Umkehrosmose

Die Umkehrosmose ist die technische Umkehrung des in der Natur in jeder Zelle vorkommenden Prinzips der Osmose.
Was ist Osmose? Zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Salzkonzentration sind durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran voneinander getrennt (Abb. 1).

Im Idealfall ist diese Membran nur für Wassermoleküle durchlässig. Salze und Feststoffe werden zurückgehalten. Die Lösungen versuchen nun durch Diffusionskräfte die Salzkonzentrationen auszugleichen, d. h. von der Seite mit der niedrigeren Salzkonzentration fließen Wassermoleküle auf die Seite mit der höheren Salzkonzentration. Diesen Vorgang nennt man Osmose. Er dauert solange an, bis sich die Salzkonzentrationen ausgeglichen haben und/oder sich eine Druckdifferenz aufgebaut hat, die gleich den Diffusionskräften ist, die für die Wasserwanderung verantwortlich sind. Diesen Zustand nennt man osmotisches Gleichgewicht (Abb. 2).

Das bedeutet aber auch, dass je größer der Unterschied in den Salzkonzentrationen ist, desto höher steigt die Salz-Wasser-Lösung der konzentrierten Seite, desto höher wird die Druckdifferenz zwischen hochkonzentrierter und niedrigkonzentrierter Seite.

Die Umkehrosmose (engl. Reverse Osmosis = RO) kehrt, wie der Name schon andeutet, das Prinzip der Osmose um. Auf der höher konzentrierten Seite wird ein hoher Druck aufgebaut (Abb. 3), der das Wasser zwingt, auf die niedrig konzentrierte Seite zu fließen. Die gelösten Salze bleiben auf der höher konzentrierten Seite, da sie die Membran nicht passieren können.

Technische Umsetzung

Technisch wird die Umkehrosmose realisiert, in dem das Rohwasser mit hohem Druck in ein Modul gepresst wird. Durch den hohen Druck fließt Wasser durch die Umkehrosmosemembran (= RO-Membran) in den Reinwasserteil (=Permeatseite) und kann von dort über das Permeatsammelrohr abfließen (Abb. 4).

Damit sich die Salze auf der Konzentratseite nicht zu stark aufkonzentrieren und somit die Salze ausfallen und die Membran verblocken, muss dafür gesorgt werden, dass das Abwasser (=Konzentrat) abgeführt wird. Wenn zu viel Abwasser abfließt, fällt der Wasserdruck auf der Konzentratseite, und es kann kein Wasser mehr durch die Membran gedrückt werden.

Abb 4: Aufbau einer RO-Membran

Das Konzentrat ist bei unseren ROWA Anlagen so eingestellt, dass ein Verhältnis von Permeat : Konzentrat 1 : 1 (ROWA Sirius) bzw. 1 : 2 (ROWAaquarini-box) erreicht wird. Höhere Ausbeuten werden bei größeren Anlagen durch Einsatz eines vorgeschalteten Enthärters erreicht. Dieser lohnt sich ab einen Reinwasserverbrauch von ca. 1000 l/d. Anlagen mit hoher Literleistung produziert unsere Schwesterfirma WEIL Wasseraufbereitung GmbH. Sprechen Sie uns an, wir leiten Ihre Anfrage gerne an die Kollegen weiter.

Grundsätzlich erreicht man durch Umkehrosmose eine Teilentsalzung des Wasser von ca. 90 - 98 %. Die Reinigungsleistung und die Ausbeute einer Umkehrosmosemembran hängen von vielen Faktoren ab. Der wichtigste Faktor ist der Druck des Rohwassers. Umgekehrt zu dem Prinzip in Abb. 2 gilt: Je höher der Druck ist, desto größer ist der Unterschied der Salzkonzentration der beiden Seiten. Da die Salzkonzentration im verwendeten Rohwasser als konstant angesehen werden kann, heißt das, dass die Salzkonzentration des Reinwassers bei steigendem Druck abnimmt; das Reinwasser wird also sauberer. Aus diesem Grund ist es auch nicht sinnvoll eine RO-Anlage ohne Druckerhöhung bei einem Wasserdruck in der Leitung < 3 bar zu betreiben. Die Rückhalterate wäre zu schlecht und das Umkehrosmosesystem nicht rentabel.

Mit steigendem Druck steigt auch die Menge des erzeugten Reinwassers linear. Das bedeutet, dass Sie bei doppeltem Druck auch die doppelte Menge Reinwasser erzeugen können. Wenn Sie also eine typische kleine RO-Anlage haben, die bei 4 bar und 15 °C Wassertemperatur 90 Liter Reinwasser am Tag produziert, könnten Sie mit Hilfe einer Druckerhöhung auf 8 bar sogar 180 l/d erhalten. Natürlich nur, wenn alle Teile an der RO-Anlage für diese Drücke geeignet sind und die anderen Parameter entsprechend angepasst werden.

Die Wassertemperatur verändert zusätzlich die Ausbeute des Reinwassers. Mit steigender Temperatur nimmt die Beweglichkeit der Wassermoleküle zu und so kann mehr Wasser durch die Membran gedrückt werden. Beispiel: Die Reinwasserleistung unserer RO-Membranen steigert sich um 45 %, wenn die Temperatur von 10 auf 25 °C erhöht wird.
Trotz des Temperaturfaktors darf eine handelsübliche RO-Anlage nicht mit Warmwasser betrieben werden, da die verwendeten Polyamid/Polysulfon-Membranen sehr temperaturempfindlich sind und nur kurzzeitig Temperaturen von max. 35 °C ausgesetzt sein sollen.

Wenn bei RO-Anlagen die Rückhalteraten und/oder die Ausbeute angegeben werden, müssen zusätzlich immer Angaben über den verwendeten Druck und die verwendete Temperatur gemacht werden, sonst sind die Angaben von Rückhaltung und Ausbeute nicht vergleichbar mit anderen Anlagen und damit wertlos. Achten Sie bei Kauf einer RO-Anlage daher auf diese Angaben, damit Sie hinterher nicht enttäuscht feststellen, dass die Menge Reinwasser nicht mit der Literzahl auf der Verpackung übereinstimmt. In Norddeutschland liegt die Wassertemperatur durchschnittlich bei 15 °C. Deshalb finden Sie diese Angabe bei unseren Anlagen. Im Winter ist das Rohwasser mitunter aber deutlich kälter und somit die Reinwasserleistung auch geringer.

Neben Druck und Temperatur verändert die Oberfläche der Membran die Ausbeute: je größer die Oberfläche, desto höher die Ausbeute. Man versucht deshalb ein Membranmodul mit einer größtmöglichen Ausbeute zu konstruieren.

In den handelsüblichen Kleinanlagen werden sogenannte Wickelmodule (Abb. 4 und Abb. 5) eingesetzt. Es gibt aber auch andere Systeme wie Rohr-, Platten-und Hohlfasermodule, die im Industriebereich Verwendung finden.

Nachfolgend ein Beispiel für eine größere Wasseraufbereitung inkl. RO-Anlage, die unsere Schwesterfirma WEIL Wasseraufbereitung GmbH für größere Zoofachgeschäfte baut:

Abb. 6: Allgemeines Fließbild: Umkehrosmose mit vorgeschalteter Enthärtung

Die Kombi WRO 100 LE aus dem Industriebereich wird z. B. auch in Zoggfachgeschäften mit größerem Wasserbedarf eingesetzt. Klein und kompakt à la WEIL (Abb. 7 ohne Vollentsalzung).

Welche Stoffe werden herausgefiltert?

Es gibt verschiedene Filtrationsverfahren, die in Abhängigkeit von der Korngröße der zu entfernenden Stoffe eingesetzt werden (Abb. 8).

Abb. 8: Übersicht der Filtrationsverfahren, mit denen verschiedene Inhaltsstoffe unter Angabe ihrer mittleren Korngröße entfernt werden können.

Die Umkehrosmose hält sogar einwertige Ionen zurück. Gröbere Partikel werden zum großen Teil in den eingesetzten Vorfiltern entfernt. Diese Vorfiltration dient dem Schutz der Membran vor grober Verschmutzung und verlängert somit die Lebensdauer.

Aktivkohlevorfilter sind unerlässlich, wenn das Rohwasser gechlort wurde. Chlor ist sehr schädlich für die Membran, „vergrößert die feinen Poren“ und zerstört die Funktion. Ein typischer Chlorschaden liegt vor, wenn plötzlich sehr viel mehr Reinwasser produziert wird, obwohl Druck und Wassertemperatur unverändert sind. Außerdem entfernen Aktivkohlefilter auch organische Substanzen und zum Teil auch gelöste Metalle. Die RO-Membran wird also deutlich bei Einsatz eines Aktivkohlevorfilters entlastet.

Rückhaltung von gelösten Stoffen in % durch RO-Membranen:

Bemerkungen: Es handelt sich um Richtwerte unter Testbedingungen (4 bar, 15 °C) für DOW Filmtec-Membranen FT 30.