Demineralizacja wody metodą odwróconej osmozy
Technologia odwróconej osmozy, 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. Następuje zatem przepływ wody z roztworu o stężeniu większym (brudna woda) do roztworu o stężeniu mniejszym (czysta woda), czyli odwrotnie niż w naturze.
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. Rodzina systemów osmotycznych składa się z kilkunastu podstawowych modeli, których wydajność może być dostosowana do indywidualnych wymagań użytkownika. Modele te - z racji posiadania wielu zalet: niskie koszty eksploatacji oraz krótki okres amortyzacji - cieszą się największą popularnością wśród użytkowników. Systemy odwróconej osmozy zapewniają swojemu właścicielowi ultraczystą wodę. Żadna inna technologia nie jest w stanie dostarczyć tak znakomitej wody w tak prosty i przyjazny dla środowiska sposób.
Trochę historii
Proces osmozy przez półprzepuszczalne membrany po raz pierwszy zaobserwowano w roku 1748 przez Jeana Antoine Nolleta. Przez następne 200 lat, osmoza była zjawiskiem obserwowanym tylko w laboratorium. W 1949 Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles (UCLA) po raz pierwszy badał odsalanie wody morskiej wykorzystując do tego celu półprzepuszczalne membrany. W połowie roku 1950 naukowcy z UCLA i Uniwersytetu florydzkiego, z powodzeniem wyprodukowali wodę słodką z wody morskiej, jednakże strumień był zbyt mały, aby było to rentowne. Tak było do czasu odkrycia przez Loeba i Sourirajana techniki tworzenia asymetrycznej membrany charakteryzującej się skutecznie cienką warstwą, wysoce porowatą i z grubszym podłożem membrany. Do końca 2001 roku na świecie pracowało lub było na etapie planowania około 15.200 zakładów odsalania wody morskiej.
Demineralizacja wody – odwrócona osmoza
Odwrócona osmoza należy do procesów membranowych pozwalających na oddzielenie zanieczyszczeń rozpuszczalnych i koloidalnych (0,1 – 0,001 µm) znajdujących się w wodzie. Podstawą procesu jest zjawisko osmozy polegające na transporcie rozpuszczalnika (wody) przez membranę półprzepuszczalną, tzn. przepuszczalną dla rozpuszczalnika, a nieprzepuszczalną dla substancji rozpuszczonych (soli). Siłą napędową w osmozie jest różnica stężeń rozpuszczonych soli w roztworach rozgraniczonych przez membranę. Przyłożenie, po stronie roztworu bardziej stężonego, odpowiednio wysokiego ciśnienia zewnętrznego spowoduje przepływ wody w kierunku przeciwnym do naturalnego. Proces taki nazywamy odwróconą osmozą. Woda po systemie odwróconej osmozy jest prawie całkowicie odsolona. Gazowe składniki wody takie jak tlen czy dwutlenek węgla przechodzą przez membranę. Podstawowym elementem każdego urządzenia odwróconej osmozy jest moduł, zawierający jedną lub więcej membran.
Wysokociśnieniowa pompa w sposób ciągły podaje wodę do obudowy, w której zainstalowana jest półprzepuszczalna membrana. Strumień wody zasilającej jest rozdzielany na dwa strumienie: permeat (o niskiej zawartości soli) oraz koncentrat (zatężone sole). Zawór koncentratu służy do regulacji stosunków tych strumieni oraz pozwala utrzymać ciśnienie na membranach. Permeat jest magazynowany w zbiorniku permeatu i stamtąd rozprowadzany do miejsca przeznaczenia.
Podstawowe pojęcia związane z technologią odwróconej osmozy
przepływ permeatu
odzysk [%] = ------------------------------- x 100%
przepływ wody zasilającej
Wielkość ta wynosi 50 – 80%. Odzysk równy 75% oznacza, że strumień permeatu stanowi 75% ilości wody zasilającej, co oznacza również prawie 4–krotnie większe stężenie soli w koncentracie niż w wodzie zasilającej.
stężenie soli w permeacie
przepuszczalność [%] = --------------------------------------- x 100%
stężenie soli w wodzie zasilającej
odsolenie [%] = 100% – przepuszczalność
TDS (Total Dissolved Solids) – stopień zasolenia wody; podaje ilość soli rozpuszczonych w wodzie. Ma decydujący wpływ na ciśnienie.
SDI (Silt Density Index) – indeks koloidalny; współczynnik mający decydujący wpływ przy projektowaniu systemu odwróconej osmozy – wyraża on zdolność wody do zanieczyszczania membran. Jego wartość powinna być < 3.
Pomiaru SDI dokonuje się za pomocą specjalnego przyrządu, poprzez pomiar stopnia zablokowania filtra membranowego o skuteczności filtracji 0,45 µm przy stałym ciśnieniu 2,07 bar.
T0
1 – ------
T15
SDI15 = ----------------- x 100
15
gdzie:
T0 – czas podstawowy [s], potrzebny na początku testu do przefiltrowania przez filtr membranowy dokładnie 500 ml wody (np. 20 s);
T15 – czas potrzebny do ponownego przefiltrowania 500 ml badanej wody po upływie 15 min. pracy filtra membranowego (np. 40 s).
Woda zasilająca urządzenie do demineralizacji wody metodą odwróconej osmozy wymaga zwykle wstępnego przygotowania – należy usunąć z niej wszystkie substancje, które mogą zakłócić lub uniemożliwić pracę membran wskutek ich zablokowania. Woda ta powinna być zmiękczona, pozbawiona żelaza, manganu, oleju oraz wolnego chloru, a indeks koloidalny SDI nie powinien być większy niż 3.
Typowa technologia powinna uwzględniać następujące procesy:
– filtracja mechaniczna;
– odżelazianie, odmanganianie;
– usuwanie wolnego chloru (filtracja na węglu aktywnym);
– zmiękczanie;
– filtracja ochronna;
– odwrócona osmoza.
Do prawidłowego doboru technologii i urządzeń konieczna jest pełna analiza wody surowej.
Instalacja odwróconej osmozy powinna być eksploatowana w sposób ciągły; jeżeli pracuje okresowo, to w czasie postoju należy ją uruchamiać przynajmniej 1 raz w ciągu doby na okres nie krótszy niż 20 min. W przeciwnym razie membrany wymagają dezynfekcji.
Zasadniczo membrany powinny być czyszczone, jeżeli stwierdzi się:
– zwiększenie zasolenia permeatu o więcej niż 15%;
– konieczność zwiększenia ciśnienia roztworu zasilającego o ponad 20%;
– zmniejszenie wydajności hydraulicznej o więcej niż 5% dla danej temperatury wody;
– obecność osadów na membranach.
