-
T i t e 1 : Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln
-
von Flüssigkeiten, insbesondere Entsalzen wäßriger Lösungen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten,
insbesondere Entsalzen wäßriger Lösungen, bei dem die Flüssigkeit in Hintereinanderfolge
unterschiedlichen Absorptionsvorgängen ausgesetzt wird, und diese Flüssigkeit nach
Passieren dieser Vorgänge als behandeltes Produkt anfällt.
-
Es ist allgemein bekannt, daß Flüssigkeiten, insbesondere wäßrige
Lösungen, wie Wasser aller Art für den industriellen Bedarf, bei vielen Anwendungsfällen
praktisch frei von Salz bzw. deren ionogenen Dissoziationskomponenten sein müssen.
-
Zu diesem Zweck werden für die Aufbereitung solcher Flüssigkeiten
diverse Verfahren angewendet, durch die solche in Flüssigkeiten gelöste Salze entfernt
werden.
-
So ist es bei der Wasseraufbereitung seit langem bekannt, durch Absorption
der Ionen an geeigneten Stoffen, beispielsweise lonenaustauschermassen, die im Wasser
gelösten Salze zu entfernen. Dies hat jedoch den erheblichen Nachteil, daß die sich
immer wieder erschöpfenden Austauschermassen mit gefährlichen Chemikalien, wie Säuren
und Laugen, regeneriert werden müssen. Es kommt auch hinzu, daß im Vergleich zur
eliminierten Salzmenge eine erheblich größere Menge dieser Chemikalien aufgewendet
werden muß, die mit dem Abwasser ausgespült wird und eine von der heutigen Gesellschaft
nicht mehr akzeptierbare Umweltbelastung darstellt, so beispielsweise Zerstörung
der Biosphäre in den Oberflächengewässern.
-
Es ist auch bekannt, daß lonenaustauschermassen mit Hilfe elektrischer
Energie regeneriert werden können. Der praktischen Anwendung dieser Methode stand
bisher dagegen, daß der Energieaufwand zur Erzeugung ausreichender Kapazität für
die Abscheidung der Salzigen unverhältnismäßig hoch ist, und daß die apparat.iven
Ausführungen viel zu aufwendig sind und den technisch-industriellen Anforderungen
nicht immer entsprechen.
-
Bekannt ist auch ein Verfahren unter dem Namen "Elektrodialyse", bei
dem eine ionendurchlässige bzw. ionensperrende Wirkung einer Ionenaustauschermembran
genutzt wird, und zwar dergestalt, daß die Ionen der zu entsalzenden Flüssigkeit
bzw. wäßrigen Lösung im elektrischen Feld durch die Membranen hindurch auseinanderwandern
und durch entsprechende Anordnung dieser Membranen Räume der Salzan- und Salzabreicherung
entstehen. Bei dieser Methode haben sich
sowohl im Verfahren, als
auch in seiner apparativen Ausführung erhebliche Mängel gezeigt. Wenn das Wasser
entsalzt wird, nimmt sein Salzgehalt im Verlauf des Prozesses ab.
-
Dabei steigt aber der elektrische ,Widerstand derart an, daß ein wirtschaftlicher
Betrieb für hohe Entsalzungsgrade bei einem solchen bekannten Verfahren nicht zu
erzielen ist. Um aber eine Anwendung wenigstens im Bereich schlechter Produktqualitäten
einer Flüssigkeit zu erreichen, werden die Membranen mit extrem kleinen Abständen
voneinander von nicht viel mehr als einem Millimeter angeordnet. Durch diese edge
Anordnung der Membranen zueinander kann zwar der elektrische Widerstand und damit
auch der Energieverbrauch herabgesetzt werden, indessen steigt für den praktischen
Betrieb der vorrichtungsmäßige Aufwand für die Zu- und Abführung der Flüssigkeitsströme
von Produkt und Sole erheblich, und es steigt auch eine Verschmutzungsanfälligkeit
in den engen Durchgängen zwischen den Membranen, die einen sicheren Betrieb der
Vorrichtung in Frage stellen.
-
Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, wäßrige
Lösungen ohne Verwendung von Regenerierchemikalien zu entsalzen, dabei hohe Entsalzungsgrade
zu erreichen und trotzdem den Energieverbrauch niedrig zu halten und die Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens sowohl unempfindlich gegen Verschmutzung als auch
in einem weiten Bereich variabler Durchsätze praktikabel und betriebssicher auszuführen
und dabei die Produktqualität und die Ausstoßleistung über einen weiten Zeitraum
unverändert zu erhalten.
-
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe verfahrenstechnisch dadurch
gelöst, daß im Bereich der Absorptionsvorgänge der Flüssigkeit in von dieser getrennten
Elektrodenräumen unterschiedliche Ionen erzeugt und diese jeweils in je einem Kreuzstrom
zu der den jeweiligen Absorptionsvorgang passierenden Flüssigkeit in diese eindiffundiert
werden, wobei zum Diffundieren bzw. Bewegen der Ionenströme durch die.Absorptionsvorgänge
der
Flüssigkeit ein elektrisches Spannungsfeld, insbesondere in Form eines Spannungspotentials
angelegt ist, und daß diese Ionenströme auf ihrem Weg zum jeweiligen Absorptionsvorgang
je eine diesen Vorgang gegen einen Elektrodenraum abschirmende Grenzschicht, wie
auch eine im jeweiligen Absorptionsvorgang eingebrachte Ionenaustauschermasse passieren
und in dieser Masse eine Ionenverschiebung in der Art bewirken, daß sie die in dem
jeweiligen Absorptionsvorgang sich befindenden Ionen aus Flüssigkeitsphase und Ionenaustauscherphase
im Kreuzstrom zur Richtung der lüssigkeitsströmung zu je einer weiteren Grenzschicht
fördern, von denen die eine Grenzschicht die Zone der Kationenabsorption und die
andere Grenzschicht die Zone der Anionenabsorption gegen eine den Absorptionsvorgängen
aus Kationenaustauscherphase und Anionenaustauscherphase gemeinsamen Solezone trennen,
und daß diese aus der Flüssigkeitsphase und der Ionenaustauscherphase abwandernden
Ionen, die jeweilige die Solezone gegen den jeweiligen Absorptionsvorgang trennende
Grenzschicht durchdringen, hingegen diese Ionen nach Erreichen der Solezone von
der jeweiligen, den andersartigen und diesen Ionen fremden Absorptionsvorgang abschirmende
Grenzschicht in der Solezone zurückgehalten werden, und daß diese.aus der zu behandelnden
Flüssigkeit stammenden und sich nun in der Solezone befindenden Ionen in Form einer
Salzsole aus dieser Solezone ausgespült werden.
-
Zum Durchführen dieses Verfahrens wird eine Vorrichtung, bestehend
aus mindestens einem Gefäß mit in diesem angeordneten Reaktionskammern für eine
in diesen Kammern zu behandelnde Flüssigkeit, wobei diese Kammern mit Zu- und Ableitungen
für die Flüssigkeit wie auch einer dieser Vorrichtung auszuscheidenden Sole ausgestattet
sind, verwendet, wobei sich die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch auszeichnet,
daß die Reaktionskammern für die zu behandelnde Flüssigkeit
als
von Ionenaustauschermembranen als Grenzschichten gebildeten Kammern ausgeführt und
diese Kammern mit jeweils einer lonenaustauschermasse aufgefüllt sind, daß jede
Ionenaustauschermembrane eine Durchlässigkeit für jeweils bestimmte Ionen aufweist,
für gegensätzlich geladene Ionen wie auch Flüssigkeit hingegen undurchlässig ausgeführt
ist, daß im Bereich dieser Reaktionskammern Elektrodenkammern für in diese Kammern
eingelegte Elektroden vorgesehen sind, von denen eine Elektrodenkammer für die Anode
der mit einer Kationenaustauschermasse gefüllten Reaktionskammer und eine Elektrodenkammer
für die Kathode mit einer Anionenaustauschermasse gefüllten Reaktionskammer zugeordnet
ist, und daß diese Kammern über die als Sperrschichten ausgeführten Ionenaustauschermembranen
allein ionendurchlässig miteinander verbunden sind, wie auch der Reaktionskammer
für die Kationenaustauschermasse kationendurchlässige und an der Reaktionskammer
für die Anionenaustauschermisse anionendurchlässige Ionenaustauschermembranen vorgesehen
sind, und daß zwischen mindestens je einer mit Kationenaustauschermasse gefüllten
Reaktionskammer und je einer mit Anionenaustauschermasse gefüllten Reaktionskammer
eine sie von den Ionenaustauschermembranen begrenzte Solekammer vorgesehen ist.
-
Durch diese Maßnahmen einer selektiven Absorption mit einem diese
im Kreuzstrom überlagernden, im elektrischen Feld wandernden und von den Elektroden
ausgehenden Ionenströmen und der sich daraus ergebenden, gerichteten Diagonalwanderung
der ionischen Salzkomponenten aus der zu behandelnden Flüssigkeit bzw. der zu behandelnden
Lösung in einen Soleraum wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe nicht
nur vorteilhaft gelöst, sondern es wird auch eine Reihe energetischer, verfahrenstechnischer,
apparativer und wirtschaftlicher Vorteile erreicht. Diese Vorteile sind im einzelnen:
a)
Der von den Elektroden und den Elektrodenkammern her in die zu behandelnde Flüssigkeit
bzw. zu entsalzende Lösung einwandernde Ionenstrom bewirkt eine hohe Leitfähigkeit
der Lösung selbst dann, wenn ihr.Salzgehalt auf extrem niedrige Werte abgesunken
ist, also der Entsalzungsgrad sehr hoch geworden ist. Dadurch wird der von der Elektrodialyse
bekannte Nachteil des Widerstandsanstiegs bei niedrigen Salzgehalten vermieden,
und es wird erreicht, daß die elektrische Spannung und mithin auch der Energieverbrauch
selbst bei sehr guten Qualitäten wirtschaftlich bleibt.
-
b) Dadurch, daß der einwandernde Ionenstrom den elektrischen Widerstand
niedrig hält, kann der vorrichtungsmäßige Aufwand für die gleichmäßige Zuführung
der zu entsalzenden Lösung als auch der für die Abführung der Sole entfallen, und
es kann somit der Membranabstand wesentlich größer als bei der bekannten Elektrodialyse
gehalten werden. Dies bedeutet, daß der Durchgang zwischen den Membranen sehr breit
ausgeführt werden kann, wodurch die Anfälligkeit des Durchganges der Reaktionskammern
für Verschmutzungen, wie sie bei engen Durchgängen !ielfach üblich sind, vollständig
entfällt. Es kommt hinzu, daß der bekanntermaßen fertigungstechnisch sehr aufwendige
und kostspielige Einbau von Schikanen zur Strömungsführung und Abstandhaltung für
die Membranen ebenfalls entfällt.
-
c) Die Austauschermassen befinden sich während des Entsalzungsvorganges
in einem dynamischen Gleichgewichfi ihrer Ionenkonzentrationen, benötigen also keinerlei
Speicherkapazität und damit auch keine Regeneration.
-
Dies ist ein wesentlicher Vorteil in doppelter Hinsicht. Zum einen
entfallen die Regenerierchemikalien und damit als Folgeerscheinung die Aufsalzung
der Gewässer,
was eine geringere Umweltbelastung und eine bessere
Lebensqualität für unsere Gesellschaft bedeutet, zum anderen entfallen größere lonenaustauschermengen,
die bei den bisherigen Verfahren stets benötigt werden, sei es im regenerierten
oder beladenen Zustand, und die am eigentlichen Entsalzungsvorgang noch nicht oder
nicht mehr beteiligt sind. Diese nicht mehr benötigten Mengen an lonenaustauschermasse
bedeuten eine erhebliche Minderung auch des Investitionsaufwandes für die Vorrichtung
selbst als auch hinsichtlich der Unterbringung dieser Massen wie auch deren Behandlung.
Hinzu kommt, daß auch die Vorrichtung verkleinert werden kann und leichter zu plazieren
ist.
-
d) Aufgrund des dynamischen Gleichgewichtes der Ionenkonzentrationen
besteht eine direkte Funktion zwischen Produktqualität und Energieaufwand. Dies
bietet den Vorteil, jede gewünschte Qualität in einem weiten Bereich, ohne Energieverluste,
den Erfordernissen anzupassen. Weiterhin ist von Bedeutung, daß bei gleichbleibender
oder variirender Produktqualität ebenfalls in einem weiten Bereich die Durchsatzleistung
verändert und ebenso diese ohne Wirkungsgradverluste den Erfordernissen angepaßt
werden kann.
-
e) Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß keinerlei Waschwassermengen
benötigt werden und somit der Ausnutzungsgrad des Rohwassers sehr hoch ist und Wasser
verluste vermieden werden. Daraus ergibt sich zusät;'-lich, daß die Solekonzentration,
verglichen mit anderen, bekannten Entsalzungsverfahren, beispielsweise der umgekehrten
Osmose oder auch der konventionellen Vollentsalzung mit lonenaustauschermassen,
ganz wesentlich höher liegt, ein Vorteil ebenfalls in doppelter Hinsicht:
Die
Abwasserbelastung der Vorfluter und der Verbrauch an immer knapper werdendem Rohwasser
werden geringer.
-
In den besonderen, praktischen Anwendungsfällen, in denen nicht die
entsalzte Lösung, sondern die Sole das gewünschte Produkt ist, wie z. B, bei der
Rückgewinnung von Metallen aus anorganischen Abwässern, die Wertstoffe oder auch
Giftstoffe (z.B. Quecksilber) sein können, ist eine möglichst hohe Konzentration
außerordentlich erwünscht, weil dadurch die sich an-- schließenden Verfahrensschritte
zur Rewngewinnung, etwa elektrolytische Abscheidungen oder chemische Fällungen,
wes.entlich wirtschaftlicher werden.
-
f) Ein sehr deutlicher Vorteil des erfndungsgemäßen Verfahrens ist,
beispielsweise im Vergleich zur chemischen Regeneration bei Vollentsalzungsanlagen,
daß die Sole neutral anfällt und weder Neutralisationsvorrichtungen, noch Neutralisationschemikalien
benötigt werden, was niedrigeren apparativen Aufwand, geringere Betriebsmittelkosten
und geringere Gewässeraufsalzung bedeutet.
-
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung in verfahrensspezifischer
als auch vorrichtungsspezifischer Hinsicht können insbesondere den verbleibenden
Unteransprüchen entnommen werden.
-
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung,
ohne diese auf diese allein zu beschränken, schematisch dargestellt. Es zeigt: Fig.
1 einen Längsmittelschnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in der Ebene-
I-I in Fig. 2, bei der zwei in einem Gefäß angeordnete Reaktionskammern und eine
dazwischen vorgesehene Solekammer gezeigt sind,
Fig. 2 einen Querschnitt
durch die Vorrichtung in der Ebene II-II in Fig. 2, Fig. 3 einen Längsmittelschnitt
durch eine Vorrichtung mit vier in einem Gefäß angeordneten Reaktionskammern, wobei
diese in Strömungsrichtung der zu behandelnden Flüssigkeit längsgeteilt sind, Fig.
4 einen Längsmittelschnitt durch zwei in Doppeltraktion hintereinander geschaltete
Vorrichtungen, wobei gleichartige Reaktionskammern durch eine gemeinsame Elektrodenkammer
ionendurchlässig mi te in ander verbunden sind und Fig. 5 eine Draufsicht auf einige
in Mehrfachtraktion hintereinander geschaltete Vorrichtungen mit den sie mit Energie
und Flüssigkeit versorgenden Leitungen.
-
Die Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung wird entsprechend der Darstellung
in Fig. 1 und 2 im wesentlichen von einem Gefäß 2 für in diesem vorgesehene Reaktionskammern
3 bis 10, in denen Absorptionsvorgänge zwischen einer zu behandelnden Flüssigkeit
11 lonenaustauschermassen 12, 52 und solchen von Elektroden 13 ausgehenden Strömen
14, 15 ablaufen, gebildet. Die Reaktionskammern 3 bis 10, von denen im Gefäß 2 mindestens
eine Reaktionskammer 3 für die Strömung der Kationen 14 und eine weitere Reaktionskammer
4 für die Strömung der Anionen 15 vorgesehen ist, sind mit je einer Ionen austauschermasse
12, 52 gefüllt, welche von der zu behandelnden Flüssigkeit 11 alternierend und hintereinander
durchflossen werden. Die Reaktionskammern 3, 4, die seitlich von Grenzschichten
in Form von Ionenaustauschermembranen 16 bis 19 begrenzt werden, sind bei Anordnung
nur je einer Reaktionskammer, z.B. 3, für Kationen 14 und einer solchen
Reaktionskammer,
z.B. 4, für Anionen 15 zwischen einer gemeinsamen Solekammer 30 und einer jeweiligen
Elektrodenkammer 31, 32 angeordnet, wobei an die Reaktionskammer 3 für die Kationen
14 die Elektrodenkammer 31 der Anode 33 und an die Reaktionskammer 4 der Anionen
15 die Elektrodenkammer 32 der Kathode 34 angrenzt. Die Ionenaustauschermembranen
16 bis 19 zwischen diesen Kammern 3, 4 und 31, 32 sind derart ausgebildet, daß sie
jeweils den Ionenstrom 14, 15 in die jeweilige Reaktionskammer 3, 4 und aus dieser
in die Solekammer 30 passieren lassen, den Durchtritt einer Flüssigkeit 11 wie auch
den Durchtritt der eine andere Ladung aufweisenden Ionen hingegen sperren. Dabei
werden unter dem jeweiligen Ionenstrom 14, 15 in der Reaktionskammer 3 für Kationen
14 die von der Anode 33 in der Anodenkammer 31 erzeugten Kationen und unter dem
Ionenstrom 15 in der Reaktionskammer 4 für Anionen die von der Kathode 34 in der
Elektrodenkammer 32 der Kathode erzeugten Hydroxylionen verstanden. Die Vorrichtung
1 ist dabei so konzipiert, daß in die Reaktionskammer 3 für Kationen 14 eine Zuführungsleitung
35 für die zu behandelnde Flüssigkeit 11 z.B oben einmündet und diese Kammer über
eine an dieser Reaktionskammer unten angeschlossene Abführungsleitung und eine Verbindungsleitung
36 über Kopf in die Reaktionskammer 4 für Anionen 15 einmündet. Am unteren Ende
dieser Reaktionskammer 4 für Anionen 15 ist eine sogenannte Produktleitung 37 angeschlossen,
über die die behandelte Flüssigkeit 11 abfließen kann. Die Solekammer 30, welche
seitlich von den Ionenaustauschermembranen 17, 18 zum einen gegen die Reaktionskammer
3 für Kationen 14 und zum andern gegen die Reaktionskammer 4 für Anionen 15 abgetrennt
ist, ist mit einer Zu-und Abführungsleitung 38, 39 versehen, von denen die Zuleitung
zum Zwecke eines Einbringens einer Transportflüssigkeit in diese Solekammer über
eine Verbindung 40 an der Zuleitung 35 für die zu behandelnde Flüssigkeit und die
Abfuhrungsleitung 39 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Soleentsorgung
verbunden ist. Die in die Elektrodenkammern
31, 32 einmündenden
Elektroden 33, 34 sind an einer Stromversorgung 41 einer Gleichstromquelle unter
Zwischenschaltung mindestens eines Regel- und Meßkreises 42 angeschlossen.
-
In der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführung der Vorrichtung 1 sind
die Reaktionskammern 3 für Kationen 14 breiter als die Reaktionskammern 4 für Anionen
15 ausgeführt. Dies ist deshalb so vorgesehen, weil die durch eine solche Reaktionskammer
3 wandernden Kationen, insbesondere die Wasserstoffionen, eine größere Beweglichkeit
aufweisen, so daß sie in der Lage sind, in annähernd gleicher Zeit wie die die Reaktionskammer
4 für Anionen 15 passierenden Ionen, insbesondere die Hydroxylionen, die längere
Strecke zu durchlaufen. Die Ionenströme, d. h. der an der Anode 33 erzeugte Kathodenstrom
14, d. h. die Wasserstoffionen und die Anionenströme, d. h. die an der Kathode erzeugten
Anionenströme 15, d. h. Hydroxylionen, durchwandern die Reaktionskammern 3, 4 quer
zur Strömungsrichtung der zu behandelnden Flüssigkeit 11, z. B. einer wäßrigen Lösung,
und verdrängen dabei die in dieser Flüssigkeit mitgeführten Ionen, d. h. die ionogenen
Salzkomponenten, bis in die Solekammer 30, aus der diese Komponenten wiederum dann
als Salzsole ausgespült werden.
-
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung gemäß Fig. 3 und 4 entsprechen
prinzipiell dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel und unterscheiden sich von
diesem dadurch, daß zum einen die Reaktionskammern 5 bis 8 in Strömungsrichtung
der zu behandelnden Flüssigkeit 11 längsgeteilt sind (vgl.
-
Fig. 3), und daß zum andern mehrere Vorrichtungen 1, z.
-
B. 2, in sogenannter Doppeltraktion hintereinander angeordnet sind.
-
Hierbei wird gemäß Fig. 3 durch die Zuführungsleitung 35, z. B. die
zu behandelnde Flüssigkeit 11, bzw. Lösung, in
die Reaktionskammer
7 der Kationenaustauschermasse 12 von oben nach unten geleitet, von dort zum Eintritt
in die Reaktienskammer 6 der Anionenaustauschermasse 52, dann durch die weitere
Reaktionskammer 8 der Kationenaustauschermasse 12, dann durch die weitere Reaktionskammer
5 der Anionenaustauschermasse 52 usw. geführt, um dann nach Durchlaufen dieser Reaktionskammern
als behandelte Flüssigkeit, d.h.
-
Produkt, über die Produktleitung 37 die Vorrichtung 1 zu verlassen.
Im Gegenstrom dazu wird auch hier ein.Teil des Rohwassers, d. h. der zu behandelnden
Flüssigkeit 11, durch die Leitung 38 von unten der Solekammer 30 zugeleitet, durchströmt
diese Kammer von unten nach oben und gelangt vom oberen Ende dieser Kammer in die
Soleablaufleitung 39 bzw.
