Umkehrosmoseanlagen



Umkehrosmoseanlagen verwenden den Prozess der umgekehrten Osmose

Umkehrosmoseanlagen nutzen den Prozess der Osmose und kehren ihn in die entgegengesetzte Richtung um. Dabei wird Leitungswasser mit Druck durch eine oder mehrere halbdurchlässige Membrane(n) gedrückt und mit dem umgekehrten Verfahren der Osmose gefiltert. Gelöste Stoffe werden bei diesem Reinigungsvorgang rein mechanisch entfernt. Regenerierchemikalien sind bei der Reinigung mittels Umkehrosmose nicht erforderlich. Da Umkehrosmoseanlagen das umgekehrt gerichtete Osmoseverfahren nutzen, werden sie auch Reverse Osmose RO-Anlagen genannt.

Umkehrosmoseanlagen kommen in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz:

Umkehrosmoseanlagen für die Gastronomie
Altenheime, Kindertagesstätten, Hotels, Restaurants, Betriebs-, Gemeinschaftsverpflegungen, Bäckereiketten,
Fast-Food-Restaurants, und Mensen

Umkehrosmoseanlagen für die Lebensmittelindustrie
Getränke- und Lebensmittelproduktion

Umkehrosmoseanlagen für die Medizin- und Labortechnik
Kliniken, Krankenhäuser, Ärztezentren, Apotheken, Labore

Umkehrosmoseanlagen für die Industrie / industrielle Wasseraufbereitung
Kälte, Metallverarbeitung, Kraftwerke, Drahterodierung, Kühlschmierstoffe, Wasserstrahltechnik

Umkehrosmoseanlagen für die Luftbefeuchtung
Elektroden-, Heizkörperbefeuchtung, Klima

Umkehrosmoseanlagen für die Meerwasseraufbereitung
Labor, Aquaristik, Elektrodeionisation, Haushalt

Damit die Umkehrosmoseanlagen die Filterung in den unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden können, müssen die Anlagen individuell angepasst werden.

Der osmotische Prozess ist essentiell in der Natur

Die Funktionsweise einer Umkehrosmoseanlage erschließt sich am besten, wenn man sich die Prozesse der Osmose und Umkehrosmose vergegenwärtigt. Osmose ist ein natürlicher, regulativer Prozess. Für viele Vorgänge in der Natur ist Osmose bedeutsam und stellt daher ein essentielles Geschehen dar. Insbesondere dient Osmose der Regulation des Wasserhaushaltes von Lebewesen und läuft auf zellulärer Ebene ab. So sorgt die Osmose beispielsweise für die Wasserresorption der Nieren und ermöglicht Pflanzen, Wasser von den Wurzeln bis in die Blätterspitzen zu trans­por­tieren. Sehr anschaulich wird der osmotische Prozess, wenn hierdurch bei Regen Kirschen aufplatzen.

Osmosedruck entsteht durch halbdurchlässige Membranen und Konzentrationsgefälle

Ein osmotischer Prozess startet immer dann, wenn eine semimpermeable Membran zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Konzentration in ihr gelöster Stoffe trennt. Semipermeabel (halbdurchlässig) bedeutet, dass die Membran zwar für Lösungsmittelmoleküle, also in der Natur Wasser, durchlässig ist, nicht jedoch für größere Teilchen, beispiels­weise Salze. In der Natur wirkt nun das Prinzip, dass alle Stoffe zu einem Ausgleich der Konzentration streben. Hierdurch ent­ste­hen ein osmotischer Druck und eine osmotische Bewegung. Das Wasser diffundiert nun so lange durch die Membran, bis die Lösungen auf beiden Seiten der Membran gleich konzentriert sind.
Grafik Umkehrosmoseanlagen-osmose-wasseraufbereitung

Umkehrosmoseanlagen reinigen durch Überdruck entgegen dem Osmosedruck

Umkehrosmoseanlagen kehren durch Wasserdruck die Osmose in eine Umkehrosmose um. Der Druck muss dabei höher sein als der Osmosedruck, der durch den osmotischen Prozess zum Ausgleich der unterschiedlichen Konzentrationen entsteht. Das Wasser mit der erhöhten Partikelkonzentration, also das Rohwasser, benötigt einen höheren Druck. Dieser Überdruck lässt die Wassermoleküle (Träger­flüssigkeit = Solvent) entgegensetzt zur Richtung der Osmose in die niedrige konzentrierte Flüssigkeit diffundieren. Die halbdurchlässige Membran hält dabei die im Wasser gelösten Partikel (Solute) zurück, so etwa Salze. Aus diesem Prozess der Umkehrosmose resultiert ein von den Partikeln gereinigtes sogenanntes Permeat (Reinwasser). Je höher der Wasserdruck ist, desto mehr erhöht sich die Menge des Reinwassers. Bei verdoppeltem Druck erzeugt eine Umkehrosmoseanlage also auch die doppelte Menge Permeat.
umkehrosmoseanlagen-umkehrosmose-osmatischer-druck

