CH619151A5

CH619151A5 - Process for the osmotic separation of solutions into solvent and concentrate using a gas soluble under pressure

Info

Publication number: CH619151A5
Application number: CH1550375A
Authority: CH
Inventors: Mohammed Thoeni
Original assignee: Mohammed Thoeni
Priority date: 1974-11-28
Filing date: 1975-11-28
Publication date: 1980-09-15
Also published as: ATA951474A; AT343082B; GB1526836A; DE2553623A1

Description

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2 2nd

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS

1. Verfahren zur osmotischen Trennung einer Lösung in Lösungsmittel und Konzentrat mit einem unter Druck löslichen Arbeitsgas, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas mit Hilfe eines Druckgasförderers (8) in einer Absorptionskammer (3) so komprimiert wird, dass es sich in einem, eine semipermeable Membran (4) bedeckenden Flüssigkeitsfilm (5) in einem solchen Masse löst, dass damit der osmotische Druck der jenseits der semipermeablen Membran (4) in einer mit einer Einfüllöff-nung (1) versehenen Konzentrationskammer (2) befindlichen Lösung diesseits der Membran überschritten wird, und die sich hier gebildete Gaslösung weggeschafft wird. 1. A method for the osmotic separation of a solution in solvent and concentrate with a pressure-soluble working gas, characterized in that the working gas is compressed with the aid of a pressure gas conveyor (8) in an absorption chamber (3) so that it is in a, a semipermeable Liquid film (5) covering membrane (4) dissolves to such an extent that the osmotic pressure on the other side of the semipermeable membrane (4) in a concentration chamber (2) provided with a filler opening (1) is exceeded on this side of the membrane , and the gas solution formed here is removed.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die, an der semipermeablen Membran (4) gebildete Gaslösung in eine Desorptionskammer (7) geschafft wird, in der mit Hilfe eines Desorbers, der mit dem Druckgasförderer (8) identisch sein kann, das Arbeitsgas zurückgewonnen werden kann. 2. The method according to claim 1, characterized in that the gas solution formed on the semipermeable membrane (4) is created in a desorption chamber (7) in which, with the aid of a desorber, which can be identical to the compressed gas conveyor (8) Working gas can be recovered.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absorptionskammer (3), die durch eine semipermeable Membran (4) von einer Konzentrationskammer (2), die eine verschliessbare, oder mit einer Pumpe versehene Einfüllöffnung (1) besitzt, abgetrennt ist, mit einem Druckgasförderer (8) verbunden ist und eine ver-schliess- oder drosselbare Gaslösungsableitung (6) besitzt. 3. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that an absorption chamber (3) through a semipermeable membrane (4) of a concentration chamber (2), which has a closable, or provided with a pump filling opening (1) , is separated, is connected to a compressed gas conveyor (8) and has a lockable or throttled gas solution discharge line (6).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentrationskammer (2) einen mit einer entsprechenden Drossel (11) bestückten Konzentratausfluss (10) besitzt. 4. The device according to claim 3, characterized in that the concentration chamber (2) has a concentrate outflow (10) equipped with a corresponding throttle (11).

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskammer (3) mit einem Sammeltopf für die erhaltene Gaslösung so verbunden ist, dass die Membran (4) nicht in diesen reicht. 5. The device according to claim 3, characterized in that the absorption chamber (3) is connected to a collecting pot for the gas solution obtained so that the membrane (4) does not extend into this.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaslösungsableitung (6) in eine Desorptionskammer (7), welche über einen Desorber, der, als Pumpe ausgebildet, mit dem Druckgasförderer (8) identisch sein kann, über den (8) diese (7) mit der Absorptionskammer (3) verbunden ist, verfügt, einen Lösungsmittelauslass (13) besitzt und mit einer Gasergänzungsöffnung (9) versehen sein kann, führt. 6. The device according to claim 3, characterized in that the gas solution discharge line (6) in a desorption chamber (7), which can be identical to the compressed gas conveyor (8) via a desorber, which, designed as a pump, via (8) this (7) is connected to the absorption chamber (3), has a solvent outlet (13) and can be provided with a gas addition opening (9).

Die hier beschriebene Vorrichtung und das entsprechende Verfahren dienen der Gewinnung von Konzentraten und reinen Lösungsmitteln. Beispielsweise können damit aus Milch Kondensmilch und Wasser, oder aus Abwasser verwertbare Lösungen und reines Wasser erhalten werden. The device described here and the corresponding method are used to obtain concentrates and pure solvents. For example, condensed milk and water, or usable solutions and pure water can be obtained from milk.

Derzeit werden zu diesem Zweck in erster Linie Apparaturen eingesetzt, in denen das Lösungsmittel verdampft und anschliessend kondensiert wird. Diese Verfahren haben aber die Nachteile, dass einerseits ein hoher Prozentsatz an Verdampfungsenergie nicht mehr zurückgewonnen werden kann und andererseits auch andere flüchtige Bestandteile übergehen. Diese Nachteile werden bei Verfahren des Ausfrierens wohl weitgehend umgangen, sind aber nur bei im festen Zustand unmischbaren Stoffpaaren anwendbar. Ein neueres Verfahren, bei dem der osmotische Druck einer Lösung durch einen, ihm entgegengesetzten mechanischen Druck überwunden wird, ist durch den Mangel, dass der aufzuwendende Druck wesentlich über dem theoretischen Minimum zu liegen hat und nicht wieder verwertet werden kann, behaftet. Currently, equipment is primarily used for this purpose in which the solvent is evaporated and then condensed. However, these processes have the disadvantages that, on the one hand, a high percentage of evaporation energy can no longer be recovered and, on the other hand, other volatile constituents also pass over. These disadvantages are largely avoided in the case of freezing-out methods, but can only be used in the case of pairs of substances immiscible in the solid state. A newer method, in which the osmotic pressure of a solution is overcome by an opposing mechanical pressure, is afflicted by the lack that the pressure to be applied has to be significantly above the theoretical minimum and cannot be reused.

Diese Nachteile werden mit dem hier beschriebenen Verfahren, beziehungsweise Vorrichtung, dadurch umgangen, dass ein Arbeitsgas durch einen an sich bekannten Gasdruckerzeuger (Kompressor, Gasbombe etc.) in einer Absorptionskammer unter einem solchen Druck gehalten wird, dass es sich in einem eine semipermeable Membran bedeckenden Lösungsmittelfilm in einem solchen Ausmass löst, dass der osmotische Druck dieses Filmes jenen der hinter der Membran befindlichen ursprünglichen Lösung übersteigt, womit durch diese Membran Lösungsmittel, das dann durch eine entsprechende Anordnung (Pumpe, Gefälle) aus derem Bereich entfernt wird, permeiert. Da nach Verlassen des Diffusionsbereiches auf der semipermeablen Membran das Arbeitsgas desorbiert werden kann, kann dieses bei entsprechender Führung ständig grösstenteils neu eingesetzt werden. Das dabei frei werdende Arbeitsgas wird einen umso grösseren Druck aufweisen, je höher der zur Absorption erforderliche Druck war. Das heisst, dass ein in einer kontinuierlich laufenden Anlage eingesetzter Kompressor nur geringfügig Arbeit zu leisten hat. Darüberhinaus treten hier keine den bekannten Verfahren anhaftenden Mängel auf. Insbesondere hat die Membran nicht wie bei Verfahren der Ultrafiltration einem Druckgefälle standzuhalten. These disadvantages are avoided with the method or device described here in that a working gas is kept under such a pressure in an absorption chamber by a gas pressure generator known per se (compressor, gas bomb, etc.) that it covers a semipermeable membrane Solvent film dissolves to such an extent that the osmotic pressure of this film exceeds that of the original solution located behind the membrane, permeating solvent through this membrane, which is then removed from the area by an appropriate arrangement (pump, gradient). Since the working gas can be desorbed on the semipermeable membrane after leaving the diffusion area, it can be used for the most part continuously with the appropriate guidance. The working gas released will have a greater pressure the higher the pressure required for absorption. This means that a compressor used in a continuously running system only has to do little work. In addition, there are no defects inherent in the known processes. In particular, the membrane does not have to withstand a pressure drop, as is the case with ultrafiltration processes.

Die Art des Arbeitsgases richtet sich in erster Linie nach dem Lösungsmittel und dessen Verwendungszweck, da es in vielen Fällen vorteilhaft sein dürfte, nicht restlos desorbiertes Arbeitsgas im Lösungsmittel zu belassen, da ansonsten eine chemische Nachreinigung erforderlich wäre. Beispielsweise können für Trinkwasser CO2, für Kesselspeisewasser NH3, für zahlreiche organische Lösungsmittel niedere Alkane usw. als Arbeitsgase verwendet werden. Die verwendete Membran darf für das verwendete Arbeitsgas jedoch nur geringfügig durchlässig sein. The type of working gas depends primarily on the solvent and its intended use, since in many cases it should be advantageous not to leave the working gas in the solvent that is not completely desorbed, otherwise chemical subsequent cleaning would be required. For example, CO2 can be used for drinking water, NH3 for boiler feed water, lower alkanes for numerous organic solvents, etc. as working gases. However, the membrane used may only be slightly permeable to the working gas used.

Die Zeichnung stellt das Schema einer kontinuierlich arbeitenden Ausführungsform dar. In dieser bedeutet 1 die Lösungsein-füllöffnung, die mit einer Pumpe versehen, oder bei chargenweiser Führung nach Füllung der Konzentrationskammer 2 mit der ursprünglichen Lösung verschlossen werden kann. Bei kontinuierlicher Führung des Verfahrens hat die Konzentrationskammer 2 weiters über einen Konzentratausfluss 10 zu verfügen, aus dem laufend Konzentrat gegen den Widerstand einer Drossel 11 ausfliesst. Die Konzentrationskammer 2 ist gegen eine angrenzende Absorptionskammer 3 durch eine in zahlreiche Falten gelegte oder in Form von Schläuchchen ausgebildete semipermeable Membran 4 abgegrenzt. In dem, diese Membran 4 bedek-kenden Lösungsmittelfilm 5, löst sich das unter Druck stehende Arbeitsgas, wobei Lösungsmittel aus der ursprünglichen Lösung in die Absorptionskammer permeiert. Die so gebildete Gaslösung fliesst von der Membran 4 ab und kann entweder in einem Lösungsmitteltopf gesammelt werden bis das Gas entspannt wird, oder kann durch eine mit einem Strömungshindernis 12 versehene Gaslösungsableitung 6 in eine Desorptionskammer 7 geleitet werden, in der auf Grund eines niederem Druckes und/oder höherer Temperatur, das Arbeitsgas entbunden wird. Bei Wiederverwendung des Arbeitsgases wird dieses durch einen als Pumpe ausgebildeten Druckgasförderer 8 in die Absorptionskammer 3 zurückbefördert. The drawing shows the diagram of a continuously working embodiment. In this, 1 means the solution filling opening, which is provided with a pump, or can be closed with the original solution after the concentration chamber 2 has been filled in batches. If the method is carried out continuously, the concentration chamber 2 must also have a concentrate outflow 10, from which concentrate continuously flows out against the resistance of a throttle 11. The concentration chamber 2 is delimited from an adjacent absorption chamber 3 by a semipermeable membrane 4 which is laid in numerous folds or in the form of tubes. The pressurized working gas dissolves in the solvent film 5 covering this membrane 4, whereby solvent permeates from the original solution into the absorption chamber. The gas solution thus formed flows from the membrane 4 and can either be collected in a solvent pot until the gas is released, or can be passed through a gas solution line 6 provided with a flow obstacle 12 into a desorption chamber 7 in which, owing to a low pressure and / or higher temperature, the working gas is released. When the working gas is reused, it is conveyed back into the absorption chamber 3 by a compressed gas conveyor 8 designed as a pump.

Bei kontinuierlicher Führung presst die an der Lösungseinfüll-öffnung 1 vorgesehene Pumpe die zu konzentrierende Lösung gerade mit einem solchen Druck in die Konzentrationskammer 2, wie dem jeweiligen Gasdruck entspricht. Die Membran hat also keinem Druckgefälle standzuhalten, wenn die Pumpe über Druckfühler gesteuert wird. In the case of continuous guidance, the pump provided at the solution filling opening 1 presses the solution to be concentrated into the concentration chamber 2 at a pressure which corresponds to the respective gas pressure. The membrane does not have to withstand a pressure drop if the pump is controlled by a pressure sensor.

Im Falle der Verwendung vorkomprimierter oder chemisch frei zu setzender Gase, gehen diese nach Arbeitsleistung ins Freie. Der Druckgasförderer 8 stellt dann deren Speicher dar und ist dann nur mit der Absorptionskammer 3 verbunden. Zur Ergänzung des nicht vollständig desorbierten Arbeitsgases, bzw. zur Füllung der Vorrichtung damit, ist eine Gaseinlassöffnung 9 vorgesehen, die vorteilhafterweise in die Desorptionskammer 7 mündet. Das reine Lösungsmittel wird durch einen Lösungsmit-telaustrag 13 weggeschafft. In the case of the use of pre-compressed or chemically released gases, these go outside after work. The compressed gas conveyor 8 then represents its storage and is then only connected to the absorption chamber 3. In order to supplement the working gas which is not completely desorbed, or to fill the device with it, a gas inlet opening 9 is provided which advantageously opens into the desorption chamber 7. The pure solvent is removed by a solvent discharge 13.

Die von einem als Druckgasförderer 8 eingesetzten Kompressor aufzubringende Energie errechnet sich bei idealisierten Bedingungen gemäss der, aus der allgemeinen Gasgleichung abgeleiteten Formel für die freie Enthalpie. Bei Ausführung dieses Verfahrens in kleinen Konzentrationsstufen (z.B. wenn der Konzentrat- The energy to be applied by a compressor used as a compressed gas conveyor 8 is calculated under idealized conditions according to the formula for free enthalpy derived from the general gas equation. When performing this procedure in small concentration levels (e.g. when the concentrate

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

619 151 619 151

ausfluss 10 der vorangehenden Stufe mit der Einfüllöffnung 1 der folgenden verbunden ist), oder dort, wo nur ein kleiner Teil an Lösungsmittel gewonnen wird, kann die Molzahl n in jeder Stufe näherungsweise konstant gesetzt werden. Für die einzelnen Stufen tritt dann anstelle von dem der Molzahl ni der Ausgangslösung 5 proportionalen Druck jener, der in der Desorptionskammer herrscht, bzw. die dazu proportionale Molzahl no. Damit folgt für eine Stufe bei idealisierten Bedingungen n, 10 Outflow 10 of the previous stage is connected to the filling opening 1 of the following), or where only a small part of solvent is obtained, the number of moles n can be set approximately constant in each stage. For the individual stages, instead of the pressure proportional to the number of moles ni of the starting solution 5, the pressure prevailing in the desorption chamber, or the number of moles no proportional thereto, then follows for a stage under idealized conditions n, 10

G=n2-R-T-ln— G = n2-R-T-ln—

n0 n0

wenn ri2 die Molzahl (Aktivität) des Konzentrates, bzw. der damit im Gleichgewicht stehenden Gaslösung ist. 15 if ri2 is the number of moles (activity) of the concentrate or the gas solution in equilibrium with it. 15

Für die Entsalzung von Meerwasser in mittleren Breiten, das im Vergleich zu den meisten Abwässern hoch konzentriert ist, For the desalination of mid-latitude sea water, which is highly concentrated compared to most wastewater,

ergibt sich bei Verwendung von CO2 als Arbeitsgas, wenn es bei 1 bar desorbiert wird und dem herangezogenen Meerwasser 5% 2o des Wassers entzogen werden, ein Energieaufwand von etwa 8 kWh je m3 gewonnen Wassers. Erfolgt die Desorption in einer Entspannungskolonne, kann ein wesentlicher Teil dieser Energie eingespart werden. If CO2 is used as the working gas, if it is desorbed at 1 bar and 5% 2o of the water is removed from the sea water, an energy expenditure of about 8 kWh per m3 of water obtained. If the desorption takes place in a relaxation column, a substantial part of this energy can be saved.

Für eine Serie derartiger Stufen, in der 112 nicht konstant ist, ergibt sich durch doppelte Integration ein Energieaufwand von For a series of such stages in which 112 is not constant, an energy expenditure of

G='/2-R-T-(ln—)2-^5 G = '/ 2-R-T- (ln—) 2- ^ 5

n0 n2-n0 n0 n2-n0

Bei komplexen Lösungen, wie Fruchtsäften, Milch, Abwässern etc., in denen durch Ausfällung, Koagulation, Assoziation etc. die Aktivität weitgehend konstant bleibt, gilt für eine nahezu vollständige Konzentrierung die erste, vereinfachte Gleichung. In the case of complex solutions, such as fruit juices, milk, waste water, etc., in which the activity remains largely constant due to precipitation, coagulation, association, etc., the first, simplified equation applies to an almost complete concentration.

Milch kann nach diesem Verfahren mit Hilfe von Ammoniak nahezu zur Trockene konzentriert werden. Milk can be concentrated almost to dryness using ammonia.

Die Membran 4 kann beispielsweise aus einem, mit Kollodium imprägnierten Stützgewebe, das eine Maschenweite von etwa 1-2 mm aufweist, bestehen. The membrane 4 can, for example, consist of a support fabric impregnated with collodion, which has a mesh size of approximately 1-2 mm.

Bei einer Schichtdicke des Films 5 von 0,2 mm und CO2 als Arbeitsgas werden bei 23° C stündlich etwa 201 Wasser je m2 Membranfläche gewonnen. Voraussetzung hierfür ist aber, dass die jenseits der Membran 4 gelösten Teilchen geringere Molekular-, Ionengewichte etc. haben, als die Gasmoleküle. Vorteilhaft ist, wenn in der Konzentrationskammer 2 Turbulenzen erzeugt werden, die die Diffusion in diesem Raum unterstützen. Letzteres kann dadurch erreicht werden, dass die zu konzentrierende Lösung zwischen zwei nahe zueinander parallel angeordnete und gefaltete Membran geleitet wird. With a layer thickness of film 5 of 0.2 mm and CO2 as the working gas, about 201 water per m2 of membrane surface are obtained at 23 ° C per hour. The prerequisite for this, however, is that the particles dissolved beyond the membrane 4 have lower molecular weights, ion weights etc. than the gas molecules. It is advantageous if 2 turbulences are generated in the concentration chamber, which support the diffusion in this space. The latter can be achieved in that the solution to be concentrated is passed between two diaphragms arranged and folded in close proximity to one another.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings