Reverzní osmóza, aneb výroba pitné vody z mořské (1. díl)

Pro běžného jachtaře pohybujícího se v regionech se slušnou infrastrukturou, nebývá otázka přístupu k pitné vodě nijak zásadní. Není ale třeba se vydávat až na konec světa, aby se stala aktuální.

I v nám blízkém a oblíbeném Řecku se s problémy spojenými s pitnou vodou pravidelně potýkáme. Jedním řešením zásobování touto komoditou je úprava mořské vody. Byť existuje více způsobů, jak ze slané vody udělat pitnou, malá plavidla jsou odkázána pouze na reverzní osmózu.

Tato je opakem přírodního procesu, kdy se průtokem přes polopropustnou membránu vyrovnávají koncentrace roztoku na obou jejích stranách a to tak, že rozpouštědlo protéká ze strany nižší koncentrace na tu s vyšší. Tento proces trvá, dokud se nevyrovná hydrostatický tlak rozpouštědla s osmotickým tlakem koncentrovanějšího roztoku.

Polopropustná membrána

Důležitou vlastností membrány je její polopropustnost, tedy schopnost propouštět rozpouštědlo, ale ne ostatní příměsi. Pokud ale aplikujeme na straně vyšší koncentrace dostatečný tlak, donutíme rozpouštědlo protékat membránou opačným směrem  a příměsi na ní zachytíme. Otvory v membráně mají velikost 0,0001 mikronu, takže zachytí bakterie o velikosti 0,2 – 5 mikronů, viry o velikosti 0,02 – 0,2 mikronů, molekuly soli a jakékoliv jiné částice.

Jak pracuje

Reverzní osmóza se nepoužívá pouze na odsolování, ale také na výrobu velmi čisté vody (je v podstatě stejná jako destilovaná), ale to nás většinou až tak nezajímá. Co nás ale zajímá je fakt, že pít vodu získanou reverzní osmózou nebo destilací není bez její další úpravy vhodné a zdravé. O tom si ale povíme později.

Takže zpět k procesu reverzní osmózy. Protlačujeme tedy mořskou vodu přes polopropustnou membránu, na jejíž jedné straně zůstává silně koncentrovaná mořská voda (odborně se jí říká retentát, ale my si vystačíme s termínem odpadní voda) a na druhé se objevuje „pitná“ voda odborně zvaná permeát (také se pro ni často používá název produkt). Pokud bude někdo chtít udělat ve společnosti dojem, tak ještě doplním, že polopropustná membrána se odborně jmenuje semipermeabilní.

Vysoký tlak

Protože tlak v systému bývá pro mořskou vodu v rozsahu 40 – 80 atmosfér (pro brakickou pouze 10 – 30 atmosfér), jsou membrány umístěny v tlakových nádobách. Tyto bývají válcovitého tvaru a membrány jsou v nich spirálovitě stočeny.

Zde jenom drobná odbočka. Pokud jste se setkali s nabídkou reverzní osmózy pro domácnost nebo třeba rekreační objekt, nejspíše v nabízené dodávce nebyla žádná pumpa. Pro úpravu sladké vody totiž stačí tlak ve vodovodním řadu nebo z domácí vodárny.  

Protože pouze část dodávané vody prochází přes membránu, protéká po straně koncentrátu dost odpadní vody k tomu, aby z jejího povrchu odplavovala všechny odfiltrované částice a udržovala ji nezanesenou.

Kolik vody vznikne

Průtok a tlak mořské vody ovlivňuje množství získaného produktu, které může dosáhnout až 50 %. Toto ale platí spíše pro velké stacionární systémy. Ty určené pro malá plavidla tohoto množství nedosahují. Obecně se u zařízení udává údaj RR (recovery ratio), tedy poměr mezi získaným produktem a podávaným množstvím mořské vody. Malé systémy mívají možnost nastavení RR třeba na 10 – 20% dle parametrů vstupní vody. Ty nejvyspělejší si vše regulují samy.

S trochou zjednodušení se dá říct, že zvyšováním tlaku se zvyšuje produktivita systému. Nicméně pokud při stejném množství podávané mořské vody získáme více pitné, zvyšujeme tím koncentraci odpadní vody, a tedy potřebujeme vyšší tlak na překonání jejího zvýšeného osmotického tlaku.

Rekuperace

Abychom mohli tlačit mořskou vodu přes membránu, potřebujeme tedy tlak a ten získáme pomocí čerpadla. Objevuje se nám tedy další z nepřeberného množství elektrických spotřebičů útočící na už tak nejspíše napjatou kapacitu baterií.

Zde se ale dostáváme k velmi zajímavému prvku odsolování a tím je využívání energie odpadní vody. Na výstupu z tlakové nádoby má stále svých 40 – 80 atmosfér a proto by byla škoda ji nevyužít. Na velkých stacionárních systémech slouží třeba k výrobě elektrické energie pomocí Peltonovy nebo Francisovy turbíny.

V malých se pomocí různých systémů přepouští pod písty vysokotlakých čerpadel. Tato čerpadla často nemívají další vlastní pohon a tak je někteří výrobci ani čerpadly nenazývají. Třeba Schenker se svým Energy Recovery System, nebo Sea Recovery s EfficientSea Energy Transfer Device.  Systém je tedy osazen podávací pumpou (rotační, membránovou, pístovou) a rekuperačním (výraz rekuperační možná není úplně nejpřesnější, ale lepší mě nenapadá) zařízením na získávání energie z odpadní vody. Na příkladu Clarkovy pumpy si tato zajímavá zařízení později popíšeme. Prakticky nás ale zajímá, kolik pitné vody jsme schopni získat za jaké množství spotřebované energie.

Teplota a salinita

Ale zpět ke třem skupinám. Těmi jsou sladká voda s méně než 1000mg/l, brakická voda s 1000 – 25 000mg/l a mořská voda nad 25 000mg/l. Většina brakické vody na světě má do 10 000mg/l a většina mořské vody se nachází v rozmezí 35 000 – 45 000mg/l. Samozřejmě čím je salinita vody vyšší, tím méně získáváme pitné vody ze stejného podávaného množství při stejné spotřebě energie. Vychází nám tedy že úprava teplejší a méně slané vody je energeticky méně náročná než úprava chladnější a slanější.

Úprava sladké vody může být zajímavá v místech, kde její kvalitě nevěříme. Úprava brakické vody už může být pro jachtaře zajímavější. Vyžaduje o tolik méně energie, že zařízení určená jenom pro její úpravu nebývají osazeny rekuperačními prvky, protože se to prostě nevyplatí. A samozřejmě mořská voda vyžaduje nejvíce energie. Pokud někdo plánuje plavby pouze v regionu s vysokou teplotou a nízkou slaností vody, může si tedy vybrat méně výkonný odsolovač než ten, který se na svém putování nechce omezovat. Samozřejmě také záleží na předpokládaném množství požadované vody.

Spotřeba

Takže jak jsme na tom se spotřebou? U větších zařízení, kde rozhodují ekonomické parametry provozu, se obyčejně udává měrná spotřeba (SEC – specific energy consumption), tedy množství energie potřebné k výrobě jednotky pitné vody. Nejúspornější systémy dosahují hodnot 8 Wh/galon tedy pro nás pochopitelnějších 2,1 kWh/m3.

Na jachtě nás ale spíše zajímá celková spotřeba elektrické energie a ne ekonomika. U běžných systémů určených pro malá plavidla můžeme počítat s proudem kolem 10 A ve 12 V okruhu pro výrobu kolem 30 l vody za hodinu. Tedy zhruba 16 Wh/galon a následně 4,2kWh/m3.

Kubík ale asi nebudeme vyrábět každý den. Pokud ano, jedna z možných variant pohonu podávací pumpy je vlastní motor plavidla. Určitě bude ekonomičtější pohánět pumpu přímo klínovým řemenem než vyrábět elektrickou energii a pohánět ji touto. Ale tato varianta se vyplatí pouze při větší spotřebě vody. 

K dispozici jsou i ruční přístroje

Zde se už dostáváme k praktickým aspektům výběru a provozu zařízení k reverzní osmóze. Vyrábějí a prodávají se v mnoha velikostech, výkonech a konfiguracích. Nejmenší mají dokonce ruční pohon a dokáží nás tedy udržet při životě i při naprostém výpadku elektrické energie.

Dále se nabízejí kompaktní úpravny, kde je vše smontováno dohromady v jednom paketu. Pro malá plavidla paradoxně nejsou úplně vhodné, protože pro ně musíte najít jedno místo a toto musí být přístupné pro kontrolu a údržbu. Pro jachtaře jsou tedy nejlepší modulární systémy, kdy jejich různé části můžeme umístit na různá místa a ještě umožňují zohlednit to, že nutnost přístupu k jednotlivým prvkům systému je velmi rozdílná. Podávací pumpa může být klidně pod podlážkou, zatímco filtry, membrány a ovládací prvky na dobře dostupných místech.

Dnes obvykle automatika

Když už jsme u ovládacích prvků, jejich množství se během let výrazně snížilo. Většina moderních úpraven se řídí automaticky a sama reaguje třeba na parametry vstupní vody. Obyčejně se systém skládá z následujících částí. Ventilu pro vstup mořské vody, podávacího čerpadla, u kterého bývá modul pro připojení sladké vody z nádrže sloužící k proplachování filtrů a membrán, jednoho nebo více vstupních filtrů, střednětlaké pumpy s tlakovou nádobou (může ale nemusí být), rekuperačního zařízení a jedné nebo více tlakových nádob s membránami. Z membrán samozřejmě následuje potrubí nebo hadice sladké vody do nádrží a hadice odpadní vody zpět přes bort. Větší systémy bývají také osazeny „remineralizátory“, tedy zařízeními sloužícími ke zpětnému doplnění solí a minerálů do upravené vody.

Údržba

A nyní několik slov k provozu a běžné údržbě. Pokud je zařízení zcela automatické k běžnému provozu potřebuje pouze pravidelné čištění vstupních filtrů. Valná většina problémů vzniká při jeho neužívání, kdy se ve stagnantní vodě membrány ucpávají množícími se bakteriemi. Je tedy dobré vybrat správně velikost odsolovacího zařízení tak, aby nebylo vystaveno dlouhým odstávkám, nebo abychom nevyráběli sladkou vodu zbytečně.

Jednou za čas je třeba propláchnout membrány sladkou vodou. Většina moderních zařízení to dělá automaticky pomocí výše zmíněného modulu sadké vody. Je ale třeba zmínit, že proplachování nelze provádět chlorovanou vodou, chlor by totiž zničil membrány. Pokud neoddělujeme námi získanou vodu od chlorované, musíme do systému proplachování připojit filtr s aktivním uhlím a o tento se také starat.

Ještě v mnohem delších intervalech je třeba membrány očistit chemicky od třeba zachyceného oleje, paliva nebo maziv. Správně zvolený, namontovaný a provozovaný systém by neměl způsobovat žádné problémy.

Problémy

Pokud je jeho výkon nižší než očekávaný, mohou to způsobit následující příčiny. Výrazná změna parametrů vstupní vody. Jak bylo uvedeno, moderní zařízení na ně reagují automaticky. Reakce nicméně zajišťuje spíše ochranu zařízení, než jeho maximální výkon. Dalším důvodem může být nízké napětí. Pokud je způsobené vybitím baterie, jeho náprava je snadná. Pokud nedosahujete udaného výkonu od začátku, na vině může být malý průřez elektrickými kabely. Měřením na terminálech baterie a běžící pumpy to jednoduše zjistíte. Důvodem může být i přítomnost vzduchu v systému. Jestli se ventil mořské vody dostává pravidelně nad hladinu a není možné nebo praktické změnit jeho polohu můžeme vybavit podávací pumpu tlakovým spínačem.

Vhodná ke konzumaci?

Na závěr se ještě vrátíme ke vhodnosti vody upravené reverzní osmózou k přímé konzumaci. Jak bylo uvedeno, má v podstatě stejné vlastnosti jako destilovaná a je tedy téměř kompletně demineralizovaná. I když více minerálů lidskému tělu dodává potrava než voda, tak ta by mu je neměla odebírat, což je přesně to, co demineralizovaná voda dělá. Nedostatek minerálů v těle vede k mnohým okamžitým projevům jako jsou slabost, bolest hlavy, únava a křeče. Dlouhodobé účinky způsobují osteoporózu, ischemickou chorobu srdeční, vysoký tlak a jiné degenerativní choroby. Dochází také k poškození střevní výstelky. Je také agresivní k materiálům se kterými přichází do styku a velmi ochotně z nich přijímá všechny vodou rozpustné látky. Což mohou být třeba kovy z potrubí, změkčovadla a jiné toxické organické látky z plastových hadic nebo pryžových těsnění a spojek. Takže nejenom že je nevhodná až škodlivá ke konzumaci jako čerstvá, ale transportem a skladováním se její vlastnosti ještě zhoršují. Je proto vhodné ji remineralizovat hned po úpravě, nebo alespoň hned po uložení do nádrží.