DE19819620C2 - Vorrichtung zur Gewinnung einer entsalzten Lösung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Permeat aus einer wässerigen Lösung, insbesondere Rohwasser, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Insbesondere in meernahen Gegenden sind in dem Haushalten bereitgestellten Rohwasser hohe Salzgehalte vorhanden, die eine Verwendung des Rohwassers für alle Bedürfnisse nicht zufriedenstellen können. Bei der daher erforderlichen Auf­ bereitung des Rohwassers werden Vorrichtungen eingesetzt, die eine Trennkammer mit einem Membranmodul umfassen, wel­ ches durch ein Trennverfahren wie zum Beispiel Umkehrosmose das Rohwasser in eine aufkonzentrierte Lösung (Konzentrat) und eine entsalzte Lösung (Permeat) aufteilt. Die Salzmoleküle des Rohwassers können die in diesem Falle osmotische Membran selbst unter Druck nicht überwinden und verbleiben deshalb im Konzentrat. Entsprechend bleibt das durch die Membran gefilterte Permeat weitgehend frei von Salzmolekülen.

Aus der DE 39 14 940 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Aufbereitung von Rohwasser bekannt. Über schaltbare Ventile wird bei der Entnahme von Rohwasser Permeat gewon­ nen, welches unter Verdrängung von Füllwasser in einen Druckspeicher abfließt. Zur Entnahme von Permeat sind mehrere Ventile zu schalten, was technisch aufwendig und umständlich ist. Dabei wird die Rohwasserleitung mit dem Füllwasservolumen verbunden, so daß das Permeat im wesent­ lichen unter Leitungsdruck aus dem Druckspeicher abfließt. Die Gewinnung von Permeat erfolgt im Niederdruckbereich, weshalb eine nur geringe Permeatausbeute gegeben ist.

Auch die aus der DE 195 45 277 A1 bekannte Vorrichtung nutzt die Umkehrosmose im Niederdruckbereich, was zur Folge hat, daß die Permeatausbeute im Vergleich zum Konzentrat gering ist. Erfahrungsgemäß fallen im Niederdruckbereich 5- 20% des zugeführten Rohwassers als Permeat an. Dieses Permeat fließt in einen Permeatspeicher ab, der so ausgelegt sein muß, daß er auch einen diskontinuierlichen, erhöhten Permeatbedarf abdeckt. Die geringe Permeatausbeute führt dazu, daß das Konzentrat sich qualitätsmäßig nur geringfügig vom Rohwasser unterscheidet und daher für viele Anwendungen im Haushalt wie Spülen und Reinigen vor­ behaltlos einsetzbar ist. Aufgrund der geringen Permeataus­ beute im Niederdruckbereich wird eine große Menge Rohwasser benötigt, welches meist als Abwasser ungenützt abfließt.

Aus der japanischen Patentoffenlegung Sho-62-91204 ist be­ kannt, zur Unterstützung der Filterleistung an den Filtrat­ auslaß ein Auslaufgefäß anzuordnen, dessen Luftraum über dem Flüssigkeitsspiegel von einer Strahlpumpe mit Unter­ druck beaufschlagt ist. Die Strahlpumpe ist im Konzentrat­ kreislauf angeordnet, der durch eine Pumpe betrieben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß die Ge­ winnung und Bereitstellung von Permeat zum Beispiel als Trinkwasser mit minimalem Energie- und Rohwasserverbrauch erfolgt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Wahl eines Druckspeichers, dessen Druckraum mit der Konzentratleitung über eine Strahldüse verbunden ist, kombiniert das Speichern und das Fördern von Permeat im Permeatnetz in einer einzigen Vorrichtung. Dabei ist der Unter- oder Überdruck im Druckraum allein aus dem Wasserleitungsnetz abgeleitet. Die wechselnde Schaltung zwischen der Erzeugung eines Unterdruckes oder eines Überdruckes erfolgt durch die Wahl des Benutzers, entweder Konzentrat oder Permeat zu verbrauchen.

