Reverzní osmóza - Reverse osmosis

Reverzní osmóza ( RO ) je proces čištění vody, který využívá částečně propustnou membránu k oddělení iontů , nežádoucích molekul a větších částic z pitné vody. Při reverzní osmóze se k překonání osmotického tlaku používá aplikovaný tlak , koligativní vlastnost, která je poháněna rozdíly v chemickém potenciálu rozpouštědla, termodynamickým parametrem. Reverzní osmóza může z vody odstranit mnoho typů rozpuštěných a suspendovaných chemických i biologických (hlavně bakterií) a používá se jak v průmyslových procesech, tak při výrobě pitné vody . Výsledkem je, že rozpuštěná látka je zadržena na tlakové straně membrány a čisté rozpouštědlo se nechá projít na druhou stranu. Být „selektivní“, by se tato membrána neumožňuje velké molekuly nebo ionty skrze póry (otvory), ale měla by umožnit menší složky roztoku (například molekul rozpouštědla, například, voda, H ₂ O) pro volný průchod.

Při normálním procesu osmózy se rozpouštědlo přirozeně pohybuje z oblasti s nízkou koncentrací rozpuštěných látek (vysoký vodní potenciál ), přes membránu, do oblasti s vysokou koncentrací rozpuštěných látek (nízký vodní potenciál). Hnací silou pohybu rozpouštědla je snížení Gibbsovy volné energie systému, když se sníží rozdíl v koncentraci rozpouštědla na obou stranách membrány, což vytváří osmotický tlak v důsledku pohybu rozpouštědla do koncentrovanějšího roztoku. Použití vnějšího tlaku ke zvrácení přirozeného toku čistého rozpouštědla je tedy reverzní osmóza. Tento proces je podobný jiným aplikacím membránové technologie.

Reverzní osmóza se liší od filtrace v tom, že mechanismus toku tekutiny je pomocí osmózy přes membránu. Převládajícím mechanismem odstraňování v membránové filtraci je napínání nebo vylučování velikosti, kde jsou póry 0,01 mikrometru nebo větší, takže proces může teoreticky dosáhnout dokonalé účinnosti bez ohledu na parametry, jako je tlak a koncentrace roztoku. Reverzní osmóza místo toho zahrnuje difúzi rozpouštědla přes membránu, která je buď neporézní, nebo využívá nanofiltraci s póry o velikosti 0,001 mikrometru. Převládající mechanismus odstraňování je z rozdílů v rozpustnosti nebo difuzivitě a proces závisí na tlaku, koncentraci rozpuštěné látky a dalších podmínkách.

Reverzní osmóza je nejčastěji známá pro použití při čištění pitné vody z mořské vody , odstraňování solí a jiných odpadních materiálů z molekul vody.

Dějiny

Proces osmózy přes semipermeabilní membrány poprvé pozoroval v roce 1748 Jean-Antoine Nollet . Následujících 200 let byla osmóza pouze jevem pozorovaným v laboratoři. V roce 1950 Kalifornská univerzita v Los Angeles poprvé zkoumala odsolování mořské vody pomocí semipermeabilních membrán. Vědci z Kalifornské univerzity v Los Angeles i Floridské univerzity v polovině padesátých let úspěšně vyráběli sladkou vodu z mořské vody, ale tok byl příliš nízký na to, aby byl komerčně životaschopný, dokud neobjeví Sidney Loeb a Kalifornská univerzita v Los Angeles Srinivasa Sourirajan z National Research Council of Canada , Ottawa, technik pro výrobu asymetrických membrán charakterizovaných efektivně tenkou „kožní“ vrstvou podloženou na vysoce porézní a mnohem silnější substrátové oblasti membrány. John Cadotte, z Filmtec Corporation , zjistil, že membrány se zvláště vysokým tokem a nízkým obsahem soli průchodu mohou být provedeny interfaciální polymerizací z m -fenylendiamin a trimesoyl chloridu. Cadotteův patent na tento proces byl předmětem soudních sporů a od té doby vypršel. Touto metodou se nyní vyrábí téměř veškerá komerční membrána reverzní osmózy. Do roku 2019 fungovalo po celém světě přibližně 16 000 odsolovacích závodů, které vyráběly přibližně 95 milionů metrů krychlových denně (25 miliard amerických galonů denně) odsolené vody pro lidské použití. Přibližně polovina této kapacity byla v oblasti Blízkého východu a severní Afriky.

Vlak na výrobu reverzní osmózy, závod North Cape Coral na reverzní osmózu

V roce 1977 se Cape Coral na Floridě stala první obcí ve Spojených státech, která ve velkém používala proces RO s počáteční provozní kapacitou 11,35 milionu litrů (3 miliony amerických gal) denně. V roce 1985 mělo město díky rychlému růstu populace mysu Coral největší nízkotlakou reverzní osmózu na světě, která dokázala vyprodukovat 56,8 milionu litrů (15 milionů amerických gal) za den (MGD).

Formálně je reverzní osmóza procesem vytlačování rozpouštědla z oblasti s vysokou koncentrací rozpuštěné látky přes semipermeabilní membránu do oblasti s nízkou koncentrací rozpuštěných látek působením tlaku převyšujícího osmotický tlak. Největší a nejdůležitější aplikací reverzní osmózy je oddělení čisté vody od mořské a brakické ; mořská voda nebo brakická voda je natlakována na jeden povrch membrány, což způsobuje transport vody ochuzené o sůl přes membránu a vznik pitné pitné vody z nízkotlaké strany.

Membrány používané pro reverzní osmózu mají v polymerní matrici hustou vrstvu-buď plášť asymetrické membrány, nebo mezifázově polymerizovanou vrstvu uvnitř tenkovrstvé kompozitní membrány-kde dochází k separaci. Ve většině případů je membrána navržena tak, aby umožnila průchodu pouze vody touto hustou vrstvou a zároveň zabránila průchodu rozpuštěných látek (například solných iontů). Tento proces vyžaduje, aby byl na stranu membrány s vysokou koncentrací vyvíjen vysoký tlak, obvykle 2–17 bar (30–250 psi ) pro čerstvou a brakickou vodu a 40–82 bar (600–1200 psi) pro mořskou vodu, který má kolem 27 barů (390 psi) přirozený osmotický tlak, který je třeba překonat. Tento proces je nejlépe známý pro jeho použití při odsolování (odstraňování soli a dalších minerálů z mořské vody za účelem výroby sladké vody ), ale od začátku 70. let se také používá k čištění sladké vody pro lékařské, průmyslové a domácí aplikace.

Aplikace sladké vody

Pultový systém reverzní osmózy

Čištění pitné vody

Po celém světě se systémy čištění pitné vody pro domácnost , včetně kroku reverzní osmózy, běžně používají ke zlepšování vody pro pití a vaření.

Takové systémy obvykle zahrnují řadu kroků:

• sedimentový filtr k zachycení částic, včetně rzi a uhličitanu vápenatého
• volitelně druhý sedimentový filtr s menšími póry
• filtr s aktivním uhlím k zachycení organických chemikálií a chloru , které napadají a degradují určité typy tenkovrstvých kompozitních membrán
• filtr reverzní osmózy, což je tenkovrstvá kompozitní membrána
• volitelně ultrafialová lampa pro sterilizaci všech mikrobů, které mohou uniknout filtrování membránou reverzní osmózy
• volitelně druhý uhlíkový filtr pro zachycení těch chemikálií, které nejsou odstraněny membránou reverzní osmózy

V některých systémech je uhlíkový předfiltr vynechán a je použita membrána triacetátu celulózy . CTA (triacetát celulózy) je membrána vedlejšího papíru z papíru, která je spojena se syntetickou vrstvou a je vyrobena tak, aby umožňovala kontakt s chlorem ve vodě. Ty vyžadují malé množství chloru ve vodním zdroji, aby se na něm zabránilo tvorbě bakterií. Typická míra odmítnutí pro membrány CTA je 85–95%.

Membrána triacetátu celulózy je náchylná k hnilobě, pokud není chráněna chlorovanou vodou, zatímco tenkovrstvá kompozitní membrána je náchylná k rozbití pod vlivem chloru. Tenkovrstvá kompozitní (TFC) membrána je vyrobena ze syntetického materiálu a vyžaduje, aby byl před vstupem vody do membrány odstraněn chlor. K ochraně membránových prvků TFC před poškozením chlorem se uhlíkové filtry používají jako předúprava ve všech obytných systémech reverzní osmózy. Membrány TFC mají vyšší míru odmítnutí 95–98% a delší životnost než membrány CTA.

Přenosné vodní reverzní osmózy se prodávají pro osobní čištění vody na různých místech. Aby fungovala efektivně, měla by být voda přiváděná do těchto jednotek pod určitým tlakem (280 kPa (40 psi) nebo vyšší je normou). Přenosné vodní reverzní osmózy mohou používat lidé, kteří žijí ve venkovských oblastech bez čisté vody, daleko od městských vodovodních potrubí. Venkovští lidé filtrují říční nebo oceánskou vodu sami, protože zařízení se snadno používá (slaná voda může potřebovat speciální membrány). Někteří cestovatelé na dlouhých plavbách, rybaření nebo na ostrovních kempech nebo v zemích, kde je místní zásobování vodou znečištěné nebo nekvalitní, používají vodní procesory s reverzní osmózou spojené s jedním nebo více ultrafialovými sterilizátory.

Při výrobě balené minerální vody voda prochází vodním procesorem reverzní osmózy, aby odstranila znečišťující látky a mikroorganismy. V evropských zemích však takové zpracování přírodní minerální vody (jak je definováno evropskou směrnicí) není podle evropského práva povoleno. V praxi může část živých bakterií procházet a může procházet membránami reverzní osmózy přes drobné nedokonalosti, nebo obejít membránu zcela drobnými netěsnostmi v okolních těsněních. Kompletní systémy reverzní osmózy tedy mohou zahrnovat další stupně úpravy vody, které k zabránění mikrobiologické kontaminaci používají ultrafialové světlo nebo ozon .

