DE4224690C2 - 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 eines Membrantrennver­ fahrens, mit dem über eine Membrantrennstufe ein stoff­ abgereichertes Lösungsmittel (Permeat) und ein stoffan­ gereichertes Lösungsmittel (Retentat) erzeugbar sind, wobei zur Trennung des stoffabgereicherten Lösungsmit­ tels (Retentat) in einen Feststoffanteil und einen Lö­ sungsmittelanteil das stoffangereicherte Lösungsmittel in der Membranstufe derart aufkonzentriert wird, daß in einem nachfolgenden Verfahrensschritt der Stoffanteil im Lösungsmittel ausfällbar ist.

Ein Verfahren dieser Art ist bekannt (DE-OS 33 38 194). Dieses bekannte Verfahren soll eine Niederschlagsbildung auf Membranen bei der Entionisierung wässeriger Lösungen durch Membranprozesse verhindern. Dazu wird bei dem be­ kannten Verfahren die Ausfällung gezielt an einem ge­ wünschten Ort außerhalb der Membranoberfläche erzwungen, indem das Ionenkonzentrat mit Substanzen in Berührung gebracht wird, die die Fällungsreaktion physikalisch oder chemisch bewirken.

Es ist bekannt, daß eine 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 gesetzli­ cher Vorgaben und auch aufgrund der situationsbedingten Notwendigkeit Abwasserqualitäten angestrebt werden, die in einem natürlichen ökologischen Kreislauf sicher ab­ gebaut 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 und in einem solchen Umfang aus dem Ge­ misch zu entfernen sind, daß das verbleibende flüssige Lösungsmittel derart vom zu trennenden Stoff abgerei­ chert ist, daß es, wie erwähnt, ohne weitere Behandlung in den natürlichen ökologischen Kreislauf zurückgeführt werden kann. Des weiteren besteht auch die Forderung, die aus dem Lösungsmittel entfernten Stoffe, bei denen es sich vielfach um kostbare Rohstoffe handelt, in fes­ ter 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 aus 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 verschie­ dener Stoffe in ihre Komponenten der eingangs genannten Art zu schaffen, das unter Verwendung eines Membranver­ fahrens eine industriell anwendbare Trenntechnik lie­ fert, in der industrielle, kommunale und auch landwirt­ schaftliche 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 der Druck auf das zu trennende Gemisch aus Flüssigkeit und darin gelösten Stoffen in der Membranstufe und in der Fällungsstufe im Bereich von 300 bar liegt.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Aufkonzentrierung des stoffange­ reicherten Lösungsmittels in der Membranstufe bezüglich der Inhaltsstoffe im Lösungsmittel durch das Erreichen von Grenzkonzentrationen ermöglicht wird, d. h., daß 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 bisherige Ver­ fahren, sofort, da er als Feststoff anfällt, recycliert werden kann, d. h. einer Wiederverarbeitung zugeführt werden kann.

Die Membranstufe kann nach dem Prinzip der Trennung über Hochdruck-Umkehrosmose (Querstromfiltration) arbeiten, bei dem dem flüssigen Gemisch stoffabgereichertes Lö­ sungsmittel (Permeat) entzogen wird, das dann, bei­ spielsweise als gereinigtes Wasser, erneut ohne Bedenken in den natürlichen ökologischen Kreislauf zurückgeführt werden kann.

Die Verweilzeit eines vorgegebenen Volumens des zu tren­ nenden Gemisches aus Flüssigkeit und darin gelösten Stoffen in der Membranstufe wird klein gegen die Aus­ fällzeit eines gleichen Volumens des stoffangereicherten Lösungsmittels gehalten. Dadurch wird eine sehr geringe Aufkonzentration des stoffangereicherten Lösungsmittel direkt auf der Membranoberfläche erreicht, mit der Fol­ ge, daß dadurch die Wahrscheinlichkeit der Ausfällung schon in der Membranstufe vermindert wird.

Vorteilhafterweise ist die Temperatur des zur trennenden Gemisches in der Membranstufe einstellbar, wobei auch die Temperatur des auszufällenden stoffangereicherten Lösungsmittels einstellbar sein kann. Die Sättigungskon­ zentration der im Lösungsmittel gelösten Stoffe ist für unterschiedliche Stoffe unterschiedlich, wobei die Sät­ tigungskonzentration der gelösten Stoffe in Abhängigkeit der Temperatur variiert. Insofern führt grundsätzlich ein Über- oder Unterschreiten der diesbezüglichen spezi­ fischen Temperaturen, in der Sättigungskonzentrationen vorliegen, zur Spontanausfällung der Stoffe, so daß zur Verhinderung der Spontanausfällung die Temperatur sowohl in der Membranstufe einstellbar ist, um dort eine Spon­ tanausfällung zu verhindern, als auch daß die Temperatur im Ausfällbereich derart gewählt wird, daß es zur gewün­ schten Ausfällung kommt.

Da die Membranen der Membranstufe in der Regel mit ver­ hältnismäßig niedrigen Temperaturen betrieben werden, die beispielsweise im Bereich von 20°C liegen, in der Fällungsstufe für die induzierte Ausfällung Temperaturen von beispielsweise 80°C herrschen, wird das nach dem Ausfällvorgang verbleibende Lösungsmittel vorteilhaft­ erweise vor Wiederzuführung in die Membranstufe wärme­ behandelt, was vorteilhafterweise in einer gesonderten Wärmestufe erfolgen kann. Diese thermische Rekonditio­ nierung des nach dem Ausfällvorgang verbleibenden Lö­ sungsmittels vor Wiederzuführung in die Membranstufe verhindert auch eine primäre (oder weitere) Ausfällung der im Lösungsmittel nach dem Ausfällvorgang verblei­ benden Stoffe in der Membranstufe. Es kann gesagt wer­ den, daß die Rekonditionierung in der Regel in der Tem­ peratureinstellung des verbleibenden Lösungsmittels auf eine Temperatur entsprechend der maximalen Löslichkeit der noch in der Lösung befindlichen gelösten Stoffe be­ steht.

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 Inhaltsstof­ fe entfernt werden können. Die bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens fortschreitende Aufkonzen­ trierung, bei der das stoffangereicherte Lösungsmittel nach Art eines Kreisprozesses immer wieder auf die Mem­ branstufe geführt wird, kann auch zur Entstabilisierung von gelösten Kolloiden führen, die dann durch Filterung bzw. eine derartige Filterstufe aus dem Lösungsmittel entfernt werden können. Es kann gesagt werden, daß die zusätzliche 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 folgend einzige schematische Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispieles eingehend beschreiben. Diese zeigt:

ein Prinzipschema einer 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 11 und eine dieser Membranstufe nach­ geschaltete Fällungsstufe 12. Das zu trennende flüssige Gemisch 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, das beispielsweise in einen ökologischen Kreislauf zurückgeführt werden kann.

Das die Membranstufe 11 verlassende stoffangereicherte Lösungsmittel (Retentat) 15 wird auf eine Fällungsstufe 12 gegeben.

In der Membranstufe wird das Trennverfahren beispiels­ weise bei hohem Druck bis zu 300 bar betrieben, wobei der Betriebsdruck höher als der osmotische Druck der Stoffe im zu trennenden flüssigen Gemisch 19 ist. In der Membranstufe 11 wird das stoffangereicherte Lösungsmit­ tel (Retentat) 15 derart aufkonzentriert, und zwar bis in den Bereich der Grenzkonzentration des jeweiligen im zu trennenden flüssigen Gemisch 19 befindlichen Stoffes, so daß dessen Grenzkonzentration erreicht wird. Dabei wird die Temperatur in der Membranstufe derart einge­ stellt, daß ein Maximum an Löslichkeit des Stoffes im Lösungsmittel des flüssigen Gemisches 19 erreicht ist, um zunächst eine Ausfällung des Stoffes in der Membran­ stufe 11 zu vermeiden.

