DE19982837B4

DE19982837B4 - Elektrodialysevorrichtung

Info

Publication number: DE19982837B4
Application number: DE19982837T
Authority: DE
Inventors: Nigel High Wycombe Emery; Roger High Wycombe Woodward; Paul Henley on Thames WHITEHEAD
Original assignee: Veolia Water Solutions and Technologies Support SAS
Current assignee: VWS UK Ltd
Priority date: 1998-02-09
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2019-02-06
Also published as: GB9802732D0; DE19982837T1; GB2349648B; GB2349648A; GB0018425D0; WO1999039810A1

Abstract

Eine Elektrodialysevorrichtung (10) zur Wasserreinigung, welche geeignet ist gereinigtes Wasser mit einem spezifischen Widerstand von zumindest 1 MΩ·cm bei 25°C herzustellen,
bestehend aus
einer Anodenkammer (24) mit Anode (14), einer Kathodenkammer (26) mit einer Kathode (16) und einem dazwischen angeordneten Entsalzungs-Fließweg
für zu reinigendes Wasser,
wobei ein erster Abschnitt (36) des Entsalzungs-Fließwegs neben der Anodenkammer (24) und ein zweiter Abschnitt (46) des Entsalzungs-Fließwegs
neben der Kathodenkammer (26) angeordnet sind,
wobei ein Anreicherungs-Fließweg für eine Flüssigkeit, die dazu ausgeführt ist, Ionenverunreinigungen aus dem zu reinigenden Wasser aufzunehmen, zwischen erstem und zweitem Abschnitt (36, 46) angeordnet ist,
wobei der erste Abschnitt (36) von der Anodenkammer (24) und vom Anreicherungs-Fließweg mittels jeweils gegenüber Kationen selektiv permeablen Membranen (32, 34) getrennt ist, die beabstandet angeordnet sind, und der zweite Abschnitt (46) von der Kathodenkammer (26) und vom Anreicherungs-Fließweg mittels jeweils gegenüber Anionen selektiv permeablen Membranen (42,...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrodialysevorrichtung zur Wasserreinigung und umfaßt auch ein Elektrodialyseverfahren.
Wie es dem Fachmann wohlbekannt sein wird, besteht Elektrodialyse darin, einen zu entsalzenden Wasserstrom, der gereinigt werden soll, zwischen einer Anode und einer Kathode durchzuleiten. Permselektive Membrane werden zwischen dem zu entsalzenden Strom und den Elektroden angeordnet, so daß die Kationen, die zur Kathode migrieren, durch eine kationselektive Membran hindurchgehen, während die Anionen, die zur Anode migrieren, durch eine anionselektive Membran hindurchgehen. Mit fortschreitender Elektrodialyse werden immer mehr Ionen aus dem zu reinigenden Wasser entzogen. In manchen Fällen wird ein Ionenaustauschharzbett in den zu entsalzenden Strom gelegt, wodurch unter fortschreitender Entionisierung die elektrische Leitfähigkeit des zu reinigenden Wassers vorteilhafterweise beibehalten wird. Eine Elektrodialyse, bei der ein Ionenaustauschharzbett im zu reinigenden Wasser verwendet wird, wird Elektroentionisierung genannt.
US-A-3645884 (Gilliland) offenbart eine Elektroentionisierungszelle mit fünf Kammern, die aus einer äußeren Anoden- und Kathodenkammer sowie einer zentralen Anreicherungskammer besteht. Eine Entsalzungskammer wird jeweils zwischen einer Elektrodenkammer und der zentralen Anreicherungskammer angeordnet. Die Entsalzungskammer, die der Anode am nächsten liegt, wird durch zwei kationselektive Membrane von der Anodenkammer bzw. der zentralen Anreicherungskammer getrennt. Auf ähnliche Weise wird die Entsalzungskammer, die der Kathode am nächsten liegt, durch zwei anionselektive Membrane von der Kathodenkammer bzw. der zentralen Anreicherungskammer getrennt.
Aus der DE 4418812 A1 ist eine Elektrodialysevorrichtung bekannt, bei welcher das zu reinigende Wasser durch die Elektrodenkammern fließt. Die DE 3329813 C2 , DE 3217990 C2 und GB 1240710 A beschreiben Elektrodialysevorrichtungen, bei welchen geschlossene Elektrodenkammern mit einem konventionellen Elektrolyt gefüllt sind, und aus der GB 857850 A ist eine Elektrodialysezelle zum Ionenaustausch zwischen zwei ionenhaltigen Lösungen bekannt, bei welcher zum Ionenaustausch die Ionen im elektrischen Feld nicht ionenselektive Membranen überwinden. Aus der US 3893901 A ist eine Elektrodialysevorrichtung zur Wasserenthärtung bekannt, bei welcher die Elektrodenkammern mit einem konventionellen Elektrolyt gefüllt sind.
Bei Betrieb wird das zu reinigende Wasser aufeinanderfolgend durch die zwei Entsalzungskammern geleitet und über der Anode und der Kathode eine Spannung angelegt, so daß die Kationen dazu veranlaßt werden, vom zu reinigenden Wasser in der Entsalzungskammer, die der Anode am nächsten liegt, in die zentrale Anreicherungskammer zu migrieren, und die Anionen dazu veranlaßt werden, vom zu reinigenden Wasser in der Entsalzungskammer, die der Kathode am nächsten liegt, in die Anreicherungskammer zu migrieren. Die jeweiligen Entsalzungskammern umfassen ein poröses Bett aus Ionenaustauschmaterial.
Gemäß US 3645884 A , wird die Anodenkammer mit einer leicht sauren Lösung gefüllt, während die Kathodenkammer mit einer leicht alkalischen Lösung gefüllt wird. Bei Betrieb wird somit der Übergang der Hydroniumionen von der Anodenkammer in die benachbarte Entsalzungskammer verursacht oder ermöglicht, um das Austreiben der Kationverunreinigungen aus dem zu reinigenden Wasser zu unterstützen. Analog dazu, wird bei Gebrauch der Übergang der Hydroxidionen in der Kathodenkammer in die benachbarte Entsalzungskammer verursacht oder ermöglicht, um das Austreiben der Anionverunreinigungen aus dem zu entsalzenden Strom in die zentrale Anreicherungskammer hinein zu unterstützen.
US 3645884 A offenbart, daß, bei der Entionisierung einer 0,085 N Natriumchloridlösung über zwei Stunden, indem eine Stromstärke von 12 Ampere bei 10 bis 20 Volt über die Ionenaustauschbette angelegt wird, ein Produkt mit einer Natriumchloridkonzentration von 0,0085 N erhalten wird, das einem Entzug der Ionen aus dem zu reinigenden Wasser zu 90% entspricht. Das Endprodukt weist eine Leitfähigkeit von 1025 μS/cm bei 25°C auf.
Die in der DE 44 18 812 A1 offenbarten Elektrolysezellen zur Entionisierung wässriger Lösungen umfassen Elektroden, an die sich nach innen Elektrodenräume anschließen. Zwischen den Elektrodenräumen befindet sich, durch Membranen getrennt, ein Soleraum, durch welchen eine Sole geleitet wird. Die Elektrodenräume, durch welche die zu behandelnde Lösung fließt, sind mit Ionenaustauschermaterial gefüllt und die jeweiligen Elektroden stehen in direktem Kontakt mit diesem Ionenaustauschermaterial. Dabei enthält der Kathodenraum Anionenaustauschermaterial und ist gegen den Soleraum mittels einer anionenselektiv-permeablen Membran abgegrenzt und der Anodenraum Kationenaustauschermaterial und ist mittel einer kationenselektivpermeablen Membran gegen den Soleraum abgegrenzt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Elektrodialysevorrichtung bereitzustellen.
Es ist insbesondere ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Elektrodialysevorrichtung bereitzustellen, die hochgereinigtes Wasser herstellen kann, das heißt, Wasser mit einer Leitfähigkeit von weniger als 0,20 μS/cm, d. h. einem spezifischen Widerstand von zumindest 5 MΩ-cm und, unter geeigneten Betriebs- und Zufuhrbedingungen, zumindest 15 MΩ-cm, d. h. einer Leitfähigkeit von weniger als 0,067 μS/cm bei 25°C.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Elektrodialysevorrichtung zur Wasserreinigung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Kathodenkammer Anionenaustauschharz enthalten. Die Anodenkammer kann Kationenaustauschharz beinhalten.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Elektrodialyseverfahren bereitgestellt, welches daraus besteht, das Fließen des zu reinigenden Wassers im Fließweg des Entsalzungsstroms einer erfindungsgemäßen Elektrodialysevorrichtung zu verursachen oder ermöglichen, das Fließen einer Flüssigkeit, die dazu ausgeführt ist, Ionenfremdbestandteile vom zu reinigenden Wasser aufzunehmen, im Fließweg des Anreicherungsstroms zu verursachen oder ermöglichen und über dem Anodenteil und dem Kathodenteil eine Spannung anzulegen.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Fließen von im wesentlichen reinem Wasser in der Anoden- und/oder Kathodenkammer verursacht oder ermöglicht werden und vorzugsweise wird im wesentlichen reines Wasser in der Anodenkammer und der Kathodenkammer verwendet. Unter ”im wesentlichen reines Wasser” ist Wasser mit einem spezifischen Widerstand von zumindest 1 MΩ-cm, vorzugsweise zumindest 15 MΩ-cm, zu verstehen.
Es hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäße Elektrodialysevorrichtung zur Herstellung von hochgereinigtem Wasser, daß heißt, Wasser mit einem spezifischen Widerstand von zumindest 15 MΩ-cm, verwendet werden kann.
Zweckmäßigerweise kann das im wesentlichen reine Wasser innerhalb der Anoden- und/oder Kathodenkammer Wasser sein, das unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gereinigt worden ist. Üblicherweise können Mittel bereitgestellt werden, um Wasser, das im Fließweg des zu entsalzenden Stroms gereinigt worden ist, der Anoden- und/oder der Kathodenkammer zuzuführen. In einigen Fällen wird vorgesehen, daß das Wasser, das in einer oder beiden Elektrodenkammern verwendet wird, durch eine Hilfsreinigungsvorrichtung, beispielsweise eine zweite Elektrodialyse- oder Elektroentionisierungsvorrichtung, verwertet wird.
Vorzugsweise ist die Flüssigkeit, die dem Fließweg des Anreicherungsstroms zugeführt wird, ebenfalls im wesentlichen reines Wasser und bei einigen Ausführungsformen können Mittel bereitgestellt werden, um dem Fließweg des Anreicherungsstroms im wesentlichen reines Wasser, das im Fließweg des zu entsalzenden Stroms gereinigt worden ist, zuzuführen. Die Erfindung umfaßt jedoch die Verwendung von Wasser einer niedrigeren Qualität im Fließweg des Anreicherungsstroms.
