Wärmeübertragung, Ablagerungsbildung und ihre Verminderung in der Membrandestillation zur Konzentrierung von Meerwasser

Abstract

Der Einsatz der Membrandestillation zur Meerwasserentsalzung ist insbesondere dann viel-versprechend, wenn sie zur weiteren Konzentrierung des Meerwasserkonzentrats aus konventionellen Entsalzungsanlagen unter Nutzung von regenerativen Energien oder Abwärme verwendet wird. Darüber hinaus wird die Membrandestillation als aussichtsreiches Verfahren für die Konzentrierung stark salzhaltiger Abwässer in Zero Liquid Discharge-Anwendungen betrachtet. Ein Hindernis für die großtechnische Umsetzung ist jedoch die Ablagerungsbildung auf der Membranoberfläche aufgrund sehr hoher Salzkonzentrationen. Für die Prozesssimulation der Membrandestillation ist eine bessere Kenntnis des Wärme-übergangs in Strömungskanälen mit Abstandshaltern von großer Bedeutung. Die Bildung von Ablagerungen und die Wechselwirkungen mit den gekoppelten Wärme- und Stofftransport-vorgängen wurden bisher nur unzureichend untersucht. Auch Maßnahmen zur Verminderung der Ablagerungsbildung und zur Reinigung der Membranen wurden kaum betrachtet. Hier setzt die vorliegende Arbeit an. Basierend auf Messungen des Wärmedurchgangs wurde eine Korrelation für die Nußelt-Zahl abgeleitet, die den Wärmeübergang in Flüssigkeitskanälen mit Abstandshaltern in einem Plattenmodul beschreibt. Die Korrelation wurde in Prozessmodellen des Direktkontakt- und Luftspaltverfahrens eingesetzt, um die Temperatur- und Konzentrationsprofile zu ermitteln. In Verbindung mit der hydrogeochemischen Modellierungssoftware PHREEQC konnte hierdurch die Neigung gelöster Salze zur Ablagerungsbildung entlang des Strömungsweges in großen Modulen in Abhängigkeit der Prozessparameter bestimmt werden. Ferner wurden die Einflüsse der Prozessparameter der Membrandestillation auf die Ablagerungsbildung bei der weiteren Konzentrierung von Meerwasserkonzentraten experimentell untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass höhere Temperaturen und treibende Temperaturdifferenzen zu einer schnelleren Konzentrierung der Lösung führen, was die Ablagerungsbildung beschleunigt. Es zeigte sich, dass erst die dem Calciumcarbonat nachfolgende Bildung von Calciumsulfat zu einer signifikanten Verringerung der Permeatstromdichte führt. Die Bildung der Ablagerungen, die zum größten Teil aus Calciumsulfat bestehen, wird von den Prozessbedingungen deutlich beeinflusst. Durch den Einsatz von Additiven kann die Ablagerungsbildung zu sehr hohen Konzentrationsfaktoren verschoben werden. Die sich dennoch bildenden Beläge können durch eine Modulreinigung mit Ethylendiamintetraacetat-Lösung und Methansulfonsäure relativ einfach entfernt werden.