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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur elektrodialytischen Entsalzung von Brack- bzw. Seewasser mit elektrisch in Reihe und hydraulisch parallelgeschalteten Dialysezellen, bei welchen in Stromrichtung aufeinanderfolgende Zellen abwechselnd von kationen- und anionendurchlässigen Membranen begrenzt sind und wobei das Brack- oder Seewasser aus Sammelleitungen den Zellen zuführbar und die Sole sowie das Süsswasser über Sammelleitungen aus den Zellen abführbar ist, sowie mit einer Druckluftleitung zum Einleiten von Luft in die Vorrichtung zwecks Bildung von Luftblasen in der Flüssigkeit.
Neben Mehrstufendestillationsverfahren und Umkehrosmoseverfahren haben vor allen Dingen Elektrodialyseverfahren zur Gewinnung von Frischwasser aus Meerwasser grosse technische Bedeutung erlangt. Bei grossem Frischwasserbedarf (von einigen 103 m3/Tag aufwärts) und bei Vorliegen von Meerwasser mit einem durchschnittlichen Gesamtsalzgehalt von 35000 ppm sind die Mehrstufendestillationsverfahren allen andern Verfahren in wirtschaftlicher Hinsicht überlegen.
Bei der Gewinnung von Trinkwasser aus Brackwasser, mit einem Gesamtsalzgehalt von maximal 5000 ppm, bietet das Elektrodialyseverfahren gegenüber den übrigen bekannten Verfahren wirtschaftliche Vorteile.
Diese Vorteile hängen, abgesehen vom Gesamtsalzgehalt des Brackwasser, noch entscheidend von den Eigenschaften der bei der Elektrodialyse verwendeten permselektiven Membranen und der dabei erzielten Stromausbeute ab.
Hochwertige Membranen zeichnen sich durch- hohe Ionenselektivität, d. h. durch überwiegende Gegenionenüberführung, durch einen geringen Flächenwiderstand, durch geringe Wasserdurchlässigkeit und hohe Reissfestigkeit aus.
Die Stromausbeute bei der Elektrodialyse hängt ihrerseits ebenfalls von den Eigenschaften der permselektiven Membranen und von der Grösse der Leckströme ab, deren Hauptanteil über Sole führende Leitungen fliesst. Dies ist auch bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, beispielsweise einer Einrichtung gemäss der US-PS Nr. 3, 870, 613 und der US-PS Nr. 4, 160, 713, der Fall, in welcher durch Einleiten von Luft in die Elektrodialysezellen der Wirkungsgrad der Zellen erhöht werden soll. Bei der US-PS Nr. 3, 870, 613 ist das Einleiten von Luft in Zellen eine Massnahme zum Hintanhalten der Verschmutzungen der Membranen, zur Verhinderung von Ablagerungen an den Ionenaustauschmembranen, sowie eine Massnahme, welche eine Konzentrationspolarisation an den Oberflächen der Ionenaustauschmembranen durch mechanische Vibrationsanregung mit den Luftblasen verhindern soll.
Mit der US-PS Nr. 4, 160, 713 wird angestrebt, den Wirkungsgrad von Elektrodialyseapparaten dadurch zu erhöhen, dass Ablagerungen und Ansammlungen von ausgefällten Stoffen verhindert werden sollen, wobei zu diesem Zweck Luft in die unteren Bereiche der Verdünnungszellen eingeführt wird, wodurch sich der Effekt ergibt, dass die Dicke der Diffusionsschicht, welche durch Konzentrationspolarisation nahe den beiden Ionenaustauschmembranen entstanden ist, verringert wird, so dass der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden gleichfalls abnimmt. Massnahmen zur Verringerung des über Soleleitungen fliessenden Leckstromes werden gemäss diesen bekannten Vorschlägen nicht getroffen.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, die eingangs genannte Vorrichtung in bezug auf ihre Stromausbeute zu verbessern und die Grösse der Leckströme zu verringern. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin, dass die Druckluftleitung über Verbindungsleitungen gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Mischkammer wenigstens mit den die Sole abführenden Leitungskanälen verbunden ist. Dadurch, dass die Druckluftleitung wenigstens in die die Sole abführenden Leitungskanäle mündet, kann in diesen Leitungskanälen durch Luftblasen eine Trennung der Flüssigkeitssäule in einzelne Abschnitte erzielt werden, wodurch der Leitungswiderstand über die Soleleitung wesentlich erhöht und der über diese Leitung fliessende Leckstrom bedeutend verringert werden kann.
Die einzelnen Elektrodialysezellen weisen hiebei senkrecht zur Stromrichtung Begrenzungswände aus permselektiven Membranen auf, welche die Eigenschaft haben, entweder nur Kationen oder nur Anionen hindurchzulassen. Die kationen- und die anionendurchlässigen Membranen sind stets in alternierender Folge angeordnet.
In den beiden, an die Gefässwandungen grenzenden Zellen befinden sich die Elektroden, u. zw. eine Edelstahlkathode und eine Graphitanode.
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Entmischung des Brackwassers in der Weise, dass sich in alternierender Folge Zellen mit höherer und Zellen mit niedrigerer Salzkonzentration bilden. Bei kontinuierlicher Prozessführung regelt man den Flüssigkeitsstrom durch die Zellen so ein, dass man unterhalb der kritischen Grenzstrom- dichte von zirka 30 mA/cm2 ein Produktwasser mit einem Restsalzgehalt von maximal 500 ppm und ein Konzentrat mit einem Gesamtsalzgehalt von zwischen 15000 und 20000 ppm erhält. Das Produktwasser und das Konzentrat werden jeweils in getrennten Sammelleitungen aufgefangen.
Elektrisch gesehen, stellen diese Sammelleitungen Kurzschlussverbindungen dar. In Anbetracht des hohen spezifischen Widerstandes des Brackwassers und des Produktwassers kann aber lediglich der über die Solesammelleitung fliessende Strom als ein die Stromausbeute vermindernder Kurzschlussstrom angesehen werden.
Die Grösse der Kurzschluss- oder Leckströme hängt entscheidend von der Konzentration der Salzsole und dem Querschnitt der Soleleitung ab und bewegt sich in den meisten Fällen zwischen 15 und 20% des über die Membranen fliessenden Nutzstromes.
Die bisherigen Massnahmen zur Ausschaltung von Leckströmen beschränkt sich lediglich auf eine Verengung der Solesammelleitung und zum Teil auch der Brackwasserverteilungsleitungen.
Durch diese Massnahmen liessen sich die Leckströme auf Werte in der obigen Grössenordnung vermindern. Auf keinen Fall aber war es mit Hilfe dieser Massnahme möglich, die Leckströme zur Gänze auszuschalten. Eine über das bisherige Mass hinausgehende Reduzierung des Querschnittes der Solesammelleitung und der Brackwasserverteilungsleitungen würde eine Störung des gleichmässigen Flüssigkeitsab-bzw.-antransportes bewirken.
Durch die in die Sole abführenden Kanäle eingepressten Gasblasen wird nun der die Stromausbeute vermindernde und über die Solesammelleitung fliessende Kurzschlussstrom bzw. Leckstrom verringert, wodurch die Stromausbeute wesentlich erhöht wird.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Vorrichtung, in welcher die Zellen als Rahmen ausgebildet sind, welche unter Zwischenschaltung von permselektiven Membranen miteinander zur Ausbildung von in Stromrichtung abwechselnd aufeinanderfolgenden Salzanreichungs- und Entsalzungszellen verbunden sind, gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmen und die Membranen Durchbrechungen für die Brack- bzw. Seewasserleitungen, den Süsswassersammelkanal, den Salzsolesammelkanal und die Druckluftleitung aufweisen. Auf diese Weise wird eine konstruktiv einfache und billige Ausbildung geschaffen, bei welcher die Rahmen aus Kunststoff bestehen können und durch dichtenden Anschluss aneinander unmittelbar die erforderlichen Kanäle für die Brack- bzw.
Seewasserleitungen, den Süsswassersammelkanal, den Salzsolesammelkanal und die Druckluftleitung ausbilden. Hiefür genügt es, dass die entsprechenden Durchbrechungen in den Rahmen bei ihrer Hintereinanderschaltung in Stromrichtung miteinander fluchten.
Für die Einbringung der Luftblasen in die die Sole abführenden Leitungskanäle wird die Ausbildung der Salzanreicherungszellen vorzugsweise so modifiziert, dass die Rahmen der Salzanreicherungszellen einen in der Rahmenebene angeordneten Verbindungskanal mit den die Rahmen durchsetzenden Brack- bzw. Seewasserleitungen, welcher mit einem Ende des in der Rahmenebene durch die Zellen verlaufenden Strömungsweges verbunden ist und einen weiteren in der Rahmenebene angeordneten Verbindungskanal zu der die Rahmen durchsetzenden Druckluftleitung aufweisen, welcher in den an das andere Ende des durch die Zellen verlaufenden Strömungsweges angeschlossenen, in der Rahmenebene verlaufenden Verbindungskanal zur Solesammelleitung mündet.
