DE2221561C3

DE2221561C3 - Verfarhen zur Durchführung von Ionenaustausch- und Adsorptionsvorgängen unter Verwendung eines Gegenstromfilters

Info

Publication number: DE2221561C3
Application number: DE2221561A
Authority: DE
Inventors: Guenter 5072 Schildgen Siegers
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1972-05-03
Filing date: 1972-05-03
Publication date: 1982-02-04
Also published as: DE2221561B2; NL7306110A; BE799028A; NL172034B; JPS4948563A; US3875053A; CA1027878A; IT984178B; SE385662B; FR2183227B1; ES414278A1; NL172034C; FR2183227A1; AT319860B; DE2221561A1; GB1393861A; JPS542916B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung von Ionenaustausch- und Adsorptionsvorgängen unter Verwendung eines Gegenstromfilters, das die aufzubereitende Flüssigkeit von unten nach obendurchstiömt und dabei eine zwischen einem unteren Düsenboden und einem mit Ableitungen versehenen Zwischenboden, der außerdem noch mit Durchlaßöffnungen versehen ist, gelagerte Austauschermasse durchströmt, während in der Regenerierphase eine am Behälteroberteil eintretende Regenerierflüssigkeit die Austauschermasse von oben nach unten durchströmt und eine Rückspülung von unten nach oben erfolgt und wobei vor dem Rückspülen die Regenerierflüssigkeit von oben nach unten von einer am Behälteroberteil eingegebenen Waschflüssigkeit aus der Ionenaustauschermasse verdrängt wird.

Bei allen nach dem Gegenstromverfahren arbeitenden Ionenaustauschfiltern ist es wichtig, daß Umschichtungen in der Schicht aus Ionenaustauschermasse verhindert werden.

Bei dem eingangs beschriebenen Filter findet keine Bewegung oder Umschichtung der Ionenaustauschermasse statt, wenn der Raum zwischen den beiden Düsenböden vollständig mit Ionenaustauschermasse ausgefüllt ist und auf dem Zwischenboden in dem darüber angeordneten sogenannten Rückspülraum noch eine Harzmenge aufgelegt ist, die bis zu 50 Vol.-% der installierten aktiven Ionenaustauschermenge ausmacht.

Bei anderen Gegenstromfiltern werden Umschichtungen der Ionenaustauschermassen dadurch verhindert, daß bei der Regenerierflüssigkeitsführung von unten nach oben auf eine über der Austauschermasse ruhenden Deckschicht Druck ausgeübt wird. Man bedient sich dabei dynamischer oder statischer Verfahren, indem mit Wasser oder Luft gegen die oben liegende Austauscherschicht gedrückt wird, verschließfähige Düsenböden eingebaut oder aufblasbare Gummiblasen installiert werden.

Bei einer anderen Ausführungsform is· die Austauschermasse zwischen zwei Düsenböden plaziert und wird während des Durchströmens der zu behandelnden Flüssigkeit gegen den oberen Düsenboden gepreßt.

Bei Verwendung des eingangs beschriebenen Gegenstromfilters jedoch wird die Ionenaustauschermasse durch Durchlaßöffnungen in dem Zwischenboden bei der Auflockerung nach oben hindurchgedrückt.

Allen bekannten Gegenstromverfahren ist gemeinsam, daß die aufzubereitende Flüssigkeit zuletzt diejenige Austauscherschicht passiert, die während des vorausgegangenen Regeneriervorganges zuerst mit der Regenerierflüssigkeit beaufschlagt wurde, so daß sie die hochgradigste Regenerierung erfuhr.

Die. Qualität der behandelten Flüssigkeit hängt aber vornehmlich davon ab, inwieweit gerade diese oberste

2·> Schicht gereinigt ist. Deshalb verwendet man zum Auswaschen und Verdrängen der Regenerierflüssigkeit eine Waschflüssigkeit, beispielsweise Wasser, deren Qualität wenigstens derjenigen entspricht, die die im Austauscherfilter behandelte Flüssigkeit aufweist.

JO Benutzt man eine Waschflüssigkeit minderer Qualität, so erfährt die zuoberst liegende sogenannte Feinreinigungsschicht eine gewisse Vorbeladung, die einen nachteiligen Einfluß auf den Reinheitsgrad der zu behandelnden Flüssigkeit haben würde. Man begegnet diesem Nachteil dadurch, daß man die erforderliche Waschflüssigkeit aus dem Reservoir für die behandelte Flüssigkeit entnimmt oder aus einer parallel arbeitenden Aufbereitungsanlage, die selbstverständlich entsprechend dimensioniert sein muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das auf die Verwendung von behandelter Flüssigkeit zum Zwecke des Auswaschens der Austauschermasse verzichten kann, und bei dem auch die Zufuhr einer Waschflüssigkeit von gleich guter Beschaffenheit wie die behandelte Flüssigkeit nicht erforderlich ist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Waschflüssigkeit vor dem Eintritt in den mit dem Ionenaustauscher vollständig gefüllten Raum zwisehen dem unteren Düsenboden und dem Zwischenboden in einer auf dem Zwischenboden lagernden Deckschicht aus dem gleichen Ionenaustauscher, der bei jeder fälligen Regeneration mit dem gesamten Regeneriermittel in Kontakt tritt, aufbereitet wird. In dieser Deckschicht wird das Auswaschwasser für die zwischen dem Zwischenboden und dem unteren Düsenboden liegende aktive Ionenaustauscher-Masse in ausreichender Weise vorgereinigt.

Es ist bekannt (DE-OS 1442465), auf den nach dem Gegenstrom arbeitenden Ionenaustauscherfiltern, bei denen die zu reinigende Flüssigkeit von oben nach unten und die Regeneriermittel von unten nach oben durch die Ionenauslauschermasse geleitet werden, Deckschichten aus Ionenaustauschern auf den »aktiven«, d. h. unterhalb der Ableitungssysteme befindlichen Ionenaustauschermassen aufzubringen. Zweck und Wirkung der in den bekannten, im Abwärtsstrom arbeitenden Gegenstromverfahren sind

jedoch grundsätzlich verschieden von Zweck und Wirkung der erfindungsgemäßen Deckschichten in den im aufwärts gerichteten Strom arbeitenden Filtervefahren. In dem bekannten Gegeristromverfahren dient die Deckschicht zur Fixierung der Ionenaustauschermasse bei der Regenerierung im Aufwärtsstrom. In dem erfindungsgemäßeii Verfahren, bei dem im abwärts gerichteten Strom regeneriert wird, dient sie dagegen zur Reinigung des zum Auswaschen des Regeneriermittels erforderlichen Waschwassers. Das heißt, die erfindungsgemäße Deckschicht hat in dem im Aufwärtsstrom arbeitenden Gegenstromverfahren eine Funktion, die sie in dem bekannten, im Abwärtssrom arbeitenden Gegenstromverfahren gar nicht haben kann. Durch die erfindungsgemäße Deckschicht wird eine gesonderte Aufbereitung des Waschwassers für die Regenerierung überflüssig. Dies bedeutet in der Praxis eine wesentliche Vereinfachung des gesamten im Aufwärtsstrom arbeitenden Gegenstromverfahrens.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die im Laufe der Zeit entstehenden Feinanteile an Ionenaustauscher-Masse, die in strömungs- und filtertechnischer Hinsicht in der Beladungsphase bei Beaufschlagung mit Flüssigkeiten von hohen Strömungsgeschwindigkeiten erhebliche Schwierigkeiten wie Druckverlusterhöhung und Durchlaufstörungen verursachen können, nur noch dann entfernt werden müssen, wenn deren Volumen über die Menge der über dem Zwischenboden befindlichen Deckschicht hinausgeht. In der Regenerationsphase mü Strömungsrichtung von oben nach unten mit sehr viel kleineren Geschwindigkeiten sind hydrodynamische Schwierigkeiten nicht zu erwarten. Es genügt, im Zuge der periodisch notwendigen Rückspülvorgänge die Feinanteile aus dem in der Beladungsphase aktiven Teil des Filierbettes in den über dem perforierten Zwischenboden befindlichen Raum zu transportieren. Die Feinanteile nehmen dort den Platz der intakten, d. h. von der Größe her interessanten Ionenaustauscherpartikel ein, welche zwangsläufig in den Bereich zwischen den beiden Düsenböden fallen, um dort aktiv am Ionenaustauschvorgang teilzunehmen.

Die über dem perforierten Zwischenboden liegende Ionenaustauscher-Deckschicht muß von der Menge her so dimensioniert sein, daß es bei der Beaufschlagung mit dem Auswaschwasser für die in der Beladungsphase aktive. Harzmasse keinesfalls zu einer totalen Beladung der Deckschicht kommt. Vorzugsweise beträgt die auf dem Zwischenboden liegende Deckschicht 5-50 Volumprozent des Volumens der aktiven Ionenaustauscher-Masse. In einer Zeichnung ist ein für das Verfahren geeignetes Gegenstromfilter rein schematisch dargestellt, und nachstehend dessen Betriebsweise erläutert:

Das Gegenstromfilter besteht aus einem Behälter 1 und weisi; einen unteren Düsenboden 2 auf. Etwa in halber Höhe des Behälters 1 ist darin ein Zwischenboden 3 angeordnet, von dessen einzelnen Düsen 4 Ableitungen 5 zu einer nach außen führenden Ablei- t>o tung 6 führen. Außerdem weist der Zwischenboden 3 Durchlaßöffnungen 7 auf. Der Raum zwischen dem Düsenbfden 2 und dem Zwischenboden 3 ist mit Ionenaustiiuschermasse 8 völlig ausgefüllt. Auf dem Zwischenboden 3 lagert eine Deckschicht 9. Der Be- (,5 halter 1 ist außerdem am Behälteroberteil und am Behälterunterteil mit Ein- und Auslaßöffnungen 10 bzw. 11 ausgestattet.

Beim Rückspülvorgang tritt die Rückspülflüssigkeit über die Leitung 10 unterhalb des Düsenbodens 2 in den Behälter 1 ein und wird durch den Düsenboden 2 über den Querschnitt des Behälters 1 verteilt, bevor sie in die Ionenaustauschermasse 8 einströmt. Diese wird dabei angehoben und durch die Öffnungen 7 des Zwischenbodens 3 teilweise in den darüber befindlichen Raum 12 gedrückt. Die Rückspülflüssigkeit verläßt den Behälter 1 durch die Öffnung 11. Die Düsen 4 des Zwischenbodens 3 bz»v. die Hauptleitung 6 sind während dieser Phase verschlossen. Nach Beendigung des Rückspülvorganges sackt die Icnenaustauschermasse 8 wieder durch die Öffnungen 7 auf den vorherigen Stand ab. Bei diesem Vorgang werden die Feinanteile aus dem Bereich der aktiven Ionenaustauschermasse 8 durch gröberes Material aus der über dem Zwischenboden 3 lagernden inaktiven Deckschicht 9 ersetzt.

Beim Regeneriervorgang wird die Regenerierflüssigkeit im Behälteroberteil durch die Einlaßöffnung 11 eingegeben und durchströmt zunächst die Deckschicht 9 und anschließend die Ionenaustauschermasse 8 von oben nach unten, um schließlich durch die Auslaßöffnung 10 am Behälterboden den Behälter 1 wieder zu verlassen.

Nach dem Regeneriervorgang muß aus der Ionenaustauschermasse 8 die Regenerierflüssigkeit ausgewaschen und verdrängt werden. Die hierfür erforderliche Waschflüssigkeit tritt ebenfalls durch die Einlaßöffnung 11 oben in den Behälter 1 ein und gelangt zunächst in die Deckschicht 9. Da, wie bereits erwähnt, eine Qualität an Waschflüssigkeit verwendet werden kann, die derjenigen der aufzubereitenden Flüssigkeit entspricht, kommt es an der Oberfläche dieser Deckschicht 9 zu einer Teilbeladung der Ionenaustauschermasse 8 in Abhängigkeit vom Waschflüssigkeitsvolumen und von der Ionenbelastung desselben.

Zum Auswaschen des aktiven Ionenaustauschers ist das 2- bis 4fache Volumen an Waschflüssigkeit ausreichend. Folglich wird nur ein relativ kleiner Teil der Deckschicht 9, und zwar derjenige, der unmittelbar an der Oberfläche liegt, belastet. Da derjenige Teil der Austauschermasse 8, der an der Deckschicht 9 anliegt, in der Auswaschphase nur mit einem bereits aufbereiteten Auswaschwasser in Berührung kommt, kann keine die spätere Filtratqualität beeinflussende Vorbeladung derselben eintreten.

Die aufzubereitende Lösung wird in der sich anschließenden Beladungsphase durch die Einlaßöffnung 10 von unten in den Behälter 1 eingeleitet, durchströmt den unteren Düsenboden 2, die Ionenaustauschermasse 8 und tritt in die Düse 4 des Zwischenbodens 3 ein, um durch die Ableitung 5 und die Hauptleitung 6 den Behälter 1 zu verlassen. Bei diesem Vorgang bleibt die Öffnung 11 verschlossen.

Et e i s ρ i e 1 1

Zur Entfernung der in einer Lösung enthaltenen Kationen wurde ein zylindrischei- Behälter mit insgesamt 119 1 eines Ionenaustauschers gefüllt, der durch Sulfonierung von mit Divinylbenzol vernetztem Polystyrol hergestellt worden war. Von den erwähnten 119 1 Kationenaustauscher befanden sich 20 1 als Deckschicht über dem perforierten Düsenboden; die verbleibenden 99 1 nahmen am Ionenaustausch-Vorgang teil. Das Gegenstromfilter hatte einen Durch-

messer von 300 mm und eine totale zylindrische Mantelhöhe von 2400 mm. Wie in der Zeichnung angedeutet, befand sich am unteren Behälterende ein Düsenboden 2 und, 1400 mm darüber, ein zweiter 3, der in der unmittelbaren Umgebung einer jeden Düse mit je 4 Durchtrittsöffnungen von 15 mm Durchmesser für den Ionenaustauscher versehen war. Beide Düsenböden waren mit je 7 Filterdüsen (100 Stück/ m²) bestückt.

Zur Regeneration trat die Regeneriersäure durch die Leitung 11 in den Behälter 1 ein, durchwanderte zuerst die Deckschicht 9. anschließend die Durchlaßöffnungen für den Ionenaustauscher in der Rückspülphase am perforierten Düsenboden 3, dann die aktive Harzmasse 8, welcher die Regeneriersäure galt, danach den unteren Düsenboden 2, um schließlich das Filter 1 über die Leitung 10 wieder zu verlassen. Das Rohwasser, das zum Verdrängen bzw. Auswaschen der Regeneriersäure verwendet wurde, nahm den gleichen Weg.

147 VaI HCL (1,48 Val/1 aktiven Austauschers) mit der Konzentration 1,1 Val/1 Lösung wurden in der angegebenen Weise in 22 Minuten über den gesamten installierten Ionenaustauscher filtriert. Zum Verdrängen bzw. Auswaschen der Säure waren 232 I Rohwasser mit einem Kationengehalt von 9,3 mval'l (38.7 °/< Na \ 46 % Ca* ⁺ und 15.3 ^ci Mg"⁴) erforderlich.

Während der anschließenden Beladung mit Wasser obiger Zusammensetzung konnten 12,8 nr' einwandfrei entbast werden, wobei das Wasser durch die Öffnung 10 mit 2,5 mVh in den Behälter 1 eintrat, die lonenaustauschermasse 8 durchströmte, um über die Düsen 4 des Zwischenbodens 3 die Ableitung 5 und die Hauptleitung 6 das Filter aufbereitet wieder zu verlassen.

Im Ablauf eines dem erwähnten Filter nachgeschalteten stark basischen Anionenaustauschers wurde eine mittlere Leitfähigkeit von 2,98 Mikrosiemens/cm gemessen. Der Filterlauf des Kationenaustauschers wurde abgebrochen, als die Leitfähigkeit den Wert 15 Mikrosiemens/'cm erreichte.

Die gleiche Leistung, nämlich 12,79 m' Reinwasser bei einer mittleren Leitfähigkeit von 3,11 Mikrosiemens/cm wurde bei einem Versuch ermittelt, der sich bezüglich des Auswaschvorganges von dem vorangegangenen unterschied, sonst aber in jeder Beziehung vergleichbar war. Zum Auswaschen wurden 225 1 Demineralisat, das durch die Hauptleitung 6. die Ableitungen 5 und die Düsen 4 eintrat, verwendet. Dagegen brachte ein weiterer Versuch, der nach erfolgter Regenerierung und anschließendem Auswaschen mit Rohwasser durchgeführt wurde, und wobei beide Medien, Regenerierlösung und Auswaschwasser durch die Hauptleitung 6 eingeführt und durch die Öffnung 7 am Behälterboden abgelassen wurden, in der nachfolgenden Beladung mit Rohwasser obiger Zusammensetzung nur 12,4 m³ Reinwasser. Dabei wurde im Ablauf eines stark basischen Anionenaustauschers eine mittlere Leitfähigkeit von 35,4 Mikrosiemens/cm gemessen. Der Fiiterlauf mußte diesmal bei 50 Mikrosiemens abgebrochen werden, da Werte unter 15 Mikrosiemens/cm nicht erreicht werden konnten.

Beispiel 2

Ein zylindrisches Ionenaustauscher-Filter 1 mit einem Durchmesser von 820 mm und einer totalen zylindrischen Mantelhöhe von 2500 mm, das am unteren Behälterende einen mit Filterdüsen 4 bestückten Düsenboden 2 und, 1500 mm darüber angeordnet, einen perforierten, ebenfalls mit Filterdüsen 4 versehenen Zwischenboden 3 enthielt, wurde mit insgesamt 950 1 einer Anionenaustauscher-Masse gefüllt, die durch Einführung von Dimethyl-Äthanolamingruppen in mit Divinylbenzol vernetztes Polystyrol hergestellt worden war. Düsen- und Zwischenboden waren mit je 52 Filterdüsen versehen. Um jede einzelne Düse 4 des Zwischenbodens 3 waren, gleichmäßig verteilt.

'■' vier Durchtrittsöffnungen 7 mit 18 mm Durchmesser für den Ionenaustauscher 8 angeordnet. Jede einzelne Düse 4 des Zwischenbodens 3 war über Ableitungen 5 an eine Hauptleitung 6 herangeführt.

Die zwischen dem unteren Düsenboden 2 und dem

-" Zwischenboden 3 befindliche lonenaustauschermasse 8 von 792 1 diente dem eigentlichen Arbeitsprozeß, die verbleibenden 158 1 bildeten eine 30 cm hoch auf dem perforierten Zwischenboden 3 liegende Filterschicht 9. Der noch bleibende Freiraum 12 über

-5 der Filterschicht 9 von ca. 800 mm zylindrischer Höhe wurde für das gelegentliche Rückspülen verwendet. Die zum Regenerieren notwendige Natronlauge floß durch die Öffnung 11 ein, dann durch die Filterschicht 9 und die lonenaustauschermasse 8 und

ti ι strömte durch die Öffnung 10 ab. Den gleichen Weg nahm anschließend das Verdrängungs- bzw. Auswaschwasser, das einem vorgeschalteten Kationenaustauscher-Filter, welcher H ^-Ionen beladenes Harz enthielt und mit Rohwasser beaufschlagt wurde, ent-

i> strömte.

Nach Regenerierung mit 750 val NaOH mit der Konzentration 0.5 val/1 Lösung und Auswaschung bis zu einem Leitfähigkeitswert von 30/>S/cm - dazu waren 2620 1 des Ablaufes eines vorgeschalteten Katio-

⁴<i nenaustauschers notwendig - wurde das Filter mit Wasser der folgenden Zusammensetzung beladen:
Cl' 4.3 mval/1: SO. 1.61 mval/1

CO₂ 0,23 mval/1; SiO", 0,117 mval/1

Bis zur beginnenden Erschöpfung, die sich durch

-n den Durchbruch der Kieselsäure anzeigte, konnten 101.5 m^? Wasser aufbereitet werden. Der durchschnittliche Rest-SiO_:-Gehalt während der gesamten Beladung lag bei 0,021 mg/1.

Ein sich anschließender Versuch, der sich von dem

>o beschriebenen nur dadurch unterschied, daß zum Verdrängen bzw. Auswaschen der Regenerierlauge Demineralisat Verwendung fand, führte praktisch zu den gleichen Ergebnissen, nämiich einem Dim;lis>äU von 102,0 m^J und einem Rest-SiO_:-Gehalt von 0,023 mg/1.

Dagegen brachte ein weiterer Versuch, der nach erfolgter Regeneration und anschließender Auswaschung mit Katjonenaustauscher-Filtrat durchgeführt wurde und wobei beide Flüssigkeiten über die Haupt-

bo leitung 6 rückwärts eingeführt wurden und durch die Öffnung 10 austraten, deutlich ungünstigere Resultate, nämlich einen Durchsatz von nur 97,1 m³ bei einem durchschnittlichen Rest-SiO₂-GehaIt von 0,096 mg/1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Durchführung von Ionenaustausch- und Adsorptionsvorgängen unter Verwendung eines Gegenstromfilters, das die aufzubereitende Flüssigkeit von unten nach oben durchströmt und dabei eine zwischen einem unteren Düsenboden und einem mit Ableitungen versehenen Zwischenboden, der außerdem noch mit Durchlaßöffnungen versehen ist, gelagerte Austauschermasse durchströmt, während in der Regenerierphase eine am Behälteroberteil eintretende Regenerierflüssigkeit die Austauschermasse von oben nach unten durchströmt und eine Rückspülung von unten nach oben erfolgt, und wobei vor dem Rückspülen die Regenerierflüsrigkeit von oben nach unten von einer am Behälterobeneil eingegebenen Waschflüssigkeit aus der Ionenaustauschermase verdrängt wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Waschflüssigkeit vor dem Eintritt in den mit der Ionenaustauschermasse vollständig gefüllten Raum zwischen den beiden Böden in einer auf dem Zwischenboden lagernden Deckschicht aus dem gleichen Ionenaustauscher aufbereitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Deckschicht verwendet wird, deren Volumen 5 bis 50% des Volumens der Ionenaustauschermasse beträgt.