Ikona domuStart / Blog / Odwrócona Osmoza: Budowa, Zasada Działania i Zastosowanie

Odwrócona Osmoza: Budowa, Zasada Działania i Zastosowanie

Szczegóły

Odwrócona osmoza jest jednym z najczęściej stosowanych procesów membranowych w technologii uzdatniania wody. Sprawdza się przy różnorodnych zastosowaniach - od odsalania wody morskiej, po oczyszczanie ścieków przemysłowych. Odwrócona osmoza to nic innego jak bardzo dokładna metoda filtracji membranowej, która znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie potrzebna jest wysokiej jakości, zdemineralizowana woda.

Zasada Działania Odwróconej Osmozy

W przypadku osmozy spontanicznej, rozpuszczalnik (zazwyczaj woda) przepływa przez półprzepuszczalną membranę z roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej, do roztworu o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej. Prowadzi to do wyrównywania stężeń po obu stronach membrany. Przez półprzepuszczalną błonę jest w stanie przeniknąć tylko rozpuszczalnik - substancja rozpuszczona zatrzymywana jest po drugiej stronie. Można ująć to tak, że rozpuszczalnik płynie do bardziej stężonego środowiska, dążąc do jego rozcieńczenia i wyrównania stężeń. Siłą napędową osmozy jest chęć zrównoważenia potencjałów chemicznych po obu stronach membrany.

Co ciekawe, mimo iż osmoza jest zjawiskiem naturalnym, powszechnie występującym w przyrodzie, nie ma zastosowania technologicznego. Jak sama nazwa wskazuje, podczas odwróconej osmozy przepływ rozpuszczalnika następuje w odwrotnym kierunku niż ma to miejsce w przypadku osmozy spontanicznej, czyli do środowiska o mniejszym stężeniu substancji rozpuszczonych. Nie dzieje się to jednak w sposób naturalny - siłą napędową jest sztucznie wytworzona przez pompę różnica ciśnień. Po stronie roztworu o większym stężeniu stosuje się wyższe ciśnienie niż wartość ciśnienia osmotycznego, czyli ciśnienia, którym należy działać na roztwór, aby powstrzymać przepływ rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną membranę. Dzięki zastosowaniu nadciśnienia, rozpuszczalnik płynie w przeciwnym kierunku, a stężenia substancji nie wyrównują się.

Budowa Systemu Odwróconej Osmozy

Oczywiście filtracja z zastosowaniem samej membrany nie miałaby sensu. Zanieczyszczenia obecne w surowej wodzie bardzo szybko zapchałyby membranę, a efektywność oczyszczania spadłaby do zera. System odwróconej osmozy stanowi więc zazwyczaj część bardziej złożonego układu technologicznego. Przede wszystkim, poza filtrami wyłapującymi zanieczyszczenia mechaniczne, konieczne jest stosowanie filtrów lub wymieniaczy jonowych przed samą membraną. Mimo że osadzające się na jej powierzchni, nierozpuszczalne sole mineralne można usunąć poprzez mycie, taki zabieg znacznie skraca żywotność membrany. W celu ograniczenia powstawania osadów stosuje się również preparaty na bazie antykoagulantów, flokulantów lub antyskalantów. Za membraną często umieszcza się lampę UV, która zapewnia stabilność mikrobiologiczną oczyszczanej wody. Dodatkowo, montuje się tak zwany filtr szlifujący, który poprawia właściwości organoleptyczne wody.

W systemach odwróconej osmozy rozróżnia się trzy strumienie wody. Zanieczyszczenia, które zawiera woda uzdatniana metodą odwróconej osmozy, trafiają do trzeciego strumienia wody, czyli skoncentrowanego strumienia ścieków. W przypadku odsalania produktem ubocznym jest stężony, silnie zasolony roztwór zwany solanką. Jednak oprócz soli usuwanych z wody morskiej, może zawierać też inne zanieczyszczenia, takie jak metale ciężkie czy substancje organiczne. To samo dotyczy koncentratów powstałych w wyniku oczyszczania ścieków zasolonych. W przypadku oczyszczania ścieków solankowych koncentrat zwykle trafia do tzw. krystalizatora. Powszechnie stosuje się trzy rodzaje krystalizatorów. Wyparka krystalizacyjna opiera się na prostym odparowaniu rozpuszczalnika. Inna metoda krystalizacji wykorzystuje chłodzenie gorącego nasyconego powietrza, a trzecia technologia łączy szybkie odparowanie rozpuszczalnika z chłodzeniem roztworu. Ostatni proces zachodzi pod zmniejszonym ciśnieniem, w tak zwanym krystalizatorze próżniowym. Powstałe produkty stałe są zwykle składowane na wysypiskach, czasami mogą jednak być wykorzystywane jako cenne źródło surowców. Jeśli chodzi o odsalanie wody morskiej, solanka uzyskiwana podczas odsalania trafia zazwyczaj z powrotem do morza.

Przeczytaj także: Sterowniki i usterki ASUS K52J

Typy Membran Stosowanych w Odwróconej Osmozie

W układach odwróconej osmozy stosuje się dwa typy membran. Pierwszy z nich to uzyskiwane metodą inwersji faz membrany asymetryczne, zbudowane z jednego rodzaju polimeru. Są to membrany o strukturze uwarstwionej, składające się z dwóch warstw: zewnętrznej o grubości 0.1-0.5 μm, która pełni funkcję warstwy permeacyjnej i wewnętrznej (tzw. suportu), która przejmuje obciążenia mechaniczne, chroniąc tym samym warstwę aktywną. Drugim typem membran są membrany kompozytowe, wykonane z dwóch różnych substancji. Materiały z których produkowane są membrany powinny być przede wszystkim wytrzymałe mechanicznie. Muszą cechować się też wysoką odpornością hydrolityczną oraz być odporne na biodegradację oraz działanie chloru i utleniaczy.

Z chemicznie modyfikowanej celulozy (głównie z octanu celulozy) zbudowane są głównie membrany starszego typu. Działają poprawnie w zakresie pH od 4 do 8 (w przypadku czyszczenia od 3 do 9). Membrana poliamidowa cienkowarstwowa (TFC) to ultracienka błona na mikroporowatym podłożu polisulfonowym. Ten typ membran wyróżnia stabilność chemiczna i dobre parametry eksploatacyjne. Są odporne na działanie bakterii i pracują w sposób ciągły. Mimo że posiadają lepszą charakterystykę działania, przez co mogą pracować przy niższych ciśnieniach z wyższym przepływem i wydajnością, są stosunkowo wrażliwe na wolny chlor, którego maksymalne stężenie wynosi 0,1 mg/l.

Moduły Membranowe

Modułem membranowym nazywamy zwartą jednostkę konstrukcyjną, zapewniającą dużą powierzchnię rozdziału i zawierającą odpowiednio upakowane membrany. W tej konstrukcji płaska membrana (najczęściej o kołowym kształcie), płyta nośna oraz płyta prowadząca strumień zasilający łączone są w stosy pionowe lub poziome. Zaletą modułów płytowych jest możliwość wymiany pojedynczych membran bez konieczności wyłączania całego modułu. W tym przypadku dwa prostokątne arkusze membran, między którymi znajduje się elastyczny materiał porowaty, sklejane są wzdłuż trzech krawędzi i rolowane. Budowa modułów poduszkowych przypomina moduły spiralne. Cechuje je niewielka ilość uszczelnień oraz bardzo małe straty ciśnienia po stronie permeatu. Z powodzeniem mogą być stosowane w procesach wysokociśnieniowych, cechuje je też odporność na zanieczyszczenia.

Czyszczenie Membran (CIP)

Do prawidłowego funkcjonowania systemów oczyszczania konieczna jest regularna pielęgnacja membran. Dzięki rozwiązaniu CIP (z angielskiego cleaning in place) instalacja może być czyszczona bez wcześniejszego demontażu, a mycie membrany zapewniają zamontowane w urządzeniu dysze prysznicowe lub głowice. Do usuwania osadów żelaza stosuje się kwasy organiczne, takie jak kwas cytrynowy czy kwas szczawiowy. Jony wapnia i magnezu usuwa się przy użyciu środka chelatującego na bazie EDTA (kwas etylenodiaminotetraoctowy). Często konieczne jest jednak stosowanie ługów lub innych silnie alkalicznych roztworów, a także detergentów lub odtłuszczaczy. Jeżeli materiał membrany nie pozwala na dozowanie zwykłych środków dezynfekcyjnych, należy przeprowadzić tak zwaną dezynfekcję szokową kwasem nadoctowym, nadtlenkiem wodoru lub formaldehydem.

Zastosowanie Odwróconej Osmozy

Odwrócona osmoza jest obecnie jedną z najczęściej stosowanych metod odsalania wody, która już na początku lat 80-tych zaczęła wypierać konwencjonalne technologie odsalania termicznego. Za jej pomocą oczyszczane jest ok. 2/3 całkowitej objętości wody uzdatnianej w procesie odsalania na świecie. Technologia odsalania przy zastosowaniu odwróconej osmozy opłaca się zwłaszcza, gdy w wodzie znajduje się od 2 do 10 g soli/l wody. Woda zdemineralizowana jest stosowana między innymi w obwodach chłodniczych, wymiennikach ciepła, wytwornicach pary lub kotłach. Służy też do płukania i mycia gotowych produktów na liniach produkcyjnych.

Przeczytaj także: Zastosowanie wężyków do filtra osmozy

Zasolona woda to nic innego jak ścieki o podwyższonej zawartości soli pochodzenia nieorganicznego. Ich źródłem mogą być na przykład zakłady przemysłowe, takie jak huty szkła czy przemysł wydobywczy. Sól często dodaje się też do wody podczas różnych obróbek, takich jak szlifowanie czy obróbka skrawaniem. Ścieki, w których obecne są kwasy, mogą być wytwarzane nie tylko przez zakłady chemiczne, ale także przez przemysł hutniczy, papierniczy czy szklarski. W wielu przypadkach, uzdatniona za pomocą procesu odwróconej osmozy woda, może nawet trafić z powrotem do obiegu jako woda procesowa. Metoda ta jest więc bardzo ważnym elementem technologii recyrkulacji wody w przemyśle.

Zalety i Ograniczenia Technologii

Odwrócona osmoza to jeden z częściej stosowanych procesów membranowych w technologii uzdatniania wody, znajdujący ogromną ilość zastosowań. Technologia ma wiele zalet. Przede wszystkim jest niezwykle skuteczna - filtr, który wykorzystuje proces odwróconej osmozy zatrzymuje ok. 96 % wszystkich szkodliwych substancji, znajdujących się w wodzie. Poza tym proces oczyszczania prowadzony jest w sposób ciągły, a dzięki możliwości łączenia modułów, można łatwo powiększyć skalę oczyszczania. Oczyszczanie przy technice odwróconej osmozy łatwo łączy się z innymi technologiami membranowymi. Technologia jest nieskomplikowana w obsłudze i daje możliwość całkowitej automatyzacji.

Mimo wielu zalet oraz szerokiego zastosowania, posiada jednak pewne ograniczenia. Membrany muszą wykazywać odporność na pH roztworu, temperaturę czy obecność substancji utleniających. Ze względu na konieczność zastosowania wysokiego ciśnienia, proces jest opłacalny do ograniczonego stężenia roztworów. Posiada też ograniczoną możliwość zastosowania przy roztworach o dużej gęstości, krystalizujących i koagulujących.

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.

Mechanizm Transportu Masy w Odwróconej Osmozie

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. Siłą napędową transportu jest lokalny gradient potencjału chemicznego wynikający z różnicy stężeń składnika i różnica ciśnienia hydrostatycznego po obu stronach membrany. Różne związki przenikają przez membranę a ich separacja jest skutkiem różnej rozpuszczalności w membranie (prawo Nernsta) oraz różnej szybkości dyfuzji (prawa Ficka).

Przeczytaj także: Odwrócona osmoza: Twój przewodnik

Problemy Podczas Procesu Odwróconej Osmozy

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.

  • Polaryzacja stężeniowa: Zjawisko polaryzacji stężeniowej polega na powstaniu przy powierzchni membrany warstewki roztworu (warstwa polaryzacyjna) o stężeniu wyższym substancji zatrzymywanej przez membranę niż stężenie w roztworze poddawanym filtracji. Zjawisko to zmniejsza efekt rozdzielania, spowalnia proces oraz powoduje zmianę własności separacyjnych membrany. Polaryzacji stężeniowej nie można całkowicie wyeliminować.
  • Adsorpcja na powierzchni membrany: Ze względu na występujące powinowactwo pomiędzy materiałem membrany a substancjami występujących w roztworze na powierzchni membrany zachodzi zjawisko adsorpcji związków wielkocząsteczkowych. Powinowactwo to ma zazwyczaj charakter hydrofilowo-hydrofobowy lub związany z polarnością cząsteczek, ładunkiem elektrycznym powierzchni membrany i substancji, siłą jonową i pH roztworów. Znane są metody wytwarzania membran o specjalnie modyfikowanej powierzchni. Dobiera się je odpowiednio w zależności od natury rozdzielanej mieszaniny.
  • Tworzenie warstwy żelowej na powierzchni membrany: Tworzenie warstwy żelowej na powierzchni membrany jest związane z polaryzacją stężeniową. Na powierzchni membrany dochodzi do utworzenia tzw. „placka’, którego opór wzrasta z czasem prowadzenia procesu i może doprowadzić do przekroczenia opór membrany. Stężenie powstającego żelu ma wartość stałą i niezależną od stężenia roztworu czy warunków prowadzenia procesu. Rozwiązania konstrukcyjne pozwalają na okresowe usuwanie powstającej warstwy żelu np.
  • Fouling: Fouling jest zjawiskiem polegającym na zatykaniu porów membrany stałymi zanieczyszczeniami o wymiarach rzędu mikrometra tj. koloidy, rozpuszczone związki wielkocząsteczkowe, sole. Zjawisko foulingu dotyczy membran porowatych i zazwyczaj ma charakter odwracalny. Utworzony na powierzchni osad można usunąć różnymi technikami.

Odwrócona Osmoza w Domu

Odwrócona osmoza to zaawansowana technologicznie metoda uzdatniania wody, która cieczy się nieustannie rosnącą popularnością zarówno w gospodarstwach domowych, jak i w przemyśle. Niniejszy proces filtracji jest ceniony za swoją ponadprzeciętną efektywność w usuwaniu zanieczyszczeń, minerałów i związków chemicznych, co czyni go idealnym rozwiązaniem dla osób poszukujących czystej i bezpiecznej wody.

Filtrowanie wody to wciąż popularny zwyczaj, szczególnie w miejscach, gdzie woda z kranu nie ma dobrej jakości lub nie jest najsmaczniejsza. Jednym ze sposobów filtrowania wody jest system odwróconej osmozy, który nie zmienia smaku, zapachu ani koloru wody. To idealne rozwiązanie do domu.

Zalety i Wady Domowego Systemu Odwróconej Osmozy

  • Zalety:
    • Usuwa niemal wszystkie zanieczyszczenia.
    • Eliminuje potrzebę kupowania wody butelkowanej.
    • Woda staje się miękka - idealna do urządzeń AGD.
    • Możliwość mineralizacji lub jonizacji wody.
    • Łatwa obsługa i wymiana filtrów.
  • Wady:
    • Straty wody podczas procesu filtracji.
    • Usuwanie minerałów (konieczność mineralizacji).
    • Wymaga przestrzeni pod zlewem.
    • Koszty zakupu i wymiany filtrów.

Historia Odwróconej Osmozy

Historia odkrycia odwróconej osmozy sięga już roku 1748. Wtedy to Jean Antoine Nollet prowadził obserwacje zjawiska osmozy na półprzepuszczalnych membranach. Dopiero 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.

Budowa i Materiały Membran Osomotycznych

Membrany osmotyczne to cienkowarstwowe, półprzepuszczalne struktury stosowane w procesie odwróconej osmozy (RO - Reverse Osmosis). Ich głównym zadaniem jest niezwykle dokładne odseparowanie szkodliwych substancji z wody w instalacjach wodnych, takich jak sole mineralne, metale ciężkie, azotany, pestycydy, bakterie, wirusy czy mikroplastiki. Budowa membrany przypomina „mikrosiatkę”, w której średnica porów wynosi około 0,0001 mikrona, czyli nawet 10 000 razy mniej niż grubość ludzkiego włosa (który ma średnicę około 50-100 mikronów).

Typowa membrana osmotyczna wykorzystywana w systemach RO ma trójwarstwową strukturę, zaprojektowaną tak, by zapewnić maksymalną skuteczność filtracji przy zachowaniu odpowiedniej wytrzymałości i przepustowości. To kluczowa warstwa odpowiedzialna za oddzielanie czystych cząsteczek wody od zanieczyszczeń. Dzięki tej precyzyjnej konstrukcji membrany osmotyczne są niezwykle skuteczne, a przy tym ekologiczne, ponieważ nie wymagają chemicznych dodatków ani wysokich temperatur, aby usuwać zanieczyszczenia z wody.

Tabela: Zastosowanie Membran Osomotycznych

Zastosowanie Opis
Przemysł spożywczy Oczyszczanie wody do produkcji napojów, żywności.
Farmacja Uzyskiwanie wody o wysokiej czystości do produkcji leków.
Elektronika Oczyszczanie wody do produkcji podzespołów elektronicznych.
Laboratoria Przygotowanie wody o wysokiej czystości do analiz.

Skuteczność Membran Osomotycznych

  • bakterie (np. E. coli)
  • wirusy
  • pierwotniaki (np. Giardia, Cryptosporidium)

Membrana RO może fizycznie zatrzymać mikroorganizmy, ale nie działa jak środek dezynfekujący.

Korzyści z Używania Wody Uzyskanej Przez Odwróconą Osmozę

  • Neutralny smak i zapach wody.
  • Wymierne oszczędności.
  • Ekologia.

tags: #odwrocona #osmoza #membrana #budowa #zasada #działania

Popularne posty: