Membrane filtration processes such as micro-, ultra- and nanofiltration as well as reverse osmosis are frequently used in industrial water treatment and waste water treatment. They use a high physical pressure difference as a driving force to press water through a semi-permeable membrane and produce purified water. For this reason, large amounts of energy are required. In contrast, forward osmosis is an innovative membrane filtration process that uses the naturally occurring osmotic pressure gradient between two liquids to generate the water flow through the semi-permeable membrane. In forward osmosis, one liquid with low osmotic pressure is concentrated (so-called Feed Solution) and a second liquid is diluted (so-called Draw Solution). If 'pure' water is to be obtained, a second treatment stage is necessary to regenerate the draw solution. Due to its natural driving force, forward osmosis offers the potential for energy-efficient treatment of water from various sources. This makes it a promising process for further concentration of aqueous product and waste water streams. For this reason, the application possibilities and the potential of forward osmosis in the industrial water sector were examined in more detail within the scope of this thesis.
Within laboratory tests, forward osmosis treatment of different liquid streams of a dairy, an automobile production as well as a semiconductor production was examined. The core of the laboratory test set-up was a membrane test cell for flat sheet membranes with an effective membrane area of 48 cm². Special forward osmosis membranes from various manufacturers were used. The feed and draw solutions were circulated and increasingly concentrated or diluted during the course of the experiment. The permeate flow was determined by recording the change in mass. Conductivity measurements as well as analyses of the examined waters before and after the experiments allowed conclusions to be drawn about possible solute diffusion through the membrane. In addition to the laboratory tests, a model was developed and validated to simulate the experiments. Three partially adapted models from literature were used.
The average permeate fluxes achieved in the laboratory experiments with real industrial water depended mainly on the osmotic pressure difference between feed and draw solution. The permeate fluxes were between 0.1 and 19.4 L/(m²⸱h) for the automotive industry, between 7.9 and 21.0 L/(m²⸱h) for the dairy industry and between 10.5 and 33.4 L/(m²⸱h) for the semiconductor industry. The reverse solute fluxes determined were between 37.7 and 21.3 g/(m²⸱h), between 4.1 and 12.2 g/(m²⸱h) and between 8.0 and 40.9 g/(m²⸱h). Within modelling, the tests with waters from automobile production were simulated. For the most part, the permeate fluxes could be well represented. The calculation of the reverse solute fluxes sometimes showed large deviations from the actual measurements. Standardized membrane performance tests were used to evaluate
the development of permeate flux and to indicate fouling. Depending on the substances contained in the water, fouling occurred in the test series. In addition, deposits on the membrane surface were visible in some tests. However, the visible deposits did not always lead to a decrease in permeate flow. In an exemplary cleaning test, the membrane performance could be restored by rinsing with sodium hydroxide solution and hydrochloric acid.
As a result of this thesis, different forward osmosis application scenarios in the examined industrial enterprises could be developed. For economic reasons, those scenarios in which both the feed and the draw solution are industrial waters and two liquids are treated simultaneously in one step are of particular interest. The use of an artificial Draw Solution and its treatment is unnecessary in this case. Such application scenarios could be derived for dairy and semiconductor production. No suitable Draw Solution could be identified in the investigated automobile production, which is why only applications with an artificial Draw Solution are conceivable here. In general, the critical points when using forward osmosis are the reverse solute flux through the membrane, the deterioration of the membrane performance due to fouling and the economic efficiency of the process. More in-depth investigations are required here. / Membranfiltrationsverfahren wie die Mikro-, Ultra- und Nanofiltration sowie die Umkehrosmose werden häufig in der industriellen Wasseraufbereitung sowie Abwasserbehandlung eingesetzt. Sie nutzen einen hohen physikalischen Druck-unterschied als Triebkraft, um Wasser durch eine semipermeable Membran zu pressen und gereinigtes Wasser zu erzeugen. Dafür sind große Energiemengen nötig. Im Gegensatz dazu ist die Vorwärtsosmose ein innovatives Membranfiltrationsverfahren, welches den natürlich vorkommenden osmotischen Druckgradienten zwischen zwei Flüssigkeiten nutzt, um einen Wasserfluss durch die semipermeable Membran zu erzeugen. Dabei wird eine Flüssigkeit mit niedrigem osmotischen Druck aufkonzentriert (sog. Feed Solution) und eine zweite Flüssigkeit verdünnt (sog. Draw Solution). Soll „reines“ Wasser gewonnen werden, ist eine zweite Aufbereitungsstufe zur Regeneration der Draw Solution notwendig. Durch die natürliche Triebkraft bietet die Vorwärtsosmose das Potenzial zur energieeffizienten Behandlung von Wässern verschiedener Herkunft. Damit ist sie ein vielversprechendes Verfahren zur weitergehenden Aufkonzentrierung von wässrigen Produkt- und Abwasserströmen. Aus diesem Grund wurden die Einsatzmöglichkeiten und das Potenzial der Vorwärtsosmose im industriewasser-wirtschaftlichen Bereich im Rahmen dieser Arbeit näher untersucht.
Im Rahmen von Laborversuchen wurde die Aufbereitung von verschiedenen Flüssigkeitsströmen einer Molkerei, einer Automobilproduktion sowie einer Halbleiter-fertigung mittels Vorwärtsosmose untersucht. Kernstück der Laborversuchsanlage war eine Membrantestzelle für Flachmembranen mit einer wirksamen Membranfläche von 48 cm². Zum Einsatz kamen spezielle Vorwärtsosmosemembranen verschiedener Hersteller. Die genutzten Feed und Draw Solutions wurden im Kreislauf geführt und im Versuchsverlauf zunehmend aufkonzentriert bzw. verdünnt. Über die Erfassung der Masseänderung wurde der Permeatfluss bestimmt. Leitfähigkeitsmessungen sowie Analysen der untersuchten Wässer vor und nach den Versuchen ließen Schlussfolgerungen über eventuell auftretende Stoffdiffusion durch die Membran zu. Zusätzlich zu den Laborversuchen wurde ein Modell zur Simulation der Experimente erstellt und validiert. Dabei wurden drei, teilweise adaptierte, Modellansätze aus der Literatur verwendet.
Die durchschnittlichen Permeatflüsse, welche bei den Laborversuchen mit reellen industriellen Wässern erreicht wurden, hingen vorrangig von der osmotischen Druckdifferenz zwischen Feed und Draw Solution ab. Die Permeatflüsse lagen für die Automobilindustrie zwischen 0,1 und 19,4 L/(m²⸱h), für die Molkerei zwischen 7,9 und 21,0 L/(m²⸱h) und für die Halbleiterindustrie zwischen 10,5 und 33,4 L/(m²⸱h). Die ermittelten Salzrückflüsse betrugen zwischen 37,7 und 21,3 g/(m²⸱h), zwischen 4,1 und
12,2 g/(m²⸱h) sowie zwischen 8,0 und 40,9 g/(m²⸱h). Im Rahmen der Modellierung wurden die Versuche mit Wässern der Automobilproduktion nachgebildet. Dabei konnten die Permeatflüsse größtenteils gut dargestellt werden. Die Berechnung der Salzrückflüsse wies gegenüber den tatsächlichen Messungen mitunter große Abweichungen auf. Durch standardisierte Membranleistungstests konnte die Entwicklung des Permeatflusses evaluiert und Fouling nachgewiesen werden. In Abhängigkeit der Wasserinhaltsstoffe trat Fouling in den Versuchsreihen auf. Zusätzlich waren bei einigen Versuchen Ablagerungen auf der Membranoberfläche sichtbar. Jedoch führten die sichtbaren Ablagerungen nicht in allen Fällen zu einem Rückgang des Permeatflusses. In einem exemplarisch durchgeführten Reinigungsversuch konnte die Membranleistung durch Spülprozesse mit Natronlauge und Salzsäure wiederhergestellt werden.
Als Ergebnis der Arbeit konnten verschiedene Anwendungsszenarien für den Einsatz der Vorwärtsosmose in den untersuchten Industriebetrieben entwickelt werden. Hierbei sind aus wirtschaftlichen Gründen vor allem jene Szenarien interessant, bei denen sowohl die Feed als auch die Draw Solution industrielle Wässer sind und zwei Flüssigkeiten simultan in einem Schritt aufbereitet werden. Der Einsatz einer künstlichen Draw Solution und deren Aufbereitung ist in diesem Fall unnötig. Solche Anwendungsszenarien konnten für die Molkerei sowie die Halbleiterherstellung abgeleitet werden. In der untersuchten Automobilproduktion konnte keine geeignete Draw Solution identifiziert werden, weshalb hier lediglich Anwendungen mit einer künstlichen Draw Solution denkbar sind. Als kritische Punkte beim Einsatz der Vorwärtsosmose stellten sich der auftretende Salzrückfluss durch die Membran, die Verschlechterung der Membranleistung durch Fouling sowie die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens heraus. Hier besteht weitergehender Forschungsbedarf.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:72433 |
| Date | 09 October 2020 |
| Creators | Haupt, Anita |
| Contributors | Lerch, André, Geißen, Sven-Uwe, Cornelissen, Emile, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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