· трубчатые мембраны;
· слои стекловолокнистых листов;
· малогабаритные оборудования микробиологической очистки воды;
· опреснители.
В настоящее время применяют два основных способа очистки воды – ультрафильтрацию и халькогели.
Ультрафильтрация – это пропускание воды через мембрану, проницаемую для ионов и небольших молекул и непроницаемую для больших частиц, загрязняющих и вредных веществ. Размер ультрафильтрационных мембран составляют 0,002–0,1 мкм. Сама мембрана состоит из трубчатого композита. Такой размер мембраны обеспечивает задержку коллоидных и тонкодисперсных примесей, бактерий и вирусов, растворенных солей свинца, ртути, железа, марганца и др.
Для очистки воды применяют также новый класс соединений – халькогели. Из халькогелей получают высокопористые полупроводящие материалы путем соединения халькогенидных кластеров в каркасы через ионы металлов. При добавлении солей платины образуются полимерные каркасы. Образующийся материал адсорбирует молекулы растворителя, образуя гидрогель. После сушки его в жестких условиях в атмосфере углекислого газа образуется аэрогель, получивший название «халькогель».
Халькогели эффективно очищают воду от тяжелых металлов (ртуть, свинец и т.д.). Изменяя условия получения халькогелей, можно изменять размеры и форму пор и, таким образом, получать материал под определенные частицы загрязнений.
3. Наносистемы для очистки воды активно развиваются и в России. Так Томские ученые создали материалы, удаляющие 100 % вирусов и бактерий, снижающие концентрацию металлов и хлора, уменьшающие жесткость воды.
В Саратове разработан автоматизированный ресурсосберегающий комплекс химводоподготовки технологических котелен с использованием нанотехнологии обессоливания воды. Опытные образцы автоматизированного комплекса внедрены на Увекской нефтебазе и в г. Балаково Саратовской области.
Уникальный материал для эффективной очистки воды, широко применяющийся и в других областях, создал В. И. Петрик. В 1997 г. он создал модификацию углерода, названную углеродной смесью высокой реакционной способности (УСВР). В 2001 г. подтверждено установление научного открытия «Явление образования наноструктурных углеродных комплексов» на основании результатов научной экспертизы Международной ассоциацией авторов научных открытий. Петрик изобрел способ получения из графита УСВР, содержащего до 20 % наноструктур в виде нанотрубок, наноколец, нанофракталов. Кусок графита превращается в легчайший пух, его объем увеличивается в 500 раз. УСРВ имеет глубокий черный цвет, химически инертен, электропроводен, устойчив к агрессивным средам, экологически чист. Удельная поверхность – 2000м2 на 1 г, диапазон рабочих температур от – 60 °С до + 3000 °С. Установлено, что УСВР имеет высокие сорбционные показатели и является уникальным сорбентом для комплексной очистки питьевой воды.
В 2004 г. Американская лаборатория Sierra Jabs. Inc. (США, Калифорния), установила, что 1 г УСВР превосходит 5 г лучшего вида коксового активированного угля, представленного на американском рынке в 50 раз. УСВР хорошо очищает воду от нерастворенных примесей и плохо от растворенных. Таким образом, он не превращает воду в дистиллят, но уменьшает содержание в ней меди в 30 раз, железа в 3 раза, марганца в 2 раза, фосфатов в 35 раз, нитратов в 3 раза и т. д. Такие уникальные сорбционные свойства новый материал обеспечивает за счет огромной совокупной поверхности наноструктур — графенов. Так, 1 грамм вещества имеет общую поверхностную площадь две тысячи квадратных метров.
Установлено, что после УСВР-фильтрации вода приобретает свойства повышать работоспособность, повышать иммунитет к инфекционным заболеваниям. Это связано с тем, что УСВР-фильтрация разрушает водные межмолекулярные связи, поэтому увеличивается поверхность и биологическая активность воды. Вода после УСВР-фильтрации приобретает специфический голубой цвет, как из тающих горных источников. Интересно, что угол химических связей в молекуле воды УСВР-фильтрации равен 108о, а при этом соотношение отрезков ОН | НН равно «золотой пропорции», то есть 0,618.
В настоящее время с использованием УСВР-фильтрации в Москве и Санкт-Петербурге производятся фильтры «Геракл» как для доочистки питьевой воды, так и для фильтрации промышленных стоков. Появление таких фильтров стало возможным благодаря применению уникального наносорбента (УСВР) состоящий до 20% из углеродных наноструктур и обладающий огромной удельной поверхностью (2000 кв.м. на 1 грамм вещества). При смачивании наносорбент образует массу, в которой удерживаются даже самые мелкие примеси и взвеси как органического, так и неорганического происхождения.
3.2 Очистка воды с помощью метода электрохимической активации
В настоящее время на мировом рынке появились установки нового поколения в которых очистка воды производится электрохимическим и каталитическим способами. Водоочистители адсорбционного, ионообменного, мембранного и адсорбционно-мембранного типа задерживают микроорганизмы, которые размножаются на внутренних поверхностях установок, в порах сорбентов, на поверхности фильтрующих мембран. Даже в тех случаях, когда выход из адсорбционной или мембранной системы водоочистной защищен противомикробным фильтром, бактерии могут размножаться на выходной поверхности противомикробного фильтра и на внутренних поверхностях выходных магистралей, что является фактором эпидемиологического риска. Поэтому адсорбционные, ионообменные, мембранные и комбинированные бытовые водоочистительные системы непригодны для работы с водой, небезопасной в микробиологическом отношении.
