DE1094712B - Elektrodialytische Zelle und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents
Elektrodialytische Zelle und Verfahren zu deren BetriebInfo
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Description
DEUTSCHES
In einer elektrodialytischen Zelle, die durch Membranen in Kammern geteilt ist, wo jede Kammer auf
der einen Seite durch eine für Ionen der einen Ladung und auf der anderen Seite durch eine für Ionen der entgegengesetzten
Ladung durchlässige Membrane begrenzt ist, können Kationen und Anionen durch die für
sie selektiv durchlässigen Membranen, jedoch nicht durch die anderen Membranen wandern. Es ist daher
möglich, gelöste Salze aus einer Lösung zu entfernen, indem man dieselbe durch jede zweite Kammer leitet.
Man läßt eine getrennte Elektrolytlösung durch die übrigen Kammern fließen, die die wandernden Ionen
aufnimmt. Durch die Anordnung der Kammern zueinander, die von beiden Flüssigkeitsströmen durchflossen
werden, wird eine elektrisch leitende Bahn zwischen den beiden Elektroden gebildet.
In der Praxis besteht neben der Ionenwanderung unter Einfluß des elektrischen Stromes in der zuvor angeführten
Weise immer noch eine Wanderung von Teilchen durch die Membranen, die durch Diffusion und
durch die Tendenz gelöster Substanzen, ihre Konzentrationen in Lösungen auszugleichen, bedingt ist. Elektrolyte
sowie Nichtelektrolyte können durch Diffusion durch die Membranen wandern. Ein Wandern von
Nichtelektrolyten (einschließlich Wasser) durch die Membranen kann auch durch Elektroosmose eintreten.
Wir stellten fest, daß dieses unerwünschte Wandern durch die Membranen reduziert werden kann, indem
man eine Druckdifferenz an den Membranen unterhält. In einer Vielkammerzelle ist es jedoch unmöglich, eine
gleiche Druckdifferenz an allen Membranen aufrechtzuerhalten, wenn nicht die parallel angeordneten Kammern,
durch welche jeder Flüssigkeitsstrom fließt, jeweils von einem gemeinsamen Rohr 'beschickt werden
und jeweils einen gemeinsamen Ablauf haben. In der Praxis führt es selten während eines einzigen Durchlaufes
der Flüssigkeit durch die Zelle zu einer hinreichenden Entsalzung. Deshalb schaltet man die einzelnen
Kammern einer Zelle derart, daß jede Flüssigkeit in mehrere Ströme geteilt wird, die parallel durch
die Kammern einer Kammergruppe fließen. Die Gruppen selbst sind dann wiederum in Reihe geschaltet.
Abb. 1 zeigt eine Zelle mit Elektrodenkammern 19 und 20 und mehreren Kammergruppen, von denen nur
die benachbarten Kammern zweier Gruppen I und II dargestellt wurden. Die aufgezeichneten Kammern sind
voneinander durch die Membranen 0 bis 10 getrennt, welche abwechselnd kationenselektiv (C) und anionenselektiv
(A) sind. Eine zu entsalzende Flüssigkeit wird durch Rohr 11 eingespeist und fließt — wie durch ausgezogene
Linien dargestellt — nach unten durch drei Kammern der ersten Gruppe in parallelen Strömen,
welche in einem Ablaufrohr 12 zusammenlaufen. Die zweite (sich aufsalzende) Flüssigkeit, welche die Ionen
Elektrodialytische Zelle und Verfahren
zu deren Betrieb
zu deren Betrieb
Anmelder:
Permutit Aktiengesellschaft,
Berlin-Schmargendorf,
Auguste-Viktoria-Str. 62
Auguste-Viktoria-Str. 62
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 12. März 1958 und 6. März 1959
Großbritannien vom 12. März 1958 und 6. März 1959
Frank Laurence Tye, Pinner,
Middlesex (Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden
von der ersten zu entsalzenden Flüssigkeit aufnimmt, wird durch Rohr 13 zugeführt und fließt — wie durch
die gestrichelten Linien dargestellt — nach unten durch drei Kammern der gleichen Gruppe in parallelen Strömen,
welche sich in einem Ablaufrohr 14 vereinigen. Das Ablaufrohr 12 geht in ein Beschickungsrohr 15
über, das alle zweiten Kammern der zweiten Gruppe beliefert. Der Durchfluß durch dieselben verläuft aufwärts,
und die in diesen Kammern fließenden parallelen Ströme verbinden sich in einem gemeinsamen Ablaufrohr
16. Das Ablaufrohr 14 geht auf ähnliche Weise in ein Beschickungsrohr 17 über, welches drei Kammern
der zweiten Gruppe speist, die parallel angeordnet sind. Die diese Kammern durchfließenden Ströme vereinigen
sich in einem gemeinsamen Ablauf rohr 18. In jeder der parallelen Kammern einer Gruppe ist der Druck gleich
groß; er ist jedoch höher als in jeder der parallelen Kammern der nächsten Gruppe, der der gleiche Flüssigkeitsstrom
zugeführt wird. Mit anderen Worten: Es verringert sich der Druck stufenförmig von Gruppe zu
Gruppe. Dieses trifft für beide Flüssigkeitsströme zu, gleichgültig ob der Druck der beiden Flüssigkeitsströme gleich oder unterschiedlich ist.
Es können beispielsweise 240 Kammern in 6Gruppen zu je 20 Kammern für jede Flüssigkeit zwischen zwei
Elektroden angeordnet sein. Die Strömungsrichtung der beiden Flüssigkeiten in den jeweils benachbarten
Kammern kann in entgegengesetzter Richtung, aber auch, wie in Abb. 1 dargestellt, in gleicher Richtung
erfolgen; außerdem können die Kammern mit Ionenaustauschmaterialien
gefüllt sein.
009 678/350
Es sei angenommen, daß es erwünscht ist, einen größeren Druck in den aufzusalzenden Kammern als
in den rechts und links benachbarten zu entsalzenden Kammern zu halten. Dieses ist beispielsweise erwünscht,
wenn der zu entsalzende Flüssigkeitsstrom einen Nichtelektrolyt enthält, z. B. Glyzerin, das
mit gelösten Salzen verunreinigt ist, die durch die Elektrodialyse entfernt werden sollen. Der Nichtelektrolyt
hat das Bestreben, durch die Membranen in den sich aufsalzenden Flüssigkeitsstrom zu wandern. Wird
der Flüssigkeitsstrom mit dem Nichtelektrolyt mit einem niedrigeren Druck als der andere Flüssigkeitsstrom
durch die Zelle geschickt, kann der Nichtelektrolyt auf Grund der Druckdifferenz nicht mehr durch die
Membrane diffundieren. Unter gegebenen Bedingungen wird es einen optimalen Durchsatz durch die Membranen
von den sich aufsalzenden Strömen zu den sich entsalzenden Flüssigkeitsströmen geben. Es ist offensichtlich
wünschenswert, zu versuchen, diesen Durchsatz in allen Zellen gleich zu halten. Das bedeutet, daß
die Druckdifferenz an den Membranen durch die ganze Zelle hindurch möglichst gleichmäßig sein muß. Es ist
möglich, in einer gemäß Abb. 1 angeordneten Zelle durch Regulieren des Durchsatzes mittels Ventilen
u. dgl. es so einzurichten, daß die gleiche Druckdifferenz zwischen den Rohren 13 und 11 wie zwischen den
Rohren 14 und 12,17 und 15 und 18 und 16 besteht, so
daß die Druckdifferenz an den Membranen 0 bis 4 und 6 bis 10 die gleiche ist. An der Membrane 5 ist jedoch
eine andere Druckdifferenz, da auf der einen Seite eine Kammer der ersten Gruppe und auf der anderen Seite
eine Kammer der zweiten Gruppe liegt, welche sich weiter stromabwärts befindet und hier daher der Druck
geringer als in der Kammer der ersten Gruppe ist. Infolgedessen wird der Durchsatz von der aufzusalzenden
Kammer zwischen den Membranen 5 und 6 zu der zu entsalzenden Kammer zwischen den Membranen 4
und 5 nicht den optimalen Wert erreichen.
