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Elektrodialytische Zelle
Die Erfindung betrifft ein elektrodialytisches Zellensystem, worunter hier sowohl eine Einzelzelle als auch eine Zusammenstellung von mehreren solcher zu einer Batterie verstanden werden soll, und das mit Zellen versehen ist, in welchen den Diaphragmen gelochte isolierende Stützglieder zugeordnet sind.
In einem solchen Zellensystem wird mittels einer Kathode und einer Anode ein elektrisches Feld aufge- baut, welches auf einen durch Diaphragmen von den Elektroden abgeteilten Raum wirkt. Die abzufüh- renden Ionen gelangen durch die Diaphragmen hindurch in Spülflüssigkeitsräume, aus denen sie fortge- spült werden.
Im Betriebe elektrodialytischer Zellensysteme ist es eine bekannte Tatsache, dass der Stromdurch- gang über die Höhe bzw. Länge der Zelle ungleichmässig ist, denn die zu behandelnde Flüssigkeit ändert mit fortschreitender Behandlung ihren Leitwert. Wenn es sich um die Reinigung beispielsweise von Wasser handelt, so kann es vorkommen, dass man von einem Rohwasser einer Leitfähigkeit von 10000 Mikro- siemens oder noch beträchtlich mehr ausgeht, während das gereinigte Wasser nur mehr eine Leitfähigkeit von wenigen Mikrosiemens aufweist. Die Folge davon ist, dass die in der Zelle über ihre Höhe oder Länge auftretenden Querströme entsprechend verschieden sind und dies kann dazu führen, dass die Zelle örtlich überlastet wird, was die Membranen schädigen kann. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen ist demgemäss oft sehr niedrig.
Es sind bereits Zellenanlagen und Zellensysteme bekanntgeworden, in denen die Membrane dünne, formunbeständige Körper sind, denen ein Stützorgan zugeordnet wird, um einen unzulässigen Durchhang oder gar Berührungen zwischen Membran und Elektrode zu verhindern. Diese Stützorgane sind Tafeln aus isolierendem Material und sind gelocht, um den Stromdurchgang zu ermöglichen.
Die Erfindung besteht darin, diese Stützorgane dazu heranzuziehen, den Stromdurchgang durch den
Behandlungsraum dem sich ändernden Leitfähigkeitswert der behandelten Flüssigkeit anzupassen, was er- findungsgemäss in sehr einfacher Weise dadurch geschehen kann, dass das gesamte Flächenausmass der
Diaphragmenlochungen über die gesamte Diaphragmenfläche ungleichmässig verteilt ist, um der Verän- derung der elektrischen Leitfähigkeit, welcher die Behandlungsflüssigkeit in dem elektrodialytischen Sy- stem unterworfen ist, Rechnung zu tragen, d. h. um den in Richtung zwischen den Elektroden durch den
Behandlungsraum erfolgenden Stromdurchgang über die Länge der Zelle gesehen gleichmässiger zu ge- stalten.
Auf diese Weise gelingt eine überraschend gute Gleichmässigkeit des Stromdurchganges, beson- ders wenn noch zusätzliche Massnahmen eingehalten werden, auf die im folgenden eingegangen wird.
Der Durchtrittsquerschnitt der Löcher kann diesen Erfordernissen auf verschiedene Weise angepasst werden, sei es, dass man die Löcher, die gleichen Durchmesser haben, über das Diaphragma ungleich verteilt, oder dass man die Verteilung gleich lässt, aber den Durchmesser jedes Loches ändert oder dass man beide Möglichkeiten kombiniert.
Ein weiteres Mittel, um den Wirkungsgrad solcher Zellensysteme zu verbessern, besteht darin, das
Entstehen von Turbulenz innerhalb der Zellen möglichst zu verhindern. Hiezu empfiehlt sich eine be- sonders langgestreckte, flache Form der Zelle, allenfalls in Verbindung mit einer besonderen Ausbildung der Einlassquerschnitte dieser Zellen, nämlich einer Schlitzform, die so wirkt, dass auch der Eintritt der Flüssigkeit in die Zellen wirbelfrei erfolgt und letztere dann ohne Wirbelbildung durchströmt werden.
Man kann dies in einer langgestreckten Zelle im Sinne eines Merkmals der Erfindung noch dadurch be- .
günstigen, dass die Stützglieder eine Querprofilierung erhalten, die so gestaltet ist, dass die Zellen der
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strömenden Flüssigkeit in der Durchströmrichtung einen geringeren Widerstand entgegensetzen als in der
Richtung quer dazu. Man kann dies durch eine Ausbildung von in der Strömungsrichtung verlaufenden
Rippen erreichen, die vom Abstandhalter abstehen.
Zur Erläuterung weiterer Erfindungsmerkmale sei auf die schematischen Zeichnungen verwiesen, in denen zeigen :
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Zelle der erfindungsgemässen Art und Fig. 2 einen Querschnitt dazu nach Linie li-li der Fig. 1 ; Fig. 3 eine Ausführungsform für einen gelochten Abstandhalter mit un- gleicher Lochverteilung über seine Fläche und die Fig. 4 und 5 Querschnitte durch erfindungsgemässe Ab- standhalter ; Fig. 6 das Schema einer vorteilhaften Zellenausführung im Querschnitt und Fig. 7 einen ver- grösserten Teilquerschnitt nach Linie VII-VII der Fig. 6 und schliesslich Fig. 8 einen Grundriss zu Fig. 7.
In den Fig. 1 und 2 bedeuten 1 eine Anode und 2 eine Kathode, 3 und 4 Diaphragmen, die demnach im Verein mit den genannten Elektroden einen Reinigungsraum 5 und zwei Spülräume 6 und
7 begrenzen. Das Rohwasser oder die sonstige Behandlungsflüssigkeil treten bei 8 ein und bei 9 aus, während die Spülwasser ströme bei 10 ein-und bei 11 austreten mögen. Das Wesentliche an dieser
Zelle ist ihre langgestreckte Form bei relativ kleinen Durchflussquerschnitten. Es soll, wie gefunden wur- de, die Länge der Zelle in der Strömungsrichtung mindestens das 5fache der Querabmessung a betra- gen, wobei auch die Höhe h der Zelle, d. h. der Abstand der Elektroden relativ sehr gering sein soll, um das Auftreten von Turbulenz zu verhindern und sicherzustellen, dass der Behandlungsraum ohne Bildung toter Ecken durchströmt wird.
Man hat sich dazu noch vorzustellen, dass die Speisung der Zellen durch schlitzförmige Spalte 12 erfolgt, die sich im wesentlichen über die ganze Dimension a erstrecken und entsprechend niedrig sind, eine Massnahme, die ebenfalls der Ausbildung einer laminaren Durchströ- mung der Zellen förderlich ist.
Wenn es sich, wie dies durch die Fig. 1 und 2 zum Ausdruck kommen soll, um Zellen grosser Länge und geringer Höhe handelt, so besteht die Gefahr, dass die Diaphragmen durchhängen und dadurch zu allerlei Störungen Anlass geben können. In solchen Fällen pflegt man den Diaphragmen gelochte Stütz- glieder oder Abstandhalter zuzuordnen, die mit einer ausreichenden Steifheit ausgeführt sind, zu welchem
Zwecke auch schon vorgeschlagen wurde, sie mit einem welligen Querschnitt zu versehen.
Im Sinne eines Merkmales des Systems dienen diese Abstandhalter nun dazu, den Stromdurchgang durch die Zelle, den man sich in Fig. 1 und 2 in der Vertikalrichtung erfolgend vorzustellen hat, gleich- mässig zu gestalten oder dem über dem Strömungsweg inkonstanten Leitfähigkeitswert anzupassen. Dies erfolgt, wie schon bemerkt, durch eine ungleichmässige Verteilung der Durchtrittsquerschnitte, wie aus
Fig. 3 beispielsweise ersichtlich. Man erkennt, dass in der Zone A eine geringe, in der Zone B eine grössere und in der Zone C eine maximale Lochanzahl vorgesehen ist, doch könnte dasselbe Er- gebnis natürlich auch erreicht werden, wenn man die Lochteilung unverändert über die ganze Länge
A + B + C ausführt und nur den Lochdurchmesser ansteigen lässt.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass im Rahmen der Erfindung auch die Einhaltung einer lami- naren Strömung für wesentlich angesehen wird. Man kann diese dadurch begünstigen, dass man gerippt profilierte Abstandhalter verwendet (wofür die Fig. 4 und 5 zwei Beispiele zeigen) und die Rippen so ver- legt, dass sie mit der Strömungsrichtung parallel verlaufen.
Aus den Fig. 6-8 ist eine besonders vorteilhafte Ausführung eines erfindungsgemässen Zellensystems ersichtlich. Fig. 6 ist ein Querschnitt, der grundsätzlich der Darstellung der Fig. 2 entspricht, mit dem
Unterschied, dass die Zelle wie folgt aufgebaut ist : Auf die erste Elektrode, beispielsweise eine Anode
15, folgt ein erstes Diaphragma 16, auf dieses ein zweites, drittes und viertes Diaphragma 17, 18 bzw. 19 und schliesslich die zweite Elektrode 20, also annahmegemäss die Kathode. Die zu behan- delnde Flüssigkeit trete bei 21, 23 ein, um die Apparatur zu durchströmen. Die Räume 24, 25, 26 sind Spülräume und werden von Spülflüssigkeit durchflossen.
Die Fig. 7 und 8 zeigen, in welcher Weise man dieses Prinzip auf eine besonders zweckmässige Weise praktisch verwirklichen kann : Rahmenartige Gehäuseteile 30, aus einem flüssigkeitsbeständigen Iso- liermaterial, etwa einem Kunststoff, werden übereinander angeordnet, nachdem man in ihre fensterarti- gen Ausnehmungen 31 Abstandhalter 32 eingelegt und zwischen den Rahmen die Diaphragmen 33 dicht geklemmt hat, was unter Zuhilfenahme der entsprechend starr ausgeführten Elektroden 34 ge- schehen kann. Die Zu- und Abflussöffnungen dieses Systems hat man sich vor bzw. hinter der Zeichen- ebene angeordnet zu denken (vgl. 12 zu Fig. 2) und auch die grösste Erstreckung dieser Zelle ist senkrecht zur Zeichenebene zu denken.
Man kommt so zu einer Zelle, die hinsichtlich der Durchströmung jener nach Fig. 6 entspricht und hinsichtlich der Querschnittsform wieder den weiter oben allgemein aufge- stellten Forderungen genügt. Bei den Körpern 30 handelt es sich um relativ dünne Teile, die Fig. 7
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ist in dieser Hinsicht wie alle Figuren unproportional. Es empfiehlt sich, mehrere Zellen nebeneinander auszubilden, d. h. man gestaltet die Teile 30 so aus, wie dies die Fig. 8 in einem Teilgrundriss erkennen lässt.
Man könnte also dieses System in der Weise ausgestalten, dass man die entstandenen Zellen I, Il usw., Fig. 7, entweder parallel oder in Serie schaltet, wobei allen Zellen die Elektroden 34 gemeinsam sein können, obgleich kein Hindernis besteht, die Elektroden zu unterteilen, etwa um sie mit verschiedenen Spannungen betreiben zu können. Die in Fig. 7 untere Elektrode kann einem zweiten Zellenkörper gemeinsam sein, so dass dann die untere Elektrode 34 in der Mitte eines Zellenblockes läge.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrodialytische Zelle, vorzugsweise von langgestreckter Form, in welcher den Diaphragmen gelochte, isolierende Stützglieder zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Flächenausmass der Diaphragmenlochungen über die gesamte Diaphragmenfläche ungleichmässig verteilt ist, um der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit, welcher die Behandlungsflüssigkeit in dem elektrodialytischen System unterworfen ist, Rechnung zu tragen, d. h. um den in Richtung zwischen den Elektroden durch den Behandlungsraum erfolgenden Stromdurchgang über die Länge der Zelle gesehen gleichmässiger zu gestalten.