DE3016306A1

DE3016306A1 - Umkehrosmosevorrichtung

Info

Publication number: DE3016306A1
Application number: DE19803016306
Authority: DE
Inventors: Sun-Tak Prof Hwang
Original assignee: Dow Corning Corp
Current assignee: Dow Silicones Corp
Priority date: 1979-06-29
Filing date: 1980-04-28
Publication date: 1981-01-08
Also published as: GB2053024A; FR2460151A1; JPS567608A; US4312755A

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Umkehrosmose, wobei gelöste Stoffe durch eine Membran wandern, und sie betrifft insbesondere die Veränderung der Relativkonzentration von Lösungsmittel zu gelöstem Stoff in einer Lösung .

Die Umkehrosmose ist bereits bekannt. Ganz einfach ausgedrückt handelt es sich dabei um den Durchtritt eines Lösungsmittels aus einer unter Druck befindlichen Lösung durch eine semipermeable Membran, die zu einer Blockierung des gelösten Stoffes neigt.

Die Umkehrosmose wird am häufigsten in Bereichen angewandt, wie der Meerwasserentsalzung und der Blutreinigung (künstliche Nieren). Die Bemühungen zur Verbesserung dieser Einsatzmöglichkeiten waren bisher im allgemeinen darauf gerichtet, Membranen zu finden, die einen bestimmten gelösten Stoff insgesamt blockieren, oder auf Kaskadensysteme abgestellt, durch die die fehlende insgesamte Blockierung eines bestimmten Stoffes durch eine Membran kompensiert wird.

Die Anwendung eines gegenläufigen Stroms bei Vorrichtungen zur Umkehrosmose und bei Kaskadensystemen geht beispielsweise aus US-PS 3 799 873, US-PS 2 930 754 und US-PS 3 276 997 hervor.

Die Bemühungen zur Auffindung einer idealen Membran sind bisher nicht sehr erfolgreich gewesen. Bei Vorrichtungen zur Umkehrosmose, bei denen die gegenwärtig verfügbaren Membranen und Kaskadensysteme eingesetzt werden, sind häufig unerwünscht hohe Drücke und zahlreiche Kaskadenstufen erforderlich, damit sich ausreichend hohe Konzentrationen an Lösungsmittel ergeben.

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Eine Vorrichtung oder ein System zur Veränderung der Konzentration von Lösungsmittel zu gelöstem Stoff in einer Lösung unter Umgehung der Notwendigkeit der Anwendung äußerst hoher Drücke und vielfacher Kaskadenstufen wäre daher sehr wünschenswert. Weiter wäre auch ein System hoch erwünscht, bei dem die Notwendigkeit zum Einsatz einer Membran entfällt, die den gelösten Stoff insgesamt blockieren kann.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Vorrichtung, durch die sich die Konzentration an gelöstem Stoff in einem Lösungsmittel verändern läßt. Zugleich soll hierdurch eine Veränderung der Relativkonzentration von gelöstem Stoff zu Lösungsmittel bei erträglichen Temperaturen und Drücken erreicht werden. Insbesondere soll hierdurch eine Vorrichtung geschaffen werden, durch die sich die Salzkonzentration in Meerwasser erniedrigen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein bei Raumtemperatur einsetzbares System, durch das sich die Relativkonzentration von gelöstem Stoff zu Lösungsmittel in einer Lösung verändern läßt. Die entsprechende Vorrichtung besteht aus wenigstens einer Zelle mit Kammern, die durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind. Die einzelnen Kammern stehen so miteinander in Verbindung, daß sich ein gegenläufiger Rückflußstrom der Lösung ergibt und daß in einer Kammer ein höherer Druck herrscht als in der anderen Kammer. Die Kammern sind geometrisch so ausgestaltet, daß es zu keiner Rückmischung kommt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält ferner auch Mittel, durch die sich über die jeweilige Membran eine Druckdifferenz erzeugen läßt, und wenigstens einen Einlaß zur Einspeisung des Gemisches in das System. An der Vorrichtung ist fer-

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ner auch wenigstens ein Auslaß vorhanden, über den sich die Lösung nach erfolgter Veränderung der Relativkonzentration aus gelöstem Stoff und Lösungsmittel rückgewinnen läßt.

Die Einrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen den einzelnen Kammern kann beispielsweise ein Druckminderer sein, der in der Verbindung zwischen den Kammern angeordnet ist. Ferner läßt sich eine derartige Druckdifferenz auch durch Einspeisung des jeweiligen Gemisches unter verhältnismäßig hohem Druck oder mittels eines Kompressors erreichen, der an der Verbindungsstelle zwischen den Kammern angeordnet ist, oder auch durch eine Kombination aus beiden Möglichkeiten.

Der Auslaß kann in dem System so angeordnet sein, daß sich eine Lösung mit einer hohen oder mit einer niedrigen Konzentration an gelöstem Stoff, oder beides gewinnen läßt. Der Einlaß kann an jeder geeigneten Stelle des Systems angeordnet sein, er befindet sich jedoch vorzugsweise an einer Stelle, an der die Konzentration an Lösungsmittel und gelöstem Stoff der Konzentration an Lösungsmittel und gelöstem Stoff des einströmenden Gemisches entspricht.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich jede geeignete semipermeable Membran verwenden. Hierzu gehören beispielsweise Membranen aus Celluloseacetat, Celluloseester, Ethylcellulose, Polyacrylnitril oder Polyamiden. Im allgemeinen lassen sich erfindungsgemäß zähere, haltbarere und weniger wirksame Membranen verwenden, wobei sich jedoch immer noch gute Lösungsmittelkonzentrationen ergeben. Wegen der ständigen Spülwirkung des gegenläufigen Rückflußstroms der Lösung wird die Membranoberfläche kontinuierlich gereinigt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen werden bei der erfindungs-

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gemäßen Vorrichtung daher keine hohen Salzkonzentratxonen gegen die Membran gedrückt.

Die Zelle kann aus einer Reihe miteinander in Verbindung stehender Baueinheiten gebildet werden. Jede dieser Baueinheiten enthält Kammern, die über eine Membran voneinander getrennt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Baueinheiten in einem sich verjüngenden Aufbau so miteinander verbunden, daß ein System gebildet wird, bei dem die Geschwindigkeit der Bewegung der Lösung durch das ganze System praktisch konstant ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung weiter erläutert. In ihr zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der relativen Membranfläche, die zur Erzielung einer praktisch gleichförmigen Strömung bei der Vorrichtung nach Fig. 1 erforderlich ist,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Baueinheiten, die zusammen die Vorrichtung nach Anspruch 1 bilden und deren Membranfläche etwa der nach Fig. 2 entspricht,

Fig. 4 und 5 andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Im einzelnen bezieht sich die Fig. 1 auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Veränderung der Relativkonzentration

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von Lösungsmittel und gelöstem Stoff in einer Lösung, die sich in dieser Vorrichtung bewegt. Die Vorrichtung enthält eine Zelle 1, die aus einer Hochdruckkammer 2 und einer Niederdruckkammer 3 besteht, die durch eine Membran 4 voneinander getrennt sind. Die Kammern 2 und 3 stehen über einen Druckminderer 25 und einen Kompressor 5 miteinander in Verbindung.

Jede der Kammern 2 und 3 ist geometrisch so ausgelegt, daß eine Rückmischung der durch die Vorrichtung strömenden Lösung vermieden ist. Zu diesem Zweck haben diese Kammern gewöhnlich einen kleinen Querschnitt. Bei einer möglichen Ausführungsform besteht beispielsweise die Zelle 1 aus einem Bündel hohler Mikrofasern, die in ein Rohr gepackt sind, wobei jede dieser hohlen Mikrofasern einen Innendurchmesser von 0,23 9 mm und einen Außendurchmesser von 0,610 mm hat. Die Innenseite der Mikrofasern bildet die Kammer 2, während die außerhalb der Fasern, jedoch innerhalb des Rohrs befindliche Außenfläche die Kammer 3 bildet.

über einen Einlaß 6 kann Lösung in die Vorrichtung eintreten. Der Einlaß 6 kann eine unter Druck stehende Zuführung sein. Eine solche unter Druck stehende Zuführung sorgt über einen Druckminderer 25 für eine Druckdifferenz an der Membran. Der Einlaß 6 kann an irgendeiner Stelle längs einer der beiden Seiten der Zelle 1 angeordnet sein, er befindet sich vorzugsweise jedoch etwa an dem Punkt, an dem die Konzentration an Lösungsmittel zu gelöstem Stoff in der sich durch die Vorrichtung bewegenden Lösung etwa gleich ist wie die Konzentration an Lösungsmittel zu gelöstem Stoff der in die Vorrichtung eintretenden Lösung.

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Bei der aus Fig. 1 hervorgehenden Vorrichtung läßt sich die Druckdifferenz an der Membran über den Kompressor 5 erreichen, der den Druck der Lösung erhöht, während sich diese von der Kammer 3 in die Kammer 2 bewegt.

An einem Ende der Vorrichtung ist ein Auslaß 7 für eine veränderte und an gelöstem Stoff angereicherte Lösung 11 angeordnet. Am anderen Ende der Vorrichtung befindet sich ein Auslaß 8, über den eine an Lösungsmittel angereicherte veränderte Lösung 12 abgeführt wird.

Längs einer der beiden Seiten der Zelle 1 können mehrere Auslässe, wie beispielsweise Auslässe 7 und 8, oder auch nur ein derartiger Auslaß angeordnet sein, und.auf diese Weise läßt sich dann jedes gewünschte Gemisch aus Lösungsmittel und gelöstem Stoff entnehmen.

Beim Betrieb der aus Fig. 1 hervorgehenden Vorrichtung wird eine unter Druck befindliche Beschxckungslösung 9 an dem Einlaß 6 in die Vorrichtung eingespeist, und diese Beschickungslösung bewegt sich dann in der durch die Pfeile angegebenen Richtung durch die Vorrichtung.

Während sich die Lösung 9 längs der Kammer 2 bewegt, gehen bestimmte Mengen an Lösungsmittel 10 durch die Membran 4. Sobald die Lösung 9 das Ende der Kammer 2 erreicht hat, hat sich ihre Relativkonzentration an gelöstem Stoff und Lösungsmittel 10 infolge des Verlustes an Lösungsmittel 10 verändert.

Die veränderte Lösung 11, die über eine verhältnismäßig niedrige Konzentration an Lösungsmittel 10 verfügt, kann an dem Auslaß 7 gewonnen werden.

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Während sich die Lösung 9 im Gegenstrom zu der in Kammer 2 befindlichen Lösung längs der Kammer 3 bewegt, sammeln sich in ihr weitere Mengen an Lösungsmittel 10 an, und an dem Auslaß 8 läßt sich daher eine veränderte Lösung 12 abziehen, die eine verhältnismäßig hohe Menge an Lösungsmittel 10 enthält.

Bei den meisten Betriebsarten kann das Volumen der durch die Zelle 1 rezirkulierten Lösung ziemlich stark über dem Volumen der Beschickungslösung 9 liegen. Bei einem Betrieb unter stationärem Zustand entspricht das Volumen der veränderten Lösungen 11 und 12 jedoch insgesamt dem Volumen der Beschickungslösung 9.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß ein derartiges Strömungsmuster normalerweise zu einem größeren Volumen an Lösung 9 nahe dem Kompressorende der Zelle 1 führt, an dem die Lösung 10 zu einer Akkumulation neigt. Fig. 2 zeigt schematisch eine Membranfolie 14, die so gestaltet ist, daß sie dem sich verändernden Strömungsvolumen der Lösung 9 entspricht, während diese Lösung um die Zelle 1 gemäß Fig. im Gegenstrom zirkuliert, so daß man eine homogene Strömungsgeschwindigkeit hat. Tritt die Lösung 9 an dem Einlaß 6 in die Kammer 2 ein, dann strömt durch die Membran 4 viel Lösungsmittel 10, so daß sich das Volumen des Teils der Lösung 9, der sich bereits in der Kammer 3 befindet, erhöht. Das Volumen der Lösung 9 erniedrigt sich dann kontinuierlich, während diese Lösung längs der Kammer 2 strömt, da Anteile dieser Lösung 10 kontinuierlich durch die Membran 4 treten.

Die Membranfolie 14 gemäß Fig. 2 ist so konstruiert, daß sie den Veränderungen des Volumens der Lösung 9 entspricht, wodurch sich ein praktisch gleichförmiger Strom an Lösung 9 ergibt.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so konstruiert sein, daß sie der Form der Membranfolie 14 entspricht und einen Auslaß für die veränderte Lösung 11, die mit dem am wenigsten permeablen Produkt angereichert ist, hat sowie über einen Auslaß 8 für die veränderte Lösung 12 verfügt, welche mit dem am stärksten permeablen Produkt angereichert ist.

Die Konstruktion einer solchen Vorrichtung bereitet in der Praxis jedoch. Schwierigkeiten, so daß es sich hierbei um keine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung handelt. Diese Schwierigkeiten lassen sich durch die aus Fig". 3 schematisch hervorgehende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weitgehend beseitigen.

Die Fig. 3 zeigt im einzelnen eine Zelle 15, die aus Baueinheiten 16 aufgebaut ist. Jede Baueinheit 16 besteht aus einer Hochdruckkammer 17 und einer Niederdruckkammer 18, die über eine Membran 19 voneinander getrennt sind. Die Baueinheiten 16 sind so miteinander verbunden, daß sich eine Membranoberfläche und ein Membranaufbau etwa nach Fig. 2 ergibt, so daß die Strömungsgeschwindigkeit an allen Teilen der Zelle 15 praktisch konstant ist.

