DE2146350B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen einer ionisch leitfähigen Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen ier ionisch leitfähigen Flüssigkeit durch Adsorption ndestens einer gelösten oder suspendierten Komnente der Flüssigkeit an einer Adsorptionsmasse aus Aktivkohlepartikeln und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es sind bereits Verfahren zum Regenerieren von Ionenaustauschern mit Gleichstrom bekannt (deutsche Patentschrift 947066), die jedoch keine brauchbare Lehre für die Gewährleistung einer optimalen Stofftrennung im Wege der Elektroadsorption zu geben vermögen und eine wirksame Abtrennung von organischen, gelösten Stoffen, wie z. B. Harnstoff,

ίο nicht gestatten.

Bekannt ist ferner eine Vorrichtung zum elektrophoretischen Trennen von den elektrischen Strom wenig oder nicht leitenden Gemischen (deutsche Auslegeschrift 1076625), bei der die Trennung unter Anis wendung von Ionenaustauschmembranen erzielt wird. Auch hier besteht keine Möglichkeit der Heranziehung der bekannten Vorrichtung zur Durchführung eines elektroadsorptiven Trennvorgangs, nur durch eine zweckmäßige Wahl des Potentials der Adsor-

ao benzpartikel die selektive, rein adsorptive Abtrennung von ganz verschiedenartigen Bestandteilen einer Lösung zu erzielen, nämlich von organischen sowie anorganischen Stoffen, die sich im geladenen oder elektrisch neutralen und gelösten bzw. suspendierten

as Zustand in der Lösung befinden, ohne daß kostspielige Einrichtungen benötigt werden, wie die Anwendung von Ionenaustauschmembranen sie bedingt.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Zerlegen von Stoffgemischen mittels Kataphorese (deutsche Patentschrift 805 399) arbeiten mit einer festen, porösen Trägersubstanz, z. B. Filterpapier, Ton, Zellstoff, Seesand, Silikagel usw., die von dem Lösungsmittel durchströmt wird. Auch hier fehlt es an einer brauchbaren Lehre zur Stofftrennung durch Elektroadsorption.

Eine Vorrichtung zur elektroosmotischen Reinigung von Flüssigkeiten ist ferner bekannt (deutsche Patentschrift 939026), bei der durch semipermeable Membranen hindurch elektroosmotische Reinigungsvorgänge durchgeführt werden, wobei die zu reinigenden Flüssigkeitsteilchen an den Wänden des Reinigungsraums vorbeibewegt werden. Auch diese Vorrichtung, die nach dem Grundprinzip der Elektroosmose arbeitet, bietet keine brauchbaren Hinweise, wie zur Gewährleistung einer optimalen Stofftrennung im Wege der Elektroadsorption vorzugehen ist, um u. a.

eine wirksame Abtrennung von organischen, gelösten Stoffen, wie z. B. Harnstoff, zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirksame Reinigung von ionisch leitenden Flüssigkeiten, insbesondere auf den Gebieten der Demineralisierung von Wasser, namentlich zur Entsalzung von Meerwasser, sowie der Abwässerbehandlung und der klinischen Reinigung des Blutes, zu ermöglichen, ohne daß von besonders kostspieligen Einrichtungen, wie z. B. speziellen Ionenaustauscher- bzw. permselektiven Membranen Gebrauch gemacht werden muß und wobei die Möglichkeit bestehen soll, verschiedenartige Stoffe mit denselben Mitteln nämlich demselben Adsorbens, abzutrennen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Reinigen einer ionisch leitfähigen Flüssigkeit durch Adsorption mindestens einer gelösten oder suspendierten Komponente der Flüssigkeit an einer Adsorptionsmasse aus Aktivkohlepartikeln gelöst, das in der Weise durchgeführt wird, daß unter fortlaufender Bewegung der Flüssigkeit in inniger Berührung mit den Aktivkohlepartikeln und gleichzeiti-

«er Anwendung eines elektrischen Feldes in der Flüssigkeit die Aktivkohlepartikel auf ein bestimmtes Potential gegenüber der angrenzenden Flüssigkeit gebracht werden, wobei dieses Potential in Abhängigkeit von der Ladungsverteilung der zu gewinnenden Komponente (Ionen, Moleküle oder Partikel) eingestellt und die gewünschte Komponente selektiv adsorbiert wird.

Vorzugsweise läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise durchführen, daß dieselbe Flüssigkeit gleichzeitig in mehreren getrennten Strömen mit unterschiedlichen Potentialen behandelt und eine entsprechende Anzahl von Komponenten selektiv adsorbiert wird.

Zur Ausübung des Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung mit einer durch eine poröse Trennwand in zwei Abteile geteilten Zelle zur Aufnahme der Flüssigkeit, mit zwei inerten mit einer regelbaren Spannungsquelle verbindbaren Elektroden, die je in einem der zwei Abteile eingebaut sind, sowie mit Umwälzeinrichtungen zur Erzeugung einer fortlaufenden Bewegung der Flüssigkeit in mindestens einem der zwei Abteile in bezug auf die darin enthaltene Elektrode, die in der Weise ausgebildet ist, daß mindestens ein Abteil der Zelle eine Masse von Aktivkohlepartikeln enthält, und die Trennwand für die Flüssigkeit durchlässig, aber für die Aktivkohlepartikel undurchlässig ist, und daß Umwälzeinrichtungen, wie z. B. ein Rührer oder eine Pumpe, vorgesehen sind.

Zweckmäßige Ausbildungsformen dieser Vorrichtung sind in den obigen Ansprüchen 4 und 5 angegeben.

Die Erfindung gestattet eine selektive und optimale Adsorption verschiedener in einer zu reinigenden Flüssigkeit gelöst oder suspendiert enthaltener Substanzen. Dank der Verwendung des adsorbierenden Materials in Partikelform wird es möglich, nicht nur die adsorbierende Oberfläche merklich zu vergrößern, sondern auch die sehr große verfügbare Oberfläche in optimaler Weise auszunutzen. Tatsächlich gestattet die Relativbewegung der sich in Berührung mit den Partikeln befindenden Flüssigkeit gegenüber einer S. nmelelektrode, die auf einem bestimmten Potential gehalten wird, die gesamte zu reinigende Flüssigkeit in Berührung mit der Oberfläche aller adsorbierenden Partikel zu bringen, während die letzteren auf dasselbe Potential wie die Sammelelektrode gebracht werden. Im übrigen gestattet die geeignete Wahl dieses Potentials in Abhängigkeit von der zu reinigenden Flüssigkeit und von dem von dieser zu trennenden Bestandteil in wirksamer Weise die verfügbare Oberfläche jeder Partikel auszunutzen und eine selektive und optimale Adsorption durchzuführen.

Die Rolle der bei der Erfindung verwendeten porösen Wand besteht im wesentlichen darin, eine für die Ionen der zu reinigenden Flüssigkeit durchlässige Schranke zur Verhinderung des Durchgangs der Partikel des adsorbierenden Materials von der einen Elektrode zur anderen zu bilden. Dies ermöglicht also eine Ionen-Wanderung in der Lösung durch die Wand hindurch, während jedes der adsorbierenden Partikel in Berührung mit einer gegebenen Sammelelektrode kommen kann, die auf einem geeigneten Potential zur Enriöglichung der gewünschten Elektroadsorption gehalten wird, ohne daß dieselbe Partikel ebenso die andere Sammelelektrode erreichen kann, wo der entgegengesetzte Vorgang auftreten kann und somit der eewünschte Adsorptionseffekt aufgehoben würde.

Die poröse Wand kann also aus allen für Ionen durchlässigen und für die Partikel des verwendeten Adsorbens undurchlässigen Materialien gebildet sein, die natürlich im wesentlichen inert gegenüber der zu

reinigenden Flüssigkeit sein müssen. Sie kann also entweder aus einem elektrischen Nichtleiter, wie z. B. einem mikroporösen Kunststoff (PVC, Nylon, usw.) oder einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. einem inerten Metall, bestehen. Im letzteren FaH muß

to die Wand naturlich so ausgebildet sein, daß ein Kurzschluß zwischen den Sammelelektroden vermieden wird.

Die Wahl der Partikelgröße ist an sich nicht kritisch, um den Elektro-Adsorptionseffekt zu erhalten. Man

kann also das adsorbierende Material in Pulver- oder körniger Form verwenden, und die Partikelgröße kann innerhalb eines sehr großen Bereichs liegen, z. B. zwischen 5 μ und 1 mm. Die Verwendung von verhältnismäßig kleinen Partikeln bietet offensichtlich

den Vorteil, daß dem adsorbierenden Material eine erhöhte spezifische Oberfläche je Volumeneinheit gegeben wird, und erleichtert im übrigen seine Suspendierung sowie seinen Umlauf. Es ist jedoch vorzuziehen, daß die Größe der verwendeten Partikel ziemlich

as einheitlich ist und in jedem Fall ausreichend groß im Verhältnis zu den Poren der porösen Wand, so daß ein Verstopfen dieser Wand durch die Partikel vermieden wird, was die Ionenwanderung durch sie hindurch behindern und folglich die Adsorption beein-

jo flüssen würde.

Die Beschaffenheit und der Zustand des adsorbierenden Materials müssen natürlich derart sein, daß dieses Material eine außerordentlich große adsorbierende Oberfläche darbietet und fähig ist, eine merkli-

3_S ehe Menge der von der zu reinigenden Flüssigkeit zu trennenden Substanzen zu adsorbieren. Andererseits muß dieses Material ein guter elektrischer Leiter sein, damit seine Teilchen auf das notwendige Potential gebracht werden können, um die gewünschte Elektro- Adsorption unter Zuhilfenahme entweder der einen oder der anderen der Sammelelektroden zu gewährleisten. Ferner sollte dieses Material im wesentlichen unempfindlich gegenüber der zu reinigenden Lösung sein, dies vor allem im Hinblick auf die Gewährlei stung einer befriedigenden Verwendung dieses Mate rials und gegebenenfalls auf seine Regeneration zwecks Ermöglichung seiner Wiederverwendung.

Aktivkohle ist ein wohlbekanntes adsorbierendes Material, das sich besonders gut für die Elektro-Ad sorption gemäß der Erfindung eignet.

Die Zeichnung stellt schematisch und beispielsweise einige Ausführungsformen von Vorrichtungen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. In ihr zeigt

Fig. 1 einen schematischen senkrechten Schnitt einer ersten AusführungsfoTn.

Fig. 2 einen schematischen Schnitt einer zweiten Aust üh rungsf orm,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt einer dritten Ausführungsform,

Fig. 4 einen schematischen Schnitt einer vierten Ausführungsform und

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer die Vorrichtung nach Fig. 4 umfassenden Anlage.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält eine Zelle 1, die mit der zu reinigenden Flüssigkeit gefüllt und durch eine poröse Trennwand 2 in zwei Abteile l/l und 1 B unterteilt ist. Eine Sammelelektrode 3/4,

die mit einer Bezugselektrode ER verbunden ist, und eine Gegenelektrode 3B sind in die Abteile \A bzw. Iß eingetaucht. Die drei Elektroden 3 A, ER und 3ß sind mit einem Potentiostat mit drei Klemmen verbunden. Der letztere dient zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Potentials von konstantem Wert V_A an der Sammelelektrode 3/1 gegenüber der Bezugselektrode ER und infolgedessen gegenüber der diese Elektrode 3/1 umgebenden Flüssigkeit.

Das Abteil IA enthält Teilchen eines leitenden adsorbierenden Materials, gelegentlich von Aktivkohle. Ein Rührer S, der in diesem Abteil angebracht ist, dient einerseits dazu, diese Aktivkohlepartikel in der zu reinigenden Flüssigkeit in Suspension zu halten und andererseit sie zu wiederholten Malen in Berührung mit der Sammelelektrode 3 A zu bringen. Die Partikel können von jeder Art Aktivkohle, die im Handel erhältlich ist, gebildet sein, z. B. von Norit BRX-Kohle, die eine Korngröße von ungefähr zwischen 6 und 15 μ aufweist.

Die poröse Trennwand 2 dient dazu, die Partikel des adsorbierenden Materials in dem Abteil IA zu halten, damit ihre Berührung mit der Gegenelektrode 3β verhindert wird.

Sie muß also für die Partikel undurchlässig sein, wobei sie den Durchgang der Ionen der Flüssigkeit gestattet. Zu diesem Zweck kann die poröse Trennwand 2 von einer mikroporösen Membran aus Kunststoff gebildet sein, in diesem Fall von PVC (Polyvinylchlorid), das Poren von 2 bis 3 μ0 und eine Porosität von 80% aufweist.

Die Elektroden 3 A und 3ß ebenso wie ER sind elektrochemisch unempfindlich gegenüber den Bestandteilen der zu reinigenden Flüssigkeit. So besteht gelegentlich die Elektrode 3 A aus platiniertem Titan und die Elektrode 3ß aus Graphit. Gelegentlich ist die Bezugselektrode ER eine Standard-Elektrode aus gesättigtem Kalomel (Quecksilber I-chlorid).

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet in folgender Weise: Angenommen, die zu reinigende Flüssigkeit ist ein ionischer Leiter, dann erzeugt der Potentiostat PS in ihr zwischen den Elektroden 3A und 3ß ein elektrisches Feld, wobei die Elektrode 3 A auf einem bestimmten Potential ( V₁) gegenüber der sie umgebenden Flüssigkeit gehalten wird.

Dank des Rührers 5 kommen die Kohlepartikel nacheinander in Berührung mit der Sammelelektrode 3A und werden so auf dasselbe Potential (V_A) wie diese Elektrode gebracht Dieses Potential V_A wird entsprechend der in Betracht gezogenen Reinigung so bestimmt, daß es die selektive Elektro-Adsorption einer beträchtlichen Menge mindestens eines gegebenen Bestandteils der zu reinigenden Flüssigkeit auf den Partikeln gestattet.

Bekanntlich hängt die Adsorption im übrigen von der Temperatur ab. Man hält deshalb die zu reinigende Lösung vorzugsweise auf einer konstanten Temperatur, z. B. von 25° C, und zwar mittels konventioneller, auf der Zeichnung nicht dargestellter Einrichtungen. Die Vorrichtung nach Fig. I kann beispielsweise benutzt werden, um Harnstoff ausgehend von einer wässerigen Lösung zu adsorbieren, die 5 g/l Harnstoff sowie NaQ in genügender Menge in Lösung enthält, am eine gute ionische Leitfähigkeit zu gewährleisten. Das Verhältnis des fur die Adsorption benutzten Kohlenstoffs kann dann ungefähr 40 g je Liter zu reinigender Lösung sein. In diesem Fall nimmt, wenn die Sammelelektrode 3A potentiasta tisch auf einem Potential von — 100 mV gegenüber der Bezugselektrode ER aus gesättigtem Kalomel gehalten wird, der Anfangsstrom (72 mA) exponentiell ab und erreicht einen Wert von ungefähr Null nach 8 Stunden.

Eine Analyse der Restlösung zeigt dann eine Verminderung von 1,2 g/l in der Konzentration des gelösten Harnstoffs. Dies entspricht also einer Adsorption von ungefähr 35 g Harnstoff je Kilogramm Kohle. Im

ίο Gegensatz hierzu wäre beim Fehlen der Elektroden 3A und 3ß die Adsorptionsfähigkeit des Harnstoffs durch die Kohle um ein Mehrfaches schwächer.

Wie ersichtlich, hängt das Potential V_A vor seiner Anwendung zur Gewährleistung einer optimalen

ts Elektro-Adsorption in jedem Fall von der Beschaffenheit der zu reinigenden Flüssigkeit und von dem Bestandteil ab, den man von ihr zu trennen wünscht. Die optimalen Bedingungen für die Elektro-Adsorption lassen sich jedoch in jedem Fall ziemlich leicht

ao bestimmen. Tatsächlich genügt es, einige Adsorptionsversuche mit verschiedenen Werten der Spannung V_A der Sammelelektrode gegenüber der Bezugselektrode ER zu machen, und zwar derart, daß man den Wert von V_A bestimmt, bei dem man eine

as optimale Elektro-Adsorption zur Durchführung der gewünschten Reinigung erhält.

Selbstverständlich zeigt Fig. 1 die verschiedenen Teile der beschriebenen Vorrichtung in sehr schematischer Weise. Es ist also klar, daß die Sammelelek- trode 3 A und der Rührer 5 in der Weise ausgebildet sein müssen, daß sie einen optimalen Kontakt zwischen der zu reinigenden Flüssigkeit, den suspendierten Partikeln und der Elektrode 3/4 ermöglichen. Die Vorrichtung nach der in Fig. 2 dargestellten

Ausführungsform umfaßt ebenfalls eine Zelle 1 für die Aufnahme der zu reinigenden Flüssigkeit, der durch eine poröse Trennwand 2 in 2 Abteile 1/4 und 1B aufgeteilt wird, die mit einer mit einer Bezugselektrode ER verbundenen Elektrode 3 A bzw. einer Ge- genelektrode 3ß versehen sind. Ebenso sind die 3 Elektroden mit einem Potentiostat verbunden. Ferner befinden sich Partikel eines adsorbierenden Materials, z. B. von Aktivkohle, in Suspension in dem Abteil 1A, um dort eine Reinigung der Flüssigkeit durch Elek tro-Adsorption auf den Partikeln zu bewirken.

Jedoch ist das Abteil \A, wie aus Fig. 2 ersichtlich, mit einer Zuleitung 6A und einer an eine Pumpe PA angeschlossenen Ableitung TA in der Weise versehen, daß ein kontinuierlicher Kreislauf der Partikelsuspen-

sion in der Lösung durch das Abteil IA hindurch erzeugt wird, wo die Elektro-Adsorption sich bei der Berührung dieser Partikel mit der Sammelelektrode 3 A vollzieht. Gelegendich wird die letztere von einem im Zickzack gefalteten Gitter gebadet, das in der Bahn der durch das Abteil IA zirkulierenden Suspension angeordnet ist. Diese Zirkulation gestattet die Gewährleistungeiner guten Kontaktnahme aller Partikel des Adsorbens, die in dem Kreislauf 1A-IA- PA-6A enthalten sind, mit der Sammelelektrode 3 A. Man er hält so eine gute Verwertung aller Adsorbenspartikel, was eine schnelle Elektro-Adsorption auf ihnen gewährleistet.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform umfaßt eine zylindrische Zelle 1 für die Aufnahme der zu rei nigenden Flüssigkeit, die eine poröse zylindrische Trennwand 2 umschließt, die an ihren Enden geschlossen ist und ein von einem ringförmigen Abteil 1B umgebenes Abteil 1A begrenzt. Das axiale Abteil

1/4 ist mit einer Sammelelektrode 3/4 versehen, die die Form eines im Zickzack gefalteten Gitters hat und mit einer Bezugselektrode ER verbunden ist. Ferner ist es mit einer Zugangsleitung 6/4 und einer Abflußleitung 6B, die mit einer Pumpe PA verbunden sind, versehen und steht mit diesen Leitungen unter Zwischenschaltung einer perforierten Wand SA am Flüssigkeitseinlaß und einer perforierten Wand 9 A am Flüssigkeitsauslaß in Verbindung. Die Wände SA und 9/1 werden von porösen Platten gebildet, die den Durchgang der zu reinigenden Flüssigkeit gestatten, wobei sie den Durchgang der Adsorbenspartikel, die gelegentlich in Form von Körnern verwendet werden, verhindern. Diese Partikel, deren Größe in der Größenordnung von 2 bis 5 mm sein kann, sind in dem Abteil \A in Form eines fluidisierten oder festen Teilchenbettes eingeschlossen, das zur Elektroadsorption durch elektrischen Kontakt mit der Sammelelektrode 3/4 dient.

Das ringförmige Abteil 1 ß umschließt eine zylindrische Gegenelektrode 3 B, und die drei Elektroden 3/4, ER und 3B sind mit einem Potentiostat PS wie bereits beschrieben verbunden.

Die an die Pumpe PA angeschlossenen Leitungen 6/4 und 7/4 dienen also gelegentlich dazu, die zu reinigende Flüssigkeit einheitlich durch das Abteil IA zirkulieren zu lassen, während die Adsorbenspartikel in diesem Abteil eingeschlossen bleiben.

Das in Fig. 3 dargestellte Abteil IA kann also in Form einer leicht entfernbaren Kartusche vorgesehen werden, damit es schnell ersetzt werden kann, wenn das darin enthaltene Adsorbens verbraucht ist.

Die drei vorstehend beschriebenen Vorrichtungen lassen sich vorteilhaft mit einer künstlichen Niere kombinieren, wie man sie gewöhnlich für die Blutdialyse benutzt. Tatsächlich lassen sich diese Vorrichtungen für die fortlaufende Reinigung der Dialysen-Flüssigkeit verwenden, um daraus z. B. den Harnstoff zu entfernen, was merklich die in der künstlichen Niere erforderliche Dialysenfiüssigkeitsmenge zu vermindern gestattet. Die Apparatur für die Blutdialyse läßt sich also sehr viel gedrängter erstellen.

Die Vorrichtung gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform umfaßt eine zur Aufnahme der zu reinigenden Flüssigkeit bestimmte Zelle 1, die durch eine Wand 2 aus porösem, isolierendem Material in zwei Abteile 1A und 1B geteilt ist, welche mit einer positiven Sammelelektrode 3/4 bzw. einer negativen Sammelelektrode 3ß versehen sind.

Die Abteile 1/4 und IS weisen je einen oberen Einlaß 10/4 bzw. 1Ou auf und einen unteren Auslaß 11/4 bzw. 11B. Die Elektroden 3 A und 3 S sind dazu bestimmt, mit den positiven und negativen Polen einer nicht dargestellten Gleichstromquelle verbunden zu werden. Die Elektroden 3 A und 3 B erstrecken sich über die gesamte Höhe der Abteile IA und Iß und werden jeweils von einem Gitter in Schraubenform oder im Zickzack gefaltet gebildet, so daß eine Speisung der Gesamtheit der entsprechenden Abteile mit elektrischem Strom gewährleistet wird.

Jedes der Abteile 1A und 1B ist an einen hydraulischen Kreis angeschlossen, dessen Elemente bisher unter Bezugnahme auf eines von ihnen beschrieben wurden, im vorliegenden Fall unter Bezugnahme auf den das Abteil IA umfassenden Kreis, wobei selbstverständlich der hydraulische Kreis, der das Abteil 1B enthält, mit ihm in allen Punkten übereinstimmt. Auf der Zeichnung sind die entsprechenden Elemente der beiden hydraulischen Kreise durch dieselben Bezugszeichen, die mit einem Index A oder B versehen sind, bezeichnet, je nachdem, ob diese Elemente zu dem hydraulischen Kreis des Abteils 1/4 oder dem des Abteils Iß gehören. Vor dem Einlaß 10/4 des Abteils 1/4 enthält die Vorrichtung einen Dreiwege-Hahn 12/4, der einen ersten an eine Speiseleitung 13/4 des Abteils 1/4 für zu reinigende Flüssigkeit angeschlossenen Weg, einen zweiten an den Einlaß IQA über

ίο eine Rohrleitung 14/1 angeschlossenen Weg und einen dritten an eine Pumpe PA über eine Leitung 15/4 angeschlossenen Weg enthält.

Hinter dem Auslaß 11/4 des Abteils IA enthält die Vorrichtung einen weiteren Dreiwege-Hahn 16/4, der einen ersten mit einer Entleerungsleitung 17 A verbundenen Weg, einen zweiten über eine Leitung 18/4 an den Auslaß HA angeschlossenen Weg und einen dirtten über eine Leitung 19/4 an den Auslaß der Pumpe PA angeschlossenen Weg aufweist.

ao Die beschriebene Vorrichtung kann in eine Anlage gemäß Fi g. 5 eingebaut sein, in der diese Vorrichtung vollständig in dem gestrichelt dargestellten Rechteck AB enthalten ist.

Diese Anlage umfaßt außer der beschriebenen Vorrichtung ein Reservoir 20 zur Aufnahme der zu behandelnden Flüssigkeit, zwei Verteiler 21A und 21B für Adsorbens-Kohle in pulverisierter Form, zwei Mischungsbehälter 22 A und 22 ß, zwei Filter 23/4 und 23 B, zwei Zwischenbehälter 24/4 und 24 B, einen Endbehälter 25 sowie verschiedene Ventile 26/4, 26ß, 27/4, 27 B, 2SA, 28B, 29 und 30.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, sind die Ventile 26A und 26 ß zur Steuerung der Flüssigkeitsmengen bestimmt, die aus dem Reservoir 20 über die Auslässe 31/4 und 31B sowie die Rohrleitungen 32/4 und 32ß zu den Mischungsbehältern 22 A und 22 B über Rohrleitungen 33/4 und 33B fließen. Die letzteren stehen je mit einer seitlichen Leitung 34/4 und 34 B in Verbindung, die an den Ausgang des Ventils 27 Λ bz"' 27B angeschlossen sind.

Die Ventile 27/4 und 27 ß sind über eine Zwischenleitung 35/4 und 35 B an den Auslaß des Kohle-Verteilers 21/4 bzw. 21B angeschlossen.

Die Mischungsbehälter 22A bzw. 22 B sind über Leitungen 13 A bzw. 13 B an die Ventile 12A und 12 B angeschlossen.

Die Filter 23/4 bzw. 23 B sind mit ihren Einlassen an Ventile 16/4 bzw. 16B über Leitungen 17/4 bzw 17 B und mit ihren Auslässen über Leitungen 35/4 und 35 B an die Zwischenbehälter 24 A bzw. 24 B angeschlossen.

Jeder Zwischenbehälter 2AA oder 24 B ist mit seiner Auslaßöffnung über das Ventil 28 A und 28 B unc Rohrleitungen 36A, 37 B und 36 B, 37 B an den End behälter 25 angeschlossen.

Die Steuerung der verschiedenen Ventile, die die Anlage enthält, einschließlich der der zu der im einzelnen in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung gehören den, kann von Hand oder automatisch erfolgen.

Die beschriebene Vorrichtung and Anlage könnei je nach der Beschaffenheit der zu reinigenden Flüssig keit in verschiedener Weise betrieben werden. Di« nachstehenden Beispiele beziehen sich auf zwei mög liehe Betätigungsweisen der Anlage nach Fig. S.

Beispiel 1: Entsalzung von Meerwasser

Das Reservoir 20 ist mit Meerwasser gefüllt, um die Verteiler 21A bzw. 21B enthalten eine pulveri

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sierte Masse Kohle, die in entsprechender Weise zur leichten Adsorption von Cl"-Ionen vorbehandelt ist, und eine pulverisierte Masse von Kohle, die zur leichten Adsorption von Na⁺-Ionei. vorbehandelt ist.

Diese Behandlungen können beispielsweise im 1. Fall eine Imprägnierung der Kohle mit einem Amin und in dem 2. Fall eine Oxidation der Kohle mit einem Nitriersäuregemisch (V₃ Schwefelsäure + ²/, Salpetersäure) sein, so daß funktionell sauerstoffliefernde Gruppen auf der Oberfläche der Kohle gebildet werden.

Es ist bemerkenswert, daß die Kohle durch jedes andere, elektrisch leitende Adsorbens ersetzt werden könnte, z. B. durch Eisen oder jedes sonstige geeignete Metall. Die bevorzugte Wahl von Kohle beruht auf der Tatsache, daß diese den großen Vorteil aufweist, eine sehr große adsorbierende Oberfläche je Gewichtseinheit darzubieten, wobei diese spezifische Oberfläche bei weitem die von anderen bekannten Adsorbentien dargebotene übertrifft.

Um die Entsalzung des Wassers, das in dem Reservoir 20 enthalten ist, durchzuführen, geht man folgendermaßen vor:

Man öffnet die Ventile 26A, 27/1 und 26 B, 27 B, so daß in jeden der Mischungsbehälter 22 A und 22 B eine bestimmte Menge Salzwasser und eine Charge von Kohlepulver eingeführt wird.

Man setzt dann die Mischer in den Mischungsbehältern 22A und 22ß in Gang, bis die Kohleteilchen zur Bildung einer homogenen Suspension in dem Wasser dispergiert sind, dann führt man diese Suspensionen in die Abteile IA und 1 ß der Zelle 1, die man durch Betätigung der Ventile 12 A und 12 B vollständig füllt.

Man füllt ebenfalls die Kreislaufsysteme des Umlaufs, die die Leitungen ISA und 19A, die mit der Pumpe PA verbunden sind, bzw. die Leitungen 15 B und 19ß,die mit der Pumpe PB verbunden sind, umfassen.

Man verbindet dann die Abteile 1/4 und Iß der Zelle 1 durch Betätigung der Ventile 12/4,16/4 bzw. 12ß, 16ß mit ihren entsprechenden Kreisläufen 1SA-PA-19A bzw. 15ß-Pß-19ß, dann setzt man die Pumpen PA und PB in Gang und verbindet die Elektroden 3/4 und 3ß mit der Gleichstromquelle.

Dank der Wirkung der Pumpen PA und PB wird die Suspension von Kohle und Salzwasser in den oberen Teil der Abteile IA und Iß gehoben und in den unteren Teil derselben eingeführt. In jedem Abteil bildet sich infolgedessen ein kontinuierlicher Kreislauf, in der Zeichnung von unten nach oben, der den wesentlichen Zweck hat, die verschiedenen Kohleteilchen wiederholt mit dem einen oder dem anderen Teil der Elektroden 3 A and 3 B in Berührung zu bringen.

Von dem Zeitpunkt ab, in dem eines dieser Teilchen die eine oder die andere Elektrode berührt, wird es auf das Potential der Elektrode gebracht und hält dann durch Adsorption Na- oder Cl-Ionen fest, je nachdem, ob es sich um ein durch Berührung mit der Elektrode 3ß für das Natrium negativ polarisiertes Teilchen handelt oder im Gegensatz dazu um ein durch Berührung mit der Elektrode 3/4 für das Chlor positiv polarisiertes Teilchen. Die Anzahl der auf der Oberfläche jedes Kohleteilchens fixierten Ionen hängt von der Ausdehnung dieser Oberfläche und von dem Potential des betrachteten Teilchens ab. Es ist hier daran zu erinnern, daß die Trennwand 2 in jedem Fall durchlässig für die Ionen ist, und daß die Natrium-Kationen, die in dem Abteil IA vorhanden sind, leicht durch die Wand in das Abteil 1B gelangen können, um von den in diesem Abteil zirkulierenden Kohleteilchen fixiert zu werden. Ebenso können die in dem Abteil Iß vorhandenen Chlor-Anionen durch die Trennwand 2 gehen, um in das Abteil \A einzudringen und von der in diesem umlaufenden Kohle fixiert zu werden.

Die Entsalzungszeit von Meerwasser, das die die ίο beiden Abteile IA und 1B erfüllende Suspension enthält, hängt ab von verschiedenen Faktoren und insbesondere von den mehr oder weniger ausgesprochenen Adsorptionseigenschaften der verwendeten Kohle, von der spezifischen Oberfläche der Kohleteilchen, von der Kohlemenge je Liter behandelten Wassers, von der Bemessung des den Elektroden 3A und 3ß zugeführten Potentials, von der Form, der Abmessung und der Anordnung dieser Elektroden im Innern der Abteile IA und Iß und ebenso von der Umlaufgeao schwindigkeit der Suspension im Innern jedes der Abteile.

Es ist an dieser Stelle bemerkenswert, daß bei Verwendung der beschriebenen Vorrichtung und Anlage die Behandlung des Meerwassers sich bei Umge-.45 bungstemperatur vollzieht.

Ferner ist darauf hinzuweisen, daß, obwohl die Zeichnungen und die Beschreibung nur einen Umlauf der erhaltenen Suspension mit Hilfe einer Pumpe erwähnen, dieser Umlauf ebenso auf andere Weise verwirklicht werden kann: Es wäre z. B. möglich, im Innern jedes der Abteile 1/4 und Iß oder um ihre Wände herum einen Heizkörper anzuordnen, so daß eine Konvektion der Suspension in diesen Abteilen erzeugt wird. Gemäß einer anderen Variante und für den Fall, daß die in die Abteile 1A und 1B eingeführte Kohlesuspension verhältnismäßig dicht wäre, könnte man die Zelle 1 wiederholten Schaukelbewegungen unterwerfen, so daß ein Aufrühren der Suspension und infolgedessen das Inberührungbringen der suspendierten Teilchen auf den entsprechenden Elektroden bewirkt werden. Nach einer gewissen Zeit, die von dem Ausmaß der gewünschten Entsalzung abhängt, hält man die Pumpen an, schaltet die Elektroden 3/4 und 3ß ab und betätigt die Ventile 16A und ₊5 16ß, so daß die die Abteile 1/4 und Iß füllenden Suspensionen unter Schwerkraftwirkung in die Filter 23/4 und 23 ß fließen, dank welcher sich die Trennung der festen Phase der Suspension jedes Abteils (Kohle, die auf ihrer Oberfläche Na- oder Cl-Ionen trägt) von der flüssigen Phase vollzieht, die von dem mehr oder weniger entsprechend der Leistung der Vorrichtung entsaizenen Wasser gebildet wird.

Dieses Wasser kann durch die Rohrleitungen 35/4 und 35 S in die Zwischenbehälter 24 A und 24 B flie-8en und gewünschtenfalls direkt aus ihnen abgezogen werden. Vorzugsweise schreitet man jedoch zu einei Öffnung der Ventile 36 A und 36 B und zu einer Wiedergewinnung des gesamten behandelten Wassers in den Endbehälter 25 zwecks endgültiger Verwertunf desselben.

Natürlich kann man ebenso die Reinigung vor Brackwassern, die beispielsweise aus Seen oder vor Ufern stammen, in Betracht ziehen, und zwar untei Verwendung der Anlage nach Fig. 5 analog za dei für Meerwasser beschriebenen Weise. Die Vorbe handlung der Kohle läßt sich indessen von Fall zu FaI der Beschaffenheit der zn adsorbierenden Bestand teile anpassen.

Es wurde erwähnt, daß bei der Entsalzung von Meerwasser (Beispiel 1) die Filter HA und 23 B Chlor-Anionen tragende Kohle bzw. Natrium-Kationen tragende Kohle enthalten, wobei das entsalzene Wasser in die Zwischenbehälter 24/4 und 24 B abgeführt wird. Diese mit Anionen bzw. Kationen beladene Kohle könnte im Hinblick auf ihre Wiederverwertung durch Elektroadsorption regeneriert werden, indem sie in Verteiler 21A und 21 β einer Neben-Anlage, die analog der beschriebenen ausgebildet ist, eingeführt wird, deren Reservoir 20 beispielsweise mit Meerwasser gefüllt wäre und deren Elektroden 3/1 und 3ß mit der einen bzw. der anderen Elektrode der zum Entsalzen von Meerwasser dienenden Hauptanlage verbunden wären. Natürlich müßten die Elektroden dieser Hauptanlage im übrigen mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sein, die dazu bestimmt ist, das erforderliche Mehr an Energie für die Durchführung der Elektroadsorption der Chlor- und Natrium-Ionen in dieser Anlage zu liefern, und insbesondere eine Energiemenge, die den Verlusten aller Art (thermisch, Leckströme usw.) entspricht, die sich normalerweise bei einer Elektroadsorption oder einer Elektrodesorption ergeben.

Das Ergebnis des gleichzeitigen Arbeitern der Entsalzungsanlage und der zweiten elektrische Energie verfügbar machenden Hilfsanlage wäre folgendes: Erzeugung von entsalztem Wasser und von Natrium- und Chlor-Ionen tragender Kohle in der Entsalzungsanlage und Erzeugung von salzreicherem Wasser und von ihren Chlor- und Natrium-Ionen befreiter Kohle ebenso wie von elektrischer Energie in der Nebenanlage. Das salzhaltigere Wasser könnte natürlich ins Meer abgeführt werden, während die von den Natrium- und Chlor-Ionen befreite Kohle anschließend in der Entsalzungsanlage wiederverwendet werden könnte.

Aus Obigem folgt, daß bei der beschriebenen kombinierten Anlage die für ihre Arbeit benötigte elektrische Energie verhältnismäßig gering ist, da die aufgewandte Energiemenge für die Entsalzung einer bestimmten Wassermenge bei einer in Betracht gezogenen Entsalzungsperiode zu einem sehr großen Teil bei der anschließenden Entsalzungsstufe wiedergewonnen werden kann.

Beispiel 2: Adsorption von in einer Flüssigkeit
gelöstem Gas

Die beschriebene Vorrichtung und Anlage können auch insbesondere für die Adsorption von in einer Flüssigkeit gelöstem Gas, z. B. in Wasser gelöstem Sauerstoff, benutzt werden.

In diesem Fall genügt es, speziell für die Adsorption von Sauerstoff behandelte Kohle ausschließlich in dem Verteiler 21A vorzusehen und dementsprechend eine Kohlesuspension nur in dem Mischungsbehälter 22 A, der mit dem Abteil 1A verbunden ist, zu bilden, damit die Sauerstoff-Moleküle von Aktivkohle adsorbiert werden können, die nur mit der positiven Elektrode 3 A in Berührung kommt.

Um die Sauerstoff-Moleküle von dem ursprünglich in dem Reservoir 20 enthaltenen Wasser zu trennen, füllt man also das Abteil IA mit der in dem Mischungsbehälter 22,4 vorbereiteten Suspension und das Abteil 1B mit nicht mit Kohle versetztem Wasser, dann schließt man die Elektroden 3/4 und 3 β an die Stromquelle an und setzt die Pumpe PA in Gang, während die Pumpe PB still stehen bleiben kann, da es nicht unerläßlich ist, das Wasser in dem Abteil 1B umlaufen zu lassen.

Dank des Umlaufs der Suspension im Innern des Abteils IA kommen die verschiedenen Kohleteilchen, die die Suspension mit sich trägt, nacheinander in Berührung mit der Elektrode 3A, laden sich positiv auf und adsorbieren so die Sauerstoff-Moleküle. Die adsorbierte Sauerstoffmenge hängt von der Adsorptionsfähigkeit der benutzten Kohle ab, von ihrer spezifischen Oberfläche und von ihrer Menge, von der Form und Anordnung der Elektrode 3A, von der Bemessung der zwischen den Elektroden 3A und 3ß angelegten Spannung sowie von der Behandlungsdauer. Es ist an dieser Stelle darauf hinzuweisen, daß nicht nur die in dem Abteil IA enthaltene Wassermenge der Behandlung unterworfen wird, sondern alles in dem Behälter enthaltene Wasser, da die in der in dem Abteil 1B enthaltenen Wassermenge gelösten Sauerstoff-Moleküle durch die Trennwand 2 in das

ao Abteil \A gelangen können.

Wenn die Behandlung des Wassers zum Abschluß gekommen ist, öffnet man wie vorher die Ventile 16A und 16B, so daß der Inhalt der Abteile IA und Iß durch die Filter 23 A und 23 ß fließt, wobei die Kohle

»5 durch das Filter 23/4 zurückgehalten wird. Aus den Filtern fließt ein verhältnismäßig reines Wasser ab, das zum größten Teil von dem Sauerstoff, den es enthielt, befreit ist und das. in den Zwischenbehältern 24A und 24 B bzw. in dem Endbehälter 25/4 wiedergewonnen werden kann.

Grundsätzlich gestatten die beschriebenen Vorrichtungen, die Trennung von verschiedenen Substanzen, die sich im ionisierten oder neutralen Zustand in Lösung oder in Suspension in der zu reinigenden Flüssigkeit befinden, durch Elektro-Adsorption durchzufühlen. Die Vorrichtungen können deshalb besonders interessante Anwendungen auf sehr zahlreichen Gebieten finden, insbesondere auf dem der Abwässeraufbereitung, z. B. im Hinblick auf die Abscheidung der darin in Lösung befindlichen Phosphate, im Hinblick auf die Reinigung von Galvanoplastik-Bädern, insbesondere im Hinblick auf die Abscheidung von Cyan-Verbindungen oder allen sonstigen besonders schädlichen Substanzen, die sie enthalten könnten.

