DE4031526C2 - Verfahren zum Ionenaustausch an wässrigen Lösungen mittels Ionenaustauschharzen, sowie Anlage zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Ionenaus­ tausch von wäßrigen Lösungen mittels Ionenaustauscherharzen (im folgenden kurz "Harze" genannt) in einen Flüssigkeits­ durchtritt ermöglichenden Gefäßen, die in Behandlungskammern für die wäßrigen Lösungen eingebracht werden, wobei alter­ nierend zur Beladung der Harze ein Regenerieren, Spülen und gegebenenfalls Konditionieren der Harze in entsprechenden Kammern erfolgt (Oberbegriff des Anspruches 1).

Zur Änderung der Zusammensetzung von Wasser, wie z. B. zur Enthärtung, zur Entsalzung oder zur Entfernung von Ver­ schmutzungen, z. B. bei Spülwassern in Galvanisieranlagen, haben Ionenaustauscheranlagen, die mit Harzen arbeiten, inzwischen breite Anwendung gefunden. Die Harze haben dabei allgemein die Aufgabe, Stoffe aus einer zu behandelnden Lösung dadurch zu entfernen, daß die Stoffe mittels des Ionenaustausches an die Harze gebunden werden. Dies wird als "Beladen" der Harze bezeichnet. Da der chemische Vorgang des Ionenaustausches allgemein bekannt ist, wird dies hier im einzelnen nicht noch einmal erläutert.

Da das Harz beim "Beladen" nur eine begrenzte Aufnahmekapa­ zität hat, muß der Beladevorgang abgebrochen werden, wenn diese Kapazität erschöpft ist. In der Praxis wird die Bela­ dung schon abgebrochen, bevor die Aufnahmekapazität völlig erschöpft ist, da sonst die Gefahr besteht, daß unvollkommen behandelte Lösung aus dem Ionenaustauscher austritt. Dadurch würde eine größere Menge der zu behandelnden Lösung un­ brauchbar werden, oder es würde ein Prozeß gestört werden, in dem die Lösung verwendet wird. Durch hintereinander geschaltete Harzeinheiten wird der Effekt der nicht optima­ len Beladung minimiert.

Um das Harz erneut aufnahmefähig zu machen, muß es regener­ iert werden. Dazu wird ein Medium verwendet, das seinerseits in der Lage ist, die an dem Harz gebundenen Stoffe aufzuneh­ men und damit von diesem zu entfernen. Während des Regener­ iervorgangs steht der Ionenaustauscher aber nicht für seine eigentliche Aufgabe, der Behandlung der wäßrigen Lösung, zur Verfügung. Wenn die Forderung nach einem kontinuier­ lichen Betrieb besteht, muß ein zweiter Ionenaustauscher vorhanden sein, über den die Behandlung erfolgen kann, solange der erste regeneriert wird.

Bei den bisher bekannten Ausführungen der Ionenaustauscher bestehen diese aus geschlossenen druckfesten Gefäßen, in die das Harz eingefüllt ist. Die zu behandelnde wäßrige Lösung wird mittels Pumpen durch den Ionenaustauscher gefördert. Diese Förderung mittels Pumpen erfolgt ebenfalls mit der Regenerierlösung. Ein solches Verfahren ist aus der Druck­ schrift "Taschenbuch der Abwasserbehandlung für die metall­ verarbeitende Industrie" Band 2: Technik, Carl Hanser-Verlag München Wien 1977, Seiten 71 bis 74 und 84 zu entnehmen. Ferner wird in dem Zusammenhang auf die Literaturstelle: "Praktische Galvanotechnik" 4. Auflage, Eugen G. Leuze Verlag Saulgau/Württ., Seiten 434 bis 436 verwiesen. Hieraus kennt man auch, daß bei Behandlungsanlagen für Abwasser von Galvanisieranlagen üblicherweise zwei Arten von Ionenaustau­ schern hintereinander geschaltet sind, nämlich ein Kationen- und ein Anionenaustauscher. Eine solche Anlage nach dem Stand der Technik ist zum besseren Verständnis des Standes der Technik einerseits und der weiter unten erläuterten und in den Fig. 2 folgende im Ausführungsbeispiel dargestellten Erfindung andererseits in Fig. 1 schematisch dargestellt.

Über die Leitungen 2, 2′ und 2′′ werden die Abwässer der Galvanisieranlage einem Abwasser-Sammelbecken 1 zugeleitet und dort gesammelt. Die Pumpen 3 und 3′ fördern dieses Abwasser (wäßrige Lösung) über die Druckleitung 4 durch den Vorfilter 5, der der mechanischen Reinigung dient, zu einem ersten Kationenaustauscher 6 und danach zu einem zweiten Kationenaustauscher 6′. In dem stark sauren Harz der Katio­ nenaustauscher 6 und 6′ werden alle im Abwasser befindlichen Kationen, wie Eisen, Natrium, Nickel, Zink etc. gebunden. Anschließend wird das Abwasser zu den schwach basischen Anionenaustauschern 7 und 7′ gefördert. Deren Harz hält die Anionen der starken Mineralsäuren, wie Chloride, Nitrate, Phosphate, Sulfate etc. zurück.

Nach dem Verlassen der Anionenaustauscher 7 und 7′ ist das Abwasser, sofern es keine organischen Stoffe enthält, ge­ reinigt und wird über die Betriebswasserleitung 8 wieder zur Galvanisieranlage bzw. zu einem zwischengeschalteten Spei­ cher zurückgeführt. Am Ausgang der Anionenaustauscher 7 und 7′ sind Leitfähigkeits-Meßgeräte 9 angeordnet, die signali­ sieren, wenn der jeweils erste Anionen- und damit auch der zugehörige Kationenaustauscher beladen ist. Dann werden diese aus dem Kreislauf genommen, regeneriert und anschlie­ ßend als jeweils zweite Einheit wieder in den Kreislauf eingeschaltet.

