Umkehrosmose (RO) ist eine Wasserreinigungstechnologie, bei der eine semipermeable Membran verwendet wird, um größere Partikel aus dem Trinkwasser zu entfernen. Bei der Umkehrosmose wird ein angelegter Druck verwendet, um den osmotischen Druck zu überwinden, eine kolligative Eigenschaft, die durch das chemische Potenzial, einen thermodynamischen Parameter, gesteuert wird. Umkehrosmose kann viele Arten von Molekülen und Ionen aus Lösungen entfernen, darunter auch Bakterien, und wird sowohl in industriellen Prozessen als auch bei der Herstellung von Trinkwasser eingesetzt. Das Ergebnis ist, dass der gelöste Stoff auf der unter Druck stehenden Seite der Membran zurückgehalten wird und das reine Lösungsmittel auf die andere Seite gelangen kann. Um „selektiv“ zu sein, sollte diese Membran keine großen Moleküle oder Ionen durch die Poren (Löcher) zulassen, kleinere Bestandteile der Lösung (z. B. das Lösungsmittel) jedoch ungehindert passieren lassen.
Beim normalen Osmoseprozess bewegt sich das Lösungsmittel auf natürliche Weise von einem Bereich mit niedriger Konzentration an gelösten Stoffen (hohes Wasserpotential) durch eine Membran zu einem Bereich mit hoher Konzentration an gelösten Stoffen (niedriges Wasserpotential). Die Bewegung eines reinen Lösungsmittels wird angetrieben, um die freie Energie des Systems zu reduzieren, indem die Konzentrationen gelöster Stoffe auf beiden Seiten einer Membran ausgeglichen werden, wodurch osmotischer Druck erzeugt wird. Die Anwendung eines externen Drucks zur Umkehrung des natürlichen Flusses des reinen Lösungsmittels ist somit Umkehrosmose. Der Prozess ähnelt anderen Anwendungen der Membrantechnologie. Es gibt jedoch wesentliche Unterschiede zwischen Umkehrosmose und Filtration. Der vorherrschende Entfernungsmechanismus bei der Membranfiltration ist das Sieben oder Größenausschluss, sodass das Verfahren theoretisch unabhängig von Betriebsparametern wie Zuflussdruck und Konzentration einen perfekten Ausschluss von Partikeln erreichen kann. Darüber hinaus beinhaltet die Umkehrosmose einen Diffusionsmechanismus, sodass die Trenneffizienz von der Konzentration des gelösten Stoffes, dem Druck und der Wasserflussrate abhängt. Umkehrosmose ist vor allem für ihren Einsatz bei der Trinkwasseraufbereitung aus Meerwasser bekannt, bei der Salz und andere Abwasserstoffe aus den Wassermolekülen entfernt werden.
Der Prozess der Osmose durch semipermeable Membranen wurde erstmals 1748 von Jean-Antoine Nollet beobachtet. In den folgenden 200 Jahren war Osmose nur ein im Labor beobachtetes Phänomen. Im Jahr 1949 untersuchte die University of California in Los Angeles erstmals die Entsalzung von Meerwasser mithilfe semipermeabler Membranen. Forschern sowohl der University of California in Los Angeles als auch der University of Florida gelang es Mitte der 1950er Jahre, Süßwasser aus Meerwasser herzustellen, aber der Durchfluss war zu gering, um kommerziell rentabel zu sein, bis Sidney Loeb und Sidney Loeb an der University of California in Los Angeles entdeckten Srinivasa Sourirajan vom National Research Council of Canada, Ottawa, über Techniken zur Herstellung asymmetrischer Membranen, die durch eine effektiv dünne „Haut“-Schicht gekennzeichnet sind, die auf einem hochporösen und viel dickeren Substratbereich der Membran getragen wird. John Cadotte von der FilmTec Corporation entdeckte, dass Membranen mit besonders hohem Fluss und geringem Salzdurchgang durch Grenzflächenpolymerisation von m-Phenylendiamin und Trimesoylchlorid hergestellt werden können. Cadottes Patent auf dieses Verfahren war Gegenstand eines Rechtsstreits und ist inzwischen abgelaufen. Mittlerweile werden fast alle handelsüblichen Umkehrosmosemembranen nach dieser Methode hergestellt. Bis Ende 2001 waren weltweit etwa 15,200 Entsalzungsanlagen in Betrieb oder in der Planungsphase.] RO-Produktionslinie, North Cape Coral RO-Anlage.
Osmose ist ein natürlicher Prozess. Wenn zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Konzentrationen eines gelösten Stoffes durch eine semipermeable Membran getrennt werden, neigt die Flüssigkeit dazu, sich von niedrigen zu hohen Konzentrationen des gelösten Stoffes zu bewegen, um ein chemisches Potentialgleichgewicht zu erreichen.
Formal ist Umkehrosmose der Prozess, bei dem ein Lösungsmittel aus einem Bereich mit hoher Konzentration an gelösten Stoffen durch eine semipermeable Membran in einen Bereich mit niedriger Konzentration an gelösten Stoffen gedrückt wird, indem ein Druck angewendet wird, der über dem osmotischen Druck liegt. Die größte und wichtigste Anwendung der Umkehrosmose ist die Trennung von reinem Wasser aus Meerwasser und Brackwasser; Meer- oder Brackwasser wird gegen eine Oberfläche der Membran gedrückt, wodurch salzarmes Wasser durch die Membran transportiert wird und Trinkwasser aus der Niederdruckseite austritt.
Die für die Umkehrosmose verwendeten Membranen verfügen über eine dichte Schicht in der Polymermatrix – entweder die Haut einer asymmetrischen Membran oder eine an der Grenzfläche polymerisierte Schicht innerhalb einer Dünnschicht-Verbundmembran –, in der die Trennung erfolgt. In den meisten Fällen ist die Membran so konzipiert, dass sie nur Wasser durch diese dichte Schicht passieren lässt und gleichzeitig den Durchgang gelöster Stoffe (z. B. Salzionen) verhindert. Dieser Prozess erfordert, dass auf der Hochkonzentrationsseite der Membran ein hoher Druck ausgeübt wird, normalerweise 2–17 bar (30–250 psi) für Süß- und Brackwasser und 40–82 bar (600–1200 psi) für Meerwasser hat einen natürlichen osmotischen Druck von etwa 27 bar (390 psi), der überwunden werden muss. Dieses Verfahren ist vor allem für seine Verwendung bei der Entsalzung (Entfernung von Salz und anderen Mineralien aus Meerwasser zur Gewinnung von Frischwasser) bekannt. Seit den frühen 1970er Jahren wird es jedoch auch zur Reinigung von Frischwasser für medizinische, industrielle und häusliche Anwendungen eingesetzt.
Regenwasser, das aus Regenabläufen gesammelt wird, wird mit Umkehrosmose-Wasseraufbereitungsanlagen gereinigt und zur Landschaftsbewässerung und industriellen Kühlung in Los Angeles und anderen Städten als Lösung für das Problem der Wasserknappheit verwendet.
In der Industrie werden durch Umkehrosmose Mineralien aus Kesselwasser in Kraftwerken entfernt.[10] Das Wasser wird mehrfach destilliert. Es muss möglichst rein sein, damit es keine Ablagerungen auf der Maschine hinterlässt oder Korrosion verursacht. Die Ablagerungen innerhalb oder außerhalb der Kesselrohre können zu einer Minderleistung des Kessels führen, seine Effizienz verringern und zu einer schlechten Dampfproduktion und damit zu einer schlechten Stromproduktion an der Turbine führen.
Es wird auch zur Reinigung von Abwasser und brackigem Grundwasser eingesetzt. Das Abwasser in größeren Mengen (mehr als 500 m3/Tag) sollte zunächst in einer Abwasseraufbereitungsanlage behandelt werden, und dann wird das klare Abwasser einer Umkehrosmoseanlage unterzogen. Die Behandlungskosten werden erheblich reduziert und die Lebensdauer der Membranen der Umkehrosmoseanlage erhöht.
Zur Herstellung von entionisiertem Wasser kann das Verfahren der Umkehrosmose genutzt werden.
Das Umkehrosmoseverfahren zur Wasserreinigung benötigt keine thermische Energie. Durchfluss-Umkehrosmoseanlagen können durch Hochdruckpumpen geregelt werden. Die Gewinnung von gereinigtem Wasser hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich Membrangrößen, Membranporengröße, Temperatur, Betriebsdruck und Membranoberfläche.
Im Jahr 2002 kündigte Singapur an, dass ein Prozess namens NEWater ein wesentlicher Bestandteil seiner zukünftigen Wasserpläne sein würde. Dabei wird häusliches Abwasser mittels Umkehrosmose behandelt, bevor das NEWater zurück in die Reservoirs geleitet wird.
Eine immer beliebter werdende Methode zur Fensterreinigung ist das sogenannte „Water Fed Pole“-System. Anstatt die Fenster mit Reinigungsmittel zu waschen
Eine immer beliebter werdende Methode zur Fensterreinigung ist das sogenannte „Water Fed Pole“-System. Anstatt die Fenster auf herkömmliche Weise mit Reinigungsmitteln zu waschen, werden sie mit hochreinem Wasser, das typischerweise weniger als 10 ppm gelöste Feststoffe enthält, mithilfe einer Bürste am Ende einer langen Stange, die vom Boden aus geführt wird, geschrubbt. Um das Wasser zu reinigen, wird üblicherweise Umkehrosmose eingesetzt.
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