Wie funktioniert die Umkehrosmose?


Kurzfassung
:

Leitungswasser wird mit dem Druck der Wasserleitung gegen die Membrane gedrückt. Diese ist nur in einer Richtung durchlässig.

Elektonenmikroskopisch winzigste Durchlassstellen von nur 0.0001 Micron (!)  erlauben nur den Wassermolekülen, die Membran zu passieren.

Alle größeren Moleküle werden abgefangen und mit nachfließendem Wasser abgespült (s. Abb. Größenvergleich und Tabellen unten).

Diese natürliche Art der Wasserreinigung braucht keine Chemikalien,
keinen Strom und keine Magnetfelder (sofern der Leitungswasserdruck mehr als 3 bar beträgt).
 

Was ist Umkehrosmose?

Umkehrosmose ist ein Filtrationsverfahren, welches ermöglicht, Stoffe im Molekularbereich auszufiltern (Nanofiltration). Ähnlich wie bei der normalen Filtration wird z. B. verunreinigtes Wasser gegen ein Filtermaterial gepresst. Die Verunreinigungen bleiben vor dem Filter zurück und die Wassermoleküle dringen durch.

Als Filtermedium dient eine halbdurchlässige Membrane. Halbdurchlässig oder auch semipermeabel nennt man einen Stoff, welcher nicht im eigentlichen Sinn wasserdurchlässig ist, sondern der in seiner Molekularstruktur Wasser aufnehmen kann. Die Wassermoleküle diffundieren durch die Membran.
    ("
Dieses Prinzip überwiegt bei dichten Membranen ohne echte Poren,
    wie sie bei der Umkehrosmose und der Gastrennung eingesetzt werden.
"
    Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Membrantechnik#Stofftransport)

Die sich dadurch ergebende Durchlassgröße (bei Filtern spricht man von Porengröße) entspricht weniger als einem zehntausendstel Mikrometer.
Versucht man nun durch eine solche Membrane Wasser hindurchzudrücken,
so spielt der sich durch Osmose entwickelnde Gegendruck eine wichtige Rolle.

Was ist Osmose?

Fast alle Stoffwechselvorgänge zwischen unseren Körperzellen und der sie umgebenden extrazellulären Flüssigkeit funktionieren nach dem natürlichen Prinzip der Osmose.
Wer sich eingehend dafür interessiert, sei auf die Fachartikel in Wikipedia hingewiesen: http://de.wikipedia.org/wiki/Osmose (s. viele weitere Links dort,
z. B. http://de.wikipedia.org/wiki/Osmoregulation).

Trennt man zwei gleichartige Flüssigkeiten durch eine halbdurchlässige Membrane, so wandern (nach dem Prinzip der Braun'schen Molekularbewegung) Flüssigkeitsmoleküle von beiden Seiten im Wechsel durch die Membrane.
In diesem Fall würde sich der Druck auf beiden Seiten in der Waage halten.
Es gäbe keinen Druckunterschied. Der osmotische Druck wäre gleich Null.

Trennt man z. B. eine einprozentige Salzlösung durch eine halbdurchlässige  Membrane von reinem, destilliertem Wasser, so findet auch hier Osmose (Molekularbewegung) statt. Auf der salzhaltigen ("verunreinigten") Seite wird durch die vorhandenen Salz-Ionen der für die Wassermoleküle freie Raum verkleinert.

Dadurch können von der Seite mit dem reinen (destillierten) Wasser mehr Wassermoleküle zur salzhaltigen Seite wandern, als umgekehrt. Der Druck auf der "verunreinigten" Seite würde so lange ansteigen, bis sich die Anzahl der Molekülwechsel auf beiden Seiten angleicht.

Wie funktioniert Umkehrosmose?

Das Ziel der Umkehrosmose, möglichst reines Wasser durch diese Membrane zu befördern, wird erreicht, indem auf der verunreinigten Seite (Rohwasser/ Leitungswasser...) ein Gegendruck erzeugt wird, welcher wesentlich höher ist als der (natürliche) osmotische Druck. Das Prinzip der Osmose wird also umgekehrt. Daher die Bezeichnung Umkehr-Osmose (engl.: reverse osmosis, kurz RO),
(s. auch
https://de.wikipedia.org/wiki/Umkehrosmose).

Die Versuchsanordnung würde jedoch nur sehr kurz arbeiten. Da durch die  Membrane hauptsächlich nur Wassermoleküle  gedrückt werden, würde sich die Lösung vor der Membrane immer weiter aufkonzentrieren. Der osmotische Druck würde steigen, und das System käme zum Erliegen. (Außerdem würde die Membran verstopfen bzw. versalzen.)

Aus diesem Grund wird bei einer Umkehrosmoseanlage entlang der Membrane das aufkonzentrierte (verunreinigte bzw. stark mineralisierte) Wasser abgelassen. Je nach der abgelassenen Menge, (die von einem Durchflussbegrenzer reguliert wird), lässt sich eine bestimmte Aufkonzentrierung einstellen. Durch die eingestellte Konzentratmenge bzw. das eingestellte Verhältnis Abwassermenge : Permeat (= gereinigtes / gefiltertes Trinkwasser), soll auch vermieden werden, dass es in der Membrane zu Kalkausfällungen kommt.

Das anfallende Konzentrat enthält die gesamten Verunreinigungen, welche durch das Rohwasser (zumeist Leitungswasser) zugeführt wurden, während im Permeat, also dem gereinigten Wasser, hauptsächlich Wassermoleküle vorhanden sind.

Dabei gilt grundsätzlich:
 

Je höher der Druck auf der Leitungswasserseite, umso besser wird das gefilterte Wasser demineralisiert (5 bar sind wirkungsvoller als 3 bar).

Je höher die Abwassermenge zum Spülen der Membran, umso besser wird das gefilterte Wasser demineralisiert und umso länger bleibt die Membran von Mikrobeschädigungen durch auskristallisierte Salze verschont (3:1 ist wirkungsvoller als 1:1).

Daher achten verantwortungsbewusste Hersteller von qualitativ hochwertigen Haushaltsanlagen auf eine ausgewogene Balance von Abwasserkosten und Filterwirkung. (Wassersparen an der falschen Stelle schadet der Membran und der Reinheit des gefilterten Wassers.)

Der nötige Arbeitsdruck ist in deutschen Haushalten in der Regel durch den Wasserdruck aus der Wasserleitung vorhanden oder wird im Anwendungsfall (z. B. auf Booten, in Wohnmobilen oder Berghütten) durch eine Druckerhöhungs-Pumpe ("Booster-Pumpe") erzeugt.
Booster-Pumpen sind in Deutschland, Österreich, Schweiz in Haushalten in der Regel nur erforderlich bei Wasserdruck unter 3 Bar. (Bei Interesse bitte anfragen 06438-5106.) Wer 4-6 bar Leitungswasserdruck hat, braucht keine Druck-erhöhungs-Pumpe - es sei denn, man will möglichst viel gefiltertes Trinkwasser in kurzer Zeit abfüllen und auf die Bequemlichkeit eines Reinwasser speichernden Tanks verzichten wie bei Direct-Flow-Anlagen, z. B. der 600 GPD Direct-Flow - Die Durchflussstärkste).

In der Praxis sind Umkehrosmose-Membranen so angeordnet, dass die Haupt-fließrichtung sich quer zur Membrane befindet. Der Abfluss an Konzentrat bewirkt bei diesem Aufbau, dass sich vor der Membrane nur ein sehr geringer Filterkuchen aufbauen kann. Dieser lässt sich durch eine kurzzeitige Erhöhung der Konzentrat-Fließgeschwindigkeit von Zeit zu Zeit wieder entfernen. (High Tech Anlagen wie z. B. die Wasser-hilft Umkehrosmoseanlage Perfektion) sorgen dank elektronischer Steuerung für automatisch ausgelöste Spülungen in regelmäßigen Zeitabständen,
z. B. alle 8 Stunden.)

Wer tage- oder gar wochenlang wegfährt, sollte sich eine Umkehrosmoseanlage mit individuell zeitgesteuerter Spülung zulegen, um eine Verkeimung der Membran durch Stillstandswasser zu vermeiden, z. B. die Umkehrosmose-Anlage
Wasser-hilft-Premium - Die Individuelle. Sie kann über eine Zeitschaltuhr so gesteuert werden, dass sie z. B. während der Urlaubstage alle 12 Stunden für 2-3 Minuten spült und damit verhindert, dass Algen auf der Membran fest- und durchwachsen.

Die im Rohwasser (Leitungswasser) enthaltenen Stoffe (z. B. Kalk, Blei, Uran, Spritz-& Düngemittel, Arzneimittelrückstände etc.) prallen an der Membran ab.
Sie werden nicht gesammelt, sondern sofort ins Abwasser abgeleitet, damit die Membran nicht verstopft und der "Transmembranfluss" Flux erhalten bleibt.

Inhalte erstellt von Jens-Peter Kleinhenz
überarbeitet und ergänzt von Rudolf Schnappauf
 

 


                                                                                                                              Grafik RAS

 

Vergleich verschiedener Trinkwasser-Filtersysteme

Wirkungsprinzip
 

Wasser-
druck
 

Wasser-
druck
 

Wasser-
druck
 

Salz-
erneuerung
 

Schad-/Giftstoffe,
Salze ...

Sediment-
filter

Aktivkohle-
filter

Umkehr-
Osmose

Ionenaus-
tauscher

Arsen- verbindungen

nein

nein JA JA

Blei

nein

nein JA JA

Cadmium

nein

nein JA JA

Natrium

nein

nein JA JA

Sulfat

nein

nein JA JA

Calcium

nein

nein JA JA

Magnesium

nein

nein JA JA

Phosphate

nein

nein JA JA

Chloride

nein

nein JA JA

Fluoride

nein nein JA JA

Nitrate

nein nein JA JA

radioaktive Stoffe

nein nein JA teilweise

Bakterien

nein*

teilweise**

teilweise*** nein

Viren

nein nein JA nein

Dioxine

nein nein JA nein

Organische Stoffe

nein JA JA nein

THM, TEE

nein JA JA nein

Chlor

nein JA JA nein

Pestizide

nein JA JA nein

Sediment

JA

teilweise

JA nein

schlechter Geschmack

nein

JA

JA nein

  nein = keine Entfernung,   teilweise = teilweise Entfernung,   JA = Entfernung

*    Keramikfilter sind dazu geeignet (s. Katadyn-Outdoorfilter)
**  Wenn Aktivkohle mit Silberionen imprägniert ist
*** Mit pathogenen Keimen verunreinigtes Leitungswasser ist äußerst selten. Bei verkeimtem Brunnenwasser empfehlen alle Hersteller eine UV-Desinfektionslampe oder andere geeignete Entkeimungsmethoden, da sich lebende Bakterien bei längeren Stillstandszeiten einer Anlage im schlimmsten Fall auf der Membran ansiedeln oder durch sie durchwachsen könnten.

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Video: Inlinefilter von UO-Anlagen wechseln. 6:05
         
https://youtu.be/pWBxLVYDoDM

Video:
  Schlauch von UO-Anlage kürzen. 1:13
        
https://youtu.be/k-LBAlgUyZk

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