Osmoseanlagen, die Technik der Zukunft

Eine Osmoseanlage beziehungsweise Umkehrosmoseanlage ist eine moderne Wasserfilteranlage, die sich den Prozess der Umkehrosmose zunutze macht. Dazu wird der natürliche Prozess der Osmose umgekehrt.

Die Osmose ist ein in der Natur weitverbreiteter Vorgang und gerichteter Fluss einer Flüssigkeit mit molekularen Teilchen, wie Zucker oder Fetten, durch eine selektive oder semipermeable Membran. Selektive Membranen, wie zum Beispiel Zellmembranen trennen so Ionen und Moleküle, indem nur bestimmte Teilchen, zum Beispiel Natrium und Kalium Ionen passiv oder aktiv die Zellwand passieren dürfen. Als Semipermeabilität hingegen wird die Eigenschaft einer Membran oder physikalischen Grenzfläche bezeichnet, halbdurchlässig beziehungsweise teilweise durchlässig für bestimmte Stoffe zu sein. Dies bedeutet oft, dass die Grenzfläche durchlässig für das Lösungsmittel ist, aber nicht für die darin enthaltenen gelösten oder ungelösten Teilchen und Stoffe. Durch Porengröße können so Moleküle unterschiedlicher Größe oder Molmasse voneinander getrennt werden.

Der Prozess der Osmose wird zum Beispiel in Kraftwerken genutzt, um Energie aus den unterschiedlichen Konzentrationen von ionisiertem Salz im Meerwasser und Süßwasser zur Gewinnung von sogenannter Salzgradientenenergie zu nutzen.

Was bedeutet Umkehrosmose?
Die Umkehrosmose ist ein physikalisches und technisches Verfahren, bei dem der natürliche Prozess der Osmose durch Druckzugabe umgekehrt wird. Dazu muss man als Erstes wissen, dass ein Stoff in einem Medium einem osmotischen Bestreben, dem Konzentrationsausgleich in der Flüssigkeit, folgt. Das beste Beispiel ist die Zugabe eines Farbstoffes in ein Lösungsmittel wie Wasser, der sich im Wasser gleichmäßig verteilt. Wenn ein gelöster Stoff durch eine semipermeable Membran von dem Restkompartiment getrennt ist und seine Konzentration auf der einen Seite höher ist, als auf der anderen Seite, so wird er dem Bestreben nach Konzentrationsausgleich seine Menge auf der weniger konzentrierten Seite so lange erhöhen, bis dieses Gleichgewicht erreicht wird. Unter Druckzugabe kann man diesen natürlichen Fluss zum Konzentrationsausgleich umkehren und die Teilchen wandern nun entgegen ihrem Konzentrationsgefälle. Die osmotische Membran als solches muss diesem Druck standhalten können.


Aufbau einer Umkehrosmoseanlage
Eine Umkehrosmose Anlage besteht aus einer Membran, dem Herzstück der Anlage, wo die eigentliche Filtration und Trinkwasseraufbereitung stattfindet. Die Membran ist in mehreren Schichten spiralförmig aufgewickelt und wird als TFC-Membran bezeichnet. Diese Membranen verschleißen, indem ihre Leitfähigkeit erhöht wird, und müssen nach einer gewissen Zeit neu ausgetauscht werden.

Als Filter kommen in der Anlage Feinfilter und Aktivkohlefilter zum Einsatz, die dem Schutz der Membran dienen. Der Feinfilter trennt das Wasser von Schwebeteilchen bis zu einer Größe von 5 µm, wie zum Beispiel Sedimente, Sand und Metalle. Ein Aktivkohlefilter besteht aus feinem Kohlenstoff und löst aus dem Wasser organische Verbindungen und Chemikalien, wie Pestizide, Chlor und Benzol. Des Weiteren neutralisiert die Aktivkohle Geschmacksstoffe und Geruchsstoffe im Trinkwasser.

Da die Membran der Anlage schnell verschlammen kann und sich so die Poren zusetzen, wird Ausgangswasser abgeführt. Die Menge des abzuführenden Wassers beziehungsweise Konzentrats wird durch einen Durchflussbegrenzer kontrolliert. Dies ist unumgänglich, da durch den Konzentrationsanstieg von Teilchen im Wasser zusätzlich Druck verloren geht und somit zu wenig Permeat, das Osmosewasser, produziert wird. Oft werden Osmoseanlagen deswegen mit Druckerhöhungspumpen zusätzlich ausgestattet.

Trinkwasseraufbereitung durch Umkehrosmoseanlagen

Umkehrosmosefilter werden bei der Trinkwasseraufbereitung in Haushalten, oftmals in Kombination mit Aktivkohlefiltern und ultraviolettem Licht, zur Reinigung des Wassers eingesetzt. Dies führt einerseits zur Beseitigung von Mikroben im Trinkwasser als auch von Schwebpartikeln wie Staub und Schwermetallen. Gerade in ländlichen Gebieten, die an keiner Wasseraufbereitungsanlage angeschlossen sind, wird die Umkehrosmoseanlage zur Aufbereitung verunreinigter Gewässer genutzt. Zur Beseitigung von Mikroben in der Mineralwasserproduktion werden ebenfalls Umkehrosmosefilter eingesetzt.

Verwendung von Umkehrosmose beim Militär und in der Raumfahrt

Das Militär nutzt Umkehrosmoseanlagen um in Gebieten mit verunreinigtem Wasser, ausreichend mit Trinkwasser versorgt zu werden. Zum Einsatz kommen mobile Filtersysteme, die über einen Ionenaustauscher und nachgeschalteter Aktivkohle und Baumwollfilter das Wasser bis zur Trinkbarkeit reinigen. In der Raumfahrt ist das gängigste Beispiel für einen Umkehrosmoseprozess die Aufbereitung des körpereigenen Urins zur Trinkwassergewinnung.

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