Schwerpunktthemen Innovative Feedspacer-Technologie bewirkt eine verbesserte Leistung von Umkehrosmosemodulen J. Kidwell*, St. Tielen*, B. Paesen*, J. Ogier**, St. Lehmann**, C. Schellenberg** Die Welt leidet zunehmend an Wassermangel. Bis 2025 werden etwa 1 Milliarde Menschen keinen Zugang zu frischem, trinkbarem Wasser haben. Die Umkehrosmose(UO)-Wasserbehandlung wird eine wichtige Rolle bei der Bewältigung der Wasserknappheit spielen, doch die Anwendung dieser Technik verursacht auch Energiekosten. Jede Verbesserung der Membran- oder Elementtechnologie kann die Effizienz des Prozesses entsprechend steigern. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt haben Conwed Plastics und der Spezialchemie-Konzern LANXESS bewiesen, dass mit Innovationen in der Feedspacer-Technologie eine verbesserte Leistung von UO-Modulen erzielt werden kann. Der Prozess der Umkehrosmose Die Umkehrosmose ist eine Wasseraufbereitungstechnologie für den Rückhalt von insbesondere einwertigen Ionen (z.B. NaCl), bei der eine halbdurchlässige Dünnschichtmembran verwendet wird. Durch die Anwendung eines Gegendruckes wird der natürliche osmotische Druck überwunden. Solche UO-Membranen werden zum Beispiel als spiralförmig gewickelte Elemente für eine Vielzahl von Entsalzungsanwendungen benutzt. In ihrer Ausführung als Gittergewebe, Maschen, Netz oder Geflecht bilden die Feedspacer eine der Lagen der spiralförmig gewickelten UO-Module. Sie stellen den zur Aufrechterhaltung der Filterleistung erforderlichen Abstand zwischen den einzelnen Membrantaschen her. Ein Spiralwickelmodul ist eine Membrankonfiguration, die aus „MembranPermeatspacer – Membran-Feedspacer“Kombinationen besteht, welche um das Permeatsammelrohr gewickelt sind. Wie in Abbildung 1 dargestellt, umfasst der Modulaufbau auch den Feedspacer, der die Flächen der angrenzenden Mem- brantaschen separiert. Der als Gitter konfigurierte Spacer hält den Feedkanal offen, so dass das Wasser innerhalb des Membranelements fließen kann. In Abbildung 2 sind Spiralwickelmodule für die Umkehrosmose nach dem Stand der Technik dargestellt. Herausforderungen Der Wasseraufbereitungsprozess mittels Umkehrosmose umfasst drei wesentliche Herausforderungen, die von Membranherstellern, Modulherstellern und auch UO-Anlagenbetreibern untersucht und bearbeitet werden: Abb.1: Aufbau eines Spiralwickelmoduls zur Umkehrosmose Kontakt *Conwed Plastics Marcel Habetslaan 20 3600 Genk, Belgien Telefon: +32 (0)89 84 83 10 [email protected] www.conwedplastics.com Ansprechpartner: Stefan Tielen, Geschaftsleiter Conwed Plastics Europa/Asien **LANXESS Deutschland GmbH Geschäftsbereich Liquid Purification Technologies IAB Ionenaustauscher GmbH Bitterfeld Postfach 1152 06731 Bitterfeld-Wolfen, Deutschland Telefon: +49 (0)3493 358500 [email protected] www.lpt.lanxess.com Ansprechpartner: Dr. Carsten Schellenberg, Forschung & Entwicklung Membranen Abb. 2: Einbaufertige Umkehrosmosemodule F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 29 (2015) Nr. 5 323 Schwerpunktthemen - der Druckverlust im Modul - Defekte auf der Membranoberfläche - Biofouling und Scaling im Modul Diese Herausforderungen waren Motivation für Conwed Plastics und den Geschäftsbereich Liquid Purification Technologies von LANXESS gemeinsam leistungsfähigere UO-Module zu entwickeln. Wirkung des Feedspacers auf den Druckverlust Der Feedspacer ist eine wesentliche Komponente für spiralförmig gewickelte Membranelemente. Dieser besteht aus einem Polymermaterial und ist optimiert, um die konstante Leistung der Membranelemente für ein sehr breites Spektrum von Rohwasserzusammensetzungen und für verschiedene Prozessparameter zu gewährleisten. Die Konfiguration des Kanals und des Spacers sind in Abbildung 3 schematisch dargestellt. Der Kanal, der hier in der nicht gewickelten Konfiguration dargestellt ist, bildet eine rechtwinklige Öffnung mit einer Höhe von typischerweise 0,7 – 0,9 mm. Aufgrund der im Kanal vorhandenen Spacermaterialien bzw. Gitterfilamente ist die tatsächliche Querschnittsfläche, die für den Zulaufstrom zur Verfügung steht, kleiner als der geometrische Querschnitt. Der Feedkanal hat eine Länge von etwa 1 m (typische Länge UO-Modul) und das ausfüllende Kunststoffgitter besteht aus bi-planar angeordneten Filamenten oder Strängen. Diese Anordnung bewirkt, dass der Wasserstrom seine Fließrichtung ändert, während er über und unter