DE861693C

DE861693C - Verfahren und Vorrichtung zum Elektrodialysieren von Fluessigkeiten

Info

Publication number: DE861693C
Application number: DEN704A
Authority: DE
Inventors: Arend Hubregt De Haas Dorsser; Cornelis Van Hoek
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Priority date: 1949-04-12
Filing date: 1950-04-09
Publication date: 1953-01-05
Also published as: FR1021304A; BE495100A; NL67903C; GB682703A; CH291497A; US2848402A

Description

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Diese Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zum Elektrodialysieren von Flüssigkeiten, insbesondere auf Verbesserungen des Verfahrens und der Vorrichtung bezüglich der Weise, in welcher die zu elektrodialysierende Flüssigkeit durch die Elektrodialysezelle hindurchgeführt wird.

Unter Elektrodialyse soll dabei nur verstanden werden eine solche, die sich bezieht auf die Entfernung von aufgelösten Stoffen in Flüssigkeiten, da mitunter der Zweck der-Elektrodialyse auch die Gewinnung reinen Wassers aus unreinem Wasser ist, was durch die vorliegende Erfindung aber nicht bezweckt wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann angewendet werden auf Lösungen, um nicht oder langsam dialysierende Stoffe zu trennen von anderen Stoffen, welche in genannten Lösungen als ionisierte Verbindungen vorhanden sind. Mit Hilfe dieses Verfahrens werden die ionisierten Verbindungen entfernt, und es können aus der zurückbleibenden Lösung die nicht oder langsam dialysierenden Stoffe in Reinzustand erhalten werden.

In vielen Fällen sind jedoch die nicht oder langsam dialysierenden Stoffe bei beträchtlichen pn-Änderungen unerwünschten Umsetzungen ausgesetzt; so hat z. B. aufgelöster Zucker die Tendenz zu Inversion und können Lösungen, welche Kolloide, z. B. Eiweiß-

körper enthalten (wie Milch, Molke usw.), ausflocken Wenn aus diesem ausgeflockten Stoff ein Gel entsteht, werden die Poren der Membran verstopft und wird die Entfernung von ionisierbaren Verbindungen erheblieh erschwert.

Für eine wirtschaftliche Anwendung der Elektrodialyse ist es erforderlich, daß man die Zellen möglichst eng konstruiert und besonders dafür sorgt, daß der Abstand zwischen den Membranen möglichst klein ίο ist; außerdem erfordert die Bedingung, daß pn in der Zelle in der ganzen zu behandelnden Flüssigkeit konstant zu erhalten, daß die Flüssigkeit intensiv gamischt wird, weil die Praxis gezeigt hat, daß der Stromdurchgang über die relativ große Membranoberfläche einen Rückgang des pn gibt, der unerwünschte Erscheinungen, wie Koagulation von makromolekularen Stoffen, Zerfall usw., verursacht.

Zunächst wurde versucht, diesen Nachteilen vorzubeugen, indem in der Mittelzelle ein mechanisches Rührwerk angebracht wurde, aber in diesem Falle ist es außerordentlich schwierig, den Abstand zwischen den Membranen genügend zu verringern, um so mehr, weil die Membranen vorzugsweise aus dünnem und empfindlichem Werkstoff ,wie Pergament, Schweinsblase, Cellophan, Kollodium usw., bestehen.

Bei einer kleineren Breite der Mittelzelle, z. B. weniger als 10 mm und vorzugsweise 5 bis 3 mm, oder bei einer verhältnismäßig großen Oberfläche der Diaphragmen biegen diese so weit durch, daß die Gefahr besteht sowohl von Beschädigungen durch das mechanische Rührwerk als auch von Berührung derselben mit den Elektroden, was nicht kontrollierbare Änderungen der H-Ionen-Konzentration in der Elektrodialysezelle zur Folge hat. Außerdem begegnet man dann beim Entwurf des Rührwerkes größeren konstruktiven Schwierigkeiten.

Auch wird von der hin- und rückgehenden Bewegung durch ein Rührwerk in einer dünnen Zelle eine periodische Bewegung der Flüssigkeit in der Elektrodialysezelle hervorgerufen, welche Bewegung auf die Diaphragmen übertragen wird. Die Abweichungen in den Abmessungen der drei Zellen hemmen eine Regelung der H-Ionen-Konzentration im Elektrodialyseraum.

Dementsprechend ist es ein Zweck dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Elektrodialysieren zu schaffen, wobei die Flüssigkeit im Elektrodialyseraum gut gemischt wird, so daß diese in jedem Teil des Raumes die gleiche Zusammensetzung hat; hierbei beträgt in genannter Zelle der Abstand der Membranen nicht mehr als 10 mm, vorzugsweise nicht mehr als 5 oder sogar 3 mm.

Ein anderer Zweck ist, die Flüssigkeit durch die Elektrodialysezelle in einer turbulenten Strömung zu führen, wobei die Turbulenz eine gründliche Mischung der Flüssigkeit in der Zelle hervorruft, so daß in jedem. Teil der Zelle pn-Änderungen, welche unerwünschte Erscheinungen, wie Koagulation, Zerfall usw., verursachen, vorgebeugt wird. Ein anderer Zweck ist, die erforderliche Spannung in dem Elektrodialyseverfahren zu vermindern durch Anwendung von engen Zellen und um zu gleicher Zeit die Stromdichte zu steigern bis auf etwa 100 mA/cm⁸ und sogar 300 mA/cm² und höher, dabei die Flüssigkeit in der Mittelzelle kontinuierlich mit einer solchen Geschwindigkeit hindurchzuführen, daß die Strömung in der Zelle turbulent ist und die Dauer der Behandlung in der Zelle verkürzt wird und hierdurch einer unerwünschten Temperatursteigerung der Flüssigkeit yorgebeugt wird.

Die Erfindung bezweckt weiter ein Dialysesystem zu schaffen, das eine größere Flüssigkeitsmenge verarbeiten kann, als es, bei früheren Systemen der Fall war, doch mit geringem Energieverbrauch. Weiter bezweckt die Erfindung, eine einfache, zweckmäßige, leistungsfähige und wirtschaftliche Form eines Elektrodialyseapparates zu schaffen.

Gemäß der Erfindung enthält der Elektrodialyseapparat einen Anodenraum mit einer Anode, welcher Raum von Flüssigkeiten durchspült wird, einen Elektrodialyseraum, vom Anodenraum getrennt durch eine permeable Membran, wobei ein Pumpensystem für den Flüssigkeitsstrom in diesem Raum eine turbulente Strömung hervorruft, einen Kathodenraum, vom Elektrodialyseraum getrennt durch eine penneable Membran, versehen mit einer Kathode, welcher Raum gleichfalls von einer Spülflüssigkeit durchspült wird. Ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit in der Mittelzelle ist die Reynoldsche Zahl (im folgenden Re bezeichnet). Wenn in einem glatten runden Rohr mit dem Durchmesser ά eine Flüssigkeit mit einem spezifischen Gewicht e (γ) und einer Viskosität η mit einer linearen Geschwindigkeit V strömt,

Vd e
beträgt Re = .

■ η -

Ist der Querschnitt des Rohres nicht kreisförmig, sondern rechteckig, und ist die eine Abmessung davon beträchtlich größer als die andere, dann tritt an Stelle des Durchmessers d der sog. effektive Durchmesser Ct, welcher in unmittelbarer Beziehung steht mit der kleinsten Abmessung des engen Kanals und etwa das Doppelte dieser Abmessung beträgt.

Nun ist die Flüssigkeitsströmung immer laminar für Werte von Re unterhalb 1700 und für Werte von Re oberhalb 4000 immer turbulent. Zwischen Re 1700 bis 4000 kann Turbulenz auftreten u. a. infolge der Rauheit der Wandungen oder als Folge von in den Flüssigkeitsstrom gelegten Sperren (Querschnittsverminderungen). Auch wenn die Flüssigkeit zu Richtungsänderungen gezwungen wird, wird das Auftreten von Turbulenz gefördert; daher ist diese untere Grenze, im folgenden Re.hr. bezeichnet, d. h. den kritischen Wert der Reynoldschen Zahl, verschieden in jedem Apparat, nur variiert sie zwischen 1700 und 4000.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung sorgt man für eine solche Stromgeschwindigkeit, daß für den betreffenden Apparat Re größer ist als Re.kr. Wie aus obenstehendem hervorgeht, erreicht man dies an erster Stelle durch Wahl einer geeigneten Pump- ;eschwindigkeit. Weiter kann man Re.kr. noch beeinflussen (sei es innerhalb ziemlich enger Grenzen) durch die Wahl der geometrischen Gestaltung der inneren Oberflächen in der Elektrodialysezelle. Hiervon werden in den Ausführungsformen einige Beispiele ge- ;eben. Besonders beim Elektrodialysieren von kollo-

idalen Lösungen muß man dafür sorgen, daß bei höheren Werten von Re als Re.kr. gearbeitet wird, weil sonst Niederschläge auf den Diaphragmen entstehen. . Wenn man gemäß der Erfindung arbeitet, kann die Abmessung der Elektrodenräume in der Richtung des elektrischen Stromes gering sein, z. B. io mm oder sogar 5 bis 3 mm; dies ist sehr vorteilhaft bezüglich des elektrischen Stromverbrauches. Es empfiehlt sich manchmal, an der Elektrodeseite Tücher anzubringen zur Unterstützung der Membranen; diese Tücher können aus Leinwand, Baumwolle oder Rayon sein, sie sollen aber gegen die Flüssigkeiten der Kammer, worin sie angebracht sind, beständig sein.

Die dünne Zelle, durch welche die zu elektrodialysierende Flüssigkeit mit großer Geschwindigkeit hindurchgeführt wird, ist außerdem vorteilhaft, weil man hohe Stromdichten anwenden kann, ohne daß der Temperaturunterschied zwischen Zu- und Abfuhr der Flüssigkeit zu groß wird. Man kann diese Flüssigkeit nach Belieben eine oder mehrere Zellen und dann einen Kühler bis zur gewünschten Endtemperatur durchströmen lassen, wonach die Flüssigkeit wieder eine oder mehrere Zellen durchströmen kann.

Um das vorliegende Verfahren in befriedigender Weise auszuführen, sind verschiedene Ausführungsformen von Apparaten möglich. Man kann eine Elektrodialysezelle von rechteckigem Durchschnitt wählen, ohne daß darin weitere Organe vorhanden sind, wenn man nur die richtige Pumpgeschwindigkeit anwendet.

Diese hohe Pumpgeschwindigkeit hat zugleich einen Überdruck in der Elektrodialysezelle gegenüber der Elektrodenkammer zur Folge, wodurch der Gefahr vorgebeugt wird, daß die Membranen oder Diaphragmen einander berühren.

Die Zellen können hergestellt werden in der Form von flachen Rahmen aus jedem geeigneten elektrisch nicht oder schlecht leitenden Werkstoff, wie Kunstharz oder Gummi.

Zur Herabsetzung der Re.kr. kann man ein Gitter mit Stäben anbringen, wodurch die Elektrodedialysekammer unterteilt wird in eine Anzahl einzelner Abteilungen, welche zusammen das Gesamtvolumen der genannten Zellen bilden.
Man kann dabei in jeder der Elektrodenkammern gleichfalls ein Gitter anbringen, z. B. mit demselben Profil wie dem. der Mittelkammer. Hierdurch kann man die Durchbiegung der Diaphragmen oder Membranen beträchtlich hemmen, weil diese sich nur über kleine Oberflächen frei bewegen können.

In den Stäben des Gitters sollen Durchbohrungen angebracht werden, so daß Abteilungen in jeder Kammer miteinander in Verbindung stehen. Der Weg des Flüssigkeitsstromes durch die betreffenden Kammern kann nach Wunsch geregelt werden, indem man die Durchbohrungen in den Stäben dementsprechend anbringt. In beiden Elektrodenkammern können in den Stäben des Gitters zugleich die Zufuhrkanäle für die Spülflüssigkeiten und die Öffnungen für die Verteilung der Flüssigkeiten angeordnet werden. Vorzugsweise werden die Gitter konstruiert in der Form von Rahmen, so daß diese ein Ganzes bilden mit der Außenwand der Kammer. Auch kann man statt flacher Gitter wellenförmige Gitter in Kombination mit Wellenelektrodenoberflächen anwenden. Die Gitter können aus jedem geeigneten elektrisch nicht oder schlecht leitenden Werkstoff, wie z. B. Kunstharz oder Gummi, angefertigt werden.

• Man kann die zu elektrodialysierende Flüssigkeit durch eine Elektrodialysezelle zirkulieren lassen oder nacheinander durch eine Anzahl einzelner Elektrodialysezellen, wobei jede Elektrodialysezelle einen Teil des Dreikammerapparates bildet.

Obenerwähnte und andere Eigenschaften und Zwecke dieser Erfindung, wie auch die Weise, diese zu erreichen, sollen näher an Hand der nachstehenden Beschreibung der spezifischen Ausführungsbeispiele der Erfindung und an Hand der dazugehörigen Zeichnungen erläutert werden. Dabei veranschaulicht

Fig. ι eine schematische Darstellung des Elektrodialyseapparates mit einem kontinuierlichen Flüssig- 8e keitsstrom durch die drei Kammern,

Fig. 2 einen schematischen Durchschnitt eines einfachen Ausführungsbeispieles von einem Dreikammerapparat gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht von einer der Außtnkammern der Vorrichtung nach Fig. 2 und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht von der Mittelkammer nach Fig. 2,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines halbtechnischen Apparates, welcher aus einer Verbindung von sechs Elektrodialysezellen, welche nacheinander abwechseln, mit einer Kathode- und Anodezelle und den dazugehörigen Pumpen, Leitungen usw. besteht, • Fig. 6 eine Projektion von den Elementen der Zelle gemäß Fig. 5 in dem Zustand, in welchem die Einzelteile nicht aneinander angeschlossen sind,

Fig. 7 eine Projektion des Rahmens der Elektrodialysezelle gemäß Fig. 6 in zwei verschiedenen Ebenen,

Fig. 8 eine Projektion des Rahmens einer Elektrodenzelle nach Fig. 6 in zwei verschiedenen Ebenen,

Fig. 9 und 10 Ansichten von verschiedenen Ausführungsbeispielen von Gittern für eine Elektrodialysezelle,

Fig. 11 gleichfalls ein Gitter einer Elektrodialysezelle,

Fig. 12 einen teilweisen Durchschnitt eines Rahmens für eine Elektrodenkammer, zugehörig zum Rahmen der Elektrodialysezelle nach Fig. 11,

Fig. 13 eine Ansicht, teilweise geschnitten, eines no Dreikammerapparates mit einer sehr engen Mittelzelle,

Fig. 14 einen Durchschnitt entlang der Linie XIV-XIV in Fig. 13,

Fig. 15 eine Ansicht eines Spülraumes von einem Apparat nach Fig. 13,

Fig. 16 einen Durchschnitt nach der Linie XVI-XVI in Fig. 15,

Fig. 17 schematisch die Darstellung von Ausbildung und Anordnung einer technischen Anlage nach der Erfindung.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines kleinen Elektrodialyseapparates. Die zu behandelnde oder zu reinigende Flüssigkeit wird durch eine Pumpe 1 über das Rohr 11, welches sich im Kühlmantel 10 befindet, welcher eine Zuleitung 12

und eine Ableitung 13 für Wasser hat, in den Elektrodialyseraum 20 gedrückt. Gemäß der Erfindung soll der Abstand zwischen den Membranen 22, 23 weniger als 10 mm betragen und soll die Strömungsgeschwindigkeit durch die Zelle 20 derart sein, daß die Flüssigkeit sich in turbulenter Bewegung befindet. Die Membran 22 trennt den Mittelraum von der Kathodenzelle 25 ab, welche eine Zuführung 30 und eine Ableitung 31 für die Kathodenspülftüssigkeit aufweist. 27 ist die Kathode und 29 eine Kontaktfeder, welche mit einem wasserdichten isolierenden Packungsring durch die Wand hindurchgreift und zum Anschluß des elektrischen Stromes dient.

In ähnlicher Weise ist die Mittelzelle an der anderen Seite durch die-Anodenmembran 23 getrennt von dem Anodenraum 24, welcher mit einer Zufuhrleitung 33 und-einer Ableitung 32 für die Anodenflüssigkeit versehen ist. Die Anode 26 ist verbunden mit einer Kontaktfeder 28, welche wasserdicht und elektrisch isolierend in der Wand angebracht ist und zum elektrischen Anschluß dient. Die Flüssigkeit wird aus dem Elektrodialyseraum 20 durch das Rohr 41 in das Expansionsgefäß 40 geführt, das oben offen ist oder wenigstens in offener Verbindung mit der Luft steht. In diesem Expansionsgefäß können Instrumente für die Messung des pn-Wertes und der elektrischen Leitfähigkeit angebracht werden. Hieraus strömt die Flüssigkeit durch das Rohr 42 zurück zur Pumpe 1 und wird aufs Neue durch die Zelle hindurchgeführt. Wenn die Entsalzung weit genug fortgeschritten ist, kann die gereinigte Flüssigkeit mittels des Rohres 2 entfernt werden, indem der Hahn 3 geöffnet wird.

Das Verfahren kann auch kontinuierlich ausgeführt werden durch regelmäßige- Zufuhr einer geringen Menge nicht behandelter Flüssigkeit, z. B. durch das Rohr 43 mit Hahn 44 und Abführung einer gleichen Menge gereinigter Flüssigkeit aus dem Expansionsgefäß.

In den Fig. 2, 3 und 4 sind Ausführungsbeispiele einer besonders zweckmäßigen und einfachen Elektrodialysezelle gemäß der Erfindung dargestellt. Diese setzt sich zusammen aus drei Rahmen. 52 ist die Anodenzelle mit der Zufuhrleitung 60 und dem Ableitungsstutzen 61 für die Spülfmssigkeit, 55 ist die Anode mit der Kontaktfeder 56, welche isolierend und wasserdicht in der Wand angebracht ist. Die Membran 54 ist zwischen den Rahmen 52 und 50 eingespannt, wobei der letztere die Begrenzung der Mittelzelle bildet. Die Membran 53 trennt Kathode- und Mittelzelle und ist zwischen dem Rahmen 50 und dem . Rahmen 51, welcher die Kathodezelle bildet, eingespannt. Diese Käthodezelle ist versehen mit einer Zufuhr 63 und einer Ableitung 64 für die Spühiüssigkeit und einer Kathode 58 mit einer Kontaktfeder 57. Im Rahmen 52 dient die Öffnung 59 für die Zufuhr dieser Flüssigkeit zur Mittelzelle und im Rahmen 51 bildet die Öffnung 62 die Ableitung für diese Flüssigkeit. - .

In Fig. 5 enthält der Rahmen 140 einen Kühler 141 und eine Kombination von sechs Elektrodialyse-

• zellen 142, welche wechselweise von einem Anoden- und Kathodenraum getrennt werden. Die zu reinigende Flüssigkeit wird rundgepumpt mittels einer Pumpe 143, welche von einem Motor 144 angetrieben wird, über eine Leitung 145, den Kühler 141, den Elektrodialyseapparat 142, die Leitung 146 und das Expansionsgefäß 147 und zurück über die Leitung 148 zur Pumpe. Die Anodenspülflüssigkeit wird rundgepumpt von einer Pumpe 162, welche von einem Motor 163 angetrieben wird, und zwar über eine Leitung 164, die Anodenräume des Elektrodialyseapparates 142, die Leitung 165, das Expansionsgefäß 166 und zurück über die Leitung 161 zur Pumpe. Durch die Leitung 160 wird ständig frische Flüssigkeit zugeführt aus den Gefäßen 149 und 150, von denen 149 verdünnte Säure und 15a eine Lösung eines ionisierten Salz3s enthält, und zwar in einer Menge, welche von den Regelknöpfen 156 und 157 reguliert wird. Der Überschuß wird von einer Überlaufvorrichtung 167 aus dem genannten Expansionsgefäß 166 entfernt. Die Kathodenspülflüssigkeit wird von einer Pumpe 170, angetrieben von einem Motor 171, in Umlauf versetzt über das Rohr 172, durch die Kathodenräume des Elektrodialyseapparates 142, das Rohr 173, das Expansionsgefäß 174 und zurück durch das Rohr 175 zur Pumpe. Durch die Leitung 176 wird kontinuierlich frische Flüssigkeit zugeführt aus den Behältern 150 und 151, wovon 150 eine ionisierbare Salzlösung und 151 eine Alkalilösung enthält, und zwar in einer Menge, welche von den Regelknöpfen 158 und 159 reguliert wird. Der Überschuß wird der Zirkulation durch die Überlaufvorrichtung 167 entzogen. Die Stromzufuhr zu den Anoden erfolgt durch einen Draht 183, die Kupferbandanschlußleiste 182 und Anschlußstücke 181. Die Stromabführung von den Kathoden und den Zu- und Ableitungen für den Kühler 141 sind in der Zeichnung nicht sichtbar. ¹Ss, 153, 154 und 155 sind Absperrventile zwischen den Gefäßen 149, 150, 151 und den Regelknöpfen 156 bis 159.

Fig. 6 zeigt eine Projektion von allen Elementen der Elektrodialysezelle von Fig. 5, welche bequemlichkeitshalber auseinandergezeichnet sind. 190 bis 193 sind die Kathodenräume, von denen jeder eine Kathode enthält. Die Ziffern 194 bis 196 bezeichnen die Anodenräume, deren jeder eine Anode enthält, und 197 bis 202 die Elektrodialysezellen; beim- Montieren der Vorrichtung werden die Membranen 203 zwischen einer Elektrodialysezelle und einen Elektrodenraum eingespannt.

Fig: 7 ist eine Projektion einer Elektrodialysezelle in zwei Ebenen. 214 ist der Rahmen mit einer Öffnung 210 für die Zufuhr der Kathodenspülflüssigkeit und einer Öffnungen für die Entfernung dieser Flüssigkeit, während 212 und 213 für die Zu- und Abführung der Anodenspülflüssigkeit dienen.

Fig. 8 zeigt eine Projektion einer Elektrodialysierzelle und einen Durchschnitt entlang der Linie A-A. 220 stellt den Rahmen dar, 223 die Zufuhrleitung der Flüssigkeit für die Elektrodialysezelle und 221 die Öffnung, wodurch die Flüssigkeit entfernt wird.

In Fig. 9 ist 70 ein Rahmen aus einem elektrisch nicht oder schlecht leitenden Werkstoff, welcher leicht zu pressen oder zu formen ist, wie Kunstharz oder Gummi. Das Gitterwerk ist bezeichnet mit 73; 74 sind

die Öffnungen, um die entsprechenden Kammern zu verbinden. Die Flüssigkeit wird in die Zelle eingeführt bei 71 und verteilt über drei parallele Verzweigungen, welche, gestrichelt gezeichnet sind, und wird bei 72 aus der Zelle abgeführt.

Fig. 10 zeigt ein ähnliches Rahmenwerk 80, wobei die Flüssigkeit bei 81 und 82 zugeführt wird und durch zwei parallele Verzweigungen nach den Entleerungsöffnungen 83 und 84 strömt.

Fig. 11 gibt ein Ausführungsbeispiel wieder von einem Rahmen 90 für die Elektrodialysezelle. Die Flüssigkeit wird in die Zelle eingeführt bei 91 und 92 und abgeführt bei 93 und 94.

In Fig. 12 ist 100 ein Rahmen für die Elektrodenkammern passend zu dem Rahmen von Fig. 11. Die Spülflüssigkeit wird zugeführt in einem Kanal 101 und von hier verteilt über vier innere Kanäle 102,103, 104 und 105. Aus diesen Kanälen wird die Spülflüssigkeit zu den Elektrodenräumeii 106 geführt durch die Öffnungen 107 und wieder abgeführt durch 108 und 109. Die Membranen sind eingespannt zwischen dem Rahmen der Mittelzelle gemäß Fig. 11 und den damit korrespondierenden Teilen der Rahmen der Elektrodenkammern nach Fig. 12. Hierdurch vermeidet oder beschränkt man das Durchbiegen oder Ausweichen der Membranen beträchtlich, weil diese bloß über kleine Oberflächen sich ungehindert bewegen können.

Die Fig. 13 bis 16 geben noch Abänderungsmöglichkeiten eines einfachen Apparates wieder. Fig. 13 stellt dabei die Mittelzelle 110 dar, welche in der Richtung des elektrischen Stromes eine kleine Abmessung hat und unten und oben versehen ist mit weiteren Teilen Hl und 112 mit Öffnungen für Zufuhr 113 und Abfuhr 114. 115 und 116 sind Spülzellen, und 117 sind Diaphragmen.

In Fig. 14 stellen 120 und 121 die Elektroden dar und 122 und 123 die Kontaktfedern für den Strom, 124 und 126 die Zu- und Abfuhr für die Spülflüssigkeit des ersten Elektrodenraumes und 125 und 127 die Zu- und Ableitung für den zweiten Raum. 128 sind Gitter, versehen mit Öffnungen 130 für die Zufuhr der Spülflüssigkeiten.

In Fig. 15 ist 131 die Leitung, durch welche die Spülflüssigkeit zu der Spülzelle geführt wird, 128 das Gitter mit den Röhren, welche versehen sind mit Öffnungen 130 für die Verteilung der Spülflüssigkeit

über die ganze Spülzelle und einer Öffnung 132 für die Abführung der Spülflüssigkeit zusammen mit dem entwickelten Gas.

In Fig. 17 stellen 300, 320 und 340 je eine Batterie von Elektrodialysezellen mit zwanzig bzw. fünfunddreißig und siebzig Zellen dar. In jeder Gruppe sind die Zellen parallel geschaltet, sowohl für die zu reinigende Flüssigkeit wie auch für den elektrischen Strom; die drei Gruppen sind elektrisch hintereinandergeschaltet. Die zu reinigende Flüssigkeit wird zugeführt durch die Leitung 301 und durch eine Pumpe 302 über einen Kühler 303 zur Batterie 300 und durch das Rohr 304 von den Zellen zum Expansionsgefäß 305 geführt. Hieraus wird ein Teil der Flüssigkeit durch den Hahn 306 zu einem Expansionsgefäß 321 der Batterie 320 geführt, und der übrige Teil wird nach Mischung mit frisch zugeführter Flüssigkeit zurückgeführt zur Pumpe 302. In ähnlicher Weise ist die Batterie 320 ausgestattet mit einer Pumpe 322 und einem Kühler 323; der Unterschied gegenüber der ersten Gruppe besteht darin, daß die Flüssigkeit, welche von den Zellen durch das Rohr 324 strömt, zuerst in ein Expansionsgefäß 325 kommt, woraus ein Teil der Flüssigkeit durch den Hahn 326 und das Rohr 327 zu einem Expansionsgefäß 341 der dritten Gruppe geführt wird und der übrige Teil durch das Rohr 328 zum Expansionsgefäß 321 strömt. Die dritte Gruppe besteht aus einem Expansionsgefäß 341, einer Pumpe 342, einem Kühler 343, den Elektrodialysezellen 340 und einem Expansionsgefäß 345, woraus die gereinigte, entsalzte Flüssigkeit durch den Hahn 346 und das Rohr 347 entfernt wird. Die Elektrodenspülflüssigkeiten werden zugeführt durch die Rohre 307 und 308 zu jeder der drei Gruppen von Zellen, wobei jede Gruppe mit-einer Pumpe versehen ist für die Zirkulation jeder Spülflüssigkeit; diese Pumpen sind angedeutet durch 309, 310, 329, 330, 349 und 350. Der Überschuß an Spülflüssigkeit wird den Zirkulationsleitungen entzogen durch die Rohre 311, 312, 331, 332, 351, 352. Das Kühlwasser für die Kühler wird durch die Rohre 313, 333 und 353 zugeführt und durch die Rohre 314, 334 und 354 entfernt.

Nachstehend sollen noch einige Beispiele von Reinigungen mittels der Elektrodialyse in den oben umschriebenen Typen von Apparaten und gemäß dem Verfahren der Erfindung gegeben werden.

95 Beispiel I

Der Preßsaft, der erhalten wird bei der Gewinnung von Fischmehl aus Seefischen, enthält öle und Fette und eine wäßrige Phase. Diese wäßrige Phase enthält etwa 8% lösliche Eiweißkörper und 6% Salze. 6 Liter von diesem Slickwater wurden während 5 Stunden elektrodialysiert in einem Apparat nach Fig. 1, bei welchem die Membranoberfläche 16 X 37 cm⁸ und der Abstand der Membranen 4 mm beträgt. Die am Anfang erforderliche Spannung betrug etwa 6 Volt ; am Ende hatte diese bis etwa 15 Volt zugenommen infolge Herabsetzung der Leitfähigkeit der Lösung. Der Strom betrug etwa 70 Amp. am Anfang, d. h. etwa 140 mA je Quadratzentimeter Membranoberfläche; der Gesamtenergieverbrauch war 3 kWh. Man ließ das Slickwater durch die Zelle zirkulieren mit einer Pumpgeschwindigkeit von etwa 2000 Liter je Stunde, wobei Re ungefähr 3200 war bei einer Viskosität der Flüssigkeit von etwa 2,2 cP. Jede Elektrodenflüssigkeit wurde zirkulieren gelassen mit einer Geschwindigkeit von etwa 120 Liter je Stunde; die Anodenspülflüssigkeit wurde aufgefrischt mittels eines kontinuierlichen Zusatzes von 6 Liter Leitungswasser und ι bis 3 Liter 0,4 n-Na₂ S 0₄-Lösung je Stunde und die Kathodenspülflüssigkeit mittels Zusatzes von 6 Liter Leitungswasser je Stunde. Das danach erhaltene Produkt enthielt etwa 8 °/₀ Eiweiß und 0,6 % Salze; das p_H der Flüssigkeit in der Elektrodialysezelle konnte durch den Zusatz von o,4n-Na₂SO₄-Lösung zu der Anodenspülflüssigkeit variiert zwischen

6,7 bis 7,5 verwendbar bleiben, und bei diesem p_H trat keine Ausflockung der Eiweißkörper auf. Bei Konzentration -der erhaltenen gereinigten Flüssigkeit erhält man. einen Fischleim ausgezeichneter Qualität.

Beispiel II

Normale Rübenmelasse wird mit Wasser verdünnt zu einem Produkt von Trockensubstanzgehalt von

ίο 40,8 ⁰I₀- und einem Salzgehalt von 3,9%. Dieses Produkt wird in einem Apparat gemäß den Fig. 5 und 6 elektrodialysiert bei einem Strom, welcher variiert von 350 bis 250 Amp., und bei einer Spannung von 14 bis 30 Volt, während der mittlere Gesamtenergieverbxauch je Stunde^etwas weniger als 6 kWh beträgt. Die also erhaltene gereinigte Melasse hat einen Salzgehalt von nur 0,7 °/₀ und einen Zuckergehalt von etwa 35%; die Kapazität beträgt etwa 8 kg je Stunde. Der Abstand beträgt zwischen den Membranen etwa 0,25 cm· und die Oberfläche jeder Membran 37 χ i6 cm². Die Stromdichte variiert von 70 bis 100 mA/cm². Die Melasse wird rundgepumt mit einer Geschwindigkeit von etwa 15000 Liter/ Stünde. Die Viskosität der Flüssigkeit beträgt etwa 3,0 cP; die Reynoldsche Zahl ist nahezu 2900; die Elektrodenspülflüssigkeiten werden rundgepumt mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 Liter /Stunde. Die Anodenspülflüssigkeit wird aufgefrischt mit 0 bis 25 Liter/Stunde 0,06 n-H₂ S O₄ und mit ο bis 25 Liter/

Stunde 0,5 n-Nä₂SO₄ je nach der p_H-Änderung der Melasse. Die Kathodenspülflüssigkeit wird aufgefrischt durch kontinuierlichen Zusatz von 24 Liter 0,02 n-NaOH je Stunde; dadurch konnte das p_H der Melasse gehalten werden auf etwa 7 und traten keine Schwierigkeiten auf durch Inversion oder Ausflockung. Nach Entfärbung und Konzentration des Produktes, welches nach diesem Verfahren gewonnen war, erhielt man einen Sirup, welcher vollkommen geeignet ist für menschliche Ernährung.

Beispiel III

In einem ähnlichen Apparat wie im Beispiel II, nur mit Membranen von 16 X 50 cm² statt 16 X 37 cm², wird 30 kg der sirupartigen Flüssigkeit, welche erhalten wird nach der Entfernung des Milchzuckers aus konzentrierter Molke, nämlich Milchzuckermelasse, elektrodialysiert. Nach Verdünnung enthält diese Milchzuckermelasse etwa 35% Trockensubstanz, wovon etwa 10 °/₀ Salz und weiter hauptsächlich Mileh- zucker und Albumin sind. Der Strom beträgt etwa 700 Amp., die Spannung 8 bis 15 V,. der Energieverbrauch, um eine Charge innerhalb 3 Stunden zu verarbeiten, beträgt 23 kWh und die Stromdichte 146 mA/cm². Die Pumpgeschwindigkeit soll wenigstens 20 öoo Liter/Stunde betragen; die Viskosität der Flüssigkeit ist etwa 4,2 cP, und die Reynoldsche Zahl ist 2700. Die Geschwindigkeit und die Zusammenstellung der Elektrodenspülflüssigkeiten sind die gleichen wie im vorhergehenden Beispiel; das pH der Milchzuckermelasse wird eingestellt auf y,$. Nach Stunden ist der Salzgehalt zurückgebracht auf 3,7% und beträgt der Prozentsatz an festem Stoff °/₀." Nach Zerstäubung wird' ein eiweißhaltiges Milchzuckerprodukt erhalten, welches geeignet ist ■ als Bestandteil von Brotkrem oder Kuchen und als Ersatz von Eipulver in Bäckereiprodukten usw.

Beispiel IV

Konzentrierte Molke mit einem Trockensubstanzgehalt von etwa 40 °/₀ wird elektrodialysiert in einem Apparat gemäß Fig. 17. Die Produktion ist 100 kg je Stunde; die Entsalzung beträgt wenigstens 80%· Die Gesamtzahl der Elektrodialysezellen ist 125, welche aufgestellt sind in einer Gruppe von zwanzig, einer zweiten Gruppe von fünfunddreißig und einer dritten Gruppe von siebzig Zellen. Der Strom beträgt 2000 Amp..; die Spannung der Gruppen ist 12, 12 und 15 Volt und der Energieverbrauch für die Elektrodialyse 78 kWh je Stunde. Die Pumpgeschwindigkeit der Molke in den drei Gruppen ist 60 000 Liter, 100 000 Liter und 200 000 Liter je Stunde, die Viskosität 3,8 cP, die Oberfläche der Membranen 15 bis 40 cm², der Membranabstand etwa 0,25 cm und die Reynoldsche Zahl etwa 2900, 2700 und 2700. Die Stromdichte in den drei Gruppen beträgt 166, 95 und 48 mA/cm². Die Elektrodenspülflüssigkeiten werden in den drei Gruppen rundgepumpt in Mengen von 1000, 1500 und 3000 Liter/ Stunde. In sämtlichen Gruppen beträgt die Menge frische Flüssigkeit, welche zu den Kathodenzellen zugeführt wird, 100 Liter 0,01 n-Alkalilösung je Stunde; zu den Anodenzellen wird 100 Liter 0,02 n-HaS0₄ je Stunde und 0 bis 400 Liter 0,5 n-Na_aSO₄ je Stunde (insofern es erforderlich ist, um das pn der Molke zwischen 6,8 .und 7,2 zu halten) zugefügt. Bei Zerstäubung des entsalzten Produktes wird 40 kg Molkenpulver mit einem Atbumingehalt von 13 °/₀ und einem Laktosegehalt von 85 °/o erhalten; geeignet für menschliche Ernährung. Der gesamte elektrische Energieverbrauch für das Elektrodialyseverfahren und die Pumpen beträgt etwa 2 kWh je kg Trockensubstanz.

Beispiel V

Saure Milch kann wieder in den Frischmilchzustand gebracht werden mittels Elektrodialyse. In der Vorrichtung von Beispiel I können je Stunde 50 Liter Milch von 2Ö°/D auf i6°/D gebracht werden bei Anwendung eines Stromes von 60 Amp. und einer Spannung von etwa 50 Volt. Die Pumpgeschwindigkeit der Flüssigkeit soll nicht weniger als 1800 Liter/ Stunde betragen. Die Pumpgeschwindigkeit der Spülflüssigkeiten ist 100 Liter/Stunde; die Zufuhr zu der Kathodeflüssigkeit beträgt 4 Liter 0,02 n-NaOH-Lösung je Stunde und die Zufuhr zu der Anodespülflüssigteit 12 Liter 0,5 n-NaCl-Lösung. Das pn der Sauermilch, welches etwa 6 ist, wird wieder zurückgebracht auf den pa;-Wert von frischer Milch von etwa 6,9 bis 7,0.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Verfahren zum kontinuierlichen Elektrodialysieren von Flüssigkeiten in einem Dreikam-• merapparat, dadurch gekennzeichnet, daß in der Dialysezelle eine turbulente Flüssigkeitsströmung,

ζ. B. durch Einhalten einer Reynoldschen Zahl von 1700 bis 4000, aufrechterhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromstärke von mindestens 100 bis 300 mA je Quadratzentimeter Membranoberfläche aufrechterhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einhaltung einer optimalen Temperatur in der Dialysezelle die zu behandelnde Flüssigkeit vor Eintritt in die Zelle gekühlt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Anodenspülflüssigkeit eine wäßrige Lösung eines Salzes und einer Säure und als Kathodenspülflüssigkeit eine wäßrige Lösung eines Salzes und einer Base verwendet wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden und Elektrodialysezellen in abwechselnder Reihenfolge, durch permeable Membranen getrennt, in Verbindung mit einem Pumpensystem angeordnet sind und daß in den Elektrodedialysezellen ein Abstand zwischen den Membranen von weniger als 10 mm, vorzugsweise 2 bis 4 mm, vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Elektrodenzellen aus durch eine Oberflächenschicht elektrisch isolierenden flachen Rahmen und die Wände der Mittelzellen aus einem isolierenden Werkstoff bestehen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen zur Unterstützung der dazwischen gespannten Membranen und zum Hervorrufen einer Richtungsänderung im Flüssigkeitsstrom als Gitter mit durchbohrten Gitterstäben ausgebildet sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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