Umkehrosmose – einfach erklärt

Definition und Bedeutung

Die Umkehrosmose, auch Reversosmose genannt, ist ein physikalisches Verfahren der Membrantechnik. Sie kehrt den natürlichen Osmoseprozess mithilfe von Druck um. Dadurch lassen sich gelöste Stoffe aus einer Flüssigkeit weitgehend zurückhalten. Das Verfahren dient vor allem dazu, Trinkwasser sowie Rein- und Reinstwasser zu gewinnen. Umgekehrt kann es auch eingesetzt werden, um gelöste Stoffe gezielt zu konzentrieren, etwa bei Lebensmitteln.

Eine semipermeable, also halbdurchlässige Membran trennt zwei Flüssigkeitsbereiche unterschiedlicher Konzentration. Sie lässt hauptsächlich das Lösungsmittel, bei der Wasseraufbereitung also Wasser, passieren und hält gelöste Stoffe weitgehend zurück. Der Druck auf der stärker belasteten Seite muss größer sein als der osmotische Druck, der normalerweise einen Konzentrationsausgleich bewirken würde. So wandern Wassermoleküle entgegen der natürlichen osmotischen Richtung auf die Seite mit der geringeren Konzentration gelöster Stoffe.

Osmosemembranen besitzen im Unterschied zu klassischen Membranfiltern keine durchgehenden Poren. Ionen und Moleküle bewegen sich durch Diffusion im Membranmaterial. Dieser Vorgang wird durch das Lösungs-Diffusions-Modell beschrieben.

Druck, Energie und Schutz der Membran

Der benötigte Arbeitsdruck hängt vom Salzgehalt und von der Anlagenkonfiguration ab. Trinkwasser hat einen osmotischen Druck von weniger als 2 bar; bei seiner Aufbereitung werden je nach Membran und Anlage 3 bis 30 bar eingesetzt. Meerwasser besitzt einen osmotischen Druck von ungefähr 30 bar und erfordert zur Entsalzung 60 bis 80 bar. Im Toten Meer beträgt der osmotische Druck sogar 350 bar. Bei bestimmten Aufgaben wie der Konzentration von Deponiesickerwasser können noch höhere Drücke notwendig sein.

Mit zunehmendem Konzentrationsunterschied steigt der osmotische Druck. Sobald er dem angelegten Druck entspricht, stoppt die Umkehrosmose; dann herrscht osmotisches Gleichgewicht. Ein stetiger Abfluss des Konzentrats verhindert dies. Der Druck am Konzentratauslass kann mit einem Druckregler kontrolliert oder über einen Druckaustauscher zurückgewonnen werden. Druckaustauscher übertragen Energie auf den Zulauf und senken dadurch die Betriebskosten. Moderne Meerwasseranlagen benötigen 2,5–5,5 kWh pro Kubikmeter, Anlagen für weniger salzhaltiges Brackwasser 1–2,5 kWh.

Ausfällungen gelöster Stoffe auf der Membran müssen vermieden werden. Dafür werden Säuren oder Antibelagmittel eingesetzt. Diese polymeren Verbindungen auf Phosphat- oder Maleinsäurebasis umschließen entstehende Kristallite und hemmen kristalline Ablagerungen; trotzdem kann eine Membranreinigung erforderlich sein. Vorgeschaltete Feinfilter schützen vor mechanischen Schäden, Aktivkohlefilter vor chemischen Schäden, beispielsweise durch Chlor.

Besonders bei Meerwasser können Biofilme entstehen. Sie werden zeitweise mit Bioziden, meist auf Brombasis, entfernt. Chlor wird vor allem in südlichen Ländern zur Desinfektion verwendet, muss wegen der Chlorempfindlichkeit der Membranen danach aber aufwendig entfernt werden.

Aufbau und Verfahrensarten

Das aufzubereitende Eingangswasser heißt Feed. Es wird zunächst vorbehandelt und anschließend durch eine Druckerhöhungspumpe zur RO-Membran geleitet; RO steht für „Reverse Osmosis“. Die Membran ist das Herzstück der Anlage. Sie trennt den Wasserstrom in das gereinigte Permeat und das mit zurückgehaltenen Fremdstoffen angereicherte Konzentrat. Nach Darstellung des Artikels werden dabei 99 % aller Partikel wie Salze, Bakterien und andere Verunreinigungen entfernt.

Auch bei guter Vorbehandlung kann die Membran verblocken. Deshalb ist in bestimmten Abständen eine Rückspülung mit Permeat notwendig. Der Zeitpunkt ergibt sich aus dem Druckunterschied vor und hinter der Membran, den der Betreiber genau aufzeichnen sollte.

Beim einstufigen Verfahren passiert das Wasser eine einzige RO-Membran. Ein Teil des Konzentrats wird zum Eingang zurückgeführt und bleibt im Kreislauf; der andere Teil gelangt ins Abwasser. In der Zahnmedizin können unerwünschte Verfärbungen durch Kieselsäureschlupf auftreten. Sie lassen sich bei der Erzeugung demineralisierten Wassers durch die Verbindung der Umkehrosmose mit einem Ionenaustauscher verhindern.

Beim zweistufigen Verfahren sind zwei RO-Membranen hintereinandergeschaltet. Üblicherweise arbeitet vor jeder Membran eine Druckerhöhungspumpe mit etwa 12–15 bar. Eine seltenere Variante nutzt nur eine Pumpe vor der ersten Membran. Sie erzeugt etwa 30 bar, damit hinter der ersten Membran noch genügend Druck für die zweite vorhanden ist. Weil die erste Membran dann besonders druckfest sein muss, ist diese Ausführung technisch aufwendiger.

Für medizinische Anwendungen reicht die Reinheit einer einstufigen Anlage häufig nicht aus. Anstelle einer zweiten Membranstufe kann eine Elektrodeionisation (EDI) folgen. Dieses elektrochemische Verfahren entfernt Ionen und ionisierbare Stoffe weitgehend. Es erzeugt Produktwasser mit sehr geringer Leitfähigkeit von weniger als 0,1 µS/cm. Das Produktwasser kann vor der RO-Membran wieder eingespeist werden; als Abfall fällt nur eine geringe Menge Elektrodenspülwasser an. Die Kombination aus einstufiger Umkehrosmose und EDI verhindert in der Regel auch Verfärbungen durch Wasserinhaltsstoffe wie Kieselsäure.

Anwendungsbereiche

Umkehrosmose wird in zahlreichen Bereichen eingesetzt:

Mobile militärische Anlagen gewinnen Trinkwasser aus beinahe allen Wasserquellen. Das Rohwasser wird zunächst mit einem Polymer zur Einleitung der Koagulation behandelt, passiert einen für den Ionentausch zuständigen Filter und anschließend einen spiralförmigen Baumwollfilter für Verunreinigungen über 5 Mikrometer. Danach folgen mehrere Umkehrosmosegefäße und zuletzt eine Chlorung. Im Auftrag der NASA wurden außerdem Verfahren zur Behandlung von Eigenurin bei Weltraumaufenthalten entwickelt.
Bei der Trinkwasseraufbereitung in Haushalten wird Umkehrosmose mit Membranen, Filtern unterschiedlicher Porengröße, Aktivkohle und teilweise ultraviolettem Licht kombiniert. Mobile Systeme benötigen mindestens 280 kPa Leitungsdruck und werden besonders in Regionen ohne sauberes Versorgungsnetz, auf hoher See oder bei verunreinigtem Leitungswasser eingesetzt. Bei der Flaschenwasserproduktion können vorgeschaltete Keimsperren sowie nachgeschaltetes UV-Licht, Ozon oder Sterilfilter erforderlich sein, weil Mikroorganismen durch kleine Risse oder unregelmäßige Porenweiten gelangen können. Die entsprechende Umkehrosmosebehandlung von Mineralwasser ist in der EU allerdings nicht erlaubt.
In der Medizintechnik erzeugt das Verfahren Rein- und Reinstwasser, das von fast allen partikulären Stoffen, Mineral- und Fremdstoffen, Viren, Bakterien, Keimen und weiteren Verunreinigungen befreit ist. Auch Ionen werden zurückgehalten. Dieses Wasser dient der Reinigung und Desinfektion medizinischer Geräte und Utensilien, insbesondere von Operationsbesteck.
In Kraftwerken werden Mineralstoffe aus Boilerwasser entfernt, damit verdampftes Wasser keine Verkalkungen hinterlässt. Weitere Einsatzgebiete sind die Behandlung vorgereinigten Brackwassers sowie die Herstellung von demineralisiertem Wasser und Aquariumwasser.
Zur Konzentration gelöster Stoffe wird Umkehrosmose unter anderem bei Fruchtsaftkonzentraten, Most, alkoholfreiem Bier, Milchkonzentraten und Proteinpulvern verwendet. Demineralisiertes Wasser aus solchen Anlagen wird außerdem für Reinigungs- und Desinfektionsgeräte sowie Dampfsterilisatoren bereitgestellt.

Nachteile und Grenzen

Ein wesentlicher Nachteil ist der hohe Wasserverlust: Für einen Liter Reinwasser können etwa 3 bis 30 Liter Leitungswasser als Spülwasser anfallen. Dieses Abwasser wird häufig über die Kanalisation in den Wasserkreislauf zurückgeführt oder in Flüsse beziehungsweise ins Meer geleitet. In wasserarmen Gebieten erhöht der breite Einsatz privater Anlagen dadurch den Gesamtwasserbedarf. Für Gebiete mit weniger als 500 mg gelösten Feststoffen pro Liter wurde deshalb bereits ein Verbot solcher Anlagen vorgeschlagen, um die Wasserversorgung zu entlasten. Als besonders problematisches Beispiel nennt der Artikel die Auswirkungen einer flächendeckenden privaten Nutzung auf die wasserarme Megastadt Neu Delhi.

Bei unregelmäßiger Nutzung besteht außerdem eine hohe Gefahr der Verkeimung, weil sich Schwebstoffe an der Membran sammeln. Als weiterer Nachteil wird die Entfernung essenzieller Mineralstoffe genannt. Nach Darstellung des Artikels kann der dauerhafte Verzehr dieses Wassers dem Körper Mineralien entziehen und zu einer Unterversorgung führen.