Auf diese Weise lässt sich eine Mehrzahl von Dialysezellen aus besonders einfachen beispielsweise gestanzten Kunststoffteilen aufbauen, wobei zwischen benachbarten Rahmen im Bereich der Strömungswege permselektive Membranen und im Bereich der diese Strömungswege mit den Sammelkanälen oder den Verteilungsleitungen verbindenden Kanäle ionenundurchlässigen Membranen zwischengeschaltet werden.
Vorzugsweise ist die Ausbildung hiebei so getroffen, dass die in Stromrichtung aufeinanderfolgenden Dialysezellen abwechselnd mit je einer von zwei gesonderten Brack- bzw. Seewasserleitungen verbunden sind. Auf diese Weise wird auch der Leckstrom über die Brackwasserleitungen verringert, so dass eine weitere Erhöhung der Stromausbeute möglich wird. Vorzugsweise ist der Strömungsweg in den Dialysezellen gewunden, insbesondere meanderförmig ausgebildet und weist einen lichten Durchtrittsquerschnitt auf, welcher grösser ist als der lichte Durchtrittsquerschnitt
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der jeweiligen Verbindungskanäle zu den Sammelleitungen. Auf diese Weise kann innerhalb der Rahmen eine grosse Grenzfläche zwischen benachbarten Anreicherungs- und Entsalzungszellen sichergestellt werden, welche von permselektiven Membranen begrenzt ist.
Durch die verringerten Querschnitte der Zuführungskanäle für Brackwasser und des Zuführungskanals zur Süsswasserleitung werden die Leckströme über diese Leitungen gering gehalten. Der verringerte Querschnitt der Abführungskanäle zur Solesammelleitung ermöglicht es, die Luftblasen in einer Weise einzubringen, dass eine vollständige Unterbrechung der elektrischen Leitung über die Solesammelkanäle eintritt.
Bevorzugt wird die erfindungsgemässe Vorrichtung so zusammengesetzt, dass die Verbindungskanäle zu der Brack- bzw. Seewasserleitung mit dem unteren Ende des Strömungsweges durch die Dialysezelle verbunden sind und dass die oberen Enden des Strömungsweges in den Salzanreichungszellen mit dem Verbindungskanal zum Salzsolesammelkanal und der Druckluftleitung verbunden sind. Durch die am oberen Ende eingepressten Gasblasen wird ein Eindringen der Gasblasen in den Strömungsweg selbst verhindert, so dass die Leitfähigkeit zwischen den Elektroden und über die permselektiven Membranen hinweg in keiner Weise beeinträchtigt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hiebei ist in Fig. 1 eine Mehrzahl von Elektrodialysezellen in der konventionellen Schaltungsart dargestellt. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Salzanreichungszelle gemäss der Erfindung. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine entsprechende Entsalzungszelle.
In Fig. l sind Dialysezellen--1 und 2-- alternativ aneinandergereiht dargestellt. Die jeweils äussersten Zellen enthalten die Anode --3-- bzw. die Kathode --4--. Die Zellen-l und 2-- sind von anionendurchlässigen Membranen --5-- und kationendurchlässigen Membranen-6begrenzt. Bei dieser Schaltungsart ergibt sich klar, dass die Zellen-l-jeweils als Salzanreichungszellen wirken, wo hingegen die Zellen --2-- als Entsalzungszellen geschaltet sind. Aus den Zellen-l-fliesst über Leitungskanäle --7-- die Salzsole zur Solesammelleitung --8-- ab.
Es ist unmittelbar ersichtlich, dass jeweils alle Salzanreichungszellen über die Solesammelleitung - miteinander in elektrisch leitender Verbindung stehen, wodurch über die Solesammelleitung - ein Leckstrom fliesst. Den Entsalzungszellen --2-- wird ebenso wie den Salzanreichungszellen --1-- über eine Sammelleitung --9-- und Verbindungskanäle --10-- Brack- bzw. teilweise ausgesüsstes Seewasser zugeführt. Das Süsswasser fliesst über Leitungskanäle --11-- aus den Entsalzungszellen ab und wird über eine Süsswassersammelleitung --12-- ausgebracht.
In Fig. 2 ist der Querschnitt einer Salzanreichungszelle-l-dargestellt. Die mit Bezugszeichen in Fig. 1 übereinstimmenden Teile wurden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Salz- anreichungszelle-l-weist einen Rahmen --13-- auf, welcher aus Kunststoff bestehen kann.
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in Richtung des Pfeils 15 von unten nach oben meanderförmig geführt ist. Über einen Leitungskanal --7-- wird die Sole am oberen Ende --16-- des Strömungsweges durch die Zelle abgeführt.
In diesen Leitungskanal-7-- wird Druckluft aus einer Druckluftleitung --17-- eingepresst, welche in einer Mischkammer mit der Sole vermischt und unter Ausbildung von Gasblasen in den Kanälen --7-- : eine Abführung der Sole in den Solesammelkanal --8-- ermöglicht. Die Zelle-l- steht über eine ebene permselektive Membran, d. h. zu einer Seite über eine kationendurchlässige und zur andern Seite über eine anionendurchlässige Membran mit benachbarten Zellen in Verbindung, welche wieder als im wesentlichen ebene Rahmen ausgebildet sind. Eine derartige benachbarte Entsalzungszelle ist in Fig. 3 dargestellt.
Der Rahmen --19-- dieser Entsalzungszelle --2-weist wieder die im wesentlichen normal zur Rahmenebene verlaufenden Durchbrechungen für die Leitungen --8, 9,12 und 17-- auf, welche mit den Durchbrechungen im Rahmen --13-- der Salzanreicherungszellen fluchten. Das Brackwasser wird diesen Entsalzungszellen wieder über Ver- bindungskanäle --10-- zugeführt, welche jedoch nicht mit der Brackwasserleitung --9--, sondern einer gesonderten Brackwasserleitung --20-- verbunden sind. Auch diese Brackwasserleitung - durchsetzt alle hintereinandergeschalteten Zellen.
Da bei Hintereinanderschaltung von Rahmen --13 und 19-- unter Zwischenschaltung von permselektiven Membranen-5 und 6-- auch
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die Kanäle --10-- miteinander fluchten, sind benachbarte Kanäle --10-- vorzugsweise unter Zwischenschaltung von ionenundurchlässigen Membranen getrennt, um die Kurzschlussströme über die Brackwasserleitungen und Zuführungskanäle für Brackwasser so gering wie nur möglich zu halten. Die Rahmen --13 und 19-- weisen Zentrierungsbohrungen --21-- auf, über welche eine Mehrzahl solcher Rahmen in exakter fluchtender Anordnung miteinander zusammengespannt werden können.
Die getrennte Versorgung der Salzanreichungszellen und der Entsalzungszellen mit Brackwasser bringt den Vorteil mit sich, dass man den Restsalzgehalt des Süsswassers und den Salzgehalt des Konzentrates nach Belieben einstellen kann.
Die spezifische Leitfähigkeit von Konzentratwasser unterscheidet sich von der spezifischen Leitfähigkeit des Brackwassers um den Faktor 10 bis 20. Es genügt daher die Unterbrechung der Flüssigkeitsstränge in Form von Luftblasen lediglich in den Kanälen zur Solesammelleitung vorzunehmen. Der apparative Aufwand für die periodische Unterbrechung der Flüssigkeitsstränge ist minimal. Es genügt, dem Flüssigkeitsstrom einen Luftstrom geeigneter Stärke zu überlagern.
Durch diese Überlagerung wird das gleichmässige Abfliessen des Konzentrates in keiner Weise gestört, da die Luftstromüberlagerung sämtliche Konzentratstränge gleichermassen erfasst.
Da Luftblasen dünne in Röhren befindliche Flüssigkeitsstränge, von dünnen Wandfilmen abgesehen, komplett unterbrechen, steigen die ohm'schen Widerstände derartiger Flüssigkeitsstränge extrem hoch an. Die sich über die mit Luftblasen durchsetzten Flüssigkeitsstränge schliessenden Leckströme weisen daher unbedeutend geringe Werte auf.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur elektrodialytischen Entsalzung von Brack- bzw. Seewasser mit elektrisch in Reihe und hydraulisch parallel geschalteten Dialysezellen, bei welchen in Stromrichtung aufeinanderfolgende Zellen abwechselnd von kationen- und anionendurchlässigen Membranen begrenzt sind und wobei das Brack- oder Seewasser aus Sammelleitungen den Zellen zuführbar und die Sole sowie das Süsswasser über Sammelleitungen aus den Zellen abführbar ist, sowie mit einer Druckluftleitung zum Einleiten von Luft in die Vorrichtung zwecks Bildung von Luftblasen in der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftleitung (17) über Verbindungsleitungen (7) gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Mischkammer (18) wenigstens mit den die Sole abführenden Leitungskanälen (8) verbunden ist.