9.2. Аппаратурное оформление
В технике ультразвук получают с помощью генераторов, которые можно условно разбить на две группы. К первой относятся механические излучатели, обладающие невысоким КПД и широким спектром излучаемых частот, что сильно ограничивает область их использования. Вторую, основную, группу ультразвуковых генераторов составляют преобразователи, которые тем или иным способом преобразуют электрические колебания в механические. Для получения низкочастотных колебаний используются электрические излучатели, работающие на основе эффекта магнитострикции с сердечниками из никеля, ферритов и других сплавов.
Сдерживающим фактором применения обеззараживания ультразвуком является отсутствие нормативно подтвержденных критериев и методов контроля эффективности процесса.
Магнитострикционные излучатели представляют собой цилиндрические или кольцевые сердечники с обмоткой, через которую пропускается переменный электрический ток определенной частоты. Получение ультразвука средней и высокой частоты производится главным образом за счет использования пьезоэлектрического эффекта: колебания генерируются пластинами из специальных материалов (кристаллы кварца, ниобата лития и дигидрофосфата калия), на которые и воздействует переменное электрическое поле. Во всех видах излучателей для увеличения интенсивности излучения применяют ультразвуковую фокусировку, а для повышения амплитуды – концентраторы излучения. В этом проявляется их схожесть с рядом оптических приборов.
В настоящее время областями широкого применения ультразвука являются водоснабжение и водоподготовка. Кроме общих приемов обнаружения трещин и других повреждений в трубопроводах и технологическом оборудовании с помощью методов ультразвуковой дефектоскопии, ультразвук применяется в контрольно-измерительных приборах для определения и расхода жидкости в напорных и безнапорных каналах. Важное место занимает также ультразвуковая обработка оборудования для удаления минеральных отложений, обеззараживания питьевой воды и удаления из нее загрязнений. Один из примеров такого применения – удаление из воды примесей железа, марганца, а также растворенных газов. Ультразвуковое воздействие на воду предотвращает рост кристаллов нерастворимых солей до размеров, необходимых для их выпадения в осадок. При этом минеральные отложения не группируются на твердых поверхностях, а образуют мелкодисперсный шлам.
Очистка воды ультразвуком считается одним из новейших методов дезинфекции.
9.3. Положительные и отрицательные качества метода
На качество обеззараживание воды ультразвуком не влияют такие параметры, как высокая мутность и цветность воды, характер и количество микроорганизмов, а также наличие в воде растворенных веществ. Степень обеззараживания воды зависит только от интенсивности ультразвуковых колебаний.
Сдерживающим фактором применения этого метода является отсутствие нормативно подтвержденных критериев и методов контроля эффективности процесса обеззараживания.
В настоящее время проводятся работы по установлению зависимости степени инактивации различных групп микроорганизов от мощности ультразвукового воздействия, а также условий, влияющих на процессы обеззараживания.
Отсутствие нормативных документов, регламентирующих использование метода, а также большие затраты делают способ ультразвукового обеззараживания неконкурентоспособным для промышленного использования.
10. Электрохимический метод обеззараживания
При реализации электрохимических способов подготовки воды обеспечивается обеззараживание жидкости, так как электролиз водных растворов практически всегда сопровождается образованием в объеме электролита сильных дезинфектантов. Наложение электрического поля на обрабатываемую жидкость может вызвать необратимое агрегатирование микроорганизмов, что позволяет их отделять на фильтре для грубодисперсных примесей.
В качестве средства для дезинфекции воды наибольшее распространение и популярность получили хлор и его кислородные соединения. Электрохимическое производство хлора из хлоридных растворов с последующим его растворением в объеме электролита приводит к образованию мощных бактерицидных агентов HClO и СlO – хлорноватистой кислоты и гипохлорит иона, соответственно. В последние годы наибольшее применение находят электролизные установки, позволяющие получить реагенты для обеззараживания воды непосредственно на месте потребления. Часто в качестве сырья используются хлоридные растворы естественного происхождения – подземные минерализованные воды и морская вода.
Применяют два способа электрохимического обеззараживания: получение гипохлорита натрия электролизом с последующим введением его в обрабатываемую воду, и непосредственный электролиз обрабатываемой воды. Получение гипохлорита натрия в электролизере производят в периодическом или непрерывном режимах. При периодическом режиме работы исходный раствор соли заливают в непроточный электролизер, проводят электролиз до получения требуемой концентрации гипохлорита натрия, а затем сливают в бак-накопитель и дозировано используют его по мере необходимости.
Проточный режим предусматривает непрерывный электролиз раствора хлорида натрия с одновременным дозированием гипохлорита в обрабатываемую воду.
Оборудование для реализации электрохимического метода приведено в разделе 5, данного издания.
Схема установки для получения гипохлорита натрия путем электролиза растворов поваренной соли, морских, солоноватых вод и других хлоридсодержащих растворов.
11. Мембранные методы
Поскольку все микроорганизмы характеризуются определенными размерами, то, пропуская воду через фильтрующую перегородку, размеры пор которой меньше, чем эти микроорганизмы, мы можем полностью очистить от них воду.
Поэтому фильтрующие элементы, имеющие размер пор менее 1 мкм, можно использовать для удаления бактерий, но не вирусов. Для процессов, когда требуется отсутствие любых микроорганизмов, применяют фильтры с порами размером не более 0,1–0,2 мкм.
Ниже мы остановимся на очистке воды по технологии обратного осмоса.
11.1. Технология обратного осмоса
Осмос как физическое явление был открыт французским физиком Ж. Нолле в 1748 г., именно в опытах с органической мембраной (бычьим пузырем). Мембрана (от лат.:membrana – перепонка – тонкая пленка).
В жизни растительных и животных организмов мембраны играют важнейшую роль. Любая клетка организмов окружена биологической мембраной, имеющей белково-липидную структуру молекулярных размеров (толщина не более 100 Å).
Мембраны организмов проницаемы и способствуют обводнению клеток и межклеточных структур, регулируют в клетках концентрацию разных веществ: солей, сахаров, аминокислот и др.
Метод обратного осмоса появился в 1953 г., когда Рейдом и Бретоном (США) были открыты полупроницаемые свойства ацетилцеллюлозных мембран. В дальнейшем была разработана технология изготовления мембран из раствора ацетилцеллюлозы в ацетоне и формамиде, были изготовлены мембраны, которые можно хранить длительное время в сухом виде, а также мембраны в виде полых волокон и составные мембраны.
Таким образом, более 50-ти лет назад начала развиваться принципиально иная технология очистки воды – мембранная технология. Она основана на пропускании воды под давлением через полупроницаемую мембрану и разделении воды на два потока: фильтрат (очищенная вода) и концентрат (концентрированный раствор примесей). Мембрана является главным элементом системы обратного осмоса.
Установление равновесия между концентрациями растворов по обе стороны мембраны происходит под действием осмотического давления, значение которого может достигать больших значений. Например, для океанской воды с минерализацией 35 г/л это давление равно 2,55 МПа, в организме морских животных – 0,665–0,755 МПа, а у солончаковых растений – 8,0 МПа.
Предложено несколько гипотез, объясняющих некоторые факторы осмоса, но единой теории пока нет.
Отсутствие теории, как и в некоторых других областях водоподготовки, не помешало все более растущему применению явления обратного осмоса для обработки воды.
Современные обратноосмотические мембраны – композитные – состоят из нескольких слоев. Общая толщина 10–150 мкм, причем толщина собственно селективного слоя, который определяет селективность мембраны, – не более 1 мкм. В состав конструкции входит турбулизирующая сетка между мембранами.