Reverzní osmózy: Principy a možnosti aplikace | EuroClean.cz
Úvod / Články / Reverzní osmózy: Principy a možnosti aplikace
Reverzní osmóza

Reverzní osmózy: Principy a možnosti aplikace

29.10.2021

Reverzní osmózy jsou v současnosti nejpoužívanějším membránovým procesem v úpravě vod. Umožňují odstranit částice menší než 1 nm, dosahuje téměř 100% odstranění patogenních organismů z vody a 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 membránová filtrace. Přídomek reverzní v názvu ovšem značí, že tok vody bude v tomto případě opačný než při osmóze, což je přirozený přírodní jev. Při klasické osmóze teče voda z prostoru s menší koncentrací látek do prostou, kde je koncentrace látek větší. 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 o vyšší koncentraci látek do místa, kde je rozpuštěných látek méně. Hnací silou osmózy není totiž difúze vedoucí k výše popsanému pohybu, jehož cílem je vyrovnat koncentraci látek v systému, ale snaha o vyrovnání chemických potenciálů na obou stranách membrány. Rozpouštědlo tedy bude téct do koncentrovanějšího prostředí, úplně jednoduše řečeno – bude se ho vlastně snažit naředit.

V případě reverzní osmózy je ale tok rozpouštědla opačný než při osmóze. Mohlo by se zdát, že to oproti difúzi není žádná výhra, nečistoty se však zachytí na membráně a produktem je čistá voda. Tento jev ovšem nenastane jen tak samo sebou. 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 difúze. Naopak přes membránu se bude protlačovat vyčištěná voda a před membránou bude zůstávat zahuštěný roztok.

Stojí za to zmínit, že ač je osmóza pro živé organismy nepostradatelným jevem, 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.

Znázornění funkce reverzní osmózy

Znázornění funkce reverzní osmózy. Jemná membrána propouští pouze molekuly vody

Konstrukce systému reverzní osmózy

V praxi je reverzní osmóza zpravidla součástí komplexnějšího systému úpravy vody. To znamená, že před i za ní jsou zařazeny další prvky. Typicky to bývá například iontoměnič, zařazený před vlastní membránu, který vodu změkčí a chrání tak reverzní osmózu před zanášením a ucpáváním, nebo UV lampa umístěná za membránou, která zajišťuje mikrobiologickou stabilitu vyčištěné vody. Před samotnou membránou také bývá umístěný presedimentační filtr, dále obsahuje systém i uhlíkové filtry pro odstranění chlorových a organickýck 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, časté mytí ale 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.

Znázornění funkce reverzní osmózy

Sestava reverzní osmóza, filtr s aktivním uhlím, ionexové změkčení

 
Přístroje založené na principu reverzní osmózy rozlišují celkem tři proudy vody. V první řadě je to surová voda, kterou chceme zbavit nečistot. Dále vyčištěný voda, která prošla membránou nazývaná permeát. Nečistoty ale nemohou ale jen tak samy od sebe zmizet – jsou obsaženy v třetím proudu vody tzv. koncentrátu neboli retentátu, což je vlastně zahuštěná voda obsahující nečistoty, jež 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 ale využívají i jiné typy membrán, a to zejména kovové, které někdy též sloučí 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, používají se ale spíše pro mikrofiltraci (nižší stupeň filtrace). Využívané jsou také kompozitní vrstvy na bázi tenkého filmu.

Acetát celulózy

Starší typy membrán jsou vyrobeny chemicky modifikované celulózy, konkrétně z acetátu celulózy (zkratka CA). Co se týče pH uvádí se provozní rozsah 4 až 8, v případě čištění 3 až 9. Od 80. let je však tento typ membrán nahrazován membránami z jiných materiálů, které se vyznačují vyšší účinností a pH odolností.

Detail membrány z acetátu celulózy
Detail membrány z acetátu celulózy

Kompozitní membrány na bázi tenkého filmu (TFC)

Tyto membrány sice vykazují lepší pracovní charakteristiky než výše zmíněné typy, čímž se rozumí zejména schopnost pracovat při nižším tlaku s vyšším průtokem a účinností, jsou však poměrně citlivé na volný chlor. Jako maximální povolená koncentrace se uvádí hodnota 0,1 mg/l volného chloru. Při takovém to obsahu chloru vydrží ale TFC membrána při nepřetržitém provozu pouze něco málo přes rok. Proto je vhodné zařazovat před nátok do reverzní filtry s aktivním uhlím, které odstraní zbytkové koncentrace volného chloru.

Kompozitní membrána na bázi tenkého filmu (TFC)
Kompozitní membrána na bázi tenkého filmu (TFC)

Konstrukce membránových modulů

Nejběžnější tvar membrána je ve formě fólie, která je upevněná v rámu nebo může být též svinutá do role. Membrány mohou být uloženy v pouzdře, pak 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.

Tubulární uspořádání. Vnější d 5 - 25 mm
Tubulární uspořádání. Vnější d 5 – 25 mm.

Plošné uspořádání

Dříve byl hodně využívané tzv. rám-deska uspořádání, které se inspirovala rámovými kalolisy. Modernější uspořádání představují tzv. DT a CD moduly. DT moduly jsou tvořeny svazkem oboustranných membránových obálek, které jsou proložené rozvodovými a podkladnými deskami. Celá sestava je umístěna ve válcové tlakové nádobě. Kapalina, která mý být vyčištěna je přiváděna na obálky v tečném (neboli tangenciálním) směru, permeát se filtruje do obálek. Největším úskalím tohoto modulu je ovšem zanášení v tzv. mrtvých koutech a 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.

Plošné uspořádání. Šířka 50 – 150cm
Plošné uspořádání. Šířka 50 – 150cm

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 doby mezi jednotlivými chemickými čištěními. Nicméně i dutá vlákna nejsou bez nevýhod. Tou nejvýraznější je zejména tlaková ztráta, ke které dochází při toku permeátu nebo nástřiku vnitřkem vlákna.

Duté vlákno. Vnitřní d 0,04 - 0,5 mm, vnější d 0,08 - 0,8 mm
Duté vlákno. Vnitřní d 0,04 – 0,5 mm, vnější d 0,08 – 0,8 mm

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, a to vede k menším tlakovým ztrátám a též menším nákladům na čerpací techniku.

Duté vlákno. Vnitřní d 0,04 - 0,5 mm, vnější d 0,08 - 0,8 mm
Spirálovité uspořádání

Péče o membrány

Pro správnou funkci zařízení je nutná též 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, pokud to je možné, používají se zejména 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 neboli 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 musí dávat také na pH mycích a dezinfekčních roztoků. Například v případě CA membrán by se pH mycích roztoků nemělo dostat pod 2.

Aplikace

Odsolování mořský a brakických vod

Metod odsolování vod neboli desalinizace je sice mnoho (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 bar. 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 technologie, při vyšších koncentracích solí zase technologie založené na odpařování.

Změkčování vody

Mnoho průmyslových aplikací vyžaduje demineralizovanou vodu. Látky obsažené ve vodě mohou totiž vést ke tvorbě inkrustací a úsad, zanášet tak teplosměnné plochy či 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 vodu, kterou způsobují převážně hydrogenuhličitany lze odstranit převařením, (dojde ale k vysrážení ve formě uhličitanu vápenatého, což vlastně není nic jiného než tzv. kotelní kámen), trvalou tvrdost vody, kterou mají na svědomí převážně sírany, chloridy a dusičnany ale 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

Nejen 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 zvýšenými obsahem solí anorganického původu. Jejich zdrojem jsou typicky průmyslové závody jako sklárny nebotěžební průmysl, často se do vod dostávají při různých povrchových úpravách výrobků jako je broušení, obrábění apod. Mohou též často obsahovat i odpadní organické látky. Reverzní osmózy jsou v současnosti jednou z nejpoužívanějších technologií používanou k čištění odpadních vod, které jsou zasolené, často se ale musí kombinovat s dalšími procesy třeba s elektrodialýzou, reverzací polarity či membránovou destilací.

Čištění průmyslových odpadních vod s obsahem kyselin

Odpadní vod, 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 jsem 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. by-passem (česky obtokem).

Příklad menší reverzní osmózy vhodné pro domácnost, kavárnu, restauraci
Příklad menší reverzní osmózy vhodné pro domácnost, kavárnu, restauraci

A co koncentrát?

Z předchozích odstavců si lze udělat celkem dobrou představu o tom, jaké nečistoty vody upravované reverzní osmózou mohou 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, ale voda obsahuje i jiné soli namátkou třeba chlorid draselný KCl, chlorid hořečnatý MgCl2 či chlorid vápenatý CaCl2) může obsahovat také další nečistoty – těžké kovy jako třeba kadmium (Cd), olovo (Pb), rtuť (Hg), nikl (Ni), organické látky apod. 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. Krystalizační odparka 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 a zařízení, ve kterém probíhá se tak nazývá vakuový krystalizátor. Vzniklé pevné produkty pak jsou 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.

Pavel Hofreiter

Obchodní manažer

+420 222 703 933

Pavel
Potřebujete nezávaznou konzultaci? Napište nám!
Poslat dotaz
click here

Komentáře jsou uzavřeny.

    Zanechte nám vzkaz, ozveme se vám zpět

    (například rozbor vody)

    Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

    Můžete i rovnou volat: +420 222 703 533
    X

      Potřebujete poradit? Zanechte nám kontakt, ozveme se zpět

      Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

      X

        Pošlete nám rozbor vody, ozveme se vám zpět

        (rozbor vody)

        Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

        X

          Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

          Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

          X

            Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

            Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

            X

              Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

              Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

              X

                Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

                Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                X

                  Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

                  Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                  X

                    Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

                    Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                    X

                      Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

                      Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                      X

                        Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

                        Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                        X

                          Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

                          Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                          X

                            Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

                            Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                            X

                              Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

                              Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                              X

                                Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

                                Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                                X

                                  Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

                                  Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                                  X

                                    Pro stažení podkladů prosím vyplňte formulář

                                    Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                                    X

                                      Po vyplnění údajů budete přesměrováni na podklady

                                      Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                                      X

                                        Po vyplnění údajů budete přesměrováni na podklady

                                        Vaše údaje jsou u nás v bezpečí a slouží pouze pro naši komunikaci. Odesláním formuláře souhlasím se zpracováním osobních údajů.

                                        X

                                          Rychly kontakt

                                          (napríklad rozbor vody)

                                          Vaše údaje sú u nás v bezpečí a slúži len pre našu komunikáciu. Odoslaním formulára súhlasím so spracovaním osobných údajov.

                                          X

                                            Szybki kontakt

                                            Twoje dane są u nas bezpieczne i będą one wykorzystywane wyłącznie w celu, w którym nam je przekazujesz. Przesyłając formularz, wyrażam zgodę na przetwarzanie moich danych osobowych.

                                            X

                                              Quick contact

                                              (for example. water analysis)

                                              Your data is safe with us and serves only for our communication. By submitting the form I agree to the processing of my personal data.

                                              X