-
Zur
Veränderung der Zusammensetzung oder gesamten Entfernung
ionischer Wasserbestandteile werden häufig Ionenaustauscherharze
eingesetzt.
-
In
dieser Druckschrift werden für den Begriff Ionenaustauscherharze
alternativ auch die Begriffe Ionenaustauscher, Tauscherharze oder
Harze verwendet.
-
Die
Behandlung mit Ionenaustauschern wird fälschlicherweise
häufig als Filtration bezeichnet. Es handelt sich jedoch
nicht um eine mechanische Abtrennung von Partikeln (incl. Kolloide,
Bakterien, Viren ...) oder hochmolekularen Molekülen (Proteine, ...),
sondern um eine chemische Reaktion von Salzionen mit funktionellen
Gruppen (Säuren, Basen, ...), die an einer Festkörperoberfläche
immobilisiert sind.
-
Tauscherharze
bestehen heute meistens aus kleinen Kunststoffkugeln (Polystyrol/Divinylbenzol Copolymerisate,
Polacrylamide ....), die auf ihrer Oberfläche eine Vielzahl
von funktionellen Gruppen besitzen. Diese funktionellen Gruppen
haben im regenerierten Zustand Säure- bzw. Salzcharakter
(weiche Kationen) oder Basencharakter. Sie tauschen z. B. Wasserstoffionen,
Hydroxylionen und weiche Kationen gegen Ionen, die im Wasser gelöst
sind. Triebkraft für den Austausch sind neben der Bindungsaffinität
vor allem Konzentrationsunterschiede. Deshalb lassen sich Ionenaustauscherharze
durch Umkehrung der Konzentrationsverhältnisse wieder regenerieren.
-
Die
Kapazität von Ionenaustauschern gibt an, wie viel äquivalente
Ladungsträger in val/Liter Harz an der Tauscheroberfläche
gebunden bzw. getauscht werden können.
-
Wie
viel behandeltes Wasser mit dieser Kapazität erzeugt werden
kann, hängt vom Behandlungsziel (siehe unten) und der Härte
des Wassers, bzw. von der Gesamtkonzentration an gelösten
Ionen und der daraus resultierenden äquivalenten Ladung/Liter
Wasser ab.
-
Ein
Liter Kationentauscherharz mit einer Kapazität von 2 Ladungsäquivalenten
pro Liter Harz kann 1 mol Kalziumionen (2 Ladungen pro Ion) tauschen.
1 mol Kalziumionen entspricht dessen Atomgewicht 56 in Gramm. 1
mmol (millimol = 1/1000 mol) Kalziumionen pro Liter Wasser entspricht
einer Wasserhärte von 5,6 dH. In mittelhartem Wasser von
11,2 dH sind also 2 mmol Kalziumionen d. h. 112 Milligramm Kalziumionen
gelöst. 500 mal 2 mmol entsprechen 1 mol Kalziumionen,
d. h. der Harzkapazität. 1 Liter Tauscher kann somit die
Kalziumionen von 500 Litern eines solchen Wassers aufnehmen bzw. austauschen.
-
Zielsetzung
einer Ionenaustauschbehandlung ist die Vollentsalzung, die Enthärtung,
die Entkarbonisierung und die selektive oder spezifische Ionenentfernung,
Ionensammlung oder Ionenabgabe.
-
Weiterhin
werden Ionenaustauschharze in vielfältiger und spezifischer
Weise bei der chemischen Synthese eingesetzt. Der Einsatz von Ionenaustauschharzen
basiert bei diesem großtechnischen Anwendungsfeld, ebenso
wie bei der Abwasseraufbereitung, insbesondere auch in Kernkraftwerken,
bei denen in der Regel eine Kombination mit anderen Behandlungsverfahren
einhergeht, auf einem der oben beschriebenen Mechanismen bzw. einer dieser
Zielsetzungen.
-
Bei
der Vollentsalzung werden mittels Kationen- und Anionenaustauscher
sowohl Kationen als auch Anionen entfernt. Dabei werden zunächst
mit dem Kationentauscher die Kationen und dann mit dem Anionentauscher
die Anionen gebunden. Beides passiert parallel, wenn Kationentauscher
und Anionentauscher vorher gemischt werden. Man spricht dann von
einem Mischbetttauscherharz. Je nach Art der Tauscher (schwach oder
stark sauer, schwach oder stark basisch) werden auch Kohlensäure
und Kieselsäure entfernt. Das entstehende vollentsalzte
Wasser wird häufig und fälschlicherweise auch
als destilliertes Wasser bezeichnet, da es sehr ähnliche
Eigenschaften hat.
-
Bei
der Enthärtung werden harte Kationen (Calcium-, Magnesiumionen)
gegen weiche Kationen (Natriumionen) getauscht. Dies passiert z.
B. in der Spülmaschine, um nach der letzten Klarspülung,
vor der Trocknung sicherzustellen, dass keine Kalkflecken auf dem
Geschirr zurückbleiben. Mit enthärtetem Wasser
werden z. B. aber auch Alkoholkonzentrate, wie sie beim Schnapsbrennen
entstehen, rückverdünnt. Ohne Enthärtung
käme es zu Ausfällungen. Auch bei sog. Enthärtungsanlagen
für Trinkwasser kommt dieses Verfahren zum Einsatz. Dabei nimmt
man in Kauf, dass das Wasser einen erhöhten Kochsalzgehalt
hat. Die Regeneration mittels Kochsalz erfolgt in diesen Anlagen
vollautomatisch.
-
Bei
der Entkarbonisierung, auch Entkalkung genannt, werden proportional
zur Menge an gelösten Karbonaten Kationen (insbesondere
die harten) gegen Wasserstoffionen ausgetauscht. Die gebildete Kohlensäure
gast zum größten Teil aus. Entkarbonisiertes Wasser
wird z. B. für die Bereitung von Getränken und
Speisen verwendet, um eine Veränderung von Aromastoffen
zu vermeiden. Bei Heißgetränken wird gleichzeitig
eine Verkalkung der Heißwassergeräte vermieden.
-
Bei
der selektiven Entionisierung kommen Tauscher zum Einsatz, die bestimmte
Ionenarten besonders stark und spezifisch binden. Beispiele sind die
Nitrat- und Nitritentfernung sowie die Edelmetallbindung. Im ersten
Fall wird ein Schadstoff entfernt, im zweiten Fall wird eine Wertstufe
gewonnen.
-
Der
Ionenaustausch wird heute fast ausschließlich mittels Tauschersäulen 39 (12)
mit sogenanntem Festbett durchgeführt. Diese befinden sich
z. B. in Glas- und Plexiglasröhren aber auch in großen
(mehrere Kubikmeter Inhalt), meist zylindrischen, Kunststoff- oder
Metallbehältern. In den Festbettreaktoren müssen
die Harzkugeln gleichmäßig dicht gepackt sein,
was einen entsprechenden Aufwand bzw. entsprechende Sorgfalt erfordert.
-
Diese
ziemlich starre Kugelmatrix aktiver Tauscherkugeln 40,
schematisch dargestellt in 12 (weiße
Kugeln), wird beim Tauschvorgang von der zu behandelnden wässrigen
Lösung durchströmt. Die Strömungsrichtung
ist meist von oben nach unten. Dabei reagieren zunächst
die zuerst angeströmten Kugeln (erschöpfte Kugeln
schwarz) 41. Diese sind auch als erste erschöpft.
Je nach Fließrichtung erschöpft sich die Säule
von einer Öffnung zur anderen. In jedem Zustand muss immer
die gesamte Kugelmatrix durchströmt werden. Sowohl anströmseitig
als auch abflussseitig sind die Säulen meist mit Harzfängern
versehen, die ein Austreten des Harzes beim Tauschvorgang oder bei
der Regeneration verhindern.
-
Eine
Alternative zur Festbettbehandlung ist die sog. Wirbelbett-, Schwebebett-
bzw. Liftbettbehandlung (englisch: fluidized bed), die meist in
Kombination mit einer Festbettbehandlung stattfindet. Bei dieser
Art der Behandlung erfolgt die Strömung von unten nach
oben (Gegenstromverfahren), dabei bleibt ein Teil des Harzes suspendiert
in Schwebe, während sich am oberen Ausgang ein Festbett
bildet. Diese Variante wird z. B. in der
DE 2950875 A1 und der
DE 10 2008 009 522
A1 beschrieben, ist verfahrensaufwendig und findet vor
allem in großtechnischen Anlagen Anwendung.
-
Ziel
der heute eingesetzten Verfahren ist in allen Fällen die
kontinuierliche Erzeugung einer behandelten Flüssigkeit.
-
Der
empfohlene Säulendurchfluss pro Stunde hängt physikalisch
gesehen von der Säulenhöhe (Betthöhe)
und dem Säulenquerschnitt ab. Weiterhin ist die Dichte
der funktionellen Gruppen pro Tauscheroberfläche sowie
die Wasserqualität (Härte) von Bedeutung. Die
Durchflussmenge wird über den Einlaufdruck oder durch Drosselung
am Ausgang geregelt. Bei Säulen mit 2 bis 20 Liter Harz
wird als Wert häufig 1 bis 2 Liter pro Minute genannt,
wobei kaum auf physikalische Größen Bezug genommen
wird.
-
Immer
wieder gibt es Probleme bei Säulentauschern 39 (12,
Festbetttauschern), wenn die Harzkugeln 40 nicht richtig
gepackt sind oder wenn sich Kanäle 42 bilden,
die bevorzugt durchströmt werden. Diese Kanäle 42 erschöpfen
dann wesentlich eher, als der Rest der Tauscherpackung und es kommt
zum sog. Ionenschlupf, trotz nicht erschöpfter Säule 39.
Die Hersteller von Ionenaustauschharzen schreiben deshalb eine Mindestbetthöhe
um die 80 cm vor, um durchgehende Kanäle zu verhindern.
In der Praxis finden sich aber kaum Säulen 39 mit
der entsprechenden Höhe, insbesondere nicht bei den Kartuschentauschern,
die normalerweise um die 10 cm hoch sind.
-
Verschärft
wird die Säulen-Problematik dadurch, dass sich das Volumen
jeder einzelnen Harzkugel 40, 41 mit dem jeweiligen
Beladungszustand ändert. Es kann sowohl zur Quellung, wie
auch zum Schrumpf kommen. Wie oben beschrieben, werden die zuerst
angeströmten Harzkugeln 41 auch als erste erschöpft.
Auch eine ursprünglich perfekte dichteste Packung wird
also sofort mit dem Start des Austausches gestört.
-
Ein
Ionenschlupf durch die Kanäle 42 ist bei normalem
Betrieb mit nur einem Tauschdurchgang nicht korrigierbar.
-
Andererseits
können sich in der Säule 39 auch tote
Ecken ausbilden, die kaum durchströmt werden. Die Tauscherkugeln
werden hier nicht voll genutzt. Problematischer ist aber, dass diese
Todräume bevorzugt mikrobiologisch kontaminiert werden, wie
insgesamt die Biofilmbildung in Festbetten durch die Fixierung der
Matrix erleichtert wird.
-
Bis
auf die Erzeugung von entkarbonisiertem Wasser für die
Getränke- und Speisenaufbereitung mittels sog. Filterkartuschen,
die aber nicht filtrieren sondern eigentlich kleine Tauschersäulen
sind (siehe unten), sind Säulentauschvorrichtungen meist
recht sperrig und bedürfen diverser Hilfsvorrichtungen
für den Betrieb. Deshalb werden sie in der Regel nur stationär
betrieben, d. h. sie sind an einem Ort fest installiert und werden
hier für spezifische Zwecke eingesetzt. Z. B. in der Spülmaschine
oder im Schrank unter oder neben einem Aquarium.
-
Insbesondere
wenn kleinere Mengen an ionenaustausch-behandeltem Wasser (z. B.
vollentsalztes Wasser) benötigt werden, wird dieses nicht da
erzeugt, wo es benötigt wird. Vielmehr findet die Wasserbehandlung
da statt, wo die Tauschersäulen sind. Vollentsalztes Wasser,
welches man für sein Dampfbügeleisen benötigt,
wird in zentralen Entsalzungsanlagen erzeugt, dort in Gebinde abgefüllt
und an den Groß- und Einzelhandel verkauft und ausgeliefert.
Hier muss der Anwender diese Gebinde kaufen und nach Hause transportieren.
Hierbei ist das transportierte Gewicht nicht zu unterschätzen.
Um bei Bedarf immer Wasser zur Verfügung zu haben, muss
er eine gewisse Bevorratung betreiben, denn häufig entsteht
ein Bedarf ungeplant und unerwartet.
-
Bei
den oben erwähnten sog. Filterkartuschen zur Bereitung
von entkarbonisiertem Wasser für die Getränke-
und Speisenbereitung, handelt es sich um kurze Säulen,
die zur Trinkwasserbehandlung in spezielle Behälter bzw.
Kannen fix eingesetzt werden. Die Kartuschen haben ein eigenes Gehäuse mit
diversen Funktionen. Zur Herstellung werden Spritzgusswerkzeuge
benötigt. Für die Befüllung und den Zusammenbau
sind mehrere Konfektionierungsschritte nötig.
-
Die
Säulen werden von oben mit Trinkwasser beaufschlagt. Das
zu behandelnde Wasser durchströmt die Tauschermatrix und
tritt am Boden aus. Die Kannen sind in der Regel recht sperrig,
denn für den Säulenbetrieb wird ein gewisser Druck,
d. h. eine gewisse Wassersäulenhöhe benötigt.
Diese Wassersäulenhöhe bestimmt auch, wie viel
Wasser pro Zeit behandelt wird bzw. erzeugt werden kann. Es muss
immer ein Kompromiss gefunden werden, zwischen rechtzeitigem Beginn
der Erzeugung des Wassers und Aufbewahrung des offenen Wassers bis zum
Verbrauch, wobei eine Aufbewahrung im Kühlschrank, wegen
der sperrigen Kanne kaum möglich ist oder sehr viel Platz
wegnimmt.
-
Folge
des notwendigen Wasserdrucks ist nicht nur, dass die Hälfte
des Kannenvolumens für den Aufgussraum benötigt
wird. Dieser Aufgussraum wird auch permanent mit unbehandeltem Wasser
belastet, welches hier längere Zeit verweilt und zu Ablagerung
führen kann. Die Kannen müssen deshalb regelmäßig
gereinigt werden, wobei die empfohlene Reinigung in der Spülmaschine
eher kritisch zu sehen ist, denn hier ist die Gefahr einer bakteriellen Kontamination
besonders groß.
-
Insgesamt
betrachtet stellen die Kartuschenaustauscher ein offenes System
dar. Meist stehen die Kartuschen im aufbereiteten Wasser. Sowohl
Aufgussraum, Auffangraum als auch Kartuscheninhalt sind im direkten
oder indirekten (über die Flüssigkeit) Kontakt
mit der Atmosphäre. Entsprechend können Umweltkontaminationen
eingebracht und Stoffwechselprodukte ausgebracht werden. Dies kann
insbesondere bei längeren Standzeiten zu mikrobiologischen
Problemen führen.
-
Bei
zahlreichen Patentanmeldungen, wie z. B. der
US 05238576 ,
EP 1 225 155 A1 und der
US 5211973 werden als Kartusche
sehr komplexe Säuleneinsätze, die diverse Zusatzstoffe
und Zwischenlagen enthalten, beschrieben, deren Herstellung sehr aufwendig
erscheint. Alle Säulen enthalten die Tauscherharze ausschließlich
als Festbett. Es muss jeweils eine Vielzahl an Schichten vertikal
durchströmt werden. Somit ergeben sich hohe Widerstände,
die durch Druck bzw. entsprechende Wassersäulen überwunden
werden müssen. Die Schichtdicke der einzelnen Schichten
ist andererseits sehr gering, so dass es bei Fehlstellen sehr leicht
zum Ionenschlupf oder ungenügender Rückhaltung
(Bypass) kommen kann.
-
In
der Patentliteratur werden auch Versuche beschrieben, die Ionenaustauschbehandlung
in handelsüblichen Behältern, wie Flaschen, durchzuführen.
Beispielhaft seien die Druckschriften
EP 1 225 155 A1 ,
US 5211973 ,
CN 2141735Y und
EP 1 595 849 A1 genant.
Hintergrund ist hier zum einen die Preisgünstigkeit dieser
Behälter, zum anderen, dass sie mit Schraubverschlüssen
sicher verschließbar sind. Bei der
CN 2141735Y bildet die Flasche das Festbettgehäuse.
In der
EP 1 595 849
A1 wird eine Festbettsäule mit Zusatzstoffen in
der Flasche angebracht. Dieses erfordert eine Spezialflasche, die
aus zwei Teilen zusammengeschraubt werden kann. Bei anderen Varianten
wird die Festbettsäule über den Flaschenhals in
die Flasche eingebracht.
-
Bis
auf den Problemkreis „offenes System” ergeben
sich die gleichen Probleme, wie bei den oben beschriebenen Kartuschensystemen.
Hinzu kommt die Problematik der Ent- und Belüftung beim Befüllen
und Entleeren.
-
Neben
den genannten Beispielen, behandeltes Wasser für Dampfbügeleisen
und zur Aufbereitung von Speisen und Getränken herzustellen,
gibt es im Haushaltsbereich, im Hobbybereich, im Handwerk, in der
Gastronomie, bei Metall ver- und bearbeitenden Kleinbetrieben, in
der Fischzucht, in der Pflanzenzucht, bei Selbstvermarktern usw.
eine Vielzahl an Anwendungen, wo häufig bedarfsgerechte Mengen
an ionentauscher-behandeltem Wasser, benötigt werden. Ein
spezielles Einsatzgebiet ist die Bereitung von Trinkwasser aus kontaminiertem
Wasser (z. B. Uran und andere Schwermetalle), Regenwasser, Oberflächenwasser,
Grundwasser, Meerwasser usw.. Dies kann ein Dauerproblem sein, oder
z. B. zeitlich begrenzt, wie beim Reisen, zum Problem werden.
-
In
den meisten Fällen ist es nicht nötig, dass die
behandelte wässrige Flüssigkeit kontinuierlich
erzeugt wird. Es reicht durchaus, jeweils die gerade benötigte
Portion bzw. Menge kurzfristig herstellen zu können (Batch
Verfahren).
-
Oft
ist es Ziel zu vermeiden, dass es bei Heißwassergeräten
zu Kalkablagerungen oder anderen nicht gewünschten Rückständen
kommt. Hier spielt insbesondere die temporäre Härte
(Kalziumhydrogenkarbonat) des Wassers eine Rolle. Beispiele sind
Wasserkocher, Kaffeemaschinen und Kaffeeautomaten, Eierkocher, Dampferzeuger,
Dampfreiniger, Dampfbesen, Inhalatoren, Sterilisatoren, Vaporisatoren
für Säuglingstrinkflaschen, Dampfmaschinen usw..
-
Diese
einfachen Beispiele verdeutlichen auch einige wirtschaftliche Aspekte
bzw. Nebeneffekte der Ionenaustauschbehandlung. Die Elektrogeräte müssen
nicht mehr regelmäßig mit Chemikalien, wie Zitronensäure,
Ameisensäure usw. entkalkt werden (Materialkosten, Zeit,
Abwasser), die Energieausbeute wird besser (Stromkosten, Bereitungszeit)
und die Geräte haben eine längere Nutzungsdauer
(Investitionskosten).
-
Auch
soll vermieden werden, dass nach Verdunstung von Wasser, insbesondere
wenn es durch permanent notwendiges Nachfüllen zur Aufkonzentration
der zurückbleibenden Salze kommt, sog. Kalkrückstände
oder Kalkflecken entstehen. Beispiele sind hier Raumluftbefeuchter,
Pflanzensprüher, Zimmerbrunnen, Springbrunnen, Wassersäulen,
Wasserwände, Humidorbefeuchter für Zigarren, Wasserpfeifen,
Wasser für PC-Kühlungen, Reinigungs- und Spülwasser
für Musikinstrumente, Airbrushpistolen, Solarzellen, Brillengläser,
Fensterscheiben, Fensterfronten, Glasdächer, Spiegel, Teleskope
und andere Objekte mit empfindlichen Oberflächen.
-
Weiterhin
soll das Wasser bei und nach dem Gebrauch keine Reaktion eingehen.
Dies ist natürlich bei jeder Art von chemischer Analytik
und bei der chemischen Synthese wichtig (Hobbychemiekästen, Haus-
und Kleinlabore ...). Weitere Beispiele sind die Verdünnung
von Konzentraten aller Art (Scheibenwischerflüssigkeit,
Kühlwasser, Getränkekonzentrate ...), die Herstellung
von Getränken (Spirituosen, Softdrinks, Kaffee, Tee, Sirup
...), Kosmetika (Salben, Seifen ...) und die Füllungen
von geschlossenen Kreislaufsystemen (Zentralheizung, Fußbodenheizung,
Kühlkreisläufe) sowie die Wartung von Bleiakkumulatoren
(Autobatterie) usw..
-
Insbesondere
für Aquarien (je nach Fischbesatz) und bei der Zucht verschiedener
Pflanzen (Orchideen, Venus Fliegenfalle ...) muss die Wasserqualität
genau eingestellt werden. Hier spielen Osmose- und Stoffwechselreaktionen
eine Rolle. Osmoseeffekte sorgen auch dafür, dass Schnittblumen,
die im vollentsalzten Wasser stehen, länger frisch aussehen.
-
Schließlich
lassen sich mit Ionenaustauscherharzen ionische Schadstoffe und
Wertstoffe aus Trinkwasser, Grundwasser, Oberflächenwasser, Regenwasser
und industriellen Wässern entfernen. Diese Verunreinigungen
sind insbesondere Schwermetalle, Nitrit und Nitrat, die z. B. über
Rohrleitungen (Blei, Kupfer ...), durch Umwelteinflüsse
wie Überdüngung, Fischausscheidungen (Nitrat,
Nitrit) usw. oder durch natürliche Vorkommen (Uranerze
...) bzw. bei industriellen Prozessen (Gold, Silber ...) in das Wasser
gelangen. Insbesondere bei der Bereitung von Säuglingsnahrung
sollte deshalb z. B. belastetes Trinkwasser mit Ionenaustauscherharzen
behandelt werden.
-
Aufgrund
dieser Anwendungsvielfalt besteht für Anwendungen, die
keine kontinuierliche Erzeugung von behandeltem Wasser erfordern,
insbesondere bei kleineren benötigten Mengen an behandelnden
Wasser bis ca. 500 l Wasser pro Anwendungsgang und oder bei Anwendungen
die unregelmäßig, selten oder einmalig (Verdünnung
von Konzentraten, Befüllung von Heizungssystemen) stattfinden
bzw. Anwendungen die immer wieder an verschiedenen Einsatzorten
erfolgen und somit eine Investition für eine stationäre
Säulenanlage nicht lohnt, ein großes Interesse,
die Ionentauscherbehandlung nicht an bestimmten Orten durchführen
oder das benötigte Ionenaustauscher behandelte Wasser zu
den Anwendungsorten transportieren zu müssen.
