Приборы и методы очистки питьевой воды

1. Фильтрация  – очистка воды от механических  примесей, таких как песок, частицы  ржавчины и т.д. Осуществляется  путем фильтрования воды через  пористые или волокнистые материалы  с различным эффективным диаметром пор (от 100 до 0,045 мкм). Степень очистки воды и производительность фильтра зависит, естественно от соотношения между размерами загрязняющих частиц и диаметром пор. Следует также иметь в виду, что фильтры с диаметром пор от 0,45 мкм и менее обеспечивают и надежное обеззараживание воды путем задерживания бактериальных частиц.  

2. Сорбция –  удаление нежелательных химических  веществ (в основном органических, некоторых тяжелых металлов), чем  достигается улучшение вкуса,  устранение запаха путем связывания  таких веществ за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Наиболее часто в качестве сорбента используется активированный уголь различного происхождения или некоторые другие природные материалы. Эффективность сорбции зависит от величины поверхности взаимодействия. Во избежание «обрастания» микроорганизмами иногда используют нанесение на угольные частицы ионов серебра, йода и др. обеззараживающих реагентов. Устройства, действующие по принципу сорбции, характеризуются понятием «емкость» - определенным количеством тех или иных загрязнителей, которые могут быть поглощены данным количеством сорбента. После превышения этого ресурса уменьшается эффективность работы устройства и не исключено даже загрязнение воды веществами, ранее поглощенными сорбентом.  

3. Ионный обмен – замена одних (нежелательных) ионов другими (нейтральными), например, кальция и магния – на натрий в случае умягчения воды. Ионный обмен часто используется для удаления определенных загрязняющих компонентов, таких как тяжелые металлы, фториды и др., а также и для введения в воду некоторых веществ в необходимых случаях (фтор, йод). Устройства, работающие по этому принципу, требуют периодической регенерации, и, соответственно, расхода определенных реагентов. Необходимо уточнить у представителя фирмы-производителя или поставщика возможность приобретения этих реагентов, а также режим регенерации, возможность автоматизации этого процесса.  

4. Обратный осмос  – очистка воды за счет фильтрования  через полупроницаемые мембраны  с молекулярным размером пор  (от 10 до 500 нм). Такое фильтрование обычно требует повышенного давления воды, которое создается специальным насосами, обеспечивает, в зависимости от диаметра пор, частичное или практически полное устранение любых примесей, в том числе и минеральных компонентов. Часто такие устройства используются для опреснения воды. Обратноосмотические устройства большой производительности довольно дороги, поэтому их часто используют в системах водоснабжения для окончательной очистки только воды, которая используется для питья.  

5. Для обеззараживания  воды используют ультрафиолетовое  облучение, обработку воды озоном, соединениями активного хлора,  ионами серебра или йода. Как  правило, после обеззараживания  тем или иным способом необходима  дополнительная обработка воды  пропусканием через фильтр, содержащий активированный уголь для удаления продуктов распада микроорганизмов и ионов, используемых для обеззараживания. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.2.Разновидности  фильтров для очистки  воды                               [12] 

Фильтры периодического действия. 

Наиболее распространённым типом сорбционных фильтров являются фильтры периодического действия, или, как их еще называют, фильтры-кувшины. Они самые простые в эксплуатации: воду наливают в воронку фильтра-кувшина, потом она под действием силы тяжести проходит через фильтрующий модуль и попадает в приемную емкость. 

Фильтры-кувшины  не нужно устанавливать, они не требуют много места, дёшево стоят и обеспечивают достаточно высокую степень очистки. Применение таких фильтров возможно даже в тех местах, где нет водопровода. Кроме того, такие фильтры можно использовать для хранения чистой воды. Несмотря на простоту, такие фильтры очень хорошо очищают воду: от хлора и фенола - на 95-99%, от хлороформа и токсичных металлов - на 80-90%. 

Рисунок №2 . Фильтр-кувшин. 
 
