Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auftrennung ein- und mehrwertiger Ionen aus einer wässrigen Sole, mindestens umfassend die Verfahrensschritte; a) Bereitstellen einer wässrigen Sole; b) Einspeisen der im Verfahrensschritt a) bereitgestellten Sole als Zug-Eingangsstrom in eine oder mehrere Vorwärtsosmose-Einheiten; c) Einspeisen des oder der verdünnten Zug- Ausgangsströme der Vorwärtsosmose-Einheiten als Speise-Eingangsstrom in eine oder mehrere Nanofiltrations-Einheiten, wobei der Permeat- Ausgangsstrom der Nanofiltrations-Einheit zumindest zum Teil als Speise-Eingangsstrom in der Vor- wärtsosmose-Einheit des Verfahrensschrittes a) verwendet wird; d) Zumindest teilweises Einspeisen des an zweiwertigen Ionen aufkonzentrierten Speise- Ausgangsstromes der Nanofiltration als Speise-Eingangsstrom einer zweiten Vorwärtsosmose-Einheit; e) zumindest anteiliges Ausschleusen einer an zweiwertigen Ionen aufkonzentrierten Lösung aus den Speise-Aus- gangsstrom der zweiten Vorwärtsosmose-Einheit und zumindest anteiliges Ausschleusen einer an einwertigen Ionen aufkonzentrierten Lösung aus dem Speise- Ausgangsstrom der ersten Vorwärtsosmose-Einheit. Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die Verwendung des Verfahrens zur Behandlung wässriger Solen beispielsweise umfassend Na-, K- und Mg-Kationen.

Wasser und Energie bilden mit die kostbarsten Ressourcen auf unserer Erde. Trotz der Tatsache, dass beide als solche, ohne chemische Reaktionen, im eigentlichen Sinne nicht „verbraucht“ werden können, ist insbesondere konditioniertes und sauberes Wasser sowohl für den Menschen wie auch für die Industrie von elementarer Bedeutung. Gleiches gilt im Grunde für die Nutzung von Energie, welche aufgrund der Wechselwirkung zwischen Energieverbrauch und Klima in den letzten Jahrzehnten immer weiter in den Fokus der beteiligten Anwender rückte. Ein Verbesserung der aktuellen Umweltbilanzen kann dadurch erreicht werden, dass zum einen neue Prozesswege beschritten werden, welche generell mit einem geringen Ressourceneinsatz auskommen. Falls dieses prozessbedingt nicht möglich ist, so besteht eine weitere Möglichkeit darin, dass eine effiziente und energiesparende Aufbereitung der anfallenden Prozessreststoffe durchgeführt wird, welche dann wiederum als Wertstoffe in anderen Prozessen eingesetzt werden können. Letzteres ist insbesondere für die Aufbereitung von mit anorganischen Substanzen beladener Abwässern wichtig, da aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Wassers, wie beispielsweise einer hohen Verdampfungsenthalpie, ein energieeffizientes Abtrennen der weiteren anorganischen Bestandteile äußerst herausfordernd ist.

Zur industriellen Abtrennung von Ionen aus wässrigen Salzlösungen werden in der Literatur beispielsweise Membranverfahren wie die Vorwärtsosmose oder die Nanofiltration beschrieben. Beide Verfahren sind in vielfältigen Ausgestaltungen etabliert, unterliegen aber in der Nutzung stark salzhaltiger Eingangsströme deutlichen Limitierungen.

Auch in der Patentliteratur werden die unterschiedlichsten Verfahren zur Abtrennung von Ionen mittels Membranverfahren oder deren Kombination diskutiert.

