Abbildung 9.1 (links) zeigt Modellierungsergebnisse (vgl. Kapitel 4.7.2) der mittleren axialen Strö-mungsgeschwindigkeit und des Fluxes in Abhängigkeit von der Kapillarlänge des hier verwendeten Moduls bei einem mittleren Gesamtflux von 90 L·m-2·h-1. Trotz des dead-end-Betriebes liegt über die gesamte Kapillarlänge eine Überströmung vor, welche erst am Kapillarende einen Betrag von 0 annimmt. Bei einem Flux von 90 L·m-2·h-1, gegebener Membrangeometrie (inge multibore®, d = 0.9 mm) und Bauform des hier verwendeten Moduls beträgt die mittlere axiale Geschwindigkeit
am Moduleinlass ca. 0,14 m·s-1. Neben dem konvektiven Transport in radialer Richtung, orthogonal zur Membranoberfläche, wirken demnach auch axiale Kräfte auf Partikel oder Flocken in der Feed-lösung, welche zu deren Migration innerhalb der Kapillare führen können (Carroll und Booker, 2000;
Lerch, 2008; Heijman et al., 2005; Panglisch, 2003). Während gelöste Substanzen und sehr kleine Partikel weitgehend den Stromlinien des reinen Fluides folgen (Abbildung 9.1, rechts), stellte Pang-lisch (2001) fest, dass auf Partikel mit wachsendem Durchmesser immer stärkere Kräfte in die Mitte des Strömungsprofils wirken, welche ab einer bestimmten Partikelgröße deren Ablagerung verhin-dern. Die Größe, die er als Grenzdurchmesser bezeichnet, hängt dabei vom Filtratflux, der Partikel-konzentration, der Kapillargeometrie sowie den Partikeleigenschaften ab. Panglisch (2001) folgerte aufgrund theoretischer Überlegungen, dass sich Bereiche innerhalb der Kapillare ausbilden müssen, in denen sich keine oder deutlich weniger Partikel ablagern, als in anderen Bereichen und es so zu einer nicht homogen ausgebildeten Deckschicht kommt. Aufgrund fehlender Möglichkeiten, die Fil-terkuchenverteilung in von innen nach außen betriebenen Kapillarmembranen messtechnisch zu er-fassen, existieren bisher jedoch nur wenige, experimentelle Studien zur Beschreibung der Dynamik von Flocken oder Partikeln in permeablen Kapillaren.
Abbildung 9.1: Modellierung der Strömungsbedingungen in einer permeablen Kapillare; Links: Mitt-lere axiale Überströmgeschwindigkeit und Filtratflux über die Kapillarlänge bei einem Gesamtflux von 90 L·m-2·h-1; Rechts: Stromlinien eines reinen Fluides innerhalb der Membrankapillare (d = 0,9 mm;
J = 90 L·m-2·h-1) (nach Pohl, 2016)
Großtechnische UF-Anlagen in der kommunalen Trinkwasseraufbereitung werden fast ausschließ-lich im constant-flux Modus betrieben (vgl. Kapitel 2.4.4), da diese Betriebsweise verfahrenstech-nisch einfacher zu realisieren ist und meist eine konstante Aufbereitungsmenge erforderlich ist. Dies bedeutet, dass der über die gesamte Membranfläche eines Moduls gemittelte Filtratfluss, welcher im Folgenden als „mittlerer Gesamtflux“ bezeichnet wird, durch eine dementsprechende Regelung der Feedpumpe konstant gehalten wird. Innerhalb in-out betriebener Kapillarmembranen treten bei der Durchströmung der Kapillaren jedoch Reibungsverluste auf, so dass der Druck und somit auch die Triebkraft der Filtration entlang der Kapillare sinken. Dies führt zu einer inhomogenen Fluxvertei-lung (Abbildung 9.1, links). Nahe des Kapillareinganges ist der theoretische Fluss pro Membranflä-che deutlich größer und nimmt mit zunehmender Entfernung zum Kapillareinlass ab. Da der mittlere Gesamtflux konstant ist, führt eine Abnahme des örtlichen Fluxes in einem Teil der Kapillare zwangsläufig zu einer Zunahme in einem anderen Modulsegment, wodurch es zu einem Kippen des
