Ausführungsformen und Anwendungen der Elektrodeionisation (EDI) zur Reinstwasserbereitung

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1 Ausführungsformen und Anwendungen der Elektrodeionisation (EDI) zur Reinstwasserbereitung Teil 3: Einbindung der EDI-Stufe und Zusammenfassung St. Duscher* Im ersten Teil des Artikels wurde auf die unterschiedlichen Ausführungen von EDI-Anordnungen eingegangen und deren prinzipielle Mechanismen und Unterscheidungsmerkmale beschrieben. Im zweiten Teil wurde auf die chemischen Pro - zesse eingegangen, die während des Betriebes im EDI-Stapel ablaufen. Im dritten Teil werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Varianten gegenüber gestellt. Neben betriebswirtschaftlichen Aspekten unterscheiden sich die verschie - denen Ausführungen der EDI zum Beispiel in Ihrer Selektivität und ihrem Verhalten bei Beschickung mit schwachen Säuren. In Abhängigkeit von den Zulaufbedingungen und Wasserinhaltsstoffen zeichnen sich die verschiedenen be trach - te ten Varianten der Elektrodeionisation durch unterschiedliche Eignung aus. Darüber hinaus werden spezielle Ausfüh run - gen der EDI dargestellt und erläutert. Der Artikel schließt mit der Betrachtung, wie die EDI in die gesamte Verfahrens - kette zu implementieren ist und welche Grundsätze für das Engineering und den Betrieb einer EDI zu beachten sind. 1. Vergleich der einzelnen EDI-Verfahren 1.1. Die bisher betrachteten Ausführungen Je nach Anwendung und Betriebsbedingungen besitzen die einzelnen Varianten Vor- und Nachteile, die vor dem Einsatz zu prüfen sind. So ist zum Beispiel die Verschiebung des ph-wertes des Zulaufmediums während der Elektrodeionisation von Bedeutung. Ebenso spielt das Regenerationsverhalten und die Abhängigkeit der Wasserspaltung von der Salzkonzentration im Zulaufmedium eine sehr wichtige Rolle. Generell verhalten sich die Verfahren mit EL-EDI und BP-EDI getrennter Harzschüttung ähnlich, da bei beiden die Wasserspaltung und somit die Regeneration der Harze unabhängig von der Zulaufkonzentration ist. Da die Ionen aus dem Zulaufmedium direkt über das Harz und die Membranen in die Konzentratkammer gelangen, entstehen entsprechend steile Konzentrationsfronten; entsprechend hoch ist der Grad der Regeneration der Schüttungen im hinteren Bereich, was sich positiv auf die Abtrennung der schwachen Säuren auswirkt. In der zuerst durchströmten Schüttung findet jedoch eine Verschiebung des ph-wertes statt, was Einfluss auf die Reaktionskinetik in der ersten Kammer hat. Beim Aufbau eines EDI-Stacks mit getrennter Schüttung ist es ratsam, die Kationenvor die Anionenaustauscherschüttung zu platzieren, da eine negative Beeinflussung des Kationenaustausches speziell in Hinblick auf den Rückhalt schwacher Säuren weniger nachteilig ist. Da die H + -Ionen eine hohe Beweglichkeit besitzen, läuft der Kationenaustausch deutlich schneller ab als der Anionenaustausch. Die Kapazität des Kationenaustauschers ist nahezu doppelt so hoch wie die Kapazität des Anionenaustauschers, so dass die niedrige Gleichgewichtskonstante des Kationenaustausches von H + / Na + durch einen deutlich höheren Regenerationsgrad des Anionentauscherharzes kompensiert, je nach Harze teilweise sogar überkompensiert wird. Der Regenerationsgrad des Anionen - tauscherharzes ist letztlich die bestimmende Größe bei der Abtrennung schwacher Säuren. Bei niedrigem ph-wert findet die Abscheidung schneller statt, da die Ionenfront der stark dissoziierten Anionen weniger weit in die Schüttung vordringt, was einen schnelleren Anstieg des Regenerationsgrades des Anionentauscherharzes in Strömungsrichtung bedeutet. Zudem ist der Diffusionskoeffizient des molekularen Kohlendioxids größer als die Koeffizienten der Kohlensäure und deren ionischen Formen. Ebenso liegt ein merklicher Anteil der Kohlensäure als HCO 3 im Anionen austauscher vor, was die Anzahl der benötigten * Stefan Duscher Dipl.-Ing. Energietechnik / Thermodynamik Goppeltstrasse Öhringen Fax: F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1 17

2 Tab. 1: Vor und Nachteile der Varianten von EDI-Verfahren Abbildung 1: EDI-Modul mit kreisförmigem Querschnitt Ladungsmenge zur Abschei dung reduziert. Der Anionen austau scher ist weniger leitfähig als der Kationen - austauscher, so dass bei der An ord nung Kationenaustauscherschüttung vor Anio - nen austauscherschüttung die steilen Be - ladungsfronten eine günstige Verteilung der Stromdichte innerhalb der Harz - kammern zur Folge haben. Ein Nachteil der getrennten Schüttung ist, dass Coionen, die mittels Migration vom Kon - zen trat in das Produkt wandern, nicht mehr abgetrennt werden können. Bei den Varianten mit getrennten Schüttung hat das EL-EDI-Verfahren den Nachteil, dass Knallgas erzeugt wird, das wieder aus dem Produkt entfernt werden muss; die Anodenreaktion bei der EL-EDI erfordert zudem hochwertige Kationen - aus tauscherharze. Ebenso können die Kammern der EL-EDI nicht beliebig wiederholend aneinander gereiht werden, da pro Wiederholung ein Elektrodenpaar benötigt wird. Zudem ist der Energie - aufwand für die Wasserspaltung größer als bei der BP-EDI. Auf Grund der hohen Kosten von bipolaren Membranen halten sich die Verfahren EL-EDI und BP-EDI bei den Herstellkosten die Waage. Bei der MB-EDI ist der ph-wert während der Passage des Zulaufmediums nicht solch merklichen Änderungen unter - worfen wie bei den Verfahren mit getren - nten Schüttungen, da die H + - und OH - Ionen in der Flüssigphase zu Wasser rekombinieren können. Das Verhältnis von An- und Kationenaustauscherharz in der Mischbettkammer muss so gewählt wer - den, dass beide Austauschervorgänge gleich schnell ablaufen. Eventuell migrativ ins Produkt gelangte Ionen können über den ganzen Verfahrensweg im Misch - bettharz erneut abgeschieden werden; bei hohen Konzentrationen an Coionen funktioniert dies allerdings nicht mehr vollständig. Das MB-EDI-Verfahren kann im Aufbau beliebig hintereinander ge - schaltet werden, so dass damit Stacks (theoretisch) beliebiger Größe gebaut werden können. Beim Mischbett gibt es nicht-leitende Punkte; dort werden Ionen zurück in die umgebende Flüssigphase statt in den Konzentratkreis gezwungen. Somit sind auch die sich ergebenden Konzentrations - profile flacher als bei den Verfahren mit getrennten Schüttungen. An den nichtleitenden Punkten findet zudem Re - kombination von H + - und OH - Ionen zu Wasser statt, was sich negativ auf den Grad der Regenerierung auswirkt. Die Wasserspaltung ist zudem von der Qualität des Zulaufmediums anhängig und findet nur bei niedrigen Leitfähigkeiten in Abbildung 2: Spacer eines EDI-Moduls mit kreisförmigem Querschnitt Abbildung 3: Aufbau eines EDI-Moduls in Spiral wound -Bauweise 18 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

3 SF für alle Filter-Fälle die Nr. 1! Als Filter-Spezialist Nr. 1 verfügen wir über das grösste Filter-An ge bot für den Mobil- und Industrie - sektor. Abbildung 4: Schematischer Querschnitt durch ein Spiral wound -Modul befriedigendem Umfang statt. Das Ver - fahren MB-EDI hat durch seinen niedri - geren Regenerationsgrad daher einen schlechteren Rückhalt für schwache Säuren. Die folgende Tabelle stellt alle Eigenschaften nochmals dar: 1.2. Geometrische Optimierungen Die bisher betrachteten Ausführungen unterscheiden sich grundlegend sowohl in ihrer internen Anordnung als auch in ihren Schüttungen. Daneben haben jedoch auch in den letzten fünfzehn Jahren Optimie - rungen stattgefunden, welche die Eigen - schaften der EDI-Module hinsichtlich Energieverbrauch, interner