Umkehrosmoseverfahren und Anwendungen

Definition der Umkehrosmose

Umkehrosmose (RO) ist ein Verfahren zur Erzeugung einer wässrigen Lösung mit niedrigem Salzgehalt aus einer anderen wässrigen Lösung mit hohem Salzgehalt mittels einer wasserpermeablen Membran.

Es ist die Technologie, die zur Herstellung von entsalztem Wasser aus Meerwasser verwendet wird. Wie bei MF und UF wird die treibende Kraft für die Salztrennung durch einen Unterschied im Transmembrandruck verursacht.

Bei der RO beruht der Trennprozess jedoch auf der unterschiedlichen Löslichkeit und Diffusivität der Komponenten der wässrigen Lösung in der Membran. Die Betriebswerte für den Transmembrandruckunterschied und die Lösungskonzentration liegen jeweils bei 7 – 70 bar und 200 – 30000 ppm.

RO-Verfahren

Die RO-Technik hat sich in den letzten Jahrzehnten stark weiterentwickelt und ist von einer aufkommenden Technologie zu einem etablierten, effizienten und wettbewerbsfähigen Verfahren geworden. Aber was genau ist Umkehrosmose? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir zunächst den Osmoseprozess beschreiben.

Osmose ist ein Ausgleichsvorgang, bei dem Moleküle eines Lösungsmittels durch eine permeable Membran wandern können, um eine konzentriertere Lösung zu verdünnen.

Wenn Geräte wie in Abbildung (a) verwendet werden, bei denen zwei Lösungen mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen bei Atmosphärendruck durch eine physikalische Barriere getrennt sind, gleicht sich bei Entfernung dieser Barriere durch natürliche Diffusion die Konzentration in beiden Lösungen aus, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Anfangs fließt das Lösungsmittel überwiegend von der verdünnteren Lösung, aber mit Ausgleich der Konzentrationen gleichen sich die Flüsse an und der Nettostrom wird null.

Abbildung (b) zeigt dasselbe experimentelle System, jedoch sind die Lösungen nun durch eine semipermeable Membran getrennt, durch die das Lösungsmittel passieren kann, nicht jedoch größere Ionen und Moleküle. In diesem Fall tritt das Osmosephänomen auf, und die verdünntere Lösung wandert durch die Membran zur konzentrierteren Lösung, während die Ionen der konzentrierteren Lösung nicht durch die Membran gelangen und eingeschlossen bleiben.

Durch diesen Lösungsmitteltransfer von einer Seite der Membran zur anderen ändern sich die Pegel beider Lösungen, wie oben an den Tanks zu sehen ist. Während der Pegel der verdünnteren Lösung sinkt, steigt der der konzentrierteren Lösung.

Sobald der Fluss stoppt – Abbildung (c) – und sich die Pegel in den beiden Tanks nicht mehr verändern, hat das System das Gleichgewicht erreicht. Der Unterschied in den Flüssigkeitsständen erzeugt einen hydrostatischen Druck, der genau dem osmotischen Druck entspricht. Tatsächlich wird der osmotische Druck als der hydrostatische Druck definiert, der erforderlich ist, um den Fluss des Lösungsmittels durch eine semipermeable Membran, die zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Konzentration trennt, zu stoppen.

Wenn das Lösungsmittel von der verdünnteren zur konzentrierteren Lösung fließt, um die Konzentrationen auszugleichen, verringert sich der Fluss durch die Membran, wenn auf die konzentriertere Lösung ein leichter Druck ausgeübt wird.

Wird der Druck langsam erhöht, erreicht man einen Punkt, an dem der Fluss durch die Membran null ist, das heißt, das Lösungsmittel hört auf, durch die Membran zu fließen. Der zu diesem Zeitpunkt angelegte Druck entspricht dem osmotischen Druck. Wird der Druck weiter erhöht, kehrt sich der Fluss um und das Lösungsmittel fließt in die entgegengesetzte Richtung, also von der Seite der konzentrierteren Lösung zur Seite der verdünnteren Lösung. Dieser Prozess wird als RO bezeichnet.

RO besteht somit darin, das Lösungsmittel in einer konzentrierten Lösung durch eine semipermeable Membran zu trennen, indem ein Druck angelegt wird, der mindestens größer als der osmotische Druck sein muss.

Je höher der angelegte Druck, desto größer ist der Fluss, der durch die Membran permeiert.

Der RO-Behandlungsprozess ist besonders attraktiv aufgrund der hohen Selektivität der Membranen, die das Lösungsmittel passieren lassen, während die kleinen Ionen und Moleküle, die in der Lösung gelöst sind, kaum passieren können.

Dies macht die Technik besonders interessant für eine Vielzahl von Anwendungen wie die Entsalzung von Meerwasser, die Behandlung von flüssigen Abwässern, die Wasserreinigung für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie usw.

Der Einsatz der Umkehrosmose in der Lebensmittelindustrie ist ein klares Beispiel für ihre breite Anwendung; von Konzentraten von Eiklar, Fruchtsäften und Gelatine bis hin zur Entfernung von Bakterien und Salzlake bei Fleisch oder Alkoholentfernung aus Spirituosen. Auch die Milch-, Stärke- und Zuckerindustrie nutzen den RO-Anlagenbetrieb.

Osmose und RO sind zwei Phänomene, die im täglichen Leben bei Lebewesen natürlich vorkommen. Zum Beispiel verwenden die Zellen unseres Körpers, die von einer semipermeablen Membran umgeben sind, Osmose, um Nährstoffe in die Zelle hinein und aus der Zelle heraus zu transportieren, wodurch sowohl die Aufnahme der für den Zellstoffwechsel benötigten Nährstoffe als auch die Ausscheidung der Stoffwechselabfälle gefördert wird.

Was ist der Unterschied zwischen Osmose und Umkehrosmose?

Bei der Osmose bewegen sich Wassermoleküle von einer Flüssigkeit mit höherer Konzentration zu einer mit niedrigerer Konzentration durch eine semipermeable Membran. Dies erfordert keinen zusätzlichen Energieaufwand oder einen externen Prozess.

Bei der RO bewegen sich Wassermoleküle von einer Flüssigkeit mit niedrigerer Konzentration zu einer mit höherer Konzentration, was die Umkehrung der normalen Osmose ist. Dies erfordert, dass auf die Flüssigkeit mit niedrigerer Konzentration Druck ausgeübt wird, um den osmotischen Druck zu überwinden, und somit zusätzlichen Energieaufwand.

Arten von Membranen, die in der RO verwendet werden

Der Filtrationsgrad und der Prozess bestimmen die Verwendung eines bestimmten Membrantyps. Die gebräuchlichsten Membrantypen sind:

• Spiralmembranen
• Keramikmembranen
• Edelstahlmembranen
• Rohrmembranen
• Hohlfasermembranen
• Platten- und Rahmembranen

Vorteile

Die Vorteile der in der RO verwendeten Membranen lassen sich in folgenden Punkten zusammenfassen:

• Mehrfach geladene Ionen werden besser zurückgehalten als einfach geladene Ionen.
• Gelöste Gase wie Ammoniak, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Sauerstoff, Chlor und Schwefelwasserstoff haben eine gute Permeabilität.
• Die Abweisung von Säuren und schwachen Basen ist größer bei pH-Werten, wenn sie in ionisierter Form vorliegen.
• Die Abweisung neutraler organischer Moleküle nimmt mit dem Molekulargewicht zu; Verbindungen mit Molekulargewichten über 100 D weisen hohe Abweisungskoeffizienten auf. Die Art des Membranmaterials hat einen wichtigen Einfluss auf den Wert dieses Parameters.

Negative Werte des Abweisungskoeffizienten wurden bei gelösten Stoffen wie Phenol und Benzol in Celluloseacetat-Membranen beobachtet.

Spezifische Kontaminationsprobleme

Aufgrund der hohen Abweisungswerte bei RO-Prozessen ist Kontamination die wichtigste Ursache für Membranfehlfunktionen.

Die häufigsten Ursachen für Kontamination sind:

• Ablagerungen auf der Membranoberfläche von Krusten oder Ablagerungen aus Calciumcarbonat, Calciumsulfat, komplexen Silikaten, Bariumsulfat, Strontiumsulfat, Calciumfluorid usw., abhängig von der Zusammensetzung des Zulaufwassers und dadurch, dass die Salzkonzentrationen im Konzentrat das Löslichkeitsprodukt des Salzes überschreiten können
• Partikelsedimente wie Kolloide, Korrosionsprodukte von Eisenrohren, Eisenhydroxid-Absätze, Algen usw.
• Bio-Kontamination durch das Wachstum von Mikroorganismen auf der Membranoberfläche, da bestimmte Membranmaterialien wie Celluloseacetat oder Polyamide ein nützlicher Nährboden für Mikroorganismen sein können.
• Kontamination durch organische Verbindungen wie Öl oder Fett, die in industriellen Abwässern vorkommen.

Die Art der Reinigung der Membranen hängt von den Eigenschaften des Zulaufwassers, dem Membrantyp und der Art der Kontamination ab. Als allgemeine Richtlinie wird empfohlen, abwechselnde Spülperioden der Membranen durchzuführen, wobei sichergestellt wird, dass die Reinigungslösungen mit hoher Geschwindigkeit über die Membranoberfläche zirkulieren, gefolgt von Perioden, in denen die Membranen in den Reinigungslösungen eingetaucht sind.

