Technologie-Center: Wie funktioniert Umkehrosmose?

Definition von Umkehrosmose

 
Umkehrosmose - im englischen Sprachraum als Reverse Osmosis (RO) bezeichnet -  gilt in Fachkreisen als die modernste und fortschrittlichste Methode im Bereich der Wasseraufbereitungstechnik. In einem Artikel des Industriemagazins hieß es: „Die gegenwärtig wirtschaftlichste und umweltfreundlichste Verfahrenstechnik zur Herstellung des nassen Goldes ist die Umkehrosmose.
 

Umkehrosmose wurde in den späten 50er Jahren im Auftrag der US Regierung und der NASA hauptsächlich als eine Methode zur Entsalzung von Meerwasser und zur Trinkwasserreinigung für die bemannte Raumfahrt entwickelt.

In der Trinkwasseraufbereitung befreit die Technologie der Umkehrosmose das Leitungswasser nahezu von allen gelösten und ungelösten Fremdstoffen (beispielsweise Nitrat, Blei, Arzneimittelreste, Bakterien, etc.) außer dem Wassermolekül selbst. Der Vorgang erfolgt dabei rein mechanisch ohne den Zusatz von chemischen Stoffen. Durch die Aufbereitung von Leitungswasser mittels der Umkehrosmose  erhält man ein sehr  hochwertiges, reines Wasser. Das gereinigte Wasser hat ungefähr einen Mineralgehalt wie das reinste im Handel erhältliche Flaschenwasser.

Wo wird das Verfahren der Umkehrosmose eingesetzt?

 

Überall dort, wo ein reines Wasser benötigt wird. Nachfolgend ein paar Beispiele:

    • Getränke- und Lebensmittelindustrie (Getränkeherstellung, Aufbereitung von Tafelwasser, für das
      Aufkonzentrieren von  Säften, Qualitätsverbesserung in der Weinbereitung, etc.)
    • Anbieter von Watercoolern (in sog. „Bottles“ wird Umkehrosmose-Wasser geliefert)  
    • Meerwasserentsalzungsanlagen
    • Baby-Wasser
    • Medizintechnik (z.B. Dialyse)
    • Computer- und Pharmaindustrie (für die Produktherstellung wird Reinwasser benötigt)
    • Abwasseraufbereitung (u.a. wird diese Technik in den Lufthansa Werkstätten eingesetzt)
    • Raumfahrt (Recycling von Trinkwasser)
    • Technische Hilfsdienste und Militär bei Auslandseinsätzen
    • Glasindustrie (für Spülvorgänge)
    • Aquaristik (zur Erzeugung von reinem Wasser für Aquarien).

Diese fortschrittliche Technologie der Wasseraufbereitung ist nicht nur für kommerzielle Anwendungen verfügbar, sondern findet auch Einzug in private Haushalte. In den USA und auch in weiten Teilen Asiens gehören Umkehrosmose-Anlagen bereits zum Standard vieler Haushalte. Auch die bekannten „Watercooler“, oft in Büros, Apotheken, Drogeriemärkten und Arztpraxen zu finden, werden häufig mit Umkehrosmose-Wasser betrieben.

Wie funktioniert Umkehrosmose?

 
Die Umkehrosmose ist die technische Umkehrung des in der Natur und im menschlichen Körper vorkommenden Osmose-Prinzips. Dabei wird Leitungswasser über den Wasserdruck durch eine halbdurchlässige (semipermeable) extrem feinmaschige Membran gepresst, wobei nur die Wassermoleküle diese Membran passieren können. Der Porendurchmesser beträgt nur 0,0001 Mikron (1 Mikron = 10-6 Meter = 1 Millionstel Meter). Im Vergleich hierzu ist eine Bakterie bis zu 10.000 mal größer. Im Leitungswasser möglich vorhandene Schad- und Giftstoffe (beispielsweise Nitrat, Blei, Kupfer, Pestizide, Arzneimittelrückstände, Hormone, Bakterien, Chlor, Chlorabbauprodukte, PAK, Asbest, radioaktive Stoffe, etc.) können aufgrund ihrer molekularen Größe die Membran nicht durchdringen und werden vom nachfließenden Leitungswasser ins Abwasser gespült. Dadurch wird ein ultrafiltriert, reines Wasser ohne jegliche Schadstoffe produziert und ein Reinheitsgrad von über 90% erreicht. Die sehr zuverlässige und feine Trennung des Wassers von Giftstoffen auf Molekülebene ist es, welche die Technologie der Umkehrosmose von anderen Wasseraufbereitungsverfahren differenziert.
 
Das Kernstück einer Umkehrosmose-Anlage - die Membran - besteht aus mehreren dünnen Lagen (meistens aus Polyamid), welche spiralförmig um eine Plastikröhre gewickelt sind. Die Membrane sind in verschiedenen Größen zur Produktion von unterschiedlichen Mengen von hochwertigem, reinem Wasser erhältlich. Normalerweise hat eine Membran für die Wasseraufbereitung im privaten Bereich einen Durchmesser von ca. 4,5 cm und eine Länge von ca. 30 cm, wohingegen eine Membran für den industriellen Gebrauch einen Durchmesser von ca. 10 cm und eine Länge von ca. 100 cm hat.
 

Damit die Membran nutzbar ist, muss sie sich in einem Membrangehäuse befinden. Dann kann der Wasserdruck auf die Oberfläche der Membran wirken. Durch den Wasserdruck wird nämlich die Energie geliefert, welche das Wasser durch die Membran presst und von allen unerwünschten Substanzen trennt.

Ein erstaunlicher Effekt der Umkehrosmose ist, dass die unerwünscht zurückbleibenden Stoffe von einem Teil des Wassers weggespült werden. Durch die Ableitung des Abwassers ist es auch nicht möglich, dass Schadstoffe wieder in das zuvor gereinigte Wasser gelangen oder sich innerhalb des Systems ansammeln, wie dies bei anderen Filtermethoden häufig der Fall ist. Außerdem wird dadurch ein Verstopfen der Membran verhindert. Deshalb haben Umkehrosmose-Membrane auch eine enorm hohe Lebensdauer bei konstanter Leistung mit einem Minimum an Wartung selbst bei jahrelangem Gebrauch.

Der Wirkungsgrad eines Umkehrosmose-Systems

 

Der Wirkungsgrad eines Umkehrosmose-Systems respektive das Verhältnis der Reinwasser- zur Abwassermenge wird u.a. vom Systemdesign bestimmt. Zweifelsohne können Umkehrosmose-Systeme auf einen Wirkungsgrad von bspw. 1:1 eingestellt werden. Die Kehrseite der Medaille ist aber, dass dann das Kernstück des Systems - die Membran - innerhalb kurzer Zeit verstopft, das Wasser weniger rein ist und man daher die Membran früher tauschen muss, was dann im Endeffekt wesentlich teurer ist als ein paar zusätzliche Liter Abwasser. Gemessen am statistischen Gesamttagesverbrauch an Trinkwasser (Baden, Duschen, Gießen, Wäsche, Toilettenspülung, etc.) fällt diese Menge ohnehin kaum ins Gewicht.

Um eine hohe Lebensdauer der Membran und eine hohe Reinheit des Wassers zu erreichen, empfehlen führende System- und Membranhersteller in den USA ein Rein- zu Abwasserverhältnis im Bereich von 1:3 bis 1:6. Dies entspricht einer Ausbeute (Produktivität) von 15% bis 25%. Daher sind die aquaexperts Umkehrosmose-Systeme auf einen optimalen Wirkungsgrad bei deutschen Wasserverhältnissen im Bereich von 1:3 bis 1:4 (Ausbeute von 20% bis 25%) eingestellt, wodurch ein ideales Verhältnis zwischen Reinigungsleistung, Wasserverbrauch und Kosten erzielt wird.

