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.

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

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Wirkungsprinzip

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 in den Bereich wandern, in dem die gelösten Stoffe bereits geringer konzentriert sind.

Trinkwasser hat einen osmotischen Druck von weniger als 2 bar, der angewendete Druck für die Umkehrosmose von Trinkwasser beträgt 4 bis 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 bei 60 bis 80 bar. In einigen extremen 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.

Der osmotische Druck steigt mit zunehmendem Konzentrationunterschied. Wird der osmotische Druck gleich dem angelegten Druck, kommt der Prozess zum Stehen. Um dem entgegenzuwirken, wird das Konzentrat stetig abgeführt. Da das Auskristallisieren (Ausfallen) der 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.

Meerwasserentsalzung

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 kann der pH-Wert durch Zugabe von Säuren erniedrigt werden, eine andere Methode, das Auskristallisieren von Salzen zu verhindern, ist die Zugabe von Antibelagmitteln (engl. Antiscaling). Bei diesen Substanzen handelt es sich um polymere Verbindungen auf Phosphat- oder Maleinsäurebasis, welche die sich bildenden Kristallite umschließen und so verhindern, dass kristalline Ausfällungen auf der Membran entstehen können.

Gerade Anlagen, die das aufzubereitende Wasser direkt aus dem Meer beziehen („Open Intake“), müssen mittels Bioziden (meist auf Brombasis) diskontinuierlich von sich bildenden Biofilmen befreit werden. Leider wird in vielen südlichen Ländern auch gerne Chlor zur Desinfektion vor Membrananlagen eingesetzt, das aufgrund der Chlorempfindlichkeit der Membranen dann wieder aufwendig 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 sehr ionenarm, sodass seine direkte Verwendung als Trinkwasser umstritten ist. Vor Einspeisung in das Trinkwassersystem werden deshalb aus geschmacklichen und gesundheitlichen Gründen 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. Das Permeat wird meist durch Marmorfilter erreicht, wobei das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht wieder eingestellt wird.

Aquarientechnik

  In der Aquarientechnik ist die Umkehrosmose eine Methode zur Gewinnung von gereinigtem, Ionen-freiem Wasser.

In Umkehrosmoseanlagen für Aquarien sind der Membran in der Regel ein Feinfilter und ein Aktivkohlefilter vorgeschaltet, um die Membran vor mechanischer Verschmutzung und vor 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 verbrauchen die drei- bis vierfache Menge des erzeugten gereinigten Wassers als Spülwasser.

Der Vorteil der Umkehrosmose gegenüber dem zur Wasserenthärtung ebenfalls einsetzbaren Ionenaustauscher auf Kunstharzbasis (bekannt auch als Filterpatronen zur Trinkwasseraufbereitung) liegt darin, dass die Ionen nur entfernt und nicht durch andere ersetzt werden. Ionenaustauscher ersetzen die Calciumionen des harten Wassers durch Natriumionen, die besonders bei hoher 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 Umkehrosmose-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. Zudem besteht wegen der fehlenden Pufferwirkung die Gefahr, dass der pH-Wert des Wassers in den sauren Bereich umschlägt.

Im Aquaristenjargon sind die Kürzel UO (z. B. „UO-Wasser“) und UOA (= Umkehrosmoseanlage) gebräuchlich.

Medizintechnik

Die Umkehrosmose wird als Vorstufe zur Herstellung von Reinstwasser für die Medizintechnik verwendet. Der Einsatz von Reinstwasser ist zum Beispiel in der Dialyse für das Dialysegerät notwendig. Reinstwasser enthält im Gegensatz zu herkömmlichem Wasser (dieses enthält z. B. Mineralstoffe wie Magnesium) so gut wie keine Fremdstoffe. Wasser, welches durch Injektion in den Körper gelangt, oder mit später in den Körper zurückzuführenden Körperflüssigkeiten oder Blut in Kontakt kommt, muss den Spezifikationen von Wasser für Injektionszwecke entsprechen.

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 durchlaufen einen solchen Veredlungsgang (v. a. kalifornische Erzeugnisse, aber auch französische, österreichische, italienische). In Deutschland ist dieses Verfahren nur bei Weißweinen zugelassen.

Siehe auch

• Meerwasserentsalzung
• Abwasser