Du lernst für: Studiengang Technischer Umweltschutz: Wasserreinhaltung II
Angezeigte Ebenen:
- ? Welche Beschaffenheit haben die Rohwässer in Florida oft?
- Hohe Huminstoffgehalte und hohe Härtegrade, deshalb Einsatz von Nanofiltration [Buch, S. 193]
- ? Nenne einen wesentlichen Unterschied zwischen Umkehrosmose (UO) und Elektrodialyse (ED) in bezug auf die zurückgehaltenen Komponenten!
- Beide Verfahren entfernen Salze, also Ionen und haben dabei in etwa die gleiche Entsalzungsleistung. Während bei der UO die Membran jedoch eine physikalische Barriere darstellt, die nur das Lösungsmittel (Wasser) durchlässt, wirkt die ED nur auf Ionen, so dass andere Wasserinhaltsstoffe im Wasser verbleiben. [Buch, S. 194]
- ? Warum wird Phenol bei der Umkehrosmose durch eine Celluloseacetatmembran vergleichsweise schlecht zurückgehalten?
- Weil sich Phenol sehr gut in Celluloseacetat löst und der Transport durch die Membran gemäß dem Lösungs-Diffusions-Modell neben der Diffusionsfähigkeit durch die Membran auch von der Löslichkeit des Stoffes in der Membran abhängt. [Buch, S. 194]
- ? Wodurch ist eine Nanofiltrationsmembran gekennzeichnet?
- Eine Nanofiltrationsmembran ist eine feinporöse Membran mit Oberflächenladungen (Porendurchmesser um 1 nm) [Buch, S. 195].
- ? Wodurch werden die (i.d.R. negativen) Oberflächenladungen auf der Nanofiltrationsmembran hervorgerufen?
- Meist durch organische Carbon- oder Sulfonsäuregruppen (-COO- oder -SO3-) [Buch, S. 195].
- ? Welche Wasserinhaltsstoffe werden aufgrund der negativen Oberflächenladung bei der Nanofiltration sehr gut zurückgehalten?
- Insbesondere mehrwertige Anionen. Auch mehrwertige Kationen werden zurückgehalten, was vermutlich auf deren relativ große Hydrathülle zurückzuführen ist. [Buch, S. 195]
- ? Werden Umkehrosmose- oder Nanofiltrations-Anlagen mit Rezirkulation betrieben?
- Nein, Umkehrosmose- und Nanofiltrations-Anlagen werden ohne Rezirkulation, dafür aber in konzentrationsseitiger Hintereinanderschaltung betrieben [Buch, S. 196].
- ? Welche Verfahrensmöglichkeiten unterscheidet man bei den Membranverfahren in bezug auf die Fließrichtung?
- Man unterscheidet Cross-Flow-Verfahren (Membran wird parallel überströmt) und Dead-End-Verfahren (Membran wird senkrecht durchströmt).
- ? Unter welcher Voraussetzung kann die Ultrafiltration neben der Rezirkulation im Cross-Flow auch im Dead-End-Modus (ohne Rezirkulation) betrieben werden?
- Bei geeigneter Zulaufqualität [Buch, S. 196].
- ? Welches sind wichtige Kenngrößen zur Charakterisierung eines Membranprozesses?
- Rückhaltung und Ausbeute [Buch, S. 196]
- ? Wie ist die Rückhaltung (R) definiert?
- R = 1 - cPermeat/cZulauf
- ? Wie ist die Ausbeute (Phi) bzw. der Water Conversion Factor (WCF) definiert?
- Phi = WCF = VolumenstromPermeat/VolumenstromZulauf
[Skript, S. 53] bzw. [Buch, S. 196]
- ? Je höher die Ausbeute, desto ... die Konzentrationspolarisation mit der Gefahr einer ....
- ... größer ... Deckschichtbildung [Buch, S. 196].
- ? Wie erreicht man eine Verringerung der Konzentrationspolarisation?
- Durch 1. Erhöhung der Überströmgeschwindigkeit oder
2. Verringerung des Wasserflusses durch die Membran [Buch, S. 197].
- ? Warum liegen die Ausbeuten bei Umkehrosmose und Nanofiltration nur zwischen 75 und 85%?
- Bei höheren Ausbeuten steigt die Gefahr des Scalings durch Überschreitung der Löslichkeitsgleichgewichte der Salze auf der Konzentratseite der Membran [Buch, S. 197].
- ? Wie hoch ist der osmotische Druck von Meerwasser?
- Zirka 30 bar [Buch, S. 198].
- ? Welche Forderungen (7) sollten Membranen erfüllen?
