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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Kammern für
eine Elektroentionisierungsvorrichtung.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die Reinigung von Flüssigkeiten
durch Verringern der Konzentration von Ionen oder Molekülen in der Flüssigkeit
war ein Gebiet von wesentlichem technologischem Interesse. Viele
Techniken wurden verwendet, um Flüssigkeiten zu reinigen und
zu isolieren oder um konzentrierte Pools spezifischer Ionen oder
Moleküle aus
einem Flüssigkeitsgemisch
zu erhalten. Wohlbekannte Prozesse beinhalten die Destillation,
die Elektrodialyse, die Umkehrosmose, die Flüssigkeitschromatographie, die
Membranfiltration, den Ionenaustausch und die Elektroentionisierung.
Moderne Elektroentionisierungseinheiten sind zum Beispiel in den
im allgemeinen Besitz befindlichen US-Patentschriften Nr. 5,308,466
und Nr. 5,316,637, die am 3. Mai 1994 bzw. am 31. Mai 1994 an Ganzi
et al. ausgegeben wurden, beschrieben.
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Ein Problem, das mit vielen Flüssigkeitsreinigungsgeräten verbunden
ist, ist die Bildung von Ablagerungen an verschiedenen mit der Flüssigkeit
in Kontakt stehenden Oberflächen.
Beispielsweise ist im Fall einer Elektroentionisierungsvorrichtung
bekannt, dass sich Ablagerungen an Ionenaustauschmembranen, die
Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammern definieren, wie
auch an ionenaustauschharzen, die in mindestens einigen der Kammern
enthalten sind, bilden.
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Es wurden zahlreiche Verfahren versucht,
um die Ablagerungsbildung in elektrischen Wasserreinigungsvorrichtungen
zu verhindern oder zu entfernen. Beispielsweise beschreibt die US-Patentschrift
Nr. 2,854,394 an Kollsman die Verwendung der Polaritätsumkehr
in Elektro-dialysegeräten
als einen Weg, um das Verstopfen der Poren, die in den in derartigen
Geräten
verwendeten Membranen enthalten sind, zu verringern.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung werden Kammern für
eine Elektroentionisierungsvorrichtung bereitgestellt, bestehend
aus
einer Ionendepletionskammer, die ein Ionenaustauschmaterial
enthält
und teils durch eine erste Membran, die gegenüber Ionen mit einer ersten
Polarität
durchlässig
ist, und eine zweite Membran, die von der ersten Membran mit Abstand
angeordnet ist und gegenüber
Ionen mit einer zweiten, der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität durchlässig ist,
definiert ist;
einer Ionenkonzentrationskammer, die ein Ionenaustauschmaterial
enthält
und teils durch eine dritte Membran, die gegenüber Ionen mit der ersten Polarität durchlässig ist,
und eine vierte Membran, die von der dritten Membran mit Abstand
angeordnet ist und gegenüber
Ionen mit der zweiten Polarität
durchlässig
ist, definiert ist,
wobei die erste Membran die dritte Membran
gleichzeitig ausdehnend berührt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung werden Kammern für eine Elektroentionisierungsvorrichtung
bereitgestellt, bestehend aus:
einer Vielzahl geschichteter
Kammergruppen, wobei jede Gruppe teils durch Außenmembranen an einem ersten
und zweiten Ende davon definiert ist und wobei jede Gruppe aus einer
Vielzahl von Kammern, einschließlich
mindestens einer Ionenkonzentrationskammer, die an mindestens eine
Ionendepletionskammer anliegend positioniert ist, besteht, wobei
die Ionenkonzentrations- und Ionendepletionskammern jeweils ein
Ionenaustauschmaterial enthalten und die Vielzahl von Kammern teils
durch mit Abstand angeordnete, sich abwechselnde Membranen, die
gegenüber
Ionen mit einer ersten Polarität
durchlässig
sind, und Membranen, die gegenüber
Ionen mit einer zweiten, der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität durchlässig sind,
definiert ist, wobei eine Außenmembran
von mindestens einer Gruppe eine Außenmembran einer anliegenden
Gruppe gleichzeitig ausdehnend berührt.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung sind die Außenmembran
von mindestens einer Gruppe und die Außenmembran von einer anliegenden
Gruppe gegenüber
Ionen mit der ersten Polarität
jeweils selektiv durchlässig.
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In einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Außenmembranen jeder Gruppe von
Kammern gegenüber
Ionen mit der ersten Polarität
jeweils selektiv durchlässig.
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In einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bestehen die Kammern der Elektroentionisierungsvorrichtung
ferner aus
einer ersten Elektrode auf einer ersten Seite der
geschichteten Gruppe von Kammern und in elektrischer Verbindung
damit; einer zweiten Elektrode auf einer zweiten Seite der geschichteten
Gruppe von Kammern und in elektrischer Verbindung damit;
einer
mit der ersten und zweiten Elektrode in elektrischer Verbindung stehenden
elektrischen Quelle, die in Kombination mit den Elektroden und der
Vielzahl von Kammern einen elektrischen Stromkreis definiert; und
einem
Flüssigkeitskreislauf,
der konstruiert und angeordnet ist, dass er Flüssigkeitsströme durch
die mindestens eine Ionenkonzentrationskammer und die mindestens
eine Ionendepletionskammer schafft und dass er ein depletiertes
Flüssigkeitsprodukt
aus der mindestens einen Ionendepletionskammer wiedergewinnt.
