DE1926907C3 - Vielkammerzelle für Elektrodialyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vielkammerzelle für Elektrodialyse, die beispielsweise zum Entsalzen von Lösungen benötigt wird. Bekanntlich stellt ein Elektrodialysator eine Mehrzelleneinheit dar, bei der jeweils alternierend Zellen für die Verdiinnurtgslösung und die Konzentratlösung filterpressenartig 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 gehalten werden, um den Energieaufwand bei der Elektrodialyseentsalzung niedrig zu halten. Bei den bekannten Zellen filterpressenartiger Anordnung wird die Lösung durch dünne Kanäle in dem Rahmen 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 Polarisa tionserscheinungen auf, wodurch der Elektrodialyseprozeß negativ beeinflußt wird. Diese Nachteile wei den gemäß DT-AS 1 142 837 weitestgehenG "ermieden, wenn Ein- und Austritt der Lösung in bzw. aus der ZeI Ie durch einen schlitzförmigen Kanal über der gesamten Breite der Zelle erfolgt. Ergänzend dazu werden fur Elektrodialyseverfahren, bei denen mehrere Elektrolytsysteme vorliegen. Rahmen mit der Gestalt eines gleichseitigen Vieleckes vorgeschlagen Werden n-Elektrol\!systeme benutzt, so ist es zweckmäßig. Rahmen nut einer Seilenanzahl von 2n vorzusehen. Bei einem Uektrodialyseapparat mit solchen Raimen sind die ein/einen Rahmen jeweils um einen Winkel von

—i—gegeneinander verdreht angeordnet. Im einfachen

»ten falle bei Vorliegen eines Dialysat- und eines Konzentratkreises ergeben sich quadratische Ra lmen. die jeweils um 90 versetzt angeordnet sind. Ei.i erheblicher Nachteil der aus der DT-AS 1 142 837 bekannten Zellen sind die Dichtschwierigkeiten /wischen Dialy sat und Kon/entratkreis. 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 Separator materials 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 übernehmen. Der inerte Träger wird mit 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, ermöglichen die Kammerdicke beliebig klein zu gestalten. Als ein wesentlicher Nachteil ergibt sich aber der bereits bei üblichen Kammerdicken ungünstige Membranflächenausnutzungsgrad von etwa 50%, dadurch bedingt daß das eingegossene inerte Trägermaterial die aktive Membranfläche verkleinert !nsbeson dere bei noch kleiner werdender Kammerdicke 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 Leistunggewinn der Zellen, 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 lonenübergang 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 mit einer isolierenden Schicht versehen. Zur Verbesserung der Festigkeit ist in das Gemisch des Bauelements ein inertes Gewebe eingebettet. Bei der Herstellung sol eher Elemente geht man zweckmäßigerweise von der entsprechenden Membranmasse aus, die aus einem inerten thermoplastischen Binder und einem lonenaustauscherstaub besteht.

Es ist zweckmäßig, ein Verhältnis von 15 bis b0 Gewichtsprozent thermoplastischen Binders und 85 bis 40 Gewichtsprozent lonenaustauscherstaub zu verwen den. 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 austauschaktiv wirksamen Membranflächc Noppen in regelmäßiger Anordnung entstehen. Gleichzeitig wird der äußere ebene Rand gebildet, der die Dichtflächen darstellt. In dieser Dichtfläche sind die Ein- und Ausströmkanäle für jede Kammer und die Überströmkanäle 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 Elektrodialyse- lette aufzuhauen, bei der die Mangel der bisher be- ίο kannten Zellen nicht auftreten. Ein Elektrodialyseapparat besteht demnach nur noch aus Kaihoden- und Anodenplatte und einer Vielzahl kation und anionselekt.-ver 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 Membranfläche durch die Noppen nur etwa 3% betragt. Durch die Tatsache, daß die Noppen zu einem großen Teil aus dem Membranmaterial bestehen und folglich mit an dem Übertragungsprozeß beteiligt werden, wird der Flächenausnutzungsgrad noch verkessert.

Durch die vollständige Ausbildung der äußeren Be frenzung des Austauschelementes durch das inerte Zwischenmaterial ist ein hermetischer Abschluß des Membranmaterials nach außen möglich, und es wird ein sonst übliches Austrocknen und eventuelles Einreifen 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 lind zuverlässige Bauweise.

Auf Grund der Erfindung ist es möglich, extrem dün- »e Kammern zu realisieren. Dadurch wird das Verhältnis von elektrischer Leistung (induzierter Leistung) zur Entsalzungsleislung (effektive Leistung), das gegenwärüg bei dem Elektrodialyseverfahren noch unbefriedigend ist, sehr günstig beeinflußt.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert v/erden. In der Zeichnung leigt

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 Λ nach F i g. 2,

Fig.4 mehrere Bauelemente einer Vielkammerzelle so ili perspektivischer Sicht.

In einer Fxplosivdarstellung zeigt F i g. 4 in perspektivischer Sicht die alternierende Anordnung der katio-Ben- (KA) und anionen-selektiven (AA) Austauschele-Wiente. <;<*

Auf die Darstellung der Elektrodenkammern, die das Austauscherpaket begrenzen, wird verzichtet, da die Ausführungsform 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 Eintrittsstutzeh 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 in dem zweiten um 90° gedrehten Flüssigkeitssystem.

Ein anion- bzw. kationselektives Austauschelement gemäß F i g.! enthält auf der von dem Elektrolyt überströmten Fläche Noppen 1, die um den Mittelpunkt des Austauscherelementes achsensymmetrisch und in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind. Der Einfachheil wegen wurde auf die Darstellung der Gesamtheit der Noppen verzichtet und die Belegung der Membranfiäche 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 Membranfiäche 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 1 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 Tei! aus der Membranmasse 4 und aus der inerten isolierenden Schicht 5. Aus der Differenz der Rahmendicke und der Noppenhöhe ergibt sich die Membrandicke.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. i 926 907 3

   Patentanspruch:

   Vielkammerzelle Für Elektrodialyse, im wesentlichen aus Membran. Rahmen und Separator bestehend, 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