Деминерализация и обессоливание воды, опреснение соленых вод

Процесс, используемый для удаления из воды всех минеральных веществ, называют деминерализацией.

Деминерализацию, проводимую с помощью ионного обмена, называют деионизацией. В ходе этого процесса вода обрабатывается в двух слоях ионообменного материала для того, чтобы удаление всех растворенных солей было более эффективным. Используется одновременно или последовательно катионообменная смола, «заряженная» ионами водорода H+, и анионообменная смола, «заряженная» ионами гидроксила ОH-. Поскольку все соли, растворимые в воде, состоят из катионов и анионов, смесь катионообменной и анионообменной смол полностью заменяет их в очищаемой воде на ионы водорода H+, и гидроксила ОH-. Затем в результате химической реакции эти ионы (положительные и отрицательные) объединяются и создают молекулы воды. Фактически происходит полное обессоливание воды.

Деионизированная вода имеет широкий спектр применения в промышленности. Она используется в химической и фармацевтической отраслях, при производстве телевизионных электронно-лучевых трубок, при промышленной обработке кож и во многих других случаях.

Дистилляция основана на выпаривании обрабатываемой воды с последующей концентрацией пара. Технология является очень энергоемкой, кроме того, в процессе работы дистиллятора на стенках испарителя образуется накипь.

Электродиализ основан на способности ионов перемещаться в объеме воды под действием напряженности электрического поля. Ионоселективные мембраны пропускают через себя либо катионы, либо анионы. В объеме, ограниченном ионообменными мембранами, происходит снижение концентрации солей.

Обратный осмос представляет собой очень важный процесс, являющийся составной частью высокопрофессиональной очистки воды. Первоначально обратный осмос был предложен для опреснения морской воды. Вместе с фильтрацией и ионным обменом обратный осмос значительно расширяет возможности очистки воды.

Принцип его необычайно прост — вода продавливается через полупроницаемую тонкопленочную мембрану. Через мельчайшие поры, имеющие размеры, сопоставимые с размерами молекулы воды, способны просочиться под давлением только молекулы воды и низкомолекулярные газы — кислород, углекислый газ, а все примеси, остающиеся по другую сторону мембраны, сливаются в дренаж.

По эффективности очистки мембранные системы не имеют себе равных: она достигает практически 97-99,9% по любому из видов загрязнений. В результате получается вода, по всем характеристикам напоминающая дистиллированную или сильно обессоленную воду.

Проводить глубокую очистку на мембране можно только с водой, прошедшей предварительную комплексную очистку. Удаление песка, ржавчины и прочих нерастворимых взвесей производится механическим картриджем фильтра грубой очистки воды с ячейками до 5 микрон. Картридж на основе высококачественного гранулированного кокосового угля сорбирует растворенные в воде соединения железа, алюминия, тяжелых и радиоактивных металлов, свободный хлор и микроорганизмы. Очень важна последняя стадия предварительного этапа, где происходит окончательная очистка от мельчайших доз хлора и хлорорганических соединений, разрушительно воздействующих на материал мембраны. Она производится картриджем из прессованного кокосового угля.

После комплексной предварительной очистки вода подается на мембрану, после прохождения которой получается питьевая вода самого высокого класса очистки. А чтобы убрать из нее растворенные газы, придающие неприятный запах и привкус, воду на заключительном этапе пропускают через высококачественный прессованный активированный уголь с добавкой серебра. То обстоятельство, что в воде после очистки в мембранной системе почти полностью отсутствуют минеральные соли, уже не один год вызывает оживленные дискуссии. Хотя необходимое для организма количество макро- и микроэлементов гораздо эффективнее получать через пищу, многие настолько привыкли к вкусу, который придают воде минеральные соли, что при их отсутствии вода кажется безвкусной и «неживой». Однако полностью удалить вредные примеси, сохранив минеральные вещества в полезных концентрациях, оказывается настолько сложно и дорого, что обычно воду сначала максимально очищают, а потом вносят добавки, если это необходимо.

Домашние установки обратного осмоса обычно укомплектовываются накопительными баками для очищенной, воды, так как скорость фильтрации воды через мембрану невелика. Накопительный бак, как правило общей емкостью 12 л, представляет из себя гидроаккумулятор, разделенный внутри эластичной силиконовой перегородкой. С одной стороны перегородка контактирует с очищенной водой, а с другой накачан воздух под давлением 0,5 атм. Такой бак способен накопить в себе не более6-8 лочищенной воды. Обычно для этого требуется от 2 до 6 часов. Для обеспечения работоспособности системы при недостаточном давлении в магистрали (менее2,5-2,8 атм.)устанавливается повышающий насос.

Следует отметить, что если исходная вода очень жесткая, содержит избыточное количество механических или растворенных примесей, то перед системой обратного осмоса рекомендуется установка дополнительных систем водоподготовки (обезжелезиватель, умягчитель, системы обеззараживания, механической очистки и т. п.).

Теоретически, мембраны удаляют почти все известные нам микроорганизмы, в том числе и вирусы, однако, при использовании в быту в системах питьевой воды, мембраны не могут обеспечить полную защиту от микроорганизмов. Потенциальные нарушения герметичности прокладок, производственные дефекты могут позволить некоторым микроорганизмам проникнуть в очищенную воду. Именно поэтому небольшие домашние системы обратного осмоса не должны использоваться в качестве основного средства для устранения биологического загрязнения.

Очень важно понимать, что процесс обратного осмоса идет только при давлении воды в системе не менее2,5-2,8 атм.Дело в том, что на полупроницаемой мембране со стороны очищенной (обессоленной) воды всегда имеется избыточное осмотическое давление, которое препятствует процессу фильтрации. Именно это давление и необходимо преодолеть.

Железо (Fe)

Как правило, железо присутствует в естественных водах в различных формах:
Двухвалентные ионы железа, растворимые в воде (Fe2+).
Трехвалентные ионы железа, растворимые только в очень кислой воде (Fe3+).
Нерастворимая гидроокись трехвалентного железа [Fe(OH)3].
Окись трехвалентного железа (Fe2O3), присутствующая в виде частиц ржавчины из труб.
В комбинации с органическими соединениями или железными бактериями.

Железные бактерии часто живут в воде, содержащей железо. По мере размножения, эти бактерии могут образовывать красно-коричневые наросты, которые могут забивать трубы и снижать напор воды. Разлагающаяся масса этих железных бактерий может быть причиной неприятного запаха и вкуса воды, а также появления пятен.

Железо редко находят в наземных водоемах. При попадании на поверхность вода, содержащая растворенное железо, является обычно чистой и бесцветной, с ярко выраженным вкусом железа. Под воздействием воздуха вода приобретает некую молочную дымку, которая вскоре окрашивается в рыжий цвет (появляется осадок гидроокиси железа). Такая вода оставляет следы практически на всем. Даже при содержании железа в воде 0.3 мг/л она оставляет ржавые пятна на любой поверхности.

Присутствие железа в воде крайне нежелательно. Избыточное железо накапливается в организме человека и разрушает печень, иммунную систему, увеличивает риск инфаркта.

Удовлетворительным способом удаления небольших количеств растворенного железа из воды считается использование ионообменных умягчителей. Нельзя сразу сказать, сколько железа можно удалить. Ответ на этот вопрос в каждом отдельном случае зависит от конструкции устройства, а также от других конкретных условий. Железо, присутствующее в воде в нерастворенной форме, умягчителями не убирается, более того, оно их портит. Поэтому в случае использования умягчителей для удаления растворенного железа, например, из скважины, ни в коем случае нельзя допустить контакта скважинной воды с воздухом.

Самым эффективным способом удаления средних концентраций железа может быть использование окисляющих фильтров. Такой фильтр должен устанавливаться на водопроводную трубу перед устройством для смягчения воды. Окисляющие фильтры обычно содержат фильтрующее вещество, покрытое двуокисью марганца (MnO2). Это может быть обработанный марганцем глауконитовый песок, синтетический материал из марганца, натуральная марганцевая руда и другие схожие материалы. Окись марганца превращает растворимые ионы двухвалентного железа, содержащиеся в воде, в трехвалентное железо. Кроме того, соединения марганца являются мощным катализатором процесса окисления двухвалентного железа кислородом, растворенным в воде. Поскольку в подземной воде кислорода очень мало, для более эффективного процесса окисления, воду перед фильтром-обезжелезивателем, насыщают кислородом (воздухом). По мере формирования нерастворимой гидроокиси трехвалентного железа, она отфильтровывается из воды гранулированным материалом, находящимся в фильтре.

В случае высоких концентраций железа, для добавления в воду химических окислителей, таких как гипохлорит натрия (бытовой отбеливатель «Белизна») или раствор перманганата калия, могут использоваться маленькие насосы, эжекторы и другие устройства. Так же, как и двуокись марганца в фильтрах для железа, эти химические окислители превращают растворенное двухвалентное железо в нерастворимое трехвалентное.

Марганец (Mn)

Марганец обычно обнаруживают в железосодержащей воде. Химически, его можно считать родственным железу, т.к. он встречается в таких же соединениях. Марганец чаще присутствует в воде в виде бикарбоната или гидроокиси, гораздо реже он содержится в виде сульфата марганца. Соприкасаясь с чем-либо, марганец оставляет темно-коричневые или черные следы даже при минимальных концентрациях в воде. Отстой марганца появляется при проведении слесарно-водопроводных работ, в результате чего вода часто оставляет черный осадок, становится мутной. Избыток марганца опасен: его накопление в организме может привести к тяжелейшему заболеванию — болезни Паркинсона.

Для решения проблемы удаления марганца подходят те же самые методы, что и для железа.

Фтор (F)

Содержание в воде фтора может быть и вредным, и полезным. Все зависит от концентрации. Исследования показали, что концентрация фтора в питьевой воде около 1 мг/л уменьшает возможность возникновения кариеса. Концентрация фтора более 4 мг/л может быть причиной серьезного заболевания костей.

Эффективным методом удаления фтора из воды в домашних условиях является обратный осмос.

Натрий (Na)

Соли натрия присутствуют во всей природной воде. Они не образуют ни накипи при кипячении, ни творожистого осадка в смеси с мылом. Их высокие концентрации усиливают коррозийное действие воды и могут придавать ей неприятный вкус. Большие количества ионов натрия мешают работе ионообменных устройств для смягчения воды. Там, где вода очень жесткая и содержит много натрия, в смягченной воде может оставаться много ионов, обусловливающих жесткость.

Эффективным методом удаления натрия из воды в домашних условиях является обратный осмос.

Нитраты (NO3-)

Как правило, почва содержит небольшое количество природных нитратов. Наличие нитратов в воде свидетельствует о том, что она загрязнена органическими веществами. В основном, вода, загрязненная нитратами, встречается в неглубоких скважинах и колодцах, но иногда такая вода бывает и в глубоких скважинах. Даже такая низкая концентрация нитратов, как10-20 мг/л,может вызывать серьезные заболевания у детей, известны случаи летальных исходов.

Нитраты могут быть эффективно удалены из воды с помощью обратного осмоса.

Хлориды и сульфаты (Cl-, SO42-)

Почти вся природная вода содержит ионы хлоридов и сульфатов. Низкие и умеренные концентрации этих ионов придают воде приятный вкус, и их присутствие желательно. Избыточные же концентрации могут сделать воду неприятной для питья. Как хлориды, так и сульфаты вносят свой вклад в общее содержание в воде минеральных веществ. Общая концентрация этих веществ может оказывать самое разное действие — от придания воде повышенной жесткости до электрохимической коррозии. Вода, содержащая сульфатов более чем 250 мг/л, приобретает ярко выраженный «медицинский привкус». В избыточной концентрации, сульфаты могут также действовать как слабительное.

Воду можно очищать от хлоридов и сульфатов с помощью обратного осмоса.

Сероводород (H2S)

Сероводород — это газ, который иногда содержится в воде. Присутствие этого газа легко определить по отвратительному запаху «тухлых яиц», который появляется уже при низких его концентрациях (0,5 мг/л).

Существует несколько способов удаления из воды сероводорода. Большинство из них сводится к окислению и превращению газа в чистую серу. Потом, этот нерастворимый порошок желтого цвета удаляется фильтрованием. Для удаления очень низких концентраций сероводорода вполне достаточно фильтра с активированным углем. При этом уголь просто адсорбирует газ на свою поверхность.

Фенол (С6Н5ОН)

Одним из наиболее опасных типов промышленных отходов является фенол. В хлорированной воде фенол вступает в химические реакции с хлором и создает обладающие неприятным «медицинским» привкусом и запахом хлорфенольные соединения. При этом неприятный запах появляется при концентрациях фенола равных одной части на миллиард.

Фенол и хлорфенольные соединения удаляются пропусканием воды сквозь активированный уголь.

Радон

Установлено, что основной радиационный фон на нашей планете (по крайней мере, пока) создается за счет естественных источников излучения. По данным ученых доля естественных источников радиации в суммарной дозе, накапливаемой среднестатистическим человеком на протяжении всей жизни, составляет 87%. Оставшиеся 13% приходятся на источники, созданные человеком. Из них 11.5% (или почти 88.5% «искусственной» составляющей дозы облучения) формируется за счет использования радиоизотопов в медицинской практике. И только оставшиеся 1.5% являются результатом последствий ядерных взрывов, выбросов с атомных электростанций, утечек из хранилищ ядерных отходов и т.п.

Среди естественных источников радиации «пальму первенства» уверенно держит радон, обуславливающий до 32% общей радиационной дозы.

Радон — это радиоактивный природный газ, абсолютно прозрачный, не имеющий ни вкуса, ни запаха, намного тяжелее воздуха. Образуется в недрах Земли в результате распада урана, который, хоть и в незначительных количествах, но входит в состав практически всех видов грунтов и горных пород. Особенно велико содержание урана (до 2 мг/л) в гранитных породах. Соответственно в районах, где преимущественным породообразующим элементом является гранит, можно ожидать и повышенное содержание радона. Он не обнаруживается стандартными методами. При наличии обоснованного подозрения на наличие радона, необходимо использовать для измерений специальное оборудование. Радон постепенно просачивается из недр на поверхность, где сразу рассеивается в воздухе, в результате чего его концентрация остается ничтожной и не представляет опасности. Проблемы возникают в случае, если отсутствует достаточный воздухообмен, например, в домах и других помещениях. В этом случае содержание радона в замкнутом помещении может достичь опасных концентраций. Радон попадает в организм человека при дыхании и может вызвать пагубные для здоровья последствия. По данным Службы Общественного Здоровья США радон — вторая по серьезности причина возникновения у людей рака легких после курения.

Радон очень хорошо растворяется в воде и при контакте подземных вод с радоном, они очень быстро им насыщаются. В случае, когда для снабжения дома водой используются скважины, радон попадает в дом с водой. Растворенный в воде радон действует двояко. С одной стороны, он вместе с водой попадает в пищеварительную систему. С другой стороны, когда вода вытекает из крана, радон выделяется из нее и может скапливаться в значительных количествах в кухнях и ванных комнатах. Концентрация радона в кухне или ванной комнате может в 30-40раз превышать его уровень в других помещениях, например, в жилых комнатах. Ингаляционный способ воздействия радона считается более опасным для здоровья.

Мерой радиоактивности является активность радионуклида в источнике. Активность равна отношению числа самопроизвольных ядерных превращений в этом источнике за малый интервал времени к величине этого интервала. В системе СИ измеряется в Беккерелях (Бк, Bq), что соответствует 1 распаду в секунду. Содержание активности в веществе часто оценивают на единицу веса вещества (Бк/кг) или его объема (Бк/л, Бк/м3).

Один из наиболее результативных методов борьбы с радоном — аэрация воды («пробулькивание» воды пузырьками воздуха, при котором практически весь радон в прямом смысле «улетает на ветер»). Поэтому тем, кто пользуется муниципальной водой беспокоиться практически не о чем, так как аэрация входит в стандартную процедуру водоподготовки на городских водоочистных станциях. Что же касается индивидуальных пользователей скважинной воды, то исследования, проведенные в США, показали достаточно высокую эффективность активированного угля. Фильтр на основе качественного активированного угля способен удалить до 99.7% радона. Правда со временем этот показатель падает до 79%. Использование же перед угольным фильтром умягчителя позволяет повысить последний показатель до 85%.