EP4466389A2 - Integrierte wasseraufbereitung für die wasserelektrolyse mittels osmotischer membrandestillation - Google Patents

Integrierte wasseraufbereitung für die wasserelektrolyse mittels osmotischer membrandestillation

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Publication number
EP4466389A2
EP4466389A2 EP23701292.7A EP23701292A EP4466389A2 EP 4466389 A2 EP4466389 A2 EP 4466389A2 EP 23701292 A EP23701292 A EP 23701292A EP 4466389 A2 EP4466389 A2 EP 4466389A2
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EP
European Patent Office
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chamber
feed
electrolysis
membrane
water
Prior art date
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Pending
Application number
EP23701292.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Schiestel
Tobias Götz
Christopher Hänel
Bentsian Elkin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4466389A2 publication Critical patent/EP4466389A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C02F5/08—Treatment of water with complexing chemicals or other solubilising agents for softening, scale prevention or scale removal, e.g. adding sequestering agents
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    • C02F5/12—Treatment of water with complexing chemicals or other solubilising agents for softening, scale prevention or scale removal, e.g. adding sequestering agents using organic substances containing nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to methods for the electrolysis of water to obtain hydrogen by means of osmotic membrane distillation systems and osmotic membrane distillation systems that are designed and suitable for such methods.
  • Very pure water is required for the electrolysis of water to generate hydrogen, since otherwise the components contained in it will be enriched as a result of its consumption. This can damage the electrolysis system and disrupt the production of hydrogen.
  • membrane distillation two, in particular aqueous, solutions are brought into contact with one another via a porous, in particular hydrophobic, membrane.
  • the membrane must be selected in such a way that the solutions cannot wet the membrane pores under the given conditions, while vapor molecules can penetrate into the pores. If different vapor pressures are set on both sides by controlling the temperature, molecules will migrate from the warm to the cold side of the membrane. It is necessary for the water molecules to change from the liquid to the vapor phase. Since only vaporizable components are transported, salts or other non-volatile contaminants, especially organic compounds, remain on the warm side and the water can be purified by this process.
  • the technical problem underlying the present invention is to overcome the disadvantages of known processes for the electrolysis of water to obtain hydrogen.
  • the technical problem of the present invention is to provide a method which allows the process waste heat from the electrolysis to be used for the purification of water for the electrolysis and at the same time to regulate the temperature during the electrolysis.
  • the present invention solves the technical problem on which it is based in particular through the subject matter of the independent claims and the teachings of the dependent claims and the present description.
  • the invention relates to a method for the electrolysis of water to obtain hydrogen, comprising the following method steps: a) providing an electrolyte solution which comprises water and at least 1 mol/l of at least one electrolyte, a feed solution comprising water, and an osmotic membrane distillation system which has at least three chambers, in particular a feed chamber, a permeate chamber and an electrolysis chamber, the feed chamber and the permeate chamber being separated by a porous hydrophobic gas-permeable membrane and the feed chamber containing feed solution and the permeate chamber having electrolyte solution, b) performing an osmotic membrane distillation whereby water in the feed chamber evaporates as water vapor passes through the membrane and condenses into the electrolyte solution in the permeate chamber, and c) electrolyzing water of the electrolyte solution in the electrolysis chamber to obtain hydrogen and oxygen.
  • the invention accordingly provides a method in which hydrogen and optionally oxygen are obtained from water by means of electrolysis.
  • an electrolyte solution is provided which includes a minimum amount of at least one electrolyte, and a feed solution which has at least water, wherein the feed solution can also have one or more other substances.
  • an osmotic membrane distillation system which has at least three chambers, namely at least one feed chamber, at least one permeate chamber and at least one electrolysis chamber.
  • the electrolysis chamber and permeate chamber have the same solution, namely the electrolyte solution, with the conditions in the two chambers, in particular the temperature and/or the pressure, being able to differ.
  • the permeate chamber and feed chamber forming a membrane distillation unit are separated by a porous hydrophobic gas-permeable membrane. This membrane ensures that the water in the feed solution can be purified and transferred to the electrolyte solution, since only vaporizable components can be transported across the membrane because the solution does not wet the membrane due to the hydrophobicity of the membrane. Therefore, salts or other non-volatile impurities, especially organic compounds, remain in the feed solution, which is thus concentrated.
  • the water consumption in the electrolysis chamber is balanced by purifying the water in the feed solution.
  • a heat transport can preferably take place via the membrane from the electrolyte solution present in the permeate chamber to the feed solution present in the feed chamber, which heats the feed solution and cools the electrolyte solution, which was heated in the electrolysis chamber by the electrolysis.
  • the transfer of heat from the electrolyte solution to the feed solution increases the water vapor pressure above the feed solution, which further promotes mass transport across the membrane. Therefore, at the same time as the temperature of the electrolyte solution is regulated, there is an improvement in mass transport.
  • the method according to the invention thus provides for carrying out an osmotic membrane distillation (OMD) in method step b).
  • OMD osmotic membrane distillation
  • method step b only the partial pressure difference caused by different water activities in the feed and electrolyte solution for the water transport through the porous hydrophobic membrane used. Neither solely thermal methods for forming the partial pressure difference nor pumps or compressors are preferably used for this purpose.
  • the method according to the invention thus provides in method step b) that water evaporates from the feed solution and passes through the membrane in the form of vapor and then condenses into the electrolyte solution in the permeate chamber.
  • the water purified in this way which is now in the electrolyte solution in the permeate chamber, is transferred to the electrolysis chamber, where it is split into hydrogen and oxygen by means of electrolysis.
  • the method according to the invention thus provides in method step b) that water evaporates from the feed solution and passes through the membrane in the form of vapor and then condenses again in the permeate chamber.
  • the water purified in this way which is now in the permeate chamber, immediately forms the electrolyte solution there, which is transferred to the electrolysis chamber, where it is split into hydrogen and oxygen by means of electrolysis.
  • the transfer of heat from the electrolyte solution to the feed solution increases the vapor pressure above the feed solution, which further promotes mass transport across the membrane. Therefore, at the same time as the temperature of the electrolyte solution is regulated, there is an improvement in mass transport.
  • the process waste heat from the electrolysis can be used directly for the purification of the water used for the electrolysis.
  • the heat transfer made possible according to the invention from the electrolyte solution into the feed solution can be used on the one hand to heat the feed solution and thus to increase the water flow. On the other hand, it can also be used to control the temperature of the electrolyte solution. In this way, a lower energy input is preferably required for the membrane distillation itself, without taking the electrolysis into account.
  • the process waste heat from the electrolysis is used directly for the purification of the water used for the electrolysis by the method according to the invention. This can preferably be done via the membrane or via a heat exchanger or preferably both.
  • the heat transfer via the membrane and/or the heat exchanger is used on the one hand to heat the feed solution and thus increase the water flow. On the other hand, it can also be used to control the temperature of the electrolyte solution. Apart from a low energy input for the pumps, no further energy is preferably required for the membrane distillation itself, without taking the electrolysis into account.
  • the electrolyte solution provided in method step a) comprises at least 5 mol/l, in particular at least 7 mol/l of at least one, in particular one, electrolyte.
  • the particle concentration in the electrolyte solution is higher than in the feed solution.
  • the water activity in the electrolyte solution is lower than in the feed solution.
  • the at least one electrolyte of the electrolyte solution provided in method step a) is at least one base, preferably one base.
  • the at least one electrolyte of the electrolyte solution provided in process step a) is at least one readily soluble base.
  • the at least one electrolyte of the electrolyte solution provided in method step a) is at least one organic base, in particular an organic base.
  • the at least one electrolyte of the electrolyte solution provided in method step a) is selected from the group consisting of KOH, NaOH, LiOH, RbOH, CsOH and combinations thereof. In a preferred embodiment of the invention, the at least one electrolyte of the electrolyte solution provided in method step a) is KOH.
  • the feed solution provided in method step a) is a solution selected from the group consisting of groundwater, surface water, drinking water, waste water, brackish water, seawater and combinations thereof.
  • the feed solution provided in process step a) is seawater.
  • the feed solution additionally comprises at least one additive, in particular an antiscalant.
  • the feed solution additionally comprises at least one antiscalant, in particular a complexing agent, in particular ethylenediaminetetraacetate (EDTA).
  • a complexing agent in particular ethylenediaminetetraacetate (EDTA).
  • the one complexing agent is selected from the group consisting of ethylenediaminetetraacetate (EDTA), diethylenetriaminepentaacetate (DTPA, nitriloacetate (NTA), bifunctional or trifunctional carboxylic acid, in particular oxalic acid, tartaric acid or citric acid, or combinations thereof, in particular ethylenediaminetetraacetate (EDTA).
  • EDTA ethylenediaminetetraacetate
  • DTPA diethylenetriaminepentaacetate
  • NDA nitriloacetate
  • bifunctional or trifunctional carboxylic acid in particular oxalic acid, tartaric acid or citric acid, or combinations thereof, in particular ethylenediaminetetraacetate (EDTA).
  • the feed solution has a lower osmolality than the electrolyte solution.
  • the temperature of the electrolyte solution is higher than the temperature of the feed solution.
  • the temperature of the electrolyte solution in process step a) is 70 to 90, in particular 75 to 85, in particular 78 to 82°C, in particular 80°C.
  • the temperature of the electrolyte solution in process step b) is 60 to 80, in particular 65 to 75, in particular 68 to 72°C, in particular 70°C.
  • the temperature of the feed solution in process step a) is 10 to 25, in particular 15 to 22, in particular 17 to 21°C, in particular 20°C.
  • the temperature of the feed solution in process step b) is 30 to 50, in particular 35 to 45, in particular 37 to 40°C, in particular 38°C.
  • the water vapor pressure that prevails over the electrolyte solution in the permeate chamber is at least 5 kPa, in particular at least 7 kPa.
  • the water vapor pressure that prevails over the feed solution in the feed chamber is at least 15 kPa, in particular at least 18 kPa.
  • the membrane distillation plant provided in process step a) has at least one, in particular one, heat exchanger.
  • the at least one heat exchanger can preferably transport heat from the, in particular concentrated, electrolyte solution to the feed solution.
  • the at least one heat exchanger is preferably a cocurrent or a countercurrent heat exchanger.
  • the at least one heat exchanger is located between the electrolysis chamber and the membrane distillation unit, in particular between the electrolysis chamber and the permeate chamber and in the inflow for the feed solution into the feed chamber.
  • the membrane distillation system provided in method step a) has at least one heat exchanger, in particular between the electrolysis chamber and the permeate chamber and in the inlet for the feed solution into the feed chamber and/or integrated into the feed chamber and/or integrated into the electrolysis chamber and/or integrated into the permeate chamber.
  • the at least one heat exchanger is integrated into the membrane distillation unit, in particular its permeate chamber, its feed chamber or both.
  • the at least one heat exchanger is integrated into the electrolysis chamber.
  • heat exchanger located between the electrolysis chamber and the membrane distillation unit heat is transferred from the concentrated electrolyte solution originating from the electrolyte chamber to the feed solution which is fed into the feed chamber.
  • heat is transferred in cocurrent from the concentrated electrolyte solution originating from the electrolyte chamber to the feed solution which is fed into the feed chamber.
  • heat is transferred countercurrently from the concentrated electrolyte solution coming from the electrolyte chamber to the feed solution that is fed into the feed chamber.
  • heat is transferred from the concentrated electrolyte solution originating from the electrolyte chamber to the feed solution present in the feed chamber.
  • heat is transferred from the electrolyte solution present in the permeate chamber to fresh feed solution in the heat exchanger integrated into the permeate chamber.
  • heat is transferred from the electrolyte solution present in the electrolysis chamber, in particular from a concentrated one, to fresh feed solution.
  • At least part of the concentrated electrolyte solution and at least part of the feed solution are passed through the heat exchanger located between the electrolysis chamber and the membrane distillation unit. In a particularly preferred embodiment, all of the concentrated electrolyte solution and/or all of the feed solution is passed through the heat exchanger located between the electrolysis chamber and the membrane distillation unit.
