Odwrócona Osmoza i Demineralizacja Wody: Zasada Działania i Zastosowania
- Szczegóły
Pierwsze próby użycia półprzepuszczalnych membran w celu oczyszczania wody zostały podjęte niemal 270 lat temu. Technologia jednak była mało rentowna i mało efektywna by wprowadzić ją na szerszą skalę. Przełom w badaniach nastąpił w połowie wieku XX, kiedy to udało się przy pomocy odwróconej osmozy przekształcić wodę morską w wodę pitną, pełnowartościową i zdatną do wykorzystania. Ruszyła lawina prac naukowych, która dzięki wykorzystaniu porowatych membran dopracowała system odwróconej osmozy. Chociaż badania dotyczące filtracji wody wciąż trwają i stale się rozwijają, to w obecnej chwili właśnie odwrócona osmoza jest uważana za najdoskonalszy sposób oczyszczania wody. Dzięki wysokiej skuteczności oraz szerokiemu zastosowaniu jest to także najczęściej wykorzystywana metoda do filtracji wody, stosowana przez światowe koncerny produkujące wodę butelkowaną.
Zasada działania odwróconej osmozy
Podstawą procesu odwróconej osmozy jest zjawisko osmozy naturalnej, które polega na samorzutnym przenikaniu rozpuszczalnika przez membranę półprzepuszczalną w kierunku roztworu o większym stężeniu (w przypadku gdy układ tworzą roztwór i rozpuszczalnik lub dwa roztwory o różnym stężeniu). Ciśnienie zewnętrzne równoważące przepływ osmotyczny zwane jest ciśnieniem osmotycznym charakterystycznym dla danego roztworu. Jeśli po stronie roztworu wytworzy się ciśnienie hydrostatyczne wyższe niż osmotyczne, rozpuszczalnik będzie przenikał z roztworu bardziej stężonego do rozcieńczonego, a więc odwrotnie niż w przypadku osmozy. Taki proces nazywamy odwrócona osmozą (z ang. reverse osmosis, RO). Proces ten pozwala na oddzielenie rozpuszczalnika od substancji rozpuszczonych nawet o stosunkowo niskiej masie cząsteczkowej, np. sole i cukry. Stosowane ciśnienie transbłonowe w tym procesie jest wysokie ze względu na wysoką wartość ciśnień osmotycznych rozdzielanych roztworów i wynosi 1,5-10 MPa. Dobór odpowiedniej membrany związany jest z powinowactwem rozpuszczalnika do materiału membrany, mniejszą rolę odgrywa zaś wielkość porów, bowiem mechanizm separacji opiera się na rozpuszczaniu i dyfuzji.
Odwrócona osmoza należy do procesów membranowych pozwalających na oddzielenie zanieczyszczeń rozpuszczalnych i koloidalnych (0,1 - 0,001 µm) znajdujących się w wodzie. Siłą napędową w osmozie jest różnica stężeń rozpuszczonych soli w roztworach rozgraniczonych przez membranę. Przyłożenie, po stronie roztworu bardziej stężonego, odpowiednio wysokiego ciśnienia zewnętrznego spowoduje przepływ wody w kierunku przeciwnym do naturalnego. Proces taki nazywamy odwróconą osmozą. Woda po systemie odwróconej osmozy jest prawie całkowicie odsolona. Gazowe składniki wody takie jak tlen czy dwutlenek węgla przechodzą przez membranę. Wysokociśnieniowa pompa w sposób ciągły podaje wodę do obudowy, w której zainstalowana jest półprzepuszczalna membrana. Strumień wody zasilającej jest rozdzielany na dwa strumienie: permeat (o niskiej zawartości soli) oraz koncentrat (zatężone sole). Zawór koncentratu służy do regulacji stosunków tych strumieni oraz pozwala utrzymać ciśnienie na membranach. Wielkość ta wynosi 50 - 80%. Odzysk równy 75% oznacza, że strumień permeatu stanowi 75% ilości wody zasilającej, co oznacza również prawie 4-krotnie większe stężenie soli w koncentracie niż w wodzie zasilającej.
