czwartek, wrzesień 21, 2017
Witamy w pawiookie.pl!

Odwrócona osmoza

Artykuł umieszczony na pawiookie.pl dzięki uprzejmości Łukasza Kaczmarka
(c) Łukasz Kaczmarek, http://demo.un.pl/solniczka/
Wersja oryginalna: http://demo.un.pl/solniczka/artykuly/osmoza.htm
Artykuł ukazał się pierwotnie w 3 nr kwartalnika AkwaForum

Wstęp
Do czego służą filtry r.o.

Osmoza a odwrócona osmoza - odrobina teorii
Membrany i ich trwałość
Moduły membranowe
Parametry charakteryzujące filtr r.o.
Ile wody zużywa takie urządzenie
Czy kupić sobie urządzenie do odwróconej osmozy
Literatura

 

Wstęp

W praktyce akwarystycznej coraz częściej spotykamy się z filtrami odwróconej osmozy. Można je spotkać już prawie powszechnie w ofercie sklepów akwarystycznych. Zyskały sobie wielu zwolenników ze względu na niewątpliwe zalety w stosunku do innych rozwiązań. Do czego służą te urządzenia i na jakiej zasadzie działają?

Do czego służą filtry r.o. ?

Na skalę przemysłową filtry r.o. (z angielskiego: reverse osmosis) zaczęły być stosowane na początku lat siedemdziesiątych. Główne zastosowanie tej technologii to odsalanie wód morskich i słonawych. Używana jest również jako metoda otrzymywania ultraczystej wody dla przemysłu farmaceutycznego, kosmetycznego, energetyki jądrowej, laboratoriów i innych. Odwrócona osmoza może być też metodą doczyszczania ścieków czy uzdatniania wody pitnej. Nie bez znaczenia jest fakt, że technologia ta nie wymaga dawkowania chemikaliów a więc nie powoduje przekształceń chemicznych zanieczyszczeń. Jest to dosyć poważny problem np. podczas dezynfekcji wody związkami chloru, gdyż w wyniku reakcji odczynników jako produkt uboczny mogą powstawać bardzo kłopotliwe tzw. halogenowane związki organiczne (THM). Połączenie odwróconej osmozy z innymi technologiami, takimi jak wymiana jonowa, bądź kilkukrotne poddanie wody r.o. pozwala na uzyskanie najczystszej wody stosowanej np. w laboratoriach chemicznych zajmujących się analizą śladowych ilości substancji chemicznych.

Ostatnio coraz powszechniej spotykamy się z tego typu urządzeniami w praktyce akwarystycznej. Są to przeważnie bardzo małe filtry o wydajności kilkuset litrów na dobę. Największe znane instalacje zaopatrujące w wodę miasta mają wydajność około 100 tys. m3/d.

Filtry r.o. umożliwiają uzyskiwanie wody bardzo miękkiej - o twardości praktycznie niemierzalnej testami akwarystycznymi. Zmiękczanie jest głównym celem stosowania tych urządzeń w akwarystyce. Odwrócona osmoza zapewnia również usunięcie z wody wielu innych rozpuszczonych substancji. Świetnie nadają się na przykład do oczyszczania wody z często toksycznych związków organicznych. Pestycydy w zależności od rodzaju zatrzymywane są w ilości od 53 do 99,5% i zależy to w dużej mierze również od materiału użytego do budowy membrany. Często rakotwórcze i silnie trujące chlorowane związki organiczne (np. DDT) usuwane są w 95%. Tego typu zanieczyszczenia wprawdzie bardzo rzadko występują w wodzie z ujęć głębinowych, która jest najczęściej stosowana w naszych akwariach, ale w przypadku wód powierzchniowych zdarzają się.

Zanieczyszczenia w formie jonowej zatrzymywane są z różną skutecznością. Ogólna zasada mówi, że im wyższy ładunek jonu tym lepsza skuteczność metody. Większość soli zawierających jony dwuwartościowe jest zatrzymywana praktycznie całkowicie. Wśród dwuwartościowych jonów metali alkalicznych najlepiej usuwany jest magnez, następnie bar, stront a stosunkowo najsłabiej wapń (Mg2+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+) . Wśród jonów jednowartościowych metoda cechuje się najwyższą skutecznością w przypadku jonów litu, następnie sodu. Najsłabiej zatrzymywane są jony potasu (Li+ > Na+ > K+).

Odwrócona osmoza pozwala również na skuteczne usunięcie z wody domieszek promieniotwórczych (rad, uran, kobalt, niob, cez i inne). Wbrew pozorom z takimi domieszkami pochodzenia naturalnego możemy spotkać się również w Polsce (np. uzdrowiska południowej Polski Świeradów Zdrój).

Tabela 1. Skuteczność działania instalacji odsalania wody z odwróconą osmozą w San Diego, USA [3]

składnik

stężenie [g/m3]

woda słonawa

filtrat

usunięcie

pH

7,0

5,5

-

Substancje rozpuszczone ogółem

4460

310

93 %

Wapń

360

7,6

98 %

Magnez

230

0,5

99,8 %

Sód

900

110

88 %

Potas

26

3,8

86 %

Żelazo

6,5

0,12

98 %

Mangan

3,8

0,0

100 %

Węglany

460

12

97 %

Siarczany

620

0,0

100 %

Chlorki

1960

170

91 %

Krzemionka

93

7,6

92%

Twardość (CaCO3)

1830

20

99 %

Zastosowanie odwróconej osmozy zapewnia również czystość mikrobiologiczną wody. Zatrzymywane na filtrze są praktycznie wszystkie bakterie a nawet wirusy. Jest to nieco rzadziej podkreślana zaleta tych urządzeń - a przecież bardzo ważna dla rybek.

Osmoza a odwrócona osmoza - odrobina teorii

Wyobraźmy sobie naczynie, które przedzielimy przegrodą. Nie byle jaką przegrodą jednak, ale tzw. półprzepuszczalną. Przez przegrodę półprzepuszczalną, nazywaną też membraną, mogą przenikać cząsteczki tylko niektórych związków chemicznych. Dla innych jest ona nieprzepuszczalna. Wyobraźmy sobie, że nasza membrana jest przepuszczalna dla cząsteczek wody a dla rozpuszczonych w niej soli nie. Po jednaj stronie przegrody wlewamy czystą wodę zaś po drugiej wodę zawierającą sól. Co się stanie? Nastąpi zjawisko osmozy. Cząsteczki wody ze strony czystej zaczną przenikać przez membranę na stronę roztworu soli. Nasz wymyślony układ będzie dążył do rozcieńczenia roztworu tak by stężenia soli po obu stronach przegrody się wyrównały. To przecież jednak nigdy nie nastąpi!. Po jednej stronie zawsze będzie trochę soli a po drugiej nie - membrana jest przecież dla niej nieprzepuszczalna! Czy więc woda będzie przenikać przez ściankę aż do jej całkowitego wyczerpania po czystej stronie? Nie. Różnica poziomów po obu stronach będzie się powiększać a wraz z nią rosnąć będzie różnica ciśnień wywoływanych przez słup wody po obu stronach. W pewnym momencie ta różnica będzie tak duża, że spowoduje zatrzymanie przenikania wody na stronę zanieczyszczoną. To ciśnienie jest charakterystyczne dla roztworu (zależy między innymi od różnicy stężeń) i nazywane jest ciśnieniem osmotycznym.

A co by się stało gdyby nasz wymyślony układ nieco zmodyfikować i część naczynia zawierającą roztwór poddać działaniu ciśnienia, które byłoby większe niż ciśnienie osmotyczne? Nastąpi zjawisko odwróconej osmozy. Spowodujemy "wyciśnięcie" wody z roztworu soli. Na tej właśnie zasadzie działają coraz chętniej kupowane przez akwarystów filtry R.O.

Membrany i ich trwałość

Membrany filtrów r.o. mają strukturę asymetryczną. Oznacza to, że niezwykle cienka (0,1 - 1,0 mikrometra) warstwa o ultramałych porach osadzona jest na makroporowatym, znacznie grubszym podłożu stanowiącym szkielet. Przez tak skonstruowaną błonę nie mogą przenikać cząsteczki większe niż około 10-10 m. Zapewnia to zatrzymanie większości syntetycznych związków organicznych.

Stosowane membrany są najczęściej wykonane z octanu celulozy lub poliamidów aromatycznych. Rzadziej spotykane materiały służące inżynierom do konstruowania przegród półprzepuszczalnych to polimery takie jak poliamidy alifatyczne, sulfonowane polisulfony, polialkohol winylowy czy poliakrylonitryle.

Starszym rozwiązaniem są membrany octanowe. Ich zasadniczą wadą jest wrażliwość na biodegradację oraz hydrolizę. Hydroliza jest reakcją chemiczną, w wyniku której następuje rozpad octanu celulozy na kwas octowy oraz celulozę. Szybkość tego niszczącego procesu zależy silnie od temperatury oraz pH filtrowanej wody. Optymalne dla trwałości pH wynosi od 5 do 6 i jest niestety niższe niż najczęściej spotykane w akwarystycznej praktyce. W przeciwieństwie do membran poliamidowych nie są one jednak wrażliwe na silne utleniacze, jak np. często spotykany w wodzie wodociągowej chlor. Są również znacznie tańsze. Błony poliamidowe mogą pracować w szerokim zakresie pH od 4 do 11. Niezależnie od typu membrany nie powinny one pracować w temperaturze powyżej 40oC.

Czy można przeciwdziałać tym niszczącym procesom? W pewnym stopniu można. Filtr nie powinien mieć zbyt długich przerw w pracy gdyż sprzyja to rozwojowi mikroorganizmów powodujących biodegradację. Starajmy się więc aby nasze urządzenie działało przynajmniej pół godziny dziennie.

Czasami filtry r.o. są wyposażone w układy do czyszczenia membran. Są one jednak rzadko spotykane w instalacjach domowych. Czyszczenie polega na przemyciu instalacji specjalnym roztworem (np. kwasu cytrynowego).

Wymieniajmy również zgodnie z zaleceniami producenta układy filtracji wstępnej. Mają one na celu usunięcie z wody ciał stałych oraz innych zanieczyszczeń, które mogą uszkodzić instalację oraz membranę. Bardzo często taki układ składa się z mikrofiltra zatrzymującego drobinki o wymiarach 5-25 mikrometra oraz węgla aktywnego, którego zadaniem jest pochłonięcie dużych cząsteczek związków organicznych mogących zatykać pory membrany. Układy wstępnej filtracji w zależności od wielkości i ceny instalacji mogą być znacznie bardziej rozbudowane i skomplikowane.

W optymalnych warunkach trwałość membrany wynosi około 3 ? 5 lat. W niekorzystnych warunkach moduł membranowy może ulec zniszczeniu nawet po kilku miesiącach. Zgodnie z sugestiami spotykanymi w literaturze membranę powinniśmy wyczyścić lub wymienić jeśli stwierdzimy, że:

* skuteczność usuwania zanieczyszczeń (np. twardości) zmniejszy się o 15%, - wskazuje to na zużycie membrany
* wydajność instalacji obniży się o więcej niż 5% - wskazuje to na zanieczyszczenie membrany osadami
* następuje wzrost ciśnienia w instalacji o ponad 20% - prawdopodobną przyczyną jest również zanieczyszczenie membrany osadami
* na membranie widoczne są osady

W instalacjach przemysłowych bardzo często stosowane są dodatkowe rozwiązania zapobiegające wytrącaniu się osadów na membranie. Te osady to najczęściej zwykły kamień kotłowy, czyli węglan wapnia. Technologowie wody dozują więc specjalne substancje chemiczne, które zapobiegają wytrącaniu się osadów. Stosują również połączenia odwróconej osmozy z innymi technologiami (np. wymiana jonowa) w celu wstępnego usunięcia z wody domieszek powodujących zanieczyszczenie przegrody.

Moduły membranowe

Jedną z istotnych zalet technologii odwróconej osmozy jest to, że pozwala na konstruowanie urządzeń o stosunkowo małych wymiarach. Wydajność instalacji zależy w dużej mierze od powierzchni membrany. Inżynierowie zastanawiają się więc jak ukształtować membranę tak, aby miała jak najbardziej rozwiniętą powierzchnię przy możliwie małych wymiarach. Membrany zaczęto więc stosować w postaci modułów. Najprostszy moduł to moduł rurowy. Membrana jest w nim nałożona na perforowaną rurę. Pozwala to na uzyskanie upakowania około 5500 m2 powierzchni membrany w 1 m3 modułu. Doskonalszym rozwiązaniem są moduły spiralne, które umożliwiają uzyskanie około dwukrotnie większego upakowania.

Najczęściej chyba spotykany w domowych instalacjach moduł został opracowany przez firmę Du Pont i nazywa się modułem kapilarnym. Składa się on z dużej liczby (około 4,5 mln) rurek kapilarnych o średnicy wewnętrznej około 40 mikrometra. Włókna kapilarne uformowane są w wiązkę i osadzone jednym końcem w porowatej płycie, zaś drugi jest zaślepiony. Woda doprowadzana pod ciśnieniem przenika do wnętrza rurek i odpływa wewnętrznym kanalikiem. Odbierana jest z modułu poprzez porowatą płytę. Takie rozwiązanie pozwala na uzyskanie upakowania na poziomie 100 - 200 tys. m2/m3. Wydajność modułu kapilarnego wynosi około 1500 ? 2000 m3/d z 1 m3 modułu. Dla porównania w modułach rurowych i spiralnych ten wskaźnik nie przekracza 750 m3/(m3/d). Taki moduł ma jednak jedną istotną wadę - jest trudny do czyszczenia. W praktyce po zapchaniu konieczna jest wymiana na nowy. Moduły rurowe można oczyścić nawet mechanicznie.

Tabela 2. Skuteczność odsalania wody morskiej z zastosowaniem modułu kapilarnego [2]

składniki

Ocean Atlantycki

Morze Śródziemne

stężenie [g/m3]

usunięcie

stężenie [g/m3]

usunięcie

woda morska

filtrat

woda morska

filtrat

Wapń

371

3,0

99,2

350

3,2

99,1

Magnez

1132

11,2

99,0

1330

15,1

98,8

Sód

9300

87,5

99,0

10300

91,0

99,1

Żelazo

0

-

-

0

-

-

Węglany

142

3,0

97,9

170

6,2

96,3

Chlorki

17129

167,0

99,0

20400

241,2

98,8

Siarczany

2310

5,4

99,7

2850

7,0

99,7

Substancje rozpuszczone ogółem

32700

290,0

99,1

36600

370

99,0

Parametry charakteryzujące filtry r.o.

Urządzenia do odwróconej osmozy charakteryzują trzy podstawowe parametry: współczynnik retencji, przepływ objętościowy oraz stopień konwersji.

Współczynnik retencji, nazywany również stopniem zatrzymania, oznaczany jest w literaturze symbolem Rs . Określa on w jakim stopniu membrana zatrzymuje dane zanieczyszczenie. Możemy więc na przykład powiedzieć, że współczynnik retencji dla pestycydów wynosi do 99,5%.

Przepływ objętościowy, nazywany również szybkością filtracji, oznaczany jest symbolem Jv. Określa on ilość wody przefiltrowywanej przez jednostkę powierzchni membrany w ciągu określonego czasu. Możemy więc na przykład powiedzieć, że przepływ objętościowy modułów kapilarnych wynosi do 2000 m3/(m2/d).

Stopień konwersji, zwany też stopniem odzysku, oznaczany jest symbolem Y. Parametr ten określa jaką część wody poddawanej filtracji stanowi czysty produkt. Jeżeli więc na przykład na 100 litrów doprowadzonych do urządzenia otrzymamy 60 litrów czystej wody to możemy powiedzieć, że stopień konwersji wynosi 60%.

Ile wody zużywa takie urządzenie?

Spotkałem się wśród akwarystów kilkakrotnie z opiniami, że filtry r.o. dają wodę świetnej jakości, ale ceną za to jest bardzo duże zużycie wody, czyli zgodnie z powyższą definicją filtry r.o. mają niski stopień odzysku (około 20%). Tak może być, ale nie musi. Spróbuję wyjaśnić z czego to wynika.

Opisując zasadę działania filtra r.o. pisałem, że ciśnienie zastosowane w instalacji musi przewyższać tzw. ciśnienie osmotyczne. Ciśnienie osmotyczne zależy w dużym stopniu od różnicy stężeń zanieczyszczeń po obu stronach roztworu. Im większa różnica, tym większe ciśnienie trzeba zastosować. Wyobraźmy sobie teraz, że nasz filtr r.o. charakteryzuje się wysokim stopniem konwersji 90%. Oznacza to, że całe usunięte zanieczyszczenie musi być zatężone w 10% wody, która wpływa do urządzenia. Stężenie zanieczyszczeń w stosunku do wody dopływającej wzrośnie więc dziesięciokrotnie i różnica stężeń po obu stronach przegrody półprzepuszczalnej będzie bardzo duża. Duże więc będzie również ciśnienie osmotyczne i duże ciśnienie będzie trzeba zastosować aby uzyskać zjawisko odwróconej osmozy. Konieczne staje się w tym przypadku użycie wysokociśnieniowej pompy (nawet do 10 MPa), która zużywa również sporo energii elektrycznej.

Jeżeli nasze urządzenie ma stopień konwersji na poziomie 20% to całe zanieczyszczenie pozostaje w 80% dopływającej wody i stężenia wzrastają 1,25 razy. Ciśnienie osmotyczne jest mniejsze i mniejsze ciśnienia trzeba stosować w instalacji. Spada więc zużycie energii elektrycznej oraz znacznie mniejsze są problemy techniczne związane z budową takiej instalacji. Tak więc ceną za prostotę instalacji oraz mniejsze zużycie prądu jest większe zużycie wody. Istnieje również zależność między skutecznością zatrzymywania zanieczyszczeń na membranie a stopniem odzysku. Im mniej wody odprowadzamy w postaci odpadu do kanalizacji tym gorsze efekty zatrzymania można uzyskać.

W praktyce akwarystycznej spotykamy się najczęściej z urządzeniami o niskim stopniu konwersji wynoszącym około 20 ? 25%. Istnieją jednak instalacje , w których woda odpadowa stanowi nie więcej niż 5% całości.

Czy kupić sobie urządzenie do odwróconej osmozy?

Filtry r.o. zapewniają miękką wodę o doskonałej jakości. Niestety są to urządzenia dosyć drogie. Należy pamiętać jednak również o kosztach eksploatacji. Wodę o porównywalnej jakości zapewnia np. destylacja. Koszt destylacji jest jednak znacznie wyższy niż zastosowania filtra odwróconej osmozy. Wynika to z faktu, że w destylarce musi nastąpić energochłonne odparowanie wody. Zapotrzebowanie energii na destylację jest dwu ? trzykrotnie większe.

W bardzo tani sposób można uzyskać miękką wodę stosując wymieniacze jonowe. Stosowanie tej metody wymaga jednak pewnej wiedzy i umiejętności a także jest bardziej skomplikowane. Jonity pozwalają jedynie na usunięcie zanieczyszczeń w formie jonów. Odwrócona osmoza ma znacznie szersze działanie. Instalacja jest również bardzo prosta w obsłudze. Wymiana jonowa jest metodą wymagającą zastosowania odczynników chemicznych do regeneracji układu.

Decydując się na zakup filtra r.o. pamiętajmy, że uzyskana woda będzie pozbawiona nie tylko niepożądanej twardości oraz mikroorganizmów i substancji toksycznych, ale również niezbędnych dla prawidłowego rozwoju ryb i roślin mikro- i makroelementów. Taka woda jest również bardzo podatna na zmiany pH, którego gwałtowne skoki są bardzo niebezpieczne dla żywych organizmów. Dlatego nie stosujmy wyłącznie superczystej wody. Powinna ona być mieszana z wodą nie poddaną filtracji r.o.. Niektórzy producenci rozwiązali ten problem stosując specjalne mineralizatory, których zadaniem jest ponowne dodanie do wody niektórych składników.

Zakup filtra r.o. warto więc rozważyć zwłaszcza, jeżeli hodujemy ryby wymagające wody o niskiej twardości oraz kiedy posiadamy większe akwaria. Jeżeli potrzebujemy jedynie niewielkiej ilości wody miękkiej zakup własnego urządzenia może okazać się nieopłacalny. Jeżeli jednak zużywamy przynajmniej kilkadziesiąt litrów wody tygodniowo koszt zakupu szybko się zwróci. Zakup urządzenia jest wskazany również wtedy, kiedy nie mamy dostępu do czystej wody o dobrej jakości.

Literatura:

1 Bodzek M., Kominek O., Zastosowanie odwróconej osmozy i ultrafiltracji w technologii wody i ścieków, Nowa Technika w Inżynierii Sanitarnej 13, Wodociągi i Kanalizacja, Warszawa, Arkady 1981

2 Majewska-Nowak K., Procesy membranowe w odnowie wody, w: red. Kowal A., Odnowa wody, Wrocław, Politechnika Wrocławska 1997

3 Kowal A., Świderska-Bróż M., Oczyszczanie wody, Warszawa Wrocław, PWN 1996

{visualrecommend}

{mos_fb_discuss:13}

Ważne
  • Osoby, którym padła dorosła pawiooka o w miarę proporcjonalnej budowie,  proszone są o zrobienie jej zdjęcia i umieszczenie zapakowanej w torebkę ryby (koniecznie w pozycji wyprostowanej!) w zamrażalniku. Następnie proszę o skontaktowanie się z administratorem.
  • Portal pawiookie.pl poszukuje osób biegle posługujących się jednym z języków: angielskim, niemieckim lub też rosyjskim, w celu przetłumaczenia treści artykułów. Osoby chętne do pomocy proszone są o skontaktowanie się z administratorem.