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Das Umkehrosmoseverfahren
Die Technik der Umkehrosmose ist mit einer extrem feinen Filtration vergleichbar und wird daher auch als Hyperfiltration bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird die Umkehrung eines Prozesses genutzt, der in der Natur elementare Bedeutung hat. Osmose bezeichnet den Prozess des Konzentrationsausgleichs zweier Flüssigkeiten durch eine halbdurchlässige Membran. Dieser Vorgang tritt immer auf, wenn zwei wässrige Lösungen mit unterschiedlicher Ionen-Konzentration durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Wand getrennt sind.
Bei der Umkehrosmose wird Wasser gegen eine synthetische semipermeable Membran mit einer Porengröße von 0,0001mµ gepresst, die nur für Wassermoleküle durchlässig ist, da Wassermoleküle ebenfalls nur 0,0001 mµ groß sind.Die unerwünschten Stoffe im Wasser – beispielsweise Härtebildner, Salze, Kalk, Nitrat, Rückstände von Pestiziden, Hormonen und Medikamenten, Mikroorganismen, um nur einige zu nennen, sind alle größer als das Wassermolekül und können aufgrund ihrer molekularen Größe nicht durch die ultrafeine Membran gelangen.
Auf der anderen Seite der RO Membran, der Reinwasserseite, befindet sich somit von unerwünschten Stoffen befreites Trinkwasser. Da während des Betriebs ständig Leitungswasser mit den darin enthaltenen Substanzen nachfließt, müssen die von der Membran zurückgehaltenen Stoffe laufend abgeführt werden, damit ein Verstopfen der Membran verhindert wird. Eine Umkehrosmoseanlage produziert infolgedessen neben dem Reinwasser auch Abwasser, das die unerwünschten Substanzen in erhöhter Konzentration enthält und die weggespült werden müssen.
Der Konzentrationsausgleich wird erreicht, indem das Lösungsmittel Wasser durch die Wand auf die Seite der höheren Ionen-Konzentration wechselt und somit die dortige Lösung verdünnt. In der Natur ist das Osmose-Prinzip von größter physiologischer Bedeutung, wenn durch die semipermeablen Membranen nur das Lösungsmittel, nicht aber die gelösten Substanzen durchgelassen werden. Denn damit kann zum einen der Wasserhaushalt der Zellen reguliert und zum anderen ein Innendruck (Turgor, osmotischer Druck) zur Stabilität aufrecht gehalten werden.
Physikalisch gesehen sind die Ionen-Lösungen – die voneinander durch Membranen getrennt sind – immer bestrebt, einen Konzentrationsausgleich zu erlangen. Das bedeutet, dass Ionen von der hochkonzentrierten Seite auf die Seite der niedrigeren Konzentration gelangen wollen. Da die Membran eine Barriere darstellt, die die Ionen aufgrund ihrer molekularen Größe nicht ohne weiteres durchwandern können, strömen stattdessen die kleineren Wassermoleküle von der niedrig konzentrierten Seite auf die höher konzentrierte. Dabei fließen die Wassermoleküle so lange, bis entweder die Ionen-Konzentrationen der beiden Seiten ausgeglichen sind oder ein Druck auf der hochkonzentrierten Seite aufgebaut wird – der so genannte osmotische Druck. Dabei gehorcht der osmotische Druck einer stark verdünnten Lösung den Gesetzen, die für ideale Gase gelten. Er steigt proportional zur Konzentration der Lösung an und nimmt proportional zur Temperatur zu.
Osmose-Prozesse sind uns allen schon einmal begegnet, wenn wir nach einem Regenschauer reife Kirschen ernten und feststellen, dass sie eingerissene oder vernarbte Stellen bekommen haben. Dies liegt daran, dass die Kirschhaut die Funktion einer semipermeablen Membran übernimmt. Auf der Innenseite dieser Membran befindet sich der Kirschsaft mit einer hohen Ionen-Konzentration in Form von Zucker, außen hängen die Regentropfen, die als ideales Lösungsmittel fungieren. Da die Zuckermoleküle aufgrund ihrer Größe nicht durch die Membran nach außen wandern können fließen stattdessen die Wassermoleküle ins Innere der Kirsche. Eine reife Kirsche kann jedoch ihr Volumen nicht wesentlich vergrößern, um das zusätzliche Wasser aufzunehmen. Folglich steigt der Innendruck der Kirsche so weit an, bis die Kirschhaut schließlich einreißt.
Bei der Umkehrosmosetechnik wird das zuvor beschriebene Osmose-Prinzip umgekehrt. Auf der Seite mit den hohen Ionen-Konzentrationen (Leitungswasser, Rohwasser) wird ein Druck angelegt (Wasserleitungsdruck), der das Wasser in die andere Richtung zwingt, nämlich auf die Reinwasserseite mit der niedrigeren Konzentration.
Die unerwünschten gelösten Stoffe (z.B. Härtebildner, Nitrat, Kieselsäure, Rückstände von Pestiziden und Medikamenten, um nur einige zu nennen) können aufgrund ihrer molekularen Größe nicht durch die ultrafeine Membran gelangen – auf der Reinwasserseite ist somit fast ausschließlich Wasser und keine Ionen.
Da während des Betriebs ständig Leitungswasser mit den darin enthaltenen Substanzen nachfließt, müssen die von der Membran zurückgehaltenen Stoffe laufend abgeführt werden, damit ein Verstopfen der Membran verhindert wird. Eine Umkehrosmoseanlage produziert infolgedessen neben dem Reinwasser auch Abwasser (Konzentrat), das die unerwünschten Substanzen in erhöhter Konzentration enthält und die weggespült werden. Hierbei wird sogleich einer der gravierenden Unterschiede der Umkehrosmosetechnik zu Techniken mit Akkumulationsfiltern deutlich. Der Wirkungsgrad (Menge des filtrierten Wassers pro Menge Rohwasser aus der Leitung) ist zwar nie Eins, da stets «Abwasser» entsteht. Das mit Schadstoffen angereicherte Abwasser wird aber stets abgeführt, so dass es nie zur Akkumulation von zurückgehaltenen Schadstoffen an der Osmosemembran kommen kann.
Entwickelt wurde die Technik in den 60er Jahren im Auftrag der NASA, die ein Trinkwasser-Recycling-System für bemannte Weltraumflüge benötigte. Bis heute kommen alle Membranen aus den USA. Das bedeutendste Anwendungsgebiet ist heutzutage die großtechnische Meerwasserentsalzung. Weitere Einsatzbereiche sind Lebensmittelindustrie (Aufkonzentrieren von Fruchtsäften), Medizin (Dialyse), Abwasser-Recycling (z.B. in galvanischen Betrieben). In den USA haben Umkehrosmose-Anlagen schon längst Einzug in die Haushalte gehalten. Die Anlagen gelten mittlerweile zum Standard einer gut ausgestatten Küche.
Das Prinzip der Membranfiltration
Das Prinzip hinter einem Membranfilter ist denkbar einfach: die zu filtrierende Lösung wird durch eine dünne, mikro-poröse Membran geschickt, deren Durchlässigkeit von der Größe der Poren abhängt, vergleichbar mit der Maschenweite gewöhnlicher Siebe. Teilchen, die kleiner als die jeweiligen Poren eines Filters sind, passieren die Membran, während größere zurückgehalten werden.
Weitere Variablen neben der Porengröße sind das Material, welches für die Filter verwendet wird und die Ausführung. In der einfachen Ausführung liegen Membranfilter als einfache Membranscheiben vor, durch die die zu filtrierende Flüssigkeit unter Druck hindurchgesaugt oder gedrückt wird. Sie können aber auch als Membrankartuschen oder Filterkerzen, in Zentrifugenröhrchen oder als Mikro-Titerplatten für das High-Throuput-Screening (HTS) in 96-well plates vorliegen. Der technischen Ausführung der Membranfilter sind hier fast keine Grenzen gesetzt.
Als Materialien für Membranfilter werden, je nach Anwendung, die verschiedensten Materialien eingesetzt. So beispielsweise hydrophobes PVDF, Cellulosenitrat, Celluloseacetat, Nylon oder PES und PTFE. Die Auswahl des Materials richtet sich danach, was getrennt werden soll und in welchem Lösungsmittel die Teilchen vorliegen. So werden PVDF- und PTFE-Membranen eher für Spezialfälle zur Anwendung kommen, wenn chemische Stabilität gefragt ist oder Gase gereinigt werden müssen.
Cellulosenitrat und Celluloseacetat sind dagegen die „Membranfilter-Klassiker“ unter den Membranfiltermaterialien mit einem sehr breiten Anwendungsspektrum.
Die Porengröße entscheidet über die Anwendung
Je nach Porengröße werden die verschiedenen Membrantechniken eingeteilt in
- Mikrofiltration
- Ultrafiltration
- Nanofiltration
Mikrofiltration
Von Mikrofiltration spricht man bei einer Porengröße zwischen 5 µm und 0,1 µm. Bei einer Porengröße von 0,1 µm bis 0,2 µm können Hefen und Bakterien abgetrennt werden, weswegen sie gerne als sanfte und schnelle Sterilisationsmethode, vor allem in der mikrobiologischen Forschung, genommen wird. Bekannt sind hier beispielsweise die sogenannten Spritzenvorsatzfilter, mit denen bereits im kleinen Maßstab verschiedene Lösungen steril filtriert werden können und die vor allem in der Forschungsarbeit zum Einsatz kommen.
Im großtechnischen Maßstab wird diese Membrantechnik in Form von sogenannten Filterkerzen vor allem im Lebensmittel- und Getränkebereich eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete finden sich beispielsweise in der Biotechnologie für das „Ernten“ und Abtrennen von Bakterien nach der Wachstumsphase in Bioreaktoren, der Abwasserbehandlung oder auch bei der Trennung von Wasser-Öl-Emulsionen. Für diese Art der Filtration ist nur ein geringer Druck von unter 2 bar erforderlich.
Ultrafiltration
Die Ultrafiltration kommt zur Anwendung,
wenn Makromoleküle aufkonzentriert werden sollen – das
Filtrationsprinzip wird hier also umgekehrt. Die eingesetzten
Membranfilter haben hier eine Porengröße zwischen 0,1 µm und 0,01 µm. Da
diese Technik vor allem verwendet wird, um Proteine aufzukonzentrieren,
spricht man hier nicht von der Porengröße, sondern vom sogenannten
„Molecular Weigth Cut Off“ (MWCO) oder auch „Nominal Molecular Weight
Cut Off“ (NMWC), welcher in der SI-Einheit Dalton angegeben wird. Der
MWCO-Wert gibt die minimale Molekülmasse eines globulären Moleküls an,
das noch durch die Membran zurückgehalten wird. Um auf der sicheren
Seite zu sein, sollte man den MWCO-Wert immer so wählen, dass er
mindestens 20 % über der Molmasse des gewünschten, abzutrennenden
Makromoleküls liegt. Schließlich ist es bei dieser Technik notwendig,
einen äußeren Druck anzulegen, der normalerweise zwischen 1-10 bar
liegt.
Man kann aber auch die Zentrifugalkraft nutzen. Hierfür kommen Zentrifugenfilter zum Einsatz, spezielle Zentrifugenröhrchen mit einem passgenauen Einsatz, der am Boden in einer Membran mit definiertem MCWO-Wert endet und mit der zu filtrierenden Lösung befüllt wird. Beim Zentrifugieren wird die Lösung durch den Membranboden des Einsatzes in das Zentrifugenröhren gedrückt. Die Makromoleküle, die zu groß sind, bleiben zurück. Es gibt also verschiedenste Ausführungen, sowohl im kleinen wie auch im großen Maßstab, um diese Membrantechnik für die eigenen Zwecke zu nutzen. Eine Variante ist noch die sogenannte Diafiltration. Dies ist eine Kombination aus Dialyse und Filtration und wird für den Austausch von Pufferlösungen genutzt oder um die Konzentration von Salzen in Lösung zu ändern. Großtechnisch arbeiten Trinkwasseraufbereitungsanlagen mit dieser Membrantechnik.
Nanofiltration
Die Nanofiltration schließlich nutzt
Membranfilter mit einer noch kleineren Porengröße, die bei < 0,005 µm
liegt. Sie dient dazu, kleine organische Moleküle und Salze, zum
Beispiel Schwermetallionen, zurückzuhalten. Hierfür wird ein äußerer
Druck benötigt, der zwischen 10 bar und 80 bar liegt. Diese
Membrantechnik wird hauptsächlich in der Abwasserbehandlung zur
Schadstoffrückhaltung eingesetzt, aber auch in der pharmazeutischen und
biotechnologischen Industrie zur Abtrennung und Aufbereitung von
Wertstoffen.
Die Stärke der Filtration liegt in Einfachheit und Anwendungsbreite
Nicht nur für Sterilisation oder
Konzentrierung können Membranfilter angewandt werden. Sehr häufig werden
sie, oftmals in Form von Membranscheiben, für die Fein-Filtration von
Lösungsmitteln und Puffern verwendet. Für viele Analysengeräte, zu
denken ist hier beispielsweise an HPLC- oder UHPLC-Systeme, werden
extrem saubere bzw. partikelfreie Lösungen benötigt, um
Kapillarleitungen nicht zu verstopfen und die sensiblen, hochporösen
Sorbentien nicht zu inaktivieren. Damit ist gerade diese vielleicht auf
den ersten Blick einfache und banale Technik für die heutige
Hochleistungs-Analytik sehr wichtig und nicht wegzudenken.
