, вирусы, всю органику и пресловутые ионы тяжелых металлов! А что мы получим на выходе? Может быть, ничего, если молекулы воды тоже не пройдут через наш фильтр, а в лучшем случае – «акву дистиллята», без необходимых нам макро– и микроэлементов! Ведь ионы натрия, магния, калия, кальция, хлора и все остальное, что делает воду питьевой водой, имеют такие же размеры, как ионы тяжелых металлов. В общем, несложно сделать фильтр, который бы все задерживал, но сконструировать такой, который бы задерживал ненужное, а нужное пропускал, – вот проблема!

Но давайте не будем торопиться с ее решением, а закончим с механической фильтрацией. Вам уже ясно, что 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, конечно, не марля, а полипропиленовое волокно – в виде блока-картриджа, который подлежит замене по истечении его ресурса.

В зависимости от того, частицы какого размера могут быть задержаны, 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).

Следовательно, механический фильтр способен, в принципе, задерживать крупные и мелкие частицы взвеси, бактерии и, с некоторой вероятностью успеха, вирусы и крупные органические молекулы. Что касается газов, металлов, хлорорганики и так далее, то они ему не по плечу; борьба с ними – не его задача.

Макрофильтрация обычно используется в предфильтрах, патроны которых врезают в водопроводную трубу на входе ее в квартиру, чтобы очистить воду от крупных частиц; тут можно поставить два предфильтра, на холодную и горячую воду,[17] и можно, разумеется, закладывать в патроны картриджи для микрофильтрации. Естественно, если такой картридж с очень мелкими порами (0,5–1 мкм), то он быстро засорится; оптимальный размер – 5 мкм. А вот в системе доочистки перед самым краном может присутствовать модуль микрофильтрации с размером пор 0,5–1 мкм, если в квартире установлен предфильтр. Если же его нет, то в систему перед краном можно установить два картриджа с порами 5 мкм и 0,5–1 мкм.

Теперь уместно поговорить о фильтрах, основанных на явлении осмоса и обратного осмоса, так как в них, по сути дела, реализуется такая же процедура очистки, как в механических фильтрах, только на молекулярном уровне. Твердое тело является очень мелкой природной сеткой, так как между атомами есть пустоты размером в несколько ангстрем. Но эта сетка трехмерная и исключительно плотная, она не пропускает ничего. Однако представьте, что мы изготовили пленку-мембрану толщиной в один атом или молекулу, а реально – во много молекулярных слоев, но все-таки весьма тонкую, от 1 мм до 0,1 мм или еще тоньше. В этой пленке между молекулами будут «отверстия-поры», причем очень маленькие, гораздо меньше, чем в механических фильтрах. Питьевая вода состоит из молекул H₂O и множества молекул и ионов примесей, и все они имеют хотя и малые, но разные размеры. Если процеживать воду через мембрану (точно так же, как мы это делали через марлю), то пройдут небольшие молекулы H₂O и близкие к ним по величине, а более крупные будут задержаны. Это и есть принцип осмотической, или мембранной, фильтрации.

Чтобы разобраться с ним окончательно, я опишу классический опыт французского физика Нолле, открывшего явление осмоса в 1748 г. Представьте цилиндр размером с обычный стакан, открытый с обоих концов; один конец (дно) затягиваем пленкой из бычьего пузыря, наливаем в цилиндр раствор сахара в воде и погружаем его дном в сосуд с чистой водой. Большие молекулы сахара не могут пройти сквозь материал пузыря, а молекулы воды проходят, и мы наблюдаем, как изменяется уровень жидкости в цилиндре. Бычий пузырь в данном случае является полупроницаемой мембраной.

В наше время такие мембраны изготавливают из полимерных и керамических материалов, и, в зависимости от размера пор, с их помощью осуществляется:

– обратный осмос;

– нанофильтрация;[18]

– ультрафильтрация;

– микрофильтрация.

Самая мелкая «сетка» (обратный осмос) пропускает лишь молекулы воды, и в результате мы получаем нечто близкое к воде дистиллированной. При нанофильтрации задерживаются взвеси, микрофлора (включая вирусы), любая 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 прежде всего для удаления бактериологических и органических загрязнений (в том числе – хлорорганики), а также обессоливания воды (в случае обратного осмоса). Разумеется, можно сочетать в фильтре несколько мембран одного или разных типов и комбинировать мембранный фильтр с другими – например, с работающими по принципу ионного обмена. В дальнейшем я почти не буду касаться мембранной фильтрации, так как эти фильтры дороги и рассчитаны скорее на коллективное, чем индивидуальное применение.

Перейдем к очень распространенному методу сорбционной фильтрации.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 инертен, а сорбционного – активен: он захватывает примеси и удерживает их силами молекулярного притяжения. Разумеется, тут возникают такие проблемы, как с марлей: чтобы сорбент работал эффективно, его поверхность при малом объеме должна быть велика. Как этого добиться?

