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Verfahren zur Konzentrationseinstellung von Lösungen chemischer Substanzen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konzentrationseinstellung und
kontinuierlichen Herstellung von Lösungen gewünschter Konzentration von chemischen
Substanzen aufgrund ihres osmotischen Druckes, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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In der Technik sind verschiedene Verfahren zur Konzentrationsregelung
bekannt, welche meis't auf der periodischen oder kontinuierlichen Entnahme von Lösungsprobe
zur Untersuchung in einem Messwerk, dem Vergleich von gemessenem Istwert mit dem
Sollwert und die Aussendung von Korrektursignalen in einem Regelwerk und der Umwandlung
der Regelsignale in Schaltungen,
Ventilstellungsänderungen, etc.
im Stellwerk beruhen.
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Als Regelgrösse dient dabei meist ein physikalisch-chemischer Parameter
wie Dichte, Leitfähigkeit, Brechungsindex, Redoxpotential, p-Wert etc.
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Solche Verfahren erfordern relativ komplizierte und deshalb auch kostspielige
Apparaturen, welche nur für jene Zwecke in Frage kommen, wo sich ein solcher Aufwand
kostenmässig lohnt.
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Aus diesen Gründen wird in vielen Betrieben, wo Lösungen von bestimmter
Konzentration nur in kleineren Mengen benötigt werden, oder wo die bekannten Verfahren
der Technik wegen der hohen Konzentrationen der benötigten Lösungen zu ungenau sind,
noch auf herkömmliche Weise die zu lösende Substanz chargenweise in Rührkessel abgewogen,
das Lösungsmittel zudosiert und bis zum vollständigen Lösen gerührt. In solchen
Betrieben, wie z.B.
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in der photochemischen Industrie, stellt sich auch die Aufgabe der
Aufbereitung von verbrauchten oder durch eingeschlepptes Wasser verdünnten Bädern
für die maschinelle Verarbeitung photographischer Materialien. Zu diesem Zwecke
wurde bisher meist manuell eine Probe entnommen und analysiert. Die aus der Differenz
von Analysenwert zu Sollwert berechnete Salzmenge, welche zur Aufbereitung erforderlich
ist, wird dann in Rührkessel eingewogen, die zu regenerierende Lösung zugegeben
und bis zum vollständigen Lösen gerührt.
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Diese Operationen sind sehr zeitraubend und erfordern einen grossen
Arbeitsaufwand von qualifiziertem Personal.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Behebung dieser Nachteile
durch Schaffung eines Verfahrens zur automatischen Durchführung solcher Operationen,
jedoch ohne kostspieligen apparativen Aufwand.
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Es ist nun dem Fachmann bekannt, dass auch der osmotische Druck eine
Kenngrösse für die Konzentration ist, jedoch ist die Messung des osmotischen Druckes
zur automatischen Konzentrationsregelung bisher nie in Betracht gezogen worden,
weil eine solche Messung relativ lange dauert und somit in einer herkömmlichen Regelanlage
nicht verwendet werden kann.
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Das Verfahren ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der
Behälter für die Lösung gleichzeitig als osmotische Messzelle benützt wird und die
Entnahme von eingestellter Lösung beim Erreichen eines Druck-Sollwertes im Lösungsbehälter
automatisch und kontinuierlich erfolgt.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer abgeschlossenen Lösungszelle, welche
durch eine semipermeable
Membran von dem mit einer Vorrichtung zur
Konstanthaltung des Flüssigkeitsspiegels versehenen Lösungsmittel-Vorratsbehälter
getrennt ist, und einer Vorrichtung zur Entnahme von richtig eingestellter Lösung
beim Erreichen des osmotischen Druck-Sollwertes besteht.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemässe Vorrichtung mit einem Rührer
versehen, um möglichst genau die dem eingestellten Druck entsprechende Konzentration
zu erhalten. Da nämlich der osmotische Druck der Durchschnittskonzentration in der
Zelle entspricht, sagt er bei einer nicht homogen durchmischter Flüssigkeit noch
nichts aus über die bei der Entnahmestelle effektiv herrschende Konzentration. Ist.
die zu lösende Substanz im Lösungsmittel relativ leicht löslich, so ist beim rein
diffusionsbedingten Lösen mit der Ausbildung von beträchtlichen Konzentrationsunterschieden
innerhalb der Zelle zu rechnen, was eine genaue Konzentrationseinstellung verunmöglicht.
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Ferner kann die erfindungsgemässe Vorrichtung mit einer Heizvorrichtung
zur Erwärmung des Zelleninhaltes versehen sein, um den Lösevorgang bei sehr schwer
löslichen Substanzen zu beschleunigen. Selbstverständlich muss in diesem Fall auch
ein Thermostat eingebaut sein, um eine Konstanthaltung der Temperatur zu ermöglichen.
Da der osmotische Druck auch temperaturabhängig ist, muss für eine genauere Konzentrationseinstellung
in diesem Fall auch der Lösungsmittel-Vorratsbehälter mit einer Vorrichtung
zur
Konstanthaltung der Temperatur versehen sein.
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Da eine genaue Voraus berechnung des der gewünschten Konzentration
entsprechenden osmotischen Druckes in vielen Fällen nicht möglich ist, muss für
die richtige Einstellung der Vorrichtung für die Herstellung von Lösungen von genau
vorgeyehener Konzentration vorgängig eine Eichmessung des osmotischen Druckes mit
einer entsprechenden Lösung durchgeführt werden. Werden dabei von derselben Substanz
genau eingestellte Lösungen von verschiedener Konzentration gewünscht, so ist die
Eichung einer Konzentrationsreihe dieser Substanz vorteilhaft.
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Die einfachste Ausführung der Vorrichtung zur Entnahme von eingestellter
Lösung beim Erreichen des osmotischen Druck-Sollwertes, welche in der Zeichnung
dargestellt ist, besteht in einem oben an der Lösungszelle angebrachten Steigrohr,
welches mit einem in der Höhe verstellbaren Ueberlauf versehen ist. Die Konzentrationseinstellung
kann dabei so erfolgen, dass der Ueberlauf auf die der osmotischen Druckdi-fferenz
entsprechende Steighöhe der Lösung eingestellt wird, so dass immer nur solange Lösung
überläuft, als der osmotische Druck auf der gewünschten Höhe liegt, Diese Ausführung
hat den Vorteil, dass dadurch ein dynamisches Gleichyewicht zwischen Abfluss von
Lösung durch den Ueberlauf und Zufluss von Lösungsmittel aufgrund der Permeation
durch die
semipermeable Membran erreicht wird. Dieser Zustand hat
einerseits einen kontinuierlichen Abfluss von Lösung und andererseits äusserst kleine
zeitliche Schwankungen der Konzentration zur Folge.
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Bei höheren Konzentrationen und osmotischen Drucken ist eine weitere
Ausführung der Vorrichtung zur Entnahme von richtig eingestellter Lösung, bestehend
aus einem Manometer, welches mit der Lösungszelle verbunden ist und einem Steuerrelais,
welches bei Erreichen eines bestimmten regulierbaren Druckes ein Abflussventil für
die Lösung öffnet und beim Unterschreiten des Sollwertes wieder schliesst, zweckmässiger.
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Mit dem erfindungsgemässen Verfahren zur Konzentrationseinstellung
können sowohl Lösungen von bestimmter Konzentration neu hergestellt werden, als
auch verdünnte Lösungen wieder auf einen gewünschten Konzentrationswert aufkonzentriert
werden.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Herstellung
einer frischen Lösung von gewünschter Konzentration teilweise füllt man die Lösungszelle
der erfindungsgemässen Vorrichtung / mit der zu lösenden Substanz und füllt die
Lösungszelle und den Lösungsmittel-Vorratsbehälter bis zum selben Niveau mit Lösungsmittel.
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Die osmotische Permeation von Lösungsmittel aus dem Vorratsbehälter
in die Lösungszelle beginnt schon nach kurzer Zeit
und bewirkt einen
Druckanstieg in der Lösungszelle gegenüber dem Druck im Lösungsmittelvorratsbehälter,
welcher-der momentanen Konzentration der Lösung entspricht. Gleichzeitig erfolgt,
vorzuss weise unter Rühren, das Lösen von Substanz. Sobald der eingestellte osmotische
Druck erreicht ist, beginnt der Abfluss von Lösung von der gewünschten Konzentration.
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Reicht die anfänglich zugesetzte Substanzmenge zur Herstellung der
benötigten Lösungsmenge nicht aus,so kann durch die Einfüllvorrichtung, gegebenenfalls
nach dem Abfliessenlassen von Lösung aus der Lösungszelle, neue zu lösende Substanz
zugegeben'werden.
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Da sich bei wiederholten Zugaben von Substanz unter Umständen unlösliche
Verunreinigungen anreichern können, welche zu Störungen führen können, ist es in
einem solchen Fall empfehlenswert, besonders beim Lösen stark verunreinigter Substanzen,
diese in einem Filter verpackt zuzugeben. Dadurch werden die Verunreinigungen im
Filter zurückbehalten, während die lösliche Substanz vollständig herausgelöst wird.
Dabei muss selbstverständlich das Filter so beschaffen sein, dass es nach erfolgter
Lösung auf einfache Art wieder aus der Lösungszelle entfernt werden kann.
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Eine weitere Ausbildung des erfindungsgemässen Verfahrens betrifft
die Zugabe der Substanz in einer weiteren semipermeablen Membran verpackt. Diese
Ausbildung der Erfindung ist für den Fall besonders geeignet, wo aus einem stark
verunreinigten Rohprodukt
mit mehrheitlich höhermolekularen Verunreinigungen,
z.B. im sehr häufigen Fall von Produkten,bei deren Herstellung Nebenreaktionen zu
einer Verunreinigung der Produkte mit hochmolekularen u.U. harzartigen Nebenprodukten
geführt haben, oder auch bei Polymerisaten mit breiter Molekulargewichtsverteilung,
nur die niedermolekulare Komponente bzw. Anteile in einer bestimmten Konzentration
gelöst werden sollen. Für diese Ausführung des Verfahrens werden natürlich zwei
verschiedene semipermeable Membrane benötigt, deren Porendurchmesser der Molekülgrösse
der niedermolekularen Substanz angepasst sein muss. D.h. die Porengrösse der Membran
für die Lösungszelle muss kleiner und diejenige der Verpackungsmembran für die Substanz
wenig grösser als die Moleküldimensionen der zu lösenden Substanz sein.
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Für die Durchführung des Verfahrens können alle Arten von semipermeablen
Membranen verwendet werden, z.B. Kunststoffe, poröse Keramikmaterialien, poröse
Gläser, behandelte Naturhäute, etc., je nach der zu lösenden Substanz und dem Lösungsmittel.
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Dabei ist es empfehlenswert, den grösstmöglichen Porendurchmesser
zu verwenden, sofern eine relativ leichtlösliche Substanz aufgelöst werden soll,
damit die Lösungsgeschwindigkeit der Substanz nicht grösser als die Permeationsgeschwindigkeit
des Lösungsmittels ist.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Aufkonzentrierung
von verdünnten Lösungen wird zweckmässigerweise die aufzukonzentrierende Lösung
in die Lösungszelle gegeben und ein Ueberschuss der für die Aufkonzentrierung erforderlichen
Substanz dazugefügt. Dann wird der Lösungsmittel-Vorratsbehälter bis zum selhen
Niveau mit Lösungsmittel gefüllt, worauf die Permeation und Lösung der Substanz
beginnt. Die Entnahme von fertiger Lösung erfolgt dann auf dieselbe Weise wie oben
beschrieben.
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Für die Aufkonzentrierung von grösseren Mengen von verbrauchten Lösungen,
beispielsweise aus Bädern für die maschinelle Verårbeitung photographischer Materialien,
werden normalerweise relativ konzentrierte Korrekturlösungen verwendet. Für die
Herstellung dieser sogenannten Regeneratoren ist das erfindungsgemässe Verfahren
sehr vorteilhaft.
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Die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ist in Bezug auf die
weiter vorne diskutierten Parameter Moleküldimension der zu lösenden Substanz, bzw.
Porengrösse der Membran und Lösungsgeschwindigkeit der Substanz, welche ihrerseits
wieder von Lösungsmittel, Konzentration und Temperatur abhängig ist, nicht unbeschränkt.
Vorzugsweise erfolgt die Anwendung auf die Einstellung von Lösungen langsam löslicher
Substanzen und/oder höherer Konzentration.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, welches
auch die Durchführung des Verfahrens veranschaulicht, schematisch dargestellt.
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Im Lösungsmittel-Vorratsbehälter (1), welcher mit einer Niveaukontrolle
in Form eines Schwimmers (2) gekoppelt mit dem Einlassventil für den Lösungsmittelzufluss
(3) versehen ist, hefindet sich die Lösungszelle (4), bestehend aus einem stabilen
Gerüst (5), einer gelochten Zellwand (6) zur Stützung der semipermeablen Membran
(7), einer dicht schliessbaren Einfüllvorrichtung (8) für Flüssigkeiten und Feststoffe
und einem regulierbaren druckabhängigen Ausfluss für die fertige Lösung in Form
eines Steigrohres mit höhenregulierbarem Abfluss (9).
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Ferner sind Abflussleitungen für die vollständige Entleerung der Lösungszelle
(10) und des Lösungsmittelvorratsgefässes (11) vorhanden.
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Zur weiteren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung werden im
folgenden zwei Beispiele aufgeführt, welche die Herstellung von frischen Lösungen
zeigen. Zum besseren Verständnis wurde durch Hinweise in Klammern auf die Zeichnung
Bezug genommen.
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Beispiel 1 In einer Lösungszelle (4) mit 500 ml Inhalt, welche mit
einem Dialysenschlauch als semipermeable Membran versehen war, wurden durch die
Einfüllvorrichtung (8) circa 500 g festes Ammoniumthiosulfat eingefüllt und die
Einfüllvorrichtung verschlossen.
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In das Lösungsmittelvorratsgefäss wurde Wasser eingefüllt, worauf
sogleich Permeation durch den Dialysenschlauch in die Lösungszelle einsetzte.
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Die Vorrichtung zur Entnahme von eingestellter Lösung, bestehend aus
einem Manometer und einem Steuerrelais, wurde so eingestellt, dass die Abgahe von
Lösung durch Oeffnen eines Abflussventils bei einem Druck von 0,5 atü erfolgen musste.
Bei dieser Einstellung der Vorrichtung floss kontinuierlich eine Lösung von Ammoniumthiosulfat
aus dem Apparat, bis alles Salz in Lösung gegangen war.
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Die Konzentration der ausfliessenden Lösung wurde jodometrisch zu
320 - 407 g/l (NH4)2S203 bestimmt.
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Beispiel 2 In derselben Vorrichtung, wie sie für Beispiel 1 verwendet
wurde, wurde wiederum eine Lösung von Ammoniumthiosulfat
hergestellt,
dieses Mal jedoch wurde das Steuerrelais auf einen Druck von 0,3 atü eingestellt.
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Die Analyse der ausfliessenden Lösung ergab eine Konzentration von
208 - 280 g/l.