1. Vergleich der einzelnen EDI-Verfahren

1.1. Die bisher betrachteten Ausführungen

Je nach Anwendung und Betriebsbedingungen besitzen dieeinzelnen Varianten Vor- und Nachteile, die vor dem Einsatz zuprüfen sind. So ist zum Beispiel die Verschiebung des pH-Wertesdes Zulaufmediums während der Elektrodeionisation vonBedeutung. Ebenso spielt das Regenerationsverhalten und dieAbhängigkeit der Wasserspaltung von der Salzkonzentration imZulaufmedium eine sehr wichtige Rolle. Generell verhalten sichdie Verfahren mit EL-EDI und BP-EDI getrennter Harzschüttungähnlich, da bei beiden die Wasserspaltung und somit dieRegeneration der Harze unabhängig von der Zulaufkonzentrationist. Da die Ionen aus dem Zulaufmedium direkt über das Harz unddie Membranen in die Konzentratkammer gelangen, entstehenentsprechend steile Konzentrationsfronten; entsprechend hoch istder Grad der Regeneration der Schüttungen im hinteren Bereich,was sich positiv auf die Abtrennung der schwachen Säurenauswirkt. In der zuerst durchströmten Schüttung findet jedoch eineVerschiebung des pH-Wertes statt, was Einfluss auf dieReaktionskinetik in der ersten Kammer hat. Beim Aufbau einesEDI-Stacks mit getrennter Schüttung ist es ratsam, die Kationen-vor die Anionenaustauscherschüttung zu platzieren, da einenegative Beeinflussung des Kationenaustausches speziell inHinblick auf den Rückhalt schwacher Säuren weniger nachteiligist. Da die H+-Ionen eine hohe Beweglichkeit besitzen, läuft derKationenaustausch deutlich schneller ab als der Anionenaustausch.Die Kapazität des Kationenaustauschers ist nahezu doppelt sohoch wie die Kapazität des Anionenaustauschers, so dass dieniedrige Gleichgewichtskonstante des Kationenaustausches vonH+ / Na+ durch einen deutlich höheren Regenerationsgrad desAnionentauscherharzes kompensiert, je nach Harze teilweise sogarüberkompensiert wird. Der Regenerationsgrad des Anionen -tauscherharzes ist letztlich die bestimmende Größe bei derAbtrennung schwacher Säuren. Bei niedrigem pH-Wert findet dieAbscheidung schneller statt, da die Ionenfront der starkdissoziierten Anionen weniger weit in die Schüttung vordringt,

was einen schnelleren Anstieg des Regenerationsgrades desAnionentauscherharzes in Strömungsrichtung bedeutet. Zudem istder Diffusionskoeffizient des molekularen Kohlendioxids größerals die Koeffizienten der Kohlensäure und deren ionischenFormen. Ebenso liegt ein merklicher Anteil der Kohlensäure alsHCO –

3 im Anionen austauscher vor, was die Anzahl der benötigten

F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1 17

Schwerpunktthemen

Ausführungsformen und Anwendungender Elektrodeionisation (EDI) zurReinstwasserbereitungTeil 3: Einbindung der EDI-Stufe und ZusammenfassungSt. Duscher*

Im ersten Teil des Artikels wurde auf die unterschiedlichen Ausführungen von EDI-Anordnungen eingegangen und derenprinzipielle Mechanismen und Unterscheidungsmerkmale beschrieben. Im zweiten Teil wurde auf die chemischen Pro -zesse eingegangen, die während des Betriebes im EDI-Stapel ablaufen. Im dritten Teil werden die Vor- und Nachteileder einzelnen Varianten gegenüber gestellt. Neben betriebswirtschaftlichen Aspekten unterscheiden sich die verschie -denen Ausführungen der EDI zum Beispiel in Ihrer Selektivität und ihrem Verhalten bei Beschickung mit schwachenSäuren. In Abhängigkeit von den Zulaufbedingungen und Wasserinhaltsstoffen zeichnen sich die verschiedenen be trach -te ten Varianten der Elektrodeionisation durch unterschiedliche Eignung aus. Darüber hinaus werden spezielle Ausfüh run -gen der EDI dargestellt und erläutert. Der Artikel schließt mit der Betrachtung, wie die EDI in die gesamte Verfahrens -kette zu implementieren ist und welche Grundsätze für das Engineering und den Betrieb einer EDI zu beachten sind.

* Stefan Duscher Dipl.-Ing. Energietechnik / Thermodynamik Goppeltstrasse 3074613 Öhringen Fax: 03222-3740192

03_schwerpunktthemen_0111:_ 20.02.11 16:00 Seite 17

Ladungsmenge zur Abschei dungreduziert. Der Anionen austau scher istweniger leitfähig als der Kationen -austauscher, so dass bei der An ord nungKationenaustauscherschüttung vor Anio -nen austauscherschüttung die steilen Be -ladungsfronten eine günstige Verteilungder Stromdichte innerhalb der Harz -kammern zur Folge haben. Ein Nachteil

der getrennten Schüttung ist, dassCoionen, die mittels Migration vom Kon -zen trat in das Produkt wandern, nichtmehr abgetrennt werden können.

Bei den Varianten mit getrenntenSchüttung hat das EL-EDI-Verfahren denNachteil, dass Knallgas erzeugt wird, daswieder aus dem Produkt entfernt werdenmuss; die Anodenreaktion bei der EL-EDI

erfordert zudem hochwertige Kationen -aus tauscherharze. Ebenso können dieKammern der EL-EDI nicht beliebigwiederholend aneinander gereiht werden,da pro Wiederholung ein Elektrodenpaarbenötigt wird. Zudem ist der Energie -aufwand für die Wasserspaltung größer alsbei der BP-EDI. Auf Grund der hohenKosten von bipolaren Membranen haltensich die Verfahren EL-EDI und BP-EDIbei den Herstellkosten die Waage.

Bei der MB-EDI ist der pH-Wertwährend der Passage des Zulaufmediumsnicht solch merklichen Änderungen unter -worfen wie bei den Verfahren mit getren -nten Schüttungen, da die H+ - und OH – -Ionen in der Flüssigphase zu Wasserrekombinieren können. Das Verhältnis vonAn- und Kationenaustauscherharz in derMischbettkammer muss so gewählt wer -den, dass beide Austauschervorgängegleich schnell ablaufen. Eventuell migrativins Produkt gelangte Ionen können überden ganzen Verfahrensweg im Misch -bettharz erneut abgeschieden werden; beihohen Konzentrationen an Coionenfunktioniert dies allerdings nicht mehrvollständig. Das MB-EDI-Verfahren kannim Aufbau beliebig hintereinander ge -schaltet werden, so dass damit Stacks(theoretisch) beliebiger Größe gebautwerden können.

Beim Mischbett gibt es nicht-leitendePunkte; dort werden Ionen zurück in dieumgebende Flüssigphase statt in denKonzentratkreis gezwungen. Somit sindauch die sich ergebenden Konzentrations -profile flacher als bei den Verfahren mitgetrennten Schüttungen. An den nicht-leitenden Punkten findet zudem Re -kombina tion von H+ - und OH – - Ionen zuWasser statt, was sich negativ auf denGrad der Regenerierung auswirkt. DieWasserspaltung ist zudem von der Qualitätdes Zulaufmediums anhängig und findetnur bei niedrigen Leitfähigkeiten in

18 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

Schwerpunktthemen

Tab. 1: Vor und Nachteile der Varianten von EDI-Verfahren

Abbildung 2: „Spacer eines EDI-Moduls mit kreisförmigem Querschnitt“ Abbildung 3: „Aufbau eines EDI-Moduls in „Spiral wound“-Bauweise“

Abbildung 1: „EDI-Modul mit kreisförmigem Querschnitt“

03_schwerpunktthemen_0111:_ 20.02.11 16:00 Seite 18

befriedigendem Umfang statt. Das Ver -fahren MB-EDI hat durch seinen niedri -geren Regenerationsgrad daher einenschlechteren Rückhalt für schwacheSäuren. Die folgende Tabelle stellt alleEigenschaften nochmals dar:

1.2. Geometrische Optimierungen

Die bisher betrachteten Ausführungenunterscheiden sich grundlegend sowohl inihrer internen Anordnung als auch in ihrenSchüttungen. Daneben haben jedoch auchin den letzten fünfzehn Jahren Optimie -rungen stattgefunden, welche die Eigen -schaften der EDI-Module hinsichtlichEnergieverbrauch, interner Leckage undVereinfachung des Fertigungsprozessesbetreffen.

