InternationaleEntwicklungen in der Membrantechnik · Energie bei der Meerwasserentsalzung Aachen ,...

10. AWM Aachen , 29.10.2013

10 AACHENER TAGUNG10. AACHENER TAGUNGWASSER UNDMEMBRANEN

Internationale Entwicklungen in der

29. und 30. Oktober 2013, Eurogress Aachen

Internationale Entwicklungen in der Membrantechnik

Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Franz‐Bernd FrechenUniversität Kassel

Bundessieger 2011 in der

Obmann, DWA‐Fachausschuss “Membranbelebungsanlagen”Vice‐Chair, IWA Specialist Group “Membrane Technology”

IG‐5.5 „Membrantechnik“, Prof. Cornel

Folie 1 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)

Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi

Kategorie „Gesellschaft“IG 5.5 „Membrantechnik , Prof. Cornel

10. AWM Aachen , 29.10.2013Bedeutung

Membrantechnik ist in vielen Bereichen eine Schlüssel‐technologie Lebensmittelindustrie Biotechnologie Biotechnologie PharmazieWasseraufbereitung Ab b h dl AbwasserbehandlungWasserwiederverwendung….

Hier wird nur der Bereich Wasser und Membranen betrachtet:




Membrantechnik ist in vielen Bereichen eine Schlüssel‐technologie

waterwaterreuse andreclamation

membranetechnology

WASSER UNDMEMBRANEN




Membrantechnik ist in vielen Bereichen eine Schlüssel‐technologie

l b l k t f t t li

25

global markets for wastewater‐recyclingand reuse technologies

projected

15

20

n Eu

ro

5

10

billio

02009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

yearBCC Research LLC, 2013



10. AWM Aachen , 29.10.20137th IWA Specialized Membrane Technology Conference

Die Specialist Group Membrane Technology (SGMT) ist die drittgrößte SG der IWA

Die 7th IWA Specialized Membrane Technology Conference fand 25 bi 29 A 2013 i d 300 T il h ivom 25. bis 29. August 2013 mit rd. 300 Teilnehmer in

Toronto/Canada statt Aus über 300 Abstracts wurden 179 Vorträge und 66 Poster Aus über 300 Abstracts wurden 179 Vorträge und 66 Poster

ausgewählt 4 parallele Sessions



10. AWM Aachen , 29.10.2013key player

Membrane Technology

Membrane Science

Chemical Engineering,h h f h h k

Membrane Application

Civil Engineering,dl h fChemische Verfahrenstechnik,

MaterialwissenschaftenSiedlungswasserwirtschaft,

Industrie, ….

Im Idealfall: die perfekte Anlage



Im Idealfall: die perfekte Anlage …

10. AWM Aachen , 29.10.2013Die wichtigsten Ziele:

Energie Verbrauch senken Energie gewinnen

Leistung Leistung fouling reduzieren neue Materialien (Bionik/Geonik)

Kosten / Platzbedarf anwendungstechnische AspekteH b idHybridprozesse Kollateralprozess (z.B. Schlammbehandlung)

Im internationalen Maßstab spielt vor allem die Meerwasser‐entsalzung eine große Rolle



10. AWM Aachen , 29.10.2013Wichtige Einzelthemen (nicht abschließend)

Materialien & Modulkonfigurationen Fouling & Membranreinigung Mikroschadstoffe Technologie Wasseraufbereitung Technologie Abwasserreinigung Betriebserfahrungen Wasser/Abwasser Water Reuse Neuartige Prozesse & Anwendungen Meerwasserentsalzung, Osmosis Prozessmodellierung und –simulation Energie

s auch Hinweis im Script zum Download Programm Toronto



s. auch Hinweis im Script zum Download Programm Toronto

10. AWM Aachen , 29.10.2013Neue Materialien

Die Vision von der „superpermeablen“ Membran Helmut Schmidt: „Wer Visionen hat, soll zum Arzt gehen!“

Womit befasst sich der Arzt: Mit dem Menschen, der nur durch die Membrane der Zellen funktionieren kann.

Bionik: von den Vorgängen an der Zellmembran lernen!



10. AWM Aachen , 29.10.2013von der Natur lernen

Suche in google.de: Biomimicry: 1 Mio. Treffer Geomimicry: 2.000 Treffer

Biomimikry: 5.600 Treffer Geomimikry: 1 Treffer



10. AWM Aachen , 29.10.2013Neue Materialien

Biomimicry Carbon nanotubes (eigentlich geomimicry) Ferritin (Proteinkomplex) Aquaporin Aquaporin

Geomimicry Fullerene Carbon nanotubesGraphen Atmospheric Plasma Spray (APS) / APS‐SIM /(Steam Induced Method)



10. AWM Aachen , 29.10.2013Neue Materialien: Carbon nanotubes (CNT)

Hinds: “… fluid flow through carbon channels is exceptionally fast — nearly four to five orders of magnitude greater than what is expected from classical fluid mechanics”

4.10

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g zur F

ILTECH

, Wie

Lung

Tun

g, Vortrag



Kuo‐L

10. AWM Aachen , 29.10.2013Neue Materialien: Protein Aquaporin

2013

nto, 25. bis 29

.09.2

Techno

logy, Toron

cCo

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embrane

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A Spec

Kuo‐Lung Tung, Vortrag zur FILTECH, Wiesbaden, 22. bis 24.10.2013

Fane

, PlenaryKe

y



Tony

10. AWM Aachen , 29.10.2013Neue Materialien: Protein Ferritin

The pores were less than 2.2 nm across, and the water permeancecould be as high as

9 000 (l h–1 m–2 bar–1)9,000 (l h 1 m 2 bar 1).

4.10

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n, 22. bis 24

g zur F

ILTECH

, Wie

Lung

Tun

g, Vortrag



Kuo‐L

10. AWM Aachen , 29.10.2013Geomimicry: Kohlenstoff

Vorbild Diamant (reiner Kohlenstoff): „diamond‐like carbon“(DLC)

4.10

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3esbade

n, 22. bis 24

g zur F

ILTECH

, Wie

Fulleren(„Buckyball“)

Robert F Curl

Graphen

K.S. Novoselov andA K Geim

Lung

Tun

g, VortragRobert F. Curl

Harold W. KrotoRichard E Smalley

1985Nobelpreis 1996

A.K. Geim2004

Nobelpreis 2010



Kuo‐Lp

10. AWM Aachen , 29.10.2013Geomimicry: Kohlenstoff – Graphen

Science 27 Januar 2012 Vol 335 no 6067 pp 442 444Science 27, Januar 2012, Vol. 335 no. 6067 pp. 442-444

Unimpeded Permeation of Water Through Helium-Leak–Tight Graphene-Based MembranesR. R. Nair, H. A. Wu, P. N. Jayaram, I. V. Grigorieva, A. K. Geim

AbstractPermeation through nanometer pores is important in the design of materials for filtration and

ti t h i d b f l f d t l b h i i i t th l l

, , y , g ,

separation techniques and because of unusual fundamental behavior arising at the molecular scale.We found that submicrometer‐thick membranes made from graphene oxide can be completely impermeable to liquids, vapors, and gases, including helium, but these membranescompletely impermeable to liquids, vapors, and gases, including helium, but these membranes allow unimpeded permeation of water (H2O permeates through the membranes at least 1010

times faster than He).We attribute these seemingly incompatible observations to a low‐friction flow of a monolayer of water through two‐dimensional capillaries formed by closely spaced graphene sheets. Diffusion of other molecules is blocked by reversible narrowing of the capillaries in low humidity and/or by their clogging with water.



10. AWM Aachen , 29.10.2013Geomimicry: Atmospheric Plasma Spray

APS auf trockenem Substrat: dichte, gleichförmige Membran

4.10

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n, 22. bis 24

g zur F

ILTECH

, Wie

Lung

Tun

g, Vortrag



Kuo‐L

10. AWM Aachen , 29.10.2013Geomimicry: Atmospheric Plasma Spray

APS Steam Induced Method (SIM) (wet substrate)

4.10

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3esbade

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g zur F

ILTECH

, Wie

Lung

Tun

g, Vortrag



Kuo‐L

10. AWM Aachen , 29.10.2013Geomimicry: APS SIM – Lava, Bims

5000

3000

3500

4000

4500

ar)

1500

2000

2500

3000

flux

(l/m

2.h.

ba

4.10

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3

0

500

1000

dry-0.14μm Ster.-0.14μm Spin.-0.2μm wet-0.34μm Spin.-0.4μm

esbade

n, 22. bis 24

g zur F

ILTECH

, Wie

Lung

Tun

g, Vortrag



Kuo‐L

10. AWM Aachen , 29.10.2013Neue Materialien: Übersicht

2013

nto, 25. bis 29

.09.2

Techno

logy, Toron

cCo

nf M

embrane

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A Spec

Fane

, PlenaryKe

y



Tony

Pendergast & Hoek, Energy & Env.Sci. (2011), 4, 1946‐1971

10. AWM Aachen , 29.10.2013Energie

Beim MBR‐VerfahrenOptimierte BelüftungOptimierter BetriebUltraschall statt cross‐flowUltraschall statt cross flow Kunststoff‐Pellets zur optimierten Deckschichtkontrolle…..

Bei der Meerwasserentsalzung siehe folgende Folien



10. AWM Aachen , 29.10.2013Energie bei der Meerwasserentsalzung

2013Reducing primary energy – SWRO

nto, 25. bis 29

.09.2Reducing primary energy SWRO

High pressure membranes

Techno

logy, Toron

Conventional SWRO (tapered cascade)Osmotic pressure

cCo

nf M

embrane

Flow 100

65 bar 50+15

50

TMP(min)

ynote, 7

thIW

A Spec

Fane

, PlenaryKe

y

Feed pump handles full flow at pressure required for final

membrane.



Tony

At best : Energy usage is ~ 2 x the theoretical minimum

10. AWM Aachen , 29.10.2013

2013SWRO – Close to Osmotic Pressure Operation

Energie bei der Meerwasserentsalzung

nto, 25. bis 29

.09.2

50 bar45

50

SWRO – Close to Osmotic Pressure Operation

Techno

logy, Toron

Osmotic Pressr

Feed side Pressr

35

40Needs ‘superpermeability’

cCo

nf M

embrane Osmotic Pressr

25 barstages

30 RO membranes

ynote, 7

thIW

A Spec

g

1 2 3 4 5100 50

Fane

, PlenaryKe

y

Potential energy saving ~ 25 - 30 %Capital penalty ~ Pressr vessels, ER devices

d ff i l i

Multistage with booster pumps and energy recovery



Tony

Trade off capital cost vs energy saving


2013Water Reclamation vs SWRO

nto, 25. bis 29

.09.2

3.5

Water Reclamation vs SWRO

Techno

logy, Toron

Intake Pretreat SWROSea

Water

3.5kWh/m3

cCo

nf M

embrane

CAS MF ROWaste

ynote, 7

thIW

A SpecCAS MF RO

Water~1.4

kWh/m3

Fane

, PlenaryKe

y

RO~ 0.8 kWh/m3

MBR~ 0.6 kWh/m3



Tony

Reclamation is much lower energy & cost than SWRO


Erneuerbare Energien nutzen

2013

Sonne, Wind: Problem Energiespeicherung Lösung: Produkt speichern (Analogie: „virtuelles Wasser“)

nto, 25. bis 29

.09.2

Prozesse ohne Überdruck:Membrandestillation (hydrophobe Membran) kann waste heat“ (Niedrigtemperatur‐“Abwärme“) nutzen Te

chno

logy, Toron

kann „waste heat (Niedrigtemperatur Abwärme ) nutzen kann Solar‐/Erdwärme nutzen

Osmose („Forward Osmosis“ FO)

cCo

nf M

embrane

Energiegewinnung Pressurized Forward Osmosis (PRO)

ynote, 7

thIW

A Spec

Nötig: geeignete MembranenOptimierung von Moduldesign und Prozess Fane

, PlenaryKe

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Optimierung von Moduldesign und Prozess

Tony

10. AWM Aachen , 29.10.2013Osmose

nal Con

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10. AWM Aachen , 29.10.2013FO als Vorstufe zu RO

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10. AWM Aachen , 29.10.2013FO als Vorstufe zu RO

nal Con

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seit Mai 2010 auf der ISS in Betrieb

ture at IWA Re

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10. AWM Aachen , 29.10.2013FO statt Unterdruck beim MBR‐Verfahren

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Amy

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10. AWM Aachen , 29.10.2013Erneuerbare Energie mit PRO

nal Con

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o, PlenarybLect

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Oc

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E. Childress, U

nive

mbrane TechologyaEntscheidend ist eine Membran mit

höchstem Flux und hoher Druckfestigkeit



Amy

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10. AWM Aachen , 29.10.2013Erneuerbare Energie mit PRO

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ture at IWA Re

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mbrane Techologya



Amy

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10. AWM Aachen , 29.10.2013Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!

4th IWA Regional Specialised Conference:

Nov 2014 Ho Chi Minh City VietnamNov. 2014, Ho Chi Minh City, Vietnam

8th IWA Biennial Specialized Membrane Technology Conference8 IWA Biennial Specialized Membrane Technology Conference

Ende 2015, Sydney, Australien

www.uni-kassel.de\fb14\siwawi



www.waterbackpack.org

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