AT513929A1 - Salt water desalting process and apparatus - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betriffl ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entsalzung von Wassermittels Elektrodialyse unter Verwendung von semipermeablen Membranen zwischen zumindest zwei Randelektroden zum Aufbau eines elektrischen Felds, die dadurch gekennzeichnet sind, dassi) als Membranen elektrisch leitfähige, nicht-ionenselektive, für Wasser und Ionen durchlässige Membranen eingesetzt werden, die zum Potenzialausgleich paar weise elektrisch verbunden sind, um einen potenzialfreien Raum zwischen den bei den Membranen eines Paars zu erzeugen; undii) an den Randelektroden eine zur Vermeidung der Bildung von Elektrolyse gasen unterhalb der Elektrolysespannung gehaltene Spannung angelegt wird; wodurch die Lösung im Raum zwischen den beiden Membranen eines Paars mit Salz angereichert und jene außerhalb der Membranpaare an Salz abgereichert wird.The invention relates to a method and a device for desalting water by means of electrodialysis using semipermeable membranes between at least two edge electrodes for establishing an electric field, which are characterized in that i) as membranes electrically conductive, non-ionic, water and ion permeable membranes which are electrically connected in pairs for equipotential bonding to create a potential-free space between those in the membranes of a pair; andii) at the edge electrodes to prevent the formation of electrolysis gases held below the electrolysis voltage is applied; whereby the solution in the space between the two membranes of a pair is enriched with salt and those outside the membrane pairs depleted of salt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entsalzung von Salzwasser mittels Elektrodialyse.The invention relates to a method and a device for the desalination of salt water by means of electrodialysis.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Seit langer Zeit werden zur Entsalzung von z.B. Meerwasser Separatoren eingesetzt, die zwischen zwei Elektroden einen Stapel aus einander abwechselnden Anionen-und Kationentauschermembranen aufweist. Jedes Paar lonentauschermembranen bildet eine separate "Zelle". Solche Stapel bestehen mitunter aus mehr als zweihundert Membranpaaren. Wird eine elektrische Gleichspannung an die Elektroden angelegt, so wandern die Anionen zur Anode. Die Anionen können dabei die positiv geladenen Anionentauschermembranen einfach passieren, werden aber jeweils an der nächstgelegenen negativ geladenen Kationentauschermembranen gestoppt. Da dasselbe mit umgekehrtem Vorzeichen auch mit den Kationen geschieht, besteht der Nettoeffekt der Elektrodialyse in einer Anreicherung der Salze in den Zellen mit ungerader Nummer (Anionentauschermembran/Kationentauschermembran), während Zellen mit gerader Nummer (Kationentauschermembran/Anionentauschermembran) an Salz verarmen. Die Lösungen mit erhöhter Salzkonzentration werden zu einem salzreichen Konzentrat vereint, während die salzarmen Lösungen das Diluat bilden. In Fig. 1 ist das Prinzip eines solchen herkömmlichen Separators schematisch dargestellt (Quelle: deutschsprachige Wikipedia zum Stichwort "Dialyse (Chemie)".For a long time, desalination of e.g. Seawater separators used, which has a stack of alternating anion and cation exchange membranes between two electrodes. Each pair of ion exchange membranes forms a separate " cell ". Such stacks sometimes consist of more than two hundred membrane pairs. If a direct electrical voltage is applied to the electrodes, then the anions migrate to the anode. The anions can easily pass through the positively charged anion exchange membranes, but are stopped at the nearest negatively charged cation exchange membrane. Since the same thing happens with the cations with the opposite sign, the net effect of electrodialysis is to accumulate salts in the odd-numbered cells (anion exchange membrane / cation exchange membrane), while even-numbered cells (cation exchange membrane / anion exchange membrane) deplete salt. The solutions with increased salt concentration are combined to form a high-salt concentrate, while the low-salt solutions form the diluate. In Fig. 1, the principle of such a conventional separator is shown schematically (Source: German Wikipedia for keyword "dialysis (chemistry)".
Die Nachteile solcher Sparatoren sind hohe Herstellungskosten, ein hohes Potenzial an den Membranen aufgrund ihres elektrischen Widerstands, eine geringe Lebensdauer durch Membranfouling, die Verwendung eines gegen Austrocknung empfindlichen Materials, eingeschränkte Reinigungsmöglichkeiten, hoher Energieverbrauch, insbesondere bei Verwendung zur Meerwasserentsalzung oder ähnlichen Anwendungen, sowie Verluste von Konzentrat bzw. Diluat bei der Umpolung.The disadvantages of such sparers are high manufacturing costs, a high potential of the membranes due to their electrical resistance, a low life by membrane fouling, the use of a desiccation sensitive material, limited cleaning options, high energy consumption, especially when used for seawater desalination or similar applications, and losses Concentrate or Diluat at the Umpolung.
Ziel der Erfindung war daher die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mit denen sich die obigen Nachteile zumindest teilweise ausmerzen lassen. 2/35 -1 - ·· • · · · ·· · • · ♦ ♦The aim of the invention was therefore to provide a method and a device with which the above disadvantages can be at least partially eliminated. 2/35 -1 - · · · · · · · · · · · · ♦ ♦
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION
Dieses Ziel erreicht die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt durch Bereitstellung eines Verfahrens zur Entsalzung von Wasser mittels Elektrodialyse unter Verwendung von semipermeablen Membranen zwischen zumindest zwei Randelektroden zum Aufbau eines elektrischen Felds, das dadurch gekennzeichnet, ist dass i) als Membranen elektrisch leitfähige, nicht-ionenselektive, für Wasser und Ionen durchlässige Membranen eingesetzt werden, die zum Potenzialausgleich paarweise elektrisch verbunden sind, um einen potenzialfreien Raum zwischen den beiden Membranen eines Paars zu erzeugen; und ii) an den Randelektroden eine Spannung angelegt wird, die zur Vermeidung der Bildung von Elektrolysegasen unterhalb der Elektrolysespannung gehalten wird; wodurch die Lösung im Raum zwischen den beiden Membranen eines Paars mit Salz angereichert und jene außerhalb der Membranpaare an Salz abgereichert wird.This object is achieved in a first aspect of the present invention by providing a process for desalting water by means of electrodialysis using semipermeable membranes between at least two edge electrodes for establishing an electric field, characterized in that i) as membranes are electrically conductive, non-conductive ion selective, water and ion permeable membranes are used, which are electrically connected in pairs for potential equalization in order to create a potential-free space between the two membranes of a pair; and ii) applying to the edge electrodes a voltage which is kept below the electrolysis voltage to prevent the formation of electrolysis gases; whereby the solution in the space between the two membranes of a pair is enriched with salt and those outside the membrane pairs depleted of salt.
Durch ein solches Verfahren unter Verwendung von - im Gegensatz zum Stand der Technik - elektrisch leitfähigen und nicht-ionenselektiven, also für Wasser und Ionen durchlässigen Membranen kann die Effizienz einer Elektrodialyse erheblich gesteigert werden. Die paarweise miteinander verbundenen Membranen definieren dazwischen einen potenzialfreien Raum, ähnlich einem Faradaykäfig, in dem, trotz bipolarer Anordnung zwischen den Randelektroden, kein elektrisch induzierter lonentrans-port erfolgt.By such a method using - in contrast to the prior art - electrically conductive and non-ion-selective, that is permeable to water and ions membranes, the efficiency of electrodialysis can be significantly increased. The pairs of interconnected membranes define a potential-free space in between, similar to a Faraday cage, in which, despite bipolar arrangement between the edge electrodes, no electrically induced ion transport takes place.
