DE1642841C - Verfahren und Vorrichtung zum Vermindern der Ionenkonzentration von Flüssigkeiten mittels umgekehrter Osmose - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Polyelektrolyten sehr dünne filniartige Zwischen-Vorrichtung zum Vermindern der Ionenkonzentra- schichten bilden, deren Dicke von selbst äußerst getion von Flüssigkeiten durch umgekehrte Osmose ring bleibt, da die Filmbildung sogleich die gegenunter Verwendung eines aus einem porösen Träger- seitige Einwirkung der Polyelektrolyten hen.mt. Gekörper mit einer darauf angeschwemmten Filterhilfs- 5 maß der USA.-Patentschrift 3 276 598 haben solche mittelschicht aus staubförmigem Feststoff bestehen- Filme eine Stärke von etwa 200A und sind als den filterartigen Gebildes. Dialysemembranen geeignet, wenn die Filme in

Der Ausdruck »umgekehrte Osmose« bezeichnet einem als Träger dienenden Netz oder Filterpapier

die Trennung der Lösungsmittelfraktion von einer gebildet sind, von dem sie jedoch nicht entfernbar

Lösung mittels eines filter- oder membranartigen, den io sind.

Durchlaß des gelösten Stoffes hemmenden Gebildes, Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis

durch welches das Lösungsmittel unter einem Flüs- zugrunde, daß im Gegensatz zur gewöhnlichen Dia-

sigkeitsdruck gedrückt wird, der den osmotischen lyse, bei der der Druckunterschied beiderseitig der

Druck in bezug aiaf die Produktflüssigkeit verminder- Membran klein ist. die dünne, durch Aufeinander-

ten Ionengehalts übersteigt. 15 wirkung zweier Polyelektrolyte präzipitierte FiIm-

Es ist bekannt, zwecks Entsalzung von Wasser schicht einen Druckunterschied osmotischer Größendie Süßwasser- oder Frischwasserkomponente durch Ordnung ertragen kann, wenn die Schicht von einem eine salzabweisende Membran zu drücken, wobei aufgeschwemmten Filterhilfsmittel entsprechend kleiauf der Eintrittsseite der Membran die Salzmoleküle ner Korngröße getragen wird,
zurückbleiben und den Salzg^hal* des Wassers an- ao Das erfindungsgemäße Verfahren kann gemäß reichern, während an der Austrittsseite der Membran einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch weiter ver-Süß- oder Frischwasser austritt. Hierbei wird die bessert werden, daß periodisch auf die Oberschicht Membran allmählich durch Verunreinigung ver- und die Filterhilfsmittelschicht durch Rückfluß eine stopft oder beschädigt und muß dann gereinigt oder dritte Lösung zur Einwirkung gebracht wird, deren ausgetauscht werden. Zu diesem Zweck muß die 35 Ionenkonzentration hoch genug ist, um die Verbin-Vorrichtung auseinandergenomm ,1 werden. dung der Polyelektrolytmoleküle der Oberschicht zu

In gleicher Weise leiden die Membranen durch lösen und die Schichten zu entfernen, worauf dann

Hydrolyse und aus anderen Gründen, welche noch eine neue Filterhilfsmittelschicht und Oberschicht

nicht völlig erklärbar sind, jedoch den Austausch aufgebracht wird,

der Membranen erfordern. 30 Zweckmäßigerweise dienen als Polyelektrolyt-

Es ist ferner aus der deutschen Auslegeschrift Lösungen bzw. als dritte Lösung wäßrige Lösungen. 1 177 080 bekannt, zum Zweck der Wasseraufberei- Ein beispielsweises Anwendungsgebiet des erfintung mittels Filtration durch säurebindende Feststoffe dungsgemäßen Verfahrens ist dit behandlung sekuneine verhältnismäßig dünne aktive Filterhilfsmittel- därer Abwässer, wobei eine völlige Beseitigung des schicht, bestehend aus staubförmigem Feststoff, auf 35 chemischen Sauerstoffbedarfs des behandelten Abeinen porösen, elastischen Trägerkörper in situ auf- wassers erzielt wurde.

zuschwemmen. Bei dem bekannten Verfahren liegt Eine Vorrichtung mit einem aus einem porösen die Schichtdicke zwischen 2 und 10 mm und die Trägerkörper mit einer angeschwemmten Filterhilfs-Staubkorngröße ist ungefähr 85 Mikron. Die Schicht mittelschicht aus staubförmigem Feststoff bestehenkann durch Gegenstrom und Druckänderung von 40 den filterartigen Gebilde wird erfindungsgemäß dadem Trägerkörper abgeworfen und dann erneuert durch verbessert, daß die Filterhilfsmittelschicht eine werden. kontinuierliche, ionendurchlaßhemmende Präzipitats-

Bei dem bekannten Wasseraufbereitungsverfahren Oberschicht aus anionischen und kationischen PoIy-

handelt es sich offensichtlich um gewöhnliche Filtra- elektrolytmolekülen trägt.

tion, verbunden mit einer chemischen Einwirkung 45 Vorteilhafterweise haben die Filterhilfsmittelstaub-

seitens des aktiven Materials, die ein Ausfällen ur- teilchen eine Korngröße von etwa 1 Mikron oder

sprünglich in Lösung befindlicher Bestandteile nach weniger.

dem Durchgang durch das Filter bewirkt, wobei sich Eine besonders raumsparende Anordnung ist eine, dann Schlamm bildet. Der Durchlaß gelöster Sub- in der der Trägerkörper die Form einer hohlen stanzen wird bei dem bekannten Verfahren nicht 50 Schraubenwendel hat, auf deren Innenseite die Filtervermieden, hilfsmittelschicht und die Oberschicht liegt.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art wird Die Filterhilfsmittelschicht kann in einfacher und gemäß der Erfindung dadurch verbessert, daß zu- an sich bekannter Weise durch Zugabe in die einnächst auf die Oberfläche der Filterhilfsmittelschicht strömende Flüssigkeit auf dem porösen Trägerkörper nacheinander in beliebiger Folge eine anionische und 55 angeschwemmt werden, wobei ein Teil durch den eine kationische Polyelektrolytlösung zur Einwirkung Trägerkörper strömt und der Rest der Flüssigkeit gebracht wird, wodurch auf der Filterhilfsmittel- am Trägerkörper vorbeifließt und unter Aufrechtschicht eine sehr dünne, kontinuierliche, ionenab- erhaltung eines Druckunterschiedes von etwa 2 bis weisende, aber lösungsmitteldurchlässigc Oberschicht 14 at (30 bis 200 p.s.i.) umgewälzt wird,
präzipitiert wird, worauf dann, unter Anwendung 60 An Hand der Figuren und Beispiele wird die eines Flüssigkeitsdruckes, der den osmotischen Druck Erfindung näher erläutert. Es zeigt
in bezug auf die Produktflüssigkeit übersteigt, letztere Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vordurch die Oberschicht getrieben wird. richtung, mit welcher filterartige Schichten gemäß

Die ionischen gelösten Lösungsbestandteile ver- der Erfindung hergestellt, benutzt und entfernt wer-

btt. iben infolgedessen an der Eintrittsseitc der Ober- 6j den können,

schicht. F i g. 2 eine geschnittene Schrägansicht eines Teiles

Es ist weiterhin an sich bekannt, daß sich infolge eines rohrförmigen Elements, welches einen zylindri-

ionischer Einwirkung zwischen zwei sehen porösen Trägerkörper aufweist und in der in

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Fig. 1 gezeigten Vorrichtung verwendet werden hängt, ob eine Rezirkulalionsströmung durch das

^kann.· . Rohr 14 erwünscht ist.

Fig. 3 ein Element in Form einer Schrauben- Wenn die Schicht 15 beseitigt werden soll, wenden

wendel und _die p_roduktventile 31 und 32 geschlossen und das

F ι g. 4 teilweise im Schnitt ein Element mit meh- 5 Abschlußventil 30 geöffnet,

reren porösen Rohren. Wenn der Schichtniederschlag 15 durch Rückströ-

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, erstreckt sich eine mung weggeschwemmt werden soll, wird das Ventil

Zuleitung 10 von einer Rohflüssigkeitsquelle 11 zu 28 geschlossen und man läßt Druckflüssigkeit durch

einer Druckpumpe 12, von wo die unter Druck ge- das geöffnete Ventil 23 und eine Leitung 36 in das

setzte Flüssigkeit in eine allgemein mit 13 bezeichnete io Gehäuse 19 einströmen. Vor diesem Einströmen von

umgekehrte Osmosezelle fließt. Druckflüssigkeit können Zusätze durch das geöffnete

Die Zelle weist einen porösen Trägerkörper 14 Ventil 34 von den Behältern 24 oder 25 in das Ge-

mit ausreichender struktureller Festigkeit zur Unter- häuse 19 gegeben werden. Wahrend der Rückströ-

»tützung eiuer Schicht auf, welche darauf gegen einen mung bleibt das Ventil 28 geschlossen.

Betriebsdruck von etwa 10 bis 50 at (einige hundert i₅ Wie oben angegeben, kann das poröse Element

p.s.i.) niederschlagbar ist. oder der Träger, welcher dk. Schicht 15 trägt, eine

Die mikroporöse Basis 14 ist in F^:g. 1 in der große Anzahl von Formen besitzen. Fig. 3 zeigt

sehr einfachen Form eines geraden Rohres darge- ein rohrförmiges Element, welches in Form einer

stellt, wie jedoch weiter unten ausgeführt wird, Schraubenwendel 114 gewunden ist. In Fig. 4 sind

können mehrere Rohre verwendet werden und diese ao mehrere rohrförmige Elemente 214 zwischen Ver-

können gerade, gekrümmt, schraubenförmig gewun- teiierleitungen 37 und 38 in Art eines aus Rohren

den oder auf andere Weise geformt sein, wobei und Gehäuse bestehenden Wärmetauschers ange-

Zwischenräume zwischen den Rohren angeordnet ordnet,

sind- Für die nachfolgenden Beispiele wurde ein poröses

Geeignete Stoffe für die Basis oder den Träger _a5 Porzellanrohr mit einem Innendurchmesser von

sind mikroporöse anorganische Keramikstoffe, wie 10 mm, einer Länge von 20 cm und einer mittlerer.

Porzellan und mikroporöse organische Kunstharze. Porengröße in der Größenordnung von 1 Mikron

Ihre Porengröße kann zwischen 0,01 und 100 Mikron benutzt und als Rohwasser diente Salzwasser mit

liegen, wobei ein bevorzugter Bereich 0,02 bis einem spezifischen Widerstand von 990 Ohm · cm,

5 Mikron beträgt. ₃o welches mit einer Geschwindigkeit von 5 cm/sec

Bei der dargestellten Ausführungsform der Vor- rezirkuliert wurde, so daß es wiederholt durch die

richtung ist ein zylindrisches Rohr 14 aus porösem innere Rohrdurchführung strömte.

Porzellan verwendet, auf dessen Innenfläche (F i g. 2) Der spezifische Widerstand des konzentrierten und

Schichttr 15 gemäß der Erfindung niedergeschlagen verdünnten Produkts wurde durch Leitfähigkeits-

sind. 35 zellen bestimmt.

Wie weiter aus Fig. 1 ersichtlich, führen zwei Um die Zugabe der Polyelektrolyten zu der umge-

Leitungen 16 und 17 zum bzw. vom Rohr 14 und es wälzten Strömung zu erleichtern, wurde bei den

ist eine Umwälzpumpe 18 für die Umwälzung von folgenden Beispielen eine verdünnte wäßrige Lösung

Flüssigkeit durch das Rohr nach einer geeigneten niedriger Viskosität drs jeweiligen Polyelektrolyten

Einstellung verschiedener weiter unten zu beschrei- 40 hergestellt,

bender Ventile vorgesehen. Für Polyelektrolyten mit niedrigem Molekular-

Das durch die Wandung des Rohrs 14 fließende gewicht oder vernetzte kolloidale Teilchen wurden

flüssige Filtrat stellt eine erste Produktionsfraktion Konzentrationen in der Größenordnung von 0,01

dar, wird in einem geschlossenen Gehäuse 19 ge- bis 1⁰Zn verwendet.