0 25 50 75 100
0,00 0,05 0,10 0,15
0 30 60 90 120
Flux / L·m-2·h-1
mittlere axiale Geschwindigkeit / m·s-1
Entfernung vom Kapillareinlass / cm
0 30 60 90 120
-0,45 0 0,45
axiale Position / cm
radiale Position / mm
Flockentransport und Deckschichtverteilung in in-out betriebenen dead-end Kapillarmembranen Fluxprofils um den mittleren Gesamtflux kommt. So ergibt bereits die Modellierung der Fluxvertei-lung in einer unbeladenen Kapillare (Abbildung 9.1, links) bei einem mittleren Gesamtflux von 90 L·m-2·h-1, dass der Flux am Kapillareingang 106 L·m-2·h-1 beträgt und über die Kapillarlänge auf-grund der Druckverlustes durch Reibung innerhalb der Kapillare bis auf 82 L·m-2·h-1 abfällt.
In diesem Kapitel sollen die Druckverluste und Fluxverteilungen über die Kapillarlänge des im Rah-men dieser Arbeit entwickelten, unbeladenen Moduls zunächst durch Versuche mit Reinstwasser während der reinen Durchströmung der Feedkanäle (forward-flush), der Filtration und Rückspülung charakterisiert und durch vergleiche mit Modellierungsergebnissen evaluiert werden. Damit soll die Eignung des Versuchsaufbaus zur Beschreibung des Flockentransportes und der Deckschichtvertei-lung in in-out betriebenen dead-end Kapillarmembranen geprüft werden.
9.1.1 Druckverlust
Forward-Flush
Abbildung 9.2 (links) zeigt den gemessenen Druckverlust bei Durchströmung der Kapillaren ohne Filtration (forward-flush) bei verschiedenen Volumenströmen unter Beschickung des Moduls von unten (bottom-up) beziehungsweise von oben (top-down) zusammen mit dem nach Hagen-Poiseuille berechneten theoretischem Druckverlust (Lage, 1998).
Erwartungsgemäß steigt der durch Reibung verursachte Druckverlust linear mit dem Volumenstrom und ist unabhängig von der Strömungsrichtung innerhalb der Kapillare. Der gemessene Druckverlust unterscheidet sich leicht von dem theoretisch berechneten, so dass dessen Steigung etwa 17 % über dem theoretischen nach Hagen-Poiseuille berechneten Druckverlust liegt, welcher eine ideale Rohrströmung durch eine homogene Kapillare mit einheitlichem Durchmesser annimmt. Gründe für diese Abweichung könnten darin bestehen, dass durch erwartungsgemäß nicht ganz homogene Durchmesser aller 56 Kapillaren des Moduls oder durch die nicht-einheitliche Verteilung des Feedstroms über alle Kapillaren, lokal höhere Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, welche zu ei-nem höheren Reibungsverlust führen.
Filtration
In Abbildung 9.2 (rechts) ist der gemessene feedseitige Druckverlust, als Differenz zwischen den Drucksensoren am Einlass und Auslass des Membranmoduls, bei der Filtration von Reinstwasser bei verschiedenen Volumenströmen unter Beschickung des Moduls von unten (bottom-up) bzw. von oben (top-down) dargestellt. Zudem ist der mit dem Modell (vgl. Abschnitt 4.7.2) berechnete, theo-retische Druckverlust unter der Annahme einer Permeabilität der Membran von 700 L·m-2·h-1·bar-1 gezeigt. Der Druckverlust steigt auch während der Filtration linear mit dem Feedvolumenstrom an.
Aufgrund der Permeation des Wassers durch die Membran und dem damit verbundenen, abnehmen-dem Volumenstrom, welcher in einer geringeren axialen Strömungsgeschwindigkeit über die Kapil-larlänge resultiert, liegt der axiale Druckverlust während der Filtration deutlich unter dem bei reiner Durchströmung der Kapillare (vgl. Abbildung 9.2, links). Dennoch zeigt sich, dass der Reibungsver-lust den tatsächlichen Druck, als Triebkraft für die Filtration, erheblich, z. B. um mehr als 60 mbar bei einem Flux von 120 L·m-2·h-1 (≈ 25 L·h-1), über die Kapillarlänge verringern kann. Dies ist be-merkenswert, wenn man bedenkt, dass der TMP bei Betrieb der hier verwendeten UF-Membranen üblicherweise im Bereich < 400 mbar liegt. Die Steigung des Druckverlustes mit dem Volumenstrom
liegt auch hier etwa 16 % über dem theoretisch berechneten Wert. Zusätzlich zu den bereits genann-ten Gründen bei der reinen Durchströmung, kommt bei der Filtration hinzu, dass die einzelnen Ka-pillaren der inge multibore® Fasern vermutlich eine nicht ganz einheitliche Permeabilität aufweisen.
Zudem ist der Druckverlust der Stützschicht zu beachten, dessen zu durchströmende Mächtigkeit abhängig von der radialen Austrittsrichtung des Wassers in der Kapillare variieren kann. So ist ins-besondere bei Permeation aus der zentral liegenden Kapillare der Faser, durch den deutlich längeren Strömungsweg zum Äußeren der Faser ein höherer Druckverlust zu erwarten. Abgesehen von diesen kleineren Abweichungen, entspricht das Verhalten des Moduls bezüglich des Druckverlustes jedoch weitestgehend den theoretischen Erwartungen, so dass angenommen wird, dass der hier verwendete Messaufbau die Druckverhältnisse in in-out betriebenen dead-end Kapillarmembranen hinreichend genau abbildet.
Abbildung 9.2: Axialer Druckverlust (abzüglich hydrostatischer Druckdifferenzen) bei Durchströmung der inge multibore® 0.9 Kapillarmembran mit Reinstwasser bei Betrieb ohne (forward-flush) (links) und mit Filtration (rechts) bei verschiedenen Volumenströmen sowie der theoretische Druckverlust nach Hagen-Poiseuille (links) bzw. modelliert (vgl. Abschnitt 4.7.2) (rechts)
9.1.2 Flux-Verteilung
Filtration
Das unbeladene Membranmodul wurde des Weiteren mit Reinstwasser bei mittleren Gesamtfluxen von 60 bis 120 L·m-2·h-1 unter Beschickung des Moduls von unten (bottom-up) bzw. von oben (top-down) betrieben. Abbildung 9.3 zeigt die gemessenen Fluxverteilung über die normierte Kapillar-länge in den einzelnen Filtratsegmenten (Rauten). Dabei ist zu beachten, dass zur besseren Veran-schaulichung, die Kapillarlänge immer auf den unteren Kapillareinlass normiert wurde, obwohl z. B.
in Abbildung 9.3 (rechts) die Beschickung des Moduls von oben, also bei einer normierten Kapillar-länge von 1,0, erfolgte. Zudem sind die mit dem in Abschnitt 4.7.2 vorgestellten Modell, berechne-ten, theoretischen Fluxverteilung dargestellt (Linien). Die Unterbrechungen in den Verläufen der modellierten Fluxverteilungen sind der Tatsache geschuldet, dass die eingebrachten Verklebungen zur Segmentierung des Moduls im Modell als impermeable Rohrstücke implementiert wurden, in denen kein Flux vorliegt.
Im Modell zeigt die Beschickungsrichtung des Moduls (bottom-up vs. top-down) nur einen gering-fügigen Einfluss auf die Fluxverteilung. Die gemessenen Fluxverteilungen stimmen sehr gut mit den
0 50 100 150 200
0 5 10 15 20 25 30
Axialer Druckverlust / mbar
Volumenstrom / L·h-1 bottom-up top-down theoretisch
Δpbu= 5,48 mbar·h·L-1 , R² = 0,999 Δptd= 5,36 mbar·h·L-1 , R² = 0,998 Δptheor= 4,46 mbar·h·L-1
0 50 100 150 200
0 5 10 15 20 25 30
Axialer Druckverlust / mbar
Volumenstrom / L·h-1
Δpbu= 2,47 mbar·h·L-1 , R² = 0,998 Δptd= 2,60 mbar·h·L-1 , R² = 0,998 Δptheor= 2,18 mbar·h·L-1
Flockentransport und Deckschichtverteilung in in-out betriebenen dead-end Kapillarmembranen modellierten Daten überein. Der tatsächliche Flux in den Einzelsegmenten nimmt mit zunehmendem Abstand zum Einströmquerschnitt sukzessive ab, so dass sich ein ausgeprägter Fluxgradient über die Kapillarlänge einstellt, dessen Durchschnitt dem jeweiligen mittleren Gesamtflux entspricht. Die ge-messene Fluxverteilung bestätigt demnach, dass, infolge des bei der Durchströmung auftretenden Reibungsverlustes, der Druck und somit auch die Triebkraft der Filtration entlang der Kapillare sin-ken, wodurch es zu einer inhomogenen Fluxverteilung kommt.
Abbildung 9.3: Gemessene (Rauten) und modellierte (Linien) Fluxverteilung über die Kapillarlänge in den Modulsegmenten unter variierendem Gesamtflux bei der Filtration mit Reinstwasser mit Beschi-ckung des Moduls von unten (links: bottom-up) bzw. von oben (rechts: top-down)
Bei den gemessenen Werten zeigt die Fluxverteilung im top-down Modus eine etwas ausgeprägtere Neigung und größere Abweichung von den modellierten Werten, was möglicherweise den abwei-chenden hydrostatischen Gegendrücken bei der Beschickung des Moduls von oben geschuldet ist.
Bei einem mittleren Gesamtflux von 90 L·m-2·h-1 beträgt der Flux im bottom-up Modus im Segment nahe des Kapillareingang 103 L·m-2·h-1 und sinkt über die Kapillarlänge bis auf 81 L·m-2·h-1 ab. Im top-down Modus ist der Gradient noch ausgeprägter, so dass der Flux vom ersten zum letzten Seg-ment von 109 L·m-2·h-1 auf 73 L·m-2·h-1 absinkt. Die relative Variation um den mittleren Gesamtflux zeigt sich unabhängig von dessen Betrag und weist bei allen untersuchten Fluxen etwa den gleichen Wert auf. So variiert der tatsächliche Flux in einzelnen Segmenten der hier verwendeten Kapillar-membranen um ± 15 % im bottom-up Modus und um bis zu ± 22 % im top-down Betrieb um den mittleren Gesamtflux. Das Modell ist in guter Übereinstimmung mit den gemessenen Daten und wird im Folgenden zu theoretischen Überlegungen des Einflusses verschiedener Foulingmechanismen und zur qualitativen Bewertung der beobachteten Effekte bei der Filtration realer Wässer herange-zogen.
Backwash
Analog zu den Beobachtungen bei der Filtration, ist auch bei der Rückspülung eine, dem Reibungs-verlust bei der Durchströmung der Kapillare geschuldete, inhomogene Fluxverteilung über die Ka-pillarlänge zu erwarten. Bei der Rückspülung wird die Strömungsrichtung des Wassers umgekehrt und die Membranfaser durch filtratseitige Beaufschlagung mit Druck mit vorher produziertem Filtrat
60 lmh 70 lmh 80 lmh 90 lmh 100 lmh 110 lmh 120 lmh
60 lmh mod. 70 lmh mod. 80 lmh mod. 90 lmh mod. 100 lmh mod. 110 lmh mod. 120 lmh mod.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 50 100 150
normierte Kapillarlänge /
-Flux / L·m-2·h-1 bottom-up
Strömungsrichtungin der Kapillare
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 50 100 150
normierte Kapillarlänge /
-Flux / L·m-2·h-1 top-down
Strömungsrichtungin der Kapillare
von außen nach innen zurückgespült. Das Wasser tritt also über die gesamte Länge in die Kapillare ein und verlässt diese entweder am oberen (top-out) oder unteren (bottom-out) Kapillarende. Abhän-gig vom Eintrittspunkt in die Kapillare muss das Wasser demnach eine variierende Wegstrecke in-nerhalb der Kapillare bis zu ihrem Auslass zurücklegen. Auf dieser Wegstrecke erfährt es wiederum einen Reibungsdruckverlust, welcher bei der Rückspülung quasi zusätzlich aufgebracht beziehungs-weise überwunden werden muss.
Der größte Flux ist somit nahe des Kapillarauslasses zu erwarten, was durch die gemessene Fluxver-teilung in den Einzelsegmenten bei variierendem mittlerem Gesamtflux während der Rückspülung mit Reinstwasser unabhängig vom Rückspülmodus (top-out vs. bottom-out) bestätigt wird (Abbil-dung 9.4). Auch während der Rückspülung zeigt sich ein ausgeprägter Fluxgradient entlang der Ka-pillarlänge mit abnehmenden tatsächlichen Flux mit zunehmender Entfernung zum Kapillarauslass.
Analog zu den Ergebnissen während der Filtration, zeigt sich auch bei der Rückspülung eine etwas stärkere Ausprägung des Fluxgradienten im top-out Modus.
Abbildung 9.4: Gemessene tatsächliche Fluxverteilung über die Kapillarlänge in den Modulsegmenten unter variierendem mittlerem Gesamtflux bei der Rückspülung mit Reinstwasser nach oben (links: top-out) bzw. nach unten (rechts: bottom-top-out) aus dem Modul
Der Hersteller der hier verwendeten Membran empfiehlt für den Betrieb einen mittleren Rückspül-flux von 230 L·m-2·h-1. Damit ergibt sich beispielsweise im top-out Modus, welcher in der Praxis eine häufig verwendete Rückspülstrategie bei der vorherigen Beschickung des Moduls von unten (bottom-up) darstellt, im Segment nahe des Modulauslasses ein Flux von 285 L·m-2·h-1. Im Segment mit der weitesten Entfernung zum Modulauslass hingegen beträgt dieser lediglich 178 L·m-2·h-1. Eine effiziente Rückspülung der gesamten Membranfläche ist essentiell für einen nachhaltigen Be-trieb von UF-Anlagen auf einem geringen Druckniveau. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass bereits bei einer unbeladenen Kapillarmembran zusätzliche Widerstände auftreten, die auf Reibungsverlus-ten innerhalb der Kapillare beruhen, und so der gleichmäßigen Rückspülung der gesamReibungsverlus-ten Memb-ranfläche entgegenstehen. Diese können sich, insbesondere bei ungünstig gewählter Rückspülstrate-gie, erheblich auf die hydraulische Reversibilität des auftretenden Foulings bei der Filtration realer Wässer auswirken, worauf in 9.4 näher eingegangen wird.
150 lmh 170 lmh 190 lmh 210 lmh 230 lmh 250 lmh 270 lmh
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 100 200 300 400
normierte Kapillarlänge /
-Flux / L·m-2·h-1 top-out
Strömungsrichtungin der Kapillare
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 100 200 300 400
normierte Kapillarlänge /
-Flux / L·m-2·h-1
bottom-out
Strömungsrichtungin der Kapillare
Flockentransport und Deckschichtverteilung in in-out betriebenen dead-end Kapillarmembranen