Существующие методы очистки воды


Воду надо чистить, причем всегда и везде! Здесь и сейчас! Как жителям города, так и деревни!  

Именно в этом направлении в настоящее время идет грандиозная работа. И для этого есть определенные наработки.

Прежде всего, отметим, что в технологии финишной обработки воды не так уж и много методов - это фильтрование, сорбция, мембранные и электрохимические методы.

                                                                                                     

Фильтрование - процесс разделения воды (в нашем случае) путем ее пропускания через пористую перегородку. В качестве пористой перегородки могут быть использованы тканые и нетканые материалы, металлические, керамические и металлокерамические пористые материалы, гранулированные материалы (песок, угли, шунгит, вермикулит, ионообменные смолы, цеолиты и пр.). Поскольку почти все конструкции очистителей воды содержат фильтровальные элементы, метод фильтрования дал название всем устройствам. Независимо от применяемого способа и метода очистки воды их называют фильтрами.


ФИЛЬТРАЦИЯ ВОДЫ - Для людей, пользующихся фильтрами, следует задаться вопросом: «Сможет ли его фильтр «задержать» порядка ЧЕТЫРЕХ МИЛЛИОНОВ соединений различных вредных примесей, содержащихся в составе «современной» воды?» Ведь фильтр рассчитан на определенную категорию примесей и довольно «крупных» по размерам. Он, в принципе, не способен произвести обработку воды на ионном уровне, как это происходит при электрохимическом методе (анализом которого мы займемся ниже), а уж при залповом загрязнении исходной воды фильтр и вообще бессилен. Кроме того, фильтр требует своевременной замены. Момента замены и количество этих замен никто и никогда не угадает и не определит.


Сорбция (от sorbeo (лат.) — поглощаю) - процесс извлечения из воды (в нашем случае) растворенных в ней примесей, в основном органической природы. Поскольку ионообменные процессы также относятся к сорбционным, (только сопровождаются выделением из сорбента привитого к нему иона на замену поглощаемого), то сорбция (в широком плане) позволяет извлечь из раствора (из воды) практически все примеси. Однако, в действительности сорбционные процессы связаны с избирательностью сорбента (сродством к тому или иному веществу) и из воды удаляются далеко не все примеси.

Как правило, для очистки воды применяют твердые гранулированные или волоконные материалы (адсорбенты). Это активированные угли (БАУ, БАУ-МФ, АУ, углен и т.д.). В некоторых очистителях используют ионообменные материалы (ИОС-К, ИОС-А, цеолиты, клиноптилолиты и др.)

Сорбционные процессы подчиняются ряду законов, которые значительно усложняют как конструирование адсорбционных насадок, так и их эксплуатацию. Это - и закон образования фронта поглощения, и закон параллельного переноса, и уравнение Шилова, и закон равновесной концентрации и т.д.

   В силу этих законов, при пропускании воды через сорбенты, вредные примеси, в ней содержащиеся, накапливаются в сорбенте, а, вследствие закона равновесной концентрации уже в процессе эксплуатации задолго до выработки ресурса они поступают в обработанную воду (фильтрат), превращая его в «психологически чистую» воду. Указанные особенности были изучены при разработке сорбционных полевых водоочистных станций. Был рассчитан ресурс сорбционных насадок и, к сожалению, он не превышал суток (так называемый «фильтроцикл»). Однако разработки военных водоснабженцев остались неучтенными при создании бытовых очистителей воды.


Мембранные технологии не получили широкого распространения в бытовых очистителях воды. Во-первых, потому что для работы мембранных модулей требуется высокое давление - до 8 - 10 атм. Во-вторых, поскольку эффективны, в основном гиперфильтрационные мембраны, получаемая вода становится близкой к глубокообессоленной. В-третьих, при мембранной обработке в канализацию сбрасывается до 50 и более процентов поступающей на модуль воды, а при современном дефиците воды это слишком расточительно.


Из изложенного следует ряд не очень обнадеживающих выводов.


Во-первых, фильтровально-сорбционные устройства накапливают в толще сорбента поглощенные примеси. И при высоких концентрациях примесей (например, при «залповых выбросах») резко ухудшается качество обработанной воды, сокращается и даже становится непредсказуемым время работы сорбционной насадки (ее ресурс). Иначе говоря, страдает важный фактор -  эксплуатационная надежность очистного устройства.

Во-вторых, мембранные модули и применяемые ионообменные сорбенты обедняют солевой состав обработанной воды (иониты заменяют в воде важные для организма соли кальция, магния, ряд микроэлементов на ионы натрия, а мембранные модули способны полностью деминерализовать воду).

        В-третьих, возникает (как бы ниоткуда) проблема утилизации отработанных сорбционных насадок и мембранных модулей.   А  это  еще  один  «ручеек»  загрязнения  окружающей среды.


Из электрохимических методов в разработке финишных устройств для очистки питьевой воды были использованы электрохимическая коагуляция и электрохимическая флотация. Поэтому мы не будем рассматривать электрофорез, электрокатализ, разряд малой мощности (РММ), высоковольтный электроискровой разряд (ВЭИР) и электромембранный метод - деионизацию. Не исключено, что в дальнейшем какой-либо из этих методов  может быть применен и для питьевой воды.

           Обычно при очистке воды применяют (имеются в виду полевые водоочистные станции) различные вещества, замутнители, подкислители, подщелочиватели, и среди них важную роль играют коагулянты. В основном, в качестве коагулянта, используют сернокислый алюминий (глинозем). Глинозем диссоциирует в воде на ион алюминия и ион сульфата. Т.к. сернокислый алюминий - это соль сильной кислоты и слабого основания, диссоциация идет не до конца и в воде остается молекулярно растворенный глинозем. Почти сразу после растворения (в течение минуты) ион алюминия соединяется с гидроксилом из воды и образуется гидроксид алюминия, который в виде хлопьев выпадает в осадок. Это и есть коагуляция, в процессе которой (и в результате которой) вода освобождается от взвесей, солей цветности, от микроорганизмов и ряда других примесей. Остается удалить из воды хлопья коагулянта. В полевых водоочистных станциях это происходит на нескольких этапах последующей после коагуляции обработки воды.

В отличие от обычной коагуляции электрохимическая коагуляция обладает рядом преимуществ.


В процессе нахождения или прохождения воды между электродами происходит электролиз, в результате которого растворяется анод и его металл выходит в межэлектродное пространство в виде ионов. Чаще всего в качестве анода используют сплавы алюминия. Ионы алюминия (как и при обычной коагуляции) соединяются с ионами гидроксила и образуется гидроксид алюминия. Процесс этот многостадийный, поэтому образующийся гидроксид алюминия обладает рядом свойств, которые можно объединить термином высокой химической активности. По данным ряда исследований, гидроксид, полученный электролизом, обладает химической активностью, в шесть раз превышающей активность обычного гидроксида. Это означает, что в процессе хлопьеобразования коагулянта, полученного электролизом, очистка воды от взвешенных примесей, солей цветности, микроорганизмов происходит намного активнее и плотнее. К этому следует добавить, что в отличие от обычной коагуляции в воду не добавляются непродиссоциированные молекулы самого коагулянта - сульфаты - и они не поступают потребителю. Отметим, что этот процесс называется электролитической коагуляцией.


Кроме того, катионы, находящиеся в межэлектродном пространстве, присоединяют к себе ионы гидроксила, что сопровождается выпадением в осадок гидроксидов этих ионов. Это и есть электрохимическая коагуляция. Образовавшиеся гидроксиды катионов становятся как бы «центрами» лавинообразно нарастающей коагуляции. Кроме того, наличие зарядов на гидроксидах в электрическом поле способствует образованию цепочечных агрегатов, также усиливающих процесс коагуляции примесей.


Таким образом, в отличие от обычной коагуляции, коагуляция, инициированная электрическим полем, представляет собой сочетание нескольких процессов, усиливающих друг друга.

           

Электрофлотация широко используется в процессах осветления и очистки от взвесей различных вин. По глубокому убеждению исследователей, она превосходит обычную флотацию, благодаря более полному охвату обрабатываемых объемов.

Это связано с тем, что в процессе электролиза на катоде образуются не только видимые глазом пузырьки водорода (более мелкие, чем при обычной флотации), но и субмикронных размеров, в начале растворяющиеся в воде, а в последующем слипающиеся с удаляемыми взвесями и друг с другом. Причем, в отличие от обычной флотации, электрофлотация осуществляется эффективно независимо от состава обрабатываемой воды.

           

Кроме того, электролиз сопровождается выделением на аноде пузырьков атомарного кислорода, который, являясь мощным окислителем, способствуют обеззараживанию воды. Практически происходит процесс идентичный озонированию, но без применения аппаратов тлеющего разряда для получения озона. Для осуществления электрофлотации в качестве анода применяют электропроводные малоизнашиваемые материалы: угли, графит, окиснорутениевые титановые аноды (ОРТА), окиснокобальтовые титановые аноды (ОКТА), титановые диоксидномарганцевые аноды (ТДМА) и т.д. Объединение процессов электрокоагуляции и электрофлотации - электрофлотокоагуляция - позволило создать эффективные устройства для очистки даже сильнозагрязненных вод.


При электрохимическом методе расчет электрических параметров режима электрообработки должен не только способствовать возникновению в обрабатываемой воде процессов, основными из которых являются:


1)Зарядка частиц;


2)Электрофорез (движение заряженных частиц в электрическом поле);


3)Поляризация частиц (т.к. сами частицы поляризованы и являются источниками неоднородного поля, то начинается поляризационная коагуляция);


4)Образование гидроокиси;


5)Возникновение сил притяжения;


6)Поляризационная коагуляция;


7)Дипольная коагуляция;


8)Диполофорез (сильно заряженная частица движется в область большей плотности поля, слабо заряженная – в область меньшей напряженности; способствует процессу электрокоагуляции);


9)Концентрационная и нейтрализационная коагуляция;


10)Дипольная необратимая коагуляция;


11)Пандеромоторная коагуляция (возникают силы, стремящиеся осадить дисперсные частицы на пластины электрода);


12)Электрокоагуляция;


13)Электролитическая и  электрохимическая коагуляция (поле работает, как генератор коагулирующих и обеззараживающих ионов и коагулянта);


14)Флокуляционная коагуляция (по мере накопления частиц коагулянта идет «упаковка» первичных агрегатов (ионов – катионов примесей));


15)Сорбция;


16)Осаждение (образуется связанная дисперсионная система – осадки);


17)Электроосмос (перемещение жидкой дисперсной среды под влиянием электрического поля (относительно частиц осадка) к электроду. Достигается более низкое содержание в дисперсионной системе (в осадке) дисперсной среды.);


18)Электрофлотация;


19)Отстой и др.,


...но и гарантированно управлять этими процессами по определенной заранее рассчитанной управляющей программе.

Под воздействием управляемого электрического поля в обрабатываемой воде, наряду с основными электрохимическими процессами, изложенными выше, происходит «рождение» радикалов водорода и кислорода, разрушение (разрыв) КЛАСТЕРОВ (соединений, «сгустков» молекул воды). При этом из полостей межмолекулярных связей высвобождаются химические элементы (их соединения) и ионы кислорода,

Высвободившийся кислород (в дополнение к кислороду, образующемуся на аноде) не только насыщает воду ионами кислорода, но и явдяется одной из мощных составляющих по обеззараживанию воды.

Формирующиеся в воде новые КЛАСТЕРЫ обладают абсолютно новыми возможностями всех своих характеристик (так называемой «жизненной энергией»), а  обработанная вода становится мощным водным антиоксидантом.


Всесторонние исследования, проведенные в Военно-Медицинской академии им. С.  М. Кирова в период с 1968 по 1985г.г., показали высокую эффективность электрохимических методов в удалении из воды практически любых загрязнений, радионуклидов, микроорганизмов. В то же время была доказана абсолютная безопасность технологии и безвредность обработанной воды для организма теплокровных животных, а в дальнейшем и человека.

В 1980 г. Минздравом СССР было дано разрешение на использование метода электрохимической обработки для получения питьевой воды. В 1991  г.  было разработано устройство,  пригодное для доочистки водопроводной воды в бытовых условиях под названием “Аквалон”.

Исследования, проведенные независимыми и государственными научными лабораториями и учреждениями, показали высокую эффективность не только доочистки водопроводной воды, но и воды, содержащей соли тяжелых металлов и ряд органических примесей, вредных для здоровья.