До недавнего времени основным методом приготовления высокочистой воды была дистилляция. Метод не утратил и не утратит своего значения, в особенности для приготовления инъекционной воды, но он имеет ряд ограничений:
Механическая очистка или фильтрация
Механическая фильтрация может применяться на разных стадиях очистки воды в зависимости от поставленной задачи.
Принцип механической фильтрации прост: частицы, размер которых превосходит размер пор (отверстий) фильтра, задерживаются на поверхности или в толще материала фильтра. Данный метод очистки служит для удаления нерастворимых веществ на начальных стадиях очистки, и также для удаления микроорганизмов на заключительных стадиях.
Самый простой пример устройства для механической фильтрации - засыпной фильтр с зернистой загрузкой. Гранулы фильтрующей загрузки создают пористый слой, при прохождении через который частицы, содержащиеся в воде, задерживаются на поверхности гранул, а также прилипают к уже задержанным частицам.
Микрофильтрация - это процесс мембранного разделения, осуществляемый путем фильтрования жидкости через пористую мембрану из полимерного материала. Данный метод также можно отнести к определению "механическая фильтрация".
Для увеличения емкости фильтров, а также их пропускной способности поверхность фильтров увеличивают. Гофрированные фильтры, в которых листовой фильтрующий материал (полотно) сложен «гармошкой», позволяют существенно увеличить площадь фильтрации при сохранении компактности фильтрующего элемента.
Также могут применяться фильтры, работающие по принципу глубиной фильтрации. По мере прохождения воды через фильтр размер пор постепенно снижается. Это позволяет задерживать более крупные частицы ближе к поверхности, тогда как более мелкие улавливаются в толще фильтра.
Сорбция позволяет удалять из воды органические загрязнители и активный хлор. В качестве сорбентов наиболее часто применяются активированные угли.
Активированный уголь представляет собой пористый материл. Размер пор и их геометрия изменяются в широком диапазоне. Органические загрязнители и некоторые газы адсорбируется внутри разветвленных пор и удерживаются там за счет межмолекулярного взаимодействия. Кроме того, на поверхности сорбента могут происходить химические реакции (хемосорбция). На принципе хемосорбции основано применение активированной угля для удаления активного хлора.
Фильтр имеет сорбционную емкость, после его насыщения может наблюдаться увеличение концентрации загрязнителей в воде после фильтра за счет десорбции.
Стоит отметить, что из-за высокой пористости и наличия в порах задержанных органических веществ, активированный уголь является благоприятной средой для роста микроорганизмов. Крайне важна своевременная замена фильтра, так как в противному случае он может стать источником вторичного микробиологического загрязнения.
Фильтрация с помощью мембран обратного осмоса на сегодняшний момент является самым современным и экономически выгодным методом обессоливания воды, позволяющим удалить из воды вплоть до 99% растворенных солей.
Эффект прямого осмоса заключается в том, что молекулы воды проходят через мембрану (проницаемую для воды) из менее концентрированного раствора в более концентрированный до тех пор, пока концентрации растворов по обе стороны мембраны не выровняются. Принцип обратного осмоса противоположен прямому осмосу: со стороны концентрированного раствора создается избыточное давление, и чистая вода проходит сквозь мембрану в менее концентрированный раствор.
Конструкция рулонного мембранного элемента
Для реализации технологии обратного осмоса в системах, предназначенных для обессоливания воды, применяются специальные устройства - мембранные элементы. Наибольшее распространение получили рулонные мембранные элементы, в которых мембранные полотна спирально намотаны вокруг трубки для отвода фильтрата.
Многослойная мембрана в разрезе
Для обеспечения эффективного обессоливания концентрированный раствор (концентрат) непрерывно отводится от поверхности мембраны и замещается исходной водой. Чистая вода (пермеат) отводится через центральную трубку и при необходимости направляется на дальнейшую очистку.;
Ионный обмен – это процесс замещения ионов растворенных веществ из раствора на ионы со специальной матрицы (смолы). Ионообменные смолы могут быть катионообменными или анионообменными. Ионный обмен как метод очистки применяется как на ранних стадиях очистки воды, так и для финишного обессоливания. Для этого применяют смолы разных классов и степеней очистки.
В системах предварительной очистки используются катионообменные фильтры для удаления солей жесткости (умягчения). В фильтрах-умягчителях применяются смолы с ионами натрия. При пропускании воды через подобные фильтры, ионы кальция и магния из раствора связываются со смолой, замещая собой ионы натрия. После замещения всех ионов натрия на смоле, ресурс фильтра считается исчерпанным, он больше не может умягчать воду. Подобные фильтры могут быть регенерированы за счет применения концентрированного раствора поваренной соли, пропущенной через фильтр. При это происходит процесс, обратный описанному выше.
На поздних стадиях очистки используют смеси специализированных катионообменных и анионообоменных смол, на поверхности которых находятся ионы H+ и OH-. При прохождении раствора через такой фильтр, катионы и анионы солей связываются со смолой, высвобождая ионы H+ и OH-, которые в свою очередь нейтрализуются с образованием воды. При помощи смешанных ионообменных смол возможно получение глубоко обессоленной воды с удельным электросопротивлением 18,2 МОм (при 25°С).
Ультрафильтрация - наиболее эффективный способ очистки вод от механических частиц размером 0,01-0,1 мкм, коллоидов, микробов, вирусов, крупных органических молекул. Ультрафильтрация, также как и микрофильтрация - это процесс мембранного разделения, осуществляемый путем фильтрования жидкости через пористую мембрану из полимерного материала.
Наибольшее распространение получили ультрафильтрационные элементы, состоящие из множества одноканальных или многоканальных полых волокон. Каждое волокно имеет цилиндрическую форму и состоит из поддерживающего слоя и селективного фильтрующего слоя. Ультрафильтрационные мембранные элементы применяются в медицине и фармацевтике, благодаря своей способности задерживать пирогены, как правило, представляющие собой частицы клеточных стенок микроорганизмов.
Полое волокно в разрезе
Обработка ультрафиолетовым излучением
Ультрафиолетовая обработка является методом предотвращения микробиологического загрязнения. Поток воды проходит вдоль специализированных ультрафиолетовых ламп, пик интенсивности излучения которых приходится на диапазон длин волн 250-260 нм.
Попадание УФ-излучения с указанной длиной волны на нить ДНК (или РНК) микроорганизма вызывает мутацию тиминовых оснований, в результате чего становится невозможно размножение, а также синтез жизненно важных белков. Увеличенные дозы (интенсивности) облучения могут вызывать и разрушение клеточной стенки. В обоих случаях микроорганизм погибает, однако в раствор попадают остатки клеточной стенки, белки, пирогены.
Для разрушения органических соединений и микроорганизмов может применяться жесткое УФ-излучение с длиной волны 180-190 нм и высокой дозой. В процессе облучения воды УФ-излучением с указанными параметрами происходит генерация атомарного кислорода, окисляющего органические соединения.
Дегазация - это процесс удаления из воды растворенных газов. Простейшим методом дегазации является нагрев. С превышением температуры растворимость газов в воде падает, однако при охлаждении, если парциальные давления не изменились, снова происходит растворение.
Современные методы дегазации подразумевают использование половолоконных мембран и вакуумных насосов или газов-носителей(метод отдувки). Вакуумные насосы создают разряжение с внешней стороны полого волокна и растворенные газы, согласно закону Генри о парциальных давлениях, удаляются из воды. Применение газов-носителей имеет схожий принцип: растворенные газы, отличные от газа-носителя, удаляются из раствора, однако происходит насыщение раствора носителем.
