«Не можна вирішити проблему на тому самому рівні розуміння, на якому вона виникла»

Альберт Ейнштейн.

 

Нові сценарії – проблемні поєднання домішок.

 

Рано чи пізно ми, спеціалісти з водопідготовки, стикаємося з проблемною водою, яка містить раніше невідомі комбінації домішок, нові для нас супутні домішки або знайомі нам домішки в екстремальних концентраціях. З’являється почуття невизначеності і ми маємо визнати, що ми чогось не знаємо і відсутній попередній досвід. Наш обов’язок – насамперед захист наших клієнтів, і ми не можемо експериментувати, пропонуючи сумнівні рішення Це означає, що ми не повинні поспішати з формуванням пропозиції, не виконавши певну домашню роботу.

Пропонуючи певний сценарій водопідготовки, ми не повинні приховувати обмеженість наших знань і раніше отриманого досвіду, а можливо навіть і обмеженість колективної спроможності всієї галузі водопідготовки.

 

Що потрібно знати про властивості забруднюючих домішок?

 

1. Домішка у складі нейтрального з’єднання чи це заряджений іон?

На форму хімічних з’єднань та взаємодію з супутніми речовинами впливатиме рН.

 

2. Яка розчинність домішки?

Розчинність забруднювача чинитиме прямий вплив на ефективність адсорбції, практичність застосування іонного обміну, ступінь фоулінгу мембран або іонообмінних смол.

 

3. Яка молекулярна вага домішки?

Молекулярна вага речовини прямо впливає на ефективність процесів адсорбції, іонного обміну та мембранного поділу. Молекулярна вага також буде важливим фактором для зниження загальної ємності адсорбції та іонного обміну.

 

4. Яка концентрація домішки?

Концентрація забруднюючої речовини визначає фільтроцикли для фільтруючих матеріалів, асорбентів та іонообмінних смол, визначає загальну ємність процесів фільтрації, адсорбції та іонного обміну, визначає початок процесів регенерації іонообмінних смол, відновлення фільтруючих середовищ, очищення мембранних систем та фільтрів.

 

5. Яка полярність домішки?

Полярність речовини у поєднанні з молеклярною вагою відіграє важливу роль в ефективності процесів адсорбції, іонного обміну та мембранного поділу.

Молекули води мають полярність і, відповідно, здатні взаємодіяти з іншими полярними речовинами, розчиняючи їх. До полярних відносяться домішки з іонним або ковалентним полярним зв’язком (наявність диполів або заряду). Такі речовини, які складаються з полярних молекул – диполів часто називають гідрофільними. До них відносяться солі, луги, деякі кислоти.

 

6. Яка хімічна структура?

Хімічна структура забруднюючої домішки впливає на ефективність систем адсорбції та мембранного очищення. Для органічних речовин потрібно розуміння того чи має ця речовина лінійну структуру чи містить бензольні кільця у структурі?

 

7. Потенційний вплив домішки та рівня концентрації на здоров’я людини та естетичне сприйняття води?

Розуміння потенційних впливів та рівнів концентрацій, при яких ці впливи виявляються, є обов’язковим для правильної оцінки ризиків. Це може вплинути на необхідність надмірності в обробці, оцінку застосування водопідготовки в точці входу в будинок (POE) і в точці споживання (POU).

 

8. Які потенційні шляхи впливу домішки?

Правильне розуміння потенційних шляхів впливу та ризиків цього впливу необхідне для визначення того, для яких розподільчих систем та обладнання буде проведена обробка води та які відхилення в ефективності зниження цільової домішки допустимі.

 

Оцінка застосування систем водопідготовки POE та POU.

 

Для оцінки застосування систем водопідготовки «на вході в будинок» (POE) і в «точці споживання» (POU) потрібно розуміти потенційні шляхи впливу забруднюючої речовини. Якщо домішки становить небезпеку тільки при прямому вживанні питної води (наприклад, підвищена концентрація нітратів), логічно припустити, що система очищення тільки питної води в точці споживання (POU) забезпечить достатній рівень захисту споживача. Якщо шлях впливу на людину передбачає також контакт зі шкірою чи вдихання аерозолю, розглядаються системи «на вході до будинку» (POE), оскільки процес блокування цих шляхів впливу становить складність. Також ми повинні враховувати як тривалість впливу, так і концентрацію забруднювача – тимчасово чи потенційно присутні домішки можуть не виправдати вартість капіталовкладень у надмірність водопідготовки (наявність надлишкових бар’єрів). Домішки можуть мати кілька шляхів впливу, проте слід враховувати, що ступінь поглинання домішки може різнитися залежно від впливу. Наприклад, присутність забруднювача з низькою концентрацією не створюватиме проблему впливу через окремі потенційні шляхи. З іншого боку, висока концентрація забруднювача може створити проблему там, де її раніше не було.

Тепер Ви можете подумати: “Наскільки Ви кваліфіковані, щоб робити ці визначення?” Якщо Ви не є кваліфікованим медичним працівником, відповідь — кваліфікації недостатньо. Тому ми завжди повинні формулювати потенційні проблеми зі здоров’ям, пов’язані з якістю води, в рамках добре обгрунтованої та підтвердженої інформації медичної спільноти.

На допомогу завжди приходять такі доступні зовнішні ресурси як Агентство з охорони навколишнього середовища США, Всесвітня організація охорони здоров’я, державні та місцеві департаменти охорони навколишнього середовища та охорони здоров’я. консультацію від свого лікаря.

 

Пілотне тестування ефективності.

 

Огляд застосування різних пілотних тестів виходить за рамки цієї статті. Однак пілотне тестування може становити значну цінність. Процес, що зазвичай використовується, – це швидкий тест на маломасштабних колонах (тест RSSCT). Цей тест дозволяє побудувати модель пілотної системи в малому мастшабі та передбачити ступінь адсорбції різних домішок за допомогою гранульованого активованого вугілля, іонообмінних смол, інших сорбентів.

 

Системи зворотного осмосу. Оцінка доцільності застосування.

 

Багато споживачів, зіштовхуючись із проблемною якістю доступної води, за умовчанням вибирають систем зворотного осмосу як рішення для отримання питної води. Незважаючи на те, що «зворотний осмос» безумовно винятково ефективний в усуненні домішок, він також має обмеження і не усуває ВСІ БЕЗ ВИКЛЮЧЕННЯ ПРОБЛЕМИ. Мало того, системи зворотного осмосу, усунувши одні проблеми, здатні створити нові. Щоб оцінити прийнятність застосування «зворотного осмосу», ми повинні розуміти основні механізми, за допомогою яких знижується рівень домішок. У контексті цієї статті ми розглядатимемо ефективність безпосередньо мембрани, виключаючи різні передфільтри. Відразу зазначимо, що світова наукова спільнота не має консунсусу з питань теорії та  механізмів видалення домішок мембранами «зворотного осмосу», тому механізми, представлені тут, не слід вважати непорушними і всеосяжними.

Перший механізм – виключення за розміром.

Цей механізм виражається як відсікання мембраною домішок з молекулярною масою вище певного значення. Багато органічних домішок, які мають молекулярну масу нижче певного значення, імовірно матимуть недостатнє відштовхування. Одиниця виміру молекулярної маси – г/моль. Значення відсічення домішки за молекулярною масою для поширених мембран в побутових системах зворотного осмосу становить приблизно 200 г/моль (точне значення вказує виробник мембрани). Це означає, що уран з молекулярною масою 230 г/моль буде легко відсічений мембраною, а ось ртуть з молекулярною масою 200,59 г/моль вже може перебувати на межі відштовхування. Навпаки, кисень з молекулярною масою 16 буде легко проникати через мембрану.

Другий механізм – электростатичне відштовхування.

Поверхня мембрани має заряд, здатний відштовхувати іонізовані домішки. На механізм електростатичного відштовхування безпосередньо впливає рН. Водневий показник рН з одного боку визначає форму сполук забруднюючих домішок у воді, з іншого – здатний змінити заряд мембрани, з третього – здатний знизити ефективність відсічення домішок через зменшення радіусу гідратації іонів, гідратації самої мембрани та утворення гідроксильних іонів OH- (в області високого рН ˃10). В результаті спільної дифузії гідроксильні іони, володіючи високою рухливістю та коефіцієнтом дифузії, «проштовхують» через мембрану і власні протиіони (наприклад, натрій).

Мембрани з тонкоплівкового композиту (TFC) мають типові обмеження pH від 3 до 11, мембрани з триацетату целюлози (CTA) – від 5,5 до 8,5. Крім того, мембрани CTA здатні витримувати дію хлору, тоді як TFC не здатні.

Необхідно враховувати потенційний негативний вплив технології зворотного осмосу на воду. Найбільш поширені проблеми обробленої води: низький pH, низька загальна лужність та загальна мінералізація (TDS).З води видаляються мінерали, які корисні для людини: магній, кальцій, натрій та калій. Ця проблема вирішується ремінералізацією.

 

Іонообмінні смоли. Оцінка доцільності застосування.

 

Іонообмінні смоли знижують кількість забруднюючих речовин, переважно в результаті процесу обміну одного іона на інший. Окремі іонообмінні смоли демонструють додаткові здібності до видалення домішок за рахунок механізмів молекулярного сита та адсорбції. Однак у цій статті ми сфокусуємо увагу на механізмі іонного обміну.

Для ініціації механізму іонного обміну цільова домішка повинна бути як мінімум іонізованою, тобто мати позитивний або негативний заряд.

Як згадувалося форми присутності різних забруднюючих речовин залежить від рН. Тому правильна оцінка рН дозволяє передбачити рівень ефективності іонообмінних процесів. На межі контакту поверхні кульок смоли з водою також можуть проходити хімічні реакції, які змінюють форму забруднюючої речовини.

Наступний визначальний чинник – селективність, тобто. відносна спорідненість іонообмінної смоли та забруднюючої речовини або те, наскільки іонообмінна смола віддає перевагу одному іону над іншим. Якщо відносна спорідненість для цільового іона виявиться нижчою ніж для супутнього іона, що є у воді в достатній концентрації, смола обмінюватиме супутній іон і видалення цільової домішки виявиться неефективним. В окремих випадках смола може навіть витіснити раніше обміняний цільовий іон назад у воду, замінивши його на конкуруючий іон. Це призведе до збільшення концентрації цільової домішки у очищеній воді. Це означає, що дуже важливо оцінювати не тільки концентрацію цільової домішки, а й супутні їй конкуруючі домішки та їх концентрації. Отже, застосування технології іонного обміну вимагає розширеного аналізу води.

Існують спеціально розроблені селективні смоли, які можуть стати правильним продуктом саме для реалізації Вашого завдання з водопідготовки. Виробники смол надають можливість попереднього моделювання параметрів конструкції Вашої системи: час контакту, обмінна ємність, дозування регенеруючої речовини, загальна ємність. Також потрібно враховувати ефекти іонного обміну нижче по потоку. Зростання концентрації натрію або калію в обробленій воді може вплинути на процеси та компоненти нижче по потоку. Збільшення загальної мінералізації, зниження рН, усунення буферного ефекту лужності та зростання хлоридів при аніонному обміні можуть стати новими проблемами обробленої води.

 

Активоване вугілля. Оцінка доцільності застосування.

 

Основна властивість активованого вугілля, яке не має ні «зворотний осмос», ні «іонний обмін» – адсорбційна здатність. При цьому активоване вугілля в результаті спеціальної обробки поверхні також може придбати іоннообмінні властивості, а форм-фактор вугільного фільтра також здатний забезпечити досить щільну фільтрацію і, відповідно, видалення окремих завислих частинок і навіть бактерій. У статті ми сфокусуємо увагу на основному механізмі активованого вугілля – адсорбції. Найважливіший чинник впливу на ефективність – відповідна оцінка властивостей цільової речовини (адсорбату), тобто, оцінка здатності речовини залишатися розчиненою у воді або адсорбуватись на поверхні вугілля.

Багато виробників вугілля пропонують продукцію, спеціально розроблену для певних забруднюючих речовин. Тому зверніться до постачальника вугілля за допомогою у виборі відповідного продукту для використання. Враховуючи зростання складності оцінки здатності речовини до адсорбції цінність моделювання особливо висока.

 

Оцінка інших ключових властивостей забруднюючої домішки для застосування адсорбції. 

Розчинність у воді.

Нижча розчинність передбачає = легша адсорбція.

Молекулярна вага.

Більш висока молекулярна маса = легша адсорбція та нижча адсорбційна ємність.

Хімічечна структура.

Наявність у структурі органічної речовини бензольних кілець = легша адсорбція. Розгалужена структура органічної речовини = легша адсорбція. Лінійна структура = складніша адсорбція.

Концентрація.

Більш висока концентрація = більш висока швидкість адсорбції і нижча адсобрційна ємність.

Полярність.

Вища полярність = складніша адсорбція.

 

Простота – це зворотний бік складності.

 

Ми часто приймаємо як належне ту простоту рішень, яку нам, спеціалістам у галузі водопідготовки, надають раніше накопичені знання та досвід. Ця простота заснована на зовнішньому досвіді та докладному, науково обгрунтованому розумінні взаємозв’язків забруднюючих домішок та технологій водопідготовки. Коли ми стикаємося з новими сценаріями якості води, нам може бути замало  інформації,  досвіду або  часу для визначення потенційно прийнятних рішень.Ми повинні звернутися до основних наукових принципів пошуку відповідності нового сценарію якості води та технологій водопідготовки. Приймаючи складність нових сценаріїв, ми прокладаємо шлях до простоти рішень у майбутньому.