AT504995B1 - Vorrichtung zur aufbereitung von wasser - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT504 995B1 2011-12-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung zum Wasser, mit einem Rohwasserbereich und einem, über zumindest eine Filtereinrichtung davon getrennten Reinwasserbereich, wobei zur Leitung des Wassers im Roh- und im Reinwasserbereich Rohrleitungen angeordnet sind, sowie eine Meerwasserentsalzungsanlage.

[0002] Die Erzeugung von Trinkwasser aus Meerwasser ist eine Technologie, die schon seit langem bekannt und ausreichend dokumentiert ist. Eingesetzt werden diese Anlagen, vor allem in Gebieten in denen Trinkwasser nicht in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht, als stationäre Anlagen bzw. sind auch Klein- und Kleinstanlagen für mobile Einsätze bekannt, bspw. bei Naturkatastrophen oder auf Schiffen. Üblicherweise bestehen diese Anlagen aus einem Rohwasserbereich, einer Filtermembran und einem Reinwasserbereich. Der Rohwasserbereich, also jener Bereich in dem das Meerwasser der Filtermembran zugeführt wird umfasst diverse Filter als Vorfilter, um grobe Teilchen aus dem Rohwasser abzutrennen, und damit die Filtermembran vor vorzeitiger Verschmutzung zu schützen.

[0003] Es ist bekannt, dass Wasser in Rohrleitungen aufgrund der von dieser mitgeführten Salzfracht mit der Zeit Verkrustungen erzeugt. Besonders ausgeprägt ist dies naturgemäß, wenn Meerwasser in Rohrleitungen gefördert wird, da Meerwasser einen deutlich höheren Gehalt an gelösten Salzen aufweist.

[0004] Ausgehend von diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser zur Verfügung zu stellen.

[0005] Diese Aufgabe wird einerseits dadurch gelöst, dass bei einer derartigen Vorrichtung die innere, mit dem Wasser in Kontakt stehende Oberfläche zumindest einzelner der Rohrleitungen im Rohwasserbereich eine Mikro- und/oder Nanostrukturierung mit Erhebungen aufweist, die aus einem hydrophoben, also wasserabweisenden Werkstoff bestehend oder die eine hydrophobe Beschichtung aufweisen, sowie durch eine Meerwasserentsalzungsanlage, die diese Vorrichtung umfasst.

[0006] Es ist bekannt, dass die Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten mit zumindest annähernd laminar ausgebildetem Strömungsprofil an einer Rohrwand praktisch null ist. Die Folge davon ist, dass in diesen Flüssigkeiten gelöste Salze an diesen Rohrwänden sich mehr oder weniger ungestört ausscheiden und ablagern können, wodurch in der Folge der Strömungsquerschnitt immer mehr verjüngt wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Rohrinnenwand wird eine Benetzung derselben durch das Wasser vermieden, sodass sich in der Folge ausgeschiedene Salze nicht an diesen Rohrleitungen festsetzen können. Es ist damit ein ungestörter Betrieb dieser Wasseraufbereitungsanlage über einen längeren Zeitraum möglich, sodass also Wartungsintervalle und somit die Kosten für den Betrieb dieser Anlage verringert werden können. Sollte dennoch der Fall eintreten, dass Salze in diesen Bereichen ausgeschieden werden, so haften sie an der Rohrinnenwand nicht so fest an, als dass sie durch die üblicherweise periodisch durchgeführte Rückspülung der Filtereinrichtung nicht wieder aus dem System, das heißt, den Wasserrohrleitungen, ausgespülte werden können.

[0007] In einer Ausführungsvariante hierzu, sind auch die Rohrleitungen im Reinwasserbereich mit dieser Struktur versehen, obwohl das Reinwasser die Filtereinrichtung im Normalbetrieb mit sehr hohem Reinheitsgrad verlässt. Durch diese Ausgestaltung besteht jedoch die Möglichkeit, nachdem Trinkwasser für den menschlichen Genuss eine bestimmte Konzentration an diversen Salzen aufweisen sollte, wie z.B. Natrium, Kalzium, etc., diese dem Reinwasser zuzudosieren, wobei auch in diesem Fall wiederum die Ablagerung von Salzen, wenn das Wasser in den Rohrleitungen über einen längeren Zeitraum fließt, vermieden werden kann.

[0008] Es ist weiters von Vorteil, wenn auch die zur Förderung des Wassers vorgesehenen Pumpen der Aufbereitungsanlage an jenen Oberflächen, die mit dem Wasser in Kontakt kommen, mit einer derartigen Oberflächenstruktur versehen sind, sodass auch hier der Wartungsaufwand reduziert werden kann. Problematisch könnte hier jedoch die scherende Beanspru- österreichisches Patentamt AT504 995B1 2011-12-15 chung der Pumpenteile sein, sodass in diesem Fall eine Hartstoffbeschichtung von Vorteil ist.

[0009] Es ist möglich, dass die innere(n) Oberflächen) durch eine mikro- und/oder nanostruktu-rierte Beschichtung gebildet ist (sind). Es ist damit die nachträgliche Ausrüstung von Wasseraufbereitungsanlagen mit diesen Beschichtungen möglich. Von Vorteil ist, wenn diese Beschichtung dauerhaft ausgebildet ist, das heißt, dass also keine Nanopartikel aus dieser Beschichtung verloren gehen und mit dem Wasser mitgerissen werden, jedoch wird eine mögliche Gesundheitsgefährdung durch diese Partikel insofern ausgeschlossen, als diese durch die Filtereinrichtung, die gemäß einer Ausführungsvariante bevorzugt als Filtermembran einer Umkehrosmoseanlage ausgebildet ist, aus dem Wasser entfernt werden, sodass also das Reinwasser frei von derartigen Partikeln ist. Die Beschichtung kann gegebenenfalls nachgebessert werden, sodass also komplette Anlagenteile nicht ausgetauscht werden müssen. Im Falle der Herstellung von Brauchwasser, welches nicht für den menschlichen Verzehr gedacht ist, also bspw. von Waschwässern, Prozesswässern etc., kann die Filtereinrichtung auch mit Poren ausgestattet sein, die größer sind als die Nanopartikel, sodass ein Anteil an diesen Na-nopartikeln auch im Reinwasser enthalten sein kann.

[0010] Es ist auch möglich, die Beschichtung durch eine Hartstoffbeschichtung auszubilden, sodass also die Rohrinnenwandung gegen abrasive Medien besser geschützt ist und somit die partielle Verminderung bzw. Zerstörung dieser Beschichtung vermieden wird.

[0011] Die Rohrleitung(n) kann (können) mehrschichtig ausgebildet sein und dabei die inner Oberfläche durch eine mikro- und/oder nanostrukturierte Folie gebildet sein, die bevorzugt mit dem Grundkörper verbunden ist. Auch hier ist wiederum ein nachträglicher Einbau dieser Folie in bereits bestehende Anlagen möglich bzw. kann diese Folie im Wartungsfalle einfach ausgetauscht werden. Darüber hinaus ist die Herstellung derartiger Folien im Vergleich zur Herstellung von Rohrleitungen mit der erfindungsgemäßen Strukturierung mit geringeren Kosten verbunden.

[0012] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

[0013] Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser wird prinzipiell -wie oben ausgeführt - in einen Rohwasserbereich und in einen Reinwasserbereich unterteilt, wobei diese beiden Bereiche über zumindest eine Filtereinrichtung voneinander getrennt sind. In den Rohwasserbereich wird das Meerwasser eingespeist und können in diesem Bereich diverse Vorfilter wie z.B. Sandfilter, Grobfilter, etc. angeordnet sein, in denen grobe Schwebstoffe bzw. mitgeführte Partikel aus dem Wasser abgetrennt werden.

[0014] Die Filtereinrichtung wird bevorzugt durch eine Filtermembran, welche für die Nanofiltration oder für die Umkehrosmose geeignet ist, gebildet. Derartige Membranen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.

[0015] Bei der Umkehrosmose wird bekanntlich mit Druck, der den natürlichen osmotischen Druck übersteigt, das Wasser, in dem die Konzentration an Salzen verringert werden soll, durch eine semipermeable Membran von Wasser, in dem die Konzentration erhöht werden soll, getrennt. Durch den erhöhten Druck wird der Konzentrationsausgleich durch Osmose verhindert. Es ist damit möglich, dass Moleküle des Lösungsmittels, also des Wassers, gegen ihre natürliche osmotische Ausbreitungsrichtung in den Bereich durch die Membran diffundieren, in dem die gelösten Stoffe bereits geringer konzentriert sind bzw. in denen keine gelösten Stoffe vorhanden sind. Es wird dazu üblicherweise ein Druck zwischen 4 bar bis 30 bar angewandt, da das Trinkwasser einen osmotischen Druck von weniger als 2 bar hat. Wird Meerwasser eingesetzt so kann der osmotische Druck bis zu 30 bar betragen, dementsprechend werden für die Meerwasserentsalzung höhere Drücke im Bereich zwischen 60 bar und 80 bar angewandt. Zur Aufbereitung von Deponiesickerwässer können auch höhere Drücke notwendig sein.

[0016] Um diesen Druck bereit zu stellen, sind in der Anlage entsprechende Hochdruckpumpen vor der Filtereinrichtung im Rohwasserbereich angeordnet.

[0017] Wie aus dem Voranstehenden ersichtlich ist, ist also die erfindungsgemäße Vorrichtung 2/6 österreichisches Patentamt AT504 995 B1 2011-12-15 nicht nur zur Meerwasserentsalzung geeignet, sondern kann diese generell zur Aufbereitung von Wässern, also auch von kommunalen Abwässern, Deponiesickerwässern, etc. verwendet werden. Darüber hinaus ist auch die Aufbereitung von Prozesswässern für die chemische Betriebstechnik bzw. Kesselspeisewässern, etc., möglich.

[0018] Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die erfindungsgemäße Rohrleitung nicht nur in Anlagen zur Wasseraufbereitung Verwendung finden kann, sondern überall dort, wo die Verkrustung der Rohrinnenwandung ein Problem darstellt, wobei dies nicht nur zwingender Weise auf Wasser beschränkt ist sondern generell auf Flüssigkeiten verstanden werden kann. Die erfindungsgemäße Rohrleitung kann also generell zur Beförderung von Flüssigkeiten eingesetzt werden.

[0019] Der Querschnitt der Rohrleitung kann rund, oval, rechteckig, quadratisch, polygonal, etc. sein. Bevorzugt werden allerdings runde Querschnitte, in Hinblick auf das sich ausbildende Strömungsprofil des Wassers bzw. der Flüssigkeit.

[0020] Durch die Umkehrosmose bzw. Nanofiltration werden insbesondere Verunreinigungen wie Salze, Herbizide, Pestizide, Asbestfasern, Sulfate, Schwermetalle wie Blei, Kadmium, Zink, Kupfer, Bakterien usw. entfernt. Probleme welche zum Fouling führen können sind Kalk, Eisen-, Barium- und Strontiumsalze bzw. biologisches Fouling durch die Ablagerung von Bakterien und Algen.

[0021] Aus diesem Grund werden derartige Filtereinrichtungen periodisch rückgespült, das heißt, in umgekehrter Richtung im Vergleich zur Wasserreinigung betrieben, sodass also diese Stoffe aus der Membran ausgespült werden. Da in diesem Fall die Konzentration an diesen Salzen im Abwasser in der Filtereinrichtung deutlich höher ist als im zugeführten Rohwasser erweist es sich wiederum von Vorteil, wenn diese Rohrinnenwandung erfindungsgemäß ausgebildet ist, mit der beschriebenen Oberflächenstrukturierung.

[0022] Gegebenenfalls ist es möglich, die Rückspülung durch den gesamten Rohwasserbereich durchzuführen, sodass also sämtliche Rohrleitungen und vorgeschaltete Filter gegebenenfalls mit gereinigt werden.

[0023] Des Weiteren ist es möglich, um die Konzentration an diesen Salzen im Abwasser der Filtereinrichtung zu reduzieren, diesem Abwasser Reinwasser, also z. B. Permeat zuzumischen, um die Reinigung zu erleichtern.

[0024] Auch der Einsatz von chemischen Reinigungsmitteln ist bereits im Stand der Technik beschrieben worden.

[0025] Es ist weiters möglich, dass eine erfindungsgemäße Anlage zur Aufbereitung von Wasser im Reinwasserbereich Mineralfilter bzw. Dosiereinrichtungen für Mineralstoffe aufweist, um eine Mineralisierung gezielt zu erreichen und dem Wasser Trinkwasserqualität zu geben, bspw. Dolomitfilter zur Erhöhung des Kalziumgehaltes.

[0026] Weiters ist es möglich, im Reinwasserbereich und/oder im Rohwasserbereich Entkeimungsanlagen, bspw. mittels UV-Strahlung oder Elektronenstrahlung, vorzusehen.

[0027] Eine erfindungsgemäße Anlage kann also bspw. einen Grobfilter in Form eines Sandfilters, damit strömungsverbunden einen Feinfilter, damit strömungsverbunden eine UV-Behandlungsanlage, damit strömungsverbunden Druckpumpen, damit strömungsverbunden die Filtereinrichtung, damit strömungsverbunden eine Mineralisationsvorrichtung, damit strömungsverbunden eine Entkeimungsanlage, damit strömungsverbunden einen Auffangbehälter als Speicher für das Reinwasser umfassen. Die Strömungsverbindung erfolgt über die Rohrleitungen.

[0028] Zur Verringerung von möglicherweise dem Wasser anhaftenden Gerüchen und/oder Geschmack ist es weiters möglich, dass innerhalb dieser Anlage entweder im Rohwasserbereich und/oder bevorzugt im Reinwasserbereich bspw. Aktivkohlefilter angeordnet sind.

[0029] Die erfindungsgemäße Filtervorrichtung ist bevorzugt als Membranfiltereinrichtung aus- 3/6 österreichisches Patentamt AT504 995B1 2011-12-15 gebildet, wobei der eigentliche Filter selbst als Mikrofilter für Teilchen mit einer Größe bis zu 100 gm oder als Filter für eine Ultrafiltration für Teilchen mit einer Größe bis 10 gm oder als Filter für eine Nanofiltration für Teilchen mit einer Größe von bis zu 1 gm bzw. als Umkehrosmosenmembran ausgebildet ist.

[0030] Die Membran selbst kann in Form einer Spiralmembran oder als Rohrmembran bzw. gegebenenfalls als flächige Membran bspw. als Plattenmodul ausgebildet sein.

[0031] Bei der Ausführungsvariante Spiralmembran werden üblicherweise Spiral-Wickelmodule aus zwei Schichten von Membranen, die um ein Rohr zum Auffangen des Permeats gewickelt sind, gebildet. Dieses Rohr befindet sich üblicherweise im Zentrum des Moduls, sodass damit eine sehr dichte Packung von Membranen möglich ist, um einen erhöhten Durchsatz zu erreichen. Rohrmodule sind keine selbsttragenden Module und befinden sich daher in einem Rohr, welches aus einem Trägermaterial gefertigt ist und die Membrane stützt. Der Durchfluss erfolgt normalerweise innen nach außen. Daneben sind auch Kapillarmodule oder Hohlfasermodule gebräuchlich. Diese Arten der Ausbildungen von Modulen für die Umkehrosmose bzw. Nanofiltration sind im Stand der Technik bereits ausreichen dokumentiert, sodass sich eine weitere Erörterung an dieser Stelle erübrigt.

[0032] Auch hinsichtlich des Membranmaterials selbst sei an den Stand der Technik verwiesen.

[0033] Die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur kann bspw. durch das Aufträgen eines Plasmapolymerfilmes auf die Rohrinnenwand und anschließendes Ätzen zum Anrauen dieses Polymerfilmes mit anschließendem Aufträgen eines zweiten Plasmapolymerfilmes erfolgen.

[0034] Es ist weiterhin möglich, auf die Rohrinnenwandung einen Lack aufzubringen, der im getrockneten Zustand diese Oberflächenstruktur aufweist. Ein derartiger Lack ist z.B. unter der Handelsbezeichnung „Lotusan " von der Fa. Ispo erhältlich.

[0035] Des Weiteren ist es möglich, diese Oberflächenstruktur durch Elektronenstrahllithographie im den Grundmaterial des Rohres selbst oder durch Ätzen dieser Oberfläche bzw. durch lonenbestrahlung mittels eines fein fokussierten lonenstrahls zu erzeugen.

[0036] Die Oberflächenstruktur kann durch das Aufträgen einer Schutzschicht vor der Zerstörung bspw. durch abrasiven Abtrag geschützt werden, wobei diese Schutzschicht so ausgebildet ist, dass sich die Oberflächenstruktur durch diese Schicht hindurch abbildet. Insbesondere weist diese Oberflächenschicht eine Schichtstärke von 0,05 pm bis 1 pm auf. Die Schutzschicht kann dabei weiters aus einem hydrophoben Werkstoff bestehen, wodurch die Benetzbarkeit der Rohrinnenwandung herabgesetzt wird.

[0037] Bevorzugt ist die Oberflächenstruktur an der Rohrinnenwandung durch Erhebungen, welche insbesondere noppenartig ausgebildet sind, gebildet, wobei diese Erhebungen eine mittlere Höhe aufweisen, gemessen an 20 Einzelerhebungen mit anschließender Mittelung der Werte, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 nm und einer oberen Grenze von 300 pm, insbesondere ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 100 nm und einer oberen Grenze von 200 pm, bevorzugt ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 pm und einer oberen Grenze von 100 pm.

[0038] Der Abstand zwischen den insbesondere noppenartigen Erhebungen ist bevorzugt ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 pm und einer oberen Grenze von 300 pm insbesondere ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 50 pm und einer oberen Grenze von 150 pm, vorzugsweise ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 75 pm und einer oberen Grenze von 100 pm.

[0039] Bevorzugt sind die noppenartigen Erhebungen zumindest annähernd kegelstumpfförmig ausgebildet.

[0040] Die Strukturierung kann auch zumindest annähernd schuppenartig ausgebildet sein.

[0041] Die Oberflächenstruktur kann weiters durch nachträgliches Einprägen der Struktur mit Hilfe eines „Stempels" erfolgen, indem bspw. ein Prepolymer auf die Rohrinnenwandung aufge- 4/6 österreichisches Patentamt AT504 995 B1 2011-12-15 tragen wird, welches gegebenenfalls noch weiter vorvernetzt wird, diese Oberflächenstruktur in der Folge mit Hilfe des „Stempels" in diese zähplastische Masse eingedrückt wird und danach dieser Polymerfilm ausgehärtet wird.

[0042] Als Polymer kann bspw. Polytetrafluorethylen eingesetzt werden.

[0043] Es ist weiters möglich, auf die Rohrinnenwandung eine Beschichtung aufzutragen, welche Nanopartikel mit einer mittleren Größe des Durchmessers aufweisen, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2 nm und einer oberen Grenze von 150 nm, insbesondere ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 nm und einer oberen Grenze 100 nm, vorzugsweise ausgewählt aus einem Bereich aus einer unteren Grenze von 50 nm und einer oberen Grenze von 75 nm. Diese Nanopartikel können in einer Poylmer-matrix, welche die Filmbildung bewirkt eingebettet werden, wobei die Schichtdicke bevorzugt so gewählt wird, dass sich die Nanopartikel über die Oberfläche dieser Beschichtung teilweise erheben. Der Anteil der Nanopartikel an dieser Beschichtung kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 60 Gew.-% und einer oberen Grenze von 98 Gew.-%, insbesondere einer unteren Grenze von 75 Gew.-% und einer oberen Grenze von 95 Gew.-%.

[0044] Als Nanopartikel können bspw. Kieselsäurepartikel oder Metalloxidpartikel verwendet werden.

[0045] Wie bereits oben beschrieben, besteht im Rahmen der Erfindung weiters die Möglichkeit an der Rohrinnenwandung eine Poylmerfolie anzubringen, welche diese Struktur aufweist.

[0046] Bspw. kann diese Folie aus einer Polyimidfolie bestehen, die mit einem Laser z.B. einem Nd:YAG-Laserzur Erzeugung der Oberflächenstruktur bestrahlt wurde.

[0047] Es ist auch möglich, diese Oberflächenstrukturierung über einen Sol-Gel-Prozess auf der Oberfläche der Rohrinnenwandung zu erzeugen. Dabei wird ein Silan mit Wasser versetzt, das sich anstelle von Alkoholgruppen an dem Siliziumatoms des Silans anlagern. Es entsteht ein Silanol, welches kolloidal klumpt. Wird diese Sol in der Folge erhitzt, wodurch das Wasser verdampft und die Silanoie ein Netzwerk bilden, sodass ein Gel entsteht. Dieses Gel wird auf die Rohrinnenwandung aufgetragen und gehärtet, sodass ein „Molekülrasen" entsteht, der nicht nur Wasser abweisend sondern auch hart ist.

[0048] Die Oberflächenstruktur kann weiters durch Atomlithographie hergestellt werden. Diese Methode an sich wurde bereits im Stand der Technik beschrieben.

[0049] Durch die Anordnung von Silberatomen bzw. Silberionen in der Oberflächenstruktur ist es weiters möglich, diese Oberfläche antibakteriell auszustatten.

[0050] Es ist zudem möglich, im Reinwasserbereich eine Sauerstoffanreicherung vorzunehmen, um die Trinkwasserqualität zu steigern.

[0051] Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mit umfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereich beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10. 5/6