На них положите перегородку из ткани из конского волоса или кантонской фланели, вырезанную по размеру ведра. На нее рассыпьте слой животного угля, продаваемого оптовыми химиками как костяная чернь по цене около 5 пенсов за фунт. Выбирайте его размером с зерна пороха, а не в виде порошка. Этот слой должен быть 3 или 4 дюйма. Поместив вторую перегородку, добавьте 3 дюйма песка, как можно более чистого и мелкого. Те, кто имеет доступ к стекольщикам, должны покупать песок там, так как только с песком такого качества можно получить наилучшие результаты. На него положите еще одну перегородку и добавьте еще мелких камней или гальки — скажем, на 2 или 3 дюйма. Это служит грузом для удержания верхней перегородки на месте и завершает фильтр. Позволяя фильтрации происходить в восходящем, а не в нисходящем направлении, можно получить гораздо лучшие результаты.
Уголь, простой. — Все виды угля, но особенно животный уголь, полезны при создании фильтров и, следовательно, широко использовались для этой цели. Уголь, как хорошо известно, является мощным обесцвечивающим агентом и обладает в замечательной степени свойством извлекать органические вещества, органические красящие принципы и газообразные запахи из воды и других жидкостей. Было показано, что он лишает жидкости, например, их горьких принципов, алкалоидов, смол и даже металлических солей, так что его полезность в качестве среды, через которую можно пропустить любую подозрительную воду, несомненна. Единственный момент, который следует соблюдать, заключается в том, что он не сохраняет свою очищающую способность в течение долгого времени, поэтому любой фильтр, зависящий от него в своем очищающем принципе, должен либо обновляться, либо способность угля должна время от времени восстанавливаться, и это тем чаще, чем больше количество примесей, присутствующих в воде. Комбинированный фильтр из песка или гравия и гранулированного угля — хороший; но физическое или химико-физическое действие таких составных фильтров или другого хорошо известного фильтра, состоящего из твердой пористой углеродной массы, ничем не отличается от действия простых веществ, составляющих их; то есть такие комбинации или устройства — это скорее вопрос прихоти или удобства, чем повышенной эффективности.
Эксперименты по фильтрации воды через животный уголь проводились на водоснабжении компании New River Company в 1866 году, и они показали, что большая доля органических веществ была удалена из воды. Эти эксперименты были впоследствии повторены в 1870 году с водой из Темзы, поставляемой в Лондоне, которая содержит гораздо большую долю органических веществ, и в этом случае животный уголь также удалил большую долю примесей. Однако при продолжении использования фильтра с водой из Темзы стало очевидно, что загрязняющее вещество, удаленное из воды, только накапливалось в порах угля, ибо по прошествии нескольких месяцев оно развило огромное количество анималькулей, которые проходили из фильтра вместе с водой, делая последнюю более загрязненной, чем она была до фильтрации. Профессор Франкленд сообщил в 1874 году об этих экспериментах следующее: «Мириады мелких червей развивались в животном угле и проходили вместе с водой, когда эти фильтры использовались для воды из Темзы и когда уголь не обновлялся через достаточно короткие интервалы. Свойство, которым животный уголь обладает в высокой степени, способствовать росту низших форм органической жизни, является серьезным недостатком его использования в качестве фильтрующей среды для питьевых вод. Животный уголь может использоваться с безопасностью только для вод значительной начальной чистоты; и даже при таком использовании важно, чтобы он обновлялся через частые интервалы, не просто промывкой, а фактическим прокаливанием в закрытом сосуде. Действительно, достаточно частое обновление фильтрующего материала является абсолютно необходимым условием во всех фильтрах».
9. 10. Фильтры Аткинса
На рис. 9 показан фильтр Аткинса, в котором a — нефильтрованная, а b — отфильтрованная вода, c — блок угля, сформированный путем смешивания порошкообразного угля со смолой или канифолью, формования и прокаливания. Фильтр можно разобрать на части, и его можно легко и часто чистить. Блок в таких случаях следует соскабливать, промывать, кипятить и прокаливать.
На рис. 10 показана другая форма фильтра Аткинса, в которой используется порошкообразный уголь, удерживаемый между подвижными перфорированными керамическими пластинами.
11. 12. Фильтры Сойера.
На рис. 11, 12 представлены фильтры Сойера, в которых a — нефильтрованная вода; b — отфильтрованная вода; c — полый угольный конус; d — кран для отфильтрованной воды; e — кран для осадка; f — масса гранулированного угля. Самая важная особенность здесь — восходящая фильтрация.
Уголь модифицированный. — Было предложено несколько веществ для комбинации с углеродом, чтобы улучшить его фильтрующую способность или увеличить его способность уничтожать микробы.
13. Силикатированный углерод. 14. Силикатированный углерод.
Силикатированный углерод. — Это была одна из самых ранних модификаций простого углеродного блока. Рис. 13, 14 показывают соответственно формы, принятые для нисходящей и восходящей фильтрации. В первом случае емкость из каменной керамики разделена на две части диафрагмой, на которой с помощью фарфоровой опоры закреплен блок из силикатированного углерода, полностью закрывающий отверстия в диафрагме. Верхняя поверхность и углы фильтрующего блока непористые, следовательно, вода должна входить по краям и следовать курсу, указанному стрелками, прежде чем она сможет достичь отсека для чистой воды внизу. При очистке фильтра достаточно отвинтить гайку, после чего блок можно вынуть и замочить в кипящей воде, после чего поверхность можно очистить щеткой.
В «Армейском медицинском отчете» о фильтрах, использующих углерод в пористых блоках, говорится: «Это мощные фильтры поначалу, но они склонны засоряться и требуют частого соскабливания, особенно при использовании загрязненных вод. Вода, отфильтрованная через них и хранящаяся, показывает признаки образования низших форм жизни, но в меньшей степени, чем при использовании рыхлого угля. Через некоторое время очищающая способность заметно снижается, и вода, оставленная в контакте с фильтрующей средой, склонна снова впитывать загрязнения, хотя, возможно, в меньшей степени, чем в случае с рыхлым углем». Преимущества сочетания кремнезема с углеродом на первый взгляд не очевидны.
15. Фильтр Меньена.
Меньен комбинирует уголь с известью, чтобы получить соединение, которое он называет «carbo-calcis». В то же время он использует асбестовую фильтрующую ткань. Устройство его фильтра показано на рис. 15. Полая коническая перфорированная рама a покрыта асбестовой тканью b; c — слой мелко измельченного carbo-calcis, осажденного автоматически путем смешивания с первой водой, налитой в фильтр; d — гранулированный carbo-calcis, заполняющий пространство между c и стенками вмещающего сосуда; e — нефильтрованная вода; f — отфильтрованная вода; g — трубка для впуска воздуха для аэрации воды и исправления обычно пресного вкуса отфильтрованной воды. Этот фильтр обладает замечательной силой; вино, пропущенное через него, выйдет бесцветным и безвкусным. Более того, очистка и обновление фильтрующих сред предельно просты.
Профессор Бернейс из больницы Святого Фомы получил патент на новый фильтрующий материал, состоящий из угля, комбинированного с восстановленным оксидом марганца. Хорошо известное очищающее действие угля (животного и растительного), который в своем обычном состоянии подвержен определенным трудностям и возражениям, в этом изобретении дополнено и улучшено путем нагревания его в закрытых тиглях с 5–15 процентами или более порошкообразного черного оксида марганца (минерал пиролюзит), вместе с очень небольшим количеством какого-либо фиксированного масла, смолы или жира. Установив, что простое смешивание диоксида марганца с углем без предварительного нагревания не имеет полезности в качестве фильтрующей среды и даже вредно из-за уменьшения пористости угля, профессор Бернейс разработал вышеуказанный метод с целью окисления водорода и других окисляемых примесей угля, и, следовательно, приближения его к чистому углероду в состоянии, аналогичном по эффективности платиновой черни, а не в его обычном менее мощном сходстве с губчатой платиной. Нагревание, конечно, происходит без доступа воздуха, и температура достаточно высока, чтобы вызвать восстановление диоксида марганца по крайней мере до оксида марганца-марганца, который впоследствии действует как носитель кислорода и тем самым значительно продлевает очищающее действие среды. Другой метод получения угля в комбинации с оксидом марганца-марганца заключается в насыщении угля хлоридом марганца (или даже марганцевыми остатками) и последующем подвергании его сильному нагреву в закрытых тиглях. Уголь, приготовленный вышеуказанным способом, может использоваться при фильтрации воды слоями с песком и другим фильтрующим материалом обычным образом.
Фильтрующий материал, который обладает всеми свойствами животного угля и, как говорят, дает более высокие результаты, — это магнитный карбид, открытый Спенсером много лет назад и состоящий из закиси железа в химическом соединении с углеродом. Считается, что очищающий эффект производится его способностью притягивать кислород к своей поверхности без воздействия на последнюю, при этом притянутый таким образом кислород превращается в озон, которым поглощаются органические вещества в воде.
Не может быть сомнений в ценности этого фильтрующего материала. Его производство очень просто, так как он получается путем обжига железной руды гематита с гранулированным углем в течение 12–16 часов при тускло-красном калении и используется в гранулированной форме. Другой способ изготовления этого материала — нагревание гематита (красного оксида железа) с опилками в закрытом сосуде. Продукт является магнитным и никогда не теряет своей активности, пока поры не засорятся. Компания Southport Water Company сформировала свои фильтрующие слои из этого материала, и после многих лет использования он все еще дает удовлетворение.
Железо. — Из экспериментов, проведенных путем фильтрации воды через губчатое железо на мясо, было обнаружено, что через 6 недель мясо оставалось свежим. Другой тест был проведен путем приготовления настоя сена, который выдерживался до тех пор, пока не показал обилие органической жизни. Настой фильтровали через губчатое железо со слоями пиролюзита, песка и гравия, а затем держали в контакте с мясом в течение многих недель. Мясо не показало признаков гниения. В некоторых экспериментах подавался отфильтрованный воздух, что убедительно доказывает, что бактерии или их зародыши не оживают при подаче кислорода после фильтрации; это результат, имеющий значение, так как он демонстрирует, что при фильтрации через губчатое железо гниение органических веществ не только приостанавливается на время, но и прекращается полностью до тех пор, пока не будет восстановлено каким-либо гнилостным агентом, чуждым воде. Своеобразное действие губчатого железа, как полагают, объясняется следующим образом. Если вставить стержень в массу губчатого железа, которая находилась в контакте с водой некоторое время, можно увидеть, как выходят пузырьки газа. Обнаружено, что они содержат углерод и водород, и эксперименты приводят к выводу, что углерод обусловлен разложением органических веществ.
Материал был внедрен для целей фильтрации несколько лет назад профессором Бишофом. Его обычный портативный бытовой фильтр состоит из внутреннего, или губчато-железного, сосуда, покоящегося во внешнем корпусе. Последний содержит «подготовленный песок», регуляторное устройство и емкость для отфильтрованной воды. Нефильтрованная вода в этой форме фильтра в основном подается из бутылки, которая переворачивается в верхнюю часть внутреннего сосуда. После прохождения через массу губчатого железа вода поднимается через переливную трубу. Цель этого — держать губчатое железо, однажды намокшее, постоянно под водой, так как в противном случае, при попеременном воздействии воздуха и воды, оно слишком быстро окисляется.
При выходе из внутреннего сосуда вода содержит незначительный след железа в растворе в виде карбоната или гидрата закиси железа, который отделяется подготовленным песком внизу. Он состоит обычно из 3 слоев, а именно, начиная сверху, из пиролюзита (черного оксида марганца), песка и гравия. Первый окисляет протосоединения железа, делая их нерастворимыми, после чего они механически задерживаются песком внизу. Пиролюзит также оказывает окисляющее действие на аммиак, превращая его более или менее в азотную кислоту.
Регуляторное устройство находится под перфорированным дном, на котором покоится подготовленный песок. Оно состоит из жестяной трубки, открытой с внутреннего конца и закрытой винтовыми крышками с внешнего конца. Трубка герметично вцементирована во внешний корпус и сплошную перегородку под упомянутым перфорированным дном. Она снабжена перфорацией в своей стороне, которая образует единственную связь между верхней частью фильтра и емкостью для отфильтрованной воды. Поток воды таким образом контролируется размером такой перфорации. Если перфорация засорится, можно ввести проволочную щетку после снятия винтовой крышки и очистить трубку. Таким образом, хотя пользователь не имеет доступа к перфорации, позволяющей ему вмешиваться в нее, он имеет свободный доступ для очистки. Еще одно преимущество регуляторного устройства заключается в том, что при первом запуске фильтра материалы можно быстро промыть, не загрязняя емкость для отфильтрованной воды. Это делается путем отвинчивания винтовой крышки, когда вода выходит через внешнее отверстие трубки, а не через боковую перфорацию.
Различные модификации, конечно, должны были быть внесены в конструкцию фильтров из губчатого железа, чтобы удовлетворить множество требований. Так, когда фильтры снабжаются поплавковым клапаном от постоянного источника или от резервуара достаточной емкости, внутренний сосуд не используется, так как поплавковый клапан обеспечивает то, что губчатое железо остается покрытым водой. Это делает фильтры проще и дешевле.
Поскольку действие губчатого железа зависит от того, остается ли оно покрытым водой, в то время как материалы, которые используются, возможно, во всех других фильтрах, теряют свое очищающее действие очень скоро, если их время от времени не осушать, чтобы подвергнуть воздействию воздуха, первое особенно подходит для цистерновых фильтров.
Цистерновые фильтры часто конструируются с верхом, привинченным к корпусу фильтра с помощью фланца и болтов, при этом U-образная труба проходит вниз от этого верха почти до дна цистерны. Эта трубка иногда подает нефильтрованную воду или в некоторых фильтрах отводит отфильтрованную воду, когда используется восходящая фильтрация. Этот план дефектен, потому что он практически не дает доступа к материалам; и если верх не соединен идеально плотно, нефильтрованная вода при восходящей фильтрации может быть засосана через соединение, не проходя вообще через материалы. Это исправляется неплотным окружением корпуса фильтра цилиндрической мантией из цинка, которая закрыта сверху и открыта снизу. Предполагая, что корпус фильтра покрыт водой, а мантия помещена поверх корпуса, воздушный клапан затем открывается в верхней части мантии, когда воздух выходит, заменяясь водой. После привинчивания клапана обратно фильтр снабжается водой с помощью сифонного действия, происходящего между мантией и корпусом фильтра и колонной отфильтрованной воды, которая проходит вниз от дна фильтра к нижним частям здания. Эти фильтры снабжены регуляторным устройством по тому же принципу, что и обычные бытовые фильтры. Промывка материалов при запуске фильтра легко выполняется путем переключения 2 запорных кранов, один из которых ведет к регулятору, другой — к сливной трубе.
Использование губчатого железа теперь применено в больших масштабах к воде, полученной из реки Нетте, для снабжения города Антверпена. Доктор Франкленд посетил Антверпенский водопровод в Ваэльхейме, примерно в 15 милях выше этого города, и сообщил о результате своего расследования. Он придает особое значение тому факту, что фильтрация через губчатое железо «абсолютно губительна для бактерий и их зародышей», и он считает, что это было бы «неоценимым благом для Метрополии, если бы вся вода, поставляемая из Темзы и Ли, подвергалась этой обработке в отсутствие нового источника снабжения из безупречных источников».
Многие препараты железа давно известны тем, что обладают очищающим влиянием на воду, содержащую органические примеси. Так, Шерер много лет назад рекомендовал раствор сульфата железа, когда примеси присутствовали в большом количестве. Еще позже был предложен хлорид железа как подходящий, соль которого осаждалась в присутствии органических веществ в виде оксида железа, при этом образовавшийся оксид действовал также механически на взвешенные примеси в процессе осаждения, очень похоже на то, как яичный белок действует при осветлении жидкостей, когда он коагулирует и уносит примеси с собой на дно. Другие препараты железа имеют аналогичное действие, особенно диализованное железо, в то время как несколько окисляющих агентов, таких как перманганат калия, также хорошо известны тем, что обладают мощным эффектом на органические примеси. Сразу будет видно, однако, что все такие вещества недопустимы в качестве фильтрующих сред или очищающих агентов для питьевых вод по той причине, что в случае по крайней мере некоторых из упомянутых агентов происходят разложения, которые сами по себе могут оказаться опасными, в то время как в случае всех избыток (а избежать избытка было бы почти невозможно) очищающего агента был бы столь же плох и сделал бы воду совершенно непригодной для бытовых целей. Было обнаружено, однако, что различные виды природной породы, содержащей закись железа, осуществляют фильтрацию воды очень полно, и Спенсер, действуя на этой идее, после экспериментов обнаружил, что когда закись железа была выделена как магнитный оксид, она как освобождала воду от мутности, так и осуществляла обесцвечивание очень быстро. Так, болотная вода, темная, как портер, при фильтрации через него быстро теряла свой цвет и становилась прозрачной и сладкой, при этом углекислый газ, выделяющийся в процессе разложения, скорее способствовал улучшению воды. Очищающая способность магнитного оксида не ухудшается при использовании. Оксид покрывается слизистым осадком из-за отложения разложившихся органических веществ, но после его удаления он так же мощен в своем очищающем действии, как и прежде. К сожалению, эта железная порода не встречается в природе в какой-либо степени, но факт ее действия был определен, Спенсер продолжил свои эксперименты с результатом, что теперь она может быть произведена искусственно и формирует один из самых эффективных и полезных фильтров для бытовых целей.