Die Standardreinigungsmittel sind 1) Salzsäure, Phosphorsäure oder Zitronensäure und Chelatbildner wie EDTA zur Entfernung von Salzkrusten, sowie Oxalsäure zur Entfernung von Eisenablagerungen, 2) Laugen kombiniert mit Tensiden zur Entfernung von Mikroorganismen, Sedimenten und organischen Verbindungen und 3) Sterilisation der Membranen mit Chlorkonzentraten zur Eliminierung von Mikroorganismen.

Mehrfache Reinigungen führen zu einer Verschlechterung der Membranen. Je nach Anwendung beträgt die vom Hersteller garantierte Lebensdauer normalerweise 1 – 2 Jahre. Mit einem guten Reinigungsprogramm kann die Lebensdauer auf 3 Jahre verlängert werden, wobei eine Lebensdauer von 5 Jahren unwahrscheinlich ist.

Anwendungen und Einsatzgebiete der RO

Die Ziele einer RO-Anlage für den industriellen Einsatz verteilen sich wie folgt: 50 % für die Entsalzung von Meer- und Brackwasser; 40 % für die Herstellung von ultrapurem Wasser für die Elektronik-, Pharma- und Energieerzeugungsindustrie; 10 % als Dekontaminationssysteme für städtisches und industrielles Wasser.

• Entsalzung von Brackwasser

  Die Salinität dieses Wassers liegt bei 2000 mg/L – 10000 mg/L. Bei der Behandlung werden Drücke von 14 bar – 21 bar eingesetzt, um Abweisungskoeffizienten von über 90 % zu erreichen und Wasser mit Salzkonzentrationen unter 500 mg/L zu erhalten, was den von der WHO empfohlenen Trinkwasseranforderungen entspricht.

  Behandlungsanlagen verwenden Membranmodule in Spiralwickeltechnik. Die Kosten für diese Art von Anlage werden auf etwa 0,25 $US/L behandeltes Wasser/Tag geschätzt, wobei die Betriebskosten vergleichbar sind.

• Entsalzung von Meerwasser

  Je nach geografischer Lage liegt die Salinität dieses Wassers bei 30000 mg/L – 40000 mg/L. Um die Trinkwasseranforderungen zu erfüllen, werden Polyamid-Hohlfasermembranen verwendet, die Abweisungskoeffizienten von über 99,3 % bei Betriebsdrücken von 50 bar – 70 bar ermöglichen.

  Die Betriebskosten dieser Art von Behandlungsanlage werden auf 1 – 1,25 $US/L behandeltes Wasser/Tag geschätzt, was bedeutet, dass dieses Behandlungssystem im Vergleich zu anderen Systemen wie mehrstufigen Verdampfungsverfahren nicht wettbewerbsfähig ist, wenn der Wasserbedarf 40000 m3 behandeltes Wasser/Tag übersteigt.

• Herstellung von ultrapurem Wasser

  RO ermöglicht die Gewinnung von Wasser in der von der Elektronikindustrie geforderten Qualität aus Trinkwasser (Konzentration gelöster Feststoffe < 200 mg/L).

  Das Hauptproblem bei dieser Art von Anlage ist die Bio-Kontamination der Membranen, weshalb die Installation von Sterilisationssystemen mit UV-Strahlung notwendig ist. Tabelle 11 vergleicht die Anforderungen an Trinkwasser mit denen an ultrapures Wasser.

• Abwasserbehandlung

  Der Einsatz von Umkehrosmose in der Abwasserbehandlung ist aufgrund der hohen Betriebskosten durch Membrankontamination begrenzt. Im Fall von Industrieabwässern wird RO in solchen Branchen eingesetzt, in denen die Effizienz des Prozesses durch Rückgewinnung wertvoller Komponenten verbessert werden kann, die im Produktionsprozess recycelt werden können: Galvanikindustrie und Lackierung von Metallstrukturen, oder wo die Wiederverwendung des behandelten Wassers eine bedeutende Reduzierung des Wasserverbrauchs darstellt, z. B. in der Textilindustrie.

Im Fall von städtischem Wasser wäre RO als tertiäre Behandlung angezeigt, wenn es möglich wäre, Wasser in einer Qualität zu erhalten, die für den Verbrauch geeignet ist, zu Kosten von 0,5 – 0,75 $US/m3.

Das Hauptproblem für die Etablierung dieser Art der Behandlung ist die gesellschaftliche Reaktion. Dennoch werden in Gebieten Japans und Kaliforniens, wo extreme Wasserknappheit herrscht, RO-Anlagen eingesetzt, um Wasser zu behandeln, das aus der biologischen Behandlung von Haushaltswasser stammt, wobei das durch RO behandelte Wasser zur Auffüllung von Grundwasserressourcen verwendet wird.