sammelt und durch eine Abzugsleitung 20 abgezogsn, 45 Für viskose Stoffe mit hohem Molekulargewicht, in welcner ein Meßgerät 21 zur Messung des spezi- wie dem teilweise sulforierten PolyacrylnWril mit zifischen Widerstands angeordnet ist, um den -inem Molekulargewicht von 8 000 000 war es notspezifischen Widetstand des Filterprodukts zu be- wendig, eine Konzentration von 0,05 bis 0,3 %> zu stimmen. verwenden, so daß die Viskosität der Lösung niedrig

Ein ähnliches Widerstandsmeßgerät 22 ist in einer so blieb, um eine leichte Dispersion in die Spciscströ-

Abzugsleitung 23 eingebaut, durch welche eine kon- mung zu ermöglichen. Bei allen Beispielen betrug

zentrierte Fraktion abgezogen wird. die Viskosität unter 1000 Centipoise.

Behälter 24 und 25 sind vorgesehen, um nachein- _ . ti

ander Flüssigkeiten, wie Teilchensuspensionen oder e 1 s ρ 1 e

Lösungen, in die Zuleitung 10, beispielsweise zur 55 Eine wäßrige Suspension wurde aus 500 mg

Ausbildung der Filterkuchenmembran oder für eine Trockengewicht Montmorillonit mit bis zu ein

nachfolgende Behandlung derselben, einzuspeisen. Mikron Teilchengröße und 100 mg afrikanischen

Ventile 26 und 27 regeln die Zugabe von Flüssig- blauen Asbes.fasern hergestellt,
keiten aus den Behältern 24 und 25 und andere Die Suspension wurde in die poröse Umwälzungs-Ventile 28 bis 33 sic.-d vorgesehen, um verschiedene, 60 strombahn eingespeist und durch diese mit einer im folgenden beschriebene Strömungsbedingungen Geschwindigkeit von 5 cm/sec unter einem Druck hervorzurufen: von 1,4 at (20 p.s.i.) rezirkuliert. Der einzige Ausfluß

Bei normalem Betiieb wird Rohflüssigkeit durch aus dem Rohr fand uurch seine porösen Wände statt, die offenen Ventile 35, 28 in die Einrichtung 13 ge- Dann wurde eine Lösung aus 12 mg Trockenleitet und die Produktströme werden durch die 65 gewicht quaterniertem Polychlormethylstyrol mit geöffneten Ventile 31 und 32 abgezogen. Das Ab- einem Molekulargewicht von 30 000 der Speiscströschlußventil 30 ist geschlossen. Das Umwälz /entil 29 mung zugegeben ur,d nach 30 Minuten Rezirkulation, kinn geöffnet oder geschlossen sein, was davon ab- welche für d&s Absetzen des quaternierten Poly-

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clilormethylstyrols ausreichten, wurde eine zweite wäßrige Lösung aus 8 mg Trockengewicht teilweise sulforiertem Polyacrylnitril mit einem Molekulargewicht von 8 000 000, 8 mg Polystyrolsulfonat mit einem Molekulargewicht von 30 000 und 8 mg Polystyrolsulfonat mit einem Molekulargewicht von 2 000 mit Sulfonatgruppen an jedem dritten Monomer einer Speiseströmung von sekundärem Abwasser mit einem spezifischen Widerstand von 1200 0hm cm zugegeben.

Der Druckunterschied wurde sodann auf 70,3 at (1000 p.s.i.) erhöht. Nach Einstellung eines Gleichgewichtszustandes wurde ein spezifischer Widerstand des Filtrats von 8800 Ohm · cm festgestellt. Eine vollständige Beseitigung des chemischen Sauerstoffbedarfs (chemical oxygen demand) wurde bei Permanganatfiltrierung beobachtet.

Eine umgekehrte Strömung mit 3 η NaCl-Lösung beseitigte die Schichten vollständig von deren poröser Porzellanunterlage. ao

Bemeikung: Bei diesem Beispiel wies die schwach saure Montmorillonitteilchenschicht eine auf ihr abgesetzte stark basische Schicht auf, worauf ein stark saurer Niederschlag folgt. Der Membranschichtniederschlag zeigte stark saure Oberflächeneigenschaften und gute salzabweisende Eigenschaften. Es wird festgestellt, daß die Säure-Base-Wechselwirkung zwischen aufeinanderfolgenden Schichten aus entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten eine extrem dünne, kontinuierliche Zwischenschicht mit kleiner Porengröße bildet und dadurch eine gute salzabweisende Wirksamkeit ergibt, während ein zufriedenstellender Flüssigkeitsdurchsatz aufrechterhalten

Beispiel 2 „

Eine Montmorillonitschicht wurde wie in Beispiel 1 angeschwemmt. Der Niederschlag wurde sodann durch Zugabe einer wäßrigen Lösung von 12 mg Trockengewicht quaterniertem Polychlormethylstyrol mit einem Molekulargewicht von 30 000 zur Speiseströmung behandelt, wonach 30 Minuten rezirkuliert wurde, um das Absetzen der Polymeren zu gewährleisten. Eine zweite wäßrige Lösung wurde sodann aus 15 mg Trockengewicht der sauren Form von Carboxymethylcellulose Polymeren mit Molekulargewichten zwischen 10 000 und 50000 hergestellt. Diese zweite Lösung wurde sodann der Speiseströmung zur Adsorption auf der behandelten, stark basischen Schicht beigegeben, wodurch eine schwach saure Polymeroberfläche erzeugt wurde. Das durch diesen zusammengesetzten Schichtniederschlag mit einem Druckunterschied von 56,2 at (8C0 p.s.i.) erzeugte Filtrat hatte einen spezifischen Widerstand von 4140 0hm · cm.

Der Zweck der Beispiele war, lediglich quantitativ die Wirksamkeit der Erfindung darzustellen, jedoch nicht optimale Bedingungen zu ermiitteln.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Vermindern der Ionenkonzentration von Flüssigkeiten durch umgekehrte Osmose unter Verwendung eines aus einem porösen Trägerkörper mit einer darauf angeschwemmten Filterhilfsmittelschicht aus staubförmigem Feststoff bestehenden filterartigen Gebildes, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst auf die Oberfläche der Filterhilfsmittelschicht nacheinander in beliebiger Folge eine anionische und eine kationische Polyelektrolytlösung zur Einwirkung gebracht wird, wodurch auf der Filterhilfsmittelschicht eine sehr dünne, kontinuierliche, ionenabweisende, aber lösungsmitteldurchlässige Oberschicht präzipitiert wird, worauf dann unter Anwendung eines Flüssigkeitsdruckes, der den osmotischen Druck in bezug auf die Produktflüssigkeit übersteigt, letztere durch die Oberschicht getrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß periodisch auf die Oberschicht und die Filterhilfsmittelschicht durch Rückfluß eine dritte Lösung zur Einwirkung gebracht wird, deren Ionenkonzentration hoch genug ist, um die Verbindung der Polyelektrolytmoleküle der Oberschicht zu trennen und die Schichten zu entfernen, worauf dann eine neue Filterhilfsmittelschicht und Oberschicht aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Polyelektrolytlösungen bzw. als dritte Lösung wäßrige Lösun gen verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als zu entionisierende Flüssigkeit sekundärer Abwasserabfluß verwendet wird.

5. Filterartiges Gebilde zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus einem porösen Trägerkörper und einer darauf angeschwemmten Filterhilfsmittelschicht aus staubförmigem Feststoff, gekennzeichnet durch eine auf der Filterhilfsmittelschicht aus zwei Polyelektrolyten entgegengesetzter Polarität präzipitierte, kontinuierliche, dünne, filmartige Oberschicht.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mn einem aus einem porösen Trägerkörper mit einer darauf angeschwemmten Filterhilfsmittelschicht aus staubförmigem Feststoff bestehenden filterartigen Gebilde, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterhilfsmittelschicht eine kontinuierliche ionendurchlaßhemmende Präzipitatoberschicht aus anionischen und kationischen Polyelektrolytmolekülen trägt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterhilfsmittelstaubteilchen eine Größe von etwa 1 Mikron oder weniger besitzen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper die Form einer hohlen Schraubenwendel hat, auf deren Innenseite die Filterhilfsmittelschicht und die Oberschicht liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen