DE4224690A1 - Verfahren zur Trennung von flüssigen Gemischen verschiedener Stoffe in ihre Komponenten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von flüssigen Gemischen verschiedener Stoffe (Lösungen) in ihre Komponenten unter Verwendung des Membrantrennver­ fahrens, mit dem über eine Membrantrennstufe ein stoff­ abgereichertes Lösungsmittel (Permeat) und ein stoffan­ gereichertes Lösungsmittel (Retentat) erzeugbar sind.

Es ist bekannt, daß die Abwasseraufbereitung und/oder Abwasserentsorgung in zunehmendem Maße problembehaftet ist. Diese Probleme bestehen einerseits darin, daß immer größere Abwassermengen sowohl im industriellen als auch im privaten Bereich auftreten und daß zum anderen die Anforderungen an die Qualität des aufbereiteten Wassers steigen. Es kann gesagt werden, daß aufgrund gesetz­ licher Vorgaben und auch aufgrund der situationsbeding­ ten Notwendigkeit Abwasserqualitäten angestrebt werden, die in einem natürlichen ökologischen Kreislauf sicher abgebaut werden können und nicht zu einer unnatürlichen Belastung des Ökosystems schlechthin führen.

Es ist bekannt, daß bei der Abwasseraufbereitung und Wasserentsorgung im vorbeschriebenen Sinne, die in den flüssigen Gemischen enthaltenen gelösten Stoffe derart zu reduzieren, in einem solchen Umfang aus dem Gemisch zu entfernen sind, daß das verbleibende flüssige Lösungs­ mittel derart vom zu trennenden Stoff abgereichert ist, daß es, wie erwähnt, ohne weitere Behandlung in den na­ türlichen ökologischen Kreislauf zurückgeführt werden kann. Des weiteren besteht auch die Forderung, die aus dem Lösungsmittel entfernten Stoffe, bei denen es sich vielfach um kostspielige Rohstoffe handelt, in fester Form zu gewinnen und sie derart gewonnen wieder in einen Fertigungs- oder anderweitigen Nutzungsprozeß im Sinne eines "Recycling" zurückzuführen.

Die bisher bekannten Trennverfahren, die zur Lösung der­ artiger Probleme bekanntgeworden sind, zeichnen sich alle durch einen erheblichen verfahrensmäßigen und ap­ parativen Aufwand auf und bedürfen großer Energiemengen zur verfahrensmäßigen Durchführung, wobei derartige be­ kannte Verfahren noch mit unzureichendem Trennergebnis arbeiten.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Trennung von flüssigen Gemischen ver­ schiedener Stoffe in ihre Komponenten der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, das unter Verwendung des Mem­ branverfahrens eine industriell anwendbare Trenntechnik liefert, in der industrielle, kommunale und auch land­ wirtschaftliche Abwässer auf einfache und kostengünstige Weise getrennt werden können, das einen geringen Ener­ giebedarf aufweist, das bessere Trennergebnisse als be­ kannte Verfahren liefert und zudem den aus dem Gemisch zu trennenden Stoff in ohne weitere Behandlung wieder­ verwendbarer Form liefert.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß zur Trennung des stoffangereicherten Lösungsmittels (Re­ tentat) in einen Feststoffanteil und einen Lösungsmit­ telanteil das stoffangereicherte Lösungsmittel in der Membranstufe derart aufkonzentriert wird, daß in einem nachfolgenden Verfahrensschritt der Stoffanteil im Lö­ sungsmittel ausfällbar ist.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch die Aufkonzentrierung des stoff­ angereicherten Lösungsmittels in der Membranstufe be­ züglich der Inhaltsstoffe im Lösungsmittel durch Errei­ chung von Grenzkonzentrationen ermöglicht wird, d. h. nach Austritt des aufkonzentrierten stoffangereicherten flüssigen Lösungsmittels durch eine Konditionierung des Lösungsmittels Sättigungskonzentrationen erreicht werden und somit eine Ausfällung der nicht mehr löslichen Stof­ fe als Feststoff erfolgt, der, anders als bei bisherigen Verfahren, sofort, da er als Feststoff anfällt, re­ cycliert werden kann, d. h. einer Wiederverarbeitung zugeführt werden kann.

Vorteilhafterweise arbeitet die Membranstufe nach dem Prinzip der Trennung über Hochdruck-Umkehrosmose (Quer­ stromfiltration), bei dem dem flüssigen Gemisch stoff­ abgereichertes Lösungsmittel (Permeat) entzogen wird, das dann, beispielsweise als gereinigtes Wasser, erneut ohne Bedenken in den natürlichen ökologischen Kreislauf zurückgeführt werden kann.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens liegt der Druck auf das zu trennende Gemisch aus Flüs­ sigkeit und darin gelösten Stoffen in der Membranstufe im Bereich von 300 bar, wobei der Betriebsdruck der Mem­ branstufe aber in Abhängigkeit der aus dem Lösungsmittel zu trennenden Stoffe bzw. von deren osmotischem Druck der Sättigungskonzentration des Stoffes im aufzuberei­ tenden Lösungsmittel abhängt.

Vorzugsweise wird die Verweilzeit eines vorgegebenen Volumens des zu trennenden Gemisches aus Flüssigkeit und darin gelösten Stoffen in der Membranstufe klein gegen die Ausfällzeit eines gleichen Volumens des stoffange­ reicherten Lösungsmittels gehalten, d. h. es wird mit diesen kurzen Verweilzeiten des Gemisches in der Mem­ branstufe sichergestellt, daß die Verweilzeit unterhalb der Reaktionszeit, in der die Ausfällung des Stoffan­ teils vonstatten geht, liegt. Dadurch wird auch eine sehr geringe Aufkonzentration des stoffangereicherten Lösungsmittels direkt auf der Membranoberfläche erreicht, mit der Folge, daß dadurch auch die Wahrscheinlichkeit der Ausfällung schon in der Membranstufe vermindert wird.

Die Ausfällung des Stoffanteils selbst erfolgt vorteil­ hafterweise in der einer der Membranstufe nachfolgenden Druckstufe, wobei die Druckstufe grundsätzlich bei Nie­ derdruck, der im wesentlichen dem Umgebungsdruck ent­ spricht, betrieben werden kann, wobei für diese Ausge­ staltung ein verhältnismäßig geringer apparativer Auf­ wand nötig wird.

Es kann aber auch voreilhaft sein, daß der in der Druckstufe auf das stoffangereicherte Lösungsmittel ein­ wirkende Druck hoher Druck im Bereich von 300 bar ist, wobei es bei dieser Ausgestaltung möglich ist, das die Druckstufe verlassende Gemisch zum erneuten Eintritt in die Membranstufe nicht erneut auf den Betriebsdruck der Membranstufe, der ebenfalls im Bereich von 300 bar lie­ gen kann, wiederum erhöhen zu müssen, was bei der Be­ treibung der Druckstufe im Niederdruckbereich (Umge­ bungsdruck) unabdingbar wäre.

Vorteilhafterweise ist die Temperatur des zu trennen­ den Gemisches in der Membranstufe einstellbar, wobei auch die Temperatur des auszufällenden stoffangereich­ erten Lösungsmittels einstellbar sein kann. Die Sätti­ gungskonzentration der im Lösungsmittel gelösten Stoffe ist für unterschiedliche Stoffe unterschiedlich, wobei die Sättigungskonzentration der gelösten Stoffe in Ab­ hängigkeit der Temperatur variiert. Insofern führt grundsätzlich ein Über- oder Unterschreiten der diesbe­ züglichen spezifischen Temperaturen, in der Sättigungs­ konzentrationen vorliegen, zur Spontanausfällung der Stoffe, so daß zur Verhinderung der Spontanausfällung die Temperatur sowohl in der Membranstufe einstellbar ist, um dort eine Spontanausfällung zu verhindern, als auch die Temperatur im Ausfällbereich derart gewählt wird, daß es zur gewünschten Ausfällung kommt.

