DE2046055B - Verfahren zum Einengen von Lösungen durch inverse Osmose - Google Patents

Description

die auf der Niederdruckseite dieser Membran anfallende verdünnte Lösung verworfen oder zur Ausgangslösung zurückgeführt wird.

Dabei ist vorzugsweise der Arbeitsdruck in der ersten und zweiten Stufe jeweils größer als R²Ti', wobei R das Rejektionsverhältnis der jeweiligen Membran und π der osmotische Druck der zur Membran geführten Lösung ist.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen beschrieben. Dabei wird unter anderem auf die Zeichnung Bezug genommen, die zur Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels dient. Sie zeigt ein Fließbild für eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann am besten an Hand der folgenden Gleichungen erklärt werden:

Die Salzabweisung bzw. Rejektion R bei der inversen Osmose wird durch die folgende Gleichung gegeben:

in der C und C" die Feststoffkonzentrationen (bzw. Konzentrationen an Gelöstem) auf der Hochdruck- und Niederdruckseite der Membran sind. Die Differenz/JC zwischen diesen Konzentrationen kann mithin durch folgende Gleichung wiedergegeben werden:

AC=C" -C = -RC - (2)

Der osmotische Druck π einer Lösung ist nahezu direkt proportional zu ihrer Konzentration, und die Differenz der osmotischen Drücke An kann mithin durch die Gleichung:

Απ = -Rn'

wiedergegeben werden; und weiter ist
Jv = -Lp(A P — σ Δ η),

wobei :

Jv = Wasserströmung, d. h. Liter Lösungsmittel (beispielsweise Watser), die durch 1 m² Membran pro Tag hindurchgehen,
Δ Ρ = hydrostatische Druckdifferenz zwischen der Niederdruck- und Hochdruckseite der Membran,

Lp = Volumenpermeationskoeffizient, d. h. Liter Flüssigkeit, die pro Tag bei einem Druck von 1 kg/cm² durch 1 m² hindurchgehen, J π = osmotische Druckdifferenz zwischen den Lösungen auf der Niederdruck- und Hochdruckseite der Membran und
σ = Salzabweisung bzw. Rejektion bei unendlich großer angewandter Druckdifferenz.

Wenn Jv groß ist, wird σ =* R, und die Gleichung(3) nimmt dann die Form an:

Jv = -Lp(AP+ R² π).

Damit eine inverse Osmose stattfindet, muß daher der auf einer Membranseite ausgeübte hydrostatische Druck immer gröfer als R²Tt' sein.

Gemäß der Erfindung wird nun ein Verfahren zum Einengen einer Speiselösung vorgesehen, bei dem die einem gewissen Arbeitsdruck ausgesetzte Speiselösung zunächst durch ein System mit in Reihe angeordneten stark abweisenden Membranen geschickt wird. Die durch die Membranen hindurchgehende (stark) verdünnte Lösung wird beseitigt, und die als (vorläufige) Produktlösung anfallende eingeengte Lösung wird noch unter einem Arbeitsdruck als Speiselösung zu einem System von schwach abweisenden Membranen geschickt.

Die Produktlösung dieser zweiten Stufe wird gesammelt, und die durch die schwach abweisenden Membranen hindurchgetretene verdünnte Lösung kann beseitigt oder vorzugsweise zur Ausgangsspeiselösung zurückgeführt werden. Der Betriebsdruck der zu den stark abweisenden Membranen geleiteten Lösungen soll höher sein als der Wert von R¹Ti' (gemäß der vorstehenden Definition) für die stark abweisende Membran, und der Betriebsdruck der zu den schwach abweisenden Membranen geleiteten Lösung soll größer als eier Wert von R²Tt' tür die schwach abweisende Membran sein.

Die Abweisung der stark abweisenden Membran muß höher sein als diejenige der folgenden Membranen gruppe. Stark abweisende Membranen sind solche Membranen, bei denen eine maximale Menge des Gelösten bzw. der gelösten Feststoffe, d. h. nahezu 100% der vom Lösungsmittel verschiedenen Produkte, abgewiesen werden. Gewünscht wird, daß nur das nahezu reine Lösungsmittel durch die stark abweisenden Membranen hindurchgeht. In diesem Falle ist σ ^ R ss 1 und die Speiselösung kann innerhalb dieses Systems so weit eingeengt werden, bis ihr osmotischer Druck nahezu gleich dem angewandten Betriebsdruck ist.

