Как мы съедаем 15 тонн воды в день

За сутки на нужды производства мы тратим не менее 15 тонн воды. 12 тонн идёт на сырье и приблизительно три тонны — на промывку оборудования и прочие технические операции. Всё это мы берём из системы центрального водоснабжения, а по-человечески — из обычного трубопровода. Но вода там такая, что если её не доготавливать, то в трубу улетят и сырьё, и оборудование. А нам всем станет очень грустно. Поэтому перед запуском воды в производственный цикл мы её очищаем.

Вот так система водоочистки выглядит «вживую»

Пойдёмте, расскажу про угольный фильтр, ионообменник и фильтры обратного осмоса. (Дисклеймер: я не инженер, поэтому рассказывать буду так, как сама разобралась). Идеально чистой воду они не делают, но достаточно чистой для разных задач — вполне.

Что такое чистота воды и как её измерить?

Любая реальная, а не сферическая в вакууме вода, взятая хоть из лужи, хоть из домашнего водопровода, содержит растворимые и нерастворимые вещества:

• Соли металлов, аммония NH4+, фосфония PH4+;
• Кислоты и гидроксиды (основания);
• Газы: прежде всего — воздух, углекислый газ, сероводород;
• Галогены: фтор, хлор, бром, йод (в виде их солей);
• Органические примеси: жиры, аминокислоты, спирты, белки и т. д.

Примеси, диссоциирующие (распадающиеся) в воде на ионы, образуют растворы. Те вещества, которые напрочь отказываются это делать, дают с ней однородные и неоднородные взвеси.

Простейшие примеры и тех и других:

• Солёная вода — это раствор хлорида натрия (поваренной соли), который распадается на ионы натрия и хлора;
• Взвесь нерастворимых частичек ржавчины в воде, проходящей через старые стальные трубы.

Разумеется, не забываем о такой штуке, как микроорганизмы. Различных вирусов, микроводорослей, бактерий, простейших, яиц паразитов и прочая, и прочая в воде — тьма-тьмущая.

И весь этот букет влияет на конечные свойства реальной воды: ее химическую активность, электропроводность, биологическую безопасность и т. д.

В общем, из всего этого ликбеза нужно сделать один вывод — идеально чистой воды в природе не бывает. Это факт, с которым нужно просто смириться.

Но мы можем контролировать степень чистоты/загрязнённости воды в нужных нам пределах. То есть нужно сначала её измерить. Для этого используются следующие показатели.

Удельная электропроводность. Абсолютно чистая вода не проводит электрического тока, так как в ней отсутствуют заряженные частицы. Но в реальной воде многие растворимые примеси (в основном соли) распадаются на положительно или отрицательно заряженные ионы, повышая электропроводность раствора. То есть, измерив этот показатель воды и сопоставив его с нулём, можно судить о минерализации. Химически чистая вода без примесей имеет сопротивление порядка 10 МОм·см. Почти диэлектрик. Но даже небольшое количество ионов резко превращает воду в хороший проводник. Именно поэтому погружные датчики электропроводимости очень чувствительны к минимальным колебаниям концентрации и используются для контроля за качеством деионизации воды.

Концентрация ионов (ионизация). Чистоту водного раствора можно оценить по содержанию ионов различных растворённых веществ, например:

• Щёлочноземельных металлов, в первую очередь — кальция, магния и железа, образующих соли жёсткости (карбонаты, сульфаты и т. д.);
• Водорода, свободные ионы которого образуются при растворении кислот (pH —водородный показатель кислотности воды).

Общая минерализация. Это концентрация вообще всех минералов, растворённых в воде. Она эквивалентна массе сухого остатка (в миллиграммах), образующегося при выпаривании одного литра образца водного раствора.

Фенольный индекс. Это массовая концентрация некоторых групп фенолов, реагирующих с 4-аминоантипирином. К этой категории относятся сам фенол, крезол и их изомеры.

