Entwicklung und Erprobung eines Verfahrens zur Früherkennung und Vermeidung von Scaling in Umkehrosmoseanlagen

Stipendiatin/Stipendiat: Andrea Müller

Die Versorgung mit Trink- und Brauchwasser ist in vielen Regionen der Welt zum begrenzenden Faktor für eine weitere wirtschaftliche und soziale Entwicklung geworden. Rund ein Drittel der Weltbevölkerung lebt in Gebieten mit mittlerer bis hoher Wasserknappheit. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Trinkwasser stellt Meer- und Brackwasser heute bereits in vielen Ländern der Welt eine wichtige Trinkwasserquelle dar, deren Bedeutung in den nächsten Jahren stetig zunehmen wird.Eine Möglichkeit der Trinkwassergewinnung ist die Umkehrosmose. Bei der Umkehrosmose erfolgt eine selektive Abtrennung von gelösten Stoffen aus dem Rohwasser (Feed), indem das Lösungsmittel (Permeat) unter hohem Druck durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran gepresst wird, während das ionenreiche Konzentrat (Retentat) zurückbleibt.Als Folge der selektiven Wirkung der Membran kommt es zu einer Aufkonzentrierung der im Rohwasser gelösten Komponenten. Dies kann zu einer Verblockung der Membran führen, wenn die Löslichkeitsgrenzen überschritten werden. Man spricht von Scaling. Irreversible Folgen sind die Verringerung der Permeatleistung und Verschlechterung der Permeatqualität.Eine Möglichkeit zur Verhinderung von Scaling ist der Einsatz von Antiscalants. Diese beeinflussen die Oberflächenbeschaffenheit und ?eigenschaften (z.B. Oberflächenladung) der gebildeten Partikel derart, dass ein weiteres Wachstum verhindert, gestört oder verzögert wird. Nachteil der Antiscalants ist ihre teilweise schlechte biologische Abbaubarkeit. Darüber hinaus entstehen zusätzliche Kosten durch die Dosierung. Während eine Überdosierung das Auftreten von Biofouling begünstigt, kann durch eine Unterdosierung Scaling nicht ausreichend verhindert werden. Eine häufige Reinigung der Anlagen wird notwendig. Die Lebensdauer der Membranen wird reduziert.Es wird angenommen, dass die derzeit verwendeten Antiscalants keine signifikante thermodynamische Wirkung (Beeinflussung der Löslichkeit) zeigen. Die eigentliche Wirkung beruht auf der Verringerung der Wachstumsgeschwindigkeit entstehender Partikel, sowie der Beeinflussung deren oberflächenchemischen Eigenschaften. Es wird davon ausgegangen, dass Scaling nur innerhalb eines bestimmten (kritischen) Partikelgrößenbereiches auftritt.Zur Bestimmung der notwendigen Dosiermenge wurden daher zwei Lösungsansätze verfolgt. 1) Abschätzung der notwendigen Antiscalant-Konzentration durch Entwicklung eines Berechnungsverfahrens: Es wird davon ausgegangen, dass die Antiscalants nicht die Löslichkeit der Salze, sondern die oberflächenchemischen Eigenschaften der gebildeten Partikel verändern. Durch Abschätzung der spezifischen Oberfläche sollte es also möglich sein, die notwendige Dosiermenge zu bestimmen.2) Entwicklung eines Online-Dosierverfahrens: Batchversuche zeigten, dass neben der pH-Wert- und Leitfähigkeitsmessung, insbesondere optische Messverfahren, wie die Trübungsmessung und Partikelgrößenbestimmung, geeignet sind, um Scaling nachzuweisen. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurde eine Versuchsanlage mit verschiedenen kontinuierlich arbeitenden Messgeräten aufgebaut. Mit Hilfe der Versuche wurden die wichtigsten Formen von Scaling, d.h. Calciumcarbonat- und Calciumsulfat-Scaling untersucht und der Einfluss verschiedener handelsüblicher Antiscalants auf die Partikelbildung getestet. Bisher kann Scaling nur an Spätfolgen, wie der Verringerung der maximalen Ausbeute und der Zunahme des notwendigen Betriebsdruckes erkannt werden. Anhand bisheriger Ergebnisse konnte zusätzlich gezeigt werden, dass mit dem Auftreten von Scaling die Trübung im Konzentratstrom sinkt. Grund dafür ist die verschlechterte Ausschwemmbarkeit der Partikel, da ein Teil der Partikel eine Wechselwirkung mit der Membran eingeht. Durch die Entwicklung und Anwendung eines neuartigen Mess-, Steuer- und Regelsystems sollte es möglich sein, diesen kritischen Größenbereich im Konzentrat zu identifizieren und durch eine bedarfsgerechte Zudosierung der Inhibitoren ein Scaling zu verhindern.

Förderzeitraum:
01.07.2005 - 30.06.2008

Institut:
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Mathematisch-Naturwissenschaftlich-
Technische Fakultät

Betreuer:
Prof. Dr. Rainer Schnabel

E-Mail: E-Mail schreiben

Umkehrosmose und Scaling
Umkehrosmose und Scaling