Beschreibung
Verfahren zur Abtrennung von Wasser aus einem Wasser und wenigstens eine flüchtige saure und/oder basische Substanz ent- haltenden Gemisch
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Wasser aus einem Wasser und wenigstens eine flüchtige saure Sub¬ stanz und/oder wenigstens eine flüchtige basische Substanz enthaltenden Gemisch.
Verfahren zur Abtrennung von Wasser aus Wasser und saure bzw. basische Substanzen enthaltenden Gemischen sind z. B. in so genannten Abwässern oder Prozesswässern vieler Industriezwei- ge im Zusammenhang mit der Aufbereitung von Wasser von großer Bedeutung .
Eine besondere Herausforderung stellt insbesondere die ther¬ mische Abtrennung bzw. Aufbereitung von Wasser aus einem ent- sprechenden Gemisch dar, in welchem die sauren bzw. basischen Substanzen ähnliche chemisch-physikalische Eigenschaften wie das abzutrennende Wasser aufweisen. Dies ist insbesondere bei flüchtigen sauren bzw. basischen Substanzen, d. h. typischerweise flüchtigen Säuren bzw. Basen, der Fall.
Die hierzu bis dato üblichen Ansätze, insbesondere Destilla¬ tions- oder Rektifikationsprozesse, zur Abtrennung von Wasser aus entsprechenden Gemischen sind verbesserungswürdig, als diese in der Regel sowohl anlagen- als auch prozesstechnisch aufwändig und wenig effizient sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Abtrennung von Wasser aus einem Wasser und wenigstens eine flüchtige saure Substanz und/oder wenigstens eine flüchtige basische Substanz enthaltenden Gemisch anzuge¬ ben .
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst:
- Überführen der wenigstens einen flüchtigen sauren Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige basische Substanz mittels einer Säure-Base-Reaktion und/oder Überführen der wenigstens einen basischen Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige saure Substanz, und
- Abtrennen des Wassers von der wenigstens einen nicht flüchtigen sauren Substanz und/oder der wenigstens einen nicht flüchtigen basischen Substanz.
Das Verfahren stellt einen besonderen technischen Ansatz zur Abtrennung von Wasser aus einem Wasser und wenigstens eine flüchtige saure Substanz bzw. wenigstens eine flüchtige basi- sehe Substanz enthaltenden Gemisch dar. Das Verfahren kann insofern als Prozess zur Wasseraufbereitung bezeichnet bzw. erachtet respektive in einem Prozess zur Wasseraufbereitung implementiert werden. Unter flüchtigen sauren Substanzen bzw. flüchtigen basischen Substanzen werden in der Folge insbesondere Säuren und/oder Basen verstanden, deren chemisch-physikalische Eigenschaften ähnlich den chemisch-physikalischen Eigenschaften von Wasser sind. Insbesondere werden unter flüchtigen sauren Substanzen bzw. flüchtigen basischen Substanzen solche Säuren und/oder Basen verstanden, die bezogen auf einen bestimmten Druck, insbesondere atmosphärischen Druck, und eine bestimmte Tempe¬ ratur, insbesondere eine Temperatur von 25°C, d. h. typi¬ scherweise bei Standardbedingungen, einen Siedepunkt im Be- reich des Siedepunkts von Wasser und/oder einen Dampfdruck im Bereich des Dampfdrucks von Wasser aufweisen. Dies trifft beispielsweise auf Peressigsäure, welche sonach als entspre¬ chende flüchtige saure Substanz verwendet werden kann, und auf Ammoniak, welcher sonach als entsprechende flüchtige ba- sische Substanz verwendet werden kann, zu.
Bei einem entsprechenden Wasser und wenigstens eine flüchtige saure Substanz bzw. wenigstens eine flüchtige basische Sub-
stanz enthaltenden Gemisch kann es sich insbesondere um Abwasser aus wenigstens einem industriellen Prozess, wie z. B. der nassaseptischen Flaschenabfüllung, bei welcher mit Peressigsäure versetztes Spülwasser anfällt, oder der Wasserdamp- ferzeugung, bei welcher mit Ammoniak versetztes Kesselspeise¬ wasser anfällt, handeln.
In einem ersten Schritt des Verfahrens werden jeweilige flüchtige saure Substanzen mittels einer Säure-Base-Reaktion in die hierzu konjugierte bzw. korrespondierende nicht flüch¬ tige basische Substanz überführt. Analog dazu werden jeweili¬ ge flüchtige basische Substanzen mittels einer Säure-Base- Reaktion in die hierzu konjugierte bzw. korrespondierende nicht flüchtige saure Substanz überführt. Es werden also ty- pischerweise flüchtige Säuren in einer Säure-Base-Umwand¬ lungsreaktion in ihre jeweils korrespondierenden Basen und flüchtige Basen in einer Säure-Base-Umwandlungsreaktion in ihre jeweils korrespondierenden Säuren umgesetzt. Wesentlich ist dabei, dass die korrespondierenden basischen bzw. sauren Substanzen im Vergleich zu den zu den flüchtigen sauren bzw. basischen Substanzen andere chemisch-physikalische Eigen¬ schaften aufweisen und insbesondere nicht flüchtig sind.
Dieses Prinzip soll exemplarisch anhand flüchtiger saurer Substanzen näher erläutert werden. Analoges gilt selbstverständlich für flüchtige basische Substanzen.
Die flüchtigen sauren Substanzen liegen ohne Zugabe von den pH-Wert verändernden Substanzen und bei entsprechend geringer Säurestärke ursprünglich in dem Gemisch, insbesondere in des¬ sen chemisch-physikalischen Gleichgewicht, zumindest weitge¬ hend in ihrer nicht dissoziierten Form vor. Die bzw. ein Großteil der in dem Gemisch enthaltenen flüchtigen sauren Substanzen haben das bzw. die für die sauren Eigenschaften, allgemein für Säuren zumindest nach der Definition von
Br0nsted, charakteristische (n) Proton (en) bzw. Wasserstoff- Kation (en) ursprünglich noch nicht abgegeben, weshalb diese,
wie erwähnt, ursprünglich in der nicht dissoziierten Form vorliegen .
In dem nicht dissoziierten Zustand weisen die flüchtigen sau- ren Substanzen kovalente Bindungseigenschaften auf, d. h. die für den Säurecharakter erantwortlichen chemischen Elemente sind weitgehend kovalent gebunden. Die jeweiligen flüchtigen sauren Substanzen zeigen nach außen eine vergleichsweise schwache Ladung, welche sich im Wesentlichen auf auf unter- schiedliche Elektronegativitäten der die jeweiligen sauren
Substanzen bildenden chemischen Elemente zurückzuführende Dipoleffekte beschränkt.
Durch Überführen der flüchtigen sauren Substanzen in ihre je- weils korrespondierenden nicht flüchtigen basischen Substanzen ändern sich die chemisch-physikalischen Eigenschaften deutlich. Die Überführung der flüchtigen sauren Substanzen in ihre korrespondierenden nicht flüchtigen basischen Substanzen erfolgt, wie erwähnt, durch eine Säure-Base-Reaktion und be- dingt eine Dissoziation, d. h. die Abgabe von Protonen. Die korrespondierenden nicht flüchtigen basischen Substanzen weisen durch die Abgabe des oder der Protonen einen ionischen Charakter auf. Die korrespondierenden nicht flüchtigen basischen Substanzen zeigen nach außen nunmehr eine vergleichs- weise starke Ladung. Die korrespondierenden nicht flüchtigen Substanzen können deshalb stärker hydratisiert werden. Die sich durch entsprechende Hydratisierungsprozesse um die kor¬ respondierenden nicht flüchtigen basischen Substanzen bildenden Hydrathüllen machen diese, insbesondere im Vergleich zu ihren korrespondierenden flüchtigen sauren Substanzen, deutlich schwerer flüchtig.
Es ist also im Zusammenhang mit dem ersten Verfahrensschritt im Hinblick auf die jeweils durchzuführende Säure-Base- Reaktion zur Überführung jeweiliger flüchtiger saurer Substanzen bzw. basischer Substanzen in hierzu jeweils korrespondierende nicht flüchtige basische Substanzen bzw. saure Substanzen auf die Auswahl geeigneter Reaktionspartner und
geeigneter Prozessparameter, d. h. insbesondere pH-Wert, Temperatur, Druck etc., zu achten, um eine möglichst vollständi¬ ge Umsetzung der in dem Gemisch ursprünglich enthaltenen flüchtigen sauren Substanzen bzw. basischen Substanzen in die hierzu jeweils korrespondierende nicht flüchtigen basischen Substanzen bzw. sauren Substanzen zu realisieren.
In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird das Wasser von der oder den nicht flüchtigen sauren Substanz (en) bzw. der oder den nicht flüchtigen basischen Substanz (en) abgetrennt. Zur Abtrennung des Wassers kommen grundsätzlich sämtliche Prozesse in Frage, welche eine ein- oder mehrstufige Abtren¬ nung des Wassers aus einem entsprechenden Wasser und nicht flüchtige saure bzw. basische Substanzen enthaltenden Gemisch ermöglichen. Bevorzugt erfolgt das Abtrennen des Was¬ sers von der oder den nicht flüchtigen sauren Substanz (en) bzw. der oder den nicht flüchtigen basischen Substanz (en) thermisch. Das Verfahren kann daher im Allgemeinen auch als Verfahren zur thermischen Abtrennung von Wasser aus einem Wasser und wenigstens eine flüchtige saure Substanz und/oder wenigstens eine flüchtige basische Substanz enthaltenden Ge¬ misch bezeichnet bzw. erachtet werden. Grundsätzlich ist selbstverständlich auch möglich, die nicht flüchtigen sauren Substanz (en) bzw. die nicht flüchtigen basischen Substanz (en) von dem Wasser abzutrennen.
Im Zusammenhang mit dem Abtrennen des Wassers ist es beispielsweise möglich, dass Abtrennen des Wassers von der we¬ nigstens einen nicht flüchtigen sauren Substanz und/oder von der wenigstens einen nicht flüchtigen basischen Substanz vermittels wenigstens eines Verdampfungsvorgangs, in welchem das Wasser in einen gasförmigen Zustand überführt wird, oder vermittels wenigstens eines Verdunstungsvorgangs, in welchem das Wasser in einen gasförmigen Zustand überführt wird, erfolgen zu lassen. Im Rahmen des Abtrennens des Wassers von den je¬ weiligen nicht flüchtigen sauren bzw. basischen Substanzen werden sich also die nunmehr unterschiedlichen chemischphysikalischen Eigenschaften, d. h. insbesondere die unter-
schiedliche Flüchtigkeit, zunutze gemacht, welche es ermögli¬ chen, durch Wahl geeigneter Prozessparameter, insbesondere Temperatur und Druck, allein das vergleichsweise flüchtige Wasser in einen gasförmigen Zustand zu überführen und somit von den nicht flüchtigen sauren bzw. basischen Substanzen abzutrennen. Die zurückbleibenden nicht flüchtigen sauren bzw. basischen Substanzen können in einem Konzentrat bzw. in einem Konzentratstrom angereichert werden. In Abhängigkeit des Temperatur- bzw. Druckniveaus, bei wel¬ chem das Abtrennen des Wassers durchgeführt wird, kann dieses vermittels wenigstens eines Verdampfungsvorgangs (oberhalb des Siedepunkts des Wassers bei einem jeweiligen Druckniveau) oder wenigstens eines Verdunstungsvorgangs (unterhalb des Siedepunkts des Wassers bei einem jeweiligen Druckniveau) er¬ folgen. Das Abtrennen vermittels wenigstens eines Verduns¬ tungsvorgangs stellt in energetischer Hinsicht ein besonders vorteilhaftes und effizientes Prinzip dar. Im Allgemeinen erfolgt das Abtrennen des Wassers, wie er¬ wähnt, bevorzugt thermisch, d. h. dass es sich bei dem Ver¬ fahren bevorzugt um ein Verfahren zur thermischen Abtrennung von Wasser aus einem Wasser und wenigstens eine flüchtige saure Substanz und/oder wenigstens eine flüchtige basische Substanz enthaltenden Gemisch handelt.
Das vermittels des wenigstens einen Verdampfungsvorgangs oder vermittels des wenigstens einen Verdunstungsvorgangs in einen gasförmigen Zustand überführte Wasser kann im Weiteren ver- mittels wenigstens eines Kondensationsvorgangs rückkonden¬ siert und somit wieder in einen flüssigen Zustand überführt werden. Der wenigstens eine Verdampfungsvorgang oder der wenigstens eine Verdunstungsvorgang kann entsprechend in einem wenigstens eine Verdampfungsstufe oder wenigstens eine Ver- dunstungsstufe sowie wenigstens eine Kondensationsstufe um¬ fassenden Prozess parallel zu wenigstens einem Kondensations¬ vorgang, in welchem das in einen gasförmigen Zustand überführte Wasser (rück) kondensiert wird, erfolgen. Derartige
Prozesse sind beispielsweise unter der Bezeichnung „Multi- stage-Flash-Distillation", kurz MSF, Multi-Effect- Distillation" , kurz MED, bekannt. Bekannt ist allerdings auch ein Prozess, gemäß welchem in einem Fluidgemisch enthaltenes Wasser durch Verdunstungsvorgänge aus dem Fluidgemisch abge¬ trennt und nachfolgend rückkondensiert wird.
Die jeweilige Säure-Base-Reaktion zum Überführen der wenigstens einen flüchtigen sauren Substanz in die hierzu korres- pondierende nicht flüchtige basische Substanz wird zweckmäßig bei einem oberhalb des pKs-Wertes der flüchtigen sauren Sub¬ stanz liegenden pH-Wert durchgeführt. Analog dazu wird die jeweilige Säure-Base-Reaktion zum Überführen der wenigstens einen flüchtigen basischen Substanz in die hierzu korrespon- dierende nicht flüchtige saure Substanz zweckmäßig bei einem unterhalb des pKs-Wertes der flüchtigen basischen Substanz liegenden pH-Wert durchgeführt. Grundsätzlich ist es wesent¬ lich von dem pH-Wert des (ursprünglichen) Gemisches abhängig, ob die in diesem enthaltenen flüchtigen sauren Substanzen bzw. die in diesem enthaltenen flüchtigen basischen Substanzen dissoziiert oder nicht dissoziiert vorliegt. Der pH-Wert des Gemisches stellt also einen wesentlichen Parameter für die Einstellung bzw. Verschiebung des Gleichgewichts der jeweiligen Säure-Base-Reaktion, über welche die jeweiligen flüchtigen sauren Substanzen bzw. die jeweiligen flüchtigen basischen Substanzen in die hierzu jeweils korrespondierende nicht flüchtigen basischen Substanzen bzw. nicht flüchtigen sauren Substanzen umgesetzt wird, in Richtung der jeweiligen nicht flüchtigen basischen Substanzen bzw. sauren Substanzen dar.
Das Gemisch wird daher zweckmäßig durch Zugabe bzw. Zudosie- rung wenigstens einer zusätzlichen sauren Substanz bzw. Säure und/oder durch Zugabe bzw. Zudosierung wenigstens einer zu- sätzlichen basischen Substanz bzw. Base auf einen zur Durchführung der jeweiligen Säure-Base-Reaktion, d. h. zur Verschiebung des Gleichgewichts der Säure-Base-Reaktion in Richtung der jeweiligen nicht flüchtigen basischen Substanzen
bzw. sauren Substanzen, erforderlichen bzw. geeigneten pH- Wert eingestellt.
Durch eine Einstellung des pH-Werts bei der Säure-Base- Reaktion zur Überführung einer flüchtigen sauren Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige basischen Sub¬ stanz auf einen oberhalb des pKs-Wertes der flüchtigen sauren Substanz liegenden pH-Wert wird das Gleichgewicht der Säure- Base-Reaktion deutlich in Richtung der hierzu korrespondie- renden nicht flüchtigen basischen Substanz verschoben. Typischerweise sollte der pH-Wert dabei wenigstens auf eine be¬ tragsmäßige pH-Einheit oberhalb des pKs-Wertes der flüchtigen sauren Substanz eingestellt werden. Die Einstellung, d. h. hier die Erhöhung, des pH-Werts erfolgt typischerweise durch Zugabe von, insbesondere starken, Basen, wie z. B. Kalilauge oder Natronlauge. Für ein Gemisch von flüchtigen sauren Substanzen mit unterschiedlichen pKs-Werten sollte der pH-Wert derart gewählt werden, dass er oberhalb des pKs-Werts der flüchtigen sauren Substanz mit dem höchsten pKs-Wert liegt. Derart kann sichergestellt werden, dass alle in dem Gemisch enthaltenen flüchtigen sauren Substanzen dissoziieren und entsprechend in ihre jeweils korrespondierende nicht flüchti¬ ge basische Substanz überführt werden. In analoger Weise wird das Gleichgewicht der Säure-Base- Reaktion durch eine Einstellung des pH-Werts bei der Säure- Base-Reaktion zur Überführung einer flüchtigen basischen Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige sauren Substanz auf einen unterhalb des pKs-Wertes der flüchtigen basischen Substanz liegenden pH-Wert deutlich in Richtung der hierzu korrespondierenden nicht flüchtigen sauren Substanz verschoben. Typischerweise sollte der pH-Wert auch hier we¬ nigstens auf eine betragsmäßige pH-Einheit unterhalb des pKs- Wertes der flüchtigen basischen Substanz eingestellt werden. Die Einstellung, d. h. hier die Erniedrigung, des pH-Werts erfolgt typischerweise durch Zugabe von, insbesondere star¬ ken, Säuren, wie z. B. Salzsäure, Schwefelsäure etc. Für ein Gemisch von flüchtigen basischen Substanzen mit unterschied-
liehen pKs-Werten sollte der pH-Wert derart gewählt werden, dass er unterhalb des pKs-Werts der flüchtigen basischen Sub¬ stanz mit dem niedrigsten pKs-Wert liegt. Derart kann sichergestellt werden, dass alle in dem Gemisch enthaltenen flüch- tigen basischen Substanzen in ihre jeweils korrespondierende nicht flüchtige saure Substanz überführt werden.
An dieser Stelle soll erwähnt werden, dass es, um ein Gemisch mit mehreren flüchtigen sauren bzw. basischen Substanzen, welche gegebenenfalls unterschiedliche pKs-Werte aufweisen, überhaupt erkennen zu können, zweckmäßig ist, die anteilsmä¬ ßige chemische Zusammensetzung des Gemischs zu ermitteln. Hierfür können z. B. spektroskopische Untersuchungen, insbesondere UV/VIS spektroskopische Untersuchungen, an dem Ge- misch vorgenommen werden. Denkbar ist es auch, bestimmte von der anteilsmäßigen chemischen Zusammensetzung des Gemisches abhängige Parameter, wie z. B. die elektrische Leitfähigkeit, zu ermitteln und, gegebenenfalls über Vergleiche mit geeigne¬ ten Referenzwerten, Rückschlüsse auf die anteilsmäßige chemi- sehe Zusammensetzung des Gemischs zu ziehen.
Aus vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass sich die gewünschte Säure-Base-Reaktion zum Überführen flüchtiger saurer Substanzen in hierzu jeweils korrespondierenden nicht flüch- tigen basischen Substanzen durch Zugabe wenigstens einer Base und somit einer Erhöhung des pH-Werts des Gemischs steuern bzw. regeln lässt. Wiederum analog dazu lässt sich die ge¬ wünschte Säure-Base-Reaktion zum Überführen flüchtiger basischer Substanzen in hierzu jeweils korrespondierenden nicht flüchtigen sauren Substanzen durch Zugabe wenigstens einer
Säure und somit einer Erniedrigung des pH-Werts steuern bzw. regeln. Selbstverständlich lässt sich (zusätzlich) auch über weitere Prozessparameter, d. h. insbesondere Temperatur und Druck, auf die jeweilige Säure-Base-Reaktion respektive deren Gleichgewicht Einfluss nehmen.
Die Zugabe bzw. Zudosierung der wenigstens einen zusätzlichen Säure und/oder die Zugabe bzw. Zudosierung der wenigstens
einen zusätzlichen Base erfolgt zweckmäßig in Abhängigkeit des (ursprünglichen) pH-Werts des Gemischs. Der ursprüngliche pH-Wert des Gemischs sollte sonach durch geeignete Untersu¬ chungen unmittelbar oder mittelbar, d. h. über wenigstens einen mit dem pH-Wert korrelierbaren oder korrelierten Parameter des Gemischs, wie z. B. die elektrische Leitfähigkeit, ermittelt werden.
Es ist daher zweckmäßig, dass der pH-Wert des Gemischs und/oder wenigstens ein damit korrelierbarer oder korrelierter Parameter des Gemischs, insbesondere die elektrische Leitfähigkeit, insbesondere kontinuierlich, ermittelt wird. Die Ermittlung des pH-Werts und/oder des wenigstens einen da¬ mit korrelierten Parameters kann vor und/oder nach der Zugabe der wenigstens einen zusätzlichen Säure und/oder der wenigstens einen zusätzlichen Base erfolgen. In allen Fällen erfolgt eine Regelung bzw. Steuerung der Zugabe zusätzlicher Säuren und/oder Basen in Abhängigkeit eines jeweiligen, den pH-Wert des Gemischs betreffenden Ermittlungsergebnisses.
Sofern der pH-Wert bzw. ein damit korrelierter Parameter allein vor oder nach der Zugabe der zusätzlichen Säure bzw. Base ermittelt wird, kann grundsätzlich bestimmt werden, welche anteils- bzw. konzentrationsmäßige Zugabe zusätzlicher Säuren bzw. Basen erforderlich ist, um einen gewünschten pH-Wert des Gemischs einzustellen. Über eine Ermittlung des pH-Werts bzw. eines damit korrelierten Parameters vor und nach der Zugabe zusätzlicher Säuren bzw. Basen kann die Einstellung des pH- Werts des Gemischs exakter erfolgen, da ermittelt werden kann, welche Auswirkung die Zugabe der zusätzlichen Säure (n) bzw. Base (n) auf den pH-Wert des Gemischs tatsächlich hatte, so dass gegebenenfalls eine anteilsmäßige bzw. konzentrati¬ onsmäßige Änderung bzw. Anpassung der Zugabe vorgenommen werden kann.
Die wenigstens eine zuzugebende oder zugegebene zusätzliche Säure und/oder die wenigstens eine zuzugebende oder zugegebe¬ ne zusätzliche Base kann in einer Überdosierung zugegeben
werden. Derart ist es möglich, dass bedingt durch die Überdo¬ sierung gegebenenfalls nicht in der Säure-Base-Reaktion umgesetzte flüchtige saure bzw. basische Substanzen, z. B. kreis¬ laufartig rückgeführt, in einer nachfolgenden Säure-Base- Reaktion zur Überführung entsprechender flüchtiger saurer bzw. basischer Substanzen in ihre korrespondierenden nicht flüchtigen basischen bzw. sauren Substanzen verwendet werden kann. Gleichermaßen lässt sich durch die Überdosierung ein bestimmtes pH-Niveau des Gemischs sicherstellen, welches, wie erwähnt, für die gewünschte Überführung entsprechender flüchtiger saurer bzw. basischer Substanzen in die hierzu jeweils korrespondierenden nicht flüchtigen basischen bzw. sauren Substanzen wesentlich ist. Ausgehend von einer Überdosierung ist es auch möglich, die Zugabe zusätzlicher Säuren bzw. Basen unmittelbar vor einer Abführung eines Konzentratstroms zu unterbrechen. Die Abführung des Konzentratstroms kann bei einem betragsmäßig um eine Einheit oberhalb bzw. unterhalb des pKs-Wertes der jeweiligen sauren bzw. basischen Substanzen liegenden pH-Wert erfolgen. Nach der Abführung kann wieder zusätzliche Säure bzw. Base zugegeben und die Überdosierung wieder hergestellt werden. Im Rahmen der jeweiligen Säure-Base-Reaktionen zur Überführung flüchtiger saurer bzw. basischer Substanzen in die hier- zu jeweils korrespondierenden nicht flüchtigen basischen bzw. sauren Substanzen können Salze gebildet werden. Die typischerweise in einem entsprechend Konzentratstrom enthaltenen Salze können verschiedenartig verwendet werden. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass eine jeweilige korrespondiere nicht flüchtige Substanz in Form eines Salzes gebildet und wenigs¬ tens einem das Salz verwendenden, insbesondere industriellen, Drittprozess zugeführt wird. Lediglich beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf das bei der Neutralisation von Essigsäure mit Natronlauge gebildete Natriumacetat verwiesen, wel- ches, z. B. als Lebensmittelzusatz oder Phasenwechselmateri- al, industriell bzw. wirtschaftlich nutzbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Einrichtung, insbesondere einen Reaktor, zum Überführen wenigstens einer flüchtigen sauren Substanz in die hierzu korrespondierende bzw. konjugierte nicht flüchtige ba¬ sische Substanz mittels einer Säure-Base-Reaktion und/oder zum Überführen wenigstens einer flüchtigen basischen Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige saure Sub¬ stanz mittels einer Säure-Base-Reaktion und wenigstens eine Einrichtung, insbesondere einen Reaktor, zum Abtrennen des
Wassers von der wenigstens einen nicht flüchtigen sauren Substanz und/oder von der wenigstens einen nicht flüchtigen basischen Substanz. Die erstgenannte und/oder die zweitgenannte Einrichtung kann in eine Anlage zur Wasseraufbereitung inte- griert werden.
Sämtliche Ausführungen bezüglich des Verfahrens gelten analog für die Vorrichtung. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1, 2 je eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur
Durchführung eines Verfahrens zur Abtrennung von
Wasser aus einem Wasser und wenigstens eine flüchtige saure Substanz und/oder wenigstens eine flüchtige basische Substanz enthaltenden Gemisch gemäß einem Ausführungsbeispiel der Er- findung.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung 1 zur Durchführung eines Verfahrens zur Abtrennung von Wasser aus einem Wasser und wenigstens eine flüchtige saure Substanz, typischerweise eine Säure, und/oder wenigstens eine flüchtige basische Substanz, typischerweise eine Base, enthaltenden Ge¬ misch gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das über die Vorrichtung 1 durchführbare Verfahren dient ent¬ sprechend der Aufbereitung von Säuren bzw. Basen enthaltenden wässrigen Gemischen bzw. wässrigen Lösungen. Über die Vorrichtung 1 lassen sich sowohl saure als auch basische wässri- ge Gemische aufbereiten.
Bei dem Gemisch kann es sich insbesondere um eine, z. B. im Rahmen der nassaseptischen Flaschenabfüllung anfallende, saure wässrige Lösung, welche im Wesentlichen eine Säure, insbe- sondere Peressigsäure, und Wasser enthält, oder um eine, z. B. bei der Wasserdampferzeugung anfallende, als Kesselspeisewasser bezeichnete, basische wässrige Lösung, welche im Wesentlichen eine Base, insbesondere Ammoniak, und Wasser enthält, handeln.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Einrichtung 2 bzw. einen Reaktor zum Überführen wenigstens einer flüchtigen sauren Substanz in die hierzu korrespondierende bzw. konjugierte nicht flüchtige basische Substanz mittels einer Säure-Base-Reaktion bzw. zum Überführen wenigstens einer flüchtigen basischen
Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige sau¬ re Substanz. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Einrichtung 3 bzw. einen Reaktor zum Abtrennen des Wassers von den zuvor gebildeten nicht flüchtigen sauren bzw. basischen Sub- stanzen. Wie sich weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 2 ergibt, kann zumindest die Einrichtung 3 Teil eines wenigs¬ tens eine Verdampfungsstufe bzw. wenigstens eine Verduns¬ tungsstufe sowie wenigstens eine Kondensationsstufe umfassen¬ den Prozesses zur Aufbereitung von Wasser sein.
Das mit der Vorrichtung 1 durchführbare bzw. durchgeführte Verfahren soll zunächst ausgehend von einer aufzubereitenden sauren wässrigen Lösung, mithin einem eine flüchtige saure Substanz, vorliegend Peressigsäure (CH3COOOH) , und Wasser enthaltenden Gemisch erläutert werden.
In einem ersten Schritt des Verfahrens wird die flüchtige saure Substanz mittels einer Säure-Base-Reaktion in die hier-
zu konjugierte bzw. korrespondierende nicht flüchtige basi¬ sche Substanz überführt. Die flüchtige saure Substanz liegt in dem Gemisch ursprünglich weitgehend in ihrer nicht dissoziierten Form vor. Ein Großteil der Peressigsäuremoleküle hat das für die sauren Eigenschaften charakteristische Proton bzw. Wasserstoff-Kation ursprünglich noch nicht abgegeben.
In dem nicht dissoziierten Zustand weist die flüchtige saure Substanz einen kovalenten Charakter auf. Die flüchtige saure Substanz zeigt nach außen eine vergleichsweise schwache La¬ dung bzw. Partialladung, welche sich im Wesentlichen auf auf unterschiedliche Elektronegativitäten der diese bildenden chemischen Elemente zurückzuführende Dipoleffekte beschränkt. Hierdurch wird die Flüchtigkeit der flüchtigen sauren Sub- stanz wesentlich bestimmt.
Durch Überführen der flüchtigen sauren Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige basische Substanz ändern sich die chemisch-physikalischen Eigenschaften deutlich. Die Überführung der flüchtigen sauren Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige basische Substanz (CH3COOO-) erfolgt durch nachfolgend dargestellte Säure-Base-Reaktion und bedingt eine Dissoziation der flüchtigen sauren Substanz, d. h. die Abgabe von Protonen:
CH3COOOH + H20 «■ CH3COOO" + H30+
Die zu der flüchtigen sauren Substanz korrespondierende nicht flüchtige basische Substanz (CH3COOO-) weist einen ionischen Charakter auf. Entsprechend zeigt die nicht flüchtige basi¬ sche Substanz nach außen nunmehr eine vergleichsweise starke Ladung. Die nicht flüchtige basische Substanz kann deshalb stärker hydratisiert werden. Die sich durch Hydratisierungs¬ prozesse um die nicht flüchtige basische Substanz bildende Hydrathülle macht diese, insbesondere im Vergleich zu ihrer korrespondierenden flüchtigen sauren Substanz, deutlich schwerer flüchtig.
Ausgehend von einer aufzubereitenden basischen wässrigen Lösung, mithin einem eine flüchtige basische Substanz, vorlie¬ gend Ammoniak (NH3) , und Wasser enthaltenden Gemisch wird analog dazu die flüchtige basische Substanz mittels einer Säure-Base-Reaktion in die hierzu konjugierte bzw. korrespondierende nicht flüchtige saure Substanz überführt.
Die flüchtige basische Substanz liegt in dem Gemisch ur¬ sprünglich weitgehend in ihrer nicht protonierten Form vor. Ein Großteil der Ammoniakmoleküle hat die für die basischen Eigenschaften charakteristische Protonaufnahme ursprünglich noch nicht durchgeführt.
In dem nicht protonierten Zustand weist die flüchtige basi- sehe Substanz kovalente Bindungseigenschaften auf. Die flüchtige basische Substanz zeigt nach außen deshalb ebenso eine vergleichsweise schwache Ladung bzw. Partialladung, welche sich ebenso im Wesentlichen auf auf unterschiedliche Elektro- negativitäten der diese bildenden chemischen Elemente zurück- zuführende Dipoleffekte beschränkt. Hierdurch wird die Flüch¬ tigkeit der flüchtigen basischen Substanz wesentlich bestimmt .
Durch Überführen der flüchtigen basischen Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige saure Substanz än¬ dern sich die chemisch-physikalischen Eigenschaften deutlich. Die Überführung der flüchtigen basischen Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige saure Substanz
(NH4 +) erfolgt durch nachfolgend dargestellte Säure-Base- Reaktion und bedingt eine Protonierung der Base, d. h. die Aufnahme von Protonen:
NH3 + H20 NH4 + + OH" Auch hier weist die zu der flüchtigen basischen Substanz korrespondierende nicht flüchtige saure Substanz (NH4 +) einen ionischen Charakter auf. Entsprechend zeigt die nicht flüch¬ tige saure Substanz nach außen nunmehr eine vergleichsweise
starke Ladung. Die nicht flüchtige saure Substanz kann des¬ halb stärker hydratisiert werden. Die sich durch Hydratisie¬ rungsprozesse um die nicht flüchtige saure Substanz bildende Hydrathülle macht diese, insbesondere im Vergleich zu ihrer korrespondierenden flüchtigen basischen Substanz (NH3) , deutlich schwerer flüchtig.
Im Zusammenhang mit dem ersten Verfahrensschritt ist im Hinblick auf die jeweils durchzuführende Säure-Base-Reaktion zur Überführung jeweiliger flüchtiger saurer bzw. basischer Substanzen in hierzu jeweils korrespondierende nicht flüchtigen basischen bzw. sauren Substanzen auf die Auswahl geeigneter Reaktionspartner und geeigneter Prozessparameter, d. h. insbesondere pH-Wert, Temperatur, Druck etc., zu achten, so dass eine möglichst vollständige Umsetzung der in dem Gemisch ur¬ sprünglich enthaltenen flüchtigen sauren bzw. basischen Substanzen in die hierzu jeweils korrespondierenden nicht flüchtigen basischen bzw. sauren Substanzen möglich ist. In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird das Wasser von der jeweiligen nicht flüchtigen sauren bzw. basischen Substanz abgetrennt. Das abgetrennte Wasser wird in einem Pro¬ duktstrom PS, die nicht flüchtigen sauren bzw. basischen Substanzen werden in einem Konzentratstrom PS aus der Einrich- tung 3 geführt. Zur Abtrennung des Wassers kommen grundsätzlich sämtliche Prozesse in Frage, welche eine ein- oder mehr¬ stufige Abtrennung des Wassers aus dem entsprechenden Wasser und nicht flüchtige saure bzw. basische Substanzen enthalten¬ den Gemisch ermöglichen. Bevorzugt erfolgt die Abtrennung des Wassers aus dem Gemisch thermisch. Ein besonderer Prozess wird weiter unten mit Bezug auf Fig. 2 näher erläutert.
Die jeweilige Säure-Base-Reaktion zum Überführen flüchtiger saurer Substanzen in hierzu korrespondierenden nicht flüchti- gen basische Substanzen wird bei einem oberhalb des pKs-
Wertes der flüchtigen sauren Substanzen liegenden pH-Wert des Gemischs durchgeführt. Analog dazu wird die jeweilige Säure- Base-Reaktion zum Überführen flüchtiger basischer Substanzen
in die hierzu korrespondierenden nicht flüchtigen sauren Substanzen bei einem unterhalb des pKs-Wertes der flüchtigen ba¬ sischen Substanzen liegenden pH-Wert des Gemischs durchge¬ führt. Das Gemisch wird daher auf einen zur Durchführung der jeweiligen Säure-Base-Reaktion erforderlichen pH-Wert durch Zudosierung wenigstens einer zusätzlichen Säure, z. B. Salzsäure, bzw. durch Zudosierung wenigstens einer zusätzlichen Base, z. B. Natronlauge, eingestellt. Die Zudosierung zusätz¬ licher Säuren bzw. Basen erfolgt durch eine in eine in die Einrichtung 2 führende Zuleitung 4 geschaltete Zudosierung- seinrichtung 5.
Durch eine Einstellung des pH-Werts des Gemischs kann das Gleichgewicht der Säure-Base-Reaktion in Richtung der jeweiligen nicht flüchtigen sauren bzw. basischen Substanzen verschoben werden. Typischerweise wird der pH-Wert bei der Über¬ führung einer flüchtigen sauren Substanz in die korrespondierende nicht flüchtige basische Substanz wenigstens auf eine betragsmäßige pH-Einheit oberhalb des pKs-Wertes der flüchti¬ gen sauren Substanz eingestellt. Entsprechend wird der pH- Wert bei der Überführung einer flüchtigen basischen Substanz in die korrespondierende nicht flüchtige saure Substanz we¬ nigstens auf eine betragsmäßige pH-Einheit unterhalb des pKs- Wertes der flüchtigen basischen Substanz eingestellt.
Der pKs-Wert der flüchtigen Peressigsäure liegt bei ca. 8,2, so dass die Säure-Base-Reaktion zum Überführen dieser in die korrespondierende nicht flüchtige basische Substanz bei einem pH-Wert von mindestens 9,2 durchgeführt werden sollte. Wie erwähnt, wird der pH-Wert durch gezielte Zudosierung einer Base, z. B. Natronlauge, eingestellt, d. h. hier erhöht.
Der pKs-Wert des flüchtigen Ammoniaks liegt bei ca. 9,2, so dass die Säure-Base-Reaktion zum Überführen dieses in die korrespondierende nicht flüchtige saure Substanz bei einem pH-Wert von höchstens 8 durchgeführt werden sollte. Wie er¬ wähnt, wird der pH-Wert durch gezielte Zudosierung einer Säu¬ re, z. B. Salzsäure, eingestellt, d. h. hier erniedrigt.
Es kann sein, dass ein Gemisch mehrere flüchtige saure bzw. basische Substanzen mit gegebenenfalls unterschiedlichen pKs- Werten enthält. Insofern ist die anteilsmäßige chemische Zu- sammensetzung des Gemischs zu ermitteln. Hierfür können z. B. spektroskopische Untersuchungen, insbesondere UV/VIS spekt¬ roskopische Untersuchungen, an dem Gemisch vorgenommen werden. Denkbar ist es auch, bestimmte von der anteilsmäßigen chemischen Zusammensetzung des Gemisches abhängige Parameter, wie z. B. die elektrische Leitfähigkeit, zu ermitteln und, gegebenenfalls durch Vergleiche mit Referenzwerten, Rück¬ schlüsse auf die anteilsmäßige chemische Zusammensetzung des Gemischs zu ziehen. Die vermittels der Zudosierungseinrichtung 5 mögliche Zudo- sierung zusätzlicher Säuren bzw. Basen erfolgt insbesondere in Abhängigkeit des pH-Werts des Gemischs. Der pH-Wert des Gemischs wird sonach vermittels geeigneter pH-Ermittlungs¬ einrichtungen 6, 7 unmittelbar oder mittelbar, d. h. über we- nigstens einen mit dem pH-Wert korrelierbaren oder korrelierten Parameter des Gemischs, wie z. B. die elektrische Leitfä¬ higkeit, typischerweise kontinuierlich, ermittelt.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist eine erste pH-Ermittlungs- einrichtung 6 der Zudosierungseinrichtung 5 vorgeschaltet.
Eine zweite pH-Ermittlungseinrichtung 7 ist der Zudosierungseinrichtung 5 nachgeschaltet. Entsprechend kann der pH-Wert des Gemischs vor und nach der Zudosierung zusätzlicher Säuren bzw. zusätzlicher Basen ermittelt werden. Über eine mit den pH-Ermittlungseinrichtung 6, 7 sowie der Zudosierungseinrichtung 5 zugeordnete Steuereinrichtung 8 lässt sich die Zudo¬ sierung exakt steuern bzw. regeln.
Zuzugebende zusätzliche Säuren bzw. Basen können in einer Überdosierung zugegeben werden. Die Überdosierung hat insbesondere den Vorteil, dass nicht umgesetzte flüchtige saure bzw. basische Substanzen, z. B. kreislaufartig rückgeführt, in einer nachfolgenden Säure-Base-Reaktion zur Überführung
entsprechender flüchtiger saurer bzw. basischer Substanzen verwendet werden können. Gleichermaßen lässt sich durch die Überdosierung ein bestimmtes pH-Niveau des Gemischs sicher¬ stellen, welches für die gewünschte Überführung flüchtiger saurer bzw. basischer Substanzen in die hierzu jeweils korrespondierenden nicht flüchtigen basischen bzw. sauren Substanzen wesentlich ist.
Ausgehend von einer Überdosierung ist es auch möglich, die Zugabe zusätzlicher Säuren bzw. Basen unmittelbar vor einer Abführung eines Konzentratstroms zu unterbrechen. Die Abführung des Konzentratstroms kann bei einem betragsmäßig um eine Einheit oberhalb bzw. unterhalb des pKs-Wertes der jeweiligen sauren bzw. basischen Substanzen liegenden pH-Wert erfolgen. Nach der Abführung kann wieder zusätzliche Säure bzw. Base zugegeben und die Überdosierung wieder hergestellt werden.
Die im Rahmen der jeweiligen Säure-Base-Reaktionen gebildeten Salze können, enthalten in dem Konzentratstrom KS einem diese verwendenden, insbesondere industriellen, Drittprozess zuge¬ führt werden.
Anhand von Fig. 2 wird im Weiteren ein besonderer Prozess zum Abtrennen des Wassers gemäß dem zweiten Verfahrensschritt kurz erläutert. Der Prozess umfasst eine in einer Kondensati¬ onseinrichtung 9 realisierte Kondensationsstufe und eine in einer hierzu parallel geschalteten Verdunstungseinrichtung 10 realisierte Verdunstungsstufe. Das von den nicht flüchtigen sauren bzw. basischen Substanzen abzutrennende Wasser (Rohwasser) wird ausgehend von der in den Prozess implementierten Vorrichtung 1 durch die Kondensationseinrichtung 9 geführt, in welcher es die bei den dort stattfindenden Kondensationsprozessen entstehende Kondensati- onswärme aufnimmt und so als Kühlmedium dient.
Das erwärmte Wasser wird im Weiteren durch eine externe Wär¬ mequelle 11, typischerweise einen Wärmetauscher, über welchen
sich Abwärme aus industriellen Prozessen auf das Wasser übertragbar ist, weiter erwärmt und von oben in die Verdunstungs¬ einrichtung 10 eingeführt. In der Verdunstungseinrichtung 10 wird das Wasser über einem geeigneten Verdunstungsmaterial verrieselt.
Die Temperatur des in der Verdunstungseinrichtung 10 abwärts strömenden Wassers sinkt von Kopf zum Fuß, da dem Wasser durch Verdunstung und Wärmeübertragung auf die entgegen- strömende Luft Wärme entzogen wird. Entsprechend steigt die Temperatur der entgegenströmenden Luft vom Fuß zum Kopf der Verdunstungseinrichtung 10 an. Die Temperatur der Luft bleibt im stabilen Betrieb mit stationären Bedingungen aber immer unterhalb der Wassertemperatur auf gleicher Höhe der Verduns- tungseinrichtung 10. In der Verdunstungseinrichtung 10 erfolgt damit eine Wärmeübertragung von dem fallenden Wasser auf die aufsteigende Luft. Entsprechend ihrer ansteigenden Temperatur kann die Luft mehr Wasserdampf aufnehmen. Wasser und Luft bilden also einen Gegenstrom-Wärmetauscher.
Das aufkonzentrierte Wasser wird nach Passage der Verduns¬ tungseinrichtung 9 gekühlt und einem nicht gezeigten Vorlagentank zugeführt. Eine Kühlung ist auch nach einem solchen Vorlagetank möglich. In einem solchen Vorlagetank könnte eine pH-Einstellung erfolgen. Um eine zu hohe Aufkonzentrierung zu verhindern, kann ein Teil des aufkonzentrierten Wassers durch frisches Rohwasser ersetzt werden.
Im verlustfreien Fall ist die durch Kühlung abzuführende Wär- meleistung gleich der zugeführten Wärmeleistung abzüglich der für die Entmischung aufzuwendenden Leistung (Entropie- Änderung) . Es handelt sich in energetischer Hinsicht um einen besonders effizienten Prozess. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus
abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .