Sauberes Wasser durch Umkehrosmose
Mess- und steuerungstechnische Komponenten in Entsalzungsanlagen
Die Welt verbraucht viel Süßwasser. So viel, dass sie in eine Ära der dauerhaften Wasserverknappung eingetreten ist. Daher braucht es effektive und bezahlbare Wasserreinigungsmethoden. Kompakte Lösungen, wie induktive Messsysteme für Leitfähigkeiten, mehrkanalige Auswertegeräte und entsprechende Steuerungen, unterstützten bei dem Prozess der Entsalzung – vor allem in abgelegenen Regionen der Erde.
d Trennt man zwei wässrige Flüssigkeiten unterschiedlicher Salzkonzentration mittels einer semipermeablen Membran besteht eine natürliche Kraft, die die Vermischung der beiden Flüssigkeiten zur Folge hat. Diese Kraft wird als „osmotischer Druck“ bezeichnet. Dabei versucht die Flüssigkeit mit der niedrigeren Konzentration zur Flüssigkeit mit der höheren durch die Membran vorzudringen, messbar als osmotischer Druck.
Das Prinzip der Umkehrosmose
Ein praktisches Beispiel: 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. Von Umkehrosmose (englisch: revers-osmosis oder kurz RO) spricht man dann, 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 die Membran. An der Membran trennt sich das sogenannte Permeat (salzärmeres Wasser) und das Konzentrat (Restflüssigkeit mit hoher Salzfracht). Durch eine mehrstufige Anwendung lässt sich Wasser bis zu 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 stark umkämpfter Wirtschaftsfaktor. Die laufenden Austauschkosten sowie die Energiekosten für die Hochdruckpumpe machen das effektive Verfahren relativ teuer.
Von der Minianlage bis zur Megafabrik
Anwendung findet die technische RO in allen Anwendungen, bei denen man aus Salzwasser reineres, salzärmeres Prozess-, Trink- oder Reinstwasser herstellen möchte. Anlagen werden heute als Minianlage für den Heim- oder Laborbetrieb, Skid-Lösungen oder in Schiffscontainern als mobile Station umgesetzt. Riesige, fabrikähnliche Anlagen mit hoher Entsalzungsleistung sind in Gegenden ohne ausreichendes Grund- und Süßwasser mehr und mehr im Vormarsch. Sie sind in der Lage, ganze Stadtteile mit Frischwasser zu versorgen. Der große elektrische Energiebedarf kann in den ariden Gebieten oft aus Solarkraft oder vorhandenen natürlichen Energiequellen gewonnen werden (Öl, Gas, Wasser- und Windkraft). Ein Problem sind die 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 Mega-Anlagen in Küstenregionen wird Meerwasser einige hundert Meter vom Ufer angesaugt und in die Entsalzungsanlagen eingespeist. Das Konzentrat wird dann durch eine andere 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.
Mehr als nur Salztrennung
Der RO-Prozess ist nur eine Stufe zur Trinkwasser-Herstellung. Neben klassischen Sandfiltern sind weitere Vorstufen erforderlich: der Ionenaustauscher, Koagulation/Flockung, Sedimentation oder Desinfektion. Dennoch ist die RO-Stufe ein höchst effektives Filtrationsverfahren, bei dem zwischen 90 und 99 Prozent der gelösten Feststoffe und Salze, aber auch Schadstoffe und andere Verunreinigungen entfernt werden. Selbst Mikroorganismen, Bakterien und Viren können aus dem Feed-Wasser filtriert werden.
Eine relativ neue Anwendung der RO ist die Entfernung von PFAS (Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen) – landläufig auch als Ewigkeitschemikalien bekannt. Diese Problem-Kunststoffe bauen sich in der Natur nicht ab, die Stoffe können auch in Menschen und Tieren nachgewiesen werden. Neben der Vermeidung ist es deshalb wichtig, bereits vorhandenes PFAS aus dem Trink- und Abwasser zu entfernen. RO ist hier als Kombiverfahren mit einer vorgeschalteten Aktivkohlebehandlung oder Ionentauschern erfolgreich im Einsatz.
Die entscheidenden Parameter der Wasserqualität
Wasser- und Abwasserreinigungsmethoden müssen weiterentwickelt und effektiver gemacht werden. Neben dem Wasserverlust durch marode Infrastruktur sind bezahlbare technische Lösungen zur Entsalzung ein wichtiger Schritt. Dazu sollte die Betriebstechnik einer solchen Anlage optimal aufeinander abgestimmt sein. Die wesentlichen Betriebsfaktoren in einer RO-Anlage sind die Wasser-Qualitätsparameter wie pH, elektrolytische Leitfähigkeit (Salzgehalt), Druck, Durchflussmenge und Füllstand in den Lagertanks. Für die Wasserdesinfektion können Chlor- oder Ozonmessungen notwendig sein, zudem der optische Faktor NTU zur Trübungskontrolle.
RO-Anlagen werden nach Wasserbedarf von Kleinstanlagen bis Mega-Fabriken gebaut – deshalb ist es ideal, wenn die Technik ebenfalls skalierbar ist und an die Anlagengröße angepasst werden kann. 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 Messwerte bis zu 100 mS/cm auf.
Nach den ersten Filterstufen fällt die Leitfähigkeit meist schon auf 1 bis 2 mS/cm. Für eine gute Trinkwasserqualität werden 200 bis 500 µS/cm angestrebt. Wird noch reineres Wasser benötigt, beispielsweise für technische Spülprozesse oder gar die Anwendung als Pharmawasser, müssen weitere Filtrationsstufen vorgesehen werden. So ist es heute möglich, aus Meerwasser mit 100 mS/cm ultrareines WFI (Water for Injection) herzustellen – mit einer Leitfähigkeit nahe der Eigenleitfähigkeit des Wassers in Höhe von rund 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 Kohlrausch-Messzellen, einer konduktiven Leitfähigkeitsmessung
Die in den hintereinander geschalteten Filtrationsstufen gemessene Leitfähigkeit ist auch ein Maß für den Nutzungsgrad der diversen Filter- und RO-Module. Gemessen vor und hinter den Stufen kann im mehrkanaligen Auswertegerät (Jumo Aquis Touch) oder einer SPS-Steuerung (Jumo Varitron) die Filterleistung mathematisch als Faktor bestimmt werden. Druck- und Durchflussmesswerte überwachen die Pumpenleistung und die Filterzustände. Da bei RO mit Drücken um die 100 bar gearbeitet wird und die elektrische Energie für die Pumpen optimal eingesetzt werden soll, sind verlässliche Messwerte erforderlich. Im Trinkwasser können Geräte mit magnetisch-induktivem oder Ultraschall-Messverfahren eingesetzt werden.
Integrierte Lösungen aus einer Hand
Für die Hersteller solcher Anlagen ist ein One-Stopp-Partner ideal. Alle mess- und steuerungstechnischen Komponenten sind dann aufeinander abgestimmt. Jumo bietet sich hier mit seiner Expertise, seinem Portfolio und seiner weltweiten Präsenz an. Neben den klassischen Produkten sind Zusatz-Services wie Pre- und Aftersales-Service oder Engineering-Dienstleistungen eine gute Ergänzung. Für die Fernüberwachung dezentraler Wasseraufbereitungsanlagen bietet sich die Jumo Cloud-Lösung an. Fernkontrolle, Messwertaufzeichnung und Fernalarmierung helfen, die Wasserqualität stets im Auge zu haben und gegebenenfalls Betreibern vor Ort schnelle Hilfe zukommen lassen zu können.
