Entwicklung eines Verfahrens zur Trinkwassergewinnung aus Luft durch Kapillarkondensation

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1 Entwicklung eines Verfahrens zur Trinkwassergewinnung aus Luft durch Kapillarkondensation Vom Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Thomas Kalkau Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Norbert Räbiger, Universität Bremen Prof. Dr.-Ing. Michael Schlüter, Technische Universität Hamburg-Harburg Tag der mündlichen Prüfung:

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3 Berichte aus der Verfahrenstechnik Thomas Kalkau Entwicklung eines Verfahrens zur Trinkwassergewinnung aus Luft durch Kapillarkondensation D 46 (Diss. Universität Bremen) Shaker Verlag Aachen 2010

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Bremen, Univ., Diss., 2010 Copyright Shaker Verlag 2010 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Zusammenfassung Zusammenfassung Der sicheren Versorgung mit Trinkwasser wird in Zukunft immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden müssen. Schon heute fehlt Millionen von Menschen der Zugang zu sauberen und sicheren Trinkwasserquellen. Die sich verschärfenden Bedingungen ausgelöst durch Misswirtschaft, Umweltverschmutzung und Klimaveränderung lassen erwarten, dass den Techniken zur Trinkwassergewinnung eine größere Bedeutung als bisher beigemessen wird. Die heute angewendeten Verfahren zur Trinkwasserversorgung sind im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das Anwendungspotenzial dieser Techniken deutliche Einschränkungen aufweist, denn sie sind auf Ressourcen wie Brack-, See- oder Meerwasser angewiesen. Der Technikansatz ist daher auf Regionen mit Rohwasserressourcen begrenzt, da der Rohrleitungsbau sehr teuer ist und nur bei sehr großen Abnahmemengen und mit staatlichen Subventionen finanziert werden kann. Der Ressource Luft wurde demgegenüber bisher nur sehr wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Diese Ressource weist eine hohe Erneuerbarkeit auf und ist vergleichbar mit dem gesamten Wasserzufluss durch alle Flüsse der Erde ins Meer. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Trinkwassergewinnung aus Luft vorgestellt, bei der es durch die differenzierte Betrachtung und optimierte Anwendung der Kapillarkondensation, eines Teilprozesses der Adsorption, und in Verbindung mit Erkenntnissen der vorliegenden Arbeit gelingt, eine Technik zu entwickeln, welche als ein potenzielles Verfahren zur Trinkwasserversorgung im Grundsatz vom Ort der Anwendung unabhängig ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die differenzierte Betrachtung des Effektes der Kapillarkondensation als wesentlicher Anteil der Sorption in Verbindung mit einer geeigneten Technik zur optimierten Nutzung dieses Effektes herausgestellt. Als Adsorber kam ein Rotationsadsorber zur Anwendung. Es konnte gezeigt werden, dass die wesentlichen Parameter der hier verwendeten Technik die Rotationsgeschwindigkeit des Sorptionsrotors, der Regenerationsluftvolumenstrom und natürlich die Beladung der Luft sind, während die übrigen Parameter nur einen geringen Einfluss auf die Leistung des Prozesses haben. Unter Berücksichtigung des komplexen Wärme- und Stoffaustausches in diesem Verfahren und der daraus resultierenden Potenziale der Abwärmenutzung wurde eine Technik entwi- Seite I

6 Zusammenfassung ckelt, die einen deutlich geringeren Energiebedarf als vergleichbare Verfahren zur Trinkwassergewinnung durch Adsorption besitzen. Dabei wurde herausgefunden, dass auf dem Material des Sorptionsrotors eine energetisch sinnvolle Restbeladung zu belassen ist, so dass der Energieeinsatz zur Desorption auf die Entladung des durch Kapillarkondensation erzeugten Wasseranteils beschränkt wird. In Verbindung mit der in dieser Arbeit dargestellten Technik ist eine Reduzierung des Energiebedarfes um bis zu 85% verglichen mit einem normalen Entfeuchtungsprozess mit Sorptionsrotor zu erreichen. Weitere Untersuchungen in dieser Arbeit beschäftigten sich mit der Optimierung geeigneter Adsorptionsmaterialeigenschaften zur Trinkwassergewinnung aus Luft. Besonders geeignete Adsorbenzien müssen möglichst geringe Bindungsenergien zu Wasserdampf und eine auf die klimatischen Bedingungen des Nutzungsortes adaptierte Porenradienverteilung aufweisen, um den Effekt der Kapillarkondensation auszunutzen. Die Ergebnisse der Untersuchungen an einem modifizierten Lufttrocknungsgerät in Verbindung mit den Entwicklungen im Bereich der Gasreinigung zeigen, dass sich in der Trinkwassergewinnung aus Luft durch neue Verfahrenstechniken deutliche Leistungssteigerungen und Energieeinsparungen erzielen lassen. Seite II

