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Betriebsverfahren für aus Anode, Kathode und zwischengeschalteten Diaphragmen bestehende Geräte zur Reinigung von Flüssigkeiten durch Elektroosmose
Es ist bekannt, dass die in einer Lösung, z. B.
Quellwasser, befindlichen Ionen, die der Ein- wirkung eines elektrischen Feldes ausgesetzt werden, das Bestreben haben, je nach ihrer
Polarität entweder zur Anode oder zur Kathode zu wandern. Hiebei nehmen z. B. Metallsalzionen eine positive Ladung an und wandern zur Kathode, während Nichtmetallsalzionen eine negative La- dung annehmen und mithin zur Anode gelangen.
Von dieser Erscheinung wird bereits zum
Zwecke der Entfernung bestimmter Ionen aus einer Flüssigkeit, z. B. der Entsalzung (Reinigung) von Wasser auf elektrischem Wege Gebrauch gemacht und man bedient sich hiezu elektro- osmotischer Zellen, welche in der Regel aus Anode und Kathode sowie je einem Diaphragma be- stehen, welches einen Anoden-und einen
Kathodenraum abteilt. Die zu entsalzende Flüssig- keit wird in den von diesen beiden Diaphragmen begrenzten Raum eingeleitet und dort, durch diese
Diaphragmen hindurch, der Wirkung des elektrischen Stromes ausgesetzt. Im Anoden-bzw.
Kathodenraum reichert sich die Flüssigkeit mit den ausgeschiedenen Ionen resp. deren chemischen Verbindungen an, die durch Spülung entfernt werden. Das Spülmittel wird hiebei von der zu reini- genden bzw. entsalzenden Flüssigkeit abgezweigt.
Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für aus Anode, Kathode und zwischengeschalteten Diaphragmen bestehende Geräte zur Reinigung von Flüssigkeiten durch Elektroosmose unter Entfernung der sich anreichernden Ionen durch Spülung mittels Rohflüssigkeit und bezweckt eine Leistungssteigerung dieser Zellen durch Verbesserung ihres Wirkungsgrades.
Es ist gefunden worden, dass die richtige Bemessung der Menge an spülender Flüssigkeit für die Wirtschaftlichkeit der Zelle von beträchtlichem Einfluss ist. Wird zu wenig gespült, so reichert sich die Umgebung von Kathode bzw. Anode übermässig mit den auszuscheidenden Ionen und deren Entladungsprodukten an ; dadurch entsteht die Möglichkeit, dass durch rein chemische Diffusion Ionen oder chemische Verbindungen in den Reinigungsraum zurückgelangen, was den Wirkungsgrad der Apparatur bedeutend verschlechtern würde. Wird hingegen zu viel gespült, so bedeutet dies neben einem unnützen Flüssigkeitsverlust auch einen zu hohen Anstieg des
Zellenwiderstandes und damit einen zu geringen
Stromdurchgang ; die Leistung der Zelle wird dadurch erheblich sinken.
Soweit es sich darum handelt, das Gerät lediglich zur Entsalzung von
Wasser zu verwenden, das in solchen Mengen vorhanden ist, dass auch grössere Verluste durch eine übermässige Spülung wirtschaftlich be- deutungslos sind, würde ein hoher Spülflüssigkeitsbedarf zwar nicht allzusehr ins Gewicht fallen, allein die Entsalzung von Wasser ist nicht die Regel. Schliesslich besteht auch ein Bedürfnis nach Geräten, die nicht nur zur Behandlung von Flüssigkeiten bzw.
Lösungen stets gleicher Zusammensetzung Verwendung finden können, sondern mit denen es auch möglich ist, verschiedene Flüssigkeiten zu behandeln, die auch, wenn der Betrieb wirtschaftlich sein soll, verschiedene optimale Spülmengen erfordern.
Man hat bisher, bei den praktisch ausgeführten Konstruktionen, in Unkenntnis der Bedeutung, welche die richtige Spülmenge für die Wirtschaftlichkeit des Betriebes geniesst, sich damit begnügt, zwecks Spülung des Anoden-und Kathodenraumes Durchtrittsöffnungen vorzusehen, welche mehr oder minder gefühlsmässig auf die gesamte Grösse der Zellen abgestimmt waren und im übrigen dem Einfluss der Spülmenge auf die Gesamtwirtschaftlichkeit in der Anlage keine wesentliche Bedeutung geschenkt.
Es ist nun gefunden worden, dass die Grösse der Spülmenge auf die Gesamtwirtschaftlichkeit des Zellenbetriebes von erheblichem Einfluss ist und dass die günstige Grösse dieser Menge, je nach der Sekundenleistung der Zelle und dem Inhalt des zu spülenden Raumes auch mit dem spezifischen Widerstand der zu reinigenden Flüssigkeit sowie in Abhängigkeit von weiteren Faktoren schwankt, dies jedoch in einer Weise, deren Gesetzmässigkeit zunächst nicht übersehbar war.
Es ist gefunden worden, dass sich für diese Zusammenhänge, bezogen auf den Wirkungsgrad der Zelle, ein deutliches Optimum ergibt, das sich, in eine mathematische Beziehung gebracht, durch folgende empirisch gefundene Formel mit vollkommen ausreichender Genauigkeit für die praktisch vorkommenden Gerätsabmessungen ausdrücken lässt :
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In dieser Formel bedeutet L die stündlich in
Litern zu verbrauchende Menge an Spülflüssigkeit ;
A die stündlich zur Behandlung kommende Rohflüssigkeit in Litern ; I=Inhalt des zu spülenden Elektrodenraumes in Litern und R den spezifischen Widerstand der zu behandelnden Flüssigkeit bei 18 C, in Ohm. K ist eine Konstante, deren Grösse von der Literleistung des Gerätes abhängt und etwa zwischen 0-3... 2-0 für den Kathodenraum und zwischen 0-03 und 0-4 für den Anodenraum schwankt, beides bei einer Stundenleistung von 10 bis 150 I. Diese Formel kann zusammen mit dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm zur einfachen Berechnung für die Praxis in der Zellenherstellung und den Zellenbetrieb dienen.
Die Auffindung dieser formelmässig ausgedrückten Zusammenhänge lag keineswegs nahe.
Zunächst scheint es, als ob diese Gleichung keine besonders eigenartigen, nicht naheliegenden Merkmale enthalten würde, denn
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nicht einfach verkehrt proportional mit dem spezifischen elektrischen Widerstand R der zu behandelnden Flüssigkeit ist, sondern in einem wirkungsfunktionellen Zusammenhang mit der Volumsgeschwindigkeit A der zu behandelnden Flüssigkeit und deren spezifischem elektrischen Widerstand R steht. Dieser relative Spülmengenanteil ist nämlich einer Potenzfunktion von A und einer Potenzfunktion von R proportional. Daher gilt für die optimalen technischen Betriebsbedingungen folgender Zusammenhang :
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worin man a als"Spülmengenexponent"und b als"Spülmengenfaktor"bezeichnen kann.
Diese beiden Grössen werden für den praktischen Gebrauch in potenzfunktioneller Abhängigkeit von A zu der relativen Konstante K zusammengezogen, mit der sie daher in folgendem Zusammenhang stehen :
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Beim Gebrauche von K ist die dazugehörige potenzfunktionelle Abhängigkeit von A aus dem
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praktische Zwecke genügenden Genauigkeit abzulesen.
Die Prinzipformel für die richtig dimensionierte absolute Spülmenge in Stundenlitern lautet demnach :
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in welcher Fassung die neue Erkenntnis und damit der erfindungsgemässe Fortschritt zum Ausdruck kommt.
Praktisch untersucht wurden mehrere Geräte mit verschieden grossen Elektrodenräumen bis zu einer Volumsgeschwindigkeit A der zu behandelnden Flüssigkeit von max. 3201 je Stunde mit zur Behandlung gelangenden Flüssigkeiten von verschiedenen elektrischen spezifischen Widerständen. Dabei wurde beobachtet, dass sowohl der Spülmengenexponent a, als auch der Spülmengenfaktor b lediglich nur von der Volums-
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ob es sich um den Anodenraum oder den Kathodenraum handelt, jedoch nicht von der Grösse dieses Raumes oder dem spezifischen Widerstand der zu behandelnden Flüssigkeit. Mit den beiden letztgenannten Grössen stehen a, b erst über die Volumsgeschwindigkeit A in Zusammenhang.
Dieser Umstand ermöglicht die vorteilhafte Zusammenziehung der Grössen a, b und A in der Konstante K und dadurch die Anfertigung einer graphischen Darstellung, welche die praktische Zellenberechnung auf einfache Art durchzuführen gestattet.
Was nun die absolute Grösse des Spülmengenexponenten a anbetrifft, so wurde dieser bei einer beliebigen gemessenen Volumsgeschwindigkeit A,
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ermittelt. Es sind dies die Richtungskonstanten der in Fig. 1 logarithmisch dargestellten Geraden.
Es hat sich ferner herausgestellt, dass der Spülmengenfaktor b bereits bei der Behandlung kleiner Flüssigkeitsmengen eine bestimmte Grösse aufweisen muss, damit eine einwandfreie Funktion gewährleistet wird. Diese Grösse wurde für den
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gleich mit den Lagekonstanten der in Fig. 1 logarithmisch dargestellten Geraden.
Bei der Behandlung von Rohflüssigkeiten verschiedenen spezifischen Widerstandes hat es sich ergeben, dass dieser in seiner reziproken negativen dritten Potenz im Verhältnis zu der richtig bemessenen Spülmenge L steht, wie dies auch in der den Erfindungsgedanken in mathematischer Form verdeutlichenden Formel zum Ausdruck kommt.
Die absolute Volumsgeschwindigkeit A der zu behandelnden Rohflüssigkeit, gemessen in Litern je Stunde, stellt jene Flüssigkeitsmenge in Litern dar, welche zwecks Reinigung ein Gerät in dem Zeitraum einer Stunde tatsächlich durchläuft.
Um nun Zellen zur Reinigung verschiedener Flüssigkeiten verwenden zu können, wie dies etwa bei transportablen Geräten, die unter den verschiedenartigsten Bedingungen eingesetzt werden müssen, der Fall ist, wird nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung vorgeschlagen, die Spülflüssigkeit in die zu spülenden Räume durch Spülkanäle, die einen regelbaren Durchtrittsquerschnitt aufweisen, eintreten zu lassen, um die Spülflüssigkeitsmenge unter Bedachtnahme auf die vorstehend erörterten Zusammenhänge einzuregeln. Dies kann z. B. durch Anordnung von Schrauben mit Regelkonus erreicht werden, welcher Konus, je nach der Stellung der Schraube, mehr oder weniger weit in einen Flüssigkeitsdurchlass ragt, aus welchem die Spülflüssigkeit in die zu spülenden Räume strömt.
Mithin wird dieser Durchlass mit regelbarem Querschnitt zweckmässig in den Diaphragmen oder an solchen Trennwänden vorgesehen werden, die einerseits mit der zur Behandlung kommenden Rohflüssigkeit und anderseits mit der Spülflüssigkeit in Berührung stehen.
Die schematische Zeichnung der Fig. 2 zeigt im Aufriss (geschnitten) und im Grundriss eine beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemässen Gerätes.
Es bezeichnet 1 die Anode, 2 den Anodenraum, 3 das Anodendiaphragma, 4 das Kathodendiaphragma und 5 die Kathode, letztere gleich- zeitig als Zellenaussengefäss dienend. Die zu behandelnde Flüssigkeit strömt durch ein Rohr 6 zu, steigt im Behandlungsraum 7 hoch, fliesst in die Sammelrinne 8 und wird aus dieser durch ein Rohr 9 abgenommen. Die Spülung erfolgt hier in der Weise, dass einerseits eine Verbindung zwischen dem Anodenraum 2 und dem Behandlungsraum 7 und anderseits eine Verbindung zwischen diesem und dem Kathodenraum 10 geschaffen wird ; aus diesem wird die angereicherte Flüssigkeit durch einen Spülablauf 11 entfernt ; der Spülablauf aus dem Anodenraum erfolgt mittels eines Rohres 12.
Es wird also für Spülzwecke Behandlungsflüssigkeit aus dem Raum, in welchen die Rohflüssigkeit durch die Leitung 6 gelangt, einerseits in den Anoden-, anderseits in
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Querschnitt, wobei im gezeichneten Ausführungsbeispiel die Regelbarkeit des Durchflussquer- schnittes durch Schrauben 15, 16 mit Regelkonus erzielt wird. Diese Regelschrauben reichen nach aussen und können durch Drehen der Köpfe 17, 18 verstellt werden.
Bei Anlagen zur Behandlung von Flüssigkeiten gleichbleibender Zusammensetzung sind regelbare Durchtrittsöffnungen entbehrlich ; in diesem Fall wird durch entsprechende Bemessung der lichten Weite der Durchtrittsöffnung ein stationärer Betriebszustand entsprechend dem erfindungsgemässen Betriebsverfahren herbeigeführt.
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