Как работают фильтры для воды? | Типы фильтров для воды

Вы можете прожить без еды несколько недель, потому что ваш организм
постепенно переключится на использование накопленного жира и белка для получения энергии. Но отключите
воду, и вы умрете в течение нескольких дней. Вода — это
жизнь: все просто. Около двух третей вашего тела (до
75 процентов, если вы младенец) состоит из H2O. Даже ваши кости, которые вы
могли бы считать совершенно твердыми, содержат около 25 процентов воды. В
среднем, по данным самого авторитетного источника информации о здоровье в Великобритании, NHS, нам нужно «от 6 до 8 чашек или стаканов [воды] в день» (1,5–2,5 литра или 0,3–0,6 галлона),
чтобы оставаться здоровыми, хотя то, сколько на самом деле нужно каждому человеку,
немного сложнее по разным причинам.
Поскольку вода так важна для нашей жизни, неудивительно, что мы любим ее чистой, прозрачной и вкусной.
Вот почему люди тратят так много денег на фильтры для воды, которые
могут удалять любые вредные примеси. Как они работают — и действительно ли они нам
нужны? Давайте посмотрим поближе!

Произведение искусства: Типичный фильтр для воды кувшинного типа «превращает» водопроводную воду в более чистую питьевую воду с помощью сменных фильтров. Обычно каждый фильтр служит около месяца, а на кувшине есть дисплей таймера, который напоминает вам, когда его нужно заменить. Такие кувшины производят Brita, Biocera и многие другие.

Как работают фильтры для воды

Во многом благодаря необычной молекулярной структуре вода удивительно хорошо растворяет вещи.
(Более подробно мы рассмотрим это в нашей основной статье о воде.)
Иногда это полезно: если вы хотите очистить джинсы от пыли, просто
бросьте их в стиральную машину с моющим средством, и вода с мылом вытянут грязь, как магнит.

Но, очевидно, здесь есть и обратная сторона.

Вся наша вода постоянно циркулирует в окружающей среде в так называемом
круговороте воды. В одну минуту она мчится по реке или
дрейфует высоко в облаке, в
следующую — льется из вашего крана, стоит в стакане на вашем
столе или смывается в ваш унитаз. Откуда вы знаете, что вода, которую вы собираетесь выпить, — с ее блестящей способностью притягивать и растворять грязь — не набрала всякой гадости на
своем пути через Землю и атмосферу? Если вы хотите быть уверены, вы можете пропустить ее через фильтр для воды.

Физическая и химическая фильтрация

Фильтры для воды используют два разных метода удаления грязи. Физическая
фильтрация означает фильтрацию воды для удаления более крупных
примесей. Другими словами, физический фильтр — это прославленное сито — может быть, кусок
тонкой марли или очень тонкой текстильной мембраны. (Если у вас есть
электрический чайник,
у вас, вероятно, есть такой фильтр, встроенный в носик для удаления
частиц накипи.) Другой метод фильтрации, химическая фильтрация, заключается в пропускании воды через активный
материал, который химически удаляет примеси по мере их прохождения.

Фото: Физическая фильтрация: Фильтр NanoCeram Nanoalumina — это физический
фильтр, изготовленный из керамики на основе оксида алюминия. Он имеет
нановолокна —
достаточно малые, чтобы удалить 99,99999 процентов вирусов и бактерий из
загрязненной воды или воздуха.
Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемой энергии (DOE/NREL) (изображение № 105471).

Четыре типа фильтров для воды

Существует четыре основных типа фильтрации, в которых используется сочетание физических и
химических методов.

Активированный уголь

Наиболее распространенные бытовые фильтры для воды используют так называемые гранулы активированного
угля
(иногда называемые активным углем или АС) на основе
древесного угля
(очень пористая форма углерода, получаемая путем сжигания чего-то вроде древесины в
условиях ограниченного количества кислорода). Древесный уголь представляет собой нечто среднее между графитовым
«грифелем» карандаша и губкой. Он имеет огромную внутреннюю поверхность, заполненную укромными
уголками и щелями, которые притягивают и улавливают химические примеси посредством
процесса, называемого адсорбцией (когда жидкости
или газы захватываются твердыми телами или жидкостями).

