Reverzní osmózy: Principy a možnosti aplikace
Reverzní osmózy jsou v současnosti nejpoužívanějším membránovým procesem v úpravě vod. Umožňují odstranit částice menší než 1 nm a dosahují téměř 100% odstranění patogenních organismů z vody.
Nevytváří žádné škodlivé vedlejší produkty jako tomu bývá při chemických metodách úpravy vody. Její použití je rozmanité – od odsolování mořské vody až po čištění průmyslových odpadních vod.
Jak to funguje
Reverzní osmóza není vlastně nic jiného než metoda velmi jemné membránové filtrace. Slovo reverzní značí, že tok vody bude v tomto případě opačný než při osmóze, což je přirozený jev.
Při klasické osmóze teče voda z prostoru s nižší koncentrací látek do prostoru, kde je koncentrace látek vyšší. V systému musí být přítomna polopropustná membrána oddělující tyto dva prostory, přes kterou může procházet „rozpouštědlo“ (zpravidla voda), ale ne rozpouštěná látka (například soli přítomné ve vodě).
Kdyby membrána v systému chyběla, docházelo by k difuzi, tedy pohybu ve směru koncentračního spádu, a rozpouštědlo by teklo z míst s vyšší koncentrací látek do místa, kde je rozpuštěných látek méně.
Hnací silou osmózy není totiž difuze vedoucí k výše popsanému pohybu (zde je cílem naopak vyrovnat koncentraci látek v systému), ale snaha o vyrovnání chemických potenciálů na obou stranách membrány. Rozpouštědlo tedy bude téct do koncentrovanějšího prostředí. Jednoduše si to představte tak, že se ho bude snažit naředit.
V případě reverzní osmózy je ale tok rozpouštědla opačný než při osmóze. Mohlo by se zdát, že to oproti difuzi není žádná výhra, avšak nečistoty se zachytí na membráně a výsledným produktem je čistá voda.
Tento jev ovšem nenastane jen tak sám od sebe. Aby k obrácení toku došlo, je nutné na straně koncentrovanějšího roztoku aplikovat tlak vyšší, než je hodnota osmotického tlaku systému (ta se v systémech reverzních osmóz běžně pohybuje kolem 10 až 50 barů).
Aplikací přetlaku docílíme nejen toho, že rozpouštědlo začne téct opačným směrem, ale také toho, že koncentrace látek se nebudou vyrovnávat, jak by tomu bylo v případě běžné difuze. Naopak přes membránu se bude protlačovat vyčištěná voda a před membránou bude zůstávat zahuštěný roztok.
Stojí za to zmínit, že ačkoli je osmóza pro živé organismy nepostradatelným jevem, tak žádnou technologickou aplikaci nemá. Probíhá totiž příliš pomalu. Její rychlost je závislá na rozdílu koncentrací, zatímco v případě reverzní osmózy je hnací silou tlakový rozdíl uměle vytvořený čerpadlem.
Konstrukce systému reverzní osmózy
V praxi je reverzní osmóza zpravidla součástí komplexnějšího systému úpravy vody. To znamená, že před i za ní jsou řazeny další prvky. Typicky to bývá například iontoměnič, zařazený před vlastní membránu, který vodu změkčí a chrání tak reverzní osmózu před zanášením a ucpáváním. Dále třeba UV lampa umístěná za membránou, která zajišťuje mikrobiologickou stabilitu vyčištěné vody.
Před samotnou membránou také bývá umístěn presedimentační filtr, který dále obsahuje systém i uhlíkové filtry pro odstranění chlorových a organických sloučenin. Například v pětistupňovém uspořádání najdeme dva uhlíkové filtry mezi presedimentačním filtrem a membránou. Třetí filtr je umístěn za membránou. Běžná jsou také tří a sedmi stupňová uspořádání.
Zařazení filtrů či iontoměniče před samotnou membránu je nutné zejména proto, že na povrchu membrány se usazují nerozpustné soli různých minerálů, což vede ke snížení účinnosti systému. Lze je sice odstranit mytím membrány, ale časté mytí snižuje její životnost.
Za účelem omezení tvorby úsad se používají také přípravky na bázi antikoagulantů, flokulantů či antiscalantů. V podstatě všechny tyto přípravky mají za úkol bránit usazování minerálních látek na membráně.
Přístroje založené na principu reverzní osmózy rozlišují celkem tři proudy vody. V první řadě je to surová voda, kterou chceme zbavit nečistot. Dále se bavíme o vyčištěné vodě, jež prošla membránou a která se nazývá permeát. Nečistoty ale nemohou jen tak samy od sebe zmizet – jsou totiž obsaženy v třetím proudu vody, tzv. koncentrátu neboli retentátu, což je vlastně zahuštěná voda obsahující nečistoty, která je odváděna do odpadu.
