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Meerwasserentsalzung

Ein allgemeiner Verfahrensvergleich zur Deinoisierung von Meerwasser und Brackwasser zur Herstellung von Trinkwasser

 

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1. Einleitung

 

Wasser scheint es auf der Erde im Überfluss zu geben. Doch nur 0,3% der gesamten Wassermenge der Erde können als sauberes Trinkwasser verwendet werden. Der Mensch benötigt täglich große Mengen und entnimmt es für unzählige Anwendungen der Natur. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Trinkwasser stellt Meerwasser eine bedeutende Trinkwasserquelle dar. Um dieses Wasser nutzen zu können, muß es entsalzt werden. Die Meerwasserentsalzung ist somit eine wesentliche Aufgabe, vor der die westliche Zivilisation steht.

  • Die ursprüngliche Methode der Meerwasserentsalzung ist die Destillation. Pro t Trinkwasser benötigt man ca. 620 kWh Verdampfungsenthalpie.

  • In technischen Anlagen wird ein vielstufiger Entspannungsverdampfer (MSF multiple stage flash evaporator) eingesetzt, der ca. 100 kWh/t (2 bar Heißdampf) und 3,5 kWh/t el. Energie für Pumpen benötigt.

  • Im Vergleich kann der Energiebedarf einer Umkehrosmoseanlage (reverse osmosis, RO) zur Produktion von Trinkwasser mit Gesamtsalzgehalt von weniger als 500 ppm einstufig aus Meerwasser (3,7 % Gesamtsalz) auf bis zu 7 kWh/t Trinkwasser in Form von elektrischer Energie für die Pumpen reduziert werden (bei großen Anlagen mit Druck-Rückgewinnung). In kleineren Anlagen kann der Pumpdruck nicht rückgewonnen werden. Dann muss man mit einem Verbrauch von 30 bis 40 kWh / t Wasser rechnen.

  • Demgegenüber ist die Triebkraft bei der Elektrodialyse mit Ionenaustauschermembranen der elektrische Strom, der die Ionen des zu entsalzenden Wassers aus diesem entfernt. Da der benötigte Strom dem Salzgehalt proportional ist, lässt sich ein spezifischer Energiebedarf nicht genau angeben. Bei niedrigen Salzgehalten wie z.B. beim Brackwasser oder bei salzhaltigen Quellen (stark ausgebeutete Süßwasserquellen in Meeresnähe) ist das Verfahren daher wesentlich günstiger (Energiebedarf 3 - 8 kWh/t) als bei stark salzhaltigem Wasser (Energiebedarf bis 20 - 30 kWh/t).

    • Die Elektrodialyse ist bei relativ geringen Salzgehalten gegenüber der RO konkurrenzfähig. Um sich für die eine oder andere Technik zu entscheiden, müssen jedoch die unten diskutierten Unterschiede der Verfahren abgewägt werden.

     
    2. Trinkwasser


    Demineralisierungsverfahren für Wasser unterscheiden sich nicht nur durch die Triebkraft, sondern auch die Eigenschaften des entstehenden Wassers. Der Energiebedarf der verschiedenen Verfahren hängt von der Qualität des produzierten Wassers und der Zusammensetzung des zu entsalzenden Wassers ab. Ziel der Demineralisierung von Wasser ist normalerweise die Herstellung von Trinkwasser, dessen Zusammensetzung in der folgenden Tabelle aufgeführt ist.


    Für Trinkwasser gelten nach der WHO folgende Standards [1]:
    Stoff Erwünschte maximale Konzentration in mg/l Erlaubte maximale Konzentration in mg/l Isotonische Lösung mg/l ,[2]
    Gelöste Feststoffe insgesamt

    500

    1500

    9000
    Mg

    30

    150

    -
    Ca

    75

    200

    -
    Chlorid

    20

    60

    3550-3800
    Sulfat

    200

    400

    -
    Natrium

    -

    -

    3050-3400
    Kalium

    -

    -

    150-210
    Gesamtgehalt in mmol/l

    ca. 10

    ca. 30

    ca. 150

     

    3. Vergleich Umkehrosmose (RO) / Elektrodialyse (ED)

     

    Seit 1990 hat sich die RO kontinuierlich hinsichtlich Leistungsfähigkeit, d.h. Investitionskosten, Durchsatz pro Membranfläche und Energiebedarf, verbessert.
    Demgegenüber hat es hinsichtlich der (altbekannten) Probleme der ED keine nennenswerten Fortschritte gegeben.
    Dennoch bleiben die Vorteile der ED:

  • Sie bietet als einziges Verfahren ein "lebendes" Wasser: Das entsalzte Wasser ist das Ursprungswasser "an sich": Aus Meerwasser wird Salz entfernt. Das Wasser an sich bleibt unberührt. Es muss keine Membran durchdringen wie es bei der RO der Fall ist. Daher bleiben dem Wasser alle weiteren Stoffe, die sich darin befinden mögen, erhalten.

  • Das Salz entsteht bei der ED als konzentrierte Sole. Es kann zur Salzgewinnung eingesetzt werden, während bei der RO keine ausgesprochen konzentrierte Lösungen erzeugt werden.

    •

  • Die ED benötigt weniger als 1,5 m3 H2O/t, während die RO 2-4 t benötigt. Je nach Anwendungsfall gewinnt also die Frage eine gewisse Bedeutung, was man mit dem aufkonzentrierten Salz macht. - Am Meer sicher kein Problem, was aber an aufgesalzenen Quellen?

    •

  • Bei nitrathaltigen Wässern kann mittels ED eine selektive Nitratabreicherung erreicht werden.

  • Mit Hilfe des folgenden Rechenbeispiels können Sie die für Ihre Anwendung benötigte Membranfläche errechnen.

    •

    Letztendlich bleibt zu sagen, dass bei der RO das Entwicklungspotenzial weitgehend ausgeschöpft ist, während der ED diese Entwicklungen noch bevorstehen.

     
    4. Entwicklungspotenzial der ED

     

    Die wesentlichen Optimierungspunkte sind nach wie vor:

  • Konzentrationspolarisierung,
  • Membranwiderstand und
  • ionenleitfähige Spacer.

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    5. Literatur

     

    [1] N.N. Greenwood, A. Earnshaw , Chemie der Elemente, VCH, 1988

    [2] R. Ludewig KH. Lohs, Akute Vergiftungen, VEB Gustav Fischer Verlag Jena, 1981

     
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