Umkehrosmoseverfahren

Eine zunehmend wirtschaftlichere und umweltfreundlichere Alternative zu Ionenaustauschverfahren (da keine Regenerierchemikalien notwendig sind), auch in Kombination mit diesen, stellt in vielen Fällen die Umkehrosmose (kurz RO) dar. Das zugrunde liegende Prinzip ist dabei die Trennung von Lösungsmittel und gelösten Stoffen durch Aufwendung von Arbeit. Die Arbeit wird dabei in Form von äußerem Druck (Pumpendruck) aufgebracht, dessen Betrag den osmotischen Druck der aufkonzentrierten Lösung an der Membranoberfläche überschreiten muss. Bei üblichen Brunnenwasserqualitäten (Süßwasser) beträgt der osmotische Druck weniger als 1 bar (105 Pa), bei Meerwasser liegt dieser bei etwa 20 bar.

Der Trennvorgang findet dabei an speziellen Membranen statt, die die Eigenschaft haben für das Lösungsmittel (Wasser) durchlässig, für die gelösten Inhaltsstoffe (in diesem Fall Mineralsalze) jedoch nicht durchlässig zu sein.

Um dem Pumpendruck standzuhalten, ist die Membrane auf ein entsprechend druckfestes Trägermaterial aufgezogen. Gebräuchlich sind heute Membranen aus Polyamid, Polysulfon oder Celluloseacetat.

Eine Einheit mit der Anordnung von Membranen heißt Permeator oder Umkehrosmose-Modul. Durchgesetzt haben sich Hohlfasermodule und Wickelmodule. Eine Anlage besteht zumeist aus mehreren Modulen. Das erhaltene Reinwasser heißt Permeat, die aufkonzentrierte Lösung Konzentrat. Die prinzipielle Arbeitsweise eines Permeators soll die folgende Skizze verdeutlichen.

Abbildung 9: Schematische Darstellung der Arbeitsweise eines Permeators

Auslegungsdetails und Betriebsbedingungen

Die Reinheit des Permeats und die Durchlässigkeit wird von der Qualität der Membran bestimmt, die Permeatleistung vom Pumpendruck, der Bauart der Module, welche die Membranen enthalten und dem Anlagendesign.

Je nach Permeatortyp (z.B. hochwertige Composite-Membranen) und Zusatzwasserqualität kann ein Salzrückhaltevermögen bis zu 99,7 % und eine Permeatausbeute von 70 bis 90 % erreicht werden. Die Permeatausbeute wird primär durch die Tendenz des Konzentrats zur Bildung von Ablagerungen begrenzt, was zur Verblockung der Membranen führen kann.

Das Konzentrat wird daher ständig abgeleitet, wobei die Konzentratmenge aus wirtschaftlichen Gründen minimiert wird. Am Ende einer Abnahme werden die Membranen zusätzlich auf der Konzentratseite gespült, bevor die Anlage in den "standby-Betrieb" übergeht.

Um den Permeatfluss dauerhaft stabil zu halten, ist eine Feinfiltration und eine Konditionierung oder Enthärtung des Rohwassers erforderlich. Die Auswahl der günstigsten Vorbehandlung folgt wirtschaftlichen Betrachtungen.

Gelöste Salze werden weitgehend unselektiv zurückgehalten. Unterschiedliche Qualitätsanforderungen an das Permeat bestimmen die Auswahl der Membranen. Um eine kontinuierlich, gute Qualität des Permeats zu erreichen, wird optional eine leitfähigkeitsgesteuerte Permeatrückführung angeboten. Diese ist zwingend notwendig, wenn die Umkehrosmoseanlage als Vorstufe zur Reinstwassergewinnung eingesetzt wird. Weiterhin kann die Option "Druck Permeatseite" gewählt werden. Herkömmliche Umkehrosmoseanlagen müssen auf der Permeatseite drucklos sein, da die Membranen ein Druckgefälle von der Permeat- auf die Konzentratseite nicht vertragen.

WAT-Standardanlagen enthalten Wickelmodule in GFK-Druckbehältern, die chemisch, mechanisch und hygienisch höchsten Ansprüchen genügen. Für Süßwasser- und Brackwasseranwendungen liegt der Betriebsdruck immer unter 16 bar, so dass die Verrohrung in korrosionsbeständigen Kunststoffen (PVC oder PP) vorgenommen werden kann (wahlweise auch in VA). Pumpendruckseitig wird aus Sicherheitsgründen bis zum Druckmodul in VA verrohrt, Meerwasserentsalzungsanlagen werden in seewasserbeständiger Edelstahlausführung gefertigt.

Anlagen - Fließschema

Wie in nachfolgender Abb. 10 dargestellt, besteht die Umkehrosmoseanlage aus:

1.      Umkehrosmosemodulen

2.      Gestell mit Verrohrung

3.      Feinfilter zum Schutz der Anlage bei trüb- und schwebstoffhaltigem Rohwasser

4.      Druckerhöhung für den notwendigen Betriebsdruck

5.      Durchflussmessern für Permeat, Konzentrat und Konzentratrückführung

6.      Leitfähigkeitsmessung des Permeats

7.      Druckschaltern zur Eingangswasserdruck- und Permeatdrucküberprüfung (die Eingangsdrucküberwachung dient zum Schutz der Druckpumpe gegen Trockenlauf, der Permeatdruck sollte annähernd 0 sein zum Schutz der Membranen)

8.      Automatikventilen, Absperrarmaturen, Manometern, Probenahmehähne

9.      Mikroprozessorsteuerung (optional SPS)

Die bei der Umkehrosmose vorhandenen Stoffströme bestehen aus Einspeisewasser,
Permeat und Konzentrat (Abwasser). Die Konzentratrückführung ist bei den meisten Anlagen notwendig, um an der Membran eine optimale Fließgeschwindigkeit zu erreichen.

Abbildung 10: Fließschema einer Umkehrosmose

Anwendungsbereiche

Speisewasser für Kühlkreisläufe

Der entscheidende Kostenfaktor bei dem Betrieb von Rückkühlwerken ist der Verbrauch (die Verschwendung) von Wasser und Abwasser. Entsalztes Wasser erlaubt einen Betrieb mit hohem Eindickungsfaktor. Mittels einer Verschneidevorrichtung kann das Speisewasser auf ein Optimum zwischen Ablagerungstendenz und Korrosivität eingestellt werden. In geschlossenen Kühlkreisläufen ermöglicht entsalztes Wasser die korrosionschemisch günstigste Betriebsweise.

Speisewasseraufbereitung für Dampferzeuger

Auch beim Kesselbetrieb ist die zu erzielende Eindickungszahl der entscheidende Kostenfaktor. Die Absalzwassermenge sollte nicht über 5 - 10 % der Dampfmenge liegen. Entsalztes Wasser erlaubt nicht nur den Betrieb bei wesentlich höherer Eindickungszahl, sondern vermeidet auch die Gefahr der Kohlensäurekorrosion im Kondensatsystem.

Autoklavenkreisläufe

Entsalztes Wasser lässt sich so einstellen, dass bei sämtlichen Autoklaventypen eine ablagerungsfreie Betriebsweise erreicht werden kann.

Umkehrosmose als Vorstufe zur Reinstwassererzeugung

Die Umkehrosmose ist ein kostengünstiges Entsalzungsverfahren. Durch eine nachgeschaltete Mischbettionenaustauscheranlage, eine zweite Umkehrosmosestufe oder eine Elektrodeionisationsanlage wird eine Wasserqualität erreicht, die Reinstwasseranforderungen genügt. Je nach Wahl der nachgeschalteten Anlage wird eine elektrolytische Leitfähigkeit von bis zu 0,055 µ/cm erreicht.

Prozess- und Spülwasser

Für das Ansetzen von Prozessbädern und für Spülwässer, z.B. in der Oberflächenbehandlung von Metallen (Dekapier-, Entfettungs- und Phosphatieranlagen, Chromatierung, Eloxalanlagen, Galvanikbädern, Vorbehandlung bei Beschichtungen) entspricht Umkehrosmosewasser den geforderten Qualitätsansprüchen.

Trink- und Sanitärwasser

Aus Brunnenwasserqualitäten mit hohem Salzgehalt, Brackwasser oder Meerwasser können (ggf. nach Verschneidung) gute Trinkwasserqualitäten erzeugt werden.