Da die Membranen der Membranstufe in der Regel mit ver­ hältnismäßig niedrigen Temperaturen betrieben werden, die beispielsweise im Bereich von 20°C betrieben wird, in der Druckstufe für die induzierte Ausfällung Tempera­ turen von beispielsweise 80°C herrschen, wird das nach dem Ausfällvorgang verbleibende Lösungsmittel vorteil­ hafterweise vor Wiederzuführung in die Membranstufe wärmebehandelt, was vorteilhafterweise in einer geson­ derten Wärmestufe erfolgen kann. Diese thermische Rekon­ ditionierung des nach dem Ausfällvorgang verbleibenden Lösungsmittels vor Wiederzuführung in die Membranstufe verhindert auch eine primäre Ausfällung von den im Lö­ sungsmittel nach dem Ausfällvorgang verbleibenden Stof­ fen in der Membranstufe. Es kann gesagt werden, daß die Rekonditionierung in der Regel in der Temperatureinstel­ lung des verbleibenden Lösungsmittels auf eine Tempera­ tur entsprechend der maximalen Löslichkeit der noch in der Lösung befindlichen gelösten Stoffe besteht.

Um eine Belastung des Trennvorganges in der Membranstufe zu vermeiden, kann es ebenfalls vorteilhaft sein, un­ mittelbar vor der Zuführung in die Membranstufen, in die das aufzubereitende Gemisch gelangt, ein mechanisches Filter, ggf. vorzugsweise in Form einer gesonderten Fil­ terstufe, vorzusehen, durch die Belastungen durch orga­ nische kolloidale Inhaltsstoffe oder andere Inhalts­ stoffe entfernt werden können. Die bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens fortschreitende Aufkon­ zentrierung, bei der das stoffangereicherte Lösungsmit­ tel nach Art eines Kreisprozesses immer wieder auf die Membranstufe geführt wird, kann auch zur Endstabilisie­ rung von gelösten Kolloiden führen, die dann durch Fil­ terung bzw. eine derartige Filterstufe aus dem Lösungs­ mittel entfernt werden können. Es kann gesagt werden, daß die Filterstufe die Membraneinrichtung entlastet und die Standzeit des eigentlichen Membranfilters bis zu einer nächsten Membranfilterspülung verlängert. Diese Filterstufe kann beispielsweise aus Siebkorbfiltern, Kerzenfiltern, Kiesfiltern oder Filterpresse bestehen.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach­ folgende einzige schematische Zeichnung an Hand eines Aus­ führungsbeispieles eingehend beschrieben. Diese zeigt:
ein Prinzipschema eine Anordnung, mit der das Verfahren zur Trennung von flüssigen Gemischen verschiedener Stoffe in ihre Komponenten be­ trieben werden kann, und zwar nach Art eines Kreisprozesses.

Eine Anordnung 10 zur Ausführung des Verfahrens zur Trennung von flüssigen Gemischen verschiedener Stoffe (Lösungen) in ihre Komponenten umfaßt im wesentlichen eine Membranstufe und eine dieser Membranstufe nachge­ schaltete Druckstufe 12. Das zu trennende flüssige Ge­ misch 19 wird auf eine nach dem Prinzip der Trennung über Hochdruck-Umkehrosmose betriebene Membranstufe 11 gegeben, in der das Gemisch auf bekannte Weise in ein stoffabgereichertes Lösungsmittel (Permeat) 16 und ein stoffangereichertes Lösungsmittel (Retentat) 15 getrennt wird. Das Permeat 16 ist beispielsweise, wenn es sich bei dem zu trennenden flüssigen Gemisch 19 um ein mit den verschiedensten Stoffen verunreinigtes Wasser han­ delt, Wasser, daß beispielsweise in einen ökologischen Kreislauf zurückgeführt werden kann.

Das die Membranstufe 11 verlassende stoffangereicherte Lösungsmittel (Retentat) 15 wird auf eine Druckstufe 12 gegeben. In der Membranstufe wird das Trennverfahren beispielsweise bei hohem Druck bis zu 300 bar betrie­ ben, wobei der Betriebsdruck höher als der osmotische Druck der Stoffe im zu trennenden flüssigen Gemisch 19 ist. In der Membranstufe 11 wird das stoffangereicherte Lösungsmittel (Retentat) 15 derart aufkonzentriert, und zwar bis in den Bereich der Grenzkonzentration des jeweiligen im zu trennenden flüssigen Gemisch 19 befind­ lichen Stoffes, so daß dessen Grenzkonzentration er­ reicht wird. Dabei wird die Temperatur in der Membran­ stufe derart eingestellt, daß ein Maximum an Löslichkeit des Stoffes im Lösungsmittel des flüssigen Gemisches 19 erreicht ist, um eine Ausfällung des Stoffes in der Mem­ branstufe 11 zu vermeiden.

Das gewissermaßen kritisch im Grenzkonzentrationsbereich konzentrierte stoffangereicherte Lösungsmittel (Reten­ tat) 15 wird dann in diesem kritischen Zustand auf eine Druckstufe gegeben, die normalerweise bei Normaldruck, d. h. bei einem Niederdruck entsprechenden Umgebungsdruck arbeitet. Zur Ausfällung ist dann ein Unterschreiten des osmotischen Drucks der Sättigungskonzentration der im Lösungsmittel enthaltenen gelösten Stoffe erforderlich. Die Sättigungskonzentration von Kochsalz besteht bei­ spielsweise bei einem Druck von ca. 250 bar.

Die Verweilzeit der gleichen Volumenmenge des stoffange­ reicherten Lösungsmittels (Retentat) 15 in der Druck­ stufe 12 ist im Vergleich zur Verweilzeit in der Mem­ branstufe 11 ca. um den Faktor 100 höher.

Durch hier nicht gesondert dargestellte Wärmemittel, die regelbar und einstellbar sind, kann die Temperatur so­ wohl in der Membranstufe 11 als auch in der Druckstufe 12 in bezug auf den aus dem stoffangereicherten Lösungs­ mittel (Retentat) 15 zu entfernenden Stoff eingestellt werden. Insbesondere eine Einstellung und Regelung in der Druckstufe 12 kann dann dazu genutzt werden, eine se­ lektive Ausfällung unterschiedlicher im Lösungsmittel gelöster Stoffe zu erreichen, da durch die ständig steigende Konzentrierung des stoffangereicherten Lö­ sungsmittels (Retentat) 15 und die jeweils gewählte Temperatur die Löslichkeitsgrenzen der unterschiedlich enthaltenen Stoffe zeitlich nacheinander gestuft er­ reicht werden.

Generell gilt für das erfindungsgemäße Verfahren, das dieses nach Art eines Kreisprozesses, wie in der ein­ zigen Figur dargestellt wird, betrieben wird, d. h. das zu trennende flüssige Gemisch 19 wird beispielsweise bei einer als Behälter ausgebildeten Druckstufe 12 diesem entnommen und fortwährend im Kreis gemäß dem dargestell­ ten Schema herumgeführt und verfahrensmäßig bearbeitet, bis der gesamte Stoff im stoffangereicherten Lösungs­ mittel (Retentat) 15 ausgefällt und als Feststoff 18 abgegeben worden ist.

Der Druckstufe 12 nachfolgend kann eine Wärmestufe 13 vorgesehen sein, in der das aus der Druckstufe 12 aus­ tretende verbleibende Lösungsmittel 17 wärmebehandelt wird, und zwar derart, daß die Wärme des verbleibenden Lösungsmittels 17 derart abgesenkt wird, so daß das aus der Wärmestufe 13 austretende zu trennende flüssige Ge­ misch 19 derart temperaturerniedrigt ist, daß es die Membranstufe 11 nicht zerstört. Grundsätzlich kann vor der Membranstufe 11 eine Filterstufe 14 vorgesehen sein, über die das zu trennende flüssige Gemisch 19 vor Er­ reichen der Membranstufe mechanisch gefiltert wird, wo­ durch beispielsweise kolloidale Inhaltsstoffe (Ver­ schmutzungen) im zu trennenden flüssigen Gemisch 19 fil­ triert werden. Die im Kreisprozeß fortschreitende Auf­ konzentration des zu trennenden flüssigen Gemisches 19 kann auch zur Entstabilisierung von gelösten Kolloiden führen, die dann in filtrierbarer Qualität vorliegen und mit der Filterstufe entfernt werden können. Die Filter­ stufe 14 entlastet das Membranfilter der Membranstufe 11 und verlängert die Standzeit des Membranfilters bis zur nächsten Membranspülung.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Ausfällung des Stoffes auf dem stoffangereicherten Lösungsmittel (Re­ tentat) 15 in der Druckstufe 12 grundsätzlich bei Nie­ derdruck, d. h. Umgebungsdruck, erfolgen kann. Grundsätz­ lich ist aber auch eine sogenannte Hochdruckausfällung möglich, und zwar im Bereich des Drucks, der auch in der Membranstufe 11 vorherrscht, wodurch der Energieaufwand durch Erhöhung des Betriebsdrucks der Membranstufe 11 und einer Erniedrigung des Betriebsdrucks in der Druck­ stufe 12 und eine nachfolgende Erhöhung des Drucks wie­ derum im Bereich der Membranstufe 11 entfallen würde.

Bezugszeichenliste

10 Anordnung
11 Membranstufe
12 Druckstufe
13 Wärmestufe
14 Filterstufe
15 Retentat
16 Permeat
17 verbleibendes Lösungsmittel
18 Feststoff
19 zu trennendes flüssiges Gemisch

Claims (14)

1. Verfahren zur Trennung von flüssigen Gemischen ver­ schiedener Stoffe (Lösungen) in ihre Komponenten unter Verwendung des Membranverfahrens, mit dem über eine Mem­ branstufe ein stoffabgereichertes Lösungsmittel (Per­ meat) und ein stoffangereichertes Lösungsmittel (Reten­ tat) erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung des stoffangereicherten Lösungsmittels (Reten­ tat) in einen Feststoffanteil und einen Lösungsmittelan­ teil das stoffangereicherte Lösungsmittel in der Mem­ branstufe derart aufkonzentriert wird, daß in einem nachfolgenden Verfahrensschritt der Stoffanteil im Lö­ sungsmittel ausfällbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstufe nach dem Prinzip der Trennung über Hochdruck-Umkehrosmose betrieben wird.

3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf das zu trennende Gemisch aus Flüssigkeit und darin gelösten Stoffen in der Membranstufe im Bereich von 300 bar liegt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit eines vorgegebenen Volumens des zu trennenden Gemisches aus Flüssigkeit und darin gelösten Stoffen in der Membran­ stufe klein gegen die Ausfällzeit eines gleichen Volu­ mens des stoffangereicherten Lösungsmittels ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfällung des Stoffanteils in einer der Membranstufe nachfolgenden Druckstufe erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Druckstufe auf das stoffangereicherte Lösungsmittel einwirkende Druck der Umgebungsdruck ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Druckstufe auf das stoffangereicherte Lösungsmittel einwirkende Druck ein hoher Druck im Be­ reich von 300 bar ist.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck höher als der osmotische Druck der im stoffangereicherten Lösungs­ mittel enthaltenen Stoffe ist.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des zu trennenden Gemisches in der Membranstufe einstellbar ist.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des auszufällenden, stoffangereicherten Lösungsmittels ein­ stellbar ist.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das nach dem Aus­ fällvorgang verbleibende Lösungsmittel vor Wiederzufüh­ rung in die Membranstufe wärmebehandelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einer Wärmestufe erfolgt.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trennende Gemisch vor Eintritt in die Membranstufe mechanisch ge­ filtert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Filterung in einer Filterstufe er­ folgt.