7 Formelverzeichnis Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung I 1 Einleitung Zukünftiger Bedarf an Trinkwasser Option zur teilweisen Deckung des Bedarfes an Trinkwasser 4 2 Stand der Technik Trinkwassergewinnung aus der Luft Trinkwassergewinnung durch Nebelabscheidung Trinkwassergewinnung durch Kondensation Trinkwassergewinnung durch Absorption Trinkwassergewinnung durch Kompression Trinkwassergewinnung durch Membranverfahren Trinkwassergewinnung durch Adsorption Kapillarkondensation Regeneration / Desorption Rotationsadsorber 27 3 Adsorptionskinetik der untersuchten Adsorbenzien Beschreibung der Versuchsanlage Versuchsdurchführung Untersuchte Adsorbenzien Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen der Adsorptionskinetik Zusammenfassende Bewertung der aus der Adsorptionskinetik erhaltenen Ergebnisse 57 4 Aufbau der Versuchsanlage und Durchführung der Versuche am Rotationsadsorber Rotationsadsorber zur Trinkwassergewinnung Versuchsdurchführung 65 Seite III

8 Formelverzeichnis Einfluss des Prozessluftstromes Einfluss des Regenerationsluftstroms auf die Wasserleistung Einfluss des Kühlluftvolumenstroms auf die Wasserleistung Einfluss der Rotordrehzahl auf die Wasserleistung Einfluss der Regenerationstemperatur auf die Wasserleistung Energieaufwendung Gewichtung des Einflusses der einzelnen Betriebsparameter (Sensitivität) 80 5 Aus den Ergebnissen resultierende Ansätze zur Verfahrensoptimierung Energieeinsparung über die Bereitstellung von Desorptionswärme und Kondensationskälte Beurteilung des Verfahrens unter Einbeziehung einer Klimaanlage Beurteilung des Verfahrens nach Einsatzmöglichkeiten (Sensitivität) Weitergehende Optimierungsansätze (Option zur Deckung des Energiebedarfes) 90 Literaturverzeichnis 91 Anhang 99 Seite IV

9 Formelverzeichnis Formelverzeichnis Lateinische Buchstaben A Oberfläche m² Å Angström m c P spezifische Wärmekapazität kj/kg 0 c P L spezifische isobare Wärmekapazität von Luft = 1,004 kj/kg K kj/kg 0 c p w spezifische isobare Wärmekapazität von Wasserdampf = 1,86 kj/kg kj/kg c W spezifische Wärmekapazität von Wasser = 4,19 kj/kg K kj/kg E Energie kj E B Bindungsenergie bei der Adsorption kj H Tiefe des Sorptionsrotors m h 1+x spezifische Enthalpie feuchter Luft kj/kg h B spezifische Bindungsenthalpie kj/kg L spezifisches Gewicht von Luft kg/m³ W spezifisches Gewicht von Wasser kg/m³ L4 spezifisches Gewicht von Luft am Kondensatoraustritt kg/m³ M spezifischer Massenstrom von Luft am Kondensatoreintritt kg/s L3 M spezifischer Massenstrom von Luft kg/s L M spezifischer Massenstrom von Wasser kg/s W M Kond spezifischer Massenstrom von Kondensat kg/s n Umdrehungen U/h n opt optimale Drehzahl U/h p Dampfdruck Pa p 0 Dampfdruck über ebener Oberfläche Pa (p/p 0 ) pc relativer Kapillarkondensationsdruck -- p L Dampfdruck für trockene Luft Pa p S (T) temperaturabhängiger Sättigungsdampfdruck Pa p W Wasserdampfpartialdruck Pa p konvex Dampfdruck über konvexer Oberfläche Pa p konkav Dampfdruck über konkaver Oberfläche Pa q spezifische Beladung = Sättigungskapazität kg/kg Seite V

10 Formelverzeichnis Q Wärmestrom Erhitzen W/s r.f. relative Feuchtigkeit % r Radius Å r 0 Verdampfungsenthalpie von Wasser bei 0 C = 2500kJ/kg kj/kg r K Porenradius m R allg. Gaskonstante R = 8314 J/(kmol K) R L spezifische Gaskonstante von Luft = 287 J/kg K J/(kg K) R W spezifische Gaskonstante von Wasserdampf = 461,5 J/kg K J/(kg K) T Temperatur K t Zeit -- v spezifisches Volumen m³/kg V Volumen m³ V Volumenstrom m³/s WL Wasserleistung ml/h x Beladung g H 2 O / kg Luft x 1 Beladung zum Zustand 1 (Feuchtluft) g H 2 O / kg Luft x 2 Beladung zum Zustand 2 (Trockenluft) g H 2 O / kg Luft x Ads Beladungsanteil adsorbiert -- x Kond Beladungsanteil kapillarkondensiert -- x mono Monomolekulare Beladung -- x 3 Beladung nach Kondensator g H 2 O / kg Luft x 4 Beladung vor Kondensator g H 2 O / kg Luft x S Sättigungsbeladung g H 2 O / kg Luft Griechische Buchstaben Spez. Volumen feuchter Luft m³/kg 1 x Differenz -- Kontaktwinkel des Porenfluids an der Porenwand -- Oberflächenspannung des Wasser kg/s² (N/m) spezifisches Porenvolumen [cm³/g] Kreiszahl (3,14159.) -- Drehwinkel des Sorptionsrotors -- Relative Feuchte -- E Drehwinkel der Stoffübergangszone des Sorptionsrotors -- Seite VI

11 Formelverzeichnis m Molvolumen des flüssigen Adsorptivs m³/kmol W volumetrischer Feuchtegehalt -- i Dichte des feuchten Luftstromes kg/m³ L Dichte des trockenen Luftstromes kg/m³ W Absolute Feuchte m W /V kg/m³ Seite VII