Abschnitte
- Einführung
- Ziel: Null Einleitung
- Eigenschaften der Fortilife-Membranen
- Praktisches Beispiel
- Zusammenfassung
EINFÜHRUNG
In der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts etablierte sich die Umkehrosmose als Verfahren zur Entsalzung von Wasser, sowohl für Trink- als auch für Industrieanwendungen:
Anfangs waren Umkehrosmosemembranen sehr anfällig für Verschmutzungen und hydrolysierten (Celluloseacetat-Membranen). Später wurden mit Polyamidmembranen bedeutende Fortschritte erzielt, indem bei niedrigeren Drücken gearbeitet und eine bessere Wasserqualität erreicht wurde. Dennoch überschritten die erzielbaren Umwandlungsraten in einem einzelnen Schritt kaum 75 %, und bei zweistufigem Betrieb war es riskant, 85 % zu überschreiten, aufgrund von Polarisations- und Salzabscheidungsproblemen.
Seitdem konzentriert sich die Forschung auf Faktoren wie Polarität, Materialien, Arten und Anordnungen von Abstandshaltern sowie die als Klebstoff verwendeten Enden, was zu Membranen führte, die widerstandsfähig gegen Verschmutzungen sind, bei hohen Temperaturen sowie extremen pH-Werten und moderaten Oxidationsmittelkonzentrationen betrieben werden können.
Kürzlich wurden verschiedene Membrantypen entwickelt, die neben erhöhter pH-Beständigkeit und größerer Verschmutzungsresistenz auch bei sehr hohen Drücken betrieben werden können, was den Betrieb bei sehr hohen Salzkonzentrationen ermöglicht.
Faktoren wie die Ionenstärke der Lösungen und die erforderliche Verweilzeit für die Bildung von Ausfällungs- und Kristallisationskeimen haben es ermöglicht, Permeaterträge von über 95 % zu erreichen, abhängig von der Salinität und der Art des zu behandelnden Wassers.
ZIEL: NULL EINLEITUNG
Die Ableitungen aus Umkehrosmoseanlagen stellten aufgrund ihrer hohen Salinität stets ein Problem dar, da ihre Einleitung erschwert ist. Nur Standorte in Meeresnähe bieten eine mögliche Einleitungsoption, und dies unter einem strengen regulatorischen Rahmen.
Daher ist aus ökologischer Sicht die beste Option die Null-Einleitung. Obwohl das Abwasservolumen auf 15 % des Rohwassers (85 % Umwandlung) reduziert werden könnte, blieb der resultierende Durchfluss zu hoch, um ein Verdampfungsverfahren in Betracht zu ziehen, da die Installations- und Energiekosten erheblich sind; zudem sind in vielen Fällen mehrere Verdampfungsstufen erforderlich, um Konzentrationen zu erreichen, die es erlauben, das Konzentrat als exportierbaren Abfall auf einer Deponie zu entsorgen (Konzentration > 30 %).
Die Suche nach den besten verfügbaren Technologien führte zur Entwicklung von Umkehrosmosemembranen (z. B. Fortilife-Membranen), die den Ansatz zur idealen Null-Einleitung deutlich realistischer machen, mit einem Konzentratdurchfluss von etwa 5 % des Eingangs.
Mit einem deutlich höheren Konzentrationsfaktor (Fc > 20). Unter diesen Bedingungen werden sowohl technisch als auch wirtschaftlich Systeme zur Volumenreduzierung und Konzentrationserhöhung der Restabwässer bis zur Feststoffbildung machbarer, was mit niedrigenergetischen Vakuumverdampfungstechniken, bei denen Condorchem Envitech über nachgewiesene Erfahrung verfügt, erreicht wird.
EIGENSCHAFTEN DER FORTILIFE-MEMBRANEN
Es wird angestrebt, die Arten der verwendeten Umkehrosmosemembranen je nach Anwendungszweck zu diversifizieren. Nachfolgend die grundlegenden Eigenschaften der Fortilife-Membranen:
CR 100 Membranen
Dieser Membrantyp ist für Wasser mit organischen Rückständen und relativ hohem Gehalt an Schwebstoffen ausgelegt, wie tertiäre Behandlungen von Kläranlagen oder für Oberflächengewässer (Flüsse, Sümpfe, Seen) mit hohem SDI aufgrund ihres kolloidalen Inhalts und organischer Schwebstoffbelastungen.