Leckage und Vereinfachung des Fertigungsprozesses betreffen. Bei all jenen EDI-Modulen, deren Kammern als Hintereinanderreihung sich wiederholender Segmente ausgeführt sind, besteht eine wesentliche Herausforderung darin, die Kammern gegeneinander so abzudichten, dass es auch infolge von Materialalterung oder Druckdifferenzen zwischen den Kammern nicht zu Leckagen kommt. Dies ist einer der wesentlichen Gründe, warum EDI-Module trotz ihres modularen internen Aufbaus nur mit einer begrenzten Anzahl an sich wiederholenden Segmenten gebaut wer - den. Derzeit etablierte EDI-Module sind daher in ihrer Deionatmenge auf ca. 3m 3 je Modul begrenzt. Aus Gründen der gleichmäßigen Verteilung der Schraubenkräfte auf den Umfang gibt es EDI-Module mit kreis - förmigem Querschnitt (siehe Abbildung 1 [1]). Die zugehörigen Spacer sind meist als Spritzgussteile ausgeführt, in denen in um die Kammern umlaufenden Nuten Dichtungen eingelassen sind. Da das Verhältnis zwischen Länge und Breite der Kammern günstiger ist als bei dem klassischen rechteckigen Design und die Schraubenkräfte der am Umfang verteilten Zuganker nahezu gleichmäßig verteilt sind, ergibt sich eine deutlich verbesserte Eigenschaft hinsichtlich Dichtigkeit. Abbildung 2 [2] zeigt eine typische Ausführung eines runden Spacers für EDI- Module; deutlich zu erkennen sind die einzelnen Kammern, in denen sich die Harzschüttungen befinden. Neben unterschiedlichen Außen geo - metrien gibt es bei den modular aufge - bauten EDI-Modulen verschiedene Aus - füh rungen hinsichtlich der Dicke der Kammern bzw. deren Harzschüttungen. Typische Thin cell -Ausführungen be - sitzen einer Kammerdicke von 2 4 mm, während das Thick cell -Design Kammer der Dicke 8 10 mm aufweist. Hieraus ergeben sich für die Ausführungen folgende Merkmale: Thin cell -Design: - kostengünstigere Herstellung der Spacer möglich - Realisierung von EDI-Stapeln für kleinste Deionat-Mengen möglich - Hohes Anzugsdrehmoment der Zuganker erforderlich - Verstärkte Neigung zu Leckagen - Mechanisch weniger stabil, da filigrane Spacer Thick cell -Design: - Mehr Harz je Kammer (im Vergleich zu Thin cell ) - Mechanisch robust - Gute Dichtheitseigenschaften - Komplexes Spacer-Design 1.3. Das spiral wound -Design Neben den Ausführungen, bei denen die einzelnen Kammern des EDI-Moduls durch sich wiederholende hintereinander Ein permanentes Lager mit 20'000 Filtertypen. Alle Marken und Syste me. Für Erstausrüstung und Austausch. Kein mühsames Suchen mehr nach passenden Lieferanten. Top-Lieferservice keine teuren Stillstandzeiten. SF Filter GmbH D VS-Schwenningen Tel Fax info@sf-filter.de F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1 19

4 angeordnete Bauteile realisiert werden, gibt es das von DOW Water Solutions patentierte Design des spiral wound - Designs (US-Patent ). Bei dieser Ausführung ist das EDI-Modul nicht als Hintereinanderreihung miteinander ver - schraubter Komponenten ausgeführt, sondern ist in seiner Bauform an ein Wickelmodul der Membrantechnik ange - lehnt. Abbildung 3 zeigt dem Aufbau dieses EDI-Moduls, bei dem die Membranen und Spacer um ein zentrales Sammelrohr gewickelt sind. Dadurch entfällt die Verschraubung des Moduls, da jede spiralförmige Kammer nur jeweils einmal nach innen und einmal nach außen abgedichtet werden muss, was über eine mechanische Verbindung ähnlich einer Verklebung in der Mitte des Moduls und am Außenumfang erfolgt. Das Abbildung 4 [2] zeigt die schematische Anordnung der Kammern innerhalb des gewickelten Moduls. Die Durchströmung des Moduls erfolgt spiralförmig von außen nach innen, wobei sich am äußeren Umfang die Anode und mittig die Kathode befindet. Sowohl der Salzgehalt in der Deionatkammer als auch die Breite der Kammern nimmt zur Mitte hin