So beschreibt beispielsweise die WO 2011 090 548 A2 ein Verfahren und ein System, das Hybrid-Vorwärtsosmose und Nanofiltration verwendet. Das Verfahren wird zum Behandeln von produziertem Wasser, das verunreinigende Stoffe enthält, offenbart. Das System besteht aus einer Vorwärtsosmosezelle und einer nachgeschalteten Nanofiltrationszelle. Ein Entnah- melösungsfluid zirkuliert zwischen der Vorwärtsosmosezelle und der Nanofiltrationszelle. Die Ziehlösung enthält mehrwertige osmotische Mittel, die mehrwertige Ionen in der Ziehlösung erzeugen. Der Durchgang von einwertigen Ionen durch die Nanofiltrationsmembran wird aufgrund der Anwesenheit von konjugierten mehrwertigen Ionen behindert. In der EP 0 821 615 Bl ist ein Nanofiltrationsverfahren zum Filtrieren einer wässrigen Lauge offenbart. Das Verfahren umfasst das Zuführen einer Zulauflauge zu einem Nanofiltrationsmembranmodul unter einem aufgebrachten Überdruck, um eine Passierlauge und eine Permeatlauge bereitzustellen, um selektiv die Konzentration einer ersten Verbindung relativ zur Konzentration einer zweiten Verbindung in der genannten wässrigen Lauge zu verringern, wobei die genannte erste Verbindung eine erste Zulaufkonzentration und die genannte zweite Verbindung eine zweite Zulaufkonzentration aufweist, umfassend die folgenden Schritte: Zuführen der genannten wässrigen Lauge zum genannten Nanofiltrationsmembranmodul; Auffangen der genannten Passierlauge, wobei die genannte erste Verbindung eine erste Passierkonzentration hat, die geringer ist als die genannte erste Zulaufkonzentration, und wobei die genannte zweite Verbindung eine zweite Passierkonzentration hat, die höher ist als die genannte zweite Zulaufkonzentration, Auffangen der genannten Permeatlauge, wobei die genannte erste Verbindung eine erste Permeatkonzentration und die genannte zweite Verbindung eine zweite Permeatkonzentration hat, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte erste Zulaufverbindung eine erste Zulaufkonzentration von mehr als 50 g/1 hat, die genannte erste Zulaufverbindung einwertige Ionen enthält und die genannte zweite Zulaufverbindung mehrwertige Ionen enthält.

Schließlich beschreibt die EP 1 826 179 Bl ein Verfahren zur Behandlung von Salzsole durch Fällung zweiwertiger Kationen mit Sulfat- und Hydroxidionen in einer ersten Stufe (a) sowie Fällung restlicher zweiwertiger Kationen mit Carbonationen und unter Rauchgaseinblasung in einer zweiten Stufe (b) sowie unter Anwendung einer Nanofiltration dadurch gekennzeichnet, dass die gereinigte Sole aus der zweiten Stufe in einer unmittelbar sich anschließenden dritten Stufe mittels Nanofiltration in ein Konzentrat und ein Permeat getrennt wird, wobei das Permeat Produkt ist in Form gereinigter Sole und das Konzentrat in die erste Stufe (a) zurückgeführt wird.

Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können noch weiteres Verbesserungspotential bieten. Dies bezieht sich insbesondere auf eine energieeffiziente und ressourcenschonende Verfahrensführung zur Fraktionierung ein- und mehrwertiger Ionen aus stark konzentrierten Salzlösungen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Verwendung bereitzustellen, wobei vorteilhafterweise das Verfahren dazu ausgelegt ist kontinuierlich betrieben zu werden. Das Verfahren kann unter einem geringen Energieeinsatz eine Auftrennung unterschiedlicher Salze in stark beladenen Abwässern ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche, gerichtet auf das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie die erfindungsgemäße Verwendung. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren angegeben, wobei weitere in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, solange sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.

Erfmdungsgemäß ist dementsprechend ein Verfahren zur Auftrennung ein- und mehrwertiger Ionen aus einer wässrigen Sole, mindestens umfassend die Verfahrensschritte; a) Bereitstellen einer wässrigen Sole umfassend ein- und mehrwertige Anionen und/oder ein- und mehrwertige Kationen, wobei der osmotische Druck der Sole ermittelt nach dem van-'t Hoff schen Gesetz bei 25°C größer oder gleich 100 bar beträgt; b) Einspeisen der im Verfahrensschritt a) bereitgestellten Sole als Zug-Eingangsstrom in eine oder mehrere Vorwärtsosmose-Einheiten und Verdünnung des eingespeisten Stromes durch Übertritt von Wasser aus einem oder mehreren Speise-Eingangsströmen in den Zug-Eingangs- strom; c) Einspeisen des oder der verdünnten Zug- Ausgangsströme der Vorwärtsosmose-Einheiten als Speise-Eingangsstrom in eine oder mehrere Nanofiltrations-Einheiten, wobei in der Nanofilt- rations-Einheit zumindest ein Teil der einwertigen Ionen und Wasser aus dem Speise-Eingangsstrom der Nanofiltrationseinheit in den Permeatstrom übergehen, wobei der Speise-Eingangsstrom der Nanofiltration an zweiwertigen Ionen und der Permeat- Ausgangsstrom an einwertigen Ionen aufkonzentriert wird und zumindest zum Teil als Speise-Eingangsstrom in der Vor- wärtsosmose-Einheit des Verfahrensschrittes a) verwendet wird; d) Zumindest teilweises Einspeisen des an zweiwertigen Ionen aufkonzentrierten Speise- Ausgangsstromes der Nanofiltrations-Einheit als Speise-Eingangsstrom einer zweiten Vor- wärtsosmose-Einheit, wobei als Zug-Eingangsstrom der zweiten Vorwärtsosmose-Einheit die Sole aus dem Verfahrensschritt a) verwendet wird, wobei der verdünnte Zug-Ausgangsstrom, zumindest anteilig, als Speise-Eingangsstrom im Verfahrensschritt c) für die Nanofiltrations- Einheit verwendet wird; e) zumindest anteiliges Ausschleusen einer an zweiwertigen Ionen aufkonzentrierten Lösung aus den Speise- Ausgangsstrom der zweiten Vorwärtsosmose-Einheit und zumindest anteiliges Ausschleusen einer an einwertigen Ionen aufkonzentrierten Lösung aus dem Speise- Ausgangsstrom der ersten Vorwärtsosmose-Einheit.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unterschiedliche Ladungen tragende Ionen aus hochkonzentrierten Salzlösungen besonders energetisch effizient voneinander trennen lassen. Durch die spezifisch angegebene Kombination zweier Vorwärtsosmose-Einheiten und einer Nanofiltration, und hier insbesondere mit der angegebenen Führung der einzelnen Stoffströme, können die Vorteile der einzelnen Trennmethoden effizient miteinander verbunden werden. Es wird ein Gesamtprozess erhalten, welcher die beschriebenen Nachteile der Verfahren des Standes der Technik vermeidet. Das Verfahren lässt sich mit stark salzbeladenen Solen und mit Solen unterschiedlicher lonen-Zusammenset- zungen durchführen. Besonders vorteilhaft ist zudem, dass die Zusammensetzung der Sole auch flexibel variieren kann. Es ergibt sich ein Gesamtverfahren, dass eine Aufarbeitung der einzelnen Stoffströme, beispielsweise in Form eines Aufkonzentrieren durch Einsatz thermischer Energie, vermeidet. Insofern ergeben sich durch letztgenannten Vorteil besonders geeignete Grundlagen zur Durchführung energiesparender, kontinuierlicher Trennprozesse für stark salzhaltige Lösungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Auftrennung ein- und mehrwertiger Ionen aus einer wässrigen Sole. Die wässrige Sole umfasst mindestens einen Wasseranteil und im Wasser gelöste anorganische Salze. Solen zeichnen sich üblicherweise dadurch aus, dass diese eine hohe Menge an anorganischen und/oder organischen Salzen tragen. So kann beispielsweise der Gehalt an Salzen in der wässrigen Lösung generell größer oder gleich 50 g/Li- ter, bevorzugt größer oder gleich 75 g/Liter betragen. Die Salze weisen dabei Ionen unterschiedlicher Wertigkeit/Ladung auf. So können sowohl die Anionen als auch die Kationen der Salze einfach, zweifach oder aber auch drei- oder mehrfach geladen sein. Die Ionen werden als Konsequenz des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest zum Teil als Funktion ihrer Ladung auf- getrennt. So werden an bestimmten Stellen des Verfahrens Stoffströme erhalten, welche sich in ihrer lonenzusammensetzung im Vergleich zur eingesetzten Sole und auch als Funktion der Entnahmestelle unterscheiden. An bestimmten Stellen des Verfahrens fallen Stoffströme an, welche im Vergleich zu an anderer Stelle anfallenden Strömen einen höheren oder niedrigeren Gehalt an einwertigen Ionen aufweisen. Demzufolge ergibt sich, dass an anderen Stellen des Prozesses Stoffströme erhalten werden, in denen die Konzentration an mehrwertigen Ionen erhöht oder erniedrigt ist. Somit können aus der ursprünglich eingesetzten Sole Teilausgangsströme oder ganze Ausgangsströme erhalten werden, welche eine gleichmäßigere Zusammensetzung der Ionen als Funktion der elektrischen Ladung der einzelnen Ionen aufweisen. Letzteres kann die Aufarbeitung und Weiterverwendung der prozessierten Sole vereinfachen.

Im Verfahrensschritt a) erfolgt das Bereitstellen einer wässrigen Sole umfassend ein- und mehrwertige Anionen und/oder ein- und mehrwertige Kationen, wobei der osmotische Druck der Sole ermittelt nach dem van- T-Hoff sehen Gesetz bei 25°C größer oder gleich 100 bar beträgt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für die Auftrennung von Ionen in wässrigen Lösung, welche einen besonders hohen osmotischen Druck zeigen. Der Zusammenhang zwischen dem osmotischen Druck und der Menge an spezifisch gelösten Salzen lässt sich dabei anhand des van-'t-Hoff sehen Gesetzes oder der van- t-Hoffi sehen Gleichung ableiten. Diese besagt, dass der osmotische Druck einer wässrigen Salzlösung sich aus der Anzahl der Teilchen in die das Salz dissoziiert, der Konzentration, der Temperatur und der universellen Gaskonstante ergibt.

