Betriebsverfahren einer elektroosmotischen Zelle und Zelle zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es ist bekannt, dass die in einer Lösung, z. B. Quellwasser, befindliehen Ionen, die der Einwirkung eines elektrischen Feldes ausgesetzt werden, das Bestreben haben, je nach ihrer Polarität entweder zur Anode oder zur Kathode zu wandern. Hierbei haben z. B. Ale- tallionen von Salzen eine positive Ladung und wandern zur Kathode, während Niehtmetallionen eine negative Ladung besitzen und mithin zur Anode gelangen.
Von dieser Erscheinung wird bereits zum Zweeke der Entfernung bestimmter Ionen aus einer Flüssigkeit, z. B. der Entsalzung (Rei nigung) von Wasser auf elektrischem Wege Gebrauch gemacht und man bedient sich hierzu elektroosmotischer Zellen, welche in der Regel aus Anode und Kathode sowie je einern Diaphragma bestehen, welches einen Anodes- und einen Kathodenraum abteilt. Die zu ent salzende Flüssigkeit wird in den von diesen beiden Diaphragmen begrenzten Raum eingeleitet und dort, durch diese Diaphragmen hindurch, der Wirkung des elektrischen Stromes ausgesetzt. Im Anoden- bzw.
Kathodenraum reiehert sieh die Flüssigkeit mit den ausge- schiedenen Ionen resp. deren chemischen Verbindungen an, die durch Spülung entfernt werden. Das Spülmittel kann hierbei von der zu reinigenden bzw. entsalzenden Flüssigkeit abgezweigt werden.
Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfah- ren einer elektroosmotischen Zelle, die einen von Diaphragmen begrenzten Rohflüssigkeits- raum und jenseits dieser Diaphragmen einen Anoden-bzw. Kathodenraum besitzt, wobei die in den Elektrodenräumen sich anreichernden Ionen durch Spülung mit Rohflüssigkeit entfernt werden, welche durch zwischen Rohflüs- sigkeitsraum und Kathodenraum einerseits sowie zwischen Rohflüssigkeitsraum und Anodenraum anderseits in den Diaphragmen vorgesehene Durehtrittsöffnungen in den betreffenden Elektrodenraum eintritt.
Es ist gefunden worden, da. die richtige Bemessung der Menge an spülender Flüssigkeit für die Wirtschaftlichkeit der Zelle von beträehtlichem'Einfluss ist. Wird zu wenig g so reichert sich die Umgebung von Kathode und/oder Anode übermässig mit den auszuscheidenden Ionen und deren Entla dungsprodukten an ; dadurch entsteht die Mög lichkeit, dass durch rein chemische Diffusion Ionen und/oder deren chemische Verbindun- gen in den Reinigungsraum zurückgelangen, was den Wirkungsgrad der Apparatur bedeutend versehlechtern würde.
Wird hingegen zu viel gespült, so bedeutet dies neben einem unnützen Flilssigkeitsverlust auch einen zu hohen Anstieg des Zellenwiderstandes und damit einen zu geringen Stromdurchgang ; die Leistung der Zelle wird dadurch erheblich sinken. Schlie#lich besteht auch ein Bedürfnis nach Geräten, die nicht nur zur Behand- lung von Flüssigkeiten bzw. Lösungen stets gleicher Zusammensetzung Verwendung finden können, sondern mit denen es auch mög lich ist, verschiedene Flüssigkeiten zu behan- deln, denen offenbar auch verschiedene optimale Spülmengen zugeordnet sind.
Man hat bisher, bei den praktisch ausgeführten Konstruktionen, in Unkenntnis der Bedeutung, welche die richtige Spülmenge für die Wirtschaftlichkeit des Betriebes geniesst, sich damit begnügt, zwecks Spülung des Anoden-und Kathodenraumes Durchtritts- offnungen vorzusehen, welche mehr oder minder gefühlsmässig auf die gesamte Grosse der Zellen abgestimmt waren und im übrigen dem Einfluss der Spülmenge auf die Gesamtwirtsehaftlichkeit in der Anlage keine wesentliche Beachtung geschenkt.
Das erfindungsgemässe Betriebsverfahren ist nun dadurch gekennzeichnet, dass die in den Diaphragmen vorgesehenen Durchtritts offnungen derart bemessen sind, dass der Spülmengenanteil L des Elektrodenraumes in Liter pro Stunde der Formel
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entspricht, worin A die absoute Volumengeschwindigkeit des Rohflüssigkeitsgesamtzulaufes in Liter pro Stunde, B den spezifischen elektrischen Wi- derstand der Rohflüssigkeit in Ohm pro cm3, 1 den Inhalt des Elektrodenraumes in Litern und K einen von der Zellenleistung und der Art des Elektrodenraumes abhängigen Faktor bedeuten,
weleh letzterer bei einer von 10 auf 150 Stundenliter steigender Leistung der Zelle für den Kathodenraum von 0, 65 0, 35 auf 1, 5 0, 5 und für den Anodenraum von 0, 02 0, 004 auf 0, 3 0, 05 steigt.
Die Auffindung dieser formelmässig ausgedrückten Zusammenhänge lag keineswegs nahe. Zunächst seheint es, als ob diese Gleichung keine besonders eigenartigen, nicht naheliegenden Merkmale enthalten würden, denn 1. mu# die aufzubringende Spülmenge L pro
Zeiteinheit der pro Zeiteinheit zur Be handlung gelangenden Flüssigkeitsmenge@l logischerweise direkt proportional sein, 2.
muss die aufzubringende Spülmenge L pro Zeiteinheit grossenordnungsmässig der
Raumgrösse I des Spülraumes umgekehrt proportional sein, da die Konzentration der
Verunreinigungen im Spülraum wegen der
Gefahr einer Riiekdiffusion in den Behand- lungsraum eine bestimmte Grosse logischer- weise nicht übersehreiten darf, 3.
muss die aufzubringende Spülmenge L pro
Zeiteinheit umgekehrt proportional dem spezifischen Widerstand R der zur Behand lung gelangenden Flüssigkeit sein, da be kanntlich die Konzentration einer Lösung umgekehrt proportional mit ihrem spezifi- schen Widerstand ist und sicher auch die sich im Spülraum pro Zeiteinheit aus scheidenden Verunreinigungen proportional mit der Konzentration der Ausgangslosung steigen.
Aus diesen Erwägungen ergäbe sich aber lediglich die mathematische Beziehung
L = A
I. R durch welche die für das vorliegende Betriebs- verfahren einzuhaltenden llassnahmen jedoeh nicht ausreichend beschrieben werden können.
Es ist nun gefunden worden, dass, in Abwei- chung von dieser einfachen Formel, der Wert R in der Praxis den Exponenten 1/s trägt und dass noch ein Faktor K in diese Beziehung eingehen mu#. Es ist nämlich der Spül- mengenanteil des auf den Inhalt des Elektrodenraumes bezogenen relativen Durelisatzes des Gerätes nicht einfach verkehrt proportional dem spezifischen elektrischen Widerstand R der zu behandelnden Flüssigkeit, sondern steht in einem wirkungsfunktionellen Zusammenhang mit der Volumengesehwindigkeit t der zu behandelnden Flüssigkeit und deren spezifischem elektrisehem Widerstand R.
Dieser relative Spülmengenanteil ist nämlieh einer Potenzfunktion von A und einer Potenzfunktion von R proportional. Dabei gilt für die optimalen teehnisehen Betriebsbedingungen folgender Zusammenhang :
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worin man a als Spülmengenexponentx- und b als Spülmengenfaktor bezeichnen kann.
Erfindung, die Wertefür-E zu wählen hat.
Dies gestaltet sich in der Praxis sehr einfach, wie die folgenden Ausführungsbeispiele zeigen sollen :
Beispiel 1 :
Es soll ein Quellwasser entsalzt werden, dessen spezifischer Widerstand 3375 Ohm pro Kubikzentimeterwürfel betrage, bei einem Ab dampfrückstand von 226 mg/Liter. Dieser Widerstand kann aus dem Abdampfrückstand an Hand einer in der Literatur gegebenen Formel rechnerisch ermittelt werden. Die Durchlaufmenge A betrage 50 Liter, der Inhalt I des Kathodenraumes 3 Liter, des Anodenraumes 2 Liter.
