Grüner Wasserstoff entsteht durch die Elektrolyse von Wasser. Damit dieser Prozess dauerhaft und effizient funktioniert, muss das eingesetzte Wasser hohe Reinheitsanforderungen erfüllen. Gelöste Ionen, Partikel, organische Verbindungen und Mikroorganismen können die Wasserqualität beeinträchtigen und nachgeschaltete Komponenten belasten.
In der Praxis wird die Qualität von Reinstwasser häufig zunächst über seine elektrische Leitfähigkeit beurteilt. Sie ist eine zentrale Kenngröße, weil sie Rückschlüsse auf den Gehalt gelöster Ionen zulässt. Ein niedriger Leitfähigkeitswert allein beschreibt die Wasserqualität jedoch nicht vollständig. Partikel, Mikroorganismen und organische Verunreinigungen werden damit nicht oder nur indirekt erfasst. Für die Reinstwasseraufbereitung vor einem Elektrolyseur ist deshalb eine mehrstufige Betrachtung erforderlich.
Was die Leitfähigkeit zeigt – und was nicht
Reinstwasser weist nur sehr geringe Konzentrationen gelöster Ionen und Salze auf. Im beschriebenen Aufbereitungsprozess wird eine Leitfähigkeit von etwa 0,055 µS/cm beziehungsweise ein spezifischer Widerstand von mehr als 18,2 MΩ·cm erreicht. Diese Werte geben Auskunft über den Ionengehalt des Wassers. Sie sagen jedoch nicht aus, ob sich noch feinste Feststoffpartikel, Mikroorganismen oder organische Substanzen im System befinden.
Gerade dieser Unterschied ist für die Prozesssicherheit entscheidend. Ein Wasserstrom kann einen sehr niedrigen Leitfähigkeitswert aufweisen und dennoch Stoffe enthalten, die sich in Leitungen, Ventilen oder nachgeschalteten Komponenten ablagern können. Auch eine mikrobiologische Belastung lässt sich allein über die Leitfähigkeit nicht zuverlässig erkennen.
Zusätzlich spielt der Gehalt an organischem Kohlenstoff eine Rolle. Der sogenannte TOC-Wert, Total Organic Carbon, beschreibt die Konzentration organischer Verbindungen im Wasser. Solche Stoffe können aus dem Rohwasser stammen, während der Aufbereitung eingetragen werden oder durch Auswaschungen aus ungeeigneten Materialien und Filtermedien entstehen. Die Beurteilung der Reinstwasserqualität muss deshalb über die reine Leitfähigkeitsmessung hinausgehen.
Mehrere Stufen, unterschiedliche Aufgaben
Die erforderliche Wasserqualität entsteht nicht in einem einzelnen Filtrationsschritt. Sie ist das Ergebnis mehrerer aufeinander abgestimmter Verfahren. Die Prozesskette beginnt mit der mechanischen Vorfiltration. Sie entfernt Schwebstoffe und gröbere Partikel aus dem Zulauf und schützt damit die nachfolgende Umkehrosmose vor Ablagerungen, Verstopfungen und einer unnötig hohen Belastung.
Als Vorfilter kommen Faltelemente zum Einsatz. Durch ihre große Filterfläche ermöglichen sie eine hohe Schmutzaufnahmekapazität bei geringem Differenzdruck. In der beschriebenen Anwendung werden WFPPA- und WFMLP-Faltelemente verwendet. Sie erreichen eine absolute Abscheiderate von 99,9 Prozent und schützen die nachgeschaltete Umkehrosmose.
In der Umkehrosmose wird das vorgefilterte Wasser durch eine semipermeable Membran geleitet. Dabei werden 95 bis 99 Prozent der gelösten Ionen, organischen Verbindungen und Mikroorganismen entfernt. Der Salzgehalt wird deutlich reduziert, aus dem Rohwasser entsteht Reinwasser.
Für die weitere Verringerung des Ionengehalts folgt die Deionisierung. Sie kann über Ionenaustauschharze oder Elektrodeionisation erfolgen. Anionen und Kationen werden aus dem Wasser entfernt, sodass der angestrebte niedrige Leitfähigkeitswert erreicht wird.
Jede Stufe erfüllt damit eine klar definierte Funktion: Die Vorfiltration reduziert die Partikelbelastung, die Umkehrosmose entfernt einen großen Teil der gelösten Stoffe, und die Deionisierung senkt den verbleibenden Ionengehalt. Keine dieser Stufen ersetzt jedoch automatisch die abschließende Kontrolle unmittelbar vor der Nutzung.
Prozess zur Reinstwassergewinnung und Wasserstoffproduktion. Die Grafik zeigt die Aufbereitung vom Wasserzulauf über Vorfiltration, Umkehrosmose und Ionenaustausch bis zur Endfiltration und zur Einspeisung des Reinstwassers in den Elektrolyseur. (© Wolftechnik Filtersysteme GmbH & Co. KG)
Schutz vor dem Ionentauscher
Im Vorlauf des Ionentauschers übernehmen CP- beziehungsweise CP2-Tiefenfilterkerzen die Partikelabscheidung. Ihre stabile Filtermatrix hält Feststoffe zurück, bevor diese den Ionentauscher belasten können.
CP-Tiefenfilterkerzen bestehen aus polyethylenummantelten Polypropylenfasern mit gleichmäßiger Porenstruktur und konstanter Filterfeinheit. CP2-Tiefenfilterkerzen verfügen dagegen über eine abgestufte Porenstruktur, die von außen nach innen feiner wird. Dadurch eignen sie sich besonders für ein breiteres Spektrum an Partikelgrößen.
Beide Varianten bieten reproduzierbare Filtrationseigenschaften, hohe Durchsatzleistungen und lange Standzeiten. Sie schützen die nachfolgende Deionisierung vor Partikeln und tragen damit zu stabilen Betriebsbedingungen bei.
CP- und CP2-Tiefenfilterkerzen vor dem Ionentauscher. Die Filterkerzen übernehmen die Partikelabscheidung im Vorlauf der Deionisierung. CP-Elemente besitzen eine gleichmäßige, CP2-Elemente eine abgestufte Porenstruktur. (© Martin Wolf Wagner)
Die letzte Barriere am Point of Use
Nach Umkehrosmose und Deionisierung verfügt das Wasser zwar über eine sehr geringe Leitfähigkeit. Auf dem weiteren Weg durch Speicherbehälter, Rohrleitungen und Armaturen können jedoch erneut Partikel oder Mikroorganismen eingetragen werden. Auch Bestandteile aus Werkstoffen oder Filtermedien können die Wasserqualität beeinflussen.
Deshalb kommt der Endfiltration am Point of Use eine besondere Bedeutung zu. Sie befindet sich möglichst nahe an der Stelle, an der das Reinstwasser dem nachfolgenden Prozess zugeführt wird. In der beschriebenen Prozesskette bildet sie die letzte Absicherung vor der Elektrolyse.
Membranfilterkerzen mit einer Porenweite von 0,2 µm halten nahezu alle Partikel und Bakterien zurück, die größer als die angegebene Porenweite sind. Je nach Anforderung werden auch feinere Membranen eingesetzt. Die hydrophilen WFPES-E-Membranfilterkerzen sind in Filterfeinheiten von 0,04 bis 1,2 µm erhältlich; für die Endfiltration in der Reinstwassergewinnung werden sie im Bereich von 0,2 bis 0,04 µm eingesetzt.
Diese letzte Filtrationsstufe wird mitunter als „Polizeifilter“ bezeichnet. Gemeint ist damit eine Sicherheitsstufe, die verbliebene oder nachträglich eingetragene Verunreinigungen vor dem Point of Use zurückhält.
WFPES-E-Membranfilterkerzen für die Endfiltration. Hydrophile Membranfilterkerzen werden am Prozessende zur Reduzierung feinster Partikel und Mikroorganismen eingesetzt. Für die Reinstwassergewinnung stehen Filterfeinheiten von 0,2 bis 0,04 µm zur Verfügung. (© Martin Wolf Wagner)
Filtermedien dürfen das Wasser nicht erneut belasten
Bei der Reinstwasseraufbereitung kommt es nicht nur darauf an, welche Stoffe ein Filter zurückhält. Ebenso wichtig ist, welche Stoffe das Filtermaterial selbst an das Wasser abgeben kann.
Reinstwasser besitzt aufgrund seines sehr niedrigen Ionengehalts ein ausgeprägtes Lösungsvermögen und kann ungeeignete Werkstoffe angreifen. Leitungen, Gehäuse, Dichtungen und Filtermedien müssen deshalb so ausgewählt werden, dass sie die geforderte Wasserqualität nicht beeinträchtigen.
Die im Verfahren eingesetzten hydrophilen Membranfilter aus Polyethersulfon werden im Reinraum verarbeitet, ohne Additive oder oberflächenaktive Substanzen einzusetzen. Sie werden mit Reinstwasser vorgespült und einzeln auf ihre Integrität geprüft. Diese Maßnahmen sollen verhindern, dass organische Rückstände oder andere Stoffe aus dem Filtermedium in den Prozess eingetragen werden.
Auch die Vorspülung ist relevant. Als Zielwerte werden ein spezifischer Widerstand von 18 MΩ·cm und ein TOC-Gehalt von 10 ppb genannt. Damit wird nicht nur kontrolliert, ob die gewünschte ionische Reinheit erreicht ist, sondern auch, ob mögliche organische Auswaschungen ausreichend reduziert wurden.
WFPPA- und WFMLP-Faltelemente für die Vorfiltration. Die Faltelemente schützen die nachgeschaltete Umkehrosmose. Ihre große Filterfläche ermöglicht hohe Durchsatzleistungen bei geringem Differenzdruck. (© Martin Wolf Wagner)
Werkstoffwahl und Oberflächenqualität
Die chemischen Eigenschaften von Reinstwasser stellen auch an Filtergehäuse und Rohrleitungssysteme hohe Anforderungen. Herkömmliche Metalllegierungen können angegriffen werden. In Reinstwassersystemen kommen deshalb beständige Polymere oder geeignete Edelstähle zum Einsatz.
Für hygienisch sensible Bereiche sind glatte, gut zu reinigende Oberflächen erforderlich. Wie beispielsweise WS-Sanitary-Gehäuse aus Edelstahl AISI 316L. Ihre hochglanzpolierten Innenflächen weisen eine Rauigkeit von weniger als 0,6 µm auf, die Außenflächen von 0,8 µm. Dies erleichtert die Reinigung, reduziert Anhaftungsmöglichkeiten und unterstützt eine sichere Prozessführung.
Neben dem Werkstoff ist die konstruktive Gestaltung entscheidend. Eine gute Restentleerbarkeit verhindert, dass Wasser in Gehäusen stehen bleibt und sich dort Ablagerungen oder mikrobiologische Belastungen entwickeln. Selbststehende WTKF-Edelstahlgehäuse verfügen deshalb über einen nach innen gewölbten Gehäuseboden, der die Restentleerung unterstützt.
Selbststehende WTKF-Edelstahlgehäuse. In Kombination mit Tiefenfilterkerzen zeichnen sich die Gehäuse ideal als Vorfilter, Partikelfilter und Feinfilter vor Wasseraufbereitungsanlagen aus. Ein nach innen gewölbter Gehäuseboden erleichtert die Restentleerung. (© Martin Wolf Wagner)
Reinstwasserqualität ist mehrdimensional
Für den Einsatz in der Elektrolyse ist eine geringe Leitfähigkeit unverzichtbar. Sie belegt, dass der Gehalt gelöster Ionen auf ein sehr niedriges Niveau reduziert wurde. Als alleinige Qualitätskennzahl reicht sie jedoch nicht aus.
Eine belastbare Bewertung muss weitere Einflussgrößen berücksichtigen: Partikelbelastung, mikrobiologische Reinheit, organische Rückstände beziehungsweise TOC, Integrität der eingesetzten Filter, Werkstoffverträglichkeit und mögliche Einträge aus Leitungen, Behältern und Armaturen.
Die Reinstwasseraufbereitung sollte deshalb als durchgängige Prozesskette verstanden werden. Vorfiltration, Umkehrosmose, Deionisierung und Endfiltration übernehmen unterschiedliche Aufgaben und ergänzen sich gegenseitig. Besonders die Endfiltration am Point of Use bildet eine wichtige letzte Barriere, bevor das Wasser dem Elektrolyseprozess zugeführt wird.
Ein niedriger Leitfähigkeitswert bleibt damit eine wesentliche Voraussetzung für geeignetes Reinstwasser. Er ist aber nicht der Endpunkt der Qualitätskontrolle. Erst das Zusammenspiel mehrerer Messgrößen, geeigneter Werkstoffe und abgestimmter Filtrationsstufen schafft die Voraussetzung für eine dauerhaft stabile Wasserqualität.
Wolftechnik Geschäftsführer Peter Krause. (© Martin Wolf Wagner)
