DE2902247C3 - Dichtungsrahmen für gestapelt angeordnete Austauschermembranen für die Elektrodialyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dichtungsrahmen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Elektrodialyse ist ein elektrochemisches Membranverfahren, das zum Entsalzen oder Konzentrieren von Elektrolytlösungen und zum Abtrennen gelöster Elektrolyte von gelösten elektrisch nicht geladenen Stoffen eingesetzt wird. Hierbei wandern elektrisch geladene Teilchen (Ionen) unter Einwirkung eines elektrischen Feldes durch Membranen, die selektiv entweder nur die negativ geladenen Teilchen (Anionen) oder die positiv geladenen Teilchen (Kationen) durchlassen. Ordnet man solche Membranen so abwechselnd zwischen zwei Elektroden in einem Stapel an, daß zwischen den Membranen Durchflußkammern entstehen, wird die Lösung in jeder zweiten Kammer entsalzt und in den dazwischenliegenden Kammern aufkonzentriert. Zur Kammerbildung liegt jeweils zwischen zwei Membranen ein Dichtiingsruhmen mit einem netzförmigen Abstandshalter, beispielsweise einem Netzgewebe. Dieser Dichtrahmen sorgt außer für die Kammerbildung vor allem für die Trennung des zu verdünnenden Flüssigkeitsstromes von dem zu konzentrierenden Flüssigkeitsstrom. Damit die Kammern eines Membranstapels abwechselnd von den beiden Flüssigkeitsströmen durchströmt werden können, müssen die Dichtrahmen sowohl Auslauföffnungen für die Zuführung der einen Lösung in die entsprechende Kammer als auch Bohrungen für den Durchtritt der anderen Lösung in die nächste Kammer enthalten.

Die bisher bekanntgewordenen Dichtrahmen weisen zahlreiche Nachteile auf. Da die Zufluß- und Abflußrinnen für die eingespeiste Lösung und für den konzentrierten und den verdünnten Flüssigkeitsstrom ίο nicht zu dicht nebeneinander liegen dürfen, um interne Lecks zu vermeiden, hat man diese Rinnen mit Abstand und relativ kleinem Querschnitt ausgebildet. Das Ergebnis solcher Ausbildungen ist eine Undefinierte Strömungsverteilung in der Kammer, die sehr leicht zur ta Krustenbildung und damit zu einer Behinderung des Durchflusses führen kann. Hinzu kommt auch noch, daß man im Bereich der genannten Rinnen ein Durchbiegen der Membranen nicht vollständig verhindern konnte, so daß auch durch Einschnürung der Querschnitte die Strömungsverteilung verschlechtert wird. Sich durchbiegende Membranen führen aber auch sehr häufig zu Undichtigkeiten zwischen den beiden Fiüssigkeitsströmen. Der entscheidende Nachteil von mit Abstand angeordneten Zufluß- und Abflußrinnen ist aber vor allem die stark verminderte Durchströmgeschwindigkeit im Bereich zwischen benachbarten Rinnen, so daß gerade an diesen Stellen eine starke Krustenbildung auftritt, die letzdich nicht nur den Wirkungsgrad herabsetzt, sondern auch dazu führen kann, daß die Membranen mechanisch beschädigt werden.

Da es zur Erzielung eines möglichst geringen

Spannungsabfalls zwischen den Elektroden von Vorteil ist, bei maximaler Membranzahl die Stapeldicke möglichst klein zu halten, verwendet man vorzugsweise sehr dünne Dichtungsrahmen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Dichtrahmens für die Membranstapel von Elektrodialyse-Einrichtungen, welcher bei geringer Dicke für eine optimale Strömungsverteilung •to sorgt, so daß die gesamte freie Fwembranfläche für den Salztransport zur Verfugung stehen kann und es dabei nicht zu Krustenbildungen kommt, eine optimale Dichtwirkung auch bei niedrigem Anpreßdruck und eine große Formstabilität gewährleistet werden und bei dem ein minimaler Druckabfall in den Kammern auftritt.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs genannten Rahmen durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Anspruch 1 V) ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführung.'iform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Elektrodialyse-Anordnung, für die die erfindungsgegemäßen Dichtrahmen vorgesehen sind,

ho Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Membranstapels nach dem Stande der Technik,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Dichtrahmen mit eingelegtem Netzgewebe,
fi5 Fig. 4 Schnitt l-l und

F i g. 5 in vergrößertem Maßstab die rechte untere Ecke des Dichtungsrahmens der F i g. 3.

Als Beispiel eines Elektrodialyse-Verfahrens zeigt die

Fig. I schematisch das Entsalzen einer Kochsalzlösung. Zwischen den beiden Elektroden 1 und 2, deren angelegte Spannung durch den Stapel einen Strom von beispielsweise 5 Ampere hindurchtreiben kann, befinden sich drei Kammern 3, 4 und 5. Die zu entsalzende Lösung wird bei 6 zugeführt und tritt über die Anschlüsse 3', 4' und 5' in die drei Kammern 3,4 und 5 ein. Zwischen den Kammern 3 und 4 befindet sich eine Kationen-Austauschermernbran 7 und zwischen den Kammern 4 and 5 eine Anionen-Austauschermembran 8. Aufgrund des angelegten Potentials wandern, wie in F i g. 1 eingezeichnet, die negativen Cl-Anionen in Richtung zur Elektrode 1, während die positiv geladenen Na-Kationen zur Elektrode 2 wandern. Durch diese Ionenstromflüsse kommt es in der Kammer is 4 zu einer Konzentrierung der bei 6 angeführten Lösung, so daß über die Leitung 10 und den Abfluß 4" eine konzentrierte Lösung abgezogen werden kann. Die in den Kammern 3 und 5 verdünnte Lösung kann die erwähnten Kammern über die Anschlüsse 3" und 5" und die Leitung 9 verlassen.

Die Fig.2 zeigt in einer auseinandergezogenen perspektivischen Darstellung schematisch eine Vorrichtung, weiche gemäß F i g. 1 arbeitet. Um einen gedrängten Aufbau zu erhalten, sind die Leitungen 9 und 10 in den Stapel selbst hinein verlegt. Wie Fig.2 erkennen läßt, befinden sich an zwei gegenüberliegenden Seiten der Elektrode 21, der Kationen-Austauschermembran 27, des zwischengelegten Abstandshalters 22, der Anionen-Austauschermembran 28 des nachfolgenden Abstandshalters 22' ... usw. Bohrungen, die praktisch die Realisierung der Anschlüsse 3', 4', 5', 3", 4", 5" darstellen. So wird die zu behandelnde Elektrolytlösung über die Bohrungen 41, 42 an der Elektrode 21 zugeführt Die verdünnte Lösung sammelt sich in den Bohrungen 43 und kann über einen Anschluß 29 abgezogen werden. In entsprechender Weise kann die konzentrierte Lösung durch die Bohrungen 44 hindurchströmen, um dann bei 30 abgezogen zu werden.

Hohlräume in den Elektroden und in den einen sogenannten Dichtungsrahmen 22 bildenden Abstandshalter bilden die in Fig. 1 mit 3, 4, 5 bezeichneten Kammern. Die zugeführte Elektrolytlösung kann von der Bohrung 42 des Dichtungsrahmens 22 über eine flache Rinne 46 das Innere der zwischen den beiden Membranen 27 und 28 liegenden Kammer erreichen. In gleicher Weise erfolgt die Speisung der Kammer im Dichtungsrahmen 22' zwischen der Anionen-Austauschermembran 28 und der nachfolgenden nich: dargestellten Kationen-Austauschermembran über eine Rinne 48, die mit der Bohrung 41 in Verbindung steht.

In der Praxis wird der gesamte Membranstapel mit kräftigen Schraubbolzen zusammengespannt, so daß die Elektroden, Membranen und Dichtungsrahmen fest aufeinanderliegen und die verschiedenen Bohrungen 41, 42, 43, 44 praktisch durchgängige Kanäle bilden, die alternativ in die Kammern der Dichtungsrahmen einmünden. Damit die Membranen nicht durchgebogen, sondern maximal abgestützt werden, befinden sich in den Kammern de,· Dichtungsrahmen 22 netzförmige bo Abstandshalter 49, die vorzugsweise aus einem Gewebe bestehen.

Nachteilig ist bei den bekannten Dichtungsrahmen, daß in den Bereichen der Kammer, die den Rinnen 45 und 46 benachbart sind, eine geringere Strömungsgeschwindigkeit herrscht, so daß es dort zu Krustenbildungen kommen kann, die zu Undefinierten Strömungsverteilungen und einer schlechten Ausnutzung der Membranoberfläche führen.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene verbesserte Ausbildung eines Dichtungsrahmens zeigen die F i g. 3 und 4. Die F i g. 4 ist in etwa eine Verkleinerung eines Originals im Maßstab 1 :2. Anders als bei den vorbekannten Dichtungsrahmen ist hier an den gegenüberliegenden Rändern 52 und 53 des Dichtungsrahmens 51 eine Mehrzahl von Bohrungen angeordnet, die den vorstehend erwähnten Bohrungen 41 bis 44 entsprechen. Als Beispiel sei hier angenommen, daß die Bohrungen 55 und 56 der Zufuhr der Elektrolytlösung dienen. An der gegenüberliegenden Rahmenseite 53 sind jeweils vers.xzt die Bohrungen 57 und 58 vorgesehen, die zur Abfuhi der verdünnten und der konzentrierten Lösungen dienen. Von den Bohrungen 55 und 57 führen in an sich bekannter Weise relativ enge Kanäle in das Innere des Dichtungsrahmens, welcher als Abstandshalter ein eingelegtes netzförmiges Gewebe 54 enthält. Die relativ engen Kanäle, welche an die Bohrungen 55 und 57 angeschlossen sind, divergieren beispielsweise unter einem Winkel von 90". Auf diese Weise ergibt sich eine zick-zack-förmige Konfiguration der Kammerbegrenzung neben den Rahmenseitenteilen 52 und 53. Die vorspringenden dreieckförmigen Teile des Dichtungsrahmens liegen praktisch in den Bereichen der Kammer, die bisher durch eine verminderte Durchströmungsgeschwindigkeit benachteiligt waren.

Es ergibt sich somit eine geordnete Strömung zwischen den einander zugeordneten Zu- und Abflußrinnen 59 und 60, und es bleibt praktisch keh; Teil der benachbarten Austauschermembran unausgenutzt. Damit es nicht zu einer Querschnittsverengung in den divergierenden Abschnitten 61 kommen kann, ist der in die Kammer eingelegte Abstandshalter 54 bis an die Basis der divergierenden Abschnitte 61 herangeführt.

Wie in F i g. 4 teilweise, d. h. im rechten Abschnitt mit gestrichelten Linien 62 dargestellt, wird zweckmäßig mindestens eine Fläche des Dichtungsrahmens 51 mit einer zusätzlichen plastischen Dichtmaterialbeschichtung versehen.

Diese Dichtmaterialbeschichtung verläuft linienförmig entlang der Ränder von Kammern, Durchgangsbohrungen 55—58 und Zu- und Abflußrinnen 59,60. Von besonderem Vorteil ist es, diese Dichtmaterialbeschichtung 62 im Siebdruckverfahren aufzubringen, wozu sich ein geschäumter Kunststoff, zweckmäßig ein geschäumtes Epoxyharz, besonders eignet.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Eckbohrungsn 63 dienen zur Aufnahme der den gesamten Membranstapel durchsetzenden Spann- und Führungsbolzen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Dichtungsrahmen für alternierend angeordnete Anionen- und Kationen-Austauschermembranen eines Membranstapels für die Elektrodialyse, bei dem die Rahmenränder, welche eine mit eingelegtem netzförmigen Abstandshalter versehene Kammer umschließen, gegenüberliegend angeordnete durchgehende Versorgungs- und Verbindungsbohrungen für die zu behandelnde Lösung und die mit abgetrennten gelösten Elektrolyte bzw. elektrisch nicht geladenen gelösten Stoffe angereicherte bzw. abgereicherte Lösung enthalten und alternierend diese Bohrungen über Zu- bzw. Abflußrinnen mit dem Inneren der Kammer in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß an gegenüberliegenden Rahmenrändern (52, 53) eine Mehrzahl von über Bohrungen (55—58) angeschlossene Zu- und Abflußrinnen (59,60) angeordnet ist, welche alle zum Kammerinneren divergieren und so aneinander grenzen, daß die inneren Kamen der sich gegenüberliegenden Rahmenränder (52, 53) eine zick-zack-förmige Kontur erhalten und daß sich die netzartigen Abstandshalter (54) bis in die divergierenden Bereiche (61) der Zu- und Abflußrinnen (59, 60) erstrecken.

2. Dichtungsrahmen nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die divergierenden Bereiche

(61) der Zu- und Abflußrinnen (59, 60) von einem harten formstabilen Kunststoff, der mit einer zusätzlichen plastischen Dichtmaterialbeschichtung

(62) versehen ist, begrenzt v»rden.

3. Dichtungsrahmen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichimaterialbeschichtung (62) aus einem geschäumten Kunststoff besteht.

4. Dichtungsrahmen nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmaterialbeschichtung (62) im Siebdruckverfahren aufgebracht ist.