 
 
 

Кувшины отличаются объемом воды, которая может в  них поместиться (обычно 1-2 л, но может  быть и 4-5 л), и ресурсом сменных модулей (от 100 до 400 л). Столь малый, по сравнению  с другими разновидностями фильтров, ресурс объясняется очень просто. Через фильтры, подключающиеся к водопроводу, вода проходит под достаточно большим давлением, которое обеспечивает водопровод. Через кувшин же - лишь под собственным весом (действием силы тяжести). Следовательно, в модуль "напорного" фильтра можно положить больше сорбента (отсюда и больше ресурс), вода все равно "продавится" через него. Плотность же засыпки модулей для кувшина гораздо меньше, т. к. иначе вода не сможет протечь через модуль (отсюда и маленькие ресурсы). 

Первые фильтры-кувшины  российского производства появились около десяти лет назад. Сменные кассеты фильтров имеют много модификаций. Есть кассеты для жесткой воды, для мягкой воды, бактерицидные и даже для фторирования. 

Основным минусом  фильтров-кувшинов является достаточно низкая скорость фильтрации. Чтобы наполнить водой, к примеру, чайник, надо подождать 3-5 мин.

В течении всего срока эксплуатации необходимо периодически покупать сменные картриджи, что несколько увеличивает общие затраты по использованию такого фильтра. 

Проточные фильтры 

Проточные фильтры  делятся на три класса: насадки  на кран; фильтры, подсоединяемые к  крану во время фильтрации, и стационарные фильтры, встраиваемые в водопровод. 

Насадки на кран имеют небольшую скорость фильтрации (примерно стакан в минуту). Принцип их действия практически не отличается от фильтров периодического действия. Разница лишь в том, что из-за малых размеров в таких моделях невозможно установить несколько фильтрующих модулей последовательно, поэтому, как правило, применяется комбинированный картридж. При этом менять его приходится чаще, да и качество воды несколько отличается. 

При использовании  таких моделей не обойтись без дополнительных затрат на покупку картриджа. Также, данные фильтры доставляют некоторое неудобство, в связи с необходимостью часто снимать и одевать на кран, зато в остальное время фильтр может храниться где угодно. 

Фильтры, подсоединяемые к крану на время фильтрации, крепятся к крану только на время фильтрации (как и насадки), но одеваются не на кран, а подсоединяются к нему (к примеру, гибким шлангом). Они имеют заметно больший ресурс (несколько тысяч литров) и более высокую скорость фильтрации (около полутора литров в минуту), стоят дороже, чем насадки на кран и фильтры-кувшины. 

Рисунок № 3. Фильтр насадка на кран. 

Кроме сорбционной  технологии в таких моделях может  использоваться метод электрохимической  очистки воды. Вода подвергается воздействию  электрического поля напряженностью несколько  миллионов вольт на сантиметр, в  котором микроорганизмы и вредные  органические вещества подвергаются окислительно-восстановительной деструкции, а ионы тяжелых металлов нейтрализуются и выводятся в слив вместе с небольшим количеством воды. Органические вещества практически полностью окисляются, уничтожаются микроорганизмы (обеззараживание на 99,9%) и удаляются ионы тяжелых металлов (на 70-78%) и нитраты (на 75-90%). При этом происходит ослабление водородных связей между молекулами воды, что придает воде биологическую активность. 

Одни из самых  сложных систем - это стационарные проточные фильтры. Их "врезают" непосредственно в водопровод и располагают чаще всего под мойкой. Стационарные фильтры могут быть оснащены сразу несколькими картриджами, имеют на выходе собственный кран, который находится рядом с обычным. Из одного крана вы набираете воду для питья и готовки, а из другого - для хозяйственных нужд. 
 

Обратный осмос.                                                                                        [12,14]    

Все более популярными  становятся стационарные фильтры, работающие по принципу обратного осмоса. В таких фильтрах имеется специальная мембрана, а движение воды через нее из более концентрированного раствора в направление менее концентрированного. В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону. В системах обратного осмоса бытового назначения давление входной воды на мембрану соответствует давлению воды в трубопроводе. В случае если давление возрастает, поток воды через мембрану также возрастает. Повышение давления на входе не приводит к росту содержания солей в воде после мембраны. Наоборот, большее давление воды не только увеличивает производительность мембраны, но и улучшает качество очистки. Другими словами, чем выше давление воды на мембране, тем больше чистой воды лучшего качества можно получить. Однако в процессе очищения воды концентрация солей со стороны входа возрастает, из-за чего мембрана может засориться и перестать работать. Для предотвращения этого вдоль мембраны создается принудительный поток воды, смывающий "рассол" в дренаж. 

Рисунок №4 . Обратный осмос.             Рисунок № 5. Сравнительные                

                                                                     размеры бактерий и мембраны. 

Эффективность процесса обратного осмоса в отношении  различных примесей и растворенных веществ зависит от ряда факторов: давление, температура, уровень рН, материал, из которого изготовлена мембрана, и химический состав входной воды, влияют на эффективность работы системы обратного осмоса. Степень очистки воды в таких фильтрах составляет по большинству неорганических элементов 85%-98%. Органические вещества с молекулярным весом более 100-200 удаляются полностью; а с меньшим - могут проникать через мембрану в незначительных количествах. Однако производители утверждают, что большой размер вирусов и бактерий практически исключает вероятность их проникновения через мембрану. В то же время, мембрана пропускает растворенные в воде кислород и другие газы, определяющие ее вкус. Получаемая таким образом вода близка к талой воде ледников - эталону экологической чистоты и безопасности для человека. 

Несмотря на свои достоинства, осмотические фильтры  нравятся не всем. Главный аргумент: "Что хорошего, когда вода идеально чистая? Ведь в ней нет микроэлементов". Отвечая на этот вопрос, одни производители говорят о том, что необходимые микроэлементы человек получает не из воды, а вместе с продуктами питания, ведь, чтобы удовлетворить ежедневную потребность, к примеру, в калии, нужно выпить 150 л воды, а в фосфоре - 1000 л; другие разрабатывают специальный минерализаторы, чтобы вода после очистки фильтром становилась не только чистой, но и «живой», т. е. полноценной для употребления. Такие установки имеют большой ресурс (4000 - 15000 л) и высокую скорость фильтрации (1,5-3 л/мин). Эти фильтры дорогостоящие и требуют достаточно много места. 

Существуют фильтры, предназначенные для очистки  воды в походных или экстремальных  условиях. Их основное достоинство - универсальность  и компактность, их всегда можно  взять с собой и иметь возможность  воспользоваться фильтром в любой  момент. Это телескопические трубки по форме и размерам с обычную авторучку. Несмотря на миниатюрность, подобные аппараты способны надежно очистить 10 л воды от бактерий, вирусов, хлора, фенола и токсичных металлов. 
 

Рисунок № 6. Обратноосмотическая система подготовки питьевой воды HF-550.

Мембранные фильтры. 

Существуют и другие разновидности фильтров мембранно-сорбционного класса. Они состоят из мембранного блока и одного-двух блоков (в зависимости от производительности и ресурса) дополнительной очистки. Кроме того, уже очищенная и стабилизированная по солевому составу питьевая вода проходит финишное 6-12-кратное осветление на специальных волокнах и сорбентах. Подобное сочетание многочисленных методов очистки и осветления жидкой среды, известное среди специалистов под названием «шлифовка воды», позволило довести ресурс данных водоочистителей до 50000-75000 л. В связи с тем что в таких приборах используется ультрафильтрационная мембрана (размер пор 0,002–0,1 мкм), т.е. удаление загрязнений с поверхности мембраны производится обратным током воды, а не с помощью химических промывок, как в нанофильтрационных установках, что вредно и для потребителя и для мембраны, достигается достаточно большой ресурс работы мембранного элемента водоочистителя - до шести лет непрерывной эксплуатации.

Рисунок № 7. Мембранный фильтр 
 
 

Ультрафиолет.