Bogdan Montana: „Dlaczego tylko Odwrócona Osmoza”

7
NOWOCZESNE URZĄDZENIA OSMOTYCZNE - JEDYNY RATUNEK W DZIEDZINIE OCZYSZCZANIA WODY PITNEJ

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

Błony osmotyczne (inaczej: 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, znajdują się one w jelitach przewodu pokarmowego, dzięki nim korzenie roślin "zasysają" wodę z gruntu.

Czym one są? Naturalne błony osmotyczne, z którymi mamy do czynienia w przyrodzie, są bardzo cienkie i mają wyjątkowo dużą porowatość. Pory te mają średnicę około 0,0001 (J., czyli bakteria średniej wielkości jest od nich 5000 razy większa. Nieprzypadkowo pory naturalnych błon osmotycznych są podobnej wielkości, jak cząstka wody. Gdybyśmy cząstki te chcieli ułożyć w szeregu na odcinku długości 1 mm, wówczas potrzebowalibyśmy ich aż 10 milionów.

Rys. Pory błon osmotycznych występujących w naturze mają zbliżoną wielkość do wielkości cząstki wody.

Natura miała swój powód, aby stworzyć błony z porami tak małymi jak cząsteczki wody. Jeśli taką błoną rozdzieli się roztwory o różnych stężeniach, to cząsteczki wody zaczną tak długo "wędrować" z roztworu o mniejszym stężeniu do roztworu bardziej stężonego, aż stężenia te się wyrównają. Inny sposób wymieszania się tych roztworów (np. za pomocą dyfuzji) nie jest możliwy - ponieważ cząsteczki wody należą do jednych z mniejszych cząsteczek występujących w przyrodzie, niemal wszystkie cząsteczki substancji w niej rozpuszczonych są od nich większe. Im większe są cząsteczki substancji rozpuszczonych tym mniejsze są szanse przeciśnięcia się ich przez błonę osmotyczną.

Rys. Sposób działania osmozy naturalnej.

Zjawisko osmozy naturalnej odkryto już w XVIII w., jednak próby wykorzystania go w technice długo się nie udawały. Wytwarzane na początku XX w. sztuczne błony z celulozy (w technice nazywane membranami) również okazały się zbyt mało trwałe i nie zdobyły powszechnego zastosowania. Dopiero wynalezienie w 1952 r. 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. W tych przypadkach stosuje się membrany o największej dokładności, bowiem tam potrzebna jest woda o najwyższej czystości.

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

Od momentu odkrycia spiralnych membran poliamidowych rozpoczął się szybki rozwój osmozy odwróconej do oczyszczania wody pitnej w domach

Rys. Pory membran osmotycznych stosowanych do oczyszczania wody pitnej są kilka tysięcy razy mniejsze od bakterii.

Oczyszczanie wody przy użyciu membran osmotycznych musi odbywać się pod odpowiednim ciśnieniem powodującym ruch wody w przeciwnym kierunku, niż ma to miejsce w naturze, dlatego w technice mówi się o osmozie odwróconej.

Rys. Sposób działania osmozy odwróconej.

Membrany osmotyczne długo czekały na zastosowanie w domach i mieszkaniach prywatnych - początkowo hamulcem była 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 zrodziła się w USA w 1965 r. Dlaczego w USA? Bo tam, na Uniwersytecie Kalifornijskim, wynaleziono nowoczesne membrany poliamidowe (1952 r.), które nadal są produkowane tylko w USA. Po upływie ponad 50 lat nikt na świecie nie zdołał powielić tego pomysłu Amerykanów.

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. Stają się one standardowym wyposażeniem wszystkich mieszkań wszędzie tam, gdzie bezmyślna gospodarka kierowana przez polityków z małą wyobraźnią doprowadziła do zatrucia wód powierzchniowych oraz głębinowych.

7.2. Jak działa domowa membrana osmotyczna?

Membrany osmotyczne służą w technice do oddzielania roztworów różnych związków chemicznych lub koloidów. Jednym z najlepszych i najbardziej rozpowszechnionych w przyrodzie rozpuszczalników jest woda. Jeśli mówimy o oczyszczaniu wody, to inne membrany stosuje się w przemyśle farmaceutycznym i 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 są stosowane do wody morskiej lub oceanicznej (w 1 litrze wody z Bałtyku mamy 35 000 mg rozpuszczonych związków chemicznych), a inne do wody kranowej lub studziennej. Z tymi ostatnimi mamy oczywiście najczęściej do czynienia.

Woda pitna z domowego aparatu osmotycznego jest zdrowa i bezpieczna oraz porównywalna z wodą mineralną niskozminera-lizowaną

Porowatość domowych membran osmotycznych zwiększono w ostatnich latach dwukrotnie i obecnie pory te mają wielkość dochodzącą do 0,0002 \L. 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 z tego, że jony wapnia, magnezu, sodu i potasu należą do najmniejszych, jakie są rozpuszczone w wodzie, i dlatego łatwiej przechodzą przez membranę). Membrana osmotyczna do wody pitnej przepuszcza tylko czystą wodę oraz minerały w niej zawarte. Większe cząsteczki - metale ciężkie, azotany, pestycydy, detergenty i inne toksyny - są w 90% wyrzucane do ścieku.

Rys. Przez domową membranę osmotyczną łatwo przechodzą cząsteczki wody oraz pierwiastki mineralne.

Rys. Domowa membrana osmotyczna przepuszcza łatwo cząsteczki wody, częściowo małe pierwiastki mineralne, a odrzuca skutecznie duże pierwiastki i związki chemiczne

Przez membranę osmotyczną przechodzi tylko część czystej wody zawartej w surowcu wyjściowym (woda kranowa lub studzienna) jest to, od 25 do 40%, zależnie od ciśnienia i temperatury wody oraz stopnia jej zanieczyszczenia. Reszta, czyli chemicznie brudna woda, 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).

Nowa membrana osmotyczna na początku przepuszcza połowę pierwiastków mineralnych zawartych w wodzie kranowej lub studziennej, a po roku używania przechodzą przez nią w 100%. Po 5 latach jest wymieniana na nową

Membrany osmotyczne do użytku domowego są zwijane spiralnie i dzięki temu w stosunkowo małej obudowie można zmieścić membranę o powierzchni kilku metrów kwadratowych. Brudna woda przepływa bardzo powoli przez siatkę nośną po zewnętrznej stronie membrany i tutaj, dzięki zjawisku osmozy odwróconej, następuje jej rozdział - czysta woda wraz z minerałami przechodzi przez membranę, płynie do rurki zbierającej i stamtąd kierowana jest do zbiornika, natomiast brudna woda przepływa do ścieku. Membrany mają różną wydajność i dzięki temu w różnym czasie potrafią napełnić pusty zbiornik - najmniej wydajna potrzebuje 6 godzin do napełnienia go, natomiast najbardziej wydajna - tylko 1 godzinę.

Wszystkie moduły membran do użytku domowego mają, mimo różnej wydajności, te same wymiary, a efekt ten osiąga się dzięki stosowaniu siatek nośnych różnej grubości - przy użyciu grubej siatki można nawinąć na rurkę zbierającą mniejszą ilość zwojów membrany (mniejsza powierzchnia i wydajność), natomiast przy zastosowaniu cienkiej siatki ilość zwojów będzie większa (większa powierzchnia i wydajność).

Odpowiednio uszczelnione moduły membranowe zamyka się w specjalnej obudowie, w której następuje rozdzielenie wody czystej i brudnej.

Rys. Membrana osmotyczna nawijana spiralnie

Rys. Moduł membranowy zamknięty w obudowie.

Zdecydowanie większe membrany i agregaty osmotycz-ne stosuje się do produkcji czystej wody w wytwórniach farmaceutycznych, szpitalach, przemyśle spożywczym, na statkach dalekomorskich oraz w wytwórniach do zaopatrywania w wodę pitną miast i osiedli. Obecnie działa na świecie kilkadziesiąt miejskich wytwórni, które wodę z oceanu przerabiają na wodę pitną. Najwięcej takich wytwórni pracuje w krajach arabskich i USA, a kilka, pobierających surowiec z zatrutych rzek, działa już w Niemczech oraz w Wielkiej Brytanii.

I znowu można pić wodę prosto z kranu

7.3. Gdzie urządzenia osmotyczne są najbardziej popularne?

Po wynalezieniu zupełnie nowych urządzeń do filtracji wody przy użyciu membran osmotycznych, szybko znalazły one 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 - oczyszczanie wody morskiej jest tańsze niż kupowanie gorszej wody od zakładów wodociągowych.

Domowe urządzenia osmotyczne z koncernu Electrolux

Rys.Electrolux RO 400. Wydajność - 2 m3/godz.

Rys. Electrolux RO 300. Wydajność -1,5 m3/godz.

Automaty wyposażone w filtry osmotyczne stoją od lat na ulicach amerykańskich miast - wystarczy wrzucić 25 centów i do 5-litrowego zbiornika leci czysta woda osmotyczna.

Rys. Takie automaty uliczne do zaopatrywania się w czystą wodę osmotyczną są do wielu lat popularne w USA.