Materiály membrán
V současnosti se nejvíce používají membrány na bázi organických polymerů jako například polyethylen PE, polysulfony nebo deriváty celulózy (acetát celulózy, nitrát celulózy apod.).
Speciální aplikace využívají i jiné typy membrán, a to zejména kovové, které někdy též slouží jako nosič a podpora pro polymerní vrstvu či membrány z keramiky.
U kovových membrán je ovšem problém s výrobou a křehkostí. Keramické membrány vynikají tepelnými a mechanickými vlastnostmi, ale používají se spíše pro mikrofiltraci (nižší stupeň filtrace). Využívané jsou také kompozitní vrstvy na bázi tenkého filmu.
Acetát celulózy
Starší typy membrán jsou vyrobeny z chemicky modifikované celulózy, konkrétně z acetátu celulózy (zkratka CA). Co se týče pH, uvádí se provozní rozsah 4 až 8, v případě čištění je to 3 až 9. Od 80. let je však tento typ membrán nahrazován membránami z jiných materiálů, které se vyznačují vyšší účinností a pH odolností.
Kompozitní membrány na bázi tenkého filmu (TFC)
Tyto membrány sice vykazují lepší pracovní charakteristiky než výše zmíněné typy (tím se zejména myslí schopnost pracovat při nižším tlaku s vyšším průtokem a účinností), ale jsou však poměrně citlivé na volný chlor.
Jako maximální povolená koncentrace se uvádí hodnota 0,1 mg/l volného chloru. Při takovémto obsahu chloru vydrží ale TFC membrána při nepřetržitém provozu pouze něco málo přes rok. Proto je vhodné zařazovat před nátok reverzní filtry s aktivním uhlím, které odstraní zbytkové koncentrace volného chloru.
Konstrukce membránových modulů
Nejběžnější tvar membrány je ve formě fólie, která je upevněná v rámu nebo může být též svinutá do role. Membrány mohou být uloženy v pouzdře, kde mluvíme o tzv. membránovém filtračním modulu. Nejběžnější je plošné a tubulární uspořádání. Pro provoz by mělo být prioritou zajistit co největší plochu membrán a také co nejvíce usnadnit jejich případnou výměnu a čištění.
Tubulární uspořádání
Tubulární uspořádání je vhodné pro případy, kdy kapalina obsahuje pevné látky nebo během separace hrozí riziko vysrážení pevných látek z roztoku.
Jejich nevýhodou je ovšem energetická náročnost, protože je třeba uvnitř trubek přečerpávat poměrně velké množství kapaliny. Moderní trubkové membránové moduly jsou založeny na samonosných polymerních trubičkách, které jsou v membránovém modulu uložené tak, aby se vzájemně dotýkaly.
Plošné uspořádání
Dříve bylo hodně využívané uspořádání tzv. rám-deska, které se inspirovalo rámovými kalolisy. Modernější uspořádání představují tzv. DT a CD moduly.
DT moduly jsou tvořeny svazkem oboustranných membránových obálek, které jsou proložené rozvodovými a podkladovými deskami. Celá sestava je umístěna ve válcové tlakové nádobě. Kapalina, která má být vyčištěna je přiváděna na obálky v tečném (neboli tangenciálním) směru a permeát se filtruje do obálek. Největším úskalím tohoto modulu je ovšem zanášení v tzv. mrtvých koutech. Dále pak tlakové ztráty, což je způsobeno hlavně tím, že u těchto modulů může docházet ke změnám toku do protisměru a také k výraznému kolísání tangenciální rychlosti ve středu modulu a na jeho obvodu.
CD v názvu druhého zmíněného modulu je zkratkou z anglického výrazu “circular disc” a naznačuje, že v tomto uspořádání kapalina po deskách cirkuluje. Uvádí se u nich nižší tlakové ztráty a jsou výhodné zejména v aplikacích, kdy je nutné co nejvíce zahustit koncentrát.
Moduly z dutých vláken
V posledních letech se objevují také tzv. “hollow fibres” neboli dutá vlákna. Ta jsou vyráběna z polymerních materiálů – nejčastější je již zmíněný polysulfon, acetát celulózy nebo také materiály na bázi polyamidů.
Dutá vlákna nejsou nic jiného než válcové trubice, jejichž délka podstatně převyšuje jejich průměr. Je to výhodné zejména proto, že tím získáváme velkou plochu povrchu vzhledem k objemu, vysokou mechanickou odolnost, pevnost a v neposlední řadě také schopnost vydržet zpětný proplach. Další výhodou je to, že v dutých vláknech nedochází k zadržování kapaliny.
Všechny tyto vlastnosti významně ulehčují proces regenerace. Za těchto předpokladů ho totiž lze provádět automaticky na místě zpětným proplachem kombinovaným s průtokem tlakového vzduchu. Díky tomu je také umožněn provoz při vysokém průtoku a prodlouží se provozní doba mezi jednotlivým chemickým čištěním.
Nicméně i dutá vlákna nejsou bez nevýhod. Tou nejvýraznější je zejména tlaková ztráta, ke které dochází při toku permeátu nebo nástřiku vnitřkem vlákna.
Další typy modulů
Z dalších typů modulů stojí za zmínku ještě spirálovitě vinuté uspořádání a rotační uspořádání.
Spirálovitě vinuté uspořádání je považováno za nejpropracovanější a využívá se zejména k odsolení mořské vody.
V rotačních modulech je membrána v místě svého uložení přinucena rotovat, což má zajímavé vedlejší efekty (zejména se tím odstraní závislost tangenciální rychlosti na průtoku vstupní kapaliny). Znamená to, že je možno pracovat při nižších vstupních průtocích, což vede k menším tlakovým ztrátám a také nižším nákladům na čerpací techniku.
Péče o membrány
Pro správnou funkci zařízení je nutná také pravidelná péče o membrány. Ta je nejčastěji řešena tzv. CIPováním, což je zkratka z anglického výrazu “cleaning in place” (čištění na místě). Výhodou tohoto řešení je, že není nutné reverzní osmózu mechanicky rozebírat za účelem vyčištění.
Čištění membrány zajišťují sprchové trysky či hlavy instalované v zařízení. Co se týče dezinfekčních činidel, tak se zejména používají organické kyseliny jako kyselina citronová nebo kyselina šťavelová, která je vhodná k odstranění nánosů železa. K odstranění vápenatých a hořečnatých iontů se zase používá oblíbené chelatační činidlo na bázi EDTA (kyselina ethylendiamintetraoctová). Často je ale nutné použít louhy nebo jiné silně zásadité roztoky a také detergenty neboli odmašťovače.
V případě, že materiál membrány nedovoluje dávkování běžných dezinfekčních činidel do upravované vody, musí se přistoupit k tzv. šokové dezinfekci pomocí kyseliny peroctové, peroxidu vodíku nebo formaldehydu. Pozor se také musí dávat na pH mycí a dezinfekční roztoky. Například v případě CA membrán by se mycí roztok neměl dostat pod pH 2.
Aplikace
Odsolování mořský a brakických vod
Metod odsolování vod neboli desalinizace je sice mnoho (např. destilace, iontová výměna apod.) ale reverzní osmóza v současnosti patří k těm nejpoužívanějším. Od počátku 80. let minulého století začala vytlačovat klasické tepelné technologie odsolování a v současnosti jsou pomocí reverzní osmózy odsoleny přibližně 2/3 z celkového množství vody upravené desalinizací.
V případě odsolování mořských a brakických vod (brakické vody jsou typicky k nalezení třeba v deltě velkých řek a jsou v podstatě polosladké) se může aplikovaný přetlak vyšplhat až na 70 barů. Technologie odsolování se vyplatí zejména v případě, že je ve vodě přítomno 2 až 10 g soli/l vody.
Při nižších obsazích jsou výhodnější technologie založené na elektrodialýze či ionexové technologii a při vyšších koncentracích soli zase technologie založené na odpařování.
Změkčování vody
Mnoho průmyslových aplikací vyžaduje demineralizovanou vodu. Látky obsažené ve vodě mohou totiž vést ke tvorbě inkrustací, či úsad a tím zanášet teplosměnné plochy nebo ucpávat filtry. Tvrdost vody nemají na svědomí jenom vápenaté a hořečnaté soli, jak se často uvádí, ale také další prvky a sloučeniny, mezi které patří například oxid křemičitý (SiO2) a sloučeniny železa a manganu.
Zatímco přechodnou tvrdost vody (tu způsobují převážně hydrogenuhličitany) lze odstranit převařením (dojde ale k vysrážení ve formě uhličitanu vápenatého, což vlastně není nic jiného než tzv. kotelní kámen), tak trvalou tvrdost vody (tu mají na svědomí převážně sírany, chloridy a dusičnany), už takto odstranit nelze.
Demineralizovaná voda se tak uplatní například v chladicích okruzích, tepelných výměnících, generátorech páry či kotlích. Používá se ale také na oplachování a mytí hotových výrobků na výrobních linkách.
Laboratoře
Laboratoře zabývající se stopovou a ultrastopovou analýzou mají velké nároky na čistotu používaných chemikálií a vody. Pro laboratorní analýzy je většinou třeba používat tzv. ultračistou vodu, čímž se rozumí právě voda demineralizovaná.
Čištění zasolených odpadních vod
Zasolené vody nejsou v podstatě nic jiného než odpadní vody se zvýšeným obsahem soli anorganického původu a často mohou také obsahovat i odpadní organické látky.
Zdrojem této soli jsou typicky průmyslové závody typu sklárny nebo těžební průmysl, kde se dostávají do vod při různých povrchových úpravách výrobků jako je broušení, obrábění apod.
Reverzní osmózy jsou v současnosti jednou z nejběžnějších technologií používanou k čištění odpadních vod.
Často se však musí kombinovat s dalšími procesy, jako například s elektrodialýzou, reverzací polarity či membránovou destilací.
Čištění průmyslových odpadních vod s obsahem kyselin
Odpadní vody, ve kterých jsou přítomné kyseliny, mohou produkovat nejen chemické provozy, ale třeba také metalurgické, hutní, papírenské či sklářské výroby. V mnoha případech lze upravenou vodu dokonce vrátit zpět do výroby jako procesní vodu.
Reverzní osmózy jsou tedy důležitým prvkem i v technologiích umožňujících recirkulaci vody v průmyslu. V literatuře je například popsáno využití reverzní osmózy k čištění vody z výroby měděných tyčí či z moření nerezových ocelí.
Koncentrování roztoků
Zatím jsme se zabývali jen aplikacemi vedoucími k vyčištění vod. Z principu funkce přístrojů založených na reverzní osmóze ale vyplývá, že je lze využít i k zahušťování roztoků.
Reverzní osmóza se tak v některých oborech (zejména v potravinářství nebo výrobě léků), pomalu stává alternativou běžně používané vakuové odparky.
Reverzní osmóza pro domácí použití
V domácnostech je reverzní osmóza nejčastěji využívána v případě, že voda obsahuje polutanty, jejichž odstranění by vyžadovalo použití více různých zařízení. Mezi takové látky patří zejména těžké kovy, pesticidy, dusičnany a dusitany. Voda upravená reverzní osmózou ovšem není vhodná k pití.
V praxi se proto většinou upravuje jen část vody, zbytek se vede okolo tzv. bypassem (neboli obtokem).
A co koncentrát?
Z předchozích odstavců si lze udělat celkem dobrou představu o tom, jaké nečistoty mohou vody upravované reverzní osmózou obsahovat. Všechny tyto látky skončí v třetím proudu vody v tzv. koncentrátu.
V případě odsolování je vedlejším produktem koncentrovaný vysoce slaný roztok tzv. solanka. Ta ovšem kromě solí odstraněných z mořské vody (nejznámější z této skupiny látek je asi starý dobrý chlorid sodný (NaCl)) obsahuje i jiné soli – namátkou třeba chlorid draselný (KCl), chlorid hořečnatý (MgCl2 ) či chlorid vápenatý (CaCl2). Může obsahovat také další nečistoty např. těžké kovy jako třeba kadmium (Cd), olovo (Pb), rtuť (Hg), nikl (Ni), organické látky aj. Podobně je tomu i v případě koncentrátů vzniklých vyčištěním zasolených odpadních vod.
V případě čištění zasolených odpadních vod putuje koncentrát většinou do tzv. krystalizátoru.
Běžné jsou tři typy krystalizátorů.
Prvním typem je krystalizační odparka, která je založena na prostém odpaření rozpouštědla.
Jiný způsob krystalizace využívá zchlazení horkého nasyceného vzduchu.
A třetí technologie kombinuje prudké odpaření rozpouštědla s ochlazením roztoku. Poslední jmenovaný proces probíhá za sníženého tlaku ve vakuovém krystalizátoru. Vzniklé pevné produkty jsou pak většinou skládkovány. Někdy se ovšem dají použít i jako cenné zdroje surovin.
Co se týče solanky získané při odsolování mořských vod, ta je většinou vypouštěna zpátky do moře. Toto řešení ale není dlouhodobě udržitelné a recyklace solanky tak zůstává hlavní výzvou spojenou s technologií odsolování mořské vody pomocí reverzní osmózy.
Obchodní manažer
