DE10332789A1 - Membrane assembly, electrodialysis device and method of continuous electrodialytic desalination - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membrananordnung zur kontinuierlichen elektrodialytischen Entsalzung bzw. Vollentsalzung, umfassend mindestens eine Kationen- und Anionenaustauschermembran in paralleler Anordnung, wobei die Oberfläche der Membranen jeweils mindestens bereichsweise auf einer oder beiden Seiten gleich- oder verschieden gestaltete Erhebungen und Vertiefungen aufweist, so dass die Vertiefungen zwischen den Erhebungen Kanäle bilden und die Membranen über die auf ihren Oberflächen angeordneten Erhebungen mindestens bereichsweise miteinander in Kontakt stehen, so dass zwischen den Membranen ein Kanalsystem gebildet wird, das mit Diluat bzw. Konzentrat durchströmt wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine die Membrananordnung umfassende Elektrodialysevorrichtung sowie ein Verfahren zur kontinuierlichen elektrodialytischen Entsalzung bzw. Vollentsalzung.The The present invention relates to a membrane assembly for continuous electrodialytic desalting or demineralization, comprising at least a cation and anion exchange membrane in parallel arrangement, the surface the membranes at least partially on one or both Pages of identically or differently designed elevations and depressions so that the recesses between the elevations form channels and the membranes over the on their surfaces arranged surveys at least partially with each other in Contact, so that a channel system formed between the membranes is flowed through with diluate or concentrate. Furthermore, the The present invention provides an electrodialysis device comprising the membrane assembly and a process for continuous electrodialytic desalination or desalination.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membrananordnung zur kontinuierlichen elektrodialytischen Entsalzung bzw. Vollentsalzung, umfassend mindestens eine Kationen- und Anionenaustauschermembran in paralleler Anordnung, wobei die Oberfläche der Membranen jeweils mindestens bereichsweise auf einer oder beiden Seiten gleich- oder verschieden gestaltete Erhebungen und Vertiefungen aufweist, so dass die Vertiefungen zwischen den Erhebungen Kanäle bilden, und die Membranen über die auf ihren Oberflächen angeordneten Erhebungen mindestens bereichsweise miteinander in Kontakt stehen, so dass zwischen den Membranen ein Kanalsystem gebildet wird, das mit Diluat bzw. Konzentrat durchströmt wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine die Membrananordnung umfassende Elektrodialysevorrichtung sowie ein Verfahren zur kontinuierlichen elektrodialytischen Entsalzung bzw. Vollentsalzung.The The present invention relates to a membrane assembly for continuous electrodialytic desalting or demineralization, comprising at least a cation and anion exchange membrane in parallel arrangement, the surface the membranes at least partially on one or both Pages of identically or differently designed elevations and depressions so that the recesses between the elevations form channels, and the membranes over the on their surfaces arranged surveys at least partially with each other in Contact, so that a channel system formed between the membranes is flowed through with diluate or concentrate. Furthermore, the The present invention provides an electrodialysis device comprising the membrane assembly and a process for continuous electrodialytic desalination or desalination.
In vielen Bereichen der Industrie werden erhebliche Mengen an teil- oder vollentsalztem Wasser benötigt. Dabei können die Anforderungen, die an den Reinheitsgrad dieses Wassers gestellt werden, recht unterschiedlich sein. Sie reichen von hochreinem Wasser mit einer Leitfähigkeit von ca. 0,06 μS cm–1 für Spül- und Produktionsprozesse in der Halbleiterindustrie und analytischen Laboratorien bis hin zu Kesselspeisewasser, bei dem eine Restleitfähigkeit bis zu 0,2 μS cm–1 toleriert werden kann. Ein technisch einfaches und zuverlässiges Verfahren zur Erzeugung von vollentsalztem Wasser für industrielle Anwendungen ist daher von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung.In many areas of industry, significant amounts of partially or demineralized water are needed. The requirements that are placed on the purity of this water can be quite different. They range from ultrapure water with a conductivity of approx. 0.06 μS cm -1 for rinsing and production processes in the semiconductor industry and analytical laboratories to boiler feed water, where a residual conductivity of up to 0.2 μS cm -1 can be tolerated , A technically simple and reliable process for the production of demineralized water for industrial applications is therefore of considerable economic importance.
Bei der Erzeugung von vollentsalztem Wasser werden üblicherweise Verfahren wie Umkehrosmose, Elektrodialyse oder Ionenaustauschverfahren eingesetzt. Da es im allgemeinen nicht möglich ist, mit einem der vorgenannten Verfahren allein Wasser der gewünschten Qualität wirtschaftlich zu erzeugen, wird häufig eine Kombination verschiedener Verfahren eingesetzt, z.B. ein Verfahren auf Basis einer Umkehrosmose oder Elektrodialyse mit einem Mischbettionenaustauscher. Da die notwendige Regeneration des Mischbettionenaustauschers arbeits- und kostenintensiv ist, wird ein derartiges Verfahren mehr und mehr durch ein Verfahren, das als kontinuierliche elektrodialytische Deionisation („continuous electrodeionization"; CEDI) bezeichnet wird, ersetzt (vgl. Ganzi, G.C.; 1988, „Electrodeionisation for high purity water production" in: New Membrane Materials and Processes for Separation, Edts: K.K. Sirkar, D.R. Lloyd, AlChE Symposium Series 84, 73–83 bzw. Thate, S., 2002, Untersuchung der elektrochemischen Deionisation zur Reinstwasserherstellung, Dissertation Universität Stuttgart, ISBN 3-89722-911-0). Bei diesem Verfahren handelt es sich im Prinzip um eine Elektrodialyse, bei der die Diluatkammern mit einem Mischbettionenaustauscherharz gefüllt sind. Eine konventionelle Elektrodialyse konnte bisher nicht eingesetzt werden, da die elektrischen Widerstände des entsalzten Wassers in der Diluatkammer ohne Ionenaustauscherharzfüllung so hoch sind, dass der Prozess nur mit äußerst geringer Stromdichte gefahren werden kann und somit unwirtschaftlich ist, wenn die sogenannte limitierende Grenzstromdichte nicht überschritten werden soll.at The production of demineralised water will usually be procedures such as Reverse osmosis, electrodialysis or ion exchange method used. As it is generally not possible is, with one of the aforementioned methods alone water of the desired quality to produce economically, is often a combination of different Methods used, e.g. a method based on reverse osmosis or electrodialysis with a mixed bed ion exchanger. Because the necessary regeneration of the mixed bed ion exchanger working and costly, such a process is more and more by a process called continuous electrodialytic Deionization ("continuous electrodeionization", CEDI) is replaced (see Ganzi, G. C., 1988, "Electrodeionisation for high purity water production "in: New Membrane Materials and Processes for Separation, Edts: K.K. Sirkar, D.R. Lloyd, AlChE Symposium Series 84, 73-83 Thate, S., 2002, Investigation of Electrochemical Deionization for ultrapure water production, dissertation University of Stuttgart, ISBN 3-89722-911-0). This procedure is in principle to an electrodialysis, in which the diluate chambers with a mixed bed ion exchange resin filled are. Conventional electrodialysis has not been used so far because of the electrical resistance of the desalinated water in the diluate chamber without ion exchange resin filling are so high that the Process only with extremely low Current density can be driven and thus uneconomical, if the so-called limiting limiting current density is not exceeded shall be.
Aber auch der vorstehend genannte CEDI-Prozess hat erhebliche Nachteile, die hauptsächlich in der aufwändigen Herstellung der mit Ionenaustauscher gefüllten Elektrodialysekammern und der ungleichmäßigen Durchströmung der Ionenaustauscherschüttung liegen.But also the above-mentioned CEDI process has considerable disadvantages, the main ones in the elaborate Production of the ion exchange-filled electrodialysis chambers and the uneven flow through the ion exchanger bed lie.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Membrananordnung bereitzustellen, die es ermöglicht, vollentsalztes Wasser hoher Qualität direkt aus einem Rohwasser herzustellen, wobei die obengenannten Probleme vermieden werden sollen.It is therefore an object of the present invention, a membrane assembly to provide that makes it possible demineralized water of high quality directly from a raw water to produce, avoiding the above problems should.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.These The object is achieved by the embodiments characterized in the claims solved.
Insbesondere wird eine Membrananordnung zur kontinuierlichen elektrodialytischen Entsalzung bzw. Vollentsalzung bereitgestellt, umfassend mindestens eine Kationen- und Anionenaustauschermembran in paralleler Anordnung, wobei die Oberfläche der Membranen jeweils mindestens bereichsweise auf einer oder beiden Seiten gleich- oder verschieden gestaltete Erhebungen und Vertiefungen aufweist, so dass die Vertiefungen zwischen den Erhebungen Kanäle bilden, und die Membranen über die auf ihren Oberflächen angeordneten Erhebungen mindestens bereichsweise miteinander in Kontakt stehen, so dass zwischen den Membranen ein Kanalsystem gebildet wird, das mit Diluat bzw. Konzentrat durchströmt wird.In particular, a membrane assembly for continuous electrodialytic desalting or demineralization is provided, comprising at least one cation and anion exchange membrane in parallel arrangement, wherein the surface of the membranes each at least partially on one or both sides identically shaped or differently shaped elevations and depressions, so that the Wells between the surveys channels form, and the membranes are at least partially in contact with each other via the surveys arranged on their surfaces, so that between the membranes, a channel system is formed, which with diluate or concentrate is flowed through.
Üblicherweise ist eine erfindungsgemäße Membrananordnung aus einer Vielzahl von abwechselnd parallel zueinander angeordneten, dergestalt strukturierten Kationen- und Anionenaustauschermembranen aufgebaut. Die erfindungsgemäße Membrananordnung kann dann insbesondere aus beidseitig oberflächenmodifizierten Membranen aufgebaut sein.Usually is a membrane arrangement according to the invention of a plurality of alternately arranged parallel to each other, built structured cation and anion exchange membranes. The membrane arrangement according to the invention can then in particular surface-modified membranes on both sides be constructed.
Eine wesentliche Grundlage der vorliegenden Erfindung liegt in der Erkenntnis, dass bei der Elektrodeionisation mit Ionenaustauscherharz-gefüllten Diluatkammern Rohwasser mit geringer elektrischer Leitfähigkeit bei noch akzeptablen Stromdichten vollständig entsalzt werden kann, wenn die Kationen- und Anionenaustauschermembranen punktuell über ein Ionenaustauscherharz in direktem Kontakt sind, so dass der Transport der Ionen aus dem zu entsalzenden Wasser über das Ionenaustauscherharz an die Oberfläche der Membranen erfolgt. Der gleiche Effekt lässt sich auch dann erzielen, wenn die Oberflächen der Ionenaustauschermembranen in der Diluatkammer derart gestaltet sind, dass möglichst viele Kontaktstellen zwischen den Membranen vorliegen und das Verhältnis von freiem Volumen zur Membranoberfläche möglichst gering ist. Gleichzeitig wird dabei erfindungsgemäß gewährleistet, dass der Rohwasserstrom mit optimaler Verteilung und Durchmischung und mit geringem Druckverlust die Diluatkammer durchströmt.A essential basis of the present invention lies in the knowledge that in the electrodeionization with ion exchange resin-filled diluate chambers Raw water with low electrical conductivity while still acceptable Current densities completely can be desalted when the cation and anion exchange membranes selectively over an ion exchange resin are in direct contact so that the transport the ions from the water to be desalinated over the ion exchange resin to the surface the membranes takes place. The same effect can be achieved even when the surfaces the ion exchange membranes in the diluate designed in such a way are that as many as possible Contact points between the membranes are present and the ratio of free volume to the membrane surface preferably is low. At the same time, according to the invention, that the raw water flow with optimal distribution and mixing and flows through the diluate chamber with low pressure loss.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Membrananordnung dergestalt, dass die aufeinanderfolgenden Membranen, d.h. eine Kationen- und eine Anionenaustauschermembran, strich- oder punktweise über 0,1% bis 50% der Membranfläche miteinander in Kontakt stehen. Mehr bevorzugt beträgt die Berührfläche zweier nebeneinander angeordneter oberflächenstrukturierter Membranen zwischen 1 % und 50% der jeweiligen Membranoberfläche. Das Verhältnis der Membranoberflächen zu dem freien, für die Durchströmung verfügbaren Volumen kann dabei jeweils vorzugsweise 1 cm2/0,001 cm3 bis 1 cm2/0,5 cm3 betragen.Preferably, the membrane arrangement according to the invention is such that the successive membranes, ie a cation and an anion exchange membrane, are in contact with each other in lines or points over 0.1% to 50% of the membrane area. More preferably, the contact surface of two juxtaposed surface-structured membranes between 1% and 50% of the respective membrane surface. The ratio of the membrane surfaces to the free volume available for the flow can in each case preferably be 1 cm 2 / 0.001 cm 3 to 1 cm 2 / 0.5 cm 3 .