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

Producentom wód mineralnych przestaje się opłacać transport ich wody na duże odległości, dlatego w wielu dużych miastach na Zachodzie powstają wytwórnie wód osmotycznych, dla których surowcem jest woda wodociągowa. Woda osmotyczna po odpowiednim domine-ralizowaniu jest z powodzeniem sprzedawana w sklepach. Metoda zdecydowanie tańsza i pewniejsza, bo taka woda jest całkowicie pozbawiona związków chorobotwórczych.

Osmoza odwrócona jest obecnie najbardziej popularną metodą oczyszczania wody pitnej

Rys. Osmotyczny agregat półprzemysłowy.
Wydajność - 5 m3/godz.

Rys.Osmotyczny agregat przemysłowy. Wydajność - 30 m3/godz.

Największą popularność zdobywają na świecie domowe urządzenia osmotyczne, które zapewniają wodę czystą, zdrową i bezpieczną i to w cenie 10-krotnie niższej niż kupowana w sklepach woda niepewnej jakości. 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.

7.4. Gdzie najczęściej używa się czystej wody?

Przez wiele lat byliśmy przyzwyczajani do tego, że gdy odkręcaliśmy nasz domowy kran, to miała płynąć z niego czysta woda do picia. Tak nas przynajmniej zapewniały nas zakłady wodociągowe i służby sanitarne. Okazuje się jednak, że tak nie jest i w związku z tym jesteśmy zmuszeni ponownie czyścić wodę kranową urządzeniami osmotycznymi - tylko takie bowiem w obecnych czasach gwarantują usunicie z niej niezdrowej chemii. Wiemy również, że tą czystą wodę szkoda jest wykorzystywać np. do mycia podłóg lub samochodu, a już z pewnością w toalecie. Zatem używamy jej tylko tam, gdzie jest 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
• przygotowywanie kostek lodu do 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 szkieł kryształowych
• mycie szyb i okien
• ręczne pranie delikatnej odzieży wełnianej i jedwabnej
• napełnianie nawilżaczy powietrza
• ochrona ekspresów do kawy, żelazek z nawilżaczami itp

Dzięki urządzeniom osmotycznym czysta i zdrowa woda przestała być luksusem

7.5. Czy domowe urządzenia osmotyczne pozbawiają wodę minerałów?

Pierwsze domowe urządzenia osmotyczne znalazły się w sprzedaży w 1965 r. Membrany stosowane w pierwszych latach wprowadzania ich na rynek miały taką dokładność oczyszczania, że na początku przepuszczały tylko 10% pierwiastków mineralnych zawartych w wodzie kranowej lub studziennej. Kierowano się przy tym 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 dwukrotnie, co powoduje, że nowa membrana przepuszcza od 30 do 50% pierwiastków życia, a po roku używania - już w 100%. Wodę po przejściu przez taką membranę można porównać z wodą z górskiego potoku, a stopień mineralizacji wody rośnie jeszcze bardziej po przepuszczeniu jej przez mineralizator.

Woda osmotyczna jest jak woda z górskiego potoku

7.6. Dlaczego tylko mineralizowana woda osmotyczna jest obecnie jedynym źródłem czystej, zdrowej i bezpiecznej wody mineralnej?

Przez ponad 100 lat woda mineralna musiała spełniać dwa warunki:
a) zawierać odpowiednią liczbę składników mineralnych i w odpowiedniej proporcji,
b) nie mogły w niej być obecne substancje szkodliwe dla zdrowia.

Tak było kiedyś, obecnie bowiem przepisy dopuszczają w handlu wody mineralne o zdecydowanie niższej zawartości minerałów (wody niskozmineralizowane) i jednocześnie zezwalają na obecność w nich związków chorobotwórczych (pestycydy, detergenty, metale ciężkie, azotany itp.).

Co robić, skoro sytuacja wydaje się beznadziejna; wody kranowe i studzienne nie nadają się do picia, wody mineralne i źródlane również nie są takie czyste, jak kiedyś? Na szczęście znalazło się rozwiązanie, zgodnie z dewizą: "potrzeba matką wynalazku". Nowa metoda oczyszczania wody przy użyciu membran osmo-tycznych doskonale usuwa z wody związki toksyczne, przepuszczając jednocześnie wszystkie pierwiastki mineralne. Woda osmotyczna jest lepsza niż woda mineralna kupowana w sklepie, bo nie zawiera żadnych domieszek chemicznych. Można ją jeszcze bardziej wzbogacić w kilka pierwiastków życia, instalując dodatkowo miner alizator.

Woda z urządzenia osmotycznego jest czysta i rześka jak woda z górskiego potoku i jest porównywalna z wodą mineralną niskozmineralizowaną

7.7. 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, jadąc na urlop do krajów z niepewną wodą, często zabierają membrany bez ochronnych filtrów wstępnych, ale po powrocie z urlopu wyrzucają je 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 \i, 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 spełnia warunki narzucone przez ich producentów. , 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.

Rys. Typowy filtr węglowy do ochrony membran osmotycznych.

Konieczność wymiany ochronnych filtrów węglowych co 6 miesięcy dotyczy zarówno filtra przed membraną (prefiltr), jak i za nią (postfiltr). W większości firm serwisujących urządzenia osmotyczne regularna wymiana filtrów węglowych jest jedynym warunkiem zachowania na nie gwarancji.

Rys. Zużycie węgla aktywnego w środowisku wodnym

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

• zawór dwudrogowy - wyłącza urządzenie z pracy, gdy zbiornik się napełni i włącza ponownie przy najmniejszym poborze wody,
• zawór zwrotny - zapobiega "ucieczce" wody ze zbiornika w czasie wyłączenia urządzenia z pracy,
• dławik - zapewnia określone dla danej membrany ciśnienie w układzie, bez którego proces osmozy odwróconej nie zadziała.

Poniżej pokazujemy schemat połączenia poszczególnych elementów w typowym urządzeniu osmotycznym.

Rys. 1) podłączenie do sieci wodociągowej, 2) filtry sedymentacyjne, 3) filtr węglowy wstępny, 4) zawór 2-drogowy, 5) membrana osmotyczna, 6) zbiornik, 7) filtr węglowy końcowy, 8) mine-ralizator, 9) kran czystej wody, 10) dławik, 11) podłączenie odpływu wody nieoczyszczon

Najważniejszym warunkiem prawidłowej eksploatacji domowych urządzeń osmotycznych jest regularna wymiana co 6 miesięcy obu filtrów z węglem aktywnym. Filtry mechaniczne wymienia się po ich zużyciu, natomiast membrany - 86 po średnio 5 latach używania

7.8. 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 liczbę 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 [i, przy tym przynajmniej jeden z nich nie może mieć porów większych niż 5 (J..

Membrany osmotyczne mają różną wydajność, która kształtuje się od 2 do 10 litrów na godzinę, a ich trwałość wynosi średnio 5 lat. Ceny membran wynoszą obecnie od 200 do 300 zł i są trzykrotnie niższe niż przed dziesięcioma laty.

Podobnie maleją koszty wymienianych co 6 miesięcy filtrów ochronnych i wynoszą, zależnie od modelu urządzenia oraz od ich jakości, od 150 do 250 zł. Oznacza to, że przy zużyciu 10 litrów wody osmotycznej dziennie, kosztuje ona tylko 10 gr za 1 litr. Jeśli kilkuosobowa rodzina zużyje dziennie 20 litrów czystej wody, wówczas koszt 1 litra wyniesie tylko 5 gr.

Przy zużyciu 20 litrów czystej wody osmotycznej dziennie koszt jednego litra wynosi tylko 5 gr

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

Przez membranę osmotyczną przeciska się od 25 do 40% 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 przede wszystkim od ciśnienia wody na samej membranie (ciśnienie wody w sieci pomniejszone o straty ciśnienia na filtrach ochronnych), jak też od temperatury wody oraz stopnia jej zanieczyszczenia. Stosunek ten można również regulować doborem odpowiedniego dławika, którego zadaniem jest ustalanie ciśnienia wewnątrz urządzenia. Dzięki ciągłemu spłukiwaniu membrany i jej ochronie wstępnymi filtrami mechanicznymi oraz filtrem węglowym można znacznie przedłużyć jej trwałość.

Czy należy przejmować się stratami wody, które są nieodzowne przy urządzeniach osmotycznych? Statystyczne 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%).

Załóżmy dla przykładu, że w danej rodzinie zużywa się dziennie 10 litrów wody osmotycznej. Do jej wyprodukowania musieliśmy skierować do ścieku 40 litrów w ciągu dnia (dawka maksymalna), czyli 1200 litrów w ciągu miesiąca. Przy założeniu ceny 1 m3 wody kupowanej w zakładach wodociągowych w wysokości 5 zł miesięcznie, straty technologiczne wynoszą 1,2 m3 × 5 zł = 6 zł.

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

7.10. 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 każdorazowo sprawdzają 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 umieszczona jest etykietka z numerami telefonów do technika oraz do biura regionalnego firmy na wypadek, gdy technik jest nieosiągalny w czasie urlopu, choroby itp.

Firmy skupione przy Stowarzyszeniu "Czysta Woda" udzielają na urządzenie osmotyczne minimum 3-letniej gwarancji.