Filtr RO Di
[fb_button]
Nie da się ukryć, że dbanie o akwarium morskie to w znacznym stopniu dbanie o wodę i jej parametry. W naszym hobby dzieje się to na poziomie filtracji w akwarium oraz podczas zbierania wody RO Di za pomocą filtra odwróconej osmozy. To właśnie ten filtr dba o to, żeby do naszych zbiorników trafiała czysta woda, a świeża solanka pozbawiona była zanieczyszczeń wodociągowych. Każdy, kto stosował kiedykolwiek filtr RO Di (odwrócona osmoza i dejonizacja) wie, że największym mankamentem tego rozwiązania jest jego słaba wydajność. Nie wszyscy jednak wiedzą, że można ją w prosty sposób znacznie poprawić. Właśnie przeprowadziłem drobne usprawnienia mojego filtra. Mimo, że spodziewałem się poprawy wydajności filtra, wyniki mnie zaskoczyły. Dlatego zdecydowałem się podzielić z Wami moimi doświadczeniami na ten temat. Oczywiście nie mogłem skupić się na samych usprawnieniach bez odniesienia do całego urządzenia jakim jest filtr RO Di.
Filtr RO Di to obecnie najtańsza i najefektywniejsza metoda uzyskiwania czystej wody w domowych warunkach. Zewnętrzna budowa takiego filtra może różnić się u różnych producentów, jednak idea jest zawsze podobna. System RO Di do zastosowania akwarystycznego ma budowę modularną, która umożliwia swobodną rozbudowę filtra.
Rysunek 1 – Przykładowy, najprostszy układ filtra odwróconej osmozy (RODi) – na potrzeby akwarystyki
Prefiltry
Bez względu na ilość modułów, system RO Di składa się z trzech sekcji. Pierwsza sekcja to moduły (kartridże) prefiltrów. Ich głównym zadaniem jest wstępne oczyszczenie wody z mikro-zawiesiny, chloraminy oraz innych substancji, które mogłyby szybko uszkodzić membranę. O ile dostaliśmy w komplecie 3 moduły to kolejność stosowania wkładów jest następująca:
Filtr sedymentacyjny 5 mikronów > węgiel aktywny > filtr sedymentacyjny 1 mikron.
W zależności od jakości wody możemy na początku dołożyć dodatkowy kartridż z wkładem np. 10 mikronów. Jednak w większości przypadków układ taki jak na rysunku jest wystarczający.
I jeszcze mała uwaga odnośnie filtra węglowego. W naszych zastosowaniach jego głównym zadaniem jest wychwytywanie chloroaminy, która jest zabójcza dla membran TFC. Wydajność dobrej jakości nowego filtra węglowego (0,5 mikrona) wynosi około 99%. Problem w tym, że ta wydajność spada z czasem, a przepuszczony chlor rujnuje nam membranę. Dlatego warto dbać o filtr węglowy.
Membrana
Za sekcją z prefiltrami znajduje się główny moduł systemu RO Di – membrana. Nie wdając się zbytnio w szczegóły w jej budowę, możemy przyjąć, że membrana to polimerowe sito z mikroskopijnymi oczkami. Oczka membrany są tak małe, że zatrzymują większość substancji chemicznych rozpuszczonych w wodzie, a jej cząsteczki przepuszczają.
Rysunek 2 – Niektóre jony np sodowe (przedstawione na szaro) mimo, że są mniejsze od por w membranie i swobodnie mogłyby przez nią przepłynąć, przyciągają do siebie cząsteczki wody tworząc kompleks zbyt duży, aby przepłynąć przez membranę.
To oczywiście uproszczenie, bo np. jony Na+ są mniejsze niż cząsteczka wody. W praktyce jednak naładowane cząstki przyciągają cząsteczki wody tworząc grupę cząsteczek i jonów na tyle dużą, że nie przechodzi ona przez oczka w membranie. Jednak z punktu widzenia wydajności część substancji chemicznych zawartych w wodzie przechodzi przez membranę.
Na poniższym filmie widać animację przedstawiającą działanie membrany. Jest to fragment z materiału https://www.youtube.com/watch?v=eU3m6pIhbvw
W handlu istnieje kilka typów membran: celulozowe (CA), poliamidowe (ThinFIlm – TFC), winylowe (PVC), oraz cała gama membran specjalistycznych. Do domowych zastosowań najczęściej używane są dwa typy: CA (rzadziej) – gorsza wydajność ( 90%-93%), ale wysoka odporność na utlenianie chlorem. TFC (częściej) – wysoka efektywność (97%-99%), ale bardzo wrażliwe na chlor.