Schließlich liegt die Stärke der Filtration noch darin, dass sie „hintereinandergeschaltet“ werden kann. Membranfilter mit unterschiedlichen Porengrößen können dazu genutzt werden, um Teilchen verschiedener Größen voneinander abzutrennen und zu fraktionieren. So können Vorfilter genutzt werden, um Schmutz- und Schwebeteilchen abzutrennen. In nachfolgenden Stufen kann die Porengröße der Filter schrittweise weiter verringert werden, um am Ende die gewünschte Reinheit der Lösung zu erhalten oder ein gewünschtes Makromolekül anzureichern.
Kalkschutz- Filterpatronen dienen der Verhinderung von Kalkablagerungen an Rohren, Armaturen, Küchen- und Heizgeräten.
Die Kalkschutzﬁlterpatonen beinhalten ein Granulat mit katalytischer Wirkung zur Modiﬁkation der im Wasser gelösten Kalkbestandteile so, dass der Kalk sich nicht an den Behälterwänden, Heizelementen usw. ablagert. Der Wirkungsmechanismus des Kalk-Katalysator-Granulates liegt in der Bildung von Impfkristallen aus einem Teil der kalkbildenden Bestandteile des Wassers. Die Impfkristalle werden ab einer bestimmten Größe (ca. 10 µm) von der Granulatoberﬂäche durch den Wasserstrom abgerissen und werden frei schwebend im Wasser mitgeführt. Bei Vorliegen der Bedingungen zur Kalkbildung dienen diese Impfkristalle als Ausgangspunkt für die Kalk- Kristallbildung. Der Großteil der Kalkkristalle wird mit dem Abwasser ausgespült. Auf Arbeitsﬂächen, Armaturen, Kacheln, Duschabtrennungen, Waschbecken sowie an Rändern von Duschköpfen und Strahlreglern verbleiben nach dem Verdunsten die Kalkteilchen in lockerer Ablagerung. Es wird empfohlen, diese mit einem Microfasertuch oder Haushaltsschwamm zu entfernen. Innerhalb von ein bis zwei Tagen können Sie leicht weggewischt werden. Aggressive Reinigungsmittel sind hierfür nicht notwendig.
Membranfilter Patronen
Mit den Nur-Membran-Filterpatronen bieten sich Filtrationsmöglichkeiten, bei denen höchste mechanische Rückhaltewerte von 0,15 µm absolut gefordert sind, insbesondere Bakterienrückhaltung. Geschmacksbildende Mineralien bleiben im Filtrat erhalten.
Ionnenaustausch Patronen
Die in den Kartuschen verwendeten Ionenaustauscherharze entfernen selektiv spezielle Stoﬀ-Ionen wie Kalkbildner, Nitrat, Fluorid u.a. . Sie sind jeweils nur für die benannten Stoﬀe wirksam. Dabei werden dem Eingangswasser (Rohwasser) die jeweiligen Ionen (Nitrat, Magnesium, Calzium, Karbonat, …) entnommen und gegen andere Ionen ausgetauscht (Natrium Na+, Wasserstoﬀ H-). Die Entnahme erfolgt so lange, bis alle für den Ionenaustausch zur Verfügung stehenden Bindungsplätze auf der Harz-Oberﬂäche besetzt sind. Danach geht das Eingangswasser ohne Stoﬀentnahme durch. Das Harz muss ausgetauscht oder regeneriert werden.
Wir bieten sowohl regenerierfähige Patronen als auch Nachfüll-Lösungen an, beide sind alternativ verwendbar.
Unter Membranprozessen werden folgende Verfahren zusammengefasst:
- Mikrofiltration (MF)
- Ultrafiltration (UF)
- Nanofiltration (NF)
- Umkehrosmose (RO)
Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen sind rein mechanisch wirkende «Feinsiebe». Diese Feinsiebe bestehen aus porösen, künstlich hergestellten Folien – sog. Membranen – mit jeweils exakt definierten Porendurchmessern. Die Trennschichten werden auf sogenanntes Trägermaterial aufgebracht. Als Trägermaterial kommen Polymere oder Keramik zum Einsatz. Membranfiltrationstechniken werden für die unterschiedlichsten Anwendungen im Bereich der Wasseraufbereitung – oft in Kombination mit klassischen Verfahren – eingesetzt.
Bei der Nanofiltration und Umkehrosmose werden dichte, diffussionsoffene Membranen eingesetzt. Bei diesen Prozessen erfolgt der Trennvorgang durch Diffussion durch die Membrane hindurch. Triebkraft ist in allen Fällen der Differenzdruck. Während bei der Mikro- und Ultrafiltration Differenzdrücke bis zu 2 bar erforderlich sind, erfordert die Niederdruck-Nanofiltration Differenzdrücke bis zu 8 bar und die Umkehrosmose bis zu 60 bar.