Текст книги "Вода, которую мы пьем"

Автор книги: Владимир Осипов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 10 страниц)

Пресная и питьевая вода Петербурга

Я рассмотрю воду Петербурга в качестве примера, а также по той причине, что имею о ней наибольший объем данных. Если вы, мои читатели, живете в другом регионе, то можете сами произвести такое же исследование. Тут важны методика, подход, и я советую вам не пользоваться информацией из сомнительных книг и статей. Всегда пользуйтесь первоисточниками, научными экологическими журналами, в которых описана экологическая обстановка вашей местности. Таких журналов много, и большая часть из них принадлежит РАН, Российской академии наук. Вот некоторые из них: «Экологическая химия», «Региональная экология» и «Экохроника» (Петербург); «Экология» (Москва); «Сибирский экологический журнал» и «География и природные ресурсы» (Новосибирск). Эти статьи доступны широкому кругу читателей, не требуют специальных знаний квантовой химии или теории относительности.

В данном разделе книги я хочу обратиться к землякам. Нам, дорогие петербуржцы, крупно повезло, хоть климат у нас и паршивый, а предприятий, загрязняющих воду и воздух, тысячи. Тем не менее в части снабжения водой Петербург находится в особых, можно сказать, уникальных условиях. С экологической точки зрения Нева не река, а довольно короткий канал, соединяющий Ладожское озеро с Финским заливом. А озеро – гигантский отстойник, в котором все загрязнения, включая промышленные и бытовые, оседают на дно и, в большинстве случаев, нейтрализуются. В результате в Петербурге пьют воду из поверхностных, довольно чистых слоев Ладоги. Предположительно эта вода почти не содержит вредных химических примесей (то есть их трудно обнаружить высокоточными методами анализа). Однако ладожская вода имеет следующие недостатки: излишняя мягкость (недостаток кальция), микробиологическое загрязнение, загрязнение хлорорганикой в результате дезинфекции и засоренность железом из-за ржавчины в водопроводных трубах. Фильтры, используемые для очистки петербургской воды, должны в первую очередь убирать микробы, вирусы, хлорорганику и избыток железа.

Не во всех регионах экологическая ситуация столь более или менее благоприятна. Взять, например, Волгу,[14]14
  В бассейне Волги сосредоточены половина населения России, половина сельскохозяйственного производства и около половины промышленного.


[Закрыть] куда сливаются бытовые и промышленные отходы множества городов и предприятий, а в результате получается «компот» из тысяч веществ, очень вредных, просто вредных, нейтральных и таких, чья вредоносность или нейтральность еще наукой не изучена и даже их ПДК не установлена. Подобная ситуация существует на многих реках Европы и Америки. К сожалению, реки и озера эксплуатируются человечеством в двух взаимоисключающих режимах: как свалки для жидких отходов и как источник питьевой воды. А ведь людям нужна не только питьевая вода! Для обеспечения всех потребностей одного человека в цивилизованной стране требуется 100–150 м3 воды в год (не считая производства).

Кто же отвечает за качество воды? В российских городах есть уже упоминавшиеся государственные унитарные предприятия «Водоканал», и ответственность за питьевую воду возложена на них. Но за какую конкретно? За ту воду, которая выпускается со станций водоочистки и циркулирует в центральной водопроводной сети, подведомственной «Водоканалу», до водомерного узла жилого дома. За качество воды в кране частного потребителя отвечает та организация, которая заключила договор с «Водоканалом» на водоснабжение данного потребителя. Часть водопроводной сети от водомерного узла (т. е. снабжающая водой жилой дом) находится на балансе организации-пользователя (в нашем случае это РЭО, ПРЭО и жилкооперативы). Таково общее положение для всех российских регионов. Качество воды контролируется Госсанэпиднадзором, а научную и общественную деятельность в этом направлении осуществляет множество экологических организаций: Научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, Центр независимой экологической экспертизы РАН, Международная ассоциация экологической безопасности, Общественный экологический координационный совет и т. д.[15]15
  В качестве примера я перечислил ряд экологических организаций Петербурга.


[Закрыть]

В Петербурге имеется пять водопроводных станций (ВС), расположенных вниз по течению Невы в следующем порядке: Южная (ЮВС) – в районе Рыбацкого, Северная (СВС) – в районе Веселого поселка, Волковская (ВВС) – у начала Обводного канала, Главная (ГВС) – около Смольного, Петроградская (ПВС) – на Большой Невке.

Очищают воду у нас хорошо, не хуже, чем в Лондоне или Париже, но эта очищенная вода поступает в водопроводную сеть по старым ржавым трубам, вдобавок насыщенной бактериальной флорой. Естественно, интенсивность загрязнения воды в трубах зависит от времени, в течение которого она добирается до крана потребителя. В районах, расположенных вблизи водопроводных станций, вода не успевает захватить слишком много микробов и ржавчины, но длина труб, проложенных в отдаленные районы, – десятки километров. Утром и днем вода в них движется медленно и насыщается бактериями и железом. Напомню, что отдаленные районы – «спальные»; утром и днем их обитатели на работе. В этот период водозабор невелик, и вода застаивается в трубах. Застаивается она и в тупиковых незакольцованных сетях. Кроме того, возможны разовые случаи ухудшения воды, связанные с сезонными изменениями, дождями и паводками, а также ремонтом водопроводов. В настоящий момент ведется реконструкция магистральной водопроводной сети, старые железные трубы заменяют на трубы из полимерных материалов, что отражается на качестве воды в разных городских районах не в лучшую сторону.

Остановлюсь на двух наиболее актуальных проблемах, связанных с содержанием тяжелых металлов в воде и вредных продуктов хлорирования воды. Данным проблемам посвящены статьи, опубликованные в журнале «Экологическая химия» [6, 18, 19].

Тяжелые металлы. Начну с проблемы, связанной с ними. Процитирую два фрагмента статьи на эту тему [19]. Авторы пишут: «Бытующее представление о том, что в водопроводных сетях города происходит существенное загрязнение питьевой воды тяжелыми металлами, имеет весьма общий характер и нуждается в качественной и количественной конкретизации». В статье описаны исследования, проведенные в 1997–1998 гг., после чего сделан вывод: «Полученные результаты не подтверждают представление о том, что в водопроводных сетях Санкт-Петербурга происходит массовое загрязнение питьевой воды тяжелыми металлами. Случаи, когда концентрация металлов превосходит ПДК, единичны и касаются только Al и Fe».

Суть исследования заключалась в следующем: в 1997 и 1998 гг. брались пробы невской воды около всех пяти станций водозабора (то есть воды до очистки), пробы воды после очистки на ВС (до выпуска в водопровод) и пробы воды «на кране» в пяти точках города (то есть воды, прошедшей по трубам). В этих трех типах проб определялось содержание металлов, а результаты сводились в таблицы и сравнивались между собой и с ПДК. Выбрав интересующие нас данные (вода после очистки и «на кране»), я составил свою табл. 3.4, которую предлагаю вашему вниманию.

Таблица 3.4. Концентрация легких и тяжелых металов и кремния в воде Петербурга (в мкг/л)

Примечание. В графе «станция, диапазон» даны минимальная и максимальная концентрации металла, измеренные в воде после обработки на ВС; в графе «кран, диапазон» – минимальная и максимальная концентрации металла, измеренные в воде «на кране»; в графе «кран, среднее» – их средняя величина. В пяти верхних позициях приведены содержания полезных ионов натрия, магния, калия и кальция, а также кремния (попросту – песка). В семи нижних позициях расположены металлы бор, барий, медь, марганец, стронций, титан и цинк, причем концентрации их меньше ПДК где в пять, а где – в сто раз (данные ПДК для титана приведены из работы [6]).

Из таблицы мы видим, насколько мягкая невская вода – содержание ионов жесткости даже по верхней границе диапазона в 10–15 раз меньше ПДК, и протекание воды по трубам на это обстоятельство никак не влияет. На концентрацию таких металлов, как бор, барий, медь, марганец, стронций, титан и цинк, перемещение воды от станции к потребителю тоже не влияет.

Самые интересные результаты относятся к железу и алюминию: во-первых, после прохождения по трубам их концентрация возрастает, а во-вторых, пиковые значения превосходят ПДК в два-восемь раз. Насколько часто это случается? Рассмотрим самую криминальную ситуацию по железу в 1998 г.: диапазон 10—2400 мкг/л, среднее 156 мкг/л, при ПДК 300 мкг/л. Диапазон 10—2400 означает, что разброс измеренных концентраций был гигантский, на два порядка, но если среднее равно 156, то получается, что высокие значения – больше трехсот, а тем более одна-две тысячи – замерялись очень редко. Это радует. Но, с другой стороны, пять точек города, в которых изучалась вода «на кране», не очень удалены от ВС – кроме, возможно, одной; и, возможно, именно в этой точке замерены большие концентрации железа. А что происходит в самых удаленных районах: в Купчино, на Юго-Западе, на Гражданке и в Озерках? Вопрос неясен, а потому стоит позаботиться о фильтре.

Но не думайте, что авторы работы [19] пытаются нас успокоить. Вовсе нет; они указывают: «В водопроводной сети происходит интенсивное загрязнение воды железом; концентрация элемента в питьевой воде по сравнению с содержанием его на выходе из ВС увеличивается не менее чем в три-четыре раза. В 1997 г. ПДК была превышена трижды: в марте в сети ЮВС (560 мкг/л), в сентябре в сети ЮВС (630 мкг/л) и в сети ГВС (350 мкг/л), а в 1998 г. – дважды в сети ГВС (май – 2400 и август – 330 мкг/л)». Загрязнение железом однозначно связано с ржавыми водопроводными трубами, а примесь алюминия появляется оттого, что при подготовке воды на ВС используют соединения алюминия.

Авторы статьи [6] в отличие от авторов статьи [19] производили анализ только водопроводной воды в одной-трех точках города, зато делали это на протяжении десяти лет и определяли в воде не только металлы, но и вредные органические примеси. В табл. 3.5 представлены результаты работ двух групп независимых исследователей. Сопоставим полученные данные.

Таблица 3.5. Содержание тяжелых металлов в питьевой воде Петербурга (в мкг/л)

Примечание. Данные таблицы приведены по материалам статей [19] (римск. I) и [6] (римск. II).

Сравнение результатов этих двух работ свидетельствует о нестабильности содержаний металлов в воде из крана, очень сильно зависящей от района города, состояния водопроводных труб и климатических изменений. Но завершить тему о металлах я хочу мажорным аккордом, самым приятным выводом из работы [19]: в силу гидрологических особенностей Невы в ее воде все-таки гораздо меньше алюминия и железа, чем в других реках нашей планеты.

Хлорирование воды. Проблема хлорорганики заключается в следующем:

а) на водопроводных станциях хлорируют воду, чтобы уничтожить болезнетворные микроорганизмы;

б) согласно российским стандартам на выходе из ВС допускается присутствие в питьевой воде 500 мкг/л свободного хлора и в сумме около 10 000 мкг/л различной органики – нефть, фенол и т. д. [6];

в) в зависимости от района и скорости водорасхода в жилых домах вода добирается к нашему крану от нескольких часов до половины суток и более. За это время хлор успевает прореагировать с остаточной органикой, отчасти превратив ее в весьма вредные хлорорганические соединения. Иными словами, происходит вторичное загрязнение питьевой воды, связанное с технологией ее микробиологической очистки на ВС.

Рассмотрим этот вопрос по материалам статей [6, 18]. Сравнивать их результаты вряд ли стоит, так как методика исследований была существенно различной: в [6], как описано в предыдущем разделе, изучались пробы, взятые из крана в нескольких петербургских районах, а в статье [18] моделировался процесс дезинфекции воды из рек Нева и Суда (Череповец). Речную воду обеззараживали тремя способами, принятыми на ВС (стандартная процедура хлорирования, хлорирование с последующим озонированием, хлорирование с озонированием и рядом дополнительных очистных мероприятий), после чего определяли вредную органику и выясняли, стало ли ее больше или меньше по сравнению с примесями в исходной речной воде.

Не вдаваясь в детали, перечислю основные результаты этих работ. В статье [6] приведены следующие данные. Установлено, что на протяжении 1990–1999 гг. содержание в воде крезолов, хлороформа и фенолов было значительным и приближалось к ПДК, а временами превосходило соответствующий норматив. Зато ДДТ (пестицид), ацетон и нитраты присутствовали в незначительных количествах: ДДТ – 0,15 мкг/л при ПДК 100 мкг/л, ацетон – 1 мкг/л при ПДК 2200 мкг/л, а нитраты – 1000–2000 мкг/л при ПДК 45 000 мкг/л. Что касается результатов, опубликованных в работе [18], то выводы неутешительны: во-первых, при дезинфекции воды содержание вредных примесей может как уменьшаться, так и увеличиваться; во-вторых, могут возникать новые хлорорганические соединения; в-третьих, озонирование усиливает генерацию этих новообразований.

Можно констатировать факт, что вопрос с надежным и не порождающим вторичных загрязнений обеззараживанием питьевой воды еще не разрешен, но это проблема не Петербурга, Москвы или Парижа, а всего мирового сообщества. Что же до наших вод, то в санэпиднадзоре мне сказали, что слухи о микробиологическом загрязнении невской воды несколько преувеличены. Так, например, человек, который не соблюдает правил гигиены, не моет руки, ест подозрительные продукты, получает в результате гораздо больше микробов, чем с водой. Но все-таки мы их получаем из воды, из воздуха и с продуктами, и тогда закономерен вопрос: почему же нет эпидемий? Видимо, потому, что наша иммунная система еще справляется с этой напастью.

В заключение главы я хотел бы дополнительно сообщить читателям сведения, взятые из [6]. А именно: самые жуткие яды (вроде акриламида, бенз(а)пирена и некоторых убийственных пестицидов) относятся к первому классу опасности; во второй класс входят кадмий, свинец, кобальт, барий, молибден, алюминий, стронций, бензол, ДДТ, хлороформ; в третий класс – хром, титан, никель, ванадий, марганец, железо, медь, цинк, ацетон, нитраты;[16]16
  Нитраты, соли азотной кислоты, – искусственные азотистые удобрения. Они сравнительно безопасны для взрослого человека, если не потреблять их внутрь десятыми долями грамма. Нитриты, соли азотистой кислоты, совсем другое дело: это яд первого или, возможно, второго класса опасности.


[Закрыть] в четвертый – фенол. Эта краткая информация, а также сведения из приложения 2 позволят вам сориентироваться в жизни и не бояться зря; случается, мы вдыхаем пары ацетона, полощем горло марганцовкой и уж наверняка едим огурцы с нитратами. Однако не умираем.

Глава 4
Очистка питьевой воды в домашних условиях и классификация бытовых фильтров

Для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения должны использоваться защищенные от загрязнения и засорения поверхностные и подземные водные объекты. Отнесение водного объекта к источникам питьевого водоснабжения должно осуществляться с учетом его надежности и возможности организации зон санитарной охраны.

Водный кодекс РФ, статья 133

Собственно, мы должны рассмотреть не очистку, а доочистку питьевой воды, которую еще называют финишной очисткой, или очисткой «на кране». Основная очистка вод природных источников производится водопроводными станциями. Мы можем предполагать, что эта очистка вполне приличная (например, в Петербурге) или не слишком качественная. Но в любой ситуации вода, обработанная на ВС, пропутешествует по водопроводным трубам, поэтому финишную очистку проводить желательно, а иногда просто необходимо.

О качественной очистке питьевой воды на петербургских ВС заявляют компетентные лица, например Ф.В. Кармазинов, руководитель ГУП «Водоканал» Санкт-Петербурга [16]. Конечно, директор «Водоканала» – персона заинтересованная, но хорошее качество очистки невских вод подтверждают и другие лица, с которыми я контактировал: Н.В. Боровков, заведующий отделением Центра горсанэпиднадзора, С.В. Холодкевич, заведующий лабораторией НИЦ экологической безопасности РАН, а главное – В.Я. Сквирский, известный специалист по воде, основатель ЗАО «ЭКО-АТОМ», которое производит уникальные фильтры (интервью, взятое у него тележурналистом Чернядьевым осенью 2001 г., видели многие петербуржцы). Сквирский, однако, напоминал о загрязнении природной воды и вторичном загрязнении в трубах воды очищенной, но с последним фактом согласен и директор «Водоканала» – тайны тут никакой нет.

Поскольку москвичей, петербуржцев и жителей всех остальных регионов России интересует не вода на выходе из ВС, а вода в их кране, я не буду описывать централизованные работы по очистке воды, фильтрацию через слои песка и глины, отстаивание, химическую обработку воды хлором и флокулянтами (соединениями алюминия) и прочие процедуры. Ниже мы ознакомимся с тремя наиболее важными для нас вопросами, связанными с холодной питьевой водой «на кране»:

– как улучшить ее качество без фильтра;

– какие существуют методы для очистки воды с помощью специальных материалов и устройств;

– какие бытовые фильтры нам предлагают производители.

Итак, начнем с первого вопроса.

Простые способы очистки воды

Существует несколько простых способов повышения качества воды. Я изложу их, опираясь на рекомендации упомянутых выше специалистов Н.В. Боровкова и С.В. Холодкевича, а также на личный опыт и литературные источники. Эти способы таковы: слив застоявшейся воды, ее отстаивание и кипячение.

Слив застоявшейся воды. Как уже неоднократно упоминалось, воду для питья лучше набирать впрок в количестве 5—10 л вечером, в период максимального водозабора, когда вода не застаивается в трубах. Естественно, набирать воду нужно лишь в том случае, если она имеет нормальный вид: не очень сильно пахнет и относительно прозрачна. Если в вечерние часы вдруг потекла вода вонючая, мутная или желтая от ржавчины, это свидетельство аварии в системе централизованного водоснабжения, и такую воду брать не следует. Не советую пропускать ее через фильтр: картриджи быстро придут в негодность. Лучше дождитесь ликвидации прорыва, а воду купите в магазине.

Отстаивание воды. Воде, набранной вечером, нужно дать отстояться за ночь – лучше всего в закрытой стеклянной, керамической или эмалированной емкости, но не в алюминиевой или стальной кастрюле. Затем (если вы сильно озабочены проблемой тяжелых металлов) можно произвести такую операцию: гибкую трубку осторожно (чтобы не взболтнуть жидкость) вводят в сосуд с водой – так, чтобы ее конец располагался у самого дна. Засасывают первую порцию воды, после чего она начинает литься из трубки в раковину, и сливают примерно треть отстоявшейся воды. Обратите внимание, что сливается нижняя треть, в которую за время отстаивания опустились примеси тяжелых металлов. Полностью вы их таким образом не удалите, но концентрацию в оставшейся воде уменьшите. Слив треть воды, проверьте, нет ли осадка на дне. Если есть, поднимите сосуд с водой (опять же осторожно, чтобы не взболтнуть) и перелейте воду в другую емкость, пропустив ее через сложенную вдвое-вчетверо марлю. Остаток воды с осадком выплесните в раковину.

Кипячение воды. Воду прокипятите в эмалированном чайнике или кастрюле. Кипячение убивает микроорганизмы, и одновременно с паром из воды уходит практически вся летучая хлорорганика (последствия дезинфекции воды хлором). Однако следует помнить, что некоторые микробы и вирусы выживают в кипящей воде минуты и даже часы и что летучей хлорорганике нужно куда-то испаряться, а не задерживаться крышкой. Поэтому кипятите воду в сосуде без крышки и не менее 5–7 мин. Существует мнение, что кипячение сокращает объем воды, и в результате сильно повышается концентрация тяжелых металлов. Это нелепость: за 5–7 мин не выкипит даже десятая часть первоначального объема.

Обработанную таким образом воду нужно закрыть крышкой, чтобы не проникали бактерии из воздуха, остудить и, если угодно, разлить в трехлитровые стеклянные банки, плотно закрыв их полиэтиленовыми крышками. Хранить воду лучше в холодильнике.

Методы очистки воды с помощью специальных материалов и устройств

Традиционных способов имеется три: механический, ионообменный и сорбционный.

Механический способ фильтрации. Для начала представим себе кастрюлю, накрытую марлей, через которую мы пропускаем воду. Это простейший механический фильтр, но что он остановит? Мусор миллиметрового размера… К тому же, хотя поверхность марли велика (например, один квадратный метр), работает только та ее часть, куда падает поток воды (допустим, сечением один квадратный сантиметр), и эта частица поверхности быстро засоряется. Разумеется, мы знаем, как поступить: сложим марлю вдвое, вчетверо, в восемь раз – теперь работают 8 см² поверхности, фильтр стал плотнее, он задерживает частицы размером 0,1 мм, или 100 мкм, но быстрее засоряется и поток воды через него течет медленнее.

Но если нас интересует качество фильтрации, а не скорость, нужно, чтобы работала вся поверхность марли. С этой целью скомкаем ее и запихнем в пластмассовый цилиндр сечением 1 см², через который и будем пропускать струю воды. В малом объеме цилиндрика вроде бы работает вся поверхность марли и задерживает частицы в 10 мкм. Но у этого способа есть недостатки: во-первых, резко снизилась скорость фильтрации; во-вторых, работает все же не полная поверхность марли, а верхние слои быстро забиваются примесями и не пропускают воду к средним и нижним слоям. Увеличим напор воды, таким образом, вода будет с силой продавливаться через всю поверхность марлевого фильтра. Но прогнав литров пять жидкости, мы заметим, что качество фильтрации падает: марля забита, и сильный поток воды не очищается, а вымывает из нее мелкий мусор. Нужно вытащить марлю и очистить ее.

На этом простом примере я продемонстрировал ряд проблем, возникающих при механическом способе фильтрации:

– необходимость уменьшить ячейки сетки или поры фильтрующего материала, чтобы фильтрация была качественной;

– необходимость создать в малом объеме фильтра большую рабочую поверхность, чтобы фильтр мог пропустить побольше жидкости (то есть имел большой ресурс);

– зависимость скорости фильтрации от плотности фильтрующего материала и давления воды;

– неизбежное засорение фильтра (исчерпание его ресурса);

– необходимость уловить момент засорения фильтра и либо заменить фильтр новым, либо очистить (регенерировать) его.

Наконец, последняя неприятность: представим, что, складывая марлю, мы можем добиться таких показателей фильтра, что через него не проходят частицы размером в несколько ангстрем – то есть молекулы, атомы, ионы. Казалось бы, прекрасно – мы задержим взвесь, бактерии, вирусы, всю органику и пресловутые ионы тяжелых металлов! А что мы получим на выходе? Может быть, ничего, если молекулы воды тоже не пройдут через наш фильтр, а в лучшем случае – «акву дистиллята», без необходимых нам макро– и микроэлементов! Ведь ионы натрия, магния, калия, кальция, хлора и все остальное, что делает воду питьевой водой, имеют такие же размеры, как ионы тяжелых металлов. В общем, несложно сделать фильтр, который бы все задерживал, но сконструировать такой, который бы задерживал ненужное, а нужное пропускал, – вот проблема!

Но давайте не будем торопиться с ее решением, а закончим с механической фильтрацией. Вам уже ясно, что это фильтрация через сито или сетку, то есть через инертную среду с определенным размером отверстий или пор, не пропускающих более крупные, чем эти отверстия, частицы. В качестве фильтрующего материала используется, конечно, не марля, а полипропиленовое волокно – в виде блока-картриджа, который подлежит замене по истечении его ресурса.

В зависимости от того, частицы какого размера могут быть задержаны, механическую фильтрацию делят на:

– ультрафильтрацию (задерживается 95 % частиц размером 0,2–0,5 мкм);

– два класса микрофильтрации (задерживается 95 % частиц размерами 0,5–5 и 5—15 мкм);

– два класса макрофильтрации (задерживается 95 % частиц размерами 15–50 и более 50 мкм).

Следовательно, механический фильтр способен, в принципе, задерживать крупные и мелкие частицы взвеси, бактерии и, с некоторой вероятностью успеха, вирусы и крупные органические молекулы. Что касается газов, металлов, хлорорганики и так далее, то они ему не по плечу; борьба с ними – не его задача.

Макрофильтрация обычно используется в предфильтрах, патроны которых врезают в водопроводную трубу на входе ее в квартиру, чтобы очистить воду от крупных частиц; тут можно поставить два предфильтра, на холодную и горячую воду,[17]17
  Необходимо учитывать, что горячая вода, то есть вода технического назначения, очищается гораздо хуже, чем холодная питьевая. По этой причине картридж на горячую воду придется заменять чаще, чем на холодную. Задачи такого предфильтра: создать вам комфорт при купании, предохранить ванну и раковину от желтизны, предохранить кухонную технику, для которой нужна горячая вода, от быстрого износа.


[Закрыть] и можно, разумеется, закладывать в патроны картриджи для микрофильтрации. Естественно, если такой картридж с очень мелкими порами (0,5–1 мкм), то он быстро засорится; оптимальный размер – 5 мкм. А вот в системе доочистки перед самым краном может присутствовать модуль микрофильтрации с размером пор 0,5–1 мкм, если в квартире установлен предфильтр. Если же его нет, то в систему перед краном можно установить два картриджа с порами 5 мкм и 0,5–1 мкм.

Теперь уместно поговорить о фильтрах, основанных на явлении осмоса и обратного осмоса, так как в них, по сути дела, реализуется такая же процедура очистки, как в механических фильтрах, только на молекулярном уровне. Твердое тело является очень мелкой природной сеткой, так как между атомами есть пустоты размером в несколько ангстрем. Но эта сетка трехмерная и исключительно плотная, она не пропускает ничего. Однако представьте, что мы изготовили пленку-мембрану толщиной в один атом или молекулу, а реально – во много молекулярных слоев, но все-таки весьма тонкую, от 1 мм до 0,1 мм или еще тоньше. В этой пленке между молекулами будут «отверстия-поры», причем очень маленькие, гораздо меньше, чем в механических фильтрах. Питьевая вода состоит из молекул H₂O и множества молекул и ионов примесей, и все они имеют хотя и малые, но разные размеры. Если процеживать воду через мембрану (точно так же, как мы это делали через марлю), то пройдут небольшие молекулы H₂O и близкие к ним по величине, а более крупные будут задержаны. Это и есть принцип осмотической, или мембранной, фильтрации.

Чтобы разобраться с ним окончательно, я опишу классический опыт французского физика Нолле, открывшего явление осмоса в 1748 г. Представьте цилиндр размером с обычный стакан, открытый с обоих концов; один конец (дно) затягиваем пленкой из бычьего пузыря, наливаем в цилиндр раствор сахара в воде и погружаем его дном в сосуд с чистой водой. Большие молекулы сахара не могут пройти сквозь материал пузыря, а молекулы воды проходят, и мы наблюдаем, как изменяется уровень жидкости в цилиндре. Бычий пузырь в данном случае является полупроницаемой мембраной.

В наше время такие мембраны изготавливают из полимерных и керамических материалов, и, в зависимости от размера пор, с их помощью осуществляется:

– обратный осмос;

– нанофильтрация;[18]18
  Напомню, что нанометр – одна миллиардная метра, или одна тысячная микрона, то есть 1 нм = 10 ангстрем = 0,001 мкм.


[Закрыть]

– ультрафильтрация;

– микрофильтрация.

Самая мелкая «сетка» (обратный осмос) пропускает лишь молекулы воды, и в результате мы получаем нечто близкое к воде дистиллированной. При нанофильтрации задерживаются взвеси, микрофлора (включая вирусы), любая органика и частично ионы натрия, кальция и магния; при ультрафильтрации – взвеси, микрофлора и крупные органические молекулы; при микрофильтрации – взвеси и бактерии. Этот способ фильтрации применяется прежде всего для удаления бактериологических и органических загрязнений (в том числе – хлорорганики), а также обессоливания воды (в случае обратного осмоса). Разумеется, можно сочетать в фильтре несколько мембран одного или разных типов и комбинировать мембранный фильтр с другими – например, с работающими по принципу ионного обмена. В дальнейшем я почти не буду касаться мембранной фильтрации, так как эти фильтры дороги и рассчитаны скорее на коллективное, чем индивидуальное применение.

Перейдем к очень распространенному методу сорбционной фильтрации.Сорбцией называется поглощение растворенных в воде веществ поверхностью твердого сорбента, в данном случае – материала, наполняющего фильтр. От механической фильтрации этот процесс отличается тем, что материал механического фильтра инертен, а сорбционного – активен: он захватывает примеси и удерживает их силами молекулярного притяжения. Разумеется, тут возникают такие проблемы, как с марлей: чтобы сорбент работал эффективно, его поверхность при малом объеме должна быть велика. Как этого добиться?

Давайте рассмотрим такой пример. Пусть у нас имеется стеклянная пластина размером 10ґ10 см и толщиной 1 см. Ее объем равен 100 см³, а полная площадь поверхности (сверху, снизу и с боков) – 240 см²; таким образом, отношение S/V (поверхности к объему) составляет 2,4. Разрежем пластину на 100 кубиков по 1 см; их суммарный объем не изменился, но суммарная поверхность теперь равна 600 см², а S/V = 6. Если мы возьмем молоток и раздробим стеклянные кубики на более мелкие частички, то их объем опять-таки не увеличится, а общая поверхность станет гораздо больше. Отсюда вывод: чтобы при заданном объеме (например, величиной с кулак) поверхность сорбента была велика, он должен состоять из мелких частиц.

Как можно дополнительно увеличить эту поверхность? Стекло – плотный материал, практически без пор, но мы можем взять субстанцию рыхлую, пористую – скажем, уголь. В каждой частице угля размером 1 мм имеется множество внутренних пор, незаметных глазу, но значительно увеличивающих его поверхность. Прекрасный материал для наших целей! Во-первых, не ядовит и легко дробится в порошок, во-вторых, захватывает и складирует на своей поверхности (в основном в порах) различные примеси, а в-третьих, его можно активировать. Активация – особая процедура, в результате которой различных пор, диаметром от 20–30 до 1000 ангстрем и еще крупнее, становится гораздо больше. Их так много, что полная поверхность 1 г активированного угля, производимого отечественными и зарубежными фирмами, равна 800—1500 м²!

Сорбционные фильтры удаляют из воды хлорорганику (хлороформ, четыреххлористый углерод, бромдихлорметан и другие вещества), а также тяжелые металлы (железо, свинец и др.), взвесь, бактерии и, в пределах своих возможностей, вирусы. Вполне понятно, что при фильтрации загрязненной воды примеси, осевшие в порах, забивают их, и спустя некоторое время, определяемое сорбционной способностью фильтра, его необходимо заменить. К тому же уловленные фильтром микроорганизмы никуда не исчезают и даже более того – они способны размножаться в фильтрующем материале. Чтобы этого не случилось, требуются специальные меры. Еще один важный момент: необходимо, чтобы вода проходила через угольный фильтр с небольшой скоростью (примерно один стакан в минуту на 100 г угля), иначе качественной очистки не получится.

Существует возможность улучшить практически все показатели сорбционного фильтра, если, например, смешать гранулы угля с измельченным полиэтиленом и подвергнуть смесь спеканию либо получить угольное волокно путем карбонизации волокон вискозы с последующей его активацией. Структура такого материала напоминает клубок нитей толщиной 6—10 мкм, с большим количеством пор и огромной активной поверхностью. Подобная разработка выполнена известной фирмой «Аквафор»: в выпускаемых фирмой фильтрах используется материал аквален.