DE3927291A1 - Verfahren und vorrichtung zur umkehr-osmose - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Umkehr-Osmose-Verfahren, insbe­ sondere zur Wasseraufbereitung, bei dem eine Rohlösung einer semipermeablen Membran zugeführt und auf deren Ein­ gangsseite in Konzentrat und auf deren Ausgangsseite in Permeat getrennt wird, und die Membran zum Schutz vor Ablagerungen, Ausfällungen, Verstopfungen oder sonstigen Belägen regelmäßig während einer Spülzeit mit Rohlösung gespült wird. Zudem betrifft die Erfindung ein nach dem Prinzip der Umkehr-Osmose arbeitendes Wasserreinigungsgerät mit einer eine semipermeable Membran aufnehmenden Kammer, welche eingangsseitig mit einer Wasserleitung und ausgangs­ seitig mit je einer Abflußleitung für Konzentrat und Permeat verbunden ist.

Die Umkehr-Osmose als Verfahren zur Trennung von Stoffge­ mischen in deren Bestandteile mit Hilfe semipermeabler Mem­ branen sowie deren technische Anwendung, insbesondere zur Wasserreinigung, ist allgemein bekannt (vgl. z. B. "Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik", Verlag Moderne Industrie, 1979, Stichwort "Umgekehrte Osmose"). Beim Einsatz der Umkehr-Osmose zur Wasserreinigung werden vorzugsweise aus Patenten bekannte Wickelmembranmodule in Hohlzylinderform verwendet. Diese sind vor allem gegenüber Verunreinigungen, Ausfällungen und sonstigen Belägen aus der zu behandelnden Lösung sehr empfindlich.

Um Ablagerungen auf der semipermeablen Membran zu beseiti­ gen und deren Verstopfung zu verhindern, ist es bei nach dem Prinzip der Umkehr-Osmose arbeitenden Wasserreinigungs­ geräten bekannt, ein Spülventil der Konzentrat-Auslaßöff­ nung der Membrankammer nachzuschalten. Dieses muß im Nor­ malbetrieb mindestens zweimal am Tag vollständig geöffnet werden, damit die Membran unter Wasserleitungsdruck mit Rohwasser nicht erhöhter Konzentration durchspült wird. Dabei werden die Membran beeinträchtigende Keime, Minera­ lien und sonstiger Schmutz wegtransportiert. Zum Abbau von Konzentratanteilen im Rohwasser in der Membran-Kammer ist ferner das Spülventil so ausgebildet, daß es in der "Produktions-Stellung" (im Gegensatz zur "Spülungs- Stellung") die Membran-Kammer nicht vollständig abschließt, sondern noch eine gewisse Rest-Undichtigkeit aufweist. Dadurch kann in der Produktions-Stellung, in der Permeat erzeugt wird, Rohwasser erhöhter Konzentration kontinuier­ lich in verhältnismäßig geringem Durchfluß abtropfen. Dieses ständige "Tröpfeln" führt allerdings zu einem erhöh­ ten Verbrauch an Rohwasser und erweckt beim Benutzer den Eindruck, das Gerät oder das Spülventil sei defekt.

Bei einem anderen, bekannten Wasserreinigungssystem (vgl. das Bedienungs-, Montage- und Servicehandbuch für das Purolux-System der Firma Era-Elektronik sowie die Zeit­ schrift "ÖKO-TEST Magazin" 3/88 zu dem entsprechenden Purolux-Gerät) wird zwar in regelmäßigen Abständen, d. h. entsprechend einer Durchspülperiodendauer von vier Stunden, elektronisch gesteuert ein jeweils 30 Sekunden dauernder Spülzyklus durchgeführt, um die Membrane von Ablagerungen, Partikeln, Keimen u. dgl. zu reinigen. Diese vierstündige Periodendauer, mit der der Spülzyklus jedesmal neu gestar­ tet wird, ist allerdings zu lang, als daß man außerhalb der Spülzeiten auf eine weitere Abfuhr von Konzentrat von der Membran verzichten könnte. Mithin ist auch bei diesem Gerät eine ständige Abfuhr ("Tröpfeln") von Konzentrat notwendig, was zu einem hohen Verbrauch an Rohwasser führt.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren der eingangs genannten Art sowie ein (Wasserreinigungs-) Gerät, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, zu schaffen, bei welchem ein geringer Verbrauch an Rohlösung gewährleistet ist und die semipermeable Membran zuverlässig und mit hoher Lebensdauer arbeitet. Zur Lösung wird bei einem Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Zeitabstand zwischen den regelmäßig erfolgenden Spülzeiten so kurz zu halten und/oder die Membran einem so starken Spülstrom mit Roh­ lösung auszusetzen, daß außerhalb der Spülzeit keine abzu­ führende Menge an Konzentrat und Belag anfällt.

Mit anderen Worten, zur Beseitigung des ständigen Auslau­ fens von Lösung erhöhter Konzentration wird die Membran in bestimmten Zeitabständen stoßweise, d. h. für eine relativ kurze Zeitdauer, durchspült. Die Spülung erfolgt also aus­ schließlich im Pulsbetrieb; eine Konzentratableitung aus einer die Membran umgebenden Konzentratkammer außerhalb der Spülzeiten wird erfindungsgemäß ausgeschlossen. Der er­ zielte Vorteil besteht vor allem darin, daß an sich keine Reinigung der Membran mehr notwendig ist, weil durch das pulsweise Spülen in kurzen Zeitabständen die Entstehung von Belägen, Ablagerungen u. dgl. von vornherein verhindert wird bzw. dagegen vorgesorgt wird. Die daraus resultierende Verlängerung der Lebensdauer der Membran liegt auf der Hand. Zudem wird das ständige Tröpfeln durch die kurzzeitig unter vorzugsweise vollem Leitungsdruck für die Rohlösung erfolgende Abfuhr von Konzentrat ersetzt. Der Benutzer hat nicht mehr das psychologisch bedingte Gefühl, das Gerät sei wegen "Tröpfelns" defekt. Der genannte Verfahrensablauf läßt sich vorteilhaft mit einer sehr einfachen, insbesondere elektronisch ausgeführten Steuerung realisieren.

Vor allem in der Umkehr-Osmose-Wasserreinigungstechnik sind Wickelmembranen mit zylindrischem Hohlraum, bei denen die Rohlösung zur Bildung des Permeats radial in das Innere dieses Hohlraums gedrückt wird, weithin im Einsatz. Dem trägt eine zweckmäßig angepaßte Ausbildung der Erfindung Rechnung, indem während jeder Spülzeit ein Druckabfall ent­ lang der Wickelmembran, d. h. in deren axialer Längsrich­ tung aufgebaut bzw. aufrechterhalten wird, und dieser Druckabfall nach Ende jeder Spülzeit wieder vollständig zurückgenommen wird. Dabei kann die in radialer Richtung erfolgende Permeatgewinnung auch während der Spülzeit weiterlaufen, und Konzentratableitung einerseits und Permeatableitung andererseits sind voneinander vorteilhaft in verschiedene Richtungen separiert. Zweckmäßig erfolgt die Spülung unter dem vollen Druck der zur Membran führen­ den Eingangsleitung für die Rohlösung, um für letztere eine Durchflußgeschwindigkeit zu schaffen, die zum schnellen Abtransport von sich auf der Membran absetzenden Partikeln ausreichend ist.

Indem erfindungsgemäß das oben erläuterte kontinuierliche Abtropfen von Konzentrat durch pulsweises Spülen mit mög­ lichst hohem Druckabfall an der Membran ersetzt wird, wurde der unorthodoxe Weg eingeschlagen, einerseits das "Tröpfeln", d. h. die sehr kurzen Zeitabstände zwischen einzelnen Tropfen, regelmäßig durch drastisch vergrößerte Zeitintervalle zu ersetzen, und andererseits die Konzen­ tratabfuhr mit einer vorsorglichen "Reinigung" in einem Spülzyklus zu integrieren. Unter diesem Gesichtspunkt besteht eine im Rahmen erfindungsgemäßer Weiterbildungen liegende Maßnahme darin, daß die Spülzeit wesentlich kleiner ist das die Durchspül-Periodendauer, nach welcher die Membran regelmäßig gespült wird.

In anderer Weiterbildung wird die Erfindung mit einer vor­ bestimmten Menge an Rohlösung nicht erhöhter Konzentration durchgeführt. Damit läßt sich der Verbrauch von beispiels­ weise Rohwasser kontrollieren und auch gegebenenfalls mini­ mieren. Zweckmäßigerweise liegt die Spülzeit zwischen zwei und fünfzehn Sekunden. Eine praktisch besonders bewährte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Durchspül-Periodendauer etwa zweieinhalb Minuten, die Spülzeit drei Sekunden und die vorbestimmte Menge an frisch zugeführter Rohlösung 0,1 l beträgt. Ungefähr diese Menge wird bei der genannten Spülzeit unter gewöhnlichem Wasserleitungsdruck erzielt. Die genannte Durchspül­ periodendauer ergibt 576 Spülzyklen pro Tag mit jeweils 0,1 l zur Spülung verwendetem Rohwasser. Dies ergibt bei prak­ tisch eingesetzten Wasserreinigungsgeräten pro Tag einen Permeatgewinn von 20 l bei einem täglichen Rohwasser­ verbrauch von 77,6 l. Demgegenüber wird bei bisher bekann­ ten Verfahren und Vorrichtungen zur Wasserreinigung 200 l Rohwasser pro Tag zur Erzielung einer täglichen Permeat­ menge von 20 l benötigt.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Geräteanordnung besteht aus einer die semiper­ meable Membran umgebenden Kammer, welche für die Zuleitung der Lösung eine Einlaßöffnung und für die Ableitung des Konzentrats und Permeats je eine Auslaßöffnung aufweist. Der Permeat-Auslaßöffnung ist ein Spülventil nachgeschal­ tet, welches erfindungsgemäß zu dessen Öffnung periodisch von einem Zeitglied angesteuert wird, welches sowohl die Durchspül-Periodendauer, mit welcher jeder Spülzyklus ein­ geleitet wird, als auch die Spülzeit selbst generiert. Im Rahmen der erfindungsgemäßen pulsweisen Spülung vorzugs­ weise nach Ablauf weniger Minuten ist das Spülventil außer­ halb der Spülzeit möglichst dicht abgeschlossen, um ein "Tröpfeln" von Konzentrat auszuschließen.

Eine zweckmäßige Realisierung des Spülventils besteht in einem elektrisch ansteuerbaren Magnetventil, des Zeitglieds in einem Zeit-Relais oder einem elektronischen Timer. Ins­ besondere kann das Zeitglied als astabiler Multivibrator auf der Basis des integrierten Timer-Bausteins NE 555 aus­ geführt sein. Diese Anordnung eignet sich vor allem zum Einsatz in einem nach dem Prinzip der Unkehr-Osmose arbei­ tenden Wasserreinigungsgerät, dessen Spülventil erfindungs­ gemäß entweder innerhalb der Spülzeit vollständig geöffnet oder dicht geschlossen ist.

Um beispielsweise bei Defekt der Ablaufsteuerung für das Spülventil die Ausfallzeit überbrücken zu können, besteht eine Weiterbildung der Erfindung darin, dem automatisch gesteuerten Spülventil ein handbetätigbares Spülventil in Parallelschaltung nebenzuordnen, so daß eine Spülung auch manuell herbeigeführt werden kann.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzug­ ten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeich­ nung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Funktion eines auf der Basis der Umkehr-Osmose arbei­ tenden Wasserreinigungsgeräts,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des im Wasserreinigungsgerät nach Fig. 1 verwendeten Membranmoduls,

Fig. 3 eine Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Steuerungsmoduls zur Durchführung der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 weist ein Wasserreinigungsgerät 1 ein Gehäuse 2 auf, auf welchem ein Tank 3 für Permeat, z. B. membran­ gefiltertes Wasser, aufgesetzt ist. Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine Membran-Kammer 4 angeordnet. In deren Einlauf­ seite führt eine Leitung 5 für aufzubereitendes Rohwasser. Die Leitung 5 ist an ein Hauswasserleitungsnetz 6 gekop­ pelt, deren Druck von beispielsweise 3 bis 6 Bar in das Innere der Membrankammer 4 übertragen wird. Aus deren Aus­ laufseite führt eine Permeat-Leitung 7 in den Tank 3 sowie eine Konzentrat-Leitung 8 zu einer Ablauf-Einrichtung 8 a. Mit Hilfe eines am Tank 3 angebrachten Auslaufhahns 9 kann Permeat (gereinigtes Wasser) entnommen werden.

In Fig. 2 ist eine semipermeable Membran 10, wie sie in der Membran-Kammer 4 gemäß Fig. 1 verwendet wird, dargestellt. Sie ist als an sich bekannter zylinderförmiger Spiral­ wickelmodul ausgebildet, in dessen Innerem ein Rohr 11 zur Abführung des Permeats axial verläuft. Die Membran 10 wird auf ihrer Eingangsseite mit einem Zufluß 12 an auf­ zubereitender Rohlösung beaufschlagt, welche an der Aus­ gangsseite der Membran 10 einerseits in einen Konzentrat­ fluß 13 (Rohlösung mit erhöhter Konzentration) und anderer­ seits in einen Permeatfluß 14 (Lösung mit verminderter Kon­ zentration) getrennt wird. Das Permeat entsteht im wesent­ lichen, indem die Rohlösung radial nach innen in das am einen Ende verschlossene Rohr 11 für Permeatfluß 14 wan­ dert. Demgegenüber verbleibt erhöht konzentrierte Rohlösung am äußeren Umfang der Membran 10, welche in Form eines weitgehend axial gerichteten Konzentratflusses 13 ableitbar ist.

Hierzu ist gemäß Fig. 3 der Konzentrat-Ausgangsleitung 8 für den Konzentratfluß 13 (vgl. Fig. 2) ein Spülventil 15 nachgeschaltet, welches von einem dazugehörigen, schema­ tisch dargestellten Steuereingangsteil 16 so beeinflußt wird, daß es die Konzentratleitung 8 entweder vollständig öffnet oder dicht abschließt. Um auch eine handbetätigte Spülung zu ermöglichen, ist ein weiteres manuell betätig­ bares Spülventil 17 dem ersten Spülventil 15 parallel geschaltet. Gemäß Fig. 4 ist der Eingang 18 des Steuerein­ gangsteils 16 des erstgenannten Spülventil 15 mit dem Aus­ gang eines elektronischen Steuerungsmoduls 22 verbunden. Dieser weist einen Stromversorgungsteil 19, ein Zeitglied 20 und einen Stromtreiber 21 auf. Der Stromversorgungsteil 19 erzeugt aus dem Wechselstromnetz eine Gleichspannung für das zweckmäßig elektronisch ausgeführte Zeitglied 20. Dieses kann schaltungstechnisch beispielsweise als astabi­ ler Multivibrator ausgebildet sein, welcher eine periodi­ sche Rechteckspannung ausgibt. In der praktischen Anwendung ist das Zeitglied 20 so ausgelegt, bzw. dimensioniert, daß es Rechteckimpulse mit einer Dauer von drei Sekunden und eine Periodendauer von zweieinhalb Minuten ausgibt. Dies entspricht der Spülzeit bzw. der Durchspül-Periodendauer, mit welcher die Membran gemäß Fig. 2 innerhalb der Membran- Kammer 4 gemäß Fig. 1 mit vorzugsweise vollem Druck aus dem Hauswasserleitungsnetz 6 erfindungsgemäß beaufschlagt werden soll. Zu diesem Zweck ist der Ausgang des Zeitglieds 20 mit dem Eingang eines Stromtreibers 21 verbunden, der an seinem Ausgang mit hohem Innenwiderstand ein Stromsignal erzeugt, welches der Ansteuerung eines, z. B. elektro­ magnetisch mit einer Steuerspule ausgeführten Spülventils 15 dient.

Die Wirkungsweise ist wie folgt: Bei geschlossenem Spül­ ventil 15 (und auch geschlossenem manuellen Ventil 17) steht die Membran 10 innerhalb der Membran-Kammer 4 unter vollem Druck aus dem Hauswasserleitungsnetz 6, wobei auf­ grund der Umkehr-Osmose im Hohlraum bzw. inneren Rohr 11 der Membran 10 das Permeat entsteht. Außerhalb der Membran 10 verbleibt Konzentrat (Rohlösung erhöhter Konzentration). Wird das Spülventil 15 vom Zeitglied 20 über den Strom­ treiber 21 für die Spülzeit t angesteuert, kann sich der Konzentratabfluß 13 gemäß Zeichnung in axialer Richtung der Membran 10 bilden, der durch die entsprechend ange­ schlossene Konzentratleitung 8 (vgl. Fig. 1) abgeführt wird; gleichzeitig wird der Rohlösungszufluß 12 aus dem Hauswasserleitungsnetz 6 aufrechterhalten. Dabei entsteht ein außerordentlicher Druckabfall entlang der Membran 10. Dieser hat einen enormen Durchfluß an Rohlösung durch die Wickelschichten der Membran 10 zur Folge, aufgrund dessen sich Partikel, Keime oder Schmutzteilchen nicht im Membran­ gewebe ablagern können; gleichzeitig wird Rohlösung erhöh­ ter Konzentration mit fortgeschwemmt. Nach Ablauf der Spül­ zeit t inaktiviert das Zeitglied 20 das Magnetventil 15, so daß dieses die Membran-Kammer 14 gegenüber Konzentratabfluß 13 dicht abschließt. Der vorher aufgebaute axiale Druck­ abfall entlang der Membran 10 wird wieder beseitigt.

Claims (11)

1. Umkehrosmose-Verfahren, insbesondere zur Wasserauf­ bereitung, bei dem eine Rohlösung (12) einer semiper­ meablen Membran (10) zugeführt und auf deren Ein­ gangsseite in Konzentrat (13) und auf deren Ausgangs­ seite in Permeat (14) getrennt wird, und die Membran (10) zum Schutz vor Ablagerungen, Ausfällungen, Ver­ stopfungen oder sonstigen Belägen regelmäßig während einer Spülzeit (t) mit Rohlösung (12) gespült wird, gekennzeichnet durch einen so kurzen Zeitabstand zwischen den Spülzeiten (t) und/oder eine so hohe Spülstromstärke, daß außerhalb der Spülzeit (t) keine abzuführende Menge an Konzentrat (13) und Belag anfällt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rohlösung (12) zur Bildung des Permeats (14) radial in das Innere einer hohlzylindrisch ausgebildeten Membran (10) gedrückt wird, gekennzeichnet durch einen Druckabfall an der Membran (10) in deren axialer Richtung, der während jeder Spülzeit (t) angelegt und außerhalb der Spülzeit jeweils vollständig weggenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckabfall dem Leitungsdruck für die Roh­ lösung entspricht.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülzeit (t) wesent­ lich kleiner ist als eine Durchspül-Periodendauer, nach welcher die Membran (10) regelmäßig gespült wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülung mit einer vorbestimmten Menge an Rohlösung (12) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchspül- Periodendauer maximal fünfzehn Minuten beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülzeit (t) zwischen zwei und fünfzehn Sekunden beträgt.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß etwa alle zweieinhalb Minuten 0,1 l Rohlösung innerhalb von drei Sekunden durchgespült werden.

9. Nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose arbeitendes Wasserreinigungsgerät (1), insbesondere zur Durch­ führung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer eine semipermeable Membran (10) aufnehmenden Kammer (4), welche ein­ gangsseitig mit einer Wasserleitung (5) und ausgangs­ seitig mit je einer Abflußleitung (7, 8) für Konzen­ trat (13) und Permeat (14) verbunden ist, gekenn­ zeichnet durch ein in der Konzentrat-Abflußleitung (13) angeordnetes, dicht abschließendes Spülventil (15), dessen Steuereingang (18) mit einem Zeitglied (20) verbunden ist, welches das Spülventil (15) zur Wasserspülung der Membran (10) nur innerhalb einer Spülzeit (t) periodisch öffnet, welche wesentlich kleiner als die Durchspül-Periodendauer ist.

10. Wasserreinigungsgerät nach Anspruch 9, mit einem weiteren, manuell betätigbaren Spülventil (17), welches dem mit dem Zeitglied (20) verbundenen Spül­ ventil (15) parallel geschaltet ist.

11. Wasserreinigungsgerät nach Anspruch 9 oder 10, mit einem elektronisch ansteuerbaren Spülventil (15), insbesondere Magnetventil, und einem das Steuersignal erzeugenden, astabilen Mulitvibrator als Zeitglied (20).