Odwrócona osmoza jako proces - skąd się wzięła? Na czym polega?

Filtry odwróconej osmozy to powszechnie znany sposób na poprawę jakości wody w domowych kuchniach. Ta technologia jest jednak wykorzystywana także do celów przemysłowych. Skąd właściwie wzięła się odwrócona osmoza? Na czym dokładnie polega to zjawisko? Kto stoi za odkryciem odwróconej osmozy?

Odwrócona osmoza jest obecnie uznawana za jeden z najdoskonalszych procesów oczyszczania wody na małą i dużą skalę. O filtrach kuchennych wykorzystujących tą metodę pisaliśmy już w artykułach: Czy woda po odwróconej osmozie nadaje się do picia? oraz Odwrócona osmoza - najczęściej zadawane pytania. Dziś czas dowiedzieć się, jak właściwie doszło do odkrycia odwróconej osmozy i co sprawiło, że stała się tak popularnym sposobem na uzdatnianie wody.

Odwrócona osmoza - karty historii

Historia odkrycia odwróconej osmozy sięga już roku 1748. Wtedy to Jean Antoine Nollet prowadził obserwacje zjawiska osmozy na półprzepuszczalnych membranach. Nollet był francuskim uczonym oraz duchownym. Naukowcowi udało się zaobserwować, że cząsteczki o niższym stężeniu mogą przepływać i przenikać przez błonę do cząsteczek o wyższym stężeniu. Takie wnioski zostały wysnute podczas obserwacji zachowania wody w trakcie przepływu przez świński pęcherz.

Doświadczenia przyczyniły się do rozpoczęcia stosowania skór zwierzęcych jako membran. Ze względu na niepewne działanie nie prowadzono jednak dalszych prac nad ich wdrożeniem. Naukowcy zaczęli poszukiwać sposobu na stworzenie sztucznej membrany, działającej na wzór tej naturalnej. Prace były jednak prowadzone głównie w laboratoriach.

W latach 40-stych XX wieku zaczęto poszukiwania dobrego sposobu na odsalanie wody morskiej. Dopiero wtedy na poważnie powrócił temat zjawiska osmozy oraz membrany osmotycznej. W 1950 roku naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles pierwszy raz przeprowadzali badania nad odsalaniem wody morskiej przy wykorzystaniu półprzepuszczalnej membrany. Eksperymenty zakończyły się powodzeniem, jednak strumień był zbyt mały, aby wprowadzenie sposobu na szeroką skalę faktycznie było opłacalne.

Przełom nastąpił w roku 1959, kiedy to Sidney Loeb oraz Srinivasa Sourirajan wyprodukowali funkcjonalną, syntetyczną membranę osmotyczną. Została ona wykonana z polimeru octanu celulozy. Membrana była w stanie usunąć z wody rozpuszczone w niej sole i zmniejszyć wskaźnik TDS. W dodatku membrana była trwała, dzięki czemu mogła być w pełni wykorzystywana do działań związanych z oczyszczaniem wody.

Już w latach 60-tych XX wieku rozpoczęto prace nad pierwszą przemysłową odwróconą  osmozą. Na przeprowadzane doświadczenia zwróciły się oczy naukowców oraz rządów całego świata, upatrując nadziei na poszerzenie zasobów wody pitnej dla ludzkości. Z początku testy miały dotyczyć jedynie słonawych wód gruntowych, których odsolenie byłoby znacznie łatwiejsze niż wody morskiej. W kolejnych stacjach wykorzystujących odwróconą osmozę testy skupiały się jednak na odsalaniu także wody morskiej i oczyszczaniu ścieków rolniczych.

Dzięki tym wszystkim testom i staraniom obecnie możemy mówić o szerokiej gamie technologii membranowych, które współcześnie stosuje się w różnych celach, w różnych gałęziach przemysłu.

Cape Coral na Florydzie było jedną z pierwszych gmin w Stanach Zjednoczonych, która zdecydowała się na zastosowanie procesu odwróconej osmozy do oczyszczania wody na szeroką skalę. System początkowo oczyszczał ponad 11 milionów litrów wody dziennie.

Metoda odwróconej osmozy tak bardzo zyskała na popularności, że do końca 2001 roku funkcjonowało bądź było w trakcie budowy ponad 15 tysięcy placówek zajmujących się odsalaniem wody przy pomocy tej technologii.

Zrozumieć zjawisko odwróconej osmozy

Zjawisko odwróconej osmozy zostanie najlepiej zrozumiane na przykładzie doświadczenia. Najpierw należy zacząć od samego wytłumaczenia procesu osmozy. Półprzepuszczalną membranę należy umieścić w pojemniku, najlepiej wykonanym ze szkła. Po jednej stronie membrany powinna znajdować się woda o dużym stężeniu soli, natomiast po drugiej czysta woda pozbawiona tych substancji.

Teoretycznie można by było spodziewać się, że poziom wody po obu stronach membrany wyrówna się. W przypadku zastosowania membrany półprzepuszczalnej rozkład wody był jednak nieco inny. Poziom wody zasolonej zwiększył się, natomiast wody czystej stał się niższy.

Do wystąpienia takiego zjawiska doszło, ponieważ po obu stronach membrany znalazła się woda o różnych stężeniach substancji. Na powierzchni membrany pojawiło się ciśnienie osmotyczne, które spowodowało ruch wody od roztworu mniej stężonego, czyli wody czystej, do roztworu o większym zagęszczeniu, czyli wody zasolonej.

Wielkość porów membrany półprzepuszczalnej jest zbliżona do wielkości cząsteczki wody, dzięki czemu przez powierzchnię membrany przedostaje się tylko czysta woda, a zanieczyszczenia zatrzymują się.

Osmoza jest naturalnym procesem, który zachodzi także w nas. Taką „membranę półprzepuszczalną” stanowią choćby nasze jelita, ale też korzenie roślin.

Jeśli chcemy odwrócić proces osmozy, powinniśmy na stronę o większym zasoleniu wywrzeć nacisk. Wtedy molekuły wody przejdą przez membranę na stronę pustą. Membrana ma zbyt małe pory, by mogły przecisnąć się przez nią cząsteczki soli – zostaną więc po tej samej stronie.

Większość substancji znajdujących się w wodzie ma większe wymiary niż pory membrany osmotycznej. Przez to nie są w stanie przedostać się wraz z czystą wodą na drugą stronę. Dzięki takim cechom charakterystycznym membranę osmotyczną można wykorzystać do usuwania: azbestu, rdzy, glonów, bakterii, wirusów, arsenu, kadmu, ołowiu, rtęci, pestycydów, herbicydów, baru, chloru, chromu, miedzi, fluoru, manganu, azotu, selenu, a nawet radioaktywnych pierwiastków i ich izotopow.

Kilka słów o membranach osmotycznych

W procesach odwróconej osmozy stosuje się membrany asymetryczne oraz kompozytowe. Membrany asymetryczne charakteryzuje budowa z jednego rodzaju polimeru tworzącego dwie warstwy: zewnętrzną oraz wewnętrzną. Membrany kompozytowe są znacznie częściej wykorzystywane w systemach odwróconej osmozy, a ich cechą jest budowa z różnych polimerów.

Membrana osmotyczna z czasem ulega naturalnemu zużyciu. Żywotność jest zależna od ilości oczyszczanej wody oraz jej jakości. Utrata właściwości wynika między innymi ze ścierania się powierzchni zewnętrznej. W przypadku dużej ilości zanieczyszczeń może dochodzić do pokrywania membrany osadem.

Odwrócona osmoza w domu

Systemy odwróconej osmozy to jedne z najpopularniejszych domowych filtrów kuchennych. W Polsce były znane jeszcze w latach 90-tych, jednak od tamtego czasu sporo się zmieniło pod względem stosowanych rozwiązań oraz wydajności. Między innymi chodzi tu o wielkość systemów odwróconej osmozy oraz o wiele mniejszy odrzut do kanalizacji, który w niektórych przypadkach wynosi już nawet 1:2.

Systemy odwróconej osmozy dostępne na rynku różnią się od siebie nie tylko budową, ale również stopniami filtracji wody. Można znaleźć modele działające ze zbiornikiem na magazynowanie wody oraz przepływowe, które go nie mają lub mają niewielki zbiornik dynamiczny.

To, jak bardzo oferta odwróconej osmozy potrafi być zróżnicowana najlepiej obrazuje przekrój produktów dostępnych w naszym sklepie. Jeśli komuś zależy na zapewnieniu pełnej higieny filtracji wody, może wybrać odwróconą osmozę Atlas Filtri OASIS DP SANIC z wkładami i kloszami pokrytymi specjalną powłoką bakteriostatyczną. Osobom chcącym pić wodę o wysokiej zawartości magnezu można polecić odwróconą osmozę Ecoperla Rosa z wkładem rewitalizującym, który dodatkowo wzbogaca ją jeszcze w wolny wodór.

Odwrócona osmoza w przemyśle

Systemy odwróconej osmozy są wykorzystywane na szeroką skalę w sektorze przemysłowym. Służą nie tylko odsalaniu wody, ale również jej demineralizacji, a ponadto zmiękczaniu wody, odzyskiwaniu metali ze ścieków, zatężaniu ścieków przemysłowych.

Bez tego rodzaju oczyszczania wody nie mógłby obejść się między innymi: przemysł spożywczy, farmaceutyczny, medyczny, elektroniczny, chemiczny. Przemysłowe stacje osmozy są również instalowane w laboratoriach.

Więcej o przemysłowych systemach odwróconej osmozy przeczytasz w artykule: Przemysłowa odwrócona osmoza - gdzie się sprawdzi?

Potęga odwróconej osmozy

Odwróconą osmozę można nazwać odkryciem przełomowym. Dzięki niej możliwe jest odsalanie wody i przygotowanie jej do celów spożywczych w miejscach, gdzie zasoby wody pitnej są znikome. Możliwości odwróconej osmozy zostały w pełni wykorzystane, a dzięki pracy naukowców możemy dziś cieszyć się doskonale oczyszczoną wodą także w naszych domach.