Адсорбционные устройства для доочистки питьевой воды (чаще угольные) имеют ограниченную сорбционную емкость, которая заполняется со скоростью, зависящей от уровня загрязнений в исходной воде: чем сильнее загрязнена вода, тем быстрее исчерпываются функциональные возможности сорбента. После того как все сорбционные места в порах сорбента заняты различными веществами (адсорбатами), начинается процесс их десорбции. Этот процесс ускоряется при бактериальном заражении установки. В результате качество воды, проходящей через отработанный сорбент, ухудшается в еще большей степени. В зависимости от индивидуальных условий выход из строя угольного водоочистителя по указанным причинам может наступить в сроки от нескольких дней до нескольких месяцев. Следовательно, здесь необходим частый контроль качества воды и при необходимости смена картриджа, а это не всегда возможно по организационным и экономическим причинам. Кроме того, угольные сорбенты и ионообменные смолы плохо удаляют из воды соединения тяжелых металлов и избыточные минеральные компоненты. Мембранные фильтры тонкой очистки согласно рекламным данным задерживают 90-95 % всех находящихся в воде элементов и соединений, в том числе необходимые для человека и животных микро- и ультрамикроэлементы (кальций, магний, калий, натрий, литий, серебро, фтор, йод и другие). Как известно дистиллированная вода минерализацией менее 0,01 г/л заведомо непригодна для питья. Регулярное употребление деминерализованной воды с содержанием солей менее 0,1 г/л обуславливает физиологический дефицит полезных микро- и ультрамикроэлементов, что отрицательно сказывается на состоянии здоровья населения некоторых регионов с низкоминерализованной водой и у полярников, пьющих снеговую воду. В соответствии с ГОСТ 2874-82 минерализация питьевой воды не должна превышать 1,0 г/л. Во многих городах России минерализация питьевой воды 0,2 - 0,5 г/л, после очистки ее методом обратного осмоса или ультрафильтрации потребитель получит воду с концентрацией солей 0,01 - 0,05 г/л. Следовательно существующие системы мембранных водоочистителей, которые пропускают "только воду", создают риск патологии, связанной с потреблением чрезмерно обессоленной воды.
Дефицит микро- и ультрамикроэлементов в организме может быть скорректирован специальной диетой. Однако некоторые микро- и ультрамикроэлементы воды практически незаменимы.
При работе с водой минерализацией 0,1 - 0,5 г/л через электрохимический реактор проходит ток силой 0,3 - 0,4 А. В этом случае общая минерализация обработанной воды почти не меняется, ионы тяжелых металлов переходят в форму нетоксичных и труднорастворимых гидроксидов и гидроксидоксидов, микробы, находящиеся в воде, разрушаются, органические вещества, а также неорганические токсические соединения (в том числе нитраты и нитриты) подвергаются анодной окислительной деструкции. Сильные неорганические окислители (в том числе хлор) и сверхактивные радикальные частицы инактивируются в реакционно-вихревой и каталитической камерах.
В зависимости от типа установки очищенная вода меняет величину ОВП, при этом кислотно-щелочные характеристики очищенной воды близки к нейтральным значениям (рН = 7). Высокий ОВП и ряд других физико-химических условий в анодной камере электрохимического реактора исключают образование токсических хлорорганических веществ и обеспечивают полную окислительную деструкцию диоксинов, если они содержатся в водопроводной воде. Физиологически полезные микро- и ультрамикроэлементы (кальций, калий, магний, литий, фтор и другие) не образуют под влиянием электрохимической обработки нерастворимых соединений и остаются в составе питьевой воды. По данным лаборатории фирмы OaklendCalvertConsaltants, Ltd (Engl.) при содержании в исходной воде ионов серебра 68 мкг/л в очищенной воде содержание ионов серебра составило 56 мкг/л, то есть потерь серебра не было. В то же время токсичные ионы металлов (меди, железа, олова, алюминия, ртути, цинка, хрома удалялись на 85-99,9%.
Присутствующие в воде радионуклиды также превращаются в формы нерастворимых соединений, которые частично оседают на катоде и удаляются при промывании установки. Если эти соединения попадают с водой в желудочно-кишечный тракт, то они не всасываются в кровь и удаляются из кишечника естественным путем. Естественное свойство полезных для организма микро- и ультрамикроэлементов состоит в том, что в результате окислительно-восстановительных реакций они не участвуют в образовании труднорастворимых или нерастворимых комплексов. Это увеличивает вероятность участия этих элементов в биохимических реакциях и делает их совместимыми с организмом. По этой же причине полезные элементы не образуют нерастворимых комплексов при электрохимической обработке и сохраняются в очищенной воде в ионизированной форме. В то же время элементы легко вступают в химические комплексы, в том числе с белковыми соединениями. Как правило они денатурируют белок и поэтому токсичны. Однако по причине склонности вступать в комплексы токсичные элементы при электрохимической обработке переходят в нерастворимые и безопасные для организма формы. Избирательное сохранение в воде полезных ионов и удаление вредных - уникальная естественная особенность электрохимических водоочистителей.