CC BY
132
СТРУКТУРИРОВАНИЕ ВОДЫ И ЗНАЧИТЕЛЬНОЕ ПОНИЖЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННЫХ В НЕЙ СОЛЕЙ МЕТОДОМ ПРИСТЕНОЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
В Г. ГЛАЗУНОВ
Здоровье и долголетие людей непосредственно зависят от качества употребляемой воды. Известное древнее изречение «...большую часть болезней мы выпиваем с водой...» наглядно иллюстрируется не только хорошим здоровьем и долголетием жите-
лей высокогорных регионов, питающихся из горных рек чистой водой тающих снегов и ледников, но также и убедительно подтверждается многочисленными современными исследованиями [2, 4, 9 и др.]. В связи с массовой урбанизацией и индустриализацией
218
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2006
больших регионов планеты происходит значительное загрязнение природных вод. Поэтому существует острая экологическая проблема качества воды, используемой для водоснабжения населения, а также задача массовой очистки воды для бытовых нужд, в особенности для использования в пищу.
Физическим условием существования любого живого организма является состояние, при котором внутреннее давление в организме РВ должно превышать давление окружающей среды, т. е. для организмов, живущих на суше, это атмосферное давление РА.
Внешняя поверхность живого организма работает по принципу «выталкивания» наружу всех возникающих внутри организма жидких отходов жизнедеятельности организма во внешнюю среду, а также препятствует проникновению воды извне внутрь через внешнюю поверхность организма. Структура воды, попадающей в организм, а также содержащиеся в ней растворенные и взвешенные вещества принимают непосредственное и очень активное участие во внутренних физиологических процессах живого организма, оказывая воздействие на весь организм, и при наличии вредных компонентов в этой воде возникают соответствующие отклонения в здоровье и ускоряется общее старение организма [4, 9]. Именно по этой причине так важно, чтобы вода, потребляемая человеком внутрь организма, находилась в полезном для человека структурном состоянии и содержала минимально возможное количество вредных для человека примесей.
Жидкая вода является сложным структурным образованием, в массе которой содержатся как временно образующиеся, так и постоянные объединения сочетаний («структур», или «модификаций») взаимного расположения молекул воды [1, 7]. Наиболее оптимальной и полезной для потребления внутрь модификацией воды является ее особое структурное состояние «талой воды», которое образуется после таяния льда или снега; в этой воде имеется растворенный в воде кислород, необходимый многим внутренним органам для целого ряда важнейших физиологических процессов в организме. Структурирование во-
ды может происходить также и в других условиях, например, при пропускании воды через слой кристаллов алмаза [5]. Но очевидно, что из-за очень высокой цены такой процесс не может широко применяться на практике.
К сожалению, кипячение воды, применяемое для ее обеззараживания от вредной микрофлоры (микробы, бактерии, вирусы), неблагоприятно изменяет структуру воды таким образом, что вода теряет растворенный в ней кислород, а это отрицательно сказывается на здоровье потребляющего такую воду человека. Поэтому нормальные аэробные процессы окисления в организме перерождаются в болезненные анаэробные процессы гниения, что и порождает ряд болезней, которых не наблюдается у диких животных, питающихся «сырой» водой, в которой имеется растворенный кислород. Таким образом, в рационе современного человека для обогащения внутренних органов кислородом должна хотя бы частично присутствовать оттаявшая «ледяная вода», что отражено в многочисленных популярных изданиях. Поэтому если учесть необходимость стерилизации воды от микрофлоры ее кипячением, то для дальнейшего получения полезной для здоровья структурированной «ледяной воды» следовало бы остывшую прокипяченную воду затем замораживать до ледяного состояния, а после оттаивания этого льда употреблять для питья.
При этом важно заметить, что структурированная «ледяная вода», содержащая растворенный в воде кислород, имеет удивительно хороший, слегка сладковатый и очень приятный вкус, который ее отличает от всех других структурных модификаций жидкой воды. Это вкус воды сосульки, которую вы в детстве отломали от края крыши и взяли в рот. Этот незабываемый приятный вкус создает именно растворенный в воде кислород. Поскольку в сырой природной воде (речной, колодезной, ключевой, и др.) обычно присутствует растворенный в воде кислород, то он своим приятным вкусом «забивает» вкус растворенных в воде солей, создавая ложное впечатление «очень вкусной» воды, на самом деле часто имеющей множество (в том числе и очень вредных для здоровья) примесей.
Кроме необходимости улучшения структуры используемой в пищу воды, следует учитывать, что в воде обычно присутствует также целый ряд примесей, которые не могут быть удалены ни кипячением, ни простым замораживанием; эти примеси играют очень большую отрицательную роль при попадании их внутрь организма человека. В любой природной воде (морской, грунтовой, речной, болотной и т.д.) содержатся два основных вида примесей (загрязняющих ее компонентов): а) взвешенные мелкодисперсные нерастворимые микрочастицы (взвеси), создающие ее мутность - до нескольких ты-
1 3
сяч частиц взвесей на 1 см воды, содержащихся даже в прозрачной воде; б) растворенные в воде вещества в виде ионов (соли и др.); соответственно, в зависимости от количества растворенных в воде солей, в основном кальция и магния, вода может считаться «мягкой» (при малом количестве этих солей) или «жесткой» при их большом количестве.
Избыток этих примесей в воде ужесточает условия существования (и даже выживания) на той или иной территории, а их снижение приводит к существенному улучшению условий обитания живых организмов. Но оказалось, что современное индустриальное общество часто создает такой уровень и такие новые виды загрязнений воды, что борьба с ними может выходить за пределы внутренних возможностей организмов при употреблении такой воды в пищу. Кроме того, возникают значительные технические и финансовые трудности создания технических систем массовой глубокой очистки воды от примесей для повсеместного их применения.
Если обычным способом заморозить воду, содержащую взвеси и растворенные в ней соли, то все эти примеси «вморозятся» в воду и будут находиться среди кристаллов воды. При этом взвеси служат центрами кристаллизации воды. Растворенные в воде соли при полном замораживании воды также образуют свои кристаллы, которые выпадают в осадок и будут располагаться на ядрах кристаллизации в пространствах между кристаллами воды. Во время оттаивания эти примеси вновь займут свое место в толще
жидкой воды, и она вновь останется загрязненной - с теми же примесями, которые в ней находились до начала замораживания.
Поэтому остро стоит вопрос о необходимости разработки новых, простых и надежных методов и систем очистки от указанных примесей для их последующего массового применения на бытовом (а возможно, в будущем и на производственном) уровне.
Вкусовые рецепторы (датчики вкуса) человека могут играть полностью дезинформирующую роль для вкусовых ощущений человека по отношению не только к пище, но и к потребляемой воде, поскольку обладают свойством адаптации (или привыкания). Например, люди, привыкшие к излишне переперченной или пересоленной пище, наслаждаются ее «хорошим вкусом», в то время как человеку, не привыкшему к такой пище, она покажется ужасной. Аналогичным образом рецепторы работают и по отношению к солевому составу потребляемой воды. Поэтому у человека, постоянно потребляющего воду из одного и того же источника (или в том же регионе), рецепторы адаптированы именно к этой воде и она ему кажется очень вкусной, в то время как человеку, прибывшему из другого региона, местная вода покажется очень плохой на вкус, и он будет расхваливать вкус воды своего региона. Поэтому на ощущения вкусовых рецепторов ориентироваться нельзя; существенный вред здоровью может приносить и довольно вкусная (по личным ощущениям) вода.
Важно заметить также, что в связи с недостаточностью очистки, применяемой в водопроводных системах водоснабжения, люди ищут пути получения чистой воды для бытовых нужд и употребления в пищу. Но при этом вместо поиска методов очистки поступающей из водопровода воды они пытаются искать на окружающей местности какие-то родники с чистой (на вид) и вкусной водой. Находя их, они используют эту воду в пищу, ошибочно убеждая себя и окружающих в том, что будто бы «.найдена чистая вода.». Такие взгляды являются по крайней мере наивными, поскольку как наземный, так и особенно подземный (грунто-
вый) сток воды идет на многие сотни и даже тысячи километров, впитывая в себя по пути массу загрязнений.
Поэтому грунтовая вода практически в любом месте суши на нашей планете (за исключением лишь высокогорных рек, текущих из ледников и с горных снежных вершин) в принципе не может быть достаточно чистой от солевой составляющей. Протекая по поверхности или в грунте, вода легко насыщается как естественными растворимыми в воде грунтовыми солями, так и природными ядовитыми веществами - продуктами гниения органики, а также про-мышленно-индустриальными водными
сбросами и воздушными выбросами, переносимыми на огромные расстояния и поступающими на (и в) грунт, а также во все виды природных вод. Химический анализ собранной энтузиастами родниковой воды довольно часто показывает, что в ней содержатся не только превышающие ПДК количества растворенных солей, но даже есть ингредиенты, очень опасные для здоровья и жизни. Химические анализы воды из родников показывали, что поступающая обычная водопроводная вода намного чище привозной.
Поэтому для решения проблемы получения чистой воды необходимо ориентироваться не на поиск каких-либо других источников воды, а только на очистку воды из имеющихся и легкодоступных источников. Очевидно, что процесс очистки воды перед ее употреблением в пищу должен быть комплексным и состоять из двух основных этапов:
- удаление (или, по возможности, уменьшение) содержания примесей: взвесей и растворенных в воде солей;
- структуризация воды и повышение содержания растворенного в воде кислорода.
При этом важно заметить, что уже разработаны, имеются в массовой продаже и достаточно широко распространены весьма надежные, простые и довольно дешевые методы механической очистки (фильтрования) воды от первого вида примесей - различных видов взвесей. К ним относятся многочисленные виды как сложных промышленных, так и простых бытовых бумажных, матерча-
тых, нетканых и тонковолоконных, пенопластовых, стеклопенных, угольных, керамических и других видов фильтров для механической очистки, которые при пропускании воды через них резко понижают содержание взвесей в воде. Поэтому вопрос с удалением взвесей из воды можно считать решенным, и на первом этапе подготовки воды для дальнейшего потребления всегда необходимо произвести ее фильтрование. Этот процесс прост, довольно дешев, и его можно производить не только в промышленных масштабах, но и, самое главное, в малых объемах непосредственно в бытовых условиях.
Понижение концентрации или удаление растворенных в воде солей является довольно сложной технологической задачей, в связи с чем ее простого и дешевого решения к настоящему времени еще не получено; проведем анализ применимости некоторых из известных способов.
Кипячение приводит к выпадению в осадок части солей в виде накипи, но при этом общее содержание солей в воде будет оставаться значительным, в связи с чем способ кипячения не дает заметного результата для поставленной задачи.
Умягчение воды от основных солей, применяемое в технике для устранения накипи, ухудшающей технологические условия эксплуатации теплоэнергетических объектов, ядерных реакторов и др. Но эта методика «умягчения» воды требует, с одной стороны, довольно сложного химического процесса водоподготовки и, с другой стороны, «оставляет» в воде внесенные натриевые соли серной и соляной кислот, «...которые в образовании накипи участия не принимают.» [6]. Понятно, что такая «умягченная» вода не только непригодна для потребления в пищу, но и опасна для жизни (но не дает накипи!).
Дистилляция воды ее полной перегонкой (кипячение - испарение - конденсация), при которой все соли из воды удаляются, создает модификацию воды в неблагоприятном для здоровья структурном мономолекулярном состоянии, не имеющей растворенного в воде кислорода. Поэтому если необходимо использовать дистиллированную воду в
пищу, то для изменения (улучшения) ее структуры производят растворение в ней небольшого количества солей. Изменение структуры дистиллированной воды на благоприятную для человека можно сделать ее замораживанием до ледяного состояния, а это вновь потребует определенных трудо- и энергозатрат. Поэтому для массового, тем более бытового использования, методы дистилляции являются практически неприменимыми, поскольку они довольно сложны, громоздки и являются довольно дорогими (с учетом очень большой теплоемкости воды).
Очистка от солей с помощью иони-тов (специальных синтетических органических материалов), извлекающих из воды ионы различных солей. Иониты бывают двух типов: катиониты (извлекают ионы металлов - катионы, заряженные положительно) и аниониты (извлекают анионы - отрицательно заряженные ионы кислотного остатка). При использовании ионитов (или специальных ионно-обменных смол) получают воду, по чистоте аналогичную дистиллированной, но, к сожалению, для массового использования (в том числе в быту) такой метод очистки совершенно непригоден из-за его сложности, громоздкости и большой дороговизны (такая вода по стоимости приближается к стоимости коньяка), что исключает его использование для питьевого водоснабжения.
Электродиализ очищает воду от солей на принципе размещения водного раствора между электродами, в связи с чем положительно заряженные частицы (катионы) направятся к катоду, а отрицательно заряженные (анионы) - к аноду. При этом катод и анод находятся за мембранами, пропускающими ионы только в одном направлении, в результате чего между мембранами остается обессоленная вода. Понятно, что такой метод очистки от солей пригоден лишь для ограниченных и сравнительно небольших объемов воды, требует специальной дорогостоящей техники и поэтому для массового, в том числе бытового использования, практически неприменим.
Опреснение морской воды методом ее вымораживания [6] технологически столь
несовершенно, что не дает удовлетворительных результатов.
Таким образом, как следует из приведенного анализа, простых, дешевых и надежных методов удаления или существенного снижения содержания растворенных в воде солей, применимых для прямого практического (в том числе бытового) использования, до настоящего времени не разработано.
При этом очень важно опровергнуть серьезное заблуждение, которое широко распространено среди людей о том, что вода, в которой понижено содержание загрязняющих ее солей, будто бы является вредной для здоровья. Современные научные данные по этому вопросу опровергают это мнение, поскольку почти все соли, необходимые организму человека для его нормального функционирования, он в достаточном количестве (и даже с избытком) получает с той пищей, которую он потребляет. Но при этом для нормального физиологического функционирования требуется регулярное поступление в организм достаточно большого количества именно чистой от примесей (взвесей и солей) и структурированной воды [2].
Таким образом, очевиден вывод о том, что для получения экологически чистой и полезной для здоровья человека воды необходимо по возможности полностью очищать употребляемую в пищу и для питья воду от всех примесей (как взвесей, так и солей) и структурировать ее в полезную для человека «кислородосодержащую» модификацию. В настоящее время простых, надежных и дешевых методов очистки воды от растворенных в ней солей, применимых для массового использования, пока еще не существует.
Разработка этих методов стала предметом наших исследований. В течение ряда лет проводились работы по созданию метода значительного снижения концентрации растворенных в воде солей, применимый для массового применения. Внимание автора привлек анализ процессов кристаллизации. Из кристаллографии известно, что при росте кристаллов из жидкой фазы при соответствующих условиях фазового перехода воды (температура, давление), необходимо для начала
кристаллизации наличие микрочастиц в объеме воды (частиц взвесей), которые служат центрами кристаллизации, на которых начинают осаждаться молекулы воды в соответствии со структурой кристаллической решетки. Именно поэтому в естественных условиях внутри группы кристаллов воды всегда оказываются вмороженными частицы взвесей, послужившими ядрами кристаллизации.
Ядрами кристаллизации в воде обычно служат взвешенные (за счет турбулентности) в воде микрочастицы. Это пыль, дым, частицы твердых пород, микрокристаллов нерастворимых в воде солей, органических частиц животных и растений, а также одноклеточные, споры, вирусы, микробы, бактерии и пр. Первичные кристаллы воды (лед) откладываются именно на их поверхностях, постепенно обволакивая их.
Далее, когда начальная структура (или первичная поверхность) кристаллов вокруг ядра кристаллизации сформировалась, идет процехс молекулярного притяжения (присоединения) к ней молекул воды, находящихся в окружающей жидкости и контактирующих с внешней поверхностью возникших кристаллов. Но при этом очередная молекула воды, присоединяющаяся к растущему кристаллу, настолько плотно (на молекулярном уровне) встраивается в структуру поверхности кристалла, что между ней и поверхностью растущего кристалла не может быть встроена какая-либо молекула другого вещества, находящегося в растворе (соли). Это происходит по той причине, что по своей пространственной конфигурации молекула соли не вписывается и поэтому отличается от пространственной структуры кристалла воды, в связи с чем она физически не может «встроиться» в поверхность кристалла воды и поэтому выталкивается приближающейся молекулой воды в сторону от поверхности растущего кристалла в окружающую жидкую среду. Таким образом, растущий далее кристалл льда будет представлять собой идеально чистую, свободную от солей воду.
Однако при замораживании воды в естественных условиях, когда в воде имеются примеси (как взвеси, так и растворенные в
воде соли) этот процесс роста кристаллов из-за неупорядоченности расположения в водном пространстве взвешенных микрочастиц -центров кристаллизации - будет весьма хаотичным (рис. 1). Взаимный масштаб размеров твердых микрочастиц и нарастающих на них кристаллов воды является условным.
«г2 1
Рис. 1. Общая схема процесса хаотичного роста кристаллов в воде в естественных условиях на ядрах кристаллизации - твердых микрочастицах, взвешенных в воде (взвесях): 1 - природная водная среда (раствор); 2 - микрочастицы в воде; 3 - кристаллы воды
Как можно видеть на рис. 1, хаотичное и круговое нарастание кристаллов воды на твердых поверхностях взвесей вокруг неупорядоченно расположенных микрочастиц в конце концов приведет к тому, что скопления кристаллов, нарастающих от разных микрочастиц, вступят в контакт между собой. Но из-за полной пространственной неупорядоченности этих контактов соответственно возникают перекосы и пустоты, довольно герметичные, между кристаллами. В этих пустотах могут быть «замурованы» как молекулы газов, так и солей, выпавших в осадок. Возникшие между скоплениями кристаллов герметичные пустоты существенно уменьшают общую среднюю плотность льда, и поэтому лед становится легче воды и всплывает.
Таким образом, если специальным приемом упорядочить процесс кристаллизации воды, то соответственно участки чистого льда будут сгруппированы и могут быть отделены от загрязненных, но такая процедура может быть выполнена только в искусственных условиях, которые в природе не встречаются.
Этой цели можно достичь, если вначале отфильтровать воду от взвесей, а затем искусственно организовать процесс замораживания воды у охлаждаемой извне ниже 0 °С поверхности, которая контактирует с водой. При таком искусственном, или пристеночном варианте замораживания процесс кристаллизации упорядочивается, причем центрами кристаллизации, от которых он начинается, служит сама стенка; нарастание чистого льда будет идти от стенки послойно (рис. 2).
1 2 I- ¡111111111
-Д.--
1
3
Рис. 2. Процесс упорядоченной кристаллизации воды от стенки в искусственных условиях для воды, предварительно очищенной от микрочастиц (взвесей): 1 - внешняя воздушная среда с пониженной температурой (в морозильнике); 2 - охлаждаемая стенка сосуда с водой; 3 - упорядоченный слой нарастающих кристаллов очищенной от солей воды; 4 - вода, предварительно очищенная от микрочастиц (взвесей), но содержащая растворенные в ней соли
При этом нарастающий чистый лед будет выталкивать в глубь сосуда с водой растворенные в ней соли (вправо на рис. 2) и естественно, что концентрация солей в оставшейся жидкой воде (4 на рис. 2) будет постепенно увеличиваться. В дальнейшем течении процесса необходимо, удалив еще не замерзшую воду, отделить чистый лед и поместить его в специальную емкость, предназначенную только для хранения, оттаивания и использования очищенной воды. Следует определиться с терминологией используемого процесса кристаллизации воды. Термин «вымораживание» предполагает полное замерзание и заполнение всего объема льдом, но для реализации предлагаемого метода необходи-
мо лишь частичное заполнение объема кристаллами льда «у стенки», поэтому в данном случае правильнее будет применение только термина «замораживание».
Но проведенные автором многочисленные опыты показали, что при практической реализации метода возникает ряд технологических проблем и, если их не решить, качество очистки получаемой воды от солей будет недостаточно высоким.
Автор проживает в районе, в котором качество водопроводной воды всегда было и остается чрезвычайно низким, и поэтому был вынужден ряд лет заниматься проблемой ее очистки. Общая идея метода была в общем виде сформулирована еще в 1990 г., а затем начались практические разработки и технологические испытания идеи в виде многочисленных опытов по ее реализации, которые продолжались почти 10 лет. В результате были постепенно отработаны основные принципы (или правила) технологии практической реализации метода, дающие максимальный результат при ее использовании, которые изложены далее в порядке проведения процесса.
До начала процесса замораживания необходимо провести тщательную водопод-готовку - механическую очистку или фильтрование воды (можно - двойное) для освобождения ее от микрочастиц-взвесей любым фильтром: угольным, керамическим, матерчатым, ватным, бумажным и др. При этом чем выше качество механической очистки, тем лучше будет результат, поскольку присутствие «неотфильтрованных» частиц создает появление вторичных центров кристаллизации в массе воды, на поверхности льда и «у стенки» (рис. 1 и 2), что приведет к появлению излишнего количества солей в массе образующегося льда.
Емкость для проведения процесса вымораживания должна быть достаточно прочной (металл, толстый пластик и др.), поскольку при замерзании лед начинает оказывать значительное внутреннее давление на стенку, и непрочный сосуд может разрушиться, в связи с чем стеклянные, керамические и др. подобные емкости применять
нельзя. Опыт показал, что применение эмалированной металлической посуды (кастрюли) также непригодно, поскольку из-за возникающих перепадов температуры, адгезии и давления льда на стенку эмаль быстро разрушается, а также ее частицы могут попасть в воду (а это опасно). Емкость должна иметь ровные (или прямые) вертикальные, или -даже лучше - расширяющиеся вверх стенки, поскольку в противном случае после замораживания возникнет проблема извлечения полученного льда из емкости.
Заполнение емкости фильтрованной водой для замораживания следует производить не полностью, отступив от верхнего края емкости не менее, чем на несколько см, т.к. лед займет больший объем, чем вода (он «вспучивается»), и поэтому может разгерметизироваться крышка емкости (она может приподняться), либо может произойти переливание воды наружу через верхний край емкости.
Емкость должна быть закрыта сверху герметичной, плотной крышкой (например, пластиковым пакетом, плотно охваченным снаружи резинкой и т.д.); если этого не сделать, то испаряющаяся с поверхности воды влага покроет слоем инея стенки морозильной камеры. Имеются в продаже герметичные и прочные пластиковые коробки различного объема «для замораживания продуктов», которые хорошо подходят для данной задачи (опыт показал, что наилучшие результаты дает для замораживания объем не более 2,5 л).
В морозильной камере для оптимизации процесса не должна быть очень низкая температура (применяемая специально для «быстрой заморозки»), а наоборот, максимально высокая, поскольку для повышения качества процесс должен идти максимально медленно и поэтому с самого начала следует выставить режим самой малой мощности заморозки.
Между дном морозильной камеры и емкостью с очищенной от взвесей водой обязательно должен быть помещен теплоизолирующий слой (пенопласт, поролон и др.), поскольку быстрое контактное замораживание создаст на дне большой слой «гряз-
ного льда», имеющего «вмороженные» в него соли. Стенки емкости с водой также не должны непосредственно контактировать с боковыми стенками морозильной камеры.
Процесс замораживания следует проводить только до такого состояния, когда вдоль стенок емкости образовался достаточный слой льда, в то время как в центре сосуда сохраняется еще не замерзшая и прозрачная вода (рассол). Накапливающийся послойно на стенках по мере замораживания чистый лед - совершенно прозрачный и выглядит как высококачественный хрусталь, переливающийся цветами радуги.
При передержке времени (или избыточной скорости) замораживания процесс приобретает другую форму. «Выталкивание» солей от стенок приводит к резкому повышению их концентрации в оставшейся в центре емкости воде (образованию рассола). Слой чистого льда у стенок (прозрачный и хрупкий) образуется при температуре лишь немного ниже 0 °С, но при дальнейшем замораживании емкости и более низкой температуре объема воды начинается замерзание рассола в центре. При этом давление в рассоле резко возрастает (вода иногда прорывается через верхнюю поверхность льда в центре и образует грибообразные «намерзания»). Замерзающий рассол образует другую форму льда - матовый лед, содержащий соли и имеющий большую плотность и прочность (поскольку он образовался при большем давлении воды). Он выглядит как комок ваты в центре объема. Матовый лед своими длинными белыми «иглами» (вместе с солями) начинает пронзать чистый и прозрачный лед, загрязняя его своими включениями солей. Если процесс зашел так далеко, то это означает, что чистый лед испорчен, и будет необходимо смыть весь матовый лед под струей горячей воды (а это опять добавление солей из горячей воды). Чем тоньше слой льда на стенках емкости, тем чище будет образовавшийся лед, и поэтому всегда лучше «недомо-розить», чем «переморозить». Очень тонкий лед дает малое количество получаемой чистой воды; оптимальным будет состояние, при котором уже накопился достаточной толщи-
ны прозрачный лед у стенок емкости, в центре сосуда еще сохранился прозрачный рассол, но образование матового льда в рассоле еще не началось. Поиск оптимальных режимов, при которых устойчиво достигается этот результат, осуществляется экспериментально.
Скорость замораживания, определяющая поиск оптимального времени процесса для достижения необходимого соотношения лед-рассол в объеме, зависит от ряда факторов. Процесс замораживания замедляется при больших емкостях, при более высокой исходной температуре воды до начала замораживания, при меньшей мощности морозильной установки, а также зависит от солености исходной воды, атмосферного давления и др. В связи с этим для конкретных условий необходимо выполнить экспериментальный поиск оптимального времени вымораживания, поскольку понятно, что наиболее удобным вариантом для постоянной эксплуатации является стабильное время установки и изъятия емкостей с вымораживаемой водой. Например, в авторском варианте для пластиковых емкостей в 2,5 л при температуре исходной водопроводной воды 10 ± 1° и установленной регулятором минимальной мощности морозильника среднее время заморозки для получения оптимального соотношения лед-рассол до начала образования «матового льда», оказалось равным 20 час ± 30 мин.
По завершении процесса замораживания до оптимального состояния необходимо, вынув емкость из морозильника и освободив ее от крышки, вначале прорезать ножом отверстие в тонком льде на его верхней поверхности (как на рис. 3) и, перевернув емкость вверх дном, слить рассол в сток. Затем следует отделить лед от емкости либо, подождав, когда он сам оттает в тепле, либо, перевернув емкость вверх дном, подставить ее под струю горячей воды. Отделившийся из объема лед (если он прозрачен и не имеет включений белесого матового льда) представляет собой очищенный от солей лед. В случае присутствия небольших разводов матового льда (например, на дне) их можно или «смыть» потоком теплой, очищенной ранее воды или сколоть ножом. Внутреннюю по-
верхность льдины следует обмыть очищенной водой для удаления солей, которые могут находиться на ней вследствие контакта с рассолом. Хранить очищенную воду (лед) следует в емкости с закрытой крышкой.
Опыт показал, что количество получаемой очищенной воды обычно не превышает 45 % от исходного общего объема воды и попытки увеличения объема чистой воды по сравнению с указанным (дальнейшее замораживание) приводят к возникновению матового (грязного).
Когда данная технология получения очищенной от солей воды была полностью отработана силами Аналитического центра контроля качества воды «РОСА», был проведен детальный анализ двух проб воды - до очистки и после нее. Обе пробы для анализа были отобраны в один и тот же день 21.09.2004 г., а затем в герметично запечатанных и предварительно очищенных емкостях представлены для анализа в Центр «РОСА». Результаты химического анализа проб воды были представлены автору в виде официальных. Протоколы показали, что результатом применения данного метода очистки является резкое уменьшение содержания всех растворенных в воде солей (для большинства из них - не менее, чем на порядок). Изменения параметров в результате очистки представлены в таблице. В нее не включены бромиды и бор, не обнаруженные в пробе до начала очистки.
Таким образом, можно видеть, что в результате применения метода очистки воды методом пристеночной кристаллизации произошло очень резкое снижение содержания всех растворенных в воде солей: от 1,98 до 41,25 раза (в среднем в 15 раз); для двух основных параметров жесткости - кальция и магния - в среднем в 13,9 раза, и поэтому электропроводность уменьшилась более чем в 14 раз! Таким образом, данным методом получена идеально чистая ледниковая вода высокогорных рек! При этом важно заметить, что качество воды, полученной после очистки методом пристеночной кристаллизации оказалось существенно выше, чем рекомендованные стандарты наивысшего качества питьевой воды [8].
Таблица
Количественное соотношение содержания
различных солей, встречающихся в пробах до и после очистки воды методом пристеночной кристаллизации
Параметры пробы Уменьшение содержания параметра после очистки (в число раз)
Кремний 41,25
Барий 11,00
Железо 8,09
Калий 2,70 *
Кальций 12,09
Литий 13,00 *
Магний 15,71
Марганец 12,07
Натрий 24,00
Стронций 20,24
Нитраты 24,00
Сульфаты 13,93
Фосфаты 2,37
Фториды 1,98 *
Хлориды 23,60
Электропроводность 14,20
* Примечание. Это значение в таблице следует понимать как «не менее чем» по причине ограничений точности определения данного параметра в пробе очищенной данным методом воды
Вода, полученная после таяния льда от пристеночной кристаллизации, обладает рядом особых полезных свойств, которые резко отличают ее в лучшую сторону от всех других видов воды. Несколько лет постоянного применения этой воды в быту дает основание сделать определенные выводы о ее особых и очень благоприятных для человека свойствах. Эта вода, в особенности в холодном виде, обладает чрезвычайно приятным вкусом, вызванным присутствием растворенного в воде кислорода, но при этом не испорченного вкусом каких-либо растворенных в воде солей. При первом употреблении этой воды человек обычно обнаруживал, что вся вода, которую он пил до этого, существенно ниже качеством из-за влияния растворенных в ней солей и после пробы очищенной данным методом воды любая другая вода кажется очень невкусной.
При этом важно заметить, что даже небольшое количество этой воды, выпитой в сы-
ром виде (1-2 стакана в день), существенно улучшает общее состояние и самочувствие, создает значительный эффект бодрости и повышает активность человека. Мало того, повышается вероятность благотворных изменений (оздоровления) в различных внутренних органах организма (желудке, печени, почках, кишечнике и др.) из-за снижения насыщенности солей в этих органах, что дает общее снижение зашлакованности организма в целом. Имеются факты выздоровления людей от внутренних язв и резкого улучшения работы печени и кишечника при постоянном применении очищенной воды. Применение этой воды для внешних омовений резко улучшает состояние кожных покровов и волос.
Максимум количества кислорода, растворенного в воде, наблюдается сразу после таяния льда, но при повышении температуры его количество убывает, а после кипячения растворенный кислород из воды улетучивается. Поэтому для получения эффекта обогащения кислородом организма необходимо ежедневно использовать для питья эту воду только в холодном виде. Приготовленная на этой чистой воде пища по вкусу резко отличается в хорошую сторону. Соли в неочищенной воде при приготовлении пищи вступают в сложные соединения с солями, выделяющимися из приготавливаемых продуктов, в связи с чем образуются сложные соли, большинство из которых имеет неприятный вкус, что существенно ухудшает вкусовые качества приготавливаемой на неочищенной воде пищи.
Опыт показал, что таким способом очищенная вода очень хорошо и довольно длительно хранится, не теряя своих вкусовых свойств (в особенности в охлажденном виде), очень долго не «зацветает» и не «протухает», поскольку в ней практически отсутствуют многие виды органических и неорганических примесей, из-за которых эти явления наблюдаются.
Предложенный метод пристеночной кристаллизации для получения очищенной воды может быть применен для создания технологии получения такой воды в промышленных масштабах. Многие регионы как нашей страны, так и ряда зарубежных
стран, страдают от недостатка качественной питьевой воды. Поэтому, кроме решения проблемы на индивидуальном уровне, необходимо рассмотреть вопрос о возможностях создания установок промышленного типа, поставляющих большое количество воды.
Рис. 3. Принципиальная схема проекта промышленной установки по очистке воды методом пристеночной кристаллизации: 1 - ввод под давлением неочищенной (от взвесей и солей) воды и его входной вентиль; 2 - блок механической очистки (фильтрации) от микродисперсных частиц (взвесей); 3 - труба с потоком (указано направление движения) очищенной от взвесей воды; 4 - внешняя общая защитная, а также теплозащитная оболочка всей установки (бака); 5 - блоки нагревательной установки (без контакта с оболочкой 4 и змеевиком 6); 6 - змеевик холодильного агрегата установки (не контактирует ни с блоками обогревательной установки 5, ни с основным баком для воды и льда 9); 7 - вход для подачи в змеевик 6 хладагента (например, фреона) от компрессора; 8 - выход из змеевика 6 хладагента обратно в компрессорную установку холодильника; 9 - толстостенный (например, стальной) основной бак для замораживания воды; 10 - нарастающий на стенках бака 9 (изнутри) чистый лед в процессе замораживания; 11 - рассол, остающийся при процессе замораживания в центральной части бака; 12 - толстостенная (например, стальная) герметичная крышка, закрывающая бак снизу; 13 - выходная труба из бака с вентилем для поочередного слива сначала рассола (после замораживания), а затем, после расплавления чистого льда, очищенной воды.
Подобного рода установки (желательно автоматизированные) могут быть массовым образом востребованы для обеспечения такого внутреннего замкнутого водоснабжения (изолированного водопровода).
Предлагаемое технологическое решение общих принципов устройства такой промышленной установки показано на рис. 3.
Использование силы тяжести требует строго вертикальной установки бака 9.
Установка состоит из входного фильтра от взвесей, а также бака, в котором происходит процесс замораживания, и работает в циклическом режиме: загрузка (с фильтрацией) - замораживание - слив рассола - выключение холодильной установки - включение нагревательной установки - расплавление чистого льда - слив чистой воды - следующая загрузка бака. Объем бака и, соответственно, размеры и мощность всей установки могут быть достаточно большими, но с учетом расширения льда при замерзании, прочность (толщина) стенок бака должна быть значительной (например, из толстостенной стали). При этом бак должен иметь совершенно ровные (прямые), не имеющие выступов или изгибов стенки, и в данном случае строго вертикальные стенки, поскольку в противном случае после замораживания возникнет проблема извлечения полученного льда из емкости. Следует учитывать, что для разового получения в одном цикле работы установки около 100 л очищенной воды следует иметь бак с объемом не менее 250 + 260 л.
Во избежание появления на стенках бака в процессе быстрого «контактного» замораживания «матового» (загрязненного) льда, змеевик с хладагентом ни в коем случае не должен непосредственно контактировать с баком, а располагаться на некотором расстоянии от него. При таком расположении замораживание будет идти более равномерно - от охлажденного воздуха в пространстве вокруг бака; для улучшения циркуляции охлажденного воздуха вокруг стенок бака можно установить небольшие вентиляторы. Мощность холодильной установки (6, 7, 8 на рис. 3) должна быть подобрана таким образом, чтобы реализовывался толь-
ко режим «медленной заморозки» с образованием чистого льда и чтобы на стенках не образовывался загрязненный «матовый лед».
В свою очередь мощность нагревательной установки лишь определяет скорость подготовки к сливу очищенной чистой воды и принципиального значения не имеет, но при этом важно заметить, что следует производить нагрев только до состояния жидкой воды (до температуры не выше + 5 °С), поскольку дальнейшее нагревание воды приводит к существенному уменьшению содержания растворенного в воде кислорода (и ухудшению свойств полученной воды).
При необходимости получения «чистого льда» (недоведения его до стадии жидкой чистой воды) следует после слива рассола снять нижнюю крышку бака (12 на рис. 3), а затем подвести с низу бака соответствующих размеров емкость. После этого на небольшое время необходимо будет включить нагревательную установку для «оттаивания» льда от стенок бака (устранения адгезии льда к стенкам бака), в результате которого лед под действием силы тяжести выйдет из бака и упадет в приготовленную емкость.
Очевидно, что с использованием современных технических устройств, таких, как управляющего микропроцессора, вмонтированных в установку ряда автоматических электронных датчиков (определяющих состояние воды «жидкость - лед»), дистанционно управляемых переключателей (вентилей) потока воды и т. д., весь процесс работы установки по очистке воды методом пристеночной кристаллизации может быть автоматизирован, и она сможет работать полностью автономно.
Таким образом, разработан не только принципиально новый метод очистки воды от солевых примесей методом пристеночной кристаллизации и получен ряд практические рекомендаций по его реализации, но также предложена технология и принципиальная схема промышленной установки для получения больших объемов очищенной данным методом воды.
Как автор метода рекомендую всем читателям статьи начать им пользоваться и
прошу читателей по возможности информировать автора о достигнутых результатах очистки воды, возможных усовершенствованиях предложенного метода, о публикациях на эту тему, а также результатах использования в быту воды, очищенной методом пристеночной кристаллизации для дальнейшего обобщения.
Автор выражает глубокую благодарность коллегам в МГУЛ за многократное обсуждение проблемы и советы по обоснованию теории и разработке технологии метода, коллективу «Аналитического центра контроля качества воды» ЗАО «РОСА» и его Генеральному директору Чамаеву Александру Викторовичу за содействие в получении результатов высококачественного химического анализа проб воды, а также начальнику отдела физико-химических методов анализа этого центра Куцевой Надежде Константиновне за ряд очень ценных советов и рекомендаций.
Библиографический список
1. Антонченко, В.Я. Проблемные вопросы физики воды / В.Я. Антонченко, М.В. Курик // Материалы конгресса «Экватэк - 2004». - Ч. 2. - М. - С. 994.
2. Батмангхелидж, Ф. Вода для здоровья / Ф. Бат-мангхелидж. - Минск: Попурри, 2004. - 288 с.
3. Бояркина, Р. Как из мертвой воды получить живую / Р. Бояркина // Газета «Аргументы и факты». - 2004. - № 8.
4. Брусиловский, С.А. Проблематика энергоинформационных воздействий на водные растворы / С.А. Брусиловский // Материалы конгресса «Экватэк - 2004». - Ч. 2. - М. - С. 993.
5. Курик, М.В. Экология питьевой воды / М.В. Курик, А.М. Курик // Материалы конгресса «Экватэк - 2004». - Ч. 2. - М. - С. 1009.
6. Простаков, Н.С. Лекции по химии для студентов-физиков / Н.С. Простаков. - М.: Университет дружбы народов им. П. Лумумбы, 1969. - 158 с.
7. Рахманин, Ю.А. Структурирование воды на алмазной поверхности / Ю.А. Рахманин и др. // Материалы конгресса «Экватэк - 2004». - Ч. 2. - М. - С. 1000.
8. СанПИН 2.1.41074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. - М.: Издательство Минздрава России, 2002. - 120 с.
9. Сычева, Л.П. Цитогенетические и цитотоксические показатели в клетках разных органов при длительном потреблении питьевой воды при разных способах водоподготовки / Л.П. Сычева и др. // Материалы конгресса «Экватэк - 2004». - Ч. 2. - М. - С. 993.
