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Verfahren zum Regenerieren von abwechselnd übereinander angeordneten
Schichten von Anionen- und Kationenaustauschern mit Gleichstrom
Das Entsalzen von
Flüssigkeiten mittels Ionenaustauscher wird schon in großem Umfange in der Praxis
angewandt. Dabei wird einerseits mit getrennten Säulen fürAnionen- und Kationenaustauscher
gearbeitet, wobei zum Regenerieren eine Base oder eine basisch reagierende Lösung
und eine Säure oder eine Salzlösung durch diese Säulen geführt wird.
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Andererseits wird auch mit einer Mischung von Anionen- und Kationenaustauschern
gearbeitet, wobei vor der Regenerierung diese beiden Typen durch Flotation oder
in einer anderen Weise separiert werden müssen. Zwar hat man bisweilen die Meinung
geäußert, die Mischung von gesättigten Anionen- und Kationenaustauschern mittels
Elektrodialyse zu regenerieren, doch die Kosten der dazu erfor.derlichen elektrischen
Energie waren immer zu hoch.
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Aus der britischen Patentschrift 642 732 ist es bekannt, Schichten
von Kationen- und Anionenaustauschern übereinander anzuordnen, um unerwünscht große
p11-Schwankungen in der durchströmenden, zu entsalzenden Flüssigkeit vorzubeugen.
Das Füllen und Ausleeren des Apparates während der periodischen Regenerierung, welche
für beide Typen separat geschehen soll, beschwert jedoch in bedeutendem Maße das
Arbeiten mit Vorrichtungen dieses Typus.
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Es wurde gefunden, daß man in wirtschaftlich günstiger Weise in separaten
Schichten angeordnete normale Austauscher mittels Elektrolyse einer Salz-
lösung
in der benutzten Apparatur regenerieren kann, dadurch, daß man in dem Anionenaustauscher
Lauge und in dem Kationenaustauscher Säure entstehen läßt.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn zum Regenerieren von kombinierten
Anionen- und Kationenaustauschern ein Verfahren unter Benutzung von Gleichstrom
an- -gewendet wird, indem eine Salzlösung in Schichtrichtung der schichtweise übereinander
angeordneten Anionen- und Kationenaustauscher durch diese hindurchgeführt und gleichzeitig
zwischen den Anoden, die in den Schichten des Kationenaustauschers und den Kathoden,
welche in den Schichten des Anionenaustauschers angebracht sind, eine Gleichspannung
angelegt wird.
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Es ist jedoch auch möglich, mit dickeren Austauscherschichten zu
arbeiten; dann ist es vorteilhaft, den Elektroden eine derartige Form zu geben,
daß die entwickelte Lauge bzw. die entwickelte Säure sich gleichmäßig in der ganzen
Schichtdicke bilden kann.
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Bei der Elektrolyse einer Salzlösung bildet sich nämlich an derAnode
Säure und an derKathodeLauge.
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Der an der Anode anwesende Kationenaustauscher reagiert mit der Säure
gemäß KatM+H+ ÄZ > KatH+ +M+ Z; worin Kat M der Ionenaustauscher in der Salzform
und Kat H+ der Ionenaustauscher in der Säureform verstellt und Z die Säurerestionen
und M+ die Metallionen sind.
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In ähnlicher Weise bildet sich an der Kathode Lauge, welche mit dem
Anionenaustauscher reagiert gemäß AnZ + 0W + M+ + AnOW + Z + M+.
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Folglich entsteht sowohl an der Anode als an der Kathode während
der Regenerierung des Ionenaustauschers eine wäßrige Salzlösung.
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Zum Erreichen eines guten Wirkungsgrades ist es daher erwünscht,
den Weg der während der Regenerierung durch den'Austauscher hindurchströmenden Flüssigkeit
nicht übermäßig groß zu wählen, weil sonst Absorption des gebildeten Salzes auftritt.
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In Fig. I ist das anzuwendende Verfahren schematisch dargestellt,
während Fig. 2 schematisch einen Horizontalschnitt durch eine Apparatur darstellt.
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In Fig. I stellt I eine Säule dar, worin Schichten Kationenaustauscher
2 mittels dünner Schichten Glaswolle 3 von Schichten Anionenaustauscher 4 getrennt
sind. Im Kationenaustauscher sind korrosionbeständige Anoden 5 angebracht worden,
welche zum Beispiel aus Platingittern oder aus Magnetit bestehen können; in den
Anionenaustauscherschichten befinden sich Kathoden 6, welche zum Beispiel aus Nickel
ruder aus Platin bestehen können.
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Wenn die Säule zur Entsalzung verwendet wird, wird die zu entsalzende
Flüssigkeit in vertikaler Richtung durch die Säule geführt; bei Regenerierung wird
die Salzlösung durch die Röhren 7, ir zugeführt und in Richtung der Röhren I2, I6
abgeführt und zwischen den Anoden 5 und Kathoden 6 ein Gleichstrom angelegt.
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In. einer runden Probesäule mit einem Durchmesser von 7 cm, angeordnet
wie in Fig. 1 angegeben, werden zwei Schichten eines im Handel unter dem Namen Amberlite
I R 100 befindlichen Kationenaustauschers, welcher im ganzen ein Gewicht von 85
g hat, und zwei Schichten eines im Handel unter dem Namen Amberlite I R 4 B erhältlichen
Anionenaustauschers, welcher im ganzen ein Gewicht von etwa Ioo g hat, angebracht.
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Durch diese Säule wurden in vertikaler Richtung 200 cms/Stunde einer
I°/Oigen NaCl-Lösung hindurchgeführt, bis die Chloridkonzentration der ausströmenden
Flüssigkeit sich nahezu nicht mehr änderte.
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Danach wurde, während zu gleicher Zeit Strom durchgeführt wurde,
dieselbe Salzlösung in horizontaler Richtung. durch die Säule geführt, wobei die
Austauscher von der entwickelten Lauge und der entwickelten- Säure regeneriert wurden,
so daß die Salzkonzentration in der ausströmenden Flüssigkeit höher ist als die
in der einströmenden Flüssigkeit. Dies wurde fortgesetzt, bis die Chloridkonzentration
der ausströmenden und der einströmenden Flüssigkeit gleich waren, wonach der ganze
Prozeß wiederholt werden kann. Platingaze wurde als Elektrode angewandt.
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Es wurde gemessen, wieviel NaCl nach soIch einer Regenerierung aufgenommen
werden konnte. Der Wirkungsgrad der Regenerierung zeigte sich in starkem Maße von
der Stromstärke während der Regenerierung abhängig, wahrscheinlich weil bei hoher
Stromstärke an der Anode unerwünschte Nebenreaktionen, wie Chlorbildung u. dgl.,
auftreten. Die erhaltenen Resultate sind ,in der Tafel 1 angegeben.
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Tafel I
| Stromstärke während Energieverbrauch pro IOO g |
| der Regenerierung aufs Neue aufgenommene |
| NaCl |
| o,o6 Amp. 0,30 kWh |
| o,o8 - 0,30 - |
| 0,10 - o,8o - |
Es stellte sich weiter heraus, daß die nach der Regenerierung wiederaufgenommene
Menge NaC1 nur ein verhältnismäßig .geringer Prozentsatz der totalen Kapazität des
Austauschers war. Die Regenerierung fand hauptsächlich in der Nähe der Elektroden
statt, da die Schichtdicke des Austauschers (etwa 2 cm) zu groß gewählt war.
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Auch stellt es sich heraus, daß die zur völligen Sättigung des Austauschers
erforderliche Zeit sehr lang ist und daß in einem Drittel der erforderlichen Zeit
zur völligen Sättigung schon etwa 80 01o der im ganzen aufgenommenen Salz-menge
absorbiert wird. Gleichfalls stellte es sich heraus, daß bei Regenerierung der Wirkungsgrad
verbessert, wenn diese Regenerierung nicht möglichst weit durchgeführt wird.
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Auf Grund dieser Angaben wurde eine Vorrichtung konstruiert, wie
sie in Fig. 2 dargestellt ist.
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Diese Vorrichtung besteht aus einer Säule mit einem rechteckigen,
horizontalen Querschnitt mit inneren Abmessungen von zehnmal 50 cm. Die längsten
Wände I7, I8 sind doppelt und dienen bei der Regenerierung zum Zuführen der Flüssigkeit
durch Röhre 19 und zur Abfuhr durch Röhre 20. Das Innere dieser Wände ist mit horizontalen
Reihen
von Durchbohrungen versehen, wodurch die Flüssigkeit in den
Ionenaustauschraum eintritt und nach Durchströmen dieses Raumes wieder austritt;
der Abstand zwischen den horizontalen Reihen von Durchbohrungen beträgt etwa 1 cm.
Die Elektroden sind mittels elektrisch nichtleitenden Materials zwischen zwei Reihen
horizontaler Durchbohrungen an einer Wand befestigt.
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In dieser Säule sind zwischen diesen Reihen von Durchbohrungen gitterförmige
Platinanoden und Nickelkathoden angeordnet in der Mitte von jeder der Schichten
Kationen- bzw. Anionenaustauscher, welche Schichten jede etwa 5 mm dick sind. Diese
Schichten sind von Glasfasertuchschichten von einer' Dicke von etwa 5 mm voneinander
getrennt. Die ganze Höhe der Säule beträgt etwa 1 m. Durch diese Säule wird in senkrechter
Richtung eine einprozentige Na Cl-Lösung hindurchgeführt mit einer Geschwindigkeit
von etwa I35 ltStunde, bis die Chioridkonzentration der ausströmenden Flüssigkeit
nahezu konstant bleibt.
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Dann wird bei einer Spannung von 6 Volt Gleichstrom von etwa 60 Amp.
die Salzlösung in waagerechter Richtung durch die Säule hindurchgeführt, wodurch
die Ionenaustauscher wieder regeneriert werden. Wenn die Chloridkonzentration der
ausströmenden und einströmenden Flüssigkeit nahezu gleich ist, wird der Strom ausgeschaltet,
und der Prozeß fängt wieder von vorn an. In dieser Weise ist es möglich, innerhalb
8 Stunden die Konzentration von etwa 8001 Na Cl-Lösung von I bis 0,2 gll zu erniedrigen
mit einem Wirkungsgrad von etwa 0,22 kWh je IOO g entferntes Nah1; dies bedeutet
also einen Wirkungsgrad von noch nicht völlig 2 kWh je m8 der behandelten Losung.