Odwrócona osmoza w uzdatnianiu wody: kompleksowy przewodnik
- Szczegóły
Często słyszysz o odwróconej osmozie, ale nie do końca wiesz, na czym polega? Postaramy się wytłumaczyć najważniejsze kwestie w możliwie prosty sposób.
Czym jest osmoza (nie odwrócona)?
Osmoza, jest to dyfuzja rozpuszczalnika przez membranę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. Jest to proces naturalnie zachodzący np. w komórkach organizmów żywych. Polega na tym, że woda z roztworu o niższym stężeniu (w której jest rozpuszczonych mniej substancji) spontanicznie przenika przez np. błonę komórkową do roztworu o wyższym stężeniu.
W przeciwieństwie do zjawiska naczyń połączonych, przy rozdzieleniu roztworów półprzepuszczalną błoną równowagę osiąga się nie przy tym samym poziomie cieczy, a przy tym samym stężeniu. Podobne zjawisko można też odtworzyć, rozdzielając taką błoną dwa roztwory w naczyniu.
Dzięki temu zjawisku np. warzywa po nasoleniu (robi się tak m.in. z bakłażanem) oddają wodę. Dzięki niemu również płukanie gardła roztworem soli pomaga pozbyć się znajdujących się tam bakterii - roztwór o większym stężeniu „wyciąga” wodę z komórek bakterii, powodując ich śmierć.
Na poniższym rysunku pokazano, co się dzieje z komórkami, kiedy w porównaniu do stężenia płynu wewnątrzkomórkowego, stężenie otaczającego je roztworu jest wyższe (roztwór hipertoniczny), równe (roztwór izotoniczny) lub niższe (roztwór hipotoniczny).
Przeczytaj także: Korzyści i ograniczenia dzbanków filtrujących
Czym jest odwrócona osmoza?
W odróżnieniu od naturalnej osmozy, gdzie cząsteczki wody dążąc do wyrównania stężeń, przemieszczają się z roztworu o niższym stężeniu do roztworu o wyższym, odwrócona osmoza działa w drugą stronę. Podobnie jak w procesie osmozy, kluczową rolę pełni tu błona półprzepuszczalna, tzw. membrana osmotyczna.
Odwrócona osmoza zachodzi po przyłożeniu ciśnienia odwrotnego do naturalnego ciśnienia osmotycznego. Jeśli np. przy doświadczeniu z poprzedniego punktu zaczęlibyśmy tłoczyć bardziej stężony roztwór, zamiast je po prostu zostawić, to woda zaczęłaby przenikać przez błonę do roztworu o mniejszym stężeniu. Zastosowane ciśnienie musi być na tylko wysokie, żeby pokonać naturalne ciśnienie osmotyczne.
Wzrasta ono wraz z różnicą w stężeniu roztworów. W praktyce przy uzdatnianiu wody metodą odwróconej osmozy oznacza to, że im większa zawartość substancji rozpuszczonych (TDS, częściowo związana z twardością wody), tym większe ciśnienie potrzebne jest do efektywnego zachodzenia procesu.
Pory w membranie osmotycznej mają wielkość zbliżoną do cząsteczek wody. Wykorzystując ciśnienie z sieci wodociągowej (nieraz wspomagane dodatkową pompą), woda tłoczona jest przez membranę, przy czym część wody swobodnie przepływa obok błony i jest usuwana (odrzut, koncentrat), a tylko część przenika przez nią (permeat, woda czysta, woda osmotyczna). Dzięki temu membrana nie ulega zapchaniu i zapewnia usuwanie 99% zanieczyszczeń znajdujących się w wodzie.
W odwróconej osmozie, jak sama nazwa wskazuje, woda lub inny rozpuszczalnik przepływa z miejsca o wyższym stężeniu substancji (czyli gdzie już jest mniej wody) do miejsca o mniejszym stężeniu substancji (gdzie jest więcej wody). Proces ten wykorzystywane jest więc np. do odzyskiwania substancji z wody, np. Półprzepuszczalne membrany osmotyczne stanowią świetny filtr w procesie uzdatniania wody. W ten sposób, dzięki odwróconej osmozie, wodę można oczyścić np. Odwrócona osmoza może być wykorzystywana wszędzie tam, gdzie zależy nam na oczyszczaniu wody lub innego rozpuszczalnika.
Przeczytaj także: Technologie oczyszczania wody: Przegląd
Historia - jak i kiedy zaczęto wykorzystywać to zjawisko
Zjawisko przenikania wody przez półprzepuszczalne membrany po raz pierwszy zostało zaobserwowane w roku 1748 przez Jeana Antoine Nolleta. Przez następne 200 lat osmoza była zjawiskiem obserwowanym tylko w laboratorium. Początki uzdatniania wody odwróconą osmozą to rok 1949, kiedy to Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles (UCLA) zaczął prowadzić doświadczenia w odsalaniu wody morskiej przy użyciu półprzepuszczalnych błon.
W połowie roku 1950 naukowcom z UCLA i Uniwersytetu florydzkiego udało się wyprodukować wodę słodką z wody morskiej, jednakże strumień był zbyt mały, aby proces ten był opłacalny. Tak było do czasu odkrycia przez Loeba i Sourirajana techniki produkcji asymetrycznej membrany charakteryzującej się skutecznie cienką warstwą, wysoką porowatością i grubszą warstwą usztywniającą.
Początkowo metoda ta była wykorzystywana przez wojsko jako metoda pozyskiwania wody pitnej dla żołnierzy w warunkach polowych. Z czasem membrany udoskonalono, a dzięki masowej produkcji obniżono ich ceny i tak trafiły do powszechnego użycia nie tylko do odsalania wody morskiej, ale też jako skuteczna metoda uzdatniania wody słodkiej.
Jakie zanieczyszczenia usuwa odwrócona osmoza?
Odwrócona osmoza jest w stanie usunąć nawet >99% rozpuszczonych soli (jonów), cząstek, koloidów, substancji organicznych, bakterii i patogenów z wody zasilającej (chociaż w celu usunięcia 100% bakterii i wirusów oprócz systemu RO należy stosować też sterylizację UV). Membrana RO odrzuca zanieczyszczenia na podstawie ich wielkości i ładunku elektrycznego.
Wszelkie zanieczyszczenia o masie cząsteczkowej większej niż 200 powinny zostać usunięte przez prawidłowo działający system RO (dla porównania cząsteczka wody ma masę cząsteczkową 18). Podobnie, im większy ładunek jonowy zanieczyszczenia, tym większe prawdopodobieństwo, że nie będzie mogło przejść ono przez membranę RO.
Przeczytaj także: Grupa Azoty Puławy - oczyszczanie wody
Dlatego też system RO nie usuwa niektórych gazów, takich jak CO2, ponieważ nie są one silnie zjonizowane (naładowane) w roztworze i mają bardzo niską masę cząsteczkową. Membrana osmotyczna nie usuwa też chloru, dlatego systemy RO muszą być wyposażone we wstępną filtrację węglową.
Zastosowania odwróconej osmozy
- Medycyna - leczenie pacjentów wymagających dializ.
- Biotechnologia - kultury komórek, utrzymywanie i namnażanie komórek poza organizmem, w kontrolowanych warunkach.
- Przemysł spożywczy - tworzenie produktów o wysokiej zawartości danego składnika - koncentraty, soki, kawy, piwa, wody kokosowe. Również w produkcji serów i jogurtów (osmoza wpływa tu na konsystencję i charakterystykę produktu końcowego).
- W domowym użytku np. Wybierając dystrybutory do wody z filtrami odwróconej osmozy redukujesz również w znacznym stopniu spożycie mikroplastiku.
Zalety odwróconej osmozy
- Do najważniejszych zalet należy oczywiście filtracja zanieczyszczeń, np. bakterii i wirusów, a także metali ciężkich.
- Woda filtrowana za pomocą odwróconej osmozy ma także czysty zapach i smak.
- Posiadanie tak dokładnego filtra kuchennego, jakim jest odwrócona osmoza zapewnia wiele korzyści dla całej rodziny. 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.
- Woda po odwróconej osmozie jest też idealna do przemywania delikatnych powierzchni, jak szkło, okulary, soczewki. Najlepiej myć nią owoce i warzywa. Stanowi również doskonałą podstawę do przyrządzania odżywek dla dzieci.
- Dzięki temu jest też idealna do napełniania ekspresu do kawy, żelazka, czajnika elektrycznego oraz innego, drobnego sprzętu AGD.
Wady odwróconej osmozy
Nie poradzi sobie ona np. z siarkowodorem, pestycydami i lotnymi związkami organicznymi, np. formaldehydem, acetonem, benzenem. Oprócz tego do wad osmozy zaliczyć możemy zużycie wody. Niektórzy użytkownicy narzekają też na brak minerałów w spożywanej wodzie.
Na co należy uważać, używając membran osmotycznych?
Przede wszystkim na trzy czynniki: utleniacze, wysuszenie i zamarznięcie. Membrana osmotyczna nie usuwa utleniaczy, takich jak chlor i jest bardzo podatna na uszkodzenia pod ich wpływem, dlatego systemy RO muszą być wyposażone we wstępną filtrację węglową.
Należy pamiętać o regularnej wymianie wstępnego wkładu węglowego, szczególnie jeśli używasz systemu odwróconej osmozy do uzdatniania miejskiej wody z chlorem (sugerowany czas wymiany to czas, po którym węgiel aktywny zaczyna tracić zdolność usuwania zanieczyszczeń chemicznych).
Drugi czynnik to wysuszenie - membrana nie powinna być nigdy sucha. Jeśli system ma być nieużywany przez czas dłuższy niż 1-2 tygodnie (jeśli w pomieszczeniu jest zimno, można ten czas wydłużyć do 2-4 tygodni), membranę należy zabezpieczyć przed wyschnięciem. W tym celu należy wyjąć ją z obudowy, szczelnie zamknąć w foliowym worku i włożyć do lodówki. Z oczywistych powodów nie wolno też wystawiać membrany, ani systemu bez membrany, na ujemne temperatury. Zamarzająca woda rozszerza się i powoduje nieodwracalne uszkodzenia.
Użytkowanie i eksploatacja
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. Większość systemów odwróconej osmozy posiada zestawy półroczne i roczne.
Najlepiej upewnić się jak jest w przypadku produktu, który posiadamy. To bardzo ważne nie tylko ze względu na efekty, jakie dają wkłady filtracyjne w dobrej kondycji, ale również ze względu na zachowanie najwyższego poziomu higieny uzdatniania wody. Oprócz tego w momencie corocznego serwisu warto przeprowadzić dezynfekcję systemu odwróconej osmozy. Można tego dokonać z pomocą specjalnie opracowanych preparatów.
Czy woda po odwróconej osmozie jest zdrowa?
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. Między bajki można włożyć mit, że woda po odwróconej osmozie wypłukuje z organizmu cenne minerały.
Woda po odwróconej osmozie jest w stanie wspomóc detoksykację organizmu i przyspieszy proces przemiany materii. Kwestią dyskusyjną pozostają minerały. Membrana osmotyczna jest niezwykle dokładna i podczas swojego działania zatrzymuje także minerały, przez co woda ich nie zawiera. Warto jednak zdawać sobie sprawę, że substancje odżywcze występujące w wodzie nie są najlepiej przyswajane. Te czerpiemy głównie z pokarmów.
Przykład? Już jedna szklanka świeżo wyciśniętego soku jest nam w stanie dostarczyć tyle minerałów, co 100 litrów wypitej wody! Zrównoważona, zdrowa dieta jest w stanie zapewnić odpowiednie ilości minerałów i witamin, jakich potrzebuje nasz organizm. Woda natomiast ma za zadanie pełnić funkcję ich nośnika.
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. Wydajność i efektywność nasycenia w minerały spada wraz ze wzrostem ilości przefiltrowanej wody.
Przemysłowa odwrócona osmoza
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. Po drugiej stronie membrany pozostaje koncentrat zawierający zanieczyszczenia (cząsteczki soli, koloidy, drobnoustroje, itp.).
Wielkość, wydajność oraz parametry pracy przemysłowych systemów odwróconej osmozy dobiera się zazwyczaj na podstawie godzinowego zapotrzebowania na wodę. Określenie wydajności technologicznej systemu bazuje z kolei na stosunku 75 proc. permeatu do 25 proc. odrzutu. W procesie doboru optymalnych rozwiązań dużą rolę odgrywa także typ membrany osmotycznej.
Nie ulega wątpliwości, że poprawny dobór systemu odwróconej osmozy to złożone zadanie, wymagające fachowej wiedzy i wieloletniego doświadczenia. Wybór przemysłowej odwróconej osmozy do demineralizacji wody to moim zdaniem mnóstwo korzyści. System jest stosunkowo prosty w obsłudze i nie wymaga stosowania preparatów chemicznych.
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. Spotkałem się nieraz z sytuacją, że dla uzyskania większej ilości czystej wody, w instalacji przemysłowej odwróconej osmozy użytkownicy przemysłowej odwróconej osmozy zakręcają zawór wody zrzutowej.
Trzeba mieć jednak świadomość, że taka praktyka odbywa się kosztem samych membran. W takich warunkach zaburzona zostaje liniowa ciągłość płukania z odpowiednim przepływem sugerowanym przez producenta w dokumentacji technicznej. Eksploatacja membrany powoduje odkładanie się na jej powierzchni niepożądanych substancji, co prowadzi do zmniejszenia wydajności całego systemu filtracyjnego.
Czyszczenie i dezynfekcja membran
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.
Podsumowanie zalet i wad odwróconej osmozy
| Zalety | Wady |
|---|---|
| Skuteczna filtracja zanieczyszczeń (bakterie, wirusy, metale ciężkie) | Usuwanie minerałów z wody |
| Poprawa smaku i zapachu wody | Możliwość zapychania membran |
| Wszechstronne zastosowanie (domowe, przemysłowe, medyczne) | Konieczność regularnej wymiany wkładów filtracyjnych |
| Możliwość automatyzacji procesu | Zużycie wody (odrzut do kanalizacji) |
Odwrócona osmoza to precyzyjna i wydajna metoda uzdatniania wody pozwalająca uzyskiwać wodę o najwyższym stopniu czystości dla zakładów o profilu produkcyjno-przemysłowym. Na rynku można znaleźć gotowe przemysłowe odwrócone osmozy oraz systemy przygotowywane pod indywidualne zamówienie. Jeśli jesteś zainteresowany montażem przemysłowej stacji uzdatniania wody, skorzystaj z usług renomowanego dostawcy, który cieszy się zaufaniem wśród swoich klientów.
tags: #uzdatnianie #wody #roztwór #chloru #osmoza #odwrócona
