Recycling von industriellen salzhaltigen Wässern durch Ionentrennung, Konzentrierung und intelligentes Monitoring (RIKovery)

Abstract

Die zunehmende Wasserknappheit erhöht die Notwendigkeit, salzhaltiges Wasser wiederzuverwenden und gleichzeitig die entfernten Inhaltsstoffe einer erneuten Nutzung zuzuführen. Dabei sind sowohl industrielle Prozessabwässer als auch Salzabwässer aus Halden oder salzhaltige Grundwässer relevant. In RIKovery wurden Recyclingkonzepte entwickelt, die die Wiedergewinnung der in Wasserströmen enthaltenen Salze sowie die Nutzung des anfallenden Wassers ermöglichen. Die Verfahren tragen zur Verbesserung der Ressourceneffizienz, Vermeidung von Stoffeinträgen in den Wasserkreislauf und Verminderung des Primärwasserbedarfes bei. Um breit übertragbare Projektergebnisse zu erzielen, hat das Projektkonsortium industriell relevante Anwendungen bearbeitet, die die Haupteinleitungen (Polymerchemie, Spezialchemie, Mineralindustrie) abdecken, sich aber hinsichtlich der Herausforderungen deutlich unterscheiden und somit den Großteil der industriellen Salzeinleitungen darstellen. Die Notwendigkeit der Reduzierung von Salzemissionen in die Oberflächengewässer erfordert die Weiterentwicklung von energieeffizienten Verfahren zur Ionentrennung und Aufkonzentrierung. Reduktion der Salzemission sollte nicht oder nur mit einer minimalen Erhöhung des CO2-Footprints einhergehen. Folgt man dieser Prämisse, so ist die volle Ausnutzung der Anwendung der Membranverfahren ein kohärenter und zweckmäßiger Ansatz, welcher in RIKovery erfolgreich demonstriert werden konnte. Dies bietet neue Perspektiven für eine Realisierung der industriellen Soleverwertung im Kontext der Ressourcenrückgewinnung und der Wasserwiederverwendung. Anhand von realen relevanten Beispielen aus der Praxis mit Membranmodulen im technischen Maßstab konnte gezeigt werden, dass innovative Technologien zur Ionentrennung und Aufkonzentrierung die Möglichkeiten der Konzentrataufbereitung deutlich erweitern:

Als besonders attraktiv erweist sich der Betrieb der Nanofiltration über den üblichen Betriebsdruck von 41 bar hinaus (High Pressure Nanofiltration, HPNF). Hier konnte gezeigt werden, dass die Trennung von Sulfaten und Chloriden für nahezu gesättigte Salzlösungen machbar ist. Die Aufkonzentrierung von einwertigen Neutralsalzen mittels Ultra-High-Pressure Low Salt Rejection Reverse Osmosis (UHP-LSRRO) gelingt bei einem Anwendungsdruck von 120 bar bis zu 15 Gew.-% und damit über die Grenzen der Hochdruck-Umkehrosmose (UHPRO) hinaus. Es konnte gezeigt werden, wie mit cleveren Verfahrenskonzepten mittels Forward Osmose eine Konzentration bis hin zur Kristallisation mit geringem Energiebedarf erreicht werden kann. Flow-Electrode Capacitive Deionization (FCDI) könnte verwendet werden, um Chlorid-Ionen von Sulfat-Ionen in einem einzigen Schritt zu trennen und zu konzentrieren. Zur Wiederverwendung von Salzen und Wässern sind spezifische Parameter einzuhalten, um Betriebssicherheit zu gewährleisten. Es wurden Konzepte und analytische Methoden zur Bestimmung der organischen Spurenstoffe in stark salzhaltigen Lösungen entwickelt.

Für die Aufkonzentrierung von einwertigen Salzen wurde ein innovatives Membran-Verfahren UHPRO/UHP-LSRRO (für 120 bar Betriebsdruck) entwickelt, welches zur energieeffizienten Aufkonzentrierung der Salzwässer führt (bis NaCl-Konzentration von 170 g/L). Eine Pilotanlage für kontinuierlichen Betrieb (Feed 2,5 m³/h) wurde gebaut und am Standort Leverkusen (Covestro) eingesetzt. Die innovative Technologie kann bis zu 60 % Energieeinsparung im Vergleich zur Eindampfung erzielen. Eine FCDI-Pilotanlage für die kontinuierliche, simultane Trennung und Aufkonzentrierung ein- und mehrwertiger Ionen (Feed bis zu 60 L/h) mit skalierten Modulen mit MEAs und mit Bipolarplatten als Ladungsübertragern wurde gebaut und bei Evonik am Standort Hanau in Betrieb genommen. Für die Aufbereitung von komplexen hochsalzhaltigen Wässern der Kali-Industrie wurde eine innovative energieeffiziente Verfahrenskombination aus HPNF-FO entwickelt, welche die Trennung und Aufkonzentrierung von ein- und mehrwertigen Ionen bei einem Energiebedarf von ca. 7 kWh/m³ erlaubt. Des Weiteren wurde während der Bearbeitung des Arbeitspaketes realisiert, dass auf der Permeatseite in dem Verfahren eine Lösung erzeugt wird, welche hauptsächlich aus NaCl und KCl besteht. Auf dieser Basis wurde zusätzlich untersucht, inwieweit das im Permeat enthaltene NaCl als Rohstoff für die Chlor-Alkali-Elektrolyse (Siedesalz) aufbereitet werden kann. Durch die Wiedergewinnung und Nutzung des NaCl‘s könnte eine weitere signifikante Absenkung der Salzfracht im Abwasser erreicht werden und zusätzlich ein Wertstoff gewonnen werden. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen lässt sich konstatieren, dass die erzielte Salzqualität von den etablierten Spezifikationen für Siedesalz in mehreren Parametern abweicht.