Efektywność membrany to procentowy stosunek wszystkich cząstek sprzed membrany do cząstek zatrzymanych przez membranę RO. Bardzo popularne domowych zastosowaniach membrany TFC mają teoretyczną wydajność sięgającą 99%. W praktyce jednak trudno osiągnąć taką wydajność ze względu na wiele czynników. Najważniejsze z nich to ciśnienie, temperatura oraz skład chemiczny wody.
Do sprawdzenia wydajności membrany wystarczy zwykły TDS (pisaliśmy o nich w artykule pt Czy miernik TDS kłamie???). Wykonując pomiary miernikiem TDS zaraz za wylotem membrany oraz wody kranowej i podstawiając do poniższego wzoru uzyskamy „procent odrzucenia”, czyli wartość, która pokazuje nam ile % substancji zostało zatrzymanych. Pamiętajmy jednak, że ze względu na specyfikę pomiaru TDS wynik będzie jedynie zbliżony do rzeczywistego.
Rysunek 3 – Procent odrzucenia – obliczanie wydajności membrany odwróconej osmozy
Wyniki powyżej 90% w domowych systemach RO są zadowalające,a powyżej 96% doskonałe. Wyniki niższe niż 90% wymagają sprawdzenia warunków pracy filtra lub wymiany samej membrany.
Trzeba pamiętać o tym, że technologia produkcji membran oraz zasada ich działania nie gwarantuje wychwytywania wszystkich zanieczyszczeń wody. Nasze „sitko” będzie przepuszczać niewielkie ilości różnych substancji. Na szczęście większość z nich będzie zatrzymana przez żywicę jonowymienną w ostatniej sekcji.
Drugim aspektem wydajnościowym filtra RODi i samej membrany to ilość produkowanej wody. Jest ona zależna od ciśnienia, temperatury oraz wartości GPD membrany. Wartość GPD to skrót wyrażenia „Gallon Per Day” i oznacza ile czystej wody wyprodukuje membrana w idealnych warunkach pracy. Najpopularniejsze do zastosowań akwarystycznych membrany mają wartości 50GPD, 75GPD oraz 100GPD. Jeśli zmieniamy membranę na inną, koniecznie trzeba zmienić ogranicznik przepływu na ścieku. Jeśli zastosujemy zbyt mały ogranicznik to spadnie nam wydajność membrany, jeśli zbyt duży to spadnie nam żywotność membrany. Może też zaistnieć sytuacja, w której membrana o wyższym wskaźniku GPD będzie miała niższy procent odrzucenia.
Oto typowe ograniczniki:
Rysunek 4 – Tabela przedstawia rekomendowane ograniczniki przepływu dla odpowiednich wydajności membran.
Kolejna cecha, jaką ma filtr RO Di, a która w dużym stopniu zależy od membrany i ogranicznika to ilość produkowanego ścieku. Nominalnie 25% wody przechodzi oczyszczona przez membranę podczas, gdy pozostałe 75% wykorzystywane jest do jej przepłukiwania. W praktyce stosunek ten jest gorszy i zależy głównie od temperatury i w mniejszym stopniu od ciśnienia.
Nominalna wydajność membran podawana jest dla temperatury 25C i ciśnienia 50psi. Dla każdego 1psi poniżej ciśnienia nominalnego odejmujemy 2% wydajności GPD, a dla każdego 1C poniżej 25C odejmujemy 2,52%
Oto przykład:
Membrana 50GPD w 25C i przy ciśnieniu 50psi wyprodukuje 50 galonów wody na dobę.
Ta sama membrana przy w 25C i przy 40psi wyprodukuje:
50GPD – 20% (10 x 2% dla 40psi) = 40GPD – daje nam to dwudziestoprocentowy spadek wydajności
Ta sama membrana w 10C przy ciśnieniu 50psi wyprodukuje:
50GPD – (25-10) x 2,52% = 31.1GPD – daje nam to prawie czterdziestoprocentowy spadek wydajności.
To, co nie przeleciało przez membranę zostanie oddane w postaci ścieku. Jak widać temperatura bardzo istotnie wpływa na wydajność filtra RO. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 temperatura zimnej wody w ujęciach domowych może się wahać od 10 do 34 C. Problem w tym, że mamy mały wpływ na temperaturę zimnej wody.
Rysunek 5 – Typowa pompa do podnoszenia ciśnienia w domowych systemach RO Di
Możemy natomiast w dość łatwy sposób poprawić ciśnienie wody przed membraną stosując tak zwaną „booster pump”, czyli pompę podnoszącą ciśnienie. Pompa taka jest do kupienia w cenie około 250-300 zł i jest przystosowana fabrycznie do wpięcia w typową instalację RO Di.
Optymalne ciśnienie w instalacji dla typowej membrany wynosi około 80-100 psi (przy minimalnym 40psi i maksymalnym dopuszczalnym 150psi). Problem w tym, że większości mieszkań w Polsce ciśnienie w kranie jest niższe, a na wsiach na końcu nitki wodociągowej sporo niższe. Nie ma się jednak co dziwić, kiedy według norm budowlanych, dopuszczalne ciśnienie wody w kranie powinno być pomiędzy 0,5bar (7.25psi) a 6bar (87psi).
Jeśli w takim domu ciśnienie wody kranowej wynosi 10psi to nawet w optymalnej temperaturze wydajność membrany 50GPD spada o 80%. Jeśli dodamy do tego temperaturę 10C to dojdziemy do sytuacji, kiedy filtr RO Di nie jest w stanie wyprodukować wody.
U mnie, ciśnienie wody w instalacji oscyluje w okolicach 35psi. To wartość poniżej rekomendowanej dla mojej membrany. Z tego powodu zdecydowałem się zakupić dodatkową pompę.
Podłączenie pompy to prosta czynność. Wystarczy przeciąć wężyk przed membraną, a następnie wpiąć obie końcówki do przyłączy pompy pamiętając o kierunkach przepływu wody (WAŻNE!!!)
Pompa, którą zastosowałem u siebie podnosi ciśnienie do 120 psi, czyli poniżej ciśnienia dopuszczalnego.
Nie muszę chyba mówić, że wydajność mojego filtra RO Di znacznie wzrosła. Zamiast kapania, woda z rurki leciała strumieniem. Dzięki temu 25L kanister napełniłem dwukrotnie szybciej niż dotychczas.
Rysunek 6 – Zmiana ciśnienia wody w filtrze RO po zastosowaniu dodatkowej pompy. Po lewej stronie zdjęcie przedstawia wynik przed włączeniem pompy, a po prawej przy włączonej pompie.
Rysunek 7 – Podniesienie ciśnienia w systemie spowodowało większą produkcje wody oczyszczonej. Po lewej stronie zdjęcie przedstawia wynik przed włączeniem pompy, a po prawej przy włączonej pompie.
Najważniejszą siłą napędzającą filtr RO Di jest różnica ciśnień przed i po membranie. To właśnie ciśnienie powoduje przepychanie cząsteczek wody przez oczka membrany. Im większe ciśnienie, tym więcej wody przenika przez „sito” zmniejszając jednocześnie objętość ścieku. Wyższe ciśnienie poprawia również zdolność filtracyjną membrany.
Rysunek 8 – Zwiększenie ciśnienia w systemie odwróconej osmozy zwiększyło skuteczność membrany. Po lewej stronie zdjęcie przedstawia wynik przed włączeniem pompy, a po prawej przy włączonej pompie.
Wiem, wiem. To i tak kiepski wynik. Membrana ma już chyba ze trzy lata a woda w kranie ponad 300ppm. Co by jednak nie mówić to uzyskałem poprawę czystości wody o 33%.
Reasumując – podłączenie pompy dało mi potrójny zysk:
– Wydajność objętościowa – mniej wody idzie w ściek, a więcej do kanistra;
– Wydajność czasowa – kanister napełnia się znacznie szybciej
– Czystość uzyskanej wody wzrosła o 33%
Uczciwie jednak będzie wspomnieć, że taka pompa to wyższy rachunek za prąd. Choć z drugiej strony 30W przez kilkanaście godzin w tygodniu to nie tragedia, zwłaszcza, że jednocześnie oszczędzamy na żywicy.
Żywica
Ostatnią sekcją typowego filtra RO Di do zastosowań akwarystycznych jest żywica dejonizująca. O ile zadanie membrany RODi jest odfiltrowanie tych powiedzmy 95% substancji z wody, o tyle zadaniem żywicy jest pozbycie się tych pozostałych 5%. Tak jak pisałem już w artykule o miernikach TDS, do naszych zastosowań potrzebujemy wodę o TDS =0ppm. I to właśnie dzięki żywicy uzyskujemy taki wynik.
Żywica dejonizująca (Di) to mieszanina dwóch substancji: anionitu i kationitu. Stosowany do naszych celów anionit to substancja, która zamienia aniony na grupę OH-, a kationit wymienia kationy na kation H+. Żywica Di wyłapuje tylko jony i kationy. Wszystkie cząstki nienaładowane, które przeszły przez membranę, przejdą też przez żywicę.
Rysunek 9 – Działanie żywicy jonowymiennejna przykładzie kationitu. Kation sodowy został podmieniony na proton wodorowy
Żywice jonowymienne mają określoną trwałość. Trwałość ta zależy od czystości wody przed żywicą. Przyjmuje się, że zwiększenie wydajności membrany o 2% wydłuża wydajność żywicy dwukrotnie. Daje nam to potencjalnie ogromne możliwości oszczędności żywicy. Działa to również w odwrotnym kierunku. Wyobraźmy sobie, że nie zmieniając regularnie filtra węglowego, narażamy membranę na niszczącą działalność chloru. Wydajność membrany spada powiedzmy z 96% na 92%. Oznacza to, że musimy wymieniać żywicę 4 razy częściej.
Podsumowanie
Upowszechnienie się filtrów RODi w domowych zastosowaniach było kamieniem milowym dla akwarystyki morskiej. Od tej pory każdy mógł uzyskać wodę o doskonałej jakości. Dlatego nie przesadzę jęli powiem, że dobrze działający filtr RODI jest dla nas dobrodziejstwem. Jednak jego prawidłowe działanie zależy od wielu czynników, z których część jest zależna od nas a część nie. Nie mamy na przykład wpływu na skład wody kranowej oraz stałość temperatury. Możemy natomiast zadbać o regularne serwisowanie filtra i odpowiednie ciśnienie wody na membranie.
Na koniec zostawiam garść informacji i porad:
– Prefiltry należy wymieniać co pół roku. Zadbać należy przede wszystkim o dobrej jakości filtr węglowy, ponieważ to on chroni membranę przed niszczącym działaniem chloru
– kolejność wkładów jest następująca: 5 mikronów > węgiel > 1 mikron > membrana > żywica
– Wydajność filtracyjna membrany RO powinna być powyżej 90%. Im wyżej tym lepiej. Każde 2% wydajności membrany więcej, wydłuża trwałość żywicy dwukrotnie
– Zakres ciśnienia dla pracy membrany jest od 40-150 psi, jednak najbardziej optymalne wartości to 80-100psi. Poniżej 80psi wydajność membrany spada, powyżej 150 psi ciśnienie uszkodzi membranę. Maksymalna temperatura wody to 45C
– Jeśli mamy dobrej jakości wodę i dbamy regularnie o prefiltry to membrana może działać skutecznie nawet do pięciu lat.
– Nawet w idealnych warunkach pracy membrana nie filtruje wszystkich substancji. Część z nich zostanie wychwycona przez żywicę. Niewielka pozostałość trafi niestety do akwarium. Stosując tradycyjny filtr RO Di nie jesteśmy w stanie uzyskać idealnie czystej wody
– Jeśli zdecydujecie się na zastosowanie pompy ciśnieniowej, upewnijcie się, że wszystkie połączenia rurek są solidne. Najlepiej przed membraną stosować złączki zakręcane oraz wężyki grubościenne. Ciśnienie rzędu 100psi może rozszczelnić słabe łączenie.
– Zastosowanie pompy poprawia parametry filtra RO – ilość i szybkość produkowanej wody oraz jej czystość.
-Jeśli w domu jest niskie ciśnienie wody kranowej można zastosować mniejszy ogranicznik przepływu. Trzeba mieć jednak świadomość, że mimo doraźnego poprawienia wydajności filtra, nastąpi szybsze zużycie samej membrany.
– Żywice podczas pracy mogą zmniejszać swoją objętość. Dlatego zdecydowanie zaleca się, aby pojemniki z żywicą ustawiane były w pozycji pionowej. Tak, wiem, w niektórych systemach są fabrycznie montowane poziomo na klipsach. To kiepskie rozwiązanie.
[fb_button]
Bibliografia
http://www.architektura.info/index.php/prawo/warunki_techniczne_budynki/
dzial_iv_wyposazenie_techniczne_budynkow/rozdzial_1_instalacje_wodociagowe_zimnej_i_cieplej_wody
http://idahowatersolutions.com/reverse-osmosis-faqs/
http://www.apswater.com/calcs.asp?Feed_conductivity=250&Product_conductivity=5
http://www.hydranautics.com/docs/papers/New%20Folder/Effect%20of%20Feed%20Ionic%20Strength.pdf
http://www.reefkeeping.com/issues/2005-05/rhf/index.php
http://www.axeonwater.com/AXEON-TF-Series-Home-Drinking-Water.html
http://theh2oguru.com/faq?cat=3
http://www.ukhtm01-05.co.uk/Purewater.pdf
https://www.che.utah.edu/department_equipment/Projects_Lab/M_Ultrafiltration/MIS_Understanding_RO.pdf
http://www.purewaterproducts.com/articles/flow-restrictors
http://www.lwcad.republika.pl/jedn/jedn_cisn.htm