Фильтры и методы очистки воды

Андрей, г. Калуга:
Здравствуйте,Расскажите, пожалуйста, подробнее о фильтрах и методах очистки воды.

Здравствуйте!

Cуществует три основных способа очистки воды, реализуемых в фильтрах: механический, ионообменный и сорбционный. Кроме того, есть методы более сложные методы — мембранный, обратного осмоса, электрохимический и др.

Наиболее простой и распространенный метод очистки воды – механический. В зависимости от того, какой размер имеют задержанные порами фильтра частицы, механическую фильтрацию делят на:

• ультрафильтрацию (задерживается 95% частиц размером 0,2—0,5 мкм);
• два класса микрофильтрации (задерживается 95% частиц размерами 0,5—5 и 5—15 мкм);
• два класса макрофильтрации (задерживается 95% частиц размерами 15—50 и более 50 мкм).

Теоретически механический фильтр способен задерживать крупные и мелкие частицы, взвеси, бактерии и даже вирусы и крупные органические молекулы. Что же касается газов, металлов, хлорорганики, то от этих соединений фильтры не спасают.

Макрофильтрация обычно используется в предфильтрах, патроны которых врезают в входящую водопро­водную трубу. Для более тонкой очистки воды в патроны закладываются катриджи для микрофильтрации. Оптимальный размер пор – 5 мкм, поскольку катриджи с мелкими порами от 0,5 до 1 мкм быстро засоряются.

Осмотическая фильтрация зависит от различной пропускной способности специальных полупроницаемых плёночных мембран (фильтров), изготовленных на основе синтетических полимерных материалов. Толщина таких мембран варьирует от 0,1 до 1 мм и между молекулами в плёнке существуют мельчайшие отверстия-поры, причем очень маленькие, гораздо меньше, чем в механических фильтрах. Питьевая вода состоит из молекул Н₂О и множества молекул и ио­нов примесей, и все они имеют хотя и малые, но разные размеры. Если процеживать воду через мембрану, то пройдут небольшие молекулы Н₂О и близкие к ним по величине, а более крупные будут задержаны. Это и есть механизм осмотической, или мембранной, фильтрации.

В промышленности такие мембраны изготавливают из полимерных и керамических материалов. В зависимости от размера пор, с их помощью осуществляется:

• обратный осмос;
• нанофильтрация (нанометр — одна миллиардная метра, или одна тысячная микрона, то есть 1 нм = 10 ангстрем = 0,001 мкм.);
• ультрафильтрация;
• микрофильтрация.

Самая мелкая сетка (обратный осмос) пропускает лишь молекулы воды, и в результате получается вода, близкая к дистиллирован­ной. При нанофильтрации задерживаются взвеси, микрофлора (включая вирусы), органика и частично ионы натрия, кальция и магния; при ультрафильтрации — взвеси, микрофлора и крупные органические молекулы; при микрофильтрации — взвеси и бактерии. Этот способ фильтра­ции применяется для удаления бактериологических и органических загрязнений (в том числе — хлорорганики), а также обессоливания воды (в случае обратного осмоса). Можно сочетать в фильтре несколько мембран одного или разных типов и комбинировать мембранный фильтр с другими — например, с рабо­тающими по принципу ионного обмена. Но методы мембранной фильтрации очень дорогие и рассчитаны скорее на коллективное, чем индивиду­альное применение.

Другой распространённый метод фильтрации – сорбционная фильтрация. Сорбцией называется поглощение растворенных в воде веществ поверхностью твердого сорбента, в данном случае — материала, наполняющего фильтр. От механической фильтрации этот процесс отличается тем, что материал механического фильтра не инертен, а сорбционного — активен: он захватывает примеси и удерживает их силами молекулярного притяжения. Но поверхность сорбции должна быть велика, чтобы как можно больше примесей задерживалось в его порах. Это достигается тем, что пористый сорбент состоит из мелких частиц, занимающих большой объём..

Самый широко использующийся сорбент – уголь. В каждой частице угля размером 1 мм имеется множество внутренних пор, незаметных глазу, но значительно увеличивающих его поверхность. Уголь совершенно безвреден и легко дробится в порошок. Он захватывает и сорбирует на своей поверхности (в основ­ном в порах) различные примеси и его можно активировать. Активация — особая процедура, в результате которой различных пор, диаметром от 20—30 до 1000 ангстрем и еще крупнее, становится гораздо больше. Их так много, что полная поверхность 1 г активированного угля, производимого отечественными и зарубежными фирмами, равна 800—1500 м².

Сорбционные фильтры удаляют из воды хлорорганику (хлороформ, четыреххлористый углерод, бромдихлорметан и другие вещества), а также тяжелые металлы (железо, свинец и др.), взвесь, бактерии и, в пределах своих возможностей, вирусы. При таком способе фильтрации загрязненной воды примеси, осевшие в порах, забивают их, и спустя некоторое время, определяемое сорбционной способностью фильтра, его необходимо заменить. К тому же уловленные фильтром микроорганизмы никуда не исчезают и даже способны размножаться в фильтрующем материале. Чтобы этого не случилось, требуются специальные меры. Еще один важный момент: не­обходимо, чтобы вода проходила через угольный фильтр с небольшой скоростью (примерно один стакан в минуту на 100 г угля), иначе качественной очистки не получится.

Существует возможность улучшить практически все показатели сорбционного фильтра, если смешать гранулы угля с измельченным полиэтиленом и подвергнуть смесь спеканию либо получить угольное волокно путем карбонизации волокон вискозы с последующей его активацией. Структура такого материала напоминает клубок нитей толщиной 6—10 мкм, с большим количеством пор и огромной активной поверхно­стью. Подобная разработка выполнена известной фирмой Аквафор: в выпускаемых фирмой фильтрах используется материал аквален.

Следующий метод — ионообменный метод фильтрации. Он основан на использовании ионитов — ионообменных (катионных и анионных) смол или искусственных материалов с такими же свойствами. Эти свойства состоят в том, что ионообменный материал способен захватывать из воды одни ионы, насыщая ее другими ионами, входящими в его состав, то есть за счет реакции ионного обмена. Для этого воду пропускают через ионнообменные смолы – катиониты, которые обмеенивают ионы Na⁺ на ионы водорода Н⁺, и аниониты, который обменивают ионы С1^- на ионы гидроксильной группы ОН^-. В результате ионы натрия и хлора будут захвачены фильтрующими материалами, тогда как в воде окажутся ионы Н⁺ и ОН^-, т.е вода. Избирательность являет­ся самым замечательным свойством ионитов, а в остальном они подобны сорбционным материа­лам: тоже пористые, также забиваются извлечен­ными из воды примесями и имеют определенный ресурс. Ионообменные фильтры обычно исполь­зуют для очистки воды от катионов тяжелых ме­таллов и смягчения ее жесткости — захвата избы­точных ионов магния и кальция. У них есть важное достоинство: если заложить в фильтр ионит, обменивающий находящиеся в воде ионы на ио­ны йода или серебра, то микрофлора в такой среде погибнет. При этом, однако, придется просле­дить, чтобы концентрация йода или серебра не превысила допустимую.

Метод электрохимической фильтрации воды - это наиболее современный метод, основанный на электролизе воды.

Это лишь наглядная иллюстрация разнообразных процессов и фильтров воды на их основе, которые могут происходить в воде в зависимости от наличия в ней тех или иных при месей, материала электродов и разделяющих их диафрагм. Так, например, если в воде имеются хлориды, то при электролизе будет выделяться хлор и другие активные окислители, уничтожающие микрофлору точно так же, как в случае хлорирования воды на водопроводной станции; а затем эти соединения будут разрушены на следующих стадиях электролити­ческого процесса. Этим же способом можно раз­рушить или перевести в нейтральные соединения многие вредные вещества, либо сосредоточить их в определенном объеме и выпустить вместе с водой в сток. Данный метод позволяет отделить очищенную воду от грязной, причем работает электрический ток, а не сорбент; ничего не надо заменять, ресурс практически неограничен, расходных картриджей не имеется.

Однако этот способ имеет недостатки: высокая цена, необходимость регулярно промывать электроды слабым раствором кислоты и невозможность контроля за качеством фильтрации. С фильтрующими модулями Аквафор, Гейзера или Барьера проще: их можно вскрыть или выта­щить картриджи в начале, в середине или в конце процесса фильтрации и убедиться, что картриджи темнеют и, значит, работают. С электрохимиче­ским фильтром дела обстоят по-другому: из од­ной трубки течет очищенная вода, из другой —грязная, но различия между ними не слишком заметны.

Таким образом, все указанные методы фильтрации имеют свои достоинства и недостатки:

• Если не принять специальных мер, фильтр может вместе с вредными примесями забрать из воды полезные минеральные добавки — соли натрия, магния, калия и кальция.
  
  
• В конце процесса, когда фильтрующий материал сильно забит вредными химическими примесями и микроорганизмами, задержанными в процессе многодневной эксплуатации, фильтр может слить все загрязнения в стакан. Производители ряда фильтрующих систем (компания Аквафор) свидетельствуют, что их уникальный сорбент убивает микрофлору и настолько прочно удерживает загрязнения, что такого не может случиться никогда: ни по истечении срока годности фильтра, ни тем более в начале эксплуатации.  Другие производители (компания Гейзер) вводят в свой фильтрующий материал серебро, чтобы уничтожить бактерии и предотвратить их размножение в фильтрующем материале. Поэтому любые фильтры рекомендуется менять как можно чаще.
  
  
• От залповых выбросов (например, ржавая вода после застоя в трубах), когда бактерии или какое-либо вредное вещество содержатся в воде в концентрации, которая в десятки-сотни раз превышает ПДК, не спасет никакой бытовой фильтр. Возможно, он очистит 10—20 л воды, но после этого будет забит до отказа. Тогда вода польется из всех отверстий корпуса. Залповый выброс — ситуа­ция сравнительно редкая, и такую воду обрабатывать бытовым фильтром не стоит; лучше поберечь фильтре.

Кроме того, фильтр не должен насыщать воду веществами, входящими в ма­териалы его конструкции. Это, а также необрати­мость захвата примесей и бережное отношение к полезным минералам — обязательства произво­дителей фильтров перед пользователями. Мы же, в свою очередь, должны понимать, что вечных фильтров не бывает, и должны эксплуатировать их в соответствии с инструкцией.

К.х.н. О.В. Мосин