Przemysłowa Oczyszczalnia Ścieków: Odwrócona Osmoza i Zasada Działania
- Szczegóły
Odwrócona osmoza to sposób uzdatniania wody, którego odkrycie i wdrożenie w różnych systemach oczyszczania wody spowodowały znaczne polepszenie jakości życia. Technologia ta jest dziś jedną z najbardziej użytecznych, znacznie zwiększa dostęp do wody pitnej, co jest szczególnie ważne w przypadku coraz mniejszych jej zasobów na świecie.
Co to jest odwrócona osmoza?
Aby odpowiedzieć na to pytanie warto na moment cofnąć się w czasie o dwa stulecia. To wtedy zaobserwowano zjawisko naturalnie występującej osmozy biologicznej, czyli faktu, że woda przepuszczana jest przez niektóre półprzepuszczalne materiały tylko w jednym kierunku. Badacze doszli wtedy do wniosku, że jeśli mamy dwa roztwory o różnych stężeniach soli, to gdy zastosuje się półprzepuszczalną membranę, rozdzielającą mechanicznie roztwory, wówczas woda z części o niższym stężeniu przejdzie przez membranę do części o wyższym stężeniu. Efektem przechodzenia roztworów zawsze było zbilansowanie stężeń w obu częściach rozdzielonych membraną.
Choć z początku jako membrany służyły wyroby organiczne, np. pęcherz świński, to z biegiem czasu ewoluowały one w ogromnym stopniu, aż do czasu, kiedy wyprodukowane zostały pierwsze sztuczne membrany. W latach 50. XX wieku odkryto zaś, że gdyby odwrócić nieco kierunek procesu osmozy biologicznej (czyli zastosować odwróconą osmozę) to może być to skutecznym sposobem na pozbywanie się z wody różnego rodzaju zanieczyszczeń.
Zasada działania odwróconej osmozy
Odwrócona osmoza zachodzi wówczas, kiedy do wody o wyższym stężeniu zanieczyszczeń dodane zostanie odpowiednio duże ciśnienie. Ciśnienie spowoduje bowiem odwrócenie przepływu kierunku wody, przez co cząsteczki wody przedostają się przez membranę do części, gdzie znajduje się woda o niższym stężeniu zanieczyszczeń. Jednocześnie zaś cząsteczki “brudu” zostaną w części pierwotnej, to znaczy nie przejdą przez membranę, która stanowić będzie dla nich mechaniczną przeszkodę.
Omawiany sposób uzdatniania wody pozwala na optymalne pozbycie się z niej niechcianych, szkodliwych substancji, a całość procesu odbywa się w sposób, który nie odbija się negatywnie na środowisku. skuteczność ta dochodzi nawet do 90%. Nie jest jednak pozbawiona wad. Wraz z zanieczyszczeniami usuwane są z wody również składniki mineralne. Przefiltrowana dzięki procesowi odwróconej osmozy woda jest zatem dużo mniej zmineralizowana, niż woda nieuzdatniona i warto mieć to na uwadze.
Przeczytaj także: Przydomowe oczyszczalnie ścieków Zawiercie
Cała idea, tak jak wiele innych genialnych rozwiązań, narodziła się w wyniku uważnego podglądania przyrody. Zjawisko osmozy jest naturalnym procesem zachodzącym bez przerwy we wszystkich żywych organizmach i polega na przenikaniu cząsteczek wody przez półprzepuszczalną błonę - z roztworu o stężeniu mniejszym do roztworu o stężeniu większym. Półprzepuszczalnymi błonami otoczone są komórki wszystkich żywych organizmów.
Zjawisko odwróconej osmozy występujące w technologii oczyszczania wody, także uwarunkowane jest obecnością półprzepuszczalnej błony. Ciśnienie z sieci wodociągowej powoduje, że jedynie cząsteczki wody zostają „przeciśnięte” przez półprzepuszczalną błonę pozostawiając wszystkie zanieczyszczenia po jej drugiej stronie.
Demineralizacja wody
Demineralizacja wody to, w dużym skrócie, usunięcie z wody rozpuszczonych w niej soli. Odwrócona osmoza jest jedną z metod uzyskiwania wody zdemineralizowanej, przy czym w odwróconej osmozie polega ona na rozdziale na dwa strumienie: jonów rozpuszczonych w wodzie i wody. Metoda ta pozwala na usunięcie z wody cząstek zawieszonych o wymiarach do 0,001µm.
