DE19601595A1

DE19601595A1 - Ion exchange bed with low flow resistance

Info

Publication number: DE19601595A1
Application number: DE19601595A
Authority: DE
Inventors: Ruiter Ernest Dr De
Original assignee: Bluecher Hasso Von; Ruiter Ernest De
Current assignee: MHB FILTRATION GMBH + CO. KG, 40699 ERKRATH, DE
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 1997-07-24

Abstract

A body with ion exchange properties comprises spherical or granular ion exchange particles adhered to a three dimensional openwork carrier, carrier framework or carrier matrix.

Description

Ionenaustauscher sind Stoffe, die in der Lage sind, ungewünschte Ionen ge gen harmlose Ionen auszutauschen. So tauscht man mit Kationenaustau schern beispielsweise die für die Wasserhärte verantwortlichen Ca- und Mg-Io nen gegen Na-Ionen oder H-Ionen aus und erhält "Weichwasser". Es gibt Ka tionen- und Anionenaustauscher, die fast ausschließlich in Form von bis ca. 1 mm großen Kügelchen in Schüttung eingesetzt werden. Die Kügelchen sind poröse bzw. quellfähige Polymere (Hauptanteil ist in der überwiegenden Zahl der Fälle Styrol), die chemische Gruppen tragen, die den angestrebten Aus tausch von Ionen ermöglichen.Ion exchangers are substances that are able to generate unwanted ions exchange harmless ions. So you exchange with cation exchange for example, the Ca and Mg-Io responsible for the water hardness against Na ions or H ions and receives "soft water". There are Ka ion and anion exchangers, which are almost exclusively in the form of up to approx mm balls in bulk. The beads are porous or swellable polymers (the majority is in the majority of the cases of styrene), which carry chemical groups that have the desired effect enable the exchange of ions.

Da eine Schüttung kleiner Teilchen immer einen großen Strömungswiderstand hat, haben leistungsfähige Installationen (im wesentlichen mit Ionenaustau schern gefüllte Behälter) einen großen Querschnitt. Abrieb und Bruch erhöhen zudem noch den Strömungswiderstand und können die Lebensdauer beein trächtigen.Because a bed of small particles always has a large flow resistance have powerful installations (essentially with ion exchange filled containers) have a large cross-section. Increase abrasion and breakage also the flow resistance and can affect the service life pregnant.

Um den Strömungswiderstand zu reduzieren, wären größere, aber auch ein heitlichere Kugeldurchmesser nötig; solche sind aber wirtschaftlich nicht her stellbar. Eine andere Möglichkeit wäre - in Anlehnung an das EP 340 542 -, die Ionenaustauscher an eine offenporige, großmaschige Mastrix zu heften. Im Gegensatz den im EP 340 452 beschriebenen Adsorptionsfiltern ist bei Ionen austauschern eine extrem hohe Hydrolysefestigkeit von Matrix und Haftmasse erforderlich. Zudem ist das verwendete Klebersystem, ein über ein Diamin ver netztes, maskiertes Diisocyanat ("High Solid" der Fa. Bayer), nicht verwend bar, da die aktiven Gruppen des Ionenaustauschers die Vernetzung stören. Die bei der Regeneration übliche saure oder basische Wäsche ist eine weitere, schwere Belastung für die beschriebene Trägermatrix (ein großporiger, retiku lierter PU-Schaum), aber auch für die Haftmasse.To reduce the flow resistance, larger ones would be, but also one more uniform ball diameters necessary; such are not economically adjustable. Another possibility would be - based on EP 340 542 - to attach the ion exchangers to an open-pore, large-mesh mastrix. in the In contrast to the adsorption filters described in EP 340 452 is for ions exchangers an extremely high hydrolysis resistance of matrix and adhesive required. In addition, the adhesive system used is a diamine wetted, masked diisocyanate ("High Solid" from Bayer), not used bar, since the active groups of the ion exchanger interfere with the crosslinking. The acidic or basic washing that is usual for regeneration is another heavy load for the described carrier matrix (a large-pored, reticu PU foam), but also for the adhesive.

Es war Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System zu finden, das die beson deren Anforderungen erfüllt: Höchste Hydrolysefestigkeit und chemische Stabi lität.It was an object of the present invention to find a system that would particularly whose requirements are met: maximum hydrolysis resistance and chemical stability lity.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß ein großporiger, retikulierter Polyolefin-Schaum ein idealer Träger für Ionenaustauscher ist. Ein durch Zu sätze hydrophil modifiziertes Polyolefin ist besonders gut geeignet, aber keine Voraussetzung. Beim Erhitzen wird das Polyolefin-Gitter genügend klebrig, um daran (getrocknete) Ionenaustauscherkörner dauerhaft und ohne Kleber zu fi xieren. Wichtig ist allerdings, das Ineinandersacken des Trägers zu verhindern. Das geschieht dadurch, daß man den Polyolefin-Schaum zuerst vollständig mit den Ionenaustauscher-Kügelchen füllt; der so "ausgestopfte" Träger kann nicht mehr zusammenfallen bzw. wegschrumpfen. Nach dem Abkühlen wird der Überschuß problemlos herausgeklopft, denn nur die Teilchen, die mit dem kle brig gewordenen Träger Kontakt hatten, bleiben fixiert. Auf diese Weise lassen sich beliebige Körper, auch Platten, ausbilden. Schrumpft man diese in eine geeignete Schrumpffolie ein, und verstärkt die Außenseite, beispielsweise durch eine geeignete Umwicklung, erhält man auf einfachste Weise einen funktionsfähigen Ionenaustauscher! Voraussetzung ist, daß die verwendeten Ionenaustauscherkörner die Temperatur, bei der der polymere Träger klebrig wird, vertragen. Bei einem Polyolefin liegt diese Temperatur bei ca. 155- 160°C. Ionenaustauscher werden normalerweise mit ca. 50% Feuchte ange boten. Beim Trocknen tritt deshalb eine Schrumpfung ein, was besonders bei den nur schwach vernetzten Geltypen der Fall ist. Das kann bei ungenügend großen Poren - der Durchmesser sollte mindestens dreimal den Teilchen durchmesser betragen - beim Wiederbefeuchten zu Problemen führen. It has surprisingly been found that a large pore reticulated Polyolefin foam is an ideal carrier for ion exchangers. One by too kits hydrophilically modified polyolefin is particularly suitable, but none Requirement. When heated, the polyolefin grid becomes sufficiently sticky to to dry (dried) ion exchange grains on it permanently and without glue xieren. However, it is important to prevent the wearer from collapsing. This is done by first completely using the polyolefin foam fills the ion exchange bead; the carrier so "stuffed" cannot more collapse or shrink away. After cooling, the Knocked out excess easily, because only the particles with the small bearers who have remained in contact remain fixed. Let it this way any body, including plates, is formed. If you shrink it into one suitable shrink film, and reinforces the outside, for example by a suitable wrap, you get one in the simplest way functional ion exchanger! The prerequisite is that the used Ion exchange grains the temperature at which the polymeric carrier becomes sticky will tolerate. For a polyolefin, this temperature is around 155- 160 ° C. Ion exchangers are normally supplied with approx. 50% moisture offered. When drying, shrinkage therefore occurs, which is particularly the case the only weakly networked gel types. This can be insufficient large pores - the diameter should be at least three times the particle diameter - cause problems when rewetting.

Das gleiche Prinzip kann natürlich auch angewandt werden, um hochporöse Schüttungen aus Agglomeraten von Ionenaustauscher-Kügelchen herzustel len. So können kleine Ringe oder, in Anlehnung an die dem Fachmann be kannten Raschingringe, hohle Zylinderchen aus einem hydrolysefesten Kunst stoff, der beim Erhitzen klebrig wird, als Träger dienen.The same principle can of course also be applied to make highly porous To produce beds from agglomerates of ion exchange beads len. So small rings or, based on the be to the expert knew Raschingrings, hollow cylinders made of a hydrolysis-proof art material that becomes sticky when heated serve as a carrier.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß für manche Anwendungen ein reti kulierter Polyurethanschaum, wie im EP 340 542 beschrieben, als Träger ver wendet werden kann, wenn eine hydrolysefeste Haftmasse benutzt wird. Eine solche ist beispielsweise Levacast 43 131 N, ein polymeres Isocyanat, welches durch Feuchtigkeit vernetzt und für die Herstellung von Schuhobermaterial ent wickelt wurde. Dabei empfiehlt es sich, die Ionenaustauscher nur bis zur Rie selfähigkeit zu trocknen, weil die Restfeuchte die Vernetzung fördert.For the sake of completeness it should be mentioned that for some applications a reti cultivated polyurethane foam, as described in EP 340 542, as a carrier can be used if a hydrolysis-resistant adhesive is used. A such is, for example, Levacast 43 131 N, a polymeric isocyanate which cross-linked by moisture and ent for the production of shoe upper material was wrapped. It is recommended that the ion exchanger only reach the Rie ability to dry because the residual moisture promotes cross-linking.

Grundsätzlich gilt für alle beladenen Schäume oder sonstigen dreidimensiona len Trägerstrukturen, daß die zwischen den fixierten Kügelchen bestehenden Hohlräume bzw. Passagen ca. 0,1-3, vorzugsweise 0,5-1 mittlere Kugeldurch messer groß sein sollten.Basically applies to all loaded foams or other three-dimensional len carrier structures that the existing between the fixed beads Cavities or passages approx. 0.1-3, preferably 0.5-1 medium ball diameter knives should be large.

example 1

Ein retikulierter Polyolefin-Schaum in Form einer 400 × 300 × 20 mm großen Platte, Litergewicht ca. 30 g, Porosität 15 PPI, wurde in einer Fotoschale mit getrockneten Ionenaustauscher-Kügelchen (Kationenaustauscher auf Basis Styrol/Divinylbenzol, Geltype, Kugeldurchmesser 0,3-0,6 mm) bedeckt, so daß der Schaum vollständig mit Kügelchen gefüllt war. Danach wurde alles in einen auf 165°C aufgeheizten Trockenschrank gestellt. Während ein Schaum ohne Ionenaustauscher nach 2-3 Minuten zusammensackte, behielt der mit den Io nenaustauschern gefüllte Schaum seine Dimensionen, da er wegen der Fül lung nicht schrumpfen konnte. Nach 60 Minuten wurde abgekühlt und der Überschuß herausgeschüttelt. Etwa 150 g Ionenaustauscher/l Schaum wurden dauerhaft fixiert. Die selbsttragenden Platten hatten einen Durchflußwider stand, der acht- bis zehnmal geringer war als eine Schüttung gleicher Kapazi tät.A reticulated polyolefin foam in the form of a 400 × 300 × 20 mm Plate, liter weight about 30 g, porosity 15 PPI, was in a photo bowl with dried ion exchanger beads (cation exchanger based Styrene / divinylbenzene, gel type, ball diameter 0.3-0.6 mm) covered, so that the foam was completely filled with beads. After that, everything became one placed in a drying cabinet heated to 165 ° C. While a foam without Ion exchanger collapsed after 2-3 minutes, kept with the Io Foam filled its dimensions because of the filling lung could not shrink. After 60 minutes, the mixture was cooled and the Shaken out excess. About 150 g of ion exchanger / l foam were permanently fixed. The self-supporting plates had a flow resistance stood eight to ten times less than a fill of the same capacity act.

Example 2

Ein klassischer Polyethylenschlauch mit Außen- und Innendurchmesser von 6 bzw. 5 mm wurde in 3 mm lange Stückchen zerschnitten. 100 g dieser Ringe oder Zylinderchen wurden in einem Becherglas mit etwa 500 g Ionenaustau schern des Beispiels 1 vermischt, so daß zwischen den Polyethylenringen praktisch keine Berührungsstellen auftraten. Das Gemisch wurde während 60 Minuten auf 165°C aufgeheizt. Nach Abkühlen wurde festgestellt, daß die Rin ge zwar etwas geschrumpft, aber vollüber mit gut haftenden Ionenaustau schern bedeckt waren, und zwar in einer Menge von 140 g. Aus diesem Mate rial wurde in einem Glasrohr mit einem inneren Querschnitt von 30 cm² eine Schüttung hergestellt, die eine Höhe von 20 cm hatte. Eine Schüttung aus 140 g losen Ionenaustauschern hatte eine Höhe von 10,5 cm. Beide Schüttungen hatten praktisch die gleiche Kapazität, doch war der Druckverlust durch die er findungsgemäße Schüttung acht- bis neunmal geringer.A classic polyethylene hose with an outside and inside diameter of 6 or 5 mm was cut into 3 mm pieces. 100 g of these rings or cylinders were placed in a beaker with about 500 g of ion exchange shear of Example 1 mixed so that between the polyethylene rings practically no contact points occurred. The mixture was kept for 60 Minutes heated to 165 ° C. After cooling, it was found that the Rin Although it shrank somewhat, it was completely covered with well-adhering ion exchange were covered, in an amount of 140 g. For this mate rial was in a glass tube with an inner cross section of 30 cm² Filling made, which had a height of 20 cm. A fill of 140 g loose ion exchangers had a height of 10.5 cm. Both fillings had practically the same capacity, but the pressure drop was due to it fill according to the invention eight to nine times less.

Wegen des hohen Durchflußwiderstands einer Schüttung ist man bestrebt, größere Kügelchen herzustellen bzw. den Kugeldurchmesser in engen Gren zen zu halten. Beide Wege sind mit zusätzlichen Kosten verbunden. Die erfin dungsgemäße Lösung ist hingegen auch für kleine Kügelchen mit einem brei ten Bereich für die Durchmesser gut geeignet.Because of the high flow resistance of a bed, efforts are being made to to produce larger balls or the ball diameter in narrow sizes to keep zen. Both ways are associated with additional costs. The invent however, the solution according to the invention is also suitable for small pellets with a paste well suited for the diameter.

Claims

1. Body with ion-exchanging properties, characterized in that spherical or granular ion exchangers adhere to a three-dimensional open support, support skeleton or support matrix.

2. Body according to claim 1, characterized in that the carrier is a reti cultivated foam with a porosity of 8-30 PPI.

3. Body according to claim 2, characterized in that the foam Is polyurethane foam.

4. Body according to claim 2, characterized in that the carrier is a bottom is lyolefin foam.

5. Body according to claim 2, 3 or 4, characterized in that the Spheres or passages adhering to the walls or webs enclose the 0.1-3, preferably 0.5-1 mean ball diameter are great.

6. Body according to claim 1, characterized in that one for filling Use a suitable shape (cylinders, rings, ribbons) as a carrier is detected, on the surface of which the ion exchangers adhere.

7. Body according to one or more of the preceding claims, since characterized in that the carrier skeleton consists of a material, that becomes sticky by heating and the ion exchanger without additional Chen glue to adhere by heating.

8. Body according to one or more of the preceding claims, since characterized in that the ion exchanger with an adhesive on Ba Adhere a polymeric polyisocyanate to the support material.