Физико-химические основы очистки воды

Осмос
Что такое осмос?

     Мы знаем, что в природе существуют материалы, не пропускающие воду - например, стекло, или наоборот, пропускающие - ткани. Знаем, что существуют материалы, пропускающие воду избирательно, т.е. не пропускающие частичек присутствующих в воде. Такие материалы называются полупропускающими мембранами. Процесс проникновения воды через мембраны называется осмосом. Без существования таких мембран не существовало бы биологической жизни на земле. Из таких мембран построены клетки организмов.
Пример:
     Представим сосуд, разделенный полупропускающей мембраной: в части А сосуда содержится раствор соли с большей концентрацией, в части В - с меньшей (см. рисунок).

     Что же происходит? Растворы стремятся к тому, чтобы перемешаться, т.е. уровнять концентрацию. Молекулы воды будут проникать через полупропускающую мембрану так долго, пока концентрация раствора соли не уровняется в обеих частях сосуда. Молекулы соли не в состоянии проникнуть сквозь мембрану. Через некоторое время мы заметим различие в уровнях в частях А и В. Из-за явления осмоса процесс проникновения воды через мембрану наблюдается даже в том случае, когда оба раствора находятся под одинаковым внешним давлением. Разница в высоте уровней двух растворов разной концентрации пропорциональна силе, под действием которой вода проходит через мембрану. Эта сила называется "осмотическим давлением".
     Явление осмоса лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. Благодаря ему, в каждую живую клетку поступают питательные вещества и, наоборот, выводятся шлаки.

Что такое обратный осмос?

     Процесс осмоса можно обратить вспять, если, к примеру противодействовать природному осмосу, прилагая определенное давление к части А сосуда.
В результате в части А мы получим меньшее количество жидкости и большую концентрацию раствора. В части В - наоборот, больше жидкости и меньшую концентрацию. Отсюда и происходит название Обратный осмос. В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода (в данном случае в сосуде В), а все загрязнения остаются по другую ее сторону (в сосуде А).
     К семидесятым годам прошлого века уже существовали промышленные технологии производства полупропускающих мембран. Сфера применения осмотических фильтров - производство вооружений, космические исследования, пищевая и фармацевтическая промышленности. Производство чистой воды на основе обратного осмоса - дешевле и выгоднее, чем дистилляция.
     Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля.

Деионизация воды

     Деионизация воды или деминерализация воды достигается с помощью ионного обмена на специальных ионообменных смолах. Такие смолы эффективно удаляют из воды растворенную и диссоциированную неорганику и по типам удаляемых их воды ионов делятся на катионообменные и анионообменные смолы. Физика данного процесса наглядно представлена на приведенном рисунке. Только очистка воды деионизацией на ионообменных смолах позволяет получить показатели электропроводности соответствующие требованиям к воде Типа 1- reagent grade water Type I.

Умягчение воды

     Процесс умягчения исходной жесткой воды выглядит следующим образом: жесткая вода, поступая в фильтр умягчения, проходит через слой засыпки из высококачественной ионообменной смолы. При этом происходит изменение химического состава растворенных солей за счет замены ионов кальция и магния на ионы натрия, которыми насыщена смола. В момент, когда поглощающая способность смолы снижается до определенного уровня, начинается цикл регенерации.
     Периодичность регенерации определяется количеством воды, которое может пройти через умягчитель до его полного истощения и рассчитывается с учетом множества факторов, таких как параметры смолы, качество воды, величина ее расхода и т.д. Непосредственно восстановление свойств ионообменной смолы осуществляется при подаче в фильтр водного раствора высокоочищенной поваренной соли (NaCl) за счет обратного замещения накопленных в смоле ионов кальция на ионы натрия.

Обезжелезивание воды

     Процесс обезжелезивания происходит следующим образом: обогащенная соединениями железа вода поступает на каталитический материал, происходит процесс окисления и превращения соединений железа в нерастворимые и тем самым хорошо удаляемые фильтрованием хлопья. После того, как каталитический материал исчерпал свою емкость, происходит процесс регенерации. Регенерация фильтра обезжелезивания осуществляется либо обратной промывкой исходной водой через определенные промежутки времени в зависимости от качества воды, либо регенерацией слабым раствором перманганата калия.