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt der Abstand zwischen den Erhebungen im Bereich von 0,1 mm bis 8 mm, vorzugsweise 0,5 mm bis 4 mm, und die Höhe der Erhebungen im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm, vorzugsweise 0,2 mm bis 2 mm.According to one embodiment The present invention is the distance between the surveys in the range of 0.1 mm to 8 mm, preferably 0.5 mm to 4 mm, and the height the elevations in the range of 0.05 mm to 5 mm, preferably 0.2 mm to 2 mm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegen die Erhebungen in der Form von Stegen vor, so dass die Vertiefungen zwischen den Stegen Kanäle bilden. Die Stegbreiten liegen dabei in den vorstehend angeführten Abstandsbereichen. Die Form der Stege unterliegt keiner spezifischen Beschränkung. So können die Stege beispielsweise in im Wesentlichen rechtwinkliger Form, prismatischer Form, sinusförmiger oder kegelförmiger Form ausgebildet sein. Die Kanäle können beispielsweise auch konisch oder sich verjüngend ausgelegt sein. Die Strukturierung bzw. Anordnung der Stege bzw. Kanäle unterliegt keiner spezifischen Beschränkung. So können die Stege kontinuierlich, d.h. ohne Unterbrechungen, verlaufen, so dass die Vertiefungen zwischen den Stegen beispielsweise zueinander parallel verlaufende Kanäle bzw. Rillen bilden. Alternativ kann die Anordnung dergestalt sein, dass die Stege bereichsweise unterbrochen sind. Des weiteren kann die Oberfläche einer Membran der erfindungsgemäßen Membrananordnung beispielsweise auch Noppen oder ein Muster aus versetzten Stegen enthalten, so dass sie mit der angrenzenden Membran derart in Kontakt steht bzw. sich abstützt, dass die Berührung punkt- oder linienförmig erfolgt.According to one another embodiment According to the present invention, the elevations are in the form of Webs so that the recesses between the webs form channels. The ridge widths are in the above-mentioned distance ranges. The shape of the webs is not subject to any specific limitation. So can the webs, for example, in substantially rectangular shape, more prismatic Shape, sinusoidal or cone-shaped Form be formed. The channels can for example, be designed conical or tapered. The structuring or arrangement of the webs or channels is not subject to any specific Restriction. So can the webs continuously, i. without interruptions, run, such that the depressions between the webs, for example, to each other parallel channels or grooves. Alternatively, the arrangement may be such that the webs are partially interrupted. Furthermore, the surface a membrane of the membrane arrangement according to the invention for example, pimples or a pattern of staggered webs so that they are in contact with the adjacent membrane stands or supports, that touch punctiform or linear.
Die Stege können zudem auf einer Seite in einem Winkel β zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sein. Gegebenenfalls können dann auch die Stege auf der Membranrückseite in einem Winkel γ zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sein, wobei die Winkel β und γ Werte zwischen –90° und +90° annehmen.The Stages can also on one side at an angle β to the main flow direction be arranged. If necessary, then the webs on the membrane back at an angle γ to Main flow direction be arranged, with the angles β and γ values between -90 ° and + 90 ° assume.
Die Membranen können in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung jeweils derart angeordnet sein, dass ein Strömungskanalsystem mit gekreuzter Wellenstruktur gebildet wird.The Membranes can in one embodiment each of the present invention be arranged such that a flow channel system with crossed wave structure is formed.
Die erfindungsgemäße Membrananordung gewährleistet eine optimale Strömungsführung der Rohlösung. Darüber hinaus setzt sie den elektrischen Widerstand der Lösung in der Diluatkammer soweit herab, dass nur ein Bruchteil der sonst üblichen Membranfläche für eine Vorrichtung vorgegebener Kapazität notwendig ist.The ensures membrane arrangement according to the invention an optimal flow of the raw solution. Furthermore it sets the electrical resistance of the solution in the diluate chamber so far come down that just a fraction of the usual membrane area for a device predetermined capacity necessary is.