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Die Kammern der vorliegenden Erfindung
können
in einer beliebigen einer breiten Vielfalt von Elektroentionisierungssystemen
verwendet werden, um ein beliebiges einer Vielfalt von Verfahren
zur Reinigung einer Flüssigkeit
auszuführen,
einschließlich
der in unseren gleichzeitig anhängigen
Schriften EP-95 916 389 und EP-A-1 044 717 beschriebenen Systeme
und Verfahren.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine auseinander gezogene Ansicht einer Elektroentionisierungsstufe;
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2 ist
eine schematische Ansicht, die den Betrieb der in 1 veranschaulichten Stufe veranschaulicht;
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3a ist
eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung der Erfindung von zwei getrennten Elektroentionisierungsunterkammern
von anliegenden geschichteten Kammergruppierungen, bevor sie zusammengepresst
werden; und
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3b ist
eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung der Erfindung von zwei getrennten Elektroentionisierungsunterkammern
von anliegenden geschichteten Kammergruppierungen, nachdem sie zusammengepresst
wurden.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung wird eine Elektroentionisierungsvorrichtung
bereitgestellt, die eine oder mehrere Elektroentionisierungsstufen
beinhaltet, wobei jede Elektroentionisierungsstufe mindestens eine
Ionenkonzentrationskammer beinhaltet, die an mindestens eine Ionendepletionskammer
anliegend positioniert ist. Vorzugsweise beinhaltet die Vorrichtung
der Erfindung eine Serie von Ionenkonzentrationskammern, die sich
mit einer Serie von Ionendepletionskammern abwechseln. Die Kammern
sind teils durch mit Abstand angeordnete, sich abwechselnde anionen-
und kationendurchlässige
Membranen definiert. Jede der Konzentrationskammern und Depletionskammern
enthält
ein Ionenaustauschmaterial wie etwa ein Gemisch aus einem Anionenaustauschharz
und einem Kationenaustauschharz. Typische geeignete Ionenaustauschmaterialien
beinhalten Fasern, Webfasern, Perlen o. ä.
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Die Vorrichtung der Erfindung beinhaltet
mindestens eine in elektrischer Verbindung mit der Ionenkonzentrations-
und Ionendepletionskammer bereitgestellte erste und zweite Elektrode
und eine in elektrischer Verbindung mit der ersten und zweiten Elektrode
bereitgestellte Quelle von elektrischem Potential, die in Kombination
mit den Elektroden und den Kammern einen elektrischen Stromkreis
definiert. Auf diese Weise kann ein elektrisches Potential über die
ionenkonzentrations- und Ionendepletionskammer oder über eine
oder mehrere Elektroentionisierungsstufen, die mehrere dieser Kammern
enthalten, bereitgestellt werden, so dass während des Vorrichtungsbetriebs
ein ionendepletierter Produktflüssigkeitsstrom
geschaffen werden kann.
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In einer Ausführungsform einer bevorzugten
Elektroentionisierungsvorrichtung sind die Konzentrations- und die
Depletionskammer so gestaltet, dass sie mehrere unabhängige diskrete
Unterkammern enthalten, von denen jede eine Breite von etwa 102
mm (4 Zoll) oder weniger und vorzugsweise zwischen 13 mm (0,5 Zoll)
und etwa 38 mm (1,5 Zoll) aufweist. Die diskreten Unterkammern werden
durch Befestigen wie etwa Kleben einer anionendurchlässigen Membran
und einer kationendurchlässigen
Membran an den Rand von Kammerdistanzstücken, die jeweils Rippen aufweisen,
die sich über
die Dicke und entlang der Länge
der Kammern erstrecken, gebildet. Somit ist jede Unterkammer durch
ein Paar von Rippen, eine anionendurchlässige Membran und eine kationendurchlässige Membran
definiert. Die Unterkammern sind jeweils mit Ionenaustauschmaterial
gefüllt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung beinhalten eine Elektroentionisierungsvorrichtung, die
eine oder mehrere Gruppen von Kammern oder "Doppelkammern", enthält. Derartige Doppelkammern
sind in der am 11. September 1990 ausgegebenen US-Patentschrift
Nr. 4,956,071 an Giuffrida et al. beschrieben. Die Doppelkammern
sind jeweils durch eine ungerade Zahl von selektiv durchlässigen Membranen,
mindestens eine Ionendepletionskammer und mindestens eine Ionenkonzentrationskammer,
von denen jede Kammer wie oben beschrieben in Unterkammern geteilt
ist, definiert. Die ionendurchlässigen
Membranen sind so angeordnet, dass sich die anionendurchlässigen Membranen
und die kationendurchlässigen
Membranen entlang der Dicke der Doppelkammern abwechseln. Somit
kann die Dopppelkammer eine kationendurchlässige Membran mehr als anionendurchlässige Membranen
enthalten oder kann sie eine anionendurchlässige Membran mehr als kationendurchlässige Membranen
enthalten.
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Die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung kann auch eine oder mehrere Elektroentionisierungsstufen umfassen.
Eine zur Verwendung in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
geeignete beispielhafte Stufe ist in der am 28. August 1992 eingereichten
gleichzeitig anhängigen,
im allgemeinen Besitz befindlichen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer
07/938,329 beschrieben. In jeder Stufe ist eine Schichtung von Depletions-
und Konzentrationskammern zwischen einer ersten und zweiten Elektrode
positioniert.
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Jede Stufe der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung könnte
mehrere geschichtete Gruppen von Kammern enthalten, wobei jede Gruppe
teils durch Außenmembranen
an jedem Ende davon definiert ist. Eine Außenmembran von mindestens einer
Gruppe berührt
eine Außenmembran
einer anliegenden Gruppe gleichzeitig ausdehnend, und gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
sind alle Gruppen in einer Schichtung aneinander anliegend angeordnet,
wobei die Außenmembranen
anliegender Gruppen in gleichzeitig ausdehnender Berührung miteinander
stehen. Diese Anordnung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 3a und 3b ausführlicher beschrieben.
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Jede Elektrode ist in elektrischer
Verbindung mit einer ionendurchlässigen
Membran, die eine Grenze einer Schichtung von Kammern definiert,
bereitgestellt. Eine derartige elektrische Verbindung kann durch
jedes beliebige bekannte Verfahren bewerkstelligt werden, beispielsweise über einen
Elektrolyten in einer Elektrodenkammer, die die Elektrode enthält und teils
durch die ionendurchlässige
Membran definiert ist. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist jede Elektrode mit einem anliegenden Elektrodendistanzstück und einer
ionendurchlässigen
Membran versehen, wobei ein Elektrolyt durch das Elektrodendistanzstück hindurchgeht.
