DE102017110658A1

DE102017110658A1 - Verfahren zur Erzeugung einer Leitwerterhöhung in vollentsalztem Wasser

Info

Publication number: DE102017110658A1
Application number: DE102017110658.8A
Authority: DE
Inventors: Bernd Heitele
Original assignee: Aquis Wasser Luft Systeme GmbH Lindau Zweigniederlassung Rebstein
Current assignee: Aquis Wasser Luft Systeme GmbH Lindau Zweigniederlassung Rebstein
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2018-10-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anhebung der Leitfähigkeit von vollentsalztem Wasser mittels eines Filterbetts. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass ein schwach basischer Anionenaustauscher verwendet wird.

Description

Stand der Technik:
Wasser kann für verschiedenste Anwendungen benutzt werden. Je nach Anforderung kann hierfür zuvor eine mehr oder weniger anspruchsvolle Aufbereitung erforderlich werden. Insbesondere gibt es spezielle Anwendungen, bei denen praktisch keine Rückstände durch Verdampfen, Verdunsten entstehen dürfen aber gleichzeitig noch eine Restleitfähigkeit grösser 5pS/cm vorhanden sein muss. So wird z. B. vollentsalztes Wasser angewendet, wenn beim Verdunsten bzw. Verdampfen von Wasser keine Rückstände durch gelöste Salze im Wasser entstehen dürfen.
Dies ist beispielsweise dann gefordert, wenn Füllstände in Boilern durch eine Leitwertsonde überwacht werden müssen oder physikalische Eigenschaften des Wassers bei extrem niedriger Leitfähigkeit Probleme bei der Anwendung verursachen. Ein Beispiel hierzu ist die steigende Tropfengrösse in Ultraschallverneblern mit abnehmender Restleitfähigkeit. So ist ein Betrieb unter etwa 5pS/cm nicht mehr möglich, da dann so grosse Tropfen entstehen, dass der Vernebler Wassertropfen verspritzt.
Um jedoch die Funktion „praktisch keine Rückstände durch gelöste Mineralien“ ebenfalls zu gewährleisten, darf die Restleitfähigkeit im Wasser 20 pS/cm nicht übersteigen. Dies kann heute durch die Kombination von Vollentsalzerkartuschen und der Dosierung von CO2 geschehen.
Bei Verwendung von Vollentsalzerkartuschen hat das damit aufbereitete Wasser unabhängig von der Rohwasserleitfähigkeit einen Leitwert kleiner 1 µS/cm. Durch die Zugabe von CO2 wird das vollentsalzte Wasser „angesäuert“ so dass eine Leitfähigkeit von etwa 15 pS/cm entsteht.
Besonders bei stark schwankenden Entnahmemengen nach der Vollentsalzung erfordert die Dosierung eines der oben erwähnten Zusatzstoffe eine hohe Dosiergenauigkeit und auch Messgenauigkeit, um die gewünschte Leitwertspanne durch einen Regelkreis zu erreichen. Entsprechend zuverlässige Dosiermittel sind erforderlich. Diese Methode ist daher teuer.
Es ist nun Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mittels dem in einem durch Ionenaustausch erzeugten, vollentsalzten Wasser eine kostengünstige und vorzugsweise eine im Wesentlichen entnahmeunabhängig stabile Leitwerterhöhung erreicht werden kann. Insbesondere im Bereich von etwa 15 pS/cm bis etwa 25 pS/cm oder sogar darüber.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 7. In den abhängigen Ansprüchen werden vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.
Dementsprechend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anhebung der Leitfähigkeit von vollentsalztem Wasser. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass dazu ein schwach basischer Anionenaustauscher verwendet wird.
Dies hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Methode, bzw. das Verfahren, ohne mechanische und/oder hydraulische Dosiermittel für Zusatzstoffedurchgeführt werden kann. Und auch ohne Zudosierung von CO2 oder Zudosierung eines Wasser mit höherer Leitfähigkeit. Durch den Wegfall solcher Mittel kann dieses Verfahren daher vergleichsweise kostengünstiger und weniger störanfällig, also robuster durchgeführt werden.
Insbesondere bildet der schwach basische Anionenaustauscher ein Filterbett aus, über das das vollentsalzte Wasser geleitet wird. Dadurch kann das aufzubereitende Wasser direkt im Anschluss an die Vollentsalzung im gewünschten Maße in seiner Leitfähigkeit beeinflusst werden. Besonders bevorzugt sogar in einem gemeinsamen Gehäuse. Damit kann auch eine einfach handzuhabende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung gestellt werden.
Vorgeschlagen wird hierzu folgende verfahrenstechnische Anordnung um Wasser mit einer Leitfähigkeit von ca. 5 pS/cm bis ca. 20 pS/cm herzustellen:
Als erster Schitt wird Wasser mit einer Leitfähigkeit kleiner ca. 5pS/cm erzeugt. Dieses Wasser kann durch Ionenaustausch mittels Mischbett (Stark saure Kationenaustauscher und stark basische Anionenaustauscher) oder durch Ionenaustausch durch die schichtweise Anordnung von wenigstens einer Schicht stark saurem Kationenaustauscher in H- Form und einem nachgeschalteten schwach und/oder stark basischen Anionenaustauscher geschehen. Prinzipiell kann das Wasser auch einer Umkehrosmoseanlage mit entsprechender Restleitfähigkeit entstammen.
Der nun erfindungsgemässe zweite Schritt der Einstellung der Restleitfähigkeit erfolgt durch eine Ansäuerung über schwach basischen Anionenaustauscher. Der Begriff Leitwertstabilisierungsstufe ist im Folgenden gleichzusetzen mit der Ansäuerung durch die Filtration über ein Filterbett mit schwach basischen Anionenaustauscher. Das Mass der Ansäuerung hängt von der Basizität des Anionenaustauschers und dem gewählten Gegenion sowie dem spezifischen Beladungsgrad ab.
Beim Ionenaustausch ist das Gegenion das Ion, welches die Aktivengruppen des Ionenaustauschers elektrisch neutralisiert.
Bei Anionenaustauschern ist das Gegenion negativ geladen und somit ein Anion. D. h., bei Anionenaustauschern sind die aktiven Gruppen positiv geleaden. Als Gegenionen kommen bei Anionenaustauschern z.B. in Betracht: Chlorid, Sulfat, Nitrat, Fluorid, Nitrit, Bromid, Hydrogencarbonat, Carbonat, Hydroxyionen etc. Dementsprechend können beim Anionenaustauscher die Gegenionen beliebige Anionen sein.
Bei Kationenaustauschern ist das Gegenion positiv geladen und somit ein Kation. D. h., bei Kationenaustauschern sind die aktiven Gruppen negativ geladen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das in Schritt zwei definierte Wasser über ein Filterbett mit einem zu ca. 20% bis ca. 90% in der Nitratform befindlichen schwach basischen Anionenaustauscher geleitet werden. Ein Beispiel für solch einen Austauscher ist ein S4528 von Lanxess®.
Weiter bevorzugt kann neben Nitrat auch ein anderes Gegenion für den schwach basischen Anionenaustauscher Verwendung finden. Z.B Chlorid, Sulfat oder Nitrationen. Dabei zeigt sich, dass mit Chlorid als Gegenion Restleitfähigkeiten grösser 25 µS/cm erreicht werden. Mit Sulfat als Gegenion werden hingegen Restleitfähigkeiten kleiner 10 µS/cm erreicht.
Insbesondere bevorzugt kann zur Durchführung des Verfahrens während des Leitwerterhöhungsvorgangs der Anionenaustauscher dem Wasser Hydroxidionen entziehen und so in die freie Baseform überführen.
In einer weiter bevorzugten Weise kann zur Erzielung eines Sollleitwerts zwischen 10 pS/cm und 25 pS/cm Nitrat als Gegenion verwendet werden und der Nitratgehalt des schwach basischen Austauschers im Bereich von ca. 25% bis ca. 75% der Totalkapazität liegen.
Totalkapazität beim Anionenaustauscher ist die maximale Anzahl von Positiven Ladungen am Anionenaustauscher bezogen auf einen Liter Ionenaustauschermenge. Und beim Kationenaustauscher ist Totalkapazität die maximale Anzahl von negativen Ladungen am Kationenaustauscher bezogen auf einen Liter Ionenaustauschermenge.
Die Verwendung eines schwach basischen Anionenaustauschers zur gezielten und dosierten Ansäuerung von Wasser insbesondere Wasser mit einer Leitfähigkeit kleiner ca. 5pS ist überraschend, da man zum Ansäuern von Wasser üblicherweise H+ Ionen also Kationen benötigt. Ein stark saurer Kationenaustauscher in H Form steht jedoch im Gleichgewicht mit dem vollentsalzten Wasser und kann keine weiteren H+ Ionen zur Ansäuerung abgeben, da das vollentsalzte Wasser nichts enthält, was der Austauscher im Gegenzug aufnehmen kann. Der schwach basische Anionenaustauscher, welcher zu einem erheblichen Teil seiner aktiven Gruppen mit Anionen (Chlorid, Nitrat, Sulfat, Hydrogencarbonat) beladen ist, kann jedoch, aufgrund seiner hohen Affinität für OH- und dem Bestreben die freie Baseform zu erreichen, dem Wasser OH- entziehen und dafür das Anion abgeben, bis sich ein pH Wert im Wasser von ph3.5 bis ph5, je nach verwendetem Anion, einstellt.
Wird einem vollentsalzten Wasser OH- entzogen, so wird gemäss den Regeln des Ionenprodukts für Wasser H+ gebildet und damit das Wasser angesäuert.
Auf diese Weise kann durch eine extrem niedrige Abgabe von Nitrat aus dem schwach basischen Anionenaustuscher das vollentsalzte Wasser durch die Bildung von H+ die Leitfähigkeit angehoben werden. Beim Verlassen des Filterbetts steht dabei das so angesäuerte Wasser im Wesentlichen im Gleichgewicht mit dem bevorzugt nitratbeladenen schwach basischen Anionenaustauscher. Da dies eine Gleichgewichtsreaktion ist, wächst der Leitwert nicht über einen bestimmten Wert an und ist auch weitgehend unabhängig von der Durchströmungsgeschwindigkeit solange das Filterbett groß genug dimensioniert wird. Filtrationsgeschwindigkeiten von bis zu 200BV/h sind dabei möglich.
BV/h bedeutet dabei Bettvolumen pro Stunde - Beispiel: Installierte Ionenaustauschermenge in L . Kann man z.B. maximal 100 BV /h behandeln, so bedeutet dies bei 1 L installierter Ionenaustauschermenge kann man maximale 100 1 - Wasser pro Stunde (bzw. zu behandelnde Flüssigkeit) mit dem gewünschten Ergebnis aufbereiten.
Hat man bei 100 BV/h nur z.B. 0.2 L Ionenaustauscher installiert, so kann man auch nur bis zu 20 L/h mit dem gewünschten Ergebnis behandeln.
Die Erfindung betrifft im Weiteren eine Vorrichtung zur Anhebung der Leitfähigkeit von vollentsalztem Wasser mittels eines Filterbetts. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass das Filterbett einen schwach basischen Anionenaustauscher enthält.
Ausführungsbeispiel:
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dementsprechend zeigt die beigefügte Figur eine Vorrichtung 1 zur Leitwerteinstellung für aufzubereitendes Wasser 5, umfassend einen Vollentsalzer 2 und eine Leitwertstabilisierungsstufe 3. Mittels eines Einlasses 1.1 wird aufzubereitendes Wasser 5 in die Vorrichtung 1 eingeleitet und mittels eines Auslasses 1.2 aufbereitetes Wasser 6 ausgeleitet.
Nach der Passage des Einlasses 1.1 durchfließt das aufzubereitende Wasser 5 ein Filterbett 2.1, das z. B. ein Gemisch aus stark saurem Kationentauscher 2.2 und stark und/oder schwach basischem Anionentauscher 2.3 umfassen kann. Insbeosndere um das aufzubereitende Wasser 5 voll zu entsalzen und auf einen Leitwert kleiner etwa 5µS zu bringen.
Dieses voll entsalzte Wasser wird danach, z. B. nach Passieren eines Übergangsbereichs 4, zur Einflussnahme auf seinen Leitwert über eine Leitwertstabilisierungsstufe 3 geleitet. Diese Leitwertstabilisierungsstufe 3 kann zur gezielten Einstellung des Leitwertes einen Anionentauscher 3.1, insbesondere einen schwach sauen Anionentauscher umfassen. Dies, um dem vollentsalzten Wasser OH- zu entziehen, so gemäss den Regeln des Ionenprodukts für Wasser H+ gebildet und damit das Wasser angesäuert wird.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Leitwerteinstellung
1.1: Einlass
1.2: 1.2 Auslass
2: Vollentsalzer
2.1: Filterbett
2.2: stark saurer Katinentauscher
2.3: stark basischer Anionentauscher
3: Leitwertstabilisierungsstufe
3.1: Anionentauscher
4: Übergangsbereich
5: aufzubereitendes Wasser
5.1: anzusäuerndes Wasser
6: aufbereitetes Wasser

Claims

Verfahren zur Anhebung der Leitfähigkeit von vollentsalztem Wasser (5.1) dadurch gekennzeichnet, dass ein schwach basischer Anionenaustauscher (3.1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das das vollentsalzte Wasser (5.1) über ein aus dem schwach basischen Anionenaustauscher (3.1) ausbildetes Filterbett (3), geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der schwach basische Anionenausauscher (3.1) zur Leitwertanhebung mit ca. 20% bis ca. 90% der Totalkapazität mit einem Gegenion beladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Anionen zur Beladung Chlorid, Sulfat oder Nitrationen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Leitwerterhöhungsvorgangs der Anionenaustauscher (3.1) dem Wasser (5.1) Hydroxidionen entzieht und so in die freie Baseform überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines Sollleitwerts zwischen ca. 10 pS/cm und ca. 25µS/cm Nitrat als Gegenion verwendet wird und der Nitratgehalt des schwach basischen Austauschers im Bereich von ca. 25% bis ca. 75% der Totalkapazität liegt.
Vorrichtung zur Anhebung der Leitfähigkeit von vollentsalztem Wasser mittels eines Filterbetts, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterbett einen schwach basischen Anionenaustauscher enthält.