Im Verfahrensschritt b) erfolgt das Einspeisen der im Verfahrensschritt a) bereitgestellten Sole als Zug-Eingangsstrom in eine oder mehrere Vorwärtsosmose-Einheiten und Verdünnung des eingespeisten Stromes durch Übertritt von Wasser aus einem oder mehreren Speise-Eingangsströmen in den Zug-Eingangsstrom. Die Vorwärtsosmose ist ein druckloses Membranverfahren, bei dem eine wasserdurchlässige Membran zwei Lösungen mit unterschiedlichen osmotischen Druck voneinander trennt. Basierend auf dem Prinzip der Osmose permeiert Wasser von der osmotisch dünneren in die konzentriertere Lösung, und verdünnt dadurch diese. Konsequenterweise wird durch diesen Schritt die osmotisch dünnere Lösung aufkonzentriert. Die Vorwärtsosmose wird herkömmlicher Weise zur Konzentrierung wässriger Lösungen eingesetzt. In der Vorwärtsosmose ist technisch weit verbreitet, dass durch den Einsatz osmotisch starker Zuglösungen wässerige Lösungen ohne hohe Drücke und Wärmezufuhr unter Umgebungsbedingungen aufkonzentriert werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass sich die eingesetzte Zuglösung im Durchgang durch die Vorwärtsosmose verdünnt und dann anschließend wieder konzentriert werden muss, um den Prozess aufrechterhalten zu können. Die wiederholte Aufkonzentrierung der Zuglösung zum Einsatz ist dabei selbstverständlich mit einem energetischen Aufwand verbunden. Die bereitgestellte Sole als Zuglösung nimmt also in der Vorwärtsosmose-Einheit Wasser aus den Speise-Eingangsströmen auf und die Konzentration an Ionen im Ausgang der Vorwärtsosmose-Einheit des Zug-Eingangsstromes wird verringert. Das Einspeisen kann in einer, zwei, drei oder mehreren voneinander separierten Vorwärtsosmose-Einheiten erfolgen. Bei den Vorwärtsosmose- Anlagen kann es sich prinzipiell um handelsübliche Vorwärtsosmose-Anlagen mit unterschiedlichen Membranaufbauten und -Geometrien handeln.

Im Verfahrensschritt c) erfolgt das Einspeisen des oder der verdünnten Zug- Ausgangsströme der Vorwärtsosmose-Einheiten als Speise-Eingangsstrom in eine oder mehrere Nanofiltrations- Einheiten, wobei in der Nanofiltrations-Einheit zumindest ein Teil der einwertigen Ionen und Wasser aus dem Speise-Eingangsstrom der Nanofiltrationseinheit in den Permeatstrom übergehen, wobei der Speise-Eingangsstrom der Nanofiltration an zweiwertigen Ionen und der Permeat-Ausgangsstrom gegebenenfalls an einwertigen Ionen aufkonzentriert wird; und wobei der Permeat-Ausgangsstrom der Nanofiltrations-Einheit zumindest zum Teil als Speise-Eingangsstrom in der Vorwärtsosmose-Einheit des Verfahrensschrittes a) verwendet wird. Der verdünnte Zugstrom nach Durchgang durch die Vorwärtsosmose-Einheit wird also als Eingangslösung einer Nanofiltration verwendet. Die Nanofiltration ist ein druckgetriebenes Membranverfahren, in dem einwertige Ionen durch die Membran permeieren können und mehrwertige Ionen eine hohe Rückhaltung erfahren. Für hochkonzentrierte Salzlösungen ist jedoch - bedingt durch den osmotischen Druck der Salzlösung - ein Betriebsdruck notwendig, der den zulässigen Betriebsdruck der Nanofiltrationsmembranen jedoch bei weitem übersteigen würde. Herkömmlicher Weise müssen zur lonentrennung mittels Nanofiltration derartige hochkonzentrierte Salzlösungen verdünnt werden. Zur anschließenden Konzentrationserhöhung auf die entsprechenden Ausgangskonzentrationen sind dann aber weitere Verfahrensstufen erforderlich, die einen hohen elektrischen und thermischen Energiebedarf haben. Entscheidend für die industrielle Nutzung ist jedoch, dass die lonentrennung durch einen geringen Energieeinsatz wirtschaftlich möglich ist. Aufgrund der Tatsache, dass die hochkonzentrierten Solelösungen schon im Rahmen der Vorwärtsosmose verdünnt wurden, ist eine wirtschaftliche Nutzung der Nanofiltration gegeben. Dies gilt umso mehr, da der Permeat-Ausgangsstrom der Nanofiltration als Speisestrom der Vorwärtsosmose verwendet werden kann. Bei der technischen Ausgestaltung der Nanofiltration kann es sich prinzipiell um handelsübliche Nanofiltrations-Anlagen mit unterschiedlichen Membranaufbauten und -Geometrien handeln. Im Verfahrensschritt d) erfolgt ein zumindest teilweises Einspeisen des an zweiwertigen Ionen aufkonzentrierten Speise- Ausgangsstromes der Nanofiltration als Speise-Eingangsstrom einer zweiten Vorwärtsosmose-Einheit, wobei als Zug-Eingangsstrom der zweiten Vorwärtsosmose- Einheit die Sole aus dem Verfahrensschritt a) verwendet wird, wobei der verdünnte Zug-Aus- gangsstrom, zumindest anteilig, als Speise-Eingangsstrom im Verfahrensschritt c) für die Nanofiltrations-Einheit verwendet wird. Der an zweiwertigen Ionen aufkonzentrierte Ausgangsstrom der Nanofiltration bildet also den Eingangsstrom einer weiteren Vorwärtsosmose-Einheit, welche zudem als Zuglösung die nicht aufgearbeitete Sole verwendet. Nach Durchlaufen der zweiten Vorwärtsosmose-Einheit wird der verdünnte Zugstrom als Eingangsstrom für die Nanofiltration verwendet. Bei dieser zweiten Vorwärtsosmose-Anlage kann es sich prinzipiell um eine handelsübliche Vorwärtsosmose-Anlage mit unterschiedlichen Membranaufbauten und -Geometrien handeln.

Im Verfahrensschritt e) erfolgt ein zumindest anteiliges Ausschleusen einer an zweiwertigen Ionen aufkonzentrierten Lösung aus den Speise-Ausgangsstrom der zweiten Vorwärtsosmose- Einheit und ein zumindest anteiliges Ausschleusen einer an einwertigen Ionen aufkonzentrierten Lösung aus dem Speise- Ausgangsstrom der ersten Vorwärtsosmose-Einheit. Nach Durchlauf durch die Trennkaskade werden an den unterschiedlichen Ausgangsstellen ausschleusbare Teilströme erhalten, welche sich in ihren lonenzusammensetzungen deutlich voneinander und der eingesetzten Sole unterscheiden. So ist der Anteil zweiwertiger Ionen im Speise- Ausgangsstrom der zweiten Vorwärtsosmose-Einheit im Vergleich zum Ausgangsstrom der ersten Vorwärtsosmose-Einheit höher. An der ersten Vorwärtsosmose-Einheit hingegen kann ein Strom abgegriffen werden, welcher einen höheren Anteil einwertiger Ionen aufweist. Insofern lässt sich ein einheitlicher Solestrom in zwei separate Ströme aufteilen, welche sich in ihrer relativen lonenzusammensetzungen unterscheiden. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann die im Verfahrensschritt a) bereitgestellte Sole eine Salzfracht von größer oder gleich 100 g/L und kleiner oder gleich 500 g/L aufweisen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich insbesondere auch hoch salzhaltige Solen aufbereiten, welche eine große Anzahl unterschiedlicher Ionen und auch stark variierende Anteile unterschiedlich geladener Ionen aufweisen. Bevorzugt kann die Salzfracht größer oder gleich 150 g/L und kleiner oder gleich 400 g/L, des Weiteren bevorzugt größer oder gleich 200 g/L und kleiner oder gleich 350 g/L betragen. Innerhalb dieser Konzentrationsbereiche können mit einem niedrigen Energieeinsatz hohen Mengen an Eingangsströmen in kurzen Zeiträumen behandelt werden.

Innerhalb einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann der Zug-Eingangsstrom und der Speise-Eingangsstrom der ersten Vorwärtsosmose-Einheit im Gegenstrom zugeführt werden. Zur Verbesserung des Trennverhaltens der ersten Vorwärtsosmose-Einheit hat es sich als günstig herausgestellt, dass Zug- und Speiseeingangsstrom im Gegenstrom geführt werden. Diese Führung der Ströme kann die Trennleistung verbessern. Bevorzugt kann auch die zweite Vorwärtsosmose auf diese Weise gefahren werden. Weiter ist bevorzugt, dass beide Vor- wärtsosmose-Einheiten für diese Ströme im Gegenstrom gefahren werden. Dies kann die Trennleistung des gesamten Prozesses verbessern.

Innerhalb eines weiter bevorzugten Aspektes des Verfahrens kann der Druck in der Nanofiltration größer oder gleich 30 bar und kleiner oder gleich 150 bar betragen. Zur wirtschaftlichen Auftrennung auch großer Solemengen hat es sich als günstig herausgestellt, dass die Konzentrationsverhältnisse in der Nanofiltration so gesteuert werden, dass im oben angegebenen Druckbereich gearbeitet werden kann. Innerhalb dieses Bereiches lassen sich hohe Permeatflüsse unter einer ausreichenden Trennleistung erreichen.

Nach einer bevorzugten Charakteristik des Verfahrens kann der Zug-Ausgangsstrom des Verfahrensschrittes b) vor oder während des Einspeisens in die Nanofiltrationseinheit im Verfahrensschritt c) weiter mit Wasser verdünnt werden. Die Leistungsparameter der Trennkaskade können vorteilhafterweise über eine gesteuerte Verdünnung der über die Vor- wärtsosmose-Einheit behandelten Sole auf die gewünschten Eigenschaften eingestellt werden. Durch die Zugabe beispielsweise entsalzten Wassers kann sowohl die Trennleistung, die Betriebsbedingungen in der Nanofiltration als auch der Durchsatz gesteuert werden. Insofern kann das Verfahren auf unterschiedliche Sole-Eingangsströme oder aber auch auf variierende Solemengen flexibel angepasst werden.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann die Wasserzugabe an unterschiedlichen Stellen vor und in der Nanofiltrationseinheit aufgeteilt erfolgen. Eine Aufteilung der Wasserzugabe auf zumindest einen Teil vor dem Eingang der Nanofiltration und zumindest einen oder weitere Teile in der Nanofiltrations-Einheit kann die Effizienz und die Trennleistung des Gesamtverfahrens verbessern. Bevorzugt wird hierbei die Wasserzugabe an einer, zwei, des Weiteren bevorzugt an drei Stellen in der Nanofiltration hinzugegeben.

Des Weiteren erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Auftrennung ein- und mehrwertiger Ionen aus einer wässrigen Sole, wobei die Vorrichtung mindestens umfasst:

I) eine erste Vorwärtsosmose-Einheit mit Zu- und Ableitungen für einen ersten Zugstrom und einen ersten Speisestrom,

II) eine Nanofiltrations-Einheit mit Zu- und Ableitungen;

III) eine zweite Vorwärtsosmose-Einheit mit Zu- und Ableitungen; wobei die Ableitung des ersten Zugstromes der ersten Vorwärtsosmose-Einheit in die Zuleitung des Speisestromes der Nanofiltrations-Einheit erfolgt; wobei die Ableitung der Permeatstromes der Nanofiltrations-Einheit in die Zuleitung des Speisestromes der ersten Vorwärtsosmose-Einheit und die Ableitung des Speisestromes der Nanofiltrations-Einheit in die Zuleitung des Speisestromes der zweiten Vorwärtsosmose-Einheit erfolgt; wobei die Ableitung des Zugstromes der zweiten Vorwärtsosmose-Einheit in die Zuleitung des Speisestromes der Nanofiltrations-Einheit erfolgt; wobei zumindest die erste Vorwärtsosmose-Einheit auf der Seite des ersten Speisestromes und die zweite Vor- wärtsosmose-Einheit auf der Seite des zweiten Speisestromes Mittel zum Ausschleusen mindestens eines Teils des Prozesswassers aufweisen.

Dieser Aufbau kann zu verbesserten Trennleistungen auch stark salzhaltiger Solen beitragen, wobei die Trennung der unterschiedlichen Ionen nach ihrer Ladung auf besonders energieeffiziente Weise erfolgt. Der Aufbau ermöglicht zudem Verfahrensführungen, welche stark salzhaltige Solen mit hohen Volumenströmen verarbeiten können. Der Aufbau ist flexibel genug, dass auch quantitativ und qualitativ variierende Eingangsströme flexibel aufgearbeitet werden können. Zu den weiteren Vorteilen dieses Aufbau wird des Weiteren explizit auf die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.

Innerhalb einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung kann die erste und die zweite Vorwärtsosmose-Einheit jeweils in eine eigene Nanofiltrations-Einheit einspeisen, wobei die Ableitungen der Permeatströme und die Ableitung der Speiseströme der jeweiligen Nanofiltrations-Einheiten nach Durchlauf durch die Nanofiltrations-Einheiten zusammengeführt werden. Insbesondere der Aufbau mit 2 Vorwärtsosmose-Anlagen und je einer Nanofiltration pro Vorwärtsosmose-Einheit kann zu einer weiteren Leistungssteigerung und einer flexiblen Steuerbarkeit der Anlage beitragen. Es können hohe Solemengen auch stark salzhaltiger Solen energiesparend verarbeitet werden.

