Methoden der Wasseraufbereitung

Destillation

Destillation ist eine Wasseraufbereitungsart, die bereits seit langer Zeit verwendet wird. Bei diesem Prozess wird Wasser bis zur Verdampfung erhitzt und der kondensierte Dampf gesammelt. Die entsprechende Ausrüstung zur Destillation ist relativ kostengünstig zu erwerben, verbraucht jedoch sehr viel Energie. In der Regel werden 1 kW Strom pro erzeugtem Liter Wasser benötigt. Eine entsprechend konstruierte Destille kann destilliertes Wasser mit einem spez. Widerstand von ca. 1 MΩcm erreichen. Jedoch bleibt dieses nicht lange steril, falls es nicht sorgfältig gelagert wird. Flüchtige Verunreinigungen wie Kohlendioxid, Silikate, Ammoniak und eine Reihe organischer Verbindungen gehen in das Destillat und werden nicht entfernt.

Worin bestehen die Nachteile der Destillation?

Bei der Destillation wird aufbereitetes Wasser nur langsam erzeugt. Der Destillationsvorgang kann nicht auf Anforderung durchgeführt werden. Daher wird eine bestimmte Menge destilliertes Wasser hergestellt und für spätere Verwendungen gespeichert. Die Speicherung des Destillats kann sich als problematisch herausstellen, falls der Aufbewahrungsbehälter nicht aus einem inerten Material hergestellt ist. Ionen oder aus dem Behälter extrahierte Weichmacher können das Wasser erneut kontaminieren. Zusätzlich vermehren sich Bakterien im stehenden Wasser sehr gut.

Um die Sterilität des Wassers beizubehalten, werden sterile Flaschen eingesetzt und das gesammelte Wasser wird autoklaviert. Sobald die Flasche jedoch geöffnet wird, haben Bakterien wieder Zugang zum Wasser. In Gebieten mit hartem Wasser müssen Destillieranlagen aufgrund ihrer Verkalkung häufig mit Säure gereinigt werden, sofern das Eingangswasser nicht mit Enthärtern oder einer Umkehrosmose vorbehandelt wird.

Ionenaustausch

Der Ionenaustausch ist in den Laboratorien am weitesten verbreitet, um gereinigtes Wasser herzustellen. Bei Ionenaustauschern handelt es sich generell um Patronen mit Mischbettharzen, die bei Erschöpfung in eine Regenerierstation zur Aufbereitung gesendet werden.

Anionen und Kationen im Eingangswasser werden mit Hilfe von Ionenaustauschharzen entfernt und durch Wasserstoff- und Hydroxylionen aus dem Harz ersetzt. Die Wasserstoff- und Hydroxylionen lagern sich zur Bildung von Wassermolekülen aneinander an.

Wie funktioniert der Ionenaustausch?

Der Ionenaustausch ist der Austausch von Wasserstoffionen gegen Kationenverunreinigungen und von Hydroxylionen gegen Anionenverunreinigungen im Eingangswasser. Die für den Ionenaustausch verwendeten Harzschichten sind aus winzigen sphärischen „Beads" (Kügelchen), durch die das Speisewasser zur Aufbereitung geleitet. Nach einer gewissen Zeit haben die Kationen und Anionen die Mehrzahl der aktiven Wasserstoff- und Hydroxylstellen in den Harzen ersetzt. Die Patronen müssen dann ausgetauscht oder regeneriert werden.

Worin liegen die Vorteile des Ionenaustausches?

Der Ionenaustausch hat viele Vorteile gegenüber der Destillation zur Herstellung von aufbereitetem Wasser. Es handelt sich hierbei um einen Prozess, der auf Anforderung durchgeführt werden kann, d.h. das Wasser ist bei Bedarf verfügbar. Weiterhin wird beim Einsatz von Ionenaustauscherharzen eine hohe Reinheit erzielt, da alle ionischen Verunreinigungen aus dem Wasser entfernt werden, um einen maximalen spez. Widerstand von 18,2 MΩcm (bei 25 ºC) zu erreichen. Winzige Fragmente des Harzmaterials können durch das durchströmende Wasser ausgewaschen werden. Daher sollte der Ionenaustauscher zusammen mit Filtern eingesetzt werden, wenn Wasser ohne jegliche Partikel gefordert wird. Da Bakterien sich in stehendem Wasser schnell vermehren, können die Patronen bei nicht regelmäßiger Anwendung verunreinigen. Das Problem wird durch häufigen Wasserdurchfluss zur Verhinderung von Bakterienwachstum und durch die regelmäßige Regeneration der Harze verringert. Die Chemikalien, die im Regenerationsprozess von Ionenaustauscherharzen verwendet werden, wirken als starke Desinfektionsmittel.

