Trinkwassergewinnung aus Meerwasser mittels Umkehrosmose

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1 Trinkwassergewinnung aus Meerwasser mittels Umkehrosmose Teil 1: Grundlagen und energetische Betrachtung K. Nikolaus, S. Ripperger* Die Umkehrosmose ist das am häufigsten eingesetzte Membranverfahren zur Trinkwassergewinnung aus Meer- und Brackwasser. Dabei muss der über die Membran wirkende osmotische Druck überwunden werden. Zum Betrieb der hierzu notwendigen Hochdruckpumpen muss stetig Energie zugeführt werden. Da nur ein Teil des Rohwassers als Trink wasser gewonnen wird, wurden Systeme zur Rückgewinnung der im verbleibenden Konzentrat enthaltenden Druck energie entwickelt. Dadurch kann der notwendige Energiebedarf deutlich gesenkt werden. Die dadurch sich ergebende Reduzierung der Wassergestehungskosten zeigt eine Kostenrechnung. Darin werden alle entstehenden Kosten berücksichtigt, auch die, welche notwendig sind, um das Rohwasser vorzubehandeln. Im Folgenden werden grundlegende Zusammenhänge zur Auslegung einer Trinkwassergewinnung mittels Umkehrosmose behandelt und der dazu notwendige Energiebedarf ermittelt. In einem später erscheinenden zweiten Teil wird die zugehörige Kostenrechnung erläutert. Hierbei wird auch der Aufwand für eine Rohwasservorbehandlung mittels einer Ultrafiltration analysiert. 1. Verfahrensprinzip Ein osmotisches System entsteht, wenn zwei wässrige Lösungen unterschiedlicher Konzentration durch eine semipermeable Membran, die gelöste Komponenten der Lösung zurückhält, voneinander getrennt werden. Da bei einer Membran zur Umkehrosmose Salze der Lösung die Membran nicht wesentlich durchdringen können, diffundieren Wassermoleküle aufgrund des Unterschiedes der chemi - schen Potenziale auf die Seite der höher konzentrierten Lösung. Das Streben der Natur nach einem Konzen trations aus - gleich liegt diesem Stofftransport zu - grunde. Eine gute Löslichkeit der Wasser - moleküle in der Membran fördert diese selektive Permeation. Der dabei auf der Permeatseite auftretende maximal mög - * Dipl.-Ing. Kai Nikolaus Prof. Dr.-Ing. Siegfried Ripperger Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik TU Kaiserslautern Tel.: liche Druck wird als osmotischer Druck bezeichnet. Wenn dieser Druck auf der Konzentratseite erreicht wird, kommt der Permeatfluss zum erliegen. Der osmo ti - sche Druck einer wässrigen Salzlösung kann im verdünnten Bereich durch die Van t Hoff sche Gleichung beschrieben werden. Danach steigt der osmotische Druck Δπ mit steigender Salzkonzentration c Salz. linear an /1/. (1) c Salz: molare Salzkonzentration T: Temperatur in K R: allgemeine Gaskonstante f 0 : Van t Hoff-Faktor f 0 =1+ α (v-1). α: Dissoziationsgrad v: Anzahl der Ionen pro Salzmolekül Bei der Umkehrosmose, wie sie z.b. zur Trinkwassergewinnung aus Meerwasser angewendet wird, nutzt man diese selek - tive Permeation von Wasser durch die Membran aus und erzwingt eine Um keh - rung des Vorgangs der Osmose, indem Abb. 1: Einstufige RO-Anlage man auf der Konzentratseite einen höheren Druck als den osmotischen Druck anlegt. Bei Meerwasser wird üblicherweise von einem mittleren Salzgehalt von 3,5 Mas - sen-% ausgegangen, was einem osmo ti - Abb. 2: Einstufige RO-Anlage mit Konzentratrückführung Abb. 4: Zweistufige RO-Anlage (Kaskadenschaltung) mit Konzentratrückführung in der ersten und der zweiten Stufe 6 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 24 (2010) Nr. 1