Optional kann das Elektrodendistanzstück außerdem mit ionenaustauschharz
gefüllt
sein. Das Elektrodendistanzstück
kann einen ausgedehnten Bogen eines Materials, einen Schirm o. ä. umfassen
und kann elektrisch leitend oder elektrisch nicht leitend sein.
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Die Stärke und die Veränderlichkeit
des elektrischen Widerstands zwischen den Elektroden und den direkt
daran anliegenden Membranen sind wichtige Faktoren bei der Leistung
der Elektroentionisierungsvorrichtung und der Zeit bis zur Qualität nach der
Polaritätsumkehr
und nach dem Neustart aus einem Bereitschaftszustand. Der elektrische
Widerstand der Elektrodenkammer ist besonders wichtig, wenn die
Elektroentionisierungsvorrichtung mit einer Vorbehandlung durch
Umkehrosmose betrieben wird oder mit anderen Zufuhrströmen mit
verhältnismäßig geringem
ionischen Gehalt gespeist wird, und in Fällen, in denen die Elektrodenkammerkonstruktion
Distanzstücke
und Schirme umfasst, die nicht eigenleitend sind.
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Im Fall, in dem das Zufuhrwasser
einen verhältnismäßig geringen
ionischen Gehalt aufweist, wie etwa stromabwärts von einer Umkehrosmosevorrichtung,
sind ionische Verunreinigungen häufig überwiegend schwach
ionisierte Verbindungen wie etwa Kohlensäure, die mit verhältnismäßig geringen
Konzentrationen von starken Ionen und mittelstarken Ionen wie etwa
Natrium- bzw. Bicarbonationen gemischt sind. Es wird bevorzugt,
die relative Konzentration von starken Ionen in der Vorrichtung
und den Strömen
durch die Wahl der zu den Elektrodenkammern geführten Flüssigkeiten und durch die Wahl
der unmittelbar an den Elektroden anliegenden Membranen zu bewahren
und zu erhöhen.
Es wird auch bevorzugt, die Veränderlichkeit
des elektrischen Widerstands des Elektrodenstroms auf ein Mindestmaß zu verringern,
um die Notwendigkeit zur Steuerung der Vorrichtungsspannung zu vermeiden.
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Bei Vorrichtungen, die die Polarität umkehren,
wird bevorzugt, dass die Membranen, die an jeder Elektrode anliegen,
von der gleichen Art sind. Bei derartigen Vorrichtungen sind die
Elektrodenstrombedingungen für
jeden Halbzyklus des Betriebs gleich. Die bevorzugte Auswahl für die Zufuhr
zum Elektrodenstrom ist das Zufuhrwasser. Obwohl das Zufuhrwasser
im statischen Zustand eine geringere ionische Stärke als der Konzentrationsstrom
aufweist, ist es in der Konzentration beständiger. Außerdem weist der Zufuhrstrom
während der
Polaritätsumkehr
und unmittelbar nach dem Hochfahren der Vorrichtung häufig eine
höhere
ionische Stärke
als der Konzentrationsstrom auf.
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Der verbleibende Abschnitt jeder
Stufe umfasst eine Serie von sich abwechselnden Depletions- und Konzentrationskammern,
die wie hierin bekannt gemacht konstruiert sind. Die von Ionen zu
depletierende Flüssigkeit
kann parallel durch jede Depletionskammer in jeder Stufe hindurchgeführt werden,
und eine zweite Flüssigkeit
kann parallel durch jede Konzentrationskammer in jeder Stufe hindurchgeführt werden,
um eine Beseitigung von Ionen aus der ersten Flüssigkeit in den Depletionskammern
und in die zweite Flüssigkeit
in den Konzentrationskammern zu bewerkstelligen.
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Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein Reinigungszentrum 150 mehrere
geschichtete Kammern, die durch ein Paar von einander gegenüberliegenden
Endplatten 154 begrenzt sind. Neben jeder Endplatte befindet
sich ein Endblock 156, der als eine Anbringung für ein Paar
einander gegenüberliegender
Elektroden 158 dient. Jede Elektrode weist eine Lasche 160 auf,
die sich durch ihren anliegenden Endblock und die Endplatte erstreckt.
In der Perspektive von 1 ist
eine untere Elektrode 158 sichtbar und ist die Lasche 160 der oberen
Elektrode sichtbar. Neben jeder Elektrode befindet sich ein Elektrodendistanzstück 162,
das mehrere Rippen 164 aufweist, die Flüssigkeitsflusswege durch das
Elektrodendistanzstück
definieren. Ein (nicht gezeigter) inerter Schirm kann an die Rippen
anliegend positioniert werden, um einen hindurchgehenden turbulenten
Flüssigkeitsfluss
bereitzustellen.
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Eine Stapelung 166 sich
abwechselnder Ionendepletions- und ionenkonzentrationskammern ist
zwischen den einander gegenüberliegenden
Elektrodendistanzstücken 162 positioniert.
Die Stapelung 166 umfasst eine Serie von sich abwechselnden
Anionenaustauschmembranen 168 und Kationenaustauschmembranen 170 und
ist an Distanzstücken 172 befestigt
und wird dadurch getrennt. Die sich abwechselnden Membranen 168, 170 und
Distanzstücke 172 definieren
einzelne Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammern 176 bzw. 178.
Jedes Distanzstück 172 beinhaltet
mehrere Rippen 174, um Flusswege durch die Ionendepletions-
oder Ilonenkonzentrationskammern zu definieren. Jede der Kammern 176, 178 ist
mit einem lonenaustauschharz, vorzugsweise einem Gemisch, das ein
Anionenaustauschharz und ein Kationenaustauschharz umfasst, gefüllt. Löcher 179 in
den Endplatten 154 und in den Endblöcken 156 sind dazu
bestimmt, (nicht dargestellte) Verbindungsstangen unterzubringen,
die die mehreren gestapelten Kammern des Reinigungszentrums 150 zusammenhalten
und zusammendrücken.
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Die Distanzstücke 172 sind verzweigt,
so dass sich jede der Kammern in einer Flüssigkeitsverbindung mit ihren
gleichartigen Kammern befindet. Somit befinden sich die Ionendepletionskammern 176 jeweils
in einer Flüssigkeitsverbindung
miteinander und die Ionenkonzentrationskammern 178 jeweils
in einer Flüssigkeitsverbindung
miteinander. Das Verzweigen kann durch ein Ausstatten jedes Distanzstücks mit
einem Kammereinlass 180 und einem Kammerauslass 182 wie auch
einem Paar von Übertragungskanälen 184,
die gestatten, dass Flüssigkeit
von anliegenden Kammern durch das Distanzstück hindurchgeführt wird,
ohne in die teils durch dieses Distanzstück definierte Kammer einzudringen,
erreicht werden. Der Kammereinlass 180 und der Kammerauslass 182 können an
einander diagonal gegenüberliegenden
Ecken jedes Distanzstücks
positioniert werden, so dass dann, wenn anliegende, identische Distanzstücke umgekehrt
werden, ein Paar von verschachtelten, aber isolierten Flusswegen
durch die Stapelung 166 gebildet wird. Somit ist es möglich, ein einziges
Distanzstückdesign
zu benutzen, das eine Stapelung bereitstellt, die mehrere in Flüssigkeitsverbindung
miteinander stehende Ionendepletionskammern und mehrere in Flüssigkeitsverbindung
miteinander stehende Ionenkonzentrationskammern, aber keine Flüssigkeitsverbindung
zwischen den Ionendepletionskammern und den Ionenkonzentrationskammern
aufweist. Selbstverständlich
lässt sich
sagen, dass die Ionendepletionskammern und die Ionenkonzentrationskammern
durch Ionen, die über
die Ionenaustauschmembranen übergehen,
eine gewisse gegenseitige Verbindung erreichen.
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Jede Endplatte 154 ist mit
mehreren Öffnungen
versehen, um einen Flüssigkeitsfluss
durch das Gerät zu
gestatten. Somit kann die Endplatte eine Konzentrateinlassöffnung 186,
eine Verdünnungsstromeinlassöffnung 188,
eine Konzentratauslassöffnung 190,
eine Verdünnungsproduktauslassöffnung 192,
eine Elektrodeneinlassöffnung 194 und
eine Elektrodenauslassöffnung 196 beinhalten.
Zusätzlich
ist auch eine Elektrodenkontaktöffnung 198 bereitgestellt,
um es der Lasche 160 jeder Elektrode 158 zu gestatten,
aus den Enden des Geräts
zu ragen.
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Unter Bezugnahme auf 2 werden die Flusswege der Flüssigkeiten
in den verschiedenen Kammern des in 1 veranschaulichten
Reinigungszentrums erklärt.
Es ist ein zweistufiges Gerät
gezeigt, obwohl einstufige oder mehrstufige Geräte ebenso verwendet werden
können.
Die zu reinigende Flüssigkeit
betritt den Einlass 188, verläuft durch die Depletionskammer 176,
wird dann durch eine zweite Depletionskammer 176 geführt und
wird aus dem Auslass 192 wiedergewonnen. Es versteht sich,
dass der Flüssigkeitsfluss
durch die Depletionskammern in jeder Stufe in einer Richtung erfolgen
kann. Die Flüssigkeit
kann in jeder Stufe auch zum Fließen durch mehr als eine Depletionskammer
gebracht werden. Zusätzlich
kann die Flüssigkeit,
die aus einer Depletionskammer ausfließt, in mehrere Ströme geteilt
und dann durch einen zweiten Satz von Depletionskammern geführt werden.
Die Konzentrationsflüssigkeit
wird durch den Einlass 186 durch Konzentrationskammern 178 und
dann durch den Auslass 190 zum Abfluss geführt. Der
flüssige
Elektrolyt aus den Einlässen 194 zirkuliert
durch die Elektrodenkammern 210 und 212 und wird
dann abgeführt,
um durch die Auslässe 196 abzufließen.
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In der in 1 dargestellten obigen Vorrichtung teilten
sich jede Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammer eine gemeinsame
Membranwand mit ihrer anliegenden Kammer. Da jede der Ionendepletions- und
Ionenkonzentrationskammern mit lonenaustauschharz gefüllt ist,
ist die Trennung der Kammern, wenn beispielsweise eine Wartung nötig ist;
schwierig. Eine allgemeine Annäherung,
um sich diesem Problem zuzuwenden, ist, innerhalb der Stapelung
von Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammern periodisch inerte Schirmdistanzstücke bereitzustellen.
Diese Annäherung
fügt jedoch
weitere Komplikationen hinzu, da die Flüssigkeits- und die elektrische
Verbindung über
die Schirme hinweg aufrechterhalten werden muss. Als Ergebnis ist
ein kompliziertes zusätzliches
Verzweigen erforderlich.
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Die Verwendung von inerten Schirmdistanzstücken kann
durch Bereitstellen einer jeden der Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammern
als ein getrenntes unabhängiges
Modul, das mit seinen anliegenden Modulen in einer gleichzeitig
ausdehnend berührenden
Beziehung gehalten wird, vermieden werden. Wie in 3a gezeigt beinhaltet jedes Modul 250, 250' ein Distanzstück 252, 252', das eine an
einer Seite angebrachte Anionenaustauschmembran 254, 254' und eine an
der gegenüberliegenden
Seite angebrachte gegenüberliegende
Kationenaustauschmembran 256, 256' aufweist. Die Membranen und die
Distanzstücke
definieren eine Kammer 258, 258', die mit einem Ionenaustauschmedium 260, 260', vorzugsweise
einem Gemisch aus Anionen- und Kationenharzen, gefüllt ist.
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Allein stehend neigen die Membranen
jedes Moduls dazu, sich als Ergebnis der Harzquellung nach außen auszubeulen.
Obwohl die Qluellung den Intermembranabstand beeinflusst, werden
die Harze zusammengedrückt
und die Membranen in eine parallele Beziehung mit dem gewünschten
Intermembranabstand gezwungen, wenn die einzelnen Module wie in 3b gezeigt unter Druck zusammengehalten
werden. Wie in 3b erkennbar
ist, werden die Module 250, 250' unter Druck, der durch anliegende
Module und letztlich durch die an jedem Ende der Reinigungszentrumstapelung
positionierten Endplatten bereitgestellt wird, zusammengezwängt. Der
Druck presst das in jeder Kammer 258, 258' enthaltene
Harz 260, 260' zusammen
und zwingt auch die Membranen in eine parallele Gestaltung, die
dem gewünschten
Intermembranabstand entspricht. Anders als bei herkömmlichen
Elektroentionisierungsvorrichtungen wird die Kationenmembran 256 des
ersten Moduls 250 in der Gestaltung von 3b in eine gleichzeitig ausdehnende Berührung mit
der Kationenaustauschmembran 256' des anliegenden Moduls 250' gedrückt. Obwohl
dies in der Figur nicht gezeigt ist, würde sich die Anionenaustauschmembran 254' des Moduls 250' in einer gleichzeitig ausdehnenden
Berührung
mit der Anionenaustauschmembran des anliegenden Moduls befinden,
wenn neben dem Modul 250' zusätzliche
Module bereitgestellt wären.
Somit ist in der Gestaltung von 18b anders
als bei einer Gestaltung, in der jede Kammer durch eine einzelne
Ionenaustauschmembran getrennt ist, jede Kammer durch ein Paar von
gleichen, sich gleichzeitig ausdehnend berührenden Membranen von der anliegenden
Kammer getrennt. Anders als bei den bipolaren Membrangestaltungen
mancher Geräte
des Stands der Technik (siehe beispielsweise die US-Patentschrift
Nr. 4,871,431 an Parsi) führt
die Vorrichtung von 3b zu
etwas, das für
alle praktischen Zwecke eine einzelne Anionen- oder Kationenaustauschmembran
von doppelter Dicke ist. Eine derartige Gestaltung bietet eine Leistung,
die mit jener von Geräten,
bei denen die Kammern durch eine einzelne Ionenaustauschmembran
getrennt ist, gleichwertig ist. Da die Vorrichtung von 3a und 3b jedoch eine modulare Ausführung bereitstellt,
ist die Notwendigkeit einer Bereitstellung innerer Schirme zwischen
inneren Abschnitten der Stapelung beseitigt und wird es, falls gewünscht, möglich, sogar
eine einzelne Ionenaustauschkammer zu ersetzen, falls dies gewünscht ist:
Da die innerhalb der Modulstapelung enthaltenen Harze an jeder Seite
des Paars von sich gleichzeitig ausdehnend berührenden gleichen Membranen
unter Druck gehalten werden, wirken die Harze schließlich, um
eine Bewegung der Membranen zu verhindern und den gewünschten
Intermembranabstand über
jede Ionenaustauschkammer hinweg aufrechtzuerhalten.
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Die folgenden Beispiele sollen die
Vorteile der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Sie sollen jedoch
nicht den gesamten Umfang der Erfindung veranschaulichen. Obwohl
beispielsweise ein besonderes Polaritätsumkehrprotokoll veranschaulicht
ist, kann es unter manchen Umständen
vorteilhaft sein, die Reihenfolge der Protokollschritte umzuordnen.
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Beispiel 1: Beispielhaftes
Polaritätsumkehrprotokoll
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Zwei identische Vier-Zellpaar-Einzelstufen-Elektroentionisierungsvorrichtungen
wurden in einer Gestaltung der in 1 gezeigten
Art zusammengesetzt, wobei jede aus den folgenden Bestandteilen
bestand: zwei 13 mm (0,5 Zoll) dicken Aluminiumendplatten, zwei
13 mm (0,5 Zoll) dicken Polypropylen-Elektrodenblöcken, zwei iridiumoxidüberzogenen
Titanelektroden, die von ihren nächsten
(kationendurchlässigen)
Ionenaustauschmembranen jeweils durch einen 0,625 mm (0,025 Zoll)
dicken gewebten Polyester-Elektrodenkammerschirm
getrennt waren, der um den Rand herum durch einen Rahmen aus einem
thermoplastischen Elastomer abgedichtet war, einer abwechselnden
Stapelung von neun heterogenen, auf Polyethylen basierenden Kationen-
und Anionenaustauschmembranen in einer Reihenfolge, die mit einer
Kationenmembran begann und endete, wobei jede Membran mit Klebstoff
an Polypropylen-Intermembrandistanzstücke (Intermembranabstand von
etwa 2,4 mm (0,1 Zoll) und Flussweglänge von 330 mm (13 Zoll), jedes
Distanzstück
umfasste drei Unterkammern mit einer Breite von jeweils etwa 30,5
mm (1,2 Zoll)) geklebt war, jede Unterkammer war mit Rohm-und-Haas
Amberjet-Misch-Ionenaustauschharz in einem Anionen/Kationen-Volumenverhältnis von 60
: 40 gefüllt.
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Den beiden Vorrichtungen wurde parallel
Brunnenwasser zugeführt,
das durch eine UV-Hygienisierungsbehandlung gefolgt von gekörnter Aktivkohle
und gefolgt von einer 0,5 Mikrometer-Nominalfiltration vorbehandelt
war. Jeder Ionendepletions- und jeder Ionenkonzentrationsstrom wurde
parallel in einer Abwärtsflussrichtung
ohne Stromrezirkulation zugeführt,
und jeder Strom wurde mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 0,9
Ipm betrieben. Eine Gleichstromspannung von etwa 19,5 Volt wurde
zwischen den Elektroden jeder Vorrichtung angelegt. Das Zufuhrwasser
zu jeder Vorrichtung enthielt etwa 235 ppm gesamte. gelöste Feststoffe
(als CaCO3) einschließlich 102 ppm Calcium, 57 ppm
Magnesium und 117 ppm Bicarbonationen, 9 ppm Silika und wies einen
pH-Wert von etwa 8,05 auf. Bei jeder Vorrichtung erfolgte in Intervallen
von 30 Minuten ein Austausch der Produkt- und der Konzentratauslassöftnung und
eine Polaritätsumkehr.
Die Betriebsspannung wurde bei jeder Vorrichtung über einen
Zeitraum von vier Tagen allmählich
auf 41 Volt erhöht,
um in der Vorrichtung eine leicht erkennbare pH-Verschiebung zu
erzeugen. Begonnen mit dem vierten Tag und danach alle 24 Stunden
wurden die Flussrichtungen aller Ströme an der ersten Vorrichtung
umgekehrt, damit sie auf einer täglichen
Basis zwischen der Aufwärtsfluss-
und der Abwärtsflussrichtung
wechselten. Bei der zweiten Vorrichtung erfolgte keine Flussumkehr,
und beide Vorrichtungen setzten die identischen Polaritätsumkehrreihenfolgen
in Intervallen von 30 Minuten fort.
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Am vierten Tag lagen die Reinigungsgrade
in den Ionendepletionsströmen
beider Vorrichtungen wie durch elektrische Konduktanz beobachtet
bei etwa 80%. Ab dem fünften
Tag des Betriebs neigten die Ionendepletionsströme beider Vorrichtungen zu
einem Anstieg des pH-Werts bis zu einem Maximum von etwa 9,5, und
nach der Polaritätsumkehr
neigten die pH-Werte
der Ströme,
die nun Ionenkonzentrationsströme
waren, zu einer Abnahme bis zu einem Minimum von etwa 6,6. Langelier-Sättigungsindexberechnungen zeigten
an, dass die Konzentratströme
eine stetig geringe Neigung zu Ablagerungen aufwiesen und dass die
Depletionsströme
beim hohen pH-Extremwert eine hohe Neigung zu Ablagerungen aufwiesen.
Am fünften
Tag des Betriebs begann sich die Reinigungsleistung der beiden Vorrichtungen
zu unterscheiden, die erste bewahrte bis zum zwölften Tag eine Reinigung von
etwa 80%, während
die zweite Vorrichtung allmählich
auf eine Reinigung von etwa 60 abnahm. Während dieser Zeit bewahrte
die erste Vorrichtung einen elektrischen Widerstand von etwa 25
Ohm, während
der elektrische Widerstand bei der zweiten Vorrichtung allmählich auf
etwa 31 Ohm anstieg. Nach dem zwölften
Tag wurde der Versuch beendet und wurden die Vorrichtungen zerlegt.
An den Oberflächen
der Membranen oder Elektroden wurden kaum oder keine Ablagerungen
beobachtet. Bei beiden Vorrichtungen wurden innerhalb der Zwischenräume des
Harzperlenfüllmaterials
Ablagerungen festgestellt. Im Füllmaterial
der ersten Vorrichtung waren beträchtlich weniger Ablagerungen
vorhanden.
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Beispiel 2: Zweites beispielhaftes
Polaritätsumkehrprotokoll
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Zwei wie in Beispiel 1 beschriebenen
identischen Vier-Zellpaar-Einzelstufen-Elektroentionisierungsvorrichtungen
wurde parallel Wasser zugeführt,
das durch Umkehrosmose vorbehandelt war. Die erste Vorrichtung wurde
in einer Aufwärtsflussrichtung
gespeist, während
die zweite Vorrichtung in einer Abwärtsflussrichtung gespeist wurde.
Jeder Strom wurde mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 1,1
Ipm betrieben. Jeder Konzentrationsstrom wurde rezirkuliert und
das Zusatzwasser wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,1 Ipm
zugeführt.
Die Zufuhrleitfähigkeit
des Ionendepletionsstroms und des Konzentratzusatzes betrug etwa
13 Mikrosiemen-cm–1 und es waren vermischte
ionische Salze, etwa 4 ppm gelöstes
Kohlendioxid und annähernd 250
Teile-je-Milliarde (ppb) gelöstes
Silika enthalten. Eine Gleichstromspannung von etwa 20 Volt wurde
zwischen den Elektroden jeder Vorrichtung angelegt. Die Polarität wurde
alle 24 Stunden durch Durchführung
folgender Schritte, (1) des Abschaltens der Stromversorgung (zurzeit
= 0); (2) des Austauschens der Depletions- und Konzentrationsströme untereinander
(zurzeit = 10 Sekunden); (3) des Umkehrens der Polarität (zurzeit
= 15 Sekunden); und (4) des Einschaltens der Stromversorgung (zurzeit
= 20 Sekunden), umgekehrt. Während des
Zyklus wurde fortlaufend Produktwasser erhalten.
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Unmittelbar vor dem Beginn des Polaritätsumkehrprotokolls
betrug bei beiden Vorrichtungen der spezifische elektrische Widerstand
des Produktwassers etwa 17 Megohm-cm und die Silikakonzentration
etwa 7 ppb. Zurzeit = 1 Minute nahm der spezifische Widerstand des
Produktwassers bei beiden Vorrichtungen bis zu einem Minimum von
etwa 6 Megohm-cm ab. Bei der ersten und der zweiten Vorrichtung
betrug die auch zurzeit = 1 Minute auftretende maximale Silikakonzentration
etwa 164 ppb bzw. 260 ppb. Die erste Vorrichtung und die zweite
Vorrichtung erzielten zurzeit = 25 Minuten bzw. 45 Minuten einen
spezifischen Widerstand des Produktwassers von etwa 15 Megohm-cm
und zurzeit = 6 Minuten bzw. 15 Minuten eine Reinheit von 8 ppb
Silika.
