Ребус чистой воды

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».

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.