И так далее и тому подобное: этих показателей качества воды — тьма! Если интересно, то можете ознакомиться с ними подробнее, например, в СанПиН для питьевой воды ^[1]. Главное, что вы должны понять, — чистоту воды можно измерить. Закрепляем эту мысль и идём дальше.

Какая вода нам нужна?

Если коротко — очень чистая, то есть максимально свободная от различных примесей. Но начнём немного издалека. По классификации, указанной в ГОСТ 17.1.1.04-80 ^[2], вода по целям использования бывает:

• Питьевой — для питья, приготовления пищи, гигиенических процедур, коммунально-бытовых нужд;
• Теплоэнергетической — для обогрева и обеспечения электроэнергией жилых и административных зданий, промышленных и сельскохозяйственных предприятий;
• Промышленной — для добывания из неё растворённых веществ в больших масштабах;
• Лечебной — очевидно, для лечения и профилактики различных заболеваний;
• Технической — проще говоря, для любых бытовых и производственных нужд, не относящихся к первым четырём категориям.

Для каждой из этих категорий установлены свои нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) различных веществ и микроорганизмов, кроме технической, потому что у неё слишком разное назначение, чтобы как-то стандартизировать состав.

И вот здесь начинается самое интересное. По логике питьевая вода — самая чистая из всех пяти категорий, потому что требования к ней наиболее жёсткие ^[1] из всех. Её употребляют внутрь люди, они же ею и моются. Если обобщить, то она не должна содержать ^[3] патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, их спор и яиц, радионуклидов, тяжёлых металлов (свинца, ртути), метильных групп, токсичных веществ первого класса опасности (например, фосфора, бензола) и т. д. Есть определённые требования по жёсткости и минерализации.

Вода из лужи ^[4] под микроскопом. Теоретически её тоже можно пить без особого риска, если предварительно очистить или уничтожить в ней инфузорий, амёб и прочие микроорганизмы. Но проверять это на практике всё же не советуем.

Вообще, если брать водопроводную воду, соответствующую нормам, то спокойно её пить можно даже без кипячения. Более того, она будет полезнее, чем чистая дистиллированная вода. Есть такая штука, как водно-солевой баланс организма, то есть соотношение между поступающими в него и выходящими из него солями. Этот баланс должен быть более-менее постоянным. Так вот, часть этих солей (а также других макро- и микроэлементов) должна поступать ^[5] с питьевой водой. А в чистой воде их нет, она, так сказать, «мёртвая». То есть будет выступать просто как растворитель. И если перепить такой водички, например, после марафонского бега или многочасового копания огорода на жаре, то может неслабо поплохеть ^[6] из-за нарушения водно-солевого баланса в организме.

Ионный баланс — один из важнейших параметров ^[7], необходимых для функционирования нашего организма. В норме при малейших отклонениях концентрации ионов срабатывает ряд механизмов, включающий регуляцию фильтрации мочи, потоотделения и другие системы. Но даже у этих систем есть свои пределы регуляции. Поэтому, если после потери значительного количества ионов калия и магния вы просто зальёте в себя химически чистую воду, то можете даже получить судороги из-за нарушения в возбуждении нейронов и мышечных клеток. При нагрузках лучше пить изотоники с нужными солями. Или хотя бы съесть банан: во всех плодах много калия.

С дистиллированной и обратно-осмосной водой связан вечный вялотекущий холивар на всех форумах, когда одни кричат о смертельной опасности деионизированной воды, а другие рассказывают, что пьют её уже 15 лет и вроде бы ничего. На самом деле отчасти правы обе стороны ^[8]. Вода после фильтра обратного осмоса не может выполнять роль источника необходимых для нашего организма ионов вроде кальция и магния. Всё так. Но это имеет существенное значение только в случае, если вы отвратительно питаетесь непонятными полуфабрикатами и сидите на однообразной диете. Если ваша еда разнообразна и полноценна, то вода вообще не является существенным источником минералов. Давайте посчитаем.

Потребность в кальции для взрослого человека составляет порядка 1 200 мг в сутки. Достаточно жёсткая водопроводная вода может содержать порядка 100 мг/л кальция в ионизированной форме. Как вы догадываетесь, выпить 12 литров воды за день и ассимилировать этот ион в нужном количестве у вас не получится. При этом 100 граммов выдержанного сыра будут содержать суточную норму кальция. Если добавить кунжут, зелень и другие продукты, то проблема будет исчерпана. Поэтому вывод простой: нормально ешь — нормально будет. Единственный реально существенный элемент, завязанный на воду, — это фтор. Он критичен с точки зрения созревания эмали зубов у детей и будет влиять на риски заболевания кариесом, поэтому в некоторых странах его дополнительно добавляют в молоко.

Другой момент, что в реальности водопроводная вода часто не соответствует заявленным нормам. Тот же Роспотребнадзор из года в год бьёт в набат, что во многих российских регионах эта проблема настолько велика, что вызывает повышенную заболеваемость населения различными отравлениями и кишечными инфекциями. Подробнее этот крик души можно почитать здесь ^[9].

Но, допустим, в водопроводе у нас вода соответствует санитарным правилам и нормам. Почему бы тогда не подключить наш заводик к подаче питьевой воды и не наслаждаться жизнью? Ответ прост: даже в этом случае она не будет соответствовать требованиям. Дело в том, что техническая вода для пищевой, медицинской и косметической промышленности должна быть гораздо чище той, которую мы пьём из-под крана. Причин для этого две:

• Безопасность и предсказуемость продукта. Когда мы готовим, например, суп, то не ссыпаем в кастрюлю всё подряд, надеясь, что из этого выйдет что-то толковое. Мы делаем это по определённому рецепту, берём только те ингредиенты, которые нам нужны, чтобы получить определённые вкус, цвет, консистенцию, питательность и т. д. Аналогично и в производстве косметики. Есть определённый рецепт средства, которого нужно придерживаться, чтобы оно в каждом флаконе было таким же, как во всей партии. А неочищенная вода содержит слишком много примесей, которые нарушат конечную рецептуру продукта и, соответственно, его потребительские свойства и безопасность. Более того, качество воды может меняться в зависимости от погоды: в холодную оно выше, а когда тает снег и идут дожди, заметно ухудшается. Все эти сезонные колебания, если их не компенсировать очисткой, будут делать качество и безопасность конечного продукта нестабильными.
• Сохранность сырья. Примеси в воде могут безнадёжно испортить конечный продукт. Жёсткая водопроводная вода имеет выраженную щелочную реакцию с pH в районе 8 за счёт большого количества гидрокарбонатов. Поэтому растворённые соли просто разрушат структуру геля, и покупатель получит непонятного вида массу, непригодную к использованию.

Удельная электропроводность водопроводной воды у нас на производстве — примерно 1 000–1 300 мкСм/см. У питьевой воды (очищенной домашним фильтром или бутилированной) этот показатель ещё меньше — 230 мкСм/см. Но для косметического и фармацевтического производств это всё равно очень-очень много примесей. Для нашей отрасли требование по этому показателю — не более 10 мкСм/см. То есть нам нужна деионизированная вода, максимально очищенная от заряженных частиц и микроорганизмов.

Как мы очищаем воду?

Итак, у нас по технологическому процессу есть определённые и весьма узкие «ворота» требований по качеству воды. То есть какой-то интервал, которого мы должны придерживаться, иначе не выполним технических условий по продукту. Поэтому на нашем заводике стоит система водоочистки, состоящая из нескольких уровней.

Предварительная водоподготовка. Задача системы на этом уровне — очистить воду от крупных нерастворимых примесей, растворённых газов (например, сероводорода), органических включений, солей, микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. На этом этапе вода проходит через:

• Угольный фильтр. Это, грубо говоря, большая колонна, в которую насыпан активированный уголь. Активированный — то есть предварительно обработанный паром или его смесью с углекислым газом под высокой температурой. Из-за этого уголь становится пористым и приобретает высокую поглощающую способность. Когда вода поступает в колонну и проходит через фильтр, нерастворимые и растворимые примеси поглощаются углём. Со временем его поры забиваются, поэтому такие фильтры нужно периодически менять.

Так ^[10] выглядит, устроен и работает промышленный угольный фильтр для очистки воды

• Ионообменник. Угольный фильтр отлично справляется с нерастворимыми частицами, газами, органическими примесями, но не очень хорошо — с ионами, на которые распадаются соли, кислоты, растворимые основания и т. д. Поэтому после него вода поступает в колонны, заполненные ионообменными смолами (иониты). Это такие пористые синтетические каркасы, содержащие заряженные кислотные или основные группы. Когда вода проходит через них, эти самые группы обменивают себя на содержащиеся в ней отрицательные или положительные ионы. В результате примеси в воде либо становятся растворимыми, либо выпадают в осадок, который потом извлекается, либо остаются в самой матрице.

Так ^[11] работает колонна для умягчения воды. Гидрокарбонат кальция, ответственный за временную жёсткость воды, в процессе обмена преобразуется в гидрокарбонат натрия, а ионы кальция остаются в матрице ионообменного материала.

У ионообменников есть два больших недостатка:

• Они очищают воду только от некоторых видов примесей — в основном солей железа, кальция и магния, ответственных за жёсткость. Кроме того, на выходе из колонны вода будет содержать ионы, которые до этого были в самом ионите. А они тоже нам не нужны.
• Со временем ионообменная смола теряет свой потенциал по мере истощения активных групп. Её нужно либо периодически регенерировать (так как ионные реакции обратимы), либо заменять на новую.

Поэтому сейчас ионообменные колонны используются только как дополнительное средство очистки. Общего количества растворённых солей они не уменьшают, а только меняют одни ионы на другие. Окончательно доводит воду до нужной нам кондиции следующий компонент нашей системы.

• Фильтры обратного осмоса. В них вода под высоким давлением проходит через полупроницаемую мембрану, которая пропускает её молекулы, но задерживает растворённые в ней примеси. Сегодня именно обратный осмос используется для финишной очистки воды.

Устройство и принцип ^[12] работы фильтра обратного осмоса

У нас таких фильтров стоит два: сначала — со степенью очистки 99,7 %, а потом — 99,3 %. Странно, да? Зачем ставить фильтр с меньшей очисткой после того, который очищает лучше? Вся проблема — в производительности:

• Фильтр на 99,7% действительно даёт изумительное качество воды — примерно 2,5-3 мкСм/см. Но при этом и производительность у него сравнительно небольшая — всего 9,1 м3/сутки. И то это максимум, на практике он выдаёт ещё меньше. Чтобы фильтр работал на полную катушку, нужно большее давление, но трубопровод такого не выдержит, он рассчитан на 16 атмосфер максимум, а нужно больше 20.
• Фильтр на 99,3% очищает не сильно хуже, но если бы мы использовали только его, то не уложились бы в заветные 10 микросименсов. А вот если его поставить на доочистку воды, которая прошла уже первый отбор, то это повысит общую производительность системы.

Вот и получается, что, объединив эти два фильтра в одну систему, мы получаем и хорошую производительность, и достаточное качество воды на выходе (4,5-5,5 микросименсов).

Пройдя три этапа очистки — уголь, ионообменники и обратный осмос, — вода поступает в три накопительные ёмкости, вмещающие по пять тонн каждая. Всего — 15 тонн. Вся эта система водоподготовки автоматизирована. То есть специальные датчики посекундно отслеживают чистоту воды, а контроллеры измеряют её уровень в баках. Когда он опускается ниже заданного предела, автоматически запускается водоподготовка и восстанавливает запас воды. Производительность системы — примерно 14 литров в минуту, или 840 литров в час. За восьмичасовой рабочий день очищается почти семь тонн воды. А то, что не успело за это время, добивается уже вечером и ночью, потому что система водоочистки работает круглосуточно. То есть воды у нас всегда достаточно и с хорошим таким запасом.

Как это всё обслуживается и ремонтируется?

На самом деле наша система водоподготовки довольно простая, в ней нет ничего такого, что сильно напрягало бы производственников в плане поломок, ремонта и обслуживания.

Да, нужно периодически менять фильтры. С угольными и ионообменными проблем нет, их полно и в России делают. С мембранами обратного осмоса чуть сложнее. На нашем производстве используются корейские, потому что так исторически сложилось: они были заложены в конструкции установки заводом-изготовителем. Мембраны имеют конкретные показатели очистки, и если их изменить, то нарушится работа установки. Если у нас хотя бы день водоочистка не будет работать как надо, то это прям очень грустно будет, большие провалы по производству. Никому это не нужно.

Так вот, из-за того, что используются корейские фильтры, в начале февраля, когда началась вся эта заварушка, на производстве ожидали определённых проблем с поставками. Поэтому заранее, пока была возможность (она, впрочем, и сейчас есть), мы просто заказали фильтры в Корее на несколько лет вперёд. Ну, точнее, не в самой Корее, а у российской компании-посредника, которая сама там закупается.

Вообще сначала новые фильтры нам поставлял завод-изготовитель системы. Если выходила из строя или «заканчивалась» мембрана, то коллеги просто звонили производителю нашей установки. Оттуда приезжали штатные инженеры с фильтрами и выполняли замену. Проблема была только в том, что квалификация у них стала не ахти какая. В определённый момент нашим инженерам стало проще взять у них фильтры и сказать: «Дальше мы сами, у вас руки растут не из того места». То есть производственники несколько раз посмотрели, как приезжие инженеры это делают, намотали на ус, поняли схему и порядок работы, а потом просто исключили их из процесса. Потому что зачем переплачивать кому-то, если наши сами могут сделать то же самое и лучше?

Поэтому два года назад наши нашли компанию-посредника, которая закупала такие же фильтры в Корее, и начали покупать у неё. Сейчас это делается за пару минут поиска в Гугле, не нужно месяцами бегать по разным поставщикам в поисках нужных комплектующих. А уже получив фильтры, производственники ставят их сами.

Конечно, есть вероятность того, что поставки из Кореи из-за всей этой канители вообще прекратятся. Но нашим инженерам нет повода волноваться по ряду причин:

• Во-первых, производство закупилось нужными фильтрами на два года вперёд. То есть даже при полном прекращении поставок и отсутствии альтернатив у компании есть достаточно времени, чтобы найти решение.
• Во-вторых, всегда можно подобрать аналогичные по характеристикам мембраны, но от другого производителя. Коллеги постоянно мониторят ситуацию на рынке, и говорят, что обратноосмотические фильтры вполне себе производит Китай, с которым проблем в плане поставок нет. Да, аналоги могут уступать по качеству, но тут уже нужно тестировать, чтобы подобрать подходящие.
• В-третьих, можно просто пересобрать систему под один тип мембран. В общем, с осмотическими мембранами в обозримом будущем проблем никаких нет. Единственное, что у коллег-инженеров иногда вызывает опасение, — это контроллеры. В принципе это не прям чтобы обязательная вещь. Наша система водоподготовки вполне может работать в полностью ручном режиме. То есть приходит утром оператор и включает водоподготовку, а если правильно рассчитать время включения-выключения — можно жить дальше, несильно напрягаясь, вот только тогда мы получаем «человеческий фактор», что не очень хорошо. Контроллеры в данном случае скорее просто делают нашу жизнь легче, автоматизируя этот процесс. На крайний случай можно аналогичное устройство на коленках на той же ардуинке собрать. Вариантов много на самом деле, проблема решаемая. Это если уж совсем какой-то апокалипсис будет и все заводы в мире встанут, то всегда есть ручной режим.

А если вам интересно, как мы разрабатываем новые средства, или вы хотите с нами пообщаться, то заглядывайте в телеграм-канал ^[13] с хрониками нашей уютной лаборатории.