DE3446573A1

DE3446573A1 - Wasserentsalzungsanlage

Info

Publication number: DE3446573A1
Application number: DE19843446573
Authority: DE
Inventors: Nobuo Amagasaki Hyogo Furuno
Original assignee: Nippon Paint Co Ltd
Current assignee: Nippon Paint Co Ltd
Priority date: 1983-12-20
Filing date: 1984-12-20
Publication date: 1985-07-25
Also published as: DE3446573C2; JPS60132693A; US4655909A; JPS6159793B2

Description

PROF. DR. DR. J. REITSTÖTTER DR. WERNER KINZEBACH DR. ING. WOLFRAM BUNTE (195.-1.7·) 3446 573

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REIT.TÖTTER. KINZEBACH ft PARTNER POSTFACH 7.O. D-βΟΟΟ MÜNCHEN 43 PATENTANWÄLTE ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

BETREFF: RE

TELEFON: (OSS) 2 71 OB 83 CABLES: PATMONDIAL MÜNCHEN TELEX: 05218200 ISAR D TELEKOP: <O8S) 271 BO 6 3 (SR. Il + III) BAUERSTRASSE 22. D-βΟΟΟ MÜNCHEN

München, 19. Dezember 1984

UNSERE AKTE: M/ 2 5 286 OUR REF:

NIPPON PAINT CO., LTD. 1-2 Oyodokita 2-chome, Oyodo-ku, Osaka, Japan

Wasserentsalzungsanlage POSTANSCHRIFT; D-8000 MÜNCHEN 43. POSTFACH 78O

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Die Erfindung betrifft eine Wasserentsalzungsanlage, um ultrareines Wasser mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit in der Größenordnung von weniger als 0,1 με (Mikro-Siemens)/cm bei 25°C herzustellen.

Der Bedarf nach ultrareinem Wasser zum Waschen verschiedener elektronischer oder anderer Bauteile ;zur Beseitigung elektrolytischer Verunreinigungen, welche die Funktionsweise der Bauteile beeinträchtigen, steigt ständig.

Ultrareines Wasser kann in der herkömmlichen Weise durch Aufbereitung von Rohwasser, wie z.B. von der öffentlichen Wasserversorgung, hergestellt werden, indem man verschiedene Wasserreinigungstechniken, wie z.B. Umkehrosmose, Elektrodialyse, Entionisierung, Destillation und derartige Verfahren anwendet, üblicherweise wird eine Vielzahl derartiger Techniken in Kombination verwendet. Um hochreines Wasser mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit nahe der theoretischen Grenze von 0,05 με/cm bei 25⁰C zu erreichen, ist es unumgänglich, das Wasser sowohl mit Kationen- als auch mit Anionenaustauschern zu behandeln. Dieser Entionisierungs- oder Entsalzungsschritt kann mittels handelsüblicher Säulen (im englischen 8prachraum "water polisher" genannt) bewerkstelligt werden, die Anionen- und Kationenaustauscher als ge-

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mischte Füllung aufweisen. Leider sind derartige Säulen nur eine Weile lang zu verwenden, wenn man eine große Menge ultrareinen Wassers zum Waschen oder für andere Zwecke herstellen will, da sie praktisch nicht in ihrer Ionenaustauschfähigkeit regeneriert werden können. Somit müssen sie weggeworfen werden, nachdem ihre Kapazität im wesentlichen erschöpft ist. Nachdem diese Säulen mit einer innigen Mischung von Anionen- und Kationenaustauschern gefüllt sind und getrennte Regeneriermittel für die Anionen- und die Kationenaustauscher notwendig sind, muß die Mischung in ihre Komponenten zerlegt werden, bevor man sie regenerieren kann.

