Odwrócona Osmoza: Budowa i Zasada Działania
- Szczegóły
Filtry odwróconej osmozy cieszą się coraz większym zainteresowaniem, pozwalając uzyskać krystalicznie czystą wodę do picia. Filtry działające na zasadzie odwróconej osmozy można stosować do wody z wodociągu i ze studni (ale zwykle wcześniej podczyszczonej do wymaganej jakości). W domach jednorodzinnych używa się ich przeważnie do uzdatniania części wody przeznaczonej do picia.
Zasada działania odwróconej osmozy
Aby dokładnie zrozumieć, jak działa system, warto zobaczyć, jak wygląda filtracja wody pitnej krok po kroku. Naturalny proces osmozy polega na tym, że woda przepływa przez błonę w stronę roztworu bardziej zasolonego. W systemach RO ten kierunek zostaje odwrócony dzięki odpowiedniemu ciśnieniu wody, które „przepycha” ciecz przez specjalną membranę osmotyczną. Taka membrana odwróconej osmozy działa niezwykle skutecznie - potrafi zatrzymywać nawet najdrobniejsze elementy, które mogłyby obniżyć jakość wody. W praktyce oznacza to, że system usuwa z cieczy metale ciężkie, związki chemiczne, pestycydy czy nadmiar soli.
Proces filtracji na filtrach RO (Reverse Osmosis) jest wielostopniowy, a stopień redukcji zanieczyszczeń sięga 99%. Woda opuszczająca urządzenie jest pozbawiona pierwiastków i rozpuszczonych związków chemicznych o wymiarach 0,1-0,001 μm oraz bakterii i wirusów.
Etapy Filtracji
Na samym początku ciecz trafia do wstępnych wkładów filtrujących, które zatrzymują piasek, rdzę czy muł. Dzięki nim instalacja jest chroniona, a woda płynąca dalej ma już lepsze parametry. Następnie przechodzi przez wkład węglowy, który usuwa chlor, pestycydy oraz substancje organiczne mogące wpływać na smak i zapach wody. Co ważne, ten etap chroni również membranę osmotyczną przed uszkodzeniem przez chlor. Kolejny etap to serce całego układu - membrana osmotyczna, czyli element odpowiedzialny za najdokładniejsze oczyszczanie. W zależności od konstrukcji, woda może być magazynowana w zbiorniku, skąd trafia później do kuchennego kranu, albo w nowoczesnych rozwiązaniach płynie bezpośrednio dalej, jeśli mamy osmozę bez zbiornika. Na końcowym etapie stosuje się często dodatkowe wkłady, które poprawiają smak i świeżość, a czasem także wzbogacają wodę o minerały.
Budowa i elementy filtrów odwróconej osmozy
Filtry z odwróconą osmozą składają się z kilku elementów. Z ilu i w jakiej kolejności zamontowanych - zależy od producenta. Najważniejszym elementem filtrów odwróconej osmozy jest półprzepuszczalna membrana. Półprzepuszczalna membrana zatrzymuje prawie wszystkie zanieczyszczenia zawarte w wodzie, na przykład metale ciężkie, benzen, pierwiastki promieniotwórcze, azotany. Powinna być odporna na czynniki mechaniczne, zmiany temperatury i działanie związków chemicznych oraz bardzo cienka (cieńsza jest bardziej wydajna i mniej podatna na zapychanie).
Przeczytaj także: Wpływ jakości powietrza na zdrowie
Membrana osmotyczna
Membrany są najczęściej robione z polimerów syntetycznych, na przykład octanu celulozy lub poliamidu, i mają postać bardzo cienkiej, selektywnej błony umieszczonej na siatce z tworzywa sztucznego, która zwiększa ich wytrzymałość. W najnowocześniejszych urządzeniach do uzdatniania wody pitnej stosuje się membrany nanofiltracyjne. Zatrzymują one jony dwuwartościowe oraz wszystkie mikrozanieczyszczenia i związki nieorganiczne, a także pestycydy, metale ciężkie, azotany, jednak nie pozbawiają wody wartościowych związków mineralnych, takich jak wapń i magnez. Nie usuwają także twardości, a jedynie ją redukują.
Wydajność urządzenia do odwróconej osmozy zależy od przepustowości membrany, a ta wynosi najczęściej 50, 75 lub 100 GPD (galonów amerykańskich na dobę). Membrana o przepustowości 100 GPD umożliwia przygotowanie 378 l uzdatnionej wody w ciągu doby (1 galon amerykański to 3,78 l), w temperaturze 25°C i przy ciśnieniu w sieci około 3 barów.
Tylko 20-30% wody, która trafia do urządzenia, jest uzdatniane. Reszta zatrzymuje się na membranie i stanowi uboczny produkt oczyszczania. Zawiera zanieczyszczenia w znacznie większym stężeniu i zwykle jest odprowadzana do kanalizacji.
Membrany mają bardzo małe pory, więc by się nie zatykały zbyt szybko, powinny filtrować jedynie wodę wstępnie oczyszczoną. Niektórzy producenci urządzeń do odwróconej osmozy wymagają więc, aby miała ona jakość taką jak wodociągowa albo określają dopuszczalny poziom niektórych zawartych w niej zanieczyszczeń, na przykład żelaza, krzemionki, a także jej twardości.
Prefiltry mechaniczne i węglowe
Aby żywotność membrany była dłuższa, muszą być przed nią zamontowane: filtr mechaniczny (do wstępnego klarowania wody) oraz filtr z węglem aktywnym (do usuwania chloru i rozpuszczonych związków organicznych). Przed membraną montuje się jeden lub dwa filtry mechaniczne, które mają zatrzymywać piasek, rdzę i inne większe zanieczyszczenia (o wielkości co najmniej 5 μm) oraz filtr z granulowanego węgla aktywnego usuwający z wody chlor, związki organiczne, zawiesiny oraz polepszający barwę, smak i zapach wody.
Przeczytaj także: Koszty uzdatniania wody w bloku
Podczas eksploatacji wkłady filtracyjne i membrany muszą być regularnie wymieniane. Pierwsze - co mniej więcej pół roku, drugie - co 3-5 lat. O trwałości membrany decydują między innymi jakość dopływającej wody, jej temperatura i wielkość zużycia oraz jakość wspomnianych filtrów.
Zbiorniki na wodę
W większości domowych urządzeń do odwróconej osmozy prędkość filtrowania przez membranę osmotyczną jest niewielka, dlatego często są one wyposażone w kilku- lub kilkunastolitrowe zbiorniki (8-15 l). Oczyszczona woda dopływa do nich niezależnie od wielkości poboru do czasu, aż staną się pełne. Dzięki temu jest stale dostępna. Filtry odwróconej osmozy o dużej wydajności mogą nie mieć zbiorników.
Całe urządzenie RO (zestaw filtrów zamontowany na płytce montażowej, obudowę z membraną, mineralizator i zbiornik na wodę) można zmieścić w szafce pod zlewozmywakiem. Wodę czerpie się z połączonej z nim osobnej wylewki umieszczonej zwykle na blacie przy zlewozmywaku. W urządzeniach kompaktowych wszystkie elementy są zamontowane we wspólnej obudowie.
Czy warto instalować filtry odwróconej osmozy?
Filtry odwróconej osmozy to urządzenia do bardzo dokładnego oczyszczania wody. Dzięki nim można zatrzymać ponad 90% zanieczyszczeń. Te przeznaczone do domów jednorodzinnych mają małą wydajność (do 30 l/dobę) i są dość drogie. Montuje się je w szafce pod zlewozmywakiem.
Uzdatnianie wody z wykorzystaniem odwróconej osmozy usuwa z niej zarówno szkodliwe, jak i potrzebne naszemu organizmowi minerały (na przykład związki magnezu, wapnia, potasu).
Przeczytaj także: Wszystko o osuszaczach bloku filtra
Przeciwnicy metody odwróconej osmozy kwestionują sens usuwania z wody wszystkiego (również pierwiastków korzystnych dla zdrowia człowieka, takich jak wapń i magnez), po to by ją na zakończenie uzdatniania sztucznie wzbogacić w procesie mineralizacji albo - co gorsza - nie wzbogacać wcale.
W rozbudowanych wersjach urządzeń do odwróconej osmozy za membraną instaluje się jeszcze filtr końcowy węglowy oraz mineralizator. Pierwszy pozwala zatrzymać gazy i substancje lotne oraz ostatecznie poprawia smak i zapach wody, drugi nasyca wodę usuniętymi do cna mikroelementami (na przykład związkami magnezu, wapnia i potasu).
Podnosząc kwestię „za czystej” (jałowej wody). Metoda posiada wielu zwolenników, setki tysięcy ludzi posiada takie systemy w domach od 20-30 lat. Oczywiście, jak w każdej dziedzinie, znajdują się przeciwnicy tego rozwiązania.
Kolumny filtracyjne
W przypadku konieczności filtrowania całej wody pompowanej do instalacji domowej warto rozważyć zakup i instalację dużych filtrów zwanych kolumnami filtracyjnymi wypełnionymi - w zależności od potrzeb - złożem piaskowo-żwirowym, aktywnym złożem katalitycznym, żywicą jonowymienną albo granulowanym węglem aktywnym. Zwykle instaluje się je w pomieszczeniu gospodarczym.
Za pomocą głowicy sterującej można zaprogramować płukanie i regenerację złoża. Sterownik czasowy włącza i wyłącza płukanie po określonym czasie (co kilka dni), objętościowy - uruchamia je, gdy przez złoże przepłynie określona ilość wody.
Za rodzaj usuwanych zanieczyszczeń odpowiada wypełnienie kolumny filtracyjnej. Kolumna ze złożem piaskowo-żwirowym usuwa tylko związki żelaza, a wypełniona aktywnym złożem katalitycznym dodatkowo także manganu. Urządzenie z żywicą jonowymienną pozbawia wodę nadmiaru jonów wapnia i magnezu (zmiękcza ją), a zawierające granulowany węgiel aktywny - usuwa związki organiczne, zawiesinę oraz poprawia smak i zapach wody.
Po wyczerpaniu zdolności filtracyjnych kolumnę płucze się, przepuszczając przez nią wodę w przeciwnym kierunku.
Odrzut wody i jego znaczenie
Podczas działania każdego systemu RO część cieczy nie trafia do szklanki, ale zostaje odprowadzona jako tzw. odrzut wody do kanalizacji. To nic innego jak mechanizm samooczyszczania - przepływająca woda wypłukuje z membrany wszystkie zanieczyszczenia, które zostały wcześniej zatrzymane. W praktyce ilość tego odrzutu jest naprawdę niewielka i zależy m.in. od ciśnienia wody oraz jakości surowca doprowadzanego do instalacji.
Warto też wiedzieć, że standardowe systemy ze zbiornikiem zwykle odprowadzają kilka litrów na każdy litr czystej wody, a w zamian oferują perfekcyjną dokładność filtracji i pewność, że udało się usunąć z wody wszystko, co niepożądane.
Tak naprawdę odrzut nie jest stratą - to raczej konieczny etap całego procesu oczyszczania wody. Wybierając filtr do wody, warto zwrócić uwagę na konstrukcję systemu. Tradycyjnie stosowane są dwa rozwiązania - z dodatkowym zbiornikiem na magazynowanie wody lub bez niego.
Systemy ze zbiornikiem vs. Systemy bezzbiornikowe
Standardowe systemy odwróconej osmozy, takie jak RO7, gromadzą czystą wodę w specjalnym zbiorniku. Dzięki temu użytkownik ma stały dostęp do kilku litrów płynu gotowego do spożycia. W takim rozwiązaniu odrzut jest nieco większy - stosunek odrzuconej wody na 1 litr wody czystej wynosi średnio 1:4, choć w zależności od ciśnienia i temperatury może wahać się od 1:2 do nawet 1:8. To oznacza, że aby uzyskać 1 litr czystej cieczy, system musi odprowadzić do kanalizacji kilka litrów wody.
Alternatywą są nowoczesne systemy odwróconej osmozy, w których woda nie trafia do zbiornika, ale płynie od razu do kuchennego kranu. Dobrym przykładem jest model TBros, w którym dzięki innowacyjnej konstrukcji odrzut jest znacznie mniejszy niż w systemach starszego typu.
Jeśli priorytetem jest stały zapas wody i prostsza budowa, sprawdzi się system ze zbiornikiem. Natomiast dla osób, które cenią nowoczesność, oszczędność i kompaktowe rozwiązania, lepszym wyborem będzie filtr bezzbiornikowy.
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. Doświadczenia przyczyniły się do rozpoczęcia stosowania skór zwierzęcych jako membran. Ze względu na niepewne działanie nie prowadzono jednak dalszych prac nad ich wdrożeniem.
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.
Zastosowanie odwróconej osmozy
Systemy odwróconej osmozy znajdą zastosowanie w naprawdę wielu dziedzinach przemysłu. Generalnie rzecz biorąc, wszędzie tam, gdzie niezbędna jest czysta woda. Od prozaicznych zastosowań w rodzaju myjni bezdotykowych, przez wszelkiego rodzaju kotłownie, lakiernie proszkowe, stacje dializ czy laboratoria medyczne.
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.
Wpływ odwróconej osmozy na jakość wody
Odwrócona osmoza zatrzymuje większość jonów metali ciężkich, takich jak ołów, kadm czy rtęć, ograniczając ich przenikanie do wody pitnej. Odwrócona osmoza usuwa znaczną część rozpuszczonych soli mineralnych, w tym nadmiar sodu, wapnia i magnezu, co wpływa na przewodność wody. Membrana redukuje stężenie azotanów i azotynów, które mogą pochodzić z nawozów rolniczych i ścieków. Z wody są eliminowane liczne związki organiczne małocząsteczkowe, w tym część pestycydów oraz pozostałości farmaceutyków. System usuwa także większość bakterii i wielu wirusów, ograniczając ryzyko mikrobiologicznego skażenia wody. Odwrócona osmoza zmniejsza zawartość chloru w formie związanej oraz części produktów ubocznych jego dezynfekcyjnego stosowania.
Żywotność membrany osmotycznej
Czas działania membrany osmotycznej zależy od jakości wody zasilającej, wydajności filtra oraz regularności serwisowania pozostałych wkładów. W typowych warunkach domowych membrana zachowuje właściwości filtracyjne średnio od 2 do 5 lat. Twarda woda, wysoki poziom żelaza lub manganu oraz brak płukania wstępnego skracają ten okres. Z kolei dobra filtracja wstępna na osadach i węglu oraz prawidłowe ciśnienie w instalacji wydłużają żywotność membrany. O konieczności wymiany informuje spadek wydajności filtra, wolniejsze napełnianie zbiornika lub wyraźne pogorszenie smaku wody.
Badanie jakości wody
Przed badaniem jakości wody należy ustalić, czy interesuje Cię jej przydatność do picia, zastosowania akwarystyczne, techniczne czy laboratoryjne, ponieważ od tego zależy wybór parametrów. Do wstępnej oceny wody przed filtrem można użyć miernika TDS lub przewodności, który wskazuje łączną ilość rozpuszczonych substancji. Warto przed odwróconą osmozą sprawdzić twardość ogólną i węglanową przy pomocy testów kropelkowych, aby ocenić obciążenie membrany solami wapnia i magnezu. Testy paskowe pozwalają szybko zmierzyć pH, azotany, azotyny i chlor, co daje orientacyjny obraz zanieczyszczeń przed filtracją.
Zalety i wady odwróconej osmozy
Filtry odwróconej osmozy usuwają z wody większość rozpuszczonych soli, metali ciężkich oraz części zanieczyszczeń chemicznych. Membrana w takich filtrach zatrzymuje także wiele mikroorganizmów, co ogranicza ryzyko ich spożycia. Systemy te pozwalają uzyskać wodę o stałych parametrach, dzięki czemu łatwiej przewidzieć jej skład w porównaniu z wodą surową.
Wadą jest stosunkowo wolne tempo filtracji, co wymaga często zastosowania zbiornika magazynującego wodę. Instalacja filtrów odwróconej osmozy wiąże się z kosztami zakupu membrany, wkładów wstępnych oraz ewentualnego serwisu. Proces generuje ścieki popłuczne, ponieważ część wody jest odprowadzana z zanieczyszczeniami do kanalizacji. Woda po odwróconej osmozie ma znacznie obniżoną zawartość minerałów, co wpływa na jej smak i wymaga czasem zastosowania wkładu mineralizującego. Systemy tego typu zajmują miejsce pod zlewem i wymagają dostępu do instalacji wodnej oraz odpływu.
Porównanie z tradycyjnymi metodami oczyszczania wody
Tradycyjne metody oczyszczania wody obejmują sedymentację, filtrację mechaniczną oraz dezynfekcję chemiczną, które usuwają głównie zawiesiny i część mikroorganizmów. Odwrócona osmoza wykorzystuje półprzepuszczalną membranę, która zatrzymuje większość jonów, związków organicznych i mikroorganizmów przy działaniu ciśnienia wyższego niż ciśnienie osmotyczne. W odróżnieniu od prostych filtrów mechanicznych, membrana osmotyczna pozwala na redukcję twardości wody poprzez usunięcie jonów wapnia i magnezu. W zestawieniu z dezynfekcją chemiczną odwrócona osmoza ogranicza ilość produktów ubocznych powstających przy użyciu chloru, ponieważ usuwa wiele związków reagujących w procesie dezynfekcji.
Jak wybrać odpowiedni filtr odwróconej osmozy
Przy wyborze filtra odwróconej osmozy w pierwszej kolejności trzeba sprawdzić jakość wody zasilającej, uwzględniając twardość, poziom żelaza, manganu oraz całkowite zasolenie. Od tych parametrów zależy dobór membrany o odpowiednim stopniu odrzutu zanieczyszczeń oraz ewentualnej wstępnej filtracji mechanicznej i węglowej. Istotne jest także określenie dziennego zapotrzebowania na wodę, ponieważ różne systemy mają odmienną wydajność podawaną w litrach na dobę. Należy sprawdzić wymagane ciśnienie robocze w instalacji, gdyż część urządzeń wymaga zastosowania pompy podnoszącej ciśnienie przy zbyt niskich wartościach. Warto dobrać system z łatwo dostępnymi wkładami zamiennymi, aby ograniczyć koszty eksploatacji i mieć pewność ciągłości serwisu. Przydatne jest również zwrócenie uwagi na sposób montażu i ilość miejsca pod zlewem, ponieważ niektóre zestawy zawierają dodatkowy zbiornik magazynujący wodę.
Koszty zakupu i eksploatacji
Koszt zakupu systemu odwróconej osmozy zależy głównie od wydajności urządzenia, jakości zastosowanych membran oraz stopnia automatyzacji sterowania. Na cenę wpływa także konieczność dopasowania instalacji do istniejącej infrastruktury wodnej i elektrycznej w budynku. W przypadku większych systemów istotnym wydatkiem początkowym jest projekt technologiczny oraz montaż wraz z uruchomieniem i konfiguracją parametrów pracy.
Eksploatacja generuje stałe koszty zużycia wody, energii elektrycznej oraz okresowej wymiany wkładów wstępnych i filtrów węglowych. Membrany osmotyczne wymagają wymiany co kilka lat, co stanowi jeden z wyższych kosztów serwisowych w cyklu życia instalacji. W budżecie eksploatacyjnym należy uwzględnić także środki do dezynfekcji i ewentualnego odkamieniania elementów mających kontakt z wodą. Regularne przeglądy techniczne i serwis prewencyjny zmniejszają ryzyko awarii, lecz wiążą się z dodatkowymi opłatami za robociznę i dojazd serwisu.
tags: #odwrocona #osmoza #budowa #i #zasada #działania