Die erfindungsgemäße Elektrodialysevorrichtung erfordert kein Beimischen einer Säure oder eines Alkalis in die Elektrodenkammern und beruht auf dem Spalten von Wasser an den Elektroden, wobei Hydronium- und Hydroxidionen erzeugt werden, um die Ionenaustauschharze innerhalb der Elektrodenkammer zu regenerieren und das Austreiben der Ionenverunreinigungen aus den Fließwegen des zu entsalzenden Stroms in den Anreicherungsstrom zu unterstützen.
Bei einigen Ausführungsformen wird das Fließen von Wasser, das im zu entsalzenden Strom gereinigt worden ist, parallel durch den Anreicherungsstrom und zumindest einer der Anoden- oder Kathodenkammern verursacht oder ermöglicht. Als Alternative kann das fortlaufende Fließen von im wesentlichen reinem Wasser durch zumindest eine der Anoden- oder Kathodenkammern und den Fließweg des Anreicherungsstroms verursacht oder ermöglicht werden. Vorzugsweise wird das Fließen von der Flüssigkeit im Anreicherungsstrom in der entgegengesetzten Richtung zum Wasserstrom, der in zumindest dem ersten oder zweiten Abschnitt der Fließwege des zu entsalzenden Stroms gereinigt wird, verursacht oder ermöglicht. Vorzugsweise wird das Fließen von Wasser innerhalb zumindest der Anoden- oder Kathodenkammer in der entgegengesetzten Richtung zum Wasserstrom, der in zumindest dem ersten oder zweiten Abschnitt gereinigt werden soll, verursacht oder ermöglicht.
Der Fließweg des Anreicherungsstroms kann ein poröses Bett aus Ionenaustauschmaterial enthalten.
Üblicherweise enthält der Fließweg des Entsalzungsstroms ein poröses Bett aus einem Ionenaustauschmaterial. Der erste Abschnitt kann Kationenaustauschharz und der zweite Abschnitt Anionenaustauschharz enthalten.
Das zu reinigende Wasser kann in einer beliebigen Reihenfolge durch den ersten und zweiten Abschnitt des Fließwegs des zu entsalzenden Stroms geleitet werden, vorzugsweise wird jedoch das zu reinigende Wasser zuerst durch den ersten und dann den zweiten Abschnitt geleitet. Auf diese Weise wird das zu reinigende Wasser im ersten Abschnitt durch das Vorhandensein von Hydroniumionen, die durch das Spalten des Wassers an der Anoden erzeugt werden, angesäuert. Das zu reinigende Wasser ist somit etwas sauer, wenn es in den zweiten Abschnitt eintritt, wo Hydroxidionen, die an der Kathode erzeugt werden, enthalten sind. Wie der Fachmann erkennen wird, unterstützt diese Anordnung die Reduzierung von Steinbildung in der Vorrichtung.
Bei einigen Ausführungsformen wird vorgesehen, das zu reinigende Wasser fortlaufend durch zwei oder mehr erfindungsgemäße Elektroentionisierungsvorrichtungen zu leiten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Mehrfachelektrodialysevorrichtung bereitgestellt, die aus zwei erfindungsgemäßen Elektrodialysevorrichtungen besteht. Bei einigen Ausführungsformen kann einer der Elektroden der erfindungsgemäßen Mehrfachelektrodialysevorrichtung beide Elektrodialysevorrichtungen gemeinsam sein. Die Mehrfachelektrodialysevorrichtung kann eine einzige Anode oder Kathode umfassen, die den beiden Elektrodialysevorrichtungen gemeinsam ist.
Wenn das zu reinigende Wasser durch zwei erfindungsgemäße Elektrodialysevorrichtungen strömt, ist es vorzuziehen, das zu reinigende Wasser fortlaufend durch den ersten und zweiten Abschnitt der ersten Elektrodialysevorrichtung und dann fortlaufend durch den ersten und zweiten Abschnitt der zweiten Elektrodialysevorrichtung strömt, damit das zu reinigende Wasser blankfiltriert wird, indem es durch ein Kationenaustauschharzbett geleitet wird.
Nachfolgend werden erfindungsgemäße Ausführungsformen lediglich beispielhaft anhand der beigelegten Zeichnungen beschrieben.
Worin:
1 ein Flußdiagramm einer ersten erfindungsgemäßen Elektrodialysevorrichtung ist;
2 ein Flußdiagramm einer zweiten erfindungsgemäßen Elektrodialysevorrichtung ist;
3 ein weiteres Flußdiagramm einer dritten erfindungsgemäßen Elektrodialysevorrichtung ist;
4 ein Flußdiagramm einer ersten erfindungsgemäßen Mehrfachelektrodialysevorrichtung ist; und
5 ein Flußdiagramm einer zweiten erfindungsgemäßen Mehrfachelektrodialysevorrichtung ist.
Unter Bezugnahme auf 1 besteht eine erste erfindungsgemäße Elektrodialysevorrichtung 10 aus einer Anode 14 und einer Kathode 16, die in einem Abstand zur Anode angeordnet ist. Die Anode, die eine platinierte Anode sein kann, ist in einer Anodenkammer 24 untergebracht und die Kathode 16 ist in einer Kathodenkammer 26 untergebracht. Zwischen der Anoden- und Kathodenkammer 24, 26 enthält die Vorrichtung 10 drei weitere Kammern, nämlich eine erste Entsalzungskammer 36, die neben der Anodenkammer 24 liegt, eine zweite Entsalzungskammer 46, die neben der Kathodenkammer 26 liegt, und eine Anreicherungskammer 28, die zwischen der ersten und zweiten Entsalzungskammer 36, 46 liegt.