Es zeigte sich jedoch im Experiment, daß diese Trennung praktisch sehr schwer in Wasserreinigungsanlagen durchzuführen ist.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wasserentsalzungssystem zur Herstellung von ultrareinem Wasser aufzuzeigen, das besonders einfach in der Konstruktion, leicht in der Handhabung und dort einsetzbar ist, wo eine relativ große Mengen von Wasser zum Waschen oder andere Zwecke benötigt wird, wobei eine Regenerierung bzw. der wiederholte Gebrauch der Ionenaustauscher sichergestellt sein muß.

Diese Aufgabe wird mit einer Wasserentsalzungsanlage gelöst, die folgende Teile umfaßt:

Einen Behälter, der eine gewisse Menge an Wasser, das entsalzt werden soll, aufnehmen kann,

eine erste Ionenaustauschereinheit mit Anionenaustausch-35

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vermögen,

eine zweite Ionenaustauscheinheit mit Kationenaustauschvermögen,

eine Leitung, um Wasser aus dem Behälter durch die erste Ionenaustauscheinheit und die zweite Ionenaustausche inhe it aufwärts zurück in den Behälter zu leiten und die weiterhin Mittel umfaßt, um das Wasser durch die Leitungen zu pumpen.

Vorzugsweise umfassen die Leitungen eine erste und eine zweite Leitung, um Wasser aus dem Behälter durch die erste Ionenaustauscheinheit und separat dazu durch die zweite Ionenaustauscheinheit zurück zum Behälter zirkulieren zu lassen.

Weiterhin umfaßt das System vorzugsweise eine dritte Leitung, in der Filtermittel angebracht sind, um Wasser aus dem Behälter durch das Filter zurück in den Behälter zu leiten, um anfallende Partikel aus dem Wasser abzufiltern. In der dritten Leitung sind ebenfalls Pumpmittel vorgesehen.

im Betrieb wird eine gewisse Menge von Rohwasser in den Behälter gegeben, die Pumpenmittel in Betrieb genommen, so daß Wasser durch die erste und die zweite Ionenaustauscheinheit und vorzugsweise auch durch das Filter immer wieder zirkuliert, bis die spezifische Leitfähigkeit des zirkulierenden Wassers unter einen vorgegebenen Pegel sinkt. Das so erhaltene entsalzte Wasser kann zum Waschen oder für andere Zwecke abgelassen werden, worauf das System mit einer weiteren Füllung zu entionisierendem Wasser gefüllt wird und

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der Kreislauf von neuem beginnt.

Wenn eine oder beide Ionenaustauscheinheiten nahe an ihrem Sättigungs- bzw. Erschöpfungspunkt sind, können sie aus dem System genommen und separat regeneriert werden, ohne daß eine komplizierte Aufteilung in Anionen- und Kationenaustauscher vorgenommen werden muß.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Im folgenden werden anhand von Abbildungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Wasserentsalzungsanlage gemäß einer ersten bevorzugten Ausfüh~ rungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine weitere bevorzugte Ausführungsform in der Darstellungsart nach Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in der Darstellungsart nach Fig. 1,

Fig. 4 eine graphische Darstellung eines Versuchsbeispiels mit aufgetragener elektrischer Leitfähigkeit (uS/cm) nach der Zeit (Stunden), und

Fig. 5 eine Darstellung nach Fig. 4, die ein Vergleichsbeispiel zeigt.

Figur 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Die Anlage

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weist einen geschlossenen Behälter 1 auf, der eine gewisse Menge Rohwasser über ein Magnetventil 12 z.B. aus der öffentlichen Wasserversorgungsanlage aufnehmen kann. Ein Pegelmesser 11 mißt den Wasserpegel im Behälter 1 und gibt dem Ventil 12 ein Signal zum Schließen, wenn eine vorbestimmte Wassermenge im Behälter 1 enthalten ist.
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Die Anlage umfaßt drei voneinander getrennte Strömungswege, durch die Wasser aus dem Behälter 1 zirkulieren kann.

Der erste Strömungsweg oder -kreis geht vom Behälter 1 durch eine Pumpe 7 und eine erste Ionenaustauscheinheit 5 zurück in den Behälter 1. Die Ionenaustauschereinheit 5 ist vorzugsweise in loser Schüttung mit einer gewissen Menge an Ionenaustauscher mit Anionenaustauschvermögen gefüllt, z.B. mit einem Anionenaustauschharz. Die Leitungen, die den Behälter 1, die Pumpe 7 und die Ionenaustauscheinheit 5 verbinden, sind wie in Fig.1 gezeigt, angeordnet. Die Ionenaustauscheinheit 5 ist an ihrem unteren Ende mit der Pumpe 7 und an ihrem oberen Ende mit dem Behälter 1 verbunden, so daß das Wasser die Ionenaustauscheinheit in Aufwärtsrichtung durchströmt. Ein Bypass, eine Kurzschlußleitung mit einem Ventil 9, welche die Ionenaustauscheinheit 5 überbrückt, ist auf der Druckseite der Pumpe 7 vorgesehen. Dieser Bypass dient dazu, die Durchflußrate durch die Einheit 5 zu steuern, ohne die Pumpleistung durch den gesamten Kreis verändern zu müssen.

Der zweite Flußweg kann identisch dem ersten aufgebaut sein, außer daß die zweite Ionenaustauscheinheit 6 eine

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Menge von Ionenaustauschmaterial enthält, das entgegengesetzt geladene ionen aufnimmt, z.B. ein Kationenaustauschharz. Auch hier sind die entsprechenden Leitungen vorgesehen, um einen Stromkreis so zu schaffen, daß Wasser aus dem Behälter 1 durch die Pumpe 8 und die zweite Ionenaustauscheinheit 6 zurück zum Behälter 1 fließt. Ebenfalls auf der Druckseite der Pumpe 8 ist zum gleichen Zweck wie bei der ersten Einheit ein Bypass mit einem Ventil 10 vorgesehen, der die Ionenaustauscheinheit 6 überbrückt.

Ein dritter Flußweg geht vom Behälter 1 durch eine Pumpe 2 und ein Filter 3 zurück in den Behälter 1. Ein Druckfühler 4 ist auf der Druckseite der Pumpe 2 vor dem Filter 3 angeordnet, um ein Verstopfen des Filters 3 zu detektieren, das in einem Ansteigen des durch den Fühler 4 gemessenen Druckes über einen vorbestimmten Pegel resultiert.

Die Anlage umfaßt vorzugsweise Mittel, um die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Wassers im Behälter messen zu können. Hierfür ist eine übliche Zelle 13 im Behälter 1 angeordnet und mit einer Meßvorrichtung 14 verbunden. Die von der Meßvorrichtung 14 gemessenen Daten werden auf einem Rekorder 14' aufgezeichnet.

Im Betrieb wird Rohwasser aus einer geeigneten Quelle in den Behälter 1 über ein Ventil 12 eingefüllt, bis der Pegelmesser 11 anzeigt, daß ein vorbestimmtes Wasservolumen erreicht ist. Dann werden die Pumpen 2, 7 und 8 bei geöffneten entsprechenden Ventilen in Betrieb gesetzt, so daß Wasser aus dem Behälter 1 durch das Filter 3, die erste und die zweite Ionenaustausch-

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einheit 5, 6 (jeweils parallel) und zurück in den Behälter 1 zirkulieren kann. Das Wasser wird hierbei zunehmend entsalzt, wenn es durch die parallelgeschalteten erste und zweite Ionenaustauscheinheiten immer wieder hindurchfließt. Verunreinigungen, die anfangs im Rohwasser enthalten sind oder aus dem Ionenaustauschmaterial stammen, werden vom Filter 3 abgefiltert.

Wenn die spezifische Leitfähigkeit des zirkulierenden Wassers unterhalb eines vorbestimmten Pegels, z.B. unter 0,1 uS/cm und nahe bei 0,05 με/οΐη bei 25°C sinkt, so hält man die Pumpen 2, 7 und 8 an und läßt das entsalzte Wasser aus dem Behälter 1 über ein Ablaßventil ab, um es zum Waschen oder für andere Zwecke zu verwenden .

In Fig. 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Bei dieser Abbildung werden für die gleichen Elemente dieselben Bezugsziffern verwendet. Die Anlage arbeitet im wesentlichen wie die vorher genannte, jedoch mit folgenden Unterschieden:

Die Anlage nach Fig. 2 umfaßt einen Flußweg, der vom Behälter 1 durch eine Pumpe 2 zu einer Ultrafiltrieranlage 3¹ führt. Eine Rückflußleitung für das Retenat verbindet die Ultrafiltrieranordnung 3' mit dem Behälter 1. Ein Druckfühler 4 ist vor dem Filter 3· angeordnet, um bei dessen Verstopfung ein Warnsignal abzugeben. Die Filtratseite der Ultrafiltrxeranordnung 3¹ ist mit einem Speichertank 15 verbunden, um entionisiertes bzw. entsalztes und ultrafiltriertes Wasser zu speichern. Eine Leitung mit Ventil 19 verbindet

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den Tank 15 mit der Filtratseite des Ultrafilters 3¹ über eine Pumpe 20, um das Filter 3¹ zu waschen, indem man gereinigtes Wasser aus dem Tank 15 durch das Filter in der Rückwärtsrichtung zu einem Abfluß 21 strömen läßt.

Die Vorrichtung weist vorzugsweise in ihrer Rohwasserleitung ein Aktivkohlefilter und ein Mikrofilter zur Vorbehandlung des Rohwassers auf, bevor es in den Behälter 1 eingelassen wird.

im Betrieb wird Rohwasser in den Behälter 1 über das Ventil 2 und verschiedene Filter 16 und 17 eingefüllt, bis ein Pegelmesser 11 anzeigt, daß ein vorbestimmtes Volumen in den Behälter 1 gefüllt wurde. Dann werden die Pumpen 7 und 8 zusammen mit den entsprechenden Ventilen in Betrieb genommen, so daß Wasser aus dem Behälter 1 parallel durch die erste und die zweite Ionenaustauscheinheit 5 und 6 immer wieder hindurchfließt. In diesem Stadium steht die Pumpe 2 still, ihr Ventil ist geschlossen. Wenn die spezifische Leitfähigkeit des zirkulierenden Wassers, die vom Sensor und der Meßvorrichtung 14 gemessen wird, unter einen vorbestimmten Pegel fällt, so wird die Pumpe 2 in Betrieb genommen, so daß entsalztes Wasser durch das Ultrafilter 3· gefiltert wird. Das Filtrat gelangt in den Speichertank 15 zum Speichern des gereinigten Wassers. Im Tank 15 ist eine UV-Lampe 23 angeordnet, um dessen Inneres steril zu halten. Die Rückstände der Ultrafiltriervorrichtung 3' werden in den Behälter 1 zur weiteren Behandlung im System zurückgeführt. Wenn die spezifische Leitfähigkeit des zirkulierenden Wassers höher wird als ein vorbestimmter Pegel, so wird

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die Pumpe 2 angehalten, so daß das Wasser nur parallel durch die beiden Ionenaustauscheinheiten 7 und 8 zirkuliert, bis die spezifische Leitfähigkeit wieder unter den vorbestimmten Pegel sinkt.

Wenn eine vorbestimmte Menge Wasser aus dem Behälter 1 (gemessen mit dem Pegelmesser 11) abgelassen wurde, so werden alle Pumpen 2, 7 und 8 angehalten und das Ablaßventil 18 geöffnet, um den Behälter 1 zu entleeren. Bevor man den Behälter 1 wieder mit frischem Rohwasser für den nächsten Lauf füllt, wird die Ultrafiltriervorrichtung mit gereinigtem Wasser aus dem Speichertank 15 gereinigt. Hierfür öffnet man das Ventil 19 und stellt die Pumpe 20 an, so daß gereinigtes Wasser die Filtriervorrichtung 3' in der Rückwärtsrichtung durchströmt. Im Tank 15 gespeichertes gereinigtes Wasser kann durch öffnen des Ventils 22 abgelassen werden, um damit zu waschen oder es für andere Zwecke zu verwenden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, werden wieder dieselben Bezugsziffern für die gleichen Elemente wie in den Fig. 1 und 2 verwendet.

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform umfassen die erste und die zweite Iönenaustauscheinheit 5 bzw. 6 jeweils eine Vielzahl von vertikal angeordneten Ionenaustauschsäulen, die mit den Bezugsziffern 15-52 bzw. 60 - 62 versehen sind. Diese Säulen sind jeweils in einer Gruppe parallelgeschaltet. Den Säulen vorgeschaltet sind Ventile 80 - 82 bzw. 90 - 92. Zusätzlich zum Filter 3 werden vorzugsweise Filter 56 und 66 den

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Austauscheinheiten 5 und 6 nachgeschaltet.

Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung kann ausgezeichnet dazu verwendet werden, einen Gegenstand 100 im Behälter 1 mit entsalztem Wasser zu reinigen. Um ionische Verunreinigungen vom Gegenstand 100 abzuwaschen, ist im Behälter 1 ein Rührer 102 vorgesehen.

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Bei dieser Anordnung kann die Anzahl von Ionenaustausch säulen, die gleichzeitig in Betrieb sind, erhöht oder erniedrigt werden, je nach der Salzmenge, die entfernt werden muß, indem man einfach die ihnen zugeordneten Ventile öffnet oder schließt.

Bei dieser Anordnung wird außerdem das Abnehmen und Regenerieren einer einzelnen Ionenaustauschsäule erleichtert, wobei gleichzeitig das Gesamtsystem weiter_o« laufen kann.

Beispiele

2g Eine Entsalzungsanlage nach Fig. 1 wurde aufgebaut. Als Filter 3 wurde ein Filter verwendet, das von der Japan Organo Co., Ltd. unter dem Namen PF-Filter vertrieben wird.

₃q Drei Liter eines stark basischen Anionenaustauscherharzes (DUOLITE A-101D; Sumitomo Chemical Co., Ltd.; guaternäre Ammoniumgruppen; Gesamtkapazität 1,3 meq/ml; tatsächliche Dichte 1,10; Wassergehalt 47 - 55%) wurden mit 2N NaOH zweimal behandelt und mit Leitungswasser dreimal gewaschen. Das behandelte Harz wurde lose in

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einer Ionenaustauschsäule gepackt, so daß sich die erste Ionenaustauscheinheit 5 ergab. 5

Drei Liter von stark saurem Kationenaustauscherharz (DUOLITE C-20; Sumitomo Chemical Co., Ltd.; SuIfonatgruppen; Gesamtkapazität 2,0 meq/ml; tatsächliche Dichte 1,32; Wassergehalt 43 - 47%) wurden mit 2N HCl zweimal behandelt und mit Leitungswasser dreimal gewaschen. Das behandelte Harz wurde lose in einer anderen lonenaustauschsäule zur Herstellung der zweiten Ionenaustauscheinheit 6 gepackt.

Fünf Liter Leitungswasser aus dem Stadtnetz (spezifische Leitfähigkeit 150 uS/cm) wurden in den Behälter 1 gefüllt und durch die erste und zweite Ionenaustauscheinheit 5 und 6 und durch das Filter 3 zirkuliert. Die Flußrate durch jede Ionenaustauscheinheit wurde auf 20 l/min (Raumgeschwindigkeit 7 1/1) eingestellt.

Die Veränderung der spezifischen Leitfähigkeit nach der Zeit ist in Fig. 4 gezeigt. Wie der Abbildung zu entnehmen ist, sinkt die spezifische Leitfähigkeit nach etwa 10 min auf 1 uS/cm ab und dann weiter nach etwa 30 min auf 0,05

Zum Vergleich wurde eine 1:1-Mischung der oben beschriebenen Anionen- und Kationenaustauscherharze in die erste und die zweite ϊonenaustauscheinheiten 5 und 6 gefüllt und ein ähnlicher Test wurde wiederholt, außer daß das Wasser durch die Einheiten 5 und 6 in der Abwärtsrichtung geleitet wurde.

Die Veränderung der spezifischen Leitfähigkeit nach

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der Zeit ist in Fig. 5 aufgezeigt. Wie der Darstellung zu entnehmen ist, sinkt die spezifische Leitfähigkeit innerhalb von 5 min auf 1 \iS/cm ab, jedoch niemals unter 0,5 με/αη, auch bei andauernder Verfahrensdurchführung nicht.

Nach Umkehrung der Strömungsrichtung des Wassers durch die oben beschriebenen gemischten Ionenaustauscheinheiten 5 und 6 wurde eine spezifische Leitfähigkeit von 0,05 \iS/cm nach etwa 30 min erreicht. Es war jedoch unmöglich, die Mischung vollständig in anionische und kationische Komponenten zu zerlegen.

Selbstverständlich sind weitere Änderungen der hier aufgezeigten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Zum Beispiel können die erste und die zweite Ionenaustauscheinheit 5 und 6 iⁿ Reihe geschaltet werden, wobei dann eine einzelne Leitung dazu dient, das Wasser aus dem Behälter 1 durch die erste und die zweite Ionenaustauscheinheit 5 und 6 nacheinander zurück in den Behälter 1 zu leiten.

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Claims

3'4S573 M/25286 Patentansprüche

1. Wasserentsalzungsanlage mit

einem Behälter (1) zur Aufnahme einer Menge zu entsalzenden Wassers,

einer ersten Ionenaustauscheinheit (5) mit Anionenaustauschvermögen,

einer zweiten Ionenaustauscheinheit (6) mit Kationenaustauschvermögen,

Leitungen, um Wasser vom Behälter (1) durch die erste Ionenaustauscheinheit (5) und die zweite

Ionenaustauscheinheit (6) aufwärts zurück in den Behälter zirkulieren zu lassen, und

Mittel in den Leitungen, um Wasser durch sie hindurchzupumpen.

2. Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen eine erste und eine zweite Leitung umfassen, um Wasser aus dem Behälter (1) durch die erste Ionenaustauscheinheit

(5) und durch die zweite Ionenaustauscheinheit (6) separat zurück zum Behälter zirkulieren zu lassen.

3. Wasserentsalzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine dritte Leitung mit einem Filter (3, 3¹) vorgesehen

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ist, um Wasser aus dem Behälter (1) durch das Filter (3, 3') zurück in den Behälter (1) strömen zu lassen und daß mit der dritten Leitung Mittel (2) zum Durchpumpen von Wasser verbunden sind.

4. Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermittel eine Ultrafiltriervorrichtung (3¹) umfassen, die eine Rückflußleitung zum Behälter (1) aufweist, um die zurückgehaltene Fraktion von der Ultrafiltriervorrichtung (3¹) zurückzuführen, während die Filtratfraktion der Ultrafiltriervorrichtung (3¹) abfließen kann.

5. Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (50 - 52) und zweite Ionenaustauscheinheit (60 - 62) jeweils eine Vielzahl von Ionenaustausch3öulen in Parallelschaltung umfassen.

6. Wasserentsalzungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (13, 14) vorgesehen sind, um die spezifische elektrische Leitfähigkeit des durch das System zirkulierenden Wassers zu messen.