DE3231415A1

DE3231415A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die mehrstufige elektrodialyse

Info

Publication number: DE3231415A1
Application number: DE19823231415
Authority: DE
Inventors: Douglas R. 02074 Arlington Mass. Brown
Original assignee: Ionics Inc
Current assignee: Suez WTS Systems USA Inc
Priority date: 1981-08-24
Filing date: 1982-08-24
Publication date: 1983-03-10
Also published as: US4381232A; NL8203237A; JPH0245490B2; GB2104550B; JPS5840110A; FR2511788A1; FR2511788B1; NL192030B; GB2104550A; DE3231415C2; NL192030C

Description

PATENTANWÄLTE \-":_. :":'.[■ -"- ΕΓ-ΪΟ00 MÜNCHEN 90

WUESTHOFF-v.PECHMANN-BEHRENS^GO^I^* ^:..^: sehweigerstrasse 2

TELEFON: (089) 662051 PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE TELEGRAMM· PROTECTPATENT

MANDATAIRES AGREES PRES LOFFICE EUROPEEN DES BREVETS TELEX: Ί 24 070

IONICS, INCORPORATED
1A-56 339

Beschreibung :

Verfahren und Vorrichtung für die mehrstufige Elektrodialyse.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Elektrodialyse gemäss dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 4.

Elektrodialysesysteme für Flüssigkeiten, die durch eine Vielzahl von in Reihe geschalteten, aufeinandergestapelten, kontinuierlich weiterentsalzenden Dialysezellen aufgebaut sind, sind z.B. aus der US-PS 4 172 779 bekannt. Ebenso ist eine ümpolung von Elektroden der Dialysezellen zur Verhinderung eines Niederschlags und einer Polarisierung der Elektroden aus den US-PSen 2 694 680, 2 983 813 und 3 341 441 bekannt.

Üblicherweise werden alle Elektroden aller Dialysezellen bei der Elektrodialyse mehrere Male in bestimmten Zeitabständen gleichzeitig umgepolt. Da infolge der Umpolung aus bisher salzverdünnenden nun salzanreichernde Kammern werden, wird der zuvor zumindest schon teilweise entsalzte Produktstrom mit Salz verunreinigt. Beispielsweise ist in einer Entsalzungsanlage mit zehn Dialysezellen das Produkt, das in den letzten drei oder vier Dialysezellen enthalten ist, ■weitgehend entsalzt, jedoch wird bei der Umkehr der entsalzte oder verdünnte Produktstrom mit salzreicher Flüssigkeit vermengt. Im Ergebnis muss die gesamte, in der Elektrodialysevorrichtung enthaltene Flüssigkeit eines Produkts gleichgültig, ob es teilweise entsalzt ist oder nicht nach der Umpolung verworfen werden, so dass die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung dadurch vermindert wird.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer Elektrodialyse zu schaffen, um den bisher auftretenden Produktverlust bei der Elektrodialyse für salzhaltige Flüssigkeiten zu verringern.

Ein diese Aufgabe lösendes Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäss wird die Polarität der Elektroden in bestimmten Zeitabständen nicht gleichzeitig, sondern nacheinander umgepolt. Die Umpolung erfolgt nach dem Ausströmen des teilweise entsalzten Produktstromes aus den Dialysezellen. Daher kann der grösste Teil der teilweise entsalzten Flüssigkeit ohne Vermengung mit salzhaltiger Flüssigkeit die einzelnen Zellen durchströmen und schliesslich als reines Produkt abgenommen werden.

Das System weist eine Vielzahl elektrischer Dialysezellen zur aufeinanderfolgenden Entsalzung der elektrolythaltigen Flüssigkeit, bis zu einer gewünschten Reinheit auf. Jede elektrische Zelle kann der. Reihe nach eine oder mehrere hydraulische Stufen aufweisen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Die Reinigung der Elektroden erfolgt durch periodische Umpolung. Erfindungsgemäss werden die Elektrode^ vom Zulauf der Rohflüssigkeit aus. nacheinander unter Berück-r sichtigung des jeweiligen Salzgehaltes der Flüssigkeit umgepolt. Die Umpolung erfolgt mit einer Zeitverzögerung, die durch den Elektrolysestrom, den Salzgehalt und die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung (Flüssigkeitsstrom) durch den Stapel bestimmt ist. Wenn das verdünnte Produkt aus den Dialysezellen ausströmt, werden die Elektroden der betreffenden Dialysezelle umgepolt, bis schliesslich alle Elektro-5 den umgepolt sind. Die Produktströme werden dann wie bei der konventionellen Umpoltechnik umgeleitet.

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Bei diesem Verfahren muss nur das teilweise entsalzte Produkt der ersten Dialysezelle anstelle der gesamten Systemflüssigkeit verworfen werden, falls sämtliche Stufen gleichzeitig umgepolt werden. Der zeitliche Abstand des Umpolens wird entsprechend dem bekannten Flüssigkeitsstrom des Systems gewählt. Alternativ dazu kann die Umpolung in Abhängigkeit von der am Ausgang einer oder jeder Dialysezelle gemessenenteitfähigkeit erfolgen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Elektrodialysesystems und Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Elektrodialysesystems.

