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Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von gelösten Stoffen durch Gegenstromdialyse
Zur Trennung von gelösten Stoffen hat das Dialyseverfahren besondere Bedeutung erlangt.
Dieses wird in verschiedenen Formen durchgeführt, wobei auch schon die zu dialysierende
und die zur Dialyse dienende Flüssigkeit im Gegenstrom zueinander geführt worden
sind. Man hat hierbei die beiden Flüssigkeiten auch schon in dünneren Schichten
an der Dialysemembran vorbeigeführt. Eine bekannte Dialysevorrichtung besteht auch
darin, daß der die zu dialysierende und die zur Dialyse dienende Fliissigkeit im
Schräggegenstrom zueinander geführt werden. Diese Vorrichtung besteht aus einer
Mehrzahl von Rahmen mit dazwischenliegenden Diaphragmen, wobei die ganze Vorrichtung
wie bei einer Filterpresse durch Druck zusammengehalten wird. Der Wirkungsgrad ist
jedoch bei den bekannten Vorrichtungen gering, trotz hohen apparativen Aufwands.
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Es wurde nun gefunden, daß ein wesentlich höherer Trenneffekt als
in bekannten Fällen erzielt wird, wenn beim Trennen von gelösten Stoffen mit unterschiedlichen
Diffusionskoeffizienten durch Gegenstromdialyse gegen reines Lösungsmittel oder
eine weniger konzentrierte Lösung, wobei die zu dialysierende Flüssigkeit (Hauptstrom)
und der Gegenstrom in möglichst dünnen Schichten an der Membran vorbeigeführt werden,
gemäß der Erfindung der Gegenstrom nach Austritt aus dem Dialysator mit der dem
Hauptstrom zuzuführenden Ausgangslösung vereinigt wird, während aus dem Hauptstrom
nacheinander die nicht diffundierenden, dann die schwer diffundierenden und schließlich
die leicht diffundierenden Stoffe gewonnen werden.
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Dadurch reichern sich die leicht diffundierenden Stoffe im Vorratsgefäß
an, während die schwer diffundierenden Stoffe mit dem Hauptstrom abgeführt werden.
Dieses Verfahren gestattet eine technisch einfache wirtschaftliche Trennung von
gelösten Stoffen, insbesondere auch dann, wenn die Unterschiede der Stoffe in den
Diffusionseigenschaften sehr gering sind.
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Vorzugsweise wird bei dem Verfahren nach der Erfindung so vorgegangen,
daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gegenstromes größer als die des Hauptstromes
ist.
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Der Gegen strom wird nach Austritt aus dem System mit der weiter
dem Hauptstrom zuzuführenden Ausgangslösung vereinigt, wobei gegebenenfalls überflüssiges
Lösungsmittel entfernt bzw. verdampft wird.
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Um eine derartige Trennung mit noch besserem Wirkungsgrad durchzuführen,
wird der mit schwerer diffundierenden Komponenten angereicherte Hauptstrom dem Hauptstrom
eines weiteren gleichen Gegenstromsystems zugeführt, dessen Gegenstrom an der Eingangsseite
dieses weiteren Systems mit dem Hauptstrom vereinigt wird. An Stelle einer derartigen
Hintereinanderschaltung des Systems kann vorzugsweise auch eine sogenannte Koppelung
durchgeführt werden, bei welcher der Gegenstrom des nachgeschalteten Systems an
der Eingangsseite des vorgeschalteten Systems dem dortigen Hauptstrom zugeführt
wird, wobei der Gegenstrom des vorgeschalteten Systems wiederum dem Hauptstrom eines
dritten und weiter davorliegenden Systems zugeleitet wird.
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Wie bereits erwähnt, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren sowohl
die Hauptströme als auch die Nebenströme in möglichst dünner Schicht an den wasserdurchlässigen
Wänden vorbeigeführt.
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Es sind bereits Dialysiergeräte bekannt, bei denen sich die Membran
zwischen zwei Platten befindet, die mit Zu- und Abläufen für die zu dialysierende
Flüssigkeit versehen sind.
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Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete
Dialysevorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den
Platten und der Membran mit einem Gewebe ausgefüllt sind, wobei der Dichtrand des
Gewebes den Rahmen bildet, und daß die Schichtdicke des Gewebes 0,1 mm nicht wesentlich
übersteigt.
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Vorzugsweise können mehrere derartige Plattensysteme übereinander
angeordnet sein.
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Das neue Verfahren gestattet nun eine sehr gute Trennung aller gelösten
nichtflüchtigen Stoffe, die sich in ihren Diffusionskoeffizienten oder ihrer Membranpermeabilität
unterscheiden.
