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Verfahren zur Verbesserung der mit gelagerten Lösungs-
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fraktionen arbeitenden lonenaustanschverfahren Die Erfindung bezieht
sich auf den im Obergegriff der Anspruches 1 angegebenen Gegenstand.
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Im technischen Ionenaustausch muss man immerbeide Reaktionen eines
Ionenaustauschzyklus berücksichtigen, um dar Ziel, die Produkte mit dem geringsten
Aufwand herzustellen, zu erreichnen. Nam pflegt die eine Reaktion als Belanung oder
Nutzreaktion, die andere Reaktion als Regenerierung zu bezeichnen. In anderen Fällen
sind beide Reaktionen des Zyklus gleichwertig, weil man in beiden Produkte herstellt,
die einen Wert haben. Solche sind z.B. die Salzkonversionen. Um diese verschiedenen
Bezeichnungen zu verallgemeinern, wird nachfolgend die eine Reaktion ale Austauschre
ion, die andere als Gegenreaktion bezeichnet werden, 0't Rücksicht auf den Zweck
derselben. In der Austauschreaktion enthält das Austauscherbett .(gekürzt: Bett)
zu Beginn die auszutauschenden Ionen, die damit in Reaktion gebrachte Lösung die
austauschenden Ionen. Beide sind Gegenionen, die mit den Poly-Ionen des Ionenaustauschers
oder mit den Co-Ionen der Lösung verbunden sind *). Sinngemäss enthält demnach die
Lösung in der Gegenreaktion die auszutauschenden, das Bett die austauschenden Ionen,
obzwohl zur Roll-in dieser Reaktion im Vergleich zur Austauschreaktion umgekehrt
ist.
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Bei der Durchführung Be Austauschreaktionen fliesst aus dem Bett
das darin enthaltene Wasser zuerst aus. Nachher folgt das Produkt, das zwar zuerst
nur die auszutauschenden Ionen enthält, aber bald erscheinen die austauschenden
Ionen, so dass das in den bekannten Verfahren erhaltene Produkt meistens beide Ionenarten
enthält. Die Zusammensetzung des Produktes entspricht den herrschenden Reaktionsbedingungen
zu deren wichtigsten Faktoren u.a. Solgende gehören: die Affinität der auszutauschenden
und austauschenden Ionen zu den Polyionen und zu den Co-Ionen, die Konzentration
und Temperatur der benutzten Lösung, ihre Durchsatzgeschwindigkeit, das Verhältnis
zwischen der Menge der austauschenden Gegenionen der Lösung und der auszutauschenden
Gegenionen des Bettes.
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Im einfachen Verfahren fliessen die Flüssigkeiten *) S.F. Helfferich,
Ionenaustauscher, Bd. 1, Verlag Chemie Weinheim, 1959, S. 6 - 7
in
den Austauschreaktionen in gleicher Richtung durch das Bett. Wenn die Konzentration
der C°-Ionen der Lösung einen mittleren bis höheren Wert hat, z.B. zwischen 2 h
bis 4-5 liegt, so mit folgende Regel gültig: Unabhängig von den Affinitäts verhältnissen
kann man entweder ein Produkt herstellen, die auszutauschenden Ionen in grossem
übersc;.u.ss ent lt, oder im ?aeren Fall eines, in dem diese Ionen nicht mehr oder
nur geringfügig im Überschuss sind.
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Im ersten die bleibt die l tc't des Bettes zu einem grossen Teil mit
den auszutauschenden Ionen besetzt und nur im zweiten Fall gelingt es, diese vom
Bett weitgehend zu entfernen. Der Zustand des Bettes ist aber maßgebend für die
Ergebnisse der Gegenreaktion und im ersten Fall wird man in dieser überhaupt kein
reines Produkt herstellen können. Wenn also in einer ender beiden Reaktionen des
Austäuschzyklus ein nur eine Ionenart enthaltendes Produkt hergestellt wird, kann
in der anderen Reaktion nur ein Produkt erhalten werden, das beide Ionen in relativ
grossen Mengen enthält. Diese Regel gilt nicht in denjenigen Fällen, in denen die
Trennkosntante in einer der beiden Reaktionen einen hohen Wert hat. In dieser Reaktion
kann man auch dann ein "reines" Produkt erhalten, wenn das Bett zu Beginn dieser
Reaktion beide Ionenarten in relativ grossen Mengen enthält.
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Der hohe tfert der Trennkonstante kann ula. auch durch die schwache
Dissoziation des aus dem Polyion und den Gegenion gebildeten Salzes oder Verbindung
bedingt sein; z.B. H-Form eines schwach sauren Kationenaustauschers.
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Die obige Regel gilt ebenfalls nicht auf die Gegenstrom-Ionenaustauschverfahren,
in denen die Lösungen in den Reaktionen in einander entgegengesetzten Richtungen
durch das Bett fliessen. Eine andere Variante des Gegenstromverfahrens ist das zwei
oder mehrere Betten benutzende Verfahren, in dem die Reihenfolge der Betten in den
Reaktionen einander entgegengesetzt ist. Mit diesen Verfahren kann man in beiden
Reaktionen gleichzeitig weitgehend nur aus einer Ionenart bestehende Produkte herstellen.
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Die e Feststellungen die die Einheitrich+eit der Produkte helten
auch für solhe Fälle, in denen mehrere Ionen in einer Reaktion teilnehmen. So enthält
z.B. das aufzubereitende Rohwasser meistens Ca-, Mg-, Na- usw. Ionen und das zu
deren Entfernung benutzte Bett entweder Na oder H-Ionen.
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Der Nachteil des Gleichstrom-Ionenaustauschverfahrens lasst sich
zu einem grossen Teil durch das bekannte Fraktionen-Verfahren beheben. Dabei wird
auf das Bett einem Lösung gegeben, deren Gegenionengehalt grösser ist als die im
Produkt enthaltene lonenmenge. Nachdem das Wasser und das Produkt aus dem Bett erhalten
werden, fliesst eine Lösung mit dem entsprechenden Gehalt an den Co-Ionen aus, in
der beide Gegenionen enthalten sind. Diese Lösung wird als solhe oder aufgeteilt
eingelagert. Die eingelagerte (-n) Lösung (-en) wird (werden) Fraktionen genannt.
Die Fra:ction (-en) wird (werden) im nächsten Austauschzyklus, nachdem das Austauseherbett
in der Gegenreaktion in den selben Anfangszustand gebracht wird in dem es vorhin
war, zuerst auf das Bett gegeben und erst nach dieser (diesen) folgt die von aussen
eingeführte Lösung. Aus dem Austauscherbett werden wieder das Wasser, das Produkt
und schliesSli.ch die Fraktion (-en) erhalten; letztere wird (werden) wieder ,eingelagert.
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Im bekannten Verfahren wird (werden) ls eine oder mehrere Fraktion
(-en) benutzt, um die Ergebnisse der Austauschreaktion im einfachen Gleichstromverfahren
zu verbessern und zu ermöglichen, dass während der Reaktion sowohl im Bett wie auch
in der Lösung ein weitgehender Austausch stattfindet. Diese Fraktion (-en) soll
(-en) als Reaktionsfraktion (-en) bezeichnet werden.
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Es sind auch Verfahren benannt, mit denen die Herstellung von Produkten
bezweckt wird. deren Co-Ionen-Konzen gleich tration, deren Menge/der Summe der Menge
der Gegenionen ist, möglichst nahe zur Konzentration der Co-Ionen in der eingeführten
Lösung zu stehen kommt. Um dies zu erreichen, wird
folgendes berücksichtigt. Es ist nicht zu vermeiden, aass sich noch ein Teil des
im Bett enthaltenen Wassers in die Lösung und ein Teil der Lösung in das Wasser
mischen.
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Ebensowenig ist eine Vermischung der eingeführten Lösung mit dem nachfolgend
auf das 3ett gegebenen Wasser zu vermeiden.
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Um die Konzentration des Produktes möglichst hoch zu halten und gleichzeitig
in den verdünnt anfallenden, nicht mehr wirtschaftlich verarbeitbaren Lösungen keinen
grossen Ionenverlust zu erleiden, wird (werden) in den bekannten Verfahren
ebenfalls
eine oder mehr als eine Fraktion (-en) wiederverwendet
Man kann dieses Verfahrensprinzip an beiden oder aber nur an der einen der beiden
Vermischungsstellen verwenden; wenn nur die eine Verdrängung durch Fraktionen durchgeführt
wird, so ist diese meistens die hintere.
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Diese Fraktionen werden zur Unterscheidung von den Reaktionsfraktionen
als vordere und/oder hintere Verdrängungsfraktionen benannt.
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Die bekannten Fraktionenverfahren lassen sich demnach in folgende
Varianten einteilen: 1. Verfahren nur mit Reaktionsfra?.ctionen In diesem Verfahren
werden auf das Austauscherbett gegeben: Gelagerte Reaktionsfraktion (-en) Eingeführte
Lösung Prozesswasser und aus dem Bett folgende Flüssigkeiten erhalten: Wasser Produkt
Fraktion (-en) zwn Einlagern Die Zugabe des Prozesswassers wird beendet, wenn die
(letzte) Fraktion mit ihrem vollen Volumen in ihren Behälter eingefüllt ist. In
vielen Fällen wird noch Waschwasser auf das Bett gegeben, um die darin gebliebenen
ungebundenen Salze der Lösung zu entfernen.
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Die Fraktion (-en) wird (werden) eingelagert und im nächsten Zyklus
auf der selben Stelle des Verfahrensablaufs in derselben Weise wiederverwendet.
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Die heute industriell noch benutzten Fraktionenverfahren gehören
meistens zu dieser Variante. Sie unterscheiden sich untereinander in der Anzahl
der Fraktionen, in der Art und Weise, wie man den Nachteil der Verdünnung der zuletzt
eingelagerten Fraktion behebt, u.s.w. Um diese Vercünnung zu beheben, mischt man
z.B. in einem bekannten Verfahren die eingeführte Lösung zur letzten Fraktion, in
einem anderen Verfahren die mit der Lösung eingeführte wasserfreie Substanz. In
anderen belannten Fällen wird die zuletzt ausfliessende Fraktion in zwei Teilen
aufgefangen und der später ausfliessende verdünnte Teil zu Beginn der nächsten Austauschreaktion
als erste Fraktion auf das Bett gegeben.
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Dieses Verfahren hat fr-iiher eine gewisse Bedeutung gehabnt. Nach
dem Auftreten des Gegenstrom-Ionenaustauschverfahrens nimmt die Bedeutung ständig
ab, weil der apparative Aufwand die durch dieses Fraktionenverfahren erreichten
Vorteile übertrifft.
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2. Verfahren mit Reaktions- und hinteren Verdrängungsfraktion In
diesen bekannten Verfahren werden folgende Flüssigkeiten der Reihe nach auf das
Austauscherbett gegeben: Reaktionsfraktion (-en) Eingeführte Lösung Hintere Verdrängungsfraktion
(-en) Prozesswasser und aus dem Bett folgende Lösungen erhalten: Wasser Produkt
Reaktionsfraktion (-en) zum Einlagern Verdrängugnsfraktion (-en) zum Einlagern Bezüglich
des Auswaschens wird auf die Variante 1 verwiescn.
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Die zwei Gruppen der Fraktionen werden eingelagert und im nächsten
Austauschzyklus an derselben Stelle des Verfahrensablaufs auf dieselbe Weise wie
vorhin wiederverwendet.
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Dieses Verfahren wurde im Technikumsmaßstab bearbeite-t und nachher
im industriellen Maßstab verwirklicht. Der Austauschumsatz (Menge der in einer Austauschreaktion
ausgetauschten Ionen) ist im Vergleich zu den bekannten Gleichstrom-Ionenaustauschverfahren,
aber auch im Vergleich zur Variante 1, erheblich angestiegen (S.dazu Hönigschmid-Grossich,
Chem. Ing. Techn. Bd, 47, 605 (1975) 3. Verfahren mit Reaktions- und beiden Gruppen
der Verdrängungsfraktionen In dieser Variante werden folgende Flüssigkeiten auf
das Bett gegeben: Vordere Verdrängungsfraktion (-en) Reaktionsfra-ction (-en) Eingeführte
Lösung Hintere Verdrängungsfraktion (-en) Prozesswasser und aus dem Bett werden
folgende Flüssigkeiten erhalten: Wasser Vorderes Verdrängu=ngsfraktionen (-en) zum
tinlagern Produkt Reaktionsfraktion (-en) zum Einlagern Hintere Verdrängungsfraktion
(-en) zum Einlagern
Bezüglich des Auswaschens ist das bei der Variante
1 gesagte auch hier gültig.
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Mit dieser Variante wurden verschiedene Produkte in Laboratoriums-
und Technikumsmaßstab hergestellt. Diese Produkte c-rreichten nahezu die Konzentration
der eingeführten Lösung (S. DP 1 442 500). Sowohl in dieser als auch in der Variante
2 konnten Austauschumsätze erzielt werden, die nahezu oder in einigen Fällehn gleich
den theoretischen Unsetzu.ngsgraden waren. Die relativ hohe Konzentration bei gleichzeitig
niedrigem Verlust in den stark verdünnten Lösungen ermöglichten die wirtschaftliche
Anwendung des lonenaustausches in mehreren Fällen. Som konnten z.B. HCl und Na2SO4
aus NaCl und 112504 hergestellt werden; freie Weinsaure wurde aus ihrem Natriumsalz
erhalten, wobei zum Regenerieren des die Natriumionen aufnehmenden stark sauren
Kationenaustauschers Salzsäure benutzt wurde; der Verbrauch an der Säure betrug
102 - 104 % der stöichiometrischen Menge der enffernten Natriumionen.
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4. Gegenstrom-Ionenaustauschverfahren mit Fraktionen Es ist bekannt,
Fraktionen auch in Gegenstrom-lonenaustauschverfahren zu verwenden. Man kann dabei
alle drei Varianten benutzen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn man ein
hochvreines Produkt herstellen wollte, einen Teil der Fraktionen, vor allem die
hinteren Verdrngungsfraktionen nur durch einen Teil der Füllung. oder durch ein
Bett der Serie zu. leiten (S.
DOS 1642 10).
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In dieser Variante wird der eingangs erwähnte Vorteil des Gegenstromverfhrens,
in beiden Austauschreaktionen gleichzeitig Produkte mit einem hohen Gehalt an den
vom Bett enfernten Ionen herstellen zu können, durch Anwendung der Fraktionenverfahren
weiter vergrössert. Die Austauschkapazität des Bettes und die Ausnützung der Gegenionen
der eingeführten Lösung werden dabei erhöht. Wenn die Variante 3 verwendet Wird,
so werden auch hier Produkte mit hoher Konzentration erhalten.
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Die Anwendung dieser Variante konnte also die an den Ionenaustausch
gestellten Ansprüche am weitesten befriedigen.
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Bei Anwendung des Fraktionenverfahrens war es bei jeder
Variante
erforderlich, die Austauschzyklen so oft ohne jede Änderung zu wiederholen, dass
sich ein stationärer Zustand erreichcn liess, in dem sich die Zusammensetzung dcff
Proedukte und der Fraktionen in den Reak-tionen nicht mehr ändert. Dazu sind folgende
Werte unverändert zu halten: Anzahl und Volumen der Fraktionen, Volumen und Konzentration
der eingeführten Lösung, Volumen der abgeführten Flüssigkeiten, Wasser und Produkt,
schliesslich Durchsatzgeschwindigkeit und Temperatur der Flüssigkeiten; auch darf
kein Verlust an Ionenaustauschermaterial auftreten. Die Zusammensetzung der Flüssigkeiten
im stationaren Zustand hängt nur von den aufgezählten Werten ab und wird von anderen
Faktoren nicht beeinflusst. Auch die anfangliche Zusammensetzung der Fæ'ctionen
ist ohne Belang. Zur Beschreibung eines Fraktionenverfhanrens reicht demnach aus,
wenn man die oben genannten Grössen exakt angibt.
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Erst nach Erreichen des stationären Zustandes ist es möglich, über
den Effekt des durchgeführten Verfahrens etwas aussagen zu können.
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Um die erwähnten Resultate zu erzielen, muss man die Vermischung
der Fraktionen untereinander während der Abnahme, Einlagerung und Wiederaufgabe
möglichst verhindern. Ebenso muss das Austauscherbett durch die Flüssigkeiten gleichmässig
durchströmt werden, wozu eine gute Verteilung vor der Aufgabe auf das Bett und eine
gute Verteilung beim Austreten aus dem Bett erforderlich ist.
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Nachteilig bei diesen sonst vorteilhaften Varianten 2 und 3, gegebenenfalls
auch bei 4 ist es jedoch, aass dazu meistens viele Fraktionen"erforderlich sind,
die abgenommen, eingelagert in getrennten Behältern und riederaufgegeben werden
müssen. Der apparative Aufwand, der die Betriebskosten mitbedingt war vor allem
in denjenigen Fällen zu hoch, in denen das hergestellte Produkt einen relativ niedrigen
Wert hat. Dieser Nachteil kommt am stärksten zur Geltung in solchen Betriaeben,
in denen täglich nur einmal oder gar in mehreren Tagen einmal regeneriert wird,
z.3. in kleinen Galvanik-Betrieben. Zur Durchführung dieser relativ geringen täglichen
Arbeit war die manuelle Betätigung die-geeignete Arbeitsweise. Eine automatisch
betriebene und gesteuerte Anlage wäre in diesen Fällen zu kostspielig gewesen. Die
Anwendung der Verfahren mit den vielen Fraktionen bedingt
aber
in den meisten Fällen einen vollautomatisierten Betrieb.
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Um den Ionenaustausch von hohem Wirkungsgrad auch in Betriebe der
erwähnten Art einführen zu können, ist es not-Fraktionen wendig, die Durchführung
des/erfahrens unter moglichst weitgehender Beibehaltung seiner Vorteile derart zu
verbessern, dass die erforderliche Anlage einfacher wird.
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Das Gelingen dieses Vorhabens begünstigt natürlich auch die Anwendung
in anderen Fällen, in denen verwertbare oder werzvolle Produkte hergestellt werden.
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Eine Vereinfachung der Anlage ergab sich schon früher.
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Es hat sich gezeigt, dass bei Anwendung von mehreren gleichen, in
Phasenverschiebung arbeitenden Austauscherbetten von den jeweiligen Fraktionentypen
nur eine einzige benötigt
Die Fraktionenanlage ist umso aufwendiger, je mehr Fraktionen darin benutzt werden.
Jede Fraktion hat ihren Behälter, der mit einer Füll- und Entleervorrichtung versehen
ist. Die Entleerung erfolgt der Reihe nach durch Öffnen der entsprechenden Ventile
diese müssen wieder geschlossen werden, wenn der Behalter leer geworden ist, um
ihn wiederfüllen zu können. Zu diesen Schritten sind Niveaufühler, automatische
Ventile, Steuerung usw. erforderlich.
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Die Aufgabe, die Fraktionenverfahren durch ihre Verbesserung zu vereinfachen,
wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Gesamtgehalt der (einer) Fraktion
an Gegenionen auf der Basis des mit der Fraktion erreichbaren maximalen Austauschumsatzes
bemessen wird, undzwar auf die Weise, dass der Umsatz in der Fraktion während ihres
Kontaktes mit dem Austauscherbett mehr als 50 %, vorzuss-
weise mehr als 75 % des maximal erreichbareWmsatzes beträgt.
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Als überraschenae Wirkung des erfindungsgemässen Verfahrens hat es
sich ergeben, dass dadurch die Anzahl der bei der Durchführung einer Austauschreaktion
erforderlichen Fr-ttionen ohne Nachteile vermindert werden kann. Darüber hinaus
hat sich sogar gezeigt, dass auch das Gesamtvolumen der eingelargerten Fraktionen
ohne Nachteil vermindert werden kann (s. Beispiel).
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Die Erfindung macht es weiterhin möglich, dass man die Anzahl und
oder das Gesamtvolumen der Fraktionen noch weiter vermindert und dabei eine geringe
Verschlechterung des Austauschumsatzes in Kauf nimmt.
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Wie gefunden wurde, spielt beim Erzielen dieser Vorteile nicht das
Volumen, sondern der lonengehalt der Fra'-tionen die wesentliche Rolle. Der günstige
Effekt ist durch die erhebliche Zunahme des Austauschumsatzes in jeder Fraktion
erbracht worden. Diese Zunahme wurde planmässig erzielt, indem man den Ionengehalt
der Fraktionen nach dem erfindungsgemässen Verfahren bemessen hat. Die Fraktionengrösse
hat in den bekannten technischen Verfahren keine oder keine wesentliche Rolle gespielt
und war nicht gezielt festgesetzt. Noch weniger wurde der Ionengehalt einer Fraktion
als Grundlage ihrer Bemessung benutzt. Dies zeigt sich auch dadurch, dass man keinen
Bedarf hatte, einen allgemein verwendbaren rundwert zu
besitzen, ittels wolchem man Angaben bezüglich des Ionengehaltes einer Fraktion
htte machen können.
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Die Erkenntnis, dass der Begriff des maximal enrecjh baren Austauschui'nsatzes
erforderlich ist, um die Grösse einer Fraktion richtig zu bemessen, ist erst dann
entstanden, als es gefunden war, dass der Ionengehalt einer Fraktion eines der wichtigsten
Merkmale in den Ionenaustausch-Frak- -tionenverfahre ist. Durch diesen Begriff wird
ein direkter und praktisch leicht verwendbarer Zusammenhang zwischen dem Ionengehalt
einer Fraktion und der Reaktion geschaffen, die mit der Fraktion ausgeführt werden
soll. Der maximal erreichbare Austauschumsatz ist die lonenmenge, die beim Durch
leiten der einz oder mehrere Gegenionen enthaltenden Lösung, deren Zusammensetzung
der der Fraktion gleich ist, durch das Bett, das ebenfalls ein oder mehrere Gegenionen
enthalten kann, überhaupt austauschbar ist. Zur Bestimmung den maimal erreichbaren
Austauschumsatzes wird demnach die entsprechende Lösung solange durch das Austauscherbett
geleitet, bis die ausfliessende Lösung dieselbe Zusammensetzung hat wie die aufgegebene.
Im gesammelten Auslauf wird die Menge der aus dem Austauscherbett stammenden oder
der durch das bett aufgenommenen Ionen bestimme Diese Ionenmenge ist der maximal
erreichbare Austauschumsatz, Am XnGe der Bestimmung ist der Gegen-Ionengehalt des
Bettes im Gleichgewicht mit dem Gegenionengehalt der Lösung.
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Bei dieser Festlegung ist es ohne gelang, ob das Bett und/oder die
Lösung zu Beginn des Austausches nur eine oder beide Gegenionen enthalten. Mehrere
Arten von Gegenionen können auch zugegeben sein. Ilit dem maximal erreichbaren Austauschumsatz
werden andere Bedingungen oder Einflüsse, die den Verlauf der Ionenaustauschreak-
tion beeinflussen, direkt berücksichtigt, Da im Sinne der Ering = und Fraktionen
mit viel grösserem Ionengehalt als bisher benutzt werden, ist erfindungsgemäss vorgesehem,
die Fraktionen vor oder während ihrer Einlagerung gut durchzumischen.
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Der Effekt der Erfindung ist unabhängig davon, ob man die Peaktionslösung
mit Hilfe von Verdrängungsfraktinen oder mit Hilfe von Wasser aus dem Bett verdrängt.
Im letzte ten Fall wird die Konzentration der einzulagernden (letzten) Fraktion
infolge des sich zuzumischenden Wassers und der Ionengehalt derselben infolge des
grösseren Verlustes in den zu verdünnt angefallenen Lösungsteilen niedriger, Dadurch
wird aber in den meisten Fallen keine merkliche Abnahme des Austauschumsatzes bewirkt.
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Die geringe Anzahl der erfindungsgemässen Fraktionen hringt besondere
Vorteile auch in solchen Fällen, an denen die Trennkonstante der einen Austauschreaktion
relativ gross ist. Solche Reaktionen sindx u.a. der Austausch von mehrwertigen Ionen
in verdünnten Lösungen durch einwertige Ionen des Bettes, wie dies bei der Enthärtung
oder Entsalzung von Rohwasser
Entsalzung von Rohr = Zuckerlösungen, Glukoselösungen usw. Das oder die mehrwertige
(-en) Gegenion (-en) hat (haben) in der verdünnten Lösung eine viel höhere Affinität
zu den Poly-Ionen als die am Bett gebundenen Gegenionen, wie Natrium-, Ammonium-
oder Wasserstoffionen. In ei=ner anderen Gruppe solcher Fälle werden schwache Säuren,
wie z.3. Wein-, Zitronen,- Phosphorsäure oder komplexe Fe-Cyan-Säuren aus ihren
Natrium- oder anderen Salzen gewonnen, indem die Natriumionen durch Wasserszoffionen
ersetzt werden In diesem Fall haben die Co-Ionen der Lösung eine höhere Affinität
zu den Gegenionen des 3ettes als die Poly-Ionen.
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In diesen Fällen werden relativ hohe Austauscnunisa.ttze auch ohne
Anwendung der Erfindung erzielt. Das erfindungsgemässe Verfahren bringt aber durch
Erhöhung der nutzbaren Kapazität des Bettes und der Ausnützung der Gegenionen der
eingeführten Lösung eine Verbesserung des Austauscheffektes in derjenigen Reaktion,
in der keine relativ hohe Trennkonstante besteht. Wesentlich für die Wirkung der
Erfindung ist die Anwendung einer relativ einfachen, unkompendiösen Apparatur.
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Bestehende Ionenaustauschanlagen, vor allem solche, in denen das
einfache Gleichstromverfahren benutzt wird, haben den Nachteil, dass der Chemikalienverbrauch,
z.B.
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der Regeneri ermittelverbrauch in Was seraufberjei tungsanlagen, viel
höher liegt als in den zeitgemäss errichteten Anlagen. Durch Anwendung des erfindungsgemässen
Verfahrens kann man diesen Nachteil leicht beheben, indem man die zur dessen Durchftihrung
erforderliche relativ einfache Anlage zur Benützung der Fraktionen zubaut. Hier
kommt die dz weiter oben erwähnte Möglichkeit der Fortsetzung des Handbetriebs dieser
Anlagen stark zur Geltung. Eine solche Ergänzung kann sogar in den zeitgemässen
Gegenstrom-Ionenaustauschanlagen vorteilhaft sein.
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In anderen Fällen, in denen ###. schwach dissoziierte Gegenionen
verwendet werden, bringt die Erfi Dies ist der Fall z.B. bei der Anwendung der Schwefelsäure,
deren zweites Wasserstoffion zur zum kleinen Teil dissoziiert ist. Wenn man ein
Fraktionenverfahren anwendet, kann man trotzdem die Wasserstoffionen der Säure gut
ausnutzen, wenn man sich mit einer relativ niedrigen nutzbaren Kapazität des Bettes
begnügt, etwa 50 - 60 % dessen Totalkapazität.
Verwendet man das auf aiese,vorbereitete Bett in einer der erwähnten Reaktionen
mit einer relativ hohen Trennkonstante, so erhält man in der letzteren einen hohen
relativen Umsatz.
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Da die Schwefelsäure die mit dem geringsten Preis erhältliche starke
Säure ist, wird durch Anwendung dieses -Prinzips die Wirtschaftlichkeit vieler Ionenaustauschverfahren
erheblich verbessert. Der Effekt wird bei Anwendung eines Gegenstrom-Ionenaustauschverfahren
weiter e=rhöht.
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Beispiel Es sollte Weinsäure aus ihrem Natriumsalz mit Hilfe eines
stark sauren Kationenaustauschers hergestellt werden, dessen Wasserstoffionen die
Natriumionen ersetzen. Zur Regenerierung des Austauschers sollte 4 n Salzsäure genommen
werden. Zu diesem Zweck wurde die bekannte Variante das Fraktionenverfahrens mit
dem Gegenstromverfahren kombiniert ausgewählt. Die Regenerierung erfolgt in Abwärtstrom,
die Beladung im Aufwärtstrom. Zuerst sollte das bekannte Verfahren mit dem neuen
Verfahren vergleichen werden, wobei zur Beladung des Austauscherbettes mit Natriumionen
statt der Natriumtartaratlösung eine Natriumchloridlösung genommen wurde. Erst nachher
wurde die Aufgabe geläst.
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Das Austauscherbett bestand aus 500 ml Lewatit S 100, ein stark saurer
Kationenaustauscher auf Polystyrol-Sulfosäurebasis der Bayer AG.
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Die Durchstzgeschwindigkeit der Flüssigkeiten bei der Regenerierung
betrug 3000 ml/h, bei der Beladung 4000 ml/8-Zuerst wurde das bekannte Verfahren
durchgeführt: Aufgabe Nr. Volumen ml Abnahme Nr. Volumen ml 1 150 Produkt 520 2
150 1 150 3 1 50 2 1 50 4 1 50 3 150 5 150 4 150 6 150 5 150 7 150 6 150 8 1 50
7 1 50 Eingeführte 8 150 Lösung 245 4n HCkl 9 100 9 190 10 100 10 100 11 100 11
100 Wasser Nach Bedarf Bis zur Einstellung des stationären Zustandes wurden 13 Austauschzyklen
durchgeführt, indem nach jeder Regenerierung das 3ett mit der NaCl-Lösung vollständig
beladen wurde.
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Die Durchschnittswerte der letzten drei Zyklen sind: Chloridgehalt
des Produktes 97G mval Natriumionengehalt " 903 Wasserstoffionengehalt " 67 In der
Gegenreaktion wurde eine Lösung mit im Durchschnitt 908 mval Wasserstoffionen erhalten.
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Der Säureverbrauch betrug somit 107,4% und die ausgenutzte Kapazität
macht 90,8% der Totalkapazität aus.
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Zum Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wurde zuerst der
maximal erreichbare Austauschumsatz M.A.U., bestimmt. Es wurden drei verschieden
zusammengesetzte Lösungen benutzt und das damit in Reaktion gebrachte Bett war in
zwei verschiedenen Zusammensetzungen verwendet.
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Im ersten Fall war das Bett vollständig mit Natriumionen
beladen, es enthielt also 1000 mval; die Lösung war an den Chloridionen 4- n konzentriert.
Je zu 50 % waren Natriumn und Wasserstoffionen als Gegenionen vorhanden. Diese Lösung
wurde solange durch das Bett geleitet, bis die Zusammensetzung des Auslaufs die
des Zulaufs erreicht hat.
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Dabei hat das Bett 465 mval Wasserstoffionen aufgenommen.
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Tm zweiten Fall war das 3ett wieder vollständig mit Natrium -ionen
beladen und die Lösung, wieder 4 n an den Chloridionen, enthielt 77,5 e4 Natrium-
und 22,5 % Wasserstoffionen. In dieser Lösung ergab sich der M.A.U. zu 256 mval.
Schliesslich enthielt das Bett 745 mval Natrium- und 256 rnval Wasserstoffionen
und die Lösung, wieder 4 n an Chloriden, 49 % an Natrium- und 51 % an Wasserstoffionen.
Der M.A.U. betrug hier 238 rnval.
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Aufgrund dieser Messungen wurde der lonengehalt der zu benutzenden
Fraktionen zu 1200 mval Chloridionen festgelegt. Diese Menge macht 91 - 93 % des
M.A.U. in den
einzelnen Fällen aus. Das Volumen der Fraktionen hat sich daraus zu 300 ml ergeben.
Es wurden also folgende Lösungen benutzt: Aufgabe Nr. Volumen ml Abnahme Nr. Volumen
ml 1 300 Produkt 540 2 300 1 300 3 300 2 300 Eingeführte 3 300 Lösung 245 4n HCl
4 100 4 100 5 100 5 100 6 100 6 100 Wasser nach Bedarf Nach 10 Zyklen hat sich der
stationäre Zustand eingestellt. Die Durchschnittswerte der letzten drei Zyklen sind:
Chloridgehalt
des Produktes 975 mval Natriumionengehalt " 910 Wasserstoffionengehalt " 65 In der
Gegenreaktion wurde eine Lösung mit im Durchschnitt 912 mval Wasserstoffionen erhalten.
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Der Sureverbrauch beträgt hier 197,7 % und die nutzbare Kapazit4
macht 91,2 % aus.
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Diese Werte sind also in den beiden Verfahren praktisch gleich ausgenfallen.
Die Vermiderung der Anzahl der Reaktionsfraktionen von 8 auf 3 und die Verminderung
des Gesamtvolumens der Fraktionen von 1200 ml auf 900 ml hat das Er gebnis nicht
beeinflusst. Der Zweck der Erfindung, die Verbese serung des Verfahrens durch Vereinfachung
ist also erreicht worden.
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Nun wurde der Austauschzyklus der Aufgabe entsprechend durchgeführt
und in der Gegenreatkion die Natriumtartaratlösung von unten nach oben durchgeleitet.
In der Dinatriumtartaratlösung sind 150 g/l Weinsäure enthalten gewesen. Das Bett
wurde mit der Lösung vollständig beladen; die letzten Lösungsteile, in denen der
Natriumgehalt angestiegen ist und deren Menge 25 % der Gesamtmenge ausmachte, wurden
eingelagert und im nächsten Austauschzyklus als erste auf das frisch regenerierte
Bett gegeben. Nach drei Widerholungen stellte sich wieder der stationäre Zustand
ein, in dem 900 mval Natriumionen aus der Lösung entfernt wurden.
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Beim Verdrängen der Lösung wurden diejenigen Teile, deren Konzentration
über 0,5 Weinsäure pro 1 lag, zu der Hauptmenge gegeben. Der Durchschnittswert des
Natriumgehaltes im Produkt betrug 80 ppm, auf 1Q0 %-ige Weinsäure berechnett.