DE3046294C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodialyseanlage mit in Stromflußrichtung aufeinanderfolgenden, ein Zellpaket bildenden Elektrodialysezellen.

Derartige Elektrodialyseanlagen werden zur Entsalzung von ionogenen Lösungen mit Hilfe der Elektrodialyse verwendet, wobei Kationen- und Anionenaustauschermembranen in alter­ nierender Reihenfolge üblicherweise zwischen zwei Elek­ troden angeordnet werden. Die Ionenaustauschermembranen bilden dabei einzelne Elektrodialysezellen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden wan­ dern die Anionen aus der sich in den Zellen befindlichen ionogenen Lösung in Richtung der Anode und die Kationen in Richtung der Kathode. Dabei können die Anionen die po­ sitiv geladenen Anionenaustauschermembranen passieren, während die Kationen an diesen zurückgehalten werden. Umgekehrt können die Kationen die negativ geladenen Kat­ ionenaustauschermembranen durchdringen, während hier die Anionen zurückgehalten werden. Hierdurch entstehen in alternierender Reihenfolge Zellen mit Salzanreicherung bzw. Salzverarmung.

In der Praxis kommt es infolge unvermeidbarer geringer geometrischer Inhomogenitäten der Zellabmessungen und des Zellaufbaus und der sich daraus im Betrieb ergeben­ den ungleichmäßigen Stromdichte zu partiellen Überschrei­ tungen der entsprechenden Grenzstromdichte und infolge­ dessen zu Überschreitungen von Löslichkeitsprodukten in Zellen mit aufkonzentrierter Lösung. Dieser Effekt führt dann zu Ablagerungen auf den Membranen, was wiederum zu einer Beeinträchtigung der Wirtschaftlichkeit und in ex­ tremen Fällen sogar zur Unbrauchbarkeit der gesamten An­ lage führt.

Dieses Problem ist allgemein als Deckschichtbildung oder Membranfouling in der Elektrodialyse bekannt. Zur Ver­ meidung sind externe Dosierverfahren, die die Löslichkeits­ produkte in der Lösung in geeigneter Weise verändern, rein mechanische Membranreinigungsverfahren, die jedoch eine vollständige Demontage des Zellpakets und damit der Ge­ samtanlage erfordern, und Umpolen vorgeschlagen worden. Beim Umpolen wird die Fließrichtung des elektrischen Stromes über die Elektroden durch das Zellpaket periodisch geändert. Das geschieht dadurch, daß durch externe elek­ trische Umschaltung die Anode zur Kathode und die Kathode zur Anode gemacht werden. Durch geeignetes Umschalten der die Zellen durchfließenden Lösungsströme, des Diluats (Salzverarmung) bzw. Konzentrats (Salzanreicherung), wer­ den die Zellen je nach Polarität einmal vom Konzentrat und einmal vom Diluat durchflossen. Durch diese Maßnahme im Zusammenhang mit der Stromrichtungsumkehr, die in periodischer Weise angewendet werden, lösen sich Nieder­ schläge, die sich bei einem vorhergegangenen Zyklus in einer Konzentratzelle gebildet haben, in der nunmehr vom Diluat durchflossenen Zelle wieder auf bzw. werden begonnene Kristallbildungen destabilisiert. Durch das Um­ schalten der Lösungsströme in Kombination mit der Polum­ schaltung wird eine kontinuierliche Reinigung der Anlage während des Betriebs gewährleistet.

Der Nachteil dieses bekannten Reinigungsverfahrens der Polumschaltung liegt darin, daß die in Frage kommenden Elektrodenmaterialien den periodisch wechselnden Anfor­ derungen (von anodischer zu kathodischer und von kathodi­ scher zu anodischer Belastung) nicht gewachsen sind.

Die Anode muß in einer Elektrodialyseanlage eine äußerst hohe chemische Beständigkeit besitzen und soll aus einem durch anodische Schaltung nicht angreifbarem Material be­ stehen. Chemische Beständigkeit und hohe Leitfähigkeit werden üblicherweise durch eine Platindeckschicht gewähr­ leistet, die auf ein Trägermaterial aufgebracht ist, wo­ bei die Platindeckschicht durch anodische Oxidation nicht beeinträchtigt wird. Als Trägermaterial wird üblicherweise Titan, Niob oder Tantal verwendet, wobei diese Metalle durch anodische Oxidation extrem widerstandsfähig gegen­ über chemischen Angriffen sind.

