DE102005048163A1

DE102005048163A1 - Umkehrosmoseanlage

Info

Publication number: DE102005048163A1
Application number: DE102005048163A
Authority: DE
Inventors: Oender Satir
Original assignee: Satir Onder
Current assignee: Satir Onder
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2007-04-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Umkehrosmoseanlage (1) zur Gewinnung von solutarmem Permeat aus einem Fluid mit Solvent und Solut, insbesondere zur Gewinnung von Reinwasser (RE) oder Reinstwasser aus vorgereingtem Rohwasser (Ro), unter Abscheidung eines mit Soluten angereicherten Konzentrates (K) beim Durchgang des Reinwassers (RE) durch eine semipermeable Membran (2), wobei die Umkehrosmoseanlage (1) ein Umkehrosmosemodul (3) mit der Membran (2), einen Rohwassereingang (4), einen Reinwasserausgang (5) und einen Konzentratausgang (6) sowie eine Druckerzeugungsvorrichtung (7) zur Druckbeaufschlagung des Rohwassers (Ro) in dem Umkehrosmosemodul (3) aufweist. DOLLAR A Mit der Zielsetzung, eine Umkehrosmoseanlage bereitzustellen, die weniger aufwendig ist und mittels derer ein Permeat oder Reinwasser mit gleich bleibender Qualität gewonnen werden kann, wird vorgeschlagen, dass konzentratausgangsseitig eine Begrenzungsvorrichtung (8) zur Begrenzung des Konzentratflusses aus dem Umkehrosmosemodul (3) vorgesehen ist und dass eine Messvorrichtung (9) vorgesehen ist, so dass der Konzentratfluss aufgrund mindestens einer physikalischen Messgröße des Reinwassers (Re) und/oder des Rohwassers (Ro) durch die Begrenzungsvorrichtung (8) veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Umkehrosmoseanlage zur Gewinnung von solutarmen Permeat aus einem Fluid mit Solvent und Solut, insbesondere zur Gewinnung von Reinwasser oder Reinstwasser aus vorgereinigtem Rohwasser, unter Abscheidung eines mit Soluten angereicherten Konzentrates beim Durchgang des Reinwassers durch eine semipermeable Membran, wobei die Umkehrosmoseanlage ein Umkehrosmosemodul mit der Membran, einen Rohwassereingang, einen Reinwasserausgang und einen Konzentratausgang sowie eine Druckerzeugungsvorrichtung zur Druckbeaufschlagung des Rohwassers in dem Umkehrosmosemodul aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Gewinnung von solutarmen Permeat aus einem Fluid mit Solvent und Solut, insbesondere zur Gewinnung von Reinwasser oder Reinstwasser aus Rohwasser, mit einer Umkehrosmoseanlage.

Derartige Anlagen werden zum Beispiel zur Meerwasserentsalzung aber insbesondere auch zur Aufbereitung von Trinkwasser in Haushalten oder bei Kleinverbrauchern eingesetzt, um salzarmes Wasser zu gewinnen. Hierbei kann auch ein mit Pestiziden oder anderen Giftstoffen oder Verunreinigungen belastetes Wasser gereinigt werden. Umkehrosmoseanlagen arbeiten mit einem Arbeitsdruck im Rohwasser entgegen einem osmotischen Druck, um den natürlichen Osmoseprozess zwischen zwei durch eine semipermeable Membran getrennte Fluide mit unterschiedlicher Konzentration an gelösten Verunreinigungsmolekülen oder -stoffen (allgemein Solut genannt) umzukehren. Hierzu muss der Arbeitsdruck größer als der osmotische Druck sein. Je größer das Konzentra tionsgefälle ist, desto höher sind der Osmosedruck und damit der für die Umkehrosmose erforderliche Arbeitsdruck. Mit der Gewinnung von solutarmen Permeat geht eine Aufkonzentrierung des Fluids zu einem Konzentrat einher, welches einen entsprechend erhöhten osmotischen Druck gegenüber dem Reinwasser bewirkt und dadurch einen erhöhten Arbeitsdruck erforderlich macht. Daher wird das Konzentrat üblicherweise aus dem Umkehrosmosemodul abgeführt.

