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Bereich der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodenionisierungsvorrichtung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Eine
herkömmliche
Elektrodenionisierungsvorrichtung weist eine Mehrzahl von Kationenaustauschmembranen
und eine Mehrzahl von Anionenaustauschmembranen auf, welche abwechselnd
derart zwischen Elektroden, die eine Anode und eine Katode umfassen,
angeordnet sind, dass sie Entsalzungskammern und Anreicherungskammern
ausbilden. Die Entsalzungskammern sind mit einem Ionenaustauschharz
gefüllt.
Eine Spannung wird zwischen der Katode und der Anode angelegt, zu
behandelndes Wasser wird in die Entsalzungskammer eingeführt und
angereichertes Wasser wird in die Anreicherungskammern eingeführt, so
dass Fremdstoffionen aus dem zu behandelnden Wasser entfernt werden
und deionisiertes Wasser erzeugt wird.
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Da
eine Mehrzahl von Entsalzungskammern und eine Mehrzahl von Anreicherungskammern
abwechselnd zwischen der Anode und der Katode ausgebildet sind,
weist die herkömmliche
Elektrodenionisierungsvorrichtung einen hohen elektrischen Widerstand
zwischen der Anode und der Katode auf, was zu einer hohen anliegenden
Spannung dazwischen führt.
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Kationen
einschließlich
Calciumionen (Ca2+) wandern von der Entsalzungskammer
zu der Anreicherungskammer durch die Kationenaustauschmembran, und
Anionen einschließlich
Bicarbonationen (HCO3 –) wandern
dazu durch die Anionenaustauschmembran. Ein Einsatz des elektrischen
Gleichstromes geht mit einer Er zeugung von Ionen auf der Oberfläche der
Anionenaustauschmembran einher, was zu einem teilweisen Anstieg
des pH-Werts an der Oberfläche
davon führt.
Auf Grund des hohen pH-Wertes an der Oberfläche der Anionenaustauschmembran
und der Konzentration der Bicarbonationen, welche von der Entsalzungskammer gewandert
sind und sich dann an der Oberfläche
davon stark angereichert haben, und aufgrund der Calciumionen in
der Anreicherungskammer kann Calciumcarbonat auf einer Oberfläche der
Anionenaustauschmembran, welche der Anreicherungskammer gegenüberliegt,
erzeugt werden, auch wenn der pH-Wert in der Anreicherungskammer
oder die Konzentration der Bicarbonationen und der Calciumionen
darin nicht den Bedingungen, unter welchen Calciumcarbonat erzeugt
wird, entspricht.
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Calciumcarbonat
ist ein Lösungsverzögerer und
seine Erzeugung in der Anreicherungskammer kann den Strom in der
Anreicherungskammer hemmen und den elektrischen Widerstand in der
Elektrodenionisierungsvorrichtung ansteigen lassen.
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Die
JPH10-43554A offenbart ein Verfahren zur Beschränkung des teilweisen Anstiegs
der Konzentration der OH–-Ionen, um die Erzeugung
von Calciumcarbonat zu verhindern, indem die Katodenkammer mit elektrisch
leitenden Materialien gefüllt
wird, um so einen effektiven Oberflächenbereich der Katode zu vergrößern. Das
Verfahren ist effektiv, um die Erzeugung von Calciumcarbonat in
der Katodenkammer zu verhindern, aber es ist nicht effektiv, um
die Erzeugung davon in der Anreicherungskammer zu verhindern, so
dass, wenn unbehandeltes Wasser eine hohe Konzentration der Calciumionen
und der Carbonationen enthält,
die Konzentration der Calciumionen und der Bicarbonationen in der
Anreicherungskammer erhöht
wird, wodurch darin Calciumcarbonat entsteht.
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Eine
Elektrodenionisierungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs
1 ist z. B. aus der EP-A-1 075 868, der EP-A-1 068 901, der US-A-5,858,191
oder der WO-A-00/67906
bekannt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine
Elektrodenionisierungsvorrichtung, wie sie in dem unabhängigen Anspruch
1 definiert ist, bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren
bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung. Die erfindungsgemäße Elektrodenionisierungsvorrichtung
umfasst eine Katode, eine Anode, eine Kationenaustauschmembran und
eine Anionenaustauschmembran, welche zwischen der Katode und der
Anode angeordnet sind, und eine Entsalzungskammer, welche zwischen
der Kationenaustauschmembran und der Anionenaustauschmembran ausgebildet
ist. Ein Ionenaustauschmaterial ist in die Entsalzungskammer gefüllt. Ein
Kanal für
Kationen ist in der Katode vorhanden, und ein Kanal für Anionen
ist in der Anode vorhanden, wobei sich die Kationenaustauschmembran
in Kontakt mit der Katode und die Anionenaustauschmembran in Kontakt
mit der Anode befindet.
