Основы профессии сварщика. Столики своими руками на любой случай...("Сделай сам" №2∙2015)

Нужно ли чистить воду из водопровода?

Хлорирование воды, применяющееся на водоочистных станциях практически всех развитых стран мира, бесспорно, спасло немало людей от холеры и других напастей, и концентрация хлора в водопроводной воде не является опасной для здорового человека. Однако установлено, что для людей, страдающих астматическими и аллергическими заболеваниями, присутствие хлора, даже в малых концентрациях, ухудшает самочувствие. Кроме того, хлор взаимодействует с органическими соединениями, находящимися в водопроводной воде, с образованием хлорорганических соединений, таких, например, как хлороформ.

После муниципальной очистки вода проходит долгий путь по старым ржавым трубам и при этом снова загрязняется. Загрязняется, в первую очередь:

• коллоидными частицами гидроксо-соединений трехвалентного железа (это придает воде хорошо знакомый всем нам «ржавый цвет»),

• ионами меди, свинца и цинка (из-за кранов, вентилей и других деталей, изготовленных из цветных металлов),

• а также механическими примесями (кусками ржавчины).

Особенно наглядно степень загрязненности воды мы можем наблюдать после проведения различных работ, связанных с ремонтом водопровода и временным отключением воды. Залповый выброс грязи, когда воду наконец включают, способен испортить настроение любой хозяйке.

Способов, которыми можно очистить воду, несколько. Какие же из них мы должны использовать для того, чтобы эффективно очистить воду для питьевых целей? Чтобы дать правильный ответ на этот вопрос, необходимо в каждом конкретном случае знать, от чего воду придется чистить. Это можно узнать с помощью химического и бактериологического анализов, однако, как правило, подобные анализы достаточно дороги, и в ряде случаев можно распространенные способы очистки воды.

Надо отметить, что в большинстве случаев доочистка воды фильтром осуществляется не одним способом, а их сочетанием. Именно такой комплексный подход дает наилучшие результаты.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ

Самый простой способ очистки воды. Механическая очистка воды обеспечивается улавливанием частиц нерастворенных веществ за счет разницы размеров самих частиц и каналов фильтра, по которым протекает очищаемая вода. Проще говоря, вода проходит через своеобразное «сито».

Размер частиц, задержанных фильтром, определяется диаметром каналов в материале водоочистителя, по которым протекает вода (то есть размерами отверстий в «сите»).

Например, колонки, заполненные гранулированным активированным углем с диаметром гранул 0,1–1 мм (100-1000 микрон), способны эффективно задерживать частицы примерно такого же размера. Большая часть нерастворенных в воде частиц имеет гораздо меньший — 0,1—20 микрон — размер. Правда, микроорганизмы не задерживаются при механической фильтрации, так как их размер — 0,4–3 микрона.

Механическая фильтрация широко применяется на муниципальных станциях водоочистки. Этот вид очистки особенно актуален при заборе воды из открытых источников: рек, озер, водохранилищ.

В городских квартирах механическая фильтрация представлена использованием предфильтров (фильтров предварительной очистки).

ИОННЫЙ ОБМЕН

Ионный обмен — это специфический случай сорбции заряженных частиц (ионов), когда обойтись и без них. Рассмотрим наиболее поглощение одного иона сопровождается выходом в раствор другого иона, входящего в состав сорбента. При этом ион, присутствие которого в воде нежелательно, фиксируется на сорбенте. Таким образом, происходит «замещение» одних ионов (назовем их «вредными») на другие (назовем их «безвредными»).

Сорбенты, работающие по такому механизму, называются ионообменными материалами или ионитами. Иониты способны извлекать из воды одни растворенные соли, замещая их другими солями (например, соли кальция и магния могут заменяться на соли натрия).

Чаще всего в процессе водоочистки ионный обмен используется для удаления из воды катионов тяжелых металлов (например, свинца), представляющих опасность для здоровья человека, а также для избавления от нитратов.

Еще одно из применений ионитов — умягчение жесткой воды, то есть удаление из воды избыточного содержания ионов кальция и магния.

Существенной характеристикой ионообменных смол является их обменная емкость, то есть способность «заместить» определенное количество «вредных» ионов. Одно из главных свойств ионообменных смол — это их способность к регенерации после исчерпания «ресурса».

ОБРАТНЫЙ ОСМОС

Обратный осмос — это очистка воды при помощи обратноосмотической мембраны. Вода при таком способе очистки пропускается через мембрану (своеобразное «сито»), поры которой пропускают воду, но не пропускают растворенные в ней примеси (правда, установка не пропускает никакие примеси — ни вредные, ни полезные).

Системы обратного осмоса позволяет получать воду очень высокой степени очистки (близкую к дистиллированной).

Обратным осмосом можно удалять из воды даже одновалентные ионы, например, ионы натрия и хлора.

Этапы очистки воды:

— Входящая в систему водопроводная вода проходит через фильтры предварительной очистки, избавляясь от механических примесей, органических веществ и хлора.

— Фильтрация через обратноосмотическую мембрану, извлечение из воды 98–99 % растворенных минеральных веществ.

— Чистая вода поступает в накопительную емкость и находится там до момента открывания крана чистой воды на мойке.

— Концентрат минеральных солей сбрасывается в канализацию.

— После открывания крана чистой воды на мойке чистая вода из накопительной емкости проходит через постфильтр и поступает в кран чистой воды.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА

Основана на сложных окислительно-восстановительных реакциях, которые происходят в воде при воздействии на нее сильного электрического тока и приводят к образованию так называемой «живой» и «мертвой» воды.

Этот способ экономичен, так как позволяет достигнуть высокой производительности при небольших затратах.

Электрохимическая очистка распространена в России, но не применяется в быту на Западе (используется только для промышленной очистки, но не для очистки питьевой воды).

Электрохимическая очистка действительно позволяет очистить воду от всех микроорганизмов. Но при этом разрушается также часть органических веществ. Кроме того, поскольку точный состав исходной воды неизвестен, никто не знает, как при воздействии на эту воду сильного электрического тока содержащиеся в ней вещества прореагируют между собой. В результате этих реакций могут получиться совсем «несъедобные» соединения.

ДИСТИЛЛЯЦИЯ

Менее распространенный вид очистки воды. В дистилляционных системах вода сначала испаряется, а затем конденсируется.

То есть, дистилляция — процесс очистки жидкостей, заключающийся в испарении жидкости с последующей конденсацией пара. При этом происходит разделение жидких многокомпонентных смесей на отличающиеся по составу фракции путем частичного испарения смеси и конденсации образующихся паров.

Методом дистилляции можно отделить жидкость от растворенных в ней твердых веществ или жидкостей с сильно отличающимися температурами кипения. Дистиллированная вода относительно чистая, но процесс дистилляции достаточно дорог.

Дистилляционные системы также должны обязательно содержать активированный уголь, так как нет другого способа убрать низкомолекулярную высоколетучую органику (типа хлороформа).

КИПЯЧЕНИЕ

Кипячение — одна из разновидностей такого способа очистки воды как стерилизация.

Стерилизация — это полное освобождение воды от микроорганизмов действием высоких температур или фильтрацией. Фильтрация, как правило, применяется на промышленных установках при больших объемах стерилизуемой воды. В быту чаше всего стерилизация сводится к простому кипячению. Кипячение — это наиболее доступный и наиболее известный способ доочистки воды. Он достаточно эффективен, но имеет свои недостатки.

«Плюсы» кипячения

При температуре 100 °C погибает большинство (но далеко не все!) болезнетворных бактерий. Следовательно, в условиях возможного бактериального загрязнения эта операция весьма полезна.

При кипячении воды в открытом объеме происходит также частичное улетучивание органических соединений, имеющих низкую температуру кипения. Всем известна накипь, которая оседает на стенках чайников после кипячения воды. Эта накипь представляет собой соли жесткости, которые были растворены в воде до того, как ее прокипятили.

В результате кипячения вода становится более мягкой. Происходит это потому что из нее удаляются соли так называемой «временной (карбонатной) жесткости#.

«Минусы» кипячения

Кипячение приводит к уменьшению в воде содержания таких жизненно важных солей, как соли кальция и магния.

Кроме того, кипячение может ухудшать качество воды, так как концентрации нелетучих органических соединений и неорганических примесей (таких как соли тяжелых металлов) возрастают из-за выкипания части воды.

Существенную опасность представляет кипячение хлорированной воды. При кипячении хлор взаимодействует с органическими веществами. При этом образуются вещества, называемые канцерогенами, то есть способствующие возникновению рака.

Кроме того, что кипяченая вода просто «невкусная», ее нельзя хранить дольше суток, так как любая застоявшаяся вода — прекрасная среда для размножения микроорганизмов.

Как правильно кипятить воду?

Обычно кипячение сводится лишь к доведению волы до кипения. Правильно ли это? В общем, правильно, если необходим кипяток. Однако при недлительном кипячении невозможно достичь даже того минимума, который дает кипячение как средство очистки воды. Другими словами, простого доведения воды до кипения недостаточно для того, чтобы обеззаразить ее. Для этого необходимо кипятить воду не менее 10–15 минут. Только при этом значительная часть микроорганизмов гибнет. Правда, к примеру, вирус по имени «Гепатит А» (в народе — «желтуха») погибает только когда воду кипятят не менее чем 25–30 минут.

ВЫМОРАЖИВАНИЕ

Вымораживание применяется главным образом для опреснения воды, то есть для удаления из нее излишков солей. Этот способ основан на той закономерности, что чистая вода замерзает при более высокой температуре (то есть быстрее), чем вода, содержащая соли. Всем городским жителям эта закономерность хорошо известна — дороги не зря посыпают солью для избежания голо;) еда.

Сущность этого метода состоит в том, что воду замораживают (например, в морозильнике). При этом сначала замерзает чистая вода, а между кристаллами льда остается «рассол», то есть смесь воды и солей. Соответственно, «рассол» сливают, не дав ему замерзнуть, а чистый лед растапливают, получая очищенную воду.

Правда, если температура замораживания была слишком низкой, то может случиться, что замерзнет не только чистая вода, но и «рассол».

С другой стороны, нет никакой необходимости, чтобы вода была совершенно лишена солей, без которых человек не может быть полностью здоровым.

СОРБЦИЯ. СОРБЕНТЫ. СОРБЦИОННЫЕ ФИЛЬТРЫ

Сорбцией называют поглощение примесей из газа или жидкости твердыми телами, которые называют сорбентами.

Процесс сорбционной очистки состоит в пропускании газа или жидкости через сосуд, заполненный сорбентом — сорбционный фильтр. Если режим фильтрации и сорбент выбраны правильно, то достигается желаемый результат — удаление из газа или жидкости вредных примесей. Именно так работают противогазы и фильтры для воды.

АКТИВИРОВАННЫЕ УГЛИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Не будет сильным преувеличением сказать, что сорбционные фильтры — это в первую очередь угольные фильтры.

Активированные угли — наиболее широко используемые сорбенты, производимые миллионами гони в год. Это универсальные сорбенты, применяемые для удаления примесей самой различной химической природы.

Получение активированных углей

Сырьем для получения активированных углей служат органические вещества: природные или искусственные.

Природные — это древесина, бурые и каменные угли, тяжелые фракции нефти.

Искусственные — полимерные материалы, производимые химической промышленностью.

В получении активированных углей выделяются две стадии: карбонизация и активация.

Карбонизация — это высокотемпературное разложение сырья в отсутствии кислорода Такое нагревание без горения приводит к получению остатка, состоящего преимущественно из углерода.

После этого материал подвергают активации — обработке водяным паром или углекислым газом при температуре более 80 °C. При этом частицы материала становятся похожими на хороший сыр — по всему объему их пронизывает разветвленная система пор, имеющих самый различный размер: от нескольких ангстрем до нескольких микрон. Таким образом, активированные углеродные материалы — это пористые углеродные материалы.

Активация позволяет получить сорбент с площадью пор около 1000–1500 м² на 1 грамм угля. Эти чрезвычайно высокие величины и объясняют необычайно высокую эффективность активированных углей.

Каким образом активированные угли задерживают примеси?

В разветвленной системе пор активированных углей присутствуют центры, связывающие молекулы примесей. При этом пористая структура углей так разнообразна, что каждой молекуле находится подходящее посадочное место. Небольшие молекулы — например, фенола и хлороформа — сорбируются в самых мелких порах, более крупные молекулы — в порах среднего размера.

Большие макропоры служат транспортными туннелями, по которым молекулы вредных примесей движутся к местам вечной стоянки.

Что определяет качество активированных углей?

Эффективность сорбционного процесса на активированном угле определяется:

— сорбционной емкостью угля, то есть его предельной способностью к поглощению тех или иных примесей (количеством загрязнений, которые может «вобрать» в себя сорбент):

— прочностью связывания примесей на материале (силой взаимодействия молекулы с пористой средой угля). Проще говоря, способностью (точнее, неспособностью) отдавать накопленные примеси обратно в воду;

— скоростью поглощения примесей из раствора (скоростью сорбции).

Почему именно этот параметр — скорость сорбции — особенно важен для водоочистителя? Вода, проходя через фильтр, находится в нем очень недолго. Продолжительность контакта воды с сорбентом составляет секунды, и очень важно, чтобы за это короткое время вода успевала полностью очиститься от вредных примесей. Вот почему так важно, чтобы сорбент «впитывал» примеси очень быстро.

В значительной степени качество активированных углеродных материалов зависит от исходного сырья. Не вдаваясь в подробности, отмстим, что традиционно наилучшими для использования в фильтрах для очистки питьевой воды считаются активированные угли, полученные из скорлупы кокосового ореха. Именно они используются всеми ведущими производителями водоочистителей.

Далее, эффективность работы угольного сорбционного фильтра зависит от степени дробления угля. В целом, чем меньше размер частичек угля, тем большей удельной поверхности контакта сорбента с очищаемой водой удается достичь. Это, в свою очередь, обеспечивает увеличение скорости очистки воды при прочих равных условиях.

Как используются активированные угли в очистке воды?

Как правило, в виде насыпного слоя. Добросовестные производители конструируют фильтры таким образом, чтобы обеспечить время контакта очищаемой воды с угольным слоем не менее 30 секунд.

От чего очищают воду активированные угли?

Гранулированные активированные угли очищают воду от различных органических примесей, а также от активного хлора. В то же время для удаления тяжелых металлов и бактерий они неэффективны.

Недостатки сорбентов на основе активированных углей

Среди недостатков сорбционных систем нужно назвать, прежде всего, быструю «засоряемость» активированного угля. Это неудивительно — ведь ресурс сорбента ограничен площадью поверхности, к которой может «прилипать» «грязь». Когда вся поверхность сорбента уже занята, вода просто перестает очищаться.

Еще один недостаток. Уголь представляет собой прекрасную среду для развития микрорганизмов. В теплых условиях, при обилии влаги в активированном угле начинают очень быстро размножаться бактерии, грибки и плесень, и очень скоро активированный уголь превращается в черную слизь. Поэтому, используя сорбционные фильтры, необходимо внимательно следить, чтобы картридж не работал дольше положенного срока, и своевременно заменять его. Не стоит экономить на картриджах, ведь фильтр, отработавший свой ресурс, красивая, несовершенно бесполезная вещь. Для того чтобы избежать размножения бактерий в фильтрах, в сорбент добавляют бактерицидную добавку.

Обычно уголь, который применяется для водоочистки, насыщают серебром. Серебро придает углю бактериостатичные свойства, но серебра в фильтре должно быть очень немного (по мировым стандартам — не больше, чем 50 частей на миллиард). Серебро — такой же токсичный и опасный для организма металл, как и свинец. К тому же, иногда серебро может частично «смываться» в уже отфильтрованную воду, что не всегда и не для всех хорошо.

Что такое «карбонблок»?

Карбонблок — относительно новое технологическое достижение в использовании активированных углей. Карбонбюк получают из порошкового активированного угля, который смешивается с измельченным полиэтиленом, после чего подвергается спеканию (частички угля размером от 20 до 50 микрон «склеены» между собой полиэтиленом).

Результатом операции является монолитное изделие с хорошими сорбционными характеристиками. Это плотная структура, задерживающая частицы размером до нескольких микрон.

Можно изготавливать карбонблокл с номинальной пористостью менее 1 микрон, что позволяет использовать их для фильтрации микроорганизмов. Однако такие карбонблокл достаточно быстро забьются нерастворимыми частицами, присутствующими в воде. Поэтому плотные карбонблоки целесообразно использовать в комбинации с другими сорбционными фильтрами, для окончательной очистки воды.

Активированные углеродные волокна

Активированные углеродные волокна получают карбонизацией и активацией искусственных полимерных волокон, прежде всего вискозных.

В результате получают активированный углеродный материал, состоящий из нитей толщиной 6-10 микрон, благодаря чему обеспечивается чрезвычайно развитая поверхность контакта сорбента с водой, а следовательно — высокая скорость удаления примесей. Волокнистая структура слоев материала обеспечивает невысокое гидравлическое сопротивление слоя сорбента.

При активации тонких волокон в материале образуется микропористая структура, обеспечивающая чрезвычайно высокую энергию взаимодействия материала с органическим молекулами. При этом молекула взаимодействует с сорбентом несколькими своими центрами, запутываясь в «паутине» связей. По силе связывания примесей активированные углеродные волокна заметно превосходят дробленые активированные угли.

Наличие на поверхности материала большого количества кислотных и основных групп приводит к способности активированных углеродных волокон поглощать заметные количества ионов тяжелых металлов, что также выгодно отличает их от активированных углей и делает похожими на другой класс сорбентов — ионообменные смолы.

Интересной особенностью активированных углеродных волокон оказалась их способность сорбировать клетки микроорганизмов, подавляя их жизнедеятельность.

Активированные углеродные волокна превосходят обычные активированные угли по всем основным параметрам: сорбционной емкости, силе связывание сорбированных молекул, скорости сорбции. Дополнительно они сорбируют тяжелые металлы и подавляют рост бактерий.

Таким образом, активированные углеродные волокна идеально приспособлены для очистки воды в бытовых условиях, где размер фильтра ограничен, а время протекания воды через фильтр должно быть достаточно маленьким, чтобы получить несколько литров воды в течение нескольких минут (только тогда фильтром удобно пользоваться).

КАКИЕ МАТЕРИАЛЫ СТОИТ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ?

Изготавливая водоочиститель, производитель должен достичь нескольких целей:

— высокое качество очистки;

— хорошие потребительские свойства;

— умеренная цена.

В связи с этим ответ на поставленный вопрос следующий: надо использовать все типы материалов по назначению:

• Гранулированные активированные угли — для общей очистки воды.

• Активированные углеродные волокна — для глубокой очистки от вредных примесей.

• Карбонблок — для конечной фильтрации.

_{http://zdorovja.com.ua/content/view/501/l1}