Die Druckbeaufschlagung des Fluids kann beispielsweise über den normalen Leitungsdruck im öffentlichen Netz oder durch eine Förderpumpe bei einer Meerwasseranlage erfolgen, deren Druck in der Regel durch weitere Pumpen verstärkt werden muss, um einen ausreichend hohen Arbeitsdruck gegen den Osmosedruck aufzubauen. Hierbei können nicht selten große Druckschwankungen auftreten, die eine konstante Qualität des Reinwassers mindern oder sogar unmöglich machen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Druckschwankungen im Fluid durch eine zusätzliche Druckregelung mit dem Ziel auszugleichen, in Abhängigkeit von einem voreingestellten Druck im Permeat einen gleich bleibenden Arbeitsdruck im Fluid zu erhalten. Ferner ist vorgesehen, dass durch einen teilweisen Rückfluss an Konzentrat in das Fluid ein möglichst konstantes Konzentrationsgefälle über die Membran herrscht. Beide aufwändige Maßnahmen dienen dazu, möglichst konstante Bedingungen im Fluid vor der Membran einzustellen, um hierüber eine Qualitätswahrung des Permeats sicher zu stellen. Auch durch diese Maßnahmen kann jedoch nicht unter allen Umständen in der Praxis eine gleich bleibende Qualität des Permeats oder Reinwassers sichergestellt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Umkehrosmoseanlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, die weniger aufwändig ist und mittels derer ein Permeat oder Reinwasser mit gleich bleibender Qualität gewonnen werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass konzentratausgangsseitig, d.h. unmittelbar am Konzentratausgang oder stromabwärts von diesem, eine Begrenzungsvorrichtung zur Begrenzung des Konzentratflusses aus dem Umkehrosmosemodul vorgesehen ist und dass eine Messvorrichtung zur Erfassung mindestens einer physikalischen Messgröße des Reinwassers und/oder des Rohwassers vorgesehen ist, so dass der Konzentratfluss aufgrund der mindestens einen physikalischen Messgröße durch die Begrenzungsvorrichtung veränderbar ist. Wird über eine Veränderung einer oder mehrerer Messgrößen festgestellt, dass sich die eingestellten Bedingungen zur Erzielung eines gewünschten Reinheitsgrad und/oder der Reinheitsgrad des Reinwassers selber hinsichtlich einer oder mehrer Inhaltsstoffe ändern, so wird über die Begrenzungsvorrichtung der Konzentratabfluss, d.h. die Menge an Konzentrat, die pro Zeiteinheit durch den Konzentratausgang das Umkehrosmosemodul verlässt, vermindert oder erhöht, so dass sich ein höherer oder ein geringerer Rückstau am Konzentratabfluss und damit ein entsprechend veränderter Arbeitsdruck an der Membran einstellt. Mit Erhöhung des Arbeitsdruckes wird die Reinwassermenge erhöht. Zudem gelangen mehr die Reinheit bestimmende Solute durch die Membran in das Reinwasser. Durch die veränderbare Begrenzung des Konzentratabflusses kann somit das Verhältnis von Reinwassermengenabfluss und Konzentratabfluss eingestellt sowie die Reinheit oder Qualität des Reinwassers beeinflusst werden. Ferner kann beispielsweise aufgrund von schwankenden Zusammensetzungen des Rohwassers und/oder Schwankungen des Arbeitsdruckes der Konzentratdurchfluss so änderbar sein oder geändert werden, dass bei Einhaltung von oberen Grenzwerten eines oder mehrerer Inhaltsstoffe des Reinwassers und/oder von hinsichtlich dieser empfindlichen physikalischen Größen des Reinwassers wie z.B. der Leitfähigkeit (insbesondere ohmscher Leitfähigkeit) eine maximale Ausbeute an Reinwasser erhalten wird. Entsprechend kann anstelle der Änderung des Konzentratflusses auch der Reinwasserfluss änderbar sein oder geändert werden. Bei ausreichend niedrigen Konzentrationen an Soluten im Reinwasser, z.B. bestimmt über eine in Bezug auf die Reinwasserqualität empfindliche Größe wie den Leitwert, kann durch Erhöhung des Arbeitsdruckes die Reinwasserausbeute erhöht und z.B. maximiert werden, bis vordefinierte Grenzwerte erreicht werden.

Im folgenden ist das solutarme Fluid Reinwasser, gegebenenfalls können aber auch andere Fluide gereinigt werden.

Eine Einstellung der Begrenzungsvorrichtung kann beispielsweise manuell, durch automatische Steuerung oder, wie weiter unten als bevorzugte Form detaillierter ausgeführt, durch eine Regelung erfolgen.

Gemäß dem Stand der Technik kann das Fluid bzw. das Rohwasser mittels einer dem Umkehrosmosemodul vorgeschalteten Filterstrecke gereinigt sein. Die Filterstrecke kann beispielsweise in Strömungsrichtung des Fluids einen Vorfilter, um Sedimente von bis 5μ auszufiltern, einen Aktivkohlefilter zur Abtötung von Bakterien und Keimen und einen weiteren Sedimentfilter für Sedimente bis beispielsweise 1μ umfassen.

Bevorzugt ist die Messvorrichtung auf eine die Wasserqualität des Reinwassers bestimmende Messgröße empfindlich. Somit kann eine unmittelbare Aussage hinsichtlich der Reinwasserqualität gemacht werden und damit eine ständige Kontrolle der Reinwasserqualität erfolgen. Als Messgröße kann beispielsweise die Ladungstrennung von Ionen in dem Reinwasser bei Anlegen eines elektrischen Feldes dienen. Ferner kann die Messung einer induzierten oder inhärenten elektrischen Größe wie z.B. von dielektrischen Eigenschaften oder Kapazitäten, elektrische oder dielektrische Hystereseeigenschaften, die Erfassung einer Magnetflussänderung in dem Reinwasser durch Anlegen eines statischen Magnetfeldes oder eines Wechselmagnetfeldes als Messgrundlage für die Messvorrichtung dienen. Damit ist die Messgröße charakteristisch für den Solutgehalt in dem Reinwasser.

Bevorzugt ist die erfasste physikalische Messgröße der Leitwert, insbesondere der ohmsche Leitwert, des Reinwassers und die Messvorrichtung eine Leitwerterfassungsvorrichtung zur Erfassung des Leitwertes des Reinwassers. Bekanntlich wird der Leitwert eines Fluids u.a. von der Konzentration der Solute, insbesondere von dissozierenden Salzen, im Solvent bestimmt. So wird beispielsweise destilliertes Wasser mit zunehmender Konzentration gelöster Inhaltsstoffe zunehmend elektrisch leitend. Der ohmsche Leitwert (1/Ohm) ist dem Reinheitsgrad des Reinwassers umgekehrt proportional, so dass durch diesen Leitwert als Messwert gleichzeitig eine unmittelbare Qualitätskontrolle des erzeugten Reinwassers erfolgen kann. Verändert sich der Solutgehalt in dem Rohwasser, so kann dies zu einem veränderten Solutgehalt in dem Reinwasser führen, welcher dann erfindungsgemäß über die Begrenzungsvorrichtung korrigiert werden kann. Damit kann zudem eine weitestgehend gleichbleibende Reinwasserqualität bei maximaler Reinwassermenge, die insbesondere auf ein Maximum eingestellt oder geregelt wird, erzielt werden. Ferner können auch feinste Verletzungen oder Mikrorisse der semipermeablen Membran, die zu einem sofortigen Anstieg von Soluten in dem Reinwasser führen würden, oder auch ein Verstopfen der Membran mit verminderten Reinwasserfluss unmittelbar erfasst werden.

