Вода и жизнь на Земле - Новиков Юрий Федорович

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.

Использование серебра для обеззараживания воды не только увеличивает арсенал существующих реагентов, но и является одним из наиболее эффективных методов дезинфекции и консервирования питьевой воды.

Серебро, как уже отмечалось, обладает более высоким антимикробным аффектом, чем пенициллин, биомицин и другие антибиотики, и оказывает губительное действие на антибиотикоустойчивые штаммы бактерий. Вода, содержащая всего 1 мг/л серебра, хорошо инактивирует вирусы гриппа различных штаммов. Такая вода при последующем заражении сохраняет свою бактерицидность на протяжении многих месяцев. Даже при значительно меньших концентрациях, не превышающих 0,1–0,2 мг/л, она способна убивать многие патогенные организмы, вызывающие опасные водные эпидемии. Водные растворы серебра (привозе 0,1 мг/л) являются эффективным средством при обеззараживании питьевой воды от возбудителей холеры при концентрации последних в 1 мл до 1 млн, особей.