На сьогоднішній день, за оцінками ООН, близько 26% населення планети не мають безпосереднього доступу до безпечної питної води. Єдине реальне вирішення цієї проблеми – очищення води. Сучасні технології дозволяють очищати практично будь-яку воду із будь-яким складом забруднювачів до питного рівня якості. Ускладнює це завдання лише вартість та обмежений обсяг виробленої води.

Природа забруднюючих домішок.

Якість води визначається присутніми домішками. Природу домішок та відповідні технології очищення можна краще зрозуміти, вивчивши будову молекули води. Молекула води полярна – вона має два протилежні заряди, плюс і мінус, як полюси у магніту.

Кожен полюс притягується до свого протилежного заряду. Позитивний полюс притягується до негативних зарядів, а негативний полюс – до позитивних. Ця особливість зробила воду фундаментальним компонентом всього життя на Землі та ключовим об’єктом пошуку життя за її межами. Ця ж особливість надала воді властивості універсального розчинника і зумовила те, що абсолютно чистої води в природі не існує – всі джерела води містять домішки, як видимі, так і невидимі.

Прийнятність води для передбачуваного застосування визначається припустимістю присутності тих чи інших забруднюючих домішок. Якість води, придатної для зрошення, може виявитися недостатньою для питної води, а якість питної води може виявитися неприйнятною для виробництва фармацевтичних препаратів або використання в медицині.

Але повернемося до забруднюючих домішок – неорганічних та органічних речовин у зваженому чи розчиненому стані.

Зважені частки.

Через полярність молекули води притягуються один до одного і створюють рідке середовище, здатне утримувати дрібні частинки у зваженому стані (мул, глина, окислене залізо, таніни, мікропластики).

Важливою характеристикою зважених твердих частинок є те, що їх можна видалити з води фізичним відокремленням або фільтрацією шляхом пропускання вихідної води через селективний бар’єр. Оскільки розмір більшості зважених часток дуже малий ми не можемо використовувати міліметрову шкалу їхнього виміру. Використовувана шкала — мікрометри. Щоб оцінити розмір мікрометра, припустимо, що точка на сторінці має діаметр 615 мікрометрів. Використання мікрометрової шкали дозволяє нам визначити відносний розмір зважених твердих частинок. Якщо розмір зважених частинок у воді перевищує 40 мікрометрів, ми здатні їх бачити неозброєним оком.

Зважені частки надають воді кольоровості та каламутності. Проблема каламутності та кольоровості має більше естетичний характер. Однак, зважені частинки у воді служать засобом перенесення та маскування мікроорганізмів і ця комбінована загроза вже значно серйозніша, ніж проста присутність у воді зважених частинок.

Фільтрація – найдавніша з відомих технологій очищення води. Фільтрація базується на уловлюванні частинок при русі води через сито з отворами, досить дрібними, щоб затримувати зважені частинки, і досить великими, щоб не блокувати потік відфільтрованої води. Вихідна вода “продавлюється” через таке сито під дією гравітації або під тиском, створюваним насосом. Накопичення зважених частинок підвищує опір потоку, тому фільтруючі поверхні періодично очищаються або замінюються.

Рівні фільтрації співвідносяться з рейтингом уловлювання зважених частинок та поділені на 5 груп:

1. Макрофільтрація (зважені частики з рейтингом більше 1 мкм).
2. Мікрофільтрація (зважені частики з рейтингом 0,1- 1 мкм).
3. Ультрафільтрація (зважені частики з рейтингом 0,1 -0,01 мкм).
4. Нанофільтрація (зважені частики з рейтингом 0,01- 0,001 мкм).
5. Гіперфільтрація (технологія більш відома під назвою «зворотній осмос», зважені частики з рейтингом менше 0,001 мкм).

Мікроорганізми.

Більшість зважених частинок – неорганічні домішки. Однак існує ще одна категорія зважених частинок, яка при оцінці якості води розглядається окремо – це мікроорганізми (віруси, бактерії, найпростіші). Загроза здоров’ю з боку патогенних мікроорганізмів досить вивчена. Однак, навіть непатогенні мікроорганізми є проблемою, утворюючи слиз і біоплівки в трубопроводах, гідроакумуляторах, водонагрівачах та побутовій техніці. Приклад такої проблеми – залізобактерії.

Проблема мікроорганізмів усувається застосуванням технологій окислення (руйнування мікробної мембрани шляхом введення в потік води окислювачів (хлор, перекис водню, озон, діоксид хлору)), механічною фільтрацією (ультрафільтрація) або дезактивацією ультрафіолетом (стерильні мікроорганізми не здатні формувати біоплівки та утворювати колонії всередині організму людини).

Поєднання інтенсивності та часу дії, що прийнято називати «часом контакту», важливе для більшості технологій дезактивації мікроорганізмів. Для систем окислення – це розрахункова доза окислювача і час затримки, для систем ультрафіолетового опромінення – це розрахункова доза випромінювання і швидкість потоку через камеру.

Ультрафіолет з довжиною хвилі близько 254 нм з достатньою інтенсивністю і  достатнім часом впливу завдає пошкодження структурі ДНК, позбавляючи мікроорганізми можливості розмножуватися. Реальна природа небезпеки патогенних мікроорганізмів для людини виходить не від однієї або кількох вільних бактерій чи вірусних частинок у потоці води, а від колоній, які формують ці віруси та бактерії, потрапивши до організму з питною водою. Ці колонії проникають у клітини чи органи, порушуючи їхню нормальну діяльність. Важливо, що дезактивовані ультрафіолетом мікроорганізми залишаються в потоці води, зберігають життєздатність, але не здатні розмножуватися в організмі людини.

Розчинені неорганічні домішки. Солевміст.

На відміну від завислих речовин, розчинені домішки мають позитивний або негативний заряд і називаються іонами. Позитивні іони називаються катіонами, а негативні – аніонами. Іони утворюються у воді при розчиненні солей. Всім відомий приклад таких солей – хлорид натрію (кухонна сіль). Хлорид натрію в твердому стані є кристалами. Однак у воді кристали розчиняються, утворюючи катіони натрію та аніони хлориду. На відміну від зважених частинок, розчинені іони взаємодіють з водою, створюючи гідратні оболонки з поляризованих молекул води. Видалення розчинених частинок простою механічною макро- або мікро-фільтрацією неможливе – застосовуються інші технології. Найбільш поширені технології видалення з води розчинених часток – іонний обмін, окислення та фільтрація, зворотний осмос.

Водопідготовка. Зворотний осмос.

Коли два будь-які обсяги води з різною концентрацією розчинених речовин розділені мембраною з дуже малим розміром пор (близько 0,001 мкм), молекули води переміщуються через мембрану з боку з меншою концентрацією розчинених речовин на бік з більшою концентрацією. Фактично через мембрану проходять лише молекули води, розчинені речовини залишаються у розчині. Цей процес називається «осмосом» і лежить в основі всього відомого нам життя. Природна сила міграції молекул води змушує воду перетікати з області з меншою концентрацією солей область з більшою концентрацією. Тиск міграції молекул називається «осмотичним». Чим більша різниця в концентрації розчинених речовин, тим вищий осмотичний тиск. Людство здобуло вигоду з цього природного процесу, створивши штучні напівпроникні мембрани з розміром пор 0,001 мікрометра і додавши насос, який створює тиск, що перевищує осмотичний тиск вихідної води. Як тільки цей тиск перевищує природний осмотичний тиск, молекули води починають переміщатися назад у бік з нижчою концентрацією розчинених речовин. Ця технологія зниження концентрації розчинених речовин отримала назву «зворотного осмосу».

Невеликі побутові системи зворотного осмосу можуть використовувати тиск, що створюється  свердловинним насосом або тиск в муніципальній водопровідній системі. Більші та більш ефективні комерційні та промислові системи зворотного осмосу використовують додаткові високонапірні насоси для створення великого перепаду тиску (для морської води 10-15 бар).

Розчинені органічні речовини.

Багато з органічних речовин мають слабку полярність, взаємодіють з полярною молекулою води і розчиняються у воді. Такі речовини називаються «гідрофільними» ( що «люблять» воду), наприклад, спирт, оцтова кислота або цукор. Органічні речовини, що мають сильну полярність, схильні збиратися разом – агломеруватися у воді. Такі речовини називаються «гідрофобними» ( що «бояться» води), наприклад, бензин або олія. У водопідготовці кожна з таких «гідрофобних» речовин розглядається окремо, має унікальні характеристики і вимагає застосування особливих стратегій водопідготовки. Проблеми, які створюють у воді органічні речовини, варіюються від неприємного запаху до смертельно небезпечних ефектів. Розвиток виробничих технологій став причиною появи в екосистемі дуже широкого спектру вкрай небезпечних органічних речовин, наприклад, таких як перфтороктанова кислота («перфтороктанова катастрофа» – ми всі вже живемо з отрутою в крові, яка накопичується і викликає безліч захворювань).

Скидання промислової хімії та органічних відходів у сільському господарстві та тваринництві акумулюють проблему органічних забруднень. Останніми десятиліттями список органічних забруднень у воді поповнили рецептурні медичні препарати. Найбільш поширені технології видалення з води органічних речовин – адсорбція, іонний обмін та ультрафільтрація.

Водопідготовка. Органічні речовини.

Для видалення органічних забруднень найширше використовується адсорбція активованим вугіллям. Гранульоване вугілля застосовується в корпусах фільтрів, порошкове вугілля – переважно у картриджах. Висока пористість активованого вугілля робить його ефективним засобом для видалення з води більшості органічних забруднень, включаючи багато рецептурних медичних препаратів та поліфторалкильних речовин. Ефективність видалення значно обмежена часом контакту вугілля з водою (витрата води на одиницю об’єму).

Погляд у майбутнє.

Доступність води з прийнятним для пиття рівнем забруднення, як і раніше, залишатиметься проблемою в усьому світі. В умовах стихійних лих і збільшення активності людства ситуація буде тільки погіршуватися. Вирішення цієї проблеми полягає в обмеженні діяльності людини, що сприяє забруднення, а також у розробці та застосуванні технологій очищення води. Технологія зворотного осмосу найбільш актуальна для вирішення проблем у майбутньому з питною водою за допомогою знесолення. Приблизно 97% води Землі перебуває у океанах, а 40% населення планети живе у радіусі 160 км від океану. Зворотний осмос може перетворити морську воду на питну. Для цього нам потрібна енергія, необхідна для активації насосів високого тиску, а інновації в мембранних технологіях знижують кількість необхідної енергії. Судячи з усього саме технологія зворотного осмосу дозволить створити відновлювані джерела питної води у майбутньому.