Czysta woda - schemat oczyszczania

Szczegóły: Opublikowano: 23. November 2025

Czysta woda jest podstawą przetrwania i zdrowia. Niezależnie od tego, czy chodzi o wodę do picia, higieny, czy przemysłu, odpowiedni proces oczyszczania jest niezbędny. W artykule omówimy różne metody i schematy oczyszczania wody, aby zapewnić jej bezpieczeństwo i jakość.

Błony osmotyczne w procesie oczyszczania wody

Błony osmotyczne (inaczej: półprzepuszczalne) występują powszechnie w biologii oraz w przyrodzie. Bez tych błon nie byłoby możliwe życie ludzi, zwierząt oraz roślin. Naturalne błony osmotyczne, z którymi mamy do czynienia w przyrodzie, są bardzo cienkie i mają wyjątkowo dużą porowatość.

Pory te mają średnicę około 0,0001 μm, czyli bakteria średniej wielkości jest od nich 5000 razy większa. Nieprzypadkowo pory naturalnych błon osmotycznych są podobnej wielkości, jak cząstka wody. Natura miała swój powód, aby stworzyć błony z porami tak małymi jak cząsteczki wody.

Jeśli taką błoną rozdzieli się roztwory o różnych stężeniach, to cząsteczki wody zaczną tak długo "wędrować" z roztworu o mniejszym stężeniu do roztworu bardziej stężonego, aż stężenia te się wyrównają. Inny sposób wymieszania się tych roztworów (np. za pomocą dyfuzji) nie jest możliwy - ponieważ cząsteczki wody należą do jednych z mniejszych cząsteczek występujących w przyrodzie, niemal wszystkie cząsteczki substancji w niej rozpuszczonych są od nich większe.

Zjawisko osmozy naturalnej odkryto już w XVIII w., jednak próby wykorzystania go w technice długo się nie udawały. Wytwarzane na początku XX w. sztuczne błony z celulozy (w technice nazywane membranami) również okazały się zbyt mało trwałe i nie zdobyły powszechnego zastosowania.

Przeczytaj także: Różnice między czystą wodą a czystą wódką

Dopiero wynalezienie w 1952 r. membran osmotycznych z poliamidu wywołało na świecie wręcz kosmiczny rozwój technik membranowych do oczyszczania różnych płynów. Oczyszczanie wody przy użyciu tych membran jest dziś powszechnie stosowane do produkcji leków lub w szpitalach przy dializie nerek.

Membrany osmotyczne długo czekały na zastosowanie w domach i mieszkaniach prywatnych - początkowo hamulcem była ich wysoka cena. Jednak wraz z postępem w tej dziedzinie, a szczególnie po odkryciu miniaturowych modułów membranowych skręcanych spiralnie, rozpoczęła się, najpierw na Zachodzie, moda na domowe oczyszczanie wody do konsumpcji.

Moda ta zrodziła się w USA w 1965 r. Dlaczego w USA? Bo tam, na Uniwersytecie Kalifornijskim, wynaleziono nowoczesne membrany poliamidowe (1952 r.), które nadal są produkowane tylko w USA. Dziś nie możemy wyobrazić sobie oczyszczania wody bez odwróconej osmozy. Urządzenia osmotyczne są na wyposażeniu nie tylko statków kosmicznych czy okrętów wypływających w dalekie rejsy.

Zastosowanie membran osmotycznych

Membrany osmotyczne służą w technice do oddzielania roztworów różnych związków chemicznych lub koloidów. Jednym z najlepszych i najbardziej rozpowszechnionych w przyrodzie rozpuszczalników jest woda. Jeśli mówimy o oczyszczaniu wody, to inne membrany stosuje się w przemyśle farmaceutycznym i szpitalnictwie (np. przy dializach nerek), a zupełnie inne w przemyśle spożywczym oraz do produkcji wody pitnej.

