МИКРОБИОЛОГИЯ
ХИМИЯ
Главная О компании Партнеры Контакты Новости
МикроБио +
МикроБио +

(495) 642-27-00
E-mail
Пароль регистрация
напомнить пароль



Технологии очистки воды



Технологии очистки воды
Основные технологии очистки воды описаны ниже. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. Некоторые из технологий водоочистки позволяют удалять широкий диапазон различных загрязнений, в то время как другие высокоэффективны в удалении какого-то определенного типа примесей, даже при очень низких уровнях их присутствия. Поэтому при получении ультрачистой воды, пригодной для решения задач, крайне требовательных к ее качеству для удаления всех типов загрязнений до допустимых уровней, необходимо использовать комбинацию различных технологий.


1. Дистилляция


Дистилляция – это, наверное, самый старый метод очистки воды. Сначала воду нагревают до кипения. Водяной пар поднимается в конденсатор, в котором холодная вода снижает его температуру, в результате чего пар конденсируется, а конденсат собирают и накапливают.  Большинство примесей остается в кипящей емкости.

Однако данный метод имеет ряд недостатков:

- Неорганические примеси способны мигрировать по тонкой пленке воды, которая образуется на внутренних стенках дистиллятора. Это объясняет причину, по которой ионы могут обнаруживаться в дистиллированной воде, удельное сопротивление которой обычно составляет 0.5 - 1 МОм*см при 25C (что приблизительно соответствует 500 ppb общего ионного загрязнения в воде). Источником неорганических загрязнений  (кремния, натрия, олова, меди) также может служить стекло или металл емкости, которая используется для нагревания воды.

- Органические вещества, точка кипения которых ниже 100C автоматически будут переноситься в дистиллят. И даже те органические вещества температура кипения которых превышает 100C, тем не менее, могут попадать в дистиллят, растворяясь в парах воды. Кроме того, во время дистилляции образуются новые хлорорганические соединения, в результате взаимодействия хлора водопроводной воды, в которой он используется для дезинфекции с природными органическими веществами, присутствующими в воде, благодаря энергии процесса дистилляции. Это объясняет, почему уровень ТОС в дистиллированной воде обычно составляет около 100 ppb.

- Дистилляция является медленным процессом, поэтому накопление воды происходит в течение длительного периода времени. За это время вода подвергается повторному загрязнению неорганическими и органическими летучими веществами, микроорганизмами, частицами и водорослями, источником которых служит воздух помещения, а также органическими веществами из пластиковых емкостей или ионами из стенок стеклянных резервуаров.

- Дистилляция является дорогостоящим методом, так как потребляет большое количество энергии и воды. Кроме того, дистилляторы требуют регулярной очистки котлов для нагрева воды с использованием соляной кислоты, щеток и наждачной бумаги для удаления загрязнений, скопившихся во время процесса.


Преимущества
- Удаляет широкий спектр загрязнений и поэтому используется как первый этап очистки.
- Многократное использование.

Недостатки
- Загрязняющие вещества частично переносятся в конденсат.
- Требует тщательного ухода для обеспечения чистоты продукта.
- Потребляет большие количества водопроводной воды (для охлаждения) и электроэнергии (для нагрева).
- Небезопасен для окружающей среды.


2. Ионный обмен


Ионообменный процесс осуществляется путем фильтрации воды через ионообменные смолы, в виде пористых сферических зерен. Ионы, которые находятся в воде, обмениваются на ионы, зафиксированные в зернах ионита. Наиболее распространенными методами, основанными на ионном обмене, являются умягчение и деионизация воды. Умягчение используется, главным образом, как метод предварительной подготовки для снижения жесткости воды перед процессом обратного осмоса. Смягчители содержат зерна ионита, который заменяет каждый ион кальция и магния, присутствующие в смягчаемой воде, на два иона натрия.   

Деионизация осуществляется или путем обмена протона водорода на катион или путем обмена иона гидроксила на анион. Катионообменные смолы, изготовленные из цепей полистирола, сшитых поперечно дивинилбензолом с ковалентно связанными группами сульфоновой кислоты, заменяют протоном водорода любой из присутствующих катионов (например, Na+, Ca2+, Al3+). Таким же образом, анионообменные смолы, изготовленные из полистирола с ковалентно связанными четвертичными аммониевыми  группами, заменяют на ион гидроксила любой из анионов (например, Cl-, NO3-, SO42-).  Водород из катионообменника соединяется с гидроксилом из анионообменника, образуя воду. 


Эти смолы могут быть помещены в ионообменники с раздельной загрузкой, с раздельными секциями для анионита и катионита, или находиться в ионообменниках со смешанной загрузкой, содержащих смесь ионообменных смол обоих типов. Последняя конфигурация позволяет более эффективно удалять ионы и обеспечивает более высокие значения удельного сопротивления воды.

После того, как все протоны водорода или гидроксильные ионы будут заменены на ионы, загрязняющие воду,  ионообменную смолу можно регенерировать сильной кислотой или основанием. Процесс регенерации является обратным к процессу очистки и состоит в замене ионов загрязнителей, связанных с ионообменной смолой, на протоны водорода или гидроксил анионы.  Однако этот процесс химически агрессивен и может приводить к повреждению полимерных цепей формирующих зерна ионообменных смол и их загрязнению органическими веществами и частицами, что создает проблемы при производстве ультрачистой воды.

Существует два решения для производства ультрачистой воды:

1) Использовать одноразовые картриджи, содержащие смешанную загрузку монодисперсных первичных ионообменных смол с низким уровнем ТОС (таких как Мерк Миллипор) и заменять их после использования. Это решение будет экономически приемлемым, если на картриджи будет поступать вода, прошедшая высококачественную предварительную подготовку, что позволит снизить частоту их замены. Качественная предварительная подготовка воды должна удалять не только большую часть ионов, достигающих ионообменника, снижая тем самым ионную нагрузку на ионообменные смолы, но и удалять органические загрязнения, частицы и коллоиды.  Это необходимо для предотвращения образования пленок на поверхности зерен ионита, затрудняющих доступ ионам к ион-связывающим центрам расположенным большей частью внутри пористых зерен ионообменных смол.  

2) Использовать для регенерации ионообменных смол непрерывный, щадящий процесс электродеионизации, чтобы избежать повреждения зерен ионообменных смол и, соответственно,  образования загрязнений. Этот процесс был разработан компанией Миллипор в 80-х годах прошлого столетия.

Деионизация может являться важным компонентом в системах полной очистки воды в комбинации с такими методами как обратный осмос, фильтрация и адсорбция на активированном угле. Система деионизации эффективно удаляет ионы, но малоэффективна в отношении большинства органических загрязнений и микроорганизмов.  Микроорганизмы способны прикрепляться к поверхности зерен ионообменных смол и колонизировать их, становясь источником пирогенов, в долгосрочной перспективе.

Преимущества
- Эффективно удаляет растворенные неорганические вещества (ионы), позволяя достичь удельного сопротивления свыше 18.0 МОм*см при 25C (что соответствует менее чем 1 ppb общего ионного загрязнения воды).
- Ионообменные смолы многократного использования. Их регенерируют для повторного использования кислотой и щелочью в «цикле деионизации» или путем электродеионизации. 
- Относительно небольшие начальные капиталовложения. 

Недостатки
- Ограниченная емкость: ионы перестают удерживаться после того как все ион-связывающие сайты  в ионообменнике  заполнены (за исключением технологий использующих электродеионизацию). 
- Плохо удаляет органические загрязнения, частицы и бактерии.
- Химически регенерированные ионообменные смолы могут становиться источником органических загрязнений и частиц.
- Первичные полимеры одноразового использования для достижения экономической эффективности требуют качественной предварительной подготовки воды.


3. Активированный уголь


Активированный уголь представляет собой пористые частицы органического материала, содержащие лабиринт мелких пор, которые значительно увеличивают площадь поверхности вещества. Один грамм активированного угля имеет поверхность порядка 1000 м2. Органические молекулы, растворенные в воде, проникают в поры и адсорбируются на их стенках, благодаря  Ван-дер-Ваальсовым силам. Процесс адсорбции регулируется диаметром пор в угольном фильтре и скоростью диффузии органических молекул через поры. Скорость адсорбции зависит от молекулярного веса и размера органических молекул.