Eine Elektrodialysevorrichtung weist vier elektrische Dialysezellen 10, 12, 14 und 16 mit Elektroden 18, 20, 24, 26, 30, 32, 36 und 38 auf. Jede Zelle ist in eine salzverarmende Kammer 23, 27 und 31 und eine salζanreichernde Kammer 25, 29 und 33 durch eine Vielzahl von alternierend vorgesehenen anionen- und kationenselektriven Membranen gebildet, die im elektrischen Feld selektiv für den Ionentransport wirken, unterteilt.

Bekannterweise weist jede Dialysezelle mehrere, zueinander benachbart angeordnete, für Kationen oder Anionen durchlässige Membranen auf, so dass eine Vielzahl salzverarmender und salzanreichernder Kammern entsteht. Die Eigenschaft der Kammern (beispielsweise entsalzend oder anreichernd zu wirken) wechselt mit der Polarität der Elektroden, die von reversiblen Stromquellen, die als. Umpoleinrichtungen 42, 44, 46 und 50 für die Elektroden wirken, gespeist werden. Die

Dialysezellen sind hydraulisch von Kammer zu Kammer in Reihe geschaltet/ wobei bei normalem Betrieb die Polung der einzelnen Dialysezellen gleichsinnig ist.

Die Elektrolytflüssigkeit wird dem System bei der Zelle 10 über ein Zuleitungsrohr 52 zugeführt und dann stufenweise gereinigt, bis sie aus der Zelle 16 als salzarmer Produktstrom und salzreicher Ausschußstrom austritt.

Erfindungsgemäss ist eine Schaltereinrichtung in Form eines Zeitfolgeschalters 54 zum Umpolen der Elektroden vorgesehen. Der Zeitfolgeschalter 54 kann elektrisch oder mechanisch betrieben werden. Im Betrieb wird die Polarität der Dialysezelle 10 entsprechend einer für das Ablösen des Niederschlags notwendigen Zeit umgekehrt. Die bisher salzarmen Kammern der Dialysezelle 10 reichern sich im Gegensatz zu jenen der Dialysezellen 12, 14 und 16 nun mit Salz an. Nach einem gewissen durch die Strömungsrate des Systems bestimmten Zeitpunkt füllt der von der Dialysezelle 10 herrührende konzentrierte Strom die elektrolytarme Seite der Stufe 12, wenn der letzte Teil des durch diese Zelle entsalzten Produktes aus dieser ausgeströmt ist. Dann wird die Polarität der Zelle 12 umgekehrt, während die Zellen 14 und 16 ihre bisherige Polarität noch beibehalten. Dieses Verfahren wird auch auf die Dialysezellen 14 und 16 in bestimmten, der Strcär mungsräte entsprechenden Zeitabständen angewandt. Als Folge der aufeinanderfolgenden Polaritätsumkehr werden Ventile 56 und 58 betätigt, um die aus der letzten Zelle 16 austretenden Ströme jeweils in die dafür vorgesehenen Leitungen abzu-r führen.

Bei dem Elektrodialysesystem nach Fig. 2 ist der Zeitfolgeschalter 54 durch eine Vielzahl von im Ausgang jeder Zelle vorgesehenen Leitfähigkeitsmeßzellen oder Konduktometern 6Q^ 62, 64, 66, 68 und 70 ersetzt. Derartige Meßzellen sind im Stand der Technik bekannt. Das Ausgangssignal jeder Leitfähig

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keitsmeßzelle wird durch das Erreichen bestimmter Leitfähigkeiten aktivierbaren Schaltern 72, 74 und 76 zugeführt, die so eingestellt werden können, dass eine Polaritätsumkehr jeder Dialysezelle mit der gleichen Wirkung wie mit dem oben beschriebenen Zeitfolgeschalter 54 erzielt wird. Die Schalter arbeiten entweder bei hoher oder niedriger Leitfähigkeit, die durch die in Zelle 10 erfolgende Umpolung hervorgerufen wird. Die Zelle 10 wird durch einen einfachen Repetierzeitschalter 78 umgepolt.

Die Betätigung der Ventile 56 und 58 für die Umleitung der -Flüssigkeitsströme und der letzten Zelle 16 in je einen Vorratsbeählter für das salzarme Produkt und den salzreichen Ausschuss kann durch einen Schalter 78 oder durch Leitfähigkeitsmeßzellen 68 und 70 gesteuert werden.

Beispiel I - Verfahren mit gleichzeitiger Umpolung aller Zellen.

2Q Es wird mit einem Aquamite^v 'XX-Elektrodialysestem Wasser mit einem Salzgehalt von 10000 ppm mit Gleichstrom auf einen Salzgehalt von 300 ppm entsalzt. Das System weist vier Multi-Membranstapel mit je zwei elektrischen Dialysezellen in jedem Stapel auf. Acht Dialysezellen sind hydraulisch in

2j- Reihe geschaltet und werde mit einem Flüssigkeitsstrom betrieben, der einer Verweilzeit des verdünnten Produktstroms in jeder Stufe von 25 s oder einer totalen Verweilzeit in einer Acht-Stufen-Membrananordnung von 3,28 min entspricht. Nach der Umpolung des Gleichstroms betrug die Totzeit für

₃Q den vollständigen Durchlauf des verdünnten Produktstroms durch die acht Dialysezellen einschliesslichder Verbin-'dungsrohrleitungen 3,4 min. Während dieser Totzeit wird kein entsalztes Wasser gewonnen.

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Beispiel II - Verfahren mit aufeinanderfolgender Umpolung

der Zellen.

Das Elektrodialysestern des Beispiels I ist durch stufenweise Umpolung unter Verwendung von Zeitrelais, die unabhängig voneinander die Umpolung jeder der acht elektrischen Dialysezellen steuern, abgewandelt. Nach Umpolung der ersten Dialysezelle wurde jede nachfolgende Dialysezelle nach dem Ausspülen des teilweise entsalzten Wassers aus dieser Dialysezelle umgepolt. Jede Dialysezelle wird 25 s nach der vorhergehenden Dialysezelle umgepolt. Die Totzeit des Systems wird dadurch auf die Zeit vermindert, die notwendig ist, um den verdünnten Produktstrom durch nur eine Dialysezelle, einschliesslich der zugehörigen Verbindungsleitungen, zu führen, so dass nunmehr nur etwa 30 s anstelle der 3,4 min nach dem Ausführungsbeispiel I benötigt werden.

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Claims

323U15 Patentanwälte ·"::. :":·!*· ."xwqoo München WUESTHOFF - v. PECHMANN - BEHRENS - &ÖETJZ - :". :soti,k;urstrasse 2 TELEFON: (089) 662051 PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE TELEGRAMM: PROTECTPATENT MANDATAIRES AGREES PRES L'OFFICE EUROPEEN DES BREVETS TELEX: 524070 IONICS/ INCORPORATED 1A-56 339 Patentansprüche :

1. Verfahren zur Durchführung einer mehrstufigen Elektrodialyse für salzhaltige Flüssigkeiten, bei dem die Flüssigkeiten nacheinander durch mehrere in Reihe geschaltete Dialysezellen, die je ein Elektrodenpaar aufweisen, dessen Elektroden durch mindestens zwei anionenselektiv und kationenselektiv wirkende Membranen getrennt ist, geleitet wird und die Polarität des Elektrodenpaares periodisch gewechselt wird, dadurch gekennzeichnet , dass die Elektrodenpaare nacheinander, jeweils beginnend mit der ersten Stufe (Stufe höchster Konzentration an salzarmem Produktstrom) und jeweils unter Einhaltung einer Totzeit in bestimmten Zeitabständen umgepolt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Zeitabstände und die Totzeiten in Abhängigkeit von der Salzkonzentration, dem Elektrolysestrom und dem Flüssigkeitsstrom bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeich net, dass die aufeinanderfolgende Umpolung der Elektrodenpaare in festen Zeitabständen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang jeder Stufe " die Leitfähigkeit wenigstens eines der beiden Flüssigkeitsströme bestimmt und bei über- bzw. Unterschreiten einer bestimmten Leitfähigkeit die aufeinanderfolgende Umpolung aller Elektrodenpaare eingeleitet wird.

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5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit mehreren in Reihe geschalteten Dialysezellen, die je ein Elektrodenpaar aufweisen, dessen Elektroden durch mindestens zwei anionenselektiv und kationenselektiv wirkende Membranen getrennt sind und mittels getrennter Leitungen für salzarme und salzreiche Flüssigkeit miteinander verbunden sind, und mit einer, für jede Dialysezelle vorgesehene Umpoleinrichtung für eine periodische Umpolung der Elektroden, sowie mit Kontrolleinrichtungen zur Steuerung, des Flüssigkeitsstroms von salzarmer und salzreicher Flüssigkeit aus den Dialysestufen, gekennzeichnet durch eine Schaltereinrichtung für die aufeinanderfolgende Aktivierung der Umpoleinrichtungen (42, 44, 46, 50) unter Einhaltung von jeweils einer Totzeit.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Schaltereinrichtung ein Zeitfolgeschalter (54) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Schaltereinrichtung Konduktometer (60, 62, 64, 66, 68, 70) aufweist, und eine Einrichtung zur Auswertung der Meßsignale der Konduktometer und Auslösung der Umpoleinrichtung (42, 44, 46, 50) bei Uber- bzw. Unterschreiten einer bestimmten Leitfähigkeit aufweist.