Die Figuren zeigen:The Figures show:
Da die Leitfähigkeit des Diluats um Größenordnungen niedriger als die in einer Ionenaustauschermembran ist, wurde bisher angenommen, dass es in der Elektrodialyse eine limitierende Stromdichte gibt, bei der die Ionenkonzentration an der Membranoberfläche in der Diluatkammer gegen Null geht und der Widerstand in der Diluatlösung sehr stark zunimmt. Da es beim Überschreiten dieser sogenannten limitierenden Grenzstromdichte zu einer Wasserdissoziation und damit zu einer Verschiebung des pH-Werts in den durch die Membran getrennten Lösungen kommen kann, wurde bisher angenommen, dass die limitierende Grenzstromdichte nicht überschritten werden darf, wenn eine effektive und wirtschaftliche Wasserentsalzung gewährleistet sein soll. Da aber die limitierende Grenzstromdichte bei vollentsalztem Wasser in einer üblichen Elektrodialysevorrichtung einen sehr niedrigen Wert besitzt, sind entsprechend große Membranflächen erforderlich, wenn ein Produktwasser niedriger Leitfähigkeit erhalten werden soll. Seit einigen Jahren ist jedoch bekannt, dass es beim Überschreiten der limitierenden Grenzstromdichte in der Elektrodialyse nur zu einem beschränkten Anstieg des Widerstandes kommt. Daran schließt sich ein Bereich an, der weit oberhalb der limitierenden Grenzstromdichte liegt, in dem sich der Widerstand nur entsprechend der Konzentration des Diluats verhält und kaum Wasserdissoziation erfolgt. Dieser Bereich wird als „overlimiting current density„ bezeichnet. In umfangreichen experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Grenzstromdichte um ein Vielfaches überschritten werden kann, ohne dass es zu einer signifikanten pH-Wertverschiebung und einer Verringerung der Stromausbeute kommt (vgl. Krol, J.J., Wessling, M., Strathmann, H., 1999, „Concentration polarization with monopolar ion-exchange membranes", J. Membrane Sci., 1999, 162, Seiten 145–154; Rubinstein, I., Warshawsky, A., Schechtman, L., Kedem, O., „Elimination of acid-base generation in electrodialysis", Desalination, 1984, 51, Seiten 55–60). Auch in theoretischen Überlegungen wurde gezeigt, dass es bei einer bestimmten Stackkonstruktion und Beschaffenheit der Membranen zu einer sogenannten Elektrokonvektion kommt, welche die negativen Folgen eines Überschreitens der limitierenden Grenzstromdichte weitestgehend ausschließt.There the conductivity of the diluate by orders of magnitude lower than that in an ion exchange membrane has been so far assumed that there is a limiting current density in electrodialysis, in which the ion concentration at the membrane surface in the Diluate chamber goes to zero and the resistance in the diluate solution is very high strongly increases. As it passes by this so-called limiting limiting current density to a water dissociation and thus a shift of the pH in the through the membrane separate solutions can come, it was previously believed that the limiting limiting current density not exceeded be allowed if an effective and economical desalination water guaranteed should be. But since the limiting limiting current density in demineralized Water in a usual Electrodialysis device has a very low value are accordingly size membrane surfaces required if a product water of low conductivity to be obtained. For some years, however, it is known that it when passing the limiting limiting current density in electrodialysis only too a limited one Increase in resistance comes. This is followed by an area that far above the limiting limiting current density in which the resistance only behaves according to the concentration of the diluate and hardly Water dissociation occurs. This area is called "overlimiting current density ". In extensive experimental investigations it could be shown that the limiting current density can be exceeded many times, without that there is a significant pH shift and a reduction the current efficiency comes (see Krol, J.J., Wessling, M., Strathmann, H., 1999, "Concentration polarization with monopolar ion-exchange membranes ", J. Membrane Sci., 1999, 162, pages 145-154; Rubinstein, I., Warshawsky, A., Schechtman, L., Kedem, O., "Elimination of acid-base generation in electrodialysis ", Desalination, 1984, 51, pages 55-60) in theoretical considerations It has been shown to work on a particular stack construction and Nature of the membranes to a so-called electrical convection comes, which the negative consequences of exceeding the limiting Excludes limiting current density as far as possible.
Obwohl somit also ein Betrieb einer konventionellen Elektrodialyse auch oberhalb der Grenzstromdichte möglich ist, ist dieser Betriebsbereich technisch nicht attraktiv. Ursache ist die starke Zunahme des Widerstandes der Diluatkammer, sobald sehr niedrige Diluatkonzentrationen angestrebt werden, und der daraus resultierende Spannungsabfall bzw. elektrische Energiebedarf.Even though thus, so a operation of a conventional electrodialysis also possible above the limiting current density is, this operating area is technically not attractive. reason is the strong increase in the resistance of the diluate chamber, as soon as possible low diluate concentrations are sought, and the result resulting voltage drop or electrical energy demand.
Stattdessen
wird beim sog. CEDI(continuous electro-deionization)-Verfahren die
Diluatkammer mit Mischbettionenaustauscher gefüllt. Dabei werden die Ionen
zum einen wie beim klassischen Mischbettionenaustausch durch die
Austauscherkörner
aufgenommen, zum anderen wird der Austauscher fortlaufend im elektrischen
Feld regeneriert. Die Regeneration erfolgt durch die Wasserdissoziation
an den Kontaktpunkten von Kationen- und Anionenaustauscherkörnern, wobei
die gebildeten H+- und OH–-Ionen
die anderen aufgenommenen Ionen in die Konzentrationskammern verdrängen. Obwohl
dieses Verfahren zunehmend technisch eingesetzt wird, liegen seine Nachteile
in dem komplexen Aufbau mit der Gefahr einer ungleichmäßigen Schüttungsverteilung
und einer insgesamt wenig effizienten Regeneration der Mischbettschüttung.
Die erfindungsgemäße Membrananordnung stellt demgegenüber eine neue, effiziente Kombination aus den beiden vorstehenden Ansätzen dar. Zum einen wird durch die erfindungsgemäße Oberflächengestaltung der Membranen die elektrodialytische Ionenabscheidung oberhalb der Grenzstromdichte wesentlich verbessert. Zum anderen findet an den Kontaktpunkten von Anionen- und Kationenaustauschermembran eine fortlaufende Wasserdissoziation statt, wodurch die Membranoberfläche fortlaufend in die H+- bzw. OH–-Form regeneriert wird, so dass sie andere Ionen wie ein Ionenaustauscher aufnimmt.In contrast, the membrane arrangement according to the invention represents a new, efficient combination of the two preceding approaches. On the one hand, the surface design of the membranes according to the invention substantially improves the electrodialytic ion deposition above the limiting current density. On the other hand, there is a continuous dissociation of water at the contact points of anion and cation exchange membrane, whereby the membrane surface is continuously regenerated in the H + - or OH - form so that it receives other ions such as an ion exchanger.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine Elektrodialysevorrichtung, welche mindestens eine erfindungsgemäße Membrananordnung umfasst. Üblicherweise umfasst eine erfindungsgemäße Elektrodialysevorrichtung eine Vielzahl solcher Membrananordnungen unter Bildung entsprechender Kanalsysteme für Diluat- bzw. Konzentratströme.The The present invention further relates to an electrodialysis apparatus, which comprises at least one membrane arrangement according to the invention. Usually comprises an electrodialysis device according to the invention a plurality of such membrane assemblies to form corresponding Duct systems for Diluate or concentrate streams.
Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Elektrodialysevorrichtung derart aufgebaut sein, dass eine aus mehreren Membranen aufgebaute Membrananordnung zwischen zwei Elektroden so angeordnet ist, dass zwischen den Membranen ein Freiraum, d.h. ein entsprechendes Kanalsystem, vorliegt, der bzw. das alternierend mit dem Diluat und dem Konzentrat durchströmt wird. Durch die erfindungsgemäße wechselseitige Anordnung von Kationen- und Anionenaustauschermembranen kommt es durch Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zu einem Transport von Ionen, der so verläuft, dass im Diluatstrom eine Abreicherung und im Konzentratstrom ein Anreicherung stattfindet. Bei genügend langer Verweildauer der Lösungen in der Membraneinheit kommt es zur Entsalzung des Diluatstromes.For example can the electrodialysis device according to the invention be constructed such that a membrane assembly constructed from a plurality of membranes between two electrodes is arranged so that between the membranes a free space, i. a corresponding channel system, is present, the or which is alternately flowed through with the diluate and the concentrate. By the inventive mutual Arrangement of cation and anion exchange membranes it passes through Applying an electrical potential difference to a transport of ions that runs like this that in the Diluatstrom a depletion and in the concentrate stream Enrichment takes place. If the residence time is long enough solutions in the membrane unit, desalting of the diluate stream occurs.
Ein gewisser Nachteil einer konventionellen Strömungsführung besteht darin, dass das austretende Diluat durch das an der gleichen Seite des Stacks bzw. der Membrananordnung austretende Konzentrat verunreinigt werden kann. Das kann zum einen auf der mangelnden Sperrwirkung der eingesetzten Membranen gegenüber Co-ionen beruhen und zum anderen an Dichtungsleckagen zwischen den Kanälen für Diluat und Konzentrat und/oder Elektrodenspüllösung liegen.One A certain disadvantage of a conventional flow guidance is that the leaking diluate through the on the same side of the stack or the membrane assembly leaking concentrate are contaminated can. On the one hand, this can be attributed to the lack of blocking effect of the used Opposite membranes Co ions are based on the one hand and on the other seal leakage between the channels for diluate and concentrate and / or electrode rinse solution.
Diese Nachteile können dadurch verhindert werden, dass ein Teil des erzeugten Diluats abgezweigt und in den Konzentratkammern im Gegenstrom zum Diluat zurückgeführt wird. Bei der herkömmlichen Elektrodialyse wäre die Konzentratleitfähigkeit bei dieser Strömungsführung zu niedrig und würde zu hohe Spannungsabfälle bewirken. Durch die erfindungsgemäße Membrananordnung mit vorzugsweise beidseitig oberflächenstrukturierten, sich berührenden Membranen erfolgt der Großteil der Stromleitung allerdings über die gut leitende Membranphase, so dass auch eine sehr niedrige Konzentratleitfähigkeit tolerierbar ist.These Disadvantages can be prevented by diverting a portion of the diluate produced and recycled in the concentrate chambers in countercurrent to the diluate. In the conventional Electrodialysis would be the concentrate conductivity in this flow guide too low and would too high voltage drops cause. By the membrane arrangement according to the invention preferably surface-structured on both sides, touching oneself Membranes are the major part the power line over the well-conductive membrane phase, so that also a very low Konzentratleitfähigkeit is tolerable.
An den Elektrodenseiten wird der Stack erfindungsgemäß durch je zwei Kammern begrenzt. Sie werden beide mit Diluat rückgespült, das in die Konzentratsammelleitung geführt wird. Damit wird erfindungsgemäß eine Kontamination des Diluats durch Ionen der Elektrodenspülung vermieden, da alle Ionen, die in die elektrodennächste Kammer übertreten, durch die Strömung und das elektrische Feld wieder entfernt werden. Daher wird die elektrodennächste Kammer gegen die Kathode durch eine Kationentauschermembran und gegen die Anode durch eine Anionentauschermembran abgetrennt. Falls für beide Elektroden die gleiche Spüllösung benutzt wird, sind die Verbindungsleitungen außerhalb des Stacks zu führen.At the electrode sides of the stack according to the invention each two chambers limited. They are both backwashed with diluate, the is guided into the concentrate collection line. This is a contamination according to the invention the diluate is avoided by ions of the electrode rinse, since all ions, in the electrode next Chamber violate, through the flow and the electric field are removed again. Therefore, the electrodes next Chamber against the cathode through a cation exchange membrane and separated against the anode by an anion exchange membrane. If for both Electrodes the same rinse solution is used, The connecting cables must be routed outside the stack.
Durch
den erfindungsgemäßen Aufbau
der in
Die
in
Der aus dem Diluat abgezweigte Konzentratzulauf beträgt vorzugsweise zwischen 2% und 70%, mehr bevorzugt zwischen 5% und 50% des Feedstroms. Daher können die Profilierungen bzw. Oberflächenstrukturierungen auf der Konzentratseite erfindungsgemäß so gewählt werden, dass sich im Vergleich zur Diluatseite ein entsprechend kleinerer freier Strömungsquerschnitt ergibt.Of the concentrate concentrate diverted from the diluate is preferably between 2% and 70%, more preferably between 5% and 50% of the feed stream. Therefore can the profiling or surface structuring On the concentrate side according to the invention are chosen so that in comparison to Diluatseite a correspondingly smaller free flow cross-section results.
Aufgrund
der von der Feed-/Konzentratseite zur Diluatseite abnehmenden Ionenkonzentration
in Diluat und Konzentrat nimmt auch der elektrische Widerstand zwischen
Anode und Kathode von der Feed-/Konzentratseite zur Diluatseite
zu. Es kann daher erfindungsgemäß zweckmäßig sein,
die Elektroden auf einer Seite oder auf beiden Seiten so zu trennen,
dass die Spannung auf die Erfordernisse der Abtrennung bei hoher
und bei niedriger Ionenkonzentration angepasst werden kann.
Die oberflächenstrukturierten Membranen liegen somit üblicherweise ohne Spacer direkt aufeinander, wobei die Abdichtung nach außen sowie zu den nicht betroffenen Strömungskanälen durch dazwischen angeordnete Flachdichtungen, durch Aufeinanderlegen entsprechend profilierter Membranen oder durch Verkleben oder Verschweißen aufeinander folgender Membranen erfolgt.The surface-structured membranes are thus usually without spacer directly to each other, the seal to the outside and to the flow channels not affected by interposed flat gaskets, by up lie facing each other according to profiled membranes or by gluing or welding successive membranes.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen elektrodialytischen Entsalzung bzw. Vollentsalzung, worin durch die erfindungsgemäßen Membrananordnungen Diluat- bzw. Konzentratkammern gebildet werden und die entsprechenden Diluatströme im Gegenstrom zu den Konzentratströmen geführt werden, wobei ein Teilstrom des Diluatablaufs, der zwischen 2% und 70% der zu entionisierenden Lösung beträgt, als Zulauf für die Konzentratkammern genutzt wird und wobei die Elektrodenspülung zweckmäßigerweise getrennt von Konzentrat außerhalb der Membrananordnung geführt wird. In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Wasser bei einer Stromdichte entsalzt werden, die etwa um den Faktor 30 höher liegt als die in einer konventionellen Vorrichtung, ohne dass es zu einer pH-Wertänderung im Diluat kommt und ohne dass die Diluatkammer mit einem Mischbettionenaustauscher gefüllt ist. Das bedeutet, dass für eine Vorrichtung vorgegebener Kapazität entsprechend geringere Membranflächen notwendig sind und dass somit die Investitionskosten entsprechend geringer sind als bei einer konventionellen Elektrodialyse gleicher Kapazität. Gleichzeitig gewährleistet die erfindungsgemäße Strömungsführung im Stack mit Teilrückführung des Diluats in den Konzentratkammern, dass der Bereich vollentsalzter Lösung räumlich vollständig vom Bereich konzentrierterer Lösung getrennt ist, so dass eine Kontamination der vollentsalzten Lösung durch Leckionenströme in den Membranen oder Lecks in den Zu-/Ableitungskanälen weitgehend ausgeschlossen werden kann.One Another object of the present invention relates to a method for continuous electrodialytic desalting, in which by the membrane arrangements according to the invention Diluat- or concentrate chambers are formed and the corresponding Diluatströme are conducted in countercurrent to the concentrate streams, wherein a partial stream Diluatablaufs that between 2% and 70% of the deionized solution is, as Inlet for the concentrate chambers is used and wherein the electrode rinse expediently separated from concentrate outside guided the membrane assembly becomes. In the method according to the invention For example, water can be desalinated at a current density that is about that Factor 30 higher is as in a conventional device without it to a pH change comes in the diluate and without the diluate chamber with a mixed bed ion exchanger filled is. That means that for a device of predetermined capacity correspondingly smaller membrane areas necessary and that therefore the investment costs are correspondingly lower are compared to conventional electrodialysis of the same capacity. simultaneously ensures the Flow guide according to the invention Stack with partial feedback of the Diluats in the concentrate chambers that demineralized the area Solution spatially completely from Area of concentrated solution is separated, allowing contamination of the demineralized solution by Leak ion currents in the membranes or leaks in the inlet / outlet channels largely can be excluded.
Alle Nachteile der bisher praktizierten CEDI-Verfahren werden erfindungsgemäß mit der Membrananordnung umgangen, die Mischbettionenaustauscher in den Diluatkammern eines Elektrodialysestacks überflüssig macht. Kern der Erfindung sind demnach neuartig geformte Membranen mit einer strukturierten Oberfläche, wobei die Membranen so angeordnet sind, dass sich Kationen- und Anionenaustauschermembranen in der Diluatkammer und gegebenenfalls auch in der Konzentratkammer an einer Vielzahl von Punkten direkt berühren. Mit der hier vorgestellten Elektrodialysevorrichtung lässt sich vollentsalztes Wasser hoher Qualität direkt aus einem Rohwasser oder in Kombination mit einer Umkehrosmose oder Nanofiltration erheblich kostengünstiger als mit den bisher bekannten Verfahren herstellen.All Disadvantages of the previously practiced CEDI method according to the invention with the Bypassed membrane arrangement, the mixed bed ion exchanger in the Diluatkammern an electrodialysis stack makes superfluous. Core of the invention are therefore novel shaped membranes with a structured Surface, wherein the membranes are arranged so that cation and Anion exchange membranes in the diluate chamber and optionally also in the concentrate chamber at a variety of points directly touch. With the electrodialysis device presented here can be completely demineralized Water of high quality directly from a raw water or in combination with a reverse osmosis or nanofiltration considerably cheaper than previously produce known methods.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |