Podstawą procesu odwróconej osmozy jest zjawisko osmozy naturalnej, które polega na samorzutnym przenikaniu rozpuszczalnika przez membranę półprzepuszczalną w kierunku roztworu o większym stężeniu (w przypadku gdy układ tworzą roztwór i rozpuszczalnik lub dwa roztwory o różnym stężeniu). Ciśnienie zewnętrzne równoważące przepływ osmotyczny zwane jest ciśnieniem osmotycznym charakterystycznym dla danego roztworu. Jeśli po stronie roztworu wytworzy się ciśnienie hydrostatyczne wyższe niż osmotyczne, rozpuszczalnik będzie przenikał z roztworu bardziej stężonego do rozcieńczonego, a więc odwrotnie niż w przypadku osmozy. Taki proces nazywamy odwrócona osmozą (z ang. reverse osmosis) lub hiperfiltracją.
Warunki procesu
Proces ten pozwala na oddzielenie rozpuszczalnika od substancji rozpuszczonych nawet o stosunkowo niskiej masie cząsteczkowej, np. sole i cukry. Stosowane ciśnienie transbłonowe w tym procesie jest wysokie ze względu na wysoką wartość ciśnień osmotycznych rozdzielanych roztworów i wynosi 1,5-10 MPa. Dobór odpowiedniej membrany związany jest z powinowactwem rozpuszczalnika do materiału membrany, mniejszą rolę odgrywa zaś wielkość porów, bowiem mechanizm separacji opiera się na rozpuszczaniu i dyfuzji.
Odwróconą osmozę zastosowano po raz pierwszy do odsalania wody morskiej w 1953 roku (na potrzeby statków odbywających długie podróże), zaś do przemysłu została wprowadzona w latach sześćdziesiątych po opracowaniu przez Loeb’a i Sourirajana technologii wytwarzania wydajnych i selektywnych membran asymetrycznych na szeroką skalę. Taka budowa membran pozwoliła bowiem na rozdział składników o małej masie cząsteczkowej.
Dzisiaj systemy odwróconej osmozy stosuje się głównie w przemyśle, instalacje realizowane przez https://www.oriontec.pl/ są niezawodne i gwarantują zatrzymanie do 99% soli będącej w wodzie. Natomiast w gospodarstwach domowych instalowane są kompaktowe filtry do wody z odwróconą osmozą, które zapewniają dostęp do taniej, czystej i bezpiecznej wody pitnej.
Rys.1. Membranowe układy osmotyczne. (źródło: Ćwiczenia laboratoryjne z inżynierii środowiska: Techniki membranowe- odwrócona osmoza)
Rodzaje odwróconej osmozy
Proces ten należy do procesów wysokociśnieniowych, a wielkość przyłożonych ciśnień zewnętrznych zależna jest od rodzaju membrany i warunków prowadzenia procesu.
Ze względu na stosowane ciśnienie wyróżniamy:
• osmozę wysokociśnieniową – stosowane są ciśnienia w granicach 6 – 10 MPa, wykorzystywana do odsalania wody morskiej
• osmozę niskociśnieniową – ciśnienia robocze wahają się od 1,5 do 4,5 MPa, stosowana przy odsalaniu wód odpadowych o stosunkowo niedużym zasoleniu
• nanofiltrację – stosowane ciśnienia to 0,3 – 3,0 MPa, stosowana do zmiękczania i denitryfikacji wody
Osmoza wysoko- oraz niskociśnieniowa umożliwiają odseparowanie soli i związków organicznych małocząsteczkowych ze skutecznością rzędu 95 do 99%.
Stosowane membrany
Membrany wykorzystywane w procesach odwróconej osmozy to membrany asymetryczne oraz kompozytowe. Membrany asymetryczne zbudowane są z jednego rodzaju polimeru tworzącego dwie warstwy. Warstwa zewnętrzna o grubości 0,1 – 0,5 μm spełnia rolę warstwy permeacyjnej (separacyjnej), zaś wewnętrzna (tzw. suport) o porowatości 150 – 300 μm chroni warstwę zewnętrzną poprzez przejmowanie obciążeń mechanicznych. Membrany te otrzymywane są metodą inwersji faz z polimerów o właściwościach hydrofilowych. Zazwyczaj stosuje się estry celulozy: di- oraz trioctany, które łatwo hydrolizują przy wysokim i niskim pH oraz są mało odporne mikrobiologicznie i termicznie. Innym materiałem są poliamidy aromatyczne bardziej odporne na pH środowiska, nisko rozpuszczalne dla wody i mało odporne na działanie wolnego chloru. Membrany kompozytowe są częściej wykorzystywane w procesie RO. Charakteryzują się tym, że warstwa aktywna i suport zbudowane są z różnych rodzajów polimerów. Suport stanowi typową membranę ultrafiltracyjną i zbudowany jest głównie z polisulfonów, zaś budulcami warstwy aktywnej są zazwyczaj polimery takie jak: polibenzimidazol, polibenzimidazolan, poliamidohydrazyna.
Materiał wybrany do budowy membran powinien:
– występować w stanie szklistym
– odznaczać się odpornością hydrolityczną i mechaniczną
– być odporny na biodegradację oraz działanie utleniaczy, w tym chloru
– posiadać wystarczająco wysoką masę molową, zaś rozrzut mas jak najmniejszy
Tabela 1. Warunki szkodliwe dla membran (na podstawie: Procesy membranowe. Robert Rautenbac
Mechanizm transportu masy przez błonę
Mechanizm separacji w procesie RO jest modelem rozpuszczania – dyfuzji. Zakłada on, że o przepływie składników przez błony decyduje ich rozpuszczenie w polimerze a transport podlega prawom dyfuzji molekularnej. Siłą napędową transportu jest lokalny gradient potencjału chemicznego, który wynika z różnicy stężeń składnika i różnicy ciśnienia hydrostatycznego po obu stronach membrany. Rozdzielanie składników jest skutkiem różnej rozpuszczalności w błonie (prawo Nernsta) oraz różnej szybkości dyfuzji (prawo Ficka). Model ten pomija oddziaływania między polimerem membrany a dyfundującym składnikiem oraz dobrze opisuje mechanizm transportu, gdy rozmiary molekularne składnika rozpuszczonego i rozpuszczalnika są do siebie zbliżone.
Zastosowanie procesu odwróconej osmozy
Wykorzystanie mechanizmów RO w praktyce ma charakter dwukierunkowy:
• odzyskanie rozpuszczalnika (wody) w stanie czystym, pozbawionym substancji rozpuszczonych, rozproszonych, koloidalnych
• selektywne rozdzielenie substancji rozpuszczonych i rozproszonych między filtrat i koncentrat
Spośród wielu zastosowań RO najważniejsze to:
– odsalanie wody morskiej i wód słonawych
– otrzymywanie wody pitnej wysokiej jakości w lokalnych stacjach zaopatrzenia w wodę
– otrzymywanie wody o niskiej zawartości soli lub jej pozbawionej dla potrzeb przemysłu spożywczego, farmaceutycznego i medycyny
– demineralizacja i otrzymywanie wody ultraczystej dla przemysłu elektronicznego
– otrzymywanie wody procesowej dla przemysłu chemicznego
– zatężanie wód kopalnianych
– zatężanie wody płuczącej w fotografii w celu odzyskania srebra
– odzyskiwanie sody z wód drenażowych kopalni węgla kamiennego
– zatężanie popłuczyn masy celulozowej
– oczyszczanie odcieków z wysypisk odpadów stałych
– zmiękczanie wody
– zatężanie ługu posiarczynowego
– odzyskiwanie metali ze ścieków
Wady i zalety stosowania odwróconej osmozy
Korzyści stosowania mechanizmów odwróconej osmozy to:
• łatwość powiększania skali, poprzez możliwość łączenia modułów
• możliwość ciągłego prowadzenia procesu
• łatwość połączenia z innymi technikami membranowymi
• łatwość obsługi dzięki prostej konstrukcji
• możliwość całkowitego zautomatyzowania procesu
• możliwość pracy w temperaturze otoczenia, szczególnie duże znacznie ma to w przypadku cieczy lotnych i związków rozpadających się w wysokich temperaturach
Mimo szerokiego zastosowania oraz wielu zalet technika ta spotyka się z pewnymi ograniczeniami:
• ograniczenie zastosowania membran związana z niską odpornością materiałów na wartość pH roztworu, jego temperaturę czy obecność substancji utleniających
• ograniczony stopień zatężenia roztworów, w przypadku większości roztworów soli metali oraz cukrów ciśnienie osmotyczne jest na tyle wysokie iż proces staje się nieopłacalny (ze względu na konieczność stosowania wysokich ciśnień)
• ograniczona możliwość zastosowania dla roztworów o stosunkowo dużej gęstości, roztworów krystalizujących oraz koagulujących.
Biorąc pod uwagę szereg problemów, stosowanie tej metody jest racjonale gdy:
• wydajność procesu jest ekonomicznie uzasadniona
• proces foulingu (zatykania porów membrany) jest odwracalny
• jakość otrzymanego produktu jest wysoka i umożliwia ponowne jego wykorzystanie
• powstające odpady są niegroźne dla środowiska
• żywotność membrany jest duża
Karolina Podsiadły
Literatura:
1. Ćwikła J., Konieczny K., 2009. Ograniczenie ładunków miogenów na oczyszczalni poprzez oczyszczanie wód osadowych w procesie odwróconej osmozy. Materiały konferencji III Ogólnopolski Kongres Inżynierii Środowiska. Politechnika Lubelska
2. Odwrócona osmoza (ang. reverse osmosis, RO) www.filtertech.com.pl
3. Rautenbach R., 1996 Procesy membranowe. Podstawy projektowania modułów i instalacji. WNT Warszawa
4. Techniki membranowe – odwrócona osmoza. 2008 Materiały ćwiczeniowe Zakładu Inżynierii Środowiska Wydziału Chemii UG.
