МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ
ДИСТИЛЛЯЦИЯ
Дистилляция является методом очистки воды, в процессе которого вода нагревается, испаряется и конденсируется. Оборудование для дистилляции сравнительно недорогое, но энергоемкое, типично затрачивается 1 кВт на 1 литр произведенного дистиллята. В зависимости от конструкции дистиллятора, дистиллированная вода имеет сопротивление ок. 1 MW-см и сохраняет стерильность только при условии строжайшего соблюдения правил хранения. Кроме того, в обычных дистилляторах из воды не удаляются углекислый газ, соединения кремния, аммиак и органические примеси.
Недостатки дистилляции
Дистилляция является медленным процессом, поэтому существует необходимость предварительной наработки необходимого количества и хранения. Емкость для хранения должна быть изготовлена и инертного материала для избежания загрязнения дистиллята ионами и частицами резервуара. В случае отсутствия рециркуляции в резервуаре, существует риск микробиологического роста.
Для сохранения стерильности воду наливают в стерильные сосуды и автоклавируют. Но при вскрытии сосуда, стерильность нарушается и начинается контаминация.
В регионах с высокой жесткостью воды дистилляторы требуют частой очистки кислотами, в противном случае образуется накипь. Этого можно избежать только в случае подачи на дистиллятор воды, умягченной обратным осмосом.
ИОННЫЙ ОБМЕН
Ионный обмен широко применяется в лабораториях для производства воды по мере надобности. Лабораторные деионизаторы всегда состоят из картриджей со смесью ионообменных смол, которые после отработки либорегенерируются, либо утилизируются.
Принцип ионного обмена
Ионный обмен действует путем обмена ионов водорода и катионов, гидроксильных ионов и анионов в питательной воде. Ионообменные смолы имеют структуру маленьких сферических шариков, через которые проходит вода. Через какое-то время катионы и анионы заменят все активные ионы водорода и гидроксильные ионы, после этого картриджи необходимо заменить или регенерировать.
Характеристики ионного обмена
При производстве очищенной воды ионный обмен имеет ряд преимуществ перед дистилляцией. Это процесс, позволяющий получить воду сразу при необходимости; при использовании качественный ионообменных смол, из воды удаляются все ионные примеси, что обеспечивает получение воды с максимальной 18.2 MW (при 25ºC), при этом мелкие фрагменты ионообменных смол вымываются проходящей через картридж водой. Ионный обмен следует применять в сочетании с фильтрацией, в тех случаях, когда требуется воды без механических примесей. При застое воды начинается быстрый рост бактерий, поэтому картриджи могут быть контаминированы при нерегулярном использовании. Проблему можно решить частой рециркуляцией воды, что подавляет рост бактерий, или частой заменой или регенерацией ионообменных смол, т.к. регенерирующие вещества являются сильными дезинфектантами.
Ионный обмен удаляет только полярные органические соединения, а растворенная органика загрязняет гранулы ионообменных смол, снижая производительность. В случаях когда требуется вода очищенная от неорганики и органики, эффективным будет сочетание обратного осмоса и ионного обмена.
Типичная схема решений ограничений методов дистилляции и ионного обмена это комбинирование. При использовании ионного обмена после дистилляции картриджи работают дольше, но остается проблема микробиологического роста. При использовании ионного обмена перед дистилляцией остаются вопросы хранения полученной воды и временные затраты на получение дистиллята.
ЭЛЕКТРОДЕИОНИЗАЦИЯ
Электродеионизация (EDI) является электрическим процессом очистки воды и сочетает в себе свойства ионообменных смол и ионоселективных мембран, обычно сочетается с обратным осмосом. EDI позволяет получать большие объемы воды реагентного качества без необходимости замены деионизационных картриджей. Такой подход позволяет избежать снижение качества по мере износа деионизационных картриджей.
Принцип электродеионизации
EDI произошла от электродиализа (ED). Принцип ED состоит в очистке воды в двух ячейках с двумя типами ионоселективных мембран – катионопроницаемой и анионопроницаемой, помещенными между парой электродов. При прохождении электричества через камеру катионы в воде притягиваются к отрицательно заряженному катоду, а анионы к положительно заряженному аноду. Катионы проходят через катионопроницаемую мембрану, а анионы – через анионопроницаемую. В результате такого движения ионов между камерами в одной камере образуется деионизированная воды, а в другой – концентрат.
На практике ED экономично использовать для производства воды с относительно высокой проводимостью (200 µS/см или более) т.к. требуется слишком высокое напряжение, для того чтобы двигать ионы в воде, чистота которой увеличивается.
В технологии EDI эта проблема решена путем добавления ионообменных смол между мембранами. Смолы обеспечивают проводящий проток для движения ионов, что обеспечивает завершенность деионизации и производство воды высокой степени очистки. Еще одним преимуществом EDIявляется непрерывный электролиз воды, происходящий в камере, производящей ионы водорода и гидроксильные ионы. Эти ионы поддерживают смолы в активном состоянии, что избавляет от необходимости химической реактивации смол. Смолы, используемые в EDI, могут быть размещены какотдельных камерах катионовых и анионовых смол, так смешанными в одной камере.
Некоторые EDI системы применяют смешанные камеры из множества ячеек. Это особенно эффективно для крупномасштабных фармацевтических и др. производств.
В установке электродеионизации как раздельные катионные и анионные камеры, так и смешанные камеры ионообменных смол. Катионные и анионные смолы размещены в широких камерах, которые обеспечивают проток для ионов. Такое решение обеспечивает гибкость и механическую простоту конструкции лабораторных установок. Относительно большой объем смол в камерах является буфером в случае изменения качества питательной воды. Качество произведенной воды далее улучшается в камере со смешанными смолами.