- Selektive Eigenschaft (z.B. Salzrückhaltung)
- hohe Durchlässigkeit für Wasser
- hohe Druckfestigkeit
- Temperaturbeständigkeit
- chemische und bakterielle Resistenz (Hydrolyse von Celluloseacetat bei hohen pH, Cl2 zersetzt Polyamide)
- Widerstandsfähigkeit gegenüber Reinigungsverfahren
- geringe Kosten
[Buch, S. 200]
- ? In welchem Bereich der Wasseraufbereitung werden eher Platten- und Rohrmodule, in welchem eher Wickelmodule verwendet?
- Bei hochbelasteten Abwässern: Platten- und Rohrmodule wegen guter Reinigungsmöglichkeit
Trinkwasseraufbereitung: Wickelmodule, weil Wässer oft geringe Neigung zur Belagbildung haben und so auf gute Reinigungsmöglichkeit zugunsten hoher Packungsdichte verzichtet werden kann [Buch, S. 201].
- ? Wie groß ist die Membranfläche pro m³ beim Wickelmodul?
- Etwa 1000 m² pro m³ Modul [Buch, S. 201]
- ? Wie groß ist der Permeatfluss pro Modulvolumen beim Wickelmodul?
- Der Durchfluss beträgt etwa 25 bis 50 m³ Permeat pro m³ Modul und Stunde [Buch, S. 201]
- ? Wie groß ist die durchschnittliche Ausbeute pro Wickelelement bei der Umkehrosmose (UO) bzw. Nanofiltration (NF) bei den meisten Anlagen der Trinkwasseraufbereitung?
- Ca. 10% Ausbeute pro Wickelelement [Buch, S. 202] (Widerspruch zu [Buch, S. 197]: Ausbeuten von 75 bis 85% bei UO/NF?)
- ? Durch welche Effekte machen sich Membranverblockungen durch Fouling bzw. Scaling bemerkbar?
- Verringerung des Permeatstroms
- Verringerung der Rückhaltung
- Erhöhung des Druckverlustes in einem Modul
- ? Skizziere die zeitliche Änderung des Permeatvolumenstroms durch eine Umkehrosmose-Anlage bei guter Zulaufqualität und im Vergleich dazu bei schlechter bzw. mangelhafter Zulaufqualität mit periodischen Spülungen! Welche Tendenzen lassen sich feststellen?
- Siehe [Buch, S. 203]. Tendenzen:
- Die Zeiten zwischen zwei Spülungen verringern sich.
- Der direkt nach einer Spülung erreichbare Permeatstrom nimmt mit der Anzahl erfolgter Spülungen ab, da die Beläge nicht vollständig entfernt werden und evtl. Membranschädigungen auftreten.
- ? Welche Arten von Ablagerungen umfasst der Begriff Fouling?
- Die Ablagerungen von Kolloiden, Mikroorganismen und Metalloxiden [Buch, S. 203].
- ? Wie lassen sich Fouling verursachende Inhaltsstoffe vor der Umkehrosmose bzw. Nanofiltration entfernen?
- Durch eine Vorbehandlungsstufe mit Flockungsfiltration oder Ultrafiltration [Buch, S. 203].
- ? Welche durch einen Filterversuch ermittelte Größe wird häufig zur Charakterisierung der Foulingneigung eines Wassers verwendet und wie wird sie berechnet?
- Der Kolloidindex (KI), auch Silt Density Index (SDI) genannt. Der KI-Wert wird berechnet gemäß
KI = (1 - t1/t2) * 100 / (15 min),
wobei t1 und t2 die Zeiten sind, die benötigt werden, um 500 ml des zu charakterisierenden Rohwassers zu Beginn des Versuchs bzw. 15 min nach Versuchsbeginn durch einen Filter mit 0,45 µm Porendurchmesser zu filtrieren. [Buch, S. 204]
- ? Welchen Wert kann der Kolloidindex maximal erreichen?
- Gemäß der Formel für die Berechnung des Kolloidindex kann der KI-Wert maximal 6,67 betragen [Buch, S. 204].
- ? Wie groß soll der Kolloidindex für Wickelmodule sein, wie groß für Hohlfasermodule?
- Meist kleiner als 4 bis 5 für Wickelmodule, kleiner als 3 für Hohlfasermodule [Buch, S. 204].
- ? Ist der Kolloidindex proportional zur Konzentration der verblockenden Substanz?
- Nein [Buch, S. 206].
- ? Warum stellt das Einhalten des geforderten maximalen Kolloidindexes (KI) keine Gewähr für störungsfreien Betrieb der Umkehrosmose-Anlage dar?
- Weil sich die Testbedingungen zur Bestimmung des KI-Werts von den Betriebsbedingungen im Modul unterscheiden
(Test: Dead-End, Modul: Cross-Flow, Druck, Membran unterschiedlich) [Buch, S. 204f].
- ? Wessen Entfernung ist i.d.R. aufwändiger, die der Fouling verursachenden Substanzen oder die der Scaling verursachenden Substanzen?
- Die Entfernung der Scaling verursachenden Substanzen ist i.d.R. aufwändiger [Buch, S. 205].
- ? Wovon hängt die Löslichkeit von CaCO3 als Scaling verursachender Substanz ab?
- Von der Temperatur, der Ionenstärke und vom pH-Wert [Buch, S. 205].
- ? Welches ist die einfachste Vorbehandlungsmaßnahme zur Vermeidung von Scaling durch CaCO3?
- Säuredosierung, dabei entsteht durch Verschiebung des Kohlensäuregleichgewichts CO2, das durch die Membran hindurchdringen kann [Buch, S. 205].
- ? Nenne zwei Scaling-Inhibitoren, worauf beruht deren Wirkung und worauf ist zu achten?
- Natriumhexametaphosphat (NaHMP) und Polyacrylsäure sind Scaling-Inhibitoren. Ihre Wirkung beruht auf der (Bildung von Komplexen und der dadurch?) starken Verzögerung der Kristallisation. Beim Einsatz der Scaling-Inhibitoren ist die Konzentratentsorgung besonders zu beachten. [Buch, S. 205]
- ? Wovon hängt die Löslichkeit der Scaling verursachenden Sulfate hauptsächlich ab?
- Von Temperatur und Ionenstärke [Buch, S. 205].
- ? Was ist zu tun, wenn die Dosierung von Scaling-Inhibitoren nicht ausreicht, um Scaling durch Sulfate zu vermeiden?
- Enthärtung vorschalten oder
- Ausbeute verringern
[Buch, S. 205]
- ? Wie muss das Permeat aus Umkehrosmose bzw. Nanofiltration bei der Trinkwasseraufbereitung ggf. nachbehandelt werden?
- Ausgasen von überschüssigem CO2
- Verschnitt mit gereinigtem Rohwasser
- Kalkmilch-Dosierung zur pH-Weinstellung (Meerwasserentsalzung)
[Buch, S. 206]
- ? Die Verringerung des Permeatstroms mit der Betriebsdauer des Umkehrosmose-/Nanofiltrations-Moduls ist eine Funktion von ...?
- ... Druck und Temperatur [Buch, S. 206]
- ? Wie ist die Salzpassage S definert und wie hängt sie mit der Rückhaltung R zusammen?
- Die Salzpassage ist definiert als Verhältnis der Konzentrationen eines Salzes im Permeat und im Zulauf:
S = cPermeat / cZulauf
Mit der Rückhaltung R besteht die Beziehung R = 1 - S. [Buch, S. 208]
- ? Wie lässt sich die Salzpassage im praktischen Betrieb abschätzen?
- Aus Messungen an einer Testanlage über die Beziehung
S = S0 * Druckdifferenz0 / Druckdifferenz,
wobei sich S0 und Druckdifferenz0 auf die Messungen an der Testanlage beziehen. [Buch, S. 208]
- ? Wie verändert sich bei der Umkehrosmose bzw. Nanofiltration die Salzpassage bei Veränderung der transmembralen Druckdifferenz?
- Salzpassage und Druckdifferenz verhalten sich antiproportional: Mit Erhöhung der Druckdifferenz verringert sich die Salzpassage, mit Verringerung der Druckdifferenz erhöht sie sich. [Buch, S. 208]
- ? Wovon hängt die Rückhaltung bei der Umkehrosmose ab?
- Von der transmembralen Druckdifferenz sowie in geringem Maße von der Temperatur, dem pH-Wert und der Salzkonzentration. [Buch, S. 209]
- ? Welche Rückhalte-Eigenschaften zeigen Umkehrosmose-Membranen in bezug auf Ionen, organische Stoffe, Isomere, dissoziierbare Stoffe und gelöste Gase?
- Die Rückhaltung ist umso besser, je
- höher die Ionenwertigkeit
- größer die Molmasse bei organischen Stoffen
- mehr Verzweigungen Isomere haben
Die Rückhaltung eines dissoziierbaren Stoffes ist pH-abhängig, wenn auch seine Dissoziation pH-abhängig ist. Gelöste Gase permeieren gut. [Buch, S. 209]
- ? Was ist bei der Umkehrosmose (UO) größer, Nitratrückhaltung oder Gesamtsalzrückhaltung?
- Die Gesamtsalzrückhaltung ist größer, deshalb ist der Einsatz der UO zur Nitratentfernung nur sinnvoll, wenn gleichzeitig eine Entsalzung bzw. Enthärtung durchgeführt werden muss. [Buch, S. 209]
- ? Wofür werden Umkehrosmose-Anlagen u.a. in den Niederlanden eingesetzt?
- Für die Enthärtung, gleichzeitig werden Pflanzenbehandlungs- und Schutzmittel (PBSM) effektiv entfernt sowie der Chloridgehalt verringert. [Buch, S. 209]
- ? Welche Besonderheit weist die Nanofiltration gegenüber der Umkehrosmose und der Ultrafiltration in Bezug auf die Rückhaltung von (An-)Ionen auf?
- Bei der Nanofiltration hängt die Rückhaltung einwertiger Ionen stark von der Salzkonzentration ab, die Rückhaltung nimmt mit steigender Salzkonzentration ab. Darüber hinaus werden mehrwertige Ionen viel stärker zurückgehalten als einwertige. Dafür werden elektrostatische Abstoßungskräfte zwischen der meist negativ geladenen Membranoberfläche und den (An-)Ionen verantwortlich gemacht. Eine erhöhte Salzkonzentration führt zu einer besseren Abschirmung der Oberflächenladungen. [Buch, S. 210]
- ? Welche Wasserinhaltsstoffe lassen sich mit der Nanofiltration gut zurückhalten?
- Härtebildner
- Sulfat
- organische Störstoffe (DOC-Eliminierung i.d.R. > 90%)
- Pflanzenbehandlungs- und -schutzmittel (PBSM), abhängig von Membrantyp, Größe, Struktur und Ladung (ggf. pH-abhängige Dissoziation) der PBSM-Moleküle
[Buch, S. 211]
- ? Wo befindet sich die erste deutsche Meerwasserentsalzungsanlage?
- Auf Helgoland.
- ? Welche Maßnahmen zur Vorbehandlung wurden in der Meerwasserentsalzungsanlage auf Helgoland ergriffen und welche Probelme haben sich daraus ergeben?
- Flockungsfiltration und Desinfektion mit Hypochlorit zur Inaktivierung von Mikroorganismen und Plankton. Es kam zu Problemen mit halogenierten Kohlenwasserstoffen im Konzentrat, das in die Nordsee zurückgeführt wird, und im Permeat. [Buch, S. 213]
- ? Welche Art der Vorbehandlung geschieht bei der Meerwasserentsalzung auf Malta?
- Nach einer Uferfiltration, nach der die biologische Aktivität bereits stark herabgesetzt ist, folgen Kerzenfilter (wozu genau?) und Säurezugabe (um Scaling durch CaCO3 zu vermeiden), bevor die Umkehrosmose stattfindet. [Buch, S. 213]
- ? Welches Verfahren wird in Duderstadt zur Sulfatentfernung angewendet?
- Die Umkehrosmose.
Vorbehandlung: Flockungsfiltration, Konditionierung mit Säure und NaHMP (zur Verhinderung von CaCO3- und CaSO4-Scaling)
Nachbehandlung: CO2-Entfernung aus Permeat, Verschnitt mit Rohwasser, Natronlauge zur pH-Einstellung [Buch, S. 215]
- ! Im Bereich der Ultrafiltration und Mikrofiltration ist zurzeit weltweit ein exponentielles Wachstum der installierten Kapazität und Anlagenanzahl zu beobachten.
- ? In welchen Ländern befinden sich die zurzeit größten Ultrafiltrations-/Mikrofiltrations-Anlagen und wie ist die Größenordnung der Produktionskapazitäten?
- Frankreich, England, USA (Kapazitäten zwischen 6.500 und 10.000 m³/h) [Buch, S. 216]
- ? Mit Hilfe welchen Verfahrens lassen sich Filterrückspülwässer aus Enteisenungs-/Entmanganungsfiltern aufbereiten?
- Mit Hilfe der Mikrofiltration und Ultrafiltration, die partikuläre Wasserinhaltsstoffe wie die unlöslichen Eisenhydroxide und Mangan-Oxide gut zurückhalten. [Buch, S. 217]
- ? Welche Membranmaterialien neigen mehr zu Fouling, hydrophile oder hydrophobe?
- Hydrophobe Materialien neigen mehr zu Fouling.
- ? Welche Materialien wurden bzw. werden für die Membranen bei der Ultrafiltration bzw. Mikrofiltration eingesetzt?
- Celluloseacetat: hydrophil und deshalb weniger Fouling-anfällig als hydrophobe Materialien, jedoch biologisch zersetzbar
Poly(ether)sulfon, Polypropylen (Mikrofiltration)
Anorganische Materialien sind zu teuer. [Buch, S. 218]
- ? Welche Membranarten unterscheidet man bei der Ultra-/Mikrofiltration und welchen Durchmesser haben die entsprechenden Kapillaren?
- Rohrmembranen: > 10 mm
Kapillarmanen: 0,5 - 10 mm
Hohlfasermembranen: < 0,5 mm
[Buch, S. 219]
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