Очищення води

Очищення води - процес видалення небажаних фізико-хімічних і біологічних складових з водної суспензії і розчинів природного і антропогенного походження. Води до яких застосовують очищення умовно поділяють на природні, стічні і дренажні. Застосування тої чи іншої  технологій очищення визначають саме характеристики складової  водної суспензії чи розчину яку необхідно вилучити. Наразі в нас набув майже суцільного  поширення підхід з визначення тих чи інших технологічних засобів очищення вод, що спирається на  класифікацію домішок і забруднень води за їх фазово-дисперсним станом (суспензія (розмір і властивості домішок),  розчин, то що). Даний підхід було запропоновано на початку 80-тих років ХХ сторіччя. Формальну першу масову публікацію такий підхід отримав в роботі Кульського Л.А. та Накорчевскої В.Ф. - Химия воды: Физико-химические процессы об-работки природных и сточных вод. Кульский Л. А., Накорчевекая В. Ф. — К.: Вища школа. Голов¬ное изд-во, 1983.—240 с. В цій роботі було формалізовано принцип класифікації домішок і забруднень води за їх фазово-дисперсним станом. Тобто головна рол відведена дисперсності та агрегативній і кінетичній стійкості частинок.

Існує ряд інших підходів що базуються на дещо інших підходах. Наприклад відповідно до класифікації О. А. Алекіна, природні води поділяються на три класи по переважному аніону (С^-; S^-; Cl^-) і три групи по переважному катіону (Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺). Кожна група, в свою чергу, характеризується трьома типами вод, що визначаються співвідношенням між іонами.  Дві з них належать до гетерогенних систем, представлених у воді взвесями, колоїдами, емульсіями і піною. Обов'язковою ознакою гетерогенних систем є існування поверхонь розділу. Дві інші належать до гомогенним системам - речовин, що створює з водою молекулярні та іонні розчини. Чим менше розмір часток дисперсної фази в дисперсійному середовищі, тим більше величина їх питомої міжфазної поверхні і тим сильніше вплив поверхневих явищ на властивості системи.

Існує також цілий ряд інших підходів утворених на дещо відмінних  класифікаціях.

У випадку застосування методів класифікації  Кульського Л.А. для очищення природних вод є рекомендованими методи підготовки води питної якості в залежності від класів джерел водопостачання:

1 класу - вода не вимагає підготовки;

2 класу - відстоювання, фільтрування, знезараження;

3 класу - фільтрування з реагентної обробкою, знезараженням.

Класифікація домішок за їх фазово-дисперсному станом  Кульського Л.А.

Група	Характер домішок	Розмір частин, см	Структурні системи
I Зависі	Суспензії, емульсії, мікроор-організми, планктон	10^-2-10^-5	Гетерогенні
II Колоїдні розчини	Колоїди, високомолекулярні сполуки, віруси	10^-5-10^-6	Гетерогенні
III Молекулярні розчини	Гази, розчинні у воді, органічні речовини, що додають запах і присмак	10^-6-10^-7	Гомогенні
IV Іонні розчини	Солі, кислоти, основи	10^-7-10^-8	Гомогенні

Історія

За часів римлян не здійснювалася дезинфекція. Не вживалися заходи по стерилізації, асептиці, антисептиці тощо. Римляни очищували воду лише шляхом її відстоювання. Акведуки були наділені спеціальними резервуарами-відстійниками, у яких вода з плином часу очищувалася від дисперсперсної фази, яка осідала.

У воді з римських акведуків у надлишковій кількості містився свинець, оскільки частина труб, по яким йшла вода, були свинцевими. Постійне вживання такої води призводило до того, що канцерогенний свинець накопичувався у організмі й провокував розвиток ракових захворювань. Як наслідок — тривалість життя римлян не перевищувала 25 років^[1][2].

Санітарно-мікробіологічий аналіз води та вибір джерел водопостачання

Санітарно-мікробіологічний аналіз води здійснюється за методичними вказівками (МУ) 2285-81, розроблені міністерством охорони здоров'я СРСР, Інститутом загальної та комунальної гігієни ім. А. Н. Сисіна АМН СРСР.

Вибір джерел для централізованого водопостачання здійснюється відповідно до вимог, встановлених у ДСТУ 4808:2007.

Бактерії Pseudomonas veronii можуть використовуватися для високоточного аналізу чистоти води^[3].

Мембранне фільтрування - як одна з можливих технологій водопідготовки

Тангенційно-потокове фільтрування — технологічний процес під тиском. Суміш рідини із твердими речовинами контактує із мембраною так, що рідина проходить через мембрану. Потік рідини через мембрану обумовлений градієнтом гідравлічного тиску. У випадку зворотного осмосу й нанофільтрації осмотичний тиск розчину спрямований назустріч фільтраційному тискові. При ультра- й мікрофільтрації осмотичний тиск є дуже малим через велику молекулярну вагу розчинених речовин.

Розчинена речовина, яка не проходить через мембрану, накопичується у тонкому граничному шарі біля поверхні мембрани й призводить до зміни концентрації у напрямку, протилежному фільтрації. Розчинена речовина завдяки градієнту концентрації дифундує через цей граничний шар. Це явище, яке називається концентраційною поляризацією, відіграє важливу роль у всіх різновидах тангенційно-потокового фільтрування, причому механізм дифузії залежить від типу розчиненої речовини.

Схема руху потоків у мембранному фільтрі із зовнішньою фільтруючою поверхнею^[4]

Робота мембранного фільтрування оцінюється з точки зору її здатності давати за короткий час великі об'єми фільтрату й ступенем чистоти фільтрату відносно концентрації розчиненої речовини. Для цього застосовються два інверсальних параметри — потік пермеату й кількість відфільтрованої речовини. Потік пермеату ${\displaystyle J}$ визначається як об'єм пермеату, який проходить через одиницю площи мембрани на одиницю часу (л / м2 * год):

${\displaystyle {\text{Потік пермеату(проникність)}}\,J={\frac {\text{Об'єм пермеату}}{{\text{площа мембрани}}\times {\text{час}}}}}$

Кількість відфільтрованої речовини визначається як відношення маси розчиненої речовини, затриманої мембраною, до її маси у надходжуваному потоці, й зазвичай виражається у відсотках.

${\displaystyle {\begin{matrix}{\text{Кількість відфільтрованої }}\\{\text{речовини (селективність)}}\times 100\%\end{matrix}}=[1-{\frac {\text{Концентрація речовини у пермеаті}}{\text{Концентрація речовини у початковому потоці}}}]}$

Коли об'єм розчину ${\displaystyle V}$ зменшується на ${\displaystyle dV}$ для збільшення його концентрації ${\displaystyle C}$ на ${\displaystyle dC}$ за допомогою мембрани із затримуючою здатністю ${\displaystyle \sigma ,}$ нова концентрація обчислюється по формулі:

${\displaystyle C-dC={\frac {CV-C(1-\sigma )dV}{V-dV}}.}$

Після спрощень дане рівняння зводиться до

${\displaystyle {\frac {dC}{C}}=-\sigma {\frac {dV}{V}}.}$

Це рівняння можна інтегрувати, коли затримуюча здатність ${\displaystyle \sigma }$ є простою функцією концетрації. Коли затримуюча здатність залишається сталою незалежно від концентрації, отримується наступне рівняння, яке співвідносить об'ємне відношення із концентраційним.

${\displaystyle {\frac {C}{C_{0}}}=({\frac {V_{0}}{V}})^{\sigma }.}$

Це рівняння застосовується до так званих «пропорційних» систем концентрації, але шляхом заміни об'ємів ${\displaystyle V}$ та ${\displaystyle V_{0}}$ на витрати ${\displaystyle Q}$ та ${\displaystyle Q_{0}}$ його можна застосовувати й до неперервних систем.

Матеріали мембран

Основна маса мікрофільтраційних мембран — це полімерні мембрани. При виготовленні мембран шляхом травлення полімерна плівка зазнає впливу випромінювання, яке розриває полімерні ланцюжки, а потім — травлення у хемічній ванні, де пошкоджені області розчиняються. Цим способом роблять мембрани із циліндричними порами, причому діапазон розмірів пор дуже малий (0,01-10 мкм). Це дозволяє використовувати такі мембрани для сепарації мікрочастинок по розмірам, їх концентрування, ультратонкої очистких рідких й газоподібних середових, стерилізації рідин.

Завдяки великому числу пор (${\displaystyle 10^{6}-10^{9}\,}$ см⁻²) й малій товщині такі мембрани мають високу пропускну здатність для рідин та газів (до ${\displaystyle 10^{2}\,{\text{м}}^{3}/{\text{м}}^{2}\cdot {\text{год}}}$ та ${\displaystyle 3\cdot 10^{4}\,{\text{м}}^{3}/{\text{м}}^{2}\cdot {\text{год}}}$).

Для їх виготовлення застосовуються, наприклад, плівки з поліетилентерефталату та інші полімерні матеріали, які є стійкими до впливів.

У роботі мембран важливу роль відіграют матеріали, з яких вони виготовлені, та характеристики їх поверхні. Гідрофільні матеріали (наприклад, ацетат целюлози) менше зазнають засмічення поверхні масляними речовинами, ніж гідрофобні (наприклад, полісульфон). Як високогідрофільний матеріал, який застосовується у мембранах для ультра- й мікрофільтрації, використовують поліакрилонітрил.

Інші методи

Високі адсорбційні й йонобмінні властивості глауконіту й гідробіотиту обумовлюють застосування їх для очищення й пом'якшення води. Активоване вугілля добре підходить для доочищення води від хлорорганічних сполук, фенолів, пестицидів, нафтопродуктів, сполук тяжких металів тощо (наприклад, вміст ртуті у водах річок знаходиться у приблизних межах ${\displaystyle n\cdot 10^{-7}...n\cdot 10^{-6}}$ г/л ^[5]). Ртуть є кумулятивною отрутою (тобто здатна накопичуватися у організмі), яка порушує роботу білків через афінність до сірки^[6]. Гранично припустима концентрація ртуті (середньодобова) у питній воді складає 0,0005 мг/м3 ^[7]. Для очищення води від ртуті може застосовуватися дисульфід молібдену^[8].

Ефективний механізм адсорбції на активному вугіллі пояснюється тим, що атоми вуглецю на поверхні графітоподібних мікрокристалів знаходяться у іншому електронному й енергетичному стані, на відміну від атомів об'ємної фази, особливо у місцях дефектів кристалічної ґратки. Нявність у таких атомів вільних валентностей забезпечує їх хемічну й сорбційну взаємодію із різними речовинами. ^[9]

Для очищення води можуть застосовуватися наночастинки SFNPs й нанокомпозити SFNCs^[10][11][12].

Як сорбційний матеріал може застосовуватися шкірка волоського горіху^[13].

Проблема біоплівок

Кінцеві метаболіти бактерій — екзополісахариди, екзоліпополісахариди, карбонові кислоти, ферменти тощо, сприяють деструкції захисних матеріалів й обростанню колоніями бактерій («біоплівками») систем водопостачання.

Біоплівки у трубі

Для подолання проблеми наростання біоплівок й отруєння води продуктами життєдіяльності мікроорганізмів можуть застосовуватися антибактеріальні покриття. Встановлено, що серед досліджених антисептиків найкращими біоцидними властивостями наділені титан й аміновмісткі сполуки^[14][15][16]. Проблему адгезії (прилипання до внутрішньої поверхні труби) мікроорганізмів можуть вирішити ліофобні добавки до наношуваних покриттів (типу сажі)^[17].

Див. також

• Токсичність
• Хронічна токсичність

Джерела

1. P.Charlier F.Bou Abdallah R.Bruneau - Did the Romans die of antimony poisoning? The case of a Pompeii water pipe (79 CE), Toxicology Letters Volume 281, 5 November 2017, Pages 184-186.
2. Физико-математическое и технологическое образование: проблемы и перспективы развития: материалы IV Международной начно-методической конференции / Отв.ред. С.В.Лозовенко.
3. Н.Ю.Юдина, Т.Н.Абрамова, В.А.Арляпов - Создание биосенсора на основе бактерий, выделенных из активного ила, для экспресс-мониторинга водных сред.
4. Поляков Юрий Сергеевич - Ультра– и микрофильтрация в половолоконных аппаратах с образованием осадка на поверхности мембран.
5. Овчинников А.М. Гидрогеохимия. М., "Недра", 1970, с. 162.
6. Jonathan G. Melnick, Kevin Yurkerwich, Gerard Parkincorresponding - On the Chalcogenophilicity of Mercury: Evidence for a Strong Hg–Se Bond in [TmBut]HgSePh and its Relevance to the Toxicity of Mercury.
7. Л.Е.Піскунова, В.А.Прилипко, Т.О.Зубок - Безпека життєдіяльності.
8. Camrynn L Fausey, Ines Zucker, Danielle E Lee, Evyatar Shaulsky, Julie B Zimmerman, Menachem Elimelech - Tunable Molybdenum Disulfide-Enabled Fiber Mats for High-Efficiency Removal of Mercury from Water.
9. Alikin V.N. et al. Sovremennye tekhnologii obrabotki vody. Poluchenie pit'evoj vody vysokogo kachestva «Chistaya voda», T. 1. [Modern water treatment technology. Receiving high quality drinking water "Clean Water", V. 1]. Moscow, Nedra, 2014. 207 p. (in Russian).
10. Kebede K. Kefeni, Bhekie B. Mamba, Titus A.M. Msagati - Application of spinel ferrite nanoparticles in water and wastewater treatment: A review.
11. D. Harikishore Kumar Reddy, Yeoung-Sang Yun - Spinel ferrite magnetic adsorbents: Alternative future materials for water purification?.
12. M. J. Wu, T. Bak, P. J. O’Doherty, M. C. Moffitt, J. Nowotny, T. D. Bailey, and C. Kersaitis - Photocatalysis of Titanium Dioxide for Water Disinfection: Challenges and Future Perspectives.
13. И.Г. Шайхиев, С.В. Свергузова, К.И. Шайхиева, Ж.А. Сапронова - Использование скорлупы грецкого ореха (Juglans Regia) в качестве сорбционных материалов для удаления поллютантов из природных и сточных вод.
14. Н.Н.Ласковенко, Ж.П.Каптева, М.А.Борецкая и др. - Биостойкость защитных модифицированных полиуретановых покрытий.
15. Чухланов В.Ю., Селиванов О.Г., Селиванова Н.В., Чухланова Н.В. - Разработка и исследование свойств защитного покрытия на основе модифицированного полиуретана.
16. Н.Г. Проданчук - НАНОЧАСТИЦЫ ДИОКСИДА ТИТАНА И ИХПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ РИСК ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ ИОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.
17. Л. В. Соловьянчик, А. А. Пыхтин, В. С. Ведникова, С. В. Кондрашов, Б. Ф. Павлюк - Исследование влияния наночастиц диоксида кремния на свойства кремнийорганических покрытий.

• Kennet J. Valentas — Food engineering practice.
• Поляков Юрий Сергеевич — Неравномерное осаждение частиц на внешней и внутрненней поверхности полупроницаемых мембран.

Література

• Довідник сучасних технологій з очищення природної і стічної води та обладнання / [І. В. Панасюк та ін. ; під заг. ред. І. В. Панасюка] ; Київ. нац. ун-т технологій та дизайну. — Київ : Медінформ, 2016. — 245 с. : іл., табл. — Бібліогр.: с. 231—234 (38 назв). — ISBN 978-966-409-191-3

Посилання

• Очищення води [1] // Термінологічний словник-довідник з будівництва та архітектури / Р. А. Шмиг, В. М. Боярчук, І. М. Добрянський, В. М. Барабаш ; за заг. ред. Р. А. Шмига. — Львів, 2010. — С. 142. — ISBN 978-966-7407-83-4.

Див. також

• Очищення стічних вод
• Очищення стічних вод збагачувальних фабрик
• Очищення природної води