DE2146350C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen einer ionisch leitfähigen Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen ner ionisch leitfähigen Flüssigkeit durch Adsorption indestens einer gelösten oder suspendierten Kom- >nente 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 kdne 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, nicht gestatten.

Bekannt ist ferner eine Vorrichtung zum elektrophoretischen Trennen von den elektrischen Strom wenie oder nicht leitenden Gemischen (deutsche Auslegeschrift 1076 625), bei der die Trennung unter Anwendung 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 Adsorbenzpartikel die selektive, rein adsorptive Abtrennung von ganz verschiedenartigen Restandteilen einer Lösung zu erzielen, nämlich von organischen sowie anorganischen Stoffen, die sich im geladenen oder elektrisch neutralen und gelösten bzw. suspendieiten Zustand ir 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 Fiüssigkeitsteilchen 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-

■i|r Anwendung .eines elektrischen Feldes in der Flüsigkeit die .Aktivkohlepartikel auf ein bestimmtes f Otential gegenüber der angrenzenden Flüssigkeit ge- ^rachtwerden, wobei dieses Potential in Abhängigkeit ion der Ladungsverteilung der zu gewinnenden Kornjppnente (Ionen, Moleküle oder Partikel) eingestellt Jhd die gewünschte Komponente selektiv adsorbiert wird.

Vorzugsweise läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren in iter Weise durchführen, daß dieselbe Flüs sigkeit gleichzeitig in mehreren getrennten Strömen init unterschiedlichen Potentialen behandelt und eine entsprechende Anzahl von Komponenten selektiv adtorbiert wird.

Zur Ausübung des Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung mit einer durch eine poröse Trennwand in jwei Abteile geteilten Zelle zur Aufnahme der Flüssigkeit, mit zwei inerten mit einer regelbaren Spanoungsquelle 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 Sammelelektrode, die auf einem bestimmten Potential gehalten wird, die gesamte zu reinigende Flüssigkeit in Berührung mit der Oberfläche aller adsorbierenden Partikel /u 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 öarin, 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 Co hindurch, während jedes der adsorbierenden Partikel in Berührung mit einer gegebenen Sammelelektrode kommen kann, die auf einem geeigneten Potential zur Ermöglichung der gewünschten Elektroadsorption gehalten wird, ohne daß dieselbe Partikel ebenso die andere Sammelelektrode erreichen kann, wo der entgegengesetzte Vorgang auftreten kann und somit der gewünschte Adsorptionseffekt aufgehoben würde.

Die poröse Wand kann also aus allen für Ionen durchlassigen und für die Parükel 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 Fall muß die Wand natürlich 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 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 beeinflussen 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 merkliche 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 Gewährleistungeiner befriedigenden Verwendung dieses Materials und gegebenenfalls auf seine Regeneration zwecks Ermöglichung seiner Wiederverwendung.

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

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

Fig. 1 einen schematischen senkrechten Schnitt ei ner ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt einer zweitei Ausführungsform,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt einer drittel Ausführungsform,

Fig. 4 einen schematischen Schnitt einer vierte; Ausführungsform und

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

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält ein Zelle 1, die mit der zu reinigenden Flüssigkeit gefüll und durch eine poröse Trennwand 2 in zwei Abteil XA und 1 B unterteilt ist. Eine Sammelelektrode 3/

die mit einer Bezugselektrode ER verbunden ist, und eine Gegenelektrode 3ß sind in die Abteile XA bzw. 1ß eingetaucht. Die drei Elektroden 3 A, ER und 3 B sind mit einem Potentiostat mit drei Klemmen verbunden. Der letztere dient zur Aufrechtcrhaltung eines bestimmten Potentials von konstantem Wert V_A an der Sammelelektrode 3/4 gegenüber der Bezugselektrode ER und infolgedessen gegenüber der diese Elektrode 3/4 umgebenden Flüssigkeit.

Das Abteil \A enthält Teilchen eines leitenden adsorbierenden Materials, gelegentlich von Aktivkohle. Ein Rührer 5, 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 3/4 zu bringen. Die Partikel können von jeder Art Aktivkohle, die im Mandel erhältlich ist. gebildet sein. z. B. von Norit BRX-Kohle, die eine Korngröße von ungefähr zwischen 6 und 15 /ι aufweist.

Die poröse Trennwand 2 dient dazu, die Partikel des adsorbierenden Materials in dem Abteil 1/4 zu halten, damit ihre Berührung mit der Gegenelektrode 3ß 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 μ 0 und eine Porosität von 80% aufweist.

Die Elektroden 3/4 und 3ß ebenso wie ER sind elektrochemisch unempfindlich gegenüber den Bestandteilen der zu reinigenden Flüssigkeit. So besteht gelegentlich die Elektrode 3/1 aus platiniertem Titan und die Elektrode 3 B 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 3/4 und 3ß ein elektrisches Feld, wobei die Elektrode 3/1 auf einem bestimmten Potential ( V_A ) gegenüber der sie umgebenden Flüssigkeit gehalten wird.

Dank des Rührers 5 kommen die Kohlepartikel nacheinander in Berührung mit der Sammelelektrode 3/4 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 z«var mittels konventioneller, auf der Zeichnung nicht dargestellter Einrichtungen. Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann beispielsweise benutzt werden, um Harnstoff ausgehend von einer wässerigen Lösung zu adsorbieren, die 5 g/l Harnstoff sowie NaCl in genügender Menge in Lösung enthält, um eine gute ionische Leitfähigkeit zu gewährleisten. Das Verhältnis des für die Adsorption benutzten Kohlenstoffs kann dann ungefähr 40 g je Liter zu reinigender Lösung sein. In diesem Fall -nimmt, wenn die Sammelelektrode 3 A potentiostatisch 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 Rcstlösung zeigt dann eine Verminderung von 1,2 g/l in der Konzentration des gelösten Harnstoffs. Dies entspricht also einer \dsorption von ungefähr 35 g Harnstoff je Kilogramm Kohle. Im

ίο Gegensatz hierzu wäre beim Fehlen der Elektroden 3/1 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 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 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 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 Sammelelektrode 3/4 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 1A und 1 ß aufgeteilt wird, die mit einer mit einer Bezugselektrode ER verbundenen Elektrode 3A bzw. einer Gegenelektrode 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 IA. um dort eine Reinigung der Flüssigkeit durch Elektro-Adsorption auf den Partikeln zu bewirken.

Jedoch ist das Abteil 1/4, wie aus Fig. 2 ersichtlich mit einer Zuleitung 6/1 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 er zeugt wird, wo die Elektro-Adsorption sich bei dei Berührung dieser Partikel mit der Sammelelektrod« 3 A vollzieht. Gelegentlich wird die letztere von einen im Zickzack gefalteten Gitter gebildet, das in der Bahi der durch das Abteil IA zirkulierenden Suspensioi angeordnet ist. Diese Zirkulation gestattet die Ge währleistungeiner guten Kontaktnahme aller Partike des Adsorbens, die in dem Kreislauf lA-7A—PA-6s enthalten sind, mit der Sammelelektrode 3 A. Man er hält so eine gute Verwertung aller Adsorbenspartikel was eine schnelle Elektro-Adsorption auf ihnen ge währleistet.

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

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 6/1 und einer Abflußleitung 6 B, die mit einer Pumpe PA verbunden sind, versehen und steht mit diesen Leitungen unter Zwischenschaltung einer perforierten Wand 8/4 am Flüssigkeitseinlaß und einer perforierten Wand 9A am Flüssigkeitsauslaß in Verbindung. Die Wände 8/1 und 9/4 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 1/4 in Form eines fluidisierten oder festen Teilchenbettes eingeschlossen, das zur Elektroadsorption durch elektrischen Kontakt mit der Sammelelektrode 3/4 dient.