Jeśli z kolei mowa o oczyszczaniu wody do celów pitnych, to inne membrany są stosowane do wody morskiej lub oceanicznej (w 1 litrze wody z Bałtyku mamy 35 000 mg rozpuszczonych związków chemicznych), a inne do wody kranowej lub studziennej.

Przeczytaj także: Czysta Woda: Regulamin konkursu

Porowatość domowych membran osmotycznych zwiększono w ostatnich latach dwukrotnie i obecnie pory te mają wielkość dochodzącą do 0,0002 μm. Dzięki temu zupełnie nowa membrana przepuszcza od 30 do 50% pierwiastków mineralnych zawartych w wodzie oczyszczonej, a średnio po roku jej pracy przechodzi 100% tych pierwiastków (tu korzystamy z tego, że jony wapnia, magnezu, sodu i potasu należą do najmniejszych, jakie są rozpuszczone w wodzie, i dlatego łatwiej przechodzą przez membranę).

Membrana osmotyczna do wody pitnej przepuszcza tylko czystą wodę oraz minerały w niej zawarte. Przez membranę osmotyczną przechodzi tylko część czystej wody zawartej w surowcu wyjściowym (woda kranowa lub studzienna) jest to, od 25 do 40%, zależnie od ciśnienia i temperatury wody oraz stopnia jej zanieczyszczenia.

Reszta, czyli chemicznie brudna woda, spłukuje powierzchnię membrany i przechodzi do ścieku. Nowa membrana osmotyczna na początku przepuszcza połowę pierwiastków mineralnych zawartych w wodzie kranowej lub studziennej, a po roku używania przechodzą przez nią w 100%.

Membrany osmotyczne do użytku domowego są zwijane spiralnie i dzięki temu w stosunkowo małej obudowie można zmieścić membranę o powierzchni kilku metrów kwadratowych. Brudna woda przepływa bardzo powoli przez siatkę nośną po zewnętrznej stronie membrany i tutaj, dzięki zjawisku osmozy odwróconej, następuje jej rozdział - czysta woda wraz z minerałami przechodzi przez membranę, płynie do rurki zbierającej i stamtąd kierowana jest do zbiornika, natomiast brudna woda przepływa do ścieku.

Zdecydowanie większe membrany i agregaty osmotyczne stosuje się do produkcji czystej wody w wytwórniach farmaceutycznych, szpitalach, przemyśle spożywczym, na statkach dalekomorskich oraz w wytwórniach do zaopatrywania w wodę pitną miast i osiedli. Obecnie działa na świecie kilkadziesiąt miejskich wytwórni, które wodę z oceanu przerabiają na wodę pitną.

Przeczytaj także: Filtracja wody ze zeolitem

Odwrócona osmoza

Odwrócona osmoza (ang. RO - Reverse Osmosis) jest procesem membranowym. Oznacza to, że jego działanie opiera się na przepuszczaniu wody przez półprzepuszczalną membranę pod wysokim ciśnieniem. W odróżnieniu od naturalnej osmozy, gdzie woda przepływa z roztworu o niższym stężeniu do roztworu o wyższym stężeniu, odwrócona osmoza wymusza przepływ wody w przeciwnym kierunku.

Procedura odwróconej osmozy wymaga użycia pompy wysokociśnieniowej, która wytwarza ciśnienie niezbędne do pokonania naturalnego ciśnienia osmotycznego. Typowe ciśnienie robocze w systemach odwróconej osmozy wynosi od 2,8 do 6 barów, w zależności od jakości wody surowej i wymagań dotyczących czystości wody oczyszczonej.

Systemy odwróconej osmozy zazwyczaj obejmują kilka etapów wstępnego oczyszczania wody, które mają na celu ochronę membrany i zwiększenie efektywności całego procesu. Kolejnym etapem jest filtracja węglowa, podczas której woda przechodzi przez wkłady z węglem aktywnym.

Jest to bardziej zaawansowany proces, gdyż pozwala on na usunięcie m.in. chloru, związków organicznych oraz innych substancji chemicznych, które mogłyby uszkodzić membranę RO. Kluczowym elementem systemu odwróconej osmozy stanowi membrana osmotyczna, przez którą przepływa woda pod wysokim ciśnieniem.

