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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.

  • Membranverfahren
    Membranverfahren ermöglichen das Entsalzen ohne eine Phasenumwandlung von Wasser (verdampfen oder ausfrieren). Dadurch entfällt der Energieeintrag für die Phasenumwandlung und öffnet den Weg zu energieeffizienten Entsalzungsverfahren.
    Um Meerwasser zu entsalzen, muß eine Energie von ca 1,7 kWh / t Meerwasser aufgewendet werden. Dies ist die entropische Energiedifferenz für das Aufkonzentrieren von Meerwasser. Jene Energie übrigens, die bei dem umgekehrten Mischvorgang auch frei wird und die man in den Umkehr-Verfahren (Osmoseverfahren und Umkehr-Elektrodialyse) als Energiepool ausnutzt.
    Um entsalztes Wasser zu gewinnen, kann man prinzipiell entweder das Wasser durch die Membran drücken (Umkehrosmose) oder das Salz über die Ionenaustauschermembranen entfernen (Elektrodialyse), wie in dem folgenden Bild dargestellt:

    How does it work?

  • Umkehrosmoseanlagen (reverse osmosis, RO) benötigen zur Produktion von Trinkwasser mit Gesamtsalzgehalt von weniger als 500 ppm einstufig aus Meerwasser (3,7 % Gesamtsalz) ca 2,5 kWh/t elektrische Energie für die Pumpen. Dies gelingt durch Fortschritte bei den Membranen und vor allem durch Druck-Rückgewinnung. In kleineren Anlagen kann der Pumpdruck nicht rückgewonnen werden. Dann muss man mit einem Verbrauch von 20 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 1 - 5 kWh/t) als bei stark salzhaltigem Wasser (Energiebedarf bis 10 - 20 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.
  • Die PCA arbeitet genau an diesen Problemen. Haben Sie Fragen dazu? Möchten Sie sich an diesen Themen beteiligen? Suchen Sie eine Diplomarbeit?

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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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