Trinkwassergewinnung aus Meerwasser mittels Umkehrosmose Teil

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Schwerpunktthemen
Trinkwassergewinnung aus
Meerwasser mittels Umkehrosmose
Teil 1: Grundlagen und energetische Betrachtung
K. Nikolaus, S. Ripperger*
Die Umkehrosmose ist das am häufigsten eingesetzte Membranverfahren zur Trinkwassergewinnung aus Meer- und
Brackwasser. Dabei muss der über die Membran wirkende osmotische Druck überwunden werden. Zum Betrieb der
hierzu notwendigen Hochdruckpumpen muss stetig Energie zugeführt werden. Da nur ein Teil des Rohwassers als
Trinkwasser gewonnen wird, wurden Systeme zur Rückgewinnung der im verbleibenden Konzentrat enthaltenden
Druckenergie entwickelt. Dadurch kann der notwendige Energiebedarf deutlich gesenkt werden. Die dadurch sich
ergebende Reduzierung der Wassergestehungskosten zeigt eine Kostenrechnung. Darin werden alle entstehenden
Kosten berücksichtigt, auch die, welche notwendig sind, um das Rohwasser vorzubehandeln. Im Folgenden werden
grundlegende Zusammenhänge zur Auslegung einer Trinkwassergewinnung mittels Umkehrosmose behandelt und der
dazu notwendige Energiebedarf ermittelt. In einem später erscheinenden zweiten Teil wird die zugehörige Kostenrechnung
erläutert. Hierbei wird auch der Aufwand für eine Rohwasservorbehandlung mittels einer Ultrafiltration analysiert.
1. Verfahrensprinzip
Ein osmotisches System entsteht, wenn
zwei wässrige Lösungen unterschiedlicher
Konzentration durch eine semipermeable
Membran, die gelöste Komponenten der
Lösung zurückhält, voneinander getrennt
werden. Da bei einer Membran zur
Umkehrosmose Salze der Lösung die
Membran nicht wesentlich durchdringen
können, diffundieren Wassermoleküle
aufgrund des Unterschiedes der chemischen Potenziale auf die Seite der höher
konzentrierten Lösung. Das Streben der
Natur nach einem Konzentrationsausgleich liegt diesem Stofftransport zugrunde. Eine gute Löslichkeit der Wassermoleküle in der Membran fördert diese
selektive Permeation. Der dabei auf der
Permeatseite auftretende maximal mög* Dipl.-Ing. Kai Nikolaus
Prof. Dr.-Ing. Siegfried Ripperger
Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
TU Kaiserslautern
Tel.: 0631-205-2121
www.uni-kl.de/mvt
liche Druck wird als osmotischer Druck
bezeichnet. Wenn dieser Druck auf der
Konzentratseite erreicht wird, kommt der
Permeatfluss zum erliegen. Der osmotische Druck einer wässrigen Salzlösung
kann im verdünnten Bereich durch die Van’t
Hoff’sche Gleichung beschrieben werden.
Danach steigt der osmotische Druck Δπ
mit steigender Salzkonzentration cSalz.
linear an /1/.
(1)
cSalz: molare Salzkonzentration
T: Temperatur in K
R: allgemeine Gaskonstante
f0: Van’t Hoff-Faktor
f0 =1+ α·(v-1).
α: Dissoziationsgrad
v: Anzahl der Ionen pro Salzmolekül
Bei der Umkehrosmose, wie sie z.B. zur
Trinkwassergewinnung aus Meerwasser
angewendet wird, nutzt man diese selektive Permeation von Wasser durch die
Membran aus und erzwingt eine Umkehrung des Vorgangs der Osmose, indem
Abb. 2: Einstufige RO-Anlage mit Konzentratrückführung
6
Abb. 1: Einstufige RO-Anlage
man auf der Konzentratseite einen höheren
Druck als den osmotischen Druck anlegt.
