Filtrační hmoty použité ve filtrech Dionela a Oasa

1. Aktivní uhlí (AU)

je nejstarším a nejpoužívanějším vodárenským sorbentem. Filtrace sloupcem AU je vhodná především na sorpci organických i anorganických nepolárních látek, včetně biologicky odbouratelného organického uhlíku. AU příznivě ovlivňuje senzorické vlastnosti pitné vody. Snižuje koncentrace nejen mnoha organických kontaminantů vč. vodních organismů a jejich metabolitů, ale i těžkých kovů, chloru a jeho organických sloučenin. AU zachovává původní (přírodní) minerální složení vody a tím i její biogenní hodnotu.

Důvod vysoké a mnohostranné účinnost AU je v jeho struktuře. AU je prostoupeno miliony jemných pórů a kapilár s aktivní plochou v rozmezí 800-1200 m2.g-1 Jedna kávová lžička aktivního uhlí tak představuje plochu jednoho fotbalového hřiště. Tento vnitřní povrch dává aktivnímu uhlí jedinečnou schopnost sorbovat široký rozsah složek z kapalné (i plynné) fáze. Podstatou účinků aktivního uhlí je fyzikální adsorpce, založená na působení van der Waalsových sil na povrchu AU (adsorbentu).

Jestliže molekuly adsorbátu nezůstávají pouze na povrchu, ale vnikají až do struktury adsorbentu – někdy až mezi atomy jeho krystalové mřížky – dochází mezi molekulami adsorbátu a povrchem adsorbentu až k  chemické reakci. Takto vzniklá vazba je proto mnohem silnější než při fyzikální adsorpci. Tento druhý základní typ adsorpce se nazývá chemisorpce.

Dechlorace (reakce s chlorem) na aktivním uhlí je obvykle popisována jako chemická reakce:

C + 2HClO  →  CO2 + 2H+ + 2Cl-.

Dechlorace vody na AU probíhá lépe na vodě o nižší teplotě. Teplou vodu při vysokých průtocích je výhodnější dechlorovat jinou technologií. Bakteriostaticky ošetřené aktivní uhlí je použito ve všech filtrech Dionela a vložkách filtru Oasa.

2. Iontovýměnné pryskyřice,

též měniče iontů, iontoměniče či ionexy jsou nerozpustné anorganické či organické hmoty nesoucí na svém skeletu funkční skupiny vybavené ionty, které jsou vyměňované za ionty přítomné v roztoku (vodě) protékajícím ionexovým ložem.

Proces, nazývaný iontovýměnná sorpce byl objeven roku 1850 jako vlastnost některých přirozených zemin. Průmyslově se využívá od roku 1920. Dnes nejpoužívanější iontoměniče jsou organické polymerní sloučeniny (pryskyřice) s prostorovou strukturou vzniklou zesítěním lineárních řetězců příčnými vazbami.

Základní rozdělení měničů iontů je: měnič aniontů (anex), měnič kationtů (katex). Pro úpravu pitné vody jsou určeny ionexy značené jako vhodné pro pitnou vodu nebo potravinářské účely. Jsou-li zároveň značeny jako ionexy s makroporésním skeletem, jsou víceúčelovější; kromě iontovýměnné sorpce jsou totiž schopné i fyzikální sorpce (podobně jako aktivní uhlí).

Iontovýměnné pryskyřice

Úprava pitné vody ionexy se v komunálním („velkém“) vodárenství neprovádí. Pro úpravu pitných vod je používána pouze při dodatečné úpravě vodními filtry.

Příklady použití při doúpravě pitné vody vodními filtry:

Pro odstraňování dusičnanů (i dusitanů) ze vstupní vody se používá denitratační anex (DA). To je speciální silně bazický anex s makropórezním skeletem a funkční skupinou –N+(R)3. Vyměňuje dusičnany (a dusitany) za jiné anionty. Nejčastěji za ionty Cl- , zřídka za Cl- + SO42-, exkluzivně za ionty Cl- + SO42- + HCO3- (tzv. plně selektivní denitratační anex – PSDA), podle toho, do jakých cyklů bylo lože denitratačního anexu převedeno (zregenerováno). PSDA je využíván ve filtru Dionela FDN2. Autor tohoto anexu i Dionely FDN2, Ing. Václav Michek, za něj získal Zlatou medaili na Světové výstavě vynálezů ve Švýcarsku.

Předností lože speciálního je nulová zpětná desorpce dusičnanů po dosažení totálního (reverzibilního) vyčerpání denitratační schopnosti lože. To je umožněno tím, že relativní afinity silně bazických anexů 1. typu vůči aniontům přítomným ve vstupní vodě tvoří řadu HCO3- < Cl- < SO42 < NO3-. Tato vlastnost je významnou podmínkou bezrizikové separace dusičnanů i dusitanů.

Délka (doba) od startu regenerovaného lože do dosažení předem určené meze průniku odstraňované složky se nazývá pracovní fáze. Pro PSDA určujeme za mez výstupní koncentraci 15 mg NO3-/l. K povinnému příslušenství loží se standardním DA (StDA) patří analytická kontrola dusičnanů a dusitanů.

Průběh obsahu NO3 ve filtrátu za ložem StDA i PSDA

Zároveň probíhá na makroporézním skeletu anexu i fyzikální sorpce.

V afinitní řadě jsou za dusičnany sírany. Jejich vliv na vlastnosti denitratačního lože je snížen, nikoliv však zcela potlačen. Pro výpočet denitratační kapacity filtračních vložek (např. denitratačního filtru Dionela FDN2 a vložky VD1 do filtru Oasa) potřebujeme proto znát vstupní koncentrace nejen dusičnanů, ale i síranů.

Pro odstraňování „přechodné tvrdosti“ lze použít slabě kyselý dekarbonizační katex, který odstraňuje ty ionty „tvrdosti“ vody, které jsou vyvážené HCO3­- iontem (vyjádřeno pomocí KNK4,5). Popsaný proces se nazývá ionexová dekarbonizace. Koncentrace hydrogenkarbonátů Ca a Mg (tzv. „přechodná tvrdost“) je snižována a obsah volného CO2 narůstá. Dekarbonizaci pitné vody lze nastavit tak, aby pokles pH vody nebyl nadměrný. Úprava vody ionexovou dekarbonizací se používá tehdy, dochází-li při ohřívání vody k nadměrnému výskytu nánosů na teplosměnných plochách, vč. (rychlo)varných nádob. Pro vaření pitné vody tehdy, je-li vařená zelenina našedlá a vařené nápoje postrádají svou vůni a vzhled. Dle našich pozorování obvykle začíná oblast vod s takovýmito vlastnostmi hodnotou Ca+Mg > 2,5 mmol/l a zároveň hodnotou KNK4,5 > 3,3 mmol/l. Cílem dekarbonizace není totální či převážné změkčování vody, ale snížení „přechodné tvrdosti“ při zachování „stálé – nekarbonátové tvrdosti“. Tedy se zachovanou biogenní hodnotou. Dekarbonizační katex je využíván v Dionele FTK3 a vložce VD3 do filtru Oasa.

Poznámka:
Při používání iontoměničů je vždy nutno, aby jim bylo předřazeno aktivní uhlí, které brání poškození iontoměničů volným chlorem. Pro zajištění bezpečnosti úpravny je také vyžadováno umístění aktivního uhlí za iontoměničem a bakteriostatické ošetření celé úpravny. Nepoužívejte filtry, které takto zajištěny nejsou. Vodní filtry Dionela takto zabezpečeny jsou.

Schéma uspořádání filtračních vložek Dionela

3. GEH (Granulated Eisen Hydroxide)

Těžké kovy se do pitné vody dostávají vyluhováním z hornin, ale i z odpadů těžby a úpraven rud, odpadů z energetiky a z metalurgického průmyslu.

Např. podíl arzenu v jednotlivých horninách se značně liší: v břidlicích se jeho koncentrace pohybuje kolem 10mg/kg, v žulách kolem 2mg/kg, v pískovcích a vápencích kolem 1mg/kg. V případě vrtů a studen je tedy koncentrace arzenu v pitné vodě dána druhem horniny, ze které se voda čerpá. V ČR se vyšší obsahy arzenu vyskytují především ve Středočeském plutonu (oblast od Říčan ke Klatovům, na západ zasahující až Plzeňsko) a v rudných nalezištích, např. na Šumavě, v Orlických horách, v Jeseníku, v Krušných horách, ale i v okolí Brna. Arzen často provází výskyt radonu.

O rozsahu zamoření našich půd arzenem si můžeme udělat obrázek z podkladů, které zveřejnilo Ministerstvo zemědělství v roce 1995: obsahy arzenu v půdě dosahují až 1 000 mg/kg. Pozor, tyto hodnoty arzenu v půdě jsou v jednotkách miligramů na kg. U vody ale požadujeme o 3 řády nižší koncentraci – mikrogramy na litr!

V běžném okolním životním prostředí se běžně setkáváme s určitou nízkou hladinou koncentrace arzenu. Vyšší dávky mohou organismus poškodit. Arzen je značně jedovatý a je prokázaný karcinogen – způsobuje rakovinu kůže, plic, jater, ledvin a močového měchýře.

V souladu s tím, že byla prokázána nesporná karcinogenita a toxicita arzenu, rozhodla se Světová zdravotnická organizace a s ní i naše orgány ochrany veřejného zdraví od 1. 1. 2001  snížit maximální přípustné množství arzenu v pitné vodě z 50 na 10 µg/litr. Poté, co se odborníci seznámili s novými poznatky o genotoxicitě arzenu, doporučují, aby jeho obsah v pitné vodě nepřekračoval jeden mikrogram na litr. Přičemž za cílovou hranici EPA vyhlásila „nulový“ obsah arzenu v pitné vodě.

K odstranění těžkých kovů vč. arzenu z vody se často používá chemisorpce na médiu na bázi oxidů a hydroxidů železa, nejčastěji GEH.

Sorbent GEH je využíván ve filtru Dionela FAS4 a vložce VD4 do filtru Oasa (opět spolu s aktivním uhlím). Kapacita pro arzen: Za předpokladu pH nižším než 8 a koncentrace železa a manganu nepřekračující současný hygienický standard odstraní Dionela FAS4 minimálně 1g arzenu. Pro vodu, obsahující množství arzenu do 100 µg/litr (desetkrát překračující „normu“), to znamená 10 000 litrů pitné vody, zbavené arzenu. Funkčnost filtru Dionela FAS4 je až 2 roky od prvého zavodnění, poté je nutná výměna filtrační vložky za novou.

4. Mechanická separace mikroorganismů (bakterií, plísní, prvoků a jejich oocyst)

je moderní technologie, umožňující odstranit z vody nežádoucí biologické znečištění bez použití chemických látek, produkujících vedlejší, často karcinogenní sloučeniny. Tato separace je realizována mikrofiltrací přes přepážky s póry o velikosti cca 0,2 – 0,5 µm, což je velikost zachycující 99% mikroorganismů. Přes tuto překážku neprojdou žádné bakterie ani oocysty cryptosporidií (jejich velikost činí cca 5 µm), která jsou aktuálním problémem vodárenské hydrobiologie. Póry těchto rozměrů ale propouští minerály, takže není deformováno přirozené minerální složení vody.

Nejnovější způsob mikrofiltrace je realizován polypropylénovými dutými vlákny o vnitřním průměru 5 µm, s póry o velikosti 200 nm. Jsou použity jako samostatný filtr Dionela MSM, výhodou použití těchto vláken v samostatném tělese je velká filtrační plocha s důsledkem nižších tlakových ztrát.

Poznámka: Obecně pro separaci chemických látek, iontů a mikroorganismů slouží široká škála membrán – liší se jak druhem materiálu, tak především velikostí pórů. Membrány používané v  přístrojích pro reverzní osmózu (RO) mají velikost pórů pod 3 nm, tedy cca 100krát menší než je velikost pórů mikrofiltračních vláken. Membrány RO na rozdíl od námi používanými mikrovlákny nepropouští ionty, a tedy ani biogenní prvky vápník a hořčík.