Die Anodenkammer 24 wird durch eine erste kationenselektive Membran 32 von der ersten Entsalzungskammer 36 getrennt und die erste Entsalzungskammer 36 wird durch eine zweite kationenselektive Membran 34 von der Anreicherungskammer 28 getrennt. Auf ähnliche Weise wird die Kathodenkammer 26 durch eine erste anionenselektive Membran 42 von der zweiten Entsalzungskammer 46 getrennt und die zweite Entsalzungskammer 46 wird durch eine zweite anionenselektive Membran 44 von der Anreicherungskammer 28 getrennt.
Die Konstruktion dieser Art von Elektrodialysevorrichtung wird dem Fachmann wohlbekannt sein und wurde schon u. a. in zahlreichen Patentschriften beschrieben (siehe z. B. GB 769307 A , EP 0078842 B1 , EP 0170895 A2 . Es ist vorgesehen, daß die Vorrichtung zweckmäßigerweise aus einem Stapel mit nebeneinandergestellten Elementen, die Kammern bilden und eine vorgegebene Dicke aufweisen, besteht, wobei die ionenselektiven Membrane 32, 34, 42, 44 zwischen benachbarten Elementen liegen. Die Elektroden 14, 16 werden als dünne Platten oder Schirme ausgebildet und sie werden jeweils zwischen einem Element, das eine Kammer bildet, und einer benachbarten Endplatte untergebracht.
Jedes Element, das eine Kammer bildet, kann aus einem thermoplastischen Material hergestellt werden und wird mit einer großen, zentralen Öffnung gebildet, die sich durch das Element erstreckt und eine Kammer bildet, wobei der Körper des Elements den Außenumfang der Kammer definiert. Die Elemente können weiterhin mit einer oder mehr Durchgangsbohrungen um die zentrale Öffnung gebohrt oder geformt werden. Im zusammengestellten Stapel sind diese Bohrungen mit Bohrungen in den nebeneinandergestellten Elementen ausgerichtet, um Öffnungen zur Förderung von Flüssigkeiten zwischen Kammern im Inneren des Stapels zu bilden. Die Enden der jeweiligen Kammern werden im zusammengestellten Stapel durch die benachbarten Membrane geschlossen. Eine Endplatte wird an dem jeweiligen Ende des Stapels bereitgestellt und der Zusammenbau wird mittels einer Vielzahl von Bolzen oder dergleichen zusammengehalten, die sich durch gefluchtete Öffnungen, die in allen Elementen gebildet sind, zwischen den Endplatten erstrecken. Verdichtbare, flüssigkeitsundurchlässige Abschlüsse werden üblicherweise zwischen jedem Element/jeder Platte und den benachbarten Membranen angeordnet, wobei die Abschlüsse verdichtet werden, indem die Endplatten mittels der Bolzen fest zusammengezogen werden. Da diese Art von Konstruktion dem Fachmann wohlbekannt sein wird, wird diese hier nicht näher beschrieben.
Bei der erfindungsgemäßen Elektrodialysevorrichtung kann die Dicke der jeweiligen Entsalzungskammer 36, 46 in der Elektroden-Elektroden Richtung in dem Bereich von 5 bis 40 mm und die Dicke der Elektroden- und Anreicherungskammer 24, 26, 28 in dem Bereich von 2 bis 30 mm liegen.
Die Anodenkammer 24 der Vorrichtung aus 1 enthält ein poröses Bett aus Kationenaustauschharz 25 und die Kathodenkammer 26 enthält ein poröses Bett aus Anionenaustauschharz 27. Als Kationenaustauschharz kann ein beliebiges geeignetes Harz, das dem Fachmann wohlbekannt sein wird, wie beispielsweise das Harz, das unter dem Warenzeichen DOWEX MARATHON C, von Dow Liquid Separations vertrieben, im Handel erhältlich ist, verwendet werden. Das Anionenaustauschharz kann ebenfalls ein beliebiges geeignetes Harz sein, das dem Fachmann wohlbekannt sein wird, wie beispielsweise DOWEX MARATHON A.
Die erste Entsalzungskammer 36 enthält ebenfalls ein poröses Bett aus Kationenaustauschharz 37 und die zweite Entsalzungskammer 46 enthält ein poröses Bett aus Anionenaustauschharz 47. Die Anreicherungskammer 28 enthält ebenfalls ein poröses Bett aus Ionenaustauschharz 29, das Kationenaustauschharz, Anionenaustauschharz oder eine Mischung aus beiden sein kann.
Die jeweilige Kammer 24, 26, 28, 36, 46 wird mit einem Einlaß und einem Auslaß versehen. Bei Gebrauch ist der Einlaß der ersten Entsalzungskammer 36 mit einem Vorrat 50 von zu reinigendem Wasser verbunden.
Innere Öffnungen (nicht abgebildet) können bereitgestellt werden, um den Auslaß der ersten Entsalzungskammer 36 mit dem Einlaß der zweiten Entsalzungskammer 46 zu verbinden, und die Einlässe-/Auslässe der Entsalzungskammer 36, 46 können derart angeordnet werden, daß das zu reinigende Wasser in dieselbe Richtung durch die beiden Entsalzungskammern fließt, wie in 1 gezeigt.
Im wesentlichen reines Wasser, das heißt, Wasser mit einer Reinheit von zumindest 1 MΩ-cm, wird der jeweiligen Elektrodenkammer 24, 26 zugeführt und kann auch der Anreicherungskammer 28 zugeführt werden, um entsprechende Elektodenkammerströme 52, 54 und einen anreichernden Austrittsstrom 56 bereitzustellen.
Bei Gebrauch wird eine Betriebsspannung, die zur Wasserspaltung an den Elektroden zureichend ist, von 2 bis 100 V über die Anode 14 und die Kathode 16 angelegt. Kationen im zu reinigenden Wasser werden am Kationenaustauschharz 37 in der ersten Entsalzungskammer 36 aufgenommen, wobei sie in der Lösung durch Hydroniumionen ersetzt werden. An der Anode 14 erzeugte Hydroniumionen gehen unter dem Einfluß des angelegten elektrischen Potentials über die erste Kationenaustauschmembran 32 in das Kationenharzbett. Beim Durchgang durch das Kationenharzbett, regenerieren die Hydroniumionen das Kationenaustauschharz, indem sie durch Kationen vom zu reinigenden Wasser 50 ersetzt werden. Die Hydroniumionen und die Fremdkationen gehen über die zweite Kationenaustauschmembran 34 in die Anreicherungskammer 28, von welcher sie aufgrund des Vorhandenseins der zweiten anionenselektiven Membran 44 nicht weiter in die Richtung der Kathode 16 gehen können. Die Kationen werden somit durch die Einwirkung des hochreinen ”auswaschenden” Stroms 56, der durch die Anreicherungskammer 28 fließt, von der Anreicherungskammer 28 eluiert.
Ähnlicherweise werden Anionen im zu reinigenden Wasser unter dem Einfluß der kathodenerzeugten Hydroxidionen und dem elektrischen Potential über das Anionenaustauschharz 47 in der zweiten Entsalzungskammer 46 und der zweiten anionenselektiven Membran 44 zur Anreicherungskammer 28 getragen. Fremdanionen werden auch durch den auswaschenden Strom 56 innerhalb der Anreicherungskammer 28 eluiert. Das durch Entsalzung hergestellte Reinwasser 60 wird vom Auslaß der zweiten Entsalzungskammer 46 geliefert.
2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Elektrodialysevorrichtung, die zur Verwendung auf kleinem Maßstab geeignet ist. Viele der Komponenten der Vorrichtung in 2 sind der Vorrichtung in 1 gemeinsam und für diese werden die der 1 identischen Verweiszahlen verwendet. Es wird ersichtlich, daß die Elektrodialysevorrichtung in 2 sich von der in 1 unterscheidet, indem die erste Entsalzungskammer 36 durch innere Trennteile 52 in zwei Teilkammern 36a, 36b getrennt ist.
Das zu reinigende Wasser 50 wird fortlaufend einer der Teilkammer 36a der ersten Entsalzungskammer 36, dann der zweiten Entsalzungskammer 46 und schließlich der zweiten Teilkammer 36b der ersten Entsalzungskammer 36 zugeführt. Das zu reinigende Wasser 50 wird somit fortlaufend durch ein Kationenaustauschharzbett, ein Anionenaustauschharzbett and schließlich ein Kationenaustauschharzbett, das eine letzte Blankfiltrierbehandlung am zu reinigenden Wasser durchführt, geleitet. Wie auch aus 2 ersichtlich ist, wird ein Teil des durch Entsalzung hergestellten Reinwassers 60 den Elektrodenkammern 24, 26 sowie der Anreicherungskammer 28 parallel geliefert. Obwohl dies nicht in 2 gezeigt wird, werden innere Öffnungen geeigneterweise im Stapel bereitgestellt, um die notwendigen Verbindungen zwischen den verschiedenen Kammern herzustellen. Die jeweilige Entsalzungskammer 36a, 36b, 46 der Elektrodialysevorrichtung in 2 weist eine Dicke von 8 mm in der Elektrode-Elektrode Richtung auf. Die Breiten der Elektrodenkammern 24, 26 und der Anreicherungskammer 28 sind jeweils ungefähr 5 mm.
Der Fachmann wird verstehen, daß das Wasser mit der höchsten Reinheit des Austrittsstroms somit durch die Anodenkammer 24 und die Anreicherungskammer 28 neben dem Strom durch die zweite Teilkammer 36b der ersten Entsalzungskammer 36 fließen kann, so daß das Wasser mit der höchsten Reinheit neben dem zu reinigenden Wasser 50 fließt, gerade bevor es die Vorrichtung als Reinwasser 60 verläßt.
Bei der Verwendung der Elektrodialysevorrichtung von 2 zur Behandlung von Kreislaufwasser von einem Tank mit einer Ausgangsleitfähigkeit von 15 bis 20 μS-cm wurde festgestellt, daß eine Endreinheit von 17 MΩ-cm erreicht werden kann.
Eine dritte erfindungsgemäße Elektrodialysevorrichtung ist in 3 abgebildet. Die Konstruktion der dritten Elektrodialysevorrichtung gleicht der Konstruktion der zweiten in 2 abgebildeten Elektrodialysevorrichtung, und dementsprechend werden die gleichen Verweiszahlen für die gleichen Teile wie zuvor verwendet. Der Unterschied zwischen der zweiten und dritten Elektrodialysevorrichtung besteht im Fließweg der Elektroden- und Konzentrationsströme durch die Vorrichtung.
In der dritten in 3 abgebildeten Elektrodialysevorrichtung wird ein Teil des Reinwasserstroms 60 durch die Vorrichtung zurückgeführt und so geleitet, daß er fortlaufend durch die Anodenkammer 24, die Kathodenkammer 26 und die Anreicherungskammer 28 fließt. Es wird aus 3 ersichtlich, daß die Ströme durch die Elektrodenkammer 24, 26 so geleitet werden, daß sie in derselben Richtung fließen, während der Strom durch die Anreicherungskammer 28 in die entgegengesetzte Richtung fließt.