Für die Kathode soll ein Material gewählt werden, das durch kathodische Schaltung nicht angegriffen wird. Die Mate­ rialauswahl ist nicht derart kritisch wie bei der Anode, da an der Kathode Wasserstoff entsteht, der im allgemei­ nen Metalle nicht angreift. Als Material mit ausreichen­ der chemischer Beständigkeit kann z. B. Edelstahl verwendet werden.

Schaltet man nun eine derartige Edelstahl-Kathode als Anode, so wird das verwendete Elektrodenmaterial in kur­ zer Zeit durch anodische Oxidation zerstört. Bei Anwen­ dung der Polumschaltung ist man daher in der Praxis ge­ zwungen, beide Elektroden aus einem mit einer Platindeck­ schicht versehenen Metall vorzusehen, beispielsweise aus Titan, Niob oder Tantal.

Jedoch befriedigt auch dieses Vorgehen nicht, da eine periodisch als Kathode geschaltete platinbeschichtete Metallelektrode gleichfalls nur eine begrenzte Lebens­ dauer besitzt. Der an der Kathode abgeschiedene Wasser­ stoff diffundiert durch die Platindeckschicht hindurch, da Platin für Wasserstoff hoch porös ist; es kommt dann an der Oberfläche des Trägermetalls zu einer Metallhy­ drierung. Durch diese Hydrierung des Trägermetalls wird die Platindeckschicht vom Trägermetall abgelöst. Beim Um­ schalten einer derartigen Kathode auf anodische Arbeits­ weise bildet sich dann sofort wieder eine Metalloxid­ schicht auf dem Trägermetall, die jedoch elektrisch nicht­ leitend ist, so daß eine ausreichende Leitfähigkeit in­ folge der fehlenden Platindeckschicht nicht mehr gewähr­ leistet ist. Dadurch wird der Vorteil der Polumschaltung hinsichtlich einer kontinuierlichen Reinigung von Elek­ trodialyseanlagen durch den beschriebenen überproportio­ nalen Verschleiß an Elektroden weitgehend aufgehoben.

Erfindungsgemäß wird nun eine Elektrodialyseanlage mit in Stromflußrichtung aufeinanderfolgenden, ein Zellpaket bildenden Elektrodialysezellen vorgesehen, wobei die Elektrodialyseanlage dadurch gekennzeichnet ist, daß in Stromflußrichtung auf beiden Seiten ein Elektrodenpaar aus

• a) einer als Anode schaltbaren und
• b) einer als Kathode schaltbaren Elektrode

angeordnet ist.

Die einzelnen Elektrodenpaare können auch als Doppelelek­ troden bezeichnet werden. Die Erfindung bietet den Vorteil, daß für die einzelnen Elektroden Materialien verwendet werden können, die durch die spezifische Betriebsweise der einzelnen Elektroden nicht angegriffen werden.

So kann als Anode a) eine platinierte Metallelektrode verwendet werden, z. B. eine platinierte Titan-, Niob- oder Tantalelektrode.

Als Kathode b) kann eine Edelstahlelektrode verwendet werden.

Beim Einsatz einer erfindungsgemäßen Elektrodialyseanlage werden wie beim bekannten Umpolverfahren die die Zellen durchfließenden Lösungsströme periodisch umgeschaltet. Die einzelnen Elektroden werden jedoch nicht wie beim be­ kannten Umpolverfahren periodisch sowohl als Kathode als auch als Anode geschaltet, sondern stets nur als Kathode oder als Anode. Dabei dienen als Arbeitselektroden entwe­ der die Anode des einen Elektrodenpaares und die Kathode des anderen Elektrodenpaares oder umgekehrt.

Vorzugsweise sind die Elektroden eines Elektrodenpaares in Stromflußrichtung hintereinander angeordnet, wobei zumin­ dest die dem Zellpaket zugewandte Elektrode jedes Elektro­ denpaares perforiert ist, wodurch eine gleichmäßige Strom­ dichte über den Querschnitt der Elektrodialyseanlage ange­ strebt werden soll. Als perforierte Elektroden kann man dabei Elektroden aus Streckmetall verwenden.

Die beiden Elektroden eines Elektrodenpaares können durch einen nicht-leitenden perforierten Distanzhalter vonein­ ander getrennt sein.

Vorteilhafterweise ist mindestens eine der beiden Elektro­ den eines Elektrodenpaares als Tragwerk mit hoher Biege­ steifigkeit ausgebildet. Das kann durch Ausbuchtungen oder eine Wellung insbesondere in Richtung der Hochachse erreicht werden. Man kann dazu eine quer- oder längsver­ schweißte Wellung der Elektrode oder eine geeignete Form­ stanzung der Elektrode vorsehen.