Elektroentionisierung

Die Elektroentionisierung (Electrodeionization, EDI) ist ein Aufbereitungsprozess, unter Einfluß eines elektrischen Feldes und einer Kombination aus Ionenaustauscherharz und ionenselektiven Membranen. Die EDI, die normalerweise mit Umkehrosmose gekoppelt eingesetzt wird, bietet eine nützliche Alternative zu anderen Aufbereitungsmethoden. Sie liefert Laborreagenzwasser mit hohen Volumenströmen und hoher Qualität. Bei dieser Methode tritt keine Verschlechterung der Produktwasserqualität durch erschöpfte Kartuschen und deren kostenaufwendiger Ersatz auf.

Wie funktioniert die Elektroentionisierung?

Die EDI wurde aus der Elektrodialyse (ED) entwickelt. Das Prinzip der ED besteht darin, dass Wasser in einer Zelle gereinigt wird, die aus zwei Arten von ionenselektiven Membranen besteht (kationenpermeabel und anionenpermeabel). Diese ist zwischen einem Paar von Elektroden platziert. Wenn ein direktes elektrisches Potential an diese Zellen gelegt wird, werden die Kationen im Wasser zu der negativ geladenen Kathode und die Anionen zu der positiv geladenen Anode gezogen. Die Kationen können die kationenpermeable Membran passieren, jedoch nicht die anionische Membran. Auf ähnliche Weise können die Anionen die anionenpermeable Membran passieren, jedoch nicht die kationische Membran. Das Ergebnis ist, dass die Wanderung von Ionen zwischen den Kammern und im Wasser dazu führt, dass ein Abschnitt entionisiert wird, während ein anderer eine Ionenanhäufung erfährt.

In der Praxis kann die ED nur wirtschaftlich zur Produktion von Wasser mit einer relativ hohen spez. Leitfähigkeit (200 µS/cm oder höher) eingesetzt werden, da unzulässig hohe elektrische Spannungen erforderlich sind, um Ionen durch Wasser von ständig wachsendem Reinheitsgrad zu bewegen.

Dieses Problem wird bei der EDI-Technologie durch Auffüllen der Zwischenräume zwischen den Membranen mit Ionenaustauschharzen überwunden. Die Harze liefern einen leitfähigen „Fliesspfad" für die Wanderung der Ionen, ermöglichen eine nahezu vollständige Entionisierung und stellt Wasser mit hohem Reinheitsgrad her. Ein weiterer Vorteil von EDI besteht darin, dass die fortlaufende Elektrolyse von Wasser in den Zellen zur Bildung von Wasserstoff- und Hydroxylionen führt. Diese Ionen sorgen dafür, dass die Harze in einem stark regenerierten Zustand bleiben, wodurch keine Notwendigkeit für eine chemische Regeneration besteht. Die in den EDI-Systemen verwendeten Harze können entweder als separate Kammern mit Anionen- bzw. Kationen-Austauschern oder als Mischbettharze vorkommen.

Einige EDI-Systeme enthalten Mischbettharz in einer Vielzahl enger Zellen. Diese Methode ist besonders bei großen Anlagen für pharmazeutische und andere Anwendungen wirkungsvoll.

ADEPT-Prozess (Advanced Deionization by Electrical Purification Technology), verwendet separate Schichten von Kationen- und Anionenharzen sowie Mischbettharz. Die separaten Schichten von Kationen- und Anionenharzen sind in breiten Zellen untergebracht, die einen Fliesspfad für die wandernden Ionen bereitstellen. Diese Methode bietet Vorteile hinsichtlich der Flexibilität des Designs und der einfachen mechanischen Realisierbarkeit auf Laborebene. Das relativ hohe Volumen der Harze in den Zellen sorgt für einen Puffer gegen Qualitätsänderungen des Speisewassers. Die Qualität des hergestellten Wassers wird zusätzlich durch eine Schicht Mischbettharz weiter gesteigert.