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Unbehandeltes
Wasser, welches Kationen und Anionen enthält, wird in die Entsalzungskammer
eingefüllt
und mindestens ein Teil der Kationen passiert derart durch die Kationenaustauschmembran,
dass er von dem unbehandelten Wasser entfernt wird und mindestens
ein Teil der Anionen passiert derart durch die Anionenaustauschmembran,
dass er von dem unbehandelten Wasser entfernt wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine vertikale Querschnittsansicht, welche eine Elektrodenionisierungsvorrichtung
schematisch darstellt;
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2a und 2b sind
vertikale Querschnittsansichten, wobei jede eine andere Elektrodenionisierungsvorrichtung
schematisch darstellt;
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3 ist
eine vertikale Querschnittsansicht, welche schematisch eine Elektrodenionisierungsvorrichtung
gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
darstellt;
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4 ist
eine perspektivische Explosionsansicht, welche eine andere Elektrodenionisierungsvorrichtung
darstellt;
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5 ist
eine Perspektivansicht eines Aufteilungsteils;
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6 ist
eine Explosionsansicht des Aufteilungsteils;
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7 stellt
eine Situation des Wasserflusses des Aufteilungsteils dar;
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8 ist
eine vertikale Querschnittsansicht, welche eine Elektrodenionisierungsvorrichtung
gemäß einem
Gegenbeispiel schematisch darstellt.
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Detaillierte
Beschreibung
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Eine
Elektrodenionisierungsvorrichtung wird im Folgenden mit Bezug auf 1,
welche eine vertikale Querschnittsansicht davon ist, beschrieben.
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Wie
in 1 dargestellt ist, sind eine Kationenaustauschmembran 3 und
eine Anionenaustauschmembran 4 zwischen einer Katode 1 und
einer Anode 2 angeordnet. Eine Katodenanreicherungskammer 5, welche
auch als eine Katodenkammer und eine Anreicherungskammer fungiert,
ist zwischen der Katode 1 und der Kationenaustauschmembran 3 ausgebildet,
und eine Anodenanreicherungskammer 6, welche auch als eine
Anodenkammer und eine Anreicherungskammer fungiert, ist zwischen
der Anode und der Anionenaustauschmembran ausgebildet. Eine Entsalzungskammer 7 ist
zwischen der Kationenaustauschmembran 3 und der Anionenaustauschmembran 4 ausgebildet.
Die Katodenanreicherungskammer 5 und die Anodenanreicherungskammer 6 sind
mit einem Kationenaustauschharz 8 gefüllt. Es sollte angemerkt werden,
dass ein Gemisch eines Kationenaustauschharzes und eines Anionenaustauschharzes
anstelle des Kationenaustauschharzes 8 die Katodenanreicherungskammer 5 und
die Anodenanreicherungskammer 6 füllen kann. Das Katodenaustauschharz
besitzt eine hohe Festigkeit. Die Entsalzungskammer 7 ist
mit einem Gemisch des Kationenaustauschharzes 8 und des
Anionenaustauschharzes 9 gefüllt.
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Die
Anodenanreicherungskammer 6 ist ein Kanal für Anionen,
und die Katodenanreicherungskammer 5 ist ein Kanal für Kationen.
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Während eine
Spannung zwischen der Katode 1 und der Anode 2 angelegt
ist, wird unbehandeltes Wasser in die Entsalzungskammer 7 geleitet
und fließt
als deionisiertes Wasser hinaus. Ein Katodenwasser wird in die Katodenanreicherungskammer 5 und
ein Anodenwasser in die Anodenanreicherungskammer 6 geleitet.
Kationen in dem unbehandelten Wasser durchdringen die Kationenaustauschmembran 6 und
fließen
zusammen mit dem Katodenwasser hinaus. Anionen in dem unbehandelten
Wasser durchdringen die Anionenaustauschmembran 4 und fließen zusammen
mit dem Anodenwasser hinaus.
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Da
nur eine Entsalzungskammer, eine Katodenanreicherungskammer 5 und
eine Anodenanreicherungskammer 6 zwischen der Katode 1 und
der Anode 2 angeordnet sind, ist der Abstand zwischen der
Katode 1 und der Anode 2 klein. Deshalb fließt, auch
wenn die zwischen den Elektroden 1 und 2 angelegte
Spannung gering ist, während
des Deionisierungsverfahrens genug elektrischer Strom dazwischen.
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Ca2+-Ionen in der Entsalzungskammer 7 wandern
zu der Katodenanreicherungskammer 5 und HCO3 –-Ionen
wandern zu der Anodenanreicherungskammer 6. Da sich die
Ca2+- und die HCO3 –-Ionen
weder in der Anodenanreicherungskammer noch in der Katodenanreicherungskammer
treffen, wird verhindert, dass Ablagerungen darin herbeigeführt werden.
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Da
die Elektrodenanreicherungskammern 5, 6 auch als
Anreicherungskammern fungieren, ist die elektrische Leitfähigkeit
des Elektrodenwassers hoch. Dies macht es auch möglich, dass ein genügend hoher
elektrischer Strom zwischen den Elektroden 1 und 2 fließt, auch
wenn die dazwischen angelegte Spannung gering ist.
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Die
Richtung des Flusses des Wassers in den Elektrodenanreicherungskammern 5 und 6 kann
entweder parallel zu oder gegenläufig
zu demjenigen in der Entsalzungskammer sein. Das Wasser fließt vorzugsweise
zur Verhinderung einer Kanalbildung in den Kammern 5, 6 nach
oben, wobei ein Entfernen von Gasen durch den nach oben gerichteten
Fluss begünstigt
wird, da Gase, wie z. B. H2 und O2, durch den elektrischen Gleichstrom in
jeder der Elektrodenkammern erzeugt werden.
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Ein
Teil des unbehandelten Wassers kann in die Anodeanreicherungskammer 6 oder
die Katodenanreicherungskammer 5 als das Elektrodenwasser
geleitet werden, wobei sich die Anionen, welche von der Entsalzungskammer 7 zu
der Anodenreicherungskammer 6 wandern, und die Kationen,
welche von der Entsalzungskammer zu der Katodenanreicherungskammer 5 wandern,
nicht miteinander treffen, so dass eine Erzeugung von Ablagerungen
verhindert wird.
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Wie
in 2a dargestellt ist, kann ein Teil des deionisierten
Wassers, welches aus der Entsalzungskammer 7 strömt, in die
Anodenanreicherungskammer 6 geleitet werden, und ein Teil
des unbehandelten Wassers kann in die Katodenanreicherungskammer 5 geleitet
werden. Das Kationenaustauschharzes 8, welches in die Katodenanreicherungskammern 5 gefüllt ist,
schränkt
die Tendenz, Calciumcarbonat zu erzeugen, ein, so dass ausreichend
verhindert wird, dass Calciumcarbonat niederschlägt.
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Wie
in 2b dargestellt ist, kann ein Teil des deionisierten
Wassers, welches aus der Entsalzungskammer 7 fließt, sowohl
in die Anodenanreicherungskammer 6 als auch in die Katodenanreicherungskammer 5 geleitet
werden. Die Anionen einschließlich
der Bicarbonationen in dem unbehandelten Wasser wandern durch die
Anionenaustauschmembran 4 zu der Anodenanreicherungskammer 6,
so dass sie in der Anodenanreicherungskammer 6 angereichert
werden, und die Kationen einschließlich der Calciumionen in dem
unbehandelten Wasser wandern durch die Kationenaustauschmembran 3 zu
der Katodenanreicherungskammer 5, so dass sie in der Katodenanreicherungskammer 5 angereichert
werden. In der in 2b dargestellten Elektrodenionisierungsvorrichtung
tritt, da das deionisierte Wasser, welches lediglich frei von Bicarbonationen
und Calciumionen ist, in die Anodenanreicherungskammer 6 und
die Katodenanreicherungskammer 5 geleitet wird, eine Erzeugung
von Calciumcarbonat weder in der Katodenanreicherungskammer 5 noch
in der Anodenanreicherungskammer 6 auf.
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Im
Folgenden wird eine Elektrodenionisierungsvorrichtung gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
mit Bezug auf 3 beschrieben.
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Eine
Katodenplatte 80 und eine Anodenplatte 90 sind
einander gegenüber
angeordnet. Die Katodenplatte 80 und die Anodenplatte 90 sind
jeweils aus einem Laminat einer Mehrzahl von perforierten Platten 100 zusammengesetzt.
In 3 sind die Katodenplatte 80 und die Anodenplatte 90 jeweils
aus zwei perforierten Platten 100 zusammengesetzt, aber
sie können
jeweils aus drei oder mehr perforierten Platten 100 zusammengesetzt
sein. Löcher 101 der
perforierten Platten 100 durchdringen die Platte in ihrer
vollen Dicke. Die Löcher 101 der
einen perforierten Platten 100 überlappen mit einem benachbarten
Loch der anderen perforierten Platte 100 teilweise, so
dass Kanäle 82 für Kationen
derart ausgebildet sind, dass sie sich von einem Ende der Katodenplatte 80 zu
dem anderen Ende davon erstrecken, und so dass Kanäle 92 für Anionen
derart ausgebildet sind, dass sie sich von einem Ende der Anodenplatte 90 zu
dem anderen Ende davon erstrecken.
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Der
Kanal 82 weist einen Einlass 81 an einem Ende
der Katodenplatte 80 und einen Auslass 83 an dem
anderen Ende davon auf. Der Kanal 92 weist einen Einlass 91 an
einem Ende der Anodenplatte 90 und einen Auslass 93 an
dem anderen Ende davon auf. Anders als bei der in 1 dargestellten
Elektrodenionisierungsvorrichtung sind die Kanäle 82 für die Kationen
und die Kanäle 92 für die Anionen
nicht mit einem Ionenaustauschharz gefüllt.
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Die
Kationenaustauschmembran 3 befindet sich im Kontakt mit
der Katodenplatte 80 und die Anionenaustauschmembran 4 befindet
sich im Kontakt mit der Anodenplatte 90. Die Entsalzungskammer 7 ist
zwischen den Membranen 3 und 4 ausgebildet und
ist mit einem Gemisch des Kationenaustauschharzes 8 und des
Anionenaustauschharzes 9 (in 3 nicht
dargestellt) gefüllt.
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Unbehandeltes
Wasser wird in die Entsalzungskammer 7 geleitet, während eine
Spannung zwischen den Platten 80 und 90 angelegt
ist, und ein deionisiertes Wasser fließt aus der Kammer 7.