Diese Membranen verschmutzen weniger als herkömmliche (ca. 50 %), daher ist auch die Reinigungsfrequenz geringer, und sie erholen sich besser nach Reinigungen, wie in den folgenden Tabellen zu sehen ist:
CR 100 Membranen sind nicht für den Betrieb bei hohen Salinitäten (TDS < 15 g/l) ausgelegt, da sie Drücke über 41 bar nicht aushalten, und sie weisen eine gute Salzrückhaltung auf, was sie ideal für den Einsatz in der ersten Stufe der Behandlungsanlage macht. XC 70 / XC 80 Membranen
Diese Membranen sind neben ihrer Verschmutzungsresistenz und hohen Salzrückhaltung druckbeständig bis zu 83 bar, was den Betrieb bei hohen Salinitäten (< 80 g/l) ermöglicht, und eignen sich für die Anordnung in der zweiten oder dritten Stufe des Membransystems. XC-N Membranen
Dies sind selektive Membranen, die einen Betrieb bis 41 bar Druck mit einer Salzrückhaltung von 99 % erlauben. Sie zeigen geringe Verschmutzung und niedrige Energiekosten.
Sie können als Hochdruck-Nanofiltrationsmembran mit den Vorteilen des Fortilife-Typs betrachtet werden.
UHP Membranen
Schließlich werden Ultra High Pressure (UHP) Membranen für die Endkonzentrationsstufe eingesetzt, erreichen Drücke bis zu 120 bar und sehr hohe Konzentrationen (ca. 120 g/l).
Die folgende Tabelle fasst die grundlegenden Eigenschaften der einzelnen Membrantypen zum Vergleich zusammen.
Fortilife-Membranen Tabelle
| Produkt | Eigenschaften | Spezifikationen | Vorteile |
| CR 100 | Hohe Resistenz gegen Biofouling.
Hohe Salzrückhaltung. Niedrige Salinität (< 15 g/l). |
Permeatfluss = 44 m3/d.
Salzrückhaltung = 99,7 % Max. Eingangsdruck = 41 bar |
Reduziert Reinigungsfrequenz.
Biofouling < 50 %. |
| XC 70 | Verschmutzungsresistenz.
Hohe Salinität (15 – 70 g/l) |
Permeatfluss = 30,6 m3/d.
Salzrückhaltung = 99,7 % Max. Eingangsdruck = 83 bar |
Reduziert Reinigungsfrequenz.
Längere Betriebszeit. Längere Lebensdauer der Elemente. |
| XC 80 | Verschmutzungsresistenz.
Niedriger Energieverbrauch. Hohe Salinität (15 – 80 g/l) |
Permeatfluss = 34,2 m3/d.
Salzrückhaltung = 99,4 % Max. Eingangsdruck = 83 bar |
Reduziert Energiekosten.
Erhöht Umwandlung. Reduziert Reinigungsfrequenz. |
| XC-N | Selektive Ionentrennung.
Rezirkulation des gereinigten Konzentrats. |
Permeatfluss = 34,1 m3/d.
Salzrückhaltung = 99 %. Max. Eingangsdruck = 41 bar. |
Macht Ableitung wiederverwendbar.
Reduziert Verschmutzung. Niedrige Energiekosten. |
| UHP | Maximale Salzkonzentration pro Membran | Permeatfluss = 28 m3/d.
Salzrückhaltung = 99,7 % Max. Eingangsdruck = 120 bar |
Anwendbar zur Behandlung von sehr salzhaltigem Wasser, um Null-Einleitung zu erreichen |
Für ein optimiertes Design wird die Kombination dieser Membranen in verschiedenen Stufen vorgeschlagen, mit dem Ziel, die Komplexität der Anlage zu vereinfachen und die Größe der endgültigen Verdampfungsanlage zu minimieren.
Beispielsweise beträgt bei einer konventionellen zweistufigen Umkehrosmoseanlage mit 85 % Umwandlung der Konzentrationsfaktor FC = 1/(1-0,85) = 6,7.
Beginnt man mit Wasser mit einem TDS von 2 g/l, hätte das Konzentrat einen TDS von ca. 13,4 g/l; bei einem Eingangsvolumenstrom von z. B. 100 m3/h müsste ein Verdampfer für einen Durchfluss von 15 m3/h mit einem TDS von 13,4 g/l ausgelegt werden.
Um eine Konzentration von 300 g/l im Rückstand zu erreichen, muss dieser in mehreren Stufen verdampft werden, mit den damit verbundenen Investitions- und Energiekosten.
Angenommen, wir haben in der ersten Stufe Niederdruck- Hochleistungsmembranen (CR 100), dann in der zweiten Stufe XC70/XC80-Membranen für den Betrieb bei hohem Druck und hoher Umwandlung, und schließlich Ultra-Hochdruck (UHP)-Membranen, nach einer Reinigungsstufe im Ableitstrom mit anderen XC-N-Membranen.
In diesem Fall kann eine Salzkonzentration von etwa 100 bis 150 g/l bei einem Durchfluss von 1,5 – 2 m3/h erreicht werden, was den Vakuumverdampfungs-Prozess deutlich praktikabler macht.
PRAKTISCHES BEISPIEL
Ausgangspunkt ist der Ableitstrom einer Umkehrosmoseanlage, die einen Rohwasserstrom von 830 m3/h aus einem Sumpf mit einem TDS von 1.160 mg/l behandelt.
Wir können CR100-Membranen verwenden, die aufgrund ihrer geringen Verschmutzung und guten Salzrückhaltung die Ionenaustauschanlage vereinfachen, die zur Behandlung des Permeats erforderlich ist, um die in diesem Beispiel geforderten Salzgehalte (demineralisiertes Wasser für den Energiesektor) zu erreichen.
Zudem verlangt die Spezifikation einen Dienstwasserstrom von 120 m3/h mit einem TDS < 100 mg/l, und die Null-Einleitung ist wichtig.
In der folgenden Projektion starten wir mit dem Ableitstrom der Umkehrosmoseanlage mit CR 100 Membranen und sehen, wie die Membranen kombiniert werden, um das System zu optimieren, unter Einsatz von Booster-Pumpsystemen, Gegenpressungen im Permeat und Rezirkulationen.
In diesem Fall beträgt die erreichte Umwandlung 89 % und FC = 9. Der endgültige Ableitstrom wäre 13,7 m3/h mit einem TDS von 70,8 g/l.
Berechnet man den Ableitanteil am Rohwasserstrom, ergibt sich 13,7/830 = 1,65 %, somit läge die Systemumwandlung bei etwa 97 – 98 %, unter Berücksichtigung des Wasserverbrauchs in der Vorbehandlung, bei Spülungen usw.
Der TDS des Permeats beträgt 53 mg/l und der spezifische Energieverbrauch 2 kW/m3, womit die gewünschte Qualität für Dienstwasser bei angemessenem Energieverbrauch erreicht wird.
Wird der Ableitstrom dieser Stufe erneut mit speziellen Membranen wie UHP konzentriert, erreicht man eine Umwandlung von 50 %, was einem Permeatstrom von ca. 6 m3/h und einer Salinität von 83 mg/l entspricht, während der Ableitstrom einen entsprechenden Durchfluss und eine Konzentration von 140 g/l aufweist.
Es wäre ratsam, in dieser Stufe zwei parallele Umkehrosmoselinien zu betreiben, um Salzkrystallisation zu vermeiden. In diesem letzten Schritt wird empfohlen, im diskontinuierlichen Betrieb zu arbeiten, wobei bei jedem Stillstand der Anlage die Membranen gespült und das Abwasser zum Anlagenkopf zurückgeführt werden sollte.
Wir sehen, dass die Vakuumverdampfung-Lösung nun sowohl technisch als auch wirtschaftlich geeigneter wäre, da sehr wahrscheinlich der gewünschte Konzentrationsgrad von 30 % im Rückstand mit vertretbaren Investitions- und Betriebskosten erreicht wird.
Im vorliegenden Beispiel ist sehr wahrscheinlich eine Rückführung von Kondensaten aus Ihren Anlagen möglich, die über einen Wärmetauscher zur Energieversorgung genutzt werden können; in diesem Fall käme eine geeignete Ausrüstung aus der Envidest MVR FF-Serie in Frage, gefolgt von einem Kristallisator.
Der Permeat- und Kondensatstrom wird sehr nahe an den für Dienstwasser geforderten 120 m3/h liegen, und die Salinität wird unter 100 mg/l liegen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die technologische Entwicklung in der Wasseraufbereitung ermöglicht es uns, das Ziel minimaler Emissionen in die Umwelt zu erreichen. Viele der bis vor kurzem verworfenen oder deren Behandlung zu kostspielig war, werden zunehmend zugänglich, während ein großer Teil des gewonnenen Wassers wiederverwendet und der Energieverbrauch reduziert wird.
Dieser Artikel hebt den bedeutenden Fortschritt bei der Entsalzung mittels Umkehrosmose mit der neuesten Membrangeneration hervor und die mögliche Symbiose mit der Vielfalt und Spezialisierung der Verdampfungsbehandlungen, die kombiniert werden können, um das beste Ergebnis zu erzielen.
Bibliographie und Internetquellen.
https://www.dupont.com/brands/filmtec-fortilife.html
http://www.catedradelagua.uji.es/webcta/wp-content/uploads/2018/02/13_Ponencia_SGallego.pdf