Umkehrosmose

Umkehrosmoseanlagen in der Industrie zur Aufbereitung von Prozesswasser haben in der Vergangenheit stetig an Bedeutung gewonnen. Wasser ist vielerorts ein zunehmend knappes Gut. Gleichzeitig wächst der Bedarf an Rein- und Reinstwasser für die industrielle Fertigung, insbesondere im Hightech-Bereich, z.B. bei der Solarzellenproduktion oder der Chipherstellung. Die adäquate Aufbereitung, eine effektive Nutzung und die Wiederverwendung in Form von Wasser-Recycling sind daher entscheidende Wirtschaftsfaktoren für viele produzierende Unternehmen. Der Einsatz von Umkehrosmoseanlagen gewährleistet hier zuverlässig optimale Ergebnisse.

Umkehrosmoseanlagen machen sich ein Prinzip zunutze, das wir aus der Natur kennen: die Osmose.

Durch Osmose wird der Elektrolyt- und Wasserhaushalt von Zellen, aus denen Menschen, Tiere und Pflanzen bestehen, reguliert. Der Prozess der Osmose ist die Diffusion eines Stoffes, im Fall der Wasseraufbereitung H2O, durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran. Eine solche Membran ist nur für bestimmte Stoffe durchlässig. Wasser kann die Poren der Membran passieren, die im Wasser gelösten Stoffe, wie zum Beispiel Salze oder organische Verbindungen hingegen werden zurückgehalten.

Beim natürlichen Vorgang der Osmose fließt Wasser von einer Seite auf die andere durch die Membran, wenn sich auf der einen Seite mehr gelöste Stoffe, wie z.B Salze, als auf der anderen Seite befinden. Das Bestreben der Natur ist ein Zustand des Ausgleichs, bei dem die Konzentration von gelösten Teilchen im Wasser auf beiden Seiten der Membran gleich ist. Dies lässt sich am Beispiel vollreifer Kirschen beobachten: Die Außenhaut der Kirschen ist eine semipermeable Membran. Im Inneren der reifen Kirschen befindet sich Wasser mit einem hohen Gehalt an Zucker und anderen gelösten Stoffen. Fällt nun Regen auf die Außenhaut der Kirschen, gelangt das Regenwasser durch den sogenannten “osmotischen Druck” ins Innere der Kirsche, weil die Konzentration an gelösten Teilchen in der Kirsche viel höher ist als im Regenwasser. Die Haut der Kirsche kann sich nicht unbegrenzt ausdehnen, und daher platzt die Kirsche schließlich auf.

Bei der Wasseraufbereitung im industriellen Bereich kommt bei der Umkehrosmose das Prinzip der Osmose zur Anwendung.

Bei dem Prozess der Umkehrosmose wird der Gehalt an gelösten Salzen wie z.B. Natrium, Kalium oder Nitrat und Schadstoffen wie z.B. Arzneimittelrückstände, Pestizide und andere im Wasser reduziert bzw. entfernt. Die Funktionsweise der Umkehrosmose besteht darin, den natürlichen Vorgang der Osmose umzukehren. Wie bereits weiter oben erwähnt, handelt es sich bei der Osmose um einen Konzentrationsausgleich über eine semipermeable Membran. Befindet sich auf den beiden Seiten der Membran Wasser mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen, wandern die Wassermoleküle von der salzärmeren Seite durch die Membran auf die salzhaltigere Seite. Die salzhaltigere Lösung wird dadurch verdünnt. Dieser Wasserfluss basiert auf dem osmotischen Druck, hervorgerufen durch die unterschiedlichen Salzkonzentrationen auf den beiden Seiten der Membran. Der osmotische Druck befördert also die Flüssigkeit mit der geringeren Teilchenkonzentration in Richtung der Flüssigkeit mit der höheren Teilchenkonzentration.

Wird nun auf der Seite der höheren Salzkonzentration Druck aufgebaut, der höher ist als der osmotische Druck, wird der Prozess der Osmose umgekehrt. Die Wassermoleküle von der salzhaltigeren Seite werden durch die Membran gedrückt und fließen auf die Seite mit niedrigerer Salzkonzentration. Das durch die Membranen geflossene salzarme Wasser wird Permeat genannt und stellt das gewünschte Produkt der Umkehr dar. Der Wasseranteil mit erhöhtem Salzgehalt wird als Konzentrat bezeichnet und verworfen.

Der mittlere Porendurchmesser von Umkehrosmosemembranen liegt bei ca. 0,5 nm bis 1 nm und ist damit nur wenig größer als der Durchmesser eines Wassermoleküls. Damit können auch Ionen und gelöste Salze abgetrennt werden. Der erforderliche Betriebsdruck einer Umkehrosmoseanlage kann je nach Anwendungsfall in einem weiten Bereich von 5 – 100 bar variieren.

Gewerblicher und industrieller Einsatz der Umkehrosmose

Die Anwendungsgebiete von Umkehrosmoseanlagen sind vielfältig. Die größten und leistungsfähigsten Anlagen finden sich in der Industrie und im gewerblichen Bereich wie z.B. bei der Solarzellenproduktion und der Chipherstellung, in Dialysekliniken und Analytik-Laboren sowie an Hochschulen und Universitäten.

Bei der kommunalen Trinkwasseraufbereitung kommt das Verfahren der Umkehrosmose dort zum Einsatz, wo keine ausreichende Versorgung mit Süßwasser besteht. Auf touristisch geprägten Inseln wie den Kanaren beispielsweise gibt es Meerwasserentsalzungsanlagen mit Leistungen von mehreren tausend Kubikmetern pro Stunde. Auch auf Kreuzfahrtschiffen wird die Technik eingesetzt, um die Gäste und die Crew mit sauberem Trinkwasser zu versorgen, sowohl landbasiert als auch auf Schiffen oder Offshore-Anlagen.

Einsatz im privaten Bereich (Kopie)

Neben den industriellen und kommunalen Einsatzgebieten wird das Verfahren auch im privaten Bereich , z.B. zur Versorgung von Ein- oder Mehrfamilienhäusern mit schadstofffreiem Trinkwasser, eingesetzt. Auch in Küchen in Privathaushalten kommen kleinere Anlagen zunehmend zum Einsatz.

Industrielle Umkehrosmoseanlagen unterscheiden sich je nach Leistung (Druck, Durchsatz, Energiebedarf), Art der Membranen, Anzahl von Filterstufen und der damit einhergehenden Qualität des Permeates. Die Anwendungen unterteilen sich in Niederdruckanlagen, Hochdruckanlagen, Systeme mit hoher Rückhaltung, permeatgestufte Anlagen (2 stage), Gegendruckanlagen und Kombianlagen mit vorgeschalteter Enthärtung.

Für die Produktion von Rein- und Reinstwasser mit Leitfähigkeiten von < 0,2µS/cm wird das Verfahren als Vorstufe von Mischbettfiltern und Elektrodeionisations- Anlagen (EDI) eingesetzt.

Bedarf nach Rein- und Reinstwasser

Für die Produktion von Halbleitern oder bei der Solarzellenfertigung, in der Biotechnologie und in der pharmazeutischen Produktion wird Reinstwasser benötigt.  Das ist Wasser, aus dem nahezu alle gelösten Salze und andere Inhaltsstoffe entfernt wurden, um Verunreinigungen im Produktionsprozess zu vermeiden. Umkehrosmoseanlagen stellen hier einen wesentlichen Teil der Verfahrenskombination dar, um die gewünschte Reinheit zu erreichen. Als Vorstufe von z.B. Mischbettfiltern oder einer Elektrodeionisation stellt die Umkehrosmoseanlage den einwandfreien Betrieb der Feinstreinigung sicher. Mit permeatgestuften Anlagen erreicht man hier bereits sehr niedrige Leitfähigkeiten von wenigen µS/cm.

Schadstofffreie Trinkwasserversorgung

Durch intensive Nutzung des Grundwassers und zunehmende Trockenheit in immer mehr Gebieten kommt es zu einer Veränderung des Wasserangebotes und der Wasserqualität. Bei gleichzeitig gestiegenen Erkenntnissen durch neue oder empfindlichere Analysemethoden und gestiegenen Anforderungen an die Trinkwasserqualität werden zunehmend aufwendigere Verfahren zur Trinkwasseraufbereitung notwendig. Hier leisten Umkehrosmoseanlagen zur Entsalzung von salzigem Grundwasser und zur Aufbereitung von Meerwasser einen entscheidenden Beitrag zur Sicherung der Trinkwasserversorgung.

Kesselspeisewasser- und Kühlwasseraufbereitung

Die Qualität von Kesselwasser und Kesselspeisewasser für Dampferzeuger muss höchsten Anforderungen entsprechen und gesetzlichen Vorgaben genügen, um einen sicheren, störungsfreien und wirtschaftlichen Betrieb des Dampferzeugers zu gewährleisten. Stadtwasser vom kommunalen Wasserversorger reicht hier nicht aus. Auch in diesem Bereich führt der Einsatz von Umkehrosmoseanlagen zur geforderten Wasserqualität.