Фото: Угольный фильтр: классическая система фильтрации сточных вод, описанная в патенте 1901 года Клеофаса Монжо из Мидлтауна, штат Огайо. Грязная вода стекает вниз из резервуара наверху (синего цвета), проходит через растительность (вероятно, тростниковые заросли), которая удаляет питательные вещества, органические вещества, некоторые виды загрязнений и некоторые бактерии, прежде чем стекать вниз через песчаные, угольные и гравийные фильтры. Чистая вода собирается для повторного использования в другом резервуаре внизу. Тростниковые заросли по сей день широко используются для очистки сточных вод, в том числе в системах очистки стоков с автомагистралей. Иллюстрация из патента США 681,884: Очистка воды Клеофаса Монжо, выданного 3 сентября 1901 года, любезно предоставлена ​​Патентным и товарным знаком США.

Но хотя уголь отлично подходит для
удаления многих распространенных примесей (включая хлорсодержащие
химикаты, поступающие при очистке сточных вод, некоторые пестициды
и промышленные растворители), он не справляется с «жесткостью»
(известковый налет), тяжелыми металлами (если только не используется специальный тип
фильтра с активированным углем), натрием, нитратами, фтором или микробами. Главным
недостатком активированного угля является то, что фильтры со временем засоряются
примесями и их приходится заменять. Это означает
постоянные (иногда значительные) расходы.

Фото: Водоочистная станция фильтрует воду для повторного использования,
пропуская грязную воду из домов и фабрик через слои угля и песка.
Это похоже на гигантскую версию фильтра в нашем произведении искусства выше, хотя
в этой системе нет слоя тростника.
Фото предоставлено Агентством по охране окружающей среды США и
Национальным архивом США.

Обратный осмос

Обратный осмос заключается в продавливании загрязненной воды через мембрану (фактически очень
тонкий фильтр) под давлением, в результате чего вода проходит, но
загрязняющие вещества остаются.

Более подробный взгляд на обратный осмос

Если вы изучали биологию, вы, вероятно, слышали об осмосе. Когда концентрированный
раствор отделен от менее концентрированного
полупроницаемой мембраной (своего рода фильтр, через который
могут проходить одни вещества, а другие — нет), растворы пытаются перестроиться
так, чтобы они оба были в одинаковой концентрации.

Подождите, это проще, чем кажется!

Предположим, у вас есть запечатанная стеклянная бутылка, полная очень сладкой воды, и вы ставите ее в большой стеклянный кувшин, полный
менее сладкой воды. Ничего не произойдет. Но что, если бутылка
на самом деле представляет собой особый вид пористого пластика, через который
может проходить вода (но не сахар)? Происходит следующее: вода перемещается из внешнего
кувшина через пластик (фактически, полупроницаемую мембрану) в бутылку, пока
концентрации сахара не сравняются. Вода перемещается сама по себе
под так называемым осмотическим давлением.

Это осмос, а что насчет обратного осмоса? Предположим, вы берете немного загрязненной воды и
пропускаете ее через мембрану, чтобы получить чистую воду. По сути, вы заставляете
воду двигаться в направлении, противоположном тому, в котором осмос
обычно заставляет ее двигаться (не из менее концентрированного раствора в
более концентрированный, как при осмосе, а из
более концентрированного раствора в менее концентрированный).

Поскольку вы заставляете воду двигаться против ее естественного наклона,
обратный осмос подразумевает проталкивание загрязненной воды через
мембрану под давлением, а это значит, что вам нужно использовать энергию.
Другими словами, фильтры обратного осмоса должны использовать насосы с электроприводом,
работа которых стоит денег. Как и активированный уголь, обратный осмос хорош
для удаления некоторых загрязняющих веществ (соли, нитраты или известковый налет), но
менее эффективен для удаления других (например, бактерий). Еще одним
недостатком является то, что системы обратного осмоса производят довольно много
сточных вод — некоторые тратят четыре или пять литров воды на каждый литр
чистой воды, которую они производят.

Вот как выглядит фильтр обратного осмоса на практике, показано в разрезе. Неотфильтрованная вода (синяя труба) закачивается
в очистную установку (серую) и проходит через пластиковую полупроницаемую мембрану (желтую), изготовленную (в данном случае) из
ацетата целлюлозы. Чистая вода вытекает через красную трубу; примеси смываются через зеленую трубу:

Иллюстрация: Разрез базового фильтра с мембраной обратного осмоса.
Иллюстрация предоставлена ​​Патентным и товарным знаком США из патента США 3,390,773: Система очистки воды Ульриха Мертена. Gulf General Atomic Inc, 2 июля 1968 г.

Ионный обмен

Ионообменные фильтры особенно хороши для «смягчения» воды
(удаления известкового налета).
Они предназначены для расщепления атомов загрязняющего вещества на
ионы (электрически заряженные атомы со слишком большим или слишком малым количеством
электронов). Затем они улавливают эти ионы и высвобождают вместо
них другие, менее проблемные ионы — другими словами, они
обменивают «плохие» ионы на «хорошие».

Иллюстрация: Как работает ионный обмен: Ионы магния и кальция (оранжевый и красный) поступают в кристаллы фильтра для воды (серые), которые изначально содержат ионы натрия (желтые). Ионы магния и кальция захватываются, а ионы натрия высвобождаются на их месте.

Как они работают? Ионообменные
фильтры изготавливаются из большого количества цеолитовых шариков, содержащих ионы натрия. Жесткая
вода содержит соединения магния и кальция, и когда вы заливаете ее
в ионообменный фильтр, эти соединения разделяются, образуя
ионы магния и кальция. Фильтрующие шарики считают
ионы магния и кальция более привлекательными, чем натрий, поэтому они улавливают поступающие
ионы магния и кальция и выделяют собственные ионы натрия, чтобы
заменить их. Без ионов магния и кальция вода становится мягче на вкус и (для
многих людей) более приятной. Однако натрий — это просто другая
форма загрязняющего вещества, поэтому вы не можете описать конечный продукт
ионообменной фильтрации как «чистую воду» (добавленный натрий может
даже быть проблематичным для людей, соблюдающих диету с низким содержанием натрия). Еще одним
недостатком ионообменной фильтрации является то, что вам нужно
периодически подзаряжать фильтры большим количеством ионов натрия, как правило, путем добавления особого
вида соли. (Вот почему
время от времени необходимо добавлять «соль» в посудомоечные машины : соль восстанавливает смягчитель воды в посудомоечной машине
и помогает предотвратить постепенное образование накипи, которая может повредить
машину.)

Дистилляция

Один из самых простых способов очистки воды — кипячение, но хотя тепло убивает
множество различных бактерий, оно не удаляет химикаты, известковый налет и
другие загрязнители. Дистилляция идет на шаг дальше обычного кипячения: вы кипятите воду
, чтобы получить пар, затем улавливаете пар и конденсируете (охлаждаете) его обратно
в воду в отдельной емкости. Поскольку вода кипит при более низкой температуре, чем некоторые из
содержащихся в ней загрязняющих веществ (например, токсичные тяжелые металлы), они остаются,
когда пар отделяется и выкипает. К сожалению,
некоторые загрязняющие вещества (включая летучие органические соединения или
ЛОС) кипят при более низкой температуре, чем вода, и это означает, что они
испаряются с паром и не удаляются в
процессе дистилляции.

Произведение искусства: Дистилляция подразумевает нагревание воды для уничтожения загрязняющих веществ и
отделения примесей. Вода кипит при 100°C (212°F), поэтому пар, полученный именно при этой температуре
, теоретически должен состоять только из воды. На практике все не так просто!

Заключение

Вы можете видеть, что разные типы фильтрации удаляют разные загрязняющие вещества, но не существует единого
метода, который удаляет все загрязняющие вещества из воды.
Вот почему многие домашние системы фильтрации воды используют два или более из этих процессов вместе.
Если вы ищете домашний фильтр для воды, действуйте осторожно. Имейте в виду, что вы не обязательно
удалите все гадости. Помните также, что большинство фильтров для воды требуют определенных постоянных
затрат и, без регулярного обслуживания для поддержания их надлежащей работы, могут оставить вашу воду в худшем состоянии, чем она была
изначально!