Odwrócona osmoza w swojej technologii wykorzystuje osmotyczną membranę, którą tworzą otwory o wielkości 0,0005 mikrona. Woda filtrowana przez ten mechanizm jest nieskazitelnie czysta ponieważ z powodzeniem zatrzymuje wszelkie bakterie (wielkość 0,2-1 mikrona) oraz wirusy (wielkość 0,2-0,4 mikrona). Membrany wykonywane są z różnego rodzaju materiałów, są półprzepuszczalne i wyposażone w mikropory o różnej gęstości i wielkości.
System odwróconej osmozy wykorzystuje podczas procesu oczyszczania wody filtr węglowy, membranę osmotyczną, pojemnik przechowujący czystą wodę oraz układ pompowy do dystrybucji wody uzdatnionej.
Przeczytaj także: Demineralizacja wody: kluczowe informacje
Elementy systemu odwróconej osmozy
- Filtr węglowy
- Membrana osmotyczna
- Pojemnik na czystą wodę
- Układ pompowy
Zastosowanie odwróconej osmozy
Znaczna redukcja szerokiego spektrum zanieczyszczeń wprowadziła odwróconą osmozę do domów klientów indywidualnych, którzy chcieli cieszyć się filtrowaną wodą płynącą prosto z domowych kranów. Spośród obecnie dostępnych technologii, tylko ta metoda zapewnia usunięcie zanieczyszczeń o wielkości nawet pojedynczego jonu. Dzięki wysokiej zdolności do uzdatniania wody oraz przede wszystkim oczyszczania ścieków przemysłowych jest ona powszechnie stosowana w stacjach obsługujących przemysł spożywczy, papierniczy oraz galwaniczny.
Odwróconą osmozę zastosowano po raz pierwszy do odsalania wody morskiej w 1953 roku (na potrzeby statków odbywających długie podróże), zaś do przemysłu została wprowadzona w latach sześćdziesiątych po opracowaniu przez Loeb’a i Sourirajana technologii wytwarzania wydajnych i selektywnych membran asymetrycznych na szeroką skalę.
Zastosowanie w przemyśle
- Przemysł spożywczy
- Przemysł papierniczy
- Przemysł galwaniczny
- Odsalanie wody morskiej
Demineralizacja wody
Demineralizacja wody w przemyśle stanowi zazwyczaj ostatni etap jej uzdatniania. Można ją przeprowadzić różnymi metodami, m.in. Proces demineralizacji wody polega na całkowitej redukcji stężenia rozpuszczonych w niej soli mineralnych, a co za tym idzie, prowadzi do zmniejszenia jej przewodności. Woda poddana demineralizacji może być wykorzystywana w ramach procesów produkcyjnych i technologicznych. W praktyce przemysłowej demineralizacja wody polega na usunięciu jonów takich jak wapń (Ca2+), magnez (Mg2+), sód (Na+), chlorki (Cl-) czy siarczany (SO42-), które mogą wpływać negatywnie na funkcjonowanie urządzeń i powodować zanieczyszczenie procesów przemysłowych. Optymalna metoda demineralizacji dobierana jest m.in. W zastosowaniach przemysłowych proces demineralizacji prowadzony jest jako ostatni etap uzdatniania wody. Powyższe metody demineralizacji wody w przemyśle różnią się między sobą zasadą działania, a co za tym idzie również końcowym efektem oczyszczania.
W procesie demineralizacji wody jedną z najczęściej wykorzystywanych metod jest przemysłowa odwrócona osmoza. Do zalet tej technologii zalicza się przede wszystkim prostą obsługę systemu oraz brak konieczności stosowania preparatów chemicznych, a co za tym idzie neutralizacji ścieków. Odwróconą osmozę rekomenduję przede wszystkim do zakładów kosmetycznych i farmaceutycznych, a także do laboratoriów medycznych i chemicznych. Należy pamiętać, że wydajna demineralizacja wody w przemyśle, zachodząca dzięki filtracji membranowej, będzie możliwa tylko jeśli woda zasilająca zostanie wcześniej odpowiednio przygotowana. W tym celu, w przemysłowych stacjach uzdatniania wody stosuje się dodatkowo m.in.
Wydajna demineralizacja wody w przemyśle może się również odbywać na drodze wymiany jonowej na specjalnych złożach filtracyjnych. W zależności od rodzaju i potrzeb instalacji przemysłowej, stosuje się dwa rodzaje filtrów - pojedyncze urządzenie wypełnione złożem mieszanym lub układ dwóch kolumn jonitowych, z których jedna zawiera silnie kwaśny kationit, a druga - zasadowy anionit. Silnie kwaśny kationit działa w cyklu wodorowym, natomiast zasadowy anionit w cyklu wodorotlenowym. Podczas pracy urządzenia dochodzi do równoważnej wymiany kationów na wodór i anionów na grupę wodorotlenową. Należy pamiętać, że zdolność jonitów do wymiany jest ograniczona, a proces zachodzi do momentu wysycenia wszystkich grup funkcyjnych jonitu.
Przeczytaj także: Wymagania i możliwości pracy w laboratorium oczyszczalni
Technologia elektrodejonizacji (określana w skrócie jako EDI) łączy w sobie zastosowanie membran osmotycznych, żywicy jonowymiennej oraz pola elektrycznego. Wydajna demineralizacja wody w przemyśle za pomocą elektrodejonizacji jest stosowana w aplikacjach wymagających bardzo wysokiej czystości wody. Systemy tego typu uznawane są za bardzo wydajne, a w dodatku charakteryzują się niską szkodliwością dla środowiska naturalnego. Poddawana temu procesowi woda przepływa przez jedną lub kilka komór wypełnionych żywicami jonowymiennymi, które zostały umieszczone między membranami kationoselektywnymi oraz anionoselektywnymi. Jony zostają związane na żywicach jonowymiennych i pod wpływem pola elektrycznego migrują do oddzielnych komór. Ponieważ pole elektryczne wytwarza jednocześnie jony H+ i OH-, żywice są stale utrzymywane w stanie zregenerowanym. Proces elektrodejonizacji stosuje się zazwyczaj za systemem odwróconej osmozy. Woda produkowana przez systemy elektrodejonizacji ma zazwyczaj przewodnictwo właściwe wynoszące około 1 μS/cm.
Wykorzystując wymienione wyżej metody demineralizacji, można otrzymywać również wodę ultraczystą (UPW, ang. Ultra Pure Water). Woda ultraczysta znajduje zastosowanie głównie w przemyśle farmaceutycznym, elektronicznym (np. do produkcji półprzewodników), a także w sektorze energetycznym i w laboratoriach. Wytwarzanie wody ultraczystej rozpoczyna się od odpowiedniego przygotowania wody surowej. Normy dotyczące wody ultraczystej są bardzo rygorystyczne, a jej jakość określa się na podstawie różnych parametrów.
Metody demineralizacji wody
- Przemysłowa odwrócona osmoza
- Wymiana jonowa na złożach filtracyjnych
- Elektrodejonizacja (EDI)
Zastosowanie demineralizacji wody w przemyśle
Demineralizacja wody w przemyśle znajduje szerokie zastosowanie w wielu sektorach - wszędzie tam, gdzie czystość wody ma kluczowe znaczenie dla przebiegu procesów technologicznych. W przemyśle energetycznym, szczególnie w elektrowniach parowych i jądrowych, bardzo ważne jest uzdatnianie wody do produkcji pary napędzającej turbiny. Zanieczyszczenia obecne w wodzie mogą bowiem prowadzić do korozji i gromadzenia się osadów w systemach parowych, co znacznie obniża efektywność procesu i żywotność samych urządzeń. Oprócz tego demineralizacja wody w przemyśle jest potrzebna w systemach chłodzenia, do produkcji emulsji chłodzących przy maszynach typu CNC, a także do chłodzenia dysz wtryskowych wykorzystywanych m.in. przy wytwarzaniu elementów plastikowych. Nie może się również bez niej odbywać uzdatnianie wody do systemów nawilżania powietrza.
Woda demineralizowana służy m.in. do produkcji leków oraz jako rozpuszczalnik substancji czynnych. Spełnienie surowych norm jakościowych - demineralizacja wody w przemyśle (np. Dłuższa żywotność urządzeń, wyższa wydajność instalacji oraz zgodność z normami jakościowymi sprawiają, że jest to inwestycja o dużym znaczeniu dla wielu sektorów gospodarki.
Sektory przemysłu wykorzystujące demineralizację wody
- Przemysł energetyczny
- Przemysł farmaceutyczny
- Przemysł spożywczy
- Przemysł elektroniczny
Przeczytaj także: Analiza wody w Bogatyni
tags: #laboratorium #odwrocona #osmoza #demineralizacja #zasada #działania