Katodenwasser wird in den Kanal 82 für die Kationen und Anodenwasser
wird in den Kanal 92 für
die Anionen geleitet. Die Kationen, welche in dem unbehandelten
Wasser enthalten sind, passieren durch die Kationenaustauschmembran 3 und fließen durch
den Kanal 82 und den Auslass 83 hinaus. Die Anionen,
welche in dem unbehandelten Wasser enthalten sind, passieren durch
die Anionenaustauschmembran 4 und fließen durch den Kanal 92 und
den Auslass 93 hinaus.
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Bei
dieser Elektrodenionisierungsvorrichtung ist nur die Entsalzungskammer 7 zwischen
der Katodenplatte 80 und der Anodenplatte 90 angeordnet,
wobei sich die Membran 3 im Kontakt mit der Katodenplatte 80 und
die Membran 4 im Kontakt mit der Anodenplatte 90 derart
befindet, dass der Abstand zwischen der Katodenplatte 80 und
der Anodenplatte 90 klein ist. Daher fließt, auch
wenn die zwischen der Katodenplatte 80 und der Anodenplatte 90 angelegte
Spannung gering ist, während
des Deionisierungsverfahrens genug elektrischer Strom dazwischen.
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Die
Richtung des Flusses des Wassers in den Kanälen 82 und 92 kann
entweder parallel zu öder
gegenläufig
zu demjenigen in der Entsalzungskammer 7 sein. Das Wasser
fließt
in den Kanälen 82 und 92 vorzugsweise
nach oben, was ein Entfernen von Gas durch den nach oben gerichtete
Fluss begünstigt,
da Gase, wie z. B. H2 und O2,
durch den elektrischen Gleichstrom in jedem der Kanäle 82 und 92 erzeugt
werden.
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Ein
Teil des unbehandelten Wassers kann als Elektrodenwasser in die
Kanäle 82 und 92 geleitet
werden, wobei die Anionen, welche von der Entsalzungskammer 7 zu
dem Kanal 92 wandern, und die Kationen, welche von der
Entsalzungskammer zu dem Kanal 82 wandern, sich nicht miteinander
treffen, so dass eine Erzeugung von Ablagerungen verhindert werden
kann.
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Ein
Teil des deionisierten Wassers, welches von der Entsalzungskammer 7 abgeleitet
wird, kann in den Kanal 92 geleitet werden. Ein Teil des
unbehandelten Wassers kann in den Kanal 82 geleitet werden.
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Im
Folgenden wird eine Elektrodenionisierungsvorrichtung, bei welcher
die Entsalzungskammer durch ein Aufteilungsteil in eine Mehrzahl
von Zellen geteilt ist, mit Bezug auf 4 bis 7 beschrieben.
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Die
Elektrodenionisierungsvorrichtung weist eine Katodenendplatte 11,
eine Katodenplatte 12, welche sich entlang der Endplatte 11 erstreckt,
und einen Rahmen 13, um eine Katodenkammer zu definieren,
welche auch als eine Anreicherungskammer fungiert, die sich entlang
des äußeren Umfangs
der Katodenplatte 12 erstreckt, auf, welche in dieser Reihenfolge übereinander
angeordnet sind. Eine Kationenaustauschmembran 14, ein
Rahmen 20, um einen Entsalzungskammer zu definieren, eine
Anionenaustauschmembran 15 und ein Rahmen 16,
um eine Anodenkammer, welche auch als eine Anreicherungskammer fungiert,
zu definieren, sind auf dem Rahmen 13 in dieser Reihenfolge übereinander
angeordnet. Eine Anodenplatte 17 ist derart über dem Rahmen 16 angeordnet,
dass sie der Anionenaustauschmembran 15 gegenüberliegt.
Eine Anodenendplatte 18 ist über der Anodenplatte 17 angeordnet.
Die Vorrichtung ist durch Bolzen oder Ähnliches festgezogen.
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Der
Raum, welcher durch die innere Oberfläche des Rahmens 20 definiert
ist, ist die Entsalzungskammer.
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Ein
Aufteilungsteil 21 ist in der Entsalzungskammer vorhandenen
und ein Ionenaustauschharz 23, welches aus einem Gemisch
eines Anionenaustauschharzes und eines Kationenaustauschharzes besteht,
ist in das Aufteilungsteil 21 gefüllt.
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Der
durch den Rahmen 13 definierte Raum ist die Katodenkammer 30,
welche auch als eine Anreicherungskammer fungiert, und der durch
den Rahmen 16 definierte Raum ist die Anodenkammer 40,
welche auch als eine Anreicherungskammer fungiert. Die Katodenkammer 30 und
die Anodenkammer 40, welche jeweils auch als Anreicherungskammern
fungieren, sind mit der Katione naustauschmembran 8 als
elektrisch leitendes Material gefüllt.
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Öffnungen 31, 32, 35 und 36 sind
in der Endplatte 11 und in dem Rahmen 13 vorhanden,
und Schlitze 33 und 34 sind auf dem Rahmen 13 vorhanden,
um ein Katodenwasser in die Katodenkammer 30 zu leiten.
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Die Öffnungen 31 und 32 überlappen
einander und die Öffnungen 35 und 36 überlappen
einander auch. Die Öffnungen 32 und 35 des
Rahmens 13 öffnen
sich jeweils in die Katodenkammern 30, welche durch die
Schlitze 33 und 34 auch als eine Anreicherungskammer
fungieren.
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Das
Katodenwasser fließt
durch die Öffnungen 31 und 32,
den Schlitz 33, die Katodenkammer 30, welche auch
als eine Anreicherungskammer fungiert, den Schlitz 34 und
die Öffnungen 35 und 36 in
dieser Reihenfolge und wird dann als Katodenwasser, welches auch
als angereichertes Wasser fungiert, abgeleitet.
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Öffnungen 41, 42, 45 und 46 sind
in der Endplatte 18 und dem Rahmen 16 vorhanden,
und Schlitze 43 und 44 sind auf dem Rahmen 16 vorhanden,
um Anodenwasser in die Anodenkammer 40 zu leiten.
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Die Öffnungen 41 und 42 überlappen
einander und die Öffnungen 45 und 46 überlappen
einander auch. Die Öffnungen 42 und 45 des
Rahmens 16 öffnen
sich jeweils in die Anodenkammer 40, welche durch die Schlitze 43 von 44 auch
als eine Anreicherungskammer fungiert.
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Das
Anodenwasser fließt
durch die Öffnungen 41 und 42,
den Schlitz 43, die Anodenkammer 40, welche auch
als eine Anreicherungskammer fungiert, den Schlitz 44 und
die Öffnungen 45 und 46 in
dieser Reihenfolge und wird dann als Anodenwasser, welches auch
als angereichertes Wasser fungiert, abgeleitet.
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Öffnungen 51, 52, 53, 54, 57, 58, 59 und 60 (die Öffnungen 58 und 59 sind
in den Figuren nicht dargestellt) sind in der Endplatte 18,
der Anionenaustauschmembran 15 und den Rahmen 16 und 18 vorhanden, und
Schlitze 55 und 56 sind auf dem Rahmen 20 vorhanden,
um unbehandeltes Wasser in die durch den Rahmen 20 definierte
Entsalzungskammer zu leiten. Die Öffnungen 51 und 60 sind
in der Endplatte 18 vorhanden, die Öffnungen 54 und 57 sind
in dem Rahmen 20 vorhanden, die Öffnungen 52 und 59 sind
in dem Rahmen 16 vorhanden und die Öffnungen 53 und 58 sind
in der Anionenaustauschmembran 15 vorhanden.
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Die Öffnungen 51 bis 54 überlappen
einander und die Öffnungen 57 bis 60 überlappen
einander auch. Die Öffnungen 54 und 57 des
Rahmens 20 öffnen
sich durch die Schlitze 55 und 56 in die Entsalzungskammer.
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Das
unbehandelte Wasser fließt
durch die Öffnungen 51, 52, 53 und 54,
den Schlitz 55, die Entsalzungskammer, den Schlitz 56 und
die Öffnungen 57 bis 60 in
dieser Reihenfolge und wird dann als deionisiertes Wasser (das Produkt)
abgeleitet.
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Der
Rahmen 20 weist eine rechtwinklige Form auf, welche sich
in einer vertikalen Richtung erstreckt. Das Aufteilungsteil 21,
welches innerhalb des Rahmens 20 angeordnet ist, weist
eine Bienenwabenform einer hexagonalen Form auf, wobei eine große Anzahl
von Zellen 22 in vertikaler und seitlicher Rich tung derart
angeordnet ist, dass ein Paar von Seiten jeder Zelle 22 sich
in die Längsrichtung
des Rahmens 20, d. h. in die vertikale Richtung, erstreckt.
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Das
Aufteilungsteil 21 kann vorzugsweise als ein ganzheitliches
Teil ausgebildet sein oder es kann ausgebildet sein, indem es aus
einer Mehrzahl von Teilen kombiniert ist. Zum Beispiel kann das
Aufteilungsteil 21 ausgebildet sein, indem es durch vertikale
Oberflächen 71 von
zick-zack-förmigen
Platten 70 verbunden ist, wie es in 6 dargestellt
ist. Jede zick-zack-förmige
Platte 70 umfasst geneigte Oberflächen 72, 73,
welche in einem Winkel von 120° mit
den vertikalen Oberflächen 71 verbunden
sind. Um die vertikalen Oberflächen 71 miteinander
zu verbinden, können
Klebstoffe eingesetzt werden. Die zick-zack-förmige Platte 70 ist
aus einem Material hergestellt, welches bezüglich Wasser durchlässig aber
bezüglich
Ionenaustauschharz nicht durchlässig
ist, wie z. B. Stoff, Faservlies, ein Sieb, poröses Material. Die zick-zack-förmige Platte 70 ist
vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie eine Steifigkeit aufweist,
indem Kunstharz oder Säurefestigkeit
und Laugenfestigkeit aufweisendes Metall eingesetzt wird. Die vertikalen
Oberflächen 71 können Wasser
durchlässig
oder nicht Wasser durchlässig
sein.
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Das
Aufteilungsteil 21 kann in den Rahmen 20 eingepasst
sein. Der Rahmen 20 kann mit einer Wasser durchlässigen Schicht
oder einem Sieb, welches an einer Seite davon angebracht ist, versehen
sein, und das Aufteilungsteil 21 kann mit der Schicht oder
dem Sieb verbunden sein.
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Unbehandeltes
Wasser, welches durch die Öffnungen 54 und 55 eingeführt wird,
durchdringt das die Zellen 22 umgebende Aufteilungsteil 21 derart,
dass es in benachbarte Zellen 22 fließt und somit allmählich nach
unten fließt,
wie es in 7 dargestellt ist. Währenddessen
wird das Wasser deionisiert. Schließlich erreicht das Wasser den
Boden der Entsalzungskammer und fließt aus der Elektrodenionisierungsvorrichtung durch
den Schlitz 56 und die Öffnungen 57 bis 60 als
deionisiertes Wasser hinaus.
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Die
allgemeine Richtung des Wassers in der Entsalzungskammer ist eine
nach unten gerichtete vertikale Richtung, da die Öffnung 54 und
der Schlitz 55 zur Einführung
des unbehandelten Wassers an der Oberseite des Rahmens 20 vorhanden
sind und der Schlitz 56 und die Öffnung 57 zur Entnahme
des entsalzten Wassers an dem Boden des Rahmens 20 vorhanden
sind. Das Aufteilungsteil 21 ist relativ zu der allgemeinen Richtung
des Wasserflusses an den oberen Abschnitten und den unteren Abschnitten
der entsprechenden Zellen 22 geneigt, so dass das Wasser
von einer Zelle 22 in die untere linke Zelle 22 und
die untere rechte Zelle 22 schräg nach unten fließt. Daher
fließt
das Wasser im Wesentlichen gleichmäßig zu allen Zellen 22,
wodurch die Berührungseffizienz
zwischen dem Wasser und dem Ionenaustauscher verbessert wird.
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Da
die Zellen 22 relativ klein sind, ist in dieser Entsalzungskammer
der nach unten gerichtete Druck, welcher durch das Eigengewicht
des Ionenaustauschers in jeder Zelle auf das Ionenaustauschharz
einwirkt, und der Wasserdruck gering. Daher wird das Ionenaustauschharz
in keiner der Zellen 22 zusammengedrückt, wodurch verhindert wird,
dass das Ionenaustauschharz teilweise an dem unteren Abschnitt der
Zellen zusammengedrückt
wird. Bei dieser Ausführung
ist das Ionenaus tauschharz, welches in die Zellen 22 gefüllt ist,
ein Gemisch aus einem Anionenaustauschharz und einem Kationenaustauschharz,
und es kann die folgenden Merkmale bzgl. einer Füllung (i) bis (iii) aufweisen.
- (i) Entweder das Anionenaustauschharz, das
Kationenaustauschharz oder das amphoterische Ionenaustauschharz
ist in alle Zellen gefüllt.
- (ii) Ein Gemisch oder Gemische von zwei oder drei aus der Menge
umfassend das Anionenaustauschharz, das Kationenaustauschharz oder
das amphoterische Ionenaustauschharz ist in alle Zellen gefüllt, wobei das
Mischverhältnis
und die Mischart für
alle Zellen gleich oder teilweise unterschiedlich oder vollständig unterschiedlich
sein kann.
- (iii) Das Anionenaustauschharz ist in einen Teil der Zellen 22,
das Kationenaustauschharz ist in einen anderen Teil der Zellen 22,
ein Gemisch des Anionenaustauschharzes und des Kationenaustauschharzes oder
das amphoterische Ionenaustauschharz ist in den restlichen Teil
der Zellen 22 gefüllt.
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Bei
den Fällen
(ii) und (iii) kann die Anzahl der Zellen 22, in welche
das Anionenaustauschharz gefüllt ist,
und die Anzahl der Zellen 22, in welche das Kationenaustauschharz
gefüllt
ist, gemäß den Verhältnissen der
Anionen und Kationen in dem unbehandelten Wasser gesteuert werden.
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Da
die in 4 bis 7 dargestellte Elektrodenionisierungsvorrichtung
auch eine kleinere Anzahl von Kammern aufweist, ist der elektrische
Widerstand davon gering, so dass ein angemessener elektrischer Strom
bei einer geringen Spannung fließen kann.
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Da
das Aufteilungsteil, welches eine Honigwabenstruktur aufweist, in
die Entsalzungskammer eingepasst ist, kann diese Elektrodenionisierungsvorrichtung
ein behandeltes Wasser mit einer hohen Reinheit bereitstellen.
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Diese
Elektrodenionisierungsvorrichtung ist für einen Einsatz sehr geeignet,
bei welchem eine kleine Menge behandeltes Wasser erzeugt wird, wie
z. B. in einem kleinen Labor und für eine kleine Batterie.
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In 1 ist
die Entsalzungskammer 7 mit einem Gemisch aus einem Anionenaustauschharz
und einem Kationenaustauschharz gefüllt und sie kann mit einem
oder mit einem Gemisch von zwei oder mehr aus einer Menge umfassend
Anionenaustauschharz, Kationenaustauschharz und ein amphoterischen
Ionenaustauschharz gefüllt
sein.
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Beispiele
für ein
elektrisch leitendes Material, welches in die Elektrodenanreicherungskammern 5 und 6 eingefüllt ist,
sind einen Kationenaustauschharz oder eine Kationenaustauschfaser,
ein Anionenaustauschharz oder eine Anionenaustauschfaser, ein Gemisch
aus diesen, Aktivkohle, ein Metallsieb, usw.. Die Katodenanreicherungskammer 5,
welche auch als eine Anreicherungskammer fungiert, und die Anodenanreicherungskammer 6,
welche auch als eine Anreicherungskammer fungiert, können mit
verschiedenen elektrisch leitenden Materialien gefüllt sein.
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Gemäß der Ausführungsform
erfordert die Elektrodenionisierungsvorrichtung, auch wenn das unbehandelte
Wasser 1 bis 5 mg/L Calciumionen als CaCO3 und
2 bis 10 mg/L anorganischen Kohlenstoff als C enthält, eine
niedrige angelegte Spannung, um eine effektive Aufbereitung durchzuführen, um
so für
ein deionisiertes Wasser mit einer guten Qualität zu sorgen.
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In 2a wird
das deionisierte Wasser zu der Anodenanreicherungskammer 6 und
das unbehandelte Wasser zu der Katodenanreicherungskammer 5 geleitet,
aber die Vorrichtung ist nicht darauf beschränkt. Stattdessen kann ein Teil
des angereicherten Wassers, welches von der Anodenanreicherungskammer 6 abgeleitet wird,
zu der Katodenanreicherungskammer 5 geleitet werden, um
die Rate der Wassergewinnung zu verbessern. In diesem Fall kann
die Erzeugung von Calciumcarbonat sogar verhindert werden, obwohl
die Carbonationen in dem angereicherten Wasser in der Anodenanreicherungskammer 6 angereichert
werden, wenn das angereicherte Wasser in die Katodenanreicherungskammer 5 geleitet
wird, da das angereicherte Wasser lediglich frei von Calciumionen
ist, so dass die Neigung, Calciumcarbonat zu erzeugen, abgeschwächt ist.
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Beispiele
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Ohne
weitere Ausführung
sei angenommen, dass ein Fachmann, welcher die vorhergehende Beschreibung
verwendet, die vorliegende Erfindung im vollen Umfang verwerten
kann Die folgenden Ausführungsformen
im restlichen Teil der Offenbarung sind daher lediglich verdeutlichend
und in keiner Weise beschränkend
anzusehen.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter
erläutert.
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Beispiel 1
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Unbehandeltes
Wasser, welches Bicarbonationen und gelöste CO2-Ionen
mit einer Gesamtmenge (ausgedrückt
als anorganischen Kohlenstoff) von 6 mg/L als C und Calciumionen
in einer Menge von 4 mg/L als CaCO3 enthält und die
in Tabelle 1 dargestellten Eigenschaften aufweist, wurde durch die
in 2a dargestellte Elektrodenionisierungsvorrichtung
behandelt, um deionisiertes Wasser zu erzeugen.
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Die
Spezifikationen der eingesetzten Elektrodenionisierungsvorrichtung
waren wie folgt:
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Die
Entsalzungskammer 7 weist eine Dicke von 5 mm auf.
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Die
Kammer war mit 20 ml eines Gemisches eines Anionenaustauschharzes
(„SA10A", verfügbar von Mitsubishi
Chemical Ltd.) und eines Kationenaustauschharzes („SK1B", verfügbar von
Mitsubishi Chemical Ltd.) gefüllt,
wobei das Mischverhältnis
des Anionenaustauschharzes zu dem Kationenaustauschharz 7 : 3 beträgt.
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Die
Anodenanreicherungskammer 6 weist eine Dicke von 2,5 mm
auf.
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Die
Kammer war mit 10 ml des Kationenaustauschharzes („SK1B", verfügbar von
Mitsubishi Chemical Ltd.) gefüllt.
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Die
Katodenanreicherungskammer 5 weist eine Dicke von 2,5 mm
auf.
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Die
Kammer war mit 10 ml des Kationenaustauschharzes („SK1B", verfügbar von
Mitsubishi Chemical Ltd.) gefüllt.
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Ein
Teil des unbehandelten Wassers wurde mit einer Rate von 3 L/h in
die Entsalzungskammer geleitet und der restliche Teil davon wurde
mit einer Rate von 3 L/h in die Anodenanreicherungskammer 6 geleitet.
Die Richtung des Flusses in die Katodenanreicherungskammer 5 war
entgegengesetzt zu demjenigen in die Entsalzungskammer 7.
Das somit angereicherte Wasser wurde von dem System abgeleitet.
Ein Teil des erzielten deionisierten Wassers wurde in die Anodenanreicherungskammer 6 mit
einer Rate von 5 L/h geleitet, wobei die Richtung des Flusses davon
in die Anodenanreicherungskammer 6 entgegengesetzt zu demjenigen
in die Entsalzungskammer 7 war, und das somit angereicherte
Wasser wurde von dem System abgeleitet. Der restliche Teil davon
wurde als behandeltes Wasser entnommen.
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Der
Betrieb wurde unter dieser Bedingung für 24 Stunden mit einem konstanten
elektrischen Strom durchgeführt
und Messungen der angelegten Spannung wurden während des Betriebs vorgenommen.
Die Messungen sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Eigenschaften des
erhaltenen deionisierten Wassers sind auch in Tabelle 1 dargestellt.
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Beispiel 2
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Unter
Verwendung der Elektrodenionisierungsvorrichtung, welche dieselben
Spezifikationen wie diejenigen, welche bei Beispiel 1 verwendet
wurden, aufweist, wurde das unbehandelte Wasser mit einer Rate von
3 L/h zu der Entsalzungskammer 7 geleitet, wobei Anteile
des erhaltenen deionisierten Wassers zu der Anodenanreicherungskammer 6 und
der Katodenanreicherungskammer 5 mit einer Rate von 1 L/h
entgegengesetzt zu dem Fluss in die Entsalzungskammer geleitet wurden,
und das somit angereicherte Wasser wurde von dem System abgeleitet,
wie es in 2b dargestellt ist Die anderen
Bedingungen bei diesem Betrieb waren dieselben wie bei Beispiel
1.
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Der
Betrieb wurde unter diesen Bedingungen über 24 Stunden mit einem konstanten
elektrischen Strom durchgeführt,
und Messungen der angelegten Spannung wurden während des Betriebes vorgenommen Die
Messungen sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Eigenschaften des erhaltenen
deionisierten Wassers sind auch in Tabelle 1 dargestellt.
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Gegenbeispiel 1
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Unter
Verwendung der Elektrodenionisierungsvorrichtung, welche mit Ausnahme
der Richtung des Flusses in die Elektrodenkammern dieselben Spezifikationen
wie diejenigen des Beispiels 1 aufweist, wurde ein Teil des unbehandelten
Wassers zu der Entsalzungskammer 7 mit einer Rate von 3
L/h geleitet und der restliche Anteil des unbehandelten Wassers
wurde mit einer Rate von 3 L/h parallel zu dem Fluss in die Entsalzungskammer 7 zu
der Anodenanreicherungskammer 6 geleitet, wie es in 8 dargestellt
ist. Das angereicherte Wasser, welches aus der Anodenanreicherungskammer 6 fließt, wurde
zu der Katodenanreicherungskammer 5 entgegengesetzt zu
dem Fluss in die Entsalzungskammer 7 geleitet und das somit
weiter angereicherte Wasser wurde von dem System abgeleitet. Die
anderen Bedingungen bei diesem Betrieb waren dieselben wie bei Beispiel
1.
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Der
Betrieb wurde unter diesen Bedingungen über 24 Stunden mit einem konstanten
elektrischen Strom durchgeführt,
und Messungen der angelegten Spannung wurden während des Betriebs vorgenommen. Die
Messungen sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Eigenschaften des erhaltenen
deionisierten Wassers sind auch in Tabelle 1 dargestellt
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Wie
in Tabelle 1 dargestellt ist, wird die angelegte Spannung bei dem
Gegenbeispiel, wobei unbehandeltes Wasser zu der Anodenanreicherungskammer 6 geleitet
wird, zweimal so hoch wie zu dem Beginn des Betriebs. Im Gegensatz
dazu steigt die Spannung bei dem Beispiel 1, wobei das deionisierte
Wasser in die Anodenanreicherungskammer 6 geleitet wird,
oder bei dem Beispiel 2, wobei das deionisierte Wasser in die Anodenanreicherungskammer 6 und
die Katodenanreicherungskammer 5 geleitet wird, kaum an.
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Nach
dem Experiment wurde jede Elektrodenionisierungsvorrichtung auseinander
genommen und innen überprüft. Bei
der Elektrodenionisierungsvorrichtung des Gegenbeispiels 1 wurde
Calciumcarbonat auf der Anreicherungsoberfläche der Anionenaustauschmembran
gefunden, aber bei den Beispielen 1 und 2 wurde Calciumcarbonat
nicht darauf gefunden. Es gab kaum einen Unterschied in der Qualität des erhaltenen
deionisierten Wassers zwischen den Beispielen und dem Gegenbeispiel,
und eine gute Qualität
des deionisierten Wassers wurde bei jedem der Beispiele und dem
Gegenbeispiel erhalten.
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Die
Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäße Elektrodenionisierungsvorrichtung
ein Erzeugen von Calciumcarbonat verhindert, so dass sie deionisiertes
Wasser kontinuierlich mit einer geringen Spannung erzeugen kann.
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Wie
vorab beschrieben ist, kann, auch wenn unbehandeltes Wasser, welches
hohe Konzentrationen von Calciumionen und Bicarbonationen enthält, behandelt
wird, die Elektrodenionisierungsvorrichtung beständig und effektiv arbeiten,
indem deionisiertes Wasser zu der Katodenanreicherungskammer oder
zu der Anodenanreicherungskammer und der Katodenanreicherungs kammer
geleitet wird, ohne dass eine Erzeugung von Calciumcarbonat, ein
Anstieg der angelegten Spannung oder ein Verstopfen der Elektrodenanreicherungskammern
verursacht wird.
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Das
vorher Stehende sollte nur als die Prinzipien der Erfindung verdeutlichend
angesehen werden. Da weiterhin viele Modifikationen und Veränderungen
für den
Fachmann enthalten sind, soll die Erfindung nicht auf die genaue
Konstruktion und den genauen Betrieb, wie dargestellt und beschrieben,
beschränkt
sein. Dementsprechend fallen alle geeigneten Modifikationen und Äquivalente
in den Umfang der Erfindung und die beigefügten Ansprüche.
