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Vorrichtung zum kontinuierlichen elektrolytischen Regenerieren von
Ionenaustauscherharzen Die elektrolytische Regenerierung von Ionenaustauscherhargen
ist bekannt. Die Ausbeute und die Wirksamkeit der Renegerierung hängen von verschiedenen
Faktoren ab: von der Potentialdifferenz, der Stromstärke, der Elektrodenentfernung
der Elektrodenform, der Entfernung zwischen Härz und Elektrode der Wertigkeit der
vom Harz gebundenen Ionen usw.
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Es ist bekannt, die elektrolytische Regenerierung in einem Behältet
auszuführen, in dem das Harz auch während des Austauschers unbeweglich gelagert
ist.
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Dieses Verfahren erfordert mindestens zwei gleiche Zellen, wobei in
der einen der Ionenaustausch vor sich geht, während in der anderen Zelle die Regenerierung
stattfindet und umgekehrt. Dieses Verfahren macht auch eine Betriebsunterbrechung
erforderlich.
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Zwischen der Funktion des Ionenaustausches und der Regenerierung muß
nämlich gespült werden.
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Die Regenerierung kann auch in einer eigenen Elektrolysezelle ausgeführt
werden. Dies erfordert ein Herausnehmen des Harzes aus dem Behälter, in dem der
Ionenaustausch vorgenommen wird, eine Zwischenlagerung, dann nach der Regenerierung
gegebenenfalls eine zweite Lagerung und das Wiedereinbringen des Harzes in den Behälter
für den Ionen-@istauch. Diese Hilfsvorgänge, die diskontinuierlich ausgeführt werden
haben Material- und Zeitverluste zur Folge und erfordern bei der Bindung von radioaktiven
Stoffen an Austauscherharzen die Verwendung eines kostspieligen Transport- und Schutzgerätes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
die diese Nachteile vermeidet.
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Die Erfindung bedient sich eines Behalters mit bewegtem, kompaktem
Austauscherbett und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekanntes. Elektrodenpaar
im Behälter so angeordnet ist, daß die Oberfläche einer der Elektroden in einem
eingeengten Durchtrittsquerschnitt des Behälters parallel zur Bewegungsrichtung
der unmittelbar an ihr vorbeigeführten dünnen. Austauscherschicht angeordnet ist.
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Die Vorrichtung kann kontinuierlich und automatisch arbeiten und
fernbedient werden.
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Die Regenerierlösung wird in Gleichströmung oder @egenströmung zu
dem Ionenaustauscherharz in die elektrolytische Zelle eingeleitet. Sie verläßt diese
Zalle im Form einer Lösung von Salzen der Ionen.
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Bei einer Ausführungsart gemäß der Erfindung ist die elektrolytische
Zelle von einer vertikalen Kolonne gebildet innerhalb der die dem Austauscher in
Berührung
stehende Elektrode die Form eines hohlen Kegelstumpfmantels hat, dessen kleinerer
Durchtrittsquerschnitt dem einströmenden Austauscher zugewendet ist, wobei der Basiswinkel
des Kegels dem Böschungswinkel eines unter der Elektrode gebildeten Schüttkegels
des Austauscherbettes entspricht.
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In dieser Kolonne fließt das Ionenaustauscherharz kontinuierlich von
oben nach unten, während die Regenerierlösung von unten nach oben strömt. Wenn der
Durchsatz bei einer solchen Kolonne ziemlich gering ist, kann man mit Vorteil eine
Batterie von jdefltjschen Kolonnen verwenden, um den Durchsatz der Regeneriervorrichtung
an den Durchsatz im Austauschergefäß anzupassen.
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. Bei einer zweiten Ausführungsart gemäß der Erfindung ist die elektrolytische
Zelle durch einen Behärter gebildet, in welchem zwei gleichsinnig und mit gleicher
Geschwindigkeit bewegte, parallele Transportbänder angeordnet sind, die eine einkörnige
Schicht des Austauschers zwischen sich aufnehmen, wobei die Außenseite eines Transportbandes
in Berührung mit einer Elektrode steht. Die Regenerierlösung fließt dabei in Gleichströmung
oder in Gegenströmung zur Austauscherharzschicht mit einer Schichtstärke von der
Dicke der Körner. Die Elektrbden bestehen aus perforierten Platten. Die zweite Elektrode
ist an der anderen Seite des Bandes in einigen Zentimetern Abstand von diesem angeordnet.
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Lenkbleche sorgen dafür, daß die Regenerierlösung in Berührung mit
dem Austauscherharz bleibt.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt eine Schnittansicht der ersten Ausführungsart; F i
g. 2 zeigt eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsart; F i g. 3 zeigt einen
Schnitt nach der Linie A-A' in Fig. 2.
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Die elektrolytische Zelle in Fig. 1 umfaßt eine Kolonne 1 mit den
Elektroden 2 und 3.
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Die Kolonne 1 trägt im unteren Bereich eine Drosseldüse 4, an der
obersten Stelle eine ringförmige Abflußrinne 5 mit einem Ablaufstutzen 6 und oberhalb
der Drosseldüse 4 eine Einführungsvorrichtung 7 für die Regenerierlösung. Die Einführung
des Harzes geschieht an der Stelle 8 im oberen Bereich der Kolonne 1. Der Auslaß
ist durch den Rohrstutzen 9 gebildet.
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Die Elektrode 2 ist als perforierte Platte in Gestalt eines Kegelstumpfmantels
ausgebildet und bildet die Grundfläche eines kegelstumpfförmigen Teiles 10, das
an der Stelle 10 a mit einem Auslaß für das Gas (Waserstoff oder Sauerstoff), das
von der Regenerierung herrührt, versehen ist. Die Elektrode 3 im oberen Bereich
der Kolonne 1 ist ebenfalls als Platte ausgebildet in Form eines kegelstumpfförmigen
Kranzes. Sie ist durch ein kegelstumpfförmiges Teil 11, das entweder perforiert
oder porös ist, vor der unmittelbaren Berührung mit dem Harz geschützt.
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Das Regeln des Harzdurchsatzes geschieht mit Hilfe der Drosseldüse
4 und der Rückführungspumpe 12. Diese ist von der Regenerierlösung durchflossen,
die von dem kegelstumpfförmigen Teil 10 herkomml -und in dem unteren Bereich der
Kolonne L unterhalb der Drosseldüse 4 wieder zufließt.
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Der Winkel der Elektrode 2 gegen die Horizontale ist im wesentlichen
gleich dem Winkel des Schüttkegels des Ionenaustauscherharzes am Boden der Regenerierlösung
gegenüber der Horizontalen. Bei einem Harz des sulfonierten Polystyroltyps mit eine
Korngröße zwischen 0,1 und 0,3 mm beträgt diese Winkel z.B. etwa 350. Durch die
Anordnung dei Drosseldüse 4 in einer gewissen Entfernung unterhalb der Elektrode
2 wird sichergestellt, daß alle Harzkörner des Schüttkegels nacheinander in unmittelbare
Nähe der Elektrode 2 gelangen.
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Bei einer Abwandlung dieser Ausführungsart zum Zweck, die Regenerierkolonne
universell anwendbar zu gestalten, ist in der Nähe der Elektrode 2 ein Teil von
der Gestalt eines Kegels oder eines Doppelkegels 13 angeordnet, das die Harzkörner
zwingt, in unmittelbarer Nähe der Elektrode 2 entlangzulaufen.
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Hierdurch ist die Entfernung zwischen der Drosseldüse 4 und der Elektrode
2 nicht mehr an die Verwendung einer bestimmten Harztype in einer bestimmten Regenerierlösung
gebunden.
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Die Elektroden 2 und 3 bestehen aus Platin,. die Kolonne 1 ist aus
einem elektrisch nichtleitenden Material gefertigt, z. B. aus Glas oder aus durchsichtigem
Kunststoff, z. B. Polyvinylchlorid. Der- Durchmesser der Kolonne beträgt 2112 cm
und die Entfernung zwischen den Elektroden 2 und 3 bis 5 cm. Es ist natürlich von
Vorteil, die Entfernung zwischen den Elektroden so weit wie möglich zu verringern,
um
die Erwärmung durch den Zellenwiderstand zu verringern und um die Elektrolyse bei
kleiner Spannung ausführen zu können, so daß sich ein guter energetischer Wirkungsgrad
ergibt.
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Bei diesem Gerät z. B. und bei Verwendung eines stark sauren Kationenaustauschers
auf Polystyrolbasis mit einer Korngröße von 0,1 bis 0,3 mm mit gebundenen Ammoniumionen
beträgt die Spannung zwischen den Elektroden 5 V für einen Harzdurchsatz von 10
bis 50 g pro Stunde und für einen Durchsatz an Regenerierilüssigkeit, die aus einer
fünfprozentigen Essigsäure- oder Zitronensäurelösung besteht, von 20 bis 150 ml
pro Stunde. Das Harz verläßt die Regenerierkolonne mit einem Regenerierbetrag zwischen
40 und 50°/o an Wasserstoffionen.
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Die Regenerierkolonne hat die folgende Wirkungsweise: Das Ionenaustauscherharz,
das mit den gebundenen Ionen gesättigt ist, wird kontinuierlich an der Stelle 8
in die Kolonne 1 eingeleitet. Es fließt mit einer gewünschten Geschwindigkeit, die
sich durch die Vorrichtung mit der Drosseldüse 4 und der Rücklaufpumpe 12 regeln
läßt, zum Boden hin. Es läuft in unmittelbarer Nähe der Elektrode 2 vorbei und tritt
regeneriert durch den Rohransatz 9 aus. Während dieses Abwärtsweges wird es in der
Regenerierlösung gespült, die an der Stelle 7 eingeleitet wird und im Gegenstrom
nach oben schließlich in die ringförmige Rinne 5 gelangt und dann durch den Rohrstutzen
6 abfließt.
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In Fig. 2 ist eine Elektrolysezelle gezeigt mit einem Behälter 14
und zwei Elektroden 15 und 16.
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Der Behälter 14 umfaßt eine Zulaufrinne 17 für die Regenerierlösung
sowie einen Auffangbehälter 18 für diese. Der Auffangbehälter hat einen rohrförmigen
Auslaß 19. Der Behälter 14 umgibt ein doppeltes Fließband mit dem porösen Fließband20,
das mit einer lonenaustauscherschicht von der Dicke der Kornstärke bedeckt ist,
und mit einem ebenfalls porösen Fließband 21, das am Einlaß des Behälters 14 in
Anlage an die Harzkornschicht kommt. Diese durchläuft also den Regenerierbehälter
zwischen den beiden Fließbändern 20 und 21 in Richtung des Pfeiles F, wenn die Anlage
im Gegenstromverfahren betrieben wird, und in umgekehrter Richtung beim Betrieb
im Gleichstromverfahren.
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Die Elektrode 15 ist als perforierte Platte ausgebildet, die durch
die Wirkung von Lenkblechen22 am Fließband 20 anliegt. Die Elektrode 16 besteht
ebenfalls aus einer perforierten Platte, die einige Zentimeter von dem Fließband
21 entfernt ist und Lenkbleche 23 trägt. Die Kanten des Einlasses und des Auslasses
des Behälters 14 sind mit sehr weichen Dichtungen 25 und 26 versehen.
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In F i g. 3 erkennt man die Fließbänder 20 und 21, zwischen denen
sich die zu regenerierenden Harzkörner befinden, die Lenkbleche 22 und 23 sowie
die beiden Elektroden 15 und 16, die an dem Behälter 14 befestigt sind. Die Lenkbleche
23 tragen elastische, an der Seite befindliche Lippen27 und 28, die in Reibungsberührung
mit den Kanten der Fließbänder 20 und 21 stehen, und jeweils eine sich quer erstreckende
elastische Lippe29, die in Reibungsberührung mit dem Fließband 21 steht. Die Lippen
27, -28 und 29 sind durch sehr weiche Dichtungen gebildet, die dafür sorgen, daß
die Harzkömer zwischen den beiden Fließbändern bleiben.
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Diese Dichtungen 25 bis 29 und die Lenkbleche 22 und;23 sollen die
Regenerierlösung zu einer Zirka
lation zwischen den beiden Fließbändern
zwingen, um so eine starke gleichsinnige oder gegensinnige Strömung bei Berührung
der Ionenaustauschharzkörner zu gewährleisten. Die beständige Reibung des Fließbandes
20 an der perforierten Elektrode 15 ermöglicht eine Entgasung derselben, wobei das
Gas durch die Öffnung 24 evakuiert wird.
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Dieser Regenerierbehälter hat die folgende Wirkungsweise: Das Ionenaustauscherharz
fließt in einer Schichtdicke von der Kornstärke zwischen den beiden porösen Fließbändern
20 und 21 und wird je nach dem Fortschreiten der Berührung mit der Elektrode 15.
regeneriert. Die in die Rinne 17 eingeführte Regenerierlösung fließt quer durch
die Fließbänder 20 und 21 und kommt in Berührung mit der Harzkornschicht. Sie tritt
an dem Rohrstutzen 19 aus. Die Lenkbleche 22 und 23 bewirken, daß zwischen dem Eingang
und dem Ausgang der Vorrichtung ein Konzentrationsgradient erzeugt wird.