Einsatz der optischen Kohärenztomographie zur kontinuierlichen Überwachung von Scaling bei der Membrandestillation

Die Membrandestillation (MD) ist ein junges und innovatives Verfahren zur thermischen Aufbereitung hoch saliner Wässer. Die Separation anhand einer hydrophoben Membran wird durch den Phasenübergang von volatilen Komponenten bei gleichzeitigem Rückhalt der flüssigen Bestandteile erreicht. Im (Langzeit-)Betrieb bilden sich häufig Deckschichten, die bei hoch salzigen Wässern hauptsächlich aus Scaling bestehen und zu einem Rückgang des Permeatstroms und einer Verschlechterung der Permeatqualität führen können. Die Detektion des Permeatstroms ist derzeit die Methode der Wahl, um auf die Bildung von Scaling zu schließen. ... mehrEin ganzheitliches, nicht invasives Monitoring der Membran im laufenden MD-Betrieb existiert nicht und auch die Bestätigung von Scaling auf der Membran wird vornehmlich ex situ nach Abschluss des Experiments durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit wurde, basierend auf der optischen Kohärenztomographie (OCT), eine Methode zur sicheren Visualisierung und Quantifizierung von anorganischen Deckschichten entwickelt und im laufenden MD-Betrieb angewandt.
In einer vollautomatisierten Membrandestillationslaboranlage wurden konzentriertes Ostseewasser (OstWK) und Leitungswasser der Stadt Karlsruhe (KALW) behandelt und das Wachstum der Deckschicht auf den Einfluss variierender Prozessparameter mittels OCT untersucht. An einer manuellen Membrandestillationslaboranlage wurde zudem die chemische Reinigung mittels Zitronensäure und Natronlauge an einer Scalingschicht aus Calciumsulfat prozessbegleitend bewertet.
Basierend auf ImageJ und Matlab wurde eine Methode zur Bearbeitung der digitalen OCT-Datensätze entwickelt, die neben der Visualisierung vor allem eine sichere Quantifizierung des Scalings auf der Membranoberfläche ermöglichte. Gebildete Artefakte – hervorgerufen durch die Eigenschaften der Salzkristalle – wurden durch die PolyFIT Methode kompensiert und die Fehlerrate deutlich reduziert. Neu entwickelte Scalingparameter ermöglichten zudem eine objektive morphologische Bewertung des Membranzustandes und können als membranbasierte Prozessleitparameter eingesetzt werden.
Die gezielte Veränderung der Temperatur hatte einen maßgeblichen Einfluss auf die Bildung von Calcit-Deckschichten. Eine erhöhte Prozesstemperatur setzte die Löslichkeit der Ionen herab und führte damit zu einer massiven und schnellen Bildung von großen Kristallen auf der Membranoberfläche. Die schrittweise Erhöhung des Permeatstroms J_P (temperaturgekoppelt) führte ebenfalls zur verstärkten Bildung von Calcit-Scaling. Dies wurde durch das vermehrte Auftreten von temporären lokalen Superkonzentrationen bei hohem J_P erklärt. Die Variation der Konfiguration von Direct Contact zu Air Gap hatte keinen Einfluss auf das Wachstum der anorganischen Deckschicht. Durch die Änderung der Wassermatrix bildeten sich ähnliche Scalingschichten aus Calcit und Magensiumcalcit. Beide führten zur identischen Reduktion des Permeatstroms, die durch unterschiedliche Bedeckungsgrade in Kombination mit signifikant verschiedenen Kristallmorphologien hervorgerufen wurde. Die alleinige Detektion von J_P lieferte damit nur unzureichend genaue Informationen, die nur eingeschränkt für die Interpretation von Scaling genutzt werden konnten. Die Bestimmung der Scalingparameter verdeutlichte die Unterschiede hingegen klar und lieferte neben der Wachstumsgeschwindigkeit auch Informationen über die Morphologie der Kristalle.
Die Menge an chemisch abgereinigtem Calciumsulfat wurde in situ untersucht und anhand der Scalingparameter quantifiziert. Neben dem idealen Zeitpunkt zur Reinigung konnten damit auch die Reinigungsdauer und die Effektivität der verwendeten Chemikalien bestimmt werden. Dabei zeigte Zitronensäure eine verbesserte Reinigungskinetik gegenüber Natronlauge.
Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Methode stellt damit ein Werkzeug zur ganzheitlichen Optimierung der Membrandestillation in Bezug auf die Bildung von Scaling dar und liefert durch die nicht invasive Anwendung Informationen zur morphologischen Entwicklung der Deckschicht.

Membrane Distillation (MD) is an innovative thermally driven membrane technology mostly applied for desalination applications. A phase transition separates all volatiles through a hydrophobic membrane, while the liquid components are rejected. The formation of an inorganic deposit layer, in this case mainly scaling, is one of the most critical challenges, which affects long-term stability by reducing permeate flux and permeate quality. Currently, the main indicator for scale formation on the membrane surface is the flux decrease, leading to the conclusion of extensive scaling on the membrane surface without online proof. ... mehrA holistic membrane monitoring does not exist, hence scale detection is done ex situ after process interruption. The present work applies optical coherence tomography (OCT) for the noninvasive in situ visualization and quantification of inorganic fouling layers.
Concentrated Baltic seawater and tap water from Karlsruhe were processed by a fully automated MD test bench while selected process parameters were varied. Additionally, a manual test bench was used to examine the chemical cleaning efficiency for the removal of calcium sulfate scale by citric acid and sodium hydroxide solutions.
An adapted methodology for digital OCT-dataset processing based on ImageJ and Matlab was developed, enabling the visualization and moreover the quantification of scale layers. Artifacts, originating from different crystal properties, were significantly reduced by applying the polyFIT method. Developed scale parameters can be applied as membrane based process key parameters and facilitate the quantification and objective morphological assessment of the scale layer.
The variation of the temperature showed a significant influence on the formation of calcite scale layers. A high process temperature lowered the ion solubility, which caused the massive and fast formation of big crystals on the membrane surface. Moreover, the stepwise increase of the permeate flux (temperature induced) led to the formation of areas with local temporary super saturations, hence boosting the formation of calcite scale layers. Additionally, the variation of Air Gap and Direct Contact configuration determined no difference in the generation of fouling layers. The application of different water matrixes caused the formation of calcite and magnesiumcalcite layers. Both revealed the same flux reduction although the degree of coverage and the morphology of the crystals was significantly different. This results revealed the insufficient information supply based on single flux detection. It only allows a limited interpretation of scale formation. Whereas calculation of the scale parameters determined the differences clearly and enables the calculation of growth rate and crystal morphology.
The chemically removed amount of calcium sulfate was quantified in situ by calculation of the scale parameters. Apart from specification of the perfect time for cleaning, duration of cleaning and cleaning efficiency can be determined. Citric acid revealed a better cleaning efficiency compared to caustic soda.
The developed method represents a reliable tool for the holistic optimization of the membrane distillation process based on the non-invasive examination of quantitative and morphological scale formation on the membrane surface.