Nachdem die prinzipiellen Auswirkungen einer inline-Flockung auf Filtration und Foulingmecha-nismen bei Einsatz von in-out betriebenen Kapillarmembranen dargestellt wurden, soll im Folgenden der Einfluss der Betriebsparameter und Flockungsbedingungen auf den Flockentransport und die Deckschichtverteilung untersucht werden. Dazu wurden in weiteren Versuchen die Beschickungs-richtung des Moduls, der mittlere Gesamtflux, das Flockungsmittel und die eingesetzte FM-Kon-zentration variiert. Eine detailliertere Darstellung der jeweiligen Ergebnisse sowie weiterführende Abbildungen finden sich in Anhang G, während sie an dieser Stelle nur zusammenfassend dargestellt werden. Tabelle 9.1 zeigt die gemessenen auf den Wert der unbeladenen Kapillare normierten Fluxdifferenzen (ΔJi) und die relative Flockenverteilung (wFL) in den Modulsegmenten (S1-S4) am jeweiligen Versuchsende unter Variation der Betriebs- und Flockungsbedingungen.
Hinsichtlich der Beschickungsrichtung deuten die Flux- und Druckdaten darauf hin, dass es bei Spei-sung des Moduls von oben (top-down) verglichen mit dem, im vorangegangenen Abschnitt betrach-teten bottom-up-Modus, zu einer stärkeren Ansammlung von Flocken am Kapillarende kommt, wäh-rend die Zunahme des axialen Druckverlustes geringer ausfällt (vgl. auch Abbildung A.44 und Ab-bildung A.45 in Anhang G). Die Verteilung der Fe-Masse unterstützt diese These, da über die Hälfte der Gesamtmasse (im Mittel 54 %) am Ende des Versuches am Kapillarende detektiert wurden, wäh-rend die restliche Fe-Masse eine relativ gleichmäßige Verteilung über die verbleibenden Segmente aufweist, welche sich mit 11 bis 17 % jedoch auf geringerem Niveau als bei der bottom-up-Filtration befindet. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass bei dieser Beschickungsrichtung die Gravita-tionskräfte in Richtung der Fluidströmung wirken und die Flocken, aufgrund ihrer im Vergleich zum Fluid höheren Dichte, somit zusätzlich Kräften in Richtung des Kapillarendes ausgesetzt sind. So ist vorstellbar, dass diese entweder bereits beim Anströmen der Kapillare in größerer Entfernung zum Kapillareinlass abgelagert werden oder erst nach der Abscheidung auf der Membranoberfläche suk-zessive nach unten in Richtung des dead-end der Kapillare sedimentieren.
Die Versuche unter Variation des mittleren Gesamtfluxes wurden, durch Anpassung der Filtrationszeit, so durchgeführt, dass am Ende eines Filtrationszyklus die mittlere FM-Masse pro Membranfläche in den Kapillaren in allen Versuchen identisch war (ca. 780 mg Fe3+·m-2). So können Änderungen in der gemessenen Fluxverteilung und FM-Anteilen in den Einzelsegmenten allein auf den unterschiedlichen mittleren Gesamtflux zurückgeführt werden. Dabei zeigte die relative Vertei-lung der FM-Masse (siehe auch Abbildung A.46 in Anhang G) mit steigendem mittleren Gesamtflux eine vermehrte Ansammlung von Flocken am Kapillarende, während der Anteil im ersten Modul-segment sukzessive abnimmt. Durch einen höheren mittleren Gesamtflux steigt die axiale Strö-mungsgeschwindigkeit in der Kapillare, was einen vermehrten Transport der Flocken in Richtung Kapillarende nach sich zu ziehen scheint. Zudem ist, durch die höhere Turbulenz, auch eine Zunahme der Flockengröße bei höheren Strömungsgeschwindigkeit in der Reaktionsstrecke des FM bzw. im Kapillarraum denkbar (Duan und Gregory, 2003; Bartel, 2002), welche Transport entlang der Kapil-lare zusätzlich befördern würde. Mit zunehmendem Gesamtflux zeigt sich jedoch eine weniger starke Verschiebung des relativen Fluxes zum Kapillareingang (Abbildung A.46 bzw. für AlCl3 in Abbil-dung A.47 in Anhang G). So scheint das höhere Druckniveau in der Kapillare bei höherem mittleren Gesamtflux zu einer Kompression der Deckschicht zu führen (vgl. Kapitel 8.1) und so einen zuneh-menden radialen Druckverlust zu verursachen, welcher einem Kippen des Fluxprofils entgegenwirkt (vgl. Abbildung 9.5, Fall a und Abbildung A.40 in Anhang G).
Flockentransport und Deckschichtverteilung in in-out betriebenen dead-end Kapillarmembranen Tabelle 9.1: Einfluss der Betriebs- und Flockungsbedingungen (Beschickungsrichtung; Flux; FM-Art;
FM-Konzentration) auf die gemessenen relativen Fluxdifferenzen (ΔJi) und die relative Flockenvertei-lung (wFL) in den Kapillarsegmenten (S1-S4) am jeweiligen Versuchsende (↑ = Anstieg; ↓ = Abnahme) Beschickungsrichtung (GW6.4; FeCl3; 6,0±0,6 mg Fe3+·L-1; 3 FZ; tF = 90 min; J = 90 L·m-2·h-1)
bottom-up top-down
ΔJi wFL
Simultanes Auftreten von
• Flockenablagerungen über ge-samte Kapillarlänge (Δpaxial ↑)
• Vermehrte Flockenansammlung Ka-pillarlänge nimmt ab (Δpaxial ↓)
S4 -41% 41% +42% 15%
• Flockentransport ans dead-end wird begünstigt (Δpaxial ↓; lKap ↓)
• radialer Widerstand durch Deck-schichtkompaktion wirkt ge-samte Kapillarlänge (Δpaxial ↑)
• Vermehrte Flockenansammlung
• Grenzdurchmesser, der den Transport ans dead-end
• Höhere Beladung des Kapillar-raumes
• Größere Flockendurchmesser durch höhere Kollisionswahr-scheinlichkeit
• Vermehrter Flockentransport ans dead-end wird begünstigt (lKap ↓)
S4 -12% 22% -41% 41% -54% 47%
S3 -9% 23% -19% 22% -8% 21%
S2 +3% 30% +9% 22% +14% 24%
S1 +17% 25% +30% 16% +32% 8%
Dead- endFeed
permeable Kapillare Dead-end Feed
permeable Kapillare
Bei Verwendung von AlCl3 als Flockungsmittel zeigen sich, bei guter Reproduzierbarkeit der Ver-suche, gleiche generelle Trends (Verschiebung des Fluxes hin zum Kapillareingang unter Abnahme des Fluxes am dead-end der Kapillare), die bereits beim Einsatz von FeCl3 beobachten wurden (vgl.
Abbildung A.48 in Anhang G). Es lassen sich jedoch einige prinzipielle Unterschied erkennen. Bei Einsatz von AlCl3 zeigt sich im Vergleich zu FeCl3 eine homogenere Verteilung der Fluxe. Dies deutet auf eine gleichmäßigere Verteilung der Deckschicht über die Kapillarlänge und einen größe-ren Beitrag des axialen Druckverlustes als die Ablagerung von Flocken am Kapillagröße-rende hin (siehe Modellierung der parallel auftretenden theoretischen Foulingmechanismen in Abbildung A.40 in Anhang G). Die relative Flockenverteilung über die Kapillarlänge zu Versuchsende (Abbildung A.48, rechts) bestätigt dies. Im Mittel wird zwar auch beim Einsatz von AlCl3 mit 28 % im letzten Modulsegment die größte Masse an Feststoffen detektiert, jedoch zeigt sich eine wesentlich homo-genere Verteilung über die gesamte Kapillarlänge. Da alle Betriebsbedingungen (Flux, Filtrations-zeit, Beschickungsrichtung) und somit auch die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in axialer und radialer Richtung in der Kapillare identisch zu den Versuchen mit FeCl3 sind, kommen als Gründe für das unterschiedliche Verhalten der Flockungsmittel nur Unterschiede in den Flockeneigenschaf-ten in Frage. So scheint ein größerer mittlerer Durchmesser der Fe-Flocken (Lindqvist et al., 2004;
Ratnaweera et al., 1999) zu einer späteren Abscheidung führen und für eine vermehrte Ansammlung am toten Ende der Kapillare verantwortlich sein (Rautenbach und Albrecht, 1981).
Hinsichtlich der FM-Konzentration, nimmt erwartungsgemäß mit dessen Steigerung das Ausmaß der Verschiebung der Fluxverteilung deutlich zu (siehe auch Abbildung A.49 und Abbildung A.50 in Anhang G). Für FeCl3 zeigt sich bei der geringsten eingesetzten Konzentration von 0,054 mmol Fe3+·L-1 jedoch nicht die bereits bei höherer FM-Dosierung beobachtete überproportio-nale Abnahme des Fluxes im letzten Segment, welche auf eine vermehrte Flockenablagerung am Kapillarende hindeuten würde. Die Fluxverschiebung ist relativ homogen, so dass hier die Zunahme des axialen Druckverlustes über die gesamte Kapillarlänge der bestimmende Foulingmechanismus ist, was durch gleichmäßig verteilte FM-Masse über die Kapillarlänge nach Ende dieses Versuches bestätigt wird. Mit zunehmender FM-Konzentration nimmt vor allem der relative Flux im Segment nahe des Modulauslasses ab. Mit ansteigender FM-Konzentration steigt die Kollisionswahrschein-lichkeit der Flocken in der Reaktionsstrecke und in der Kapillare, woraus ein gesteigertes Flocken-wachstum und größere Flockendurchmesser resultieren können (Bratby, 2008; Duan und Gregory, 2003; Bartel, 2002). Mit zunehmendem Flockendurchmesser verschiebt sich der theoretische Abla-gerungspunkt entlang der Kapillare, so dass größere Flocken bis ans Kapillarende transportiert wer-den können (Panglisch, 2001). So erscheint es plausibel, dass erst ab einer bestimmten FM-Konzent-ration der dazu nötige Flockendurchmesser erreicht wird und es zu einer vermehrten Flockenablage-rung am Kapillarende kommt. Bei Verwendung von AlCl3 scheint diese FM-Konzentration deutlich höher zu sein, als bei FeCl3, so dass erst bei der höchsten eingesetzten Konzentration (0,430 mmol Al3+·L-1) eine höhere FM-Masse im letzten Segment detektiert wurde (siehe Abbildung A.50 in Anhang G).
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Betriebs- und Flockungsbedingungen das Filtrations-verhalten und Deckschichtverteilung innerhalb der Kapillare wesentlich kontrollieren. Gleicherma-ßen lässt sich durch Anpassung dieser Parameter direkt auf das Filtrationsverhalten Einfluss nehmen.
Eine Kenntnis des jeweiligen Zusammenhangs zwischen den gewählten Betriebs- und Flockungsbe-dingungen und der zu erwartenden Deckschichtdynamik stellt somit eine wichtige Grundlage für die Optimierung der Betriebs- und Rückspülbedingungen dar.
Flockentransport und Deckschichtverteilung in in-out betriebenen dead-end Kapillarmembranen