Umkehrosmose
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Die Umkehrosmose (RO) ist ein Wasserreinigungsverfahren, bei dem eine teilweise durchlässige Membran verwendet wird, um Ionen, unerwünschte Moleküle und größere Partikel aus dem Trinkwasser zu trennen. Bei der Umkehrosmose wird ein Druck angelegt, um den osmotischen Druck zu überwinden, eine kolligative Eigenschaft, die durch chemische Potenzialunterschiede des Lösungsmittels, einen thermodynamischen Parameter, bestimmt wird. Die Umkehrosmose kann viele Arten von gelösten und suspendierten chemischen Stoffen sowie biologische Stoffe (vor allem Bakterien) aus dem Wasser entfernen und wird sowohl in industriellen Prozessen als auch bei der Trinkwassergewinnung eingesetzt. Das Ergebnis ist, dass die gelösten Stoffe auf der unter Druck stehenden Seite der Membran zurückgehalten werden und das reine Lösungsmittel auf die andere Seite gelangen kann. Um "selektiv" zu sein, darf diese Membran keine großen Moleküle oder Ionen durch die Poren (Löcher) lassen, sondern muss kleinere Bestandteile der Lösung (wie Lösungsmittelmoleküle, z. B. Wasser, H2O) ungehindert passieren lassen. ⓘ
Beim normalen Osmoseprozess bewegt sich das Lösungsmittel auf natürliche Weise von einem Bereich mit niedriger Konzentration an gelösten Stoffen (hohes Wasserpotenzial) durch eine Membran zu einem Bereich mit hoher Konzentration an gelösten Stoffen (niedriges Wasserpotenzial). Die treibende Kraft für die Bewegung des Lösungsmittels ist die Verringerung der freien Gibbs-Energie des Systems, wenn der Unterschied in der Lösungsmittelkonzentration auf beiden Seiten einer Membran verringert wird, wodurch ein osmotischer Druck entsteht, da sich das Lösungsmittel in die konzentriertere Lösung bewegt. Die Anwendung eines externen Drucks zur Umkehrung des natürlichen Flusses von reinem Lösungsmittel ist also Umkehrosmose. Das Verfahren ähnelt anderen Anwendungen der Membrantechnologie. ⓘ
Die Umkehrosmose unterscheidet sich von der Filtration dadurch, dass der Mechanismus des Flüssigkeitsflusses durch Osmose über eine Membran erfolgt. Der vorherrschende Entfernungsmechanismus bei der Membranfiltration ist die Beanspruchung oder der Größenausschluss, wobei die Poren 0,01 Mikrometer oder größer sind, so dass das Verfahren theoretisch unabhängig von Parametern wie dem Druck und der Konzentration der Lösung eine perfekte Effizienz erreichen kann. Bei der Umkehrosmose hingegen diffundiert das Lösungsmittel durch eine Membran, die entweder nicht porös ist oder eine Nanofiltration mit Poren von 0,001 Mikrometern Größe verwendet. Der vorherrschende Entfernungsmechanismus beruht auf Unterschieden in der Löslichkeit oder Diffusionsfähigkeit, und der Prozess ist abhängig von Druck, Konzentration der gelösten Stoffe und anderen Bedingungen. ⓘ
Die Umkehrosmose ist vor allem für ihre Anwendung bei der Trinkwasseraufbereitung aus Meerwasser bekannt, bei der das Salz und andere Stoffe aus den Wassermolekülen entfernt werden. ⓘ
Die Umkehrosmose oder Reversosmose ist ein physikalisches Verfahren der Membrantechnik zur Konzentrierung von in Flüssigkeiten gelösten Stoffen, bei der mit Druck der natürliche Osmose-Prozess umgekehrt wird. ⓘ
Geschichte
Der Prozess der Osmose durch semipermeable Membranen wurde erstmals 1748 von Jean-Antoine Nollet beobachtet. In den folgenden 200 Jahren war Osmose nur ein im Labor beobachtetes Phänomen. Im Jahr 1950 untersuchte die University of California in Los Angeles erstmals die Entsalzung von Meerwasser mit Hilfe halbdurchlässiger Membranen. Mitte der 1950er Jahre gelang es Forschern der Universität von Kalifornien in Los Angeles und der Universität von Florida, Süßwasser aus Meerwasser zu gewinnen. Der Durchfluss war jedoch zu gering, um wirtschaftlich rentabel zu sein, bis Sidney Loeb und Srinivasa Sourirajan vom Nationalen Forschungsrat Kanadas in Ottawa an der Universität von Kalifornien in Los Angeles Techniken zur Herstellung asymmetrischer Membranen entdeckten, die sich durch eine sehr dünne "Hautschicht" auszeichnen, die auf einem hochporösen und viel dickeren Substratbereich der Membran liegt. John Cadotte von der Filmtec Corporation entdeckte, dass Membranen mit besonders hohem Durchfluss und geringem Salzdurchlass durch Grenzflächenpolymerisation von m-Phenylendiamin und Trimesoylchlorid hergestellt werden können. Das Patent von Cadotte auf dieses Verfahren war Gegenstand eines Rechtsstreits und ist inzwischen ausgelaufen. Fast alle kommerziellen Umkehrosmosemembranen werden heute nach diesem Verfahren hergestellt. Im Jahr 2019 waren weltweit etwa 16 000 Entsalzungsanlagen in Betrieb, die rund 95 Millionen Kubikmeter pro Tag (25 Milliarden US-Gallonen pro Tag) entsalztes Wasser für den menschlichen Gebrauch produzierten. Etwa die Hälfte dieser Kapazität entfiel auf die Region Naher Osten und Nordafrika.
Cape Coral, Florida, war 1977 die erste Gemeinde in den Vereinigten Staaten, die das Umkehrosmoseverfahren in großem Maßstab einsetzte, mit einer anfänglichen Betriebskapazität von 11,35 Millionen Litern pro Tag. Aufgrund des raschen Bevölkerungswachstums in Cape Coral verfügte die Stadt 1985 über die größte Niederdruck-Umkehrosmoseanlage der Welt mit einer Kapazität von 56,8 Millionen Litern pro Tag (MGD).
Formal gesehen ist Umkehrosmose das Verfahren, bei dem ein Lösungsmittel aus einem Bereich mit hoher Lösungsmittelkonzentration durch eine halbdurchlässige Membran in einen Bereich mit niedriger Lösungsmittelkonzentration gepresst wird, indem ein Druck angelegt wird, der den osmotischen Druck übersteigt. Die größte und wichtigste Anwendung der Umkehrosmose ist die Trennung von reinem Wasser aus Meer- und Brackwasser; Meer- oder Brackwasser wird gegen eine Oberfläche der Membran gedrückt, wodurch salzarmes Wasser durch die Membran transportiert wird und auf der Niederdruckseite trinkbares Wasser austritt. ⓘ
Die für die Umkehrosmose verwendeten Membranen haben eine dichte Schicht in der Polymermatrix - entweder die Haut einer asymmetrischen Membran oder eine zwischenpolymerisierte Schicht in einer Dünnschicht-Verbundmembran -, in der die Trennung stattfindet. In den meisten Fällen ist die Membran so konstruiert, dass nur Wasser diese dichte Schicht passieren kann, während gelöste Stoffe (z. B. Salzionen) nicht durchgelassen werden. Bei diesem Verfahren muss auf der hochkonzentrierten Seite der Membran ein hoher Druck ausgeübt werden, in der Regel 2-17 bar (30-250 psi) für Süß- und Brackwasser und 40-82 bar (600-1200 psi) für Meerwasser, das einen natürlichen osmotischen Druck von etwa 27 bar (390 psi) hat, der überwunden werden muss. Dieses Verfahren ist am bekanntesten für seinen Einsatz bei der Entsalzung (Entfernung von Salz und anderen Mineralien aus Meerwasser zur Gewinnung von Süßwasser), wird aber seit den frühen 1970er Jahren auch zur Reinigung von Süßwasser für medizinische, industrielle und häusliche Anwendungen eingesetzt. ⓘ
Beim zweistufigen Verfahren sind zwei RO-Membranen hintereinander geschaltet, durch die das aufzubereitende Wasser gepresst wird. Vor jeder der beiden RO-Membranen befindet sich eine Druckerhöhungspumpe, die mit Drücken von ca. 12–15 bar arbeitet. ⓘ
Anwendungen für Süßwasser
Reinigung von Trinkwasser
Auf der ganzen Welt werden Trinkwasseraufbereitungssysteme für den Haushalt, einschließlich einer Umkehrosmose, zur Verbesserung des Trink- und Kochwassers eingesetzt. ⓘ
Solche Systeme umfassen in der Regel eine Reihe von Schritten:
- einen Sedimentfilter zum Abfangen von Partikeln, einschließlich Rost und Kalziumkarbonat
- optional einen zweiten Sedimentfilter mit kleineren Poren
- einen Aktivkohlefilter, der organische Chemikalien und Chlor abfängt, die bestimmte Arten von Dünnschicht-Verbundmembranen angreifen und abbauen können
- einen Umkehrosmosefilter, der eine Dünnschicht-Verbundmembran ist
- optional eine Ultraviolettlampe zur Sterilisierung von Mikroben, die der Filterung durch die Umkehrosmosemembran entgehen könnten
- optional einen zweiten Kohlefilter, um die von der Umkehrosmosemembran nicht entfernten Chemikalien abzufangen ⓘ
In einigen Systemen wird der Kohlevorfilter weggelassen und eine Cellulosetriacetatmembran verwendet. CTA (Cellulosetriacetat) ist eine Membran aus einem Papiernebenprodukt, das mit einer synthetischen Schicht verbunden ist und den Kontakt mit dem Chlor im Wasser ermöglicht. Diese Membranen benötigen eine geringe Menge an Chlor in der Wasserquelle, um die Bildung von Bakterien zu verhindern. Die typische Rückweisungsrate für CTA-Membranen liegt bei 85-95 %. ⓘ
Die Zellulosetriacetatmembran ist anfällig für Fäulnis, wenn sie nicht durch gechlortes Wasser geschützt wird, während die Dünnschicht-Verbundmembran unter dem Einfluss von Chlor zerfällt. Eine Dünnschicht-Verbundmembran (TFC) besteht aus synthetischem Material und muss von Chlor befreit werden, bevor das Wasser in die Membran gelangt. Um die TFC-Membranelemente vor Chlorschäden zu schützen, werden in allen Umkehrosmosesystemen für Privathaushalte Kohlefilter als Vorbehandlung eingesetzt. TFC-Membranen haben eine höhere Rückweisungsrate von 95-98 % und eine längere Lebensdauer als CTA-Membranen. ⓘ
Tragbare Umkehrosmose-Wasseraufbereitungsanlagen werden für die persönliche Wasseraufbereitung an verschiedenen Orten verkauft. Um effektiv arbeiten zu können, muss das Wasser, das diesen Geräten zugeführt wird, unter einem gewissen Druck stehen (280 kPa (40 psi) oder höher ist die Norm). Tragbare Umkehrosmose-Wasseraufbereitungsgeräte können von Menschen verwendet werden, die in ländlichen Gebieten ohne sauberes Wasser leben, weit weg von den Wasserleitungen der Stadt. Landbewohner filtern Fluss- oder Meerwasser selbst, da das Gerät einfach zu bedienen ist (für salzhaltiges Wasser sind möglicherweise spezielle Membranen erforderlich). Einige Reisende auf langen Boots-, Angel- oder Inselcampingreisen oder in Ländern, in denen die örtliche Wasserversorgung verschmutzt oder minderwertig ist, verwenden Umkehrosmose-Wasseraufbereitungsanlagen in Verbindung mit einem oder mehreren Ultraviolett-Sterilisatoren. ⓘ
Bei der Herstellung von Mineralwasser in Flaschen wird das Wasser durch eine Umkehrosmoseanlage geleitet, um Schadstoffe und Mikroorganismen zu entfernen. In den europäischen Ländern ist eine solche Aufbereitung von natürlichem Mineralwasser (im Sinne einer europäischen Richtlinie) nach europäischem Recht jedoch nicht zulässig. In der Praxis kann ein Teil der lebenden Bakterien die Umkehrosmosemembranen durch kleine Unvollkommenheiten passieren oder die Membran durch winzige Lecks in den umgebenden Dichtungen ganz umgehen. Daher können komplette Umkehrosmoseanlagen zusätzliche Wasseraufbereitungsstufen enthalten, die mit ultraviolettem Licht oder Ozon arbeiten, um eine mikrobiologische Verunreinigung zu verhindern. ⓘ
Die Porengröße der Membranen kann je nach Filtertyp zwischen 0,1 und 5.000 nm liegen. Bei der Partikelfiltration werden Partikel von 1 µm oder größer entfernt. Die Mikrofiltration entfernt Partikel mit einer Größe von 50 nm oder mehr. Ultrafiltration entfernt Partikel mit einer Größe von etwa 3 nm oder mehr. Die Nanofiltration entfernt Partikel mit einer Größe von 1 nm oder mehr. Die Umkehrosmose gehört zur letzten Kategorie der Membranfiltration, der Hyperfiltration, und entfernt Partikel, die größer als 0,1 nm sind. ⓘ
