DE102021107047A1

DE102021107047A1 - Osmoseverfahren und Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens

Info

Publication number: DE102021107047A1
Application number: DE102021107047.3A
Authority: DE
Inventors: Felix Lohmann-Richters; Eugen Hoppe; Holger Janssen; Martin Müller
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2022-09-22
Also published as: WO2022199909A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Osmoseverfahren, bei dem Wasser aus einer Speiselösung durch eine semipermeable Membran (7) zumindest einer Osmosezelle (2) in eine Zuglösung übertritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuglösung nach ihrer Verdünnung in der zumindest einen Osmosezelle (2) zum Betreiben zumindest einer elektrochemischen Zelle (3) eingesetzt wird, in welcher der Zuglösung Wasser entzogen wird, und dass die nach dem Verlassen der elektrochemischen Zelle (3) aufkonzentrierte Zuglösung nach dem Verlassen der elektrochemischen Zelle (3) erneut der zumindest einen Osmosezelle (2) als Zuglösung zugeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Osmoseverfahren, bei dem Wasser aus einer Speiselösung durch eine semipermeable Membran einer Osmosezelle in eine Zuglösung übertritt. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die zur Durchführung eines solchen Osmoseverfahrens eingerichtet ist.
Bei der Vorwärtsosmose tritt Wasser aus einer Speiselösung durch eine semipermeable Membran in eine Zuglösung über, wobei die Zuglösung einen höheren osmotischen Druck aufweist als die Speiselösung. Dabei ist die Membran derart ausgestaltet, dass sie für sonstige in der Speiselösung gelöst oder ungelöst enthaltene Stoffe undurchlässig ist. Die Speiselösung wird auf diese Weise aufkonzentriert und die Zuglösung verdünnt. Zumeist wird der Zuglösung in einem weiteren Prozess das Wasser wieder entzogen, um die Zuglösung erneut nutzen zu können. Hierfür werden zum Beispiel Destillation, Umkehrosmose und responsive Zuglösungen eingesetzt. Beim Einsatz der Vorwärtsosmose zur Wassergewinnung oder zur Aufkonzentration der Speiselösung ist die Entfernung des Wassers aus der Zuglösung zentral für die technische Umsetzung und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Die Vorteile der Vorwärtsosmose liegen in ihrer hohen Selektivität und im weniger starken Fouling der Membran im Vergleich zur Umkehrosmose. Nachteilig ist die kostenintensive Entfernung des Wassers aus der Zuglösung.
Weitere im Stand der Technik bekannte Varianten des Vorwärtsosmoseverfahrens sind das PRO-Verfahren (Pressure-Retarded Osmosis) und das PEO-Verfahren (Pressure-Enhanced Osmosis), die vergleichbare Vor- und Nachteile aufweisen.
Bei der Pressure-Retarded Osmosis tritt Wasser aus einer Speiselösung geringer Konzentration durch eine semipermeable Membran in eine Zuglösung höherer Konzentration. Anders als bei der Vorwärtsosmose ist die Zuglösung aber mit Druck beaufschlagt. Die Druckbeaufschlagung ist derart gewählt, dass der hydraulische Druck der Zuglösung geringer als ihr osmotischer Druck ist, um den Wassertransport durch die Membran zu ermöglichen.
Bei der Pressure-Enhanced Osmosis tritt Wasser aus einer Speiselösung geringer Konzentration durch eine semipermeable Membran in eine Zuglösung höherer Konzentration. Anders als bei der Vorwärtsosmose ist die Speiselösung aber mit Druck beaufschlagt, sodass die osmotische Druckdifferenz und damit der Wasserdurchtritt verstärkt wird.
Bei der Umkehrosmose tritt Wasser aus einer Speiselösung hoher Konzentration durch eine semipermeable Membran in eine Lösung geringerer Konzentration. Hierfür muss die Speiselösung mit einem Druck beaufschlagt werden, der größer ist als die Differenz der osmotischen Drücke.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Osmoseverfahren zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zuglösung nach ihrer Verdünnung in der zumindest einen Osmosezelle zum Betreiben zumindest einer elektrochemischen Zelle eingesetzt wird, in welcher der Zuglösung Wasser entzogen wird, und dass die nach dem Verlassen der elektrochemischen Zelle aufkonzentrierte Zuglösung nach dem Verlassen der elektrochemischen Zelle erneut der zumindest einen Osmosezelle als Zuglösung zugeführt wird.
