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Umkehrosmose - so funktioniert sie


Inhalt:

Bei der Umkehrosmose handelt es sich um einen physikalischen Prozess, mit dessen Hilfe zum Beispiel Abwässer durch eine fast vollständige Wasseraufbereitung weitgehend vermieden werden können. Daher stand und steht diese Methode auch im Fokus des Interesses von Militär und Raumfahrt. Zu trennen sind also bei der Umkehrosmose die Schmutzpartikel vom Wasser. Eine Konsequenz aus dem Naturgesetz der Entropiezunahme ist der natürliche, osmotische Ausgleich von Konzentrationsunterschieden in Gasen und Flüssigkeiten.

Wenn man Warmluft in eine Raumecke verfrachtet hat, dauert es nicht lange, bis sich wie von Geisterhand in dem gesamten Raum eine konstante Durchschnittstemperatur eingeregelt hat. Umgekehrt wird dieser Prozess aber niemals ablaufen. Auch nach einer Milliarde Jahren wird die Luft in einer Raumecke nicht einfach wärmer werden als anderswo. Dass beispielsweise warme Heizungsluft aufgrund ihrer geringeren Dichte an die Zimmerdecke strebt, ist hier nicht gemeint, denn dazu muss dem geschlossenen System Energie von außen zugeführt werden. Mit der Entropiezunahme ist das generelle Bestreben zu maximaler Unordnung beziehungsweise Gleichverteilung gemeint. Wir brauchen also unsere Kinder nicht schelten, da sie offenbar nur dem Naturgesetz Folge leisten.

So streben die Moleküle in einer Flüssigkeit mit Blick auf ihre Konzentration stets eine „osmotische“ Gleichverteilung an. Die Umkehrosmose macht genau diesen Vorgang rückgängig, braucht aber dafür etwas Energie. Auf diese Weise können unterschiedliche Teilchenarten voneinander getrennt werden, wobei diese Form der Ordnung zum Beispiel für Reinigungsprozesse ausgenutzt werden kann. Der diesbezügliche Wirkungsgrad ist unter Einsatz der Umkehrosmose deutlich größer als ein üblicher Feinfilter.

Entwicklung der Umkehrosmose

Seit Anbeginn der Zeit, zumindest seit unser Planet von Leben besiedelt ist, spielen Osmose-Vorgänge eine sehr wichtige Rolle. Aber erst seit gut 200 Jahren beschäftigen sich die Menschen mit der Beforschung der Osmose. Der Professor für Experimentalphysik Jean-Antoine Nollet, der am Pariser Collège de Navarre arbeitete und lehrte, beschrieb 1748 folgendes Experiment: Ein Zylinder ist mit Weingeist angefüllt und durch eine gesäuberte, entfettete Schweinsblase verschlossen. Der Zylinder wird senkrecht in ein Wasserbecken getaucht. Innerhalb von wenigen Stunden ist so viel Wasser von außen in den Zylinder eingeströmt, dass sich die Schweinsblase stark nach außen wölbte. Die Blase war nur für Wasser durchlässig, nicht aber für den Alkohol, der aufgrund seiner hydrophilen Eigenschaft das Wasser angezogen hatte. Was Nollet damit „erfunden“ hatte, war die semipermeable Membrane.

Aber erst in den 1950er Jahren erkannte der Wissenschaftler Srinivasa Sourirajan von der Universität Kalifornien die Möglichkeiten der Umkehrosmose. Erkennend, dass die Umkehrosmose möglicherweise der Schlüssel zur kostengünstigen Meerwasserentsalzung ist, installierte die US-Regierung ein umfangreiches Forschungsprogramm zu dem gesamten Themenfeld. Innerhalb von acht Jahren Forschung entwickelte sich mit einem Budget von nur 33 Millionen US-Dollar die moderne Wasseraufbereitungstechnik.

Inzwischen ist das Verfahren der Umkehrosmose aus der

nicht mehr wegzudenken. Überall dort, wo Wasser in höchster Reinheit gebraucht wird, sorgen Umkehrosmose-Verfahren für die Umsetzung der Anforderungen. Osmose-Wasser wird beispielsweise in Dialysegeräten für die Blutreinigung benötigt. Ohne Trinkwasseraufbereitung auf der Grundlage der Osmose-Technik wäre bemannte Raumfahrt gar nicht möglich, siehe dazu auch:

Wie funktioniert die Umkehrosmose?

Funktionsprinzip der Umkehrosmose

Die Umkehrosmose wird auch als Reversosmose (weitere Bezeichnung sind auch Hyperfiltration (HF) und im englischen reverse osmosis (RO)) bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein physikalisches Verfahren, um Stoffe, die in einer Flüssigkeit gelöst sind, aufzukonzentrieren. Dabei wird der natürlich ablaufende Osmose-Prozess mithilfe von Druck umgekehrt. Zur Verfügung stehen zwei Medien (Flüssigkeiten), die voneinander durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membrane getrennt sind. Die in der Flüssigkeit gelösten Stoffe sollen dazu veranlasst werden, durch die Membrane hindurch in den gewünschten Halbraum zu strömen, sodass die Konzentration des Stoffes auf der einen Seite auf Kosten der anderen Seite immer weiter ansteigt. Um dies zu bewerkstelligen, muss ein Druck aufgebaut werden, der größer ist als das natürliche Bestreben des osmotischen Konzentrationsausgleichs. Nur so werden die gelösten Moleküle dazu veranlasst, entgegen ihrer natürlichen, osmotischen Ausbreitungsrichtung zu wandern.

Bei Trinkwasser beträgt der osmotische Druck knapp 2 bar. Um die Umkehrosmose in Gang zu bringen, werden je nach Art der Membrane und Anlage Drücke von 3 bis 30 bar aufgewendet. Bei der Meerwasserentsalzung sind sogar Drücke zwischen 60 und 80 bar notwendig, weil Meerwasser schon von Haus aus unter einem osmotischen Druck von 30 bar steht. Das extrem salzreiche Tote Meer ist von einem osmotischen Druck um 350 bar gekennzeichnet. Es gibt Anwendungen, beispielsweise das Aufkonzentrieren von Deponiesickerwässern, bei denen noch deutlich höhere Drücke erforderlich sind.

Deshalb kann ein Problem darin bestehen, dass die osmotische Membran gegebenenfalls zu empfindlich ist, solch hohem Druck standzuhalten. Ihre Aufgabe ist es, die Trägerflüssigkeit (Solvent) durchzulassen und gleichzeitig die darin gelösten Stoffe (Solute) zurückzuhalten. Anders als ein klassischer Membranfilter, der aus Poren bestimmter Maschenweite aufgebaut ist, „diffundieren“ die Ionen oder Moleküle durch eine Osmose-Membrane hindurch. Dieser Vorgang wird physikalisch mit dem sogenannten „Lösungs-Diffusions-Modell“ gut beschrieben.

Je größer ein Konzentrationsunterschied ist, desto stärker ist der osmotische Druck beziehungsweise Gradient, der einen Ausgleich herstellen möchte. Letzterer kommt dann zum Stillstand, wenn der von außen angelegte Druck gleich dem osmotischen Druck ist, was als eine Gleichgewichtsbedingung aufgefasst werden kann. Durch einen gezielten Abfluss des Konzentrats lässt sich aber das osmotische Gleichgewicht verhindern. Der Druck wird entweder per Druckregler kontrolliert oder man nutzt den sich aufbauenden Druck dafür, den erforderlichen Druck im Bereich des Zulaufs des Systems mithilfe eines Druckaustauschers zu erreichen. Durch Energierückgewinnungsmaßnahmen können im Falle eines Druckaustauschers die Betriebskosten der Umkehrosmose-Anlage erheblich gesenkt werden. Bei Trinkwasser beträgt der Energieaufwand vier bis neun Kilowattstunden pro Kubikmeter.

Gerade bei der Reinigung von Wasser besteht die Gefahr, dass die Solute mit der Zeit die Membrane verstopfen. Dem lässt sich durch die Zugabe einer Säure oder eines Antibelagmittels (englisch: antiscaling) entgegenwirken. Bei solchen Antibelagmitteln handelt es sich meistens um polymere Verbindungen auf Malein- oder Phosphorsäurebasis. Ihre Aufgabe ist es, sich bildende Kristallite zu umschließen, wodurch verhindert wird, dass auf der Membrane überhaupt kristalline Ausfällungen entstehen können. Dennoch ist in den meisten Fällen eine regelmäßige, fachgerechte Reinigung der Membrane geboten. Durch vorgeschaltete Filter lassen sich Beschädigungen der Membrane vermeiden. Mechanisch verursachte Schäden können weitestgehend mithilfe eines Feinfilters verhindert werden, chemische Angriffe beispielsweise durch Chlor werden mit einem Aktivkohlefilter abgewendet.

Im Rahmen der Meerwasseraufbereitung kommt es zusätzlich immer wieder zu biologischen Verunreinigungen. In solchen Fällen kommen Biozide, meistens auf Brombasis, zum Einsatz, um die sich bildenden Biofilme zu beseitigen. Chlor wird heute weniger zur Desinfektion eingesetzt, weil die Membranen oftmals sehr empfindlich auf Chlor reagieren.

Im nachfolgenden Werbevideo wird das Prinzip der Umkehrosmosen noch einmal am Ultimate PLUS Umkehrosmose Wasserfilter vorgestellt:

Vorteile und Nachteile der Umkehrosmose

Nachfolgend werden noch einmal kurz und knapp die Vorteile und Nachteile der Umkehrosmose aufgeführt.

Vorteile

Nachteile

Weitere Anwendungsbereiche der Umkehrosmose

Quellen und Verweise