DE2553379C2

DE2553379C2 - Elektrodialysator

Info

Publication number: DE2553379C2
Application number: DE2553379A
Authority: DE
Inventors: Abraham Rehovot Kedem; Ora Kedem
Original assignee: Yeda Research and Development Co Ltd
Current assignee: Yeda Research and Development Co Ltd
Priority date: 1974-11-29
Filing date: 1975-11-27
Publication date: 1984-10-11
Also published as: CH586059A5; IL48473A0; GB1475030A; IL48473A; FR2292504B3; DE2553379A1; FR2292504A1; US4033850A

Description

(a) die anionendurchlasslge Trennwand (S, 16, 18, 27, 29, 39, 41, 48a) mit anlonenaustauschenden Ionenleltelementen (9, 23, 32,47, 52) und die kallonendurchlässlge Trennwand (7,17, 19, 28, 30, 38, 40,486) mit kationenaustauschenden Ionenleltelementen (6, 24, 33, 46, 53) In Berührung sieht,

(b) der elektrische Widerstand der Ionenleltelemente kleiner als derjenige des Dlalysates Ist, und

(c) die Ionenleltelemente sich von beiden Selten her Ins Innere des Dlalysatraumes sj erstrecken, daß sich die kationenaustauschenden Ionenleltelemente und die anlonenausiauschenden Ionenleltelemente mindestens teilweise berühren und/oder überlappen.

2. Elektrodlalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitigen Berührungsflächen . der beiden aus verschiedenen lonenaustauschermaterialien bestehenden Gruppen von Ionenleltelementen (23, ,24) mindestens teilweise parallel zu den Linien des elektrischen Feldes verlaufen (Flg. 3).

3. Elektrodlalysator nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenleltelemente (6, 52) mindestens teilweise finger- oder rippenförmlge Ansätze sind, die mit der entsprechenden Trennwand (7, 48a) einteilig hergestellt sind (Flg. 1, 2, 6. 6a).

4. Elektrodlalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Trennwand (7, 48a) des Dlalysatraums mit finger- oder rlppenförmlgen Ansätzen (6, 52) versehen ist und der verbleibende Dlalysatraum mit einem aus lonenaustauschermaterlal bestehenden Granulat (9, 53) ausgefüllt Ist, dessen Korngröße so gewählt 1st, daß es genügend Zwischenräume für die Dlaiysatströmung freiläßt (Fl g. 1, 2 und 6₅ 6a)

5. Elektrodlalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenleitelemente (32, 33, 46, 47) mindestens teilweise ein Gewebe aus Katlonenaustauscher-Fäden (33, 46) und Anlonenaustauscher-Fäden (32, 47) bilden, wobei die Gewebe so hergestellt und In den Dialysaträumen angeordnet sind, daß die Katlonenaustauscher-Fäden (33, 46) größtenteils nur an den kationendurchlasslgen Trennwänden (28, 30, 38, 40), die Anionenaustauscher-Fäden (32, 47) größtenteils nur an den anlonendurchlässlgen Trennwänden (27, 7,9, 39,41) anliegen (Flg. 4, 5 und Sa).

6. Elektrodlalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den dem Dlalysatraum zugewandten Flächen der Trennwände (38 bis 41) perforierte Folien oder Netze (44, 45) als Halter für Kationenaustauscher-Fäden (46) und Anlonenaustauscher-Fäden (47) angebracht sind, durch deren Öffnungen Schlaufen aus den Anlonenaustauscher-Fäden (46) und den Katlonenaustauscher-Fäden (47) In das Innere des Dlalysatraums hineinragen.

7. Elektrodlalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Katlonenaustauscher-Fäden (46) und die Anlonenaustauscher-Fäden (47) flUsslgkelisdicht durch die Membranen eines konventionellen Elektrodlalysators hlndUixhgefUhrt und Innerhalb des Dlalysatraums zu einander überlappenden Schlaufen geformt sind.

8. Elektrodlalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenleltelemente (23, 24) In Form eines aus zwei anelnanderllegenden Bändern bestehenden mäanderförmlgen Doppelbandes (22) ausgebildet und im Mittelbereich der Mäanderform Durchströmöffnungen (25) für das Dialysat angeoracht sind, wobei das Doppelband (22) so zwischen zwei den Dlalysatraum begrenzenden Trennwänden (16 bis 19) angeordnet Ist, daß das Anionenaustauscher-Band (23) nur die anionendurchlasslge Trennwand (16, 18), das Katlonenaustauscher-Band (24) nur die kationendurchlässige Trennwand (17,19) berührt (Flg. 3).

Die Erfindung betrifft einen Elektrodialysator rnlt einer Reihe anelnandergrenzender Strömungsräume, wobei jeweils abwechselnd ein Strömungsraum von Dialysat, der Nachbarraum von der Sole durchströmt Ist und jeder Dlalysatraum von einem seiner benachbarten Soleräume durch eine anionendurchlasslge Trennwand, vom anderen Scleraurn durch eine kationendurchlässige Trennwand getrennt Ist und die In den beiden Randbereichen liegenden Grenzräume mit der Kathode bzw. Anode einer elektrischen Spannungsqueile verbunden sind, und wobei die jeden Dlalysatraum begrenzenden Trennwände dlalysatseltlg mit aus lonenaustauschermaterlal bestehenden Ionenleltelementen In leitender Verbindung stehen.

Die bekannten Elektrodlalysatoren enthalten eine größere Anzahl benachbarter Strömungsräume, und zwar abwechselnd für Dialysat und Sole. Diese sind von dem einen benachbarten Strömungsraum durch eine membranförmlge katlonendurchlässlgc Trennwand und von dem zweiten benachbarten Strömungsraum durch eine mernbranförmlge anionendurchlasslge Trennwand getrennt. In den Strömungsräumen am Ende belinden sich Elektroden, die mit einer geeigneten Stromquelle verbunden sind. Der Durchgang des Gleichstroms durch einen solchen Elektrodlalysator ergibt In den nebeneinanderliegenden Strömungsräumen abwechselnd eine Verarmung und eine Anreicherung. Die Entsalzungsgeschwindlgkelt Ist grob dem elektrischen Strom proportional. Eine Erhöhung der Stromdichte, d. h. des Stroms pro Elnhellsfläche der Trennwand, ergibt eine erhöhte

Enisalzungsgeschwlndlgkelt. Wegen der Polarisation gibt es jedoch eine obere Grenze für die nützliche Stromdichte.

Diese Erscheinung tritt insbesondere im Dlalysai auf. Die Polarisation ist die lokale Konzentrationsanderung als Folge der lonentransportvorgänge, die einen hohen Ohm'schen Widerstand ergeben, der durch eine Annahme der Salzkonzentration der Lösung In der unmittelbaren Nachbarschaft der Trennwände hervorgerufen wird und durch bekannte Änderungen In den Trennwänden selbst. Theoretisch wird der Grenzstrom erreicht, wenn sich die lonenkonzentratlon an der Trennwandoberfläche Null nähen. Dieser Zustand tritt jedoch In der Praxis nicht ein. da die Wasserstoff- und Hydroxyllonen se'bst am lonentransport teilnehmen können. Dieser Vorgang, der als »Wasserzerlegung« bezeichnet wild, ergibt einen Stromausbeuteverlusi. Pie obere praktische Grenze für den wirksamen Strom 1st die, bei der die »Wasserzerlegung« beginnt. Weiterhin treten pH-Änderungen auf, wodurch eine Ausfällung verschiedener Substanzen auf den Trennwandoberflächen auftreten kann. Diese Wirkung wird als »Schuppenbildung« oder »Versagen« bezeichnet und bewirkt Trennwandbeschädigungen.

Es ist bekannt, daß die Stromausbeute durch Erzeugung von Wirbeln In der Flüssigkeit erhöht werden kann. Dadurch erhält man eine schnellere Diffusionsgeschwindigkeit der Salzlonen in Richtung auf die Trennwandoberflächen, wodurch die abgewanderten Ionen ersetzt werden. Es werden so viele Wirbel wie möglich erzeugt, und dls Polarisation kann erniedrigt werden, aber sie kann nicht beseitigt werden. Es Ist offensichtlich, daß die Polarlsatlonserschelnungen sehr stark von dem dynamischen Zusiai.d der Strömung abhängen

Man hat Versuche unternommen, um die Polarisation zu erniedrigen, indem man kurze Stromimpulse in einer Richtung entgegengesetzt zu dem Entsalzungsstrom angelegt hat. Dadurch kann die Polarisation ebenfalls ' \ nicht beseitigt werden.

*?^ Bekannte Elektrodlalyseanlagen besitzen verschiedene zusätzliche Nachtelle. Anlagen, die hunderte von ,^Trennwänden enthalten, müssen auseinandergebaut werden, selbst dann, wenn nur eine einzige Trennwand 'wfversagt bzw. beschädigt Ist, und solche Trennwandbeschädigungen können nicht voüständlg vermieden werden. '^s% Aus der DE-AS 10 76 625 und der dieser entsprechenden GB-PS 7 96 149 Ist ein Elektrodlalysator der ^₁ eingangs genannten Art bekannt. In diesen Druckschriften sowie auch In den britischen PS 8 58 016 und - 9 39 690 sind Vorrichtungen und Verfahren beschrieben, die dazu dienen, den Ohm'schen Widerstand von (Dialysatorströmungsräumen durch Zugabe von granulierten lonenaustauschermaterlallen zu erniedrigen. Jedoch ' haben diese Vorrichtungen und Verfahren den Nachteil, daß dann, wenn nur eine Art von lonenaustauschermaterial verwendet wird, starke Polarlsatlonseffekte an den Kontaktflächen zwischen dem ^Ionenaustauschharz und den für Anlonen durchlässigen Trennwänden und umgekehrt, auftreten. Werden dagegen Granulate aus gemischten ionenaustauschermaterialien verwendet, so ergeben sich keine ungestörten Wege für die Kationen In dem Kationenaustauscherharz und auch keine ungestörten Wege für die Anlonen In dem Anlonenaustauscherharz. Solche Granulate aus lonenausiauschermaterlallen komplizieren weiterhin die Bauart der Vorrichtungen, und der Querschnitt wird ebenfalls vergrößert.

Man hat auch vorgeschlagen. Abstandshalter zu verwenden, welche verlängerte Kationenaustauscherteilchen und verlängerte Anlonenaustauscheriellchen enthalten und mit einem Inerten Harz zu einem porösen Körper verarbeitet sind, jedoch wird die unerwünschte starke Polarisation dadurch nicht verhindert, da für keine der beiden Ionenarten, weder für die Kationen noch für die Anlonen, ein kontinuierlicher Weg vorhanden 1st.

