Umkehrosmose

Die Umkehrosmose, oft auch UO oder RO (vom englischen Reverse Osmosis) bezeichnet, ist ein Verfahren bei dem Wasser unter hohem Druck durch eine semi-permeable Membran gedrückt wird und damit das Wasser demineralsiert.

 Um den Zweck und den Prozess der Umkehrosmose zu verstehen, ist es notwendig, zuerst den Begriff Osmose zu erklären. Die Osmose ist ein natürlich vorkommendes Phänomen, bei dem eine schwächere Salzlösung dazu neigt, zu einer starken Salzlösung zu wandern, um diese zu verdünnen, bzw. beide Konzentrationen in den Flüssigkeiten auszugleichen. Die Kraft mit der die niedrig konzentrierte Lösung, bzw. das Lösungsmittel, von der höher konzentrierten Lösung angezogen wird, wird als osmotischer Druck bezeichnet.

Die Abbildung 1 zeigt das Phänomen der Osmose. Eine semipermeable Membran ist zwischen 2 Kammern angeordnet, die mit zwei unterschiedlich konzentrierten Flüssigkeiten befüllt sind, reines Wasser auf der einen Seite und salzhaltiges Wasser auf der anderen Seite. Semipermeabel bedeutet halb-durchlässig, dass heisst, dass die Membran für einige Dinge, zb. bestimmte Moleküle, durchlässig ist und für andere nicht. Bei der Osmose (ebenso wie bei der Umkehrosmose) ist die Membran hauptsächlich für Wassermoleküle durchlässig, jedoch nicht für die meisten gelösten Ionen (Salze) oder andere Verunreinigungen.

Um das Gleichgewicht zu erreichen (gleiche Salzkonzentration auf beiden Seiten der Membran), wandert das Wasser also vom Reinwasserkompartiment in das salzhaltige Kompartiment, um die Salzlösung zu verdünnen.

In der Abbildung kann man eine unterschiedliche Höhe der beiden Lösungen feststellen. Diese Höhe entsteht dadurch, dass das Wasser durch die Membran nur in eine Richtung fliessen kann, um die Konzentration auf beiden Seiten auszugleichen, da die gelösten Salze nicht durch die Membran passieren können. Sie tut dies so lange, bis der Druck der Wassersäule so hoch ist wie der osmotische Druck und den Wasserfluss stoppt. Die Höhe der Wassersäule bzw. der Wasserdruck gegen die Membran entspricht im Gleichgewichtspunkt des osmotischen Druckes der Flüssigkeiten.

Abbildung 1 – Phänomen der Osmose

Umkehrosmose

Um mit Hilfe dieses Phänomens reines Wasser zu erzeugen, muss also auf der Seite mit dem salzhaltigen Wasser eine "Kraft" (Druck) aufgebracht werden, um das Wasser in umgekehrter Richtung zum Fließen zu bringen und die Wassermoleküle durch die semipermeablen Membran zum Frischwasserkompartiment zu transportieren. Dies ist die Grundlage des Umkehrosmoseverfahrens (Abbildung 2). Der angewendete Druck muss hierbei den osmotischen Druck übersteigen.

Abbildung 2 – Umkehrosmoseprinzip

Wird Druck auf die Konzentratlösung ausgeübt, werden die Wassermoleküle durch die semipermeable Membran gedrückt, nicht jedoch die grösseren und schwereren Moleküle, wie die meisten Salze und andere Verunreinigungen. Ein paar wenige kleine gelöste Salze werden mit durch die Membran gedrückt. Je nach Membran, Zusammensetzung des Wassers und der Temperatur kann das Wasser bis zu 99% entsaltzt werden.

Wie funktioniert die Umkehrosmose?

Das Umkehrosmoseverfahren ist ein Querstromfiltrationsverfahren, bei dem das "salzige" Speisewasser quer über die Membranfläche fliesst, nachdem es mit Hilfe einer Hochdruckpumpe unter Druck gebracht wurde. Dabei werden die Wassermoleküle durch die Membran gedrückt und das Wasser in einen Permeat- und einen Konzentratstom aufgeteilt. Der Konzentratstrom (mit ca. 95-99% der verbleibenden gelösten Salze) verbleibt auf der Seite des Speisewassers und verlässt das Modul auf der anderen Seite, das Permeat ist das entsalzte reine Wasser, das durch die Membran hindurch permeiert ist.

In Abbildung 3 sieht man ein vereinfachtes Schmema eines Membransystems. Das Zulauf- oder Speisewasser (engl. Feed water) wird aufgeteilt in einen entsalzten Permeat- oder Reinswasserstrom (engl. permeate or pure water) und einen aufkonzentrierten Konzentrat- oder Solestrom (engl. concentrate/ brine or reject stream)

Abbildung 3 – Vereinfachtes Umkehrosmoseschema

Was entfernt eine Umkehrosmose aus dem Wasser?

Mit der Umkehrosmosemembran können gelöste Salze (Ionen), Partikel, Kolloide, organische Stoffe, Bakterien und Pyrogene aus dem Wasser entfernt werden.

Eine RO-Membran stösst Verunreinigungen basierend auf ihrer Größe und Ladung ab. Jegliche Verunreinigung mit einem Molekulargewicht von mehr als 180 Da wird höchstwahrscheinlich von einem RO-System zurückgewiesen. Ebenso gilt, je größer die Ionenladung, desto wahrscheinlicher ist es, dass es die RO-Membran nicht passieren kann.

RO-Membranen entfernen keine Gase wie CO2 oder O2. Diese Gase sind in Lösung nicht stark ionisiert (geladen) und haben ein sehr niedriges Molekulargewicht.

Wasser ist immer elektrisch neutral, das heißt, dass die Summe von positiv geladenen Kationen und negativ geladenen Anionen (ausgedrückt in Äquivalenten pro Liter, meq/L) gleich sein muss. Dies gilt daher auch für RO-Permeat, für jedes Kation, was durch die Membran permeiert, muss auch ein Anion folgen.

Permeat ist immer elektrisch neutral in der Ionenbilanz.

Anwendungen der Umkehrosmose

Die Umkehrosmose ist sehr geeignet bei der Behandlung von Grund- und Leitungswasser, Meerwasser und auch gut vorgereingtes Oberflächenwasser. Im Allgemeinen wird oft von Brackwasser gesprochen, das heisst Gewässer mit erhöhtem Salzgehalt, wobei hierfür keine klare Grenze der Salzkonzentration angegeben ist und dies per Sprache start variiert.

Einige Anwendungsbeispiele:

•          Kommunales Trinkwasser
•          Nahrungsmittel-und Getränkeindustrie
•          Landwirtschaftliche Bewässerung
•          Industrielles Reinstwasser
•          Industrielles Prozesswasser
•          Abwasserwiederverwendung
•          Energiewirtschaft (Kesselspeisewasser, Kühltürme)
•          Kommunal- / Brauchwasserwiederverwendung
•          Haushalte

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