Bei der Transmembrandestillation (TMD) handelt es sich um ein thermisches Membrantrennverfahren zur Aufbereitung von Wasser- und Abwasserströmen. Ursprünglich für die Erzeugung von Trinkwasser aus Meer- oder Brackwasser entwickelt, konnten die Einsatzmöglichkeiten des TMD-Verfahrens in den letzten Jahren sukzessive erweitert werden.
Bisher wurde das Transmembrandestillations-Verfahren beispielsweise für folgende Prozeßschritte eingesetzt:
• das Aufkonzentrieren von Produkt- und Abfallösungen,
• die Herstellung von vollentsalztem Wasser für industrielle Zwecke,
• die Trinkwasseraufbereitung aus Meer- und Brackwasser und die
• Erzeugung von Kesselspeisewasser.
Verfahrensprinzip
Das Prinzip der transmembranen Destillation beruht darauf, daß zwei wäßrige Phasen durch eine dünne, mikroporöse, hydrophobe Membran, beispielsweise aus Polytetrafluorethen (PTFE), voneinander getrennt werden. Aufgrund der Hydrophobie ist die Membran lediglich für Wasserdampf durchlässig, der von der Lösung mit der höheren in die mit der niedrigeren Temperatur diffundiert und dort kondensiert. Für Wasser und die darin gelösten Salze ist die Membran undurchlässig.
Der Dampfübertritt aus der wäßrigen salzhaltigen Lösung in das Destillat wird so lange erfolgen, bis sich beide Phasen im Gleichgewicht befinden, d.h. die Dampfdrücke der beiden Lösungen auf beiden Seiten gleich sind.
Damit ein kontinuierlicher Übergang stattfindet, muß das eingestellte Gleichgewicht fortlaufend gestört werden. Dies wird erreicht, indem Wärme dem Konzentrat zugeführt und dem Destillat entzogen wird. Da die Dampfdruckdifferenz den prozeßbestimmenden Gradienten des transmembranen Prozesses darstellt, ist eine möglichst große Temperaturdifferenz anzustreben. Als Folge des Dampfübertritts nimmt der Salzgehalt der Lösung stetig zu, wogegen der kondensierte Dampf als annähernd salzfrei angesehen werden kann.
Technische Auslegung
Das TMD-Verfahren kann in sehr kompakten Baueinheiten (Modulen) ausgeführt werden. Durch eine geeignete Kombination von Wärmetauscher- und Membranebenen in Form von Wickelmodulen läßt sich der größere Teil der Kondensationswärme rückgewinnen und damit der Energiebedarf deutlich reduzieren. Steht Energie kostengünstig, etwa als Niedertemperaturabwärme, zur Verfügung, können auch Module ohne integrierte Wärmerückgewinnung mit höheren Destillatleistungen pro m2 Membran eingesetzt werden.
Vorteile des TMD-Verfahrens
Das TMD-Verfahren liefert sehr reines Destillat mit einer elektrischen Leitfähigkeit bis unter 2 µS/cm (abhängig vom Rohwasser). Zur Verwendung als Trinkwasser muß es remineralisiert werden, z. B. durch Verschneiden mit keimfreiem Rohwasser.
Die Arbeitstemperatur beträgt 60 bis 80 °C, d.h. die Energiebereitstellung kann über Solarkollektoren oder andere Niedertemperaturwärmequellen (z. B. Nutzung der Abwärme von industriellen Prozessen oder Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen) erfolgen.
Durch den im Vergleich zur Verdampfung niedrigen Temperaturbereich sowie des Prinzips des alleinigen Dampfdurchtritts wird Scaling (Verkrustung, beispielsweise durch Salzablagerungen) weitgehend vermieden.
Die Membranen sind unempfindlich gegenüber Algen oder bakteriellem Wachstum (Biofouling) sowie gegen Austrocknen bei längeren Stillstandszeiten. Durch die Verwendung von Kunststoffen ist darüber hinaus höchste Korrosionsbeständigkeit auch bei aggressiven Medien gewährleistet.
Das System arbeitet auch bei hohen Salzgehalten des Rohwassers (bis 100 mS/cm) aufgrund des vorgestellten Verfahrensprinzips. Es ist keine aufwendige Voraufbereitung notwendig, allerdings müssen benetzend wirkende Stoffe wie Tenside oder Öle sicher zurückgehalten werden.
Der modulare Aufbau gewährleistet eine optimale Anpassung an den Wasserbedarf sowie an vorhandene Energiequellen. Da das Verfahren bei geringem Überdruck (0,2 bis 0,5 bar) arbeitet, kann man auf einfache Pumpentypen und eine kostengünstige Verrohrung zurückgreifen. Das System bedarf keiner umfangreichen Wartung oder Überwachung.
Versuchsbetrieb
Das Verfahren der Membrandestillation wurde in langjährigen Technikumsversuchen sowie mehreren Pilotanlagen im In- und Ausland bis zur Serienreife entwickelt und optimiert. Im Kraftwerk Franken II der Großkraftwerk Franken AG in Erlangen beispielsweise, wurde über vier Monate eine Pilotanlage zur Erzeugung von vollentsalztem Wasser mit dem Verfahren der Transmembrandestillation (TMD) betrieben, die vorher bereits über mehrere Monate im Technikum des Herstellers getestet worden war. Die Versuche richteten sich auf die Ermittlung und Untersuchung der Faktoren, die den Permeatstrom hinsichtlich Menge und Qualität beeinflussen.
Hierbei handelt es sich vor allem um die folgenden Parameter:
• Umwälzmenge Konzentratkreislauf,
• Umwälzmenge Destillatkreislauf,
• absolute Temperatur beider Ströme,
• Temperaturdifferenz zwischen Destillat und Konzentrat und
• Salzgehalt des Konzentrats.
Im Gegensatz zu den druckgetriebenen Verfahren wie Umkehrosmose oder Nanofiltration ist bei der TMD also der Dampfdruck der warmen, salzhaltigen Lösung die treibende Kraft. Hierbei handelt es sich um eine nichtlineare Größe.
Man sieht in der Dampfdruckkurve, daß bei steigenden Temperaturen ein deutlicher Anstieg des Dampfdruckes vorliegt und somit eine Möglichkeit der Optimierung. Betrachtet man nun die oben aufgeführten Varianten, so stellt man eine lineare Zunahme des Permeatstroms bei Variation der Umwälzmenge des Konzentratstroms fest, wobei die Konzentrat- und Destillateingangstemperaturen sowie der Destillatkreislaufstrom konstant gehalten wurden.
Variiert man statt dessen den Umwälzkreislauf Destillat und läßt den Konzentratstrom, sowie die Destillat- und Konzentrateingangstemperaturen konstant, so ergibt sich folgender Verlauf. Im Gegensatz zum vorhergehenden Versuch ist eine lineare Abhängigkeit nur bis zu Destillatvolumenströmen von 700 l/h zu beobachten, ab diesem Punkt wird der Prozeß mehr und mehr vom Destillatstrom unabhängig. Dies bedeutet, daß für diese Bedingungen eine Steigerung dieses Kreislaufs keine Verbesserung des Permeatstromes bringt. Weitere wichtige Faktoren hinsichtlich Ausbeute (l/m2 h) sind die absoluten Eintrittstemperaturen und damit die Temperaturdifferenzen.
Betreibt man die Anlage bei konstanten Kreislaufströmen und konstanter Konzentrateintrittstemperatur von 85 °C und variiert nur die Destillateintrittstemperatur, so ergibt sich ein nahezu linearer Abfall des Permeatstromes, bei steigenden Destillateintrittstemperaturen.
Erwartungsgemäß findet man beim höchsten DT die besten Flüsse, bei gleichen Temperaturen von Konzentrat- und Destillatkreis ist der Fluß null. Bei Variation der Konzentrateintrittstemperatur unter sonst gleichen Bedingungen ergibt sich ein nahezu linearer Anstieg des Permeatflusses.
Einen entscheidenden Unterschied und Vorteil gegenüber z. B. der UO stellt die geringe Abhängigkeit der Ausbeute vom Salzgehalt dar. Hier wirkt sich aus, daß der Einfluß der Dampfdruckerniedrigung im Vergleich zum osmotischen Druck minimal ist.
Nach der Betrachtung des hydraulischen Parameters Ausbeute (l/m2 h) soll nun auf die Qualität des aufbereiteten Wassers eingegangen werden. Zunächst wurde das reale Wasser aufkonzentriert. Es zeigt sich, daß im Bereich einer Konzentratleitfähigkeit von 3000 µS/cm, also einer Aufkonzentrierung üblicher Wässer auf das 5- bis 10fache, im Permeat Leitfähigkeiten von #2 µS/cm vorliegen. Anschließend wurde eine Kochsalzlösung aufkonzentriert.
Hier zeigt sich, daß selbst bei Leitfähigkeiten von 100 000 µS/cm = ca. 100 g NaCl/l ein Permeat mit einer Leitfähigkeit von ca. 80 µS/cm erzeugt wird.
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