08:09 Frischwasser kann knapp sein, obwohl das Meer ganz in der Nähe liegt. Das direkte Einpumpen von unbehandeltem Meerwasser in eine herkömmliche Umkehrosmoseanlage kann jedoch zu hohem Energieverbrauch, Kalkablagerungen, Verschmutzungen und schlechter Wasserqualität führen. Ein richtig ausgelegtes Membran-Meerwasserentsalzungssystem löst diese Probleme Schritt für Schritt.
Eine Meerwasserentsalzungsmembran ist eine Umkehrosmosemembran mit hoher Rückhaltefähigkeit, die dazu dient, unter hohem Druck gelöste Salze aus Meerwasser abzutrennen. In einer Meerwasser-Umkehrosmoseanlage schützt die Vorbehandlung die Membran, Druck treibt das Wasser durch die aktive Membranschicht, die zurückgehaltenen Salze werden als Konzentrat abgeführt, und das Permeat wird weiter aufbereitet, um Süßwasser für kommunale oder industrielle Zwecke zu gewinnen.
Leitfaden zu Meerwasserentsalzungsmembranen: Wie Umkehrosmosemembranen Meerwasser in Süßwasser umwandeln
Eine Meerwasserentsalzungsmembran ist eine Art Umkehrosmosemembran, die für Speisewasser mit einer wesentlich höheren Salzkonzentration als bei gewöhnlichem Leitungswasser oder den meisten Brackwasserquellen entwickelt wurde.
Meereswasser enthält im Durchschnitt etwa 35.000 ppm gelöste Salze, wobei sich die genaue Zusammensetzung des Meerwassers je nach Standort unterscheidet. Der U.S. Geological Survey stuft Wasser mit einem Gehalt an gelösten Salzen zwischen 10.000 und 35.000 ppm als stark salzhaltig ein und stellt fest, dass Meerwasser am oberen Ende dieses Bereichs liegt.
Aufgrund dieses hohen Salzgehalts erfordert Meerwasser einen wesentlich höheren Druck als herkömmliche Umkehrosmoseanlagen mit geringem Salzgehalt.
Ein typisches Membranelement besteht aus einer großen, spiralförmig gewickelten Membranfläche, die in einem Druckbehälter untergebracht ist. Die aktive Schicht ist in der Regel eine Dünnschicht-Verbundstruktur aus Polyamid, die so ausgelegt ist, dass sie den Wassertransport ermöglicht, während der Durchgang gelöster Ionen stark eingeschränkt wird.
Einfach ausgedrückt:
Meerwasser
↓
Hocher Druck
↓ RO-Membran
↙ ↘
Frisch Konzentriert
Permeat SoleDas Permeat wird zu entsalztem Wasser, während das zurückgehaltene Salz das Membransystem in Form eines konzentrierten Salzlösungsstroms verlässt.
Durch natürliche Osmose wandert Wasser durch eine halbdurchlässige Barriere zu der Seite, auf der die Konzentration der gelösten Stoffe höher ist.
Umkehrosmose bewirkt das Gegenteil.
Eine Hochdruckpumpe übt auf der Meerwasserseite einen Druck aus, der ausreicht, um den osmotischen Druck zu überwinden. Das Wasser strömt daraufhin durch die halbdurchlässige Membran, während der Großteil der gelösten Salze im Zulauf- und im Konzentratstrom verbleibt.
Die USGS beschreibt die Umkehrosmose als einen Prozess, bei dem Salzwasser durch eine halbdurchlässige Membran gepresst wird, sodass das Wasser von den gelösten Salzen getrennt wird.
Der Prozess lässt sich wie folgt zusammenfassen:
Zulaufwasser → Druck → Membrantrennung → Produktwasser + Konzentrat
Diese Erklärung ist weit verbreitet, aber zu einfach.
Man spricht oft von Membranporen, doch moderne Dünnschicht-Verbund-Umkehrosmosemembranen verhalten sich nicht wie ein gewöhnlicher Sieb- oder Kartuschenfilter mit klar definierten Löchern.
