DE202024000105U1

DE202024000105U1 - Vorrichtung zur Gewinnung von Natrium-Ionen aus natriumhaltigen wässrigen Lösungen durch Adsorption und Desorption

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Publication number: DE202024000105U1
Application number: DE202024000105.9U
Authority: DE
Original assignee: Individual
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Priority date: 2024-01-17
Filing date: 2024-01-17
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2034-01-18

Abstract

Vorrichtung zur Gewinnung von Natrium-Ionen aus natriumhaltigen wässrigen Lösungen durch Adsorption und Desorption der Natrium-Ionen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung aus fünf gleichgroßen Kammern (3a - 3e) besteht, die vorzugsweise aus Metallrohren bestehen, die jeweils an beiden Enden in einem Gleitring (5a, 5b) eingepasst und mit diesem fest verbunden sind,
dass das eine Ende eine Einfüllseite und das andere Ende eine Entleerungsseite für die Kammern darstellt,
dass die Kammern (3a - 3e) gleichmäßig im Abstand von 72 Winkelgrad mit den Gleitringen (5a, 5b) verbunden sind,
dass die Gleitringe (5a, 5b) fest mit einer zentralen Drehachse (4) verbunden und gemeinsam mit den Kammern um diese Drehachse (4) drehbar angeordnet sind, dass auf der Einfüllseite und auf der Entleerungsseite jeweils ein in einem Lagergehäuse (8, 9) befestigter Gleitring (6, 7) flächendeckend zu den drehbaren Gleitringen (5a, 5b) angeordnet ist;
dass alle Kammern mit einem Adsorptionsmaterial gefüllt sind, das in den Kammern verbleibt,
dass die zwei fest installierten Gleitringe (6, 7) jeweils drei Öffnungen (6a, 6b, 6c) aufweisen, für drei starr installierte Zuleitungsrohre auf der Einfüllseite, durch die die natriumhaltige wässrige Lösung, eine Desorptionsflüssigkeit und ein Spülmittel zugeführt werden und drei Öffnungen (7a, 7b, 7c) für drei starr installierte Ablaufrohre auf der Entleerungsseite, für die von Natrium-Ionen befreite wässrige Lösung, für das Ablassen der Desorptionsflüssigkeit mit den desorbierten Natrium-Ionen und für das Ablassen des Spülmittels,
dass durch gemeinsames Drehen aller Kammern im Uhrzeigersinn in 72 Grad-Schritten gezielt Öffnungen in den Kammern geschlossen oder geöffnet werden, wobei bezüglich einer Ausgangsposition der Kammern, bei der die Kammer (3a) bei 0 Grad, (3b) bei 72 Grad, (3c) bei 144 Grad, (3d) bei 216 Grad und die Kammer (3e) bei 288 Grad angeordnet ist, durch die Öffnung (6a) der Kammer (3a) natriumhaltige wässrige Lösung zugeführt wird, durch die Öffnung (6b) der Kammer (3c) Desorptionsflüssigkeit zugeführt wird und durch die Öffnung (6c) der Kammer (3e) Spülmittel zugeführt wird und durch die Öffnung (7a) die Kammer (3b) von den Natrium-Ionen befreiten wässrigen Lösung geleert wird, durch die Öffnung (7b) die Kammer (3d) von der Desorptionsflüssigkeit mit den desorbierten Natrium-Ionen geleert wird und durch die Öffnung (7c) die Kammer (3e) vom Spülmittel geleert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Entfernung von Natrium-Ionen aus Flüssigkeiten durch Adsorption und Desorption mit zusätzlicher Regeneration des eingesetzten Sorbens durch ein 5-Kammersystem. Das 5-Kammersystem ermöglicht die Durchführung von drei Arbeitsschritten im Chargenbetrieb, d.h. in diskreten Zyklen und in einem teilweise geschlossenen System mit gezielt gesteuerten Zu- und Abflüssen innerhalb der verschiedenen Arbeitsprozesse, ohne den versorgenden Volumenstrom unterbrechen zu müssen. Die Größe der Anlage und damit die Kapazität kann jeder Anwender selbst definieren.
Die Verwendung von Natrium-Ionen stellt eine günstige Alternative in Natrium-Ionen-Batterien verbaut, gegenüber Lithium-lonen-Batterien, dar. Natrium-Ionen-Batterien sind eine alternative Batterietechnologie, die ohne Lithium auskommt, das ein seltenes und teures Element ist. Natrium ist dagegen weltweit vielfach vorhanden und kann aus Meerwasser oder Salzseen gewonnen werden. Natrium-Ionen-Batterien haben einige Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien, wie z.B. eine höhere Sicherheit weil nicht brennbar, eine bessere Zyklenfestigkeit, eine geringere Umweltbelastung, eine niedrigere Kostenstruktur und bessere Recyclingfähigkeit. Nach der Adsorption/Desorption/Regeneration werden die Natrium-Ionen durch allgemein bekannte Verfahren wie die Elektrolyse weiterverarbeitet.
Direkte Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet werden an der Ruhr-Universität in Bochum betrieben. Bekannt ist eine direkte Extraktion von Lithium-Ionen durch die Vulcan Energy Karlsruhe. Durch die direkte Anbindung an den dortigen Geothermie-Volumenstrom sind nur geringe Andockmengen erzielbar, die dann gesammelt und eingedickt werden, um später extern durch Verdampfung weiterverarbeitet werden zu können. Für den Gesamtprozess wird ein jährlicher Frischwasserbedarf von 45 Mio Tonnen benötigt.
Diese, vor allem wirtschaftlichen und umweltpolitischen Probleme werden mit den in den Schutzansprüchen aufgeführten Merkmalen verbessert gelöst. Der Zugriff auf natriumreiche Wässer ist vielfältig und umsonst, der Aufwand an energetischen Kosten ist zu vernachlässigen. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie, bis auf die notwendige Verweilzeit während der Adsorption und Desorption, nahezu kontinuierlich arbeitet, weil jede Kammer nacheinander die verschiedenen Schritte durchläuft. Alle Kammern enthalten das gleiche Adsorptionsmaterial.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen
Im ersten Schritt, der Ausgangsposition der fünf Kammern, findet die Befüllung mit Flüssigkeit und Anlagerung der Natrium-Ionen an einem geeigneten Adsorptionsmaterial statt. Das können sein: Aktivkohle, Zeolithe, metallorganische Gerüste, Silikagel oder lonenaustauscherharze.
Im zweiten Schritt, der ersten Kammerdrehung, wird die Kammer mit der von Natrium-Ionen befreiten Flüssigkeit geleert und diese ins Ursprungsreservoir zurückgeleitet.
Im dritten Schritt, der zweiten Kammerdrehung, wird eine Desorptionsflüssigkeit eingeleitet und die Natrium-Ionen vom Adsorptionsmaterial gelöst. Hierzu eignen sich Salz- und Schwefelsäure.
Im vierten Schritt, der dritten Kammerdrehung, wird die Desorptionsflüssigkeit aus der Kammer geleert, die die desorbierten Natrium-Ionen zur finalen Weiterverarbeitung enthält und weiterleitet.
Im fünften Schritt, der vierten Kammerdrehung, wird ein Regenerationsmittel zum Spülen und Neutralisieren des Adsorptionsmaterials ein- und gleichzeitig ausgeleitet. Das können ebenfalls Salz- oder Schwefelsäure sein, um restliche angelagerte Natrium-Ionen vom Sorbens zu lösen und dieses wieder für den nächsten Anlagerungsprozess vorzubereiten. Geeignet ist die Vorrichtung im fünften Schritt auch um mit diesem Weg das Sorbens mit Warmluft zu trocknen. Im Falle der Wahl von lonenaustauscherharzen kann als Regenerationsflüssigkeit auch Natronlauge benutzt werden. Mit der fünften Kammerdrehung wird der Ausgangspunkt erreicht. Der sechste Schritt ist eigentlich keine eigenständige Anwendung. Hilfreich bei einer Adsorption von Stoffen ist immer ein Rühr- und Schüttelvorgang, um die Adsorptionsflüssigkeit besser zu vermischen und damit den Anlagerungsvorgang des zu adsorbierenden Stoffes zu fördern. Das ist hier nicht möglich. Ersatz bei diesem geschlossenen System stellen daher von außen, an jedem der im Einsatz befindlichen Kammern, installierte Vibratoren dar. Diese fördern wie auch das Schütteln, dass die Kontaktfläche zwischen Sorbens und Desorptionsflüssigkeit erhöht werden. Die installierten Vibratoren können elektrisch oder luftbetrieben werden. Damit kommt der Verweilzeit durch einen verbesserten Andockprozess der in Bewegung gebrachten Natrium-Ionen sowie auch weiteren, mit dieser Methode gewinnenden Ionen anderer Stoffe eine besondere Bedeutung zu.
Die Vorrichtung wird in drei schematisch, nicht maßstäblichen Zeichnungen erläutert.

1: Vorder- bzw. Rückseite der Kammeranordnung im Gleitring
2: Gesamtansicht einiger Einzelteile in perspektivischer Darstellung
3: Seitenansicht im Schnitt

Die Vorrichtung besteht aus fünf gleichgroßen Kammern (3a - 3e), die vorzugsweise aus Metallrohren bestehen, die jeweils an beiden Enden in einem Gleitring (5a, 5b) eingepasst und mit diesem fest verbunden sind. Die fünf Kammern sind gleichmäßig im Abstand von 72 Winkelgrad mit den Gleitringen (5a, 5b) verbunden und die Gleitringe sind fest mit einer zentralen Drehachse (4) verbunden und gemeinsam mit den Kammern um diese Drehachse drehbar angeordnet.
Der Gleitring (5a) ist auf einer Einfüllseite und der Gleitring (5b) auf einer Entleerungsseite der Kammern (3a - 3e) angeordnet. Sie weisen jeweils fünf Öffnungen (2a - 2e) auf, in die die sich vorzugsweise verjüngenden Rohrquerschnitte eingepasst sind. Auf der Einfüllseite und auf der Entleerungsseite ist jeweils ein Gleitring (6, 7) in einem Lagergehäuse (8, 9) befestigt und flächendeckend zu den drehbaren Gleitringen (5a, 5b) angeordnet. Die zwei fest installierten Gleitringe (6, 7) weisen jeweils drei Öffnungen (6a, 6b, 6c) auf, für drei starr installierte Zuleitungsrohre auf der Einfüllseite, durch die die zu bearbeitende Flüssigkeit, eine Desorptionsflüssigkeit und ein Spülmittel zugeführt werden und drei Öffnungen (7a, 7b, 7c) für drei starr installierte Ablaufrohre auf der Entleerungsseite, für die von Natrium-Ionen befreite Flüssigkeit, für das Ablassen der Desorptionsflüssigkeit mit den desorbierten Natrium-Ionen und für das Ablassen des Spülmittels.
Die Zuleitungs- und Ablaufrohre sind nicht dargestellt. In 3 ist jeweils eine Zuleitung und ein Ablauf für eine Kammer angedeutet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in den 2 und 3 nur eine von fünf Kammern dargestellt und in der 2 fehlt der Gleitring (5b). Die Anordnung aller fünf Kammern ist aus der 1 ersichtlich. Der Antrieb für die Drehachse (4) ist nicht dargestellt. Ebenfalls nicht dargestellt sind die außen installierten Vibratoren (11).
Vorgesehen sind je Ifd. Meter Einzelrohranlage 8 Vibratoren. Diese können wahlweise elektrisch- oder luftbetrieben werden. Je Meter gibt es 2, verteilt über einen Meter und ringsherum bei 0, 90, 180 und 270° Grad. Eine gleichmäßige Verteilung der Vibratoren entlang der Länge des Zylinders gewährleisten eine gleichmäßige Verteilung der Ionen im gesamten Zylinder.
Die installierten Vibratoren dienen der Verstärkung des Adsorptions- und Desorptionsprozesses, indem es die Bewegung der Natrium-Ionen, die von einer Hülle von Wassermolekülen umgeben sind, von außen, zum jeweiligen Adsorptionsmaterial leiten. Das beschleunigt den Andockvorgang an das Adsorptionsmaterial. Natrium-Ionen können als Partikel/Moleküle bezeichnet werden und sind mechanisch beweglich.
Bei Adsorptionsprozessen ist bekannt, dass Rühren und Schütteln diesen positiv beeinflussen und die Interaktion zwischen gewünschtem Stoff und Adsorptionsmaterial erhöhen. So kann z.B. bei der Entfernung von Verunreinigungen aus Wasser durch Adsorption das Rühren dazu beitragen, dass die Verunreinigungen gleichmäßig mit dem Adsorptionsmaterial in Kontakt kommen. Eine noch optimalere Wirkung wird durch Vibratoren, deren Wirkung ähnlich der von Ultraschallwellen in Flüssigkeiten ist, erzielt. Die Intensität der Vibrationen muss sorgfältig eingestellt werden damit auf der einen Seite eine effiziente Adsorption und Desorption der Natrium-Ionen gewährleistet ist, das Sorbens jedoch keinen Schaden erleidet.
Durch gemeinsames Drehen aller Kammern im Uhrzeigersinn in 72 Grad-Schritten werden gezielt Öffnungen in den Kammern geschlossen oder geöffnet, da die fest angeordneten Gleitringe (6) und (7) jeweils nur drei Öffnungen für die drei starr installierten Zuleitungs- und Ablaufrohre aufweisen.
Eine Ausgangsposition der Kammern vor der ersten Drehung wird wie folgt definiert: Kammer (3a) ist bei 0 Grad, Kammer (3b) bei 72 Grad, Kammer (3c) bei 144 Grad, Kammer (3d) bei 216 Grad und Kammer (3e) bei 288 Grad angeordnet. In der Ausgangsposition sind auf der Einfüllseite die Kammern (3a), (3c) und (3e) geöffnet und auf der Entleerungsseite die Kammern (3b), (3d) und (3e).
Alle Kammern sind mit einem Adsorptionsmaterial gefüllt, das in den Kammern verbleibt. Hierzu sind in den Kammern Rückhalteelemente angeordnet wie Siebe oder Filter. Damit diese gelegentlich ausgetauscht werden können, ist es von Vorteil, wenn die Kammern aus zwei miteinander verschraubten Rohrteilen bestehen.
Die Kammern bestehen vorzugsweise aus Edelstahl. Sie können aber auch aus anderen Materialien wie Kunststoff oder faserverstärktem Kunststoff bestehen.
Die Gleitringe (5a,5b, 6, 7) bestehen aus Metall und weisen eine verschleißfeste Beschichtung aus Aluminiumoxid, Zirconiumoxid oder Siliziumcarbid auf.
Zur Erläuterung der Funktionsweise der Vorrichtung wird eine Ausgangsposition für die Kammern definiert. In die bei 0 Winkelgrad angeordnete Kammer (3a) wird die zu bearbeitende Flüssigkeit eingefüllt.
Nach einer Verweilzeit werden alle Kammern gemeinsam im Uhrzeigersinn um 72 Grad gedreht, so dass die bezüglich der Ausgangsposition bei 288 Grad angeordnete Kammer (3e) die Position 0 Grad einnimmt und dort mit der zu bearbeitenden Flüssigkeit befüllt wird, während die Kammer (3a) in der Position 72 Grad von der von Natrium-Ionen befreiten Flüssigkeit entleert wird.
Nach einer Verweilzeit werden alle Kammern gemeinsam um weitere 72 Grad gedreht, so dass die in der Ausgangsposition bei 216 Grad angeordnete Kammer (3d) die Position 0 Grad einnimmt und dort mit der zu bearbeitenden Flüssigkeit befüllt wird, während die in der Ausgangsposition bei 0 Grad angeordnete Kammer (3a) die Position 144 Grad einnimmt und dort mit Desorptionsflüssigkeit gefüllt wird, während die in der Ausgangsposition bei 288 Grad angeordnete Kammer (3e) die Position 72 Grad einnimmt und dort von der von Natrium-Ionen befreiten Flüssigkeit entleert wird.
Nach einer Verweilzeit werden alle Kammern gemeinsam um weitere 72 Grad gedreht, so dass die in der Ausgangsposition bei 144 Grad angeordnete Kammer (3c) die Position 0 Grad einnimmt und dort mit der zu bearbeitenden Flüssigkeit befüllt wird, während die in der Ausgangsposition bei 216 Grad angeordnete Kammer (3d) die Position 72 Grad einnimmt und dort von der von Natrium-Ionen befreiten Flüssigkeit entleert wird, während die in der Ausgangsposition bei 0 Grad angeordnete Kammer (3a) die Position 216 Grad einnimmt und dort von der Desorptionsflüssigkeit mit den desorbierten Natrium-Ionen geleert wird, die in der Ausgangsposition bei 72 Grad angeordnete Kammer (3b) die Position 288 Grad einnimmt und dort mit Regenerationsmittel befüllt und geleert wird und die in der Ausgangsposition bei 288 Grad angeordnete Kammer (3e) die Position 144 Grad einnimmt und dort mit Desorptionsflüssigkeit befüllt wird,
Nach einer Verweilzeit werden alle Kammern gemeinsam um weitere 72 Grad gedreht, so dass die in der Ausgangsposition bei 0 Grad angeordnete Kammer (3a) die Position 288 Grad einnimmt und dort mit Regenerationsmittel befüllt und geleert wird, während die in der Ausgangsposition bei 72 Grad angeordnete Kammer (3b) die Position 0 Grad einnimmt und dort mit der zu bearbeitenden Flüssigkeit befüllt wird, die in der Ausgangsposition bei 144 Grad angeordnete Kammer (3c) die Position 72 Grad einnimmt und dort von der von Natrium-Ionen befreiten Flüssigkeit entleert wird, die in der Ausgangsposition bei 216 Grad angeordnete Kammer (3d) die Position 144 Grad einnimmt und dort mit Desorptionsflüssigkeit befüllt wird, die in der Ausgangsposition bei 288 Grad angeordnete Kammer (3e) die Position 216 Grad einnimmt und dort von der Desorptionsflüssigkeit mit den desorbierten Natrium-Ionen geleert wird.
Nach einer Verweilzeit werden alle Kammern gemeinsam um weitere 72 Grad gedreht werden, so dass jede Kammer wieder die Ausgangsposition einnimmt und die Verfahrensschritte von Neuem beginnen und fortgesetzt werden, wobei sich in jeder Kammer ein Adsorptionsmaterial befindet, dass in den Kammern verbleibt.
Bezugszeichenliste

2a bis 2e: Öffnungen in den Gleitringen 5a, 5b
3a bis 3e: Kammern
4: Drehachse
5a: Gleitring auf der Einfüllseite, drehbar gelagert
5b: Gleitring auf der Entleerungsseite, drehbar gelagert
6: Gleitring auf der Einfüllseite, fest installiert
6a bis 6c: Öffnung im Gleitring 6
7: Gleitring auf der Entleerungsseite, fest installiert
7a bis 7c: Öffnungen im Gleitring 7
8: Lagergehäuse auf der Einfüllseite
9: Lagergehäuse auf der Entleerungsseite
10: Drehlager
11: Vibratoren (nicht dargestellt)

Claims

Vorrichtung zur Gewinnung von Natrium-Ionen aus natriumhaltigen wässrigen Lösungen durch Adsorption und Desorption der Natrium-Ionen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus fünf gleichgroßen Kammern (3a - 3e) besteht, die vorzugsweise aus Metallrohren bestehen, die jeweils an beiden Enden in einem Gleitring (5a, 5b) eingepasst und mit diesem fest verbunden sind, dass das eine Ende eine Einfüllseite und das andere Ende eine Entleerungsseite für die Kammern darstellt, dass die Kammern (3a - 3e) gleichmäßig im Abstand von 72 Winkelgrad mit den Gleitringen (5a, 5b) verbunden sind, dass die Gleitringe (5a, 5b) fest mit einer zentralen Drehachse (4) verbunden und gemeinsam mit den Kammern um diese Drehachse (4) drehbar angeordnet sind, dass auf der Einfüllseite und auf der Entleerungsseite jeweils ein in einem Lagergehäuse (8, 9) befestigter Gleitring (6, 7) flächendeckend zu den drehbaren Gleitringen (5a, 5b) angeordnet ist; dass alle Kammern mit einem Adsorptionsmaterial gefüllt sind, das in den Kammern verbleibt, dass die zwei fest installierten Gleitringe (6, 7) jeweils drei Öffnungen (6a, 6b, 6c) aufweisen, für drei starr installierte Zuleitungsrohre auf der Einfüllseite, durch die die natriumhaltige wässrige Lösung, eine Desorptionsflüssigkeit und ein Spülmittel zugeführt werden und drei Öffnungen (7a, 7b, 7c) für drei starr installierte Ablaufrohre auf der Entleerungsseite, für die von Natrium-Ionen befreite wässrige Lösung, für das Ablassen der Desorptionsflüssigkeit mit den desorbierten Natrium-Ionen und für das Ablassen des Spülmittels, dass durch gemeinsames Drehen aller Kammern im Uhrzeigersinn in 72 Grad-Schritten gezielt Öffnungen in den Kammern geschlossen oder geöffnet werden, wobei bezüglich einer Ausgangsposition der Kammern, bei der die Kammer (3a) bei 0 Grad, (3b) bei 72 Grad, (3c) bei 144 Grad, (3d) bei 216 Grad und die Kammer (3e) bei 288 Grad angeordnet ist, durch die Öffnung (6a) der Kammer (3a) natriumhaltige wässrige Lösung zugeführt wird, durch die Öffnung (6b) der Kammer (3c) Desorptionsflüssigkeit zugeführt wird und durch die Öffnung (6c) der Kammer (3e) Spülmittel zugeführt wird und durch die Öffnung (7a) die Kammer (3b) von den Natrium-Ionen befreiten wässrigen Lösung geleert wird, durch die Öffnung (7b) die Kammer (3d) von der Desorptionsflüssigkeit mit den desorbierten Natrium-Ionen geleert wird und durch die Öffnung (7c) die Kammer (3e) vom Spülmittel geleert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (3a - 3e) Rohre sind, die an ihren Enden einen verjüngenden Querschnitt aufweisen, mit dem sie in den drehbaren Gleitringen (5a, 5b) eingepasst sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rohr aus zwei miteinander verschraubten Teilen besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitringe (5a, 5b, 6, 7) aus Metall bestehen und vollflächig mit einem verschleißfesten Material überzogen sind, welches aus Aluminiumoxid, Zirconiumoxid oder Siliziumcarbid besteht.
Vorrichtung nach Ansprüch1, dadurch gekennzeichnet, dass Vibratoren (11) vorhanden sind, die derart positioniert sind, dass sie auf die natriumhaltige wässrige Lösung einwirken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Vibratoren (11) vorhanden sind, die derart positioniert sind, dass sie auf die Desorptionsflüssigkeit einwirken.