Als Ingenieur für industrielle Abwasserbehandlungsanlagen sehen wir uns häufig mit komplexen chemischen Herausforderungen konfrontiert. Eine der problematischsten Substanzen bei der Planung und dem Betrieb von Umkehrosmoseanlagen ist Silizium, insbesondere in Form von Siliziumdioxid (SiO₂) oder Kieselsäure (H₄SiO₄). Diese Verbindungen treten in unterschiedlichen Formen und Konzentrationen im Roh- und Prozesswasser auf und können erhebliche Probleme in der Wasseraufbereitung verursachen.
Inhaltsverzeichnis
Die Problematik von Silizium und Siliziumverbindungen
Silizium ist in Oberflächengewässern, Stadtwasser, Grundwasser, Prozesswasser und Abwasser in vielfältigen Formen vorhanden, darunter:
- Kolloidales Siliziumdioxid: Fein verteilte Partikel, die schwer abzutrennen sind und zur Verblockung der Membranoberfläche führen.
- Gelöste Kieselsäure: Diese kann schwerlösliche Silikate bilden, die bei der Konzentration in der Umkehrosmose chemisch ausfallen können.
- Komplexierte Siliziumverbindungen: In Kombination mit anderen Ionen wie Kalzium oder Magnesium entstehen schwerlösliche Silikate, die sich unter bestimmten Bedingungen auf Membranen ablagern.
- Polymerisiertes Silizium: In höheren Konzentrationen und bei pH-Schwankungen kann sich Silizium polymerisieren, was die Entfernung weiter erschwert.
Herkunft von Silizium in Abwässern und Prozesswässern
Die Konzentration und Form von Silizium im Wasser hängt stark von der Herkunft des Wassers ab:
- Grundwasser: Enthält häufig gelöste Kieselsäure, die durch den Kontakt mit silikatreichen Gesteinen wie Quarz in das Wasser gelangt.
- Oberflächenwasser: Kann sowohl kolloidales als auch gelöstes Siliziumdioxid enthalten, insbesondere in Regionen mit hohem mineralischem Eintrag.
- Industrielle Abwässer: Prozesse wie Glasherstellung, Elektronikfertigung oder chemische Produktion führen oft zu erhöhten Siliziumkonzentrationen. Besonders kritisch sind Rückstände aus Reinigungsprozessen und chemischen Behandlungen.
- Kühl- und Spülwässer: Hier reichert sich Silizium aus dem Grundwasser, Flusswasser oder Stadtwasser durch Verdunstung und Recyclingprozesse an.
Warum ist Silizium so problematisch?
Die Ausfällung von Siliziumverbindungen ist stark von den spezifischen Bedingungen wie pH-Wert, Temperatur und Ionenstärke abhängig. Dies macht es schwierig, eine genaue Ausfällgrenze zu definieren. Zudem können unterschiedliche Siliziumverbindungen eine Vielzahl von Ablagerungsprodukten bilden, darunter:
- Amorphe Silikate
- Kristalline Ablagerungen wie Quarz
- Komplexe Mischprodukte mit Kalzium, Magnesium oder Aluminium
Diese Ablagerungen sind extrem hartnäckig und chemisch stabil, wodurch sie sich nur schwer entfernen lassen.
Foto: Unsere Umkehrosmoseanlage ALMA OSMO Process für die Herstellung von Prozesswasser aus Abwasser (Wasserrecycling)
Auswirkungen von Silizium auf Umkehrosmoseanlagen
Die präsente Konzentration von Silizium kann sich auf unterschiedliche Weise negativ auf den Betrieb einer Umkehrosmoseanlage auswirken:
1. Scaling (Ablagerungen)
Silizium kann bei hohen Konzentrationen oder ungünstigen pH-Werten unlösliche Silikate bilden. Diese lagern sich auf der Membranoberfläche ab und reduzieren den Wasserfluss (Flux) sowie die Salzrückhalterate. Besonders kritisch ist dies bei der Behandlung von Brack- oder Meerwasser, wo Siliziumkonzentrationen höher sind.
2. Schäden an der Membranstruktur
Einmal ausfallende Siliziumverbindungen können nicht nur die Filtrationsleistung der Membran beeinträchtigen, sondern auch mechanische Schäden verursachen. Die Ablagerungen wirken wie eine Barriere, die den Betrieb der Membran belastet und zu Druckverlusten führt.
3. Erhöhte Betriebskosten
Ablagerungen führen zu einem höheren Druckverlust über die Membranmodule. Dies erfordert mehr Energie, um die gewünschte Permeatleistung zu erzielen. Zusätzlich steigern häufige chemische Reinigungen (CIP) die Betriebskosten.
4. Unvorhersehbare Probleme durch komplexe Verbindungen
Die Vielzahl möglicher Siliziumverbindungen und deren Verhalten im Wasser erschweren die präzise Vorhersage von Problemen. Skalierung tritt oft unerwartet auf, was zu unvorhergesehenen Wartungsintervallen und Betriebsstörungen führt.
Lösungsansätze zur Siliziumproblematik
Die wirksame Handhabung von Silizium in Umkehrosmoseanlagen erfordert eine Kombination aus präventiven und reaktiven Maßnahmen. Folgende Strategien haben sich in der Praxis bewährt:
1. Optimierung der Vorbehandlung
Die Vorbehandlung des Rohwassers ist entscheidend, um Silizium bereits vor der Umkehrosmose zu entfernen oder zu reduzieren:
- Ultrafiltration (UF): Effektiv zur Entfernung von kolloidalem Silizium.
- Flockung und Sedimentation in CP-Anlagen: Chemische Fällungsmittel wie Aluminiumsalze oder Eisenchlorid können kolloidales Silizium zu größeren Partikeln aggregieren, die leichter abzutrennen sind.
- Ionenaustauscher: Bei gelöstem Silizium können Ionenaustauscher zur Reduktion beitragen.
Foto: Unsere stark basischen Anionenaustauscher ALMA ION zur Entfernung von Siliziumdioxid mit vorgeschalteten Mehrschichtfiltern ALMA FIL
2. Antiscalants für Silizium
Speziell entwickelte Antiscalants können die Bildung von Silikatablagerungen effektiv hemmen. Diese Chemikalien binden an gelöste Siliziumverbindungen und verhindern deren Ausfällung. Neuere Entwicklungen auf diesem Gebiet zeigen vielversprechende Ergebnisse bei der Hemmung auch komplexer Silikatverbindungen.
3. Betriebsparameter optimieren
Durch die Anpassung der Betriebsbedingungen lassen sich Siliziumablagerungen minimieren:
- Reduzierung der Recovery-Rate: Eine niedrigere Wiedergewinnungsrate verringert die Konzentration von Silizium im Konzentratstrom und damit die Gefahr von Scaling.
- pH-Kontrolle: Ein leicht saurer pH-Wert kann die Ausfällung von Silikaten hemmen.
- Temperaturmanagement: Die Kontrolle der Betriebstemperatur kann die Neigung zur Polymerisation von Silizium verringern.
4. Regelmäßige Reinigung (CIP)
Ein optimiertes Cleaning-in-Place (CIP)-Verfahren ist entscheidend, um bestehende Ablagerungen zu entfernen und die Membranen vor dauerhaften Schäden zu bewahren. Dabei können hochalkalische Reinigungsmittel oder speziell entwickelte Siliziumlöser zum Einsatz kommen.
5. Online-Überwachung
Moderne Sensorik ermöglicht die kontinuierliche Überwachung der Siliziumkonzentration im Zulauf und Konzentratstrom. Dies erlaubt es, potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen und Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Bedeutung der Siliziumkontrolle
Die Kontrolle von Silizium in Umkehrosmoseanlagen ist nicht nur ein technisches, sondern auch ein wirtschaftliches und ökologisches Thema. Effiziente Maßnahmen zur Siliziumreduktion:
- Verlängern die Lebensdauer der Membranen.
- Reduzieren Betriebskosten durch niedrigere Energiekosten und geringeren Chemikalienverbrauch.
- Tragen zur Betriebssicherheit und Effizienz der gesamten Anlage bei.
Fazit
Silizium und seine vielfältigen Verbindungen stellen eine bedeutende Herausforderung für den Betrieb von Umkehrosmoseanlagen dar. Die Schwierigkeit, klare Ausfällgrenzen zu definieren, macht eine fundierte Planung und sorgfältige Überwachung unverzichtbar. Mit einer durchdachten Kombination aus Vorbehandlung, angepassten Betriebsparametern, Antiscalants und moderner Überwachung lassen sich diese Probleme jedoch erfolgreich meistern.
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