Umkehrosmose zur Wasseraufbereitung

Stark im Kommen

17.02.2007 Die Umkehrosmose ist eine Technologie, die heute zur Herstellung von gereinigtem Wasser weit verbreitet ist. Diese Technologie gewinnt täglich neue Anwendungen aufgrund der Vielzahl der Vorteile gegenüber dem Ionenaustauscher. Dabei kommen ein- und mehrstufige Anlagen zum Einsatz, je nach erforderlicher Produktwasserqualität und den Salzgehalten im Speisewasser. Von der englischen Bezeichnung reverse osmose leitet sich die häufig verwendete Abkürzung RO-Anlage ab.

Jeder Obstliebhaber ärgert sich über geplatzte Kirschen im Hochsommer. Aber was haben geplatzte Früchte mit Osmose zu tun? Ganz einfach. Nach einem Regenschauer platzen plötzlich die Kirschen am Baum. Der physikalische Grund für dieses Phänomen liegt darin, dass reines Wasser (Regenwasser) außen an den Kirschen als Tropfen hängen bleibt. Damit ist ein System, bestehend aus einer Membran und zwei unterschiedlich konzentrierten Lösungen auf beiden Seiten der Membran, geschaffen worden. Aufgrund der Gesetze der Osmose, nämlich Schaffung gleicher Konzentrationen auf beiden Seiten der Membran, dringt nun das Wasser durch die Kirschhaut in die Kirsche ein, bis diese platzt. Dreht man diesen Prozess der Osmose um, so erhält man die so genannte Umkehrosmose:

Es wird ein hoher Druck – größer als der osmotische Druck – auf eine Membran mit Flüssigkeit aufgebracht, so dass eine zweite Flüssigkeitsphase auf der anderen Seite der Membran entsteht.

Konzentrationsgefälle ist das A und O

Die treibende Kraft ist das Konzentrationsgefälle im System, das durch eine halbdurchlässige Membran getrennt ist. Diese Membran ist nur für das Lösemittel Wasser durchlässig. Der Prozess kommt also zum Stillstand, wenn kein Konzentrationsgefälle mehr vorhanden ist. Bei technischen Anlagen wird dieses Konzentrationsgefälle durch den permanenten Wassertransport und den Einsatz einer Hochdruckpumpe aufrechterhalten.

Im Gegensatz zur konventionellen Filtration wird bei diesem Verfahren im molekularen Bereich abgetrennt. Die Leistungsfähigkeit der Membranen, der Permeatfluss oder Flux, wird angegeben in l/m2h.
Die eingesetzten Membranmaterialien sind fast ausschließlich synthetische Polymere. Aus den Stofftransportgesetzen der physikalischen Chemie ist bekannt, dass sich der Permeatfluss umgekehrt proportional zur Länge der Transportstrecke verhält. Eine dicke Membran ist also ungünstig. Aus diesem Grund hat man sich seitens der Hersteller bemüht, die aktiven Trennschichten so dünn wie möglich zu machen. Dennoch muss die Membran zu handhaben sein, ohne dass allzu leicht Löcher oder Risse entstehen oder die Membran durch Druckschwankungen zerstört wird. Daher wurde eine Kompositmembran entwickelt, bei der ein Stützgewebe auf die Membran aufgebracht wird. Durch die Wahl zweier unterschiedlicher Materialien kann sowohl gutes Material für die aktive Trennung als auch stabiles Material für die mechanische Stabilität eingesetzt werden.
Diese einzelnen Membranflächen müssen nun zu technisch verwertbaren Komponenten aufgewickelt werden. Auch muss eine geeignete Wasserzuführung und ein Sammelrohr für den Abtransport des Produktes eingebaut werden. Dazu werden die Membran und die anderen erforderlichen Schichten wie Distanzhalter an den Seiten verklebt und als Paket auf ein Permeatsammelrohr aufgewickelt. Das zu reinigende Wasser fließt von der Stirnseite in die Modulkonstruktion, durchdringt dann die Membran, während das Konzentrat die Zwischenschichten auf der gegenüberliegenden Seite wieder verlässt. Auf diese Weise kann also eine Vermischung der verschiedenen Wasserqualitäten verhindert werden. Das zum Zentrum spiralförmig sich sammelnde gereinigte Wasser (Permeat) fließt in der Mitte des Moduls ab.
Bei der Cross-flow-Filtration strömt das zu filtrierende Medium über die Membran und wird in zwei Teilströme aufgespalten. Um eine Deckschicht weitgehend zu verhindern, wird bei dieser dynamischen Filtration die Membran während der Filtration mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit überströmt. Die Scherkräfte an der Membranoberfläche (RE 25000 und größer) behindern dabei das Ablagern einer unerwünschten Deckschicht. Der Produktstrom wird durch die Membran hindurch abgeführt.
Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten werden die sich permanent bildenden Verblockungen bzw. Anreicherungen auf der Membranoberfläche zumindest teilweise wieder abgebaut. Die Membran in den Umkehrosmoseanlagen ist sehr dünn, da der Wasserdurchtritt umgekehrt proportional zur Membranschichtdicke ist. Derartige Membranen lassen sich am besten durch eine asymmetrische Membranstruktur herstellen.
Das aufzubereitende Wasser wird mit Hilfe einer Hochdruckpumpe kontinuierlich durch die Membran gepumpt. Das zugeführte Medium wird im allgemeinen Sprachgebrauch bei Umkehrosmoseanlagen Feed genannt. Das Medium wird in die zwei Teilströme aufgeteilt: in den Produktstrom, auch Permeat genannt, und den Konzentratstrom (Retentat), der nahezu die gesamten Salze des Zulaufwassers enthält. Ein großer Volumenteil des Konzentrates wird wieder dem Feed zugeführt, um eine große Überströmung auf der Membran zu erhalten. Somit wird auch das tatsächliche Speisewasser mit Inhaltsstoffen angereichert, und es gelangt mit einem höheren Salzgehalt als im tatsächlichen Speisewasser auf die Membran.
Durch die Betriebsweise einer permanenten Produktion werden die Vorteile dieser Technologie sichergestellt. Es findet keine Keimbildung in Stillstandszeiten durch permanente Bewegung in der Anlage statt. Die Membranen erfahren keine mechanischen Belastungen durch häufiges Anfahren und ermöglichen somit eine lange, sichere Betriebsweise.
Jede technische Anlage im pharmazeutischen Bereich erfordert eine gründliche Reinigung und Sanitisierung. Die Durchführung ist vor der Realisierung sehr genau zu planen, damit auch alle Komponenten bei der Maßnahme erreicht werden. Insbesondere die totraumfreie Konstruktion und eine gute Durchströmung sind hier die richtigen Maßnahmen.

Welche Technologie ist die beste?

Durch die unterschiedlichen technischen Möglichkeiten einer Konstruktion der RO-Anlage mit einer Vielzahl an Modulen sind die unterschiedlichsten Technologien am Markt. Hauptsächlich wird aber der Anlagenbauer auf Grund der vorhandenen Rohwasserqualität die eine oder andere Technologie bevorzugen.

Bei der einstufigen Technologie durchläuft das aufzubereitende Wasser in einmaliger Passage die Umkehrosmoseeinheit. Das vorbehandelte Wasser wird mit der Druckerhöhungspumpe auf die Module gebracht und in zwei Teilströme aufgespalten: das gewünschte Produkt Permeat und das Konzentrat. Ein Teil dieses Konzentrats wird wieder auf der Rohwasserseite eingespeist. Durch die permanente Kreislaufführung von Wasser wird die Wassertemperatur unter Umständen erhöht.
Von Zeit zu Zeit ist ein Rückspülen der Membran erforderlich, um eine Verblockung zu vermeiden – auch bei bester Vorbehandlung. Wann dies genau erforderlich ist, ergibt sich aus den Druckverlusten der Anlage. Schon aus diesem Grund sollten die Differenzdrücke über die Membran vom Betreiber genau aufgezeichnet werden. Durch diese Rückspülung kann der Anfangsdruckverlust nahezu wieder vollständig hergestellt werden. Aus den Aufzeichnungen über die Differenzdrücke können wertvolle Hinweise für die eventuelle Reinigung erhalten werden. Zur Rückspülung bzw. Reinigung sollte immer Permeat eingesetzt werden. Die Qualität der Umkehrosmosemembran wird angegeben mit der Leistung der Membranen: dem Fluss pro m2 Membranfläche und Zeiteinheit.
Um die geforderte Pharmawasserqualität Gereinigtes Wasser oder Wasser für Injektionszwecke hinsichtlich der Leitfähigkeit zu erreichen, ist eine einmalige Passage des Wassers durch die Umkehrosmoseanlage nicht ausreichend. Entweder wird eine zweite Umkehrosmosestufe nachgeschaltet oder eine andere Technologie zusätzlich eingesetzt.

Zweistufige Technologie:permeatgestufte Anlagen

Das Wasser kann direkt ohne eine zweite Pumpe über zwei hintereinander geschaltete Membranen gepresst werden. Dabei ist mit entsprechend hohen Drücken für die erste Stufe zu arbeiten. Auch muss technisch sichergestellt werden, dass die erste Membranstufe nicht durch falsche Druckführung zerstört wird. Dies ist eine aufwändige Technologie, die sich nicht im Markt durchgesetzt hat. Hauptproblem ist dabei der große Druck für die erste Membranstufe. Der Vorteil dieser Bauart liegt aber darin, dass nur ein Pumpenaggregat vor den beiden Membranblöcken liegt.

Anlagen mit zwei Pumpen arbeiten üblicherweise mit zwei Pumpen im Druckbereich 12 bis 15 bar jeweils vor den einzelnen Membranstufen. Anlagen dieses Typs sind viel häufiger anzutreffen.

Nicht unerwähnt bleiben sollte, dass manche Angebote von Herstellern von Wasseraufbereitungsanlagen keine Komponenten zur Reinigung der Umkehrosmoseanlage enthalten. Prinzipiell müssen aber alle Anlagen regelmäßig gereinigt werden. Es wird daher empfohlen, sich bereits in der Angebotsphase auch die erforderlichen Komponenten für die Reinigung anbieten zu lassen. Die Mindestausstattung für eine chemische Reinigung besteht aus einem Ansatzbehälter mit entsprechender Pumpe und Anschlussteilen. Die Alternative, die thermische Sanitisierung, erfordert einen höheren Kostenaufwand und Energieeinsatz, stellt aber wohl die Zukunft dar. Die Verwendung der Temperatur ohne Zusatz von Chemikalien reduziert das Auswaschen und Überwachen der Anlage. Auch ist eine Automatisierung viel einfacher möglich. Es zeichnet sich ein Trend zu Anlagen ab, die alle Reinigungsschritte nur noch thermisch durchführen.

Es zeichnet sich ein Trend zu Anlagen ab, die alle Reinigungsschritte nur noch thermisch durchführen

Heftausgabe: Februar 2007

Über den Autor

Dr. Herbert Bendlin , Öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Trink-, Rein- und R
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