2 schen Druck von 29,2 bar entspricht. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass je nach Region, der Salzgehalt er - heblich von diesem Mittelwert ab weichen kann. Er unterliegt in Küstennähe auch jahreszeitlichen Schwankungen. 2. Betriebsweisen Die einfachste Ausführung einer Anlage zur Umkehrosmose zeigt Abb. 1. Dabei wird das salzhaltige Wasser mittels einer Hochdruckpumpe auf einen Druck ober - halb des osmotischen Drucks kompri - miert. Dieser wird wesentlich von dem Salzgehalt im Zulauf und der Konzen - trierung des Salzes in der Anlage be - stimmt. Die Konzentrierung wird über den Volumenstrom des Konzentratablaufs geregelt. Um einer Deckschichtbildung auf der Membran entgegenzuwirken, kann es sinnvoll sein, das Konzentrat umzu - wälzen (siehe Abb. 2). Dadurch wird die Geschwindigkeit der Membranüber - strömung wesentlich erhöht und einer Deckschichtbildung entgegengewirkt. Gleich zeitig wird jedoch dadurch auch der notwendige Energiebedarf erhöht. Bei der einstufigen Betriebsweise entsprechend Abb. 2 stellt sich im gesamten Kreislauf nahezu die Endkonzentration ein. Ent - sprechend muss diese Stufe mit einem Druck betrieben werden, der oberhalb des osmotischen Drucks des Konzentrat - ablaufs entspricht. Es kann daher sinnvoll sein, in einer ersten Stufe eine teilweise Konzentrierung vorzunehmen, so dass diese Stufe auch mit einem niedrigeren Druck betrieben werden kann, und dann in einer zweiten Stufe die Endkonzentration Abb. 3: Zweistufige RO-Anlage mit Konzentratrückführung in beiden Stufen einzustellen (siehe Abb. 3). Eine Kaska - den-ausführung der Umkehrosmose, die in Abb. 4 dargestellt ist, wird notwendig, wenn das Permeat nach der ersten Stufe nicht die geforderte niedrige Salz konzen - tration aufweist. In den folgenden Berechnungen wird der Betrieb einer einstufigen Umkehr - osmose anlage entsprechend Abb. 1 be - trachtet. Diese Betriebsweise zeichnet sich durch den einfachsten Anlagenaufbau aus. Im zweiten Teil dieser Reihe soll anhand dieser Betriebsweise abgeschätzt werden, mit welchen Trinkwassergestehungskosten gerechnet werden kann, wenn als Vor - behandlung eine Ultrafiltra tion einge setzt wird. 3. Berechnungsgrundlagen In der Umkehrosmoseanlage kommt es zu einer Salzanreicherung infolge des Permeatflusses, wodurch ein entsprechend höherer osmotischer Druck als der des natürlichen Meerwassers überwunden werden muss. Bei einem kontinuierlichen Betrieb entsprechend dem Anlagenschema in Abb. 1 wird im Konzentratablauf durch eine Regelung der Salzgehalt und damit der osmotische Druck nach oben begrenzt. Durch diese Regelung wird ebenso die Wasserausbeute des Prozesses φ, die das Verhältnis von Permeatstrom V P zu Feed - strom V F darstellt, festgelegt: Aus der Salzbilanz (2) (3) erhält man mit der Ausbeute φ (Gleichung 2) und der annähernd konstanten Salz - rückhaltung (Retention) der Membran R (4) die Salzkonzentration im Konzentrat ab lauf der Anlage (5) Die Salzretention der Membran verän - dert sich leicht mit den Parametern Druck, Temperatur, Salzkonzentration des Zu - laufes und Ausbeute /2/, jedoch ist die Änderung oft vernachlässigbar gering. Die maximale Salzkonzentration wird nach Gleichung 5 maßgeblich durch die ein - gestellte Ausbeute des Systems bestimmt. Zur Erfassung der Triebkraft für den Stofftransport durch die Membran wird für eine näherungsweise Berechnung die mittlere Konzentration im Konzentrat als logarithmisches Mittel angesetzt: (6) Im Fall von Meerwasser mit einer Salzkonzentration (bezogen auf Kochsalz) von 35 g/l beträgt die mittlere Konzen - MICROFILTRATION ULTRAFILTRATION NANOFILTRATION Have a bath with a friend MICRODYN-NADIR GmbH Rheingaustrasse Wiesbaden / Germany Tel info@microdyn-nadir.de F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 24 (2010) Nr. 1

3 Abb. 5: Treibendes Druckgefälle für Meerwasser tration bei einer Wasserausbeute von 50 % entsprechend in etwa 50 g/l. Mit steigen der Ausbeute steigt auch die Salz konzen tration auf der Konzentratseite und somit der zu überwindende osmo tische Druck an. Der für den Stofftransport maßgebliche osmotische Druck für den kontinuierlichen Prozess entsprechend Abb. 1 ergibt sich nach den Gleichungen 1 und 6 zu: (7) Die Umkehrosmose wird durch An legen eines Druckes oberhalb des osmo tischen Druckes auf der Konzen tratseite erzwungen. Das mittlere treiben de Druckgefälle ergibt sich aus der Differenz aus dem mittleren angelegtem Druck Δp und dem mittleren osmotischen Druck Δπ auf beiden Seiten der Membran. Der Permeatfluss m durch die Membran kann durch das treibende Druckgefälle und die Membrankonstante K W berechnet werden. Der Zusammenhang ergibt sich aus dem Lösungsdiffusionsmodell zur Beschrei bung des Stofftransportes durch die Membran: (8) Wie später noch gezeigt wird muss auch darauf geachtet werden, dass die trans membrane Druckdifferenz so gewählt wird, dass auch beim höchsten auf treten den osmotischen Druck noch eine Trieb kraft vorliegt. Eine nicht zu vernachlässigende Minde rung des Permeatflusses kann durch eine Deckschichtbildung auf der Membran verursacht werden. Sie hat das sogenannte Fouling oder Scaling zur Folge. Ein Fouling wird hauptsächlich durch im Rohwasser vorhandene feinste Partikel, anorganische und organische Komplexe, die beide unter dem Oberbegriff Kolloide zusammengefasst werden, und Mikro organismen verursacht. Beim Scaling wird infolge der Konzentrierung von Wasser inhaltsstoffen deren Löslichkeitsgrenze überschritten, so dass sie gefällt werden und einen Membranbelag bilden können. Hier ist z. B. auf die Konzentrationen der Calcium-, Magnesium-, Barium und Strontiumsulfate und -carbonate zu achten. Eine Minderung des Permeat flusses infolge Fouling und Scaling sollte möglichst durch eine Vorbehandlung des Roh - Abb. 6: Permeatfluss für Meerwasser wassers vermieden werden. Der Gehalt an Kolloiden kann durch eine Koagula tion und/oder Flokkulation in Verbindung mit einer Filtration gesenkt werden. Die im Wasser enthaltene natürliche organischer Substanz (NOM) kann mittels einer Adsorption an Aktiv kohle reduziert werden. Eine Stabilisie rung von Substanzen, die ein Scaling verursachen können, gelingt durch eine ph-wert- Absenkung und/oder die Dosie rung eines Antiscalants. Daten zur Berech nung von Löslichkeitsgrenzen sind für die wichtigsten Wasserinhaltsstoffe in der Literatur vorhanden /5/. Im gleichen Zusammenhang muss auch der Effekt der Konzentrations - polarisation beachtet werden. Er beinhalte den Anstieg der Konzentration an der Membranoberfläche von Substanzen, welche von der Membran zurückgehalten werden. Aufgrund der Konzentrationspolarisation wird das treibende Druckgefälle herabsetzt und die Wahrscheinlichkeit für ein Scaling erhöht. Die Einflüsse der Konzentrationspolarisa tion werden bei den folgenden Berech nungen nicht explizit berücksichtigt. Geringe, nicht zu vermeidende Ände rungen, werden mit dem Scaling- und Foulingfaktor FF berücksichtigt. Man geht üblicherweise von