DE1926907A1 - Vielkammerzelle fuer Elektrodialyse - Google Patents
Vielkammerzelle fuer ElektrodialyseInfo
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- B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
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Description
"-.•J. ' ■:,■ τ -- ■ .■?: Pr/Rm PN 459
Die Erfindung betrifft eine Vielkammerzelle für
Elektrodialyse, die beispielsweise zum Entsalzen von Lesungen benötigt wird. Bekanntlich stellt ein Elektrodialysator
eine Mehreelleneinheit dar, bei der jeweils alternierend Zellen für die Verdünnungslösung
und die Konzentratlösung filterpreeaenartig angeordnet
sind. Sine derartige Zelle.wird im herkömmlichen Sinne
durch einen Rahmen gebildet, der von zwei ioneneelektiven
Membranen abgeschlossen wird· Um die Berührung der Membranen zu verhindern, werden verschieden geformte
Separatoren in die Kammer eingelegt· Dabei muß der Abstand der Membranen gering gehalten werden, um den
Energieaufwand bei der Elektrodialyeeentsalzung niedrig
zu halten· Bei den bekannten Zellen filterpressenartiger Aniodnung wird die lösung durch dünne Kanäle in dem
Rahmen punktförmig in die Zelle eingespeist und verläßt in gleioher Weise auf der gegenüberliegenden Seite
die Zelle. Die dabei entstehende lanzettförmige Strömung
garantiert kein homogenes Strömungsprofil Über den Membranen. In den vorhandenen toten Räumen treten verstärkt
Polarisationserscheinungen auf, wodurch der
Elektrodialysepro'zeß negativ beeinflußt wird· Dieae
Nachteile werden gemäß Auslegeschrift der Deutschen Bundesrepublik Nr. 1 142 837 weitestgehend vermieden»
wenn Ein- und Austritt der Lösung in bzw· aus der Zelle durch einen schlitzförmigen Kanal über der gesamten
Breite der Zelle erfolgt· Ergänzend dazu werden für Elektrodialyseverfahren, bei denen nishrere Elektrolytsysteme
vorliegen, Rahmen mit der Gestalt eines
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« 2 «· BAÖ ORfOINAL
gleichseitigen Vieleckes vorgeschlagen. Werden ' . n-ülektrolytsysteme benutzt» eo ist es zweckmäßig, ,
Rahnen mit einer Seitenanzahl von 2n vorzusehen· Bei
einem Elektrodialyseapparat mit solchen Rahmen sind die einzelnen Rahmen jeweils um einen Winkel von
gegeneinander verdreht angeordnet· Im einfachsten
Falle bei Vorliegen eines Dialyeat- und «ine» Konzentratkreises ergeben sich quadratisch· Rahmen, die jeweils
um 90° versetzt angeordnet sind· Sin erheblicher iJachteil der aus der BRD-AS Nr. 1 U2 837 bekannten
Zellen sind die Dichtschwierigkeiten zwischen Dialysat- und Konzentratkreis· Diese Schwierigkeiten können er-
' fahrungsgeaä.3 dadurch beseitigt werden, indem die
Separatoren bis in den Ein- und Auslaösohlitz geführt
werden und die membranen beiderseitig gegen die angrenzenden Rahmen abgestützt werden and so eine Abdichtung möglich wird·
Insgesamt ist es aber auch mit dieser Verbesserung auf Grund der endlichen Abmessungen des Separatormaterial·
und der damit verbundenen Festigkeit nicht möglich, «in·
bestimmte minimale Ifammerdicke zu unterschreiten· Außerdem
wird durch den Separator die effektiv· llembranflache
erheblich verringert·
\ Gemäß der BRD-AS Nr. 1 034 143 wird die Verwendung von
Separatoren in der V/eise vermieden, daß auf einem siebartig ausgestanzten inerten Trägermaterial noppenartig·
Ausbuchtungen angeordnet sind, die die Funktionen der Separatoren übernahmen. Der Inerte Träger wird mii
einer viskosen Lösung eines Anion- oder Kationaustauschersols
in geeigneter Weise überzogen und ergibt so eine ionenselektive Membran· Solche Membranen, die ein
Stützmaterial mit Noppen enthalten, e rmöglichen die Kammerdicke beliebig klein zu gestalten. Als ein wesentlicher
Nachteil ergibt sich aber der bereits bei üblichen Kammerdicken ungünstige tlembranflächenausnutzungsgrad
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▼on etwa 50 £, dadurch bedingt, daß das eingegossene
inerte Trägermaterial die aktive Üembranflache verkleinert·
Insbesondere bei noch kleiner werdender Kanunerdicke nuß, um ein Berühren der Kembranen zu verhindern,
die Stützweite verkleinert, d.h. die Anzahl der Noppen pro Flächeneinheit vergrößert werden. Mit einer größeren
Anzahl von Noppen wird in die -Gesamtfläche noch mehr inertes Trägermaterial eingearbeitet; dadurch wird der
Merabranfikchenausnutzungsgrad weiter verkleinert· Durch
diese Tatsache wird ein wesentlicher Leistungsgewinn
der Zellen, der dt.roh eine Verringerung der Kammerdioke
erzielt wird, teilweise bzw· vollkommen zunichte gemacht·
Zweck d er Erfindung ist die Verbesserung der Leistung von
E.lektrodialysel-camrr.ersellen· Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, die als Separator wirkenden Hoppen wenigstens teilv/eise r.r d en Ionenübergang su nut ι en·
Gelöst wird diese Aufgabe, indem die Einzelelemente Membran, Rahmen und Separator erfindungegemäB zu eines
Bauelement vereinigt sind, welches aus einem Gemisoh von
inertem Trägermaterial und austauschaktivem Kunstharz besteht· Die an sich bekannten Koppen des Bauelenente
sind an der Außenseite des Beuelemente mit einer isolierenden Schichf versehen. Zur Verbesserung der Festigkeit
ist in das Gemisch-des Bauelements ein inertes Gewebe
eingebettet. Bei der Herstellung solcher1 Ziemente
geht man sweckmääigerweise von der entsprechenden Kembraqmasse aus« die aus einem 'inerten thermoplastischen
Binder und einem Ionenaustauscherstaub besteht·
Ee ist zweckmäßig, ein Verhältnis von 15 bis 60 Gew. i>
thermoplastischen Binders und 85 bis 40 Gew. £ Ionenaue-tauacherstaub
zu verwenden· Dieses Material wird als Folie kalandriert und mit einem Gewebe zur Verbesserung
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- 4 BAD ORIGINAL
. der aeohanieohen Sigenecheften kaschiert· Anschließend
werden die so vorbereiteten Membranen auf einer hydraulischen Presse mit einem geeigneten Werkzeug in
der Weiee thermoplastisch geprägt, daß auf der austauschaktiν
wirksamen Membranfläche Noppen in regelmäßiger Anordnung entstehen. Gleichzeitig wird der äußere ebene
Rand gebildet,der die Dichtfläche darstellt» In dieser
Dichtfläche sind die SIn- und Auasträmkanäle für jede
E arm er und die Überströmkanäle enthalten· Die Höhe der.
Noppen und der Absatz beim übergang der Membran In den
äußeren Lichtrand sind gleich und kennzeichnen die Kammerdicke· Um ein Berühren und damit einen direkten Kontakt
k der Noppen und des äußeren Dichtrandes mit dem darauffolgenden
Element zu vermeiden, wird der äußere Hand der lloppen. und des Dichtrandes mit einem geeigneten
inerten Material in dünner Schicht versehen«
Ea 1st zweckmäßig, die Aurteueohelemente quadratisch auszubilden,
weil dadurch in einfacher Weiee Bit gleichartigen
Auatauachelementen, die sich lediglich im fcembranmaterial
unterscheiden, ein Kreuzstrom möglich wird·
Mit der ionenselaktiven heterogenen Membran gemäß der
Erfindung ist es möglich, eine Elektrodialyse eile aufzubauen,
bei der die !!angel der bisher bekannten Zellen
) nicht auftreten· Ein Elektrodialyseapparat besteht demnach
nur noch aue Kathoden- und Anodenplatte und einer Vielzahl kation- und anionselektiver Bauelemente· Dadurch
ist es möglich, extrem schmale Kammern herzustellen und dabei das Verhältnis von elektrischer Leistung
(induzierte Leistung) zur Entsalzungsleietung (effektiver Leistung), günstig zu beeinflussen. ?ür die aktive
liembranflache wird ein großer Flächenausnutzungsgrad
erreicht, da die Eedeckung der lüembranfläche durch die
Noppen nur ca« 3 Ί» beträgt« Durch die Tatsache, daß die
Noppen zu einem großen Teil aus dem Membranmaterial bestehen und folglich mit an dem Übertragungeprozeß be-
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BAB
teiligt werden, wird der Flächenausnutzungsgrad noch verbessert.
Durch die vollständige Ausbildung der äußeren Begrenzung
des Austauschelementes durch das inerte Zwischenmaterial ist ein hermetischer Abschluß des Membranmateriala nach
"außen möglich und es wird.ein sonst übliches Austrocknen
und eventuelles Einreißen des Membranmaterials vermieden·
Sie achsensycxetrische Anordnung der Noppen bewirbt
eine ideale Abstützung des Membranpakets, dadurch werden Betriebsstörungen durch Membranschäden vermieden·
Schließlich ermöglicht die Erfindung eine einfache und
zuverlässige Bauweise·
Auf Grund der Erfindung ist es möglich, extrem dünne Kammern zu realisieren· Dadurch wird das Verhältnis von
elektrischer Leistung (induzierter Leistung) zur Entsalzungsleistung (effektive Leistung)» das gegenwärtig
bei dem Elektrodialyseverfahren noch unbefriedigend
ist, sehr günstig beeinflußt·
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden· Inder zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig· Vi.die Vorderansicht
Pig. 2: den Schnitt A-A nach Figur 1 Fig.· 3: die vergrößerte Einzelheit X naoh Fig· 2 Pig· 4: mehrere Bauelemente einer vielkammerzelle in perspektivischer Sioht·
Pig. 2: den Schnitt A-A nach Figur 1 Fig.· 3: die vergrößerte Einzelheit X naoh Fig· 2 Pig· 4: mehrere Bauelemente einer vielkammerzelle in perspektivischer Sioht·
In einer Explosivdarstellung zeigt Fig· 4 in perspektivischer
Sioht die alternierende Anordnung der kationen-(KA) und ftBtafffö j·«1/W$1P iiLA) Auetauschelemente.
■ OFtIGiNAL INSPECTED - 6 -
AuT die Darstellung der Elektrotenkaimern, die das
Austauscherpaket begrenzen» wird verzichtet, da die Auaführungsfore
der Elektrodenkamern den Erfindungsgegenstand
betreffend untergeordnete Bedeutung haben· Aus dem gleichen Grund werden die notwendigen Montagevorrichtungen
sum Zusammenpressen d ee Austauscherpakets in der Barstellung weggelassen· Von einem zentralen Eintrittsstutzen durchströmt die salzhaltige lösung einen
zentralen Kanal· der in abwechselnder Folge von Ein* trittskanälen 2 und Überströmkanal» 3 gebildet wird·
Von den Eintrittskanälen 2 her durchströmt die Lösung
hydraulisch parallel die Kammern, die jeweils durch Austauschelemente
einer Sorte (z.B. EA * Kationenaustauschelemente oder AA =» Anionenaustauschelemente) gebildet
werden und verläßt über die Auatrittskanttle, die alt
den Ob er Strömkanälen der angrenzenden Austauschelemente
einen zentralen Kanal bilden, die Kammern und schließlich den Elektrodialyseapparat· In entsprechender Weis·
erfolgt die Strömungsführuni
drehten Flüssigkeitssystem·
drehten Flüssigkeitssystem·
erfolgt die Strömungaführung in des zweiten üb. 90° ge-
Ein anion- bzw· kationselektives Auetauscbelement geaäS
Fig. 1 enthält auf der von dem Elektrolyt überströmten
Fläche Noppen 1, die um den Hittelpunkt des Austauscherelementββ
acheensymmetrisch und in Strömungsrichtung
versetzt angeordnet sind· Der Einfachheit wegen wurde auf die Darstellung der Gesamtheit der Koppen verzichtet
und die Belegung der LIembranfläche mit den Noppen nur
angedeutet· Durch die achsensymmetrische Anordnung ist gesichert, daß die Noppen der darauffolgenden um- 90° gedrehten Elemente axial fluchten·
Dadurch wird ein Minimum an bedeckter Ii embr anfläch β erreicht
und günstige mechanische Voraussetzungen geschaffen.
Die Versetzung der Noppen in Strömungsrichtung erhöht die Turbulenz·
- 7 009825/1735
Die Kammer wird bis zu den Aus- bzw· Eintrittskanälen
? der Kammer geführt· Auf beiden Seiten werden in dem
Randgebiet die Noppen mit einer geringeren Teilung angeordnet, um eine bessere Abstützung der Membran gegen
die angrenzenden Austauschelemente und damit eine zuverlässige Abdichtung zu ermöglichen. Seitlioh von der
Kammer sind die Uberströmkanäle 3 für das zweite Flüssigkeit33ystem
mit dem gleichen Querschnitt wie die Ein- und AuslaSkanäle 2 ausgespart· Die Höhe der Noppen 1 kennzeichnet
die Kammerdicke und setzt sich zusammen au«
der Grundhöhe der Noppen» die aus der Membranmas·· 4 ' gebildet sind, und der Schichtdicke der inerten isolierenden
Schicht 5· Der Diohtungsrand besteht zum
überwieelenden Teil aus der MembärsÄBaea« 4 und aus der
inerten isolierenden Schicht 5· iue der Differenz der
Rahmendicke und der Noppenhöhe ergibt sich die Membrandicke.
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BAB Offi&iNAL
Claims (1)
- PatentanspruchVielkammerzelle für Elektrodialyse, im wesientlidhen , aus embran, Rahmen und Stparator bestehend, dadurch gekennzeichnet, deJ diese Einzelelemente zu einem Bauelement vereinigt sind, das aus einem Gemisch von inerten Trägermaterial und austauschaktivem Kunstharz besteht, wobei die an sieh bekannten Noppen (1) an der Außenseite dee Bauelemente· mit einer isolierenden Schickt (5) versehen sind und .in das Bauelement ein' inerte· Gewebt eingebettet ist· -009825/1735Leerseite
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