Velikost pórů membrány se může pohybovat od 0,1 do 5 000 nm v závislosti na typu filtru. Filtrací částic se odstraní částice o velikosti 1 µm nebo větší. Mikrofiltrací se odstraní částice o velikosti 50 nm nebo větší. Ultrafiltrace odstraní částice zhruba 3 nm nebo větší. Nanofiltrace odstraní částice o velikosti 1 nm nebo větší. Reverzní osmóza je v konečné kategorii membránové filtrace, hyperfiltrace a odstraňuje částice větší než 0,1 nm.

Decentralizované použití: solární reverzní osmóza

Solární odsolovací jednotka produkuje pitnou vodu z fyziologickým roztokem pomocí fotovoltaického systému, který převádí sluneční energie do požadované energie pro reverzní osmózy. Vzhledem k rozsáhlé dostupnosti slunečního světla v různých zeměpisných oblastech se reverzní osmóza poháněná solární energií dobře hodí k čištění pitné vody ve vzdálených prostředích bez elektrické sítě. Kromě toho solární energie překonává obvykle vysoké energetické provozní náklady i skleníkové emise konvenčních systémů reverzní osmózy, což z ní činí udržitelné sladkovodní řešení kompatibilní s vývojem kontextu. Například solární odsolovací jednotka určená pro odlehlých komunitách byl úspěšně testován v Severním teritoriu z Austrálie .

I když přerušovaný charakter slunečního světla a jeho proměnlivá intenzita v průběhu dne znesnadňuje předpověď účinnosti FV a odsolování v nočních hodinách, existuje několik řešení. Například baterie, které poskytují energii potřebnou k odsolování v hodinách mimo sluneční světlo, lze použít k ukládání sluneční energie ve dne. Kromě používání konvenčních baterií existují alternativní způsoby skladování solární energie. Systémy skladování tepelné energie například řeší tento problém s ukládáním a zajišťují konstantní výkon i během hodin bez slunečního svitu a zatažených dnů, což zlepšuje celkovou účinnost.

Vojenské použití: jednotka na čištění vody s reverzní osmózou

Zařízení na čištění vody s reverzní osmózou (ROWPU) je přenosná, samostatná čistička vody . Navrženo pro vojenské použití, může poskytovat pitnou vodu téměř z jakéhokoli zdroje vody. Americké ozbrojené síly a kanadské síly používají mnoho modelů . Některé modely jsou kontejnerové , některé jsou přívěsy a některé samy o sobě.

Každá pobočka ozbrojených sil Spojených států má vlastní řadu modelů jednotek pro čištění vody reverzní osmózou, ale všechny jsou si podobné. Voda je čerpána ze svého surového zdroje do modulu jednotky pro čištění vody s reverzní osmózou, kde je upravena polymerem pro zahájení koagulace . Dále je spuštěn přes multimediální filtr, kde je podroben primární úpravě odstraněním zákalu. Poté se čerpá přes kazetový filtr, který je obvykle spirálově vinutá bavlna. Tento proces čistí vodu z jakýchkoli částic větších než 5 µm a eliminuje téměř veškerý zákal .

Vyčištěná voda je poté přiváděna vysokotlakým pístovým čerpadlem do řady nádob, kde podléhá reverzní osmóze. Produktová voda neobsahuje 90,00–99,98% celkových rozpuštěných pevných látek surové vody a podle vojenských norem by neměla mít více než 1 000–1500 dílů na milion podle míry elektrické vodivosti . Poté se dezinfikuje chlorem a uloží pro pozdější použití.

Čištění vody a odpadních vod

Dešťová voda shromažďovaná z dešťových svodů je čištěna pomocí vodních procesorů s reverzní osmózou a používána k zavlažování krajiny a průmyslovému chlazení v Los Angeles a dalších městech jako řešení problému nedostatku vody.

V průmyslu reverzní osmóza odstraňuje minerály z kotlové vody v elektrárnách . Voda se několikrát destiluje . Musí být co nejčistší, aby nezanechával usazeniny na strojním zařízení a nezpůsoboval korozi. Usazeniny uvnitř nebo vně trubek kotle mohou mít za následek podvýkon kotle, snížení jeho účinnosti, což má za následek špatnou produkci páry, tedy špatnou výrobu energie v turbíně.

Používá se také k čištění odpadních vod a brakických podzemních vod . Výtok ve větších objemech (více než 500 m ³ /den) by měl být nejprve zpracován v čistírně odpadních vod a poté byl čirý odpad podroben systému reverzní osmózy. Náklady na léčbu se výrazně sníží a životnost membrány systému reverzní osmózy se prodlouží.

Proces reverzní osmózy lze použít k výrobě deionizované vody .

Proces reverzní osmózy pro čištění vody nevyžaduje tepelnou energii. Průtočné systémy reverzní osmózy lze regulovat vysokotlakými čerpadly. Rekuperace vyčištěné vody závisí na různých faktorech, včetně velikosti membrány, velikosti pórů membrány, teploty, provozního tlaku a povrchu membrány.

V roce 2002 Singapur oznámil, že proces s názvem NEWater bude významnou součástí jeho budoucích vodních plánů. Zahrnuje použití reverzní osmózy k čištění domácích odpadních vod před vypouštěním NEWateru zpět do nádrží.

Potravinářský průmysl

Kromě odsolování je reverzní osmóza ekonomičtější operací pro koncentrování potravinářských kapalin (jako jsou ovocné šťávy) než konvenční procesy tepelného zpracování. Byl proveden výzkum koncentrace pomerančové šťávy a rajčatové šťávy. Mezi jeho výhody patří nižší provozní náklady a schopnost vyhnout se procesům tepelného zpracování, díky čemuž je vhodný pro látky citlivé na teplo, jako jsou bílkoviny a enzymy, které se nacházejí ve většině potravinářských produktů.

Reverzní osmóza se v mlékárenském průmyslu široce používá k výrobě práškových syrovátkových bílkovin a ke koncentraci mléka ke snížení nákladů na dopravu. V aplikacích syrovátky se syrovátka (kapalina zbývající po výrobě sýra) koncentruje s reverzní osmózou z 6% celkových pevných látek na 10–20% celkových pevných látek před zpracováním ultrafiltrací . Ultrafiltrační retentát lze poté použít k výrobě různých syrovátkových prášků, včetně izolátu syrovátkového proteinu . Ultrafiltrační permeát, který obsahuje laktózu , se navíc koncentruje reverzní osmózou z 5% celkových pevných látek na 18–22% celkových pevných látek, aby se snížily náklady na krystalizaci a sušení laktózového prášku.

Ačkoli se tomuto postupu kdysi ve vinařském průmyslu zabránilo, dnes je široce chápán a používán. Odhaduje se, že 60 stroje reverzní osmózy byly v použití v Bordeaux , Francie , v roce 2002. Známé uživatele obsahují mnoho z elitních-klasifikovány porostů (Kramer), jako jsou Zámek Léoville-Las případy v Bordeaux.

Výroba javorového sirupu

V roce 1946 začali někteří výrobci javorového sirupu používat reverzní osmózu k odstraňování vody z mízy, než se míza vyvařila na sirup . Použití reverzní osmózy umožňuje odstranit asi 75–90% vody z mízy, což snižuje spotřebu energie a vystavení sirupu vysokým teplotám. Musí být monitorována mikrobiální kontaminace a degradace membrán.

Pivo s nízkým obsahem alkoholu

Když je pivo s normální koncentrací alkoholu vystaveno reverzní osmóze, voda i alkohol procházejí membránou snadněji než ostatní složky a zanechává „pivní koncentrát“. Koncentrát se poté zředí čerstvou vodou, aby se obnovily původní těkavé složky.

Výroba vodíku

Pro výrobu vodíku v malém měřítku se někdy používá reverzní osmóza, aby se zabránilo tvorbě minerálních usazenin na povrchu elektrod .

Akvária

Mnoho chovatelů akvárií na útesech používá pro svoji umělou směs mořské vody systémy reverzní osmózy. Běžná voda z vodovodu může obsahovat přebytečný chlor, chloraminy, měď, dusičnany, dusitany, fosfáty, křemičitany nebo mnoho dalších chemikálií škodlivých pro citlivé organismy v prostředí útesů. Nečistoty, jako jsou sloučeniny dusíku a fosfáty, mohou vést k nadměrnému a nežádoucímu růstu řas. Účinná kombinace reverzní osmózy a deionizace je mezi chovateli útesových akvárií nejoblíbenější a je upřednostňována před jinými procesy čištění vody kvůli nízkým nákladům na vlastnictví a minimálním provozním nákladům. Tam, kde se ve vodě nachází chlor a chloraminy , je před membránou nutná uhlíková filtrace, protože běžná obytná membrána používaná chovateli útesů si s těmito sloučeninami neví rady.

Sladkovodní akvaristé také používají systémy reverzní osmózy k duplikaci velmi měkkých vod nacházejících se v mnoha tropických vodních útvarech. Zatímco mnoho tropických ryb může přežít ve vhodně upravené vodě z vodovodu, chov může být nemožný. Mnoho vodních obchodů prodává k tomuto účelu nádoby s vodou z reverzní osmózy.

Čištění oken

Stále oblíbenější metodou čištění oken je takzvaný systém „vodou napájeného pólu“. Namísto běžného způsobu mytí oken jsou okna vyčištěna vysoce vyčištěnou vodou, obvykle obsahující méně než 10 ppm rozpuštěných pevných látek, pomocí kartáče na konci dlouhého pólu, který je chráněn od úrovně země. K čištění vody se běžně používá reverzní osmóza.

Čištění výluhu ze skládky

Léčba reverzní osmózou je omezená, což má za následek nízké výtěžky při vysokých koncentracích (měřeno elektrickou vodivostí ) a znečištění membrán RO. Použitelnost reverzní osmózy je omezena vodivostí, organickými látkami a škálováním anorganických prvků, jako je CaSO4, Si, Fe a Ba. Nízké organické škálování může využívat dvě různé technologie, jedna používá modul typu spirálově vinuté membrány a pro vysoké organické škálování lze použít diskové trubicové moduly s membránami s reverzní osmózou s vysokou vodivostí a vyšším tlakem (až 90 barů). Moduly diskových trubek byly přepracovány pro čištění výluhu ze skládky, které je obvykle kontaminováno vysokou úrovní organického materiálu. Vzhledem k příčnému proudění s vysokou rychlostí je vybaveno posilovačem průtoku, který recirkuluje tok po stejném povrchu membrány 1,5 až 3krát, než se uvolní jako koncentrát. Vysoká rychlost je dobrá i proti tvorbě vodního kamene a umožňuje úspěšné čištění membrány.