Das gewissermaßen kritisch im Grenzkonzentrationsbereich konzentrierte stoffangereicherte Lösungsmittel (Reten­ tat) 15 wird dann in diesem kritischen Zustand auf eine Fällungsstufe gegeben, die normalerweise bei Normal­ druck, d. h. bei einem Niederdruck entsprechenden Umge­ bungsdruck arbeitet. Zur Ausfällung ist dann ein Unter­ schreiten des osmotischen Drucks der Sättigungskonzen­ tration der im Lösungsmittel enthaltenen gelösten Stoffe erforderlich. Die Sättigungskonzentration von Kochsatz besteht beispielsweise bei einem Druck von ca. 250 bar.

Die Verweilzeit der gleichen Volumenmenge des stoffange­ reicherten Lösungsmittels (Retentat) 15 in der Fällungs­ 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 Fällungs­ stufe 12 in bezug auf den aus dem stoffangereicherten Lösungsmittel (Retentat) 15 zu entfernenden Stoff einge­ stellt werden. Insbesondere eine Einstellung und Rege­ lung in der Fällungsstufe 12 kann dann dazu genutzt wer­ den, eine selektive Ausfällung unterschiedlicher im Lö­ sungsmittel gelöster Stoffe zu erreichen, da durch die ständig steigende Konzentrierung des stoffangereicherten Lösungsmittels (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, daß 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 Fällungsstufe 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 Fällungsstufe 12 nachfolgend kann eine Wärmestufe 13 vorgesehen sein, in der das aus der Fällungsstufe 12 austretende 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 dem Erreichen der Membranstufe mechanisch gefiltert wird, wodurch 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 14 entfernt werden können. Die Fil­ terstufe 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 aus dem stoffangereicherten Lösungsmittel (Re­ tentat) 15 in der Fällungsstufe 12 zwar grundsätzlich auch bei Niederdruck, d. h. Umgebungsdruck, erfolgen könnte, die Hochdruckausfällung im Bereich des Drucks, der auch in der Membranstufe 11 vorherrscht, wie erfin­ dungsgemäß vorgeschlagen, hat jedoch den Vorteil, daß der Energieaufwand durch Erhöhung des Betriebsdrucks der Membranstufe 11 und einer Erniedrigung des Betriebs­ drucks in der Fällungsstufe 12 und eine nachfolgende Erhöhung des Drucks wiederum im Bereich der Membranstufe 11 entfällt.

Bezugszeichenliste

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

Claims (5)

1. Verfahren zur Trennung von flüssigen Gemischen ver­ schiedener Stoffe (Lösungen) in ihre Komponenten unter Verwendung eines Membranverfahrens, mit dem über eine Membranstufe ein stoffabgereichertes Lösungsmittel (Per­ meat) und ein stoffangereichertes Lösungsmittel (Reten­ tat) erzeugbar sind, wobei zur Trennung des stoffange­ reicherten Lösungsmittels (Retentat) in einen Feststoff­ anteil und einen Lösungsmittelanteil das stoffangerei­ cherte Lösungsmittel in der Membranstufe derart aufkon­ zentriert wird, daß in einem nachfolgenden Verfahrens­ schritt der Stoffanteil im Lösungsmittel ausfällbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf das zu tren­ nende Gemisch aus Flüssigkeit und darin gelösten Stoffen in der Membranstufe und in der Fällungsstufe im Bereich von 300 bar liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des zu trennenden Gemisches in der Membranstufe einstellbar ist.

3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des aus­ zufällenden, stoffangereicherten Lösungsmittels ein­ stellbar ist.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nach dem Ausfäll­ vorgang verbleibende Lösungsmittel vor Wiederzuführung in die Membranstufe wärmebehandelt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trennende Ge­ misch vor Eintritt in die Membranstufe mechanisch ge­ filtert wird.