DE19601595A1 - Ionenaustauscher-Bett mit geringem Strömungswiderstand - Google Patents

Description

Ionenaustauscher sind Stoffe, die in der Lage sind, ungewünschte Ionen ge­ gen harmlose Ionen auszutauschen. So tauscht man mit Kationenaustau­ schern beispielsweise die für die Wasserhärte verantwortlichen Ca- und Mg-Io­ nen gegen Na-Ionen oder H-Ionen aus und erhält "Weichwasser". Es gibt Ka­ tionen- und Anionenaustauscher, die fast ausschließlich in Form von bis ca. 1 mm großen Kügelchen in Schüttung eingesetzt werden. Die Kügelchen sind poröse bzw. quellfähige Polymere (Hauptanteil ist in der überwiegenden Zahl der Fälle Styrol), die chemische Gruppen tragen, die den angestrebten Aus­ tausch von Ionen ermöglichen.

Da eine Schüttung kleiner Teilchen immer einen großen Strömungswiderstand hat, haben leistungsfähige Installationen (im wesentlichen mit Ionenaustau­ schern gefüllte Behälter) einen großen Querschnitt. Abrieb und Bruch erhöhen zudem noch den Strömungswiderstand und können die Lebensdauer beein­ trächtigen.

Um den Strömungswiderstand zu reduzieren, wären größere, aber auch ein­ heitlichere Kugeldurchmesser nötig; solche sind aber wirtschaftlich nicht her­ stellbar. Eine andere Möglichkeit wäre - in Anlehnung an das EP 340 542 -, die Ionenaustauscher an eine offenporige, großmaschige Mastrix zu heften. Im Gegensatz den im EP 340 452 beschriebenen Adsorptionsfiltern ist bei Ionen­ austauschern eine extrem hohe Hydrolysefestigkeit von Matrix und Haftmasse erforderlich. Zudem ist das verwendete Klebersystem, ein über ein Diamin ver­ netztes, maskiertes Diisocyanat ("High Solid" der Fa. Bayer), nicht verwend­ bar, da die aktiven Gruppen des Ionenaustauschers die Vernetzung stören. Die bei der Regeneration übliche saure oder basische Wäsche ist eine weitere, schwere Belastung für die beschriebene Trägermatrix (ein großporiger, retiku­ lierter PU-Schaum), aber auch für die Haftmasse.

Es war Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System zu finden, das die beson­ deren Anforderungen erfüllt: Höchste Hydrolysefestigkeit und chemische Stabi­ lität.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß ein großporiger, retikulierter Polyolefin-Schaum ein idealer Träger für Ionenaustauscher ist. Ein durch Zu­ sätze hydrophil modifiziertes Polyolefin ist besonders gut geeignet, aber keine Voraussetzung. Beim Erhitzen wird das Polyolefin-Gitter genügend klebrig, um daran (getrocknete) Ionenaustauscherkörner dauerhaft und ohne Kleber zu fi­ xieren. Wichtig ist allerdings, das Ineinandersacken des Trägers zu verhindern. Das geschieht dadurch, daß man den Polyolefin-Schaum zuerst vollständig mit den Ionenaustauscher-Kügelchen füllt; der so "ausgestopfte" Träger kann nicht mehr zusammenfallen bzw. wegschrumpfen. Nach dem Abkühlen wird der Überschuß problemlos herausgeklopft, denn nur die Teilchen, die mit dem kle­ brig gewordenen Träger Kontakt hatten, bleiben fixiert. Auf diese Weise lassen sich beliebige Körper, auch Platten, ausbilden. Schrumpft man diese in eine geeignete Schrumpffolie ein, und verstärkt die Außenseite, beispielsweise durch eine geeignete Umwicklung, erhält man auf einfachste Weise einen funktionsfähigen Ionenaustauscher! Voraussetzung ist, daß die verwendeten Ionenaustauscherkörner die Temperatur, bei der der polymere Träger klebrig wird, vertragen. Bei einem Polyolefin liegt diese Temperatur bei ca. 155- 160°C. Ionenaustauscher werden normalerweise mit ca. 50% Feuchte ange­ boten. Beim Trocknen tritt deshalb eine Schrumpfung ein, was besonders bei den nur schwach vernetzten Geltypen der Fall ist. Das kann bei ungenügend großen Poren - der Durchmesser sollte mindestens dreimal den Teilchen­ durchmesser betragen - beim Wiederbefeuchten zu Problemen führen.

Das gleiche Prinzip kann natürlich auch angewandt werden, um hochporöse Schüttungen aus Agglomeraten von Ionenaustauscher-Kügelchen herzustel­ len. So können kleine Ringe oder, in Anlehnung an die dem Fachmann be­ kannten Raschingringe, hohle Zylinderchen aus einem hydrolysefesten Kunst­ stoff, der beim Erhitzen klebrig wird, als Träger dienen.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß für manche Anwendungen ein reti­ kulierter Polyurethanschaum, wie im EP 340 542 beschrieben, als Träger ver­ wendet werden kann, wenn eine hydrolysefeste Haftmasse benutzt wird. Eine solche ist beispielsweise Levacast 43 131 N, ein polymeres Isocyanat, welches durch Feuchtigkeit vernetzt und für die Herstellung von Schuhobermaterial ent­ wickelt wurde. Dabei empfiehlt es sich, die Ionenaustauscher nur bis zur Rie­ selfähigkeit zu trocknen, weil die Restfeuchte die Vernetzung fördert.

Grundsätzlich gilt für alle beladenen Schäume oder sonstigen dreidimensiona­ len Trägerstrukturen, daß die zwischen den fixierten Kügelchen bestehenden Hohlräume bzw. Passagen ca. 0,1-3, vorzugsweise 0,5-1 mittlere Kugeldurch­ messer groß sein sollten.

Beispiel 1

Ein retikulierter Polyolefin-Schaum in Form einer 400 × 300 × 20 mm großen Platte, Litergewicht ca. 30 g, Porosität 15 PPI, wurde in einer Fotoschale mit getrockneten Ionenaustauscher-Kügelchen (Kationenaustauscher auf Basis Styrol/Divinylbenzol, Geltype, Kugeldurchmesser 0,3-0,6 mm) bedeckt, so daß der Schaum vollständig mit Kügelchen gefüllt war. Danach wurde alles in einen auf 165°C aufgeheizten Trockenschrank gestellt. Während ein Schaum ohne Ionenaustauscher nach 2-3 Minuten zusammensackte, behielt der mit den Io­ nenaustauschern gefüllte Schaum seine Dimensionen, da er wegen der Fül­ lung nicht schrumpfen konnte. Nach 60 Minuten wurde abgekühlt und der Überschuß herausgeschüttelt. Etwa 150 g Ionenaustauscher/l Schaum wurden dauerhaft fixiert. Die selbsttragenden Platten hatten einen Durchflußwider­ stand, der acht- bis zehnmal geringer war als eine Schüttung gleicher Kapazi­ tät.

Beispiel 2

Ein klassischer Polyethylenschlauch mit Außen- und Innendurchmesser von 6 bzw. 5 mm wurde in 3 mm lange Stückchen zerschnitten. 100 g dieser Ringe oder Zylinderchen wurden in einem Becherglas mit etwa 500 g Ionenaustau­ schern des Beispiels 1 vermischt, so daß zwischen den Polyethylenringen praktisch keine Berührungsstellen auftraten. Das Gemisch wurde während 60 Minuten auf 165°C aufgeheizt. Nach Abkühlen wurde festgestellt, daß die Rin­ ge zwar etwas geschrumpft, aber vollüber mit gut haftenden Ionenaustau­ schern bedeckt waren, und zwar in einer Menge von 140 g. Aus diesem Mate­ rial wurde in einem Glasrohr mit einem inneren Querschnitt von 30 cm² eine Schüttung hergestellt, die eine Höhe von 20 cm hatte. Eine Schüttung aus 140 g losen Ionenaustauschern hatte eine Höhe von 10,5 cm. Beide Schüttungen hatten praktisch die gleiche Kapazität, doch war der Druckverlust durch die er­ findungsgemäße Schüttung acht- bis neunmal geringer.

Wegen des hohen Durchflußwiderstands einer Schüttung ist man bestrebt, größere Kügelchen herzustellen bzw. den Kugeldurchmesser in engen Gren­ zen zu halten. Beide Wege sind mit zusätzlichen Kosten verbunden. Die erfin­ dungsgemäße Lösung ist hingegen auch für kleine Kügelchen mit einem brei­ ten Bereich für die Durchmesser gut geeignet.

Claims (8)

1. Körper mit ionenaustauschenden Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem dreidimensionalen offenen Träger, Trägerskelett oder Trä­ germatrix kugelförmige oder körnige Ionenaustauscher haften.

2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein reti­ kulierter Schaum mit einer Porosität von 8-30 PPI ist.

3. Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum ein Polyurethanschaum ist.

4. Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Po­ lyolefinschaum ist.

5. Körper nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Wänden oder Stegen haftenden Kügelchen Hohlräume oder Passagen umschließen, die 0,1-3, vorzugsweise 0,5-1 mittlere Kugeldurchmesser groß sind.

6. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine für Schüttun­ gen geeignete Form (Zylinderchen, Ringe, Bändchen) als Träger verwen­ det wird, an deren Oberfläche die Ionenaustauscher haften.

7. Körper nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Trägerskelett aus einem Material besteht, das durch Erwärmen klebrig wird und die Ionenaustauscher ohne zusätzli­ chen Kleber durch Erwärmung zum Haften gebracht werden.

8. Körper nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauscher mit einem Kleber auf Ba­ sis eines polymeren Polyisocyanats am Trägermaterial haften.