Die Salzionen wandern auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im elektrischen Feld zwischen den Randelektroden auf die Elektroden zu. Sobald sie jedoch in den potenzialfreien Raum zwischen den elektrisch leitend verbundenen Membranen eintreten, stoppt die Wanderung, da kein elektrisches Feld auf sie wirkt. Entgegengesetzt geladene Ionen treten dabei von gegenüberliegenden Seiten in den potenzialfreien Raum ein, der somit an Salz angereichert wird, während der Raum zwischen den elektrisch verbundenen Membranpaaren, die hierin auch als "Doppelmembranen" oder, in später näher erläuterten speziellen Ausführungsformen, auch als "Doppelmembranelemente" bezeichnet werden, stetig an Salz verarmt. Die salzreichen Lösungen werden vorzugsweise zu Konzentraten und die salzarmen zu Diluaten ver- 3/35 -2- einigt. Auf diese Weise können - in Abhängigkeit von der Anzahl und den Dimensionen der Membranen - mitunter hochreine Konzentrate und im Wesentlichen salzfreie Diluate erhalten werden.The salt ions also migrate to the electrodes in the electric field between the edge electrodes according to the method of the invention. However, as soon as they enter the potential-free space between the electrically conductive membranes, the migration stops because no electric field acts on them. Counter-charged ions enter the potential-free space from opposite sides, which is thus enriched in salt, while the space between the electrically connected membrane pairs, also referred to herein as " double membranes " or, in specific embodiments discussed later, also referred to as " double membrane elements " be referred to, steadily depleted of salt. The high-salt solutions are preferably combined to concentrates and the low-salt to diluents. In this way, depending on the number and dimensions of the membranes, it is sometimes possible to obtain high-purity concentrates and substantially salt-free diluents.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden allerdings auch die Membranen deutlich weniger verunreinigt als nach dem Stand der Technik. Als Grund dafür wird - ohne sich auf eine bestimmte Theorie einschränken zu wollen - angenommen, dass es gemäß vorliegender Erfindung zu nahezu keinen pH-Wertverschiebungen an den Trennmembranen kommt. Bei Verwendung von ionenselektiven Membranen nach herkömmlichen Trennverfahren kann jeweils nur eine lonenart die Membran passieren. Deren Gegenion wird beim Passieren der Membran durch an und innerhalb der Membran fixierte Gegenionen ersetzt; erst nach dem vollständigen Durchtritt des Ions rekombiniert es wieder mit dem ursprünglichen Gegenion, also Na+ bzw. CI', bzw. wird von diesem neutralisiert. Dieses ursprüngliche Gegenion bleibt bei Eintritt seines entgegengesetzt geladenen Partners in die Membran zunächst außerhalb derselben in der dort befindlichen Doppelschicht zurück und wandert im elektrischen Feld in die entgegengesetzte Richtung. Bevor es selbst jedoch die nächstliegende ionenselektive Membran passieren kann, muss zum Ladungsausgleich (zumindest intermediär) ein Wassermolekül zu OH' und H+ ionisiert werden, wovon nur eine lonenart durch das Salzion neutralisiert wird und die zweite den pH-Wert der wässrigen Lösung an den Membranoberflächen ändert. Ähnliches passiert in den Membranzwischenräumen, in denen das Salz angereichert wird: Die Ionen werden dort von den Membranen mit entgegengesetzter Selektivität in ihrer Wanderung im elektrischen Feld aufgehalten, sammeln sich aber in der Nähe der sie blockierenden Membranen an, wodurch es örtlich, d.h. nahe der Membranoberflächen, zu einem Mangel an zugehörigen Gegenionen kommt und erneut Wasser ionisiert werden muss, um die Ladungen auszugleichen.In the method according to the invention, however, the membranes are significantly less contaminated than in the prior art. The reason for this is - without wishing to be limited to a particular theory - assumed that it comes to the present invention to virtually no pH shifts on the separation membranes. When using ion-selective membranes by conventional separation methods, only one ion species can pass through the membrane at a time. Their counterion is replaced when passing through the membrane by fixed to and within the membrane counterions; Only after the complete passage of the ion does it recombine again with the original counterion, ie Na + or Cl ', respectively, and it is neutralized by it. This initial counterion, when its oppositely charged partner enters the membrane, initially remains outside the latter in the bilayer located there and migrates in the opposite direction in the electric field. However, before it can pass through the closest ion-selective membrane itself, a water molecule must be ionized to OH 'and H + for charge equalization (at least intermediate) of which only one type of ion is neutralized by the salt ion and the second the pH of the aqueous solution at the membrane surfaces changes. The same happens in the membrane interstices where the salt is enriched: the ions are held there by the membranes with opposite selectivity in their migration in the electric field, but accumulate in the vicinity of the membranes blocking them, causing it locally, i. near the membrane surfaces, there is a lack of associated counterions and again water must be ionized to balance the charges.
Diese lokalen pH-Wertverschiebungen führen zu Ablagerungen an den Membranen, was auch als "Membranfouling" bezeichnet wird und deren Haltbarkeit verringert und die Effizienz des Trennprozesses mindert. Eine Senkung der Trenngeschwindigkeit 4/35 -3- führt zwar zu schwächeren pH-Gradienten und weniger Ablagerungen, der Bedarf an Membranfläche und damit die Kosten steigen jedoch an.These local pH shifts lead to deposits on the membranes, also known as " membrane fouling " and reduces their durability and reduces the efficiency of the separation process. Although a reduction in the separation rate 4/35 -3- leads to weaker pH gradients and fewer deposits, the need for membrane surface and thus the cost increases.
Generell setzen Membranen der gerichteten Bewegung der Ionen im elektrischen Feld einen Widerstand entgegen. Man spricht von Membranpotenzialen, die während der Trennvorgänge zu überwinden sind. Die Ursachen für die relativ hohen Membranpotenziale der ionenselektiven, nicht elektrisch leitfähigen Membranen liegen einerseits in ihrer Feinporigkeit (ionenselektive Membranen werden auch als "porenlose Membranen" bzw. Membranen mit "unechten Mikroporen" oder als Feststoff-elektrolyte bezeichnet): Die Kanäle müssen klein genug sein, dass nur die Ionen selbst, jedoch keine lonenpaare hindurchtreten können, und andererseits im Aufbau von Konzentrations- und pH-Gradienten infolge der oben beschriebenen Anreicherung der Gegenionen, die aufgrund der Selektivität der Membranen nicht durch die Membran transportiert werden können.In general, membranes resist the directional movement of ions in the electric field. One speaks of membrane potentials to be overcome during the separation processes. The reasons for the relatively high membrane potentials of the ion-selective, non-electrically conductive membranes lie on the one hand in their fine pores (ion-selective membranes are also referred to as "non-porous membranes" or membranes with "spurious micropores" or as solid electrolytes) be small enough that only the ions themselves, but no ion pairs can pass through, and on the other hand in the construction of concentration and pH gradients due to the above-described enrichment of the counterions, which can not be transported through the membrane due to the selectivity of the membranes.
Bei Anordung der nicht ionenselektiven, aber elektrisch leitfähigen Doppelmembranen im Verfahren der vorliegenden Erfindung zwischen zwei mit Strom versorgten Elektroden in einer Salzlösung reichem sich an den der Anode zugewandten Außenflächen der Doppelmembranen Anionen und an den der Kathode zugewandten Außenflächen der Doppelmembranen Kationen an. Die zum Ladungsausgleich nach dem Stand der Technik erforderlichen, an den Membranoberflächen und in den Poren der Membranen fixierten Gegenionen werden im Verfahren der Erfindung durch Ladungen der an der Außenfläche leitfähigen Doppelmembranen ersetzt. Die Ladungstrennung, d.h. die Trennung der Anionen von den Kationen, erfolgt hier bereits in der Lösung, also vor dem Eintritt der Ionen in die Doppelschicht an der Membran, und nicht erst in den Poren. Es kommt daher zu keiner Anreicherung der ursprünglichen Gegenionen an der Oberfläche der Membranen, pH-Gradienten aufgrund der Wanderung der Ionen im elektrischen Feld entstehen außerhalb der Doppelschicht um die Membranen werden dadurch weniger verunreinigt.When arranging the non-ion selective but electrically conductive double membranes in the process of the present invention between two electrodes supplied with power in a saline solution to the anode facing outer surfaces of the double membranes rich anions and at the cathode facing outer surfaces of the double membranes cations. The counter ions required for charge equalization according to the state of the art, fixed to the membrane surfaces and in the pores of the membranes, are replaced in the process of the invention by charges of the double membranes conducting on the outer surface. The charge separation, i. the separation of the anions from the cations takes place here already in the solution, ie before the entry of the ions into the double layer on the membrane, and not only in the pores. There is therefore no accumulation of the original counterions on the surface of the membranes, pH gradients due to the migration of the ions in the electric field arise outside of the double layer around the membranes are thereby less contaminated.
Rekombinierende Ionen oder ungetrennte lonenpaare, die sich in der Nähe der Elektroden außerhalb der Doppelschicht anreichern, können im erfindungsgemäßen Ver- 5/35 -4- fahren, unterstützt von der Strömung, ungehindert die Membran passieren. Dadurch kommt es zu einer im Vergleich zur klassischen Elektrodialyse höheren Ausbeute und weniger Membranfouling.Recombinant ions or unseparated ion pairs, which accumulate in the vicinity of the electrodes outside the bilayer, can pass unhindered through the membrane in accordance with the invention, supported by the flow. This results in a higher yield compared to classical electrodialysis and less membrane fouling.
Weiters können gemäß vorliegender Erfindung anstelle von sich abwechselnden kat-ionen- und anionenselektiven Membranen durchwegs identische Membranen eingesetzt werden, was die Herstellungskosten eines entsprechend ausgestatteten Separators deutlich verringert.Furthermore, according to the present invention, identical membranes can be used instead of alternating cation-ion and anion-selective membranes, which significantly reduces the manufacturing costs of a suitably equipped separator.
Zur Erhöhung der Trenneffizienz wird der Druck im Raum zwischen den Doppelmembranen geringer gehalten wird als jener außerhalb der Membranpaare, was die Wanderung der Ionen durch die Membranen beschleunigt. Das zu entsalzende Wasser wird dabei vorzugsweise mit einem leichten Überdruck in den Raum außerhalb der Membranpaare zugeführt.To increase the separation efficiency, the pressure in the space between the double membranes is kept lower than that outside the membrane pairs, which accelerates the migration of the ions through the membranes. The water to be desalinated is preferably supplied with a slight overpressure into the space outside the membrane pairs.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird die Lösung im Raum zwischen den Membranen eines Paars, also innerhalb der Doppelmembranen, im Gegenstrom zur Lösung außerhalb der Membranpaare geführt, d.h. die Zuleitung des zu entsalzenden Wassers und die Ableitung des Konzentrats aus den Doppelmembranen erfolgen an gegenüberliegenden Seiten einer entsprechenden Vorrichtung. Dies verringert die osmotischen Potenziale und erhöht die Trenneffizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens. Alternativ dazu kann der feldfreie Raum innerhalb der Doppelmembranen in mehrere Abschnitte unterteilt sein, aus denen die jeweiligen Konzentrate getrennt voneinander abgeleitet werden können, was erneut die osmotischen Potenziale verringert.In further preferred embodiments, the solution in the space between the membranes of a pair, that is, within the double membranes, is conducted in countercurrent to the solution outside the membrane pairs, i. the supply of the water to be desalinated and the discharge of the concentrate from the double membranes take place on opposite sides of a corresponding device. This reduces the osmotic potentials and increases the separation efficiency of the process according to the invention. Alternatively, the field-free space within the double membranes may be subdivided into several sections from which the respective concentrates may be separately separated, again reducing the osmotic potentials.
Wenn große Mengen an zu entsalzendem Wasser zur Verfügung stehen, also z.B. Meerwasser, und weniger Augenmerk auf eine hohe Salz-Konzentrationen in den Konzentraten gelegt wird, d.h. wenn die bloße Entsalzung im Vordergrund steht, so kann der Innenraum der Doppelmembranen auch quer zur Fließrichtung des zu entsalzenden Wassers außerhalb der Doppelmembranen geführt werden. -5- 6/35When large quantities of water to be desalinated are available, e.g. Seawater, and less attention is paid to high salt concentrations in the concentrates, i. if the mere desalination is in the foreground, the interior of the double membranes can also be performed transversely to the flow direction of the water to be desalinated outside of the double membranes. -5- 6/35
An den Randelektroden reichern sich während des Verfahrens Anionen bzw. Kationen an. Diese können beispielsweise durch Elektrolyse abgereichert, d.h. verbraucht werden. Durch die Verringerung der Salzkonzentration im Außenraum zwischen den Doppelmembranen und die Anreicherung von Säure bzw. Lauge an den beiden Randelektroden tritt an den Randelektroden eine Wasserzerlegung auf, während an den bipolaren Doppelmembranen noch keine Gasentwicklung zu beobachten istAnions or cations accumulate on the edge electrodes during the process. These may be depleted, for example, by electrolysis, i. consumed. By reducing the salt concentration in the outer space between the double membranes and the accumulation of acid or alkali at the two edge electrodes occurs at the edge electrodes a water separation, while at the bipolar double membranes no gas evolution is observed
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Gasentwicklung allerdings auch an den Randelektroden gänzlich vermieden werden, indem als Randelektroden ebenfalls leitfähige, ionendurchlässige Membranen eingesetzt werden, deren Außenseiten kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen mit Ionen mit jeweils entgegengesetzter Ladung in Kontakt gebracht werden. Diese können die als Elektroden dienenden Membranen passieren und mit den sich daran ansonsten anreichernden Gegenionen rekombinieren. Die für die Beschickung der Außenräume der Randelektroden erforderlichen Ionen, bei denen es sich vorzugsweise um Säuren oder Laugen handelt, können in bevorzugten Ausführungsformen vom Raum an der Innenseite der jeweiligen Gegenelektrode abgezogen werden. Das heißt, an den Innenseiten der Randelektroden entstehende saure bzw. basische Lösungen werden vorzugsweise - kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen -miteinander vermischt oder gegeneinander ausgetauscht. Dabei ist darauf zu achten, dass eine elektrische Trennung des Anoden- und Kathodenraums erhalten bleibt. Dies kann durch eine diskontinuierliche Betriebsweise, durch Bevorratung der Flüssigkeiten in Sammelbehältern, durch kurzfristige Stromunterbrechungen während der Nachlieferung der jeweiligen Elektrolyten oder durch den Einbau einer Tropfstrecke in der Verbindung zwischen Anoden- und Kathodenraum auf einfache Weise realisiert werden. Auf diese Weise können übermäßige pH-Verschiebungen an den Elektrodeninnenflächen vermieden werden, was die Lebensdauer der Elektroden erhöht und die Effeienz des Verfahrens steigert.In a preferred embodiment of the method according to the invention, however, the evolution of gas at the edge electrodes can be completely avoided by also using conductive, ion-permeable membranes as boundary electrodes whose outer sides are brought into contact with ions of respectively opposite charge continuously or at certain time intervals. These can pass through the membranes serving as electrodes and recombine with the counterions otherwise accumulating thereon. The ions required for the charging of the outer spaces of the edge electrodes, which are preferably acids or alkalis, can in preferred embodiments be drawn off from the space on the inside of the respective counterelectrode. That is to say, acidic or basic solutions formed on the insides of the edge electrodes are preferably mixed with one another or exchanged for one another continuously or at specific time intervals. It is important to ensure that an electrical separation of the anode and cathode space is maintained. This can be achieved in a simple manner by a discontinuous mode of operation, by storing the liquids in collecting containers, by brief power interruptions during the subsequent delivery of the respective electrolytes or by the installation of a drip path in the connection between the anode and cathode compartments. In this way, excessive pH shifts on the inner electrode surfaces can be avoided, which increases the life of the electrodes and increases the efficiency of the process.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann zur Reinigung der Membranen und Elektroden das über die Randelektroden angelegte elektrische Feld in bestimmten Zeitabständen umgepolt und/oder die Spannung kurzfristig über die Elektrolysespannung ange- 7/35 -6-Alternatively or additionally, for cleaning the membranes and electrodes, the electric field applied across the edge electrodes can be reversed at specific time intervals and / or the voltage can be applied briefly via the electrolysis voltage.
hoben werden, wie dies auch aus dem Stand der Technik bekannt ist. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Doppelmembranen kann jedoch gemäß vorliegender Erfindung bei einer solchen Spannungserhöhung eine Gasentwicklung nicht nur an den Randelektroden, sondern auf allen Außenflächen der leitfähigen Membranen hervorgerufen werden. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber den klassischen ionenselektiven Membranen dar, und wird erfindungsgemäß besonders bevorzugt in regelmäßigen Abständen als Reinigungsschritt durchgeführt, vorzugsweise in Ergänzung zu regelmäßigen Umpolungen.be lifted, as is known from the prior art. Due to the electrical conductivity of the double membranes, however, according to the present invention, in such a voltage increase, gas evolution may be caused not only at the edge electrodes but at all outer surfaces of the conductive membranes. This represents a significant advantage over the classical ion-selective membranes, and is particularly preferably carried out according to the invention at regular intervals as a purification step, preferably in addition to regular reversals.
In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines oben beschriebenen Entsalzungsverfahrens bereit, die - in weitgehender Analogie zum Verfahren des ersten Aspekts - Folgendes umfasst: eine Abfolge einer Vielzahl von im Wesentlichen geschlossenen Kammern, deren Trennwände von elektrisch leitfähigen, nicht-ionenselektiven, für Wasser, Ionen und Salze durchlässigen Membranen gebildet werden, wobei die Trennwände streng alternierend paarweise elektrisch leitend miteinander verbunden sind; jeweils zumindest eine Elektrode an der seitlichen Außenfläche der ersten Kammer und der seitlichen Außenfläche der letzten Kammer zur Erzeugung eines die Abfolge von Kammern durchdringenden elektrischen Felds, wobei die Elektroden mit jeweiligen elektrischen Anschlüssen versehen sind, wobei die Paare miteinander elektrisch leitend verbundener Trennwände dazwischen jeweils potenzialfreie Kammern definieren, die sich mit Potenzialkammem, d.h. Kammern, die vom elektrischen Feld durchdrungen werden, abwechseln; undIn a second aspect, the present invention also provides an apparatus for carrying out a desalting process as described above which, in broad analogy to the method of the first aspect, comprises: a succession of a plurality of substantially closed chambers, their partitions of electrically conductive ones, not ion-selective, for water, ions and salts permeable membranes are formed, wherein the partitions are strictly alternately connected in pairs electrically conductive together; each at least one electrode on the lateral outer surface of the first chamber and the lateral outer surface of the last chamber for generating a succession of chambers penetrating electric field, the electrodes are provided with respective electrical terminals, the pairs of electrically conductively connected partition walls between each potential-free Define chambers that deal with potential combs, ie Alternating chambers penetrated by the electric field; and
Einlässe für zu entsalzendes Wasser, Auslässe für entsalztes Wasser und Auslässe für mit Salz angereichertes Wasser, sowie Zuleitungen und Ableitunge in die bzw. aus der ersten und letzten Kammer.Inlets for water to be desalinated, outlets for desalinated water and outlets for saline-enriched water, as well as inlets and outlets into and out of the first and last chambers.
Jede Potenzialkammer weist dabei vorzugsweise zumindest einen Einlass für zu entsalzendes Wasser und zumindest einen Auslass für entsalztes Wasser auf und jede potenzialfreie Kammer zumindest einen Auslass für mit Salz angereichertes Wasser, wobei die durch diese Auslässe abgezogenen Lösungen vorzugsweise wiederum zu Konzentrat- und Diluatströmen vereinigt werden. -7- 8/35Each potential chamber preferably has at least one inlet for water to be desalinated and at least one outlet for desalinated water and each potential-free chamber at least one outlet for saline-enriched water, wherein the solutions withdrawn through these outlets are preferably combined in turn into concentrate and diluate streams. -7- 8/35
Die Vorteile einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung, die auch als "Separator" bezeichnet wird, sind natürlich dieselben wie für das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt: Es sind höhere Reinheiten der Konzentrate und Diluate erzielbar, die Membranen werden in Betrieb deutlich weniger stark verunreinigt, d.h. "Membranfouling" wird unterdrückt, und die Membranflächen können gegenüber herkömmlichen Separatoren bei gleich bleibender Leistungsfähigkeit verkleinert werden.The advantages of such a device according to the invention, also referred to as " separator " Of course, they are the same as for the process according to the first aspect: higher purities of the concentrates and diluents are achievable, the membranes are significantly less contaminated during operation, i.e., less so. &Quot; Membrane fouling " is suppressed, and the membrane areas can be reduced compared to conventional separators with constant performance.
Die Einlässe für zu entsalzendes Wasser und die Auslässe für entsalztes Wasser sind vorzugsweise an oder nahe gegenüberliegenden Rändern und/oder in gegenüberliegenden Seitenflächen der Potenzialkammern vorgesehen, damit das Salzwasser die Kammern zur Gänze durchströmen muss, um die vorhandene Membranfläche optimal auszunutzen.The inlets for water to be desalinated and the desalted water outlets are preferably provided at or near opposite edges and / or in opposite side surfaces of the potential chambers in order for the salt water to flow entirely through the chambers in order to make optimum use of the existing membrane area.
Weiters sind die Auslässe für mit Salz angereichertes Wasser aus den potenzialfreien Kammern und die Auslässe für entsalztes Wasser aus den Potenzialkammern vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten der Kammern vorgesehen, was eine bereits zuvor besprochene Gegenstromführung der Lösungen an den beiden Seiten einer Trennmembran und damit einhergehend eine Senkung der osmotischen Potenziale und eine Erhöhung der Trenneffizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt.Furthermore, the outlets for salt-enriched water from the potential-free chambers and the outlets for desalinated water from the potential chambers are preferably provided on opposite sides of the chambers, which is an already discussed countercurrent flow of the solutions on the two sides of a separation membrane and concomitantly lowering the osmotic potentials and increasing the separation efficiency of the inventive method causes.
In bevorzugten Ausführungsformen sind die beiden Randelektroden ebenfalls leitfähige, ionendurchlässige Membranen, an deren Außenflächen jeweils eine zusätzliche Kammer mit zumindest einer Zuleitung und gegebenenfalls zumindest einer Ableitung vorgesehen sind. Dies ermöglicht wiederum die Beschickung der Elektrodeninnenflächen mit Ionen mit entgegengesetzter Ladung zu den sich dort aufgrund der Wanderung im elektrischen Feld anreichernden Ionen, und zwar durch die Elektro-den-Membranen hindurch, sowie den gegenseitigen Austausch der mit Säure bzw. Lauge angereicherten Lösungen in den zu den Elektroden benachbarten Potenzial-kammem. -8- 9/35 • · • · • ·In preferred embodiments, the two edge electrodes are also conductive, ion-permeable membranes, on the outer surfaces of which an additional chamber with at least one supply line and optionally at least one discharge are provided. This in turn allows the charging of the inner electrode surfaces with ions of opposite charge to the there due to the migration in the electric field accumulating ions, through the electro-den membranes through, as well as the mutual exchange of the acid or alkali-enriched solutions in the potential combs adjacent to the electrodes. -8- 9/35 • · • · • ·
Zwischen den beiden als Trennwände einer potenzialfreien Kammer dienenden, elektrisch leitend miteinander verbundenen Membranen, d.h. den Doppelmembranen, sind vorzugsweise ein oder mehrere Abstandhalter vorgesehen, um den Raum dazwischen zuverlässiger zu definieren und auch beispielsweise dünne Folien als Material für die Membranen einsetzen zu können, selbst wenn, wie in bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, der Außendruck höher als der Druck innerhalb der Doppelmembranen ist. Bei ausreichender Festigkeit der Membranen sind jedoch keine Abstandhalter erforderlich.Between the two serving as partitions of a potential-free chamber, electrically interconnected membranes, i. the double membranes, one or more spacers are preferably provided to more reliably define the space therebetween and also to be able to use, for example, thin films as material for the membranes, even if, as in preferred embodiments of the method according to the invention, the external pressure is higher than the pressure inside the double membranes. With sufficient strength of the membranes, however, no spacers are required.
Die Abstandhalter können dabei gleichzeitig als elektrisch leitende Verbindungen der Membranpaare dienen, wenn sie auch einem leitfähigen, z.B. leitfähig beschichteten, Material, bestehen, können jedoch auch elektrische Isolatoren sein. Die in Frage kommenden Materialien sind nicht speziell eingeschränkt, und es sind z.B. verschiedene Kunststoffe, Metalle, Keramiken und Verbundmaterialien geeignet.The spacers can serve simultaneously as electrically conductive connections of the membrane pairs, although they are also a conductive, e.g. conductive coated material, but may also be electrical insulators. The materials of interest are not particularly limited, and e.g. various plastics, metals, ceramics and composite materials.
Die Form der Abstandhalter ist ebenfalls nicht speziell eingeschränkt, solange sie in der Lage sind, ihren Zweck zu erfüllen. Vorzugsweise sind sie aus Stäben, Gittern, Geweben, porösen Platten, festen, offenporigen Schäumen und Gemischen davon ausgewählt.The shape of the spacers is also not particularly limited as long as they are able to serve their purpose. Preferably, they are selected from rods, meshes, woven fabrics, porous sheets, solid, open-celled foams, and mixtures thereof.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dienen Strukturen in der Oberfläche der Membranen selbst als Abstandhalter, so dass die beiden Membranen zu einem hierin als "Doppelmembranelement" bezeichneten Bauteil verbunden sind. Solche Doppelmembranelemente können auch noch zusätzliche Abstandhalter zwischen den beiden Membranen umfassen, vorzugsweise fehlen solche jedoch. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Fertigung der Doppelmembranen.In particularly preferred embodiments of the invention, structures in the surface of the membranes themselves serve as spacers, so that the two membranes are referred to herein as " double membrane element " designated component are connected. Such double membrane elements may also comprise additional spacers between the two membranes, but preferably they are absent. This allows a cheaper production of double membranes.
Die Oberflächenstrukturen werden besonders bevorzugt von in die Membranen eingebetteten, mehr oder weniger grobkörnigen Partikeln gebildet, die - wie auch die sonstigen Abstandhalter - elektrisch leitfähig sein können oder auch nicht. In erste-rem Fall braucht keine zusätzliche elektrische Verbindung zwischen den beiden Membranen vorgesehen zu sein. Durch die Partikelgröße können die Abstände - zu- -9- 10/35 mindest punktuelle Abstände - zwischen den beiden Membranen und damit das Volumen der potenzialfreien Kammern gesteuert werden. Erfindungsgemäß bevorzugt werden Partikelgrößen im Bereich von wenigen Dutzend Mikrometern bis etwa 4 mm, z.B. von etwa 100 pm bis 2 mm oder von etwa 500 pm bis 1 mm. Für die Dimensionen der Kammern gilt generell, dass die Abstände zwischen den potenzialfreien Kammern, d.h. den Doppelmembranen, gering sein sollten, da die Stärke des elektrischen Felds mit der Entfernung und die Migrationsgeschwindigkeit der Ionen mit der elektrischen Feldstärke abnimmt. Bei zu geringem Abstand kann jedoch das Volumen der Potenzialkammern zu klein werden, um ausreichenden Durchsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu gewährleisten, so dass eine Optimierung zwischen der Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen und dem Kammervolumen erfolgen muss. Dies kann ein durchschnittlicher Fachmann für eine gewünschte Anzahl und Länge von Kammern ohne übermäßiges Experimentieren bestimmen. Derzeit wird ein Abstand zwischen den potenzialfreien Kammern von < 2 mm bevorzugt, noch bevorzugter wird ein Abstand < 1 mm, insbesondere ein Abstand <100 pm.The surface structures are particularly preferably formed by embedded in the membranes, more or less coarse-grained particles, which - as well as the other spacers - may or may not be electrically conductive. In the first case, no additional electrical connection between the two membranes needs to be provided. Due to the particle size, the distances between the two membranes and thus the volume of the potential-free chambers can be controlled - at least at punctual intervals. Particle sizes in the range of a few dozen microns to about 4 mm, e.g. from about 100 pm to 2 mm or from about 500 pm to 1 mm. For the dimensions of the chambers, it is generally true that the distances between the floating chambers, i. The double membranes should be small, since the strength of the electric field decreases with the distance and the migration speed of the ions with the electric field strength. If the distance is too short, however, the volume of the potential chambers may become too small to ensure sufficient throughput of the device according to the invention, so that an optimization between the migration speed of the ions and the chamber volume must take place. This can be determined by one of ordinary skill in the art for a desired number and length of chambers without undue experimentation. Currently, a distance between the floating chambers of < 2 mm, more preferably, a distance < 1 mm, in particular a distance of <100 pm.
Wenn dieselbe Menge an Wasser die Potenzialkammern und potenzialfreien Kammern passieren soll und der Druck in den potenzialfreien Kammern in bevorzugten Ausführungsformen etwas niedriger eingestellt wird als in den Potenzialkammem, sollte das Volumen der potenzialfreien Kammern höher sein als jenes der Potenzialkammem. Wenn identische Membranen mit gleicher Länge eingesetzt werden, folgt daraus, dass vorzugsweise ein größerer Abstand zwischen den paarweise miteinander elektrisch verbundenen Membranen zu wählen ist als zwischen den Doppelmembranen. Derzeit wird ein Abstand zwischen den paarweise miteinander elektrisch verbundenen Membranen von < 4 mm bevorzugt. Noch bevorzugter ist ein Abstand von < 2 mm oder auch < 1 mm.If the same amount of water is to pass through the potential chambers and floating chambers and the pressure in the floating chambers is set slightly lower in preferred embodiments than in the potential chambers, the volume of the floating chambers should be higher than that of the potential chambers. If identical membranes are used with the same length, it follows that a greater distance is preferably to be selected between the pairs of electrically connected membranes than between the double membranes. Currently, a distance between the paired electrically interconnected membranes of < 4 mm preferred. More preferably, a distance of < 2 mm or also < 1 mm.
Die Membranen sind vorzugsweise zwei elektrisch leitfähige oder leitfähig beschichtete Folien, die über die eingebetteten Partikel miteinander zu einem Doppelmembranelement verbunden sind, was die Herstellungskosten für eine erfindungsgemäße -10- 11/35 ·♦ ·· · ··· ·· ········· · # • ·· · ·· ···« · • ·· · · »····· · · ··· ··· ··· ·· ·· ··· ·· · ··The membranes are preferably two electrically conductive or conductively coated films, which are connected to one another via the embedded particles to form a double-membrane element, which reduces the manufacturing costs for an invention. ····· · # ········ ··
Vorrichtung senkt. In diesem Fall liegen die Partikel zwischen den beiden Membranen und stehen mit beiden in direktem Kontakt. Handelt es sich um elektrisch leitfähige Partikel, wie z.B. Körner oder Kugeln (oder Kügelchen) aus Metall, leitfähiger oder oder leitfähig beschichteter Keramik oder leitfähigem oder leitfähig beschichtetem Kunststoff, können sie erneut gleichzeitig als Abstandhalter und als elektrische Verbindung zwischen den Membranen dienen.Device lowers. In this case, the particles are between the two membranes and are in direct contact with both. If it is electrically conductive particles, such. Grains or spheres (or globules) of metal, conductive or or conductive coated ceramic or conductive or conductive coated plastic, they may again serve simultaneously as a spacer and as an electrical connection between the membranes.
Besonders bevorzugt sind die Membranen jedoch elektrisch leitfähige oder leitfähig beschichtete Folien, wovon eine Folie eingebettete Partikel umfasst, die in Mulden in der Folie eingebettet sind, wobei die Mulden auf der gegenüberliegenden Seite der Folie, also an ihrer Unterseite, Ausbuchtungen bilden, die strukturelle Abstandhalter darstellen, mit denen die zweite Folie verklebt oder verschweißt ist, um das Doppelmembranelement zu bilden. In diesem Fall stehen die Partikel nur mit einer der beiden Membranen in Kontakt und brauchen daher nicht elektrisch leitend zu sein. Die Verbindung zwischen den beiden Membranen ist in diesen Ausführungsformen jedoch tendenziell fester als bei einem Kontakt über die Partikel, da beispielsweise zwei Metallfolien oder zwei leitfähige oder leitfähig beschichtete Kunststofffolien direkt miteinander verschweißt oder verklebt werden können. Im Falle von Klebeverbindungen wird natürlich vorzugsweise ein elektrisch leitfähiger Kleber eingesetzt, um keine zusätzlichen elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Folien vorsehen zu müssen, wobei der Fachmann ohne übermäßiges Experimentieren in der Lage ist, aus einer breiten Palette einen geeigneten Kleber auszuwählen.However, the membranes are particularly preferably electrically conductive or conductively coated films, of which a film comprises embedded particles which are embedded in depressions in the film, wherein the depressions on the opposite side of the film, ie on its underside form bulges, the structural spacers represent, with which the second film is glued or welded to form the double membrane element. In this case, the particles are in contact with only one of the two membranes and therefore need not be electrically conductive. The connection between the two membranes, however, tends to be stronger in these embodiments than in contact via the particles, since, for example, two metal foils or two conductive or conductive coated plastic foils can be welded or glued directly to each other. Of course, in the case of adhesive bonds, it is preferable to use an electrically conductive adhesive so as not to have to provide additional electroconductive bonds between the films, and one skilled in the art, without undue experimentation, will be able to select a suitable adhesive from a wide range.
Die obige Angabe, dass die Oberflächenstrukturen vorzugsweise von in die Membranen eingebetteten Partikeln gebildet werden, trifft auch in jenen zuletzt genannten Fällen zu, wo die Partikel in Mulden einer ersten Folie eingebettet sind und eine zweite Folie auf die Unterseite der Mulden aufgeklebt oder damit verschweißt wird, nämlich wenn die Mulden durch das Eindrücken der Partikel in die erste Folie erzeugt werden, wie dies gemäß vorliegender Erfindung bevorzugt wird und aus dem nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahren für Doppelmembranelemente hervorgeht. -11 - 12/35The above statement that the surface structures are preferably formed by particles embedded in the membranes also applies in those last-mentioned cases where the particles are embedded in depressions of a first film and a second film is glued or welded to the underside of the depressions Namely, when the troughs are generated by the impressions of the particles in the first film, as is preferred according to the present invention and is apparent from the manufacturing process described below for double membrane elements. -11 - 12/35
Zur Erhöhung der Durchtrittsgeschwindigkeiten bestehen die elektrisch leitfähigen, nicht-ionenselektiven Membranen vorzugsweise aus einem porösen und/oder perforierten Material. Dieses Material ist zwar nicht speziell eingeschränkt, ist aber vorzugsweise aus elektrisch leitfähigem Kunststoff, elektrisch leitfähig beschichtetem Kunststoff, Graphit, Kohle, Kohlefasergewebe, elektrisch leitfähiger Keramik, elektrisch leitfähig beschichteter Keramik, porösen Metallfolien und Gemischen davon ausgewählt.To increase the passage speeds, the electrically conductive, non-ion-selective membranes preferably consist of a porous and / or perforated material. While not specifically limited, this material is preferably selected from electrically conductive plastic, electrically conductive coated plastic, graphite, carbon, carbon fiber fabric, electrically conductive ceramic, electrically conductive coated ceramic, porous metal foil, and mixtures thereof.
Wie bereits zuvor erwähnt, sind die beiden elektrisch leitend miteinander verbundenen Membranen eines Paares vorzugsweise Folien, deren Ränder miteinander verklebt oder verschweißt sind, z.B. Metallfolien oder Folien aus leitfähigem oder leitfähig beschichtetem Kunststoff. Dies gewährleistet einen dauerhaften Kontakt zwischen den beiden Membranen und damit eine lange Haltbarkeit eines solchen Doppelmembranelements.As previously mentioned, the two electrically interconnected membranes of a pair are preferably films whose edges are glued or welded together, e.g. Metal foils or films of conductive or conductive coated plastic. This ensures a permanent contact between the two membranes and thus a long durability of such a double membrane element.
Wie oben angedeutet betrifft die Erfindung in einem dritten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung von Doppelmembranelementen, wie oben definiert, zur Verwendung in einem Verfahren oder einer Vorrichtung der Erfindung, wie oben beschrieben. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in eine erste elektrisch leitfähige oder elektrisch leitfähig beschichtete Folie Partikel eingebettet werden und/oder Partikel auf die Folie aufgeklebt werden, wonach eine zweite elektrisch leitfähige oder elektrisch leitfähig beschichtete Folie mit der ersten Folie verschweißt oder verklebt wird. Die zweite Folie wird dabei entweder direkt auf die in der ersten Folie eingebetten und/oder auf die erste Folie aufgeklebten Partikel aufgebracht und damit verklebt oder verschweißt, oder es werden vor oder während des Einbettens oder Aufklebens der Partikel auf die erste Folie Mulden in der ersten Folie erzeugt, die auf der gegenüberliegenden Seite Ausbuchtungen bilden, auf die die zweite Folie aufgebracht und damit verklebt oder verschweißt wird.As indicated above, in a third aspect, the invention relates to a process for preparing double membrane elements as defined above for use in a method or apparatus of the invention as described above. The method is characterized in that particles are embedded in a first electrically conductive or electrically conductive film and / or particles are adhered to the film, after which a second electrically conductive or electrically conductive coated film is welded or glued to the first film. The second film is either applied directly to the particles embedded in the first film and / or adhered to the first film and glued or welded thereto, or it will be before or during embedding or sticking of the particles on the first film wells in the first Produces film that form on the opposite side bulges on which the second film is applied and glued or welded.
Zur Vereinfachung des Herstellungsverfahrens werden die Mulden in situ durch Eindrücken der Partikel in die erste Folie erzeugt. Zu diesem Zweck sollte die Folie aus einem verformbaren Material, z.B. Metall oder elektrisch leitfähigem oder elektrisch -12- 13/35 leitfähig beschichtetem Kunststoff, bestehen, das gegebenenfalls vor oder während des Aufbringens der Partikel auf eine erhöhte Temperatur erhitzt wird, um durch die Partikel verformbar zu sein, und danach wieder abgekühlt wird. Das Abkühlen erfolgt vorzugsweise erst nach dem Verkleben oder Verschweißen mit der zweiten Folie, so dass nur ein einziger Erhitzungsschritt sowohl für die Ausbildung der Mulden in der ersten Folie als auch zur Verbindung derselben mit der zweiten Folie durchzuführen ist.To simplify the manufacturing process, the wells are generated in situ by pushing the particles into the first sheet. For this purpose, the film should be made of a deformable material, e.g. Metal or electrically conductive or electrically conductive coated plastic, optionally heated to an elevated temperature prior to or during the application of the particles to be deformable by the particles, and thereafter cooled again. The cooling preferably takes place after bonding or welding to the second film, so that only a single heating step has to be carried out both for the formation of the depressions in the first film and for the connection of the same to the second film.
Wenn die Partikel gleichzeitig als Abstandhalter dienen sollen, sind sie wiederum vorzugsweise elektrisch leitfähig oder elektrisch leitfähig beschichtet, können ansonsten aber auch aus einem elektrischen Isolator bestehen. Im Falle einer Klebeverbindung zwischen den beiden Folien eines Doppelmembranelements wird vorzugsweise wiederum ein elektrisch leitfähiger Kleber verwendet, um den elektrischen Kontakt zwischen den Folien zu verbessern. Das Material der Folien ist dabei vorzugsweise aus elektrisch leitfähigem oder elektrisch leitfähig beschichtetem Kunststoff und Metall ausgewählt. Während oder nach dem Verkleben oder Verschweißen der beiden Folien über die Partikel oder die Unterseiten der Mulden werden vorzugsweise auch die Ränder der beiden Folien miteinander verklebt oder verschweißt, um den Raum zwischen den Folien, d.h. das Volumen des Doppelmembranelements, der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen potenzialfreien Raum bilden soll, zu definieren.If the particles are to serve as spacers at the same time, they are in turn preferably electrically conductive or electrically conductive coated, but may otherwise also consist of an electrical insulator. In the case of an adhesive bond between the two films of a double membrane element, an electrically conductive adhesive is preferably used again in order to improve the electrical contact between the films. The material of the films is preferably selected from electrically conductive or electrically conductive coated plastic and metal. During or after the bonding or welding of the two foils over the particles or the undersides of the troughs, preferably also the edges of the two foils are glued or welded together to form the space between the foils, i. to define the volume of the double-membrane element which is to form a potential-free space in the device according to the invention.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand konkreter Ausführungsbeispiele näher beschrieben, die als Illustration und nicht als Einschränkung zu verstehen sind. Dabei wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die Folgendes darstellen:The present invention will be described in more detail below with reference to concrete exemplary embodiments, which are to be understood as an illustration and not as a restriction. Reference is made to the accompanying drawings, which show:
Fig. 1 zeigt schematisch die Betriebsweise eines Elektrodialyse-Separators nach dem Stand der Technik;Fig. 1 shows schematically the operation of an electrodialysis separator according to the prior art;
Fig. 2 zeigt schematisch die Betriebsweise eines erfindungsgemäßen Elektrodialyse-Separators; -13- 14/35Fig. 2 shows schematically the operation of an electrodialysis separator according to the invention; -13- 14/35
Fig. 3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung; undFig. 3 shows schematically a preferred embodiment of the device according to the present invention; and
Fig. 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein Doppelmembranelement gemäß vorliegender Erfindung.Fig. 4 shows schematically an embodiment of the manufacturing method for a double membrane element according to the present invention.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In Fig. 1 ist die Betriebsweise eines Elektrodialyse-Separators nach dem Stand der Technik schematisch dargestellt. Zwischen zwei Randelektroden befindet sich eine abwechselnde Abfolge von kationenselektiven und anionenslektiven Membranen. Kationenselektive Membranen sind hier dünkler dargestellt und mit den negativ geladenen, an der Membran fixierten Gegen-Anionen (-) gekennzeichnet, anionenselekti-ve Membranen hingegen heller dargestellt und mit fixierten Gegen-Kationen (+) gekennzeichnet. Wie durch Pfeile angedeutet ist, wandern die Ionen einer zwischen den Membranen eingespeisten wässrigen Salzlösung ("Feed-Lösung") im elektrischen Feld entsprechend ihrer Ladung, d.h. zur jeweils entgegengesetzt geladenen Elektrode. Da sämtliche Membranen nur für eine lonenart durchlässig sind, können die Ionen jeweils nur maximal eine Membran passieren und werden spätestens dann von einer Membran mit entgegengesetzter Selektivität aufgehalten. Auf diese Art und Weise reichern sich die Zwischenräume zwischen den Membranen abwechselnd mit Salz an und ab. Die salzreichen Lösungen werden zum Konzentrat vereinigt, während salzarme als Diluat(e) abgezogen werden.In Fig. 1, the operation of an electrodialysis separator according to the prior art is shown schematically. Between two edge electrodes is an alternating sequence of cation-selective and anion-reflective membranes. Cation-selective membranes are shown here in a thicker form and labeled with the negatively charged counter anions (-) fixed to the membrane, whereas anion-selective membranes are lighter and labeled with fixed counter cations (+). As indicated by arrows, the ions of an aqueous salt solution (" Feed Solution ") fed between the membranes migrate in the electric field according to their charge, i. to the oppositely charged electrode. Since all membranes are permeable only for one kind of ions, the ions can only pass a maximum of one membrane and are stopped at the latest by a membrane with opposite selectivity. In this way, the spaces between the membranes alternately accumulate with salt on and off. The high-salt solutions are combined to concentrate while low-salt diluate (s) are withdrawn.
In dieser Zeichnung nicht dargestellt sind die Doppelschichten an den Membranen, die sich im feldfreien Raum aufgrund der elektrostatischen Anziehung der in den Membranen enthaltenen Ionen, in einem hier dargestellten Separator aber vor allem aufgrund der Wirkung des angelegten elektrischen Felds ausbilden. Speziell in jenen Membranzwischenräumen, die mit Salz angereichert werden, werden die Ionen zur Oberfläche der Membran mit jeweils entgegengesetzter Selektivität hingezogen, können diese aber nicht passieren und verweilen daher in deren nahen Umgebung. Die zugehörigen Gegenionen halten sich jedoch aus demselben Grund in der Nähe der Oberfläche der nächsten Membran auf. Aufgrund des örtlichen Mangels an Gegenionen kommt es an den Membranen somit laufend zu pH-Verschiebungen, da Was--14- 15/35 9· ·· • · · · ·* · · 9 • · · · * * · « «· *·* ♦ ·· • · · • · · · • ···· · • · · • · sermoleküle zu H+ und OH" ionisiert werden müssen, um diesen Mangel auszugleichen.Not shown in this drawing are the double layers on the membranes, which form in the field-free space due to the electrostatic attraction of the ions contained in the membranes, in a separator shown here, but mainly due to the effect of the applied electric field. Especially in those membrane spaces that are enriched with salt, the ions are attracted to the surface of the membrane with opposite selectivity, but they can not pass and therefore dwell in their immediate vicinity. However, the associated counterions stay near the surface of the next membrane for the same reason. Due to the local deficiency of counterions, pH shifts continuously occur at the membranes, since the * * * ♦. need to be ionized to compensate for this deficiency.
Gemäß vorliegender Erfindung, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, wird dies durch die Verwendung nicht-ionenselektiver, aber dafür elektrisch leitender Membranen, die paarweise miteinander elektrisch leitend zu so genannten Doppelmembranen verbunden sind, die sozusagen eine Abfolge von Faraday-Käfigen im elektrischen Feld zwischen den Randelektroden bilden, wirkungsvoll vermieden.According to the present invention, as shown schematically in Fig. 2, this is through the use of non-ion-selective, but electrically conductive membranes which are connected in pairs with each other electrically conductive to so-called double membranes, so to speak, a sequence of Faraday cages in the electric field form between the edge electrodes, effectively avoided.
Sobald die Ionen im Zuge ihrer Wanderung im elektrischen Feld außerhalb der Doppelmembranen in den feldlosen Raum im Inneren derselben eingetreten sind, unterliegen sie nicht mehr der Anziehungskraft der Randelektroden und können mit einem aus der Gegenrichtung ankommenden Gegenion rekombinieren bzw. von diesem in ihrer Ladung neutralisiert werden. Die Ansammlung an den Membranoberflächen erfolgt hier nur aufgrund elektrostatischer Anziehung der an den Membranoberflächen fixierten Ionen, die um ein Vielfaches geringer ist als die Wirkung des angelegten elektrischen Felds. Auf diese Weise kann Membranfouling gemäß vorliegender Erfindung großteils unterdrückt werden.As soon as the ions, in the course of their migration in the electric field outside the double membranes, have entered the fieldless space inside, they are no longer subject to the attraction of the edge electrodes and can recombine with a counterion arriving from the opposite direction or be neutralized by it in their charge , The accumulation at the membrane surfaces takes place here only due to electrostatic attraction of the ions fixed to the membrane surfaces, which is many times lower than the effect of the applied electric field. In this way, membrane fouling according to the present invention can be largely suppressed.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Diese umfasst eine Abfolge einer Vielzahl von im Wesentlichen geschlossenen Kammern 8 und 10, deren Trennwände von elektrisch leitfähigen, nicht-ionenselektiven, für Wasser, Ionen und Salze durchlässigen Membranen gebildet werden, wobei die Trennwände streng alternierend paarweise elektrisch leitend zu so genannten Doppelmembranen miteinander verbunden sind. An der seitlichen Außenfläche der ersten Kammer 10a und der seitlichen Außenfläche der letzten Kammer 10b ist zur Erzeugung des elektrischen Felds jeweils eine Elektrode 9 vorgesehen, die mit elektrischen Anschlüssen 1 bzw. 2 versehen sind. Die Paare miteinander elektrisch leitend verbundener Trennwände definieren dazwischen jeweils potenzialfreie Kammern 8, die sich mit Potenzialkammern 10, d.h. Kammern, die vom elektrischen Feld durchdrungen werden, abwechseln. -15- 16/35 • · ·· · ··· · · ········· ·· • ·· · · · · · · · · • ·· · ·· ·«···· · ···· ··· ··· ·· ·« t · · Μ · ··In Fig. 3, an embodiment of the device according to the invention is shown. This comprises a sequence of a plurality of substantially closed chambers 8 and 10, the partitions of electrically conductive, non-ion-selective, permeable to water, ions and salts membranes are formed, wherein the partitions strictly alternately connected in pairs electrically conductive to form so-called double membranes are. On the lateral outer surface of the first chamber 10a and the lateral outer surface of the last chamber 10b, an electrode 9 is provided for generating the electric field, which are provided with electrical terminals 1 and 2, respectively. The pairs of partitions electrically connected to one another define in each case potential-free chambers 8, which communicate with potential chambers 10, i. Alternate chambers penetrated by the electric field. -15- 16/35 ····· ·········································
An den Kammern sind Einlässe 4 für zu entsalzendes Wasser, Auslässe 6 für entsalztes Wasser und Auslässe 7 für mit Salz angereichertes Wasser, sowie Zuleitungen 3 und Ableitungen 5 in die bzw. aus der ersten und letzten Kammer 10a bzw. 10b vorgesehen, wobei jede Potenzialkammer 10 vorzugsweise zumindest einen Einlass 4 für zu entsalzendes Wasser und zumindest einen Auslass 6 für entsalztes Wasser aufweist und jede potenzialfreie Kammer 8 zumindest einen Auslass 7 für mit Salz angereichertes Wasser aufweist. Wie oben erwähnt, können für jede Kammer 8 bzw. 10 auch mehrere Ein- und/oder Auslässe vorgesehen sein.To the chambers are provided inlets 4 for water to be desalinated, outlets 6 for desalted water and outlets 7 for saline-enriched water, as well as inlets 3 and outlets 5 into and out of the first and last chambers 10a and 10b respectively, each potential chamber 10 preferably has at least one inlet 4 for water to be desalted and at least one outlet 6 for desalinated water and each potential-free chamber 8 has at least one outlet 7 for salt-enriched water. As mentioned above, multiple inlets and / or outlets may be provided for each chamber 8 and 10, respectively.
Wie in Fig. 3 zu erkennen, sind die Einlässe 4 für zu entsalzendes Wasser und die Auslässe 6 für entsalztes Wasser nahe den gegenüberliegenden Rändern der Poten-zialkammem 10 vorgesehen, um die zu entsalzende Lösung an im Wesentlichen der gesamten Membranoberfläche vorbei zu transportieren und den Salzionen ausreichend Möglichkeit zum Passieren der Membrane zu geben.As can be seen in FIG. 3, the inlets 4 for water to be desalinated and the desalted water outlets 6 are provided near the opposite edges of the potential chambers 10 for transporting the solution to be desalinated past substantially the entire membrane surface and Sufficient salt ions to pass through the membrane.
Die Auslässe 7 für mit Salz angereichertes Wasser aus den potenzialfreien Kammern 8 und die Auslässe 6 für entsalztes Wasser aus den Potenzialkammern 10 sind hier in bevorzugter Weise auf gegenüberliegenden Seiten der Kammern vorgesehen, was einen Gegenstrom der beiden Lösungen inner- und außerhalb der Doppelmembranen, d.h. der Kammern 8, bewirkt und die Trenneffizienz erhöht.The salt-enriched water outlets 7 from the floating chambers 8 and the desalted water outlets 6 from the potential chambers 10 are preferably provided on opposite sides of the chambers, which provides a countercurrent flow of the two solutions inside and outside the double membranes, i. the chambers 8, causes and increases the separation efficiency.
In Fig. 4 ist schließlich eine einfache Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung von Membranen zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren und in der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Die einzusetzenden Membranen sind, wie oben erwähnt, vorzugsweise zu Doppelmembranelementen verbunden, in denen Strukturen in der Oberfläche der Membranen als Abstandhalter dienen, um den Raum innerhalb der Doppelmembran und damit das Volumen der Kammern 8 zu definieren. Diese Strukturen werden gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung durch ein Herstellungsverfahren erzeugt, dessen Ablauf in den Fig. 4a bis 4c schematisch abgebildet ist. -16- 17/35 • ·· ·In Fig. 4, finally, a simple embodiment of a method for the production of membranes for use in the method according to the invention and in the device according to the invention is shown schematically. The membranes to be used are, as mentioned above, preferably connected to double membrane elements in which structures in the surface of the membranes serve as spacers to define the space within the double membrane and thus the volume of the chambers 8. These structures are produced according to the third aspect of the invention by a manufacturing method, the sequence of which is shown schematically in FIGS. 4a to 4c. -16- 17/35 • ·· ·
In Fig. 4a sind eine erste Folie F1, die vorzugsweise aus Metall oder elektrisch leitendem oder leitend beschichtetem Kunststoff besteht, sowie eine Anzahl an Partikeln P zu sehen, die miteinander verbunden werden sollen, vorzugsweise durch Erwärmen oder Erhitzen der Folie, um diese leichter verformbar zu machen. Die Partikel werden dann vorzugsweise in die verformbare oder veformbar gemachte Folie hineingedrückt, was an deren gegenüberliegender Seite Mulden M erzeugt, wie in Fig. 4b gezeigt wird. Die Fixierung der Partikel in den Mulden kann dabei entweder dadurch erfolgen, dass die Folie durch Erhitzen angeschmolzen wird und sich beim Erkalten wieder verfestigt und so die Partikel festhält, oder unter Verwendung eines Klebers, der ein elektrisch leitender Kleber sein sollte, wenn die Partikel selbst auch elektrisch leitend sind, um eine einheitliche, elektrisch leitende Oberfläche von F1 zu erzeugen.In Fig. 4a, a first film F1, which is preferably made of metal or electrically conductive or conductive coated plastic, as well as a number of particles to see P, which are to be joined together, preferably by heating or heating of the film to make it easier to deform close. The particles are then preferably pressed into the deformable or deformable film, which produces on its opposite side troughs M, as shown in Fig. 4b. The fixation of the particles in the wells can either be done by the fact that the film is melted by heating and solidifies again on cooling and thus holds the particles, or using an adhesive, which should be an electrically conductive adhesive, if the particles themselves are also electrically conductive to produce a uniform, electrically conductive surface of F1.
Fig. 4c zeigt schließlich, wie eine zweite Folie F2 mit der Unterseite der Mulden M verbunden wird, um zusammen mit Folie F1 das Doppelmembranelement zu ergeben. Diese Verbindung der beiden Folien kann vorzugsweise wiederum durch Verkleben oder Verschmelzen erfolgen. Werden sie verklebt, sollte wiederum ein elektrisch leitender Kleber eingesetzt werden. Vorzugsweise erfolgen das Einbetten der Partikel in Folie F1, die Erzeugung der Mulden mittels Eindrücken der Partikel in F1 und das Verbinden der Mulden-Unterseiten mit Folie F2 durch Verschmelzen bzw. Verschweißen im Zuge eines einzigen Erhitzungsschritts.Fig. 4c finally shows how a second film F2 is bonded to the underside of the troughs M to give, together with film F1, the double-membrane element. This connection of the two films can preferably be done by gluing or fusing. If they are glued, again an electrically conductive adhesive should be used. Preferably, the embedding of the particles in film F1, the production of the wells by means of impressing the particles in F1 and the joining of the well bottoms with foil F2 by fusing in the course of a single heating step.
In Abhängigkeit vom Muster, in dem die Partikel auf die Folie F1 aufgebracht werden, kann die Stabilität des Doppelmembranelements gesteuert werden. Vorzugsweise werden die Partikel in einem regelmäßigen Muster auf der gesamten Folienoberfläche verteilt, um den Abstand zwischen den Folien im Wesentlichen konstant zu halten.Depending on the pattern in which the particles are applied to the film F1, the stability of the double-membrane element can be controlled. Preferably, the particles are distributed in a regular pattern over the entire film surface to maintain the spacing between the films substantially constant.
Die in Fig. 4 nicht dargestellten abschließenden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen in einer Verbindung der Ränder der Folien F1 und F2 miteinander, um dazwischen eine geschlossene Kammer zu definieren, sowie im Anbringen von Auslässen 7 für mit Salz angereichertes Wasser. Die Verbindung der Ränder erfolgt vorzugsweise erneut mittels Verkleben oder Verschweißen bzw. Verschmelzen, -17- 18/35 • · ·· · · · · «· • ·· ···· · · · · • ·· · ·· ·♦·· · • · · · ·· ····♦· · • · · · · · ♦ φ · · ·· ·· ··· ·· · ·· und auch ein Rohr oder Schlauch, das/der als Auslass 7 dienen soll, kann durch eine an entsprechender Stelle angebrachte Öffnung eingeführt und durch Verkleben oder Verschweißen im Doppelmembranelement fixiert werden. Das Rohr bzw. der Schlauch ist dabei vorzugsweise natürlich nicht elektrisch leitend, um ein gefahrloses Hantieren mit der Vorrichtung bei laufendem Betrieb zu gewährleisten. -18- 19/35The final steps of the method according to the invention, not shown in Fig. 4, consist of connecting the edges of the foils F1 and F2 together to define a closed chamber therebetween, as well as attaching saline-enriched water outlets 7. The bonding of the edges is preferably carried out again by gluing or welding or fusing, -17- 18/35 • ······················································································ And also a pipe or hose that serves as an outlet 7, can be inserted through an opening attached to the appropriate position and fixed by gluing or welding in the double membrane element. The tube or hose is preferably not electrically conductive, of course, to ensure safe handling of the device during operation. -18- 19/35
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
REJ | Rejection |
Effective date: 20170415 |