den nacheinander angeordneten Filamenten fließt. Der Feedspacer hat somit einerseits den Zweck, den Feedkanal offen zu halten, und fördert andererseits die Turbulenz des Wasserstromes im Kanal. Diese Turbulenz ist für den UO-Entsalzungsprozesses erforderlich: Das Rohwasser mit den gelösten Salzen fließt parallel zur Membranoberfläche, wobei ein Teil des Wassers als Permeat durch die Membran transportiert wird, während die gelösten Ionen in der zurückgehaltenen Fraktion des Retentats verbleiben. Der so beschriebene Prozess erzeugt eine Überschusskonzentration gelöster Salze an der Membranoberfläche, ein Phänomen, das als Konzentrationspolarisation bezeichnet wird. Die durch den Feedspacer induzierten Turbulenzen verringern das Ausmaß der Konzentrationspolarisation, was die Leistung der UO-Module verbessert. Allerdings erhöht sich durch die durch den Spacer induzierte Turbulenz auch die Reibung, was sich durch einen Druckverlust zwischen Feed und Retentat äußert. Die gegenwärtigen Konfigurationen eines Feedspacers, die zur Herstellung von spiralförmig gewickelten UO-Elementen verwendet werden, wurden anhand von praktischen Versuchen und Grundlagenforschung entwickelt. Ziel war es, eine Bedingung der „guten Durchmischung“ zu schaffen, die auch bei den in den Feedkanälen dieser UO-Module herrschenden niedrigen Fließgeschwindigkeiten gegeben ist. Die hierzu durchgeführten Entwicklungsarbeiten haben gezeigt, wie wichtig die Geometrie der Filamente, die Konfiguration (z.B. Winkel) sowie die Ausrichtung des Feedspacers zur Richtung des Feedstromes sind. Auf Basis von Versuchsergebnissen und hydraulischer Modelle wurden für UO-Anwendungen Spacermaterialien ent- equal strands alternating strands design (ASD) bottleneck strands Abb. 3: Typische Feedspacerkonfiguration mit Filamenten, die im 45°-Winkel zur Anströmrichtung angeordnet sind 324 Abb. 4: Vergleich der Spacerkonfigurationen mit gleichmäßig dicken Filamenten (equal strands), Filamenten mit alternierender Dicke (alternating strands design (ASD)) und mit Filamenten, die zwischen den Kreuzungspunkten verjüngt sind (bottleneck strands) F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 29 (2015) Nr. 5 Schwerpunktthemen wickelt, die als ein bi-planares Gitter mit quadratischen oder auch rautenförmigen Öffnungen konfiguriert sind. Der Spacer ist im Feedkanal mit Filamenten im Winkel von etwa 45° zur Richtung des Feedstromes angeordnet (Abbildung 3). Diese Konfiguration bietet eine ausreichende Balance zwischen ausreichender Turbulenz und Mischung des Feedstromes, ohne dass es zu einem übermäßigen Druckabfall kommt. Diese Ausrichtung des Feedspacers wird bei der Mehrzahl der UO- und NF-Membranelementen mit einer spiralförmigen Konfiguration angewendet. Diese und das Vorhandensein von stützenden Filamentkreuzungspunkten in hoher Dichte bewirken aber auch eine Einengung des Fließweges. Daher ist für einen konstanten Betrieb der Membraneinheiten sehr sauberes Zulaufwasser mit einer niedrigen Konzentration von z.B. Schwebstoffen notwendig. Herrschen in dem UO-Modul „saubere Bedingungen“ ohne z.B. kolloidale Partikel, die den Rohwasserstrom blockieren könnten, so beträgt der Druckverlust an einem einzigen Element 0,1 bis 0,2 bar. In UO-Analgen werden die Membranelemente in Druckrohren betrieben, in denen üblicherweise 6 bis 8 Module in Reihe betriebene werden können. Daher liegt der kombinierte Druckverlust entlang eines Druckbehälters im Bereich zwischen 0,6 bis 1,5 bar. Meerwasser-UO-Anlagen sind häufig als einstufige Einheiten konfiguriert. Anlagen für Brackwasseranwendungen sind überwiegend als zwei- oder auch dreistufige Einheiten konfiguriert. Demzufolge ist der kombinierte Druckverlust in solchen Systemen höher und liegt typischerweise im Bereich zwischen 1,5 bis 3 bar. Die erforderliche Erhöhung des Eingangsdrucks der UO-Anlage entspricht etwa der Hälfte des Wertes des Druckverlusts. Entsprechend muss die Konfiguration des Feedspacers eine ausreichende Turbulenz und Vermischung insbesondere in dem Bereich sicherstellen, der an die Membranoberfläche angrenzt, ohne dass sich der Druckverlust deutlich erhöht. Reibungsverluste im Feedkanal tragen zum Gesamtenergie verbrauch der UO-Module bei. Auf der Basis der üblichen Wirkungsgrade von Pumpen (Zulauf) und Motoren entspricht jedes Bar Druckverlust einem zusätzlichen Energieverbrauch von etwa 0,025 kwh/m3 produziertem gereinigtem Wasser. Während des Betriebs der Anlage lagern sich Partikel aus dem Zulauf in den UO-Modulen im Feedkanal ab, wodurch sich der Druckverlust erhöht. Durch einen Betrieb bei sehr hohem Druckabfall können die UO-Elemente zusätzlich beschädigt wer- F & S Filtrieren und Separieren Abb. 5: Vergleich der Druckverluste der drei verschiedenen Spacerkonfiguration Abb. 6: Auswahl der verschiedenen Spacermaterialien den. Dennoch werden einige UO-Anlagen über lange Zeiträume (zwischen den Reinigungen der Membranelemente) bei einem Druckverlust betrieben, der 50 – 100 % höher als der Druckverlust beim Anfahren der Anlage sein kann. Der absolute Wert der Zunahme des Druckverlustes hängt hauptsächlich von der Qualität des Rohwassers ab. Optimierte Feedspacer mit einem niedrigen anfänglichen Feeddruck weisen jedoch eine geringere Zunahme des Druckverlustes auf. Somit hat die Verwendung eines optimierten Feedspacers einen geringeren Druckverlust und damit auch einen niedrigeren Energieverbrauch der Umkehrosmose-Anlage während ihres Betriebs zur Folge. Gemeinsames Forschungsprojekt führt zu einer optimierter Geometrie, genannt Alternating Strand Design (ASD), des Feedspacers Auf der Basis des beschriebenen Wissens wurde ein gemeinsames Forschungsprojekt initiiert, um eine innovative Feedspacer- Jahrgang 29 (2015) Nr. 5 Technologie zu entwickeln, die die dargestellten Herausforderungen berücksichtigt. In einem ersten Schritt wurden verschiedene Geometrien mittels gedruckten 3D-Mustern und einer speziellen Messzelle evaluiert. Anschließend wurden im Hinblick auf verminderte Druckverluste und Minimierung von strömungsarmen Bereichen detaillierte CFD-Berechnungen (numerische Strömungsmechanik) durchgeführt. Bereiche mit niedrigen Fließgeschwindigkeiten, die als Ursache bzw. Startpunkt für z.B. Biofouling gelten, wurden für Materialien aus gleichmäßig dicken Filamenten, aus alternierenden Filamenten unterschiedlicher Dicke und für Materialien mit zwischen den Kreuzungspunkten verjüngten Filamenten berechnet (Abbildung 4). Die wesentlichen Ergebnisse dieser Berechnungen sind zusammenfassend in Abbildung 5 dargestellt und zeigen, dass das System mit alternierenden Filamenten (ASD) Vorteile hinsichtlich niedriger Druckverlust und gleichzeitig Minimierung der Bereiche mit einer niedrigen Fließgeschwindigkeit bietet. 325 Schwerpunktthemen Um die Leistungsfähigkeit von Materialien mit alternierenden Filamenten unter realen Bedingungen zu beweisen, wurden diese parallel mit mehreren zur Zeit verwendeten Materialien in einem Messprogramm mit einer Durchflusszelle getestet. Die verschiedenen Muster wurden in einer speziellen Durchflusszelle installiert (MFS, Membran-FoulingSimulator, /1/) und unter verschiedenen Bedingungen für z.B. den Feedstrom getestet. Der Druckverlust für die verschiedenen Materialien wurde entsprechend ausgewertet. Abbildung 6 zeigt eine Auswahl der getesteten Spacermaterialien und in Abbildung 7 sind die jeweiligen Druckverlustergebnisse, gemessen bei einer festen Durchflussrate von 20 l/h, dargestellt. Analog der Ergebnisse aus den CFD-Berechnungen konnte eine verbesserte Leistung der Feedspacer bestätigt werden, welche auf dem neuen Design der alternierenden Filamente (ASD) basieren. Die vorgelegten Ergebnisse zeigen, dass die Zielsetzung für einen verbesserten Feedspacer mit der Geometrie alternierender Filamente (ASD) erreicht werden kann. Umkehrosmose-Elemente, die mit einem ASD Feedspacer hergestellt werden, weisen entsprechend einen reduzierten Druckverlust auf. Dies hat Einsparungen beim Energieverbrauch in einer entsprechenden UO-Anlage zur Folge. Darüber hinaus weist der neue ASD Feedspacer 326 Abb. 7: Gemessene Druckverluste der verschiedenen Spacermaterialien (s. Abb. 6) bei einer Durchflussrate von 20 l/h ein optimiertes Strömungsprofil mit einer Minimierung von strömungsarmen Bereichen auf, was eine geringere Neigung zum Biofouling zur Folge hat. Dies kann als eine Verbesserung im Hinblick auf die Lebensdauer solcher UO-Membranelemente angesehen werden. Literatur: /1/ Araújo, P.; Kruithof, J.; van Loosdrecht, M.V.M.; Vrouwenvelder, J.S.: The potential of standard and modified feed spacers for biofouling control; Journal of Membrane Science, 2012, 403-404, 58-70 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 29 (2015) Nr. 5
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