DE1442359C - Vielzellige Elektrodialysevornchtung - Google Patents

Description

Die vorliegende- Erfindung betrifft eine vielzellige Elektrodialysevorrichtung, die aus mindestens zwei durch gruppenweise Zusammenfassung von verschiedenen Einzelrahmen gebildeten Behandlungsrahmen besteht.

Die Elektrodialyse ist ein bekanntes elektro-chemisches Verfahren zur Behandlung von Lösungen, wonach in einer Zelle ein elektrisches Potential zwischen zwei Elektroden angelegt wird, die allgemein mit Anode und Kathode bezeichnet werden. Zwischen diesen Elektroden sind eine oder mehrere Membranen angeordnet, um die Zelle in eine Reihe benachbarter Abteile aufzuteilen, die im folgenden als Rahmen bezeichnet werden. Beim Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen Anode und Kathode wird eine einströmende Flüssigkeit elektrodialysiert, wodurch bestimmte Bestandteile der Lauge in Richtung auf die Anode und andere Bestandteile zur Kathode wandern, wodurch eine fraktionierte Trennung der Bestandteile vor sich geht. Die Lösung in dem der Anode benachbarten Rahmen wird im allgemeinen als Anolyt und die Lösung in dem der Kathode benachbarten Abteil als Katholyt bezeichnet. Der zwischen den beiden Membranen gebildete Rahmen kann die Lauge enthalten.

Beim Anlegen des elektrischen Potentials zwischen Anode und Kathode können zwei Lösungen von der Flüssigkeit und eine verbleibende oder Restlösung von der Lauge erhalten werden. Die obige Anordnung in einer Zelle ist bekannt. Es ist bis jetzt jedoch nicht möglich gewesen, die Rahmen so anzuordnen, daß mehr als eine solche Reihe von Rahmen zwischen der Anode und der Kathode eingebracht werden kann, um Lösungen zu behandeln, die Verbindungen großen Molekulargewichts enthalten, wie Lignosulfonsäureionen. Mit anderen Worten, wenn es erwünscht ist, zwei Lösungen von einer Lösung mit Ionen hohen Molekulargewichts zu gewinnen, war es nicht wirtschaftlich durchführbar, die Lösung in herkömmlicher Weise zu behandeln.

Eine Hauptschwierigkeit bei der Verwendung von nur drei Rahmen, d. h. einem Anolytrahmen, einem Katholytrahmen und einem Laugerahmen, die zusammen hier als »Behandlungsrahmen« bezeichnet werden, ist die Unwirtschaftlichkeit des Betriebes des Systems. Der größte Teil des Widerstandes tritt in einer Elektrodialysezelle mit einem einzigen Behandlungsrahmen in dem Bereich der Elektrode auf, d. h. der Anode oder der Kathode. Dementsprechend ist es — um einen wirtschaftlichen Betrieb zu erzielen — notwendig, daß viele Rahmen zwischen den Elektroden angeordnet sind.

Das Stapeln von Rahmen zwischen Elektroden ist in Verbindung mit dem Entfernen einer Lösung von einer einströmenden Flüssigkeit bekannt. Ein besonderes Beispiel dafür ist die Elektrodialyse von Seewasser, um Trinkwasser aus dem Seewasser zu gewinnen. Bei einer solchen Einrichtung wird der Wirkungsgrad der Einheit stark vergrößert, so daß der Betrieb wirtschaftlich wird. Solche Einrichtungen wurden bis jetzt jedoch hauptsächlich dann verwendet, wenn eine einzige Lösung oder Fraktionen solcher einzigen Lösung gewonnen werden sollten.

Aus den USA.-Patentschriften 2 721 171 und 2 829 095 ist die Serienschaltung zahlreicher Dreikammcrzcllen zu einem Elektrodialysegeriit bekannt, docli zeigen diese Schriften keinen Grenzrahmen, der zwischen benachbarten Ikhandlungsrahmun angeordnet ist. Eine solche Anordnung eines Grenzrahmens beschreibt die deutsche Patentschrift 1 094 712, doch handelt es sich dabei um eine Zweistromelektrodialyse plus Grenze, bei der der Stapel intern gestuft werden muß, d. h., bei der die Gesamtzahl der Zellen in Abschnitte unterteilt werden muß, die in Reihe betrieben werden, wobei die Grenzzelle ein günstigeres Druckgleichgewicht herstellen soll. Die französische Patentschrift 1 068 105 beschreibt

ίο die Verwendung einer nichtselektiven Membran im Laugerahmen.

Es war bis jetzt nicht bekannt, wie Behandlungsrahmen gestapelt werden müssen, um Laugen oder Lösungen, die Ionen hohen Molekulargewichts enthalten, auf eine solche Weise wirksam zu behandeln, um die Ionen hohen Molekulargewichts aus der Lauge zu gewinnen. Dementsprechend war es nicht bekannt, wie Lösungen, wie z. B. verbrauchte Sulfitlauge, auf praktische Weise zu behandeln sind. Ver-

ao brauchte Sulfitlauge entsteht beim Aufschluß von Holz bei der Papierherstellung; sie enthält Sulfonatverbindungen, welche im allgemeinen Lignosulfonate von verschiedenem Molekulargewicht sind, Holzzucker, Schwefeldioxyd und basische Ionen, wie Natrium-, Calcium-, Magnesium- und Ammonium-Ionen, und zwar in Abhängigkeit von der Art des Aufschlusses. Wie angegeben, sind die Lignosulfonate im allgemeinen von hohem Molekulargewicht, aber die Lignosulfonate und Zucker von niedrigem MoIekulargewicht werden zweckmäßigerweise von den Lignosulfonaten und Zuckern höheren Molekulargewichts getrennt, um erwünschte Fraktionen zu erhalten. Es ist selbstverständlich zweckmäßig, die basischen und die sauren Bestandteile herauszutrennen, so daß sie bei der Herstellung zusätzlicher Kochlauge für die Papierherstellung wieder verwendet werden können.

Dementsprechend ist es zweckmäßig, die verbrauchte Sulfitlauge zu verwenden und die basischen Bestandteile in dem Katholyten und die Lignosulfonate und Zucker in den Anolyten zu gewinnen. Wie oben angegeben, ist dieses System zweckmäßig, war jedoch bis jetzt unwirtschaftlich wegen des Fehlens einer zufriedenstellenden Vorrichtung, um die gewünschte Behandlung durchzuführen.

Andere Lösungen oder Dispersionen, die zweckmäßigerweise behandelt werden können, sind Salz-Protein-Systeme, wie Milch, Blut, Molke usw. In solchen Systemen können Anionen und Kationen herausgetrennt und Protein-Verbindungen gewonnen werden.

Ein Hauptziel dieser Erfindung ist deshalb eine Elektrodialysezelle, die von einer einströmenden Flüssigkeit oder Lauge, weiche Ionen hohen MoIekulargewichts enthält, eine Anionenkonzentrationslösung oder Kationenkonzentrationslösung, die solche Ionen enthalten, liefert. Ein besonderes Ziel dieser Erfindung ist eine verbesserte Vorrichtung zur Behandlung verbrauchter Sulfitlauge und zur Behandlung anderer Laugen, aus denen zweckmäßigerweise und wirksam zwei oder mehrere Lösungen gewonnen werden sollen, wobei die eine dieser Lösungen Ionen hohen Molekulargewichts enthält.

Die Ziele der Erfindung werden mit einer Elektrodialysevorrichtung verwirklicht, die dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder Behandlimgsrahmen einen Kationenkonzentrationsrahmen, dessen kathodenseitige Membran anionselektiv, dessen anodenseitige

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Membran kationenselektiv ist, einen anodenseitig an- weist. Die Behandlungsrahmen sind voneinander schließenden Laugerahmen, dessen anodenseitige durch einen Grenzrahmen getrennt, der, um Strom Membran durch eine semipermeable, nicht ionen- zu leiten, einen Elektrolyten enthält, der aus Anselektive Membran gebildet wird, und anodenseitig ionen und Kationen besteht, die nicht für die An-. anschließend mindestens einen Anionenkonzentra- 5 ionen- und Kationenkonzentrationslösungen schäd-• tionsrahmen aufweist, dessen kathodenseitige Be- lieh sind.

grenzung durch eine nicht ionenselektive Membran Demnach besteht die Vorrichtung der Erfindung gebildet wird, und zwischen den einzelnen Behänd- in ihrer einfachsten Form aus einer Zelle mit einer lungsrahmen Grenzrahmen angeordnet sind, deren Kathode, die von einem Kationenkonzentrationskathodenseitige Begrenzung durch eine kationenselek- ίο rahmen umgeben wird, in dem basische Ionen getive Membran gebildet wird. wonnen werden. In der einfachsten Form der Erfin-In der Zeichnung ist findung ist der Kationenkonzentrationsrahmen auch F i g. 1 eine schematische Darstellung einer ein Katholytrahmen. An dem Kationenkonzentra-Elektrodialysezelle der Erfindung, in der drei Be- tionsrahmen liegt ein Laugerahmen, der die zu behandlungsrahmen zwischen einer Anode -und einer 15 handelnde einströmende Flüssigkeit aufnimmt und Kathode angeordnet sind, wobei aus dieser Zelle drei der auf seiner einen Seite eine nichtselektive Mem-Lösungen gewonnen werden, von denen die eine eine bran aufweist. Anliegend an den Laugerahmen folgt Anionenkonzentrationslösung mit Verbindungen ein Anionenkonzentrationsrahrrien, in dem die sauren hohen Molekulargewichts, die andere eine Kationen- Ionen und einige normalerweise nichtionische Verkonzentrationslösung und die dritte eine behandelte 20 bindungen gewonnen werden. Diese drei Rahmen Lauge geeigneter Konzentration ist, bilden einen ersten Behandlungsrahmen. Dann folgt - F i g. 2 eine abgeänderte Zelle der Erfindung, die auf diesen Anionenkonzentrationsrahmen ein Grenzf,;,'} aus drei Behandlungsrahmen besteht, welche zwi- rahmen, der den Elektrolyten enthält, welcher nicht sehen einer Anode und einer Kathode angeordnet für die Anionen- oder Kationenkonzentrationslösung sind, wobei von diesen Behandlungsrahmen eine 35 schädlich ist. Auf der anderen Seite des Grenzrah-Kationenkonzentrationslösung, eine . konzentrierte mens liegt ein zweiter Behandlungsrahmen, der aus Lauge und drei getrennte konzentrierte Anionen- einem Kationenkonzentrationsrahmeh besteht, auf fraktionen erhalten werden. den ein Laugerahmen folgt, welcher auch eine nicht- : Es werden nun bestimmte Ausdrücke erläutert, die selektive Membran an seiner einen Seite aufweist, zur Beschreibung der Erfindung verwendet werden. 30 woraufhin wiederum ein Anionenkonzentrations-Mit »Rahmen« wird jedes Abteil zwischen zwei Mem- rahmen oder Anolytrahmen folgt, in dem die Anode j branen oder zwischen einer Membran und einer der Zelle angeordnet ist.

j Elektrode bezeichnet. Ein »Behandlungsrahmen« be- Es ist ersichtlich, daß durch Verwendung der

deutet hierin eine Reihe von Rahmen, die der ein- Grenzrahmen zwischen den Behandlungsrahmen

' strömenden Flüssigkeit zugeordnet ist, und umfaßt 35 jede Anzahl von Behandlungsrahmen gemäß dieser

die Rahmen, welche die Anionenkonzentrations- Erfindung aneinandergestapelt werden kann. Dadurch

lösung, die Lauge und die Kationenkonzentrations- kann die Wirksamkeit der Zelle stark vergrößert wer-

lösung enthalten. Ein Behandlungsrahmen kann auch den, weil der relative Leistungsverlust, der durch den

Rahmen umfassen, die Fraktionen der Anionen- und Widerstand um die beiden Elektroden herum ver-

Kationenkonzentrationslösungen enthalten. Der Aus- 40 ursacht wird, im Verhältnis zur Anzahl der zwischen

druck »Zelle« umfaßt die Elektroden, die Membra- den Elektroden aneinandergestapelten Behandlungs-

nen und alle zwischen den Elektroden angeordneten rahmen verringert ist.

Rahmen. Der Ausdruck »Grenzrahmen«, der hier Selbstverständlich müssen die Membranen zwi-

||y| später noch auftreten wird, bezeichnet einen Rah- sehen den Rahmen besonders ausgewählt sein. In

men, der zwischen Behandlungsrahmen angeord- 45 diesem Zusammenhang werden ionenselektive Mem-

I- net ist. branen auf beiden Seiten der Grenzrahmen verwen-

Die in der Vorrichtung der Erfindung verwende- det. Die Verwendung ionenselektiver Membranen

ten Membranen umfassen ionenselektive Membranen stellt sicher, daß die Kationen und Anionen der

■ und nichtselektive Membranen. Eine nichtselektive Grenzlösung in die Kationen- bzw. Anionenkonzen-

Membran läßt sowohl Anionen als auch Kationen 50 trationslösung gehen und keine Verdünnung dieser

durch, kann jedoch in der Größe festgelegt sein, um Konzentrationslösungen durch Ionenübertragung zur

den Durchgang von Molekülen bestimmter Größe zu Grenzlösung eintritt. Die kathodcnseitigen Mcm-

• regeln. Die ionenselektiven Membranen, die auch in branen zwischen dem Laugerahmen und dem Kat-

der Größe festgelegt sein können, um verschieden ionenkonzentrationsrahmen sind anionselektiv, so daß

große Moleküle durchzulassen, sind in dem Sinn 55 die Ionen von dem Laugerahmen in den Kationcn-

, selektiv, daß sie so geladen sind, daß Anionen hin- konzentrntionsrahmen und nicht von diesem Rahmen in

j durch können und Kationen zurückgewiesen werden den Laugerahmen wandern. Die Membran zwischen

'-. oder umgekehrt. Eine kationenselektive Membran dem Laugerahmen und den Anionenkonzentrations-

Iäßt Kationen hindurch und hindert Anionen am rahmen ist nicht ,selektiv. Dies ist notwendig, um

Durchgang, wogegen eine anionenselektive Membran 60 Übergang von gewünschten Molekülen hohen MoIe-

Anionen hindurchläßt und Kationen am Durchgang kulargewichts in die Anionenkonzentrationslösung zu

hindert. Diese ionenselektiven Membranen und nicht- erreichen, ohne die Membran zu verbrennen. Wie

selektiven Membranen sind im Flandel erhältlich. oben angedeutet, ist die Verwendung nichtselektiver

Diese Erfindung besteht in ihrer einfachsten Form Membranen mit dem Laugerahmen, um die großen

aus zwei Behandlungsrahmen, die zwischen einer 65 Moleküle hindurclizulasseii, ein wichtiges Merkmal

Anode und einer Kathode angeordnet sind, wobei dieser Erfindung.

jeder Behandlungsrahmen einen Laugerahmen mit Durch geeignete Auswahl der Membranen kann

einer nichtselektiven Membran an der einen Seite auf- die Trennung der Anionenkonzentrationslösiinn in

verschiedene Fraktionen erzielt werden. In diesem Zusammenhang können mehrere Anionenkonzentrationsrahmcn aneinanderliegen und durch unterschiedscliiedliche Membranen getrennt sein, wodurch verschiedene Fraktionen der Anionenkonzentrationslösung erhalten werden. Dies wird im Zusammenhang mit der Beschreibung der F i g. 2 der Zeichnungen deutlicher werden.

In Fig. 1 der Zeichnungen wird die gesamte Elektrodialysezelle durch die Nummer 3 gekennzeichnet. In der Zelle 3 wird eine posjtive Elektrode als Anode 5 und eine negative Elektrode als Kathode 7 gekennzeichnet. Unmittelbar an der Anode 5 liegt ein Anionenkonzentrationsrahmen 9. Auf diese Weise ist hier der Anionenkonzentrationsrahmen 9 auch ein Anolytrahmen. Der Anionenkonzentrationsrahmen wird auf der einen Seite durch eine nichtselektivc Membran 11 begrenzt. Auf der anderen Seite dieser nichtselektiven Membran 11 liegt ein Laugerahmen 13, welcher auf der anderen Seite durch eine selektive Membran 15 begrenzt wird. Diese selektive Membran 15 bildet auch die eine Grenze für einen Kationenkonzentrationsrahmen 17, welcher auf der anderen Seite durch eine selektive Membran 19 begrenzt wird. Der Anionenkonzentra-(ionsrahnien 9, der Laugerahmen 13 und der Kationenkonzentrationsrahmen 17 bilden zusammen einen Behandlungsrahmen 21. Dieser besondere Behandlungsrahmen ist zur Behandlung von Lauge bestimmt, die Aiiionen mit großem Molekulargewicht enthält.

Der Behandlungsrahmen 21 ist an einem Grenzralimen 23 angeordnet, welcher wiederum zwischen der selektiven Membran 19 und einer anderen selektiven Membran 25 liegt. Auf der anderen Seite des Grenzrahmens 23 liegt ein weiterer Behandlungsrahmen. der aus den gleichen Elementen wie der Behandlungsrahmen 21 besteht und durch die Nummer 21' gekennzeichnet ist. Da der Behandlungsrahmen 21' die gleichen Elemente wie der Behandlungsrahmen 21 enthält, sind entsprechende Teile durch die gleichen Nummern gekennzeichnet: sie unterscheiden sich von den Elementen des Behandlungsrahmens 21 durch das Symbol (') an der Nummer. An dem Behandlungsrahmen 21' liegt ein Grenzrahmen 23', der ähnlich dem Grenzrahmen 23 ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält weiterhin einen dritten Behandlungsrahmen 21"; die Elemente dieses Rahmens sind die gleichen wie die der Behandlungsrahmen 21 und 21' und durch entsprechende Nummern gekennzeichnet, unterscheiden sich jedoch durch das Symbol (").

Es ist leicht ersichtlich, daß die Elektrodialysezelle so viele Behandlungsrahmen wie zweckmäßig aufweisen kann, wobei die Laugerahmen durch Grenzrahmen getrennt sind, wie es in F i g. 1 gezeigt ist.

Um die Arbeitsweise der Zelle zu beschreiben, wird die Funktion des Laugerahmens 21 und des Grenzrahmens 23 in Einzelheiten beschrieben, doch geschehen selbstverständlich ähnliche Vorgänge in den Laugerahmen IY und 21".

Die zu behandelnde Lauge tritt durch die Leitung 33 in den Laugerahmen 13 ein. Die Kationen wandern durch die selektive Membran 15 in den Kationenkonzentrationsrahmen 17. Die Anionen wandern durch die nichtselektivc Membran 11 in den Anioncnkonzentiations- oder Anolytrahmen 9. Die behandelte Lauge verläßt den Laugerahmen durch Leitung 35, die Anionenkonzentrationslösung verläßt den Anionenkonzentrationsrahmen durch Leitung 37 und die Kationenkonzentrationslösung verläßt den Kationenkonzentrationsrahmen durch Leitung 39.

Die Grenzlösung tritt durch die Leitung 41 in den Grenzrahmen ein und verläßt den Rahmen -durch Leitung 43.

Die Anionenkonzentrationslösung, die Kationenkonzentrationslösung und die Grenzlösung können

id unter gewissen Bedingungen und Voraussetzungen wieder zugeführt werden, wobei die Anionenlösung den Anionenkonzentrationsrahmen durch die Leitung 45 erreicht und die Kationenlösung in den Kationenkonzentrationsrahmen durch die Leitung 47 eintritt.

x5 Wie oben angegeben, arbeiten die Behandlungsrahmen 21' und 21" auf ähnliche Weise, wie sie hier in Verbindung mit dem Laugerahmen 21 beschrieben ist. Dementsprechend sind die Einström- und Ausströmleitungen ähnlich bezeichnet, unterscheiden sich jedoch durch die Symbole (') und (").

Die Grenzlösung enthält zweckmäßigerweise Anionen und Kationen, die in dem gewünschten Arbeitsgang verwendet werden können. So kann die Grenzlösung eine Säure, wie Schwefelsäure, schweflige Säure oder Essigsäure, sein, wobei die Anionen in die Kationenkonzentrationslösung wandern und die Wasserstoffionen in die Anionenkonzentrationslösung gehen. Um die gewünschte Wirksamkeit des Betriebes zu erreichen, ist offensichtlich, daß die Grenzlösung ein guter Elektrolyt sein sollte und leicht den Strom zwischen der Anode und der Kathode durchlassen muß.

F i g. 2 der Zeichnungen zeigt eine Zelle, die allgemein mit der Nummer 103 gekennzeichnet ist. Diese Zelle enthält eine Anode 105 und eine Kathode 107. Die Zelle 103 umfaßt drei Behandlungsrahmen 121, 121' und 121".

Der Behandlungsrahmen 121 besteht aus einem Laugerahmen 113, der an einer Reihe von Anionenkonzentrationsrahmen 109 a, 109 b und 109 c liegt. Der Laugerahmen 113 ist von den Anionenkonzentrationsrahmen 109a, 109b und 109c durch eine Reihe nichtselektiver abgestufter (graded) Membranen lila, 111t und 111c getrennt. Zwischen der Anode 105 und dem ersten Anionenkonzentrationsrahmen 109c ist ein Anolytrahmen 106 angeordnet, der von dem Anionenkonzentrationsrahmen 109 c durch eine selektive Membran 108 getrennt ist.

Der Laugerahmen 113 ist von einem Kationenkonzentrationsrahmen 117 durch eine selektive Membran 115 getrennt. Auf diese Weise ist auch dieser Behandlungsrahmen hauptsächlich dafür geeignet, eine Lauge mit Anionen hohen Molekulargewichts zu behandeln.

Der Behandlungsrahmen 121 wird zu einem Grenzrahmen 123 durch eine Membran 119, die eine selektive Membran ist, begrenzt.

Der Grenzrahmen besitzt eine Membran 125 auf der anderen Seite.

Die Lauge wird in den Laugerahmen 113 durch die Leitung 133 eingeführt, und konzentrierte Lauge verläßt den Laugerahmen durch die Leitung 135.

Die verschiedenen Anionenkonzcntrationslösungen verlassen den Behandlungsrahmen durch die Leitungen 137a, 137 b und 137c. Die Kationenkonzentrationslösung tritt in den Behandlungsrahmen durch die Leitung 147 ein und verläßt ihn durch Leitung 139. Die Anioiienkonzentrationslösuim wird wieder

zugeführt und iritt in die Anionenkonzentrationsrahmen durch die Leitungen 145 a, 145 & und 145 c ein. Die Grenzlösung tritt in den Grenzrahmen durch die Leitung 141 ein und verläßt diesen Rahmen durch die Leitung 143.

Die Behandlungsrahmen 121' und 121" enthalten die Elemente des Behandlungsrahmens 121; entsprechende Teile der entsprechenden Behandlungsrahmen 121' und 121" unterscheiden sich von den Teilen des Behandlungsrahmens 121 durch die Symbole (') und (")- Der Grenzrahmen zwischen dem Behandlungsrahmen 121' und 121" ist mit 123' bezeichnet.

Ein Katholytrahmen 146 ist an der Kathode angeordnet und durch eine selektive Membran 148 von dem Kationenkonzentrationsrahmen 117" getrennt. Der Elektrolyt für den Anodenelektrolytrahmen 106 wird durch die Leitung 110 und der Elektrolyt für den Kathodenelektrolytrahmen 146 durch die Leitung 150 geführt.

Es ist zu ersehen, daß die in Fi g. 2 gezeigte Zelle fünf Fraktionen der Lauge liefert. Die dargestellte Zelle liefert eine Kationenkonzentrationslösung, eine konzentrierte Laugenlösun« und drei Anionenkonzentralionslösungen. die verschiedene Fraktionen der Anionenlösun« enthalten.

Die Kationenmembranen. wie die Membranen 15. 15' und 15" in Fig. 1 und die Membranen 115,115' und 115" in Fig. 2. sollten kationenselektiv sein. Die Anionersmembranen. wir die Membranen 11, 11' und U" in Fig. 1 und die Membranen 111«. lila' und 111«" in Fig. 2, sind nichiselektive Membranen. Die Membranen, wie die Membranen 19 und 19' in Fig. 1 und 119und 119' in Fig. 2, sind anionenselektiv. Die Membranen 25 und 25' in Fig. 1 und die Membranen 125 und 125' sind kationcnselektiv.

Die in Fig. 2 gezeigten Membranen zwischen den verschiedenen Anionenkonzentrationsrahmen 109 a. 109/) und 109 t·. und zwar die Membranen 111 α. 111 ft und 111 r. sind abgestufte nichtselektive Membranen mit \ erschiedencr Porengröße, um verschiedene Fraktionen der Anionenlösung zu liefern. Die Porengröße soll Moleküle der gewünschten Größe durchlassen, so daß die Fraktionierung eintreten kann. Die Membran 111« z.B. kann Moleküle mit einem Molekulargewicht von weniger als 5000 hindurchlassen. während die Membran 111 b Moleküle mit einem Molekulargewicht unter 1000 hindurchläßt und die Membran 1 Hr Ionen niedrigen Molekulargewichts, wie Molekulargewichte unter 200. durchlassen kann.

Die Auswahl der jeweiligen Membranen liegt beim Fachmann für die Elektrodialyse und bildet nicht einen Teil dieser Erfindung. Die Fraktionierung der Anionenkonzentrationslösiing in mehreren benachbarten Rahmen mit Membranen verschiedener Porengrößen ist ebenfalls Sache des Fachmanns.

In einem besonderen Beispiel der Erfindung und unter Bezugnahme auf Fig. 1 der Zeichnung wurde eine Ammoniakbase, verbrauchte Sulfitlauge mit einem Feslkörpergehall von etwa 10°,o. verwendet. Die verbrauchte Lauge hatte einen Stickstoffgehalt Min etwa 4 μ I uii<! enthielt Lignin bzw. Holzstoff mit Molekulargewichten zwischen etwa 300 und 3DO(K)O. Die Kationeiikonzentraüonslösung wurde in die Knlionenkon/entratioiisrahmen 17. 17' und 17" eingefühlt und enthielt Ammoniak in der Größenordnung von fi «i 1 auf Siickstoilbasis. Die Greii/.rahmen 23 und 23' enthielten schweflige Säure in einer Konzentration von 6 g/l. Die Anionenkonzentrationslösung war schweflige Säure mit einer Normalität von 0,1· Diese Lösungen wurden durch die entspreeilenden Rahmen mit einer Geschwindigkeit geleitet, die zur Herstellung von Turbulenz ausreichte. Beim Betrieb der Zelle wurde Lauge dreizehnmal durch die Laugerahmen geleitet; die Aggregatverweilzeit in dem Laugcrahmen betrug 1 Minute.

ίο Ein elektrisches Potential wurde zwischen der Anode 5 und der Kathode 7 hergestellt, welches groß genug war, um eine Stromdichte in der Zelle 3 von 30 mA/m² Membranfläche zu bewirken.

Die angelegte Spannung veranlaßte dieAmmoniakionen in der Lauge, .von den Laugenrahmen 13, 13' und 13" durch die kationenselektiven Membranen 15, 15' und 15" in die Kationenkonzentrationsrahmen 17. 17' und 17" zu wandern. Gleichzeitig traten Sulfitionen von den Grenzrahmen 23 und 23' in die KaI-ionenkonzentrationsrahmen 17 und 17' ein und bewirkten die Bildung von Ammoniumsulfit und -bisiilfit.

Die Membranen 11, 11' und 11" waren anionenselektiv; deshalb gingen nur Verbindungen mit sehr niedrigem Molekulargewicht, insbesondere Zucker, Lignonsu!fonatc sehr niedrigen Molekulargewichts und Schwefeldioxyd, durch die selektiven Membranen 11. 11' und 11" in die Anionenkonzentrationsrahmen 9. 9' und 9". Gleichzeitig wanderten 2O⁰Zu des Wassers in-der Lauge durch Osmose in die Anionenkonzentrationsrahmen 9, 9' und 9". Die Verbindungen höheren Molekulargewichts verblieben in der Lauge, die aus der Zelle 3 durch die Leitungen 35. 35' und 35" austrat.

Bei der oben beschriebenen Verwendung anionenselektiver Membranen stieg der Widerstand der Zelle an, sobald sich die selektiven Membranen mit anionischen Verbindungen höheren Molekulargewichts verstopften, bis die Einheit auf Grund der Polarisation unwirksam wurde und sich daraus ein Überhitzen und Verbrennen der Membranen ergab. Wenn jedoch nichtsclcktive Membranen an den Stellen 11. 11' und 11" verwendet wurden, trat dieses Verstopfen und Zerrttfrim der Membran nicht auf.

Als weiteres Beispiel für die Arbeitsweise der Erfindung und unter Bezugnahme auf Fig. 2 wurde eine ammoniakalische Sulfitablauge mit einem Festkörpergehalt von etwa 10⁰Zo in die in Fig. 2 gezeigte Zelle eingeführt, wobei die Lauge in die Laugenrahmen 113. 113' und 113" enigebracht wurde. Ein elektrisches Potential wurde zwischen der Anode 105 und der Kathode 107 angelegt, um in der Zelle eine Stromdichte von etwa 30 mA/cm² Membranfläche zu erzielen. Die zugeführte Lauge hatte einen Stickstoffgehalt von etwa 4 g/l. Die Kationenkonzentrationslösung zu den Katholytrahmen 117, 117' und 117" enthielt Ammoniak und hatte einen ähnlichen Stickstoffgehalt. Die Anionenkonzentrationslösungcn enthielten Schwefeldioxyd in einer Konzentration von etwa 6 g/l. Die Membranen lila, lila' und 111 rt" wurden so gewählt, daß sic Moleküle mit einem *"oiekulargewichl von weniger als 3000 hindurchließcn. Die Membranen 111 b. 111 b' und 111 b" wurden so gewählt, daß sie Moleküle mit einem Molekulargewicht von weniger als 1000 hindurchließen. Die Membranen 111c. 111c' und III c·" wurden so gewählt, daß sie Moleküle mit einem Molekulargewicht von weniger als 200 hindurchlieUeii. Dar-

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aus ergab sich, daß dieAnionenkonzentrationsrahmen 109 a, 109 a' und 109 a" einen wesentlichen Teil der Ligninmoleküle mit einem Molekulargewicht zwischen etwa 1000 und 3000 festhielten, während die Anionenkonzentrationsrahmen 109 b, 109 b' und 109 ft" Ligninmoleküle mit Molekulargewichten zwischen 100 und 200 hielten und die Aniönenkonzentrationsrahmen 109 c, 109 c' und 109 c" hauptsächlich Schwefeldioxyd, Zucker und Verbindungen niedrigen Molekulargewichts in Lösung enthielten.

Die verschiedenen Lösungen in den Aniönenkonzentrationsrahmen sind für verschiedene Zwecke brauchbar. So haben die Anionen höheren Molekulargewichts ausgezeichnete Dispersionseigenschaften in Ölquellen-Bohrschlamm; diese Anionen zeigen auch ungewöhnliche Bindeeigenschaften für Erze. Darüber hinaus gelieren die Fraktionen höheren Molekulargewichts schneller, entweder spontan oder mit Hilfe gelierender Mittel, wie von Dichromatsalzen. Die Ligninfraktionen niedrigen Molekulargewichts haben verbesserte Oxydationseigenschaften und besitzen auch verbesserte Harzbildungseigenschaften. So liefert die Vorrichtung Produkte mit einzigartigen Eigenschaften.

In einer Zelle mit nur einem Behandlungsrahmen werden etwa 90% des Stromes dazu verwendet, den Widerstand zwischen den Elektroden zu überwinden, woraus sich die Unwirtschaftlichkeit der Arbeitsweise ergibt. Auf der anderen Seite werden in einer Zelle mit drei Behandlungsrahmen nur etwa 2ü°/o des Stromes zur Überwindung des Widerstandes zwischen den Elektroden verbraucht. Es ist offensichtlich, daß das Stapeln von Behandlungsrahmen bei Verwendung der Grenzrahmen einen wesentlich verbesserten Betrieb gestattet.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vielzellige Elektrodialysevorrichtung, bestehend aus mindestens zwei durch gruppenweise Zusammenfassung von verschiedenen Einzelrahmen gebildeten Behandlungsrahmen, die zwischen zwei Elektroden angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Behandlungsrahmen einen Kationenkonzentrationsrahmen, dessen kathodenseitige Membran anionenselektiv, dessen anodenseitige Membran kationenselektiv ist, einen anodenseitig anschließenden Laugerahmen, dessen anodenseitige Membran durch eine semipermeable, nicht ionenselektive Membran gebildet wird, und anodenseitig anschließend mindestens einen Aniönenkonzentrationsrahmen aufweist, dessen kathodenseitige Begrenzung durch eine nicht ionenselektive Membran gebildet wird, und zwischen den einzelnen Behandlungsrahmen Grenzrahmen angeordnet sind, deren kathodenseitige Begrenzung durch eine kationenselektive Membran gebildet wird.

   I licrzu 1 Blatt Zeichnungen