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

Die an die Pumpe PA angeschlossenen Leitungen 6/1 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 1/4 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 Dialysenflüssigkeitsmenge 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 3A bzw. einer negativen Sammelelektrode 3 B versehen sind.

Die Abteile IA und IB weisen je einen oberen Einlaß WA bzw. 10 B auf und einen unteren Auslaß 11A bzw. 11B. Die Elektroden 3/4 und 3 B sind dazu bestimmt, mit den positiven und negativen Polen einer nicht dargestellten Gleichstromquelle verbunden zu werden. Die Elektroden 3 A und ÜB erstrecken sich über die gesamte Höhe der Abteile IA und 1B 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 XA und IB 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 1A oder dem des Abteils 1 B gehören. Vor dem Einlaß 10/1 des Abteils \A enthält die Vorrichtung einen Dreiwege-Hahn 12/4, der einen ersten an eine Speiseleitung 13/4 des Abteils \A für zu reinigende Flüssigkeit angeschlossenen Weg, einen zweiten an den Einlaß 10/4 über

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

Hinter dem Auslaß WA des Abteils \A enthält die Vorrichtung einen weiteren Dreiwege-Hahn 16/4, der einen ersten mit einer Entleerungsleitung 17/4 verbundenen Weg, einen zweiten über eine Leitung 18/4 an den Auslaß 11/4 angeschlossenen Weg und einen dirtten über eine Leitung 19/1 an den Auslaß der Pumpe PA angeschlossenen Weg aufweist.

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

Diese Anlage umfaßt außer der beschriebenen

as Vorrichtung ein Reservoir 20 zur Aufnahme der zu behandelnden Flüssigkeit, zwei Verteiler 21/4 und 215 für Adsorbens-Kohle in pulverisierter Form, zwei Mischungsbehälter 22 A und 22 B, zwei Filter 23/1 und 23 B, zwei Zwischenbehälter 24 A und 24 B einen Endbehälter 25 sowie verschiedene Ventile 26/4, 26Ä, 27/4, 27 B, 28/1, 28ß, 29 und 30.

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

Die Ventile 27 A und 27 B sind über eine Zwischenleitung 35/4 und OS B an den Auslaß des Kohle-Ver tellers 21/4 bzw. 21 B angeschlossen.

Die Mischungsbehälter 22 A bzw. 22 B sind übei Leitungen 13/4 bzw. 13 B an die Ventile 12/4 und 12 Z? angeschlossen.

Die Filter 23/4 bzw. 23 B sind mit ihren Einlässer an Ventile 16/4 bzw. 16 B über Leitungen 17 A 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 24A oder 24 B ist mit seiner Auslaßöffnung über das Ventil 28/4 und 28 B unc Rohrleitungen 36A, 37 B und 36 B, 37 B an den End behälter ?5 angeschlossen.

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

Die beschriebene Vorrichtung und Anlage könnet je nach der Beschaffenheit der zu reinigenden Flüssigkeit in verschiedener Weise betrieben werden. Dk nachstehenden Beispiele beziehen sich auf zwei mögliche Betätigungsweisen der Anlage nach Fig. S.

Beispie! 1: Entsalzung von Meerwasser Das Reservoir 20 ist mit Meerwasser gefüllt, unc die Verteiler 21/4 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⁺-Ionen 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 + ²A, 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 26/4, 27 A und 26B, 27 B, so daß in jeden der Mischungsbehälter 22 A und 225 eine bestimmte Menge Salzwasser und eine Charge von Kohlepulver eingeführt wird.

Man setzt dann die Mischer in den Mischungsbehältern 22A und 22 B 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 1B der Zelle 1, die man durch Betätigung der Ventile 12A und 12B vollständig füllt.

Man füllt ebenfalls die Kreislaufsysteme des Umlaufs, die die Leitungen 15/1 und 19A, die mit der Pumpe PA verbunden sind, bzw. die Leitungen 15 B und 19B, die mit der Pumpe PB verbunden sind, umfassen.

Man verbindet dann die Abteile \A und Iß der Zelle 1 durch Betätigung der Ventile \2A, 16/1 bzw. 12B, 16ß mit ihren entsprechenden Kreisläufen 15A-PA-WA bzw. 15B-PB-19B, dann setzt man die Pumpen PA und PB in Gang und verbindet die Elektroden 3/1 und 3 B mit der Gleichstromquelle.

Dank der Wirkung der Pumpen PA und PB wird die Suspension von Kohle und Salzwasser in den oberen Teil der Abteile 1A und 1B gehoben und in den unteren Teil derselben eingeführt. In jedem Abteil bildet sich infolgedessen rhi kontinuierlicher Kreislauf, in der Zeichnung von unten nach oben, der den wesentlichen Zweck hat, die verschiedenen Kohleteil-•ihen wiederholt mit dem einen oder dem anderen Te;! der Elektroden 3/4 und 3B 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 3 B für das Natrium negativ polarisiertes Teilchen handelt oder im Gegensatz dazu um ein durch Berührung mit der Elektrode 3 A 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 \A vorhanden sind, leicht durch die Wand in das Abteil IB gelangen können, um von den in diesem Abteil zirkulierenden Kohleteilchen fixiert zu werden. Ebenso können die in dem Abteil IB vorhandenen Chlor-Anionen durch die Trennwand 2 gehen, um in das Abteil IA einzudringen und von der in diesem umlaufenden Kohle fixiert zu werden.

Die Entsalzungszeit von Meerwasser, das die die ίο beiden Abteile \A 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 3/4 und 3 B zugeführten Potentials, von der Form, der Abmessung und der Anordnung dieser Elektroden im Innern der Abteile IA und IB und ebenso von der Umlaufgeschwindigkeit 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-. 25 bungstemperatur vollzieht.

Femer 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 IA und IB 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 3/1 und 3B ab und betätigt die Ventile 16/4 und 16 B, so daß die die Abteile IA und IB füllenden Suspensionen unter Schwerkraftwirkung in die Filter 23/1 und 23 B 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 entsalzenen Wasser gebildet wird.

Dieses Wasser kann durch die Rohrleitungen 3SA und 35 B in die Zwischenbehälter 24A und 24 B flie-Ben und gewünschtenfalls direkt aus ihnen abgezogen werden. Vorzugsweise schreitet man jedoch zu einer Öffnung der Ventile 36A und 36 B und zu einer Wiedergewinnung des gesamten behandelten Wassers ir den Endbehälter 25 zwecks endgültiger Verwertung desselben.

Natürlich kann man ebenso die Reinigung vor Brackwassern, die beispielsweise aus Seen oder von Ufern stammen, in Betracht ziehen, und zwar untei Verwendung der Anlage nach Fig. 5 analog zu dei ,65 für Meerwasser beschriebenen Weise. Die Vorbehandlung der Kohle läßt sich indessen von Fall zu Fall der Beschaffenheit der zu adsorbierenden Bestandteile anpassen.

Es wurde erwähnt, daß bei der Entsalzung von Meerwasser (Beispiel 1) die Filter 23A und 23B Chlor-Anionen tragende Kohle bzw. Natrium-Kationen tragende Kohle enthalten, wobei das entsalzene Wasser in die Zwischenbehälter 24 A 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 ß 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 3 B 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 Arbeitens 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 E"tracht 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 22/4, der mit dem Abteil 1A verbunden ist, zu bilden, damit die Sauerstoff-Moleküle von Aktivkohle adsorbiert werden können, die nur r"t der positiven Elektrode 3/4 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 A und 3 B 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 11$ umlaufen zu lassen.

Dank des Umlaufs der Suspension im Innern des Abteils XA kommen die verschiedenen Kohleteilchen, die die Suspension mit sich trägt, nacheinander in Berührung mit der Elektrode 3/1, 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 3 A, von der Bemessung der zwischen den Elektroden 3/4 und 3ß angelegten Spannung sowie von der Behandlungsdauer. Es ist an dieser Stelle darauf hinzuweisen, daß nicht nur die in dem Abteil 1/4 enthaltene Wassermenge der Behandlung unterworfen wird, sondern alles in dem Behälter enthaltene Wasser, da die in der in dem Abteil 1 B enthaltenen Wassermenge gelöster Sauerstoff-Moleküle durch die Trennwand 2 in das Abteil \A gelangen können.

Wenn die Behandlung des Wassers zum Abschluß gekommen ist, öffnet man wie vorher die Ventile 16/1 und 16ß, so daß der Inhalt der Abteile \A und Iß durch die Filter 23/1 und 23 ß fließt, wobei die Kohle durch das Filter 23/4 zurückgehalten wird. Aus der Filtern fließt ein verhältnismäßig reines Wasser ab das zum größten Teil von dem Sauerstoff, den es enthielt, befreit ist und das in den Zwischenbehälterr 24/4 und 24 ß bzw. in dem Endbehälter 25/4 wiedergewonnen werden kann.

Grundsäulich gestatten die beschriebenen Vorrichtungen, die Trennung von verschiedenen Substanzen, die sich im ionisierten oder neutralen Zustanc in Lösung oder in Suspension in der zu reinigender Flüssigkeit befinden, durch Elektro-Adsorptior durchzuführen. Die Vorrichtungen können deshalr besonders interessante Anwendungen auf sehr zahlreichen Gebieten finden, insbesondere auf dem dei Abwasseraufbereitung, z. B. im Hinblick auf die Ab scheidung der darin in Lösung befindlichen Phos phate.im Hinblick auf die Reinigung von Galvanopia stik-Bädern, insoesondere im Hinblick auf di< Abscheidung von Cyan-Verbindungen oder alter sonstigen besonders schädlichen Substanzen, die si< enthalten könnten.

Die beschriebenen Vorrichtungen und Anläget eignen sich nicht nur für die Abscheidung anorgani scher Verbindungen, sondern können ebenso benutz werden, um eine Elektro-Adsorption organische Verbindungen durchzuführen, die sich in Lösung ode in Suspension befinden. Es genügt zu diesem Zweck daß die die Zelle 1 in zwei Abteile IA und Iß auftei lende Zwischenwand 2 den Durchgang abzuscheiden der organischer Verbindungen von einem Abteil ii das andere gestattet, die verhältnismäßig beträchtlichi Molekülabmessungen im Verhältnis zu denen der Io nen aufweisen.

So können die beschriebenen Vorrichtungen un< Anlagen beispielsweise benutzt werden, um dei 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 Anlage könnten gleichfalls eine interesante Verwertung fü

die Durchführung der Reinigung des Blutes eines Subjekts finden, das eine starke Dosis Barbitursäurederivate 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 mi! 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 gemäß 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)

Patentansprüche:

1. 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 i» 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 La- »5 dungsverteilung der zu gewinnenden Komponente (Ionen, Moleküle oder Partikel) eingestellt und die gewünschte Komponente selektiv adsorbiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- »ο kennzeichnet, daß dieselbe Flüssigkeit gleichzeitig in mehreren getrennten Strömen mit unterschiedlichen Potentialen behandelt und eine entsprechende Anzahl von Komponenten selektiv adsorbiert wird.

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 (IA, 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. P_A, P_e), vorgesehen sind.

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, Ϊ B) der Zelle (1) und beispielsweise eine perforierte Wand (8/4) am Flüssigkeitseinlafr umfassen sowie eine solche (9A) zum Zurückhalten der Partikel am Flüssigkeitsauslaß des Abteils.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode (3 A bzw. 3 B) sich in Form eines im Zickzack gefalteten Gitters derart innerhalb des entsprechenden Abteils (1 A, Fig. 2, 3 bzw. 1 A, 1 B, Fig. ?, 6) erstreckt, daß die im Abteil mit der bewegten Flüssigkeit in Berührung befindlichen Aktivkohlepartikel durch diese Elektrode weitgehend auf das bestimmte Potential gebracht werden.