Nach der Formel (5) und den Beziehungen (6) und (7) ergibt sich zunächst für den Kathodenraum für die beiden Grenzfälle von K bei 50 Liter Durchlauf eine Spülmenge zwischen rund 0, 5 und 1, 5 Liter. Für den Anodenraum kann wegen der sehr geringen Differenz der Grenzwert das arithmetisehe Mittel 0, 04 für K eingesetzt werden, wobei sich ein Wert von 0, 06 Liter für die Spülmenge L ergibt. Zur Ermittlung des optimalen Wertes für die Kathodenspülung stellt man zunächst die Anodenspülung auf den vorausberechneten Wert und lässt die Anlage nacheinander mit 0, 5, 1, 0 und 1, 5 Liter Kathodenspülung laufen.
Dabei ergibt sich, dass sieh die Ergebnisse in bezug auf Qualität und Quantität des Reinwassers mit zunehmender Spülmenge gleichmässig verschlechtern.
Es ist also der niedrigste Wert von 0, 5 Liter als optimaler Wert anzusehen.
Beispiel :
Es sei dasselbe Wasser mit einem Ab dampfrüekstand von 226 mg/Liter und einem spezifischen Widerstand von 3375 Ohm pro Kubikzentimeterwürfel in einer Anlage mit
100 Liter Stundenleistung zu reinigen. Der
Inhalt I des Kathodenraumes betrage 6 Liter, der Inhalt des Anodenraumes 3 Liter. Setzt man für K im Anodenraum den Durch- schnittswert 0, 115, so berechnet sich für die Anodenspülung eine stiindliche Menge von
0, 25 Liter.
An der Apparatur wird nun diese
Spülung eingestellt, worauf entsprechend dem Diese beiden Grössen werden für den prak- tischen Gebrauch in potenzfunktioneller Ab hängigkeit von A zum Faktor K zusammengezogen, mit dem sie daher in folgendem Zu sammenhang stehen :
K = b-A- (3)
Die Prinzipformel für die richtig dimen sionierte absoute Spülmenge in Stundenlitern lautet demnaeh :
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Um finir die Bedürfnisse der Praxis zu einer besser entsprechenden Formel zu gelangen, empfiehlt es sieh, diese wie folgt auszu driieken :
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Auf Grund von Versuchen ist gefunden worden, dass die absoute Grösse des Faktors K mit steigender Stundenliterleistung der Zelle ebenfalls ansteigt, wobei die Grosse des Wertes K je naehdem, ob es sich um die Spülmittel- menge des Anodenraumes oder des Kathodenraumes handelt, beträchtlich verschieden ist.
Für den Kathodenraum beträgt dieser Wert ungefähr 0, 65-1, 5, für den Anodenraum ungefähr 0, 02-0, 3, wobei die niedrigerenWerte einer Stundenliterleistung von 10 und die höheren Werte einer solchen von 150 Liter Reinwasser pro Stunde entsprechen. In der Praxis sind natürlich Abweichungen von diesem Optimalwert nach oben und unten zugelassen, deren Grosse, wie gefunden wurde, ebenfalls für den Kathoclenraum bzw.
Anodenraum ver schieden ist, so dass man. schlie#lich die Grösse von K wie folgt ausdrüeken kann : K (Kath.)#0,65 ¯ 0,35 bis 1,5 ¯ 0,5 (6) K (Anod.)#0,02 ¯ 0,004 bis 0, 3 + 0, 05 (7)
Das Kurvenblatt (s.
Fig. 1 der Zeichnung, in der auf der Abszisse die Stundenliterlei- stung des Gerätes und auf der Ordinate die Werte von Ii aufgetragen sind) zeigt die durch diese Grenzwerte festgelegten Bereiche, aus denen man somit, bei Verwirklichung der vorhergebenden Beispiel 3 Versuche mit weeh selnden Kathodenspülmengen von 0, 70, 1, 30 und 1, 90 Liter durehgeführt werden, die un gefähr den beiden Grenzwerten für K und dem Durehsehnittswert derselben entsprechen.
Bei diesen Versuchen ergibt sieh, dass zwischen 0, 70 und 1, 30 Liter Kathodenspülung sich nur unmerkliehe Versehiebungen in bezug auf Qualität und Quantität des gereinigten Wassers ergeben, bei 1, 90 Liter dagegen eine sta. rke Verschlechterung eintritt. Ein mit 1, 6 Liter durchgeführter Versuch bestätigt diese Tendenz. Es wurden daher 1, 30 Liter Kathodenspülung als Optimum angenommen und damit im laufenden Betrieb einwandfreie Ergebnisse erzielt.
Die absoute Volumengeschwindigkeit A der Rohflüssigkeit, gemessen in Litern pro Stunde, stellt jene Rohflüssigkeitsmenge in Litern dar, welche in die Zelle in dem Zeitraum einer Stunde tatsächlich eintritt. lTm nun Zellen zur Reinigung verschiedener Flüssigkeiten verwenden zu können, wie dies etwa bei transportablen Geräten, die unter den versehiedenartigsten Bedingungen eingesetzt werden müssen, der Fall ist, wird weiter vorgesehlagen, die Spülflüssigkeit in die zu spülenden Räume durch Öffnungen, die einen regelbaren Durchtrittsquerschnitt aufweisen, eintreten zu lassen, um die Spülflüssigkeitsmenge unter Bedaehtnahme auf die vorstehend erörterten Zusammenhänge ein zuregeln. Dies kann z.
B. durch Anordnung von Schrauben mit Regelkonus erreicht werden, weleher Konus je nach der Stellung der Schraube mehr oder weniger weit in einen Flüssigkeitsdurchlass ragt, aus welchem die Spülflüssigkeit in die zu spülenden Räume strömt.
Die Fig. 2 der schematischen Zeichnung zeigt im Aufriss (gesehnitten) nach Linie I-I der Fig. 3 und die Fig. 3 im Grundriss (ge- sehnitten nach Linie II-II der Fig. 2) eine beispielsweise Ausführungsform einer zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Zelle.
Es bezeichnet 1 die Anode, 2 den Anodenraum, 3 das Anodendiaphragma, 4 dasKatho- dendiaphargma und 5 die Kathode, letztere gleichzeitig als Zellenaussengefäss dienend.
Die zu behandelnde Flüssigkeit strömt durch ein Rohr 6 zu, steigt im Behandlungsraum 7 hoch, fliesst über den obern Rand von 4 in die Sammelrinne 8 und wird aus dieser durch ein Rohr 9 abgenommen. Die Spülung erfolgt hier in der Weise, dass einerseits eine Verbindung zwisehen dem Anodenraum 2 und dem Behandlungsraum 7 und anderseits eine Verbindung zwischen cliesem und dem Katho denraum 10 geschaffen wird ; aus diesem wird die angereicherte Flüssigkeit durch einen Spülablauf 11 entfernt ; der Spülablauf aus dem Anodenraum erfolgt mittels eines Rohres 12.
Es wird also für Spülzwecke Behandlungsflüssigkeit aus dem Raum, in welchen die Rohflüssigkeit durch die Leitung 6 gelangt, einerseits in den Anoden-, anderseits in den Kathodenraum geleitet, und zwar durch Offnun- gen 13, 14 mit regelbarem Querschnitt, wobei im gezeiehneten Ausführungsbeispiel die Re gelbarkeit des Durchflussquerschnittes durch Schrauben 15, 16 mit Regelkonus erzielt wird.
Diese Regelschrauben reichen nach aussen und können durch Drehen der Eöpfe 17, 18 verstellt werden.
Bei Anlagen zur Behandlung von Flüssig- keiten gleichbleibender Zusammensetzung sind regelbare Durchtrittsoff nungen entbehrlieh ; in diesem Fall wird durch entsprechende Bemessung der lichten Weite der Durchtritts offnung ein stationärer Betriebszustand ent spreehend dem erfindungsgemässen Betriebs- verfahren herbeigeführt.