Meerwasserentsalzungsanlage und Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Gewinnung von Brauchwasser durch Kondensation von Nebel oder durch Verdunstung von Salz- oder Verunreinigungen enthaltendem Wasser und Kondensation des verdunsteten Wassers, sowie Anlagen zur Durchführung des Verfahrens und deren Verwendung zur Gewinnung von Trinkwasser.

Offenzellige Schaumstoffe auf Basis eines Melamin/Formaldehyd-Kondensations- produktes sind für verschiedene wärme- und schalldämmende Anwendungen in Gebäuden und Fahrzeugen, sowie als isolierendes und stoßdämmendes Verpackungsmaterial bekannt.

Zur Gewinnung von Brauch- und Trinkwasser in Wüstengebieten können insbesondere in küstennahen Gebieten Tau oder Nebel an Netzen aus Polypropylen abgeschieden und als Wassertropfen gesammelt werden. Zur Sammlung von ausreichenden Wassermengen sind jedoch große Netze und ein entsprechendes Sammelsystem notwendig.

Die Aufarbeitung von Meerwasser- oder Brackwasser ist entweder sehr zeitaufwendig und liefert nur geringe Mengen Brauchwasser oder erfordert aufwändige Anlagen mit der entsprechenden Infrastruktur, beispielsweise Stromanschlüsse.

Aufgabe der Erfindung war es, den genannten Nachteilen abzuhelfen und ein Verfahren und eine Anlage zur Meerwasserentsalzung bereitzustellen, das mit geringen Mitteln auch in Gebieten ohne Stromanschluss verwendbar ist.

Demgemäss wurde ein Verfahren zur Gewinnung von Brauchwasser durch Kondensa- tion von Nebel auf den Stegen eines offenzelligen Schaumstoffes auf Basis eines Aminoplasten oder durch Verdunstung von Salz- Verunreinigungen enthaltendem Wasser aus den Zellen eines offenzelligen Schaumstoffes auf Basis eines Aminoplasten und Kondensation des verdunsteten Wassers, gefunden.

Als offenzellige Schaumstoffe werden bevorzugt elastische Schaumstoffe auf Basis eines Melamin/Formaldehyd-Kondensationsproduktes mit einer spezifischen Dichte von 5 bis 100 g/l, insbesondere von 8 bis 20 g/l verwendet.

Die Zellzahl liegt üblicherweise im Bereich von 50 bis 300 Zellen/25 mm. Der mittlere Zellendurchmesser liegt in der Regel im Bereich von 80 μm bis 500 μm, bevorzugt im Bereich von 100 bis 250 μm.

Die Zugfestigkeit liegt bevorzugt im Bereich von 100 bis 150 kPa und die Bruchdehnung im Bereich von 8 bis 20%.

Zur Herstellung kann nach EP-A 071 672 oder EP-A 037 470 eine hochkonzentrierte, treibmittelhaltige Lösung oder Dispersion eines Melamin-Formaldehyd-Vorkondensates mit Heißluft, Wasserdampf oder durch Mikrowellenbestrahlung verschäumt und ausgehärtet werden. Derartige Schaumstoffe sind im Handel unter der Bezeichnung Baso- tect® der Firma BASF Aktiengesellschaft erhältlich.

Das Molverhältnis Melamin/Formaldehyd liegt im allgemeinen im Bereich von 1 : 1 bis 1 :5. Zur Herstellung besonders formaldehydarmer Schaumstoffe wird das Molverhältnis im Bereich von 1 : 1 ,3 bis 1 : 1 ,8 gewählt und ein sulfitgruppenfreies Vorkondensat eingesetzt, wie z. B in WO 01/94436 beschrieben.

Um die anwendungstechnischen Eigenschaften zu verbessern, können die Schaumstoffe anschließend getempert und verpresst werden. Die Schaumstoffe können zur gewünschten Form und Dicke zugeschnitten und gegebenenfalls zur Versteifung mit einer Unterlegeschicht kaschiert werden. Beispielsweise kann eine Polymer- oder Metallfolie als Unterlegeschicht aufgebracht werden.

Die Dicke des offenzelligen Schaumstoffes richtet sich nach Größe der Meerentsalzungsanlage und liegt in der Regel im Bereich von 5 bis 500 mm, bevorzugt im Bereich von 10 bis 100 mm.

Aufgrund der Elastizität des offenzelligen Schaumstoffes kann dieser auf einfache

Weise in bereits vorgefertigte Behälterteile eingefügt werden. Selbst bei tiefen Temperaturen, beispielsweise unter -80 ⁰ C bleibt der Schaumstoff elastisch. Eine Schädigung durch Verspröden tritt nicht auf. Er eignet sich auch zur flexiblen Isolierung beweglicher Rohrleitungen, beispielsweise für Abfüllschläuche.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Meerwasserentsalzung durch Verdunstung einer Sole und Kondensation des verdunsteten Wassers, wobei man die Sole in einen offenzelligen Schaumstoff auf Basis eines Aminoplasten einbringt.

Die Sole wird beispielsweise durch Einwirkung von Sonnenstrahlung unter Verdunstung von Wasser aufkonzentriert. Durch die kontinuierliche Durchführung des Verfahrens mit Nachfluss von frischer Sole wird die aufkonzentrierte Sole aus dem offenzelligen Schaumstoff abgeführt und kann gegebenenfalls zur Salzaufbereitung verwendet werden.

überraschenderweise wird eine Kristallisation des Salzes auf den Stegen des offenzelligen Schaumstoffes oder eine Verkrustung an der Oberfläche des offenzelligen

Schaumstoffes nicht beobachtet. Offenbar wird durch den osmotischen Gegendruck das Salz in der Sole aufkonzentriert und durch die kontinuierlich nachgeführte frische Sole aus dem offenzelligen Schaumstoff herausgespült.

Die Verdunstung von Wasser oder Salzlösungen erfolgt schneller, wenn erfindungsgemäß ein offenzelliger Schaumstoff auf Basis eines Aminoplasten als Träger verwendet wird. Durch die vergrößerte Oberfläche der Stege des offenzelligen Schaumstoffes wird die Verdunstung beschleunigt. Solange der Schaumstoff noch mit Wasser oder Salzlösung getränkt oder durchspült wird, kommt es zu keiner Ablagerung von Salz auf der Oberfläche des Schaumstoffs. Die osmotischen Prozesse im können getränkten Schaum weiterhin ablaufen.

Bevorzugt wird das Verfahren kontinuierlich ausgeführt. Hierzu leitet man die Sole kontinuierlich über den offenzelligen Schaumstoff auf Basis eines Aminoplasten. Die Fließgeschwindigkeit der Sole wird entsprechend der Verdunstungsrate, die sich unter anderem durch die Oberfläche des Schaumstoffes und der klimatischen Bedingungen, wie Temperatur und Sonneneinstrahlung ergibt, angepasst und die sich aufkonzentrierende Sole wird kontinuierlich weggespült. Verstopfungen durch Schwebteile können durch kurzzeitiges Rückspülen vermieden werden.

Eine kontinuierliche Fortführung der Verdunstung kann auch durch Verwendung von Schwimmkörpern erzielt werden. Hierzu wird der offenzellige Schaumstoff auf Basis eines Aminoplasten mit Schwimmkörpern kombiniert, die dafür sorgen, dass die Oberfläche des Aminoplastschaumstoffs stets deutlich oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche steht. Geeignete Schwimmkörper können beispielsweise aus Polystyrolpartikelschaumstoffen (EPS) hergestellt sein und durch Kleben, Verschweißen oder Aufstecken mit dem Aminoplastschaumstoff verbunden sein. Die Konstruktion ist dabei so zu fertigen, dass der Aminoplastschaumstoff stets über seine Kapillarkräfte mit frischer Sole versorgt wird.

Bevorzugt wird das verdunstete Wasser in einer glocken- oder trichterförmigen Schale aus Glas oder einem durchsichtigen Kunststoff kondensiert und über eine Auffangrinne abgeleitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Meerwasserentsalzung auch in Gebieten, in denen kein Stromanschluss vorhanden ist. Externe Energie muss nicht zugeführt werden. Es erfolgt keine Versalzung des offenzelligen Schaumstoffes.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Reinigungen von schmutzigem Was- ser angewendet werden. Der offenzellige Schaumstoff wirkt gleichzeitig als Filter für Schwebstoffe. Bei der Aufreinigung durch Destillation ist es vorteilhaft die Kondensationsfläche zu modifizieren, so dass Tropfen besser ablaufen und besser gesammelt werden und Streuung durch gebildete Tropfen verringert wird.

Bringt man eine Schicht eines IR-Absorbers, z. B. Graphit auf den offenzelligen Schaumstoff auf, so kann die Oberflächentemperatur erhöht und die Verdunstungsrate erhöht werden. Die Oberfläche kann hierbei ganz oder teilweise mit einer schwarzen Schicht versehen werden. Besonders bevorzugt wird die Oberfläche des offenzelligen Schaumstoffes strukturiert, beispielsweise durch eine wellige Oberfläche, das Einfräßen von Rillen oder Ausschneiten von keilförmigen Abschnitten.

Eine strahlungsabsorbierende Schicht kann auch auf den offenzelligen Schaumstoff geklebt oder laminiert werden, sofern die Poren des offenzelligen Schaumstoffs nicht verschlossen werden. Der verwendete Klebstoff sollte nicht zu hydrophob sein, damit die Wasseraufnahme durch den offenzelligen Schaumstoff nicht behindert wird.

Ein weiteres Verfahren zur Gewinnung von Brauch- und Trinkwasser beruht auf der Kondensationswirkung des offenzelligen Schaumstoffes auf Basis eines Aminoplasten. Hierzu kann der trockene Schaumstoff beispielsweise in Wüstengebieten, insbesondere in küstennahen Gebieten aufgestellt werden. Der insbesondere in den Abend- und Morgenstunden auftretende Tau oder Nebel kann an den Stegen des offenzelligen Schaumstoffes abgeschieden und in den Zellen gespeichert werden. Ab einer Höhe von etwa 10 cm tritt das kondensierte Wasser durch die Gravitation auf der Unterseite des Schaumstoffes aus und kann in einer Rinne gesammelt und zu Fässern oder Tanks geleitet werden. Das gesammelte Wasser wird auf diese Weise vor der Verdunstung geschützt.

Beispiele

Für die Beispiele wurde ein offenzelliger Melamin/Formaldehyd-Schaumstoff mit einer Dichte von etwa 10 kg/m3 (Basotect® der BASF Aktiengesellschaft) verwendet.

Beispiel 1 : (Verdunstung durch vergrößerte Oberfläche)

In ein 250 ml_ Bechergläser wurde ein mit Wasser getränkter Zylinder Basotect® (Durchmesser 5,5 cm, Höhe 10 cm) gestellt. Das Becherglas und ein leeres Becherglas mit gleichem Durchmesser wurden bis zu einem Füllstand von 75 ml_ mit Wasser aufgefüllt. Es wurde die Gesamtmasse beider Aufbauten bestimmt. Nach 18h betrug der Masseverlust ohne Basotect® 5 g. Bei Verwendung von Basotect® zur Vergrößerung der Oberfläche wurde unter ansonsten gleichen Bedingungen ein Masseverlust von 13 g beobachtet.

Beispiel 2:

Zwei zylindrische Aluminiumschalen mit einem Durchmesser von etwa 3 cm und einer Höhe von ca. 1 ,5 cm wurden vollständig mit Zylindern eines offenzelligen MeI- amin/Formaldehyd-Schaumstoffs mit einer Dichte von etwa 10 kg/m3 (Basotect® der BASF Aktiengesellschaft) gefüllt. Die Oberfläche des Schaumstoffs wurde in einem Fall vergrößert, indem mit einem Messer mehrere Keile aus der Zylinderoberfläche geschnitten wurden. In beide Schalen wurde 15,0 g Wasser gegeben. Nach 24h bei Raumtemperatur wurde der Masseverlust bestimmt. Er lag bei der Probe mit vergrö- ßerter Oberfläche 10% über dem Wert für die Vergleichsprobe.

Beispiel 3: (Nutzung von Wärmestrahlung für die Verdunstung)

In einen Zylinder aus Basotect® (Durchmesser 56 mm, Höhe 160 mm) wurden ober- flächlich 1 ,71 g Graphit eingearbeitet. Der erhaltene Zylinder und ein Zylinder ohne Graphit mit den gleichen Abmessungen wurden vollständig mit Wasser getränkt und jeweils in 250 ml Bechergläser gestellt, die mit 75 ml Wasser gefüllt waren. In einem Abstand von 15 cm wurde ein IR-Strahler mit einer Leistung von 250W so installiert, dass beide Aufbauten zu gleichen Teilen bestrahlt wurden. Nach einer Bestrahlungs- dauer von 4 h wurden der Masseverlust und die Oberflächentemperatur bestimmt. Die graphitfreie Probe wies einen Masseverlust von 9% und eine Oberflächentemperatur von 51 ⁰ C auf. Die mittels Graphit modifizierte Probe hat während der Bestrahlung 16% der Masse verloren und wies eine Oberflächentemperatur von 60 ⁰ C auf.

Beispiel 4: (Wasseraufbereitung / Entsalzung)

Steighöhenbestimmung Salzlösung:

Es wurden drei trockene Basotect®-Zylinder mit einem Durchmesser von etwa 4 cm und einer Höhe von 10 cm jeweils in 250 ml Becherglas gestellt. Die Bechergläser wurden mit 100ml entionisiertem Wasser bzw. einer 5 Mass.-%igen oder 10%igen Natriumchloridlösung gefüllt. Nach 16 h wurde die Steighöhe der Flüssigkeit im Schaumstoff ermittelt. Sie betrug in allen Fällen etwa 10mm. Die Steighöhe wird durch Elektro- lyte wenig beeinflusst

Verdunstung Salzlösung:

Ein Zylinder aus Basotect® (Durchmesser 5,5 cm; Höhe 10cm) wurde in einer 5 Mass.- %igen Lösung von Natriumchlorid getränkt und in ein 250 mL Becherglas gestellt. Das Gefäß wurde bis zur 75 ml Markierung mit der Salzlösung aufgefüllt. Mit einem zweiten Zylinder mit gleichen Abmessungen wurde genauso verfahren, wobei jedoch eine Salzlösung mit einer Konzentration von 10 Mass.-% verwendet wurde. Beide Aufbauten wurden mit einem IR-Strahler mit einer Leistung von 250 W aus einem Abstand von 40

cm für 7 h bestrahlt. Der Masseverlust betrug bei der 5%igen Salzlösung 15 g, während bei der 10%igen Salzlösung 14 g Wasser verdunstet waren. Die Salzkonzentration der höherkonzentrierten Lösung im Schaumstoff und im Becherglas wurde nach der Bestrahlung gravimetrisch bestimmt. Sie betrug im Becherglas 10,6%, während sie im Schaumstoff einen Wert von 10,9% aufwies. Es wurde keine Salzablagerung auf der Oberfläche des Schaums beobachtet.

Beispiel 5 (Destillation):

Zwei scheibenförmige Probekörper aus Basotect® wurden mit einer 3%igen wässrigen Lösung von Natriumchlorid getränkt. Die Masse der getränkten Probekörper betrug jeweils 121 ,7 g. Die getränkten Schaumstoffe wurden jeweils in eine Glasschale gelegt. über die Probekörper wurde jeweils 1 ,5 L PET-Getränkeflaschen gestülpt, denen der sich verjüngende Flaschenhals abgetrennt worden war (einseitig geschlossenes Rohr). Eine der erhaltenen PET-Hüllen war im Inneren mit einer hydrophilen nanostrukturier- ten Beschichtung imprägniert, die das Ablaufverhalten von Wasser beschleunigt. Durch den gewählten Aufbau konnte aus dem Schaumstoff verdunstende Flüssigkeit an den umgebenden PET-Wänden kondensieren. In der Schale konnte das Kondensat gesammelt werden. Beide Flaschen wurden zu gleichen Anteilen mit einem IR-Strahler (250 W) aus einer Entfernung von etwa 40 cm bestrahlt. Nach einer Bestrahlungsdauer von 1 h betrug der Masseverlust des getränkten Schaumstoffs bei Verwendung der nicht-modifizierten PET-Hülle 4,6 Mass.-% und es wurde 3,0 g Wasser in der Schale aufgefangen . Bei Verwendung der modifizierten PET-Hülle verdampften 5,9 Mass.-% des Wassers und es wurde 3,6g Wasser aufgefangen. An den unmodifizierten PET- Flächen waren zahlreiche Tropfen zu sehen, die nicht abgelaufen waren, während die modifizierte Fläche optisch klar war.