Umkehrosmose

Die Umkehrosmose ist ein physikalisches Verfahren zur Wasseraufbereitung. Sie wird zur Wasseraufbereitung für Trink- und Prozesswasser, zur Abwasserbehandlung und zum Aufbereiten von Aquarienwasser verwendet. Auch Fruchtsaftkonzentrate werden nach diesem Prinzip hergestellt.

Bei der Umkehrosmose (auch: der Reversosmose) benutzt man Druck, um den natürlichen Osmose-Prozess umzukehren. Der anzuwendende Druck muss dabei größer sein als der Druck, der durch das osmotische Verlangen zum Konzentrationsausgleich entstehen würde. Trinkwasser hat einen osmotischen Druck von weniger als 2 bar, der angewendete Druck für Umkehrosmose ausgehend von Trinkwasser beträgt 4-30 bar, je nach verwendeter Membran und Anlagenkonfiguration. Manche anderen Flüssigkeiten haben höhere osmotische Drücke, z.B. Meerwasser je nach Salzgehalt etwa 30 bar. Dementsprechend liegen die verwendeten Drücke für die Meerwasserentsalzung höher (60-80 bar). In einigen extremen Anwendungen (z.B. Aufkonzentrieren von Deponiesickerwasser) werden noch höhere Drücke verwendet. Die osmotische Membran, die nur die Trägerflüssigkeit (Solvent) durchlässt und die gelösten Stoffe (Solute) zurückhält, muss derartig ausgelegt sein, diesen hohen Druck auszuhalten. Wenn der Druckunterschied das osmotische Gefälle mehr als ausgleicht, passen die Solvent-Moleküle 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. Der osmotische Druck steigt mit zunehmendem Konzentrationunterschied und wenn der natürliche osmotische Druck gleich dem angelegten Druck ist, kommt der Prozess zum Stehen. Um dem entgegenzuwirken, wird das Konzentrat stetig abgeführt, man spricht von Querstrommembranen (Crossflow-Membrane). Da das Auskristallisieren (prezipitation) des Solute (Salz oder Mineralien) in den Membranen verhindert werden muss, ist die Benutzung der Umkehrosmose nur bis zu einer gewissen Maximalkonzentration des Konzentratflusses ('reject') sinnvoll. Der Konzentratauslass fließt durch einen Druckregler, und da die Druckerzeugung viel Energie kostet, oft auch durch einen Druckaustauscher, der hilft, mehr Rohflüssigkeit zu pumpen.

Beim Betrieb einer Meerwasserentsalzungsanlage zur Trinkwassergewinnung auf Umkehrosmosebasis ist neben der Verwendung von Vorfiltern und/oder Ausflockungsstufen auch der Einsatz verschiedener Chemikalien unerlässlich. Zum einen wird der pH-Wert durch Zugabe von Natronlauge oder einer Säure eingestellt. Zum anderen wird das Auskristallisieren von Salzen durch Zugabe von Antibelagmitteln (engl. Antiscaling) verhindert. Bei diesen Substanzen handelt es sich um polymere Verbindungen auf Phosphat-, Arcylat- oder Maleinsäurebasis, die die sich bildenden Kristallite umschließen und so verhindern, dass sich Kristalle auf der Membran festsetzen können. Des Weiteren ist eine Behandlung mit Bioziden unerlässlich, da sonst ein Biofilm auf der Membran wachsen kann. Einfachstes Biozid ist Chlor, das allerdings vor dem Kontakt des vorgereinigten Meerwassers mit der Membran durch Zugabe von chlorreduzierenden Chemikalien oder durch Aktivkohlefiltration entfernt werden muss. Dennoch muss die Membran in regelmäßigen Abständen gereinigt werden, um einen konstanten Durchsatz an trinkfertigem Wasser zu gewährleisten.

Das direkt aus dem Umkehrosmoseprozess stammende Wasser ist natürlich derart ionenarm, dass es für die Verwendung als Trinkwasser nicht geeignet ist. Deshalb werden am Ende vor Einspeisung in das Trinkwassersystem wieder Salze zugefügt.

Die Zumischung von Salzen wird in der Trinkwasseraufbereitung über ultrafiltriertes Rohwasser durchgeführt. Dadurch wird gewährleistet, dass nur bakteriell unbedenkliches Rohwasser in das öffentliche Trinkwassernetz gelangt. Wird eine gezielte Aufhärtung des Permeats vorgenommen, so geschieht dies meistens mittels Marmorfiltern, wobei das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht wieder eingestellt wird.

Umkehrosmose in der Aquariumtechnik

Hier ist die Umkehrosmose eine Methode zur Gewinnung von gereinigtem, sprich Ionen-freiem Wasser. Häufig kommen sie zum Einsatz, um das Wasser zu enthärten, oder auch um andere Ionen - wie Schwermetalle und Nitrat aus dem Rohwasser zu entfernen.

An eine mit Wasser gefüllte Kammer, die mittels einer semipermeablen Membran an eine andere Kammer anschließt, wird ein Druck angelegt, der größer ist als der osmotische Druck der Flüssigkeit (meist der Betriebsdruck der Wasserleitung). Dadurch drängt das Wasser durch die Membran, im Wasser gelöste Teilchen können die Membran nicht passieren. In der zweiten Kammer sammelt sich das gereinigte Wasser (auch Permeat genannt).

In der Regel ist der Membran noch ein Feinfilter und ein Aktivkohlefilter vorgeschaltet, um die Membran selbst vor mechanischer Verschmutzung und im Trinkwasser ggf. vorhandenem Chlor zu schützen.

Die Anlage benötigt Spülwasser, um die sich auf der Eingangsseite ansammelnden Ionen aus dem System zu entfernen. Die meisten Anlagen benötigen die 3-4 fache Menge des erzeugten UO-Wassers an Spülwasser.

Der Vorteil gegenüber den zur Wasserenthärtung ebenfalls einsetzbaren Ionenaustauscher auf Kunstharzbasis (bekannt auch als Filterpatronen zur Trinkwasseraufbereitung), ist dass die Ionen nur entfernt werden. Ionenaustauscher ersetzen die Kalzium- Ionen des harten Wassers durch Natriumionen, die besonders bei einer hohen Ausgangshärte eine hohe Konzentration erreichen. Ionenaustauscher müssen zudem entweder regelmäßig ersetzt (Kaffeefilter) oder mit Kochsalzlösung regenieriert (z.B. in der Geschirrspülmaschine) werden.

Wenn für ein Aquarium UO-Wasser verwendet werden soll, muss entweder ein Teil Leitungswasser beigemischt werden, oder es müssen danach gezielt Aufhärtesalze zugesetzt werden, damit das Wasser die für Tiere und Pflanzen erforderlichen Mineralstoffe enthält. Ausnahme sind extreme "Weichwasserfische" und Schwarzwasseraquarien

Im Aquaristenjargon sind die Kürzel "UO" (wie in "UO-Wasser") und "UOA" (= Umkehrosmoseanlage) gebräuchlich.

Siehe auch: Meerwasserentsalzung

Siehe auch: ^*

Umkehrosmose in der Weinbereitung

In der Weinbereitung wird die Umkehrosmose eingesetzt, um gutes Traubenmaterial zu einem sehr dichten Most zu verarbeiten. Der Most erfährt eine Aufkonzentration aller Inhaltsstoffe, dementsprechend ist es nicht möglich, aus sauren Trauben einen Spitzenwein zu gewinnen. Viele Spitzenweine durchliefen aber einen solchen Veredlungsgang (v.a. kalifornische Erzeugnisse, aber auch französische, österreichische, italienische. In Deutschland nur bei Weißweinen zugelassen).

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