Entsalzung durch Umkehrosmose
Die Wichtigkeit von Entsalzung
Ungefähr 70 % der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt, aber nur 2,5 % davon ist Süßwasser, und etwa 70 % dieses Süßwassers ist als Eis in den Polkappen und Gletschern gebunden. Das bedeutet, dass nur 0,75 % des gesamten Wassers auf der Erde für die Nutzung durch den Menschen zur Verfügung stehen. Etwa 2,2 Milliarden Menschen leben ohne eine gesicherte Wasserversorgung, was in etwa 27 % der Weltbevölkerung entspricht. Angesichts der Tatsache, dass Wasser die Grundlage des Lebens auf der Erde ist, ist dies eine tragische Statistik. Innovationen für Frischwasserlösungen werden mehr denn je benötigt. Ansätze wie die Entsalzung zielen darauf ab, die 97,5 % des nicht nutzbaren Meerwassers als neue Süßwasserquelle zu erschließen.
Abb. 1: Diagramm zur Wasserverteilung auf der Erde
Umkehrosmose-Verfahren
Der Prozess der Entsalzung beschreibt das Herauslösen von mineralischen Bestandteilen aus salzhaltigem Wasser. Eine der wichtigsten Methoden dies zu erreichen ist die Entsalzung durch Umkehrosmose, die aufgrund der schnellen Verfügbarkeit und des konstanten Flusses von reinem Wasser nach der Installation der Anlage am häufigsten für kleinere und mittelgroße Entsalzungsanlagen verwendet wird. Dank der Verbesserung des Energieverbrauchs dieser Methode hat sie sich in den letzten Jahren immer mehr durchgesetzt. Dennoch sind Verbesserungen bei den derzeitigen Technologien erforderlich, um diese Methode zur Trinkwassergewinnung zugänglicher zu machen. Neue Technologien, die den Energieverbrauch weiter senken, tragen zu einer breiteren Verfügbarkeit bei.
Um das Meerwasser zu entsalzen, müssen die Salzmoleküle vom Wasser getrennt werden. Eine Methode dafür ist die Filtration des Meerwassers durch Umkehrosmose, wie in Abbildung 2 dargestellt. Zuvor müssen größere Moleküle und Partikel durch verschiedene Filtrationsstufen entfernt werden, sodass dann schließlich die Umkehrosmose stattfinden kann. Dafür wird eine halbdurchlässige Membran verwendet, um Moleküle der Größe 0,1 – 1 nm herauszufiltern.
Abb. 2: Filtrationsstufen bei der Umkehrosmose
Abb. 3: Aufschlüsselung der Partikel in Abbildung 2
Umkehrosmose wird so genannt, weil es sich um einen Prozess handelt bei dem der osmotische Druck überwunden werden muss. Osmose ist ein natürlicher Prozess, der auftritt wenn zwei Lösungen in einer geschlossenen Umgebung, die unterschiedliche Konzentrationen an gelösten Stoffen enthalten, durch eine halbdurchlässige Membran getrennt werden, die den gelösten Stoff, aber nicht das Lösungsmittel zurückhält. Dabei entsteht ein Ungleichgewicht des chemischen Potenzials. Die Lösung mit der niedrigeren Konzentration an gelösten Stoffen hat ein höheres chemisches Potenzial als die höher konzentrierte Lösung. Die Wassermoleküle passieren die Membran, um das Gleichgewicht des chemischen Potenzials wiederherzustellen. Da sich die Lösung in einer geschlossenen Umgebung befindet, führt die Volumenzunahme der Lösung mit der höheren Konzentration des gelösten Stoffes zu einem Druckanstieg – dem osmotischen Druck.
Abb. 4: Osmose in einem U-Rohr
Für die Auftrennung von Meerwasser (typischerweise 35.000 ppm, 20°C) muss das Umkehrosmose-Filtrationssystem einen osmotischen Druck von 27 Bar überwinden, um zu verhindern, dass reines Permeat (reinem Wasser) über die Membran einströmt. Um einen praktischen Durchfluss von Permeat zu erreichen, sollte der Arbeitsdruck das Doppelte des osmotischen Drucks betragen. Der typische Arbeitsdruck für eine Umkehrosmose-Anlage zur Meerwasserentsalzung liegt zwischen 50 und 70 Bar. In der Praxis ist dies ein sehr hoher Druck, der einem Bereich von 500 bis 700 Metern Wassersäule entspricht.
Um die Sättigung der Membran zu verhindern, ist eine Art der Filtration erforderlich, die als Querstromfiltration bezeichnet wird, wie in Abbildung 5 dargestellt. Bei dieser Art der Filtration wird die gelöste Substanz (Salz) nicht in der Membran zurückgehalten, sondern fließt als Konzentrat (Sole) ab.
Abb. 5: Querschnitt einer Querstromfiltration
Es erfordert einen hohen Energieaufwand, um das Speisewasser (Meerwasser) auf den Arbeitsdruck zu bringen. Aus Abbildung 4 ist ersichtlich, dass dieser hohe Druck im Konzentrat aufrechterhalten wird. Das bedeutet, dass bei der Produktion von Permeat die gesamte Energie, die für die Druckbeaufschlagung des Zulaufs (Speisewasser) verwendet wird, für das Konzentrat verschwendet wird. Dies ist seit der Erfindung der Umkehrosmose-Entsalzung ein Problem, und im Laufe der Jahre wurden mehrere Systeme entwickelt, um die Druckenergie aus dem Konzentrat zurückzugewinnen und für die Druckbeaufschlagung des Zulaufs zu verwenden.
Die verschiedenen Geräte, die zur Rückgewinnung der Energie aus dem Konzentrat entwickelt wurden, werden als Energierückgewinnungsgeräte (ERD) zusammengefasst. Der nächste Abschnitt zeigt unsere revolutionäre Hochdrucklösung, die aus Hochdruckpumpe und ERD besteht, und wie sie mit anderen Hochdrucklösungen mit ERD verglichen wird.
Abacus Resale's Lösungen für die Meerwasserentsalzung
Das SALINO® Pressure Center revolutioniert die Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose mit ihrer patentierten und preisgekrönten Lösung. Ihr kompaktes Design, bestehend aus einer 4-in-1-Technologie, macht es extrem platzsparend und damit perfekt für kompakte Containeranlagen. Es vereint Hochdruckpumpe, Energierückgewinnungsgerät (ERD), Boosterpumpe und Elektromotor in einem einzigen Gerät.
Abb. 6: Modell einer RO-Anlage mit Druckerhöhungspumpe in Reihe zum Drucktauscher
Abb. 7: Modell einer RO-Anlage mit einer an den Drucktauscher angeschlossenen Druckerhöhungspumpe
Andere Energierückgewinnungssysteme benötigen mehr Komponenten als das SALINO® Pressure Center, da sie einen weiteren Motor zum Antrieb einer zusätzlichen Boosterpumpe (Abbildungen 6 & 7) verwenden, die den Druckunterschied ausgleicht, was beim SALINO® nicht notwendig ist (siehe Abbildung 8). Diese zusätzliche Pumpe und der Motor sind Teil des isobaren Drucktauschers oder werden in Reihe dazu geschaltet. Es gibt auch Drucktauscher mit Turbolader, wie der in den Abbildungen 6 und 7 gezeigte, die einfachere Konfigurationen als die SALINO® haben. Aber da die SALINO® ein Verdränger-Gerät ist, hat sie einen viel höheren Wirkungsgrad bei Arbeitsdrücken als die Turbolader, die stattdessen rotordynamische Geräte sind.
Abb. 8: Modell einer RO-Anlage mit der SALINO®-All-In-One-Lösung
SALINO® Pressure Center
Niederdruck-Speisewasser (hellblau gefärbt) fließt in die Hochdruckpumpe (linker Teil der SALINO®, Video 01:35). Dieser Strom wird durch Axialkolben, die auf einer schrägen Platte rotieren, zur Hochdruckseite (violett gefärbt) gedrückt. Auf der Hochdruckseite wird das Speisewasser durch die RO-Membran gefiltert.
In diesem Video hat die Membran eine Rückgewinnungsrate von 45 %, das bedeutet 45 % des Speisewassers werden von der RO-Membran gefiltert und zu reinem Wasser. Die verbleibenden 55 %, jetzt Hochdruck-Sole (violett), werden zurück in die Energierückgewinnungsanlage geleitet.
In der Energierückgewinnungsanlage läuft der Prozess in umgekehrter Reihenfolge ab (Video 01:55). Die Hochdruck-Sole bewegt die Kolben, die sich auf einer schrägen Platte drehen. Der Winkel ist hier kleiner als auf der Pumpenseite und steht im Verhältnis zum Gesamtvolumen der Flüssigkeit. Wenn die Sole die Kolben antreibt und die Pumpenwelle dreht, wird Energie in das System zurückgeführt, und die Sole verliert an Druck. Die Sole, die das Gerät verlässt (hellblau), hat also wieder einen niedrigen Druck.
Je nach Konfiguration der Anlage kann das ERD bis zu 70 % der ursprünglich vom Motor aufgebrachten Energie zurückgeben (Video 02:15), was sie sehr effizient macht.
Der Einsatz eines ERD ist entscheidend für die Minimierung des Gesamtenergieverbrauchs der Anlage, der im Falle der SALINO® aufgrund ihrer einfachen und hocheffizienten Bauweise bis zu 70% betragen kann.
Die einfache 4-in-1 SALINO®-Lösung hat die beste Energieeffizienz und die niedrigsten Lebenszykluskosten in ihrer Klasse. Sie ist einfach zu installieren und zu bedienen und äußerst zuverlässig im Betrieb. Für kleine und mittelgroße Anlagen in der Industrie, auf Schiffen und in Hotels sind die SALINO® Pressure Center Einheiten die ideale Lösung.
Abb. 9: Tabelle zu den Arbeitsbereichen der SALINO®-Modelle