Давайте рассмотрим такой пример. Пусть у нас имеется стеклянная пластина размером 10ґ10 см и толщиной 1 см. Ее объем равен 100 см³, а полная площадь поверхности (сверху, снизу и с боков) – 240 см²; таким образом, отношение S/V (поверхности к объему) составляет 2,4. Разрежем пластину на 100 кубиков по 1 см; их суммарный объем не изменился, но суммарная поверхность теперь равна 600 см², а S/V = 6. Если мы возьмем молоток и раздробим стеклянные кубики на более мелкие частички, то их объем опять-таки не увеличится, а общая поверхность станет гораздо больше. Отсюда вывод: чтобы при заданном объеме (например, величиной с кулак) поверхность сорбента была велика, он должен состоять из мелких частиц.

Как можно дополнительно увеличить эту поверхность? Стекло – плотный материал, практически без пор, но мы можем взять субстанцию рыхлую, пористую – скажем, уголь. В каждой частице угля размером 1 мм имеется множество внутренних пор, незаметных глазу, но значительно увеличивающих его поверхность. Прекрасный материал для наших целей! Во-первых, не ядовит и легко дробится в порошок, во-вторых, захватывает и складирует на своей поверхности (в основном в порах) различные примеси, а в-третьих, 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. Вполне понятно, что при 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 более того – они 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, например, 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 требует для своей реализации ионитов – ионообменных (катионных и анионных) смол или искуственных 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 Cl^—. Пропустим ее через два фильтра: катионный, который обменивает ион Na⁺на ион водорода H⁺, и анионный, который обменивает ион Cl^—на ион гидроксильной группы OH^—. В результате ионы натрия и хлора будут захвачены фильтрующими материалами, тогда как в воде окажутся H⁺и OH^—, по сути, та же вода. Ясно, что такая 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.

Нам осталось рассмотреть метод электрохимической фильтрации. Это наиболее современный метод, но самый сложный для понимания.

Представим себе воду, в которой имеется только соль NaCl и больше никаких примесей. Соль диссоциирует на ионы Na⁺и Cl^—, а вода, хоть и слабо, тоже диссоциирует на ионы H⁺и OH^—; следовательно, 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). Что произойдет? Через электролит потечет ток: положительно заряженные ионы устремятся к катоду, отрицательно заряженные – к аноду. Ионы H⁺и OH^—маленькие, юркие и двигаются быстрее более крупных ионов Na⁺и Cl^—; следовательно, из анодного пространства быстро уйдут ионы OH^—, превратившись на аноде в кислород и воду, а из катодного – ионы H⁺, которые на катоде превратятся в водород. Поскольку наш электролит разделен диафрагмой, она не пропустит ионы OH^—из правого объема – к аноду, а ионы H⁺из левого объема – к катоду. В результате в левом (анодном) объеме будет много ионов H⁺, которые с ионами Cl^—образуют соляную кислоту HCl. В правом (катодном) объеме окажется много ионов OH^—, которые с ионами Na⁺образуют щелочь NaOH. Что же у нас получилось? В анодной половине – слегка кислотная среда, она же – «мертвая» вода, в катодной половине – слегка щелочная среда, она же – вода «живая». Словом, мы получили активированную воду.

Но это лишь 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 ВС; 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 дренаж. Фактически 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 веские недостатки: высокая цена, необходимость регулярно промывать электроды слабым раствором кислоты (которую еще надо найти и купить!) и невозможность контроля за качеством фильтрации. С фильтрующими модулями «Аквафор», «Гейзера» или «Барьера» все ясно: вы можете их вскрыть или вытащить картриджи в начале, в середине или в конце заявленного ресурса и убедиться, что картриджи темнеют – 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 – по крайней мере, в Петербурге. Однако не стоит забегать вперед: возможности проверки и мнения специалистов по поводу очистки воды мы обсудим в последней главе.

Подведем итог. Имеются три основных, наиболее распространенных и широко применяемых метода фильтрации: механический, сорбционный и ионообменный. Кроме того, есть методы более экзотические – мембранный, обратного осмоса, электрохимический и некоторые другие, которых я вообще не касался по причине редкости, дороговизны или трудности использования в домашних условиях. Все указанные методы не свободны от недостатков, а именно:

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

2. В конце ресурса, когда фильтрующий материал сильно забит вредными химическими примесями и микроорганизмами, задержанными в процессе многодневной эксплуатации, фильтр может «слить» всю эту дрянь в ваш стакан. Производители ряда фильтрующих систем (например, компания «Аквафор») уверяют, что их уникальный сорбент убивает микрофлору и настолько прочно удерживает загрязнения, что такого не может случиться никогда: ни по истечении ресурса фильтра, ни тем более в начале эксплуатации. Другие производители (например, компания «Гейзер») вводят в свой фильтрующий материал серебро, чтобы уничтожить бактерии и вирусы или хотя бы предотвратить их размножение в фильтрующем материале. Вы можете доверять их заявлениям, но я бы советовал менять картриджи почаще, не доводя их до самого конца ресурса.

3. От залповых выбросов, 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 щелей корпуса. Залповый выброс – ситуация сравнительно редкая, и такую воду обрабатывать бытовым фильтром не стоит; лучше поберегите его ресурс, а питьевую воду купите в магазине. Для Петербурга характерны выбросы железа (в том числе когда вода застоялась в трубах). Вы это сразу заметите: вода идет желтая, ржавая.

Кроме всего сказанного выше, 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 нами, пользователями. Мы же, в свою очередь, должны понимать, что вечных фильтров не бывает, и должны эксплуатировать их в соответствии с инструкцией.