-
Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde Produkte bzw. Vorrichtungen
zu entwickeln, die es erlauben eine Ionenaustauscherbehandlung von
salzhaltigen, wässrigen Lösungen einfach, sicher,
weitgehend vom Ort und von speziellen Vorrichtungen unabhängig,
zeitnah, bedarfsgerecht und ohne große Vorbereitung am
Ort des Gebrauchs durchführen zu können.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Ionenaustausch-Suspensions-Reaktoren
mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Spezielle Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen
beschrieben.
-
Demnach
sind die Reaktorbehälter handelsübliche Behälter
in Flaschen-, Kanister-, Kannen-, Tonnen-, Fass-, Containerform
oder dergleichen mit mindestens einer Öffnung,
die
nur zum Teil mit dem Ionenaustauscherharz oder Ionenaustauscherharzgemischen
gefüllt sind,
in denen beim eigentlichen Ionenaustausch
das gesamte Ionenaustauschharz in der Behälterflüssigkeit frei
beweglich verteilt ist, bei denen vor oder in der Öffnung
des Behälters, über die das behandelte Wasser
ausgegossen oder ausgebracht werden soll, eine Vorrichtung angebracht
ist bzw. angebracht werden kann, die als Harzsperre wirkt und somit
ein Austreten des Ionenaustauscherharzes beim Befüllen oder
Entleeren mit Wasser oder beim Suspendiervorgang des Ionenaustauscherharzes
verhindert,
und aus denen pro Behandlungsvorgang das jeweilige
Füllvolumen der wässrigen Lösung nahezu
vollständig wieder als behandeltes Produkt ausgebracht werden
kann.
-
In
dieser Druckschrift wird der Behälter oder die Behälter
bzw. Behälterkombinationen, in denen die Tauscherbehandlung
stattfindet, zusammen mit der Harzfüllung und den Hilfsvorrichtungen
wie Verschlüssen, Fittings, Harzsperre usw., unabhängig von
der Form, dem Volumen und dem Material, als Ionenaustausch Suspensions-Reaktor
bezeichnet.
-
Der
Erfindungsgedanke ist in mehreren Ausführungsbeispielen
anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
-
1a einen
Längsschnitt durch einen flaschenförmigen Ionenaustausch
Suspensions-Reaktor mit 1 Öffnung, bei dem sich das Ionentauscherharz
bzw. das Ionenaustauschergemisch am Flaschenboden abgesetzt hat
-
1b einen
Längsschnitt durch einen flaschenförmigen Ionenaustausch
Suspensions-Reaktor mit 1 Öffnung, bei dem das gesamte
Ionentauscherharz bzw. das gesamte Ionenaustauschergemisch in der
zu behandelnden Flüssigkeit suspendiert ist
-
2 einen
Längsschnitt durch einen kanisterförmigen Ionenaustausch
Suspensions-Reaktor mit 1 Öffnung
-
3 einen
Längsschnitt durch einen kannenförmigen Ionenaustausch
Suspensions-Reaktor mit 2 Öffnungen
-
4 einen
Längsschnitt durch einen fassförmigen bzw. tonnenförmigen
Ionenaustausch Suspensions-Reaktor mit einer Rührvorrichtung
und 3 Öffnungen
-
5a einen
Längsschnitt durch einen containerförmigen Ionenaustausch
Suspensions-Reaktor mit einer Saug-Druckpumpe für die Suspensionserzeugung
durch Umwälzung der zur behandelnden Flüssigkeit
und für die Entnahme der behandelten Flüssigkeit
-
5b einen
Längsschnitt durch einen containerförmigen Ionenaustausch-Suspensions-Reaktor
mit einer Tauchpumpe oder Tauch-Druckpumpe für die Entnahme
der behandelten Flüssigkeit oder Umwälzsuspendierung der
zu behandelnden Flüssigkeit sowie ein Zulauffilterelement
-
6 ein
Diagramm, das verdeutlicht, wie bei einem Vollentsalzungsreaktor
(Mischbett) die Abnahme der Leitfähigkeit von der Suspensionsmethode
abhängt
-
7a einen
Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Harzsperre
in Hülsenform und deren Anbindung an die Halsöffnung
eines flaschenförmigen Ionenaustausch Suspensions-Reaktors
-
7b einen
Längsschnitt durch zwei schematisch dargestellte Harzsperren
in Hülsenform und deren Anbindung an ein Fitting, das an
die Halsöffnung des jeweiligen flaschenförmigen
Ionenaustausch Suspensions-Reaktors angebunden ist. und gleichzeitig
eine Verbindung zu einem weiteren Ionenaustausch Suspensions-Reaktors
erlaubt
-
8 einen
vergrößerten Längsschnitt durch die Wand
einer Filterhülse, die als Harzsperre wirkt und Zusatzfilter
und Zusatzstoffe enthält
-
9a einen
Längsschnitt durch eine schematisch dargestellten Harzsperre
in Form eines Ansaugfilters, der über eine zentrale Öffnung
angeströmt wird
-
9b einen
Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Harzsperre
in Form eines Ansaug-Filterelementes mit radialer Anströmung
-
9c einen
Längsschnitt durch eine schematisch dargestellten Harzsperre,
die einer Tauchpumpe vorgeschaltet ist
-
10 einen
Längsschnitt durch ein schematisch dargestelltes, Ionenaustausch
Suspensions-Reaktor System, das aus zwei flaschenförmigen Reaktoren
besteht
-
11 einen
Längsschnitt durch ein schematisch dargestelltes, Ionenaustausch
Suspensions-Reaktor System, das aus drei flaschenförmigen Behältern
besteht
-
12a bis 12d schematische
Darstellungen von Ionentauschersäulen in verschiedenen
Beladungszuständen
-
Die
Reaktorbehälter 3 mit der Harzfüllung 4 (diese
kann ggf. erst Vor Ort in den Behälter eingebracht werden),
die in den meisten Fällen gleichzeitig Lieferverpackung
sind, lassen sich leicht zum Ort des Gebrauchs tragen bzw. transportieren,
auch wenn dieser schwer zugänglich ist. Vor Ort ist im
einfachsten Fall nur eine Wasserquelle (Wasserhahn, Quelle, Gewässer,
Sammelbecken usw.) und ggf. eine Zuführung zum Behälter über
eine Schlauchleitung, Eimer, Becher oder dergleichen nötig
und, wenn Muskelkraft zum Suspendieren nicht allein ausreicht, eine einfache
Rührvorrichtung 19, die z. B. mit einem Akkuschrauber
oder per Hand betrieben werden kann. Bei größeren
Volumina und Reaktorsystemen 2 mit mehreren Behältern
sind häufig komfortablere Varianten sinnvoll, wie z. B.
einen Rührmagneten 26 in den Behälter 3 zu
geben und diesen mittels eines Magnetrührgerätes
in Bewegung zu bringen oder das zu behandelnde Medium mit einer
Tauchpumpe 27 oder Saugdruckpumpe 28, ggf. samt
Tauscherharz 4, umzuwälzen und dabei das Harz 4 zu
suspendieren. Das erfordert natürlich die entsprechenden
Vorrichtungen und einen Stromanschluss.
-
Die
Ionenaustauschbehandlung findet direkt im Reaktor 1 statt.
Zusatzbehälter sind für diesen Vorgang nicht nötig.
Das behandelte Wasser kann bis zur Entnahme bzw. Gebrauch im Reaktor 1 verbleiben
oder auch in Aufbewahrungsgefäße 25 ausgebracht
werden.
-
Wird
vereinzelt mehr Wasser in kurzer Zeit benötigt, als man
mit einem Behälter 3 pro Anwendungsgang erzeugen
kann, so wird der Behälter 3 kurzfristig mehrfach
gefüllt und nach jeder Behandlung (ca. 2 Minuten) entleert
oder man benutzt gleichzeitig mehrere Behälter 3 parallel.
-
Behältervolumen
-
Das
optimale Behältervolumen richtet sich zum Einen nach dem
Bedarf an behandeltem Wasser, zum Anderen nach dem Gewicht und der
Sperrigkeit bei Transport, Lagerung und Handhabung (Tragen, Bewegen,
Füllen, Entleeren, Suspendieren). Hier gibt es eine hohe
Variationsbreite, die erfindungsgemäß durch Nutzung
bewährter, handelsüblicher Behälter 3 mit
genormten Anschlüssen individuell bedient werden kann.
Eine wesentliche Rolle spielen natürlich die Zusammenhänge
zwischen Harzkapazität, Harzvolumen und Flüssigkeitsvolumen
(siehe unten Suspensionsvorgang).
-
In
Hinblick auf Gewicht, Transport, Sperrigkeit und Handhabung sind
Behälter 3 mit deutlich mehr als 500 Litern Inhalt
eher die Ausnahme. Die Containerform mit genormten Maßen
ermöglicht jedoch auch hier einen problemlosen Transport.
Ansonsten gibt es immer die Möglichkeit mehrere kleinere
Behälter 3 parallel zu betreiben.
-
Bei
Behältern 3 mit weniger als 0,5 Liter Inhalt steht
die Ausbringung an behandeltem Wasser in keinem Verhältnis
zum Herstellungsaufwand, es sei denn es handelt sich um spezielle
Anwendungen z. B. in der Analytik, wo nur wenig Probenmaterial zur Verfügung
steht. Beim Bedarf geringer Volumina, kann man sich in den meisten
Fällen damit behelfen, dass man Behälter 3 mit
größerem Volumen benutzt und diese nicht ganz
voll füllt.
-
Benötigt
man unterschiedliche Mengen an behandeltem Wasser, oder dauert die
Erzeugung mit nur einem Behälter 3 zu lange, so
kann man mit einem größeren Behälter 3 arbeiten,
oder man benutzt zwei oder mehrere Behälter 3 gleichzeitig.
-
Größere
Behälter 3 müssen nicht unbedingt voll
gefüllt werden. Der Austausch erfolgt sogar schneller,
wenn das Volumenverhältnis Harz 4 zu Flüssigkeit 5 größer
wird (siehe unten). Es kommt zu keiner Überbehandlung der
Flüssigkeit 5. Deshalb können nach einem
Tauschvorgang auch Reste der behandelten Flüssigkeit 5 problemlos
im Reaktor 1 verbleiben (siehe Tauschervorgang).
-
Die
Gesamtmenge an behandeltem Wasser 6, die in einem erfindungsgemäßen
Ionenaustausch Suspensions-Reaktor 1 erzeugt werden kann,
resultiert aus der Tauscherkapazität des eingefüllten
Harzes 4 und der Qualität des Wassers. In dem
eingangs genannten Beispiel sind das 500 Liter. Ist das Netto-Füllvolumen
des Reaktors 5 Liter, so können mindestens 100 Behandlungen
durchgeführt werden.
-
Behälter 3 aus Kunststoff
-
Insbesondere
wegen des Gewichts, der Stabilität (Unzerbrechlichkeit),
Pflegeleichtigkeit und auch der Kosten, bieten Behälter 3 aus
Kunststoff erhebliche Vorteile gegenüber Behältern
aus Glas, die prinzipiell aber auch verwendet werden können.
Bei den Kunststoffbehältern, gibt es ein großes,
teilweise genormtes Angebot, auch was die Öffnungen und
deren Verschließbarkeit angeht (siehe unten).
-
Für
kleinere Volumina (bis 5 Liter) gibt es tausendfach Behälterformen
und -typen, in denen häufig Getränke verpackt
werden. Die PET Flaschen haben hier in den letzten Jahren ihren
Siegeszug angetreten. Die Aufbewahrung der erfindungsgemäßen
Ionenaustauschreaktoren 1 kann somit genauso erfolgen,
als würde man Getränke aufbewahren.
-
Transparente Behälter 3
-
Von
Vorteil ist es auch, wenn die Behälter 3 bzw.
Reaktoren 1 mindestens so transparent sind, dass von außen
ein Farbwechsel oder andere deutliche Veränderungen des
Harzes 4 und oder Gasblasen 30, die sich an der
Behälterinnenwand 3a oder an der Harzsperre 11 absetzen,
erkennbar sind (siehe Erschöpfung von Tauscherharzen).
-
Dieses
Kriterium kann z. B. durch Verwendung von PET (Polyethylentherephthalat),
PE (Polyethylen), PP (Polypropylen), PC (Polycarbonat), PS (Polystyrol)
usw. als Behältermaterial, problemlos erfüllt
werden. Die nähere Auswahl wird z. B. dadurch beeinflusst,
ob im Behälter 3 regeneriert werden soll oder
nicht.
-
Öffnungen 7, 8:
Anzahl, Verschließbarkeit
-
Vor
allem wegen der Handhabbarkeit ist es sinnvoll, dass große
Behälter 3 mehr als eine Öffnung 7, 8 haben.
-
Bei
kleineren Behältern mit 0,5 bis 5 Liter Inhalt erscheint
dagegen die Handhabung bei Behältern 3 mit nur
einer Öffnung 7 einfacher.
-
Über
eine zweite oder weitere Öffnungen 8, neben der
Ausguss- bzw. Ausbringöffnung 7, kann z. B. das
Harz 4 eingefüllt oder entnommen werden, können
Rührwerke 19, Messgeräte usw. angebracht werden,
kann der Druckausgleich beim Füllen oder Entleeren erfolgen
und oder die Verbindung zu anderen Behältern 3b, 3c ...
oder Vorrichtungen wie Anschluss Fittings 21 und Absperrhähne 22 hergestellt werden.
-
Bei
größeren Behältern 3, z. B.
in Fass- bzw. Tonnen- oder Containerform, wie sie in 4, 5a und 5b gezeigt
werden, befindet sich aus Handhabungsgründen und um eine
vollständige Entleerung zu ermöglichen, die Abfluss-
bzw. Entnahmeöffnung 7 nebst Harzsperre 11,
meist nahe am Boden. Das Befüllen usw. erfolgt dahingegen
von oben durch eine Öffnung 8a im Deckel 31.
In dieser Öffnung kann z. B. auch ein Zulauffilter 37 installiert
werden. Eine weitere Öffnung 8b im Deckel 31 erlaubt die
Installation einer einfachen Rührvorrichtung 19. Diese Öffnungen 8a, 8b können
bei Bedarf z. B. mittels Schraubverschluss 9a, 9b verschlossen
werden. Will man das Harz 4 austauschen, kann der Deckel 31 ganz
entfernt werden. Ein Vorteil ist auch, dass die Harzsperre 11 fest
mit der Abflussöffnung 7 verbunden werden kann.
Anstatt über eine Abflussöffnung 7 kann
die Entleerung (Ausbringung) auch durch einen Ansaugschlauch 23,
der einen Ansaugfilter 10 als Harzsperre 11 am
Ansaugende hat und durch eine der Öffnungen 8 in
den Behälter 3 eingebracht wird, erfolgen. In
diesem Fall stellt die Öffnung des Saugschlauches 23 die
Abfluss- bzw. Ausbringöffnung 7 dar.
-
Wenn
der Behälter 3 nur eine Öffnung 7 hat, die
sowohl die Ausgussöffnung 7 als auch Befüllungsöffnung 7 ist,
muss auch, ggf. vor Anbringung oder nach Entfernung der Harzsperre 11,
die Befüllung mit oder Entnahme von Ionenaustauschharz 4, das
Einbringen einer Rührvorrichtung 19, von Messgeräte
usw. sowie der Druckausgleich beim Füllen oder Entleeren
und oder die Verbindung zu anderen Behälter 3a 3b ...
oder Vorrichtungen wie Gewinde-Fittings 21 und Absperrhähnen 22, über
diese Öffnung 7 erfolgen.
-
In
den meisten Anwendungsfällen wird nur ein Reaktorbehälter 3 benötigt,
in den zunächst das Harz 4 bzw. die Harzmischung 4a, 4b eingefüllt
wird. Dann wird die Öffnung 7 mit der Harzsperre 11 verbunden.
Die Befüllung oder Entleerung sowie der Druckausgleich
erfolgen über die Harzsperre 11, die entsprechend
gestaltet sein muss.
-
Wenn
die Behälter 3, wie sie in den 1, 2 und 3 abgebildet
sind, klein genug sind, muss in der Regel kein Rührwerk 19 eingebracht werden,
um eine Suspension zu erzeugen. Notwendige Messungen können
an ausgegossenem Wasser oder auf der Ausgussseite der Harzsperre 11 bzw.
indirekt ohne Messgeräte durchgeführt werden (siehe unten).
Die einzige Öffnung 7 kann vorteilhafterweise einfach
und sicher z. B. mit einem genormten Schraubverschluss 9 leckdicht
verschlossen werden. So entsteht ein absolut geschlossenes System,
das bis auf die Lichteinstrahlung nicht von Umwelteinflüssen
wie z. B. Verkeimung, Gasaustausch, Sekundärverschmutzung
usw. beeinflusst wird. Wird beim Tauschvorgang Kohlendioxid frei,
so steht der Behälter 3 unter Überdruck,
wodurch das Eindringen von Sekundärverschmutzung zusätzlich
erschwert wird. Im Behälter 3 könnten
sich ausschließlich autotrophe Organismen vermehren.
-
Für
einen Harzaustausch muss die Harzsperre 11 entfernbar sein.
-
Häufig
aber lohnt sich weder eine Entnahme noch eine Regeneration des Harzes 4.
Soll doch regeneriert werden, kann dies, soweit es sich nicht um einen
Mischbettaustauscher 4a, 4b handelt, im Reaktor 1 selbst
erfolgen, wenn dessen Komponenten gegen die Tauscherchemikalien
stabil sind. Die Harzsperre 11 muss dann nicht entfernbar
sein.
-
Die
sichere Ionenaustausch Behandlung von Wasser 5 reduziert
sich damit auf wenige, einfache Schritte:
Befüllen,
Schließen, Suspendieren, Öffnen, Ausgießen,
erneut Befüllen, Schließen usw.. Dies alles im
2 bis 5 Minuten Takt.
-
Einsetzbare Harze 4
-
In
den erfindungsgemäßen Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 können
alle handelsüblichen Ionentauscherharze 4 oder
geeignete Mischungen daraus Verwendung finden. Hiermit lässt
sich aus salzhaltigen, wässrigen Lösungen enthärtetes, entkarbonisiertes,
vollentsalztes und spezifisch entionisiertes Wasser erzeugen.
-
Sonderanforderung
ergeben sich für Wasser, das für den direkten
oder indirekten Verzehr gebraucht wird.
-
Beim
Ionenaustausch werden nur ionische Bestandteile ganz oder anteilig
entfernt. Ungeladene Partikel, wie Mikroorganismen (Kolloide, Bakterien, Algen
...) werden nicht getauscht und reduziert.
-
Soll
Wasser ungekocht für den direkten oder indirekten Verzehr
bereitet werden, darf deshalb immer nur frisches Trinkwasser 5 behandelt
werden. In solchen Trinkwasserreaktoren 1 darf natürlich
auch keine Behandlung von anderen Wässern 5 durchgeführt
werden.
-
Ein
Sonderfall ist auch die Bereitung von Wasser aus Meerwasser. Wegen
des hohen Salzgehaltes (3% Kochsalz) ergibt die Behandlung vordergründig
keinen Sinn, weil die Harze 4 schnell erschöpft
sind und das gewonnene Wasser ungekocht keine Trinkwasserqualität
hat. Unter Notfallaspekten aber kann so bereitetes Wasser, das abgekocht
wurde, Leben retten.
-
Indikatorharze 4
-
Einige
handelsübliche Harze 4 sind mit einem immobilisierten
Indikator ausgerüstet. Dieser signalisiert durch Farbwechsel,
wenn das Harz 4 erschöpft (keine Ionen mehr ausgetauscht
werden) ist.
-
Andere
Harze 4 ändern ihre Konsistenz (Quellung, Schrumpfung,
Dichte ...) mit der Ent- bzw. Beladung.
-
In
den erfindungsgemäßen Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren
können diese Indikatorharze 4, die preislich meist
entscheidend höher liegen, auch nur anteilig beigemischt
werden, wenn der Anteil ausreicht, eine Erschöpfung eindeutig
zu signalisieren.
-
Zusatzfiltermedien 17 (Vorfiltration),
Zusatzstoffe 18
-
Ist
das Trinkwasser 5 gechlort oder enthält es andere
nicht ionische Störstoffe, so können die Harze 4 mit
Zusatzstoffen 18, die adsorptiv oder anderweitig klärwirksam
sind, gemischt werden. Dasselbe gilt für die Behandlung
von anderen Wässern.
-
Beispiele
solcher Zusatzstoffe 18 sind Aktivkohlen, modifizierte
Aktivkohlen (z. B. Silberung), Kieselgur, Biozide, Katalysatoren,
Stabilisierungsmittel usw..
-
Einer
Vermischung der Zusatzstoffe 18 mit dem Harz 4 ist
prinzipiell möglich und auch bevorzugt, denn die Wirkungsmechanismen
sind ähnlich und die Wirkung erfolgt ebenfalls im suspendierten Zustand.
-
Nachteilig
ist, dass es beim Suspendieren von Zusatzstoffen 18, wie
z. B. Bruchaktivkohle, zum Abrieb oder Bruchstücken kommen kann,
die als sehr feine Partikel die Harzsperre 11 passieren
und in das behandelte Wasser 5 gelangen können.
Hier könnte z. B. abriebfreie, kugelförmige Aktivkohle
mit Kugeldurchmessern in der Größenordnung der
Tauscherkugeln eingesetzt oder zusätzlich eine echte Filtrationsstufe 17 in
die Harzsperre integriert werden oder auch die Zusatzstoffe 18 selbst
in der Harzsperre immobilisiert werden (siehe Harzsperre).
-
Eine
weitere Variante ist die Vorbehandlung des zu behandelnden Wassers 5 vor
oder beim Einfüllen. Diese Vorbehandlung kann mit Zusatzstoffen 18 und
oder echten Filtrationsschritten erfolgen. Hierzu werden z. B. zusätzliche
Filtereinsätze wie Zulauffilter 37 verwendet.
Diese können in eine Öffnung 8 der Reaktorbehälter 3 installiert
werden.
-
Bei
Behältern 3 mit nur einer Öffnung 7 ist
die Harzsperre 11 mit dem Harzfilter 13, integrierten
Zusatzstoffen 18 und Zusatzfilter 17 gleichzeitig
Zulauffilter 37. In 8 ist der
Schichtaufbau einer solchen Harzsperre schematisch dargestellt,
wobei 15a, 15b stabilisierende Stützschichten
sind. Diese Filtereinheit wird beim Befüllen radial durchströmt,
d. h. das zu behandelnde Wasser 5 wird beim Einfüllen
zunächst über das Zusatzfiltermedium 17 filtriert
und dann mit den Zusatzstoffen 18 in Kontakt gebracht. Ein
zweiter Kontakt erfolgt beim Ausgießen. Gleichzeitig werden
die Filtermedien 17 beim Ausgießen zurückgespült.
Das erste ausgegossene Wasser sollte in einem solchen Fall verworfen
werden.
-
Auch
sollte verunreinigtes Wasser vor der Ionenaustauschbehandlung filtriert
werden, um eine Maskierung bzw. Inaktivierung der aktiven funktionellen
Gruppen durch sog. Foulingreaktionen zu vermeiden.
-
In
diesem Zusammenhang, kann auch erwähnt werden, dass es
für eine Vielzahl von Anwendungen (z. B. Bügeln,
Zimmerbrunnen, Gießen, Aquarienwasser ....) durchaus sinnvoll
ist, gut gefiltertes Regenwasser für die Ionenaustauschreaktion zu
nutzen, da dieses sehr wenig gelöste Salze enthält
und somit mit einer kleinen Menge an Ionenaustauscherharz große
Mengen an behandeltem Wasser 6 erzeugt werden können.
Dieses Wasser 6 darf jedoch weder direkt noch indirekt
verzehrt werden.
-
Grad der Reaktorbefüllung
-
Die
erzeugbare Menge an behandeltem Wasser pro Suspendierzyklus entspricht
ungefähr dem Füllvolumen des Behälters 3,
abzüglich 80% des Harzvolumens. Hierbei ist das Hohlraumvolumen der
Harzschüttung 4 und das durch die Materialien der
Harzsperre 11 verdrängte Volumen bereits berücksichtigt.
-
Beim
Suspendiervorgang erfolgt der Ionenaustauschprozess innerhalb sehr
kurzer Zeit ( ca. 2 Minuten und kürzer; 6).
Entscheidend für den schnellen Austausch ist, mit welcher
Wahrscheinlichkeit ein gelöstes Ion mit einer aktiven funktionellen Gruppe
auf einer Harzkugel zusammentrifft, also das Verhältnis
von Tauscheroberfläche bzw. der Summe der funktionellen
Gruppen auf dieser Oberfläche zum Volumen des zu behandelnden
Wassers 5 bzw. der Anzahl der darin gelösten Ionen.
Somit sollte ein hoher Harzanteil von Vorteil sein, zumal er auch
proportional zur Gesamttauscherkapazität ist. Hohe Tauscherkapazität
bedeutet aber lange Einsatzzeiten, wobei leicht der Überblick
zum Systemzustand verloren geht. Hauptnachteil ist jedoch, dass
mit Erhöhung des Harzanteils das Volumen an behandeltem
Wasser 6 pro Tauschgang immer stärker reduziert
wird.
-
Es
wurde gefunden, das bei suspendierten Harzmengen unter 5% des Reaktorvolumens,
der Ionenaustausch zu langsam und unvollkommen ist und bei Harzmengen über
60% eine wirtschaftliche bzw. zeitlich sinnvolle Erzeugung von behandeltem
Wasser 6 nicht mehr gegeben ist.
-
Füllt
man den Behälter 3 und entleert man ihn ohne Schütteln
sofort wieder, so findet nahezu kein Ionenaustausch statt. Möchte
man also Wasser 6 ganz frisch, neu bereiten, so kann man ältere
Reste durch eine oder mehr Kurzbefüllungen und Entleerungen sicher
entfernen, ohne viel Ionenaustauschkapazität zu verbrauchen.
-
Da
der Ionenaustausch sehr schnell stattfindet, kommt es im Behälter 3 zu
keinerlei Ablagerungen. Sind anorganische Ablagerungen zu erkennen, so
ist das Harz 4 erschöpft und der Behälter 3 muss verworfen
bzw. das Harz 4 ausgetauscht werden oder, wenn möglich
und wirtschaftlich sinnvoll das Harz 4 im Behälter 3 oder
außerhalb regeneriert werden (siehe unten).
-
Erkennen der Erschöpfung von
Ionenaustauschharzen 4
-
Wichtig
bei Ionenaustauschbehandlungen ist, rechtzeitig zu erkennen, wann
die Tauscherkapazität erschöpft ist, wenngleich
ein Überfahren bei den Anwendungen für die erfindungsgemäßen
Reaktoren 1 kaum zu irreparablen Schäden führen
kann.
-
Mit
Messgeräten lassen sich z. B. die Leitfähigkeit
und der pH-Wert bestimmen. Mit dem Wissen um die Reaktionen während
des Austauschprozesses geben diese beiden Werte in vielen Fällen
eindeutige Informationen zum Beladungs- bzw. Erschöpfungszustand
der Harze 4.
-
Diese
Methoden eignen sich wegen der Notwendigkeit von Messgeräten
weniger für den alltäglichen Gebrauch durch den Normalanwender.
Diesem helfen vor allem einfache Messeinrichtungen, wie Teststreifen
(Karbonathärte, Nitrat- bzw. Nitritgehalt, pH-Wert ...)
mit bewertender Farbskala oder optische Merkmale. Letztere erfordern
einen transparenten Reaktorbehälter 3. So gibt
es, wie bereits erwähnt, z. B. Kationenaustauscher 4a in
Wasserstoffform, die sich bei Erschöpfung rot färben.
Bei Tauscherreaktionen, wo Gase wie Kohlendioxid (Kohlensäure)
entstehen, signalisieren sich anlagernde (Behälterinnenwand 3a,
Harzsperre 11) und bei Erschütterung aufsteigenden
Gasbläschen 30, dass der Tauscher 1 noch
arbeitet. Bei anderen Anwendungen ändert sich der Harzfarbton,
dessen Form, Volumen, Dichte usw. mit der Beladung.
-
Auch
indirekte Methoden sind häufig ausreichend. So erkennt
man z. B. bei Elektrogeräten sehr schnell, wenn sich wieder
Kalk absetzt. D. h. der Entkalkertauscher (Entkarbonisierer) arbeitet
nicht mehr und muss ersetzt oder regeneriert werden. Dasselbe gilt,
wenn sich Ablagerungen im Reaktor 1 selbst bilden.
-
Harzaustausch, Regeneration
-
Das
erfindungsgemäße Konzept der Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 erlaubt
alle Varianten eines Austausches (z. B. bei Erschöpfung) oder
der Regeneration des Tauscherharzes 4 bis hin zum einmaligen
Gebrauchszyklus. Dabei muss im Einzelfall entschieden werden, ob
ein Austausch und oder eine Regeneration sinnvoll (Wirtschaftlichkeit, Zeitaufwand,
Gefahrenpotenzial) oder möglich ist.
-
Mischbetttauscher 4a, 4b z.
B. lassen sich nur regenerieren, wenn die Komponenten getrennt werden
können. Eine Alternative ist, von vorne herein mit getrennten
Harzreaktoren 1a, 1b zu arbeiten (siehe Reaktorsysteme).
-
Für
die Regeneration sind weiterhin relativ konzentrierte Chemikalienlösungen
wie Salzsäure oder Natronlauge nötig, deren Beschaffung,
Lagerung und Handhabung für den Laien normalerweise schwierig
ist.
-
Zusätzlich
müssen die Harze 4 nach der Regeneration ausreichend
gespült werden. Hier stellen sich die Fragen, was ist ausreichend,
was passiert mit dem Spülwasser und welches Wasser nimmt
man zum Spülen?
-
Natürlich
muss man auch berücksichtigen, dass die Chemikalien und
das Spülwasser etwas kosten und auch die benötigte
Zeit in Betracht gezogen werden muss.
-
Relativ
einfach regenerieren lassen sich z. B. Harze 4a, die in
Natriumform aktiv sind. Beispiele sind Harze 4a für
die Enthärtung oder den spezifischen Ionenaustausch. Hier
reicht eine Behandlung mit konzentrierter Kochsalzlösung
aus, um die Tauscher 4a wieder zu aktivieren. Beim spezifischen
Ionenaustausch muss natürlich überlegt werden,
was mit der Flüssigkeit nach der Regeneration passiert.
In einem Fall kann es Sondermüll (Bleisalze, Uransalze ...)
sein, im anderen Fall Wertstoff, wenn daraus z. B. Gold oder Silber
gewonnen werden kann.
-
Da
die erfindungsgemäßen Reaktorbehälter 3 relativ
klein sein können und in der Regel auch verschließbar
sind, haben sie den Vorteil, dass die Regeneration in ihnen selbst,
also ohne Entnahme des Harzes (bis auf Mischbettsysteme) stattfinden
kann. Einzige Voraussetzung ist, dass alle Komponenten des Reaktors 1 gegenüber
den Regenerationschemikalien stabil sind.
-
Bei
Mischbettsystemen muss, wenn der Reaktorbehälter 3 weiter
benutzt werden soll, nach Erschöpfung das Harz 4 gegebenenfalls
ausgetauscht werden. Hierzu ist es bei Systemen mit nur einer Öffnung 7 nötig,
dass die Harzsperre 11 entfernt werden kann (siehe Anbindung
Harzsperre). Bei Containerreaktoren 1 (5)
mit Pumpenumwälzung 27, 28 kann zumindest
bei Tauchpumpen 27 der größte Teil des
Harzes 4 durch Absaugen ausgebracht werden.
-
Der Ionenaustauschprozess
-
Für
den Austausch entscheidend ist, dass jedes gelöste Ion
in Kontakt mit einer aktiven funktionellen Gruppe auf der Harzoberfläche 4 kommen muss.
Im Gegensatz zu Tauschersäulen, wo die Ionen an der immobilen
Harzoberfläche 4 vorbeikommen, also die Flüssigkeit 5 die
Harzmatrix (dicht gepackte Säule) durchströmt,
wird in den erfindungsgemäßen Reaktoren 1 das
Harz 4 so suspendiert, dass die funktionellen Gruppen bei
den Ionen vorbeikommen bzw. auf diese treffen. Man kann davon ausgehen,
dass die funktionellen Gruppen auf allen Harzkugeln 4 gleichermaßen
reagieren. Das Harz 4 erschöpft sich also gleichmäßig
und nicht Zone für Zone 43a, 43b, 43c wie
bei den Säulen 39 (12). Die
Schnelligkeit des Gesamtaustausches bzw. Wahrscheinlichkeit, dass
ein Ion auf eine aktive funktionelle Gruppe trifft, nimmt mit der
Anzahl der Tauschprozesse zwar etwas ab, der Austausch erfolgt aber
immer vollständig, wenn das Verhältnis Harz-/Flüssigkeitsvolumen
stimmt, das Harz 4 noch nicht erschöpft ist und
die vorgeschriebenen Behandlungszeiten mit suspendiertem Harz 4 eingehalten werden
(siehe Bildung der Suspension!). Eine Überbehandlung findet
auch bei längeren Behandlungszeiten nicht statt.
-
Besonders
interessant sind Mischbettsuspensionen. Hier finden der Kationen-
und Anionenaustausch direkt nebeneinander und zeitlich parallel statt.
Dies passiert sogar, wenn die beiden Harztypen 4a, 4b selbst
nicht gut miteinander vermischt sind! Es finden doppelt so viele
Tauschvorgänge wie bei einem Reinbett statt und es kommt
zur sofortigen Neutralisation der freiwerdenden Wasserstoff- und
Hydroxylionen. Im Gegensatz zu getrennten Betten, wo beim Kationenaustausch
eine stark saure Lösung entsteht, die erst im zweiten Schritt
beim Anionenaustauscher neutralisiert wird, bleibt die Flüssigkeit immer
neutral.