In die Zelle 15 wird über einen Einlaß 20 eine Lösung eingespeist. Die Lösung bewegt sich durch die Kammern 17 und 18 und durch die Membran 19 genauso wie bei Fig. 1. Bei der aus Fig. 3 hervorgehenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewegt sich die Lösung infolge des sich verjüngenden Aufbaus der einzelnen Baueinheiten 16 jedoch praktisch gleichförmig durch das ganze System. Hierdurch läßt sich eine Lösung mit veränderter Konzentration an gelöstem Stoff und Lösungsmittel entweder über einen Auslaß 21 (für "Gemische mit erniedrigter Konzentration an Lösungsmittel) oder

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über einen Auslaß 22 (für Gemische mit erhöhter Konzentration an Lösungsmittel) abziehen.

In der aus Fig. 3 hervorgehenden Vorrichtung ist weiter auch ein Druckminderer 23 und ein Kompressor 24 vorhanden, deren Funktion dem Druckminderer 25 und dem Kompressor 5 von Fig. 1 entspricht.

Fig. 4 zeigt im einzelnen schematisch einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung/ bei der die Druckdifferenz erreicht wird, indem man eine Beschickungslösung 27 unter Druck durch einen Einlaß 26 einspeist, und hierbei bewegt sich ein Lösungsmittel 30 durch eine semipermeable Membran 31, während die Lösung 27 durch eine Hochdruckkammer 28 zu einem Druckminderer 29 strömt. In einer Niederdruckkammer 32 vereinigt sich das Lösungsmittel 30 mit dem Gemisch 27 in gegenläufigem Rückflußstrom.

Am Auslaß 33 kann eine veränderte Lösung 32 mit hoher Konzentration an Lösungsmittel gesammelt werden. Am besten wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung eine veränderte Lösung 34 jedoch am Auslaß 35 gesammelt. Die veränderte Lösung 34 hat etwas Lösungsmittel 30 verloren, so daß sie über eine angereicherte Konzentration an gelöstem Stoff verfügt.

Aus Fig. 5 geht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hervor. Hiernach wird die Druckdifferenz über eine Membran 36 erreicht durch einen Kompressor 37, der Beschickungslösung 38 (wie Beispielsweise Meerwasser) über einen Einlaß 41 in eine Niederdruckkammer 39 zieht, den Druck dieser Beschickungslösung erhöht und sie dann im Gegenstrom in eine Hochdruckkammer 40 führt. Aus der Lösung 38 bewegt sich Lösungsmittel 42 durch die Membran 36 in der durch

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die Pfeile angedeuteten Richtung, und der Gegenstrom an Lösung 38 ergibt eine veränderte Lösung 43, die mit Lösungsmittel 42 (Wasser) angereichert ist. Die hierbei anfallende veränderte Lösung 43 kann am Auslaß 44 gesammelt werden. Eine veränderte Lösung 45, die bei dieser Ausführungsform der Erfindung gewöhnlich als Rest anzusehen ist, läßt sich am Auslaß 46 sammeln.

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Claims

PFFA1N-NG - MAAS 'f/L·;.· -"G-SPOTT SCHtX Γ'" : -:^rEhSrn. DC 2298 Dow Coming Corporation, Midland, Michigan, V. St. A. Umkehrosmosevorrichtung PATENTANSPRÜCHE

1. Umkehrosmosevorrichtung zur Veränderung des Konzentrationsverhältnisses aus einem gelösten Stoff und einem Lösungsmittel in einer Lösung, gekennzeichnet durch

(a) wenigstens eine. Zelle, deren Kammern durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind, wobei die- .se Kammern so miteinander in Verbindung stehen, daß sich ein gegenströmender Rückflußstrom der Lösung ergibt und daß der Druck in einer Kammer höher ist als der Druck in der anderen Kammer, und die Kammern so gestaltet sind, daß es zu keiner Rückmischung der Membran mit unterschiedlicher Permeabxlxtätskonstante für wenigstens zwei der Komponenten des Gemisches kommt,

(b) Mittel zur Erzeugung eines Druckdifferentials durch die

Membran,

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(c) wenigstens einen Einlaß zur Einspeisung des Gemisches in die Vorrichtung und

(d) wenigstens einen Auslaß zur Rückgewinnung der Lösung aus der Vorrichtung nach Veränderung des Konzentrationsverhältnisses aus dem Lösungsmittel und dem gelösten Stoff.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen den einzelnen Kammern eine Druck— erniedrigungseinrichtung enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle aus einer Reihe miteinander verbundener Baueinheiten besteht und jede dieser Baueinheiten durch eine Membran voneinander getrennte Kammern aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Baueinheiten unter Bildung einer sich verjüngenden Anordnung so miteinander verbunden sind, daß die Bewegungsgeschwindigkeit durch die ganze Vorrichtung praktisch konstant ist.

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