Elektodeionisation

Die Elektrodeionisation kombiniert zwei bewährte Wasserreinigungstechniken miteinander: die Elektrodialyse und die Entsalzung (Deionisation) über Ionenaustausch. Ziel dieser Technik ist es, gelöste Inhaltsstoffe möglichst vollständig zu niedrigen Kosten in einem kontinuierlichen Prozess zu entfernen. Die damit erreichbare Reinstwasserqualität liegt bei einer elektrolytischen Leitfähigkeit < 0,06µS/cm.

Der EDI-Prozess verwendet eine Kombination von ionenselektiven Membranen und Mischbettionenaustauscherharzen (Abb.13), die zwischen zwei Elektroden (Anode(+) und Kathode (-)) eingeschoben sind. Die Elektroden befinden sich an den Enden des EDI-Moduls. Dieses Verfahren arbeitet im Unterschied zur Elektrodialyse mit Ionenaustauscherharzen. Diese bilden ein Festbett im Reinwasserstrom der Reinigungskammer. Im Wasser gelöste Kationen und Anionen werden gegen Wasserstoff- bzw. Hydroxidionen ausgetauscht. Schwach dissoziierte Verbindungen, wie Bor-, Kiesel- und Kohlensäure werden mit hohem Wirkungsgrad abgeschieden. Durch das Anlegen eines elektrischen Gleichstromfeldes zwischen den Elektroden werden die Ionen gleichzeitig entlang der Harzoberfläche und durch die Membranen in den Konzentratstrom geführt. Dadurch werden die Ionenaustauscherharze kontinuierlich von beladenen Ionen befreit – ein Gleichgewicht zwischen Beladung und Regeneration stellt sich ein. Da somit eine Regeneration mit Chemikalien entfällt, müssen keine infrastrukturellen Vorkehrungen für den Umgang mit gefährlichen, ätzenden Stoffen und das Lagern von wassergefährdeten Stoffen nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) getroffen werden.

Abbildung 13: Funktionsprinzip der Elektrodeionisation

  »      Auslegungsdetails und Betriebsbedingungen

Die Größe der Module richtet sich nach der erforderlichen Reinstwassermenge.
Als Speisewasser für Elektrodeionisationsanlagen kann entweder Umkehrosmose-Permeat oder entsalztes Wasser aus Kationen- / Anionenaustauscheranlagen verwendet werden. Das Speisewasser sollte mindestens folgende Spezifikationen aufweisen:

Leitfähigkeit                                     maximal 20 µS/cm,

Silikatgehalt                                     maximal 300 µg/l,

Kohlendioxidkonzentration                maximal 5 mg/l.

Bei einer Kombination mit WAT-Umkehrosmoseanlagen wird salzfreies Speisewasser im 18,2 MOhm Bereich und ein Kieselsäuregehalt unter 20 µg/l erreicht. Bei einem regelmäßigen Betrieb der Anlage mit geringen Stillstandszeiten wird außerdem das Wachstum von Bakterien, Algen und Pilzen vollständig unterdrückt. In Verbindung mit WAT-RO-Anlagen erreicht man einen Reinstwasseranteil von bis zu 99 %, bezogen auf die EDI-Speisewassermenge.

Wie aus Abb. 14 ersichtlich wird, teilt sich der Zulauf EDI in zwei Teilströme, den Speisewasserzulauf und den Konzentratzulauf. Es entsteht Produkt- und Abwasser. Abhängig vom EDI-Hersteller kommt ein weiterer Volumenstrom, der Elektrolytdurchfluss, hinzu. Die Anlage besteht des Weiteren aus:  

1. EDI-Modul
    

2. Gestell mit Verrohrung
    

3. Druckschaltern zur Eingangswasser- und Differenzdrucküberprüfung (der Eingangsdruck muss einen vorgegebene Wert überschreiten, ein vorgegebener Differenzdruck zwischen Produkt- und Konzentratstrom muss vorhanden sein)
    

4. Durchflussmessern für Produktwasser und Konzentrat
    

5. Leitfähigkeitsmessung des Produktwassers
    

6. Automatikventilen, Absperrarmaturen, Manometern, Probenahmehähne
    

7. Spannungsversorgung und Mikroprozessorsteuerung (optional SPS)

Abbildung 14: Fließschema einer Elektrodeionisation

  »      Anwendungsbereiche

Speisewasseraufbereitung für Dampferzeuger

Kesselspeisewasser muss bestimmte Qualitätsanforderungen erfüllen, um Dampferzeuger schadensfrei und sicher betreiben zu können. Die Anforderungen werden von der Bauart, dem Betriebsdruck und den Betriebsbedingungen bestimmt. Mit der zunehmenden Optimierung der Kesselbauarten in Hinsicht auf eine wirtschaftliche Betriebsweise steigen die Qualitätsanforderungen an das Speisewasser. Durchlaufkessel, Einspritzkühler zur Dampftemperaturregelung und in der Regel Umlaufkessel > 68 bar erfordern salzfreies Speisewasser, das den Anforderungen der TRD 611 entspricht. Die elektrolytische Leitfähigkeit ist dabei auf 0,2 µS/cm und der Kieselsäuregehalt auf 20 µg/l begrenzt. Die benötigten Speisewassermengen im Bereich industrieller Produktion sind dabei beträchtlich und können im Bereich von 10 bis 100 m^³/h liegen. Diese Anforderungen können sicher mit der Kombination RO / EDI eingehalten werden.

Spülwasser für die industrielle Produktion

Mit dem enormen Wachstum der Halbleiterindustrie während der letzten Jahrzehnte sind der Bedarf an Reinstwasser und die Qualitätsanforderungen an Spülwasser in der Produktion dramatisch gestiegen. Mit dem wachsenden Markt für Photovoltaikanlagen wird der Reinstwasserbedarf für die Solarzellenproduktion weiterhin steigen. Prozesse im Bereich der Produktion einer Vielzahl von Anlagen und Zubehörteilen, z.B. optische Geräte oder Geräte zur medizinischen Diagnostik erfordern ebenfalls Reinstwasserqualität. Die Anforderungen an das Spülwasser liegen im 18,2 MOhm-Bereich bei einem Silikatgehalt von unter 20 µg/l. Das mit der Verfahrenskombination RO / EDI produzierte Reinstwasser entspricht dabei den einschlägigen hohen Qualitätsanforderungen nach ASTM D5127-99.

Reinstwasser in der Produktion von Pharmazeutika

Die Elektrodeionisation ist ein kostengünstiges Verfahren zur Wasserentsalzung bei hohen Qualitätsansprüchen. Durch eine nachgeschaltete Membranbarriere (Ultrafiltration oder Umkehrosmose) oder nach Destillation kann das erzeugte Reinstwasser zur Herstellung von Medikamenten oder Injektionswasser (WFI) verwendet werden. Damit werden auch die Bedingungen internationaler Standards (z.B. USP24) eingehalten.

Reinstwasser in Laboratorien

Chemische und biologische Labors in industriellen und staatlichen Forschungseinrichtungen und in Krankenhäusern haben gewöhnlich hohe Anforderungen an die Reinstwasserqualität. Speziell die Reinstwasseranforderungen für hochempfindliche Geräte in der Spurenanalytik (AAS, ICP, MS, HPLC) und auch bei biomedizinischen Anwendungen erfordern Reinstwasser im 18 MOhm-Bereich. Es können alle drei Qualitäten nach DIN ISO 3696 erreicht werden. Durch die Kombination RO/EDI kann die geforderte Qualität, ggf. mit nachgeschalteter Mikrofiltration oder Destillation kostengünstig eingehalten werden.