Опріснення води - студопедія

Існує ще ряд методик про-ництва води при яких також про-виходить її знезараження. Але знезараження не є єдиний-жавної метою їх застосування, поряд із знезараженням відбувається опріснення води. Це такі ме-тоди як обратноосмотическая філь-трація і дистиляція води.

Опріснення води-методи уда-лення з неї розчинених солей і інших домішок. Цю групу можна в свою чергу розділити на хімічес-кі і фізичні методи. Розглянемо їх детальніше.

Хімічне осадження. Цей ме-тод заснований на перекладі розчинений-них солей в нерозчинні з'єднань-ня, які випадають в осад і уда-ляють. Застосовувані реактиви мене-ються в залежності від сольового соста-ва опріснюваної води. Наприклад, через биток солей магнію осідає содою, а сульфати можуть бути видалені обра-боткой гідратом окису барію. Метод хімічного осадження тре-бует використання дорогих ре-активів, кожен з яких спрямований на строго певну домішку води, реагенти не піддавалося регенерації. З цієї причини даний метод має дуже обмежене застосування.

Іонний обмін. Метод заснований на властивості деяких речовин можна зупинити обмінюватися іонами з розчину-ми солей. Ці речовини називають іонообмінними смолами. Це свого роду тверді електроліти, які діляться на катіоніти і аніоніти.

Катіоніти - речовини типу твер-дих кислот, у яких аніони пред-ставлені у вигляді нерозчинних у воді полімерів. Аніоніти - за своєю суттю тверді підстави, нерозчинну структуру яких утворюють катіони. Їх Анио-ни (зазвичай це гідроксильна група) рухливі і можуть обмінюватися з ани-онами розчинів.

Хімічний механізм роботи ионо-обмінних смол полягає в послідовно-вательного проходженні води через катіоніт і аніоніт. В результаті з води уда-ляють катіони і аніони і вона тим са-мим знесолювальних. Обмінна спосіб-ність іонообмінних смол (іонітів) не нескінченна, поступово знижуючись, і, врешті-решт, вичерпується вов-се. В цьому випадку потрібно регенера-ція розчином кислоти (катионит) або лугу (аніоніт), що повністю вос-станавливаются вихідні хімічні властивості смол. Ця цінна особливість дозволяє використовувати їх протягом тривалого часу. Складна процедура використан-ня іонообмінних смол і їх після-дме регенерації вимагає автомати-зації, складної системи управління і необхідне обладнання являє-ся досить громіздким, що ограни-чивает його застосування в побуті. В на-варте час даний метод часто включається як один з елементів про-процесу водопідготовки в приватних будинках з автономною системою водоснабж-ня.

Електроосмос. Опріснення на принципі електроосмосу виробляє-ся в спеціальних апаратах, пред-складових собою велектролітичні ванну, розділену двома полупроні-цаемимі мембранами на три відділі-ня. Вихідна вода подається в середовищ-ню камеру. Іони знаходяться у воді солей спрямовуються крізь мембрани до електрода, що має протилежний-ний заряд. Чиста вода залишається в середній камері. Даний метод вимагає витрат елект-роенергіі, хоча і є досить ефективним. Ефективність складаючи-ет більше 90%, досягаючи в деяких слу-чаях 96%. Мембрани мають обмежений-ний термін служби, який максимально складає 5 років, а при несприятливих умовах експлуатації - значно менше. Крім того, цей метод, як і біль-шинство інших методів використовують напівпроникні мембрани, вимагає попередньої підготовки води, що очищається. Є і ще одна особливість, кото-раю значно обмежує застосований-ня даного методу. Це те, що все ре-ства, які не перетворилися при раство-рении в іони, не реагують на електрич-чеський поле. Тобто більшість органічні-ких речовин, бактерій, вірусів і т.п. ос-ТАНЕТ в розчині.

Опріснення виморожуванням. Цей метод заснований на тому, що освітньої-ня кристалів льоду при зниженні тим-ператури нижче 0 градусів відбувається тільки з молекул води (явище криос-копії). Внаслідок цього прісна вода виділяється у вигляді льоду з розчину. Ра-створ стає все більш і більш кон-центровані. Якщо потім злити обра-поклику розсіл і розтопити лід, то вийде обезсолена вода.

Цей метод є вкрай Трудоем-ким, тим більше що автоматизувати його дуже складно. Ступінь очищення таким ме-тодом складно спрогнозувати і можли-но буде потрібно кілька циклів замору-вання-розморожування, щоб напів-чить дійсно обессоленную воду. Крім того, не можна гарантувати повної дезінфекції цієї води. Є і ще одна особливість, пов'язана з даними мето-дом. Це накопичення концентрації так званої важкої води, хімічно такий же, як і звичайна, але має в своєму складі більш важкий ізотоп по-огрядний, який є радіоактивне-ним. Важка вода замерзає першої і відразу включається до складу утворює-ся льоду. Уникнути цього можна тільки якщо прибирати першу корочку льоду, образующіейся-юся на самому початку виморожування. Це ще більше ускладнює і без того не про-просту методику.

Опріснення фільтрацією. У про-процесі фільтрації використовується множе-ство різних фільтруючих пристроїв в залежності від мети застосування. Най-більш часто використовувані фільтри:

Фільтри-коректори рН. Це філь-вки здатні змінювати кислотно-щелоч-рівновага (рН) проходить крізь них рідини. Необхідність в зраді-ванні рН води виникає в двох випадках: 1. Для боротьби з корозією, тому що вода з високою-ким і низьким рН володіє високими кор-розійнимі властивостями; 2. Для забезпечення оптимального ре-жиму експлуатації систем очищення води, так як для нормальної роботи деяких видів фільтруючих середовищ потрібно визна-ділене значення рН.

Фільтри для видалення заліза. Ці фільтри призначені для видалення заліза і марганцю з води. Як реактиву в більшості таких фільтрів використовується двоокис марганцю, який служить каталізатором реакції окислення, при якій розчинені залізо і мар-ганець переходять в нерозчинну форму і випадають в осад. Цей осад задер-живається фільтруючим середовищем і в даль-нейшем вимивається в дренаж при обрат-ної промиванні.

Фільтри-пом'якшувачі. Вони предназ-начени для зниження жорсткості води. Завдяки застосуванню спеціальних за-сипок фільтри цього типу можуть володіти комплексною дією і здатні уда-лять з води певні кількості заліза, марганцю, нітратів, нітритів, сульфатів, солей важких металів.

Вугільні фільтри. Активований-ний вугілля вже досить давно примі-вується в водоочистці для поліпшення не-яких показників води. Зокрема, такими фільтрами видаляється багато не-приємні присмаки і запахи, деякі органічні домішки і т.п. Зараз вмес-то активованого вугілля стали вико-ти вугілля шкаралупи кокосових горіхів, адсорбційна здатність якого в 4 рази вище. Уже розроблені і інші сорбенти.

Вугільні фільтри достатньо деше-ви і тому придбали досить біль-ШОЕ поширення. Однак їх примі-ня має ряд великих недоліків:

1. Маленька пропускна спроможність-ність. Це пов'язано з тим, що якість фільтрації сильно залежить від швидкості проходження води через нього. Чим нижче швидкість, тим краще фільтрація, і наобо-рот, при збільшенні швидкості не тільки знижується якість фільтрації, але і може відбутися скидання адсорбованих раніше домішок. В результаті неправіль-ної експлуатації вода може навіть ухуд-шити свій склад в результаті цього сбро-са.

Виходячи з цих особливостей, в сучас-сних системах очищення води вугільні фільтри використовуються виключно для попередньої підготовки води, яка потім піддається більш якост-жавної очищення. Прикладом такої систе-ми є обратноосмотичні систе-ми, основною робочою частиною яких є спеціальна мембрана, але для того щоб збільшити термін її служби ис-користуються кілька вугільних фільтрів попередньої фільтрації.

Фільтри механічної очистки. Призначені для видалення грубих ча-стіц розміром більше 1 мікрона. Це можуть бути частинки піску, суспензії, ірж-чину, колоїдні речовини. Деякі бактерії (розміром 1-2 мікрона) також можуть фільтрувати таким фильт-ром. Такі фільтри використовуються звичайні-но в якості префільтри грубої фильт-рації в більш складних системах водопідготовки. Їх недоліком є ​​порівняй тельно низька грязеемкость, тому при сильному забрудненні води або більший продуктивності системи требу-ют частого промивання.

Фільтри ультрафільтрації. Бо-леї тонкі і високотехнологічні філь-вки. Вони здатні фільтрувати ча-стіци розміром від 0,003 до 0,1 мікрона, тобто здатні відфільтрувати навіть дрібні вірусні частки і деякі бактери-альні токсини.

Фільтри нанофільтрації. Дозво-ляють здійснювати досить якісно-ву фільтрацію часток розміром від 0,0006 до 0,009 мікрон, а це вже герби-ціди, пестициди, токсини, синтетичні фаски. Це більш високотехнологічні мембрани, здатні звільнити воду від більшості небезпечних домішок. Але навіть цим мембран не під силу звільнити воду від іонів важких металів і раз-особистих солей.

Фільтри зворотноосмотичної фільтрації. Це найякісніші фільтруючі мембрани, здатні освоєння-бодіть воду від 99% домішок. Діаметр пір складає близько 0,0001 мікрона. Та-кі розміри складно навіть уявити. Такими мембранами фільтруються навіть іони металів, не кажучи вже про осталь-них можливих домішках.

Зворотньоосмотична фільтрація - це метод фільтрації, заснований на явищі так званого зворотного ос-Моса. Перш ніж пояснювати, що це таке, варто визначитися, що ж таке звичайний осмос. Ілюстрацією осмосу може служити простий приклад з напів-проникною мембраною, тобто такою мембраною, через яку проходять молекули води і практично не про-ника інші речовини. Якщо по-местить таку мембрану як раз-подільника двох частин посудини, з одного боку якого налитий розчин пова-ренной солі, а з іншого дистильована вода, то скоро буде спостерігатися перенесення води в ту частину, де знаходиться розсіл і його концентрація стане сни -жаться. Рівень рідини в цій частині судини почне підніматися, а в другій - опускатися. Якщо вода і розсіл ізна-чільного знаходяться під однаковим давши-ленням, перенесення, знижуючи відмінність в концентраціях, завжди відбувається з розчинника (більш розведеного ра-створу) в більш концентрований розчин (розсіл). Це природне явле-ня перенесення розчинника в розсіл отримало назву осмос, а процес називається осмотичним. При цьому збільшення тиску з боку розсолу призводить до уменьше-нию осмосу, і в певній точці процес повністю припиняється. Дав-ня, при якому відбувається ця ос-тановка називається осмотичним.

Мабуть, варто сказати, що явле-ня осмосу лежить в основі обміну ве-вин всіх живих організмів. Благода-ря йому в кожну живу клітину надійшли-ють поживні речовини і, навпаки, виводяться продукти жізнедеятельнос-ти. Цей природний процес відіграє зна-ве роль в рослинних і жи-Вотня організмах.

Отже, повернемося до нашого експери-менту. При подальшому збільшенні тиску на розсіл можна поміняти напрям процесу. У цьому випадку через мембрану переважно бу-дет транспортуватися розчинник, тобто вода. І саме це явище послу-жило основою обратноосмотічеського методу опріснення води.

Механізм роботи напівпроникну-мих мембран. Для пояснення механиз-ма роботи обратноосмотічеськіх мембран було висунуто кілька гіпотез. З-гласно так звану гіпотезу гіпер-фільтрації в мембрані існують пори, пропускають молекули води, і при цьому мізерно малі, щоб пропускна-кати через себе іони розчинених у воді солей. Запропонована модель дозволила пояснити багато закономірностей в ра-боті обратноосмотічеськіх систем. Пізніше була запропонована модель сорбційної механізму виборець-ної проникності, згідно з якою на поверхні мембрани, тобто на повер-хности розділу середовищ, утворюється шар зв'язаної води, яка має знижений-ної розчинюючої здатністю. Такий же шар утворюється і всередині пори. При фільтрації відбувається витіснення цієї води, при якому витіснені молекули замінюються тільки молекула-ми води. І так шар за шаром. Відповідно до іншої теорії, в структу-ре мембрани вода може перебувати у зв'язаному і капілярному станах. Під дією тиску через таку мембрану переноситься преимуществен-но прісна вода, безперервно створюючи і розриваючи водневі зв'язку.

Особливості методу назад-осмотичної очищення води. У сис-темах зворотного осмосу тиск вхід-ної води на мембрану відповідає тиску води в трубопроводі. Важливо, що чим вище тиск на вході, тим краще відбувається процес очищення. Це не тільки збільшує виробник-ність мембрани, але і покращує якост-ство очищення. І навпаки, якщо тиску-ня у водопровідній системі низьке, мембрана працювати не буде. Тому деякі моделі обратноосмотічес-ких систем комплектуються спеціальним насосом для підвищення вхідного давши-лення. Такі системи коштують трохи дорожче, але тільки вони здатні рабо тать при тисках нижче 4,2 атмосфе-ри (саме такий тиск вважається пороговим для обратноосмотічеськіх мембран). В процесі очищення концентрація солей з боку входу зростає, через що мембрана може засмітитися і перестати працювати. Для попереджено-ня цього уздовж мембрани створюється примусовий потік води, змиваю-щий "розсіл" в дренаж. Неорганічні речовини дуже добре відділяються обратноосмотічес-кою мембраною. Ступінь очищення по більшості неорганічних елементів складає від 85 до 98% в залежності від типу застосовуваної мембрани. Зворотньоосмотична мембрана так-само видаляє з води і органічні ре-ства. Органіка з молекулярної масою понад 300 видаляється повністю, а з мен-ший - може проникати через мембрану в незначних кількостях. Великий розмір вірусів і бакте-рій практично повністю виключає ймовірність їх проникнення через мембрану. У той же час мембрана про-пускає розчинені у воді кисень і інші гази, що визначають її смак. В результаті на виході системи зворотного осмосу виходить свіжа, смачна, настільки чиста вода, що вона не вимагає додаткового кип'ятіння. Вода, що пройшла обробку на зворотноосмотичної установці, може ус-пешно застосовуватися для вирішення сліду-чих домашніх завдань: питних потреб, приготування їжі та напоїв, поливу рослин, акваріумів, систем централь-ного опалення та навіть приготування електроліту акумуляторних батарей.

Хочеться також сказати що ми годину-то п'ємо воду, очищену обратноосмо-тическим методом, навіть і не подозре-вая про це. Це відбувається тому, що даний метод використовується не тільки в побутових, але і в промислових систе-мах. Так виробляється якісна вода для лікеро-горілчаної, молочної промисловості, виробництва БЕЗАН-когольних напоїв і продуктів пита-ня. Загалом - скрізь, де потрібна вода високої якості. Деякі компанії навіть налагодили продаж цієї чистої води в бутильованої вигляді. І в цій ситуації саме побутові обратноосмотичні системи позволя-ють не купувати бутлі, а робити таку ж воду самостійно.