Von Salzwasser zu Süsswasser: LANXESS hat Multi-Ionen Feeds im Griff

Trink- und Nutzwasser aus Meerwasser gewinnen – ein zukunftsträchtiges Anwendungsgebiet für Umkehrosmose-Membrane Anlagen. Wasserbehandlung ist daher auch beim Spezialchemie-Konzern LANXESS ein hoch priorisiertes Forschungsfeld. Aktuelle Ergebnisse, die eine noch bessere Beschreibung des Separationsverhaltens von UO-Membranen unter realistischen Einsatzbedingungen erlauben, stellten Experten des Unternehmens jetzt auf der “3rd International Conference on Desalination using Membrane Technology“ vor, die vom 2. bis zum 5.4.2017 auf der spanischen Insel Gran Canaria stattfand.

Eine Vielzahl von Parametern bestimmen das Verhalten von UO-Membranen unter realistischen Einsatzbedingungen – so ist die Zusammensetzung des Feeds von zentraler Bedeutung. In der Praxis sind darin außer Kochsalz, das in Tests standardmäßig als Salzfracht verwendet wird, auch andere Salze gelöst. Das Rückhaltevermögen für diese verschiedenen Salze bzw. Ionen ist durchaus unterschiedlich. pH-Wert und Temperatur der Salzlösung haben für jedes Salz bzw. Ion einen individuellen Einfluss auf den Trennerfolg.

Experten von LANXESS haben in einem Forschungsprojekt moderne Methoden der statistischen Versuchsplanung eingesetzt, um all diese Zusammenhänge besser zu verstehen. So kann die Anzahl der notwendigen Versuche auch bei komplexen Fragestellungen auf ein überschaubares Maß begrenzt werden. Ziel der aktuellen Untersuchungen war es, speziell das Verhalten von hoch vernetzten Lewabrane-Membranen für die Brackwasserbehandlung besser zu verstehen. Der hohe Vernetzungsgrad führt zu einer geringen effektiven Porengröße, was ein hohes Rückhaltevermögen dieser Membranen bewirkt. Zudem zeichnen sie sich durch hohe Stabilität auch in extremen pH- und Temperaturbereichen aus.

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Salzmischungen messen

Besonders interessiert waren die Experten an dem Trennverhalten der Membranen für unterschiedliche gelöste Salze. Daher wurde ein Testgemisch eingesetzt, das neben Natriumchlorid (2.000 mg/l), auch Nitrat (200 mg/l), Ammonium (35 mg/l), Bor (6 mg/l) und Silikat (75 mg/l) enthielt. Derartige Gemische sind zum Beispiel in industriellen und Haushaltsabwässern anzutreffen, einige Komponenten finden sich aber auch in der Landwirtschaft, im Grund- oder Meerwasser.

Das Trennverhalten wurde sowohl an isolierten Membranen als auch an kompletten UO-Elementen untersucht. Dies geschah bei Feed-Drücken von 10,3 bar und 15,5 bar (Niedrigenergie- bzw. Standard-Elemente) und einer Ausbeute von 15 Prozent im pH-Bereich von 3 bis 11 sowie bei Temperaturen zwischen 15 und 35 °C.

Um das Trennverhalten im gesamten Parameterraum mit einer möglichst geringen Zahl von Experimenten zuverlässig erfassen zu können, wurde die statistische Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE) eingesetzt. Dies geschah auf der Grundlage der Antwortflächenmethode (Response Surface Design, RSD) in Kombination mit einem zentral zusammengesetzten Versuchsplan (Central Composite Design, CCD). Auswertung der experimentellen Ergebnisse erfolgte durch Anpassung der Messdaten an ein quadratisches Modell.

Als Zielgrößen des Modells wurden der Gesamtsalz-Rückhalt, der Rückhalt für einzelne gelöste Komponenten und der Permeatfluss gewählt.

Umfangreiche Szenarien

Die aus den Versuchsreihen abgeleiteten Antwortflächen beschreiben das Verhalten der Membran bezüglich einzelner Salze bzw. Ionen über den gesamten pH- und Temperatur-Bereich. So zeigt sich zum Beispiel für Nitrat eine deutliche pH-Abhängigkeit des Rückhalts mit einem Maximum bei pH 7-8 und bei einer nur geringfügigen Temperaturabhängigkeit. Ganz anders sind die Ergebnisse zum Beispiel beim Bor, wo neben einer pH- auch eine deutliche Temperaturabhängigkeit des Rückhalts festzustellen war.

Die Ergebnisse erlauben es, Einsatzparameter für UO-Elemente gezielt so zu wählen, dass für den jeweils betrachteten Anwendungsfall optimale Trennergebnisse erzielt werden können. „Damit wir dieses Potenzial bestmöglich im Dienste der Kunden nutzen können, werden die gefundenen Abhängigkeitsfunktionen zeitnah in das integrierte Auslegungsprogramm LewaPlus aufgenommen“, erklärt Julien Ogier, Leiter des anwendungstechnischen Labors für Membrane im Geschäftsbereich Liquid Purification Technologies (LPT) von LANXESS. „Mit der aktuellen Version von LewaPlus haben wir weiter an der Bedienerfreundlichkeit gearbeitet. So wird bei der Auslegung von UO-Anlagen direkt angezeigt, wie viele Simulationen für einen direkten Vergleich hinterlegt sind. Außerdem haben wir das Design des PDF-Berichts für das Kondensatreinigungs-Modul verbessert, so dass für die progressive Regeneration jetzt auch die Regeneriermittelmenge und die Anwendungskonzentration dargestellt werden“, ergänzt Ogier.

Die Auslegungssoftware LewaPlus kann kostenlos heruntergeladen werden. Hier gibt es auch ausführliche Informationen zu den Produkten des Geschäftsbereichs LPT von LANXESS.

Headerbild: LewaBrane von LANXESS | Foto: LANXESS