1.4 Альтернативные методы очистки воды

В связи свыше перечисленными факторами особенно актуальны вопросы поиска новых источников водоснабжения, например таких, как атмосферная влага.[4]

Она состоит, главным образом, из водяного пара и его конденсата (капелек воды и кристалликов льда) объемом в 12,9 тысячи кубокилометров. Это в 6 раз больше объема воды во всех реках мира.

Условные запасы атмосферной влаги, по расчетам специалистов, составляют 69 км³., что почти в 2 раза превышает расчетные запасы подземных вод. [4]

В основе извлечения воды из атмосферы лежат простые физические процессы. Например, использование разности температур воздуха в дневное и ночное время, над поверхностью земли и в ее толще (до глубины 6м.), а также применение процессов адсорбции –десорбции с помощью специально подобранных материалов, охлаждение водосодержащей среды ниже температуры росы с последующим нагревом естественным способом, либо с помощью подвода энергии и организации сбора воды и т.д. [11]

Применяемые при этом технические устройства достаточно разнообразны по конструкции, степени автоматизации и адаптации к условиям среды.

Другим альтернативным методом очистки воды является применение обратноосмотических установок. Нанофильтрация и обратный осмос – передовые технологии очистки воды, основанные на избирательном проникновении молекул и гидратированных ионов через поры полупроницаемых мембран. Размер пор определяет степень очистки (селективность) от растворенных в воде примесей. Степень задержания солей может достигать 99,6%. Обратный осмос по качеству получаемой воды может быть сравнен с технологиями ионного обмена, электродиализа, дистилляции. По степени промышленного освоения с обратноосмотическими установками могут конкурировать только установки ионного обмена. Сегодня в мире происходит постепенное вытеснение ионообменных установок более совершенными установками, использующими технологию обратного осмоса.

Преимущества обратного осмоса по сравнению с ионным обменом и дистилляцией:

- снижение расхода реагентов и вредных выбросов в окружающую среду;

- снижение эксплуатационных затрат;

- уменьшение производственных площадей.

Очистка воды методом обратного осмоса происходит на молекулярном уровне и требует повышенного качества исходной воды. Для предупреждения повреждения мембран в некоторых случаях требуется установка надежной системы предварительной очистки исходной воды. [8]

Область применения обратноосмотических установок:

- опреснение морской воды,

- очистка сточных вод,

- пищевая и ликероводочная промышленность,

- химическая, металлургическая, фармацевтическая, электронная промышленность. [3]

1.5. Классические способы очистки воды

Методы очистки воды в бытовых условиях

Для очистки воды в домашних условиях люди применяют разнообразные способы. Но далеко не все знают, как правильно их нужно осуществлять и какой может при этом возникнуть побочный результат.

Все методы очистки воды можно условно разделить на две группы: очистка без применения фильтров и очистка с применением фильтров. [4]

Очистка воды без применения фильтров.

Данный вариант преимущественно популярен и доступен, так как в целях очистки воды нет необходимости в приобретении дополнительных устройств, кроме как обычной кухонной посуды. К наиболее распространенным приемам относятся:

• Кипячение

• Отстаивание

• Вымораживание

Кипячение

Все мы знаем, что сырую воду употреблять нельзя, только кипяченую. Кипячение используют для уничтожения органики (вирусов, бактерий, микроорганизмов и др.), устранения хлора и иных низкотемпературных газов (радон, аммиак и др.). Кипячение действительно помогает в определенной степени очистить воду, но данный метод имеет определенный ряд побочных эффектов.

Первый - при кипячении меняется структура воды, т.е. она становится "мертвой", так как происходит испарение кислорода. Чем дольше мы кипятим воду, тем больше уничтожается в ней патогенов, но тем более она становится бесполезной для организма человека.

Второй - поскольку при кипячении осуществляется испарение воды, то концентрация солей в ней увеличивается. Они отлагаются на стенках чайника в виде накипи и извести и попадают в организм человека при последующем потреблении воды из чайника.

Как нам известно, соли обладают тенденцией накапливаться в организме, что приводит к  многообразным болезням, начиная от заболеваний суставов, образованию камней в почках и окаменению (циррозу) печени, и заканчивая артериосклерозом, инфарктом и мн. др. Кроме этого, множество вирусов могут спокойно перенести кипячение воды, так как для их уничтожения требуются намного более высокие температуры. Также заметим, что при кипячении воды удаляется только газообразный хлор. В лабораторных исследованиях был подтвержден тот факт, что после кипячения водопроводной воды образуется дополнительный хлороформ (вызывает раковые заболевания), даже если перед кипячением воды была освобождена от хлороформа продувкой инертным газом.

Вывод. После кипячения мы пьем "мертвую" воду, в которой присутствуют мелкая взвесь и механические частицы, соли тяжелых металлов, хлор и хлорорганика (хлороформ), вирусы и др. [6]

Отстаивание

Отстаивание применяют в целях удаления из воды хлора. Обычно, для этого водопроводную воду наливают в большое ведро и оставляют в нем на несколько часов. Без перемешивания воды в ведре устранение газообразного хлора происходит примерно с 1/3 глубины от поверхности воды, поэтому для получения сколь-либо заметного эффекта нужно следовать проработанным способам отстаивания.

Результативность этого способа очистки воды оставляет желать лучшего. После отстаивания требуется кипятить воду. [2]

Вымораживание

Данный способ используют для результативной очистки воды с помощью ее перекристаллизации. Этот метод значительно эффективнее кипячения и даже перегонки, так как фенол, хлорфенолы и легкая хлорорганика (ряд хлорсодержащих соединений - страшнейший яд) перегоняются вместе с водяным паром (последнее дадим на заметку поклонникам дистиллированной воды).

Многие под этим методом подразумевают следующее: налить воду в тару и поставить ее в холодильник до образования льда, позже вынуть тару из холодильника и разморозить ее для питья. Сразу заметим, что эффект очистки воды вышеприведенным способом нулевой, так как вымораживание - очень сложный и затяжной процесс, результативность которого полностью зависит от точного следования разработанным методикам.

Этот метод основывается на химическом законе, согласно которому при замерзании жидкости сначала в наиболее холодном месте кристаллизуется основное вещество, а уж в в дальнейшем  в наименее холодном месте затвердевает все, что было растворено в основном веществе. Данный процесс можно наблюдать на примере свечи. В затухшей свече подальше от фитиля возникает чистый прозрачный парафин, а посередине, где горел фитиль, накапливается сажа и воск получается грязным. Этому закону подчиняются все жидкие вещества. Важное здесь - обеспечить медленное замораживание воды и вести его так, чтобы в одном месте сосуда его было больше, чем в другом. Так как этот метод очень содержательный, то приводить его здесь не будем. Заметим лишь то, что обработка воды методом вымораживания может протекать несколько часов с постоянным отслеживанием процесса. Иначе  эффективность резко снижается. [4]

Очистка воды с применением фильтров

Для устранения вредных примесей из водопроводной воды применяют разнообразные фильтры. В домашних условиях часто применяются разнообразные кувшины и насадки на кран.

Методов водоподготовки и способов очистки воды придумано уже много. Причин загрязнений питьевой воды существует много. В основном все они, так или иначе, связаны с источниками воды. Каждый тип источника имеет свои характерные причины, вызывающие загрязнение воды.

Решением проблем, связанных с загрязнениями воды, является ее очистка. В наше время имеется ряд методов водоподготовки и способов очистки воды, позволяющих добиться высокого качества питьевой воды практически из любого источника.

Существуют следующие способы получения гарантированного высокого качества питьевой воды из разных источников:

• Способ осаждения

• Осветление воды

• Мембранные способы

• Химические реагенты для окисления

• Адсорбция

• Обезжелезивание воды

• Умягчение воды

• Обессоливание воды

• Кондиционирование воды

• Обеззараживание воды

• Удаление органических загрязнений

• Дихлорирование воды

• Удаление нитратов [4]

Классические методы очистки питьевой воды

Озонирование

Проблема снабжения людей питьевой водой, отвечающей требованиям стандарта, является одной из важнейших проблем, решение которых стоит перед предприятиями и организациями водообеспечения России.

В процессе зарегулирования рек и строительства на них водохранилищ возникли условия для появления планктона, что влияет на увеличение цветности и появлению в воде привкусов и запахов. Органические примеси и химические загрязнения выносятся в водоёмы с неочищенными сточными водами населённых пунктов и промышленных предприятий. В итоге во многих водоёмах, особенно вблизи крупных населенных пунктов, природная вода содержит фенолы (до 2 - 7 ПДК), хлорорганические пестициды, аммонийный и нитридный азот (до 10 - 16 ПДК), нефтепродукты и многие другие загрязнения.

Периодически появляющиеся аварийные ситуации приводят к значительному ухудшению качества воды природных источников и соответственно качества питьевой воды. В подземных водах нередко выявляются марганец, амины, нефтепродукты. [3]

Барьерная значимость имеющихся водопроводных очистных построек незначительна, и в питьевой воде, употребляемой людьми, содержатся практически те же загрязнения, что и в природной воде. Одним из наиболее значимых и высокоэффективных методов очистки воды от указанных загрязнений считается озонирование. Озонирование воды позволяет значительно улучшить качество питьевой и очищенной сточной воды и разрешить трудности: здравоохранения и экологии.

Озонирование воды дает возможность кроме решения важных задач по улучшению качества очищенных сточных вод, упростить технологию подготовки естественных вод. Преимущественно широкое использование технология озонирования приобрела в области производства питьевой воды. В существующем разнообразии методов и способов решения задач качественной очистки и обеззараживания воды озонирование является предпочтительным, что связано:

• проблемами решения задач, связанных с возникновением в очищенной воде в результате её хлорирования токсичных хлорорганических образований;

• недостающим количеством хлорреагентов, производимых российской промышленностью;

• возможностью производства озона на месте использования;

• повышенной активностью озона в отношении обеззараживания воды от бактерий и вирусов.

Озонирование возможно применять как дополнительный способ очистки воды взамен классического хлорирования, в сочетании с хлором, перекисью водорода и иными окислителями, вместе с УФ-облучением, обработкой ультразвуком, фильтрацией с применением песка, активированного угля, ионообменных смол. [8]

Преимущество озонирования заключается в том, что под воздействием озона одновременно с обеззараживанием проходит обесцвечивание воды, а также удаляются запахи и привкусы воды и вообще улучшаются её вкусовые качества. Озон не изменяет природные свойства воды, так как его излишек (не прореагировавший озон) через несколько минут преобразуется в кислород.

Озонная проработка устраняет земляной привкус воды в результате уменьшения концентрации геосмина в 5-10 раз. Несмотря на возникновение у воды после переработки озоном нового вкусового компонента, суммарные вкусовые качества озонированной воды улучшаются.

Озон начали использовать для дезинфекции питьевых вод раньше, чем хлор. Но несмотря на это озон ещё не нашёл необходимого применения в методике водоподготовки, особенно в России. Основными причинами этого являлась, по- видимому, нехватка электроэнергии, а также то, что химические и физические свойства водного раствора озона ещё мало исследованы. В текущее время на ряде водоподготовительных установок в теплоэнергетике произошла также проблема интенсивного зарастания ионообменных фильтров биомассой. Не изменяя ионообменных свойств загрузки, биомасса увеличивает сопротивление загрузки, что приводит к значительному снижению скорости фильтрования.

Согласно литературным источникам, в целях предупреждения  становления биомассы и стерилизации фильтров используют разнообразные окислители, такие как активный хлор, содержащийся в электроактивированном растворе хлористого натрия, формальдегид, перуксусная кислота, хлорамин Т и др.

Процесс бактерицидного воздействия хлора и его кислородсодержащих соединений состоит во взаимодействии с составными элементами клетки микроорганизма, в первую очередь с ферментами, что влияет на обмена веществ в клетке и отмиранию микроорганизмов. В практике переработки воды используют свободный хлор, соли хлорноватистой кислоты (гипохлориты) и диоксид хлора ClO2. При растворении хлора в воде возникает гидролиз с появлением хлорноватистой и хлороводородной (соляной) кислот. [11]

Хлорирование

На сегодняшний день на многих станциях водоподготовки используют жидкий или газообразный хлор (в качестве альтернативы – гипохлорид натрия или кальция). Когда один из самых распространенных антисептиков попадает в воду, образуется смесь хлорноватистой и соляной кислоты:

Сl₂ + Н₂О = НОСl + НСl

Затем хлорноватистая кислота диссоциирует, образуя ионы гипохлорита, которые обладают бактерицидными свойствами:

НОСl→Н⁺+ОСl^-  Сумму Сl₂+НОСl+ОСl- называют свободным активным хлором.