Składa się ona z wielu warstw półprzepuszczalnego materiału, które zatrzymują zanieczyszczenia i przepuszczają jedynie cząstki czystego H2O. Woda oczyszczona, czyli tzw. permeat, przechodzi przez membranę i jest zbierana do zbiornika na czystą wodę lub trafia bezpośrednio do kranu - zależy to od rodzaju odwróconej osmozy.

Odwrócona osmoza to zaawansowana i niezwykle skuteczna metoda uzdatniania wody, która znajduje szerokie zastosowanie zarówno w gospodarstwach domowych, jak i w przemyśle. Dzięki zdolności do usuwania szerokiego spektrum zanieczyszczeń, woda uzyskana w procesie RO jest czysta, bezpieczna i pozbawiona nieprzyjemnych smaków i zapachów.

Filtry w procesie oczyszczania wody

Membrana osmotyczna nie może być podłączona bezpośrednio do wody kranowej lub studziennej bez odpowiedniego zabezpieczenia, bo uległaby zbyt szybkiemu zużyciu (zatkałaby się). Zachodni turyści, jadąc na urlop do krajów z niepewną wodą, często zabierają membrany bez ochronnych filtrów wstępnych, ale po powrocie z urlopu wyrzucają je do kosza.

Membrany stosowane powszechnie w urządzeniach domowych wytrzymują średnio 5 lat, pod warunkiem że są chronione odpowiednio dokładnymi filtrami mechanicznymi oraz filtrami z wysokojakościowym węglem aktywnym. Porowatość filtrów mechanicznych nie może być większa niż 5 μm, a częstość ich wymiany jest zależna od mętności lokalnej wody oraz od ilości wody przepuszczanej przez dane urządzenie.

Węgiel aktywny musi być dostosowany do membran osmotycznych i nie każdy spełnia warunki narzucone przez ich producentów, dlatego po upływie tego okresu musi być wymieniany na nowy. Konieczność wymiany ochronnych filtrów węglowych co 6 miesięcy dotyczy zarówno filtra przed membraną (prefiltr), jak i za nią (postfiltr).

Najważniejszym warunkiem prawidłowej eksploatacji domowych urządzeń osmotycznych jest regularna wymiana co 6 miesięcy obu filtrów z węglem aktywnym. O częstotliwości wymian filtrów mechanicznych decyduje mętność lokalnej wody oraz jej zużycie, jednak liczbę tych filtrów oraz ich dokładność dobiera się tak, aby spełniały swoją rolę przez minimum 6 miesięcy.

Membrany osmotyczne mają różną wydajność, która kształtuje się od 2 do 10 litrów na godzinę, a ich trwałość wynosi średnio 5 lat. Podobnie maleją koszty wymienianych co 6 miesięcy filtrów ochronnych i wynoszą, zależnie od modelu urządzenia oraz od ich jakości, od 150 do 250 zł. Oznacza to, że przy zużyciu 10 litrów wody osmotycznej dziennie, kosztuje ona tylko 10 gr za 1 litr.

Fizyczne oczyszczanie wody

Fizyczne oczyszczanie wody jest przedmiotem badań wielu uczonych od ponad 20 lat. Podczas tego czasu udowodniono jego skuteczność. Istnieje wiele informacji dotyczących wysokiej skuteczności tego typu oczyszczania wody pochodzących od uznanych instytucji m. in. Instytut Fizjologii Uniwersytetu Ludwika Maksymiliana w Monachium.

W tej instytucji, wymiana laserów rurowych spowodowana odkładaniem się kamienia kotłowego podczas chłodzenia okazała się być do uniknięcia dzięki zastosowaniu urządzenia do fizycznego oczyszczania wody. Uzyskane wyniki potwierdzają skuteczność wyżej wymienionej metody, jednakże kwestia braku spodziewanych efektów także bywa podnoszona.

Celem stosowania tego typu oczyszczania jest usuniecie kamienia kotłowego. Z chemicznego punktu widzenia kamień kotłowy to węglan wapnia (CaCO3). Jest to biała substancja krystaliczna, trudno rozpuszczalna w wodzie.

Osadzanie się kamienia jest niekorzystne, ponieważ stwarza warunki korozyjne, a co za tym idzie wpływa więc na szybsze niszczenie rur i urządzeń. Kamień, osadzając się na rurach, zmniejsza ich przekrój, co jednocześnie powoduje zwiększenie prędkości wody - oba te czynniki wpływają na większe opory przepływu. Większe opory przepływu oznaczają większe spadki ciśnienia. Może się więc okazać, że woda nie dopływa w wystarczającym stopniu do wszystkich odbiorców.

Poza tym kamień ma małą przepuszczalność cieplną - osadzając się wewnątrz elementów instalacji grzewczej obniża jej wydajność, ponieważ mniej ciepła może przeniknąć przez pokryte kamieniem ścianki urządzeń. Warstwa kamienia kotłowego o grubości 1 mm powoduje zmniejszenie wydajności o ok.

Produkcja wody pitnej z wody powierzchniowej

Poniżej wyjaśniony jest proces produkcji wody pitnej. Wszystkie kroki przygotowywania wody pitnej są ponumerowane a numery odpowiadają numerom naniesionym na schemacie procesu produkcji wody pitnej znajdującym się pod opisem.

Etapy procesu produkcji wody pitnej:

Filtracja wstępna: Pobór wody ze źródła wód powierzchniowych lub gruntowych i magazynowanie w zbiornikach. Często podczas tych naturalnych procesów zachodzi zmiękczanie wody i proces dostosowania odczynu pH.
Szybka filtracja: Filtracja przez filtry piaskowe lub w niektórych przypadkach mikrofiltracja w filtrach bębnowych.
Dostosowanie odczynu pH: Dodatek tlenku wapnia oraz wodorotlenku sodu.
Flokulacja: Dodatek FeCl3 w celu wywołania flokulacji do usunięcia kwasów humusowych i zawieszonej materii stałej. "Kłaczki" sedymentują i są następnie usuwane w osadnikach płytowych. Następnie osad jest poddawany procesowi koncentracji i pompowany na zewnątrz w celu bezpiecznego składowania i odwodnienia.
Zmiękczanie: Zmiękczanie w zbiornikach, poprzez naturalne napowietrzanie lub z użyciem wodorotlenku sodu do poziomu 8,5 pH. Nie jest to zawsze konieczne. Na przykład, jeśli zostanie zastosowana filtracja naturalna, zmiękczanie zachodzi w naturalny sposób.
Filtracja naturalna: Infiltracja wody przez piaskowe wydmy w celu naturalnego oczyszczania. Nie jest to stosowane we wszystkich miejscach. Woda wchodzi do strefy wysyconej gdzie zlokalizowana jest woda gruntowa, a następnie zostaje poddana dalszemu oczyszczaniu biologicznemu. Jak tylko potrzebna jest do przygotowania wody pitnej, wydobywana jest za pomocą instalacji rurowych.
Dezynfekcja: Dezynfekcja z użyciem podchlorynu sodu lub ozonu. Zwykle preferowane jest ozonowanie, ponieważ ozon nie tylko zabija bakterie i wirusy, ale poprawia też smak i zapach wody oraz rozbija mikro-zanieczyszczenia. Ozon dyfunduje w wodzie w formie drobnych pęcherzyków i wnika w komórki mikroorganizmów na zasadzie dyfuzji przez ściany komórkowe. Niszczy mikroorganizmy albo poprzez zakłócenie procesu ich wzrostu lub zakłócenie funkcji oddychania i procesów transportu energii w ich komórkach. Podczas tych procesów ozon rozpada się wg następującej reakcji: O3 -> O2 +(O).
Filtracja przez filtry piaskowe: Powolna filtracja przez filtry piaskowe w celu usunięcia przemysłowej mętności i szkodliwych bakterii. Filtry piaskowe są każdego dnia płukane zwrotnie wodą i powietrzem.
Filtracja na węglu aktywnym: Filtracja na węglu aktywnym w celu dalszego usuwania materii wpływającej na smak i zapach wody i pozostałych mikro-zanieczyszczeń. Proces ten zachodzi kiedy woda przepływa przez warstwę granulowanego węgla aktywnego w filtrze. Płukanie zwrotne musi być regularnie przeprowadzane raz na rok w celu usunięcia zanieczyszczeń i reaktywacji węgla aktywnego.
Konserwacja i przechowywanie: Dodatek 0.3 mg/L podchlorynu sodu w celu zachowania otrzymanej jakości wody. Nie wszystkie firmy przeprowadzają chlorowanie produkowanej wody pitnej. Woda jest w końcowym etapie doprowadzana do konsumentów poprzez system rurociągów i pomp.
Napowietrzanie: Napowietrzanie w celu odzyskania zawartości tlenu po magazynowaniu. Nie zawsze aplikowane.
Przechowywanie: Pozostająca woda może być przechowywana w zbiornikach z wodą pitną.

Alternatywne metody oczyszczania wody

W sytuacjach awaryjnych lub w podróży, kiedy dostęp do zaawansowanych systemów uzdatniania wody jest ograniczony, można zastosować alternatywne metody oczyszczania wody.

Gotowanie: W warunkach europejskich wystarczy poczekać, aż woda się zagotuje, ale w innych regionach zaleca się podtrzymywanie wrzenia przez kilka minut, aby zneutralizować większość wirusów i bakterii.
Filtracja węglowa: Użycie filtrów węglowych w postaci bidonów, kubków lub specjalnych rurek do zasysania wody bezpośrednio ze źródeł. Należy jednak zachować ostrożność i używać tej metody w ostateczności.
SODIS (Solar Disinfection): Wykorzystanie promieni słonecznych (promieniowanie UV) do dezynfekcji wody. Wodę wlewa się do przezroczystych butelek i wystawia na słońce na kilka godzin.
Destylacja słoneczna: Ustawienie dużego naczynia z wodą w środku mniejszego, przykrytego szczelnie plandeką z przezroczystej folii. Woda paruje, skrapla się na plandece i spływa do mniejszego naczynia.
Tabletki do oczyszczania wody: Stosowanie tabletek zawierających substancje dezynfekujące, takie jak nadmanganian potasu.
Srebro: Wrzucenie srebrnego przedmiotu do zbiornika z wodą, aby zapobiec rozwojowi mikroorganizmów.

Wybór odpowiedniej metody oczyszczania wody zależy od jej źródła, stopnia zanieczyszczenia oraz dostępnych zasobów. Niezależnie od wybranej metody, kluczowe jest regularne monitorowanie jakości wody, aby zapewnić jej bezpieczeństwo i przydatność do spożycia.

Tabela: Porównanie metod oczyszczania wody

Metoda Oczyszczania	Zalety	Wady	Zastosowanie
Odwrócona Osmoza	Usuwa szeroki zakres zanieczyszczeń, poprawia smak i zapach	Wysokie zużycie wody, koszty początkowe	Gospodarstwa domowe, przemysł
Filtracja Węglowa	Usuwa chlor, związki organiczne	Wymaga regularnej wymiany filtrów	Gospodarstwa domowe, podróże
Gotowanie	Niszczy bakterie i wirusy	Nie usuwa zanieczyszczeń chemicznych	Sytuacje awaryjne, podróże
SODIS	Wykorzystuje energię słoneczną	Zależy od warunków pogodowych, nie usuwa chemikaliów	Podróże, regiony o ograniczonym dostępie do wody
Fizyczne oczyszczanie wody	Usuwa kamień kotłowy	Może powodować korozję rur	Instalacje wodociągowe

tags: #czysta #woda #schemat #oczyszczania