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Die Umkehrosmose ist zahlreichen Aufbereitungsanlagen für Trinkwasser in Haushalten als Zwischenschritt eingeschaltet. Solche Systeme arbeiten in Abhängigkeit von der Wasserqualität mit Kombinationen aus Membranen und Filtern (verschiedene Porengrößen, Aktivkohlefilter), sowie eventuell ultraviolettem Licht zur Beseitigung von Mikroben, die durch die Filter und Membranen nicht abgehalten wurden. In einigen Systemen wird die Vorstufe des Aktivkohlefilters durch eine Zelluloseacetat-Membran ersetzt. Diese Membran wird abgebaut, sofern nicht gechlortes Wasser eingesetzt wird. Ein nachgeschalteter Aktivkohlefilter entfernt das vorher zugesetzte Chlor wieder. ⓘ
Dezentraler Einsatz: solarbetriebene Umkehrosmose
Eine solarbetriebene Entsalzungsanlage produziert Trinkwasser aus Salzwasser, indem sie ein Photovoltaiksystem einsetzt, das Sonnenenergie in die für die Umkehrosmose erforderliche Energie umwandelt. Da Sonnenlicht in verschiedenen Regionen in großem Umfang zur Verfügung steht, eignet sich die solarbetriebene Umkehrosmose gut für die Trinkwasseraufbereitung in abgelegenen Gebieten, in denen es kein Stromnetz gibt. Darüber hinaus überwindet die Solarenergie die in der Regel hohen Betriebskosten und Treibhausgasemissionen herkömmlicher Umkehrosmosesysteme, was sie zu einer nachhaltigen Süßwasserlösung macht, die mit den Gegebenheiten in Entwicklungsländern kompatibel ist. So wurde beispielsweise eine solarbetriebene Entsalzungsanlage für abgelegene Gemeinden im australischen Nordterritorium erfolgreich getestet. ⓘ
Obwohl die intermittierende Natur des Sonnenlichts und seine variable Intensität während des Tages die Vorhersage der PV-Effizienz schwierig macht und die Entsalzung während der Nacht eine Herausforderung darstellt, gibt es mehrere Lösungen. So können beispielsweise Batterien, die die für die Entsalzung benötigte Energie außerhalb der Sonnenstunden liefern, zur Speicherung von Solarenergie während des Tages verwendet werden. Neben dem Einsatz herkömmlicher Batterien gibt es auch alternative Methoden zur Speicherung von Solarenergie. Thermische Energiespeichersysteme beispielsweise lösen das Speicherproblem und sorgen für eine konstante Leistung auch außerhalb der Sonnenstunden und an bewölkten Tagen, was die Gesamteffizienz verbessert. ⓘ
Militärische Nutzung: die Umkehrosmose-Wasseraufbereitungsanlage
Eine Umkehrosmose-Wasseraufbereitungsanlage (ROWPU) ist eine tragbare, in sich geschlossene Wasseraufbereitungsanlage. Sie wurde für den militärischen Einsatz entwickelt und kann Trinkwasser aus nahezu jeder Wasserquelle gewinnen. Es gibt viele Modelle, die von den Streitkräften der Vereinigten Staaten und den kanadischen Streitkräften verwendet werden. Einige Modelle sind in Containern untergebracht, andere in Anhängern, und wieder andere sind eigenständige Fahrzeuge. ⓘ
Jede Teilstreitkraft der Vereinigten Staaten hat ihre eigene Modellreihe von Umkehrosmose-Wasseraufbereitungsanlagen, die jedoch alle ähnlich sind. Das Wasser wird von der Rohwasserquelle in das Modul der Umkehrosmose-Wasseraufbereitungsanlage gepumpt, wo es mit einem Polymer behandelt wird, um die Koagulation einzuleiten. Anschließend wird es durch einen Multi-Media-Filter geleitet, wo es einer ersten Behandlung unterzogen wird, bei der Trübungen entfernt werden. Anschließend wird es durch einen Patronenfilter gepumpt, bei dem es sich in der Regel um spiralförmig gewickelte Baumwolle handelt. Dieser Prozess klärt das Wasser von allen Partikeln, die größer als 5 µm sind, und beseitigt fast alle Trübungen. ⓘ
Das geklärte Wasser wird dann über eine Hochdruck-Kolbenpumpe in eine Reihe von Behältern geleitet, wo es einer Umkehrosmose unterzogen wird. Das Produktwasser ist frei von 90,00-99,98 % der gesamten gelösten Feststoffe des Rohwassers und sollte nach militärischen Standards nicht mehr als 1000-1500 Teile pro Million Teile nach Maßgabe der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. Anschließend wird es mit Chlor desinfiziert und zur späteren Verwendung gelagert. ⓘ
Im Auftrag der NASA wurden Verfahren zur Anwendung der Umkehrosmose auf Eigenurin bei Weltraumaufenthalten entwickelt. ⓘ
Wasser- und Abwasseraufbereitung
In Los Angeles und anderen Städten wird Regenwasser aus Regenwasserkanälen mit Umkehrosmose-Wasseraufbereitungsanlagen gereinigt und für die Landschaftsbewässerung und industrielle Kühlung verwendet, um das Problem der Wasserknappheit zu lösen. ⓘ
In der Industrie werden durch Umkehrosmose Mineralien aus dem Kesselwasser von Kraftwerken entfernt. Das Wasser wird mehrfach destilliert. Es muss so rein wie möglich sein, damit es keine Ablagerungen auf den Maschinen hinterlässt oder Korrosion verursacht. Die Ablagerungen innerhalb oder außerhalb der Kesselrohre können zu einer unzureichenden Leistung des Kessels führen, was seinen Wirkungsgrad verringert und zu einer schlechten Dampferzeugung und damit zu einer schlechten Stromerzeugung in der Turbine führt. ⓘ
Es wird auch zur Reinigung von Abwasser und Brackwasser verwendet. Größere Abwassermengen (mehr als 500 m3/Tag) sollten zunächst in einer Kläranlage behandelt werden, und das klare Abwasser wird dann einer Umkehrosmoseanlage zugeführt. Dadurch werden die Behandlungskosten erheblich gesenkt und die Lebensdauer der Membranen der Umkehrosmoseanlage verlängert. ⓘ
Das Verfahren der Umkehrosmose kann für die Herstellung von entionisiertem Wasser verwendet werden. ⓘ
Das Umkehrosmoseverfahren zur Wasseraufbereitung erfordert keine thermische Energie. Umkehrosmoseanlagen mit Durchfluss können durch Hochdruckpumpen geregelt werden. Die Ausbeute an gereinigtem Wasser hängt von verschiedenen Faktoren ab, u. a. von der Membrangröße, der Porengröße der Membran, der Temperatur, dem Betriebsdruck und der Membranfläche. ⓘ
Im Jahr 2002 kündigte Singapur an, dass ein Verfahren namens NEWater einen wichtigen Teil seiner zukünftigen Wasserpläne ausmachen würde. Dabei werden häusliche Abwässer durch Umkehrosmose aufbereitet, bevor das NEWater wieder in die Reservoirs eingeleitet wird. ⓘ
Lebensmittelindustrie
Neben der Entsalzung ist die Umkehrosmose ein wirtschaftlicheres Verfahren zur Konzentrierung von Lebensmittelflüssigkeiten (z. B. Fruchtsäften) als herkömmliche Wärmebehandlungsverfahren. Es wurden Forschungsarbeiten zur Konzentrierung von Orangen- und Tomatensaft durchgeführt. Zu den Vorteilen der Umkehrosmose gehören die niedrigeren Betriebskosten und die Möglichkeit, Wärmebehandlungsprozesse zu vermeiden, was sie für hitzeempfindliche Stoffe wie die in den meisten Lebensmitteln enthaltenen Proteine und Enzyme geeignet macht. ⓘ
In der Milchindustrie wird die Umkehrosmose in großem Umfang für die Herstellung von Molkeproteinpulvern und für die Konzentration von Milch zur Senkung der Transportkosten eingesetzt. Bei Molkeanwendungen wird die Molke (die nach der Käseherstellung verbleibende Flüssigkeit) vor der Ultrafiltrationsverarbeitung durch Umkehrosmose von 6 % Gesamtfeststoffgehalt auf 10-20 % Gesamtfeststoffgehalt konzentriert. Das Retentat der Ultrafiltration kann dann zur Herstellung verschiedener Molkepulver, einschließlich Molkeproteinisolat, verwendet werden. Außerdem wird das laktosehaltige Ultrafiltrationspermeat durch Umkehrosmose von 5 % Gesamtfeststoffgehalt auf 18-22 % Gesamtfeststoffgehalt aufkonzentriert, um die Kosten für die Kristallisation und Trocknung des Laktosepulvers zu senken. ⓘ
Obwohl dieses Verfahren früher in der Weinindustrie gemieden wurde, ist es heute weithin bekannt und wird eingesetzt. Im Jahr 2002 waren in Bordeaux, Frankreich, schätzungsweise 60 Umkehrosmoseanlagen im Einsatz. Zu den bekannten Anwendern gehören viele der Spitzengewächse (Kramer) wie das Château Léoville-Las Cases in Bordeaux. ⓘ
Herstellung von Ahornsirup
1946 begannen einige Ahornsiruperzeuger mit der Umkehrosmose, um dem Saft das Wasser zu entziehen, bevor er zu Sirup eingekocht wird. Durch den Einsatz der Umkehrosmose kann dem Saft etwa 75-90 % des Wassers entzogen werden, wodurch der Energieverbrauch gesenkt und der Sirup weniger hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Die mikrobielle Verunreinigung und die Zersetzung der Membranen müssen überwacht werden. ⓘ
Alkoholarmes Bier
Wenn Bier mit normalem Alkoholgehalt der Umkehrosmose unterzogen wird, passieren sowohl Wasser als auch Alkohol die Membran leichter als die anderen Bestandteile, so dass ein "Bierkonzentrat" zurückbleibt. Das Konzentrat wird dann mit frischem Wasser verdünnt, um die nicht flüchtigen Bestandteile wieder in ihrer ursprünglichen Intensität zu erhalten. ⓘ
Wasserstoffproduktion
Bei der Wasserstofferzeugung in kleinem Maßstab wird die Umkehrosmose manchmal eingesetzt, um die Bildung von Mineralablagerungen auf der Oberfläche der Elektroden zu verhindern. ⓘ
Aquarien
Viele Riffaquarianer verwenden Umkehrosmosesysteme für ihre künstliche Meerwassermischung. Gewöhnliches Leitungswasser kann zu viel Chlor, Chloramine, Kupfer, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Silikate und viele andere Chemikalien enthalten, die für die empfindlichen Organismen in einer Riffumgebung schädlich sind. Verunreinigungen wie Stickstoffverbindungen und Phosphate können zu übermäßigem und unerwünschtem Algenwachstum führen. Eine effektive Kombination aus Umkehrosmose und Deionisierung ist bei Riffaquarianern am beliebtesten und wird aufgrund der geringen Betriebskosten anderen Wasserreinigungsverfahren vorgezogen. Wenn das Wasser Chlor und Chloramine enthält, muss es vor der Membran mit Kohlenstoff gefiltert werden, da die übliche, von Riffaquarianern verwendete Haushaltsmembran mit diesen Verbindungen nicht zurechtkommt. ⓘ
Süßwasseraquarianer verwenden auch Umkehrosmosesysteme, um das sehr weiche Wasser vieler tropischer Gewässer nachzubilden. Während viele tropische Fische in entsprechend aufbereitetem Leitungswasser überleben können, kann die Zucht unmöglich sein. Viele Aquaristikfachgeschäfte bieten zu diesem Zweck Behälter mit Umkehrosmosewasser an. ⓘ
Reinigung von Fenstern
Eine immer beliebtere Methode zur Reinigung von Fenstern ist das so genannte "wassergespeiste Stangensystem". Statt die Fenster auf herkömmliche Weise mit Reinigungsmitteln zu waschen, werden sie mit hochgereinigtem Wasser, das in der Regel weniger als 10 ppm gelöste Feststoffe enthält, mit einer Bürste am Ende einer langen Stange geschrubbt, die vom Boden aus geschwungen wird. Zur Reinigung des Wassers wird in der Regel Umkehrosmose eingesetzt. ⓘ
Reinigung von Sickerwasser aus Deponien
Die Behandlung mit Umkehrosmose ist nur begrenzt möglich, da die Rückgewinnung bei hoher Konzentration (gemessen mit der elektrischen Leitfähigkeit) gering ist und die Umkehrosmosemembranen verschmutzen. Die Anwendbarkeit der Umkehrosmose wird durch Leitfähigkeit, organische Stoffe und anorganische Ablagerungen wie CaSO4, Si, Fe und Ba eingeschränkt. Für geringe organische Ablagerungen können zwei verschiedene Technologien eingesetzt werden, zum einen der Einsatz von Modulen mit spiralförmig gewickelten Membranen, und für hohe organische Ablagerungen können Module mit Scheibenrohren und Umkehrosmose-Membranen mit hoher Leitfähigkeit und höherem Druck (bis zu 90 bar) verwendet werden. Scheibenrohrmodule wurden für die Reinigung von Deponiesickerwasser, das in der Regel stark mit organischem Material verunreinigt ist, neu konzipiert. Aufgrund der Querströmung mit hoher Geschwindigkeit wird eine Strömungspumpe eingesetzt, die den Strom 1,5- bis 3-mal über dieselbe Membranfläche rezirkulieren lässt, bevor er als Konzentrat abgegeben wird. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit ist auch gut gegen die Ablagerung der Membran und ermöglicht eine erfolgreiche Reinigung der Membran. ⓘ
Stromverbrauch für ein Scheibenrohrmodulsystem
| Energieverbrauch pro m3 Sickerwasser ⓘ | |||
|---|---|---|---|
| Name des Moduls | 1-stufig bis zu 75 bar | 2-stufig bis 75 bar | 3-stufig bis 120 bar |
| Scheibenrohr-Modul | 6,1-8,1 kWh/m3 | 8,1-9,8 kWh/m3 | 11,2-14,3 kWh/m3 |
Entsalzung
In Gebieten, die über kein oder nur begrenztes Oberflächen- oder Grundwasser verfügen, kann eine Entsalzungsanlage eingesetzt werden. Die Umkehrosmose ist aufgrund ihres relativ geringen Energieverbrauchs eine zunehmend verbreitete Methode der Entsalzung. ⓘ
In den letzten Jahren ist der Energieverbrauch dank der Entwicklung effizienterer Energierückgewinnungsgeräte und verbesserter Membranmaterialien auf etwa 3 kWh/m3 gesunken. Nach Angaben der International Desalination Association wurde im Jahr 2011 in 66 % der installierten Entsalzungskapazität (0,0445 von 0,0674 km³/Tag) und in fast allen neuen Anlagen Umkehrosmose eingesetzt. Andere Anlagen verwenden hauptsächlich thermische Destillationsverfahren: Mehrstufendestillation und Multi-Stage Flash. ⓘ
Die Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose (SWRO), ein Membranverfahren, wird seit den frühen 1970er Jahren kommerziell genutzt. Die erste praktische Anwendung wurde von Sidney Loeb von der University of California in Los Angeles in Coalinga, Kalifornien, und Srinivasa Sourirajan vom National Research Council, Kanada, demonstriert. Da keine Erwärmung oder Phasenumwandlung erforderlich ist, ist der Energiebedarf mit etwa 3 kWh/m3 im Vergleich zu anderen Entsalzungsverfahren gering, aber immer noch viel höher als bei anderen Formen der Wasserversorgung, einschließlich der Umkehrosmosebehandlung von Abwasser, mit 0,1 bis 1 kWh/m3. Bis zu 50 % des zugeführten Meerwassers können als Süßwasser zurückgewonnen werden, obwohl niedrigere Rückgewinnungsraten die Verschmutzung der Membranen und den Energieverbrauch verringern können. ⓘ
Die Umkehrosmose von Brackwasser bezieht sich auf die Entsalzung von Wasser mit einem geringeren Salzgehalt als Meerwasser, in der Regel aus Flussmündungen oder salzhaltigen Brunnen. Das Verfahren ist im Wesentlichen dasselbe wie die Meerwasserumkehrosmose, erfordert jedoch geringere Drücke und damit weniger Energie. Je nach Salzgehalt des Speisewassers können bis zu 80 % des zugeführten Wassers als Süßwasser zurückgewonnen werden. ⓘ
Die Ashkelon Meerwasser-Umkehrosmoseanlage in Israel ist die größte der Welt. Das Projekt wurde von einem Konsortium aus drei internationalen Unternehmen als Build-Operate-Transfer-Projekt entwickelt: Veolia Water, IDE Technologies und Elran. ⓘ
Das typische Single-Pass-Meerwasser-Umkehrosmosesystem besteht aus:
- Einlass
- Voraufbereitung
- Hochdruckpumpe (falls nicht mit Energierückgewinnung kombiniert)
- Membraneinheit
- Energierückgewinnung (falls verwendet)
- Remineralisierung und pH-Einstellung
- Desinfektion
- Alarm-/Steuertafel ⓘ
Voraufbereitung
Die Vorbehandlung ist bei der Arbeit mit Umkehrosmose- und Nanofiltrationsmembranen wichtig, da sie spiralförmig gewickelt sind. Das Material ist so beschaffen, dass es nur in eine Richtung durch das System fließt. Das spiralförmig gewickelte Design erlaubt keine Rückspülung mit Wasser oder Luft, um die Oberfläche zu reinigen und Feststoffe zu entfernen. Da das angesammelte Material nicht von den Membranoberflächensystemen entfernt werden kann, sind sie sehr anfällig für Fouling (Verlust der Produktionskapazität). Daher ist eine Vorbehandlung für jedes Umkehrosmose- oder Nanofiltrationssystem erforderlich. Die Vorbehandlung in Meerwasser-Umkehrosmoseanlagen besteht aus vier Hauptkomponenten:
- Aussortieren von Feststoffen: Feststoffe im Wasser müssen entfernt und das Wasser aufbereitet werden, um ein Verschmutzen der Membranen durch Feinpartikel oder biologisches Wachstum zu verhindern und die Gefahr einer Beschädigung der Hochdruckpumpenkomponenten zu verringern.
- Patronenfiltration: Im Allgemeinen werden gewickelte Polypropylenfilter verwendet, um Partikel mit einem Durchmesser von 1-5 µm zu entfernen.
- Dosierung: Oxidierende Biozide wie Chlor werden zugesetzt, um Bakterien abzutöten, gefolgt von einer Bisulfit-Dosierung zur Deaktivierung des Chlors, das eine Dünnschicht-Verbundmembran zerstören kann. Es gibt auch Biofouling-Inhibitoren, die Bakterien nicht abtöten, sondern lediglich verhindern, dass sie auf der Membranoberfläche und den Anlagenwänden Schleim bilden.
- Vorfiltration pH-Einstellung: Wenn der pH-Wert, die Härte und die Alkalinität des Speisewassers zu einer Ablagerungsneigung führen, wenn sie im Rejektstrom konzentriert sind, wird Säure zudosiert, um die Karbonate in ihrer löslichen Kohlensäureform zu halten. ⓘ
- CO32- + H3O+ = HCO3- + H2O
- HCO3- + H3O+ = H2CO3 + H2O ⓘ
- Kohlensäure kann sich nicht mit Kalzium verbinden, um Kalziumkarbonatablagerungen zu bilden. Die Ablagerungsneigung von Kalziumkarbonat wird mit Hilfe des Langelier-Sättigungsindexes geschätzt. Die Zugabe von zu viel Schwefelsäure zur Bekämpfung von Karbonatablagerungen kann zur Bildung von Kalziumsulfat-, Bariumsulfat- oder Strontiumsulfatablagerungen auf der Umkehrosmosemembran führen.
- Kesselsteinverhinderer für die Vorfiltration: Kesselsteininhibitoren (auch Antiscalants genannt) verhindern die Bildung aller Kesselsteinarten im Gegensatz zu Säure, die nur die Bildung von Kalziumkarbonat- und Kalziumphosphatkalk verhindern kann. Antiscalants hemmen nicht nur Karbonat- und Phosphatablagerungen, sondern auch Sulfat- und Fluoridablagerungen und dispergieren Kolloide und Metalloxide. Obwohl behauptet wird, dass Antiscalants die Bildung von Kieselsäure hemmen können, gibt es keine konkreten Beweise dafür, dass die Polymerisation von Kieselsäure durch Antiscalants gehemmt werden kann. Antiscalants können säurelösliche Ablagerungen mit einem Bruchteil der Dosierung bekämpfen, die zur Bekämpfung derselben Ablagerungen mit Schwefelsäure erforderlich ist.
- Einige kleine Entsalzungsanlagen verwenden "Strandbrunnen", die in der Regel am Meeresufer in unmittelbarer Nähe des Ozeans gebohrt werden. Diese Entnahmeanlagen sind relativ einfach zu bauen, und das gesammelte Meerwasser wird durch langsame Filtration durch die unterirdischen Sand-/Seebodenformationen im Bereich der Quellwasserentnahme vorbehandelt. Das mit Hilfe von Strandbrunnen gesammelte Rohwasser hat oft eine bessere Qualität in Bezug auf Feststoffe, Schlick, Öl und Fett, natürliche organische Verunreinigungen und aquatische Mikroorganismen als offenes Meerwasser. Manchmal liefern Strandbrunnen auch Quellwasser mit geringerem Salzgehalt. ⓘ
Hochdruckpumpe
Die Hochdruckpumpe liefert den Druck, der erforderlich ist, um das Wasser durch die Membran zu drücken, auch wenn die Membran den Durchgang von Salz zurückhält. Typische Drücke für Brackwasser reichen von 1,6 bis 2,6 MPa (225 bis 376 psi). Bei Meerwasser liegen sie zwischen 5,5 und 8 MPa (800 bis 1.180 psi). Dies erfordert eine große Menge an Energie. Bei der Energierückgewinnung wird ein Teil der Arbeit der Hochdruckpumpe von der Energierückgewinnungsvorrichtung übernommen, wodurch der Energieaufwand des Systems verringert wird. ⓘ
Membraneinheit
Die Membranbaugruppe besteht aus einem Druckbehälter mit einer Membran, gegen die das Speisewasser gepresst werden kann. Die Membran muss stark genug sein, um dem Druck standzuhalten, der auf sie ausgeübt wird. Umkehrosmosemembranen werden in einer Vielzahl von Konfigurationen hergestellt, wobei die beiden gängigsten Konfigurationen spiralförmig gewickelte und Hohlfasermembranen sind. ⓘ
Nur ein Teil des salzhaltigen Speisewassers, das in die Membraneinheit gepumpt wird, passiert die Membran, wobei das Salz entfernt wird. Der verbleibende "Konzentratstrom" fließt an der salzhaltigen Seite der Membran entlang, um die konzentrierte Salzlösung wegzuspülen. Der Prozentsatz des produzierten entsalzten Wassers im Vergleich zum Salzwasserzufluss wird als "Rückgewinnungsquote" bezeichnet. Dieser Wert variiert je nach Salzgehalt des Speisewassers und den Parametern der Systemauslegung: in der Regel 20 % bei kleinen Meerwassersystemen, 40 % - 50 % bei größeren Meerwassersystemen und 80 % - 85 % bei Brackwasser. Der Durchfluss des Konzentrats ist in der Regel nur 3 bar / 50 psi geringer als der Speisedruck, so dass ein großer Teil der Energie der Hochdruckpumpe auf ihn entfällt. ⓘ
Der Reinheitsgrad des entsalzten Wassers hängt vom Salzgehalt des Speisewassers, der Auswahl der Membran und dem Rückgewinnungsverhältnis ab. Um einen höheren Reinheitsgrad zu erreichen, kann ein zweiter Durchgang hinzugefügt werden, der im Allgemeinen ein erneutes Pumpen erfordert. Der Reinheitsgrad, ausgedrückt als Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen, schwankt in der Regel zwischen 100 und 400 Teilen pro Million (ppm oder mg/Liter) bei einer Meerwasserzufuhr. Ein Wert von 500 ppm wird allgemein als Obergrenze für Trinkwasser akzeptiert, während die US Food and Drug Administration Mineralwasser als Wasser mit mindestens 250 ppm einstuft. ⓘ
Energierückgewinnung
1: Zufluss von Meerwasser,
2: Frischwasserdurchfluss (40%),
3: Konzentratdurchfluss (60%),
4: Durchfluss von Meerwasser (60%),
5: Konzentrat (Abfluss),
A: Pumpendurchfluss (40%),
B: Umwälzpumpe,
C: Osmoseanlage mit Membran,
D: Drucktauscher ⓘ
1: Zufluss von Meerwasser (100%, 1 bar),
2: Durchfluss des Meerwassers (100%, 50 bar),
3: Konzentratdurchfluss (60%, 48 bar),
4: Frischwasserdurchfluss (40%, 1 bar),
5: Konzentrat zum Abfluss (60%, 1 bar),
A: Druckrückgewinnungspumpe,
B: Osmoseanlage mit Membran ⓘ
Die Energierückgewinnung kann den Energieverbrauch um 50 % oder mehr senken. Ein Großteil der von der Hochdruckpumpe benötigten Energie kann aus dem Konzentratstrom zurückgewonnen werden, und die zunehmende Effizienz der Energierückgewinnungsvorrichtungen hat den Energiebedarf der Umkehrosmose-Entsalzung erheblich reduziert. Folgende Geräte werden in der Reihenfolge ihrer Erfindung eingesetzt:
- Turbine oder Peltonrad: eine Wasserturbine, die durch den Konzentratstrom angetrieben wird und mit der Antriebswelle der Hochdruckpumpe verbunden ist, um einen Teil der Antriebsleistung zu liefern. Bei kleineren Systemen wurden anstelle von Turbinen auch Axialkolbenmotoren eingesetzt.
- Turbolader: eine Wasserturbine, die vom Konzentratstrom angetrieben wird und direkt mit einer Kreiselpumpe verbunden ist, die den Ausgangsdruck der Hochdruckpumpe erhöht, wodurch der von der Hochdruckpumpe benötigte Druck und damit ihr Energieaufwand verringert wird; das Konstruktionsprinzip ähnelt dem von Turboladern für Automotoren.
- Drucktauscher: Mit Hilfe des unter Druck stehenden Konzentratstroms, in direktem Kontakt oder über einen Kolben, wird ein Teil des Membranspeisestroms auf einen Druck nahe dem Konzentratstromdruck gebracht. Eine Druckerhöhungspumpe erhöht dann diesen Druck um typischerweise 3 bar / 50 psi auf den Membran-Speisedruck. Dadurch wird der von der Hochdruckpumpe benötigte Durchfluss um einen Betrag reduziert, der dem Konzentratdurchfluss entspricht, in der Regel um 60 %, und damit auch der Energieaufwand. Sie werden häufig in größeren Niedrigenergiesystemen eingesetzt. Sie erreichen einen Energieverbrauch von 3 kWh/m3 oder weniger.
- Energierückgewinnungspumpe: eine Kolbenpumpe, bei der der unter Druck stehende Konzentratstrom auf eine Seite jedes Kolbens geleitet wird, um den Membranvorlauf auf der gegenüberliegenden Seite anzutreiben. Dies sind die am einfachsten anzuwendenden Energierückgewinnungsgeräte, die die Hochdruckpumpe und die Energierückgewinnung in einer einzigen selbstregulierenden Einheit kombinieren. Sie werden häufig bei kleineren Niedrigenergiesystemen eingesetzt. Sie erreichen einen Energieverbrauch von 3 kWh/m3 oder weniger.
- Batch-Betrieb: Umkehrosmoseanlagen, die mit einem festen Flüssigkeitsvolumen betrieben werden (thermodynamisch gesehen ein geschlossenes System), leiden nicht unter der Energieverschwendung im Solestrom, da die Energie zur Druckbeaufschlagung einer praktisch inkompressiblen Flüssigkeit (Wasser) vernachlässigbar ist. Solche Systeme haben das Potenzial, Wirkungsgrade nach dem zweiten Gesetz von 60 % zu erreichen. ⓘ
Remineralisierung und pH-Einstellung
Das entsalzte Wasser wird stabilisiert, um die nachgeschalteten Rohrleitungen und Speicheranlagen zu schützen, in der Regel durch Zugabe von Kalk oder Natronlauge, um die Korrosion der mit Beton ausgekleideten Oberflächen zu verhindern. Kalk wird verwendet, um den pH-Wert zwischen 6,8 und 8,1 einzustellen, damit er den Trinkwasserspezifikationen entspricht, vor allem zur wirksamen Desinfektion und zum Korrosionsschutz. Eine Remineralisierung kann erforderlich sein, um Mineralien zu ersetzen, die dem Wasser durch die Entsalzung entzogen wurden, obwohl sich dieses Verfahren als kostspielig und nicht sehr zweckmäßig erwiesen hat, wenn es dazu dient, den Mineralienbedarf von Menschen und Pflanzen zu decken. Derselbe Mineralienbedarf, der früher aus Süßwasserquellen gedeckt wurde. So enthält Wasser aus Israels nationalem Wasserversorger in der Regel einen Gehalt an gelöstem Magnesium von 20 bis 25 mg/Liter, während Wasser aus der Ashkelon-Anlage kein Magnesium enthält. Nachdem die Landwirte dieses Wasser verwendet hatten, traten Magnesiummangelerscheinungen bei den Pflanzen auf, unter anderem bei Tomaten, Basilikum und Blumen, und mussten durch Düngung behoben werden. Die aktuellen israelischen Trinkwassernormen sehen einen Mindestkalziumgehalt von 20 mg/Liter vor. Bei der Nachentsalzung in der Anlage in Ashkelon wird Schwefelsäure verwendet, um Kalzit (Kalkstein) aufzulösen, was zu einer Kalzium Konzentration von 40 bis 46 mg/Liter. Dies ist immer noch niedriger als die 45 bis 60 mg/Liter, die man in typischem israelischem Süßwasser findet. ⓘ
Desinfektion
Die Nachbehandlung besteht darin, das Wasser nach der Filtration für die Verteilung vorzubereiten. Die Umkehrosmose ist eine wirksame Barriere gegen Krankheitserreger, aber die Nachbehandlung bietet einen sekundären Schutz gegen geschädigte Membranen und nachgeschaltete Probleme. Die Desinfektion mittels ultravioletter (UV) Lampen (manchmal auch als keimtötend oder bakterizid bezeichnet) kann eingesetzt werden, um Krankheitserreger zu sterilisieren, die den Umkehrosmoseprozess umgangen haben. Die Chlorierung oder Chloraminierung (Chlor und Ammoniak) schützt vor Krankheitserregern, die sich im nachgeschalteten Verteilungssystem festgesetzt haben, z. B. durch Neubauten, Rückspülung, beschädigte Rohre usw. ⓘ
Nachteile
Umkehrosmoseanlagen für Haushalte verbrauchen viel Wasser, weil sie einen geringen Gegendruck haben. Früher konnten sie nur 5 bis 15 % des in das System eintretenden Wassers zurückgewinnen. Die neuesten RO-Wasserreinigungsanlagen können jedoch 40 bis 55 % des Wassers zurückgewinnen. Der Rest wird als Abwasser entsorgt. Da das Abwasser die ausgeschiedenen Verunreinigungen mit sich führt, sind Methoden zur Rückgewinnung dieses Wassers für Haushaltssysteme nicht praktikabel. Das Abwasser wird in der Regel an die Hausabflüsse angeschlossen und belastet die Kläranlage des Haushalts zusätzlich. Eine Umkehrosmoseanlage, die 20 Liter aufbereitetes Wasser pro Tag liefert, kann täglich zwischen 50 und 80 Liter Abwasser abgeben. Genau aus diesem Grund hat das National Green Tribunal in Indien vorgeschlagen, RO-Wasserreinigungssysteme in Gebieten zu verbieten, in denen der Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen (TDS) im Wasser weniger als 500 mg/Liter beträgt. Dies hat katastrophale Folgen für Megastädte wie Delhi, wo der großflächige Einsatz von RO-Geräten in Haushalten den Gesamtwasserbedarf des ohnehin schon wasserarmen National Capital Territory of India erhöht hat. ⓘ
Industrielle/kommunale Großanlagen gewinnen in der Regel 75 % bis 80 % oder sogar 90 % des Speisewassers zurück, da sie den für eine Umkehrosmosefiltration mit höherer Rückgewinnung erforderlichen hohen Druck erzeugen können. Andererseits sinkt mit zunehmender Rückgewinnung des Abwassers in gewerblichen Betrieben die effektive Schadstoffentfernungsrate, was sich im Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen im Produktwasser widerspiegelt. ⓘ
Durch die Umkehrosmose werden sowohl schädliche Verunreinigungen aus dem Wasser entfernt als auch einige erwünschte Mineralien. Moderne Studien zu diesem Thema sind recht oberflächlich, da die Remineralisierung in den heutigen Aufbereitungsanlagen dazu dient, die Korrosion der Rohrleitungen zu verhindern, ohne auf den Aspekt der menschlichen Gesundheit einzugehen. Sie verweisen jedoch auf ältere, gründlichere Studien, die einerseits einen gewissen Zusammenhang zwischen langfristigen gesundheitlichen Auswirkungen und dem Konsum von kalzium- und magnesiumarmem Wasser aufzeigen, andererseits aber einräumen, dass keine dieser älteren Studien den modernen Forschungsstandards entspricht. ⓘ
Überlegungen zum Abfallstrom
Je nach dem gewünschten Produkt ist entweder der Lösungsmittel- oder der Lösungsmittelstrom der Umkehrosmose Abfall. Bei Anwendungen zur Konzentrierung von Lebensmitteln ist der konzentrierte Lösungsmittelstrom das Produkt und der Lösungsmittelstrom ist Abfall. Bei Wasseraufbereitungsanwendungen ist der Lösungsmittelstrom gereinigtes Wasser und der Lösungsmittelstrom konzentrierter Abfall. Der Lösungsmittelabfallstrom aus der Lebensmittelverarbeitung kann als wiedergewonnenes Wasser verwendet werden, aber es gibt weniger Möglichkeiten für die Entsorgung eines konzentrierten Abfalllösungsstroms. Schiffe können ihre Abfälle im Meer verklappen, und Entsalzungsanlagen an der Küste nutzen in der Regel Meeresauslässe. Bei Umkehrosmoseanlagen auf dem Land sind unter Umständen Verdunstungsteiche oder Injektionsbrunnen erforderlich, um eine Verschmutzung des Grundwassers oder des Oberflächenabflusses zu vermeiden. ⓘ
Neue Entwicklungen
Seit den 1970er Jahren wird die Vorfiltration von stark verschmutztem Wasser mit einer anderen, großporigeren Membran, die weniger hydraulische Energie benötigt, geprüft und manchmal eingesetzt. Dies bedeutet jedoch, dass das Wasser durch zwei Membranen fließt und oft unter Druck gesetzt wird, was einen höheren Energieaufwand für das System und damit höhere Kosten erfordert. ⓘ
Andere neuere Entwicklungen konzentrieren sich auf die Integration der Umkehrosmose mit der Elektrodialyse, um die Rückgewinnung wertvoller deionisierter Produkte zu verbessern oder die Menge des Konzentrats zu minimieren, das abgeleitet oder entsorgt werden muss. ⓘ
In den letzten Jahren haben viele Unternehmen, die Umkehrosmose-Wasseraufbereitungsanlagen für den Hausgebrauch anbieten, begonnen, Lösungen für dieses Problem zu finden. Die vielversprechendste Lösung unter ihnen scheint LPHR zu sein. LPHR, das mehrstufige Niederdruck-RO-Verfahren mit hoher Rückgewinnung, erzeugt gleichzeitig eine hochkonzentrierte Sole und Süßwasser. Was noch wichtiger ist: Es hat sich gezeigt, dass es bei einer Wasserrückgewinnung von über 70 % und einem OPD zwischen 58 und 65 bar wirtschaftlich machbar ist, ein Süßwasserprodukt mit einem TDS-Gehalt von nicht mehr als 350 ppm aus einer Meerwasserzufuhr mit 35.000 ppm TDS herzustellen. ⓘ
Zu den neuesten Entwicklungen bei der Trinkwassergewinnung gehören Membranen im Nanomaßstab und Graphenmembranen. ⓘ
Die weltweit größte RO-Entsalzungsanlage wurde 2013 in Sorek, Israel, gebaut. Sie hat eine Leistung von 624 Tausend Kubikmetern pro Tag (165 Millionen US-Gallonen pro Tag). ⓘ
Anwendungen
Medizintechnik
In der Medizintechnik wird die Umkehrosmose zur Herstellung von Rein- und Reinstwasser verwendet. Rein- und Reinstwasser ist besonders gereinigtes Wasser, welches von fast allen partikulären Stoffen wie Mineral- und Fremdstoffen, Viren, Bakterien, Keimen und sonstigen Verunreinigungen befreit ist. Auch Ionen werden durch die Umkehrosmose zurückgehalten. Rein- und Reinstwasser wird für die Reinigung und Desinfektion (=Aufbereitung) von medizinischen Geräten und Utensilien benötigt. Vor allem Operationsbesteck muss für den Einsatz am Patienten absolut steril sein, da sonst die Gefahr für den Patienten besteht, sich mit Krankenhauskeimen zu infizieren. Würde man für die Aufbereitung medizinischer Utensilien normales Trinkwasser verwenden, wären diese mit den enthaltenen Keimen und Fremdstoffen aus dem Trinkwasser belastet. ⓘ
Brauchwasseraufbereitung
In der Industrie wird Boilerwasser in Kraftwerken einer Umkehrosmose unterzogen, um Mineralstoffe daraus zu entfernen. Dieser Prozess soll verhindern, dass das verdampfte Wasser Verkalkungen hinterlässt. Vorgereinigtes Brackwasser wird ebenfalls einer Umkehrosmose unterzogen und kommt auch bei der Herstellung von demineralisiertem Wasser und Aquariumwasser zum Einsatz. ⓘ
Andere Einsatzmöglichkeiten
Die Umkehrosmose kann auch zur Konzentrationserhöhung von gelösten Stoffen eingesetzt werden, wobei in diesem Fall die Trägersubstanz konzentriert wird z. B. bei der Herstellung von Fruchtsaftkonzentraten oder zur Verdichtung von Most in der Weinherstellung. Auch bei der Herstellung von alkoholfreiem Bier, Milchkonzentraten und Proteinpulvern kommt die Umkehrosmose zum Einsatz. Ein weiterer Einsatz von Umkehrosmoseanlagen ist die Bereitstellung von VE-Wasser für Reinigungs- und Desinfektionsgeräte (RDG), sowie Dampfsterilisatoren. Stark mit Huminsäure belastetes Wasser kann Ionenaustauschharze schädigen, wodurch Umkehrosmoseanlagen im Bereich der Aufbereitung von Laborglas verwendet werden. ⓘ
Verfahren
Grundprinzip
Das Eingangs-Wasser (auch Feed genannt), welches aufbereitet werden soll, durchläuft zunächst die Vorbehandlung. Danach wird es von einer Druckerhöhungspumpe durch eine nachgeschaltete RO-Membran gepresst. RO steht dabei für Reverse Osmose – englisch für Umkehrosmose. Bei der RO-Membran handelt es sich um eine teildurchlässige Membran, die nur für das Lösungsmittel Wasser durchlässig ist. Die RO-Membran ist das Herzstück einer jeden Umkehrosmose-Anlage. Je nachdem ob das ein- oder zweistufige Verfahren für die Umkehrosmose zum Einsatz kommt, befinden sich ein bzw. zwei RO-Membranen im System. ⓘ
In gewissen zeitlichen Abständen ist eine Rückspülung der Membran erforderlich, um eine Verblockung zu vermeiden. Eine Verblockung der Membran kann auch bei der besten Vorbehandlung nicht ausgeschlossen werden. Wann genau eine Rückspülung erforderlich ist, ergibt sich aus den Druckunterschieden vor und nach der RO-Membran. Die Druckunterschiede sollten daher vom Betreiber genau aufgezeichnet werden. Für die Rückspülung sollte immer Permeat verwendet werden. Beim Grundprinzip der Umkehrosmoseanlagen wird schließlich das Wasser mit Druck durch eine Membran gepresst. Bei diesem Vorgang werden 99 % aller Partikel wie z. B. Salze, Bakterien, sonstige Verunreinigungen aus dem Medium entfernt. ⓘ
Einstufiges Verfahren
Beim einstufigen Verfahren durchläuft das aufzubereitende Wasser eine einzige RO-Membran. Durch diese Membran wird das Wasser in zwei Teilströme aufgeteilt: das gewünschte Produkt (Permeat) und das Abfallprodukt (Konzentrat), welches mit den Fremdstoffen des Eingangs-Wassers angereichert ist. Ein Teil des Konzentrates wird wieder auf der Eingangs-Seite eingespeist und befindet sich daher im permanenten Kreislauf. Der andere Teil wird verworfen und dem Abwasser zugeführt. Im Bereich der Zahnmedizin sind Verfärbungen durch Kieselsäureschlupf unerwünscht. Die kann verhindert werden durch bei Herstellung von VE-Wasser durch eine Umkehrosmoseanlagen in Kombination mit einem Ionenaustauscher. ⓘ
Einstufiges Verfahren mit EDI
Für medizinische Anwendungen ist der Reinheitsgrad des Permeats aus einer einstufigen RO-Anlage häufig nicht ausreichend. Im Medizin-Bereich wird daher statt einer zweiten RO-Stufe oft auch eine EDI eingesetzt. Die EDI liefert eine hohe Ausbeute an Produktwasser, welches eine sehr hohe Qualität bzw. sehr geringe Leitfähigkeit (<0,1 µS/cm) besitzt. Außerdem kann das Produktwasser problemlos vor der RO-Membran wieder in den Kreislauf eingespeist werden. Lediglich eine geringe Menge Elektrodenspülwasser entsteht als Abfallprodukt. Besonders in der Medizintechnik sind Verfärbungen durch Wasserinhaltsstoffe (z. B. Kieselsäure) nicht erwünscht. Dies wird in der Regel durch eine einstufige Umkehrosmose mit EDI erzielt. ⓘ