Ein bekanntes Beispiel für eine solche elektrochemische Zelle ist eine für die Wasserelektrolyse eingesetzte Elektrolysezelle. Für die Wasserelektrolyse wird hochreines, meist vollentsalztes Speisewasser benötigt. Dafür wird bislang Wasser aufwendig aufgereinigt. Je nach Qualität des vorhandenen Wassers geschieht dies zum Beispiel durch Mikrofiltration und Umkehrosmose. Zumeist wird das Wasser anschließend noch durch Ionentausch zu Reinstwasser mit hohem elektrischen Widerstand aufgereinigt. In der US 2019/0323132 A1 ist unter anderem die Bereitstellung von Wasser für die Elektrolyse durch eine sogenannte „ entrochemische Zelle“ dargelegt. Hierbei wird die Dampfdruckdifferenz zwischen dem Zustrom und der Zuglösung genutzt, um Wasser über die Gasphase in die Zuglösung zu überführen.
Die Bereitstellung von Speisewasser für die Wasserelektrolyse ist an vielen derjenigen Orte sehr aufwendig, die sich besonders zur Erzeugung von Elektrizität aus erneuerbaren Quellen eignen, wie beispielsweise marine Umgebungen wie Offshore-Windparks und Schiffe, oder für Photovoltaik oder Windkraft geeignete, trockene Gebiete wie Wüsten oder Steppen. In diesen Gebieten ist kein Süßwasser verfügbar, so dass andere Wasserquellen wie Salzwasser oder Abwasser mit hohem Aufwand gereinigt werden müssen. Die Ansätze der Bereitstellung des Wassers für die Elektrolyse durch Transport über die Gasphase sind nicht geeignet, da hier im Vergleich zu Membranverfahren nur geringe Mengen transportiert werden können.
Erfindungsgemäß wird nun die Wasserzufuhr zum Betreiben der elektrochemischen Zelle durch die Osmose bereitgestellt und die Regeneration der Zuglösung der Osmose erfolgt durch die elektrochemische Zelle. Dies erlaubt zum einen die effiziente Bereitstellung von Wasser für die elektrochemische Zelle, selbst aus verunreinigtem Wasser oder sogar Salzwasser. So können zum Beispiel einfacher effiziente Systeme aufgebaut werden, um elektrochemische Zellen in Gegenden zu betreiben, in denen sauberes Wasser nur schwer verfügbar ist. Zum anderen wird die Regeneration der Zuglösung in Zusammenschau mit dem Betrieb der elektrochemischen Zelle wirtschaftlich.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Osmoseverfahren um ein Vorwärtsosmoseverfahren. Hierzu ist der Elektrolyt bekanntlich derart zu wählen, dass sein osmotischer Druck über dem osmotischen Druck der Speiselösung liegt. Alternativ können erfindungsgemäß auch Varianten des Vorwärtsosmoseverfahrens eingesetzt werden, insbesondere in Form eines PEO-Verfahrens oder eines PRO-Verfahrens. Dies ermöglicht mehr Flexibilität bezüglich des osmotischen Drucks der Speiselösung und des Elektrolyten sowie die Anpassung der Betriebsdrücke. In jedem Fall muss die Differenz von osmotischem Druck (Π) und absolutem Druck (p) auf der Speiselösungsseite (s) größer als auf der Elektrolyseseite (e) sein. Es muss also gelten: p(s) - Π (s) > p(e) - Π (e). Ein höherer osmotischer Druck der Speiselösung kann durch einen höheren absoluten Druck der Speiselösung ausgeglichen werden. In diesem Fall handelt es sich um Umkehrosmose, wobei erfindungsgemäß jedoch die Vorwärtsosmose oder deren oben genannte Varianten bevorzugt werden. Da die osmotische Druckdifferenz kleiner ist als bei der Herstellung von reinem Wasser wird weniger Druck und damit weniger Energie benötigt als ohne die Kopplung der Osmose und der elektrochemischen Zelle. Die Vorwärtsosmosemembran und die Zuglösung werden vorteilhaft so gewählt, dass möglichst viel Wasser durch die Membran tritt, die gelösten und ungelösten Stoffe auf beiden Seiten der Membran aber zurückgehalten werden. Abhängig von der Membran und der Zuglösung kann es vorteilhaft sein, die Vorwärtsosmose zweistufig auszuführen, zum Beispiel um höhere Reinheiten zu erreichen und eine andere Zuglösung einsetzen zu können.
Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei der elektrochemischen Zelle um eine Elektrolysezelle, die zur Durchführung einer Wasserelektrolyse zwecks Gewinnung von Sauerstoff und Wasserstoff verwendet wird.
Bei der Wasserelektrolyse handelt es sich vorteilhaft um eine alkalische Wasserelektrolyse oder um eine Wasserelektrolyse mit Anionenaustauschmembran.
Bei der Zuglösung handelt es sich vorteilhaft um einen alkalischen Elektrolyten, wie beispielsweise KOH, NaOH, Na2CO3, oder um eine organische Base. Derartige Zuglösungen sind aufgrund der geringen Reinheitsanforderungen an das Speisewasser vorteilhaft. Es können aber auch neutrale, saure oder Mischungen von Zuglösungen eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird gereinigtes Wasser gewonnen, indem dem gewonnenen, mit Wasserdampf gesättigten Sauerstoff und/oder Wasserstoff Wasser entzogen wird. Auf diese Weise kann als Nebenprodukt Trinkwasser gewonnen werden, was in einigen Regionen der Erde sehr vorteilhaft sein kann.
Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der elektrochemischen Zelle um eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle oder eine Direkt-Ammoniak-Brennstoffzelle.
Bevorzugt wird die Zuglösung zirkuliert, so dass sie von der Ausgangsseite der zumindest einen elektrochemischen Zelle zur Eingangsseite der zumindest einen Osmosezelle und von der Ausgangsseite der zumindest einen Osmosezelle zur Eingangsseite der zumindest einen elektrochemischen Zelle bewegt wird, wobei im Zuglösungskreislauf zwischen der zumindest einen elektrochemischen Zelle und der zumindest einen Osmosezelle bevorzugt zumindest ein Zuglösungsspeicher vorgesehen ist, der insbesondere auch als Gasabscheider dient.
Vorteilhaft werden die Volumenströme der zur Osmose geführten Zuglösung und der Speiselösung derart geregelt, dass die der Zuglösung in der zumindest einen elektrochemischen Zelle entzogene Wassermenge der in der zumindest einen Osmosezelle zugeführten Wassermenge entspricht oder umgekehrt.
Bei der Speiselösung handelt es sich bevorzugt um Salzwasser, beispielsweise Meerwasser, oder Abwasser.
Ebenso kann die Osmose zur Aufkonzentration von flüssigen Lebensmitteln, Wert- oder Abfallstoffen genutzt werden, welche dann die Speiselösung bilden.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, umfassend zumindest einen Zuglösungskreislauf, der zumindest eine Osmosezelle, zumindest eine elektrochemische Zelle und zumindest einen Gasabscheider beinhaltet, und eine Steuereinrichtung, die zur Steuerung des Volumenstroms der der Osmosezelle und/oder der elektrochemischen Zelle zugeführten Zuglösung und/oder zur Steuerung des Volumenstroms der der zumindest einen Osmosezelle zugeführten Speiselösung ausgelegt ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Zuglösungskreislauf einen ersten Teilkreislauf, der die Zuglösung zwischen einem Gasabscheider und der zumindest einen Osmosezelle zirkuliert, und einen zweiten Teilkreislauf auf, der die Zuglösung zwischen dem Gasabscheider und der zumindest einen elektrochemischen Zelle zirkuliert.
Bevorzugt weist der Zuglösungskreislauf wenigstens einen Sensor auf, wobei die Steuereinrichtung derart eingerichtet ist, dass diese den Volumenstrom der der Osmosezelle und/oder der elektrochemischen Zelle zugeführten Zuglösung und/oder den Volumenstrom der der zumindest einen Osmosezelle zugeführten Speiselösung und/oder den elektrischen Strom der elektrochemischen Zelle
basierend auf von dem wenigstens einen Sensor übermittelten Sensordaten regelt, wobei der wenigstens eine Sensor bevorzugt ein Sensor ist, der die Dichte und/oder die ionische Leitfähigkeit der Zuglösung erfasst.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von erfindungsgemäßen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist:

1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
3 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Gleiche Bezugsziffern beziehen sich nachfolgend auf gleiche oder gleichartige Komponenten.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 dient vorliegend zur Umsetzung von Strom zu Wasserstoff direkt in einem Offshore-Windpark. Als Hauptkomponenten umfasst die Vorrichtung 1 eine Osmosezelle 2, eine elektrochemische Zelle 3, einen anodenseitigen Gasabscheider 4 und einen kathodenseitigen Gasabscheider 5, wobei die Osmosezelle 2, die elektrochemische Zelle 3, und der kathodenseitigen Gasabscheider 5 in einen Zuglösungskreislauf 6 eingebunden sind. Die Gasabscheider 4 und 5 dienen vorliegend jeweils auch als Reservoir.
