DE3841594A1 - Anordnung zur fluessigkeitsaufbereitung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Flüssig­ keitsaufbereitung, die allgemein im Haushalt, im Labor und für Hobbyzwecke eingesetzt wird. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Anordnung zur Aufbereitung von unbedenklichem Trinkwasser und Brauchwasser für Dialysezentren, das einen hohen Reinheitsgrad besitzt, sowie von Brauchwasser für die verschiedensten Bedürfnisse, z. B. vollentsalztes und keimfrei­ es Wasser oder auch aufkonzentrierte Flüssigkeiten.

Es sind bereits Anordnungen zur Meerwasser-Entsalzung be­ kannt, die mit Plattenmoduln bestückt sind, welche nach dem Prinzip der Umkehr-Osmose arbeiten. Derartige Plattenmoduln sind aus den deutschen Patenten

• - DE-PS 23 53 659,
• - DE-PS 24 46 157 und
• - DE-PS 25 56 210

bekannt. Das Prinzip der Umkehr-Osmose wird schematisch wie folgt beschrieben. Bei der natürlichen Osmose findet zwischen 2 Lösungen unterschiedlicher Konzentration, die durch eine semipermeable Membran getrennt sind, eine Wanderung des Lösungsmittels durch die Membran in die konzentriertere Lösung statt. Dies bezeichnet man als Osmose. Der Lösungsmitteltran­ sport durch die Membran hält solange an, bis die hydrostatische Druckdifferenz δ p gleich dem osmotischen Druck p der Lösung ist. Wird nun auf die konzentriertere Lösung ein Druck aus­ geübt, der über dem osmotischen Druck p liegt, so kehrt sich die Flußrichtung um und das Lösungsmittel in der konzentrier­ teren Lösung wandert in die weniger konzentrierte Lösung. Auf diese Weise findet eine Trennung statt und man erhält auf der einen Seite ein Permeat, das frei von unerwünschten Inhalts­ stoffen ist, und auf der anderen Seite ein Konzentrat, das diese Inhaltsstoffe in konzentrierter Form enthält.

Zu diesen unerwünschten Inhaltsstoffen gehören Nitrate, Sulfate und andere Salze, die sich aufgrund der zunehmenden Umweltbela­ stung im Wasser befinden. Es sind Schwermetalle, wie Blei, Barium, Kadmium und Quecksilber in erhöhter Konzentration im Trinkwasser nachgewiesen worden. Schließlich stellen organische Verunreinigungen, sowie Bakterien und Viren ein Problem dar. Auch gibt es partikuläre Schwebstoffe und disperse Phasen, die ebenfalls unerwünscht sind. Das bekannte Plattenmodul kann alle diese Inhaltsstoffe reduzieren, wenn nicht beseiti­ gen. Derartige Plattenmoduln haben auch den Vorteil, daß sie ohne Wasservorbehandlungsmaßnahmen und eine chemische Reinigung auskommen, welche bei anderen Entsalzungsvorrichtungen in jedem Fall erforderlich sind. Anstelle des Permeates kann auch das Konzentrat einer Lösung verwendet sein, um z. B. unerwünschte flüssige Stoffe in ihrem Volumen zu reduzieren oder wertvolle Flüssigstoffe anzureichern.

Ein großes Problem bei allen auf dem Markt erhältlichen Entsal­ zungsvorrichtungen stellt ihre Anpassung an einen veränder­ lichen Wasserverbrauch dar. Je nach Qualität des Rohwassers findet bei einer Abschaltung der Vorrichtung eine Verunreini­ gung der Filtriereinrichtungen durch Ablagerungen statt. Es ist daher üblich, derartige Vorrichtungen, insbesondere größere Anlagen, im Dauerbetrieb arbeiten zu lassen. Wenn der Bedarf an Permeat stockt, wird die Permeatleitung einfach gesperrt und das Permeat fließt über die Konzentratleitung ab. Ein solches Verfahren ist nicht befriedigend, weil ein sehr hoher und unnötiger Rohwasserverbrauch entsteht und die Vorrichtun­ gen einem unnötigen Verschleiß ausgesetzt sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Flüssigkeitsaufbereitung zu schaffen, die einen minimalen Flüssigkeitsverbrauch gewährleistet und einem wechselnden Permeatbedarf bzw. Konzentratbedarf angepaßt werden kann. Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur Flüssig­ keitsaufbereitung mit einer Zuleitung, einem nach der Umkehr- Osmose arbeitendem Plattenmodul, einer Konzentratleitung und einer Permeatleitung angegeben, die gekennzeichnet ist durch im Plattenmodul vorgesehene Verwirbelungselemente, und ein in der Zuleitung angeordnetes Absperrorgan zum Einstellen der Durchflußmenge, das durch mindestens einen Zustandsparameter der Anordnung steuerbar ist.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Steuerung der Flüssigkeitszufuhr entsprechend dem momentanen Flüssigkeits­ bedarf möglich. Dabei kann das Absperrorgan in Abhängigkeit eines beliebigen Zustandsparameters der Anordnung gesteuert werden.