einem Wert 0,8 bis 0,9 aus /3/. Die nachfolgenden Rechenergeb - nisse wurde mit einem Wert für FF von 0,85 ermittelt. Durch eine Erhöhung der Temperatur wird der Permeatfluss ver größert, da die Diffusion des Wassers in der Membran verstärkt wird. Bei den Berechnungen wurde von einer konstanten Temperatur ausgegangen. Das mittlere statische Druckgefälle zwischen Konzentrat- und Permeatseite Δp ergibt sich aus dem Zulaufdruck unter der Berücksichtigung des Druckverlustes beim Durchströmen der Membran. Dabei kann man davon ausgehen, dass der Druckverlust infolge der Strömung Δp entlang der Membran linear abnimmt. Damit gilt: (9) Unter der Vernachlässigung des vergleichsweise geringen Druckverlustes über die Modullänge Δp V (meist < 1bar) sowie Abb. 7: Fließbild bei Anwendung einer Energierückgewinnung Abb. 8: spezifischer Energiebedarf bei unterschiedlichen Ausbeuten 8 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 24 (2010) Nr. 1

4 dem relativ niedrigen Druck auf der Permeatseite p P erhält man Δp p C Dadurch kann die Gleichung für den Stofftransort durch die Membran (Gleichung 8) stark vereinfacht werden. Bei dieser Auslegungsweise wird der Permeatfluss m geringfügig, um den Fluss, welche der Druck entsprechend des halben Druckverlustes der Konzentratströmung im Membranmodul zur Folge hätte, unterschätzt. (10) Die transmembrane Druckdifferenz muss nun so ausgelegt werden, dass auch beim höchsten auftretenden osmotischen Druck noch eine Triebkraft vorliegt. Der maximale osmotische Druck wirkt am Ausgang der Anlage, da hier die höchste Salz - konzentration vorliegt. Der Betriebsdruck sollte auch an dieser Stelle den äquivalenten osmotischen Druck überschreiten. (11) Der Faktor k beschreibt die Druckerhöhung gegenüber dem osmotischen Druck am Ausgang der Anlage und muss damit einen Wert, der größer ist als eins annehmen. k ist prinzipiell frei wählbar. Üblicherweise werden Werte zwischen 1,02 und 1,10 eingesetzt. Durch diese Auslegungsweise wird auch am Ausgang der Anlage eine Triebkraft sichergestellt. Bei einem Anlagen - schema entsprechend Abb. 1 ist am Eingang der Anlage die Triebkraft und damit der Permeatfluss am höchsten, da hier der osmotische Druck am geringsten ist. Gleichung 11 ergibt in Verbindung mit Gleichung 10 eine Beziehung zur Auslegung einer Anlage auf Basis des Lösungsdiffusionsmodells unter Ver - nachlässigung des Druckverlustes innerhalb der Konzentrat - strömung im Membranmodul: (12) Zur Trinkwassergewinnung aus Meerwasser werden, je nach angestrebter Wasserausbeute, Umkehrosmoseanlagen mit Be - triebsdrücken p C zwischen 60 und 90 bar betrieben. Der maximale Betriebsdruck einer Anlage wird u. a. durch den Membrantyp und die Konstruktion der Membranmodule begrenzt. Insbesondere in Fällen wo eine Konzentrierung von Inhaltsstoffen im Konzentrat angestrebt wird, wie z. B. bei der Sickerwasseraufbereitung von Mülldeponien, werden Anlagen mit Drücken bis zu 150 bar betrieben. Bei noch höheren Druckdifferenzen muss bei den heute verfügbaren Membranen mit einer Membrankompaktierung gerechnet werden /4/. Infolge des Anstiegs des notwendigen Betriebsdruckes mit dem osmotischen Druck am Ausgang der Anlage (vgl. Gleichung 11), kann die Wasserausbeute nicht beliebig hoch gewählt werden. Die obere Grenze wird durch den maximal zulässigen Betriebsdruck festgelegt. Die maximal erreichbare Ausbeute ist ebenso von der Salzkonzentration im Rohwasser, der Salzrückhaltung der Membran und dem gewählten