Základní funkce a princip reverzní osmózy (RO)

Druhy filtrace se dělí podle jemnosti částic, které dokáží odstranit. Reverzní osmóza je v tomto ohledu nejúčinnější.

Název „reverzní osmóza“ je odvozen na základě podobnosti s přirozeným fyzikálním procesem probíhajícím například v buňkách organismů. Tento proces je zván osmóza. Přízvisko reverzní se dodává, protože v přístroji RO proudí voda opačným směrem, než je přirozené.

Princip reverzní osmózy

Rozpouštědlo (nejčastěji voda) má, na základě principu vyrovnávání koncentrací roztoků, tendenci přesouvat se do prostoru s vyšší koncentrací (rozpuštěné látky by se přesouvaly opačným směrem, ale v tom jim brání membrána). Např. když si posolíte krajíc chleba s máslem, na krystalech soli se po chvíli vytvoří kapky vody, jde o vodu vysátou z másla a vzduchu, která se snaží „naředit“ sůl.

Migrace rozpouštědla je hnaná silou, která se nazývá osmotický tlak. Pokud odpor membrány nebo přetlak v části s vyšší koncentrací rozpuštěných látek dosáhne stejné hodnoty, jako osmotický tlak, osmóza se zastaví. Pokud je tlak v části s koncentrovanějšími nečistotami vyšší než tlak osmotický, směr proudění vody se obrátí a probíhá reverzní osmóza.

Jedním z projevů osmózy je, že je-li buňka vystavená demineralizované (destilované) vodě, začne ji automaticky nasávat. Snaží se tak vyrovnat rozdíl v koncentracích vně a uvnitř buňky. Často se tento proces nezastaví, dokud buňka nepraskne (jako když se přefoukne nafukovací balonek). Takové poškození buněk je jedno z rizik spojené s pitím demineralizované vody.

Proces osmózy je v organismu důležitý (řídí se jím některé tělesné pochody) a pití demineralizované vody ho vyvádí z rovnováhy.

Parametry vody po úpravě RO

Hlavním parametrem RO membrán je účinnost, prezentovaná procenty, značícími kolik dokáží odstranit z vody rozpuštěné kuchyňské soli při určité teplotě. Například při filtraci roztoku NaCl 35 g/l se odstraní 97 % (při teplotě 20 °C). Účinnost je pak popsána jako 97%. Různé látky se však na RO membráně zachycují různě efektivně. V tabulce 1 jsou uvedena přibližná procenta zachycení, zvýrazněny jsou prvky, kvůli kterým nejčastěji RO instalujeme. Míra zachycení do jisté míry souvisí s velikostí částice. Malé ionty a molekuly, jaké má bor nebo amoniak se zachycují špatně. Naopak velké (oproti samotným molekulám či iontům) útvary jako viry a bakterie se zachycují téměř kompletně (100 % se neuvádí v podstatě jen formálně). Tabulka 2 ukazuje konkrétní příklad při úpravě pitné vody

Tab. 1

Hliník	97–98 %	Nikl	97–99 %
Amoniak	85–95 %	Dusičnany	93–96 %
Arsen	94–96 %	Fosforečnany	99+ %
Bakterie	99+ %	Polyfosforečnany	98–99 %
Hydrogenuhličitany	95–96 %	Draslík	92 %
Bor	50–70 %	Pyrogeny (bakterie, viry)	99+ %
Bromidy	93–96 %	Radioaktivita	95–98 %
Kadmium	96–98 %	Radium	97 %
Vápník	96–98 %	Selen	97 %
Chloridy	94–95 %	Křemík	85–90 %
Chromany	90–98 %	Křemičitany	95–97 %
Chrom	96–98 %	Stříbro	95–97 %
Měď	97–99 %	Sodík	92–98 %
Kyanid	90–95 %	Sírany	99+ %
Ferrokyanid	98–99 %	Siřičitany	96–98 %
Fluoridy	94–96 %	Zinek	98–99 %
Železo	98–99 %
Olovo	96–98 %	Insekticidy	97 %
Hořčík	96–98 %	Detergenty	97 %
Mangan	96–98 %	Herbicidy	97 %
Rtuť	96–98 %	Viry	99+ %
Rozpuštěné látky (TDS/konduktivita)	95–99 %	Tvrdost	93–97 %

V reverzní osmóze rozlišujeme tři proudy upravované vody:

První je surová voda, tedy voda, kterou chceme upravovat.
Druhý je permeát, tedy voda co prošla skrze membránu a je vyčištěná.
Třetí je koncentrát (nebo retentát), tedy koncentrovaná (zahuštěná) voda, s níž odtékají zachycené nečistoty.

Obecně se surová voda se na permeát a koncentrát dělí v různém poměru, který lze regulovat nastavením tlaků na odtoku jednotlivých proudů. Čím větší je podíl permeátu, tím vyšší je koncentrace nečistot v koncentrátu. Při překročení určité hranice koncentrací pak prudce narůstá míra zanášení membrány a klesá účinnost odstranění nečistot. Čím více je v koncentrátu vápníku, tím dříve dochází k překročení této meze. Typický poměr permeátu ke koncentrátu se udává 40–60 %, nicméně pro pitné vody a s použitím změkčení či dalších forem předúpravy se dá počítat s až 80 % permeátu. Pro dlouhou životnost a minimální potřebu čištění membrán je však vhodnější volit nižší podíl permeátu.

Jak už bylo řečeno, čerpadlo musí překonat osmotický tlak, který by samovolně tlačil čistou vodu zpět přes membránu. Čím vyšší je rozdíl koncentrací nečistot mezi koncentrátem a permeátem, tím vyšší je osmotický tlak a tedy odpor roztoku vůči reverzní osmóze.

Zvyšováním tlaku vstupní vody se zvyšuje rychlost filtrace (průtok vody skrze membránu). Zároveň se tím také do určité meze zlepšuje kvalita permeátu (od jistých tlaků už k dalšímu zlepšení nedochází).

Dále platí, že průtok skrze membránu je výrazně ovlivněn teplotou vody. Při vyšší teplotě je vyšší i průtok. (Při 25 °C je průtok 2× vyšší než při 10 °C.)

Konstrukce, rozměry a výkony RO jednotek

RO jednotky mohou mít různý počet stupňů (3, 5, 7 atp.) Samotná membránová filtrace je většinou jen jeden z nich, není běžné, že by se používaly dvě membránové filtrace za sebou.

Další stupně, které se mohou do RO jednotky instalovat, jsou změkčení (před membránou) a UV dezinfekce (za membránou).

Různé provedení RO jednotek

Konstrukce a materiál membrán

Isotropické – jsou homogenní na průřezu
Anisotropické – v průřezu se liší strukturou a chemicky, někdy jsou nazývány také kompozitní (v současnosti více rozšířené)

Materiál: většinou organický polymer, hrubší membrány (mikrofiltrace) mohou být i keramické, ve speciálních případech se používají kovové membrány (někdy slouží jako podpora polymerové membrány).

Typické materiály

Cellulose acetate (acetátová celulóza) starší membrány, značené CA
Polysulfones (potažené aromatickými polyamidy) membrány, značené PSF
Novější tenko filmové kompozitní (TFC) membrány.

TFC membrány pracují při nižším tlaku, s vyšším průtokem a lepší účinností, než jejich předchůdkyně. U současných membrán při 55 barech tlaku je průtok až 51 l/m².h a 99,5% účinnost na roztoku soli 35 g/l (mořská voda).

Běžná Filmtec XLE-4040 membrána má plochu 8,1 m², max. tlak 41 bar, průtok 9,8 m³/d a rozměry modulu 1016×99 mm (spirálově vinutý).

Nevýhodou TFC membrán je citlivost na volný chlor (maximální tolerovatelná koncentrace chloru je 0,1 mg/l, i při této koncentraci však membrána vydrží nepoškozená jen asi 10 000 hodin (tj. něco přes rok nepřetržitého působení), součin doba působení × koncentrace smí být max. 1000 h.mg/l.

U CA membrán by pH mycích roztoků nemělo být nižší než 2,0 (některé zdroje ale uvádějí maximální rozsah pH pro provoz 4 až 8 a pro čištění 3 až 9).

Tvary membrán

Dle tvaru se membrány rozdělují na ploché fólie v rámu, spirálově vinuté fólie, trubičky nebo dutá vlákna.

Údržba membrán

Cleaning in place

Zkráceně CIP, proces se také nazývá CIPování. Jde o technické řešení mytí zařízení. Je-li instalován CIP, pak není potřeba do zařízení nijak vstupovat nebo jej rozebírat za účelem mytí. Pouze se spustí CIPování a zařízení se automaticky vymyje pomocí instalovaných trysek či sprchových hlav. Mycí voda a roztoky se často přivádí separátním, k tomu určeným, rozvodem.

Mycí roztoky

Nejčastěji se používají roztoky kyselin citronové, fosforečné nebo chlorovodíkové. Na odstranění nánosů železa je vhodná kyselina šťavelová. Dále se používají zásadité roztoky, které mají dobré odmašťovací a dezinfekční účinky (louh) a detergenty (někdy obsahující i enzymatické složky). Chelatační činidla (EDTA) jsou vhodná k odstranění síranů vápenatých a hořečnatých. U typů membrán, které nedovolují dávkování dezinfekčních činidel do upravované vody, se používá šoková dezinfekce formaldehydem, peroxidem nebo peroctovou kyselinou.

Životnost

Časté mytí zkracuje životnost membrán. Záruka na životnost membrán se dává běžně na 1–2 roky, očekávaná životnost při dobrém zacházení je 3 roky, není ale neobvyklé přesáhnout i 5 let. Ke konci životnosti klesá průtok membránou (alespoň o 20 %) a klesá schopnost zachytávat nečistoty.

Problémy a omezení při provozu RO membrán

Ucpávání membrány

Na povrchu membrány se usazují nerozpustné soli minerálů (scaling), což je v podstatě vodní kámen. To vede k postupnému ucpávání pórů a klesání výkonu membrány. Usazeniny lze odstranit mytím. Časté mytí však zkracuje životnost membrán.

Jako prevence vzniku usazenin se používá dávkování antiscalantů (přípravky potlačující vznik sraženin, na podobné bázi jako antiscalanty pro chladící okruhy), okyselení vody nebo změkčení vody (metoda používaná v našich instalacích).

Další přípravky jako biocidy, disperzanty, antikoagulanty a flokulanty se používají k ochraně membrán a udržení jejich funkčnosti. Biocid likviduje mikroorganismy, které by mohly na membráně a i jinde uvnitř zařízení narůstat. Disperzanty a antikoagulanty stejně jako antiscalanty brání vznikání nánosů na membráně. Flokulanty naopak podporují vznik vloček nečistot, které mají menší tendenci ucpávat póry než drobnější částice.

Při přerušení provozu RO jednotky se proces migrace přes membránu nezastaví. Rozpouštědlo se mechanismem osmózy tlačí zpět přes membránu. Rozpuštěné látky mají čas migrovat skrze membránu a jejich koncentrace v permeátu roste. Proto se při najíždění RO jednotky první várka permeátu obvykle odpouští do odpadu.

Jak bylo uvedeno výše, některé typy membrán jsou náchylné na přítomnost volného chlóru, jiné jsou citlivé na pH.

Průtok vody skrz membránu závisí výrazně na teplotě vody. Výrobci často uvádějí data průtoku stanovená při 25 °C. Při teplotě 10 °C je průtok poloviční! (Při 3 °C je třetinový)

Použití reverzních osmóz

Čištění vody

(odstraňování nečistot z vody – produktem je permeát)

Výroba pitné vody (z přírodní sladké, mořské či odpadní vody), úprava technologické vody (energetika, laboratoře, atp.), čištění odpadní vody (průmysl, recyklace vody).

Koncentrování roztoků

(odstraňování vody z roztoku – produktem je koncentrát)

Potravinářství, výroba léčiv.

Přibližně 50 % instalací reverzních osmóz ve světě slouží k desalinaci, 40 % k výrobě ultračisté vody pro průmysl.

Rozdíl mezi domácí a průmyslovou RO je typicky v rozměrech a výkonu. Průmyslové RO mají často mnohonásobně vyšší výkon než domácí. U domácích a dalších menších RO se pak ani nevyplatí instalovat CIP nebo provádět čištění membrán. U velkých průmyslových zařízení se, s ohledem na udržení standardního výkonu a prodloužení životnosti, s tímto naopak počítá.

Membrány na filtraci slané a brakické (smíchaná slaná a sladká voda, např. v deltě řeky) vody se provozují při vyšších tlacích (15–70 bar), než membrány na sladkou vodu (do 500 mg/l soli; 7–15 bar).

V oblasti desalinace se dá použít vedle reverzní osmózy několik jiných technologií. Srovnání z hlediska nákladů je uvedené v grafu. Při nízkých koncentracích solí se vyplatí ionexové technologie a elektrodialýza, při vysokých zase technologie založené na odpařování, v rozsahu cca 2–10 g/l soli se pak vyplatí reverzní osmóza.

V oblasti úpravy pitných vod se reverzní osmóza nejčastěji používá na řešení problémů, které nelze jednoduše řešit ionexy. Především jde o případy vysokého obsahu rozpuštěných solí (tj. také vysoká konduktivita) nebo když má zákazník požadavek na technologickou vodu s velmi nízkým obsahem rozpuštěných látek. Jelikož se před RO standardně instaluje změkčení, je třeba s jeho cenou počítat už při zvažování instalace RO.

Při vícenásobném překročení už dochází k nevýhodnému poměru mísení upravené a neupravené vody, a je lepší zvolit jiný způsob úpravy.

Negativní vlastnosti vody upravené RO

Voda s méně než 50 mg/l TDS (celkové rozpuštěné látky) může mít horší chuť a hůře zahání žízeň. Není prokázáno, že by měla okamžitý negativní vliv na trávící orgány.

Dlouhodobě způsobuje konzumace takové vody zvýšení příjmu a vylučování tekutin, zvýšení objemu tekutin zadržovaných v těle, vyšší vylučování minerálů z těla, snížení koncentrace červených krvinek, změny poměru minerálů v krvi a u těhotných žen může negativně ovlivnit růst kostí plodu. V krajním případě může dojít až na svalové křeče a nepravidelný srdeční tep.

Dlouhodobé studie poukazují na zvýšené riziko kardiovaskulárních onemocnění (vedoucí k infarktu nebo mrtvici) při pití vody chudé na vápník a hořčík.

Pokud osoba vypije větší množství demineralizované vody po namáhavém fyzickém výkonu, nebo jí vypije jednoduše nárazově příliš velké množství, je zvýšené nebezpečí akutního hyponatremického šoku (nedostatek sodíku). Při tom dochází ke kolapsu, zmatenosti a dezorientaci u vážnější formy pak ke zvracení, křečím a otoku plic a mozku, který může skončit v extrému i smrtí (případy tzv. otravy vodou).

K tomu může dojít i při pití balené vody s nízkou mineralizací a také u kojenců, pokud jsou jim připravovány pokrmy a pití z destilované nebo málo mineralizované balené vody.

Příliš tvrdá voda (nad 5 mmol/l tj. 28 °dH) naopak vede k vyššímu výskytu ledvinových a jiných kamenů a artrózy.

Kompenzovat nižší příjem minerálů z vody příjmem v potravě je obtížnější, protože vstřebávání je méně účinné.

Při vaření v demineralizované vodě přechází velké množství esenciálních minerálů z potravin do vody (až 60 %). V demineralizované vodě se ovšem také snáze rozpouštějí látky, které jsou v ní nežádoucí (např. těžké kovy).

Ač správně fungující RO odstraňuje mikroorganismy a nepropouští nutrienty, může dojít k druhotné kontaminaci (kontaminovaná je část zařízení za membránou, zdroj je jiný než filtrovaná voda) a některé součásti zařízení na to mohou být náchylné (materiály těsnění atp.)

Při procesu reverzní osmózy se z vody neodstraní rozpuštěné plyny. Dále se také v demineralizované vodě plyny mohou rozpouštět zpětně. Kvůli absenci jiných minerálů tím roste kyselost vody (snižuje se hodnota pH, protože rozpuštěné plyny jsou kyselé) a tato voda má pak korozivní účinky. Taktéž demineralizovaná voda nevytváří pasivující povlaky vodního kamene, které do jisté míry před korozí chrání.

Pro rozvody s demineralizovanou vodou se nedoporučuje používat bronz, mosaz, uhlíkovou ocel, galvanizovanou ocel, chromovanou ocel a kombinaci hliníkových a měděných komponentů.

Použitelné materiály jsou plasty (PP), nerezová ocel, měď, hliník.

Česká legislativa vyžaduje u pitné vody minimálně 30 mg/l vápníku a 10 mg/l hořčíku. Jiné parametry nejsou dolní mezí limitovány. Tento požadavek se dá splnit použitím bypassu nebo instalací filtru s polovypáleným dolomitem (PVD), který postupným rozpouštěním doplňuje vápník a hořčík do vody. Rozpouštění PVD však nedokáže dosáhnout na legislativou požadované hodnoty.

Polská legislativa doporučuje celkovou tvrdost 60–500 mg/l CaCO₃ (tj. asi 3,4–28 °dH). Není však povinné tento limit dodržet.

Slovenská legislativa má stejné limity jako česká, ale jsou jen doporučené, tedy není povinné je dodržovat.

Na závěr je třeba říci, že přímá konzumace vody upravené reverzní osmózou není většinou odborníků (např. Státní zdravotní ústav a Asociace vodárenských expertů) doporučována, přesněji řečeno se od ní odrazuje. Přímou konzumací se myslí pití této vody bez jakékoliv další úpravy. K přípravě pokrmů ji však použít lze.

O problematice reverzní osmózy se více dozvíte také na stránkách www.euroclean.cz