EWT Wassertechnik – Wasseraufbereitung

EWT Wassertechnik


Vollentsalztes und Entsalztes Wasser in der Kesselspeisewasseraufbereitung

Gegenüberstellung von Ionenaustausch- und Membranverfahren

StartseiteWissenVE-WasserDefinitionIonenaustauschMembranverfahrenWirtschaftlichkeit„salzfreie“ Fahrweise„salzarme“ Fahrweise

Definition von vollentsalztem und entsalztem Wasser:

Vollentsalztes Wasser (kurz: VE-Wasser) ist Wasser, aus welchem durch technische Verfahren Elektrolyte weitestgehend entfernt wurden. Bezogen auf die Elektrolytkonzentration ist vollentsalztes Wasser also annähernd chemisch reines Wasser. In der Kesselspeisewasseraufbereitung wird vollentsalztes Wasser in einschlägigen Regelwerken über festgelegte Grenzwerte für bestimmte wasserchemische Parameter definiert, insbesondere der →elektrischen Leitfähigkeit als Summenparameter für die Elektrolytkonzentration.

Regelwerk EN 12952-12 EN 12953-10 VGB-M 407 VGB-S-010-T-00
elektrische Leitfähigkeit < 0,2 μS/cm ≤ 0,08 μS/cm
Natrium ≤ 5 μg/L Na
Kieselsäure < 20 μg/L SiO2 ≤ 10 μg/L SiO2
gelöste organische Kohlenstoffverbindungen (DOC) ≤ 0,2 mg/L C

Tabelle 1: Definition von vollentsalztem Wasser in verschiedenen Regelwerken anhand wasserchemischer Grenzwerte.

Entsalztes Wasser ist Wasser, dessen Elektrolytgehalt durch technische Verfahren verringert wurde. Dabei wird im allgemeinen technischen Sprachgebrauch keine klare Aussage über den verbleibenden Elektrolytgehalt getroffen, d.h. der Begriff entsalztes Wasser kann sich unter anderem sowohl auf durch →Umkehrosmose entsalztes Meerwasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit von z.B. 1000 μS/cm, auf durch →Entkarbonisierung teilentsalztes Wasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit von z.B. 150 μS/cm, oder auf durch →Ionenaustausch erzeugtes Deionat mit einer elektrischen Leitfähigkeit von z.B. 0,5 μS/cm beziehen.

In der Kesselspeisewasseraufbereitung ist mit entsalztem Wasser oft Umkehrosmose-Permeat mit einer elektrischen Leitfähigkeit ≤ 30 μS/cm gemeint, analog zur Definition der →„salzarmen“ Fahrweise von Dampferzeugeranlagen. Abweichend ist für Fernwärmeheizanlagen entsalztes Wasser gemäß Arbeitsblatt AGFW FW 510 über eine elektrische Leitfähigkeit < 20 μS/cm, eine Kieselsäurekonzentration < 0,5 mg/L und einen pH-Wert ≤ 7 definiert.

Bezeichnung entsalztes Wasser Reinstwasser (Pharma) Deionat vollentsalztes Wasser Reinstwasser (Halbleiter) chemisch reines Wasser
Verfahren Ionenaustausch, Membranverfahren, Destillation Ionenaustausch, Membranverfahren, Destillation Ionenaustausch Ionenaustausch, Membranverfahren
elektrische Leitfähigkeit 0,2 ... 1000 μS/cm ≤ 1,1 μS/cm 0,2 ... 20 μS/cm < 0,2 μS/cm 0,055 μS/cm ≈ 18 MΩ ⋅ cm

Tabelle 2: Bezeichnung von Wasser anhand der elektrischen Leitfähigkeit und Aufbereitungsverfahren.

Hinweis: Dieser Abschnitt unterscheidet sich inhaltlich von dem entsprechenden Abschnitt der →englischen Seite, da es die sprachliche Unterscheidung zwischen vollentsalztem und entsalztem Wasser im Englischen nicht gibt.

