DE1926907A1

DE1926907A1 - Vielkammerzelle fuer Elektrodialyse

Info

Publication number: DE1926907A1
Application number: DE19691926907
Authority: DE
Inventors: Schille Dipl-Math Dietrich; Klingler Dipl-Ing D I Hermann; Bier Dipl-Chem Klaus
Original assignee: Filmfabrik Wolfen VEB
Current assignee: Filmfabrik Wolfen VEB
Priority date: 1968-12-05
Filing date: 1969-05-27
Publication date: 1970-06-18
Also published as: GB1289738A; DE1926907B2; CS160219B1; DE1926907C3

Description

VEB Filmfabrik Wolfen 3. 12. 1968

"-.•J. ' ■:,■ τ -- ■ .■?: Pr/Rm PN 459

Vielkammerzelle für Elektrodialyse

Die Erfindung betrifft eine Vielkammerzelle für Elektrodialyse, die beispielsweise zum Entsalzen von Lesungen benötigt wird. Bekanntlich stellt ein Elektrodialysator eine Mehreelleneinheit dar, bei der jeweils alternierend Zellen für die Verdünnungslösung und die Konzentratlösung filterpreeaenartig angeordnet sind. Sine derartige Zelle.wird im herkömmlichen Sinne durch einen Rahmen gebildet, der von zwei ioneneelektiven Membranen abgeschlossen wird· Um die Berührung der Membranen zu verhindern, werden verschieden geformte Separatoren in die Kammer eingelegt· Dabei muß der Abstand der Membranen gering gehalten werden, um den Energieaufwand bei der Elektrodialyeeentsalzung niedrig zu halten· Bei den bekannten Zellen filterpressenartiger Aniodnung wird die lösung durch dünne Kanäle in dem Rahmen punktförmig in die Zelle eingespeist und verläßt in gleioher Weise auf der gegenüberliegenden Seite die Zelle. Die dabei entstehende lanzettförmige Strömung garantiert kein homogenes Strömungsprofil Über den Membranen. In den vorhandenen toten Räumen treten verstärkt Polarisationserscheinungen auf, wodurch der Elektrodialysepro'zeß negativ beeinflußt wird· Dieae Nachteile werden gemäß Auslegeschrift der Deutschen Bundesrepublik Nr. 1 142 837 weitestgehend vermieden» wenn Ein- und Austritt der Lösung in bzw· aus der Zelle durch einen schlitzförmigen Kanal über der gesamten Breite der Zelle erfolgt· Ergänzend dazu werden für Elektrodialyseverfahren, bei denen nishrere Elektrolytsysteme vorliegen, Rahmen mit der Gestalt eines

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gleichseitigen Vieleckes vorgeschlagen. Werden ' . n-ülektrolytsysteme benutzt» eo ist es zweckmäßig, , Rahnen mit einer Seitenanzahl von 2n vorzusehen· Bei einem Elektrodialyseapparat mit solchen Rahmen sind die einzelnen Rahmen jeweils um einen Winkel von gegeneinander verdreht angeordnet· Im einfachsten Falle bei Vorliegen eines Dialyeat- und «ine» Konzentratkreises ergeben sich quadratisch· Rahmen, die jeweils um 90° versetzt angeordnet sind· Sin erheblicher iJachteil der aus der BRD-AS Nr. 1 U2 837 bekannten Zellen sind die Dichtschwierigkeiten zwischen Dialysat- und Konzentratkreis· Diese Schwierigkeiten können er- ' fahrungsgeaä.3 dadurch beseitigt werden, indem die Separatoren bis in den Ein- und Auslaösohlitz geführt werden und die membranen beiderseitig gegen die angrenzenden Rahmen abgestützt werden and so eine Abdichtung möglich wird·

Insgesamt ist es aber auch mit dieser Verbesserung auf Grund der endlichen Abmessungen des Separatormaterial· und der damit verbundenen Festigkeit nicht möglich, «in· bestimmte minimale Ifammerdicke zu unterschreiten· Außerdem wird durch den Separator die effektiv· llembranflache erheblich verringert·

\ Gemäß der BRD-AS Nr. 1 034 143 wird die Verwendung von Separatoren in der V/eise vermieden, daß auf einem siebartig ausgestanzten inerten Trägermaterial noppenartig· Ausbuchtungen angeordnet sind, die die Funktionen der Separatoren übernahmen. Der Inerte Träger wird mii einer viskosen Lösung eines Anion- oder Kationaustauschersols in geeigneter Weise überzogen und ergibt so eine ionenselektive Membran· Solche Membranen, die ein Stützmaterial mit Noppen enthalten, e rmöglichen die Kammerdicke beliebig klein zu gestalten. Als ein wesentlicher Nachteil ergibt sich aber der bereits bei üblichen Kammerdicken ungünstige tlembranflächenausnutzungsgrad

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▼on etwa 50 £, dadurch bedingt, daß das eingegossene inerte Trägermaterial die aktive Üembranflache verkleinert· Insbesondere bei noch kleiner werdender Kanunerdicke nuß, um ein Berühren der Kembranen zu verhindern, die Stützweite verkleinert, d.h. die Anzahl der Noppen pro Flächeneinheit vergrößert werden. Mit einer größeren Anzahl von Noppen wird in die -Gesamtfläche noch mehr inertes Trägermaterial eingearbeitet; dadurch wird der Merabranfikchenausnutzungsgrad weiter verkleinert· Durch diese Tatsache wird ein wesentlicher Leistungsgewinn der Zellen, der dt.roh eine Verringerung der Kammerdioke erzielt wird, teilweise bzw· vollkommen zunichte gemacht·

Zweck d er Erfindung ist die Verbesserung der Leistung von E.lektrodialysel-camrr.ersellen· Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die als Separator wirkenden Hoppen wenigstens teilv/eise r.r d en Ionenübergang su nut ι en·

Gelöst wird diese Aufgabe, indem die Einzelelemente Membran, Rahmen und Separator erfindungegemäB zu eines Bauelement vereinigt sind, welches aus einem Gemisoh von inertem Trägermaterial und austauschaktivem Kunstharz besteht· Die an sich bekannten Koppen des Bauelenente sind an der Außenseite des Beuelemente mit einer isolierenden Schichf versehen. Zur Verbesserung der Festigkeit ist in das Gemisch-des Bauelements ein inertes Gewebe eingebettet. Bei der Herstellung solcher¹ Ziemente geht man sweckmääigerweise von der entsprechenden Kembraqmasse aus« die aus einem 'inerten thermoplastischen Binder und einem Ionenaustauscherstaub besteht·

Ee ist zweckmäßig, ein Verhältnis von 15 bis 60 Gew. i> thermoplastischen Binders und 85 bis 40 Gew. £ Ionenaue-tauacherstaub zu verwenden· Dieses Material wird als Folie kalandriert und mit einem Gewebe zur Verbesserung

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. der aeohanieohen Sigenecheften kaschiert· Anschließend werden die so vorbereiteten Membranen auf einer hydraulischen Presse mit einem geeigneten Werkzeug in der Weiee thermoplastisch geprägt, daß auf der austauschaktiν wirksamen Membranfläche Noppen in regelmäßiger Anordnung entstehen. Gleichzeitig wird der äußere ebene Rand gebildet,der die Dichtfläche darstellt» In dieser Dichtfläche sind die SIn- und Auasträmkanäle für jede E arm er und die Überströmkanäle enthalten· Die Höhe der. Noppen und der Absatz beim übergang der Membran In den äußeren Lichtrand sind gleich und kennzeichnen die Kammerdicke· Um ein Berühren und damit einen direkten Kontakt k der Noppen und des äußeren Dichtrandes mit dem darauffolgenden Element zu vermeiden, wird der äußere Hand der lloppen. und des Dichtrandes mit einem geeigneten inerten Material in dünner Schicht versehen«

Ea 1st zweckmäßig, die Aurteueohelemente quadratisch auszubilden, weil dadurch in einfacher Weiee Bit gleichartigen Auatauachelementen, die sich lediglich im fcembranmaterial unterscheiden, ein Kreuzstrom möglich wird·

Mit der ionenselaktiven heterogenen Membran gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Elektrodialyse eile aufzubauen, bei der die !!angel der bisher bekannten Zellen ) nicht auftreten· Ein Elektrodialyseapparat besteht demnach nur noch aue Kathoden- und Anodenplatte und einer Vielzahl kation- und anionselektiver Bauelemente· Dadurch ist es möglich, extrem schmale Kammern herzustellen und dabei das Verhältnis von elektrischer Leistung (induzierte Leistung) zur Entsalzungsleietung (effektiver Leistung), günstig zu beeinflussen. ?ür die aktive liembranflache wird ein großer Flächenausnutzungsgrad erreicht, da die Eedeckung der lüembranfläche durch die Noppen nur ca« 3 Ί» beträgt« Durch die Tatsache, daß die Noppen zu einem großen Teil aus dem Membranmaterial bestehen und folglich mit an dem Übertragungeprozeß be-

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teiligt werden, wird der Flächenausnutzungsgrad noch verbessert.

Durch die vollständige Ausbildung der äußeren Begrenzung des Austauschelementes durch das inerte Zwischenmaterial ist ein hermetischer Abschluß des Membranmateriala nach "außen möglich und es wird.ein sonst übliches Austrocknen und eventuelles Einreißen des Membranmaterials vermieden·

Sie achsensycxetrische Anordnung der Noppen bewirbt eine ideale Abstützung des Membranpakets, dadurch werden Betriebsstörungen durch Membranschäden vermieden·

Schließlich ermöglicht die Erfindung eine einfache und zuverlässige Bauweise·

Auf Grund der Erfindung ist es möglich, extrem dünne Kammern zu realisieren· Dadurch wird das Verhältnis von elektrischer Leistung (induzierter Leistung) zur Entsalzungsleistung (effektive Leistung)» das gegenwärtig bei dem Elektrodialyseverfahren noch unbefriedigend ist, sehr günstig beeinflußt·

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden· Inder zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig· Vi.die Vorderansicht
Pig. 2: den Schnitt A-A nach Figur 1 Fig.· 3: die vergrößerte Einzelheit X naoh Fig· 2 Pig· 4: mehrere Bauelemente einer vielkammerzelle in perspektivischer Sioht·

In einer Explosivdarstellung zeigt Fig· 4 in perspektivischer Sioht die alternierende Anordnung der kationen-(KA) und ftBtafffö j·«¹/W$1P ^iiLA) Auetauschelemente.

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AuT die Darstellung der Elektrotenkaimern, die das Austauscherpaket begrenzen» wird verzichtet, da die Auaführungsfore der Elektrodenkamern den Erfindungsgegenstand betreffend untergeordnete Bedeutung haben· Aus dem gleichen Grund werden die notwendigen Montagevorrichtungen sum Zusammenpressen d ee Austauscherpakets in der Barstellung weggelassen· Von einem zentralen Eintrittsstutzen durchströmt die salzhaltige lösung einen zentralen Kanal· der in abwechselnder Folge von Ein* trittskanälen 2 und Überströmkanal» 3 gebildet wird· Von den Eintrittskanälen 2 her durchströmt die Lösung hydraulisch parallel die Kammern, die jeweils durch Austauschelemente einer Sorte (z.B. EA * Kationenaustauschelemente oder AA =» Anionenaustauschelemente) gebildet werden und verläßt über die Auatrittskanttle, die alt den Ob er Strömkanälen der angrenzenden Austauschelemente einen zentralen Kanal bilden, die Kammern und schließlich den Elektrodialyseapparat· In entsprechender Weis· erfolgt die Strömungsführuni
drehten Flüssigkeitssystem·

erfolgt die Strömungaführung in des zweiten üb. 90° ge-

Ein anion- bzw· kationselektives Auetauscbelement geaäS Fig. 1 enthält auf der von dem Elektrolyt überströmten Fläche Noppen 1, die um den Hittelpunkt des Austauscherelementββ acheensymmetrisch und in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind· Der Einfachheit wegen wurde auf die Darstellung der Gesamtheit der Koppen verzichtet und die Belegung der LIembranfläche mit den Noppen nur angedeutet· Durch die achsensymmetrische Anordnung ist gesichert, daß die Noppen der darauffolgenden um- 90° gedrehten Elemente axial fluchten·

Dadurch wird ein Minimum an bedeckter Ii embr anfläch β erreicht und günstige mechanische Voraussetzungen geschaffen. Die Versetzung der Noppen in Strömungsrichtung erhöht die Turbulenz·

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Die Kammer wird bis zu den Aus- bzw· Eintrittskanälen ? der Kammer geführt· Auf beiden Seiten werden in dem Randgebiet die Noppen mit einer geringeren Teilung angeordnet, um eine bessere Abstützung der Membran gegen die angrenzenden Austauschelemente und damit eine zuverlässige Abdichtung zu ermöglichen. Seitlioh von der Kammer sind die Uberströmkanäle 3 für das zweite Flüssigkeit33ystem mit dem gleichen Querschnitt wie die Ein- und AuslaSkanäle 2 ausgespart· Die Höhe der Noppen 1 kennzeichnet die Kammerdicke und setzt sich zusammen au« der Grundhöhe der Noppen» die aus der Membranmas·· 4 ' gebildet sind, und der Schichtdicke der inerten isolierenden Schicht 5· Der Diohtungsrand besteht zum überwieelenden Teil aus der MembärsÄBaea« 4 und aus der inerten isolierenden Schicht 5· iue der Differenz der Rahmendicke und der Noppenhöhe ergibt sich die Membrandicke.

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Claims

Patentanspruch

Vielkammerzelle für Elektrodialyse, im wesientlidhen , aus embran, Rahmen und Stparator bestehend, dadurch gekennzeichnet, deJ diese Einzelelemente zu einem Bauelement vereinigt sind, das aus einem Gemisch von inerten Trägermaterial und austauschaktivem Kunstharz besteht, wobei die an sieh bekannten Noppen (1) an der Außenseite dee Bauelemente· mit einer isolierenden Schickt (5) versehen sind und .in das Bauelement ein' inerte· Gewebt eingebettet ist· -

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