Des Weiteren erfindungsgemäß ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Behandlung wässriger Solen umfassend Na-, K- und Mg-Kationen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich für die Aufarbeitung wässriger Solen mit Natrium-, Kalium- und Magnesium-Ionen als besonders geeignet herausgestellt. Diese Ionen lassen sich mit üblichen Verfahren zur Trennung stark salzhaltiger Solen nur unter einem hohen Energieaufwand auftrennen. Bevorzugt kann die Sole Natrium-, Kalium- und Magnesium-Ionen beinhalten und eine Salzfracht von größer oder gleich 150 g/L und kleiner oder gleich 400 g/L, des Weiteren bevorzugt größer oder gleich 200 g/L und kleiner oder gleich 350 g/L aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Verwendung kann die Sole Chlorid- und Sulfatio- nen umfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich für die Aufarbeitung wässriger Solen mit Chlorid- und Sulfat-Ionen als besonders geeignet herausgestellt. Diese Ionen lassen sich mit üblichen Verfahren zur Trennung stark salzhaltiger Solen nur unter einem hohen Energieaufwand auftrennen. Bevorzugt kann die Sole aufweisend die Chlorid- und die Sulfat-Ionen eine Salzfracht von größer oder gleich 150 g/L und kleiner oder gleich 400 g/L, des Weiteren bevorzugt größer oder gleich 200 g/L und kleiner oder gleich 350 g/L aufweisen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Figuren veranschaulicht und in den nachfolgenden Beispielen erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.

Es zeigt die:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Vorwärtsosmose- Einheiten und einer Nanofiltration.

Die Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere kann anhand der Figur 1 die Stoffmengenführung in den einzelnen Stufen beschrieben werden. Der Aufbau besteht in diesem Fall aus zwei Vorwärtsosmose-Einheiten 1, 2 und einer gemeinsamen Nanofiltrations-Einheit 3. Die beiden Vorwärtsosmose-Einheiten 1, 2 werden mit einer Sole-Lösung als Zuglösung 4 gespeist, wobei die Eingangslösung ein- und mehrwertige, beispielsweise zweiwertige Anionen und/oder Kationen aufweist. Durch den hohen osmotischen Druck der Zuglösung 4 tritt innerhalb dieser Stufe Wasser in die Zuglösung 4 und verdünnt diese. Als Ergebnis werden nach den Vorwärtsosmose-Einheiten 1, 2 verdünnte Zuglösungen 5, 6 mit geringeren osmotischem Druck erhalten. Die verdünnten Zuglösungen 5, 6 der Vorwärtsosmose-Einheiten 1, 2 bilden in dieser Ausgestaltung zusammen den Eingangsstrom 7 der Nanofiltrationsstufe oder - Einheit 3, wobei in der Nanofiltrations-Einheit 3 einwertige Ionen und Wasser aus dem Eingangsstrom 7 der Nanofiltration 3 in den Permeatstrom der Nanofiltration 3 übergehen. Nach der Nanofiltration 3 wird dieser verdünnte und an einwertigen Ionen angereicherte Strom 8 als Eingangsstrom 10 einer der Vorwärtsosmose-Einheiten 1 verwendet. In der Vorwärtsosmose- Einheit 1 wird dieser Strom durch Wasserabgabe in die Zuglösung 4 aufkonzentriert und verlässt als an einwertigen Ionen aufkonzentrierter Strom 11, zumindest zum Teil, die Vor- wärtsosmose-Einheit 1. Die an einwertigen Ionen verarmte Lösung 9 der Nanofiltrations-Einheit 3 wird als Eingangsstrom 12 der zweiten Vorwärtsosmose-Einheit 2 genutzt. In dieser Vor- wärtsosmose-Einheit 2 wird der Eingangsstrom 12 durch Wasserabgabe an die Zuglösung 14 aufkonzentriert und verlässt als an zweiwertigen Ionen aufkonzentrierter Strom 13 zumindest zum Teil die zweite Vorwärtsosmose-Einheit 2. In den beiden Vorwärtsosmose-Einheiten 1, 2 fallen also nach Durchlaufen des Verfahrens zwei unterschiedliche Ströme 11, 13 an, wobei einer der Ströme 11 an einwertigen Ionen und der andere Strom 13 an zweiwertigen Ionen im Vergleich zueinander aufkonzentriert sind.

Beispiel

Mittels der in der Figur 1 beschriebenen Vorrichtung wurde im Technikumsmaßstab ein Prozesswasser aus der Kali-Industrie aufbereitet. Das Wasser wies folgende lonen-Zusammenset- zung auf:

Das Prozesswasser ist hochsalzhaltig und schließt auf Grund seines hohen osmotischen Druckes in Höhe von 236 bar und seiner lonenzusammensetzung die direkte Anwendung einer Nanofiltration zur lonentrennung aus. Mit solch hohen osmotischen Drücken kann kein wirtschaftlich ausreichender Permeatfluss erreicht werden. Um dennoch eine Nanofiltration einsetzen zu können, müsste das Prozesswasser mit salzfreiem Wasser im Verhältnis 1 : 1 verdünnt werden. Erst in diesem Fall könnten die Ionen mittels Nanofiltration getrennt werden. Die erhaltenen Salzlösungen lägen danach aber sehr verdünnt vor, welches die angestrebte Nutzung der Salze erschwert bzw. unwirtschaftlich macht.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Prozesswasser zunächst als Zuglösung für eine Vorwärtsosmose eingesetzt. Dabei wird das Prozesswasser derart verdünnt, dass der osmotische Druck soweit herabgesetzt wird, dass mit dem so verdünnten Prozesswasser eine lonentrennung mittels Nanofiltration möglich wird. In der Nanofiltration werden ein an Sulfaten und Magnesium abgereicherter Permeatstrom und ein an Sulfaten und Magnesium angereicherter Konzentratstrom erzeugt. Die volumetrischen Anteile der beiden Ströme werden entsprechend der lonenkonzentrationen im Prozesswasser eingestellt. Sowohl der Permeat- als auch der Konzentratstrom liegen allerdings noch in einer verdünnten Form vor, die herkömmlicherweise einen weiteren energieintensiven Verfahrensschritt erfordert. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann dieser weitere Verfahrensschritt vorteilhaft durch den Einsatz der Vorwärtsosmose, ohne nennenswerte Energiezufuhr, bewerkstelligt werden. Hierzu wird der Permeatstrom und der Konzentratstrom j eweils einer Vorwärtsosmosestufe zugeführt und dadurch wieder aufkonzentriert. Auf diese Weise wird das Wasser, das zunächst mittels der Vorwärtsosmose dem Prozess wasser zur Verdünnung zugeführt wurde, den Teil strömen nach der lonentrennung wieder entzogen. Im Technikumsmaßstab erreicht man mit einem 4“-Nanofiltrationselement bei einem Druck von 40 bar einen Permeatfluss von 2,0 L/(m ² h) und bei 80 bar einen Fluss von 7 L/(m ² h). Sobald bei einem Betriebsdruck von 80 bar jedoch nur 20 % des Einspeisevolumens als Permeat entnommen werden, sinkt der Permeatfluss auf 4,0 L/(m ² h) ab. Verdünnt man z.B. das Prozesswasser mit 20 % salzfreien Wasser, so erhöht sich der Permeatfluss auf 9,5 L/(m ² h). Mittels zusätzlicher Zugabe geringer Wassermengen kann die Höhe des Permeatflusses also nach Wunsch eingeregelt werden.

In den Versuchen zur Nanofiltration wurden 100 L Prozesswasser mit 40 L salzfreien Wasser verdünnt und aus den so verdünnten 140 L Prozesswasser 60 L Permeat mit einem osmotischen Druck von 130 bar und 80 L Konzentrat mit einem osmotischen Druck in Höhe von 160 bar erzeugt. In dem weiteren Prozessschritt wurde die Vorwärtsosmose mit dem aus den Nanofiltrationsversuchen erzeugten Permeat und Konzentrat mit dem Prozesswasser als Zuglösung untersucht. Mit dem Permeat als Feedlösung konnten so Wasserpermeabilitäten zwischen 0,025 L/(m ² hbar) und 0,035 L/(m ² hbar) erreicht werden. Die entsprechenden Werte für das Konzentrat betrugen zwischen 0,017 und 0,028 L/(m ² hbar).

Die Zusammensetzung des Eingangs- und der beiden Ausgangsströme ergeben sich wie folgt:

Über die Stoffmengenströme können die Änderungen der Zusammensetzung als Funktion der einzelnen Stufen nachvollzogen werden. Es wird ein konzentrierter Sole-Eingangsstrom 4 genutzt, welcher eine hohe Konzentration an ein- und zweiwertigen Ionen aufweist. Dieser Strom wird über die erfindungsgemäße Vorrichtung und mittels des erfmdungsgemäßen Verfahrens behandelt. Der Ausgangsstrom 11 in der Vorwärtsosmose-Einheit 1 ist im Vergleich zum Ausgangsstrom 13 der zweiten Vorwärtsosmose-Einheit 2 insbesondere an den einwertigen Natrium-, Kalium- und Chlorid-Ionen aufkonzentriert. Der Ausgangstrom 13 der zweiten Vor- wärtsosmose-Einheit zeigt hingegen einen deutlich höheren Anteil an zweiwertigen Sulfat- und Magnesium-Ionen. In Summe lässt sich also ein hochkonzentrierter Sole-Eingangsstrom mit unterschiedlich wertigen Ionen mit geringem Energieaufwand und steuerbaren Stoffmengen in zwei Stoffströme trennen, welche unterschiedliche Anteile an ein- und zweiwertigen Ionen aufweisen. Diese Auftrennung in unterschiedlich wertige Ionen kann die Weiterbehandlung der Stoffströme deutlich vereinfachen.