Разводные клоуны!
Бесплатный Tapatalk для ReefCentral.ru
Водоподготовка для морского аквариума - серьёзный подход
07.02.2016
Разделы: Химия
Техника

Автор: Дмитрий Карпенко (DNK)

1. Зачем нужно очищать воду для морского аквариума?

Для успешного содержания морских организмов в домашнем аквариуме мы должны воспроизвести природные условия среды обитания этих живых существ, в первую очередь, состав воды, к которому они привыкли за миллионы лет. Океаническая вода в районе кораллового рифа считается одной из самых чистых вод в мире. В этой воде практически нет частиц мути и органических соединений, поэтому она прозрачна на глубину до 60 метров и более. Разумеется, в воде рифа нет даже следов химических соединений, которые являются на сегодняшний день обычными загрязнениями для пресной воды. Во всех странах стандарты на питьевую воду описывают предельно допустимые концентрации (ПДК) для каждого типа загрязнений [1]. Часть загрязнений, которые не присутствуют в природной океанической воде, например, хлорорганических соединений или поверхностно-активных веществ (ПАВ) имеют высокую токсичность для обитателей кораллового рифа. Однако, гораздо важнее тот факт, что даже небольшое превышение концентрации тех веществ, которые всегда есть в океанической воде, также является губительным для кораллового рифа. Например, нормальная концентрация ионов меди в морской воде - 0,008мг/л [2], а всего лишь в три раза большее количество, то есть всего 0,025мг/л, вызывает гибель кораллов в течение менее 100 часов, а 0,1мг/л – всего за сутки! [3] В то же время, питьевая вода может содержать до 1мг/л ионов меди. [1] Хотелось бы подчеркнуть, что питьевая вода с таким содержанием ионов меди удовлетворяет стандарту на питьевую воду. В то же время, один стакан такой питьевой воды на ведро воды вашего аквариума может стать причиной гибели в нем всех кораллов! Однако поставщик вашей питьевой воды не будет нести ответственность за проблемы, которые могут возникнуть вследствие использования питьевой воды в морском аквариуме. К сожалению, одними примесями меди проблемы с питьевой водой не ограничиваются. Есть большое количество веществ, концентрация которых в воде считается безопасной для человека, и совершенно неприемлемой для использования в морском аквариуме.

Таким образом, мы приходим к выводу, что использование питьевой воды для приготовления морской воды может быть небезопасно. По сути это аналог “русской рулетки”, рано или поздно в питьевой воде появится вещество в концентрации совершенно безопасной для человека, но токсичной для чувствительных к этому веществу морских обитателей. Отметим, что любой вариант питьевой воды, в том числе и бутилированной, может иметь в себе ровно те же концентрации токсичных веществ, что и водопроводная питьевая вода.

Ситуация с примесями в питьевой воде усугубляется еще двумя фактами.

1. Морская вода содержит практически все неорганические соединения, какие только есть на нашей планете. Например, кубический километр морской воды содержит 50 килограммов золота. [1] Поэтому для того, чтобы получилась токсичная дозировка по какому-либо веществу, нет нужды вносить его полное количество, а достаточно добавить разницу между естественным количеством и токсичным. Например, для вышеупомянутой меди достаточно внести всего 0,017мг/л и мы получим гибель кораллов. Другими словами, достаточно дополнительно внести меди всего лишь в два раза больше природного количества, и получить смертельную дозировку!

2. Вода морского аквариума активно испаряется. В случае открытого аквариума испаряется не менее 1%, а нередко 2-3% или даже более (когда мы охлаждаем аквариум с помощью обдува поверхности воды) от его объема в сутки. Мы вынуждены возобновлять эту воду с помощью долива. Фактически, это означает, что в год в аквариум доливается до 10 его объемов. То есть концентрация токсичных веществ в аквариуме только за один год его эксплуатации будет примерно в десять раз больше, чем в доливаемой воде.