Стоит ли нам прекратить пить бутилированную воду?

Многие люди покупают фильтры для воды или бутилированную воду, часто ошибочно полагая, что вся водопроводная вода
грязная или вредная для питья. Фактически, как
сообщает Агентство по охране окружающей среды (EPA),
около 92 процентов систем водоснабжения в США
соответствовали «всем применимым стандартам питьевой воды, основанным на здравоохранении» в 2018 году
(по сравнению с 85 процентами в 2005 году). В Англии и
Уэльсе в 2020 году
Инспекция по питьевой воде сообщила, что 99,96 процента питьевой воды соответствовали
национальным и европейским стандартам (включая около 40 различных
измерений качества). Эти цифры действительно весьма примечательны, если
учесть, насколько грязной мы делаем воду, и некоторые вещи
(например, пестициды и автомобильное масло), которые люди смывают в канализацию.
Тем не менее, высокое качество большей части питьевой воды не мешает людям тратить около
280 миллиардов долларов во всем мире каждый год на покупку бутилированной воды, которая в несколько тысяч раз дороже водопроводной.

Фото: Отлично подходит для катастроф и чрезвычайных ситуаций, но нужна ли нам бутилированная вода в других случаях? Фото Бретта Кота предоставлено
ВМС США.

Одной из причин этого разрыва является громкое (и совершенно оправданное) освещение в СМИ
исключительно плохого — и действительно опасного — качества воды, с которым некоторые люди действительно сталкиваются.
Если всего 8 процентов населения США имеют системы водоснабжения, не соответствующие стандартам, мы говорим о 2–3 миллионах человек. Но истинная картина может быть намного хуже. Нетрудно найти
примеры опасного качества питьевой воды.
В отчете за 2017 год, подготовленном Рабочей группой по охране окружающей среды и Северо-Восточным университетом, утверждается, что
около 15 миллионов американцев могут подвергаться риску из-за определенных токсичных химикатов.
Это вызывает большую обеспокоенность, но это все еще не означает, что ответ заключается в том, чтобы все
вместо этого пили бутилированную воду. Ответ заключается в том, чтобы бороться с загрязнением воды
и очищать нашу водопроводную воду с помощью более эффективной фильтрации.

?

Мы тратим миллиарды на воду на вынос, но стоимость — не единственный недостаток. Большая ее часть поставляется в одноразовых
пластиковых бутылках, которые трудно перерабатывать. Выброшенные на свалки, смываемые в реки, сброшенные на
пляжи, сжигаемые в мусоросжигательных печах — пластиковые бутылки добавляют загрязнения
, которые снижают качество естественного водоснабжения Земли. Какая ирония: покупая
«чистую» бутилированную воду, чтобы оставаться здоровыми, мы помогаем сделать
Землю грязным местом и ухудшаем ситуацию в целом.

Почему бы не отказаться от привычки покупать бутилированную воду?
Вы можете повторно использовать некоторые типы одноразовых пластиковых бутылок,
если тщательно их вымоете и высушите на воздухе, но безопаснее
купить себе гигиеническую многоразовую пластиковую или алюминиевую
бутылку для воды и наполнять ее из-под крана.
Сделайте это хотя бы 10–20 раз, и ваша
бутылка скоро окупится.

Лучше всего отдать сэкономленные на бутилированной воде деньги в WaterAid и помочь некоторым людям, которым действительно не хватает чистой воды в развивающихся странах. Давайте посчитаем себя счастливчиками, что нам не приходится пить воду прямо из грязной реки, как многие люди до сих пор делают. Интересное отступление: помните, что мы тратим 280 миллиардов долларов в год на бутилированную воду? Давайте рассмотрим это в контексте. Одной из Целей развития тысячелетия ООН было «сократить вдвое к 2015 году долю людей, не имеющих постоянного доступа к безопасной питьевой воде и основным санитарным условиям»; в 2012 году
Всемирный банк подсчитал, что ежегодные затраты на достижение этой цели составят 184 миллиарда долларов.

Узнать больше

• Агентство по охране окружающей среды принимает решение против ограничения содержания перхлората в питьевой воде Лизы Фридман, The New York Times, 31 марта 2022 г. Агентство по охране окружающей среды продолжает сопротивляться попыткам регулировать химическое вещество, связанное с повреждением мозга у младенцев.
• Бутилированная вода высасывает воду из Флориды, Майкл Сайнато и Челси Скойец, The New York Times, 15 сентября 2019 г. Как бутилированная вода уничтожает наши сокращающиеся запасы природной воды.
• Мэр Лондона стремится возродить общественные питьевые фонтанчики, Алан Коуэлл, Guardian, 4 декабря 2017 г. Создание большего количества общественных точек с водой — один из способов решения проблемы бутилированной воды.
• Стоит ли мне прекратить пить бутилированную воду? Луиза Диллнер, The Guardian, 1 июня 2015 г. Почему водопроводная вода может быть полезнее бутилированной.
• «Продажа бутилированной воды, которая лучше для планеты» Глории Доусон. The New York Times, 30 апреля 2016 г. История Just Water, которая стремится предоставить лучшую альтернативу бутилированной воде.
• История бутилированной воды: The Guardian, 14 декабря 2010 г. Вот несколько замечательных видеороликов, которые объясняют реальную стоимость бутилированной воды.
• Бутилированная вода: кому она нужна? Том Хип, BBC Panorama, 18 февраля 2008 г. Рассматривает доводы против бутилированной воды, задавая такие вопросы: приемлемо ли с моральной точки зрения импортировать бутилированную воду из Фиджи, где треть населения испытывает нехватку чистой, безопасной питьевой воды?

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Среда
• Серая вода
• Вода

На других сайтах

• Агентство по охране окружающей среды США: Грунтовые воды и питьевая вода: точная информация о качестве и безопасности питьевой воды от Агентства по охране окружающей среды.
• Инспекция по качеству питьевой воды Великобритании: качество питьевой воды и стандарты от правительства Великобритании.
• [PDF] EPA: Серия «Здоровье воды»: Факты о фильтрации: В этом независимом руководстве на восьми страницах обсуждается, действительно ли вам нужно фильтровать воду, и сравнивается эффективность (и экономическая эффективность) различных методов.

Книги и статьи

• Ask Well: Should You Filter Your Water? Рони Кэрин Рабин. The New York Times, 31 декабря 2015 г. Ваша водопроводная вода может соответствовать установленным нормам, но достаточно ли строги эти нормы?
• Установка фильтра для воды с обратным осмосом, Мерл Хенкениус, Popular Mechanics, январь 2004 г. Еще одно простое руководство для любителей делать все своими руками.

Патенты

Для получения более подробной информации о том, как на практике строятся фильтры для воды, попробуйте эти ссылки. Я выбрал один типичный пример каждого из основных типов фильтров; вы можете найти еще больше примеров, выполнив поиск в Google Patents или на сайте USPTO.

• Патент США 3,390,773: Система очистки воды Ульриха Мертена. Gulf General Atomic Inc, 2 июля 1968 г. Описывает типичную систему фильтрации обратного осмоса.
• Патент США US,7537,695 B2: Фильтр для воды, включающий частицы активированного угля с выращенными на поверхности углеродными нановолокнами, Майкл Донован Митчелл и др., Pur Water Purification Products, Inc., 26 мая 2009 г. Современный фильтр для воды с активированным углем и углеродными нановолокнами.
• Патент США 4,474,620: Устройство для очистки воды методом ионного обмена Джеймса У. Холла. 2 октября 1984 г. Типичный ионообменный фильтр, использующий силу тяжести и эффект манометрического давления.
• US 20040003990 A1: Устройство для очистки воды и способ очистки воды, автор Пьер Мансур, 8 января 2004 г. Недавний патент на производство «чистой» дистиллированной воды из водопроводной воды с использованием как дистилляции, так и угольной фильтрации.