Dadurch wird die Entgasung der Elektrodenkammern geför­ dert und gleichzeitig ein biegesteifes und druckfestes Widerlager für die Ionenaustauschermembranen vorgesehen.

Die statische Höhe und damit die Druck- und Biegsteifig­ keit in der Hochachse einer plattenförmigen Elektrode werden durch die Amplitude der Wellung bzw. Ausbuchtungen bestimmt. Diese Amplitude sowie der Scheitelabstand der Wellung bzw. Ausbuchtungen sowie die Distanz von aufge­ schweißten Gurten (die senkrecht zu den Wellenscheiteln verlaufen können) können auf die mechanische Belastbarkeit der Ionenaustauschermembran abgestimmt werden.

So kann der Scheitelabstand bzw. Gurtabstand 0,1 bis 6 cm betragen und die Amplitude der Wellung bzw. Ausbuchtungen 0,1 bis 6 cm und insbesondere 0,4 bis 1,5 cm betragen.

Die Biegesteifigkeit eines Elektrodenpaares kann durch die Ausbildung beider Elektroden als druck- und biegesteife Platten (wie vorstehend beschrieben) noch weiter erhöht werden, wobei die beiden Elektroden über den genannten Distanzhalter kraftschlüssig, jedoch nicht leitend ver­ bunden werden können.

Nachstehend wird die Erfindung durch drei Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. I einen Schnitt durch eine Stirnelektrodenkammer mit einem erfindungsgemäßen Elektrodenpaar;

Fig. Ia einen Schnitt durch eine Zwischenelektrodenkammer mit einem erfindungsgemäßen Elektrodenpaar; und

Fig. Ib einen quer zu den Schnitten der Fig. I und Ia gelegten Schnitt durch eine Stirn- oder Zwischen­ elektrodenkammer mit einem erfindungsgemäßen Elek­ trodenpaar.

Zunächst wird Fig. I betrachtet. Die dargestellte Elektro­ denkammer 1 wird auf der einen Seite von der Stirnwand 2 und auf der anderen Seite von der ersten Ionenaustauscher­ membran 4 begrenzt, die auf einem Abstandshalter 4′ bzw. Spacer aufliegt; der Abstandshalter 4′ besteht im allge­ meinen aus einem nicht-leitenden Kunststoffnetzgewebe.

Die Elektrodenkammer 1 wird seitlich vom Rahmen 3 abge­ schlossen. Die Schmalseiten dieses Rahmens 3 sind mit einem Einlaß- bzw. Auslaßsystem versehen, das die Spülung der Elektrodenzelle 1 mit einer entsprechenden elektroly­ tischen Spülflüssigkeit ermöglicht. Das Auslaßsystem ist in Fig. I durch Einlässe bzw. Auslässe 8, 9 bzw. 8′, 9′ dargestellt.

In der Elektrodenkammer 1 sind zwei gewellte Elektroden 6, 7 aus Streckmetall angeordnet, die zur weiteren Erhöhung der Druckfestigkeit und Biegesteifigkeit durch Gurte 6′, 7′ querverschweißt sind. Die Elektroden 6, 7 sind durch einen Distanzhalter 5 elektrisch voneinander getrennt. Bei der Elektrode 6 handelt es sich beispielsweise um eine Edelstahlelektrode und bei der Elektrode 7 beispielsweise um eine platinierte Titanelektrode. Die beiden Elektroden können auch gegeneinander ausgetauscht werden.

Die beiden Elektroden 6, 7 sind also durch die Gurte 6′, 7′ querverschweißt. Die Wellung der beiden Elektroden 6, 7 ist dabei derart ausgebildet, daß die gewellte Streckme­ tallelektrode 6 bzw. 7 den Raum zwischen der Deckplatte 2 und dem Distanzhalter 5 bzw. zwischen dem Distanzhalter 5 und der Kombination von Abstandshalter 4′ und darauf auf­ liegender Ionenaustauschermembran 4 kraftschlüssig und in Richtung der Hochachse druckfest und biegesteif aus­ füllt. Auf die Ionenaustauschermembran, bei der es sich z. B. um eine Kationenaustauschermembran handeln kann, folgen alternierend mehrere Anionen- und Kationenaustau­ schermembranen, die durch weitere Abstandshalter bzw. Spacer ähnlicher Bauart wie Abstandshalter 4′ voneinander getrennt einzelne Zellen bilden und damit das gesamte Zellpaket bzw. Stack bilden; dieses Zellpaket wird schließ­ lich durch eine zweite nicht dargestellte Elektrodenkam­ mer abgeschlossen, die der Elektrodenkammer 1 entspricht.