Вышеописанные рассуждения основаны на предположении что питьевая вода может содержать в себе токсичные вещества, однако это не означает что они там будут обязательно, а всего лишь с некоторой вероятностью. Поэтому если у вас есть уверенность что питьевая вода в вашем доме имеет превосходное качество или же вы уверены что у вас в аквариуме живут гидробионты, нечувствительные к загрязнениям в воде, вы можете позволить себе очищать водопроводную воду для применения в вашем аквариуме не очень тщательно, а в некоторых случаях не очищать вовсе. Но если вы хотите иметь максимальную уверенность в том что вода для вашего аквариума будет свободна от токсичных загрязнений, её придется тщательно очищать.

2. Сравнение способов очистки воды.

Для очищенной воды используются иные, более жесткие стандарты, чем для питьевой воды. Существует несколько стандартов, описывающих параметры воды разной степени очистки, которые различаются для разных стран. Наиболее часто их группируют в три группы, я предлагаю придерживаться классификации принятой в России [4]:

1. Вода 3 тип качества дистиллята с проводимостью воды не более 5мкСм/см (ГОСТ 6709-97 «Вода дистиллированная»);

2. Вода 2 тип качества бидистиллята с проводимостью воды не более 1мкСм/см (вода 2 типа по ASTM, NCCLS, ISO 3696, САР; ФС 42-2619-97 «Вода очищенная»);

3. Вода 1 тип ультрачистая вода с удельным сопротивлением не менее 18МОм·см. (вода 1 типа по ASTM, NCCLS, ISO 3696, САР);

Вода 3 типа для наших применений непригодна, так как ГОСТ 6709-72 [5] допускает в ней значительные количества солей тяжелых металлов, в частности меди 0,02мг/л, что, как мы показали выше, в сочетании с природной концентрацией меди в морской воде, дает итоговую смертельную для кораллов концентрацию.

Вода 2 типа, в соответствии с ФС 42-2619-97, не может иметь в своем составе солей тяжелых металлов [6]. Таким образом, вода такого качества очистки подходит для наших целей. То есть, у нас нет необходимости в получении так называемой ультрачистой воды 1 типа.

Качество очистки воды 3 и 2 типа принято определять с помощью прибора, который называется кондуктометр. Он с приемлемой точностью для большинства случаев (в каких случаях это не так, рассмотрим ниже) показывает степень очистки воды, исследуя ее проводимость. Результат отображается в виде нескольких цифр. Эти значения пригодятся нам ниже.

Способы получения воды 2 типа описываются в ГОСТ Р 52501-2005 [7], цитирую из Введения в ГОСТ: “ методы двукратной перегонки с применением аппаратуры из кварцевого стекла, обратного осмоса, деионизации с последующим фильтрованием через мембранный фильтр”.

Кратко разберем эти способы.

1. Двукратная перегонка требует наличия аппаратуры из кварцевого стекла, которая крайне дорога и труднодоступна. Также для данного метода требуется очень большое количество энергии, более 3000 кДж на килограмм пара. То есть нагревательный элемент мощностью 1 кВт может произвести в течение часа всего лишь около 1 кг пара, для охлаждения которого необходимо затратить около 6-10 литров холодной воды. То есть, себестоимость воды, получаемой таким способом, будет крайне высокой. К тому же, согласно исследованиям [8] это не гарантирует получения воды 2 типа.

2. Обратный осмос (ОО). Для получения воды 2 типа с помощью ОО используют двухстадийные установки, в которых очищенная первой мембраной вода (осмолят) еще раз очищается второй мембраной. Мы подробно рассмотрим этот способ ниже.

3. Деионизация с последующей доочисткой ОО. Деионизация производится с помощью специальных деионизационных (ДИ) смол, которые при пропускании через них питьевой воды быстро расходуют свой ресурс и подлежат частой замене. Таким образом, это довольно дорогостоящий способ очистки, который нам также не подходит.

Хочу заострить ваше внимание на одном важном моменте. Для этого приведу часть вышеуказанной цитаты из ГОСТ Р 52501-2005: “деионизации с последующим фильтрованием через мембранный фильтр ”. То есть в процессе получения очищенной воды ДИ смолу используют для предварительной очистки воды, а ОО для окончательной, но никак не наоборот!

Использование ДИ смолы после одностадийного ОО не позволяет получать воду 2 типа. Таким способом мы можем получить обессоленную воду, но молекулы низкомолекулярных (имеющие в своем составе менее 6 атомов углерода: спирты, альдегиды, кетоны и пр.) органических веществ удаляются плохо. В то же время, неионизированные органические вещества вообще не удаляются ионным обменом. [9] ДИ смола после одностадийного ОО, в зависимости от типа загрязнений в исходной воде, может вообще не давать никакой дополнительной очистки, хотя кондуктометр будет показывать ноль, и, таким образом, усыплять нашу бдительность.

3. Почему нужен именно двухстадийный ОО.

По сути второй и третий вышеописанные способы очистки близки. Мы должны определиться: что для нас выгоднее – чтобы расходным материалом являлась ДИ смола или же мембрана? Не так давно, лет 20 назад, мембраны ОО стоили довольно дорого. Производство же ДИ смолы в промышленных масштабах было освоено более полувека назад и многие предприятия с 80х годов прошлого века используют именно ДИ смолу для умягчения воды. Поэтому, еще не так давно ответ был бы однозначным – дешевле будет менять ДИ смолу, чтобы сберечь ресурс дорогой мембраны. Однако, за последнее десятилетие системы очистки воды на основе ОО получили широкое распространение, в первую очередь, как в качестве прибора бытового назначения, то есть недорогого, чему способствовали два факта:

1. На рынок мембран ОО активно вышли китайские производители, которые резко снизили цены. К сожалению, установки бытового ОО на сегодняшний день у многих брендов (например, Vontron, WaveCyber) оснащаются недорогими низкоселективными мембранами. Иногда дело доходит до продажи откровенных подделок, например, встречаются мембраны Film Tech. Не правда ли, их название похоже на бренд мембран ОО компании DOW, которые продаются под брендом Film Tec?

2. Дальнейшее развитие технологии ОО привело к появлению, с одной стороны, мембран, которые могут сделать из морской питьевую воду за одну стадию очистки. Однако, эти мембраны не только дороги, но и требуют весьма высокого давления для своей работы – не менее 55бар. С другой стороны, появились мембраны, которым для начала работы достаточно давления около 2бар, а для оптимальной производительности нужно всего около 6бар. Так как давление в домашнем водопроводе обычно не менее 4бар, эти мембраны легко обходятся вовсе без насоса, что снижает общую стоимость системы ОО.

Сразу возникает вопрос – можно ли добиться высокой чистоты воды применяя вышеупомянутые мембраны, которые за одну стадию делают из морской воды питьевую? К сожалению, это не так. Во-первых, такие мембраны имеют степень очистки не более 99,5%. То есть, для воды с солесодержанием более 200мкСм/см, получить чистую воду со степенью очистки равной 1мкСм/см уже невозможно. Также, такие мембраны требуют очень дорогих насосов, да и сами весьма недешевы. Во-вторых, селективность стандартно указывается для раствора поваренной соли с концентрацией 2г/л. Именно для такого загрязнения мембраны показывают высокую селективность. А как обстоит дело с иными загрязнениями? К сожалению, такую информацию непросто найти клиенту, который покупает установку ОО для очистки питьевой воды или для аквариума. Однако, она приводится в технической документации серьезных производителей. Вот данные для мембран DOW FILMTEC™ FT30

Rejection rate.png

Как видите, эта весьма приличная мембрана убирает такой сильнейший яд как формальдегид всего лишь на треть! То есть 2/3 попадает в чистую воду! Что касается метанола, то его остается в чистой воде 75%!
Наша первостепенная задача – убрать из исходной питьевой воды не соли, а именно загрязнения, которые могут быть крайне токсичны для аквариумных обитателей, например формальдегид. К сожалению, именно по формальдегиду после двухстадийной очистки мы получим в очищенной воде около 42% от исходного количества токсичного вещества. Да, это тоже немало. Но, все же, гораздо меньше, чем в случае одностадийной очистки. Будет уместно напомнить, что неионизированные органические вещества (в том числе метанол и формальдегид) вообще не удаляются ионным обменом. [9] Поэтому, уменьшение концентрации этих веществ в два раза с помощью двухстадийного ОО – это лучшее что мы можем сделать на сегодня в домашних условиях.

4. Что собой представляет двухстадийный ОО.

Для построения двухстадийной установки ОО нам необходимы компактные, но производительные мембраны, которые могут работать с низким давлением воды. Также желательно, чтобы их цена была небольшой. Все эти требования удачно сочетаются в серии мембран ULP 3012, которые имеют длину 12” и диаметр 3”. Они предназначены для бытовых систем ОО и устанавливаются в корпуса несколько большего диаметра, чем для обычных бытовых мембран. Корпуса для мембран ULP 3012 имеют голубой цвет, поэтому называются Big Blue (BB) и выглядят так:

BB.jpg

Пожалуйста, не путайте их с большими корпусами для картриджных фильтров синего цвета, которые также принято называть Big Blue.

KBBFB_housing_10_20_.jpg
Колбы Big Blue.

В настоящий момент времени мембраны ULP 3012 выпускаются большим количеством производителей в Китае и имеют производительность при температуре воды 25 С и давлении 6 бар от 200 до 400 галлонов очищенной воды или осмолята (также употребляется вариант “пермеат”) в сутки, то есть от 756 до 1512 л. При этом цена различных по производительности вариантов отличается незначительно, что позволяет строить на их основе компактные, только немногим больше бытовых, установки ОО, позволяющие получать более в сутки более 1500 литров воды с высокой степенью очистки. Рассмотрим схему одного из возможных вариантов реализации установки на таких мембранах.

2-stage osmosis - final.png

Водопроводная вода проходит предварительную очистку через стандартный полипропиленовый картридж со степенью очистки 5-20мкм, затем через угольный фильтр, и после этого поступает на помпу первой стадии очистки P1. Далее вода поступает на первую мембрану первой стадии очистки. Осмолят от этой мембраны собирается в коллектор, а промывочная вода от нее же поступает на вторую мембрану первой стадии очистки. После второй мембраны, по такой же схеме, осмолят идет в коллектор, а промывочная вода идет в третью мембрану, осмолят после которой также идет в коллектор, а промывка через ограничитель потока воды (рестриктор) R1 сливается в канализацию.

Далее осмолят после всей первой стадии очистки (включает в себя все три первых мембраны) попадает на помпу второй стадии очистки P2. Cхема очистки воды второй ступени идентична со схемой очистки первой ступени, с одной только разницей – промывочная вода второй стадии отправляется не в канализацию, а возвращается через рестриктор R2 на вход воды в установку очистки (обратно на первую ступень). Было бы расточительно выливать в канализацию почти дистиллированную воду. Такой возврат промывочной воды второй стадии очистки, а также применение нескольких последовательно включенных мембран на каждой стадии очистки позволяет добиться очень небольшого расхода исходной воды. Соотношение осмолят: промывка может быть даже лучше чем 1:1! Это соотношение в документации производителей мембран называется recovery, русскоязычного аналога я не знаю, но мне кажется логичным использовать одно из значений этого слова, а именно “извлечение”. Такое большое извлечение позволяет экономить значительные средства по сравнению с обычно одностадийной установкой ОО, тем более что питьевая вода дорожает с каждым годом.

Может показаться что при существующей цене водопроводной воды извлечение не так уж и важно, и в водопровод можно сливать сколько угодно воды без особого ущерба для бюджета. Однако давайте посмотрим на цифры. Стандартный одностадийный осмос имеет извлечение 1:7. То есть для получения 50 тысяч литров чистой воды пришлось бы слить не 50 тысяч литров, а 350. При цене одного кубометра питьевой воды, с учетом водоотведения, около 50 рублей за кубометр, мы получаем экономию (350-50)*50=15000 рублей. Также нужно посчитать еще и экономию на картриджах предварительной очистки, которых было затрачено примерно в 4 раза меньше, (в случае двухстадийной установки ОО картриджей было необходимо для очистки 1+1=2 объемов воды, а для одностадийного осмоса 1+7=8 объемов воды) станет понятно что двухстадийная установка ОО в реальной эксплуатации получается не только значительно дешевле одностадийной, но и через некоторое время полностью окупается. Это мы с вами еще не посчитали затраты на ДИ смолу, которую принято ставить после одностадийного ОО якобы для “финишной очистки воды”.