  • part of the concentrated electrolyte solution is transferred into the permeate chamber and the other part through the gap between the electrolysis chamber and the membrane distillation unit located heat exchanger, both parts then, preferably after combining the two parts, are transferred back into the electrolysis chamber.
  • part of a concentrated electrolyte solution is transferred to the heat exchanger, which is preferably located between the electrolysis chamber and the membrane distillation unit, and then to the permeate chamber, and the other part to the heat exchanger, which is preferably integrated into the feed chamber, with both parts then, preferably after the two parts have been combined, being transferred back to the electrolysis chamber.
  • the heat exchanger which is preferably located between the electrolysis chamber and the membrane distillation unit, and then to the permeate chamber, and the other part to the heat exchanger, which is preferably integrated into the feed chamber, with both parts then, preferably after the two parts have been combined, being transferred back to the electrolysis chamber.
  • at least part of the fresh feed solution is passed directly into the feed chamber and at least part of the fresh feed solution is passed through the heat exchanger located between the electrolysis chamber and the membrane distillation unit.
  • all of the fresh feed solution is passed through the heat exchanger located between the electrolysis chamber and the membrane distillation unit.
  • all of the concentrated electrolyte solution is passed through the heat exchanger located between the electrolysis chamber and the membrane distillation unit.
  • part of the electrolyte solution is passed directly into the permeate chamber and the other part through the heat exchanger located between the electrolysis chamber and the membrane distillation unit.
  • part of the fresh feed solution is fed into the heat exchanger located between the electrolysis chamber and the membrane distillation unit and the other part is fed into the heat exchanger integrated in the permeate chamber.
  • the fresh feed solution which has been heated in a heat exchanger in an electrolysis chamber, is divided, with one part being fed into the permeate chamber and the other part being fed out of the plant.
  • the membrane distillation plant provided in process step a) has at least one, in particular one, throttle valve, which in particular regulates the pressure between the permeate chamber and the electrolysis chamber, preferably together with a pump.
  • the membrane distillation plant provided in process step a) has at least one, in particular one, pressure exchanger which regulates in particular the pressure between the permeate chamber and the electrolysis chamber, preferably together with a pump.
  • the porous, hydrophobic, gas-permeable membrane between the feed chamber and the permeate chamber is in the form of a flat membrane, tubular membrane or hollow-fiber membrane.
  • the electrolysis chamber is divided into two areas by a diaphragm, with the at least one anode and at least one cathode being located in different areas.
  • the permeate chamber and the electrolysis chamber of the membrane distillation system provided in process step a) are connected by a line.
  • the porous, hydrophobic, gas-permeable membrane between the feed chamber and the permeate chamber has an average pore size of 0.05 to 0.9 ⁇ m, in particular 0.1 to 0.5 ⁇ m.
  • the porous, hydrophobic, gas-permeable membrane between the feed chamber and the permeate chamber is made of a hydrophobic polymer, in particular fluorine-containing polymers, in particular polyolefins or perfluorinated polyolefins, in particular polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) or polypropylene (PP).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PP polypropylene
  • the porous hydrophobic gas-permeable membrane has a support.
  • the carrier can mechanically stabilize the membrane.
  • the support for the porous hydrophobic gas-permeable membrane is made of polysulphone, in particular polyethersulphone (PES).
  • the porous, hydrophobic, gas-permeable membrane is made of PTFE and the carrier is made of polysulphone, in particular polyethersulphone (PES).
  • PES polyethersulphone
  • the membrane distillation system provided in process step a) also has a device for removing carbon dioxide, which removes carbon dioxide from the feed solution before it enters the feed chamber.
  • the carbon dioxide is removed in the device for removing carbon dioxide by means of heating, flushing with another gas, in particular oxygen, by means of a membrane contactor, with an inert gas being present on the other side of the membrane, seen from the side with feed solution, precipitations in the form of carbonate or combinations thereof.
  • the membrane distillation system provided in process step a) also has at least one filtration unit.
  • the at least one filtration unit is located in the inlet for the feed solution to the feed chamber.
  • the osmotic membrane distillation according to process step b) is a direct contact, air gap, vacuum or sweeping gas membrane distillation.
  • the distillation rate of the water from the feed chamber via the porous hydrophobic gas-permeable membrane into the permeate chamber is at least 1 kg m' 2 h' 1 , in particular at least 2 kg m' 2 h' 1 , in particular 2.5 kg m' 2 h' 1 .
  • the temperature during the electrolysis in process step c) is at least 60° C., in particular at least 70° C., in particular at least 80° C. In a preferred embodiment of the invention, the temperature during the electrolysis in process step c) is from 60 to 100° C., in particular from 70 to 90° C., in particular from 75 to 85° C., in particular 80° C.
  • the temperature during the electrolysis in process step c) is more than 60° C. and lower than the boiling point of the electrolyte solution used.
  • a pressure of 1 to 70 bar, in particular 2 to 70 bar, in particular 1 to 60 bar, in particular 1 to 5 bar, in particular 6 to 60 bar, in particular 5 bar, in particular 60 bar, is present during the electrolysis in process step c).
  • a current density of 0.5 to 2, in particular 1 A/cm 2 is used in the electrolysis in process step c).
  • the electrolysis in process step c) is a polymer electrolyte membrane electrolysis, in particular a proton exchange membrane (PEM) electrolysis or anion exchange membrane (anion exchange membrane, AEM) electrolysis, or alkaline electrolysis, preferably an alkaline electrolysis with a diaphragm.
  • PEM proton exchange membrane
  • AEM anion exchange membrane
  • the method additionally comprises the following method step d): feeding further feed solution into the feed chamber, with concentrated feed solution being removed from the feed chamber.
  • the concentrated feed solution removed in method step d) is used in a pressure-retarded osmosis process to obtain energy.
  • the present invention also relates to an osmotic membrane distillation system, which is designed for a method according to the invention, the system having at least three chambers, in particular a feed chamber, a permeate chamber and an electrolysis chamber, the feed chamber and permeate chamber being separated by a porous hydrophobic gas-permeable membrane and the electrolysis chamber being connected to the permeate chamber.
  • electrolyte solution is present in the permeate chamber and the electrolysis chamber.
  • the present invention also relates to an osmotic membrane distillation plant, which is characterized in particular by the features disclosed above in connection with the present inventive procedure, in particular device features, in particular heat exchangers.
  • an “electrolyte solution” is understood to mean a preferably aqueous solution which comprises at least one electrolyte, in particular one, in particular two electrolytes.
  • a “feed solution” is understood as meaning an aqueous solution which comprises water.
  • the solution can include other substances, dissolved and/or undissolved.
  • a membrane distillation unit is understood as meaning a device which has at least one, in particular one, feed chamber and at least one, in particular one, permeate chamber, the feed chamber and the permeate chamber being separated by at least one porous hydrophobic gas-permeable membrane.
  • a membrane distillation plant is understood as meaning a device which has at least one membrane distillation unit and at least one electrolysis chamber which are fluidically connected to one another via lines, and which preferably has at least one heat exchanger, at least one pump, a device for CCE removal and/or valves and supply, connecting and/or discharge lines.
  • a “feed chamber” is understood to be an area of a membrane distillation system which has feed solution and which is directly adjacent to a permeate chamber, being separated from the permeate chamber by a porous, hydrophobic, gas-permeable membrane.
  • the chamber can further comprise at least one inlet and at least one outlet, with fresh feed solution flowing from an inlet for the feed solution into the feed chamber via the inlet and concentrated feed solution leaving the feed chamber via the outlet.
  • the feed chamber can also have an integrated heat exchanger.
  • an “inlet for the feed solution into the feed chamber” is understood to mean a line system that is able to conduct fresh feed solution, in particular from a feed solution source, for example a tank or a body of water, into the feed chamber.
  • a filtration unit can be integrated in the "inlet for the feed solution into the feed chamber” in order to separate undissolved components.
  • a “permeate chamber” is understood to mean an area of a membrane distillation system which has electrolyte solution and which is directly adjacent to a feed chamber, being separated from the feed chamber by a porous, hydrophobic, gas-permeable membrane.
  • the permeate chamber is also connected to the electrolysis chamber, in particular via a line, and electrolyte solution can flow from the permeate chamber, enriched with purified water from the feed solution, into the electrolyte chamber and can be concentrated from the electrolyte chamber, preferably via a line, flow back to the permeate chamber.
  • Different conditions, in particular different temperatures and/or pressures, can prevail in the permeate chamber compared to the electrolysis chamber.
  • the permeate chamber can also have an integrated heat exchanger.
  • an “electrolysis chamber” is understood to mean an area of a membrane distillation system which is used for the electrolysis of water in an electrolyte solution. It has at least one anode and at least one cathode, where the electrodes can optionally be separated by a membrane/diaphragm.
  • the electrolysis chamber is connected to the permeate chamber of the membrane distillation unit, in particular via a line, with electrolyte solution, enriched with purified water from the feed solution, flowing from the permeate chamber into the electrolysis chamber and concentrated electrolyte solution flowing from the electrolysis chamber into the permeate chamber. Different conditions, in particular different temperatures and/or pressures, can prevail in the electrolysis chamber compared to the permeate chamber. Electrolysis of water into hydrogen and oxygen is carried out in the electrolysis chamber.
  • the electrolysis chamber can also have an integrated heat exchanger.
  • a “concentrated feed solution” is understood to mean a feed solution in which the amount of water in the solution has decreased as a result of osmotic membrane distillation, in particular vapor pressure membrane distillation, and the concentration of dissolved and/or undissolved substances in it has increased.
  • a “concentrated electrolyte solution” is understood to mean an electrolyte solution in which the amount of water has been reduced as a result of electrolysis by the gases generated by electrolysis and/or water vapor and the concentration of dissolved at least one electrolyte has increased.
  • a “fresh feed solution” is understood to mean a feed solution which has not yet been subjected to any method step b) according to the invention and/or a heat exchanger step, in particular has not been concentrated or heated.
  • the term “at least one” is understood to mean a quantity that expresses a number of 1 or 2 or 3 or 4 or 5 or 6 or 7 or 8 or 9 or 10 and so on.
  • the designation “at least one” can represent exactly the number 1.
  • the term “at least one” can also mean 2 or 3 or 4 or 5 or 6 or 7.
  • a “presence”, a “contain”, a “having” or a “content” of a component is expressly mentioned or implied, this means that the respective component is present, in particular is present in a measurable amount.
  • the number of decimal places specified corresponds to the precision of the measurement method used in each case.
  • these terms also mean that only the elements explicitly mentioned are covered and no further elements are present.
  • the meaning of the terms “comprising” and “comprising” is synonymous with the term “consisting of”.
  • the terms “comprising” and “having” also include compositions that, in addition to the elements explicitly mentioned, also contain other elements that are not mentioned, but which are of a functional and qualitatively subordinate nature.
  • the terms “comprising” and “comprising” are synonymous with the term “consisting essentially of”.
  • the term “consisting of” means that only the explicitly named elements are present and the presence of other elements is excluded.
  • FIG. 1 shows a schematic drawing of a membrane distillation plant according to the invention with a feed chamber, a permeate chamber, both of which form a membrane distillation unit together with the porous, hydrophobic membrane arranged between the two chambers, and an electrolysis chamber.
  • a DC heat exchanger which is arranged between the electrolysis chamber and the permeate chamber and in the inlet of the feed solution into the feed chamber, transports heat from the concentrated electrolyte solution to the feed solution.
  • the system also has a device for removing CO2 and water pumps for transporting the feed solution and electrolyte solution.
  • the anode and cathode are separated by a diaphragm in the electrolysis chamber.
  • FIG. 2 shows a schematic drawing of a membrane distillation plant according to the invention with a feed chamber, a permeate chamber and an electrolysis chamber.
  • a counterflow heat exchanger transports heat from the concentrated electrolyte solution to the feed solution.