ab, während das elektrische Feld in seiner Stärke homogen ist. In Kom - bination bewirken diese Effekte, dass die Stromdichte zur Mitte hin zunimmt, was sich günstig auf die Abtrennung schwacher Säuren auswirkt. Da das Modul vom Kunden / Betreiber nicht geöffnet werden kann, entfallen jegliche mechanische Wartungsarbeiten an dem Modul Das All filled -Design Allen EDI-Modulen gemeinsam ist, dass die Konzentrat- und Deionatkammern alternierend angeordnet sind. Während sich im Betrieb die elektrische Leit - fähigkeit der Konzentratkammern erhöht, Abbildung 5: Aufbau eines EDI-Moduls in All filled -Ausführung nimmt die Leitfähigkeit in den Deionat - kammern prozessbedingt ab. Soll dennoch die erforderliche Stromdichte aufrecht erhalten werden, so bedarf es hierzu einer erhöhten elektrischen Energiezufuhr. Bei dem durch Ionpure Ltd. patentierte All filled -Design ist auch die Deionat - kammer mit Ionenaustauscherharz gefüllt. Abbildung 5 zeigt den schematischen Aufbau. Durch die Harzfüllung in der Deionatkammer wird der elektrische Widerstand merklich reduziert, da ein Teil der Ladung über das Harz fließt. Dies hat zur Folge, dass der spezifische Energie - bedarf merklich gesenkt wird. 2. Die Implementierung der EDI in die Verfahrenskette 2.1. Die Vorbehandlung vor der EDI Die EDI ist ein Verfahren zur Vollentsalzung, dem andere Verfahren wie z.b. Enthärtung, Partikelfiltration und Umkehrosmose vorangehen. Bei der Vorbehandlung stellen u.a. die sichere Abtrennungen von Härtebildnern und TOC eine Grundvoraussetzung dar, da Härtebildner in der Umkehrosmosestufe bei entsprechenden Ausbeuten auf den Membranen ausfallen können ( Scaling ); der TOC hingegen führt zu Verkeimungen de Anlage, so dass er am Übertritt auf die Produktseite gehindert werden muss. Zwar sind Umkehrosmosemembranen in der Lage, TOC nahezu vollständig zurück - zuhalten, jedoch kommt es bauartbedingt bei Wickelmodulen zu Mikro-Leckagen, so dass ein vollständiger Rückhalt an TOC durch Umkehrosmose in der Praxis nicht möglich ist. Damit ein TOC-Übergang in der Umkehrosmosestufe durch Mikro - leckagen oder Beschädigungen der Membranmodule nicht sofort zum Versagen des Produktionsprozesses durch Verkeimung der EDI führt, müssen entsprechende Maßnahmen getroffen werden. Bei Reinstwasser wird daher nach der EDI eine Ultrafiltration geschaltet, um Organika, die aus der EDI stammen, zurückzuhalten. Ebenfalls ist es ratsam, bei der Auswahl des EDI-Moduls eine sanitisierbare Ausführung zu wählen, um Verkeimungen im EDI-Modul abtöten zu können. Wird vor der EDI eine UV- Entkeimung eingesetzt, so darf die erste Kammer der EDI keine Anionen - tauscherkammer sein, da sonst durch die bei der UV-Entkeimung entstehenden Radikale das Anionentauscherharz ange - griffen wird Behandlungsstufen nach der EDI Nach der EDI ist eine Ultrafiltration vorzusehen; diese kann mit einer Trenn - grenze von ca Dalton zuverlässig Bak terien, Viren und Pyrogene zurück - halten, die sich durch Leckagen in der Vorbehandlung in der EDI angesammelt hatten. Durch spezielle Ultrafiltrations - module kann eine Pyrogenretention von 6- log erreicht werden. Da für die Her - stellung von HPW und PW die Ultra - filtration nach EP/USP/JP zulässig ist, kann so verglichen mit einer Destilla - tionsstufe weitaus kostengünstiger HPW und PW hergestellt werden. Die Ultra - filtrationsstufe kann ebenfalls sanitisierbar gebaut werden, so dass auch hier eine regelmäßige und sichere Abtötung von Mikroorganismen erfolgen kann; Abbil - dung 6 [3] zeigt ein handelsübliches Ultra - filtrationsmodul mit PVDF-Hohlfaser - membranen. Eine für diese Anwendungen speziell konzipierte Lösung sind EDI- Module der Christ Water Technologies Group in der Bio-Safe - Ausführung, bei der die EDI und die nachgeschaltete Ultrafiltration in einem Gehäuse unter - gebracht sind, was den Bauraum / die Verrohrung reduziert und ggf. die Installa - tion einer Druckerhöhungspumpe vor der Ultrafiltration entfallen lässt. Nach der Ultrafiltration gelangt das Produkt in einen Tank, wo es mittels einer Ringschaltung ( Loop ) umgepumpt und ozoniert wird, um Mikroorganismen abzutöten. Ozon ist ein starkes Oxida - tions mittel, das Mikroorganismen an - greift; die daraus entstehenden Produkte können weiter zu Wasser und Kohlen - dioxid oxidiert werden. Um einen Eintrag von weiteren Stoffen zu verhindern, wird das Ozon durch katalytische Elektrolyse aus dem erzeugten Reinstwasser herge - stellt. Um ein Verkeimen des Tank zu verhindern, kommen Ozonkonzentration von ca ppb zum Einsatz. Da im Endprodukt Ozon nicht vorhanden sein darf, wird vor dem Entnahmepunkt eine UV-Entkeimung installiert, die mittels ultraviolettem Licht die Ozonmoleküle 20 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

5 Internationale Fachmesse für Technische Textilien und Vliesstoffe Abbildung 6: Aufbau eines Ultrafiltrationsmoduls in Hohlfaserausführung zerstört. Findet die Entnahme zyklisch oder längere Zeit keine Entnahme statt, so kann mit dem ozonierten Wasser auch der Loop sanitisiert werden. Der Lagertank ist entsprechend dem Anwendungsfall und der Entnahmemengen kleinstmöglich zu wählen. Er ist ständig mit ozoniertem Wasser gefüllt und verfügt über einen Sterilluftfilter für den Volumenausgleich während des Befüllens und der Entnahme. Um zu vermeiden, dass Kohlendioxid in dem erzeugten Reinstwasser in Lösung geht, findet man oftmals sogenannte Kohlendioxidfallen, die das Eindringen von Kohlendioxid verhindern sollen; da sowohl Erschöpfungsgrad als auch Leck - agen hierbei jedoch nur sehr ungenau festzustellen sind, ist einer Beauf - schlagung des Tanks mit Stickstoff der Vorzug zu geben. Bei der Erzeugung von WFI nach EP ist als letzte Stufe eine Destillation zwingend vorgeschrieben; hierbei kommen im Wesentlichen Fallfilmverdampfer, Thermokompressions verdampfer und Naturum - lauf verdampfer zum Einsatz, die ggf. auch mehrstufig ausgeführt werden können. Während die Anzahl der installierten Thermokompressionsverdampfer rück - läufig ist, kommen je nach Anwen - dungsfall bevorzugt Fallfilmverdampfer und Naturumlaufverdampfer zum Einsatz. Hierbei bietet der Fallfilmverdampfer ein sehr gutes Betriebsverhalten bei kon - stanter Zulauf- und Abnahmemenge, während der Naturumlaufverdampfer auf Grund seines größeren Dampfraumes und seiner Füllstandsregelung auch bei veränderlichen Zulauf- und Abnahme - mengen ein gutes Betriebsverhalten bietet; jedoch benötigt der Fallfilmverdampfer weniger Bauraum als ein Naturum lauf - verdampfer. Beide Verdampfertypen sind jedoch zur Erzeugung von WFI geeignet Die Materialauswahl Nach wie vor ist Edelstahl ein etablierter Werkstoff für Anlagen zur Herstellung von HPW, UPW und WFI. Insbesondere die Heißsanitisierbarkeit, die verfügbaren Oberflächengüten und die mechanische Festigkeit waren und sind Gründe, die für den Einsatz von Edel - stählen sprechen. Da es EDI-Module gibt, die mit bis zu 85 C heißsanitisiert werden können, wird auch die Verrohrung vor und nach diesen Modulen oftmals in Edelstahl ausgeführt. Die Verrohrung mit Edelstahl ist jedoch nicht trivial und bedarf bei den genannten Anwendungen Oberflächen - güten von 0,8 μm (oder besser) und dem Einsatz von Orbitalschweißvorrichtungen; zur Beurteilung der Schweißverbindungen müssen die Verrohrungen endoskopisch geprüft werden. Ein Effekt, der beim Einsatz von Edelstahl in Reinstwasser - anwendung oftmals auftritt, ist das Roughing. Man unterscheidet mehrere Formen des Roughings, wobei für Reinstwasseranwendungen nur der Typ II und Typ III des Roughings von Bedeutung sind. Bei Typ II handelt es sich um eine rötlich-bräunliche Veränderung der pro - dukt berührenden Oberfläche des Edel - stahls infolge des Abtrages von Chrom - dioxiden von der Oberfläche des Edel - stahls bei Anwesenheit von Chloriden oder Halogeniden. Die Reaktion läuft in zwei Stufen ab: Zuerst Cr 2 O 3 +6Cl +6H 2 O 2CrCl 3 +6OH, danach 2Fe+4H 2 O 2FeO (OH)+3H 2. Abbildung 7 [4] zeigt ein typisches Schadensbild bei Roughing vom Typ II. Wie man leicht sieht, ist das Potential für Roughing Typ II bei ph < 7 größer als bei ph > 7. Bei heißsanitisierten Systemen kann zudem noch Roughing vom Typ III auftreten, bei dem es zu bläulichen bis schwarzen Verfärbungen kommt. Hierbei findet zunächst die Reaktion 3FeO+H 2 O FeO+Fe 2 O 3 +H 2 statt und dann die Reak - tion FeO+Fe 2 O 3 Fe 3 O 4. Man kann das Roughing Typ II und Typ III minimieren, indem man beim Orbital schweißen das Auftreten von Delta-Ferrit minimiert; weitere Maßnahmen sind Elektropolitur pure innovation energy Seien Sie auf dem Branchen-Treffpunkt dabei: der internationalen Techtextil in Frankfurt! Lösungen mit technischen Textilien und Vliesstoffen aus der ganzen Welt erwarten Sie. Treffen Sie Top- Entscheider, knüpfen Sie nachhaltige Kontakte und entwickeln Sie gemeinsam mit den Ausstellern Visionen. Entdecken Sie auf diesem Get-together branchenspezifische Lösungen für z. B. Anwender und Verarbeiter aus Maschinenbau, Chemie- und Elektroindustrie sowie Entwickler, Designer und Einkäufer aus Industrie und Handel. Mehr Infos und Tickets unter Nutzen Sie auch die Synergien zu den parallel stattfindenden Veranstaltungen: F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

6 Abbildung 7: Edelstahlbehälter nach Roughing (links) und im Neuzustand (rechts) anstelle der mechanischen Politur oder der Einsatz höherwertiger Legierungen, wie z.b. C-276; wie man einschlägigen Zustandsschaubildern entnehmen kann, wirkt sich ein höherer Nickelanteil und damit ein niedriger Eisenanteil in Edelstählen positiv auf das Roughing- Verhalten aus. Eine Alternative zur klassischen Edel - stahlverrohrung stellt eine Verrohrung aus PVDF dar. Zwar sind die Schweißarbeiten bei PVDF keinesfalls einfacher als bei Edelstahl, jedoch können durch den Einsatz von PVDF deutlich bessere Oberflächengüten bis 0,25 μm auch im Schweißnahtbereich erreicht werden und die endoskopische Untersuchung der Schweißnaht kann entfallen; durch das WNF-Schweißverfahren ist die Fügestelle quasi nut- und wulstfrei, es entstehen zudem weder Toträume noch Hinter - schneidungen. Hinzu kommt, dass es bei PVDF zu keinem Leach-Out von Ionen und somit nicht zu Roughing kommt. Einer der bisherigen Nachteile von PVDF, dass es zu einem Leach-Out von TOC kommen kann, ist mittlerweile durch spezielle Varianten ( HP-PVDF ) ab - gestellt. PVDF ist zudem frei von Additiven, dampfsterilisierbar und in der HP-PVDF-Ausführung absolut frei von Pigmenten und anderen Farbstoffen. PVDF kann im Temperaturbereich von - 20 C bis +140 C eingesetzt werden; durch die deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit von 0,19 Tabelle 2: Typische empfohlene Zulaufwerte einer Elektrodeionisation kann auch bei heißen Systemen und üblichen Wanddicken der Verrohrung meist eine Wärmeisolierung entfallen. Zu beachten bleibt jedoch, dass PVDF im Vergleich zu Edelstahl eine circa zehn - fache Wärmedehnung hat, das heißt es müssen ggf. Kompensatoren für die Rohrleitungen vorgesehen werden Betriebsweise der Elektrodeionisation Alle Ausführungen der Elektrode ioni - sation besitzen neben dem Zulaufstrom intern einen Deionat-, Konzentrat- und Elektro denspülungsstrom. Um den Ener - gie verbrauch positiv zu be ein flussen, gibt es Ausführung und Verschaltungen, bei denen das Konzentrat rezirkuliert und somit aufkonzentriert wird; Abbildung 8 [2] zeigt symbolisch eine solche Ver schal - tung. Die Rezirkulation bedeutet eine zu - sätzliche Pumpe und Durch fluss messung. Bei neueren Systemen wird in der Regel auf eine Rezirkulation des Konzen - trates verzichtet; statt dessen wird die Leitfähigkeit im Konzentrat dadurch erhöht, dass das EDI-Modul mit einem geringeren Konzentratstrom betrieben werden kann, die Leckagen und Wasser - übertritte vom Deionat zum Konzentrat minimiert werden und letztlich Mem - branen zum Einsatz kommen, deren Rückdiffusion der Salzionen in das Deionat minimiert ist. Ist die Deionat - kammer nicht mit Ionenaustauscherharz gefüllt, so bedeutet eine steigende Deionat qualität einen merklichen Anstieg des elektrischen Widerstandes der Deionat kammer, da das Deionat einen elektrischen Widerstand von bis zu 18 MOhm erreichen kann. Abbildung 9 [2] zeigt exemplarisch eine Verschaltung eines EDI-Moduls ohne Kreislaufführung des Konzentrates. Beim Einsatz mehrerer EDI-Module ist darauf zu achten, dass der Strom an jedem Modul erfasst und ggf. geregelt wird; fertigungsbedingt haben EDI-Module innerhalb einer Toleranz unterschiedliche elektrische Widerstände; bei einfacher paralleler elektrischer Verschaltung an einem Gleichrichter kommt es daher zu dem Effekt, dass zwar an jedem Modul die identische Spannung, jedoch unter schied - liche Ströme anliegen. 3. Aufbau einer Anlage zur Reinstwasserherstellung 3.1. Exemplarische Anordnung der Stufen einer Reinstwasseranlage Abb. 10 zeigt einen typischen Aufbau einer Anlage für die Reinstwasserauf - bereitung. Im abgebildeten Diagramm erkennt man, welche Werte man nach der jeweiligen Stufe für die Größen Leit - fähigkeit, Endotoxine, TOC und KBE zu erwarten hat. Hinsichtlich der Gesamt - ausbeute der Anlage sind Werte im Bereich von 70-75% üblich, d.h. von der Menge an Zulaufwasser stehen letztend - lich 70-75% als Reinstwasser zur Ver - fügung, während 25-30% aus ge schleust werden. Hierbei arbeitet die Umkehros - mosestufe mit einer Ausbeute von ca %, was jedoch durch eine zusätzliche 22 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

7 Abbildung 8: Schematische Verschaltung eines EDI-Moduls mit Konzentratrezirkulation Konzentratstufe noch erhöht werden kann, sofern die Qualität des Zulaufwassers dies zulässt. Die EDI hat einen Verlustwasserstrom in Form der Elektrodenspülung und des Konzentratstromes und kommt somit bei der Reinst wasser herstellung auf eine Ausbeute von ca % Grundsätze für das Engineering von Reinstwasseranlagen Bei der Auslegung dieser Anlagen ist auf folgende Punkte zu achten: - Tankvolumen sind an der Abnahmekapazität zu orientieren und möglichst klein zu wählen; der Tank sollte stets gut gefüllt sein - Der Tankinhalt muss umgepumpt und ozoniert werden Abbildung 9: Schematische Verschaltung eines EDI-Moduls ohne Konzentratrezirkulation - Die Ozonierung kann dazu verwendet werden, das Ring - leitungssystem zu sanitisieren, indem zyklisch die UV- Bestrahlung ausgeschaltet wird - Die Anlage ist so auszulegen, dass Stillstandsphasen vermieden werden - Nach der EDI muss eine Ultrafiltration zur Abtrennung von Mikroorganismen geschaltet werden - Die EDI kann erheblich entlastet werden, indem Kohlendioxid nach der Umkehrosmose mittels Membranentgasung entfernt wird - Je nach Anwendung ist die Anlage sanitisierbar auszuführen (bei Pharmaanwendungen); heißwasser-sanitisierbare EDI-Module sind auf dem Markt verfügbar Kosteneinsparungen durch umweltfreundliche Prozesslösungen von Pall Tel : F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1 23

8 Abbildung 10: Schematischer Aufbau einer Reinstwasseranlage - Bei der Herstellung von WFI nach der EP ist die letzte Aufbereitungsstufe eine Destillation; lediglich bei der Her - stellung nach der USP/JP ist die Destillationsstufe bei der Herstellung von WFI optional - Bei den Edelstahlverrohrungen sind definierte Rauheiten zu verwenden; der Einsatz von hochreinem PVDF ( HP- PVDF ) ist auch bei heißsanitisierbaren Systemen möglich, die deutlich größere Wärmedehnung des PVDF muss jedoch kompensiert werden - Edelstahlverrohrungen sind orbital zu schweißen und endoskopisch zu prüfen - Um das Auswaschen organischer Koh - len stoffverbindungen zu verhindern, sollte bei Kunststoffverrohrungen hoch - reines PVDF ( HP-PVDF ) ver wendet werden - Die Anzahl an lösbaren Verbindungen ist mindestens ab der EDI so gering wie möglich zu halten; für Pharma-An - wendungen sind Sterilrohre zu ver - wenden - Armaturen sind in totraumfreiem Design zu wählen - Pumpen sind in hygienischer Ausführung / Konstruktion zu wählen - Keine Stutzen und / oder Rohrstiche, die länger als 5x Rohrdurchmesser sind; dies gilt auch für die Installation der Mess - technik - Je nach Anwendung ist ggf. der Einsatz eines Mischbettionentauschers nach der EDI als Notfallreserve abzuwägen 3.3. Hinweise zum Betrieb einer EDI Das Verfahren der EDI arbeitet ohne Regenerationschemikalien, es besitzt je - doch neben dem Produktstrom noch einen Strom für Elektrodenspülung und Konzen - trat. Bei der Auslegung ist daher zu berücksichtigen, dass bei typischen Ausbeuten von 85% bis 95% die Zulaufmenge entsprechend größer sein muss, um die gewünschte Produktmenge zu erhalten. Bei der Implementierung ist zu beachten, dass die EDI vor Druck - schlägen, zu hohen Zulaufdrücken und zu hohen Konzentrationen im Zulauf ge - schützt werden muss; besonders Druck - schläge sorgen bereits nach wenigen Malen zu internen und externen Leckagen am EDI-Stapel. Die Druckverhältnisse in einem EDI-Stack sind mit Membran - ventilen einzustellen und zu überwachen; der Druck im Deionatkreis ist so einzuregeln, dass er ca. 0,1-0,3 bar höher ist als der Druck im Konzentratkreis. In Abhängigkeit vom EDI-Verfahren und Hersteller variieren die Spezifi - kationen für die Qualität des Zulauf - wassers; gängige Wert hierfür zeigt jedoch Tabelle Fazit: Die EDI ist ein Verfahren, dass sich im Verlauf der letzten Jahre als vollwertige Alternative für klassische Ionentauscher etabliert hat. Durch die kontinuierliche Regeneration entfällt der Umgang mit Regenerationschemikalien und die damit verbundene Aufgabenstellung der Entsor - gung des Regeneratstromes. Die drei betrachteten Verfahren der EDI zeichnen sich neben der Verschiebung des ph- Wertes in den einzelnen Kammern dadurch aus, dass sie sich in der Abscheidung schwacher Säuren unter - scheiden und die Abhängigkeit von der Leitfähigkeit des Zulaufmediums unter - schiedlich stark ausgeprägt ist. Neben betriebswirtschaftlichen Aspekten ist die mehr oder minder ausgeprägte Abhängig - keit der einzelnen Varianten von der Leitfähigkeit des Zulaufmediums das entscheidende Kriterium für die Auswahl des Verfahrens. Für die Reinstwasserherstellung ist eine nachgeschaltete Ultrafiltrationsstufe un - verzicht bar, um eventuelle Verkeimung in der EDI-Einheit wirkungsvoll zurück zu halten. Bei der Materialwahl der Ultra - filtrationsmembranen ist darauf zu achten, dass es sich um Membranen handelt, die möglichen Angriffe durch Verkeimungen standhalten. Als Material für die Verrohrung hat sich durch die Verfügbarkeit sehr hoher Reinheiten PVDF als nahezu vollwertige Alternative zur Edelstahlverrohrung eta - bliert. Literaturangaben [1]: Produktinformationen der Firma Ionpure [2]: Produktinformationen Dow Water Solutions, bereitgestellt durch Inaqua GmbH [3]: Produktinformation der Firma Pall [4]: Skript Reinstwasser-Meeting 2009 in Stuttgart 24 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1