Bei einem Verbrauch von Konzentrat fließt Konzentrat aus dem Konzentratraum einer Trennkammer heraus und erreicht über eine Konzentratleitung einen Strahlkopf der Strahl­ düse. Der beschleunigte Austrittsstrahl erzeugt beim Ein­ dringen in eine dem Strahlkopf mit Abstand gegenüber lie­ gende Leitung einen Druckabfall in dessen unmittelbarer Nä­ he. Die Ankopplung des den Austrittsstrahl umfassenden Un­ terdruckraumes der Strahldüse mit dem Druckraum vom Druck­ speicher ermöglicht, diesen Druckabfall als Saugeffekt zu verwenden. Beim gleichzeitigen Abfließen von Konzentrat wird der Druckraum des Druckspeichers, der mit der Strahl­ düse gekoppelt und entsprechend mit Konzentrat gefüllt ist, leergesaugt. Da die Druckmembran des Druckspeichers dem Druck nachgibt, überträgt sich der Saugeffekt auf den gegenüberliegenden Raum, der über die Permeatleitung mit dem Permeatraum der Trennkammer verbunden ist und somit das Druckgefälle über die Membran und daher auch die Permeat­ ausbeute erhöht. Das Entleeren des mit Konzentrat gefüllten Druckraums des Druckspeichers ist mit der Befüllung von Permeat des gegenüberliegenden Speicherraumes gekoppelt. Allein durch den Druck, der im Wasser­ leitungsnetz der zuführenden Wasserleitung ansteht, wird der Unterdruck im Druckspeicher ohne zusätzliche Pumpein­ richtung erreicht.

Die Verbindung des Permeatraums der Trennkammer mit dem Druckspeicher ermöglicht eine Erhöhung der Permeatausbeute. Bei einem Unterdruck im Druckspeicher wird Permeat aus dem Permeatraum der Trennkammer angesaugt. Der Unterdruck im Druckspeicher breitet sich im Permeatraum aus und erhöht den Wirkungsgrad der Trennmembran in der Trennkammer. Das Konzentrat bleibt weiterhin als Spülwasser verwendbar, da die Trennung im Niederdruckbereich verläuft. Das Konzentrat unterscheidet sich geringfügig vom Rohwasser und kann des­ halb problemlos bei Spülvorgängen im Haushalt verwendet werden. Während des Verbrauchs von Konzentrat bzw. Rohwas­ ser wird Permeat gewonnen und im Druckspeicher gesammelt. Wird im Haushalt Permeat gebraucht, schaltet der Benutzer den Mischwasserhahn auf der Permeatleitung um. Der Druck­ speicher entleert sich von dem im Speicherraum enthaltenen Permeat, zusätzlich gefördert durch den statischen Über­ druck des Konzentrats, der sich über die an der Strahldüse angebrachte Konzentratleitung im Druckspeicher aufbaut.

In Weiterbildung der Erfindung ist eine Zusatztrennkammer an die Konzentratleitung stromabwärts der Strahldüse ange­ schlossen. Deren entsprechender Permeatraum ist mit dem Speicherraum des Druckspeichers verbunden. Die Inbetrieb­ nahme dieser Zusatztrennkammer erfolgt durch die Steuerung eines Zulaufventils, das auf der Konzentratleitung zur Ver­ sorgung der Trennkammer angebracht ist. Die Steuerung ist mit einem an dem Druckraum angebrachten Schaltkontakt verbunden, der die Öffnung des Zulaufventils in Abhängig­ keit von der Füllmenge im Speicherraum regelt. Dazu ist ein Magnet auf der Druckmembran seitens des Speicherraumes angebracht, über den ein Schaltkontakt kontaktlos zu be­ tätigen ist, der das Zulaufventil schaltet, sofern ein er­ höhter Permeatbedarf besteht.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weite­ ren Ansprüchen.

In der Zeichnung ist ein nachfolgend beschriebenes Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaubild einer Vorrichtung zur Gewinnung von Permeat bei abfließendem Konzentrat,

Fig. 2 ein Schaubild einer Vorrichtung zur Gewinnung von Permeat bei abfließendem Permeat.

Die in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Vorrich­ tung 1 zur Gewinnung von Permeat weist eine als Membranmo­ dul ausgebildete Trennkammer 2 auf, die durch eine Trenn­ membran 3 in einen Konzentratraum 4 und einen Permeatraum 5 aufgeteilt ist. Der Konzentratraum 4 ist über eine Zulauf­ leitung 6 mit einem Wasserleitungsnetz 7 verbunden, über die der in Pfeilrichtung 8 zulaufende Volumenstrom des Roh­ wassers zufließt.

Vom Konzentratraum 4 zweigt eine Konzentratleitung 9 ab, welche in einen Strahlkopf 9b einer Strahldüse 10 mündet. Gegenüber dem Strahlkopf 9b befindet sich eine Leitung 11, die zu einer Armatur 12, zum Beispiel einem Mischwasser­ hahn, führt. Ist der Schaltabschnitt 13 der Armatur 12 auf die Konzentratleitung 11 geschaltet, fließt das Konzentrat in Pfeilrichtung 9a aus dem Strahlkopf 9b in die gegenüber­ liegende Konzentratleitung 11.

Der Permeatraum 5 ist über eine Permeatleitung 17 mit einem Druckspeicher 19 verbunden. Das dazwischen angeordnete Rückschlagventil 16 schützt die Trennmembran 3 der Trenn­ kammer 2 vor Gegendrücken; es läßt nur das Abströmen des Permeats aus dem Permeatraum in die Permeatleitung 17 gemäß Pfeilrichtung 17a zu.

Im Druckspeicher 19 ist der für das Permeat zur Verfügung gestellte Permeatraum 21 durch eine undurchlässige Druck­ membran 20 abgegrenzt. Der restliche Druckraum 22 des Druckspeichers 19 ist über eine Leitung 23 über die Strahldüse 10 mit der Konzentratleitung 9 verbunden.

Bei einem Verbrauch von Konzentrat bzw. Rohwasser entsteht in dem den Austrittsstrahl 10b umgebenden Raum 10a der Strahldüse 10 ein Unterdruck, der das Rohwasser 22 aus dem Druckspeicher 19 über die Leitung 23 in Pfeilrichtung 23a ansaugt. Über die Druckmembran 20 baut sich im Permeatraum 21 des Druckspeichers 19 ein Unterdruck auf, wodurch Per­ meat über die Permeatleitung 17 ansaugt wird. Somit füllt sich der Druckspeicher 19 mit Permeat, während Konzentrat abfließt.

Die in der Trennkammer 2 vorzusehende Trennmembran wird je nach Betriebsbedingungen in der Trennschärfe gewählt. So ist eine Umkehrosmose-, Nanofiltrations-, Ultrafiltrations- oder Mikrofiltrationsmembran einsetzbar. Sie arbeiten alle im Niederdruckbereich. Im Konzentratraum 4 steht bevorzugt maximal der Druck an, der im Wasserleitungsnetz 7 ansteht. Trotz des niedrigen Druckes von weniger als 10 bar - zweckmäßig 2-4 bar - wird eine ausreichende Permeatausbeute erzielt. Der überwiegende Teil des über die Zulaufleitung 6 zufließenden Rohwassers fließt über die Konzentratleitungen 9 und 11 aus dem Wasserhahn 15 in Pfeilrichtung 15a heraus. Selbst die erhöhte Permeatausbeute läßt weiterhin die Verwendung des Konzentrates als Spülwasser zu. Besteht ein erhöhter Bedarf an Rohwasser, kann über eine Zulaufleitung 26 zusätzlich Rohwasser zugeführt und über ein Zulaufventil 27 zugemessen werden. Es ist auch eine Möglichkeit gegeben, Warmwasser mit Rohwasser durch die Anbindung einer Warm­ wasserleitung 14 an die Armatur 12 zu vermischen.

Für den Verbrauch von Permeat wird die Armatur 12 in die Schaltstellung 13' verstellt, zum Beispiel durch Verschwen­ kung eines Mischwasserhahns. In dieser Schaltstellung ist die Konzentratleitung 11, gegebenenfalls mit Hilfe eines Zulaufventils 25, geschlossen und die Leitung 24 durch den Abzweig 18 mit der Permeatleitung 17 verbunden. Da wei­ terhin Wasser aus dem Wasserleitungsnetz 7 in Pfeilrichtung 8 in den im Konzentratraum 4 fließt, wird das Konzentrat aus dem Strahlkopf 9b in den Raum 10a der Strahldüse 10 fließen und über die Leitung 23 in Pfeilrichtung 23b in den Druckspeicher 19 strömen. Der sich über die Konzentrat­ leitung 9 und die Leitung 23 aufbauende Druck des Wasserleitungsnetzes 7 wirkt in Pfeilrichtung 22a auf die Druckmembran 20. Das Permeat im Druckspeicher 19 fließt unter dem Druck des Wasserleitungsnetzes 7 über die Per­ meatleitung 17 in Pfeilrichtung 17b zum Abzweig 18 und über die Leitung 24 zum Wasserhahn 15 heraus. Mit der Anordnung eines Rückschlagventils 16 am Ausgang des Permeatraums 5 wird verhindert, daß Permeat zurück in den Permeatraum 5 zurückfließen kann. Bis zur vollständigen Entleerung des Druckspeichers 19 strömt Konzentrat in den Druckraum 22 nach.

Hat der Verbraucher genügend Permeat entnommen oder ist der Druckspeicher 19 leer, wird er die Armatur 12 schließen oder auf die Schaltstellung 13 zurückstellen; beim Öffnen des Wasserhahns 15 fließt wieder Konzentrat.

Um die Fälle eines erhöhten Permeatbedarfs abzudecken, kann eine zusätzliche Trennkammer 2' über eine Zusatzkonzentrat­ leitung 28 stromab der Strahldüse 10 an die Konzentratlei­ tung angeschlossen werden. Dabei ist der in Pfeilrichtung 28a zulaufende Volumenstrom des Konzentrats über ein in der Zusatzkonzentratleitung 28 angeordnetes Zulaufventil 29 ge­ steuert. Die Trennkammer 2' ist von einer Trennmembran 3' in einen Konzentratraum 4', an dem eine Abwasserleitung 34 angeschlossen ist, und einen Permeatraum 5' geteilt. Der Permeatraum 5' ist vor Gegendrücken durch ein Rückschlag­ ventil 35 geschützt und über eine Leitung 31 mit dem Per­ meatraum 21 des Druckspeichers 20 verbunden. Das Zulauf­ ventil 29 ist über eine Steuerleitung 30 mit einem Schalt­ kontakt 32 an der Seitenwand des Permeatraumes 21 verbun­ den. Auf der Druckmembran 20 ist seitens des Speicherraumes 21 ein Magnet 33 angebracht, der den Schaltkontakt 32 betätigt. Die Öffnung des Zulaufventils 29 erfolgt in Abhängigkeit vom Füllstand im Permeatraum 21. Ab einer ge­ wissen Entnahmemenge gelangt der Magnet 33 in die Nähe des Schaltkontaktes 32 und bewirkt kontaktlos die Schaltung des Zulaufventils 29. Der Schaltpunkt ist durch die Anordnung des Schaltkontaktes 32 und des Magnets 33 bestimmt. Die Öffnung des Zulaufventils 29 führt zur ergänzenden Gewin­ nung von Permeat über die zusätzliche Trennkammer 2'. Das Konzentrat fließt über die Abwasserleitung 34 ab.

Gegebenenfalls kann die Zusatzkonzentratleitung 28 nach dem Zulaufventil 29 auch direkt in eine Abwaserleitung 36 mün­ den. Mit dem Abfließen von Konzentrat strömt Rohwasser in die Konzentratkammer 4 und die Strahldüse 10 in die Zusatz­ leitung 28 nach, wodurch Permeat in der Trennkammer 2 er­ zeugt wird.

Die Anordnung einer Strahldüse 10 hat den Vorteil, daß Per­ meat gewonnen, gespeichert und gefördert wird allein mit dem Druck, der aus dem Wasserleitungsnetz 7 zur Verfügung gestellt ist. Es wird keine zusätzliche Energie zur Druck­ erhöhung benötigt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann an die typischen Gegebenheiten eines Haushaltes angepaßt werden, indem die Trennkammer und der Druckspeicher 19 entsprechend dimen­ sioniert werden, um den täglichen Bedarf an Permeat zu decken. Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, ist die Vorrich­ tung 1 bestehend aus der Trennkammer 2, der Strahldüse 10, dem Druckspeicher 9 und gegebenenfalls der Zusatztrennkam­ mer 2' mit den jeweiligen Verbindungsleitungen, als Bau­ einheit ausgebildet, welche fertig montiert an den Ein­ satzort verbracht wird, wie zum Beispiel unter einer Küchenspüle. Zur Aufnahme des Betriebes der Vorrichtung 12 müssen die Zulaufleitung 6 mit dem Wasserleitungsnetz und die Leitungen 11 und 24 mit der Armatur 12 verbunden wer­ den.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Gewinnung einer entsalzten Lösung (Per­ meat) aus einer wässrigen Lösung, insbesondere Roh­ wasser, bestehend aus einer Trennkammer (2), die von einer Filtermembran (3) in einen Konzentratraum (4) und einen Permeatraum (5) aufgeteilt ist, mit einer in den Konzentratraum (4) mündenden Zulaufleitung (6) für die wässrige Lösung und einer von dem Konzentratraum (4) abzweigenden Konzentratleitung (9) sowie einer von dem Permeatraum (5) abzweigenden Permeatleitung (17), an der ein Druckspeicher (19) angeschlossen ist, der durch eine undurchlässige Trennmembran (20) in einen Speicherraum (21) und einen Druckraum (22) aufgeteilt ist, wobei der Speicherraum (21) mit der Permeatleitung (17) verbunden ist und der Druckraum (22) über ein Steuerventil (10) mit der Konzentratleitung (9) ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentratleitung (9) in den Strahlkopf (9b) einer Strahldüse (10) mündet, deren beschleunigter Austrittsstrahl (10b) in eine mit Abstand gegenüberliegende Ausgangskonzentratleitung (11) eintritt, und daß eine Saugleitung (23) aus einem den Austrittsstrahl (10b) umfassenden Unterdruckraum (10a) der Strahldüse (10) abzweigt und mit dem Druck­ raum (22) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (22) für einen Niederdruckbereich von weniger als 10 bar, insbe­ sondere 2 bis 4 bar, ausgelegt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangskonzentratlei­ tung (11) und eine Ausgangspermeatleitung (24), die aus der Permeatleitung (17) abzweigt, in einer gemeinsamen Armatur (12) münden, die einen Wasserauslaß (15) auf­ weist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Warmwasserleitung (14) in der Armatur (12) mündet, wobei das Warmwasser an den Auslaß von Konzentrat aus dem Wasserauslaß (15) koppel­ bar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Permeatraum (5) und dem Speicherraum (21) ein zum Speicherraum (21) öffnendes Rückschlagventil (16) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufleitung (6) an ein Wasserleitungsnetz (7) anschließbar ist und der Konzentratraum (4) für einen maximalen Wasserdruck des Leitungsnetzes (7) von weniger als 10 bar, insbesondere 2 bis 4 bar, ausgelegt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentratraum (4') einer Zusatztrennkammer (2') über eine Zusatzkonzen­ tratleitung (28) mit der Ausgangskonzentratleitung (11) verbunden ist und eine abzweigende Abwasserleitung (34) aufweist, wobei der von dem Konzentratraum (4') durch eine Filtermembran (3') getrennte Permeatraum (5') über eine Zusatzpermeatleitung (31) an den Speicherraum (21) angekoppelt ist und der in Pfeilrichtung (28a) zu­ laufende Volumenstrom des Konzentrats über ein in der Zusatzkonzentratleitung (28) angeordnetes Zulaufventil (29) steuerbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zulaufventil (29) über eine Steuerleitung (30) mit einem an der Außenseite des Speicherraums (21) angeordneten Schaltkontakt (32) ge­ koppelt ist, wobei der Schaltkontakt (32) das Zulauf­ ventil (29) in Abhängigkeit vom Füllstand des Speicher­ raums (21) öffnet oder schließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Außenseite des Speicherraumes (21) angeordnete Schaltkontakt (32) durch einen Magneten (33) an der Druckmembran (20) be­ rührungslos geschaltet ist, wobei die Anordnung des Magneten (33) und/oder des Schaltkontaktes (32) durch die Wahl eines vorgesehenen Füllstandes des Speicher­ raumes (21) bestimmt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembran (3, 3') eine Umkehrosmosemembran oder Nanofiltrationsmembran ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Zulaufleitung (6) eine direkte Verbindung (26) mit einem Zulaufventil (27) zur Ausgangskonzentratleitung (11) abzweigt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkammer (2), die Permeatleitung (17), der Druckspeicher (19), die Strahldüse (10) und gegebenenfalls die Zusatztrennkam­ mer (2') in einer Baueinheit (1) zusammengefaßt sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Permeat über ein steu­ erbares Ventil (25) Konzentrat zumischbar ist.