Zum Regenerieren des Harzes der Kationenaustauscher 6 oder 6′ wird Regenerierlösung, in diesem Fall verdünnte Salzsäure (HCl), mit der Pumpe 10 der Regenerierstation 11 entnommen und in einer Richtung durch den Kationenaustauscher 6 oder 6′ gedrückt, die zur Strömungsrichtung des behandelten Abwassers entgegengesetzt verläuft.

Sinngemäß wird mit den Anionenaustauschern 7 oder 7′ verfah­ ren. Es wird in dieser Ausführung aus einer Regenerier­ station 11′ über die Pumpe 10′ verdünnte Natronlauge (NaOH) entnommen und den Anionenaustauschern 7 oder 7′ zugeführt.

In den Lagerbehältern 12 und 12′ wird konzentrierte Säure bzw. Lauge bevorratet, aus der in den Regenerierstationen 11 und 11′ die gebrauchsfertige, in der Regel etwa 5%ige Rege­ nerierlösung hergestellt wird.

Fig. 1 zeigt nur eine der beim Stand der Technik möglichen Anordnungen des Verlaufes der wäßrigen Lösung in Form eines Abwassers durch die Kationenaustauscher 6 und 6′, sowie die Anionenaustauscher 7 und 7′. Die Darstellung der Fig. 1 ist in dem Zusammenhang vereinfacht und schematisch. Dabei wurde die Vielzahl von Ventilen weggelassen, die in der Regel mit elektrischen oder pneumatischen Stellantrieben versehen sind und zur Realisierung der unterschiedlichen Schaltungen erforderlich sind.

Im Verlauf der Regeneriervorgänge ist es notwendig, die Reste der Flüssigkeit (Abwasser oder Regenerierlösung), die sich in den Ionenaustauschern befindet, zu entfernen, bevor die jeweils andere Flüssigkeit eingeleitet wird. Dazu dient Druckluft, die über die Leitung 13 zugeführt wird. Damit können nicht nur Abwasserreste, sondern auch die verbrauchte Regenerierlösung aus den Ionenaustauschern ausgetrieben und über die Leitung 14 zu einer Entgiftungs- und Neutrali­ sationsanlage geführt werden. Wegen der hierbei notwendigen vielen Rohrleitungen und Ventile gelingt es nicht, die jeweils vorhergehende Flüssigkeit vollständig aus den Syste­ men zu entfernen. Es sind deshalb umfangreiche Spülvorgänge erforderlich, die große Wassermengen benötigen. Hierzu kann in der Anlage aufbereitetes Wasser verwendet werden, das über die Leitung 15 aus einem Reservoir zugeführt wird.

Ein weiterer Nachteil bei Anlagen der beschriebenen Art ist, daß die zu behandelnde Flüssigkeit mit Hilfe von Pumpen und zwar mit relativ hohem Druck durch das Harz gedrückt wird. Üblicherweise strömt dabei die Flüssigkeit von oben nach unten (Regenerierlösung im Gegenstrom) durch das Harz. Dabei wird das Harz immer mehr zusammengepreßt. Es wird verdich­ tet, neigt zum Zusammenbacken und wird dadurch in seiner Wirksamkeit beeinträchtigt. Dem kann zwar durch das gele­ gentliche Einblasen von Luft von unten her entgegengewirkt werden, doch gelingt dies nur unvollkommen und dieser Vor­ gang kompliziert den Betrieb der Anlage.

Anlagen in der gemäß Fig. 1 beschriebenen Art arbeiten zwar zufriedenstellend, doch ist der Aufwand für ihre Erstellung und für ihren Betrieb hoch. Dies ist insbesondere wegen der unvollkommenen, schwierigen Trennung der verschiedenen Flüs­ sigkeiten und der komplizierten Bedienung der Fall.

Aus der Literaturstelle Mining Engineering (April 1957) Seiten 443 bis 449 sind Anordnungen zur Durchführung eines Verfahrens bekannt, bei der sich das Harz in nicht näher erläuterten Behältern (sogenannten "banks") befindet. Diese banks sind zunächst in einer Belade-Position, in der mit Uranoxyd behaftete Flüssigkeit durch diese Behälter hindurch geleitet werden kann. Ferner wird eine Regenerierungs-Posi­ tion gezeigt, die ebenfalls derartige Behälter (banks) aufweist und der Regenerierung (elution) dient. Nähere Einzelheiten der Verfahrensweise, bzw. des Ablaufes der Kombination aus Beladevorgang und Regeneriervorgang sind dieser Literaturstelle nicht zu entnehmen. Auf jeden Fall wird auch hierbei der vorstehend dargelegte Nachteil beste­ hen, daß beim Übergang von der Beladephase zur Regenerier­ phase und umgekehrt die jeweilige Flüssigkeit nicht nur aus dem Harz, sondern auch aus dem Aufnahmegefäß, den Rohrlei­ tungen und Armaturen entfernt werden muß. Anschließend sind jeweils umfangreiche Spülvorgänge erforderlich. Es wird zwar erwähnt, daß Körbe mit Harz sich in Behältern befinden, welche die betreffende Behandlungsflüssigkeit aufweisen. Durch langsames Anheben und Absenken der Körbe soll der Eintritt der Flüssigkeit in das Korbinnere und damit an das Harz gefördert werden. Der jeweilige Korb bleibt dabei aber immer in dem gleichen Behälter. Bei dem Verfahren nach dieser Literaturstelle muß also für den Übergang von der Belade-Phase in die Regenerier-Phase und umgekehrt das betreffende Behältnis an einen anderen Kreislauf mit der dann zu verwendenden Behandlungsflüssigkeit angeschaltet oder angeschlossen werden. Hieraus und weil dort das Harz immer in dem gleichem Behältnis verbleibt, sind Aufgabe und Lösung der vorliegenden Erfindung von den Ausführungsmög­ lichkeiten dieser Entgegenhaltung nicht vorweggenommen. Dies gilt auch für die Einzelheiten der Erfindung, die nachste­ hend, sowie in den Unteransprüchen näher erläutert sind.

Aus WO 90/03947 ist ein Verfahren und eine Anordnung zum Abtrennen von Ammoniak und Phosphorverbindungen aus einem Abwasser mittels Ionenaustausch bekannt. Auch hier befindet sich die zu behandelnde Masse stets im gleichen Behälter, wodurch beim Übergang von der Beladungsphase zur Regenerier­ phase sich die gleichen Nachteile des Anhaftens der Behand­ lungs- oder Regenerierflüssigkeit an der Masse und am Be­ hältnis mit den daraus erforderlichen Manipulationen erge­ ben, wie vorstehend erläutert.

Aus DE-AS 19 24 125 und DE-OS 19 62 270 sind Ionenaustausch­ verfahren bekannt, bei denen jeweils das Harz für sich aus dem Beladungsprozeß abgezogen und dann einem Regenerier- und Waschprozeß zugeführt wird. Dies ist vom System her grund­ sätzlich anders als der Gegenstand der vorliegenden Erfin­ dung. Außerdem erfordert das Verfahren nach den beiden zuletzt genannten Literaturstellen einen erheblichen appara­ tiven Aufwand. Darüber hinaus befreit dieser Aufwand nicht von der Erfordernis, daß das jeweils abgezogene Harz, die Rohrleitungen usw. von der zuvor mit ihm in Berührung kom­ menden Behandlungs- oder Regenerierflüssigkeit gesäubert, d. h. gespült werden muß.

Demgegenüber besteht die Aufgabe bzw. die Problemstellung der Erfindung zunächst darin, ein Verfahren gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1 so auszugestalten, daß die Entfer­ nung der jeweiligen Lösung problemloser und außerdem kosten­ günstiger vorgenommen werden kann.

Die Lösung der vorgenannten Aufgaben- bzw. Problemstellung wird zunächst, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruches 1, darin gesehen, daß die Gefäße mit dem Harz, die oberseitig und unterseitig siebartige für die jeweilige Lösung, nicht aber für das Harz durchlässige Bereiche aufweisen, in eine Behandlungskammer eingebracht und mit dem Ablauf der Kammer flüssigkeitsdicht verbunden werden, daß anschließend die wäßrige Lösung aus den Kammern durch die Gefäße mit dem Harz hindurchge­ leitet werden, daß nach dem Beladen des Harzes mit den betreffenden Ionen der wäßrigen Lösung das Gefäß aus der Behandlungskammer herausgenommen und solange über dieser Behandlungskammer gehalten wird, bis die am Gefäß und im Harz befindliche wäßrige Lösung nach unten in diese Behand­ lungskammer abgelaufen ist, daß anschließend das Gefäß zu einer Kammer oder mehreren Kammern einer Station für Rege­ nerieren, Konditionieren oder Spülen transportiert und in die jeweilige Kammer abgesenkt und mit dem Ablauf dieser Kammer flüssigkeitsdicht verbunden wird, daß anschließend eine dem Regenerieren, Konditionieren oder Spülen dienende Lösung wie vorstehend durch das Harz hindurchgeleitet wird, daß nach Beendigung des Regenerier-, Konditionier- oder Spülvorganges das Gefäß aus der jeweiligen Kammer herausge­ nommen und so lange über dieser Kammer gehalten wird, bis die im Gefäß und im Harz befindliche Lösung in diese Kammer abgelaufen ist und daß anschließend das Gefäß einer weiteren Kammer zum weiteren Behandeln zugeführt wird (Kennzeichen des Anspruches 1). Damit sind die beiden Verfahrensgänge des Beladens mittels Ionenaustausches an wäßrige Lösungen einerseits und der Regenerierung sowie zugehöriger weiterer Maßnahmen, wie Konditionierung und Spülung, andererseits nicht an ein und denselben Platz einer zugehörigen Anlage gebunden, sondern finden an verschiedenen Stellen der Anlage statt. Dies ermöglicht eine wesentlich bessere Trennung, bzw. Abscheidung des jeweiligen Flüssigkeitsrestes von der Harzcharge. Das Verschleppen der wäßrigen Lösung in den Regenerierbereich und umgekehrt einer Regenerierlösung in den Beladebereich ist vermieden. Wesentlich ist im vor­ stehenden Zusammenhang auch, daß nach der Beladung bzw. Regenerierung oder dergleichen die dazu verwendete Flüssig­ keit einwandfrei aus dem Harz und dem das Harz aufnehmenden Gefäß abtropfen kann und zwar in die jeweilige Kammer, die mit den Zuleitungen und Ableitungen der betreffenden Flüs­ sigkeit versehen ist. Dieses Auslaufen oder Abtropfen der jeweiligen Flüssigkeit erfolgt in der Praxis so vollständig, daß anschließend kein Spülvorgang mit Wasser mehr notwendig ist, vielmehr das Gefäß mit dem Harz in die nächste Kammer (Behandlungskammer oder Regenerierkammer) gebracht und dort von der zugehörigen Flüssigkeit durchströmt werden kann. Ferner liegt ein wesentlicher Vorteil darin, daß keine der Kammern auf andere Flüssigkeitskreisläufe umgeschaltet werden muß, z. B. vom Belade- auf den Regenerierkreislauf, mit den daraus resultieenden Nachteilen, weil mit der Erfindung ein und dieselbe Kammer stets nur mit ein und derselben wäßrigen Lösung oder Regenerierflüssigkeit be­ schickt wird. Das sehr nachteilige Verschleppen einer Lösung in einen Bereich einer Anlage, der mit einer anderen Lösung arbeitet, ist mit der Erfindung ausgeschlossen. Außerdem sind die Kosten zur Verfahrensdurchführung wesentlich gerin­ ger als beim Stand der Technik. Insbesondere werden auch die Herstellungskosten der zugehörigen Anlage gesenkt. Hierzu wird auf die späteren Ausführungen verwiesen. Die jeweilige flüssigkeitsdichte Verbindung der Gefäße mit dem Ablauf der Kammer verhindert, daß ganz oder zumindest teil­ weise entladene Lösung anstatt in den Abfluß wieder in die Kammer geführt und damit mit der wäßrigen Lösung vermengt wird, die aus der Kammer zur entsprechenden Behandlung oder Regenerierung in das Gefäß einzubringen ist. Die siebartigen Bereiche verhindern sowohl ein Durchfallen des Harzes nach unten als auch einen Auftrieb oder Aufschwimmen des Harzes nach oben und somit in jedem Fall ein ungewolltes Heraustre­ ten der Harzteilchen aus dem Gefäß. Die Einführung der wäßrigen Lösung aus der jeweiligen Kammer in das Gefäß schafft einen geodätischen Höhenunterschied der Flüssigkeit, d. h. der wäßrigen Lösung mit dem Resultat eines gleichmäßi­ gen, durch den hydraulischen Höhenunterschied bestimmten Durchflusses der Lösung durch das Harz.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist Inhalt des Anspruches 2. Dies ermöglicht ein gleichmäßiges Hindurchfließen der jeweiligen Lösung durch das Harz, ohne daß durch einen übermäßigen Pumpendruck, wie er beim Stand der Technik vorgesehen war, die Gefahr eines Zusammenbackens oder unzulässig starken Verdichtens des Harzes gegeben ist. Wie es aus den späteren Ausführungen hervorgeht, ist ein solches Bewegen der Flüssigkeit allein aufgrund der Schwerkraft, d. h. des o.g. geodätischen Höhen­ unterschiedes mit einer bevorzugten Ausführungsform der Anlage zu erreichen. Hierzu wird auf die Ansprüche 9 und folgende verwiesen. Die Flüssigkeit kommt vollständig mit dem im Gefäß befindlichen Harz in Kontakt. Der Benetzungs­ effekt ist dadurch wesentlich besser als bei der o.g. Lite­ raturstelle MINING ENGINEERING, bei der die Körbe lediglich in die Flüssigkeit eines Behältnisses eingetaucht und dabei auf und abgesenkt werden.

Falls man Wert darauf legt, den Durchsatz an Lösung durch das Harz zu beschleunigen, können die Verfahrensmaßnahmen gemäß Anspruch 4 oder 5 vorgesehen wenden. In beiden Fällen soll der Druck bzw. der Ansaugdruck nicht allzu hoch sein. In Weiterbildung dieser Verfahrensmaßnahme gibt Anspruch 6 eine bevorzugte Höchstgrenze des Druckes bzw. Ansaugdruckes an.

Der Erfindung liegt die weitere Aufgaben- bzw. Problemstel­ lung zugrunde, eine Anlage zu schaffen, welche ebenfalls unter Überwindung der geschilderten Nachteile des Standes der Technik mit einfachen, problemlos zu handhabenden und in der Herstellung preisgünstigen Mitteln die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgaben- bzw. Problemstellung sind zu­ nächst, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruches 9, die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 9 vorgesehen. Hiermit ist es baulich ermöglicht, das Gefäß einerseits in der Ionenaustauschstation und andererseits in der jeweiligen Regenerierstation (und gegebenenfalls weiteren, damit zusam­ menhängenden Stationen) völlig von der jeweiligen Lösung auslaufen zu lassen. Diese Lösung, d. h. entweder die wäß­ rige Lösung oder die Regenerierlösung, bleibt auch mit ihren Restbeständen in dem Bereich der Anlage, zu dem sie gehört und kann daher nicht in den jeweils anderen Bereich der Anlage verschleppt werden. Die Gefäße vollführen somit einen Kreislauf derart, daß sie von der jeweiligen Behandlung zu der jeweiligen Regenerierung usw. und von dort wieder zurück zur Behandlung gebracht werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Anlage nach der Erfin­ dung ist Gegenstand des Anspruches 10. Hiermit wird die jeweilige Lösung problemlos aus der jeweiligen Kammer der Oberseite des Gefäßes zugeführt und kann allein aufgrund der geodätischen Höhendifferenz, d. h. ohne daß Pumpen vorgesehen sein müssen, durch das im Gefäß befindliche Harz nach unten durchfließen. Ferner erlauben die Merkmale des Anspruches 10 ein sehr gleichmäßiges Überfließen der jeweiligen Lösung aus der Kammer über die Oberkante des Gefäßes in dieses hinein und schließlich ein ebenfalls problemloses Herausheben des Gefäßes aus einer Kammer und Einsetzen in eine andere Kam­ mer, da hierbei keine Zu- und Ableitungen, Pumpen od. dgl. störend im Wege stehen.

Weitere bauliche Merkmale der Erfindung und erfindungsgemäße Verfahrensmaßnahmen sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Im übrigen wird hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale der Erfindung auf die nachfolgende Beschreibung und die zugehörige Zeichnung von erfindungsgemäßen Ausführungsbei­ spielen verwiesen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: die bereits eingangs erläuterte, im wesent­ lichen schematische Darstellung einer Anlage nach dem Stand der Technik,

Fig. 2: eine Kammer zur Behandlung oder Regenerierung oder dergleichen mit einem das Harz aufweis­ enden Gefäß im Querschnitt,

Fig. 3: schematisch eine nach der Erfindung arbei­ tende und mit Kammern, sowie Gefäßen nach Fig. 2 ausgerüstete Anlage.

