Hält die Wirtschaft im Fluss: Wasser für die Industrie

Wofür benötigt die Industrie aufbereitetes Wasser?

Ähnlich wie der Mensch Wasser zum Überleben braucht, benötigt auch die Industrie Wasser für ganz verschiedene Prozesse. Das beginnt bei ganz banalen Dingen, wie der Reinigung: Viele Anlagen müssen regelmäßig mit Wasser gesäubert oder gespült werden. Zudem dient Wasser häufig als Kühlmittel, damit Maschinen nicht heißlaufen – ähnlich wie in einem Auto. Wasser kann aber auch gut als Wärmeträger genutzt werden – insbesondere dort, wo Prozesse auf einem bestimmten Temperaturlevel gehalten werden sollen. Für Temperaturbereiche zwischen 0 und 100 Grad Celsius ist Wasser dank seiner Eigenschaften und seines unproblematischen Handlings im Grunde der beste Wärmeträger. Wird es heißer, kann Wasser auch als Speisewasser in Kesselanlagen zur Erzeugung von Dampf dienen – auch hier, um Prozesse zu beheizen oder aber zur Erzeugung von Energie in Kraftwerken.

Und schließlich wird Wasser auch direkt für die industrielle Herstellung von Produkten genutzt, sei es als Prozesswasser oder direkt als Produktwasser z. B. in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Für die Herstellung von einer Tonne Stahl beispielsweise benötigt man ca. 200.000 Liter Wasser, für eine Tonne Papier etwa 400.000 Liter. Laut Umweltbundesamt benötigte allein die chemische Industrie in Deutschland im Jahr 2016 für die Herstellung ihrer Erzeugnisse knapp 2,6 Milliarden Kubikmeter Wasser – das entsprach fast 58 % der gesamten Wassernutzung im verarbeitenden Gewerbe.

Von trinkbar bis ultra-rein: Wasserqualitäten für die Industrie

Betrachtet man die verschiedenen Einsatzgebiete für Wasser wird schnell klar: Wasser ist nicht gleich Wasser. Um eine Maschine zu reinigen, braucht es nicht die gleiche Wasserqualität wie für eine Infusionslösung im Krankenhaus. Aber welche Wasserqualitäten werden eigentlich wofür benötigt? Und anhand welcher Größen wird die Güte von Wasser bemessen?

Die Wasserreinheit kann anhand verschiedener Verfahren bestimmt werden, zum Beispiel über das Gewicht der gelösten Stoffe im Wasser oder die Verschiebung des Siede- bzw. Gefrierpunktes. Auch der Lichtbrechungsindex kann zur Bestimmung genutzt werden. Am weitesten verbreitet ist aber die Bestimmung der Reinheit mithilfe der elektrischen Leitfähigkeit von Wasser. Denn je weniger Salze im Wasser gelöst sind, also je chemisch reiner es ist, desto weniger leitfähig ist das Wasser. Diese Leitfähigkeit wird in Siemens pro Meter gemessen. Hier werden verschiedene Reinheitsgrade unterschieden:

• Als Trinkwasser wird Wasser bezeichnet, dessen Qualität von der strengen Trinkwasserverordnung geregelt wird. Dieses Wasser wird von den Kommunen direkt über die normalen Trinkwasserleitungen zur Verfügung gestellt.
  Spezifische Leitfähigkeit bei 25 °C: 50 – 5000 μS/cm
  Reines Trinkwasser wird häufig in der Lebensmittelindustrie genutzt – beispielsweise zum Reinigen von Lebensmitteln oder für die Getränkeherstellung
• Reinwasser oder Purified Water ist aufbereitetes Trinkwasser. Es enthält noch einen gewissen Restgehalt an bestimmten Ionen. Auch das nach dem DAB, (dem Deutschen Arzneibuch) hergestellte gereinigte Wasser ("Aqua Purificata") zur Herstellung von vielen pharmazeutischen Produkten fällt in diese Kategorie. Spezifische Leitfähigkeit bei 25 °C: 1 - 50 μS/cm.
  Reinwasser ist für viele Anwendungen geeignet, u. a. auch zum gründlichen Reinigen von Anlagen, weil es bei Verdunstung keine Rückstände hinterlässt.
• Bei vollentsalztem Wasser (VE-Wasser) und destilliertem Wasser sind alle ionogenen Inhaltsstoff, also Anionen und Kationen entfernt. Destilliertes und VE-Wasser sind allerdings nicht das Gleiche, hier existieren Unterschiede hinsichtlich der Anforderungen und bei den Aufbereitungsverfahren. Der Hauptunterschied zwischen destilliertem und entmineralisiertem Wasser liegt dabei im Reinheitsgrad.
  Spezifische Leitfähigkeit bei 25 °C: 0,1 - 1 μS/cm.
• Reinstwasser oder Ultrapure Water ist die höchste Reinheitsstufe von Wasser. Dieses Wasser besitzt nur noch geringste Spuren an organischen Verbindungen, Mikroorganismen oder Elektrolyten.
  Spezifische Leitfähigkeit bei 25 °C: < 0,1 μS/cm.
  Anwendung findet Reinstwasser beispielsweise als Spül- oder Prozesswasser in der Medizin, Halbleiterindustrie und Kraftwerkstechnik.

Saubere Sache: Mit welchen Methoden wird Wasser aufbereitet?

Grundsätzlich lässt sich Wasser auf drei verschiedene Arten reinigen:

• mechanische Aufbereitung z. B. durch Rechen, Siebe und Filter (inkl. der Membranfiltrations-Arten: Mikro-, Ultra- und Nanofiltration)
• physikalische Aufbereitung z. B. mithilfe von Belüftung, Verdüsung, Sedimentation, Flotation, Vakuumverfahren und thermischen Einwirkungen
• chemische Aufbereitung z. B. via Oxidation, Desinfektion, Flockung, Ionenaustausch, Aktivkohle (Adsorbtion), Osmose, Umkehrosmose

Diese Verfahren kommen auch in verschiedenen Kombinationen zum Einsatz, je nach der Beschaffenheit des Rohwassers und des späteren Verwendungszwecks. Schauen wir uns die Filtrationsarten genauer an …

Von Mikro-, über Ultra- und Nanofiltration bis zur Umkehrosmose

Bei der Mikrofiltration wird das Wasser durch Membranen mit einer Porengröße zwischen 0,1 und 10 µm geleitet. Die Filterfläche kann je nach Anwendungsfall aus Edelstahl, Kunststoff, Keramik oder textilem Gewebe bestehen. Mikrofiltration wird bevorzugt zum Filtern von Getränken und Öl angewendet sowie zur Vorfiltration. Üblicherweise wird hierfür ein niedriger Druck zwischen 0,1 bar (Zulaufseite) und 2 bar (Auslassseite) angewendet. Mikrofiltration dient dazu, vergleichsweise grobe Stoffe aus dem Wasser herauszufiltern, also beispielsweise organische Stoffe wie Plankton, Algen oder Bakterien, sowie Öl- und Fett-Emulsionen. Aber auch größere kolloidale Stoffe, also fein im Wasser verteilte Teilchen oder Tröpfchen werden durch Mikrofiltration entfernt.

Die nächste Stufe nennt sich Ultrafiltration – hier beträgt die Größe der Poren zwischen 0,01 und 0,1 µm. Damit lassen sich schon äußerst kleine Partikel abtrennen, beispielsweise Viren, Keime, Proteine, kolloidale Metalle oder makromolekulare Substanzen, also mehrkettige Verbindungen. Der erforderliche Transmembrandruck liegt hier zwischen 1 und 10 bar.

Bei der Nanofiltration liegt die Porengröße nur noch in der Größe zwischen 0,01 und 0,001 µm. Damit werden im Wasser gelöste Stoffe, zweiwertige Ionen (die meisten Schwermetalle wie Zink, Magnesium und Calcium), größere einwertige Ionen (etwa Alkalimetalle wie Lithium, Natrium, Kalium) sowie Halogene (z. B. Chlor) herausgefiltert. 

50 bis 90 % aller Chlorid und Natrium-Anteile lassen sich so entfernen. Damit eignet sich die Nanofiltration bestens als Alternative zu Enthärtungsanlagen. Hier beträgt der benötigte Druck zwischen 5 und 10 bar.

Die Umkehrosmose schließlich markiert die letzte und höchste Stufe der im Bereich der Membranfiltrationstechniken. Bei der Reverse-Osmosetechnik wird das natürliche Osmoseprinzip (Konzentrationsausgleich zweier Flüssigkeiten durch eine halbdurchlässige Membran) umgekehrt: Das zu reinigende Wasser mit der hohen Ionen-Konzentrationen wird mit großem Druck (bei Deponiewasser über 80 bar) gegen den natürlichen osmotischen Druck durch eine semipermeable Membran gepresst. Die unerwünschten gelösten Stoffe können aufgrund ihrer molekularen Größe nicht durch die ultrafeine Membran gelangen. Die Porengröße der Membran beträgt hier zwischen 0,001 und 0,0001 µm. So werden selbst einwertige Ionen zurückgehalten und am Ende bleibt besonders gereinigtes Wasser, das von fast allen partikulären Stoffen wie Mineral- und Fremdstoffen, Viren, Bakterien, Keimen und sonstigen Verunreinigungen befreit ist.

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