4 zeigt eine erste erfindungsgemäße Mehrfachelektrodialysevorrichtung 100. Diese Vorrichtung besteht aus zwei Elektrodialysevorrichtungen 10, 10' der oben in bezug auf 1 beschriebenen Art. Die Bestandteile jeder Elektrodialysevorrichtung 10, 10' der Mehrfachelektrodialysevorrichtung aus 4, die gleich oder ähnlich den Bestandteilen der Elektrodialysevorrichtung in 1 sind, werden durch dieselbe Verweiszahl wie in 1 verwendet gekennzeichnet, wobei der Strich verwendet wird, um Bestandteile der zweiten Elektrodialysevorrichtung 10' zu bezeichnen.
Wie aus 4 ersichtlich, wird das zu reinigende Wasser 50 zuerst der ersten Entsalzungskammer 36 der ersten Elektodialysevorrichtung 10 und anschließend durch innere Öffnungen (nicht abgebildet) der zweiten Entsalzungskammer 46 der ersten Elektodialysevorrichtung 10 zugeführt. Der Auslaß 50' der zweiten Entsalzungskammer 46 der ersten Elektrodialysevorrichtung 10 ist mit der zweiten Entsalzungskammer 46' der zweiten Elektodialysevorrichtung 10' verbunden und innere Öffnungen (nicht abgebildet) innerhalb der zweiten Elektodialysevorrichtung 10' werden bereitgestellt, um die Zufuhr von der zweiten Entsalzungskammer 46' der ersten Entsalzungskammer 36' zuzuführen. Das zu reinigende Wasser 50 wird daher fortlaufend durch ein Kationenaustauschharzbett 36, ein erstes Anionenaustauschharzbett 46, ein zweites Anionenaustauschharzbett 46' und schließlich ein zweites Kationenaustauschharzbett 36' zum Blankfiltrieren geleitet. Das durch Entsalzung hergestellte Reinwasser 60 wird vom Auslaß der ersten Entsalzungskammer 36' der zweiten Elektrodialysevorrichtung 10' geliefert.
Umgekehrt werden die Elektrodenströme 52, 54, 52', 54' und die Anreicherungsströme 56, 56' zuerst der zweiten Elektrodialysevorrichtung 10' und anschließend der ersten Vorrichtung 10 zugeführt. Dies hilft beim Reduzieren der Rückdiffusion der Fremdionen aus den Elektroden-/Anreicherungsströmen in den entsalzenden Strom.
Wie aus 4 ersichtlich, werden die aus der ersten Elektrodialysevorrichtung 10 austretenden Elektrodenströme 52, 54 kombiniert, um dem Hilfsreinigungsapparat 70 einen Eingangsstrom 71 zu liefern. Der Hilfsreinigungsvorrichtung 70 kann eine beliebige geeignete dem Fachmann bekannte Wasserreinigungsvorrichtung sein, obwohl eine weitere erfindungsgemäße Elektrodialysevorrichtung oder Mehrfachelektrodialysevorrichtung bevorzugt wird. Die Hilfsreinigungsvorrichtung 70 weist einen Auslaßstrom 72 auf, der verwendet wird, um die Elektrodenströme 52', 54' der zweiten Elektrodialysevorrichtung 10' zu speisen.
Bei der in 4 abgebildeten Vorrichtung weist die jeweilige Entsalzungskammer 36, 46, 36', 46' eine Dicke in der Elektrode-Elektrode Richtung von ungefähr 15 mm auf und die jeweilige Elektroden- und Anreicherungskammer 24, 26, 28, 24', 26', 28' eine Dicke von ungefähr 15 mm.
Bei der Bedienung der in 4 abgebildeten Mehrfachelektrodialysevorrichtung über einen Zeitraum von 2000 Stunden bei einer Fließgeschwindigkeit von 1,0 l/min Wasser von 12 bis 15 μS/cm, stellt sich heraus, daß Wasser mit einem Widerstand von 16,9 bis 17,2 MΩ-cm bei 25°C erzeugt wird.
Eine zweite Mehrfachelektrodialysevorrichtung ist in 5 abgebildet. Diese zweite Vorrichtung besteht aus zwei nebeneinandergestellten Elektrodialysevorrichtungen der oben in bezug auf 1 beschriebenen Art. Die zweite Mehrfachelektrodialysevorrichtung unterscheidet sich von der in 4 abgebildeten Vorrichtung, indem die zwei die Mehrfachelektrodialysevorrichtung bildenden Elektrodialysevorrichtungen als einen einzigen Stapel der kammerbildenden Elemente der oben beschriebenen Art gebildet sind. Die Elektrodialysevorrichtungen sind hintereinander im Stapel angeordnet, so daß die Kathodenkammer 126 einer der Elektrodialysevorrichtungen neben der Kathodenkammer 226 der anderen Elektrodialysevorrichtung angeordnet ist. Ein zentraler, wasserundurchlässiger Trennteil 200 trennt die zwei Elektrodialysevorrichtungen voneinander. Das zu reinigende Wasser 150 wird der ersten Entsalzungskammer 136 einer der Elektrodialysevorrichtungen und anschließend der zweiten Entsalzungskammer 146 der einen Vorrichtung zugeführt. Eine Zufuhr 160 von der zweiten Entsalzungskammer 146 der einen Vorrichtung wird der zweiten Entsalzungskammer 246 der anderen Elektrodialysevorrichtung und anschließend der ersten Entsalzungskammer 236 der anderen Elektrodialysevorrichtung zugeführt. Das zu reinigende Wasser 150 geht somit aufeinanderfolgend durch ein erstes Kationenaustauschharzbett 137, ein erstes Anionenaustauschharzbett 147, ein zweites Anionenaustauschharzbett 247 und ein zweites Kationenaustauschharzbett 237.