Eine genauere technische Erklärung lautet, dass Wasser und gelöste Stoffe unterschiedlich mit der dichten aktiven Membranschicht interagieren. Wassermoleküle werden durch diese Schicht wesentlich leichter transportiert als die meisten gelösten Ionen.
Aus diesem Grund kann die Umkehrosmose-Membrantechnologie eine sehr hohe Salzrückhaltung erzielen, auch wenn die Umkehrosmose nicht einfach als mechanisches Sieben von Partikeln verstanden werden sollte.
Ein Umkehrosmoseelement für Meerwasser und ein Brackwasserelement sehen von außen möglicherweise ähnlich aus.
Beide können die Standardformate 4040 oder 8040 verwenden.
Die Größe allein sagt jedoch nichts über den erforderlichen Druck, die Salzrückhaltung, die Membranchemie oder den Anwendungsbereich aus.
Diese Unterscheidung ist wichtig.
In den aktuellen Produktinformationen von Banott zu RO-Produkten wird darauf hingewiesen, dass die Bezeichnungen 4040 und 8040 Standardformate beschreiben, während die tatsächliche Durchfluss- und Rückhalteleistung anhand des Membrantyps und der jeweiligen Testbedingungen bewertet werden muss.
| Faktor | Umkehrosmose für Brackwasser | Meerwasser-Umkehrosmose |
|---|---|---|
| Salzgehalt des Futters | Nach unten | Deutlich höher |
| Osmotischer Druck | Nach unten | Höher |
| Erforderlicher Druck | Nach unten | Höher |
| Auswahl der Membran | BWRO-spezifisch | SWRO-spezifisch |
| Hauptanwendung | Brunnenwasser/Prozesswasser | Meerwasserentsalzung |
| Energiebedarf | Nach unten | Höher |
| Die Bedeutung der Vorbehandlung | Hoch | Sehr hoch |
Zum Vergleich: DuPont veröffentlicht Testdaten für Brackwasser-Membranen bei etwa 2.000 ppm NaCl und 15,5 bar, während mehrere kleine kommerzielle SWRO-Elemente bei etwa 32.000 ppm NaCl und 55 bar getestet werden. Hierbei handelt es sich um standardisierte Testbedingungen und nicht um allgemeine Betriebswerte für Anlagen.
Dies verdeutlicht, warum eine handelsübliche Umkehrosmosemembran für Brackwasser nicht automatisch für ein Projekt mit salzreichem Meerwasser verwendet werden sollte.
Der Entsalzungsprozess umfasst weit mehr als nur die Membran selbst.
Ein zuverlässiges System umfasst in der Regel:
Meerwasserentnahme
↓
Siebung
↓
Vorbehandlung
↓
Patronenfiltration
↓
Hochdruckpumpe
↓
SWRO-Membransystem
↓
Energierückgewinnung
↓
Permeat
↓
Nachbehandlung
↓
SüßwasserDas US-Energieministerium nennt die Wasserentnahme, die Vorbehandlung, die Umkehrosmose, die Energierückgewinnung und die Nachbehandlung als wichtige Prozessschritte in modernen Meerwasserentsalzungsanlagen. Zu den Vorbehandlungstechnologien können Siebe, Medienfilter, Mikrofiltration, Ultrafiltration, Koagulation und Kartuschenfiltration gehören.
RO-Permeat weist einen geringen Gehalt an gelösten Mineralstoffen auf.
Je nach Endanwendung müssen die Produktwässer unter Umständen folgende Anforderungen erfüllen:
Wenn es um kommunales Trinkwasser geht, sind Stabilisierung und Desinfektion besonders wichtig.
Wenn es sich bei dem Zielwasser um industrielles Prozesswasser handelt, sind möglicherweise weitere RO-, EDI- oder Nachbehandlungsverfahren erforderlich.
Das endgültige Wasserqualitätsziel sollte also die gesamte Aufbereitungsanlage bestimmen.
Meereswasser enthält viel mehr als nur Salz.
Es kann außerdem Folgendes enthalten:
Wenn diese Stoffe ohne angemessene Kontrolle auf die Membranoberfläche gelangen, kann dies zu einem höheren Druckabfall, einem geringeren Durchfluss, einem erhöhten Salzdurchgang und häufigeren Reinigungen führen.
Dies wird als Membranverschmutzung bezeichnet.
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Je nach Meerwasserqualität kann die Vorbehandlung Folgendes umfassen:
Für anspruchsvolle Küstengewässer, Hohlfaser-UF kann vor der Umkehrosmoseanlage eine wirksame physikalische Barriere bilden.
Dies kann die Stabilität des Zuflusses verbessern und zum Schutz des nachgeschalteten Membransystems beitragen.
Aus technischer Sicht sollte die Auslegung der Vorbehandlung auf den örtlichen Gegebenheiten vor Ort basieren und nicht einfach von einem anderen Entsalzungsprojekt übernommen werden.
Eine ruhige Entnahmestelle am Strand kann sich ganz anders verhalten als eine Entnahmestelle auf offener See, die Algen, Stürmen, saisonaler Trübung und biologischer Belastung ausgesetzt ist.
Drei der wichtigsten Parameter bei der Auslegung einer Umkehrosmoseanlage sind:
Aber keines davon sollte für sich allein betrachtet werden.
Die Salzrückhaltung beschreibt, wie effektiv die Membran den Durchgang von Salz verhindert.
Kommerzielle SWRO-Membranen können unter bestimmten Laborbedingungen eine sehr hohe Salzrückhaltung erzielen. So zeigen beispielsweise die von DuPont veröffentlichten Daten zu kleinen SWRO-Elementen stabilisierte Salzrückhaltungswerte von etwa 99,41 TP3T bis 99,71 TP3T unter definierten Bedingungen hinsichtlich Zufuhrkonzentration, Temperatur, Druck und Rückgewinnungsgrad.
Das bedeutet jedoch nicht, dass jede Membran in jeder Meerwasserentsalzungsanlage stets genau dieses Ergebnis liefert.
Die tatsächliche Wasserqualität des Produkts hängt von folgenden Faktoren ab:
Der Wasserfluss beschreibt die Menge an Permeat, die pro Einheit der Membranfläche erzeugt wird.
Ein höherer Durchfluss kann die benötigte Gesamtmembranfläche verringern.
Wird der Fluss jedoch zu stark erhöht, kann dies das Verschmutzungsrisiko erhöhen und die langfristige Stabilität beeinträchtigen.
Das Ziel ist nicht einfach nur die maximale Produktionsleistung pro Membranelement.
Es handelt sich um eine stabile Produktion über die gesamte geplante Betriebsdauer hinweg.
Meerwasser hat einen viel höheren osmotischen Druck als die meisten Brackwasserarten.
Für die SWRO-Anlage ist daher eine Hochdruckpumpe erforderlich.
Die von DuPont veröffentlichten Testbedingungen für Meerwasser sehen für Standardtests mit 32.000 ppm NaCl üblicherweise einen Druck von etwa 55 bar vor, während einige Meerwasser-Membranelemente für maximale Zufuhrdrücke von bis zu 83 bar ausgelegt sind. Der tatsächliche Auslegungsdruck hängt vom Salzgehalt, der Temperatur, der Rückgewinnungsrate, der Wahl des Membranelements und der angestrebten Permeatqualität ab.
Der Druck verursacht einen der größten Energiebedarfe bei der Entsalzung durch Umkehrosmose.
Das aus dem Membranfeld austretende Konzentrat steht jedoch weiterhin unter erheblichem hydraulischem Druck.
Wenn man diesen Druck einfach ablässt, verschwendet man Energie.
Eine Energierückgewinnungsvorrichtung fängt einen Teil dieses Drucks auf und leitet ihn zurück in den einströmenden Meerwasserstrom.
Das US-Energieministerium beschreibt die Energierückgewinnung als die Rückgewinnung von Energie aus Hochdrucksole, um den Druck des Meerwassers vor der Umkehrosmose zu erhöhen.
Eine vereinfachte Darstellung sieht wie folgt aus:
Hochdruckpumpe
↓
SWRO-Membranen
↙ ↘
Permeat Hochdruck-Sole
↓
Energierückgewinnung
↓
Zulaufendes MeerwasserDie moderne Druckaustauschtechnik ermöglicht eine äußerst effiziente Druckübertragung, weshalb die Energierückgewinnung zu einem zentralen Bestandteil vieler größerer Umkehrosmose-Entsalzungsanlagen geworden ist.
Bei EPC-Projekten hängt die Entscheidung, eine Energierückgewinnungsanlage einzubauen, von folgenden Faktoren ab:
Bei kleinen Meerwasserentsalzungsanlagen können wirtschaftliche Aspekte und die Anordnung der Anlagen zu einer anderen Auslegung führen als bei einer kommunalen Anlage.
Selbst eine hochwertige Umkehrosmosemembran erbringt nur eine schlechte Leistung, wenn die Betriebsbedingungen nicht stimmen.
Es gibt mehrere wesentliche Mechanismen der Verschmutzung.
Feine Feststoffe lagern sich an der Membranoberfläche ab.
Eine verbesserte Auslegung der Ansaugung, Klärung, Ultrafiltration und Kartuschenfiltration können dieses Risiko verringern.
Mikroorganismen heften sich an benetzte Oberflächen und bilden Biofilme.
Dies kann zu einem Anstieg des Differenzdrucks führen und die Membranleistung beeinträchtigen.
Natürliche organische Verbindungen können sich auf der Membran ansammeln und den Durchfluss verändern.
Wenn Wasser die Membran durchströmt, steigt die Konzentration der gelösten Salze in der Sole an.
Wenn schwer lösliche Salze ihre Löslichkeitsgrenzen überschreiten, kann sich Mineralablagerungen bilden.
Eine höhere Wasserrückgewinnung führt dazu, dass aus einer bestimmten Zufuhrmenge mehr Frischwasser gewonnen wird.
Das klingt verlockend.
Eine steigende Rückgewinnungsrate führt jedoch auch zu einer stärkeren Salzkonzentration im Abfluss und kann das Risiko von Ablagerungen erhöhen.
Die beste Rückgewinnung ist daher nicht immer der höchstmögliche Wert.
Es ist die Erholung, die für das Gleichgewicht sorgt:
Die Auswahl der Membran sollte anhand der Projektdaten erfolgen, nicht anhand einer Katalognummer.
Vor der Auswahl von Membranen für die Meerwasserentsalzung sollte ein EPC-Auftragnehmer Folgendes überprüfen:
Die Membran wird dann zu einem Bestandteil des gesamten Entsalzungssystems.
Bei einigen Projekten steht die maximale Permeatqualität im Vordergrund.
Andere legen Wert auf einen geringeren Energieverbrauch.
Eine energieeffizientere Meerwasser-Membran kann zwar bei reduziertem Druck betrieben werden, doch müssen Ingenieure dennoch überprüfen, ob die Qualität des Permeats den Projektanforderungen entspricht.
Ebenso kann eine Membran mit hoher Rückhalteeffizienz von Nutzen sein, wenn strengere Anforderungen an die Produktwasserqualität gestellt werden.
Die richtige Entscheidung hängt von der Gesamtleistung der Anlage ab – nicht von einem einzelnen Wert aus dem Datenblatt.
Leitfaden zu Meerwasserentsalzungsmembranen: Wie Umkehrosmosemembranen Meerwasser in Süßwasser umwandeln
Das gleiche Grundprinzip der Membranentsalzung kann für sehr unterschiedliche Kapazitäten genutzt werden.
Kleine Systeme können für folgende Zwecke eingesetzt werden:
Kompakte 4-Zoll-Membranelemente können sich dort als praktisch erweisen, wo der Durchfluss moderat ist und der Platz für die Anlagen begrenzt ist.
DuPont führt beispielsweise 4-Zoll-SWRO-Elemente für Schiffs- und kleinere Entsalzungsanlagen im Sortiment.
Eine großtechnische Meerwasserentsalzungsanlage kann Hunderte oder Tausende von 8-Zoll-Membranelementen enthalten, die in parallel geschalteten Druckbehältern installiert sind.
Die technische Herausforderung erstreckt sich nun auch auf:
Bei diesen Projekten macht der Membranpreis nur einen Teil der Lebenszykluskosten aus.
Energieverbrauch, Reinigungsaufwand, Austauschhäufigkeit, Pumpeneffizienz und Ausfallzeiten spielen oft eine größere Rolle.
Membranen verändern sich während des Betriebs allmählich.
Die entscheidende Frage ist, ob die Veränderung auf reversible Verschmutzung, Kalkablagerungen, Membranschäden oder normale Alterung zurückzuführen ist.
Betreiber sollten folgende normalisierte Werte überwachen:
Ein steigender Druckabfall kann auf Verschmutzungen hindeuten.
Ein erhöhter Salzdurchgang kann auf eine Beschädigung der Membran, Alterung, eine mangelhafte Abdichtung oder andere Betriebsprobleme hindeuten.
DuPont weist darauf hin, dass extreme Betriebsbedingungen den Permeatdurchfluss verringern, den Salzdurchgang erhöhen und Komponenten des Elements beschädigen können.
Eine chemische Reinigung kann die Leistungsfähigkeit wiederherstellen, wenn die Ablagerungen reversibel sind.
Die Wahl der Reinigungschemikalien hängt von der Art der Ablagerungen ab.
Betreiber sollten Membranen nicht wiederholt reinigen, ohne die Ursache zu ermitteln. Häufige Reinigungen können auf eine unzureichende Vorbehandlung oder einen ungeeigneten Betriebsbereich hindeuten.
Ein Membranwechsel wird erforderlich, wenn ein akzeptabler Durchfluss und eine akzeptable Rückhalteleistung nicht mehr wirtschaftlich wiederhergestellt werden können.
Bei der Ersatzplanung sollte Folgendes berücksichtigt werden:
Eine Meerwasser-Umkehrosmosemembran sollte aufgrund ihrer Leistung ausgetauscht werden und nicht einfach nur, weil ein bestimmtes Datum erreicht ist.
In vielen Küstenregionen gibt es zwar reichlich Meerwasser, aber nur begrenzte Mengen an herkömmlichem Süßwasser.
Durch die Entsalzung wird eine weitere potenzielle Wasserquelle erschlossen, indem gelöstes Salz aus dem Meerwasser abgetrennt wird.
Die USGS stellt fest, dass die Meerwasserentsalzung in Regionen mit begrenzten Süßwasservorkommen zunehmend zum Einsatz kommt und Wasser nicht nur für den kommunalen Gebrauch, sondern auch für die Landwirtschaft, für Kesselanlagen, in der Pharmaindustrie, bei der Halbleiterherstellung und für andere industrielle Anwendungen bereitstellen kann.
Das bedeutet jedoch nicht, dass die Meerwasserentsalzung keine ökologischen oder wirtschaftlichen Herausforderungen mit sich bringt.
Bei Projekten ist Folgendes zu beachten:
Durch kontinuierliche Verbesserungen in den Bereichen Membrantechnik, Pumpen, Automatisierung, Verschmutzungskontrolle und Energierückgewinnung wird die Meerwasser-Umkehrosmose (SWRO) jedoch immer effizienter.
Für viele Projekte an der Küste kann dies zu einem wichtigen Bestandteil einer breit gefächerten Wasserstrategie werden.
Bei einem Projekt mit Meerwasser oder hohem Salzgehalt reicht die Lieferung einer Umkehrosmosemembran allein nicht aus.
Bei der Gesamtplanung müssen die Rohwasseranalyse, die Vorbehandlung, die erforderliche Produktionsmenge, die Membrankonfiguration, Druckbehälter, Hochdruckpumpen, die Chemikaliendosierung, die CIP-Reinigung, die Messtechnik und die automatische Steuerung berücksichtigt werden.
Banott liefert derzeit industrielle RO-Membranprodukte in den Standardformaten 4040 und 8040 und bietet technische Unterstützung bei der Membrankonfiguration und der Integration kompletter RO-Anlagen. Die genauen Leistungswerte sollten anhand des jeweiligen Membran-Datenblatts und der darin festgelegten Testbedingungen überprüft werden, bevor ein Meerwasserprojekt spezifiziert wird.
Als technikorientierter Anbieter von UF-Membranen, RO-Membranen, EDI-Modulen, Reinwasseranlagen, … sowie integrierte Wasseraufbereitungssysteme: Unser Ansatz besteht darin, das gesamte Projekt zu bewerten.
Dazu können gehören:
Für EPC-Auftragnehmer und Systemintegratoren verringert dies das Schnittstellenrisiko zwischen den einzelnen Ausrüstungspaketen.
Die meisten modernen membranbasierten Meerwasseranlagen verwenden spezielle Meerwasser-Umkehrosmosemembranen, die in der Regel auf der Dünnschicht-Polyamid-Verbundtechnologie basieren. Sie sind für eine hohe Salzbelastung und den Betrieb unter hohem Druck ausgelegt.
Man sollte nicht davon ausgehen, dass dies möglich ist.
Meerwasser weist einen deutlich höheren Salzgehalt und osmotischen Druck auf als Brackwasser. Die Auswahl der Membran muss sich nach dem Salzgehalt des Zulaufwassers, dem Auslegungsdruck, den Anforderungen an die Rückhaltung und den Herstellerangaben richten.
Kommerzielle SWRO-Elemente können unter definierten Testbedingungen eine Salzrückhaltung von über 99% erreichen. Einige veröffentlichte Daten zu kommerziellen Elementen zeigen eine stabilisierte Rückhaltung im Bereich von 99,4–99,7%. Die tatsächliche Anlagenleistung hängt von den Einspeisebedingungen, der Rückgewinnungsrate, der Temperatur, dem Druck, der Verschmutzung und dem Alter der Membranen ab.
Meerwasser weist aufgrund seiner hohen Konzentration an gelösten Salzen einen hohen osmotischen Druck auf. Der angelegte Druck muss diese osmotische Kraft übersteigen und einen ausreichenden Antriebsdruck bereitstellen, um das Wasser durch die Membran zu befördern.
Die aus der Membran austretende Sole steht weiterhin unter hohem hydraulischem Druck. Eine Anlage zur Energierückgewinnung fängt einen Großteil dieses Drucks auf und leitet ihn an das einströmende Meerwasser weiter, wodurch sich der Bedarf an neuer Pumpenergie verringert.
Es gibt keine festgelegte Lebensdauer für jede Anwendung. Die Lebensdauer der Membranen hängt von der Vorbehandlung, der Meerwasserqualität, dem Betriebsdruck, Verschmutzungen, Kalkablagerungen, den Reinigungsverfahren, der Rückgewinnungsrate und den Anforderungen an das Produktwasser ab. Betreiber sollten normalisierte Leistungskurven heranziehen, um Reinigungs- und Austauschmaßnahmen zu planen.
Eine Meerwasserentsalzungsmembran ist die zentrale Trennbarriere in einer SWRO-Anlage, doch eine erfolgreiche Entsalzung hängt von weit mehr ab als nur von der Wahl eines Elements mit hoher Rückhaltefähigkeit.
Das System muss die Membran schützen.
Die Vorbehandlung dient der Kontrolle von Partikeln und der biologischen Belastung.
Die Hochdruckpumpe liefert die Antriebskraft.
Die Umkehrosmosemembran trennt Wasser von gelöstem Salz.
Durch die Energierückgewinnung wird die Verschwendung von hydraulischer Energie reduziert.
Durch die Nachbehandlung wird das Permeat für seine endgültige Verwendung aufbereitet.
Und durch die Überwachung bleibt die Leistung über einen längeren Zeitraum hinweg stabil.
Für EPC-Auftragnehmer, kommunale Wasserversorgungsprojekte, industrielle Anwender, Inselerschließungsprojekte, maritime Projekte und Systemintegratoren ist daher die beste Membran diejenige, die sich optimal in die gesamte Prozessauslegung einfügt.
Als Hersteller und technisch ausgerichteter Anbieter von Wasseraufbereitungslösungen können wir Sie bei der Auswahl der Membranen und der Auslegung integrierter Umkehrosmoseanlagen unterstützen – unter Berücksichtigung des Salzgehalts des Speisewassers, der erforderlichen Kapazität, der angestrebten Produktwasserqualität, der Installationsbedingungen, der Automatisierungsanforderungen sowie der Projektabwicklungsanforderungen.
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