Энциклопедия воды – статьи, определения, размышления

В комментариях прозвучал вопрос, просьба осветить это явление-процесс подробно и с деталями. Что мы и сделаем.

Итак, обратный осмос. Или, другими словами, осмос наоборот, в другую сторону. Что же такое осмос как таковой?

Осмос – это такое физическое явление. Чтобы описать его понятнее, давайте будем идти постепенно, шаг за шагом. Для начала представьте себе ёмкость.

Теперь представьте, что эта ёмкость  разделяется напополам гибкой перегородкой (например, из тонкой резины).  Получается две камеры.

Что будет с перегородкой, если в обе камеры налить одинаковый объём воды? Ничего. Она будет неподвижна, в равновесии.

Теперь в одну камеру наливаем хороший, крепкий раствор сахара. А во вторую – такое же количество  обычной воды.

Что произойдёт?

Гибкая перегородка выгнется в сторону чистой воды – её "выдавливает" раствор сахара.

Та сила, которую нужно приложить к перегородке, чтобы вернуть её в исходное, расновесное положение (как она была в случае с водой в обеих камерах), называется "осмотическое давление". То есть, это определённая сила. Отчего она возникает?

Оттого, что в одной камере есть то, чего нет в другой, в нашем случае это сахар. Такое состояние, в котором в одном месте что-то есть, а в другом чего-то этого нет, называется "разность потенциалов". И всегда возникает движение от большего к меньшему, в сторону уравновешивания.

Что будет, если гибкую перегородку в ёмкости сделать полупроницаемой? То есть такой, чтобы через неё мог пройти сахар?  Под воздействием осмотического давления сахар устремится в камеру, где сахара нет. Движение будет проходить до тех пор, пока количество сахара в двух камерах не выравняется.

Но что произойдёт, если полупроницаемая перегородка между камерами сможет пропускать воду, но не будет пропускать сахар? Ведь "стремление" к равновесию у системы осталось. Осмотическое давление осталось.

В этом случае вода будет проникать в камеру с сахаром, разбавляя его. Вот этот процесс называется "осмос". Он очень распространён в живой природе: питание организмов как на уровне клеток, так и на уровне целой пищеварительной системы происходит именно по типу осмоса.

Что же такое обратный осмос? Это осмос наоборот. Однажды, почти сто лет назад, люди задумались: вот есть две камеры, одна с раствором солей, другая с чистой водой. Камеры разделены полупроницаемой перегородкой, вода может пройти через неё, а соли – нет. В обычном состоянии вода стремится в камеру с рассолом. Но что будет, если на камеру с рассолом оказывать давление?

Произойдёт вот что. Чем больше давления оказывается на камеру с рассолом, тем меньше вода может в неё поступать через полупроницаемую перегородку. При определённом давлении вода в камеру перестанет поступать. Кстати, это давление и равно осмотическому давлению.

При дальнейшем увеличении давления вода, содержащаяся в рассоле, будет выдавливаться через полупроницаемую перегородку в камеру с чистой водой. Это процесс, обратный осмосу – то есть, обратный осмос.

В процессе обратного осмоса наш раствор сахара концентрируется (то есть сахара по отношению к воде становится больше, чем было в начале), а количество чистой воды в другой камере увеличивается; камера пополняется опреснённой водой. То есть, по сути, мы видим процесс обессахаривания. В более общем смысле это деминерализация (или опреснение, или обессоливание).

Некоторое время (примерно, лет тридцать-сорок) с этим явлением ничего не делали, не могли придумать, зачем оно нужно. Но, когда люди стали осваивать пустынни (Арабские Эмираты и соседние государства), стал ребром вопрос в питьевой воде. Дистиллировать воду очень дорого. Но вот обратный осмос…

Первые аппараты обратного осмоса были нужны для того, чтобы опреснять морскую воду. Для этого применялись высокие давления (порядка 60 бар); можно сказать, гипер-давления. Поэтому процесс обратного осмоса другими словами называется "гиперфильтрация", то есть, сверх-очистка.

Далее процесс пошёл в стророну уменьшения объёмов, примерно одновременно с ухудшением качества водопроводной воды вследствие её загрязнения.  И вскоре появились системы обратного осмоса, доступные каждому. Естественно, вначале они появились за рубежом. Потом стали продаваться и у нас.

Собственно говоря, современные системы гиперфильтрации предназначены для очистки водопроводной или скважинной воды от различных вредных примесей. Вредные примеси (нитраты, тяжёлые металлы и т.д.) отсеиваются на полупроницаемом барьере (мембрана обратного осмоса). Потребителю достаётся чистая и безопасная вода.

Естественно, системы гиперфильтрации используются и в промышленных целях – как деминерализаторы в технологических процессах, для обессоливания морской воды, в качестве замены дистилляторам и для многих других целей.

Со временем были разработаны мембраны, которые могут пропускать большие примеси, чем соли. Так, появились нанофильтрация (умягчает воду, убирает соли тяжёлых металллов, бактерии, вирусы, органические примеси), ультрафильтрация (убирает бактерии, органические примеси, вирусы), микрофильтрация (убирает бактерии и крупные примеси).  В большей степени эти процессы используютсяв промышленности. Хотя есть и бытовые варианты.

Но до сих пор спектр систем обратного осмоса наиболее распространён, так как он в наилучшей степени удаляет из воды вредные вещества.

В статье "Чем вредят синтетические моющие средства в воде", написанной несколько ранее, говорилось о том, что синтетические моющие средства – вредное и опасное вещество. И что удалять его из воды сложно, чем, собственно, эти моющие средства и неприятны. То есть, проблема, собственно, состоит в том, "Как удалить синтетические моющие средства из воды", тогда как эти средства, во-первых, сливаются в канализацию в больших количествах, а, во-вторых, сложно удаляются из воды.

Меня впечатлила эта проблема с синтетическими моющими средствами. На самом деле, и естественными моющими средствами в том числе. И те и другие являются поверхностно активными веществами. И понижают поверхностное натяжение воды. А это, в свою очередь, сильно вредит рыбам и растениям и прочим водным жителям, так как их жировая оболочка, защищающая их от внешних условий и позволяющая им нормально питаться и дышать под водой, становится тоньше или исчезает вообще. А затем эти бедные животные и растения слабеют и гибнут.

Но ведь на самом деле проблемы с синтетическими моющими веществами как таковой нет!

Внезапно я это понял и решил рассказать, что я понял.

Так в чём же дело? Дальнейшая теория не претендует на окончательный авторитетный способ борьбы с поверхностно активными веществами. Но, на мой взгляд, она логична, и достаточно хорошо  вписывается в существующие системы очистки воды.

Итак, ещё раз определимся со способом "работы" поверхностно активных веществ:

1. Поверхностно-активные вещества имеют два полюса.
2. Один полюс лучше взаимодействует с одним веществом, другой полюс лучше соединяется с другим веществом.
3. На примере синтетических моющих средств: эти средства имеют два полюса – гидрофильный, то есть, тот, который любит воду, и гидрофобный, то есть, тот, который отталкивается водой. Но легко соединяется с её противоположностью – с жирами.
4. Эффективность поверхностно-активных веществ состоит в том, что, связавшись с одним веществом, они повышают растворимость этого вещества в  другом веществе, в котором ранее первое вещество не растворялось.
5. Пример с синтетическими моющими средствами: гидрофобными (жиролюбивыми, так сказать)  группами эти средства соединяются с жирами. А гидрофильные (водолюбивые) части средств позволяют расчеплять жиры и в большей степени растворять их в воде, тогда как жиры сами по себе в воде не растворяются. Не верите – налейте масло в воду. Оно будет плавать сплошным пятном. А потом плесните моющего средства и пронаблюдайте, что будет с пятном масла на поверхности воды.
6. Ещё один пример: желчь расчепляет жиры на мелкие частицы, чтобы жиры могли всасываться в кишечник. Желчь – поверхностно активное вещество.
7. Итак, результат взаимодействия поверхностно активных синтетических (и не синтетических) моющих средств с жирами и водой – создание эмульсии. Эмульсия – это смесь двух жидкостей. Если вы нальёте масло в воду и в течение 10 минут будете трясти ёмкость, перемешивая эти две фазы, то масло и вода смешаются, но не растворятся друг в друге. Вы будете видеть капли масла, более или менее мелкие. И если датите постоять этой эмульсии (а получилась именно она) день-два, фаза масла отделится от фазы воды самостоятельно.
8. Синтетические моющие средства делают эмульсию жиров и воды устойчивой, жиры образуют очень-очень маленькие капли. В общем-то, это происходит каждый раз, когда вы моете жирную посуду с применением моющего средства.

Идём дальше. Обычно, при мытье посуды, большая часть моющих средств пропадает бесцельно. На удаление жиров идёт едва ли десятая часть моющего средства. Остальное остаётся активным, способным к подавлению рыб и прочих водных животных. И эту часть нужно удалять.

А теперь соединяем два данных: "в сточной воде есть свободные синтетические моющие средства, которые нужно удалить" и "свободные синтетические моющие средства связываются с жирами".

Каков результат соединения?

На станции очистки воды свободные синтетические моющие средства могут улавливаться и связываться жирами.

Следствие связывания моющих средств жирами: моющие средства связаны и не проявляют свое поверхностно-активное воздействие. Соответственно, не вредят рыбам, ракам и водным растениям.

Чем не идеальная картина? И это ещё не всё!

На самом деле эти эмульгированные свободными синтетическими моющими средствами жиры могут быть уловлены на станциях водоочистки и не попадают в водоёмы в принципе!

Делается это очень просто, с помощью флокулянтов, флотации и фильтрации.

Более детально: эмульгированные жиры нужно "слепить" в комочки, которые можно отфильтровать. Для этого в воду добавляется флокулянт – вещество, которое вызывает это слипание. В качестве флокулянта часто используется акриловая кислота (из которой наращивают ногти и которой покрывают ванны). Акриловая кислота связывает эмульгированные жиры, те слипаются, всплывают на поверхность воды в виде пены (происходит флотация) и эти крупные частицы  легко удаляются на специальных фильтрах. Отфильтрованные жиры можно собирать, сушить и использовать в качестве топлива на ТЭЦ.

Вот и вся проблема, однако! Решение простое и не дорогое.

Любой фильтр для воды, поскольку выполняет одинаковую функцию, состоит из сходных частей.

Перво-наперво это блок подключения фильтра к водопроводу (или другому источнику воды). Этот блок может быть совершенно различного вида, но задача у него вполне определённая – подключить (надёжно и без протечек) фильтр к источнику воды. Чаще всего это тройник-американка для врезки в трубопровод и кран для того, чтобы фильтр можно было легко отключить от воды.  Если для примера взять обычную многоступенчатую систему обратного осмоса, то там тройник с двух сторон имеет резьбу для подключения к трубе, а с третьей – отвод с краном и гнездом для быстроразъёмного соединения.

Следующий этап – механическая очистка воды. Чаще всего  этот этап выполнен в виде отдельной ступени-колбы с картриджем механической очистки. Иногда используется фильтрующая сетка, но в случае со стандартными системами очистки воды (тот же обратный осмос), это именно картридж. Степень очистки воды перед системой обратного осмоса оптимальна 5 микрон.

Далее фильтр для воды состоит из этапа очистки воды от хлора. Хлор в 99 % случаев удаляется с помощью фильтра с активированным углём. Благодаря  большой площади поверхности, активированный уголь полностью удаляет хлор из воды в течение определённого времени. Частота замены для аппаратов обратного осмоса составляет раз в 4 месяца (для надёжности) или 2/3 ресурса, если он известен.

Следующая составная часть фильтра для воды зависит от типа фильтра для воды. Это может быть ещё один картридж с активированным углём, ультрафиолетовая лампа, мембрана ультрафильтрации, ионообменная смола, обезжелезивающая загрузка, мембрана нанофильтрации или обратного осмоса.

В любом случае, можно назвать эту ступень (которая может включать несколько этапов) основной ступенью очистки воды. Обычно она наиболее дорогая (например, мембрана обратного осмоса или ультрафильтрации).

В зависимости от модели фильтра, может существовать ступень посточистки воды. Так, например, в случае с умягчителем или обезжелезивателем, после этого аппарата рекомендуется устанавливать фильтр с активированным углём для того, чтобы во время промывки фильтров загрязнения не попали в основную водопроводную магистраль.

После аппарата обратного осмоса (капельницы) обычно устанавливается постфильтр с посеребрённым активированным углём или ультрафиолетовая лампа. Это необходимо оттого, что низконапорный обратный осмос, работающий на накопительный бак, может быть источником вторичного загрязнения воды во время простоев.

Ещё один важный элемент очистителя для воды, без которого его состав был бы неполным, это источник движущей силы воды и движущей силы прибора. В случае с бытовыми фильтрами для воды воду двигает насос, подающий её же в водопроводную магистраль. Иногда бытовые фильтры, особенно очистители обратного осмоса, оснащаются дополнительными помпами для поднятия давления, отчего возрастает их производительность. Иногда системы обратного осмоса оснащаются пермеатными помпами, но это почти не практикуется.

Для работы насоса (если он есть)), или контроллера (счётчика ресурса и т.д., если он есть), используется электроэнергия.

Несколько слов про контроллер. В бытовых системах очистки воды он почти не встречается, однако в более производительных фильтрах он присутствует и выполняет важные задачи по согласованию работы фильтра для воды.

Далее, фильтр для воды состоит из отводящих трубопроводов. Один из них, встречающийся относительно редко, это слив в канализацию. В процессе работы (или в процессе промывки) очистителя происходит разделение воды на грязную и чистую. Грязная и сливается в канализацию. Для этого необходим блок соединения линии слива очистителя и канализации. Чаще всего это очень просто организовать. Например, очиститель может присоединяться к канализации гибким шлангом в точности, как и стиральная машина. Или же (как система обратного осмоса) с помощью специального хомута, который обжимает проделанное в канализационной трубе отверстие.

Канал чистой воды (он тоже входит в состав фильтра для воды) – это обязательный элемент. Может выглядеть как тройник с краном (для мощных фильтров, которые врезаются в линию водопровода, или как изящный краник, обычный для привычных питьевых систем.

Таким образом, фильтр для воды состоит из ряда перечисленных выше элементов, большинство из которых незаменимы.

Если вы покупаете фильтр для воды, а в нём должна быть важная или незаменимая часть, но её НЕТ, не покупайте этот очиститель, поищите другой.