Projekt 04317/01

Entwicklung einer Testapparatur für Membranen

Projektdurchführung

UWATECHMembran-, Umwelt- und Wassertechnik GmbH
Auf der Beikhorst 23
29336 Nienhagen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel der Entwicklung ist ein mobiles Mess- und Testgerät herzustellen, das es ermöglicht, Umwelt belastende Stoffe mit Hilfe eines schnellanalytischen Membrantrennverfahrens abzutrennen und aufzukonzentrieren. Im Gegensatz zu vorhandenen Membran-Testeinrichtungen werden nicht ebene (zweidimensionale) Flachmembranen, sondern Membranen zylindrischer Form (dreidimensional) eingesetzt. Das Gerät ermöglicht direkt einen umweltbezogenen Einsatz für Feldversuche. Dadurch wird die Schnellanalytik für membrantechnische Trennbarkeit der Belastungsstoffe wässriger Lösungen erheblich verbessert.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenBis zum Prototypbau eines Membrantestgerätes waren umfangreiche Recherchen zu üblichen Testgeräten notwendig. Zu Beginn der Entwicklung wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Verfahrenstechnik der RWTH Aachen ein Konzept für einen neuartigen dreidimensionalen Testapparat (3DTA) erarbeitet und zum Patent angemeldet, das dann in Deutschland und den USA erteilt wurde. Dieses Konzept wurde dann in eine Konstruktion des 3DTA mit Gesamtzeichnung und Einzelteilzeichnung umgesetzt. Nach Abschluss der Konstruktion erfolgte parallel zur Materialbeschaffung der Bau eines Prototyps. Der Prototyp wurde in Versuchen getestet und nach Auswertung dieser Versuche verbessert. Die Verbesserungen beinhalteten in der Hauptsache Dichtigkeiten und Handhabbarkeit des 3DTA. Auf Grundlage der verbesserten Konstruktion wurde ein neuer 3DTA hergestellt. Dieser Testapparat wurde bei Feldversuchen mit realem Abwasser getestet. Nach Auswertung der Feldversuche wurde der 3DTA weiter modifiziert, indem Instrumente wie Manometer, Konzentratablassventil und Bypassregelung an das Gerät angebracht wurden, die zur Untersuchung des Permeats und Konzentrats und zur Einstellung der Betriebsparameter notwendig sind und indem zusätzliche Apparaturen zum kontinuierlichen Speisen des 3DTA konstruiert und gefertigt wurden.


Ergebnisse und Diskussion

Ein Konzept zum Bau eines für Feldversuche geeigneten Membrantestgerätes wurde durch umfangreiche Konstruktionsvarianten erarbeitet. Im Unterschied zu schon vorhandenen Membrantestgeräten, bei denen die Testeinrichtung aus Flachmembranen mit kreis- oder viereckförmigen Zuschnitten besteht (zweidimensional), soll das neu zu entwickelnde Testgerät dreidimensional arbeiten und mobil sein. Auch soll ein kontinuierlicher Testbetrieb gewährleistet werden können. Durch die zylindrische Anordnung der Membran wird ein dreidimensionaler Test der Membran möglich. Die zylindrische Membran wird auf einen Halter aufgebracht, der mit Löchern versehen ist, durch die das Permeat in einen Sammelkanal geleitet wird. Hierbei sind folgende Probleme zu lösen gewesen. Einerseits musste aus einer rechteckig zugeschnittenen Membrane eine handhabbare und dichte zylindrische Membran hergestellt werden, andererseits musste die zylindrische Membrane ional dicht auf den Membranhalter aufgebracht werden. Der benötigte Druck in dem dreidimensionalen Testapparat (3DTA) wird von außen durch Druckluft aufgebracht und das Medium in dem 3DTA durch eine Magnet gekuppelte Pumpe über die Membranoberfläche ohne nennenswerte Druckerhöhung überströmt. Dadurch ist die Montage einer größeren externen Druckerhöhungspumpe nicht nötig und die Mobilität des 3DTA möglich.
Die Überströmgeschwindigkeit des zu testenden Mediums wird hydraulisch geregelt. Dabei wird der Bernoullische Effekt genutzt, der besagt, dass bei konstantem Gesamtdruck die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt (abnimmt), wenn der statische Druck singt (steigt). Durch Verkleinern des Strömungsquerschnittes wird eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erzielt. Gleichzeitig sinkt der statische Druck im Strömungskanal und die ebenfalls zylindrisch um die Membran angebrachten Spacer und Spiralfolie werden an die Membran gedrückt. Der statische Druck kann am Anfang und am Ende des Strömungskanals durch ein Differenzdruck-Manometer abgelesen werden.
Das durch den 3DTA produzierte Permeat kann in einem Labor auf Substanzen untersucht werden, die im Abwasser enthalten waren. Durch den 3DTA wird die Membranauswahl für den Einsatz von Membranverfahren verbessert, dadurch dass die Versuche vor Ort stattfinden und das Probewasser nicht über eine längere Strecke transportiert werden muss, was das Abwasser verändern kann.
Zum Einsatz kommt der 3DTA bei praktischen Untersuchungen der Trennbarkeit unterschiedlich belasteter Wässer wie industrielles Abwasser, Deponiesickerwasser, belastetes Grundwasser, Abwasser aus Bodenwäsche, Tiefenwasser, Oberflächenwasser, Flusswasser. Bei der Aufbereitung dieser Wässer kann das Permeat als weitgehend gereinigtes Wasser dem natürlichen Wasserkreislauf wieder zugeführt werden. Versuche mit einem realen Abwasser aus der Papierindustrie mit Ultrafilter-, Nanofilter- und Umkehrosmosemembranen haben ergeben, dass die Qualität des Permeats beim Einsatz der Umkehrosmosemembran am besten ist und das Permeat einleitfähig wird. Das Konzentrat ist soweit aufkonzentriert worden, dass die Quantität des zu entsorgenden Materials wesentlich verringert und damit das Entsorgungsproblem und die Kosten minimiert wurden.
Weitere Feldversuche wurden für Coalbed Methane Water (CMW) und Berkely-Pit-Abwasser durchgeführt.
Nach Abschluss des Projektes sind zusätzliche Feldversuche mit dem modifizierten 3DTA in Kooperation des Instituts für Verfahrenstechnik der RWTH Aachen geplant.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Für den 3DTA wurde ein Prospekt erstellt, der Anwendungsmöglichkeiten des Testapparates aufzeigt.
Weiterhin wurde der 3DTA während der Messe ACHEMA 2000 präsentiert. In Beiträgen der Fachzeitschriften CAV und GWF wurde der 3DTA beschrieben.


Fazit

Der Einsatz des 3DTA in der Aufbereitungstechnik von (Ab)-Wasser steigert durch Vorversuche die Effizienz der Membranverfahren. Aus dem aufzubereitenden (Ab)-Wasser kann vor der Anlagenplanung Permeat produziert werden und deren Inhaltsstoffe auf umweltrelevante und gesundheitsschädliche Stoffe untersucht werden. Eine Prüfung des für die Umwelt geeignetsten Verfahrens kann dadurch einfach und repräsentativ vorgenommen werden. Das Gerät bringt damit gegenüber bisherigen Versuchsanlagen deutliche Vorteile. Die Markteinführung erfolgt kurzfristig.