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Umkehrosmose

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Zusammenfassung:

Umkehrosmose (kurz: UO, auch RO für engl. Reverse Osmosis) ist ein Membranverfahren, welches in der Wasseraufbereitung zur →Entsalzung von Wasser eingesetzt wird, d.h. zur Entfernung der im Wasser gelösten Feststoffe.

Zur Entsalzung umströmt Wasser unter hohem Druck die Oberfläche einer in Membranelementen angeordneten semipermeablen Membran. Die semipermeable Membran trennt die Membranelemente in eine Konzentratseite und eine Permeatseite. Das Druckgefälle zwischen Konzentrat- und Permeatseite bewirkt eine Strömung von Wasser aus der Konzentratseite und durch die semipermeable Membran in die Permeatseite, während der Großteil der in dem Wasser gelösten Feststoffe auf der Konzentratseite zurückgehalten wird.

Umkehrosmose ist ein kontinuierlich ablaufendes Verfahren. Während des Betriebs fällt kontinuierlich Konzentrat als Abwasser an.

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Ausführungsbeispiel:

Umkehrosmoseanlage, zweistraßig, konzentratgestuft, mit integrierter Spülstation.

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Verfahrensbeschreibung:

Natürliche Osmose tritt auf, wenn zwei Salzlösungen unterschiedlicher Konzentration durch eine semipermeable Membran getrennt werden. Dieses System strebt auf einen Konzentrationsausgleich zwischen den beiden Salzlösungen zu. Eine semipermeable Membran erlaubt den Durchtritt von Wasser, nicht jedoch den der in diesem Wasser gelösten Salze. Entsprechend strömen Wassermoleküle aus der stärker verdünnten Lösung und durch die semipermeable Membran in die weniger verdünnte Lösung. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Wassermoleküle in der weniger verdünnten Lösung, wodurch ein Druck von der weniger verdünnten Lösung auf die stärker verdünnte Lösung wirkt. Dieser Druck wird als osmotischer Druck bezeichnet. Der osmotische Druck wirkt der Strömung von Wassermolekülen durch die semipermeable Membran entgegen. Das System strebt auf einen Gleichgewichtszustand zu; mit weiterer Verdünnung der weniger verdünnten Lösung steigt der osmotische Druck, gleichzeitig verringert sich der Konzentrationsunterschied. Ab einem bestimmten Punkt halten sich der osmotische Druck und der Konzentrationsunterschied in Waage, das System ändert sich ohne äußere Einflüsse nicht mehr.

Durch Ausübung von Druck in Richtung des Konzentrationsgefälles, d.h. auf die stärker konzentrierte Lösung, ändert sich der zuvor beschriebene Gleichgewichtszustand. Sofern der derart ausgeübte Druck den osmotischen Druck im Gleichgewichtszustand übersteigt, wird die Strömungsrichtung des Wassers umgekehrt. Wasser strömt dann aus der stärker konzentrierten Lösung durch die semipermeable Membran in die weniger konzentrierte Lösung. Die stärker konzentrierte Lösung wird dadurch noch weiter aufkonzentriert, während die schwächer konzentrierte Lösung noch weiter verdünnt wird. Dieses Verfahren wird als Umkehrosmose bezeichnet. Die aufkonzentrierte Lösung wird als Konzentrat verzeichnet, die verdünnte bzw. entsalzte Lösung als Permeat.

In einer Umkehrosmoseanlage wird der in Richtung des Konzentrationsgefälles wirkende Arbeitsdruck durch eine Hochdruckpumpe erzeugt. Das Speisewasser wird über die Hochdruckpumpe in die Umkehrosmosemodule gefördert. Diese bestehen aus Druckbehältern (auch: Druckrohre) mit darin angeordneten Membranelementen sowie drei Anschlüssen: jeweils einen für Speisewasser, Permeat, und Konzentrat. Die Membranelemente bestehen aus einem Kern, durch den das Permeat strömt, und eine um diesen Kern angeordnete semipermeable Membran, die von Konzentrat umströmt wird.

Das Speisewasser strömt konzentratseitig in die Umkehrosmosemodule, entsprechend wirkt der von der Hochdruckpumpe erzeugte Arbeitsdruck von der Konzentratseite auf die Permeatseite. Dadurch strömt ein Teil des Wassers entsprechend des oben beschriebenen Prinzips der umgekehrten Osmose durch die semipermable Membran und auf die Permeatseite. Die im Wasser gelösten Salze durch die semipermeable Membran überwiegend auf der Konzentratseite der Umkehrosmosemodule zurückgehalten. Permeat und Konzentrat strömen getrennt aus dem Umkehrosmosemodul.

Umkehrosmose ist ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren. Speisewasser strömt kontinuierlich in die Umkehrosmosemodule, während kontinuierlich Permeat und Konzentrat ausströmen.

Der Quotient aus Permeatvolumenstrom und Speisewassservolumenstrom ist als Ausbeute definiert. Die Differenz zwischen Speisewasservolumenstrom und Permeatvolumenstrom ergibt den Konzentratvolumenstrom. Die Salzrückhaltung ist definiert als die Differenz zwischen dem Salzgehalt des Speisewassers und dem Salzgehalt des Permeats, dividiert durch den Salzgehalt des Speisewassers. Die Eindickung des Konzentrats ist definiert als der Quotient aus dem Salzgehalt des Konzentrats und dem Salzgehalt des Speisewassers. Bei hoher Salzrückhaltung entspricht der Kehrwert der Ausbeute ungefähr der Eindickung des Konzentrats.

Als Konsequenz der Eindickung des Konzentrats kann in diesem die Konzentration bestimmer Stoffe deren Löslichkeitsgrenze überschreiten. Dies führt zu mineralischen Ablagerungen auf dem Membranelementen, sog. Scaling. Weiterhin können die Membranelemente z.B. durch Schwebeteilchen, organische Verbindungen, oder biologisches Wachstum belegt werden, sog. Fouling. Scaling and Fouling vermindern die Wirksamkeit der Umkehrosmosemodule, und können diese auch dauerhaft beschädigen. Um Scaling und Fouling zu vermeiden oder zumindest zu vermindern, wird das Umkehrosmose-Speisewasser in der Regel aufbereitet, z.B. durch →Entkarbonisierung oder →Enthärtung mit einer Ionenaustauscheranlage oder chemische Konditionierung durch →Dosierung von Antiscalant.

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häufige Anwendungen:

Kesselspeisewasseraufbereitung: Entsalzung des →Zusatzwassers.
Kühlwasseraufbereitung: Entsalzung des →Zusatzwassers, Verschneidung mit Rohwasser.
Entsalzung von Brack- oder Meerwasser zur weiteren Verwendung als Betriebs- oder Trinkwasser.
Entsalzung von Betriebs- und Produktwasser für verschiedene Anwendungen.

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Technische Daten:

Volumenstrom Permeat	Liefermöglichkeit von ca. 0,5 bis 100 m³/h je Straße
Anzahl der Straßen	üblicherweise 1× 100% oder 2× 50%
Salzrückhaltung	≥ 96% ... 99,6%, einstufige Ausführung
Permeatqualität	elektrische Leitfähigkeit	≤ 30 μS/cm, Brack- oder Süßwasserentsalzung ≤ 1000 μS/cm, Meerwasserentsalzung
Ausbeute	üblicherweise 70% ... 90%, Brack- oder Süßwasserentsalzung üblicherweise 30% ... 45%, Meerwasserentsalzung
Betriebsdruck	ca. 5 ... 25 bar, Brack- oder Süßwasserentsalzung ca. 60 ... 80 bar, Meerwasserentsalzung
Betriebstemperatur	üblicherweise 5 ... 35 °C
Abwasser	entsprechend der Ausbeute, z.B. 250 ... 333 L je 1 m³ Permeat bei einer Ausbeute von 75% ... 80%
elektrischer Energiebedarf zur Druckerhöhung	ca. 0,4 .... 1,5 kWh je 1m³ Permeat, Brack- oder Süßwasserentsalzung ca. 3 .... 6 kWh je 1m³ Permeat, Meerwasserentsalzung
empfohlene Speisewasserqualität	Trübung	< 1 NTU
	Schwebstoffe	< 0,5 ... 1 mg/L
	Silt Density Index (SDI_{15 min})	< 3 ... 5 %/min
	Eisen	< 0,05 mg/L Fe
	Mangan	< 0,05 mg/L Mn
	Aluminium	< 0,05 mg/L Al
	freies Chlor	< 0,1 mg/L Cl₂
	Schwefelwasserstoff	< 0,1 mg/L H₂S
	organische Kohlenstoffverbindungen (TOC)	< 3 mg/L C
	Öle, Fette	< 0,1 mg/L
	Weitere Parameter (z.B. Temperatur, pH-Wert, Wasserhärte, Chlorid, Sulfat, Kieselsäure) sind jeweils für eine gegebenene Ausbeute und eine gegebene Rohwasserqualität begrenzt.
Reinigungsintervall Membranelemente	üblicherweise ca. 6 ... 36 Monate
Gesamtlebensdauer der Membranelemente	üblicherweise ca. 3 ... 5 Jahre, im Einzelfall bis zu 10 Jahre
Werkstoffoptionen	Membranelemente	• Polyamid (PA)
	Druckbehälter	• glasfaserverstärkter Kunststoff (GfK) • nichtrostender Stahl (z.B. 1.4404)
	Spülbehälter	• Polyethylen (PE)
	Druckerhöhungspumpe	• nichtrostender Stahl (z.B. 1.4301, 1.4404)
	Rohrleitungen	• Polyvinylchlorid (PVC) • Polypropylen (PP) • Polyvinylidenfluorid (PVDF) • nichtrostender Stahl (z.B. 1.4404, 1.4539)
	Armaturen	• Polyvinylchlorid (PVC) • Polypropylen (PP) • Polyvinylidenfluorid (PVDF) • Messing (z.B. CW617N, CW710R) • nichtrostender Stahl (z.B. 1.4408)
	Dichtungen	• Etyhlen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) • Polytetrafluorethylen (PTFE) • NBR-Verbundwerkstoff
	Rahmengestell	• nichtrostender Stahl (z.B. 1.4301)
Automatisierungsoptionen	Betrieb, An- und Abfahren	• vollautomatisch, mit Mikroprozessorsteuerung • vollautomatisch, mit SPS
	Reinigung der Membranelemente	• manuell • teilautomatisch, mit Mikroprozessorsteuerung • teilautomatisch, mit Schalttechnik • teilautomatisch, mit SPS
	Betriebsüberwachung	• Überdruck (Standard) • Differenzdruck (Standard) • Volumenstrom Konzentrat (Standard) • Volumenstrom Permeat (Option) • Volumenstrom Speisewasser (Option) • elektrische Leitfähigkeit Permeat (Standard) • pH-Wert Konzentrat (Option) • Wasserhärte Speisewasser (Option) • ...

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Downloads:

Zeichnung: Umkehrosmoseanlage, zweistraßig, einstufig, Konzentratrückführung

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