Technologie wodne

Przyjrzyjmy się temu zjawisku na rysunku 30.

Rys. 30. Jak działa dyfuzja

W naczyniu A mamy dwa różnie stężone roztwory wodne - wodę zanieczyszczoną i wodę czystą. Roztwory te są w początkowej fazie skutecznie oddzielone przegrodą, np. ze szkła. Wiemy dobrze, że po wyjęciu z naczynia tej przegrody, oba roztwory wymieszają się ze sobą bez potrzeby naszej pomocy z zewnątrz (naczynie B). Jeśli dla przykładu wlejemy do szklanki wody odrobinę atramentu, to dzięki dyfuzji oba te płyny wymieszają się ze sobą samoistnie.

Zanim przejdziemy do opisu osmozy naturalnej, pokazać należy jak wygląda błona półprzepuszczalna, z której zbudowane są na przykład komórki ludzkie albo membrany, wytwarzane dzisiaj sztucznie. Otóż błony te mają bardzo porowatą strukturę (sito molekularne), a bardzo ważna jest wielkość tych por, która jest zbliżona do wielkości cząstki wody i wynosi około 0,0001 mikrometra (m). Dużo to czy mało? Przypominam zatem, że 1 mm ma długość 1000 razy większą od 1 mikrometra, co oznacza, że na jego długości możemy ustawić obok siebie 10.000.000 cząstek wody (rys. 31).

Rys. 31. Jak mała jest cząstka wody

Jeśli cząstkę wody (lub porę błony osmotycznej) porównamy ze średniej wielkości bakterią, która mierzy 0,5 mikrometra, to okaze się, że jest ona od cząstki wody 5.000 razy większa (rys. 32).

Rys. 32. Porównywanie pory błony osmotycznej z bakterią i wirusem.

Pamiętamy z lekcji chemii, że w przyrodzie istnieje ponad 100 pierwiastków chemicznych, z których zbudowane są przeróżne związki chemiczne. Z kolei z tychże związków zbudowane jest wszystko co nas otacza; skały tworzące skorupę ziemską, zwierzęta i rośliny, żywność, paliwa energetyczne, całe miasta itd., itp. Wśród tych związków chemicznych najwięcej jest takich, których nie znaliśmy nigdy wcześniej i które w niepohamowanym tempie trafiają również do wód gruntowych, powierzchniowych oraz pitnych. Pierwiastki chemiczne są poukładane w logiczny sposób (według ich ciężaru) w znanej nam ze szkoły tablicy Mendelejewa. Czy pamiętamy zatem, że najmniejszy pierwiastek jaki znamy w chemii i przyrodzie, to wodór o symbolu H? Jest on pierwszym pierwiastkiem otwierającym tablicę Mendelejewa, a nie daleko od niego znajduje się tlen o symbolu O. Ponieważ oba te pierwiastki są wyjątkowo małe, stąd również cząstka wody H2O, zbudowana z dwóch wodorów oraz jednego tlenu, jest także jedną z mniejszych cząstek z jakimi mamy do czynienia (dla przykładu atom ołowiu jest od niej 15 razy cięższy). Stąd też zdecydowana większość rozpuszczonych w wodzie związków, które dostają się do niej z przeróżnych ścieków, są od cząstki wody zdecydowanie większe. Wyjątek stanowią proste i małe pierwiastki pochodzące z rozpuszczania skał mineralnych w przyrodzie: sód, potas, magnez i wapń.
Powróćmy teraz ponownie do naszego naczynia z rysunku 30, w którym mamy dwa różnie stężone roztwory wodne - woda zanieczyszczona i czysta. Teraz oba te roztwory rozdzielimy inną przegrodą niż wcześniej, a mianowicie membraną osmotyczną (rys. 33). Otóż okazuje się, że również w takim przypadku pojawiają się pewne siły, które zmierzają ku temu, aby oba roztwory wymieszać ze sobą mimo przedzielającej je membrany osmotycznej.

Rys. 33. Jak działa osmoza naturalna.
Ale ponieważ związki chemiczne rozpuszczone w wodzie zanieczyszczonej są zdecydowanie większe od por membrany i mają znikomą szansę przecisnąć się przez nią, dlatego cząstki tworzące wodę czystą rozpoczną wędrówkę do wody zanieczyszczonej. Finał będzie taki, że z wody bardzo zanieczyszczonej otrzymamy więcej wody mniej zanieczyszczonej, ale kosztem wody czystej, której nam ubędzie.
Osmoza naturalna jest bardzo ważnym procesem w życiu ludzi, zwierząt i roślin. Dzięki osmozie następuje wymiana wody wewnątrz- i zewnątrzkomórkowej, która doprowadza do wyrównania ich stężeń. To błony osmotyczne w korzeniach roślin powodują, że mogą one "zasysać" wodę z gruntu do ich wnętrza. Bez osmozy nie ma życia biologicznego.

8.2. Osmoza odwrócona
Osmoza naturalna polega na przenikaniu przez błonę osmotyczną wody czystej do wody zanieczyszczonej. Stąd nie może znaleźć zastosowania w filtracji wody. Okazuje się jednak, ze jeśli po stronie wody zanieczyszczonej przyłożymy odpowiednio duże ciśnienie, wówczas proces osmozy naturalnej można odwrócić; wodę zawartą w roztworze zanieczyszczonym można przecisnąć do wody czystej. Proces taki, nazywany osmozą odwróconą, znajduje coraz szersze zastosowanie w filtracji wody pitnej (rys. 34).

Rys. 34. Jak działa osmoza odwrócona.
Błony osmotyczne wytwarzane na wzór naturalnych noszą w technice miano membran osmotycznych i są produkowane wyłącznie w USA. Membrany te są głównym elementem w urządzeniach osmotycznych do oczyszczania wody pitnej.
Urządzenia osmotyczne mają różną wielkość oraz zastosowanie - domowe, coraz bardziej popularne na całym świecie, mają wydajność od 40 do 2000 litrów na dobę. Metoda osmozy odwróconej znalazła już powszechne zastosowanie w szpitalach, hotelach, w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym itd..
Wydarzeniem spektakularnym jest zastosowanie urządzeń osmotycznych na statkach kosmicznych, gdzie każdy roztwór wodny (również ścieki) przywraca się do obiegu celem odzyskania wody czystej oraz na statkach podwodnych, gdzie surowcem do pozyskania wody pitnej stała się słona woda z oceanu. Wcześniej statki te zmuszone były zabierać w długie rejsy ogromne ilości wody pitnej. W dużych fabrykach z agregatami osmotycznymi produkuje się wodę pitną dla wielu miast na Bliskim Wschodzie, w Japonii i USA. Również tutaj niewyczerpalnym surowcem do tej produkcji jest woda oceaniczna.

8.3. Historia osmozy odwróconej
Zjawisko osmozy naturalnej odkryto ponad 200 lat temu, dokładnie w 1748 roku, obserwując zachowanie się wody przechowywanej w pęcherzach z żołądków i jelit zwierząt.
Przez wiele następnych lat próbowano w wielu laboratoriach świata stworzyć membrany na wzór naturalnych i tak w 1944 roku udało się zbudować pierwszą sztuczną nerkę.

Jednak materiał do produkcji tych membran, wtedy celulozowy, był zbyt delikatny i nietrwały.
Przełomowym rokiem w historii osmozy odwróconej okazał się rok 1952, w którym wytworzono po raz pierwszy membranę poliamidową. Materiał ten okazał się bardziej wytrzymały na siły niezbędne do zadziałania procesu osmotycznego, bardziej odporny na kwaśne i zasadowe wody oraz na bakterie. Jedyną wadą tych membran jest większa podatność na chlor, stąd konieczność dechloracji wody na węglu aktywnym.

W roku 1952 przeprowadzono na membranach poliamidowych odsalanie wody morskiej, które dzisiaj ma miejsce na statkach, okrętach podwodnych, ale także w miastach pozbawionych źródeł czystej wody słodkiej i położonych blisko oceanu.
Kolejny przełom w sektorze membran osmotycznych nastąpił w roku 1965 w związku z opracowaniem konstrukcji spiralnego modułu membranowego.

Takie membrany spiralne mają do dziś zastosowanie w domowych urządzeniach do produkcji wody pitnej. Dzięki pojawieniu się nowej generacji membran osmotycznych udało się w roku 1975 zbudować po raz pierwszy sztuczną trzustkę oraz sztuczne płuco.
W roku 1996 rozpoczęto w szwedzkim koncernie Electrolux produkcję pierwszych domowych urządzeń osmotycznych bezpośredniego wypływu. Dzięki ich wyjątkowo dużej wydajności odpada konieczność montowania zbiorników na wodę oraz dodatkowych filtrów z węglem aktywnym.

KRÓTKA HISTORIA OSMOZY ODWRÓCONEJ
1748 - odkrycie zjawiska osmozy w membranach naturalnych,

1944 - budowa sztucznej nerki,
1952 - odkrycie materiału poliamidowego do produkcji membran,
1953 - początki odsalania wody morskiej na membranach osmotycznych,

1957 - zastosowanie membran do analizy wody pitnej,

1965 - opracowanie konstrukcji spiralnego modułu membranowego oraz rozpoczęcie produkcji domowych urządzeń osmotycznych,

1975 - zbudowanie sztucznej trzustki oraz sztucznego płuca,

1996 - rozpoczęcie produkcji pierwszych domowych urządzeń osmotycznych bezpośredniego wypływu.

Następny rozdział: 9 BUDOWA I DZIAŁANIE DOMOWYCH APARATÓW OSMOTYCZNYCH

Jak poradzić sobie z twardą wodą proponujemy 2 rozwiązania link poniżej:
Technologia uzdatniania wody nowoczesnym urządzeniem Vulcan lub Stacja Zmiękczania Wody na Jonitach