DE1094712B - Elektrodialytische Zelle und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

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

Anmelder:

Permutit Aktiengesellschaft,

Berlin-Schmargendorf,
Auguste-Viktoria-Str. 62

Beanspruchte Priorität:
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.

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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.

Beispiel

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)

Patentansprüche:

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 678/350 12.60