Der mehrstufige Aufbereitungsprozess vom Speisewasser führt somit über eine Umkehrosmoseeinheit, in der das Wasser vorgereinigt wird. Danach wird das vorgereinigte Wasser durch eine Kationenaustauscherschicht, eine Anionenaustauscherschicht und eine Schicht Mischbettharz gefilter. Dieser Prozess ist analog zu vielen Wasseraufbereitungssystemen mit hoher Reinheit im großen Stil.

Das Produktwasser hat in der Regel einen spez. Widerstand von 10-18 MΩ-cm (bei 25 °C) und einen TOC-Gehalt von < 20 ppb. Die Bakterienkonzentration ist aufgrund der chemischen und elektrischen Bedingungen innerhalb des Systems minimiert.

EDI stellt eine sehr effektive Ergänzung zur Umkehrosmose dar. Die Umkehrosmose ist ein druckbetriebener Prozess, bei dem die Verunreinigungen des Wassers beim Passieren der Membran entfernt werden. Die Umkehrosmose entfernt jedoch nicht alle ionischen Verunreinigungen und kann gelöstes Kohlendioxid ebenfalls nicht entfernen.

Umkehrosmose

Die Umkehrosmose ist ein Vorgang, die viele Unzulänglichkeiten von der Destillation und dem Ionenaustausch ausgleichen kann. Zur Erläuterung der Umkehrosmose empfiehlt sich eine anfängliche Betrachtung der Osmose. Osmose ist ein natürlicher Vorgang, der immer dann auftritt, wenn eine verdünnte Lösung mit Hilfe einer semipermeablen Membran von einer konzentrierten Lösung getrennt wird. Wasser, das von einer durch die Konzentrationsdifferenz verursachten Kraft, dem osmotischen Druck, angetrieben wird, strömt durch die Membran in die konzentrierte Lösung. Der Wasserfluss hält so lange an, bis die konzentrierte Lösung verdünnt ist und der rückwärtige Druck einen weiteren Fluss durch die Membran verhindert (osmotisches Gleichgewicht).

Falls ein Druck, größer als der osmotische Druck, auf die Seite der Membran mit der höheren Konzentration aufgebracht wird, wird die normale Richtung des osmotischen Flusses umgekehrt. Reines Wasser strömt aus der konzentrierten Lösung durch die Membran und wird auf diese Weise von seinen Verunreinigungen getrennt. Dies ist das grundlegende Prinzip der Umkehrosmose.

In der Praxis wird das Eingangswasser in ein Druckgefäß gepumpt, das eine Spirale bzw. einen Satz hohler Fasern von semipermeablen Membranen enthält. Das gereinigte Wasser strömt durch die Membran, um ein „Permeat" zu bilden. Die Verunreinigungen sammeln sich im Restwasser an, das als „Konzentrat" bezeichnet und fortwährend entfernt wird. Die neueste Generation von Umkehrosmosemembranen, wird aus einer dünnen Polyamidfolie hergestellt und hat frühere, aus Zellulose bestehende Membranarten, ersetzt. Die neuen Membranen entfernen 95-98 % anorganischer Ionen zusammen mit nahezu allen großen nicht ionisierten Verunreinigungen und organischen Molekülen mit einem Molekulargewicht von mehr als 100. Gelöste Gase werden mit diesem Verfahren nicht entfernt.

Membranen aus dünnen Folienkompositen werden in allen Geräten zur Umkehrosmose für den Laboreinsatz verwendet.

Die Umkehrosmose stellt eine effektive und kostengünstige Technologie für Wasseraufbereitungssysteme dar. Die Fließrate ist jedoch relativ niedrig. Die Umkehrosmose wird normalerweise als Vorbehandlung für Reinstwassersysteme verwendet. Sie entfernt bereits Bakterien und Pyrogene im großen Umfang und wird oft mit Ionenaustausch kombiniert, um die Qualität des Produktwassers hinsichtlich der Leitfähigkeit zu verbessern.

Adsorptionsmedien

Aktivkohle, die aus der Pyrolisierung von Kokosnussschalen, Kohle oder Harz-Beads gewonnen wird, entfernt Chlor mit Hilfe eines katalytischen Mechanismus und adsorbiert organische Verunreinigungen. Die Aktivkohle kann in Form von Granuli oder in der einfacher verwendbaren Blockform eingesetzt werden. Da Umkehrosmosemembranen aus dünnen Folienkompositen durch einen übermäßigen Kontakt mit freiem Chlor beschädigt und in einem geringeren Maß durch gelöste organische Verbindungen verunreinigt werden können, wird die Aktivkohle in der Regel oft vor der Umkehrosmosemembran eingesetzt. Diese entfernt im Vorfeld Verunreinigungen und Chlor aus dem Wasser.

