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Verfahren zur Behandlung von Wasser bzw. wäßrigen Lösungen mit Basenaustauschern
Es sind Basenaustauscher bekannt, die auf der Grundlage von Kieselsäure aufgebaut
sind, welche an amphortere Metalloxyde, insbesondere Eisen und Tonerde, gegebenenfalls
auch Gemischen von beiden, gebunden ist, und in denen Alkali als basenaustauschfähiges
Ion enthalten ist. Diese Basenaustauscher sind verhältnismäßig empfindliche Gebilde,
die gegen die Einwirkung von im Wasser enthaltener freier Säure, wie Kohlensäure,
und gegen heißesWasser, also gegenTemperaturerhöhung, sehr empfindlich sind. Die
Empfindlichkeit gegen höhere Temperaturen ist auch bei solchen Basenaustauschern
der genannten Art vorhanden, die gegen Kohlensäure verhältnismäßig unempfindlich
sind, so daß Temperaturen von 40 bis 500 auch von den widerstandsfähigsten Basenaustauschern
der genannten Art auf die Dauer nicht ertragen werden.
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Die Wirkung dieser angreifenden Wässer auf Basenaustauscher der genannten
Art besteht dabei im wesentlichsten darin, daß die Basen und auch die amphorteren
Metalloxyde herausgelöst werden und daß auch Kieselsäure
in erheblichen
Alengen in Lösung geht. Daneben tritt noch eine Herahsetzung der physikalischen
Eigenschaften, insbesondere der Härte der Basenaustauscher ein, so daß die Stoffe
nach kurzer Zeit unbrauchbar werden.
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Es sind ferner durch neuere Erfindungen Basenaustauscher bekannt
bzw. in Vorschlag gebracht worden, welche Kohlenstoff als wesentlichen Bestandteil
enthalten und dadurch erhalten werden, daß man kohlenstoffhaltige Substanzen, wie
Holz, Braunkohle, Torf. Isorli. Holzkohle, 5 teinkoh le, Halbkoks u. dgl., einer
chemischen Behandlung, vorzugsweise mit Schwefelsäure, zweckmäßig konzentrierter
Schwefelsäure, oder anderen åhnlich wirkenden Stoffen, wie Chlorsulfonsäure oder
Säureanhydriden, wie SchwefelsäureanhYdrid. oder Gemischen solcher Stoffe unter
solchen Bedingungen der Temperatur, Konzentration, Einwirkungsdauer und ilengenverhältnisse
unterwirft, daß sie befähigt werden, mit Metallionen unlösliche, aber austauschbare
Verbindungen zu bilden.
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Es wurde nun die überraschende Feststellung gemacht, daß solche Kohlenstoff
als wesentlichen Bestandteil enthaltende Basenaustauscher im Gegensatz zu Basenaustauschern
dereingangs genannten Artaußerordentl ichtem temperaturunempfindlich sind. Auf Grund
dieser außerordentlichen Temperaturunempfindlichkeit solcher Kohlenstoff als wesentlichen
Bestandteil enbaltenden, erfindungsgemäß fiir die Behandlung von heißem, gegebenenfalls
bis zum Siedepunkt erhitztem Wasser bzw. wäßrigen Lösungen zu verwendenden Basenaustauscher
ist es möglich, diese Basenaustauscher, ohne eine Zerstörung oder einen in Betracht
kommenden Rückgang ihrer Basenaustauschfähigkeit befürchten zu müssen, mit Wasser
oder wäßrigen Lösungen in Berührung zu bringen, die sehr viel höher, z. B. bis zum
Siedepunkt, erhitzt sind. Hierdurch werden sehr erhebliche technische Vorteile erreicht,
da es auf diese Weise nunmehr möglich ist, heiBe Flüssigkeiten, z. B. thermisch
aufbereitetes Wasser, direkt nach der Wärmebehandlung über den Basenaustauscher,
ohne vorher eine Abkühlung der Flüssiglseit vorndimen zu müssen, zu leiten, so daß
Wärmeverluste nicht eintreten können und die Vorteile einer thermischen Vorbehandlung
voll ausgenutzt werden kann. Diese Vorbehandlung kann darin bestehen, daß man lediglich
solche Veränderungen des Wassers herbeiführt, wie sie durch Erhitzen von sich aus
eintreten, wie z. B. Austreibung von Gasen, insbesondere Kohlensäure, Umwandeln
von Calciumbicarbonat in schwerlösliche Calciumcarbonat und teilweise Ausfällung
desselben; oder es kann mit dieser thermischen Behandlung zugleich eine chemische
Behandlung Hand in Hand gehen, hei der durch Zusatz z. B. von Soda, Kalk, Atznatron,
Phosphat usw. eine Vorenthärtung durchgeführt wird, die dann durch den Basenaustauscher
zu einer vollständigen gemacht wird.
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Falls das Enthärtungsfilter mit vorenthärtetem Wasser betrieben wird,
ist naturgemäß seine Wirkung eine länger andauernde, als wenn das die volle Härte
besitzende Rohwasser über das Filter geleitet wird.
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Die vorerwähnten, für das erflndungsgemäße Verfahren in Betracht
kommenden kohlenstoffhaltigen Basenaustauscher können sowohl als Wasserstoff- wie
als Alkali- oder Erdalkalibasenaustauscher Verwendung finden.
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Die Wirkung solcher Wasserstoff als Basenaustauscher enthaltenden
kohlenstoffhaltigen Stoffe besteht darin, daß die in dem Wasser oder den wäßrigen
Flüssigkeiten enthaltenen Basen von dem Austauschstoff gebunden werden, wofür Wasserstoffionen
in Lösung gehen, so daß ein saures Filtrat entsteht, das neben freier Kohlensäure,
falls Carbonate in den Flüssigkeiten enthalten waren, auch noch freie Mineralsäure,
falls mineralsaure Salze in den Flüssigkeiten enthalten waren, enthält. Die Wirkung
der Alkali oder sonstige Basen enthaltenden Basenaustauscher ist die für solche
an sich schon bekannte.
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Die Herstellung von derartigen, Kohlenstoff als wesentlicllen Bestandteil
enthaltenden Basenaustauschern und deren Verwendung im Sinne des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann beispielsweise wie folgt geschehen: Man körnt Steinkohle bis auf
eine etwa zwischen den Grenzen I,5 bis o.4 mm liegende Körnung und behandelt 300
kg der so gekörnten Steinkohle mit Soo kg einer konzentrierten Schwefelsäure von
66° Bé. Dabei setzt man die Schwefelsäure unter dauerndem Rühren der Kohle in einem
solchen Tempo zu, daß die Temperatur So° C nicht übersteigt. Gegehenenfalls sorgt
man durch Kühlung für die Einhaltung dieser Temperatur. Die Behandlung wird unterbrochen,
sobald die bei der Vermischung von Kohle und Säure entstehende Wzirmetönung abgeklungen
ist. Während der Behandlung erfährt die Steinkohle unter Reduktion der Schwefelsäure
zu schwefliger Säure eine starke Quellung, auf die bei der Wahl des Umsetzungsgefäßes
Rücksicht zu nehmen ist.
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Das Umsetzungsprodukt wird durch Einbringen in Wasser und Waschen
vom Überschuß der Säure, anschließend durch Schleudern von anhaftendem Wasser befreit
und gegebenenfalls getrocknet. Der ueberschuß der Säure kann auch durch Neutralisation
mit Hydrosvden und Carbonaten der Erdalkalien oder Alkalien beseitigt werden, wobei
gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Schleuderung ausgewaschen und getrocknet
wird. In
den meisten Fällen genügt es jedoch, wenn man das ausgewaschene
Material durch Schleudern von dem Großteil des anhaftenden Wassers befreit.
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Zur Behandlung mit einem solchen Basenaustauscher wird beispielsweise
ein Wasser, das 90 Carbonathärte neben 30 Sulfathärte enthält, zunächst erhitzt,
wobei ein Austreiben der freien Kohlensäure und eine Umwandlung des Calciumbicarbonats
in Calciumcarbonat stattfindet. Die Carbonathärte geht zurück auf etwa 3 bis 40.
Je nach der Dauer des Erhitzens kann sie auch noch unter diesen Betrag sinken.
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Das Wasser wird dann entweder unmittelbar auf den kohlenstoffhaltigen
Basenaustauscher gegeben oder vorher filtriert, um das ausgeschiedene Calciumcarbonat
abzuscheiden. Als Basenaustauscher der vorerwähnten Art kann dabei sowohl ein solcher,
welcher Wasserstoffionen enthält, als auch ein solcher, welcher Alkalimetallionen
enthält, verwendet werden, wobei die oben geschilderten Umsetzungen stattfinden.
Die Kapazität des Filters wird durch diese thermische Vorbehandlung etwa verdoppelt,
da die Härte des Wassers auf etwa die Hälfte zurückgegangen ist.
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In gleicher Weise kann auch chemisch vorbehandeltes bzw. enthärtetes
Wasser filtriert werden. Zu diesem Zwecke wird einem Wasser von der in dem eben
beschriebenen Ausführungsbeispiel angegebenen Zusammensetzung eine Menge Kalk zugesetzt,
die ausreicht, um die Kohlensäure, die an Calciumbicarbonat gebunden oder in freiem
Zustand vorhanden ist, zu binden. Die Enthärtung kann hierbei bis auf etwa 20 Carbonathärte,
unter Umständen auch darunter durchgeführt werden, worauf nach Filtration der ausgeschiedenen
Härte bildner das vorenthärtete Wasser heiß über einen Basenaustauscher der vorerwähnten
Art geleitet wird.
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In gleicher Weise verläuft der Vorgang, wenn man außer Kalk noch
Soda für die Füllung der an Mineralsäure gebundenen Härtebildner hinzusetzt, wobei
eine entsprechende weitere Herabsetzung der Gesamthärte des Wassers auf etwa Il/2
bis 20 und darunter stattfindet. Die Kapazität des Austauschfilters wird dadurch
um das ?Jlehrfache gesteigert.