DE1017594B - Mehrzellenapparat zur kontinuierlichen Elektrodialyse - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bei dem Bau von Elektrodialysevorrieihtungen besteht die grundsätzliche Forderung, die Breite der Zellen, d. ti. den Abstand zwischen den Membranen, mögliehst klein zu halten. Denn mit der Vergrößerung des Abstandes wächst der Energieaufwand. Der Abstand soll vorzugsweise kleiner sein als 3 mm. Er kann aber auch 0,3 mm und sogar noch geringer sein. Betrachtet man die bisherigen Ausführungen, so ist festzustellen, daß sie in dieser Hinsicht diesen Anforderungen noch keineswegs genügen. Da ihre Zellenbreite wesentlich größer ist als die vorgenannten wünschenswerten Abstände, so ist mit ihrer Veränderung ein unerfreulich hoher Energieverbrauch bei der Elektrodialyse verbunden. Man hat zwar schon versucht, diesen Übelstand zu beseitigen, hat jedoch dabei keine Erfolge gehabt. Alle Bemühungen scheiterten an der Schwierigkeit, geeignete Zufuhr- und Abführmittel für die Flüssigkeiten an Zellen mit sehr geringen Membranabständen in der obenerwähnten Größenanordnung anzubringen.

Nach der Erfindung gelingt es erstmalig, der besagten Schwierigkeiten Herr zu werden und einen verbesserten Mehrzellenapparat für die kontinuierliche Elektrodialyse von Flüssigkeiten zu schaffen. In diesem folgen in bekannter Weise abwechselnd aufeinander Anionen bzw. Kationen durchlassende Membranen. Diese weisen zur jeweiligen gemeinsamen Ableitung des Dialysates und der Spülflüssigkeit aus den Dklysier- bzw. Spülzellen Löcher auf. Der erfindungsgemäße Apparat ist dadurch gekennzeichnet, daß jede Membran zwei Löcher aufweist, die nach einem ganz bestimmten Schema flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind. Zur Anwendung dieses Schemas beziffert man die einzelnen Membranen, indem man ihnen zweckmäßig die Ordnungszahlen ihrer Reihenfolge, also etwa 1, 2, 3, . . ., zuordnet. Diese Ordnungszahl sei η genannt. Dann erfolgt die Verbindung erfindungsgemäß so, daß jede Membran der Ordnungszahl η zwei Löcher A_n und B_n aufweist, wobei Loch A_n mit dem entsprechenden Loch A_n+1 der nächsten bzw. Loch B_n mit dem entsprechenden LoChS_n-1 der vorangehenden Membran am Rand flüssigkeitsdicht verbunden ist. Ein weiteres Kennzeichen besteht darin, daß jede Membran außerdem mindestens noch ein werteres Loch aufweist.

Die gewählte Kennzeichnung drückt in allgemeiner Form kurz aus, wie durch die erfindungsgemäße Verbindung der einzelnen Membranen die verschiedenen Wege für die Leitungen zur Abfuhr der Flüssigkeiten aus den Dialysier- bzw. Spülzellen über korrespondierende Löcher durch die ganze Reihe der Membranen hindurch gebildet werden. Es werden danach einerseits als Abfuhrleitung der Dialysierzellen die beiden Membranen, welche jede Spülzelle begrenzen, Mehrzellenapparat
zur kontinuierlichen Elektrodialyse

Anmelder:

Nederlandse Centrale Organisatie voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk

Onderzoek, Den Haag

Vertreter:

Dipl,-Ing. R. Amthor und Dipl.-Ing. W. Gollung,
Patentanwälte, Frankfurt/M., Eysseneckstr. 36

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 20. September 1952 und 28. Mai 1953

Sybrandus Gerhardus Wiechers,

Pretoria (Südafrikanische Union),

und Cornells van Hoek, Wassenaar (Niederlande),

sind als Erfinder genannt worden

paarweise flüssigkeitsdicht mit den Rändern der Löcher miteinander verbunden. Als Abfuhrleitung der Spülzellen werden andererseits die beiden Membranen, die jede Dialysatzelle begrenzen, in gleicher Weise verbunden. Grundsätzlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei getrennte Abfuhirleitungen auf, während man für die Zufuhr mit einer Leitung auskommt, selbst in Fällen, wo zwei verschiedene Flüssigkeiten der Elektrodialyse unterworfen werden sollen. Die gemeinsamen Zuführungen von zwei verschiedenen Flüssigkeiten, wie etwa von Leitungswasser und Industrieflüssigkeiten (Farbstofflösungen) sind jedoch unwirtschaftlich, denn einmal ist der Energieaufwand höher, und zum anderen werden besondere Anforderungen an die Membranselektivität gestellt. Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus muß man also eine Trennung der beiden Flüssigkeiten beim Eingang in die Vorrichtung fordern.

Es gibt aber Fälle, in denen die Zuführ über eine Leitung nicht nur anzuraten, sondern sogar erforderlich ist. Dies trifft zu, - wenn man Brackwasser

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elektrodialysiert. Da in diesem Fall nur eine Art des Randes genau radial verläuft; erforderlich, sind ^:

Flüssigkeit zur Verfügung steht, muß der höhere nur die an der Außenseite des Randes ausmündenden

Kostenaufwand, der durch bessere Membranen und Kanäle, welche mit der axialen öffnung in Verfoin-

höhere Energie verursacht wird, in Kauf genommen dung stehen.

werden, um eine Trennung in Süßwasser (Dialysat) 5 Ein solcher Druckkörper kann aus zwei flachen

und Salzwasser (Spümüssigkeit) herbeizuführen. Platten mit übereinstimmenden Löchern und einer

Unter Spülflüssigkeit ist hier selbstverständlich das flüssigkeitsdurchlässigen federnden Verbindung zwi-

mit Salz angereicherte Brackwasser zu verstehen. sehen diesen Platten bestehen, wobei die federnde

Getrennte Zufuhrleitungen sind also grundsätzlich Verbindung z. B. aus gewelltem und perforiertem

nicht erforderlich, wenn nur eine Flüssigkeit vorliegt, io f ilmförmigem Material oder aus Gummielementen

die elektrodialysiert werden soll. wie auch aus einer Spiralfeder bestehen kann. Das

Von Dialysier- und Spülflüssigkeit bzw. von Material der Platten kann aus rostfreiem Stahl und

Dialysier- und Spülzellen kann man im eigentlichen das Material des gewellten und perforierten Filmes

Sinn nicht mehr sprechen, wenn in der Elektrodialyse- kann aus Polyvinylchlorid bestehen, jedoch kann

vorrichtung Salzlösungen konzentriert werden sollen. 15 auch jedes andere geeignete Material verwendet

Um den Verhältnissen, die dann vorliegen, auch im werden.

Ausdruck gerecht zu werden, sind unter Dialysier- Es ist möglich, die Membranen bei dem Rand der zellen allgemein solche zu verstehen, aus welchen bei Löcher miteinander zu verbinden, ohne diese un-Elektrodialyse Ionen entzogen, und unter Spülzellen mittelbar gegeneinanderzudrücken. Dazu werden die solche, weichen bei der Elektrodialyse Ionen zu- 20 Membranen gegen einen zwischenliegenden Körper geführt werden. In den Fällen, wo nur eine einzige gedrückt, der mit einer axialen Durchbohrung verFlüssigkeit der Vorrichtung zugeführt wird, können sehen ist, welche jedoch keine Flüssigkeit vom Mittelsämtliche Membranen für die Flüssigkeitszufuhr mit punkt hinaus durchläßt, oder es werden die Memeiner einzigen Reihe von Löchern versehen sein, wo- brauen hierauf befestigt, z. B. indem man Druckbei diese einzige Reihe von Löchern eine gemein- 25 körper von geeigneter Form an beide Seiten von jedem schaftliche Zufuhr für sämtliche Zellen (sowohl Paar Membranen, das miteinander verbunden werden Dialysier- wie Spülzellen) bildet. Hierbei ist keine soll, anbringt.

der Membranen mit einer folgenden Membran um Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen er-

diese Löcher verbunden, sondern die Membranen läutert, in denen eine beispielsweise Ausfülhrungsform

werden in der Umgebung dieser Löcher in gewisser 30 mit je zwei getrennten Zu- und Abflußleitungen dar-

Entfernung voneinander gehalten. gestellt ist.

Die Auslaßöffnungen: befinden sich vorzugsweise Fig. 1 stellt schematisch eine Elektrodialysevorrich-

oben in den Zellen, damit die Gase, welche in den tung dar;

Zellen entstehen können, leichter aus der Vorrichtung Fig. 2 stellt eine Elektrodialysevorrichtung in senkentfernt werden können. 35 rechtem Durchschnitt nach der Linie H-II in Fig. 3 Die flüssigkeitsdichte Verbindung zweier aufein- dar, wobei die Membranen paarweise um die Löcher anderfolgender Membranen kann in verschiedener aneinandergeheftet sind;

Weise hergestellt werden. So können die Membranen Fig. 3 stellt einen Querschnitt nach der Linie III-III

mit den Rändern um die Löcher festgeklebt werden. in Fig. 2 dar;

Vorzugsweise verbindet man aber die Membranen 40 Fig. 4 stellt einen horizontalen Querschnitt ent-

derart, daß man sie mit den Rändern um die Löcher sprechend mit einem Teil des Schnittes nach IV-IV

nacheinander zu- oder insbesondere gegeneinander- in Fig. 3 von einem anderen Ausführungsbeispiel dar,

drückt, mit Hilfe von Körpern, welche stetig eine bei dem die Membranen um die Löcher herum mittels

gleichmäßige Kraft senkrecht auf die Membranen elastischer Druckkörper mit Löchern, die mit denen in

ausüben. Diese Körper dienen zwei Aufgaben: Ein- 45 den Membranen übereinstimmen, gegeneinander-

mal wird mit ihrer Hilfe die erforderliche flüssig- gedruckt sind;

keitsdiehte Verbindung erzielt und zum anderenmal Fig. 5 stellt in größerem Maßstab ein Ausführungswerden sie zur Aufrechterhaltung eines ganz be- beispiel eines Druckkörpers dar zur Anwendung in stimmten Abstandes zwischen den einzelnen Mem- der Vorrichtung nach Fig. 4;

branen benutzt. 50 Fig. 6 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel der

Im letzteren Fall kommt es also auf eine Erfindung dar, bei dem die Membranen paarweise mit

flüssigkeitsdichte Verbindung nicht an. Dement- zwischenliegenden, von Rahmenteilen gebildeten

sprechend weisen die Körper gewisse Abweichungen Körpern verbunden sind.

auf, je. nachdem wofür sie verwendet werden sollen. Nach Fi;g. 1 fließen das Dialysat und die Spül-

Sie besitzen die gemeinsame Eigenschaft einer ge- 55 flüssigkeit, welche in die abwechselnden Zellen durch

wissen Elastizität, denn dies ist mit Rücksicht auf die die Leitungen A bzw. B zugeführt werden und aus

besondere Natur der Membranen, an welche sich die diesen Zellen durch die Leitungen C und D abgeführt

Druckkörper fest anlegen müssen, erforderlich. Ferner werden, durch diese Zellen hindurch, welche parallel

besitzen sämtliche Druckkörper eine axiale Durch- in dem Flüssigkeitsstrom geschaltet sind. Die Zellen

bohrung. Zusätzlich tragen noch radiale Bohrungen 60 werden jeweils von einer positiven Membran 1 und

alle die Druckkörper, die lediglieh zum Halten des einer negativen Membran 2 begrenzt. Die in dieser

Abstandes zwischen den Membranen verwendet wer- Weise gebildeten Zellen enthalten Dialysat bzw. Spül-

den, wodurch im Falle einer einzigen Flüssigkeit, flüssigkeit.

die zugeführt wird, deren Leitungsweg sowohl in die In der Vorrichtung nach den Fig. 2 und 4 dienen

Dialysier- wie die Spülzellen (im Sinn der oben fest- 65 die Rahmen von einfacher, rechtwinkliger oder runder

gelegten Bedeutung) sichergestellt ist. Form nur zur Begrenzung des Randes der Elektro-

Hierbei brauchen die radialen Öffnungen nicht all- dialysezellen. Die Dicke dieser Rahmen bestimmt den

seitig über den Rand der Druckkörper verteilt zu Abstand zwischen den Membranen, welcher in der

sein, noch ist es erforderlich, daß die Verbindung ganzen Vorrichtung aufrechterhalten wird. Zur Ab- r

zwischen der axialen Durchbohrung und der öffnung 70 Standshaltung der Membranen können innerhalb ;;:

dieser Rahmen an sich bekannte Stützen von geeigneter Form und aus geeignetem Material, z. B. dünne, gewellte und perforierte Polyvinylchlorid-Streifen, vorgesehen sein, deren Dicke etwa gleich der Dicke der Rahmen ist.

Die Dialysezellen haben eine gemeinschaftliche Zufuhr A, und die Spülzellen haben eine gesonderte gemeinschaftliche Zufuhr B, wobei jede Zufuhr eine Reihe von korrespondierenden Löchern umfaßt, gebildet von einem Loch in jeder Membran, und die die Spülzellen begrenzenden Membranen von Leitung A sind paarweise um die Löcher herum nüssigkeitsdicht miteinander verbunden, während von Leitung B gerade die andereni Seiten der Membranen paarweise um die Löcher miteinander verbunden sind.