In Fig. Ia ist eine Mittelelektrodenkammer dargestellt, die sich gegenüber der Elektrodenkammer gemäß Fig. I dadurch unterscheidet, daß der Elektrodenraum 1 der Mit­ telelektrodenkammer an beiden Seiten von einer Ionenaus­ tauschermembran 4 begrenzt wird, wobei der Zellaufbau hier in beiden Richtungen erfolgt und jeweils mit einer Stirnelektrodenkammer gemäß Fig. I abgeschlossen wird.

Bei einer nach beiden Seiten in Richtung der Hochachse wirkenden Elektrode eines Mittelelektrodenpaares sind na­ turgemäß beide Elektroden perforiert, während bei einer Stirnelektrodenkammer gemäß Fig. I mindestens die dem Zellpaket zugewandte Elektrode perforiert ist.

Erfindungsgemäß lassen sich folgende Vorteile erreichen.

• 1. Werden die Einzelelektroden 6, 7 materialkonform elek­ trisch belastet;
• 2. lassen sich durch Elektroden mit Wellung bzw. Ausbuch­ tungen und fakultativer Vergurtung der Wellung bzw. Aus­ buchtungen hohe Druckfestigkeiten und Biegesteifigkeiten erreichen, so daß die Elektrodialyseanlage in der Praxis vom Druck des die Elektrodendialysezellen durchströmenden Mediums unabhängig ist;
• 3. ermöglicht die vorstehend angeführte Druckunabhängigkeit und daraus in der Praxis resultiertende Druckautarkie einer Elektrodenzelle 1 eine optimale Durchströmung und Spülung der Elektrodenzelle 1, wobei die Spülung ausschließlich auf die Verhältnisse und Anforderungen der Elektrodenzelle 1 abgestimmt werden muß.

Claims (11)

1. Elektrodialyseanlage mit einem oder mehreren Zellpake­ ten, die durch in Stromflußrichtung aufeinanderfolgende Elektrodialysezellen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß in Stromflußrichtung auf beiden Seiten jedes Zellpakets ein Elektrodenpaar aus

• a) einer als Anode schaltbaren Eektrode und
• b) einer als Kathode schaltbaren Elektrode

angeordnet ist.

2. Elektrodialyseanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet duch mehrere aneinandergereihte Zellpakete mit jeweils einem Elektrodenpaar (Mittelelektrodenpaar) zwischen be­ nachbarten Zellpaketen und jeweils einem Elektrodenpaar (Stirnelektrodenpaar) an den beiden Stirnseiten der Zell­ paketreihe, wobei sich die Elektrodenpaare jeweils aus

• a) einer als Anode schaltbaren Elektrode und
• b) einer als Kathode schaltbaren Elektrode

aufbauen.

3. Elektrodialyseanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode a) eine durch anodi­ sche Schaltung nicht angreifbare Elektrode ist, vorzugs­ weise eine platinierte Metallelektrode, insbesondere eine platinierte Titan-, Niob- oder Tantalelektrode ist.

4. Elektrodialyseanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode b) eine durch kathodische Schaltung nicht angreifbare Elek­ trode ist, vorzugsweise eine Edelstahlelektrode ist.

5. Elektrodialyseanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eines Elektrodenpaares in Stromflußrichtung hintereinander ange­ ordnet sind, wobei die Elektroden von Mittelelektrodenpaa­ ren perforiert sind und bei Stirnelektrodenpaaren zumindest die dem benachbarten Zellpaket zugewandte Elektrode per­ foriert ist.

6. Elektrodialyseanlage nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Elektroden aus Streckmetall als perforierte Elektro

7. Elektrodialyseanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden eines Elektroden­ paares durch einen nicht-leitenden perforierten Abstands­ halter voneinander getrennt sind, wobei mindestens eine der beiden Elektroden des Elektrodenpaares mit einer Wellung versehen ist.

8. Elektrodialyseanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden eines Elektroden­ paares durch einen nicht-leitenden perforierten Abstands­ halter voneinander getrennt sind, wobei mindestens eine der beiden Elektroden des Elektrodenpaares mit Ausbuchtungen versehen ist.

9. Elektrodialyseanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitel der Wellung oder der Aus­ buchtungen eine Amplitude von etwa 0,1 bis 6 cm, vorzugs­ weise etwa 0,4 bis 1,5 cm, aufweisen und voneinander 0,1 bis 6 cm entfernt sind.