Представляемый на конкурс цикл работ “посвящен” актуальнейшей задаче современной цивилизации – задаче получения чистой питьевой воды. В рамках решения этой технико-экологической задачи значительный интерес вызывает очистка воды методом замораживания (перекристаллизации). В настоящей работе рассматриваются возможности применения этого метода в “домашних” условиях с точки зрения физико-химии.

Вода, приготовленная методом перекристаллизации, получается расплавлением льда, который образуется после того, как приблизительно 50% исходной воды замёрзло. Общепринятое понятие полученной таким способом воды получило название талой. Помимо чисто технического интереса к такому способу очистки воды, пристальное внимание к талой воде связано с особыми уникальными свойствами, которые ей якобы присущи. Действительно, в литературе (не академической) описываются многочисленные факты применения талой воды: от медицины до сельского хозяйства. При этом о случаях негативного влияния её применения никогда не сообщается. В связи с этим существуют многочисленные рекомендации (в частности, широко рекламируемые медицинские и, к сожалению, зачастую противоречивые по способу приготовления) по использованию талой воды.

Физико-химические свойства талой воды систематически не изучались. Имеется всего 2 публикации в академических журналах. В этих работах было найдено различие величин диэлектрической проницаемости и концентрации перекиси водорода для образцов исходной и талой вод. Также естественным представляется, что одним из параметров, которым талая вода могла бы отличаться от исходной, является концентрация примесей. В талой воде должно быть заметное уменьшение концентрации растворённых поллютантов (загрязнителей) относительно исходной, поскольку в настоящее время надёжно установлено, что растворимость примесей во льду значительно ниже, чем в воде. Действительно в работах (кстати, всего в 2), в которых изучалось изменение концентрации примесей воде в результате применения процедуры замораживание-размораживание, было показано, что применение этой процедуры приводит к уменьшению концентрации органических (альдегиды; Н.Лаврик, Г.Дульцева,1996) и неорганических примесей (NaCl; J.Oughton, S.Hu., 2001).

Цель настоящей работы заключалась в количественном изучении эффективности очистки воды от различных поллютантов с помощью метода перемораживания в условиях получения льда, обычно рекомендуемых в литературе: замораживаемый объём около 0.5 литра, температура –17⁰С. Объектами исследования (типичные загрязнители, от которых обычно очищают воду) были природные нерастворимые примеси (частицы дисперсной фазы), растворимые органические примеси (остатки гуминовых кислот) и искусственно добавленные растворимые органические и неорганические примеси. Для определения эффективности очистки воды от примесей были выбраны такие физические методы, которые наиболее просто, прямо и адекватно позволяют получать информацию об их концентрации. Таковыми методами были весовой, флуорометрия и спектрофотометрия.

В результате было установлено, что в условиях, рекомендуемых для получения талой воды, для гидрофобных органических и всех неорганических примесей уменьшение её концентрации после однократного применения метода замораживание – размораживание не превышает нескольких десятков процентов. Насколько этот эффект является решающим обстоятельством для того, чтобы вода приобретала уникальные свойства, должны показать дальнейшие (встречные) эксперименты. С точки зрения опреснения солоноватых вод – этот метод тоже малоэффективен и применять его, например, в районах Приазовья или полярникам, замораживая слабосолёную океанскую воду, не имеет смысла.

Напротив, если молекулы обладают гидрофильными свойствами, то степень очистки может составлять сотни процентов. Это обстоятельство позволяет думать, что для воды с такими свойствами (например, все нефтеносные районы севера Сибири или отдельные районы Ленинградской области) этот метод как способ получения более чистой воды можно уверенно рекомендовать.

Цикл состоит из 4 публикаций. В них систематически и последовательно рассматриваются вопросы эффективности очистки воды от нерастворимых и растворимых примесей. Ниже приводятся краткие аннотации этих публикаций.

№1. Люминесцентный паспорт воды. (Химия и жизнь, 2001, 4,42-43).

В работе демонстрируется возможности метода флуоресценции для регистрации следовых количеств органических примесей в воде на примере водных растворов гуминовых кислот, которые являются основными органическими природными поллютантами.

№2. Исследование эффективности очистки воды от частиц дисперсной фазы методом полного замораживания. (Химия в интересах устойчивого развития, 2001,9,727-730).

Изучена эффективность метода замораживание - размораживание для частиц дисперсной фазы. Установлено, что в результате одного цикла замораживания степень очистки составляет не более 30%. Показано, что для практически полного удаления этих частиц необходимо повторить цикл около 15 раз. Оценено уменьшение времени седиментации частиц после применения метода замораживание – размораживание относительно естественного времени седиментации, которое составило около 275 раз, что соответствует укрупнению частиц после применения этого метода в 16.5 раза. Экспериментальный метод - весовой.

№3. Возможность очистки воды от растворимых примесей СаСО₃ с помощью метода перекристаллизации при –17^оС. (Химия в интересах устойчивого развития, 2003,11,863-867).

Экспериментально показано, что применение метода замораживание-размораживание (перекристаллизация) для очистки воды от растворимых количеств СаСО₃ в условиях рекомендуемого приготовления талой воды (замораживание водного объёма ~ 0.5 л при –17^оС) не эффективно. Максимальная степень очистки после применения одного цикла замораживание-размораживание не превышала 50 %. Это связано с очень хорошей “вмораживаемостью” этой соли в лёд благодаря высокой скорости замораживания. Высокая скорость замораживания приводит к образованию дендритных структур, в которых концентрируются молекулы примесей. Экспериментальный метод - весовой.

№4. Возможность очистки воды от растворённых гидрофобных и гидрофильных органических примесей методом замораживания при –17⁰С. (Химия в интересах устойчивого развития, 2004,12, 61-65).

Экспериментально изучена возможность применения метода замораживание-размораживание для очистки воды от растворимых органических примесей при температуре –17⁰С. Установлено, что степень извлечения обычных растворимых органических примесей (ароматические молекулы) в результате применения одного цикла замораживание-размораживание не превышает 30% (молекулы склонные к гидрофобным взаимодействиям). Кроме того, показано, что метод замораживания для очистки воды от растворимых примесей может быть весьма эффективным для молекул, обладающих низкой степенью гидрофобности. Это показано на примере водных растворов пирен-производных молекул и частично разрушенных макромолекул гуминовых кислот. Экспериментальные методы - абсорбция и флуоресценция.