Prozessschema abhängig. Mit den Gleichungen 11 und 5 kann für einzelne Fälle die maximal erreichbare Ausbeute berechnet werden. Für ein handelsübliches Membranmodul mit einem zulässigen Betriebsdruck von 80 bar ergibt sich die maximale Ausbeute für Meerwasser mit einem Salzgehalt von 35 g/l zu ca. 60 % und für Brackwasser mit einem Salzgehalt von 10 g/l zu ca. 90 % (berechnet mit k=1,1). Die Abb. 5 verdeutlicht diesen Sachverhalt für einen Salzgehalt von 35 g/l für verschiedene Werte der Druckerhöhung k. Es wird deutlich, dass das Membranmodul einen Druck von 110 bar aushalten müsste, um eine Ausbeute von 70 % bei einer Salzkonzentration von 35 g/l erreichen zu können. Im gleichen Diagramm ist das wirkende mittlere treibende Druckgefälle für die Behandlung von Meerwasser in Abhängigkeit von der Ausbeute dargestellt. Mit steigender Ausbeute steigt der osmotische Druck beim Prozess an, so dass die Betriebsdrücke bei dieser Auslegungsweise von etwa 45 bar bei einer Ausbeute von 30 % bis etwa 110 bar bei einer Ausbeute von 70 % variiert werden. Die Membrankonstante K W ist hauptsächlich von der Löslichkeit des Wassers im Membranmaterial, dem Diffusionskoeffizienten und der Länge des Diffusionswegs abhängig. Sie wird üblicherweise experimentell ermittelt und nimmt bei den heute verfügbaren Membranen zur Umkehrosmose Werte zwischen 0,5 und 2,0 l/(m 2 barh) an /4/. Die folgenden Berechnungen werden für ein leistungsstarkes Modul mit einer Membrankonstante von 1,5 l/(m 2 barh) durchgeführt. Der Permeatfluss durch die Membran, der sich aus Gleichung 12 ergibt, ist in Abb. 6 über der Wasser - ausbeute für verschiedene Werte der Druckerhöhung k dargestellt. Handels übliche Membranmodule können einen Permeatfluss von etwa 45 l/(m 2 h) erreichen. Um Trinkwasser mit einer ausreichend niedrigen Leit fähigkeit in einer Stufe zu erzeugen ist eine Membran mit einer Salz rück - haltung von mindestens 98 % erforderlich. Die Salz passage einer Membran wird oft mit der folgenden Gleichung erfasst: (13) Darin ist K S die Membrankonstante bezüglich der Salzpassage und Δc S das Salzkonzentrationsgefälle durch die Membran. 4. Energiebedarf Der spezifische Energiebedarf w zum Betrieb der Umkehr - osmose entsprechend dem Anlagenschema in Abb. 1 ergibt sich maßgeblich aus der Antriebsleistung P der Hochdruckpumpe. Gleichung 13 zeigt, dass der spezifische Energiebedarf wiederum als eine von der Ausbeute abhängige Größe ausgedrückt werden kann. Mit dem Wirkungsgrad η P der Pumpe und den Gleichungen 5 und 11 erhält man: (14) Bei einer steigenden Ausbeute sinkt der spezifische Energiebedarf w infolge der steigenden Bezugsgröße der Permeatstrom ab. Gleichzeitig sind jedoch infolge der höheren Konzentrierung ein höherer Betriebsdruck und damit ein höherer spezifischer Energiebedarf notwendig. Eine Minimalwertanalyse zeigt, bei welcher Ausbeute der geringste spezifische Energie - bedarf bei einer einstufigen Anlage zu erwarten ist. Aus folgt unabhängig vom Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe η P und unabhängig von der Kapazität der Anlage (15) Die Salzrückhaltung der eingesetzten Membranen liegt meist im Bereich von 99 %. Setzt man näherungsweise R 1, so ergibt sich, dass die optimale Ausbeute hinsichtlich der Energieausnutzung einer Umkehrosmoseanlage entsprechend Abb. 1 bei etwa 50 % liegt. Ein Großteil der aufgewendeten Energie kann zurück gewonnen werden. So kann z. B. die im Konzentrat enthaltene Druckenergie über eine Turbine