Odwrócona osmoza jest jedyną, skuteczną metodą uzyskania krystalicznie czystej wody do picia bezpośrednio z kranu. Woda otrzymana w procesie odwróconej osmozy pozbawiona jest trujących i rakotwórczych związków chemicznych, metali ciężkich, bakterii oraz wirusów.
Historia odwróconej osmozy
Historia odkrycia odwróconej osmozy sięga już roku 1748. Wtedy to Jean Antoine Nollet prowadził obserwacje zjawiska osmozy na półprzepuszczalnych membranach. Nollet był francuskim uczonym oraz duchownym. Naukowcowi udało się zaobserwować, że cząsteczki o niższym stężeniu mogą przepływać i przenikać przez błonę do cząsteczek o wyższym stężeniu.
Przeczytaj także: Oczyszczalnia oksydacyjna: zasady działania
Doświadczenia przyczyniły się do rozpoczęcia stosowania skór zwierzęcych jako membran. Ze względu na niepewne działanie nie prowadzono jednak dalszych prac nad ich wdrożeniem. Naukowcy zaczęli poszukiwać sposobu na stworzenie sztucznej membrany, działającej na wzór tej naturalnej. W latach 40-stych XX wieku zaczęto poszukiwania dobrego sposobu na odsalanie wody morskiej. Dopiero wtedy na poważnie powrócił temat zjawiska osmozy oraz membrany osmotycznej.
W 1950 roku naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles pierwszy raz przeprowadzali badania nad odsalaniem wody morskiej przy wykorzystaniu półprzepuszczalnej membrany. Przełom nastąpił w roku 1959, kiedy to Sidney Loeb oraz Srinivasa Sourirajan wyprodukowali funkcjonalną, syntetyczną membranę osmotyczną. Została ona wykonana z polimeru octanu celulozy. Membrana była w stanie usunąć z wody rozpuszczone w niej sole i zmniejszyć wskaźnik TDS.
Już w latach 60-tych XX wieku rozpoczęto prace nad pierwszą przemysłową odwróconą osmozą. Na przeprowadzane doświadczenia zwróciły się oczy naukowców oraz rządów całego świata, upatrując nadziei na poszerzenie zasobów wody pitnej dla ludzkości. Z początku testy miały dotyczyć jedynie słonawych wód gruntowych, których odsolenie byłoby znacznie łatwiejsze niż wody morskiej.
Cape Coral na Florydzie było jedną z pierwszych gmin w Stanach Zjednoczonych, która zdecydowała się na zastosowanie procesu odwróconej osmozy do oczyszczania wody na szeroką skalę.
Doświadczenie z odwróconą osmozą
Zjawisko odwróconej osmozy zostanie najlepiej zrozumiane na przykładzie doświadczenia. Najpierw należy zacząć od samego wytłumaczenia procesu osmozy. Półprzepuszczalną membranę należy umieścić w pojemniku, najlepiej wykonanym ze szkła. Teoretycznie można by było spodziewać się, że poziom wody po obu stronach membrany wyrówna się. W przypadku zastosowania membrany półprzepuszczalnej rozkład wody był jednak nieco inny. Do wystąpienia takiego zjawiska doszło, ponieważ po obu stronach membrany znalazła się woda o różnych stężeniach substancji.
Przeczytaj także: Jak ustawić napowietrzanie?
Osmoza jest naturalnym procesem, który zachodzi także w nas. Jeśli chcemy odwrócić proces osmozy, powinniśmy na stronę o większym zasoleniu wywrzeć nacisk. Wtedy molekuły wody przejdą przez membranę na stronę pustą. Większość substancji znajdujących się w wodzie ma większe wymiary niż pory membrany osmotycznej. Przez to nie są w stanie przedostać się wraz z czystą wodą na drugą stronę.
W procesach odwróconej osmozy stosuje się membrany asymetryczne oraz kompozytowe. Membrany asymetryczne charakteryzuje budowa z jednego rodzaju polimeru tworzącego dwie warstwy: zewnętrzną oraz wewnętrzną.
Membrana osmotyczna z czasem ulega naturalnemu zużyciu. Żywotność jest zależna od ilości oczyszczanej wody oraz jej jakości. Utrata właściwości wynika między innymi ze ścierania się powierzchni zewnętrznej.
Zastosowanie odwróconej osmozy
Systemy odwróconej osmozy są wykorzystywane na szeroką skalę w sektorze przemysłowym. Bez tego rodzaju oczyszczania wody nie mógłby obejść się między innymi: przemysł spożywczy, farmaceutyczny, medyczny, elektroniczny, chemiczny.
Odwróconą osmozę można nazwać odkryciem przełomowym. Dzięki niej możliwe jest odsalanie wody i przygotowanie jej do celów spożywczych w miejscach, gdzie zasoby wody pitnej są znikome.
Techniki membranowe jako metody separacji znajdują coraz większe zastosowanie w technologiach oczyszczania odpadów produkcyjnych, przyczyniają się do recyrkulacji surowców i wprowadzania czystych technologii (bezodpadowych), zastępują energochłonne metody rozdzielania. Jednym z obszarów zastosowania modułów membranowych jest odwrócona osmoza, która sukcesywnie wypiera z rynku pozostałe metody uzdatniania wody.
Proces odwróconej osmozy
Proces odwróconej osmozy jest zjawiskiem odwrotnym do spontanicznie zachodzącej osmozy. Polega na wymuszonej dyfuzji dowolnego indywiduum chemicznego (jonów lub cząsteczek) z roztworu o niższym stężeniu do roztworu o wyższym stężeniu przez membranę półprzepuszczalną.
Aby mógł zaistnieć przebieg procesu odwróconej osmozy konieczne jest wytworzenie po stronie roztworu ciśnienia hydrostatycznego przewyższającego ciśnienie osmotyczne. Gdy zostanie spełniony wyżej wspomniany warunek rozpuszczalnik będzie przenikał z roztworu bardziej stężonego do rozcieńczonego, a więc w kierunku odwrotnym niż w procesie osmozy naturalnej.
Jest procesem wykorzystywanym do separacji związków małocząsteczkowych takich jak sole nieorganiczne czy małocząsteczkowe związki organiczne od rozpuszczalników. Siłą napędową procesu jak już wcześniej wspomniano jest przyłożone ciśnienie. Konieczne jest stosowanie stosunkowo wysokich ciśnień, wyższych niż w przypadku ultra i mikrofiltracji, ze względu na ciśnienie osmotyczne związków małocząsteczkowych. Zazwyczaj zawiera się w przedziale od 1 do 10 MPa.
Po raz pierwszy odwrócona osmoza została wykorzystana w 1953 roku do odsalania wody morskiej. Ogromny rozwój przemysłu wykorzystującego zjawisko odwróconej osmozy nastąpił w latach sześćdziesiątych po opracowaniu przez Loeb’a i Sourirajana technologii wytwarzania na skalę przemysłową wysokowydajnych, selektywnych membran asymetrycznych.
Warunkiem przebiegu procesu odwróconej osmozy jest spełnienia następującego warunku: Δp>∏ gdzie: Δp - ciśnienie zewnętrzne, [Pa] ∏ - ciśnienie osmotyczne, [Pa], definiowane jako: ∏= C•RG•T gdzie: RG - stała gazowa, [Pa•dm3/mol•K], T - temperatura absolutna, [K], C - stężenie substancji rozpuszczonej w roztworze, [mol/dm3].
Zakres stosowanych ciśnień w odwróconej osmozie waha się w granicach 0,3 - 10 MPa i ściśle zależy od stężenia substancji rozpuszczonych w roztworze. Odwrócona osmoza jest procesem wysokociśnieniowym. Wielkość stosowanych ciśnień zewnętrznych dobiera się w zależności od rodzaju membrany i warunków prowadzenia procesu. Może się on zmieniać w granicach od 1do 10 MPa.
Mechanizmem transportu masy w procesie odwróconej osmozie jest model dyfuzyjny (rozpuszczania). W modelu dyfuzyjnym przyjmuje się, że membrana jest quasi-homogeniczna, dzięki czemu można stosować do opisu transportu masy przez nią teorię roztworów. Transport masy przez membranę można przybliżyć opisem procesu rozpuszczania składników w membranie. Podlega on prawom dyfuzji molekularnej.
W trakcie prowadzenia procesów membranowych użytkownikowi zależy na tym, aby uzyskać możliwie jak największy stabilny w czasie strumień permeatu o odpowiednio niskim stężeniu składnika separowanego przez membranę. Najczęściej pojawiającym się problemem w trakcie realizacji procesu odwróconej osmozy jest spadek objętości strumienia permeatu w czasie.
Problemy w procesie odwróconej osmozy
- Polaryzacja stężeniowa.
- Adsorpcja na powierzchni membrany.
- Tworzenie warstwy żelowej na powierzchni membrany.
- Fouling.
Membrany stosowane w układach odwróconej osmozy to głównie membrany asymetryczne zbudowane z jednego rodzaju polimeru(uzyskiwane metodą inwersji faz) oraz membrany kompozytowe (wykonane z dwóch różnych substancji, otrzymywane przez nakładanie warstw). Membrany asymetryczne membranami o strukturze uwarstwionej. Zbudowane są z dwóch warstw. Warstwa zewnętrzna o grubości mieszczącej się w przedziale0.1-0.5 μm pełni funkcję warstwy permeacyjnej, natomiast warstwa wewnętrzna (tzw. suport) o porowatości 150-300 μm, ma za zadanie przejmowanie obciążeń mechanicznych i tym samym ochronę warstwy permeacyjnej.
Membrany produkowane na potrzeby odwróconej osmozy wykonuje się zazwyczaj z estrów celulozy, głownie di- i trioctan celulozy. Materiały te wykazują własności hydrofilowe, małą wrażliwość na zmiany temperatury, odporność mikrobiologiczną. Drugim często wykorzystywanym materiałem są poliamidy aromatyczne, charakteryzujące się niską odpornością na wolny chlor.
W przypadku membran kompozytowych warstwa aktywna i suport są zbudowane z różnych polimerów. Materiałem wykorzystywanym do suportu jest zazwyczaj polisulfony, natomiast warstwa aktywna zbudowana jest zazwyczaj z materiałów tj. poliimidy, polibenzimidazol, polibenzimidazolan, poliamidohydrazyna.
Pomimo wielu zalet jakie oferuje nam technika odwróconej osmozy jej stosowanie napotyka na szereg problemów, które w różnym stopniu można niwelować lub też jest to niemożliwe.
Systemy odwróconej osmozy
Odwrócona osmoza jest procesem membranowym, który został sprytnie wykorzystany w filtrach kuchennych. To jeden z najbardziej znanych i najczęściej wymienianych w pierwszej kolejności domowych filtrów do wody, o którym można usłyszeć. W Polsce o odwróconej osmozie było głośno jeszcze w latach 90-tych.
Od tamtej pory jednak sporo się zmieniło. Odwrócona osmoza jest urządzeniem przystosowanym do uzdatniania wody z jednego miejsca poboru. To filtr kuchenny, który montuje się najczęściej w okolicach zlewozmywaka. Obecnie systemy odwróconej osmozy znacznie różnią się od siebie wyglądem, funkcjami oraz zastosowanymi etapami uzdatniania wody. Producenci stale przedstawiają nowe propozycje w tym zakresie. Elementami łączącymi wszystkie dostępne teraz i wcześniej urządzenia jest zasada działania oraz membrana osmotyczna.
Te produkty w procesie wykorzystują siłę ciśnienia wody w instalacji. Rzadko zdarza się potrzeba, jednak istnieje możliwość założenia osobnej pompy zwiększającej ciśnienie. Każdy system odwróconej osmozy dostępny na rynku to w rzeczywistości układ wkładów filtracyjnych współpracujących z membraną osmotyczną. Każdy dodatkowy etap wnosi nowe właściwości.
Bardzo istotne jest wstępne przygotowanie wody zanim wpłynie na membranę osmotyczną. Najbardziej rozbudowane modele posiadają nawet w zestawie lampy bakteriobójcze, służące ochronie przed mikroorganizmami.
Działanie odwróconej osmozy zaliczane jest do procesów molekularnych. Najpierw woda jest wstępnie oczyszczana z zanieczyszczeń mechanicznych na wkładach wstępnych. Często jeszcze przed membraną osmotyczną pojawia się wkład węglowy, dzięki któremu z wody usuwany jest chlor i jego pochodne.
Wstępnie oczyszczona woda jest kierowana na membranę osmotyczną. Ta zbudowana jest z cienkich błon półprzepuszczalnych, które rozdzielają wodę na dwa roztwory o różnym stężeniu. Przez membranę przechodzi praktycznie tylko i wyłącznie woda, pozbawiona nawet pojedynczych jonów. Nie przenikają natomiast substancje rozpuszczone w postaci soli i związków organicznych. Wszystko dzięki budowie oraz mikroskopijnym porom (wielkość około 0,0005 mikrona), przez które woda przepływa dzięki ciśnieniu z instalacji wodociągowej.
