DE1142837B - Vielkammerzelle fuer die Elektrodialyse - Google Patents
Vielkammerzelle fuer die ElektrodialyseInfo
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- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
- B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
- B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
- B01D61/46—Apparatus therefor
- B01D61/50—Stacks of the plate-and-frame type
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vielkammerzelle für die Elektrodialyse mit zwischen Kammerdichtungen
abwechselnd angeordneten und durch Abstandhalter abgestützten kationen- und anionenselektiven Membranen,
wodurch die dadurch gebildeten Konzentrations- bzw. Verdünnungskammern flüssigkeitsmäßig
jeweils parallel geschaltet sind.
Die Membranen können eine Flächenausdehnung bis zu 1 m2 besitzen, während sie nur im Abstand von
einigen Millimetern voneinander, dies entspricht der Kammerweite, angeordnet sind. Es ist ein großes
Problem bei Vielkammerzellen der bezeichneten Art, die Zirkulation der konzentrierten Flüssigkeit in den
entsprechenden Kammern mit den extrem unterschiedlichen Abmessungen von Höhe bzw. Breite und
Länge an jeder Stelle so stark aufrechtzuerhalten, daß die elektrolytische Polarisation vermieden wird.
Diese Polarisation würde dem elektrischen Stromfluß entgegenwirken, wodurch der Kraftbedarf steigen
würde.
Eine bekannte Vorrichtung besitzt Membranen, von denen jede an jeder ihrer vier Ecken ein Loch
aufweist. Die Kammerdichtungen zwischen den Membranen sind so ausgebildet, daß in jeder Kammer zwei
diagonale Löcher die Membranen miteinander kornmunizieren können, während die anderen beiden diagonalen
Löcher flüssigkeitsdicht gegenüber dem Kammerinnenraum abgedichtet sind. Dadurch, daß in
nebeneinander angeordneten Kammern die flüssigkeitsmäßige Verbindung zwischen den Löchern in den
verschiedenen Diagonalen erfolgt, werden zwei voneinander flüssigkeitsdicht getrennte Systeme gebildet.
Diese Anordnung, die bisher die meistverbreiteste ist, besitzt den Nachteil, daß die Löcher eine bestimmte
Größe nicht überschreiten dürfen, um unerwünschte Strömungsverluste zu vermeiden. Andererseits, wenn
die Löcher klein gemacht werden, wächst der Flüssigkeitswiderstand
stark an. Dies führt dazu, daß in großen Bereichen der einzelnen Kammern Totwassergebiete
entstehen, in denen die Flüssigkeit nicht zirkuliert und die dadurch praktisch ausfallen.
Bei einer anderen bekannten Vorrichtung, die ähnlich der eben geschilderten ist, befindet sich in jeder
Kammerdichtung in einer Ecke eine Querbohrung ohne Verbindung mit der von dieser Dichtung gebildeten
Kammer. In der zweiten Ecke dieser Dichtung befindet sich eine Querbohrung, die nur durch die
Hinterwand der Dichtung führt und mit einem Verbindungskanal in die Kammer kommuniziert. In der
dritten Ecke befindet sich die gleiche Bohrung wie in der ersten Ecke und in der vierten Ecke eine Bohrung
durch die Vorderwand der Kammerdichtung, Vielkammerzelle für die Elektrodialyse
Anmelder:
Staat Israel,
vertreten durch den Ministerpräsidenten,
Jerusalem (Israel)
Jerusalem (Israel)
Vertreter: Dr. F. Zumstein,
Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Assmann
und Dipl.-Chem. Dr. R. Koenigsberger,
Patentanwälte, München 2, Bräuhausstr. 4
Beanspruchte Priorität:
Israel vom 29. April 1958 (Nr. 11 304)
Israel vom 29. April 1958 (Nr. 11 304)
Dr. Max van Ments, Jerusalem (Israel),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
die mit einem Verbindungskanal zu der Kammer kommuniziert. Die Dichtungen sind dabei so übereinander
angeordnet, daß die aneinanderliegenden Ecken von vier aufeinanderfolgenden Dichtungen
immer eine Reihe bilden, die der bezeichneten Reihenfolge der Ecken in der Einzeldichtung entspricht.
Auch bei dieser Anordnung durchströmt die Flüssigkeit die einzelnen Kammern in diagonaler
Richtung. Die vorher aufgeführten Nachteile gelten alle auch für diese Vorrichtung.
Die bekannten Vorrichtungen weisen weiterhin den Nachteil auf, daß sie kompliziert zusammenzusetzen
sind und deshalb sich die bei Vorrichtungen dieser Art oft anfallenden Reinigungen durch einen verhältnismäßig
hohen Arbeitsaufwand sehr verteuern.
Die angezeigten Nachteile werden in einer Vielkammerzelle für die Elektrodialyse und zwischen
Kammerdichtungen abwechselnd angeordneten und durch Abstandhalter abgestützten kationen- und anionenselektiven
Membranen, wodurch die dadurch gebildeten Konzentrations- bzw. Verdünnungskammern
flüssigkeitsmäßig jeweils parallel geschaltet sind, erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß die Kammerdichtungen
jeweils aus zwei Streifen gebildet sind, die einen rechteckigen Mittelraum begrenzen, und
daß benachbarte Kammerdichtungen um 90° zueinander verdreht angeordnet sind.
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Hierdurch wird erreicht, daß jede Zelle von einem laminaren gleichmäßigen Flüssigkeitsstrom parallel
zur Längsachse der Zelle durchflossen wird. Die Breite des Flüssigkeitsstroms deckt sich mit der Breite
der Zelle, was eine maximale Ausnutzung der Membranen zur Folge hat.
Das Zusammensetzen der Vorrichtung ist gegenüber den bekannten Vorrichtungen, bei denen die
Kammerdichtungen nicht gleich ausgebildet sind.
lydflüssigkeit widerstandsfähigen Material bestehen,
z. B. einem synthetischen Plastikmaterial, und die steif oder biegsam sein können. Jede Dichtung 2 besitzt
eine längliche rechteckige Mittelöffnung 3, inner-5 halb der ein flüssigkeitsdurchlässiger Abstandhalter 4
angeordnet ist, der sich über die ganze Breite, der Länge nach jedoch nur über den Mittelteil der Öffnung
3 ausdehnt, während an den Enden jedes Abstandhalters 4 die zwei Öffnungen 3 α und 3 b frei ge
einen größeren Querschnitt als diejenigen der bekannten Vorrichtungen besitzen, wodurch der Strömungswiderstand
in vorteilhafter Weise herabgesetzt werden kann.
Die Kammerdichtungen können verschiedenartig ausgebildet sein. So können die Streifen Aussparungen
aufweisen, die nach dem Einsetzen in ein Gehäuse von den Gehäusewandungen umgeben sind, die Aus-
sehr vereinfacht. Beim Einsetzen der Dichtungen ist io lassen sind. Jede Dichtung 2 besitzt weiterhin zwei
lediglich darauf zu achten, daß jede gegenüber der Schlitze 5 a und 5 b, die parallel zur Hauptachse der
vorhergehenden um 90° verdreht ist, so daß sich die Mittelöffnung 3 angeordnet sind. Eine Kammer wird
Lage einer Dichtung mit der übernächsten genau demnach durch zwei Membranen 1, von denen jeweils
deckt. eine kationenselektiv, die andere anionenselektiv sein
Bei der oben zuletzt beschriebenen bekannten Vor- 15 muß, und den dazwischenliegenden Teil der Mittelrichtung
sind die Dichtungen in Vierergruppen ange- Öffnung 3 einer Dichtung 2 gebildet. Der Abstandordnet,
so daß zwischen zwei sich deckende Dichtun- halter 4 kann aus demselben Material wie die Dichgen
jeweils drei Dichtungen verschiedener Lage ein- tung und mit dieser zusammen in einem Stück hergegeschoben
sind. stellt sein. Wenn die Dichtungen mehr oder weniger
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vor- 20 steif sind, können sie Aussparungen für die Aufrichtung
dagegen ist, daß die Zu- und Abflußkanäle nähme der Membranen oder sonst Dichtungsringe
mit derselben Stärke wie eine Membran aufweisen. Diese Dichtungsringe werden zwischen jeweils zwei
Dichtungen oder zwischen bestimmten Dichtungs-25 paaren längs den Kanten der Membranen eingesetzt.
Wenn die Dichtungen aus einem biegsamen Material hergestellt sind, können sie über die Kanten der Membranen
(wenn diese dünn genug sind) gefalzt werden, um so miteinander in Berührung zu kommen,
sparungen sowie der Mittelraum können jedoch auch 30 Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die erste und dritte
allseitig umrandet sein. Dichtung von links in derselben Stellung angeordnet,
Die Membranen müssen durch Abstandhalter lage- wobei die Öffnungen 3 sich horizontal erstrecken und
mäßig fixiert werden. Vorteilhafterweise sind die die Schlitze 5 α und 5 b über und unter diesen Öff-Kammerdichtungen
zusammen mit den Abstand- nungen 3 angeordnet sind. Die zweite und vierte haltern aus einem Stück hergestellt. Hierdurch ergibt 35 Dichtung sind um 90 z relativ zu der ersten und
sich eine weitere Vereinfachung des Zusammen- dritten gedreht. Die Mittelteile der Öffnungen 3, wosetzens
der erfindungsgemäßen Vorrichtung. rin sich die Abstandhalter 4 befinden und die durch
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen, die Membranen 1 bedeckt werden, kommen durch
die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. den ganzen Stapel zur Deckung. Die Öffnungen 3 ο
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der aus- 40 und 3 b ebenso wie die Schlitze 5 α und 5 b kommen
einandergezogenen Elemente eines Stapels von zwei jeweils nur bei alternierenden Dichtungen zur Dek-Kammern;
kung, d. h. einerseits bei allen geradzahligen und an-
Fig. 2 zeigt den Horizontalschnitt längs der durch dererseits bei ungeradzahligen Dichtungen,
die Linie II-II in Fig. 1 angerissenen Niveauebene In Fig. 2 ist zu ersehen, daß die Schlitze 5« und
eines Teils eines Stapels, der aus Elementen, wie sie 45 Öffnungen 3 α von aufeinanderfolgenden Dichtungen
in Fig. 1 dargestellt sind, zusammengefügt ist; eine Leitung durch den gesamten Stapel bilden und
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen anderen ebenso die Schlitze 5 b und die Öffnungen 3 b, wo-Teil
des Stapels aus Elementen gemäß Fig. 1 und durch vier Leitungen gebildet werden, oberhalb und
auch die Anordnung einer der Elektroden; unterhalb (im Hinblick auf Fig. 1) und zu beiden
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der aus- 5° Seiten der Membranen. Jede solche Leitung kommueinandergezogenen
Elemente zweier Kammern eines niziert mit dem Inneren derjenigen Kammern, durch Stapels; die die Leitung durch eine der Öffnungen 3 a und 3 b
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines zu- bestimmt wird, hingegen ist sie von denjenigen Kamsammengefügten
Stapels gemäß Fig. 4, wobei ein Teil mern, wo die Leitung durch Schlitze 5« oder 5 b bedes
Gehäuses fehlt und nur ein Teil der Kammern ge- 55 stimmt wird, abgedichtet. Demgemäß bilden alle diezeigt
ist: jenigen Dichtungen, deren Öffnungen überhalb und
unterhalb des Mittelteils der Öffnung 3 angeordnet
sind, untereinander einen Satz und alle anderen Dichtungen untereinander einen zweiten Satz. Der Mittel-60 teil der Öffnung 3 jeder Dichtung bildet einen inneren
Kammerzwischenraum, der den Abstandhalter 4 enthält und der auf jeder Oberfläche vermittels einer
Membran 1 dicht abgedichtet ist. Rund um jede
Membran besteht ein freier Zwischenraum Ib, dessen
sind, untereinander einen Satz und alle anderen Dichtungen untereinander einen zweiten Satz. Der Mittel-60 teil der Öffnung 3 jeder Dichtung bildet einen inneren
Kammerzwischenraum, der den Abstandhalter 4 enthält und der auf jeder Oberfläche vermittels einer
Membran 1 dicht abgedichtet ist. Rund um jede
Membran besteht ein freier Zwischenraum Ib, dessen
Der Stapel gemäß Fig. 1 bis 3 weist eine große 65 lichte Weite gleich der der Membran ist. Dieser Zwi-Anzahl
von ionenselektiven Membranen 1 auf, die schenraum ist nach außen durch einen Dichtungsring
zwischen Dichtungen 2 gepreßt werden. Die Mem- oder Dichtungsscheibe 1 α (oder, wenn die Dichtunbranen
sind Platten, die aus einem gegen die Elektro- gen genügend biegsam sind, durch die sich berühren-
Fig. 6 zeigt einen Grundriß, teils im Horizontalschnitt, des einen Endes des Stapels gemäß Fig. 5;
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht der auseinandergezogenen
Elemente;
Fig. 8 zeigt die Endplatten des Stapels gemäß Fig. 7, und
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stapels gemäß der Vorrichtung nach Fig. 7 und 8.
5 6
den Kanten der Dichtungen ohne dazwischen ange- die Dichtungen nicht durch eine Platte, sondern
ordneten Dichtungsring) abgedichtet. Die Zwischen- durch zwei Teile 10 und 11 von gleicher Form, die
räume 1 b bilden einen Teil der Leitungen zwischen symmetrisch angeordnet sind, gebildet werden, so
jedem Schlitz 5 α oder 5 b und den benachbarten Öff- daß zwischen diesen ein Zwischenraum 12 analog zu
nungen3a oder 3b. Demnach schließt eine vollstän- 5 der Öffnung 3 der Dichtungsplatten gemäß Fig. 1
dige Leitung nacheinander folgende Teilabschnitte bis 3 bestimmt wird. Der Mittelteil jedes dieser
ein: eine öffnung 3 a (oder 3 b), einen Zwischen- Zwischenräume wird von einem Abstandhalter 4 einraumlft,
einen Schlitz 5 a (oder 5 b), einen weiteren genommen und bestimmt einen eigenen Kammer-Zwischenraum
1 b, eine Öffnung 3 a (oder 3 b) usw. Zwischenraum, während die Öffnungen der Enden
Zwischen den Zwischenräumen 1 b und dem Inneren io jedes Zwischenraums an beiden Enden Teile der Zuder
Kammern ist eine Kommunikation ausgeschlos- fluß- und Abflußleitungen bilden. Die ersten Teile 10
sen. Ebenso sind die Membranen nur in Richtung und 11 bestehen im wesentlichen aus flachen Streifen.
von einer Oberfläche zur anderen ionendurchlässig, Die zwei Streifen derselben Dichtung können voneinwährend
sie in ihrer Längsrichtung, d. h. von ihren ander und von dem Abstandhalter 4 getrennt oder in
Kanten nach ihrem Inneren zu, im wesentlichen un- 15 einem Stück mit dem Abstandhalter hergestellt werdurchlässig
sind. den. Jeder Streifen weist nach außen vorspringende
Jeweils zwei gegenüberliegende Leitungen gehören Vorsprünge 14 auf, wodurch zwischen diesen ein
zu demselben Satz von Dichtungen. In Fig. 2 werden Ausschnitt 13 gebildet wird. Dieser Ausschnitt wird
die Kammern, die durch Dichtungen 2 a, deren Öff- durch die Streifen 10 und 11 von dem Zwischenraum
nungen 3 (im Hinblick auf Fig. 1) horizontal liegen, 20 12 getrennt. Die Ausschnitte 13 sind den Schlitzen 5 a
gebildet werden, mit Lösung durch die linke Leitung und 5 b der Dichtungen gemäß Fig. 1 äquivalent. Die
beschickt, die die Öffnungen 3« und die Schlitze 5 a Streifen 10 und 11 der Dichtungen der ersten und
aufweist, während der Ausfluß die Kammern durch dritten Kammer sind vertikal angeordnet, während
die rechte Leitung, die die Öffnungen 3 b und die diejenigen der zweiten Kammer horizontal angeord-
Schlitze5/>
aufweist, verläßt. Der andere Kammer- 25 net sind. In dem aus diesen Dichtungen aufgebauten
satz ist durch die Dichtungen 2 b bestimmt. Die Zu- Stapel decken sich die Enden der zwei Streifen, die
führ- und Abflußleitungen dieses Satzes sind in Fig. 2 jeweils eine Dichtung bilden, mit den Vorsprüngen
nicht sichtbar; sie werden durch die Öffnungen und 14 der benachbarten Dichtung. Wenn nötig, werden
Schlitze, die oberhalb und unterhalb des mittleren Dichtungsscheiben (nicht dargestellt) ähnlich den
Kammerzwischenraums 3 vorhanden sind, bestimmt. 30 Ringen la des Stapels gemäß Fig. 1 bis 3 zwischen
Einer dieser Kammersätze schließt alle Kammern mit jeweils zwei Dichtungen oder zwischen den mitein-
verdünntem Inhalt, der andere alle Kammern mit ander in Beziehung stehenden Paaren von Dichtun-
konzentriertem Inhalt ein. Nirgends ist eine Kommu- gen eingesetzt, um die Stärke der Membranen auszu-
nikation zwischen den Kammern mit verdünntem In- gleichen, und wo dies der Fall ist, bilden die Zwi-
halt und den Leitungen mit konzentriertem Inhalt 35 schenräume, die zwischen diesen Dichtungsscheiben
einerseits und den Kammern mit konzentriertem In- und den Kanten der Membranen eingeschlossen
halt und den Leitungen mit verdünntem Inhalt an- werden, einen Teil des Systems der Zufluß- und Ab-
dererseits möglich. flußleitungen.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Elektrodenanordnung Der ganze Stapel wird dicht in ein Gehäuse 15
und den daran anschließenden Teil der Elektro- 40 eingeschlossen, dessen Wände die Kanäle 13 abdialysenzelle.
