Sauberes Wasser, klare Sache

Umkehros­mose – ein wichtiger Baustein im Wass­er- und Abwasser­bere­ich / Bekan­nt als klas­sis­che Meth­ode der Wasser­entsalzung ist die Umkehros­mose (engl. Reverse Osmo­sis oder kurz RO) heute auch in anderen Anwen­dun­gen eine Basistechnologie.

Tren­nt man 2 wäss­rige Flüs­sigkeit­en unter­schiedlich­er Salzkonzen­tra­tion mit­tels ein­er semi­per­me­ablen Mem­bran, entste­ht eine natür­liche Kraft, die die Ver­mis­chung der bei­den Flüs­sigkeit­en zur Folge hat. Diese natür­liche Kraft wird „Osmo­tis­ch­er Druck“ genan­nt. Dabei ver­sucht die Flüs­sigkeit mit der niedrigeren Konzen­tra­tion durch die Mem­bran zur Flüs­sigkeit mit der höheren Konzen­tra­tion vorzu­drin­gen. Dieser Vor­gang erzeugt einen mess­baren Druck – den osmo­tis­chen Druck.

Ein prak­tis­ches Beispiel ist uns allen bekan­nt. Reifes Obst neigt zum Platzen, wenn es mit Regen­wass­er benet­zt wird. Das salzarme Regen­wass­er dringt durch die Obstschale (Mem­bran) in die Frucht zum höher konzen­tri­erten Obst­saft ein – dadurch kann die Schale aufplatzen.

In der tech­nis­chen Anwen­dung spricht man von Umkehros­mose, wenn man den natür­lichen Vor­gang der Osmose durch einen kün­stlichen Gegen­druck mit­tels ein­er Pumpe umkehrt. Dabei presst man die salzhaltigere Flüs­sigkeit (Feed) mit großem Druck gegen bzw. durch die Mem­bran. Dabei tren­nen sich an der Mem­bran das soge­nan­nte Per­me­at (salzärmeres Wass­er) und das Konzen­trat (Rest­flüs­sigkeit mit hoher Salzfracht). Durch mehrstu­fige Anwen­dung kann man das Wass­er bis zu ein­er Reinst­wass­er-Qual­ität entsalzen. Das klas­sis­che Mem­bran­mod­ul ist heute als gewick­eltes Spi­ralmod­ul aus­gelegt. Diese Mod­ule müssen nach ein­er bes­timmten Nutzungs­dauer aus­ge­tauscht wer­den. Dadurch gibt es einen lukra­tiv­en „Ersatzteil­markt“ und die Wasser­entsalzung mit­tels RO ist ein gewaltiger und stark umkämpfter Wirtschafts­fak­tor. Die laufend­en Aus­tauschkosten sowie die Energiekosten für die Hochdruck­pumpe machen das Ver­fahren rel­a­tiv teuer – aber auch sehr effektiv.

Die tech­nis­che RO find­et über­all dort Anwen­dung, wo aus ein­er vorhan­de­nen Salzwasserqual­ität ein reineres, salzärmeres Prozess‑, Trink- oder Reinst­wass­er erzeugt wer­den soll. Anla­gen wer­den heute von der Mini­an­lage für den Heim- oder Labor­be­trieb über Skid-Lösun­gen oder in Schiff­s­con­tain­ern als mobile Sta­tio­nen geplant. Riesige Anla­gen mit hoher Entsalzungsleis­tung sind in Gegen­den ohne aus­re­ichen­des Grund- und Süßwass­er mehr und mehr im Vor­marsch. So sind Anla­gen z. B. in den Vere­inigten Ara­bis­chen Emi­rate oder in Indi­en in der Lage, ganze Stadt­teile mit Frischwass­er zu ver­sor­gen. Diese Anla­gen sind eher riesige Fab­riken. Der große elek­trische Energiebe­darf kann in den ari­den Gebi­eten oft aus Solarkraft oder vorhan­de­nen natür­lichen Energiequellen gewon­nen wer­den (Öl, Gas, Wass­er- und Wind­kraft). Ein großes Prob­lem sind die nicht uner­he­blichen Men­gen an Konzen­trat, die bei der Entsalzung als Rest­stoff entste­hen. Wirtschaftlich ist diese Sal­zlake nicht sin­nvoll nutzbar, zu teuer im Gegen­satz zu natür­lichen Salzvorkom­men. Bei Megaan­la­gen in Küsten­re­gio­nen wird Meer­wass­er einige 100 m vom Ufer ange­saugt und in die Entsalzungsan­la­gen einge­speist. Das Konzen­trat wird anschließend über eine sep­a­rate Pipeline an ander­er Stelle wieder in das Meer zurück­ge­spült. Bei land­basierten Anla­gen entste­hen oft unschöne Berge von getrock­netem Salzkonzen­trat – hier ist der ökol­o­gis­che Aspekt noch nicht zufrieden­stel­lend gelöst.

Der RO-Prozess ist z. B nur eine Stufe ein­er Meer­wasser­entsalzung zur Trinkwasser­her­stel­lung. Neben klas­sis­chen Sand­fil­tern sind weit­ere Vorstufen beispiel­sweise der Ione­naus­tausch­er, Koag­u­la­tion und Flock­ung, Sed­i­men­ta­tion oder Desin­fek­tion. Den­noch ist die RO-Stufe ein höchst effek­tives Fil­tra­tionsver­fahren, bei dem 90 bis 99 % gelöster Fest­stoffe und Salze, aber auch Schad­stoffe und andere Verun­reini­gun­gen ent­fer­nt wer­den kön­nen. Selb­st Mikroor­gan­is­men, Bak­te­rien und Viren kön­nen erfol­gre­ich aus dem Feed-Wass­er fil­tri­ert werden.

Eine rel­a­tiv neue Anwen­dung ist RO zur Ent­fer­nung von PFAS (Per- und poly­flu­o­ri­erte Alkyl­sub­stanzen) – oder auch landläu­fig Ewigkeits­chemikalien genan­nt. Diese Prob­lemkun­st­stoffe bauen sich auf natür­liche Weise in der Natur nicht mehr ab und konzen­tri­eren sich somit in den Welt­meeren, aber auch im Grund­wass­er nach und nach auf. In Men­schen und Tieren kön­nen diese Stoffe nachgewiesen wer­den, eine gesund­heitliche Gefahr ist bei hoher Konzen­tra­tion auf Dauer zu befürcht­en. Da die Stoffe nahezu über­all in unser­er tech­nisierten Welt vorkom­men, ist ein Ver­bot z. B. durch die EU (PFAS-Verord­nung) aber auch weltweit in Vor­bere­itung. Prob­lema­tisch wird es dort, wo es für die Ursprungs­ma­te­ri­alien (z. B. bes­timmte Hochleis­tungskun­st­stoffe wie u. a. PTFE, bekan­nt als hitze­feste Beschich­tung in Bratp­fan­nen) noch keinen adäquat­en Ersatz gibt. Neben der Ver­mei­dung ist es also auch wichtig, bere­its vorhan­denes PFAS aus dem Trink- und Abwass­er zu ent­fer­nen, bevor es zum Ver­brauch­er kommt. RO ist hier als Kom­biver­fahren mit ein­er vorgeschal­teten Aktivkohle­be­hand­lung oder Ionen­tausch­ern erfol­gre­ich im Einsatz.

Die Welt ste­ht vor ein­er Wasserin­sol­venz (Water Bancrupty)

Die Welt ver­braucht auf­grund der Fol­gen des Kli­mawan­dels mit­tler­weile so viel Süßwass­er, dass sie in eine Ära der dauer­haften Wasserverk­nap­pung einge­treten ist. Einige Regio­nen sind nicht mehr in der Lage, sich von immer häu­figer wer­den­den Wasserk­nap­pheit­en zu erholen.

Etwa 4 Mrd. Men­schen – fast die Hälfte der Welt­bevölkerung – leben min­destens einen Monat im Jahr mit schw­er­er Wasserk­nap­pheit und haben keinen Zugang zu aus­re­ichend Wass­er, um ihren gesamten Bedarf zu deck­en. Viele weit­ere Men­schen spüren die Fol­gen des Wasserde­fiz­its: aus­getrock­nete Stauseen, versink­ende Städte, Ern­teaus­fälle, Wasser­ra­tionierung und häu­figere Wald­brände sowie Staub­stürme in aus­trock­nen­den Regio­nen (Quelle: UN).

Dies macht es erforder­lich, dass die Wass­er- und Abwasser­reini­gungsmeth­o­d­en weit­er­en­twick­elt und effek­tiv­er gemacht wer­den. Neben dem Wasserver­lust durch mar­o­de Infra­struk­tur sind bezahlbare tech­nis­che Lösun­gen zur Entsalzung und damit die Pro­duk­tion sauberen Wassers ein wichtiger Schritt. Diese Anla­gen haben sich längst bewährt – sei es als Trinkwasserquelle auf großen Schif­f­en, als mobile Anla­gen in Katas­tro­phen- und Kriegs­ge­bi­eten oder als manch­mal einzige Wasserquelle in abgele­ge­nen Regio­nen der Erde. Kom­pak­te Lösun­gen und robuste, bewährte Tech­nik ist gefragt, die auch vor Ort durch lokale Kräfte gewartet wer­den kann. Dazu sollte die Betrieb­stech­nik ein­er solchen Anlage opti­mal aufeinan­der abges­timmt sein. Die wesentlichen Betrieb­s­fak­toren in ein­er RO-Anlage sind die Wasserqual­itätspa­ra­me­ter wie pH, elek­trolytis­che Leit­fähigkeit (Salzge­halt), Druck, Durch­fluss­menge und natür­lich der Füll­stand in den Lager­tanks. Für die Wasserdesin­fek­tion kön­nen Chlor- oder Ozon­mes­sun­gen notwendig sein, zur Trübungskon­trolle außer­dem auch der optis­che Mess­fak­tor NTU. RO-Anla­gen wer­den nach Wasserbe­darf von Kle­in­stan­la­gen bis Megafab­riken gebaut – deshalb ist es ide­al, wenn die Tech­nik eben­falls skalier­bar ist und an die benötigte Anla­gen­größe angepasst wer­den kann. Nicht immer sind alle Mes­sun­gen erforder­lich oder zusät­zliche Spezialmes­sun­gen notwendig. Für den Rohwassere­in­tritt ist eine induk­tiv arbei­t­ende elek­trolytis­che Leit­fähigkeitsmes­sung heute Stand der Tech­nik. Egal ob Meer‑, Brack­wass­er oder all­ge­meines Stadt­wass­er – durch das wartungs­freie Messprinzip machen hohe Mess­werte und Ver­schmutzun­gen keine Prob­leme. Je nach Herkun­ft treten hier Mess­werte von bis zu 100 mS/cm auf.

Nach den ersten Fil­ter­stufen fällt die Leit­fähigkeit dann meist schon auf 1 bis 2 mS/cm oder niedriger – je nach ange­wandter Tech­nik. Für eine gute Trinkwasserqual­ität wer­den 200 bis 500 µS/cm angestrebt. Wird noch reineres Wass­er benötigt, z. B. für tech­nis­che Spül­prozesse oder gar die Anwen­dung als Phar­mawass­er, müssen weit­ere Fil­tra­tionsstufen vorge­se­hen wer­den. Heute ist es möglich, aus Meer­wass­er mit 100 mS/cm ultra­reines WFI (Water for Injec­tion) herzustellen – mit ein­er Endleit­fähigkeit nahe der Eigen­leit­fähigkeit des Wassers in Höhe von ca. 0,05 µS/cm bei 25 °C. In den Stufen unter 1 mS/cm kom­men deshalb andere Messver­fahren zum Ein­satz, man spricht dann von den klas­sis­chen Kohlrausch-Messzellen – kon­duk­tive Leitfähigkeitsmessung.

Die in den hin­tere­inan­der geschal­teten Fil­tra­tionsstufen gemessene Leit­fähigkeit ist auch ein Maß für die Funk­tions­fähigkeit und den Nutzungs­grad der diversen Fil­ter- und RO-Mod­ule. Wer­den die Werte vor und hin­ter den einzel­nen Stufen gemessen, kann die Fil­ter­leis­tung in einem mehrkanali­gen Auswerte­gerät wie dem JUMO AQUIS touch oder in ein­er SPS-Steuerung (z. B. JUMO var­iTRON) math­e­ma­tisch als Fak­tor bes­timmt werden.

Druck- und Durch­flussmess­werte überwachen die Pumpen­leis­tung und eben­falls die Fil­terzustände. Da bei der RO mit Drück­en um die 100 bar gear­beit­et wird und die elek­trische Energie für die Pumpen opti­mal einge­set­zt wer­den sollte, sind hier ver­lässliche Mess­werte erforder­lich. Im Trinkwass­er kön­nen dabei Geräte mit mag­netisch-induk­tivem oder Ultra­schall-Messver­fahren einge­set­zt werden.

Für die Her­steller solch­er Anla­gen ist ein One Stopp-Part­ner ide­al. Alle mess- und steuerung­stech­nis­chen Kom­po­nen­ten sind aufeinan­der abges­timmt und die gesamte Beratung kommt von einem ver­lässlichen Projektpartner.

JUMO bietet sich hier mit sein­er langjähri­gen Exper­tise, seinem bre­it­en Port­fo­lio und sein­er weltweit­en Präsenz an. Neben den klas­sis­chen Pro­duk­ten ergänzen Ser­vices wie Pre- und After­sales-Ser­vice oder Engi­neer­ing-Dien­stleis­tun­gen das Ange­bot per­fekt. Für die Fer­nüberwachung dezen­traler Wasser­auf­bere­itungsan­la­gen bietet sich die JUMO Cloud-Lösung an. Fernkon­trolle, Mess­wer­taufze­ich­nung und Fer­nalarmierung tra­gen dazu bei, die Wasserqual­ität jed­erzeit im Blick zu behal­ten und Betreibern vor Ort bei Bedarf schnell Unter­stützung zukom­men zu lassen.