  • the flow of the concentrated electrolytic solution is divided after the electrolysis chamber, with the first part of the electrolytic solution being used to heat the feed solution before it is fed into the MD unit and the second part flowing into the permeate chamber.
  • the system also has a device for removing CO2 and water pumps for transporting the feed solution and electrolyte solution.
  • the anode and cathode are separated by a diaphragm in the electrolysis chamber.
  • FIG. 3a shows a schematic drawing of a membrane distillation system according to the invention with a feed chamber, a permeate chamber and an electrolysis chamber.
  • a DC heat exchanger and the membrane between the feed chamber and the permeate chamber transport heat from the concentrated electrolyte solution to the feed solution.
  • the system has a throttle valve in the line from the electrolysis chamber to the heat exchanger and water pumps to create an overpressure in the electrolysis chamber.
  • the plant also has a device for removing CO2.
  • the anode and cathode are separated by a diaphragm in the electrolysis chamber.
  • FIG. 4 shows a schematic drawing of a membrane distillation plant according to the invention with a feed chamber, a permeate chamber and an electrolysis chamber.
  • a countercurrent heat exchanger which is arranged between the electrolysis chamber and the permeate chamber and in the inflow of the feed solution into the feed chamber, transports heat from the concentrated electrolyte solution to the feed solution.
  • the concentrated electrolyte solution from the electrolysis chamber is divided into two lines and fed via the heat exchanger into the permeate chamber on the one hand and into a heat exchanger integrated into the feed chamber on the other hand. The two flows then unite and, after being enriched with water from the feed chamber, return to the electrolysis chamber.
  • heat is transferred to the heat exchanger in the feed chamber by separate supply of concentrated electrolyte solution.
  • heat is transferred from the permeate chamber into this fresh feed solution and removed.
  • the system also has a device for removing CO2 and water pumps for transporting the feed solution and electrolyte solution. The anode and cathode are separated by a diaphragm in the electrolysis chamber.
  • FIG. 5 shows a schematic drawing of a membrane distillation plant according to the invention with a feed chamber, a permeate chamber and an electrolysis chamber.
  • a heat exchanger integrated into the electrolysis chamber transports heat from the electrolyte solution to fresh feed solution.
  • the flow of the feed solution is divided after the heat exchanger, with the first part of the feed solution being discharged via an outlet and the second part flowing into the feed chamber.
  • the system also has a device for removing CO2 and water pumps for transporting the feed solution and electrolyte solution.
  • the anode and cathode are separated by a diaphragm in the electrolysis chamber.
  • FIG. 6 shows a schematic drawing of an experimental setup for determining the distillation rate across a membrane in a membrane distillation unit with feed chamber, permeate chamber and hydrophobic, porous membrane.
  • FIG. 1 A schematic drawing of the membrane distillation plant according to exemplary embodiment 1 can be found in FIG.
  • the fresh feed solution in this case sea water, from the inlet 13 is pumped by the pump 9 .
  • the solution passes through the CCh removal device 12, then through the co-current heat exchanger 10, through the membrane distillation unit 20, particularly through the feed chamber 21, and is discharged from the outlet 15 (see flow 14 in Figure 1).
  • the electrolyte solution 5 in the present example a concentrated lye, namely 40% by weight KOH solution (7 M) in water, is removed from the electrolysis chamber 11 by means of a pump 8.
  • the solution passes through the heat exchanger 10, through the membrane distillation unit 20, particularly through the permeate chamber 22, and is then fed back into the electrolysis chamber 11 (see flow 7 in Figure 1).
  • the electrolysis chamber 11 is divided by means of a diaphragm 6 into two areas, an area with an anode 1, a gas extraction opening for oxygen 3 and an inlet 25 for electrolyte solution and an outlet 26 for concentrated electrolyte solution, and an area with a cathode 2 and a gas extraction opening for hydrogen 4. It is also possible for the cathode 2 and the gas extraction opening for hydrogen 4 to be on the side with the inlet 25 and outlet 26 and the anode 1 and the gas outlet for oxygen 3 are on the other side of the diaphragm.
  • the two material flows ie seawater and electrolyte solution
  • the temperature at the outlet of the heat exchanger 10 can be controlled by the ratio between the two mass flows. This temperature is optimized for a compromise between the rate of distillation, which increases with increasing temperature, and the stability of the membrane 27 in the chemically aggressive liquor, which must be considered at higher temperatures.
  • the membrane distillation unit 20 the water is transferred in the form of vapor from the feed chamber 21 in the direction of the electrolyte solution 5 into the permeate chamber 22 . Since the distillation takes place under approximately isothermal conditions in this embodiment, the driving force is predominantly of an osmotic nature: the activity of the water or its vapor pressure is significantly lower in the electrolyte solution 5 than in the water in the feed solution.
  • the saturated vapor pressure of water is about 145 Torr (about 19 kPa), while for 40% by weight KOH solution this value is only about 55 Torr (about 7 kPa).
  • the water transferred into the electrolyte solution 5 compensates for the water consumption caused both by the conversion of the water into hydrogen and oxygen and by the losses due to evaporation in the electrolysis chamber 11 .
  • the distillation process guarantees the high purity of the water introduced, which is very important for the continuous operation of the electrolysis chamber.
  • waste heat from the process is removed from the electrolysis chamber because the electrolyte solution fed back in has a lower temperature.
  • FIG. 1 A schematic drawing of the membrane distillation plant according to embodiment 2 can be found in FIG.
  • the main difference in comparison to exemplary embodiment 1 is that the temperature of the distillation process and thus the process rate can be optimized by means of a countercurrent heat exchanger 10a.
  • the concentrated electrolyte solution 5 taken from the electrolysis chamber 11 is divided into the two partial flows 7a and 7b.
  • the partial flow 7b is fed into the countercurrent heat exchanger 10a and, in countercurrent, brings the water temperature of the fresh feed solution to almost the original temperature of the electrolyte solution 5 in the electrolysis chamber 11, which is around 80 °C, so that the feed chamber 21 in the feed current 14 is supplied with hot feed solution.
  • This hot water is fed into the MD unit 20, in particular the feed chamber 21, as a feed solution.
  • the branched-off partial flow 7a of the electrolyte solution 5 is introduced into the permeate chamber 22 of the membrane distillation unit 20 and enriched with water from the feed chamber 21 transferred via the vapor phase.
  • the distillation process takes place, as in exemplary embodiment 1, ie under approximately isothermal conditions, but at a significantly higher temperature and accordingly has a higher process rate.
  • the partial flows of the electrolyte 7a and 7b are fed back into the electrolysis chamber 11 after being combined.
  • the water is thus entered into the electrolysis chamber 11 and the waste heat is discharged.
  • FIG. 3 A schematic drawing of the membrane distillation plant according to exemplary embodiment 3 can be found in FIG. 3. This plant essentially corresponds to that of FIG. 1 (exemplary embodiment 1), to the description of which reference is made.
  • the distillation is performed under a lower pressure than vacuum membrane distillation.
  • the pumps 8a and 9a are used in suction mode and the flow of the electrolyte solution 5 is limited by means of the throttle valves 16 and 17, as a result of which a vacuum is created.
  • the negative pressure is detected by sensors 18 and 19.
  • the pressure can be controlled in a feedback loop both by adjusting the pump performance and by controlling the throttle valves.
  • a pressure exchanger can also be used instead of generating a vacuum using throttle valves.
  • the electrolysis is carried out under increased pressure, for example as medium-pressure electrolysis at 5 bar or as high-pressure electrolysis at 60 bar.
  • the throttle valve 16 and the pump 8a serve to reduce the pressure of the electrolytic solution in the membrane distillation unit to approximately the atmospheric pressure.
  • a pressure exchanger can also be used. In this case, the vacuum generation in the feed circuit and thus the throttle valve 17 can be dispensed with.
  • FIG. 4 A schematic drawing of the membrane distillation system according to embodiment 4 can be found in FIG.
  • the distillation is carried out under non-isothermal conditions.
  • a countercurrent heat exchanger 10a is used in order to lower the temperature of the electrolyte solution 5 and to raise the temperature of the feed solution.
  • the two flows 7d and 14d are then fed into the membrane distillation unit 20a.
  • the process rate is maximized by the temperature difference, the process represents a combination of a conventional and an osmotic membrane distillation.
  • the latent heat of evaporation or condensation results in a considerable heat transfer from the feed to the permeate side, which would quickly compensate for the temperature difference.
  • the respective chambers of the distillation unit 20a are additionally cooled or heated with the aid of the built-in heat exchangers 23 and 24.
  • Branch off fresh, ie cold, feed solution 14c (heat exchanger 23 integrated in permeate chamber 22) can be used as the cooling medium
  • the branched off hot electrolytic solution 7c (heat exchanger 24 integrated in feed chamber 21) can be used as the heating medium.
  • the membrane distillation unit 20a can advantageously be designed here as a so-called air gap membrane distillation unit.
  • the air gap can be used to minimize an additional heat transfer between the feed side and the permeate side that is undesired here due to the thermal conductivity of the membrane 27 . If the Air Gap MD unit is constructed in such a way that the air gap is between the membrane 27 and the electrolyte solution 5, direct contact between the membrane 27 and the base and the associated membrane stability problems are avoided.
  • FIG. 5 A schematic drawing of the membrane distillation system according to exemplary embodiment 5 can be found in FIG.
  • the essential difference in comparison to exemplary embodiment 1 is that the temperature of the feed solution is brought to almost the temperature of the electrolyte solution 5 in the electrolysis chamber 11 by means of a heat exchanger 10b integrated into the electrolysis chamber.
  • the electrolyte solution is cooled directly in the electrolyte chamber by the integrated heat exchanger 10b.
  • the feed flow is divided into the two sub-flows 14a and 14b.
  • the partial flow 14a of the feed solution which is not required for the membrane distillation due to the quantity, is removed from the membrane distillation plant and thus from the process via the outlet 15a.
  • the device for CCE removal 12 is positioned in front of the feed chamber 21 in the partial flow 14b.
  • Carbon dioxide removal can be optimized by the increased temperature of the feed solution.
  • the membrane distillation takes place under almost isothermal conditions at almost the original temperature of the electrolytic solution 5 .
  • a membrane distillation unit 20 is shown in FIG.
  • the distillation rate of water from a feed solution (B) to an electrolyte solution (C) was determined within a membrane distillation unit (A) with a feed chamber and permeate chamber, not shown here, via a porous hydrophobic gas-permeable membrane with an average pore size of 100 nm, the membrane being made of PTFE and having a support made of polysulphone, in particular polyethersulphone (PES).
  • a membrane distillation unit was fed from feed solution and electrolyte solution by means of peristaltic pumps and the increase in mass in the electrolyte solution was determined after 3 hours.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff mittels osmotischer Membrandestillationsanlagen sowie osmotische Membrandestillationsanlagen, die für solche Verfahren ausgelegt und geeignet sind.

Description

BESCHREIBUNG
Integrierte Wasseraufbereitung für die Wasserelektrolyse mittels osmotischer Membrandestillation
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff mittels osmotischer Membrandestillations-Anlagen sowie osmotische Membrandestillations- Anlagen, die für solche Verfahren ausgelegt und geeignet sind.
Für die Elektrolyse von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff wird sehr reines Wasser benötigt, da es ansonsten durch dessen Verbrauch zu einer Anreicherung der enthaltenen Bestandteile kommt. Dies kann zu einer Schädigung der Elektrolyseanlage führen und zu einer Störung der W as ser Stoff erzeugung .
Bei der klassischen alkalischen Elektrolyse wird eine wässrige KOH-Lösung elektrochemisch zersetzt. Dabei wird kontinuierlich Wasser aus der Lösung durch die Umwandlung zu Wasserstoff und Sauerstoff sowie durch entstehenden Wasserdampf verbraucht. Dieser Verbrauch muss kontinuierlich ausgeglichen werden, um die Elektrolytkonzentration in einem optimalen Bereich zu halten. Die gewählten Bedingungen - Konzentration, Temperatur - stellen einen Kompromiss aus, vorzugsweise schneller, Kinetik und, vorzugsweise geringer, Korrosion dar. Enthält das Wasser auch nur Spuren an Verunreinigungen, werden sich diese mit der Zeit anreichern. Durch die bei der Elektrolyse sich ergebenden Verlustspannungen (Überspannung) wird Wärme erzeugt, sodass die Elektrolytlösung aktiv gekühlt werden muss. In der Regel wird der Wasserstoff mit höherem Druck benötigt. Um eine spätere Kompression zu vermeiden, wird die Elektrolyse deshalb unter Druck durchgeführt.
Diese Aussagen gelten prinzipiell auch für andere Varianten der Elektrolyse, wie der Polymer- Elektrolyt-Membran- oder Alkalische Elektrolyt-Membran-Elektrolyse.
Bei der klassischen Osmose (Vorwärtsosmose, forward osmosis (FO)) werden zwei Lösungen (zum Beispiel wässrige Salzlösungen) unterschiedlicher Osmolalität über eine semipermeable, mikroskopisch dichte Membran in Kontakt gebracht. Durch den sich einstellenden osmotischen Druck kommt es zu einer Wanderung von Wasser durch die Membran von der Seite niedriger Osmolalität zur Seite hoher Osmolalität bis es zu einem Ausgleich des osmotischen Drucks auf beiden Seiten kommt, ohne dass es zu einem Phasenwechsel des Wassers kommt, wobei gleichzeitig die Salzionen zurückgehalten werden. Würde man also die oben genannte Elektrolytlösung (hohe Osmolalität) über eine FO-Membran mit einer Lösung mit im Vergleich niedrigerer Osmolalität, zum Beispiel Meerwasser, in Kontakt bringen, würde das Wasser aus dem Meerwasser in die Elektrolytlösung wandern.
Das technische Problem der Wasserbereitstellung für die Elektrolyse kann aber mittels FO- Membranen nicht gelöst werden, da keines der bisher genutzten Membranmaterialien - eher hydrophile, stark quervemetzte Polymere, wie zum Beispiel Polyamide - die oben genannten harschen Bedingungen der Elektrolyse übersteht.
Bei der Membrandestillation (MD) werden zwei, insbesondere wässrige, Lösungen über eine poröse, insbesondere hydrophobe, Membran miteinander in Kontakt gebracht. Dabei muss die Membran so gewählt werden, dass die Lösungen unter den gegebenen Bedingungen die Membranporen nicht benetzen können, während Dampfmoleküle in die Poren eindringen können. Stellt man über die Regelung der Temperatur unterschiedliche Dampfdrücke auf beiden Seiten ein, werden Moleküle von der warmen auf die kalte Seite der Membran wandern. Dabei ist es notwendig, dass die Wassermoleküle von der flüssigen in die Dampfphase wechseln. Da nur verdampfbare Komponenten transportiert werden, verbleiben Salze oder sonstige nicht-flüchtige Verunreinigungen, insbesondere organische Verbindungen, auf der warmen Seite und das Wasser kann durch diesen Prozess gereinigt werden.
Eine große Herausforderung bei der MD ist der Wärmetransport über die Membran, der die Triebkraft des Prozesses verkleinert und zu erheblichen Energieverlusten führt. Dabei gibt es bei der MD grundsätzlich immer einen Zielkonflikt zwischen hohem Stoff- und geringem Wärmetransport.
Es gibt verschiedene verfahrenstechnische Ansätze dieses Problem zu reduzieren, indem zum Beispiel ein direkter Kontakt (DCMD) der Lösungen mit der Membran vermieden wird und ein Gas-Spalt als „Wärmeisolation“ genutzt wird (Air Gap MD, Sweeping Gas MD, Permeate Gap MD).
Das technische Problem der Wasserbereitstellung für die Elektrolyse kann aber mittels Membrandestillation nicht gelöst werden, da die Temperatur der Elektrolyt/Permeat-Seite bereits hoch ist und dadurch über die Temperatur keine Triebkraft eingestellt werden kann. Je nach Standort und dort verfügbaren Wasserqualitäten werden zur Aufbereitung von Wasser für die Elektrolyse verschiedene etablierte Methoden der Wasseraufbereitung eingesetzt, wie zum Beispiel die Umkehrosmose, Destillation, Elektrodialyse, kapazitive Deionisation oder auch Kombinationen dieser Verfahren, welche jedoch Alle verschiedene Nachteile aufweisen.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem ist es, die Nachteile bekannter Verfahren zur Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff zu überwinden. Insbesondere ist es das technische Problem der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches es erlaubt, die Prozessabwärme der Elektrolyse für die Aufreinigung von Wasser für die Elektrolyse zu verwenden und gleichzeitig die Temperatur während der Elektrolyse zu regeln.
Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrunde liegende technische Problem insbesondere durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche sowie die Lehren der abhängigen Ansprüche und der vorliegenden Beschreibung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellen einer Elektrolytlösung, welche Wasser und mindestens 1 mol/1 mindestens eines Elektrolyten umfasst, einer Feedlösung umfassend Wasser, und einer osmotischen Membrandestillations-Anlage, welche mindestens drei Kammern, insbesondere eine Feedkammer, eine Permeatkammer und eine Elektrolysekammer, aufweist, wobei die Feedkammer und die Permeatkammer durch eine poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran getrennt sind und die Feedkammer Feedlösung und die Permeatkammer Elektrolytlösung aufweist, b) Durchführen einer osmotischen Membrandestillation, wobei Wasser in der Feedkammer verdampft, als Wasserdampf die Membran passiert und in die Elektrolytlösung in der Permeatkammer kondensiert, und c) Elektrolysieren von Wasser der Elektrolytlösung in der Elektrolysekammer, wobei Wasserstoff und Sauerstoff erhalten werden. Die Erfindung stellt demnach ein Verfahren bereit, in welchem mittels Elektrolyse aus Wasser Wasserstoff und optional Sauerstoff gewonnen wird. Hierzu werden in einem ersten Verfahrensschritt a) eine Elektrolytlösung bereitgestellt, welche eine Mindestmenge mindestens eines Elektrolyten umfasst, sowie eine Feedlösung, welche zumindest Wasser aufweist, wobei die Feedlösung auch eine oder mehrere weitere Substanzen aufweisen kann.
Ferner wird in Verfahrensschritt a) eine osmotische Membrandestillations-Anlage bereitgestellt, welche mindestens drei Kammern aufweist, nämlich mindestens eine Feedkammer, mindestens eine Permeatkammer und mindestens eine Elektrolysekammer. Die Elektrolysekammer und Permeatkammer weisen dabei die gleiche Lösung, nämlich die Elektrolytlösung auf, wobei sich die Bedingungen in den beiden Kammern, insbesondere die Temperatur und/oder der Druck, unterscheiden können. Die eine Membrandestillations-Einheit bildenden Permeatkammer und Feedkammer sind durch eine poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran getrennt. Diese Membran sorgt dafür, dass das Wasser der Feedlösung aufgereinigt in die Elektrolytlösung überführt werden kann, da nur verdampfbare Komponenten über die Membran transportiert werden können, weil durch die Hydrophobizität der Membran die Lösung die Membran nicht benetzt. Daher verbleiben Salze oder sonstige nicht-flüchtige Verunreinigungen, insbesondere organische Verbindungen, in der Feedlösung, welche somit aufkonzentriert wird. Der Wasserverbrauch in der Elektrolysekammer wird durch Aufreinigung des Wassers der Feedlösung ausgeglichen.
Zusätzlich kann vorzugsweise über die Membran ein Wärmetransport von der in der Permeatkammer vorhandenen Elektrolytlösung zur in der Feedkammer vorliegenden Feedlösung stattfinden, welcher die Feedlösung erwärmt und die Elektrolytlösung, welche in der Elektrolysekammer durch die Elektrolyse erwärmt wurde, abzukühlen. Gleichzeitig sorgt die Übertragung der Wärme von der Elektrolytlösung auf die Feedlösung für eine Erhöhung des Wasserdampfdrucks über der Feedlösung, weswegen der Stofftransport über die Membran weiter begünstigt wird. Daher findet gleichzeitig zur Regulation der Temperatur der Elektrolytlösung eine Verbesserung des Stofftransports statt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit in Verfahrensschritt b) das Durchführen einer osmotischen Membrandestillation (OMD) vor. In bevorzugter Ausführungsform wird im Rahmen von Verfahrensschritt b) allein die durch unterschiedliche Wasseraktivität in Feed- und Elektrolytlösung bewirkte Partialdruckdifferenz für den Wassertransport durch die poröse hydrophobe Membran genutzt. Bevorzugt werden weder allein thermische Verfahren zur Ausbildung der Partialdruckdifferenz noch Pumpen oder Kompressoren zu diesem Zweck genutzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit in Verfahrensschritt b) vor, dass Wasser aus der Feedlösung verdampft und in Form von Dampf die Membran passiert und anschließend in der Permeatkammer in die Elektrolytlösung kondensiert.
Das so aufgereinigte Wasser, welches sich nun in der Permeatkammer in der Elektrolytlösung befindet, wird in die Elektrolysekammer überführt und dort zu Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse aufgespalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in Verfahrensschritt b) also vor, dass Wasser aus der Feedlösung verdampft und in Form von Dampf die Membran passiert und wieder anschließend in der Permeatkammer kondensiert. Das so aufgereinigte Wasser, welches sich nun in der Permeatkammer befindet, bildet genau dort unmittelbar die Elektrolytlösung aus, welche in die Elektrolysekammer überführt und dort zu Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse aufgespalten wird.
Dies bringt den Vorteil mit sich, dass über die Membran ein Wärmetransport von der in der Permeatkammer vorhandenen Elektrolytlösung zur in der Feedkammer vorliegenden Feedlösung stattfinden kann, welcher die Feedlösung erwärmt und die Elektrolytlösung, welche selbst in der Elektrolysekammer durch die Elektrolyse erwärmt wurde, abzukühlen. Gleichzeitig sorgt die Übertragung der Wärme von der Elektrolytlösung auf die Feedlösung für eine Erhöhung des Dampfdrucks über der Feedlösung, weswegen der Stofftransport über die Membran weiter begünstigt wird. Daher findet gleichzeitig zur Regulation der Temperatur der Elektrolytlösung eine Verbesserung des Stofftransports statt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Prozessabwärme der Elektrolyse direkt für die Aufreinigung des für die Elektrolyse verwendeten Wassers genutzt werden. Der erfindungsgemäß ermöglichte Wärmeübergang von der Elektrolytlösung in die Feedlösung kann einerseits genutzt werden, um die Feed-Lösung zu erwärmen und damit den Wasserfluss zu steigern. Andererseits kann damit auch die Temperatur der Elektrolyt-Lösung kontrolliert werden. Bevorzugt wird so, ohne Berücksichtigung der Elektrolyse, ein geringerer Energieinput für die Membrandestillation selbst benötigt. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird in bevorzugter Ausführung durch das erfindungsgemäße Verfahren also die Prozessabwärme der Elektrolyse direkt für die Aufreinigung des für die Elektrolyse verwendeten Wassers genutzt. Dies kann bevorzugt über die Membran geschehen oder über einen Wärmetauscher oder vorzugsweise beides. Der Wärmeübergang über die Membran und/oder den Wärmetauscher wird einerseits genutzt, um die Feedlösung zu erwärmen und damit den Wasserfluss zu steigern. Andererseits kann damit auch die Temperatur der Elektrolytlösung kontrolliert werden. Bevorzugt wird so außer einem geringen Energieinput für die Pumpen keine weitere Energie für die Membrandestillation selbst, ohne Berücksichtigung der Elektrolyse, benötigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Elektrolytlösung mindestens 5 mol/1, insbesondere mindestens 7 mol/1 mindestens eines, insbesondere eines Elektrolyten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Stoffteilchenkonzentration in der Elektrolytlösung höher als in der Feedlösung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Wasseraktivität in der Elektrolytlösung geringer als in der Feedlösung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Elektrolyt der in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Elektrolytlösung mindestens eine Base, bevorzugt eine Base.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Elektrolyt der in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Elektrolytlösung mindestens eine leicht lösliche Base.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Elektrolyt der in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Elektrolytlösung mindestens eine organische Base, insbesondere eine organische Base.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Elektrolyt der in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Elektrolytlösung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus KOH, NaOH, LiOH, RbOH, CsOH und Kombinationen davon. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Elektrolyt der in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Elektrolytlösung KOH.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Feedlösung eine Lösung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Grundwasser, Oberflächen wasser, Trinkwasser, Abwasser, Brackwasser, Meerwasser und Kombinationen davon.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Feedlösung Meerwasser.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Feedlösung zusätzlich mindestens ein Additiv, insbesondere ein Antiscalant.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Feedlösung zusätzlich mindestens ein Antiscalant, insbesondere einen Komplexbildner, insbesondere Ethylendiamintetraacetat (EDTA).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der eine Komplexbildner ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethylendiamintetraacetat (EDTA), Diethylentriaminpentaacetat (DTPA, Nitriloacetat (NTA), bifunktionale oder trifunktionale Carbonsäure, insbesondere Oxalsäure, Weinsäure oder Zitronensäure, oder Kombinationen davon, insbesondere Ethylendiamintetraacetat (EDTA).
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Feedlösung eine niedrigere Osmolalität auf als die Elektrolytlösung.
In einer bevorzugten Ausführungsform herrscht über der Feedlösung in der Feedkammer ein höherer Wasserdampfdruck als über der Elektrolytlösung in der Permeatkammer.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in Verfahrensschritt a) und b) die Temperatur der Elektrolytlösung höher als die Temperatur der Feedlösung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Temperatur der Elektrolytlösung in Verfahrensschritt a) bei 70 bis 90, insbesondere 75 bis 85, insbesondere 78 bis 82 °C, insbesondere 80 °C. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Temperatur der Elektrolytlösung in Verfahrensschritt b) bei 60 bis 80, insbesondere 65 bis 75, insbesondere 68 bis 72 °C, insbesondere 70 °C.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Temperatur der Feedlösung in Verfahrensschritt a) bei 10 bis 25, insbesondere 15 bis 22, insbesondere 17 bis 21 °C, insbesondere 20 °C.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Temperatur der Feedlösung in Verfahrensschritt b) bei 30 bis 50, insbesondere 35 bis 45, insbesondere 37 bis 40 °C, insbesondere 38 °C.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Wasserdampfdruck, der über der Elektrolytlösung in der Permeatkammer herrscht, mindestens 5 kPa, insbesondere mindestens 7 kPa.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Wasserdampfdruck, der über der Feedlösung in der Feedkammer herrscht, mindestens 15 kPa, insbesondere mindestens 18 kPa.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Membrandestillations-Anlage mindestens einen, insbesondere einen, Wärmetauscher auf. Der mindestens eine Wärmetauscher kann bevorzugt Wärme von der, insbesondere aufkonzentrierten, Elektrolytlösung zur Feedlösung transportieren.
Der mindestens eine Wärmetauscher ist bevorzugt ein Gleichstrom- oder ein Gegenstrom- Wärmetauscher.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt der mindestens eine Wärmetauscher zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit, insbesondere zwischen Elektrolysekammer und Permeatkammer und im Zulauf für die Feedlösung in die Feedkammer.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Membrandestillations-Anlage mindestens einen Wärmetauscher auf, insbesondere zwischen Elektrolysekammer und Permeatkammer und im Zulauf für die Feedlösung in die Feedkammer und/oder integriert in die Feedkammer und/oder integriert in die Elektrolysekammer und/oder integriert in die Permeatkammer. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Wärmetauscher in die Membrandestillations-Einheit, insbesondere deren Permeatkammer, deren Feedkammer oder beide, integriert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Wärmetauscher in die Elektrolysekammer integriert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt ein Wärmetauscher zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit, insbesondere zwischen Elektrolysekammer und Permeatkammer und im Zulauf für die Feedlösung in die Feedkammer, und ein weiterer Wärmetauscher integriert in die Permeatkammer vor.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt ein Wärmetauscher zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit, insbesondere zwischen Elektrolysekammer und Permeatkammer und im Zulauf für die Feedlösung in die Feedkammer, und ein weiterer Wärmetauscher integriert in die Elektrolysekammer vor.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt ein Wärmetauscher zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit, insbesondere zwischen Elektrolysekammer und Permeatkammer und im Zulauf für die Feedlösung in die Feedkammer, und ein weiterer Wärmetauscher integriert in die Feedkammer vor.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt ein Wärmetauscher zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit, insbesondere zwischen Elektrolysekammer und Permeatkammer und im Zulauf für die Feedlösung in die Feedkammer, ein weiterer Wärmetauscher integriert in die Permeatkammer und ein weiterer Wärmetauscher integriert in die Feedkammer vor.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt ein Wärmetauscher zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit, insbesondere zwischen Elektrolysekammer und Permeatkammer und im Zulauf für die Feedlösung in die Feedkammer, ein weiterer Wärmetauscher integriert in die Permeatkammer und ein weiterer Wärmetauscher integriert in die Feedkammer und ein weiterer Wärmetauscher integriert in die Elektrolysekammer vor. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform findet im zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit liegenden Wärmetauscher ein Wärmeübergang von aus der Elektrolytkammer stammender aufkonzentrierter Elektrolytlösung auf Feedlösung, die in die Feedkammer geleitet wird, statt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform findet im zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit liegenden Wärmetauscher im Gleichstrom ein Wärmeübergang von aus der Elektrolytkammer stammender aufkonzentrierter Elektrolytlösung auf Feedlösung, die in die Feedkammer geleitet wird, statt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform findet im zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit liegenden Wärmetauscher im Gegenstrom ein Wärmeübergang von aus der Elektrolytkammer stammender aufkonzentrierter Elektrolytlösung auf Feedlösung, die in die Feedkammer geleitet wird, statt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform findet in dem in die Feedkammer integrierten Wärmetauscher ein Wärmeübergang von aus der Elektrolytkammer stammender aufkonzentrierter Elektrolytlösung auf in der Feedkammer vorliegende Feedlösung statt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform findet in dem in die Permeatkammer integrierten Wärmetauscher ein Wärmeübergang von in der Permeatkammer vorliegender Elektrolytlösung auf frische Feedlösung statt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform findet in dem in die Elektrolysekammer integrierten Wärmetauscher ein Wärmeübergang von in der Elektrolysekammer vorliegender, insbesondere aufkonzentrierter, Elektrolytlösung auf frische Feedlösung statt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird mindestens ein Teil aufkonzentrierter Elektrolytlösung und mindestens ein Teil der Feedlösung durch den zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit liegenden Wärmetauscher geleitet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die gesamte aufkonzentrierte Elektrolytlösung und/oder die gesamte Feedlösung durch den zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit liegenden Wärmetauscher geleitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Teil der aufkonzentrierten Elektrolytlösung in die Permeatkammer überführt und der andere Teil durch den zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit liegenden Wärmetauscher geleitet, wobei beide Teile anschließend, vorzugsweise nach Vereinigung der beiden Teile, wieder in die Elektrolysekammer überführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Teil einer aufkonzentrierten Elektrolytlösung in den bevorzugt zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit liegenden Wärmetauscher und anschließend in die Permeatkammer überführt und der andere Teil in den bevorzugt in die Feedkammer integrierten Wärmetauscher, wobei beide Teile anschließend, bevorzugt nach Vereinigung der beiden Teile, wieder in die Elektrolysekammer überführt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird mindestens ein Teil von frischer Feedlösung unmittelbar in die Feedkammer und mindestens ein Teil der frischen Feedlösung durch den zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit liegenden Wärmetauscher geleitet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die gesamte frische Feedlösung durch den zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit liegenden Wärmetauscher geleitet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die gesamte aufkonzentrierte Elektrolytlösung durch den zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations- Einheit liegenden Wärmetauscher geleitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Teil der Elektrolytlösung unmittelbar in die Permeatkammer und der andere Teil durch den zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit liegenden Wärmetauscher geleitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Teil der frischen Feedlösung in den zwischen der Elektrolysekammer und der Membrandestillations-Einheit liegenden Wärmetauscher und der andere Teil in den in der Permeatkammer integrierten Wärmetauscher geleitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die frische Feedlösung, welche in einem Wärmetauscher in einer Elektrolysekammer erwärmt wurde, aufgeteilt, wobei ein Teil in die Permeatkammer und der andere Teil aus der Anlage geführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Membrandestillations-Anlage mindestens ein, insbesondere ein, Drosselventil, welches insbesondere den Druck zwischen Permeatkammer und Elektrolysekammer, bevorzugt zusammen mit einer Pumpe, reguliert, auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Membrandestillations-Anlage mindestens einen, insbesondere einen, Druckaustauscher, welcher insbesondere den Druck zwischen Permeatkammer und Elektrolysekammer, bevorzugt zusammen mit einer Pumpe, reguliert, auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran zwischen der Feedkammer und der Permeatkammer in Form einer Flachmembran, Rohrmembran oder Hohlfasermembran ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Elektrolysekammer durch ein Diaphragma in zwei Bereiche unterteilt, wobei sich die mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode in jeweils unterschiedlichen Bereichen befinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Permeatkammer und die Elektrolysekammer der in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Membrandestillations-Anlage mittels einer Leitung verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran zwischen der Feedkammer und der Permeatkammer eine mittlere Porengröße von 0,05 bis 0,9 pm, insbesondere 0,1 bis 0,5 pm, auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran zwischen der Feedkammer und der Permeatkammer aus einem hydrophoben Polymer, insbesondere Fluor-haltige Polymere, insbesondere Polyolefine oder perfluorierten Polyolefine, insbesondere aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polypropylen (PP) hergestellt. Die hydrophoben Eigenschaften der Membran werden durch das verwendete Material bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran einen Träger auf. Der Träger kann die Membran mechanisch stabilisieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Träger für die poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran aus Polysulphon, insbesondere Polyethersulphon (PES), hergestellt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran aus PTFE und der Träger aus Polysulphon, insbesondere Polyethersulphon (PES), hergestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Membrandestillations-Anlage ferner eine Vorrichtung zur Entfernung von Kohlenstoff di oxid auf, welche Kohlenstoff di oxid aus der Feedlösung entfernt, bevor diese in die Feedkammer gelangt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Kohlenstoffdioxid in der Vorrichtung zur Entfernung von Kohlenstoffdioxid entfernt mittels Erwärmen, Spülen mit einem anderen Gas, insbesondere Sauerstoff, mittels eines Membrankontaktors, wobei auf der anderen Seite der Membran, gesehen von der Seite mit Feedlösung, ein inertes Gas vorliegt, Ausfällen in Form von Carbonat oder Kombinationen davon.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Membrandestillations-Anlage ferner mindestens eine Filtrationseinheit auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform befindet sich die mindestens eine Filtrationseinheit im Zulauf für die Feedlösung zur Feedkammer.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die osmotische Membrandestillation gemäß Verfahrensschritt b) eine Direct Contact, Air Gap, Vakuum oder Sweeping Gas Membrandestillation.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Destillationsrate des Wassers von der Feedkammer über die poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran in die Permeatkammer mindestens 1 kg m'2 h’1, insbesondere mindestens 2 kg m'2 h’1, insbesondere 2,5 kg m'2 h’1.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt während der Elektrolyse in Verfahrensschritt c) eine Temperatur von mindestens 60 °C, insbesondere mindestens 70 °C, insbesondere mindestens 80 °C, vor. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt während der Elektrolyse in Verfahrensschritt c) eine Temperatur von 60 bis 100 °C, insbesondere 70 bis 90 °C, insbesondere 75 bis 85 °C, insbesondere 80 °C, vor.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt während der Elektrolyse in Verfahrensschritt c) eine Temperatur von mehr als 60 °C und niedriger als der Siedepunkt der verwendeten Elektrolytlösung vor.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt während der Elektrolyse in Verfahrensschritt c) ein Druck von 1 bis 70 bar, insbesondere 2 bis 70 bar, insbesondere 1 bis 60 bar, insbesondere 1 bis 5 bar, insbesondere 6 bis 60 bar, insbesondere 5 bar, insbesondere 60 bar, vor.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Elektrolyse in Verfahrensschritt c) eine Stromdichte von 0,5 bis 2, insbesondere 1 A/cm2 verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Elektrolyse in Verfahrensschritt c) eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse, insbesondere eine Protonenaustauscher-Membran (PEM)-Elektrolyse oder Anionenaustauscher-Membran (Anion Exchange Membrane, AEM)- Elektrolyse, oder alkalische Elektrolyse, bevorzugt eine alkalische Elektrolyse mit Diaphragma.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren zusätzlich folgenden Verfahrensschritt d): Nachführen weiterer Feedlösung in die Feedkammer, wobei aufkonzentrierte Feedlösung aus der Feedkammer entnommen wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die in Verfahrensschritt d) entnommene aufkonzentrierte Feedlösung in einem pressure-retarded osmosis-Prozess zur Gewinnung von Energie verwendet.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine osmotische Membrandestillations-Anlage, welche für ein erfindungsgemäßes Verfahren ausgelegt ist, wobei die Anlage mindestens drei Kammern aufweist, insbesondere eine Feedkammer, eine Permeatkammer und eine Elektrolysekammer, wobei die Feedkammer und Permeatkammer durch eine poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran getrennt sind und die Elektrolysekammer mit der Permeatkammer verbunden ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt in der Permeatkammer und der Elektrolysekammer Elektrolytlösung vor.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine osmotische Membrandestillations-Anlage, die sich insbesondere durch die vorstehend im Zusammenhang mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrensweise offenbarten Merkmale, insbesondere Vorrichtungsmerkmale, insbesondere Wärmetauscher, auszeichnet.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „Elektrolytlösung“ eine, vorzugsweise wässrige, Lösung verstanden, welche mindestens einen Elektrolyten, insbesondere einen, insbesondere zwei Elektrolyten, umfasst.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „Feedlösung“ eine wässrige Lösung verstanden, welche Wasser umfasst. Neben Wasser kann die Lösung weitere Substanzen, gelöst und/oder ungelöst, umfassen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer Membrandestillations-Einheit eine Vorrichtung verstanden, welche mindestens eine, insbesondere eine, Feedkammer und mindestens eine, insbesondere eine, Permeatkammer aufweist, wobei die Feedkammer und die Permeatkammer durch mindestens eine poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran getrennt sind.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „osmotischen Membrandestillation“ (OMD) ein Verfahren verstanden, im Rahmen dessen durch Evaporation von Wasser und Transfer von dadurch gebildeten Wasserdampf durch eine poröse hydrophobe Membran Lösungskonzentrationsänderungen von zwei durch die poröse hydrophobe Membran getrennten Lösungen (Feed- und Ziehlösung, wobei die Ziehlösung die Elektrolytlösung ist) erzielt werden und wobei die diese Änderungen bewirkende Triebkraft die Partialdruckdifferenz zwischen den durch die Membran getrennten Lösungen ist, welche durch unterschiedliche Stoffteilchenkonzentrationen in Feed- und Ziehlösung bewirkt wird. In der Elektrolytlösung liegt demnach zwingend eine geringere Wasseraktivität, also eine höhere Stoffteilchenkonzentration, als in der Feedlösung vor. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer Membrandestillations-Anlage eine Vorrichtung verstanden, die zumindest eine Membrandestillations-Einheit sowie mindestens eine Elektrolysekammer aufweist, die fluidisch über Leitungen miteinander verbunden sind, und die vorzugsweise mindestens einen Wärmetauscher, mindestens eine Pumpe, eine Vorrichtung zur CCE-Entfernung und/oder Ventile sowie Zufuhr-, Verbindungs- und/oder Abfuhrleitungen aufweist.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „Feedkammer“ ein Bereich einer Membrandestillations-Anlage verstanden, welcher Feedlösung aufweist und welcher unmittelbar an eine Permeatkammer angrenzt, wobei sie von der Permeatkammer durch eine poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran getrennt ist. Die Kammer kann weiterhin mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass umfassen, wobei frische Feedlösung aus einem Zulauf für die Feedlösung über den Einlass in die Feedkammer fließt und aufkonzentrierte Feelösung die Feedkammer über den Auslass verlässt. Die Feedkammer kann auch einen integrierten Wärmetauscher aufweisen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem „Zulauf für die Feedlösung in die Feedkammer“ ein Leitungssystem verstanden, das in der Lage ist, frische Feedlösung, insbesondere aus einer Feedlösungsquelle, zum Beispiel einem Tank oder einem Gewässer, in die Feedkammer zu leiten. Im „Zulauf für die Feedlösung in die Feedkammer“ kann eine Filtrationseinheit integriert werden, um ungelöste Bestandteile abzutrennen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „Permeatkammer“ ein Bereich einer Membrandestillations-Anlage verstanden, welcher Elektrolytlösung aufweist und welcher an eine Feedkammer unmittelbar angrenzt, wobei sie von der Feedkammer durch eine poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran getrennt ist. Die Permeatkammer ist ferner mit der Elektrolysekammer verbunden, insbesondere über eine Leitung, und Elektrolytlösung kann von der Permeatkammer, angereichert mit aufgereinigtem Wasser von der Feedlösung, in die Elektrolytkammer fließen und kann aufkonzentriert von der Elektrolytkammer, vorzugsweise über eine Leitung, wieder zur Permeatkammer fließen. In der Permeatkammer können im Vergleich zur Elektrolysekammer unterschiedliche Bedingungen, insbesondere unterschiedliche Temperaturen und/oder Drücke, herrschen. Die Permeatkammer kann auch einen integrierten Wärmetauscher aufweisen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „Elektrolysekammer“ ein Bereich einer Membrandestillations- Anlage verstanden, welcher der Elektrolyse von Wasser einer Elektrolytlösung dient. Er weist mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode auf, wobei die Elektroden optional durch eine Membran/Diaphragma getrennt sein können. Die Elektrolysekammer ist erfmdungsgemäß mit der Permeatkammer der Membrandestillations- Einheit verbunden, insbesondere über eine Leitung, wobei Elektrolytlösung, angereichert mit aufgereinigtem Wasser aus der Feedlösung, von der Permeatkammer in die Elektrolysekammer fließt und aufkonzentrierte Elektrolytlösung aus der Elektrolysekammer in die Permeatkammer fließt. In der Elektrolysekammer können im Vergleich zur Permeatkammer unterschiedliche Bedingungen, insbesondere unterschiedliche Temperaturen und/oder Drücke, herrschen. In der Elektrolysekammer wird eine Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durchgeführt. Die Elektrolysekammer kann auch einen integrierten Wärmetauscher aufweisen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem „Antiscalant“ ein Additiv verstanden, welches das Ausfällen von, insbesondere schwerlöslichen, Salzen und damit eine Ablagerung von Partikeln auf einer Membranoberfläche, reduziert und/oder verhindert.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „aufkonzentrierten Feedlösung“ eine Feedlösung verstanden, in welcher sich als Folge einer osmotischen Membrandestillation, insbesondere Dampfdruck-Membrandestillation, die Menge an Wasser in der Lösung verringert hat und dabei die Konzentration an in dieser gelösten und/oder ungelösten Substanzen erhöht wurden.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „aufkonzentrierten Elektrolytlösung“ eine Elektrolytlösung verstanden, in welcher sich als Folge einer Elektrolyse durch die durch Elektrolyse erzeugte Gase und/oder gebildeten Wasserdampf die Menge an Wasser verringert hat und dabei die Konzentration an gelöstem, mindestens einem Elektrolyten erhöht hat.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „frischen Feedlösung“ eine Feedlösung verstanden, die noch keinem erfindungsgemäßen Verfahrensschritt b) und/oder einem Wärmetauscherschritt unterzogen wurde, insbesondere weder aufkonzentriert noch erwärmt wurde. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „mindestens eine“ eine Mengenangabe verstanden, die eine Anzahl von 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7 oder 8 oder 9 oder 10 und so weiter ausdrückt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Bezeichnung „mindestens eine“ genau die Anzahl 1 darstellen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Begrifflichkeit „mindestens eine“ auch 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7 bedeuten.
Sofern im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung quantitative Angaben, insbesondere Prozentangaben, von Komponenten eines Produktes oder einer Zusammensetzung angegeben sind, addieren diese, sofern nicht explizit anders angegeben oder fachmännisch ersichtlich, zusammen mit den anderen explizit angegeben oder fachmännisch ersichtlichen weiteren Komponenten der Zusammensetzung oder des Produktes auf 100 % der Zusammensetzung und/oder des Produktes auf.
Sofern im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein „Vorhandensein“, ein „Enthalten“, ein „Aufweisen“ oder ein „Gehalt“ einer Komponente ausdrücklich erwähnt oder impliziert wird bedeutet dies, dass die jeweilige Komponente vorhanden ist, insbesondere in messbarer Menge vorhanden ist.
Sofern im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein „Vorhandensein“, ein „Enthalten“ oder ein „Aufweisen“ einer Komponente in einer Menge von 0 [Einheit], insbesondere mg/kg, pg/kg oder Gew.-%, ausdrücklich erwähnt oder impliziert wird, bedeutet dies, dass die jeweiligen Komponenten nicht in messbarer Menge vorhanden, insbesondere nicht vorhanden ist.
Die Zahl der angegebenen Nachkommastellen entspricht der Präzision der jeweils angewandten Messmethode.
Unter dem Begriff „und/oder“ wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verstanden, dass alle Mitglieder einer Gruppe, welche durch den Begriff „und/oder“ verbunden sind, sowohl alternativ zueinander als auch jeweils untereinander kumulativ in einer beliebigen Kombination offenbart sind. Dies bedeutet für den Ausdruck „A, B und/oder C“, dass folgender Offenbarungsgehalt darunter zu verstehen ist: a) A oder B oder C oder b) (A und B), oder c) (A und C), oder d) (B und C), oder e) (A und B und C). Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter den Begriffen „umfassend“ und „aufweisend“ verstanden, dass zusätzlich zu den von diesen Begriffen explizit erfassten Elementen noch weitere, nicht explizit genannte Elemente hinzutreten können. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter diesen Begriffen auch verstanden, dass allein die explizit genannten Elemente erfasst werden und keine weiteren Elemente vorliegen. In dieser besonderen Ausführungsform ist die Bedeutung der Begriffe „umfassend“ und „aufweisend“ gleichbedeutend mit dem Begriff „bestehend aus“. Darüber hinaus erfassen die Begriffe „umfassend“ und „aufweisend“ auch Zusammensetzungen, die neben den explizit genannten Elementen auch weitere nicht genannte Elemente enthalten, die jedoch von funktioneller und qualitativ untergeordneter Natur sind. In dieser Ausführungsform sind die Begriffe „umfassend“ und „aufweisend“ gleichbedeutend mit dem Begriff „im Wesentlichen bestehend aus“. Der Begriff „bestehend aus“ bedeutet, dass allein die explizit genannten Elemente vorliegen und die Anwesenheit weiterer Elemente ausgeschlossen ist.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Gegenstände der Unteransprüche und weiteren unabhängigen Ansprüche.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die Figuren zeigen:
Figur 1 eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Membrandestillations-Anlage mit einer Feedkammer, einer Permeatkammer, die beide, zusammen mit der zwischen den beiden Kammern angeordneten porösen, hydrophoben Membran, eine Membrandestillations-Einheit bilden und einer Elektrolysekammer. Ein Gleichstrom-Wärmetauscher, der zwischen Elektrolysekammer und Permeatkammer sowie im Zulauf der Feedlösung in die Feedkammer angeordnet ist, transportiert Wärme von aufkonzentrierter Elektrolytlösung zu Feedlösung. Ferner weist die Anlage eine Vorrichtung zur Entfernung von CO2 und Wasserpumpen zum Transport von Feedlösung und Elektrolytlösung auf. Die Anode und Kathode sind durch ein Diaphragma in der Elektrolysekammer getrennt.
Figur 2 eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Membrandestillations-Anlage mit einer Feedkammer, einer Permeatkammer und einer Elektrolysekammer. Ein Gegenstrom- Wärmetauscher transportiert Wärme von der aufkonzentrierten Elektrolytlösung zur Feedlösung. Gemäß vorliegender Ausführungsform wird der Fluss der aufkonzentrierten Elektrolytlösung nach der Elektrolysekammer aufgeteilt, wobei der erste Teil der Elektrolytlösung zur Erwärmung der Feedlösung vor Einspeisung in die MD-Einheit verwendet wird und der zweite Teil in die Permeatkammer fließt. Ferner weist die Anlage eine Vorrichtung zur Entfernung von CO2 und Wasserpumpen zum Transport von Feedlösung und Elektrolytlösung auf. Die Anode und Kathode sind durch ein Diaphragma in der Elektrolysekammer getrennt.
Figur 3 eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Membrandestillations-Anlage mit einer Feedkammer, einer Permeatkammer und einer Elektrolysekammer. Ein Gleichstrom- Wärmetauscher sowie die Membran zwischen Feedkammer und Permeatkammer transportieren Wärme von der aufkonzentrierten Elektrolytlösung zur Feedlösung. Ferner weist die Anlage Drosselventile und Wasserpumpen auf, um einen Unterdrück in Feed- und Permeatkammer zu erzeugen und so die Destillationsrate zu erhöhen. Außerdem weist die Anlage eine Vorrichtung zur Entfernung von CO2 auf. Die Anode und Kathode sind durch ein Diaphragma in der Elektrolysekammer getrennt.
Figur 3a eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Membrandestillations-Anlage mit einer Feedkammer, einer Permeatkammer und einer Elektrolysekammer. Ein Gleichstrom- Wärmetauscher sowie die Membran zwischen Feedkammer und Permeatkammer transportieren Wärme von der aufkonzentrierten Elektrolytlösung zur Feedlösung. Ferner weist die Anlage ein Drosselventil in der Leitung von der Elektrolysekammer zum Wärmetauscher und Wasserpumpen auf, um einen Überdruck in der Elektrolysekammer zu erzeugen. Außerdem weist die Anlage eine Vorrichtung zur Entfernung von CO2 auf. Die Anode und Kathode sind durch ein Diaphragma in der Elektrolysekammer getrennt.
Figur 4 eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Membrandestillations-Anlage mit einer Feedkammer, einer Permeatkammer und einer Elektrolysekammer. Ein Gegenstrom- Wärmetauscher, der zwischen Elektrolysekammer und Permeatkammer sowie im Zulauf der Feedlösung in die Feedkammer angeordnet ist, transportiert Wärme von der aufkonzentrierten Elektrolytlösung zur Feedlösung. Die aufkonzentrierte Elektrolytlösung aus der Elektrolysekammer wird in zwei Leitungen aufgeteilt und einerseits über den Wärmetauscher in die Permeatkammer und andererseits in einen in die Feedkammer integrierten Wärmetauscher geleitet. Anschließend vereinigen sich beide Flüsse und gelangen nach Anreicherung mit aus der Feedkammer stammendem Wasser wieder in die Elektrolysekammer. Zusätzlich zum Wärmeübergang in dem Wärmetauscher zwischen Elektrolysekammer und Membrandestillationsanlage wird Wärme durch separate Zufuhr von aufkonzentrierter Elektrolytlösung in den Wärmetauscher in der Feedkammer übertragen. Durch separate Zufuhr von frischer Feedlösung in einem separaten Zulauf, also einer separaten Leitung, in einen weiteren Wärmetauscher in der Permeatkammer wird Wärme aus der Permeatkammer in diese frische Feedlösung übertragen und abgeführt. Ferner weist die Anlage eine Vorrichtung zur Entfernung von CO2 und Wasserpumpen zum Transport von Feedlösung und Elektrolytlösung auf. Die Anode und Kathode sind durch ein Diaphragma in der Elektrolysekammer getrennt.
Figur 5 eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Membrandestillations-Anlage mit einer Feedkammer, einer Permeatkammer und einer Elektrolysekammer. Ein in die Elektrolysekammer integrierter Wärmetauscher transportiert Wärme von der Elektrolytlösung zu frischer Feedlösung. Der Fluss der Feedlösung wird nach dem Wärmetauscher aufgeteilt, wobei der erste Teil der Feedlösung über einen Auslass entsorgt wird und der zweite Teil in die Feedkammer fließt. Ferner weist die Anlage eine Vorrichtung zur Entfernung von CO2 und Wasserpumpen zum Transport von Feedlösung und Elektrolytlösung auf. Die Anode und Kathode sind durch ein Diaphragma in der Elektrolysekammer getrennt.
Figur 6 eine schematische Zeichnung eines Experimentalaufbaus zur Bestimmung der Destillationsrate über eine Membran in einer Membrandestillations-Einheit mit Feedkammer, Permeatkammer und hydrophober, poröser Membran.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Anode
2 Kathode
3 Gasentnahme Sauerstoff
4 Gasentnahme Wasserstoff
5 Elektrolyt
6 Diaphragma
7 Fluss der Elektrolytlösung
7a Fluss der Elektrolytlösung, abgezweigt zur Membrandestillations-Einheit
7b Fluss der Elektrolytlösung, abgezweigt zum Wärmetauscher
7c Fluss der Elektrolytlösung, abgezweigt zum Heizen der Membrandestillations-Einheit
7d Fluss der Elektrolytlösung, abgezweigt über Wärmetauscher zur Membrandestillations- Einheit
8 Elektrolytlösungs-Pumpe
8a Elektrolytlösungs-Pumpe im Saugbetrieb
9 Wasserpumpe
9a Wasserpumpe im Saugbetrieb
10 Wärmetauscher im Gleichstrombetrieb
10a Wärmetauscher im Gegenstrombetrieb
10b Wärmetauscher, in die Elektrolysekammer integriert 11 Elektrolytkammer
12 Vorrichtung zur CCh-Entfernung
13 Wasser-Einlass
14 Fluss des Wassers
14a Fluss des Wassers, abgezweigt nach dem integrierten Wärmetauscher zum Wasser-Auslass
15a
14b Fluss des Wassers, abgezweigt nach dem integrierten Wärmetauscher und zur MD-Einheit zugeführt
14c Fluss des Wassers, abgezweigt zum Kühlen der Membrandestillations-Einheit
14d Fluss des Wassers, abgezweigt über Wärmetauscher zur Membrandestillations-Einheit
15,15a Wasser- Auslass
16 Drosselventil für Elektrolytlösung
17 Drosselventil für Wasser
18,19 Drucksensoren
20 Membrandestillations-Einheit (MD-Einheit)
20a Air Gap MD-Einheit
21 Feedkammer
22 Permeatkammer
23, 24 Eingebaute Wärmetauscher der Membrandestillations-Einheit
25 Einlass Elektrolysekammer
26 Auslass Elektrolysekammer 27 poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran zwischen Permeatkammer und Feedkammer
BEISPIELE
Ausführungsbeispiel 1
Eine schematische Zeichnung der Membrandestillations-Anlage gemäß Ausführungsbeispiel 1 findet sich in Figur 1.
Die frische Feedlösung, im vorliegenden Fall Meerwasser, aus dem Einlass 13 wird mittels der Pumpe 9 gefördert. Die Lösung geht durch die Vorrichtung zur CCh-Entfernung 12, anschließend durch den Gleichstrom-Wärmetauscher 10, durch die Membrandestillations-Einheit 20, insbesondere durch die Feedkammer 21, und wird aus dem Auslass 15 ausgelassen (siehe Fluss 14 in Figur 1).
Die Elektrolytlösung 5, im vorliegenden Beispiel eine konzentrierte Lauge, nämlich 40 Gew.-% KOH-Lösung (7 M) in Wasser, wird aus der Elektrolysekammer 11 mittels Pumpe 8 entnommen. Die Lösung geht durch den Wärmetauscher 10, durch die Membrandestillations-Einheit 20, insbesondere durch die Permeatkammer 22, und wird anschließend zurück in die Elektrolysekammer 11 eingespeist (siehe Fluss 7 in Figur 1).
Die Elektrolysekammer 11 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels eines Diaphragmas 6 unterteilt in zwei Bereiche, einen Bereich mit einer Anode 1, einer Gasentnahmeöffnung für Sauerstoff 3 sowie einem Einlass 25 für Elektrolytlösung und einem Auslass 26 für aufkonzentrierte Elektrolytlösung sowie einen Bereich mit einer Kathode 2 und einer Gasentnahmeöffnung für Wasserstoff 4. Es ist ebenso möglich, dass die Kathode 2 und die Gasentnahmeöffnung für Wasserstoff 4 auf der Seite mit dem Einlass 25 und Auslass 26 und die Anode 1 und die Gasentnahme für Sauerstoff 3 auf der anderen Seite des Diaphragmas liegen.
Im Gleichstrom-Wärmetauscher 10 werden die beidem Stoffflüsse, also Meerwasser und Elektrolytlösung, auf eine annährend gleiche Temperatur gebracht, die zwischen der Arbeitstemperatur in der Elektrolysekammer (im vorliegenden Ausführungsbeispiel um 80 °C) und der Umgebungstemperatur liegt. Die Temperatur am Auslass des Wärmetauschers 10 kann durch das Verhältnis zwischen den beiden Massenströmen geregelt werden. Diese Temperatur wird optimiert auf einen Kompromiss zwischen der Destillationsrate, die mit der steigenden Temperatur wächst, und der Stabilität der Membran 27 in der chemisch aggressiven Lauge, die bei höheren Temperaturen zu beachten ist. In der Membrandestillations-Einheit 20 findet die Übertragung des Wassers in Form von Dampf aus der Feedkammer 21 in Richtung der Elektrolytlösung 5 in die Permeatkammer 22 statt. Da in dieser Ausführung die Destillation unter annährend isothermen Bedingungen stattfindet, ist die treibende Kraft überwiegend osmotischer Natur: Die Aktivität des Wassers beziehungsweise sein Dampfdruck ist bei der Elektrolytlösung 5 deutlich geringer als bei dem Wasser in der Feedlösung.
So beträgt bei 60 °C der gesättigte Dampfdruck des Wassers circa 145 Torr (circa 19 kPa), während für 40 Gew.-% KOH-Lösung dieser Wert bei nur circa 55 Torr (circa 7 kPa) liegt.
Durch das in die Elektrolytlösung 5 übertragene Wasser wird der Wasserverbrauch, bedingt sowohl durch die Umwandlung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff als auch durch die Verluste durch die Verdampfung in der Elektrolysekammer 11, ausgeglichen. Durch den Destillationsprozess wird die hohe Reinheit des eingetragenen Wassers garantiert, die sehr wichtig für den Dauerbetrieb der Elektrolysekammer ist.
Gleichzeitig wird Abwärme des Prozesses aus der Elektrolysekammer entfernt, weil die zurück eingespeiste Elektrolytlösung eine niedrigere Temperatur hat.
Ausführungsbeispiel 2
Eine schematische Zeichnung der Membrandestillations-Anlage gemäß Ausführungsbeispiel 2 findet sich in Figur 2.
Der wesentliche Unterschied im Vergleich zum Ausführungsbeispiel 1 besteht darin, dass mittels eines Gegenstrom -Wärmetauschers 10a die Temperatur des Destillationsprozesses und dadurch die Prozessrate optimiert werden kann.
Dabei wird die aus der Elektrolysekammer 11 entnommene aufkonzentrierte Elektrolytlösung 5 in die zwei Teilflüsse 7a und 7b aufgeteilt. Der Teilfluss 7b wird in den Gegenstrom-Wärmetauscher 10a eingespeist und bringt darin im Gegenstrom die Wassertemperatur der frischen Feedlösung auf fast die ursprüngliche Temperatur der Elektrolytlösung 5 in der Elektrolysekammer 11, die bei circa 80 °C liegt, so dass im Feedstrom 14 die Feedkammer 21 mit heißer Feedlösung versorgt wird. Dieses heiße Wasser wird in die MD-Einheit 20, insbesondere die Feedkammer 21, als Feedlösung eingespeist. In die Permeatkammer 22 der Membrandestillations-Einheit 20 wird der abgezweigte Teilstrom 7a der Elektrolytlösung 5 eingeleitet und mit über die Dampfphase übertragenem Wasser aus der Feedkammer 21 angereichert. In dieser Ausführung findet der Destillationsprozess, so wie im Ausführungsbeispiel 1, also bei annährend isothermen Bedingungen, allerdings bei deutlich höherer Temperatur statt und hat dementsprechend eine höhere Prozessrate.
Anschließend werden die Teilflüsse des Elektrolyten 7a und 7b, nach Vereinigung, zurück in die Elektrolysekammer 11 eingespeist. So wie in dem Ausführungsbeispiel 1 wird somit das Wasser in die Elektrolysekammer 11 ein- und die Abwärme ausgetragen.
Ausführungsbeispiel 3
Eine schematische Zeichnung der Membrandestillations-Anlage gemäß Ausführungsbeispiel 3 findet sich in Figur 3. Diese Anlage entspricht im Wesentlichen der der Figur 1 (Ausführungsbeispiel 1), auf deren Beschreibung verwiesen wird.
In diesem Ausführungsbeispiel wird allerdings die Destillation unter einem niedrigeren Druck als Vakuum-Membrandestillation durchgeführt. Dafür werden die Pumpen 8a und 9a im Saugbetrieb eingesetzt und der Fluss der Elektrolytlösung 5 mittels der Drosselventile 16 und 17 begrenzt, wodurch ein Unterdrück entsteht. Der Unterdrück wird mittels der Sensoren 18 und 19 erfasst. Die Druckregelung kann in einer Feedback-Schleife sowohl durch die Einstellung der Pumpenleistung als auch durch die Regelung der Drosselventile erfolgen.
Anstelle der Unterdruckerzeugung mittels Drosselventile kann wahlweise auch ein Druckaustauscher eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiel 3a
In einem weiteren Ausführungsbeispiel als Variation des Ausführungsbeispiels 3 (siehe Figur 3a) wird die Elektrolyse unter einem erhöhten Druck, zum Beispiel als Mitteldruck- bei 5 bar oder als Hochdruckelektrolyse bei 60 bar durchgeführt. Dabei dienen das Drosselventil 16 und die Pumpe 8a, um den Druck des Elektrolytlösung in der Membrandestillationseinheit auf annähernd den Atmosphärendruck zu reduzieren. Anstelle der Druckreduzierung mittels Drosselventil kann wahlweise auch ein Druckaustauscher eingesetzt werden. Auf die Unterdruckerzeugung im Feed- Kreislauf und somit auf Drosselventil 17 kann in diesem Fall verzichtet werden.
Ausführungsbeispiel 4
Eine schematische Zeichnung der Membrandestillations-Anlage gemäß Ausführungsbeispiel 4 findet sich in Figur 4.
In dieser Ausführung wird die Destillation unter nicht-isothermen Bedingungen durchgeführt. Dabei wird analog Beispiel 2 und Figur 2 ein Gegenstrom -Wärmetausch er 10a benutzt, um die Temperatur der Elektrolytlösung 5 zu senken und die Temperatur der Feedlösung zu erhöhen. Anschließend werden die beiden Flüsse 7d und 14d in die Membrandestillations-Einheit 20a eingespeist. Durch die Temperaturdifferenz wird die Prozessrate maximiert, der Prozess stellt eine Kombination aus einer konventionellen und einer osmotischen Membrandestillation dar. Dabei findet durch die latente Verdampfungs- beziehungsweise Kondensationswärme eine erhebliche Wärmeübertragung von der Feed- zur Permeatseite statt, welche die Temperaturdifferenz schnell ausgleichen würde. Um dieses zu vermeiden, werden die jeweiligen Kammern der Destillationseinheit 20a mit Hilfe der eingebauten Wärmetauschern 23 und 24 zusätzlich gekühlt beziehungsweise geheizt. Als Kühlmedium kann dabei abgezweigte frische, also kalte Feedlösung 14c (Wärmetauscher 23 integriert in Permeatkammer 22) benutzt werden, als Heizmedium die abgezweigte heiße Elektrolytlösung 7c (Wärmetauscher 24 integriert in Feedkammer 21).
Die Membrandestillations-Einheit 20a kann hier vorteilhafterweise als sogenannte Air Gap Membrandestillations-Einheit ausgeführt werden. Durch den Luftspalt lässt sich eine hier unerwünschte zusätzliche durch die Wärmeleitfähigkeit der Membran 27 bedingte Wärmeübertragung zwischen Feed- und Permeatseite minimieren. Baut man die Air Gap MD- Einheit so auf, dass sich der Luftspalt zwischen der Membran 27 und der Elektrolytlösung 5 befindet, so wird der direkte Kontakt zwischen Membran 27 und Lauge und die damit verbundenen Membranstabilitätsprobleme vermieden.
Ausführungsbeispiel 5
Eine schematische Zeichnung der Membrandestillations-Anlage gemäß Ausführungsbeispiel 5 findet sich in Figur 5.
Der wesentliche Unterschied im Vergleich zum Ausführungsbeispiel 1 besteht darin, dass die Temperatur der Feedlösung mittels eines in die Elektrolysekammer integrierten Wärmetauschers 10b auf fast die Temperatur der Elektrolytlösung 5 in der Elektrolysekammer 11 gebracht wird. Durch den integrierten Wärmetauscher 10b wird die Elektrolytlösung unmittelbar in der Elektrolytkammer gekühlt. Nach dem Wärmetauscher wird der Feedfluss in die zwei Teilflüsse 14a und 14b aufgeteilt. Der Teilfluss 14a der Feedlösung, welcher aufgrund der Menge nicht für die Membrandestillation benötigt wird, wird über den Auslass 15a aus der Membrandestillations- Anlage und somit dem Prozess entfernt.
Im Teilfluss 14b wird die Vorrichtung zur CCE-Entfemung 12 vor der Feedkammer 21 positioniert. Durch die erhöhte Temperatur der Feedlösung kann die Kohlendioxidentfemung optimiert werden. Die Membrandestillation findet bei annähernd isothermen Bedingungen bei fast der ursprünglichen Temperatur der Elektrolytlösung 5 statt.
Ausführungsbeispiel 6
In Figur 6 wird eine Membrandestillations-Einheit 20 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wurde die Destillationsrate von Wasser einer Feedlösung (B) zu einer Elektrolytlösung (C) innerhalb einer Membrandestillations-Einheit (A) mit hier nicht dargestellten jeweils einer Feedkammer und Permeatkammer über eine poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran mit einer mittleren Porengröße von 100 nm, wobei die Membran aus PTFE hergestellt wurde und einen Träger aus Polysulphon, insbesondere Polyethersulphon (PES), aufwies, bestimmt. Hierzu wurde einer Membrandestillations-Einheit aus Vorlagehältem Feedlösung und Elektrolytlösung mittels Peristaltikpumpen zugeführt und nach 3 Stunden die Massenzunahme in der Elektrolytlösung bestimmt.
Bedingungen
• .. Feed (Feedlösung): Reinstwasser (0,8 mS cm’1)
• .. Draw (Elektrolyselösung): 4 M KCl (entspricht 4 M KOH, da lonenstärke gleich ist)
• .. Gravimetrische Bestimmung der Massenzunahme in Elektrolytlösung/Draw-Lösung (vor und nach Messung)
• .. Zirkulation über Peristaltikpumpen (30 rpm)
• .. Messdauer 3h
Ergebnis:
• .. Wasserfluss über die Membran: 2,6 kg / m2 h
Im Ergebnis wurde so eine Destillationsrate über die Membran von 2,6 kg / m2 h gemessen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellen einer Elektrolytlösung (5), welche Wasser und mindestens 1 mol/1 mindestens eines Elektrolyten umfasst, einer Feedlösung umfassend Wasser, und einer osmotischen Membrandestillations-Anlage, welche mindestens drei Kammern, insbesondere eine Feedkammer (21), eine Permeatkammer (22) und eine Elektrolysekammer (11), aufweist, wobei die Feedkammer (21) und die Permeatkammer (22) durch eine poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran (27) getrennt sind und die Feedkammer (21) Feedlösung und die Permeatkammer (22) Elektrolytlösung (5) aufweist, b) Durchführen einer osmotischen Membrandestillation, wobei Wasser in der Feedkammer (21) verdampft, als Wasserdampf die Membran (27) passiert und in die Elektrolytlösung in der Permeatkammer (22) kondensiert, und c) Elektrolysieren von Wasser der Elektrolytlösung (5) in der Elektrolysekammer (11), wobei Wasserstoff und Sauerstoff erhalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Membrandestillations-Anlage mindestens einen Wärmetauscher (10, 10a) aufweist, insbesondere zwischen Elektrolysekammer (11) und Permeatkammer (22) und/oder integriert in die Feedkammer (21) und/oder integriert in die Elektrolysekammer (11) und/oder integriert in die Permeatkammer (22) oder eine Kombination davon.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Membrandestillations- Anlage mindestens einen Druckaustauscher aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran (27) in Form einer Flachmembran, Rohrmembran oder Hohlfasermembran ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Membrandestillations-Anlage ferner eine Vorrichtung zur Entfernung von Kohlenstoffdioxid (12) umfasst, welche Kohlenstoffdioxid aus der Feedlösung entfernt, bevor diese in die Feedkammer gelangt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Feedlösung eine Lösung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Grundwasser, Oberflächen wasser, Trinkwasser, Abwasser, Brackwasser, Meerwasser und Kombinationen davon ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feedlösung eine niedrigere Osmolalität aufweist als die Elektrolytlösung (5).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Feedlösung zusätzlich mindestens ein Antiscalant umfasst.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die osmotische Membrandestillation gemäß Verfahrensschritt b) eine Direct Contact, Air Gap, Vakuum oder Sweeping Gas-Membrandestillation ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Destillationsrate des Wassers von der Feedkammer (21) über die poröse hydrophobe Membran (27) in die Permeatkammer (22) mindestens 1 kg m'2 h'1 beträgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während der Elektrolyse in Verfahrensschritt c) eine Temperatur von mindestens 60 °C vorliegt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrolyse in Verfahrensschritt c) eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse, insbesondere eine Protonenaustauscher-Membran (PEM)-Elektrolyse oder Anionenaustauscher-Membran (Anion Exchange Membrane, AEM)-Elektrolyse, oder alkalische Elektrolyse, bevorzugt eine alkalische Elektrolyse mit Diaphragma, ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren zusätzlich folgenden Verfahrensschritt umfasst: d) Nachführen weiterer Feedlösung in die Feedkammer (21), wobei aufkonzentrierte Feedlösung aus der Feedkammer (21) entnommen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die in Verfahrensschritt d) entnommene aufkonzentrierte Feedlösung in einem pressure-retarded osmosis-Prozess zur Gewinnung von Energie verwendet wird.
15. Osmotische Membrandestillations- Anlage, welche für ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgelegt ist, wobei die Anlage mindestens drei Kammern aufweist, insbesondere eine Feedkammer (21), eine Permeatkammer (22) und eine Elektrolysekammer (11), wobei die Feedkammer (21) und Permeatkammer (22) durch eine poröse hydrophobe gasdurchlässige Membran (27) getrennt sind und die Elektrolysekammer (11) mit der Permeatkammer (22) verbunden ist.
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