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Kombiniertes Ultraschall-Luft-Rückspülverfahren - ein Verfahren zur chemikalienfreien in situ Reinigung getauchter Membranen zur Wasseraufbereitung

Lauterborn, Sonja Alexandra :
Kombiniertes Ultraschall-Luft-Rückspülverfahren - ein Verfahren zur chemikalienfreien in situ Reinigung getauchter Membranen zur Wasseraufbereitung.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Kombiniertes Ultraschall-Luft-Rückspülverfahren - ein Verfahren zur chemikalienfreien in situ Reinigung getauchter Membranen zur Wasseraufbereitung
Language: German
Abstract:

Die Leistungsfähigkeit von Membranen zur Wasserfilterung in qualitativer sowie quantitativer Hinsicht hängt in starkem Maße von den durchflusslimitierenden Belagschichten ab. Zur Minimierung dieser Belagschichten werden Prozesse wie Rückspülung und/oder Blasenüberströmung eingesetzt. Die Membranwerkstoffe werden in ihren Oberflächen modifiziert, so dass sie besonders schmutzabweisend sind. Dennoch sind oft erhebliche Mengen an Chemikalien zur Reinigung der Membran­oberflächen und auch Außerbetriebnahmen der Membrananlagen notwendig, um zumindest einen Großteil der ursprünglichen Leistungsfähigkeit wiederherzustellen.

Da mit Hilfe von Ultraschall eine Möglichkeit besteht, gründlich, chemikalienfrei und während des Betriebs zu reinigen, wurden bereits in der Vergangenheit zahlreiche Versuche zur Ultraschallreinigung von Membranen unternommen. Neben positiven Effekten, wie zum Beispiel der Flusserhöhung, kam es jedoch immer wieder auch zu Membranzerstörungen. Ebenfalls war der hohe Energieverbrauch für den Ultraschalleinsatz in der Diskussion.

Mit Hilfe einer Versuchsanlage im realen Betrieb wird in dieser Arbeit dargelegt, wie die Anlagenanordnung, Parametereinstellungen und Verfahrensabfolgen realisiert werden müssen, um die Reinigungsprozesse mit Ultraschall so zu gestalten, dass eine optimale Membranleistung erhalten wird. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf den Nachweis zur Membranintegrität gelegt, welche über kontinuierliche Trübungsmessung, Partikelzählung, chemisch-mikrobiologische Analysen und Blasentests zur Membrandichtigkeit dokumentiert wird.

Mit der gewählten Versuchsanordnung kann gezeigt werden, dass durch einen nur kurzzeitigen Einsatz von Ultraschall an einer geeigneten Stelle in der Verfahrensabfolge eine hohe Membranleistung in quantitativer und qualitativer Hinsicht erhalten werden kann, und zwar im laufenden Betrieb und ohne die Membran zu schädigen. Auch die Filtration von Wasser mit hohen Trübstoffgehalten wird mit Hilfe von Ultraschall möglich. Das zeigt der parallele Versuch mit einer Vergleichsmembran, deren Betrieb ohne Ultraschall aufgrund von Verblockung nicht möglich war. Durch den nur kurzzeitigen Einsatz des Ultraschalls während der Rückspülung ist der Energiebedarf gering und das Verfahren damit auch wirtschaftlich interessant. Denn: In den hier dargestellten Ergebnissen vereinigt die Ultraschallreinigung sämtliche Vorteile auf sich: langfristiger, chemikalienfreier, fortlaufender Betrieb ohne Membranschädigung und Wartung bei geringem Energieverbrauch.

Zum Abschluss enthält die Arbeit ein Kapitel mit einem Modellentwurf zu einer energieautarken, mit Solar- und Windenergie betriebenen, Membrananlage mit Ultraschallreinigung, die die potentielle Einsetzbarkeit einer solchen Anlage, z.B. in entlegenen Gebieten ohne Zugang zu sauberem Trinkwasser oder für Notfallversorgungen, aufzeigt. Das Kapitel „Ausblick und weiterer Forschungsbedarf“ dokumentiert, dass die Forschung hier erst am Anfang steht, jedoch ein großes Potential für weitere Anwendungen bietet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The performance of membranes in water treatment plants strongly depends on limiting cake layers, both with respect to quality and quantity. To minimise the thickness of these layers mainly backflushing and or bubble aerating are used. Moreover, the surfaces of the membrane materials are modified for making them dirt repulsive. Nevertheless, often large amounts of chemicals are necessary to clean the membrane surfaces with even the shutdown of the treatment plant for recovering a substantial part of the original membrane performance. In the past, much research has been done to investigate the idea of cleaning membrane surfaces efficiently, without chemicals and while operating with the help of ultrasound. However, in addition to positive effects, for example flux enhancement, also membrane damage was observed. Additionally, high energy consumption is under discussion. With the help of a pilot plant under real operation conditions this work shows by way of example, how plant configuration, adjustment of parameters and process sequences may be combined to realize ultrasonic cleaning for optimal membrane performance. Special attention is devoted to membrane integrity that is documented by turbidity measurements, particle counting, chemical and microbiological analyses and bubble tests for excluding leakage of the membrane moduls. With the pilot plant developed it can be shown that with just short time sonication introduced at an appropriate location of the process high and sustained membrane performance can be reached pertaining to quality and quantity. This can be achieved while processing and without membrane damage. The ultrasonic cleaning process can even be extended to the filtration of water with high turbidity. Without application of ultrasound a second membrane module used for process comparison failed because of membrane blocking. Short sonication (while backflushing) keeps energy consumption low and adds economic interest. As a result of this work it can be stated that membrane cleaning with ultrasound earns all benefits: long term, chemical free, continuous operation without membrane damage or maintenance in addition to low energy consumption. Finally, this work contains a chapter with a model water treatment plant designed for energy autarky by use of solar and wind energy only. The plant incorporates the proposed ultrasonic cleaning system and demonstrates its ability for deployment in regions without access to clean drinking water or for emergency use. The chapter „Outlook and research requirement“ documents that research is still in its infancy, but opens up great opportunities for extended applications.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie
Date Deposited: 26 Jul 2012 06:55
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30448
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Cornel, Prof. Dr.- Peter and Gimbel, Prof. Dr.- Rolf
Refereed: 3 November 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3044
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