Im wesentlichen reines oder vorbehandeltes Wasser wird als anreichernden Austrittsstrom 256 der Anreicherungskammer 228 der anderen Elektrodialysevorrichtung und anschließend der Anreicherungskammer 128 der einen Elektrodialysevorrichtung zugeführt, so daß der Anreicherungsstrom durch die Mehrfachelektrodialysevorrichtung in der entgegengesetzten Richtung des zu reinigenden Wassers 150 fließt. Ein getrennter Elektrodenspülstrom 252 aus hochreinem Wasser wird der Anodenkammer 224 der anderen Elektrodialysevorrichtung und anschließend parallel zu den Kathodenkammern 126, 226 der einen und anderen Elektrodialysevorrichtung zugeführt. Die Kathodenspülströme werden dann wieder kombiniert and durch die Anodenkammer 124 der einen Elektrodialysevorrichtung geleitet. Somit wird, wie bei dem anreichernden Austrittsstrom 256, der Elektrodenspülstrom durch die Mehrfachelektrodialysevorrichtung in der entgegengesetzten Richtung des zu reinigenden Wassers 150 (Entsalzungsstrom) geleitet. Auf diese Weise wird die Rückdiffusion von Fremdionen in den zu entsalzenden Strom reduziert.
Die jeweilige Elektroden-, Anreicherungs- und Entsalzungskammer der in 5 abgebildeten Mehrfachelektrodialysevorrichtung weist eine Dicke in der Anode zur Kathode-Richtung von ungefähr 15 mm auf. Bei Bedienung der zweiten Mehrfachelektrodialysevorrichtung über einen Zeitraum von 3500 Stunden mit Speisewasser mit 10 bis 20 μS/cm mit 25 bis 35 ppm gelöstem Kohlendioxid bei einer Geschwindigkeit von 1,0 bis 1,5 Liter pro Minute stellt sich heraus, daß der spezifische Widerstand des durch Entsalzung hergestellten Reinwassers 260 beim Austritt vom Stapel im Bereich von 15 bis 17,5 MΩ-cm liegt.
Wie bei der in 2 und 3 abgebildeten Elektrodialysevorrichtung, kann die in 4 oder 5 abgebildete Mehrfachelektrodialysevorrichtung abgeändert werden, so daß der anreichernde Austrittsstrom und/oder die Elektrodenspülströme von einem Teil des durch Entsalzung hergestellten Reinwassers gespeist wird/werden, welches durch die Vorrichtung zurückgeführt wird.
Bei einer weiteren Ausführung kann der zentrale Trennteil 200 der zweiten Mehrfachelektrodialysevorrichtung weggelassen werden, so daß die Vorrichtung eine einzige zentrale Kathodenkammer umfaßt. Die einzelne Kathodenkammer kann eine einzelne Kathode oder Anode umfassen, welche der obenerwähnten und der anderen Elektrodialysevorrichtung gemeinsam ist.
Die vorliegende Erfindung stellt somit eine verbesserte Elektrodialysevorrichtung bereit, bei der zu reinigendes Wasser fortlaufend durch ein Kationenaustauschharzbett und ein Anionenaustauschharzbett zwischen einer Anode and einer Kathode geleitet wird. Die Anode und Kathode sind jeweils durch kationen- und anionenselektive Membrane von dem zu entsalzenden Strom getrennt und die Kathoden- und Anodenkammern werden mit Ionenaustauschharzmaterial gefüllt. Die jeweilige Elektrodenkammer wird mit einer Zufuhr vom im wesentlichen reinen Wasser gespeist and bei Betrieb hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäße Elektrodialysevorrichtung durch Entsalzung hergestelltes Reinwasser mit überraschend hoher Reinheit erzeugt.

Claims

Eine Elektrodialysevorrichtung (10) zur Wasserreinigung, welche geeignet ist gereinigtes Wasser mit einem spezifischen Widerstand von zumindest 1 MΩ·cm bei 25°C herzustellen, bestehend aus einer Anodenkammer (24) mit Anode (14), einer Kathodenkammer (26) mit einer Kathode (16) und einem dazwischen angeordneten Entsalzungs-Fließweg für zu reinigendes Wasser, wobei ein erster Abschnitt (36) des Entsalzungs-Fließwegs neben der Anodenkammer (24) und ein zweiter Abschnitt (46) des Entsalzungs-Fließwegs neben der Kathodenkammer (26) angeordnet sind, wobei ein Anreicherungs-Fließweg für eine Flüssigkeit, die dazu ausgeführt ist, Ionenverunreinigungen aus dem zu reinigenden Wasser aufzunehmen, zwischen erstem und zweitem Abschnitt (36, 46) angeordnet ist, wobei der erste Abschnitt (36) von der Anodenkammer (24) und vom Anreicherungs-Fließweg mittels jeweils gegenüber Kationen selektiv permeablen Membranen (32, 34) getrennt ist, die beabstandet angeordnet sind, und der zweite Abschnitt (46) von der Kathodenkammer (26) und vom Anreicherungs-Fließweg mittels jeweils gegenüber Anionen selektiv permeablen Membranen (42, 44) getrennt ist, die beabstandet angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden- sowie Kathodenkammer (24, 26) ein poröses Bett aus Ionenaustauschmaterial enthalten und dass die Anoden- oder Kathodenkammer über Mittel zum Durchfließen der Anoden- bzw. Kathodenkammer mit im Wesentlichen reinem Wasser verfügen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Ionenaustauschmaterial in der Kathodenkammer (26) ein Anionenaustauschharz (27) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Ionenaustauschmaterial in der Anodenkammer (24) ein Kationenaustauschharz (25) ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anreicherungs-Fließweg ein poröses Bett aus einem Ionenaustauschmaterial (29) enthält.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abschnitt (36) Kationenaustauschharz (37) und der zweite Abschnitt (46) Anionenaustauschharz (47) enthält.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit Mitteln mittels welchen zum Fließen durch zumindest die Anodenkammer (24) oder die Kathodenkammer (26) vorgesehenes Wasser direkt von dem aus dem Entsalzungs-Fließweg austretenden Wasser abnehmbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Betrieb die Fließrichtung des zu reinigenden Wassers durch beide Abschnitte (36, 46) dieselbe ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Entsalzungs-Fließweg in zwei oder mehr Teilkammern (36a, 36b) unterteilt ist, und wobei der zu entsalzende Strom sukzessive durch eine der Teilkammern (36a) der ersten Entsalzungskammer (36), dann durch die zweite Entsalzungskammer (46) und anschließend durch eine zweite Teilkammer (36b) der ersten Entsalzungskammer (36) führbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8 die derart ausgebildet ist, dass gereinigtes Wasser mit einem spezifischen Widerstand von zumindest 15 MΩ·cm herstellbar ist.
Eine Mehrfachelektrodialysevorrichtung bestehend aus zwei oder mehr wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 definierten Elektrodialysevorrichtungen (10, 10').
Mehrfachelektrodialysevorrichtung (100) gemäß Anspruch 10, wobei mittels der Vorrichtung gereinigtes Wasser zumindest den Anreicherungsströmen (56, 56'), den Anodenkammern (24, 24') und/oder Kathodenkammern (26, 26') zuführbar ist.
Mehrfachelektrodialysevorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die Ausströmung aus zumindest den Anodenkammern (24, 24'), den Kathodenkammern (26, 26') oder den Anreicherungsströmen (56, 56') durch eine Reinigungsvorrichtung (70) leitbar ist, um in der Vorrichtung wieder verwendet zu werden.
Mehrfachelektrodialysevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei zwei oder mehr Elektrodialysevorrichtungen (10, 10') nebeneinandergestellt sind, um einen einzigen Stapel zu bilden.
Mehrfachelektrodialysevorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei zwei oder mehr Elektrodenkammern (124, 126, 226, 224) zwei benachbarten Elektrodialysevorrichtungen (10, 10') gemeinsam sind.
Ein Elektrodialyseverfahren mit folgenden Schritten: zu reinigendes Wasser fließt im Entsalzungs-Fließweg einer wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 definierten Elektrodialysevorrichtung (10), eine Flüssigkeit, die dazu ausgeführt ist, Ionenverunreinigungen aus dem zu reinigenden Wasser aufzunehmen, fließt im Anreicherungs-Fließweg und eine Spannung wird über die Anode (14) und Kathode (16) angelegt.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei Wasser durch zumindest die Anodenkammer (24) oder die Kathodenkammer (26) fließt.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das durch zumindest die Anodenkammer (24) oder die Kathodenkammer (26) fließende Wasser mittels der Vorrichtung gereinigtes Wasser ist.
Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei das Wasser durch die Anodenkammer (24) und dann die Kathodenkammer (26) fließt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der Wasserstrom (52, 54, 56) durch zumindest die Anodenkammer (24) oder die Kathodenkammer (26) und anschließend durch den Anreicherungs-Fließweg fließt.
Verfahren gemäß 19, wobei ein Teil des von der Vorrichtung vorbereiteten Wassers sukzessive durch die Anodenkammer (24), die Kathodenkammer (26) und den Anreicherungs-Fließweg fließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei das Wasser parallel durch den Anreicherungs-Fließweg und zumindest die Anodenkammer (24) oder die Kathodenkammer (26) fließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei die Flüssigkeit im Anreicherungs-Fließweg in der entgegengesetzten Richtung zum Strom des zu reinigenden Wassers in zumindest dem ersten oder dem zweiten Abschnitt (36, 46) des Entsalzungs-Fließwegs fließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei das Wasser in zumindest der Anodenkammer (24) oder der Kathodenkammer (26) in der entgegengesetzten Richtung zum Strom des zu reinigenden Wassers in dem ersten oder dem zweiten Abschnitt (36, 46) fließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei das zu reinigende Wasser zuerst durch den ersten, dann den zweiten Abschnitt (36, 46) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24 zum Betrieb einer Mehrfachelektrodialysevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das durch zwei Elektrodialysevorrichtungen (10, 10') zu reinigende Wasser sukzessive durch den ersten und zweiten Abschnitt (36, 46) der ersten Elektrodialysevorrichtung (10) und dann sukzessive durch den ersten und zweiten Abschnitt (36', 46') der zweiten Elektrodialysevorrichtung (10') geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 25, mit einem Strom (52, 54, 52', 54') durch die Anodenkammer (24, 24') und die Kathodenkammer (26, 26'), wobei zumindest einer der Anodenkammerströme (52'), der Kathodenkammerströme (54') oder der Anreicherungsströme (56') zuerst durch die zweite Elektrodialysevorrichtung (10') und anschließend durch die erste Elektrodialysevorrichtung (10) fließt.