Wasseraufbereitung: Ultrafiltration zur mobilen Wasseraufbereitung

Die US-Armee hat bei ihren Militäreinsätzen eine neue Generation von Wasseraufbereitungstechnologie eingesetzt: eine Ultrafiltrationsvorbehandlung für tragbare Wasseraufbereitungsanlagen. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die Technologie und ihre Funktionsweise.

Die US-Armee nutzt modernste Membran-Wasseraufbereitungstechnologie, um hochmobile Militäreinsätze und humanitäre Missionen zu unterstützen. Die Mechanical Equipment Company Inc. (MECO) aus Sugar Land, Texas, hat einen Lightweight Water Purifier (LWP) entwickelt, der problemlos an entlegene Orte transportiert werden kann, um aus nahezu jedem verfügbaren Rohwasser, auch aus stark trübem Oberflächenwasser, sicheres Trinkwasser zu erzeugen Wasser, Brackwasser und Meerwasser. Darüber hinaus ist die LWP auch in der Lage, mit nuklearen, biologischen und chemischen Kampfstoffen kontaminiertes Wasser zu reinigen.

Das neue LWP ist leicht genug, um von vier Soldaten getragen zu werden, und so einfach, dass zwei Bediener es zusammenbauen und in nur 45 Minuten mit der Wasserproduktion aus einer Wasserquelle wie einem Fluss, See, Teich oder Meer beginnen können. Das gesamte System kann im Laderaum eines HMMWV und mit einem einzigen Zug eines mittelschweren Mehrzweck- oder Kampfhubschraubers wie dem UH-60 Black Hawk transportiert werden. In der Vergangenheit waren Entsalzungsanlagen für herkömmliche Meerwassersalzkonzentrationen von 35.000 ppm ausgelegt, im Nahen Osten ist der Salzgehalt jedoch viel höher. Im Arabischen Golf beträgt sie 45.000 ppm, in „Wasserlöchern“ in der Wüste kann sie 60.000 ppm erreichen. MECO testet jedes LWP speziell, um sicherzustellen, dass es diese 60.000-ppm-Anforderung erfüllt, sodass die Systeme jedes Wasser überall auf der Welt aufbereiten können.

Die kompakte LWP-Einheit wird 125 Gallonen pro Stunde (gph) aus Süß- oder Brackwasser und 75 gph aus Meerwasser produzieren, eine ausreichende Produktionsmenge, um Einheiten in Kompanie-/Bataillonsgröße vor Ort zu unterstützen. Die genaue Anzahl der Menschen, die die LWP-Einheit vor Ort versorgen kann, ist proportional zum Wasserverbrauchsszenario. Wenn die Einheit beispielsweise ausschließlich zur Trinkwassergewinnung verwendet wird, kann sie viel mehr Soldaten versorgen, als wenn sie für allgemeine Zwecke wie Kochen, Putzen, Duschen oder Wäschewaschen verwendet wird.

Entwicklung der tragbaren Wasseraufbereitung

Die Wasserfiltrationstechnologie hat sich erheblich weiterentwickelt, seit MECO vor mehr als sechzig Jahren mit der Entwicklung und Herstellung transportabler Wasseraufbereitungssysteme für das US-Militär begann. Tatsächlich nutzten die ursprünglichen thermischen Entsalzungssysteme, die das Marine Corps bei der Invasion von Iwo Jima verwendete, die patentierte Dampfkompressionstechnologie von MECO.

Die neue LWP kombiniert zwei Arten der Membranfiltration: Ultrafiltrationsmembranen (UF) behandeln das Wasser vor der Verarbeitung durch Umkehrosmosemembranen (RO). Dieses Design ersetzt die frühere Generation tragbarer Wasseraufbereitungsgeräte der Armee, die das RO-Speisewasser mit Multimediafiltern (MMF) und Einweg-Patronenfiltern vorbehandelten.

Die MMF- und Patronenfilter stellten mehrere Probleme dar. Grundsätzlich waren sie nur in der Lage, suspendierte Feststoffe zwischen etwa 1 und 5 Mikrometern zu entfernen, was einen gewissen Partikeldurchbruch ermöglichte und zu einer schnellen Verschmutzung der RO-Membranen führte.

Das andere Problem bestand darin, dass die Patronenfilter häufig ausgetauscht werden mussten, in manchen Fällen sogar alle halbe Stunde. Dieses Problem ging über den Arbeitsaufwand hinaus, der mit dem Austausch der Filter verbunden war. Noch wichtiger ist, dass die kontinuierliche Nachlieferung von Verbrauchsgütern an abgelegenen Orten und unter Kampfbedingungen eine logistische Herausforderung – und ziemlich gefährlich – sein kann.

UF-Vorbehandlung von RO-Speisewasser

Der UF-Membranprozess in den neuen LWPs macht den Austausch und die Nachfüllung von Einwegfiltern überflüssig. Jedes System verwendet drei ROMICON® ROMIPURE® Ultrafiltrationskartuschen von Koch Membrane Systems, Inc. (KMS) aus Wilmington, Massachusetts, USA.

Die Patronen mit einem Durchmesser von 5 Zoll enthalten Hohlfasermembranen mit einem Innendurchmesser von 35 mil. Die Membranen und das Kartuschengehäuse bestehen beide aus Polysulfon, einem hochfesten thermoplastischen Polymer, das für seine hervorragende chemische Stabilität in einem weiten Temperaturbereich bekannt ist.

Die ROMIPURE UF-Membranen verfügen über einen nominalen Molekulargewichtsgrenzwert (MWCO) von 100.000 Dalton, der konstant Filtratwasser mit einer Trübung von weniger als 0,1 NTU erzeugt, was einer mehr als zehnfachen Verbesserung im Vergleich zu MMF- und Patronenfiltern entspricht. Die UF-Membranen entfernen Trübungen, Schwebstoffe, Bakterien und andere Mikroorganismen aus dem Speisewasser, die die nachgeschalteten RO-Membranen verschmutzen können. Das hochwertigere Filtratwasser verlängert die Lebensdauer der RO-Membran und verlängert die Zeit zwischen RO-Reinigungen, unabhängig von den Speisewasserbedingungen.

Die UF-Vorbehandlung dient nicht nur dazu, die Verschmutzung der RO-Membranen zu begrenzen, sondern die ROMIPURE-Kartuschen verfügen auch über wichtige Eigenschaften, die ihre eigene Verschmutzung begrenzen und entgegenwirken. Die Hohlfaserpatronen arbeiten bei der Filtration von innen nach außen (siehe Abbildung 1). Das Speisewasser (Retentat) fließt durch die Mitte der Hohlfaser und das gefilterte Wasser (Permeat) gelangt durch die Faserwand zur Außenseite der Membranfaser. Der tangentiale Fluss des Retentats streicht über die Membranoberfläche und begrenzt kontinuierlich die Membranverschmutzung.

Darüber hinaus ermöglichen die strukturelle Integrität und Konstruktion der ROMIPURE-Hohlfaserpatronen, dass sie einer Permeatrückspülung und der Umkehr des Retentatflusses standhalten. Diese Reinigungsprozesse sind äußerst effektiv bei der Wiederherstellung der Flussraten.

Die ROMIPURE-Hohlfasergeometrie ermöglicht eine große Membranoberfläche in einem kompakten Modul. Diese hohe Packungsdichte bedeutet, dass große Wassermengen bei minimalem Platz- und Stromverbrauch gefiltert werden können – beides entscheidende Vorteile für die LWP-Anwendung.

Eine von einem Dieselmotor angetriebene Hochdruckpumpe saugt Wasser aus einem 40-Gallonen-Filtrattank am UF-Modul an und speist das RO-Modul unter Drücken von bis zu 1.200 psi. Der Zweck dieses Filtrattanks besteht darin, die UF-Membran rückzuspülen und schnell zu spülen und gleichzeitig den kontinuierlichen Betrieb der Hochdruckpumpe zu ermöglichen.

RO produziert reines Wasser

Das RO-Modul besteht aus sieben von KMS hergestellten FLUID SYSTEMS® TFC®spiral RO-Elementen. Die Membranelemente bestehen aus einem proprietären Dünnfilm-Verbundpolyamid, das die Effizienz steigern und die Kosten senken soll. Die Druckbehälter bestehen aus Titan.

General Atomics (GA) entwickelte und patentierte 1968 das spiralgewickelte Umkehrosmoseelement. GA verkaufte 1974 seinen Geschäftsbereich Fluid Systems und dieser wurde schließlich Teil von KMS. KMS ist nach wie vor ein weltweit führender Anbieter von RO-Meerwasserentsalzungselementen mit Großanlagen am Roten Meer, im Arabischen Golf, in der Karibik, im Mittelmeer und in allen Ozeanen der Welt. Compact FLUID SYSTEMS TFC RO-Elemente werden auch häufig an Bord von Schiffen und auf Bohrinseln eingesetzt.

Die KMS RO-Membranen entfernen gelöste und suspendierte Materialien, einschließlich organischer Stoffe und Salze. Nur Moleküle im Bereich von 5 Angström (0,0005 Mikron) oder 100 MWCO passieren die Membran. Ungefähr 30 Prozent des RO-Speisewassers werden zur Verwendung als Trinkwasser zurückgewonnen, der Rest des Konzentrats (oder der Sole) wird als Ausschuss entsorgt. Das Permeat aus dem RO-Modul wird durch ein Chemiemodul geleitet, wo es dosiert und zur Restdesinfektion mit Chlor injiziert wird.

Zuverlässige Filtration ohne chemische Reinigung

Vor dem Feldeinsatz bauten MECO und KMS sieben Prototypensysteme, die von der US-Armee strengen und umfassenden Tests unterzogen wurden, darunter 5.000 Betriebsstunden und 1.600 Meilen Überlandtransporttests auf dem Heck eines HMMWV. Der Design- und Testprozess führte zu wichtigen Systemverfeinerungen und -verbesserungen. MECO arbeitete beispielsweise mit KMS zusammen, um die Herausforderung zu bewältigen, ein System zu entwickeln, das mehrere Gefrier-Tau-Zyklen aushalten kann, Bedingungen, die weit über die Umweltanforderungen der meisten Wasseraufbereitungssysteme hinausgehen.

„Die KMS-Membranen waren bemerkenswert resistent gegen Verschmutzung“, sagte John Klie, Government Business Development Manager bei MECO. „Wir haben eng mit den KMS-Ingenieuren zusammengearbeitet, um eine automatisierte Rückspülmethode zu entwickeln und zu optimieren, die chemische Reinigungsvorgänge praktisch überflüssig macht. Von den verschiedenen Anbietern, die wir untersucht und getestet haben, lieferte KMS die einzigen Lösungen, die keine Zusatzluft erforderten.“ Scheuergeräte zum Reinigen der Membranen.“

Weniger Chemikalien vereinfachen nicht nur den Prozess, sondern sorgen auch für einen besser schmeckenden Wassergeschmack. „Das vom LWP produzierte Wasser ist sehr schmackhaft“, sagte Klie. „Wir haben herausgefunden, dass die Herausforderung bei älteren konventionellen Systemen in der Überchlorung liegt, die dem Wasser letztlich einen ‚Schwimmbad‘-Geschmack verleiht. Das automatische Chlordosierungssystem des LWP verhindert dies und erzeugt daher einen Trinkwassergeschmack, der sehr ähnlich ist.“ zu handelsüblichem Flaschenwasser.“

Eine wirtschaftliche Lösung

Das LWP hat sich im Irak als äußerst wirtschaftliche Lösung erwiesen, wo die Kosten für die Versorgung der Truppen mit Flaschenwasser bis zu 5 US-Dollar pro Gallone betragen können. Mit herkömmlichen Reinigungssystemen der ersten Generation erzeugtes Wasser kostet etwa 1 US-Dollar pro Gallone, einschließlich der Kosten für Einwegfilter, Chemikalien und Kraftstoff. Das LWP kann Wasser zu 7 Cent pro Gallone produzieren, was in erster Linie den Kosten für Dieselkraftstoff für den Betrieb des Systems und Chemikalien für eine minimale, regelmäßige Reinigung entspricht.

Das MECO LWP mit UF- und RO-Membranen von KMS bietet eine selbsttragende Wasseraufbereitungsmethode für Spezialeinheiten und andere abgelegene militärische und humanitäre Missionen, die eine schwierige, teure und gefährliche Wasserversorgung überflüssig macht.

Kontakt:

John McArdle, Director Business Development, Koch Membrane Systems Telefon: 1-978-694-7000 Fax: +1-978-657-5208 E-Mail: [email protected]