Odwrócona osmoza: zasady i możliwości zastosowania

 

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. Z powodzeniem usuwa zanieczyszczenia i mikroorganizmy chorobotwórcze, nie tworząc przy tym szkodliwych produktów ubocznych.

Co to jest odwrócona osmoza?

Odwrócona osmoza to nic innego jak bardzo dokładna metoda filtracji membranowej, która znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie potrzebna jest wysokiej jakości, zdemineralizowana woda. Odwrócona osmoza zawdzięcza swoją nazwę odwrotnemu kierunkowi przepływu wody, niż ma to miejsce w przypadku osmozy spontanicznej, będącej zjawiskiem naturalnym.

Na czym polega zjawisko osmozy w przyrodzie?

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. Proces zachodzi bardzo wolno, a jego prędkość zależy od różnicy stężeń roztworów.

Na czym polega technologia odwróconej osmozy?

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. Przez membranę przepychana jest więc oczyszczona woda, pozostawiając zanieczyszczenia po drugiej stronie.

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. Strumień wody surowej po uzdatnieniu rozdzielany jest na dwa strumienie: oczyszczoną wodę, która przeszła przez membranę, a także skoncentrowany strumień zanieczyszczeń, który odprowadzany jest do kanalizacji. 

Typy membran

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. Otrzymuje się je metodą nakładania warstw, a warstwa aktywna i suport zbudowane są w tym przypadku z różnych polimerów.

Materiały membran

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. Powinny wykazywać małą wrażliwość na zmiany temperatury, a także cechować się odpornością mikrobiologiczną.

Filtry membranowe z octanu celulozy

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). W latach osiemdziesiątych zaczęto z nich rezygnować na rzecz membran wykonanych z innych materiałów, charakteryzujących się wyższą wydajnością i szerszym zakresem pH.

Membrany poliamidowe cienkowarstwowe (TFC)

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. Dlatego przed wlotem umieszcza się filtry z węglem aktywnym, które mają za zadanie usunąć resztkowe stężenia wolnego chloru.

Budowa modułów membranowych

Modułem membranowym nazywamy zwartą jednostkę konstrukcyjną, zapewniającą dużą powierzchnię rozdziału i zawierającą odpowiednio upakowane membrany. To integralny i powtarzalny element instalacji membranowej, który w razie uszkodzenia wymieniany jest na nowy.

Moduły płytowe

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. Do wad tego typu modułów zalicza się duża liczba uszczelnień, podatność na fouling oraz straty ciśnienia przez zawracanie przepływu.

Moduły spiralne

W tym przypadku dwa prostokątne arkusze membran, między którymi znajduje się elastyczny materiał porowaty, sklejane są wzdłuż trzech krawędzi i rolowane. Ten typ można jednak stosować tylko w przypadku czystych mediów, gdyż ich mycie i sterylizacja jest bardzo kłopotliwe.

Moduły poduszkowe

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. Wadami są mała gęstość upakowania, a także konieczność przystosowania membrany do zgrzewania.

Pielęgnacja 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. Należy również zwrócić uwagę na pH roztworów myjących i dezynfekujących.

Odsalanie wód morskich i słonawych

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. Przy niższych zawartościach korzystniejsze są technologie oparte na elektrodializie lub technologii wymiany jonowej, a przy wyższych stężeniach soli, technologie oparte na odparowaniu wody.

Zmiękczanie 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. Dlaczego twarda woda jest szkodliwa dla urządzeń? Twardość wody to właściwość, która wynika z obecności w wodzie soli wapnia, magnezu i innych metali. Wyróżnia się dwa rodzaje twardości: węglanową (przemijającą) oraz niewęglanową (trwałą). Twardość węglanowa pochodzi w głównej mierze od zawartych w wodzie węglanów i wodorowęglanów wapnia i magnezu. Za twardość niewęglanową odpowiadają zaś siarczany, azotany, chlorki i inne rozpuszczalne w wodzie sole, głównie wapnia i magnezu. Substancje zawarte w twardej wodzie mogą stanowić poważny problem, ponieważ ich obecność w wodzie prowadzi do wytwarzania się osadów, które ograniczają powierzchnię wymiany ciepła, zatykają filtry i niszczą armaturę. O ile przejściową twardość wody można usunąć przez gotowanie, stałej twardości wody nie da się usunąć w ten sposób.

Laboratoria

Laboratoria mają bardzo wysokie wymagania dotyczące czystości stosowanych chemikaliów i wody. Do analiz laboratoryjnych zwykle konieczne jest użycie tzw. wody ultraczystej, czyli wody zdemineralizowanej.

Oczyszczanie ścieków o wysokiej zawartości soli

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. Odwrócona osmoza jest obecnie jedną z najczęściej stosowanych technologii oczyszczania ścieków, aby osiągnąć najwyższą efektywność oczyszczania, musi być jednak połączona z innymi procesami.

Oczyszczanie ścieków kwaśnych

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. W literaturze opisano między innymi zastosowanie odwróconej osmozy do oczyszczania wody pochodzącej z produkcji prętów miedzianych.

Koncentracja roztworów

Zasada działania urządzeń opartych na odwróconej osmozie pokazuje, że można je wykorzystać nie tylko do oczyszczania wody, lecz także do zagęszczania roztworów. Tym samym odwrócona osmoza powoli staje się alternatywą dla powszechnie stosowanych wyparek próżniowych w niektórych gałęziach przemysłu, zwłaszcza w przemyśle spożywczym czy farmaceutycznym.

Odwrócona osmoza do użytku domowego

W gospodarstwach domowych i niewielkich przedsiębiorstwach stosuje się najczęściej mniejszą odwróconą osmozę. Rozwiązanie ma zastosowanie, 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. Jednak woda uzdatniona metodą odwróconej osmozy nie nadaje się do picia. W praktyce więc uzdatniana jest zwykle tylko część wody, reszta prowadzona jest tzw. by-passem. 

Produkty oczyszczania ścieków

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. Nie jest to jednak zrównoważone rozwiązanie, a recykling solanki pozostaje głównym wyzwaniem związanym z technologią odsalania wody morskiej metodą odwróconej osmozy.

Odwrócona osmoza - podsumowanie

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. Stosowanie technologii odwróconej osmozy jest uzasadnione zwłaszcza gdy wydajność procesu jest opłacalna ekonomicznie, zatykanie porów membrany (fouling) jest odwracalne, żywotność membrany jest długa, a powstające odpady nie stanowią zagrożenia dla środowiska.

Potrzebujesz doradztwa lub rozwiązań w zakresie uzdatniania wody? Zapraszamy do kontaktu z firmą EuroClean!