Ionenaustauscher Anlagen, IAT-Kreislaufanlagen

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Ionenaustauscher Anlagen, bzw. IAT-Anlagen, können zur Kreislaufführung von industriell belasteten Spülwässern eingesetzt werden um diese Wässer von ionogenen Kontaminationen (z.B. Schwermetalle, Erdalkalimetalle) zu befreien, und das Wasser dem Kreislauf wieder zuzuführen. Dadurch wird der Anfall von vermeidbarem Abwasser reduziert, eine qualitätsbeeinträchtigende Aufsalzung des Kreislaufwassers vermieden und die regulatorischen Anforderungen an den Anlagenbetrieb eingehalten.

In wässrigen Kreislaufsystemen ist ein geringer Leitwert des Wassers erforderlich, um die gewünschten Spüleffekte zu erreichen, wie z.B. Stoppen der chemischen Vorprozesse und die Reinigung von Verschmutzungen im Spülbecken. Der erforderliche Leitwert bemisst sich nach dem Spülkriterium, z.B. nach Beizen/Dekapieren 1:1000, nach Elektrolytbädern 1:10.000. Die Leitwerterhöhung in den Kreislaufspülen erfolgt durch anhaftende Flüssigkeit aus den Aktivbädern bzw. durch Nachspeisewasser. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Kationen (wie z.B. die unerwünschten Härtebildner Calcium und Magnesium, aber auch Schwermetalle aus metallischen Materialien wie Kupfer, Nickel, Zink, Blei, Chrom) und Anionen (wie z.B. die unerwünschten korrosiven Chloride, oder ggf. auch Cyanokomplexe). Der Kationenaustauscher in einer Ionenaustauscher Anlage entfernt die im Wasser enthaltenen Kationen und gibt dafür  das Wasserstoffion H+ frei, der Anionenaustauscher entfernt die enthaltenen Anionen und gibt dafür die Hydroxygruppe OH frei bzw. bindet Protonen und eine äquivalente Menge an Anionen. Gemeinsam entsteht also H20 im Abgang der Anlage im Austausch gegen die zugeführten anionischen und kationischen Einträge. Dies gewährleistet durch die Entfernung der ionogenen Stoffe einen geringen Leitwert am Ausgang der Anlage um das Wasser erneut zum Spülen einzusetzen. Zusätzlich ggf. eingetragene Organik und sonstige apolare Stoffe werden, soweit erforderlich, im Rahmen von weiteren Filterstufen entfernt.

Ein häufiger Anwendungsfall ist die Kreislaufführung schwermetall-belasteter Spülwässer in wässrigen Verfahren wie z.B. in der Galvanik oder bei industriellen Teilewaschmaschinen. Dabei werden insbesondere Verschleppungen (Konzentrationen < 10 mval/l) aus vorgeschalteten Prozessschritten in ein Bad mit vollentsalztem Wasser angereichert, die von der Ionenaustauscheranlage (bzw. Ionentauscheranlage) kontinuierlich abgereinigt werden. Die Kreislaufanlage besteht je nach Anwendung aus einer oder zwei Straßen mit je einem stark sauren Kationenaustauscher, sog. SAC (Sulfonsäureaustauscher auf Styrol-Divinylbenzol-Copolymer), einem schwach basischen Austauscher, sog. WBA (tertiäre Amin Austauscher auf Styrol-Divinylbenzol-Copolymer) bzw. auch sog. „mittelbasischer“ Austauscher, und ggf. einem stark basischen Anionenaustauscher, sog. SBA (quatäre Amin Austauscher auf Styrol-Divinylbenzol-Copolymer). In Anwendungen, die einen niedrigen Leitwert erfordern wird zusätzlich eine Mischung eines stark sauren und eines stark basischen Austauschers zur externen Regeneration nachgeschaltet, sog. Mischbettharz bzw. Mischbettaustauscher, der einen Leitwert von unter 0,1 µS/cm bis hin zum unter optimalen Bedingungen technisch niedrigsten erreichbaren Leitwert von 0,056 µS/cm bzw. 18,2 MΩ·cm erreichen kann.

Weiterhin wird je nach Anwendung eine physikalische Vorfiltration mittels Kiesfilter bzw. Mehrschichtfilter oder Filterkerzen, eine Denaturierung etwaig störender Biologie durch UV-Licht und/oder eine Entfernung apolarer bzw. nicht-ionogener Stoffe mittels Aktivkohle oder eines Scavengerharzes als Tauscheinheit vorgenommen.

Vollentsalztes-Wasser (VE-Wasser) oder demineralisiertes/deionisiertes Wasser (DM-Wasser bzw. DeMi-Wasser) ist als solches ist nicht gesondert definiert, sondern leitet sich in seinen Parametern vom kundenspezifischen Prozess ab. Im Wesentlichen ist die Vermeidung von Flecken bei der späteren Verwendung das Ziel.

Typischerweise werden jedoch die folgenden Leitwerte am Abgang der Anlage gefordert: Halbleiter < 0,1 µS/cm (0,06 µS/cm), Hartverchromung < 3 µS/cm, Galvanik < 20 µS/cm, Eloxal < 30 µS/cm, Feuerverzinkung < 50 µS/cm, Staplerwasser bzw. Batteriewasser beim Einfüllen: < 30 µS/cm.

Allein die Betrachtung des Leitwerts reicht häufig nicht für eine prozesssichere Auslegung aus, da die Schlupfphase des Ionenaustauschers bereits beim ersten Ansteigen des Leitwerts beginnt. Speziell der Anionenaustauscher in einem VE-Prozess beginnt früh mit der Abgabe schwach gebundener Stoffe, z.B. von Kieselsäure, die den Leitwert kaum beeinflusst, und von (korrosiven) Chloriden. Beide Stoffe sind in aller Regel im Prozess unerwünscht und können ggf. ergänzende anlagentechnische Maßnahmen bei der Ionenaustauscher Anlage erfordern.

In der Regel wird das durch die VE-Anlage produzierte VE-Wasser anhand des Leitwerts in [µS/cm] am Ausgang der Ionenaustauscher Anlage überwacht. Typische Leitwerte sind am Abgang der Ionenaustauscher Anlage je nach Anlage und Ausbaustufe Leitwerte zwischen 30 µS/cm – 3 µS/cm, mit nachgeschalteten weiteren Mischbettaustauschern auch geringer bis zu 0,056 µS/cm.

In gesonderten Fällen werden nicht nur Anforderungen an den Summenparameter Leitwert in [µS/cm] gestellt, sondern es sind weitere Parameter im gereinigten Ablaufwasser wichtig: z.B. pH-Wert, Restkonzentrationen an Inhaltsstoffen, die nur eine geringe Wirkung auf den Leitwert besitzen, z.B. Stoffe mit geringem Dissoziationsgrad wie Kieselsäure, Silikate, Cyanide oder Salze von organischen Säuren. Daher besitzt, VE-Wasser, das mit Hilfe einer Ionenaustauscher Anlage produziert wurde, andere Restinhaltsstoffe als das Permeat einer Umkehrosmoseanlage.

Bei der Anschaffung eines Entsalzungssystems stellt sich die grundsätzliche Frage ob eine IAT-Vollentsalzungssystem oder ein Membranverfahren auf Umkehrosmosebasis angeschafft werden soll. Beide erreichen typischerweise diesen Leitwert, unterscheiden sich jedoch im Verfahren und in der Zusammensetzung des produzierten VE-Wassers. Sofern nur Anforderungen an den Leitwert als Summenparameter gestellt sind, lassen sich die wesentlichen Unterschiede wie folgt zusammenfassen: Für die VE-Anlage wird eine Abwasserbehandlungsanlage benötigt, für die Umkehrosmoseanlage in der Regel nicht. Beide Anlagen benötigen für sich alleine genommen bis 10m³/Woche Abwasseranfall keine WHG Genehmigung (die kommunalen Überwachungswerte gelten jedoch gleichwohl, speziell Kupfer kann hier aufgrund der Grenzwerte in der TrinkwasserVO von 2,0 mg/L gegenüber den Überwachungswerten der AbwV von 0,5 mg/L (bzw. 1,0 mg/L in den meisten Entwässerungssatzungen für Einleitungen < 10 m³/Woche problematisch sein). Die Umkehrosmoseanlage produziert über den Konzentratverwurf ständig Abwasser, die Ionenaustauscheranlage hingegen nur bei der Regeneration. Es lassen sich über die gesamte Nutzungsperiode Kostenüberlegungen anstrengen, bei denen zwischen den in der Regel höheren Anschaffungskosten für die VE-Anlage und den geringeren Betriebskosten abgewogen werden kann, siehe dazu beispielhaft hier (Link zu PDF Betriebskostenvergleich VE-UO).

Je nach Auslegung der Anlage auf den Kundenprozess sind Ionenaustauscher Anlagen mit einer automatischen Regenerierstation ausgerüstet oder können extern in der zentralen Regenerationsstation in 92348 Berg regeneriert werden.

Bei einem Kreislaufwasserbedarf zwischen 2,5 bis 20 m³/h und einer adäquaten Ionenfracht ist in der Regel eine Anlage mit eigener Regenerierstation sinnvoll. Die in der Anlage eingesetzten Harze in den verschiedenen Säulen werden mit Säure und Lauge regeneriert, in der Regel mit Salzsäure und Natronlauge. Die Regenerate der Anlage werden anschließend in der betriebsinternen Abwasseranlage behandelt. Beachten Sie, dass die Anlage wasserrechtlich anzeigepflichtig ist.

Bei einem Durchsatz bis zu 2,5 m³/h oder einer sehr geringen Ionenfracht ist eine extern zu regenerierende Anlage eine sinnvolle Alternative. Das bedeutet, dass die Ionenaustauscherpatronen beim Kunden im Kundenprozess beladen werden, und dann anschließend an die zentrale Regenerationsstation in 92348 Berg gesendet werden. Nach erfolgter Regeneration werden die Patronen wieder an den Kunden zurückgesendet. Die Patronengröße kann je nach Durchsatz und Kapazität variieren und liegt typischerweise zwischen 30 – 1500L Harzvolumen.

  • Kundenspezifische Auslegung auf den Prozess (z.B. auch chromat- und cyanhaltige Wässer) und das Budget ausgehend von einer halbautomatisierten, funktionalen simplex Basisausführung bis zur automatisierten und remoteüberwachten Duplexausführung.
  • Anpassung an die ggf. vorhandene Steuerungstechnik und Anbindung an ein Prozessleitsystem und die vorhanden baulichen Gegebenheiten am Standort bzw. der Einbringung zum Standort (z.B. durch begrenzende Türen)
  • Voruntersuchungen und optionale Testanlagenstellungen/Technikum möglich
  • Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen an wassersparenden Maßnahmen gem. den Anhängen der AbwasserVO und den besten verfügbaren Techniken (BVT) für IED-Anlagen gem. der IE-RL 2010/75/EU bzw. der 4. BImSchV.
  • Erfüllung von Kundenanforderungen an industrielle Spülprozesse (z.B. im TSA Verfahren)
  • SPS Schaltung Siemens mit/ohne Touchdisplay sowie mit der Option auf externe Zugriffsmöglichkeit
  • Duplex-Ausführung für einen unterbrechungsfreien 24/7 Betrieb optional
  • Edelstahl- oder Kunststoffrahmenaufbau für korrosive Umgebungen
  • Drucktanks in PE/GfK, PVDF/GfK oder beschichteter Stahl
  • Ionenaustauscherharze von LANXESS Lewatit bzw. Purolite oder nach Kundenanforderung
  • Rohrleitungen und Armaturen in PVC, PP, PE oder PVDF der Hersteller GF, GEMÜ (pneumatisch oder elektrisch) oder nach Kundenanforderung; im Übrigen Ausführung mit Standard-Industriekomponenten ohne Sonderelemente soweit möglich.
  • Temperaturauslegung bis 70°C möglich, höhere Temperaturen auf Anfrage
  • Interne Kreislaufführung zur Vermeidung von Gegenionenrücklöseeffekten
  • Anlagenaufbau für einen arbeitssicherheitskonformen Betrieb auch bei typischen Fehlanwendungen
  • Desinfektionsmöglichkeit des Harzbetts
  • Möglichkeit der Vorabnahme und des Probebetriebs in der eigenen Werkstatt
  • Modulare, wartungsfreundliche Bauweise nach Kundenanforderung mit diversen optionalen Erweiterungsmöglichkeiten, z.B. um Vorlagetanks, Chemikalienlagertanks als Dosierstationen oder als AwSV LAU-Anlagen, Auffangwannen, einfache Beschickungs- bis redundante FU-Duplex-Druckerhöhungsstationen, Druckdifferenzanzeige, tatsächliche Verbrauchs- und Produktionsdatenerfassung, gesonderte Harzwechselanschlüsse, Anlagenzugriffskontrolle, Ventilstellungsrückmeldung, gesonderte Kieselsäureabreinigung sowie externe automatische Frischwassernachspeisemöglichkeit, z.B. durch eine Umkehrosmoseanlage.
  • Ausführung als extern zu regenerierende Anlage mit Tauschpatronen (ohne Abwasseranfall vor Ort) oder als Anlage mit eigener Regenerierstation (mit zu behandelnden Abwasser vor Ort).

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