Fig. 2 zeigt die Behandlungskammer 17 (siehe auch Fig. 3 links), in welche das noch näher zu erläuternde Gefäß 18 mit der Harzcharge 19 mit Hilfe einer Transport- und Hebeein­ richtung (schematisch durch den Doppelpfeil 35 angedeutet) einsetzbar, bzw. heraushebbar ist. Die zugehörige Aufhänge­ einrichtung am Gefäß ist mit 29 beziffert. Der Behandlungs­ kammer 17 entsprechen in Aufbau und Funktion prinzipiell auch die übrigen in Fig. 3 dargestellten Kammern, nämlich die weitere Behandlungskammer 17′, die Regenerierkammer 34, die Konditionierkammer 36 und die Spülkammern 37, 37′. Mittels der Transport- oder Hebeeinrichtung 35 sind die Gefäße von der einen in die andere Kammer bringbar.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Aufbau der Anordnung nach Fig. 2 derart, daß das Gefäß 18 oberseitig und untersei­ tig siebartige Bereiche 20 und 20′ aufweist, die in Art von Trennböden ausgebildet und flüssigkeitsdurchlässig sind. Die Perforation ist so gewählt, daß zwar die jeweilige Lösung (beim Beispiel einer Behandlungskammer eine wäßrige Lösung) hindurchtreten kann, nicht aber die Harzteilchen. Hierzu können entsprechende Siebstopfen 21 dienen, die in den Trenn­ böden vorgesehen sind. Unterhalb des unteren Trennbodens, d. h. im unteren Bereich des Gefäßes ist dieses als Sammelab­ schnitt ausgebildet, in dem sich die jeweilige Lösung nach Durchfließen des Harzes sammelt. Da sich die Trennböden über den gesamten Innenquerschnitt des Gefäßes 18 erstrecken und auch über ihren gesamten Bereich siebartig ausgebildet sind, hat dies zur Folge, daß auch aus dem unteren Trennboden 20′ über den gesamten Innenquerschnitt des Harzes die Lösung in den Sammelabschnitt oder Sammelraum 22 gelangt, d. h. sämtli­ che im Harz befindliche Lösung auch aus diesem herausfließen und, wie weiter unten näher erläutert, dann aus dem Sammelab­ schnitt 22 abgelassen werden kann. In dieser bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung erfolgt der Zufluß an Lösung in der Weise, daß die jeweilige Lösung über eine Leitung 28 in das Innere 45 der oberseitig im wesentlichen offenen Kammer 17 zugeführt wird. Die Seitenwände 47 der Kammer 17 ragen über die Oberkanten 42 des eingesetzten Gefäßes hinaus. Damit sammelt sich die Lösung 30 im Innern der Kammer 17 soweit an, daß ihr Spiegel 31 sich oberhalb der Oberkanten 42 des Gefä­ ßes 18 befindet. Somit kann die jeweilige Lösung gemäß den Pfeilen 44 über die Oberkanten oder Ränder 42 des Gefäßes 18 in die Harzfüllung 19 hineinfließen. Da der Innenraum 45 zwischen Kammerwandung 47 und Wandung des Gefäßes 18 das Gefäß allseitig umgibt, läuft somit die jeweilige Lösung gemäß den Pfeilen 44 von allen Seiten her über die Oberkante 42 in das Harz hinein. Da ferner sich der siebartige Trennbo­ den 20 mit seinen Sieböffnungen bis zur Gefäßwandung er­ streckt, gelangt die über die umlaufenden Kanten 42 einflie­ ßende Lösung in den gesamten Querschnitt der Harzfüllung und durch dieses hindurch zum Sammelabschnitt 22. Da das Gefäß 18 und auch die Kammer 17 gegenüber der umgebenden Atmosphäre offen sind, erfolgt der Durchfluß der Lösung allein aufgrund der Schwerkraft, d. h. der vorhandenen geodätischen Höhendif­ ferenz. In einer Behandlungskammer können auch mehrere Gefäße untergebracht werden (in der Zeichnung nicht dargestellt).

Der Boden 23 des Gefäßes 18 ist flüssigkeitsundurchlässig und weist ein Kupplungsstück 24 auf, das nach erfolgtem Einset­ zen des Gefäßes in die Kammer 17 mit einem Kupplungsgegen­ stück 25, das sich im Boden 46 der Kammer befindet, eine flüssigkeitsdichte Verbindung eingeht. Entweder im Kupplungs­ gegenstück 25 oder in der abführenden Rohrleitung 26 ist ein Ventil 27 vorgesehen, mit dem der Abfluß aus dem Gefäß 18 wahlweise geöffnet oder gesperrt werden kann. Das Ventil 27 kann ein Magnetventil sein. Die Rohrleitung 26 führt dann weiter zu dem jeweiligen Anschlußteil der Anlage. Nach er­ folgtem Einsetzen des Gefäßes 18 in die Kammer 17 wird das Magnetventil 27 geöffnet. Dabei kann zu Beginn des Einsetzens des Gefäßes 18 in die Kammer 17 diese schon teilweise mit Lösung 30 gefüllt sein. Ist kein Gefäß 18 in die Kammer 17 eingesetzt, so ist der Abfluß über die Rohrleitung 26 mittels des Ventiles 27 geschlossen, damit keine unbehandelte Lösung aus der Kammer 17 über das Kupplungsgegenstück 25 abfließen kann. Auch ist der Abfluß über die Rohrleitung 26 mittels des Ventiles 27 während des Einsetzvorganges des Gefäßes 18 in die Kammer 17 oder während des Herausnehmens des Gefäßes 18 aus dieser Kammer geschlossen, da auch in diesem Falle in der Kammer befindliche Flüssigkeit über das in diesen beiden Stadien zum Kammerinnern offene Kupplungsgegenstück 25 ab­ fließen könnte, falls auch das Ventil 27 offen ist. Bei Einfüllen der jeweiligen Lösung 30 mittels der Zuleitung 28 ist bei eingesetztem Gefäß der Abfluß aus der Kammer 17 - auch bei geöffnetem Magnetventil 27 - durch das Kupplungs­ stück 24 und das Kupplungsgegenstück 25 geschlossen. Wenn die Niveauhöhe 31 erreicht ist und die Lösung gemäß Ziffer 44 überfließt, wird dann das jeweilige Ventil 27 geöffnet, so daß genügend an Lösung das Harz durchfließen kann. Hierbei erfolgt entweder ein Ionenaustausch der zu behandelnden wäßrigen Lösung oder aber eine Regenerierung usw. mittels einer Regenerierlösung oder dergleichen, wie es nachstehend anhand der Fig. 3 näher erläutert wird. Wenn die zu behan­ delnde Lösung die Kammer 17 verläßt, muß sie das Harz durch­ flossen haben. Ist das Harz 19 beladen (was z. B. durch einen Farbumschlag sichtbar gemacht werden kann), so wird das Gefäß 18 aus der Behandlungskammer 17 soweit ausgehoben, daß die Unterkante seines Kupplungsstückes 24 ein wenig über dem Flüssigkeitsspiegel 31 liegt. Nun kann das Gefäß 18 völlig in das Kammerinnere leerlaufen, so daß mit dem Einbringen des Gefäßes in eine andere Kammer des Regenerierbereiches nicht die bisher das Harz durchlaufende wäßrige Lösung verschleppt wird. Dies gilt selbstverständlich auch umgekehrt für die Handhabung des Gefäßes nach dem Regeneriervorgang und Ein­ bringen des Gefäßes in eine Behandlungskammer. Es wird Druck­ luft weder für das Austreiben des Restes an Lösung aus dem Harz noch zum Auflockern des Harzes benötigt. Im übrigen empfiehlt sich für das Harz eine Packungsdichte und Schüttung des Harzes derart, daß zwar die jeweilige Lösung hindurch­ fließen kann, jedoch keine oder nur unwesentliche Kavernen innerhalb der Harzfüllung gebildet sind.

Eine nach der Erfindung arbeitende und ausgestaltete Abwas­ ser-Behandlungsanlage ist nachstehend anhand der Fig. 3 in ihrem prinzipiellen Aufbau und Ablauf erläutert. Fig. 3 zeigt für eine Anlage zur Entfernung von Metallionen den Bereich der Ionenaustauscher-Einrichtung. Bei der zu behandelnden wäßrigen Lösung kann es sich dabei z. B. um kupferhaltiges Abwasser einer Ätzanlage handeln.

Die zu behandelnde wäßrige Lesung 30 wird, gegebenenfalls nach Einstellung ihres pH-Wertes sowie Ausfiltration von mechanischen und organischen Verunreinigungen, in nicht dargestellten Einrichtungen zur Pumpenvorlage 32 gegeben. Von hier fördert es die Pumpe 43′ zu einer Behandlungskammer 17, in der, bei diesem Beispiel, zwei Gefäße 18 mit Katio­ nen-Austauscherharz 19 angeordnet sind.

Gemäß der Beschreibung zu Fig. 2 fließt die Lösung 30 durch die beiden Gefäße 18, die sie am Boden über das Kupplungs­ stück 24, das Kupplungsgegenstück 25 und die Rohrleitung 26 wieder verläßt. Sie wird mittels einer weiteren Pumpe 33 zu einer zweiten Behandlungskammer 17′ gefördert. In dieser sind ebenfalls zwei Gefäße 18 mit Kationen-Austauscherharz 19 vorhanden. Diese werden auch von der Lösung 30 in der vorher beschriebenen Weise durchströmt, wobei die Lösung nun von den Metallionen befreit ist und über die Betriebswasser­ leitung 8 zur Ätzanlage zurückgeführt werden kann. Wenn mehrere Gefäße in einer Kammer sind, so wird jeweils das Gefäß mit dem höchsten Belade- oder Behandlungszustand des Harzes zuerst ausgetauscht.

Mit fortschreitendem Durchsatz der zu behandelnden wäßrigen Lösung 30 durch die Einrichtung wird zunächst das Harz 19 in der ersten Behandlungskammer 17 mehr und mehr mit den Me­ tallionen beladen. Dabei verläßt die Lösung 30 normalerweise schon diese erste Behandlungskammer 17 in einem von den Metallionen befreiten Zustand. Daß sie trotzdem zu einer nachfolgenden Behandlung gleicher Art zur zweiten Behand­ lungskammer 17′ geführt wird, erfolgt einmal aus Sicher­ heitsgründen, da es vorkommen kann, daß der völlige Belade­ zustand eines Gefäßes 18 in der ersten Behandlungskammer 17 nicht rechtzeitig erkannt wird und dabei ungereinigte Lösung 30 "durchschlägt". Ferner gelangen beim Wechsel der Gefäße 18 in der ersten Behandlungskammer 17 geringe Mengen unge­ reinigter Lösung 30 in die Rohrleitung 26. Der bereits erläuterte Wechsel eines Gefäßes 18 in der ersten Behand­ lungskammer (also wenn der Beladestand ganz oder nahezu ganz erreicht ist), wurde anhand der Fig. 2 bereits beschrieben. Nach dem Leerlaufen des Gefäßes 18 wird es zu einer Regene­ rierkammer 34 gebracht und in diese eingesenkt. Am Boden dieser Kammer ist ebenfalls ein Kupplungsgegenstück 25, passend zum Kupplungsstück 24 am Gefäß 18 vorhanden. Dies trifft auch für die Konditionierkammer 36 sowie die Spülkam­ mern 37 und 37′ zu.

Auf den in der Behandlungskammer 17 frei gewordenen Platz wird nun ein aus der Kammer 17′ entnommenes Gefäß 18 ge­ bracht, das nicht oder nur minimal beladen ist. Natürlich wird auch hierbei an der Behandlungskammer 17′ zunächst das zugehörige Magnetventil 27 geschlossen, während es an der Kammer 17 anschließend wieder geöffnet wird.

Das Hindurchströmen der jeweiligen Lösung durch die Gefäße 18 aufgrund der geodätischen Höhendifferenz kann noch durch die Saugwirkung der Pumpe 33 an der Ausgangsseite des Behäl­ ters 17 bzw. einer weiteren Pumpe 33′ an der Ausgangsseite des Behälters 17′ verstärkt werden. Um ein etwaiges unzuläs­ siges Verdichten oder Zusammenbacken der Harzfüllung zu vermeiden, empfiehlt es sich, den Saugdruck dieser Pumpen 33, 33′ nicht zu hoch zu wählen, z. B. unterhalb 0,5 bar. Statt der Saugpumpen 33, 33′ könnten auch Druckpumpen vorge­ sehen sein, welche die jeweilige Lösung von der Eingangssei­ te der Gefäße 18 her durch das Harz drücken (in der Zeich­ nung nicht dargestellt). Auch hier ist ein nur geringer Druck, z. B. bis zu der vorgenannten Maximalgrenze von 0,5 bar, vorgesehen.

Die vorstehend bereits erläuterten Wechselvorgänge der Gefäße 18 können auch bei den nachfolgenden Schritten vorge­ nommen werden:

• 1. Von Spülkammer 37′ in zweite Behandlungskammer 17′,
• 2. Von Konditionierkammer 36 in Spülkammer 37′,
• 3. Von Spülkammer 37 in Konditionierkammer 36,
• 4. Von Regenerierkammer 34 in Spülkammer 37.

Damit ist dann in die Behandlungskammer 17 bzw. 17′ ein wieder voll beladefähiges Gefäß 18 gebracht, nachdem in den Kammern 34 und 36 noch näher zu beschreibende Vorgänge sowie dazwi­ schengeschaltete Spülvorgänge stattgefunden haben.

Durch das in die Regenerierkammer 34 eingesetzte Gefäß 18 wird nun Säure 38 geleitet, welche die an das Harz 19 gebun­ denen Metallionen wieder aufnimmt. Anders als beim Belade­ vorgang strömt die Säure 38 von unten nach oben durch das Harz. Ihr Gehalt an Metallionen nimmt dabei stetig zu. Die Säure wird einem Behälter 39 entnommen, an dem eine Elektro­ lyseeinrichtung 40 installiert ist. Mit Hilfe dieser Elek­ trolyseeinrichtung 40 wird unter Anwendung von Gleichstrom das in der Säure (H₂SO₄) 38 dissoziierte Metall an einer Kathode abgeschieden und damit zurückgewonnen.

Nach einem Spülvorgang in der Spülkammer 37 wird das Harz in der Kammer 36 aus einem weiteren Behälter 43 noch "konditio­ niert" (auf den Vorgang wird hier nicht näher eingegangen, da bekannt) und nach einem weiteren Spülvorgang in der Spülkammer 37′ steht das Gefäß 18 wieder für einen Belade­ vorgang zur Verfügung. Das für die Spülvorgänge in den Spülkammern 37 und 37′ benötigte Frischwasser wird nach Gebrauch über die Leitung 41 zum Sammelbecken der Abwasser­ anlage geführt.

Bei dem beschriebenen Beispiel wird die Lösung 30 nur in Kationenaustauschern behandelt. Falls erforderlich kann aber eine weitere Behandlung in Anionenaustauschern stattfinden, indem die Lösung 30 über die Leitung 8 zu einer zweiten entsprechenden Einrichtung geführt wird.

Wie erwähnt, wird das Umsetzen der Gefäße 18 mit einer Hebe- und Transporteinrichtung vorgenommen. Dies kann so gesteuert werden, daß die Umsetzvorgänge sowie die Schaltung der Ventile, Pumpen etc. automatisch ablaufen.

Nach dem beschriebenen Prinzip ist es auch möglich, die Gefäße 18 als mechanische Filter auszubilden, die bei maxi­ maler Beladung ausgetauscht oder zur Rückspülung in entspre­ chende Behandlungskammern gebracht werden.

Bezugszeichenliste

1 Abwasser-Sammelbecken
2 Leitung für Abwasser
2′ Leitung für Abwasser
2′′ Leitung für Abwasser
3 Pumpe für Abwasser
3′ Pumpe für Abwasser
4 Druckleitung für Abwasser
5 Vorfilter
6 Kationenaustauscher 1
6′ Kationenaustauscher 2
7 Anionenaustauscher 1
7′ Anionenaustauscher 2
8 Betriebswasserleitung
9 Leitfähigkeits-Meßgerät
10 Pumpe für Regenerierlösung
10′ Pumpe für Regenerierlösung
11 Regenerierstation für Kationenaustauscher
11′ Regenerierstation für Anionenaustauscher
12 Lagerbehälter für konzentrierte Säure
12′ Lagerbehälter für konzentrierte Lauge
13 Druckluftleitung
14 Leitung zur Entgiftungs- und Neutralistionsanlage
15 Leitung für Kreislaufwasser-Rückführung
16 Leitung für Frischwasser
17 Behandlungskammer (erste)
17′ Behandlungskammer (zweite)
18 Gefäß, welches das Harz beinhaltet
19 Harz
20 Trennboden, oben
20′ Trennboden, unten
21 Siebstopfen
22 Sammelabschnitt
23 Boden des Gefäßes 18
24 Kupplungsstück
25 Gegenstück für Kupplung
26 Rohrleitung, am Boden der Behandlungskammer
27 Magnetventil
28 Rohrleitung in die Behandlungskammer
29 Aufhängeeinrichtung
30 Flüssigkeit
31 Flüssigkeitsspiegel
32 Pumpenvorlage
33 Pumpe an Behandlungskammer 17
33′ Pumpe an Behandlungskammer 17
34 Regenerierkammer
35 Transport- und Hebeeinrichtung
36 Konditionierkammer
37 Spülkammer (sauer)
37′ Spülkammer (alk.)
38 Säure, metallionenhaltig
38′ Säure, nicht metallionenhaltig
39 Behälter für Säure
40 Elektrolyseeinrichtung
41 Leitung zur Vorbehandlungseinrichtung
42 oberer Rand des Gefäßes 18
43 Behälter für die Konditionierflüssigkeit
43′ Pumpe
44 Überlauf der Lösung in das Gefäß
45 Raum zwischen Kammerinnenwand und Gefäßaußenwand
46 Kammerboden
47 Seitenwände der jeweiligen Kammer

Claims (16)

1. Verfahren zum Ionenaustausch von wäßrigen Lösungen mittels Ionenaustauscherharzen in einen Flüssigkeits­ durchtritt ermöglichenden Gefäßen, die in Behandlungs­ kammern für die wäßrigen Lösungen eingebracht werden, wobei alternierend zur Beladung der Harze ein Regenerie­ ren, Spülen und gegebenenfalls Konditionieren der Harze in entsprechenden Kammern erfolgt, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gefäße (18) mit dem Harz (19), die obersei­ tig und unterseitig siebartige für die jeweilige Lösung, nicht aber für das Harz durchlässige Bereiche aufweisen, in eine Behandlungskammer (17, 17′) eingebracht und mit dem Ablauf (26) der Kammer flüssigkeitsdicht verbunden werden, daß anschließend die wäßrige Lösung aus den Kammern durch die Gefäße mit dem Harz hindurchgeleitet werden, daß nach dem Beladen des Harzes mit den betreffenden Ionen der wäßrigen Lösung das Gefäß aus der Behandlungskammer herausgenommen und solange über dieser Behandlungskammer gehalten wird, bis die am Gefäß und im Harz befindliche wäßrige Lösung nach unten in diese Behandlungskammer abgelaufen ist, daß anschließend das Gefäß zu einer Kammer oder mehreren Kammern (34, 36, 37, 37′), einer Station für Regenerieren, Konditionieren oder Spülen transportiert und in die jeweilige Kammer abgesenkt und mit dem Ablauf (26) dieser Kammer flüssigkeitsdicht verbunden wird, daß anschließend eine dem Regenerieren, Konditionieren oder Spülen dienende Lösung wie vorste­ hend durch das Harz hindurchgeleitet wird, daß nach Beendigung des Regenerier-, Konditionier- oder Spülvor­ ganges das Gefäß aus der jeweiligen Kammer herausgenom­ men und so lange über dieser Kammer gehalten wird, bis die im Gefäß und im Harz befindliche Lösung in diese Kammer abgelaufen ist und daß anschließend das Gefäß einer weiteren Kammer zum weiteren Behandeln zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Lösung in die Kammer eingebracht und aus der Kammer über die Oberkante (42) des betreffenden oberseitig offenen Gefäßes durch das Harz nach unten geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerierung von unten nach oben erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die jeweilige Lösung ohne Pumpendruck lediglich aufgrund der Schwerkraft durch das Harz hindurchbewegt wird, wobei die jeweilige Lösung dem atmosphärischen Druck ausgesetzt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung mit Hilfe einer Saug- oder Druckpumpe durch das Harz hindurchbewegt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung mit einem Druck von maximal 0,5 bar durch das Harz hindurchgepumpt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein mehrerer Gefäße in einer Kammer jeweils das Gefäß mit dem höchsten Belade- oder Behandlungszustand des Harzes zuerst ausgetauscht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß während des Austauschvorganges der Gefäße der Ablauf (26) der jeweiligen Kammer verschlos­ sen wird.

9. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Zu- und Abfluß der jeweiligen Lösung in das und aus dem Gefäß (18) mit der Harzfüllung (19) oberhalb des Harzes (19) Zuführungen in die Kammer (17, 17′) und unterhalb des Harzes Abführungen (26) der Lösung vorgesehen sind, daß das Gefäß in die jeweilige Kammer einsetzbar und daraus heraushebbar ist, wobei die Oberseite der Kammer zumin­ dest für das Einbringen und Herausnehmen des Gefäßes offen oder zu öffnen ist, daß das Gefäß (18) innerhalb der Anlage von einer Kammer (17, 17′) einer Beladesta­ tion zu einer oder mehreren Kammern zum Regenerieren, Spülen oder Konditionieren (34, 36, 37, 37′) entspre­ chender Stationen durch eine Transport- und Hebeeinrich­ tung (35) hin- und wieder zurückbringbar ist.

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (47) der Kammer über die Oberkante (42) des Gefäßes hinaus nach oben ragen und daß ein Zufluß (28) der Lösung in die jeweilige Kammer mündet, wobei zwi­ schen der Kammerwand (47) und der Wandung des Gefäßes (18) ein Innenraum (45) der Kammer besteht, der das Gefäß allseitig umgibt.

11. Anlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz eine Schüttung aufweist, die ein Hindurchfließen der Lösung aufgrund ihrer Schwerkraft ermöglicht.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ober- und unterseitigen sieb­ artigen Bereiche des Gefäßes (18) als Trennböden (20′) ausgebildet sind, die zwar für die jeweilige Lösung durchlässig sind, jedoch das Harz nicht hindurchtreten lassen, und daß die das Gefäß jeweils aufnehmende Kammer unterhalb des Trennbodens einen absperrbaren Abfluß (26) für die Lösung aufweist.

13. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gefäß (18) unterhalb des siebarti­ gen, unteren Trennbodens (20′) als Sammelabschnitt (22) ausgebildet ist, aus dem die Lösung über eine in einem flüssigkeitsundurchlässigen Boden (23) befindliche Auslaßöffnung abführbar ist.

14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung des Sammelabschnittes ein Kupplungsstück (24) aufweist, das zu einem Gegenkupplungsstück (25) am Boden der jeweiligen Kammer paßt und damit nach Einbrin­ gen des Gefäßes in die Kammer eine Abdichtung zum Kam­ merinnern (45) bildet, sowie eine Durchlaßverbindung für die Lösung herstellt, wobei der Abfluß aus dem Gegen­ kupplungsstück absperrbar ist (27) und an das Gegenkupplungsstück eine weiterführende Rohrleitung (26) anschließbar ist.

15. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Behandlungskammern hinterein­ ander angeordnet sind, und daß Mittel zum Transport der Lösung von der einen zur nächstfolgenden Behandlungskam­ mer vorgesehen sind.

16. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in einer Kammer mehrere Gefäße (18) unterbringbar sind.