Wir planen, ein kleines Labor für unsere Galvanik einzurichten, und benötigen dafür Wasser von höchster Qualität. Um dies zu gewährleisten, möchten wir eine eigene Wasseraufbereitungsanlage anschaffen. Welche modernen und kostengünstigen Technologien stehen zur Verfügung, um möglichst reines Wasser zu erzeugen?
Der Wunsch einer autarken Reinwasserversorgung für ein Labor ist weit verbreitet. Hierfür gibt es verschiedene moderne und kostengünstige Technologien, die u. a. im Online-Kurs „Umwelttechnik Teil 2 – Energie- und Recyclingtechnik“ ausführlicher beschrieben werden [1].
Die Wahl der richtigen Technologie hängt von den spezifischen Reinheitsanforderungen, dem Durchsatz und den vorhandenen Ressourcen ab. Einige Technologien, wie etwa die Ultrafiltration oder Destillation scheiden aufgrund ungenügender Wasserqualität, Kosten und Zeit aus.
Umkehrosmose (Reverse Osmosis, RO)
Bei der Umkehrosmose wird Wasser durch eine semipermeable Membran gepresst, die nur Wassermoleküle passieren lässt und die meisten Verunreinigungen zurückhält. Der Prozess beginnt mit dem Vordruck, bei dem Wasser mit hohem Druck durch die Membran gepresst wird. Diese Membran filtert gelöste Salze, organische Stoffe, Bakterien und andere Verunreinigungen heraus. Das Wasser, das durch die Membran gelangt, wird als Permeat bezeichnet und ist sehr rein, während das zurückbleibende Wasser mit den Verunreinigungen als Konzentrat oder Abwasser abgeleitet wird. Das Abwasser, das bei der Umkehr-osmose entsteht und die zurückgehaltenen Verunreinigungen enthält, wird als Konzentrat oder Retentat bezeichnet.
Umkehrosmose kommt häufig zur Anwendung, wenn sehr reines Wasser benötigt wird. Dies ist besonders in Laboren, bei der Herstellung von pharmazeutischen Produkten, in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, in der Elektronikproduktion sowie in der Meerwasserentsalzung der Fall. Auch in Privathaushalten wird sie verwendet, um Trinkwasser von hoher Qualität zu erzeugen.
Die Wirtschaftlichkeit der Umkehrosmose hängt stark vom Wasserverbrauch und den spezifischen Anforderungen an die Wasserreinheit ab. Für kleine bis mittlere Wasserverbräuche, wie sie in Haushalten oder kleinen Labors vorkommen, kann eine RO-Anlage sehr sinnvoll und wirtschaftlich sein. Bei größeren industriellen Anwendungen sind die Betriebskosten höher, aber oft immer noch gerechtfertigt durch die Qualität des erzeugten Wassers und die spezifischen Reinheitsanforderungen.
Die Anschaffungskosten für eine Umkehrosmoseanlage variieren stark je nach Größe und Kapazität. Kleine Anlagen für den Hausgebrauch können bereits ab etwa 200 bis 500 Euro erworben werden. Mittelgroße Anlagen für Labore oder kleinere industrielle Anwendungen liegen im Bereich von 1.000 bis 10.000 Euro. Große industrielle Anlagen können mehrere Zehntausend Euro kosten, je nach Komplexität und Kapazität. Neben den Anschaffungskosten müssen auch die Betriebskosten berücksichtigt werden, die durch den regelmäßigen Austausch von Membranen, die Energie für den Betriebsdruck und die Entsorgung des Abwassers entstehen.
Ionenaustauscher
Bei der Ionenaustauschtechnologie werden unerwünschte Ionen im Wasser durch harzbasierte Materialien ausgetauscht, die spezifische Ionen aus dem Wasser entfernen und durch andere, unproblematische Ionen ersetzen.
Der Prozess beginnt damit, dass das zu behandelnde Wasser durch eine Säule mit Ionenaustauscherharzen geleitet wird. Diese Harze bestehen aus kleinen, porösen Kunststoffkugeln, die entweder positiv geladene Kationen oder negativ geladene Anionen enthalten. Es gibt zwei Haupttypen von Ionenaustauschern: Kationenaustauscher und Anionenaustauscher. Kationenaustauscherharze tauschen positiv geladene Ionen wie Calzium und Magnesium gegen Wasserstoffionen aus, während Anionenaustauscherharze negativ geladene Ionen wie Chlorid und Sulfat gegen Hydroxidionen austauschen.
Während das Wasser durch die Harzsäule fließt, binden sich die unerwünschten Ionen an das Harz und werden durch die entsprechenden Austauschionen ersetzt. Das resultierende Wasser, das die Säule verlässt, ist von den unerwünschten Ionen befreit und weist eine höhere Reinheit auf. Wir nehmen an, dass solche Anlagen bereits bei Ihnen in der Produktion im Einsatz sind.
Der Austauschprozess ist kontinuierlich, bis die Kapazität des Harzes erschöpft ist. Danach muss das Harz regeneriert werden, was durch das Durchspülen mit einer konzentrierten Lösung der Austauschionen (z. B. Salzlösung bei Wasserenthärtungsanlagen, HCl und NaOH bei industriellen Anlagen) erfolgt.
Die Anschaffungskosten für Ionenaustauscheranlagen variieren je nach Größe und Anwendung stark. Kleine Systeme für Haushalte können einige Hundert Euro kosten, während größere industrielle Anlagen mehrere Zehntausend Euro kosten können. Betriebskosten entstehen durch den regelmäßigen Bedarf an Regeneriermitteln und den Austausch oder die Aufbereitung der Harze sowie Kosten für das Abwasser durch die sog. Eluate. In besonders kleinen Laboren werden austauschbare Patronen eingesetzt, die von Lieferanten angeboten werden. Der Vorteil ist, dass Sie sich nicht um die Regeneration kümmern müssen.
Austauschbare Patronen können sogenannte Mischbettaustauscher sein. Mischbettaustauscher enthalten sowohl Kationenaustauscher- als auch Anionenaustauscherharze in einem einzigen Behälter oder einer Patrone. Sie können Wasser auf eine sehr hohe Reinheitsstufe bringen, oft vergleichbar mit der Qualität, die durch mehrstufige Prozesse wie Umkehrosmose und separate Ionenaustauscher erreicht wird. Sie sind einfach zu verwenden und zu warten, da sie keine separaten Regenerationsschritte erfordern.
Filtrationsverfahren
Elektrodeionisation (EDI)
Elektrodeionisation ist eine fortschrittliche Wasseraufbereitungstechnologie, die Ionenaustauschharze und elektrische Felder kombiniert, um kontinuierlich hochreines Wasser zu erzeugen. Sie wird häufig als Nachbehandlungsschritt nach Umkehrosmose eingesetzt, um die Reinheit des Wassers weiter zu erhöhen und die Leitfähigkeit auf sehr niedrige Werte zu reduzieren.
Der EDI-Prozess beginnt mit der Zuführung von vorgereinigtem Wasser. Das Wasser fließt durch eine EDI-Zelle, die aus mehreren dünnen Schichten besteht, darunter Ionenaustauschharze in Form eines Mischbettaustauschers und Ionenaustauschmembranen. Diese Schichten sind so angeordnet, dass sie abwechselnd Kationen und Anionen durchlassen.
In der EDI-Zelle wird ein elektrisches Feld angelegt, das die Ionen im Wasser zwingt, sich durch die Ionenaustauschmembranen zu bewegen. Die Ionenaustauschharze dienen als leitfähige Medien, die Ionen absorbieren und sie durch die Membranen transportieren.
Ein wesentlicher Vorteil von EDI ist, dass die Ionenaustauschharze kontinuierlich regeneriert werden. Das elektrische Feld sorgt dafür, dass die Harze ihre Ionenbeladung verlieren und sofort wieder für den Ionenaustausch verfügbar sind. Dies eliminiert die Notwendigkeit für chemische Regenerationsmittel wie Säuren oder Laugen, die bei herkömmlichen Ionenaustauschsystemen erforderlich sind.
EDI wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wo extrem reines Wasser erforderlich ist. Darunter fallen Laboratorien, pharmazeutische Industrie, Elektronikindustrie und Kraftwerke.
Die Wirtschaftlichkeit von EDI-Systemen hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen und der Größe des Systems ab. Die Anschaffungskosten für EDI-Systeme können höher sein als für herkömmliche Ionenaustauscher, aber die geringeren Betriebskosten und die Vorteile einer kontinuierlichen, chemikalienfreien Regeneration machen sie langfristig oft wirtschaftlicher. Typische EDI-Systeme für industrielle Anwendungen können mehrere Tausend bis Zehntausend Euro kosten, abhängig von der Kapazität und den spezifischen Anforderungen.
Vor- und Nachfiltration
Je nach Wasserqualität kann oder muss sogar weiter gefiltert werden, um bspw. organische Verunreinigungen und Bakterien zu beseitigen. Hier bieten sich Aktivkohlefilter und UV-Desinfektion an.
UV-Desinfektion verwendet ultraviolettes Licht, um Mikroorganismen im Wasser abzutöten. Dabei wird das Wasser entweder durch eine UV-Röhre geleitet oder es wird ein Vorlagebehälter geschaffen, in dem UV-Lampen angebracht werden. Auch eine Ultrafiltration (UF) könnte als „Vorfilter“ dienen. Der UF-Prozess beginnt mit dem Zuführen von Rohwasser in ein UF-System. Das Wasser wird mit Druck durch die Membran geleitet, ganz ähnlich wie bei der Umkehrosmose. Die Membran fungiert als Barriere, die größere Partikel, Bakterien, Viren und Kolloide zurückhält, während kleinere Moleküle und gelöste Stoffe durch die Poren hindurchtreten. Die Poren der UF-Membranen sind typischerweise zwischen 0,01 und 0,1 Mikrometer groß.
Obwohl sowohl UF als auch RO Membranfiltrationstechnologien sind, unterscheiden sie sich deutlich in Bezug auf die Porengröße, die Trennleistung, die erforderlichen Betriebsbedingungen und die typischen Anwendungsgebiete. Mit einer UF allein werden Sie die für ein Labor erforderliche Wasserqualität nicht dauerhaft erreichen.
Fazit
Die Entscheidung für die richtige Technologie hängt vor allem davon ab, welche Wasserqualität Sie benötigen und wie hoch Ihr Budget ist. Hinzu kommen noch Durchsatz und ggf. Platzbedarf.
Bei kleineren Laboren empfehlen wir, mit Austauscherpatronen zu beginnen, sich aber die Option für eine Umkehrosmose offen zu halten. Wenn Sie besonders reines Wasser benötigen, empfehlen wir eine Kombination aus Umkehrosmose und Elektrodeionisation.
QUELLE
[1] GTFY-Kurs „Umwelttechnik Teil 2 – Energie- und Recyclingtechnik“ https://www.galvanotechnik-for-you.de/uebersicht-kurse/umwelttechnik-teil-2-energie-und-recyclingtechnik/