Bei all jenen EDI-Modulen, derenKammern als Hintereinanderreihung sichwiederholender Segmente ausgeführt sind,besteht eine wesentliche Herausforderungdarin, die Kammern gegeneinander soabzudichten, dass es auch infolge vonMaterialalterung oder Druckdifferenzenzwischen den Kammern nicht zuLeckagen kommt. Dies ist einer derwesentlichen Gründe, warum EDI-Moduletrotz ihres modularen internen Aufbausnur mit einer begrenzten Anzahl an sichwiederholenden Segmenten gebaut wer -den. Derzeit etablierte EDI-Module sinddaher in ihrer Deionatmenge auf ca. 3m3 jeModul begrenzt.

Aus Gründen der gleichmäßigenVerteilung der Schraubenkräfte auf denUmfang gibt es EDI-Module mit kreis -förmigem Querschnitt (siehe Abbildung 1[1]). Die zugehörigen Spacer sind meistals Spritzgussteile ausgeführt, in denen inum die Kammern umlaufenden NutenDichtungen eingelassen sind. Da dasVerhältnis zwischen Länge und Breite derKammern günstiger ist als bei dem

klassischen rechteckigen Design und dieSchraubenkräfte der am Umfang verteiltenZuganker nahezu gleichmäßig verteiltsind, ergibt sich eine deutlich verbesserteEigenschaft hinsichtlich Dichtigkeit.Abbildung 2 [2] zeigt eine typischeAusführung eines runden Spacers für EDI-Module; deutlich zu erkennen sind dieeinzelnen Kammern, in denen sich dieHarz schüttungen befinden.

Neben unterschiedlichen Außen geo -metrien gibt es bei den modular aufge -bauten EDI-Modulen verschiedene Aus -füh rungen hinsichtlich der Dicke derKammern bzw. deren Harzschüttungen.Typische „Thin cell“-Ausführungen be -sitzen einer Kammerdicke von 2 – 4 mm,während das „Thick cell“-Design Kammerder Dicke 8 – 10 mm aufweist. Hierausergeben sich für die Ausführungenfolgende Merkmale:

„Thin cell“-Design:- kostengünstigere Herstellung der Spacer

möglich- Realisierung von EDI-Stapeln für

kleinste Deionat-Mengen möglich- Hohes Anzugsdrehmoment der Zuganker

erforderlich- Verstärkte Neigung zu Leckagen- Mechanisch weniger stabil, da filigrane

Spacer

„Thick cell“-Design:- Mehr Harz je Kammer (im Vergleich zu

„Thin cell“)- Mechanisch robust- Gute Dichtheitseigenschaften- Komplexes Spacer-Design

1.3. Das „spiral wound“-Design

Neben den Ausführungen, bei denen dieeinzelnen Kammern des EDI-Modulsdurch sich wiederholende hintereinander

F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1 19

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Abbildung 4: „Schematischer Querschnitt durch ein „Spiral wound“-Modul“

03_schwerpunktthemen_0111:_ 20.02.11 16:00 Seite 19

angeordnete Bauteile realisiert werden,gibt es das von DOW Water Solutionspatentierte Design des „spiral wound“-Designs (US-Patent 6190528). Bei dieserAusführung ist das EDI-Modul nicht alsHintereinanderreihung miteinander ver -schraubter Komponenten ausgeführt,sondern ist in seiner Bauform an einWickelmodul der Membrantechnik ange -lehnt. Abbildung 3 zeigt dem Aufbaudieses EDI-Moduls, bei dem dieMembranen und Spacer um ein zentralesSammelrohr gewickelt sind. Dadurchentfällt die Verschraubung des Moduls, dajede spiralförmige Kammer nur jeweilseinmal nach innen und einmal nach außenabgedichtet werden muss, was über einemechanische Verbindung – ähnlich einerVerklebung – in der Mitte des Moduls undam Außenumfang erfolgt. Das Abbildung4 [2] zeigt die schematische Anordnungder Kammern innerhalb des gewickeltenModuls. Die Durchströmung des Modulserfolgt spiralförmig von außen nach innen,wobei sich am äußeren Umfang die Anodeund mittig die Kathode befindet. Sowohlder Salzgehalt in der Deionatkammer alsauch die Breite der Kammern nimmt zurMitte hin ab, während das elektrische Feldin seiner Stärke homogen ist. In Kom -bination bewirken diese Effekte, dass dieStromdichte zur Mitte hin zunimmt, wassich günstig auf die Abtrennungschwacher Säuren auswirkt. Da das Modulvom Kunden / Betreiber nicht geöffnetwerden kann, entfallen jeglichemechanische Wartungsarbeiten an demModul.