Активированный уголь, который используется в технологиях очистки воды, доступен в двух формах:

- Натуральный активированный уголь получают путем высокотемпературной обработки природного растительного сырья, например, скорлупы кокосовых орехов. В результате такой обработки получают мелкодисперсный порошок с частицами неправильной формы. Натуральный активированный уголь содержит большое количество ионных примесей и поэтому используется только на этапе предварительной подготовки для удаления избытка хлора из водопроводной воды и в определенной степени для устранения  органических примесей.

- Синтетический активированный уголь получают путем управляемого пиролиза сферических частиц полистирола. Этот очиститель используется для удаления следовых количеств органических примесей с низким молекулярным весом.

Активированный уголь обычно используется в комбинации с другими методами очистки. Расположение активированного угля по отношению к другим компонентам технологического процесса  является важным моментом при конструировании систем очистки воды.

Преимущества
- Эффективно удаляет растворенные органические вещества и хлор.
- Длительный срок службы благодаря высокой связывающей емкости.

Недостатки
- Плохо удаляет ионы и частицы.
- Высокая, но ограниченная связывающая емкость из-за ограниченного числа связывающих сайтов.
- Может служить источником угольной пыли.


4. Микропористые фильтры


Микропористые фильтры можно разделить на три категории: глубинные (объемные) фильтры,  поверхностные фильтры и сетчатые (мембранные) фильтры. Глубинные фильтры состоят из переплетенных волокон или спрессованных материалов, формирующих матрикс, задерживающий частицы путем случайной адсорбции или захвата. Поверхностные фильтры состоят из нескольких слоев фильтрующего материала. Когда жидкость проходит через фильтр, частицы с диаметром, превышающим пространство между волокнами фильтрующего материала, задерживаются и скапливаются преимущественно на поверхности фильтра. Сетчатые фильтры (которые также называют мембранными фильтрами) представляют собой цельную структуру, которая содержит поры строго выверенного диаметра. Мембранные фильтры как сито задерживают все частицы, размер которых превышает размер их пор.

Различия между типами фильтров имеют большое значение, так как они предназначены для решения разных задач. Фильтры глубинного типа обычно используют как предварительный фильтр. Их использование является экономически выгодным решением, позволяющим удалять ≥98% взвешенных твердых частиц и защищать нижележащие элементы системы от повреждения и засорения.  Своей высокой емкостью они обязаны тому факту, что взвешенные частицы захватываются и удерживаются по всей глубине фильтра. Поверхностные фильтры удаляют 99.99 % взвешенных твердых частиц и могут использоваться как предварительные или как осветляющие фильтры. Сетчатые (микропористые мембранные) фильтры со 100% эффективностью задерживают частицы, размер которых превышает размер пор. Эти фильтры располагают в наиболее отдаленной точке системы для финального удаления следовых количеств фрагментов полимеров, угольной пыли, коллоидных частиц и микроорганизмов. Например, мембранные фильтры Мерк Миллипор с диаметром пор 0.22 мкм, которые задерживают все бактерии, широко используются для стерилизации инъекционных растворов, сывороток и антибиотиков.

Преимущества
-
Мембранные фильтры являются абсолютными фильтрами, удаляющими все частицы и микроорганизмы, размер которых превышает размер их пор.
-
Эффективная работа в течение всего срока службы при условии отсутствия повреждений.
-
Обслуживание состоит лишь в замене фильтра

Недостатки
-
Фильтры засоряются, когда их поверхность покрывается слоем задержанных частиц. Поэтому их нужно использовать как конечную завершающую стадию очистки.
-
Не удаляют растворенные неорганические и органические вещества и пирогены.
-
Не подлежат регенерации.


5. Ультрафильтрация


Микропористый мембранный фильтр удаляет частицы в соответствии с размером пор. В отличие от него, ультрафильтрационая мембрана функционирует как молекулярное сито. При прохождении раствора через бесконечно мелкий фильтр, ультрафильтрационная мембрана разделяет молекулы растворенных веществ на основании их размера или, как часто говорят, «молекулярного веса».

Ультрафильтр представляет собой прочную, тонкую, мембрану с избирательной проницаемостью, которая задерживает большинство макромолекул, превышающих определенный размер (Nominal Molecular Weight Limit - номинальный предел молекулярного веса) включая коллоиды, микроорганизмы и пирогены. Молекулы меньшего размера такие, как молекулы растворителя или ионов неорганичеких примесей, могут проходить в фильтрат. Таким образом, ультрафильтрационная мембрагна разделяет фильтруемую жидкость на ретентат, задерживаемую фракцию, богатую крупными молекулами, и фильтрат, не содержащий или содержащий незначительные количества таких молекул.

Ультрафильтры выпускаются в нескольких избирательных диапазонах. Вне зависимости от класса, все мембраны задерживают большинство, но необязательно все, молекулы с размером выше номинального. В установках очистки воды ультрафильтры обычно используют для получения воды свободной от пирогенов и нуклеаз для использования в молекулярной биологии и культивировании клеток. Ключевым моментом использования ультрафильтров является процесс их валидации, подтверждающий, что ультрафильтр способен надежно обеспечивать производство воды надлежащего качества. Проверка фильтра осуществляется при помощи пирогенов, ДНКаз и РНКаз в концентрациях значительно превышающих те, что встречаются при регулярном использовании.    

Преимущества
- Эффективно удаляет большинство частиц, пирогенов, ферментов, микроорганизмов и коллоидов, превышающих указанный номинальный размер, задерживая их над поверхностью ультрафильтра.
- Эффективная работа в течение всего срока службы при условии отсутствия повреждений.
- Срок службы можно увеличить регулярной промывкой водой на высокой скорости.

 Недостатки
- Не удаляет растворенные неорганические и низко-молекулярные органические вещества.
- Может засоряться при проверке значительными уровнями высокомолекулярных загрязнителей.


6. Обратный осмос


Обратный осмос является наиболее экономичным способом удаления 95-99% всех загрязнений. Пористая структура мембран обратного осмоса намного прочнее, чем у УФ мембран. Мембраны обратного осмоса способны очищать воду практически от всех частиц, бактерий и органических веществ с молекулярным весом > 200 дальтон (включая пирогены) с эффективностью близкой к 99%. Естественный осмос происходит, когда растворы с двумя разными концентрациями разделены полупроницаемой мембраной. Под влиянием осмотического давления вода проходит через мембрану, чтобы разбавить более концентрированный раствор, в результате чего концентрации растворов выравниваются.

В системах очистки воды гидравлическое давление подается к концентрированному раствору для противодействия осмотическому давлению. Чистая вода покидает концентрированный раствор со скоростью пропорциональной приложенному давлению и накапливается под мембраной. Мембраны обратного осмоса обладают низкой удельной пропускной способностью и, как следствие, отличаются низкой производительностью. Поэтому необходимы резервуары для сбора воды получаемой за определенное время.

Обратный осмос также включает в себя процесс удаления ионов. Только растворитель (например, молекулы воды) проходит через полупроницаемую мембрану, тогда как практически все ионы и растворенные молекулы (включая соли и органические молекулы, например, сахара) задерживаются. Полупроницаемая мембрана отталкивает соли (ионы) благодаря эффекту воздействия заряда: чем больший заряд иона, тем сильнее он отталкивается. Поэтому, мембрана удаляет из воды почти все (>99%) сильно ионизованные поливалентные ионы, но  в отношении слабо ионизированных моновалентных ионов, например, натрия, эффективность составляет только 95%. Удаление солей значительно возрастает при повышении давления до 5 бар.

Различия в поступающей воде могут требовать разных типов мембран обратного осмоса. Эти мембраны производят из ацетата целлюлозы или тонкопленочных полиамидных композитов на подложке из полисульфонов. Если система правильно спроектирована с учетом свойств поступающей воды и предполагаемого использования продукта водоподготовки, то обратный осмос является наиболее экономичным и эффективным методом для очистки водопроводной воды. Обратный осмос также является идеальным методом предварительной подготовкой воды для систем получения ультрачистой (сверхчистой) воды.

Преимущества
- Достаточно эффективно удаляет все типы загрязнений (частицы, пирогены, микроорганизмы, коллоиды и растворенные соли) и поэтому используется как этап первичной очистки. 
- Требует минимального обслуживания. 
- Параметры процесса (давление, температура, скорость потока, ионное отражение) легко отслеживаются.

Недостатки
- Ограниченная удельная пропускная способность требует для удовлетворения потребностей пользователей или большой площади мембраны или емкости для промежуточного хранения.
- Требует качественной предварительной подготовки для предотвращения повреждения мембраны водными загрязнениями:   образования накипи (отложения CaCOна поверхности мембраны), обрастания (отложения органических веществ и коллоидов) или перфорации твердыми частицами.


7. Непрерывная деионизация Elix


Эта технология является комбинацией электродиализа и ионного обмена. Комбинация этих процессов обеспечивает эффективную деионизацию воды, на фоне постоянной регенерации ионообменных смол электрическим током, проходящим через устройство. Такая электрохимическая регенерация заменяет химическую регенерацию, которая используется в традиционных ионообменных системах.

Модуль Elix состоит из ряда «ячеек», расположенных между двумя электродами. Каждая ячейка состоит из полипропиленовой рамы, к которой прикреплена катион-проницаемая мембрана с одной стороны и анион-проницаемая мембрана с другой стороны. Пространство между ионоселективными мембранами заполнено тонким слоем ионообменных смол. Ячейки отделены одна от другой сетчатым сепаратором.

Вода, поступающая в модуль, разделяется на три части. Небольшая часть проходит над электродами, 65-75% поступающей воды проходит через слой ионообменных смол в ячейках, а оставшаяся часть проходит вдоль сетчатого сепаратора между ячейками.

Ионообменные смолы захватывают растворенные ионы из воды, поступающей в верхнюю часть ячейки. Электрический ток, проходящий сквозь модуль, тянет эти ионы через ионоселективные мембраны по направлению к электродам. Катионы проходят через катион-проницаемую мембрану по направлению к катоду, а анионы через анион-проницаемую мембрану к аноду. Однако эти ионы не в состоянии достичь соответствующего электрода, так как они наталкиваются на соседнюю ионоселективную мембрану с противоположным зарядом.  Это предотвращает дальнейшую миграцию ионов и вынуждает их скапливаться в пространстве между ячейками. Это пространство называется «канал концентрации», а ионы, концентрирующиеся в этой области, вымываются из системы в канализацию.

Канал проходящий через слой ионообменных смол в центре ячейки называется «канал очистки». Вода проходящая через этот канал постепенно деионизуется. В нижней части канала очистки, где вода свободна от ионов, происходит расщепление H2O в электрическом поле, с образованием протонов водорода H+ и гидроксил анионов OH-, которые регенерируют ионообменные смолы, устраняя необходимость химической регенерации.

Преимущества
- Эффективно удаляет растворенные неорганические примеси, позволяя достигать удельного сопротивления свыше 5 МОм*см при 25°С (что соответствует общему уровню ионного загрязнения в воде порядка 50 ppb.
- Экологически чистая: нет химической регенерации;  нет химических отходов; нет отходов смол.
- Недорогая в эксплуатации.
- Безопасная: нет нагревательных элементов. 

Недостатки
-
Удаляет только ограниченное число органических загрязнений.
-
Для экономически выгодного использования требует хорошего качества поступающей воды (например, после обратного осмоса).


8. Ультрафиолетовое излучение (УФ)


Ультрафиолетовое излучение широко используется для антимикробной обработки воды. Ртутные УФ лампы низкого давления генерируют излучение в диапазоне волн, включающем 185 и 254 нм. Трубка лампы выполнена из кварцевого стекла и пропускает излучение с длинной волны 254 нм. Такие лампы являются эффективным средством для дезинфекции воды. УФ излучение инактивирует микробные клетки, повреждая их ДНК.

Трубка UV лампы из очень чистого кварца пропускает и 185 и 254 нм УФ излучение. Эта комбинация длин волн необходима для фотоокисления органических веществ, которое в конечном итоге позволяет преобразовать растворенные органические вещества в углекислый газ. Благодаря использованию таких специальных ламп уровень общего окисляемого углерода (TOC) в ультрачистой воде может быть снижен до уровня ≤ 5 ppb.

Преимущества
- Эффективная дезинфекция.
- Окисление органических соединений (185 нм и 254 нм) до достижения уровня TOC в воде ниже 5 ppb.

Недостатки
- Фотоокисление органических веществ является финальной стадией, позволяющей снизить уровень TOC.
- Образование CO2 в процессе фотоокисления снижает удельное сопротивление воды.
- УФ не разрушает ионы, частицы и коллоиды.


МикроБио +, (495) 642-27-00
info@mibioplus.ru
Создание сайта Wilmark Design

Карта сайта  Яндекс.Метрика