Dennoch sagt ein Wirkungsgrad von 1:3 lediglich aus, dass das System bei der Wasserproduktion nur gegen den atmosphärischen Druck (d.h. ohne einen Tankgegendruck) einen Wirkungsgrad von 1:3 aufweist. Da aber fast alle klassischen Umkehrosmose-Systeme das reine Wasser in einem Vorratstank speichern müssen, arbeitet ein Umkehrosmose-System immer gegen einen Tankdruck. Der Vorratstank muss unter einem gewissen Luftvordruck stehen, ansonsten könnte man das reine Wasser nicht aus dem Tank zapfen. Dieser Tankdruck erzeugt einen Gegendruck auf die Membran. Je voller nun der Tank mit Wasser ist, desto höher wird der Luftdruck im Inneren des Tanks und desto höher wird der Gegendruck auf die Membran.

Da der Tank bei einer Wasserentnahme immer automatisch aufgefüllt wird, ist der Speichertank einer Umkehrosmose-Anlage in der Regel voll und damit der Tankgegendruck auf die Membran maximal. Dieser Tankgegendruck reduziert den Wasserdruck auf der Eingangsseite der Membran. Somit kann auch der Wirkungsgrad im oberen Tankbereich nie 1:3 betragen. Das Gegenteil ist der Fall: Selbst wenn ein System auf einen Wirkungsgrad von 1:3 eingestellt ist, dann liegt der tatsächliche Wirkungsgrad bei einem Verhältnis häufig schlechter als 1:8.

Konkret bedeutet dies: Wenn man z.B. morgens 3 Liter Umkehrosmose-Wasser aus einem vollen Tank zapft, dann hat dies zur Folge, dass die Nachproduktion von diesen 3 Litern einen Abwasserstrom von ca. 24 Liter erzeugt, auch wenn das System auf einen Wirkungsgrad von 1:3 eingestellt ist. Somit werden nicht 9 Liter Abwasser erzeugt - sondern über 20 Liter!

Eine wirkungsvolle Abhilfe kann hier nur eine sog. Permeatpumpe (Öko-Pumpe) leisten. Diese nichtelektrische Pumpe hemmt den Tankgegendruck auf die Membran zu nahezu 100 Prozent und somit bleibt der Wirkungsgrad auch im oberen Tankbereich konstant.

Grundsätzlich empfehlen wir daher bei Untertisch-Umkehrosmose-Systemen eine Anlage mit einer Permeatpumpe in Kombination mit einem hydraulischen Abschaltventil. Diese nichtelektrische Kombination hält den Wirkungsgrad über die gesamte Tankfüllung - auch gegen den vollen Tankdruck - konstant, erhöht die Reinheit des Wassers und füllt den Speichertank wesentlich schneller auf. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Umkehrosmose-System beträgt dann die Abwassereinsparung bis zu 80%!

Die Kapazität eines Umkehrosmose-Systems

 

Alle Umkehrosmose-Systeme werden üblicherweise nach ihrer Membranleistung (Nominalleistung) in GPD (Gallons Per Day; 1 GPD entspricht 3,785 Liter pro Tag) gekennzeichnet. Die tatsächliche Leistung und die Produktivität eines Umkehrosmose-Systems hängen von mehreren Faktoren ab. Die wichtigsten sind der Wasserdruck, die Wassertemperatur, das Systemdesign (Abstimmung der einzelnen Komponenten einer Umkehrosmose-Anlage) und die Qualität als auch die Quantität der Inhaltsstoffe des Rohwassers.

Die Angaben vieler Hersteller und Händler über die Nominalleistung gelten meistens bei 4,1 bar Wasserdruck, 25°C Wassertemperatur und Produktion bzw. Betrieb der Anlage nur gegen den atmosphärischen Druck. Beispiel: Die Leistung eines Umkehrosmose-Systems wird mit 50 GPD angegeben. Das bedeutet in der Regel, dass bei einem Wasserdruck von 4,1 bar und einer Wassertemperatur von 25°C eine Reinwassermenge von 190 Liter Reinwasser pro Tag produziert werden kann. Beträgt die Wassertemperatur z.B. nur noch 10°C, dann sinkt die Tagesleistung auf ca. 30 GPD (ca. 110 Liter).

Allgemein gelten für die Ist-Leistung eines Umkehrosmose-Systems die folgenden Regeln:

 

1. Je höher der Wasserdruck, desto höher die Leistung (Reinwassermenge) und die Qualität (Reinheit des Produktwassers). Die Membranleistung ist linear abhängig vom Wasserdruck. Wenn z.B. eine Anlage bei 3,4 bar Wasserdruck und 12°C Wassertemperatur 80 Liter pro Tag reines Wasser erzeugt, kann diese Anlage bei doppeltem Wasserdruck die doppelte Menge Reinwasser produzieren (siehe Abb. 1 und Abb. 2)

 

2. Steigt die Wassertemperatur, dann nimmt die Beweglichkeit der Wassermoleküle zu, wodurch mehr Wasser durch die Membran gedrückt werden kann. Die Membranleistung steigt exponentiell mit der Wassertemperatur (siehe Abb. 2).

 

Auch das Material der halbdurchlässigen Membran ist für das Leistungspotenzial und die Qualität eines Umkehrosmose-Systems von Bedeutung. Membrane aus kostengünstigem Cellulose-Tri-Acetat (CTA-Membrane) sind beispielsweise sehr resistent gegen Chlor, aber Bakterien können diese Membran regelrecht auffressen. Nach kurzer Zeit sinken bei diesem Membrantyp die Rückhaltequoten beträchtlich.

Anders sieht es bei den Membranen von aquaexperts aus. Wir setzen nur erstklassige, originale  DOW FILMTEC® TFC-Membrane (Polyamide Thin-Film Composite). Diese werden nicht von Bakterien zerstört, sind aber wie alle Kunststoffmembrane gegen Chlor empfindlich. Jedoch wird eventuell im Rohwasser vorhandenes Chlor durch die der Membran vorgeschaltenen Aktivkohleblockfilter entfernt. Ebenso verhält es sich mit eventuell im Rohwasser vorhandenen Partikeln. Diese werden ebenfalls von einem vorgeschaltenen Sedimentfilter entfernt, wodurch die Membran optimal geschützt wird.

Die tatsächliche Literleistung von jedem Umkehrosmose-System bei Ihnen zu Hause hängt also primär vom vorhandenen Wasserdruck und von der Wassertemperatur ab.

 

Während der Industriestandard auf 4,1 bar gesetzt ist, wissen wir, dass in Deutschland nicht jeder am Kaltwasseranschluss einen Wasserdruck von 4,1 bar hat und eine Wassertemperatur von 25°C wohl im seltensten Fall vorliegt. Anstatt Verbraucher nun in die Irre zu führen, und im Glauben zu lassen, dass z.B. ein 50 GPD-System auch wirklich eine Leistung von 50 GPD (190 Liter pro Tag) aufweist, machen wir Sie darauf aufmerksam, dass Sie weniger als 190 Liter Reinwasser erhalten können - vielleicht nur 36 GPD (135 Liter pro Tag) oder noch weniger, wenn der Wasserdruck und die Wassertemperatur sehr niedrig sind!

aquaexperts führt daher in den Produktbeschreibungen neben den Nominalleistungen unserer Umkehrosmose-Anlagen auch die Ist-Leistungen bei einem niedrigeren Wasserdruck und einer geringeren Wassertemperatur auf. Nur dann kann der Verbraucher das für seine Bedürfnisse (Reinwassermenge und vorhandener Wasserdruck) beste Umkehrosmose-System wählen und somit eine optimale Kaufentscheidung treffen.

Bitte beachten Sie, dass nicht jeder Hersteller und/oder Händler diese Informationen zur Verfügung stellt bzw. zur Verfügung hat. Wir haben andere Systeme auf dem Markt gesehen mit einer angegebenen Leistung von teilweise über 300 Liter pro Tag - eine sehr unrealistische Angabe. Ebenso verhält es sich oftmals mit Informationen zum Wirkungsgrad.

Wenn Sie also Angaben über die Leistung von Umkehrosmose-Anlagen lesen, dann müssen Sie immer zusätzlich den Wasserdruck und die Temperatur erfragen, bei welchen diese Angaben gelten. Ansonsten sind Leistungsangaben nicht vergleichbar und somit wertlos. Bitte überprüfen Sie daher die genannten Punkte, bevor Sie eine Kaufentscheidung treffen.