Hierbei kann die Messung des Leitwertes an einem Ort zwischen in Flussrichtung hinter der semipermeablen Membran und einem Vorratsbehälter oder einer Entnahmestelle erfolgen. Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Messvorrichtung so angeordnet ist, dass sie die physikalische Messgröße des Reinwassers in dem Reinwasserausgang oder unmittelbar hinter diesem erfasst. Dadurch können übliche vorgefertigte Umkehrosmosemodule eingesetzt werden, die an den Reinwasserausgang angeschlossen werden. Die Leitwertmessung ist bevorzugt so eingerichtet, dass sie eine feste Messstrecke erfasst. Hierzu können beispielsweise zwei Messpole beabstandet zueinander in den Reinwasserausgang geführt sein, wobei die Messstrecke gleich dem Abstand zwischen Messpolen ist.

Zusätzlich zu oder anstatt der reinwasserabflussseitig angeordneten Messvorrichtung kann eine Druckerfassungsvorrichtung zur Erfassung des Druckes des Rohwassers vorgesehen sein und der erfasste Druck des Rohwassers als physikalische Messgröße dienen. Hierdurch kann beispielsweise auf Druckschwankungen im öffentlichen Leitungswassernetz oder bei einer Pumpanlage zur Förderung von Meerwasser in einer Meerwasserentsalzungsanlage reagiert werden, indem über die Veränderung des Konzentratflusses eine Druckangleichung hergestellt wird. Wird in einem anderen Fall ein stärkerer Druckabfall zum Beispiel durch ein Leck in einer Rohrleitung registriert, so kann auch, um die Qualität des Reinwassers nicht zu gefährden, eine plötzliche Öffnung des Konzentrationsabflusses erfolgen, um hierdurch den Umkehrosmosevorgang zu unterbrechen.

Hierzu kann die Druckerfassungsvorrichtung so angeordnet sein, dass sie den Druck des Rohwassers an mindestens einer Stelle zwischen der Druckerzeugungsvorrichtung und dem Umkehrosmosemodul erfasst. Zweckmäßigerweise, da konstruktiv unaufwändig und nahe der semipermeablen Membran, kann die Druckerfassungsvorrichtung den Druck des Rohwassers unmittelbar an dem Rohwassereingang erfassen. Dadurch können auch vorgefertigte Umkehrosmosemodule eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Umkehrosmoseanlage kann eine Anzeige oder Überwachungseinrichtung zur Anzeige oder Überwachung der mindestens einen physikalischen Messgröße vorgesehen sein. Gegebenenfalls kann eine manuelle Änderung eines Verfahrensparameters wie z.B. der Konzentratabflussmenge, der Reinwasserabflussmenge, des Arbeitsdruckes oder dgl. erfolgen oder eine Wartungsmaßnahme eingeleitet werden. Es kann auch zusätzlich oder allein ein akustisches Signal als Anzeige vorgesehen sein. Es kann ferner ein automatisches Nachstellen des Konzentratausganges in Abhängigkeit von der gemessenen oder registrierten physikalischen Messgröße vorgesehen sein.

Bevorzugt wird jedoch ein Regelkreis zur Steuerung der Konzentratdurchflussmenge mit der physikalischen Messgröße als Regelgröße. Hierzu kann nach dem Prinzip des Regelkreises die physikalische Messgröße, wie der (insbesondere ohmsche) Leitwert des Reinwassers und/oder der Druck im Rohwasser, die Regelgröße oder Istwert sein, die oder der mit einer bestimmten Führungsgröße oder einem Sollwert verglichen wird. Übersteigt die Abweichung der Regelgröße von der Führungsgröße um einen vorgegebenen Betrag, so wird die Regelstrecke, d.h. der Mengenfluss an Konzentrat durch den Konzentratabfluss und/oder der Arbeitsdruck, so geregelt, dass die Regelgröße zu der Führungsgröße hin geführt wird. Die Führungsgröße kann in der Umkehrosmoseanlage einstellbar oder fest eingestellt sein.

Die Begrenzungsvorrichtung kann ein einstellbares und/oder regelbares Drosselventil aufweisen. Bevorzugt kann das Drosselventil als Feinregulierventil und hier bevorzugt als Nadelventil ausgebildet sein, welches eine feine Änderung des Konzentratmengenflusses erlaubt, so dass ein optimales Verhältnis zwischen Reinwassermengenabfluss und Konzentratmengenabfluss eingestellt werden kann.

