DE60105811T2

DE60105811T2 - Vorrichtung für elektrodeionisation

Info

Publication number: DE60105811T2
Application number: DE60105811T
Authority: DE
Inventors: Nigel Philip High Wycombe EMERY; Paul Henley on Thames WHITEHEAD; Roger John High Wycombe WOODWARD
Original assignee: Veolia Water Systems Ltd
Current assignee: VWS UK Ltd
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: US7279083B2; EP1299312B1; GB0016846D0; ATE276973T1; WO2002004357A1; DE60105811D1; EP1299312A1; AU2001270756A1; US20040035802A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Elektrodeionisation zur Reinigung von Wasser und ein Verfahren dafür.
Vorrichtungen und Verfahren zur Elektrodeionisation, um gereinigtes Wasser bereitzustellen, sind wohl bekannt, siehe zum Beispiel unser GB-A-2311999 und US 4687561 . Im Allgemeinen wird Wasser, das gereinigt werden soll, entlang eines Deionisationsweges geleitet, der sich zwischen einer Anode und einer Kathode befindet. Die Anwendung einer Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode bewirkt eine Migration der Anionen und Kationen im unreinen Wasser durch permselektive Membranen zu ihren jeweiligen Anziehungselektroden.
Im Allgemeinen werden die Kammern derartiger Vorrichtungen zum Austausch von Anionen und Kationen nebeneinandergestellt, so dass die Anionen und Kationen, die aus dem Wasser, das gereinigt werden soll, enfernt wurden, zu der einen oder den mehreren „konzentrierenden" Kammern, durch die ein Entsalzungsstrahl strömt, wandern, um die unerwünschten Anionen und Kationen zu entfernen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine vereinfachte Vorrichtung und ein vereinfachtes Verfahren zur Elektrodeionisation bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Elektrodeionisation bereitgestellt, die, nacheinander, Folgendes beinhaltet:
ein Mittel, das eine Anodenkammer festlegt,
ein Mittel, das eine oder mehrere Anionenaustauschkammern festlegt,
ein Mittel, das eine oder mehrere Mischaustauschkammern festlegt,
ein Mittel, das eine oder mehrere Kationenaustauschkammern festlegt, und
ein Mittel, das eine Kathodenkammer festlegt,
wobei die Anionen-, Misch- und Kationenaustauschkammer einen Stromweg für das Wasser, das gereinigt werden soll, bereitstellt.
Durch die Anordnung der oder jeder Anionenaustauschkammer neben der Anodenkammer und die Anordnung der oder jeder Kationenaustauschkammer neben der Kathodenkammer, stellt die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung einen entgegengesetzten oder umgekehrten Stromweg für ausgetauschte Anionen und Kationen im Vergleich zu Vorrichtungen des Stands der Technik bereit. Die ausgetauschten Anionen und Kationen im Wasser, das gereinigt werden soll, werden eher direkt zu den angegrenzten Elektroden hingezogen, als dass sie zu den distalen Elektroden hingezogen werden, die sich auf der anderen Seite von gegenüberliegenden Austauschkammern von Vorrichtungen zur Elektrodeionisation des Stands der Technik befinden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt die Vorrichtung eine Anionenaustauschkammer und eine Kationenaustauschkammer ein.
Zwischen den Kammern befinden sich permselektive Membranen, wie im Fach bekannt. Jene Membranen, die sich zwischen der oder jeder Zentralmischaustauschkammer und der Kathodenkammer befinden, sollten Kationenmembranen sein, und jene Membranen, die sich zwischen der oder jeder Mischaustauschkammer und der Anodenkammer befinden, sollten Anionenmembranen sein.
Die oder jede Anionenaustauschkammer enthält zum Teil, im Wesentlichen oder gänzlich Anionenaustauschmaterial, und die oder jede Kationenaustauschkammer enthält zum Teil, im Wesentlichen oder gänzlich Kationenaustauschmaterial.
Vorzugsweise enthält die Anodenkammer zum Teil, im Wesentlichen oder gänzlich Ionenaustauschmaterial, vorzugsweise Kationenaustauschmaterial. Vorzugsweise enthält die Kathodenkammer zum Teil, im Wesentlichen oder gänzlich Ionenaustauschmaterial, besser Kationenaustauschmaterial. Die oder jede Mischaustauschkammer enthält zum Teil, im Wesentlichen oder gänzlich Mischionenaustauschmaterial. Ionenaustauschmaterialien sind im Fach bekannt, ein Beispiel dafür sind Harzkügelchen.
Die Anoden- und Kathodenkammer werden vorzugsweise mit einem Entsalzungsstrahl wie Wasser ausgespült, um Ionen vom System als Konzentrat zu eluieren.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Wasser, das gereinigt werden soll, zuerst durch eine Anionenaustauschkammer der Vorrichtung, dann durch eine Kationenaustauschkammer und anschließend durch eine Mischaustauschkammer geleitet.
Alternativ dazu wird Wasser, das gereinigt werden soll, durch eine Kationenaustauschkammer, dann durch eine Anionenaustauschkammer und anschließend durch eine Mischaustauschkammer geleitet.
Wenn die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zwei oder mehr Anionenaustauschkammern und/oder zwei oder mehr Kationenaustauschkammern und/oder zwei oder mehr Mischaustauschkammern einschließt, dann könnte der unreine Wasserstromweg durch nachfolgende Anionenaustauschkammern und/oder nachfolgende Kationenaustauschkammern und/oder nachfolgende Mischaustauschkammern zugeführt werden.
In einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Wasser, das durch die vorliegende Vorrichtung gereinigt werden soll, mit bereits gereinigtem Wasser kombiniert, und reduziert auf diese Weise, durch Verdünnung die Ladung auf den Austauschmaterialien. Das bereits gereinigte Wasser kann von einer getrennten Quelle oder durch das wieder zugeführte Ausströmen von der vorliegenden Vorrichtung bereitgestellt werden, wobei das Ausströmen vorübergehend in einem Stauraum wie etwa einem haltenden Behälter gehalten werden könnte.
Gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Anionen-, Kationen- und Mischaustauschkammern relativ dick im Vergleich zu Kammern der Vorrichtungen zur Elektrodeionisation gemäß des Stands der Technik. Die Einfachheit der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Verwendung von dickeren Kammern und Betten aus Ionenaustauschmaterialien im Vergleich zu der herkömmlichen Meinung, dass dünnere Betten nötig sind, um die Strömung von elektrischem Strom darüber hinaus zu halten.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine „vielfache" Einheit, die immer noch nur einen Satz von Elektroden einschließt. Zum Beispiel könnte die Einheit folgendermaßen angeordnet werden: Anode (Kammer), Anion, gemischt, Kation, Konzentrat..., Anion, gemischt, Kation, Konzentrat..., Anion, gemischt, Kation, Kathode.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Elektrodeionisation bereitgestellt, das Folgendes beinhaltet: Bewirken oder Ermöglichen des Strömens von Wasser, das gereinigt werden soll, durch eine Anionenaustauschkammer, die an eine Anodenkammer angrenzt, gefolgt von dem Strömen durch eine Kationenaustauschkammer, die an eine Kathodenkammer angrenzt, oder umgekehrt, gefolgt von dem Strömen durch eine Mischaustauschkammer, die sich zwischen der Anionenaustauschkammer und der Kationenaustauschkammer befindet.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung könnte eine Vorrichtung zur Elektrodeionisation, wie oben beschrieben, verwenden. Beim Verfahren der vorliegenden Erfindung könnte das Wasser, das gereinigt werden soll, mit einem Anteil des bereits gereinigten Wassers vorgemischt werden.
Im Allgemeinen kann Wasser durch jede Kammer unabhängig geleitet werden, was verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten, einschließlich keine Strömung zu verschiedenen Zeitpunkten, ermöglicht.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun lediglich mittels Beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung, 1, beschrieben werden, wobei 1 eine schematische Seitenansicht im Schnitt einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
In Bezug auf die Zeichnung zeigt 1 eine Vorrichtung zur Elektrodeionisation in Form eines Stapels (1). Der Stapel (1) weist fünf Kammern auf. Die erste Kammer (2) ist eine Anodenkammer, die auf einer Seite durch eine Anode (3), und auf der anderen durch eine Anionenmembran (4) begrenzt ist. Die Anodenkammer (2) enthält Kationenaustauschharzkügelchen (5). Neben der Anodenkammer (2) gibt es eine Anionenaustauschkammer (6), die auf einer Seite durch die Anionenmembran (4), und auf der anderen Seite durch eine zweite Anionenmembran (7) begrenzt ist. Die Anionenaustauschkammer (6) enthält Anionenaustauschharzkügelchen (8). Neben der Anionenaustauschkammer (6) gibt es eine Mischaustauschkammer (9), die durch die zweite Anionenmembran (7) und eine Kationenmembran (10) begrenzt ist. Diese Kammer (9) enthält Mischionenaustauschharzkügelchen (11).
Neben der Mischaustauschkammer (9) gibt es eine Kationenaustauschkammer (12), die durch die Kationenmembran (10) und eine zweite Kationenmembran (13) begrenzt ist. Die Kationenaustauschkammer (12) enthält Kationenaustauschharzkügelchen (14).
Neben der Kationenaustauschkammer (12) liegt eine Kathodenkammer (15), die durch die zweite Kationenaustauschmembran (13) und eine Kathode (16) begrenzt ist. Die Kathodenkammer (15) enthält Kationenaustauschharz (17).
Die Beschaffenheit und die Form der Elektroden, Membranen und Ionenaustauschmaterialien sind alle im Fach wohl bekannt.
Bei Verwendung tritt unreines Speisewasser (18) in den Stapel (1) ein, und tritt zuerst in die Anionenaustauschkammer (6) ein. Die Anionenaustauschharzkügelchen (8) in dieser Kammer (6) ersetzen die Anionen im Speisewasser mit Hydroxidionen aus den Harzkügelchen (8). Die Anionen bewegen sich dann zu der und durch die Anionenaustauschmembran (4) zur Anodenkammer (2). Die Antriebskraft für diese Bewegung ist ein elektrisches Potential, das zwischen der Anode (3) und der Kathode (16) platziert ist. Das Speisewasser (19), das aus dieser Kammer (6) tritt, wird dann in die Kationenaustauschkammer (12) geleitet, wo die Kationenaustauschharzkügelchen (14) Kationen im Speisewasser für Wasserstoffionen austauschen. Die Kationen bewegen sich dann zu der und durch die Kationenaustauschmembran (13) zur Kathodenkammer (15).
Das Wasser (20), das aus dieser Kammer (12) tritt, wird dann in die Mischharzkammer (9) geleitet. Die Mischharzkügelchen entfernen sowohl anionische als auch kationische Ionen, die durch die ersten zwei Kammern (6, 12) geleitet wurden. Ionen, die in der Mischaustauschkammer (9) entfernt wurden, werden durch die jeweiligen Ionenaustauschmembranen (7, 10) zu den einzelnen Austauschkammern geleitet, wo sowohl sie als auch Ionen, die darin ausgetauscht wurden, durch die jeweiligen Ionenaustauschmembranen in die Elektrodenfächer geleitet werden.
Von der Mischkammer (9) wird Endproduktwasser (21) zur Verwendung erhalten.
Die Elektrodenfächer (2, 15) werden mit Wasser ausgespült, um die Ionen aus dem System als Konzentrat (22) zu eluieren. Diese Strömung kann in Reihe oder parallel sein.
In einer alternativen Anordnung könnte Speisewasser zuerst in die Kationenaustauschkammer (12) geleitet werden, gefolgt von der Anionenaustauschkammer (6), bevor es in die Mischaustauschkammer (9) geleitet wird. Diese alternative Stromweganordnung ermöglicht auch die Entfernung von präzipativen Kationen wie etwa Kalzium, bevor sie das Anionenaustauschmaterial (8) und die Anionenmembranen (4, 7) erreichen, auf denen sie wahrscheinlich präzipitieren. Wenn diese Ionen in die Kathodenaustauschkammer (12) geleitet werden, wird es bevorzugt, einen niedrigen pH-Wert in der Kathodenaustauschkammer (12) beizubehalten, und die Kathodenkammer (15) mit Wasser oder Säure, die keine präzipativen Ionen aufweist, zu speisen.
Es hat sich herausgestellt, dass das aus der Mischaustauschkammer (9) der vorliegenden Erfindung tretende Produktwasser (21) einen niedrigen Ionengehalt aufweist. In der Tat sind die durch die vorliegende Erfindung erreichte Strömungsgeschwindigkeit und Reinigung vergleichbar mit EDI-Vorrichtungen gemäß des bisherigen Stands der Technik, die im Allgemeinen eine deutlich komplexere Anordnung der Kammern einschließen.
In einer anderen Anordnung der vorliegenden Erfindung wird das Speisewasser (18) mit einem Anteil des bereits gereinigten Wassers (21) vorgemischt. Eine höhere Strömungsgeschwindigkeit durch die Vorrichtung kann erreicht werden, in dem die Ladung verdünnt wird (d. h. die Konzentration von unreinen Ionen, die vom Wasser entfernt werden sollen).
In der Tat ermöglicht ein Verhältnis von 10:1 von bereits gereinigtem Wasser:unreinem Wasser eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 2/3 Liter pro Minute durch die in 1 gezeigte Vorrichtung. Das bereits gereinigte Wasser könnte von einer getrennten Quelle geliefert werden, oder es könnte wieder zugeführtes Produktwasser (21) aus der vorliegenden Vorrichtung sein.
Die folgenden Testdaten, die eine Stapelausführung verwenden, wie in 1 gezeigt, bestätigen den Nutzen der vorliegenden Erfindung:
Beispiel 1
Ein Stapel mit inneren Plattendimensionen von 150 mm × 66 mm × 15 mm wurde auf einer Mischung von Umkehrosmosepermeat und deionisiertem Wasser betätigt. Bei einer Speiseleitfähigkeit von 18,2 μS/cm (eingestellt auf 25 °C) reinigte der Stapel 0,55 Liter pro Minute bis zu einer Leitfähigkeit von 0,073 μS/cm, als ein Strom von 1,3 Ampere zwischen den Elektroden angelegt wurde. Bei einer Speisung von 7,2 μS/cm wurden 1,37 Liter pro Minute bis zu 0,092 μS/cm bei 1,3 Ampere gereinigt.
Beispiel 2
Ein Stapel mit Dimensionen von 135 mm × 68 mm × 10 mm wurde betätigt, als er von einem Behälter wieder zugeführt wurde. Wasser wurde periodisch nach dem Stapel abgenommen und zusätzliche Aufmachung wurde zum Stapel von einer Umkehrosmosemembran gespeist. Der angelegte Strom betrug 3,16 Ampere. Als die Umkehrosmoseeinheit funktionierte, betrug die Speisung zum Stapel 12,5 μS/cm, und dies wurde bei einer Geschwindigkeit von 1,95 Liter pro Minute bis zu 0,062 μS/cm gereinigt. Beim Wiederzuführen vom Behälter wurde die Leitfähigkeit des Speisewassers auf 0,32 μS/cm reduziert, wobei zu diesem Zeitpunkt das Produktwasser 0,057 μS/cm war.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt Vorteile von sowohl getrennter als auch gemischter Harzbetttechnologie. Getrennte Harzbetten sind bei der Entfernung von bekannten Mengen festgelegter Arten von Ionenunreinheiten, sowohl Anionen- als auch Kationenunreinheitsarten, vorteilhaft und der Strom, der durch das Harzbett geleitet wird, kann bei der Entfernung von nur dieser Ionenart angewendet werden.
Wenn das Speisewasser zuerst durch ein Kationenaustauschharzbett geleitet wird, können Kationen aus der Lösung entfernt werden, was eine Reduzierung des pH-Wertes der Lösung bewirkt. Auf ähnliche Weise wird ein Anionenharzbett den pH-Wert erhöhen. Veränderungen im pH-Wert helfen bei der Verhinderung von bakteriellem Wachstum und können auch verwendet werden, um Präzipitation zu verhindern, oder um die ionische Beschaffenheit schwach geladener Spezien zu erhöhen.
Mittlerweile wurde beobachtet, dass gemischte Harzbetten hohe Wasserströmungsgeschwindigkeiten bewältigen können, während sie immer noch einen hohen Grad an Reinigung erhalten.
Die vorliegende Erfindung weist mehrere weitere Vorteile auf. Sie stellt unter Verwendung eines einzigen Elektrodensatzes eine kompakte Reinigungseinheit bereit. Sie weist eine einfache Form auf, was deren vereinfachte Herstellung mit weniger Komplikationen und deshalb mit reduziertem Risiko eines potentiellen Ausfalls ermöglicht.
Wie vorher erwähnt, kann Wasser durch jede Kammer unabhängig geleitet werden, was verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten, einschließlich keiner Strömung, zu verschiedenen Zeitpunkten ermöglicht.
Die Anzahl der Kammern der vorliegenden Erfindung, möglicherweise nur fünf, ist außerdem weniger als bei vielen Vorrichtungen des bisherigen Stands der Technik, was daher die Probleme von Rückstau auf das Speisewasser reduziert, und dadurch eine schnellere Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht. Die Verwendung von relativ dicken Kammern in der vorliegenden Erfindung reduziert auch den Rückstau des Speisewassers.
Weiterhin wird das Speisewasser durch die vorliegende Erfindung nicht durch die Anoden- oder Kathodenkammern geleitet, wie bei einigen Vorrichtungen des bisherigen Stands der Technik, und das Problem von Gas im Produktwasser wird damit vermieden.
Außerdem hilft die vorliegende Erfindung bei der Entfernung von schwach ionisierten Substanzen, und kann in einer Weise verwendet werden, um präzipative Verschmutzung zu unterdrücken.

Claims

Eine Vorrichtung zur Elektrodeionisation, die, nacheinander, Folgendes beinhaltet: ein Mittel, das eine Anodenkammer festlegt, ein Mittel, das eine oder mehrere Anionenaustauschkammern festlegt, die zum Teil, im Wesentlichen oder gänzlich Anionenaustauschmaterial enthält, ein Mittel, das eine oder mehrere Mischaustauschkammern festlegt, die zum Teil, im Wesentlichen oder gänzlich gemischtes Ionenaustauschmaterial enthält, ein Mittel, das eine oder mehrere Kationenaustauschkammern, die zum Teil, im Wesentlichen oder gänzlich Kationenaustauschmaterial enthält, und ein Mittel, das eine Kathodenkammer festlegt, wobei die Anionen-, Misch- und Kationenaustauschkammer einen Stromweg für das Wasser, das gereinigt werden soll, bereitstellt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die eine Anionenaustauschkammer und eine Kationenaustauschkammer einschließt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei zwei oder mehrere der Kammern durch permselektive Membranen aufgeteilt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei jede Membran, die sich zwischen der oder jeder zentralen Mischaustauschkammer und der Kathodenkammer befindet, eine Kationenmembran ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei jede Membran, die sich zwischen der oder jeder Mischaustauschkammer und der Anodenkammer befindet, eine Anionenmembran ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anodenkammer zum Teil, im Wesentlichen oder gänzlich Ionenaustauschmaterial enthält.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kathodenkammer zum Teil, im Wesentlichen oder gänzlich Ionenaustauschmaterial enthält.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei das Ionenaustauschmaterial Kationenaustauschmaterial ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ionenaustauschmaterial Harzkügelchen ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oder jede Anionen-, Kationen- und/oder Mischaustauschkammer eine Breite von zwischen 5 und 20 mm aufweist.
Ein Verfahren zur Elektrodeionisation, das Folgendes beinhaltet: Bewirken oder Ermöglichen des Strömens von Wasser, das gereinigt werden soll, durch eine Anionenaustauschkammer, die an eine Anodenkammer angrenzt, gefolgt von dem Strömen durch eine Kationenaustauschkammer, die an eine Kathodenkammer angrenzt, gefolgt von dem Strömen durch eine Mischaustauschkammer, die sich zwischen der Anionenaustauschkammer und der Kationenaustauschkammer befindet.
Verfahren zur Elektrodeionisation, das Folgendes beinhaltet: Bewirken oder Ermöglichen des Strömens von Wasser, das gereinigt werden soll, durch eine Kationenaustauschkammer, die an eine Kathodenkammer angrenzt, gefolgt von dem Strömen durch eine Anionenaustauschkammer, die an eine Anodenkammer angrenzt, gefolgt von dem Strömen durch eine Mischaustauschkammer, die sich zwischen der Anionenaustauschkammer und der Kationenaustauschkammer befindet.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei der Wasserstrom durch jede Kammer von anderen Strömen unabhängig ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Anoden- und Kathodenkammer mit einem Entsalzungsstrahl ausgespült sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, das zwei oder mehrere Anionenaustauschkammern und/oder zwei oder mehrere Kationenaustauschkammern und/oder zwei oder mehrere Mischaustauschkammern einschliesst, wobei das Wasser, das gereinigt werden soll, durch eine oder mehrere nachfolgende Anionenaustauschkammern und/oder eine oder mehrere nachfolgende Kationenaustauschkammern und/oder eine oder mehrere nachfolgende Mischaustauschkammern strömt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Wasser, das gereinigt werden soll, vor der Elektrodeionisation mit gereinigtem Wasser kombiniert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Wasser, das gereinigt werden soll, mit dem Wasser, das von dem Ausstromprodukt des Verfahrens gemäß Ansprüchen 11 bis 15 bereitgestellt ist, kombiniert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 verwendet wird