Фильтруй с умом

Какой должна быть вода, которую мы пьем? На этот вопрос всякий ответит, не задумываясь: «Чистой». О том, что это значит на самом деле и о многом другом мы расскажем в материале, подготовленном совместно с компанией «Аквафор».

Вода, она же оксид водорода — самая распространенная жидкость на поверхности планеты. Именно она считается формальным маркером жизни — например, наибольший интерес для астрономов представляют именно экзопланеты, которые располагаются в так называемой потенциально обитаемой зоне. Это узкий интервал расстояний от звезды, при попадании орбиты в который на поверхности планеты может быть вода в жидком состоянии. Это легко объяснимо: подавляющее большинство обменных процессов в тканях и клетках протекают в водной среде.

Что значит чистая вода?

Вопрос о чистоте воды — вопрос, в первую очередь, терминологии. Например, химически чистое вещество, с точки зрения теории, — вещество, состоящее из молекул одного вида. На практике обычно это означает, что никакими существующими методами химического анализа в нем нельзя найти примеси. Но так как химической лаборатории под рукой обычно не бывает, чистота определяется из других соображений.

Самое простое, бытовое, это посмотреть на цвет и прозрачность воды. Любая взвесь выдаст наличие нерастворимых примесей даже невооруженному глазу. Прозрачная, но окрашенная вода говорит о наличии растворимых примесей, поглощающих определенные цвета из солнечного спектра (кстати, эта оценка на глаз тоже используется при анализе воды в лаборатории: мутность и поглощение света измеряют специальными методами — турбидиметрией и оптической спектрометрией соответственно).

Второе — это понюхать воду. У чистой воды нет запаха, так как она является довольно устойчивым оксидом и не вступает во взаимодействие с рецепторами, которые отвечают за запах. Наличие резкого запаха, как это ни банально, обычно означает наличие некоторых примесей, которые за этот запах отвечают.

Третье — это попробовать воду на вкус. Вообще говоря, вкус — это реакция соответствующих рецепторов на определенные химические соединения. Например, соленый вкус — это реакция определенных рецепторов на ионы натрия. Рецепторов для идентификации воды, вообще говоря, у человека нет (есть мнение, что это было полезно в ходе эволюции), но есть несколько

, которые позволяют объяснить, почему некое ощущение вкуса воды возникает. Если коротко, оно связано с тем, что рецепторы языка адаптируются к вкусу нашей слюны так, чтобы мы его не ощущали постоянно. Попадание воды меняет концентрацию слюны, то есть среду, в которой находятся рецепторы, что и вызывает похожие на вкус ощущения от воды. При этом абсолютно чистая вода, скорее всего, будет восприниматься как слегка горьковатая.

Мы даже не начинали перечислять десятки других видов примесей, которые могут присутствовать в воде, но примерное представление об идеально чистой воде получили: прозрачная, бесцветная, без вкуса и запаха. Возникает следующий закономерный вопрос: можно ли такую воду пить?

Можно ли пить совсем чистую воду?

Можно, но однозначной рекомендации пить обессоленную воду (то есть воду, из которой удалены все соли) вы не найдете, пусть вопрос о ее общей пользе для здоровья и остается открытым. Среди отчетов Всемирной организации здравоохранения можно найти некоторые общие выводы на этот счет. Несмотря на то, что обессоленная вода ни в коем случае не является ядом и не может существенно навредить организму (как вас могли пугать в школе, например), исследователи по большей части рекомендуют реминерализацию воды после ее полной очистки.
Почему так происходит? Потому, что соли (которые в растворе диссоциируют на ионы натрия, калия, хлора и других элементов) придают воде те свойства, без которых в нашем организме будут невозможны многие процессы. Скажем, важным элементом клеточных мембран являются ионные каналы — это каналы, по которым могут двигаться строго определенные ионы. Например, калиевый канал не пропустит ионы натрия, и наоборот. Благодаря наличию таких каналов ионные составы внутри и снаружи клеток несколько отличаются.
Более того, концентрация ионов снаружи и внутри должна лежать в строго определенном диапазоне, только тогда все сложные процессы, протекающие на мембране (основном «органе связи» клетки с ее окружением) будут проходить так, как надо. Нарушение солевого баланса — процесс медленный и поначалу малозаметный — может привести к серьезным последствиям. Поскольку в ходе работы выделительной системы соли вымываются из организма естественным образом, их запас приходится восполнять. Большая часть солей в наш организм поступает с пищей, однако в случае кальция и магния вода является одним из важных источников, предоставляя до 25 процентов от общего потребления этих элементов.

Так где взять воду для питья?

Существенная часть плохих, то есть вредных, примесей можно условно поделить на химические и биологические (есть еще органолептические и радиологические, но про них мы говорить не будем). Первые, вероятно, мало заботили людей в предшествующие века, так как в отсутствие какой-либо химической промышленности заражать водоемы было просто нечем (хотя бывают неприятные исключения вроде водных источников Бангладеш, в которых содержатся, среди прочего, повышенные концентрации мышьяка). А вот опасность биологического заражения существовала всегда.
Долгое время борьба с биологическими загрязнениями велась при помощи эмпирических методов. Например, научившись термически обрабатывать пищу, люди научились и кипятить воду. Только лишь в середине XIX века Луи Пастер доказал, что кипячение уничтожает большинство микроорганизмов. Для обеззараживания воды и других напитков использовали и другие средства. Так, хмель — неотъемлемую составляющую современного пива, — еще в древности стали добавлять в сусло именно потому, что он обладает бактерицидными свойствами. Сам факт бактерицидности выяснился позже, но пивовары замечали, что добавление хмеля снижало риск того, что пиво скиснет.
Современные методы стерилизации воды пошли значительно дальше. Поскольку кипятить всю водопроводную воду было бы крайне затратно, применяют другие методы: например, хлорирование, озонирование или кварцевание, то есть облучение воды ультрафиолетом. Последние два метода уступают хлорированию, но зато практически не оставляют после себя «следов», что делает их более безопасными. Хлорирование же предполагает добавку к воде хлорсодержащих примесей, например, хлорноватистой кислоты или ее солей — гипохлоритов, которые со временем приводят к образованию атомарного кислорода. Он в итоге и стерилизует воду, то есть убивает содержащиеся в ней микроорганизмы. В целом можно сказать, что вода, прошедшая водоподготовку лишается абсолютного большинства биологических примесей, так что за эту сторону можно не переживать.
Современным людям, в отличие от предков, приходится иметь дело и с химическими загрязнениями. Необходимость предварительно очищать воду и положило начало такой технологии, как водоподготовка. В России первые станции водоочистки стали появляться с развитием водопроводных и канализационных сетей в крупных городах. В Москве, например, водопровод открыли в 1804 году. Поскольку воду тогда брали из ключей в районе современных Мытищ, дополнительная ее очистка не требовалась. Только через 100 лет, в 1903 году, была построена Рублевская водопроводная станция, оснащенная аппаратурой для водоподготовки по «английской» системе: воду отстаивали для удаления крупнозернистых примесей, а затем пропускали через песчаные фильтры.

Фильтры, водоподготовка и осветление

Принцип работы фильтра предельно понятен: надо прокачать воду через сетку с достаточно мелкими ячейками, чтобы уловить примеси. Что можно задержать, скажем, песком? При размере зерна не меньше 100 микрон песчаные фильтры могут уловить лишь наиболее крупные загрязнения. Многие коллоидные взвеси, частицы которых имеют размеры никак не более десятка микрон, так и останутся в воде. Для их удаления требуются фильтры с гораздо более мелкими ячейками. Такой процесс называют ультрафильтрацией: здесь в качестве фильтра выступают мембраны с размерами пор 0,1–0,01 микрона, чего достаточно для устранения большинства коллоидных суспензий.
Ультрафильтрация — процесс мало того, что достаточно дорогой для промышленных масштабов водоподготовки, но еще и разработанный сравнительно недавно. С самого начала ХХ века в водоканалах применяли другой метод — коагуляцию, или, по-простому, осветление. Идея его такова: раз коллоидные взвеси плохо фильтруются, их надо победить отстаиванием. Правда, обычно они отстаиванию не поддаются — коллоидные частицы настолько малы, что тепловое движение удерживает их в постоянно взвешенном состоянии, не давая осесть. При этом частицы не слипаются между собой, так как при сближении отталкиваются друг от друга благодаря одноименным зарядам на их поверхности. Тут-то и применяется специальное вещество — коагулянт, подавляющее электростатическое отталкивание, после чего в дело вступает другой механизм — силы Ван-дер-Ваальса, которые, как раз наоборот, стремятся слепить мелкие частицы в более крупные комки. После добавления коагулянта вода быстро начинает мутнеть, так как образуются все более крупные частицы, рассеивающие свет. Затем эти частицы слипаются уже в большие хлопья, которые легко удалить фильтрацией или осаждением.
Разумеется, на фильтрации и осветлении процесс водоподготовки не заканчивается. Ведь до сих пор речь шла лишь про удаление крупных, «физических» загрязнений. А как быть с химическими, то есть с теми, что растворены в воде? Размер этих примесей часто бывает сопоставим с размером молекулы воды, поэтому обычной фильтрации такие растворы почти не поддаются. Тут на помощь могут прийти адсорбционные фильтры, которые в домашних условиях часто существуют в виде хорошо всем известных кувшинов, хотя широко используются и проточные системы. В основе любого такого фильтра лежит вещество-адсорбент, в роли которого выступает, например, активированный уголь — простейший вариант его можно купить в любой аптеке. Возможно, кто-то замечал, что воду с дурным запахом или привкусом можно в экстренном случае очистить за несколько часов, кинув в нее несколько таблеток угля, или даже несколько кусочков угля из костра или камина. Не от всех запахов это спасет, но бывает, что другого средства под руками просто нет.
Фильтр-кувшин действует по тому же принципу, однако применяющиеся в нем материалы сработают несравнимо лучше, чем обугленная деревяшка. Особо внимательные производители, помимо адсорбентов, добавляют и более продвинутые компоненты, например ионообменные волокна. В итоге, попав в такой фильтр, примеси адсорбируются на поверхности угля и обратно в раствор не возвращаются. Такой метод очень неплохо очищает воду от органических веществ, растворенных газов, а главное — от «хлорки», которой уже не один десяток лет обильно «сдабривают» водопроводную воду. Тем не менее, остается ряд загрязнений, справиться с которыми адсорбционным фильтрам просто не под силу. Кроме того, такие фильтры не решают еще одну проблему — повышенную жесткость воды.
Что такое жесткость? Это содержание в воде ионов магния и кальция, которые ответственны за образование всевозможных налетов, таких как накипь. Самое неприятное, что подобная «накипь» может образовываться и в организме. Конечно, не стоит воспринимать это буквально, но постоянное употребление жесткой воды действительно сильно нагружает почки, создавая риск образования камней. Что делают с жесткой водой в процессе водоподготовки? Одним из наиболее распространенных инструментов для промышленного умягчения воды в прошлом были ионообменные смолы. В них ионы жесткости — Ca²⁺ и Mg²⁺ — заменяются на «мягкие» ионы вроде Na+ и К+, которые не образуют нерастворимых примесей. Существенным недостатком ионообменников, особенно в домашнем применении, является необходимость их регенерации: ведь количество ионов, которые способен обменять один картридж, ограничено. Но отчаиваться не надо, вот-вот мы подойдем к наиболее современному и совершенному методу водоочистки, однако для начала надо подвести промежуточные итоги.

«Домашняя» вода

Водопроводная вода проходит очень серьезную подготовку, включающую множество этапов, однако ее целью всегда было предоставить потребителю воду, удовлетворяющую санитарным нормам, но не обязательно оптимизированную по своим питьевым качествам. Именно по этой причине мы все чаще обращаемся к альтернативам, которых, в принципе, не так уж и много: бутилированная вода, родниковая вода и домашние фильтрационные системы. Скажем несколько слов о каждом варианте.
Вода в бутылках, если на них не указаны местонахождение и номер скважины, гарантированно проистекает из станций водоподготовки крупных производителей напитков. То есть это вода, сперва прошедшая полную очистку, а затем минерализованная до нужного уровня путем растворения в ней рекомендованных солей. Разумеется, очистка в этом случае происходит значительно более серьезная, чем в случае с водопроводной водой. И вот мы подошли к наиболее совершенной технологии очистки на сегодняшний день — обратному осмосу.
Обычный осмос — это течение воды через мембрану, проницаемую для одних веществ и непроницаемую для других. В этом случае концентрация растворенных веществ по разные стороны мембраны отличается, что создает осмотическое давление, под действием которого вода стремится перетечь через мембрану и разбавить более концентрированный раствор. Таким образом, прямой осмос способствует перекачке чистой воды в сторону раствора. Обратный осмос предполагает, что к системе прикладывается давление, которое компенсирует осмотическое и заставляет жидкость из раствора перетекать через мембрану в сторону чистой воды. Фактически, этот процесс очень похож на фильтрацию, вот только пор в такой мембране в привычном смысле нет. Говоря точнее, они есть, но их размер сопоставим с размером молекулы воды, поэтому жидкость не может в буквальном смысле течь через такую мембрану.
В обратноосмотической системе вместо фильтрования через сито происходит многостадийная адсорбция-десорбция молекул воды на мембране, причем посторонние молекулы и ионы не могут напрямую «последовать» за молекулами воды, даже если имеют небольшой размер. В результате из воды удаляются практически все возможные примеси, так что после такой процедуры она оказывается химически чистой, умягченной и, соответственно, деминерализованной. По этой причине после обратного осмоса в воду в нужных количествах добавляют определенные соли, что доводит ее до питьевого качества.
Рассмотрим второго «конкурента» водопроводной воды, родниковую воду. В идеальном случае родниковая вода проходит сквозь большие толщи грунта, которые естественным образом отфильтровывают большинство примесей. Именно за «естественность», в первую очередь, ее и любят. Другим положительным свойством родника можно считать уникальный вкус, характерный только для данного ключа. Но здесь кроется и главный недостаток: каждая бутылка воды, набранная в роднике, является уникальным котом в мешке, как с точки зрения вкуса, так и с точки зрения содержания. Особенно это заметно весной, в период паводков, когда в водонесущий слой смывается талый снег и все, что было на нем и под ним. В это время родниковая вода часто обладает специфическим привкусом, о происхождении которого вам в лучшем случае расскажет только специально проведенное лабораторное исследование.
Наконец, домашние фильтры — что они могут предложить в качестве альтернативы? Долгое время подобные системы были представлены в основном адсорбционными фильтрами на основе активированного угля и других адсорбентов. В последние годы адсорбционные технологии отступают на второй план, так как на смену им пришел обратный осмос, ранее применявшийся лишь на промышленных предприятиях. Его преимуществами является высочайшая степень очистки, которая по-другому достигается лишь комбинацией нескольких методов, а также бóльшая экономия: мембрана может прослужить несколько лет, а адсорбционные картриджи надо менять не реже, чем раз в полгода.
Сейчас обратноосмотическую систему можно установить в любой дом — в этом случае вы получаете водоподготовку, сравнимую с той, что проходит бутилированная вода. Разница лишь в том, что дома вы точно знаете, что, как и в какой последовательности происходит с вашей водой. Еще одним приятным бонусом будет автоматическая минерализация, которой подвергается вода в таких системах, а особенно рекомендуем обратить внимание на устройства с двойной минерализацией, в которых весь процесс происходит ровнее и не зависит от того, насколько интенсивно вы пользуетесь фильтром в разное время.
В современном мире уровень водоподготовки достиг существенных высот, и по крайней мере о биологической опасности воды из-под крана нам, вероятно, можно забыть. Однако до того момента, когда в каждый кран будет приходить вода питьевого качества, мы еще не дошли, поэтому выбирайте себе вариант по душе: запасайте бутылки в промышленных масштабах или устанавливайте на кухне фильтр.

Тарас Молотилин