Neues Abwasseraufbereitungssystem mit fortschrittlichen Membranverfahren

Die Argumente für Wasserschutz und -erhaltung werden immer dringlicher. Engpässe bei der Wasserversorgung, eine Verschlechterung der Wasserqualität und in manchen Fällen sogar der völlige Verlust des Zugangs zu Wasser kommen weltweit immer häufiger vor. Bedauerlicherweise werden diese Wasserprobleme nicht mehr nur Entwicklungsländern oder Trockengebieten zugeschrieben, sondern sind inzwischen für alle sichtbar und spürbar in Form von ausgetrockneten Seeböden, eingestürzten und erschöpften Grundwasserleitern und Flüssen, die nicht mehr zu ihrem einstigen Ziel fließen . Nach Angaben von UN-Water werden bis zum Jahr 2025 1,8 Milliarden Menschen mit absoluter Wasserknappheit leben.1 In Kalifornien stiegen die Kosten für die Wasserversorgung von Ackerland im Jahr 2022 um das Zehnfache;2 in British Columbia, Kanada, einem Gebiet, das als Regenwald ausgewiesen ist Im Herbst 2022 herrschte in Kapstadt in Südafrika strenge Dürrebeschränkungen;3 und im Jahr 2017 erreichte Kapstadt in Südafrika den „Tag Null“ – den Tag, an dem die Wasserreservoirs praktisch trocken waren und die Regierung gezwungen war, die Wasserversorgung abzustellen.4

Sogar Europa sieht Hindernisse in der Fertigung, als Tesla im Jahr 2022 seine Pläne für Elektrofahrzeuge (EV) aufgrund von Wasserbeschränkungen ins Stocken brachte.5 Der Wassermangel stellt eine große Bedrohung für mehrere Sektoren dar, darunter die industrielle Fertigung, den Transport und sogar die Ernährungssicherheit. Wenn die Wasserknappheit weiter zunimmt, werden Menschen und Industrie dann anfangen, darum zu konkurrieren oder, schlimmer noch, darum zu kämpfen? Wenn wir diese Wende schaffen wollen, müssen wir beginnen, unser Wasser besser zu verwalten, aber was noch wichtiger ist, wir müssen beginnen, Wasser als Ressource wertzuschätzen. Bei industriellen Prozessen könnte die Möglichkeit, Wasser wiederzuverwenden, den Unterschied zwischen einem wirtschaftlichen und nachhaltigen Betrieb oder einer Geschäftsaufgabe aufgrund von Wassermangel ausmachen. Der verbesserte Wasserschutz hat die Notwendigkeit der Einführung neuer Methoden in der Abwasseraufbereitung deutlich gemacht, damit das darin enthaltene wertvolle Wasser extrahiert, gereinigt und wieder in industriellen Prozessen wiederverwendet oder zur Wiederauffüllung von Grundwasserleitern oder zur Wiederauffüllung in die Umwelt zurückgeführt werden kann der Wasserversorgung.

Es gibt Lösungen für das Problem der Wasserknappheit. Während die Linderung der Wasserknappheit Anstrengungen an mehreren Fronten erfordert, wird sich einer dieser Schlachtfelder auf die industrielle Nutzung und Wiederverwendung von Wasser konzentrieren. Weltweit fallen jedes Jahr 359 Milliarden Kubikmeter Industrieabwasser an, von denen nur etwa 50 % behandelt werden.6 Eine kostengünstige Wasserrückgewinnung mit minimalem Energiebedarf ist heute mit fortschrittlicheren und derzeit verfügbaren Technologien möglich. Bei bestehenden Anlagen könnte die Modernisierung oder Änderung bestehender Abwasseraufbereitungsprozesse im Wesentlichen bedeuten, dass das in eine Anlage eintretende Wasser unbegrenzt wiederverwendet werden könnte, was es zu einer einmaligen Anschaffung und einer Ressource der Anlage macht. Als Beispiel hierfür hat sich die L'Oréal Groupe verpflichtet, bis 2030 100 % des in ihren Industrieprozessen verwendeten Wassers zu recyceln und in einem kontinuierlichen Wasserkreislauf wiederzuverwenden.7

In den letzten Jahrzehnten kam es immer häufiger zu Fortschritten bei Technologien und Methoden zur Behandlung industriell kontaminierter Abfallströme. Der hervorstechendste dieser Fortschritte war das Aufkommen neuer membranbasierter Technologien, mit denen herkömmliche Abwasseraufbereitungsanlagen in fortschrittliche nachhaltige Wiederverwendungsanlagen umgewandelt werden können. Die ausgereifteste Membrantechnologie ist die Umkehrosmose (RO) mit einer prognostizierten Marktgröße von 13,5 Milliarden US-Dollar bis 2025 und einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 8,7 %.8 Dieses Marktwachstum wird teilweise durch neue Wasserknappheit vorangetrieben Aufbereitungsvorschriften für industrielle und kommunale Abwasseranwendungen und in jüngerer Zeit auch für die Solebewirtschaftung, da mehr Entsalzungsanlagen gebaut werden, um den Trinkwasserbedarf zu decken.9

Der Bedarf und die Nachfrage nach mehr Wasser haben zur Entwicklung neuer und der Entwicklung anderer Membrantechnologien geführt. Zu den jüngsten Entwicklungen in der Membrantechnologie gehören die osmotisch unterstützte Umkehrosmose (OARO), die Umkehrosmose im geschlossenen Kreislauf (CCRO), die Membrandestillation (MD) und die Vorwärtsosmose (FO). FO ist ein gutes Beispiel für die technologische Entwicklung, die nur durch die Fortschritte in der Chemie und den Materialwissenschaften in den letzten 15 Jahren verwirklicht wurde. FO hat diese Fortschritte durch den Einsatz neu kommerzialisierter wasserselektiver Membranen und den Einsatz einer neuen thermolytischen Ziehlösung (TDS) genutzt und so höhere Wasserrückgewinnungsraten bei niedrigeren Energien erzielt. Das Nettoergebnis dieser Fortschritte besteht darin, dass mithilfe der in der „Ziehlösung“ enthaltenen freien osmotischen Energie große Mengen sauberen Wassers aus dem Abwasser extrahiert und zurückgewonnen werden können. Historisch gesehen bestand die Herausforderung bei der Kommerzialisierung von FO-Technologien darin, wirtschaftlich tragfähige Zuglösungen zu finden, die sich bei minimalem Energiebedarf leicht regenerieren lassen. Die Auswahl und Verwendung einer thermolytischen Zuglösung wird dieser Herausforderung gerecht. FO-Lösungen zur thermolytischen Entnahme sind in der Lage, bei der Extraktion und Produktion von sauberem Wasser eine Energieeinsparung von 40–50 % im Vergleich zur herkömmlichen thermischen Verdampfung (TE) zu erzielen.10 Da FO weniger Energie verbraucht als TE, hat FO einen viel kleineren CO2-Fußabdruck, was beweist Dies könnte für Unternehmen von Vorteil sein, die ihr ESG-Rating (Umwelt, Soziales und Unternehmensführung) verbessern möchten. Da FO außerdem osmotische Energie nutzt, um Wasser durch eine semipermeable Membran zu ziehen, und nicht Druck, wurden häufige Herausforderungen/Probleme im Zusammenhang mit RO-Operationen, wie z. B. Feststoffverdichtung/-komprimierung, Porenverstopfung und irreversibler Flussverlust, dadurch beseitigt oder minimiert Die robuste Betriebsweise von FO.

Die Forward Water Technologies Corporation hat ihr industrielles MAX-FOTM-Verfahren für schwer zu behandelnde Abfälle und Prozesswässer kommerzialisiert, für die außer der Tiefbrunnenentsorgung oder der energiereichen Massensiedeverdampfung nur wenige Abwasserbehandlungsalternativen bestehen.

Ein industrieller FO-Prozess verwendet typischerweise einen dreistufigen Ansatz. Im ersten Schritt wird eine Membran verwendet, um Wasser aus einem Abfall- oder Prozessstrom zu extrahieren. Die Wasserextraktion ist eine Funktion der Membranpermeabilität und des osmotischen Potenzials der Ziehlösung. Das osmotische Potenzial hängt von der Art der verwendeten Ziehlösung ab und sollte zu einer sehr hohen osmotischen Potenzialdifferenz zwischen Futter und Ziehlösung führen. Da das osmotische Potenzial die Kraft ist, die den Wassertransport durch die Membran bewirkt, ist der Wassertransport umso größer, je höher das osmotische Potenzial ist. Um das osmotische Potenzial zu maximieren, muss der FO-Prozess so konzipiert sein, dass die Ziehlösung auf der höchstmöglichen Konzentration gehalten wird, während Wasser in sie transportiert wird. Das Nettoergebnis der Wasserübertragung führt zu einer Konzentration der Zufuhrlösung und einer Verdünnung der „Zuglösung“, die als verdünnte Zuglösung (DDS) bezeichnet wird. Um während des Betriebs eine hohe Konzentration der Ziehlösung aufrechtzuerhalten, muss das DDS in einem geschlossenen Kreislauf kontinuierlich neu konzentriert oder regeneriert werden. Forward Water Technologies erreicht dies durch den Einsatz einer thermolytischen Ziehlösung.

Eine thermolytische Ziehlösung ist vorzuziehen, da sie den Betrieb von FO-Systemen mit deutlich höheren TDS-Werten ermöglicht, die weit über die Grenzen von RO hinausgehen. Die Einzigartigkeit einer thermolytischen Ziehlösung liegt in ihrer Fähigkeit, sich von einem gelösten Salz in ein Gas umzuwandeln und eine Lösung zu hinterlassen, wenn ihr minderwertige Hitze zugeführt wird, was dazu führt, dass sauberes Wasser zurückbleibt. Im Gegensatz dazu ist ein thermischer Verdampfer ein Großkessel, der bei der Herstellung von destilliertem Wasser Druck und hohe Temperaturen nutzt. Wie beschrieben ist der Betriebsunterschied zwischen FO und TE erheblich, da der FO-Energieverbrauch um 40–50 % geringer ist. Um das CDS zu regenerieren, werden die entwickelten Gase aufgefangen und in einem Adsorptionsprozess, dem dritten Schritt des FO-Zyklus, wieder in CDS zurückgeführt. Dieser dreistufige FO-Prozess führt zu einer höheren Wasserrückgewinnung, einem geringeren Energiebedarf und einem kontinuierlichen Kreislaufregenerationsprozess.

Bereits 2019 skalierte Forward Water den Prozess zur Raffinerieabwasseraufbereitung und zur Aufbereitung von Produktionswasser aus der Öl- und Gasindustrie in Alberta. Somit wurde gezeigt, dass die MAX-FOTM-Technologie skalierbar war, in der Lage war, anspruchsvolle Abfallströme zu bewältigen und die Betriebsziele der Reinwasserrückgewinnung mit einem relativ geringeren Energieaufwand im Vergleich zu Transport und Entsorgung oder Zwangsverdampfung erreichte.

Der Schlüssel zur Weiterentwicklung der Kommerzialisierung des MAX-FOTM-Verfahrens von Forward Water liegt in der Konzentration auf Sektoren, in denen eine schnelle Einführung erfolgen wird. Im Großen und Ganzen handelt es sich dabei um industrielle Fertigung, Bergbau oder Mineralgewinnung sowie Abfälle aus der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung. Zusammengenommen stellen diese Sektoren eine Chance in Höhe von 67 Milliarden US-Dollar dar.11a,b,c Während jede dieser Branchen unterschiedliche kommerzielle Erträge erzielt, führen sie alle zu beeinträchtigtem Abwasser, das für die Behandlung durch ein FO-Verfahren geeignet ist.

Bei der Entwicklung von FO-Designs in Verbindung mit verschiedenen Märkten und Anwendungen wurde deutlich, dass Testdaten, die aus FO-Tischtests und FO-Pilotversuchen von Kundenprozessen und Abwasserströmen abgeleitet wurden, eine bessere Leistung lieferten als vorhergesagt. Die Steigerung der FO-Leistung führte zu höheren Wasserrückgewinnungsraten und niedrigeren Betriebskosten, sodass wir neue Anwendungen wie das Solemanagement erschließen konnten. Solen können als hoher Salzgehalt, hoher Mineralgehalt oder beides definiert werden; können als von Menschenhand oder in der Natur gefunden werden; und können aufgrund des Zwecks, dem sie dienen (Beizlake) oder aufgrund der darin enthaltenen Mineralien/Metalle einen Wert haben. In beiden Fällen (künstlich oder natürlich vorkommende Solen) bietet die Fähigkeit, Wasser zu extrahieren und es auf den höchstmöglichen Grad zu konzentrieren, Vorteile für deren Handhabung, Management und Verarbeitung. Dank der Fähigkeit von Forward Water mit MAX-FOTM, diese Solen zu konzentrieren, sind mehrere neue Märkte entstanden, um den Kundenbedürfnissen gerecht zu werden.

Ein solcher Markt, in dem FO einen neuen Mehrwert gegenüber herkömmlicher TE bietet, ist die Gewinnung von Lithium aus unkonventionellen Lithiumsolequellen, die in Verbindung mit der direkten Lithiumextraktion (DLE) verwendet werden. Ein DLE-Prozess extrahiert und lädt Lithium „direkt“ auf ein Ionenaustausch- oder Absorptionsmaterial, während Lithiumsole darüber und durch dieses geleitet wird. Je höher der Lithiumgehalt in der Sole ist, desto schneller und einfacher lässt sich Lithium auf das DLE-Material laden. Unkonventionelle Lithiumquellen wie Geothermie und Ölfeldsolen enthalten üblicherweise Lithiumkonzentrationen zwischen 75 und 200 ppm. Dieser niedrige Lithiumgehalt bedeutet, dass größere Pumpen, größere Solemengen und höhere Kapitalkosten erforderlich sind, um Lithium auf das DLE-Material zu laden. Mit dem MAX-FOTM-Verfahren können unkonventionelle Lithiumsolequellen in vielen Fällen um das Zehnfache konzentriert werden, was zu einer erhöhten Lithiumkonzentration und der Umwandlung unkonventioneller Quellen in wirtschaftlich rentable Produktionsstandorte führt. Es wird geschätzt, dass durch die Erschließung unkonventioneller Lithiumsolequellen eine LCE-Produktion von 25 Millionen Tonnen realisiert werden könnte.12

Im Jahr 2022 ist die Nachfrage nach Lithium rasant gestiegen und die Angebotsseite konnte mit der steigenden Nachfrage nicht Schritt halten. Diese Lücke in der Lieferkette wird voraussichtlich bis mindestens 2040 bestehen bleiben.13

Darüber hinaus wird erwartet, dass die Versorgung mit Lithium in Batteriequalität weitgehend aus unterirdischen Solen statt aus Hartgesteinsabbau erfolgt. Die mehrstufige Gewinnung von Lithium aus diesen Solen unterliegt einigen erheblichen Einschränkungen. Bei vielen der DLE-Verfahren, die mit den vor- und nachgelagerten Behandlungsanforderungen einhergehen, handelt es sich ausschließlich um die Verarbeitung wässriger Sole. Die Prozesskosten spielen eine wichtige Rolle, und in vielen, wenn nicht allen Fällen bietet ein konzentrierter Prozessstrom die besten Vorteile bei der DLE-Extraktionskinetik und bei Post-DLE-Prozessen sowie bei der Entfernung von Verunreinigungen. Diese konzentrierten Sole- und Lithiumströme führen zu einem geringeren Kapitalbedarf, besseren Erträgen, niedrigeren Kosten und höheren Reinheiten, als man sonst erwarten würde. Darüber hinaus kann auch die Rückgewinnung des Wassers aus Lithiumbetrieben eine entscheidende Überlegung sein, da viele dieser Lithiumquellen in wasserarmen oder trockenen Regionen liegen und die Wasserentnahme ohne Ersatz große Hindernisse für die Betreiber darstellt, da die örtlichen Gemeinden sich gegen Industrien wehren, die dies nicht tun Gehen Sie direkt auf den Wasserschutz ein. Schließlich ist bei der Durchführung von DLE-Vorgängen und der Verfeinerung der Lithiumreinheit der Strombedarf in diesen Prozessen ein entscheidender Gesichtspunkt. Die Industrie für erneuerbare Materialien kann kein großer Energieverbraucher sein, insbesondere wenn dieser Strom mithilfe der herkömmlichen Energieerzeugung auf Kohlenwasserstoff- oder Kohlebasis erzeugt wird. Daher kann die gewünschte Solekonzentration nicht durch herkömmliche Methoden der Zwangsverdampfung erreicht werden, beispielsweise durch thermische Mehreffektverdampfung.

Der Li-FOTM-Aufbereitungsprozess von Forward Water, der speziell zur Unterstützung der Lithiumabscheidung entwickelt wurde, ermöglicht die Konzentration wasserbasierter Prozesssoleströme, was zu niedrigeren Betriebs- und Kapitalkosten führt, da der Strombedarf nachweislich deutlich geringer ist geringer als bei der Verdunstung, sodass der CO2-Fußabdruck nur noch 50 % des entsprechenden Multieffektverdampfers beträgt.10 Darüber hinaus führt der Li-FOTM-Prozess sauberes Wasser zur ursprünglichen Quelle zurück oder macht es für andere industrielle Zwecke verfügbar. Weitere Studien haben außerdem gezeigt, dass der Wärmebedarf durch solarthermische Anlagen gedeckt werden kann, wodurch die Wasserrückgewinnung und -wiederverwendung im Hinblick auf Kosten und reduzierte CO2-Emissionen noch effektiver wird. Derzeit arbeitet Forward Water mit mehreren globalen Bergbauunternehmen an der Entwicklung und Unterstützung ihrer Lithium-DLE-Prozesse und an der Gewährleistung keiner oder minimaler Auswirkungen auf die Umwelt durch Maximierung der Wasserrückgewinnung zur Wiederverwendung und Minimierung der CO2-Emissionen.

Die Kombination aus strengeren Wasservorschriften, steigenden Betriebskosten und dem Streben nach Netto-Null-Emissionen hat die MAX-FOTM- und Li-FOTM-Prozesse als innovative Lösung zur Erfüllung der Bedürfnisse der heutigen Kunden positioniert. Das thermolytische Zugrecycling in Kombination mit fortschrittlichen Membranmaterialien setzt neue und niedrigere Energiemaßstäbe bei der Wasserrückgewinnung und den CO2-Emissionen. Mit jedem Erfolg trägt Forward Water zum globalen Übergang zur Wassernachhaltigkeit bei, indem herkömmliche Technologien durch sauberere und effizientere ersetzt werden. FO erschließt weiterhin neue Märkte und neue Anwendungen, da Kunden die inhärenten Möglichkeiten erkennen, die ihnen der FO-Betrieb jetzt bietet – höhere Wasserrückgewinnung, höhere Konzentrationsfaktoren, größere Volumenreduzierung und geringerer Energiebedarf. Kann Ihr Prozess oder Ihr Abwasseraufbereitungssystem durch einen dieser FO-Vorteile verbessert werden?

2. https://www.cnn.com/2022/11/01/us/california-water-cost-profiteering-climate

3. https://globalnews.ca/news/9205042/sunshine-coast-drought-emergency/

4. https://time.com/cape-town-south-africa-water-crisis/

5. https://www.npr.org/2022/11/03/1131695382/tesla-ev-electric-vehicles-europe-Germany-drought-climate-change-factory

6. https://www.aquatechtrade.com/news/wastewater/50-per-cent-of-wastewater-now-treated-worldwide/

7. https://www.loreal.com/de/verpflichtungen-und-verantwortung/für-den-planeten/wasser-nachhaltig-managen/

8. https://www.alliedmarketresearch.com/reverse-osmosis-membrane-market

9. https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/reverse-osmosis-membrane-market-423.html?gclid=CjwKCAiA68ebBhB-EiwALVC-NiI3ThKAsmjCLnlx2JX6Zyr7VYNDmBBqdgVFN9OSgsO9IWoxPnUcVxoCEQ4QAvD_BwE

10. Studien Dritter haben prognostiziert, dass MEE Energie benötigen würde, was zu einer Freisetzung von 197,4 kg CO2 führen würde, verglichen mit 98,6 kg für den gleichen Behandlungsbedarf beim FO-Verfahren von FWTC

11a. https://www.statista.com/statistics/1099424/market-size-industrial-wastewater-treatment-global-by-region/

11b. Global Briefing 2019 zum Markt für aromatisierende Sirupe und Konzentrate, The Business Research Company, Juni 2019

11c. https://www.prnewswire.com/news-releases/global-mining-water–wastewater-treatment-market-report-2019-2023-focus-on-growth-opportunities-for-sustainable-solutions-300962194.html

12. https://www.fastmarkets.com/insights/unconventional-lithium-sources-can-it-fill-the-supply-gap

13. Benchmark Minerals 2022

Bitte beachten Sie, dass dieser Artikel auch in der dreizehnten Ausgabe unserer vierteljährlichen Publikation erscheinen wird.

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