entspannt werden. Alternativ sind inzwischen auch Pumpe-Turbine-Kombi - nationen (Hydraulic turbo charger) verfügbar (Abb.7). Sie sind ähnlich aufgebaut wie die Abgasturbolader von Automobilen und sparen so die Umwandlung von mechanische in elektrische Energie. Eine neue Generation von Energierück gewinnungs - anlagen überträgt den Druck aus dem Konzentratstrom direkt auf den Feedstrom. Kennzeichen dieser Drucktauscher sind zwei längliche Druckrohre mit einem frei beweglichen Kolben, über den der Druck im Konzentrat zur Vorkomprimierung des Zulaufs genutzt wird /7/. Die wiedergewonnene Leistung des Konzen - tratstroms errechnet sich unter der Berücksichtigung des Wirkungsgrades des jeweiligen Systems zur Energierück - gewinnung η ER. Bei einer Vernachlässigung der relativ geringen Strömungsdruckverluste im Membranmodul entspricht der Druck im Konzentrat dem angelegten Druck auf der Konzentratseite. (16) F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 24 (2010) Nr. 1 9

5 Aus dem Quotienten aus der wiedergewonnenen Leistung P ER zu der eingesetzten Leistung P ergibt sich die Energieeinsparung des Systems (1-P ER /P). Mit den Gleichungen 14 und 16 erhält man: (17) Die Gleichung lässt erkennen, warum im Allgemeinen Meer - wasser anlagen, die bei Ausbeuten zwischen φ = 30 % und φ = 50 % arbeiten, mit Energierück gewin nungsturbinen ausgerüstet sind, während bei Brackwasseranlagen, die bei Aus beuten von etwa φ = 70 % arbeiten, eine Energierückgewinnung seltener zum Ein satz kommt /4/. Dabei muss beachtet werden, dass die erreichbare Energie einsparung immer mit den relativ hohen Investitionskosten einer Energierück gewinnungs anlage verbunden sind. Durch eine Kosten-Nutzen-Analyse muss im Einzelfall entschieden werden, ob sich die Investition z.b. eines Drucktauschers lohnt. Aus Gleichung 17 und 14 kann der spezifische Energiebedarf bei der Anwendung einer Energierückgewinnung w ER berechnet werden: (18) Aus folgt, dass die optimale Ausbeute bei der Verwen - dung einer Energierückgewinnung mit (19) beschrieben werden kann. Beispielsweise folgt für η P =η ER 0,8 und R 1 eine optimale Ausbeute von 37,5 %. Das Diagramm in Abb. 8 zeigt die Auftragung des spezifischen Energiebedarfs über der Ausbeute. Die zuvor berechneten optimalen Ausbeuten bestätigen sich bei beiden Betriebsweisen. Je nach Anlagenkapazität, Salzkonzentration des Zulaufes und angestrebten Differenzdruck ändert sich der Verlauf quantitativ. Der qualitative Zusammenhang bleibt jedoch bei allen Parametern nahezu gleich. Mit steigender Ausbeute steht im Konzentratstrom weniger Energie für die Rückgewinnung zur Verfügung. Bei der üblich angestrebten Ausbeute von 0,5 kann mit einem System zur Energierückgewinnung der Energiebedarf zur Trinkwasser gewin - nung um ca. 30 % reduziert werden. Literatur: /1/ Handbook of Chemistry and Physics. 61th Edition /2/ Dow FilmTec, Tech Manual Exerpt, FilmTec Membranes, Form No /3/ Janisch I (1987) Zum Problem der Membranverschmutzung bei der Umkehrosmose. Dissertation, RWTH Aachen /4/ R. Rautenbach, T. Melin, Membranverfahren, Springer Verlag, 3. Auflage, 2007 /5/ Hörnig H E (1978) Seawater and Seawater Distillation. Vulkan-Verlag, Essen /6/ K.-H. Rosenwinkel, J. Wagner und Júrgnagy, Chemie Ingenieur Technik (72) 5 I 2000 Membranverfahren in der industriellen Abwasserbehandlung /7/ Geisler P, Krumm W, Peters TA (2001) Reduction of the energy demand for Seawater RO with pressure exchange system PES. Desalination 135: