InternationaleEntwicklungen in der Membrantechnik · 10. AWM 7 Aachen , 29.10.2013 th...
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10. AWM Aachen , 29.10.2013
10 AACHENER TAGUNG10. AACHENER TAGUNGWASSER UNDMEMBRANEN
Internationale Entwicklungen in der
29. und 30. Oktober 2013, Eurogress Aachen
Internationale Entwicklungen in der Membrantechnik
Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Franz‐Bernd FrechenUniversität Kassel
Bundessieger 2011 in der
Obmann, DWA‐Fachausschuss “Membranbelebungsanlagen”Vice‐Chair, IWA Specialist Group “Membrane Technology”
IG‐5.5 „Membrantechnik“, Prof. Cornel
Folie 1 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Kategorie „Gesellschaft“IG 5.5 „Membrantechnik , Prof. Cornel
10. AWM Aachen , 29.10.2013Bedeutung
Membrantechnik ist in vielen Bereichen eine Schlüssel‐technologie Lebensmittelindustrie Biotechnologie Biotechnologie PharmazieWasseraufbereitung Ab b h dl AbwasserbehandlungWasserwiederverwendung….
Hier wird nur der Bereich Wasser und Membranen betrachtet:
Folie 2 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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10. AWM Aachen , 29.10.2013Bedeutung
Membrantechnik ist in vielen Bereichen eine Schlüssel‐technologie
waterwaterreuse andreclamation
membranetechnology
WASSER UNDMEMBRANEN
Folie 3 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
10. AWM Aachen , 29.10.2013Bedeutung
Membrantechnik ist in vielen Bereichen eine Schlüssel‐technologie
l b l k t f t t li
25
global markets for wastewater‐recyclingand reuse technologies
projected
15
20
n Eu
ro
5
10
billio
02009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
yearBCC Research LLC, 2013
Folie 4 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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10. AWM Aachen , 29.10.20137th IWA Specialized Membrane Technology Conference
Die Specialist Group Membrane Technology (SGMT) ist die drittgrößte SG der IWA
Die 7th IWA Specialized Membrane Technology Conference fand 25 bi 29 A 2013 i d 300 T il h ivom 25. bis 29. August 2013 mit rd. 300 Teilnehmer in
Toronto/Canada statt Aus über 300 Abstracts wurden 179 Vorträge und 66 Poster Aus über 300 Abstracts wurden 179 Vorträge und 66 Poster
ausgewählt 4 parallele Sessions
Folie 5 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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10. AWM Aachen , 29.10.2013key player
Membrane Technology
Membrane Science
Chemical Engineering,h h f h h k
Membrane Application
Civil Engineering,dl h fChemische Verfahrenstechnik,
MaterialwissenschaftenSiedlungswasserwirtschaft,
Industrie, ….
Im Idealfall: die perfekte Anlage
Folie 6 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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Im Idealfall: die perfekte Anlage …
10. AWM Aachen , 29.10.2013Die wichtigsten Ziele:
Energie Verbrauch senken Energie gewinnen
Leistung Leistung fouling reduzieren neue Materialien (Bionik/Geonik)
Kosten / Platzbedarf anwendungstechnische AspekteH b idHybridprozesse Kollateralprozess (z.B. Schlammbehandlung)
Im internationalen Maßstab spielt vor allem die Meerwasser‐entsalzung eine große Rolle
Folie 7 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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10. AWM Aachen , 29.10.2013Wichtige Einzelthemen (nicht abschließend)
Materialien & Modulkonfigurationen Fouling & Membranreinigung Mikroschadstoffe Technologie Wasseraufbereitung Technologie Abwasserreinigung Betriebserfahrungen Wasser/Abwasser Water Reuse Neuartige Prozesse & Anwendungen Meerwasserentsalzung, Osmosis Prozessmodellierung und –simulation Energie
s auch Hinweis im Script zum Download Programm Toronto
Folie 8 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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s. auch Hinweis im Script zum Download Programm Toronto
10. AWM Aachen , 29.10.2013Neue Materialien
Die Vision von der „superpermeablen“ Membran Helmut Schmidt: „Wer Visionen hat, soll zum Arzt gehen!“
Womit befasst sich der Arzt: Mit dem Menschen, der nur durch die Membrane der Zellen funktionieren kann.
Bionik: von den Vorgängen an der Zellmembran lernen!
Folie 9 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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10. AWM Aachen , 29.10.2013von der Natur lernen
Suche in google.de: Biomimicry: 1 Mio. Treffer Geomimicry: 2.000 Treffer
Biomimikry: 5.600 Treffer Geomimikry: 1 Treffer
Folie 10 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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10. AWM Aachen , 29.10.2013Neue Materialien
Biomimicry Carbon nanotubes (eigentlich geomimicry) Ferritin (Proteinkomplex) Aquaporin Aquaporin
Geomimicry Fullerene Carbon nanotubesGraphen Atmospheric Plasma Spray (APS) / APS‐SIM /(Steam Induced Method)
Folie 11 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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10. AWM Aachen , 29.10.2013Neue Materialien: Carbon nanotubes (CNT)
Hinds: “… fluid flow through carbon channels is exceptionally fast — nearly four to five orders of magnitude greater than what is expected from classical fluid mechanics”
4.10
.201
3esbade
n, 22. bis 24
g zur F
ILTECH
, Wie
Lung
Tun
g, Vortrag
Folie 12 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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Kuo‐L
10. AWM Aachen , 29.10.2013Neue Materialien: Protein Aquaporin
2013
nto, 25. bis 29
.09.2
Techno
logy, Toron
cCo
nf M
embrane
ynote, 7
thIW
A Spec
Kuo‐Lung Tung, Vortrag zur FILTECH, Wiesbaden, 22. bis 24.10.2013
Fane
, PlenaryKe
y
Folie 13 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Tony
10. AWM Aachen , 29.10.2013Neue Materialien: Protein Ferritin
The pores were less than 2.2 nm across, and the water permeancecould be as high as
9 000 (l h–1 m–2 bar–1)9,000 (l h 1 m 2 bar 1).
4.10
.201
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n, 22. bis 24
g zur F
ILTECH
, Wie
Lung
Tun
g, Vortrag
Folie 14 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Kuo‐L
10. AWM Aachen , 29.10.2013Geomimicry: Kohlenstoff
Vorbild Diamant (reiner Kohlenstoff): „diamond‐like carbon“(DLC)
4.10
.201
3esbade
n, 22. bis 24
g zur F
ILTECH
, Wie
Fulleren(„Buckyball“)
Robert F Curl
Graphen
K.S. Novoselov andA K Geim
Lung
Tun
g, VortragRobert F. Curl
Harold W. KrotoRichard E Smalley
1985Nobelpreis 1996
A.K. Geim2004
Nobelpreis 2010
Folie 15 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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Kuo‐Lp
10. AWM Aachen , 29.10.2013Geomimicry: Kohlenstoff – Graphen
Science 27 Januar 2012 Vol 335 no 6067 pp 442 444Science 27, Januar 2012, Vol. 335 no. 6067 pp. 442-444
Unimpeded Permeation of Water Through Helium-Leak–Tight Graphene-Based MembranesR. R. Nair, H. A. Wu, P. N. Jayaram, I. V. Grigorieva, A. K. Geim
AbstractPermeation through nanometer pores is important in the design of materials for filtration and
ti t h i d b f l f d t l b h i i i t th l l
, , y , g ,
separation techniques and because of unusual fundamental behavior arising at the molecular scale.We found that submicrometer‐thick membranes made from graphene oxide can be completely impermeable to liquids, vapors, and gases, including helium, but these membranescompletely impermeable to liquids, vapors, and gases, including helium, but these membranes allow unimpeded permeation of water (H2O permeates through the membranes at least 1010
times faster than He).We attribute these seemingly incompatible observations to a low‐friction flow of a monolayer of water through two‐dimensional capillaries formed by closely spaced graphene sheets. Diffusion of other molecules is blocked by reversible narrowing of the capillaries in low humidity and/or by their clogging with water.
Folie 16 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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10. AWM Aachen , 29.10.2013Geomimicry: Atmospheric Plasma Spray
APS auf trockenem Substrat: dichte, gleichförmige Membran
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.201
3esbade
n, 22. bis 24
g zur F
ILTECH
, Wie
Lung
Tun
g, Vortrag
Folie 17 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Kuo‐L
10. AWM Aachen , 29.10.2013Geomimicry: Atmospheric Plasma Spray
APS Steam Induced Method (SIM) (wet substrate)
4.10
.201
3esbade
n, 22. bis 24
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ILTECH
, Wie
Lung
Tun
g, Vortrag
Folie 18 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Kuo‐L
10. AWM Aachen , 29.10.2013Geomimicry: APS SIM – Lava, Bims
5000
3000
3500
4000
4500
ar)
1500
2000
2500
3000
flux
(l/m
2.h.
ba
4.10
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3
0
500
1000
dry-0.14μm Ster.-0.14μm Spin.-0.2μm wet-0.34μm Spin.-0.4μm
esbade
n, 22. bis 24
g zur F
ILTECH
, Wie
Lung
Tun
g, Vortrag
Folie 19 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Kuo‐L
10. AWM Aachen , 29.10.2013Neue Materialien: Übersicht
2013
nto, 25. bis 29
.09.2
Techno
logy, Toron
cCo
nf M
embrane
ynote, 7
thIW
A Spec
Fane
, PlenaryKe
y
Folie 20 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Tony
Pendergast & Hoek, Energy & Env.Sci. (2011), 4, 1946‐1971
10. AWM Aachen , 29.10.2013Energie
Beim MBR‐VerfahrenOptimierte BelüftungOptimierter BetriebUltraschall statt cross‐flowUltraschall statt cross flow Kunststoff‐Pellets zur optimierten Deckschichtkontrolle…..
Bei der Meerwasserentsalzung siehe folgende Folien
Folie 21 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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10. AWM Aachen , 29.10.2013Energie bei der Meerwasserentsalzung
2013Reducing primary energy – SWRO
nto, 25. bis 29
.09.2Reducing primary energy SWRO
High pressure membranes
Techno
logy, Toron
Conventional SWRO (tapered cascade)Osmotic pressure
cCo
nf M
embrane
Flow 100
65 bar 50+15
50
TMP(min)
ynote, 7
thIW
A Spec
Fane
, PlenaryKe
y
Feed pump handles full flow at pressure required for final
membrane.
Folie 22 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Tony
At best : Energy usage is ~ 2 x the theoretical minimum
10. AWM Aachen , 29.10.2013
2013SWRO – Close to Osmotic Pressure Operation
Energie bei der Meerwasserentsalzung
nto, 25. bis 29
.09.2
50 bar45
50
SWRO – Close to Osmotic Pressure Operation
Techno
logy, Toron
Osmotic Pressr
Feed side Pressr
35
40Needs ‘superpermeability’
cCo
nf M
embrane Osmotic Pressr
25 barstages
30 RO membranes
ynote, 7
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A Spec
g
1 2 3 4 5100 50
Fane
, PlenaryKe
y
Potential energy saving ~ 25 - 30 %Capital penalty ~ Pressr vessels, ER devices
d ff i l i
Multistage with booster pumps and energy recovery
Folie 23 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Tony
Trade off capital cost vs energy saving
10. AWM Aachen , 29.10.2013Energie bei der Meerwasserentsalzung
2013Water Reclamation vs SWRO
nto, 25. bis 29
.09.2
3.5
Water Reclamation vs SWRO
Techno
logy, Toron
Intake Pretreat SWROSea
Water
3.5kWh/m3
cCo
nf M
embrane
CAS MF ROWaste
ynote, 7
thIW
A SpecCAS MF RO
Water~1.4
kWh/m3
Fane
, PlenaryKe
y
RO~ 0.8 kWh/m3
MBR~ 0.6 kWh/m3
Folie 24 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
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Tony
Reclamation is much lower energy & cost than SWRO
10. AWM Aachen , 29.10.2013Energie bei der Meerwasserentsalzung
Erneuerbare Energien nutzen
2013
Sonne, Wind: Problem Energiespeicherung Lösung: Produkt speichern (Analogie: „virtuelles Wasser“)
nto, 25. bis 29
.09.2
Prozesse ohne Überdruck:Membrandestillation (hydrophobe Membran) kann waste heat“ (Niedrigtemperatur‐“Abwärme“) nutzen Te
chno
logy, Toron
kann „waste heat (Niedrigtemperatur Abwärme ) nutzen kann Solar‐/Erdwärme nutzen
Osmose („Forward Osmosis“ FO)
cCo
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embrane
Energiegewinnung Pressurized Forward Osmosis (PRO)
ynote, 7
thIW
A Spec
Nötig: geeignete MembranenOptimierung von Moduldesign und Prozess Fane
, PlenaryKe
y
Folie 25 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Optimierung von Moduldesign und Prozess
Tony
10. AWM Aachen , 29.10.2013Osmose
nal Con
ference on
ture at IWA Re
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0en
o, PlenarybLect
Istanb
ul, 18‐22
Oc
ersity of Nevada, R
and Water Reu
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E. Childress, U
nive
mbrane Techologya
Folie 26 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Amy
Me m
10. AWM Aachen , 29.10.2013FO als Vorstufe zu RO
nal Con
ference on
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Istanb
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ersity of Nevada, R
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mbrane Techologya
Folie 27 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
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Me m
10. AWM Aachen , 29.10.2013FO als Vorstufe zu RO
nal Con
ference on
seit Mai 2010 auf der ISS in Betrieb
ture at IWA Re
gion
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Istanb
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mbrane Techologya
Folie 28 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
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10. AWM Aachen , 29.10.2013FO statt Unterdruck beim MBR‐Verfahren
nal Con
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ture at IWA Re
gion
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o, PlenarybLect
Istanb
ul, 18‐22
Oc
ersity of Nevada, R
and Water Reu
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E. Childress, U
nive
mbrane Techologya
Folie 29 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Amy
Me m
10. AWM Aachen , 29.10.2013FO statt Unterdruck beim MBR‐Verfahren
nal Con
ference on
ture at IWA Re
gion
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r 201
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o, PlenarybLect
Istanb
ul, 18‐22
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and Water Reu
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E. Childress, U
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mbrane Techologya
Folie 30 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Amy
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10. AWM Aachen , 29.10.2013Erneuerbare Energie mit PRO
nal Con
ference on
ture at IWA Re
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o, PlenarybLect
Istanb
ul, 18‐22
Oc
ersity of Nevada, R
and Water Reu
se,
E. Childress, U
nive
mbrane TechologyaEntscheidend ist eine Membran mit
höchstem Flux und hoher Druckfestigkeit
Folie 31 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Amy
Me m
10. AWM Aachen , 29.10.2013Erneuerbare Energie mit PRO
nal Con
ference on
ture at IWA Re
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ul, 18‐22
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and Water Reu
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Folie 32 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
Amy
Me m
10. AWM Aachen , 29.10.2013Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!
4th IWA Regional Specialised Conference:
Nov 2014 Ho Chi Minh City VietnamNov. 2014, Ho Chi Minh City, Vietnam
8th IWA Biennial Specialized Membrane Technology Conference8 IWA Biennial Specialized Membrane Technology Conference
Ende 2015, Sydney, Australien
www.uni-kassel.de\fb14\siwawi
Folie 33 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)
Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi
www.waterbackpack.org