Fachwörter-Lexikon
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Umkehrosmose
Die Umkehrosmose, auch Reverse Osmose (RO) genannt, ist ein Membranverfahren, das neben partikulären Stoffen im Wasser auch Ionen zurück hält. Eine Umkehrosmose beruht auf dem Effekt der Osmose, bei dem ein Austausch von Stoffen über eine ionendurchlässige Membran erfolgt. Die Triebkraft für den Prozess beruht auf unterschiedlichen Konzentrationen zu beiden Seiten der Membran. Da die Membranen für die Durchlässigkeit unterschiedlicher Ionen herstellbar sind, besteht die Möglichkeit, Ionen selektiv an- oder abzureichern, solange entsprechende Lösemittel für die gewünschte Konzentrationsänderung verfügbar sind.
Anstelle der unterschiedlichen Konzentration kann die Ionentrennung auch durch unterschiedlichen Druck auf beiden Seiten der Membran in Gang gesetzt werden. Dieser Effekt ist unter dem Begriff Umkehrosmose bekannt. Dabei wird ein Druck auf die konzentrierte Lösung ausgeübt, um den osmotischen Druck dieser Lösung zu überwinden. Das Lösemittel tritt wieder durch die Membran hindurch und alle gelösten Wasserinhaltsstoffe bleiben auf der Seite des Konzentrats zurück. Großtechnisch wird eine Umkehrosmoseanlage als Cross-Flow-Filtration betrieben. Dabei wird der Rohwasserzulauf aufgeteilt in ein Reinwasser, das Permeat mit einem Anteil von 75 % bis 80 % und einem Restsalzgehalt von etwa 2 %. Alle anderen Wasserinhaltsstoffe werden mit dem Konzentrat der Anlage kontinuierlich ausgeschleust.
Ein wesentlicher Teil einer Umkehrosmoseanlage ist die Vorbehandlung, um eine Belegung (Scaling) durch Calcium und Magnesium auf den Membranen zu verhindern. Dazu werden die Wasserenthärtung durch Ionenaustausch oder Härtestabilisierung mit einem Antiscalant eingesetzt.
Bei modernen Anlagen kann die Wasserausbeute durch Einsatz beispielsweise einer Konzentratstufe gesteigert werden. Ferner kann durch den Einsatz von drehzahlgeregelten Pumpen die Permeatleistung variabler angepasst werden. Mit solchen Maßnahmen und der Verwendung von speziellen Niederdruckmembranen lässt sich der Energiebedarf der Gesamtanlage deutlich verbessern.
Tribologisches System
Das in Abbildung 1 schematisch dargestellte tribologische System ist eine Abstrahierung, die letztlich auf jeden denkbaren Verschleißfall anwendbar ist. Der im Mittelpunkt der Betrachtung stehende Grundkörper befindet sich in Kontakt und Relativbewegung mit einem (festen, flüssigen oder gasförmigen) Gegenkörper. Das Beanspruchungskollektiv und hierbei insbesondere die aufgebrachte Belastung bestimmt im Zusammenspiel mit der Mikrogeometrie und dem Verformungsvermögen von Grund- und Gegenkörperwerkstoff die Kontaktbedingungen (d.h. die reale Kontaktfläche).
Abb. 1: Tribologisches System (in Anlehnung an die zurückgezogene DIN 50320 [3])
Zwischen den beiden Körpern befindet sich häufig ein Zwischenstoff. Dabei kann es sich beispielsweise um Luft, Wasser, Abrasivpartikel oder auch gezielt zur Verschleißminderung eingebrachte Schmierstoffe handeln. Der Zwischenstoff hat in Kombination mit dem Umgebungsmedium (häufig identisch mit dem Zwischenstoff) und der Temperatur des Systems entscheidenden Einfluss auf eventuell parallel auftretende korrosive Prozesse, die wiederum das Verschleißverhalten beeinflussen können. Die Festlegung der Systemgrenze entscheidet darüber, in welchem Umfang äußere Faktoren mit in die Verschleißbetrachtung einbezogen werden. So kann es für orientierende Untersuchungen im Labormaßstab sinnvoll sein, eine enge Systemgrenze zu ziehen, während für betriebsähnliche Versuche die Grenze hinreichend weit gefasst sein sollte, um alle potentiellen Einflüsse realitätsnah abbilden zu können. Diese Ausführungen verdeutlichen, dass die Verschleißbeständigkeit eines Werkstoffs nur in Bezug auf den konkreten Anwendungsfall und unter Berücksichtigung aller Systembestandteile bewertet werden kann. Kein Werkstoff ist per se verschleißbeständig.
Wie Abbildung 1 zu entnehmen ist, umfasst das auf Grund- und Gegenkörper wirkende Beanspruchungskollektiv zahlreiche, höchst unterschiedliche Einzelfaktoren, die jedoch alle miteinander verknüpft sind. So ergeben sich die in der Grenzfläche wirkenden Belastungen (Kräfte und Momente) unmittelbar aus den Bewegungsverhältnissen und dem Reibungszustand. Ausgehend von einem festen Gegenkörper werden vier Grundformen der Kinematik von Festkörpern unterschieden (Abb. 2). Das Gleiten ist charakterisiert durch eine Translation in der Kontaktfläche (Pendant für flüssigen oder gasförmigen Gegenkörper: Strömen), während beim Rollen eine Rotation um eine parallel zur Kontaktfläche orientierte Momentanachse stattfindet. Beim Bohren hingegen rotiert der Gegenkörper senkrecht zur Grenzfläche. Ein intermittierender Kontakt senkrecht zur Kontaktfläche wird als Stoßen oder Prallen bezeichnet [1]. Reale Verschleißfälle sind häufig durch eine Kombination dieser elementaren Bewegungsformen gekennzeichnet. So besitzen zum Beispiel Rollbewegungen fast immer mikroskopische oder makroskopische Gleitanteile, so dass stattdessen der Begriff Wälzen verwendet wird.
Abb. 2: Elementarformen der Kinematik von Festkörpern: a) Gleiten, b) Rollen (Wälzen), c) Bohren, d) Stoßen / Prallen
Bezüglich des Reibungszustandes wird zwischen drei Grundarten unterschieden. Festkörperreibung bezeichnet die Reibung zwischen zwei, in unmittelbarem Kontakt stehenden festen Körpern (sind die Oberflächen der Reibpartner hierbei mit einem molekularen Grenzschichtfilm bedeckt, ist auch der Begriff Grenzschichtreibung üblich) [1]. Sind Grund- und Gegenkörper durch einen flüssigen Film lückenlos voneinander getrennt, liegt Flüssigkeitsreibung vor (bzw. Gasreibung bei einem gasförmigen Film). Trennt der flüssige Film die Reibpartner nur teilweise, so dass noch Bereiche mit Festkörperreibung vorhanden sind, handelt es sich um Mischreibung [1]. Im praktischen Einsatzfall wie zum Beispiel in Wälzlagern wird üblicherweise die Flüssigkeitsreibung angestrebt. Realisiert wird dies mithilfe von Flüssigschmierstoffen. Der Begriff Schmierung bezeichnet folgerichtig die Verringerung von Reibung und Verschleiß zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Reibpartnern [2]. Wie in den folgenden Kapiteln noch näher ausgeführt werden wird, ist die Schmierung trotz ihrer großen praktischen Bedeutung nur eine der zahlreichen Möglichkeiten des Verschleißschutzes.
[1] H. Czichos, K.-H. Habig: Tribologie -Handbuch – Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik. 3. Aufl., Wiesbaden: Vieweg + Teubner, 2010. – ISBN 978-3-8348-0017-6
[2] V. L. Popov: Kontaktmechanik und Reibung – Von der Nanotribologie bis zur Erdbebendynamik. 3. Aufl., Berlin Heidelberg: Springer Vieweg, 2015. – ISBN 978-3-662-45974-4
[3] Norm DIN 50320:1979-12: Verschleiß – Begriffe, Systemanalyse von Verschleißvorgängen, Gliederung des Verschleißgebietes. Berlin: Beuth Verlag, 1997 zurückgezogen
Anodisation
Anodisation ist die Erzeugung von Oxidschichten mit Hilfe des elektrischen Stroms. Dabei wird das Metall, auf dem die Oxidschichten gebildet werden, als Pluspol (Anode) in einer elektrisch leitenden, wässrigen Lösung (Elektrolyt) geschaltet. In derselben Lösung befindet sich eine zweite Elektrode, die Kathode. Bei Anlegen einer Spannung fließt zwischen beiden Elektroden ein elektrischer Strom. Das anodisch kontaktierte Metall wird oxidiert und gibt Elektronen ab. Dabei entsteht an der Kathode Wasserstoff, der entweicht. Das verbleibende Hydroxidion reagiert an der Anode mit dem ionisierten Metall zu einem Oxidhydrat mit amorpher Stöchiometrie, entsprechende folgender Gesamtreaktion (vereinfacht):
Me + nH2O → Me(OH)n + n/2H2
Anodisierbar sind die eine kompakte Sperrschicht bildenden Metalle Aluminium, Titan und Magnesium. Die Oxidschicht ist sehr stabil und schützt das darunter liegende Metall vor einem weiteren Angriff durch Oxidation oder Korrosion. Anodisierte Metalloberflächen zeigen sich deshalb im Gebrauch als sehr beständig. Sie behalten je nach Verfahren auch ihr metallisches Aussehen, da die Oxidschicht dünn und transparent ist.
Durch das Anodisieren in sauren wässrigen Lösungen kann die natürlich vorhandene Oxidschicht verstärkt werden. Dies wird in großem Umfang bei Aluminium und Aluminiumlegierungen durchgeführt. Speziell bei Aluminium wird Anodisieren auch als Eloxieren bezeichnet – Eloxieren ist eine Kurzfassung des Begriffes elektrolytisches Oxidieren. Die Dicke der Oxidschicht hängt unter anderem von der beim Anodisieren verwendeten elektrischen Spannung ab. Im Prinzip besteht das beim Anodisieren hergestellte Aluminiumoxid aus zwei Phasen: einer Sperrschicht von einigen Nanometern direkt an der Metallgrenze und einer deutlich dickeren, aus hexagonalen Röhren aufgebauten Oxidschicht. Die Poren mit Durchmessern von 20 nm bis 40 nm befinden sich im Zentrum von so genannten Zellen und stehen annähernd senkrecht auf dem Grundmaterial. Die Struktur der Zellen sowie der Aufbau der Oxidschicht hängen vom Anteil an Fremdstoffen im Aluminium ab.