Posiadanie tak dokładnego filtra kuchennego, jakim jest odwrócona osmoza zapewnia wiele korzyści dla całej rodziny. Jedną z nich jest oczywiście woda idealna do celów spożywczych. Można ją czerpać bezpośrednio z wylewki w każdych ilościach i o każdej porze. Jest bezpieczna i nadaje się do bezpośredniego spożycia. Zapach, smak i barwa pozostają neutralne, dzięki czemu woda ma właściwości zbliżone bądź często nawet lepsze od tej, sprzedawanej w butelkach. Właśnie z tego powodu to jest doskonała alternatywa plastikowych zgrzewek. Dzięki niej zaoszczędzimy pieniądze, ale i wspomożemy środowisko.
Oczyszczona woda stanowi świetną podstawę do przyrządzania napojów gorących i dań. Zupy, sosy, kawy, herbaty i wszystko, do czego woda będzie bazą, wyjdzie wyśmienite. Ich smak i aromat będzie idealnie podkreślony. Ponadto będą wyglądać niezwykle apetycznie.
Użytkowanie odwróconej osmozy nie jest skomplikowane, nie jest też kosztowne. Na co dzień nie trzeba jej doglądać. Nie ma tu także mowy o potrzebie stosowania jakichkolwiek środków chemicznych do regeneracji. Jedyne, co należy robić, to regularnie wymieniać wkłady filtracyjne.
Woda oczyszczona przez system odwróconej osmozy jest w pełni bezpieczna do spożycia. Nie posiada w sobie bakterii, wirusów, ani żadnych substancji, które mogłyby okazać się szkodliwe dla zdrowia. Badania nie wykazały negatywnego wpływu spożywania wody po odwróconej osmozie na organizm.
Woda z odwróconej osmozy może posiadać w sobie minerały i istnieje wiele systemów, które już w standardzie mają wkład, odpowiadający właśnie za ich uzupełnianie. Najpopularniejszym i najczęściej spotykanym rodzajem są wkłady mineralizujące. Wewnątrz wkładu znajduje się złoże, które podczas przepływu wody, uzupełnia ją między innymi w: wapń, magnez, potas, sód, chlorki.
Przemysłowa odwrócona osmoza to wydajny i bardzo skuteczny system filtracji umożliwiający uzyskanie wody o najwyższym stopniu czystości. Odwrócona osmoza to proces membranowy, podczas którego z wody zostają wyeliminowane zanieczyszczenia o wielkości do 0,0001 mikrona. W procesie przemysłowej odwróconej osmozy rozpuszczalnik (najczęściej woda) zostaje skierowany na półprzepuszczalną membranę. Pod wpływem ciśnienia cząsteczki wody „przechodzą” przez membranę tworząc tzw. permeat, czyli dokładnie oczyszczony produkt.
Zastosowanie permeatu
Permeat po odwróconej osmozie jako woda procesowa i technologiczna znajduje szerokie zastosowanie m.in. w przemyśle spożywczym, w browarnictwie, w lakiernictwie, w garbarniach, a także w przemyśle chemicznym.
Podczas gdy wszystkie zanieczyszczenia zostają zatrzymane na membranie osmotycznej w przemysłowej odwróconej osmozie, sam strumień wody (płynący wewnątrz, a więc po powierzchni dystansowej) jest kierowany do kanalizacji proporcjonalnie do odzysku wody (zgodnie z parametrami membrany). Proces ten jest stosunkowo łatwy, dzięki warstwie czystej wody tworzącej się bezpośrednio na powierzchni membrany przemysłowej odwróconej osmozy jako konsekwencja magnetyzacji.
Obecne w wodzie zanieczyszczenia nie wchodzą w kontakt z membraną osmotyczną, a dzięki ciągłemu strumieniowi przemywania otwory membrany osmotycznej nie ulegają zatkaniu.
Eksploatacja membrany powoduje odkładanie się na jej powierzchni niepożądanych substancji, co prowadzi do zmniejszenia wydajności całego systemu filtracyjnego. Zapychanie membran (fouling) może mieć charakter odwracalny, gdy osad odkładany na powierzchni membrany może zostać całkowicie usunięty, a początkowa wydajność procesu jest przywrócona.
Aby utrzymać membranę osmotyczną w dobrej kondycji często stosuje się kondycjonowanie wody, polegające na dozowaniu specjalistycznych preparatów - antyskalantów.
Kolejnym problemem dla membrany osmotycznej są mikroorganizmy. Choć największe niebezpieczeństwo stanowią bakterie w wodzie, należy się również liczyć się z zagrożeniem ze strony glonów, pleśni oraz grzybów.
tags: #oczyszczalnia #ścieków #przemysłowa #odwrócona #osmoza #zasada