Die Osmosezelle 2 ist vorliegend als Vorwärtsosmosezelle ausgebildet und umfasst eine semipermeable Membran 7, genauer gesagt eine Vorwärtsosmosemembran, einen Speiselösungszulauf 8, einen Speiselösungsablauf 9, einen Zuglösungszulauf 10 und einen Zuglösungsablauf 11. Dabei ist die Membran 7 derart ausgestaltet, dass sie für Wasser durchlässig aber für sonstige in der Speiselösung gelöst oder ungelöst enthaltene Stoffe undurchlässig ist.
Bei der elektrochemischen Zelle 3 handelt es sich vorliegend um eine alkalische Elektrolysezelle mit einer metallischen Anode 12, einer metallischen Kathode 13, einer porösen Membran 14 bzw. Diaphragma, einem anodenseitigen Elektrolytzulauf 15, einem anodenseitigen Elektrolytablauf 16, einem kathodenseitigen Elektrolytzulauf 17 und einem kathodenseitigen Elektrolytablauf 18.
Die Gasabscheider 4 und 5 umfassen jeweils einen Flüssigkeitseinlass 19, einen Flüssigkeitsauslass 20 und einen Produktgasauslass 21.
Der Flüssigkeitsauslass 20 des anodenseitigen Gasabscheiders 4 ist mit dem anodenseitigen Elektrolytzulauf 15 der elektrochemischen Zelle 3 verbunden, und der anodenseitige Elektrolytablauf 16 ist mit dem Flüssigkeitseinlass 19 des anodenseitigen Gasabscheiders 4 verbunden.
Der Flüssigkeitsauslass 20 des kathodenseitigen Gasabscheiders 5 ist mit dem Zuglösungszulauf 10 der Osmosezelle 2, der Zuglösungsablauf 11 der Osmosezelle 2 mit dem kathodenseitigen Elektrolytzulauf 17 der elektrochemischen Zelle 3 und der kathodenseitige Elektrolytablauf 18 wiederum mit dem Flüssigkeitseinlass 19 des kathodenseitigen Gasabscheiders 5 verbunden. Ferner ist eine Bypassleitung 22 vorgesehen, die von dem Zuglösungszulauf 10 abzweigt und in den Zuglösungsablauf 11 mündet, so dass die Zuglösung ausgehend von dem Flüssigkeitsauslass 20 des kathodenseitigen Gasabscheiders 5 vorbei an der Osmosezelle 2 zum kathodenseitigen Elektrolytzulauf 17 der elektrochemischen Zelle 3 geleitet werden kann.
Bei der Zuglösung handelt es sich vorliegend um 32% Kalilauge. Die Speiselösung wird vorliegend als Meerwasser bereitgestellt. Der zum Betrieb der elektrochemischen Zelle 3 verwendete Elektrolyt wird durch die Zuglösung gebildet.
Während des Betriebs der Vorrichtung 1 wird der Osmosezelle 2 über ihren Speiselösungszulauf 8 die Speiselösung und über ihren Zuglösungszulauf 10 die Zuglösung zugeführt. Im Rahmen der innerhalb der Osmosezelle 2 stattfindenden Vorwärtsosmose saugt die Zuglösung Wasser durch die Membran 7 der Osmosezelle 2. Auf diese Weise wird die Speiselösung aufkonzentriert und die Zuglösung verdünnt. Die aufkonzentrierte Speiselösung verlässt die Osmosezelle 2 über den Speiselösungsablauf 9, während die verdünnte Zuglösung bzw. der verdünnte Elektrolyt über den Zuglösungsablauf 11 der Osmosezelle 2 und den kathodenseitigen Elektrolytzulauf 17 in die elektrochemische Zelle 3 eingeleitet wird. Anodenseitig wird die Zuglösung von dem anodenseitigen Gasabscheider 4 über den Flüssigkeitsauslass 20 des Gasabscheiders 4 und den anodenseitigen Elektrolytzulauf 15 in die elektrochemische Zelle 3 transportiert. Durch die zwischen Anode 12 und Kathode 13 angelegte Spannung entsteht in bekannter Weise an der Anode 12 Sauerstoff und an der Kathode 13 Wasserstoff, wobei kathodenseitig Wasser verbraucht wird. Anodenseitig wird die Zuglösung bzw. der Elektrolyt über den anodenseitigen Elektrolytablauf 16 und den Flüssigkeitseinlass 19 zurück in den anodenseitigen Gasabscheider 4 geleitet, in dem der gasförmige Sauerstoff durch den Produktgasauslass 21 ausgelassen wird. Kathodenseitig wird die nunmehr aufkonzentrierte Zuglösung bzw. der aufkonzentrierte Elektrolyt in über den kathodenseitigen Elektrolytablauf 18 und den Flüssigkeitseinlass 19 zurück in den kathodenseitigen Gasabscheider 5 geleitet, in dem der gasförmige Wasserstoff durch den Produktgasauslass 21 ausgelassen wird. Anschließend wird die aufkonzentrierte Zuglösung vom kathodenseitigen Gasabscheider 5 zur erneuten Verdünnung wieder zur Osmosezelle 2 geleitet, bevor er der elektrochemischen Zelle 3 zugeführt wird. Wahlweise kann ein aus dem kathodenseitigen Gasabscheider 5 kommender Zuglösungs-Teilstrom auch vorbei an der Osmosezelle 2 direkt zur elektrochemischen Zelle 3 geleitet werden, der sich mit der aus dem Zuglösungsablauf 11 der Osmosezelle 2 ausströmenden Zuglösung mischt, bevor er die elektrochemische Zelle 3 erreicht.
Zur Steuerung des Volumenstroms der der Osmosezelle 2 und/oder der elektrochemischen Zelle 3 zugeführten Zuglösung und/oder zur Steuerung des Volumenstroms der der zumindest einen Osmosezelle 2 zugeführten Speiselösung ist eine Steuereinrichtung 23 vorgesehen, die insbesondere vorliegend nicht näher dargestellte Pumpen und Ventile ansteuert. Der Zuglösungskreislauf 6 kann ferner wenigstens einen, in 1 nur exemplarisch eingezeichneten Sensor 24 aufweisen, der insbesondere die Dichte und/oder die ionische Leitfähigkeit der Zuglösung erfasst. In diesem Fall ist die Steuereinrichtung 23 derart eingerichtet, dass diese den Volumenstrom der der Osmosezelle 2 und/oder der elektrochemischen Zelle 3 zugeführten Zuglösung und/oder den Volumenstrom der der zumindest einen Osmosezelle zugeführten Speiselösung und/oder den elektrischen Strom der elektrochemischen Zelle 3 basierend auf von dem wenigstens einen Sensor 24 übermittelten Sensordaten regelt. Bevorzugt werden die Volumenströme der zur Osmose geführten Zuglösung und der Speiselösung derart geregelt, dass die der Zuglösung in der elektrochemischen Zelle 3 entzogene Wassermenge der in der Osmosezelle 2 zugeführten Wassermenge zumindest mittelfristig entspricht oder umgekehrt.
Erfindungsgemäß wird die Wasserzufuhr zum Betreiben der elektrochemischen Zelle 3 durch die Osmose bereitgestellt und die Regeneration der Zuglösung der Osmose erfolgt durch die elektrochemische Zelle 3. Dies erlaubt zum einen die effiziente Bereitstellung von Wasser für die elektrochemische Zelle 3, selbst aus verunreinigtem Wasser oder sogar Salzwasser. Entsprechend können einfacher effiziente Systeme aufgebaut werden, um elektrochemische Zellen 3 in Gegenden zu betreiben, in denen sauberes Wasser nur schwer verfügbar ist. Zum anderen wird die Regeneration der Zuglösung in Zusammenschau mit dem Betrieb der elektrochemischen Zelle 3 wirtschaftlich.
Es sei darauf hingewiesen, dass alternativ zu Meerwasser auch Salzwasser im Allgemeinen, ein Abwasserstrom, der beispielsweise aus Umweltschutzgründen aufkonzentriert werden muss, oder eine andere aufzukonzentrierende Flüssigkeit als Speiselösung verwendet und in der Vorwärtsosmose aufkonzentriert werden kann.
Ferner kann die Osmosezelle 2 alternativ auch zur Durchführung eines PEO-Verfahrens oder PRO-Verfahrens ausgelegt sein.
Eine weitere Variante besteht darin, die Membran 14 der elektrochemischen Zelle 3 als Anionenaustauschmembran auszuführen, wobei eine Natriumcarbonatlösung als Zuglösung eingesetzt wird.
2 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese unterscheidet sich allein dahingehend von der zuvor beschriebenen Vorrichtung 1, dass der Zuglösungskreislauf 6 kathodenseitig einen ersten Teilkreislauf 6a, der die Zuglösung zwischen dem kathodenseitigen Gasabscheider 5 und der Osmosezelle 2 zirkuliert, und einen zweiten Teilkreislauf 6b aufweist, der die Zuglösung zwischen dem kathodenseitigen Gasabscheider 5 und der elektrochemischen Zelle 3 zirkuliert. Dies hat den Vorteil, dass der Betrieb der Osmosezelle 2 und der elektrochemischen Zelle 3 separat voneinander gesteuert bzw. geregelt werden können, was bezogen auf die Steuerung bzw. Regelung größere Freiheiten gestattet.
3 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 dient vorliegend dazu, die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie zu wandeln. Als Hauptkomponenten umfasst die Vorrichtung 1 eine Osmosezelle 2, eine elektrochemische Zelle 3 und einen anodenseitigen Gasabscheider 4, die in einen Zuglösungskreislauf 6 eingebunden sind, wobei der Gasabscheider 4 gleichzeitig als Zuglösungsreservoirs dient.
Die Osmosezelle 2 ist vorliegend als Vorwärtsosmosezelle ausgebildet und umfasst eine semipermeable Membran 7, genauer gesagt eine Vorwärtsosmosemembran, einen Speiselösungszulauf 8, einen Speiselösungsablauf 9, einen Zuglösungszulauf 10 und einen Zuglösungsablauf 11. Dabei ist die Membran 7 derart ausgestaltet, dass sie für Wasser durchlässig aber für sonstige in der Speiselösung gelöst oder ungelöst enthaltene Stoffe undurchlässig ist.
Bei der elektrochemischen Zelle 3 handelt es sich vorliegend um eine Direkt-Brennstoffzelle, genauer gesagt um eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit einer Anode 12, einer Kathode 13, einer Membran 14, einem anodenseitigen Brennstoffeinlass 25, einem anodenseitigen Brennstoffauslass 26, einem kathodenseitigen Oxidationsmitteleinlass 27 und einem kathodenseitigen Oxidationsmittelauslass 28.
Der Gasabscheider 4 umfasst einen Flüssigkeitseinlass 19, einen Flüssigkeitsauslass 20, einen Produktgasauslass 21 und einen Brennstoffeinlass 29.
Der Flüssigkeitsauslass 20 des Gasabscheiders 4 ist mit dem Zuglösungszulauf 10 der Osmosezelle 2, der Zuglösungsablauf 11 der Osmosezelle 2 mit dem anodenseitigen Brennstoffeinlass 25 der elektrochemischen Zelle 3 und der anodenseitige Brennstoffauslass 26 wiederum mit dem Flüssigkeitseinlass 19 des Gasabscheiders 4 verbunden. Ferner ist eine Bypassleitung 22 vorgesehen, die von dem Zuglösungszulauf 10 abzweigt und in den Zuglösungsablauf 11 mündet, so dass die Zuglösung ausgehend von dem Flüssigkeitsauslass 20 des Gasabscheiders 4 vorbei an der Osmosezelle 2 zum anodenseitigen Brennstoffeinlass 25 der elektrochemischen Zelle 3 geleitet werden kann.
Bei der Zuglösung handelt es sich vorliegend um ein Methanol-Wasser-Gemisch. Die Speiselösung wird vorliegend beispielsweise als Meerwasser bereitgestellt. Die Zuglösung dient gleichzeitig als Brennstoff für die elektrochemische Zelle 3, Umgebungsluft als Oxidationsmittel.
Während des Betriebs der Vorrichtung 1 wird der Osmosezelle 2 über ihren Speiselösungszulauf 8 die Speiselösung und über ihren Zuglösungszulauf 10 die Zuglösung zugeführt. Im Rahmen der innerhalb der Osmosezelle 2 stattfindenden Vorwärtsosmose saugt die Zuglösung Wasser durch die Membran 7 der Osmosezelle 2. Auf diese Weise wird die Speiselösung aufkonzentriert und die Zuglösung verdünnt. Die aufkonzentrierte Speiselösung verlässt die Osmosezelle 2 über den Speiselösungsablauf 9, während die verdünnte Zuglösung über den Zuglösungsablauf 11 der Osmosezelle 2 und den anodenseitigen Brennstoffeinlass 25 als Brennstoff in die elektrochemische Zelle 3 eingeleitet wird. Kathodenseitig wird der elektrochemischen Zelle 3 über den kathodenseitigen Oxidationsmitteleinlass 27 das Oxidationsmittel zugeführt. Hierbei wird die chemische Reaktionsenergie der Zuglösung bzw. des Brennstoffs einerseits und des Oxidationsmittels andererseits in bekannter Weise in elektrische Energie gewandelt. Das kathodenseitige Reaktionsprodukt verlässt die elektrochemische Zelle 3 über den kathodenseitigen Oxidationsmittelauslass 28. Die Zuglösung, der in der elektrochemischen Zelle 3 Wasser entzogen wurde, strömt über den Brennstoffauslass 26 und Flüssigkeitseinlass 19 zurück in den Gasabscheider 4. Das Produktgas wird dort über den Produktgasauslass 21 ausgelassen. Ferner wird der Zuglösung über den Brennstoffeinlass 29 Methanol zugeführt.
Zur Steuerung des Volumenstroms der der Osmosezelle 2 und/oder der elektrochemischen Zelle 3 zugeführten Zuglösung und/oder zur Steuerung des Volumenstroms der der zumindest einen Osmosezelle 2 zugeführten Speiselösung und/oder zur Steuerung des Volumenstroms des der im Gasabscheider 4 enthaltenen Zuglösung zugeführten Methanols ist eine Steuereinrichtung 23 vorgesehen, die insbesondere vorliegend nicht näher dargestellte Pumpen und Ventile ansteuert. Der Zuglösungskreislauf 6 kann ferner wenigstens einen, in 3 nur exemplarisch eingezeichneten Sensor 24 aufweisen, der insbesondere die Dichte und/oder die ionische Leitfähigkeit der Zuglösung erfasst. In diesem Fall ist die Steuereinrichtung 23 derart eingerichtet, dass diese den Volumenstrom der der Osmosezelle 2 und/oder der elektrochemischen Zelle 3 zugeführten Zuglösung und/oder den Volumenstrom der der zumindest einen Osmosezelle zugeführten Speiselösung und/oder den Volumenstrom des der im Gasabscheider 4 enthaltenen Zuglösung zugeführten Methanols basierend auf von dem wenigstens einen Sensor 24 übermittelten Sensordaten regelt. Bevorzugt werden die Volumenströme der zur Osmose geführten Zuglösung und der Speiselösung derart geregelt, dass die der Zuglösung in der elektrochemischen Zelle 3 entzogene Wassermenge der in der Osmosezelle 2 zugeführten Wassermenge zumindest mittelfristig entspricht oder umgekehrt.
Die Vorteile, die mit der in 3 dargestellten Vorrichtung 1 einhergehen, entsprechenden den zuvor genannten Vorteilen.
Es sei darauf hingewiesen, dass alternativ zu Meerwasser auch ein Abwasserstrom, der beispielsweise aus Umweltschutzgründen aufkonzentriert werden muss, oder eine andere aufzukonzentrierende Flüssigkeit als Speiselösung verwendet und in der Vorwärtsosmose aufkonzentriert werden kann.
Ferner kann die Osmosezelle 2 alternativ auch zur Durchführung eines PEO-Verfahrens oder PRO-Verfahrens oder Umkehrosmoseverfahrens ausgelegt sein.
Eine weitere Variante besteht darin, die elektrochemische Zelle 3 als Direkt-Ammoniak-Brennstoffzelle auszubilden, wobei dann die Zuglösung entsprechend angepasst werden muss.
Es sollte klar sein, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsformen lediglich als Beispiel dienen und nicht einschränkend sein sollen. Vielmehr sind Änderungen und Modifikationen der Ausführungsformen möglich, ohne den durch die beiliegenden Ansprüche definierten Schutzbereich zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Osmosezelle
3: elektrochemische Zelle
4: Gasabscheider
5: Gasabscheider
6: Zuglösungskreislauf
6a: Teilkreislauf
6b: Teilkreislauf
7: Membran
8: Speiselösungszulauf
9: Speiselösungsablauf
10: Zuglösungszulauf
11: Zuglösungsablauf
12: Anode
13: Kathode
14: Membran
15: anodenseitiger Elektrolytzulauf
16: anodenseitiger Elektrolytablauf
17: kathodenseitiger Elektrolytzulauf
18: kathodenseitiger Elektrolytablauf
19: Flüssigkeitseinlass
20: Flüssigkeitsauslass
21: Produktauslass
22: Bypassleitung
23: Steuereinrichtung
24: Sensor
25: anodenseitiger Brennstoffeinlass
26: anodenseitiger Brennstoffauslass
27: kathodenseitiger Oxidationsmitteleinlass
28: kathodenseitiger Oxidationsmittelauslass
29: Brennstoffeinlass

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 Patentliteratur

US 2019/0323132 A1 [0009]

Claims

Osmoseverfahren, bei dem Wasser aus einer Speiselösung durch eine semipermeable Membran (7) zumindest einer Osmosezelle (2) in eine Zuglösung übertritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuglösung nach ihrer Verdünnung in der zumindest einen Osmosezelle (2) zum Betreiben zumindest einer elektrochemischen Zelle (3) eingesetzt wird, in welcher der Zuglösung Wasser entzogen wird, und dass die nach dem Verlassen der elektrochemischen Zelle (3) aufkonzentrierte Zuglösung nach dem Verlassen der elektrochemischen Zelle (3) erneut der zumindest einen Osmosezelle (2) als Zuglösung zugeführt wird.
Osmoseverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei diesem um ein Vorwärtsosmoseverfahren oder um ein PEO-Verfahren (Pressure-Enhanced Osmosis) oder um ein PRO-Verfahren (Pressure-Retarded Osmosis) handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Osmoseverfahren um ein mehrstufiges Osmoseverfahren handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (3) eine Elektrolysezelle ist, die zur Durchführung einer Wasserelektrolyse zwecks Gewinnung von Sauerstoff und Wasserstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wasserelektrolyse um eine alkalische Wasserelektrolyse oder um eine Wasserelektrolyse mit Anionenaustauschmembran handelt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zuglösung um einen alkalischen Elektrolyten oder um eine organische Base handelt.
Verfahren nach einem der Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass gereinigtes Wasser gewonnen wird, indem dem gewonnenen, mit Wasserdampf gesättigten Sauerstoff und/oder Wasserstoff Wasser entzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (3) eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle oder eine Direkt-Ammoniak-Brennstoffzelle ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuglösung zirkuliert wird, so dass er von der Ausgangsseite der zumindest einen elektrochemischen Zelle (3) zur Eingangsseite der zumindest einen Osmosezelle (2) und von der Ausgangsseite der zumindest einen Osmosezelle (2) zur Eingangsseite der zumindest einen elektrochemischen Zelle (3) bewegt wird, wobei im Zuglösungskreislauf (6) zwischen der zumindest einen elektrochemischen Zelle (3) und der zumindest einen Osmosezelle (2) bevorzugt zumindest ein Zuglösungsspeicher vorgesehen ist, der insbesondere auch als Gasabscheider (4, 5) dient.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenströme der zur Osmose geführten Zuglösung und der Speiselösung derart geregelt werden, dass die der Zuglösung in der zumindest einen elektrochemischen Zelle (3) entzogene Wassermenge der in der zumindest einen Osmosezelle (2) zugeführten Wassermenge entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Speiselösung um Salzwasser oder Abwasser handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Osmose zur Aufkonzentration von flüssigen Lebensmitteln, Wert- oder Abfallstoffen genutzt wird.
Vorrichtung (1), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist, umfassend zumindest einen Zuglösungskreislauf (6), der zumindest eine Osmosezelle (2), zumindest eine elektrochemische Zelle (3) und zumindest einen Gasabscheider (4, 5) beinhaltet, und eine Steuereinrichtung (23), die zur Steuerung des Volumenstroms der der Osmosezelle (2) und/oder der elektrochemischen Zelle (3) zugeführten Zuglösung und/oder zur Steuerung des Volumenstroms der der zumindest einen Osmosezelle (2) zugeführten Speiselösung ausgelegt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuglösungskreislauf (6) einen ersten Teilkreislauf (6a), der die Zuglösung zwischen einem Gasabscheider (5) und der zumindest einen Osmosezelle (2) zirkuliert, und einen zweiten Teilkreislauf (6b) aufweist, der die Zuglösung zwischen dem Gasabscheider (5) und der zumindest einen elektrochemischen Zelle (3) zirkuliert.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuglösungskreislauf (6) wenigstens einen Sensor (24) aufweist und dass die Steuereinrichtung (23) derart eingerichtet ist, dass diese den Volumenstrom der der Osmosezelle (2) und/oder der elektrochemischen Zelle (3) zugeführten Zuglösung und/oder den Volumenstrom der der zumindest einen Osmosezelle (2) zugeführten Speiselösung und/oder den elektrischen Strom der elektrochemischen Zelle (3) basierend auf von dem wenigstens einen Sensor (24) übermittelten Sensordaten regelt, wobei der wenigstens eine Sensor (24) bevorzugt ein Sensor ist, der die Dichte und/oder die ionische Leitfähigkeit der Zuglösung erfasst.