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Verfahren und Einrichtung zum Ausscheiden von gelösten Stoffen aus künstlichen oder natürlichen Lösungen, insbesondere Wasser, auf elektroosmotischem Wege
Die für die Ausscheidung von gelösten Stoffen aus künstlichen oder natürlichen Lösungen, ins- besondere zur Entsalzung von Wasser, auf elektro- osmotischem Wege verwendeten Apparaturen bestehen gewöhnlich aus einer Mehrzahl von
Zellen, welche zu einer ortsfesten Anlage zu- sammengefasst und an eine vorhandene Strom- quelle bestimmter Spannung angeschlossen werden. Solche Anlagen bedürfen einer sorg- fältigen Anpassung an die Betriebsbedingungen des Aufstellungsortes und können daher nur fall- weise über besondere Bestellung auf Grund ge- nauer Berechnungen hergestellt werden. Der- artige Anlagen sind umfangreich und ent- sprechend teuer.
Die Erfindung will das Bedürfnis befriedigen, das nach handlichen, tragbaren Geräten dieser Art, welche unter den verschiedenartigsten Betriebsbedingungen mit sehr gutem Erfolg verwendet werden können, besteht.
Die Herstellung von Geräten, welche diesen Anforderungen genügen, galt bisher als unmöglich, weil das hauptsächliche Hindernis, die hohe
Spannungsempfindlichkeit der elektroosmotischen Zelle, nicht beseitigt werden konnte. Es war eine Eigenart der bekannten Zellen, dass sie nur bei den Spannungen verwendet werden konnten, für die sie gebaut sind, während geringe Abweichungen von dieser Spannung zu einer frühzeitigen Zerstörung der Zelle führten. Von einem ortsver- änderlichen Gerät muss aber in erster Linie verlangt werden, dass es unter verschiedenen Spannungen arbeiten kann. Eine Anpassung der Betriebsspannung an die Spannung, für welche die Zelle gebaut ist (z. B. durch Transformierung oder Verwendung von Vorschaltwiderständen einfacher Bauart), führt nämlich auch zu Änderungen der Spannungsverhältnisse innerhalb der Zelle, welchen diese nicht gewachsen ist.
Es wäre daher das Ziel auf diesem Wege höchstens durch Verwendung teurer und empfindlicher Spannungsregler erreichbar, die indessen dem rauhen Betrieb, den ein tragbares Entsalzungsgerät vertragen muss, kaum standhalten können.
Die Erfindung gibt ein Verfahren zum Ausscheiden von gelösten Stoffen aus künstlichen oder natürlichen Lösungen, insbesondere Wasser, auf elektroosmotischem Wege an, durch dessen Ein- haltung es möglich wird, zu elektroosmotischen
Zellen mit weitgehender Unempfindlichkeit gegen die Auswirkungen wechselnder Betriebsbe- dingungen, namentlich wechselnder Betriebs- spannungen und Zusammensetzung der Lösungen, zu gelangen. Ferner gibt die Erfindung auch vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens an.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht im wesentlichen darin, dass man das Produkt aus dem in Masseinheiten, nämlich Milligramm je Liter, ausgedrückten Verdampfungsrückstand der zu reinigenden Flüssigkeit, dem elektrischen Zellen- widerstand in Ohm und dem Zelleninhalt in Liter nicht kleiner als 40.000 hält. Hiebei ist es zweckmässig, die Leitfähigkeit des Anolyten in den Zellen nicht grösser als 1. 10-8 Ohm-1 cm-1 zu halten.
Die Erfindung läuft im wesentlichen darauf hinaus, den inneren Widerstand der Zelle wesentlich höher zu bemessen als bisher. Die als zweckmässig erkannte Beschränkung der Leitfähigkeit des Anolyten stellt hiebei in der Praxis eine merklich ins Gewicht fallende Beschränkung der Verwendbarkeit nicht vor, weil höhere Konzentrationen an gelösten Stoffen, welche die Einhaltung dieser Bedingung erschweren könnten, für die vorliegendenfalls ins Auge gefassten Zwecke selten sind. Die praktische Durchführung der eben erwähnten Leitfähigkeitsbeschränkung des Anolyten wird durch an sich bekannte Spülung der Zelle während des Betriebes erzielt.
Der innere Widerstand einer elektroosmotischen Zelle lässt sich nun in einfachen Zahlen nicht ausdrücken, da er umgekehrt proportional dem Inhalt der Zelle, aber gleichzeitig auch umgekehrt proportional dem Verdampfungsrückstand der zu reinigenden natürlichen oder künstlichen Lösung ist ; aus diesem Grunde erfolgt vorliegendenfalls die Bewertung dieses Widerstandes durch das Produkt aller ihn bestimmenden Faktoren mit Bezug auf eine Kennziffer, z. B. eine Konstante C.
Dann lässt sich die erfindungsgemässe Verfahrensweise auch wie folgt ausdrücken : CV. Rz. L 40. 000
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In dieser Beziehung bedeutet : C = Konstante, deren zahlenmässiger Wert mit 40.000 bestimmt wurde, V = den Verdampfungsrückstand der zu reinigenden Lösung in Milligramm je, Liter,
Rz = Widerstand der Zelle in Ohm und L =
Inhalt der Zelle in Litern.
Aus der Beziehung ist ersichtlich, dass mit schwankender Zusammensetzung der zu ent- salzenden oder zu entkeimenden Lösung sich streng genommen auch die übrigen Grössen des
Produktes ändern mussten.
Es sind nun, unter Bedachtnahme auf diese
Zusammenhänge, Beziehungen gefunden worden, in denen die Grössen der einzelnen Zellenteile untereinander stehen sollen. Als günstig hat es sich erwiesen, folgende Kennzeichen, u. zw. mit
Vorteil, gleichzeitig zu erfüllen :
1. Die Oberfläche der Anode soll maximal nur /i,, der äusseren Oberfläche des Anoden- diaphragmas betragen.
2. Der Abstand zwischen Anoden-und
Kathodendiaphragma (Mittel-oder Reinwasser- raum) soll grösser als 10 mm und kleiner als 20 mm sein und der durchschnittliche Abstand zwischen Kathode und Kathodendiaphragma soll mindestens ebenso gross sein wie der Abstand zwischen Anoden-und Kathodendiaphragma.
Werden diese Bedingungen eingehalten, so ist je Quadratdezimeter äusserer Anodendiaphragmaoberfläche mit einer Reinigungsmenge von unge- fahr l Liter Wasser pro Stunde zu rechnen, wobei sich die an die Zelle angelegte Gleichspannung zwischen 60 Volt und 160 Volt bewegen darf. Dieser Umstand lässt deutlich erkennen, in welch weitem Masse erfindungsgemäss Spannungunabhängigkeit eintritt.
Die Spannungsunempfindlichkeit ermöglicht es im weiteren auch, unmittelbar an die Zelle einen sehr einfachen Gleichrichter anzuschliessen, welcher, wenn er ausreichend überlastbar gebaut ist, jede für die Reinigungsfunktion der Zelle-etwa je nachdem, welche Lösungen sie zu verarbeiten hat-notwendige Stromschwankung getreulich mitmacht, wobei dann die im Gefolge davon auftretenden Spannungsschwankungen an den Zellenelektroden dank der geschilderten Eigenschaften der Zelle keine Rolle spielen.
Weitere Kennzeichen der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert :
Fig. 1 veranschaulicht das Verhalten der Zelle gemäss der Erfindung bei verschiedenen Spannungen in einem Diagramm. Auf der Abszissenachse ist die Zellengleichspannung Z in Volt, auf der Ordinatenachse der Reinheitsgrad R%, gemessen inHundertteilendesVerdampfungs- rückstandes, aufgetragen. Es zeigt sich, dass eine Zelle mit hohem innerem Widerstand eine im Bereiche 60-160 Volt ungefähr waagrecht verlaufende Charakteristik besitzt, d. h. dass die Reinigungsfähigkeit der Zelle in diesem Bereich praktisch spannungsunabhängig ist.
Es ist demgemäss der Netzanschlussteil für derartige Zellen so zu gestalten, dass er der Zelle, unabhängig von der Netzspannung immer eine Betriebsspannung zuführt, die innerhalb dieses Bereiches gelegen ist.
In Anbetracht der Grösse dieses Bereiches ist diese
Forderung mit sehr einfachen Mitteln zu erfüllen.
Ein Beispiel einer sehr zweckmässigen Ausbildung des Netzteiles und wie dieser mit der
Zelle zu verbinden ist, zeigt die Fig. 2.
In dieser Figur ist 1 die Anode, 2 der Anodenraum, 3 das Anodendiaphragma, 4 der Reinwasserraum, 5 das Kathodendiaphragma und 6 das als Kathode wirkende Aussengefäss. Diese räumliche Anordnung ist an sich bekannt. Das Rohwasser oder die sonstige zu behandelnde Lösung wird durch ein Rohr 8 über ein Reduzierventil 9, das die Einstellung einer bestimmten Durch- flussmenge ermöglicht, dem Reinwasserraum 4 zugeführt ; mittels einer Spülwasserabzweigung 10 wird ein immer gleicher Anteil des Rohwassers für die Kathodenraumspülung abgezweigt und diesem Raum zugeleitet.
Das Reinwasser (bzw. die gereinigte Lösung) wird durch ein Überlaufrohr 11 in ein Leitfähigkeitsmessgefäss 12 gebracht und gelangt von dort über einen Absperrzahn 13 in die Abnahmeleitung 14. 15 ist ein Überlaufrohr des Gefässes 12 ; dieses Rohr vereinigt sich mit der Spülwasserabflussleitung 16 zum Abflussrohr 17.
Die Zelle erhält die für ihren Betrieb erforderliche Gleichspannung über einen Gleichrichter 20, der zweckmässig ein Trocken-Vollweggleichrichter (z. B. wie dargestellt, aus vier Gleichrichterpatronen in Grätzschaltung bestehend) ist, aber auch jede andere einfache Bauart aufweisen kann. Es ist demnach auch ohne weiteres möglich, einen Röhrengleichrichter oder einen rotierenden Umformer zu verwenden, aber der dargestellte
Gleichrichter hat den Vorteil der selbsttätig richtigen Polung für sich. Dieser Gleichrichter ist über ein Prüf-und Sicherungslämpchen 21 und einen doppelpoligen Ausschalter 22 an das Netz angeschlossen.
In den einen Zweig der Zuleitung wird ein mehrstufiger Vorschaltwiderstand 23 eingeschaltet, der den Zweck hat, das
Gerät in groben Stufen den üblichen Netzspannungen anzupassen und den Spannungsüberschuss zu vernichten.
Der beschriebene Netzanschlussteil kann ohne weiteres so ausgeführt werden, dass das Gerät unter den meistgebräuchlichen Spannungen (110,130, 150,220 oder 380 Volt) verwendbar ist, wobei es belanglos ist, ob es sich um Gleichoder Wechselstrom handelt, weil im letzteren Falle eine Gleichrichtung unter selbsttätiger Polung eintritt. Natürlich kann der Stufenwiderstand auch durch einen Transformator ersetzt werden, wenn das Gerät nur für Wechselstromanschluss gebaut sein soll, oder wenn neben Gleichstrom üblicher Spannung auch die Möglichkeit des Anschlusses an Wechselstromnetze mit ungebräuchlichen Spannungen geschaffen werden soll. Nach Einstellung des Widerstandes auf die vorhandene Spannung und Herstellung des Flüssigkeitsanschlusses ist das Gerät betriebsfertig.
Ein vielseitig verwendbares, tragbares Gerät zur elektroosmotischen Reinigung von Flüssig-
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keiten wird seinen Zweck in besonders hohem
Masse dann zu erfüllen vermögen, wenn es mit einer Einrichtung ausgestattet ist, die den je- weiligen Reinheitsgrad der gereinigten Flüssig- keit direkt abzulesen erlaubt.
Es ist bereits bekannt, den Leitfähigkeitswert des Reinwassers auf elektrischem Wege zu be- stimmen und aus dem Ausschlag des in den bezüg- lichen Stromkreis geschalteten Messinstrumentes auf den Reinheitsgrad zu schliessen. Hiebei besteht aber der Nachteil, dass ein direkter
Zusammenhang zwischen diesem Ausschlag und dem Reinheitsgrad nicht vorhanden ist, weil sich gewisse das Messergebnis verfälschende Einflüsse störend bemerkbar machen. Es ist z.
B. eine be- kannte Erscheinung, dass sich die Zelle nach längerem Betrieb erwärmt und damit auch die
Reinflüssigkeit ; weil nun die Leitfähigkeit der letzteren von ihrer Temperatur abhängt, bedingt dies einen Messfehler, der sich darin äussert, dass das Instrument nach längerem Betrieb des
Gerätes einen anderen Reinheitsgrad anzeigt als zu Beginn des Betriebes, obgleich die Reinheit von Anfang an nahezu konstant geblieben ist.
Der ein Kennzeichen der Erfindung bildende
Zusammenbau der Zelle mit einem Netzschluss- teil besonderer Beschaffenheit, welcher Zusammen- bau gleichfalls eine Folge der Spannungsunab- hängigkeit der Zelle vorstellt, hat es nun ermöglicht, eine einfache Messanordnung zur Bestimmung des Reinheitsgrades der Reinflüssigkeit zu schaffen, die diesem unangenehmen Übelstand der Verfälschung des Messergebnisses nicht mehr unterworfen ist und daher eine direkte Ablesung des Reinheitsgrades ermöglicht. Hiezu werden im wesentlichen die fälschenden Einflüsse automatisch kompensiert.
Zu diesem Zwecke wird ein zweiter Widerstandssatz 24 vorgesehen, der in den Stromkreis des Messinstrumentes, hauptsächlich gebildet aus den im Leitfähigkeitsmessgerät 12 vorhandenen Elektroden 25, einem Drucktaster 26 und dem Messinstrument 27, eingeschaltet wird. Dieser Widerstandssatz wird gleichzeitig durch eine mechanische Kupplung der Schleiferarme beider Widerstandssätze in Abhängigkeit vom Hauptvorschaltwiderstand eingestellt und bewirkt bei richtiger Bemessung, dass die Spannung an den Leitfähigkeitselektroden konstant gehalten wird. Dadurch sind die angeführten störenden Einflüsse ausgeschaltet und man kann das in den Stromkreis eingeschaltete Messinstrument direkt in Milligramm (Verdampfungsrückstand), Prozenten, spezifischen Leitfähigkeitseinheiten od. dgl. eichen.
Die Teilung der Instrumentenskala hängt natürlich auch jetzt noch von mancherlei Umständen, wie Polarisation an den Leitfähigkeitselektroden, Spannungsabfällen an der Zelle usw., ab, doch sind diese Einflüsse für alle Betriebsverhältnisse zufolge der kompensierenden Wirkung der zusammengeschaltenen Widerstände 23 und 24 gleich und daher ohne fälschenden Einfluss.
Die Ermittlung des Vorwiderstandes des Leitfähigkeitsmessgerätes kann nach folgender, empirisch ermittelter Formel vor sich gehen :
EMI3.1
In dieser bedeutet R2 den gesuchten Vorwiderstand des Messgerätes, R1 den Vorwiderstand der Reinigungszelle. Rz den Eigenwiderstand der Reinigungszelle mit Rohflüssigkeit gefüllt und RL den Eigenwiderstand der Leitfähigkeitsmesszelle, ebenfalls mit Rohflüssigkeit gefüllt.
Grundsätzlich kann das beschriebene Gerät zur Reinigung von Flüssigkeiten verschiedener Art, nicht nur zur Entsalzung von Wasser dienen, also auch zur Entfernung von gelösten Bestandteilen und anderen künstlichen und natürlichen Lösungen verschiedener Art.