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Ionenaustauschverfahren zur Vollentsalzung, Entsalzung und Teilentsalzung von Wasser:

Beim Ionenaustausch werden im Wasser gelöste Kationen gegen Wasserstoffionen und im Wasser gelöste Anionen gegen Hydroxidionen ausgetauscht; die Austauschprodukte reagieren zu Wasser. Ionenaustauscher werden mit Säure und Lauge regeneriert, entsprechend erfordert der Betrieb von Ionenaustauscheranlagen Einrichtungen zur Bevorratung von Säuren und Laugen sowie zur Abwasserneutralisation. Bei einer gegebenen Anlagenausführung ist der Verbrauch von Chemikalien ebenso wie der Abwasseranfall direkt proportional zum Salzgehalt des Rohwassers.

Zur Entsalzung werden hintereinander geschaltete →Kationen- und Anionentauscher eingesetzt, die in günstigen Fällen erreichbare elektrische Leitfähigkeit liegt bei modernen im Gegenstrom arbeitenden Schwebebettanlagen bei ca. 0,2 ... 2 μS/cm. Das so aufbereitete Wasser wird als Deionat bezeichnet.

Zur Vollentsalzung des Deionats wird der Kationen- und Anionenaustauscherstufe ein →Mischbettaustauscher nachgeschaltet. Das derart aufbereitete Wasser erfüllt die Vorgaben gemäß ↑vorstehender Definition von vollentsalztem Wasser, d.h. elektrische Leitfähigkeit < 0,2 μS/cm bzw. ≤ 0,08 μS/cm.

Vollentsalzungsanlage

Ionenaustauscheranlage zur Vollentsalzung von Wasser: Kationentauscher, Rieseler, Anionentauscher, Mischbett.

Als Teilentsalzung oder →Entkarbonisierung wird der Austausch von nur einem Teil der Kationen mit einem schwach sauren Kationentauscher bezeichnet. Das Austauschprodukt Wasserstoff reagiert mit im Wasser vorhandenen Hydrogencarbonat zu Kohlensäure und Wasser. Die Anwendbarkeit und Wirksamkeit dieses Verfahrens hängt also wesentlich von der Säurekapazität bis pH 4,3 des Rohwassers ab, diese ist in natürlichen Wässern i.W. verursacht durch Hydrogencarbonat. Im günstigsten Fall kann im teilentsalzten Wasser eine elektrische Leitfähigkeit von ca. 50 ... 100 μS/cm erreicht werden.

Ionenaustauschverfahren zur Entsalzung und Vollentsalzung von Wasser im großtechnischen Umfang wurden in den 1930er bis 1940er Jahren entwickelt, und werden seit Mitte der 1950er Jahre mit weiter Verbreitung eingesetzt. Die modernen Gegenstromverfahren zur Regeneration wurden Anfang der 1970er Jahre entwickelt, und in den 1990er Jahren mit Aufkommen der monosphärischen Harze weiter optimiert.

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Membranverfahren zur Entsalzung und Vollentsalzung von Wasser:

Bei der Entsalzung oder Vollentsalzung von Wasser mit Membranverfahren werden im Wasser gelöste Ionen von einer semipermeablen Membran zurückgehalten. Die so zurückgehaltenen Ionen verbleiben in einer konzentrierten wässrigen Lösung, die kontinuierlich abgeführt wird. Der Abwasseranfall und entsprechend auch der Rohwasserbedarf ist deshalb bei Membranverfahren vergleichsweise hoch, allerdings bei einer gegebenen Anlagenausführung nur wenig abhängig von der Rohwasserqualität.

Membranverfahren verbrauchen für den Betrieb keine Chemikalien; allerdings ist fast ausnahmslos eine Voraufbereitung, z.B. durch →Enthärtung, oder eine chemische Konditionierung des Speisewassers erforderlich, ebenso sind die Membranelemente periodisch chemisch zu reinigen. D.h., eine insgesamt „chemikalienfreie“ Entsalzung oder Vollentsalzung von Wasser ist auch mit Membranverfahren kaum realisierbar. Dennoch ist der Chemikalienbedarf im Vergleich zu Ionenaustauschverfahren deutlich geringer, aufwendige Einrichtungen zur Lagerung oder Handhabung von Chemikalien sind in der Regel nicht erforderlich.

Zur Entsalzung des Wassers wird eine →Umkehrosmoseanlage eingesetzt. Das derart entsalzte Wasser wird als Permeat bezeichnet. Bei einer einstufig ausgeführten Hochdruck-Umkehrosmoseanlage beträgt die erreichbare elektrische Leitfähigkeit des Permeats ca. 5 ... 30 μS/cm, bei einer Niederdruck-Umkehrosmoseanlage ca. 30 ... 100 μS/cm, bei einer permeatgestuften Umkehrosmoseanlage ca. 0,2 ... 2 μS/cm.

Zur Vollentsalzung des Permeats wird üblicherweise eine →EDI-Anlage eingesetzt. Das derart aufbereitete Wasser erfüllt im günstigen Fall die Vorgaben gemäß ↑vorstehender Definition von vollentsalztem Wasser, d.h. elektrische Leitfähigkeit < 0,2 μS/cm bzw. ≤ 0,08 μS/cm. Die Wirksamkeit von EDI-Anlagen hängt wesentlich von der Speisewasserqualität ab, eine zuverlässige Erzeugung von vollentsalztem Wasser mit EDI setzt salzarmes Speisewassewasser mit geringer Kohlensäurekonzentration voraus. Entsprechend ist die Voraufbereitung auszuführen, zur Entfernung von Kohlensäure z.B. eine zwischen Umkehrosmose und EDI geschaltete →Membranentgasungsanlage oder eine permeatgestuft ausgeführte Umkehrosmoseanlage mit →Dosierung von Natronlauge. Um auch bei schwankender Speisewasserqualität eine zuverlässige Vollentsalzung zu gewährleisten, ist es üblich, einer EDI-Anlage zus√§tzlich einen Mischbettaustauscher als „Polizeifilter“ nachzuschalten.

Alternativ kann einer Umkehrosmoseanlage auch direkt ein Mischbettaustauscher zur Vollentsalzung nachgeschaltet werden, ebenso ist die Schaltung Umkehrosmose → Kationentauscher → Anionentauscher → Mischbett möglich.

Umkehrosmoseverfahren zur Entsalzung von Wasser im großtechnischen Umfang wurde Ende der 1960er Jahren entwickelt, seit Anfang der 1980er Jahre in größeren Umfang eingesetzt, und ab Mitte der 1980er Jahre mit Entwicklung der Wickelmodule allmählich als Standardverfahren etabliert. Elektrodeinisation speziell als Verfahren zur Vollentsalzung von Wasser wurde Anfang der 1980er Jahre entwickelt, wird seit Ende der 1980er Jahre allmählich in größerem Umfang eingesetzt, und ist seit ca. Anfang der 2000er Jahre als alternatives Verfahren etabliert.

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Wirtschaftlichkeit, Betriebs- und Investitionskosten:

Pauschale Aussagen zur Wirtschaftlichkeit sind nicht möglich, vielmehr sind für einen gegebenen Anwendungsfall zur Ermittlung der Investitions- und Betriebskosten jeweils u.a. die Rohwasserherkunft, Rohwasserqualität, Rohwasserkosten, Abwasserkosten, Elektrizitätskosten und die Kosten für sonstige Betriebsstoffe zu berücksichtigen.

Die Investitionskosten für Ionenaustausch- und Membrananlagen zur Vollentsalzung von Wasser in der jeweils marktüblichen Ausführung liegen meistens in derselben Größenordnung, genauere Aussagen erfordern die detaillierte Betrachtung des jeweiligen Einzelfalls. Unter Berücksichtigung der erforderlichen Einrichtungen zur Chemikalienlagerung und Abwasserneutralisation sind die Investitionskosten für Ionenaustauscheranlagen insgesamt oft etwas höher, wobei diese Mehrkosten im Falle einer ggf. ohnehin erforderlichen Kondensataufbereitungsanlage anteilig zu betrachten sind. Ionenaustauscheranlagen werden wegen der intermittierenden Betriebsweise üblicherweise mit 100% Redundanz ausgeführt, dies ist bei Membranverfahren nicht erforderlich. Entsprechend ist zu beachten, dass bei mit geringerer Redundanz ausgeführten Membrananlagen dennoch die theoretische Verfügbarkeit höher liegen kann als bei Ionenaustauscheranlagen, andererseits sind mit gleicher Redundanz ausgeführte Membrananlagen um ca. 50% bis 100% teurer als entsprechende Ionenaustauscheranlagen. Eine vollständige Vergleichbarkeit ist in diesem Punkt nicht gegeben.

Der Personalaufwand für Betrieb und Wartung von Ionenaustausch- und Membrananlagen ist in erster Näherung gleich, hier gibt es keine wesentlichen Unterschiede. Die Materialkosten zur Instandhaltung – d.h. die Einkaufspreise für Ionenaustauscherharze oder Membranelemente, dividiert durch die jeweilige Lebensdauer – können bei Membrananlagen in ungünstigen Fällen ca. 250% bis 500% der Kosten für Ionenaustauschanlagen betragen. Dies liegt vor allem an den noch vergleichsweise hohen Kosten für EDI-Module, die bei Beschädigung oder altersbedingtem Versagen i.d.R. komplett ausgetauscht werden müssen.

Beim Betriebsstoffverbrauch unterscheiden sich Ionenaustausch- und Membranverfahren grundsätzlich. Bei der Aufbereitung von Süßwasser verbrauchen Ionenaustauschverfahren deutlich weniger Wasser als Membranverfahren, jedoch u.U. deutlich mehr Chemikalien. Sowohl der Chemikalienbedarf als auch der Abwasseranfall sind bei Ionenaustauschverfahren bei einer gegebenen Anlagenausführung direkt linear abhängig vom Salzgehalt des Rohwassers, während beides bei Membranverfahren in erster Näherung weitgehend unabhängig vom Salzgehalt des Rohwassers ist. Tendentiell sind bei Rohwässern mit geringem Salzgehalt (elektrische Leitfähigkeit < 500 μS/cm) oft Ionenaustauschverfahren wirtschaftlicher, während bei Rohwässern mit hohem Salzgehalt (elektrische Leitfähigkeit ≥ 1000 μS/cm) oft Membranverfahren oder Kombinationen von Membran- und Ionenaustauschverfahren am wirtschaftlichsten sind.

Je nach Herkunft und Qualität des Rohwassers kann sowohl bei Ionenaustausch- wie auch bei Membranverfahren eine u.U. aufwendige Voraufbereitung des Rohwassers erforderlich sein, zur Entfernung von z.B. Schwebstoffen, Eisen, Mangan, organischen Kohlenstoffverbindungen oder Oxidationsmitteln. Dazu werden z.B. →Mehrschichtfilteranlagen, →Ultrafiltrationsanlagen, →Aktivkohlefilteranlagen oder →Scavenger-Ionenaustauschanlagen eingesetzt. Sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten werden entsprechend beeinflusst.

