Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание научных основ обеззараживания и очистки воды на основе нанотехнологии

Список исполнителей

1. Ташполотов Ы. - д.ф.-м.н., проф., научный руководитель темы

2. Садыков Э. - к.т.н., с.н.с., отв. исполнитель

3. Акматов Б. - м.н.с., исполнитель

4. Жогаштиев Н. - м.н.с., исполнитель

5. Самиева Э. Т. - ст. лаборант, исполнитель

Аннотация

Проблема взаимосвязи качества воды со здоровьем населения чрезвычайно актуальна. В рамках Программы ООН, посвященному изучению и разработке мероприятий по улучшению качества питьевой воды, потребляемой населением планеты были разработаны рекомендации ВОЗ, содержащие минимально необходимые критерии и показатели качества безопасной и безвредной питьевой воды, предназначенные, в основном, для развивающихся стран. В промышленно развитых странах требования к показателям качества питьевой воды более высокие, что отражает уровень в стране возможностей и технологий, способных обеспечить должную очистку питьевой воды в условиях не уменьшающегося на протяжении последних десятилетий загрязнения водоисточников. Однако, в США, Великобритании и некоторых других странах начались углубленные исследования взаимосвязи со здоровьем питьевой воды, соответствующей нормативным требованиям, и их результаты послужили основанием для пересмотра количественных значений нормируемых показателей качества воды.

На водозаборной станции г.Ош производят обесцвечивание воды, ее осветление и обеззараживание. Исследования, проведенные на Ошской водозаборной станции, со сходной системой водоподготовки, показали, что готовая к подаче в сеть вода и после хлорирования содержит мутагенно-активные соединения. Это позволяет предположить, что в результате водоподготовки на станции г.Ош также не удаляются из воды многие опасные для здоровья соединения, в том числе канцерогены.

Очистка воды по существующим технологиям в мире очень непроизводительна, энергоемка, материалоёмка и не полностью очищает и обеззараживает воду. Хлорирование: в воде всегда имеются органические вещества, которые, соединяясь с хлором, дают канцерогены, причем обеззараживание воды достигает лишь 80 %, для повышения этого показателя нужно повышать концентрацию хлора и какая бы не была концентрация хлора, многие вирусы, яйцеглист защищенный оболочкой не погибают. То есть, до последнего времени считали, что хлор обеспечивал высокий уровень безопасности воды независимо от времени её доставки, но теперь известно, что хлор имеет и ряд негативных свойств. Поэтому в последнее время для целей обеззараживания и интенсификации антимикробного действия дезинфектантов используются электрические поля различного вида и частоты - постоянное, переменное, низкочастотное, высокочастотное, импульсное, ультразвуковое и ультрафиолетовое излучение, гамма-излучение. Одновременное использование окисления с вышеперечисленными методами позволяет снизить время обеззараживания, а также уменьшить дозу окислителя, но достигнуть 100%-го бактерицидного действия из-за присутствия в воде антропогенных или взвешенных веществ не удается.

В технологии обеззараживания и очистки сточных вод также нашел большое применение электроактивационный метод с использованием электроактиватора. Они предназначены для электроактивационной очистки питьевой, производственных сточных и других вод от тяжелых металлов, солей двухвалентного железа, нитритов, сульфитов, сульфидов.

Практическая ценность работы.

По результатам исследований ожидается получение социально-экономического эффекта, улучшения экологии и санитарно-эпидемиологического состояния в городских очистных сооружениях. Будет разработана технология обеззараживания и очистки питьевой воды, с применением электроактивационного метода. Ожидаемым результатом проекта является создание научно-технологических основ очистки воды на основе нанотехнологии с использованием электроактивационного метода и разработанные рекомендации по оптимизации технологических процессов очистки, путем установления физико-технических параметров метода и свойств питьевой воды.

В результате при использовании электроактивационного устройства в обеззараживании и очистки питьевой воды удешевляются стоимость воды в несколько раз, экономия электроэнергии, уменьшают трудозатраты при эксплуатации, в зависимости от производительности очистных сооружений.

Ключевые слова

Очистка и обеззараживание питьевой воды, электроионизация, электрическое поле, электроды, порошки, дисперсность, нанотехнология.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Физико-химические свойства воды

1.1 Три состояния воды

1.2 Окислительно-восстановительный потенциал воды

1.3 Кислотно - щелочное равновесие воды

1.4 Физические свойства воды

1.5 Химические свойства воды

Глава 2. Методы очистки воды (анализ состояния вопроса)

2.1 Основные типы загрязнений и методы их удаления

2.2 Традиционные способы очистки питьевой воды

2.3 Осветление, обесцвечивание и обеззараживание воды

2.4 Выбор места расположения очистных сооружений и определение требуемых площадей

Глава 3. Электрофизический способ очистки и обеззараживания питьевой воды

3.1 Очистка воды с помощью нанотехнологий

3.2 Очистка с помощью метода электрохимической активации

3.3 Очистка и обеззараживания воды на основе электрофизической

ионизации

Заключение

Литература

Введение

В настоящее время в науке и обществе сохраняется неослабевающий интерес к изучению воды, ее уникальных биологических и физических свойств. Познание удивительных и завораживающих свойств воды начинается от созерцания прекрасных структурных творений и осязания музыкальной гармонии воды, преподносимых Масуру Эмото [1,2]. Шокирующие эксперименты по управлению климатом, влияние воды на состояние здоровья человека и экосистем, явления электромагнетизма в воде и факты нелокального взаимодействия водных сред, включая биологические - это тот небольшой перечень из круга удивительных явлений, формирующих ореол таинственности вокруг воды [1-8]. В этих проявлениях в глубинах современной науки человеку становится ясно, что вода - это не построение из двух атомов водорода и одного атома кислорода, а нечто значительно большее, обладающее уникальными свойствами, в том числе способностью воспринимать в себе информацию как о состоянии окружающей среды, так и о биологических объектах, взаимодействующих с ней [5,8]. При этом отклик воды на подобное воздействие имеет нелокальный характер, так как может проявляться как в прошлом, так и в будущем.

В этой связи возникает вопрос: "Что представляет собой вода и чем обуславливаются ее уникальные свойства?" Для ответа на первую часть вопроса ряд известных ученых предложил различные структурные модели, основанные на способности молекул воды образовывать водородные связи. Так, с именами Дж. Бернала и Р. Фаулера связана модель воды на основе тетраэдрической координации молекул. Модель С. Катцова и Л. Холла в отличие от модели Дж. Бернала и Р. Фаулера имеет двуструктурную организацию [6,7]. Модель воды с изогнутыми водородными связями предложена Дж. Леннардом и Дж. Попплом, а модель, содержащая пустоты в каркасе водородных связей, была выдвинута О. Самойловым. В середине 60-х гг. XX в. М. Штакельбергом разработана клатратная модель воды, которая нашла экспериментальное подтверждение в газогидратах, открытых Л. Полингом [6,7]. Однако структура газогидратов Л. Полинга была получена при использовании для их создания гидрофобных соединений, не несущих на себе заряд.

В конце XX в. стало ясно, что коллективные свойства молекул воды обусловлены наличием в жидкости тех или иных дефектов. Исходная посылка таких представлений связывалась не только с газогидратами Полинга, но и с теорией гидратации ионов И. Каблукова (1891 г.), количественную оценку которой выполнили Дебай и Гюккель (1923 г.). Согласно Дебая гидратная оболочка ионов определяется радиусом экранирования... Отсюда макроскопические оценки ионного кластера дают 10⁷...10⁵ молекул воды, что достаточно для построения коллективного ансамбля молекул.

В 90-е гг. XX в. Дж. Препарата (1995 г.) разработана теория когерентных состояний воды, так называемой "когерентной фазы воды". Именно этот год следует считать отправной точкой исследования коллективных свойств воды. В изучение свойств когерентной фазы воды внесли вклад Д. Анагностасос (1988 г.), Дель-Джиудиче, открывшие сверхпроводимость в воде, И. Бенвенисте и другие, доказавшие наличие волн сверхтекучих электронов в воде организмов [8].

Одной из последних работ в области кооперативного поведения воды является книга, выпущенная авторами под редакцией академика РАМН Ю. Рахманина и академика РАЕН В. Кондратова (2002 г.), в которой модель воды представлена в виде свободной и ассоциированной фазы, представляющей собой структуры полиморфных льдов, стабилизированные зарядами в жидкости [8].

Проблема дальнейшего изучения кооперативного поведения воды сопряжена с исследованием условий внутренней самоорганизации воды и физико-химических свойств ассоциированной воды в объемной воде и изменений состояния ассоциированной воды под воздействием внешних физических факторов, в том числе электромагнитных взаимодействий. В свою очередь, устойчивые состояния ассоциированной воды сопряжены с термодинамикой полиморфных льдов в воде при наличии возмущающих электрофизических факторов. К таким факторам следует отнести не только наличие высоких градиентов электрического потенциала при определенной ориентации молекул воды в ее связанных фазах, но и наличие нескомпенсированных зарядов в форме ион-радикалов. Особый класс взаимодействий в ассоциированной воде обусловлен состояниями зарядов в ассоциатах воды, образующих связанные когерентные макроскопические пакеты электронов, подобных по своей природе классическим электромагнитным вихрям, формируемым сверхтекучими электронами.

Изучение закономерностей взаимодействия ассоциированной воды с факторами внешней среды основывается на анализе процессов изменения внутреннего энергетического состояния сверхтекучих электронов в кластерах воды, электрон-фононных взаимодействий и нелинейных эффектов конденсации электронов, особенно в критических состояниях ассоциатов вблизи температурных точек фазовых неустойчивостей материнской фазы воды (полиморфных льдов), когда закрепленные электромагнитные вихри приобретают свободу для транспорта, а их динамика становится существенно нелинейной [6,9].

Последовательное рассмотрение взаимосвязи структурно-физических и электромагнитных процессов, протекающих с участием когерентных волновых пакетов электронов позволяет подойти к изучению наиболее важных разделов кооперативной динамики воды, с которой связан целый класс нелинейных эффектов и явлений нелокального поведения воды. Очевидно, что основа этих явлений связана с квантовыми свойствами и критическими состояниями сверхтекучих электронов [6-9].

По-существу, изучение квантовых свойств воды переходит в стадию исследования неравновесной динамики электромагнитных вихрей в диэлектрических средах окружающей среды, обладающей избытком энергии, что составляет необходимые условия для проявления когерентных эффектов [9].

Перечислим основные требования к питьевой воде [10,11].

Одна из главных экологических проблем человечества - качество питьевой воды, которая напрямую связана с состоянием здоровья населения, экологической чистотой продуктов питания, с разрешением проблем медицинского и социального характера. По данным Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) - 85% всех заболеваний в мире передается водой. Ежегодно 25 миллионов человек умирает от этих заболеваний. В Новых санитарных правилах и нормах (Сан ПиН 2.1.4.559-96) «Питьевая вода» были определены показатели по вирусам, ужесточены требования по наличию пестицидов, а по хлорсодержащим веществам нормы увеличены более чем в три раза. Это объясняется вынужденным выбором для очистки воды одного из двух зол: обеззараживать воду обильным хлорированием и нарушать норму по хлору или смириться с наличием в воде бактерий. При хлорировании природных вод образуются хлорсодержащие токсичные, мутагенные и канцерогенные вещества - тригалометаны. Следует отметить, что в упомянутых выше Санитарных нормах допускается содержание свинца и алюминия соответственно в 3-10 раз больше, чем это предусмотрено в стандартах ВОЗ. При этом необходимо учитывать, что свинец и алюминий относятся к классу высокоопасных веществ.

Свинец откладывается в костях, приводит к изменениям в центральной нервной системе (полиневриты, церебральный артериосклероз), крови (снижение гемоглобина, уменьшение числа эритроцитов), желудочно-кишечном тракте (спастический хронический колит), а также к нарушению обмена веществ, “угнетению” многих ферментов и гормонов. Даже небольшое количество свинца вызывает поражение почек.

Алюминий парализует нервную и иммунную системы, особенно уничтожающе он действует на детский организм, способствует развитию болезни Альцгеймера.

Длительное использование питьевой воды с нарушением гигиенических требований по химическому составу обуславливает развитие различных заболеваний у населения. Неблагоприятное биологическое воздействие избыточного поступления в организм ряда химических веществ проявляется не только в повышении общей или специфической заболеваемости, но и в изменении отдельных показателей здоровья, свидетельствующих о начальных патологических или предпатологических сдвигах в организме.

Повышение концентрации меди в питьевой воде вызывает поражение слизистых оболочек почек и печени; никеля - поражения кожи; цинка - почек; мышьяка - центральной нервной системы.

Исследования ученых из России в девяти городах Сибирского региона показывают, что влияние загрязненной воды на заболеваемость составляет от 7,7 до 41%. Ежегодно возрастает количество эпидемических вспышек острых кишечных инфекционных заболеваний, обусловленных водным фактором передачи инфекции. При этом по данным Госсанэпиднадзора РФ, очень низкое качество питьевой воды в Бурятии, Дагестане, Калмыкии, в Приморском крае, в Архангельской, Калининградской, Томской, Кемеровской, Курганской, Ярославской областях. Исследования, проведенные в Иркутской области, показали, что повышенный уровень заболеваемости язвой желудка и двенадцатиперстной кишки, хроническими гастритами, а также ишемической болезнью связан с повышенным уровнем бикарбонатов в воде. Это явление приводит и к отставанию физического развития детей. Среди 184 исследованных городов России Санкт-Петербург занимает первое место по врожденным аномалиям, болезням обмена веществ, и второе место - по онкологическим заболеваниям. Более половины питерских школьников страдают гастритом. Главная причина - грязная питьевая вода. Не лучше обстоят дела и в столице. Спад промышленности не сделал чище Москва-реку.

Таким образом, питьевая вода - важнейший фактор здоровья человека [8]. Практически все ее источники подвергаются антропогенному и техногенному воздействию разной интенсивности. Исследования свидетельствуют об ухудшении качества воды с 1995 г. и о том, что в ряде регионов уровень химического и микробиологического загрязнения водоемов остается высоким, в основном из-за сброса неочищенных производственных и бытовых стоков. Несмотря на относительную защищенность подземных вод от загрязнений, благодаря чему их стремятся использовать для питьевого водоснабжения, к настоящему времени обнаружено около 1800 очагов их загрязнения, 78% которых - в европейской части РФ. Из-за нехватки сооружений для очистки и обеззараживания воды на большинстве водопроводов с водозабором из открытых водоемов состояние источников централизованного водоснабжения в целом по стране крайне неблагополучное.

В ряде водозаборов обнаружены соли тяжелых металлов (ртути, свинца, кадмия) в концентрациях, превышающих ПДК, и возбудители инфекционных заболеваний [11]. На многих водопроводах с водозабором из поверхностных источников (34% - коммунальных и 49,3% - ведомственных) нет полного комплекса очистных сооружений, а на 18,1% и 35,1%, соответственно - обеззараживающих установок. Состояние источников питьевого водоснабжения, неудовлетворительные очистка и обеззараживание напрямую связаны с качеством питьевой воды, подаваемой потребителям. В целом по РФ 20,6% проб, взятых из водопровода, не отвечают гигиеническим требованиям к питьевой воде по санитарно-химическим показателям (15,9% - по органолептике, 2,1% - по минерализации, 2,1% - по токсическим веществам и 10,6% - по микробиологическим). Чаще всего низкое качество питьевой воды из централизованных систем водоснабжения связано с повышенным содержанием в ней железа и марганца. По данным региональных органов санэпидемслужбы, около 50 млн человек, т. е. треть населения РФ, пьют воду с повышенным содержанием железа.

Низкое качество питьевой воды сказывается на здоровье населения. Микробное загрязнение нередко служит причиной кишечных инфекций. Так, в 1998 г. в стране зарегистрировано 122 вспышки острых кишечных инфекционных заболеваний, вызванных питьевой водой (в 1997 г. - 112), с числом заболевших 4403 человек (в 1997 - 3942).

Санитарно-вирусологическое исследование воды из разных источников в Архангельской области РФ показало, что вирусный гепатит А распространяется в основном «водным путем». В Кемеровской области в 1998 г. установлен тот же путь передачи острых кишечных инфекций у 672 человек (30,8%) и вирусного гепатита А у 324 человек (55,5% от общего числа установленных диагнозов). В Свердловской области обнаружена связь между содержанием хлорорганических соединений в питьевой воде 12 городов и онкологическими заболеваниями, спонтанными абортами, частотой мутаций в соматических клетках у детей. Выяснилось, что Екатеринбург остается одним из городов максимального риска как по загрязнению воды, так и по мутагенной и канцерогенной опасности. Кроме того, здесь выявлена мутагенная активность воды перед подачей ее в городскую сеть. Мутагенный риск от хлорированной питьевой воды, поступающей с одной из фильтровальных станций, подтвержден цитогенетическим исследованием детей, живущих в соответствующих микрорайонах города. Во многих местах актуальна проблема фтора. Как известно, его биологическая роль различна в зависимости от концентрации в воде. Повышенное содержание фтора оказывает неблагоприятное влияние на костную, нервную и ферментативную системы организма, обусловливает поражение зубов (флюороз), а недостаток (менее 0,5 мг/л) влечет за собой кариес.

На Украине существующий государственный стандарт для определения качества воды не обновлялся последние 60 лет. Естественно, многое с тех пор изменилось, большинство норм и требований пересмотрены. Но санэпидемстанции продолжают пользоваться давно отжившими свой век нормативами. Прибавим к этому загрязненность рек, устаревшее водоочистительное оборудование и последствия Чернобыльской катастрофы. Качество воды в Днепре существенно изменилось в худшую сторону из-за необычайно высокого содержания органических веществ. В Киеве даже отказались от использования воды из Днепра. В Донецкой области вспыхнула энтеровирусная инфекция, которая привела к заболеванию гнойным менингитом. Причина заболевания - недоброкачественная питьевая вода. Конечно, на Украине ищут новые безхлорные технологии обработки и очистки питьевой воды, и это дает надежду на будущее.

О состоянии питьевой воды Казахстана можно писать много. Ограничимся одним фактом. Новая столица республики - Астана снабжается водой из реки Нуры. Содержание ртути, опаснейшего для жизни элемента, который разрушает костный мозг, омертвляет печень, вызывает нервно-психические нарушения, в реке Нуре и окрестных грунтовых водах в несколько тысяч раз превышает предельную концентрацию.

Вообще по данным ООН уже сегодня 80 стран мира сталкиваются с проблемами нехватки пресной воды, а 31 государство стоит под угрозой водного кризиса, причем это касается только количества пресной воды, не говоря уже о ее качестве.

Как же решается проблема с питьевой водой сегодня на государственном уровне в Кыргызстане? Соответствующие законы о питьевой воде не приняты до сих пор. Традиционная система водоподготовки не улучшает качества питьевой воды. Система очистки и водоподготовки не устраняет из забираемой воды элементов техногенного происхождения: железа, меди, алюминия и др. Даже если концентрация этих элементов не превышает ПДК, они мигрируют в токсичных ионных формулах, что может приводить к нежелательным последствиям для здоровья.

Глава 1. Физико-химические свойства воды

В ХIХ веке была открыта химическая формула этого соединения Н₂О, которая, как тогда казалось, дает полную информацию о воде, но в 1932 году открылся новый сенсационный факт - помимо обыкновенной воды, существует еще и понятие «тяжелая» вода, а на сегодняшний день уже известно до 135 изотопных разновидностей воды. Состав отдельно взятой капли воды, при условии полного ее очищения от примесей минеральных и органических веществ, всегда уникален, а ее свойства меняются в зависимости от физической природы составляющих ее атомов, способа формирования молекулы, и от объединения этих молекул в химическое соединение [1-8].

Одним из самых замечательных и в то же время затрудняющим изучение воды свойством, является способность воды выступать в качестве универсального растворителя. Любое вещество, будь оно в твердом, жидком или газообразном состоянии, обязательно в какой-то степени растворяется в воде, поэтому вода всегда является раствором, имеющим очень сложный химический состав. И даже когда химический состав воды, взятой в различных местах, полностью идентичен, оказывается, что вода оказывает совершенно различное влияние на организм, так как условия формирования воды также определяют ее свойства.

Следует отметить, что в природе не существует абсолютно чистой воды, а наиболее близкой к этому понятию является дождевая вода, хотя даже она в своем составе имеет некоторое количество примесей, которые попадают в нее из воздуха. А наиболее характерным растворителем является морская вода, так как она может растворить практически любое вещество, а ее состав может включать до 70 элементов периодической системы Менделеева, начиная с хлора, магния, натрия, серы, кальция и калия, брома, углерода, стронция и бора, которые содержатся в морской воде в больших количествах, и заканчивая редчайшими радиоактивными элементами в очень небольших долях.

В зависимости от содержания в воде различных примесей ее можно разделить на несколько классов: пресную воду, соленую и рассолы. От этого зависит и цвет воды. На первый взгляд, любая вода - прозрачная бесцветная жидкость, не имеющая ни вкуса, ни запаха, однако глубокие воды моря или океана выглядят голубыми, а вода горных рек кажется зеленой, именно присутствие различных примесей в воде придает ей различный цвет. Казалось бы, при современном оборудовании и технологиях на сегодняшний день мы знаем о воде все, но открываются новые и новые факты, которые показывают, что вода обладает нераскрытым потенциалом, который еще только предстоит узнать человечеству.

Оказывается, что вода не только с древнейших времен служит для удовлетворения бытовых и промышленных нужд человека, но и защищает Землю летом от перегревания, а зимой, отдавая ей свое тепло, от перемерзания. Избыток углекислого газа, вырабатываемый в процессе жизнедеятельности человека, мог бы привести к катастрофическим последствиям, если бы не был поглощен водами мирового океана.

Вода обладает специфическими свойствами, которые не присущи не одному химическому соединению, так, к примеру, при переходе воды из жидкого состояния в твердое, она не увеличивает свою плотность, а увеличивает объем. Это связано с молекулярным строением льда: при замерзании молекулы располагаются на значительном расстоянии друг от друга, образуя рыхлую структуру льда, тем самым, увеличивая объем, но сохраняя массу, таким образом, вода в твердом состоянии (лед), легче, чем в жидком. Не обладай вода этим свойством, возникновение жизни на Земле не было бы возможно, так как возникший на поверхности водоема лед сразу же тонул и реки, моря и даже океаны промерзли бы до самого дна. Итак, одним из факторов, определяющих свойства воды, является ее молекулярный состав [6,7]. Молекула воды представляет собой равнобедренный треугольник в основании которого лежат атомы водорода, а вершиной является атом кислорода, валентный угол этого треугольника НОН составляет 104,31°, при этом атомы водорода настолько тесно прилегают к атому кислорода, что на первый взгляд, молекула имеет сферическую форму. Молекула воды имеет слабые водородные связи, что позволяет воде испаряться, то есть если поместить воду в открытый сосуд, то постепенно все молекулы воды переместятся в воздух. Если же сосуд закрыть, то вода будет испаряться до тех пор, пока не будет достигнуто некое равновесие, которое объясняется давлением, оказываемым молекулами водяного пара, скопившегося между крышкой сосуда и оставшейся водой. Испарение происходит даже в твердом состоянии воды, то есть с поверхности льда или снега. При этом вязкость воды напрямую зависит от ее температуры, чем выше температура, тем меньше вязкость, при достижении точки кипения воды вязкость уменьшается в 8 раз, нежели при ее точке замерзания. Воду практически невозможно сжать, а ее плотность максимальна при 4°С.

Физические характеристики воды таковы, что она переходит из твердого в жидкое состояние и наоборот (тает и замерзает) при одной и той же температуре 0°С. Температура кипения воды - 100°С, хотя и тут вода проявляет интереснейшие свойства: это правило соблюдается только при нормальном давлении, которое составляет 760 мм рт. ст., при понижении давления уменьшается и температура кипения воды, так на высоте 2900 м над уровнем моря, где атмосферное давление составляет 525 мм рт. ст., точка кипения воды составляет 90°С.

Земля на 75% покрыта водой, и природой постоянно поддерживается естественный круговорот воды: она испаряется с поверхности водоемов, а затем выпадает в виде осадков: дождя или снега, но даже при таком разумном решении, некоторые районы земного шара постоянно страдают от недостатка пресной воды. Именно поэтому стоит помнить, что вода - величайшее богатство, дарованное нам природой, и каждая ее капля - драгоценна, ведь жизнь человека невозможна без воды.

1.1 Три состояния воды

Вода - одно из самых распространенных на Земле химических соединений[6-8]. Она окружает нас повсеместно, даже природные явления, ежедневно наблюдаемые нами - облачность, туман, дождь, снег - всего лишь различные состояния воды жидкое, газообразное и твердое. Ведь облако - это не что иное, как скопление множества мельчайших капель воды или кристалликов льда, которые выпадают в виде осадков - дождя (жидкое состояние воды) или снега (твердое состояние воды). Если рассмотреть снежинку под микроскопом, то можно заметить, что это прекрасное природное произведение искусства создано из очень маленьких ледяных кристаллов. Газообразное состояние воды принято называть паром. В природе понятие влажности воздуха подразумевает содержание количества водяных паров в воздухе (большое содержание паров - повышенная влажность воздуха). При температуре 0°С и ниже и нормальном атмосферном давлении вода переходит в твердое состояние - лед. Лед очень плохо поддается сжиманию, а плотность льда, за счет его молекулярного строения меньше плотности воды, поэтому лед находится на поверхности воды и при температуре 0°С всегда выступает из нее на 1/5 своего объема.

1.2 Окислительно-восстановительный потенциал воды

Учеными установлено, что процесс жизнедеятельности человеческого организма - это совокупность окислительно-восстановительных реакций[5]. Под окислительно-восстановительными реакциями в химии понимают процесс отдачи электронов окисляемого вещества и присоединения их восстанавливаемым. При этом электрические потенциалы и того и другого вещества изменяются: вещество, которое окисляется, отдает свои электроны и приобретает положительный заряд; вещество, которое восстанавливается, присоединяет электроны, получая отрицательный заряд. Разность электрических потенциалов между этими двумя веществами получила название окислительно-восстановительного потенциала (сокращенно ОВП). Иными словами, окислительно-восстановительный потенциал - мера химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, которые связаны с изменением зарядов ионов в растворах. ОВП также известен под названием редокс-потенциал, так как на английском языке обозначается как Reduction/Oxidation, обозначается латинскими буквами Eh и имеет размерность милливольт (мВ).

Итак, окислительно-восстановительный потенциал показывает, насколько активно отдаются электроны одного химического вещества и присоединяются другим. Значение ОВП любого химического соединения тем больше, чем больше концентрация компонентов, отдающих свои электроны, по отношению к концентрации компонентов принимающих эти электроны. При проведении специальных измерений, было установлено, что кислород, является самым активным восстановителем и имеет высокий электрический потенциал, а водород - напротив, обладает низким электрическим потенциалом и является ярким представителем элементов с большой восстановительной способностью. Как мы уже знаем, вода - сложное химическое соединение, состоящее из атомов водорода и кислорода, а также других химических элементов, содержащихся в воде в виде примесей. Все эти примеси также обладают различными электрическими потенциалами и выступают менее активными окислителями либо восстановителями. Значение ОВП природной воды находится в пределах от -400 до +700 мВ, такой разбег показаний объясняется наличием в воде различных окислительно-восстановительных реакций. Значение показателя ОВП в некоторой степени характеризует химический состав воды. Значение окислительно-восстановительного потенциала веществ часто используется в биохимии, где оно выражается в условных единицах rH (от английского reduction Hydrogenii). Для перевода единиц rH в милливольты разработана формула Нернста:

rH=(Еh+200)/30+2pH,

где Еh - окислительно-восстановительный потенциал, мВ; рН - показатель кислотно-щелочного равновесия.

Также вычислить значение rH можно, используя специальную диаграмму:

В этой диаграмме значение 0 имеет чистый водород, а значение 42 имеет чистый кислород, соответственно 28 соответствует нормальной среде. Показатели кислотно-щелочного равновесия и окислительно-восстановительного потенциала зависят друг от друга: чем выше значение rH, тем ниже показатель рН, то есть при окислении показатель кислотно-щелочного равновесия уменьшается, а при восстановлении, напротив, увеличивается.

В результате окислительно-восстановительных реакций, которые постоянно протекают в организме человека, высвобождается энергия, которая впоследствии используется для поддержания гомеостаза. Гомеостаз (в переводе с древне греческого гомео означает одинаковый, подобный, а стаз - состояние) - это способность организма сохранять относительное динамическое постоянство своего внутреннего состояния путем проведения скоординированных реакций. Другими словами, энергия, полученная в ходе окислительно-восстановительных реакций, расходуется для обеспечения процессов жизнедеятельности организма человека, а также для регенерации его клеток.

Учеными была проведена серия экспериментов, направленная на установление величины окислительно-восстановительного потенциала человеческого организма. Для измерения был использован платиновый электрод, а для сравнения взяли хлорсеребряный электрон. В ходе эксперимента было выяснено, что в нормальном состоянии Окислительно-восстановительный потенциал человека колеблется от -100 до -200 милливольт. Таким же способом был измерен и окислительно-восстановительный потенциал употребляемой нами питьевой воды, при это было выявлено, что вода, напротив, всегда имеет положительный ОВП в пределах значений от +100мВ до +400 мВ. При чем не имеет значения, какая вода используется для питья или в пищу: водопроводная, купленная в магазинах в бутылках, очищенная при помощи различных фильтров, или с использованием установок обратного осмоса. То есть, проведенные измерения ОВП человека и воды, позволяют сделать вывод, что активность электронов питьевой воды значительно уступает активности электронов человеческого организма. От активности присутствующих в человеческом организме электронов зависят все процессы обеспечивающие его жизнедеятельность. Известно, что все имеющие биологическое значение системы, которые отвечают за накопление и потребление энергии, репликацию и передачу различных наследственных признаков, а также системы организма, вырабатывающие различные ферменты, содержат определенные молекулярные структуры с разделенными зарядами, между которыми образуется напряженность электрического поля в пределах 104-106 В/см. Эти поля определяют передачу зарядов в биологических системах, что в свою очередь обуславливает осуществления выбора и автоконтроля на некоторых стадиях сложнейших биохимических превращений. Активность электронов, которую и выражает окислительно-восстановительный потенциал, оказывает большое влияние на функциональные свойства электроактивных компонентов биологических систем.

Из-за разности ОВП человеческого организма и питьевой воды, при попадании воды в ткани и клетки организма, происходит окислительная реакция, в результате которой клетки изнашиваются и разрушаются. Можно ли уменьшить или замедлить такое клеточное разрушение организма человека? Это возможно, при условии, что вода, которая поступает в организм, будет иметь свойства внутренней среды, а именно окислительно-восстановительный потенциал воды должен иметь значения соответствующие значениям ОВП человеческого организма. Чем больше разность ОВП человека и воды, тем больше требуется затрат клеточной энергии для достижения соответствия воды и внутренней среды организма. При условии, что ОВП питьевой воды соответствует Окислительно-восстановительный потенциал внутренней среды человека, вода усваивается клетками организма без использования электрической энергии мембран клеток. В случае, если окислительно-восстановительные потенциал воды имеет большее отрицательное значение, нежели ОВП внутренней среды человека, то при ее усвоении выделяется энергия, расходуемая клетками в качестве энергетического запаса антиоксидантной защиты, которая является основным щитом организма от отрицательного влияния, которое оказывает на него окружающая внешняя среда.

1.3 Кислотно-щелочное равновесие воды

Существует несколько показателей, которые характеризуют качество воды. Одним из наиболее важных для потребителей является показатель кислотно-щелочного равновесия воды. Для того чтобы дать определение этому показателю, необходимо обратиться к понятию электролитической диссоциации. Под электролитической диссоциацией в химии принято понимать распад молекул исходных веществ в растворах. Так при воздействии на воду слабого электрического поля, часть ее молекул распадается на свободные водородные ионы (Н+) и гидроксильную группу (ОН-). При равном содержании водородных ионов и гидроксильных групп считается, что вода имеет нейтральную реакцию. В нейтральной воде процессу распада подвержена одна молекула на каждые 10 миллионов, если выразить это математически, то получим 10 в степени 7.

Эта степень и является показателем кислотно-щелочного равновесия (рН). Показатель кислотно-щелочного баланса воды можно вычислить как отрицательный логарифм концентрации ионов водородов: рН=-log(Н+)

Как было сказано ранее, показатель кислотно-щелочной реакции нейтральной воды рН=7, в такой воде либо полностью отсутствуют кислоты и щелочи, либо и те и другие содержатся в одинаковом количестве. Если в воде содержится большее количество щелочи (преобладает гидроксильная группа ОН), то показатель рН такой воды возрастает, в случае же, если в воде превалируют ионы водорода (то есть содержится повышенное количество кислот), то значение показателя кислотно-щелочного равновесия будет меньше 7. В графическом виде шкалу показателей кислотно-щелочного равновесия можно представить в виде прямого отрезка с делениями от 0 до 14. В этом случае показатель рН=7 нейтральной воды будет располагаться в середине этой шкалы, слева от него (от 7 до 0) показатель рН воды с повышенным содержанием кислот, а справа (от 7 до 14) - вода повышенной щелочности.

Следует учитывать, что показатель кислотно-щелочного равновесия не является количественной величиной, он учитывает интенсивность, то есть степень кислотности или щелочности воды. Количественное содержание в воде веществ, которые способны нейтрализовать присутствующие щелочи или кислоты, характеризует кислотность или щелочность этой воды.



Рассмотрим более простую аналогию: пробуя пищу на вкус, мы можем определить какая она - соленая или нет, но не количество (массу) соли, которую использовали для приготовления пищи. Показатель рН является одним из определяющих факторов, характеризующих происходящие в воде биологические и химические процессы. Именно от этого показателя зависит скорость протекания химических реакций, степень коррозионной агрессивности воды, а также токсичность загрязняющих примесей и многое другое. Показатель рН природной воды может колебаться в пределах от 4,6 до 8,3 и не оказывает непосредственного влияния на потребительские качества воды, так для речной воды рН колеблется от 6,8 до 8,5 единиц, в атмосферных осадках рН от 4,6 до 6,1, в болотах - 5,5-6,0, а в соленой морской воде - 7,9 -8,3. Если показатель кислотно-щелочного равновесия воды понижен, то такая вода обладает высокой коррозионной активностью. При рН более 11, вода может нанести вред здоровью человека: вызвать раздражение слизистой оболочки глаз и кожи, такая вода имеет повышенную мылкость и характерный неприятный запах. Для питья, приготовления пищи и других хозяйственно бытовых нужд рекомендуется использовать воду с показателем рН от 6 до 9 единиц.

Показатель рН биологических жидкостей человеческого организма расположен в пределах от 7 до 7,5. Хотя в организме человека присутствуют жидкости с ярко выраженным кислотным характером, это моча и желудочный сок, рН которых равен 5,5. Увеличение рН биологических жидкостей в сторону большей кислотности может привести к возникновению серьезных расстройств и заболеваний организма. Внешне состояние о кислотно-щелочного равновесия крови человека характеризуется цветом его конъюнктивы в уголках глаз. Так при оптимальном кислотно-щелочном балансе цвет конъюнктивы ярко-розовый, если у человека в крови повышается щелочность, она приобретает темно-розовый окрас, а при увеличении кислотности становится бледно-розовой. При чем цвет конъюнктивы изменяется через 80 секунд после употребления веществ, влияющих на кислотно-щелочной равновесие.

Поскольку показатель кислотно-щелочного равновесия воды, оказывает прямое влияние качественные характеристики воды (привкус и внешний вид), а также на здоровье человека, то на всех стадиях водоочистки необходим строгий контроль рН. Для разнообразных систем водоочистки предъявляются различные требования к показателю рН, которые вырабатываются в зависимости от состава воды, материала систем распределения и методов водообработки.

Вода имеет множество модификаций, содержит массу различных примесей, проявляет различные свойства в зависимости от природных (и не только) условий, она повсеместно окружает и входит в состав практически всех земных организмов. Возможно, именно поэтому, мы до сих пор не раскрыли все тайны воды, и для ученых вода является самым распространенным, но наименее изученным химическим соединением. Установлено, что вода имеется не только на Земле, но и в космосе, ее обнаружили в составе комет, и многочисленных планет Солнечной системы, а также их спутников. Что касается нашей планеты, то на поверхности Земли количество воды достигает 1,39 х 1018т., а объем составляет 1500000000куб. км. Если бы вода равномерно покрывала Землю, то глубина ее слоя достигала 4 км. Конечно же, большее количество земной воды сосредоточено в морях и океанах, ее объем колеблется в пределах 1370000000 куб. км., что составляет 97% от всего земного объема. Оставшиеся 3% составляет запас пресной воды, которая сосредоточена на материках и континентах. При чем 68,7% запасов пресной воды сосредоточены в Антарктиде в виде ледников и снежного покрова, что составляет 25000000 куб. км воды, а масса этой воды колеблется в пределах 2,4 х 1016 т. 8000000 куб. км пресной воды сосредоточено в виде подземных вод. 13000 куб. км воды находится в воздухе и если эта вода в виде атмосферных осадков равномерно выпадет на землю, то ее толщина ее слоя не превысит 24 мм. Теоретически, масса всей земной воды, находящейся на поверхности Земли, в ее атмосфере, подземных вод, и воды, содержащейся в биологических объектах, составляет 2000000000 миллионов тонн.

Вода не только окружает нас, но и на 70% является составляющей частью человеческого организма. Так мышечные ткани нашего тела (включая сердце, почки, легкие) на 80% состоят из воды, а костная ткань - на 30%. Содержание воды в биологических жидкостях человеческого организма, таких как слюна, желудочный сок, лимфа, моча колеблется от 95 до 99%, а в крови составляет 83%. Даже зубная эмаль содержит 0,3% воды. Именно вода является неизменным условием осуществления в организме химических реакций, например процесс пищеварения - это не что иное, как перевод питательных веществ в раствор, который впоследствии всасывается клетками организма. Употребляемая в пищу вода, помогает клетками и очистится, так как она вымывает переработанные продукты обмена веществ из клеток.

Во всех без исключения живых организмах содержится вода, а, к примеру, водоросли на 90% состоят из воды. Установлено, что количество воды в живых организмах в 6 раз больше, нежели во всех реках. И даже минералы и горные породы в свой состав включают воду. Живые организмы не просто содержат воду, поступающую извне, но и могут ее вырабатывать при сгорании пищевых продуктов или выделять из тканей. Всем известный верблюд получает воду в случае необходимости посредством окисления жира, который находится у него в горбу. По своему составу океаническая вода имеет очень большое сходство с составом крови человека и животного. Учеными установлено, что в несколько сотен лет через живые организмы проходит количество воды, превышающее массу Мирового океана.

Человечество должно наконец-то осознать всю ценность воды, относится к ней бережно, как к самому драгоценному подарку. Осознание того, что, загрязняя воду мы, в первую очередь, наносим вред себе, портим свое здоровье должно прочно войти в сознание человека.

1.4 Физические свойства воды

Температура кипения воды (и все другие жидкости) зависит от атмосферного давления. Например, на вершине гор на Эвересте вода кипит при 68 ° C (154 ° F), по сравнению с 100 ° C (212 ° F) на уровне моря. Наоборот, глубокие воды в океане вблизи геотермальных жерла температура может достигать сотен градусов и оставаться жидкой. Вода обладает вторым по величине удельной теплоемкости любого известного вещества, после аммиака, а также высокая теплота испарения (40,65 кДж / моль -1), оба из которых являются результатом обширных водородных связей между молекулами. Эти два необычных свойств воды, чтобы позволить умеренным климатом Земле буферизации больших колебаний температуры [4-7].

Максимальная плотность воды происходит при 3,98. ° С (39,16 ° F). Вода становится еще менее плотное при замерзании, расширяя 9%. Это приводит к необычным явлениям: твердые формы вода, лед плавает на воде, что позволяет организму выжить внутри частично-замороженного тела воду, поскольку вода на дне, имеет температуру около 4 ° C (+39 ° F).

АДР этикетки для перевозки реактивной воды Вода смешивается со многими жидкостями, например этанол, в любых соотношениях, образуя одну однородную жидкость. Как газ, пары воды полностью смешивается с воздухом. Кругооборот воды полностью перемешивает всю воду на планете. Вода образует азеотропе со многими другими растворителями. Воду можно разделить путем электролиза на водород и кислород. Как окиси водорода, образуют воду, когда водород или водородсодержащих соединений сжечь или реагировать с кислородом или кислородсодержащих соединений. Вода не топливо, оно является конечным продуктом сгорания водорода. Энергии необходимы для расщепления воды на водород и кислород путем электролиза или любых других средств больше, чем энергия, выделяющаяся при водороде и кислороде рекомбинации. Элементы, которые являются более электроположительный, чем водород, таких как литий, натрий, кальций, калий и цезий вытеснять водород из воды, образуя гидроксиды. Будучи горючий газ, водород выделяется опасно и реакции воды с более электроположительным из этих элементов может быть взрывоопасной силой. При сверхвысоких давлениях вода содержится в глубокой части планет-гигантов Урана и Нептуна. Вода может стать металлический, который будет иметь важные последствия для генерации магнитного поля этих планет.

1.5 Химические свойства воды

Вода является химическое вещество с химической формулой H₂O [4]: одна молекула воды состоит из двух водородных атомов ковалентно связан с одним атомом кислорода. Вода появляется в природе во всех трех общих состояний материи и может принимать различные формы на Земле: водяной пар и облака в небе, морская вода и айсберги в полярных океанов; ледниками и реками в горах, и жидкости в водоносных горизонтов в почва. Основные химические и физические свойства воды: Вода является вкуса, запаха жидкости при стандартной температуре и давлении. Цвет воды и льда, по своей природе, очень легкий голубой оттенок, хотя вода появляется бесцветное в небольших количествах. Кроме того, лед появляется бесцветное и водяного пара в основном как невидимый газ.

Вода является прозрачным, и, следовательно, водные растения могут жить в воде, поскольку солнечный свет может достигать их. Только сильные ультрафиолетового света немного поглощается. Поскольку молекулы воды не является линейной и атом кислорода имеет более высокую электроотрицательность, чем атомов водорода, имеют небольшой отрицательный заряд, а атомы водорода слабо положительной. В результате, вода является полярная молекула с дипольным моментом. Чистая взаимодействия между диполей на каждую молекулу причина эффективной скин-эффект на границе воды с другими веществами, или воздуха на поверхности, последний вызвал высокий поверхностное натяжение воды. Это дипольное природа способствует тенденцию молекул воды к образованию водородных связей, которые вызывают много воды специальными свойствами. полярная природа также способствует адгезии с другими материалами. Результатом взаимодействия этих свойств, Капиллярный относится к тенденции воду для перемещения вверх узкой трубе против силы тяжести. Это свойство, на которые ссылается всех сосудистых растений, таких, как деревья.

Вода является хорошим растворителем и часто упоминается как универсальный растворитель. Вещества, которые растворяют в воде, например, соли, сахара, кислоты, щелочи и некоторые газы - особенно кислорода, углекислого газа (сатурации) известны как гидрофильные (любящие воду) вещества, а те, что не хорошо смешать с водой (например, жиры и масла), известные как гидрофобные веществ. Все основные компоненты клетки (белки, ДНК и полисахаридов), также растворенный в воде.

вода электрофизический очистка нанотехнология

Глава 2. Методы очистки воды

2.1 Основные типы загрязнений и методы их удаления

Значение чистой воды для человека трудно переоценить. К сожалению, вода практически никогда не бывает чистой, то есть всегда содержит какие-то примеси и растворенные вещества [11]. Она растворяет в себе огромное количество химических веществ, как органических, так и неорганических. Некоторые из них сами по себе возможно и не очень вредны для организма, но становятся вредными при контакте с другими. Другие же полезны, но сочетания могут приносить вред, в целом не сравнимый с пользой. Другая разновидность примесей - микроорганизмы, которые вызывают массу заболеваний: бактерии, вирусы, грибы, простейшие и т.д. Известно, что поступление в организм с питьевой водой веществ, в концентрациях выше предельно-допустимых, может вызвать необратимые изменения в работе важнейших систем жизнедеятельности человека.

Существуют различные методы очистки воды для приведения ее к норме [11,12]. Рассмотрим наиболее распространенные из них [11-14]:

1. Предварительная очистка воды

Если в качестве источника водоснабжения для приготовления питьевой воды используются поверхностные и подземные воды, требуется проведение тщательной предварительной очистки, которая включает в себя:

* первичное отстаивание с применением или без применения реагентов, в зависимости от состава исходной воды.

* коагуляция (т.е. введение в обрабатываемую воду солей алюминия, железа или полиэлектролитов), для укрупнения взвешенных и коллоидных частиц и перевода их в фильтруемую форму.

* механическая очистка воды с помощью фильтрования. Очистка воды с помощью фильтрования применяется для самых различных целей. Для очистки воды, подаваемой из общественных водопроводных сетей, как правило, применяется тонкое фильтрование с использованием:

-фильтров обратной промывки (данный тип фильтров представляет собой сетчатые фильтры, очистка в которых происходит посредством осаждения механических загрязнений на сетке фильтра и при обратной промывке водой смываются в дренаж)

-или патронных фильтров (данный тип фильтров представляет собой колбу со сменным фильтрующим элементом - патроном (картриджем), по истечении срока службы которого, производится замена на новый фильтрующий элемент).

В качестве элементов очистки используют сетки и картриджи со степенью фильтрации от 5мкм до 1мм, в зависимости от уровня загрязнений. В технике подготовки воды из индивидуальных подземных или поверхностных источников водоснабжения наиболее широко применяют скорые напорные фильтры. В качестве фильтрующего материала в зависимости от целей фильтрации применяется кварцевый песок, антрацит, доломит.

2. Очистка воды от железа

Решение проблемы очистки воды от железа представляется довольно сложной и комплексной задачей, в связи с этим вряд ли возможно установить какие-либо универсальные правила очистки.

Наиболее часто используемыми методами при очистке воды от железа являются:

* аэрация, т. е. Нагнетание воздуха и интенсивный процесс окисления в емкости. Расход воздуха для насыщения воды кислородом составляет около 30 л/м3.