Die Dialysezellen haben einen gemeinschaftlichen Auslaß C₁ und die Spülzellen haben einen gesonderten gemeinschaftlichen Auslaß D, wobei jeder dieser Auslässe eine Reihe von korrespondierenden Löchern in jeder Membran umfaßt, während die Membranen, auf dieselbe Weise wie bei den Zufuihrleitungen paarweise um die Löcher nüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 wird die gemeinschaftliche Zufuhr A für die Dialysezellen gebildet, indem man die Membranen 1 und 2, 1' und 2' usw. um die Löcher in der unteren rechten Ecke (wie in Fig. 3 angegeben ist) zusammenheftet. Der übereinstimmende Auslaß C wird auf gleiche Weise gebildet, während die Zufuhr B und der Auslaß D für die Spülzellen gebildet werden, indem man die Membranen 1 und 2', 1' und 2" usw. um die Löcher in der unteren linken Ecke bzw. der oberen rechten Ecke zusammenheftet. Das Dialysat wird von der gemeinschaftlichen Zufuhr A zugeführt und wird durch den gemeinschaftlichen, diagonal gegenüber der Zufuhr liegenden Auslaß C abgeführt. Die Spülfiüssigkeit wird durch die gemeinschaftliche Zufuhr B zugeführt und durch den gemeinschaftlichen Auslaß D abgeführt. Es ist natürlich sehr .wesentlich, um jede eineReihe von korrespondierendenLöchern umfassende gemeinschaftliche Zufuhr oder Abfuhr vollkommen flüssigkeitsdicht von den Zellen abzuschließen, mit welchen keine Verbindung bestehen darf. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man die Membranen rings um die Löcher herum mit einem wasserfesten Klebstoff zusammenklebt. An jeder Stelle, wo eine Elektrodialysezelle für das Dialysat oder für die Spülflüssigkeit nicht mit einer der genannten Leitungen in Verbindung sein darf, werden also· die zwei Membranen, welche die senkrechte Begrenzung der Zelle bilden, in genügender Breite um das Loch herum mit wasserfestem Leim zusammengeheftet. Auf diese A¥eise ist es möglich, im voraus ein vollständiges Membranpaket (von z. B. 20O¹ Membranen) zusammenstellen zu können. Weil die Rahmen und die Stützschichten, für die Membranen nachher angebracht werden können, ist es möglich:, den Leim in dem ganzen Membranpaket unter Druck und bei erhöhter Temperatur in einem Arbeitsgang zu härten. Nach dem Leimen hat das ganze Membranpaket etwa das Aussehen einer auseinanderziehbaren »Girlande«, wobei jede Membran in dem Paket auf zwei diagonal einander gegenüberliegenden Stellen an die nächste Membran geleimt ist und auf zwei einander gegenüberliegenden Stellen auf der anderen Diagonalen an die vorhergehende Membran geleimt ist. Die Zufuhr und Abfuhr jeder einzelnen Zelle, welche von aufeinanderfolgenden Membranen gebildet wird, liegen einander diagonal gegenüber. Es ist natürlich möglich, die Stelle der Löcher in den Membranen anders zu wählen, jedoch vorzugsweise derart, daß ein Minimum stillstehender Flüssigkeit in der Zelle während der Elektrodialyse entsteht.

Wenn die Membranen, aus einem thermoplastischen Stoff bestehen, können sie auch durch Zusammenschmelzen in der Wärme statt durch Leimen miteinander verbunden werden.

Bevor das Membranpaket in den Druckrahmen der Vorrichtung angebracht wird, werden zuerst die Stützschichten und danach die Rahmen zwischen den Paaren abwechselnder Membranen angebracht. Sowohl die Stützschichten wie die Rahmen sind etwa von der gleichen Dicke, und nur diese Dicke bestimmt den Membranabstand in der Elektrodialysevorricbtung.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, das zum Teil in Fig. 4 dargestellt ist, dienen dünne Scheiben aus geeignetem Material dazu, die Membranen um die Löcher herum aufeinanderzudrücken. Diese dünnen Scheiben können von jeder geeigneten Form sein, z. B. rund, wie in Fig. 5 wiedergegeben ist. Eine solche dünne Scheibe oder ein solcher Druckkörper kann aus zwei flachen Platten 9 und 10 mit übereinstimmenden Löchern und mit einer flüssigkeitsdurchlässigen Füllung 8 zwischen diesen Platten, die an die Platten angeheftet sein kann, bestehen, wobei diese Löcher mit den bezüglichen Membranlöchern übereinstimmen. Diese Füllung kann aus gewelltem und eventuell perforiertem Polyvinylchloridstreifen bestehen. Diese Körper sind an beiden Seiten von jedem Membranpaar, das gegeneinandergedrückt werden soll, angebracht. Die Füllung unterbricht den erwünschten Flüssigkeitsdurchgang nicht; dazu kann sie perforiert sein und/oder mit einer Öffnung, die mit der Öffnung der Membran übereinstimmt, versehen sein. Diese Körper, deren Dicke das Doppelte jedes Rahmens' beträgt, können auf eine geeignete Weise abwechselnd mit dem Rahmen verbunden sein, damit das Montieren der ganzen Vorrichtung erleichtert wird, jedoch dürfen sie dabei ihre axiale Elastizität über ihre ganze Oberfläche nicht verlieren.

Fig. 6 stellt beide Rahmen 11 und 12 mit einem Teil der genannten Zufuhr- und Au si aß leitungen A, B, C und D dar, die von den Löchern in den Membranen, Löchern in abwechselnden Rahmenkörpern und übereinstimmenden Aussparungen in den anderen Rahmen gebildet werden. Die Membran wird zwischen den Rahmen 11 und 12 bei B und D um die Löcher gegen den Rahmen 12 befestigt oder vorzugsweise dagegengedrückt und bei A und C am Rahmen 11 befestigt oder vorzugsweise an diesen gedrückt. Eine Befestigung kann erfolgen, indem man die Membran auf die Rahmen festklebt. Zum Aufdrücken der Membranen gegen diese Rahmen dienen Druckkörper. Die zwischenliegenden Körper sollen vorzugsweise so schmal wie möglich sein, damit die Zellen so frei wie möglich mit den Zufuhr- und Abfuhrleitungen in Verbindung stehen; in der Fig. 6 ist gezeigt, daß die Dicke des Rahmens 11 um die Löcher A und C und die des Rahmens· 12 um die Löcher B und D geringer ist als der übrige Teil des Rahmens.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Mehrzellenapparat zur kontinuierlichen Elektrodialyse von Flüssigkeiten mit abwechselnd aufeinanderfolgenden, Anionen bzw. Kationen durchlassenden Membranen, die zur jeweiligen gemeinsamen Ableitung der Flüssigkeiten aus den Dialysier- bzw. Spülzellen Löcher aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen, entsprechend der Numerierung ihrer Reihenfolge mit

der Ordnungszahl n bezeichneten Membranen zwei Löcher (A_n und B_n) aufweisen, wobei Loch (A_n) mit dem entsprechenden Loch (A_{n + x}) der nächsten bzw. Loch (.B_n) mit dem entsprechenden Loch (B_n-1) der vorangehenden Membran am Rand nüssiglceitsdicht verbunden ist und jede Membran mindestens noch ein weiteres Loch besitzt.

2. Mehrzellenapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne Membran der Ordnungszahl η vier Löcher (A_n, B_n, C_n und D_n) besitzt, wobei die Löcherpaare (A_n und C_n bzw. B_n und D_n) diagonal gegenüberliegen und die Löcher (A_n mit A_{n + v} B_n mit B_n _ _v C_n mit C_{n + ±} und D_n mit D_n _ _t) am Rand flüssigkeitsdicht verbunden sind.

3. Mehrzellenapparat nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen flüssigkeitsdicht durch federnde, mit einer axialen öffnung und gegebenenfalls mit dieser in Verbindung stehenden radialen öffnung versehene Druckkörper verbunden sind.

4. Mehrzellenapparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkörper jeweils aus zwei parallelen, mit korrespondierenden öffnungen versehenen Platten (9, 10) und einer zwischen diesen befindlichen, die federnde Verbindung herstellenden Zwischenlage (8) bestehen.

5. Mehrzellenapparat nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die federnde Zwischenlage (8) der Druckkörper aus gewelltem filmförmigem und mit einer oder mehreren öffnungen für den Flüssigkeitsdurchilaß versehenen Material besteht.

6. Mehrzellenapparat nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte filmförmige Material über die ganze Oberfläche mit Löchern versehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 546 824, 827 350;
französische Patentschrift Nr. 619 080;
USA.-Patentsohrift Nr. 2 225 024.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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