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Elektrodialytische Zelle
Die Erfindung betrifft ein elektrodialytisches Zellensystem, worunter hier sowohl eine Einzelzelle als auch eine Zusammenstellung von mehreren solcher zu einer Batterie verstanden werden soll, und das mit Zellen versehen ist, in welchen den Diaphragmen gelochte isolierende Stützglieder zugeordnet sind.
In einem solchen Zellensystem wird mittels einer Kathode und einer Anode ein elektrisches Feld aufge- baut, welches auf einen durch Diaphragmen von den Elektroden abgeteilten Raum wirkt. Die abzufüh- renden Ionen gelangen durch die Diaphragmen hindurch in Spülflüssigkeitsräume, aus denen sie fortge- spült werden.
Im Betriebe elektrodialytischer Zellensysteme ist es eine bekannte Tatsache, dass der Stromdurch- gang über die Höhe bzw. Länge der Zelle ungleichmässig ist, denn die zu behandelnde Flüssigkeit ändert mit fortschreitender Behandlung ihren Leitwert. Wenn es sich um die Reinigung beispielsweise von Wasser handelt, so kann es vorkommen, dass man von einem Rohwasser einer Leitfähigkeit von 10000 Mikro- siemens oder noch beträchtlich mehr ausgeht, während das gereinigte Wasser nur mehr eine Leitfähigkeit von wenigen Mikrosiemens aufweist. Die Folge davon ist, dass die in der Zelle über ihre Höhe oder Länge auftretenden Querströme entsprechend verschieden sind und dies kann dazu führen, dass die Zelle örtlich überlastet wird, was die Membranen schädigen kann. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen ist demgemäss oft sehr niedrig.
Es sind bereits Zellenanlagen und Zellensysteme bekanntgeworden, in denen die Membrane dünne, formunbeständige Körper sind, denen ein Stützorgan zugeordnet wird, um einen unzulässigen Durchhang oder gar Berührungen zwischen Membran und Elektrode zu verhindern. Diese Stützorgane sind Tafeln aus isolierendem Material und sind gelocht, um den Stromdurchgang zu ermöglichen.
Die Erfindung besteht darin, diese Stützorgane dazu heranzuziehen, den Stromdurchgang durch den
Behandlungsraum dem sich ändernden Leitfähigkeitswert der behandelten Flüssigkeit anzupassen, was er- findungsgemäss in sehr einfacher Weise dadurch geschehen kann, dass das gesamte Flächenausmass der
Diaphragmenlochungen über die gesamte Diaphragmenfläche ungleichmässig verteilt ist, um der Verän- derung der elektrischen Leitfähigkeit, welcher die Behandlungsflüssigkeit in dem elektrodialytischen Sy- stem unterworfen ist, Rechnung zu tragen, d. h. um den in Richtung zwischen den Elektroden durch den
Behandlungsraum erfolgenden Stromdurchgang über die Länge der Zelle gesehen gleichmässiger zu ge- stalten.
Auf diese Weise gelingt eine überraschend gute Gleichmässigkeit des Stromdurchganges, beson- ders wenn noch zusätzliche Massnahmen eingehalten werden, auf die im folgenden eingegangen wird.
Der Durchtrittsquerschnitt der Löcher kann diesen Erfordernissen auf verschiedene Weise angepasst werden, sei es, dass man die Löcher, die gleichen Durchmesser haben, über das Diaphragma ungleich verteilt, oder dass man die Verteilung gleich lässt, aber den Durchmesser jedes Loches ändert oder dass man beide Möglichkeiten kombiniert.
Ein weiteres Mittel, um den Wirkungsgrad solcher Zellensysteme zu verbessern, besteht darin, das
Entstehen von Turbulenz innerhalb der Zellen möglichst zu verhindern. Hiezu empfiehlt sich eine be- sonders langgestreckte, flache Form der Zelle, allenfalls in Verbindung mit einer besonderen Ausbildung der Einlassquerschnitte dieser Zellen, nämlich einer Schlitzform, die so wirkt, dass auch der Eintritt der Flüssigkeit in die Zellen wirbelfrei erfolgt und letztere dann ohne Wirbelbildung durchströmt werden.
Man kann dies in einer langgestreckten Zelle im Sinne eines Merkmals der Erfindung noch dadurch be- .
günstigen, dass die Stützglieder eine Querprofilierung erhalten, die so gestaltet ist, dass die Zellen der
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strömenden Flüssigkeit in der Durchströmrichtung einen geringeren Widerstand entgegensetzen als in der
Richtung quer dazu. Man kann dies durch eine Ausbildung von in der Strömungsrichtung verlaufenden
Rippen erreichen, die vom Abstandhalter abstehen.
Zur Erläuterung weiterer Erfindungsmerkmale sei auf die schematischen Zeichnungen verwiesen, in denen zeigen :
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Zelle der erfindungsgemässen Art und Fig. 2 einen Querschnitt dazu nach Linie li-li der Fig. 1 ; Fig. 3 eine Ausführungsform für einen gelochten Abstandhalter mit un- gleicher Lochverteilung über seine Fläche und die Fig. 4 und 5 Querschnitte durch erfindungsgemässe Ab- standhalter ; Fig. 6 das Schema einer vorteilhaften Zellenausführung im Querschnitt und Fig. 7 einen ver- grösserten Teilquerschnitt nach Linie VII-VII der Fig. 6 und schliesslich Fig. 8 einen Grundriss zu Fig. 7.
In den Fig. 1 und 2 bedeuten 1 eine Anode und 2 eine Kathode, 3 und 4 Diaphragmen, die demnach im Verein mit den genannten Elektroden einen Reinigungsraum 5 und zwei Spülräume 6 und
7 begrenzen. Das Rohwasser oder die sonstige Behandlungsflüssigkeil treten bei 8 ein und bei 9 aus, während die Spülwasser ströme bei 10 ein-und bei 11 austreten mögen. Das Wesentliche an dieser
Zelle ist ihre langgestreckte Form bei relativ kleinen Durchflussquerschnitten. Es soll, wie gefunden wur- de, die Länge der Zelle in der Strömungsrichtung mindestens das 5fache der Querabmessung a betra- gen, wobei auch die Höhe h der Zelle, d. h. der Abstand der Elektroden relativ sehr gering sein soll, um das Auftreten von Turbulenz zu verhindern und sicherzustellen, dass der Behandlungsraum ohne Bildung toter Ecken durchströmt wird.
Man hat sich dazu noch vorzustellen, dass die Speisung der Zellen durch schlitzförmige Spalte 12 erfolgt, die sich im wesentlichen über die ganze Dimension a erstrecken und entsprechend niedrig sind, eine Massnahme, die ebenfalls der Ausbildung einer laminaren Durchströ- mung der Zellen förderlich ist.
Wenn es sich, wie dies durch die Fig. 1 und 2 zum Ausdruck kommen soll, um Zellen grosser Länge und geringer Höhe handelt, so besteht die Gefahr, dass die Diaphragmen durchhängen und dadurch zu allerlei Störungen Anlass geben können. In solchen Fällen pflegt man den Diaphragmen gelochte Stütz- glieder oder Abstandhalter zuzuordnen, die mit einer ausreichenden Steifheit ausgeführt sind, zu welchem
Zwecke auch schon vorgeschlagen wurde, sie mit einem welligen Querschnitt zu versehen.
Im Sinne eines Merkmales des Systems dienen diese Abstandhalter nun dazu, den Stromdurchgang durch die Zelle, den man sich in Fig. 1 und 2 in der Vertikalrichtung erfolgend vorzustellen hat, gleich- mässig zu gestalten oder dem über dem Strömungsweg inkonstanten Leitfähigkeitswert anzupassen. Dies erfolgt, wie schon bemerkt, durch eine ungleichmässige Verteilung der Durchtrittsquerschnitte, wie aus
Fig. 3 beispielsweise ersichtlich. Man erkennt, dass in der Zone A eine geringe, in der Zone B eine grössere und in der Zone C eine maximale Lochanzahl vorgesehen ist, doch könnte dasselbe Er- gebnis natürlich auch erreicht werden, wenn man die Lochteilung unverändert über die ganze Länge
A + B + C ausführt und nur den Lochdurchmesser ansteigen lässt.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass im Rahmen der Erfindung auch die Einhaltung einer lami- naren Strömung für wesentlich angesehen wird. Man kann diese dadurch begünstigen, dass man gerippt profilierte Abstandhalter verwendet (wofür die Fig. 4 und 5 zwei Beispiele zeigen) und die Rippen so ver- legt, dass sie mit der Strömungsrichtung parallel verlaufen.
Aus den Fig. 6-8 ist eine besonders vorteilhafte Ausführung eines erfindungsgemässen Zellensystems ersichtlich. Fig. 6 ist ein Querschnitt, der grundsätzlich der Darstellung der Fig. 2 entspricht, mit dem
Unterschied, dass die Zelle wie folgt aufgebaut ist : Auf die erste Elektrode, beispielsweise eine Anode
15, folgt ein erstes Diaphragma 16, auf dieses ein zweites, drittes und viertes Diaphragma 17, 18 bzw. 19 und schliesslich die zweite Elektrode 20, also annahmegemäss die Kathode. Die zu behan- delnde Flüssigkeit trete bei 21, 23 ein, um die Apparatur zu durchströmen. Die Räume 24, 25, 26 sind Spülräume und werden von Spülflüssigkeit durchflossen.
Die Fig. 7 und 8 zeigen, in welcher Weise man dieses Prinzip auf eine besonders zweckmässige Weise praktisch verwirklichen kann : Rahmenartige Gehäuseteile 30, aus einem flüssigkeitsbeständigen Iso- liermaterial, etwa einem Kunststoff, werden übereinander angeordnet, nachdem man in ihre fensterarti- gen Ausnehmungen 31 Abstandhalter 32 eingelegt und zwischen den Rahmen die Diaphragmen 33 dicht geklemmt hat, was unter Zuhilfenahme der entsprechend starr ausgeführten Elektroden 34 ge- schehen kann. Die Zu- und Abflussöffnungen dieses Systems hat man sich vor bzw. hinter der Zeichen- ebene angeordnet zu denken (vgl. 12 zu Fig. 2) und auch die grösste Erstreckung dieser Zelle ist senkrecht zur Zeichenebene zu denken.
Man kommt so zu einer Zelle, die hinsichtlich der Durchströmung jener nach Fig. 6 entspricht und hinsichtlich der Querschnittsform wieder den weiter oben allgemein aufge- stellten Forderungen genügt. Bei den Körpern 30 handelt es sich um relativ dünne Teile, die Fig. 7
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ist in dieser Hinsicht wie alle Figuren unproportional. Es empfiehlt sich, mehrere Zellen nebeneinander auszubilden, d. h. man gestaltet die Teile 30 so aus, wie dies die Fig. 8 in einem Teilgrundriss erkennen lässt.
Man könnte also dieses System in der Weise ausgestalten, dass man die entstandenen Zellen I, Il usw., Fig. 7, entweder parallel oder in Serie schaltet, wobei allen Zellen die Elektroden 34 gemeinsam sein können, obgleich kein Hindernis besteht, die Elektroden zu unterteilen, etwa um sie mit verschiedenen Spannungen betreiben zu können. Die in Fig. 7 untere Elektrode kann einem zweiten Zellenkörper gemeinsam sein, so dass dann die untere Elektrode 34 in der Mitte eines Zellenblockes läge.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrodialytische Zelle, vorzugsweise von langgestreckter Form, in welcher den Diaphragmen gelochte, isolierende Stützglieder zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Flächenausmass der Diaphragmenlochungen über die gesamte Diaphragmenfläche ungleichmässig verteilt ist, um der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit, welcher die Behandlungsflüssigkeit in dem elektrodialytischen System unterworfen ist, Rechnung zu tragen, d. h. um den in Richtung zwischen den Elektroden durch den Behandlungsraum erfolgenden Stromdurchgang über die Länge der Zelle gesehen gleichmässiger zu gestalten.
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Electrodialytic cell
The invention relates to an electrodialytic cell system, which is to be understood here as both a single cell and a combination of several such cells to form a battery, and which is provided with cells in which perforated insulating support members are assigned to the diaphragms.
In such a cell system, a cathode and an anode are used to build up an electric field which acts on a space separated from the electrodes by diaphragms. The ions to be carried away pass through the diaphragms into the rinsing fluid spaces, from which they are rinsed away.
In the operation of electrodialytic cell systems it is a well-known fact that the passage of current over the height or length of the cell is uneven, because the liquid to be treated changes its conductance as the treatment progresses. When it comes to purifying water, for example, it can happen that raw water with a conductivity of 10,000 microsiemens or even considerably more is assumed, while the purified water only has a conductivity of a few microsiemens. The consequence of this is that the cross-currents occurring in the cell over its height or length are correspondingly different and this can lead to the cell becoming locally overloaded, which can damage the membranes. The efficiency of such systems is accordingly often very low.
Cell systems and cell systems have already become known in which the membranes are thin, dimensionally unstable bodies to which a support element is assigned in order to prevent impermissible sagging or even contact between the membrane and the electrode. These supporting organs are panels made of insulating material and are perforated to allow the passage of electricity.
The invention consists in using these supporting organs, the passage of current through the
To adapt the treatment room to the changing conductivity value of the treated liquid, which according to the invention can be done in a very simple manner in that the entire area of the
Diaphragm perforations are distributed unevenly over the entire diaphragm surface in order to take account of the change in electrical conductivity to which the treatment liquid in the electrodialytic system is subjected, d. H. around the in the direction between the electrodes through the
To make the current passage taking place over the length of the cell more evenly seen in the treatment room.
In this way, a surprisingly good uniformity of the passage of current is achieved, especially if additional measures are taken, which will be discussed below.
The passage cross-section of the holes can be adapted to these requirements in various ways, either by distributing the holes with the same diameter unevenly across the diaphragm, or by leaving the distribution the same but changing the diameter of each hole, or both Combined possibilities.
Another means to improve the efficiency of such cell systems is to use the
To prevent turbulence within the cells as much as possible. For this purpose, a particularly elongated, flat shape of the cell is recommended, if necessary in conjunction with a special design of the inlet cross-sections of these cells, namely a slot shape that acts so that the entry of the liquid into the cells takes place without eddies and the latter then without eddy formation are flowed through.
This can still be done in an elongated cell in the sense of a feature of the invention.
favorable that the support members receive a transverse profile that is designed so that the cells of the
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offer less resistance to flowing liquid in the flow direction than in the
Direction across it. You can do this by training in the flow direction
Reach ribs that protrude from the spacer.
To explain further features of the invention, reference is made to the schematic drawings, in which:
1 shows a longitudinal section through a cell of the type according to the invention and FIG. 2 shows a cross section for this along line li-li in FIG. 1; 3 shows an embodiment for a perforated spacer with uneven distribution of holes over its surface and FIGS. 4 and 5 show cross sections through spacers according to the invention; 6 shows the schematic of an advantageous cell design in cross section and FIG. 7 shows an enlarged partial cross section along line VII-VII in FIG. 6 and finally FIG. 8 shows a plan view of FIG.
In FIGS. 1 and 2, 1 is an anode and 2 is a cathode, 3 and 4 are diaphragms which, in conjunction with the electrodes mentioned, therefore have a cleaning chamber 5 and two rinsing chambers 6 and
7 limit. The raw water or the other wedge of treatment liquid enter at 8 and exit at 9, while the rinsing water flows in at 10 and may exit at 11. The essence of this
Cell is its elongated shape with relatively small flow cross-sections. As has been found, the length of the cell in the direction of flow should be at least 5 times the transverse dimension a, with the height h of the cell, ie. H. the distance between the electrodes should be relatively very small in order to prevent the occurrence of turbulence and to ensure that the treatment room is flown through without the formation of dead corners.
It is also necessary to imagine that the cells are fed through slit-shaped gaps 12 which extend essentially over the entire dimension a and are correspondingly low, a measure which is also conducive to the formation of a laminar flow through the cells.
If, as is to be expressed by FIGS. 1 and 2, cells of great length and small height are involved, there is a risk that the diaphragms will sag and thereby give rise to all sorts of disturbances. In such cases, the diaphragms are usually assigned perforated support members or spacers that are designed with sufficient rigidity for which
Purposes has already been proposed to provide them with a wavy cross section.
In the sense of a feature of the system, these spacers now serve to make the passage of current through the cell, which is to be imagined in the vertical direction in FIGS. 1 and 2, uniform or to adapt it to the conductivity value, which is inconstant over the flow path. As already noted, this takes place through an uneven distribution of the passage cross-sections, as shown in FIG
3 can be seen, for example. It can be seen that a small number of holes is provided in zone A, a larger number in zone B and a maximum number of holes in zone C, but the same result could of course also be achieved if the hole division was kept unchanged over the entire length
A + B + C and only increasing the hole diameter.
It has already been pointed out that, within the scope of the invention, maintaining a laminar flow is also considered essential. This can be promoted by using ribbed profiled spacers (for which FIGS. 4 and 5 show two examples) and laying the ribs in such a way that they run parallel to the direction of flow.
A particularly advantageous embodiment of a cell system according to the invention can be seen from FIGS. 6-8. FIG. 6 is a cross section which basically corresponds to the illustration of FIG. 2, with the
The difference is that the cell is constructed as follows: On the first electrode, for example an anode
15, a first diaphragm 16 follows, this is followed by a second, third and fourth diaphragm 17, 18 or 19 and finally the second electrode 20, that is to say the cathode, as assumed. The liquid to be treated enters at 21, 23 to flow through the apparatus. The rooms 24, 25, 26 are rinsing rooms and have rinsing liquid flowing through them.
7 and 8 show how this principle can be practically implemented in a particularly expedient manner: Frame-like housing parts 30, made of a liquid-resistant insulating material, such as plastic, are arranged one above the other after they have been inserted into their window-like recesses 31 has inserted spacers 32 and tightly clamped the diaphragms 33 between the frame, which can be done with the aid of the correspondingly rigid electrodes 34. The inflow and outflow openings of this system have to be thought of as being arranged in front of or behind the plane of the drawing (cf. 12 to FIG. 2) and the greatest extent of this cell is also to be thought of as perpendicular to the plane of the drawing.
A cell is thus obtained which, with regard to the flow, corresponds to that according to FIG. 6 and, with regard to the cross-sectional shape, again meets the requirements generally set out above. The bodies 30 are relatively thin parts, FIG. 7
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in this respect, like all figures, is disproportionate. It is advisable to develop several cells next to each other, i. H. the parts 30 are designed as shown in FIG. 8 in a partial floor plan.
This system could therefore be designed in such a way that the cells I, II, etc., FIG. 7, that are produced are connected either in parallel or in series, with the electrodes 34 being common to all cells, although there is no obstacle to closing the electrodes subdivide, for example in order to be able to operate them with different voltages. The lower electrode in FIG. 7 can be common to a second cell body, so that the lower electrode 34 would then be in the center of a cell block.
PATENT CLAIMS:
1. Electrodialytic cell, preferably of elongated shape, in which the diaphragms are assigned perforated, insulating support members, characterized in that the total area of the diaphragm perforations is unevenly distributed over the entire diaphragm surface in order to avoid the change in electrical conductivity, which the treatment liquid in the electrodialytic system is subject to take into account, d. H. in order to make the passage of current through the treatment room in the direction between the electrodes more uniform over the length of the cell.