WO2016030030A1 - Verfahren zur abtrennung von wasser aus einem wasser und wenigstens eine flüchtige saure und/oder basische substanz enthaltenden gemisch - Google Patents

Verfahren zur abtrennung von wasser aus einem wasser und wenigstens eine flüchtige saure und/oder basische substanz enthaltenden gemisch Download PDF

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acidic
acid
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Markus Ziegmann
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Definitions

  • the invention relates to a method for separating water from a water and at least one volatile acid sub ⁇ substance and / or at least one volatile basic substance-containing mixture.
  • a particular challenge in particular represents the ther ⁇ mix separation or purification of water from a corresponding mixture in which the acidic and basic substances having similar chemical-physical properties as the water to be separated. This is the case in particular with volatile acidic or basic substances, ie typically volatile acids or bases.
  • the invention has for its object to provide an improved method for separating water from a water and at least one volatile acidic substance and / or at least one volatile basic substance-containing mixture suits ⁇ ben.
  • the object is achieved by a method of the aforementioned type, which comprises the following steps:
  • the method represents a special technical approach for the separation of water from a water and at least one volatile acidic substance or at least one volatile base see substance containing mixture.
  • the method may be referred to as process for water treatment or considered respectively in a process for Water treatment will be implemented.
  • volatile acidic substances or volatile basic substances are understood as meaning, in particular, acids and / or bases whose chemical-physical properties are similar to the chemical-physical properties of water.
  • those acids and / or bases are volatile acidic substances or volatile basic substances understood that reference to a given pressure, in particular atmospheric pressure, and a certain Tempe ⁇ temperature, particularly a temperature of 25 ° C, that is typi ⁇ shearing, in Standard conditions, have a boiling point in the range of the boiling point of water and / or a vapor pressure in the range of the vapor pressure of water.
  • an appropriate water and at least one volatile acidic substance or at least one volatile basic sub- punch containing mixture may be in particular wastewater from at least one industrial process, such.
  • wastewater from at least one industrial process such.
  • wet-aseptic bottling wherein obtained with peracetic acid added rinse water, or the steam generation, which is obtained with ammonia added boiler feed ⁇ water act.
  • respective volatile acidic substances are converted by an acid-base reaction in which this conjugated or not corresponding Peek ⁇ term basic substance.
  • jeweili ⁇ ge volatile basic substances are transferred by means of an acid-base reaction in which this conjugated or corresponding non-volatile acidic substance. It will be converted into an acid-base reaction Encrypt ⁇ lung in their respective corresponding bases and nonvolatile bases in an acid-base conversion reaction in each of their corresponding acids ty- pisch legally volatile acids. It is essential that the corresponding basic or acidic substances in comparison to those to the volatile acidic or basic substances have other chemical and physical properties ⁇ properties and in particular are not volatile.
  • the volatile substances are acid without the addition of pH-altering substances and correspondingly lower acid strength originally in the mixture, in particular in the ⁇ sen chemical-physical equilibrium, at least marge ⁇ starting in their non-dissociated form.
  • the majority of the volatile acidic substances contained in the mixture have the acidic properties, in general for acids, at least according to the definition of
  • the volatile acidic substances In the undissociated state, the volatile acidic substances have covalent binding properties, i. H. the chemical elements responsible for the acid character are largely covalently bound.
  • the respective volatile acidic substances show a comparatively weak charge towards the outside, which are mainly due to different electronegativities of the respective acidic species
  • the chemical-physical properties change markedly.
  • the conversion of the volatile acidic substances into their corresponding non-volatile basic substances takes place, as mentioned, by an acid-base reaction and causes a dissociation, ie the release of protons.
  • the corresponding non-volatile basic substances have an ionic character due to the release of the proton (s).
  • the corresponding non-volatile basic substances now show a comparatively strong charge to the outside.
  • the corresponding non-volatile substances can therefore be more hydrated.
  • the forming by corresponding Hydrat Deutschensluie the kor ⁇ respond Schlierenden non-volatile basic substances hydrate make this, especially in comparison to their corresponding volatile acidic substances, considerably less volatile.
  • the water is separated from the non-volatile acidic substance (s) or non-volatile basic substance (s).
  • all processes in question which allow a one- or multi-step separation of the water from a water ⁇ water and non-volatile acidic or basic substances containing mixture. Separating the What ⁇ sers of the one or more non-volatile acidic substance (s) or the one or more non-volatile basic substance (s) is preferably effected thermally.
  • the method may therefore be generally referred to as a process for the thermal separation of water from a water and at least one volatile acidic substance and / or at least one volatile basic substance containing Ge ⁇ mixed or considered. In principle, it is of course also possible to separate off the non-volatile acidic substance (s) or the non-volatile basic substance (s) from the water.
  • non-volatile acidic or basic substances In the context of separating the water from the depending ⁇ cock non-volatile acidic or basic substances, therefore, the now chemically different physical properties, ie in particular sub- Kunststoffliche volatility taken advantage that it ermögli ⁇ chen to convert by choosing suitable process parameters, in particular temperature and pressure, only the relatively volatile water in a gaseous state and thus separated from the non-volatile acidic or basic substances.
  • the remaining non-volatile acidic or basic substances can be concentrated in a concentrate or in a concentrate stream.
  • the means of the at least one evaporation process or by means of the at least one evaporation process transferred to a gaseous state of water of a condensation process can in addition by means of at least Wegkonden ⁇ Siert and thus converted back to a liquid state.
  • the at least one evaporation process or the at least one evaporation process can accordingly in at least one evaporation stage or at least one encryption dunstungsscribe and at least one condensation stage to ⁇ -making process in parallel to at least one condensation ⁇ process in which the transferred in a gaseous state water (back) is condensed done.
  • Such Processes are known, for example, under the name "multi-stage flash distillation", MSF for short, multi-effect distillation ", or MED for short.
  • MSF multi-stage flash distillation
  • MED multi-effect distillation
  • the respective acid-base reaction for converting the at least one volatile basic substance into the corresponding non-volatile acidic substance is advantageously carried out at a pH below the pKa value of the volatile basic substance. Basically, it depends Wesent ⁇ Lich of of the pH (initial) mixture, whether the volatile acidic substances contained in the same or a volatile basic substances contained in the dissociated or non-dissociated is present.
  • the pH of the mixture thus represents an essential parameter for the adjustment or shifting of the equilibrium of the respective acid-base reaction, via which the respective volatile acidic substances or the respective volatile basic substances in the respective corresponding non-volatile basic substances or non-volatile acidic substances is reacted in the direction of the respective non-volatile basic substances or acidic substances.
  • the mixture is therefore advantageously prepared by addition or addition of at least one additional acidic substance or acid and / or by adding or adding at least one additional basic substance or base to one for carrying out the particular acid-base reaction. ie to shift the equilibrium of the acid-base reaction toward the respective non-volatile basic substances or acidic substances, required or appropriate pH adjusted.
  • pH-value is the balance of the acid - Base reaction clearly shifted in the direction of the corresponding non-volatile basic substance.
  • the pH should be adjusted at least to a be ⁇ tragags pH unit above the pKs value of the volatile acidic substance.
  • the adjustment, ie here the increase in the pH is typically carried out by adding, in particular strong, bases such. As potassium hydroxide or sodium hydroxide.
  • the pH should be chosen to be above the pKa of the volatile acidic substance having the highest pKa. In such a way it can be ensured that all of the volatile acidic substances contained in the mixture dissociate and be converted in accordance with their respective corresponding not Peek ⁇ ge basic substance.
  • the equilibrium of the acid-base reaction by adjusting the pH in the acid-base reaction to convert a volatile basic substance in the corresponding non-volatile acidic substance to below the pKs of the volatile basic Substance pH significantly shifted in the direction of the corresponding non-volatile acidic substance.
  • the pH should be here we ⁇ ilias set to an amount-pH unit below the pKa value of the volatile basic substance.
  • the adjustment, ie here the lowering of the pH is typically carried out by adding, in particular star ⁇ ken, acids, such as. Hydrochloric acid, sulfuric acid, etc.
  • For a mixture of volatile basic substances with different loan pKa values of the pH-value should be selected such that it is below the pKa value of the volatile basic sub ⁇ substance having the lowest pKa. In this way it can be ensured that all of the volatile basic substances contained in the mixture are converted into their corresponding nonvolatile acidic substance.
  • the desired acid-base reaction for converting volatile acidic substances into corresponding non-volatile basic substances can be controlled or regulated by adding at least one base and thus increasing the pH of the mixture ,
  • analogous to the ge ⁇ desired acid-base reaction for converting volatile basic substances in this respective corresponding non-volatile acidic substances by adding at least one can
  • the addition or addition of the at least one additional acid and / or the addition or addition of the at least An additional base is expediently carried out as a function of the (original) pH of the mixture.
  • the initial pH of the mixture should THEREFORE by suitable sec ⁇ deviations directly or indirectly, ie via at least one with the pH-value can be correlated or correlated parameters of the mixture such.
  • As the electrical conductivity can be determined.
  • the pH of the mixture and / or at least one correlatable or correlated parameter of the mixture is determined.
  • the determination of the pH-value and / or the at least one since ⁇ with correlated parameter can before and / or carried out after the addition of at least one additional acid and / or the at least one additional base.
  • a regulation or control of the addition of additional acids and / or bases is carried out as a function of a respective determination of the pH of the mixture.
  • the pH or a parameter correlated therewith is determined solely before or after the addition of the additional acid or base, it can be determined in principle which proportion or concentration addition of additional acids or bases is required to obtain a desired pH Value of the mixture.
  • the adjustment of the pH of the mixture can be made more accurately, since it can be determined what effect the addition of the additional acid (s) or Base (s) actually had on the pH of the mixture, so that optionally a proportionate or concentrati ⁇ ons modification or adaptation of the addition can be made.
  • the at least one to be added or added additional acid and / or the at least one to be added or supplied give ⁇ ne additional base may be added in an overdose become.
  • volatile acidic or basic substances eg. B. circular ⁇ recycled
  • overdosing can ensure a certain pH level of the mixture, which, as mentioned, is essential for the desired conversion of corresponding volatile acidic or basic substances into the corresponding non-volatile basic or acidic substances.
  • salts can be formed in the context of the respective acid-base reactions for converting volatile acidic or basic substances into the respective non-volatile basic or acidic substances corresponding thereto.
  • the salts typically contained in a corresponding concentrate stream can be used in various ways. It is preferably provided that a respective corresponding non-volatile substance in the form of a salt formed and Wenig ⁇ least used a salt, third process is supplied in particular, industrial,.
  • the invention further relates to a device for carrying out the method described.
  • the device comprises at least one device, in particular a reactor for converting at least one volatile acidic substance in the corresponding thereto or conjugated nonvolatile ba ⁇ forensic substance by an acid-base reaction and / or for transferring at least one volatile basic substance in the corresponding thereto is non-volatile acidic Sub ⁇ substance by an acid-base reaction and at least one device, in particular a reactor for separating the
  • Water from the at least one non-volatile acidic substance and / or from the at least one non-volatile basic substance can be integrated into a water treatment plant.
  • Fig. 1, 2 each a schematic diagram of a device for
  • Fig. 1 shows a schematic illustration of an apparatus 1 for carrying out a method for separating water from a water and at least one volatile acidic substance, typically an acid and / or at least a volatile basic substance, typically a base containing Ge ⁇ mixed according to a Embodiment of the invention.
  • the apparatus 1 via the feasible method is ent ⁇ speaking the preparation of acids or bases containing aqueous mixtures or aqueous solutions.
  • the apparatus 1 can be used to prepare both acidic and basic aqueous mixtures.
  • the mixture may in particular be a, z. B. incurred in the context of wet aseptic bottling, acidic aqueous solution containing essentially an acid, in particular peracetic acid, and water, or by a, z. B. in steam generation, resulting, referred to as boiler feed water, basic aqueous solution containing essentially a base, in particular ammonia, and water act.
  • the apparatus 1 comprises a device 2 or a reactor for transferring at least one volatile acidic substance into the corresponding non-volatile basic substance by means of an acid-base reaction or for converting at least one volatile basic substance
  • the apparatus 1 further comprises a device 3 or a reactor for separating the water from the previously formed non-volatile acidic or basic substances.
  • a device 3 or a reactor for separating the water from the previously formed non-volatile acidic or basic substances.
  • the device may comprise part of a 3 Wenig ⁇ least one evaporation stage and at least one Verdun ⁇ processing stage and at least one condensation stage ⁇ the process for treatment of water to be.
  • a acidic aqueous solution to be treated that is to say a mixture containing a volatile acidic substance, in the present case peracetic acid (CH 3 COOOH), and water.
  • the volatile acidic substance is converted to the present invention by means of an acid-base reaction. conjugated to respectively corresponding nonvolatile basi ⁇ specific substance transferred.
  • the volatile acid substance is originally present in the mixture largely in its non-dissociated form. Most of the peracetic acid molecules did not originally release the proton or hydrogen cation characteristic of the acidic properties.
  • the volatile acidic substance In the non-dissociated state, the volatile acidic substance has a covalent character.
  • the volatile acidic substance faces outwards a comparatively weak La ⁇ dung or partial charge, which is substantially limited to due to different electronegativities of these chemical elements forming dipole effects. This essentially determines the volatility of the volatile acidic substance.
  • the non-volatile basic substance (CH3COOO-) corresponding to the volatile acid substance has an ionic character. Accordingly, the non-volatile basi ⁇ specific substance now shows a comparatively strong charge to the outside. The non-volatile basic substance can therefore be more hydrated. The forming through hydration ⁇ processes to the non-volatile basic substance hydration makes this, especially in comparison to their corresponding volatile acidic substance, considerably less volatile. Starting from a reprocessed basic aqueous solution, thus a a volatile basic substance vorlie ⁇ quietly ammonia (NH 3), and water-containing mixture is analogous to the volatile basic substance not by an acid-base reaction in which this conjugated or corresponding volatile acid substance transferred.
  • the volatile base In the unprotonated state, the volatile base has covalent binding properties.
  • the volatile basic substance therefore also exhibits to the outside a comparatively weak charge or partial charge, which is likewise essentially limited to dipole effects attributable to different electro-negativities of the chemical elements forming these. Thereby, the Peek ⁇ ACTION the volatile basic substance is essentially determined.
  • the acid-base reaction in each case to convert respective volatile acidic or basic substances respectively corresponding non-volatile basic or acidic substances on the selection of suitable reactants and suitable process parameters, ie in particular pH value to the eighth temperature, pressure etc., so that a complete conversion of ur ⁇ nally contained in the mixture-volatile acidic or basic substances into the respectively corresponding to this non-volatile basic or acidic substances is possible.
  • the water is separated from the respective non-volatile acidic or basic substance.
  • the separated water is in a Pro ⁇ duktstrom PS, the non-volatile acidic or basic substances in a concentrate stream PS from the device 3 out.
  • the respective acid-base reaction for converting volatile acidic substances into non-volatile basic substances corresponding thereto is carried out at a pH above the pKs.
  • the pH-value in the management About ⁇ a volatile acidic substance into the corresponding non-volatile basic substance is at least set to a proper amount pH unit above the pKa value of the Peek ⁇ gen acidic substance. Accordingly, the pH value during the transfer of a volatile basic substance into the corresponding non-volatile acidic substance is adjusted to a superviseds we ⁇ amount-pH unit below the pKa value of the volatile basic substance.
  • the pKa value of the volatile peracetic acid is about 8.2, so that the acid-base reaction for converting it into the corresponding non-volatile basic substance should be carried out at a pH of at least 9.2.
  • the pH is increased by targeted addition of a base, z. B. caustic soda adjusted, d. H. increased here.
  • the pKa of the volatile ammonia is about 9.2 so that the acid-base reaction should be carried out to convert it to the corresponding non-volatile acidic substance at a pH of at most 8.
  • ⁇ the pH value by targeted addition of pressure and pressure
  • hydrochloric acid adjusted, ie lowered here. It may be that a mixture contains several volatile acidic or basic substances with optionally different pKs values. In this respect, the proportionate chemical composition of the mixture must be determined. For this purpose, for. B. spectroscopic examinations, in particular UV / VIS spectro ⁇ roscopic examinations are performed on the mixture. It is also conceivable certain of the proportionate chemical composition of the mixture dependent parameters such.
  • B. determine the electrical conductivity and to draw optionally by comparison with reference values, return ⁇ conclusions about the chemical composition of the proportionate mixture.
  • the pH of the mixture is THEREFORE means of suitable pH discovery ⁇ devices 6, 7, directly or indirectly, ie via a GR iquess with the pH-value can be correlated or correlated parameters of the mixture such.
  • a first pH-determining device 6 precedes the metering device 5.
  • a second pH determination device 7 is connected downstream of the metering device 5. Accordingly, the pH of the mixture can be determined before and after the addition of additional acids or additional bases.
  • the Zudo ⁇ zation using a 5 associated with the pH detecting means 6, 7 and the Zudostechniks worn control device 8 can be controlled or regulated exactly.
  • Addable additional acids or bases can be added in an overdose.
  • the overdose has the particular advantage that unreacted volatile acidic or basic substances, eg. B. recirculated in a subsequent acid-base reaction for transfer corresponding volatile acidic or basic substances can be used.
  • overdosing a particular pH level of the mixture ⁇ ensure that in this the respective corresponding non-volatile basic or acidic substances is essential for the desired transfer of volatile acidic or basic substances.
  • the salts formed in the course of the respective acid-base reactions may be contained in the concentrate stream a KS used these, in particular industrial, third process supplied ⁇ leads are.
  • the process includes a realized in a Kondensati ⁇ 9 onssupervised condensation stage and a handled in a connected in parallel thereto evaporation device 10 evaporation stage.
  • the water to be separated from the non-volatile acidic or basic substances is conducted, starting from the device 1 implemented in the process, through the condensation device 9, in which it absorbs the condensation heat generated during the condensation processes taking place there and thus serves as the cooling medium ,
  • the heated water is further characterized by an external Wär ⁇ me source 11, typically a heat exchanger, via which Waste heat from industrial processes can be transferred to the water, further heated and introduced from above into the evaporation ⁇ device 10.
  • an external Wär ⁇ me source 11 typically a heat exchanger
  • Waste heat from industrial processes can be transferred to the water, further heated and introduced from above into the evaporation ⁇ device 10.
  • the evaporation device 10 the water is trickled over a suitable evaporation material.
  • the temperature of the water flowing downwards in the evaporator 10 drops from head to toe as heat is removed from the water by evaporation and heat transfer to the countercurrent air. Accordingly, the temperature of the countercurrent air from the foot to the head of the evaporation device 10 increases. The temperature of the air remains in stable operation with stationary conditions but always below the water temperature at the same height of the Verduns- device 10. In the evaporation device 10 thus takes place a heat transfer from the falling water to the rising air. Due to its rising temperature, the air can absorb more water vapor. So water and air form a countercurrent heat exchanger.
  • the concentrated water is cooled after passage of the Verduns ⁇ processing device 9 and fed to a template tank, not shown. Cooling is possible even after such a storage tank. In such a storage tank, a pH adjustment could be made. To prevent too high concentration, some of the concentrated water can be replaced by fresh raw water.
  • the heat output to be dissipated by cooling is equal to the heat output minus the power required for demixing (entropy change). It is a particularly efficient process in terms of energy.

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Abstract

Verfahren zur Abtrennung von Wasser aus einem Wasser und wenigstens eine flüchtige saure Substanz und/oder wenigstens eine flüchtige basische Substanz enthaltenden Gemisch, durch: • 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 (2); • Abtrennen des Wassers von der wenigstens einen nicht flüchtigen sauren Substanz und/oder der wenigstens einen nicht flüchtigen basischen Substanz (3).

Description

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 .

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Abtrennung von Wasser aus einem Wasser und wenigstens eine flüchtige saure Substanz und/oder we¬ nigstens eine flüchtige basische Substanz enthaltenden Gemisch, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- 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 flüch¬ tige saure Substanz und
- Abtrennen des Wassers von der wenigstens einen nicht flüchtigen sauren Substanz und/oder der wenigstens einen nicht flüchtigen basischen Substanz.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennen des Wassers von der wenigstens einen nicht flüchtigen sauren Substanz und/oder der wenigstens einen nicht flüchtigen basischen Substanz thermisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennen des Wassers von der wenigstens 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 Verduns¬ tungsvorgangs, in welchem das Wasser in einen gasförmigen Zustand überführt wird, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das vermittels des Verdampfungsvorgangs oder das vermit¬ tels des Verdunstungsvorgangs in einen gasförmigen Zu¬ stand überführte Wasser vermittels wenigstens eines Kon¬ densationsvorgangs in einen flüssigen Zustand rücküber¬ führt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine flüchtige saure Substanz und/oder wenigstens eine flüchtige basi¬ sche Substanz verwendet wird, die bezogen auf einen be¬ stimmten Druck, insbesondere atmosphärischen Druck, und eine bestimmte Temperatur, insbesondere eine Temperatur von 25°C, einen Siedepunkt im Bereich des Siedepunkts von Wasser und/oder einen Dampfdruck im Bereich des Dampfdrucks von Wasser aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Säure-Base-Reaktion zum Überführen der wenigstens einen flüchtigen sauren Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige basische Substanz bei einem oberhalb des pKs-Wertes der flüchtigen sauren Substanz liegenden pH-Wert durchgeführt wird und/oder
die Säure-Base-Reaktion zum Überführen der wenigstens einen flüchtigen basischen Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige saure Substanz bei einem unterhalb des pKs-Wertes der flüchtigen basischen Sub¬ stanz liegenden pH-Wert durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch auf einen zur Durchführung der jeweiligen Säure-Base-Reaktion erforderlichen pH-Wert durch Zugabe wenigstens einer zusätzlichen sauren Substanz und/oder durch Zugabe wenigstens einer zusätzlichen basischen Substanz eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der wenigstens einen zusätzlichen sauren Substanz und/oder die Zugabe der wenigstens einen zusätzlichen basischen Substanz in Abhängigkeit des pH-Werts des Gemischs erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert des Gemischs und/oder wenigstens ein damit korrelierter Parameter des Gemischs, insbesondere die elektrische Leitfähigkeit, vor und/oder nach der Zugabe der wenigstens einen zusätzlichen sauren Substanz und/oder der wenigstens einen zusätzlichen basischen Substanz ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zuzugebende zu¬ sätzliche saure Substanz und/oder die wenigstens eine zuzugebende zusätzliche basische Substanz in einer Über¬ dosierung zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige korrespondiere nicht flüchtige Substanz in Form eines Salzes gebildet und wenigstens einem das Salz verwendenden, insbesondere industriellen, Drittprozess zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anteilsmäßige Zusammen¬ setzung des Gemischs ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als flüchtige saure Substanz Peressigsäure und als flüchtige basische Substanz Ammo¬ niak verwendet wird.
Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend:
- wenigstens eine Einrichtung (2), insbesondere einen Reaktor, zum Überführen wenigstens einer flüchtigen sauren Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige basische Substanz mittels einer Säure-Base- Reaktion und/oder zum Überführen wenigstens einer flüchtigen basischen Substanz in die hierzu korrespondierende nicht flüchtige saure Substanz mittels einer Säure-Base-Reaktion und - wenigstens eine Einrichtung (3) , 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 .
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