DE202010007452U1 - Ionenaustausch Reaktoren - Google Patents

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    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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Abstract

Ionenaustauschreaktoren 1 für die Behandlung von salzhaltigen, wässrigen Lösungen zur einfachen und schnellen Erzeugung von enthärtetem, entkarbonisiertem, vollentsalztem oder spezifisch entionisiertem Wasser,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Reaktorbehälter 3 handelsübliche Behälter in Flaschen-, Kanister-, Kannen-, Tonnen-, Fass-, Containerform oder dergleichen mit mindestens einer Öffnung 7 sind,
die nur zum Teil mit dem Ionenaustauscherharz 4, 4a, 4b gefüllt sind,
in denen beim eigentlichen Ionenaustausch das gesamte Ionenaustauschharz 4, 4a, 4b in der Behälterflüssigkeit 5 frei beweglich verteilt ist,
bei denen vor oder in der Öffnung 7 des Behälters 3, über die das behandelte Wasser 5 ausgegossen oder ausgebracht werden soll, eine Vorrichtung angebracht ist bzw. angebracht werden kann, die als Harzsperre 10, 11 wirkt und somit ein Austreten des Ionenaustauscherharzes 4, 4a, 4b beim Befüllen, Entleeren oder Suspendieren verhindert
und aus denen, pro Behandlungsvorgang, das jeweilige Füllvolumen der wässrigen Lösung 5 nahezu vollständig wieder als behandeltes...

Description

  • 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
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • - EP 1595849 A1 [0030, 0030]

Claims (17)

  1. Ionenaustauschreaktoren 1 für die Behandlung von salzhaltigen, wässrigen Lösungen zur einfachen und schnellen Erzeugung von enthärtetem, entkarbonisiertem, vollentsalztem oder spezifisch entionisiertem Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorbehälter 3 handelsübliche Behälter in Flaschen-, Kanister-, Kannen-, Tonnen-, Fass-, Containerform oder dergleichen mit mindestens einer Öffnung 7 sind, die nur zum Teil mit dem Ionenaustauscherharz 4, 4a, 4b gefüllt sind, in denen beim eigentlichen Ionenaustausch das gesamte Ionenaustauschharz 4, 4a, 4b in der Behälterflüssigkeit 5 frei beweglich verteilt ist, bei denen vor oder in der Öffnung 7 des Behälters 3, über die das behandelte Wasser 5 ausgegossen oder ausgebracht werden soll, eine Vorrichtung angebracht ist bzw. angebracht werden kann, die als Harzsperre 10, 11 wirkt und somit ein Austreten des Ionenaustauscherharzes 4, 4a, 4b beim Befüllen, Entleeren oder Suspendieren verhindert und aus denen, pro Behandlungsvorgang, das jeweilige Füllvolumen der wässrigen Lösung 5 nahezu vollständig wieder als behandeltes Produkt 6 ausgebracht werden kann.
  2. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter 3 aus Kunststoff bestehen und so transparent sind, dass von außen eine Farbwechsel oder andere deutliche Veränderungen des Harzes 4, 4a, 4b und oder Gasblasen 30, die sich an der Behälterwand 3a oder an der Harzsperre 10, 11 absetzen, erkennbar sind.
  3. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen 7, 8 der Behälter 3, z. B. mit Schraubverschlüssen 9, Deckeln 31 oder dergleichen, verschlossen werden können.
  4. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Behälter 3 0,25 l bis 500 l beträgt.
  5. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Harzes 4, 4a, 4b ungequollen 5% bis 60% des Volumens der Behälter 3 einnimmt.
  6. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionenaustauschharz 4 ein sog. Mischbett aus Kationen- 4a und Anionenaustauscherharz 4b ist.
  7. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente des Ionenaustauschharzes 4, 4a, 4b vollständig oder anteilig mit einem Indikator versehen ist, der die Erschöpfung des Austauschkapazität des Harzes 4, 4a, 4b anzeigt.
  8. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter 3 neben der Ausgussöffnung 7 mindestens eine weitere Öffnung 8 haben, über die z. B. das Harz 4, 4a, 4b eingefüllt oder entnommen werden kann, ein Rührvorrichtung 19, Messgeräte usw. angebracht werden können, der Druckausgleich beim Füllen oder Entleeren erfolgt und oder die Verbindung zu anderen Behältern 3b, 24, 25 oder Vorrichtungen wie Fittings 21 und Absperrhähne 22 hergestellt werden kann.
  9. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter nur eine Öffnung 7 haben, über die z. B. das Harz 4, 4a, 4b eingefüllt oder entnommen werden kann, über die der Druckausgleich beim Füllen oder Entleeren erfolgt und oder über die eine Verbindung zu anderen Behältern 3b, 24, 25 oder Vorrichtungen wie Fittings 21 und Absperrhähne 22 hergestellt werden kann.
  10. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzsperre 11 nicht lösbar mit der einzigen Öffnung 7 der Behälter 3 verbunden ist.
  11. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzsperre 11 eine Filterhülse 12 ist, über die auch der Luftaustausch bzw. Druckaustausch erfolgt.
  12. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Filterhülse 12 bis zu der, der Ausgussöffnung 7 gegenüber liegenden, Gefäßwand 3a reicht
  13. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass alle Komponenten der Harzsperre 11 aus hydrophoben Polypropylen hergestellt sind.
  14. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1a gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie über Fittings 21, Absperrhähnen 22 und dergleichen mit mindestens einem weiteren Ionenaustauschreaktor 1b verbunden bzw. verbindbar sind und mit diesen zusammen ein Ionenaustausch-Reaktorsystem 2 bildet.
  15. Ionenaustausch Suspensions-Reaktorsysteme 2 gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei Behältern 3a, 3b bestehen und sich im ersten Ionenaustauschreaktor 1a ein Kationentauscherharz 4a und im zweiten Reaktor 1b ein Anionentauscherharz 4b befindet.
  16. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration der Ionenaustauscherharze 4, 4a, 4b im Reaktorbehälter 3 durchgeführt werden kann.
  17. Ionenaustausch Suspensions-Reaktoren 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter 3 gleichzeitig die Liefer- und Lagerverpackung sind.
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