Ребус чистой воды

С.М. Комаров

Поскольку человека можно в первом приближении рассматривать как коллоидный раствор жиров, белков и углеводов в воде, вопрос «что мы пьем?» выглядит совсем не праздно. И множество исследователей пытаются не только ответить на него, но и найти способ сделать так, чтобы мы пили то, что надо. То есть воду с оптимальным составом растворенных в ней примесей. Однако порой на этом пути их поджидают ловушки. В одну из них попало британское отделение компании «Кока-Кола», и это происшествие привлекло внимание членов Игнобелевского комитета; они отметили компанию премией по химии 2004 года. Формулировка комитета такова: «За использование передовой технологии превращения обычной водопроводной воды в «Дасани», прозрачную форму воды, которая из соображений безопасности была сделана непригодной для использования потребителями».

pic_2019_02_22.jpg
Иллюстрация В. Камаева

Подробности этой давней истории были опубликованы в британской газете «Гардиан» 20 марта 2004 года после того, как «Кока-Кола» в Великобритании начала изготавливать из местной водопроводной воды особую бутилированную воду под торговой маркой «Дасани». В рекламе было сказано, что ее очистили от всех вредных примесей по самой совершенной технологии, разработанной в НАСА для обеспечения космических полетов. Потратив семь миллионов фунтов стерлингов на разъяснительную кампанию, руководство проекта было уверено в его успехе, но не тут-то было.

При очистке воды используется так называемая технология обратного осмоса. Суть ее такова. При обычном осмосе чистая вода, влекомая химическим потенциалом, проходит через мембрану и разбавляет находящийся за мембраной раствор чего-нибудь в воде. С точки зрения физической химии явление объясняется энтропией. В чистой воде у каждой молекулы Н2О соседями оказываются такие же молекулы, а в растворе в числе соседей есть и молекулы растворенного вещества. То есть в чистой воде порядка больше, а энтропия — меньше. Система стремится к росту энтропии – хочет увеличить степень беспорядка; молекулы воды устремляются в сторону раствора, мечтая разрушить унылое однообразие своего окружения. Действие химпотенциала подобно давлению, которое перетаскивает воду в раствор. Поэтому если приложить давление в противоположном направлении, можно преодолеть химпотенциал и заставить воду выходить из раствора, оставляя содержащиеся в ней вещества по эту сторону мембраны. Сделав такую мембрану, что сквозь нее могут проходить только молекулы воды, удается получить чистейшую Н2О, а все соли, органика, вирусные частицы и прочее формируют концентрат.

Однако пить прошедшую эту процедуру воду нельзя, это известно каждому школьнику: соли и минеральные вещества, влекомые тем же химпотенциалом, уйдут в такую воду из тканей организма, что нехорошо. Кроме того, лишенная минералов вода еще и невкусная — горькая; приятный вкус она приобретает лишь при наличии в ней в ощутимом количестве карбонатов и сульфатов кальция: эксперименты показывают, что лучший вкус у той воды, где концентрация растворенных солей составляет 180–350 мг/л. Поэтому очищенную обратным осмосом воду минерализуют, например, британские специалисты американской компании добавляли хлорид калия и сульфат магния. Однако в своем стремлении к чистоте они перестарались: зачем-то решили воду после реминерализации еще и озонировать. Видимо, предположили, что кашу маслом не испортишь: если какая-то дрянь попадет с этими самыми солями, то так ее точно удастся добить и компания не посрамит свою честь, выполнит обещание самой чистой и самой безопасной воды в мире.

Как оказалось, предположения были справедливы — в хлориде кальция имелась небольшая примесь бромида. Однако способ борьбы с дрянью был выбран негодный: при окислении озоном бромид превращается в бромат. А он-то обладает высокой канцерогенной активностью, причем его концентрация в «Дасани» оказалась в два раза больше тех 10 мг на литр, что положены по нормативу. Бромата в исходной воде не было, да и откуда ему взяться, если британские нормативы жестко регулируют присутствие этого вещества в водопроводной воде. Значит, он возник в процессе производства.

Разгорелся жуткий скандал, дополнительную ярость придавали сведения о сверхприбылях компании. Как пишет журналист «Гардиан», вы только представьте: берешь воду из Темзы в районе фабрики, расположенной в Кенте. Пол-литра такой воды обходится в 0,03 пенса. Пропускаешь через процесс очистки, досыпаешь две щепотки солей — и пожалуйста, продаешь эти же пол-литра за 95 пенсов!

В результате воду «Дасани» в Великобритании и по сей день не рискуют делать и продавать. Зато в США, Канаде, странах Латинской Америки водопроводную воду исправно очищают, разливают в бутылки и продают, обеспечивая население чистой водой. На соответствующем сайте компании написано, что воду сначала пропускают через угольный фильтр, затем обрабатывают обратным осмосом, по ходу дела обеззараживают ультрафиолетом, а после реминерализации действительно озонируют. А в данных химического анализа показано, что «Дасани» по содержанию нормированных веществ лучше нормативов на чистую воду: вообще не содержит (ниже порога определяемости) ни соединений хлора, ни многочисленной вредной органики — антибиотиков, пестицидов, гербицидов и прочего, ни тяжелых металлов, ни пресловутого бромата.

При этом, как показывают социологические исследования, падкая на все новинки молодежь в тех же США предпочитают именно бутилированную водопроводную воду, а не ту, что течет из-под крана, мотивируя это тем, что вкус первой гораздо лучше, да и получают ее в результате очистки использованной воды, то есть при этом наносится меньший вред окружающей среде. Более того, установками обратного осмоса для очистки воды многие оснащают свои коттеджи, а назойливые подрядчики пытаются внедрять эту технологию для целых поселений вроде военных баз — об этом, например, печалятся индийские медики. Естественно, очищают воду под лозунгом заботы о здоровье, однако ее потребление — не самая хорошая привычка: очищенную обратным осмосом воду потом могут забыть подвергнуть реминерализации. Как отмечают индусы, в гарнизонах, оснащенных системой полной очистки, получается вода с низкой минерализацией — в пять — десять раз меньше, чем если бы ее брали из источника («Medical Journal Armed Forces India»). Проблема в том, что дневная потребность в кальции составляет для взрослого человека 1200 мг, а в магнии — 300–400 мг. Большая часть этих элементов поступает с пищей, но, если ее приготовить на излишне чистой воде, потери кальция и магния будут велики, до 60%. Анализ же американской родниковой воды, расфасованной в бутылки, показал, что в ней минералов совсем мало — в среднем 6 мг/л кальция и 3 мг/л магния; то есть, выпив положенные в день два литра такой воды, человек нисколько не приблизится к выполнению дневной нормы; водопроводная американская вода несколько лучше — 42 и 10 мг/л соответственно. Интересно, что в двух видах американской воды, на бутылках которых написано, что они родникового происхождения, гавайской «Pure Hawaiian» и калифорнийской «Sierra», анализ вообще не зафиксировал присутствия ни кальция, ни магния, ни натрия («Journal of General Internal Medicine»). При этом в Евросоюзе, где обрабатывать воду перед упаковкой в бутылки запрещено, таких удивительных феноменов не встречается — вся вода в бутылках содержит либо нормальное, либо высокое количество солей: даже в воде с низкой минерализацией это 54 и 14 мг/л соответственно кальция и магния.

Обратный осмос для изготовления чистейшей воды из местной водопроводной широко применяет не только компания «Кока-Кола». Его часто используют как для очистки сточных вод, так и для опреснения. Причина популярности в низких затратах энергии — 1,8 кВт на кубометр воды. Однако есть проблема мембраны, которая быстро выходит из строя. В связи с тем, что чистой воды становится все меньше, а грязной — все больше, потребность в водоочистке со временем только увеличивается. Соответственно, возрастает и научный интерес к созданию более совершенных мембран: об этом можно судить по взрывному росту числа публикаций, посвященных борьбе с загрязнением на мембранах обратного осмоса. Так, за последние четверть века было опубликовано более 3000 статей на эту тему, причем если в 2016 году было 450 публикаций, то к 2022-му это число должно вырасти до 900. О свежих успехах в этом направлении можно составить представление, прочитав обзор специалистов из Лондонского королевского колледжа и Нанкайского университета (КНР) («Science of The Total Environment»).

Из него ясно, что особых успехов материаловеды не достигли. Так, мембраны, как и в 70-х годах, делают из одного и того же типа полимеров — тонкопленочного полиамидного композита. Для того чтобы разнообразная грязь меньше оседала на их поверхностях, пытаются вводить в состав композитов всевозможные наночастицы — от антибактериального коллоидного серебра до нанотрубок, повышающих гидрофильность поверхности и затрудняющих прилипание грязи, однако революции пока не случилось. Не случилось и с заменой самого основного материала мембраны на какой-то другой полимер.

В то же время достигнута ясность с самим процессом загрязнения и с поиском способов, как его предотвратить. Так, сейчас выявлено четыре механизма. Прежде всего, на мембране может вырасти бактериальная пленка. Плотно покрыв ее поверхность — как своими телами, так и продуктами жизнедеятельности: полисахаридами, белками, жирами, — бактерии прекращают движение воды. Главная беда в том, что приходится иметь дело с живым веществом. То есть даже если остановить врага на дальних рубежах, несколько бактерий все равно как-нибудь да просочатся к мембране, высадятся на ней и, при наличии питания, неизбежно создадут там колонии. Те, развиваясь, заполнят все свободное пространство. Поэтому самый действенный метод — лишить бактерии питания, удалив весь растворенный углерод заранее. На практике, впрочем, прибегают к уничтожению бактерий с помощью хлорирования воды либо ее озонирования. Первый способ и привычнее, и надежнее, но возникающие активные соединения хлора портят мембрану. Материаловеды же предлагают включать в состав мембран коллоидное серебро — на таких перспективных материалах колонии бактерий практически не образуются.

В принципе, слой из тех же белков-полисахаридов-жиров может возникнуть на мембране и без помощи микробов — если молекулы этих веществ растворены в очищаемой воде, например воде из канализации. Исследователи для своей работы берут бычий сывороточный альбумин как типичный белок, содержащийся в водорослях альгинат, — как полисахарид и гуминовую кислоту для моделирования поведения прочей органики. Оказалось, стоит только первой молекуле прилипнуть к мембране и к ней охотно присоединяются и другие, причем альгинат прекрасно формирует комплексы с белком и мембрана быстро зарастает. Процесс начинается с оседания маленьких молекул, а затем уже к ним присоединяются крупные. Аналогично действует и третий механизм загрязнения — осаждение коллоидных частиц размером от одного нанометра до микрона. Их могут формировать и упомянутые органические соединения, и неорганические — алюмосиликаты, кремнезем или оксиды/гидроксиды железа. Чем мельче частицы коллоида, тем более плотную пленку они формируют, и мембрана тем быстрее приходит в негодность. Борются с ними, как и с растворимыми органическими примесями — после обеззараживания воду обрабатывают коагулянтом, например алюминиевыми квасцами. Коагулянт заставляет мелкие частицы коллоида слипаться в крупные, которые проще удалять, либо пробулькивая воздух — частицы всплывают вместе с пузырьками, либо пропуская воду сначала сквозь гранульный фильтр. Потом можно еще поставить мембранный фильтр и провести тонкую очистку. Так удается избавиться от мельчайших частиц и защитить дорогую мембрану обратного осмоса от отложений.

С четвертым видом загрязнения — неорганическими кристаллами, растущими на мембране, — столь легко справиться не удается. Как правило, это нерастворимые соли кальция — карбонаты и сульфаты, а также соли бария и стронция. Они появляются из-за того, что по мере удаления воды из очищаемой емкости содержание солей в ней растет и может превысить предел растворимости. Получится перенасыщенный раствор, и соль перейдет в твердую форму. Бороться с кристаллами трудно, еще труднее потом отмывать мембрану, особенно если на них успела осесть какая-то органика. Одним из действенных методов считается предварительное удаление из воды ионов железа — в их присутствии кристаллы карбоната и сульфата кальция зарождаются гораздо быстрее. Для борьбы с осаждением солей применяют либо ингибиторы — при этом возникает опасность появления кристаллов столь же неприятного фосфата кальция, либо ионообменные умягчители — их недостаток состоит в замене кальция натрием, который считают вредным для здоровья элементом.

В общем-то большую часть этих методов применяют и для стандартной подготовки водопроводной воды. Неудивительно, что «Кока-Кола» использует именно такую воду для своего производства: основная часть работы уже проделана, и можно сосредоточиться на тонкой очистке.

Однако существует закон сохранения грязи: нельзя что-либо очистить, ничего не испачкав, и его следствие: можно, ничего не очистив, испачкать всё. В соответствии с этим законом, после очистки воды обратным осмосом остается концентрат. В нем концентрация загрязняющих веществ гораздо больше, чем в исходном растворе. При этом, концентрация все-таки не может быть очень большой — иначе на мембране несмотря на все ухищрения начнут расти кристаллы солей. То есть объем грязных вод, оставшихся после очистки, оказывается совсем не маленьким, много больше, чем получено чистой воды, и нужно думать, куда сливать этот концентрат. Хорошо, если речь идет об опреснительной установке — соленый раствор возвращается в соленое море, и никто из-за этого особенно не расстраивается. Иное дело, когда очистительная установка стоит на суше и работает с изначально пресной водой: очевидно, что со временем вода и почва в окрестностях станут засоляться. Оказывается, не это главная беда. Основная же связана с тем, что в водоемах, особенно в развитых странах с интенсивным сельским хозяйством или в местах с высокой плотностью населения, сточные воды оказываются загрязнены опасными органическими веществами. Во-первых, это разнообразные ядохимикаты, а во-вторых — содержащиеся в лекарствах и косметике гормоны, обезболивающие, антибиотики, антивирусные агенты и прочие подобные соединения. Они действуют в достаточно малых концентрациях, зато из организма выходят в относительно большом количестве. И со сточными водами попадают в водоемы, а оттуда возвращаются в водопровод («Environmental Science Pollution Research»). Такие вещества, выдержав водоподготовку, будут концентрироваться при использовании обратного осмоса, и такой концентрат может оказаться опасным. Всего в водах разных заводов по очистке в концентрате после обратного осмоса обнаружено более сотни потенциально опасных веществ. Хорошо, что они органические — их можно разложить на составные части. Для этого предлагают облучение ультрафиолетом и обработку перекисью водорода — такой метод оказывается самым действенным — либо менее дорогие озонирование и извлечение активированным углем. Однако никто не может поручиться, что такое преобразование органического вещества не приведет к отмеченному Игнобелевским комитетом казусу с образованием гораздо более ядовитого соединения. Поэтому, с учетом того, что проблема чистой пресной воды будет только усугубляться по мере роста населения планеты и повышения его благосостояния, у специалистов остался непочатый край работы по разгадыванию ребусов чистой воды.

Разные разности
Липучка против трипсов
Химики ищут замену инсектицидам, подсматривая за тем, как разные растения сами защищаются от вредных насекомых. Некоторые растения выделяют липкие вещества из так называемых железистых волосков. К ним прилипают насекомые-вредители и погибают. Эта стр...
Этанол против гриппа
Во время пандемии ковида в соцсетях распространилось видео, на котором наш соотечественник демонстрировал свой метод лечения ковида — ингаляцию парами этанола. Но тогда над ним посмеялись и отмахнулись. Похоже — зря. Японские исследователи ...
Пишут, что...
…за последнее десятилетие плотность тихоокеанских устриц Magallana gigas в двух заливах Южной Калифорнии увеличилась в 32 раза, что совпадает с летним повышением температуры морской воды на 2–4°C… …пластырь с микроиглами против ...
Маскировка, подсказанная цикадой
Тело цикады покрывают брохосомы. Эти структуры отлично поглощают свет, тем самым помогая ей маскироваться от животных, глаза которых видят в том числе и ультрафиолетовый свет. Используя 3D-принтер, исследователи создали искусственные аналоги брохосом...