DE1417643C - Verfahren zur Durchführung des Ionenaustausches - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein spezielles Verfahren zur Durchführung des Ionenaustausches.

Bei der industriellen Durchführung von Ionenaustauschreaktionen wird durch die Regenerierung der Ionenaustauscher ein hoher Anteil des Betriebsaufwandes verursacht. Die Mengen für die bei der Regenerierung einzusetzenden Chemikalien sind um so höher — bis zum Mehrfachen der stöchiometrisch berechneten Menge —, je vollständiger der Nutzaustausch erfolgen soll. Es hat nicht an Versuchen ge- ίο fehlt, die erforderliche Menge an Regenerierchemikalien herabzusetzen.

So wurde bereits versucht, die großen Mengen an Regeneriermittel dadurch zu verringern, daß man die Regenerierlösung in mehrere Fraktionen unterteilt und nacheinander über den Austauscher geleitet hat. Die jeweils erschöpften Fraktionen wurden entfernt, die nicht erschöpften eingelagert und wieder verwendet. Erst danach wurde die frische Regenerierlösung aufgegeben. Jedoch hat sich gezeigt, daß der Chemikalienbedarf auch bei dieser Methode der Regenerierung recht hoch ist.

Ein weiteres bekanntes Verfahren betrifft das Regenerieren von basenaustauschendem Filtermaterial. Bei diesem Verfahren wird ein Teil der aus dem Austauscher ausfließenden Lösungsteile unterschiedlicher Konzentration so in einem Gefäß übereinander gelagert, daß das spezifische Gewicht dieser Lösungsteile nach oben abnimmt. Bei der nächsten Regenerierung werden diese Lösungsteile dann erneut in den Austauscher geleitet, wobei vor der Wiederverwendung festes Salz in den verdünnten Lösungsteilen aufgelöst wird. Dabei weisen die zuerst zugeführten Lösungsteile einen höheren Gehalt an mit der Austauscherbeladung identischen Ionen und einen dementsprechend niedrigeren Salzgehalt auf als die danach zugeführten Lösungsteile. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dieses Verfahren im Vergleich zum vorigen keine Vorteile besitzt.

Die Geringfügigkeit des Erfolges beider Verfahren ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß sich die nochmals zur Verwendung kommenden Lösungsteile vor und während der Wiederverwendung infolge ihrer verschiedenen spezifischen .Gewichte untereinander und gegebenenfalls auch mit der frischen Regenerierlösung vermischt haben.

Die beschriebenen Nachteile lassen sich in vorteilhafter Weise bei dem Verfahren zur Durchführung der beim Ionenaustausch erforderlichen Verfahrensschritte des Verdrängens von Wasser aus dem Aus- tauscher durch eine Lösung, des Ionenaustausches und des Verdrängens der im Austauscher verbliebenen Lösung durch Wasser, wobei ein Teil der ausfließenden Flüssigkeit entfernt und der andere Teil unterteilt und in verschiedenen Lagergefäßen mit nach oben abnehmendem spezifischen Gewicht eingelagert und im nächsten Austaüschzyklus in der gleichen Reihenfolge wieder auf den Austauscher gegeben wird, erfindungsgemäß weitgehend dadurch vermeiden, daß ohne wesentliche Vermischung

zunächst

a) in an sich bekannter Weise das im Austauscher vorhandene Wasser mittels einer Lösung, welche vom Austauscher aufzunehmende Ionen enthält, verdrängt wird, wobei das aus dem Austauscher zuerst austretende reine Wasser und die anschließend daran austretenden im gewünschten Maße durch Ionenaustausch umgewandelten Lösungsteile abgezogen sowie die danach austretenden weiteren Lösungsteile eingelagert werden
oder

b,) das im Austauscher vorhandene Wasser mittels einer Lösung, welche solche Ionen enthält, die mit der Austauscherbeladung identisch sind, verdrängt wird, wobei das aus dem Austauscher zuerst austretende praktisch reine Wasser entfernt und die anschließend daran austretenden Lösungsteile eingelagert werden, worauf

b₂) eine Lösung, welche vom Austauscher aufzunehmende Ionen enthält, aufgegeben wird, wobei die austretenden Lösungsteile zunächst zusammen mit denen des Schrittes b_t) eingelagert werden, bis die dort im nächsten Austauschzyklus aufzugebende Lösungsmenge erreicht ist, und dann die anschließend daran austretenden im gewünschten Maße durch Ionenaustausch umgewandelten Lösungsteile abgezogen sowie die danach austretenden weiteren Lösungsteile getrennt von denen des Schrittes b_t) eingelagert werden,
dann

c) eine frische Lösung der vom Austauscher aufzunehmenden Ionen entsprechend der abgezogenen Lösungsmenge aufgegeben wird, wobei die austretenden Lösungsteile zusammen mit denen des Schrittes a) bzw. b₂) letzter Teil eingelagert werden

danach

d) eine Lösung, welche vom Austauscher aufzunehmende Ionen enthält und schließlich

e) frisches Wasser aufgegeben wird, wobei die austretenden Lösungsteile zunächst zusammen mit denen des Schrittes a) bzw. b₂) letzter Teil und c) eingelagert werden, bis die gemäß a) bzw. b₂) im nächsten Austauschzyklus aufzugebende Lösungsmenge erreicht ist, und die anschließend daran austretenden weiteren Lösungsteile getrennt davon eingelagert werden, bis die gemäß d) im nächsten Austauschzyklus aufzugebende Lösungsmenge erreicht ist.

Die Vorteile der Erfindung sind zweifach. Erstens kann man den Abzug beim Regenerieren verkleinern, wobei die Ausnutzung des Regeneriermittels der stöchiometrischen Menge sehr nahe kommt. Der Abzug ist selbstverständlich immer gleich der frisch zuzuführenden Menge des Regeneriermittels. Gleichzeitig wird der Austauscher sehr weitgehend regeneriert, so daß im Nutzaustausch eine höhere Ausbeute erzielt wird. Die Wirtschaftlichkeit des Ionenaustausches, ausgedrückt durch die verbrauchte Menge des Regeneriermittels bezogen auf die Menge der im Nutzaustausch entfernten Ionen, wird also durch beide Maßnahmen nicht unerheblich verbessert.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf beide Ionenaustauschreaktionen eines Austauschzyklus mit demselben Erfolg anwenden, also sowohl auf die Regenerierung als auch auf den Nutzaustausch. Das Gesagte bezieht sich also sinngemäß auch auf die Fälle, wo der Nutzaustausch verbessert werden soll. Es kommt vor, z. B. bei der Konvertierung eines Alkalisalzes in Ammoniumsalz in konzentrierten Lösungen, daß die Umsetzung bei den bekannten Ionenaustauschverfahren lediglich in den

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ersten Lösungsteilen in erwünschtem Maße verläuft, setzen, wird also beim Verdrängen der Lösung ein in den nachfolgenden aber bald abnimmt. Bei der drittes Lagergefäß wie folgt benutzt: Die frisch zuangestrebten Ausnutzung der Austauscherkapazität kommende zu behandelnde Lösung wird erst auf den wird dabei die erhaltene Lösung in ihrer Gesamtheit Austauscher gebracht, nachdem die im zweiten Lagernur unvollständig umgewandelt. Durch die Erfindung 5 gefäß gespeicherte Menge durch den Austauscher wird auch hierbei erreicht, daß sowohl der Abzug geführt worden ist. Zur Verdrängung dieser Lösung sehr weitgehend umgesetzt als auch im Austauscher wird das dritte Lagergefäß angeschlossen. Die abeine weitgehende Umladung erfolgt ist, wobei die fließende Lösung wird zuerst zur Auffüllung des Konzentration des Abzuges nicht erheblich niedriger zweiten Lagergefäßes benutzt. Die anschließend ausals die der zugegebenen Lösung ist. io fließenden Lösungsteile abnehmender Konzentration

Beim Ionenaustausch treffen Lösungen bekannt- werden in das dritte Lagergefäß geleitet, das durch

lieh meist auf ein mit Wasser gefülltes Austauscher- nachfolgende Aufgabe von Wasser auf den Ioncnaus-

bett. Die ersten Lösungsteile vermischen sich mit tauscher aufgefüllt wird.

dem Wasser, und erst später erreicht die Konzentra- Zur Durchführung des Verfahrens bedient man

tion der ausfließenden Lösung die Eingangskonzen- 15-sich zweckmäßigerweise der nachstehenden Verfah-

tration. Die damit verbundene Änderung des spezi- renshilfen bzw. Vorrichtungen:

fischen Gewichtes würde die Ausführung des erfin- Um die Vermischung der einzelnen Lösungsteile

dungsgemäßen Verfahrens stören. Durch den Ver- in den Lagergefäßen zu vermeiden, verfährt man, je

fahrensschritt a) wird nun die Menge des Abzuges so nachdem ob das spezifische Gewicht der nacheinan-

bemessen, daß damit zusammen der überwiegend 20 der zufließenden Lösungsteile ab- oder zunimmt, in

größere Teil des Wassers entfernt wird, das sich mit bekannter Weise wie folgt:

den ersten Lösungsteilen vermischt. Bei abnehmendem spezifischen Gewicht der in das

Beim Ionenaustausch in konzentrierten Lösungen Lagergefäß einzubringenden Lösungsteile werden die reicht oftmals der gewünschte Abzug nicht aus, um zufließenden Lösungsteile auf die jeweilige Oberdie gesamte Wassermenge mit sich abzuführen. Auch 25 fläche der im Lagergefäß befindlichen Flüssigkeit gewill man oft die Verdünnung des Abzuges vermin- führt; mit zunehmendem spezifischen Gewicht gcdern. In diesem Fall kann man das Verfahren gemäß schieht die Zuführung dagegen an der untersten Stelle der Erfindung entsprechend den Schritten b_x) und b₂) des Lagergefäßes. Um die Vermischung auch bei der auch bei der Verdrängung des Wassers anwenden. Zu Entleerung des Lagergefäßes zu verhindern, wird diesem Zweck wird nur ein Teil der durchgeleiteten 30 dabei umgekehrt verfahren. Im ersten Fall leitet man Flüssigkeitsmenge, praktisch aus Wasser bestehend, die Flüssigkeit von der untersten Stelle des Lagergeabgezogen und die nachfolgenden Lösungsteile stei- fäßes ab, im zweiten Fall von der jeweiligen Obergender Konzentration ohne Vermischung in einem fläche der Flüssigkeitssäule.

Lagergefäß eingelagert. Diese Lösungsteile bestehen Die Zu- oder Abführung der Lösungsteile in der aus Ionen, die durch den Ionenaustauscher nicht 35 jeweiligen Höhe der Oberfläche der Flüssigkeitssäule mehr verändert werden,' d. h., sie bleiben auch bei des Lagergefäßes kann in ebenfalls bekannter Weise wiederholter Durchleitung durch den Austauscher mittels eines Schwimmers erfolgen, der durch die aufpraktisch chemisch unverändert. Nach Beendigung und absteigende Oberfläche der Flüssigkeit stets mitder Verdrängung ist der Austauscher mit dieser Lö- genommen wird und das Ende einer flexiblen Leitung sung gefüllt, wobei deren Konzentration nahezu die 4° für die Flüssigkeit darstellt.

