DE4142749A1 - Desalinating appts. for sea or brackish water - has electrolysis chambers interlinked with ion conductive dividing plates made of sand and cement - Google Patents
Desalinating appts. for sea or brackish water - has electrolysis chambers interlinked with ion conductive dividing plates made of sand and cementInfo
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Abstract
Description
Es ist bekannt, daß man Süßwasser aus Meerwasser nach mehreren Methoden gewinnen kann. Es seien nur genannt: Destillation, Umkehrosmose, Elektrodialyse, Verdunstung und Ionenaustausch chromatographie, Gefrieren.It is known that freshwater can be extracted from seawater after several Methods can win. Let us just mention: distillation, Reverse osmosis, electrodialysis, evaporation and ion exchange chromatography, freezing.
Allgemeine Angaben und Hinweise findet man z. B. in den folgenden Literaturstellen:General information and notes can be found e.g. B. in the following Literature:
Franz Kurawski, Unsere Zukunft das Meer, Überreuter, Wien- Heidelberg, 2. Auflage 1970 (5.27f, 83),Franz Kurawski, Our future the sea, Überreuter, Vienna- Heidelberg, 2nd edition 1970 (5.27f, 83),
Joachim Borneff, Hygiene, Thieme, Stuttgart, New York. 4. Auflage 1982, S. 131f.Joachim Borneff, Hygiene, Thieme, Stuttgart, New York. 4th Edition 1982, pp. 131f.
Leonhard Hütter, Wasser und Wasseruntersuchung, dritte Auflage 1979, Diesterweg und Sauerländer, Reihe: Laborbücher Chemie Otto Klee, Angewandte Hydrobiologie, Trinkwasser-Abwasser- Gewässerschutz, Thieme 1985.Leonhard Hütter, water and water analysis, third edition 1979, Diesterweg and Sauerländer, series: Chemistry Laboratory Books Otto Klee, Applied Hydrobiology, Drinking Water, Wastewater Water protection, Thieme 1985.
Allgemeine Grundlagen sind den Standardlehrbüchern der Physik und der Anorganischen Chemie entnommen. General basics are the standard textbooks of physics and taken from inorganic chemistry.
Ausführlich und auf wissenschaftlich-technischem Niveau werden Probleme der Meerwasserentsalzung in dem Kongreßband "Süßwasser aus Salzwasser":Be detailed and on a scientific-technical level Problems of sea water desalination in the congress tape "Fresh water from salt water ":
Dechema Monographien Band 47, Teil 1 und Teil 2, Verlag Chemie GmbH, Weinheim diskutiert.Dechema Monographien Volume 47, Part 1 and Part 2, Verlag Chemie GmbH, Weinheim discussed.
In dem zitierten Buch "Unsere Zukunft das Meer" wird die Möglichkeit der Gewinnung von Süßwasser aus Seewasser mittels Elektrolyse zwar angeführt, aber weder näher ausgeführt, noch werden weiterführende Literaturstellen angeführt. In den oben zitierten Dechema Monographien finden sich zwar zahlreiche Hinweise auf Elektrodialyseverfahren, aber ebenfalls keine Verweise oder Angaben auf reine Elektrolyseverfahren.In the quoted book "Our future the sea" the Possibility of extracting fresh water from sea water using Electrolysis mentioned, but neither detailed, nor further references are given. In the above There are numerous Dechema monographs cited Indications of electrodialysis procedures, but also none References or statements to pure electrolysis processes.
Die z.Z. am häufigsten eingesetzten Verfahren der Meerwasserentsalzung sind die Destillation und die Umkehrosmose.The currently most commonly used methods of Desalination are distillation and reverse osmosis.
Auch wenn bei den Destillationsverfahren sehr häufig das zu entsalzende Wasser durch die in trockenen Ländern meist ausgeprägte Sonneneinstrahlung vorerwärmt wird, und außerdem versucht wird, noch zu entsalzendes Wasser stufenweise unter Ausnutzung der Kondensationswärme aufzuheizen, ist dieses Verfahren sehr energieaufwendig. Dies begründet sich aus den relativ geringen Meerwassertemperaturen auch in heißen Ländern, den erforderlichen hohen Temperaturen, letztlich also aus der hohen zu überwindenden Temperaturdifferenz. Außerdem ist die Verdampfungswärme (-enthalpie) für Wasser mit 545.1 cal/g (=9.82 kcal/Mol) bei 100°C, damit also die auch nach Erreichen z. B. der Temperatur von 100°C noch zuzuführende Wärmemenge beträchtlich hoch. Es sollte auch erwähnt werden, daß auf dem Destillationsprinzip beruhende Entsalzungsanlagen, wegen der sich absetzenden Salze relativ empfindlich und wartungsintensiv sind.Even if this is very often the case with the distillation process most desalinating water in dry countries pronounced solar radiation is preheated, and also attempts are being made to gradually remove water to be desalinated This is to heat up the heat of condensation Very energy-intensive process. This is due to the relatively low sea water temperatures even in hot countries, the required high temperatures, ultimately from the high temperature difference to be overcome. Besides, that is Evaporation heat (enthalpy) for water with 545.1 cal / g (= 9.82 kcal / mol) at 100 ° C, so that even after reaching z. B. amount of heat to be added to the temperature of 100 ° C considerably high. It should also be mentioned that on the Desalination plants based on the principle of distillation, because of the settling salts are relatively sensitive and maintenance-intensive are.
Die relative Störanfälligkeit ist auch für Verfahren der Meerwasserentsalzung mit umgekehrter Osmose (RO, reversed osmosis) charakteristisch. Da bei diesem Verfahren das zu entsalzende Wasser mittels sehr hohen Druckes (ca. 10-15 bar und mehr) durch Membranen (z. B. Polyamidmembranen) gepreßt wird, muß vor der Filtration das Wasser sehr gründlich aufgereinigt werden, um eine mechanische Zerstörung der Membranen zu verhindern. Auch müssen die Membranen reichlich gespült werden, um Mikroverunreinigungen zu entfernen. Grundsätzlich bergen RO- Membranen (reversed-osmosis oder Umkehrosmose, vgl. oben) die Gefahr einer umfangreichen mikrobiologischen Kontamination und erfordern deshalb aufwendige Aufbereitungsmaßnahmen (u. a. Chlorung) des entstehenden Wassers.The relative susceptibility to faults is also the case for the Seawater desalination with reverse osmosis (RO, reversed osmosis) characteristic. Because with this procedure desalinating water using very high pressure (approx. 10-15 bar and more) is pressed through membranes (e.g. polyamide membranes), the water must be cleaned very thoroughly before filtration to mechanical destruction of the membranes prevent. The membranes must also be rinsed thoroughly, to remove micropollutants. Basically, RO- Membranes (reversed osmosis or reverse osmosis, see above) die Risk of extensive microbiological contamination and therefore require elaborate preparation measures (including Chlorination) of the resulting water.
Elektrodialyseverfahren arbeiten meistens mit Ionen-selektiven Membranen und einer Aufkonzentrierung von Salzlösung unter gleichzeitiger Verdünnung der Ausgangslösung.Electrodialysis processes mostly work with ion-selective Membranes and a concentration of saline under simultaneous dilution of the starting solution.
Ziel sollte es sein, energiesparende und umweltfreundliche Meerwasserentsalzungsanlagen zu konstruieren. Außerdem sollten sich diese Anlagen durch Wartungsfreundlichkeit auszeichnen und sowohl großtechnisch als auch für den individuellen Bedarf dezentral betreiben lassen. Der letzte Gesichtspunkt ist zu berücksichtigen, wenn beispielsweise nur Wasserleitungssysteme mit reinem Meerwasser oder nur teilentsalztem Wasser geschaffen werden. The goal should be energy-saving and environmentally friendly To construct desalination plants. Besides, should these systems are easy to maintain and both on an industrial scale and for individual needs have it operated decentrally. The last point of view is too take into account if, for example, only water supply systems created with pure sea water or only partially desalinated water will.
Die Meerwasserentsalzung nach dem Prinzip der Elektrolyse in getrennten, aber elektrisch leitend verbundenen Kammern arbeitet, insbesondere wenn man die in den Patentansprüchen vorgeschlagenen Verfahren realisiert, energetisch günstiger als Verfahren, die auf dem Destillations- bzw. Vereisungsverfahren beruhen. Besonders günstig erscheint, daß man die Anlage mit relativ geringen Spannungen und nur mäßig hohen, also technisch gut handhabbaren Gleichströmen betreiben kann. Insbesondere sind also Solarzellen in geeigneter Verschaltung einsetzbar. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen außerdem darin, daß die Herstellungskosten der Anlage deutlich günstiger als bei den etablierten Anlagen und Verfahren sind. Aufgrund der einfachen und übersichtlichen Konstruktion sind auch die Unterhalts- und Wartungskosten sehr günstig. Ein Einsatz dieser Anlage erscheint deshalb insbesondere für Entwicklungsländer, die meist über reichlich Sonnenenergie, aber Wassermangel verfügen, geeignet. Da in den Elektrolysekammern Natronlauge NaOH bzw., je nach Ausführung allerdings mehr oder weniger unterchlorige Säure HOCl entstehen, sind mikrobiologische Kontaminationen der Membranen sehr unwahrscheinlich. Da außer Wasserstoff (H2) auch noch Chlorgas (Cl2) entsteht, könnte letzteres zu einer zusätzlichen Desinfektion (Entkeimung) des entstehenden Süßwassers oder anderer Brauchwässer eingesetzt werden. Insgesamt ist das Verfahren nicht nur wegen des evtl. spurenweise Vorhandenseins von HOCl, sondern auch wegen des an der Anode entstehenden Vorgangs der anodischen Oxidation als mikrobiologisch extrem unbedenkliches Verfahren einzustufen. Aus diesem Grunde konnten auch Agarmembranen tagelang ohne bakterielle Kontamination verwendet werden.The desalination of seawater according to the principle of electrolysis works in separate, but electrically conductively connected chambers, particularly when the methods proposed in the patent claims are realized, in terms of energy efficiency than methods based on the distillation or icing method. It seems particularly favorable that the system can be operated with relatively low voltages and only moderately high, that is to say technically manageable, direct currents. In particular, solar cells can be used in a suitable connection. The advantages achieved with the invention also consist in the fact that the manufacturing costs of the system are significantly cheaper than in the established systems and processes. Due to the simple and clear construction, the maintenance and maintenance costs are also very cheap. Use of this system therefore appears to be particularly suitable for developing countries, which usually have plenty of solar energy but lack of water. Since sodium hydroxide solution NaOH or, depending on the version, more or less hypochlorous acid HOCl is generated in the electrolysis chambers, microbiological contamination of the membranes is very unlikely. Since chlorine gas (Cl 2 ) is also produced in addition to hydrogen (H 2 ), the latter could be used for additional disinfection (disinfection) of the fresh water or other process water. Overall, the process is to be classified as a microbiologically extremely harmless process not only because of the possible presence of traces of HOCl, but also because of the anodic oxidation process occurring at the anode. For this reason, agar membranes could also be used for days without bacterial contamination.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung folgen aus den o.g. Ansprüchen. So können durch geeignete Wahl der Membranen (Material, Dicke, Durchgängigkeit für Ionen, elektrische Leitfähigkeit usw.; vgl. auch Abschnitt Patentansprüche) die Geschwindigkeit und die Differenzierung (d. h. die Selektivität hinichtlich der durchtretenden Ionenarten) des Vorganges der "Abscheidung" der im Brauchwasser störenden Ionen variiert und an vorgebbare Randbedingungen angepaßt werden. Durch Einsatz von Membranen, die neben den o.g. Eigenschaften zusätzlich unter einem an den die Kammern trennenden Diaphragmen angelegten Druck einen kleinen Nettofluß an Flüssigkeit zu den Elektrolysekammern erlauben, wird die Geschwindigkeit des Trennvorganges erhöht und die Wahrscheinlichkeit einer Rückdiffusion (von NaOH bzw. HOCl aber auch von Cl-- und Na+-Ionen) verringert (vgl. unten die Beschreibung der Versuchsergebnisse). Die bevorzugte Richtung der in den Membranen geleiteten Ionen bzw. die Frage, ob bevorzugt Kationen oder Anionen oder beide Ionen gleich gut geleitet werden, kann ebenfalls durch die Konstruktion der Membranen festgelegt werden. Durch Elektroendosmose bzw. EEO- ähnliche Verfahren ("saure" bzw. "basische" Gruppen in der "Membranmatrix"), geeignete Auswahl (bereits bekannter) Ionen selektiver Membranen oder durch Modifizierung der Membranen, wie in den Patentansprüchen geschildert, werden diese Parameter an geforderte Betriebsbedingungen angepaßt. Selbstverständlich sind auch beliebige, von dem Salzgehalt der Ausgangslösung abhängige Kombinationen von Ionen-selektiven, Elektroendosmose aufweisenden oder den unter den Ansprüchen aufgeführten Membranen möglich. Zusätzlich zu dem evtl. durchgeführten Austausch bzw. der "Verdünnung" der in den Elektrolysekammern entstehenden Produkte HOCl und NaOH durch die in großem Umfang vorhandene Salzlösung, zusätzlich zu einem evtl. aufgebauten Druckgradienten (vgl. oben) läßt sich eine evtl. störende Rückdiffusion von Anionen aus der Kathodenkammer bzw. von Kationen aus der Anodenkammer durch zusätzliche Installation von "Hilfsanoden" im Kathodenraum bzw. von "Hilfskathoden" im Anodenraum verringern bzw. ganz verhindern. Diese Hilfselektroden benötigten eigene Stromversorgungskreise und natürlich wesentlich kleinere Stromstärken, da nur störende Rückdiffusionen sehr kleiner Stromstärke zu kompensieren wären. Diese Hilfselektroden sind nicht gleichzusetzen mit den weiter unten genannten Membranen mit bereits integrierten (rechen artigen) Elektroden.Advantageous embodiments of the invention follow from the above claims. Thus, through a suitable choice of the membranes (material, thickness, permeability for ions, electrical conductivity, etc .; see also section claims), the speed and the differentiation (ie the selectivity with regard to the types of ions that pass through) of the process of "separation" in the process water interfering ions are varied and adapted to predetermined boundary conditions. By using membranes which, in addition to the above-mentioned properties, also allow a small net flow of liquid to the electrolysis chambers under a pressure applied to the diaphragms separating the chambers, the speed of the separation process is increased and the likelihood of back diffusion (of NaOH or HOCl as well of Cl - - and Na + ions) reduced (see below the description of the test results). The preferred direction of the ions guided in the membranes or the question of whether cations or anions or both ions are preferably equally well guided can also be determined by the construction of the membranes. These parameters are addressed by electroendosmosis or EEO-like processes ("acid" or "basic" groups in the "membrane matrix"), suitable selection of (already known) ions of selective membranes or by modification of the membranes, as described in the patent claims required operating conditions adapted. Of course, any combinations of ion-selective, electroendosmosis-dependent or depending on the salt content of the starting solution or the membranes listed under the claims are also possible. In addition to the possible replacement or "dilution" of the HOCl and NaOH products formed in the electrolysis chambers by the salt solution present in large quantities, in addition to a possibly built up pressure gradient (see above), a possibly disruptive back diffusion of Reduce or completely prevent anions from the cathode chamber or from cations from the anode chamber by additionally installing "auxiliary anodes" in the cathode compartment or "auxiliary cathodes" in the anode compartment. These auxiliary electrodes require their own power supply circuits and, of course, much smaller currents, since only disturbing back diffusions of very small currents would have to be compensated for. These auxiliary electrodes are not to be equated with the membranes mentioned below with already integrated (rake-like) electrodes.
Das Grundprinzip des Verfahrens besteht darin, daß aufgrund der
elektrochemischen Spannungsreihe in einer wässerigen NaCl-Lösung
bei Anlagen einer Gleichspannung ein Strom dann zu fließen
beginnt, wenn an der Kathode eine Spannung von -0.4 V und an
der Anode eine Spannung von +1.4 V überschritten wird. Beim
Erreichen dieser Werte kommt es zu einer Entladung von H⁺-Ionen
an der Kathode und im wesentlichen zu der Bildung von gasförmig
entweichendem Waserstoff H2O und einer Entladung einer
stöchiometrischen Menge von Cl⁻-Ionen an der Anode und der
Bildung von Cl2-Molekülen, die im wesentlichen als Cl2-Gas
entweichen. In Abhängigkeit vom dem in der wässrigen NaCl-Lösung
zurückgelegtem Weg und in Abhängigkeit von dem pH-Wert kommt es
allerdings auch zur Bildung von unterchloriger Säure, HOCl, nach
folgender Gleichung: Cl2 + H2 ⇆ HOCl + H⁺Cl⁻, wobei aus den
an der Anode gebildeten H⁺ + Cl⁻ und den an der Kathode
gebildeten Na⁺ + OH⁻ wieder (fast) vollständig dissoziiertes NaCl
entsteht. Quantitativ ist die Bildung von unterchloriger Säure
(bei den sich einstellenden pH-Werten) von relativ
untergeordneter Bedeutung, insbesondere bei den in dem
angemeldeten Verfahren vorgeschlagenen Ausführungsbeispielen. Im
wesentlichen kommt es also zur Bildung von wässeriger NaOH-
Lösung, vereinfacht durch folgende Gleichung ausgedrückt:
2 Na⁺ + 2 Cl⁻ + n H2O ⇆ 2 Na⁺ OH⁻ + 2 H2 + 2 Cl2 + (n-2) H2O.
The basic principle of the method is that, due to the electrochemical series of voltages in an aqueous NaCl solution, a current begins to flow in systems with a DC voltage when a voltage of -0.4 V at the cathode and a voltage of +1.4 V at the anode is exceeded becomes. When these values are reached, there is a discharge of H⁺ ions at the cathode and essentially the formation of gaseous hydrogen H 2 O and a discharge of a stoichiometric amount of Cl⁻ ions at the anode and the formation of Cl 2 -Molecules that escape essentially as Cl 2 gas. Depending on the path covered in the aqueous NaCl solution and the pH value, hypochlorous acid, HOCl, is also formed according to the following equation: Cl 2 + H 2 ⇆ HOCl + H⁺Cl⁻, where from the H⁺ + Cl⁻ formed on the anode and the Na⁺ + OH⁻ formed on the cathode again (almost) completely dissociated NaCl. Quantitatively, the formation of hypochlorous acid (at the pH values that arise) is of relatively minor importance, especially in the exemplary embodiments proposed in the process applied for. Essentially, this results in the formation of aqueous NaOH solution, expressed simply by the following equation:
2 Na⁺ + 2 Cl⁻ + n H 2 O ⇆ 2 Na⁺ OH⁻ + 2 H 2 + 2 Cl 2 + (n-2) H 2 O.
Als Elektrodenmaterial wurden sowohl Platin (aus Kostengründen Draht) als auch die Kombination von Eisenkathoden und Kohle-, Graphitanoden verwendet. Es können entsprechend der elektrochemischen Spannungsreihe aber auch alle die Materialien verwendet werden, die in der genannten Anordnung nicht in Lösung gehen.Platinum was used as the electrode material (for cost reasons Wire) as well as the combination of iron cathodes and carbon, Graphite anodes used. According to the electrochemical series but also all of the materials are used that are not in the arrangement mentioned in Solution go.
Durch geeignete Wahl der Spannungen (Stärke und Dauer) kann die Reihenfolge und das Mengenverhältnis der zu entladenden Ionen gesteuert werden.With a suitable choice of voltages (strength and duration) the Order and the quantitative ratio of the ions to be discharged to be controlled.
Ein weiteres Grundprinzip des angemeldeten Verfahres besteht darin, daß durch den Einsatz von Diaphragmen eine Trennung der an den Anoden und Kathoden gebildeten Reaktionsprodukte (vgl. oben) vorgenommen wird. Wie in Fig. 1 dargestellt, müssen erstens an den Elektroden die o.g. Spannungen erreicht werden und andererseits müssen die Membranen bzw. Diaphragmen folgende Bedingungen erfüllen, damit ein Ionenstrom fließen kann, ohne daß es zu einem Austausch der in den Elektrodenräumen gebildeten Reaktionsprodukte kommt. Die Diaphragmen müssen den Ionenstrom (bevorzugt Natrium) leiten, müssen andererseits aber dem freien Flüssigkeitsdurchtritt einen höheren Druck als den maximal in den jeweiligen Kammern erreichbaren osmotischen Druck (infolge unterschiedlicher in den jeweiligen Elektrodenkammern erreichbarer Konzentrationen) entgegensetzen. Hinweise zur erfindungsgemäßen Herstellung von Membranen geeigneter Porosität, Leitfähigkeit und Druckfestigkeit sind im Teil Patentansprüche und weiter unten gegeben.Another basic principle of the registered process is that the use of diaphragms separates the reaction products formed on the anodes and cathodes (see above). As shown in Fig. 1, firstly the above voltages must be reached on the electrodes and secondly the membranes or diaphragms must meet the following conditions so that an ion current can flow without an exchange of the reaction products formed in the electrode spaces. The diaphragms must conduct the ion current (preferably sodium), but on the other hand must oppose the free passage of liquid at a higher pressure than the maximum osmotic pressure achievable in the respective chambers (as a result of different concentrations which can be achieved in the respective electrode chambers). Instructions for the production of membranes of suitable porosity, conductivity and compressive strength according to the invention are given in the patent claims and below.
Erste Versuche wurden mit wie in Fig. 1 dargestellten Vorrichtungen unternommen. Die Membranen wurden aus Zement-, Sand- und Kochsalzmischung (u. a. im Verhältnis 2:1:1) hergestellt und mittels haushaltsüblicher Klebe- und Dichtungsmassen in (ebenfalls haushaltsübliche) Plastikwannen zur Errichtung zweier Elektrodenräume eingesetzt. Nach dem Abhärten der Membranen werden diese gewässert. Nach dem Herauslösen des feingemahlenen Kochsalzes verfügen die so präparierten Diaphragmen über die o.g. Eigenschaften. Für eine Produktion von Süß- und Brauchwasser in größeren Mengen werden fallweise viele kleine Membranen in einem Rahmen (Temperatur- und Lösungsmittel-beständig, nicht elektr. leitend, Wasser nicht durchlassend usw., vgl. unten) zu einer (fast beliebig) großen Membranfläche zusammengesetzt.First attempts were made with devices as shown in FIG. 1. The membranes were made from a mixture of cement, sand and common salt (in a ratio of 2: 1: 1, among others) and used in household tubing and sealing compounds in (also common) plastic tubs to set up two electrode rooms. After the membranes have hardened, they are watered. After removing the finely ground table salt, the prepared diaphragms have the above-mentioned properties. For the production of fresh and industrial water in large quantities, many small membranes in a frame (temperature and solvent resistant, not electrically conductive, water not permeable, etc., see below) become an (almost unlimited) large membrane area composed.
Die Kohleanode A in Fig. 1 (, wobei der Einfachheit wegen zunächst nur eine Einzelanode verwendet wurde,) wird bei dieser Anordnung auf die wässrige NaCl-Ausgangslösung (vgl. Kammer K1 in Fig. 1) unter Ausnutzung der Oberflächenspannung (vgl. 1 in Fig. 1) aufgesetzt, um das gebildete Cl2 (vgl. Pfeile in Fig. 1) möglichst schnell und effektiv freizusetzen und abzuleiten.The carbon anode A in FIG. 1 (although only a single anode was used for the sake of simplicity) is in this arrangement applied to the aqueous NaCl starting solution (see chamber K 1 in FIG. 1) using the surface tension (see FIG . 1 in Fig. 1) to release and derive the Cl 2 formed (cf. arrows in Fig. 1) as quickly and effectively as possible.
In beiden Kammern K1 und K2 der Fig. 1 sind zunächst wäßrige NaCl-Lösungen gleicher Ausgangskonzentration. Wir beobachten bei dieser Konfiguration im wesentlichen einen Na⁺-Ionenstrom. In der Anodenkammer nehmen nämlich die Na⁺- und Cl⁻-Konzentrationen gleichsinnig ab. (In den Zement- und Agardiaphragmen fördern negativ geladene Raumgruppen, Sulfate u. a. den Transport bzw. die EEO von Kationen, positiv geladene Reste den Transport von Anionen.)In both chambers K 1 and K 2 of FIG. 1 there are initially aqueous NaCl solutions of the same initial concentration. We essentially observe a Na⁺ ion current with this configuration. In the anode chamber the Na⁺ and Cl⁻ concentrations decrease in the same direction. (In the cement and agar diaphragms, negatively charged space groups, sulfates, etc. promote the transport or EEO of cations, positively charged residues promote the transport of anions.)
Prinzipiell einsetzbar sind u. a. auch Agarmembranen (und wurden sowohl im Diaphragmabetrieb als auch in Form von Verbindungs platten zwischen völlig getrennten Gefäßen auch getestet), bei denen die Na⁺-Ionen-Leitfähigkeit (und Leitfähigkeit für weitere, nicht geteste Kationen) auf der bekannten Leitfähigkeit für geladene Moleküle im elektrischen Feld aber auch auf der Elektroendosmose beruhte. In principle, u. a. also agar membranes (and were both in diaphragm operation and in the form of connections plates between completely separate vessels also tested) which the Na⁺ ion conductivity (and conductivity for other, not tested cations) on the known conductivity for charged molecules in the electric field but also on the Electroendosmosis was based.
Besonders schützenswert erscheint die Erweiterung des dargestellten Zweikammerverfahrens auf das in Fig. 2 a) und b) veranschaulichte Dreikammerverfahren, welches auf ein beliebiges (2n + 1) - Kammerverfahren erweiterbar ist.The extension of the two-chamber method shown to the three-chamber method illustrated in FIGS. 2 a) and b), which can be expanded to any (2n + 1) - chamber method, appears to be particularly worth protecting.
In der Fig. 2a bzw. 2b bedeuten:
A: Anodenkammmer bzw. Reaktionskammer A,
K: Kathodenkammer bzw. Reaktionskammer K.In Figure 2a and 2b represent.:
A: anode chamber or reaction chamber A,
K: cathode chamber or reaction chamber K.
Auftriebskräfte (AK in Fig. 2a) fördern den Fluß in die Reaktionskammern A und K, wenn diese mit kleiner Kraft nach unten gedrückt werden. Dieser Fluß kann auch durch andere, von außen einwirkende Drucke oder Unterdrucke verstärkt werden.Buoyancy forces (AK in Fig. 2a) promote the flow into the reaction chambers A and K when they are pressed down with a small force. This flow can also be increased by other external pressures or negative pressures.
Kammer K1 in Fig. 2a enthält wäßrige NaCl-Ausgangslösung (Reservoir) und dient gleichzeitig auch als "Auffangbehälter" des entsalzten Wassers, da die störenden Elektrolyte entzogen werden.Chamber K 1 in Fig. 2a contains aqueous NaCl starting solution (reservoir) and at the same time also serves as a "collecting container" for the demineralized water, since the disruptive electrolytes are removed.
Falls Rückdiffusionen eintreten, können die Inhalte der Kammern A u. K durch in beliebiger Menge verfügbarer Ausgangssalzlösung bzw. durch in der Kammer K1 bereits teilweise entsalzte Lösung ersetzt werden.If back diffusions occur, the contents of chambers A u. K can be replaced by starting salt solution available in any quantity or by a solution that has already been partially desalinated in chamber K 1 .
In der Fig. 2b ist eine der Reaktionskammern vergrößert dargestellt, wobei 1 die Wand des Elektrodenraumes, 2 den Deckel des Elektrodenraumes mit Diaphragma und 3 den Dichtungsring darstellen.In FIG. 2b, one of the reaction chambers is shown enlarged, with 1 being the wall of the electrode chamber, the cover 2 of the electrode chamber with the diaphragm and the sealing ring 3 represent.
Günstig wirken sich sowohl der kleine Abstand zwischen den Elektroden (hier Kathode K) und Diaphragma D2 als auch die kleine Grenzfläche zwischen Reaktionskammer und Kammer K1 aus.Both the small distance between the electrodes (here cathode K) and diaphragm D 2 and the small interface between the reaction chamber and chamber K 1 have a favorable effect.
Als Diaphragmen könnten sowohl für die Kathodenkammer K wie die Anodenkammer A die weiter unten beschriebenen "Rechen"- Diaphragmen eingesetzt werden. Die Anode in der Anodenkammer A kann auch analog zu Fig. 2b auf das Diaphragma D1 aufgesetzt werden.The “rake” diaphragms described below could be used as diaphragms for both the cathode chamber K and the anode chamber A. The anode in the anode chamber A can also be placed on the diaphragm D 1 analogously to FIG. 2b.
Das Diaphragma D1 im Anodenraum A könnte dünner (insbesondere bei Zement-Sand-Salz-Membranen) als das im Kathodenraum befindliche konstruiert werden.The diaphragm D 1 in the anode space A could be constructed thinner (in particular in the case of cement-sand-salt membranes) than that in the cathode space.
Ähnlich wie in Fig. 2a) arbeitet ein Dreikammerverfahren (ohne Abb.), das im Vergleich zur Fig. 1 ein weiteres Diaphrama enthält und bei dem dann die beiden äußeren Kammern den Reaktionskammern A und K in Fig. 2a entsprechen.Similarly as in Fig. 2a), a three-chamber method (operates without fig.), Which contains a further Diaphrama compared to Fig. 1, and then the two outer chambers correspond to the reaction chambers A and K in Fig. 2a in which.
Bei den 3- und Mehrkammerverfahren sind prinzipiell auch die bekannten Anionen- und Kationenaustauschmembranen einsetzbar. Die Wirtschaftlichkeit (Preis, Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen, Lebensdauer) dieser Membranen in den hier beschriebenen Anordnungen müßte allerdings noch bestimmt werden. Insbesondere ist die Verwendbarkeit der bislang bekannten Ionenaustausch-Membranen hinsichtlich der entstehenden basischen (NaOH) und sauren (HCl, HOCl) Reaktionsprodukte kritisch zu prüfen. Getestet wurden auch (im unten geschilderten Zwei- und Mehrkammerelektrolyseverfahren) die Kombination unterschiedlicher Membrantypen, sowie Diaphragmen, die unter höherem Druck einen Nettoflüssigkeitsstrom auslösten und deshalb zwar die Ausbeute an entsalztem Wasser verringerten, andererseits aber die Geschwindigkeit des Verfahrens deutlich erhöhten. Vgl. hierzu auch die im folgenden Teil beschriebene Variante (I) in Fig. 3.In principle, the known anion and cation exchange membranes can also be used in the 3-chamber and multi-chamber processes. However, the cost-effectiveness (price, sensitivity to contamination, service life) of these membranes in the arrangements described here would still have to be determined. In particular, the usability of the ion exchange membranes known hitherto with regard to the basic (NaOH) and acidic (HCl, HOCl) reaction products formed has to be critically examined. The combination of different membrane types and diaphragms were also tested (in the two- and multi-chamber electrolysis process described below), which triggered a net liquid flow under higher pressure and therefore reduced the yield of demineralized water, but on the other hand significantly increased the speed of the process. See also variant (I) in FIG. 3 described in the following part.
Zwei zusätzlich angeführte, m.E. schützenswerte Variationen eines Dreikammerverfahrens sind in Fig. 3 dargestellt.Two additionally listed variations of a three-chamber method that are worth protecting are shown in FIG. 3.
Die Verfahren werden in Fig. 3 mit (I) und (II) bezeichnet und unterscheiden sich vom Verfahren in der Fig. 1 dadurch, daß Elektrolyse nicht mehr in der Kammer K1, sondern in einer getrennten, in der Fig. 3 mit A bezeichneten Reaktionskammer, z.B der Form wie in den Fig. 2a u. 2b, abläuft und die Diffusion von bei dem Anodenvorgang in geringen Mengen entstehender HCl und HOCl in die Reaktionskammer K1, welche das zu entsalzende Kompartiment enthält, weitestgehend unterbunden wird.The processes are designated in FIG. 3 with (I) and (II) and differ from the process in FIG. 1 in that electrolysis is no longer in the chamber K 1 , but in a separate one, in FIG. 3 with A designated reaction chamber, for example the shape as in Figs. 2a and. 2b, and the diffusion of HCl and HOCl produced in small quantities during the anode process into the reaction chamber K 1 , which contains the compartment to be desalinated, is largely prevented.
D1 in Fig. 3 entspricht D in Fig. 1. Bei D2 Nettodiffusion in Kammer A möglich; gelegentliches Absaugen verhindert Diffusion von HOCl in Kammer K1. Realisierung dieser Anordnung im einfachsten Fall durch Hintereinanderschalten mehrerer handelsüblicher Filtermembranen oder besser aus selbstgepreßten Mineralwolle- bzw. Baumwolle-Membranen möglich.D 1 in FIG. 3 corresponds to D in FIG. 1. With D 2, net diffusion in chamber A is possible; occasional suction prevents diffusion of HOCl in chamber K 1 . In the simplest case, this arrangement can be realized by cascading several commercially available filter membranes or, better, from self-pressed mineral wool or cotton membranes.
Die Kapillarspannung verhindert zunächst Rückdiffusion von HOCl in Kammer K1. Durch Schließen der oberen Öffnung der Kapillare kann HOCl quasi "abgehebert" werden oder die Reaktion analog zum Verfahren (I) in einer eigenen Reaktionskammer erfolgen. Die starke Cl2 - Entwicklung an dem Anodendraht unterbricht unregelmäßig die leitende Verbindung zwischen Anodendraht und Flüssigkeitssäule in der Kapillare, weshalb bei diesem Verfahren zur Erzeugung eines kontinuierlichen Vorganges mehrere ggf. Na⁺ oder Cl⁻ gezielt leitende Kapillaren gleichzeitig eingesetzt werden, bzw. bei Verwendung einer eigenen Reaktionskammer (vgl. oben) die Anode an dem dortigen Ende der Kapillare ansetzt.The capillary tension initially prevents back diffusion of HOCl into chamber K 1 . By closing the upper opening of the capillary, HOCl can be "siphoned off" or the reaction can be carried out in a separate reaction chamber analogous to process (I). The strong Cl 2 development on the anode wire irregularly interrupts the conductive connection between the anode wire and the liquid column in the capillary, which is why, in this process, several Na⁺ or Cl⁻ deliberately conductive capillaries are used simultaneously, or when in use a separate reaction chamber (see above) attaches the anode to the end of the capillary there.
Bei den Varianten (I) u. (II) in Fig. 3 erlaubt z. B. eine pH- Sonde, vgl. 1 in Fig. 3, das gezielte Absaugen bei (I) bzw. bei (II), wenn eine Rückdiffusion von HCl und HOCl in die Kammer K1 einsetzt. Diese Regelung R1 verkompliziert die angemeldete Anlage nur unwesentlich. Im Falle der Variante (II) wird dieser Regelmechanismus mit R2 bezeichnet. For variants (I) u. (II) in Fig. 3 allows e.g. B. a pH probe, cf. 1 in Fig. 3, the targeted suction at (I) or at (II) when a back diffusion of HCl and HOCl in the chamber K 1 begins. This regulation R 1 complicates the registered system only insignificantly. In the case of variant (II), this control mechanism is designated R 2 .
Eine weitere Variante der in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellten Verfahren (ohne Abb.) besteht darin, daß die jeweils in Kammer K1 in unterschiedlichem Ausmaß entstehenden Produkte HCl und HOCl in einem anschließenden (d. h. nach der Reduktion der Na⁺- Ionen auf das angestrebte Konzentrationsniveau) Elektrolyse vorgang in Kammer K1 (also Anode und Kathode sind in Kammer K1) in die gasförmigen Elemente H2 und Cl2 umgesetzt und ausgetrieben werden.Another variant of the method shown in Fig. 1 and Fig. 3 (not shown.) Is that the resulting products each in chamber K 1 in varying degrees HCl and HOCl in a subsequent (ie, after the reduction of the ion Na⁺- to the desired concentration level) electrolysis process in chamber K 1 (ie anode and cathode are in chamber K 1 ) in the gaseous elements H 2 and Cl 2 are converted and driven off.
Eine andere, m.E. schützenswerte Variante der Fig. 1 und 3 besteht in einer gitterförmigen Anordnung der Kathode K (meist aus Eisen) bzw. der Anode A in bzw. an der dem Kathoden- bzw. Anodenraum zugewandten Außenseite der entsprechenden Diaphragmen. Auf diese Weise läßt sich der Flächenstrom durch die Membran erhöhen und eine evtl. Rückdiffusion von Cl- vermindern. Außerdem erhöht dieses "Kathoden-" bzw. "Elektrodengeflechtgitter" die Stabilität des Diaphragmas und erlaubt die Herstellung dünnerer und großflächigerer Membranen, wodurch der Flächenstrom weiter erhöht wird. Obwohl H2 sehr diffusionsfreudig ist, ist die Flüchtigkeit jedoch nicht so groß, daß die Gefahr einer nennenswerten Diffusion des gasförmigen Wasserstoffes in die Kammer K1 (vgl. Fig. 1 und 3) besteht.Another variant that is worth protecting in FIGS. 1 and 3 consists in a grid-shaped arrangement of the cathode K (usually made of iron) or the anode A in or on the outside of the corresponding diaphragms facing the cathode or anode space. In this way, the area flow through the membrane can be increased and a possible back diffusion of Cl - can be reduced. In addition, this "cathode" or "electrode mesh" increases the stability of the diaphragm and allows the production of thinner and larger membranes, which further increases the area current. Although H 2 is very diffusion-friendly, the volatility is not so great that there is a risk of significant diffusion of the gaseous hydrogen into the chamber K 1 (see FIGS. 1 and 3).
Eine weitere, sehr vorteilhafte Spezialform der eben geschilderten Anordnung von Elektroden und Diaphragmen bzw. Membranen besteht in einem flächenhaften, d. h. zweidimensionalen Rechen, dessen Zinken (als dritte Dimension) in die Membran bzw. das Diaphragma hineinragen (gerade oder schräg, so daß im letzteren Fall die gebildeten gasförmigen Elemente bei senkrechter Anordnung der Membranen leichter aus der Membran entweichen können) aber natürlich auf der anderen Seite nicht durch die Membranoberfläche stoßen, sondern dicht unter ihr enden. Die Stromzuführung zu diesen Rechen erfolgt dann natürlich in gut isolierten und chemisch stabilen Leitungen. Die Diaphragmen leiten so bevorzugt (entsprechend positiver oder negativer angelegter Spannungen) Anionen oder Kationen. Die Dicke der Membran kann wegen zunehmender Stabilität reduziert und der Flächenstrom weiter erhöht werden. Diffusion gasförmiger Elemente und Konzentrationsausgleich (osmotischer Druck, Osmose) treten dennoch nicht auf. Natürlich sind diese Membran- Elektroden-"Rechen" erfindungsgemäß auch in Elektrolysekammern entsprechend der Fig. 2 einsetzbar.Another very advantageous special form of the arrangement of electrodes and diaphragms or membranes just described consists of a two-dimensional rake, the tines of which (as a third dimension) protrude into the membrane or diaphragm (straight or oblique, so that in the latter) If the gaseous elements formed can more easily escape from the membrane when the membranes are arranged vertically) but of course do not push through the membrane surface on the other side, but end just below it. The power supply to these rakes is then of course carried out in well-insulated and chemically stable lines. The diaphragms conduct anions or cations preferentially (corresponding to positive or negative voltages applied). The thickness of the membrane can be reduced due to increasing stability and the area current can be increased further. Diffusion of gaseous elements and concentration compensation (osmotic pressure, osmosis) do not occur. Of course, according to the invention, these membrane-electrode “rakes” can also be used in electrolysis chambers according to FIG. 2.
Die Geschwindigkeit des Entsalzungsverfahrens hängt wesentlich von den erreichten Stromstärken bzw. den Flächenstromstärken ab. Eine durch evtl. Erwärmung bedingte Widerstandsänderung der Membranen bzw. der Flüssigkeiten in den Elektrolysekammern war im Rahmen der bei den Versuchen erreichten bzw. angestrebten Meßgenauigkeit nicht nachweisbar. Bei Agarmembranen besteht bei höheren Temperaturen allerdings die Gefahr des Verlustes der festen Konsistenz. Die Rahmen, in der Membranen zu einer großflächigen Membran zusammengesetzt werden, dürfen natürlich nicht elektrisch leitend sein, müssen wasserdicht abschließen und bei diesen Temperaturen stabil sein.The speed of the desalination process depends significantly on the current strengths achieved or the surface current strengths. A change in resistance of the Membranes or the liquids in the electrolysis chambers was within the scope of the tests achieved or aimed for Measurement accuracy not demonstrable. With agar membranes there is a higher temperatures, however, the risk of losing the firm consistency. The frame in which membranes become one large-area membrane, of course, may not be electrically conductive, must be watertight and be stable at these temperatures.
Bei den Versuchen spielten Rückdiffusionsvorgänge offensichtlich keine Rolle, da die Abnahme der molaren Salzkonzentration im Rahmen der vorhandenen Meßgenauigkeit relativ gut mit der durchflossenen Ladungsmenge (bzw. den erzielten Stromstärken u. der aufgewendeten Zeit) korrelierte. Diese Aussage gilt auf jeden Fall sogar bis zu Ausgangskonzentrationen von etwa 3-4% NaCl. Sollten Rückdiffusionen z. B. von Na⁺ bzw. Diffusion von Cl⁻ aus Kammer K2 in Kammer K1 der Fig. 1, in Analogie entsprechend bei Verfahren in Fig. 2 bzw. Fig. 3, bei höheren Ausgangskonzentrationen in nennenswertem Umfang auftreten, kann das bislang beschriebene "statische" Verfahren der Elektrolyse vorteilhaft durch ein schrittweises, d. h. durch ein "quasi kontinuierliches" Verfahren ersetzt werden. Bei einem quasi kontinuierlichen Verfahren ersetzt man in Fig. 2 jeweils die Flüssigkeiten der Kammer A und Kammer K, bei Verfahren der Fig. 1 (bzw. 3) die Flüssigkeiten der Kammern K1 u. K2 (bzw. K1, K2 und A) in schrittweise kleiner werdenden Elektrolysekammern durch teilentsalzte Lösungen (oder aber jeweils nur die Flüssigkeiten der Kammern K2 in Fig. 1, A und K in Fig. 2 und K2 und A in Fig. 3 durch i.d.R. im Überfluß vorhandene Ausgangslösung).Reverse diffusion processes obviously played no role in the experiments, since the decrease in the molar salt concentration within the scope of the available measurement accuracy correlated relatively well with the amount of charge flowed through (or the current strengths achieved and the time spent). This statement applies in any case even up to initial concentrations of about 3-4% NaCl. Should back diffusions e.g. B. from Na⁺ or diffusion of Cl⁻ from chamber K 2 in chamber K 1 of FIG. 1, in analogy corresponding to the method in FIG. 2 or FIG. 3, at higher starting concentrations to a significant extent, so far The "static" electrolysis process described can advantageously be replaced by a step-wise, ie by a "quasi-continuous" process. In the case of a quasi-continuous process, the liquids of the chamber A and the chamber K are replaced in FIG. 2, in the process of FIG. 1 (or 3) the liquids of the chambers K 1 and. K 2 (or K 1 , K 2 and A) in gradually decreasing electrolysis chambers by partially desalted solutions (or only the liquids of the chambers K 2 in Fig. 1, A and K in Fig. 2 and K 2 and A in Fig. 3 by usually existing in abundant starting solution).
Abgesehen von Ohmschen Verlusten, von Nettoverlusten bei Verfahren der Fig. 2 (, wenn in den Kammern A und K die aufkonzentrierten Reaktionslösungen durch teilentsalzte Lösungen aus der Kammmer K1 oder durch Ausgangslösung ersetzt werden, vgl. Absatz oben) bzw. der Fig. 3 (,wenn ein reiner Nettoverlust an Flüssigkeit der Kammer K1 erfolgt,) und evtl. Nettoverlusten durch Rückdiffusionen ist die eingesetzte elektrische Energie direkt der molaren Konzentrationsänderung proportional.Apart from ohmic losses, from net losses in the process of FIG. 2 (if in the chambers A and K the concentrated reaction solutions are replaced by partially desalinated solutions from the chamber K 1 or by starting solution, see paragraph above) or of FIG. 3 (if there is a pure net loss of liquid in chamber K 1 ) and possibly net losses due to back diffusion, the electrical energy used is directly proportional to the molar concentration change.
Erklärend sei nochmals dargestellt, daß die in dem beantragten Verfahren zu minimierenden "Rückdiffusionsvorgänge" aus Gründen der elektrischen Neutralität und aus Gründen des Ausgleichsbestrebens unterschiedlicher chemischer Konzentrationen (Osmose, osmotischer Druck), letztlich also aus Entropieerwägungen auftreten können.It should be explained once again that the application for the Procedures to minimize "back diffusion processes" for reasons electrical neutrality and for reasons of Efforts to balance different chemical Concentrations (osmosis, osmotic pressure), ultimately from Entropy considerations can occur.
Betrachtet man Fig. 1, so kann bei der Entladung von H⁺-Ionen das entstehende Mißverhältnis der Zahl der Kationen im Vergleich zur Zahl der Anionen in Kammer K2 nicht nur durch das Nachfließen von Kationen von K1 nach K2, sondern auch durch das erzwungene Abwandern von Anionen aus der Kammer K2 in die Kammer K1, also durch Rückdiffusion von Cl⁻-Ionen bzw. anderen Anionen, ausgeglichen werden. Umgekehrtes gilt für die Rückdiffusion von Kationen aus dem Anodenraum.Looking at Fig. 1, the resulting disproportion of the number of cations in the discharge of H⁺ ions compared to the number of anions in chamber K 2 can be caused not only by the flow of cations from K 1 to K 2 , but also by the forced migration of anions from the chamber K 2 into the chamber K 1 , that is, by backdiffusion of Cl⁻ ions or other anions can be compensated. The reverse applies to the back diffusion of cations from the anode compartment.
Aufgrund der Entstehung z. B. von NaOH im Kathodenraum kommt es zu einem Anstieg des osmotischen Druckes von NaOH und zu dem Bestreben, diese Konzentrationsdifferenz zwischen den durch die Membranen abgetrennten Reaktionsräumen auszugleichen. Dieser Konzentrationsausgleich wird bei dem beantragten Verfahren durch die Konstruktion der Membranen bzw. zusätzlich durch die in Fig. 3 dargestellten Regelsysteme R1 bzw. R2 verhindert.Due to the emergence of z. B. NaOH in the cathode space, there is an increase in the osmotic pressure of NaOH and an effort is made to compensate for this concentration difference between the reaction spaces separated by the membranes. This concentration compensation is prevented in the method applied for by the construction of the membranes or additionally by the control systems R 1 and R 2 shown in FIG. 3.
Da gasförmiges Cl2 unangenehm stechende und schleimhautreizende Wirkungen aufweist und gasförmiger Wasserstoff H2 relativ flüchtig und damit als Energieträger schwer handhabbar ist, ist es am umweltverträglichsten H2 und Cl2 zu HCl reagieren zu lassen und diese Salzsäure bei einem Verfahren der Fig. 1 nach Beendigung des Verfahrens in die Reaktionsflüssigkeiten aus der Kammer K2, bei den Verfahren nach Fig. 2 bzw. Fig. 3 in die Reaktionsflüssigkeiten aus den Kammern A und K bzw. A und K2 zu leiten. Es entsteht dann im wesentlichen konzentriertere Ausgangslösung, welche in warmen Ländern Verdunstungsverfahren unterzogen werden kann, wenn eine Rückführung in das Meer- bzw. Brackwasser aus ökologischen Gründen nicht erwünscht ist. Die eben genannte Weiterverarbeitung dient auch als Beispiel für die Abgrenzung des beantragten Verfahrens von den üblichen Elektrodialyse-Verfahren. Bei diesen Verfahren nämlich erfolgt (i.d.R. in Gegenstromverfahren kapillarer Dimension, d. h. in empfindlichen und damit wartungsintensiven Verfahren) sofort eine sich wiederholende wechselseitige Ab- und Aufkonzentrierung in eng nebeneinander liegenden Gebieten der Ausgangslösung und damit keine eigentliche Elektrolyse in disjunkten Bereichen.Since gaseous Cl 2 has unpleasant stinging and irritating effects on the mucous membrane and gaseous hydrogen H 2 is relatively volatile and therefore difficult to handle as an energy source, it is most environmentally compatible to react H 2 and Cl 2 to HCl and this hydrochloric acid in a process according to FIG. 1 Termination of the process into the reaction liquids from the chamber K 2 , in the processes according to FIG. 2 or FIG. 3 into the reaction liquids from the chambers A and K or A and K 2 . The result is essentially a more concentrated starting solution, which can be subjected to evaporation processes in warm countries if it is not desirable to return it to the sea or brackish water for ecological reasons. The further processing just mentioned also serves as an example for the demarcation of the requested process from the usual electrodialysis processes. With these processes namely (as a rule in countercurrent processes of capillary dimension, ie in sensitive and therefore maintenance-intensive processes), there is an immediate repeated repetitive concentration and concentration in closely adjacent areas of the starting solution and thus no actual electrolysis in disjoint areas.
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