Hochdruckumkehrosmose zur energieeffizienten Aufkonzentrierung hochosmotischer Lösungen

Kurzfassung
Der Entwicklung und Optimierung innovativer Technologien zur effizienten Wassernutzung und -wiederaufbereitung kommen derzeit eine zentrale ökologische, ökonomische und soziale Bedeutung zu. Insbesondere der industrielle Sektor unterliegt großem Handlungsdruck, eine abwasserfreie Produktion anzustreben. Hierfür werden wirtschaftlich tragfähige Konzepte zur Aufkonzentrierung von Prozesswässern mit hohen osmotischen Drücken benötigt. Um energieintensive thermische Verfahren zu ersetzen, ist die Erweiterung des Anwendungsbereiches energieeffizienter, druckgetriebener Membranverfahren in diesem Kontext zielführend.
Diese Arbeit betrachtet die Hochdruckumkehrosmose unter Einsatz von Spiralwickelelementen bei der Aufkonzentrierung hochosmotischer Salzlösungen. Dabei war es das Ziel, druck- und zeitabhängige leistungslimitierende Effekte, die speziell durch den Betrieb bis 120 bar induziert sind, zu identifizieren und quantifizieren, um die Entwicklung geeigneter Optimierungsansätze zu ermöglichen. Zur Untersuchung dieser Aspekte wurde der innovative Ansatz gewählt, die durch die erhöhte mechanische Belastung intensivierte Interaktion der Elementkomponenten gezielt zu analysieren. Dazu wurden eine neue experimentelle Methode zur Messung des permeatseitigen Druckverlustes sowie die entsprechende apparative Umsetzung entwickelt. Anhand der experimentellen Ergebnisse sowie mithilfe der Materialautopsie wurden außerdem Methoden für die numerische Strömungssimulation erarbeitet. Auf diese Weise konnten neue, zum Teil grundlegende Erkenntnisse in Bezug auf das Hochdruckverhalten von Spiralwickelelementen erlangt werden.
Langzeitperformancetests verfügbarer 4“-Umkehrosmoseelemente zeigten generell eine sinnvolle Einsetzbarkeit im Hochdruckbetrieb, indizierten jedoch auch einen signifikanten zeitlichen Leistungsrückgang, der zu relevanten Anteilen darauf zurückgeführt werden konnte, dass sich die Strömungsbedingungen im spacergefüllten Permeatkanal maßgeblich durch den Effekt der Membranintrusion ändern. Es wurde erstmalig experimentell belegt, dass diese Art der Membranmaterialdeformation in einer wesentlichen druck- und zeitabhängigen Erhöhung des permeatseitigen Druckverlustes resultiert, die den effektiven treibenden Druck und somit die Elementleistung reduziert. Auf Basis dieses Wissens konnten ein Optimierungsansatz zur Minderung dieser Auswirkungen sowie ein 3D-Modell zur Simulation der permeatseitigen Strömung unter Einfluss der Membranintrusion entwickelt und verifiziert werden.