DE69825445T2

DE69825445T2 - Elektrochemische behandlung von ionenaustauschmaterial

Info

Publication number: DE69825445T2
Application number: DE69825445T
Authority: DE
Inventors: Alastair Hodges; Peter Osvath
Original assignee: CRC for Waste Management and Pollution Control Ltd
Current assignee: CRC for Waste Management and Pollution Control Ltd
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2018-05-09
Also published as: ATE272578T1; KR20010012396A; AUPO671597A0; JP3512425B2; EP0988253B1; US6280599B1; ES2229493T3; WO1998051621A1; JP2001524029A; DE69825445D1; PT988253E; EP0988253A1; EP0988253A4; DK0988253T3; KR100519196B1

Description

Technisches Umfeld
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Wasserbehandlung mit Ionenaustauschmaterialien und insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen für die elektrochemische Behandlung von Anionen- und Kationenaustauschgranulaten.
Stand der Technik
Ionenaustausch ist der umkehrbare Austausch von Ionen zwischen einem Feststoff (des Öfteren als Granulat bezeichnet) und einer Flüssigkeit, in welcher kein permanenter Austausch in der Struktur des Feststoffes, dass das Ionenaustauschmaterial ist, auftritt. Der Nutzen des Ionenaustausches besteht in der Fähigkeit Ionenaustauschmaterialien zu verwenden und wieder zu verwenden, durch das Verbinden eines geeigneten Regenerationsschrittes.
Es besteht ein enormer Markt für Wasser mit hoher Reinheit. Es wird weitgehend in industriellen Anwendungen verwendet, mit angesehenen Hauptverwendern, die ferner, die pharmazeutische, elektronische und stromerzeugende Industrie erfassen.
In der Endbehandlung (Polierschritt) der meisten Anwendungen, werden die aufgelösten Salze üblicherweise aus dem Wasser durch das Durchführen durch Ionenaustauschmaterialien oder Granulaten entfernt. Eine Kombination eines Kationenaustauschgranulats (in der H⁺-Form) und eines Anionenaustauschgranulats (in der OH^–-Form) verwendet, um die Kationen und Anionen entsprechend zu entfernen.
Für das Entfernen von vielen Salzen können zwei Lager hintereinander verwendet werden, wobei das eine, jeden Granulattyp enthält. Wenn die wässrige Lösung zuerst durch ein Lager von Kationenaustauschgranulat geführt wird (in der H⁺-Form), werden die Kationen in der Lösung von dem Kationenaustauscher aufgenommen, und eine entsprechende Menge von H⁺-Ionen werden in die Lösung freigegeben (wodurch die elektrische Neutralität beibehalten wird). Diese (nunmehr saure Lö sung) wird dann durch ein zweites Lager mit Anionenaustauschgranulat durchgeführt (in der OH^–-Form), und die Anionen aus der Lösung werden von dem Anionenaustauscher aufgenommen. Das OH^–, welches freigesetzt wird, neutralisiert das H⁺ in der Lösung, wodurch Wasser gebildet wird. Nach der Passage durch die zwei Lager, hat man die aufgelösten Salze tatsächlich aus der Lösung entfernt. (Wenn die Reihenfolge der Entsalzung vertauscht wird, ergibt sich ein entsprechendes Szenario, mit einer alkalischen Zwischenlösung).
Für eine Anzahl von Wasseraufbereitungsanwendungen wird ein gemischtes Lager eines Ionenaustauschgranulats bevorzugt, entweder, anstelle der Konfiguration mit hintereinander liegenden Lagern, oder zusätzlich zu dem, ein letzter Polierschritt. In diesem Fall werden die Kationen- und Anionen-Granulate genau vermischt, und die Kationen und Anionen werden aus der Lösung gleichzeitig entfernt, mit sofortiger Neutralisierung des H⁺ und OH^–, freigegeben durch die Granulate wobei Wasser gebildet wird. Mit dieser Konfiguration ist ein höherer Grad der Salzentfernung aus wässrigen Lösungen möglich, weil das chemische Ausgleichsverfahren durch den Verlust von H⁺ und OH^– durch gegenseitige Neutralisation „angetrieben" wird.
In beiden Konfigurationen müssen die Kationen- und Anionen-Lager regeneriert werden, sobald die Granulate erschöpft sind (d. h. sobald kein Granulat mehr in der Form von H⁺ und OH^– vorhanden ist). Für die konventionellen chemischen Regenerierungsverfahren müssen die Kationen- und Anionengranulate in dem vermischten Granulatlager physisch getrennt werden, bevor eine chemische Regenerierung durchgeführt werden kann. Diese Regenerierung erfolgt üblicherweise mit Säure (typischerweise H₂SO₄) und Alkali (typischerweise NaOH), entsprechend. Dieses chemische Verfahren bedingt das Speichern und den Umgang mit konzentrierter Säure und ätzenden Lösungen, wie auch das Entsorgen der Abfallregenerierungs- und Waschlösungen nach dem Gebrauch. Dies ist vom Standpunkt der Kosten, Sicherheit und Umweltüberlegungen unerwünscht.
Andere Verfahren, die alleine keine rauen chemischen Aufbereitungen benötigen, wurden für die Regenerierung von Ionenaustauschgranulaten entwickelt. Einige dieser Verfahren umfassen Elektrodeionisierungssysteme, die speziell für die Ionen durchlässige Membranen und Lösungen für die chemische Behandlung verwenden. Oft sind die Membranen teuer und können bei der Verwendung lecken oder reißen.
Fernerhin können die Vorrichtungen, die für das Aufnehmen der Granulate mit den Membranen in der Herstellung und dem Unterhalt teuer sein. Weitere verfügbare Verfahren sind lediglich dazu geeignet um die Kationen- oder Anionenform des Granulats zu regenerieren, wodurch zwei Systeme für das Regenerieren beider Formen von Ionenaustauschmaterial benötigt werden.
Die vorliegenden Erfinder haben ein Verfahren für das Behandeln von Ionenaustauschgranulaten entwickelt, unter Verwendung von milden, preiswerten und ökologisch akzeptablen elektrochemischen Techniken. Dieses Verfahren benötigt keine Regenerierungschemikalien, und weist den Zusatzvorteil auf, dass das Verfahren zum Wasseraufbereiten und Ionenaustauschregenerieren in dem selben Gefäß ausgeführt werden können, ohne das es notwendig ist, das Granulatlager zu stören. In dem Fall von gemischten Lagersystemen, weist dieses Verfahren ebenfalls den Vorteil auf, dass die Regenerierung auf den Granulatlagern ausgeführt werden kann, ohne dass Kationenaustauschgranulat von dem Anionenaustauschgranulat zu trennen.
Offenbarung der Erfindung
In einem ersten Aspekt besteht die vorliegende Erfindung aus einem Verfahren für das Behandeln eines Ionenaustauschmaterials, wobei das Verfahren folgendes umfasst:

(a) Positionierung von mindestens zwei Bereichen von Ionenaustauschmaterialien zwischen einer Anoden- und Kathodenelektrode, wobei mindestens ein Teil der zwei Bereiche durch eine nicht-ionenspezifische durchlässige Grenzfläche getrennt ist;
(b) Versorgung mit Wasser der mindestens zwei Bereiche;
(c) Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen die Elektroden, wobei die Generierung von Wasserstoffionen an der Anode und Hydroxidionen an der Kathode verursacht wird, Ionen, welche dazu veranlasst werden sich durch jeden Bereich zu den entgegengesetzt geladenen Elektroden zu bewegen, und wodurch mindestens ein Teil der Anionen oder Kationen, die mit dem Ionenaustauschmaterial in jeden Bereich verbunden sind verdrängt werden, sodass die verdrängten Anionen und Kationen ebenfalls veranlasst werden, sich durch die Bereiche zu den entgegengesetzt geladenen Elektroden hinzubewegen; und
(d) Entfernen von zumindest einigen der Kationen und/oder Anionen, die sich während des Schritts (c) gebildet haben, welche die Grenzfläche erreichen.

Es wird angenommen, dass wenigstens ein Teil der zwei Bereiche sich im elektrischen Kontakt befinden, sodass ein elektrisches Potential zwischen den Elektroden angelegt werden kann.
Die beiden Bereiche können einzelne oder gemischte Formen des Ionenaustauschmaterials umfassen. Es wird angenommen, dass wenn einzelne Formen des Ionenaustauschmaterials in jeden Bereich platziert werden, es für einen effizienten Betrieb des Verfahrens notwendig ist, dass das Kationenaustauschmaterial in dem der Kathode zugeordneten Bereich positioniert wird und das Anionenaustauschmaterial in dem der Anode zugeordneten Bereich positioniert wird. Um sicher zu stellen, dass das Ionenaustauschmaterial effizient behandelt wird, mit Mischformeln von Anionen und Kationenaustauschmaterialien in beiden Bereichen, wird die Polarität der Elektroden vorzugsweise vertauscht und ein elektrisches Potential angelegt, sodass der Teil des Materials in jeden Bereich, der ursprünglich nicht behandelt wurde, der entsprechenden Ionenverdrängung unterzogen wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung, tritt eine simultane elektrochemische Regenerierung des Ionenaustauschmaterials in beiden Bereichen auf.
Die Anionen und Kationen, zugeordnet zu dem Ionenaustauschmaterial zugeordnet sind und durch das Verfahren entfernt werden, sind vorzugsweise Salze. In einer Form sammeln sich die Salze auf dem Ionenaustauschmaterial während der Behandlung des Wassers, bevor das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, um das Ionenaustauschmaterial zu regenerieren.
Die Grenzfläche kann jede Form aufweisen, welche das Entfernen oder Spülen der Ionen und des Wassers ermöglichen, welche hier während der Bewegung der Ionen unter dem Einfluss des elektrischen Potentials hierher gelangen. Geeignete Formen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, nicht-ionen selektive Membrane, Fritte, poröses Zwischenstück, Kavität gebildet durch die physikalische Trennung der zwei Bereiche mit Ionenaustauschmaterial, inertes Material, Ventilanordnung, und physikalische Grenze zwischen den zwei Bereichen. Die physikalische Grenze zwischen den zwei Bereichen kann ebenfalls eine geeignete Grenzfläche bilden. Die Grenzfläche ist vorzugsweise eine Fritte aus Polypropylen, verbunden mit einem Ventil, um das Entfernen der Ionen und des Wassers zu ermöglichen.
Vorzugsweise werden die Kationen und/oder Anionen, die sich während des Schrittes (c) gebildet haben vor dem Überqueren der Grenzfläche und dem Eindringen in den anderen Bereich des Ionenaustauschmaterials, entfernt.
In einer bevorzugten Form wird der Schritt (b) als Mittel verwendet, um die Salze, die in dem zu behandelnden Wasser aufgelöst sind, zu entfernen. Der eine oder mehrere Bereiche werden mit dem zu behandelnden Wasser gespült, so dass jegliche darin aufgelösten Salze an das Ionenaustauschmaterial gebunden werden. Wenn das Wasserbehandlungsverfahren vollendet ist und das Ionenaustauschmaterial regeneriert werden soll, werden die Schritte (c) und (d) ausgeführt. Der eindeutige Vorteil dieser Art von Wasseraufbereitungsverfahren besteht darin, dass das Ionenaustauschmaterial in situ regeneriert werden kann.
Die Anode ist vorzugsweise aus Platin beschichtetem Titan gebildet, während die Kathode aus Platin beschichtetem Titan oder rostfreiem Stahl gebildet werden kann. Es wird jedoch angenommen, dass die Elektroden aus jedem geeigneten Material gebildet werden können.
Der Schritt (d) kann durch geeignete Mittel ausgeführt werden, welche in der Entfernung der Ionen und des Wassers aus der Grenzfläche und dem unmittelbar umgebenden Bereich, resultieren. Ein geeignetes Mittel ist das Spülen der Grenzfläche mit Wasser zum Beispiel. Es wird jedoch angenommen, dass jedes geeignete Mittel anwendbar ist.
In einem zweiten Aspekt besteht die vorliegende Erfindung aus einer elektrochemischen Zelle umfassend:

(a) Einer Anoden- und Katodenelektrode;
(b) Wenigstens zwei Bereiche, die so angepasst sind, dass sie zwei Ionenaustauschmaterialien enthalten, wobei die Bereiche zwischen den Elektroden positioniert sind;
(c) Wenigstens einen Teil der zwei Bereiche, wobei sie durch eine nicht-ionen spezifische durchlässige Grenzfläche getrennt sind;
(d) Mittel für das Zuführen von Wasser zu den mindestens zwei Bereichen;
(e) Optional, Mittel für das Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen den Elektroden; und
(f) Mittel für das Entfernen der Ionen, Salzen und Wassers an der Grenzfläche;

Die Anode ist vorzugsweise aus platinbeschichtetem Titan gebildet, wobei die Kathode aus platinbeschichtetem Titan oder rostfreiem Stahl gebildet werden kann. Es wird jedoch angenommen, dass die Elektroden aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet werden können.
Es wird angenommen, dass wenigstens ein Teil der zwei Bereiche im elektrischen Kontakt stehen, so dass ein elektrisches Potential zwischen den Elektroden angelegt werden kann.
In einer bevorzugten Form der Zelle wird die Trennfläche ungefähr gleichweit entfernt von den zwei Elektroden positioniert und die dazwischen liegenden Bereiche enthalten im Wesentlichen das gleiche Volumen oder die gleiche Menge an Ionenaustauschmaterial.
Die Mittel für das Anlegen eines elektrischen Potentials können beliebige geeignete Stromquellen sein. Die Höhe des angelegten Potentials hängt von dem Typ und der Menge des Ionenaustauschmaterials ab. Typischerweise wird für eine Zelle, die XXXX eines starken Ionenaustauschers enthält, ein Strom von YYYYY eine Zeitlang von ZZZZZ Minuten angelegt, um im Wesentlichen die komplette Regenerierung eines komplett erschöpften Ionenaustauschmaterials zu erreichen. Es wird angenommen, dass diese Werte lediglich Beispiele sind und variieren, abhängig von dem Material, vom Erschöpfungsgrad und dem verwendeten Volumen.
In einem dritten Aspekt besteht die vorliegende Erfindung in der Verwenden der Zelle gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, um das Ionenaustauschmaterial zu regenerieren.
In einem vierten Aspekt besteht die vorliegende Erfindung aus der Verwendung der Zelle gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, um das Wasser zu behandeln, um die darin aufgelösten Salze zu entfernen.
Im Gegensatz zum Stand der Technik benötigt die vorliegende Erfindung keine Anionen- und Kationen selektive Membran für den Betrieb. Stattdessen werden die Bereiche oder Lager mit Ionenaustauschmaterial als Grenze für den Transport der unerwünschten Ionen verwendet. Die Beseitigung der Notwendigkeit für Ionen selektive Membranen stellt einen beachtlichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik dar, was zu einem einfacheren, robusteren und kostengünstigeren System führt.
Solange der Kontext nichts gegenteiliges voraussetzt, bedeutet das Wort „umfasst" oder die Abwandlungen wie „umfassen" oder „umfassend" in dieser Beschreibung als das Einbeziehen eines genannten Elements, Ganzzahl oder Schritt, oder Gruppe von Elementen, Ganzzahlen oder Schritten einbeziehen, aber nicht den Ausschluss eines jeden anderen Elements, Ganzzahl oder Schrittes, oder Gruppe von Elementen, Ganzzahl oder Schritten.
Um die vorliegende Erfindung besser zu verstehen, werden bevorzugte Formen mit Bezug auf die folgenden Beispiele und begleitenden Zeichnungen dargestellt.
Kurze Zeichnungsbeschreibung
1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Zelle, gemäß der vorliegenden Erfindung;
3a und 3b sind schematische Darstellungen des Betriebs der elektrochemischen Zelle aus 1;
Die 4a, 4b und 4c sind schematische Darstellungen des Betriebs der elektrochemischen Zelle aus 2;
Die 5 zeigt eine Grafik in der zeitlichen Abhängigkeit der Regenerierung des Ionenaustauschgranulats als Funktion der Dichte;
6 zeigt eine Grafik in der Zeitabhängigkeit der Regenerierung des Ionenaustauschgranulats bei einer bestimmten Stromdichte von 40 mA;
7 zeigt eine Grafik der Coulombschen Wirkung der Regenerierung des Ionenaustauschgranulats als Funktion der Stromdichte; und
8 ist eine schematische Barstellung eines anderen Ausführungsbeispiels einer elektrochemischen Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Bezug nehmend auf 1 zeigt diese schematisch das allgemeine Prinzip des Verfahrens für die Generierung von Ionenaustauschmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung für ein paar getrennte Bereiche oder Lager von Kationen- und Anionenaustauschgranulat. Ein Lager aus Anionenaustauschgranulat 5 und ein Lager von Kationenaustauschgranulat 6 wird zwischen ein paar Anoden 7 und Kathoden 8 platziert. Wasser wird für die Lager 5 und 6 und über die Einlassöffnungen 1 und 2 bereitgestellt und über die Ausgangsöffnung 3 ausgegeben. Wenn ein geeignetes elektrisches Potential an die Anode 7 und die Kathode 8 angelegt wird, und sich Wasser in der Umgebung der zwei Elektroden 7 und 8 befindet, finden folgende elektrochemische Prozesse statt:
Oxidation (an der Anode)

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

Reduktion (an der Kathode)

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^–

Gesamte elektrochemische Reaktion

6H₂O → 2H₂ + O₂ + 4H⁺ + 4OH^–

Das Reinergebnis besteht darin, das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, und zusätzlich werden H⁺-Ionen an der Anode 7 generiert, und OH^–-Ionen an der Kathode 8 generiert. Für jedes übergegangene Elektron werden ein entsprechendes H⁺ und ein entsprechendes OH^– generiert. Die generierten Ionen können dann dem Ionenaustausch unterzogen werden, mit Kationen und Anionen (Salzen) zugeordnet zu dem Ionenaustauschgranulat das der Zelle. Die ausgetauschten Kationen und Anionen (Salze) wandern unter dem Einfluss des elektrischen Potentialunterschieds und begegnen sich an der Trennfläche 9. In unterschiedlichen Konfigurationen kann die Trennfläche 9 ein poröses Zwischenstück umfassen, einen Hohlraum, gebildet durch die physikalische Trennung der zwei Granulatlager, eine zwischenliegende Grenze aus etwas Trennmaterial (z. B. Ionenaustauschgranulat oder inertes Material) oder kann einfach die Grenzfläche zwischen den zwei Granulatlagern darstellen. Die Kationen und Anionen begegnen sich in diesem Bereich und einige Mittel werden dafür verwendet, dass sie aus der Zelle in einem Flüssigkeitsstrom (wässrig oder anders) heraus fließen.
Es ist möglich dieses System in solch einer Weise zu konfigurieren, das es dafür verwendet werden kann und sowohl zum Entsalzen von wässrigen Lösungen (in dem Betriebsmodus), als auch zum Regenerieren des Ionenaustauschgranulats verwendet werden kann, ohne die Granulatlager zu stören, oder das Granulat aus der Zelle zu entfernen.
Für die Regenerierung eines Systems, welches Lager aus vermischten (kationischen und anionischen) Ionenaustauschgranulaten umfassen, wurde ein ähnliches System erfunden. Die Gesamtkonfiguration wird in 2 gezeigt. In diesem Fall erfolgt die Regenerierung in zwei Phasen. In der ersten Regenerierungsphase arbeitet das System wie in der 2 gezeigt, während in der zweiten Phase die Polarität der Elektroden vertauscht wird. Die Verfahren werden nachfolgend detailliert beschrieben, und in 3 gezeigt, (duales Lagersystem) und 4 (gemischtes Lagersystem). In beiden Figuren stellen die im Folgenden zwei Ionenaustauschgranulate in deren unterschiedlichen Formen dar.
A stellt das Ionenaustauschgranulat in der „erschöpften" Form dar
OH stellt das Anionenaustauschmaterial in der „regenerierten" Form
dar
C stellt das Kationenaustauschgranulat in der „erschöpften" Form dar
H stellt das Kationenaustauschmaterial in der „regenerierten" Form dar.
3(a) zeigt ein paar getrennte Granulatlager, mit dem linken Abteil 6, welches ein Ionenaustauschgranulat enthält, und der rechte Behälter 5 enthält Kationenaustauschgranulat. Beide Lager 5 und 6 werden in ihrem vollkommenen erschöpften Stadium gezeigt; d. h. es gibt im Wesentlichen kein Kationenaustauschgranulat im H⁺-Stadium und kein Anionenaustauschgranulat in dem OH^–-Stadium. Es wird jedoch angenommen, dass das Granulat in einem teilweise erschöpften Stadium sein kann, und die Regeneration kann teilweise oder vollkommen durchgeführt werden. Wenn ein geeigneter Potentialunterschied an die zwei Elektroden 11 und 12, wie in der 3(b) gezeigt, angelegt wird, wird OH^– an der linken Elektrode 11 generiert (die Kathode, mit „–" markiert), und H⁺ wird an der rechten Elektrode 12 generiert (die Anode mit „+" markiert).
Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes wandern diese Ionen weg von deren entsprechenden Elektroden durch die Granulatlager. Sowie die OH^–-Ionen durch das linke Abteil 6 wandern, ersetzen sie die Anionen, die mit dem Anionenaustauschgranulat verbunden sind, sodass das Granulat in die OH^–-Form umwandelt wird. Die Anionen, welche freigesetzt werden, wandern zusammen mit dem Überschuss an OH^– in Richtung der Anode 12. Sowie die H⁺-Ionen durch das rechte Abteil 5 wandern, ersetzen sie die Kationen, die mit dem Kationenaustauschgranulat verbunden sind, sodass das Granulat in die H⁺-Form umgewandelt wird. Die Kationen, die freigesetzt werden wandern ebenfalls zusammen mit jedem Überschuß an H⁺ in Richtung der Kathode 11. Die Kationen und Anionen begegnen sich an der Grenzfläche 9, alle äquivalenten Mengen an H⁺ und OH^–, welche vorhanden sind, neutra lisieren sich gegenseitig um Wasser zu bilden, und der Rest der ionischen Art (Salzen) kann über die Auslassöffnung 3 entfernt werden. Um dies bezüglich Unterstützung zu bieten, bevorzugt man wenigstens einen minimalen Wasserfluss nach innen über die Öffnungen 1 und 2, weil für jedes Mol an H⁺ und OH^–, das generiert wird, 1,5 Mol Wasser verbraucht werden.
Die 4(a) zeigt die Konfiguration, die für ein gemischtes Lagersystem relevant ist. In diesem Fall werden sowohl das linke als auch das rechte Abteil 6 und 5 mit einem Gemisch aus Anionen- und Kationenaustauschgranulaten aufgefüllt. Beide Lager werden in vollkommen erschöpftem Stadium gezeigt; d. h., es gibt kein Kationenaustauschgranulat im H⁺-Stadium und kein Anionenaustauschgranulat im OH^–-Stadium. Es wird jedoch angenommen, dass das Granulat in einem teilweise oder vollkommen erschöpften Stadium sein kann, und die Regenerierung teilweise oder vollständig ausgeführt werden kann.
Wenn eine geeignete Potentialdifferenz an den zwei Elektroden angeschlossen wird, wie in der 4(b) gezeigt, wird OH^– an der linken Elektrode 11 generiert (die Kathode, mit „–" markiert), und H⁺ wird an der rechten Elektrode 12 generiert (die Anode, mit „+" markiert). Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes wandern diese Ionen weg von deren entsprechenden Elektroden, über die Granulatlager. Sowie die OH^–-Ionen durch das linke Abteil 6 wandern, setzen sie die Anionen, zugehörig zu dem Anionenaustauschgranulat, sodass das Granulat in die OH^–-Form umgewandelt wird. Die Anionen, die freigesetzt werden, wandern ebenfalls zusammen mit dem Überschuß an OH^– in Richtung der Anode 12. Die Anionen haben keinen Einfluss auf das Stadium des Kationenaustauschgranulats in dem Abteil. Sowie die H⁺-Ionen durch das rechte Abteil 5 wandern, ersetzen sie die Kationen, zugehörig zu dem Kationenaustauschgranulat, so dass das Granulat in die H⁺-Form umgewandelt wird. Die Kationen, die frei gesetzt werden, wandern ebenfalls zusammen mit dem Überschuss an H⁺-Ionen in Richtung der Kathode 11. Die Kationen haben keinen Einfluss auf das Stadium des Anionenaustauschgranulats in dem Behälter. Die durch die linken und rechten Abteile 6 und 5 entsprechend wandernden Anionen und Kationen begegnen sich an der Grenzfläche 9 und jede entsprechende Menge an H⁺ und OH^–, die vorhanden sind, neutralisieren sich gegenseitig um Wasser zu bilden, und der Rest der ionischen Arten kann über die Ausgangsöffnung 3 entfernt werden. Um diesbezüglich Unterstützung zu bieten, bevorzugt man wenigstens einen minimalen Wasserfluss nach innen durch die Öffnungen 1 und 2 zu haben, weil jedes H⁺- und OH^–-Mol, 1,5 Mol Wasser verbrauchen.
Das ein Ionenaustauschgranulat im linken Abteil 6 der 4(b) und das Kationenaustauschgranulat im rechten Abteil 5 der 4(b) werden in die Form von OH^– und H⁺ entsprechend umgewandelt, wobei jeder zusätzliche Stromfluss eine äquivalente Menge H⁺ und OH^– generiert, welche durch die Granulatlager wandern und sich gegenseitig neutralisieren, sobald sie sich begegnen. In diesem Stadium wird die Polarität der zwei Elektroden vertauscht und H⁺ und OH^– werden an der linken Elektrode 11 und an der rechten Elektrode 12 entsprechend generiert, wie in 4(c) gezeigt.
Wie vorhin beschrieben, wandern die Ionen zur Zellenmitte, und sie weisen die Fähigkeit auf, die Kationen und Anionen zu ersetzen, zugehörig zu dem Kationenaustausch- und Anionenaustauschgranulaten im linken Abteil 6 und rechten Abteil 5 entsprechend. Die Anionen und Kationen, die durch das rechte Abteil 5 und linke Abteil 6 entsprechend wandern, begegnen sich an der Grenzfläche 9, jede äquivalente Menge an H⁺ und OH^–, die vorhanden ist, neutralisiert sich gegenseitig, um Wasser zu bilden, und der Rest der ionischen Arten kann über die Ausganasöffnung 3 weggespült werden. Um diesbezüglich Unterstützung zu bieten, wird wenigstens ein minimaler Wasserfluss nach innen über die Öffnungen 1 und 2 bevorzugt, weil jedes H⁺- und OH^–Mol, das generiert wird, 1,5 Mol Wasser verbraucht.
BEISPIELE
Die folgenden Beispiele beziehen sich auf eine zylindrische elektrochemische Zelle mit den in 1 gezeigten Merkmalen. Die Grenzschicht in dieser Zelle ist eine poröse Fritte aus Polypropylen. Das rechte Abteil 5 und das linke Abteil 6 werden entsprechend mit Amberlite IRA-420^TM; starkes Anionenaustauschgranulat, (15–50 mesh ASTM) und Amberlite IR-120^TM, starkes Kationenaustauschgranulat, (15 bis 50 mesh ASTM). Diese Granulate werden lediglich beispielhaft verwendet, und die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, oder spezifisch für jegliche besonderen Ionenaustauschgranulate oder Materialien. Die Ionenaustauschkapazität des Granulats in jedem Abteil beträgt –17 Millimol. Die Granulate wurden in die Form von CL^– und Na⁺ entsprechend umgewandelt, durch standartisierte chemische Verfahren, und wurden mit deionisiertem Wasser gründlich gewaschen, um jegliche Restsalze zu entfernen. Die Elektroden 7 und 8 waren platinbeschichtete Titannetze (6 cm im Durchmesser). Die Elektroden wurden im engen Kontakt mit dem Granulat platziert, und durch ein paar Endplatten festgehalten, welche an die Zelle angeklemmt wurden, wobei eine versiegelte Einheit gebildet wurde. Hochreines deionisiertes Wasser wurde in die Zelle über die Einlassöffnungen 1 und 2 gepumpt, und über die Öffnung 3 entleert. Ein Galvanostat wurde verwendet, um einen konstanten Strom an die platinbeschichteten Titannetzelektroden anzulegen. Wasser wurde in die Zellen über die Öffnungen 1 und 2 gepumpt, und der Abfluss aus der Öffnung 3 wurde gesammelt. Der pH-Wert, die Leitfähigkeit, und die Na⁺-Ionenkonzentration der abfließenden Lösung wurden überwacht, und der Strom und das Potential wurden aufgezeichnet. Die Ergebnisse für 3 unterschiedliche Stromdichten werden in 5 gezeigt. Diese Grafik zeigt die kumulative Mol-Anzahl von Na⁺-Ionen, die aus der Öffnung 3 als eine Zeitfunktion gesammelt wurden.
6 zeigt die kumulative Molanzahl sowohl der Na⁺ als auch der Cl^–-Ionen, die aus der Öffnung 3 als Zeitfunktion bei einem Stromfluss von 40 mA gesammelt wurden. 7 zeigt die elektrochemische Effizienz des Zellenbetriebs. Für jedes Elektronenmol wird ein H⁺-Mol und ein OH^–-Mol erzeugt. Wenn jedes Elektronenmol zur Regeneration eines Mols des Kationenaustauschgranulats und eines Mols des Anionenaustauschgranulats führen würde, wäre die elektrochemische Effizienz der Zelle hundertprozent. In 7 wird der gesamte Prozentsatz der Coulombschen Effizienz des Kationenaustauschgranulats als eine Funktion des Prozentsatzes des Kationenaustauschgranulats in der Zelle gezeichnet, die regeneriert wurde.
Die 8 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in welcher die Grenzschicht zwischen den zwei Granulatlagern aus einem T-Ventil 13 gebildet ist, wobei die Flüssigkeitsdurchgänge 18 im Ventil im Wesentlichen mit Anionen- und Kationenaustauschgranulat in einem vermischten oder nicht vermischten Stadium gefüllt sind. Im Regenerationsmodus für das Granulat (8(a)) wird dieses Ventil 13 so geschaltet, das jedes Ende der Durchgänge 18 des Ventils 13 offen ist, zu einem der Granulatlager und dass der Durchgang senkrecht zu einer Öffnung offen ist, durch welche Kationen und/oder Anionen und Wasser (Abwasser, Salzlösung) fließen kann. Wenn das System für die Wasseraufbereitung verwendet wird (8(b)) wird das Ventil 13 so eingestellt, dass der Durchgang 18 des Ventils 13 zum Granulatlager nicht mehr offen ist. Dies verhindert, dass die Flüssigkeit auf eine unerwünschte Art zwischen den 2 Granulatlagern in den Wasseraufbereitungsteil des Zyklus fließen kann. Mit der Konfiguration, die in 8 gezeigt wird, wird das Granulat in einer gegen Strom gerichteten Art regeneriert (d. h. der Wasserfluss und die Ionen zwischen den 2 Granulatlagern in dem Wasseraufbereitungsteil des Zyklus). In dem Aufbereitungsmodus, wird das Wasser durch eine weitere Eingangsöffnung 16 an der Basis des Lagers 5 gespeist und tritt über die Öffnung 15 aus, vor der Speisung über das andere Lager 6 mittels der Öffnung 17. Das aufbereitete Wasser tritt durch die Öffnung 14 aus. Die Öffnungen 16 und 17 sind geschlossen, während die Zelle im Regenerationsmodus ist. Mit der in 8 gezeigten Konfiguration wird das Granulat in einer Gegenstromweise regeneriert (d. h. der Wasserfluss und der Ionenfluss verlaufen beide durch die Granulatlager in einer Richtung im Aufbereitungszyklus, und beide verlaufen in der entgegen gesetzten Richtung durch die Granulatlager im Regenerationsmodus).
Obwohl die Zellen in der oben stehenden Beschreibung als Zylinder erscheinen, hängt der Erfolg des Verfahrens nicht davon ab, und ist auch nicht auf diese spezielle Geometrie beschränkt. Auf ähnliche Weise ist die Zellengröße kein beschränkender Faktor. Beispielsweise wurde eine ähnliche Effizienz in einer zylindrischen Zelle erreicht, die ungefähr die fünffache Kapazität aufweist. Ferner wurde eine ähnliche Effizienz erreicht in einer U-förmigen Konfiguration, hier als in einem geraden Zylinder mit einer Kapazität von ungefähr dem 10-fachen dieser Kapazität. Eine ähnliche Effizienz wurde ebenfalls erreicht in einer Zelle, in der die Fritte aus Polypropylen durch ein paar Nylonnetze ersetzt wurde, die die zwei Granulatlager auseinander halten (d. h. in der die Kavität einfach mit Flüssigkeit gefüllt ist). Die Wasserflussgeschwindigkeit durch die Zelle und der Strom wurden ebenfalls ohne das abfallen der elektrochemischen Effizienz variiert.
Das beschriebene System wird manuell betrieben, es wird jedoch geschätzt, dass die Verwendung von geeigneten Sensoren und Steuersystemen den Betrieb der Vorrichtung automatisieren kann. Beispiele solcher Vorrichtungen sind Konduktivitätszellen, um die Wasserreinheit am Ausgang zu überwachen, Ventilaktuatoren und Mikroprozessorgesteuerte Schaltungen.

Claims

Verfahren für die Behandlung eines Ionenaustauschmaterials, wobei das Verfahren folgendes umfasst: a) Positionierung von mindestens zwei Bereichen des Ionenaustauschmaterials zwischen einer Anoden- und einer Kathodenelektrode, wobei mindestens ein Teil der zwei Bereiche durch eine nicht-ionenspezifische durchlässige Grenzfläche getrennt ist; b) Versorgung mit Wasser der mindestens zwei Bereiche; c) Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen den Elektroden, wodurch die Generierung von Wasserstoffionen an der Anode und Hydrooxidionen an der Kathode verursacht wird, wodurch die Ionen veranlasst werden, sich durch jeden Bereich zu den entgegengesetzt geladenen Elektroden hin zu bewegen und dadurch mindestens einen Teil von entweder Anionen oder Kationen zu verlagern, die mit dem Ionenaustauschmaterial in jedem Bereich in Verbindung sind, so dass die verlagerten Anionen und Kationen ebenfalls veranlasst werden, sich durch die Bereiche zu den entgegengesetzt geladenen Elektroden hin zu bewegen; und d) Entfernen mindestens einiger der sich während des Schrittes (c) gebildeten Anionen und/oder Kationen, welche die Grenzfläche erreichen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin ein Bereich ein Anionenaustauschmaterial umfasst und der andere Bereich ein Kationenaustauschmaterial umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 2, worin der Bereich, der das Anionenaustauschmaterial umfasst neben der Anode positioniert ist und der Bereich, der das Kationenaustauschmaterial umfasst, neben der Kathode positioniert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die mindestens zwei Bereiche ein Gemisch von Anionen- und Kationenaustauschmaterialien umfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 4, worin nach dem Anlegen des Potentials während einer Zeitperiode, die Polarität der Elektroden vertauscht wird und ein zweites Potential angelegt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, worin eine gleichzeitige elektrochemische Regeneration des Ionenaustauschmaterials in den mindestens zwei Bereichen auftritt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Anionen und Kationen, die mit dem Ionenaustauschmaterial verbunden sind und entfernt werden, Salze sind, die sich auf dem Ionenaustauschmaterial während der Deionisierungsbehandlung des Wassers angesammelt haben.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die nicht-ionenspezifische durchlässige Grenzfläche aus der Gruppe ausgewählt wird, bestehend aus einer nicht-ionenselektiven Membran, einer Fritte, einem porösen Ausfüllen, einer Kavität, die durch physikalische Trennung der zwei Bereiche des Ionenaustauschmaterials gebildet ist, einem inerten Material, einer Ventilanordnung, und einer physikalischen Grenze zwischen den zwei Bereichen.
Verfahren gemäß Anspruch 8, worin die Grenzfläche eine Fritte aus Polypropylen ist in Verbindung mit einem Ventil, um die Entfernung der Ionen und des Wassers von der Grenzfläche zu ermöglichen.
Verfahren gemäß einer der Ansprüche 1 bis 9, worin sich die in dem Schritt (c) gebildeten Kationen und/oder Anionen und Wasser entfernt werden vor dem Überschreiten der Grenzfläche und dem Eindringen in den anderen Bereich des Ionenaustauschmaterials.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, worin der Schritt (b) als Mittel verwendet wird, um das Salz, das im Wasser aufgelöst ist, zu entfernen, bevor die Schritte (c) und (d) ausgeführt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, worin der Schritt (d) aus dem Spülen der Grenzfläche mit Wasser besteht.
Elektrochemische Zelle umfassend: (a) eine Anoden- und Kathodeneleletrode; (b) mindestens zwei Bereiche, die so angepasst sind, um ein Ionenaustauschmaterial zu beinhalten, wobei die Bereiche zwischen den Elektroden positioniert sind, (c) wenigstens ein Teil der zwei Bereiche, der durch eine nicht-ionenspezifische durchlässige Grenzfläche abgetrennt ist; (d) Mittel zur Versorgung der mindestens zwei Bereiche mit Wasser; (e) Mittel für das Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen den Elektroden; und (f) Mittel für die Entfernung von Ionen, Salzen und Wasser aus der Grenzfläche; worin während der Anwendung das Anlegen eines elektrischen Potentials die Generierung von Wasserstoffionen an der Anode und Hydrooxidionen an der Kathode verursacht wird, wobei die Ionen veranlasst werden, durch jeden Bereich zur entgegengesetzt geladenen Elektrode sich zu bewegen und dadurch mindestens ein Teil der entweder Anionen oder Kationen, verbunden mit dem Ionenaustauschmaterial in jedem Bereich verlagert wird, so dass die verlagerten Anionen und Kationen ebenfalls veranlasst werden durch die Bereiche zu den entgegengesetzt geladenen Elektroden sich hin zu bewegen; und mindestens einige der gebildeten Anionen und/oder Kationen, welche die Grenzfläche erreichen, durch die Spüleinrichtung entfernt werden.
Zelle gemäß Anspruch 13, worin die Anode aus platinbeschichtetem Titan und die Kathode aus platinbeschichtetem Titan oder rostfreiem Stahl gebildet ist.
Zelle gemäß Anspruch 13 oder 14, worin ein Bereich ein Anionenaustauschmaterial umfasst und der andere Bereich ein Kationenaustauschmaterial umfasst.
Zelle gemäß Anspruch 15, worin der Bereich, der das Anionenaustauschmaterial umfasst neben der Anode positioniert ist und der Bereich, der das Kationenaustauschmaterial umfasst, neben der Kathode positioniert ist.
Zelle gemäß Anspruch 13 oder 14, worin mindestens zwei Bereiche ein Gemisch von Anionen- und Kationenaustauschmaterialien umfassen.
Zelle gemäß einer der Ansprüche 13 bis 17, worin die nicht-ionenspezifische durchlässige Grenzfläche ausgewählt wird aus einer Gruppe bestehend aus einer nicht-ionenselektiven Membran, einer Fritte, einem porösen Ausfüller, einer durch physikalische Trennung zweier Bereiche des Ionenaustauschmaterials gebildete Kavität, einem inerten Material, einer Ventilanordnung, und einer physikalischen Grenze zwischen zwei Bereichen.
Zelle gemäß Anspruch 18, worin die Grenzfläche eine Fritte aus Polypropylen ist, die mit einem Ventil verbunden ist, um das Entfernen der Ionen und des Wassers aus der Grenzfläche zu ermöglichen.
Zelle gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, worin das Mittel (f) so ausgebildet ist, um das Spülen der Grenzfläche mit Wasser zu ermöglichen.