DE102009030770A1

DE102009030770A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Trinkwasser mit Sonnenenergie und Anwendung eines Membranverfahrens

Info

Publication number: DE102009030770A1
Application number: DE102009030770A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Phys. Bach; Bernd Dr. Schultheis
Original assignee: UTEC AG SALT TECHNOLOGIES K; K Utec AG Salt Technologies
Current assignee: UTEC AG SALT TECHNOLOGIES K; K Utec AG Salt Technologies
Priority date: 2009-06-27
Filing date: 2009-06-27
Publication date: 2011-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine einfache Vorrichtung zur Herstellung von Trinkwasser aus versalzenem Wasser oder Meerwasser. Die erfindungsgemäße Apparatur ist sehr einfach aufgebaut, benötigt keine mechanischen Ausrüstungen wie Pumpen o. Ä. und außer Sonneneinstrahlung keine weitere Energie. Die Vorrichtung besteht aus einem einfachen Gehäuse, das durch eine Membran in zwei Kammern unterteilt wird. Die Membran muss aus feinporigem hydrophoben Gewebe hergestellt sein, so dass sie zwar für gasförmige Stoffe, nicht aber für Flüssigkeiten durchlässig ist. Das Wirkprinzip ist als Transmembrandestillation bekannt. Es werden zusätzliche Vorrichtungen wie Schwärzung der sonnenseitigen Oberfläche, Vorsetzen einer durchsichtigen Scheibe oder das Anbringen von Kühlrippen auf der Rückseite sowie andere konstruktive Details beschrieben, welche dazu dienen sollen, den Vorgang zu intensivieren. Die Vorrichtung wird mit Salzwasser befüllt, das in die vordere Kammer kommt, welche der Sonne zugewandt ist. In die entgegengesetzte Kammer wird etwas Kondensat eingefüllt. Nachdem der Behälter zur Sonne ausgerichtet wurde, erwärmt sich die vordere Kammer stärker als die hintere. Durch die Dampfdruckdifferenz auf beiden Seiten wird Wasserdampf vom Salzwasser durch die Membran zum entsalzenen Wasser transportiert und kondensiert dort. Das Kondensat kann als Trinkwaser verwendet werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung wird zur Herstellung von Trinkwasser aus versalzenem Wasser eingesetzt. Voraussetzung für die Funktion der Apparatur ist möglichst intensive Sonneneinstrahlung, so dass die Funktion am besten in subtropischen und tropischen Gebieten gegeben ist. Dort ist auch der Bedarf an Trinkwasser sehr hoch.
Durch die einfache Art der Ausführung ist keine zusätzliche Elektroenergie notwendig. Zunächst ist daran gedacht kleine dezentrale Einheiten als low-cost-Variante auszuführen. Durch Vergrößerung der Fläche und stabilere Konstruktion ist aber auch die Herstellung von Anlagen mit größerer Kapazität möglich.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
In weiten Gebieten der Erde ist die Wasserversorgung als Trink- und Brauchwasser durch relativ sauberes Grundwasser, wie dies in Mitteleuropa die Regel ist, nicht möglich. Dort wurden und werden bei Bedarf Anlagen errichtet, welche vorhandenes versalzenes Wasser – vor allem Meerwasser – mit verschiedenen bekannten technischen Methoden aufbereiten.
Etablierte Methoden sind vor allem verschiedene Eindampfanlagen (teilweise mit Brüdenkompression) oder als mehrstufige Vakuumverdampfungsanlagen. Diese Eindampfanlagen erfordern einen hohen Investitionsaufwand und Energie in Form von Wärmeenergie (Dampferzeugt mit fossilen Energieträgern) und/oder Elektroenergie.
Ein weiteres oft genutztes Wirkprinzip ist die Umkehrosmose bei der mittels Pumpendruck die zu reinigende Lösung nach einer Vorbehandlung durch eine Membran gedrückt wird. Der Eintrittsstrom wird dadurch aufgespalten und zwar in höher konzentriertes Retentat oder Konzentrat, das die Membran nicht durchdringt und den größten Teil der Mineralsalzionen sowie weitere Verunreinigungen enthält, und den die Membran durchdringenden Teil, das niedrig konzentrierte Permeat. Die Methode hat den Nachteil, dass durch die Aufkonzentration der osmotische Druck ansteigt. Das ist verbunden mit Erhöhung der notwendigen Pumpenleistung, höherem Energiebedarf und teurerer Anlagenausführung und größerem Verschleiß des Membranmaterials.
Aus verschiedenen Gründen vor allem aber wegen der meist hohen Sonnenscheindauer und der intensiven Sonneneinstrahlung in den betreffenden Gebieten mit Wassermangel ist in den letzten Jahren die Anwendung der Sonnenenergie für die Wasserentsalzung stark weiterentwickelt worden. Dies betrifft einfache und komplexe teils mehrstufige Verdunstungssysteme mit mehr oder weniger aufwendig konstruierten Kondensationssystemen. Komplexe technische Anlagenmeistens mehrstufige Verdampferanlagen – werden häufig zur Entsalzung großer Meerwassermengen eingesetzt. Diese betreffen jedoch nicht das Wesen der Erfindung.
An einfachen Vorichtungen wurde in den letzten Jahrzehnten vor allen der sogenannte Watercone) [Siehe z. B.: http://www.hanssauerstiftung.de/watercone_erfindung/] und Vorrichtungen, welche den Glashauseffekt nutzen. Der Watercone besteht aus einem Kegel aus durchsichtigem Material mit einer unten, am inneren Rand befindlichen Rinne. Der Kegel wird einfach über eine Schale mit Salzwasser gestülpt und auf den feuchten Boden gesetzt. Infolge der Sonneneinstahlung verdunstet Wasser und kondensiert anschließend am Kegelmantel. Die sich bildenden Kondensattropfen laufen innen an der Kegelmantelflächen nach unten und sammeln sich in der Rinne. Durch ein kleines Loch an der Kegelspitze kann das Kondensat entnommen werden.
Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, welche einem Glashaus ähneln. Sie funktionieren fast so wie der Watercone und unterscheiden sich somit deutlich vom erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Umkehrosmose wurde bereits kurz beschrieben. Eine Nutzung der Sonnenenergie könnte sich bei diesem Anlagentyp auf die Herstellung von Solarstrom mittels Photovoltaik ergeben. Dadurch würde sich aber am Wirkprinzip nichts Wesentliches ändern.
Ein weiteres Prinzip ist mit der Elektrodialyse gegeben. Hier werden in hintereinandergeschalteten durch Membrane getrennten Zellen mittels Gleichstrom gelöste Salze an- und abgereichert. Der Strombedarf ist der Salzkonzentration proportional, so dass ein wirtschaftlicher Betrieb im Vergleich zur Umkehrosmose nur bei noch geringeren Konzentrationen möglich ist.
Von den etablierten Membranverfahren, die im erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden könnten, soll vorzugsweise die Membrandestillation eingesetzt werden. Dieses angewendete Prinzip ist in den 1960er Jahren entwickelt worden und findet durch die Entwicklung preiswerterer Membranen und besserer Membranmodule zunehmend eine breitere Anwendung. Das Wirkprinzip ist schnell beschrieben: Die Vorrichtung besteht aus einem Behälter, der durch eine hydrophobe Membran in zwei Kammern getrennt ist. Die Membran ist aufgrund ihrer hydrophoben Eigenschaften und der geringen Porengröße für die Flüssigkeit undurchlässig. Der Dampf des Lösemittels – hier Wasserdampf – kann das Gewebe aber durchdringen. Gebräuchlich sind Membranen aus Polyolefinen, Polytatrefluorethylen (PTFE) oder Polyvenylidenfluorid (PVDF). Die Porengrößen sollten zwischen 0,1 und 0,5 μm betragen.) [Schneider, van Gassel; Chem. Ing. Techn. 56 (1984) 514–521] Die Membrandicke ist nicht so entscheidend – jedoch haben dünne Membranen einen höheren Durchsatz aufgrund der geringeren Weglänge für den Dampf, während sie relativ leicht benetzbar sind. Üblich sind Membrandicken zwischen 0,3 und 2 mm.
Wenn die Bedingungen so gewählt wurden, dass der Dampf auf der anderen Seite kondensiert, wird das zu entsalzene Wasser in der ersten Kammer durch Eindunstung aufkonzentriert und auf der anderen Seite der Membran sammelt sich reines salzfreies Wasser als Kondensat an. Der Stofftransport findet aufgrund der Dampfdruckunterschiede zwischen den beiden Kammern statt. Damit verbunden ist auch ein Wärmetransport. Es muss die Verdampfungswärme auf der Eintrittsseite (beim Salzwasser) zugeführt werden und gleichzeitig die Kondensationswärme auf der Austrittsseite (beim Trinkwasser) abgeführt werden, um Dampfdruckunterschiede und damit die Grundvoraussetzung für das Funktionieren des Prozesses zu gewährleisten.
Üblicherweise werden der Eintritts- und der Austrittsstrom mit Pumpen transportiert. Die Wärmezufuhr und -abfuhr erfolgen über Wärmetauscher. Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen die eingesetzte Wärme teilweise zurück gewonnen wird und wieder zum Heizen des Eintritts verwendet wird). [Ripperger, Schneider; Chem. Ing. Techn. 60 (1988) 144–145]
Im Unterschied zu den beschriebenen Vorrichtungen werden beim erfindungsgemäßen Verfahren weder Pumpen noch zusätzliche Wärmetauscher, noch elektrische Energie für den Betrieb der Vorrichtung und für das Verfahren verwendet.
Eine weiteres bekanntes
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist Verfahren und eine einfache Vorrichtung zur Entsalzung von Wasser. Die Vorrichtung ist sehr gut für die Versorgung einzelner Haushalte geeignet – auch dort wo kein elektrischer Strom zur Verfügung steht. Dies wird durch den Verzicht auf zusätzliche periphere Ausrüstungen wie Pumpen, Wärmetauscher usw. erreicht, deren Einsatz jedoch auch nicht ausgeschlossen ist, wenn die Gegebenheiten dies erforderlich machen.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Die Vorrichtung besteht aus einem Behälter, der mit einer Membran aus hydrophobem Gewebe in zwei Kammern getrennt wurde. Eine Kammer wird mit versalzenem Wasser z. B. Meerwasser gefüllt. Der Behälter wird in die Sonne gestellt und so ausgerichtet, dass die Seite, welche das versalzene Wasser enthält, in Richtung Sonne zeigt. Die Folge ist, dass durch die Sonneneinstrahlung die Seite mit dem zu entsalzenem Wasser erwärmt wird. Dadurch steigt der Dampfdruck des Salzwassers an, der Wasserdampf durchdringt die Membran und wird auf der anderen Seite, welche nicht der Sonne ausgesetzt ist kondensiert. Der Vorgang kann durch zusätzliche konstruktive Details intensiviert werden, weil dadurch die aufgenommenen und abgegebenen Wärmemengen vergrößert werden.
Dies können sein:

– Schwärzung der Oberfläche der sonnenzugewendeten Seite mit dem Salzwasser
– Vorsetzen einer durchsichtigen Scheibe aus geeignetem Material (Plastik, Glas) zur Ausnutzung des „Glashauseffektes” vor die sonnenzugewendete Seite mit dem Salzwasser
– Verbinden der Kammer mit einem Sonnenkollektor, Lösungsumwälzung durch Schwerkraft, um die Einfachheit der Vorrichtung und den Verzicht auf Pumpen und den Einsatz von Elektroenergie beizubehalten
– Helle bzw. metallische Oberfläche auf der Rückseite
– Anbringen von Kühlrippen auf der Rückseite
– Vorsetzen einer Metallplatte auf der Rückseite zum Schutz gegen Erwärmung von außen und zum Erzielen eines Kamineffektes verbunden mit Intensivierung des Wärmetransports.
– Zusätzlich kann die Rückseite des Behälters durch Beaufschlage mit Lösung (Salzwasser ist möglich!) gekühlt werden.

Infolge von Verdunstung auf der Salzwasserseite durch Temperaturerhöhung initiiert durch Sonnenstrahlung, Transport des Wasserdampfes durch die Membran und Kondensation im anderen Behälterteil nimmt die Kondensatmenge in der der Sonne abgewandten Kammer zu.
Die nachfolgend genannten Manipulationen sind während des Betriebes sinnvoll:

– Einfüllen und Wechseln von Salzwasser – das Wasser sollte abgelassen und durch neues ersetzt werden bevor sich Salzkristalle bilden. Diese Maßnahme ist nicht zwingend erforderlich bringt aber eine etwas höhere Leistung, da bei konzentrierten Lösungen der Dampfdruck sinkt und möglicherweise Poren der Membran verengt oder verstopft werden.
– Ausrichten des Behälters mit der Salzwasserseite zur Sonne. Diese Maßnahme sorgt für Erhöhung des Energieeintrages ins System. Es sollte mehrmals pro Tag erfolgen. Auf eine automatische Ausrichtung wird hier verzichtet, um bei der Grundphilosophie des einfachen Aufbaus zu bleiben.
– Entnahme von Kondensat zur Verwendung

Die Leistung des Membrandestillationsapparates hängt wesentlich von der Größe und der erreichten Temperaturdifferenz ab. Es wird mit Kondensatmengen von 3 bis 10 l/m² h gerechnet.
Als weitere sinnvolle zusätzliche Elemente können ein Vorratsbehälter mit der Kammer mit dem Salzwasser verbunden werden und ebenso ein Zusatzbehälter zur Aufnahme von Kondensat.
Weiterhin kann das Anbringen von Füßen und ein bis zwei variabler Stützen an der Rückseite des Behälters eine geneigte Aufstellung erleichtern und dann durch den steileren Einfallswinkel der Sonnenstrahlung eine Intensivierung des Vorganges bewirken. Dies ist besonders bei hochstehender Sonne in den Tropen und Subtropen empfehlenswert.
Besonders beim Betrieb ohne Kondensatbehälter ist folgende besondere Verfahrensweise empfehlenswert: Die Membran ist nicht straff gespannt, sondern ist eher schlaff. Wenn nun zuerst Salzwasser eingefüllt wird, führt dies dazu, dass sich die Membran Richtung Behälterrückseite in die Kammer, welche für Kondensat vorgesehen ist, hinein wölbt. Anschließend wird Trinkwasser oder Kondensat in die dafür vorgesehene Kammer gefüllt, die nun aber deutlich kleiner ist als wenn die Membran straff gespannt wäre. Diese Vorgehensweise bietet mehrere Vorteile: Erstens wird weniger Kondensat benötigt, zweitens ist der Vorrat an zu entsalzendem Wasser größer und drittens wölbt sich die Membran mit der Mengenreduzierung des Salzwassers und der Mengenerhöhung des Kondensates während des Betriebes zurück, so dass ständig die erforderlichen Räume zur Verfügung stehen.
Ausführungsbeispiel
Ein Apparat mit den Abmessungen Länge × Breite × Höhe von 200 × 700 × 700 mm aus Edelstahlblech, dessen Inneres durch eine ebene hydrophobe Membran in zwei Kammern geteilt ist und dessen Vorderseite geschwärzt ist, wird wie folgt befüllt: In die Kammer mit der geschwärzten Seite wird Meerwasser eingefüllt und in die andere Kammer kommt etwas entsalzenes Wasser z. B. vom Vortag. Dieser Behälter wird so in die Sonne gestellt, dass die geschwärzte Vorderseite in Richtung Sonne zeigt.
In Folge der Sonnenstrahlung und der Oberflächenfarbe wird sich der vordere Behälterteil wesentlich stärker aufheizen als der hintere Behälterteil. Diese Temperaturdifferenz bewirkt eine Dampfdruckdifferenz der Lösungen auf beiden Seiten der Membran, was zur Verdunstung von Wasser im vorderen Behälterteil führt. Der Wasserdampf durchdringt die für die Lösung unpassierbare, hydrophobe Membran und kondensiert im hinteren, der Sonne abgewandten Behälterteil mit der niedrigeren Temperatur.
Auf diese Weise können in 8 Stunden etwa 30 l Wasser in Trinkwasserqualität erzeugt werden, was bei großer Wasserknappheit zumindest für die wichtigste und lebensnotwendige Versorgung einer Familie ausreichend sein dürfte. Eine Steigerung der Menge ist bei gleicher Ausstattung proportional zur Vergrößerung der Fläche der Membran und der Querschnittsfläche des Behälter möglich.
Das Beispiel wird durch eine beigefügte Skizze zusätzlich erläutert.
Bezugszeichenliste

1: Behälter
2: geschwärzte Seite des Behälters, zur Sonne gerichtet
3: helle oder metallische Rückwand, im Schatten
4: hydrophobe Membran
5: Einfüllstutzen
6: Ablassstutzen
7: Kammer mit versalzenem Wasser
8: Kammer mit entsalzenem Wasser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- http://www.hanssauerstiftung.de/watercone_erfindung/ [0007]
- Schneider, van Gassel; Chem. Ing. Techn. 56 (1984) 514–521 [0011]
- Ripperger, Schneider; Chem. Ing. Techn. 60 (1988) 144–145 [0013]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Trinkwasser mit Sonnenenergie und Anwendung eines Membranverfahrens dadurch gekennzeichnet, dass – ein Behälter verwendet wird in dessen Inneren sich eine hydrophobe Membran befindet, welche den Behälter in zwei Kammern teilt – in eine Kammer des Behälters Salzwasser gefüllt wird, – der Behälter der Sonnenstrahlung ausgesetzt wird – die Behälterseite mit dem Salzwasser Richtung Sonne zeigt und in dem in der Folge Wasser verdunstet, das die Membran passiert und in der anderen Kammer kondensiert.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Salzwasser gefüllte Kammer mit einem Vorratsbehälter verbunden sein kann, der Salzwasser enthält.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensat enthaltende Kammer mit einem Behälter verbunden sein kann, der das entstehende Kondensat aufnimmt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Membran nicht straff gespannt ist sondern sich wölben kann, um unterschiedlichen Mengen und sich während des Betriebes verändernde Mengen von Salzwasser und Kondensat in den Kammern aufnehmen zu können.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise die Anordnung der Membran nicht in der Mitte des Behälters erfolgt sondern die vordere Kammer, welche das Salzwasser aufnimmt, größer ist als die andere Kammer mit dem Kondensat.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Salzwasserseite des Behälters, die zur Sonne ausgerichtet wird, geschwärzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass vor der sonnenseitig auszurichtenden Fläche der Kammer mit dem Salzwasser eine durchsichtige Scheibe montiert wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass vor der sonnenseitig auszurichtenden Fläche der Kammer mit dem Salzwasser ein Sonnenkollektor montiert wird, der lösungsseitig oben und unten mit der Kammer, welche Salzwasser enthält, verbunden ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kondensatseite des Behälters, die der Sonne abgewandt ist, hell oder metallisch glänzend ist.
Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kondensatseite des Behälters, die der Sonne abgewandt ist, mit Kühlrippen versehen ist.
Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass vor der Kondensatseite des Behälters, die der Sonne abgewandt ist, eine Metallscheibe in einem Abstand von einem oder mehreren Zentimetern montiert wurde und der so entstandene spaltförmige Raum unten und oben offen ist, um eine Kaminwirkung zu erzielen.
Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kondensatseite des Behälters, die der Sonne abgewandt ist, mit Lösung gekühlt wird.