Die beschriebenen Voi richtungen und Anlagen eignen sich nicht nur für die Abscheidung anorganischer \ erbindungen, sondern können ebenso benutzt werden, um eine Elektro- Adsorption organischer Verbindungen durchzuführen, die sich in Lösung odei in Suspension befinden. Es genügt zu diesem Zweck, daß die die Zelle 1 in zwei Abteile \A und 1B aufteilende Zwischenwand 2 den Durchgang abzuscheidender organischer Verbindungen von einem Abteil ir das andere gestattet, die verhältnismäßigbeträchtlichf Molekülabmessungen im Verhältnis zu denen der Ionen aufweisen.

So können die beschriebenen Vorrichtungen um Anlagen beispielsweise benutzt werden, um der Harnstoff aus irgendeiner physiologischen Flüssigkei zu entfernen, z. B. aus Blutserum; eine solche Vor richtung würde auf diese Weise eine künstliche Nier< bilden und könnte beispielsweise ein leicht transpor tierbares Gerät darstellen, das die Behandlung eine Patienten in aufeinanderfolgenden Etappen gestat tet.

Die beschriebenen Vorrichtungen und Anläget könnten gleichfalls eine mteresante Verwertung fü

die Durchführung der Reinigung des Blutes eines Subjekts finden, das ein - starke Dosis Barbirursäurederivate oder irgendeines anderen leicht durch das Blut assimilierbaren Gifts aufgenommen hat, um die schädlichen Substanzen durch Elektro-Adsorption aus dem Blutserum zu entfernen.

Es ist außerdem möglich, die Verwertung der beschriebenen Vorrichtungen für die Elektro-Adsorpition von in verunreinigten Gewässern enthaltenen Detergentien in Betracht zu ziehen. So kann man beispielsweise die Vorrichtung nach Fig. 3 benutzen, um verunreinigtes Wasser durch ein Bett von Kohleteilchen zirkulieren zu lassen, die in Berührung mit einer Sammelelektrode angeordnet und von der Gegenelektrode durch eine mikroporöse Membran getrennt sind.

Die beschriebenen Vorrichtungen können auch mit Vorteil dazu benutzt werden, die Wiedergewinnung verhältnismäßig wertvoller Produkte zu bewirken, die in schwacher Konzentration in einer ionisch leitenden

Lösung enthalten sind. Eine solche Wiedergewinnung ist mittels konventioneller Abscheidungstechniken schwierig zu realisieren und rechtfertigt häufig nicht die dadurch entstehenden Kosten. Im Gegensatz hierzu gestattet eine Vorrichtung beispielsweise ge-

maß Fig. 2 oder 3, auf verhältnismäßig einfache Weise ein Produkt, wie z. B. Penicillin, durch Elektro-Adsorption auf Kohle zu fixieren. Die das adsorbierte Produkt enthaltende Kohle kann dann einer Desorption in einer sehr beschränkten Lösungsmenge

unterzogen werden, so daß man eine konzentrierte Lösung des Produkts wiederzugewinnen vermag.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   J. Verfahren zum Reinigen einer ionisch leitfähigen Flüssigkeit durch Adsorption mindestens einer gelösten oder suspendierten Komponente der Flüssigkeit an einer Adsorptionsmasse aus Aktivkohlepartikeln, dadurch gekennzeichnet, daß unter fortlaufender Bewegung der Flüssigkeit in inniger Berührung mit den Aktivkohlepartikeln und gleichzeitiger Anwendung eines elektrischen Feldes in der Flüssigkeit die Aktivkohlepartikel auf ein bestimmtes Potential gegenüber der angrenzenden Flüssigkeit gebracht werden, wobei dieses Potential in Abhängigkeit von der Ladungsverteilung der zu gewinnenden Komponente (Ionen, Moleküle oder Partikel) eingestellt und die gewünschte Komponente selektiv adsorbiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe Flüssigkeit gleichzeitig in mehreren getrennten Strömen mit unterschiedlichen Potentialen behandelt und eine entsprechende Anzahl von Komponenten selektiv adsorbiert wird.
3. 3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer durch eine poröse Trennwand in zwei Abteile geteilten Zelle zur Aufnahme der Flüssigkeit, mit zwei inerten, mit einer regelbaren Spannungsquelle verbindbaren Elektroden, die je in einem der zwei Abteile eingebaut sind, sowie mit Umwälzeinrichtungen zur Erzeugung einer fortlaufenden Bewegung der Flüssigkeit in mindestens einem der zwei Abteile in bezug auf die darin enthaltene Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abteil (1/1, 1 B) der Zelle (1) eine Masse von Aktivkohlepartikeln enthält, und die Trennwand (2) für die Flüssigkeit durchlässig, aber für die Aktivkohlepartikel undurchlässig ist, und daß Umwälzeinrichtungen, wie z. B. ein Rührer oder eine Pumpe (5 bzw. P₄, P₈), vorgesehen sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzeinrichtungen an sich bekannte Anordnungen sind zum Fluidisieren fester Teilchen in mindestens einem Abteil (1 A, 1 B) der Zelle (1) und beispielsweise eine perforierte Wand (8 A) am Flüssigkeitseinlaß umfassen sowie eine solche (9A) zum Zurückhalten der Partikel am Flüssigkeitsauslaß des Abteils.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode (3/4 bzw. 3 B) sich in Form eines im Zickzack gefalteten Gitters derart innerhalb des entsprechenden Abteils (1A, Fig. 2, 3 bzw. 1 A, 1 B, Fig. 5,6) erstreckt, daß die im Abteil mit der b-w._; ten Flüssigkeit in Berührung befindlichen Aktivkohlepartikel durch diese Elektrode weitgehend auf das bestimmte Potential gebracht werden.