Любая природная вода содержит соли жесткости кальция Са2+ и магния Mg2+, которые при нагревании осаждаются на поверхностях различных бытовых приборов: стиральных и посудомоечных машин, чайников, кофеварок и т.п. Это в свою очередь приводит к снижению теплопередачи между нагревателем и водой, т.е. способствует увеличению времени нагрева и, в дальнейшем, провоцирует выход прибора из строя.
Еще одна отрицательная сторона жесткой воды — повышение риска отложения камней в почках и желчном пузыре [1] человека. В технике водоподготовки существуют различные приемы и методы, обеспечивающие снижение общей жесткости (ОЖ) природной воды. К сожалению, на станциях централизованного водоснабжения и водоподготовки умягчение питьевой воды зачастую проводится лишь до верхнего предела норматива, установленного ГОСТ 2874–82, т.е. до 7 мг-экв/л, хотя и при такой величине ОЖ при нагреве воды образуется накипь.
В связи с этим целесообразно использование устройств, обеспечивающих дополнительное умягчение воды в бытовых условиях. Одним из наиболее перспективных на сегодняшний день признан метод, при котором происходит изменение кристаллической структуры солей жесткости воды при фильтрации через полимеры пространственно-глобулярной структуры (ПГС). Этот феномен назван нами эффектом «квазиумягчения».
Авторами проведен комплекс исследований, позволяющих оценить квазиумягчающую способность фильтров, изготовленных на основе ПГС (выпускаются фирмой «Гейзер» под одноименной торговой маркой). Исследования проводились в Московской области на воде с величиной исходной ОЖ = 7,5 мг-экв/л. Позднее результаты экспериментов также подтвердились в ходе испытаний в городе Гатчине Ленинградской области (ОЖ = 7,5 мг-экв/л), а также в Твери (ОЖ = 5 мг-экв/л).
В качестве объектов исследования были выбраны фильтропатроны (ФП) объемом 600 мл, представляющие собой полые цилиндры микропористой структуры (размер пор 0,1–0,5 мк). ФП были предварительно насыщены кальцием и магнием. Затем через них пропускали воду со скоростью 3 л/мин. Пробы воды периодически отбирали, кипятили в течение двух минут, после чего два часа остужали в кристаллизаторе, таким образом с высокой степенью соответствия моделировали процесс приготовления воды в электрочайнике.
После фильтрации осадка определяли ОЖ воды после кипячения, а также количество и форму кристаллов осадка. Для сравнения анализировали пробы исходной воды. Дополнительно результаты сравнивали с аналогичными показателями воды, прошедшей через мембранный фильтр и магнитный умягчитель, поскольку для этих приборов предполагается сходное влияние на структуру осадков. Эффект квазиумягчения отмечен во всех типах устройств (ОЖ кипяченой воды на 0,2–0,8 мг-экв/л больше по сравнению с кипяченой исходной), хотя в случае применения мембран он минимален.
Величина рН воды несколько снижается после фильтрации через ПГС-полимеры и мембранный фильтр, что свидетельствует о присутствии в них остаточных ионообменных групп, способных к отщеплению Н+, даже после насыщения их кальцием и магнием, чего нельзя сказать о магнитном умягчителе. В воде, прошедшей через любой тип устройства, меняется кристаллическая структура выпадающего осадка.
Изменение структуры осадков в воде, прошедшей через ПГС-полимеры, подтверждают рентгенограммы образцов. Хотя осадки, выпавшие из горячей воды, прошедшей через мембранный фильтр и магнитный умягчитель, не подвергали столь детальному рентгенографическому анализу, визуальная информация, полученная с помощью оптического микроскопа, позволяет предположить, что и при использовании данных методов обработки воды определяющей структурной формой карбоната кальция является арагонит, т.к. его игольчатые кристаллы хорошо отличимы в видимом свете от призматических кристаллов кальцита.
Осадок карбоната кальция в форме арагонита объясняет повышенную жесткость кипяченой воды, прошедшей через фильтры, его растворимость в воде выше, чем у кальцита. Важно отметить, что осадок арагонита, в отличие от кальцита, не образует плотной корки накипи на поверхности нагревательных элементов и легко смывается потоком воды [4]. Параллельно проведенные исследования ученых Венского университета на жесткой воде Австрии (ОЖ = 5 мг-экв/л) также подтвердили эффект квазиумягчения и образования арагонита при кипячении воды, пропущенной через ФП.
Ими были сделаны следующие выводы. В воде соли жесткости находятся в виде ионов, окруженных гидратной оболочкой молекул воды. Рост кристаллов начинается, когда концентрация растворенного карбоната кальция в локальной зоне превышает его растворимость при данной температуре [4]. С другой стороны, насыщение ионообменных групп ПГС-смолы ионами Са2+ и Mg2+ вызывает обратный (правда очень незначительный) процесс их вымывания и замены на ионы Na+ и K+.
Тем не менее, на выходе из капилляров микропор ПГС-смолы возможно образование локальных зон с избыточной концентрацией ионов Са2+ (зон пересыщения). Соответственно в этих зонах может начаться рост кристаллов при нагревании. В большинстве случаев это кристаллы кальцита, но при достаточно сильном пресыщении по ионам Са2+ и недостатке по карбонатионам образуется арагонит. Из приведенных рассуждений также следует, что любая микропористая катионообменная смола должна обладать в той или иной мере эффектом квазиумягчения.
Однако изучение под оптическим микроскопом структуры осадка, полученного после кипячения воды, пропущенной через катионит, не показало явного увеличения содержания арагонита по сравнению с осадком исходной кипяченой воды. ОЖ также не изменилась. Возможно, это связано с тем, что через микропоры смолы проходит лишь часть исходной воды. Тем не менее, с точки зрения потребителя, заинтересованного в том, чтобы его бытовые приборы не обрастали накипью, можно сделать обоснованный вывод о том, что катионообменная смола не обладает эффектом квазиумягчения.
Наличие у воды, прошедшей через структуры ПГС-ФП, свойства уменьшать образование накипи (на рис. 3 это наглядно видно на примере спирали электрочайника) позволяет предположить, что и в живом организме может замедляться процесс отложения солей кальция (например, в виде камней в почках) при потреблении им такой воды. Сотрудниками Военно-медицинской академии им. Кирова (Санкт-Петербург) были проведены исследования влияния на организм белых крыс длительного употребления воды, квазиумягченной на ПГС-ФП.
Эксперименты проводили методом двойного слепого контроля с двумя группами крыс, находящихся на одинаковом пищевом рационе, в течение 28-ти дней. Животные контрольной группы получали жесткую воду (город Гатчина Ленинградской области, рН = 7,6, ОЖ = 7,6 мг-экв/л), а животные опытной группы — ту же воду, но прошедшую через ФП, предварительно насыщенный кальцием.
Во время исследования анализировали прирост массы тела крыс, их условно-рефлекторную деятельность, гематологические и биохимические показатели, а также выделительную функцию почек и структуру внутренних органов. Было установлено, что у крыс, получавших для питья нефильтрованную воду, в моче обнаружено повышенное содержание белка и измененных эритроцитов крови, что свидетельствует о нарушении фильтрационной функции почек.
При исследовании минерального осадка мочи крыс контрольной группы было установлено преобладание в нем кристаллов трипельфосфатов, карбоната кальция и цистеина, которые при регистрируемом уровне рН мочи способствуют образованию камней в почках. В то же время у крыс опытной группы подобные кристаллы не обнаружены, что позволяет сделать вывод о снижении риска камнеобразования при употреблении квазиумягченной воды.
Изменения минерального состава мочи у животных опытной группы, по-видимому, связаны с увеличением количества поступающего в организм кальция, что снижает степень выраженности фосфатурии. Различий в остальных системах и органах зафиксировано не было. Результаты изучения воздействия фильтрованной воды на крыс заставляют с достаточно высокой долей вероятности предположить, что и в случае длительного употребления людьми воды, квазиумягченной фильтропатронами, можно снизить риск образования камней в почках, т.к. выделительные системы крысы и человека близки по строению.
Высокая усвояемость кальция организмом человека в форме арагонита делает очищенную фильтром воду средством естественной профилактики дефицита этого иона, особенно в регионах с «мягкой водой».
