DE3219869C2

DE3219869C2 - Membranstapeleinheit für Mehrkammerprozesse der Elektrodialyse

Info

Publication number: DE3219869C2
Application number: DE19823219869
Authority: DE
Inventors: Klemens 2054 Geesthacht Kneifel; Uwe 2059 Hohnsdorf Martens; Hartwig 2058 Lauenburg Voß
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1982-05-27
Filing date: 1982-05-27
Publication date: 1986-10-23
Also published as: DE3219869A1; JPH0113883B2; JPS5936505A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membranstapeleinheit für Mehrkammerprozesse der Elektrodialyse mit Dichtungsrahmen, Endplatten sowie Membranen, die an sich gegenüberliegenden Seitenrändern korrespondierende Versorgungs- und Verbindungsbohrungen für zu behandelnde Lösungen enthalten, die am Dichtungsrahmen alternierend über Zu- und Abflußrinnen mit dem Innern der Kammern in Verbindung stehen sowie Verwendungsmöglichkeiten derselben. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Membranstapeleinheit der e.g. Art so auszubilden, daß sie in einem Arbeitsgang die Abtrennung und gegebenenfalls Umwandlung mehrerer Komponenten in einer Lösung ermöglicht. Es wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in weiteren sich gegenüberliegenden Seitenrändern der Dichtungsrahmen sowie Membranen andere durchgehende Versorgungs- und Verbindungsbohrungen vorgesehen sind, die ebenfalls alternierend mit Zu- und Abflußrinnen weiterer Kammern in Verbindung stehen, und die Endplatten mehrere Sammelöffnungen für Versorgungs- und Verbindungsbohrungen aufweisen.

Description

me durchgehender Halteelemente.

In der Fig.2 ist die geometrische Anordnung von vier Dichtungsrahmen 3 dargestellt Aus ihr sind auch der Verlauf und die Anbindung der einzelnen Versorgungs- und Verbindungsbohrungen 8—11, 14—17 an die Kammern, wie bereits beschrieben, zu entnehmen.

Die F i g. 3 zeigt eine der beiden zu verwendenden Endplatten 23. Sie weist eine mit einer danebenliegenden Membran eine Kammer bildende Ausnehmung 24 auf. In zwei aneinander angrenzenden Seiten sind ebenfalls Bohrungen 25—28 eingefügt, die mit den Bohrungen 8—11,14—17 korrespondieren.

Die Bohrungen 25—28 stehen schräg (s. F i g. 4) mit ihren jeweiligen Lösungseintritis- bzw. -austrittssammelkanälen 31 —38 der Endplatte 23 (s. F i g. 5) in Verbindung. Diese treten an der Oberfläche der Membranstapeleinheit 39 bzw. aus den Endplatten 23 aus (Dichtrahmen 3 und Membranen 40 sind schematisch in der F i g. 5 mit dargestellt).

Die Fig.6 zeigt nunmehr ein Verwendungsbeispiel der Membranstapeleinheit 39 mit den einzelnen Kammern 41 —44, die von den Membranen 40 abgeteilt werden, zur Behandlung eines chemischen Reaktionsgemisches, das neben dem Natriumsalz einer organischen Säure (NaR) nichtionische Verunreinigungen (OV) enthält und von diesen befreit, konzentriert und in freie Säure umgewandelt werden soll. In diesem 4-Kreislauf-Membranstapel werden alternierend mindestens 3 Kationenaustauscher- und 2 Anionenaustauschermembranen 40 angeordnet Man erhält so eine 4-Kammer-Einheit.

Solche Einheiten können durch einfaches Aneinanderreihen vervielfältigt werden. Für die Praxis kommen Membranstapel mit 10 bis 100 parallelen Einheiten in Frage.

In die 4 Kreisläufe werden über Zuführungen zu den Kammern 41 —44 folgende Lösungen eingespeist:

41 — Reaktionsgemisch (enthält NaR und nichtionische organische Verunreinigungen OV)

42 — verdünnte organische Säure

43 - Salzsäure (HCl)

44 — Natriumchloridlösung (NaCl)

Nach Anlegen der elektrischen Spannung ergeben sich folgende Transportvorgänge in den Kammern 41-44:

41 — Die Natriumionen (Na⁺) und die Säurerestionen (R-) wandern in die Kammern 44 bzw. 42. Die Lösung wird entsalzt und enthält nur noch die nichtionischen organischen Verunreinigungen OV, die im elektrischen Feld nicht transportiert werden.

42 — In diese Kammer hinein wandern die R--I0-

nen aus Kammer 41 und die Wasserstoffionen (H⁺) aus der Kammer 43. Es entsteht eine reine organische Säure (HR), die durch teilweise Rückführung (Kreislauf) höher aufkonzentriert werden kann.

Die Konzentration der Natriumchlorid-Lösung sollte einen bestimmten Wert (etwa 20%) nicht überschreiten. Dies erreicht man entweder durch kontinuierliche Wasserzugabe (eventuell kann die entsalzte Lösung aus Kammer 41 dazu benutzt werden) oder durch diskontinuierliches Auswechseln der konzentrierten Lösung.

Als Ergebnis wird eine gereinigte, konzentrierte organische Säure und als Neben- bzw. Abfallprodukte eine konzentrierte Natriumchlorid-Lösung und eine entsalzte Lösung mit organischen Verunreinigungen erhalten. Als weitere Anwendungsmöglichkeit für eine 4-Kammer-Einheit kommt z. B. die Aufarbeitung von Kochlösungen in Frage, die bei der Papierherstellung anfallen.

43 Die in dieser Kä™nier

fin^!i^obe Säu

liefert

die H⁺-Ionen für die in Kammer 42 zu bildende Säure. Die Chloridionen (Cl^-) werden in die Kammer 44 transportiert.

44 — Hier entsteht eine konzentrierte Natriumchlorid-(NaCl)-Lösung aus den Cl--Ionen von Kammer 43 und der, Na⁺-Ionen der benachbarten Kammer 41.

60

65 Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 ermöglicht wird Patentansprüche: Die Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnen den Merkmalen des Anspruches 1 wiedergegeben.

1. Membranstapeleinheit für Mehrkammerpro- Der weitere Anspruch zeigt eine vorteilhafte Verzesse der Elektrodialyse mit Dichtungsrahmen, End- 5 Wendungsmöglichkeit der Erfindung auf.

platten sowie Membranen, die an den Seitenrändern Einer der wesentlichsten Vorteile der Erfindung bekorrespondierende Versorgungs- und Verbindungs- steht demnach darin, daß mit einem einzigen Typ von bohrungen derart aufweisen, daß gleichzeitig 2, 3 Dichtungsrahmen und Endplatte Membranstapel (auch oder 4 zu behandelnde Lösungen durch den Mem- wiederholt hintereinander liegend) erstellt werden könbranstapel führbar sind, wobei jeder Dichtungsrah- io nen, die Trenn- und Umwandlungsaufgaben durchführmen an zwei sich gegenüberliegenden Seiten Zu- bar machen, die 2,3 oder sogar 4 Lösungsströme erfor- und Abflußrinnen zur Führung jeweils eines Fluides dem. Hierdurch wird es möglich u. a. umweltbelastende durch jeweils eine Kammer aufweist, dadurch Stoffe aus Lösungen zu trennen, wie sie bei der Metallgekennzeichnet, daß die Versorgungs- und oberflächenbehandlung und der chemischen Verfah-Verbindungsbohrungen (8—11,14—17) auf den Sei- 15 renstechnik anfallen.

tenrändern (1,2,12,13) eines Quadrates liegen, die Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Aus-Dichtungsrahmen (3) alle von gleicher Baum sind führungsbeispiels für -die Membranstapeleinheit und und die Dichtungsrahmen (3) fortlaufend bezüglich dessen Verwendung mittels der F i g. 1 —6 näher erläuihrer Seiten versetzt angeordnet sind. tert

2. Verwendung der Membranstapeleinheit gemäß 20 Hierbei zeigt

Anspruch 1 für die Abtrennung von nichtionischen Fig. 1 eine Aufsicht eines Dichtrahmens für eine

Verunreinigungen aus einem eine organische Säure Kammer,

enthaltenden Salz, Konzentrierung des Salzes und F i g. 2 die Stapelung der Dichtrahmen,

Umwandlung in die freie Säure. F i g. 3 eine Aufsicht auf eine Endplatte,

25 F i g. 4 einen Schnitt durch eine Endplatte,

F i g. 5 ein Schema der Stapeleinheit und

F i g. 6 ein Schema einer 4-Kammer-Einheit.
Die verwendeten, einheitlichen Dichtungsrahmen ge-

Die Erfindung betrifft eine Membranstapeleinheit für hen von der, wie bereits erwähnt, in der DE-AS

Mehrkammerprozesse der Elektrodialyse mit Dich- 30 29 02 247 beschriebenen Grundkonzeption aus. An den tungsrahmen, Endplatten sowie Membranen, die an den sich gegenüberliegenden Seitenrändern 1 und 2 des qua-Seitenrändern korrespondierende Versorgungs- und dratischen Dichtungsrahmens 3 ist eine Mehrzahl Verbindungsbohrungen derart aufweisen, daß gleichzei- Schlitze 4, 5 vorgesehen, die für die Zufuhr und die tig 2, 3 oder 4 zu behandelnde Lösungen durch den Abfuhr von Lösung in die vom Dichtungsrahmen 3 um-

Membranstapel führbar sind, wobei jeder Dichtungs- 35 faßten Kammer 6 sorgen. Die Schlitze 4,5 liegen jeweils rahmen an zwei sich gegenüberliegenden Seiten Zu- zueinander versetzt an den Seitenrändern 1, 2, Die und Abflußrinnen zur Führung jeweils eines Fluides Schlitze 4,5 führen als relativ enge Kanäle in das innere durch jeweils eine Kammer aufweist. des Dichtungsrahmens 3, welcher als Abstandshalter für

Eine solche Membranstapeieinheit ist aus der DE-OS beidseitig aufzulegende Membranen ein eingesetztes

24 18 369 bekannt. Bei ihr werden jedoch Dichtungsrah- 40 netzförmiges Gewebe 7 enthält Die Kanäle divergieren men unterschiedlicher Bauart verwendet, wodurch zu- unter einem Winkel von 90°, so daß eine zick-zackförmindest höhere Apparatekosten entstehen und die Fer- mige Konfiguration der Kammerbegrenzung entsteht tigung erschwert wird. Die Schlitze 4, 5 stehen mit den Versorgungs- und

Das Prinzip der Elektrodialyse, die Konstruktion ei- Verbindungsbohrungen 8,9 in Verbindung. Diese gehen

nes Membranstapels für das Entsalzen einer Kochsalz- 45 durch den Dichtrahmen 3 hindurch und korrespondielösung mit zwei Lösungsströmen sowie die Grundkon- ren mit Bohrungen der Membranen und Endplatten (s. zeption eines Dichtungsrahmens sind aus der DE-AS Fig. 3—5). Nebenden Bohrungen 8,9 sind abwechselnd 29 02 247 bekannt. Mit dieser vorgeschlagenen Kon- weitere Versorgungs- und Verbindungsbohrungen 10, struktion des Membranstapels können jedoch keine 1S vorgesehen, die lediglich durch die Seitenränder hin-

Mehrkreisprozesse durchgeführt werden mit dem Ziel, 50 durchtreten und mit einer Kammer in Verbindung geaus Lösungen und Abwässern unter wirtschaftlichen bracht werden, die um 180° zur dargestellten Kammer Bedingungen Wertstoffe zu gewinnen bzw. durch Rück- in der Stapeleinheit (s. F i g. 6) versetzt angeordnet ist.
führung wiederzuverwenden oder umweltbelastende Die beiden übrigen Seitenränder 12, 13 des Dich-

Stoffe abzutrennen, da sie nicht die Zu- und Abführung tungsrahmens 3 weisen weitere durchgehende Versor-

von mehr als 2 Lösungsströmen vorsieht und auch nicht 55 gungs- und Verbindungsbohrungen 14, 15 bzw. 16, 17 durch einfache technische Maßnahmen ermöglicht. auf, die wiederum Zu- und Abfuhrleitungen für weitere

Es sind weiterhin Laborapparate bekannt, bei denen Lösungsströme (1 oder zwei weitere) bilden und zu die Kammern einzeln angeströmt werden. Diese Kam- Dichtungsrahmen führen, die um 90° bzw. 270° zum mern sind jedoch 5 mm dick, was bei einer Erhöhung dargestellten versetzt in der Membranstapeleinheit lie-

der Kammerzahl zu erheblichen Abmessungen des 60 gen. Sie werden jeweils mit, den Schlitzen 4 und 5 entrviembranstapeis und zu Schwierigkeiten bei der An- sprechenden, Schlitzen anderer KsmiriCrp· verbunden,
bringung von gemeinsamen Zu- und Ableitungen führen Alle Bohrungen und Schlitze 4, 5, 8—11 und 14—17

würde. werden von Dichtmaterialbeschichtungsteilen 18—20

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht gegeneinander bzw. gegen den Innenraum der Kammer

darin, eine Membranstapeieinheit der eingangs genann- 65 6 und die Umgebung bei der Zusammenfassung von ten Art, die für die gleichzeitige Behandlung von 2, 3 Membranen und Endplatten zur Membranstapeieinheit oder 4 Lösungen geeignet ist, so weiterzubilden, daß ein abgedichtet. Die Bohrungen 21 und Dichtungen 22 an kompakter, vereinfachter und kostengünstiger Aufbau den Ecken des Dichtungsrahmens 3 dienen zur Aufnah-