Zusätzlich zur Aktivkohle werden weitere Adsorptionsmedien verwendet. Das Produkt „Adsorb" hat beispielsweise ein großes Spektrum von Porengrößen und enthält sowohl Aktivkohle als auch anorganisches Material. Mit „Adsorb" können daher nicht nur organische, sondern auch anorganische Verunreinigungen aus dem Wasser entfernt werden. Makroporöse Anionenaustauscherharze sind ebenfalls in Geräten präsent. Diese sind besonders wirkungsvoll bei der Entfernung großer, natürlich vorkommender organischer Verunreinigungen wie Humin- und Fulvinsäuren aus dem Speisewasser.

Mikroporenfiltrierung

Die mikroporöse Membranen stellen eine Barriere für Partikel und Mikroorganismen dar. Die Porenweite kann hierbei bis unter 0,1 µm liegen. Einige Systeme enthalten ferner Ultramikrofilter in Porenweite bis zu 0,05 µm. Die meisten natürlich vorkommenden Wasserarten enthalten Kolloide, die eine schwache negative Ladung tragen (mit Hilfe des Zeta-Potentials gemessen). Die Filterleistung kann durch den Einsatz von oberflächen modifizierten Mikrofiltern verbessert werden. Diese entfernen die in der Natur vorkommenden Kolloide - welche allgemein deutlich kleiner als die Membranporen sind. Mikrofilter mit einer absoluten Porengröße von 0,2 µm werden in Wasseraufbereitungssystemen weit verbreitet eingesetzt. Sie entfernen Verunreinigungen wie Kohlenstaub aus Adsorptionskartuschen für organische Verbindungen, Harzpartikel aus Ionenaustauschpatronen und Bakterien.

Mikrofilter sollten außerdem an kritischen Stellen plaziert werden. Nur so ist ein absoluter Schutz zu gewährleisten und eine erneute Kontamination des Systems durch Bakterien zu vermeiden.

Der Mikrofilter kann als letzte Station im Wasser-Aufbereitungsprozess optional an den Dispenser eingesetzt werden.

Eine alternative Methode ist die Einbindung des Mikrofilters innerhalb der Rezirkulation, um Bakterien fortlaufend aus dem gereinigten Wasser zu entfernen.

Mikroporöse Membranen werden im Allgemeinen in einem Wasseraufbereitungssystem als unverzichtbar betrachtet, sofern sie nicht durch ein Ultrafiltrationsmodul ersetzt werden.

Ultrafiltrierung

Die Ultrafiltration verwendet eine Membran, die der Umkehrosmose im Design sehr ähnelt. Der Unterschied zwischen den beiden Membranen besteht darin, dass die Poren etwas größer sind (0,001 bis 0,02 Mikrometer). Zur Entfernung von Pyrogenen sollten die Poren eines Ultrafiltrationsmoduls ungefähr 0,002 µm oder weniger im Durchmesser betragen und alle Moleküle mit einem Molekulargewicht von 5.000 oder größer ausschließen. Ultrafiltrationsmodule werden nach der nominalen Molekulargewichtsgrenze klasifiziert.

Ultrafilter können auf eine ähnliche Weise wie mikroporöse Membranen verwendet werden. Sie sind so aufgebaut, dass ein kleiner Teil des Speisewassers die Membran tangential überströmt um die Ansammlung von Verunreinigungen und die Vermehrung von Bakterien zu verhindern. Ultrafiltration ist eine hervorragende Technologie zur Gewährleistung einer konstanten Reinstwasserqualität in Bezug auf Partikel, Bakterien und Pyrogene.

Photooxidation

Die Photooxidation verwendet eine hoch intensive ultraviolette Strahlung zur Vernichtung von Bakterien und anderer Mikroorganismen. Ferner dient die Strahlung zur Spaltung und Ionisierung organischer Verbindungen. Eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 254 nm hat die stärkste bakterizide Wirkung. Währenddessen eine Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge (185 nm) für die Oxidation organischer Verbindungen am wirkungsvollsten ist.