Technik
Was passiert in Osmose-Membranen?
Osmose und Umkehrosmose – dasselbe?
Osmose und Umkehrosmose – dasselbe?
Umkehrosmose gehört zu den Membranverfahren, die zur Aufbereitung von Wasser eingesetzt werden. Das grundlegende Prinzip klingt zunächst einfach: Wasser wird unter Druck durch eine semipermeable Membran geleitet. Auf molekularer Ebene ist der Vorgang jedoch etwas komplexer.
Osmose ist ein natürlicher physikalischer Prozess.
Sind zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration durch eine semipermeable – also selektiv durchlässige – Membran voneinander getrennt, bewegt sich das Wasser bevorzugt von der Seite mit der geringeren Konzentration gelöster Stoffe zur Seite mit der höheren Konzentration.
Dadurch wird der Konzentrationsunterschied zwischen beiden Seiten verringert. Die dabei entstehende Druckdifferenz wird als osmotischer Druck bezeichnet.
Bei der Umkehrosmose , englisch Reverse Osmosis oder kurz RO, wird dieser natürliche Prozess umgekehrt.
Auf die höher konzentrierte Wasserseite wird ein Druck ausgeübt, der den osmotischen Druck übersteigt. Dadurch wird Wasser entgegen der natürlichen osmotischen Flussrichtung durch die Membran transportiert.
Es entstehen zwei Wasserströme:
Permeat: der Wasserstrom, der die Membran passiert und eine deutlich geringere Konzentration vieler gelöster Stoffe aufweist.
Konzentrat: der Wasserstrom, in dem die von der Membran zurückgehaltenen Stoffe stärker konzentriert verbleiben und aus dem System abgeführt werden.
Häufig wird eine Umkehrosmosemembran wie ein extrem feines Sieb dargestellt. Für moderne dichte RO-Membranen ist diese Vorstellung jedoch nur bedingt richtig.
Sie besitzen keine gleichmäßig definierten, durchgehenden Poren wie ein klassischer Partikelfilter. Der Transport durch die aktive Membranschicht wird üblicherweise mit dem Lösungs-Diffusions-Modell beschrieben.
Vereinfacht ausgedrückt:
Wassermoleküle treten in die aktive Membranschicht ein und bewegen sich unter dem anliegenden Druck durch das Membranmaterial. Viele gelöste Ionen und Moleküle werden dabei wesentlich stärker zurückgehalten.
Wie gut ein bestimmter Stoff zurückgehalten wird, hängt nicht nur von seiner Größe ab. Auch elektrische Ladung, chemische Eigenschaften des Stoffes und der Membran sowie Betriebsbedingungen wie Druck und Wasserzusammensetzung spielen eine Rolle.
Deshalb ist die oft verwendete Aussage „Nur Wassermoleküle passen durch die Membran" eine starke Vereinfachung.
Umkehrosmose kann die Konzentration zahlreicher gelöster Stoffe deutlich reduzieren. Die US-amerikanische Umweltbehörde EPA nennt unter anderem gelöste Salze, viele anorganische Stoffe, Radionuklide und verschiedene synthetische organische Verbindungen als Stoffgruppen, für deren Reduktion RO eingesetzt werden kann.
Der internationale Prüfstandard NSF/ANSI 58 für Point-of-Use-Umkehrosmosesysteme enthält unter anderem Prüfverfahren für mögliche Reduktionsleistungen bei:
Auch PFAS können durch geeignete Umkehrosmosesysteme reduziert werden. Die EPA führt RO deshalb als eine mögliche Technologie zur Reduktion dieser Stoffgruppe auf.
Eine RO-Membran kann außerdem eine Barriere für Partikel und Mikroorganismen darstellen. Welche konkrete Reduktionsleistung ein Trinkwasserfiltersystem erreicht, muss jedoch immer anhand der jeweiligen Anlage, Membran und vorhandenen Prüfnachweise beurteilt werden.
Die Bezeichnung Umkehrosmose allein erlaubt keine pauschale Aussage wie „entfernt alle Schadstoffe".
Die tatsächliche Rückhaltung ist unter anderem abhängig von:
Genau deshalb sollten Filterleistungen für einzelne Stoffe nicht allein aus dem Funktionsprinzip der Umkehrosmose abgeleitet werden.
Umkehrosmose nutzt also keinen chemischen Zusatz, um Wasser von gelösten Stoffen zu trennen. Die Trennung erfolgt über Druck und eine selektiv durchlässige Membran .
Damit unterscheidet sich RO sowohl von einem klassischen Partikelfilter als auch von Aktivkohle, bei der bestimmte Stoffe durch Adsorption an einer großen inneren Oberfläche gebunden werden.
In einem mehrstufigen Trinkwasserfiltersystem können diese unterschiedlichen Verfahren kombiniert werden: Vorfilter schützen die Membran, Aktivkohle kann bestimmte organische Stoffe und Chlor reduzieren und die RO-Membran übernimmt anschließend die weitgehende Trennung zahlreicher gelöster Bestandteile.
Das Ergebnis ist Wasser mit einer deutlich veränderten Zusammensetzung – wobei die konkrete Reduktionsleistung immer vom verwendeten System und dessen technischen Nachweisen abhängt.