Erfindungsgemäß wird der Nachteil dadurch beseitigt, daß man die regelmäßige abwechselnde Anord- ^0
riung von anionenselektiven und kationenselektiven Membranen an der Stelle unterbricht, wo die eine
Gruppe sich an die andere anschließt und man hier zwei Membranen der gleichen Art nebeneinander einbaut.
Mit anderen Worten: man sieht zwischen den angrenzenden Gruppen eine Kammer vor, die auf beiden
Seiten von Membranen umschlossen wird, welche für Ionen der gleichen Ladung selektiv sind. In einer
solchen Kammer findet keine Aufsalzung oder Entsalzung statt, während die Elektrolytlösung durch die
Kammer fließt. Diese Kammer kann eine der beiden Flüssigkeiten aufnehmen. Sie ist mit den Kammern der
einen Gruppe, durch welche diese Flüssigkeit fließt, parallel geschaltet und somit tatsächlich die Endkammer
dieser Gruppe. Die Endkammer der folgenden Gruppe muß den gleichen Strom aufnehmen, da zwischen
diesen beiden Kammern die abnormale Druckdifferenz besteht und eine solche Druckdifferenz an
einer Membrane zwischen Kammern, die die gleiche Flüssigkeit enthalten, nicht schadet.
Drei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnungen sind in den Abb. 2 bis 4 der beigefügten
Zeichnungen dargestellt. In Abb. 2 ist die zusätzliche Membrane mit Sa bezeichnet; sie ist eine anionenselektive
Membrane. Die Kammer zwischen den Membranen 5 α und 5 ist mit den zu entsalzenden Kammern
der Gruppe II parallel geschaltet. Die Membrane 5 ist jene, an welcher die abnorme Druckdifferenz herrscht.
Bei der Anordnung in Abb. 3 ist die zusätzliche Membrane wiederum eine anionenselektive Membrane
und mit 5b bezeichnet, wobei die dadurch gebildete Kammer sich zwischen den Membranen 5 b und 5 befindet
und parallel mit den aufzusalzenden Kammern der Gruppe I parallel geschaltet ist. Die Membrane,
bei der die abnorme Druckdifferenz herrscht, ist die Membrane 5.
In der in Abb. 4 dargestellten Anordnung ist die zusätzliche Membrane eine als 4 α bezeichnete kationenselektive
Membrane. Die durch die Membranen 4 und 4a gebildete Kammer ist mit den zu entsalzenden
Kammern der Gruppe I parallel geschaltet, so daß die Membrane, an der die abnorme Druckdifferenz
herrscht, die Membrane 4 a ist.
Es wird eine elektrodialytische Zelle gebaut, welche wechselseitig 121 anionenselektive und 121 kationenselektive
Membranen umfaßt. Die Anordnung erfolgt gemäß Abb. 1. Die aneinandergrenzenden Membranen
wenden voneinander durch abstandhaltende Dichtungen getrennt, die je 1,27 mm dick und aus plastischem
Polyvinylchlorid hergestellt sind. Die Membranen sind heterogen aufgebaut, die anionenselektiven Membranen
enthalten quaternäre Ammoniumgruppen, die kationenselektiven Membranen Sulfogruppen als Ionenaustauschgruppen.
Die Überführungszahl für die Chloridionen beträgt bei den anionenselektiven Membranen
0,85 und bei den kationenselektiven Membranen 0,10. Die abstandhaltenden Dichtungen haben die Form
quadratischer Rahmen mit offener Mitte von je 508 mm im Quadrat, wodurch die zu entsalzenden und aufzusalzenden
Kammern gebildet werden. Beim Zusammenbau der Zelle wird jeder Rahmen mit grob gewebtem
Kunststoffsieb ausgefüllt, um die benachbarten Membranen voneinander zu trennen. Die Kanten
der abstandhaltenden Dichtungen und Membranen werden mit rechteckigen Löchern versehen, die aufeinander
so abgestimmt sind, daß sie zwei Reihen von Kanalwegen durch die zusammengebaute Zelle bildeten.
Die eine Reihe ist mit jenen Kammern verbunden, die auf der der Anode zugewendeten Seite durch
eine anionenselektive Membrane und auf der Kathodenseite durch eine kationenselektive Membrane abgegrenzt
sind und die nachstehend als zu entsalzende Kammern bezeichnet werden. Die anderen Reihen sind
mit den übrigen Kammern, die als aufzusalzende Kammern bezeichnet werden, verbunden. Zufluß zwischen
den Kanalwegen und den Kammern wird dadurch erreicht, daß man ein Paar der gestanzten, rechteckigen
Löcher auf den gegenüberliegenden Seiten der Kammern derart verbreitert, daß sie in die offene Mitte des
Rahmens hineinreichen und Durchgänge bilden, die die Kammern mit den anliegenden Kanalwegen verbinden.
In jeden dieser Durchgänge wird eine Vorrichtung eingebaut, die im wesentlichen dazu dient, Formveränderungen
der Membranen zum Durchgang hin zu verhindern, während der Flüssigkeisstrom durch den
Durchgang nicht wesentlich behindert wird.
Die zu entsalzenden und aufzusalzenden Kammern werden jeweils in Gruppen eingeteilt, wobei jede
Gruppe sechs Kammern, die hydraulisch parallel geschaltet werden, umfaßt. Die Gruppen sind, wie in
Abb. 1 gezeigt, hintereinandergeschaltet. Der Flüssigkeitsstrom verläuft in den benachbarten Kammern im
rechten Winkel zueinander. An den Enden wird je eine Kohleanode und eine Kohlekathode angebracht,
die jeweils durch eine zusätzliche Kammer, nachstehend als Elektrodenkammern bezeichnet, von dem
Hauptzellenpaket getrennt werden. Die Zelle mit den
Elektrodenkammern wird von durchgehenden Stangen zusammengehalten.
Eine zweite Zelle wird konstruiert, die der ersten Zelle entspricht, nur daß an den Verbindungsstellen
zwischen den Gruppen jeweils eine Kammer eingesetzt ist, die auf beiden Seiten durch eine anionenselektive
Membrane begrenzt und parallel mit den zu entsalzenden Kammern der der Kathode näher liegenden Gruppe
geschaltet ist. Somit bestehen die Gruppen aus sieben aufzusalzenden Kammern und sechs wechselseitig dazwischengeschalteten
zu entsalzenden Kammern. Die Schaltung der einzelnen Gruppen ist in Abb. 3 gezeigt.
Eine Lösung, die 10 °/o NaCl und 10% Glyzerin in
Wasser enthält, läßt man getrennt durch die zu entsalzenden Kammern der ersten und zweiten Zelle von
der Kathode zur Anode fließen. Gleichzeitig schickt man eine l°/oige NaCl-Lösung durch die aufzusalzenden
Kammern und, getrennt, durch die Elektrodenkammern. Ein Strom von 39 A wird an jede Zelle gelegt
und die Durchflußgeschwindigkeit der durch die zu entsalzenden Kammern fließenden Flüsigkeit so
eingestellt, daß der Ablauf aus den zu entsalzenden Kammern nur 1 °/o NaCl enthält. Unter diesen Umständen
liefern beide Zellen 86,5 1 Flüssigkeit pro Stunde, entsprechend einer Stromausbeute von 75°/o.
Die Durchflußgeschwindigkeit des aufzusalzenden Flüssigkeitsstromes wird so eingestellt, daß zwischen
dem aufzusalzenden und dem zu entsalzenden Flüssigkeitsstrom an den Ein- und Austrittsstellen der Zelle
keine Druckdifferenz besteht. Bei der ersten Zelle beträgt die Durchflußgeschwindigkeit des aufzusalzenden
Flüssigkeitsstromes 86,5 l/h und bei der zweiten Zelle 100 l/h. Die Abläufe wurden auf ihren Glyzeringehalt
hin untersucht, und es wurde festgestellt, daß bei beiden Zellen 18 °/o des Glyzerins während der Entsalzung
an den aufzusalzenden Strom verlorengehen.
Danach wurde ein Gegendruck am Austritt der aufzusalzenden Flüssigkeitsströme erzeugt, so daß eine
Druckdifferenz von 1,4OmWS zwischen dem aufzusalzenden und dem zu entsalzenden Flüssigkeitsstrom
am Ein- und Austritt geschaffen wurde. Es war notwendig, die Durchflußgeschwindigkeiten durch die zu
entsalzenden Kammern auf 84 l/h zu reduzieren, um die Konzentration des Ablaufes bei 1 °/o NaCl zu halten;
dieses bedeutet einen Abfall der Stromausbeute auf 73 °/o. Analysen bezüglich des Glyzeringehaltes in
den Abläufen ergaben, daß sich der Prozentsatz des Glyzerinverlustes in der zweiten Zelle auf 1 %>, in der
ersten Zelle jedoch nur auf 4 °/o reduzierte. Nachfolgende Läufe zeigten, daß es möglich war, den Glyzerinverlust
in der ersten Zelle üblicher Bauart auf 1 °/o zu verringern, indem man den Druck des aufzusalzenden
Flüssigkeitsstromes auf 2,1 m WS gegenüber dem des zu entsalzenden Flüssigkeitsstromes erhöhte. Unter
diesen Umständen betrug jedoch die elektrische Stromausbeute nur 60 0/0, so daß die Leistung auf 68 l/h
reduziert wurde.
Die Erfindung ist anwendbar, immer wenn die Verbindung zwischen den zwei Flüssigkeitsströmen in den
Zellen, in welchen Systeme der aufzusalzenden und zu entsalzenden Flüssigkeitsströme identisch sind, regeln
möchte. Sie ist nicht nur nützlich bei der Trennung von Elektrolyten und Nicht-Elektrolyten, sondern
auch in Zellen, die Ionenaustauschmaterial enthalten, da das hohe Konzentrationsverhältnis in dem sich aufzusalzenden
Flüssigkeitsstrom gegenüber jenem in dem zu entsalzenden Flüssigkeitsstrom, das normalerweise
in solchen Zellen erreicht wird, auf die sich die Erfindung bezieht, es nicht wünschenswert macht, daß
irgendein Durchtritt von dem aufzusalzenden zu dem sich entsalzenden Flüssigkeitsstrom stattfindet.
Claims (2)
1. Elektrodialytische Zelle mit in Serie geschalteten Gruppen von jeweils parallel geschalteten
Aufsalzungs- und Entsalzungskammern, die auf der einen Seite jeweils eine anionendurchlassende
und auf der anderen Seite eine kationendurchlassende Membrane aufweisen, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den aneinandergrenzenden Gruppen eine Kammer vorgesehen ist, welche auf
beiden Seiten durch Membranen, die für Ionen der gleichen Ladung selektiv sind, begrenzt und
die parallel mit den Kammern einer der anliegenden Gruppen geschaltet ist.
2. Verfahren zum Betrieb der Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Behandlung
einer einen Nichtelektrolyten enthaltenden Flüssigkeit diese unter einem Druck durch
die Entsalzungskammern geschickt wird, der kleiner ist als der durch die Aufsalzungskammern
strömenden Flüssigkeit.
In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 777 811.
USA.-Patentschrift Nr. 2 777 811.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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