Osmoza-informacje
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.
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.
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
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).
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.
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.
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.
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 dwudrogowy, 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).