1.4. Das „All filled“-Design

Allen EDI-Modulen gemeinsam ist,dass die Konzentrat- und Deionatkammernalternierend angeordnet sind. Währendsich im Betrieb die elektrische Leit -fähigkeit der Konzentratkammern erhöht,

nimmt die Leitfähigkeit in den Deionat -kammern prozessbedingt ab. Soll dennochdie erforderliche Stromdichte aufrechterhalten werden, so bedarf es hierzu einererhöhten elektrischen Energiezufuhr. Beidem durch Ionpure Ltd. patentierte „Allfilled“-Design ist auch die Deionat -kammer mit Ionenaustauscherharz gefüllt.Abbildung 5 zeigt den schematischenAufbau. Durch die Harzfüllung in derDeionatkammer wird der elektrischeWiderstand merklich reduziert, da ein Teilder Ladung über das Harz fließt. Dies hatzur Folge, dass der spezifische Energie -bedarf merklich gesenkt wird.

2. Die Implementierung der EDIin die Verfahrenskette

2.1. Die Vorbehandlung vor der EDI

Die EDI ist ein Verfahren zurVollentsalzung, dem andere Verfahren wiez.B. Enthärtung, Partikelfiltration undUmkehrosmose vorangehen. Bei derVorbehandlung stellen u.a. die sichereAbtrennungen von Härtebildnern undTOC eine Grundvoraussetzung dar, daHärtebildner in der Umkehrosmosestufebei entsprechenden Ausbeuten auf denMembranen ausfallen können („Scaling“);der TOC hingegen führt zu Verkeimungende Anlage, so dass er am Übertritt auf dieProduktseite gehindert werden muss. Zwarsind Umkehrosmosemembranen in derLage, TOC nahezu vollständig zurück -zuhalten, jedoch kommt es bauartbedingtbei Wickelmodulen zu Mikro-Leckagen,so dass ein vollständiger Rückhalt an TOCdurch Umkehrosmose in der Praxis nichtmöglich ist. Damit ein TOC-Übergang inder Umkehrosmosestufe durch Mikro -leckagen oder Beschädigungen derMembranmodule nicht sofort zumVersagen des Produktionsprozesses durchVerkeimung der EDI führt, müssen

entsprechende Maßnahmen getroffenwerden. Bei Reinstwasser wird daher nachder EDI eine Ultrafiltration geschaltet, umOrganika, die aus der EDI stammen,zurückzuhalten. Ebenfalls ist es ratsam,bei der Auswahl des EDI-Moduls einesanitisierbare Ausführung zu wählen, umVerkeimungen im EDI-Modul abtöten zukönnen. Wird vor der EDI eine UV-Entkeimung eingesetzt, so darf die ersteKammer der EDI keine Anionen -tauscherkammer sein, da sonst durch diebei der UV-Entkeimung entstehendenRadikale das Anionentauscherharz ange -griffen wird.

2.2. Behandlungsstufen nach der EDI

Nach der EDI ist eine Ultrafiltrationvorzusehen; diese kann mit einer Trenn -grenze von ca. 6000 Dalton zuverlässigBak terien, Viren und Pyrogene zurück -halten, die sich durch Leckagen in derVorbehandlung in der EDI angesammelthatten. Durch spezielle Ultrafiltrations -module kann eine Pyrogenretention von 6-log erreicht werden. Da für die Her -stellung von HPW und PW die Ultra -filtration nach EP/USP/JP zulässig ist,kann so – verglichen mit einer Destilla -tionsstufe – weitaus kostengünstiger HPWund PW hergestellt werden. Die Ultra -filtrationsstufe kann ebenfalls sanitisierbargebaut werden, so dass auch hier eineregelmäßige und sichere Abtötung vonMikroorganismen erfolgen kann; Abbil -dung 6 [3] zeigt ein handelsübliches Ultra -filtrationsmodul mit PVDF-Hohlfaser -membranen. Eine für diese Anwendungenspeziell konzipierte Lösung sind EDI-Module der Christ Water TechnologiesGroup in der „Bio-Safe“ ® - Ausführung,bei der die EDI und die nachgeschalteteUltrafiltration in einem Gehäuse unter -gebracht sind, was den Bauraum / dieVerrohrung reduziert und ggf. die Installa -tion einer Druckerhöhungspumpe vor derUltrafiltration entfallen lässt.

Nach der Ultrafiltration gelangt dasProdukt in einen Tank, wo es mittels einerRingschaltung („Loop“) umgepumpt undozoniert wird, um Mikroorganismenabzutöten. Ozon ist ein starkes Oxida -tions mittel, das Mikroorganismen an -greift; die daraus entstehenden Produktekönnen weiter zu Wasser und Kohlen -dioxid oxidiert werden. Um einen Eintragvon weiteren Stoffen zu verhindern, wirddas Ozon durch katalytische Elektrolyseaus dem erzeugten Reinstwasser herge -stellt. Um ein Verkeimen des Tank zuverhindern, kommen Ozonkonzentrationvon ca. 20 – 25 ppb zum Einsatz. Da imEndprodukt Ozon nicht vorhanden seindarf, wird vor dem Entnahmepunkt eineUV-Entkeimung installiert, die mittelsultraviolettem Licht die Ozonmoleküle

20 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

Schwerpunktthemen

Abbildung 5: „Aufbau eines EDI-Moduls in „All filled“-Ausführung“

03_schwerpunktthemen_0111:_ 20.02.11 16:00 Seite 20

zerstört. Findet die Entnahme zyklischoder längere Zeit keine Entnahme statt, sokann mit dem ozonierten Wasser auch derLoop sanitisiert werden. Der Lagertank istentsprechend dem Anwendungsfall undder Entnahmemengen kleinstmöglich zuwählen. Er ist ständig mit ozoniertemWasser gefüllt und verfügt über einenSterilluftfilter für den Volumenausgleichwährend des Befüllens und der Entnahme.Um zu vermeiden, dass Kohlendioxid indem erzeugten Reinstwasser in Lösunggeht, findet man oftmals sogenannte„Kohlendioxidfallen“, die das Eindringenvon Kohlendioxid verhindern sollen; dasowohl Erschöpfungsgrad als auch Leck -agen hierbei jedoch nur sehr ungenaufestzustellen sind, ist einer Beauf -schlagung des Tanks mit Stickstoff derVorzug zu geben.

Bei der Erzeugung von WFI nach EP istals letzte Stufe eine Destillation zwingendvorgeschrieben; hierbei kommen imWesentlichen Fallfilmverdampfer, Thermo - kompressions verdampfer und Naturum -lauf verdampfer zum Einsatz, die ggf. auchmehrstufig ausgeführt werden können.Während die Anzahl der installiertenThermokompressionsverdampfer rück -läufig ist, kommen je nach Anwen -dungsfall bevorzugt Fallfilmverdampferund Naturumlaufverdampfer zum Einsatz.Hierbei bietet der Fallfilmverdampfer einsehr gutes Betriebsverhalten bei kon -stanter Zulauf- und Abnahmemenge,während der Naturumlaufverdampfer aufGrund seines größeren Dampfraumes undseiner Füllstandsregelung auch beiveränderlichen Zulauf- und Abnahme -mengen ein gutes Betriebsverhalten bietet;jedoch benötigt der Fallfilmverdampferweniger Bauraum als ein Naturum lauf -verdampfer. Beide Verdampfertypen sindjedoch zur Erzeugung von WFI geeignet.

2.3. Die Materialauswahl

Nach wie vor ist Edelstahl einetablierter Werkstoff für Anlagen zur

Herstellung von HPW, UPW und WFI.Insbesondere die Heißsanitisierbarkeit, dieverfügbaren Oberflächengüten und diemechanische Festigkeit waren und sindGründe, die für den Einsatz von Edel -stählen sprechen. Da es EDI-Module gibt,die mit bis zu 85°C heißsanitisiert werdenkönnen, wird auch die Verrohrung vor undnach diesen Modulen oftmals in Edelstahlausgeführt. Die Verrohrung mit Edelstahlist jedoch nicht trivial und bedarf bei dengenannten Anwendungen Oberflächen -güten von 0,8 μm (oder besser) und demEinsatz von Orbitalschweißvorrichtungen;zur Beurteilung der Schweißverbindungenmüssen die Verrohrungen endoskopischgeprüft werden. Ein Effekt, der beimEinsatz von Edelstahl in Reinstwasser -anwendung oftmals auftritt, ist das„Roughing“. Man unterscheidet mehrereFormen des Roughings, wobei fürReinstwasseranwendungen nur der Typ IIund Typ III des Roughings von Bedeutungsind. Bei Typ II handelt es sich um einerötlich-bräunliche Veränderung der pro -dukt berührenden Oberfläche des Edel -stahls infolge des Abtrages von Chrom -dioxiden von der Oberfläche des Edel -stahls bei Anwesenheit von Chloriden oderHalogeniden. Die Reaktion läuft in zweiStufen ab: Zuerst Cr2O3+6Cl–+6H2O→2CrCl3+6OH–, danach 2Fe+4H2O→2FeO(OH)+3H2. Abbildung 7 [4] zeigt eintypisches Schadensbild bei Roughing vomTyp II. Wie man leicht sieht, ist dasPotential für Roughing Typ II bei pH < 7größer als bei pH > 7.

Bei heißsanitisierten Systemen kannzudem noch Roughing vom Typ IIIauftreten, bei dem es zu bläulichen bisschwarzen Verfärbungen kommt. Hierbeifindet zunächst die Reaktion 3FeO+H2O→FeO+Fe2O3+H2 statt und dann die Reak -tion FeO+Fe2O3→Fe3O4. Man kann dasRoughing Typ II und Typ III minimieren,indem man beim Orbital schweißen dasAuftreten von Delta-Ferrit minimiert;weitere Maßnahmen sind Elektropolitur

F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

Schwerpunktthemen

Abbildung 6: „Aufbau eines Ultrafiltrationsmoduls in Hohlfaserausführung“ pure innovation energy24. – 26. 5. 2011

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anstelle der mechanischen Politur oder derEinsatz höherwertiger Legierungen, wiez.B. C-276; wie man einschlägigenZustandsschaubildern entnehmen kann,wirkt sich ein höherer Nickelanteil unddamit ein niedriger Eisenanteil inEdelstählen positiv auf das Roughing-Verhalten aus.

Eine Alternative zur klassischen Edel -stahlverrohrung stellt eine Verrohrung ausPVDF dar. Zwar sind die Schweißarbeitenbei PVDF keinesfalls einfacher als beiEdelstahl, jedoch können durch denEinsatz von PVDF deutlich bessereOberflächengüten bis 0,25 μm – auch imSchweißnahtbereich – erreicht werden unddie endoskopische Untersuchung derSchweißnaht kann entfallen; durch dasWNF-Schweißverfahren ist die Fügestellequasi nut- und wulstfrei, es entstehenzudem weder Toträume noch Hinter -schneidungen. Hinzu kommt, dass es bei

PVDF zu keinem Leach-Out von Ionenund somit nicht zu Roughing kommt.Einer der bisherigen Nachteile von PVDF,dass es zu einem Leach-Out von TOCkommen kann, ist mittlerweile durchspezielle Varianten („HP-PVDF“) ab -gestellt. PVDF ist zudem frei vonAdditiven, dampfsterilisierbar und in derHP-PVDF-Ausführung absolut frei vonPigmenten und anderen Farbstoffen.PVDF kann im Temperaturbereich von -20°C bis +140°C eingesetzt werden; durchdie deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit

von 0,19 kann auch bei heißen Systemen

und üblichen Wanddicken der Verrohrungmeist eine Wärmeisolierung entfallen. Zubeachten bleibt jedoch, dass PVDF imVergleich zu Edelstahl eine circa zehn -fache Wärmedehnung hat, das heißt esmüssen ggf. Kompensatoren für dieRohrleitungen vorgesehen werden.

2.4. Betriebsweise derElektrodeionisation

Alle Ausführungen der Elektrode ioni -sation besitzen neben dem Zulaufstromintern einen Deionat-, Konzentrat- undElektro denspülungsstrom. Um den Ener -gie verbrauch positiv zu be ein flussen, gibtes Ausführung und Verschaltungen, beidenen das Konzentrat rezirkuliert undsomit aufkonzentriert wird; Abbildung 8[2] zeigt symbolisch eine solche Ver schal -tung. Die Rezirkulation bedeutet eine zu -sätzliche Pumpe und Durch fluss messung.

Bei neueren Systemen wird in derRegel auf eine Rezirkulation des Konzen -trates verzichtet; statt dessen wird dieLeitfähigkeit im Konzentrat dadurcherhöht, dass das EDI-Modul mit einemgeringeren Konzentratstrom betriebenwerden kann, die Leckagen und Wasser -übertritte vom Deionat zum Konzentratminimiert werden und letztlich Mem -branen zum Einsatz kommen, derenRückdiffusion der Salzionen in dasDeionat minimiert ist. Ist die Deionat -kammer nicht mit Ionenaustauscherharzgefüllt, so bedeutet eine steigendeDeionat qualität einen merklichen Anstiegdes elektrischen Widerstandes derDeionat kammer, da das Deionat einenelektrischen Widerstand von bis zu 18MOhm erreichen kann. Abbildung 9 [2]zeigt exemplarisch eine Verschaltung einesEDI-Moduls ohne Kreislaufführung desKonzentrates.

Beim Einsatz mehrerer EDI-Module istdarauf zu achten, dass der Strom an jedemModul erfasst und ggf. geregelt wird;fertigungsbedingt haben EDI-Moduleinnerhalb einer Toleranz unterschiedlicheelektrische Widerstände; bei einfacherparalleler elektrischer Verschaltung aneinem Gleichrichter kommt es daher zudem Effekt, dass zwar an jedem Modul dieidentische Spannung, jedoch unter schied -liche Ströme anliegen.

3. Aufbau einer Anlage zurReinstwasserherstellung

3.1. Exemplarische Anordnung der Stufen einerReinstwasseranlage

Abb. 10 zeigt einen typischen Aufbaueiner Anlage für die Reinstwasserauf -bereitung. Im abgebildeten Diagrammerkennt man, welche Werte man nach derjeweiligen Stufe für die Größen Leit -fähigkeit, Endotoxine, TOC und KBE zuerwarten hat. Hinsichtlich der Gesamt -ausbeute der Anlage sind Werte imBereich von 70-75% üblich, d.h. von derMenge an Zulaufwasser stehen letztend -lich 70-75% als Reinstwasser zur Ver -fügung, während 25-30% aus ge schleustwerden. Hierbei arbeitet die Umkehros -mosestufe mit einer Ausbeute von ca. 75-80%, was jedoch durch eine zusätzliche

22 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

Schwerpunktthemen

Tabelle 2: „Typische empfohlene Zulaufwerte einer Elektrodeionisation“

Abbildung 7: „Edelstahlbehälter nach Roughing (links) und im Neuzustand (rechts)“

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Konzentratstufe noch erhöht werden kann, sofern die Qualität desZulaufwassers dies zulässt. Die EDI hat einen Verlustwasserstromin Form der Elektrodenspülung und des Konzentratstromes undkommt somit bei der Reinst wasser herstellung auf eine Ausbeutevon ca. 85-95%.

3.2. Grundsätze für das Engineering vonReinstwasseranlagen

Bei der Auslegung dieser Anlagen ist auf folgende Punkte zu achten:- Tankvolumen sind an der Abnahmekapazität zu orientieren und

möglichst klein zu wählen; der Tank sollte stets gut gefüllt sein- Der Tankinhalt muss umgepumpt und ozoniert werden

- Die Ozonierung kann dazu verwendet werden, das Ring -leitungssystem zu sanitisieren, indem zyklisch die UV-Bestrahlung ausgeschaltet wird

- Die Anlage ist so auszulegen, dass Stillstandsphasen vermieden werden- Nach der EDI muss eine Ultrafiltration zur Abtrennung von

Mikroorganismen geschaltet werden- Die EDI kann erheblich entlastet werden, indem Kohlendioxid

nach der Umkehrosmose mittels Membranentgasung entfernt wird- Je nach Anwendung ist die Anlage sanitisierbar auszuführen (bei

Pharmaanwendungen); heißwasser-sanitisierbare EDI-Modulesind auf dem Markt verfügbar

F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1 23

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Abbildung 8: „Schematische Verschaltung eines EDI-Moduls mitKonzentratrezirkulation“

Abbildung 9: „Schematische Verschaltung eines EDI-Moduls ohneKonzentratrezirkulation“

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- Bei der Herstellung von WFI nach derEP ist die letzte Aufbereitungsstufe eineDestillation; lediglich bei der Her -stellung nach der USP/JP ist dieDestillationsstufe bei der Herstellungvon WFI optional

- Bei den Edelstahlverrohrungen sinddefinierte Rauheiten zu verwenden; derEinsatz von hochreinem PVDF („HP-PVDF“) ist auch bei heißsanitisierbarenSystemen möglich, die deutlich größereWärmedehnung des PVDF muss jedochkompensiert werden

- Edelstahlverrohrungen sind orbital zuschweißen und endoskopisch zu prüfen

- Um das Auswaschen organischer Koh -len stoffverbindungen zu verhindern,sollte bei Kunststoffverrohrungen hoch -reines PVDF („HP-PVDF“) ver wendetwerden

- Die Anzahl an lösbaren Verbindungen istmindestens ab der EDI so gering wiemöglich zu halten; für Pharma-An -wendungen sind Sterilrohre zu ver -wenden

- Armaturen sind in totraumfreiem Designzu wählen

- Pumpen sind in hygienischer Ausführung /Konstruktion zu wählen

- Keine Stutzen und / oder Rohrstiche, dielänger als 5x Rohrdurchmesser sind; diesgilt auch für die Installation der Mess -technik

- Je nach Anwendung ist ggf. der Einsatzeines Mischbettionentauschers nach derEDI als Notfallreserve abzuwägen

3.3. Hinweise zum Betrieb einer EDI

Das Verfahren der EDI arbeitet ohneRegenerationschemikalien, es besitzt je -doch neben dem Produktstrom noch einenStrom für Elektrodenspülung und Konzen -trat. Bei der Auslegung ist daher zuberücksichtigen, dass bei typischenAusbeuten von 85% bis 95% dieZulaufmenge entsprechend größer seinmuss, um die gewünschte Produktmengezu erhalten. Bei der Implementierung istzu beachten, dass die EDI vor Druck -schlägen, zu hohen Zulaufdrücken und zuhohen Konzentrationen im Zulauf ge -schützt werden muss; besonders Druck -schläge sorgen bereits nach wenigenMalen zu internen und externen Leckagenam EDI-Stapel. Die Druckverhältnisse ineinem EDI-Stack sind mit Membran -ventilen einzustellen und zu überwachen;der Druck im Deionatkreis ist soeinzuregeln, dass er ca. 0,1-0,3 bar höherist als der Druck im Konzentratkreis.

In Abhängigkeit vom EDI-Verfahrenund Hersteller variieren die Spezifi -kationen für die Qualität des Zulauf -wassers; gängige Wert hierfür zeigt jedochTabelle 2.

4. Fazit:

Die EDI ist ein Verfahren, dass sich imVerlauf der letzten Jahre als vollwertigeAlternative für klassische Ionentauscheretabliert hat. Durch die kontinuierlicheRegeneration entfällt der Umgang mitRegenerationschemikalien und die damit

verbundene Aufgabenstellung der Entsor -gung des Regeneratstromes. Die dreibetrachteten Verfahren der EDI zeichnensich neben der Verschiebung des pH-Wertes in den einzelnen Kammerndadurch aus, dass sie sich in derAbscheidung schwacher Säuren unter -scheiden und die Abhängigkeit von derLeitfähigkeit des Zulaufmediums unter -schiedlich stark ausgeprägt ist. Nebenbetriebswirtschaftlichen Aspekten ist diemehr oder minder ausgeprägte Abhängig -keit der einzelnen Varianten von derLeitfähigkeit des Zulaufmediums dasentscheidende Kriterium für die Auswahldes Verfahrens.

Für die Reinstwasserherstellung ist einenachgeschaltete Ultrafiltrationsstufe un -verzicht bar, um eventuelle Verkeimung inder EDI-Einheit wirkungsvoll zurück zuhalten. Bei der Materialwahl der Ultra -filtrationsmembranen ist darauf zu achten,dass es sich um Membranen handelt, diemöglichen Angriffe durch Verkeimungenstandhalten.

Als Material für die Verrohrung hat sichdurch die Verfügbarkeit sehr hoherReinheiten PVDF als nahezu vollwertigeAlternative zur Edelstahlverrohrung eta -bliert.

Literaturangaben[1]: Produktinformationen der Firma Ionpure [2]: Produktinformationen Dow Water Solutions,

bereitgestellt durch Inaqua GmbH[3]: Produktinformation der Firma Pall[4]: Skript “Reinstwasser-Meeting” 2009 in Stuttgart

24 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 25 (2011) Nr. 1

Schwerpunktthemen

Abbildung 10: „Schematischer Aufbau einer Reinstwasseranlage“

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