Vorbereitung auf Wasserknappheit mit Hybriddesinfektion

KIST entwickelt Membrandestillationsmethoden unter Nutzung hydrothermischer und solarer Energie. Ziel ist die Maximierung der Systemeffizienz durch maßgeschneiderte Membrandestillationstechnologien für regionale Klimaeigenschaften.

Nationaler Forschungsrat für Wissenschaft und Technologie

Bild: Vergleich von Produktionsvolumen und Effizienz für verschiedene Membrandestillationszusammensetzungenmehr sehen

Bildnachweis: Korea Institute of Science and Technology (KIST)

Sauberes Wasser ist für den Menschen überlebenswichtig. Allerdings können weniger als 3 % des Süßwassers als Trinkwasser genutzt werden. Laut einem von der Weltorganisation für Meteorologie veröffentlichten Bericht herrscht weltweit für etwa eine Milliarde Menschen Trinkwasserknappheit, die bis 2050 voraussichtlich auf 1,4 Milliarden ansteigen wird.

Die Meerwasserentsalzungstechnologie, die aus Meerwasser Süßwasser erzeugt, könnte das Problem der Wasserknappheit lösen. Am Korea Institute of Science and Technology (KIST, Präsident: Seok-Jin Yoon) hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Kyung Guen Song vom Center for Water Cycle Research ein hybrides Membrandestillationsmodul entwickelt, das Solarenergie mit Hydrothermalenergie kombiniert Wärmepumpen zur Reduzierung des thermischen Energieverbrauchs während des Entsalzungsprozesses.

Umkehrosmose- und Verdampfungsverfahren sind relativ verbreitete Meerwasserentsalzungsprozesse; Diese Methoden können jedoch nur bei hohen Drücken und Temperaturen funktionieren. Im Vergleich dazu erzeugt die Membrandestillationsmethode Frischwasser, indem sie den Dampfdruck nutzt, der durch die Temperaturdifferenz zwischen dem fließenden Rohwasser und dem durch eine Membran getrennten aufbereiteten Wasser erzeugt wird. Dieser Ansatz hat den Vorteil eines geringen Energieverbrauchs, da Frischwasser bei Drücken von 0,2–0,8 bar, also weniger als dem Atmosphärendruck, und Temperaturen von 50–60℃ erzeugt werden kann. Der Betrieb im großen Maßstab erfordert jedoch mehr Wärmeenergie. Daher sind Forschungsstudien erforderlich, um den Einsatz thermischer Energie für den kommerziellen Betrieb zu reduzieren.

Bei der Membrandestillation erfolgt die gleichzeitige Übertragung von Stoff und Wärme (Energie). Sie ist in eine Direktkontakt-Membrandestillation (DCMD) und eine Luftspalt-Membrandestillation (AGMD) unterteilt, basierend auf den Modi, die auf die Seite des behandelten Wassers der Membran angewendet werden, um Dampfdruckunterschiede zu erzeugen, die die treibende Kraft darstellen. Für eine hohe Energieversorgung ist die Art der Wassererzeugung durch direkten Kontakt von Rohwasser mit hoher Temperatur und aufbereitetem Wasser mit niedriger Temperatur mit der Membranoberfläche (d. h. DCMD) von Vorteil. Im Gegensatz dazu ist bei geringer Energieversorgung die Effizienz höher, wenn die übertragene Wärme (Wärmeverlust) durch Luftspalte reduziert wird, statt durch direkten Kontakt zwischen Rohwasser und aufbereitetem Wasser (siehe Abbildung 1). Daher wird der Modus bevorzugt, bei dem Wasser durch Kondensation über einer kalten Oberfläche erzeugt wird und Luftspalte zwischen der Membran und der Kondensationsoberfläche aufrechterhalten werden (dh AGMD).

Das KIST-Forschungsteam entwickelte eine hybride Entsalzungstechnologie, indem es einen Monat lang Vor-Ort-Tests durchführte, um die Systemleistung und Wirtschaftlichkeit unter Verwendung von Solarenergie und hydrothermischen Wärmepumpen zu vergleichen. Wenn das System parallel mit Solarenergie betrieben wurde, stieg die Produktion um 9,6 % (siehe Abbildung 2) und der Energieverbrauch wurde um 30 % reduziert (siehe Abbildung 3) im Vergleich zur Membrandestillationsmethode, bei der nur hydrothermale Wärmepumpen zum Einsatz kamen. Darüber hinaus zeigte der Vergleich des Verbrauchs an Wärmeenergie in Abhängigkeit von der Anwesenheit von Solarenergie, dass die Effizienz des Membrandestillationsanlagenprozesses um bis zu 17,5 % stieg, wenn Solarenergie als zusätzliche Wärmequelle genutzt wurde.

Laut Dr. Song „kann die von uns entwickelte Hybrid-Entsalzungstechnologie als Methode zur Wasserversorgung einiger Industriekomplexe und Inselgebiete angesehen werden, die von Wasserknappheit betroffen sind, da sie den Energieverbrauch zur Erzeugung von Frischwasser senken kann. Wir gehen davon aus, dass diese Technologie dies tun wird.“ wird auf wichtige Wasserversorgungsanlagen im Nahen Osten und Südostasien angewendet, wo die jährliche Sonneneinstrahlungsmenge 1,5-mal so hoch ist wie in Korea.“ Er fügte hinzu: „Die Membrandestillation wird nicht wesentlich von der Rohwasserqualität beeinflusst, sodass es möglich sein wird, Gebiete mit Trinkwasser zu versorgen, in denen die Rohwasserqualität aufgrund der Wasserverschmutzung stark verunreinigt wurde, und in Gebiete, in denen die Schwermetalldetektion hoch ist.“

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KIST wurde 1966 als erstes staatlich finanziertes Forschungsinstitut in Korea gegründet, um eine nationale Entwicklungsstrategie auf der Grundlage von Wissenschaft und Technologie zu entwickeln und verschiedene Industrietechnologien zu verbreiten, um die Entwicklung wichtiger Industrien zu fördern. KIST steigert nun den Status der koreanischen Wissenschaft und Technologie durch das Streben nach weltweit führender innovativer Forschung und Entwicklung. Weitere Informationen finden Sie auf der Website von KIST unter https://eng.kist.re.kr/

Diese Forschung wurde vom Ministerium für Wissenschaft und IKT (Minister Jong-Ho Lee) unterstützt und als BRIDGE Fusion Research Development Program durchgeführt, das Teil des STEAM-Forschungsprojekts ist. Die Ergebnisse wurden in „Energy Conversion and Management“, einer internationalen Fachzeitschrift im Bereich Mechanik, veröffentlicht.

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