DE1517928C - Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen eines Elektrolyten aus einer Lösung mit grosser Viskosität durch Dialyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen eines Elektrolyten aus einer Lösung mit großer Viskosität durch Dialyse, bei welchem mehrere getrennte Ströme nach unten durch eine jeweils von. einem Paar Dialysemembranen begrenzte Dialysezelle hindurchgehen, während mehrere getrennte Ströme eines Lösungsmittels für den Elektrolyten nach oben durch die den Dialysezellen benachbarten und mit diesen in Berührung befindlichen Zellen fließen, wobei praktisch kein Druckunterschied ίο entlang eder Membran aufrechterhalten wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bereits eine Reihe von Dialyseverfahren bekannt (vgl. zum Beispiel deutsche Patentschriften 728 626 und 87114).

Die Erfindung unterscheidet sich von den üblichen Dialyseverfahren, bei denen Lösungen mit geringer Viskosität angewendet werden, in folgenden Punkten.

Es ist allgemein zweckmäßig, einen möglichst dünnen Film als Dialysemembran anzuwenden, um " die Dialysewirkung zu verbessern; der Widerstand an dem Film wird jedoch sehr groß, wenn man eine Lösung mit großer Viskosität (z. B. 20 bis 700 Poise, wie bei der Erfindung) anwendet. Für die Erfindung ist es daher wesentlich, daß die stark viskose Lösung unter dem Einfluß der Schwerkraft frei nach unten fließt. Dadurch wird der Widerstand an dem Film möglichst gering gehalten.

Dieser wesentliche Vorteil wird erfindungsgemäß erzielt, indem man eine Dialysezelle anwendet, deren unteres Ende offen ist. Das Wesen der Erfindung beruht somit in einer Kombination einer speziell konstruierten Dialysezelle und der Anwendung einer Dialyselösung von großer Viskosität. Falls man beispielsweise eine Lösung von geringer Viskosität anwendet, z. B. eine verdünnte wäßrige Lösung, so wird die Absteiggeschwindigkeit zu groß und es kann keine Dialysewirkung eintreten. Ferner besteht die Möglichkeit eines Membranbruchs.

Die Dialysewirkung kann ferner durch Einsetzen eines Pufferglieds, z. B. eines Drahtnetzes in die Dialysezelle erhöht werden. Durch das Pufferglied wird die Grenzschicht zwischen der Membran und der Lösung fortlaufend erneuert und es tritt keinerlei stationäre Schicht auf.

Für eine wirksame Durchführung des Verfahrens müssen die verwendeten Dialysemembranen so dünn wie möglich sein. Folglich ist die mechanische Festigkeit der Membranen begrenzt. Da die mechanische Festigkeit der gewöhnlich verwendeten Dialysemembranen verhältnismäßig gering ist, muß der Unterschied der Flüssigkeitsdrücke an den beiden Membranseiten klein gehalten werden. Bei den herkömmlichen Dialysatoren sind die Schwierigkeiten hinsichtlich der von den spezifischen Gewichten herrührenden Druckdifferenz zwischen einer zu dialysierenden oder einer undialysierten Lösung und einer Aufnahmelösung einfach durch Regeln des Zuführdruckes beider Flüssigkeiten überwunden worden. Bei einem derartigen Verfahren konnte jedoch dieses Problem nicht gelöst werden, wenn die Viskositätsdifferenz zwischen den beiden Flüssigkeiten groß war. Zur Erzielung eines besseren Dialyse-Effektes sollen auch die Fließgeschwindigkeiten möglichst hoch sein.

Je höher jedoch die Fließgeschwindigkeiten der Flüssigkeiten sind, umso größer ist die Differenz zwischen den Flüssigkeitsdrucken an der Einlaß- und der Außenseite und desto mehr nimmt der Durchflußwiderstand in den Röhren zu. Dieses Problem wird umso schwerwiegender, wenn die Viskosität der Flüssigkeiten zunimmt. Es ist deshalb schwierig, eine hochviskose Lösung mit Hilfe eines herkömmlichen Dialysators zu dialysieren.

Je höher auch die Fließgeschwindigkeit einer Aufnahmelösung ist, die in bezug auf die Fließgeschwindigkeit einer nichtdialysierten, auf dem pro Flächeneinheit der Dialysemembrane fließenden Lösung bestimmt ist, desto höher ist die Konzentration der durch Diffusion erhaltenen Lösung.

Zur Erzielung einer solch hohen Fließgeschwindigkeit der Aufnahmelösung muß ein Zwangsumlauf verwendet werden; die Membranen können jedoch leicht beschädigt werden, wenn ein solcher Umlauf zum Dialysieren einer hochviskosen Lösung benutzt wird. Aus diesem Grunde ist das Dialysieren einer hochviskosen Lösung außerordentlich schwierig.

Da die zu dialysierende· Flüssigkeit gemäß der Erfindung gleichförmig von oben zum offenen Boden fließt, kann die Fließgeschwindigkeit -erhöht werden, "ohne daß der Druck an der Membran ansteigt, und zwar trotz der Tatsache, daß die zu dialysierende Flüssigkeit eine hochviskose Lösung ist und einer Flüssigkeitssäule von beträchtlicher Höhe entspricht. Andererseits kann eine Beschädigung der dünnen einen guten Dialyse-Effekt aufweisenden Membran verhindert werden, wenn die Flüssigkeitsdruckdifferenz zwischen der nichtdialysierten Flüssigkeit und der durch Diffusion erhaltenen Lösung trotz ansteigenden Flüssigkeitsdrucks durch gleichförmiges und einseitiges Erhöhen des Diffusatdrucks aufgehoben wird. Weiterhin ist ein guter Dialyse-Effekt erzielbar, weil der Gegenstromkontakt unter Zwischenlage der Membran stattfinden kann. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem Fall, wenn die zu dialysierende Flüssigkeit eine Lösung mit niedriger Viskosität ist, z. B. zur Rückgewinnung eines Alkalis aus einer wäßrigen Ablauge, wird die Geschwindigkeit der nach unten fließenden, zu dialysierenden Flüssigkeit außerordentlich hoch und die Gefahr einer Beschädigung der Membran auf Grund der großen Differenz zwischen den beiden Flüssigkeitsdrucken erhöht sich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist also in einem derartigen Fall nicht verwendbar.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gewinnen eines Elektrolyten aus einer Lösung mit großer Viskosität durch Dialyse.

Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß eine Lösung mit einer Viskosität von 20 bis 700 Poise frei durch die Dialysezelle unter dem Einfluß der Schwerkraft zu den offenen Enden hinfließt.

Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Dialysezellen mit Puffergliedern bepackt sind und offene Enden aufweisen.

Zweckmäßigerweise bestehen die Pufferglieder aus Drahtnetzen.

Gemäß der Erfindung besteht das Verfahren zum Rückgewinnen einer konzentrierten Lösung aus einem oder mehreren Elektrolyten aus den folgenden Arbeitsstufen: man führt die hochviskose, undialysierte Flüssigkeit in jede Dialysezelle von oben her ein, so daß die Flüssigkeit nur nach unten fließen kann, entnimmt das entstandene Dialysat aus dem

Dialysator und führt dabei in jede Diffusatzelle vom Filterpressen-Dialysators gemäß der Erfindung ist die

Boden her eine Aufnahmelösung ein, so daß die Erfindung nachstehend beispielsweise beschrieben.

Lösung nur nach oben fließen kann, sammelt und Der Pressenrahmen 1 ist mit einer Endplatte 2

entnimmt die entstandene Diffusionslösung. aus dem derart verbunden, daß der Rahmen frei verschiebbar

System und läßt gegebenenfalls die rückgewonnene 5 ist. In jedem beidseitig mit Armen 8, 9, 10, 11 und

Diffusionslösung wiederholt durch eine Zwangsum- ' 12 versehenen Siebrahmen 3, 4, 5, 6 bzw. 7 sind

laufpumpe in den Diffusatzellen umlaufen. Das er- (nicht dargestellte) Anschläge, z.B. ein'Metall- oder

findungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, Kunstharznetz, vorgesehen. Diese Anschläge sollen

daß die undialysierte Flüssigkeit und die Aufnahme- verhindern, daß sich die Dialysemembran verformt

lösung in den Dialysat- und Diffusatzellen durch eine io und sollen die Aufwärts- bzw. Abwärtsfließbewegung

Vielzahl Siebe hindurch fließen, die unter Abstand . der Flüssigkeiten in den Rahmen verzögern. Es sind

voneinander angeordnet, durch Membranen eng mit- Flüssigkeitskanäle oder -leitungen 14, 15, 16, 17, 18,

einander verspannt sind und in ihrem Innern An- 19 und 20 vorgesehen. Im Rahmeninnern sind unter

schlage zum Aufstellen der Membranen und zum gleichem Abstand eine Vielzahl Schlitze 21 bis 30

Abbremsen der Aufwärts- oder Abwärtsfließbewe- 15 vorgesehen, deren Durchmesser vorzugsweise zu-

gung der beiden Flüssigkeiten enthalten. nimmt, je weiter sie vom Ein- oder Ausgang entfernt

Die Erfindung sieht einen Vielzellen-Filterpressen- sind, z. B. im Kanal 14, so daß die Flüssigkeiten im Dialysator vor, der sich dadurch auszeichnet, daß Rahmen und auf der Membran gleichförmig fließen eine Vielzahl Siebe durch Aufstellen von Membranen können.~Von innen nach außen verlaufende Schlitze auf in ihrem Innern mit Anschlägen versehenen Sieb- zo 22, 26 .und 30 sind am unteren Teil der Siebrahmen erhalten sind, zwischen Endplatten angeord- rahmen 3, 5 und 7 vorgesehen. Die Siebrahmen sind net und durch eine der Endplatten frei verschiebbar zwischen zwei Bolzen eingebracht, die die Endplatte 2 und zusammenpreßbar sind, daß Kanäle für eine und den Macdonald-Rahmen 31 miteinander ver-Aufnahmelösung oder eine nichtdialysterte Lösung binden und auf halber Höhe von Armen 8, 9, 10, mit dem unteren oder oberen Rahmen jedes Siebs 25 11 und 12 derart getragen sind, daß eine freie Ververbunden sind, daß Poren für einen vertikalen Schiebung möglich ist.

Durchtritt der nichtdialysierten gleichförmig disper- Zuerst wird der Pressenrahmen 1 so dicht wie gierten Lösung lediglich nach unten längs der Ober- möglich zur Endplatte 2 bewegt. Die Siebrahmen 3, fläche einer Membran am oberen und unteren Rah- 4, 5 und 6 werden ebenfalls zum Pressenrahmen 1 men jedes zweiten Siebs vorgesehen sind, sowie Poren 30 hin verstellt und nur der Siebrahmen 7 wird eng an für einen vertikalen Durchtritt der gleichförmig den Macdonald-Rahmen 31 angenähert. Eine vorher dispergierten Aufnahmelösung lediglich nach oben in eine geeignete Flüssigkeit, wie Wasser, eingelängs der Oberfläche einer Membran, und zwar am tauchte Membran 41 wird, mit Ausnahme des geoberen und unteren Rahmen jedes anderen zweiten schlitzten Teils, sorgfältig auf dem Körper des Sieb-Siebs. . 35 rahmens 7 sowie auf einem Anschlag angeordnet,

Auf diese Weise ist gemäß der Erfindung die Dia- der vorher im Siebrahmen aufgestellt wurde, so daß lyse einer hochviskosen Lösung durchgeführt, wobei eine bisymmetrische Verteilung erzielt ist; anschlie-Anschlage in die Siebrahmen eingebracht sind, um ßend wird eine (nicht dargestellte) Gummidichtung die Membranen aufzustellen und den Aufwärts- oder dichtend befestigt. Nun bewegt man den Sieb-Abwärtsfluß der beiden Flüssigkeiten zu verlang- 40 rahmen 6 neben den Siebrahmen 7 und befestigt am samen. Rahmen 6, wie im Fall des Siebrahmens 7, eine

Dies ist überraschend und unerwartet, wenn man Memßran 42. Dieser Arbeitsgang wird zum Befestigen

berücksichtigt, daß bisher keine Anschläge oder der Membranen 43 bzw. 44 an den Siebrahmen 5

Strömungsablenker in die Zellen eingebracht wurden, bzw. 4 wiederholt.

weil bisher ein Vermischen oder Durchwirbeln der 45 Am Siebrahmen 3 wird jedoch keine Membran beiden Flüssigkeiten immer als nachteilig für eine befestigt, sondern dieser wird hin zum Macdonaldwirksame Dialyse erachtet wurde. Rahmen 31 bewegt. Schließlich werden alle Rahmen

Bei den herkömmlichen bekannten Vorrichtungen vom Preßrahmen 1 zusammengepreßt, so daß die

(natürlich zur Verwendung bei einer Flüssigkeit nied- hochviskose Lösung und die Aufnahmelösung nicht

riger Viskosität) sind die Rahmen für die zu dialy- 50 aus einer Ritze zwischen den Siebrahmen austreten

sierende Flüssigkeit und diejenigen für die Diffusions- können.

lösung abwechselnd angeordnet und die Membranen Die hochviskose, nichtdialysierte Lösung gelangt

dazwischen eingesetzt und die jeweiligen Flüssigkeiten in die Kanäle 14, 16 und 18 durch die Leitungen 33,

werden durch die entsprechenden Rahmen immer 34 und 35, die von einer Haupteinlaßleitung abge-

abwechselnd und kontinuierlich durchgeleitet, oder 55 zweigt sind, fließt gleichförmig nach unten auf die

es sind schmale Abteile vorgesehen, die durch die Membranoberfläche und gelangt einseitig durch die

Membranen abgeteilt sind, ein Gefäß umfassen, in Schlitze 22, 26 und 30 in einem Aufnahmebehälter

das die zu dialysierende Flüssigkeit eingefüllt wird 40. Andererseits fließt eine Aufnahmelösung in die

und bei denen die Diffusionslösung durch die Abteile Kanäle 19 und 20 durch Leitungen 36 und 37, die

geleitet wird. Eine Dialyse der hochviskosen Flüssig- 60 von einer Haupteinlaßleitung abgezweigt sind, fließt

keit in diesen Vorrichtungen ist bei Beschädigung unter gleichförmiger Verteilung durch die Leitungen

der Membran unmöglich. 23 und 27 nach oben auf die Membranoberfläche,

Der Dialysator für eine hochviskose Lösung ist fließt ebenfalls einseitig durch Leitungen 24 und 28

gemäß der Erfindung dahingehend verbessert, daß über und durch die Abzweigleitungen 38 und 39 in

die Flüssigkeit zum Dialysieren gleichförmig und ein- 65 eine Hauptauslaßleitung ab. Mittlerweile wird die

seitig nach unten geleitet wird. zu dialysierende Flüssigkeit in den Dialysatzellen von