Spotřeba energie systému diskových trubkových modulů

Modul diskové trubice s polštářem s membránou RO a modulem se spirálovým vinutím s membránou RO

Odsolování

Oblasti, které nemají žádnou nebo omezenou povrchovou nebo podzemní vodu, se mohou rozhodnout odsolovat . Reverzní osmóza je díky relativně nízké spotřebě energie stále běžnější metodou odsolování.

V posledních letech spotřeba energie klesla na přibližně 3 kWh/m ³ , a to díky vývoji účinnějších zařízení pro rekuperaci energie a vylepšených membránových materiálů. Podle Mezinárodní asociace pro odsolování byla v roce 2011 použita reverzní osmóza v 66% instalované odsolovací kapacity (0,0445 z 0,0674 km³/den) a téměř ve všech nových zařízeních. Jiné rostliny používají hlavně metody tepelné destilace: destilace s vícenásobným účinkem a vícestupňový záblesk .

Odsolování mořské vody reverzní osmózou (SWRO), membránový proces, se komerčně používá od začátku 70. let minulého století. Jeho první praktické použití předvedli Sidney Loeb z Kalifornské univerzity v Los Angeles v Coalinga v Kalifornii a Srinivasa Sourirajan z National Research Council, Kanada. Vzhledem k tomu, že není nutné žádné vytápění ani fázové změny, jsou energetické požadavky ve srovnání s jinými procesy odsolování nízké, přibližně 3 kWh/m ³ , ale stále jsou mnohem vyšší, než jaké jsou nutné pro jiné formy zásobování vodou, včetně čištění odpadních vod reverzní osmózou , při 0,1 až 1 kWh/m ³ . Až 50% vstupu mořské vody lze získat zpět jako sladkou vodu, i když nižší využití může snížit znečištění membrány a spotřebu energie.

Reverzní osmóza brakické vody se týká odsolování vody s nižším obsahem solí než mořská voda, obvykle z ústí řek nebo solných studní. Tento proces je v podstatě stejný jako reverzní osmóza mořské vody, ale vyžaduje nižší tlaky, a proto méně energie. V závislosti na slanosti krmiva lze až 80% vstupu napájecí vody získat zpět jako čerstvou vodu.

Ashkelon mořská voda reverzní osmózy odsolování v Izraeli je největší na světě. Projekt byl vyvinut jako sestava -provoz-převod konsorciem tří mezinárodních společností: Veolia water, IDE Technologies a Elran.

Typický jednoprůchodový systém reverzní osmózy mořské vody se skládá z:

• Přívod
• Předúprava
• Vysokotlaké čerpadlo (pokud není kombinováno s rekuperací energie)
• Sestava membrány
• Rekuperace energie (je -li použita)
• Remineralizace a úprava pH
• Dezinfekce
• Alarm/ovládací panel

Předúprava

Předběžná úprava je důležitá při práci s reverzní osmózou a nanofiltračními membránami vzhledem k povaze jejich spirálově vinutého designu. Materiál je navržen takovým způsobem, aby umožňoval pouze jednosměrný tok systémem. Spirálově vinutý design jako takový neumožňuje zpětné pulzování vodou nebo vzduchem, aby se vyčistil jeho povrch a odstranily pevné látky. Jelikož nahromaděný materiál nelze z povrchových systémů membrán odstranit, jsou velmi náchylné k zanášení (ztráta výrobní kapacity). Proto je předúprava nezbytná pro jakýkoli systém reverzní osmózy nebo nanofiltrace. Předúprava v systémech reverzní osmózy mořské vody má čtyři hlavní složky:

• Screening pevných látek: Tuhé látky ve vodě musí být odstraněny a voda musí být upravena, aby se zabránilo zanášení membrán jemnými částicemi nebo biologickým růstem a aby se snížilo riziko poškození součástí vysokotlakého čerpadla.
• Kazetová filtrace: K odstranění částic o průměru 1–5 µm se obecně používají polypropylenové filtry navinuté na provázku  .
• Dávkování: Oxidační biocidy, jako je chlor, se přidávají k zabíjení bakterií, poté následuje dávkování bisulfitu k deaktivaci chloru, který může zničit tenkovrstvou kompozitní membránu. Existují také inhibitory biologického znečištění , které nezabíjejí bakterie, ale jednoduše jim brání v růstu slizu na povrchu membrány a na stěnách rostlin.
• Úprava pH předfiltrace: Pokud má pH, tvrdost a zásaditost v napájecí vodě za následek tendenci k tvorbě vodního kamene, když jsou koncentrovány v odpadním proudu, dávkuje se kyselina, aby se uhličitany udržely ve formě rozpustné kyseliny uhličité.

CO ₃ ²⁻ + H ₃ O ⁺ = HCO ₃ ^- + H ₂ O

HCO ₃ ^- + H ₃ O ⁺ = H ₂ CO ₃ + H ₂ O

• Kyselina uhličitá se nemůže kombinovat s vápníkem za vzniku uhličitanu vápenatého . Tendence škálování uhličitanu vápenatého se odhaduje pomocí Langelierova indexu nasycení. Přidání příliš velkého množství kyseliny sírové ke kontrole karbonátových šupin může vést k tvorbě stupnice síranu vápenatého, síranu barnatého nebo síranu strontnatého na membráně reverzní osmózy.
• Předfiltrovací antiscalants: Inhibitory usazenin (také známé jako antiscalants) zabraňují tvorbě všech šupin ve srovnání s kyselinou, která může zabránit pouze tvorbě šupin uhličitanu vápenatého a fosforečnanu vápenatého . Kromě inhibice karbonátových a fosfátových šupin inhibují antiscalants také sulfátové a fluoridové šupiny a dispergují koloidy a oxidy kovů. Navzdory tvrzením, že antiscalants mohou inhibovat tvorbu oxidu křemičitého, žádný konkrétní důkaz neprokazuje, že polymeraci oxidu křemičitého lze inhibovat antiscalants. Antiscalants mohou kontrolovat váhy rozpustné v kyselině za zlomek dávky potřebné k ovládání stejného měřítka pomocí kyseliny sírové.
• Některé malé odsolovací jednotky používají „plážové studny“; obvykle se vrtají na pobřeží v těsné blízkosti oceánu. Tyto sací zařízení se staví relativně jednoduše a mořská voda, kterou shromažďují, je předběžně upravována pomalou filtrací přes podpovrchové formace písku/mořského dna v oblasti těžby zdrojové vody. Surová mořská voda sbíraná pomocí plážových studní má často lepší kvalitu, pokud jde o pevné látky, bahno, ropu a tuky, přírodní organické znečištění a vodní mikroorganismy, ve srovnání s otevřenými přívody mořské vody. Někdy mohou příjmy z pláže také poskytovat zdrojovou vodu s nižší slaností.

Vysokotlaké čerpadlo

Vysokotlaké čerpadlo dodává tlak potřebný k protlačení vody přes membránu, i když membrána odmítá průchod soli skrz ni. Typické tlaky pro brakickou vodu se pohybují od 1,6 do 2,6 MPa (225 až 376 psi). V případě mořské vody se pohybují od 5,5 do 8 MPa (800 až 1 180 psi). To vyžaduje velké množství energie. Tam, kde se používá rekuperace energie, část práce vysokotlakého čerpadla provádí zařízení pro rekuperaci energie, což snižuje energetické vstupy systému.

Sestava membrány

Vrstvy membrány

Sestava membrány se skládá z tlakové nádoby s membránou, která umožňuje přitlačení napájecí vody na ni. Membrána musí být dostatečně pevná, aby odolala jakémukoli tlaku, který je na ni vyvíjen. Membrány s reverzní osmózou se vyrábějí v různých konfiguracích, přičemž dvě nejběžnější konfigurace jsou spirálově vinuté a duté vlákno.

Pouze část slané napájecí vody čerpané do membránové sestavy prochází membránou s odstraněnou solí. Zbývající proud „koncentrátu“ prochází slanou stranou membrány, aby odplavil koncentrovaný solný roztok. Procento vyrobené odsolené vody oproti proudu přiváděného solné vody je známé jako "poměr využití". To se liší podle slanosti napájecí vody a parametrů návrhu systému: typicky 20% pro malé systémy mořské vody, 40% - 50% pro větší systémy mořské vody a 80% - 85% pro brakickou vodu. Průtok koncentrátu je obvykle pouze o 3 bary / 50 psi nižší než vstupní tlak, a proto stále nese velkou část vstupní energie vysokotlakého čerpadla.

Čistota odsolené vody je funkcí slanosti napájecí vody, výběru membrány a poměru regenerace. K dosažení vyšší čistoty lze přidat druhý průchod, který obecně vyžaduje opětovné čerpání. Čistota vyjádřená jako celkové rozpuštěné pevné látky se typicky pohybuje od 100 do 400 dílů na milion (ppm nebo mg/litr) na mořské vodě. Úroveň 500 ppm je obecně přijímána jako horní hranice pro pitnou vodu, zatímco US Food and Drug Administration klasifikuje minerální vodu jako vodu obsahující alespoň 250 ppm.

Obnovení energie

Schéma systému odsolování reverzní osmózy pomocí tlakového výměníku .
1 : Přítok mořské vody,
2 : Průtok čerstvé vody (40%),
3 : Průtok koncentrátu (60%),
4 : Průtok mořské vody (60%),
5 : Koncentrát (odtok),
A: Průtok čerpadla (40%) ,
B : oběhové čerpadlo,
C : jednotka osmózy s membránou,
D : výměník tlaku

Schéma systému odsolování reverzní osmózy pomocí čerpadla pro rekuperaci energie.
1 : Přítok mořské vody (100%, 1 bar),
2 : Průtok mořské vody (100%, 50 bar),
3 : Průtok koncentrátu (60%, 48 bar),
4 : Průtok čerstvé vody (40%, 1 bar) ,
5 : Koncentrát do odtoku (60%, 1 bar),
A: Čerpadlo pro rekuperaci tlaku,
B : Jednotka osmózy s membránou

Rekuperace energie může snížit spotřebu energie o 50% nebo více. Velká část vstupní energie vysokotlakého čerpadla může být získána zpět z toku koncentrátu a rostoucí účinnost zařízení pro rekuperaci energie výrazně snížila energetické potřeby odsolování reverzní osmózy. Použitá zařízení v pořadí podle vynálezu jsou:

• Turbínové nebo Peltonovo kolo : vodní turbína poháněná proudem koncentrátu, spojená s hnacím hřídelem vysokotlakého čerpadla, která poskytuje část jeho příkonu. Axiální pístové motory s pozitivním posunem byly také použity místo turbin na menších systémech.
• Turbodmychadlo: vodní turbína poháněná proudem koncentrátu, přímo připojená k odstředivému čerpadlu, které zvyšuje výstupní tlak vysokotlakého čerpadla, snižuje tlak potřebný pro vysokotlaké čerpadlo a tím i jeho příkon, podobně jako konstrukčně na principu turbodmychadel motorů automobilů .
• Tlakový výměník : pomocí proudu koncentrátu pod tlakem, v přímém kontaktu nebo prostřednictvím pístu, k natlakování části toku membránového přívodu na tlak blízký koncentrátu. Posilovací čerpadlo pak zvýší tento tlak obvykle o 3 bary / 50 psi na tlak přivádění membrány. To snižuje průtok potřebný z vysokotlakého čerpadla o množství rovnající se průtoku koncentrátu, typicky o 60%, a tím i jeho příkon energie. Ty jsou široce používány na větších nízkoenergetických systémech. Jsou schopné spotřeby energie 3 kWh/m ³ nebo méně.
• Energeticky regenerační čerpadlo: pístové pístové čerpadlo s tlakovým koncentrátem aplikovaným na jednu stranu každého pístu, které pomáhá řídit membránový přívodní tok z opačné strany. Jedná se o nejjednodušší zařízení pro rekuperaci energie, které kombinují vysokotlaké čerpadlo a rekuperaci energie v jediné samoregulační jednotce. Ty jsou široce používány na menších nízkoenergetických systémech. Jsou schopné spotřeby energie 3 kWh/m ³ nebo méně.
• Dávkový provoz: Systémy reverzní osmózy běží s pevným objemem tekutiny (termodynamicky uzavřený systém ) netrpí plýtváním energií v proudu solanky, protože energie na natlakování prakticky nestlačitelné tekutiny (vody) je zanedbatelná. Takové systémy mají potenciál dosáhnout účinnosti druhého zákona na 60%.

Remineralizace a úprava pH

Odsolovaná voda je stabilizována za účelem ochrany navazujících potrubí a skladování, obvykle přidáním vápna nebo louhu sodného, aby se zabránilo korozi povrchů lemovaných betonem. Vápenatý materiál se používá k úpravě pH mezi 6,8 a 8,1, aby splňoval specifikace pitné vody, především pro účinnou dezinfekci a pro kontrolu koroze. K nahrazení minerálů odstraněných z vody odsolováním může být nutná remineralizace. Ačkoli se tento proces ukázal jako nákladný a nepříliš vhodný, pokud má uspokojit poptávku lidí a rostlin po minerálech. Stejná poptávka po nerostech, kterou dříve poskytovaly zdroje sladké vody. Například voda z izraelského národního vodního nosiče obvykle obsahuje hladiny rozpuštěného hořčíku 20 až 25 mg/litr, zatímco voda z rostliny Ashkelon neobsahuje hořčík. Poté, co zemědělci použili tuto vodu, se v plodinách, včetně rajčat, bazalky a květin, objevily příznaky nedostatku hořčíku a musely být napraveny hnojením. Současné izraelské normy pro pitnou vodu stanoví minimální hladinu vápníku 20 mg/litr. Postdesalinační ošetření v závodě Ashkelon používá k rozpuštění kalcitu (vápence) kyselinu sírovou, což má za následek koncentraci vápníku 40 až 46 mg/litr. To je stále méně než 45 až 60 mg/litr nalezených v typické izraelské sladké vodě.

Dezinfekce

Následná úprava spočívá v přípravě vody k distribuci po filtraci. Reverzní osmóza je účinnou bariérou proti patogenům, ale následná léčba poskytuje sekundární ochranu před poškozením membrán a problémy po proudu. Ke sterilizaci patogenů, které obcházely proces reverzní osmózy, lze použít dezinfekci pomocí ultrafialových (UV) lamp (někdy nazývaných baktericidní nebo baktericidní). Chlorace nebo chloraminace (chlor a amoniak) chrání před patogeny, které se mohly usazovat v distribučním systému za ním, například z nové konstrukce, zpětného proplachu, ohrožení potrubí atd.

Nevýhody

Domácí reverzní osmóza spotřebovává hodně vody, protože má nízký protitlak. Dříve používaly k regeneraci pouze 5 až 15% vody vstupující do systému. Nejnovější čističky vody RO však dokážou regenerovat 40 až 55% vody. Zbytek je vypouštěn jako odpadní voda. Vzhledem k tomu, že odpadní voda s sebou nese odmítnuté kontaminanty, metody pro regeneraci této vody nejsou pro systémy v domácnosti praktické. Odpadní voda je obvykle připojena k domovním kanalizacím a zvýší zatížení septiku v domácnosti. Jednotka reverzní osmózy dodávající 20 litrů upravené vody za den může vypustit 50 až 80 litrů odpadní vody denně. Právě z tohoto důvodu Národní zelený tribunál v Indii navrhl zakázat systémy čištění vody RO v oblastech, kde je celkový obsah rozpuštěných pevných látek (TDS) ve vodě nižší než 500 mg/litr To má katastrofální důsledky pro velká města, jako je Dillí, kde rozsáhlé používání domácích RO zařízení zvýšilo celkovou poptávku po vodě z již vyprahlého národního hlavního města Indie.

Rozsáhlé průmyslové/komunální systémy rekuperují typicky 75% až 80% napájecí vody nebo až 90%, protože mohou vytvářet vysoký tlak potřebný pro filtraci reverzní osmózy s vyšší regenerací. Na druhé straně, jak se zvyšuje využití odpadních vod v komerčních provozech, efektivní rychlosti odstraňování kontaminantů se obvykle snižují, což dokládají hladiny celkových rozpuštěných pevných látek ve vodě produktu .

Reverzní osmóza podle své konstrukce odstraňuje jak škodlivé nečistoty přítomné ve vodě, tak i některé žádoucí minerály. Moderní studie na toto téma byly poměrně mělké, přičemž uváděly nedostatek finančních prostředků a zájem o tyto studie, protože re-mineralizace v dnešních čistírnách se provádí za účelem prevence koroze potrubí bez přechodu do aspektu lidského zdraví. Odkazují však na starší, důkladnější studie, které na jedné straně ukazují určitý vztah mezi dlouhodobými účinky na zdraví a spotřebou vody s nízkým obsahem vápníku a hořčíku, na druhé straně přiznávají, že žádná z těchto starších studií nevyhovuje moderním standardům výzkumu .

Úvahy o toku odpadu

V závislosti na požadovaném produktu bude buď rozpouštědlo, nebo rozpuštěný proud reverzní osmózy odpadem. Pro aplikace koncentrování potravin je koncentrovaný proud rozpuštěných látek produktem a proud rozpouštědla je odpad. Pro aplikace úpravy vody je proud rozpouštědla čištěná voda a proud rozpuštěných látek je koncentrovaný odpad. Proud odpadního rozpouštědla ze zpracování potravin může být použit jako regenerovaná voda , ale může existovat méně možností pro likvidaci koncentrovaného proudu rozpuštěného odpadu. Lodě mohou využívat mořské skládky a zařízení na odsolování pobřeží obvykle využívají mořské odtoky . Uzemněné závody reverzní osmózy mohou vyžadovat odpařovací jezírka nebo injektážní studny, aby se zabránilo znečištění podzemních vod nebo povrchového odtoku .

Nový vývoj

Od 70. let 20. století byla vyhodnocována a někdy používána předfiltrace vysoce znečištěných vod jinou membránou s většími póry s menší potřebou hydraulické energie. To však znamená, že voda prochází dvěma membránami a často je přetlakována, což vyžaduje vložení více energie do systému, a tím se zvyšují náklady.

Další nedávné vývojové práce se zaměřily na integraci reverzní osmózy s elektrodialýzou s cílem zlepšit regeneraci cenných deionizovaných produktů nebo minimalizovat objem koncentrátu vyžadujícího vypouštění nebo likvidaci.

V posledních několika letech začala řada domácích společností na čištění vody RO hledat řešení tohoto problému. Nejslibnějším řešením mezi nimi se zdá být LPHR. LPHR neboli nízkotlaký vícestupňový proces RO s vysokou regenerací produkuje velmi koncentrovanou solanku a sladkou vodu současně. Ještě důležitější je, že bylo shledáno ekonomicky proveditelným pro rekuperaci vody více než 70% s OPD mezi 58 a 65 bary za účelem výroby sladkovodního produktu obsahujícího nejvýše 350 ppm TDS z krmiva mořské vody s 35 000 ppm TDS.

Společnost Kent RO Systems přišla s jednoduchou technologií „Zero Water Wastage“, která tlačí zpět odmítnutou vodu do horní nádrže, čímž se plýtvání vynuluje.

Nejnovější vývoj v oblasti výroby pitné vody zahrnuje nanočásticové a grafenové membrány.

Největší světová odsolovací zařízení RO byla postavena v izraelském Sorku v roce 2013. Má výkon 624 tisíc metrů krychlových denně (165 milionů amerických galonů denně).

Viz také

Reference

Prameny

• Metcalf; Eddy (1972). Inženýrství odpadních vod . New York: McGraw-Hill Book Company.