Bei Meerwasser wird üblicherweise von
einem mittleren Salzgehalt von 3,5 Massen-% ausgegangen, was einem osmoti-
Abb. 4: Zweistufige RO-Anlage (Kaskadenschaltung) mit
Konzentratrückführung in der ersten und der zweiten Stufe
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M I C R O F I LT R AT I O N
2. Betriebsweisen
Die einfachste Ausführung einer Anlage
zur Umkehrosmose zeigt Abb. 1. Dabei
wird das salzhaltige Wasser mittels einer
Hochdruckpumpe auf einen Druck oberhalb des osmotischen Drucks komprimiert. Dieser wird wesentlich von dem
Salzgehalt im Zulauf und der Konzentrierung des Salzes in der Anlage bestimmt. Die Konzentrierung wird über den
Volumenstrom des Konzentratablaufs
geregelt. Um einer Deckschichtbildung
auf der Membran entgegenzuwirken, kann
es sinnvoll sein, das Konzentrat umzuwälzen (siehe Abb. 2). Dadurch wird die
Geschwindigkeit der Membranüberströmung wesentlich erhöht und einer
Deckschichtbildung entgegengewirkt.
Gleichzeitig wird jedoch dadurch auch der
notwendige Energiebedarf erhöht. Bei der
einstufigen Betriebsweise entsprechend
Abb. 2 stellt sich im gesamten Kreislauf
nahezu die Endkonzentration ein. Entsprechend muss diese Stufe mit einem
Druck betrieben werden, der oberhalb des
osmotischen Drucks des Konzentratablaufs entspricht. Es kann daher sinnvoll
sein, in einer ersten Stufe eine teilweise
Konzentrierung vorzunehmen, so dass
diese Stufe auch mit einem niedrigeren
Druck betrieben werden kann, und dann in
einer zweiten Stufe die Endkonzentration
einzustellen (siehe Abb. 3). Eine Kaskaden-Ausführung der Umkehrosmose, die
in Abb. 4 dargestellt ist, wird notwendig,
wenn das Permeat nach der ersten Stufe
nicht die geforderte niedrige Salzkonzentration aufweist.
In den folgenden Berechnungen wird
der Betrieb einer einstufigen Umkehrosmoseanlage entsprechend Abb. 1 betrachtet. Diese Betriebsweise zeichnet sich
durch den einfachsten Anlagenaufbau aus.
Im zweiten Teil dieser Reihe soll anhand
dieser Betriebsweise abgeschätzt werden,
mit welchen Trinkwassergestehungskosten
gerechnet werden kann, wenn als Vorbehandlung eine Ultrafiltration eingesetzt
wird.
N A N O F I LT R AT I O N
3. Berechnungsgrundlagen
In der Umkehrosmoseanlage kommt es
zu einer Salzanreicherung infolge des
Permeatflusses, wodurch ein entsprechend
höherer osmotischer Druck als der des
natürlichen Meerwassers überwunden
werden muss. Bei einem kontinuierlichen
Betrieb entsprechend dem Anlagenschema
in Abb. 1 wird im Konzentratablauf durch
eine Regelung der Salzgehalt und damit
der osmotische Druck nach oben begrenzt.
Durch diese Regelung wird ebenso die
Wasserausbeute des Prozesses φ, die das
·
Verhältnis von Permeatstrom VP zu Feed·
strom VF darstellt, festgelegt:
(2)
Aus der Salzbilanz
(3)
erhält man mit der Ausbeute φ (Gleichung
2) und der annähernd konstanten Salzrückhaltung (Retention) der Membran R
(4)
die Salzkonzentration im Konzentratablauf
der Anlage
(5)
Die Salzretention der Membran verändert sich leicht mit den Parametern Druck,
Temperatur, Salzkonzentration des Zulaufes und Ausbeute /2/, jedoch ist die
Änderung oft vernachlässigbar gering. Die
maximale Salzkonzentration wird nach
Gleichung 5 maßgeblich durch die eingestellte Ausbeute des Systems bestimmt.
Zur Erfassung der Triebkraft für den
Stofftransport durch die Membran wird für
eine näherungsweise Berechnung die
mittlere Konzentration im Konzentrat als
logarithmisches Mittel angesetzt:
Abb. 3: Zweistufige RO-Anlage mit
Konzentratrückführung in beiden Stufen
U LT R A F I LT R AT I O N
Have a bath with a friend
schen Druck von 29,2 bar entspricht.
Dabei muss jedoch berücksichtigt werden,
dass je nach Region, der Salzgehalt erheblich von diesem Mittelwert abweichen
kann. Er unterliegt in Küstennähe auch
jahreszeitlichen Schwankungen.
(6)
Im Fall von Meerwasser mit einer
Salzkonzentration (bezogen auf Kochsalz)
von 35 g/l beträgt die mittlere Konzen-
9VhDg^\^cVa\^WiÈhcjgWZ^jch
7>D"8:Aœ
<ZiVjX]iZBZbWgVcbdYjaZ
9^Z>ccdkVi^dc[“gBZbWgVcW^dgZV`idgZc
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Abb. 5: Treibendes Druckgefälle für Meerwasser
Abb. 6: Permeatfluss für Meerwasser
tration bei einer Wasserausbeute von 50 % entsprechend in etwa
50 g/l. Mit steigender Ausbeute steigt auch die Salzkonzentration
auf der Konzentratseite und somit der zu überwindende osmotische
Druck an. Der für den Stofftransport maßgebliche osmotische
Druck für den kontinuierlichen Prozess entsprechend Abb. 1 ergibt
sich nach den Gleichungen 1 und 6 zu:
wassers vermieden werden. Der Gehalt an Kolloiden kann durch
eine Koagulation und/oder Flokkulation in Verbindung mit einer
Filtration gesenkt werden. Die im Wasser enthaltene natürliche
organischer Substanz (NOM) kann mittels einer Adsorption an
Aktivkohle reduziert werden. Eine Stabilisierung von Substanzen,
die ein Scaling verursachen können, gelingt durch eine pH-WertAbsenkung und/oder die Dosierung eines Antiscalants. Daten zur
Berechnung von Löslichkeitsgrenzen sind für die wichtigsten
Wasserinhaltsstoffe in der Literatur vorhanden /5/. Im gleichen
Zusammenhang muss auch der Effekt der Konzentrationspolarisation beachtet werden. Er beinhalte den Anstieg der
Konzentration an der Membranoberfläche von Substanzen, welche
von der Membran zurückgehalten werden. Aufgrund der
Konzentrationspolarisation wird das treibende Druckgefälle
herabsetzt und die Wahrscheinlichkeit für ein Scaling erhöht. Die
Einflüsse der Konzentrationspolarisation werden bei den
folgenden Berechnungen nicht explizit berücksichtigt. Geringe,
nicht zu vermeidende Änderungen, werden mit dem Scaling- und
Foulingfaktor FF berücksichtigt. Man geht üblicherweise von
einem Wert 0,8 bis 0,9 aus /3/. Die nachfolgenden Rechenergebnisse wurde mit einem Wert für FF von 0,85 ermittelt. Durch eine
Erhöhung der Temperatur wird der Permeatfluss vergrößert, da die
Diffusion des Wassers in der Membran verstärkt wird. Bei den
Berechnungen wurde von einer konstanten Temperatur
ausgegangen.
Das mittlere___
statische Druckgefälle zwischen Konzentrat- und
Permeatseite Δp ergibt sich aus dem Zulaufdruck unter der
Berücksichtigung des Druckverlustes beim Durchströmen der
Membran. Dabei kann man
___ davon ausgehen, dass der Druckverlust
infolge der Strömung Δp entlang der Membran linear abnimmt.
Damit gilt:
(7)
Die Umkehrosmose wird durch Anlegen eines Druckes oberhalb
des osmotischen Druckes auf der Konzentratseite erzwungen. Das
mittlere treibende Druckgefälle ergibt sich
___ aus der Differenz aus
dem mittleren angelegtem
Druck
Δp und dem mittleren
___
osmotischen Druck Δπ auf beiden Seiten der Membran. Der
· durch die Membran kann durch das treibende
Permeatfluss m
Druckgefälle und die Membrankonstante KW berechnet werden.
Der Zusammenhang ergibt sich aus dem Lösungsdiffusionsmodell
zur Beschreibung des Stofftransportes durch die Membran:
(8)
Wie später noch gezeigt wird muss auch darauf geachtet
werden, dass die transmembrane Druckdifferenz so gewählt wird,
dass auch beim höchsten auftretenden osmotischen Druck noch
eine Triebkraft vorliegt.
Eine nicht zu vernachlässigende Minderung des Permeatflusses
kann durch eine Deckschichtbildung auf der Membran verursacht
werden. Sie hat das sogenannte Fouling oder Scaling zur Folge.
Ein Fouling wird hauptsächlich durch im Rohwasser vorhandene
feinste Partikel, anorganische und organische Komplexe, die beide
unter dem Oberbegriff Kolloide zusammengefasst werden, und
Mikroorganismen verursacht. Beim Scaling wird infolge der
Konzentrierung von Wasserinhaltsstoffen deren Löslichkeitsgrenze
überschritten, so dass sie gefällt werden und einen Membranbelag
bilden können. Hier ist z. B. auf die Konzentrationen der Calcium-,
Magnesium-, Barium und Strontiumsulfate und -carbonate zu
achten. Eine Minderung des Permeatflusses infolge Fouling und
Scaling sollte möglichst durch eine Vorbehandlung des Roh-
Abb. 7: Fließbild bei Anwendung einer Energierückgewinnung
8
(9)
Unter der Vernachlässigung des vergleichsweise geringen
Druckverlustes über die Modullänge ΔpV (meist < 1bar) sowie
Abb. 8: spezifischer Energiebedarf bei unterschiedlichen Ausbeuten
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dem relativ niedrigen Druck auf der Permeatseite pP erhält man
___
Δp ≈pC Dadurch kann die Gleichung für den Stofftransort durch die
Membran (Gleichung 8) stark vereinfacht werden. Bei dieser
Auslegungsweise wird der Permeatfluss m· geringfügig, um den
Fluss, welche der Druck entsprechend des halben Druckverlustes
der Konzentratströmung im Membranmodul zur Folge hätte,
unterschätzt.
(10)
Die transmembrane Druckdifferenz muss nun so ausgelegt
werden, dass auch beim höchsten auftretenden osmotischen Druck
noch eine Triebkraft vorliegt. Der maximale osmotische Druck
wirkt am Ausgang der Anlage, da hier die höchste Salzkonzentration vorliegt. Der Betriebsdruck sollte auch an dieser
Stelle den äquivalenten osmotischen Druck überschreiten.
(11)
Der Faktor k beschreibt die Druckerhöhung gegenüber dem
osmotischen Druck am Ausgang der Anlage und muss damit einen
Wert, der größer ist als eins annehmen. k ist prinzipiell frei
wählbar. Üblicherweise werden Werte zwischen 1,02 und 1,10
eingesetzt. Durch diese Auslegungsweise wird auch am Ausgang
der Anlage eine Triebkraft sichergestellt. Bei einem Anlagenschema entsprechend Abb. 1 ist am Eingang der Anlage die
Triebkraft und damit der Permeatfluss am höchsten, da hier der
osmotische Druck am geringsten ist. Gleichung 11 ergibt in
Verbindung mit Gleichung 10 eine Beziehung zur Auslegung einer
Anlage auf Basis des Lösungsdiffusionsmodells unter Vernachlässigung des Druckverlustes innerhalb der Konzentratströmung im Membranmodul:
(12)
Zur Trinkwassergewinnung aus Meerwasser werden, je nach
angestrebter Wasserausbeute, Umkehrosmoseanlagen mit Betriebsdrücken pC zwischen 60 und 90 bar betrieben. Der maximale
Betriebsdruck einer Anlage wird u. a. durch den Membrantyp und
die Konstruktion der Membranmodule begrenzt. Insbesondere in
Fällen wo eine Konzentrierung von Inhaltsstoffen im Konzentrat
angestrebt wird, wie z. B. bei der Sickerwasseraufbereitung von
Mülldeponien, werden Anlagen mit Drücken bis zu 150 bar
betrieben. Bei noch höheren Druckdifferenzen muss bei den heute
verfügbaren Membranen mit einer Membrankompaktierung
gerechnet werden /4/.
Infolge des Anstiegs des notwendigen Betriebsdruckes mit dem
osmotischen Druck am Ausgang der Anlage (vgl. Gleichung 11),
kann die Wasserausbeute nicht beliebig hoch gewählt werden. Die
obere Grenze wird durch den maximal zulässigen Betriebsdruck
festgelegt. Die maximal erreichbare Ausbeute ist ebenso von der
Salzkonzentration im Rohwasser, der Salzrückhaltung der
Membran und dem gewählten Prozessschema abhängig. Mit den
Gleichungen 11 und 5 kann für einzelne Fälle die maximal
erreichbare Ausbeute berechnet werden. Für ein handelsübliches
Membranmodul mit einem zulässigen Betriebsdruck von 80 bar
ergibt sich die maximale Ausbeute für Meerwasser mit einem
Salzgehalt von 35 g/l zu ca. 60 % und für Brackwasser mit einem
Salzgehalt von 10 g/l zu ca. 90 % (berechnet mit k=1,1). Die Abb.
5 verdeutlicht diesen Sachverhalt für einen Salzgehalt von 35 g/l
für verschiedene Werte der Druckerhöhung k. Es wird deutlich,
dass das Membranmodul einen Druck von 110 bar aushalten
müsste, um eine Ausbeute von 70 % bei einer Salzkonzentration
von 35 g/l erreichen zu können. Im gleichen Diagramm ist das
wirkende mittlere treibende Druckgefälle für die Behandlung von
Meerwasser in Abhängigkeit von der Ausbeute dargestellt. Mit
steigender Ausbeute steigt der osmotische Druck beim Prozess an,
so dass die Betriebsdrücke bei dieser Auslegungsweise von etwa
45 bar bei einer Ausbeute von 30 % bis etwa 110 bar bei einer
Ausbeute von 70 % variiert werden.
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Die Membrankonstante KW ist hauptsächlich von der Löslichkeit
des Wassers im Membranmaterial, dem Diffusionskoeffizienten
und der Länge des Diffusionswegs abhängig. Sie wird
üblicherweise experimentell ermittelt und nimmt bei den heute
verfügbaren Membranen zur Umkehrosmose Werte zwischen 0,5
und 2,0 l/(m2barh) an /4/. Die folgenden Berechnungen werden für
ein leistungsstarkes Modul mit einer Membrankonstante von
1,5 l/(m2barh) durchgeführt. Der Permeatfluss durch die Membran,
der sich aus Gleichung 12 ergibt, ist in Abb. 6 über der Wasserausbeute für verschiedene Werte der Druckerhöhung k dargestellt.
Handelsübliche Membranmodule können einen Permeatfluss von
etwa 45 l/(m2h) erreichen.
Um Trinkwasser mit einer ausreichend niedrigen Leitfähigkeit
in einer Stufe zu erzeugen ist eine Membran mit einer Salzrückhaltung von mindestens 98 % erforderlich. Die Salzpassage einer
Membran wird oft mit der folgenden Gleichung erfasst:
(13)
Darin ist KS die Membrankonstante bezüglich der Salzpassage
und ΔcS das Salzkonzentrationsgefälle durch die Membran.
4. Energiebedarf
Der spezifische Energiebedarf w zum Betrieb der Umkehrosmose entsprechend dem Anlagenschema in Abb. 1 ergibt sich
maßgeblich aus der Antriebsleistung P der Hochdruckpumpe.
Gleichung 13 zeigt, dass der spezifische Energiebedarf wiederum
als eine von der Ausbeute abhängige Größe ausgedrückt werden
kann. Mit dem Wirkungsgrad ηP der Pumpe und den Gleichungen
5 und 11 erhält man:
(14)
Bei einer steigenden Ausbeute sinkt der spezifische
Energiebedarf w infolge der steigenden Bezugsgröße – der
Permeatstrom – ab. Gleichzeitig sind jedoch infolge der höheren
Konzentrierung ein höherer Betriebsdruck und damit ein höherer
spezifischer Energiebedarf notwendig. Eine Minimalwertanalyse
zeigt, bei welcher Ausbeute der geringste spezifische Energiebedarf bei einer einstufigen Anlage zu erwarten ist. Aus
folgt unabhängig vom Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe ηP und unabhängig von der Kapazität der Anlage
(15)
Die Salzrückhaltung der eingesetzten Membranen liegt meist im
Bereich von 99 %. Setzt man näherungsweise R≈1, so ergibt sich,
dass die optimale Ausbeute hinsichtlich der Energieausnutzung
einer Umkehrosmoseanlage entsprechend Abb. 1 bei etwa 50 % liegt.
Ein Großteil der aufgewendeten Energie kann zurück gewonnen
werden. So kann z. B. die im Konzentrat enthaltene Druckenergie
über eine Turbine entspannt werden.
Alternativ sind inzwischen auch Pumpe-Turbine-Kombinationen (Hydraulic turbo charger) verfügbar (Abb.7). Sie sind
ähnlich aufgebaut wie die Abgasturbolader von Automobilen und
sparen so die Umwandlung von mechanische in elektrische
Energie. Eine neue Generation von Energierückgewinnungsanlagen überträgt den Druck aus dem Konzentratstrom direkt auf
den Feedstrom. Kennzeichen dieser Drucktauscher sind zwei
längliche Druckrohre mit einem frei beweglichen Kolben, über den
der Druck im Konzentrat zur Vorkomprimierung des Zulaufs
genutzt wird /7/. Die wiedergewonnene Leistung des Konzentratstroms errechnet sich unter der Berücksichtigung des
Wirkungsgrades des jeweiligen Systems zur Energierückgewinnung ηER. Bei einer Vernachlässigung der relativ geringen
Strömungsdruckverluste im Membranmodul entspricht der Druck
im Konzentrat dem angelegten Druck auf der Konzentratseite.
(16)
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Aus dem Quotienten aus der wiedergewonnenen Leistung PER
zu der eingesetzten Leistung P ergibt sich die Energieeinsparung
des Systems (1-PER/P). Mit den Gleichungen 14 und 16 erhält man:
(17)
Die Gleichung lässt erkennen, warum im Allgemeinen Meerwasseranlagen, die bei Ausbeuten zwischen φ = 30 % und φ = 50 %
arbeiten, mit Energierückgewinnungsturbinen ausgerüstet sind,
während bei Brackwasseranlagen, die bei Ausbeuten von etwa φ =
70 % arbeiten, eine Energierückgewinnung seltener zum Einsatz
kommt /4/. Dabei muss beachtet werden, dass die erreichbare
Energieeinsparung immer mit den relativ hohen Investitionskosten
einer Energierückgewinnungsanlage verbunden sind. Durch eine
Kosten-Nutzen-Analyse muss im Einzelfall entschieden werden,
ob sich die Investition z.B. eines Drucktauschers lohnt.
Aus Gleichung 17 und 14 kann der spezifische Energiebedarf
bei der Anwendung einer Energierückgewinnung wER berechnet
werden:
(18)
Aus
folgt, dass die optimale Ausbeute bei der Verwendung einer Energierückgewinnung mit
(19)
beschrieben werden kann. Beispielsweise folgt für ηP=ηER ·0,8
und R≈1 eine optimale Ausbeute von 37,5 %.
Das Diagramm in Abb. 8 zeigt die Auftragung des spezifischen
Energiebedarfs über der Ausbeute. Die zuvor berechneten
optimalen Ausbeuten bestätigen sich bei beiden Betriebsweisen. Je
nach Anlagenkapazität, Salzkonzentration des Zulaufes und
angestrebten Differenzdruck ändert sich der Verlauf quantitativ.
Der qualitative Zusammenhang bleibt jedoch bei allen Parametern
nahezu gleich. Mit steigender Ausbeute steht im Konzentratstrom
weniger Energie für die Rückgewinnung zur Verfügung. Bei der
üblich angestrebten Ausbeute von 0,5 kann mit einem System zur
Energierückgewinnung der Energiebedarf zur Trinkwassergewinnung um ca. 30 % reduziert werden.
Literatur:
/1/ Handbook of Chemistry and Physics. 61th Edition
/2/ Dow FilmTec, Tech Manual Exerpt, FilmTec Membranes, Form No. 609-02003-1004
/3/ Janisch I (1987) Zum Problem der Membranverschmutzung bei der Umkehrosmose.
Dissertation, RWTH Aachen
/4/ R. Rautenbach, T. Melin, Membranverfahren, Springer Verlag, 3. Auflage, 2007
/5/ Hörnig H E (1978) Seawater and Seawater Distillation. Vulkan-Verlag, Essen
/6/ K.-H. Rosenwinkel, J. Wagner und Júrgnagy, Chemie Ingenieur Technik (72) 5 I 2000
„Membranverfahren in der industriellen Abwasserbehandlung“
/7/ Geisler P, Krumm W, Peters TA (2001) Reduction of the energy demand for Seawater RO
with pressure exchange system PES. Desalination 135:205 – 210