*.ufgabe der Erfindung Ist es, einen Eleklrodlalysator zu schaffen, In dem starke Polarlsatlonseffekte awgeschaltet sind und In dem sich weltgehend ungestörte Ionenwege ergeben.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Elektrodlalysator der eingangs genannten Art erfind ungsgemäß dadurch gelöst, daß:

(a) die anlonendurchlässlge Trennwand mit anlonenaustauschenden Ionenleltelementen und die katlonendurchlässige Trennwand mit kationenaustauschenden Ionenleltelementen In Berührung steht,

(b) der elektrische Widerstand der Ionenleitelemente kleiner als derjenige des Dlalysates Ist, und

(c) die Ionenleitelemente sich von einer oder von beiden Seiten her ins Innere des Dlaiysatraums so erstrecken, daß sich die kationenaustauschenden Ionenleitelemente und die anlonenaustauschenden lonenleltelentente mindestens teilweise berühren und/oder überlappen.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen Ionenleitelemente ergeben vergleichsweise größere Oberflächenberelche, und die Polarlsatlonswlrkungen werden stark vermindert; die Turbulenz In den Kammern wird erhöht, und zwar insbesondere an der kritischen Grenzfläche zwischen dem Ionenaustauschermateria! und der Lösung, und dls Ionenleitelemente ergeben einen Leitweg für unterschiedliche Ionen längs eines großen Teils der Entfernung zwischen den Trennwänden. Dadurch, daß die anlonendurchlässlge Trennwand mit anlonenaustauschenden Leitelementen und die kationendurchlässige Trennwand mit kationenaustauschenden Ionenleltelementen in Berührung steht, wird ein nlchtgestörter bzw. ungebrochener Pfad oder Weg für die Ionen, für die jedes dieser Materialien selektiv ist, geschaffen.

Die lokale »Wasserzerlegung« bezieht sich auf das Eindringen von Protonen und Hydroxyllonen In die kationenaustauschenden und die anionenaustauschenden Ionenleitelemente.

Die lokale Wasserzerlegung kann an Kontaktflächen zwischen den unterschiedlichen lonenleitelementen auftreten; wegen des vergleichsweise kleinen Querschnitts der Ionenleitelemente auf Ihre Länge 1st ein Re-Austauschverfahren für andere Ionen im Dlalysalraum möglich, und die negativen Wirkungen der Wasserzerlegung werden größtenteils vermieden.

Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus. daß jeweils eine Trennwand des Dialysatraums mit finger- oder rlppenförmlgen Ansätzen versehen Ist und der verbleibende Dlalysatraum mit einem aus Ionenaustauschermaterial bestehenden Granulat ausgefüllt 1st, dessen Körngröße so gewählt Ist, daß es genügend

Zwischenräume für die Dialysaictröniung freiläßt, wobei die andere Trennwand vorzugsweise flach ausgebildet ist.

Andere Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In den Figuren der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Elektrodlalysators dargestellt; es zeigt

Fig. J eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform; Fig. 2 eine vereinfachte Perspektivdarstellung der Ausführungsform gemäß Fig. 1;

Flg. 3 eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform, bei welcher die lonenleltelemente In Form mäanderförmig angeordneter Doppelbänder ausgebildet sind;
ίο Fi g. 4 die Verwendung von Ionenaustauscher-Geweben;

Fig. 5 und 5a die Verwendung von Fäden aus IonenaustauEchermateriallen; FI g. 5b eine weitere Variante; und

FIg. 6 und 6a vereinfachte Teilperspektiven einer weiteren Ausführungsform mit spiralförmiger Soleströmung.

Der gemäß den Flg. 1 und 2 ausgebildete Elektrodlalysator weist eine plattenförmlge Kathode 1 und eine ebensolche Anode 2 auf, zwischen welchen sich bei Anlegung einer elektrischen Spannung ein elektrisches Feld aufbaut. In dem Raum zwischen diesen beiden Elektroden befinden sich zwei in ihrer Gesamtheit mit 3 bzw. 4 bezeichnete Einsätze. In der Praxis wird ein Elektrodlalysator nicht nur zwei, sondern eine weit größere Anzahl solcher Einsätze aufweisen. In konstruktiver Hinsicht sind die Einsätze 3 und 4 völlig gleich.

Jeder Einsatz 3 bzw. 4 weist eine anlonendurchlässlge Trennwand 5 auf, an welcher eine mit rippenförmlgen Ansätzen 6 versehene kationendurchlässige Trennwand 7 mittels eines Klebers 8 befestigt Ist. Die kationendurchlässige Trennwand 7 und die Ansätze 6 bestehen aus Katlonenaustauscher-Material. Der Zwischenraum zwischen den Trennwänden 5 und 7 Ist mit einem Granulat 9 aus Anlonenaustauscher-Materlal gefüllt, das sich auf einem flüssigkeitsdurchlässigen Stützglied, beispielsweise e'nem Netz oder Gitter, abstützt. Durch die Anordnung der Einsätze 3 und 4 In entsprechenden Abständen ergeben sich drei von der Sole In Richtung der Pfeile 13 durchströmte Strömungsräume 10, 11 und 12, während das Dialysat quer zur Strömungsrichtung der Sole durch die mit Granulat 9 gefüllten Strömungsräume strömt.

Sowohl die Ansätze 6 als auch das Granulat 9, die kationenaustauschende bzw. anionenaustauschende Leitelemente bilden, bestehen aus einem Ionenaustauschermaterial, dessen elektrischer Widerstand relativ gering Ist, in jedem Falle aber unter demjenigen der zu dlalysierenden Lösung Hegt.

Enthält das Dialysat beispielsweise Kochsalz In gelöster Form, so werden die Chlorld-Anionen vom Einsatz 3 in den Strömungsraum 10, die Natium-Katlonen In den Strömungsraum 11 abwandern, während die Chlorid-Anionen vom Einsatz 4 in den Strömungsraum 11 und die entsprechenden Natrlurn-Kationen in den Slrömungsraum 12 gelangen.

Da sich das Katlonenaustauscher-Material der Ansätze 6 mit dem Anionenaustauscher-Materlal des Granulats 9 Innerhalb des DIalysatraums überlappt und vielfach berührt und die Berührungsstellen außerdem zum Großteil parallel zu den elektrischen Feldlinien verlaufen, ergibt sich ein ausgezeichneter lonenübergang.

Ferner weist dieser Elektrodlalysaior gegenüber den konventionellen Konstruktionen, deren Dlalysaträume

von zwei planen Membranen als Trennwänden begrenzt sind und außer dem Dialysat nur die elektrisch nlchtlei-

tenden Abstandshalter enthalten, weitere entscheidende Vorteile auf. Indem die negativen Auswirkungen der Polarisation so gut wie völlig behoben sind. Sollte nämlich Im Bereich einer der Innerhalb des DIalysatraums

liegenden Kontaktflächen eine starke, zur Wasserspaltung führende Entsalzung auftreten, so werden die aus der

Wasserspaltung entstehenden Wasserstoff- bzw. Hydroxylionen von den Ionenleltelementen aufgenommen und

in Richtung der Kathode bzw. Anode weiterbefördert; auf ihren relativ langen Wegen ir.nerhaib der !onenleiteie-

mente finden die Wasserstoff- bzw. Hydroxylionen jedoch leicht eine Möglichkeit, im Austausch gegen ein

Natrium- bzw. Chloridion wieder in den Dlalysatraum auszutreten. Große pH-Änderungen treten nicht auf, und der Strom bleibt maximal ausgenützt.

Tritt dagegen bei den konventionellen Elektrodialysatoren Wasserspaltung auf, was Immer In unmittelbarer Nähe der membranförmlgen Trennwände der Fall sein wird, so ändert sich der lokale pH-Wert, und es verelnigen sich die Wasserstoff- und Hydroxylionen In der Sole wieder zu Wasser, so daß die für die Wasserspaltung aufgewendete Energie unausgenützt bleibt.

Aufgrund des vorstehend beschriebenen Aufbaus wird die Polarisation somit entweder ganz vermieden oder

auf ein tragbares Minimum reduziert, wodurch sich eine Verbesserung der Stromausnützung (Wirkungsgrad)

ergibt. Diese Reduzierung bzw. gänzliche Vermeidung der Polarisation Ist somit eine Folge der Tatsache, daß

die Kontaktflächen zwischen den Ionenaustauschern und dem Dialysat so vergrößert werden konnten, daß die Entsalzung nicht mehr nur Im Trennwandbereich, sondern im gesamten Dlalysatraum erfolgt. Da die vom

Dialysat durchströmten Dialysaträume zweckentsprechend geformte anionen- und kationenaustauschende

lonenbitelemente enthalten, können sowohl Anionen als auch Kationen in beliebigen Abständen von den Trennwänden In die lonenleltelemente übergehen. Im elektrischen Feld mitwandern und so zur Trennwand

to gelangen, ohne die eigene Austauschphase zu verlassen. Dies ergibt sich unter anderem dadurch, daß anlonen-

und kationenaustauschende Ionenleiteleir.enie geometrisch aufeinander abgestimmt werden können.

Die der Polarisation entgegenwirkenden lonenleltelemente aus Ionenaustauscher-Material ersetzen gleichzeitig den konventionellen, zwischen den üblichen membranförmlgen Trennwänden erforderlichen Abstandshalter und dienen also auch zur Erzeugung von Stromwirbeln. Die Polarisation kann selbst bei langsamer Dlalysatströmung oder sehr verdünnten Dlalysaten niedrig gehalten werden.

Ferner wird aufgrund der Verkürzung der Ionenwege innerhalb des Dialysats der elektrische Widerstand verringert. Der IonenCbergang findet zum Großteil In den Ionenleiielementen statt, wo die Ionenkonzentration hoch und die Ionengeschwlndlgkeli, bei gegebenem Strom, gering Ist. Die Verkürzung des lonenweges Im

Dialysat Ist der Tatsache zuzuschreiben, daß die Kontaktflächen zwischen den anlonen- und kationenaustauschenden Ionenleltelementen In Richtung des elektrischen Stromdurchganges sehr groß sind, wogegen quer zur Stromrichtung kein oder ein sehr geringer Kontakt vorliegt; dabei Ist der Querschnitt sämtlicher Teile klein genug gewählt, um einen schnellen Ionenübergang auf die Kontaktflächen zwischen den beiden lonenaustauschenden Ionenleltelementen zu gewährleisten, was für den erwähnten Na* H* und OH' Cl" Rück-

Austausch von besonderer Bedeutung Ist.

Aufgrund des vereinfachten Aufbaus des Elekirodlalysators, die eine Folge der nun nicht mehr notwendigen Abdichtung der Dlalysaträums sowie der Verringerung der linearen Strömungsgeschwindigkeit Ist. die sich als Folge des verringerten elektrischen Widerstands in den Dlalysalräumen ergibt, kann die Wartung, weiche bei den konventionellen, aus hunderten In gegenseitigem Abstand zu haltenden membranförmlgen Trennwänden bestehenden Elektrodlalysatoren sehr zeltraubend Ist, wesentlich erleichtert werden.

Die Einsätze 3 und 4 des Elektrodlalysators gemäß den FI g. 1 und 2 lassen sich ohne weiteres in einen bestehenden Elektrodialysator konventioneller Bauart zwischen dessen membranförmlgen Trennwänden einbauen. Von den vorhandenen membranförmlgen Trennwänden wird dabei jedoch nur jede zweite benötigt, da die kationendurchlässige Trennwand 7 jeweils die Funktion der einen membranförmlgen Trennwand übernimmt.

In sämtlichen Figuren der Zeichnung Ist das anlonendurchlässlge bzw. Anionenaustauscher-Material kreuzschraffiert, während das kationendurchlässige bzw. Katlonenaustauscher-Materlal durch einfache Schrägschraffierung gekennzeichnet Ist.

Eine weitere Ausführungsform, die sich ebenfalls in bereits vorhandene Dlalysatoren zwischen deien membranförmlgen Trennwänden einbauen läßt, zeigt Flg. 3. Im elektrischen Feld zweier plattenförmiger Elektroden 14 und 15 sind vier membranförmlge Trennwände 16, 17, 18 und 19 angeordnet. Die Trennwände 16 Und 18 sind anlonendurchlässig, während die Trennwände 17, 19 kationendurchlässig sind. Das Dialysat durchströmt die zwischen Trennwänden 16 und 17 bzw. 18 und 19 befindlichen Strömungsräume in Richtung der Pfeile 20. Durch die beiden mittleren Trennwände 17 und 18 wird ein Soleraum begrenzt, den die Sole In Richtung des Pfeiles 21 durchströmt.

In den beiden Dialysaträumen sind mäanderförmlge Doppelbänder 22 angeordnet, die jeweils aus einem AnIonenaustauscher-Bar.d 23 und einem Kallonenauslauscher-Band 24 bestehen, welche übereinandergelegt und miteinander verklebt, vernäht oder auf sonstige Welse verbunden sind und anionen- und kationenaustauschende '.onenleitelemente bilden. Im Mittelbereich ist das mäanderförmige Doppelband 22 mit Durchströmöffnungen 25 versehen, durch welche das Dialysat in Richtung der Pfeile 20 hlndurchströmen kann.

Bei der gewählten Anordnung des Doppelbandes 22 1st gewährleistet, daß die Anionenaustauscher-Bänder 23 jeweils nur mit den anlonendurchlässlgen Trennwänden (16,18) und die Kationenaustauscher-Bändor 24 jeweils nur mit den kationendurchlässigen Trennwänden (17,19) in Berührung kommen. Da der Ionenübergang jeweils hauptsächlich an den dem Dialysat zugänglichen gegenseitigen Berührungsflächen der beiden Bänder 23 und 24 stattfindet, ergibt sich bei dieser Anordnung ein besonders Intensiver Ionenaustausch.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.4 sind zwischen den beiden Elektroden 25 und 26 wiederum vier membranförmige Trennwände 27, 28, 29 und 30 angeordnet. Zwischen den Trennwänden 27 und 28 sowie 29 und 30 sind auch In diesem Falle Ionenleltelemente ungeordnet, die hler In Form eines Gewebes ausgebildet sind. Das In seiner Gesamtheit mit 31 bezeichnete Gewebe setzt sich aus Anlonenaustauscher-Fäden 32 und Katlonenaustauscher-Fäden 33 zusammen. Die Verarbeitung dieser Fäden und die Anordnung des Gewebes 31 Im Zwischenraum zwischen den Trennwänden (27 und 28 bzw. 29 und 30) Ist so gewählt, daß die Anlonenaustauscher-Fäden 32 (anlonenaustauschende Ionenleltelemente) jeweils nur bzw. größtenteils mit der anlonendurchlässlgen Trennwand 27, 29 und die Kationenaustauscher-Fäden 33 (kationenaustauschende Ionenleltelemente) nur bzw. größtenteils mit der kationendurchlässigen Trennwand 28, 30 In Berührung stehen. Die Soie durchströmt den Zwischenraum zwischen den beiden Trennwänden 28 und 29 In Richtung des Pfeiles 34, während die Dialysaträume quer zur Strömungsrichtung der Sole Im Sinne der Pfeile 35 durchströmt werden. Auch die Gewebe 31 lassen sich zwischen die membranförmlgen Trennwände eines bestehenden Elektrodlalysators einsetzen.