Die Verwirbelungselemente sorgen für eine Verwirbelung des Was­ serstroms in den Kanälen. Sie verhindern einerseits eine laminare Strömung im Dauerbetrieb des Plattenmoduls, welche eine Gefahr für die feinporigen Membranen darstellt. Bei einer laminaren Strömung können Inhaltsstoffe leicht sedimen­ tieren und die Membranen verstopfen. Andererseits sorgen die Verwirbelungselemente dafür, daß bei Inbetriebnahme nach Abschaltung des Moduls die gebildeten Ablagerungen schnell aufgelöst und ausgespült werden. Die Anordnung gewährleistet einen einwandfreien Betrieb des Plattenmoduls auch nach einer Absperrung bzw. Abschaltung durch das Absperrorgan. Die Anordnung ist insbesondere geeignet für einen Einsatz in der Trinkwasseraufbearbeitung von Haushalten und arbeitet mit dem dort verfügbaren Netzdruck zufriedenstellend. Die Anordnung ist auch geeignet für den Einsatz in Laborbereichen, für Dialysezentren und für Aufgaben in der Aufkonzentrierung von Flüssigkeiten.

Der Zustandsparameter kann in einer bevorzugten Ausführungsform durch die Durchflußrate in der Permeatleitung gegeben sein. Dadurch ist es möglich, die Flüssigkeitszufuhr entsprechend dem momentanen Permeatbedarf zu steuern, bzw. bei verschwinden­ dem Bedarf abzusperren. Diese Anordnung ist bei der Wasserauf­ bereitung bevorzugt.

Es ist alternativ bevorzugt, als Zustandsparameter die Durch­ flußrate in der Konzentratleitung heranzuziehen, wenn das Konzentrat das bei der Aufbereitung erwünschte Produkt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform dient als Zustandspara­ meter die Durchflußrate in der Zuleitung selbst, wobei der Zufluß auf einen vorgegebenen Wert eingeregelt wird. Hierbei handelt es sich um eine selbsttätige Regelung, in der durch einen Soll- und Ist-Wert-Vergleich eine Regelung der Durchfluß­ rate auf einen bestimmten Wert erfolgt. Diese Anordnung ist bei veränderlichen Zuflußbedingungen bevorzugt, insbesondere bei sich ändernden Druck- und Mengenverhältnissen, wenn ein zeitlich konstanter Permeat- oder Konzentratausgang erwünscht ist.

Es ist ferner bevorzugt, als Zustandsparameter den gemessenen Füllstand eines Behälters heranzuziehen, der zum Auffangen des Permeates bzw. Konzentrates vorgesehen ist, wobei ein Füll­ standssensor zum Messen des Füllstands des Behälters vorgesehen ist, der auf das Absperrorgan wirkt. Diese Anordnung ist kostengünstig, weil unter stark wechselndem Permeat- bzw. Konzentratbedarf die Anordnung nicht bei jedem Bedarf einges­ chaltet werden muß, sondern in einem Durchlauf den Behälter füllt, damit er über eine längere Zeit als Versorgung mit Permeat bzw. Konzentrat dient. Der Durchfluß durch den Platten­ modul ist entsprechend der noch im Behälter befindlichen Permeat- bzw. Konzentratmenge steuerbar.

Schließlich ist es bevorzugt, als Zustandsparameter die in einer vorgegebenen Zeit durch die Permeatleitung bzw. Kon­ zentratleitung hindurchgeflossene Flüssigkeitsmenge zu verwen­ den. Dadurch kann die Anordnung eine bestimmte Menge Permeat bzw. Konzentrat für einen vorbestimmten Bedarf liefern. Danach schaltet die Anordnung ab.

Der verwendete Füllstandssensor weist bevorzugt einen Schwim­ mer auf, der mit einem Schwimmerventil als Absperrorgan gekoppelt ist. Dadurch ist der Sensor und das Ventil von elektrischem Strom unabhängig und lassen sich kostengünstig ausführen. Das Absperrorgan kann in einer anderen Ausfüh­ rungsform ein Elektroventil sein, das auf den Schwimmerzu­ stand reagiert. Das Elektroventil kann entweder als Steuer­ ventil mit kontinuierlichem Durchfluß oder als Schaltventil mit 2 Zuständen ausgeführt sein.

Die Zuleitung ist bevorzugt mit einem Wasseranschluß verbunden, wie er im Wassernetz verfügbar ist, während die Konzentrat­ leitung mit einem Abwasseranschluß verbunden ist. Dadurch ist ein bequemer Einbau im Haushalt möglich. Das Konzentrat enthält keine Inhaltsstoffe, die nicht auch im Wassernetz vorhanden sind und führt daher zu keiner zusätzlichen Verschmutzung des Abwassernetzes. In der Konzentratleitung kann ein Rückhalteven­ til zur Steuerung der Konzentratableitung vorgesehen sein. Mit diesem Ventil wird der notwendige Betriebsdruck im System eingestellt. Der Vordruck wird entweder durch den normalen Wassernetzdurck oder durch eine dem Modul vorgeschaltete Pumpe erzeugt, während der Systemdruck durch das Rückhalteven­ til eingestellt wird.

An dem Wasserbehälter ist bevorzugt eine Pumpe und eine Abgabe­ leitung für die Wasserentnahme vorgesehen, mit der das Wasser an beliebige Stellen, z. B. im Haushalt, geleitet werden kann. Zwischen Absperrorgan und Plattenmodul ist eine Druckpumpe vorgesehen, wenn der Netzdruck zu gering ist oder der Salzge­ halt so hoch, daß der osmotische Druck den Netzdruck über­ steigt. Eine solche Situation findet man beispielsweise in wasserarmen Regionen. Die Druckpumpe sorgt für einen aus­ reichenden Abwasserdruck unter solchen erschwerten Bedingungen.

Bei problematischem Rohwasser, das z. B. extreme Anteile an Härtebildnern oder extreme Anteile an Chlor aufweist, ist eine geringfügige Rohwasser-Vorbehandlung, z. B. in Form von Aktivkohle-Filtration, Zugabe von unbedenklichen Aufbereitungs­ promotoren oder dergleichen notwendig. Der Aktivkohle-Filter ist bevorzugt zwischen Wasseranschluß und Absperrorgan vor­ gesehen. Dieser Filter sorgt für eine Entchlorung und En­ tozonung sowie für die Reduktion von BSB, COD und TOC. Die Absorption von Geruchs-, Geschmacks- und Farbstoffen ist ferner gegeben. Neben dem Aktivkohle-Filter ist auch eine Feindosierung von Aufbereitungspromotoren vorgesehen. Solche Promotoren sind beispielsweise Anti-Scaling-Mittel, die die Ablagerung von Härtebildnern, bzw. das "Verblocken" verhindern. Das Anti-Scaling-Mittel wird durch die Umkehr-Osmose getrennt und zusammen mit dem Konzentrat ausgeschieden.

Es ist bevorzugt, ebenfalls in der Permeatleitung bzw. Kon­ zentratleitung eine Absperreinrichtung vorzusehen, die mit dem Absperrorgan in der Zuleitung direkt gekoppelt ist. Auf diese Weise ist eine einfache und kostengünstige Ausführung der Steuerung möglich. Insbesondere kann die Betätigung der Absperreinrichtung in der Permatleitung bzw. Konzentratleitung manuell erfolgen und ein proportionales Betätigungssignal auf das Absperrorgan in der Zuleitung übertragen werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vor­ liegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung mehrerer Ausführungsbeispiele in der Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt die Funktion eines nach der Umkehr-Osmose arbei­ tenden Plattenmoduls.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Wasseraufbereitung mit Schwimmerventil, Rückhalteventil und Behälter für Permeat.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Anordnung mit Behälter, Elektroventil und Druckpumpe.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit zusätzlicher Absperreinrichtung inder Permeatleitung.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Absperrorgan durch eine manuelle Absperreinrichtung in der Permeatleitung gesteuert wird.

Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform entspre­ chend Fig. 2 , bei der das Konzentrat das gewünschte Produkt darstellt.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine manuelle Absperreinrichtung in der Konzentratleitung vorgesehen ist.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform mit Druckschaltelement in der Zuleitung.

Fig. 9 zeigt einen Aktivkohle-Filter und eine Einrichtung zur Feindosierung von Aufbereitungspromotoren.

Fig. 1 zeigt den plattenartigen Aufbau des Plattenmoduls, der nach der Umkehr-Osmose arbeitet. Bei a ist die Zuleitung angeschlossen, bei b die Permeatleitung, und bei c die Konzen­ tratleitung. Als Verwirbelungselemente dienen herkömmliche Einrichtungen, z. B. Prallflächen, Stege, Rillen und derglei­ chen, die nicht gezeigt sind.

Aufgrund der Beschaffenheit des Moduls kann auch eine Umkehrung der Anschlüsse ohne Veränderung des Moduls erfolgen. Es kann beispielsweise c der Rohwasser-Anschluß sein, während über a die Konzentratableitung und über b die Permeatableitung erfolgt. Es besteht die Möglichkeit eines Wechsels der flachen Membranen im Plattenmodul, z. B. für niedrige oder für hohe Salzrückhalteraten oder auch für die Ultra-Filtration.

ln den Fig. 2 und 3 ist jeweils eine Skizze einer erfin­ dungsgemäßen Ausführungsform der Anordnung gezeigt. Die Ausführungsformen weisen einen Stadtwasser-Anschluß 1 auf und eine Abwasser-Leitung 2. Die Zuleitung des Stadtwassers wird von einem herkömmlichen Wasserrohr abgezweigt. Anstelle von Stadtwasser kann auch ein beliebiges anderes, z. B. Brack­ wasser, Problemwasser oder dergleichen verwendet werden. Problemwäseer sind z. B. Deponiesickerwässer, Gülle etc. In der Zuleitung ist bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ein Schwimmerventil 3 gezeigt, das auf den Füllstand eines Wasser­ behälters 6 reagiert, der mittels eines Schwimmers abgetastet wird. In der anderen Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ebenfalls ein Schwimmer vorgesehen, aber anstelle des Schwimmerventils ein Elektroventil 10, das auf die Schwimmerstange mit einem Ein/Aus-Signal reagiert. Die Zuleitung a geht in den Platten­ modul 4, wo eine Reduktion bzw. Filterung der Inhaltsstoffe stattfindet. In der zweiten Ausführungsform ist eine zusätz­ liche Druckpumpe 9 gezeigt, die einen ungenügenden Netzdruck oder einen zu hohen Salzgehalt ausgleicht. Eine Permeatleitung b führt in den Wasserbehälter 6, in dem eine Pumpe 6 mit Abgabeleitung 7 angeordnet ist. Über die Abgabeleitung 7 findet die Entnahme des Trinkwassers statt, die hier in einen Auffangbehälter 11 erfolgt. In der Konzentratleitung ist ein Rückhalteventil 5 gezeigt, das zur Regulierung der Menge der Konzentratableitung dient. Die Konzentratleitung ist mit der Abwasser-Leitung 2 verbunden. In der ersten Ausführungsform ist lediglich die Wasserbehälter-Pumpe 8 mit einer Stromversorgung zu versehen. Alle anderen Teile arbeiten stromlos. In der zweiten Ausführungsform nach Fig. 3 sind die Pumpe 8, das Elektroventil 10 und die Druckpumpe 9 mit einer Stromver­ sorgung zu verbinden. Der zusätzliche Strombedarf für das Elektroventil ist gering, da dieses nur im Bedarfsfall schal­ tet.

In der Ausführungsform nach Fig. 4 ist in der Permeatleitung b eine zusätzlich Sperreinrichtung 12 vorgesehen, die über eine Kopplungsleitung 13 mit dem in der Zuleitung a angeordneten allgemeinen Absperrorgan 14 verbindet. Das Absperrorgan kann mechanisch, elektrisch, oder hydraulisch gekoppelt sein. Die manuelle Betätigung des Absperrorgans ist zusätzlich vor­ gesehen. Die Kopplungsleitung überträgt ein Kopplungssignal, das proportional zu dem Sperrsignal an der Sperreinrichtung 12 ist, und ein proportionales Sperrsignal an dem Absperrorgan 14 hervorruft. Die Sperreinrichtung arbeitet mechanisch, elektrisch oder hydraulisch. Wenn Permeat benötigt wird, wird erst durch Betätigung der Steuereinrichtung 12 das Absperrorgan 14 geöffnet, so daß sich die Anordnung einschaltet.

In der Fig. 5 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der in der Permeatleitung b eine manuelle Sperreinrichtung 15 angeordnet ist, die mit einem Absperrorgan 14 verbindet. Im Gegensatz zu anderen Ausführungsformen erfolgt hier eine direkte Permeat- Abnahme über die Leitung 7 ohne Sammelbehälter.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der das Konzentrat aus der Konzentratleitung c das gewünschte Produkt darstellt, während das Permeat in der Permeatleitung b ab­ geführt wird. Ansonsten entspricht diese Ausführungsform der von Fig. 2.

In Fig. 7 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der eine manuelle Sperreinrichtung 15 in der Konzentratleitung c angeordnet ist, die über eine Kopplungsleitung 13 mit einem allgemeinen Absperrorgan 14 in der Permeatleitung a verbindet. Diese Ausführungsform ist dann vorteilhaft, wenn der durch die manuelle Sperreinrichtung 15 eingestellte Systemdruck eingestellt werden muß, bzw. das Konzentrat nur zu bestimmten Zeiten an das Abwassersystem abgegeben werden kann.

In der Fig. 8 ist eine Ausführungsform wiedergegeben, bei der das Konzentrat aus der Konzentratleitung c das gewünschte Produkt darstellt. Es ist ein Druckschaltelement 16 in der Zuleitung a angeordnet, das bei nicht ausreichendem Netzwas­ serdruck den Netzwasserzustrom absperrt, damit kein unnötiges Netzwasser verbraucht wird. Der Druckschalter kann auch den Trockenlaufschutz für eine nachgeschaltete Druckpumpe überneh­ men.

In der Fig. 9 ist ein Aktivkohle-Filter 12 und eine Einrich­ tung 13 zur Feindosierung von Aufbereitungsmotoren gezeigt. Die Aktivkohle-Filtereinheit 12 ist dem Plattenmodul vorges­ chaltet. Hinter der Aktivkohle-Filtereinheit 12 ist eine Feindosierung 13 für Anti-Scaling-Mittel vorgesehen.

Die Leistung des Platten-Moduls ist von der Anzahl der Flach­ membranen abhängig, mit denen er bestückt ist. Anstelle eines Moduls können mehrere Module parallel geschaltet sein, um die Leistung zu erhöhen. Eine Serienschaltung der Plattenmodule empfiehlt sich, wenn nur eine begrenzte Reinigung in einem Druchgang erzielt werden kann, insbesondere bei der Aufkon­ zentrierung.

Claims (16)

1. Anordnung zur Flüssigkeitsaufbereitung, mit einer Zuleitung, einem nach der Umkehr-Osmose arbeitenden Plattenmodul, einer Konzentratleitung und einer Permeat­ leitung, gekennzeichnet durch im Plattenmodul vorgesehene Verwirbelungselemente, und ein in der Zuleitung angeordnetes Absperrorgan zum Einstellen der Durchflußmenge, das durch mindestens einen Zustandsparameter der Anordnung steuerbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zustandsparameter die Durchflußrate in der Permeat­ leitung dient.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zustandsparameter die Durchflußrate in der Kon­ zentratleitung dient.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zustandsparameter die Durchflußrate in der Zuleitung dient, wobei der Zufluß auf einen vorgegebenen Wert eingeregelt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zustandsparameter der gemessene Füllstand eines Behälters dient, der zum Auffangen des Permeats bzw. Konzentrats vorgesehen ist, wobei ein Füllstandssensor zum Messen des Füllstands des Behälters vorgesehen ist, der auf das Absperrorgan wirkt.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zustandsparameter die in einer vorgegebenen Zeit durch die Permeatleitung bzw. die Konzentratleitung geflossene Flüssigkeitsmenge dient.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstandssensor ein Schwimmer ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan ein Schwimmerventil ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan ein Elektroventil ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung mit einem Wasseranschluß, und die Konzentratleitung mit einem Abwasseranschluß verbunden ist.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Konzentratleitung ein Rückhalteventil zur Steuerung des Systemdrucks vorgesehen ist.

12. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Behälter eine Pumpe und eine Abgabeleitung für die Entnahme vorgesehen sind.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Absperrorgan und Plattenmodul eine Druckpumpe vorgesehen ist.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Wasseranschluß und Absperrorgan ein Aktivkohle-Filter eingesetzt ist.

15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Wasseranschluß und Absperrorgan eine Einrichtung zur Feindosierung von Aufbereitungspromotoren vorgesehen ist.

16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Absperreinrichtung in der Permeatleitung bzw. Konzentratleitung vorgesehen ist, die mit dem Absperrorgan in der Zuleitung gekoppelt ist.