DE1926907B2

DE1926907B2 - Vielkammerzelle für Elektrodialyse

Info

Publication number: DE1926907B2
Application number: DE1926907A
Authority: DE
Inventors: D.I. Hermann Dipl.-Ing. Klingler
Original assignee: VEB FILMFABRIK WOLFEN X 4440 WOLFEN
Current assignee: VEB FILMFABRIK WOLFEN X 4440 WOLFEN
Priority date: 1968-12-05
Filing date: 1969-05-27
Publication date: 1974-11-21
Also published as: CS160219B1; DE1926907C3; DE1926907A1; GB1289738A

Description

15

Die Erfindung betrifft eine Vielkammerzelle für Elektrodialyse, die beispielsweise zum Entsalzen von Lösungen bviiötigl wird. Bekanntlich stellt ein Elektrodialysator eine Mehrzelleneinheit dar. bei der jeweils alternierend Zellen für die Verdünnungslösung und die Konzentratlösung filurpressenartig angeordnet sind. Eine derartige Zelle wird im herkömmlichen Sinne durch einen Rahmen gebildet, der von zwei ionenselektiven Membranen abgeschlossen wird. Um die Berührung der Membranen zu verhindern, werden verschieden geformte Seperatoren in die Kammer eingelegt. Dabei muß der Abstand der Membranen gering gehal- ten werden, um den Energieaufwand bei der Elektrodialyseentsalzung niedrig zu halten. Bei den bekannten Zellen filterpressenartiger Anordnung wird die Lösung durch dünne Kanäle in dem R..hmen punktförmig in die Zelle eingespeist und verläßt in gleicher 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 Elektrodialyseprozeß negativ beeinflußt wird. Diese Nachteile werden gemäß DT-AS 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 Elektrodialysevcrfahren, bei denen mehrere Elektrolytsysteme vorliegen. Rahmen mit der Gestalt eines gleichseitigen Vieleckes vorgeschlagen. Werden n-Elektrolytsysteme benutzt, so ist es zweckmäßig. Rahmen mit einer Scitenanzahl von 2r> vorzusehen. Bei einem Elektrodialyseapparat mit solchen Rahmen sind die einzelnen Rahmen jeweils um einen Winkel von

——gegeneinander verdreht angeordnet. Im einfach- JLn

sten Falle bei Vorliegen eines Dialysat- und eines Konzentratkreises ergeben sich quadratische Rahmen, die jeweils um 90° versetzt angeordnet sind. Ein erheblicher Nachteil der aus der DT-AS I 142 837 bekannten Zellen sind die Dichtschwierigkeiten zwischen Dialysat- und Konzentratkreis. Diese Schwierigkeiten kön- nen erfahrungsgemäß dadurch beseitigt werden, indem die Separatoren bis in den Ein- und Auslaßschlitz geführt werden und die Membranen beiderseitig gegen die angrenzenden Rahmen abgestützt werden und so eine Abdichtung möglich wird.

Insgesamt ist es aber auch mit dieser Verbesserung auf Grund der endlichen Abmessungen des Separatormaterials und der damit verbundenen Festigkeit nicht möglich, eine bestimmte minimale Kammerdicke zu unterschreiten. Außerdem wird durch den Separator die effektive Membranfläche erheblich verringert.

Gemäß der DT-AS 1 034 143 wird die Verwendung von Separatoren in der Weise vermieden, daß auf einem siebartig ausgestanzten inerten Trägermaterial noppenartige Ausbuchtungen angeordnet sind, die die Funktionen der Separatoren Obernehmen. Der inerte Trä^ffer wird mit einer viskosen Lösung eines Anion- oder Kationaustauschersols in geeigneter Weise über zogen und ergibt so eine ionenselektive Membran. Solche Membranen, die ein Stützmaterial mit Noppen enthalten, ermöglichen die Kammerdicke beliebig klein zu gestalten. Als eil wesentlicher Nachteil ergibt sich aber der bereits bei üblichen Kammerdicken ungünstige Membranflächenausnuitzungsgrad von etwa 50%, dadurch bedingt, daß das eingegossene inerte Trägermaterial die aktive Membranfläche verkleinert. Insbeson dere bei noch kleiner werdend·. · K_mmerdicke muß, um ein Berühren der Membranen 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 Membranflächenausnutzungsgrad weiter verkleinert. Durch diese Tatsache wird ein wesentlicher Leistunggew'nn der 2'.ellen. der durch eine Verringerung der Kammerdicke erzielt wird, teilweise bzw. vollkommen zunichte gemacht.

Zweck der Erfindung ist die Verbesserung der Leistung von Elektrodialysekammerzellen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die als Separator wirkenden Noppen wenigstens teilweise für den lonenrbergang zu nutzen.

Gelöst wird diese Aufgabe, indem die Einzelelemente Membran. Rahmen und Separator erfindungsgemäß zu einem Bauelement vereinigt sind, welches aus einem Gemisch von inertem Trägermaterial und austauschaktivem Kunstharz besteht. Die an sich bekannten Noppen des Bauelements sind an der Außenseite des Bauelements sind an der Außenseite des Bauelements mil einer isolierenden Schicht versehen. Zur Verbesserung der Festigkeit ist in das Gemisch des Bauelements ein inertes Gewebe eingebettet. Bei der Herstellung solcher Elemente geht man zweckmäßigerweisc von der entsprechenden Membranmasse aus, die aus einem inerten thermoplastischen Binder und einem lonenaustauschcrstaub besteht.

Es ist zweckmäßig, ein Verhältnis von 15 bis 60 Gewichtsprozent thermoplastischen Binders und 85 bis 40 Gewichtsprozent loncnaustauscherstaub zu verwenden. Dieses Material wird als Folie kalandriert und mit einem Gewebe zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kaschiert. Anschließend werden die so vorbereiteten Membranen auf einer hydraulischen Presse mit einem geeigneten Werkzeug in der Weise thermoplastisch geprägt, daß auf der austauschakliv wirksamen Membranfläche Noppen in regelmäßiger Anordnung entstehen. Gleichzeitig wird der äußere ebene Rand gebildet, der die Dichtflächen darstell:. In dieser Dichtfläche sind die Ein- und Ausströmkanäle für jede Kammer und die Überströmkanäie enthalten. Die Höhe der Noppen und der Absatz beim Übergang der Membran in den äußeren Dichtrand sind gleich und kennzeichnen die Kammerdicke. Um ein Berühren und damit einen direkten Kontakt der Noppen und des äußeren Dichtrandes mit dem darauffolgenden Element zu vermeiden, wird der äußere Rand der Noppen und

des Dichtrandes mit einem geeigneten inerten Material in dünner Schicht versehen.

Es ist zweckmäßig, die Austauschelemente quadratisch auszubilden, weil dadurch in einfacher Weise mit gleichartigen Austauschelementen, die sich lediglich im s Membranmaterial unterscheiden, ein Kreuzstrom möglich wird.

Mit der ionenselektiven heterogenen Membran gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Elektrodialysezelle aufzubauen, bei der die Mängel der bisher bekannten Zellen nicht auftreten. Ein Elektrodialyseapparat besteht demnach nur noch aus Kathoden- und Anodenplatte und einer Vielzahl Ration- und anionselektiver Bauelemente. Dadurch ist es möglich, extrem schmale Kammern herzustellen und dabei das Verhältnis von elektrischer Leistung (induzierter Leistung) zur Entsalzungsleistung (effektiver Leistung), günstig zu beeinflussen. Für die aktive Membranfläche wird ein großer Flächenausnutzungsgrad erreicht, da die Bedekkung der Membranflache durch die Noppen nur etwa 3 % beträgt. Durch die Tatsache, daß die Noppen zu einem großen Teil aus dem Membranmaterial bestehen und folglich mit an dem Übertragungsprozeß beteiligt werden, wird der Flächenausnulzungsgrad noch verbessert.

Durch die vollständige Ausbildung der äußeren Begrenzung des Austauschelementes durch das inerte Zwischenmaterial ist ein hermetischer Abschluß des Membranmaterials nach außen möglich, und es wird ein sonst übliches Austrocknen und eventuelles Einrei-Ben des Membranmaterials vermieden.

Die achsensymmetrische Anordnung der Noppen bewirkt 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 Enisalzungsleistung (effektive Leistung), das gegenwärtig bei dem Elektrodialyseverfahren noch unbefriedigend ist, sehr günstig beeinflußt.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 die Vorderansicht,

F i g. 2 den Schnitt A-A nach F i g. 1.

F i g. 3 die vergrößerte Einzelheit X nach F i g. 2,

Fig.4 mehrere Bauelemente einer Vielkammerzelle in perspektivischer Sicht.

In einer Explosivdarstellung zeigt F i g. 4 in perspektivischer Sicht die alternierende Anordnung der kationen- (KA) und anionen-selektiven (AA) Austauschele-Auf die Darstellung der Elektrodenkammern, die das Austauscherpaket begrenzen, wird verzichtet, da die Ausfuhrungsform der Elektrodenkammern den Erfindungsgegenstand betreffend untergeordnete Bedeutung haben. Aus dem gleichen Grund werden die notwendigen Montagevorrichtungen zum Zusammenpressen des Austauscherpakets in der Darstellung weggelassen. Von einem zentralen Eintrittsstutzen durchströmt die salzhaltige Lösung einen zentralen Kanal, der in abwechselnder Folge von Eintrittkanälen 2 und Überströmkanälen 3 gebildet wird. Von den Eintrittskanälen 2 her durchströmt die Lösung hydraulisch parallel die Kammern, die jeweils durch Austauschelemente einer Sorte (z. B. KA = Kationenaustauschelemente oder AA = Anionenaustauschelemente) gebildet werden und verläßt über die Austrittskanäle, die mit den Überströmkanälen der angrenzenden Austauschelemente einen zentralen Kanal bilden, die Kammern und schließlich den Elektrodialyseapparat. In entsprechender Weise erfolgt die Strömungsführung ir. deru zweiten urn 90° gedrehten Fluss; .keiissystem.

Ein anion- bzw. kationselek'ives Austauscheiernent gemäß F i g. 1 enthält auf der von dem Elektrolyt überströmten Fläche Noppen I₁ die um den Mittelpunkt des Austauscherelementes achsensymmetrisch und in Strör.iungsrichtung versetzt angeordnet sind. Der Einfachheit wegen wurde auf die Darstellung der Gesamtheit der Noppen verzichtet und die Belegung der Membranfläche 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 Membranfläche erreicht und günstige mechanische Voraussetzungen geschaffen. Die Versetzung der Noppen in Strömungsrichtung erhöht die Turbulenz.

Die Kammer wird bis zu den Aus- bzw. Eintrittskanälen 2 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. Seitlich von der Kammer sind die Überströmkanäle 3 für das zweite Flüssigkeitssystem mit dem gleichen Querschnitt wie die Ein- und Auslaßkanäle 2 ausgespart. Die Höhe der Noppen I kennzeichnet die Kammerdicke und setzt sich zusammen aus der Grundhöhe der Noppen, die aus der Membranmasse 4 gebildet sind, und der Schichtdicke der inerten isolierenden Schicht 5. Der Dichtungsrand besteht zum überwiegenden Teil aus der Membranmasse 4 und aus der inerten isolierenden Schicht 5. Aus der Differenz der Rahmendicke und der Noppenhöhe ergibt sich die Membrandicke.

mente.

55

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vielkammeraelle fPr Elektrodialyse, im wesentlichen aus Membran, Rahmen und Separator beste- hend, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einzelelemente zu einem Bauelement vereinigt sind, das aus einem Gemisch von inerten Trägermaterial und austauschaktivem Kunstharz besteht, wobei die an sich bekannten Noppen (1) an der Außenseite des Bauelementes mit einer isolierenden Schicht (5) versehen sind und in das Bauelement ein inertes Gewebe eingebettet ist.