Vorwärtsosmose
- Einleitung
- Funktionsbeschreibung
- Vor- und Nachteile
- Anwendungen in der Verfahrenstechnik
1) Einleitung
Die Vorwärtsosmose (FO - forward osmosis) ist ein osmotischer Membranprozess mit einer semipermeablen Membran, der im Gegensatz zur Umkehrosmose (RO - reverse osmosis) keinen Druck ausübt, um die Trennung von Wasser und gelösten Stoffen wie Ionen, Molekülen und größeren Partikeln zu erreichen. Das bedeutet, dass der Prozess im Vergleich zur Umkehrosmose viel weniger Energie benötigt. Im Allgemeinen verwendet die Vorwärtsosmose thermische und elektrische Energie. Wärmeenergie kann durch minderwertige Abwärme ersetzt werden, die in den meisten Industriegebieten zu finden ist.
Abb.1, Abwärmepotenzial je Industriesektor in der EU (%), Vorabschätzung des Abwärmepotenzials in wichtigen europäischen Industrien (2107)
2) Funktionsbeschreibung
Abb.2, Vereinfachte schematische Darstellung eines Vorwärtsosmoseprozesses
Die Vorwärtsosmose verwendet die Differenz des osmotischen Drucks (Δπ) zwischen der Zulauflösung (Konzentration C1) und einer synthetischen Ziehlösung (DS), die wir mit der Gleichung C2> C1 → π2> π1 → Δπ = π2 - π1 ermitteln und herstellen. Aufgrund der osmotischen Druckdifferenz Δπ zw. der synthetischen Lösung und des Zulaufes bewegen sich die Wassermoleküle aus dem Zulauf in die Ziehlösung und erzeugen einen Wasserfluss von ca. 70% Wasser aus dem Zulauf. Die Ausbeute für Meerwasserentsalzung liegt bei max. 65% Rückgewinnung (R) und 80% für Brackwasser. Aufgrund der Tatsache, dass die Vorwärtsosmose keinen angewendeten Druck zur Überwindung des osmotischen Drucks benötigt, kann sie mit viel höheren Salzgehalten umgehen als die Umkehrosmose (ca. 200.000 mg TDS/L anstelle von nur max. 70.000 mg TDS/ L für die Umkehrosmose). Die Vorwärtsosmose ist daher ideal für die Anwendung bei hochkonzentrierten Salzlaken.
Abb.3, Spezifischer Energieverbrauch (SEC) von Solebehandlungstechnologien in kWh/ m3 im Vergleich zu ihrer maximalen TDS-Kapazität in mg/ L.
In Reihenfolge: mehrstufige Entspannungsverdampfung (MSF - Multi Stage Flash ), mehrstufige Destillation (MED - Multiple Effect Distillation), mechanischer Brüdenverdichtung (MVC - Mechanical Vapor Compression), Elektrodialyse/ Umkehrelektrodialyse (ED/EDR - Electrodialysis/ Electrodialysis Reversal), Vorwärtsosmose (FO - Forward Osmosis ), Membrandestillation (MD - Membrane Distillation ). Vorwärtsosmose FO und Membrandestillation MD können Abwärme für bis zu 90% ihres thermischen Energiebedarfs nutzen.
Der Wasserfluss der Vorwärtsosmose ist abhängig von
- der osmotischen Druckdifferenz
- der Membranstruktur
- der Zusammensetzung der Ziehlösung (DS species)
- den Fouling-Eigenschaften des Speisewassers
Die verwendeten Membranen haben eine einfache Struktur (CTA) und eine Verbundstruktur (TFC). TFC-Membranen haben (im Labormaßstab) weltweit eine bessere Leistung gezeigt. Die Salze in der Ziehlösung sind normalerweise anorganische Salze, die für eine lange Zeit in der Regenerationsschleife verbleiben können, bevor neue Salze hinzugefügt werden müssen.
3) Vor- und Nachteile
Vorteile:
Da kein Druck ausgeübt wird, ist die Verschmutzungsschicht auf der Membranoberfläche nicht kompakt, was bedeutet, dass durch physikalische Reinigungsmethoden der Wasserfluss der Membran wiederhergestellt werden kann (Abb. 4). Dadurch verringert sich der Chemikalienverbrauch, ergibt sich eine längere Lebensdauer der Membran und insgesamt niedrigere Kosten.
Abb.4, Auf der rechten Seite ist eine typische RO membran, bei der Druck ausgeübt wird, um das Wasser durch die Membran zu drücken. Dieser Druck kreiert einen Filterkuchen von den Zulaufverunreinigungen auf der Membranoberfläche. Auf der linken Seite ist eine Vorwärtsosmose, bei der kein Druck aufgewendet wird. Die Verunreinigungen sind locker und können einfach wieder entfernt werden (z.B. durch osmotische Rückspülung)
Nachteile:
Die Vorwärtsosmose hat aber auch zwei große Nachteile:
- die Konzentrationspolarisation (CP)
- den umgekehrten Salzfluss
Bei der internen Konzentrationspolarisation bauen sich Salzmoleküle der Ziehlösung in den Poren der Membran auf und senken den osmotischen Druckgradienten, wodurch die osmotische Druckdifferenz verringert wird, die die Bewegungskraft des Prozesses darstellt. In den letzten Jahren hat die wissenschaftliche Gemeinschaft umfangreiche Anstrengungen unternommen, um den ICP-Effekt zu bekämpfen, und es wurden einige vielversprechende Ergebnisse mit physikalischen Methoden erzielt, mit denen die ohnehin hohe Effizienz der Vorwärtsosmose verbessert werden kann.
FO → ↓Wasserfluss durch ICP (kann mit physikalischen Mitteln gemildert werden), DS Salze können den Zulauf mit einem umgekehrten Salzfluss kontaminieren (bei der Auswahl der Salze für die Ziehlösung ist Vorsicht geboten)
4) Anwendungen in der Verfahrenstechnik
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Forward Osmosis