Co je rezervní osmóza

Význam reverzní osmózy při doúpravě pitné vody z hlediska fyziologie lidského organismu.

Reverzní osmóza je proces, při kterém za vyššího tlaku procházejí molekuly vody speciální membránou zatímco ionty a jiné rozpuštěné látky, jejichž molekuly jsou větší než voda, jsou membránou zadržovány na straně s vyšším tlakem, kde jsou zakoncentrovávány a plynule odváděny do odpadu. V současné době dosahuje tento proces při tlacích obvyklých ve vodovodních rozvodech účinnosti 96-98%, t.j. odstraní z vody 96-98% původně rozpuštěných látek.

Osmóza je fyzikální jev popisující určité děje v roztocích, které jsou v kontaktu s polopropustnou membránou.

O jaké fyzikální principy tu jde:

Roztok je tekutina průhledná, může být i nějak zbarvená, chová se jednolitě a sebejemnějším filtrem prochází v nezměněné podobě. Představíme-li si ho na nejmenší možné mikroskopické úrovni (rozhodně ne viditelné jakýmkoli dostupným mikroskopem), jde o směs molekul - částeček lišících se velikostí, tvarem a některými dalšími vlastnostmi. Každá molekula je nejmenším možným zástupcem chemicky přesně určené látky. Ty obvykle nejpočetnější a nejmenší z nich můžeme nazvat rozpouštědlo. Nejznámější a nejrozšířenější rozpouštědlo na Zemi je bezesporu voda - H2O. Molekula látky v roztoku nezůstává v klidu na jednom místě, nýbrž se neustále a čistě náhodně někam pohybuje. Tím je dlouhodobě zajištěna rovnoměrná koncentrace příslušné látky v celém objemu roztoku. Pokud roztok v nádobě rozdělíme zcela nepropustnou přepážkou, stanou se obě oddělené části roztoku na sobě nezávislé, a cokoli se stane s jednou částí, zůstane bez jakékoli odezvy v části druhé. Pokud k vytvoření přepážky použijeme propustný materiál charakteru filtru, který propouští všechny rozpuštěné molekuly, projeví se každá změna koncentrace v jedné části roztoku i v jeho části druhé, ač s větším časovým zpožděním. Ať jakoukoli látku v jedné části přidáme či ubereme, projeví se tato změna i v druhé části a koncentrace všech látek v roztoku na obou stranách přepážky se po čase vyrovná.

Pozoruhodná situace však nastává v případě, že použitá přepážka je "polopropustná", tzn. že některé molekuly roztoku propouští, jiné však nikoli. Tato rozdílná propustnost pro různé látky je dána především velikostí pórů v přepážce ve srovnání s velikostí rozpuštěných molekul. V ideálním stavu může taková membrána propouštět pouze rozpouštědlo a žádné látky rozpuštěné. Pokud zůstanou koncentrace všech látek v obou takto oddělených částech stejné, nic zvláštního se neděje. Pokud však na jedné straně zvýšíme koncentraci některé rozpuštěné látky či na straně druhé koncentraci snížíme (např. přidáním rozpouštědla), záhy zjistíme, že roztoku na straně vyšší koncentrace přibývá, na straně nižší koncentrace naopak ubývá. Uplatňuje se tu tendence, aby se koncentrace na obou stranách přepážky vyrovnaly, protože však rozpuštěná látka nemůže přepážkou projít, jediným způsobem, kterým se koncentrace na obou stranách mohou vyrovnat, zůstává přesun rozpouštědla, které membránou projde. Tak se rozpouštědlo přemisťuje z místa o nižší koncentraci do místa s koncentrací vyšší, a tento děj trvá tak dlouho, dokud se koncentrace v obou oddělených částech roztoku znovu nevyrovná či dokud síla, působící tento přesun (vyjádřená jako osmotický tlak) nebude vyrovnána silou působící na stejné úrovni v opačném směru, například silou hydrostatického tlaku.

Pro ilustraci, 0,9% roztok NaCl (který je izotonický s roztokem krevní plazmy) působí na ideální polopropustné membráně, na jejíž opačné straně je destilovaná voda, tlak téměř 7x větší než tlak atmosférický (690 kPa), tedy tlak 69 metrů vodního sloupce. To je tedy osmóza, jev, který se běžně v technice příliš neuplatňuje, v biologii a medicíně však má nesmírný význam, protože všude tam se setkáváme s ději na polopropustných membránách a tyto děje jsou základem všeho, co charakterizuje živou přírodu. Membrány podobných charakteristik jsou technice dostupné až v posledních desetiletích a jedním z prvních míst, kde se uplatnily, je umělá ledvina. I v tomto případě se však setkáváme s poměrně velkými póry a tedy i poměrně velkou propustností membrány pro molekuly podstatně větší než je voda. Ve funkci umělé ledviny je totiž žádoucí prostup nejen samotných molekul vody, ale i jednoduchých organických látek, jako je kyselina močová či kreatinin. Technologie však pokročila tak, že póry obdobných membrán mohou propouštět skutečně pouze částice velikosti molekuly vody.

Pokud membránu takovýchto parametrů použijeme k filtraci skutečně čisté vody z libovolného vodného roztoku, vzniká situace, kdy zatímco na jedné straně membrány vzniká čistá H2O, zbavená všech rozpuštěných příměsí, na straně vstupní se nám roztok příměsí ve zbývající vodě zahušťuje. Zde se však musí začít uplatňovat síla osmózy, a to přesně proti směru žádoucího děje - začne "nasávat" přefiltrovanou vodu zpět do koncentrovanějšího roztoku. Pokud tedy chceme nějakou čistou vodu tímto způsobem přefiltrovat, musíme ve směru filtrace působit silou, která sílu osmózy překoná. Tím vlastně osmotický děj na membráně obrátíme, a je tu reverzní osmóza - pohyb vody (rozpouštědla) proti směru osmotických sil. Je nasnadě, že nejsnáze tohoto obrácení pohybu dosáhneme působením tlakové síly, takže filtr používající membránu uvedených kvalit musí používat podstatně větší přetlak než filtr jiného principu. Čím větší přetlak použijeme, tím většího zahuštění vodného roztoku na vstupní straně filtru dosáhneme, tím více chemicky čisté vody z daného objemu zdrojového roztoku získáme a zůstane méně vody v roztoku "zbytkovém". Vždycky však musí určité množství "zbytkové vody" na vstupní straně membrány zůstat, neboť prakticky nelze dosáhnout tlaku, který by přefiltroval všechny molekuly vody. To má svou výhodu - všechny zadržené rozpuštěné látky filtr opouštějí v podobě zakoncentrovaného roztoku a filtr se jimi nezanáší. Míra tohoto zakoncentrování je v podstatě ekonomickým kompromisem mezi procentuální výtěžností filtru a energetickými nároky na jeho provoz (vytváření přetlaku stojí energii!). Pokud například vystačíme s tlakem ve vodovodním rozvodu, musíme počítat s tím, že na výstupu z filtračního zařízení bude tlak vytékající vody podstatně nižší. Ovšem bude to voda (s určitou tolerancí) skutečně z chemického hlediska čistá !!!