Ранее мы рассматривали разделение очищенной воды по проводимости на дистиллированную и бидистиллированную. Для дистилированной воды по нормативу проводимость должна быть не более 5мкСм/см, для бидистиллированной - не более 1мкСм/см. Двустадийная установка ОО, в случае использования исходной воды с проводимостью порядка 300мкСм/см, способна после выхода на рабочий режим выдавать воду с проводимостью 0мкСм/см. То есть на выходе мы получаем воду даже более чистую, чем бидистиллят.

Производительность такой установки зависит от температуры воды и составляет летом около 70л в час, а зимой – около 40л в час.

Все установки ОО имеют важную особенность. Ввиду того что после окончания работы давление в системе постепенно пропадает, начинается процесс уравнивания солесодержания, а также содержания иных загрязнений между объемами до и после мембраны. Другими словами, вода, которая уже прошла через мембрану, загрязняется исходной водой. Во время следующего цикла включения через мембрану начинают проходить новые порции чистой воды, которые будут сначала вытеснять загрязненную воду. Поэтому, на выходе установки ОО первое время будет вода с низкой степенью очистки, которая постепенно будет становиться все чище и чище. Скорость протекания этих процессов (воду с низкой степенью очистки, которую выдает установка ОО сразу после включения, принято называть “хвостами”) зависит от многих факторов, в том числе от качества мембран, которое ухудшается со временем. Однако вышеописанные мембраны обладают превосходной живучестью! Установка, которая работает у меня уже пятый год, до сих пор производит ежемесячно около 1000л осмолята хорошего качества. При этом солесодержание исходной воды колеблется от времени года в пределах от 250 до 320мкСм/см. Когда мембраны были новыми, выход на 1мкСм/см требовал слива около 2-3 литров хвостов, ноль по кондуктометру получался после слива около 5-7 литров хвостов. Сегодня, после того как установка произвела уже более 50 тысяч литров чистой воды, единичка получается после примерно 7-10 литров хвостов, а нолик после примерно 25-30 литров.

Конечно, для того чтобы быть полностью уверенным в качестве воды, которая попадает в аквариум, хвосты необходимо сливать в канализацию. Проще всего это сделать, если поставить пару электромагнитных клапанов, которые после включения установки будут по таймеру некоторое время сливать воду в канализацию. Конечно, если решать эту задачу оптимальным образом, то необходимо разработать контроллер, который будет управлять этим процессом, получая показания от кондуктометров.

Двухстадийная установка ОО обладает еще одним немаловажным преимуществом. Иногда случается неожиданное разрушение мембраны, так называемый “пробой”, когда исходная вода начинает прямиком поступать в контур чистой воды. Это может стать катастрофой для обитателей аквариума в случае одностадийной установки и всего лишь неприятным происшествием, требующим внеочередного обслуживания, для двухстадийной.

Разумеется, рассмотренная схема установки двухстадийного ОО не единственно возможная. Например, с целью снижения стоимости, можно поставить на первую стадию одну мембрану на 400GPD,  а на вторую – одну на 200GPD. В этом случае вы также сможете получать на выходе со второй стадии воду с проводимостью 0мкСм/см. Но в этом случае в канализацию будет уходить примерно столько же воды, сколько у описанной установки, в то время как осмолята будет примерно в 2.5 раза меньше. То есть извлечение станет гораздо хуже.  Однако такая упрощенная двухстадийная система ОО имеет также некоторое преимущество перед показанной на схеме: у неё гораздо меньше хвосты, и поэтому она быстрее выходит на режим, то есть у неё быстрее начинается выход воды с высокой степенью очистки. Также такая установка будет значительно компактнее, что может быть полезно в случае тесного сампа.

Если у вас в водопроводе давление не менее 4бар, то двухстадийная установка ОО может вовсе обойтись без помп. Имейте в виду, что в этом случае будет невозможен возврат промывной воды второй стадии на вход первой стадии, так как для этого давление промывной воды должно быть больше, чем исходной. Поэтому такой вариант конструкции можно рекомендовать только тем, у кого вода бесплатная, или тем, кто планирует использовать промывную воду второй стадии в других целях, например для использования в быту – для душа или для мытья посуды.  Установка без насосов заметно дешевле, однако селективность будет невысокой, а извлечение, в зависимости от давления в водопроводе, может быть совсем низким. 

Можно использовать компромиссный вариант, когда насос ставится только на вторую стадию очистки. В этом случае возврат промывной воды второй стадии на вход первой стадии будет возможен, но селективность и извлечение первой стадии будут сильно зависеть от давления в водопроводе.

Тем, кто решит собрать себе самостоятельно подобную установку, следует иметь в виду:

1. Распространенные мембраны бытовых систем ОО малого диаметра мало пригодны для двухстадийной установки, по крайней мере для её первой ступени, ввиду низкого извлечения, а также относительно низкой производительности, которая не превышает 100GPD. Еще один серьезный недостаток таких мембран в том что в последнее время они нередко обладают весьма низкой селективностью, иногда не более 90%.

2. Температура исходной воды не должна превышать 40С, при более высокой температуре мембрана разрушается практически моментально. То есть смешивать зимой горячую и холодную воду для обеспечения высокой производительности установки следует с осторожностью.

3. При регулировке извлечения существует порог, после которого дальнейшее небольшое уменьшение промывки ведет к резкому ухудшению качества осмолята. Советую использовать рестриктор, который дает поток промывной воды несколько больше этого порогового значения. В качестве рестриктора можно использовать обычный шаровой кран, который почти полностью закрывается, для выхода воды оставляется только очень небольшая щель.

4. Если у вас исходная вода имеет повышенное содержание органики или хлора, вам придется чаще менять угольные фильтры. Будет полезно оборудовать колбы фильтров краном, который позволит делать предварительную промывку угольных картриджей после их замены, со сливом промывной воды непосредственно в канализацию.

В завершение хотелось бы отметить, что построение двухстадийной системы ОО может быть сопряжено с некоторыми трудностями если исходная вода имеет:

  • - высокое (более 1000мкСм/см) солесодержание
  • - большое количество железа
  • - большое количество органики
  • - большое количество хлора.
Построение двухстадийных установок ОО, которые могли бы успешно работать с такой водой возможно, но их описание выходит за рамки данной статьи. Все эти проблемы означают что исходная вода не имеет качества питьевой, что бывает, по крайней мере в городах, редко. Поэтому построение двухстадийного ОО на основе показанной схемы доступно большинству любителей морского аквариума.

Пусть применение чистой воды способствует здоровью Вашего морского аквариума, чтобы он всегда радовал вас своим цветущим видом!


Список использованных в статье источников.
[1] http://www.dioxin.ru/doc/gn2.1.5.1315-03.htm
[2] http://geomasters.ru/ximicheskij-sostav-okeanicheskix-vod-ix-solyonost/
[3] Research Journal of Environmental Sciences ISSN 1819-3412 www.academicjournals.com
[4] http://www.mediana-filter.ru/lab.html
[5] http://snipov.net/c_4725_snip_102733.html
[6] http://www.mediana-filter.ru/st1.html
[7] http://www.opengost.ru/iso/71_gosty_iso/71040_gost_iso/7104001_gost_iso/653-gost-r-52501-2005-iso-3696-1987-voda-dlya-laboratornogo-analiza.-tehnicheskie-usloviya.html
[8] http://www.mediana-filter.ru/lab.html
[9] http://wwtec.ru/index.php?id=548

Дмитрий Карпенко (DNK) специально для ReefCentral.ru
Если вы увидели этот материал на другом сайте - значит, он был украден.
Просим сообщать о замеченных фактах на info@reefcentral.ru

Количество показов статьи: 19251