Zweckmäßigerweise weist das Umkehrosmosemodul in einem vorteilhaft einfachen Aufbau ein Gehäuse zur Aufnahme der Membran mit einem Gehäusekörper, einem stirnseitigen Eingangsflansch und einem stirnseitigen Ausgangsflansch auf. Zweckmäßigerweise kann der Rohwassereingang an den Eingangsflansch und/oder der Reinwasserausgang und der Konzentratausgang an den Ausgangsflansch angeschlossen sein. In einer bevorzugten Ausführung sind der Ausgangsflansch und/oder der Eingangsflansch von dem Körper demontierbar. Hierdurch kann das Gehäuse leicht geöffnet und gesäubert werden. Zudem kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die semipermeable Membran durch beide Öffnungen stirnseitig aufnehmbar ist. Zu ihrer Reinigung oder ihrem Austausch kann die Membran somit stirnseitig leicht entnommen werden. Eingangs- und/oder Ausgangsflansch können hierbei die jeweilige Stirnseite des Gehäuses vollständig freigeben. Das Gehäuse ist hierbei vorzugsweise als Hohlzylinder ausgeführt.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Umkehrosmoseanlage ist das Gehäuse mit Ein- und Ausgängen aus rostfreiem Edelstahl, der gegenüber den sonst üblicherweise verwendeten Kunststoffteilen eine erhöhte Festigkeit aufweist, die Messwerte der physikalischen Eigenschaften nicht beeinflusst, z.B. aufgrund der Freigabe von Weichmachern oder anderer Kunststoffkomponenten, und geschmacksneutral ist. Hierbei wird bevorzugt ein CrNiMoTi-Stahl, bevorzugter ein X 10 CrNiMoTi 18-10 oder ein X 6 CrNiMoTi 17-2-2 vorgeschlagen. Insbesondere die aufgeführten CrNiMoTi-Stähle sind besonders beständig gegenüber chloridhaltigen Medien und verändern nicht den Geschmack des Fluids bzw. des Reinwassers, so dass diese Werkstoffe für den Einsatz z.B. in Meerwasserentsalzungsanlagen oder anderen Anlagen im Lebensmittelbereich besonders geeignet sind.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Gewinnung von solutarmen Permeat aus einem Fluid mit Solvent und Solut, insbesondere zur Gewinnung von Reinwasser oder Reinstwasser aus Rohwasser, unter Abscheidung eines mit Soluten angereicherten Konzentrates beim Durchgang des Reinwassers durch eine semipermeable Membran mittels einer Umkehrosmoseanlage gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen gelöst, welches folgende Verfahrensschritte aufweist:
Zuführen von druckbeaufschlagtem Rohwasser über den Rohwassereingang in das Umkehrosmosemodul,
Umkehrosmose durch Durchtreten von Reinwasser durch die semipermeable Membran unter Zurücklassung eines mit Soluten angereicherten Konzentrates.
Abführen des Reinwassers durch den Reinwasserausgang und des Konzentrates durch den Konzentratausgang
Messung mindestens einer physikalischen Messgröße des Reinwassers und/oder des Rohwassers durch die Messvorrichtung.
Veränderung der Durchflussmenge an Konzentrat durch den Konzentratausgang in Abhängigkeit von der physikalischen Messgröße, wobei gegebenenfalls der Arbeitsdruck des Rohwassers gegen die Membran durch Veränderung oder Erzeugung eines Staudruckes des Konzentrates an der Begrenzungsvorrichtung verändert wird.

Mit einer Veränderung der Messgröße, zweckmäßigerweise mit Über- oder Unterschreiten eines bestimmten Messwertes oder mit Eintreten eines bestimmten Ereignisses, kann die Durchflussmenge an Konzentrat aus dem Umkehrosmosemodul in den Konzentratausgang bzw. durch den Konzentratausgang so verändert werden, dass die Messgröße wieder ihren ursprünglichen Wert erreicht.

Insbesondere kann der physikalische Messwert ein Maß für die Wasserqualität des Reinwassers repräsentieren. Dies ist besonders der Fall, wenn der physikalische Messwert empfindlich gegenüber einer von der Wasserqualität bzw. der Zusammensetzung des Reinwassers abhängigen Eigenschaft des Reinwassers ist. Diese können die bereits oben erwähnten physikalischen Größen sein, wie beispielsweise die Ladungstrennung elektrisch nicht neutraler Solute in dem Fluid oder dem Reinwasser durch Anlegen eines elektrischen Feldes sein, Änderung von Eigenschaften unter Einwirkung eines statischen Magnetfeldes oder eines Wechselmagnetfeldes u. dgl.

Bevorzugt wird als physikalischer Messwert der ohmsche Leitwert des Reinwassers (1/OHM) gemessen. Da messtechnisch einfach und sinnvoll, wird vorgeschlagen, die physikalische Messgröße am Reinwasserausgang zu messen.

Zusätzlich oder stattdessen kann der Druck des Rohwassers als physikalischer Messwert und zwar bevorzugt am Rohwassereingang registriert werden.

Die Einstellung zur Veränderung der Durchflussmenge an Konzentrat durch den Konzentratausgang kann manuell oder automatisch nachgesteuert werden. Bevorzugt wird jedoch die Veränderung der Durchflussmenge an Konzentrat durch den Konzentratausgang mit der physikalischen Messgröße als Regelgröße geregelt. Hierbei sind gemäß dem Prinzip des Regelkreises die Begrenzungsvorrichtung die Regelstrecke, der Leitwert die gemessene physikalische Messgröße und ein voreingestellter Wert die Führungsgröße, wobei die Führungsgröße fest eingestellt oder frei einstellbar sein kann.

Bevorzugt ist das Verfahren so ausgelegt, dass die Durchflussmenge an Reinwasser mit der physikalischen Messgröße als Regelgröße geregelt wird, so dass ein Reinwasser mit im Wesentlichen gleich bleibender Qualität erhalten wird. Im Regelkreis kann die Veränderung der Durchflussmenge an Konzentrat so geregelt werden, dass bei einer bestimmten Mindestabweichung der gemessenen physikalischen Messgröße als Regelgröße oder Istwert von der gewählten oder fest eingestellten Führungsgröße oder Sollwert die Konzentratdurchflussmenge durch die Begrenzungsvorrichtung als Regelstrecke so verändert wird, dass sich die Regelgröße der Führungsgröße annähert. D.h., übersteigt beispielsweise der Leitwert die Führungsgröße um einen bestimmten Betrag, so sind im Reinwasser unerwünscht viel Solute enthalten. Zur Korrektur vergrößert die Begrenzungsvorrichtung die Durchflussmenge an Konzentrat durch den Konzentratausgang, so dass der Arbeitsdruck im Fluid oder Rohwasser vor der Membran sinkt und sich, da vermehrt Konzentrat von der Membran fortgeführt wird, das Konzentrationsgefälle an der Membran vermindert. Dadurch gelangen weniger Solute in das Reinwasser, das somit eine größere Reinheit aufweist. Fällt umgekehrt der Leit wert um einen bestimmten Betrag unterhalb der Führungsgröße, so wird die Durchflussmenge an Konzentrat durch die Begrenzungsvorrichtung erhöht, welches zu einem Anstieg des Solutgehaltes im Reinwasser führt. Gleichzeitig wird so die Ausbeute an Reinwasser erhöht, so dass – falls gewünscht – stets auf eine maximale Ausbeute bzw. Durchflussmenge von Reinwasser eingestellt oder geregelt werden kann.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand dreier in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen jeweils in einer stark schematisierten Seitenansicht:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Umkehrosmoseanlage,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Umkehrosmoseanlage und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Umkehrosmoseanlage.
In den 1 bis 3 wird jeweils in einer stark schematisierten Seitenansicht jeweils ein bestimmtes Ausführungsbeispiel einer Umkehrosmoseanlage 1 gezeigt. Hierbei sind der Übersichtlichkeit halber sämtliche Bauteile fortgelassen worden, die nicht zur Erläuterung der Erfindung unbedingt notwendig sind.
Die Umkehrosmoseanlage 1 dient zur Gewinnung von solutarmen Permeat aus einem Fluid mit Solvent und Solut, insbesondere zur Gewinnung von Reinwasser Re oder Reinstwasser aus vorgereinigtem Rohwasser Ro, unter Abscheidung eines mit Soluten angereicherten Konzentrates K beim Durchgang des Reinwassers Re durch eine semipermeable Membran 2. Die Umkehrosmoseanlage 1 umfasst ein Umkehrosmosemodul 3 mit der semipermeablen Membran 2, einen Rohwassereingang 4, einen Reinwasserausgang 5 und einen Konzentratausgang 6. Ferner ist eine Druckerzeugungsvorrichtung 7 zur Druckbeaufschlagung des Rohwassers Ro in dem Umkehrosmosemodul 3 vorgesehen. Zur Vorreinigung des Rohwassers Ro ist eine hier nicht dargestellte Filterkette zur Ausfilterung von Sedimenten und zur Abtötung von Keimen vorgesehen.
Das mit Druck beaufschlagte Rohwasser Ro wird in das Umkehrosmosemodul 3 unter Druck eingeleitet und gegen die semipermeable Membran 2 gepresst, wobei das Reinwasser Re als Solvent gegen den osmotischen Druck durch die Membran 2 durchtreten und über den Reinwasserausgang 5 das Umkehrosmosemodul 3 verlassen kann. Das zurückbleibende Rohwasser Ro wird hierdurch zu einem mit Soluten angereicherten Konzentrat K, welches das Umkehrosmosemodul 3 durch den Konzentratausgang 6 verlässt. Das Rohwasser Ro wird mit einem Arbeitsdruck gegen die Membran 2 gedrückt, der entgegen dem und größer als der osmotische Druck auf Grund des Konzentrationsgefälles über die Membran 2 ist. Mit steigendem Arbeitsdruck gegen die Membran 2 wächst die Reinwassermenge an, wobei gleichzeitig die Qualität oder Reinheit des Reinwassers Re vermindert wird, da mit steigendem Arbeitsdruck auch vermehrt Solute mit in das Reinwasser gelangen.
An dem Konzentratausgang 6 ist eine Begrenzungsvorrichtung 8 zur Begrenzung des Konzentratflusses aus dem Umkehrosmosemodul 3 sowie eine Messvorrichtung 9 vorgesehen, so dass der Konzentratfluss gegebenenfalls aufgrund mindestens einer physikalischen Messgröße des Reinwasser Re und/oder des Rohwassers Ro durch die Begrenzungsvorrichtung 8 veränderbar ist. Durch die Veränderung des Konzentratflusses wird der Arbeitsdruck vor der Membran 2 verändert, so dass hierüber die Reinwassermenge und damit zugleich die Reinheit des Reinwassers Re verändert werden kann. Die Begrenzungsvorrichtung 8 weist ein fein regulierbares Drosselventil 10 auf, das als Nadelventil ausgeführt ist.
In dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel weist die Messvorrichtung 9 eine Leitwerterfassungsvorrichtung 11 zur Erfassung des ohmschen Leitwertes μ des Reinwasser Re auf. Der Leitwert μ (1/OHM) ist umgekehrt proportional zu dem Gehalt an Soluten in dem Reinwasser Re, so dass die Messvorrichtung 9 über die Erfassung des Leitwertes μ auf die Wasserqualität des Reinwassers Re empfindlich ist. Die erzielbare Reinheit des Reinwassers Re hängt neben u.a. baulichen Vorkehrungen, wie z. B. die Auslegung der Membran 2, von dem Arbeitsdruck des Rohwassers Ro von der Membran 2 abhängt. Das Reinwasser Re wird durch den Reinwasserausgang 5 und das Konzentrat K durch den Konzentratausgang 6 abgeführt.
Ändert sich der Leitwert μ, so kann erfindungsgemäß die Durchflussmenge an Konzentrat durch den Konzentratausgang 6 verändert werden. Die Durchflussmenge an Konzentrat kann beispielsweise verändert werden, um einen möglichst niedrigen oder konstanten Leitwert zu erhalten oder um den Leitwert unterhalb eines vordefinierten oberen Grenzwertes bei ansonstem maximaler Ausbeute an Reinwasser zu halten. Entsprechendes gilt für andere physikalische Messwerte, die für die Qualität an Reinfluid charakteristisch sind. Durch die Veränderung der Durchflussbedingungen des Konzentrates K durch das Drosselventil 10 kann somit der Druck des Rohwassers Ro gegen die Membran 2 und somit die Reinheit des Reinwassers Re gezielt verändert werden. Steigt beispielsweise der Gehalt an Soluten in dem Reinwasser Re an, so steigt der Leitwert μ an, was durch die Messvorrichtung 9 registriert wird. Entsprechend dem Anstieg des Leitwertes μ wird das Drosselventil 10 weiter geöffnet, so dass der Arbeitsdruck des Rohwassers Ro vor der Membran 2 absinkt. Damit verringert sich die Menge an Reinwasser Re und zugleich der prozentuale Anteil an Soluten in dem Reinwasser Re. Mit der geringeren Anzahl von Soluten in dem Reinwasser Re sinkt entsprechend der Leitwert μ, der durch die Leitwerterfassungsvorrichtung 11 erfasst wird. In umgekehrter Weise kann das Drosselventil 10 mit Absenken des Leitwertes μ weiter geschlossen werden, so dass der Arbeitsdruck vor der Membran 2 im Rohwasser Ro ansteigt und eine größere Menge an Reinwasser Re, jedoch mit größerem Solutengehalt gewonnen wird, über den der Leitwert μ wiederum ansteigt. In dem hier beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Regelkreis vorgesehen, in dem ein einstellbarer Leitwert die Führungsgröße oder Sollwert, der durch die Leitwerterfassungsvorrichtung 10 erfasste Leitwert μ die Regelgröße oder Istwert und die Begrenzungsvorrichtung 8 die Regelstricke sind. Vorgesehen ist, dass die Führungsgröße sowie die Abweichung der Regelgröße von der Führungsgröße, bei der die Regelung einsetzt, einstellbar sind. Selbstverständlich ist bei einer Anzeigeeinrichtung auch eine manuelle Einstellung möglich.
Die Messvorrichtung 9 mit der Leiterfassungsvorrichtung 11 ist unmittelbar am Reinwasserausgang 5 angeordnet, um möglichst frühzeitig Veränderungen im Leitwert μ und damit in der Qualität des Reinwassers Re zu erfassen. Damit wird der Leitwert μ dicht an dem Umkehrosmosemodul 3 und damit dicht an der Membran 2 gemessen. Wie hier nicht weiter dargestellt, weist die Leitwerterfassungsvorrichtung Messfühler auf, die in den Reinwasserausgang 5 hineinragen. Dadurch kann die Messvorrichtung 9 zusammen mit dem Reinwasserausgang 5 an das Umkehrosmosemodul 3 angeflanscht werden, welches Zusammenbau und Wartung der Umkehrosmoseanlage 1 erleichtert. In einer leichten Abänderung des ersten Ausführungsbeispieles des der Umkehrosmoseanlage 1 reichen die hier nicht dargestellten Messfühler in das Umkehrosmosemodul 3 hinein, um den Leitwert μ möglichst dicht an der Membran 2 messen zu können.
Abweichend von dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Messvorrichtung 9 des in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispieles eine Druckerfassungsvorrichtung 12 zur Erfassung eines Druckes P des Rohwassers Ro auf, wobei der erfasste Druck P des Rohwassers Ro als physikalische Messgröße dient. Die Druckerfassungsvorrichtung 7 kann allgemein so angeordnet sein, dass sie den Druck P des Rohwassers Ro an mindestens einer Stelle zwischen der Druckerzeugungsvorrichtung 7 und dem Umkehrosmosemodul 3 erfasst. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Druckerfassungsvorrichtung 12 unmittelbar an dem Rohwassereingang 4 angeordnet, so dass die Druckerfassungsvorrichtung 12 einen Druck P misst, der etwa gleich dem Betriebsdruck des Rohwassers vor der Membran 2 ist. Auch hier bietet die Anordnung der Druckerfassungsvorrichtung 12 an dem Rohwassereingang 4 konstruktiv den Vorteil, dass die Druckerfassungsvorrichtung 12 zusammen mit dem Rohwassereingang 4 unaufwändig an das Umkehrosmosemodul 3 angeflanscht werden kann. Gleich wie im ersten Ausführungsbeispiel, dient die physikalische Messgröße als Regelgröße oder Istwert eines Regelkreises, wobei hier der Druck P die Regelgröße ist. Des Weiteren ist auch hier die Begrenzungsvorrichtung 8 bzw. das Drosselventil 10 die Regelstrecke des Regelkreises. Weicht der gemessene Druck von einem vorgegebenem Druck als Führungsgröße in einem bestimmten Maße ab, so wird über die Begrenzungsvorrichtung 8 der Konzentratmengenabfluss durch die Begrenzungsvorrichtung 8 verändert. Ist der gemessene Druck zu gering, so wird das Drosselventil 10 zur Verminderung des Konzentratmengenabflusses weiter geschlossen, so dass hierüber der Betriebsdruck vor der Membran 2 erhöht wird. Umgekehrt, ist der gemessene Druck P zu groß, so wird das Drosselventil 10 zur Verminderung des Betriebsdruckes vor der Membran 2 weiter geöffnet.
In dem in 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel der Umkehrosmoseanlage 1 ist in Kombination der ersten beiden Ausführungsbeispiele der Umkehrosmoseanlage 1 vorgesehen, dass die Messvorrichtung 9 eine Leitwerterfassungsvorrichtung 10 an dem Reinwasserausgang 5 und eine Druckerfassungsvorrichtung 12 an dem Rohwassereingang 4 aufweist, so dass wahlweise der Leitwert μ des Reinwassers Re und/oder der Druck P des Rohwassers Ro als physikalische Messgröße dienen, über die die Begrenzungsvorrichtung 8 regelbar ist. Wird beispielsweise bei einer Drucknachregelung aufgrund eines gemessenen Druckes P über die Begrenzungsvorrichtung 8 mit einem erhöhtem Betriebsdruck vor der Membran 2 und einem erhöhten Reinwasserfluss durch die Membran über die Messung des Leitwertes μ der Leitwerterfassungsvorrichtung 11 festgestellt, dass der Leitwert μ einen bestimmten Führungsleitwert um einen bestimmten Betrag unterschreitet, so kann die Begrenzungsvorrichtung 8 so nachgeregelt werden, dass der Betriebsdruck im Rohwasser Ro vor dem Membran 2 durch weiteres Schließen des Drosselventiles 10 weiter ansteigt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn, wie im öffentlichen Leitungsnetz oder bei einer Pumpvorrichtung bei einer Meerentsalzungsanlage durchaus möglich, der Druck im Rohwasser Ro größeren Schwankungen unterworfen ist, so dass eine größere Regelung erforderlich wird.
In allen drei erläuterten Ausführungsbeispielen weist das Umkehrosmosemodul ein Gehäuse 13 zur Aufnahme der Membran 2 mit einem hier zylindrischen Gehäusekörper 4, einem stirnseitigen Eingangsflansch 15 und einem stirnseitigen Ausgangsflansch 16 auf. Wie den 1 bis 3 entnehmbar, ist der Rohwassereingang 4 an den Eingangsflansch 15 und der Reinwasserausgang 5 und der Konzentratausgang 6 an den Ausgangsflansch 16 angeschlossen. Vorgesehen ist, dass beide Flansche 15, 16 von dem Gehäusekörper 14 über hier nicht weiter dargestellte lösbare Verbindungsmittel demontierbar sind. Dies erleichtert die Montage und Wartung des Umkehrosmosemoduls 3, da die Membran 2 wahlweise durch den Ausgangsflansch 16 oder den Eingangsflansch 15 dem Umkehrosmosemodul 3 entnommen und ausgetauscht werden kann. Ferner kann bei Demontage beider Flansche das Gehäuse einfach und vollständig gereinigt werden. Vorgesehen ist ferner, dass das Gehäuse 13 mit den Ein- und Ausgängen 4, 5, 6 aus einem NiCrMoTi-Stahl gefertigt ist, der gegenüber üblichen Umkehrosmosemodulen aus Kunststoff den Vorteil einer höheren Festigkeit aufweist, so dass der Betriebsdruck entsprechend hoch eingestellt werden kann. Ferner ist dieser Edelstahl besonders geschmacksneutral, so dass er sich vorzüglich für den Einsatz zur Herstellung von Trinkwasser eignet.
Die Membran kann, wie in allen drei Ausführungsbeispielen gezeigt, schräg zur Strömungsrichtung des Rohwassers Ro angeordnet sein, so dass das Rohwasser Ro im Betrieb in dem Umkehrosmosemodul 3 entlang der Membran 2 streicht und hierbei die Membran 2 spült. Hierdurch werden eventuelle Salzablagerungen, die sich durch eine erhöhte Abscheidung von Soluten aus dem Fluid bzw. aus dem Rohwasser Ro an der Membran 2 bilden und zu einer Verstopfung der Membran 2 führen können, mit dem Konzentrat K durch den Konzentratausgang 6 aus dem Umkehrosmosemodul 2 gespült. Die Membran kann auch in Art einer zylindrischen Kartusche oder auch andere geeignete Weise ausgebildet sein.

1: Umkehrosmoseanlage
2: Membran
3: Umkehrosmosemodul
4: Rohwassereingang
5: Reinwasserausgang
6: Konzentratausgang
7: Druckerzeugungsvorrichtung
8: Begrenzungsvorrichtung
9: Messvorrichtung
10: Drosselventil
11: Leitwerterfassungsvorrichtung
12: Druckerfassungsvorrichtung
13: Gehäuse
14: Gehäusekörper
15: Eingangsflansch
16: Ausgangsflansch
Re: Reinwasser
Ro: Rohwasser
K: Konzentrat
μ: Leitwert
P: Druck

Claims

Umkehrsosmoseanlage zur Gewinnung von solutarmen Permeat aus einem Fluid mit Solvent und Solut, insbesondere zur Gewinnung von Reinwasser (Re) oder Reinstwasser aus vorgereinigtem Rohwasser (Ro), unter Abscheidung eines mit Soluten angereicherten Konzentrates (K) beim Durchgang des Reinwassers (Re) durch eine semipermeable Membran (2), wobei die Umkehrsosmoseanlage ein Umkehrosmosemodul (3) mit der Membran (2), einen Rohwassereingang (4), einen Reinwasserausgang (5) und einen Konzentratausgang (6) sowie eine Druckerzeugungsvorrichtung (7) zur Druckbeaufschlagung des Rohwassers (Ro) in dem Umkehrosmosemodul (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass konzentratausgangsseitig eine Begrenzungsvorrichtung (8) zur Begrenzung des Konzentratflusses aus dem Umkehrosmosemodul (3) vorgesehen ist und dass eine Messvorrichtung (9) vorgesehen ist, so dass der Konzentratfluss aufgrund mindestens einer physikalischen Messgröße des Reinwassers (Re) und/oder des Rohwassers (Ro) durch die Begrenzungsvorrichtung (8) veränderbar ist.
Umkehrsosmoseanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (9) auf eine die Wasserqualität des Reinwassers (Re) bestimmende Messgröße empfindlich ist.
Umkehrsosmoseanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (9) eine Leitwerterfassungsvorrichtung (11) zur Erfassung des Leitwertes (μ) des Reinwassers (Re) ist.
Umkehrsosmoseanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (9) so angeordnet ist, dass sie die physikalische Messgröße des Reinwassers (Re) in dem Reinwasserausgang (5) erfasst.
Umkehrsosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckerfassungsvorrichtung (12) zur Erfassung des Druckes des Rohwassers (Ro) vorgesehen ist und dass der erfasste Druck des Rohwassers (Ro) als physikalische Messgröße dient.
Umkehrsosmoseanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerfassungsvorrichtung (12) so angeordnet ist, dass sie den Druck (P) des Rohwassers (Ro) an mindestens einer Stelle zwischen der Druckerzeugungsvorrichtung (12) und dem Umkehrosmosemodul (3) erfasst.
Umkehrsosmoseanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerfassungsvorrichtung (12) den Druck (P) des Rohwassers (Ro) in dem Rohwassereingang (4) erfasst.
Umkehrsosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeige oder Überwachungseinrichtung zur Anzeige oder Überwachung der mindestens einen physikalischen Messgröße vorgesehen ist.
Umkehrsosmoseanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerung- oder Regelkreis zur Steuerung oder Regelung der Konzentratdurchflussmenge in Abhängigkeit von der physikalischen Messgröße vorgesehen ist.
Umkehrsosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinwasserabflussmenge erfassbar ist und unter Berücksichtigung von Grenzwerten an Soluten im Reinwasser die Reinwasserabflussmenge in Richtung auf eine maximale Abflussmenge einstellbar und/oder regelbar ist oder eine automatische Regelungseinrichtung hierfür vorgesehen ist.
Umkehrsosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsvorrichtung (8) ein einstellbares und/oder regelbares Drosselventil (10) aufweist.
Umkehrsosmoseanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselventil (10) ein Nadelventil ist.
Umkehrsosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Umkehrosmosemodul (3) ein Gehäuse (13) zur Aufnahme der Membran (2) mit einem Gehäusekörper (14), einem stirnseitigen Eingangsflansch (15) und einem stirnseitigen Ausgangsflansch (16) aufweist.
Umkehrsosmoseanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohwassereingang (4) an den Eingangsflansch (15) und/oder der Reinwasserausgang (5) und der Konzentratausgang (6) an den Ausgangsflansch (16) angeschlossen sind.
Umkehrsosmoseanlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsflansch (16) und/oder der Eingangsflansch (15) von dem Körper demontierbar sind.
Umkehrsosmoseanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) durch beide Öffnungen stirnseitig in das Gehäuse einführbar ist.
Umkehrsosmoseanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (13) mit Ein- und Ausgängen (4, 5, 6) aus rostfreiem Edelstahl gefertigt ist.
Verfahren zur Gewinnung von solutarmen Permeat aus einem Fluid mit Solvent und Solut, insbesondere zur Gewinnung von Reinwasser (Re) oder Reinstwasser aus Rohwasser (Ro), unter Abscheidung eines mit Soluten angereicherten Konzentrates (K) beim Durchgang des Reinwassers (Re) durch eine semipermeable Membran (2) mittels einer Umkehrsosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit folgenden Verfahrensschritten: Zuführen von druckbeaufschlagtem Rohwasser (Ro) über den Rohwassereingang (4) in das Umkehrosmosemodul (3), Umkehrosmose durch Durchtreten von Reinwasser (Re) durch die semipermeable Membran (2) unter Zurücklassung eines mit Soluten angereicherten Konzentrates. Abführen des Reinwassers (Re) durch den Reinwasserausgang (5) und des Konzentrates (K) durch den Konzentratausgang (6) Messung mindestens einer physikalischen Messgröße des Reinwassers (Re) und/oder des Rohwassers (Ro) durch die Messvorrichtung (9). Veränderung der Durchflussmenge an Konzentrat (K) durch den Konzentratausgang (6) in Abhängigkeit von der physikalischen Messgröße, wobei gegebenenfalls der Druck (P) des Rohwassers (Ro) gegen die Membran (2) durch Veränderung oder Erzeugung eines Staudruckes des Konzentrates (K) an der Begrenzungsvorrichtung (8) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der physikalischen Messwert ein Maß für die Wasserqualität des Reinwassers (Re) repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als physikalischer Messwert der Leitwert (μ) des Reinwassers (Re) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Messgröße am Reinwasserausgang (5) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (P) des Rohwassers (Ro) als physikalischer Messwert registriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Durchflussmenge an Konzentrat (K) durch den Konzentratausgang (6) mit der physikalischen Messgröße als Regelgröße geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge an Reinwasser (Re) mit der physikalischen Messgröße als Regelgröße gesteuert und/oder geregelt wird, so dass ein Reinwasser (Re) mit im Wesentlichen gleich bleibender Qualität erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinwasserabflussmenge erfasst wird und unter Berücksichtigung von Grenzwerten an Soluten im Reinwasser die Reinwasserabflussmenge in Richtung auf eine maximale Abflussmenge eingestellt und/oder geregelt wird.