Echte schlüsselfertige Lösungen für die Membranwasserreinigung

Die Umwandlung einer Vielzahl von Quellwässern in hochwertiges membrangereinigtes Wasser ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen in zahlreichen Branchen, darunter industrielle Fertigung, Offshore-Öl- und Gasproduktion, Lebensmittel- und Getränkeproduktion, Pharmazeutik, Mikroelektronik und Energieerzeugung.

Von Cameron W. Hipwell, PE

Die Umwandlung einer Vielzahl von Quellwässern in hochwertiges membrangereinigtes Wasser ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen in zahlreichen Branchen, darunter industrielle Fertigung, Offshore-Öl- und Gasproduktion, Lebensmittel- und Getränkeproduktion, Pharmazeutik, Mikroelektronik und Energieerzeugung.

Insbesondere die Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen ist sehr wasserintensiv, da sie einen erheblichen Teil des gesamten aufbereiteten Wassers in Industrieländern verbraucht.

Quellwasser, das von Flüssen und Seen über kommunales Trinkwasser bis hin zu Meerwasser reicht, muss eine Reihe von Schritten durchlaufen, um aufbereitetes Produktwasser zu erzeugen, das für den Endverbrauch geeignet ist. Kraftwerke können in Küstenregionen, im Landesinneren in der Nähe von Flüssen und Seen oder an Standorten liegen, die kommunales Trinkwasser, Grundwasser oder biologisch gereinigtes Sekundärabwasser nutzen. Verunreinigungen in diesen verschiedenen Quellen sind Gesamtschwebstoffe (TSS), kolloidale Spezies wie Kieselsäure, Gesamtfeststoffe (TDS) und gelöste organische Stoffe. Die Art und der jeweilige Gehalt dieser Verunreinigungen bestimmen die Eignung des Wassers und die erforderlichen Aufbereitungsschritte für den Einsatz in einem Kraftwerk.

Der Schlüssel zur Produktion von gereinigtem Wasser vor Ort ist der Einsatz von Membranfiltrationsprozesssystemen. Die bekannten Filtrationsprozesse Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (RO), die in Abbildung 1 dargestellt sind, sorgen jeweils für einen diskreten Grad der Entfernung suspendierter oder kolloidaler Feststoffe und, im Falle der Nanofiltration, und Umkehrosmose, Abstoßung spezifischer gelöster ionischer Spezies.

Bei jedem dieser Verfahren kommen semipermeable Membranen zum Einsatz, im Fall von MF können jedoch auch mikroporöse Tiefenfilter eingesetzt werden.

Die Produktion von hochreinem und hochreinem Wasser ist für die Erfüllung der Anforderungen des Kessel- und Turbinenbetriebs in der gesamten Energieerzeugungsindustrie von entscheidender Bedeutung.

Zu den wichtigsten Wasserversorgungsdiensten innerhalb eines Kraftwerks gehören, wie in Abbildung 1 dargestellt, Rohzusatzwasser für die gesamte Anlage, Kesselzusatzwasser für den Wasser-/Dampfkreislauf, Dampfturbinen-Kondensatorkühlwasser und Hilfskühlwasser. Zu den weiteren Wasserdienstleistungen, die abhängig von der jeweiligen Anlage erforderlich sein können, gehören Ergänzungswasser für Rauchgasentschwefelungssysteme, Wasser für die Handhabung und Entsorgung von Asche und im Fall von Gasturbinenanlagen mit einfachem und kombiniertem Kreislauf die direkte Wasservernebelung der Anlage Gasturbinen-Einlassluft (Nasskompression) zur Leistungssteigerung und Emissionskontrolle (NOx).

Für gereinigtes Wasser gelten je nach Verwendungszweck bestimmte Grenzwerte. Der am häufigsten verwendete allgemeine Parameter für die Industrie und die Energieerzeugung ist der Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen (TDS). In der Lebensmittel- und Getränkeherstellung ist beispielsweise NF- oder RO-Permeat mit TDS-Werten von 5–100 mg/Liter normalerweise akzeptabel, und für Kühlturm-Zusatzwasser können TDS-Werte im Bereich von 100–500 mg/Liter liegen.

Für anspruchsvollere Reinwasseranwendungen wie demineralisiertes Wasser zur Stromerzeugung oder zur Herstellung medizinischer Geräte sind Widerstands-/Leitfähigkeitswerte jedoch am praktischsten. Die Fähigkeit von Wasser, Elektrizität zu leiten, wird durch die Konzentration gelöster ionisierter Spezies bestimmt. Deionisiertes Wasser hat eine niedrige Leitfähigkeit von 0,055 μSiemens im Vergleich zu Meerwasser mit einer Leitfähigkeit von >50.000 μSiemens.

Der Einfachheit halber ist der am häufigsten genannte Parameter für Reinstwasser der Kehrwert der Leitfähigkeit, ausgedrückt in Megaohm (MΩ). Somit hat entionisiertes Wasser mit einer Leitfähigkeit von 0,055 μSiemens einen Widerstand von 18 MΩ. Reinstwasser mit einem spezifischen Widerstand von 18 MΩ wird in der Regel für anspruchsvolle Anwendungen wie die Halbleiterfertigung und die Produktion von Ergänzungswasser für überkritische Kraftwerkskessel spezifiziert. Für die meisten demineralisierten Wasseranwendungen in Kraftwerken ist Wasser mit einem spezifischen Widerstand von >10 MΩ (0,1 Mikrosiemens) ausreichend.

Der mit Abstand wichtigste Wasserdienst für jedes Kraftwerk ist die Aufrechterhaltung der Integrität und Leistung der Dampferzeugerkomponenten. Um den Transport von Korrosionsprodukten zum Dampferzeuger zu minimieren, muss die Make-up-Qualität von ausreichender Reinheit sein. Hochreines Wasser, das für die Kesselzusatzversorgung geeignet ist, zeichnet sich typischerweise durch den Schadstoffgehalt an gelösten ein- und mehrwertigen Ionen und die Wasserbeständigkeit aus, wie in Tabelle 1 angegeben.

Eine ordnungsgemäße Aufbereitung des Kesselzusatzwassers kann korrosionsbedingte Betriebsprobleme und Komponentenausfälle reduzieren. Vor dem Aufkommen von Membranverfahren zur Herstellung von hochreinem Wasser in Kraftwerken war die Vorbehandlung mithilfe konventioneller Technologien vorherrschend.

Zu den vorherrschenden konventionellen Vorbehandlungssystemen gehörten Sedimentationskläranlagen mit chemischen Koagulanzien, Multimediafiltration und anschließend Ionenaustausch-(IX)-Demineralisierungssysteme. Ein typisches IX-System besteht aus drei Harzbetten – in Reihe geschaltet mit einem Kationenaustauscher, gefolgt von einem Anionenaustauscher, gefolgt von einem Mischbettaustauscher. Im Kationenaustauscher werden positiv geladene einwertige Kationen wie Natrium (Na+) und Kalium (K+) und zweiwertige Kationen wie Kalzium (Ca++) und Magnesium (Mg++) mit Wasserstoff (H+) ausgetauscht, der an das Kationenharz gebunden ist. Im Anionenaustauscher werden negativ geladene Chloride (Cl-), Sulfate (SO4–) und Nitrate (NO3–) sowie CO2 mit Hydroxid (OH-) ausgetauscht, das an das Anionenharz gebunden ist. Durch die Freisetzung der entstehenden H+- und OH--Ionen aus dem IX-Harz entsteht Wasser.

Der fertige Mischbett-Ionenaustauscher enthält eine innige Mischung aus Kationen- und Anionenharzen, die als eine ganze Reihe aufeinanderfolgender Kationen- und Anionenaustauschstufen wirken, was als Endprodukt zu sehr hochreinem Wasser führt. Das Mischbett ist im Vergleich zu Einzelharzbehältern, die einen einzelnen Kationen- oder Anionenaustauscher enthalten, wesentlich komplexer. Es müssen Vorkehrungen für die Trennung der beiden Harze im Behälter vor der Regeneration sowie für Verteilersätze zum Einspritzen und Sammeln zweier unterschiedlicher Regenerationsmittel getroffen werden. Darüber hinaus muss eine Möglichkeit zum erneuten Mischen der Harze vor der Wiederinbetriebnahme vorhanden sein.

Der Ionenaustausch ist ein reversibler Prozess, der die Regeneration der Kationenharze ermöglicht, indem starke Säuren (z. B. Salz- oder Schwefelsäure) durch das Kationenharzbett geleitet und anschließend die Harzkügelchen von überschüssigen Säuren gespült werden. Ebenso werden Anionenharze mit konzentrierten Alkalilösungen (Typ Natriumhydroxid) regeneriert.

Herkömmliche Systeme auf der Basis von Deionisierungsharzen (DI) werden in Chargen betrieben, bis das Harz aufgebraucht ist. Der nichtkontinuierliche Prozess ist von Natur aus ein weniger nachhaltiger Ansatz, bei dem große Mengen gefährlicher Säuren und ätzender Chemikalien eingesetzt werden.

Moderne Wasseraufbereitungsprozesse für Kraftwerke nutzen eine nachhaltigere Membrantechnologie anstelle herkömmlicher Vorbehandlungsanlagen und IX-Technologie. Kompakte MF- und UF-Membransysteme, wie in Abbildung 2 dargestellt, erfreuen sich zunehmender Beliebtheit als Vorbehandlungsschritte zur Entfernung suspendierter und kolloidaler Feststoffe vor der Umkehrosmose. UF bietet eine Filterung bis unter 0,02 Mikrometer für eine hocheffiziente Behandlung von Trübungen und Schwebstoffen.

RO hat sich zur dominierenden Technologie zur Herstellung von Wasser mit niedrigem TDS entwickelt. Dies wird normalerweise mithilfe einer Doppeldurchgangs-RO-Membrankonfiguration erreicht, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die TDS-Werte beim ersten Durchgang können 5–300 mg/Liter erreichen. Das Permeat für den ersten RO-Durchgang wird zur endgültigen TDS-Entfernung bis zu 1–20 mg/Liter einem zweiten Satz RO-Membranen zugeführt. Außerdem können RO-Membranen verwendet werden, um TDS sowohl aus Meerwasser als auch aus Brackwasser mit TDS-Werten von bis zu 40.000 mg/Liter bzw. 15.000 mg/Liter direkt zu entfernen. RO-Permeat aus den Meerwasser- und Brackwasserzuläufen kann im zweiten Durchgang RO-Permeat typischerweise auf weniger als 10 mg/Liter reduziert werden.

RO-Permeat bietet die ideale Qualität des aufbereiteten Wassers für die abschließende Politur, um mehr als 10 MΩ demineralisiertes (demin) Ergänzungswasser zu erzeugen. Für diesen letzten Polierschritt wird die kontinuierliche Elektroentionisierung (EDI) mit Membranentgasung (CO2) gegenüber der IX-Technologie immer bevorzugter. Ähnlich wie bei der IX-Technologie entfernt EDI ionisierte Spezies aus Wasser mithilfe von Ionenaustauscherharzen. Der Prozess umfasst Ionenaustauschermembranen und ein elektrisches Gleichstrompotential.

Speisewasser, das in ein EDI-Membranmodul eintritt (siehe Abbildung 4), fließt zu Membrankammern, die Ionenaustauscherharze enthalten. Die Module enthalten kationendurchlässige und anionendurchlässige Membranen und das elektrische Gleichstrompotential liefert die treibende Kraft für den Durchgang von Kationen durch die kationendurchlässige Membran und Anionen durch die anionendurchlässige Membran. EDI-Speisewasser verlässt das EDI-Modul als hochreines EDI-Produktwasser, da Ionen durch die Kationen- und Anionenmembranen entfernt werden.

EDI-Systeme können eine TDS-Entfernung von >99 Prozent erreichen und hochreines Wasser mit einem spezifischen Widerstand von bis zu 18 MΩ liefern. EDI bietet eine nachhaltige Reinstwasserlösung durch kontinuierliche Regeneration ohne scharfe Säure und ätzende Chemikalien, die für herkömmliche Ionenaustauschsysteme (IX) erforderlich sind.

Durch den Einsatz von EDI-über-IX-Harzbettsystemen entfällt der Transport gefährlicher Chemikalien, die Lagerung von Chemikalien und die Entsorgung von sauren und ätzenden Chemikalien. Umwelttechnische Lösungen umfassen RO-Systeme mit hoher Rückgewinnung und EDI für optimierte Leistung und reduzierte Betriebskosten (OPEX).

Mehrstufige Membranprozessschemata mit Vorbehandlung, UF, RO und EDI sind sorgfältig konzipiert, um eine zuverlässige, hocheffiziente Produktion von membrangereinigtem Wasser zu gewährleisten.

In den meisten Fällen beschaffen Anbieter dieser Systeme einzelne Komponenten, darunter Membranmodule, Pumpen, Instrumente, Steuerungen und Verbindungsleitungen, und integrieren sie dann in ein Prozesssystem.

Mehrere Hersteller von Membranfiltermedien stellen mit ihren Membranprodukten zwar komplette Prozesssysteme bereit, lagern die meisten Peripheriegeräte jedoch aus. Der Membranhersteller ist selten ausreichend vertikal integriert, um alle Komponenten bereitzustellen.

Bei dem in Abbildung 5 gezeigten 1200-MW-Kombikraftwerk mit Erdgasturbinen waren die Betriebskosten der ursprünglichen konventionellen Wasseraufbereitungsanlage mit Entmineralisierung auf Ionenaustauscherharzbasis hoch.

Die Anlage erhielt kürzlich die Lieferung eines 200-gpm-Ultrafiltrations- (UF) und Brackwasser-Umkehrosmose-Systems (BWRO), das den vorhandenen konventionellen Klärer, den Medienfilter und das Kationen-/Anionen-IX-Entminungssystem ersetzen soll.

Das neue membranbasierte System wurde vollständig nass getestet und simulierte die Leistung vor Ort in der Wasseraufbereitungsanlage von Parker in Los Angeles.

Membranprozesssysteme haben sich schnell zur bevorzugten Wahl gegenüber herkömmlichen Wasseraufbereitungsprozessen entwickelt, die Klärbecken, große Medienfilter sowie Kationen- und Anionen-IX-Harzbetten umfassen. MF und/oder UF zur Entfernung suspendierter Feststoffe vor RO und EDI sind in der Lage, suspendierte Feststoffe bis zu einer Größe von 0,02 Mikrometern zu entfernen, die zuvor zu einer Verschmutzung der nachgeschalteten IX-Harzbetten geführt hatten.

MF-, UF-, RO- und EDI-Membranen sind vollständig in kompakte Systeme integriert, die für maximale Flexibilität modularisiert sind. RO- und EDI-Membranverfahren sind im Vergleich zu IX auch umweltfreundlicher, da eine Harzregeneration mit gefährlichen Chemikalien vermieden wird.

Vorgefertigte Meerwasser-RO-Systeme (SWRO), ideal geeignet für die Erzeugung von Frischwasser für Küstenkraftwerke, Küstenkraftwerke oder jede industrielle Anwendung, die bei Bedarf hochreines Wasser erfordert.

Mit einer kompakten Stellfläche und vollautomatischer Steuerung kann eine SWRO-Einheit bis zu 1500 Tonnen Umkehrosmosewasser pro Tag produzieren, und das bei geringstem Energieverbrauch pro produzierter Tonne Wasser. Das RO-produzierte Wasser kann dann mithilfe von EDI-Membranmodulen poliert werden, um hochreines Wasser mit einem spezifischen Widerstand von bis zu 18 MΩ bereitzustellen.

Autor

Cameron Hipwell ist ein registrierter professioneller Ingenieur bei der Parker Hannifin Filtration Group