DE3446573C2

DE3446573C2 -

Info

Publication number: DE3446573C2
Application number: DE3446573A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Amagasaki Hyogo Jp 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: 1993-08-12
Also published as: JPS60132693A; DE3446573A1; US4655909A; JPS6159793B2

Description

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

Der Bedarf nach ultrareinem Wasser zum Waschen ver schiedener 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 µs/cm bei 25°C zu er reichen, ist es unumgänglich, das Wasser sowohl mit Kationen- als auch mit Anionenaustauschern zu behandeln. Dieser Entionisierungs- oder Entsalzungsschritt kann mittels handelsüblicher Säulen (im englischen Sprachraum "water polisher" genannt) bewerkstelligt werden, die Anionen- und Kationenaustauscher als ge mischte Füllung aufweisen, wie z. B. in der US-PS 42 80 912 beschrieben. 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 regeneriert werden können. So mit müssen sie weggeworfen werden, nachdem ihre Kapazi tät im wesentlichen erschöpft ist. Nachdem diese Säulen mit einer innigen Mischung von Anionen- und Kationen austauschern gefüllt sind und getrennte Regeneriermittel für die Anionen- und die Kationenaustauscher notwendig sind, muß die Mischung in ihre Komponenten zerlegt wer den, bevor man sie regenerieren kann.

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

Die DE-OS 18 14 749 beschreibt eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser aus der metallverarbeitenden Industrie, d. h. von Wasser, das mit Elektrolyten stark beladen ist. Zur Entfernung der Elektrolyten sind ein Kationenaustauscher und ein nachgeschalteter Anionenaustauscher vorgesehen, wobei das aufzubereitende Wasser immer wieder in einen Auffangbehälter rezirkuliert wird.

Die DE-OS 19 62 270 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung zur Aufbereitung von elektrolytischem Wasser. Die Vorrichtung umfaßt ein Speicherbecken und zwei hintereinander geschaltete Austauschereinheiten, durch die das aufzubereitende Wasser in das Speicherbecken zurückgefördert wird. Der Nachteil der beiden zuletzt genannten Vorrichtungen besteht in erster Linie darin, daß die Herstellung von ultrareinem Wasser praktischh sehr aufwendig ist.

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

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine diskontinuierlich arbeitende Wasserentsalzungsanlage mit einem Behälter (1) zur Aufnahme des zu entsalzenden Wassers,
einer ersten Ionenaustauschereinheit (5) mit Anionen austauschvermögen,
einer zweiten Ionenaustauscheinheit (6) mit Kationen austauschvermögen, die zur ersten Ionenaustauschereinheit parallel geschaltet ist,
einer ersten Leitung, um Wasser vom Behälter (1) durch die erste Ionenaustauscheinheit (5) zurück in den Behälter zirkulieren zu lassen,
einer zweiten Leitung, um Wasser vom Behälter (1) durch die zweite Ionenaustauscheinheit (6) zurück zum Behälter zirkulieren zu lassen, und
Mitteln in den Leitungen, um Wasser durch sie hin durchzufördern.

Weiterhin umfaßt die Aufgabe vorzugsweise eine dritte Leitung, in der Filtermittel angebracht sind, um Wasser aus dem Behälter durch das Filter zurück in den Be hälter 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 ge nommen, 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 abge lassen werden, worauf das System mit einer weiteren Füllung zu entionisierendem Wasser gefüllt wird und 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 An ionen- und Kationenaustauscher vorgenommen werden muß.

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

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Wasserentsalzungsan lage 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 Versuchsbei spiels mit aufgetragener elektrischer Leit fähigkeit (µS/cm) nach der Zeit (Stunden), und

Fig. 5 eine Darstellung nach Fig. 4, die ein Ver gleichsbeispiel zeigt.

Fig. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Die Anlage weist einen geschlossenen Behälter 1 auf, der eine ge wisse Menge Rohwasser über ein Magnetventil 12 z. B. aus der öffentlichen Wasserversorgungsanlage aufnehmen kann. Ein Pegelmesser 11 mißt den Wasserpegel im Behälter und gibt dem Ventil 12 ein Signal zum Schließen, wenn eine vorbestimmte Wassermenge im Behälter 1 enthalten ist.

Die Anlage umfaßt drei voneinander getrennte Strömungs wege, durch die Wasser aus dem Behälter 1 zirkulieren kann.

Der erste Strömungsweg oder -kreis geht vom Behälter durch eine Pumpe 7 und eine erste Ionenaustauschein heit 5 zurück in den Behälter 1. Die Ionenaustauscher einheit 5 ist vorzugsweise in loser Schüttung mit einer gewissen Menge an Ionenaustauscher mit Anionenaustausch vermögen 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 vorge sehen. 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 Menge von Ionenaustauschmaterial enthält, das entgegen gesetzt geladene Ionen aufnimmt, z. B. ein Kationenaus tauschharz. Auch hier sind die entsprechenden Leitun gen vorgesehen, um einen Stromkreis so zu schaffen, daß Wasser aus dem Behälter 1 durch die Pumpe 8 und die zweite Ionenaustauscheinheit 6 zurück zum Behäl ter 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 Ionen austauscheinheit 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 spezifi sche elektrische Leitfähigkeit des Wassers im Behälter 1 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 Be trieb gesetzt, so daß Wasser aus dem Behälter 1 durch das Filter 3, die erste und die zweite Ionenaustausch einheit 5, 6 (jeweils parallel) und zurück in den Be hälter 1 zirkulieren kann. Das Wasser wird hierbei zu nehmend entsalzt, wenn es durch die parallelge schalteten erste und zweite Ionenaustauscheinheiten immer wieder hindurchfließt. Verunreinigungen, die an fangs im Rohwasser enthalten sind oder aus dem Ionen austauschmaterial stammen, werden vom Filter 3 abge filtert.

Wenn die spezifische Leitfähigkeit des zirkulierenden Wassers unterhalb eines vorbestimmten Pegels, z. B. unter 0,1 µs/cm und nahe bei 0,05 µS/cm bei 25°C sinkt, so hält man die Pumpen 2, 7 und 8 an und läßt das ent salzte Wasser aus dem Behälter 1 über ein Ablaßventil 18 ab, um es zum Waschen oder für andere Zwecke zu ver wenden.

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 ge nannte, jedoch mit folgenden Unterschieden:

Die Anlage nach Fig. 2 umfaßt einen Flußweg, der vom Behälter 1 durch eine Pumpe 2 zu einer Ultrafiltrier anlage 3 führt. Eine Rückflußleitung für das Retenat verbindet die Ultrafiltrieranordnung 3′ mit dem Be hälter 1. Ein Druckfühler 4 ist vor dem Filter 3′ an geordnet, um bei dessen Verstopfung ein Warnsignal abzugeben. Die Filtratseite der Ultrafiltrieranordnung 3′ ist mit einem Speichertank 15 verbunden, um ent ionisiertes bzw. entsalztes und ultrafiltriertes Wasser zu speichern. Eine Leitung mit Ventil 19 verbindet den Tank 15 mit der Filtratseite des Ultrafilters 3′ über eine Pumpe 20, um das Filter 3′ zu waschen, in dem 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 Rohwasser leitung ein Aktivkohlefilter und ein Mikrofilter zur Vorbehandlung des Rohwassers auf, bevor es in den Be hälter 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 hindurch fließt. In diesem Stadium steht die Pumpe 2 still, ihr Ventil ist geschlossen. Wenn die spezifische Leit fähigkeit des zirkulierenden Wassers, die vom Sensor 13 und der Meßvorrichtung 14 gemessen wird, unter einen vorbestimmten Pegel fällt, so wird die Pumpe 2 in Be trieb genommen, so daß entsalztes Wasser durch das Ultrafilter 3′ gefiltert wird. Das Filtrat gelangt in den Speichertank 15 zum Speichern des gereinigten Was sers. 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 Was sers höher wird als ein vorbestimmter Pegel, so wird 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 entlee ren. Bevor man den Behälter 1 wieder mit frischem Roh wasser für den nächsten Lauf füllt, wird die Ultra filtriervorrichtung mit gereinigtem Wasser aus dem Speichertank 15 gereinigt. Hierfür öffnet man das Ventil 19 und stellt die Pumpe 20 an, so daß gereinig tes Wasser die Filtriervorrichtung 3′ in der Rückwärts richtung durchströmt. Im Tank 15 gespeichertes ge reinigtes Wasser kann durch öffnen des Ventils 22 ab gelassen werden, um damit zu waschen oder es für andere Zwecke zu verwenden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er findung, 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 Ionenaustauscheinheit 5 bzw. 6 jeweils eine Vielzahl von vertikal angeordneten Ionenaustauschsäulen, die mit den Bezugsziffern 50-52 bzw. 60-62 versehen sind. Diese Säulen sind jeweils in einer Gruppe parallelgeschaltet. Den Säulen vorge schaltet sind Ventile 80-82 bzw. 90-92. Zusätzlich zum Filter 3 werden vorzugsweise Filter 56 und 66 den Austauscheinheiten 5 und 6 nachgeschaltet.

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

Bei dieser Anordnung kann die Anzahl von Ionenaustauschsäulen, 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 er leichtert, wobei gleichzeitig das Gesamtsystem weiter laufen kann.

Beispiele

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 ver trieben wird.

Drei Liter eines stark basischen Anionenaustauscher harzes (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 einer Ionenaustauschsäule gepackt, so daß sich die erste Ionenaustauscheinheit 5 ergab.

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

Fünf Liter Leitungswasser aus dem Stadtnetz (spezifi sche Leitfähigkeit 150 µS/cm) wurden in den Behälter 1 gefüllt und durch die erste und zweite Ionenaustausch einheit 5 und 6 und durch das Filter 3 zirkuliert. Die Flußrate durch jede Ionenaustauscheinheit wurde auf 20 l/min (Raumgeschwindigkeit 7 l/l) 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 µS/cm ab und dann weiter nach etwa 30 min auf 0,05 µS/cm.

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

Die Veränderung der spezifischen Leitfähigkeit nach der Zeit ist in Fig. 5 aufgezeigt. Wie der Darstellung zu entnehmen ist, sinkt die spezifische Leitfähigkeit innerhalb von 5 min auf 1 µS/cm ab, jedoch niemals unter 0,5 µS/cm, auch bei andauernder Verfahrensdurch führung nicht.

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

Claims

1. Diskontinuierlich arbeitende Wasserentsalzungsanlage mit einem Behälter (1) zur Aufnahme des zu entsalzenden Wassers,
einer ersten Ionenaustauschereinheit (5) mit Anionen austauschvermögen,
einer zweiten Ionenaustauscheinheit (6) mit Kationen austauschvermögen, die zur ersten Ionenaustauschereinheit parallel geschaltet ist,
einer ersten Leitung, um Wasser vom Behälter (1) durch die erste Ionenaustauscheinheit (5) zurück in den Behälter zirkulieren zu lassen,
einer zweiten Leitung, um Wasser vom Behälter (1) durch die zweite Ionenaustauscheinheit (6) zurück zum Behälter zirkulieren zu lassen, und
Mitteln in den Leitungen, um Wasser durch sie hin durchzufördern.

2. Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine dritte Leitung mit einem Filter (3, 3′) vorgesehen ist, um Wasser aus dem Behälter (1) durch das Filter (3, 3′) zurück in den Behälter (1) strömen zu las sen und daß mit der dritten Leitung Mittel (2) zum Durchpumpen von Wasser verbunden sind.

3. Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermittel eine Ultra filtriervorrichtung (3′) umfassen, die eine Rück flußleitung zum Behälter (1) aufweist, um die zu rückgehaltene Fraktion von der Ultrafiltriervor richtung (3′) zurückzuführen, während die Filtrat fraktion der Ultrafiltriervorrichtung (3′) abfließen kann.

4. Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (50-52) und zweite Ionenaustauscheinheit (60-62) jeweils eine Viel zahl von Ionenaustauschsäulen in Parallelschaltung umfassen.

5. Wasserentsalzungsanlage nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (13, 14) vorgesehen sind, um die spezifische elektri sche Leitfähigkeit des durch das System zirkulieren den Wassers zu messen.