Moleküle diffundieren durch die Umkehrosmosemembranen

Bei der Filterung des Wassers durch Umkehrosmoseanlagen diffundieren die Lösungs­mittel­mole­küle durch eine halbdurchlässige Membran. Die halbdurchlässige (semipermeable) Membran ist eine so genannte Lösungs­­­mittel­­­diffusions­­­mem­bran und verfügt nicht über durchgehende Poren. Darin unterscheidet sie sich von Porenmembranen, die von kleinen Löchern durchzogen sind und bei der Mikrofiltration oder Ultra­filtration zum Einsatz kommen. Nur weil die Lösungs­mittel­moleküle so klein sind, können sie die Membran durchqueren. Bei der Diffusion der Wasser­mole­küle durch die Membran ist die Eigenbewegung der Moleküle wirksam, die so genannte Brownsche Molekularbewegung. Je höher die Temperatur der Flüssigkeit, desto mehr beschleunigt sich die Diffusion. Daher erhöht sich auch die Permeatmenge, wenn sich die Temperatur erhöht.

Erforderlicher Wasserdruck bei Umkehrosmoseanlagen

Trinkwasser verfügt über einen osmotischen Druck von weniger als 2 bar. Umkehrosmoseanlagen für eine Wasseraufbereitung im Haushaltsbereich, in der das Wasser schon der DIN-DVGW entspricht, ist daher zumeist nur ein geringer Druck von 3 bis 6 bar nötig. Um über diesen Druck zu verfügen und damit die Wassermoleküle des Leitungswassers durch die Membranen zu drücken, reicht normalerweise der Druck des Leitungswassers aus. Beträgt der Wasserdruck weniger als 3 bar, muss zur Druckerhöhung eine Pumpe angeschlossen werden. Diese erhöht die Durch­lauf­geschwin­digkeit und damit den Wasserdruck. Die Membranen der Umkehrosmoseanlagen müssen dabei so stabil aufgebaut sein, dass sie dem erhöhten Druck standhalten.

Umkehrosmoseanlagen liefern weiches, entsalztes Wasser

Die Membran, durch die das zu reinigende Wasser gedrückt wird, ist für die im Wasser gelösten Substanzen annähernd undurchlässig. Aus diesem Grund stellt die Entsalzung von Wasser eine der Haupt­ein­satz­gebiete von Umkehrosmoseanlagen dar. Das von Partikeln gereinigte Permeat nimmt einen Anteil von etwa 75 Prozent ein. Das Permeat ist sehr salzarm, jedoch nicht voll­entsalzt, da hierfür zumeist der Druck nicht ausreichend vorhanden ist. Bei einer einstufigen Umkehr­osmoe­anlage beträgt die Ent­salzungs­rate etwa 97 Prozent. Zurück bleibt auf der anderen Seite der Membran ein Konzentrat mit einem Anteil von etwa 25 Prozent.

Abwasser (Konzentrat) muss bei Umkehrosmoseanlagen kontinuierlich abgeführt werden

Dieses Konzentrat muss im Laufe des Osmoseverfahrens kontinuierlich als Abwasser abgeführt werden. Ansonsten würden die Osmose­membranen verstopfen. Damit sich keine Ver­schmutzungs­­partikel an der Membran ansammeln, kann zusätzlich eine Permeatpumpe eingesetzt werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Umkehr­osmose­anlage und reduziert das Abwasser. Je nach der erforderlichen Qualität kann das Permeat anschließend noch mit Rohwasser verschnitten und im ph-Wert korrigiert werden. Auch eine Desinfektion kann noch vorgenommen werden, um den Reinheitsgrad des Permeats zu erhöhen. Um eine Um­kehr­osmose­anlage richtig auszulegen, muss zuvor eine Wasseranalyse erfolgen.

Umkehrosmoseanlagen filtern gesundheitsgefährdende Stoffe aus dem Wasser

Umkehrosmoseanlagen entfernen nicht nur Salze, sondern auch Bakterien, Keime, Schwermetalle, Pestizide, Hormone, radioaktive Substanzen sowie weitere gelöste organische Stoffe aus dem Wasser. Beispielsweise gelangen auch Nitrate durch Düngemittel und intensive Massentierhaltung verstärkt ins Bodenwasser. Somit erhöht die Filterung des Wassers durch Umkehrosmoseanlagen beträchtlich die Trinkwasserqualität.

Um die Qualität des Trink- und Leitungswassers zu sichern, kommen Wasserwerke zum Einsatz. Sie bereiten das Trinkwasser nach den Normen der europäischen Trinkwasserrichtlinie 98/83/EG 1998 und der deutschen Trink­wasser­verordnung auf. Diese Verordnungen regelt die Grenzwerte, nach denen das Trinkwasser mikrobiologisch und chemisch aufbereitet werden müssen. Aller­dings gelten diese Grenzwerte nur für eine begrenzte Anzahl an Inhaltsstoffen. Darüber hinaus können auch durch den Transport in den Leitungen Blei-, Kupfer- und andere Schwermetalle das Wasser verunreinigen. Um gesundheitlich vollkommen unbedenk­liches Trink­wasser zu erhalten, sind Umkehrosmoseanlagen die beste Filtermethode.

Wasseranalyse des Rohwassers für die Auslegung der Umkehrosmoseanlagen

Um Umkehrosmoseanlagen ordnungsgerecht auszulegen, sollte zuvor eine Wasseranalyse vorgenommen werden. In jedem Fall ist die Wasseranalyse erforderlich, wenn das Rohwasser nicht den Grenzwerten der Trinkwasserverordnung entspricht. Folgende Werte sollten beim einzuspeisenden Wasser besonders geprüft werden:

Eisen ≤ 0,1 ppm
Mangan ≤ 0,05 ppm
Kieselsäure ≤ 15 ppm.
Freies Chlor n.n. ≤ 0,2 ppm
Kolloid-Index ≤ 3
pH-Wert 3 – 9
Temperatatur 10 – 20 (30) °C
Summe Erdalkalien ≤ 0,1 °dH

Folgende Werte muss die Analyse des Rohwassers enthalten: Calcium, Magnesium, Eisen, Mangan, Natrium, Kalium, Ammonium, Chlor (Chlordioxyd), Chlorid, Sulfat, Nitrat, Hydrogencarbonat, Silikat, Phosphor. Weiterhin müssen bei der Rohwasseranalyse für Ausrichtung der Umkehrosmoseanlage ermittelt werden: pH-Wert, Gesamthärte, Karbonathärte, CO2 und die Leitfähigkeit.

Die Membranen der Umkehrosmoseanlagen sind ihr wichtigstes Element

Das wichtigste Element der Umkehrosmoseanlagen sind die Membranen. Zumeist benötigen Umkehrosmoseanlagen fünf Membranen, da die Anlagen in der Regel fünfstufig arbeiten. Die Membranen der Umkehrosmose­anlagen haben eine extrem kleine Porengröße. In der Regel messen die Poren ein 0,0001 Micron (µm). Dabei entspricht 1 Micron 0,001 Millimeter. Hieraus ergibt sich eine Poren­größe der Membran von 0,000001 Millimeter.

Umkehrosmose-Membranen sind als Röhren aufgebaut. Die Membranen-Röhre besteht wiederum aus einzelnen Schichten. Bei der Filterung des Rohwassers diffundiert das Wasser vom äußeren Bereich der Röhre ausgehend immer weiter nach innen. Die Reinheit des Wassers erhöht sich dabei von außen nach innen. Schließlich fließt das gereinigte Wasser aus einem zentralen Zylinder der Röhren­membrane heraus. Während des Reinigungsprozesses erhöht sich der Osmosedruck durch das Konzentrat der ausgefilterten Stoffe. Daher muss die Membran kontinuierlich mit nachfließendem Wasser gespült werden.

Die heute üblichen Membranen für Umkehrosmoseanlagen bestehen aus Kunststoffen, zum Beispiel Polysulfon.

Bakterien, Viren, Pestizide oder Nitrat – wirksame Filterung durch Umkehrosmoseanlagen

Wie wirksam die Filtermembranen der Umkehrosmoseanlagen sind, verdeutlichen diese Zahlen und die Grafik:

Filtermembran 0,0001 Micron (µm)
Menschenhaar 100 Micron
Blutzellen 10 Mikron
Bakterien 4 bis 1 Mikron
Viren 0,04 bis 0,02 Mikron
Pestizide 0,01 Mikron
Nitrat 0,001 Mikron

Regelmäßige Wartung der Umkehrosmoseanlagen ist notwendig

Etwa alle zwei Jahre müssen die Umkehrosmose-Membranen vollständig ausgetauscht werden. Wie lange eine Membran genutzt werden kann, hängt auch stark von der Qualität und dem Volumen des zu reinigenden Wassers ab. Um jederzeit über eine gute Wasserqualität zu verfügen, empfiehlt es sich, etwa alle sechs Monate die Filtermembranen zu wechseln. Der regel­mäßige Wechsel der Um­kehr­osmose­membranen verhindert einen Leistungs­verlust, eine Verkeimung und eine mangel­hafte Hygiene.

Um die halbdurchlässige Membran vor Beschädigungen zu schützen, werden bei vielen Umkehrosmoseanlagen Vorfilter eingesetzt. Diese Feinfilter entfernen bereits vor der Reinigung in der Umkehrosmose-Membran größere Partikel aus dem Wasser. Weiterhin können auch zusätzlich Aktivkohlefilter eingesetzt werden. Diese Filter neutralisieren sehr sicher Bakterien. Durch diese Koppelung von Filtern können Umkehrosmoseanlagen große Wasservolumen einfach reinigen und benötigen dabei kaum Wartung.

Mit dem Leitwert die Qualität des Osmosewassers bestimmen

Der Leitwert ist ein wichtiger Indikator, um die Qualität und Reinheit des erzeugten Osmose­wassers (Permeat) zu bestimmen. Denn aus dem Leitwert lässt sich schließen, wie viele Partikel im Wasser gelöst sind. Je mehr Stoffe sich darin befinden, etwa Chloride, Sulfate oder Carbonate, umso höher ist die elektrische Leit­fähig­keit und damit der Leitwert des Osmosewassers. Die Leit­fähig­keit resultiert aus den salz­artigen gelösten Stoffen, dessen Ionen Strom weiterleiten können. Der Wert ppm (Parts per Million) gibt dabei die Summe der gelösten Teil­chen an. Ein hoher Leit­wert weist also auf stark salz­haltiges Wasser hin. Sollte Osmose­wasser noch einen hohen Leit­wert aufweisen, dann arbeitet die Umkehr­osmose­anlage nicht gut genug.

Die Leitwerte des Wasser werden mit einem TDS (Total Disolved Solids)-Messgeräten ermittelt. Die elektrische Leitfähigkeit und damit der Leitwert werden üblicherweise in ppm (Parts per Million) angegeben. Leitwertmessgeräte können den Wert auch in Mikrosiemens angeben. Auch Wasserlabore geben die Grenz- und Analysewerte des Wassers häufig in Mikrosiemens an. Der Umrechnungsfaktor von ppm zu µS (Mikrosiemens) beträgt 1,56: Somit sind 1 ppm gleich 1,56 µS.

In Deutschland beträgt der Grenzwert für Trinkwasser 1395 ppm. Die EU-Richtlinien geben 200 ppm für den maximalen Trinkwassergrenzwert vor. Der in Deutschland zulässige Wert ist also um ein Vielfaches höher. Deutsches Trinkwasser hat im Durchschnitt einen Wert von 200 bis 450 ppm.

Umkehrosmoseanlagen für die Industrie und Haustechnik — schematischer Aufbau

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Umkehr­osmoseanlagen für die Industrie und Haus­technik sind aus diversen Grund­elementen aufgebaut. Zur Regulierung des Wasser­druckes kann ein Druck­minderer vorgeschaltet werden. Zumeist verfügen Umkehr­osmose­anlagen über einen Vorfilter, der gröbere Schmutz­partikel aus dem Roh­wasser aufnimmt. Die Membran sitzt im Umkehr­osmose­modul. Das ist eine druck­feste Einheit, durch die das Wasser strömen kann. In diesem Modul trennt sich das Roh­wasser in Permeat und Konzentrat. Ein Tank sammelt das gereinigte Wasser. Von hier aus transportiert eine Versorgungs­pumpe das Permeatwasser zu den angeschlossenen Verbrauchern. Je nach den Erfordernissen kann das Weichwasser zuvor noch mit Roh­wasser verschnitten werden. Durch diese Verschneidung kann der pH-Wert des Umkehr­osmose­wassers wieder angehoben werden.

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