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Entwicklung eines elementspezifischen Fällungsprozesses zur Reduktion der Siliziumdioxidkonzentration aus geothermalen Wässern

Entwicklung eines elementspezifischen Fällungsprozesses zur Reduktion der Siliziumdioxidkonzentration aus geothermalen Wässern

Laura Spitzmüller1, Valentin Goldberg1, Sebastian Held1, Jens C. Grimmer1, Daniel Winter2, Joachim Koschikowski2

1Karlsruher Institut für Technologie, Deutschland; 2Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE

Unerwünschte Mineralausfällungen in technischen Anlagen sind - insbesondere in Geothermiekraftwerken - ein weit verbreitetes Problem. Bedingt durch die hohen Salzkonzentrationen in den geothermalen Fluide und die Abkühlung und Druckentlastung während der Energieproduktion ist die Übersättigung der Fluide an bestimmten Mineralen wie beispielsweise Silikaten, Karbonaten und Sulfaten wahrscheinlich. Die Übersättigung dieser Minerale führt zu einer Ausfällung. Vor allem die Präzipitation von Silikaten ist hierbei als problematisch anzusehen, da sich amorphe Silikatphasen durch eine rasche Wachstumsgeschwindigkeit auszeichnen. Mineralausfällungen im Wärmetauscher und anderen Anlagenteilen reduzieren die Effizienz eines Geothermiekraftwerkes und verursachen Stillstandszeiten für Wartungs- und Reinigungsarbeiten. Als Gegenmaßnahme wird die Bildung von Mineralausfällungen durch die Zugabe von Inhibitoren verhindert bzw. drastisch reduziert.

Das BMBF geförderte BrineMine-Projekt untersucht die Nutzung geothermaler Fluide zur Trinkwassererzeugung und Rohstoffextraktion durch den Einsatz von Membranverfahren. Im Fokus stehen dabei die Umkehrosmose sowie die Membrandestillation, welche bei der Aufkonzentration der im Wasser gelösten Feststoffe und Abscheidung des Trinkwassers dient. Im Retentat kann dabei die Sättigung der Silikate überschritten werden, sodass das Risiko von Silikat-Ausfällungen zunimmt. Zur Verhinderung der Scalingbildung ist eine Vorbehandlung der Fluide zur selektiven Entfernung potentieller Scalingbildner notwendig. Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entfernung des gelösten Siliziumdioxids aus einer Modelllösung, deren Zusammensetzung der chemischen Zusammensetzung einer Thermalquelle in Chile nachgebildet wurde.

In Laborversuchen wurden drei verschiedene Methoden zur Verringerung der Siliziumdioxidkonzentration getestet: Die Zugabe von Silica-Kristallkeimen, von Calciumverbindungen und von Natronlauge. Lithium als potentieller zu extrahierender Rohstoff dient als Indikator für die elementspezifische Wirkungsweise der Präzipitationsmethoden. Die Effektivität der verschiedenen Methoden wurden durch Zeitreihenexperimente ermittelt, bei denen die Konzentrationsänderungen nach Zugabe des Fällungsmittels beobachtet wurde. Die Silica-Keimmethode erwies sich als nicht effektiv, da die Sättigungskonzentration nicht merklich unterschritten wurde. Mittels Zugabe von Calciumoxid/-hydroxid bzw. Natronlauge konnte eine Reduktion der Siliziumdioxidkonzentration um mindestens 80% erreicht werden. Die Reduktion erfolgt durch Bildung von Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen (C-S-H-Phasen). Die idealen Bildungsbedingungen liegen bei einem pH-Wert von 10,5 und einem molaren Calcium-zu-Siliziumverhältnis von 2 zu 1. Die Methoden wirken elementspezifisch. Die Calciumoxid- bzw. -Hydroxid-Methode reduziert die Siliziumdioxidkonzentration in Lösung um über 95% und ist daher eine sehr effektive Methode um die Siliziumdioxidkonzentration in geothermalen Fluiden drastisch zu reduzieren.

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