DE4447249A1 - Elektrodialysemodul - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektrodialyse. Insbesondere betrifft sie die Bereitstellung eines Elektrodialysemoduls in Wickelform sowie ein Verfahren zum Elektrodialysieren von Flüssigkeiten mit Hilfe eines Wickelmoduls.

Um Flüssigkeiten besonders effektiv elektrodialysieren zu können (mono- oder bipolar) können Membranen in Form eines Moduls in sich wiederholender Abfolge aufeinandergepackt werden. Nachteilig bei einem solchen Modul ist die erforderliche Art der Abdichtung, die wegen der vielen Dichtungsstellen nicht zuverlässig beherrschbar ist. Es resultieren Leckagen, Ausbeuteverluste und Unreinheiten der Produkte. Insbesondere ist eine sterile Verfahrensführung unmöglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches Elektrodialysemodul bereitzustellen, dessen Abdichtung leicht zu erreichen ist.

Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Moduls gelöst, umfassend

• - ein gegebenenfalls in axialer Richtung in mehrere Kammern unterteiltes Zentralrohr, wobei jede Kammer entlang der Rohrachse Öffnungen aufweist,
• - eine Membraneinheit aus mindestens zwei übereinander angeordneten, durch Spacer getrennten und dadurch mindestens eine Tasche bildenden Membranen, die eine ausreichende Beweglichkeit aufweist, um um das Zentralrohr aufgewickelt zu werden,
• - einen weiteren Spacer zum Bilden einer weiteren Kammer zwischen den Lagen der um das Zentralrohr gewickelten Membraneinheit.

Zur Erläuterung der Erfindung wird auch auf die beigefügten Figuren verwiesen, in denen

Fig. 1 schematisch eine Membraneinheit mit drei Membranen, von denen eine eine bipolare Membran ist, sowie zwei Spacern zeigt,

Fig. 2 schematisch die Membraneinheit der Fig. 1, verbunden mit einem in zwei Kammern unterteilten Zentralrohr, zeigt, und zwar einmal in radialem Schnitt und einmal von der Seite,

Fig. 3 schematisch ein erfindungsgemäßes Elektrodialysemodul gemäß Anspruch 1 zeigt, dessen zwei nach Aufwickeln in der gezeigten Wickelrichtung schneckenförmige Taschen von Säure und Lauge angeströmt werden sollen,

Fig. 4 schematisch den Beginn des Aufwickelns des in Fig. 3 dargestellten Elektrodialysemoduls zeigt,

Fig. 5 einen radialen Schnitt durch ein schematisch dargestelltes, bereits aufgewickeltes Modul für eine Elektrodialyse mit bipolaren Membranen darstellt, das drei Membranen, eine Innen- und eine Außenelektrode aufweist, wobei die Ionenaustauschermembranen mittelgrau bzw. schwarz und die bipolare Membran mittelgrau und schwarz dargestellt ist, und

Fig. 6 einen axialen Schnitt durch dasselbe Modul zeigt, wobei der Laugenkanal hellgrau, der Säurekanal mittelgrau und der Salzkanal für die zu dialysierende Flüssigkeit mit Schrägstreifen gekennzeichnet dargestellt ist.

Die Membraneinheit des erfindungsgemäßen Moduls wird gebildet, indem je nach Wunsch zwei, drei oder vier - oder gegebenenfalls auch mehr - Membranen, jeweils mit Spacern zwischen den Membranen, übereinander angeordnet werden. Die Zahl und die Abfolge hängt davon ab, was mit der Elektrodialyse bezweckt werden soll, welche und wieviele Flüssigkeitsströme bzw. Membranen erforderlich sind. Beispielsweise können eine Anionen- Austauschermembran und eine Kationenaustauschermembran verwendet werden, wenn die Elektrodialyse allein der An- oder Abreicherung einer Flüssigkeit dienen soll. Für eine Elektrodialyse mit bipolaren Membranen können z. B. drei Membranen übereinander angeordnet werden, eine Kationenaustauschermembran, eine Anionenaustauschermembran und eine bipolare Membran. Die Abfolge ist im Prinzip beliebig und wird vom Fachmann ohne weiters passend gewählt. Für eine Standardelektrolyse könnte es sich anbieten, zwei Kationenaustauschermembranen und zwei Anionenaustauschermembranen im Wechsel anzuordnen. Die Dicke der Spacer ist frei wählbar und wird bevorzugt so gewählt, daß die Kammerdicke minimal ist. In einer solchen Ausführungsform ist der elektrische Widerstand des Moduls sehr gering.

Die Membraneinheit wird in passender Weise verschlossen, z. B. verschweißt oder verklebt. Alle Taschen werden jeweils an zwei einander gegenüberliegenden Seiten verschlossen. Dabei werden einige oder alle Taschen der Membraneinheit an der nach Aufwickeln der Membraneinheit auf das Zentralrohr außen zu liegen kommenden Seite mit Einlaßöffnungen versehen, die besonders bevorzugt so als Kanäle ausgestaltet sind, daß sie durch die Außenelektrode hindurchreichen. Auf der innenliegenden Seite sind diese Taschen so mit dem Zentralrohr verbunden, daß jede der Taschen mit den Öffnungen einer Kammer des Zentralrohres in Verbindung steht (schematisch in Fig. 3 gezeigt). Das Zentralrohr weist demzufolge eine entsprechende Zahl von Kammern auf, die jeweils entlang der Rohrachse Öffnungen besitzen.

Durch das Aufwickeln der Membraneinheit unter Verwendung eines weiteren Spacers entsteht zwischen den Wicklungen eine weitere Kammer (schematisch in Fig 5 zu sehen, wo im rechten oberen Viertel des Schnitts die Membraneinheit vollständig geschwärzt und die durch das Aufwickeln gebildete Kammer mit Schrägstreifen versehen dargestellt ist). Die genannte Kammer wird in axialer Richtung gesehen an den oberen und unteren Enden mit Öffnungen versehen, derart, daß ein Flüssigkeitsstrom in axialer Richtung geführt werden kann.

In einer speziellen Ausführungsform ist eine der Taschen der Membraneinheit in nach Aufwickeln um das Zentralrohr radialer Richtung verschlossen und weist in axialer Richtung an den oberen und unteren Seiten Öffnungen derart auf, daß ein Flüssigkeitsstrom in axialer Richtung durch diese Tasche geführt werden kann. Diese Ausführungsform ist beispielsweise für eine konventionelle Elektrodialyse geeignet, bei der die aufnehmenden Stoffströme (Säure, Base) in einer Richtung (z. B. schneckenförmig von außen nach innen) und die abzureichernden Stoffströme senkrecht dazu (z. B. axial entlang des Rohres) (oder vice versa) geführt werden können.

Beispielsweise kann mit dem erfindungsgemäßen Elektrodialysemodul Dreistoff-Elektrodialyse durchgeführt werden. Der Anschaulichkeit halber sei als spezielles Beispiel hier die Elektrodialyse mit bipolaren Membranen, z. B. die von Natriumlactat, angeführt. Hierbei kann die Membraneinheit eine erste Kat- oder Anionaustauschermembran umfassen, gefolgt von einem Spacer, einer bipolaren Membran und einer zweiten Austauschermembran, die die zur ersten entgegengesetzte Ladung aufweist. Die Membraneinheit wird an ihren axial gesehen oberen und unteren Enden vollständig verschlossen. Sie wird mit einem zweikammrigen Zentralrohr so verbunden, daß die beiden Taschen jeweils mit den Öffnungen einer Rohrkammer kommunizieren. Beide Membrantaschen besitzen auf der nach dem Aufwickeln außen zu liegen kommende Seite Einlaß­ öffnungen in der beschriebenen Weise. Die Membraneinheit wird mit einem weiteren Spacer um das Zentralrohr herum aufgewickelt. Dabei entsteht eine weitere Kammer, durch die ein dritter Stoffstrom geführt werden kann. Während die Strömungsführung durch die beiden erstgenannten, durch die Membraneinheit gebildeten Taschen schneckenförmig von außen nach innen (oder umgekehrt) erfolgt, wird der dritte Strom bevorzugt in axialer Richtung, also im rechten Winkel zu den beiden ersten, geführt. Zur Elektrodialyse mit bipolaren Membranen können nun die beiden schneckenförmig angeordneten Taschen z. B. mit säureaufnehmenden bzw. laugeaufnehmenden Flüssigkeiten (im Falle der Natriumlactat- Dialyse z. B. einer Natriumsulfat-Lösung) angeströmt werden, während die durch das Aufwickeln entstandene Kammer senkrecht dazu von der zu dialysierenden Flüssigkeit (z. B. einer Natrium­ lactat-Lösung) durchströmt wird. Bei Anlegen einer Spannung wandert in die von Anionenaustauschermembran und bipolarer Membran begrenzte Tasche Lauge, im Beispiel Natriumionen (aus der Natriumlactatlösung) und Hydroxidionen (aus der bipolaren Membran) ein, während in die von Kationenaustauschermembran und bipolarer Membran begrenzte Tasche Säure wandert, im Beispiel Lactationen (aus der Natriumlactatlösung) und Protonen (aus der bipolaren Membran). Das Natriumlactat wird in der senkrecht dazu strömenden Lösung dementsprechend abgereichert.

Selbstverständlich ist die angegebene Strömungsrichtung und Abfolge der Taschen nur beispielhaft. Im Prinzip ist jede Abfolge von Membranen und Kombination von Strömungsrichtungen möglich; es liegt für den Fachmann auf der Hand, die passende zu wählen. Bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen die anzureichernden und abzureichernden Stoffströme senkrecht zueinander fließen. Ganz besonders bevorzugt ist es, die abzureichernden Stoffströme axial zu führen und die anzureichernden Stoffströme radial von außen nach innen durch die schneckenförmigen Membrantaschen und anschließend durch die entsprechenden Rohrkammer(n) zu leiten.

Um mit dem erfindungsgemäßen Modul Elektrodialysen durchführen zu können, muß dieses mit einer Innen- und einer Außenelektrode versehen sein, vor denen bevorzugt jeweils eine entsprechende Kammer für die Elektrodenspülung angeordnet ist. Die Anströmung der Elektrodenspülkammern kann in konventioneller Weise durch fest verlegte Zuführleitungen erfolgen. Die Außenelektrode besitzt bevorzugt Durchlässe für die Anström-Kanäle der schneckenförmigen Taschen.

Das erfindungsgemäße Elektrodialysemodul besitzt mit nur wenigen Fügestellen eine vielfach übereinandergestapelte Membranabfolge, wobei mit wenigen Ausnahmen jeder Flüssigkeitsstrom nur einmal zu- und abgeleitet werden muß. Hierdurch wird ein großer Nachteil vermieden, den die gängigen Module in Stapelform aufweisen, deren Kammern jeweils einzeln angeströmt und verschlossen werden müssen und die deshalb in großem Maße Dichtigkeitsprobleme zeigen. Die Leckagen solcher Module führen zu Insterilitäten, Ausbeuteverlusten und zu unreinen Produkten. Für manche Applikationen sind sie überhaupt nicht anwendbar. Insbesondere ist die häufig erforderliche sterile Prozeßführung mit diesen Modulen nicht möglich. Dagegen ist durch die geschlossenen Taschen und Kammern Sterilisierbarkeit und sterile Verfahrensführung beim erfindungsgemäßen Modul gegeben.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Elektrodialysemoduls ist das günstige Verhältnis von ineffektiver Membranfläche (durch Verkleben, Verschweißen oder dgl. blockiert) zu effektiver Membranfläche. Dieses Verhältnis ist im Fall der konventionellen Rechteck- oder Vieleckmodulgeometrie wesentlich ungünstiger.

Durch die freie Wahl der Spacerdicken ist eine Minimierung der Kammerdicke möglich. Dies führt zu erheblichen energetischen Vorteilen.

Die Wicklung des Moduls ist so gestaltet, daß die bei der Konzentrierung bzw. Abreicherung von Lösungen zu- bzw. abnehmende Quellung der Membranen kein Problem darstellt. Durch die schneckenförmige, "endlose" Anordnung ist trotz nur geringfügiger Spaltbreite der Kammern nämlich erheblicher Platz für Quellung bzw. Schrumpfung vorhanden. Die Membranen werden mechanisch nur geringfügig belastet.

Für den kontinuierlichen Betrieb läßt sich die Kammernlänge ohne weiteres so einstellen, daß im Modul ständig konstante Bedingungen herrschen und keine mechanischen Belastungen die Lebensdauer der Membranen verkürzen. Auch läßt sich ohne weiteres ein konstantes elektrisches Feld über den Durchmesser erzielen bzw. erhalten.

Claims (16)

1. Elektrodialysemodul, umfassend:

• - ein gegebenenfalls in axialer Richtung in Kammern unterteiltes Zentralrohr, wobei jede Kammer entlang der Rohrachse Öffnungen aufweist,
• - eine Membraneinheit aus mindestens zwei übereinander angeordneten, durch Spacer getrennten und dadurch mindestens eine Tasche bildenden Membranen, die eine ausreichende Beweglichkeit aufweist, um um das Zentralrohr aufgewickelt zu werden,
• - einen weiteren Spacer zum Bilden einer weiteren Kammer zwischen den Lagen der um das Zentralrohr gewickelten Membraneinheit.

2. Elektrodialysemodul nach Anspruch 1, worin die Taschen innerhalb der Membraneinheit an zwei gegenüberliegenden Seiten verschlossen sind und an den beiden anderen Seiten jeweils Öffnungen für die Zufuhr bzw. den Abfluß von Flüssigkeiten aufweisen.

3. Elektrodialysemodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Tasche der Membraneinheit an der nach Aufwickeln der Membraneinheit auf das Zentralrohr außenliegenden Seite mit nach außen führenden Einlaßöffnungen versehen und auf der innenliegenden Seite so mit dem Zentralrohr verbunden ist, daß jede dieser Taschen mit den Öffnungen einer Kammer des Zentralrohres in Verbindung steht.

4. Elektrodialysemodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membraneinheit um das Zentralrohr aufgewickelt ist und die dabei gebildete weitere Kammer an ihren in axialer Richtung gesehen oberen und unteren Enden Öffnungen für die Zufuhr bzw. den Abfluß von Flüssigkeiten derart aufweist, daß ein Flüssigkeitsstrom in axialer Richtung geführt werden kann.

5. Elektrodialysemodul nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Taschen der Membraneinheit an der nach Aufwickeln der Membraneinheit auf das Zentralrohr außenliegenden Seite mit nach außen führenden Einlaßöffnungen versehen und auf der innenliegenden Seite so mit dem Zentralrohr verbunden sind, daß jede dieser Taschen mit den Öffnungen einer Kammer des Zentralrohres in Verbindung steht.

6. Elektrodialysemodul nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membraneinheit mindestens eine weitere Tasche aufweist, die an ihren nach Aufwickeln um das Zentralrohr in axialer Richtung gesehen oberen und unteren Enden Öffnungen derart besitzt, daß ein Flüssigkeitsstrom in axialer Richtung durch diese Tasche geführt werden kann.

6. Elektrodialysemodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um das Innenrohr herum eine Innenelektrode angeordnet ist.

7. Elektrodialysemodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Innenelektrode radial nach außen folgend ein Kanal für die Elektrodenspülung vorgesehen ist.

8. Elektrodialysemodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß außen um die aufgewickelte Membraneinheit herum eine Außenelektrode angeordnet ist, welche Durchlässe für die Taschen-Einlaßöffnungen aufweist.

9. Elektrodialysemodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Außenelektrode radial nach innen folgend ein Kanal für die Elektrodenspülung vorgesehen ist.

10. Elektrodialysemodul nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenspülkammern fest verlegte Zuführ- bzw. Abführleitungen aufweisen.

11. Elektrodialysemodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralrohr in zwei Kammern getrennt ist und die Membraneinheit drei Membranen aufweist.

12. Elektrodialysemodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Membranen monopolare Membranen sind und eine der Membranen eine bipolare Membran ist.

13. Verfahren zum Elektrodialysieren von Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß anzureichernde Flüssigkeitsströme radial schneckenförmig durch schneckenförmige Taschen einer um ein Zentralrohr aufgewickelten Membraneinheit durchgeleitet und dann in Kammern dieses Zentralrohres ein- und darin abgeleitet werden, während abzureichernde Flüssigkeitsströme im rechten Winkel zu diesen Flüssigkeitsströmen in axialer Richtung durch Kammern geleitet werden, die durch das mit Hilfe eines Spacers erfolgende Aufwickeln der Membraneinheit um das Zentralrohr gebildet werden, oder umgekehrt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Flüssigkeitsstrom zusätzlich durch eine weitere Tasche der Membraneinheit geführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine salzhaltige Flüssigkeit einer Elektrodialyse mit bipolaren Membranen unterworfen wird, wobei die Membraneinheit eine bipolare und zwei monopolare Membranen aufweist und die anzureichernden Stoffströme durch die schneckenförmigen Taschen der Membraneinheit, die jeweils von einer Ionenaustauschermembran und einer bipolaren Membran gebildet werden, und anschließend durch die Kammern des Zentralrohres geleitet werden, während der abzureichernde Stoffstrom axial entlang der Rohrachse geführt wird.