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Beispiel 3: Dritte s
beispielhaftes Polaritätsumkehrprotokoll
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Eine Elektroentionisierungsvorrichtung
wurde mit Ausnahme des Füllens
der Zellenkammern mit Dow Marathon Ionenaustauschharzfΰllmaterial
auf eine Weise konstruiert, die mit der in Beispiel 1 beschriebenen identisch
war.
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Der Vorrichtung wurde Permeatwasser
von einer Umkehrosmosevorrichtung zugeführt. Jeder Ionendepletions-
und jeder Ionenkonzentrationsstrom wurde parallel in einer Abwärtsflussrichtung
gespeist, und jeder Verdünnungs-
und Konzentrationsstrom wurde mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 0,2
Ipm pro Zellpaar betrieben. Eine Gleichstromspannung von etwa 20
Volt wurde zwischen den Elektroden der Vorrichtung angelegt. Das
Zufuhrwasser zur Vorrichtung enthielt etwa 4 ppm gesamte gelöste Feststoffe
(als CaCO3) einschließlich 2,5 ppm Kohlendioxid
und 1,5 ppm vermischte Ionen.
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- (i) In einem ersten Polaritätsumkehrprotokoll, das als
ein Kontrollversuch betrachtet wurde, der den Stand der Technik anzeigt,
wurden der Ionendepletions- und der Ionenkonzentrationsstrom ohne
Konzentratrezirkulation betrieben und wurden die Ströme zu etwa
der gleichen Zeit untereinander ausgetauscht, zu der die elektrische
Polarität
umgekehrt wurde;
- (ii) In einem zweiten Polaritätsumkehrprotokoll wurde der
Ionenkonzentrationsstrom rezirkuliert und am Konzentrateinlass der
Vorrichtung mit einer Zufuhr von Umkehrosmosepermeat kombiniert.
Das kombinierte Konzentrat wurde mit einer solchen Geschwindigkeit
aus dem rezirkulierenden Strom entfernt, dass die gesamte Produktwassergewinnung
von der Vorrichtung etwa 90% des gesamten zur Vorrichtung geführten Umkehrosmosepermeats
betrug. Die Ströme
wurden zu etwa der gleichen Zeit untereinander ausgetauscht, zu
der die elektrische Polarität
umgekehrt wurde;
- (iii) In einem dritten Polaritätsumkehrprotokoll wurden die
Ströme
auf eine Weise zugeführt
und rezirkuliert, die mit Beispiel (3, ii) identisch war. Das Umkehrprotokoll
umfasste die folgenden Schritte: (a) die Gleichstromversorgung wurde
abgeschaltet; und (b) die Ströme
wurden untereinander ausgetauscht, die elektrische Polarität wurde
umgekehrt, und die Gleichstromversorgung wurde zu etwa jener Zeit,
zu der die spezifischen Produktwiderstände der Ströme gleich waren, wieder angelegt;
- (iv) In einem vierten Polaritätsumkehrprotokoll wurden die
Ströme
auf eine Weise zugeführt
und rezirkuliert, die mit Beispiel (3, ii) identisch war. Das Umkehrprotokoll
umfasste die folgenden Schritte: (a) der Zufuhr- und der Produktstromfluss
wurden abgeändert,
um in einer Weise betrieben zu werden, die mit Beispiel (3, i) identisch
war; (b) nach einem Betrieb für
etwa zwei Minuten im Modus (iv, a) wurden die Ströme untereinander
ausgetauscht und wurde die elektrische Polarität umgekehrt; und (c) die Ströme wurden
zu etwa jener Zeit, zu der die spezifischen Produktwiderstände der
Ströme
gleich waren, wieder zu einer Weise zurückgebracht, die mit Beispiel
(3, ii) identisch war;
- (v) In einem fünften
Polaritätsumkehrprotokoll
wurden die Ströme
auf eine Weise zugeführt
und rezirkuliert, die mit Beispiel (3, ii) identisch war. Das Umkehrprotokoll
umfasste die folgenden Schritte: (a) der Zufuhr- und der Produktstromfluss
wurden abgeändert,
um in einer Weise betrieben zu werden, die mit Beispiel (3, i) identisch
war; (b) nach einem Betrieb für
etwa zwei Minuten im Modus (v, a) wurde die Gleichstromversorgung
abgeschaltet; (c) die Stromflüsse
wurden untereinander ausgetauscht und die Gleichstromversorgung
umgekehrt und zu etwa jener Zeit, zu der die spezifischen Produktwiderstände der
Ströme
gleich waren, wieder angelegt; und (d) die Stromflüsse wurden
nach einem Betrieb für
etwa 10 Minuten im Modus (v, c) wieder zu einer Weise zurückgebracht,
die mit Beispiel (3, ii) identisch war; und
- (vi) In einem sechsten Polaritätsumkehrprotokoll wurden die
Ströme
auf eine Weise zugeführt
und rezirkuliert, die mit Beispiel (3, ii) identisch war. Das Umkehrprotokoll
umfasste die folgenden Schritte: (a) die Umkehrosmosezufuhr zum
rezirkulierenden Konzentratstrom wurde abgeschaltet; (b) eine konzentrierte
wässrige
Natriumchloridlösung
wurde in einem Ausmaß zum
rezirkulierenden Konzentratstrom geführt, das ausreichte, um im
Konzentratstrom eine 2%ige Salzlösung
zu erzeugen; (c) nach einem Betrieb für etwa 5 Minuten im Modus (vi,
b) wurden der Zufuhr- und der Produktstromfluss abgeändert, um
in einer Weise betrieben zu werden, die mit Beispiel (3, i) identisch
war; (d) nach einem Betrieb für
etwa 2 Minuten im Modus (vi, c) wurden die Ströme untereinander ausgetauscht
und wurde die Gleichstrompolarität
umgekehrt; und (e) zu etwa jener Zeit, zu der die spezifischen Produktwiderstände der
Ströme
gleich waren, wurden die Stromflüsse
zu einer Weise zurückgebracht,
die mit Beispiel (3, ii) identisch war.
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Für
jeden Polaritätsumkehrprotokollversuch
wurde der spezifische Widerstand des Wassers beobachtet und wurde
fortlaufend Produktwasser vom Strom, der die beste Wasserqualität erzeugte,
gesammelt. Das Produktwasser wurde im Betrieb im statischen Zustand
vor dem Beginn des Umkehrzyklus, während der Zeit während des
Umkehrzyklus, und im Anschluss an den Umkehrzyklus, bis der statische
Zustand wieder erreicht war, gesammelt. Die nachstehende Tabelle
1 tabellarisiert die Länge
der Zeit, in der die Produktwasserqualität geringer als gegebene spezifische
Widerstandswerte zu jeder beliebigen Zeit während des fortlaufenden Betriebs
der Vorrichtung war.
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Tabelle II tabellarisiert die Zeit,
zu der der geringste spezifische Widerstand des Produktwassers gesammelt
wurde (d. h., die Zeit zu der sich die beiden Ströme bei gleichem
spezifischem Widerstand des Wassers befanden).
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Beispiel 4: Erster Vergleich
von Elektroentionisierungsvorrichtungen mit und ohne Zellpaargruppierunqen
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Zwei Vorrichtungen wurden zusammengesetzt.
Die erste umfasste wie in Beispiel 1 beschriebene Bestandteile,
außer
dass sie zwei Zellgruppierungen von jeweils zwei Zellpaaren umfasste
und dass das Harzfüllmaterial
Dow Marathon lonenaustauschharz war. Jede Zellgruppierung bestand
aus fünf
sich abwechselnden Kationen- und Anionenmembranen und begann und
endete mit einer Kationenmembran. Die zweite Vorrichtung war mit
der ersten identisch, außer
dass sie fünf
Zellpaare in einer Zellgruppierung aus elf sich abwechselnden Kationenund
Anionenmembranen umfasste und mit einer Kationenmembran begann und
endete.
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Jeder Vorrichtung wurde durch Umkehrosmose
vorbehandeltes und 4 ppm Calcium, 6 ppm gelöstes Kohlendioxid und 296 ppb
Silika enthaltendes Wasser mit einer Fließgeschwindigkeit von 0,2 Ipm
pro Zelle zu den Ionendepletionsströmen zugeführt. Die Konzentrationsströme wurden
ohne Zusatzwasser mit einer Fließgeschwindigkeit von 0,2 Ipm
pro Zelle rezirkuliert. Eine Gleichstromspannung von 3 Volt pro
Zellpaar wurde an jede Vorrichtung angelegt.
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Nach einem vierundzwanzigstündigen Betrieb
erzeugte die erste Vorrichtung Produktwasser mit einem spezifischen
Widerstand von 11 Megohm-cm, die Vorrichtungsstromstärke betrug
0,58 Ampere, und der Konzentratstrom enthielt 140 ppm Calcium. Die
zweite Vorrichtung erzeugte Produktwasser mit einem spezifischen
Widerstand von 7 Megohm-cm, die Vorrichtungsstromstärke betrug
0,78 Ampere, und der Konzentratstrom enthielt 120 ppm Calcium. Nach
einem zweiundsiebzigstündigen
Betrieb wurden beide Vorrichtungen. zerlegt. Ablagerungen wurden
in den Konzentrationszellen beider Vorrichtungen gefunden. In der
ersten Vorrichtung gab es keine Ablagerungen an der Grenzfläche zwischen
den Zellpaargruppierungen.
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Beispiel 5: Zweiter Vergleich
von Elektroentionisierungsvorrichtungen mit und ohne Zellpaargruppierungen
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Zwei Vorrichtungen wurden wie in
Beispiel 4 beschrieben zusammengesetzt und mit Wasser gespeist, außer dass
den rezirkulierenden Konzentrationsströmen Zusatzwasser mit einer
Geschwindigkeit von etwa 0,02 Ipm pro Konzentrationszelle zugeführt wurde.
Die erste und die zweite Vorrichtung wurden mit 15 Volt betrieben,
und die Stromstärke
betrug etwa 0,60 bzw. 0,58 Ampere. Nach einem achttägigen Betrieb
betrug der spezifische Widerstand des Produktwassers bei der ersten
Vorrichtung etwa 16,6 Megohm-cm und bei der zweiten Vorrichtung
etwa 15 Megohm-cm. Am neunten Betriebstag wurden die Depletions-
und Konzentrationsströme
untereinander ausgetauscht, worauf eine Umkehr der Polaritäten jeder
Vorrichtung folgte. Am elften Betriebstag betrug der spezifische
Widerstand des Produktwassers bei der ersten Vorrichtung etwa 17
Megohm-cm und bei der zweiten Vorrichtung etwa 15 Megohm-cm. Nach
dem Ende des Versuchs wurde die erste Vorrichtung zerlegt, und es
waren keine Ablagerungen oder jegliche Anzeichen von Membranschäden an der Grenzfläche zwischen
den Zellpaargruppierungen vorhanden.
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Entsprechungen
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Fachleute werden leicht verstehen,
dass alle hier aufgelisteten Parameter beispielhaft sein sollen
und dass tatsächliche
Parameter von der besonderen Anwendung abhängen werden, für die die
Elektroentionisierungsvorrichtung der Erfindung verwendet wird.
Es versteht sich daher, dass die obigen Ausführungsformen und Beispiele
nur beispielhaft gezeigt sind und dass die Erfindung innerhalb des
Umfangs der beiliegenden Ansprüche
anders als genau beschrieben ausgeführt werden kann.
