DE3014839C2

DE3014839C2 - Verfahren zur Hochtemperatur-Elektrodialyse

Info

Publication number: DE3014839C2
Application number: DE3014839A
Authority: DE
Inventors: Kenkichi Mito Izumi; Osamu Kuroda; Harumi Matsuzaki; Isao Hitachi Okouchi; Sankichi Hitachi Takahashi
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1979-04-18
Filing date: 1980-04-17
Publication date: 1984-08-02
Also published as: DE3014839A1; JPS55139803A; US4351715A; US4311575A; JPS5836604B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Hochtemperaturelektrodialyse zum Entsalzen oder Konzentrieren einer Elektrolyt-Lösung gemäß der Oberbegriff des Patentanspruchs.

Aus der JP-OS 53-0 94 276 1st bekannt, daß die Dicke der durch Konzentrationspolarisation ausgebildeten Diffusionsschiohi vermindert werden kann, indem Gasblasen in die VerdOnnungskammern einer Elektrodlalyse-Vorrichiung eingeleitet werden. Die Dicke der Diffustonsschlchi wird gegenüber einem entsprechenden Verfahren, welches ohne Einleiten von Gasblasen durchgeführt wird, verringert. Aus der JP-OS 1 37 153/77 ist es ferner bekannt, eine in eine Elektrodialyse-Vorrichtung eintretende Elektrolyt-Lösung mit Hilfe von Abwärme zu erhitzen. Die Leistung der Elektrodialyse wird jedoch durch (1) die Dialyse-Rate pro Membranflächeneinheit und (2) den Energieverbrauch bestimmt. Der Bewertungsfaktor (1) ist die Grenzstromdichte, die von der Turbulenz einer Elektrolyt-Lösung abhängt. Der Bewertungsfaktor (2) ist der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden, der von der Dicke der Diffusionsschicht bei niederer Konzentration, Jie an den Selten der Entsalzungskammern nahe der Membranoberfläche gebildet werden, der Dicke einer Diffusionsschicht, die ein gewisses Maß der Konzentratlonspolarlsatlon zeigt, dem spezifischen Widerstand der Hauptschicht, dem spezifischen Widerstand der Membran und dem Grad der Verunreinigung der Membranen durch die Ausbildung von welchen Ablagen:ifcen, die durch Abscheidung von suspendierten Materialien, wie Staub, Schmutz etc. an der Membranoberfiäche gebildet werden, und aufgrund von harten Ablagerungen, die durch Abscheidung von gelösten und ionisierten Substanzen an der Membranoberfläche gebildet werden, wenn die Konzentration dieser Substanzen aufgrund der Grenzifächenverdampfung an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt-Lösung und Gasblasen den Sättigungsweri überschreitet, abhängig ist.

Außerdem hat die Verunreinigung der Membranen an den Selten der Entsalzungskammern einen Einfluß auf das Ausmaß der Konzentrationspolarisation.

Die Hochtemperatur-Elektrodialyse wird bei vorbestimmter erhöhter Temperatur der Elektrolyt-Lösung durchgeführt, um den spezifischen Widerstand und die Viskosität der Elektrolytlösung zu vermindern ^;jnd um die Elektrolyt-Lösung leicht In einen turbulenten Zustand zu versetzen und dadurch den elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden stark zu vermindern und den Energieverbrauch herabzusetzen. Wenn die Elektrodialyse bei einer Temperatur der Elektrolyt-Lösung von 60° C durchgeführt wird, kann der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden durch die Wirkung des Erhitzens im Vergleich mit dem bei 20° C durchgeführten Verfahren um etwa 40% vermindert werden. Außerdem kann durch die Verminderung der Viskosität auch der Druckverlust im Strom der Elektrolyt-Lösung zwischen den Membranen verringert werden.
g Durch das Erhitzen werden jedoch auch negative Wirkungen verursacht. So wird beispielsweise die Abschei-

m dung von harten Ablagerungen begünstigt, und infolgedessen treten Schwierigkelten, wie die Verunreinigung

g der Membran, auf, so daß die vorstehend erläuterten Vorteile durch diese Nachteile aufgewogen werden.

jp Im allgemeinen neigt die Sättigungskonzentration von Salzen zu einer Erhöhung mit ansteigender Tempera-

y 50 . tür, die Sättigungskonzentration von typischen harten Ablagerungen in Meerwasser, beispielsweise CaSO₄, CaSO₄ · 2H₂O, CaSO₄- 1/2H₂O. CaCO₃ und Mg(OH)₂. wird jedoch bei einem Temperaturanstieg nicht erhöht, sondern neigt zur Verminderung, wie aus Fi g. I ersichtlich 1st.

Wenn die Elektrodialyse von Meerwasser bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird, scheiden sich somit an der Membranoberfläche Ablagerungen selbst bei niederer Konzentration ab, wodurch die Wirksamkeit der Dialyse vermindert und die Lebensdauer der Membran beträchtlich verkürzt wird. Wenn die Elektrodialyse weiter fortgesetzt wird, werden die Dialysekammern und die Leitungen für die Elektrolyt-Lösung durch die |':j abgeschiedenen Ablagerungen verstopft und die Zuführung der Elektrolyt-Lösung wird schwierig. Das bedeutet,

!;';'·, daß die weitere Durchführung der Elektrodialyse unmöglich wird.

:'<: Es Ist daher wesentliche Voraussetzung, die Abscheidung von Ablagerungen an den Membranoberflächen bei

f.'· 60 der Hochtemperatur-Elektrodialyse von Meerwasser aus den vorstehenden Gründen zu verhindern.
[..' Es Ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die Hochtemperatur-Elektrodialyse der eingangs genannten

;; Art zur Verfügung zu stellen, wobei dieses Verfahren befähigt ist, die Abscheidung von Ablagerungen an den

; Oberflächen der Ionen-Austauschermembranen im wesentlichen zu vermeiden, wenn eine Elektrolytlösung bei

hoher Temperatur unter Verwendung der Ionen-Austauschermembranen elektrodlalysiert wird, wobei eine merkliche Wirkung des Erhitzens realisiert wird.

Diese Aufgabe wird wie aus dem vorstehenden Anspruch ersichtlich gelöst.

Die Unterschiede zwischen dem Stand der Technik und der erfindungsgemäßen Lösung sind also folgende:

1) Nach der Lehre der JP-OS 1 37 153/77 wird Gas erhitzt und in eiue Dialysezelle eingeleitet, um das Abkühlen der erwärmten Lösung zu verhindern, das stattfindet, da Luft von Raumtemperatur durchperlt. Dabei ist die Temperatur der erhitzten Luft so gewählt, daß sie der erhitzten Lösung entspricht.

2) Erfindungsgemäß wird die Elektrolytlösung mit den Gasblasen in Berührung gebracht, wobei entweder das Gas oder die Lösung so erhitzt wird, daß eine Temperaturdifferenz entsteht, die groß genug ist, um ein Verdampfen der Lösur.g an den Grenzflächen zwischen der Lösung und den Gasblasen zu bewirken. Das bedeutet daß entweder die Lösung erhitzt wird und mit den Gasblasen in Berührung gebracht wird, oder das Gas wird erhitzt und perlt durch die Lösung durch.

In der JP-OS wird weder die Aufgabenstellung zur vorliegenden Erfindung gegeben, noch die Lösung beschrieben, und zwar, daß ein Verdampfen der Lösung aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen Lösung und Gasblasen stattfinden soll, um das Absetzen eines Niederschlags zu verhindern.

Was erfolgt also durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung: Der Flüssigkeitsstrom wird durch die Gasblasen so in Bewegung gehalten, daß eine Verringerung der Konzentrationspolarisation stattfindet, so daß die Konzentration an der Membranoberfläche gleich der Wasserkonzentration wird.

Es erfolgt eine Verdampfung an der Gas-Flüssigkeits-Grenzzone, so daß eine höhere Konzentration in der Gas-Flüssigkeits-Grenzzone als die Konzentration an der Membranoberfläche entsteht. Dies führt zum Niederschlag in der Gas-Flüssigkeits-Grenzzone, d. h. in der Flüssigkeit.

Die Membranoberfläche wird durch die Gasblasen gereinigt und so die Ablagerung eines Niederschlags in der Flüssigkeit erreicht, statt einem Anhaften ar der Membranoberfläche.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird eben nur dann gelöst, wenn eine gewisse Menge Flüssigkeit in der Gas-Flüssigkeits-Grenzzone verdampft. Mit anderen Worten, es ist wesentlich, daß eine bestimmte Flüsjigkeitsmenge verdampft. Die Bedingung der Verdampfung ist eine Temperaturdifferenz, wobei selbstverständlich auch die relative Luftfeuchtigkeit des eingeleiteten Gases nicht zu aoeh sein darf, was im folgenden anhand der Fig. 5 noch erläutert wird.

Das Wesen der Erfindung, die auf dem vorstehend erläuterten Verfahrensprinzip beruht, liegt somit darin, die Abscheidung von Ablagerungen an den Oberflächen der Ionen-Austauschermembranen zu verhindern, indem dafür Sorge getragen wird, daß die höchste Konzentration der zwischen den Ionen-Austauschermsmbranen befindlichen Elektrolytlösung sich an anderen Stellen als an den Oberflächen der Membranen befindet, d. h. in der Mitte zwischen den Ionen-Austauschermembranen, wodurch ermöglicht wird, daß die Ablagerungen sich im mittleren Bereich abscheiden, und die abgeschiedenen Ablagerungen zusammen mit den aufsteigenden Gasblasen abtransportiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher erläutert.

Fig. 1 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Sättigungslöslichkelt von typischen Komponenten harter Ablagerungen in Meerwasser und der Temperatur zeigt.

Fig. 2 Ist eine schernatische Darstellung, die die Konzentrationsverteilung in einer Konzentratioriskammer bei der Elektrodialyse zeigt.

Fig. 3 Ii. ein schematisches Fließdiagramm, welches eine Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die in dieser Figur gezeigte Elektrodialyse wird durchgeführt, während die Temperatur der Elektrolytlösung bei einem höheren Wert gehalten wird, als die des in Form von Gasblasen einzuleitenden Gases.

Fig. 4 ist ein weiteres Fließdiagramm, welches eine Ausführungsform der Erfindung darstellt. In diesem Fall wird die Elektrodialyse durchgeführt, während die Temperatur des In Blasenform einzuleitenden Gases durch Erhitzen auf einem höheren Wert gehalten wird, als die der Elektrolytlösung.

Flg. 5 »st ein Diagramm, welche;, die Änderung des Zustandes der Luft darstellt, die bei der Verfahrenswelse gem'ß Beispiel 2 der Erfindung eingeleitet wird.

In Flg. 2 wird die Konzentrationsverteilung in einer Konzentrationskammer bei der Elektrodialyse gezeigt. Wenn elektrischer Strom zwischen den Elektroden 5 und 5' fließt, bewegen sich Ionen durch Elektrophorese von Ionen und aufgrumi der selektiven Permeabilität der lonenaustauschermembranen in Richtung der Konzentrationskammer. Die Elektrophorese von Ionen bedeutet die Bewegung von Ionen mit einer negativen Ladung (beispielsweise Cl") in Richtung der positiven Elektrode und die Bewegung von Ionen mit einer positiven Ladung (beispielsweise Na*) in Richtung der negativen Elektrode. Die selektive Permeabilität der Ionenaustauschermembran Ist die Eigenschaft, die darin besteht, daß eine Anlonen-Austauschermembran A nur für AnIonen durchlässig ist, während eine Kationen-Austauschermembran K nur für Kationen durchlässig ist. Die Ionen passleren somit die Ionen-Austauschermembranen und bewegen sich in die Konzentrationskammer, wodurch In der Nähe der Oberflächen der Membranen eine sehr hohe Konzentration verursacht wird. Die Erscheinung, daß eine hohe Konzentration vorherrschend an den Oberflächen der Membranen ausgebildet wird (während niedere Konzentration in der Nähe der Oberflächen der Membranen In einer Entsalzu.igskammer erzeugt wird), wird als »Konzentratlonspolarlsatlon« bezeichnet. In der In Flg. 2 gezeigten !Conzentratlonsvertellung wird der Anteil mit einem Konzentrationsgradienten als »Diffusionsschicht (<5)« bezeichnet, während der Anteil, in dem kein Konzentrationsgradient vorhanden Ist, als »Hauptschicht (/?)« bezeichnet wird. Der Grad der Konzentrationspolarisation kann durch die Dicke der Diffusionsschicht (<5) bewertet werden.

Erfindungsgemäß werden die nachstehenden drei Wirkungen der Gasblasen gleichzeitig ausgenutzt.

U) Die Gasblasen durchmischen die Elektrolytlösung zwischen den Ionen-Austauschermembranen kräftig, wodurch die Dicke der Diffusionsschicht (<5) vermindert und somit die Konzentration an den Oberflächen der Menbranen verringert wird. Die Differenz zwischen der Konzentration an den Oberflächen der Membra-

nen und der Konzentration In der Hauptschicht kann durch das Einleiten von Gasblasen auf'/₅ bis '/₆ des Werts verringert werden, der ohne Einleiten von Gasblasen vorhanden Ist.

(2) Die Elektrolytlösung wird an den Grenzflächen der Gasblasen verdampft, wodurch die Elektrolytlösung in der Nühe der Grenzflächen konzentriert wird und dadurch an dieser Stelle die Konzentration gegenüber der Konzentration an den Membranoberflächen erhöht wird, wodurch die Ausfällung von Abscheidungen in der Nähe der Grenzflächen verursacht wird.

(3) Die Abscheidung der Ausfällung, die sich an den Grenzflächen der Gasblasen abscheiden, an den Membranoberflächen wird dadurch verhindert, daß aufgrund der Durchmischung der Elektrolytlösung durch die Gasblasen eine Waschwirkung erreicht wird. Die Waschwirkung, welche die Gasblasen auf die Oberfläche

ίο der Membranen ausüben, Ist nicht wirksam für die an den Oberflächen der Membranen abgeschiedenen

Ablagerungen, jedoch sehr wirksam zum Verhindern, daß sich die In der Elektrolytlösung suspendierten Materlallen an den Oberflächen der Membranen abscheiden oder ablagern und hat außerdem die Wirkung, diese Materialien zusammen mit den Gasblasen wegzutransportleren und auszutragen.

Erfindungsgemäß kann durch das gleichzeitige Eintreten der vorstehend beschriebenen drei Wirkungen der Gasblasen und einer Temperaturdifferenz zwischen dem Gas und der Elektrolytlösung vermieden werden, daß sich harte Ablagerungen an den Oberflächen der Membranen abscheiden und die Elektrodialyse kann somit mit KUter Beständigkeit durchgeführt werden

Die Erfindung wird nachstehend ausführlicher beschrieben, wobei auf eine Ausführungsform des VeiTähreriS, bei der eine Elektrolytlösung mit hoher Temperatur angewendet wird, und eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Gas mit hoher Temperatur als Mittel zum Einstellen der Temperaturdifferenz zwischen der Elektrolytlösung und dem in Blasenform einzuleitenden Gas verwendet wird. Bezug genommen wird, die erfindungsgemäß anwendbar sind.

Beispiel 1

In Fig. 3 ist ein schematlsches Fließdiagramm gezeigt, bei der eine Elektrolytlösung mit höherer Temperatur angewendet wird, als die Temperatur des in Blasenform einzulösenden Gases, und bei der die Elektrolytlösung In Kontakt mit den Gasblasen gehalten wird (Methode 1).

Die Elektrodialysezelle 1 besteht aus Entsalzungskammern 1 und Konzentrationskammern II, die durch abwechselnd nebeneinander angeordnete Anlonen-Austauschermembranerv A und Kationen-Austauschermembranen K, die zwischen Anode 5 und Kathode 5' angeordnet sind, gebildet sind. Eine Gaszuführungseinrichtung 14 ist im unteren Teil der Entsalzungskammern I und Konzentrationskammern II vorgesehen. Die Abschnitte ΙΓ, In denen Elektroden 5 und 5' und Elektrodenflüssigkeit 15 enthalten sind, werden als Elektrodenkammern bezeichnet. Die zu entsalzende Lösung 6 und die zu konzentrierende Lösung 7 werden jeweils für sich In einem Erhitzer 2 vom Wärmeaustauscher-Typ auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und In die Entsalzungskam-

Imer I und die Konzentrationskammer H der Elektrodjaiysezeiie eingeleitet. Gas 9' wird durch die Gaszuführungseinrichtung 14 in die Dialysekammern I und II (d. h. in die Entsalzungskammern I und die Konzentrationskammern II) eingeleitet. Die zu entsalzende Lösung 6 und die zu konzentrierende Lösung 7 werden in den Elektrodlalysekammern I bzw. II elektrodialyslert, wodurch in der zu entsalzenden Lösung eine Verminderung der Salzkonzentration verursacht wird, während in der zu ,konzentrierenden Lösung eine Erhöhung der Salzkonzentration stattfindet. Die Lösungen fließen dann aus den Dialysekammern I und II aus. Das Gas 9' wird durch Entwässerungs- bzw. Trocknungs-Einrichtungen 12 zum unteren Ende der Dialysekammern I und II geleitet und In Form von Gasblasen 16 durch die Gaszuführungseinrichtung 14 eingeleitet, die mit Düsen zum Disper-

■»-^s gieren der Gasblasen versehen ist. Das Gas durchmischt die Elektrolytlösung bei hoher Temperatur, wodurch der Grad der Konzentrationspolarisation neben den Membranoberflächen vermindert wird und die Konzentrationsdifferenz zwischen den Membranoberflächen und der Hauptschicht im wesentlichen beseitigt wird. Die Verdampfung der Elektrolytlösung erfolgt an den Grenzflächen zwischen des Gasblasen und der Elektrolytlösung durch Kontakte der Elektrolytlösung mit den Gasblasen 16. wodurch die Konzentration der Elektrolytlösung an den Grenzflächen zwischen den Gasblasen und der Elektrolytlösung gegenüber anderen Teilen erhöht wird. Der gebildete Dampf wird in die Gasblasen 16 eingeschlossen, wobei Ablagerungen an den Grenzflächen abgeschieden werden. Die dabei gebildete weiße, trübe Elektrolytlösung wird zusammen mit den Gasblasen aus den Dialysekammern abströmen gelassen.
Die entsalzte Lösung und die konzentrierte Lösung, welche die Gasblasen enthalten, die aus den Dialysekammern I und II abgezogen wurden, werden einer Stufe der Abscheidung und Freisetzung von feuchtem Gas 9 in einem Gas-Flüssigkeltsabscheider 3 unterworfen und in die jeweiligen Dialysekammern zurückgeführt und dort elektrodialysiert. Andererseits wird das feuchte Gas 9 in dem Kondensator 4 kondensiert, wobei der in dem Gas enthaltene Wasserdampf als Kondensat 11 abgeschieden wird, welches mit dem entsalzten Wasser 6' vermischt oder gesondert als Frischwasser abgezogen werden kann. Gesättigtes feuchtes Gas 9', welches von Wasser befreit wurde, wird in die zu entsalzende und in die zu konzentrierende Lösung durch die Trocknungseinrichtung 12 und die Gas-Zuführungseinrichtung 14 mit den Düsen zum Dispergieren des Gases in Form von Gasblasen zurückgeführt.

Gemäß dieser Ausführungsform kann eine Vorrichtung zum Entsalzen von Meerwasser, d. h. zur Frischwasser-Produktion oder Salz-Produktion, zur Verfügung gestellt werden. Die Behandlung von Meerwasser wird nachstehend beschrieben. Die zu entsalzende Lösung 6 und die zu konzentrierende Lösung 7, für die Meerwasser als Beschickungslösung dient, werden durch Ausnutzung von Sonnenwärme oder warmem Meerwasser, das als Kühlwasser in einem mit Brennstoff betriebenen Kraftwerk angewendet wurde, etc. oder durch Ausnutzung von Sonnenwärme untertags und Verbrennung von Naturgas oder Treibstoff an wolkigen oder regnerischen

Tagen und In der Nacht in tropischen erdölproduzierenden Ländern erhitzt.

Der Heizmechanismus dieser Ausführungsform, der eine kontinuierliche Verfahrenswelse gewährleistet, umfaßt eine Heizvorrichtung 2 vom Wärmeaustauschertyp, In der Meerwasser 20 eingeschlossen Ist, und die mit Wärmeübert'agungs-Rohrabschnltten !8 u. 19 zum Erhitzen der entsalzten Lösung und der konzentrierten Lösung versehen ist, die In dem Gas-Flüssigkeltsabschelder 3 von feuchtem Gas 9 befreit wurden und zur Elektrodlalyse zurückgeführt werden. Die zu entsalzende Lösung 6 und die zu konzentrierende Lösung 7 können auf hohe Temperatur erhitzt werden, indem beispielsweise in den Erhitzer 2 vom Wärmeaustauschertyp Verbren· nunp'-.bgas 30 direkt eingeblasen wird, wodurch Beschlckungs-Meerwasser hoher Temperatur erhalten wird. f

Das Verbrennungsabgas, welches In das Beschlckungs-Meerwasser eingeblasen wurde, wird durch Leitung 23 |

an die Atmosphäre abgeleitet. Das abgeleitete Verbrennungsabgas enthält Wasserdampf und kann daher durch io H

eine Verbindungsleitung, die In Verbindung mit dem Kondensator 4 steht. In den Kondensator 4 eingeleitet 'n

werden, wodurch der Wasserdampf In dem abströmenden Verbrennungsabgas als Frischwasserkondensat erhal- i_?'

ten werden kann, und das Gas als Verfahrensgas 9' zurückgeleitet werden kann. ;s

Zum Einleiten der Gasblasen geeignete Gase sind Luft. Stickstoff etc., welche nach einer Staubentfernung mit | Hilfe des Filters 17 der Elektrodialysevorrlchtung zugeleitet werden können.

Wie In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erläutert wurde, werden bei der Elektrodialyse zum Konzentrieren oder Entsalzen der Elektrolytlösung unter Zuführung der Elektrolytlösung In Entsalzungskammern und Konzentrationskammern einer Elektrodialysezelle Gasblasen In eine Elektrolytlösung eingeleitet, die höhere Temperatur hat als die Gasblasen. In dieser Elektrodialysezelle sind die Entsalzungskammern und die Konzentrationskammern durch abwechselndes Nebeneinanderanordnen von mehreren Anlonen-Austauschermembranen und Kationen-Austauschermembranen zwischen mindestens einem Elektrodenpaar ausgebildet, und die Elektrolytlösung wird durch Erhitzen mit Hilfe eines Heizmechanismus bei höherer Temperatur gehalten, versehen mit einer Heizvorrichtung vom Wärme-Austauschertyp, welche unbehandelte (Beschlckungs-)Lösung einschließt, die dem Entsalzen und Konzentrieren unterworfen werden soll, und mit röhrenförmigen Wärme-Übertragungsabschnitten für die Rückführung von entsalzter bzw. konzentrierter Lösung aus der Elektrodialyse- zelle nach dem Befreien von den In den Lösungen enthaltenen Gasblasen ausgestattet Ist.

Versuchsergebnisse, die mit dieser Ausführungsform der Erfindung erzielt wurden, sind in Tabelle 1 gezeigt.

Die verwendete Elektrodialysezelle und die Verfahrensbedingungen sind durch nachstehende Daten charakterlslert:

Anionen- und Kationen- 3 Paare

Austauschermembranen:

Membranfläche: 21,3 dmVPlatte

Membranabstand: 4 mm

Elektrolytlösung: Meerwasser, enthaltend 2000 ppm Gips

einzuleitendes Gas: Luft (20⁰C, R.F. 70%)

Betriebsdauer: 4 Stunden (mehr als 3 Stunden, nachdem keine

Konzentrationsänderung beobachtet wurde)

Strömungsgeschwindigkeit 3 cm/sec

des eingeleiteten Gases

(als Oberflächen-Gasgeschwindigkeit)

Tabelle 1	Temperatur	Ablagerungen	Weiße Trübung	Wirksamkeit
Versuch	der Elektrolytlösung	an der Membranoberflächc	der Elektrolytlösung
	(⁰C)
	20	ja (gesamte Oberfläche)	nein	schlecht
1	30	ja (teilweise)	ja	ziemlich gut
2	40	nein	ja	gut
3	50	nein	ja	gut
4	60	nein	ja	gut
5

Wie aus den vorstehenden Versuchen ersichtlich Ist, werden Gipsablagerungen auf der gesamten Oberfläche der Membranen aus der Elektrolytlösung bei 20° C abgeschieden, die Elektrolytlösung bildet keine weiße Trübung aus, und die Elektrodialyse zeigt praktisch keine Wirksamkeit. Wenn die Elektrolytlösung bei 30° C gehalten wird, so ist die Abscheidung von Ablagerungen nur an den Oberflächen In den Ecken der Membranen der Elektrodlalysekammern zu beobachten, in anderen Teilen der Membranoberflächen wird jedoch keine Abscheidung von Ablagerungen beobachtet und die Elektrolytlösung zeigt weiße Trübung. Es scheint, daß die angestrebte Wirkung in den Teilen mit stagnierender Strömung aufgrund des Aufbaus der Eiektrodialysekammern nicht erreicht werden kann. Bei einer Temperatur der Lösung von 4(P bis 60° C ist keine wesentliche Abscheidung von Ablagerungen an den Membranoberflächen ersichtlich, wenn Luft mit üblicher Feuchtigkeit

bei Normaltemperatur (20° C) zur Ausbildung der Gasblasen verwendet wird. Die Elektrolytlösung muß dann eine Temperaturdifferenz von mindestens W C gegenüber der Luft haben. Das bedeutet, daß die Temperatur

■:; der Elektrolytlösung mindestens 30° C betragen muß, wenn das Gas bei 20° C eingeleitet wird; ein Einfluß der

α hohen Temperatur auf die Eigenschaften und die Lebensdauer der Ionen-Austauschermembran muß jedoch

5 berücksichtigt werden.

i¹ Die erflnaungsgemäße Hochtemperatur-Elektrodlalyse, bei der die Temperatur der Elektrolytlösung auf einen

;-:; höheren Wert eingestellt wird, als die des Gases, bevor diese der Elektrodlalysezelle zugeleitet werden, um die

J,;' erforderliche Temperaturdifferenz zwischen der Elektrolytlösung und dem Gas aufrechtzuerhalten, läßt sich in

wirtschaftlicher und wirksamer Welse auf Meerwasser etc. In tropischen Ländern anwenden. In denen die :'? in Sonnenenergie leicht ausgenutzt werden kann.

Experimentell wurde festgestellt, daß die Abscheidung von Ablagerungen an den Düsenteilen der Gasdlsper-'■' sionsvorrlchtung, durch welche das Gas in Form von Blasen In die Elektrolytlösung eingeleitet wird, leicht

,; stattfindet, wenn die Temperatur des einzuleitenden Gases niedriger ist, und die Temperatur der Elektrolytlö-

V sung in der Nähe der Düsenteile höher 1st, und daß die Abscheidung von Ablagerungen vermindert wird, wenn

j;· 15 die Temperatur des einzuleitenden Gases sich einer Sättigungstemperatur nähert. Die beschriebenen Schwierlg-

v'i keiten bei der Gasdlspersions-Einrichtung zum Einleiten des Gases können daher leicht mit Hilfe von einfache!

v'; Einrichtungen beseitigt werden, die auf die Elektrodlalysevorrlchtung abgestimmt sind, beispielsweise durch

'i± Verwendung von Vlbrationsdüsen oder mit Hilfe einer Einstellvorrichtung für die Temperatur und die Feuchtlg-

ψ. keil.

FiV 20

U Beispiel 2

; In Fig. 4 Ist ein weiteres schematisches Fließdiagramm gezeigt, das eine andere Ausführungsform zeigt.

fr· Gemäß dieser Ausführungsform wird das Gas auf eine höhere Temperatur erhitzt als die Elektrolytlösung und

P| 25 das erhitzte Gas in Form von Gasblasen In die Elektrolytlösung eingeleitet (vorstehend erläuterte Methode 2).

ί'Ί Gemäß dieser Ausführungsform werden die gleiche Elektrodlalysezelle 1, der Gas-Flüsslgkeltsabschelder 3,

% Kondensator 4 etc. wie In Beispiel 1 verwendet. Die Abänderung besteht darin, daß die Ausbildung und Funk-

'f; tion der Teile, welche die Einrichtung zum Einleiten des Gases betreffen, sich von den entsprechenden Teilen

i^;; des Beispiels 1 unterscheiden. Die Erläuterung der gemeinsamen Vorrichtungsteile in der Elektrodlalysevorrlch-

Li! 30 tung wird daher nachstehend weggelassen, um Wiederholungen zu vermelden.

'■<; Diese Ausführungsform ist ebenfalls zum Entsalzen von Meerwasser geeignet, wie die in Beispiel 1 beschrie-

S bene Ausführungsform. Die Erläuterung erfolgt daher unter Bezugnahme auf die Behandlung von Meerwasser

I; als Beispiel.

ψ Die beschriebene Ausführungsform bezieht sich auf eine Elektrodlalysevorrlchtung, die für Gebiete geeignet

$ 35 ist. In denen die Ausnutzung der Sonnenwärme etc. nicht einfach 1st. Das ständige Erhitzen einer großen

Il Menge an Meerwasser durch Verbrennung von Brennstoff Ist wegen seiner Unwirtschaftlichkeit in Gebieten mit

$ müdem oder kauern Klima nicht anwendbar, ausgenommen vulkanische Regionen !n der Nähe des Meerufers.

j| in denen die vulkanische Wärme ausgenutzt werden kann. So läßt sich beispielsweise selbst bei der einfachen

'jV| Maßnahme, ein heißes Gas direkt in Meerwasser einzublasen, die in Beispiel 1 durchgeführt wird, die Abschel-

fe} 40 dung und Ablagerung von harten Ablagerungen in dem Erhitzer vom Wärmeaustauschertyp nicht vermelden,

J wenn die Ablagerungen auch nur In geringem Umfang erfolgen. Aus diesem Grund verursacht die Verwendung

einer Heizvorrichtung vom Wärmeaustauschertyp als kontinuierlich betriebener Vorrichtungsteil noch einige Schwierigkeiten. Diese Schwierigkeiten aufgrund der Abscheidung von Ablagerungen können mit dieser Ausführungsform der Erfindung vermieden werden, indem als Mittel zum Erhitzen ein in die Elektrolytlösung 45 einzuleitendes Gas verwendet wird, wodurch die Ziele der Erfindung In wirksamer Weise erreicht werden können.

Die zu entsalzende Lösung 6 und die zu konzentrierende Lösung 7. für die Meerwasser als Beschickungs-Elektrolytlösung 20 dient, werden In der gleichen Weise, die vorstehend für die zu entsalzende und die zu konzentrierende Lösung beschrieben wurde, aus dem Gas-Flüsslgkeitsabschetder 3 In die Elektrodialysezelle 1 50 eingeleitet. Gesättigtes feuchtes Gas 9', das aus dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 3 in den Kondensator 4 eingeleitet wurde und von kondensiertem Frischwasser befreit wurde, wird durch die Trocknungseinrichtung 12 geleitet und In dem röhrenförmigen Wärmeaustauscher-Abschnitt 22 der Heizvorrichtung 21 auf eine hohe Temperatur erhitzt. Dann wird das erhitzte Gas durch den zur Wärmeübertragung dienenden röhrenförmigen Abschnitt 25 der Temperatureinstellvorrichtung 24 geleitet und in Form von Blasen durch Dispersion mit Hilfe einer 55 Gasdlspergiervorrichtung der Gaszuführungsvorrichtung 14 in die Entsalzungskammern I bzw. Konzentrationskammern II der Elektrodialysezelle 1 eingeleitet. Die auf hohe Temperatur erhitzten Gasblasen durchmischen die Elektrolytlösungen zwischen den Ionen-Austauschermembranen und vermindern somit das Ausmaß der Konzentrationspolarisation, die in der Nähe der Oberflächen der Membranen auftritt, und beseitigen im wesentlichen die Konzentrationsdifferenz zwischen den Oberflächen der Membranen und der Hauptschicht.
60 An den Grenzflächen zwischen den Gasblasen und der Elektrolytlösung erfolgt das Verdampfen der Elektrolytlösung durch den Kontakt der bei hoher Temperatur gehaltenen Gasblasen 16 mit der Elektrolytlösung und die Konzentration der Elektrolytlösung wird daher an der Grenzfläche zwischen den Gasblasen und der Elektrolytlösung höher als in anderen Teilen, wobei der gebildete Dampf von den Gasblasen 16 eingeschlossen wird und die Ablagerungen an den Grenzflächen abgeschieden werden. Die so gebildete weiß-getrObtc Elek-65 trolytlösung wird zusammen mit den Gasbiasen aus den Elekirodiaiysekarnrnern abgezogen. Die Elektrolytlösung wird dann in dem Gas-Flüssigkeltsabscheider 3 und dem Kondensator 4 in gleicher Weise wie in Beispiel 1 behandelt. Das erhaltene gesättigte feuchte Gas 9' wird im Kreislauf geführt.
Bei dieser Ausführungsform wird die Temperatur des Gases, das in der Heizvorrichtung 21 auf hohe Tempe-

ratur erhitzt wurde, in der Temperatur-Elnstellvorrichturig 24 durch Luftkühlung auf eine geeignete Temperatur eingestellt, da eine zu hohe Temperatur des Gases die Ionen-Austauschermembranen schädigt. Die Temperaturelnstellunt erfolgt durch Messen der Temperaturen im unteren Teil der Entsalzungskammern I und der Konzentrationskammern II und Einstellung des Öffnungsgrads der Drosselklappe D an der Temperatur-Elnstellvorrlchtung 24, die eine Abriegelung zur Heizvorrichtung 21 bewirkt.

In dieser Ausführungsform kann als geeignetes Gas 13, welches In Form von Blasen eingeleitet wird, Luft, Stickstoff etc. verwendet werden, und dieses Gas wird nach der Staubentfernung durch das Filter 17 In die Elektrodlalysezelle eingeleitet.

In Fig. 5 Ist ein Diagramm dargestellt, das die Veränderung des Zustandes eines Gases (Luft) zeigt. Je niedriger die Feuchtigkeit eines in die Elektrolytlösung einzuleitenden Gases hoher Temperatur Ist, umso besser Ist die Verdampfungswirkung an der Grenzfläche zwischen den Gasblasen und der Elektrolytlösung durch den Kontakt der Gasblasen mit der Elektrolytlösung.

Flg. 5 verdeutlicht die Verfahrenswelse der Ausführungsform gemäß Fig. 4, bei der die Trocknungsvorrichtung umgangen wird.

Die gestrichelte Kurve in Flg. 5 Ist die mit gesättigter feuchter Luft unter Atmosphärendruck von 760 mm Hg erhaltene Kurve, und die eingezeichneten Linien zeigen den Fall des stationären Zustandes an (b - d - c), in welchem Luft mit gegebener Feuchtigkeit bei 84° C (Punkt b) in eine bei 20° C gehaltene Elektrolytlösung eingeleitet wird und die Temperatur der Elektrolytlösung 40° C (Punkt d) durch den Wärmeaustausch zwischen der Luft hohe;- Temperatur und der Elektrolytlösung bei ihrem Kontakt erreicht. Nachstehend wird dieser Fall unter Bezugnahme auf die In Flg. 4 dargestellte Ausführungsform und die dort angegebenen Bezugsziffern erläutert. Luft 13 entspricht Punkt α In Flg. 5, In welchem die relative Feuchtigkeit etwa 70% beträgt. Luft 13 wird durch die Heizvorrichtung 21 und die Temperatureinstellvorrichtung 24 auf 84° C erhitzt und geht In Luft 13' über (Punkt b). Luft 13' wird dann In die Elektrolytlösung eingeleitet, und der Wärmeaustausch und die Verdampfung der Elektrolytlösung finden an der Grenzfläche zwischen den Gasblasen und der Elektrolytlösung statt, wodurch sich der Zustand der Luft von Punkt b bei 84° C zu Punkt d bei 40° C verschiebt. Feuchte Luft 9 entspricht Punkt d und liegt im gesättigten feuchten Zustand vor. Dann wird kondensiertes Wasser in dem Kondensator 4 aus der feuchten Luft entfernt, wobei bei 33° C gesättigte feuchte Luft 9' erhalten wird, was Punkt c entspricht. Der Weg von Punkt d nach Punkt c stellt einen Kondensationsvorgang dar. Die gesättigte feuchte Luft 9' wird in der Heizvorrichtung 21 wieder auf die vorbestimmte Temperatur erhitzt, wobei erneut bei hoher Temperatur ungesättigte Luft 13' erhalten wird, entsprechend Punkt b. Dann wird die Verfahrenswelse In dem Zyklus b - d - c wiederholt. Die Menge der an der Grenzfläche zwischen den Gasblasen und der Elektrolytlösung verdampften Elektrolytlösung beträgt /Sx und hängt von der Temperatur der Elektrolytlösung Im stationären Zustand und der Feuchtigkeit und der Temperatur des eingeleiteten Gases ab.

Versuche wurden unter Verwendung von Luft mit einer relativen Feuchtigkeit von 70% bei variierenden Temperaturen zwischen 40° und 100° C des in die Elektrolytlösung einzuleitenden Gases durchgeführt, wobei die Elektrolytlösung bei der Anfangstemperatur von 20° C und der stationären Temperatur von 30° C gehalten wurde. Nachstehend werden die Bedingungen der Elektrodialyse aufgeführt. Die Ergebnisse sind In Tabelle 2 angegeben.

Daten der Versuche und der Elektrodialysezelle:

Anionen- und Kationen- 3 Paare

Austauschermembranen:

Membranfläche: 21,3 dmVPlatte

45 Membranabstand: 4 mm

Elektrolytlösung: Meerwasser, enthaltend 2000 ppm Gips

einzuleitendes Gas: Luft (R.F. 70%)

Betriebsdauer: 4 Stunden (mehr als 3 Stunden, nachdem keine

Änderung der Konzentration beobachtet wurde)

Strömungsgeschwindigkeit 3 cm/sec

des eingeleiteten Gases (als Oberflächen-Gasgeschwindigkeit)

Tabelle 2

4	80
5	90
6	100

praktisch keine	ja
praktisch keine	ja
praktisch keine	ja

Versuch Temperatur des Ablagerungen Weiße Trübung Wirksamkeit

pingeleiteten Gases an der Membranoberfläche der Elektrolytlösung

TO

1 50 ja keine schlecht

2 60 ja keine schlecht
ίο 3 70 ja keine schlecht

gut gut gut

15

Wenn die Temperatur des eingeleiteten Gases weniger als 70° C beträgt, werden Ablagerungen an den Membranoberflächen abgeschieden, und die Wirksamkeit ist schlecht, während bei Temperaturen von mehr als 80° C keine wesentliche Abscheidung von Ablagerungen an den Membranoberflachen stattfindet, mit Ausnahme der stagnierenden Bereiche der Strömung, und eine gute Wirksamkeit erhalten wird.

In der beschriebenen Ausführungsform, in der das Gas auf hohe Temperatur erhitzt wird, muß die Gasternperatur vor dem Kontakt des Gases mit den lonen-Austauschermembranen eingestellt werden, um den Eigenschaften und der Lebensdauer der Ionen-Austauschermembranen Rechnung zu tragen, wie vorstehend In Beispiel 2 erläutert wurde.
Wie vorstehend angegeben, ist die Ausführungsform gemäß Beispiel 2 der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Gas auf eine höhere Temperatur erhitzt wird als die Elektrolytlösung, um eine Tetnperaturdifferenz zwischen dem einzuleitenden Gas und der Elektrolytlösung einzustellen. Darin unterscheidet sich diese Ausführungsform von der Ausführungsform gemäß Beispiel 1. Es ist daher eine Hinrichtung zum Erhitzen des Gases auf hohe Temperatur vorgesehen, die erfindungsgemäß eine Heizvorrichtung zum Erhitzen des Gases, das aus der Elektrolytlösung abgeschieden wurde, die aus der Eiektrodialysezelle abgezogen wurde, und! das von Frlschwasser-Kondensat befreit wurde, eine Temperatureinstellvorrichtung zum Einstellen der Temperatur des erhitzten Gases auf eine geeignete Temperatur und eine Leitung zum Rückführen des Gases in Form von Gas hoher Temperatur und zum Einleiten in Blasenform in die Entsalzungskammern und Konzentrierkammern der Eiektrodialysezelle enthält.
In der Ausführungsform gemäß Beispiel 2 ist es nicht erforderlich, den Schwierigkeiten durch die Ablagerung und Abscheidung von Ablagerungen in der Heizvorrichtung Rechnung zu tragen, da, im Unterschied zum Erhitzen der Elektrolytlösung, das Gas auf hohe Temperatur erhitzt wird und da außerdem eins Temperatureinstellvorrichtung vorgesehen ist, um das erhitzte Gas auf eine geeignete Temperatur einzustellen. Ein wirksamer Betrieb der Eiektrodialysezelle kann daher ohne schädliche Wirkung der hohen Temperatur auf die Eigenschaften und die Lebensdauer der Ionen-Austauschermembran aufrechterhalten werden. Bei der Elektrodialyse von Meerwasser ist die beschriebene Ausführungsform der Erfindung, bei der das in die Elektrolytlösung einzuleitende Gas erhitzt wird, in warmen oder kalten Klimagebieten wirtschaftlich vorteilhaft. In denen die Ausnutzung von Sonnenwärme nicht möglich ist.

In Tabelle 3 sind die Ergebnisse von erfindungsgemäßen Versuchen gemäß Beispielen 1 und 2 unter Verwendung von Ionen-Austauschermembranen dargestellt. Dabei Ist die Wirkung der Temperaturdifferenz zur Verhlnderung der Konzentrationspolarisation und der Abscheidung von Ablagerungen als Verhältnis des elektrischen Widerstands zu dem Wert des elektrischen Widerstandes, der bei der Elektrodialyse von Meerwasser bei 20° C erreicht wird, als Standard, dargestellt.

50

60 (.5

Anmerkung: Temperatur der eingeleiteten Luft: 20° C

Tabelle 3	Temperatur	Verhältnis
(Beispiel 1)	der Elektrolytlösung	des elektrischen Widerstandes
Einleiten	CC)
von Luftblasen	20 bis 30	0,9 bis 1
	20	0,6 bis 0,7
nein	30	0,6
ja	40	0.5
ja	50	0,44
ja	60	0,4
ja	70	0,38
ja
ja

	30 14 839	Verhältnis
(Beispiel 2)		des elektrischen Widerstandes
Einleiten	Temperatur
von Luftblasen	der eingeleiteten Luft	0,6 bis 0,7
	(⁰C)	0,6 bis 0,7
ja	50	0,6
ja	60	0,5
ja	70	0,44
ja	80	0,4
ja	90
ja	100

Anmerkung: Temperatur der Elektrolytlösung: 20° C

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, kann die Elektrodialyse einer Elektrolytlösung bei hoher Temperatur unter Einleiten von Gasblasen und unter Aufrechterhalten einer Temperaturdifferenz zwischen den Gssblasen and der Elektrolytlösung be! vermindertem elektrischen Widerstand durchgeführt werden, der beispielsweise die Hälfte oder weniger des elektrischen Widerstands einer Verfahrenswelse betragt, bei der keine Gasblasen eingeleitet werden und bei 20° C gearbeitet wird. Ferner kann bei diesem Verfahren jede Schädigung der Ionen-Austauschermembranen vermieden werden.

Erfindungsgemäß kann somit nicht nur eine Verminderung des Energieverbrauches, sondern auch eine Erhöhung der Betriebsstromdichte sowie der Betriebswirksamkeit erreicht werden. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur Hochtemperatur-Elektrodiaiyse in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird, so wird eine merklich verbesserte Wirksamkeit speziell bei der Elektrodialyse von Meerwasser erzielt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Hochtemperaturelektrodialyse zum Entsalzen oder Konzentrieren einer Elektrolyt-Lösung in Entsalzungs- und Konzentrationskammern, die durch abwechselndes Nebeneinander-Anordnen mehrerer Anionen- und Kationenaustauschermembranen zwischen mindestens einem Paar von Elektroden gebildet werden, bei dem eine Elektrolyt-Lösung in die Entsalzungs- und Konzentrationskammern geleitet und gleichzeitig ein Gas in Form von Blasen in die Elektrolyt-Lösung zwischen den Ionen-Austauschermembranen eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Ausfällung von Abscheidungen In der Nähe der Gasblasengrenzflächen an den Gasblasengrenzflächen Elektrolyt-Lösung verdampft, indem man entweder

ίο das Gas vor dem Einleiten auf eine so hohe Temperatur erhitzt, daß das Gas als Mittel zum Erhitzen der Elektrolyt-Lösung dient oder die Elektrolyt-Lösung auf einer um mindestens 10° C höheren Temperatur als das Gas hält.