Wirkungsweise der Umkehrosmose
Die Umkehrosmose funktioniert technisch durch die Umkehrung der natürlichen Osmose-Funktion mit technischen Mitteln.
Die Osmose
Osmotische Kräfte treten immer dann auf, wenn sich zwischen zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Konzentration an gelösten Stoffen eine semipermeable Membran befindet. Semipermeable Membranen sind nur in einer Richtung durchlässig.
Zwischen den beiden Flüssigkeiten unterschiedlicher Konzentration entsteht nun ein Druck. Dieser Druck rührt daher, dass beide Flüssigkeiten das Bestreben haben, die Konzentration gelöster Stoffe anzugleichen.
Je nachdem, auf welcher Seite die Membran durchlässig ist, wird nun entweder Flüssigkeit von der Seite der niedrigeren Konzentration einströmen, um die höhere Konzentration zu verdünnen – oder Flüssigkeit mit höherer Konzentration auf die Seite der niedrigeren Konzentration übertreten, bis auf beiden Seiten die gleiche Konzentration herrscht.
Der dabei entstehende Druck wird osmotischer Druck genannt. Er ist abhängig vom Konzentrationsgefälle – das heißt, vom Unterschied der beiden Konzentrationen.
Ein ähnliches Phänomen ist auch bei Zellen zu beobachten. Würde man Wasser in die Blutbahn bringen, käme es zur Hämolyse: In den Blutplättchen hat die Zellflüssigkeit eine sehr viel höhere Konzentration an gelösten Ionen als das umgebende Wasser. Es würde also ständig Wasser einströmen, um ein Konzentrationsgleichgewicht herzustellen. Das würde die Blutplättchen zum Platzen bringen.
Umkehrosmose
Die Umkehrosmose kehrt nun den osmotischen Druck mit technischen Mitteln in die Gegenrichtung um. Anstatt ein Konzentrationsgleichgewicht zu erzeugen, wie es der osmotische Druck tun würde, wird mit einer Pumpe höherer Druck in Gegenrichtung ausgeübt.
Dadurch wird das Konzentrationsgefälle nicht kleiner, sondern größer. Die Flüssigkeit auf einer Seite wird von allen darin gelösten Stoffen zuverlässig gereinigt. Dafür ist aber teilweise sehr hoher Druck bis zu 30 bar notwendig. Das Verfahren ist damit auch sehr energieaufwändig.
Auf der anderen Seite der Membran entsteht dagegen eine hoch konzentrierte Lösung mit allen Ionen. Diese Lösung muss verworfen werden. Umkehrosmoseverfahren bedeuten also auch einen vergleichsweise hohen Abwasseranfall.
Eigenschaften von Osmosewasser
Osmosewasser ist nahezu ebenso rein wie destilliertes Wasser. Die Herstellung ist aber kostengünstiger als bei destilliertem Wasser. Osmosewasser ist im Gegensatz zu mehrfach destilliertem Wasser aber nicht steril.
Durch mehrstufige Umkehrosmose-Verfahren kann aber sehr reines Wasser hergestellt werden. Es ist frei von allen gelösten Ionen und Salzen und damit auch entionisiertes Wasser.
Osmosewasser ist weiches Wasser mit einem Härtegrad von Null, da bei der Umkehrosmose alle Calcium- und Magnesium-Ionen entfernt werden.
Anwendungen der Umkehrosmose
Das Prinzip der Umkehrosmose kann für verschiedene Zwecke eingesetzt werden.
Wasseraufbereitung
Bei der Wasseraufbereitung und bei der Wasserreinigung stellt die Umkehrosmose ein hoch effektives Reinigungsverfahren dar, das zuverlässig alle unerwünschten Inhaltsstoffe entfernt.
Auch hoch verschmutztes Wasser kann mittels Umkehrosmose wirkungsvoll gereinigt werden. In manchen Fällen sind Vorfilter nötig, um gröbere Verschmutzungen zuerst abzuhalten. Manchmal müssen auch Antibelagsmittel eingesetzt werden, um ein Auskristallisieren der Lösungsmittel an der Membran zu verhindern.
Der Energieaufwand für die Reinigung von einem Kubikmeter Wasser liegt bei den meisten Anlagen im Bereich von etwa 4 bis 9 kWh.
Zur Trinkwasseraufbereitung im Haushalt werden häufig Umkehrosmose-Anlagen als Zentralanlagen angeboten.
Meerwasserentsalzung
Meerwasser kann durch Destillation entsalzt werden. Das Verfahren ist aber aufwändig und energieintensiv. Mittels Umkehrosmose ist das Entsalzen von Meerwasser wesentlich kostengünstiger möglich.
Auch viele Hochseeschiffe verfügen über eingebaute Meerwasserentsalzungsanlagen, um nicht so viel Trinkwasser mitführen zu müssen.
Abwasserreinigung
Zur Entfernung unerwünschter Stoffe aus dem Abwasser kann – nach entsprechender Vorfilterung – ebenfalls ein Umkehrosmose-Verfahren verwendet werden. Dabei werden dann auch Stoffe ausgefiltert, die ansonsten schwierig zu entfernen sind.
Für den regulären Einsatz in der Abwasserwirtschaft ist das Verfahren allerdings zu kostspielig, um es flächendeckend einzusetzen. Es könnten damit aber auch bedenkliche Verunreinigungen wie Medikamentenreste oder Pestizid-Reste oder sogar Hormone zuverlässig entfernt werden.
Umkehrosmose zur Konzentrationserhöhung
Umkehrosmose kann nicht nur zur Elimination von bestimmten Stoffen, sondern umgekehrt auch zur Konzentration von bestimmten erwünschten Stoffen in Flüssigkeiten dienen.
Dieses Prinzip wird beispielsweise bei der Herstellung von Fruchtsaftkonzentraten angewandt. Daneben dient es auch als eine Möglichkeit zur Herstellung von alkoholfreiem Bier.
Angebliche Gesundheitswirkung von Osmosewasser
Wasser, das durch Umkehrosmose gereinigt wurde, soll nach Meinung vieler Menschen der Gesundheit zuträglicher sein als herkömmliches mineralisiertes Wasser. Darüber gibt es aber eine deutliche Kontroverse.
Allgemein gilt, dass entionisiertes Wasser der Gesundheit durch das Ausschwemmen lebenswichtiger Mineralien und Elektrolyte höchstwahrscheinlich eher schadet als tatsächlich nützt.