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung, einer per- der Aufnahmeflüssigkeit in den Diffusatzellen durch spektivischen Ansicht eines typischen Vielzellen- die Membranen abgeschieden und einige oder alle

diffundierbaren Elektrolyten gelangen in die Aufnahmelösung. Zu diesem Zeitpunkt wird der Druck der Aufnahmelösung immer an 'einem Ende der Hauptzuführleitung derart eingestellt, daß er ständig dem Druck der nichtdialysierten Lösung angenähert ist, die bei einem nahe dem zur Durchführung der Dialyse notwendigen Mindestdruck gehalten ist. So kann die Druckdifferenz zwischen den beiden Flüssigkeiten erfindungsgemäß bei einem sehr niedrigen Wert gehalten und die Dialyse folglich ohne Bruch der Membranen durchgeführt werden.
: Das in einem Aufnahmebehälter 40 gesammelte Dialysat kann entweder zur Wiederholung der Dialyse im Dialysator von einem Auslaß 13 zu den Dialysatzellen umgepumpt werden oder aber einem nachfolgenden Verfahrensschritt unterworfen werden, die Diffusionslösung, die aus der hochviskosen, nichtdialysierten Lösung einen oder mehrere Elektrolyten aufgenommen hat, von der Hauptleitung durch die abgezweigten Leitungen 38 und 39 aus dem System entnommen werden kann.

.Vorteilhafterweise wird die Diffusionslösung weiter verwendet, um eine Diffusionslösung zu erhalten, die den oder die Elektrolyten in hoher Konzentration enthält; die aus der Hauptleitung kommende Diffusionslösung wird in einen Behälter geleitet, der den gleichen Druck hat wie der Behälter 40 für das Dialysat und beispielsweise unter atmosphärischem Druck steht. Die Diffusionslösung wird dann zum Wiederholen der Dialyse auf den Membranoberflächen in den Diffusatzellen mittels einer Zwangsumlaufpumpe durch die 'Haupteinlaßleitung in die abgezweigten Leitungen gefördert. Hat die Konzentration des oder der Elektrolyten in der im Behälter enthaltenen Diffusionslösung einen bestimmten Wert erreicht, setzt man eine bestimmte Menge Wasser zu, um die der Wassermenge entsprechende Menge Diffusionslösung aus dem System zu entfernen.

Das folgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung:

Beispiel

Der verwendete Vielzellen-Filterpressen-Dialysator besteht aus Eisensiebrahmen einer Breite von 640 mm und einer Höhe von 1200 mm und ist mit 160 zwischen den Rahmen eingebrachten Gummidichtungen fest verspannt. Im Innern jedes Siebrahmens ist ein Drahtnetz vorgesehen und darauf ein Kaligogewebe mit 88 Schußfäden der Nr. 30 (cngl. Numerierung) und 90 Kettfaden der Nr. 40 (engl. Numerierung) aufgebracht. Dieses Gewebe ist gleichmäßig mit einer Lösung beschichtet die durch Auflösen von Viskose, die 8,6 Gewichtsprozent Zellulose und 5,2 Gewichtsprozent Alkali enthielt, in der 5fachen Menge weichen Wassers erzielt wurde und zum Regenerieren der Zellulose mit etwa 2,5 Gewichtsprozent Schwefelsäure behandelt, anschließend mit Wasser gewaschen und erneut den vorstehenden Arbeitsgängen des Beschichtens mit verdünnter Viskoselösung, Säurebehandlung, Waschen mit Wasser und einem spannungslosen Ausbreiten unterworfen wurde.

Eine zu dialysierende hochviskose Zellulose-Natriumxanthogenat-Ablauge einer Viskosität von 20 bis 700 Poise, die 8,6 Gewichtsprozent Zellulose und 5,2 Gewichtsprozent eines Alkali enthielt und eine Temperatur von etwa 20° C hatte, ließ man nur nach abwärts auf die Oberfläche der in den Dialysatzellen enthaltenen Membranen mit einer Geschwindigkeit von rund 0,57 l/min pro Rahmen fließen, d. h. insgesamt 46 000 Liter in 24 Stunden, während Wasser mit 20° C als Aufnahmelösung nach oben auf die Oberfläche der in den Diffusatzellen enthaltenen Membranen mit einer Geschwindigkeit von 0,4 l/min pro Rahmen, d. h. insgesamt 32 000 Liter in 24 Stunden geschickt und anschließend aus dem System entnommen wurde. So wurden etwa 7,5 Gewichtsprozent eines Natriumhydroxyd-Elektrolyten in einer hochviskosen Lösung in die Aufnahmelösung eingeleitet und die 6,5 g/l Alkali enthaltende Diffusionslösung wurde fortlaufend rückgewonnen und zur Herstellung von Viskose verwendet; dadurch konnten die Gestehungskosten für regenerierte Zellulose bedeutend herabgesetzt werden.

Die Diffusionslösung floß ständig in einen offenen Tank -über und etwa 32 l/min Diffusionslösung wurden im Tank unter Verwendung einer Zwangsumlaufpumpe 6mal umgepumpt und dabei ständig l/min Wasser in den Tank zugeführt; man erhielt eine Diffusionslösung mit 8 g/l Natriumhydroxyd.

Claims (3)

Patentansprüche: "

1. Verfahren zum Gewinnen eines Elektrolyten aus einer Lösung mit großer Viskosität durch Dialyse, bei welchem mehrere getrennte Ströme nach unten durch eine jeweils von einem Paar Dialysemembranen begrenzte Dialysezelle hindurchgehen, während mehrere getrennte Ströme eines Lösungsmittels für den Elektrolyten nach oben durch die den Dialysezellen benachbarten und mit diesen in Berührung befindlichen Zellen fließen, wobei praktisch kein Druckunterschied entlang jeder Membran aufrechterhalten wird, d ad u rch gekennzeichnet, daß eine Lösung mit einer Viskosität von 20 bis 700 Poise frei durch die Dialysezelle unter dem Einfluß der Schwerkraft zu den offenen Enden hinfließt.

2. Vorrichtung zum Dialysieren von Flüssigkeiten mit einer Viskosität von 20 bis 700 Poise, bestehend aus mehreren, praktisch parallel zueinander angeordneten und die Dialysezellen bildenden Dialysemembranen, einer Vorrichtung, um diese Membranen im Abstand einander gegenüber anzuordnen, einer Vorrichtung zum Einführen der zu dialysierenden Flüssigkeit in den Zwischenraum zwischen den einander abwech- *' selnden Membranpaaren, einer Vorrichtung,

so welche das Abwärtsfließen der Flüssigkeit innerhalb dieses Zwischenraums und deren freies Herausfließen am Boden des Zwischenraums zwischen den Membranen ermöglicht, einer Vorrichtung zum Einführen eines flüssigen Lösungsmittels in den Boden des Zwischenraums zwischen den einander abwechselnden Membranpaaren, einer Vorrichtung, durch welche das Fließen des Lösungsmittels nach oben durch den Zwischenraum bewirkt wird, einer Vorrichtung zum Entfernen des Lösungsmittels am oberen Ende dieses Zwischenraums, einer Vorrichtung, durch welche praktisch keine Druckdifferenz zwischen der zu dialysierenden Flüssigkeit und dem Lösungsmittel entlang der Membran während des Betriebs der Vorrichtung aufrechterhalten wird, ein Gefäß bzw. Gefäße, welche unter den Zwischenräumen zwischen den Membranpaaren angeordnet und zum Aufnehmen der viskosen Flüs-

sigkeit bestimmt sind, sowie einer Vorrichtung zum Rückführen der Flüssigkeit aus dem Gefäß bzw. den Gefäßen zum oberen Ende des Zwischenraums zwischen den einander abwechselnden Membranpaaren, dadurch gekennzeichnet,

daß die Dialysezellen mit Puffergliedern bepackt sind und offene Enden aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferglieder aus Drahtnetzen bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 626/82