DE2902247A1

DE2902247A1 - Dichtungsrahmen fuer gestapelt angeordnete austauschermembranen fuer die elektrodialyse

Info

Publication number: DE2902247A1
Application number: DE19792902247
Authority: DE
Inventors: Walter Hilgendorff; Klemens Kneifel; Uwe Martens
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1979-01-20
Filing date: 1979-01-20
Publication date: 1980-08-21
Also published as: JPS5599308A; FR2446664B1; FR2446664A1; DE2902247C3; US4303493A; JPH0116522B2; DE2902247B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Dichtungsrahmen für alternierend angeordnete Anionen- und Kationen-Austauscher-

membranen einen iiembranstapels für die- Elektrodialyse, bei dem die. Rahmenränder,, welche eine mit eingelegtem netzförmigen Abstandshalter versehene Kammer umschließen, gegen

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Die Elektrodialyse ist ein elektrochemisches Membranverfahren, das zum Entsalzen oder Konzentrieren von Elektrolytlösungen und zum Abtrennen gelöster Elektrolyte von gelösten elektrisch nicht geladenen Stoffen eingesetzt wird. Hierbei v/andern elektrisch geladene Teilchen (Ionen) unter Einwirkung eines elektrischen Feldes durch Membranen, die selektiv entweder nur die negativ geladenen Teilchen (Anione\i) oder die positiv geladenen Teilchen (Kationen) durchlassen. Ordnet man solche Membranen so abwechselnd ~vn\nohon ?;vrc^vi Elektroden in einem Stapel an, daß zwischen den iiembranen Durchflußkammern entstehen, wird die Lösung in ,-jeder zweiten Kampier entsalzt und in den.dazwischenliegenden Kammern aufkonzentriert« Zur Kammerbildung liegt jeweils zwischen zwei Membranes.'ein

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überliegend angeordnete durchgehende Versorgungsund Verbindungsbohrungen für die zu behandelnde Lösung

mit
und die abgetrennten gelösten Elektrolyte bzw„

elektrisch nicht geladenen gelösten Stoffe angereicherte bzw. abgereicherte Lösung enthalten und alternierend diese Bohrungen über Zu- bzw. Abflußrinnen mit dem Inneren der

Kammer in Verbindung stehen. t

Dichtungsrahmen mit einem netzförmigen Abstandshalter, beispielsweise einem ■ Netzgewebe. Dieser Dichtrahmen sorgt außer für die Kammerbildung vor allem für die Trennung des zu verdünnenden Flüssigkeitsstromes von dem zu konzentrierenden Flüssigkeitsstrom. Damit die Kammern eines Membranstapels abwechselnd von den beiden Flüssigkeitsströmen durchströmt werden können, müssen die Dichtrahmen sowohl Auslauföffnungen für die Zuführung der einen Lösung in die entsprechende Kammer als auch Bohrungen für den Durchtritt der anderen Lösung in die nächste Kammer enthalten.

Die bisher bekanntgewordenen Dichtrahmen weisen zahlreiche Nachteile auf. Da die Zufluß- und Abflußrinnen für die eingespeiste Lösung und für den konzentrierten und den verdünnten Flüssigkeitsstrom nicht zu dicht nebeneinander lieryen dürfen, um interne Lecks zu vermeiden, hat pi?η diese Rinnen mit Abstand und relativ kleinem Querschnitt nus£fibi!i det. Das Ergebnis solcher Ausbildungen ist exne Undefinierte Ströniungsvertei lung in der Kammer, die sehr leicht zur Krustenbildung und

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damit zu einer Behinderung des Durchflusses führen kann»
Hinzu kam auch noch , daß man im Bereich der genannten .
Rinnen ein Durchbiegen der Membranen nicht vollständig I

verhindern kann, so dfiß auch durch Einschnürung der 1;

Querschnitte die Strönungsverteilung verschlechtert wird, ρ

Sich durchbiegende Membranen führen aber auch sehr häufig I

zu Undichtigkeiten zwischen den beiden Flüssigkeits- f

strömen. Der entscheidende Nachteil von mit Abstand J

angeordneten Zufluß- und Abflußrinnen ist aber vor allem !

