DE3016728C2 - Verfahren für die Elekrodialyse-Entsalzung - Google Patents

Verfahren für die Elekrodialyse-Entsalzung

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Description

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Die Erfindung betrifft ein elektrodialytisches Meerwasserentsalzungsverfahren, wobei das Meerwasser mindestens zwei Elektrodialysezellen, weiche durch kationen- und anionenaktive Membranen in je zwei Kammern aufgeteilt werden, zugeführt wird.
Es ist ein Verfahren entwickelt worden (DE-OS 30 14 839), bei dem Meerwasser mittels eines Elektrodialyse-Prozesses konzentriert ι .id in zwei Teile j5 aufgetrennt wird, nämlich die konzentrierte Sole und die verdünnte Lösung. Der hierbei verwendete Elektrodialysator ist so aufgebaut, daß Kationen-Austauschermembranen, die selektiv Kationen durchlassen, und Anionen-Austauschermembranen, die selektiv Anionen durchlassen, in einem abwechselnden Muster zwischen zwei Elektroden angeordnet sind. Wenn ein Gleichstrompotential zwischen den beiden Elektroden angelegt wird, werden die Kationen zu der negativen Elektrode und die Anionen zu der positiven Elektrode übertragen; diese Ionen bewegen sich selektiv durch die Ionenaustauschermembranen; Kammern für die verdünnte Lösung und Kammern für die konzentrierte Lösung werden in einem abwechselnden Muster zwischen den beiden Elektroden durch die Ionenauslnu- M schermembranen ausgebildet. Das Süßwasser wird aus einer der Kammern für die verdünnte Lösung abgenommen, während die konzentrierte Sole ebenfalls aus einer der Kammern für die konzentrierte Lösung abgenommen wird. ss
Weiterhin wird in einer Firmenschrift der Firmen Hitachi Ltd. sowie Babcock-Hitachi K. K. ein elektrodialytisches Meerwasserentsalzungsverfahren vorgeschlagen, bei dem komprimierte Luft in die Kammer für die konzentrierte Lösung eingeführt wird, um das Verstopfen der Membran zu verringern und die Konzentrations-Polarisation zu reduzieren.
Das Meerwasser, das einem solchen Elektrodialysator zugeführt wird, ist jedoch im Laufe der Zeit starken Temperaturschwankungen unterworfen, wobei als Beispiel nur die hohen Temperaturunterschiede zwischen Sommer und Winter genannt werden sollen; aus diesem Grunde läßt sich die Temperatur, die für die Elektrodialyse geeignet ist, nicht immer erhalten. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Elektrophorese der Ionen umso mehr erleichtert werden kann, je höher die Temperatur des dem Elektrodialysator zugeführten Meerwassers ist, woraus sich wiederum ergibt, daß der Verbrauch an elektrischer Energie entsprechend geringer wird. Wenn jedoch die Temperatur zu hoch ist, kann die Qualität des Materials für die lonenaustauschermembranen ungünstig beeinflußt werden; insgesamt muß also festgestellt werden, daß ein bestimmter Temperaturbereich, auf den das Meerwasser erwärmt werden sollte, besonders günstige Betriebsverhältnisse gewährleistet
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Meerwasserentsalzungsverfahren der eingangs genannten Art die Menge der benötigten Energie möglichst gering zu halten.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst daß man teilentsalztes Wasser nach einer beliebigen der in Reihe geschalteten Elektrodialysezellen abzieht dieses Wasser auf eine für die Membranen zulässige Temperatur erwärmt und der Kammer für teilentsalztes Wasser der nächstfolgenden Dialysezelle wieder zuführt
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Erwärmungstemperatur im Bereich von 300C bis 900C liegt Dann ist nämlich die Energiebilanz besonders günstig.
Um den Aufwand für die aufzuwendende Energie in den Ländern, in denen die Meerwasserentsalzung besonders notwendig ist, zugleich aber die Sonneneinstrahlung sehr intensiv ist weiter zu verringern, erfolgt vorzugsweise die Erwärmung in einem Sonnenwärme ausnutzenden Wärmesammler und/oder einem Sonnenwärme ausnutzenden Wärmespeicher.
Bei den bekannten Verfahren wird das gesamte, dem Elektrodialysator zugeführte Meerwasser vorgewärmt; wenn Sonnenwärme während des Sommers in großem Umfang zur Verfügung steht hat die dem Wärmeaustauscher zugeführte Wärme einen hohen Heizwert; dadurch kann jedoch die Temperatur des zugeführten Meerwassers auf 90° oder sogar auf einen noch höheren Wert gesteigert werden, wodurch jedoch das Material der Dialyse-Membranen angegriffen und seine Lebensdauer verkürzt werden. Durch eine Bypassleitung, weiche die Heizeinrichtung umgeht, kann das teilentsalzte Meerwasser υ gesteuert werden, daß die Temperatur des dem Elektrodialysator zugeführten Wassers auf einem geeigneten Temperaturwert, beispielsweise zwischen 30 und 900C, gehalten wird, wodurch sich der Wirkungsgrad des Entsalzungssystems verbessert Wegen des Wärmewiderstandes bzw. der Wärmewiderstandsfähigkeit der Ionenaustauschermembranen beträgt ein günstiges Temperaturmaximum ca. 70 bis 90° C; unter dem Gesichtspunkt des Wirkungsgrades der Entsalzung sollte das Minimum bei ca. 300C liegen. Für den Betrieb wird die Temperatur des Meerwassers im bevorzugten Bereich von 30 bis 900C, insbesondere bei ca. 50° C gehalten. So läßt sich der für den Elektrodialysator benötigte Verbrauch an elektrischer Energie verringern; dadurch kann also Frischwasser mit hohem Wirkungsgrad hergestellt werden.
Wenn das gesamte zugeführte Meerwasser erwärmt wird, ist eine große Wärmemenge erforderlich. Im einzelnen wird der Gesamtwert des elektrischen Widerstandes im Elektrodialysator zwischen dem Süßwasseranteil und Meerwasseranteil aufgeteilt, beispielsweise in einem Verhältnis von ca. 68% zu 32%. Es
ist nämlich der Widerstandswert des Süßwassers einige lOOmal so groß als der Widerstandswert der konzentrierten Sole. Außerdem hat sich herausgestellt, daß die Verringerung des Widerstandswertes durch die Erwärmung des Meerwassers in der Hauptsache durch eine Verringerung des Widerstandswertes des Süßwasseranteils verursacht wird. Als Folge hiervon wurde festgestellt, daß bei der Erwärmung des gesamten Meerwassers einschließlich der konzentrierten Sole, die nicht viel zu der Verringerung des Widerstandswertes beiträgt, der Wärmeverlust im Vergleich mit der Verringerung des Widerstandswertes hoch ist, so daß sich ein unwirtschaftlicher Betrieb ergibt.
Bei dem beanspruchten Verfahren werden Kammern für die verdünnte Lösung und Kammern für die konzentrierte Lösung, die durch die abwechselnde Anordnung von Kationen-Austauschermenibranen und Anionen-Austauschermembranen zwischen beiden Elektroden gebildet werden, in Reihe miteinander in zwei oder mehr Stufen geschaltet Meerwasser wird nacheinander den Kammern für die verdünnte Lösung und den Kammern für die konzentrierte Lösung für die Durchführung der Elektrodialyse zugeführt. Diese sind so angeordnet, daß das teilweise entsalzte Meerwasser aus der ersten Kammer für die verdünnte Lösung oder den folgenden Kammern für die verdünnte Lösung abgezogen und erwärmt und anschließend den weiteren, folgenden Kammern für die verdünnte Lösung zugeführt wird.