Schwach abweisende Membranen lassen neben dem Lösungsmittel (einen gewissen Anteil des Gelösten bzw.) einige gelöste Feststoffe durch die Membran hindurchtreten. In diesem Falle ist /i < 1, und die in der ersten Stufe, d. h. durch die stark abweisenden Membranen, bereits bis zu einem gewissen Grad angereicherte Speiselösung kann weiter eingeengt werden, bis der neue Wert von R²Tt' der schwach abweisenden Membranen wiederum nahezu gleich dem Arbeitsdruck ist.

Die Permeationsrate der Feststoffe bzw. des Gelösten durch die schwach abweisende Membran kann abhängig von den Arbeitsbedingungen und der gewünschten Lösungskonzentration variieren. Je niedriger die für die Produktlösung geforderte Konzentration an Gelöstem ist, um so höher kann beispielsweise die Rejektionsrate der Membranen sein, weil die Produktlösung dann einen niedrigen osmotischen Druck haben wird und ein vernünftiger hydrostatischer Drurk in der zweiten Stute noch annehmbare Fließgeschwindigkeilen verursacht.

Auf der anderen Seite sollten die schwach abweisenden Membranen um so durchlässiger sein, je höher die für die endgültige Produktlösung geforderte Konzentration (und damit ihr osmotischer Druck) ist. Vorzugsweise sollte die Menge des zurückgehaltenen Gelösten zumindest gleich der Menge an neben dem Lösungsmittel durch die Membranen der zweiten Stufe hindurchgehenden Feststoffe bzw. gelösten Anteilen sein.

Die Art der zu verwendenden Membranen ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht kritisch, solange die Membran den speziellen Anforderungen des auszuführenden Konzentrierungs-

prozesses genügt, d. h. den gewünschten Volumeiipermeationskoeffizienten (Lp) hat und den erforderlichen Betriebsdruck aushält, fm übrigen sollte die Membran natürlich unlöslich nnH ör>i>i*n{\Vw a*™

Lösungsmittel und allen Bestandteilen der Lösung chemisch inert sein. Celluloseacetatmembranen, die im Handel erhältlich sind, werden derzeit bevorzugt.

Die Membranen können irgendeine geeignete Gestalt haben und beispielsweise rohrförmig oder flach sein. Eine Reihe von mit ihren Enden aneinandergefügten rohrförmigen Membranen bildet ein bevorzugtes System von stark abweisenden Membranen.

Die gleiche Anordnung wird auch für das System der sehwach abweisenden Membranen bevorzugt, wenn große Volumina Lösungsmittel in der zweiten Stufe des Verfahrens von der Lösung abgetrennt werden müssen. Üblicherweise werden die Membranen von außen gestützt, damit sie den Betriebsdruck bei den Arbeiten mit inverser Osmose aushalten können. Die Abmessungen der Membranen werden unter Berücksichtigung des Ausgangsvolumens und des für die zu konzentrierende spezielle Speiselösung gewünschten Einengungsgrades ausgewählt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zum Einengen irgendwelcher Speiselösungen zu einer Produktlösung mit einem osmotischen Druck verwendet werden, der größer ist als der höchste erforderliche Arbeitsdruck. Typische Speiselösungen sind beispielsweise Fruchtsäfte, wie Orangensaft, Erdbeersaft oder Apfelsaft, und verdünnte Zuckerlösungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann chargenweise oder kontinuierlich ausgeführt werden, wobei letztere Arbeitsweise bevorzugt wird. Da die zusammen mit dem Lösungsmittel durch die schwach abweisenden Membranen hindurchgehenden gelösten Anteile bzw. Feststoffe sehr oft wertvolle Bestandteile sind, ist es vorteilhaft und wünschenswert, die von den schwach abweisenden Membranen herkommende verdünnte Lösung zu der ursprünglichen Speiselösung zurückzuführen. Da nur ein geringer Anteil des ursprünglich Eingespeisten zurückgeführt wird, kann die für die Durchführung des Verfahrens erforderliche Fläche der Membran auf ein Minimum reduziert werden.

Eine Ausführungsform einer Anlage gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Die verschiedenen Teile der Anlage können aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, die sich mit den verschiedenen Bestandteilen der Lösung vertragen und den Betriebsdruck aushalten können. Für die Verarbeitung von Nahrungsmittellösungen wird üblicherweise rostfreier Stahl bevorzugt.

Die Anlage bzw. Vorrichtung umfaßt einen Speisetarik 10, eine Hochdruckpumpe 12, ein System 14 von stark abweisenden Membranen, ein System 16 von schwach abweisenden Membranen, einen Produkttank 18 und einen Wassertank 20. Die Drücke innerhalb der Membransysteme 14 und 16 werden durch Druckeinstellmittel 22 und 24 eingestellt. Für die Rückführung der verdünnten Lösung vom System 16 zum Speisetank 10 sind Mittel, wie die Leitung 26, vorgesehen. Weiter sind auch Ventile zur Kontrolle der Flüssigkeitsströmung an verschiedenen Stellen der Anlage vorgesehen, und ein Luftsammler 27 ist direkt abströmseitig von der Pumpe 12 angeordnet. Bei Betrieb wird die Speiselösung durch die Pumpel2 vom Tank 10 zum System 14 der stark abweisenden Membranen gepumpt, in dem ein Teil des Lösungsmittels (wie beispielsweise Wasser) in praktisch reiner Form durch die Membran hindurehtritt und zum

to Wassertank 20 hin abfließt, während die eingeengte Lösung zum System 16 der schwach abweisenden Membranen fließt. Die durch die Membranen des Systems 16 hindurchgehende verdünnte Lösung wird über die Leitung 26 zum Speisetank 10 zurückgeführt.

Die im System 16 schwach abweisender Membranen anfallenden Produktlösungen werden im Tank 18 gesammelt. Bei kontinuierlicher Durchführung des Verfahrens wird die Speiselösung kontinuierlich durch die Leitung 28 zum Tank 10 zugeführt und die Pro-

ao duktlösung aus dem Tank 18 und das Lösungsmittel aus dem Tank 20 ebenfalls kontinuierlich entfernt.

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung

der Erfindung, die dadurch selbstverständlich in keiner Weise eingeschränkt werden soll. Alle nachfolgend

»5 angegebenen Teile und Prozentsätze sind Gewichtsteile bzw. Gewichtsprozente, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben wird.

Beispiele 1 bis 4

Bei diesen Beispielen wurden Celluloseacetatmembranen in der an Hand der Zeichnung beschriebenen Anlage verwendet, und die Druck- und Konzentrationsmessungen wurden an den in der Zeichnung markierten Stellen vorgenommen.

Die Ergebnisse der Messung von Konzentration, Druck und Durchfluß sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben, in der im übrigen die angegebenen Symbole folgende Bedeutung haben:

C = bei 30'C gemessene Konzentration in Brixgraden [Br] (Konzentrationsbestimmung durch Spindeln mit dem Saccharometei nach B r i x),

Q= Strömungsgeschwindigkeiten in Lit«t pro Tag Jv = Wasserpermeation in Liter Wasser pro m^:

Membran pro Tag,
R = mittlere Rejektionsrate der Membranen,

P = Arbeitsdruck in kg/cm*.
50

Bei der speziell für diese Beispiele verwendete! Anlage wurden als Hochdruckmembrangruppe h sechsunddreißig rohrfcrmige Membranen mit 1,27 cn (Vi") Innendurchmesser in einer Reihe ausgerichte verwendet und für die Niederdruckmembranen Ii ebenfalls sechsunddreißig rohrförmige Membranei mit einem Durchmesser von 1,27 cm.

.	Speise lösung	Cf :	Konzentrationen	0	C1	i c*	Strömungsgeschwindigkeiter	( Qc	T-her/Tag) G.	Qx	Oa
Bei spiel	Zuckerlösung	10,3 i	(Bt") (bei 30 C. j C1	0	15	; 44,5	Qf )	161	112	13	36
(D	Orangensaft	10,8 i	10.6	0	7	; 37	148	139	95	11	33
(2)	Orangensaft	10,9 !	10,5 i	0	6	i 36,5	128 :	174	115	13	46
V / (3)	Orangensaft	10,5 j	10,5 !	19,5	! 46,5	161	145	79	43	23
(4)		13,0 !		102 I

Die Wirksamkeit des neuen Verfahrens und der Anlage geht aus den Ergebnissen der Beispiele ohne weiteres hervor. Die Erfindung ermöglicht die Konzentrierung von Speiselösungen zu einer Produktlösun/. die einen höheren osmotischen Druck hat als der Summe aus dem höchsten hydrostatischen Arbeitsdruck, der auf die Lösung ausgeübt wird und dem osmotischen Druck der aus dent System ent* fernten Lösungsmittellösung entspricht.

