Вода и жизнь на Земле - Юрий Новиков

Известно, как трудно в степи с водой, особенно в знойную пору. Жажду испытывают люди, нечем напоить скот на отгонных пастбищах. Под землей же, на глубине нескольких метров, вода есть повсюду. Но, когда человек добирается до нее, его обычно ждет разочарование: вода солона и горька, пить ее невозможно. Как быть? Вот эту проблему и должны решить опреснительные установки, способные под воздействием электрического поля освободить воду от избытка солей.

Отделение ионов солей от воды можно наблюдать, если в ванну с соленой водой поместить катод и анод, соединенные с источником постоянного тока. Под действием разности потенциалов начинается перемещение ионов в соответствии со знаком их заряда, т. е. катионы передвигаются к катоду, а анионы — к аноду. При разряжении ионов на катодной пластине выделяется натрий, который мгновенно растворяется водой с образованием щелочи, и свободный водород в виде пузырьков газа. Одновременно на поверхности анодной пластины образуются кислород и хлор, и в результате взаимодействия атомарного хлора с водой — соляная кислота. Вблизи катода и анода вода становится соответственно щелочной и кислой.

Если разделить ванну ионопроницаемыми мембранами на три камеры, то соленая вода, находящаяся между мембранами, постепенно опресняется. Это происходит вследствие того, что в электродных камерах накапливаются ионы Н+ и ОН-, которые участвуют в переносе электричества через центральную камеру, где они соединяются, образуя воду. Ионы же Na+ и Cl-, перешедшие в электродные камеры, удаляются из них вместе с кислой и щелочной водой.

Однако вследствие диффузии происходит одновременно и беспорядочное перемещение ионов Н+ и ОН-, а также ионов солей, в результате чего последние снова возвращаются из анодной и катодной камер в центральную. Для исключения процесса диффузии, необходимо, чтобы ионопроницаемые мембраны обладали селективностью, т. е. способностью пропускать ионы с зарядом одного знака. Иными словами, положительно заряженные мембраны (анионоактивные), должны пропускать только анионы, а отрицательно заряженные (катионоактивные) — только катионы.

За последнее время благодаря достижениям химии был получен многочисленный ряд селективнопроницаемых мембран, обладающих большим сопротивлением диффузии и высокой электропроводностью. К их числу относятся гомогенные (поликонденсационные, внутриполимерные, привитые, активированные), гетерогенные и пропиточные ионитовые мембраны, нашедшие широкое распространение в современных электродиализных установках. Отличаясь своими физико-химическими свойствами в соответствии со способами их получения, перечисленные мембраны изготавливаются с фиксированными ионогенными группами, электрическое поле которых создает условия для избирательной ионопроводимости, т. е. исключает возможность пропускания через мембрану ионов, одинаково заряженных с фиксированными ионами в полимерной структуре (матрице) мембраны.

Получение селективных ионопроницаемых (ионообменных) мембран определило возможность применения многокамерных электродиализаторов со многими парами катионо- и анионоактивных мембран. Такие установки представляют собой ванны, состоящие обычно из 100–200 гидравлических камер, которые могут быть соединены последовательно или параллельно с горизонтальной или вертикальной циркуляцией воды. В настоящее время распространены преимущественно электродиализные ванны фильтропрессного типа. В этих ваннах мембраны, расположенные между катодом и анодом, разделены рамками из диэлектрика. Под действием электрического поля ионы, находящиеся в растворе, приходят в упорядоченное движение. Катионы движутся в одном направлении, а анионы — в противоположном. При этом селективнопроницаемые мебраны исключают возможность обратного поступления ионов в обессоленную воду. Таким образом, из нечетных камер ни анионы, ни катионы не могут пройти в соседние камеры вследствие того, что знак их заряда совпадает со знаком соответственно катионоактивных и анионоактивных мембран. В результате концентрация солей в воде одних камер (четных) начинает падать, т. е. происходит процесс опреснения, а в нечетных, наоборот, возрастает, что приводит к образованию рассола. Полученные обессоленная вода (дилюат) и концентрированный раствор отводятся из системы.

Кроме опреснения солоноватых вод, электродиализ может помочь при повторном употреблении воды для удовлетворения увеличивающегося водопотребления в промышленно развитых районах. Каждое использование воды городом повышает количество растворенных минералов примерно на 300 мг/л, поэтому при многократном пользовании водой возникает необходимость уменьшения ее солесодержания. Электродиализ в этом случае является наиболее эффективным процессом для удаления солей из воды с таким низким солесодержанием.

К настоящему времени разработаны надежные ионоселективные мембраны, а сам метод во многом технически эффективно разрешен, что может служить хорошей рекомендацией для него.

Электродиализные установки применяются не только для водоснабжения небольших водопотребителей, но и для крупных населенных пунктов, а также для промышленных и сельскохозяйственных производств. В Советском Союзе такие установки производительностью от 50 до 500 м3/сут успешно эксплуатируются на различных железнодорожных станциях. Сооружены также крупные установки производительностью 300 м3/сут на станции Моинты и производительностью 100 м3/сут на ТЭЦ станции Актогай. Установки опресняют воду с солесодержанием 2,1 г/л.

Большое внимание уделяется исследованию и разработке нового метода опреснения воды, который в нашей стране называют гиперфильтрационным, а за рубежом — обратноосмотическим.

Суть его заключается в следующем. Если два раствора с различными концентрациями разделены полупроницаемой пленкой, менее насыщенный раствор постепенно перетечет сквозь нее к более насыщенному. Но, если в объеме с более концентрированным раствором повысить давление, все происходит наоборот: растворитель уходит в объем с меньшей концентрацией вещества. Это явление так называемого обратного осмоса, на котором основана работа установок «Роса». При опреснении соленой воды этим методом чистая вода, являющаяся растворителем, находится под давлением и отделена от раствора полупроницаемой пленкой. В идеальном случае эта пленка пропускает только молекулы воды и не пропускает молекулы солей.

В США создано устройство, опресняющее морскую воду методом обратного осмоса. Морская вода подается под большим давлением в батарею, состоящую из большого числа пластмассовых трубок. Через стенки этих трубок по закону осмоса проникает только чистая пресная вода, а все растворенные в морской воде соли задерживаются. Батарея, состоящая из тысячи трубок, дает 10 тыс. л питьевой воды в сутки.

В ряде случаев питьевую воду необходимо длительно сохранять. С этой целью наиболее целесообразно применение серебра. В этом направлении интерес представляют фундаментальные работы академика АН УССР Л. А. Кульского, долгие годы тщательно изучавшего теорию и практику применения серебра в технологии обработки воды. Наиболее эффективен электрохимический метод приготовления серебряной воды (обогащение воды серебром при помощи электролиза), впервые разработанный им в 1930 г. и широко применяющийся в последнее время во многих странах. Постоянный электрический ток пропускается через пару погруженных в воду серебряных электродов; анод растворяется, и вода обогащается серебром. Полученная таким способом серебряная вода используется для дезинфекции питьевых и минеральных вод, консервирования некоторых продуктов питания, приготовления ряда фармацевтических препаратов и в лечебных целях.

В основе принципа действия аппаратуры для получения серебряной воды в соответствии с существующими методами насыщения воды серебром лежат контактирование воды с посеребренными поверхностями или ее обогащение серебром под действием электрического тока. Электролизная аппаратура обладает рядом преимуществ, и главные — дозирование и учет вводимого серебра — производятся по расходу электроэнергии. Такие установки компактны, обеспечивают высокую производительность и большую точность дозирования. Для введения серебра в воду, как правило, используется постоянный ток небольшого напряжения (до 20 В). Изменяя силу тока и время прохождения воды через аппарат, можно получать электролитические растворы серебра любой концентрации. Количество расходуемого серебра — ничтожно (0,05— 0,25 г на 1 м3 воды). При взаимодействии с органическими веществами и другими примесями воды серебро постепенно инактивируется, но его активность сохраняется в течение длительного периода. Серебро даже в сравнительно высокой концентрации не изменяет органолептических показателей воды. Следы серебра в воде вызывают гибель вегетативных форм бактерий, задерживают развитие спор, угнетают рост синезеленых водорослей, вирусов.