Wie Umkehrosmose funktioniert

Umkehrosmose oder RO ist eine Filtrationsmethode, mit der Ionen und Moleküle aus einer Lösung entfernt werden, indem Druck auf die Lösung auf einer Seite einer semipermeablen oder selektiven Membran ausgeübt wird. Große Moleküle (gelöster Stoff) können die Membran nicht passieren und bleiben daher auf einer Seite. Wasser (Lösungsmittel) kann die Membran passieren. Das Ergebnis ist, dass sich gelöste Moleküle auf einer Seite der Membran stärker konzentrieren, während sich die gegenüberliegende Seite stärker verdünnt.

Wie Umkehrosmose funktioniert

Um die Umkehrosmose zu verstehen, ist es hilfreich, zunächst zu verstehen, wie Masse über Diffusion und reguläre Osmose transportiert wird. Diffusion ist die Bewegung von Molekülen aus einem Bereich höherer Konzentration in einen Bereich niedrigerer Konzentration. Die Osmose ist ein Spezialfall der Diffusion, bei dem die Moleküle Wasser sind und der Konzentrationsgradient über eine semipermeable Membran verläuft. Die semipermeable Membran ermöglicht den Durchgang von Wasser, aber Vorstellungen (z. B. Na⁺, Ca.²⁺, Cl^-) oder größere Moleküle (z. B. Glucose, Harnstoff, Bakterien). Diffusion und Osmose sind thermodynamisch günstig und dauern an, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Die Osmose kann verlangsamt, gestoppt oder sogar umgekehrt werden, wenn von der "konzentrierten" Seite der Membran aus ein ausreichender Druck auf die Membran ausgeübt wird.

Umkehrosmose tritt auf, wenn das Wasser über die Membran bewegt wird gegen den Konzentrationsgradienten, von niedrigerer Konzentration zu höherer Konzentration. Stellen Sie sich zur Veranschaulichung eine semipermeable Membran mit frischem Wasser auf der einen Seite und einer konzentrierten wässrigen Lösung auf der anderen Seite vor. Wenn eine normale Osmose stattfindet, passiert das Frischwasser die Membran, um die konzentrierte Lösung zu verdünnen. Bei der Umkehrosmose wird Druck auf die Seite mit der konzentrierten Lösung ausgeübt, um die Wassermoleküle durch die Membran zur Süßwasserseite zu zwingen.

Es gibt verschiedene Porengrößen von Membranen, die für die Umkehrosmose verwendet werden. Während eine kleine Porengröße eine bessere Filtration bewirkt, dauert es länger, Wasser zu bewegen. Es ist so, als würde man versuchen, Wasser durch ein Sieb (große Löcher oder Poren) zu gießen, als würde man versuchen, es durch ein Papiertuch (kleinere Löcher) zu gießen. Die Umkehrosmose unterscheidet sich jedoch von der einfachen Membranfiltration, da sie diffusionsbedingt ist und von Durchfluss und Druck abhängt.

Verwendung von Umkehrosmose

Die Umkehrosmose wird häufig in der gewerblichen und privaten Wasserfiltration eingesetzt. Es ist auch eine der Methoden zur Entsalzung von Meerwasser. Die Umkehrosmose reduziert nicht nur das Salz, sondern filtert auch Metalle, organische Verunreinigungen und Krankheitserreger heraus. Manchmal wird Umkehrosmose verwendet, um Flüssigkeiten zu reinigen, in denen Wasser eine unerwünschte Verunreinigung ist. Beispielsweise kann Umkehrosmose verwendet werden, um Ethanol oder Getreidealkohol zu reinigen, um dessen Nachweis zu erhöhen.

Geschichte der Umkehrosmose

Die Umkehrosmose ist keine neue Reinigungstechnik. Die ersten Beispiele für Osmose durch semipermeable Membranen wurden 1748 von Jean-Antoine Nollet beschrieben. Während das Verfahren in Laboratorien bekannt war, wurde es bis 1950 an der Universität von Kalifornien in Los Angeles nicht zur Entsalzung von Meerwasser verwendet. Mehrere Forscher verfeinerten Methoden zur Verwendung der Umkehrosmose zur Reinigung von Wasser, aber der Prozess war so langsam, dass er im kommerziellen Maßstab nicht praktikabel war. Neue Polymere ermöglichten die Herstellung effizienterer Membranen. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts waren Entsalzungsanlagen in der Lage, Wasser mit einer Geschwindigkeit von 15 Millionen Gallonen pro Tag zu entsalzen, wobei etwa 15.000 Anlagen in Betrieb waren oder geplant waren.