-
An
dieser Stelle sei angemerkt, dass der Ionenaustauschvorgang auch
stattfindet, wenn das Harz 4 in der Flüssigkeit 5 absinkt
oder beim Ausschütten durch Harzablagerungen 4 in
Nähe der Ausgangsöffnung 7 strömt.
Selbst in stehenden Behältern 3, bei denen sich
das Harz 4 am Boden gesammelt hat, kommt es durch Diffusion
der Salzionen zum Ionenaustausch. Diese Vorgänge laufen
naturgemäß viel langsamer ab, als bei einem Suspensionsvorgang.
-
Bildung der Suspension
-
Die
Bildung der Suspension erfolgt bei kleinvolumigen Ionenaustausch
Suspensions-Reaktoren 1 in einfacher Weise z. B. durch
Schütteln mit einer Hand oder beiden Händen, Rollen
(auf planen Flächen wie z. B. Boden, Tisch, Küchenarbeitsplatte
...), Kippen (waagrecht/senkrecht), Stürzen (abwechselnd Öffnung
unten/oben), Drehen (liegende Behälter um eigene Achse
drehen lassen) usw. oder durch einfache Rührvorrichtungen 19 (siehe
oben).
-
Beim
Rollen auf planen Flächen können in einfacher,
Kraft sparender Weise zwei oder mehr flaschenförmige Behälter 3 gleichzeitig
nebeneinander gerollt werden. Nach einer kurzen Strecke erfolgt
jeweils ein Richtungswechsel um 180 Grad, was wegen der Trägheitsunterschiede
von Wasser 5 und Harz 4 zu einer zusätzlichen
Verwirbelung führt.
-
Eine
weitere Variante ist es, die Suspension durch Umwälzung
mittels Pumpen 27, 28 zu erzeugen. Entweder werden
die Harzkugeln 4 mit durch die Umwälzpumpe 27, 28 gesaugt
und druckseitig suspendiert und oder man nutzt den druckseitig austretenden
Wasserstrahl 39 zum Suspendieren der Ionentauscher Harzkügelchen 4. Über
eine Leitfähigkeitsmessung kann z. B. der Umwälzvorgang
automatisch beendet werden. Durch Veränderung der Ventil-
bzw. Absperrhahnstellungen 22a, 22b ... kann dann
das behandelte Wasser 6 mittels Pumpe 27, 28 mit
vorgeschalteter Ansaugharzsperre 10 (5 und 9) ausgebracht werden. Durch eine einfache
Zusatzverrohrung kann mit der Pumpe 27, 28 die
Harzsperre 10 auch zurückgespült werden.
-
Die
genutzte Variante kann individuell gewählt werden und hängt
natürlich auch vom Behältervolumen bzw. dem Gewicht
des gefüllten Behälters 3 und den Vorlieben
des Anwenders ab.
-
In 6 ist
dargestellt, wie sich die Leitfähigkeit von Trinkwasser 5 bei
einer Vollentsalzungsbehandlung verändert. Im Prinzip ergibt
sich für verschiedene Suspensionserzeugungen immer der
gleiche Kurvenverlauf. Dieser entspricht einer chemischen Reaktion
erster Ordnung. Es ändert sich nur die benötigte
Zeit bzw. die notwendige Anzahl an Bewegungen, die zur Verwirbelung
(Suspensionsbildung) führen. Der Kurvenverlauf ähnelt
sehr einer Halbwertszeitkurve, d. h. die Geschwindigkeit des Austausches
ist proportional zu den zu einem bestimmten Zeitpunkt im Wasservolumen 5 noch
nicht getauschten Ionen. So lange die funktionellen Gruppen des
Tauschers im großen Überschuss vorliegen, beeinflusst
ihre Konzentration den Kurvenverlauf nicht. Aus dem Wissen um die
Mechanismen beim Suspensionsaustauschverfahren mittels der erfindungsgemäßen
Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren lassen sich kosten- und zeitsparende
Austausch-, Regenerations- und Spülstrategien ableiten.
-
Natürlich
lassen sich die oben beschriebenen Bewegungen auch kombinieren.
Zum sehr schnellen Austausch kommt man z. B. durch intensives Schütteln
oder Rühren, unterbrochen durch einige Absetzvorgänge
oder auch durch die Kombination von Drehen und Rollen.
-
Dabei
muss der Behälter 3 nicht voll gefüllt sein.
Geringere Wassermengen verkürzen sogar die Austauschzeit.
Es kommt zu keiner Überreaktion und es wird auch nicht
unnötig Harzkapazität verbraucht.
-
Harzsperre 11
-
Bei
den erfindungsgemäßen Ionenaustauschreaktoren 1 kommt
der Harzsperre 11 eine besondere Bedeutung zu. Sie ist
im einfachsten Fall ein Filter, der Harzkugeln 4 absolut
zurückhält.
-
Eigentliche
und ursprüngliche Funktion der Harzsperre 11 ist
es, beim Einfüllen oder Entleeren des Reaktorbehälters 3 und
beim Suspendiervorgang ein Austreten des Harzes 4 zu verhindern.
-
Die
Harzsperre 11 muss also ein Filtermaterial 13 enthalten,
das so fein filtriert, dass alle Partikel des Harzes 4 oder
der Harzmischung 4, 4b zurückgehalten
werden, ohne dass das Filtermaterial 13 selbst verblockt
bzw. den Durchfluss in angemessener Zeit verhindert wird. Je größer
die freie Fläche des Filtermaterials 13 und je
geringer der Widerstand desto schneller kann die Füllung
und Entleerung der Reaktoren 1 erfolgen.
-
Bei
den erfindungsgemäßen Ionenaustauschreaktoren 1 ist
zumindest an der Ausguss- oder Ausbringungsöffnung 7 eine
Harzsperre 11 angebracht oder anbringbar. Die Anbindung 16 kann
je nach Variante fix oder lösbar sein.
-
Aus
Handhabungsgründen ist es in der Regel notwendig, dass
die Harzsperre 11 im Innenraum des Reaktorbehälters 3 angebracht
wird. Der Durchmesser der Harzsperre 11 muss also an jeder
Stelle kleiner sein, als die Öffnung (Ausgussöffnung) 7 durch
die sie in den Reaktor 1 eingebracht wird. Die Harzsperre 11 ist
deshalb bevorzugt zylindrisch geformt.
-
Damit
es beim Ausgießen zu keinen Bypass kommt, muss die Harzsperre 11 leckdicht
mit der Öffnung 7 verbunden werden bzw. dürfen
vorhandene Belüftungs-Öffnungen nicht größer
sein, als die Porengröße des Harzfilters 13.
Diese Anbindung 16 und die Harzsperre 11 selbst
muss weiterhin so stabil sein, dass sie unter dem Druck der auszuschüttenden
Wassersäule oder der mechanischen Belastung während
der diversen Suspensionsvorgänge nicht zerstört
wird.
-
Weil
an der Ausgussöffnung 7 angebracht, beeinflusst
die Harzsperre 11 natürlich auch die Geschwindigkeit,
mit der das behandelte Wasser 5 ausgegossen werden kann.
Weil die notwendige Filterfeinheit die Durchlässigkeit
pro Flächeneinheit begrenzt, sollte die Filterfläche
so groß wie möglich sein. Bevorzugt reicht die
Harzsperre bis zur Wand 3a, die der Ausflussöffnung 7 gegenüberliegt.
Dies hat weiterhin den Vorteil, dass die Harzsperre 11 hier abgestützt
und dadurch beim Suspendiervorgang oder beim Ausschütten
mechanisch stabilisiert wird (siehe 1 bis 3).
-
Da
ein gutes Filtermaterial 13 zu mehr als 70% aus Luft besteht,
bedeutet mehr Filterfläche nur eine geringfügige
Verminderung des verfügbaren Flüssigkeitsvolumens.
-
Insbesondere
wenn die Reaktoren 1 nur eine Öffnung 7 haben,
kommen der Harzsperre 11 noch weitere Funktionen zu.
-
Durch
sie wird dann auch die Befüllungsgeschwindigkeit bestimmt.
-
Der
Filterwiderstand könnte dadurch reduziert werden, dass
sich das Filtermaterial 13 sehr leicht benetzen lässt,
d. h. hydrophil ist.
-
Dagegen
spricht aber, dass sowohl die Geschwindigkeit der Befüllung
als auch der Entleerung entscheidend davon abhängt, wie
der Druckausgleich erfolgt, d. h. wie schnell Luft durch die einzige Öffnung
und über das Filtermaterial 13 entweichen oder
zugeführt werden kann. Dazu muss die Benetzung des Filtermaterials 13 leicht
aufzuheben sein. Es sollte eher wasserabstoßend (hydrophob)
als wasserliebend (hydrophil) sein.
-
Eine
Lösung ist ein Filtermaterial 13, welches von
Natur aus hydrophob ist und aufgrund seiner Porengröße
von 20 bis 100 μm und seiner Flächenmasse von
10 bis 60 g/m2 mit einem Wassersäulendruck von
weniger als 3 cm Höhe benetzt werden kann.
-
Ein
solches Filtermaterial 13 besteht bevorzugt aus Polypropylen
und kann preisgünstig nach dem Meltblown- oder Spinnvliesprozess
hergestellt werden.
-
Polypropylen
ist chemisch sehr inert und auch gegenüber üblichen
Regenerationsmitteln beständig.
-
Deshalb
bestehen auch alle anderen Komponenten (Stützgewebe 15,
Bodendeckel 14 ...) der Harzsperre 11 vorzugsweise
aus Polypropylen oder Polyethylen. Bei der Verarbeitung sollte auf
zusätzliche Stoffe, wie Kleber verzichtet werden. Bevorzugt werden
deshalb alle Komponenten, soweit sie nicht über z. B. Gewinde
verbindbar sind, thermisch miteinander verschweißt.
-
Weiterhin
lassen sich die Faseroberflächen verschiedener Filtermaterialien 13 chemisch
so modifizieren (z. B. oleophobieren), dass die Benetzung aufgehoben
wird, sobald der Luftdruck höher ist als der Wasserdruck.
-
Eine
weitere Lösung ist es, Bereiche 32, insbesondere
im Bodenbereich und Öffnungsbereich, stark hydrophob bis
oleophob (ölabstoßend) auszurüsten oder
hier entsprechende Filtermaterialien z. B. aus PTFE (Polytetrafluorethylen)
oder PVDF (Polyvinylidendifluorid) zu integrieren.
-
Andere
handelsübliche Lösungen mit Ventilfunktionen und
dergleichen erscheinen zu aufwendig, sind aber prinzipiell möglich.
-
Feinere Zusatzfilter 17 und Zusatzstoffe 18
-
(als Bestandteil der Harzsperre 11)
-
Wie
oben beschrieben, kann es sein, dass die Harzsperre 11 nicht
nur Sperr- und Luftaustauschfunktion hat, sondern auch noch feinere
Filterstufen 17 und Zusatzstoffe 18, wie adsorptiv
oder anderweitig klärwirksame Medien, enthält.
-
In
einem solchen Fall ist es von Vorteil, wenn die Harzsperre 11,
z. B. falls das Filtermaterial 17 verblockt oder einer
der Zusatzstoffe 18 erschöpft ist, ausgetauscht
werden kann.
-
Boden 14 der Harzsperre 11
-
Der
Boden 14 der Harzsperren kann z. B. durch Verschweißen
bzw. Abdichten mittels geschmolzener Kunststoffmasse 14a,
durch Anschweißen der Filterhülse 12 an
eine Kunststoffkappe 14b, durch Einpressen oder Überstülpen
von vorgefertigten Bodenteilen 14c oder durch direkte Ultraschall- oder
thermische Verschweißung der Filterhülsenmaterialien
selbst erfolgen.
-
Anbindung 16 der Harzsperre 11,
Verbindungselement zu anderen Reaktoren 1
-
Erfindungsgemäß muss
die Harzsperre 11 zumindest an der Ausguss- oder Ausbringöffnung 7 angebracht
oder anbringbar sein.
-
Bei
Behältern 3 mit Ausgussöffnung 7 erfolgt die
Anbindung 16 in bzw. an dieser. Die Anbindungszone 16 ist
z. B. der Flaschenhals, dies ist in den 1 bis 3 gekennzeichnet
und in 7a und 7b vergrößert
dargestellt.
-
Eine
fixe, nicht lösbare Anbindung 16a kann z. B. durch
Verschweißen oder Verkleben erfolgen.
-
Bedingt
lösbare Anbindungen 16b erreicht man durch Verbinden
der Harzsperre 11 mit einer Kunststoffhülse oder
-buchse, die samt Harzsperre 11 in die Behälteröffnung 7 eingedrückt
oder gepresst wird.
-
Lösbare
und dennoch dichte Anbindungen 16c können z. B.
mittels Gewinden bzw. Gewinde-Fittings 21 erreicht werden.
In 4 besteht eine direkte Gewinde- oder Bajonettverbindung 16c zwischen der
Harzsperre 11 und der Abflussöffnung 7.
Die Harzsperre 11 ist hier eine Filterhülse 12 oder
sog. Filterkerze, die radial angeströmt wird und von außen nach
innen filtriert.
-
In 7 ist eine Variante gezeigt, bei der die Harzsperre 11 an
ein sog. Doppelnippel Gewinde-Fitting 21 mit Außengewinden
angeschweißt ist. Weiterhin wurde in den Flaschenhals 7a ein
passendes Innengewinde 31 geschnitten. Die eine Seite des
Doppelnippels 21 kann bei Bedarf samt Harzsperre 11 in den
Flaschenhals 7a geschraubt und auch wieder entfernt werden.
Die freie Seite des Doppelnippels 21 kann mit einem Verschlussdeckel 9a oder
anderen Fittings 21, wie Doppelmuffen, Verzweigungsmuffen, Verschraubungen,
Verschlusshähnen mit oder ohne Verschraubung usw. mit entsprechendem
Innengewinde verbunden werden, um z. B. eine Verbindung zu einem
anderen Reaktorbehälter 3 herzustellen (siehe
Reaktorsysteme).
-
Bei
den Varianten mit unlösbarer Anbindung 16a oder
Anbindung mittels Pressdichtung 16b kann in analoger Weise
das Außengewinde des Öffnungsverschlusses 9b mit
entsprechenden Fittings 21 (z. B. Doppeldeckel mit Durchgangsöffnung)
dazu genutzt werden, eine Verbindung zu einem anderen Reaktorgefäß 3 herzustellen.
Auch kann das Verschlussgewinde 9b anstatt mit der Verschlusskappe 9a mit
einer Vielzahl von handelsüblichen Vorrichtungen wie Ausgusshilfen,
Dosiervorrichtungen usw. verbunden werden.
-
Ansaugharzsperren 10
-
Eine
weitere Variante der Harzsperren 11 sind Ansaugsperren 10.
Diese werden mit handelsüblichen Adaptern oder Anschlüssen
mit der Öffnung der Absaugschläuche 23 anstatt
mit der Gehäusewand 3a (4, 5a und 5b)
in Verbindung gebracht. Diese Anbindung 16 ist in der Regel
lösbar. Die 9a, 9b und 9c zeigen
drei Varianten dieser Ansaugsperren 10. In 9a ist
eine Harzsperre 10 dargestellt, in der die behandelte Flüssigkeit 5 über
eine zylindrische Öffnung angesaugt wird. Die zylindrische
Wand 38 dieses Elements 10 ist undurchlässig
und leckdicht mit der Absaugkappe 10a verbunden. Im Kappenbereich 10a befindet
sich eine Feinfilterzone 10b und eine Speichergewebezone 10c.
Der Vorteil dieser Variante ist, dass sich beim Absaugen durch eingetragene
Harzkugeln 4 im Zylinder 38 ein Festbett bildet,
dass selbst zum Tauschvorgang beiträgt. Diese Harzkugeln
erhöhen aber den Fließwiderstand und werden untypisch
beladen. Durch einen einfachen Wechsel von Absaug- und Zulaufstrom
muss deshalb der Absaugzylinder 38 in bestimmten Abständen
zurückgespült werden. In 9b entspricht
die Ansaugsperre 10 einem radial angeströmten
Element wie in 4 mit Feinfilterzone 10b und
einer Speichergewebezone 10c. Auch hier kann sich ein Filterkuchen
aus Harzkugeln 4 aufbauen, der aber relativ dünn
ist, da die angeströmte Fläche zum einen größer
ist (nur geringe Sogwirkung) und zum anderen der sich bildende Filterkuchen durch
den rückgeführten Flüssigkeitsstrahl 39 permanent
wieder abgespült wird.
-
Eine
spezielle Variante einer Ansaugharzsperre 10 ist in 9c dargestellt.
Die Harzsperre 10 für eine Tauchpumpe 27 ist
z. B. ein Gewebewickel 33 mit einer Vertiefung für
die Tauchpumpe 27. Zusätzlich gibt es einen verschließbaren
Bypasskanal 34. Dieser ist während der Umwälz-
bzw. Suspensionsphase geöffnet, so dass auch die Harzkugeln 4 mit
rezirkuliert werden. Nur für die Entnahme erfolgt die Absaugung
allein über die Gewebezone 33.
-
Regeneration
-
Wenn
alle Reaktorkomponenten gegen das Regenerationsmittel stabil sind,
kann die Regeneration im Reaktorbehälter 3 selbst
durchgeführt werden. Somit kommt man mit den konzentrierten
Chemikalien, die z. B. in Vorratsbehältern 25 gelagert
sind, nicht in Berührung. Die Vorratsbehälter 25 sind
bevorzugt baugleich mit den Reaktorbehältern 3.
Die Regeneration erfolgt in ähnlicher Weise, wie die Ionenaustauschbehandlung
von Wasser 5 in dem später (10)
beschriebenen Doppelflaschenreaktor 36, nur dass der Behälter 25 Regenerationsmittel
anstatt Wasser 5 enthält. Für eine effektive
Regeneration muss nicht das gesamte Volumen des Behälters 3 mit
dem Regenerationsmittel gefüllt sein. Im Gegenteil, die
Regeneration verläuft umso effektiver, je konzentrierter
das Regenerationsmittel ist und je geringer das Flüssigkeitsvolumen,
in dem der Suspensionsvorgang erfolgt, ist. Mehrfach in kleinen
Mengen Regenerationsmittel zu suspendieren ist besser, als ein oder
zweimal in einer großen Menge. Hierdurch wird der Chemikalienverbrauch
deutlich reduziert.
-
Im
Unterschied zur Säulenregeneration, wo, wie beim Austauschvorgang,
zunächst nur die Anströmzone regeneriert wird,
werden bei der Suspensionsmethode die funktionellen Gruppen aller
Kugeln immer gleichermaßen regeneriert. Auch mit einem nicht
voll regenerierten Harz 4 lassen sich in den erfindungsgemäßen
Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 erfolgreich komplette
Austauschvorgänge durchführen. Letzteres ist vorteilhaft,
weil die Regeneration um so langsamer verläuft, je mehr
man sich dem vollständigen Austauschzustand nähert.
Auch bleiben keine konzentrierten Regenerationsmittel übrig,
wie dies der Fall wäre, wenn mehr Regenerationsmittel eingefüllt
wurde, als für die Regenration nötig gewesen wäre.
-
Für
die Ausspülung von überschüssigem Regenerationsmittel
gilt wiederum, dass mehrfach in einer kleinen Menge Spülflüssigkeit
zu suspendieren vorteilhafter ist, als ein oder zweimal in einer
großen Menge Spülflüssigkeit. Hiermit
lässt sich die benötigte Menge an Spülflüssigkeit
ebenfalls deutlich reduzieren.
-
Reaktorsysteme 2
-
Für
bestimmte Tauscherbehandlungen kann es von Vorteil sein, wenn zwei
oder mehrere Behälter 3, 3a, 24, 25 erfindungsgemäßer
Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren zu einem Ionenaustausch System 2 verbunden
werden.
-
So
erfordert die Vollentsalzung z. B. einen Kationen- 4a und
einen Anionenaustauscher 4b. Häufig werden beide
zu einem Mischbett 4 zusammengemischt. Nachteil ist, dass
dieses ohne Auftrennung nicht regeneriert werden kann und eine Auftrennung
in die Einzelkomponenten, insbesondere bei kleinen Mengen, sehr
aufwendig ist.
-
Hier
kann man sich damit behelfen, dass man einen Reaktor 1a mit
Kationen- 4a und einen zweiten Reaktor 1b mit
Anionenaustauscher 4b befüllt. Im einfachsten
Fall führt man zunächst die Behandlung im stark
sauren Kationenaustauschreaktor 1a durch und schüttet
dann das behandelte Wasser 6 das deutlich sauer ist, in
den schwach basischen Anionenaustauschreaktor 1b. Hier
werden dann die Anionen entfernt bzw. gegen Hydroxylionen ausgetauscht,
die zusammen mit den Wasserstoffionen aus dem Kationentauschgang
Wasser bilden.
-
Nachteilig
ist, dass beim Umgießen saures Wasser 5 verschüttet
werden kann und oder in Hautkontakt kommt.
-
Diese
Problematik kann z. B. dadurch umgangen werden, dass man miteinander
verbindbare Reaktorbehälter 1a und 1b benutzt,
wie sie in 7 dargestellt sind und
bei den Harzsperren beschrieben wurden.
-
Man
füllt zunächst den Kationenreaktor 1a mit
der zu behandelnden wässrigen Lösung 5 und führt
den Austauschvorgang mittels Suspension durch. Dann verbindet man
den Kationenreaktor 1a mit dem Anionenreaktor 1b,
wie in 10 dargestellt, zu einem Doppelflaschenreaktor 36 und
dreht diesen um 180 Grad, wobei die Flüssigkeit aus dem Kationenreaktor 1a in
den Anionenreaktor 1b fließt. Jetzt kann der Kationenreaktor 1a abgetrennt
werden und die zweite Stufe des Austausches durch Suspension im
Anionentauscher 1b erfolgen.
-
Man
kann aber auch so verfahren, dass sofort nach Befüllung
des Kationenaustauschers 1a der Anionentauschreaktor 1b angedockt
wird und der Gesamtaustausch durch mehrfaches Wenden der eieruhrförmigen
Doppelflasche 36, gekoppelt mit Roll- oder Schüttelvorgängen,
erfolgt. Nach der Trennung der Reaktoren 1a, 1b kann
die behandelte Flüssigkeit aus einem der beiden Reaktoren 1a, 1b entnommen werden.
-
Eine
weitere Variante eines Mehrbehälter-Reaktorsystems 2 zeigt 11.
Hier sind drei Behälter 1a, 1b, 24 über
ein Y-Fitting 21 miteinander verbunden. Ein Kationenreaktor 1a,
ein Anionenreaktor 1b und ein Vorlagebehälter 24 mit
der zu behandelnden wässrigen Lösung 5.
Diese Konstellation ist am Mittelpunkt, z. B. an einem Bohrständer,
befestigt und kann um diesen Mittelpunkt gedreht werden. Unter der
untersten Flasche ist ein Magnetrührgerät installiert.
-
Kationen- 1a und
Anionenreaktor 1b enthalten neben dem Harz 4a, 4b und
der Harzsperre 11a, 11b jeweils einen Rührmagneten 26a, 26b.
-
Durch
Drehen um 120 Grad fließt die Flüssigkeit 5 aus
dem Vorlagebehälter 24 in den Kationenaustauschreaktor 1a,
der sich jetzt in unterster Stellung befindet. Der Kationenaustausch
wird durch einen Suspensionsvorgang mittels Rührmagnet 26a durchgeführt.
Durch eine weitere Drehung um 120 Grad fließt die Flüssigkeit 5 in
den Anionenaustauschreaktor 1b. Auch hier erfolgt der Ionenaustausch
durch einen Suspensionsvorgang mittels Rührmagnet 26b.
Parallel wird der Vorlagebehälter 24 durch einen
Auffang- oder Lagerbehälter 25 ersetzt, in den
nach einer weiteren Drehung um 120 Grad das voll entsalzte Wasser 6 fließt.
Die Flasche 25 wird abgetrennt und durch eine neue Vorlageflasche 24 ersetzt.
Durch Drehen um 120 Grad beginnt ein neuer Ionenaustauschzyklus.
-
Zur
Regeneration wird jeweils einer der beiden Austauschreaktoren 1a oder 1b entfernt
und durch eine Flasche 25 mit Regenerationsmittel ersetzt
und dann in ähnlicher Weise verfahren, wie beim Ionenaustauschvorgang.
-
Ausführungsbeispiel 1
-
In
den 1a und 1b ist
ein erfindungsgemäßer, flaschenförmiger
Ionenaustausch Suspensions-Reaktor 1 mit 1 Liter Inhalt
dargestellt. Dieser enthält je 150 ml eines stark sauren
Kationeaustauschers 4a (H Form) und schwach sauren Anionenaustauschers 4b gleicher
Kapazität. Die Hälfte des Kationenaustauschers 4a ist
mit einem Indikator versehen, der sich bei Erschöpfung
(keine Ionenaustauschkapazität mehr) rot färbt.
Die Harze 4a, 4b müssen nicht miteinander
gemischt werden. Dies erfolgt beim Suspensionsvorgang automatisch.
Mit dieser Harzmenge können 100 Liter vollentsalztes Wasser
aus Trinkwasser mit einem mittleren Härtegrad von 12 Grad
deutscher Härte gewonnen werden. Der Behälter 3 besteht
aus dem transparenten Kunststoff PET und kann mit einem genormten
Schaubverschluss 9a aus Polyethylen dicht verschlossen
werden. Die Harzsperre 11 hat einen Durchmesser von 27
mm und eine Länge von 16 cm. Der Boden 14a besteht
aus einer Polypropylen Verschlussmasse 14a. Die Anbindung
an den Flaschenhals erfolgt mittels einer 1,5 mm dicken Presshülse 16b aus
Polyethylen. Das Harzfiltermedium 13 und das Stützgewebe 15 der
Filterhülse 12 sind aus hydrophoben Polypropylen.
Der Ionenaustausch Suspensions-Reaktor 1 kann mit 0,751
Trinkwasser 5 gefüllt werden. Somit lassen sich
ca. 133 Portionen vollentsalztes Wasser 6 erzeugen. Nach
dem Verschließen und 1 bis 2 Minuten Schütteln
ist die Vollentsalzung erfolgt. Die Leitfähigkeit ist unter
15 μs gesunken. Die Restleitfähigkeit resultiert
vor allem aus der gelösten, dissoziierten Kohlensäure.
Lässt man den Reaktor 1 einige Zeit stehen, so
setzen sich an der Flascheninnenwand 3a und an der Harzsperre 11 deutlich
sichtbar Kohlensäure Gasbläschen 30 ab.
Dies ist ein optisches Zeichen, dass ein Ionenaustausch stattgefunden
hat.
-
Benötigt
man, z. B. für den Tank eines Dampfreinigers, 1,5 Liter
vollentsalztes Wasser, so gießt man die bereits behandelte
Menge Wasser 6 zunächst innerhalb von ca. 15 Sekunden
direkt in den Tank und füllt den Behälter 3 mittels
eines leichten Wasserstrahls in ca. 30 Sekunden wieder auf, verschließt
dann die Flasche, schüttelt 1 bis 2 Minuten und kann wiederum
direkt die restliche Wasserportion in den Tank einfüllen.
-
Ausführungsbeispiel 2
-
Gibt
man in den Ionenaustausch Suspensions-Reaktor 1 aus Beispiel
1 anstatt des Mischbetts 4a, 4b die gleich Menge
eines schwach sauren Kationenaustauschers (H Form) mit vergleichbarer
Ionenaustausch-Kapazität, so kann man damit aus dem beispielhaften
Trinkwasser 5 200 Liter entkarbonisiertes (entkalktes)
Wasser 6, z. B. für die Bereitung von Kaffee erzeugen.
Dies entspricht ungefähr 150 Kannen Kaffee. Reduziert man
die Harzmenge 4a auf die Hälfte, so erhöht
sich das Füllvolumen um 0,12 Liter. Mit dieser Füllung
können 75 Kannen Kaffee gebrüht werden. Pro Tauschvorgang
lassen sich 0,87 Liter entkarbonisiertes Wasser 6 erzeugen.
Dies entspricht 115 Portionen bis zur Harzerschöpfung. Lässt
man nach dem Schütteln den Reaktor 1 einige Zeit
stehen, so setzen sich an der Flascheninnenwand 3a und
an der Harzsperre 11 deutlich sichtbar Kohlensäure
Gasbläschen 30 ab. Die Kohlensäure gibt
dem entkarbonisierten Wasser 6 den frischen Geschmack eines
Mineralwassers. Die verschlossene Flasche lässt sich problemlos
im Kühlschrank lagern. Erwärmt man das Wasser 6 für
den Brühvorgang in einem Wasserkocher mit Heizspirale,
so bleibt diese blank, so lange der Ionenaustauscher nicht erschöpft
ist. Ebenso verkalken Kaffeemaschinen bzw. Kaffeeautomaten nicht
und müssen dementsprechend nicht entkalkt werden.
-
Ausführungsbeispiel 3
-
Ersetzt
man die 1 Liter Flasche aus Beispiel 2 durch eine 1,5 Liter Flasche
wie sie heute für Softgetränke üblich
ist, so kann man bei gleicher Füllmenge Harz 4a pro
Ionenaustauschvorgangs, wiederum in 1 bis 2 Minuten 1,37 Liter entkarbonisiertes Wasser 5 erzeugen.
Dies entspricht gut einer Kaffeekannen-Füllung. Auch eine
solche Flasche last sich problemlos im Kühlschrank lagern.
Wegen des Gewichtes der Flasche bzw. der Ionenaustausch Suspensions-Reaktors 1 erfolgt
der Suspensionsvorgang bevorzugt durch Hin- und Herrollen auf einer planen
Fläche, wie z. B. der Küchenarbeitsplatte. Alternativ
kann man auch 2 0,75 Liter Flaschen mit je der Hälfte an
Harz 4a benutzen. Dies hat den Vorteil der einfacheren
Lagerung, des leichteren Schüttelns und, dass bei geringerem
Wasserbedarf (z. B. Teebereitung) die Wassermenge 5 eines
Reaktorbehälters 3 ausreichend ist.
-
Ausführungsbeispiel 4
-
Für
die Bereitung von enthärtetem Wasser 6 für
einen Zimmerbrunnen, der 4 Liter Wasser benötigt und in
den auch Pflanzen eingesetzt sind, wird ein erfindungsgemäßer
Ionenaustausch Suspensions-Reaktor 1 in Kanisterform, wie
in 2 dargestellt, mit 5 Liter Inhalt mit 1 Liter
eines Kationentauscherharzes 4a in Natrium-Form gefüllt.
Damit lassen sich aus dem Wasser gemäß Beispiel
1 ca. 650 Liter enthärtetes Wasser 6 erzeugen.
Mit der ersten bereiteten 4,2 Liter Portion wird der Brunnen gefüllt.
Erneut bereitetes Wasser 6 wird zum Nachfüllen
(Verdunstung, Verbrauch durch Pflanzen) oder andere Anwendungen
(Fenster putzen usw.) benutzt. Der Suspensionsvorgang erfolgt wegen
des Kanistergewichts bevorzugt durch Schwenken und Kippbewegungen.
Die Gebrauchsdauer kann zusätzlich deutlich erhöht
werden, wenn man für die Ionenaustauschbehandlung filtriertes
Regenwasser 5 benutzt. Ob das Harz 4a noch Austauschkapazität
hat, kann mit Teststreifen zur Prüfung der Gesamtwasserhärte kontrolliert
werden. Die Aufbewahrung des Kanisterreaktors 1 stellt
kein Problem dar.
-
Ausführungsbeispiel 5
-
Für
die Reinigung einer größeren Solaranlage werden
400 Liter enthärtetes Wasser 6 benötigt. Dieses
Wasser wird vor Ort in einem erfindungsgemäßen
containerförmigen Ionenaustausch Suspensions-Reaktor 1,
wie in 5b dargestellt, erzeugt, der samt
Tauchpumpe 27, Harzsperre 10 und Harz 4a zum
Ort des Gebrauchs gebracht wird. Der Behälter 3 mit
den Maßen 80 × 80 × 80 cm hat ein Fassungsvermögen
von ca. 500 Litern und ein Gewicht, incl. 20 l Kationentauscherharz 4a in
Narium-Form, von ca. 50 kg. Der Behälter 3 wird
zunächst mit 250 Liter Wasser 5 (Qualität
wie in Beispiel 1) gefüllt und der Suspensions- bzw. Enthärtungsvorgang
durch ca. 5 Minuten langes Umwälzen des Wassers 5 einschließlich
der Harzkugeln 4a mit der Tauchpumpe 27 bei offenem
Bypassrohr 35 durchgeführt. Nach Verschluss des
Bypassrohres 35 kann das enthärtete Wasser 6 über
die Harzsperre 10 mittels Tauchpumpe 27 und Schlauch 34 direkt
zum Ort der Reinigung ausgebracht werden. Nachdem ca. zwei Drittel
des Wassers 6 verbraucht sind werden weitere 150 Liter nachgefüllt
und ebenfalls durch Umwälzen enthärtet. Überschüssiges
Wasser 6 wird aus Gewichtsgründen am Schluss durch
Aussaugen verworfen. Das zurückbleibende Harz 4a,
das für die Enthärtung von weiteren 12,5 Kubikmetern
Wasser 5 reicht, kann im Behälter 3 verbleiben.
Wegen der möglichen langen Gebrauchsdauer empfiehlt es
sich eine Verbrauchsmengenliste zu führen. Ob das Harz 4a noch
arbeitet, kann mit Teststreifen zur Prüfung der Gesamtwasserhärte
kontrolliert werden. Zum Schutz des Harzes 4a bleibt der
Behälter 3 mit einem Deckel 31 verschlossen.
Die Gebrauchsdauer kann zusätzlich deutlich erhöht
werden, wenn man für die Ionenaustauschbehandlung filtriertes
Regenwasser 5 benutzt. Die Filtration erfolgt dann über
den Zulauffilter 29.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 2950875
A1 [0016]
- - DE 102008009522 A1 [0016]
- - US 05238576 [0029]
- - EP 1225155 A1 [0029, 0030]
- - US 5211973 [0029, 0030]
- - CN 2141735 [0030, 0030]
- - EP 1595849 A1 [0030, 0030]