DE4244060A1 - Verfahren und Anlage zur Behandlung einer wäßrigen Lösung durch Ionenaustausch - Google Patents

Verfahren und Anlage zur Behandlung einer wäßrigen Lösung durch Ionenaustausch

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung wäß­ riger Lösungen durch Ionenaustausch nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1 oder 2. Sie bezieht sich auch auf eine Anlage zur Behandlung einer wäßrigen Lösung durch Ionenaustausch nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10 oder 11.
Verdünnte wäßrige Lösungen zur Entsalzung oder Entcarbonisierung mit Ionenaustauschern (Kationenaustauschern oder Anionenaustau­ schern) zu behandeln, ist bekannt. Die Austauscher reichern sich dabei jeweils mit den der Lösung entzogenen Ionen an und müssen periodisch gereinigt werden, wobei die Reversibilität des Ionen­ austausches genutzt und Kationenaustauscher mit Säuren, Anionen­ austauscher mit Basen regeneriert werden.
Ein Verfahren und eine Anlage der eingangs beschriebenen Art sind aus der US-PS 2 812 300 bekannt. Es erfolgt eine elektrochemische Regeneration der Ionenaustauscher in Elektrolysezellen. Dabei wird diskontinuierlich verfahren, auf eine Wasserentsalzungs- oder -entcarbonisierungsphase unter Kationen- oder Anionenaustausch folgt eine elektrochemische Regenerationsphase zur Abreicherung des Ionenaustauschers. In der Regenerationsphase gehen die vom Io­ nenaustauscher aus dem Wasser aufgenommenen Salze oder Carbonate elektrolytisch wieder in Lösung und werden von einem den Ionenaus­ tauscher umgebenden Spülmittel (Wasser) aus der Elektrolysezelle abgeführt. Für den Phasenwechsel ist die Beladungsgrenze des Io­ nenaustauscherbettes entscheidend. Um einen steten Betrieb zu er­ möglichen, werden zumindest zwei Ionentauscherbetten parallel ge­ schaltet und von der zu entsalzenden oder zu entcarbonisierenden Lösung alternierend durchströmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Behandlung von wäßrigen Lösungen in einem Ionenaustauscherbett ohne die oben diskutierten Nachteile zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird diese Auf­ gabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 2 gelöst.
Es wird auf diese Weise ein Gleichgewicht zwischen Beladungsgrad des Ionenaustauscherbettes und der Trennwand einerseits und dem Abreicherungsgrad der aus dem Ionenaustauscher abströmenden Lösung andererseits erreicht. Die Kationen- bzw. Anionenwanderung durch die Trennwand wird von der eingestellten Stromdichte in der elektrochemischen Zelle bestimmt. Am Ausgang des Ionenaustauscherbettes ist kontinuierlich eine Lösung mit vorbestimmtem konstanten Salzgehalt oder Härtegrad entnehmbar.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben. Von wesentlicher Bedeutung ist der Einsatz eines Ionenaustauscherbettes, das die zu behandelnde Lösung durchströmt. Die Ionenaustauschermembran umschließt das Ionenaustauschbett. Um eine weitere Abreicherung des in der elektrochemischen Zelle behandelten Wassers zu erreichen, wird das entsalzte Wasser durch Umkehrosmose weiter behandelt. Dabei ist das bei der Umkehrosmose gebildete Anionen enthaltende Konzentrat als Spülflüssigkeit zu verwenden oder der Spülflüssigkeit zur Einstellung ihrer Anionenkonzentration zuzugeben. Vor Eintritt in die Umkehrosmosenlage wird das vom Ionenaustauscher abströmende entsalzte Wasser noch entchlort und entgast. Zum Entchloren wird ein Aktivkohlefilter eingesetzt. Vor der Umkehrosmose läßt sich dem Wasser noch Rohwasser zumischen. Damit wird der pH-Wert des Wassers vor Eintritt in die Umkehrosmosenlage wieder erhöht. Die zuzumischende Rohwassermenge wird so eingestellt, daß das der Umkehrosmoseanlage zufließende Wasserkarbonat frei bleibt.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch eine Anlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 oder 11 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Anlage sind in den zugehörigen Un­ teransprüchen angegeben.
Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anlage sowie weitere Vor­ teile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:
Fig. 1: Querschnitt einer elektrochemischen Zelle mit Ionenaustauscherbett zur Enthärtung und Entsalzung von Wasser,
Fig. 2: Blockschaltbild einer Wasserentsalzungsanlage mit elektrochemischer Zelle und Umkehrosmoseanlage.
In Fig. 1 ist schematisch ein Querschnitt einer elektrochemischen Zelle 1 mit einer zentral in der Zelle angeordneten plattenförmi­ gen Anode 2 und zwei beidseitig der Anode 2 angeordneten platten­ förmigen Kathoden 3 dargestellt. Anode und Kathoden sind elek­ trisch mit einer in Fig. 1 nicht wiedergegebenen Gleichspannungs­ quelle verbunden. Im Anodenraum 4 befindet sich im Ausführungsbeispiel ein Ionenaustauscherbett 5 mit einem bei dieser Ausführungsform kationischen Austauscherharz, das von einer Ionenaustauschermembran 6 umschlossen und mittels der Membran vom Kathodenraum 7 der elektrochemischen Zelle 1 abgeschirmt ist. Für das Verfahren ist das Ionenaustauschbett nicht zwingend erforderlich. Das Ionenaustauscherbett erhöht den beim Durchlauf der Lösung erzielbaren Entsalzungsgrad. Der Anodenraum 4 wird in diesem Ausführungsbeispiel von zu enthärtendem Rohwasser durchflossen. Das Rohwasser ist aus einer Rohwasserleitung 8 über einen Rohwassereintritt 9 mit Einlaßregler 10 einleitbar. Das Rohwasser strömt zur Entcarbonisierung durch das Ionenaustauscherbett 5 und verläßt den Anodenraum 4 enthärtet über einen Wasseraustritt 11.
Im Kathodenraum 7 fließt ein Spülmittel 12 an der vom Ionenaustau­ scherbett 5 abgewandten äußeren Seite der Ionenaustauschermembran 6 entlang. Das Spülmittel läuft in den Kathodenraum 7 am Spülmitteleintritt 13 ein und verläßt den Kathodenraum am Spülmittelaustritt 14. Die eintretende Spülmittelmenge wird durch Einstellen eines Durchsatzreglers 15 eingestellt. Vom Spülmittel werden die durch die Ionenaustauscher-Membran 6 hindurchtretenden Kationen kontinuierlich aus dem Kathodenraum 7 der elektrochemischen Zelle 1 abgeführt. Zur Vermeidung von Hydroxidfällungen in und an der Membran sind dem Spülmittel Anionen zugegeben.
Im Ausführungsbeispiel ist im Kathodenraum 7 zwischen jeder der beiden Kathoden 3 und der Ionenaustauschermembran 6 zur Stütze ein Abstandhalter 16 aus elektrisch nicht leitendem Material einge­ setzt.
Fig. 2 zeigt die elektrochemische Zelle 1 in Verbindung mit einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage 17, in die das aus der elek­ trochemischen Zelle am Wasseraustritt 11 ausströmende enthärtete Wasser über eine Verbindungsleitung 18 mit Teilstücken 18 a, 18 b, 18 c eintritt. In der Umkehrosmoseanlage 17 wird das enthärtete Wasser weiter abgereichert und noch vorhandene Ionen entzogen. Am Permeatausgang 19 fließt Wasser mit vorgegebener geringen elektri­ schen Leitfähigkeit ab.
Vor Eintritt in die Umkehrosmoseanlage 17 durchströmt das Wasser noch einen Aktivkohlefilter 20 zur Entfernung von im Wasser ent­ haltenem Chlor und eine Entgasungskammer 21 mit einem Gasausgang für CO2 und O2.
Vor der Entgasungskammer 21 mündet in die Verbindungsleitung 18 eine an der Rohwasserleitung 8 angeschlossene Rohwasserzweiglei­ tung 22. Die Rohwasserzugabeist über ein Regelventil 23 einstell­ bar. Der Umkehrosmoseanlage 17 ist im Ausführungsbeispiel noch ein Puffertank 24 vorgeschaltet.
In der Umkehrosmoseanlage 17 anfallendes Konzentrat wird im Aus­ führungsbeispiel zur Anionenanreicherung des Spülmittels 12 ge­ nutzt. Hierzu ist vom Konzentratausgang 25 eine Konzentratleitung 26 zum Spülmitteleintritt 13 geführt. Die in das Spülmittel ein­ tretende Konzentratmenge wird über einen in der Konzentratleitung 26 eingesetzten Konzentratregler 27 vorgegeben.
Ausführungsbeispiel 1:
Im Anodenraum 4 der elektrochemischen Zelle 1 bildet ein starksaures Kationenaustauscherharz ein Ionenaustauscherbett 5, das von einer Kationenaustauschermembran umschlossen ist.
Durchsetzt wird das Ionenaustauscherbett von Rohwasser mit einem Härtegrad von 12°dh. In der elektrochemischen Zelle 1 ist eine Stromdichte mit Werten zwischen 5 und 10 mA/cm2 einstellbar. Als Spülflüssigkeit, die den Kathodenraum 7 der elektrochemischen Zelle 1 durchströmt, wird mit Anionen im Bereich zwischen 4 × 10-3 bis 10-1 Mol/l Anionen angereichertes Wasser verwendet. Im Ausführungsbeispiel wer dem Wasser 2 g NaCl/l zugesetzt. Das Verhältnis der Volumendurchflüsse von Rohwasser zu Spülflüssigkeit beträgt 10 : 1 (Rohwassermenge : Spülflüssigkeitsmenge).
Unter diesem Betriebsbedingungen konnte vom Wasseraustritt 11 der elektrochemischen Zelle 1 enthärtetes Wasser mit einem Härtegrad von 0,5°-4° dH und einem pH-Wert von ca. 2, 4 entnommen werden.
Eine Hydroxidfällung in der Ionenaustauschermembran oder die Bildung von Hydroxidschlamm im Kathodenraum der elektrochemischen Zelle traten nicht auf.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird in einer Anlage nach Fig. 2 mit elektrochemischer Zelle 1 und Umkehrosmoseanlage 17 Stadt­ wasser entsalzt. Von der insgesamt in der Anlage gereinigten Stadtwassermenge werden etwa ein Drittel zur Entkarbonisierung über den Rohrwassereintritt 9 in die elektrochemische Zelle 1 ein­ geführt, die restlichen zwei Drittel des Stadtwassers strömen über die Rohwasserzweigleitung 22 zur Verbindungsleitung 18 zwischen elektrochemischer Zelle 1 und Umkehrosmoseanlage 17 und werden hier dem entkarbonisierten und im Aktivkohlefilter 20 zuvor noch entchlortem Wasser zugemischt. Nach Zumischen von Stadtwasser wird vor der Weiterleitung in die Umkehrosmoseanlage dieses Wasserge­ misch noch entgast, aus der Entgasungskammer 21 entweichen im we­ sentlichen die an der Anode 2 im Anodenraum 4 gebildeten Gase CO2 und O2.
Das in der Umkehrosmoseanlage 17 gebildete Kondensat wird im Aus­ führungsbeispiel als Spülflüssigkeit vollständig in den Kathoden­ raum 7 der elektrochemischen Zelle 1 eingeführt. Eine Verdünnung des Konzentrats mit Wasser vor Eintritt in die elektrochemische Zelle ist möglich.

Claims (19)

1. Verfahren zur Behandlung einer wäßrigen Lösung durch Io­ nenaustausch, insbesondere zur Wasserentsalzung und -enthärtung, bei dem die zu behandelnde Lösung einen von einer ionendurchlässigen Trennwand (6) abgetrennten Raum durchströmt und bei dem durch Anordnung der Trennwand (6) zwischen einer Anode (2) und einer Kathode (3) einer elektrochemischen Zelle eine Ionenwanderung erzeugbar ist, wobei die Trennwand auf ihrer dem von der Lösung durchströmten Raum abgewandten Außenseite von einer Spülflüssigkeit (12) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß während der Behandlung der Lösung durch Ionenaustausch die ab­ gereicherten Kationen oder Anionen elektrolytisch durch eine die Trennwand (6) bildende Ionenaustauschermembran hindurch in die die Ionenaustauschermembran zum Abtransport der Ionen kontinuierlich umspülende Spülflüssigkeit (12) eingeführt werden.
2. Verfahren zur Behandlung einer wäßrigen Lösung durch Ionenaustausch, insbesondere zur Wasserentsalzung und -Enthärtung, bei dem die zu behandelnde Lösung mit einem Ionenaus­ tauscher (5), insbesondere einem Ionenaustauscherbett oder einer Ionenaustauschermembran, in Kontakt ge­ bracht wird und dabei aus der Lösung zu entfernende Ionen an den Ionenaustauscher (5) abgibt, der Ionenaustauscher (5) durch Elektrolyse regene­ riert wird und die aus dem Ionenaustauscher (5) dabei herausgelösten Ionen durch ein Ausfällungen ver­ hinderndes Anionen enthaltendes Spülmittel (12) ent­ fernt werden.
3. Verfahren zur Behandlung einer wäßrigen Lösung durch Ionenaustausch, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung ein von der Trennwand umgebenes Ionenaustauscherbett durchströmt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung nach der Behandlung im Ionenaustausch durch umgekehrte Osmose weiter gereinigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der umgekehrten Osmose verbleibende Konzentrat dem Spülmittel (12) zugefügt wird oder das Spülmittel bildet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung nach der Behandlung im Ionenaustausch durch einen Aktivkohlefilter (20) entchlort wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung nach der Behandlung im Ionenaustausch entgast wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der aus dem Ionenaustausch austretenden behandelten Lösung zum Rohwassereintritt (9) zurückgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der im Ionenaustausch behandelten Lösung vor Eintritt in die Umkehrosmoseeinrichtung (17) Rohwasser zugemischt wird.
10. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer elektrochemischen Zelle mit einer Anode (2) und einer Kathode (3) und einer zwischen der Anode (2) und der Kathode (3) angeordneten ionendurchlässigen Trennwand (6) und mit einem Zu- und Ablauf (9, 11) für eine im Ionenaustausch zu behandelnde, an der Trennwand entlang geführte Lösung, und mit einem Ein- und Austritt (13, 14) für eine die Trennwand auf ihrer der Lösung abgewandten Außenseite umgebende Spülflüssigkeit (12), dadurch gekennzeichnet, daß als Trennwand eine Ionenaustauschermembran eingesetzt ist und die zu behandelnde Lösung und die Spülflüssigkeit (12) die elektrochemische Zelle (1) kontinuierlich durchsetzen.
11. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, mit einem zwischen einer Anode (2) und einer Kathode (3) angeordnetem Ionenaustauscher (5), ins­ besondere einem Ionenaustauscherbett, das von einer ionendurchlässigen Trennwand (6) umgeben ist, die Anodenraum und Kathodenraum trennt, mit einem Zu- und Ablauf (9, 11) für die zu behandelnde Lösung am Ionenaustauscher (5) und mit einem Eintritt (13) und einem Austritt (14) zum Zu- und Abführen eines Ausfällungen verhindernden Anionen enthaltenden Spülmittels (12) an der der Lösung abgewandten Außenseite der Trennwand (6).
12. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand ein von der zu behandelnden Lösung durchströmtes Ionenaustauschbett umgibt.
13. Anlage nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ablauf (11) eine Umkehrosmoseeinrichtung (17) nachgeschal­ tet ist.
14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konzentratleitung den Konzentratausgang (25) der Um­ kehrosmoseeinrichtung (17) mit dem Spülflüssigkeitseintritt (13) verbindet.
15. Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ablauf (11) ein Aktivkohlefilter (20) nachgeschaltet ist.
16. Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ablauf (11) eine Entgasungskammer (21) nachgeschaltet ist.
17. Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückführleitung den Ablauf (11) mit dem Zulauf (9) ver­ bindet.
18. Anlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivkohlefilter (20), die Entgasungskammer (21) und die Umkehrosmoseanlage (17) in Reihe dem Ionenaustauscher nachge­ schaltet sind.
19. Anlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Umkehrosmoseanlage (17) eine Rohwasserzweigleitung (22) in eine vom Aktivkohlefilter ausgehende Verbindungsleitung (18a) mündet.
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