DE2714296C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Entkarbonlsierung von Wasser mittels Kationenaustausch bei gleichzeitiger Belüftung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entkarbonisierung von Wasser mittels Kationenaustausch unter Anwendung einer Belüftung sowie eine Apparatur zur Durchführung dieses Verfahrens. Wesentlich ist die kombinierte Durchführung der zwei dabei erforderlichen Verfahrensschritte: Belüftung und Kationenaustausch in einem Dreiphasenfließbett, in dem Kationenaustauscher und Wasser mit Luft oder auf andere Weise so vermischt werden, daß zumindest die den Bikarbonationen im Wasser entsprechende Menge an Kationen im Wasser gegen Wasserstoffionen im Kationenaustauscher ausgetauscht und das dabei entstehende, wie vom Wasser mitgeliefertes CO₂, aus dem Wasser ausgetrieben werden. Dadurch erfordert die Entkarbonisierung nur einen sehr geringen Austauscher- und Apparateaufwand.

Die Entkarbonisierung von Wasser ist ein wichtiger Verfahrensschritt in der Trinkwasseraufbereitung zur Vermeidung von Mischwasserproblemen, wie Korrosion im Verteilungsnetz und in den Hausinstallationen, sowie zur Verbesserung der Brauchwassereigenschaften; in der Kesselspeisewasseraufbereitung wird sie im Rahmen einer Vollentsalzung des Wassers durchgeführt. Neben dem Verfahren, das Wasser mittels Fällung chemisch zu entkarbonisieren, gewinnt der Ionenaustausch in letzter Zeit zunehmend an Bedeutung.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß man die Entkarbonisierung kontinuierlich ausführt indem man den Kationenaustauscher zusammen mit dem Wasser dem von Luft von unten durchströmten Suspensionsreaktor mit einer solchen Geschwindigkeit von oben zuführt daß die Verweilzeit im Reaktor zur Entkarbonisierung ausreicht den beladenen Kationenaustauscher zusammen mit dem Wasser aus dem Reaktor in einen Hydrozyklon austrägt und im Hydrozyklon den Ionenaustauscher vom Wasser trennt, oder den beladenen Kationenaustauscher in einem Absetzteil innerhalb des Reaktors vom Wasser trennt

6, Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Suspensionsreaktor mit Zu- und Abführeinrichtungen für Gase und Flüssigkeiten und mit einem Freiraum über dem Fließbett im Suspensionsreaktor, gekennzeichnet durch eine Belüftungseinrichtung \9) im unteren Teil des Suspensionsreaktors (1), einem Ringraum (4), der einen zylindrischen oder konischen und vorzugsweise über den normalen Flüssigkeitsspiegel (5) hinausreichenden Siebring (6) aufweist und eine auf den Siebring (6) und auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkende Ringbrause (7).

Lediglich die Schwierigkeiten aufgrund der Rohwasserzusammensetzung, das Abwasserproblem sowie die Kosten, insbesondere bei der Regeneration des Austauschers, bestimmen die Auswahl des Verfahrens.

4« Eine weitere Verringerung der Kosten bei der Regeneration, wie auch des Abwasserproblems, beim Einsatz von Ionenaustauschern is; nun in erster Linie durch die Entwicklung geeigneter Verfahren und durch den Einsatz billiger Regeneriermittel erreichbar. Zwei

ή solcher Möglichkeiten bieten sich, zum einen bei der Entkarbonisierung, in der Kopplung der beiden Aufbereitungsmaßnahmen: Ionenaustausch und Belüftung zu einem Dreiphasenfließbett und zum anderen bei der Regeneration schwach saurer Ionenaustauscher in der Verwendung von Kohlendioxid, zum Beispiel aus Rauch- und Synthese-Gasen (Berger-Wittmar:V. Wasser 47 [1976], 297; Chem.-Ing. Techn. 47 [1975] 613; Diss. Karlsruhe, 1976). Die Entkarbonisierung von Wasser mittels Kationenaustausch erfolgt nun dadurch, daß zunächst die Härtebildner (Ca-, Mg-Ionen) bzw. die Alkali-Ionen durch einen Kationenaustauscher in der Η-Form gegen Wasserstoff-Ionen ausgetauscht und dann die bei der Umsetzung entstehende, wie auch bereits im Rohwasser vorhandene Kohlensäure durch Entgasen entfernt werden. Dabei sind für die Umsetzungen

Ca(HCOa)₂ + Mg(HCO₃)₂ + H-Austauscher - Ca, Mg-Austauscher + 4 H₂O + 4CO₂ NaHCO₃ + KHCO₁ + H-Austauscher — Na, K-Austauscher + 2 H₂O + 2 CO₂

beliebige saure Kationenaustauscher brauchbar. Das behandelte Wasser erfährt dann je nach der Säurestärke des verwendeten Austauschers eine Absenkung des pH-Wertes, da neben der obigen Umsetzung auch die

Bildung von Mineralsäure eintritt ζ. Β. CaSO₄ + H-Austauscher— Ca-Austauscher + H₂SO₄

Im Rahmen einer Entkarbonisierung muß auch diese Mineralsäure entfernt werden, z.B. über sogenannte Pufferfilter (Austauscher in der Na- und Η-Form) oder über eine Lauge-Dosierung. Daneben läßt sich die Bildung der Mineralsäure durch Sparregeneration des Kationenaustauschers vermeiden.

Die bisher angewendeten Verfahren zur Entka^rbonisierung mittels Kationenaustausch unterscheiden sich hinsichtlich der Durchführung des Ionenaustauschs sowie hinsichtlich der Verwendung stark oder schwach saurer Ionenaustauscher¹ (Splittgerber, Ulrich, Wasseraufbereitung in Dampfkraftbetrieb, Springer- i> Verlag, 1963). Neben den klaisschen Austauschverfahren im Festbettfilter, bei dem die Beladung des Austauschen wie auch seine Regeneration im Gleichstrom erfolgen, wird der Ionenaustausch heute mit Verfahren wie den Schwebe- und Pre3bettverfahren (Regeneration im Gegenstrom) und besonders mit den kontinuierlichen Verfahren (Higgins, Asahi, Fluicon) durchgeführt Bei den letzteren findet Ionenaustausch und Regenerationen in verschiedenen Apparateteilen gleichzeitig statt Die mit diesen 2> Verfahren verbundenen Vor- und Nachteile sind von verschiedenen Autoren (Laqua, Act Hydrochim. hydrobiol. 2 [19741 375; Reuter, Chem. Techn. 26 [1974], 403; Arnold, Chem. Ing. Techn. [1975], 583; D e η g 1 e r, Chem. Ing. Techn. 47 [1975], 608) eingehend dargestellt worden.

Zur Frage des Einsatzes von stark oder schwach saurem Austauschermaterial bei der Entkarbonisierung bietet sich der schwach saure Typ wegen seiner Vorteile gegenüber dem stark sauren Austauscher besonders an: ι >

1. Er spaltet nur schwach alkalische Salze. Austausch dabei besonders der mehrwertigen Kationen entsprechend der Anionenmenge (z. B. HCO3-Ionen), keine Mineralsäurebildung.

2. Er besitzt eine hohe Kapazität.

3. Er läßt sich mit fast stöchiometrischem Chemikalienaufwand regenerieren.

Die Verwendung der schwach sauren Austauscher bei den kontinuierlichen Verfahren scheiterte allerdings bisher an der noch zu geringen Materialdichte. So arbeitet deshalb eine Fluicon-Entkarbonisierungsanlage der VEDEWA, Stuttgart, mit einem stark sauren Austauscher und regeneriert diesen zur Vermeidung von Mineralsäure mit einer Sparregeneration.

Die im Anschluß an den Ionenaustausch erforderliche >o CO₂-Entgasung erfolgt in der Regel über eine Belüftung des Wassers. Als Apparaturen werden dazu Wellbahnenkolonnen, Blasensäulen und Dispergatoren eingesetzt

Kennzeichen aller bisher bekannten Ve^rfahren zur Entkarbonisierung ist die getrennte Durchführung der beiden Verfahrensschritte Ionenaustausch und Kohlendioxid-Entgasung. Der Stoffaustausch

Ca₁Mg- H

findet zwischen Austauscher und Wasser statt (Zweiphasensystem), wobei das entstehende CO₂ zunächst im Wasser gelöst bleibt und so eine Erhöhung der Wasserstoffionen-Konzentration bewirkt. Im Falle des schwach sauren Austauschers wird dadurch dessen Austauschervermögen eingeschränkt und typweise sogar ganz aufgehoben. Dies hat sich besonders bei der NaHCO₃-Spaltung mit extrem schwach sauren Austau schern gezeigt (H i m s 1 e y, Proc. Inter. Water Conf. 10, 1962;Downing, Quinn, Bettacchi, Ind. Water Engng. 7 [1968], 32). Das anschließende Entgasen von CO2 verbessert zwar in korrosionschemischer Hinsicht die Wassereigenschaften (Entsäuerung), kann jedoch zu einer Verbesserung des lonenaustausches im Sinne einer pH-Wert-Anhebung nichts mehr beitragen. Des weiteren entgast das freiwerdende CO₂ bei drucklosem Fikerbetrieb und verhindert eine vollständige Ausnutzung des Austauscherbetts infolge Kanalbildung und Blasensteigens.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, bei dem eine Entkarbonisierung von Wasser mittels Kationenaustausch bei gleichzeitiger Belüftung erfolgt Das Verfahren soll sich durch einfache Betriebsweise und niedrige Betriebskosten auszeichnen. Die erforderliche Vorrichtung soll einfach aufgebaut sein und keine hohen Investitionskosten verursachen.

Im Rahmen von Untersuchungen zur Regeneration schwach saurer Ionenaustauscher mit CO2 sowie zum Einsatz dieser Austauscher bei der Entkarbonisierung wurde nun überraschenderweise gefunden, daß sich die Nachteile der getrennten Durchführung von Kationenaustausch und CO2-Entfernung vermeiden lassen, wenn die Entkarbonisierung in einem Fließ- oder Wirbelbett mit drei verschiedenen Phasen erfolgt

Gegenstand der Erfindung ist deshalb ein Verfahren zur Entkarbonisierung von Wasser mittels Kationenaustausch und Belüftung in einem Mehrphasenfließbett Das Kennzeichnende ist die Anwendung eines aus den 3 Phasen Kationenaustauscher, Wasser und Luft bestehenden Fließbettes, wobei man das Wasser durch Kationenaustausch (Metallion im Wasser gegen Wasserstoffion im Austauscher) ansäuert und das im Wasser mitgelieferte sowie das beim Austausch erzeugte CO2 durch gleichzeitiges Belüften aus dem Wasser austreibt. Hierzu wird gleichzeitig mit dem Ionenaustausch die Belüftung durchgeführt, so daß das entstehende, wie auch das mit dem Rohwasser bereits mitgelieferte CO₂ noch während des Kontakts Austauscher/Wasser aus dem Wasser ausgetrieben wird. Wird dazu ein stark saurer Austauscher eingesetzt, so kann zumindest die Einrichtung zur CO₂-Entfernung eingespart werden, lediglich die eventuell erzeugte Mineralsäure muß abgebunden werden. Im Falle des schwach sauren Austauschers ergeben sich darüber hinaus spezielle Vorteile.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn man die Luft als Fluidisiermittel für das Wirbelbett kontinuierlich durch den Reaktor strömen läßt. Man kann Luft oder ein anderes kohlendioxidarmes Gas dafür verwenden. Wesentlich ist das Austreiben des CO₂. Wird ein solch anderes Gas oder eine Gasmischung angewendet, dürfen die einzelnen Bestandteile der Mischung den Entkarbonisiervorgang, wie auch die Qualität des aufbereiteten Wassers nicht nachteilig beeinflussen. In dem Sinne sollte auch die Luft vorgereinigt eingesetzt werden. Die Belüftung kann drucklos oder auch bei Überdruck erfolgen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelt man das Wasser mit einem schwach sauren Ionenaustauscher und stellt das Wasser im Reaktor durch Belüften auf einen pi I-Wert größer als 7, vorzugsweise 7,3 bis 8,0 ein.

Am Beispiel eines mittelharten Wassers, das mit einem schwach sauren Ionenaustauscher in einem Dreialternativ Zweiphasenfilter entkarbonisiert wurde, läßt

sich der Unterschied in der CO2- bzw. Wasserstoffionen-Konzentration und damit die vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erkennen. Die Meßwerte derartiger Versuche sind beispielhaft
Tabelle 1 wiedergegeben.

Tabelle 1	λ	pH	Ca. Mg	HCO,	CO2	PCO2
	iiS/cm		mol/m3	mol/m3	mol/m3	bar
	500	7,38	3,27	4,65	0,58	1.7-10-2
Rohwasser	200	4,4	0,2	0	5,23	15,0-10-2
Ablauf ohne
Belüftung	200	6,9	0,2	0	0	3,0· 10t4
Ablauf mit
Belüftung

Das Rohwassesr wird bei genügend großer Austauschermenge mit oder ohne gleichzeitige Belüftung im Filter praktisch vollständig enthärtet und in seiner Leitfähigkeit erwartungsgemäß reduziert. Sein pH-Wert sinkt dagegen ohne die gleichzeitige Belüftung y in den deutlich sauren Bereich und der CO₂-Gehalt steigt auf das lOfache des Rohwasserwerts, während mit gleichzeitiger Belüftung eine weitgehende Entsäuerung erreicht wird und das Wasser in seinem pH-Wert auf einen solchen angehoben wird, wie er für eine problemlose Abgabe an das Verteilungsnetz erforderlich ist. Der Unterschied im pH-Wert macht auch deutlich, daß bei Einsatz schwach saurer Ionenaustauscher mit gleichzeitiger Belüftung die bei den bisherigen Entkarbonisierverfahren stets erforderliche säurefeste m Ausführung der Filter u. U. entfallen kann.

Der Unterschied in den Konzentrationen erklärt sich über eine Betrachtung des Gleichgewichts beim Ionenaustausch mit schwach sauren Austauschern.

In A b b. 1 sind dazu die Isothermen für die beiden 3 > Systeme aufgetragen, wie sie sich über allgemein bekannte Beziehungen (Massenwirkungsgesetz, Elektroneneutralität, Löslichkeitsgesetz, DONNAN-Verteilungsgleichgewicht) errechnen lassen. Sie geben die Beladung des schwach sauren Austauschers mit Härtebildnern an als Funktion der Lösungskonzentration. Ein Wasser mit einer Ausgangskonzentration an Ca· und Mg-Hydrogenkarbonat von z.B. 3mol/m³ verändert sich in seinem Härtegehalt während der Aufbereitung entlang einer Arbeitsgeraden, deren Neigung vom Harz-Wasser-Verhältnis abhängt Wegen der ständigen Belüftung herrscht im Dreiphasen-System der konstante CO₂-Partial-Druck der Luft (pCO₂-Luft = 3,10-⁴bar), demzufolge die im Wasser gelöste Menge an CO₂ sehr gering bleibt Beim Zweiphasen-Systern dagegen reichert sich das Wasser mit CO₂ an, so daß wegen der erhöhten Acidität des Wassers eine weitere Beladung des Austauschers nicht mehr stattfinden kann. Das Gleichgewicht beim Dreiphasen-System liefert daher eine wesentlich niedrigere Restkonzentration des Wassers an Ca und Mg als das des Zweiphasen-Systems. Andererseits läßt sich eine bestimmte Restkonzentration mit dem Dreiphasen-System unter erheblich geringerem Aufwand an Austauschermaterial erreichen. So ist z. B. für den dargestellten ω Aufbereitungseffekt mit dem Dreiphasen-System eine um den Faktor 10 geringere Austauschermenge erforderlich, da die Neigung der Arbeitsgeraden hier wesentlich steiler verlaufen kann. Der Unterschied der beiden Systeme wirkt sich ferner auch auf die Austauschgeschwindigkeit aus. Aufgrund der vergrößerten Konzentrationsdifferenz zwischen Ausgangszustand (bzw. momentanem Zustand) und Gleichgewicht beim Dreiphasen-System ist das treibende Konzentrationsgefälle erhöht und die Kinetik der Gleichgewichtseinstellung dadurch verbessert.

Vorteilhaft ist es, die Entkarbonisierung des Wassers (Beladung des Kationenaustauschers) diskontinuierlich auszuführen und im periodischen Wechsel eine Regeneration des Kationenaustauschers vorzunehmen, wobei das Wasser beim Entkarbonisieren gegenüber der Luft im Gegen- oder Gleichstrom dem Reaktor zu- und abgeführt wird. Das Verfahren wird diskontinuierlich so ausgeführt, daß der Austauscher satzweise mit dem Wasser beschickt und dieses dabei mittels Luft entsäuerl wird. Nach der Erschöpfung des Kationenaustauschers wird dieser dann im selben Reaktor regeneriert.

Es ist jedoch auch möglich, das Entkarbonisierungsverfahren kontinuierlich auszuführen. Bei dieser Verfahrensweise erweist es sich als vorteilhaft, für die Entkarbonisierung und die Regeneration jeweils eine besondere Anlage vorzusehen. Bei der kontinuierlicher Entkarbonisierung führt man den regenerierten Katio· nenaustauscher zusammen mit dem Wasser dem vor Luft von unten durchströmten Suspensionsreaktor mi einer solchen Geschwindigkeit von oben zu, daß die Verweilzeit im Reaktor zur Entkarbonisierung aus reicht Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens trag man den beladenen Ionenaustauscher zusammen mi dem Wasser aus dem Reaktor in einen Hydrozyklon au: und trennt im Hydrozyklon den Kationenaustauschei vom Wasser oder man trennt den beladenen Kationen austauscher in einem Absetzteil innerhalb des Reaktor: vom Wasser. Anschließend gelangt der Austauscher ii eine nachgeschaltete Regenerieranlage. Der Hydrozy klon muß also nicht als selbständiger Anlagentei ausgebildet sein. Zur Trennung Wasser-Kationenaus tauscher genügt bereits eine im Boden des Suspensions reaktors, je nach Wasserdurchsatz in der Anlagt eingebaute Beruhigungszone, in der der Austausche aus dem Wasser sedimentieren kann und sich aus den Reaktor abziehen läßt

Die erfindungsgemäße Anwendung des Dreiphasen fließbetts mit gasförmiger Luft oder einem änderet kohlendioxidarmen Gas, dem Wasser und dem Katio nenaustauscher als feste Phase, kann in einfacher Weisi in einem Suspensionsreaktor erfolgen, wie er al gewöhnliches Filter auch sonst zur Wasserbehandlunj verwendet wird. Wird die Regeneration des Austau schers im selben Reaktor wie die Entkarbonisierung de Wassers vorgenommen, dann arbeitet die Apparatu diskontinuierlich, aber periodisch, analog einem Re generator zur Wärmerückgewinnung, wobei hier de Kationenaustauscher als das Speichermedium wirk: Die Abb. 2 zeigt das Schema einer derartigen Anlage in der zwecks Übersichtlichkeit nur die Einrichtungei

zur Entkarbonisierung eingetragen sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens besteht aus einem Suspensior.sreaktor 1 mit Zu- und Abführeinrichtungen für Gase und Flüssigkeiten und mit einem Freiraum 2 über dem Fließbett 3 im Suspensionsreaktor 1. Das Kennzeichnende sind eine Belüftungseinrichtung 9 im unteren Teil des Suspensionsreaktors 1, ein Ringraum 4, der einen zylindrischen oder konischen und vorzugsweise über den normalen Flüssigkeitsspiegel 5 hinausreichenden Siebring 6 aufweist und eine auf Siebring und Flüssigkeitsspiegel wirkende Ringbrause 7. Letztere dient zum Niederschlagen des auf dem Flüssigkeitsspiegel schwimmenden Schaums sowie zum Abspülen von Austauscherteüchen auf der Siebfläche. Die senkrechte oder schwach geneigte Siebfläche bietet den Vorteil, nicht durch angeschwemmtes Austauschermaterial zu verstopfen, da die Teilchen von selbst wieder von der Siebfläche abfallen und/oder leicht abgespült werden können. Außerdem vergrößert sich die Siebfläche bei einem Steigen des Flüssigkeitsspiegels selbsttätig. Vorteilhaft ist es, das Gehäuse des Ringraumes zusammen mit dem aus Maschengewebe bestehenden Siebring, Ringbrause und Gehäusedeckel 8 als einheitlichen, abnehmbaren Apparateteil auszubilden.

Dadurch, daß man den vom Ringraum umgebenen Oberteil des Freiraumes mit größerem Querschnitt ausführt als den Suspensionsreaktor in Höhe des Fließbettes, vergrößert sich die wirksame Siebfläche, während sich die Strömungsgeschwindigkeit des abfließenden Wassers verringert und an das Sieb angeschwemmte Teilchen um so leichter in das Fließbett zurücksinken können.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Begasungseinrichtung 9 im Suspensionsreaktor unterhalb des Fließbetts 3 aufweist. Weiterhin vorhanden sind Mitttel zur Dosierung sowie zum Zu- und Abführen von Luft und Wasser.

In den folgenden zwei Beispielen werden das erfindungsgemäße Verfahren und die dafür zu verwendenden Vorrichtungen näher erläutert:

Beispiel 1

Die Vorrichtung zur diskontinuierlichen Ausführung des Entkarbonisierungsverfahrens besteht aus einem Suspensionsreaktor 1 zur Erzeugung eines vollständig durchmischten Dreiphasen-Fließbetts 3 mit Freiraum 2 und Ringraum 4 zur Trennung der drei Phasen. Der Ionenaustauscher wird dabei absatzweise mit Wasser und Luft beaufschlagt Zu Beginn des Entkarbonisierzyklus wird im Reaktor durch Regelorgane 10, beispielsweise Ventile für den Wasserdurchsatz 13, 20 ein derartiges Wasser/Austauscher-Verhältnis eingestellt, daß nur ein geringer Überstau vorliegt und damit gerade soviel Wasser im Reaktor vorhanden ist, daß noch eine Durchwirbelung der Austauscherkörner zur Fließbettbildung möglich ist Das bei der Entkarbonisierung anzuwendende Wasser/Austauscher-Verhältnis soll möglichst klein sein. Es liegt bei 100 bis 300 Prozent, vorzugsweise bei 130 Prozent des Austauschervolumens und erfüllt damit die Forderung nach einer möglichst geringen Verweilzeit des Wassers im Reaktor. Der Austauscher wird dann im Reaktor 1 durch den über die Zuführleitung 11 mit Regeleinrichtung 18, z. B. Ventilen zugeführten Luftstrom, der aus einer Begasungsvorrichtung 9 (bspw. eine poröse Platte oder ein Düsenboden) im Reaktor austritt, analog der Luftspülung eines Sandfilters fluidisiert, wobei das Wasser als Impulsüberträger wirkt. Um stets eine hinreichend große COrEntgasung des Wassers zu erreichen, ist ein Verhältnis des Luft/Wasserdurchsatzes von ca. 4 bis 10

^r) einzuhalten, wie es auch bei den bekannten Entsäuerungsanlagen angewendet wird. Die Luft verläßt den Reaktor über Kopf als Abgas 12, angereichert mit dem CO₂ aus dem Wasser. Die Einrichtungen 10 und 24 sind als Ablaßleitungen für das Restwasser im Reaktor

ίο ausgebildet.

Nach den bisherigen Erfahrungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt zu Beginn des Entkarbonisierzyklus mit der Belüftung eine erhebliche Schaumbildung an der Oberfläche des Fließbettes auf. Dadurch

is wird eine gewisse Menge Austauschermaterial aus dem Fließbett ausgetragen und am Ringsieb abgelagert. Um beiden Vorgängen entgegenzuwirken, befindet sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 5 eine Ringbrause 7 zum Niederschlagen des Schaums und zum Abspülen

2» der Austauscherkörner vom Ringsieb. Die Maschenweite des Ringsiebes muß stets kleiner als der Durchmesser der Ionenaustauscherkörner sein. Der Korndurchmesser geeigneten Austauschermaterials liegt zwischen 0,1 und 2 mm. Das Fließbett 3 erstreckt sich bis zur Höhe

2^r, des Flüssigkeitsspiegels 5 und ist in seinem Oberteil vom Ringraum 4 umgeben, der einerseits über einen Siebring 6 mit dem Fließbett und andererseits mit der Abflußleitung des Wassers 13 in offener Verbindung steht Der Siebring 6 reicht über den Spiegel 5 hinaus

in und ist !eicht auswechselbar an einem Stützring 14, z. B. aus Lochblech, befestigt An dem abnehmbaren Deckel 8 des Reaktoroberteils befindet sich eine absperrbare Zuleitung 15 für Wasser, mit der die Ringbrause 7 beschickt wird.

r> Für den Fall einer Behandlung des Wassers mit einem stark sauren Austauscher ist im Anschluß an und getrennt von Ionenaustausch und Belüftung eine Laugedosierung 16 zum Abbinden der erzeugten Mineralsäure vorgesehen. Diese Laijgedosierung empfiehlt sich aus Sicherheitsgründen auch beim Betreiben der Anlage mit schwach sauren Austauschern, da diese typweise auch stärker saure Gruppen enthalten können. Nach Erschöpfung des eingesetzten Austauschermaterials, deren Zeitpunkt von mehreren Faktoren wie Typ, Korngröße und Kapazität des Austauschers, Ionenangebot des Wassers, Wasserbelastung des Filters, CXVAusgasungsgrad etc. abhängt wird der Wasserdurchsatz und die Aufwirbelung mittels Belüftung beendet und der Reaktor auf Regenerationsbetrieb

so umgeschaltet Die Regeneration des Austauschers kann auch mit starker Mineralsäure durchgeführt werden, doch aufgrund des Reaktortyps ist es besonders vorteilhaft, bei Einsatz eines schwach sauren Austauschers diesen mittels CO2 unter Anwendung der

>ΐ CaCO₃-FaIhUIg zu regenerieren.

Das als diskontinuierlich bezüglich Austauscher im Beispiel 1 beschriebene Entkarbonisierverfahren kann jedoch auch als kontinuierliche Entkarbonisierung erfolgen. Ein entsprechendes Verfahrens- und Anlagebo schema zeigt die A b b. 3. Gegenüber dem diskontinuierlich betriebenen Reaktor wird hier der regenerierte Austauscher aus einer nicht gezeigten Anlage zur Regeneration zusammen mit dem Wasser in einen Suspensionsreaktor kontinuierlich aufgegeben und abgezogen. Eine dafür geeignete Vorrichtung besteht aus einem Suspensionsreaktor mit Zu- und Abführeinrichtungen für Gase und Flüssigkeiten und mit einem Freiraum über dem Fließbett im Suspensionsreaktor.

Bezeichnend ist die Ausbildung des Suspensionsreaktors als Siebbodenkolonne 1, die von unten mit Luft beschickt wird, Mittel zur Be- und Entlüftung 9,11,12, 18, Zuführeinrichtungen für Kationenaustauscher 19,25 und Wasser 10, 20 am Kopf der Kolonne, eine Austragseinrichtung 21 für Kationenaustauscher und Wasser am unteren Teil der Kolonne, die mit einem Hydrozyklon 17 verbunden ist und Einrichtungen zum getrennten Ausbringen von Ionenaustauscher 22,25 und Wasser 23 aus dem Hydrozyklon. Das folgende Beispiel ι ο erläutert die kontinuierliche Verfahrensweise und die Vorrichtung zu deren Durchführung noch näher.

Beispiel 2

Die Vorrichtung zur kontinuierlichen Ausführung des r> Entkarbonisierverfahrens besteht aus einem Suspensionsreaktor 1 mit Zu- und Abführeinrichtungen für Gase, Flüssigkeiten und Ionenaustauscher aus einem Hydrozyklon 17. Der Suspensionsreaktor ist als Siebbodenkolonne 1 ausgeführt, die von unten über eine Begasungseinrichtung 9 mit Luft beschickt wird. Die Begasungseinrichtung kann beispielsweise aus einer porösen Platte oder einem Düsenboden bestehen. Vorhanden sind weiterhin Druckregelventile zur Dosierung der Luft 18 und Feststoffventile und Leitungen für 2^r> Ionenaustauscher 19,25 und Leitungen sowie Regelventile für Wasser 10, 20 am Kopf der Kolonne, eine Austragseinrichtung 21, beispielsweise eine Blende, für Kationenaustauscher und Wasser am unteren Teil der Kolonne, die mit dem Hydrozyklon 17 verbunden ist. ίο Vorgesehen sind ferner Leitungen 22, 23 zum getrennten Ausbringen von Kationenaustauscher und Wasser aus dem Hydrozyklon. Das Verfahren der E,ntkarbonisierung läuft wie folgt ab: Der regenerierte Kationenaustauscher wird zugleich mit dem Wasser der r> Siebbodenkolonne 1 über die Zuführeinrichtungen 19, 20 beispielsweise Leitungen mit entsprechend geeigneten Ventilen, zugeführt und nach einer der Entkarbonisierdauer entsprechenden Verweilzeit über die Ausiragsleiüing 21 wieder abgezogen. Die Bodenkolonne 4» wird von unten über die Begasungseinrichtung 9 aus der Zuführleitung 11 mit Luft oder einer kohlendioxidarmen Gasmischung beaufschlagt Über die Druckregelventile 18 wird die Zu- und Abfuhr der Luft geregelt, die den Reaktor als Abgas 12 verläßt Der Ionenaustauscher 4-> samt entkarbonisiertem Wasser gelangt über die Austragsleitung 21 in den Hydrozyklon 17, wo er nach Absetzen zur Regenerationsanlage hin über die Einrichtungen 22, 25 diese sind beispielsweise als Leitungen mit ensprechenden Reststoffschleusen ausge- w bildet, ausgetragen wird. Über die Leitung 23 gelangt das Wasser nach einer Laugedosierung 16 zur Abgabe 13. Die Einrichtungen 10, 24, beispielsweise Leitungen mit entsprechenden Ventilen, dienen als Ablaßvorrichtung des Restwassers im Reaktor. <»

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen außer in seiner einfachen verfahrenstechnischen Lösung insbesondere in der damit verbundenen Wirtschaftlichkeit Durch die Kombination der beiden Verfahrensschritte Ionenaustausch und Belüftung in t>o einem Dreiphasenfließbett ist die Gleichgewichtslage und die Kinetik der Entkarbonisierung entscheidend verbessert. Dies hat bei gleichem Umsatz einen geringeren Austauscherbedarf bzw. einen höheren Wasserdurchsatz bei gleicher Anlagengröße zur Folge. Besonders kostengünstig wirkt sich das Verfahren auf die Anlagendimensionen im Sinne einer Platz/Raumersparnis aus, da ein zusätzliches, dem Austauscherfilter nachgeschaltetes Pufferfilter bzw. eine Belüftungsapparatur zur Beseitigung des CO₂ nicht mehr erforderlich ist. Da die Einstellung des pH-Wertes des Wassers (pH»7-8) bereits im Reaktor erfolgt, kann im Falle der Regeneration des Austauschers mit CO₂- und CaCO3-Fällung u. U. die besonders teuere Edelstahlausführung des Reaktors entfallen. Weitere technische Vorteile des erfindungsgcmäßcn Verfahrens liegen

a) in der gegenüber dem Festbettbetrieb erhöhten Raum-Zeit-Ausbeute, da für den Gesamtprozeß der Ionenaustausch und nicht das Austreiben des CO₂ geschwindigkeitsbestimmend ist,

b) im problemlosen Betrieb eines Suspensionsreaktors, da Verstopfungen, Kanalbildungen durch entgasendes CO₂ vermieden werden,

c) in der gleichmäßigen Beladung des Austauschers und dessen ständiger Durchwirbelung, so daß Quellungsprobleme wie bei Festbettverfahren entfallen,

d) in der ähnlich dem i-estbett geringen Verweilzeit des Wassers infolge des hohen Austauscheranteils am Fließbettvolumen.

Bezugszeichenliste

Suspensionsreaktor
Freiraum über dem Fließbett
Dreiphasenfließbett (Ionenaustauscher, Wasser, Luft oder kohlendioxidarme Gasmischung)
Ringraum

Flüssigkeitsspiegel, Oberfläche des Fließbetts
Siebring
Ringbrause
Gehäusedeckel

Begasungseinrichtung (Filterplatte, Düsenboden)
Regelventil für Wasser
Zuführleitung für Luft
Abgasleitung

Austragsleitung für Wasser
Stützring für Siebring
Zuführleitung für Wasser in die Ringbrause
Einrichtung zur Laugedosierung
Hydrozyklon
Regelventil für Luft
Zuführleitung für Ionenaustauscher
Zuführleitung für Wasser

Aastragseinrichtung für Wasser und Ionenaustauscher

Austragsleitung für Ionenaustauscher
Austragsleitung für Wasser
Ablaßleitung für Wasser
Fördereinrichtung und Ventil für Ionenaustauscher

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Entkarbonisierung von Wasser mittels Kationenaustausch und Belüftung in einem Mehrphasenfließbett, gekennzeichnet durch Anwendung eines aus den drei Phasen Kationenaustauscher, Wasser, Luft bestehenden Pließbettes, wobei man das Wasser durch Kationenaustausch ansäuert und das im Wasser mitgelieferte ι ο sowie das beim Austausch erzeugte CO2 durch gleichzeitige Belüftung aus dem Wasser austreibt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Luft kontinuierlich durch den Reaktor strömen läßt und vorzugsweise als Fluidisiermittel benutzt

3. Verfahren nach einem der Ansprüche I oder 2, dadurch gekennzeichnet daß man das Wasser mit einem schwach sauren Ionenaustauscher behandelt und dieses im Reaktor durch Belüften auf einen 2» pH-Wert größer als 7, vorzugsweise 7,3 bis 8,0 einstellt

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß man die Entkarbonisierung diskontinuierlich ausführt und im periodi- sehen Wechsel eine Regeneration des Kationenaustauschers vornimmt wobei das Wasser beim Entkarbonisieren gegenüber der Luft im Gegenoder Gleichstrom dem Reaktor zu- und abgeführt wird. «ι