Die Elektrodenkammer wird durch eine schließen und dadurch die Zu- und Abflußleitungen
Endplatte 6 aus elektrisch isolierendem Material ge- bilden. Die Leitungen am Deckel und am Boden des
bildet und nimmt eine Elektrode 7 auf. Die Platte 6 Stapels kommunizieren miteinander durch die Kamweist
weiter Verbindungen 8 und 9 auf, die zur Flüs- mern. die durch die vertikal angeordneten Streifen 10
sigkeitsbeschickung bzw. zum Abfluß für einen der 45 und 11 gebildet werden, und die Leitungen an den
beiden Kamersätze dient. In ähnlicher Weise weist Seiten des Stapels kommunizieren miteinander durch
die nicht dargestellte andere Endplatte Verbindungen die Kammern, die durch die horizontal angeordneten
für die Flüssigkeitsbeschickung und den Abfluß des Streifen 10 und 11 gebildet werden,
anderen Kammersatzes auf. Hingegen können auch Das Gehäuse 15 weist in Längsrichtung vorsprinalle
Beschickungs- und Abflußverbindungen an ein 5° gende Kanten 17 in seinem Inneren auf, die die Kanäle
und derselben Platte angeordnet sein. Die Endplatten zur Aufnahme der Längsseiten des Stapels bilden. Die
weisen weiter Verbindungen zum Einleiten in und in die Ecken des Gehäuses hineinragenden Kanten
zum Ausleiten der Spülflüssigkeit aus der Elektroden- passen in die Eckausschnitte des Stapels. Das Gekammer
auf, das an und für sich bekannt und nicht häuse ist in zwei oder mehrere Abteilungen aufgeteilt,
dargestellt ist. 55 In jedem dieser Abteile wird ein Teil des Stapels zu-
Die Vorrichtung wird zusammengefügt, indem die sammengefügt, indem die Elemente von den Enden
verschiedenen Elemente lediglich in der richtigen dieser Abteile aus eingeführt werden.
Reihenfolge mit jeweils einer Dichtung im rechten An den Enden des Gehäuses 15 sind Endplatten
Winkel bezüglich der beiden benachbarten zusam- 16 fest angeordnet, in denen die Elektrodenkammern
mengesetzt wird. Die Elemente werden miteinander 60 19 mit den Elektroden 20 angeordnet sind. Die Elekverbunden,
z. B. mittels Löcher und Bolzen, die troden 20 werden durch Schrauben 21 (Fig. 6) an den
durch die Löcher oder durch Ohren an den Enden Platten 16 befestigt. Das Gehäuse hat wenigstens
der Platten und Dichtungen und möglicherweise auch vier Verbindungsleitungen 18, die mit den Zu- und
durch dazwischen angeordnete Dichtungsringe ge- Abflußleitungen 13 der zwei Kammergruppen verführt
werden, während die Membranen in horizon- 65 bunden sind, und zwei Verbindungsleitungen 22 zum
taler Lage zwischen die Dichtungen gedrückt werden. Beschicken und Abziehen der Spülflüssigkeit zu und
Der in Fig. 4 dargestellte Stapel unterscheidet sich aus der Elektrodenkammer. Wie in Fig. 5 dargestellt,
von dem in Fig. 1 bis 3 dargestelltem dadurch, daß können die Verbindungen 22 als Verzweigungen
Claims (4)
1. Vielkammerzelle für die Elektrodialyse mit zwischen Kammerdichtungen abwechselnd angeordneten
und durch Abstandhalter abgestützten kationen- und anionenselektiven Membranen, wodurch
die dadurch gebildeten Konzentrationsbzw. Verdünnungskammern flüssigkeitsmäßig jeweise
parallel geschaltet sind, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kammerdichtungen jeweils aus
zwei Streifen (24) gebildet sind, die einen rechteckigen Mittelraum begrenzen, und daß benachbarte
Kammerdichtungen um 90° zueinander verdreht angeordnet sind.
2. Vielkammerzelle nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (10) Aussparungen
(13) aufweisen.
3. Vielkammerzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (5 a und
5 b) und der Mittelraum (3) allseitig umrandet sind.
4. Mehrkammerzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kammerdichtungen und die Abstandhalter aus einem Stück bestehen.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 546 824;
französische Patentschrift Nr. 1 084 341.
Deutsche Patentschrift Nr. 546 824;
französische Patentschrift Nr. 1 084 341.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 309 507/214 1.63
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---|---|---|---|
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