WASSERAUFBEREITUNG - MEMBRANTECHNIK

Laboranlage

Technische Beschreibung

Die Laboranlage ist konzipiert, um einzelne Rohrmembranen verschiedener Porengröße in Screeningversuchen auf ihre Eignung im Cross-Flow-Betrieb zu prüfen. In der Laboranlage kann eine Membran aus Keramik getestet werden.

Das Gerät besteht aus dem Transportbehälter, der gleichzeitig als Vorlagebehälter für das zu filtrierende Produkt dient und dem Geräteteil mit Pumpe, Verrohrung, Modulhalterung, Druckregelventilen und Manometern für Ein- und Ausgangsdruck. Ebenfalls am Geräteteil befindet sich die Einrichtung zur periodischen Rückspülung (PRS) bestehend aus elektronischer Zeitschaltung (Timer), zwei Magnetventilen, Druckreduzierstation und Rückspülbehälter.

Allgemeine Technische Beschreibung der Anlage

Aufbau der Laboranlage

• Die Anlage ist auf ein Rahmengestell fertigmontiert und muss an den Vorlagetank angeschlossen werden, ebenso die ölfreie Druckluft
• Die Parameter Betriebsdruck und Überströmung werden angezeigt. Die Filtratmenge wird über eine Probengefäß ausgelitert
• Über die Steuerung kann die Rückspülung (Backwash) der Membran mit sauberem Filtrat über ein zeitliches Intervall festgelegt werden
• Die Ausschleusung von Konzentrat geschieht durch Umstellen der Handventile

Verfahrensbeschreibung der Membranversuchsanlage:

• Der Testanlage ist ein Vorfilter (50 - 100 µm) vorgeschaltet.
• Durch beigestellte Speisepumpe wird der Vorlagetank (ca. 200 Liter) befüllt, dieser wird über eine Niveauüberwachung kontrolliert. Des Weiteren ist der Vorlagetank, der auch als Reinigungstank fungiert, mit einer Heizwendel ausgestattet. Diese wird bei der Reinigung eingeschaltet, um den Reiniger auf die entsprechende Temperatur einzustellen.
• Der Filtrationsdruck wird über ein manuelles Membranventil eingestellt
• Über die Steuerung kann die Rückspülung (Backwash) der Membran mit sauberem Filtrat über ein zeitliches Intervall festgelegt werden
• Die Parameter Betriebsdruck, Filtratdruck, Filtratmenge, Temperatur und Modul-überströmung werden über ein Touchpanel angezeigt und als Datafile abgespeichert bzw. ausgelesen.
• Die Ausschleusung von Konzentrat bzw. die Reinigung des Membranmoduls geschieht nicht vollautomatisch

Pilotanlage

Das Anlagensystem ist für den Betrieb von Spiralmembranelementen 3838 für den Industriestandard  in Sanitärausführung ausgelegt. Die 3838-Membranwickelelement-Konfiguration ist ein Industriestandard, der typischerweise in kleinen Produktionsanlagen verwendet wird.

Die Membranfläche des Wickelelements reicht von ca. 3 bis 6 m², je nach Membrantyp und Abstandshalterkonfiguration. Das Element eignet sich ideal für den Einsatz in der Praxis, da die Ergebnisse der Pilotanlage direkt auf kommerzielle Anlagen jeder Größe übertragen werden können. 3838 Spiralwickelmembranelemente sind von allen großen Membranherstellern in einer Vielzahl von Membrantypen erhältlich, von der Mikrofiltration MF bis zur Umkehrosmose RO.

Das Anlagensystem selbst ist so konzipiert, dass der gesamte Anwendungsbereich von MF bis RO bis zu einem Betriebsdruck von 40 bar und einem Querstrom von bis zu 20 m³/h bedienet werden kann, um auch sehr offene Feed-Spacer von 80 mil und mehr betreiben zu können.

Um den unterschiedlichen Betriebsdrücken gerecht zu werden, ist das Anlagensystem mit zwei Förderpumpen ausgestattet, von denen eine für den Niederdruck im Bereich MF/UF und eine zweite mehrstufige Hochdruckpumpe für den Bereich NF und RO verwendet wird.

Die Systemventile werden manuell bedient, mit zwei Ausnahmen, dem Tankeinlassventil und dem Magnetventil für den Stufenkühler.

Im Automatikbetrieb kann der Betriebsdruck, der Permeatdurchfluss und die Überströmung des Membranwickelelements eingestellt werden.

Schleifabwässer (Halbleiter /Glas / Keramik)

Industrie-Status

Typ Abwasser (Situation)

• Bei der Waferherstellung in der Photovoltaik, Mikroelektronik
  Bearbeitungsprozess (Sägen, Läppen, Fasen)
  • Schleif-, Kühl- und Reinigungsabwässer
    Inhaltsstoffe (Si; SiO2; Tenside, Coolant)
• Bei der Porzellanbearbeitung; Medizintechnik
  Bearbeitungsprozess (Schleifen, Kanten)

  • Schleif-, Kühl- und Reinigungsabwässer
    Inhaltsstoffe (Al2O3; Carbide; Oxide; Tenside; Coolant)

• Bei der Glasbearbeitung,Glasveredelung
  Bearbeitungsprozess(Schleifen, Polieren)

  • Schleif- und Kühlwasser
    Inhaltsstoffe (Antimon, Antimontrioxid, Blei, Barium. Natrium)

Anforderungen/Bedarf

• Partikelentfernung
• Entfernung gelöster Inhaltstoffe/Einhaltung der Grenzwerte bei Einleitung (Antimon 0,3 mg/l; Barium 3 mg/l; Blei 0,5 mg/l)
• Unterbindung biologischem Wachstum durch Desinfektion bei der Kreislaufführung (UV, NaOCl, ClO₂)

aktuelle Aufbereitungslösungen

• Flockung / Fällung / Kammerfilterpresse / Rückführung Klarphase
• Sedimentation / Sackfilter / Rückführung Klarphase
• Kuchenfiltration (Dead-End) / Filtratrückführung
• Vorhandene Membrantechnik / Filtratrückführung

Total Cost of Ownership (Betriebskostenrechnung)

Kostenbeispiel zur Tensidrückgewinnung bei einer Waschwasserfracht von 10 m³/h: Anlageninvest ca. 350.000 €

Aufbereitung von Schleifabwässern aus dem Halbleiter, Glas- und Keramikindustrie mittels Membran-Modulen

In der Glas- und Keramikindustrie sind das Schneiden, Schleifen und Polieren wesentliche Prozessschritte zur weiteren Bearbeitung geformter Werkstücke. Komplexe geometrische Formen werden mittels CNC-Maschinen herausgearbeitet. In diesen Prozessabläufen werden Werkstück und Bearbeitungswerkzeug mit Wasser oder einem flüssigen Kühlmedium gekühlt.

Des Weiteren kommen in anderen Bearbeitungsverfahren, wie dem Sägen, Kanten und Fasen bei der Wafer- bzw. Chipherstellung sogenannte „Sägeslurries“ zum Einsatz.

Die aus den mechanischen Bearbeitungsprozessen entstehenden Schleifabwässer beinhalten neben dem Werkstoffabrieb (abrasive Schleifpartikel) zusätzlich noch Chemikalien/Tenside, die zum verbesserten Abtransport der Wärme bzw. zur Reinigung der Werkstoffoberfläche eingesetzt werden.

Damit eine Rückführung der Schneid- bzw. Kühlflüssigkeit aus qualitativer und wirtschaftlicher Betrachtung als sinnvoll erachtet werden kann, muss eine Aufbereitung dieser Prozessflüssigkeiten durchgeführt werden. Dieser Anforderung, zur Entfernung abrasiver Partikel, wird sowohl die Crossflow als auch die Dead-End Filtration gerecht.

Herausforderung

Um den industriellen Bearbeitungsprozess von Glas- und Keramikwerkstoffen sowohl aus ökonomischer als auch ökologischer Sicht zu optimieren, stellt die Wiederverwendung bzw. die Aufbereitung des anfallenden Schleifabwasser einen wichtigen Aspekt zur Reduzierung der Herstellungs- bzw. Entsorgungskosten dar. Damit die verwendete Kühlflüssigkeit dem Bearbeitungsprozess wieder zugeführt werden kann, müssen sowohl der partikuläre Abrieb als auch gelöste Inhaltsstoffe je nach Anwendung und gesetzlichen Einleitgrenzwerten entfernt werden. Da es sich im Schleifabwasser um einen sehr feindispersen Partikelabrieb handelt, stellt sich die Anwendung klassischer Trennverfahren wie das Zentrifugieren als auch das Sedimentieren oftmals als schwierig dar. Darüber hinaus gilt es zu beachten, die chemische Zusammensetzung der eingesetzten Kühlflüssigkeit, insbesondere bei Zugabe von Reinigungsadditiven oder Coolants, durch ein geeignetes Aufbereitungsverfahren in ihrer Wirkung nicht wesentlich zu verändern.

Die Lösung

Sowohl die Crossflow-Mikrofiltration durch den Einsatz von Rohrmembranmodulen als auch die Dead-End Ultrafiltration mittels Hohlfasermodule ermöglichen eine kontinuierliche Abtrennung partikulärer Inhaltsstoffe aus den Schleifabwässern. Während die filtratseitig zurückgewonnen Komponenten wie Wasser und eingesetzte Chemikalien – ggf. weitere Reinigungsschritte – zu 90 % dem Bearbeitungsprozess wieder rückgeführt werden können, unterzieht sich das anfallende Konzentrat einer weiteren Nachbehandlung. Darüber hinaus vermindert ihre Eignung als Sterilfilter die Bakterienbelastung bei der Kreislaufführung.

Somit können große Mengen an Frischwasser eingespart und auch die eingesetzten kostenintensiven Chemikalien müssen nur bei Bedarf nachdosiert werden.

Durch die uneingeschränkte periodische Rückspülbarkeit mit Filtrat lassen sich trotz massiver chemischer und mechanischer Belastung hohe Fluxraten und Standzeiten gewährleisten.