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-; Сl-) 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

ІсторіяРедагувати

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 водопостачанняРедагувати

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 водопідготовкиРедагувати

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   визначається як об'єм пермеату, який проходить через одиницю площи мембрани на одиницю часу (л / м2 * год):

 

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

 

Коли об'єм розчину   зменшується на   для збільшення його концентрації   на   за допомогою мембрани із затримуючою здатністю   нова концентрація обчислюється по формулі:

 

Після спрощень дане рівняння зводиться до

 

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

 

Це рівняння застосовується до так званих «пропорційних» систем концентрації, але шляхом заміни об'ємів   та   на витрати   та   його можна застосовувати й до неперервних систем.

Матеріали мембранРедагувати

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 (  см−2) й малій товщині такі мембрани мають високу пропускну здатність для рідин та газів (до   та  ).

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). В якості високогідрофільного матеріалу, який застосовується у мембранах для ультра- й мікрофільтрації, використовують поліакрилонітрил.

Інші методиРедагувати

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   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].

В якості сорбційного матеріалу може застосовуватися шкірка грецького горіху[13].

Проблема біоплівокРедагувати

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. такожРедагувати

ДжерелаРедагувати

  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.

ЛітератураРедагувати

  • 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

ПосиланняРедагувати

Див. такожРедагувати