Gemäß der Erfindung wird ein Betrieb bei gewünschtem Druckniveau zur Verhinderung einer Beeinträchtigung der Membranen und ein gewünschtes niedriges Verhältnis von Volumen Lösungsmittel, das durch die Membranen hindurchtritt, zu Volumen an gewonnenem Produkt erreicht. Das letztere Merkmal hilft die erforderliehe Fläche der Membranen zu vermindern und eine Vorrichtung mit einer bestimmten Pfoduktkapazität zu erhalten.

Beispiel	Λ,	Pa	Druck (kg/cmf)	Pb	P,	Salirejektion der Membranen (V.)	Ra	Waiserpermeation (l/m· Tag)	j Ju
	58,4	57,6	! Px	55,5	53,4	Ra :	63	Ju
0)	62,6	59,8	\ 57 :	52	49,2	100	77	34,6
(2)	63,3	60,5	57,6 I	52,7	47,1		88	29,6
(3)	59,8	56,2	! 57 I	47,8	42,2	100	50	35,8
(4)		I 53,4 j		100	24,4	4,1
		100	4,1
	4,1
2,7

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209531/529

Claims (2)

haltende einzuengende Lösung als «Speiselösung« und Patentansprüche: die nach dem Konzentrierungsverfahren erhaltene eingeengte Lösung als »Produktlösung« bezeichnet.

1. Verfahren zum Einengen von Lösungen durch Beim Einengen von Lösungen durch inverse Osinverse Osmose, dadurch gekennzeich- 5 mose wird die Speiselösung mit einer semipermeablen net, daß die Ausgangslösung in einer ersten Membran in Kontakt gebracht d. h. mit einer Mem-Stufe unter Verwendung einer Membran, die bran, die für Wasser durchlässig, aber für irgendpraktisch nur das reine Lösungsmittel passieren welche gelösten Bestandteile wie Zucker, organische läßt, teilkonzentriert wird, und daß von der dabei Ester und Elektrolyte praktisch undurchlässig ist, und erhaltenen teilkonzentrierten Lösung weiteres Lö- m es wird dann auf die Speiselösung ein Druck aussungsmittel in einer zweiten Stufe unter Verwen- geübt, der höher ist als der osmotische Druck. Auf Jung einer weiteren Membran abgetrennt wird, diese Weise wird relativ reines Wasser durch die die außer dem Lösungsmittel eine gewisse Menge Membran hindurch von der Lösung abgetrennt, und an Gelöstem hindurchläßt, und daß die in der die an Gelöstem angereicherte Lösung bleibt auf der zweiten Stufe auf der Hochdruckseite der Membran 15 Speiselösungsseite der Membran zurück. (Dabei anfallende Lösung als Produktlösung gesammelt, können selbstverständlich auch von Wasser verwährend die auf der Niederdruckseite dieser schiedene Lösungsmittel durch inverse Osmose in Membran anfallende verdünnte Lösung verworfen einem Konzentrierverfahren abgetrennt werden.)
oder zur Ausgangslösung zurückgeführt wird. Bei der industriellen Anwendung der inversen

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 20 Osmose zum Einengen von Lösungen zur Gewinnung zeichnet, daß der Arbeitsdruck in der ersten und von Konzentraten trifft man nun auf ernsthafte zweiten Stufe jeweils größer als Rrn' ist, wobei Schwierigkeiten. Eine konzentrierte Produktlösung R das Rcjektionsverhältnis der jeweiligen Mem- hat üblicherweii..; einen recht hohen osmotischen bran und π der oümotische Druck der zur Mem- Druck, und zur Erzielung konzentrierter Produkte bran geführten Lösung ist. «5 müssen daher sehr hohe, über dem osmotischen Druck

der Produktlösung liegende hydrostatische Drücke

angewandt werden. Wenn man nun die derzeit verfügbaren Membranen derart hohen Drücken aussetzt, unterliegen sie rasch einer Verdichtung und ihre

Die Erfindung betrifft ein Verf hren zum Einengen 30 Permeabilität nimmt ab. Diese Verdichtung der Mem-

von Lösungen durch inverse Osmose. branen verringert ihre Lebensdauer und beeinflußt

Zum Einengen von Lösungen sind unterschiedliche beträchtlich die Kosten des Verfahrens, wenn ein

Verfahren bekannt, wie das Abdampfen des Lösungs- häufiger Ersatz der Membranen notwendig wird,

mittels in der Wärme oder im Vakuum oder dessen Ein weiteres Problem sind die Anlagekosten für das

Ausfrieren und Abtrennen in kristallisierter Form. 35 gesamte System, das für hone Drücke ausgelegt

Derartige Verfahren sind jedoch nicht voll befriedi- werden muß.

gend, da zur Entfernung des Lösurgsmittels ein Es wurde daher laufend versucht, eine auf den

Phasenwechsel herbeigeführt werden muß, was die Prinzipien der inversen Osmose basierende Verfahrens-

dafür benötigten Anlagen oft kompliziert und das weise zu finden, nach der eingeengte Lösungen bei

Verfahren teuer macht. Weiter wurden bei diesen 40 verminderten hydrostatischen Drücken wirtschaftlich

Verfahren bisweilen wertvolle Bestandteile der zu erzeugt werden können, die also eine erfolgreiche

konzentrierenden Lösungen verloren und/oder zer- Anwendung kommerziell verfügbarer Membranen und

setzt. weniger kostspieliger Anlagen ermöglicht.

In letzter Zeit wurde versucht, eine Verbesserung Gemäß der Erfindung wird nun ein Verfahren zum durch Anwendung der inversen Osmose zu schaffen. 45 Einengen einer Speiselösung durch inverse Osmose Die Prinzipien der inversen Osmose können kurz vorgesehen, bei dem eine Produktlösung erhalten folgendermaßen zusammengefaßt werden: Wenn eine wird, deren osmotischer Druck höher ist als die Lösung und reines Wasser durch eine fi'r das Wasser Summe aus dem höchsten auf die Speiselösung ausdurchlässige Barriere (Membran) voneinander ge- geübten hydrostatischen Arbeitsdruck und dem osmotrennt werden, tritt ein Energiegradient auf, der 50 tischen Druck der durch die für inverse Osmose bewirkt, daß das Wasser durch die Membran hin- verwendeten Membranen hindurchgehenden Lösung, durch zur Lösung hinwandert. Der hydraulischen die beseitigt bzw. weggeschafft wird. Durch die Strömung des Wassers kann ein wirksamer Druck Erfindung werden auch die Flüssigkeitsströme voluzugeordnei werden, der proportional zur Konzen- menmäßig auf ein Minimum reduziert, so daß für tration der Lösung ist und »osmotischer Druck der 55 die Erzeugung eines gewünschten Produktvolumens Lösung« genannt wird. Die hydraulische Strömung pro Tag nur eine relativ kleine Membranfläche erforkann mithin durch Erhöhung des auf die Lösung derlich ist.

ausgeübten Druckes verlangsamt werden. Wenn der Die Erfindung besteht darin, daß die Ausgangshydrostatische Druck der Lösung gleich dem osmo- lösung in einer ersten Stufe unter Verwendung einer tischen Druck ist, tritt keine Flüssigkeitsströmung 60 Membran, die praktisch nur das reine Lösungsmitte! auf und wenn der hydrostatische Druck höher ist passieren läßt, teilkonzentriert wird, und daß von der als der osmotische Druck, kehrt sich die Strömung»- dabei erhaltenen teilkonzentrierten Lösung weiteres richtung um und es tritt nun Wasser von der Lösung Lösungsmittel in einer zweiten Stufe unter Verwendurch die Trennmembran zur Frischwasserseite hin dung einer weiteren Membran abgetrennt wird, die über. Dieser letztere Vorgang wird als inverse Osmose 65 außer dem Lösungsmittel eine gewisse Menge an bezeichnet. Gelöstem hindurchläßt, und daß die in der zweiten In der nachfolgenden Beschreibung und den An- Stufe auf der Hochdruckseite der Membran anfaläprüchen wird die Lösungsmittel und Gelöstes ent- lende Lösung als Produktlösung gesammelt, während