DE4324668A1

DE4324668A1 - Verfahren zur Entsalzung von Salzlösungen und Elektrodialysator zu seiner Durchführung

Info

Publication number: DE4324668A1
Application number: DE4324668A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Vassilevski; Andrej Kipriianov; Semen Gdalin; Eduard Nowitski; Hans Guenter Mueller; Peter Finke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-07-22
Filing date: 1993-07-22
Publication date: 1995-01-26
Also published as: AU7459694A; IL110400A0; WO1995003119A1

Description

Die Herabsetzung des Salzgehaltes von wäßrigen Lösungen mittels der Elektrodialyse ist seit langem bekannt. Die entsprechenden Apparaturen bestehen aus Anodenkammer, Diluatkammer, Konzentrationskammer und Kathodenkammer. Dabei sind die einzelnen Kammern durch Membranen voneinander getrennt. Die Elektrodialysekammern werden parallel mit dem Salzwasser durchpumpt. Bei dem Verfahren treten bedingt durch die Konzentrationspolarisation Rückstände an den Membranoberflächen und der Kathode auf. Um die Rückstände zu entfernen, bedient man sich einer Elektrodenpolwäsche mit nachfolgendem Auswaschen der Kammern. Das bedeutet aber eine regelmäßige Unterbrechung des eigentlichen Entsalzungsprozesses und ist unerwünscht. Des weiteren kann mit diesem Verfahren keine Einstellung der Eigenschaften des Endprodukts erfolgen.

Der zu beschreibende Elektrodialysator, der Gegenstand der Erfindung ist, ist schematisch in Abb. 2 dargestellt. Zwischen der Anodenvorkammer Pos. 18 und der Kathodenvorkammer Pos. 21 befinden sich die Austauschmembranen, welche die Diluatkammern Pos. 20 von den Konzentrationskammern Pos. 19 abtrennen. Die Eingangslösung, welche durch den Stutzen Pos. 24 in die Anodenvorkammer eintritt, gelangt durch die Überlaufkanäle Pos. 30 durch sämtliche Diluatkammern bis in die Kathodenvorkammer, aus der es über den Stutzen Pos. 27 austritt, zum Verteiler Pos. 32 gelangt. Hier wird ein Teilstrom abgezweigt und über die Leitung Pos. 33 durch den Stutzen Pos. 25 in die Anodenkammer zurückgeführt. Die Menge des Teilstroms läßt sich mittels des Dosierventils Pos. 34 einstellen.

In den Diluatkammern geschieht die Entsalzung der Lösung durch die vom elektrischen Feld bedingte Diffusion der Wasserstoffionen durch die Kathionenaustauschmembrane und der Anionen durch die Anionenaustauschmembrane in Richtung der Konzentrationskammer. Aus der letzten Diluatkammer läuft das weitgehend entsalzte Wasser durch den Überströmkanal Pos. 30 in die Kathionenvorkammer Pos. 21, wo es Hydroxilionen, die sich durch den Einfluß des elektrischen Feldes in Folge der Elektrolysereaktion an der Kathodenplatte Pos. 14 gebildet haben, über die Membrane Pos. 16 auf. Die Anzahl der Hydroxilionen ist dabei größer als die der Wasserstoffionen, weil ein Teil von ihnen während des Entsalzungsprozesses durch die Ionenaustauschmembranen in die Konzentrationskammern migriert sind. Daher reagiert der aus der Kathodenkammer austretende Flüssigkeitsstrom alkalisch.

Um den pH-Wert des Ausgangsstromes nachträglich beeinflussen zu können, wird dieser im Stromteiler Pos. 32 aufgeteilt. Der eine Teil gelangt, wie schon beschrieben, über die Leitung Pos. 33 und das Dosierventil Pos. 34 zurück in die Anodenkammer Pos. 17 wo es durch die dort angesammelten Wasserstoffionen angesäuert wird. In der Anodenkammer ist eine Labyrinthporenschicht Pos. 31 angebracht, welche einen Teil der Anodenoberfläche bedeckt. Danach tritt der Flüssigkeitsstrom am Stutzen Pos. 25 wieder aus der Anodenkammer aus und wird über die Leitung Pos. 35 dem Ausgangsstrom Pos. 36 beigemischt. Dadurch und mit der Stellung des Dosierventils Pos. 37 kann der pH-Wert des Endproduktes genau eingestellt werden, einer der wesentlichen Vorzüge dieses Verfahrens.

In den Konzentrationskammern des Elektrodialysator sammelt sich auf Grund des osmotischen Prozesses die Salzlake an. Dabei wird diese durch die Wasserstoffionen angesäuert, die wie bereits erwähnt, aus der Anodenvorkammer und den Diluatkammern durch die Membrane migrieren. Dieses führt zu einer Verminderung der Rückstandsbildung auf den Membranenoberflächen.

Ein vollständiger Ausschluß der Rückstandsbildung von schwerlöslichen Härtesalzen wird erreicht, wenn man durch einstellen der Stromdichte sowie der anderen Prozeßparameter in den Konzentrierungskammern einen pH-Wert von < 3 aufrecht erhält. Unter diesen Bedingungen sind diese Salze vollständig dissoziiert.

Die Salzlake, welche aus den Konzentrationskammern austritt, wird mit dem Alkali aus der Kathodenkammer versetzt. Dabei werden die schwerlöslichen Salze im Abscheider ausgefällt. Die somit enthärtete Rückstandslösung wird dann dem Eingangsprodukt beigemischt. Dabei erhöht sich der Salzgehalt und in der Anodenkammer des Elektrodialysators findet eine intensive Säurebildung statt. Dadurch wird erreicht, daß in den Konzentrationskammern ein pH-Wert von < 3 herrscht, der notwendig ist, um eine Rückstandsbildung auf den Membranenoberflächen zu vermeiden.

Bei einem Salzgehalt von < 1 g/l der Ausgangslösung wird diese durch den Stutzen Pos. 24 direkt in die Anodenvorkammer (Puffer) Pos. 18 eingeleitet. In diese Kammer diffundieren durch die Kathionenaustauschmembrane Pos. 15, welche den Anodenraum Pos. 17 von der Anodenvorkammer (Puffer) Pos. 18 abtrennt, Wasserstoffionen aus der Anodenkammer Pos. 17, die dort sich dort infolge der Oxydationsreaktion ansammeln. Durch diese eindiffundierenden Wasserstoffionen wird die Lösung in der Anodenvorkammer (Puffer) Pos. 18 angesäuert. Durch den Überlaufkanal Pos. 30 gelangt diese Lösung nun in die erste Diluatkammer Pos. 20 wo die Entsalzung der Lösung auf Kosten der gerichteten Diffusion der Kathionen (zusammen mit den Wasserstoffionen) durch die Kathionenaustauschmembrane Pos. 15 und der Anionen durch die Anionenaustauschmembrane Pos. 16 in die Konzentrationskammer Pos. 19 stattfindet. Auf diese Weise wird die Trennung der Anfangslösung in Trinkwasser und Salzlake nach dem Durchlauf der weiteren Diluatkammern bewirkt. Aus der letzten Diluatkammer Pos. 20 läuft das entsalzte Wasser durch den Überstromkanal Pos. 30 in die Kathodenvorkammer Pos. 21 in welche durch die Anionenaustauschmembrane Pos. 16, welche die Kathodenkammer Pos. 22 von der Kathodenvorkammer Pos. 21 trennt, Hydroxilionen aus dieser eindiffundieren. Die Hydroxylionen haben sich infolge der Elektrolysereaktion an der Kathode Pos. 14 gebildet haben und sich in der Kathodenkammer Pos. 22 konzentrieren.

Das entsalzte Wasser, welches nun im Überschuß Hydroxylionen enthält, fließt aus der Kathodenvorkammer (Puffer) Pos. 21 über den Stutzen Pos. 27 in die Abzweigung Pos. 32. Hier wird ein Teilstrom des Wassers abgezweigt und über die Rohrleitung Pos. 33 über den Stutzen Pos. 25 der Anodenkammer Pos. 17 zugeführt. Dort fließt das entsalzte Wasser durch die Kanäle der Labyrinthporenschicht Pos. 31 an der Anode Pos. 13 vorbei. Dabei nimmt es die dort konzentrierten Wasserstoffionen auf und es kommt zu einer Alkalireaktion. Der Wasserstrom fließt dann über den Stützen Pos. 27 und die Rohrleitung Pos. 35 in die Endproduktleitung Pos. 36 zurück und vermischt sich dort mit dem anderen Teilstrom, der an der Verzweigung Pos. 32 weitergeflossen ist. Dabei können die Durchflußmengen der beiden Teilströme mittels der Dosierventile Pos. 34 und Pos. 37 eingestellt werden, wodurch der pH-Wert des Endprodukts geregelt werden kann.

Die Labyrinthporenschicht Pos. 31, welche in der Anodenkammer Pos. 17 eingesetzt ist, verhindert beim Durchfließen des entsalzten Teilstroms, daß dieser alle Wasserstoffionen mit sich nimmt. Auf diese Weise wird erreicht, daß ein Teil dieser Wasserstoffionen zur Ansäuerung des entsalzten Teilstroms verwendet wird, während der andere Teil der Wasserstoffionen durch den Einfluß des elektrischen Potentials aus der Anodenkammer Pos. 17 durch die Kathionenaustauschmembrane Pos. 15 in die Anodenvorkammer Pos. 18 diffundiert und dort die frisch ankommende Eingangslösung ansäuert, welche dann durch den Überstromkanal Pos. 30 in die Diluatkammern Pos. 20 weiter fließt.

Bei der Entsalzung von Eingangslösungen mit einem Salzgehalt < 1 g/l wenden wir uns der Abb. 1 zu. Die Behälter Pos. 3, Pos. 5 und Pos. 8 sind kommunizierend angeordnet, wobei die Verbindungsleitung zwischen Behälter Pos. 3 und Behälter Pos. 5 durch das Ventil Pos 9 und die Verbindung zwischen den Behältern Pos. 5 und Behälter Pos. 8 durch das Ventil Pos. 10 geschlossen werden können. Die Behälter Pos. 3, Pos. 5, und Pos. 8 werden bei geöffneten Ventilen Pos. 9 und Pos 10 bis auf einen Stand gefüllt, der durch das Schwimmerventil Pos. 4 vorgegeben wird. Nun werden die Ventile Pos. 9 und Pos. 10 geschlossen und dem Absetzbehälter Pos. 5 wird solange NaCl zugegeben, bis die Salzgehalts-Meßsonde Pos. 6 eine Konzentration von ca. 5% anzeigt. Dann wird das Ventil Pos. 9 geöffnet und die Speisepumpe Pos. 7 wird angeschaltet. Diese nimmt nun zu gleichen Teilen Flüssigkeit aus den Behältern Pos. 3 und Pos. 5 auf, wodurch die Salzkonzentration der an der Pumpe Pos. 7 ankommenden Flüssigkeit etwa 2,5% beträgt. Die Pumpe Pos. 7 fördert über die Zuleitung diese Flüssigkeit an den Stützen Pos. 24 in den Elektrodialysator. Dort findet anschließend die Entsalzung statt und damit die Trennung von Süßwasser und Salzlake. Die am Stützen Pos. 29 anliegende Salzlake wird je nach Stellung des Dreiwegeventils Pos. 11 entweder direkt abgeleitet, wenn nämlich die Salzkonzentration im Behälter Pos. 5 ausreichend hoch ist oder diesem zugeleitet, wenn die durch den Sensor Pos. 6 gemessene Salzkonzentration zu gering ist. Das Dreiwegeventil Pos. 11 wird mittels des Wertes der Sonde Pos 6 über den Salzgehalt im Behälter Pos. 5 eingestellt. Der in den Behälter Pos. 5 einlaufenden Salzlake wird das am Stützen Pos. 28 anliegende Alkali aus der Kathodenkammer Pos. 22 (aus Abb. 2) zugemischt, wodurch die Schwerlöslichen Salze im Behälter Pos. 5 ausgefällt werden, woraus sie mit einer Förderschnecke Pos. 12 zur Weiterverarbeitung entfernt werden.

Über die Leitung Pos. 35 fließt das entsalzte Wasser in den Vorratsbehälter Pos. 8, aus dem es über die Leitung Pos. 36 entnommen werden kann.

Bezugszeichenliste

Legende zu Abb. 1

Pos. 1. Elektrodialysator
Pos. 2. Speiseblock des Elektrodialysators
Pos. 3. Behälter für die Ausgangslösung
Pos. 4. Schwimmerventil
Pos. 5. Absetzbehälter für die Lake
Pos. 6. Sensor für Salzkonzentration
Pos. 7. Pumpe
Pos. 8. Diluatbehälter
Pos. 9. Dosierventil
Pos. 10. Absperrventil
Pos. 11. Mehrwegeventil (elmag)
Pos. 12. Förderschnecke
Pos. 24. Zulauf Anodenvorkammer (Puffer)
Pos. 28. Ablauf aus Kathodenkammer (alkalisch)
Pos. 29. Ablauf der Lake (aus Kammer Pos. 19)
Pos. 35. Verbindungsleitung Anodenausgang-Endprodukt Pos. 36
Pos. 36. Auslaß Endprodukt

Legende zu Abb. 2

Pos. 12. Andruckplatten
Pos. 13. Anode
Pos. 14. Kathode
Pos. 15. Kathionen Austauschmembrane (an der Anode)
Pos. 16. Anionen Austauschmembrane (an der Kathode)
Pos. 17. Anodenkammer
Pos. 18. Anodenvorkammer (Puffer)
Pos. 19. Ionen Anreicherungskammern
Pos. 20. Diluationskammern
Pos. 21. Kathodenvorkammer (Puffer)
Pos. 22. Kathodenkammer
Pos. 23. Gehäuse
Pos. 24. Zulauf Anodenvorkammer (Puffer)
Pos. 25. Zulauf Anodenkammer
Pos. 26. Ablauf Anodenkammer
Pos. 27. Ablauf Kathodenvorkammer (Puffer)
Pos. 28. Ablauf aus Kathodenkammer (alkalisch)
Pos. 29. Ablauf der Lake (aus Kammer Pos. 19)
Pos. 30. Überlaufkanäle
Pos. 31. Labyrinthporenschicht (auf der Anodenplatte)
Pos. 32. T-Stück, zur Abflußaufteilung
Pos. 33. Teilstrom zur Anodenkammer
Pos. 34. Dosierventil
Pos. 35. Verbindungsleitung Anodenausgang-Endprodukt Pos. 36
Pos. 36. Auslaß Endprodukt
Pos. 37. Dosierventil

Claims

1. Verfahren zur Entsalzung von Salzlösungen mittels Elektrodialyse, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Anlage stets die Qualität des Endprodukts sichergestellt werden kann und der pH-Wert des Endprodukts einstellbar ist.

2. Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom des aus der Kathodenvorkammer austretenden entsalzten Wassers abgezweigt wird und durch die Anodenkammer geschickt wird, wo es Wasserstoffionen aufnimmt. Dieser Teil wird dann dem übrigen Endprodukt wieder beigemischt. Je nach Menge des abgezweigten Wassers, welches durch die Anodenkammer fließt, läßt sich der pH-Wert des Endproduktes einstellen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die notwendige Verteilung der gebildeten Wasserstoffionen, die einerseits zur Einstellung des pH-Wertes des Endprodukts und andererseits zu einer genügenden Ansäuerung der Eingangslösung in der Anodenvorkammer benutzt werden, um in den Konzentrationskammern einen pH-Wert von < 3 zu gewährleisten, dadurch erreicht wird, daß in der Anodenkammer zusätzlich eine Labyrinthporenschicht angebracht ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ohne eine vorherige Enthärtung der Eingangslösung auch bei Salzkonzentrationen < 1 g/l einen kontinuierlichen Betrieb zu fahren ist, weil der Speiselösung mit einer Salzkonzentration < 1 g/l nur lösliche Salze aus dem Absetzbehälter zugeführt werden, um die Eingangskonzentration auf ca. 2,5% anzuheben.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Absetzbehälter die Härtesalze dort durch die Zugabe von Hydroxylionen aus der Kathodenkammer ausgefällt werden und mit einer Förderschnecke daraus zur Weiterverarbeitung entfernt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absetzen dieser Härtesalze auf den Oberflächen der Ionenaustauschmembranen dadurch verhindert wird, daß, der pH-Wert in den Konzentrationskammern immer < 3 gehalten wird.

7. Elektrodialysator zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, bestehend aus einer Anoden- und einer Kathodenplatte, einer Anzahl von Anionen- und Kathionenaustauschmembranen zwischen ihnen, welche die Anodenkammer, die Diluatkammern, die Überströmkanäle, die Konzentrierungdiluatkammern und die Kathodenkammer bilden. Zusätzlich ist die Anodenkammer durch eine weitere Membrane von der Anodenvorkammer (Puffer) abgetrennt. Die Kathodenkammer ist ebenfalls durch eine zusätzliche Membrane von der Kathodenvorkammer (Puffer) abgetrennt.
Des weiteren sind zwei Stutzen an der Anodenkammer angebracht, durch welche ein Teilstrom des entsalzten Wassers durch diese geführt wird, um Wasserstoffionen aufzunehmen. In der Anodenkammer ist eine Labyrinthporenschicht angeordnet, welche dazu dient, den Anteil der Wasserstoffionen so zu verteilen, daß diese sowohl vom eingespeisten, entsalzten Wasser mitgenommen werden, als auch durch die Kathionenaustauschmembrane mittels des elektrischen Feldes in die Anodenvorkammer zu diffundieren und von dort durch die Diluatkammern und die Ionenaustauschmembranen in die Konzentrationskammern zu migrieren, um in diesen einen pH-Wert < 3 aufrecht zu erhalten, damit Rückstandsbildungen an den Ionenaustauschmembranen vermieden werden und der Prozeß kontinuierlich von statten gehen kann. Der die Anodenkammer durchfließende Teilstrom wird dem Endprodukt beigemischt, um den pH-Wert desselben einstellen zu können. Die Konzentrationskammern sind ebenfalls mit einem Stutzen versehen, um die Salzlake abführen zu können. An der Anodenvorkammer befindet sich ein Stutzen zur Einführung der Ausgangslösung. An der Kathodenvorkammer befindet sich ein Stutzen zur Abführung des entsalzten Wassers, welches über eine Verzweigung mit einer Rohrleitung und einem Dosierventil mit der Anodenkammer verbunden ist. Der Ausgangsstutzen der Anodenkammer ist mit einer Rohrleitung mit der Abflußleitung für das Endprodukt verbunden und wird dadurch diesem zur Einstellung des pH-Wertes beigemischt.