7.2.3. Процессы круговорота воды.

А. Процесс возврата воды из конденсата атмосферной влаги (КАВ).

Вода поступает от космонавта в атмосферу в виде пара с выдыхаемым воздухом (перспирационная влага) в количестве 1,5 кг/чел.сут. В конденсат атмосферной влаги (КАВ) попадают практически все примеси, содержащиеся в атмосфере отсека. Основными являются эндогенные загрязнения, источником которых является человек. Одним из источников газообразных примесей служат микроорганизмы, живущие в ротовой полости, на кожном покрове и на белье. Примеси, поступающие в атмосферу от конструкционных и декоративных материалов жилого отсека, определяются химическим составом самих материалов, а также красок и клея. Известно, что повышение температуры и понижение давления в жилом отсеке увеличивает выделение газообразных примесей. Однако КАВ является весьма чистым продуктом, поскольку абсолютное количество выделяемых примесей измеряется миллиграммами. (Табл. 3). Всего в КАВ обычно содержится менее 2,5 г/л примесей.

Для очистки конденсата от примесей обычно используются сорбционные методы.

Схему очистки конденсата мы с вами уже рассматривали (Рис. 3).

КАВ поступает на очистку из ХСА. Помимо примесей, в нем содержится небольшое количество воздушных пузырей, которые затрудняют работу насосов. Поэтому перед очисткой необходимо выделение из КАВ воздуха. Один из методов газо-жидкостного разделения – применение лиофильных мембран. Отделяемый воздух возвращается в отсек, а вода поступает на очистку.

Для очистки воды от минеральных и органических диссоциирующих веществ применяют ионообменные смолы.

Недиссоциирующие вещества поглощаются активным углем.

Вещества, не поглощаемые сорбентами, предварительно окисляются («дожигаются») в каталитическом реакторе.

КАВ содержит в себе примеси, которые выделяются в атмосферу человеком при его жизнедеятельности и оборудованием и конструкцией отсеков.

Человек выделяет в атмосферу:

- органические вещества: кислоты, альдегиды, кетоны, спирты, углеыодороды;

- неорганические вещества в основном аммиак.

Оборудование и покрытия (клеи, лаки, резины, полимеры) могут быть источником СО, спиртов, эфиров, органических кислот, альдегидов.

Основную часть примесей конденсата составляют органические вещества и аммиак.

В большинстве своем примеси в конденсате могут быть токсичными, поэтому, несмотря на малую их концентрацию (0,5 – 1,5 г/л), получение из КАВ питьевой воды требует специальной его очистки.

Низкое содержание примесей в КАВ позволяет применять методы адсорбционной очистки, не требующие затрат энергии.

Примеси делят на 2 группы:

- диссоциирующие – аммиак (NH₃), соли металлов, уксусная кислота (CH₃COOH), ацетальгедид (CH₃COH);

- недиссоциирующие – углеводороды, спирты, эфиры.

Для очистки КАВ от диссоциирующих веществ применяют хемосорбцию, то есть адсорбенты, вступающие с веществом в химическую связь. Они обладают повышенной поглощающей емкостью, так как вещество в ходит в состав поглотителя и не уменьшает при этом его емкости. Используются так называемые ионообменные смолы – катиониты и аниониты. Это твердые органические вещества со слабо связанным ионом водорода Н⁺ (катиониты) или ионом гидроксила ОН^- (аниониты).

Находясь в воде, эти вещества могут свободно обмениваться ионами с растворенными веществами.

Ионообменные смолы выпускаются в виде гранул размером около 1мм, имеющих развитую пористую структуру. Очистка КАВ производится путем пропускания его через колонки с насыпкой из этих гранул.

На выходе из системы СРВ-К получается чистая, практически полностью обессоленная, дистиллированная вода. Такая вода неблагоприятна для длительного употребления по своим вкусовым качествам и по физиологическому воздействию на организм человека.

Полноценная питьевая вода должна содержать ряд минеральных солей Са, Mg, Na (бикарбонаты, хлориды, сульфаты), а также микроэлементы - F, J. Для этой цели на выходе воды из системы устанавливаются колонки кондиционирования воды, содержащие соленасыщающую шихту из минералов – гипса (CaSO₄), доломита (CaMg(CO₃)₂), флюорита (CaF₂).

Для бактериальной очистки воды устанавливается колонка, содержащая адсорбент, насыщенный солями серебра, которые обладают бактерицидным действием.

Расходуемая масса запасов адсорбентов в системе СРВ-К составляет 5 – 50 г/л, а с учетом массы конструкции колонок – 100г/чел.сут.

Табл. 3.

Содержание некоторых примесей в конденсате жилых отсеков МКС.

№	Примесь	Содержание в макете станции МИР мг/л	Содержание в реальной станции МИР мг/л
1	ХПК, мгО2/л	375	1500
2	Этиленгликоль	35	739
3	Азот	33	67
4	Этанол	136	634
5	Метанол	8	32
6	Капроновая кислота	4	19
7	Масляная кислота	2	14
8	Бутанол	1	6
9	Хлориды	3	4
10	Кальций	1	3

Б. Процесс возврата воды из урины.

Урина – сложный высококонцентрированный водный раствор, содержащий целый комплекс органических и неорганических соединений. В 1960-х г.г. специалисты СССР были озабочены изучением возможно более полного списка веществ, присутствующих в урине. Их целью была разработка для каждого вещества или хотя бы для определенной группы близких по свойствам веществ своего метода выделения. Эта была правильная теоретическая позиция, но нереальная для осуществления. Выявив 400 веществ, руководители прекратили финансирование этого направления работ. Они согласились с представителями другой стороны, утверждавшей, что полностью очищать урину практически не требуется, поэтому можно применить один метод и получать 2 части – чистую воду и отход, который и следует дочищать. Но и доочистка должна быть не полной, а частичной, постепенно увеличивая степень ее очистки. Практически такой подход применим до сих пор, потому что пока запасы питьевой воды продолжают привозить на пилотируемый космический аппарат.

Массам примесей в урине достигает 50 г/л; наибольшим является содержание:

- мочевины – 20 г/л, 40% 40%

- NaCl – 12 г/л. 24% 64%

Остальное – сложная смесь (Табл. 4)

Очистка урины возможна в 2-х вариантах:

- на первых этапах развития КСЖО – при отсутствии в его составе оранжереи,

- на последующих этапах.

При отсутствии в составе КСЖО оранжереи вода из урины используется в качестве питьевой для экипажа.

При наличии оранжереи в КСЖО степень очистки урины может быть минимальной, а назначение очищенной урины – полив растений. Токсичным для корней растений является только NaCl. Остальные примеси или нейтральны или даже благоприятны.

Простейшим методом очистки урины для получения питьевой воды является дистилляция. Для доочистки может применяться каталитическое окисление в паровой фазе.

Табл. 4.

Состав основных примесей в урине.

№	Вещество	Содержание вещества г/л	%
			вещества	Суммы веществ
1	Мочевина	20,0	40	40
2	NaCl	12,0	24	64
3	Сера	2,4	4,8	68,8
4	Калий	2,0	4,0	72,8
5	Сульфаты	2,0	4,0	72,8
6	Креатинин	1,6	3,2	76,0
7	Гиппуровая кислота	1,6	3,2	79,2
8	Фосфор	1,5	3,0	82,2
9	Аммиапк	0,8	1,6	83,8
10	Мочевая кислота	0,8	1,6	85,4
11	Кальций	0,7	1,4	86,4
12	Лимонная кислота	0,7	1,4	88,2
13	Азот	0,35	0,7	88,9
14	Фенолы	0,3	0,6	89,5
15	Магний	0,15	0,3	89,8
16	Жирные кислоты	0,06	0,12	89,92

Перспективна схема, основанная на каталитическом окислении примесей в паровой фазе. Сущность процесса очистки заключается в том, что пары воды, содержащие вредные летучие (а нелетучие остаются в осадке) примеси, после выхода из испарителя пропускаются через колонку с катализатором, нагретым до 160^оС. В результате большинство токсичных веществ разлагаются до нейтральных после растворения в воде веществ:

СО₂, Н₂О, N, SO₂.

Наиболее эффективным катализатором является гопкалит – смесь окисей марганца MnO и меди CuO. Конденсат воды в этом случае получается высокой чистоты даже при полном извлечении воды из урины. Система очистки – замкнутый контур, по которому циркулирует газ – носитель паров воды и включает в себя испаритель с полимерной мембраной. Потребная мощность в такой схеме – 120 Вт/чел.