DE10106242A1 - Vorrichtung zum Entsalzen von Wasser mit der Umkehrosmose - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entsalzen von Wasser mit der Umkehrosmose, insbesondere zum Entsalzen von Meerwasser, mit Mitteln zum Einleiten von Salzwasser in eine Druckvorrichtung und mit einem Membranmodul zum Trennen von aus der Druckvorrichtung eingeleitetem Salzwasser in entsalztes Wasser und Salzwasserkonzentrat. Um Beschädigungen, insbesondere Korrosionen, durch das aggressive unter hohem Druck stehende Salzwasser bzw. Salzwasserkonzentrat zu vermeiden bzw. abzuschwächen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die mit Salzwasser oder Salzwasserkonzentrat in Berührung kommenden Oberflächen der Vorrichtung wenigstens teilweise eine Beschichtung aufweisen, welche eine Oberflächenstruktur aus Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei der Abstand zwischen den Erhebungen im Bereich von 0,5 bis 250 mum und die Höhe der Erhebungen im Bereich von 0,5 bis 250 mum liegen und die Erhebungen bevorzugt aus hydrophoben Polymeren oder haltbar hydrophobierten Materialien bestehen, welche nicht durch Wasser ablösbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entsalzen von Wasser mit der Umkeh­ rosmose, insbesondere zum Entsalzen von Meerwasser, mit Mitteln zum Einleiten von Salzwasser in eine Druckvorrichtung und mit einem Membranmodul zum Trennen von aus der Druckvorrichtung eingeleitetem Salzwasser in entsalztes Wasser und Salzwasserkonzentrat.

Eine derartige Vorrichtung zum Entsalzen von Wasser ist beispielhaft in den deut­ schen Patentanmeldungen 199 33 147.2 und 100 57 613.3 beschrieben. Dabei wird das Salzwasser unter einem ersten Druck in eine Druckvorrichtung eingeleitet und von der Druckvorrichtung unter einem zweiten, höheren Druck in ein Mem­ branmodul eingeleitet, wobei aus dem Membranmodul entsalztes Wasser und Salzwasserkonzentrat ausgeleitet wird. Entsalztes Wasser ist dabei als Wasser mit gegenüber dem in die Vorrichtung eingeleiteten Salzwasser reduziertem Salzgehalt zu verstehen.

Große Teile der Oberfläche im Innern der Vorrichtung kommen dabei mit Salz­ wasser oder Salzwasserkonzentrat in Berührung. Dadurch können diese Ober­ flächen im Laufe der Zeit von dem agressiven Salzwasser angegriffen und beschä­ digt werden. Noch verstärkt wird dies dadurch, dass das Salzwasser dabei in weiten Bereichen der Vorrichtung unter einem sehr hohen Druck steht beispiels­ weise 70 bis 80 bar.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer eingangs genannten Vorrichtung zum Entsalzen von Wasser Maßnahmen vorzusehen, um das Material der Vorrichtung vor den negativen Einflüssen des Salzwassers zu schützen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Entsalzen von Wasser gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüche angegeben.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die Oberflächen der Vor­ richtung, wenn sie mit einer vorgeschlagenen Beschichtung versehen werden, auch rauher werden. Anstatt also die Oberfläche mit einer Beschichtung zu versehen, welche der Oberfläche eine größtmögliche Glätte verleiht, wird genau das Gegenteil vorgeschlagen, nämlich eine in der Mikrostruktur rauhe Oberfläche vorzusehen. Solche Oberflächen sind beispielsweise auch von Lacken oder Beschichtungen bekannt, die die Funktionalität des sogenannten "Lotuseffekts" erfüllen, so dass Wasser nur schwach an der Oberfläche haften kann. Dabei besteht die Beschich­ tung, die vorzugsweise aus einem Farbanstrich geschaffen wird, aus einer Art Nagelbett in Nanogröße. Diese Nano-Nägel des Nagelbetts rauhen die Oberfläche nicht nur auf, sondern verleihen der Oberfläche auch eine geringere Härte, weil die einzelnen Nano-Nägel auch in ihrer Längsrichtung verformbar sind bzw. in ihrer Struktur erheblich weicher sind als die im allgemeinen aus einer Metalllegierung bestehende Oberfläche der Vorrichtung.

Somit bewirkt die "Lotus"-Beschichtung auf den mit Salzwasser oder Salzwasser­ konzentrat in Berührung kommenden Oberflächen der Vorrichtung, dass diese Oberflächen nicht direkt mit dem aggressiven Salzwasser in Berührung kommen können und eine sich sonst im Laufe der Zeit einstellende Beschädigung, insbeson­ dere Korrosion, der Oberfläche gänzlich vermieden oder zumindest zeitlich ver­ zögert wird.

Die Druckvorrichtung weist vorteilhaft entweder mehrere, vorzugsweise zwei oder drei Kolbenzylindervorrichtungen auf, die phasenversetzt zueinander arbeiten. Derartige Kolbenzylindervorrichtungen sind aus dem genannten Stand der Technik bekannt. In jeder der Kolbenzylindervorrichtungen ist ein Kolben in einem Zylinder verfahrbar, wobei vorzugsweise zwischen dem Kolben und der Innenwand des Zylinders eine Dichtung vorgesehen ist, um das in einer Eingangskammer der Kolbenzylindervorrichtung befindliche Salzwasser von dem in einer Ausgangs­ kammer der Kolbenzylindervorrichtung befindliche Salzwasserkonzentrat sicher zu trennen. Es hat sich gezeigt, dass vorteilhaft auch entweder die Dichtung und/oder die Innenwand des Zylinders einer Kolbenzylindervorrichtung erfindungsgemäß mit einer genannten Beschichtung versehen sein kann. Dadurch wird einerseits das Gleitverhalten des Kolbens in dem Zylinder und andererseits die Abdichteigenschaft der Dichtung erhöht.

Als Beschichtung bzw. Anstrich, der erfindungsgemäß Verwendung finden kann, sei die Mikro-Silikonfarbe "Lotusan" (Marke der Firma ispo GmbH, ein Unternehmen der Dyckerhoff-Gruppe) genannt. Diese Mikro-Silikonfarbe wird von dem Unter­ nehmen unter der Artikelbezeichnung Nr. 1950 vertrieben und als schmutz- und wasserabweisend beschrieben. Es ist auch möglich, die Beschichtung durch eine Folie auszubilden, deren Oberflächenstruktur eine wasserabweisende Schicht bildet. Auch ein Aufdampfen einer entsprechenden Schicht erscheint möglich. Selbstreinigende Oberflächen und deren Herstellung sind im Übrigen auch aus der EP 0 772 514 bekannt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäß beschichteten Oberfläche,

Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Blockschaltbild in Fig. 1 zeigt eine Förderpumpe 1 zum Einleiten von Salz­ wasser 10 in eine Druckvorrichtung 2 unter einem ersten Druck p₁. Aus der Druckvorrichtung 2 wird dasselbe Salzwasser 11, das nun jedoch mit einem hohen Arbeitsdruck beaufschlagt ist, dem Membranmodul 3 zugeleitet. Dort tritt ein Teil des Salzwassers 11 durch die Membran 6 hindurch (z. B. 25% des Salzwassers 11), wird dabei entsalzt und als entsalztes Wasser 12 abgeleitet. Der restliche Teil des Salzwassers 11 (z. B. 75%) kann die Membran 6 nicht durchtreten und wird mittels der Verbindungsleitung 5 als Salzwasserkonzentrat 13, das noch immer etwa unter dem hohen Druck p₂ steht, der Druckvorrichtung 2 wieder zugeleitet. Dort wird dieser hohe Druck dazu ausgenutzt, das in die Druckvorrichtung 2 eingeleitete Salzwasser 10 mit diesem hohen Druck zu beaufschlagen und dem Membranmodul 3 an dessen Eingang zuzuleiten. Gleichzeitig wird dieser Druck in der Druckvorrichtung 2 dazu genutzt, darin befindliches Salzwasserkonzentrat 14 über die Ableitung 4 endgültig abzuleiten und der Druckvorrichtung 2 unkonzen­ triertes Salzwasser 10 zuzuführen. Alle beschriebenen Vorgänge erfolgen dabei gleichzeitig und kontinuierlich, so dass eine den hohen Arbeitsdruck nachliefernde Hochdruckpumpe nicht erforderlich ist und entsalztes Wasser 12 kontinuierlich zur Verfügung steht.

Erfindungsgemäß ist vorgeschlagen, Teile der inneren Oberflächen der Entsalzungs­ anlage, die mit Salzwasser bzw. Salzwasserkonzentrat in Berührung kommen, insbesondere mit unter hohem Druck stehendem Salzwasser bzw. Salzwasserkonzentrat, wenigstens teilweise mit einer besonderen Beschichtung mit einer Mikro­ struktur zu versehen. Vor allem kritische Stellen, an denen sich bevorzugt bei den bekannten Vorrichtungen Beschädigungen, insbesondere Korrosionen, im Laufe der Zeit gezeigt haben, sind erfindungsgemäß mit einer derartigen Beschichtung versehen.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer beschichteten Oberfläche im Querschnitt. Hierbei ist zu sehen, dass sich auf der Oberfläche 50 eine Beschichtung 51 bzw. ein Anstrich befindet, welcher ein Nagelbett 52 bildet, welches aus "Nano-Nägeln" 53 besteht. Der Abstand A zwischen den Nano-Nägeln liegt im Bereich von etwa 0,5 bis 250 µm und die Höhe H der Nano-Nägel liegt im Bereich von etwa 0,5 bis 250 µm. Die Nano-Nägel bestehen z. B. aus hydrophoben Polymeren oder haltbar hydrophobierten Materialien. Besonders gute Ergebnisse zum Schutz der Ober­ fläche werden erzielt, wenn die Nano-Nägel eine Höhe von etwa 5 bis 60 µm aufweisen und ihr Abstand untereinander in etwa im Bereich von 5 bis 110 µm liegt.

Die Beschichtung der Oberfläche 50 mit einer Mikro-Silikonfarbe (z. B. Lotusan) hat auch zur Folge, dass Wasser (H₂O) 54 bzw. die in dem Wasser enthaltenen Salz­ kristalle nicht auf der Oberfläche 50 haften bleiben. Sie können somit auch gar nicht direkt zur Oberfläche 50 durchdringen und dort Korrosionen verursachen.

Durch die Ausbildung der Nano-Nägel 53 weist die Oberfläche 50 eine große Unre­ gelmäßigkeit bzw. Rauhigkeit auf, so dass die Massenanziehung von Wasser­ tropfen 54 bzw. der Wassermoleküle und der Oberfläche 50 nicht ausreicht, dass die Wassermoleküle daran haften bleiben. Die Nano-Nägel 53 halten somit die Wasser-Fremdmoleküle quasi auf Abstand zur Oberfläche 50, wodurch die Anzie­ hungskraft zwischen den Wassermolekülen und der Oberfläche drastisch verringert wird. Die Beschichtung selbst kann durch einen Anstrich, durch Bekleben mit einer geeigneten Folie oder gegebenenfalls auch durch Aufdampfen eines entsprechen­ den Materials gebildet werden.

In Fig. 3 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Diese weist zwei identische Kolbenzylindervorrichtungen 401, 402 mit zwei sich fluchtend gegenüberliegend angeordneten Zylindern auf, die jeweils eine Eingangskammer 201, 202 zur Aufnahme des Salzwassers 10 und jeweils eine Ausgangskammer 101, 102 zur Aufnahme des Salzwasserkonzentrates 13 auf­ weisen. Innerhalb der Kolbenzylindervorrichtungen 401, 402 ist jeweils ein speziel­ ler Kolben 301, 302 angeordnet, der den Kolbeninnenraum in die genannten Kammern unterteilt und der im Bild in horizontaler Richtung innerhalb der Kolbenzy­ lindervorrichtung verfahrbar ist. Von der Förderpumpe 1 führt jeweils eine Zuleitung mit einem (passiven) Rückschlagventil 7 zu den Eingangskammern 201, 202. Ver­ gleichbare Rückschlagventile 8, die jedoch eine andere Durchflussrichtung auf­ weisen, befinden sich in den Zuleitungen von den Eingangskammern 201, 202 zu dem Membranmodul 3.

In den Zuleitungen 5 vom Membranmodul 3 zu den Ausgangskammern 101, 102 und in den Ableitungen 4 von den Ausgangskammern 101, 102 sind dagegen aktiv schaltbare Hauptventile V3, V6 bzw. V1, V4 angeordnet, über die der Zufluss des Salzwasserkonzentrats 13 vom Membranmodul 3 bzw. der Abfluss des Salzwas­ serkonzentrats 14 aus der Druckvorrichtung 2 gesteuert werden kann.

Die Kolben 301, 302 sind mittels einer Kolbenstange 30 fest miteinander ver­ bunden. Ritzel 40, die angetrieben werden können und in eine an der Kolbenstange 30 angebrachte Verzahnung eingreifen, können die Kolbenstange 30 und darüber die Kolben 301, 302 antreiben, um Druckverluste auszugleichen.

Um die Hauptventile insbesondere beim Öffnen und Schließen von den hohen Druckänderungen zu entlasten, die einen Verschleiss der Hauptventile bewirken, sind parallel zu den Hauptventilen V1, V3, V4, V6 Neben- oder Bypass-Ventile V2, V2', V5, V5' vorgesehen.

Weiter ist ein Druckbehälter P vorgesehen, um bei den Ventilbetätigungen in Folge von Volumenverlusten unvermeidlich auftretende Druckschwankungen auszuglei­ chen und einen möglichst konstanten Betriebsdruck im Membranmodul 3 sicherzu­ stellen. Weiter sind zwischen dem Ausgang des Membranmoduls 3 für das konzen­ trierte Salzwasser und den Ausgangskammern 101, 102 mehrere als Widerstände dargestellte Durchflussmengenbegrenzer R1, R2, R3 vorgesehen, die einen abrup­ ten Druckausgleich verhindern sollen, indem sie die maximale Durchflussmenge begrenzen und somit zu einem allmählichen Druckausgleich und damit zu lang­ samen Druckänderungen anstelle schlagartiger Schwankungen beitragen sollen.

Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltung und der Funktionsweise der gezeigten Vorrichtung sei auf die deutsche Patentanmeldung 100 57 613.3 verwiesen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, Oberflächen der Vorrichtung, die mit Salzwasser bzw. Salzwasserkonzentrat in Berührung kommen, zumindest zum Teil mit einer beschriebenen Beschichtung zu versehen. Dies können insbesondere die Innenwän­ de der Leitungen 11, 13, 5 und 4 und die Innenwände der Kolbenzylindervor­ richtungen 401, 402 sein. Auch die Oberflächen der Kolben 301, 302 können entsprechend beschichtet sein. Es hat sich auch gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die Dichtungen 501, 502 zwischen den Kolben und der Innenwand der Kolbenzyl­ indervorrichtungen 401, 402 und gegebenenfalls auch die Dichtungen 601, 602 zwischen der Kolbenstange 30 und der Innenseite der Kolbenzylindervorrichtungen 401, 402 mit einer solchen Beschichtung zu versehen, da dadurch die Gleiteigen­ schaften und die Abdichteigenschaften dieser Dichtungen erhöht werden können. In diesem Fall sollten dann jedoch die mit der Dichtung in Berührung stehenden Oberflächen, also die Innenflächen der Kolbenzylindervorrichtungen 401, 402 bzw. die Oberfläche der Kolbenstange 30 keine solche Beschichtung aufweisen.

Eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 4 gezeigt. Dabei weist die Druckvorrichtung 2 drei identische Kolbenzylindervor­ richtungen 20, 30, 40 auf, die jeweils eine Eingangskammer 21, 31, 41 zur Auf­ nahme des Salzwassers 10, jeweils eine Ausgangskammer 22, 32, 42 zur Aufnahme des Salzwasserkonzentrates 13 und jeweils eine Druckkammer 23, 33, 43 aufweisen. Innerhalb der Kolbenzylindervorrichtungen 20, 30, 40 ist jeweils ein spezieller Kolben 24, 34, 44 angeordnet, der den Kolbeninnenraum in die genann­ ten Kammern unterteilt und im Bild in vertikaler Richtung innerhalb der Kolben­ anordnung verfahrbar ist. Die Druckkammern 23, 33, 43 sind dabei über eine Druckleitung 7 miteinander verbunden. Hinsichtlich der Funktionsweise dieser Vorrichtung sei auf die deutsche Patentanmeldung 199 33 147.2 verwiesen. Auch bei dieser Vorrichtung sind die mit Salzwasser bzw. Salzwasserkonzentrat in Berührung kommenden Oberflächen, insbesondere die Innenwände der Verbin­ dungsleitungen sowie der Kolbenzylindervorrichtungen, mit einer beschriebenen Beschichtung versehen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Entsalzen von Wasser mit der Umkehrosmose, insbesonde­ re zum Entsalzen von Meerwasser, mit Mitteln (1) zum Einleiten von Salzwasser (10) in eine Druckvorrichtung (2) und mit einem Membranmodul (3) zum Trennen von aus der Druckvorrichtung (2) eingeleitetem Salzwasser (11) in entsalztes Wasser (12) und Salzwasserkonzentrat (13), dadurch gekennzeichnet, dass die mit Salzwasser (10) oder Salzwasserkonzentrat (13) in Berührung kommenden Oberflächen der Vorrichtung wenigstens teilweise eine Beschichtung aufweisen, welche eine Oberflächenstruktur aus Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei der Abstand zwischen den Erhebungen im Bereich von 0,5 bis 250 µm und die Höhe der Erhebungen im Bereich von 0,5 bis 250 µm liegen und die Erhebungen bevorzugt aus hydrophoben Polymeren oder haltbar hydrophobierten Materialien bestehen, welche nicht durch Wasser ablösbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckvorrichtung (2) zwei gegenphasig arbeiten­ de Kolbenzylindervorrichtungen (401, 302) aufweist und dass die Kolben (301, 302) der Kolbenzylindervorrichtungen (401, 402) durch eine Kolbenstange (30) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckvorrichtung (2) drei Kolbenzylindervor­ richtungen (20, 30, 40) aufweist, welche über eine Druckleitung (7) miteinander verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Innenwand der Kolbenzylindervor­ richtungen (401, 402) und den darin verfahrbaren Kolben (301, 302) jeweils eine Dichtung vorgesehen ist und dass die Dichtung und/oder die Innenwand der Kolbenzylindervorrichtungen eine Beschichtung aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Druckvorrichtung (2) und dem Mem­ branmodul (3) mit einem hohen Druck beaufschlagte Verbindungsleitungen vor­ gesehen sind und dass die Innenwände der Verbindungsleitungen mit der Beschich­ tung versehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Anstreichen mit einer geeigneten Farbe, durch Bekleben einer geeigneten Folie oder durch Aufdampfen gebildet wird.