Odwrócona Osmoza: Membrany, Rodzaje i Działanie
- Szczegóły
Wiele doniosłych odkryć w rozwoju nowoczesnych społeczeństw było dziełem przypadków. Tak też stało się podczas badań i opracowywania metod odsalania wody morskiej w USA. W początkach lat 50-tych pracownik naukowy Sourirajan z Uniwersytetu w Kaliforni odkrył nową metodę odsalania wody morskiej poprzez zastosowanie systemu „Odwróconej osmozy”. Ta nowa technika była tak obiecująca, że Rząd Amerykański wspólnie z kilkoma znaczącymi firmami przygotował, szeroki program prac w celu bliższego zbadania w/w metody.
Czym jest Osmoza?
Osmoza jest naturalnym procesem, w którym dwie ciecze mieszają ze sobą za pośrednictwem półprzepuszczalnej membrany. Membrana ta przepuszcza pewne cząsteczki (takie jak cząsteczki wody), ale inne nie (takie jak cząsteczki soli). Woda przepływa przez tę półprzepuszczalną membranę do cieczy o niższym stężeniu. Odbywa się to do momentu osiągnięcia równowagi w procentach rozpuszczonych substancji po obu stronach membrany.
Woda zwiększa się po stronie membrany, do której przepływa woda. Powoduje to wzrost ciśnienia po tej stronie. Jeśli ciśnienie jest wystarczająco wysokie, aby zatrzymać przepływ wody przez membranę, proces zatrzymuje się.
Odwrócona Osmoza - Zasada Działania
Zasada działania odwróconej osmozy jest - jak sama nazwa wskazuje - odwrotna do zasady osmozy. W tym przypadku membrana jest stosowana jako wyjątkowo delikatny filtr, za pomocą którego rozpuszczone substancje są odfiltrowywane z wody. Osmozę definiuje się jako cykl przejścia cząsteczek przez półprzepuszczalną membranę z mniej stężonego do bardziej skoncentrowanego roztworu.
W naturze takie zjawisko można zaobserwować np. w korzeniach roślin czerpiących wodę z gleby. Odwrócona osmoza jest po prostu przeciwieństwem tego procesu. Cząsteczki przechodzą więc przez powłokę, aby utworzyć mniej stężony roztwór.
Przeczytaj także: Parametry membran w systemach RO
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.
Metodę tę nazwano „Odwróconą Osmozą” i poparto ją dużym programem przyspieszenia, co spowodowało, że Odwrócona Osmoza została rozwinięta do wysoko efektywnego i korzystnego systemu pozwalającego z wody o dużym zanieczyszczeniu lub zasoleniu, usunąć szkodliwe substancje uzyskując wodę pitną.
Jak działa odwrócona osmoza?
W tym rozwiązaniu woda jest przepuszczana pod ciśnieniem przez półprzepuszczalną membranę osmotyczną. Woda w procesie odwróconej osmozy przechodzi przez drobne pory membrany i zostawia za sobą większość niepożądanych substancji. Funkcję tę nazwano hiperfiltracją. Istnieje wiele przyczyn, dlaczego woda przechodzi przez membranę, a zanieczyszczenia pozostają:
- Otwory membrany mają bardzo mały przekrój( około 0,0001 mikrona = 100 angstremów).
- Ponieważ większość molekuł obcych substancji w wodzie ma wymiary większe niż otwory w membranie, zostają więc zatrzymane.
- Płaszczyzna membrany jest sitem spełniającym określoną funkcję.
Jeżeli na stronę o dużym zasoleniu wywrzemy nacisk to molekuły wody przejdą przez membranę na stronę pustą. Molekuły soli zaś zostaną po tej samej stronie, gdzie były, ponieważ dla nich membrana jest barierą nie do pokonania.
Skuteczność działania membrany
Mechanizm działania „odwróconej osmozy” powoduje oddzielenie przez membranę metali ciężkich jak: arsenu, kadmu, ołowiu, rtęci, srebra itp. , a także rozpuszczone w wodzie sole baru, chloru, chromu, miedzi, fluoru, manganu, azotu, selenu, sulfatu itp. Oprócz tego oddzielone zostają ciężkie trucizny jak np. dioxin, a także produkty odpadowe przemysłu chemicznego i prawie wszystkie radioaktywne pierwiastki i ich izotopy jak np. radu i strontu.
Przeczytaj także: Zastosowanie obudów membran osmozy
Magnetyzacja membrany praktycznie sprawdza każdą molekułę w surowej wodzie wodociągowej pojedynczo i przepuszcza ją lub zatrzymuje. Molekularny sposób oddzielania zachodzący w „odwróconej osmozie” zapewnia rzeczywiście w 98% , że wszystkie te substancje znajdujące się w wodzie, a mogące szkodzić ludziom, będą usunięte.
Rodzaje Membran Stosowanych w Odwróconej Osmozie
W układach odwróconej osmozy stosuje się dwa typy membran:
- Membrany asymetryczne: Uzyskiwane metodą inwersji faz, 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.
- 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.
Materiały z których wykonane są membrany:
- Chemicznie modyfikowana celuloza: (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.
Zastosowanie Odwróconej Osmozy
Odwrócona osmoza znajduje szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach:
- Odsalanie wody morskiej: Jest jedną z najczęściej stosowanych metod odsalania wody, która już na początku lat 80-tych zaczęła wypierać konwencjonalne technologie odsalania termicznego.
- Przemysł: 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.
- Laboratoria: Do analiz laboratoryjnych zwykle konieczne jest użycie tzw. wody ultra czystej, która uzyskiwana jest dzięki systemom odwróconej osmozy.
- Oczyszczanie ścieków: W wielu przypadkach, uzdatniona za pomocą procesu odwróconej osmozy woda, może nawet trafić z powrotem do obiegu jako woda procesowa.
- Gospodarstwa domowe: Stosuje się mniejszą odwróconą osmozę, gdy w wodzie obecne są zanieczyszczenia, których usunięcie wymagałoby użycia kilku różnych urządzeń. Do takich substancji należą w szczególności metale ciężkie, pestycydy, azotany i azotyny.
- Ogrodnictwo: Odwrócona osmoza, znana również jako hiperfiltracja, jest powszechnie stosowaną w ogrodnictwie techniką filtrowania wody pozwalającą na jej oczyszczanie z soli, minerałów, nawozów i środków ochrony roślin.
Zalety i Wady Odwróconej Osmozy
Zalety:
- Wysoka skuteczność: Filtr zatrzymuje ok. 96 % wszystkich szkodliwych substancji.
- Ciągłość procesu: Proces oczyszczania prowadzony jest w sposób ciągły.
- Łatwość rozbudowy: Dzięki możliwości łączenia modułów, można łatwo powiększyć skalę oczyszczania.
- Łatwość łączenia z innymi technologiami: Oczyszczanie przy technice odwróconej osmozy łatwo łączy się z innymi technologiami membranowymi.
- Prosta obsługa i automatyzacja: Technologia jest nieskomplikowana w obsłudze i daje możliwość całkowitej automatyzacji.
- Poprawa smaku i zapachu wody: Usuwają chlor i fluor.
- Bezpieczne filtrowanie.
Wady:
- Wymagania dotyczące membran: Membrany muszą wykazywać odporność na pH roztworu, temperaturę czy obecność substancji utleniających.
- Wysokie ciśnienie: Ze względu na konieczność zastosowania wysokiego ciśnienia, proces jest opłacalny do ograniczonego stężenia roztworów.
- Ograniczenia w zastosowaniu: Posiada też ograniczoną możliwość zastosowania przy roztworach o dużej gęstości, krystalizujących i koagulujących.
- Generowanie wody odrzutowej: Filtry generują wodę odrzutową w stosunku 1:2 lub 1:3 do wody czystej.
- Usuwanie minerałów: Woda pozbawiana jest niektórych korzystnych minerałów.
- Stosunkowo droga.
Pielęgnacja Membran
Do prawidłowego funkcjonowania systemów oczyszczania konieczna jest regularna pielęgnacja membran. 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.
Przykładowe zanieczyszczenia usuwane przez odwróconą osmozę
Pory membrany osmotycznej są tak małe, że poza cząsteczkami wody przepuszczają niewiele jonów odżywczych minerałów - i w zasadzie tylko tyle. Tymczasem w wodzie, którą stosuje się na co dzień, zwłaszcza mętnej i studziennej, znajduje się mnóstwo szkodliwych dla zdrowia substancji:
Przeczytaj także: Proces Odwróconej Osmozy Krok po Kroku
- Heptachlor - ten insektycyd jest wysoce kancerogenny, uszkadza wątrobę, obniża płodność, w skrajnych sytuacjach może doprowadzić do śpiączki; używany był bardzo aktywnie zwłaszcza w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych.
- Lindan - to pestycyd, który podobnie jak heptachlor wykazuje silne działanie rakotwórcze; stosuje się go w medycynie do odrobaczania i odwszawiania włosów oraz ubrań. Jest trucizną kontaktową, która po dostaniu się do układu pokarmowego poważnie uszkadza organizm. Ekspozycja na duże ilości tego środka doprowadza do szkód na układzie nerwowym oraz immunologicznym.
- DDT - znany też jako „Azotox”, jest silnym środkiem owadobójczym powstałym na bazie chlorowanych węglowodorów. Jest to bardzo trwały środek, jego okres połowicznego rozpadu wynosi w wodzie 56 dni, co oznacza, że do jego całkowitego pozbycia potrzebowalibyśmy około roku. W glebie natomiast umie utrzymać się przez ponad czterdzieści lat. Może on doprowadzić do porażenia dróg oddechowych, a w konsekwencji - do śmierci. Jest to czynnik rakotwórczy i mutagenny, ma wpływ na pamięć długo- i krótkotrwałą, może również upośledzać procesy poznawcze. Osadza się w wątrobie, doprowadzając do jej niewydolności oraz nowotworu.
- Oprócz tego, surowa woda studzienna zawiera miliony bakterii oraz mikroorganizmów, które mogą doprowadzić do różnych chorób.
- W nieoczyszczonej wodzie znajdują się również azotany, metale ciężkie (w tym bardzo niebezpieczny dla zdrowia ołów), kwasy haloorganiczne, chlorofenole i trihalometany.
tags: #odwrocona #osmoza #membrany #rodzaje #i #działanie