Verfahren Ionenaustausch Membranverfahren
übliche Schaltung Kationentauscher → (CO2-Entgasung) → Anionentauscher → Mischbettaustauscher (Enthärtung) → Umkehrosmose → (Enthärtung) → (CO2-Entgasung) → EDI → (Mischbettaustauscher)
Rohwasser ≤ 1,01 ... 1,1 m³/m³ ca. 1,18 ... 1,40 m³/m³
Abwasser ca. 3 ... 12 L/m³ je 100 μS/cm elektrische Leitfähigkeit ca. 180 ... 400 L/m³
elektrische Energie ca. 0,1 ... 0,3 kWh/m³ ca. 0,5 ... 2,5 kWh/m³
sonstige Betriebsstoffe ca. 40 ... 80 g HCl/m³ und 20 ... 150 g NaOH/m³ je 100 μS/cm elektrische Leitfähigkeit Bei vorgeschalteter Enthärtung ca. 200 ... 400 g NaCl/m³ je 1 mmol/L Wasserhärte, bei nachgeschalteter Enthärtung ≤ 2 g NaCl/m³ und ca. 2,5 ...7 g Antiscalant/m³.
Betriebsmittel Austausch der Kationentauscherharze nach ≥ 10 Jahren.
Austausch der Anionentauscherharze nach ca. 5 ... 10 Jahren.
Austausch der Kationentauscherharze nach > 10 Jahren.
Austausch der Membranelemente nach ca. 3 ... 10 Jahren.
Austausch der EDI-Module nach ≥ 5 ... 10 Jahren.
Wartungsintervalle Externe Spülung der Ionenaustauscherharze, Wartungsintervall üblicherweise ≥ 36 Monate, bei ungünstiger Rohwasserqualität 6 ... 12 Monate. Reinigung der Membranelemente, Wartungsintervall üblicherweise ≥ 36 Monate, bei ungünstiger Rohwasserqualität 6 ... 12 Monate.
Reinigung der EDI-Module, Wartungsintervall üblicherweise ≥ 36 Monate.

Tabelle 3: Vergleich der spezifischen Verbräuche und weiterer Parameter zur Betriebskostenermittlung.

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Vollentsalztes Wasser bei „salzfreier“ Fahrweise von Dampferzeugeranlagen:

Vollentsalztes Wasser wird in der Kesselspeisewasseraufbereitung als →Zusatzwasser für den Betrieb von Dampfturbinen in Dampfkraftwerken eingesetzt. Das Spektrum reicht dabei von kleinen bis mittelgrossen Biomassekraftwerken, Müllverbrennungsanlagen und Industriekraftwerken bis zu Großkraftwerken zur überregionalen Versorgung. Dabei ist sowohl der Einsatz von ↑Ionenaustausch- als auch von ↑Membranverfahren üblich.

Die Vollentsalzung von →Kondensat dagegen kann nur mit Ionenaustauschverfahren technisch und wirtschaftlich sinnvoll realisiert werden. Dies liegt einerseits an der höheren Temperaturbeständigkeit von Ionenaustauschharzen im Vergleich zu Membranelementen, andererseits an der i.d.R. sehr geringen Elektrolytkonzentration in Kondensat, wodurch die Betriebskosten von Ionenaustauschverfahren minimal ausfallen.

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Entsalztes Wasser bei „salzarmer“ Fahrweise von Dampferzeugeranlagen:

Bei „salzarm“ betriebenen Dampferzeugeranlagen handelt es sich überwiegend um industrielle Großwasserraumkessel. Zur Entsalzung des Zusatzwassers werden hier fast ausschließlich →Umkehrosmoseanlagen eingesetzt. Dies ermöglicht einen Betrieb der Dampferzeugeranlage mit wirtschaftlichen Absalzraten von ≤ 2%, verglichen mit ca. 5% ... 10% bei „salzhaltiger“ Fahrweise. Je nach Anwendungsfall und Rohwasserqualität kann sich im Einzelfall bei genauer Betrachtung zwar der Einsatz einer auf Ionenaustausch basierenden →Teilentsalzungsanlage oder →Vollentsalzungsanlage als theoretisch wirtschaftlicher erweisen, allerdings wird die dazu erforderliche Lagerung und Handhabung von Säuren und Laugen hier oft als schwerer wiegender Nachteil gesehen.

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05.05.2018 • EWT Eckert Wassertechnik GmbH • DatenschutzImpressum