Система многократной очистки, в которой вода проходит обратный осмос, камеру с катионной смолой, камеру с анионной смолой и камеру со смешанными смолами аналогична системам очистки воды промышленного масштаба.
Типичное сопротивление воды, полученной на таких системах 10-18 MW-см (при 25°C) и содержание общего органического углерода до 20 ppb. Уровень микробиологического загрязнения минимизирован, т.к. химические и электрические условия внутри системы подавляют рост бактерий.
EDI очень эффективно дополняет обратный осмос (RO). RO является процессом под давлением, при котором примеси в воде задерживаются мембраной, через которую проходит вода. Однако RO не удаляет ионные и растворенные примеси, такие как углекислый газ. EDI удаляет углекислый газ и другие слабо ионизируемые вещества, такие как соединения кремния, путем их ионизации и проведения через мембрану.
ОБРАТНЫЙ ОСМОС
Обратный осмос (RO) является процессом, во многом компенсирующим недостатки дистилляции и ионного обмена. Осмос – это естественный процесс, происходящий в сосуде с разведенным и концентрированным растворами, разделенными полупроницаемой мембраной. Вода, движимая осмотическим давлением (благодаря разности концентраций) проходит через мембрану в концентрированный раствор. Поток воды продолжается до тех пор, пока не разведется концентрированный раствор, при этом противодавление препятствует дальнейшему протоку воды через мембрану (осмотическое равновесие).
Если к концентрированной части применить давление выше осмотического, нормальное давление осмотического потока приобретет обратное направление. Чистая вода проходит через мембрану из концентрированной части, таким образом отделяя контаминанты. Это и есть основной принцип обратного осмоса (иногда называемого гипер-фильтрация).
Питательная вода насосом подается в сосуд давления с полупроницаемой спиральной мембраной или мембраны из полых волокон. Очищенная вода, проходит через мембрану, образуя пермеат. Контаминаты скапливаются в остаточной воде, которая постоянно сливается. Последнее поколение полиамидных тонко-пленочных обратноосмотических мембран, заменивших ранние целлюлозные мембраны, способны удалять 95-98% неорганических ионов, а также крупные неионные контаминанты и органические молекулы, молекулярная масса которых более 100. Растворенные газы не удаляются обратным осмосом.
Благодаря такой эффективности, обратный осмос является очень экономичным методом очистки воды. Однако существуют ограничения вследствие относительно низкой производительности и поэтому, как правило, предварительно перед использованием вода нарабатывается в резервуар. Обратный осмос способствует защите системы от бактерий и пирогенов. Чаще всего для существенного повышения качества воды обратный осмос комбинируется с ионным обменом.
АДСОРБЦИЯ
Активированный уголь, уголь или смолы удаляют хлор каталитическим способом, а растворенную органику – путем адсорбции. Уголь применяется в виде гранул или брикетов. Т.к. тонко-пленочные обратноосмотические мембраны могут быть повреждены сводным хлором или загрязнены (в меньшей степени) растворенной органикой, активированный уголь зачастую ставят перед обратноосмотической мембраной для ее защиты от данных контаминантов.
Фильтры из активированного угля часто ставят перед полировочным циклом для удаления остаточной органики перед ионным обменом.
Кроме активированного угля ELGA использует и другие адсорбенты. Например, Adsorb имеет разный размер пор и состоит из угля и неорганических веществ. Таким образом Adsorb удаляет как органику, так и неорганику из воды. Крупнопористые анионные обменные смолы применяются в оборудовании для удаления естественных органических контаминантов из питательной воды.
МИКРОФИЛЬТРАЦИЯ
Мембраны микропористой фильтрации являются физическим барьером для частиц и микроорганизмов размером до 0,1 микрон. Системы ультрамикрофильтрами до 0,05 микрон. В большинстве случаев неочищенная вода содержитколлоиды со слабым отрицательным зарядом. Фильтр с модифицированной поверхностью мембраны позволяет фильтру удерживать естественные коллоиды, размеры которых меньше размера пор мембраны. В системах очистки воды широко применяются фильтры с абсолютным размером пор 0,2 микрон. Они удерживают частицы угольных фильтров, смол ионообменных фильтров, а также бактерии.
Микрофильтр может установлен непосредственно в диспенсер в качестве последней ступени очистки.
Микрофильтр может быть частью рециркуляционного контура. Таким образом бактерии непрерывно удаляются из воды. Микрофильтры также устанавливаются в критических точках для абсолютной защиты системы от контаминации.
Ультрапористые мембраны или ультрафильтры являются обязательными для многих систем очистки воды.
УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ 
При ультрафильтрации применяется мембрана, схожая по конструкции с обратноосмотической, с той разницей, что размер пор несколько больше – от 0.001 до 0.02 микрон. Для удаления пирогенов диаметр пор должен быть 0.002 или менее и удерживать молекулы с молекулярной массой до 5000.
Ультрафильтры могут применяться также как и микропористые мембраны, однако их конструкция должна позволять некоторому количеству питательной воды омывать поверхность мембраны для минимизации накопления контаминантов и роста бактерий. Ультрафильтрация является наилучшей технологией для удаления частиц, бактерий и пирогенов.
ФОТООКСИЛЕНИЕ
При очистке воды применяется ультрафиолетовое излучение. УФ применяется для уничтожения бактерий и других микроорганизмов, а также для ионизации органических контаминантов, которые впоследствии удаляются в ионообменных картриджах. Облучение при длине волны 254 нм имеет бактерицидный эффект, а облучение на 185 нм наиболее эффективно для фотоокисления органики.