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Beschreibung

Etablierte Entsalzungsverfahren, wie Umkehrosmose oder thermische Verfahren, arbeiten nicht selektiv und müssen hohe Mengen Energie aufbringen. Bei der Umkehrosmose muss ausreichend Energie zum Überwinden des osmotischen Drucks und bei thermischen Verfahren die zur Verdampfung notwendige Energie aufgebracht werden. Eine Alternative Technologie zur Aufbereitung leicht saliner Grundwässer (TDS < 5 g/L) ist die membrangestützte kapazitive Deionisation (MCDI), bei welcher Ionen durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an gegenüberliegenden Elektroden adsorbieren. Durch umkehren des elektrischen Feldes werden die Ionen wieder desorbiert und durch die jeweilige Ionenaustauschermembrane im Fließkanal zurückgehalten. Ein Vorteil der MCDI ist der geringe Energiebedarf, welcher von der Menge der entfernten Ionen abhängt.
Das Verbundprojekt innovatION (02WV1572A) hat es sich zum Ziel gesetzt, durch selektive Materialien eine monovalent selektive MCDI (mMCDI) zu entwickeln und im Labor- und Pilotmaßstab zu testen. Durch die Monoselektivität muss nur für die tatsächlich entfernten Ionen Energie aufgebracht werden und das Produktwasser für eine weitere Nutzung, z. B. zur Trinkwassergewinnung oder Grundwasseranreicherung, nicht erneut angereichert werden.
Begleitet wird die Entwicklung der Anlage von einer Strömungs- und Prozessmodellierung. Mit dem Strömungsmodell werden die Zellen und Stacks aus mehreren Zellen der Labor- und Pilotanlage hinsichtlich des Strömungsverlustes und der Strömungsverteilung Bewertet und Optimiert.
Das Prozessmodell basiert auf der Ausbildung der elektrochemischen Doppelschicht in den Poren der Elektroden beim Anlegen eines elektrischen Feldes. In dieser Schicht werden Ionen gemäß ihrer Ladung adsorbiert oder ausgeschlossen. Dabei haben sich zwei Modelle etabliert: das Gouy-Chapman-Stern Modell für annähernd plane Oberflächen (Makroporen) und das Modified Donnan Modell für Mikroporen, in welchen sich die elektrochemischen Doppelschichten gegenüberliegender Oberflächen überschneiden.
Implementiert werden diese Modelle als benutzerdefinierte Funktionen (User Defined Functions, UDF) in Ansys Fluent. Diese CFD Software bringt neben verschiedenen CFD Modellen und einem leistungsstarken Solver auch verschiedene Funktionen des Post-Processing mit sich. Da die grundlegenden Modelle in Fluent in der Programmiersprache C aufgebaut sind, können diese gut durch UDFs, welche ebenfalls in C geschrieben sind, erweitert werden.
Ziele des Prozessmodells sind die Simulation der Adsorptions- und Desorptionszyklen unter Berücksichtigung monovalent selektiver Membranen, um daraus Rückschlüsse für die Optimierung von Betriebsparametern und Energieverbrauch zu erhalten. In der Präsentation werden die Ansätze des Strömungs- und Prozessmodells vorgestellt, die Implementierung als UDF diskutiert und erste Ergebnisse vorgestellt.