die stark verhinderte Durchströmgeschwindigkeit im Be- ;

reich zwischen benachbarten Rinnen, so daß gerade an

ι diesen Stellen eine starke Krustenbildung" auftritt, die j

letztlich nicht nur den Wirkungsgrad herabsetzt, sondern j

auch dazu führen kann, daß die Membranen mechanisch be- J

schädigt werden.

i Da es zur Erzielung eines möglichst geringen Spannungs- i

abfalls zwischen den Elektroden von Vorteil ist„ bei
maximaler Merabranzahl die Stapeldicke möglichst klein zu
halten, verwendet man vorzugsweise sehr dünne Dichtungsrahmen.

Ausgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
verbesserten Dicht™ hm ens für die Membranstapel von
Elektrodialyse-^inrichtungen, welcher bei geringer Dicke
für eine optimale Strömungsverteilung sorgt, so daß die

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gesamte freie Mcmbrani'lüche für den Salztransport zur Verfügung stehen kann und es dabei nicht zu Krustenbildungen kommt, eine optimale Dichtwirkung auch bei niedrigem Anpreßdruck und eine große Formstabilität gewährleistet werden und bei dem ein minimaler Druckabfall in den Kammern auftritt.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zu- und Abflußrinnen in Richtung zum Kammerinheren so stark divergieren, daß sich die Strömungsmittel im wesentlichen über die volle Breite des Strömungspfades zwischen zusammenwirkenden Zu- und Abflußrinnen verteilen und daß sich die netzartigen Abstandshalter bis in die divergierenden Bereiche der Zu- und Abflußrinnen erstrecken.

Als Material für die Dichtungsrahmen hat man vorwiegend v/eiche Gummi- oder Kunststoff Sorten benutzt, obwohl für verschiedene Anwendungen und bei Einsatz bestimmter Membransorten auch harte Materialien verwendbar oder sogar notwendig sind.

Harte Materialien, ergeben nur in Verbindung mit wenigen Membransorten (relativ dicke, weiche Membrannen) eine ausreichende Dichtwirkung, sorgen aber für eine gute Stabilität des Membranstapels. Zur Abdichtung ist ein hoher Anpreßdruck erforderlich. V/eiche Materialien ergeben eine bessere Dicht-

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In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Elektrodialyse-Anordnung, für die die erfindungsge-

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Wirkung, aber die Formstabilität der Kammern ist unzureichendρ und sie sind schlechter handhabbar.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Dichtrahmen trotz einer minimalen Dickenabmessung mit Formstabilität und maximalen Dichteigenschaften zu versehen«

Diese letzterwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man auf die einander benachbarten Dichtflächen der Dichtungsrahmen im Siebdruck linienförmige Dichtungsbeschichtung en aufbringt, die vorzugsweise aus geschäumten Kunststoffen, beispielsweise aus geschäumtem Epoxyharz bestehen.

If Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben |

sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und f den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsfort'! der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist.

mäßen Dichtrahmen vorgesehen sind,

Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Membranstapels nach dem Stande der Technik,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Dichtrahmen mit eingelegtem Netzgewebe,

Fig. 4 Schnitt I - I und

Fig. 5 in vergrößertem Maßstab die rechte untere Ecke des Dichtungsrahrnens der Fig. 3 ·

Als Beispiel oj.ncs Elektrodialyse-Verfahrens zeigt die Fig. 1 schematisch das Entsalzen einer Kochsalzlösung. Zwischen den beiden Elektroden 1 und 2, deren angelegte Spannung durch den Stapel einen Strom von beispielsweise 5 Ampere hindurchtreiben kann, befinden sich drei Kammern 3, 4 und 5. Die zu entsalzende Lösung wird bei 6 zugeführt und tritt über die Anschlüsse 3', '•-'.und 5' in die drei Kammern 3, 4 und 5 ein. Zwischen den Kammern 3 ''.nd. 4 befindet sich eine Kationen-Austauschermembran 7 und zwischen den Kammern 4 und 5 eine Anionen-Austauschermembrnn Γ5. Aufgrund des angelegten Potentials

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wandern, wie in Fig. 1 eingezeichnet, die negativen Cl-Anionen in Richtung zur Elektrode 1 , während die positiv geladenen Na-Kationen zur Elektrode 2 wandern. -Durch diese Ionenstromflüsse kommt es in der Kammer 4 zu

einer Konzentrierung der bei 6 zugeführten Lösung, so daß über die Leitung 10 und den Abfluß 4" eine konzentrierte Lösung abgezogen v/erden kann. Die in den Kammern 3 und 5 verdünnte Lösung kann die erwähnten Kammern über die Anschlüsse 3" und 5" und die Leitung 9 verlassene

Die Fig. 2 zeigt in einer auseinandergezogenen perspektivischen Darstellung schematisch eine Vorrichtung, welche gemäß Fig„ 1 ,

i arbeitet. Um einen gedrängten Aufbau zu erhalten, sind die |

Leitungen 9 und 10 in den Stapel selbst hinein verlegt. ; Wie Fig. 2 erkennen IaBt, befinden sich an zwei gegenüber- jf liegenden Seiten der Elektrode 21, der Kationen-Austauscher- | membran 27, des zwincfrengelegten Abstandshalters 22, der Anionon-Austa^rjchermeriiliran 2H des nachfolgenden Abstandshalters 22' um·/, bohrungen, die praktisch die Realisierung

der Anschlüsse 3', ^¹, 5^X , 3", 4", 5" darstellen» So wird die zu behandelnde Elektrolytlösung über die Bohrungen 41, an der Elektrode 21 zugeführt. Die verdünnte Lösung sammelt sich in den Bohrungen 43 und kann über einen Anschluß 29 abgezogen v/erden. In entsprechender !'/eise kann die konzentrierte

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Losung durch die Bohrungen 44 hindurchiitrönien , um dann bei 30 abgezogen zu werden.

Hohlräume in den Elektroden und in den einen sogenannten Dichtungsrahmen 22 bildenden Abstandshalter bilden die in Fi/*, 1 mit 3, 4, 5 bezeichneten Karnuyrn. Die zugeführte Elektrolytlösung kann von der Bohrung 42 des Dichtungsrahmens 22 über eine flache Rinne 46 das Innere der zwischen den beiden Membranen 27 und 2.0 liegenden Kammer erreichen. In gleicher Weise erfolgt die Speisung der Kammer im Dichtungsrahiaen 22' zwischen der Anionen-Austauscherraembran 28 und der nachfolgenden nicht dargestellten Kationen-Austauschermembran über eine Rinne 48, die mit der Bohrung 41 in Verbindung steht.

In der Praxis v/ird der gesamte Membranstapel mit kräftigen Schraubbolzen zusammengespannt, so daß die Elektroden, Membranen und Dichtungsrahirien fest aufeinander liegen und die verschiedenen Bohrungen 41, 42, 43, 44 praktisch durchgängige Kanäle bilden, die alternativ in die Kammern der Dichtungsrahmen einmünden. Damit die Membranen nicht durchgebogen, sondern maximal abgestützt v/erden, befinden sich in den Kammern der Dichtungsrahinen 22 netzförmige Abstandshalter 49, die vorzugsweise aus einem Gewebe bestehen.

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Nachteilig ist bei den bekannten Dichtungsrahmen, daß

s in den Bereichen der Kammer, die den Rinnen 45 und 46 benachbart sind, eine geringere Strömungsgeschwindigkeit herrscht, so da'3 es dort zu Krustenbildungen kommen kann₉ die zu Undefinierten Strömungsverteilungen und einer schlechten Ausnutzung der Membranoberfläche führen«

Die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene verbesserte Ausbildung eines Dichtungsrahmens zeigen die Figuren 3 und 4. Die Fig. 4 ist in etwa eine Verkleinerung eines Originals im Maßstab 1 : 2. Anders als bei den vorbekannten Dichtungsrahmen ist hier an den gegenüberliegenden Rändern 52 und 53 des Dichtungsrahmens 51 ein»· Mehrzahl von Bohrungen angeordnet, die den vorstehend erwähnten Bohrungen 41 bis 44 entsprechen. Als Beispiel sei hier angenommen, daß die Bohrungen und 56 der Zufuhr der Elektrolytlösung dienen. An der gegenüberliegenden Rnhmenseite 53 sind ,jeweils ver*= setzt die Bohrungen 57 und 53 vorgesehen, die zur Ab= fuhr der verdünnten und der konzentrierten Lösungen dienen. Von den Bohrungen 55 und 57 führen in an sicH bekannter Weine relativ enge Kanäle in das Innere des

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Dichtungsrahmens, welcher als Abstandshalter ein eingelegtes netzförmiges Gewebe 54 enthält. Die relativ engen Kanäle, welche an die Bohrungen 55 und 57 angeschlossen sind, divergieren beispielsweise unter einem Winkel von 90°. Auf diese Weise ergibt sich eine zick-zack-förmige

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Konfiguration der Kammerbegrenzung neben den Rahmenseitenteilen 52 und 53. Die vorspringenden dreieckförmigen Teile des Dichtungsrahmens liegen praktisch in den Bereichen der Kammer, die bisher durch eine verminderte Durchströmungsgeschv/indigkeit benachteiligt waren. Es ergibt sich somit eine geordnete Strömung zwischen den , einander zugeordneten Zu- und Abflußrinnen 59 und 60 und es bleibt praM'.inch kein Teil der benachbarten Austauschermembran unausgenirtzt. Damit es nicht zu einer Querschnittsverengung in den divergierenden Abschnitten 61 kommen kann, int der in die Kammer eingelegte Abstandshalter 54 bis an die Basis der divergierenden Abschnitte 61 herangeführt.

Wie in Fig. 4 teilweise, d. h. im rechten Abschnitt mit gestrichelten Linien 62. dargestellt, wird vorzugsweise mindestens eine Fläche des Dichtungsrahmens 51 mit einer zusätzlichen plastischen Dichtmaterialbeschichtung versehen.

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Diese Dichtmaterialbeschichtung verläuft linienförmig entlang der Ränder von Kammern, Durchgangsbohrungen 55-58 und Zu- und Abflußrinnen 59, 60. "Von besonderem Vorteil ist es, diese Dichtmaterialbeschichtung 62 im Siebdruckverfahren aufzubringen, wozu sich ein geschäumter Kunststoff, vorzugsweise ein geschäumtes Epoxyharz, besonders eignet.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Bckbohrungen 63 dienen zur Aufnahme der den gesamten Membranstapel durchsetzenden Spann- oder Führungsbolzen*

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Claims

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flußrinnen mit dem Inneren der Kammer in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Abflußrinnen (59, 60) in Richtung zum Kammerinneren so stark divergieren, daß sich die Strömungsmittel im wesentlichen über die volle Breite des Strömungspfades zwischen zusammenwirkenden Zu- und Abflußrinnen (59, 60) verteilen und daß sich die netzartigen Abstandshalter (5^) bis in die divergierenden Bereiche (61) der Zu- und Abflußrinnen (59, 60) erstrecken.
2. DichtungsrrJirncn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an /rep;eniiberlief.;enden Rahmenrändern (52, 53) eine Mehrzahl von über Bohrungen (55-5H) angeschlossene divergierende Zu- und Abflußrinnen (59, 60) angeordnet ist, vrelche so aneinander grenzen, daß die inneren Kauten der sich gegenüberliegenden Rahmenränder (5?, ^r'3) eine zick-zack-förmige Kontur erhalten.
3. Dichtungsrahmen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß |äie Ralnnenränder einschließlich ί der divergierenden Rinnenteile (61) aus einem harten, formstabilnn Kunststoff mit einer zusätzlichen plastischen Dichtmaterialbeschichtung (62) versehen sind.

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4. Dichtungsr'ahmen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Di chtniaterialbe schichtung (62) aus einem geschäumten Kunststoff besteht.
5. Dichtungsrahmen nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmaterialbeschichtung (62) im Siebdruckverfahren aufgebracht ist.
6. Dichtungsrahmen nach Anspruch 3 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtmaterial (62) linienförmig entlang der Ränder von Kammer (54) Durchganicsbohrungen (55-58) und Zu- und Abflußrinnen (59, 6O) aufgebracht ist.

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