| |
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ БЫТОВЫЕ ВОДООЧИСТИТЕЛИ ИЗУМРУД
(Популярное описание, принцип действия, функциональные особенности, правила эксплуатации)
В.И. Прилуцкий
Эта статья рассчитана на широкий круг потребителей бытовых водоочистительных установок ИЗУМРУД а также других бытовых устройств для очистки питьевой воды. Современный потребитель постоянно сталкивается с проблемой очистки и улучшения качества питьевой воды. Но при этом он нуждается не только в агрессивной рекламе, восхваляющей до небес собственное изделие и игнорирующей конкурентов. Необходима спокойная информация, взвешивающая аргументы «за» и «против». Современная техника и условия ее эксплуатации усложняются и требуют определенного уровня знаний. Поэтому материал, предлагаемый вниманию читателя, написан в жанре научно-популярной брошюры, рассчитанной на широкий круг потребителей.
Воду пьют все. И все хотят знать, какая вода лучше, какая хуже, или какой фильтр выбрать? Обязательно ли кипятить воду или можно пить ее сырой? Какая вода является «живой», «ионизованной», биологически активной? Прямолинейные ответы на подобные вопросы не столь просты, как кажется. Поэтому попытаемся отойти от рекламных штампов и изложим здесь элементы определенной идеологии бытового водопотребления. Не все с нами согласятся. Но мы и не претендуем на истину в последней инстанции, не избегаем острых мест, но, естественно, остаемся патриотами собственной системы. Мы критикуем конкурентов, отвечаем оппонентам, показываем реальные функциональные возможности наших установок и границы их применения.
По-видимому большинство существующих бытовых систем водоочистки конкурентоспособны. Электрохимические методы очистки питьевой воды представляются наиболее перспективными приблизительно для 80% всех существующих образцов питьевой воды.
В настоящее время на мировом рынке продается до тридцати тысяч разновидностей бытовых систем очистки питьевой воды: осадочные, адсорбционные (угольные), ионообменные, мембранные (фильтрационные, ультрафильтрационные, обратноосмотические), комбинированные (адсорбционно-мембранные), окислительно-восстановительные и электрохимические. Установки серии ИЗУМРУД, представленные разновидностями, маркированными литерами «М» («Изумруд»), «К» («Кристалл»), «С» («Сапфир»), «КФ» («Рубин»), «МФ» («Аквамарин») производят очистку воды электрохимическим и каталитическим способами. Эти установки уникальны и не имеют прямых аналогов в России и за рубежом. В последнее время появились новые модификации установок серии ИЗУМРУД – «ТЗ» («Топаз») и «АМ» («Аметист»), осуществляющие более сложную комбинированную очистку воды.
Вопрос о преимуществах и недостатках различных моделей бытовых водоочистителей в конечном итоге будет решен потребителем и соответствующими медико-биологическими и гигиеническими службами. Идеальных установок для очистки питьевой воды не существует. Неизвестно также, какая именно вода в пределах характеристик, регламентированных ГОСТ, является наилучшей для организма каждого конкретного человека. Здесь излагается точка зрения разработчиков установок ИЗУМРУД, основанная на собственных наблюдениях и на данных испытаний, проведенных независимыми лабораториями и научными центрами.
Питьевая вода, физико-химические свойства, принципы очистки от загрязнений
 Как известно одна молекула воды обозначается химическим символом Н 2О. Графические изображения молекулы воды, показаны на рис.1.
На рис.2 показано распределение зарядов в дипольной молекуле воды. Как видно из рис.2 молекула Н2О представляет собой магнит ультрамикроскопических размеров, который может быть определенным образом ориентирован в поле постоянного тока и в магнитном поле.
 Дипольные молекулы воды могут быть ориентированы относительно растворенных в воде отрицательно заряженных анионов и положительно заряженных катионов, образуя вокруг них гидратные оболочки. Кроме того молекулы воды могут ориентироваться относительно друг друга, обращаясь положительными полюсами к отрицательным и наоборот. Группы взаимно ориентированных молекул Н 2О (водные кластеры) являются квазиустойчивыми, могут в зависимости от условий распадаться, возникать вновь, приобретают разные размеры. Графически кластерные образования молекул воды показаны на рис. 3.
Таким образом вода (в том числе пресная вода, предназначенная для питья) является по своим физико-химическим свойствам сильно разбавленным водно-солевым раствором, имеющим определенную структуру. Тонкими физическими методами показано, что кластеры воды объединяются в более сложные структуры. Геометрия этих структур отражается в многообразии форм снежинок и кристаллов льда. Все снежинки шестигранные, но рисунок у этих шестигранников разный.
Рис. 3. Кластерные группы дипольных молекул воды (схема):
1. водный кластер, состоящий из 16 взаимноориентированных молекул Н2О;
2. водный кластер, состоящий из 6 взаимноориентированных молекул Н2О. |
Вода с измельченными кластерами обладает более высокими реактивными и растворительными свойствами, лучше проникает через биологические мембраны, быстрее выводится из организма экскреторными органами. По данным Токийского института воды питьевая вода с хорошими потребительскими свойствами имеет в своем составе кластеры, составленными из 10 - 12 взаимноориентированных молекул. Кластеры, состоящие из 13 - 16 молекул, характерны для воды с относительно низкой биологической активностью. После электрохимической обработки питьевой воды ее кластеры измельчаются до 5 - 6 молекул. Такая вода, считается более активной по биофизическим и биологическим показателям.
Существенную роль играет показатель рН питьевой воды (отрицательный десятичный логарифм концентрации протонов). Рекомендованный диапазон рН для питьевой воды составляет от 6 до 9 ед. рН. По данным японских исследователей питьевая вода с рН выше 6,5 - 7 увеличивает показатели продолжительности жизни населения. Обычные значения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) питьевой воды находятся в диапазоне 200 - 500 мВ по показаниям платинового электрода относительно хлор-серебряного электрода сравнения (ХСЭ). ОВП характеризует способность водной среды обмениваться свободными электронами с различными субстратами. Металлы типа платины, серебра, золота, при погружении их в обычную воду, отдают воде избыток электронов (являются электрондонорными относительно воды). Процесс эмиссии электронов из платинового электрода в водный раствор может быть зарегистрирован с помощью специального прибора - редоксметра.
Требования к питьевой воде определяются ГОСТ 2874-82 (в настоящее время этот ГОСТ пересматривается). Однако в современных условиях питьевая вода может содержать различные загрязнения, общее количество которых достигает 30000. Некоторые из этих загрязнений представлены живыми организмами (микробы, вирусы, одноклеточные водоросли) или продуктами распада живой материи (гуминовые кислоты, хлорофилл, аминокислоты) и их производными. Кроме того, в воде могут присутствовать вещества, абсолютно чужеродные организму - ксенобиотики. Эти вещества не вступают в нормальные реакции обмена веществ и задерживаются в организме в качестве балластных шлаков. Многие вещества-загрязнители оказывают на организм токсическое действие, повреждают оболочки и генетический аппарат клеток, нарушают функции жизненно-важных органов, ускоряют процессы старения. В связи с этим проблема улучшения качества питьевой воды до последнего времени в основном сводилась к мероприятиям двух типов:
1) обеззараживание кипячением;
2) очистка от загрязнений методами фильтрации и физической сорбции. (см. рис.4).
Рис.4. Каскадная фильтрационно-сорбционная очистка воды (схема); стрелками указано прохождение воды через пористый фильтр и сорбент: 1 - исходная загрязненная вода; 2 - вода после очистки фильтром; 3 - очищенная вода на выходе фильтрационно- сорбционного каскада.
Главный принцип улучшения качества воды методами фильтрации и сорбции - удаление из воды того, чего в ней не должно быть. Так как загрязнители воды представляют собой корпускулы больших или меньших размеров (от включений, видимых глазом, до молекулярных и атомарных объектов), то они частично задерживаются порами фильтра, далее загрязнители, не задержанные фильтром, захватываются и удерживаются порами сорбента. В результате на поверхности фильтра образуется фильтрационная корка, поры сорбента (сорбционные месте) заполняются загрязнителями. Поэтому с течением времени качество фильтрационно-сорбционной очистки воды ухудшается.
Устройство (патрон), содержащее фильтрующий элемент, слой сорбента, иногда ионообменные смолы, химические окислительно-восстановительные системы (например, цеолиты, минерал «шунгит»), включения серебра, называются картридж. На выходе свежего картриджа (в хороших установках) в начале периода его эксплуатации получается обычная пресная или ультрапресная питьевая вода, освобожденная от загрязнений на 95 - 99%. Однако, кроме загрязнений в воде должны присутствовать полезные для организма биомикроэлементы (калий, кальций, магний, литий, йод, серебро, некоторые другие полезные компоненты). Линейные размеры атомов и молекул, полезных биомикроэлементов соизмеримы с размерами частиц загрязнителей, поэтому фильтры с высокой задерживающей способностью удаляют из воды большую часть всех содержащихся в ней соединений и вредных и полезных. Такая, хорошо очищенная вода, приближается по своим свойствам к дистиллированной.
Однако сверхчистая дистиллированная вода не рекомендуется для регулярного употребления человеком и животными. Иногда думают, что дистиллированную или деминерализованную воду все же можно пить, поскольку организм при этом получает недостающие микроэлементы из пищи. Тем не менее опыт длительного применения воды с очень низким уровнем минерализации (снеговая вода, вода в северных регионах, мягкая вода некоторых рек, лабораторные образцы дистиллированной воды, опресненная вода без специальных солевых добавок) сопровождается в организме рядом негативных физиологических изменений. По-видимому, деминерализованная (сверхчистая) вода при всасывании в организме нарушает осмотическое состояние белков крови, печени, надпочечников, почек. Такая вода обычно имеет показатели рН 5,5 - 6,5 при окислительном потенциале до 500 мВ, ХСЭ. Структура вода, полученной путем глубокого очищения, отличается от структуры природной питьевой воды. Разумеется, эта вода намного лучше неочищенной воды, поэтому большинство бытовых водоочистителей, типа «Родничок», «Барьер», «Брита», «Аквафор», «Барьер», «Нимбус» и другие, - безусловно полезны и конкурентоспособны при условии правильной их эксплуатации. В частности, необходимо своевременно заменять загрязненные отработанные картриджи. Необходимо следить, чтобы выходные части фильтров не зарастали бактериальными пленками, которые могут вызывать вторичное заражение очищенной воды. Нельзя применять бытовые фильтры, предназначенные для доочистки воды, в случаях, когда исходная вода имеет очень высокий уровень техногенных, антропогенных загрязнений и бактериального заражения. В этих случаях очистка воды должна осуществляться или централизованно или с помощью особых средств, рассчитанных на чрезвычайные обстоятельства (это уже не обычные бытовые фильтры).
Индивидуальные устройства для очистки (а не для доочистки!) интенсивно загрязненной воды (например, из грязной реки или водоема) обычно являются устройствами, рассчитанными на обработку ограниченного объема воды (1 - 1,5 л). По существу это водоочистители разового применения в виде малогабаритных картриджей, в форме «карандаша».
Помимо бытовых водоочистителей фильтрационно-сорбционного типа для постоянного пользования (с картриджами, рассчитанными на несколько сотен литров воды) существуют электрохимические установки для очистки воды, которые одновременно дают возможность получения питьевой воды с заранее заданными физико-химическими (в частности, окислительно-восстановительными) свойствами. Традиционные фильтрационно-сорбционные бытовые водоочистители такими функциями не обладают. Вода, прошедшая через каскадный фильтрационный фильтр, схематически изображенный на рис. 4, практически не меняет показатели рН и ОВП (при этом ОВП остается в области положительных -окислительных значений). Кластерная структура воды после фильтрационно-сорбционной обработки также меняется несущественно. Однако первые опыты по электрохимической обработке пресной воды, проделанные в СССР около 25 лет назад группой ученых Мингазпрома СССР (ташкентская группа) показали, что физические, химические и биологические свойства такой воды могут быть оптимизированы для потребителей. Журналисты назвали такую электрохимически обработанную воду «живой» и «мертвой», в зависимости от ее способности стимулировать или сдерживать и (или) подавлять физиологические процессы. На самом деле термины «живая» и «мертвая» вода в значительной степени условны. Обычно живой водой называли фракцию разбавленного водно-солевого раствора (не более 3 г/л), подвергнутую электрохимическому воздействию в области катода. Техническое название такой воды - католит. Соответственно, водно-солевой раствор, обработанный у анода, называется анолитом.
Схематически процесс раздельного получения католита и анолита представлен на рис. 5.
Рис.5. Технология раздельного получения анолита и католита(схема).
На рис. 5 изображена электролитическая камера 1, разделенная проницаемой перегородкой Д на две полукамеры, анодную 3 и катодную 4. Соответственно, анодная и катодная полукамеры снабжены электродами - анодом А и катодом К, на которые подается постоянный ток от источника тока 2. Электролитическая камера 1 заполняется пресной водой или разбавленным солевым раствором (при этом необходимо учитывать, что любая питьевая вода представляет собой солевой раствор с низкой концентрацией, абсолютно химически частая субстанция Н2О может быть получена на земле только в лабораторных условиях и в очень ограниченных количествах). При прохождении электрического тока через межэлектродное пространство, разделенное проницаемой диафрагмой, окисленные продукты анодного синтеза (анолит) накапливаются в полукамере 3, восстановленный продукты катодного синтеза (католит) - в полукамере 4.
Установка, изображенная на рис. 5, является двухкамерным диафрагменным электролизером статического типа.
Различия физико-химических характеристик анолита и католита питьевой воды, обработанной на установке, схематически показанной на рис. 5, представлены в табл. 1.
Таблица 1.
|
Тип воды |
Окислительно-восстановительный потенциал, мВ, ХСЭ |
рН |
Главные свойства |
|
Обычная вода |
от 200 до 500 |
6 - 7 |
Слабая окислительная активность |
|
Католит |
от (-350) до (-200) |
8 - 9 |
Сильная восстановительная электрондонорная активность, |
|
Анолит |
от 700 до 800 |
4 - 5 |
Сильная окислительная электронакцепторная активность |
Термины «электрондонорная» и «электронакцепторная» активность обозначают в данном случае следующее:
электрондонорная вода (католит) обладает способностью отдавать свободные электроны окисленным соединениям, в том числе свободным радикалам; такая вода называется противоокислительной или антиоксидантной; получение электронов от электрондонорных соединений означает восстановление окисленных веществ, принимающих электроны;
электронакцепторная вода (анолит) принимает электроны от донорных восстановленных соединений, которые, таким образом, окисляются; такая вода обладает бактерицидной активностью за счет окисления молекулярных структур в составе микроорганизмов.
Окислительно-восстановительный потенциал воды и водно-солевых растворов характеризует способность к переносу электронов от донорных (восстановленных) соединений к акцепторным (окисленным).
На рубеже 70-х и 80-х годов в советских научно-популярных журналах публиковались чертежи самодельных устройств для электрохимического получения «мертвой» и «живой» воды (то есть анолита и католита) по аналогии со схемой, представленной на рис. 5. При воспроизведении подобных устройств кустарным способом возникает риск схода в анолит или в католит веществ, из которых состоят рабочие электроды. Эти вещества могут быть вредны для организма человека. Поэтому после ряда предупреждений компетентных медицинских органов массовое изготовление самодельных устройств для получения «живой» и «мертвой» воды было почти приостановлено. В это время в России и в Узбекистане началась промышленная разработка электролизеров для получения растворов анолита и католита, отвечающих медицинским требованиям и безопасным в токсикологическом отношении. В Московском научно-исследовательском и испытательном институте медицинской техники НПО «ЭКРАН» с 1987 года разрабатывались диафрагменные электролизеры проточного типа различных конструкций. В процессе этих работ был создан проточный электрохимический модуль ПЭМ, который постоянно совершенствуется.
Схематически модуль ПЭМ изображен на рис. 6.
Как видно из рис.6, модуль ПЭМ состоит из двух соосных проточных трубчатых камер (по принципу «трубка в трубке»). Внешняя стенка модуля (металлическая) является внешним трубчатым электродом 2, который в зависимости от способа подключения к источнику тока может быть анодом или катодом (на рис. 6 внешний электрод является катодом). По оси модуля проходит стержневидный металлический внутренний электрод 1 (на рис. 6 - это анод). Щелевидное кольцеобразное пространство между внешним и внутренним электродами модуля ПЭМ разделена трубчатой проницаемой керамической мембраной 3 на катодную и анодную камеры. Катодную и анодную камеры, снабженные торцевыми заглушками, исключающими свободный прямой переток жидкости из одной камеры в другую. При этом каждая камера связана двумя свободными штуцерами с внешним пространством. На рисунке это штуцеры 4 и 5, сообщающиеся с анодной (внутренней) камерой, и штуцеры 6 и 7, сообщающиеся с катодной (наружной) камерой. Жидкость, находящаяся в катодной и в анодной камерах ПЭМ может медленно фильтроваться через поры разделительной мембраны.
Рис.6. Проточный электрохимический модуль ПЭМ (схема):
1 - электрод внешний (катод), 2 - электрод внутренний (анод), 3 - проницаемая диафрагма, разделяющая катодную и анодную камеры, 4 - вход в анодную камеру, 5 - выход из анодной камеры, 6 - вход в катодную камеру, 7 - выход из катодной камеры. |
В конце 80-х годов в России по заданию Минздрава СССР (далее Минздрава РФ) начали создаваться промышленные многофункциональные электрохимические установки на основе модулей ПЭМ. Электроды ПЭМ, снабженные специальным защитным покрытием, исключают загрязнение воды или водно-солевых растворов в анодной и в катодной камере веществом электрода в процессе электрохимической обработки. Это дало возможность создания на основе модулей ПЭМ бытовых водоочистительных установок типа ИЗУМРУД, производящих одновременно обеззараживание воды, очистку ее от загрязнителей, а также регулирование кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных свойств питьевой воды. Вода, очищенная на установках ИЗУМРУД, соответствует требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством».
Японские разработчики в начале 90-х годов стали серийно изготовлять статические диафрагменные электролизеры для электрохимической обработки питьевой воды. В отличии от аналогичных кустарных изделий, которые делались в СССР, японские бытовые электролизеры имели электроды с защитным покрытием. Позже японские разработчики стали производить бытовые электролизеры проточного типа, для обработки питьевой воды. Однако анализ японских бытовых электролизеров показывает, что они являются всего лишь более или менее тщательно выполненными копиями советских и российских макетов 10 - 15-летней давности. Современные установки ИЗУМРУД существенно превосходят зарубежные аналоги по функциональным качествам, что подтверждено испытаниями, проведенными в научных центрах ряда стран, а также соответствующими сертификатами качества. Патентная защита установок ИЗУМРУД обеспечена.
|
