Uzdatnianie wody do celów przemysłowych

Procesy i technologie produkcyjne wymagają zastosowania wody o określonych parametrach. Tylko odpowiedni proces uzdatniania wody pozwala uzyskać właściwy surowiec do produkcji, czynnik chłodzący, rozcieńczalnik, środek lub składnik środków do mycia itp. W systemach uzdatniania wody zawsze liczą się też wydajność i koszty.
W zależności od parametrów, jakie są konieczne do osiągnięcia w obsłudze określonych aplikacji przemysłowych, w uzdatnianiu wody stosuje się takie procesy, jak: filtracja mechaniczna, zmiękczanie, odżelazianie i odmanganianie, wymiana jonowa, usuwanie bakterii i mikroorganizmów (promieniowanie UV i środki chemiczne), usuwanie chloru i substancji lotnych (kolumny z węgla aktywnego), demineralizacja, systemy odwróconej osmozy. Często też przeprowadza się proces korekty, dodając do wody różne związki chemiczne, np. w celu obniżenia jej właściwości korozyjnych i tych związanych z tworzeniem osadów.
Technologie uzdatniania wody
Najpopularniejszą technologią przygotowania wody o wysokim stopniu czystości jest proces odwróconej osmozy. Woda surowa, poddana wysokiemu ciśnieniu, przechodzi przez półprzepuszczalną membranę.Cząsteczki czystej wody po przejściu przez membranę tworzą filtrat (permeat), natomiast cząsteczki soli i innychzanieczyszczeń pozostają po stronie roztworu zasilającego (nadawa) i tworzą retentat. W procesach membranowych rozdzielanie przebiega bez przemian termicznych, chemicznych czy biologicznych.
Budowa modułowa procesu oczyszczania wody metodą odwróconej osmozy pozwala dostosować ją do każdej skali produkcji. Jeśli chodzi o efektywność modułów membranowych, to najczęściej podaje się parametry współczynnika retencji lub selektywności. Instalacje membranowe mają prostą konstrukcję i łatwo je obsługiwać (kontrola: pomp, ciśnienia i stanu powierzchni membran), a proces może być w pełni automatyczny.
Należy zwrócić uwagę na szybki postęp w niektórych technologiach stosowanych w uzdatnianiu wody. Przykładem jest nanofiltracja (NF). Jest to proces filtracji membranowej wykorzystujący siłę napędową, jaką jest różnica ciśnień pomiędzy stronami membrany (ciśnienie transmembranowe). Membrany stosowane w nanofiltracji mają rozmiary porów od 1 do 10 nanometrów i są mniejsze niż stosowane w mikrofiltracji i ultrafiltracji, ale są większe niż w odwróconej osmozie. Membrany wytwarza się głównie z cienkich folii polimerowych. Na membranie zatrzymywane są głównie związki organiczne o masach cząsteczkowych przekraczających wartość 200300 Da (jednostka: Dalton) i jony dwu- lub więcej wartościowe. Metoda nie jest już tak skuteczna w stosunku do jonów jednowartościowych. Zazwyczaj stosowane ciśnienie procesowe przy nanofiltracji to 1030 barów. Zaletą tej metody jest brak konieczności wstępnej obróbki chemicznej wody surowej (jeśli nie zawiera wielu związków tworzących trudno rozpuszczalne osady). Niskie ciśnienie pracy urządzeń to również niskie zużycie energii do zmiękczania wody. Podaje się, że udział objętościowy koncentratu, czyli odrzutu z membrany, stanowi tylko od 5 do 15% ilości wody zasilającej. W procesie nanofiltracji, poprzez stosowanie różnych membran i ciśnień, można modelować skład wody. Technologia ta pozwala usunąć 99,9% zanieczyszczeń mikrobiologicznych.
Choć filtracja mechaniczna i odwrócona osmoza są powszechnie stosowane, to na znaczeniu zyskują też inne technologie: elektrodejonizacja, bioremediacja, generatory ozonu, a także odparowywanie ścieków.
Elektrodejonizacja (EDI) to proces, w którym zastosowano technologię membran półprzepuszczalnych i wymienników jonowych, do prowadzenia wysoko wydajnego procesu demineralizacji. W procesie elektrodializy wykorzystuje się prąd elektryczny i odpowiednie membrany półprzepuszczalne dla jonów w zależności od ich ładunku elektrycznego. Przepływ prądu elektrycznego regeneruje żywicę jonowymienną.
Elektrodejonizację wykorzystuje się np. w przemyśle elektronicznym i elektrotechnicznym, farmaceutycznym i kosmetycznym oraz w energetyce. Instalacje są niewielkie (o wydajności kilka– kilkanaście m3/h), ale ze względu na budowę modułową łatwo je skalować.
W procesie EDI zużywa się mniej niż 5% związków chemicznych, niż jest to stosowane w konwencjonalnej wymianie jonowej. Wśród ograniczeń tej metody wymienia się stosowanie zbyt twardej wody – o twardości powyżej 1 – i problem z zawartym w wodzie dwutlenkiem węgla.
Trzeba pamiętać o wymaganiach w stosunku do jakości wody zasilającej moduły EDI, np. wstępnego odsolenia. Najlepiej sprawdza się permeat uzyskany po odwróconej osmozie, dlatego instalacje przemysłowe do demineralizacji to głównie zespoły RO-EDI. Obecnie elektrodejonizację uważa się za jedną z najbardziej obiecujących metod końcowej demineralizacji wody.
Bioremediacja to technologia usuwania zanieczyszczeń (głównie substancji ropopochodnych)z gleby i wód podziemnych przy wykorzystaniu żywych mikroorganizmów.
Z kolei ozonowanie jest procesem, w którym gazowy ozon wprowadza się do wody, co eliminuje zapotrzebowanie na związki chemiczne stosowane do oczyszczania wody lub jej dezynfekcji np. związkami chloru.
Zdaniem specjalistów
Zapytaliśmy specjalistów z firm specjalizujących się w uzdatnianiu wody, na co zwracać uwagę, wybierając system uzdatniania wody do własnych potrzeb, i jakie technologie warto uwzględnić przy wyborze.
Jacek Grzech z firmy Eurowater mówi, że w branży nowością jest to, co funkcjonuje na rynku nie dłużej niż 35 lat. Natomiast procesy inwestycyjne zajmują miesiące, a nawet lata. Jak uważa, jest kilka nowości w zależności od tego, o jakiej aplikacji lub technologii mówimy. Najwięcej nowości jest w dziedzinie technik membranowych oraz technik usuwania gazów z wody. Nowość może polegać nie tylko na nowym urządzeniu, ale może to być nowa aplikacja, aplikacja oszczędniejsza w zużyciu wody lub energii albo stara technika, jednak gwarantująca lepsze parametry robocze itp.
Zdaniem eksperta najczęstszym błędem, jaki popełnia się przy podejmowaniu decyzji inwestycyjnych, jest brak dobrego rozeznania potrzeb oraz aktualnego stanu. Instalacje często produkują wodę o jakości zbyt wysokiej dla konkretnych potrzeb, są często przewymiarowane lub wykonane w nieodpowiednim standardzie.
Na dobry produkt składa się kilka czynników i żaden z nich nie jest pomijalny, a są to: urządzenia, aplikacje, eksploatacja i serwis. Jak dodaje Jacek Grzech, każdy z tych czynników może zadecydować o tym, że produkt zostanie źle odebrany przez użytkownika i dlatego powinni oni przy inwestycji brać pod uwagę wszystkie te czynniki w jednakowym stopniu.
Na jakie technologie zwrócić uwagę? Według Jacka Grzecha zależy to od tego, do jakich celów woda jest stosowana. Na pewno na uwagę zasługują techniki membranowe, które dają bardzo dobre rezultaty w określonych aplikacjach. Również w technologiach wymiany jonowej odnotowuje się stały postęp. Jak uważa ekspert, aby rzetelnie odpowiedzieć na tak postawione pytanie, należy dobrze rozpoznać potrzeby firmy, bo jest wiele różnych branż i możliwych do wykorzystania aplikacji.
J. Rogalewski z portalu www.proeurosystem.com radzi zwrócić uwagę na czujniki twardości wody, opatentowane i sprawdzone w praktyce przez wiele lat. Są one montowane przez firmę w stacjach zmiękczania wody. W stosunku do tradycyjnych stacji zmiękczania wody niewyposażonych w czujniki twardości wyróżniają się one pewnością dostarczania uzdatnionej wody, z zachowaniem jej właściwych parametrów. Pełnią też rolę „strażnika” pilnującego, by w odpowiednim momencie nastąpiło włączenie w urządzeniu regeneracji złoża, czyli w chwili jego faktycznego wyczerpania. W ten sposób zapewniają optymalizację oszczędności wody, prądu i soli (nawet o 30%).
Dokonującym wyboru systemu uzdatniania wody J. Rogalewski radzi zwrócić uwagę, czy w celu uzyskania niższej ceny urządzenia producent nie wbudowuje w nie niskiej jakości komponentów. Jego zdaniem kierowanie się wyłącznie ceną przy wyborze stacji uzdatniania wody może doprowadzić do konieczności szybszej wymiany komponentów, a tańsza maszyna może wymusić większe koszty w trakcie użytkowania z powodu konieczności zakupu i ceny nowych podzespołów oraz strat spowodowanych przestojami w pracy.
Należy też zwrócić uwagę na to, jakie parametry wody uzdatnionej za pomocą danego urządzenia można uzyskać z doprowadzonej wody surowej. Istotna jest analiza wody surowej i rzeczywiste uzdatnianie przez dane urządzenie wody do uzyskania deklarowanych parametrów. Jak mówi ekspert, istotne jest stwierdzenie, czy parametry te w dalszym okresie użytkowania będą stałe, a tylko producent z międzynarodowym doświadczeniem, który zbudował tysiące stacji i produkuje je seryjnie, może zagwarantować taką pewność.
Jak sądzi J. Rogalewski, warto wybierać producenta, który wychodzi ponad standard, a także potrafi spełnić specyficzne wymagania, np. uzyskanie lepszych parametrów wody, wodę ultraczystą czy zmniejszenie kosztów poprzez redukcję ścieków. Stacje zmiękczania wody z regeneracją przeciwprądową w stosunku do tradycyjnej regeneracji współprądowej pozwalają zaoszczędzić ok. 50% soli i ok. 50% wody zużywanej na regenerację. Jednak z powodu wykorzystania w nich bardziej zaawansowanych technologii, przy wyborze należy ich szukać w ofertach doświadczonych producentów.
Maciej Cholewa z firmy H2Optim zwraca uwagę na nowoczesne rozwiązanie, w Polsce jeszcze bardzo rzadko stosowane, jakim jest odtlenianie membranowe. Usuwanie tlenu z wody to bardzo ważny proces w przygotowaniu wody do celów grzewczych (obiegi ciepłownicze ciepłowni i elektrociepłowni zawodowych). Proces odgazowania membranowego polega na wykorzystaniu membran hydrofobowych przepuszczających gazy, w szczególności tlen i dwutlenek węgla, a nieprzepuszczających wody. Membrany mają formę mikrowłókien nawiniętych wokół centralnej rury dystrybucyjnej i przyczepionych do specjalnych zamknięć połączonych z wlotem i wylotem gazu napędowego. Woda z rozpuszczonymi gazami wpływa do wlotu rury dystrybucyjnej z przegrodą w środku. Woda penetruje wokół membran kapilarnych do drugiego końca rury dystrybucyjnej. Ciśnienie wody jest wyższe od ciśnienia przepływającego przez kapilary gazu. Tlen i dwutlenek węgla przedostają się przez membranę do wnętrza kapilary i są wynoszone wraz z gazem napędzającym (np. azotem) na zewnątrz modułu, natomiast woda wypływająca z modułu pozbawiona jest tlenu i dwutlenku węgla. W celu przeprowadzenia głębokiego odtleniania proces wspomaga się podciśnieniem po stronie wypływającego gazu, wytwarzanym przez pompę próżniową. Jak podano w informacji przygotowanej przez firmę H2Optim, gazem napędowym musi być gaz inny niż ten, który ma być usunięty, bo będzie on nasycał przepływającą wodę. Dlatego do usuwania dwutlenku węgla wystarczy zastosowanie powietrza, natomiast do usuwania cząstek tlenu konieczne jest zastosowanie azotu.
Podsumowanie
Przy doborze systemu uzdatniania wody do konkretnego zastosowania trzeba brać pod uwagę wiele elementów. Dotyczy to m.in. rodzaju potrzebnej wody: pitna, procesowa, kotłowa, do obiegów chłodniczych, chłodząca, płucząca itd. Obecnie dostępnych jest wiele rozwiązań, a na rynku pojawiają się nowe, coraz bardziej wydajne systemy. Dlatego najlepiej do problemów uzdatniania wody podchodzić indywidualnie. Chodzi też o to, by otrzymać wodę o wystarczających parametrach i w odpowiedniej ilości, bez ponoszenia niepotrzebnych kosztów. 
Autor: Bohdan Szafrański jest od początku lat 90. związany z branżą informatyczną. Ukończył studia podyplomowe z zakresu informatyki i telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej. Zajmował się zagadnieniami normalizacyjnymi w Polskim Komitecie Normalizacyjnym. Publicysta, dziennikarz. Obecnie publikuje m.in. w prasie specjalistycznej skierowanej do odbiorców z branży automatyki przemysłowej.
Tekst pochodzi z nr 3/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.