Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 19.03.19


Umkehrosmose


Vortrag von Monika Müller im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", SS 18


Gliederung:


Einstieg:  Die Grundwasserqualität und somit Trinkwasserqualität ist in Deutschland in den letzten Jahren deutlich gesunken. Durch beispielsweise Überdüngung steigen die Nitratkonzentrationen im Grundwasser drastisch an. Auf dieser Entwicklung beruht die Vermarktung von reinem, lebendigem Wasser durch Umkehrosmose-Anlagen. Der erste Gedanke zu völlig reinem Wasser ist für einen Chemiker schnell destilliertes Wasser. Der Konsum von solchem Wasser scheint jedoch im ersten Moment gesundheitlich bedenklich. Geht man diesem Gedankengang nach, so sollte auch das "Osmosewasser" mit seinem hohen Reinheitsgrad nicht ohne Überprüfung konsumiert werden. So gilt es, die Umkehrosmose und deren Leistung in der Wasserreinigung genauer unter die Lupe zu nehmen.


1 Aufbau einer Umkehrosmose-Anlage

Eine Umkehrosmoseanlage ist in der Regel aus 3 Filtern aufgebaut. Als erstes durchläuft das Wasser einen Sedimentfilter, der grobe Partikel entfernt. Anschließend folgt ein Kohlefilter, dessen Filterleistung auf Aktivkohle beruht. Dadurch werden vor allem Schwebstoffe und Schwermetalle herausfiltert. Als letztes wird das Wasser durch Umkehrosmose gereinigt. Hier erfolgt eine Reinigung des Wassers von submikroskopischen Stoffen.


Abb. 1: Aufbau einer Umkehrosmoseanlage.


2 Osmose

Osmose beschreibt die Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran. Die semipermeable Membran lässt nur Lösemittel, nicht aber den gelösten Stoff durch. Folglich diffundiert das Wasser in Richtung einer höher konzentrierten Lösung zur Herstellung des osmotischen Gleichgewichts. Dabei entsteht ein osmotischer Druck. Osmose läuft so lange ab, bis ein Konzentrationsausgleich eintritt. Osmose kann auch durch ein Experiment veranschaulicht werden.

Der niederländische Chemiker Jacobus Henricus van't Hoff (1852-1911) beschrieb den osmotischen Druck mit einer Gleichung.

π = c * R * T

π = osmotischer Druck

c = Konzentration gelöster Teilchen

R = Gaskonstante

T = Temperatur

Abb. 2: Ausgangszustand.

Abb. 3: Endzustand durch Osmose.

π = osmotischer Druck; in rot = semipermeable Membran

Einschub: Hier könnte ein Problem für den Menschen liegen. Auch die Zellmembranen in unserem Körper stellen eine semipermeable Membran dar und in den Zellen herrscht eine hohe Konzentration an gelösten Teilchen. Nimmt man nun destilliertes Wasser auf, sollten die Zellen theoretisch durch den hohen Wassereinstrom platzen.


Experiment Osmose
Ziel Veranschaulichung der Osmose
Material
  • Doppelte Osmosekammer (mit semipermeabler Membran)
 
Chemikalien
  • Destilliertes Wasser
  • Kupfersulfat-Lösung (ca. 1M)
Durchführung  In die doppelte Osmosekammer wird auf einer Seite die Kupfersulfat-Lösung, auf der anderen Seite destilliertes Wasser gefüllt. Nun wird der Startpunkt (Meniskus auf Seiten der Kupfersulfat-Lösung) markiert. Nach einigen Minuten wird der Wasserstand erneut überprüft.
Beobachtung Nach einiger Zeit steigt der Wasserstand auf der Seite der Kupfersulfat-Lösung. Auf der Seite des destillierten Wassers sinkt der Wasserspiegel.
Vergleiche Abb. 2 und 3.
Interpretation Zum Ausgleich des Konzentrationsunterschieds zwischen den Flüssigkeiten strömt Wasser zur Kupfersulfat-Lösung.

3 Prinzip der Umkehrosmose

Wie der Name Umkehrosmose impliziert, handelt es sich bei dem Vorgang um eine Umkehrung der Osmose. Dieser Prozess läuft jedoch nicht freiwillig ab, sondern es bedarf Einfluss von außen. Dabei wird sich Druck zu Nutzen gemacht. Dieser wird auf Seiten der (ursprünglich) höher konzentrierten Lösung angelegt und muss größer als der osmotische Druck sein. Dadurch wandert das Wasser bzw. Lösemittel in entgegen gesetzte Richtung zur Osmose und es entsteht ein Konzentrat mit hoher Teilchenkonzentration und ein Permeat.

Da Osmose eine kolligative Eigenschaft ist, hängt diese von der Teilchenzahl ab. Mehr Teilchen, durch beispielsweise Dissoziation, bewirken einen höheren osmotischen Druck. Somit muss auch der Druck für die Umkehrosmose höher sein. Im Detail kann das erneut mit einer modifizierten Version der van't Hoffschen Gleichung beschrieben werden:

π = (ν+ + ν-) * fo * c * R * T

π = osmotischer Druck
ν+/ - = Teilchenzahl Kationen/ Anionen
fo = osmotischer Koeffizient bei unvollständiger Dissoziation
c = Konzentration gelöster Teilchen
R = Gaskonstante
T = Temperatur

Abb. 4: Osmose.

Abb. 5: Umkehrosmose.
Links: Konzentrat, Rechts: Permeat.

π = osmotischer Druck; in rot = semipermeable Membran
 
Experiment Umkehrosmose
Ziel Veranschaulichung der Umkehrosmose
Material
  • Doppelte Osmosekammer (mit semipermeabler Membran)
  • Handpumpe
Chemikalien
  • Destilliertes Wasser
  • Kupfersulfat-Lösung (ca. 1M)
Durchführung Durchführung wie in dem Experiment Osmose. Nachdem der Wasserspiegel deutlich angestiegen ist, übt man auf der Seite der Kupfersulfat-Lösung Druck aus.
Beobachtung Der Wasserspiegel steigt auf der Seite des destillierten Wassers an, während der Meniskus auf Seiten der Kupfersulfat-Lösung sinkt. Wird kein Druck mehr ausgeübt, so kehrt sich dies wieder um. Vergleiche  Abb. 4 und 5.
Interpretation Osmose kann durch Auswirkung von Druck wieder umgekehrt werden.

4 Trennvermögen der Umkehrosmose

 Das Trennvermögen der Umkehrosmose ist nicht absolut. Bei der semipermeablen Membran handelt es sich um eine Löslichkeitsmembran. Die ideale Löslichkeitsmembran besteht aus einer homogenen Polymerfolie, deren Selektivität auf den verschiedenen Diffusionskoeffizienten innerhalb der Polymerschichten beruht. Lösemittel haben hier im Gegensatz zu Ionen eine hohe Diffusionskonstante und können so durch die Membran wandern. Sie werden von der Membran aufgenommen und wieder abgegeben. Salze bzw. Ionen, Zucker, Hormone und ungelöste Stoffe können somit die Membran nicht passieren und bleiben im Konzentrat zurück. Gase und beispielsweise Borsäure können jedoch durch die Löslichkeitsmembran diffundieren. Insgesamt können allerdings Teilchen <10-9nm entfernt werden, sodass es sich bei der Umkehrosmose um Hyperfiltration handelt.


Abb. 6: Trennvermögen an der Löslichkeitsmembran (in rot ).

Einschub: Das Trennvermögen durch Umkehrosmose ist folglich groß, sodass in der Tat hoch reines Wasser entsteht. Für Menschen ist der Konsum jedoch - in nicht allzu großen Mengen - unbedenklich, da im Magen eine Vermischung mit weiteren Stoffen stattfindet.


Zusammenfassung: Bei der Umkehrosmose wird Druck ausgeübt, wobei dieser größer als der osmotische Druck ist. So werden Lösemittel entgegen der Osmose bewegt. Es entstehen das Konzentrat und das Permeat.


Abschluss: Die Sinnhaftigkeit von Osmoseanlagen in Deutschland ist zweifelhaft. Zur Wasseraufbereitung in Ländern ohne ausreichend Trinkwasser, wie beispielsweise in Teilen Afrikas, ist die Umkehrosmose jedoch eine Möglichkeit zur Sicherung guter Trinkwasserqualität. Ebenso ist die Umkehrosmose für industrielle Prozesse zur Herstellung von Reinstwasser sehr effizient.


Literatur:

  1. Ender, V. (Hrsg.): Praktikum Physikalische Chemie , Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2015, S. 115-120
  2. Hopp, V. (Hrsg.). Wasser und Energie , 2. Aufl., Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2016, S. 323-325.
  3. Marquat, K.: Rein- und Reinstwasseraufbereitung, Expert Verlag, Renningen-Malmsheim,1994.
  4. https://www.oekotest.de/essen-trinken/71-Trinkwaesser-im-Test_104627_1.html (15.03.19)
  5. https://www.osmofresh.de/osmoseanlagen/ (15.03.19)
  6. https://www.spektrum.de/frage/darf-man-destilliertes-wasser-trinken/615244 (15.03.19)
  7. https://www.umweltbundesamt.de/themen/fakten-zur-nitratbelastung-in-grund-trinkwasser (15.03.19)

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