Konzentration der später zu behandelnden Lösung Man kann aber in zweckmäßiger Ausgestaltung

erreicht. Diese befindet sich in einem zweiten Lager- der Erfindung auch folgendermaßen verfahren: Die

gefäß und wird auf den Austauscher zur chemischen spezifisch leichter werdenden Lösungsteile werden

Behandlung geführt. Dabei werden die ausfließenden auf die jeweilige Oberfläche der im Lagergefäß be-

Lösungsteile so lange auf das erste Lagergefäß ge- 45 findlichen Lösung mittels einer schraubenlinienför-

führt, bis dieses gefüllt ist. Nachfolgend werden die- mig gewundenen offenen Rinne zugeführt, die sich

jenigen Lösungsteile abgezogen, in denen die ehe- über die ganze Höhe des Lagergefäßes erstreckt. Die

mische Umwandlung im gewünschten Maße erfolgt oben zugeführten Lösungsteile fließen in der Rinne

ist. Die Konzentration dieses Abzuges ist nahezu nach unten und treten jeweils beim Erreichen der

gleich der der Eingangslösung. Durch die Anwen- 50 Lösungsoberfläche aus. Durch entsprechende Ein-

dung des ersten .Lagergefäßes wird die Verdünnung stellung des Neigungswinkels und der Breite der

der Lösung herabgesetzt. Rinne kann man die Zuflußgeschwindigkeit so nied-

Nach Beendigung des Abzuges werden die nach- rig halten, daß beim Überschwellen keine Aufwirbefolgend ausfließenden Lösungsteile in das zweite lung der ruhenden Lösung eintritt. Die Rinne wird Lagergefäß zurückgeführt, die fehlende Abzugs- 55 an der Gefäßinnenwand oder in der Mitte des Gemenge durch frische Lösung ersetzt und nachfolgend fäßes befestigt.

die Lösung vom Austauscherbett durch Wasser ver- Will man die im Lagergefäß ruhende Flüssigkeit drängt. Bei dieser Verdrängung entstehen wiederum von der Oberfläche abführen, so kann man auch so Lösungsteile, deren chemische Zusammensetzung verfahren, daß man sie in bekannter Weise von unten sich kaum mehr ändert, deren Konzentration aber 60 durch unbehandelte Flüssigkeit verdrängt, wodurch kontinuierlich abnimmt. Würde man diese Lösungs- das Lagergefäß mit der letzteren gefüllt wird,
teile unmittelbar in das zweite Gefäß einlagern, so Da nach Abführung des Abzuges das Lagergefäß, würden sich die Schichten zufolge ihres veränder- aus welchem die Lösung an den Austauscher geleitet liehen spezifischen Gewichtes bei der Wiederverwen- wird, oft noch nicht leer ist, wenn schon die ausfliedung untereinander vermischen. Um dies zu vermei- 65 ßenden Lösungsteile eingelagert werden sollen, werden, werden diejenigen Lösungsteile, deren Konzen- den in diesem Fall zwei gleiche Lagergefäße verwentration abnimmt, erfindungsgemäß auch getrennt auf- det, die abwechselnd geleert bzw. gefüllt werden, gefangen. Um die Verdünnung der Lösung herabzu- Wird die leichtere behandelte Lösung durch die spe-

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zifisch schwerere unbehandelte von unten nach oben verdrängt, so werden drei gleiche Lagergefäße verwendet, die ihre Rolle periodisch vertauschen; ein Lagergefäß ist mit der behandelten Lösung vom veränderlichen spezifischen Gewicht, das andere mit der unbehandelten Lösung gefüllt, und das dritte Lagergefüß wird mit dem Inhalt des ersten gefüllt.

Das crfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend an Hand zweier beispielhafter Figuren in einfacher Weise noch näher erläutert.

Für jeden Einlagerungsvorgang werden dabei jeweils zwei gleiche Lagergefäße vorgesehen, von denen zu Beginn des Austauschzyklus das eine gefüllt und das andere leer ist. Die in dem gefüllten, beispielsweise mit dem Index 1 gekennzeichneten Lagergefäß enthaltenen unterschiedliche Zusammensetzung aufweisenden Lösungsteile werden auf den Austauscher gegeben, und die aus diesem mit einer gewissen Phasenverschiebung ausfließenden, ebenfalls unterschiedlich zusammengesetzten Lösungsteile im leeren mit dem Index 2 gekennzeichneten Lagergefäß eingelagert. Die Einlagerung erfolgt ohne wesentliche Vermischung, indem die in das Lagergefäß eingeleiteten Lösungsteile in bekannter Weise so über- oder untereinander geschichtet werden, daß ihr spezifisches Gewicht von unten nach oben abnimmt. Im nächsten Austauschzyklus wird dann die Lösung aus dem jetzt gefüllten Lagergefäß des Index 2 auf den Austauscher gegeben und das nun leere Lagergefäß des Index 1 gefüllt, so daß danach wieder der ursprüngliche Zustand erreicht ist.

In den Fig. 1 und 2 ist für gewählte Beispiele für je einen halben Austauschzyklus die Konzentration in Äquivalent pro Liter (äqu/1) der in den Austauscher einlaufenden bzw. aus diesem auslaufenden Flüssigkeiten in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.

Bei der in Fig. 1 gewählten Darstellung ist der Austauscher zu Beginn mit Α-Ionen beladen und ausgewaschen. Im Lagergefäß K₁ ist eine Lösung enthalten, deren Konzentration an Α-Ionen nach oben hin abnimmt, während die an B-Ionen, also an den vom Austauscher aufzunehmenden Ionen, nach oben hin zunimmt, wobei die Gesamtkonzentration praktisch konstant bleibt und das spezifische Gewicht nach oben hin abnimmt. Im Lagergefäß L₁ befinden sich Lösungsteile, die praktisch nur B-Ionen enthalten und deren Gesamtkonzentration nach oben hin steil abnimmt.

Auf den Austauscher wird zunächst die von unten aus dem Lagergefäß K₁ abgezogene Lösung gegeben, danach die frisch zukommende Lösung der B-Ionen, dann die von unten aus dem Lagergefäß L₁ abgezogene Lösung und schließlich frisches Wasser.

Aus dem Austauscher fließt zuerst reines Wasser aus, dann eine Lösung mit steigendem Gehalt an Α-Ionen, die schließlich auch B-Ionen in kleiner Menge enthält. Diese Flüssigkeitsteile, deren Ionengehalt der frisch zukommenden B-Ionen-Lösung entspricht, bilden den Abzug und werden aus dem Prozeß entfernt. Die anschließend daran austretenden Lösungsteile werden im Lagergefäß K₂ und, nachdem dieses gefüllt ist, im Lagergefäß L₂ eingelagert.

Anschließend daran wird der Austauscher in der Gegenreaktion auf erfindungsgemäße Art und Weise oder auch nach bekannten Verfahren erneut mit Α-Ionen beladen. Nach Beendigung dieser Reaktion beginnt ein neuer Austauschzyklus, in dem nun die Lösungsteile aus den Lagergefäßen K₂ und L₂ entnommen und in die Lagergefäße K₁ und L₁ wie vorher mit Phasenverschiebung eingelagert werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Verfahren ist der Austauscher zu Beginn ebenfalls wieder vollständig mit Α-Ionen beladen und ausgewaschen. Im Lagergefäß M₁ ist eine A-Ionen-Lösung enthalten, deren Konzentration von unten nach oben abnimmt, während die in den Lagergefäßen K₁ und L₁ enthaltenen

ίο Lösungen denen des Verfahrens gemäß F i g. 1 entsprechen.

Auf den Austauscher wird zunächst die von oben aus dem Lagergefäß M₁ abgezogene Lösung gegeben, danach von unten der Inhalt des Lagergefäßes K₁, dann die frisch zukommende B-Ionen-Lösung sowie die ebenfalls von unten aus dem Lagergefäß L₁ abgezogene Lösung und schließlich frisches Wasser..

Dabei tritt aus dem Austauscher zuerst praktisch reines, d. h. nur eine kleine Menge an Α-Ionen enthaltendes Wasser aus, das weggeleitet wird. Danach treten Lösungsteile mit zunehmender Konzentration an Α-Ionen aus, die im Lagergefäß M₂ von unten her eingelagert werden. Nach Füllung des Lagergefäßes M₂ werden die nachfolgend austretenden Lösungsteile abgezogen, in denen die chemische Umwandlung im gewünschten Maße erfolgt ist. Der Abzug hat dabei nahezu die gleiche Konzentration wie die Lösung im Lagergefäß K₁ und enthält praktisch nur Α-Ionen. Entsprechend der mit dem Wasser und dem Abzug fortgeleiteten Ionenmengen ist die Ionen-Menge der frisch zukommenden B-Ionen-Lösung bemessen. Nach Beendigung des Abzugs werden die weiter austretenden Lösungsteile im Lagergefäß K₂ und nach dessen Füllung schließlich im Lagergefaß L₂ von oben her eingelagert.

Der Austauscher wird dann in der Gegenreaktion wieder mit Α-Ionen beladen und anschließend ein neuer Austauschzyklus sinngemäß zu dem Verfahren wie bei F i g. 1 beschrieben durchgeführt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Durchführung der beim Ionenaustausch erforderlichen Verfahrensschritte des Verdrängens von Wasser aus dem Austauscher durch eine Lösung, des Ionenaustausches und des Verdrängens der im Austauscher verbliebenen Lösung durch Wasser, wobei ein Teil der ausfließenden Flüssigkeit entfernt und der andere Teil unterteilt und in verschiedenen Lagergefäßen mit nach oben abnehmendem spezifischem Gewicht eingelagert und im nächsten Austauschzyklus in der gleichen Reihenfolge wieder auf den Austauscher gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß ohne wesentliche Vermischung

zunächst

a) in an sich bekannter Weise das im Austauscher vorhandene Wasser mittels einer Lösung, welche vom Austauscher aufzunehmende Ionen enthält, verdrängt wird, wobei das aus dem Austauscher zuerst austretende reine Wasser und die anschließend daran austretenden im gewünschten Maße durch Ionenaustausch umgewandelten Lösungsteile abgezogen sowie die danach austretenden weiteren Lösungsteile eingelagert werden
oder

bj) das im Austauscher vorhandene Wasser mittels einer Lösung, welche solche Ionen enthält, die mit der Austauscherbeladung identisch sind, verdrängt wird, wobei das aus dem Austauscher zuerst austretende praktisch reine Wasser entfernt und die anschließend daran austretenden Lösungsteile eingelagert werden, worauf

b₂) eine Lösung, welche vom Austauscher aufzunehmende Ionen enthält, aufgegeben wird, wobei die austretenden Lösungsteile zunächst zusammen mit denen des Schrittes b_t) eingelagert werden, bis die dort im nächsten Austauschzyklus aufzugebende Lösungsmenge erreicht ist, und dann die anschlie- ßend daran austretenden im gewünschten Maße durch Ionenaustausch umgewandelten Lösungsteile, abgezogen sowie die danach austretenden weiteren Lösungsteile getrennt von denen des Schrittes bj) eingelagert wer- so den,
dann

c) eine frische- Lösung der vom Austauscher aufzunehmenden Ionen entsprechend der abgezogenen Lösungsmenge aufgegeben wird, wobei die austretenden.Lösungsteile zusammen mit denen des Schrittes a) bzw. b₂) letzter Teil eingelagert werden, danach

d) eine Lösung, welche vom Austauscher auf-. zunehmende Ionen enthält, und schließlich

e) frisches Wasser aufgegeben wird, wobei die austretenden Lösungsteile zunächst zusammen mit denen des Schrittes a) bzw. b₂) letzter Teil und c) eingelagert werden, bis die gemäß Schritt a) bzw. b₂) im nächsten Austäuschzyklus aufzugebende Lösungsmenge erreicht ist, und die anschließend daran austretenden weiteren Lösungsteile getrennt davon eingelagert werden, bis die gemäß d) im nächsten Austauschzyklus aufzugebende Lösungsmenge erreicht ist.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung der Lösungsteile in der jeweiligen Höhe des Flüssigkeitsspiegels im Lagergefäß eine schraubenlinienförmig gewundene oben offene sich über die Gefäßhöhe erstreckende Rinne vorgesehen ist. ·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 652/26