Woda cz. 3. Filtracja wody

with Brak komentarzy
Gdy bierzemy pod uwagę, jako wodę do spożycia, zawartość jakiegoś bajora, kałuży czy innego bardzo zanieczyszczonego ścieku, to wiadomo, że nie robimy tego z wyboru, a z konieczności. Jesteśmy zmuszeni do tego zaistniałą, często trudną i niebezpieczną, sytuacją. 
Filtracja wraz z właściwym uzdatnianiem wody jest niezbędna do uzyskania bezpiecznej wody
Filtracja wraz z właściwym uzdatnianiem wody jest niezbędna do uzyskania bezpiecznej wody
Taka mętna, śmierdząca woda jest gwarantem przebojów jelitowych, chorób, pasożytów, a prawdopodobnie także śmierci – zwłaszcza w przypadku braku pomocy medycznej. Co więc trzeba zrobić, aby tego uniknąć? Poniżej postaram poruszyć klika ważnych kwestii odnoszących się do przygotowania zanieczyszczonej wody do spożycia. Z poprzedniego artykułu Woda cz. 2. Bezpieczeństwo. wiemy już, co szkodzi nam w nieoczyszczonej wodzie, jednak najważniejsze jest, aby wiedzieć, co z tą wiedzą można zrobić… oczywiście, najlepiej ją zastosować!
Zacznijmy od tego, że zanim rozpoczniemy wodę uzdatniać spożywczo, czyli odkażać (inaczej także dezynfekować), powinniśmy ją przefiltrować, aby ograniczyć wpływ makrocząsteczek (zawiesin, osadów) na proces uzdatniania. Związki organiczne i nieorganiczne, części roślin, osady mogą wpływać i wpływają negatywnie na proces uzdatniania wody. Każdy kto używał tabletek chlorowych i czytał ich instrukcję wie, że wraz ze wzrostem zmętnienia, czyli także i zanieczyszczenia, musi użyć ich więcej niż w przypadku wody klarownej. Spowodowane jest to tym, że w wodzie mętnej czynnik odkażający (np. chlor) ma większą ilość substancji, z którymi może reagować – ot i cała filozofia. Zanieczyszczenia bardzo osłabiają skuteczność działania środków biobójczych (adsorpcja na cząsteczkach zawiesin, reakcje chemiczne z substancjami zawartymi w zanieczyszczeniach, rozkład substancji czynnej itp.) i nawet zwiększenie ilości środka dezynfekcyjnego nie zawsze wystarcza do zniszczenia chorobotwórczych drobnoustrojów znajdujących się w wodzie.Odpowiednio dobrane i zastosowane techniki i procesy uzdatniania wody muszą zapewniać taki poziom usuwania drobnoustrojów patogennych i innych zanieczyszczeń, aby nie wpływały one negatywnie na nasze zdrowie. Jest wiele technik filtracji, w tym klika prymitywnych, które z powodzeniem można zastosować do oczyszczania wody. Każdy ze sposobów różni się poziomem oczyszczenia, potrzebnymi do ich wykonania sprzętami oraz czasem i poziomem trudności. Poniżej przedstawiam procesy i przykłady ich zastosowania.

Po pierwsze – sedymentacja i dekantacja.

Zazwyczaj wszyscy wykorzystujemy te procesy w swoich wędrówkach, jednak nie zawsze wiemy na jakiej zasadzie działają. Najlepszym sposobem na zmniejszenie ilości zanieczyszczeń w toni wody jest odstanie osadu czyli sedymentacja. Jest to proces opadania na dno cząsteczek posiadających ciężar właściwy większy niż woda i tworzących osad.
Odstanie osadu (sedymentacja) to najprostszy sposób na oczyszczenie wody. W przypadku bardzo zanieczyszczonego płynu powinna być pierwszym, żelaznym punktem programu
Odstanie osadu (sedymentacja) to najprostszy sposób na oczyszczenie wody.
W przypadku bardzo zanieczyszczonego płynu powinna być pierwszym, żelaznym punktem programu. Źródło: http://www.dhvhydroprojekt.com.pl/download,process,crop_389_259,file,81/nereda_glasses.jpg
Gdy lżejsze od wody zanieczyszczenia zbierają się na powierzchni wody można je w łatwy sposób zlać znad klarownej cieczy mówimy wtedy o dekantacji. Oczywiście klasyczna dekantacja polega na zlewaniu klarownej cieczy znad osadu, jednak przy zanieczyszczeniach pływających po powierzchni spokojnie można mówić o tym samym procesie [3][4]. Biorąc pod uwagę bardzo zanieczyszczoną wodę należy ją pozostawić do wyniesienia lżejszych i opadnięcia cięższych od wody cząsteczek. Po odstaniu wierzchnią warstwę należy odrzucić, a środkową (nad stałym osadem) przelać do czystego naczynia i poddać dalszej obróbce. Potrzebujemy do tego jedynie naczynia, najlepiej dużego, aby większa ilość płynu na raz mogła ulec odstaniu.
Proces sedymentacji w czasie. Początkowo mętna jest cała objętość płynu, z czasem cząsteczki zawieszone w wodzie opadają by utworzyć osad. Na końcu, przy długim czasie, osad ulega dodatkowej agregacji (zmniejszeniu objętości)
Proces sedymentacji w czasie. Początkowo mętna jest cała objętość płynu,
z czasem cząsteczki zawieszone w wodzie opadają by utworzyć osad.
Na końcu, przy długim czasie, osad ulega dodatkowej agregacji (zmniejszeniu objętości). Źródło i opracowanie własne

Koagulacja i Flokulacja

Co dalej? Trzeba czekać aż syf opadnie. Co jeśli nie opada po 2-3 godzinach? Możemy zastosować proces koagulacji i flokulacji. Procesy te w technologii uzdatniania wody stosowane są wówczas, gdy zwykła sedymentacja nie wystarcza do, w miarę szybkiego/skutecznego, usunięcia z wody bardzo drobnych zawiesin. Są nimi najczęściej cząstki gliny, cząstki substancji koloidalnych i humusowych, bakterie i glony. Generalnie cząsteczki mniejsze niż 0,002 mm praktycznie nie opadają na dno zbiornika i pozostają w toni wody często niewidoczne nieuzbrojonym okiem. Przy zastosowaniu koagulacji i flokulacji można uzyskać bardzo wysoki poziom oczyszczenia wody. Podczas ich zastosowania można uzyskać redukcje stężenia substancji organicznej podatnej na biodegradację o 85%, a zmniejszenie zawiesin nawet do 90%. Koagulacja polega na agregacji (łączeniu się) drobin nieopadających lub wolno opadających w większe struktury i skupiska przy udziale koagulanta czyli substancji, która powoduje lub przyspiesza ten proces. Rola koagulanta polegają na destabilizacji cząsteczek koloidalnych, co z kolei umożliwia im łączenie się w większe skupiska widoczne gołym okiem (flokulacja – powstawanie kłaczków), w rezultacie zdolne do opadania na dno. Owa destabilizacja polega zazwyczaj na zobojętnieniu jednoimiennych ładunków cząsteczek koloidów poprzez wprowadzanie do wody jonów lub koloidów naładowanych ładunkiem przeciwnym. W charakterze koagulantów stosuje się najczęściej sole glinu i żelaza, ale także np wodorotlenek wapnia. Ponadto w wyniku koagulacji następuje obniżenie stężenia substancji organicznych, jonów metali ciężkich, fosforanów, krzemionki, bakterii i wirusów. Proces koagulacji stosuje głównie się na stacjach uzdatniania wód powierzchniowych [6][7].
Wiadomo, że nie każdy w razie wielkiego BUM będzie miał na stanie takie chemikalia, jednak zawsze, i do znudzenia, będę pisał, mówił i powtarzał: wiedza jest naszą polisą na życie i inwestycją. Lepiej o tym wiedzieć i w razie możliwości zastosować.

Po drugie – filtracja i cedzenie.

Ale od początku. Co to w ogóle filtracja? Jest procesem, w którym rozdziela się dwie substancje (najczęściej ciało stałe od cieczy lub ciało stałe od gazu) i proces polega, z grubsza, na przepuszczeniu płynu przez filtr (ośrodek porowaty – tkanina, gaza, lignina) w celu osadzenia się cząstek ciała stałego (zanieczyszczeń mechanicznych) na tym filtrze [1]. To samo tyczy się cedzenia. Zanieczyszczeniami mechanicznymi są substancje o różnej wielkości i różnym stopniu rozdrobnienia, nierozpuszczalne w wodzie utrzymujące się na jej powierzchni, w jej toni lub osiadające na dnie [2]. Tak przygotowana woda będzie mniej niewdzięczna podczas dalszej obróbki i będzie wymagała mniejszej ilości działań, aby ją uzdatnić.

Schemat filtra materiałowego (z ewentualnymi wkładami piaskowo-żwirowymi na każdym pietrze)  wykonanego samodzielnie, z materiałów dostępnych praktycznie w każdych warunkach. Filtr DIY.  Źródło i opracowanie własne.
Schemat filtra materiałowego (z ewentualnymi wkładami piaskowo-żwirowymi na każdym pietrze)
wykonanego samodzielnie, z materiałów dostępnych praktycznie w każdych warunkach. Filtr DIY.
Źródło i opracowanie własne

Ale czego użyć jako filtr? W zasadzie wszystkiego, co przepuści wodę, a zatrzyma cząsteczki stałe. Materiałami nadającymi się jako filtr są [5]:

  • tkaniny tkane: włókna naturalne – wełna, bawełna, len
  • siatki: włókna sztuczne – nylon, polietylen, polipropylen, teflon, metale
  • tkaniny filcowe: wełna, włókna sztuczne
  • materiały formowane w płyty: celuloza, bawełna, włókna sztuczne (gotowe rozwiązania)
  • warstwy sztywne: spieki metalowe, ceramiczne, szklane (gotowe rozwiązania)
  • warstwy sypkie: żwir, piasek, koks, węgiel, włókna cięte
Pomijając gotowe rozwiązania (które także można wykonać samemu, ale o tym kiedyś), cała reszta jest ogólnodostępna. Weźmy, na ten przykład, piasek i żwir albo tkaniny. Proste prawda? Nawet w zniszczonym wojną świecie, nawet podczas zagubienia w lesie, nawet na marsie (poważnie? trzeba byłoby to rozważyć…), będziemy mieli do dyspozycji żwir, piasek i kawałek materiału na sobie. Trzeba oczywiście pogłówkować jak zrobić odpowiedni pojemnik na filtr… ale czy na pewno? Niektóre przedmioty samym swoim kształtem indukują pomysł…
Schemat filtra żwirowo-piaskowego wykonanego samodzielnie,  z materiałów dostępnych praktycznie w każdych warunkach.   Filtr DIY. Wypełnienie od góry: żwir, piasek i tkanina.  Źródło i opracowanie własne
Schemat filtra żwirowo-piaskowego wykonanego samodzielnie,
z materiałów dostępnych praktycznie w każdych warunkach.
Filtr DIY. Wypełnienie od góry: żwir, piasek i tkanina.
Źródło i opracowanie własne
Takie filtry, choć może to dziwić, są używane na wielką skalę w życiu codziennym na przykład w oczyszczalniach ścieków. Jak widać na schematach wyżej i niżej kolejność ułożenia warstw o dużych elementach i małych jest różna w zależności od zastosowania. W małych filtrach własnej roboty zazwyczaj jest układ jak wyżej. Jednak w przemysłowych filtrach w najniższej części są usypane materiały o ziarnach największych (4-15 mm średnicy), a na wyższych piętrach o mniejszych ziarnach, aż do całkiem miałkich materiałów (0,5-1 mm). Najważniejsza jest jednak funkcja jaką maja spełniać – oczyszczać wodę z zanieczyszczeń mechanicznych. Przeważnie stosuje się filtry grawitacyjne (oczyszczalnie ścieków), choć w przemyśle w obiegach zamkniętych stosuje się rozwiązania ze zwiększonym ciśnieniem w celu przyspieszenia procesu.

Schemat przemysłowego filtra żwirowo-piaskowego o działaniu okresowym
Schemat przemysłowego filtra żwirowo-piaskowego o działaniu okresowym

Techniki membranowe, odwrócona osmoza, etc.

Generalnie już postanowiliśmy, że jest to temat na osobny artykuł, prawdopodobnie z częścią doświadczalną, jednak, aby nie pozostawiać niedomówień i niedokończonych spraw opiszemy go pokrótce.
Procesy z użyciem membran są technikami umożliwiającymi oddzielenie zanieczyszczeń o wymiarach cząstek i cząsteczek na poziomie molekularnym lub jonowym. Wszystkie techniki membranowych posiadają bardzo ważną właściwość – rozdzielanie przebiega w sposób czysto fizyczny, tzn. rozdzielane składniki nie ulegają innym przemianom (termicznym, chemicznym ani biologicznym).Procesy membranowe, których siłą napędową jest różnica ciśnień po obu stronach membrany, stosuje się przede wszystkim do zatężania i/lub oczyszczania rozcieńczonych roztworów wodnych. Mechanizm separacji oparty jest na stosunku wielkości cząsteczki rozpuszczonej lub koloidalnej, zawiesiny, obecnych w roztworze, do wielkości porów membrany. Ogólnie mówiąc, to czy przejdzie cząsteczka czy też nie przez pory membrany.

Są to procesy nowe, jednak coraz częściej stosowane, nawet w naszych domach. Obecnie dość często można znaleźć aparatury do odwróconej osmozy, wykorzystywane do uzdatniania wody bieżącej w domach zwykłych śmiertelników (zwłaszcza, przez fanatyków „dobrej, czystej wody” oraz na terenach o naprawdę bardzo marnej jakości wody, ale także akwarystów). Najogólniej, każda membrana jest filtrem i, tak jak w normalnej filtracji, co najmniej jeden ze składników rozdzielanej mieszaniny może przechodzić bez przeszkód przez membranę, podczas gdy inne są przez nią zatrzymywane. Skala oczyszczenia jest oczywiście różna. Membrana w bardzo ogólnej definicji jest granicą pozwalającą na kontrolowany transport jednego lub wielu składników z mieszanin ciał stałych, ciekłych lub gazowych [8][9].
Do procesów membranowych zalicza się:
  • Mikrofiltracja
  • Ulrafiltracja
  • Nanofiltracja (wyszczególnione niedawno, właściwości pośrednie między ultrafiltracją a odwróconą osmozą)
  • Odwrócona osmoza (ang. Reverse Osmosis) – RO
Zestawienie technik ciśnieniowych procesów membranowych pod względem wielkości zatrzymywanych cząstek.  Żródło:   Bodzek M., Bohdziewicz J., Konieczny K., „Techniki membranowe w ochronie środowiska”
Zestawienie technik ciśnieniowych procesów membranowych pod względem wielkości zatrzymywanych cząstek.
Źródło: Bodzek M., Bohdziewicz J., Konieczny K., „Techniki membranowe w ochronie środowiska”
Procesy separacji membranowej i reaktory membranowe są dzisiaj technikami o szerokiej gamie zastosowań w przemyśle, czy jednak są to procesy osiągalne dla nas, zwykłych śmiertelników? No właśnie nie jestem tego taki pewny. Z jednej strony, tak mamy szeroki dostęp do całych zestawów i części do odwróconej osmozy, filtrów świecowych i membranowych na przykład do uzdatniania wody pitnej czy do wykorzystania w akwarystyce. Z drugie strony części się zużywają, są delikatne, do ich wykonania potrzebne są bardzo skomplikowane i drogie aparatury i/lub materiały, technologia jest w dużej mierze tajna… czy jesteśmy więc w stanie, w razie końca świata, wykonać taki sprzęt? No, bez poważnych przygotowań i zaplecza sprzętowego, na pewno nie.

Nie będę wchodził za bardzo w szczegóły procesów, gdyż do rozważań surwiwalowych są one nam raczej zbędne, jednak poszczególne techniki i to czy można wykorzystać te techniki używając prymitywnych narzędzi i technik, sprawdzimy w przyszłości.

Węgiel aktywny (aktywowany)

Jest to kolejny temat na większą rozprawę, jednak ze względu na swoje właściwości i zastosowanie węgiel aktywowany musi zostać tutaj ujęty. Chociażby pobieżnie.

Wszyscy go znają, wszyscy o nim mówią i wszyscy chcą go stosować… czasami również na siłę. W internetach znajdziemy sporą ilość materiałów, artykułów i filmów o zastosowaniu węgla aktywnego, o jego, często, domowym sposobie preparowania. No właśnie, ale o co chodzi? Czym on jest?Węgiel aktywowany to głównie węgiel atomowy w postaci drobnych ziaren (pył), który ze względu na dużą powierzchnię właściwą (wewnętrzną i zewnętrzną) posiada ogromne właściwości sorpcyjne względem związków organicznych (w tym lotnych), pestycydów, chloru oraz innych chemikaliów. Mogą pochłaniać także niektóre metale ciężkie. Owa powierzchnia w typowych handlowych węglach aktywnych wynosi 800–1500 m2/g, a niekiedy może sięgać 3000 m2/g! Dużo prawda? Jednak do mnie przemawia bardziej fakt, że kort tenisowy (do gry pojedynczej) ma 195,63 m2… trochę mało w porównaniu do grama węgla [11]. Mówiąc tu o „pochłanianiu”, myślimy, oczywiście, o zmniejszaniu ilości po przejściu przez wkład węglowy tego czynnika względem wyjścia z tego wkładu. Związki ulegają sorpcji na ogromnej powierzchni wewnętrznej porów i zewnętrznej ziaren węgla. Proporcja zatrzymywania jest zależna od ilości węgla, bo jak przeciwników kupa to i Herkules d… w każdym razie, jest to także duże uogólnienie, gdyż wszystko zależy od rodzaju zanieczyszczeń.

Jednak trzeba pamiętać, że jest po prostu idealny w stosunku do podanych na początku, a najczęściej bardzo toksycznych, zanieczyszczeń. Co więc stoi na przeszkodzie, aby wykorzystywać go wszędzie? No w zasadzie nic i często się go stosuje. Jest relatywnie tani, bo koszt kilkunastu-kilkudziesięciu złotych za kg (chociaż to wcale nie mało jeśli ma się do wypełnienia zbiornik o objętości 3 m^3…).Jednak dlaczego ja podchodzę do niego ze sporą dozą rezerwy?

Co się stanie jeśli wszystko szlag trafi? No właśnie… proces wytwarzania węgla aktywnego o dużej powierzchni sorpcyjnej nie jest może zbyt skomplikowany, jednak niezbędne są do tego dość wyśrubowane i stałe warunki (karbonizacja materiałów węglowych w temperaturze do 800°C w atmosferze gazu obojętnego np. azot, argon oraz proces aktywacji w temperaturze 700-1100°C, w atmosferze powietrza, dwutlenku węgla lub pary wodnej) [10].
Więc, tak jak w przypadku procesów membranowych, nie polecam, aby na tym oprzeć swoją przyszłość, gdyż w sytuacji, gdy nie masz takiego węgla w postaci gotowej do użytku, raczej nie będziesz w stanie zrobić go samemu. Powinniśmy być samowystarczalni. Jednak w przypadku posiadania gotowca, no cóż warto używać, gdyż zawsze możemy zmniejszyć ilość zanieczyszczeń chemicznych.
Schemat filtra żwirowo-piaskowego z dodatkowym wypełnieniem węglem aktywnym. Filtr DIY.  Wypełnienie od góry: żwir, piasek, wkład węgla aktywnego i tkanina. Źródło i opracowanie własne.
Schemat filtra żwirowo-piaskowego z dodatkowym wypełnieniem węglem aktywnym. Filtr DIY.
Wypełnienie od góry: żwir, piasek, wkład węgla aktywnego i tkanina. Źródło i opracowanie własne.
Oczywiście nie jako jedyny sposób uzdatniania wody, bo moim zdaniem może być to niewystarczające – zwłaszcza niewłaściwie wykonanie filtra. Dodatkowo trzeba pamiętać, że taki filtr ma także ograniczoną pojemność na zanieczyszczenia i na pierwszy „rzut oka” nie będziemy wiedzieli kiedy taka pojemność naszego wkładu filtracyjnego się wyczerpie.
Na zakończenie jedna, bardzo ważna, sprawa dla przypomnienia: nie ważne jak czystą wodę mamy dostępną i nieważne jak wieloma procesami filtracji ją potraktujemy, zawsze powinniśmy ją przegotować! Zawsze istnieje ryzyko, że zaszkodzi nam to czego nie widać na pierwszy rzut oka – mikrobiologia. Oczywiście możemy tego nie robić jeśli mamy w pełni sprawny układ odwróconej osmozy czy ultrafiltracji, tak przypadkiem, w swoim domu. Wtedy oczywiście tak, jednak takie przypadki to rzadkość i lepiej jednak wtedy polegać na sprawdzonych rozwiązaniach i prostych technikach. Polegać na sobie.

W temacie:

Literatura:
[1] Zbigniew Heidrich i inni, Gospodarka wodno-ściekowa, Wydawnictwo Verlag Dashofer, Warszawa 2005,
[2] Chełmicki W. Woda, zasoby, degradacja, ochrona, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.
[3] M. Serwiński: Zasady inżynierii chemicznej, WNT 1982
[4] J. Ciborowski: Podstawy inżynierii chemicznej, WNT 1965.
[5] Henryk Bieszk. Urządzenia do realizacji procesów mechanicznych w technologii chemicznej. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, 2010.
[6] Grygorczak E., Miedziałkowski J., Wierzbicki T.: Technologia wody i ścieków cz. 1. Politechnika Białostocka. Białystok 1988
[7] Jankowska M.: Zastosowanie modyfikowanych koagulantów glinowych do usuwania domieszek wód. Ochrona Środowiska. Nr 3 Vol. 62 (1996)
[8] Kowal A., Świderska-Bróż M., „Oczyszczanie wody”, PWN, Warszawa-Wrocław, 1998r.
[9] Bodzek M., Bohdziewicz J., Konieczny K., „Techniki membranowe w ochronie środowiska”
[10] Kowal A., Świderska-Bróż M., „Oczyszczanie wody”, PWN, Warszawa-Wrocław, 2007r.
[11] T. Borowieckiego, J. Kijeńskiego, J. Machnikowskiego, M. Ściążko „Czysta energia, produkty chemiczne i paliwa z węgla – ocena potencjału rozwojowego”, IChPW, Zabrze 2008

Zostaw Komentarz