DE69730197T2

DE69730197T2 - Vorrichtung and Modul zur elektrischen Entionisierung

Info

Publication number: DE69730197T2
Application number: DE69730197T
Authority: DE
Inventors: Krishnamurty N. Mani
Original assignee: Archer Daniels Midland Co
Current assignee: Archer Daniels Midland Co
Priority date: 1997-01-17
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: ES2222499T3; CN1200960A; CA2225298A1; EP0853972A3; ATE273060T1; US6123823A; AU4923697A; CA2225298C; EP0853972A2; ZA9711518B; JPH10225623A; DE69730197D1; EP0853972B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Elektrodeionisierungsvorrichtungen und insbesondere auf kostengünstige Einsätze bzw. Dichtungen, verwendet dazu, Ionen in einer Flüssigkeit, unter einer Gleichstrom-Antriebskraft, zu überführen und um eine hohe Entsalzung von Flüssigkeiten zu erhalten
Hintergrund der Erfindung
Eine Elektrodeionisation ist ein Mittel, das zum Erreichen hoher Niveaus einer Entsalzung von wässrigen Flüssigkeiten erkannt ist. Das Verfahren setzt ein Ionenaustauschmaterial, wie beispielsweise ein Ionenaustauschharz, ein, das zu einer Ionen-Abreicherungs-Kammer, gebildet in einem Einsatz, positioniert zwischen Anionen- und Kationen-Austausch-Membranen, zugeführt wird. Ein wässriger Zufuhrstrom, der entsalzt werden soll, wird in dem Abreicherungsraum zirkuliert.
Der Elektrodeionisationsprozess ist im Detail in einer Anzahl von US-Patenten angegeben. Die wichtigsten und zuletzt herausgegebenen Patente sind:
4,066,375; 4,203,976; 4,249,422; 4,465,473; 4,632,745; 4,727,929; 4,871,431; 4,925,541; 4,931,160; 4,956,071; 4,969,983; 5,066,375; 5,116,509; 5,120,416; 5,203,976; 5,292,422; 5,308,466 und 5,316,637. Die Einsätze oder Kammern, verwendet in den Ionen-Abreicherungs-Kammern (d. h. den Kammern, die ein Ionenaustauschmaterial enthalten), offenbart in diesen Patenten, sind von verschiedenem Design.
Das US-Patent 4,465,573 beschreibt einen Einsatz, der schmale, „gewundene" Strömungspfade enthält, die mit Ionenaustauschharzen gefüllt sind. Diese Pfade werden durch eine Vielzahl von parallelen „Rippen" gebildet, die sich von dem Stromeinlass zu dem Auslass erstrecken. Der Wasserstrom, der deinonisiert (gereinigt) werden muss, wird durch diese Pfade hindurchgeführt. Das Design des Einsatzes des Patents ist komplex, was ein sorgfältiges Vernetzen der Einsatz-Komponenten für die Zuführungs- und Konzentrat-Strömungen erfordert, und wird wahrscheinlich einen hohen Druckabfall haben.
Die US-Patente 4,632,745; 4,747,929; 4,295,541; 4,931,160 und 4,956,071 (übertragen auf die Millipore Corporation) beschreiben einen Einsatz, eine Vorrichtung und ein Verfahren, wobei der Abstandsteil-Aufbau für den Zuführungs-Raum (auch bezeichnet als die Verarmung oder Ionenverarmung) einen Zuführungseinlass und -auslass mit einem Verteilungs-Verteiler in Verbindung mit einem Einlass und einem zentralen Abschnitt aufweist. Der zentrale Abschnitt besitzt eine Dicke, die dieselbe wie die Dicke des Einsatzes ist, und ist durch eine Vielzahl von Rippen definiert, die sich entlang der Länge des zentralen Abschnitts erstrecken, um Unterkammern zu bilden, die eine Breite haben, die durch den Abstand zwischen den zwei angrenzenden Rippen oder durch den Abstand zwischen einer Rippe und einem angrenzenden Längskantenabschnitt des Einsatzes definiert ist. Ein Ionenaustauschmaterial füllt die Unterkammern, die Zuführungs- und, optional, die Konzentrations-Kammern.
Die Unterkammern sind relativ schmal, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,5 Inch (1,27 und 3,81 cm). Um eine gute Abdichtung sicherzustellen, werden die Ionen-Austauschmembrane an dem Zuführungs-Kammer-Einsatz angeklebt oder angebondet. Das Design ist ziemlich komplex und erfordert eine wesentlich große Menge eines Membranenbereichs, abgedichtet zu dem Einsatz hin. Deshalb ist dieser abgedichtete Bereich nicht für eine Ionenentfernung verfügbar. Die Verwendung von mehreren, parallelen Unterkammern verbessert die Steifigkeit des Einsatzes und die Aufnahme des Ionenaustauschharzmaterials; allerdings benötigt es große Flüssigkeitsverteilungsbereiche und kann zu Flüssigkeitsverteilungsproblemen führen.
Die US-Patente 4,066,375; 4,203,976; 2,120,416; (übertragen auf Ionics, Inc.) befassen sich mit einem Einsatz-Design und einer Elektrodeionisationsvorrichtung, die eine Einführung und ein Entfernen von Ionenaustauschharzen und anderen Teilchen von zusammengebauten Deionisatzungsstapeln ermöglicht. Das Design erfordert entweder einen dritten Satz von relativ offenen Einsatzverteilern, um eine Einführung und ein Entfernen der Harze und der Teilchen zu ermöglichen, oder erfordert einen der anderen zwei (d. h. Einlass oder Auslass) Kanäle, um den Eintritt und den Austritt der Teilchen zu ermöglichen. Um eine gute Dichtung zwischen den Zuführungs- und Konzentrations-Kammern zu erzielen, insbesondere an den dritten Einlass-Verteilern, müssen diese Membrane ausreichend immobilisiert werden und dürfen nicht für ein Anschwellen/eine Faltenbildung anfällig sein. Die Einführung des dritten Satzes von Öffnungen bringt zusätzliche Dichtprobleme ebenso wie eine Verringerung in dem nutzbaren Membranbereich, verfügbar für den tatsächlichen Entsalzungsvorgang, mit sich.
Während die Fähigkeit, die Teilchen von dem Elektrodeionisations-Stapel nach der Montage der Einsätze und der Membrane zu füllen und zu entleeren, vorteilhaft ist, muss man noch die Stapel zerlegen, falls Probleme vorhanden sind, die sich auf eine Membran-Ablagerung, -Leckage oder einen Bruch beziehen. Zusätzlich ist eine geeignete Packung der Entsalzungs-Kammer nicht sichergestellt, insbesondere für große Stapel und wenn mit mehreren Strömungspfaden gearbeitet wird. Dieses Design wird auch überflüssig, wenn Ionenaustauschmaterialien in der Form eines Filzes oder Vlieses anstelle von Harzkügelchen eingesetzt werden.
Das US-Patent 4,249,422 (übertragen auf IP Holdings) offenbart ein Elektrodeionisationsgerät, das eine verbesserte Dichtung zwischen den Membranen und den Einsätzen besitzt. Die Vorrichtung setzt eine Vielzahl von scheibenförmigen Verdünnungs- und Konzentrations-Zellen-Paaren ein. Diese Vorrichtung erleichtert ein Füllen der individuellen Zellen mit Ionenaustauschharzen. Während einige Verbesserungen gegenüber dem früheren Design geliefert werden, ist es noch ziemlich komplex.
Deshalb besteht ein Erfordernis nach einem verbesserten Elektrodeionisations-Einsatz und einer zugeordneten Vorrichtung, die eine größere Ausnutzung der Ionenaustausch-Membranen ermöglichen und die Hochleistungs-Membrane verwenden können, d. h. Membrane vom Typ mit höherer Selektivität, niedrigem, elektrischem Widerstand oder eine solche vom nicht verstärkten Typ, die anfällig für ein Anschwellen und eine Faltenbildung sein können. Diese Membrane müssen ausreichend in dem zentralen Bereich gestützt werden und müssen gegen die Zuführungs- und Konzentrations-Kammer-Einsätze gedichtet werden.
Ein Bedarf besteht auch nach einem Einsatz, der eine gute Flüssigkeitsströmung und eine elektrische Stromverteilung sicherstellt, und der einen niedrigen Gesamtdruckabfall für die Flüssigkeitsströmung besitzt. Auch sollte der Einsatz das Ionenaustauschmaterial ohne übermäßige Migration von Harzkügelchen während langer Betriebsperioden enthalten.
Ein weiterer Bedarf besteht nach einem Einsatz, der im Aufbau einfach ist, der in einer großen Größe gebaut werden kann (1 m² in dem Gesamtbereich übersteigend), der effizient das Ionenaustauschmaterial in entweder Harzkugel- oder Filz/Gewebe-Form verwenden kann und der einfach in einer Elektrodeionisationsvorrichtung montierbar und verlegbar ist. Die Vorrichtung sollte für einen modularen Aufbau geeignet sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Um bei einem Aspekt der Erfindung zu bleiben, ist der Einsatz kostengünstig aufzubauen, der: (a) Ionenaustauschharz-Kügelchen innerhalb einer Ionenverarmungs-Kammer, gebildet innerhalb des Einsatzes, zurückhalten kann, (b) eine gleichförmige Flüssigkeitsströmung innerhalb der Einsatz-Kammer unter geringen Druckabfällen sicherstellen kann, (c) eine Harzsegregation und -migration ebenso wie eine Blockade von Flüssigkeitseinlässen und Auslässen durch die Kügelchen vermeiden kann, und (d) eine wesentlich hohe Entsalzung von wässrigen Flüssigkeiten oder Prozessströmen erreichen kann.
Die Erfindung schafft einen Einsatz oder einen Separator, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Elektrodeionisierung von Wasser oder Entsalzungsprozess-Strömen. Der zentrale Bereich des Einsatzes ist in eine Vielzahl von Strömungspfadabschnitten unterteilt, die von einer im Wesentlichen gleichen Breite sind, die vorzugsweise bei zwei bis acht Inch (5,08 bis 20,32 cm) liegen. Die einzelnen Strömungspfadabschnitte sind gegeneinander durch „Rippen" aus Einsatz-Material getrennt, das eine Dicke besitzt, die dieselbe wie die Dicke des Einsatzes an dem Rand davon ist. Eine Anzahl von 2 bis 6, vorzugsweise von 3 bis 4, dieser Strömungspfadabschnitte ist in Reihe durch Strömungsbegrenzer verbunden. Die einzelnen Strömungsbegrenzer befinden sich an Punkten, wo sie Biegungen von 180° vornehmen, um die Reihe von Strömungspfaden zu bilden. Die Kombination solcher Strömungspfadabschnitte, die sich von einem Einlass zu einem Auslass erstrecken, werden als „Reihen eines Strömungspfads" bezeichnet. Die Begrenzer erhöhen die Geschwindigkeit der Flüssigkeit, die durch die Strömungspfadreihe fließt, auf ungefähr 150–200% der Geschwindigkeit der Flüssigkeit, die durch den Rest der Reihe von Strömungspfaden fließt.
Die Strömungsbegrenzer, die die einzelnen Strömungspfadabschnitte verbinden, können auch mit dem Ionenaustausch- oder Netzmaterial, verwendet in der Konzentrat-Kammer, gefüllt sein. Oder die Strömungsbegrenzer können eine getrennte Öffnung aufweisen. Die Breite des Begrenzers kann 20 bis 90% der Strömungspfadbreite sein.
Jede Strömungspfadreihe besitzt zwei „Öffnungen", um einem Flüssigkeitsstrom einen Eintritt zu und einen Austritt von der Strömungspfadreihe zu geben. Mehr als eine solche Strömungspfadreihe kann innerhalb eines einzelnen Einsatzes existieren und solche Strömungspfadreihen können parallel verbunden sein. Die Rippen besitzen eine Breite, die ausreichend ist, um eine Trennung der einzelnen Strömungspfadabschnitte und eine Dichtung gegen die angrenzenden Membrane und gegen die Einsätze der sich verbindenden Kammern sicherzustellen, und um eine ausreichende Stützung für die Membrane zu erzielen. In der Praxis sind der Einsatz, die Rippen und die Verteilerlöcher aus einer einzelnen Anfangsplatte aus Einsatz-Material, das eine gleichförmige Dicke besitzt, ausgeführt.
Falls der Einsatz als ein Zuführungs- oder Verdünnungs-Kammer-Einsatz verwendet werden soll, werden die Strömungspfadabschnitte mit einem Ionenaustauschmaterial, vorzugsweise in seiner am geringsten angeschwollenen Form, typischerweise einer Natriumform für das Kation-Austauschharz, und eine Chlorid-Form für das Anionen-Austauschharz, gefüllt. Falls eine Mischung der Harze eingesetzt wird, kann sie in einer Natriumchloridlösung konditioniert werden, bevor sie dazu verwendet wird, die Strömungspfade zu füllen.
Falls der Einsatz als ein Produkt- oder Konzentrations-Kammer-Einsatz verwendet werden soll, werden die Strömungspfadabschnitte mit einem geeigneten Netzmaterial (vorzugsweise nicht gewebt) gefüllt, das eine Dicke besitzt, die im Wesentlichen dieselbe wie die Gesamtdicke des Einsatzes ist, die chemisch resistent für die Flüssigkeit, die behandelt werden soll, ist, und die einen wesentlichen offenen Bereich (>50%) besitzt, um einen Fluss von Flüssigkeit und eines elektrischen Stroms zu ermöglichen.
Das Ionenaustauschmaterial, das in den Elektrodeionisationszellen-Kammern verwendet ist, kann ein Kation- oder Anion-Austauschharz oder eine Mischung der zwei Typen von Harzen sein. Alternativ können die Harze in der Form eines Filzes oder eines Harzgewebes vorliegen. Eine dritte Option ist diejenige, die Harze innerhalb eines Stoffnetzes zu platzieren, das dicht gewebt ist oder in anderer Weise ausreichend mikroporös ist, um die Harze einzuschließen. Ungeachtet des Materials, das verwendet ist, wird das Stoffnetz, das das Harz enthält, in die Strömungspfadreihe, die den aktiven Bereich des Einsatzes bildet, eingesetzt. Der Stoff besitzt einen offenen Bereich von 30–75%, um einen Durchgang einer Flüssigkeit und von Elektrizität zu ermöglichen. Der Stoff, der verwendet ist, um das Ionenaustauschmaterial einzuschließen, kann aus einem Polyolefin oder einem fluorinierten Polymermaterial hergestellt sein. Optional kann der Stoff weiterhin in der Art und Weise einer Kation- oder Anion-Austauschmembran unter Verwendung einer Standard-Technik, wie beispielsweise einer Strahlungsbehandlung, einer Styrolisierung und einer Sulfonierung oder Styrolisierung und Chloromethylisierung, funktionalisiert werden.
Die Einsätze enthalten auch Verteilerlöcher, die sich ausrichten, wenn eine Vielzahl von Einsätzen zusammen gestapelt wird, um einen Pfad oder einen Kanal für eine Zuführung von Flüssigkeiten in die Strömungspfadreihen des Einsatzes hinein oder heraus, ebenso wie zum Bilden von Kanälen zur Verteilung der Flüssigkeit zu allen parallelen Zellen in dem Elektrodeionisations-Stapel, zu schaffen. Dabei ist ein Maximum von zwei Verteiler-Löchern pro Strömungspfadreihe, pro Prozessstrom, vorhanden. Auf der Seite der minimalen Anzahl kann eine Mehrzahl von Strömungspfadreihen an einem einzelnen Einsatz mehrere Verteiler-Löcher teilen.
Die Einsätze selbst können aus einem geeigneten, weichen Material (z. B. EPDM-Gummi oder einem Polyethylen mit niedriger Dichte) oder einem Komposit, das einen härteren Kern (z. B. Polypropylen), laminiert mit einem weicheren Gummi-Material, wie beispielsweise Styren-Butadien-Gummi auf einer oder beiden Seiten, aufweisen. Ungeachtet des Materials, das verwendet wird, besitzen alle Einsätze im Wesentlichen eine gleichförmige Dicke.
Die Öffnungen, die die Verteiler-Löcher und die Strömungspfadreihen verbinden, besitzen nominal dieselbe Gesamtdicke wie der Einsatz. Die Öffnungen haben flachere Oberseiten- und Bodenflächen mit einer Steifigkeit, die ausreichend ist, um deren Kollabieren unter dem aufgebrachten Stapelverschlussdruck zu verhindern. Auf der anderen Seite des Einsatzes dichten sich die flachen Flächen gegen die angrenzenden Ionenaustauschmembrane ab. Der Raum zwischen der Oberseiten- und Bodenfläche ist ausreichend, um einen geeigneten Flüssigkeitsströmungskanal zu schaffen. Die Öffnungen, und das Netzmaterial, falls es eingesetzt wird, können mechanisch an dem Zuführungs-Einsatz für eine einfache Handhabung befestigt sein.
Unter dem Einfluss einer Antriebskraft eines Gleichstroms werden Ionen von dem Zuführungsstrom, über die Ionenaustauschmembrane und in die Konzentrations-Kammern auf jeder Seite der Zuführungs-Kammer transportiert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr effektiv beim Entfernen von Ionen von der Flüssigkeit. Der erfingungsgemäße Elektrodeionisations-Vorgang unterscheidet sich von dem herkömmlichen Elektrodialyse-Prozess, der kein Ionenaustauschmaterial in der Zuführungs- oder der Konzentrations-Kammer einsetzt.
Das Elektrodeionisations-Gerät ist durch Zusammenbauen einer nahezu gleichen Anzahl (z. B. 20 bis 100) der Zuführungs- und Konzentrat-Kammer-Einsätze in einer alternierenden Art und Weise aufgebaut. Das bedeutet, dass eine Kation-Membran auf einer Seite und eine Anion-Membran auf der anderen Seite der Zuführungs-Kammer platziert sind. Die äußeren Flächen der Membrane liegen am nächsten zu den Konzentrat-Kammern. Die gesamte Anordnung wird ein Elektrodeionisations-Stapel-Modul. Eine Elektroden-Kammer ist an jedem Ende des Stapel-Moduls mit, zum Beispiel, einer Anode an dem linksseitigen und einer Kathode an dem rechtsseitigen Ende des Stapels gebildet. Die Anode und die Kathode nehmen Elektroden auf, die für den Prozess verwendet werden, und sind mit einer DC-Quelle verbunden. Das Stapel-Modul, das so aufgebaut ist, ist effektiv beim Entsalzen von wässrigen, Salz und Zucker enthaltenden Lösungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung, die zusammen mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird, ersichtlich werden, in denen:
1(a)–1(c) stellen den Aufbau eines erfindungsgemäßen Einsatzes, verwendet in einer Elektrodeionisations-Vorrichtung, dar;
2 stellt einen Einsatz dieser Erfindung dar, der zwei Reihen von Strömungspfaden enthält;
3(a)–3(e) stellen einige der Öffnungs-Anordnungen dar, die in dem erfindungsgemäßen Einsatz verwendet werden können;
4 stellt einen Einsatz dar, der gemeinsame Verteiler besitzt, die gemeinsam durch zwei Reihen von Strömungspfaden geteilt werden;
5 und 5(a) stellen zwei Strömungs-Anordnungen mit gemeinsamen Verteilern dar, angeordnet so, um vier Reihen von Strömungspfaden zu bilden;
6 zeigt eine Explosionsansicht einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Elektrodeionisations-Vorrichtung, die die Reihen von Strömungspfad-Einsätzen verwendet;
7 zeigt ein schematisches Zellen-Layout des Elektrodeionisations-Stapels; und
8 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Pilot-System darstellt, das zum Testen des Elektrodeionisations-Vorgangs verwendet ist.
Detaillierte Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen
Gemäß dieser Erfindung führt ein Elektrodeionisations-Einsatz zu einem im Wesentlichen leckagefreien Betrieb, besitzt eine gute Langzeit-Zuverlässigkeit, einen geringen Druckabfall, ein verringertes Flüssigkeits-Rezirkulationserfordernis und eine Verringerung von Shunt/Streu-Stromverlusten. Im Vergleich zum Stand der Technik ist der erfindungsgemäße Einsatz einfacher aufzubauen und zu montieren und besitzt einen größeren, aktiven Membranbereich für einen Stromtransport und für die Produktion von entsalzten Flüssigkeiten.
1(a)–1(c) stellen den Aufbau eines Einsatzes dar, der entweder als Zuführungs- oder als Verdünnungs-Kammer oder als eine Konzentrations-Kammer verwendet werden kann. Der aktive oder zentrale Bereich 20 des Einsatzes 22 ist in eine Mehrzahl von Strömungspfadabschnitten 24, 26, 28 unterteilt, die in Reihe durch Begrenzer-Abschnitte 27, 29 verbunden sind, um einen Serpentinenpfad zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen P1, P2 jeweils zu bilden. Die acht „H" Löcher in dem Umfang des Einsatzes bilden ein Mittel, um die verschiedenen Einsätze und Membrane in dem Elektrodeionisations-Stapel auszurichten und um den Stapel zusammenzuklemmen. Nicht alle dieser Löcher müssen in dem Aufbau des Stapels verwendet werden.
Der Einsatz besitzt zum Beispiel zwei Verteiler-Löcher 30 und 32, über die der Flüssigkeitszuführungsstrom in den Einsatz eintritt und diesen verlässt. Zwei andere Verteiler-Löcher 34 und 36 bilden die „Rohrleitungs" Kanäle für einen zweiten (Konzentrat) Strom. Da die Einsätze von einer gleichförmigen Dicke sind, ist eine gute Passung und Dichtung der Einsätze gegen angrenzende Ionenaustauschmembrane vorhanden. Der zentrale Bereich 20 des Einsatzes, der die Einsatz-Kanten enthält (wie beispielsweise 38) und die Zwischenträgerrippen 40, 42 in dem Zuführungs-(oder Entsalzungs)-Raum, ist mit dem Harz oder einem anderen Ionenaustauschmaterial, dargestellt als 44 in 1(b), gefüllt. Oder ein Kunststoff-Netz-Material kann die Konzentrations-Kammer füllen, wie dies bei 46 in 1(a) dargestellt ist.
Das Ionenaustauschmaterial in dem zentralen Bereich 44 in 1(b) kann ein Kation- oder Anion-Austauschharz oder eine Mischung der zwei Harze sein. Alternativ kann das Ionenaustauschmaterial, das zu einem Netz oder einer Matte hergestellt worden ist, verwendet werden. Oder das Ionenaustausch-Harzmaterial kann optional innerhalb einer dichten Maschenware oder eines geeigneten, mikroporösen Polymertuchs enthalten sein. Diese letzteren Optionen tragen zu der Einfachheit sowohl der ursprünglichen Montage als auch einer Harzentfernung und eines Harzersetzens bei, falls sich die Funktion des Harzes über die Zeit verschlechtert. Diese Option eines Harzersetzens beseitigt das Erfordernis eines Aussonderns der gesamten Einsatz/Membran-Anordnung. Die Dicke der Kammer 44, die das Ionenaustauschmaterial enthält, liegt vorzugsweise bei 1,5 bis 5 mm. Dünnere Kammern können zu einer nicht ausreichenden Packung des Ionenaustauschmaterials führen. Dickere Kammern liefern keine wesentliche Prozessverbesserung und können zu einem höheren, elektrischen Energieverbrauch führen.
Der Einsatz für die Konzentrations-Kammer (1(a)) ist gewöhnlich dünner hergestellt als die Kammer, die das Ionenaustauschmaterial enthält, typischerweise 0,5 bis 3 mm, und ist vorzugsweise mit einem Kunststoffnetz gefüllt, das einen großen, offenen Bereich besitzt, da die Lösung, die darin fließt, eine höhere, elektrische Leitfähigkeit besitzt. Der dünnere Einsatz führt zu einer höheren, linearen Strömungsgeschwindigkeit, unter einer gegebenen Pumprate, verringert eine Polarisierung und verringert einen Verbrauch an elektrischer Energie. Die gesamten Dimensionen des Einsatzes können 13'' × 13'' (33,02 cm × 33,02 cm), in einem Beispiel, sein.
Die Lösung tritt in den aktiven Bereich 44 (1(b)) des Einsatzes über ein Verteiler-Loch 30 und die Öffnung P1 ein und verlässt den aktiven Bereich über die (Öffnung P2 und das Verteiler-Loch 32.
Der aktive Bereich weist drei Strömungspfadabschnitte 24, 26, 28 (1(a)), verbunden in Reihe, auf. Die Breite des Strömungspfadabschnitts beträgt ungefähr 2,875'' (7,30 cm) und bildet 22% der gesamten Breite des Einsatzes. Der Pfadabschnitt sollte breit genug sein, um die Verteiler-Löcher 30, 32 aufzunehmen, die die Einsätze versorgen, ebenso wie einen ausreichenden Raum zwischen den Löchern zu schaffen, um eine gute Dichtung zwischen dem Einsatz und den Membranen in dem Stapel-Modul zu ermöglichen. Der Bereich der Verteiler-Löcher wird durch hydraulische Betrachtungen bestimmt, wie beispielsweise die volumenmäßige Strömung an Flüssigkeit, pro Einsatz, und die Zahl von Einsätzen in einem gegebenen Stapel-Modul.
Der Strömungspfad in dem Einsatz sollte schmal genug sein, um eine gute Strömungsverteilung zwischen allen Einsätzen zu erzielen, und zwar parallel stehend innerhalb des Elektrodeionisations-Stapels, und um die entsprechende Turbulenz innerhalb des Strömungspfads zu erreichen. Der schmalere Strömungspfad verbessert auch die mechanische Unterstützung der Membrane, die durch die Einsatz-Kanten und die Rippen erzielt wird. Allerdings wird der schmalere Strömungspfad auf Kosten eines verringerten, aktiven Membranbereichs und eines erhöhten Druckabfalls verwendet.
Der erfindungsgemäße Einsatz kann zwei bis sechs Strömungspfadabschnitte haben, die in Reihe verbunden sind, wobei die Breite des Strömungspfads 5–49% der gesamten Breite des Einsatzes beträgt. Die optimale und bevorzugte Strömungspfadreihe besitzt drei bis vier Pfadabschnitte. In absoluten Angaben kann die Strömungspfad-Breite von 2'' bis 8'' (5,08 bis 20,32 cm), vorzugsweise von 2,5'' bis 6'' (6,35 bis 15,24 cm), reichen. Schmalere Strömungspfade müssen nicht notwendigerweise zu einer erhöhten Zuverlässigkeit führen; tatsächlich erhöhen sie die Komplexität des Einsatzes. Übermäßige Breiten führen zu einer schlechten Strömungsverteilung und zu einer nicht ausreichenden Unterstützung der Membran für viele der kommerziell erhältlichen Membrane. Die Strömungspfadreihe in dem Einsatz der Zuführungs-Kammer ist mit einem geeigneten Ionenaustauschmaterial gefüllt, das ein Kation-Austauschharz, ein Anion-Austauschharz oder eine Mischung von Kation- und Anion-Harzen sein kann. Für die meisten Deionisierungs-Anwendungen, die ein Entfernen von Kation und Anion einsetzen, ist ein Ionenaustauschmaterial in Form eines gemischten Betts bevorzugt.
Die Ionenaustauschmaterialien werden gewaschen, um organische Materialien und andere Verunreinigungen zu entfernen. Die Ionenaustauschmaterialien werden zu deren am geringsten geschwollenen Form umgewandelt, typischerweise die Na⁺- und Cl^–-Formen für Kation- und Anion-Harze jeweils, und zwar durch Ausgleichen in den geeigneten Medien.
Geeignete Ionenaustauschharze sind umfangreich von Rohm und Haas, Dow Chemical und anderen Quellen erhältlich. Der bevorzugte Durchmesser der Harzkügelchen beträgt 0,4–0,5 mm; wobei die kommerziellen Harzkügelchen bei 16–15 Mesh liegen. Ionenaustauschmaterial in der Filzform ist von Nitivy Corporation, Japan, erhältlich. Ein poröses Tuch, um die Harze in der Kugelform aufzunehmen, ist von einer größeren Anzahl von Vertreibern, wie beispielsweise Tetko Inc., erhältlich.
Für die Konzentrations-Kammer-Einsätze wird ein polymeres Netzmaterial, vorzugsweise von einem nicht gewebten Typ, in dem Strömungspfad platziert. Die Gesamtdicke des Netzes ist ungefähr dieselbe wie die Dicke des Einsatzes selbst. Das Netzmaterial ist chemisch relativ zu der Flüssigkeit, die in dem Stapel behandelt werden soll, stabil. Materialien, die für ein Netz geeignet sind, umfassen Polyethylen, Polypropylen, Polyte trafluoroethylen und Polyvinylchlorid. Geeignete Netzmaterialien sind von Nalle Plastics und Applied Extrusion Technology erhältlich. Eine bevorzugte Mesh-Dichte beträgt 8–16 Fäden/Inch (2,54 cm), wobei die bevorzugtere Dichte 10–12 Fäden/Inch (2,54 cm) beträgt.
Der Elektrodeionisations-Vorgang läuft unter einer niedrigen, elektrischen Stromdichte, typischerweise 1–10 mA/cm², ab. Demzufolge ist eine Wärmeerzeugung kein wesentliches Problem. Die Verwendung von mehreren Strömungspfaden, verbunden in Reihe, führt zu einer guten Flüssigkeitsverteilung innerhalb des Stapels, sogar bei relativ niedrigen, linearen Strömungsgeschwindigkeiten, wie beispielsweise 2–5 cm/sec, und zwar in den Konzentrations-Kammern und noch niedriger, z. B. 0,2–0,5 cm/sec, in den Zuführungs-(oder Entsalzungs)-Kammern.
Wie in 1 zu sehen ist, tritt die Flüssigkeit in serpentinenartigen Strömungspfadreihen über ein Verteiler-Loch 30 und eine Öffnung P1 ein. Nach Zirkulieren durch die Reihen von verbundenen Strömungspfaden tritt die Flüssigkeit über die Öffnung P2 und das Verteiler-Loch 32 aus. Die individuellen Strömungspfadabschnitte sind voneinander durch Rippen 40, 42, gebildet durch geeignete Ausschnitte in dem Grundmaterial des Einsatzes, getrennt. Die Rippen sind breit genug, um eine ausreichende Unterstützung der angrenzenden Membrane zu erzielen, ebenso wie eine ausreichende Abdichtung und Trennung der einzelnen Strömungspfade zu erzielen. Dennoch sollten die Rippen so schmal sein, wie dies praktisch möglich ist, um den nutzbaren Membranbereich zu maximieren. Die Breite der Rippen kann in der Größenordnung von 0,25 cm bis 4 cm liegen, wobei der bevorzugte Bereich bei 1 bis 2,5 cm liegt.
Die individuellen Strömungspfadabschnitte 24, 26, 28 (1(c)) liegen nahe zueinander und sind miteinander über Strömungs-Begrenzer-Abschnitte 46, 48 verbunden, um einen Serpentinenpfad durch den aktiven Bereich zu bilden. In der Realität können diese Abschnitte als sekundäre Öffnungen angesehen werden, die mit dem Ionenaustauschmaterial gefüllt werden, wenn sie in der Entsalzungs-Kammer verwendet werden, oder mit einem Netzmaterial, wenn sie sich in der Konzentrations-Kammer befinden. Alternativ kann man entweder ein dichteres Netzmaterial (z. B. 12 bis 30 Fäden pro Inch (2,54 cm)) in den Strömungs-Begrenzer-Abschnitten oder eine Öffnung, die ein Design besitzt, das dasselbe Design wie dasjenige ist, das für die Öffnung P1 verwendet ist, verwenden.
Die Breite der Begrenzer-Abschnitte 46, 48 kann 20 bis 90% der Strömungspfadbreite, vorzugsweise 30 bis 50% der Strömungspfadbreite, sein. Die Länge des Strömungs-Begrenzer-Abschnitts ist ungefähr dieselbe wie die Breite der Rippen, allerdings kann sie prinzipiell etwas kürzer sein und beeinflusst die Verteilung der Flüssigkeiten in den einzelnen Strömungspfadabschnitte und dient dazu, „tote Ecken" zu beseitigen. Die Strömungsbegrenzer-Abschnitte 46, 48 (1(c)) können rechtwinklig sein, wie dies in den Figuren dargestellt ist. Sie können auch trapezförmig, zunehmend begrenzend, von einer Venturi-Form oder von einer V-Form sein, um eine bessere Druckerlangung zu erzielen.
Die Öffnungen P1 und P2 sind vorzugsweise von einem identischen Design. Einige der möglichen Design-Formen für die Öffnungen sind in den 3(a)–3(e) dargestellt. Die obere und die untere Fläche 50, 52 der Öffnung sind flach, um leicht gegen die angrenzenden Membrane und Einsätze abzudichten. Die Öffnung ist aus einem Material aufgebaut, das steif genug ist, um ein Kollabieren der inneren Strömungskanäle unter einem Druck, aufgebracht als eine Stapelverschlusskraft, zu vermeiden. Die Öffnung sollte in der Lage sein, die Ionenaustausch-Harzkügelchen zurückzuhalten, wenn sie in der Zuführungs- oder Entsalzungs-Kammer verwendet werden. Demzufolge sollten, wenn Ionenaustauschharze verwendet werden, die Öffnungen Strömungskanäle mit effektiven Durchmessern haben, die kleiner als der Durchmesser der Harze sind, gewöhnlich 0,3–0,45 mm.
3(a) stellt eine Öffnung dar, die für Kammern geeignet ist, die das Ionenaustauschmaterial in der Filz/Gewebe-Form enthalten, oder für die Kammern, die die Kunststoffnetzfüller enthalten (d. h. die Konzentrat-Kammern). Die Öffnung, die aus einem einzelnen Stück eines Materials, wie beispielsweise Polypropylen oder Polytetrafluoroethylen hergestellt ist, kann viele Löcher 54 mit einem kreisförmigen Querschnitt, gebohrt oder in anderer Weise darin gebildet, haben. Ein gewebter oder nicht gewebter Stoff mit einer Netzweite bzw. Mesh, die größer als ungefähr 80 ausgelegt ist, wird, wenn er in Kammern verwendet wird, die ein Ionenaustauschmaterial in der Kugelform enthalten, an einem Ende der Öffnung befestigt, die dann, mit dem Netzende zu den Harzkügelchen in der Kammer hinweisend, eingebaut wird. Der nicht gewebte Stoff ist typischerweise aus Kunststoff hergestellt, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyester, und dergleichen.
3(b) stellt dasselbe Öffnungs-Design dar, allerdings mit weichen, äußeren Elastomer-Flächen, um eine Dichtung mit Ionenaustausch-Membranen zu verbessern, die eine gröbere Textur haben. Die weichere Schicht sollte chemisch relativ zu den Strömungen, die entsalzt/konzentriert werden sollen, sein, und kann aus einem Material, wie beispielsweise Polyethylen mit niedriger Dichte oder Styrenbutadien-Gummi, hergestellt sein.
3(c) stellt ein Öffnungs-Design dar, das quadratische oder rechteckige Kanäle in dem zentralen Bereich besitzt. Eine solche Öffnung wird leicht durch eine Nutbildung in Form einer Reihe von Kanälen in einem Stück aus Kunststoff, das ungefähr halb so dick wie der Einsatz ist, durch Schneiden davon in Stücke von einer geeigneten Öffnungslänge, gebildet. Zwei der geschnittenen Stücke werden übereinander gelegt in einer Anordnung Fläche auf Fläche, so dass die mit Nut versehenen Kanäle zueinander passen, um einen quadratischen oder rechteckigen Kanal zu bilden. Die zwei Hälften können verklebt, aneinander geschweißt oder in anderer Weise miteinander verbunden werden, um eine einteilige Öffnung zu bilden. Es sollte sorgfältig darauf geachtet werden, sicherzustellen, dass die Wanddicke des fertig gestellten Teils ausreichend ist, um eine entsprechende Steifigkeit der Öffnung zu erreichen. Wenn die Öffnung in den Einsätzen verwendet werden soll, die die Ionenaustauschkügelchen enthalten, wird ein gewebter oder nicht gewebter Stoff mit einem Netz, das größer als ungefähr 80 misst, an dem Ende der fertiggestellten Öffnung, die zu den Harzkügelchen hinweist, befestigt.
3(d) stellt einen Verbund-Öffnungs-Aufbau dar. Hier ist ein Teil des nicht gewebten Netzmaterials, das Verbindungskanäle darin besitzt, sandwichartig zwischen zwei Schichten eines geeigneten Polymerfilms zwischengefügt. Vorzugsweise ist die Dichte des nicht gewebten Netzmaterials höher als die Dichte, die in den Strömungspfaden der Konzentrations-Kammern verwendet ist. Die Faden-Öffnungen des nicht gewebten Netzes sollten geringer als der Durchmesser der Harzkügelchen, verwendet in den Entsalzungs-Kammern, sein. Der Polymerfilm kann aus Polypropylen, Polytetrafluoroethylen, und dergleichen, hergestellt sein. Der Polymerfilm besitzt eine bevorzugte Dicke von 0,005''–0,01'' (0,127 mm bis 0,254 mm), so dass er eine entsprechende Steifigkeit besitzt. Wenn die Öffnungen in Einsätzen verwendet werden, die eine Dicke besitzen, die größer als ungefähr 0,75 mm ist, kann die Verbund-Öffnung aus mehreren Schichten des Polymerfilms und des nicht gewebten Netzes hergestellt sein, wie dies in 3(e) dargestellt ist. Die Öffnungen können zusätzliche weichere obere und untere Schichten haben, wie dies in 3(b) dargestellt ist. Andere geeignete Design-Formen können von Fachleuten auf dem betreffenden Fachgebiet vorgesehen werden.
Die 2, 4, 5 und 5(a) stellen Einsätze mit mehreren Strömungspfadreihen dar. Dieser Typ eines Aufbaus ist von besonderem Nutzen für groß dimensionierte Anwendungen, die Einsätze erfordern, die in der Größenordnung von 1 m × 1 m oder größer, zum Beispiel, liegen. Letztendlich ist dieser Typ eines Aufbaus innerhalb der Einsätze modular.
2 stellt einen Einsatz dar, der zwei Strömungspfadreihen 62, 64 besitzt, jeder mit vier Strömungskanalabschnitten 66–72 und 74–80, jeweils, verbunden in Reihe und durch gesonderte Verteiler-Löcher versorgt. Wie hier dargestellt ist, werden insgesamt acht Verteiler-Löcher 82–88 und 90–96 und vier Öffnungen P3–P6 für jeden Einsatz verwendet, um zuzuführen und das Produkt von dem Elektrodeionisations-Stapel abzuziehen.
Die Anordnung der 2 ermöglicht, dass zwei Hälften 62–64 des Einsatzes entweder parallel verbunden werden oder als zwei unabhängige Stufen arbeiten. Alternativ kann man gemeinsame Verteiler für die zwei Hälften verwenden, um so die zwei Abschnitte 62, 64 parallel anzuordnen, während die Anzahl der Verteiler-Löcher 102–108 (4) verringert wird, wobei die Anzahl der Öffnungen P7–P10 vier jeweils beträgt. Dieser Einsatz mit vier Öffnungen bietet nicht die Option, dass er zwei unabhängig arbeitende Stufen besitzt.
Die 5 und 5(a) stellen einen Einsatz mit vier Reihen von Strömungspfaden 120–126 dar, mit insgesamt acht Verteiler-Löchern 128–134 und 136–142 jeweils, und acht Öffnungen P11–P14 und P15–P18. Jede Strömungspfadreihe besitzt vier Strömungspfadabschnitte (z. B. 51–54), die in Reihe verbunden sind. Andere Variationen in dem Design werden für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden.
6 stellt einen bevorzugten Aufbau des erfindungsgemäßen Elektrodeionisations-Stapels dar. Der Stapel ist in der horizontalen Position montiert, unter Verwendung eines Satzes von Ausrichtungsstiften (nicht dargestellt). Die gesamte Anordnung wird durch Einsatz von Klemmschrauben und Muttern (nicht dargestellt) zusammengehalten. Die Einsätze, die die Entsalzungs-Kammern aufweisen, besitzen eine Dicke von 1,5–4 mm, um die entsprechende Menge eines Ionenaustauschmaterials aufzunehmen. Die Einsätze, die für die Konzentrations-Kammern verwendet sind, sind vorzugsweise dünner, in der Größenordnung von 0,5–2 mm. Allerdings besitzen beide Einsätze ein identisches Layout der Verteiler-Löcher und der Rippen, so dass ein vollständig montierter Stapelverteiler Rippen und Einsatz-Kanten geeignet relativ zueinander ausgerichtet besitzt, um die entsprechende Stützung der Membran und eine Dichtung zwischen den Kammern und den angrenzenden Membranen zu erzielen.
Die Einsätze sind vorzugsweise so ausgelegt, um symmetrisch zu sein, so dass dann, wenn sie um 180° um deren Achsen gedreht werden, derselbe Einsatz ein Entsalzungs- oder Konzentrations-Kammer-Einsatz werden kann. Ein solches Erfordernis ist nicht wesentlich, insbesondere da die Einsätze für die zwei Ströme eine unterschiedliche Dicke haben können. Allerdings ist es für die dieselbe Prägeplattenschneideinrichtung wünschenswert, dazu verwendet zu werden, um jeden Typ eines Einsatzes herzustellen.
Kommerzielle Elektrodeionisations-Stapel können 20–100 Zellen-Paare enthalten und können Einsatz-Dimensionen von 1 m × 1 m oder größer haben. Der Stapel, der die Einsätze, die Membrane, die Elektroden und Endplatten aufweist, kann in einer Filterpresseneinheit zusammengehalten werden, die einen Satz von Spannschrauben oder einen hydraulischen Verschlussmechanismus verwendet, um den passenden Dichtdruck zu erzielen.
Unter Beginnen an dem Anoden-Ende (die linke Seite) (6) besitzt der Stapel eine Stahlendplatte 150 (0,25–0,5'' (0,635 bis 1,27 cm) dick), eine Polypropylen-Endplatte 152 (1–2'' (2,54–5,08 cm) dick), und eine Elektrodenplatte 154 (0,062'' (1,57 mm) dick), mit Gummidichteinsätzen dazwischen (nicht dargestellt). Die Elektrode 154 kann aus Platin, mit Platin beschichtetem Titan oder rostfreiem Stahl, oder einem Edelmetalloxid, wie beispielsweise Iridiumoxid, beschichtet auf Titan, hergestellt sein. Elektroden, die hiervon hergestellt sind, arbeiten zufrieden stellend in einem leicht säurehaltigen Medium, das in dem Elektrodeionisations-Prozess eingesetzt wird. An dem anderen Ende (rechte Seite) wird eine ähnliche Anordnung einer Stahlplatte 156, einer Kunststoffendplatte 158 und einer Kathodenelektrodenplatte 160 verwendet. Das Kathodenelektrodenmaterial ist vorzugsweise 316 rostfreier Stahl. Die Elektroden 154 und 160 besitzen Anschlusslaschen T1, T2, um elektrische Verbindungen zu einer externen DC-Energieversorgungsquelle herzustellen. Die Elektroden können innerhalb von Hohlräumen in den Kunststoffendplatten 152, 158 eingepasst befestigt sein oder können von derselben, ungefähren Gesamtlänge und Breite wie die Endplatten sein. Die Einsätze und die Membrane sind zwischen den zwei Elektroden montiert. Die Entsalzungs-(D)- und Konzentrations-(C)-Kammern sind innerhalb der Einsätze 162 und 164 enthalten. Die Ionenaustausch-Membrane (z. B. Kation-Membran 166 und Anion-Membran 168) alternieren in der Polarität.
Die Entsalzungs-Kammern sind mit dem Ionenaustauschmaterial, vorzugsweise ein gemischtes Harz-Bett, gefüllt, während die Konzentrations-Kammern ein nicht gewebtes Netzmaterial enthalten. Die Lösungen treten in den Stapel ein und verlassen ihn, vorzugsweise von dem Kathoden-Ende (das niedrigere Potenzial) aus. Lösungen werden zu den einzelnen Kammern innerhalb der Einsätze über Verteiler-Löcher in den Einsätzen und Membranen verteilt. Die Stellen der Öffnungen bestimmen, welcher Einsatz mit einem bestimmten Strom, der durch die Verteiler-Löcher fließt, versorgt wird.
Die Lösungen, die in jeden Einsatz eintreten, fließen durch den Strömungspfad 165, der durch die Verteiler-Löcher, die in Reihe verbunden sind, gebildet ist. In der Anordnung die dargestellt ist, sind die Strömungen der Lösungen in der D- und C-Kammer nebeneinander vorliegend. Die Lösungen, die die einzelnen Einsätze über den Strömungspfad 167 verlassen, werden durch die Auslass-Verteiler-Löcher und aus der Elektrodeionisations-Stapel-Anordnung an dem Kathoden-Ende herauskanalisiert. Die Elektroden-Spül-Lösungen ER und ER' werden vorzugsweise über gesonderte Schleifen zugeführt. Man könnte auch die Konzentrat-Schleifen-Lösung über die Elektroden-Spül-Schleifen zirkulieren. Die Anoden-Spül-Lösung oder die Anolyt-ER zirkuliert durch den Anoden-Einsatz 170 und wird von der benachbarten Verdünnungs-Schleife durch eine Anion-Membran 172, die von demselben Typ wie die anderen Anion-Membrane 168 sein können oder nicht sein können, die in dem Stapel verwendet werden, separiert. Die Kathoden-Spül-Lösung oder die Katholyt-ER' zirkuliert durch den Kathoden-Einsatz 174 und wird von dem angrenzenden Entsalzungsstrom durch eine Kation-Membran 176 isoliert, die von demselben Typ wie die anderen Kation-Membrane 166, verwendet in dem Stapel, sein kann oder nicht sein kann.
Die Anordnungs-Folge und die Betriebsweise des Elektrodeionisations-Vorgangs werden am Besten durch 7 dargestellt, die eine schematische Darstellung einer Pilot-Zellen-Anordnung zeigt, die 8 Zellen-Paare enthält. Die Zelle ist aus Kation- und Anion-Membranen 180, 182, getrennt durch Entsalzungs- und Konzentrations-Kammern (D), (C), aufgebaut. Über innere Verteiler-Löcher werden die Kammern mit geeigneten Lösungen versorgt, die von deren jeweiligen Vorratsbehältern 184, 186 (8) genommen werden. Die Elektroden-Spül-Kammern ER und ER' an den Anoden- und Kathoden-Enden jeweils werden mit einem Elektroden-Spül-Strom von einem gemeinsamen Vorratsbehälter 188 versorgt. Der Behälter ist vorzugsweise ein gesonderter Behälter, der Material als einen Überlauf von dem Konzentrat-Behälter aufnehmen kann, was demzufolge die Einführung von oxidativen Nebenprodukten, die aus Elektroden-Reaktionen entstehen, in den Hauptteil des Stapels hinein minimiert. Optional können die Elektroden-Spül-Schleifen von dem Konzentrat-Behälter selbst versorgt werden.
Eine Gleichstrom-Antriebskraft wird an die Anschlüsse der Anode 190 und der Kathode 192 der Elektrodeionisationseinheit angelegt. Die Elektroden sind innerhalb der oder angrenzend an die Kunststoffendplatten 194 und 196 jeweils untergebracht. Die Kationen M werden von den Entsalzungs-Kammern D über die Kation-Austausch-Membrane in die Konzentrations-Kammern transportiert. Gleichzeitig werden die Anionen X in die Entsalzungs-Kammern D über die Anion-Membrane und in die Konzentrations-Kammern C transportiert. Das Ergebnis ist eine starke Entsalzung des Zuführstroms. Ein konzentrierter Abfallstrom wird durch den Transport der Ionen und durch irgendwelches Wasser einer Hydration, die dazu zugeordnet ist, erzeugt, wobei der Ionen- und Hydrations-Wasser-Transport in die Konzentrations-Kammern hinein erfolgt.
Wie anhand der schematischen Darstellung der 7 gesehen werden kann, dienen gesonderte Konzentrations-Kammern für die Elektroden-Spülung, die die Ionen, die von den angrenzenden Entsalzungs-Kammern aus transportiert sind, aufnehmen. Für den größten Teil erleichtert das gemischte Harz-Bett in den Entsalzungs-Kammern die Überführung von Ionen von der Ausgangslösung zu der Membranfläche, um dadurch die Stromeffektivität für den Prozess zu erhöhen. Zum Beispiel beträgt, wenn hohe Niveaus einer Entsalzung auftreten, die Leitfähigkeit der Lösungen ungefähr 1 Mikromho oder weniger, so dass dabei eine bestimmte Menge Wasser, die sich so aufteilt, um H^–- und OH^–-Ionen zu ergeben, vorhanden ist. Diese Aufteilung erleichtert die Verschiebung und den Transport der verbleibenden Ionen, die in dem Harz und der Ausgangslösung vorhanden sind, und zwar zu den Oberflächen der Ionenaustausch-Membrane.
8 zeigt ein Blockdiagramm, das eine Anordnung für einen Elektrodeionisations-Prozess darstellt, die dazu verwendet werden kann, die Funktionsweise des Einsatzes und die Hardware dieser Erfindung zu demonstrieren. Der zusammengebaute Stapel 200 wird in eine Prozessanordnung, die die drei Lösungsschleifen, nämlich eine Zuführungsschleife 202, eine Konzentrat-Schleife 204 und eine Elektroden-Spül-Schleife 206, aufweist, plat ziert. Die Lösung, die entsalzt werden soll, befindet sich in dem Vorratsbehälter 184 und wird mittels einer Pumpe P10 durch die Entsalzungs-Kammern D des Stapels über einen Filter F, einen Durchflussmesser FM und ein Strömungsregulierventil V, die unter der Steuerung einer Messeinrichtung G, oder in Verbindung damit, arbeitet, zirkuliert. Ähnliche Einstellungen werden dazu verwendet, Lösungen von den Konzentrat- und Elektroden-Spül-Behältern 186, 188 über Pumpen P11 und P12, jeweils, zuzuführen. Um die Zeichnung zu vereinfachen, sind Bypass-Schleifen um die Pumpen herum nicht in 8 dargestellt.
Der Zuführungsstrom der Entsalzungsschleife 202 wird auf einer Durchlaufbasis betrieben. Die anderen zwei Schleifen 204, 206 laufen vorzugsweise in einem Zuführungs- und Bleed-Modus. Die Strömungsrate in der Zuführungsschleife 202 wird so reguliert, um das Sollniveau einer Entsalzung zu erhalten. Die Druckmesseinrichtungen G und die Regulierventile V stellen die Strömungsraten in den anderen zwei Schleifen 204, 206 ein, um ungefähr denselben Druck an allen Einlässen des Zellenstapels zu erhalten.
Beispiele
Aufbau eines Elektrodeionisations-Zellen-Stapels
Die Einsätze dieser Erfindung wurden durch Schneiden mit einer Stanzplatte von Platten aus Polyethylen mit niedriger Dichte hergestellt. Das Design des Einsatzes ist wie dasjenige, das in den 1(a), 1(b) dargestellt ist, und besaß Gesamtdimensionen von 13'' × 13''. Der Einsatz besaß drei individuelle Strömungspfadabschnitte 24–26, 28 (1(c)), die in Reihe miteinander über zwei Strömungsbegrenzerabschnitte 46, 48 verbunden sind. Die Gesamtlänge des Pfads durch den Einsatz beträgt ungefähr 30'' (76,2 cm). Die Breite des Strömungspfads beträgt ungefähr 2,875'' (7,30 cm). Die Breite der Strömungsbegrenzerabschnitte beträgt ungefähr 1'' (2,54 cm). Der effektive Bereich, der für einen Stromtransport verfügbar ist, beträgt ungefähr 0,5 Quadratfuß (465 cm²). Die Dicke der Einsätze, verwendet in den Entsalzungs-Kammern, reichte von 1,5–4 mm; allerdings wurden die meisten Experimente in Einsätzen mit einer Gesamtdicke von ungefähr 2,5 mm ausgeführt. Um diese Einsätze herzustellen, wurde eine 90 mil (2,25 mm) dicke Polyethylenplatte durch Stanzen geschnitten. Eine 5 mil (0,13 mm) dicke Schicht aus einer Platte aus Styrenbutadien-Gummi (Marke Kraton-G^® von Shell Chemical und geliefert in Plattenform durch Clopay) wurde an jeder Seite des Einsatzes angeklebt. Der erhaltene Verbund-Einsatz war flach und einfach zu einem Elektrodeionisations-Stapel zu montieren.
Jeder der Entsalzungs-Einsätze besaß zwei Öffnungen P1, P2, hergestellt aus mehreren Schichten von ungefähr 5 mil (0,13 mm) Polypropylen und 20 mil (0,51 mm) dickem, nicht gewebtem Polypropylennetz, das Verbindungsdurchgangswege besitzt, aufgebaut in einer Art und Weise, wie sie in 3(e) dargestellt ist. Die Öffnungen des Netzes in der Faden-Richtung betrug ungefähr 10 mil (0,25 mm) und war ausreichend, um die Ionenaustauschkügelchen in den Strömungspfaden zurückzuhalten. Fünf Schichten des Films und vier Schichten des nicht gewebten Materials wurden verwendet, um den Verbund herzustellen, der eine Gesamtdicke von ungefähr 100–105 mil (2,5–2,6 mm) besaß. Es waren die flache obere und untere Fläche an der fertig gestellten Öffnung vorhanden. Die einzelnen Teile der Verbund-Öffnungs-Anordnung wurden durch ein dünnes Klebeband zusammengehalten. Die fertig gestellten Öffnungen wurden einfach an Ort und Stelle, vor einem Füllen des Strömungspfadhohlraums mit dem Ionenaustauschmaterial, eingesetzt.
Das weiche „Kraton" Material verbesserte wesentlich die Dichtung zwischen dem Einsatz und den angrenzenden Membranen. Weiterhin beseitigt das Vorhandensein des „Kraton" Materials wesentlich eine Migration des Ionenaustausch-Harzmaterials zwischen dem Einsatz und der Membran während der Montage des Stapels. Als Folge war ein weiteres Verbinden des Einsatzes und der Membran nicht wesentlich. Dieses Merkmal besaß den zusätzlichen Vorteil, dass die Zelle zu einem späteren Zeitpunkt zerlegt und in Stand gesetzt werden kann, falls es notwendig wird, die Harzkügelchen oder die spezifischen Ionenaustauschmembrane auszutauschen. Demzufolge ist hier kein Erfordernis vorhanden, eine gesamte Anordnung wegzuwerfen, wie dies dann der Fall sein würde, wenn sie zusammengeklebt werden würde.
Der Einsatz für die Konzentrations-Kammern wurde in einer ähnlichen Weise durch Prägeplattenschneiden hergestellt. Die Gesamtdicke des Einsatzes betrug 1 mm und wurde aus einer 30 mil (0,76 cm) dicken Polyethylenplatte mit niedriger Dichte hergestellt, an der eine ungefähr 5 mil (0,13 mm) dicke Gummischicht aus Kraton auf beide Flächen angeklebt wurde. Die zentralen Strömungspfadreihen wurden mit 30–35 mil (0,76–0,89 mm) dickem, nicht gewebtem Polyethylennetz (ungefähr 11 Fäden pro Inch (2,54 cm)), geliefert durch Naltex Corporation, gefüllt. Der erhaltene Einsatz, der das Netz umfasste, war flach und war einfach zu einem Stapel zusammenzubauen.
Jeder der Einsätze besaß zwei Öffnungen, die aus zwei Teilen eines ungefähr 5 mil (0,13 mm) dicken Polypropylenfilms mit einem nicht gewebten Polypropylen-Netz in der Mitte hergestellt wurden. Das Netz besaß ungefähr 18 Fäden pro Inch (2,54 cm) und eine Gesamtdicke von ungefähr 32 mil (0,81 mm). Die fertig gestellten Öffnungen besaßen eine flache obere und untere Oberfläche und eine Gesamtdicke von ungefähr 42 mil (1,07 mm), zusammengehalten durch ein dünnes Klebeband. Diese Öffnungen wurden ähnlich eingesetzt und an Ort und Stelle während der Montage des Stapels gehalten.
Die Test-Elektrodeionisations-Stapel besaßen acht Zellen-Paare, mit der Anordnung der verschiedenen Bauteile in der Reihenfolge, wie sie in 7 dargestellt ist. Die Zelle wurde horizontal zusammengebaut und dann in einer vertikalen Orientierung getestet, wobei sich die Strömungspfade vertikal erstreckten. Die Anordnung des Stapels wurde unter Verwendung von sechs der Ausrichtungs-Löcher H an den Umfängen der Einsätze, der Hardware und der Membrane erleichtert. Die Einsätze und die Membrane (ausgeglichen in Salzwasser) waren flach. Die Freiräume um die Ausrichtungs-Löcher herum waren ausreichend, um eine geeignete Montage der Einheit zu ermöglichen.
Die Montage begann von dem Anoden-Ende 150 (6) aus. Nach Einsetzen der Verbund-Öffnungen wurde der zentrale Bereich der Entsalzungs-Einsätze mit einer Mischung ungefähr 50 : 50 des Kation- und Anion-Austauschharzes gefüllt. Die Harze wurden geeignet gewaschen und konditioniert, und zwar in einer 10–15% NaCl-Lösung. Jeder der Entsalzungs-Einsätze erforderte ungefähr 125 ml des Harzes. Die Strömungspfade wurden manuell mit dem gemischten Harz-Bett in einer feuchten Form gefüllt, um so eine gleichförmige Aufbringung der Harzmischung sicherzustellen, um den gesamten Strömungsbereich abzudecken.
Der Stapel aus acht Zellen-Paaren besaß, wenn er geeignet montiert war, eine relativ geringe Zwischenkammer-Leckage, ungefähr 2–10 ml/min, unter einem Druckdifferenzial von vier Pound pro Quadratinch (28 kPa).
Für die anfänglichen Elektrodeionisations-Studien wurden zwei Stapel zusammengebaut, wobei jeder acht Zellen-Paare besaß, die so zusammengebaut waren, wie dies in 7 dargestellt ist. Beide Stapel verwendeten Anoden, hergestellt aus Iridiumoxid, beschichtet auf Titan, erhältlich von Electrode Products Inc., und Kathoden aus rostfreiem Stahl. Der erste Stapel (Stapel I) wurde aus CMT-Kation- und AMT-Anion-Austauschmembrane, erhalten von Asahi Glass Co., hergestellt.
Die Entsalzungs-Kammern wurden mit einer 50 : 50 Mischung aus IR 122 Kation-Harz und RA 402 Anion-Harz gefüllt.
Der Stapel (Stapel II) wurde aus Kation- und Anion-Austauschmembranen von Ionics Inc. hergestellt. Die Entsalzungs-Kammern wurden aus einer Mischung aus Ambersep 132 Kation-Harz und Ambersep 440 Anion-Harz gefüllt. Beide dieser Harze wurden von Rohm und Haas Co. erhalten. Die vollständig zusammengebauten Stapel zeigten keinen messbaren Harzverlust während der darauf folgenden Tests, was die Effektivität der Verbund-Öffnung beim Zurückhalten der Harzkügelchen demonstriert.
Beispiel 1
Stapel I wurde installiert und die Rohrleitungsverbindungen wurden in der Testeinstellung, die in 8 dargestellt ist, hergestellt. Eine DC-Energieversorgung wurde mit den Anschlüssen der Anode T1 (6) und der Kathode T2 an dem Stapel verbunden. Der Vorratsbehälter 184 (8) wurde mit einer Natriumchloridlösung, mit einer Leitfähigkeit von 535 μS/cm, gefüllt. Der Konzentrat- und Elektroden-Spül-Behälter 184, 186 wurden teilweise mit Verdünnungslösungen aus Natriumchlorid und Schwefelsäure, jeweils, bei einer Leitfähigkeit von ungefähr 2,5–3,2 mS/cm, gefüllt. Pumpen P10–P12 wurden eingeschaltet und die Flüssigkeitsströme durch den Stapel wurden mit Ventilen in den Leitungen reguliert. Es wurde sorgsam darauf geachtet, eine Druckbalance zwischen den Schleifen aufrecht zu erhalten. Bei Einlassdrücken von ungefähr 4 psig waren die Strömungsraten in den Zuführ-, Konzentrat- und Elektroden-Spül-Schleifen 202, 204, 206 800 ml/min, 0,4 gal (1,5 Liter)/min und 1,05 gal (4 Liter)/min, jeweils. Die DC-Energieversorgung wurde eingeschaltet und die Spannung wurde auf 22 V geregelt. Dies stellt eine Einheits-Zellen-Spannung von ungefähr 2,2 V dar, was ungefähr 4 V für die Elektroden-Spül-Schleifen ermöglicht.
Während eines Laufs von zwei Stunden verblieb der Strom in dem Bereich von 1,3–1,4 A (ungefähr 2,7 A/ft² (0,0029 A/cm²) einer Stromdichte), während sich die Leitfähigkeit in der Konzentrat- und Elektroden-Spül-Schleife 206 auf 4–5 mS/cm erhöhte, und zwar aufgrund eines Einfließens der Ionen von der Entsalzungs-Schleife aus. Die Produkt-Wasser-Leitfähigkeit verblieb ziemlich konstant bei ungefähr 6,5 μS/cm; was eine >98% Entsalzung der Zuführung darstellt.
Beispiel 2
Stapel II wurde in die Anordnung, die in 8 dargestellt ist, installiert. Das Experiment wurde entlang der Leitungen, beschrieben in Beispiel 1, wiederholt. Eine Natriumchloridlösung unter einer Leitfähigkeit von 540 μS/cm wurde erneut als ein Zuführungsstrom verwendet. Drei Versuche, wobei jeder ungefähr 1 Stunde dauerte, wurden bei einem Spannungsabfall von 22 V ausgeführt. Ein Stromdurchsatz lag in dem Bereich von 1,7–3,9 A. Die Qualität des Produkt-Wassers und der Druckabfall des Stapels sind tabellarisch nachfolgend angegeben.
Die Funktionsweise des Stapels II ist vielleicht leicht besser als diejenige des Stapels I. Der Druckabfall in dem Stapel II ist leicht höher als derjenige in dem Stapel I. Wie anhand der Qualität des Produkt-Wassers gesehen werden kann, entfernte Stapel II ungefähr <98% des Salzes in der einlassseitigen Zuführung.
Beispiel 3
Stapel I und II wurden hydraulisch in Reihe verbunden und in die Anordnung, die in 8 dargestellt ist, installiert. Deshalb ist die Anordnung äquivalent zu sechs Strömungspfaden, die in Reihe verbunden sind; mit einer gesamten Strömungspfadlänge von 60'' (152 cm). Strömungsraten in den Zuführungs-Konzentrat- und Elektroden-Spül-Schleifen 202, 204, 206 waren 1,21 /min, 0,48 gal (1,8 Liter)/min und 1,48 gal (5,6 Liter)/min, jeweils. Druckabfälle an dem Einlass der Stapel unter diesen Strömungsraten waren jeweils 10,5, 10,5 und 10 psig (72, 72 und 69 kPa). Diese Drücke in der Leitung entsprechen solchen, die mit dem Stapel II alleine beobachtet sind. Deshalb traten minimale, zusätzliche Druckverluste beim Zirkulieren der Lösung durch die zusätzlichen drei Strömungspfade auf; dies zeigt an, dass die Druckwiederherstellung in dem Design mit Strömungspfadreihen überraschend gut ist.
Eine Natriumchloridlösung mit einer Leitfähigkeit von 650 μS/cm wurde als die Zuführung verwendet. Verdünntes Natriumchlorid und Schwefelsäure wurden in der Konzentrat- und Elektroden-Spül-Schleife, jeweils, verwendet. Deren Leitfähigkeit wurde unterhalb von 6 und 2 mS/cm jeweils durch Verdünnen mit Wasser so, wie erforderlich, gehalten. Elektrisch waren die Stapel parallel verbunden, so dass jeder dieselbe Spannung über seine Anschlüsse angelegt besaß. Eine Spannung von 22 V wurde über jeden der Stapel angelegt, was zu Stromdurchsätzen von 1,4–1,6 A in Stapel I und 0,8–1,2 A in Stapel II führte. Der Test lief für eine Periode von ungefähr 5 Stunden. Die Qualität des Produkt-Wassers wurde zu der Leitfähigkeit des Konzentrats wie folgt in Relation gesetzt.
Wie gesehen werden kann, ist ein bestimmter Einfluss auf die Qualität des Produkt-Wassers nach der Zurückdiffusion des Konzentrats über die Ionenaustauschmembrane vorhanden. Allerdings beträgt die gesamte Deionisation >99%. Eine Stromeffektivität für den Deionisation-Prozess (definiert durch das Verhältnis von Äquivalenten eines Salzes, das entfernt ist, pro Farad einer Stromzuführung) betrug >0,5.
Mit Abschluss der Deionisations-Experimente wurden die Stapel geöffnet und die inneren Bauteile wurden begutachtet. Die Anion-Austausch-Membrane waren leicht bräunlich (von dem Effekt von pH-Verschiebungen während des Elektrodeionisations-Vorgangs), waren aber ansonsten in einem ausgezeichneten Zustand. Es ist wichtig, dass die Ionenaustausch-Packung in den Entsalzungs-Kammern im Wesentlichen nicht zerstört war, d. h. kein Auftreten einer Harz-Migration, -Agregation, usw.
Beispiel 4
Ein neuer Elektrodeionisations-Stapel, enthaltend acht Zellen-Paare, wurde mit AMT, CMT Ionenaustauschmembranen zusammengebaut. Eine 50 : 50 Mischung von „Ambersep" 132 und 440 Harzen wurde verwendet, um die Entsalzungs-Kammern des Stapels zu füllen. Der zusammengebaute Stapel wurde in der Anordnung, die in 8 dargestellt ist, installiert. Eine Korn-Sirup-Lösung mit hoher Fructose, enthaltend ungefähr 220 gm/l Fructose und 280 gm/l Dextrose, 201 gm/l Natrium, 42,5 gm/l Magnesium, wurde als die Zuführung zu der Entsalzungs-Schleife 202 verwendet. Die Fructoselösung war einer Kohlenstoffbehandlung unterworfen worden, um den Großteil der organischen und Farb-Körper mit hohem Molekulargewicht zu entfernen. Die Fructose-Lösung besaß eine Leitfähigkeit von 348 μS/cm. Der Konzentrat-Behälter 186 wurde mit sechs Litern derselben Fructose-Lösung zu Beginn des Experiments gefüllt. Eine verdünnte Natriumsulfat-Lösung mit einer Leitfähigkeit von 1,2 mS/cm füllte den Elektroden-Spül-Behälter 188. Die Elektrodenanschlüsse in dem Stapel wurden mit der DC-Energieversorgung verbunden.
Lösungen wurden durch die drei Schleifen 202, 204, 206, wie in den vorherigen Beispielen, zirkuliert. Die höhere Viskosität der Fructose-Lösung führte zu niedrigeren Strömungsraten und höheren Druckabfällen in der Entsalzungs-Schleife. Allgemein waren die Strömungsraten und Druckabfälle in den Schleifen wie folgt: 160 ml/min @ 6,5 psig (45 kPag) in der Entsalzungs-Schleife 202, 0,5 gal (1,9 Liter)/min @ 5,8 psig (40 kPag) in der Konzentrat-Schleife 204, und 1,7 gal/(6.4 Liter)/min @ 5,5 psig (38 kPag) in der Elektroden-Spül-Schleife 206. Der Prozess wurde für eine Dauer von zwölf Stunden betrieben. Die Leitfähigkeit in den Konzentrat- und Elektroden-Spül-Schleifen 204, 204 wurde unterhalb von 5 und 3 mS/cm, jeweils, durch Abziehen von Material und Hinzufügen entweder der Fructose-Lösung oder von Wasser, so, wie dies benötigt wurde, beibehalten. Während der Testperiode reichte die angelegte Spannung von 25 bis 36 V und der Stromdurchsatz war 0,8–1,0 A. Die Leitfähigkeit der Produkt-Fructose-Lösung war 9–16 μS/cm. Eine Analyse des Produkts in dem Bereich von 9–10 μS/cm zeigte keine erfassbaren Anteile von Na, Ca oder Mg. Deshalb ist der Elektrodeionisations-Vorgang besonders effektiv beim Entsalzen von Zuckerlösungen.

Claims

Einsatz zur Verwendung in Elektrodeionisierungs-Zellenstapeln, wobei der Einsatz aufweist: eine gleichmäßige Dicke; Verteilerlöcher und Anschlüsse zum Zuführen und Ableiten wässriger Lösungen in die Einsätze bzw. aus ihnen heraus, wobei wenigstens einige der Verteilerlöcher Leitungen bilden, die es ermöglichen, dass eine Lösung direkt zu anderen Einsätzen in dem Stapel fließt, und maximal vier der Verteillöcher pro Reihen-Durchflussweg vorhanden sind; einen aktiven Bereich des Einsatzes, der mehrere Durchflusswegabschnitte umfasst, die durch Durchflussbegrenzer miteinander verbunden sind, um wenigstens einen Reihen-Durchflussweg in dem Einsatz zu bilden, wobei jeder der Durchflusswegabschnitte eine Breite hat, die größer ist als die Breite der Durchflussbegrenzer und der Begrenzer die Geschwindigkeit des Fluids, das über den Durchflussweg fließt, auf ungefähr 50–100% der Geschwindigkeit des Fluids in den Durchflussbegrenzerabschnitten verringert; jeder Reihen-Durchflussweg einen ersten der Anschlüsse aufweist, um einen Fluideinlass zu dem Weg zu bilden, sowie einen zweiten der Anschlüsse, um einen Fluidauslass von dem Weg zu bilden, wobei die Anschlüsse eine Dicke haben, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Dicke des Einsatzes, und die Anschlüsse starrer sind als der Einsatz und im Wesentlichen plane obere und untere Flächen mit wenigstens einem Fluiddurchflusskanal dazwischen umfassen; und ein Ionenaustauschmaterial, das die Reihen-Durchflusswegabschnitte und die verbindenden Durchflussbegrenzerabschnitte ausfüllt.
Einsatz nach Anspruch 1, wobei das Ionenaustauschmaterial, das die Reihen-Durchflusswegabschnitte und die verbindenden Durchflussbegrenzerabschnitte ausfüllt, aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kation-Harzkügelchen, Anion-Harzkügelchen, gemischten Harzkügelchen, gewirktem Filz, der Harzkügelchen enthält, mikroporösem Filz, der Harzkügelchen enthält, gewirktem Stoff, der Harzkügelchen enthält, und mikroporösem Stoff, der Harzkügelchen enthält, besteht.
Einsatz nach Anspruch 1, wobei das Ionenaustauschmaterial aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Filz und Stoff besteht.
Einsatz nach Anspruch 3, wobei der Filz und Stoff Harzkügelchen in einem in festgewirktem oder mikroporösem Stoffmaterial enthält und das harzhaltige Stoffmaterial in Durchflussbereichen des Einsatzes zu einem Beutel geformt ist.
Einsatz nach Anspruch 1, wobei jeder der Durchflusswegabschnitte eine Breite von ungefähr 5,08 cm bis ungefähr 20,32 cm hat und die Durchflusswegabschnitte 180°-Wendungen dort durchlaufen, wo sie durch Durchflussbegrenzerabschnitte verbunden sind, um den Reihen-Durchflussweg zu bilden, wobei maximal vier der Verteilerlöcher pro Reihen-Durchflussweg vorhanden sind.
Einsatz nach Anspruch 1, wobei der Einsatz eine Konzentrationskammer eines Elektrodeionisierungs-Stapels ist und eine Netz-Abstandshaltereinrichtung die Reihen-Durchflusswege einschließlich der Durchflusswegabschnitte und ihrer verbindenden Durchflussbegrenzerabschnitte abdeckt.
Einsatz nach Anspruch 1, wobei der Anschluss eine Netz-Abstandshaltereinrichtung mit einem Verbindungsdurchlass darin ist und die Netz-Abstandshaltereinrichtung eine obere und eine untere Fläche in Form von Abdeckplatten hat.
Einsatz nach Anspruch 2, der des Weiteren eine relativ starre Polymertafel mit einer weichen Elastomer-Oberflächenschicht auf wenigstens einer Oberfläche der Polymertafel umfasst.
Einsatz nach Anspruch 8, wobei sich die weiche Elastomer-Oberflächenschicht auf beiden Oberflächen der Polymertafel befindet.
Vorrichtung zum Entsalzen eines wässrigen Speisestroms, die einen Stapel von Einsätzen nach Anspruch 1 umfasst, wobei der Stapel eine Anode an einem Ende und eine Kathode an einem gegenüberliegenden Ende umfasst und Kation- sowie Anion-Membranen eine Abfolge von Verdünnungs- und Konzentrations-Zellen zwischen der Anode und der Kathode bilden und wenigstens einer der Einsätze zwischen den Membranen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Ionenaustauschmaterial Zuckerlösungen entsalzt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Zuckerlösung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Dextrose, Fructose, Saccharose und Gemischen daraus besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Durchflusswegabschnitte eine Breite im Bereich von ungefähr 6,35 cm bis ungefähr 25,4 cm haben.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Einsatz wenigstens einen Reihen-Durchflussweg enthält, der aus 2 bis 6 Durchflusswegabschnitten besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Einsatz 1 bis 4 Reihen-Durchflusswege enthält.
Elektrodeionisierungs-Zellenanordnung, die umfasst: eine Reihe von Komponenten, die mit einer Anode beginnt und mit einer Kathode endet; wobei die Reihe von Komponenten des Weiteren eine Reihe paariger Kammern umfasst, die Entsalzungs-Kammern umfasst, die paarweise angeordnet sind und sich mit Konzentrations-Kammern abwechseln; die Reihe von Kammern zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, wobei jedes der Paare Entsalzungs-Kammern aufweist, die sich an einer Anodenseite der Konzentrations-Kammer befinden; jedes der Paare von Kammern durch Anion-Membranen vor und hinter dem Paar und durch eine der Kation-Membranen begrenzt wird, die mittig zwischen den Anion-Membranen angeordnet ist; die Anion-Membranen an einer Anoden-Seite der Entsalzungs-Kammern und einer Kathoden-Seite der Konzentrations-Kammern liegen; die Kation-Membranen an der Kathoden-Seite der Entsalzungs-Kammern und an der Anoden-Seite der Konzentrationskammern liegen; jede der Kammern den Einsatz nach Anspruch 1 umfasst.
Elektrodeionisierungs-Zelle nach Anspruch 16, wobei das Ionenaustauschmaterial aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Kation-Harzkügelchen, Anion-Harzkügelchen, gemischten Harzkügelchen, gewirktem Filz, der Harzkügelchen enthält, mikroporösem Filz, der Ionenaustauschstellen enthält, gewirktem Stoff, der Harzkügelchen enthält, und mikroporösem Stoff, der Harzkügelchen enthält, besteht.
Elektrodeionisierungs-Zelle nach Anspruch 16, wobei der Einsatz aufweist: eine gleichmäßige Dicke; wobei die Anschlusseinrichtung eine Platte umfasst, die eine Dicke hat, die nicht größer ist als die gleichmäßige Dicke; die Platte eine Vielzahl von Durchgangslöchern aufweist und sich der Anschluss in dem Einsatz an einer Position befindet, an der die Durchgangslöcher die Verteilerlöcher mit dem Reihen-Durchflussweg verbinden, so dass Fluid, das in eines der Verteilerlöcher eintritt, über einen der Anschlüsse, den Reihen-Durchflussweg, ei nen anderen der Anschlüsse fließt und an dem anderen der Verteilerlöcher austritt; und der Anschluss eine Einrichtung aufweist, die das Austreten von Harzkügelchen verhindert.
Elektrodeionisierungs-Zelle nach Anspruch 18, wobei die Anode, die Kathode, die Membranen und die Einsätze in Stapeln ausgerichtet und zusammengesetzt sind, um die Zelle zu bilden, und die Verteilerlöcher in dem Stapel ausgerichtet sind, um Leitungen für Fluidfluss durch den Stapel zu bilden.
Elektrodeionisierungs-Zelle nach Anspruch 16, wobei der Reihen-Durchflussweg Begrenzerabschnitte enthält, die Turbulenz in einem Fluss eines Fluids durch den Reihen-Durchflussweg fördern.
Elektrodeionisierungs-Zelle nach Anspruch 16, wobei die Begrenzerabschnitte Breiten haben, die Kanäle in der Größenordnung 20–90% der Breite der Durchflussabschnitte bilden.
Elektrodeionisierungs-Zellenstapel, der eine Vielzahl der Einsätze nach Anspruch 1 umfasst, die in aktive Bereiche gefülltes Ionenaustauschmaterial aufweisen; wobei die Einsätze in einer aneinanderliegenden Beziehung abgedichtet sind, um den Stapel zu bilden, und Anion- sowie Kationaustausch-Membranen die aktiven Bereiche trennen; wenigstens ein Paar Leitungen sich durch den Stapel hindurch erstreckt und die Leitungen durch ausgerichtete Verteilerlöcher in den Einsätzen und Membranen gebildet werden, wobei ein Eintrittsanschluss den aktiven Bereich mit einer des Paars der Leitungen verbindet und ein Austrittsanschluss den aktiven Bereich mit dem anderen des Paars der Leitungen verbindet; eine Einrichtung, die ein Fluid durch die eine Leitung, den aktiven Bereich und aus der anderen der Leitungen drückt; und eine Einrichtung in dem aktiven Bereich, die Verteilung des Fluids in dem aktiven Bereich verbessert.
Elektrodeionisierungs-Zellenstapel nach Anspruch 22, wobei wenigstens vier der Verteilerlöcher vorhanden sind, die so ausgerichtet sind, dass sie zwei Paare der Leitungen bilden, und die Einsätze paarweise mit den Leitungen verbunden sind und ein Einsatz in jedem Paar Einsätze mit einem ersten Paar der Leitungen verbunden ist und der andere Einsatz in jedem der Paare von Einsätzen mit dem anderen Paar der Einsätze verbunden ist.
Elektrodeionisierungs-Zellenstapel nach Anspruch 23, wobei der aktive Bereich durch Einsatzmaterial so unterteilt ist, dass ein schlangenförmiger Weg durch den aktiven Bereich gebildet wird.