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Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren und die hierzu verwendete
Vorrichtung an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 einen
Schnitt durch das Grundelement der Trennvorrichtung,
F i g. 2 eine
Schemadarstellung zum kontinuierlichen Arbeiten, F i g. 3 eine Schemadarstellung
gemäß F i g. 2, bei welcher jedoch nach dem Rückkopplungsverfahren gearbeitet wird,
F i g. 4 eine Ansicht des Grundelementes zur Durchführung des Verfahrens, F i g.
5 einen senkrechten Schnitt durch die in F i g. 4 gezeigte Vorrichtung, F i g. 6
eine Vornehtung analog F i g. 5 mit mehreren Plattensätzen, F i g. 7 eine graphische
Darstellung einer durchgeführten Trennung.
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Das Grundelement der Trennvorrichtung ist in F i g. 1 und 5 in seinen
Einzelheiten gezeigt. Es besteht aus zwei Trägerplatten 2, die vorzugsweise aus
Glas, Metall oder Kunststoff gefertigt sind. Diese Platten sind mit einem Gewebe
4 aus Glasfasern, Metalldrähten oder Kunststoffäden beschichtet, so daß ein sehr
dünner Strömungsraum geschaffen wird. Zwischen der oberen und unteren Platte 2 ist
die Membran 6 eingespannt, welche wasserdicht nach außen durch einen Rahmen 8 gehalten
wird. Wesentlich ist dabei, daß die Schichtdicke der Flüssigkeit so klein ist, daß
der Diffusionsausgleich in der Schicht etwa in der gleichen Zeit erfolgt, wie der
Diffusionsaustausch durch die Membran, d. h., die Schichtdicke der Flüssigkeit darf
0,1 mm nicht wesentlich übersteigen.
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In den einen, hier als oberen Raum gezeichneten Kanal wird über einen
Zufluß 12 der Hauptstrom -mit der Geschwindigkeit V1, welcher die zu trennenden
Komponenten enthält, eingeführt und über einen Ablaß 14 geleitet. In dem unteren
Raum wird der Gegen strom S mit der Geschwindigkeit V2 über einen Zulauf 16 eingeführt
und über eine Austrittsöffnung 18 abgeleitet.
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Das Trennverfahren beruht nun darauf, daß von den zwei Strömen S1
und S2 der Strom S1 mit der Konzentration c1 und der Strom 52 mit einer geringeren
Konzentration c2 (oder der Konzentration Null) in das Gegenstromsystem eintreten.
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Der Strom S1 verläßt bei 14 angereichert mit den schwer oder nicht
diffundierenden Stoffen und der Strom S2 bei 18 angereichert mit den leicht diffundierenden
Stoffen das Gegenstromsystem.
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Der Konzentrationsunterschied berechnet sich noch nach der folgenden
Formel: c1 C1 = 1 Dli xo sh v in welcher die einzelnen Bezeichnungen die folgende
Bedeutung haben: Ct = die Konzentration der Mischungskomponente »ia in 12, c1 =
die Konzentration der Mischungskomponente »i« in 14, Da = den Diffusionskoeffizienten
der Komponente >)ia in der Membran, x0 = die Länge des Gegenstromsystems, s =
die Schichtdicke der Membran, h = die Dicke der Stromschicht, v = die Strömungsgeschwindigkeit
jedes der beiden Ströme.
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Die Konzentration eines Stoffes in der abfließenden Lösung ist also
um so geringer, je besser er durch die Membran hindurchdiffundiert. Damit müssen
die schlecht diffundierenden Stoffe im Haupt strom S1 austreten, während im Gegenstrom
S2 die gut diffundierenden angereichert austreten.
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Eine noch wesentlich bessere Trennung kann erreicht werden, wenn
die Stromgeschwindigkeit der Ströme S1 und S voneinander verschieden sind (v2 >
val), es bildet sich näherungsweise ein exponentielles Konzentrationsgefälle gemäß
folgender Gleichung aus: e = cz e ( v ) s b v v2 Dadurch, daß der Diffusionskoeffizient
im Exponenten einer Exponentialfunktion steht, können kleine Unterschiede im Diffusionskoeffizienten
zu relativ großen Konzentrationsunterschieden in den abfließenden Lösungen bei 14
führen.
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Eine weitere wesentliche Verbesserung der in F i g. 1 dargestellten
elementaren Anordnung läßt sich dadurch erreichen, daß die durch den Strom S2 von
16 nach 18 geförderte Stoffmenge dem Gegenstromsystem wieder zugeführt wird (F i
g. 2).
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Die Lösung mit den zu trennenden Stoffen befindet sich im Gefäß 20
und läuft durch das Gegenstromsystem von 12 nach 14, während der Gegenstrom (destilliertes
Wasser oder Lösung einer geringeren Konzentration) von 16 nach 18 und von dort in
das Gefäß 20 läuft. Auf diese Weise wird erreicht, daß im Ablauf 14 in zeitlicher
Folge zuerst vorzugsweise die nicht diffundierenden, dann die schwer diffundierenden
und schließlich die leicht diffundierenden Stoffe erscheinen. Eine scharfe Trennung
von Stoffen, die sich nur wenig in ihren Diffusionseigenschaften unterscheiden,
ist mit dieser Anordnung jedoch nicht möglich. Zu diesem Zweck muß die Stromgeschwindigkeit
v größer als val gewählt werden, so daß sich für leicht diffundierende Stoffe ein
exponentielles Konzentrationsgefälle wie beschrieben einstellt. Da durch den Strom
s2 mehr Flüssigkeit zugeführt als abgeführt wird, muß die zuviel zugeführte Flüssigkeit
im Gefäß 20 verdampft werden (22). Durch Änderung des Rückflußverhältnisses ff könnenjetzt
bereits scharfeTrennvt effekte erzeilt werden.
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Um den Trennungsgrad bei Stoffen, die sich nur wenig im Diffusionskoeffizienten
unterscheiden. zu erhöhen, können mehrere Einheiten gemäß Fig.2 hintereinandergeschaltet
werden. Dieses ist in F i g. 3 dargestellt; der Ausgang der Einheit I wird dem Verdampfer
der Einheit II zugeführt, der Ausgang der Einheit II wiederum dem Verdampfer der
Einheit III usw. Bei Verwendung von lt Einheiten wird der Trenneffekt einer Einzelstufe
n-mal multipliziert, wodurch bei entsprechendem Aufwand ein sehr hoher Trenneffekt
erzielt werden kann.
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Bei der in F i g. 4 gezeigten schematischen Darstellung sind die
Trenneinheiten in Rückkopplungsschaltung miteinander verbunden. Der mit schwer diffundierenden
Stoffen angereicherte Strom S1 wird wie bisher dem Verdampfer der nächstfolgenden
Stufe zugeführt. Der Hauptstrom mit der schwerer diffundierenden Komponente I gelangt
also von dem SystemI in das System II und von dort in das System III usf.
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Der mit leicht diffundierenden Stoffen angereicherte Gegenstrom S
wird dagegen nicht wie bisher dem
Verdampfer des gleichen Systems,
sondern jetzt dem Verdampfer der vorhergehenden Stufe zugeführt. Das heißt also,
daß der Gegenstrom aus dem System III auf die Eingangs seite des Systems II geleitet
wird und mit dem Hauptstrom wieder in Richtung auf das System III transportiert
wird; auf gleiche Weise wird der Gegenstrom 52 von dem System II dem Verdampfer
des Systems I zugeführt. Hierdurch wird erreicht, daß die leicht diffundierenden
Stoffe in der Kette von rechts nach links und die schwer diffundierenden Stoffe
von links nach rechts wandern. Der Zulauf kann je nach der Zusammensetzung an einer
beliebigen Stelle der Kette erfolgen.
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Statt den gesamten Strom rückzukoppeln, wie in Fig. 4 dargestellt,
ist es unter Umständen zweckmäßig, nur einen Teil jedes Stromes rückzukoppeln und
den anderen Teil, wie in F i g. 3 dargestellt, dem Verdampfer der gleichen Stufe
zuzuführen.
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Da wegen des Strömungswiderstandes, den das Gewebe bildet, die einzelne
Einheit (Fig. 6) nicht beliebig vergrößert werden darf, kann man durch Parallelschalten
von Einheiten die nötige Kapazität erreichen. Gleichzeitig werden durch ein Parallelschalten
Raum und Kosten gespart.
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In F i g. 7 sind mehrere Gegenstromeinheiten übereinander dargestellt.
Auf die Platten sind auf beiden Seiten Gewebe aufgespannt, die mit Dichträndern
versehen sind. Abwechselnd werden die so präparierten Platten und Membranen übereinandergepreßt.
Die Bohrungen und Schlauchanschlüsse können wie in F i g. 7 dargestellt angebracht
werden.
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Beispiel Mit der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung wurde ein Trennvorgang
an einem Gemisch aus Patentblau, Kaliumbichromat und NaCl durchgeführt.
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Als Stromgeschwindigkeiten wurden gewählt: I. Periode v2 = 120 ml/Stunde
Patentblau fließt ab. v1 = 13 ml/Stunde.
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II. Periode v2 = 120 ml/Stunde Patentblau und Kaliumbichromat fließen
ab. vl = 35 ml/Stunde.
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III. Periode v2 = 120 ml/Stunde Kaliumbichromat fließt ab. v1 = 60
ml/Stunde.
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IV. Periode v2 = 0. NaCl und Rest Kaliumbichromat fließen ab. v1
= 120 ml/Stunde.
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In F i g. 8 sind die relativen Konzentrationen gegen die in der Zeiteinheit
durchgeführten Probeentnahmen aufgeführt. Die Kurven zeigen deutlich, daß bereits
mit einer derart einfachen Apparatur ein hervorragender Trenneffekt bewirkt werden
kann.