«Нельзя решить проблему на том же уровне понимания, на котором она возникла»

Альберт Ейнштейн.

 

Новые сценарии — проблемные сочетания примесей.

 

Рано или поздно мы, специалисты по водоподготовке, сталкиваемся с проблемной водой, содержащей ранее неизвестные комбинации примесей, новые для нас сопутствующие примеси или знакомые нам примеси в экстремальных концентрациях. Появляется чувство неопределенности и мы должны признать, что мы чего-то не знаем и отсутствует предыдущий опыт. Наш долг – прежде всего защита наших клиентов и мы не можем экспериментировать, предлагая сомнительные решения.  Это означает, что мы не должны спешить с формированием предложения, не выполнив определенную домашнюю работу.

Предлагая определенный сценарий водоподготовки, мы не должны скрывать ограниченность наших собественных знаний и ранее полученного опыта, а возможно даже  и ограниченность колективной возможности всей отрасли водоподготовки.

 

Что нужно знать о свойствах загрязняющих примесей?

 

1. Примесь в составе нейтрального соединения или это заряженный ион?

На форму химических соединий и взаимодействие с сопутствующими веществами будет оказывать влияние рН.

 

2. Какая растворимость примеси?

Растворимость загрязнителя будет оказывать прямое влияние на эфективность адсорбции, практичность применения ионного обмена, степень фоулинга мембран или ионообменных смол.

 

3. Какой молекулярный вес примеси?

Молекулярный вес вещества прямо влияет на эффективность процессов адсорбции, ионного обмена и мембранного разделения. Молекулярный вес также будет важным фактором для снижения общей емкости адсорбции и ионного обмена.

 

4. Какая концентрация примеси?

Концентрация загрязняющего вещества определяет фильтроциклы для фильтрующих материалов, асорбентов и ионообменных смол, определяет общую емкость процессов фильтрации, адсорбции и ионного обмена, определяет начало процессов регенерации ионообменных смол, восстановления фильтрующих сред, очистки мембранных систем и фильтров.

 

5. Полярность примеси?

Полярность вещества в сочетании с молеклярным весом играет важную роль в эффективности процессов адсорбции, ионного обмена и мембранного разделения.

Молекулы воды обладают полярностью и, соответственно, способны взаимодействать с другими полярными веществами, растворяя их. К полярным относятся примеси с ионной или ковалентной полярной связью (наличие диполей или заряда). Такие вещества, состоящие из полярных молекул — диполей часто называют гидрофильными. К ним относятся соли, щёлочи, некоторые кислоты.

 

6. Химическая структура?

Химическая структура загрязняющей примеси оказывает влияние на эффективность систем адсорбции и мембранной очистки. Для органических веществ нужно понимание того имеет ли это вещество линеййную структуру или бензольные кольца в структуре?

 

7. Потенциальное воздействие примеси и уровня концентрации на здоровье человека и естетическое восприятие воды?

Понимание потенциальных воздействий и уровней концентраций, при которых эти воздействия обнаруживаются, обязательно для правильной оценки рисков. Это может оказать влияние на необходимость избыточности в обработке, оценку применимости водоподготовки  в точке входа в дом (POE) и в точке потребления (POU).

 

8. Какие потенциальные пути воздействия примеси?

Правильное понимание потенциальных путей воздействия и рисков этого воздействия необходимо для определения того, для каких распределительных систем и оборудования будет проведена обработка воды и какие отклонения в ефективности снижения целевой примеси допустимы.

 

Оценка применимости систем водоподготовки POE и POU.

 

Для оценки применимости систем водоподготовки «на входе в дом» (POE) и в «точке потребления» (POU) нужно понимать потенциальные пути воздействия загрязняющего вещества. Если примеси представляет опасность только при прямом употреблении питьевой воды (например, повышенная концентрация нитратов), логично предположить, что система очистки только питьевой воды в «точке потребления» (POU) обеспечит достаточный уровень защиты потребителя. Если путь воздействия на человека предполагает также контакт с кожей или вдыхание аерозоля, рассматриваются системы «на входе в дом» (POE), так как процесс блокирования этих путей воздействия представляет сложность. Также мы должны учитывать как продолжительность воздействия, так концентрацию загрязнителя – временно или потенциально присутствующие примеси могут не оправдать стоимость капиталовложений в избыточность водоподготовки (наличие избыточных барьеров).  Примеси могут иметь несколько путей воздействия, однако нужно учитывать, что степень поглощения примеси может различаться в зависимости от пути воздействия. Например, присутствие загрязнителя с низкой концентрацией не будет создавать проблему воздействия через отдельные потенциальные пути. С другой стороны, высокая концентрация загрязнителя может создать проблему там, где ее раньше не было.

Теперь Вы можете подумать: «Насколько Вы квалифицированы, чтобы делать эти определения?». Если Вы не являетесь квалифицированным медицинским работником, ответ — квалификации не достаточно.  Поэтому, мы всегда должны формулировать потенциальные проблемы со здоровьем, связанные с качеством воды, в рамках хорошо обоснованной и подтвержденной информации медицинского сообщества.

На помощь всегда приходят такие доступные внешние ресурсы как  Агентство по охране окружающей среды США, Всемирная организация здравоохранения, государственные и местные департаменты охраны окружающей среды и здравоохранения. Конечному потребителю перед принятием любых решений, связанных со здоровьем, включая потенциальное изменение качества воды, также рекомендуется получить консультацию от своего врача.

 

Пилотное  тестирование еффективности.

 

Обзор применимости различных пилотных тестов выходит за рамки этой статьи. Однако пилотное тестирование может представлять значительную ценность. Обычно используемый процесс — это быстрый тест на маломасштабных колонах (тест RSSCT). Этот тест позволяет построить модель пилотной системы в малом мастшабе и спрогнозировать степень адсорбции различных примесей с помощью гранулированных активированных углей, ионообменных смол, других сорбентов.

 

 

Системы обратного осмоса. Оценка целесообразности применения.

 

Многие потребители, сталкиваясь с проблемным качеством доступной воды, по умолчанию выбирают систем обратного осмоса в качестве решения для получения питьевой воды. Несмотря на то что «обратный осмос» безусловно исключительно еффективен в устранении примесей, он также обладает ограничениями и не устраняет ВСЕ БЕЗ ИСКЛЮЧЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ. Мало того, системы обратного осмоса, устранив одни проблемы, способны создать новые. Чтобы оценить приемлимость применения «обратного осмоса» мы должны понимать основные механизмы, с помощью которых снижается уровень примесей. В контексте этой статьи мы будем рассматривать эфективность непосредственно мембраны, исключая различные предфильтры. Сразу отметим что у мирового научного сообщества нет консунсуса по вопросам теории и самих механизмов удаления примесей мембранами «обратного осмоса», поэтому механизмы, представленные здесь, не следует считать нерушимими и всеобъемлющими.

Первый механизм – исключение по размеру.

Этот механизм выражается как отсечение мембраной примесей с молекулярной массой выше определенного значения. Многие органические примеси, обладающие молекулярной массой ниже определенного значения, предположительно будут иметь недостаточное отталкивание. Единица измерения молекулярной массы – г/моль. Значение отсечки примеси по молекулярной массе для распространенных мембран в бытовых системах обратного осмоса составляет примерно 200 г/моль (точное значение указывает производитель мембраны). Это означает, что уран с молекулярной массой 230 г/моль будет легко отсечен мембраной, а вот ртуть с молекулярной массой 200,59 г/моль уже может находится на границе отталкивания. Напротив, кислород с молекулярной массой 16 будет легко проникать через мембрану.

Второй механизм – электростатическое отталкивание.

Поверхность мембраны обладает зарядом, способным отталкивать ионизированные примеси. На механизм електростатического отталкивания непосредственно оказывает влияние рН. Водородный показатель рН с одной стороны определяет форму соединений загрязняющих примесей в воде, с другой – способен изменить заряд мембраны, с третьей – способен снизить ефективность отсечки примесей из-за уменьшения радиуса гидратации ионов, гидратации самой мембраны и образования гидроксильных ионов OH^— (в области высокого рН ˃10). В результате совместной диффузии гидроксильные ионы, обладая высокой подвижностью и коеффициентом диффузии, «проталкивают» через мембрану и собственные противоионы (например, натрий).

Мембраны из тонкопленочного композита (TFC) имеют типичные ограничения pH от 3 до 11, мембраны из триацетата целлюлозы (CTA) — от 5,5 до 8,5. Кроме того, мембраны CTA способны выдерживать водействие хлора, тогда как TFC не способны.

Необходимо учитывать потенциальное негативное влияние технологии обратного осмоса на воду. Наиболее распространенные проблемы обработанной воды:  низкий pH, низкая общая щелочность и общая минерализация (TDS).  Из воды удаляются минералы, которые полезны для человека: магний, кальций, натрий и калий. Эта проблема решается реминерализацией.

 

Ионообменные смолы. Оценка целесообразности применения.

 

Ионообменные смолы снижают количество загрязняющих веществ преимущественно в результате процесса обмена одного иона на другой. Отдельные ионообменные смолы демонстрируют дополнительные способности к удалению примесей за счет механизмов молекулярного сита и адсорбции. Однако, в этой статье мы сфокусируем внимание на механизме ионного обмена.

Для инициации механизма ионного обмена целевая примесь должна быть как минимум ионизированной, то есть обладать положительным или отрицательным зарядом. Если наша цель – ион с положительным зарядом, мы применяем катионообменную смолу, если наша цель — ион с отрицательным зарядом – анионообменную смолу.

Как ранее упоминалось формы присутствия различных загрязняющих веществ зависят от рН. Поэтому правильная оценка рН позволяет предпожить степень ефективности ионообменных процессов. На границе контакта поверхности шариков смолы с водой  также могут проходить химические реакции, которые изменяют форму загрязняющего вещества.

Следующий определяющий фактор – селективность, т.е. относительное сродство ионообменной смолы и загрязняющего вещества или то, насколько ионообменная смола предпочитает один ион другому. Если относительное сродство для целевого иона окажется ниже чем для сопутствующего иона, присутствующего в воде в достаточной концентрации, смола будет обменивать сопутствующий ион и удаление целевой примеси окажется неефективным. В отдельных случаях смола может даже вытеснить ранее обменянный целевой ион обратно в воду, заменив его на конкурирующий ион. Это приведет к увеличению концентрации целевой примеси в очищенной воде. Это означает, что крайне важно оценивать не только концентрацию целевой примеси, но и сопутствующие ей конкурирующие примеси и их концентрации. Следовательно применение технологии ионного обмена требует подробного анализа воды.

Существуют специально разработанные селективные смолы, которые могут оказаться правильным продуктом именно для реализации Вашей задачи водоподготовки. Производители смол предоставляют возможность предварительного моделирования параметров конструкции Вашей системы: время контакта, обменная емкость, дозирование регенерирующего вещества, общая емкость. Также нужно учитывать эффекты ионного обмена ниже по потоку. Рост концентрации натрия или калия в обработанной воде может оказать влияние на процессы и компоненты ниже по потоку. Увеличение общей минерализации, снижение рН, устранение буферного еффекта щелочности и рост хлоридов при анионном обмене могут стать новыми проблемами обработанной воды.

 

 

Активированный уголь. Оценка целесообразности применения.

 

Основополагающее свойство активированного угля, которым не обладает ни «обратный осмос», ни «ионный обмен» — адсорбционная способность. При этом активированный уголь в результате специальной обработки поверхности также может приоберести ионнообменные свойства, а форм-фактор угольного фильтра также способен обеспечить достаточно плотную фильтрацию и, соответственно, удаление отдельных взвешенных частиц и даже бактерий. В статье мы сфокусируем внимание на основном механизме активированного угля – адсорбции. Вероятно самый важный фактор влияния на ефективность – соответствующая оценка свойств целевой вещества (адсорбата), т.е. оценка способности вещества оставаться растворенным в воде или адсорбироваться на поверхности угля.

Многие производители угля предлагают продукцию, специально разработанную для определенных загрязняющих веществ. Поэтому обратитесь к поставщику угля за помощью в выборе подходящего продукта для Вашего применения. Учитывая возросшую сложность оценки способности вещества к адсорбции ценность моделирования особенно высока.

 

Оценка других ключевых свойств загрязняющей примеси для применения адсорбции. 

Растворимость в воде.

Более низкая растворимость предполагает =  более легкая адсорбция.

Молекулярная масса.

Более высокая молекулярная маса = более легкая адсорбция и более низкая адсорбционная емкость.

Химическая структура.

Наличие в структуре органического вещества бензольных колец = более легкая адсорбция. Разветвленная структура органического вещества = более легкая адсорбция. Линейная структура = более сложная адсорбция.

Концентрация.

Более высокая концентрация = более высокая скорость адсорбции и  более низкая адсобрционная емкость.

Полярность.

Более высокая полярность = более сложная адсорбция.

 

Простота – это обратная сторона сложности.

 

Мы часто принимаем как должное ту простоту решений, которую нам, специалистам в области водоподготовки, предоставляют ранее накопленные знания и опыт. Эта простота основана на внешнем опыте и подробном, научно обоснованном понимании взаимосвязей загрязняющих примесей и технологий водоподготовки. Когда мы сталкиваемся с новыми сценариями качества воды, нам может быть не достаточно ни информации, ни опыта, ни времени для определения потенциально приемлемых решений.  Мы должны обратиться к основным научным принципам поиска соответствия нового сценария качества воды и технологий водоподготовки. Принимая сложность новых сценариев, мы прокладываем путь к простоте решений в будущем.