Gemäß Flg. 5 sind Im elektrischen Feld zweier Elektroden 36 und 37 vier membranförmlge Trennwände 38, 39, 40 und 41 angeordnet. Die Strömungsräume für das Dialysat werden von den beiden Paaren von Trennwänden 38 und 39 sowie 40 und 41 begrenzt und sind mit Einsätzen versehen, die in ihrer Gesamtheit mit 42 und 43 bezeichnet sind. Jeder dieser Einsätze weist zwei, beispielsweise aus Gummi oder Plastik bestehende zur Halterung dienende Netze 44 bzw. 45 auf, an welchen eine relativ große Anzahl von Fadenschlaufen von Katlonenaustauscher-Fäden 46 bzw. Anionenaustauscher-Fäden 47 befestigt sind. Die den anlonendurchlässigen Trennwänden 39, 41 benachbarten Fäden (47) bestehen aus Anionenaustauscher-Material und bilden die anlonenaustauschenden Leitelemente, während die den kationendurchlässigen Trennwänden 38, 40 benachbarten Fäden (46) aus Katlonenaustauscher-Materlal hergestellt sind und die kationenaustauschenden Leitelemente bilden. Die einzelnen Fadenschlaufen der Kationen- bzw. Anlonenaustauscher-Fäden 46 und 47 sollen sich in der vielfältigsten Weise durchdringen, überlappen und berühren und somit eine möglichst große Oberfläche für den Ionenübergang darstellen. Anstelle der Netze 44 und 45 lassen sich auch perforierte Folien sowie Gitterstrukturen etc. verwenden.

Die Ausführungsform der Einsätze 42 und 43 gemäß Flg. 5 kann einerseits zum Einbau in einen bestehenden Elektodiatysator gedacht sein. Andererseits ist es aber auch möglich, sowohl die Trennwände 38 bis 41 als auch die Tragstrukturen die die Netze 44 und 45 gemäß der Detail figur Sa auszubilden. Die gegenseitige Verbindung der paarweise zusammengehörigen Trennwände bzw. Netze oder sonstigen Tragstrukturen kann durch Verkleben. Verschweißen, Verklemmen oder auf sonstige bekannte Art erfolgen.

Die Variante nach F1 g. 5b veranschaulicht die Verwendung eines speziell geformten, billigen Ionenaustauschmaterlals 73, das durch die Öffnungen einer inerten Kunststoffplatte 74 gepreßt wurde.

Auch die Spiralform, welche bisher aufgrund der Isolier- und Polarlsatlcnsprobleme als nicht realisierbar angesehen wurde, läßt sich zur Ausführung bringen.

FI g. 6 zeigt einen spiralförmig angeordneten Schlauch 48, der von der Sole In Richtung der Pfeile 49 durchströmt wird und dessen Windungen In einem gewissen gegenseitigen Abstand liegen. Der Schlauch 48 besteht aus zwei Teilen, die - wie Flg.6a zeigt - Im Bereich der vertikalen Symmetrieebene, d. h. an den oberen und unteren Endabschnitten, bei 50 und 51 miteinander verklebt, verschweißt, verklemmt oder auf sonstige Welse miteinander verbunden sind. Die Anwendung elastischer, durchgehender Klemmleisten erscheint vor allem In denjenigen Fällen angezeigt, In welchen die Materialien der beiden Schlauchhälften unter dem Einfluß des Dlaiysais bzw. der Sole eine stfrk unterschiedliche Quellung aufweisen.

Gemäß der In den Fig.6 und 6a gewählten Anordnung bilden sämtliche Schlauchhälften 48a eine anlonendurchlässlge Trennwand, und sämtliche Schlauchhälften 486 bilden eine kationendurchlässige Trennwand. In die Zwischenräume zwischen den einzelnen Spiralwindungen ragen rlppcnförmige Ansätze, die anlonenaustauscher.de Ionenleltelemente 52 bilden und beispielsweise einteilig mit den Schlauchhälften 48a hergestellt sein kennen und auf jeden Fall aus einem Material bestehen, dessen elektrischer Widerstand unter demjenigen der zu dlalyslerenden Lösung liegt. Von der gegenüberliegenden Seite, d. h. der Außenfläche der kationendurchlässigen Schlauchhälfte her sind die genannten Zwischenräume mit einem Katlonenaustauscher-Granulat gefüllt, das kationenaustauschende Ionenleltelemente 53 bildet. Die Schlauchspirale 1st an ihrem Umfang von einer ringförmigen Kathode 55 umgeben, die mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden sind.

Die Sole wird in das außenliegende Schlauchende eingeführt und tritt, nachdem sie den Schlauch durchströmt hat, bei 56 aus. Das Dialysat strömt quer zur Sole durch die mit den Ansätzen und dem Granulat versehenen Zwischenräume, wobei sich das Granulat auf ein unteres Netz abstützt.

Eine gegenseitige Isolierung zwischen den Ionenaustauscher-Materialien am äußeren Rand 1st auch hier, wie in allen anderen beschriebenen Fällen, Im Gegensatz zum konventionellen Elektrodlalysator nicht erforderlich. Es 1st im Gegenteil ein möglichst großflächiger, sich hauptsächlich In Richtung des elektrischen Feldes erstrekkender Kontakt zwischen den beiden Materlallei. erwünscht.

Ferner könnten beispielsweise bei der Ausfuhrungsform nach F1 g. 5 die Fadenschlaufen aus den Kationenbzw. Anlonenaustauscher-Fäden 46 bzw. 47 flüssigkeitsdicht durch die Netze 44 bzw. 45 oder sonstige Tragstrukturen geführt sein, so daß die Trennwände 40 und 41 bzw. 38 und 39 entfallen könnten.

Die spiralige Anordnung gemäß den Flg. 6 und 6a könnte z. B. auch dahingehend abgewandelt werden, daß die Strömungsräume für die Sole und das Dialysat zwei spiralig geformte Schläuche bilden, die anelnanderlie-

gend und parallel zueinander verlaufen.
j Die in den Figuren der Zeichnung angegebenen Durchflußrichlungen sind lediglich als Beispiele aufzufassen.

Die Ausbildung der Fiüssigkeits-Führungsorgane steht mit der Erfindung In keinem direkten Zusammenhang. Aufgrund der Herabsetzung des elektrischen Widerstandes In den Dlalysaträumen bezüglich des Dlalysates selbst verliert die elektrische Isolierung der Dlalysaträume ihre Bedeutung.

In der vorliegenden Beschreibung sind für die Flüssigkeit lediglich die beiden Begriffe »Sole« und »Dialysat« unterschieden. Der Klarheit halber sei ergänzend erwähnt, daß selbstverständlich zunächst eine Ausgangsflüssigkeit zugeführt wird, die sich kurz nach dem Eintritt In die Vorrichtung zu Sole und Dialysat ausbildet. Da wegen des durch die Ionenleltelemente verringerten elektrischen Widerstandes der Dlalysatrftume keine den Stromdurchgang verhindernde Trennung der Dlalysaträume erforderlich lsi. Ist eine vereinfachte Konstruktion des Elektrodlalysators möglich. In einem Elektrodlalysator mit offenen Dlalysaträumen brauchen auch die Elektroden nicht unter Druck gehallen zu werden und können daher im Hinblick auf ihre katalytlschen Eigenschaften statt Im Hinblick auf ihre mechanischen Eigenschaften gewählt werden. Beispielsweise können poröse Kohlenstolfelektroden oder andere in Brennstoffzellen verwendbare, mü Katalysatoren imprägnierte Elektroden verwendet werden, wodurch sich eine signifikante Verbllllgung des Elektrodialysators ergibt.

Die Trennwände können aus den üblichen kationendurchlässigen bzw. anionendurchlässlgen Membranmaterialien hergestellt werden.

Die Ionenleltelemente können aus Ionenaustauschern der üblichen chemischen Struktur hergestellt werden. Es kommen z. B. Kationenaustauscher, die Sulfogruppen, Carboxylgruppen oder andere anionische Gruppen so enthalten, und Anlonenaustauscher, die gegebenenfalls substituierte und/oder quaternlslerte Aminogruppen oder andere kationische Gruppen enthalten, auf der Basis von modifiziertem Polyäthylen oder von Polyvinylchlorid oder anderen Polymerisaten In Frage. Der Wassergehalt ist keinen derart strengen Beschränkungen unterworfen w'e bei den üblichen membranförmlgen Elektrodlalysetrennwänden, und die lonenselektlvltät braucht nicht so weltgehend Ideal zu sein. Die Ionenaustauscher können somit Im Hinblick auf maximale LeItfählgkelt, geringen Preis usw. gewählt werden.

Die mit Längsrippen versehene Trennwand 7 gemäß Flg. 1 kann z. B. durch Extrudieren von Kationenaustauscher-Materlallen hergestellt werden. Anlonen- oder kationenaustauschende Trennwände mit fingerförmigen Ansätzen werden z. B. durch Verformen von Anlonen- oder Kationenaustauschern zwischen zwei Walzen, von denen eine mit Blindlöchern versehen Ist, erhalten. Man kann auch perforierte Folien aus inertem Kunststoff derart zwischen den beiden Walzen hindurchführen, daß das Ionenaustauscher-Material durch die Perforierungen gepreßt wird und sich auf der einen Seite der Kunststoff-Folie fingerförmige Ansätze und auf der anderen Seite eine zusammenhängende Schicht aus Ionenaustauschern, die als Trennwand wirkt, bilden.

Mit Fadenschlaufen versehene Folien aus z. B. Gummi oder Kunststoff können hergestellt werden. Indem man Fäden aus Ionenaustauscher-Material In engem Abstand in die Inerte Gummi- oder Kunststoff-Folie einnäht, und zwar derart, daß die eine Seite der Folie hervorstehende Fadcnschlaufen und die andere flache Stiche trägt. Wenn die Durchtrltlsstellen der Fäden llUsslgkcltsdlchi sind, sind keine zusätzlichen Trennwände erforderlich.

im folgenden werden die Ergebnisse aufgeführt, die man mit el.iem kleinen Modell Im Labor erhält und die die Vorteile der vorliegenden Erfindung erläutern. Die Laborzelle besitzt eine Fläche von 10 cm² mit einer SeIemion CMW (kationenselektiven) und einer Selemlon AMW (anlonenselektiveft) membranförmigen Trennwand, hergestellt von Asahl Glass Company Ltd., Japan. Der Dlalysatraum Ist mit einem lonenleltelement gefüllt, das aus einem gestrickten .//.w. gewirkten Stoff besteht. Der Stoff enthält Fasern, die ein hydrolysates und animiertes, suifochlorlcrtcs Polyäthylen enthalten. Dadurch Ist das Material katlonenselektlv un;l anlonenselekilv. Es werden folgende Abstandsurlcn untersucht:

ia) Ein gewirktes Anionenaustausch-Material (A) und ein gewirktes Katlonenaustausch-Materlal (C), die einander berühren. Die Fasern haben einen Durchmesser von 0,3 mm und jedes der Materialien 1st mit der entsprechenden Membran In Kontakt. Die Gesamtdicke beträgt 3 mm.

(b) Die Fasern A und C sind miteinander unter Nylonnetzbildung verwirkt, ungefähr 2 mm dick. Natriumchlorldlösungen werden elektrodlalyslert. Der Entsalzungswirkungsgrad und der Widerstand der Dlalysatkammer, ausgedrückt als wirksame Dicke und berechnet als homogenes Dlaiysat, sind In der folgenden Tabelle zusammengefaßt.

Tabelle

Stromausbeuten mit den Abstandshaltern (a) und (b)

niA cm~²

8/1

Strömung cin/Sck.

d" mm

d*
mm

31	1,92	11	87,5	91,3	3,2	1,9
25	1,92	11	78,3
15,4	1,92	11		87,2	3,1	1.9
31	1,92	2,2	82,8	91,7
6,2	1,92	2,2	86.7
3i	0,64	U	78,7	82,7	2,4	1,6
23	0,64	Il	78,5	87,0
15,4	0,64	!I	81,5	86,5	1,9
7,7	0,64	11		90
6,2	0,64	Il	80,3

10

15

20

i - Stromdichie

Crf — Konzentration des Dialysais in g/Liter

η — Stromausncule in %

d - wirksame Picke der Dialysalkammer d" - wirksame Dicke mil dem Abstandshalter n d* - wirksame Dicke mit dem Abstandshalter b

Bei allen Versuchen war der pH-Wert des Dialysais konstant. Die obige Tabelle zeigt, daß die erfindungsgemäßen Anlagen die folgenden Vorteile besitzen, verglichen mit bekannten Elektrodialyseanlagen.

1) Bei niedrigeren Konzentrationen und bei einer hohen Stromdichte wird eine hohe Ausbeute erhalten.

2) Auch während einem sehr langen Enlsalzungsbetrieb Ist der Ohm'sche Widerstand geringer als bei einem homogenen Dlalysatstrom mit gleicher Dicke.

Bei einer Ausführungsform sind die Ionenleltelemente mindestens teilweise miteinander verwoben. Diese Ionerileltelemente können aus einem Flächengebllde bzw. gewebtem Material bestehen, das Fasern, Filamente oder Garne der beiden unterschiedlichen Arten von Ionenaustausch-Materialien enthält oder daraus bee :it. Die Ionenieltelemente können Bänder aus unterschiedlichen Ionenaustausch-Materlallen sein oder solche Bänder enthalten, die miteinander In Kontakt sind. Wenn die Ionenaustausch-Materlallen In Faden- oder Faserform o. ä. vorliegen, können sie von einem geeigneten, permeablen Trägerelement gestützt sein biw. von diesem getragen werden.

Die Ionenleltelemente können einen Integralen Teil der entsprechenden Trennwände bilden, und sie können als Ionenleltelemente vorliegen, die in den Raum zwischen zwei unterschiedlichen Trennwänden eines Strömungsraums In dem Elektrodlalysator eindringen.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß ein kationenaustauschendes lonenleltelement ebenfalls In Kontakt mit einer anlonendurchlässigen Trennwand sein kann und umgekehrt, ohne daß Irgendwelche unerwünschten Wirkungen auftreten.

Wird ein gewebtes Flächengebllde oder Material oder ähnliches Material verwendet, so Ist es von Vorteil, daß

der wesentliche Tell der Fasern des Garns oder ähnlicher Werkstoffe In dem Raum zwischen den Trennwänden auf solche Welse angebracht wird, daß sich das Material zum größten Teil Im wesentlichen parallel zu den Linien des elektrischen Feldes zwischen der Kathode und der Anode erstreckt. Die Konzentration des Dlalysats nimmt graduell yon der Konzentration der Beschickungslösung bis zur

S Endkonzentration des Produktes ab. In einem »offenen Gestell« bzw. einer »offenen Anlage« fließt das Dlalysat In einer einzigen Leitung, die durch die Elemente, die die Solelösung enthalten, und durch den Körper der Anlage begrenzt wird. Die Entsalzung In einer offenen Anlage ohne zu hohe Stromausbeuteverluste Ist möglich, wenn der durchschnittliche elektrische Widerstand In der Dlalysatkammer, die die Ionenleltelemente enthält, niedriger als der spezifische Widerstand der Dlalysatlösung Ist.

¹⁰ Aus konstruktiven Gründen kann es zweckmäßig sein, daß die Strömungsrichtungen benachbarter Strömungsräume quer zueinander verlaufen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche.

1 Elelctrodlalysator mit einer Reihe anelnandergrenzender Strömungsräume, wobei Jeweils abwechselnd ein Strömungsraum von Dlatysat, der Nachbarraum von der Sole durchströmt Ist und jeder Dlalysatraum von einem seiner benachbarten Soleräume durch eine anionendurchlasslge Trennwand, vom anderen Soleraum durch eine kationendurchlässige Trennwand getrennt Ist und die In den beiden Randbereichen liegenden Grenzräume mit der Kathode bzw. Anode einer elektrischen Spannungsquelle verbunden sind, und wobei die jeden Dlalysatraum begrenzenden Trennwände dlalysaiseitlg mit aus lonenaustauschermaterlal bestehenden Ionenleltelementen In leitender Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß