Umkehrosmose

Industrielle Anlage zur Umkehrosmose

Die Umkehrosmose oder Reversosmose ist ein physikalisches Verfahren zur Aufkonzentrierung von in Flüssigkeiten gelösten Stoffen, bei der mit Druck der natürliche Osmose-Prozess umgekehrt wird.

Wirkungsprinzip

Wickelmodul für die Umkehrosmose
Bedingungen für das osmotische Gleichgewicht und die Umkehrosmose[1]

Das Medium, in dem die Konzentration eines bestimmten Stoffes verringert werden soll, ist durch eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran von dem Medium getrennt, in dem die Konzentration erhöht werden soll. Dieses wird einem Druck ausgesetzt, der höher sein muss als der Druck, der durch das osmotische Verlangen zum Konzentrationsausgleich entsteht. Dadurch können die Moleküle des Lösungsmittels gegen ihre „natürliche“ osmotische Ausbreitungsrichtung wandern. Das Verfahren drückt sie in das Kompartiment, in dem gelöste Stoffe weniger konzentriert vorliegen.

Trinkwasser hat einen osmotischen Druck von weniger als 2 bar, der angewendete Druck für die Umkehrosmose von Trinkwasser beträgt 3 bis 30 bar, je nach verwendeter Membran und Anlagenkonfiguration. Für die Meerwasserentsalzung ist ein Druck von 60 bis 80 bar erforderlich, da Meerwasser mit ca. 30 bar einen wesentlich höheren osmotischen Druck aufweist als Trinkwasser. Im Toten Meer liegt sogar ein osmotischer Druck von 350 bar vor. In einigen Anwendungen, z. B. für das Aufkonzentrieren von Deponiesickerwasser, werden noch höhere Drücke verwendet.

Die osmotische Membran, die nur die Trägerflüssigkeit (Solvent) durchlässt und die gelösten Stoffe (Solute) zurückhält, muss diesen hohen Drücken standhalten können. Wenn der Druckunterschied das osmotische Gefälle mehr als ausgleicht, passen die Solventmoleküle wie bei einem Filter durch die Membran, während die „Verunreinigungsmoleküle“ zurückgehalten werden. Im Gegensatz zu einem klassischen Membranfilter verfügen Osmosemembranen nicht über durchgehende Poren. Vielmehr wandern die Ionen und Moleküle durch die Membran hindurch, indem sie durch das Membranmaterial diffundieren. Das Lösungs-Diffusions-Modell beschreibt diesen Vorgang.

Energierückgewinnung durch Druckaustauscher

Der osmotische Druck steigt mit zunehmendem Konzentrationsunterschied. Wird der osmotische Druck gleich dem angelegten Druck, kommt der Prozess zum Stehen. Es liegt dann ein osmotisches Gleichgewicht vor. Ein stetiger Abfluss des Konzentrats kann das verhindern. Beim Konzentratauslass wird der Druck entweder über einen Druckregler kontrolliert oder über einen Druckaustauscher genutzt, um den im Zulauf des Systems benötigten Druck aufzubauen. Druckaustauscher senken durch Energierückgewinnung sehr effektiv die Betriebskosten einer Umkehrosmoseanlage.[2] Der Energieaufwand pro Kubikmeter Wasser liegt bei 4 bis 9 kWh.

Das Auskristallisieren (Ausfallen) der Solute in den Membranen muss verhindert werden. Dies kann durch Zugabe von Antibelagmitteln (engl. Antiscaling) oder Säuren erreicht werden. Antibelagmittel sind hier polymere Verbindungen auf Phosphat- oder Maleinsäurebasis, welche die sich bildenden Kristallite umschließen und so verhindern, dass kristalline Ausfällungen auf der Membran entstehen können. Eine Reinigung der Membran kann dennoch erforderlich bleiben.

Um Beschädigungen der Membran zu verhindern, können Filter vorgeschaltet werden. Ein Feinfilter kann mechanische, ein Aktivkohlefilter chemische Beschädigungen (z. B. durch Chlor) verhindern.

Auch kann es nötig sein, die Anlage von biologischer Verschmutzung zu befreien, insbesondere bei der Meerwasseraufbereitung. Hier werden mittels Bioziden (meist auf Brombasis) diskontinuierlich sich bildende Biofilme beseitigt. Chlor wird vor allem in südlichen Ländern zur Desinfektion eingesetzt. Aufgrund der Chlorempfindlichkeit der Membranen muss es wieder aufwändig entfernt werden.

Anwendungen

  • Die Umkehrosmose wurde in den späten 1950er Jahren im Auftrag der US-Regierung und NASA unter anderem auch für die bemannte Raumfahrt entwickelt. Dabei wurde/wird diese Technik auf den Eigenurin bei längeren Weltraumaufenthalten angewendet[3].
  • Verringerung der Konzentration der gelösten Stoffe: Aufbereitung von Wasser zur Reinigung von Brauchwasser oder von Spülabwasser oder zur Herstellung von Trinkwasser, Reinstwasser oder Aquarienwasser. Zu behandelnde Wässer können bspw. Prozesswasser, Abwasser, Meerwasser sein.
  • Erhöhung der Konzentration der gelösten Stoffe: Aufkonzentration der Trägersubstanz, z. B. zur Herstellung von Fruchtsaftkonzentraten oder zur Verdichtung von Most in der Weinherstellung.
  • Herstellung von alkoholfreiem Bier.

Siehe auch

  • Meerwasserentsalzung
  • Abwasser

Einzelnachweise

  1. K.W.Böddeker, H.Strathmann: Die Membranfiltration, Chemie in unserer Zeit, 8. Jahrg. 1974, S. 105
  2. Melin, Thomas und Rautenbach, Robert: Membranverfahren, Seite 264f. Springer, 2007, ISBN 3-540-00071-2.
  3. Rotating Reverse Osmosis for Wastewater Reuse, Artikel auf www.nasa.gov, Seite 4, zuletzt abgerufen am 27. Februar 2011.

Literatur

Matthias Kraume: Transportvorgänge in der Verfahrenstechnik. Springer-Verlag, 2004, S. 262–263

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