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Die Erfindung befasst sich allgemein mit der Entsalzung von Lösungen, besonders von Meerwasser. Zur Gewinnung von entsalztem Wasser aus dem Meere sind bereits unterschiedliche Verfahren vorgeschlagen worden. doch bedingen diese Verfahren dermassen hohe Investitions- und Betriebskosten, dass die Verwendung dieser Anlagen zur Gewinnung grosser Mengen, etwa Wasser, wie sie für die Zwecke der Landwirtschaft benötigt werden würden, bisher keine praktische Bedeutung erlangen konnten.
Demgegenüber erlaubt das erfindungsgemässe Verfahren eine erhebliche Senkung der Produktionskosten für die aufzuwendende Entsalzung und lässt sich auch mit einer verlgleichsweise einfach beschaffenen Vorrichtung durchführen, die ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist. In grossen Zügen stellt das vorliegende Verfahren eine Kombination einer elektrischen Entsalzung durch Ionenwanderung mit einer mechanischen lonentrennung in einer Zentrifuge vor.
In diesem Sinne wird von einem Verfahren zur Entsalzung von Flüssigkeiten durch lonenwanderung unter Wirkung eines elektrischen Gleichspannungsfeldes, das zwischen einer Anode und einer Kathode aufgebaut wird, ausgegangen, welches erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass die zu entsalzende Flüssigkeit durch eine Reihe von abwechselnd hintereinander angeordneten engen Spalten von etwa einigen Zehntel mm Dicke und gegenüber diesen erweiterten Kammern hindurchgeführt und dabei ausser durch statischen Zulaufdruck noch zusätzlich hohen Beschleunigungskräften, etwa durch Fliehkräfte, ausgesetzt wird und die sich in den Spalten ausbildende Flüssigkeitsschicht unter der Wirkung des elektrischen Gleichspannungsfeldes gehalten wird, welches quer zur Bewegungsrichtung der Flüssigkeitsschicht aufgebaut wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach Art einer Zentrifuge, mit wenigstens einem mit Drehzahlen über 5000 Umdr/min umlaufenden, scheibenförmigen Rotor, in dem Düsensätze angeordnet sind, welche vorzugsweise Ringspaltdüsen sind, welche erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass die Düsensätze isoliert gelagert sind oder aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen und dass die das Feld aufbauenden Elektroden zu beiden Seiten dieser Düsensätze liegen.
In einer Versuchsanlage dieser Art wurde Meerwasser normaler Beschaffenheit sowie auch eine Kochsalzsole erheblicher Konzentration mit dem Ergebnis behandelt, dass man ein Wasser erhielt, das Trinkwasserqualität aufwies. Die Produktionskosten einer erfindungsgemässen Maschine betragen dabei nur einen kleinen Bruchteil jener einer modernen Grossanlage bekannter Art, und ähnlich günstig verhält es sich mit den Investitionskosten pro installierten Kubikmeter Wasser.
Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Maschine zur Durchführung des Verfahrens, die im wesentlichen eine Zentrifuge, ähnlich jener ist, wie sie bereits in der österr. Patentschrift Nr. 238697 beschrieben wurde. Fig. 2 zeigt in vergrössertem Massstab einen Teilschnitt durch eine Düsenanordnung.
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einem Oberteil--2--, zwischen denen zwei zwischen sich die Düsen bildenden Düsenscheiben--3, 4-- klemmend gehalten sind. Diese Anordnung wird ihrerseits von der Zentrifugenachse--5-getragen, deren Lagerung und Antrieb nicht dargestellt sind, weil es sich dabei um an sich Bekanntes handelt.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Düsenscheiben--3, 4- zwischen sich einen schmalen Ringspalt --6-- freilassen und Ringkammern--7--begrenzen, in die Abfuhrkanäle--8-münden, die oberhalb und unterhalb der Scheiben in Hohlräume--9 und 10--, Fig. 1, münden, wo die mit den bezüglichen Ionen angereicherte Flüssigkeit anfällt. Die angereicherte Flüssigkeit wird von den Hohlräumen-9 und 10--über Durchbrechung --30, 31--nach aussen in Ableitkanäle--27 und 28--abgeleitet, wogegen die entsalzene Flüssigkeit in den
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aufbauender Spannung. Die Scheiben--3 und 4-- sind isoliert angeordnet oder aus isolierendem Material hergestellt.
Diese Scheiben sind mittels Schrauben--12--unter Zwischenlegungvon Abstandringen--14-- an den ihnen zugeordnetem Ober- bzw. Unterteil gesichert. Die gegenseitige Sicherung der Teile --1 und 2--erfolgt im peripheren Bereich durch eine Mehrzahl durchgehender Schrauben-15-, die zur Vermeidung elektrischer Kurzschlüsse je mittels einer Buchse --16-- aus Isoliermaterial gegenüber von dem Teil--2-- elektrisch getrennt ist. Im zentralen Bereich erfolgt der Zusammenhalt durch ähnliche, nicht gezeichnete Schrauben.
Weitere Schrauben --17-- dienen gleichzeitig der Spannungszufuhr und sind zu diesem Zwecke ebenfalls in einer Buchse--18--isoliert angeordnet und über weitere isolierte Verbindungsglieder--19-mit einer ebenfalls isolierten, zentralen, elektrischen Leitung --20-- verbunden, wobei die Teile --21-- als Isolierrohre zu verstehen sind. Das Rohwasser wird in einen becherförmigen Einlauf--23--eingebracht, der mittels einer zentralen Sicherungsschraube--24--an der Antriebswelle --5-- befestigt ist. Eine Isolierbuchse--25--trennt diesen Becher elektrisch von dem Oberteil--2--, nachdem dieser unter anderer Polarität gehalten werden muss, als der Unterteil --1--.
Wie bereits bemerkt, beruht die vorliegende Zentrifuge auf dem Prinzip der Massentrennung, das durch Anwendung der von der Kathode bzw. Anode ausgehenden selektiven Einwirkung auf die verschiedenen Kationen und Anionen unterstützt wird. Hinsichtlich der mechanischen Wirkung der Einrichtung kann auf die Ausführungen der österr. Patentschrift Nr. 238697 hingewiesen werden. Hinsichtlich des elektrischen Verhaltens der Einrichtung gilt folgendes :
In der Zentrifuge entstehen statische Aufladungen, die durch eine gesteuerte Aufladung in die richtigen Bahnen gelenkt werden.
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Durch das angelegte Potential tritt eine Trennung der Natriumchloridlösungen zwischen den Elektroden auf. Das metallische Na reagiert an der Kathode mit dem Wasser unter Bildung von Natronlauge und
Wasserstoff.
Das Chlor wird an der Anode frei.
Die Trennung des Natriumchlorids vom Wasser erfolgt stufenweise von Düsenring zu Düsenring, bis Wasser ohne nennenswerten Natriumchloridgehalt aus der letzten Düse tritt.
Die charakteristischen Eigenschaften von Elektrolyten (Salze, Säuren, Basen) sind durch elektrolytische
Dissoziationen der gelösten Stoffe in Ionen bedingt.
Triebfeder für die Dissoziation der Elektrolyten ist der bei der Hydration der gebildeten Ionen gewonnene Energiebetrag.
Die Ionen bewegen sich im elektrischen Feld mit einer bestimmten Geschwindigkeit ; bezieht man diese auf ein Feld von 1 V/cm, so erhält man die Ionenbeweglichkeit. Sie hängt von Druck, Temperatur, Konzentration und Medium ab.
Aus den Tabellen von Harned-Owen ist ersichtlich, dass die Beweglichkeit der Ionen grössenordnungsmässig gleich ist (mit Ausnahme der sehr beweglichen Protonen (H+) und Hydroxylionen (OH-).
Unter Umrechnung in das für Geschwindigkeit übliche Masssystem ergibt sich eine mittlere Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen von etwa 10-3 cm/sec.
In rotierendem System (Zentrifuge) wird die Ionenbeweglichkeit begünstigt. Diese ist abhängig von der Umfangsgeschwindigkeit und der geometrischen Form der Düsen, die in der Zentrifuge angebracht sind.
Allerdings tritt in der Zentrifuge eine Erscheinung auf, die auch unter der Bezeichnung "Anomalie der starken Elektrolyte" bekannt ist. (Das sind interionische-elektrostatische Wechselwirkungen. ) Diese interionischen Anziehungs- und Abstosskräfte führen dazu, dass Kationen (Anionen) mit grösserer Wahrscheinlichkeit in der engeren Sphäre eines Anions (Kations) anzutreffen sind. Sie erscheinen daher um ein Zentralion in der Form einer Ionenwolke angehäuft, deren mittlerer Radius mit der Dielektrizitätskonstante und der Temperatur des
Lösungsmittels zunimmt und bei hoher Verdünnung umgekehrt proportional der Quadratwurzel der Konzentration ist. Die Wanderung eines Zentralions ist behindert, weil sich die lonenwolke im elektrischen Feld in entgegengesetzter Richtung bewegt und dadurch das Zentralion eine entgegengesetzte Strömung überwinden muss.
Ausserdem wird durch die Wanderung des Zentralions die Symmetrie der Ionenwolke gestört, wodurch sich eine elektrostatische Bremswirkung auf das Zentralion ergibt.
Die Bremswirkung hängt von der Zahl der Ionen ab, so dass die Beweglichkeit konzentrationsabhängig ist.
Um diese interionischen elektrostatischen Wechselwirkungen zu kompensieren, wird an die Zentrifuge eine Ladung gelegt, die das Abwandern der Ionen begünstigt.
Da in der Zentrifuge Massenwirkungskräfte auftreten und durch die Anordnung der Trenndüsen eine gerichtete Trennung eingeleitet wird, ist eine Spannung von zirka 10 bis 15% der herkömmlichen Verfahren (z. B.
Elektrodialyse) notwendig. Die Spannung ist auch vom gewünschten Durchsalz, also von einer langsameren oder schnelleren Trennung abhängig.
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<tb>
<tb> Salzlösung <SEP> Entsalztes <SEP> Wasser <SEP>
<tb> Wasserstoffionenkonzentration <SEP> 8, <SEP> 0 <SEP> 6, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Elektrolytische <SEP> Leitfähigkeit <SEP> 1560 <SEP> 235
<tb> Gesamthärte <SEP> in d. <SEP> H. <SEP> 7, <SEP> 7 <SEP> 0
<tb> Carbonathärte <SEP> in <SEP> 0 <SEP> d. <SEP> H. <SEP> 7, <SEP> 5 <SEP> O. <SEP> (0. <SEP> 6) <SEP>
<tb> Nichtcarbonathärte <SEP> in <SEP> 0 <SEP> d. <SEP> H. <SEP> err.
<SEP> 0, <SEP> 2 <SEP> 0
<tb> Gesamtalkalität <SEP> (m-Wert) <SEP> mval <SEP> 2, <SEP> 68 <SEP> 0, <SEP> 22 <SEP>
<tb> Chlor-Ion <SEP> (C1-) <SEP> mg/l <SEP> 5850, <SEP> 9 <SEP> 78, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Sulfat-Ion <SEP> (SO4--) <SEP> mg/l <SEP> 9, <SEP> 6 <SEP> Spur
<tb> Bicarbonat-Ion <SEP> (HCO') <SEP> mg/l <SEP> 148, <SEP> 8 <SEP> 13, <SEP> 4 <SEP>
<tb>
Zur dargestellten konstruktiven Lösung einer Zentrifuge sei bemerkt, dass das Ausführungsbeispiel natürlich weitgehend geändert werden kann. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Zentrifuge mit beträchlichen Drehzahlen rotiert, die bis 50000 Umdr/min und sogar darüber ansteigen können. Hinsichtlich der Lagerung des Rotors gilt das diesbezügliche in der genanntenn österr. Patentschrift Gesagte.
Die Erfindung ist nicht auf die Entsalzung von Meerwasser beschränkt, sondern immer dort anwendbar, wo Lösungen vorliegen, in denen die auszutragende Substanz in Ionen dissoziiert ist. Hier können Abwässer
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verschiedener industrieller Prozesse, z. B. metallurgischer Art genannt werden. Auch für die Aufbereitung der aus dem Salzbergbau gewonnenen Solen ist die Erfindung von erheblicher Bedeutung. Zahlreiche andere Anwendungsmöglichkeiten bieten sich dem Fachmann ohne weiters an.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Entsalzung von Flüssigkeiten durch Ionenwanderung unter Wirkung eines elektrischen Gleichspannungfeldes, das zwischen einer Anode (2) und einer Kathode (1) aufgebaut wird,
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hintereinander angeordneten engen Spalten (6), von etwa einigen Zehntel mm Dicke, und gegenüber diesen erweiterten Kammern (7) hindurchgeführt und dabei ausser durch statischen Zulaufdruck noch zusätzlich hohen Beschleunigungskräften, etwa durch Fliehkräfte, ausgesetzt wird und die sich in den Spalten ausbildende Flüssigkeitsschicht unter der Wirkung des elektrischen Gleichspannungsfeldes gehalten wird, welches quer zur Bewegungsrichtung der Flüssigkeitsschicht aufgebaut wird.