Nowoczesne urządzenia osmotyczne

1. Jak doszło do powstania membran osmotycznych do oczyszczania wody pitnej?

Błony osmotyczne (inaczej: błony półprzepuszczalne) występują powszechnie w biologii oraz w przyrodzie. Bez tych błon nie byłoby możliwe życie ludzi, zwierząt oraz roślin. Z błon osmotycznych zbudowane są komórki ludzi i zwierząt, błony znajdują się w jelitach przewodu pokarmowego, dzięki błonom osmotycznym korzenie roślin "zasysają" z gruntu wodę.

Czym są te błony? Otóż naturalne błony osmotyczne, z którymi mamy do czynienia w przyrodzie stanowią bardzo cienką i porowatą błonę, której porowatość nie jest przypadkowa. Średnica tych por wynosi bowiem około 0,0001 mikrometra. Średnia bakteria jest od takiej pory 10 000 razy większa, a gdybyśmy chcieli ułożyć takie pory w szeregu na długości 1 milimetra , wówczas potrzebowalibyśmy ich aż 10 milionów.

Jak mała jest cząstka wody

Jak mała jest cząstka wody

Natura miała swój powód, aby stworzyć błony o właśnie takiej porowatości - okazuje się, że podobną wielkość posiadają cząsteczki wody. Jeśli taką błoną rozdzieli się roztwory o różnych stężeniach, to cząsteczki wody zaczną "wędrować" z roztworu o mniejszym stężeniu do roztworu bardziej stężonego tak długo, aż stężenia te wyrównają się. Inny sposób wymieszania się tych roztworów (np. przy pomocy dyfuzji) nie jest możliwy - ponieważ cząstki wody należą do jednych z mniejszych cząstek występujących w przyrodzie, stąd niemal wszystkie inne cząstki (lub pierwiastki) w niej rozpuszczone są od niej większe.

Istnienie zjawiska osmozy naturalnej w przyrodzie odkryto dopiero w XVIII wieku, jednak próby wykorzystania jego w technice długo nie udawały się. Również wytwarzane na początku XX wieku sztuczne błony z celulozy (w technice nazywane membranami) okazały się zbyt mało trwałe i nie zdobyły powszechnego zastosowania. Dopiero odkrycie w 1952 roku membran osmotycznych z poliamidu wywołało na świecie wręcz kosmiczny rozwój technik membranowych do oczyszczania różnych płynów. Oczyszczanie wody przy użyciu tych membran jest dziś powszechnie stosowane do produkcji leków lub w szpitalach przy dializie nerek. Tutaj stosuje się membrany o największej dokładności, bowiem tutaj zależy nam na uzyskaniu wysokiej czystości wody.

Inne membrany mają zastosowanie przy oczyszczaniu wody pitnej - tutaj ich pory są celowo większe po to, aby przepuszczać możliwie dużo pierwiastków mineralnych, które nie muszą być odrzucane z wody oczyszczanej.

Ponieważ oczyszczanie wody przy użyciu membran osmotycznych musi odbywać się przy użyciu odpowiednich ciśnień powodujących ruch wody w przeciwnym kierunku niż to ma miejsce w naturze, stąd w technice mówi się o osmozie odwróconej.

Membrany osmotyczne długo czekały na ich zastosowanie w domach i mieszkaniach prywatnych, a hamulcem była na początku ich wysoka cena. Jednak wraz z postępem w tej dziedzinie, a szczególnie po odkryciu miniaturowych modułów membranowych skręcanych spiralnie, rozpoczęła się, najpierw na Zachodzie, moda na domowe oczyszczanie wody do konsumpcji. Moda ta rozpoczęła się w USA w 1965 roku. Dlaczego w USA? Bo tam, na Uniwersytecie Kalifornijskim dokonano odkrycia nowoczesnych membran poliamidowych (1952 rok), bo tylko w USA produkowane są te membrany i po upływie ponad 50 lat nikt nas świecie tego pomysłu Amerykanów nie zdołał powielić.

Budowa modułu z membraną osmotyczną

Budowa modułu z membraną osmotyczną

Dziś nie możemy wyobrazić sobie oczyszczania wody bez odwróconej osmozy. Urządzenia osmotyczne są na wyposażeniu nie tylko statków kosmicznych czy okrętów wypływających w dalekie rejsy. Urządzenia osmotyczne stają się standardowym wyposażeniem wszystkich mieszkań wszędzie tam, gdzie bezmyślna gospodarka kierowana przez polityków z małą wyobraźnią doprowadziła do zatrucia wód powierzchniowych oraz głębinowych.

Od momentu odkrycia stabilnych membran poliamidowych oraz spiralnych modułów rozpoczął się rewolucyjny postęp osmozy odwróconej do oczyszczania wody pitnej w domach.

2. Gdzie są produkowane membrany osmotyczne?

Rewolucyjny postęp techniki membranowej do oczyszczania płynów rozpoczął się w 1952 roku po odkryciu membran poliamidowych. Odkrycia tego dokonał na Uniwersytecie Kalifornijskim uczony o nazwisku Sourirajan, który pochodził z Indii. W chwili obecnej membrany osmotyczne produkowane są wyłącznie w USA, Francji i w Niemczech, a patenty na ich produkcję są pilnie strzeżone.

U producentów membran osmotycznych można zaopatrywać się w odpowiedni surowiec, z którego można konfekcjonować odpowiednie moduły membranowe na potrzeby indywidualnych odbiorców.

3. Jak działa domowa membrana osmotyczna?

Membrany osmotyczne służą w technice do oddzielania różnych związków chemicznych lub koloidów rozpuszczonych w różnych rozpuszczalnikach. Jednym z takich rozpuszczalników, a jednocześnie najlepszym i najbardziej w przyrodzie rozpowszechnionym jest woda. Jeśli mówimy o oczyszczaniu wody, to inne membrany stosuje się w przemyśle farmaceutycznym i w szpitalnictwie (np. przy dializach nerek), a zupełnie inne w przemyśle spożywczym oraz do produkcji wody pitnej. Jeśli z kolei mowa o oczyszczaniu wody do celów pitnych, to inne membrany służą do jej produkcji w surowca jakim jest np. woda morska lub oceaniczna (w 1 litrze wody z Bałtyku mamy 35 000 mg rozpuszczonych związków chemicznych) i inne do przerabiania wody kranowej lub studziennej. Z tymi ostatnimi mamy oczywiście do czynienia najczęściej.

Porowatość domowych membran osmotycznych zwiększono w ostatnich latach dwukrotnie i obecnie posiadają one pory o wielkości dochodzącej do 0,0002 m . Dzięki temu zupełnie nowa membrana przepuszcza od 30 do 50% pierwiastków mineralnych zawartych w wodzie oczyszczonej, a średnio po roku jej pracy przechodzi 100% tych pierwiastków (tu korzystamy bardzo z faktu, że jony wapnia, magnezu, sodu i potasu należą do najmniejszych jakie są rozpuszczone w wodzie i dlatego łatwiej przechodzą one przez membranę). Efektem takiego kroku jest wprawdzie skrócenie trwałości membran o około 1 rok, co dziś nie stanowi problemu zważywszy, że ich cena w przeciągu 10 minionych lat zmniejszyła się 5. krotnie (obecnie najtańsze membrany można nabyć za 200,- zł a ich ceny nadal maleją).

Sprawą najbardziej istotną jest fakt, że membrany osmotyczne stosowane w domach, przedszkolach, stołówkach, restauracjach itp. wyrzucają z wody wszelkie toksyny w ilości ponad 90% na początku i w 60% po 5 latach używania.

Przez membranę osmotyczną przechodzi tylko część wody czystej zawartej w surowcu wejściowym (woda kranowa lub studzienna) i wynosi ona od 25 do 40% zależnie od ciśnienia i temperatury wody oraz stopnia jej zanieczyszczenia. Reszta, czyli woda jeszcze bardziej zagęszczona chemią spłukuje powierzchnię membrany i przechodzi do ścieku. To właśnie dlatego membrany osmotyczne potrafią służyć tak długo i nie zatykają się (średnia trwałość wynosi 5 lat).

 

Woda osmotyczna produkowana przez domowy aparat osmotyczny jest zdrowa i bezpieczna oraz porównywalna z wodą mineralną niskozmineralizowaną. Membrana osmotyczna przepuszcza na początku około 10% związków chemicznych zawartych w wodzie kranowej lub studziennej. Gdy po średnio 5 latach używania przepuści 40% tych związków należy wymienić ją na nową.

4. Gdzie urządzenia osmotyczne są najbardziej popularne?

Po odkryciu zupełnie nowej metody filtracji wody przy użyciu membran osmotycznych urządzenia te szybko znalazły swoje zastosowanie w przemyśle zbrojeniowym, komputerowym, w fabrykach leków oraz w szpitalach. Urządzenia osmotyczne są montowane na wszystkich statkach dalekomorskich oraz okrętach podwodnych, które dzisiaj nie muszą zabierać w długie rejsy ogromnych zapasów wody - czyszczą po prostu wodę morską. Domowe urządzenia osmotyczne do oczyszczania wody morskiej są popularne w Szwecji w domach położonych blisko morza - takie oczyszczanie jest po prostu tańsze niż kupowanie gorszej wody od zakładów wodociągowych. Automaty wyposażone w filtry osmotyczne stoją od lat na ulicach amerykańskich miast - wystarczy wrzucić 25 centów i do 1-galonowego zbiornika leci czysta woda osmotyczna.

Ponieważ producentom wód mineralnych przestaje się opłacać transport ich wody na duże odległości, stąd w wielu krajach na Zachodzie powstają na terenie dużych miast wytwórnie wód osmotycznych, dla których surowcem jest woda wodociągowa. Woda osmotyczna po odpowiednim domineralizowaniu jest z powodzeniem sprzedawana w sklepach. Metoda zdecydowanie tańsza i pewniejsza, bo daje wodę pozbawioną całkowicie związków chorobotwórczych.

Największą popularność zdobywają na świecie domowe urządzenia osmotyczne, które zapewniają wodę czystą, zdrową i bezpieczną i to w cenie 10. krotnie mniejszej niż kupowanie niepewnej wody w sklepach. Szczególnie popularne są te urządzenia w krajach, w których nieprzemyślane decyzje polityczne doprowadziły do katastrofalnego skażenia wód gruntowych, powierzchniowych oraz głębinowych. Polska jest w Europie w czołówce takich państw.

Woda osmotyczna produkowana w domowej kuchni jest czysta i zdrowa a jednocześnie 10 razy tańsza od niepewnej wody kupowanej w sklepie.

5. Gdzie używa się najczęściej czystej wody?

Gdy odkręcamy nasz domowy kran, to jesteśmy od wielu lat przyzwyczajeni do tego, że leci z niego czysta woda do picia. Tak nas przynajmniej zapewniają zakłady wodociągowe. Okazuje się jednak, że tak nie jest i w związku z tym zmuszeni jesteśmy wodę kranową ponownie czyścić urządzeniami osmotycznymi, bowiem tylko takie gwarantują w obecnych czasach dać na wyjściu wodę czystą, zdrową i bezpieczną. Wiemy również, że tej czystej wody szkoda jest używać np. do mycia podłóg lub samochodu itp., a już z pewnością w toalecie. Zatem używamy jej wszędzie tam, gdzie jest ona naprawdę niezbędna. Poniżej podajemy najczęściej spotykane przykłady zapotrzebowania na czystą i zdrową wodę:

  • Parzenie kawy i herbaty
  • Przyrządzanie pokarmu dla niemowląt
  • Gotowanie zup i innych potraw
  • Kostki lodu do whisky i innych napojów
  • Możliwość spożywania wody prosto z kranu
  • Kąpiel noworodków
  • Mycie zębów
  • Pielęgnacja twarzy i włosów
  • Przechowywanie szkieł kontaktowych
  • Mycie warzyw i owoców przed spożyciem
  • Pojenie zwierząt domowych
  • Podlewanie kwiatów i innych roślin domowych
  • Mycie cennych szkieł kryształowych
  • Mycie szyb i okien
  • Ręczne pranie delikatnej odzieży wełnianej i jedwabnej
  • Napełnianie nawilżaczy powietrza
  • Ochrona ekspresów do kawy, żelazek z nawilżaczami oraz innych naczyń kuchennych.
woda w otoczeniu człowieka

6. Czy domowe urządzenia osmotyczne pozbawiają wodę minerałów?

Pierwsze domowe urządzenia osmotyczne znalazły się w sprzedaży w 1965 roku. Membrany stosowane w początkowych latach wprowadzania ich na rynek miały taką dokładność oczyszczania, że przepuszczały na początku tylko 10% pierwiastków mineralnych zawartych w wodzie kranowej lub studziennej. Tu kierowano się głównie myślą o przedłużeniu żywotności tych membran, bowiem im dokładniejsza jest ona na początku, tym później następuje moment jej wymiany na nową.

Od kilku lat producenci membran do użytku domowego oferują je z porowatością zwiększoną niemal dwukrotnie co powoduje, że nowa membrana przepuszcza od 30 do 50% pierwiastków życia, a po roku używania przepuszcza je w 100%. Wodę po wyjściu z takiej membrany można porównać z wodą z górskiego potoku. Stopień mineralizacji wody rośnie jeszcze bardziej po przepuszczeniu jej przez mineralizator.

Woda osmotyczna jest porównywalna z wodą z górskiego potoku. Ta sama woda przepuszczona dodatkowo przez mineralizator jest porównywalna z niskozmineralizowaną wodą mineralną.

7. O co należy dbać w urządzeniach osmotycznych?

Membrana osmotyczna nie może być podłączona bezpośrednio do wody kranowej lub studziennej bez odpowiedniego zabezpieczenia, bo uległaby zbyt szybkiemu zużyciu (zatkałaby się). Zachodni turyści zabierają wprawdzie membrany na urlop do krajów z niepewną wodą kranową, ale po tym urlopie wyrzucają ją po prostu do kosza. Membrany stosowane powszechnie w urządzeniach domowych wytrzymują średnio 5 lat, pod warunkiem że są chronione odpowiednio dokładnymi filtrami mechanicznymi oraz filtrami z wysokojakościowym węglem aktywnym. Porowatość filtrów mechanicznych nie może być większa niż 5 mikrometrów , a częstość ich wymiany jest zależna od mętności lokalnej wody oraz od ilości wody przepuszczanej przez dane urządzenie. Węgiel aktywny musi być dostosowany do membran osmotycznych i nie każdy węgiel spełnia warunki narzucone przez producentów tych membran. Węgiel aktywny działa maksymalnie 6 miesięcy, dlatego po upływie tego okresu musi być wymieniany na nowy. Jego zużycie następuje przez sam kontakt z wodą (lasacja węgla) i w tym przypadku nie ma żadnego znaczenia jakość oraz ilość oczyszczonej wody. Konieczność wymiany ochronnych filtrów węglowych co 6 miesięcy dotyczy zarówno filtra przed membraną (prefiltr) jak i za nią (postfiltr) i w większości firm serwisujących urządzenia osmotyczne regularna wymiana filtrów węglowych jest jedynym warunkiem zachowania gwarancji na nie.

Zużycie węgla aktywnego w środowisku wodnym

Zużycie węgla aktywnego w środowisku wodnym

Domowe urządzenia osmotyczne wyposażone są w zbiornik o pojemności 8 do 10 litrów oraz w odpowiednie zawory, które są konieczne dla jego prawidłowego działania:

  • zawór dwudrożny, który wyłącza urządzenie z pracy, gdy zbiornik się napełni i włącza ponownie przy najmniejszym poborze wody,
  • zawór zwrotny, który zabezpiecza "ucieczkę" wody ze zbiornika w czasie, gdy urządzenie jest wyłączone z pracy,
  • dławik (inaczej zawór hydrauliczny), który zapewnia określone dla danej membrany ciśnienie w układzie, bez którego proces osmozy odwróconej nie zadziała.

Służby techniczne, które dbają w pierwszym rzędzie o regularną wymianę co 6 miesięcy ochronnych filtrów z węglem aktywnym, sprawdzają przy okazji każdego serwisu prawidłowość działania wszystkich zaworów oraz, co najważniejsze, sprawność membrany osmotycznej w danym momencie. W większości firm serwisujących usuwanie ewentualnych awarii jest bezpłatne.

Najważniejszym warunkiem prawidłowej eksploatacji domowych urządzeń osmotycznych jest regularna wymiana co 6 miesięcy obu filtrów z węglem aktywnym. Wymiana filtrów mechanicznych następuje dopiero w momencie ich zatykania się, natomiast membrany w momencie, gdy jej sprawność spadnie do 60% (przepuszcza 40% związków chemicznych).
Schemat blokowy typowego aparatu osmotycznego
  • 1.) Podłączenie do sieci wodociągowej
  • 2.) filtry sedymentacyjne
  • 3.) filtr węglowy
  • 4.) zawór 2-drożny
  • 5.) membrana osmotyczna
  • 6.) zbiornik
  • 7.) filtr węglowy
  • 8.) mineralizator
  • 9.) kranik
  • 10.) zawór spiętrzający (dławik)
  • 11.) podłączenie odpływu wody nieoczyszczonej

Schemat blokowy typowego aparatu osmotycznego

Poniższa animacja ilustruje ruch wody w poszczególnych elementach urządzenia w momencie opróżniania oraz napełniania zbiornika. Proszę zwrócić uwagę na zawór 2-drożny (shout-off) oraz zawór zwrotny, które zamykają się natychmiast, gdy zbiornik napełni się..W ten sposób urządzenie zostaje odłączone od sieci wodociągowej i przestaje pracować (zawór 2-drożny), a czysta woda w zbiorniku zostaje zabezpieczona przed ucieczką do ścieku (zawór zwrotny).

8. Jaki jest koszt eksploatacji domowych urządzeń osmotycznych i wynikająca z niego cena produkowanej wody?

Warunkiem prawidłowej eksploatacji urządzeń osmotycznych jest regularna wymiana co 6 miesięcy ochronnych filtrów z węglem aktywnym. O częstotliwości wymian filtrów mechanicznych decyduje mętność lokalnej wody oraz jej zużycie, jednak ilość tych filtrów oraz ich dokładność dobiera się tak, aby spełniały swoją rolę przez minimum 6 miesięcy. Stosuje się filtry o dokładności od 1 do 20 mikrometrów , przy tym przynajmniej jeden z filtrów nie może mieć porów większych niż 5 mikrometrów .

Membrany osmotyczne posiadają różną wydajność, która wynosi od 2 do 6 litrów na godzinę, a ich trwałość wynosi średnio 5 lat.

Biorąc pod uwagę obecne ceny filtrów ochronnych oraz membran zauważa się ich wyraźną tendencję spadkową - dziś niektóre firmy potrafią realizować pełną wymianę serwisową (dwa filtry mechaniczne oraz dwa filtry węglowe) w cenie 150,- zł, czyli dwa razy taniej niż przed kilku laty. A to z kolei oznacza, że przy zużyciu 10 litrów wody osmotycznej dziennie, kosztuje ona 10 groszy za litr. Jeśli kilkuosobowa rodzina zużyje dziennie 20 litrów czystej wody wówczas koszt jednego litra zmaleje do 5 groszy.

Koszt jednego litra wody osmotycznej wynosi 5 groszy przy założeniu, że rodzina zużywa jej w ilości 20 litrów dziennie.

9. Jakie są straty technologiczne wody przy produkcji wody osmotycznej?

Przez membranę osmotyczną przeciska się od 20 do 25% czystej wody zawartej w surowej wodzie na wejściu (woda kranowa lub studzienna). Reszta, czyli brudna woda spłukuje powierzchnię membrany i jest kierowana do ścieku (straty technologiczne). Stosunek wody czystej do odrzucanej zależy najbardziej od ciśnienia wody na samej membranie (ciśnienie wody w sieci pomniejszone o straty ciśnienia na filtrach ochronnych), ale również od temperatury wody oraz stopnia jej zanieczyszczenia. Stosunek ten można również regulować doborem odpowiedniego dławika (zawór hydrauliczny), którego zadaniem jest ustalanie ciśnienia wewnątrz urządzenia. Dzięki ciągłemu spłukiwaniu membrany oraz dzięki jej ochronie wstępnymi filtrami mechanicznymi oraz filtrem węglowym, można znacznie przedłużyć jej trwałość, która wynosi średnio 5 lat.

Czy należy przejmować się stratami wody, które są nieodzowne przy urządzeniach osmotycznych? Otóż statystycznie zapotrzebowanie na wodę pitną w rodzinie stanowi jedynie 1% zużycia całkowitego. Oznacza to, że po zamontowaniu urządzenia osmotycznego całkowite zużycie wody w danej rodzinie wzrośnie maksymalnie o 4%. Przypominamy jednocześnie, że najwięcej wody zużywa się w toalecie (aż 35%) oraz do higieny osobistej (około 20%).

Zróbmy konkretny przykład i załóżmy, że w danej rodzinie zużywa się dzienne 10 litrów wody osmotycznej. Do jej wyprodukowania musieliśmy skierować do ścieku 50 litrów w ciągu dnia (dawka maksymalna), czyli 1 500 litrów w ciągu miesiąca. Przy założeniu ceny 1. metra sześciennego wody kupowanej w zakładach wodociągowych w wysokości 5,- zł wyjdzie nam, że miesięcznie straty technologiczne wyniosły w naszym przypadku 1,5 m 3 x 5,- zł = 7,5 zł.

Za 6 złotych możemy dziś kupić w sklepie tylko 6 litrów wody niepewnej jakości, a korzystając z naszego urządzenia osmotycznego otrzymaliśmy w miesiącu 300 litrów wody czystej, zdrowej i bezpiecznej.

10. Jak działają służby techniczne do opieki nad urządzeniami osmotycznymi?

Technicy systemów osmotycznych skupieni przy stowarzyszeniu "Czysta Woda" sami dbają o terminowość wymian ochronnych filtrów z węglem aktywnym. Przy okazji wymian tych filtrów sprawdzają każdorazowo sprawność działania wszystkich zaworów i samej membrany oraz szczelność wszystkich połączeń w układzie (ich liczba dochodzi do 25).

W przypadku ewentualnej awarii technik ma obowiązek usunąć ją w ciągu 24 godzin od momentu zgłoszenia. W widocznym miejscu na urządzeniu jest umieszczona etykietka z numerami telefonów do technika rejonowego oraz do biura regionalnego (lub centralnego) firmy na wypadek, gdy technik jest nieosiągalny (urlop, choroba itp.).

Firmy skupione przy Stowarzyszeniu "Czysta Woda"udzielają swoim klientom minimum 3 lata gwarancji na urządzenie osmotyczne. Usuwanie wszelkich ewentualnych awarii następuje bezpłatnie.

Copyright © HYDROPURE 2010. Wszelkie prawa zastrzeżone.
Projekt i realizacja: OGICOM