-
in einen Kanalablauf. Von der Anode 33 und der Elektrodenkammer 31
aus bewegt sich ein Wasserstoffionenstrom 14 quer zur Strömungsrichtung der zu behandelnden
Flüssigkeit 11 durch die kationendurchlässigen Ionenaustauschermembranen 20 bis
22 in die Solekammer 30. Gleichzeitig und mit gleicher Menge bewegt sich von der
anderen Seite, ausgehend von der Kathode 34 und der Kathodenkammer 32, ein Hydroxylionenstrom
15 quer zur Strömungsrichtung der zu behandelnden Flüssigkeit 11 durch die anionendurchlässigen
Ionenaustauschermembranen 25, 24, 23 und durch die Anionenaustauschermassen 52 in
die gleiche Solekammer 30.
-
Gemäß der Ausführung der Vorrichtung nach Fig. 4 bewegt sich, von
der Anode 33 und der Anodenkammer 31 ausgehend, ein Wasserstoffionenstrom 14 quer
zur Strömungsrichtung der zu behandelnden Flüssigkeit 11 durch die kationendurchlässigen
Ionenaustauschermembranen 26, 27 und durch die Kationenaustauschermasse 12 in die
Solekammer 30. Gleichzeitig und mit gleicher Menge beweg sich von der anderen Seite,
ausgehend von der Kathode 34 und der Kathodenkammer 32, ein Hydroxylionenstrom 15
quer zur Strömungsrichtung der gleichen Flüssigkeiten 11 durch die anionendurchlässigen
Ionenaustauschermembranen 29, 28 und durch die Anionenaustauschermasse
52
ebenfalls in die gleiche Solekammer 30. Da bei dieser Ausführung der ersten Vorrichtung
1 gemäß Fig. 4 eine zweite Vorrichtung nachgeschaltet ist, wird der Ablauf der die
Reaktionskammer 10 für Anionen 15 verlassende Strom der Flüssigkeit 11 über Kopf
einer nachgeschalteten Reaktionskammer 44 für Kationen 14 zugeleitet, welche Kammer
dieser Strom dann von oben nach unten passiert, um im Anschluß daran wiederum über
Kopf der Reaktionskammer 45 für Anionen 15 zugeführt zu werden. Anschließend durchströmt
die Flüssigkeit 11 diese Reaktionskammer 45 für Anionen 15 von oben nach unten,
um dann diese Kammer als sogenannte, behandelte Flüssigkeit, d. h. Produktflüssigkeit,
über eine am unteren Ende dieser Reaktionskammer sich befindende Ablaufleitung 46
zu verlassen. In Abweichung von den vorbeschriebenen Ausführungen der Vorrichtung
1 sind bei dieser Ausführung,um eine Elektrodenkammer 47 samt darin befindlicher
Elektrode 48 dabei einzusparen, an der vorhandenen Elektrodenkammer, z. B. für das
Erzeugen von Wasserstoffionen, die Reaktionskammern 10, 45 für die Anionen 15 beidseitig
und ionendurchlässig (anionendurchlässig) an dieser Elektrodenkammer 47 angeschlossen.
-
Die Behandlung der Flüssigkeit 11 bzw. die Entsalzung des Rohwassers
erfolgt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in mehreren Teilschritten. In den Anodenkammern
aller Ausführungen der Vorrichtungen befindet sich verdünnte Schwefelsäure, die
in bekannter Weise als sich nicht verbrauchendes Medium die Wasserstoffionenbildung
an den Anoden aller Ausführungen ermöglicht. Entsprechend einer an den Elektroden
33, 34; 48 angelegten Gleichspannung und entsprechend dem Widerstand des Gesamtsystems,
d. h. der Vorrichtung, fliessen die an den Amperemetern eines Regel- und Meßkreises
42 ablesbaren elektrischen Ströme. Diesen Strömen äquivalent bewegen sich die Wasserstoffionenströme
14, wie beschrieben, in die Richtung der Solekammer 30. Sie kreuzen dabei den
Kationenstrom
14 der Flüssigkeit 11, beispielsweise deren Metallionen, der sich in der zu behandelnden
Flüssigkeit 11 von oben nach unten durch die Kationenaustauschermassen 12 bewegt.
Es stellen sich dabei die bekannten Gleichgewichte zwischen den Konzentrationen
der Ionenarten einerseits und der wäßrigen und andererseits in der Austauscherphase
ein.
-
Als treibende Differenz für die Bewegung der Ionen 14, 15 fungiert
vertikal die Flüssigkeitsströmung und horizontal die elektrische Spannung. Da die
lonenaustauschermassen 12, 52 jedoch eine um das Vielfache höhere Ionenkonzentration
haben als die sie umgebende Lösung, spielen sich die Transportvorgänge fast ausschließlich
in der Austauscherphase ab. Dies hat den entscheidenden Vorteil, daß für den Transport
ein viel geringerer Widerstand zu überwinden und eine entsprechend geringere Energiemenge
aufzubringen ist, als in der reinen wäßrigen Lösung, was sich insbesondere im Bereich
niedriger Ionenkonzentrationen im Wasser, also wenn es schon fast total entsalzt
ist, auswirkt.
-
Da die Wasserstoffionen 14 über die ganze Länge gleichmäßig verteilt
nachgeliefert werden, nimmt die Ionenkonzentration der zu behandelnden Flüssigkeit
11, beispielsweise die Konzentration von Metallionen, won oben nach unten ab. Entsprechend
den Gesetzmäßigkeiten für die Verteilung der Ionen 14, 15 zwischen verschiedenen
Phasen mit verschiedener Selektivität- wird eine für die Praxis akzeptable Verschiebungsgeschwindigkeit
der Gleichgewichte und deren Lage nur mit dem überschuß einer Komponente erreicht.
Um einerseits die Gleichgewichte schnell und zur Seite geringer Ionenkonzentrationen
zu verschieben und andererseits aber die Dberschußkomponente, also die Wasserstoffionenmenge
14, weitgehend auszunutzen, was der elektrischen Stromausnutzung gleichkommt, wird
das Rohwasser bzw. die zu behandelnde Flüssigkeit 11 zuerst in den solenahen Bereich
hoher Ionenkonzentrationen, also durch die Kationenaustauschermasse
12
geleitet und erst dann, wenn die Ionenkonzentration schon abgenommen hat, in den
Bereich hoher Wasserstoffionenkonzentration 14, also durch die Kationenaustauschermasse
in der Reaktionskammer geleitet. Durch diese Kationenaustauschermasse 12 fließt
es aber erst, nachdem es die Anionenaustauschermasse 52 in der Reaktionskammer passiert
hat, also Anionen abgegeben und dadurch wieder neutral geworden ist (vgl. Fig. 3).
Dies bedeutet, wie bekannt, eine zusätzliche Verschiebung der Selektivität in die
gewünschte Richtung. Der Mechanismus der Anionenbewegungen in den Anionenaustauschermassen
52 der Reaktionskammern 5, 6 ist analog.
-
Zur Förderung der Hydroxylionenbildung sind die Elektrodenkammern
32 für Kathode 34 mit verdünnter Natronlauge gefüllt.
-
Da die Beweglichkeit der Wasserstoffionen 14 größer ist als die der
Hydroxylionen 15 ist ihre Konzentration und damit ihre Wirkung auf die gewünschte
Gleichgewichtsverschiebung geringer. Dies wird erfindungsgemäß auch hier ausgeglichen
durch eine längere Verweilzeit, d. h. breiter angeordneter Reaktionskammern 3; 7,
8, im Vergleich zu den Reaktionskammern 4; 5,6 für die Anionenaustauschermassen
52 (vgl. Fig. 1).
-
Nach Verlassen der Anionenaustauschermasse 52 fließt die noch weiter
zu entsalzende Lösung (vgl. Fig. 4) durch die Kationenaustauschermasse 12 in der
Reaktionskammer 44 und die Anionenaustauschermasse 52 in der Reaktionskammer 45
und wird von den beiden Ionenströmen 14, 15 gekreuzt. Diese erfindungsgemäße Aufteilung
des Gesamtinonenstromes auf zwei oder mehrere Stufen bietet den Vorteil, daß die
elektrische Spannung und damit der Energieverbrauch für d'e Bewegung der Teilionenströme
geringer ist. Es kommt weiter hinzu, daß aufgrund der geringeren lonenkonzentration
in der zu behandelnden Flüssigkeit beim Eintritt in jede Folgestufe auch der Ionenstrom
14, 15 geringer sein kann, was eine geringere Gleichgewichtskonzentration der Ionen
in der Lösung, also eine bessere Produktqualität der behandelten Flüssigkeit, bedeutet.
-
Die Sperrwirkung der Ionenaustauschermembranen ist nicht vollständig.
In der Praxis zeigt sich eine Durchlässigkeit für Gegenionen, d. h. Ionen entgegengesetzter
Ladung, bis zu etwa 2 oder zu sperrenden Ionenkonzentration. Dies würde in der letzten
Austauschermasse zu einer Qualitätsverschlechterung führen. Erfindungsgemäß wird
daher die zuletzt durchflossene lonenaustauschermasse von dickeren oder doppelten
Membranen 49 begrenzt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
-
Wird in der zweiten Stufe der Ionenstrom 14, 15, also auch der elektrische
Strom zu den Elektroden 33, 34, abgeschaltet, so entfällt auch vollständig die Überführung
von Gegenionen in das Produkt, d. h. in die behandelte Flüssigkeit 11. Dadurch können
Teilmengen des Produktes mit optimaler Qualität entnommen werden.
-
Es hat sich ferner ergeben, daß bei einer parallelgeschalteten Doppel
ausführung gemäß der Fig. 4 der zweiten bzw.
-
letzten Stufe aus einem einzigen Rohwasserstrom, d. h. Flüssigkeit
11, zwei Teilströme mit verschiedenen Qualitäten erzeugt werden können, und zwar
durch Einstellung verschieden starker Ionenströme 14, 15 in parallel geschalteten
Vorrichtungen 1 am Ende einer solchen Mehrfachtraktion der Vorrichtungen.
-
Die von den Elektroden 33, 34; 48 ausgehenden lonenströme 14, 15 verbrauchen
für ihre Erzeugung Wasser, das durch die Leitung 54, die an der Produktleitung 37
angeschlossen ist, nachgeliefert werden kann. Die Verluste an Metallionen, z. B.
Natrium, in den Kathodenräumen 32 werden durch die Leitung 55, die Verluste an Anionen,
z. B. Sulfationen, in den Anodenräumen 31 durch die Leitungen 56 (Fig. 1) nachgefüllt,
was in Form verdünnter Schwefelsäure geschehen kann.
-
Versuche haben ferner gezeigt, daß der elektrische Widerstand der
Vorrichtung 1 bzw. des Gesamtsystems und damit der Energieverbrauch niedriger ist,
wenn die durch die Solekammer 30 strömende Flüssigkeit, d. h. Sole, durch ein Soleablaufventil
57 intermittierend abgezogen wird.
-
Die sich zu den Solekammern 30 hin bewegenden Ionenströme 14, 15 bewirken
eine lokal unterschiedliche Erwärmung der hindurchströmenden Flüssigkeiten, wie
z. B. in der zu behandelnden Flüssigkeit 11 und der Sole und auch der Ionenaustauschermassen
12, 52 sowie der Ionenaustauschermembranen 16 bis 29-, 49. Dadurch entstehen Zonen
unterschiedlichen elektrischen Widerstandes in der Vorrichtung 1 und somit eine
Störung der gleichmäßigen Ionenstromverteilung 14, 15. Es wurde nun experimentiell
ermittelt, daß durch ein zeitweises Unterbrechen der Energiebeaufschlagung und ein
gleichzeitig kurzes Unterbrechen des Produktstromes, d.
-
h. der abfließenden Flüssigkeit 11 aus der Produktleitung 37, 46,
mit Hilfe des Produktventils 50 diese Inhomogenitäten vollständig beseitigt werden
können.
-
Um ein Überhitzen der Reaktionskammern 3, 4; 5 bis 8; 9, 10; 44, 45
und/oder der Solekammer 30 bei Ausfall des Flüssigkeitsstromes (Rohwasser) zu vermeiden,
ist ein Thermoschalter 51 vorgesehen, der die Stromführung bei Erreichen kritischer
Temperaturen in der Stromversorgung 41 unterbricht. Bei der Erzeugung der oben beschriebenen
Ionenströme 14, 15 an den Elektroden 33, 34 und 48 entstehen anodisch Sauerstoff
und kathodisch Wasserstoff. Die Gase werden durch Entlüfter 53 aus der Vorrichtung
1 abgeleitet.
-
Berechnungen haben ergeben, daß die .Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens, insbesondere bei hohen Salzgehalten der zu behandelnden Flüssigkeit
11 bzw. der zu entsalzenden Lösung, dadurch erheblich gesteigert werden kann, daß
der Energieinhalt der anfallenden Gase in geeigneten
Vorrichtungen,
wie beispielsweise Wärmekraftmaschinen, Brennstoffzellen u. dgl., in elektrische
Energie umgewandelt.und diese Energie in die Elektroden 33, 34; 48 zurückgeführt
wird.
-
Die Mehrfachtraktion erfindungsgemäßer Vorrichtungen 1 ist in Fig.
5 anhand einiger, hintereinander geschalteter Vorrichtungen dargestellt. Dabei sind
diese Vorrichtungen 1 an einer gemeinsamen Stromversorgung 41 parallel und in bezug
auf die zu behandelnde Flüssigkeit 11 in Reihe hintereinander geschaltet. Der Übersichtlichkeit
wegen ist diese Mehrfachtraktion in einem verkleinerten Maßstab der Vorrichtungen
1 in der Zeichnung widergegeben.