F i g. 1 zeigt ein Strömungsdiagramm einer Ausführungsform des Elektrodialyseverfahrens nach der vorliegenden Erfindung, bei dem das oben beschriebene Prinzip ausgenutzt wird. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 strömt das Meerwasser durch die Meerwasserleitung 52 und wird in den Elektrodialysator 20 eingeführt, wo es durch mehrere, darin angeordnete Elektrodiaylsezellen 101 bis 105, welche durch Austauschermembrane 17 in Kammern A bzw. B aufgeteilt sind, strömt; in der Stufe, in der die Konzentration der Süßwasserstufe verringert wird, wird die halbverdünnte Lösung, die sich beispielsweise in dem Süßwasserteil der zweiten Zelle 102 gesammelt hat, durch eine Extraktionsleitung 114 abgenommen, einem Wärmetausch mit dem Hochtemperatursüßwasser von der Leitung IS in einer Wärmerückgewinnungseinrichtung 116 unterworfen und anschließend in eine Heizeinrichtung 118 eingeführt, wo es weiter erwärmt und in die dritte Zelle 103 eingeführt wird; auf diese Weise wird der Wert des elektrischen Widerstandes des Süßwassers verringert, in diesem Fall muß die Temperatur, auf die das Süßwasser (die halbverdünnte Lösung) erwärmt werden soll, in dem Temperaturbereich bleiben, der für die verwendeten Ionenaustauschermembranen zulässig ist. Die Extraktionsleitung 114 kann auch an den Zellen A 1, A 3 oder A 4 vorgesehen werden. Als Heizeinrichtung 118 können ein Wärmesammler oder ein Wärmespeicher, der Sonnenwärme ausnutzt, wie oben erwähnt wurde, eingesetzt werden.
Bei dieser Ausführungsform wird der Süßwasserteil, dessen elektrischer Widerstand einen Absolutwert hat, der mehrere hundert Male höher als der elektrische Widerstand des Solenteils ist, in der Hauptsache erwärmt, um den Wert des elektrischen Widerstandes zu verringern. Demzufolge kann die Wärmemenge, die für die Erwärmung des Meerwassers benötigt wird, auf ungefähr die Hälfte des herkömmlichen Verfahrens verringert werden; die Geschwindigkeit der Verringerung des Wertes des elektrischen Widerstandes kann auf einem hohen Pegel gehalten werden, so daß sich ein sehr wirtschaftlicher Verbrauch an elektrischer Energie ergibt; und schließlich läßt sich hierdurch noch der Wirkungsgrad bei der Herstellung des Süßwassers wesentlich verbessern.
Die Fig.2 und 3 zeigen die Ergebnisse von Untersuchungen, bei denen ein Elektrodialysator mit mehreren (fünf) Elektrodialysezellen 101 bis 105 verwendet wurden, die in Reihe geschaltet sind; die
to Einlaß-Konzentrationen der Salze in den Verdünnungskammern A 1 bis A 5 und in den Konzentrationskammern B1 bis 55 in den jeweiligen Elektrodialyasezellen wurden bei verschiedenen Temperaturbedingungen gemessen und die so erhaltenen Werte für den elektrischen Widerstand verglichen.
!n F i g. 2 stellt die Kurve 106 die Änderungen des Wertes des elektrischen Widerstandes der Sole bei 100C in den Kammern für die konzentrierte Lösung die Kurve 108 die Änderungen des Wertes des elektrischen Widerstandes der Sole dar, die auf 50" C erwärmt wurde. Wie man der Kurve 106 entnehmen kann, nimmt für die Sole bei 1O0C der Wert des elektrk:hen Widerstandes von 20,4
cm in der ersten Zelle 101 auf 13,2 cm in der vierten Zelle 104 und der fünften Zelle 105 ab. Im Gegensatz hierzu nimmt bei der auf 50° C erwärmten Sole der Wert des elektrischen Widerstandes mit der Erhöhung der Konzentration 13,2 cm in der ersten 101 auf 63 cm in der vierten Zelle 104 und der fünften Zelle 105 ab; d. h.
also, daß die erwärmte Sole zu einem verringerten Wert des elektrischen Widerstandes führt. Die Sole selbst hat jedoch ursprünglich einen niedrigen Wert des elektrischen Widerstandes; sogar dann, wenn sie erwärmt wird, beträgt die Verringerung in den jeweiligen Zellen im allgemeinen nur einige cm. Wenn der Wert des elektrischen Widerstandes des gesamten Meerwassers berücksichtigt wird, läßt sich erkennen, daß die Erwärmung der Sole kaum zu der Verringerung des Wertes des elektrischen Widerstandes des gesamten
■to Meerwaysers beiträgt.
In Fig.3 stellt eine Kurve 110 die Änderungen des
Wertes des elektrischen Widerstandes des Süßwassers be: 100C in den Kammern für die verdünnte Lösung und
eine Kurve 112 die Änderungen des Wertes des elektrischen Widerstandes des Süßwassers dar, das auf 500C erwärmt wurde. Im Fall der Kurve 110 ist zunächst in der ersten Zelle 101, in die das Meerwasser fließt, die Konzentration vergleichsweise hoch, wodurch der Wert des elektrischen Widerstandes relativ gering ist und beispielsweise bei 66,7
cm liegt. In der zweiten Zelle 102 und den weiteren Zellen, wo die Konzentration abnimmt, wie man erkennen kann, nimmt der Wert des elektrischen Widerstandes scharf zu und beträgt in der fünften Zeile 105 ungefähr 1000 cm, ist also ungefähr 76mal so hoch wie der Wert des elektrischen Widerstandes der Sole in der gleichen Elektrodialysezelle. Wenn "nan nun die Änderungen des Wertes des elektrischen Widerstandes bei 50° C untersucht, so läßt sich erkennen, daß der Wert des elektrischen Widerstandes mit dem Fortschreiten der Entsalzung v>.n 32,8 cm in der ersten Zelle 101 auf 455 cm in der fünften Zelle 105 ansteigt; die elektrischen Widerstände in den jeweiligen Zellen nehmen jedoch im Mittel um 47% ab, und zwar
M verglichen mit denen des Frischwassers bei 10°C. Wenn die Verringerung des Wertes des elektrischen Widerstandes in der zwe.cn Zelle 102 usw. untersucht wird, wo die Werte der elektrischen Widerstände besonders
5 6
stark ansteigen, belaufen sich die Verringerungen des Experimente ergibt, ist es sehr effektiv für die
Absolutwertes des elektrischen Widerstandes auf ein Verringerung des Wertes des elektrischen Widerstan- Mehrfaches der entsprechenden Werte für die oben des, den Süßwasseranteil in dem Elektrodialysator
erwähnte Sole, nämlich auf 733 cm in der zweiten Zelle innerhalb des zulässigen Temperaturbereiches für die
102, 142 cm in der dritten Zelle 103. 273 cm in der > Materialqualität zu erwärmen, die in den lonenaustau-
vierten Zelle 104 und 545 cm in der fünften Zelle 105. schermembranen verwendet wird. Wie sich aus den Resultaten der obenbeschriebenen
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Elektrodjalytisches Meerwasserentsalzungsverfahren, wobei das Meerwasser mindestens zwei Elektrodialysezellen, welche durch kationen- und anionenaktive Membranen in je zwei Kammern aufgeteilt werden, zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man teilentsalztes Wasser nach einer beliebigen der in Reihe geschalteten Elektrodialysezellen abzieht, dieses Wasser auf eine für die Membranen zulässige Temperatur erwärmt und der Kammer für teilentsalztes Wasser der nächstfolgenden Elektrodialysezelle wieder kzuführt
2. Elektrodialyse-Eintsalzungs-Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwännungstemperatur im Bereich von 300C bis 900C liegt
3. Elektrodialyse-Entsalzungs-Verfahren nach Anspruch 1 ia J/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung in einem Sonnenwärme ausnutzenden Wärmesammler und/oder einem Sonnenwärme ausnutzenden Wärmespeicher erfolgt
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