CH619151A5 - Process for the osmotic separation of solutions into solvent and concentrate using a gas soluble under pressure - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur osmotischen Trennung einer Lösung in Lösungsmittel und Konzentrat mit einem unter Druck löslichen Arbeitsgas, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas mit Hilfe eines Druckgasförderers (8) in einer Absorptionskammer (3) so komprimiert wird, dass es sich in einem, eine semipermeable Membran (4) bedeckenden Flüssigkeitsfilm (5) in einem solchen Masse löst, dass damit der osmotische Druck der jenseits der semipermeablen Membran (4) in einer mit einer Einfüllöff-nung (1) versehenen Konzentrationskammer (2) befindlichen Lösung diesseits der Membran überschritten wird, und die sich hier gebildete Gaslösung weggeschafft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die, an der semipermeablen Membran (4) gebildete Gaslösung in eine Desorptionskammer (7) geschafft wird, in der mit Hilfe eines Desorbers, der mit dem Druckgasförderer (8) identisch sein kann, das Arbeitsgas zurückgewonnen werden kann.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absorptionskammer (3), die durch eine semipermeable Membran (4) von einer Konzentrationskammer (2), die eine verschliessbare, oder mit einer Pumpe versehene Einfüllöffnung (1) besitzt, abgetrennt ist, mit einem Druckgasförderer (8) verbunden ist und eine ver-schliess- oder drosselbare Gaslösungsableitung (6) besitzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentrationskammer (2) einen mit einer entsprechenden Drossel (11) bestückten Konzentratausfluss (10) besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskammer (3) mit einem Sammeltopf für die erhaltene Gaslösung so verbunden ist, dass die Membran (4) nicht in diesen reicht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaslösungsableitung (6) in eine Desorptionskammer (7), welche über einen Desorber, der, als Pumpe ausgebildet, mit dem Druckgasförderer (8) identisch sein kann, über den (8) diese (7) mit der Absorptionskammer (3) verbunden ist, verfügt, einen Lösungsmittelauslass (13) besitzt und mit einer Gasergänzungsöffnung (9) versehen sein kann, führt.

Die hier beschriebene Vorrichtung und das entsprechende Verfahren dienen der Gewinnung von Konzentraten und reinen Lösungsmitteln. Beispielsweise können damit aus Milch Kondensmilch und Wasser, oder aus Abwasser verwertbare Lösungen und reines Wasser erhalten werden.

Derzeit werden zu diesem Zweck in erster Linie Apparaturen eingesetzt, in denen das Lösungsmittel verdampft und anschliessend kondensiert wird. Diese Verfahren haben aber die Nachteile, dass einerseits ein hoher Prozentsatz an Verdampfungsenergie nicht mehr zurückgewonnen werden kann und andererseits auch andere flüchtige Bestandteile übergehen. Diese Nachteile werden bei Verfahren des Ausfrierens wohl weitgehend umgangen, sind aber nur bei im festen Zustand unmischbaren Stoffpaaren anwendbar. Ein neueres Verfahren, bei dem der osmotische Druck einer Lösung durch einen, ihm entgegengesetzten mechanischen Druck überwunden wird, ist durch den Mangel, dass der aufzuwendende Druck wesentlich über dem theoretischen Minimum zu liegen hat und nicht wieder verwertet werden kann, behaftet.

Diese Nachteile werden mit dem hier beschriebenen Verfahren, beziehungsweise Vorrichtung, dadurch umgangen, dass ein Arbeitsgas durch einen an sich bekannten Gasdruckerzeuger (Kompressor, Gasbombe etc.) in einer Absorptionskammer unter einem solchen Druck gehalten wird, dass es sich in einem eine semipermeable Membran bedeckenden Lösungsmittelfilm in einem solchen Ausmass löst, dass der osmotische Druck dieses Filmes jenen der hinter der Membran befindlichen ursprünglichen Lösung übersteigt, womit durch diese Membran Lösungsmittel, das dann durch eine entsprechende Anordnung (Pumpe, Gefälle) aus derem Bereich entfernt wird, permeiert. Da nach Verlassen des Diffusionsbereiches auf der semipermeablen Membran das Arbeitsgas desorbiert werden kann, kann dieses bei entsprechender Führung ständig grösstenteils neu eingesetzt werden. Das dabei frei werdende Arbeitsgas wird einen umso grösseren Druck aufweisen, je höher der zur Absorption erforderliche Druck war. Das heisst, dass ein in einer kontinuierlich laufenden Anlage eingesetzter Kompressor nur geringfügig Arbeit zu leisten hat. Darüberhinaus treten hier keine den bekannten Verfahren anhaftenden Mängel auf. Insbesondere hat die Membran nicht wie bei Verfahren der Ultrafiltration einem Druckgefälle standzuhalten.

Die Art des Arbeitsgases richtet sich in erster Linie nach dem Lösungsmittel und dessen Verwendungszweck, da es in vielen Fällen vorteilhaft sein dürfte, nicht restlos desorbiertes Arbeitsgas im Lösungsmittel zu belassen, da ansonsten eine chemische Nachreinigung erforderlich wäre. Beispielsweise können für Trinkwasser CO2, für Kesselspeisewasser NH3, für zahlreiche organische Lösungsmittel niedere Alkane usw. als Arbeitsgase verwendet werden. Die verwendete Membran darf für das verwendete Arbeitsgas jedoch nur geringfügig durchlässig sein.

Die Zeichnung stellt das Schema einer kontinuierlich arbeitenden Ausführungsform dar. In dieser bedeutet 1 die Lösungsein-füllöffnung, die mit einer Pumpe versehen, oder bei chargenweiser Führung nach Füllung der Konzentrationskammer 2 mit der ursprünglichen Lösung verschlossen werden kann. Bei kontinuierlicher Führung des Verfahrens hat die Konzentrationskammer 2 weiters über einen Konzentratausfluss 10 zu verfügen, aus dem laufend Konzentrat gegen den Widerstand einer Drossel 11 ausfliesst. Die Konzentrationskammer 2 ist gegen eine angrenzende Absorptionskammer 3 durch eine in zahlreiche Falten gelegte oder in Form von Schläuchchen ausgebildete semipermeable Membran 4 abgegrenzt. In dem, diese Membran 4 bedek-kenden Lösungsmittelfilm 5, löst sich das unter Druck stehende Arbeitsgas, wobei Lösungsmittel aus der ursprünglichen Lösung in die Absorptionskammer permeiert. Die so gebildete Gaslösung fliesst von der Membran 4 ab und kann entweder in einem Lösungsmitteltopf gesammelt werden bis das Gas entspannt wird, oder kann durch eine mit einem Strömungshindernis 12 versehene Gaslösungsableitung 6 in eine Desorptionskammer 7 geleitet werden, in der auf Grund eines niederem Druckes und/oder höherer Temperatur, das Arbeitsgas entbunden wird. Bei Wiederverwendung des Arbeitsgases wird dieses durch einen als Pumpe ausgebildeten Druckgasförderer 8 in die Absorptionskammer 3 zurückbefördert.

Bei kontinuierlicher Führung presst die an der Lösungseinfüll-öffnung 1 vorgesehene Pumpe die zu konzentrierende Lösung gerade mit einem solchen Druck in die Konzentrationskammer 2, wie dem jeweiligen Gasdruck entspricht. Die Membran hat also keinem Druckgefälle standzuhalten, wenn die Pumpe über Druckfühler gesteuert wird.

Im Falle der Verwendung vorkomprimierter oder chemisch frei zu setzender Gase, gehen diese nach Arbeitsleistung ins Freie. Der Druckgasförderer 8 stellt dann deren Speicher dar und ist dann nur mit der Absorptionskammer 3 verbunden. Zur Ergänzung des nicht vollständig desorbierten Arbeitsgases, bzw. zur Füllung der Vorrichtung damit, ist eine Gaseinlassöffnung 9 vorgesehen, die vorteilhafterweise in die Desorptionskammer 7 mündet. Das reine Lösungsmittel wird durch einen Lösungsmit-telaustrag 13 weggeschafft.

Die von einem als Druckgasförderer 8 eingesetzten Kompressor aufzubringende Energie errechnet sich bei idealisierten Bedingungen gemäss der, aus der allgemeinen Gasgleichung abgeleiteten Formel für die freie Enthalpie. Bei Ausführung dieses Verfahrens in kleinen Konzentrationsstufen (z.B. wenn der Konzentrat-

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ausfluss 10 der vorangehenden Stufe mit der Einfüllöffnung 1 der folgenden verbunden ist), oder dort, wo nur ein kleiner Teil an Lösungsmittel gewonnen wird, kann die Molzahl n in jeder Stufe näherungsweise konstant gesetzt werden. Für die einzelnen Stufen tritt dann anstelle von dem der Molzahl ni der Ausgangslösung 5 proportionalen Druck jener, der in der Desorptionskammer herrscht, bzw. die dazu proportionale Molzahl no. Damit folgt für eine Stufe bei idealisierten Bedingungen n, 10

G=n2-R-T-ln—

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wenn ri2 die Molzahl (Aktivität) des Konzentrates, bzw. der damit im Gleichgewicht stehenden Gaslösung ist. 15

Für die Entsalzung von Meerwasser in mittleren Breiten, das im Vergleich zu den meisten Abwässern hoch konzentriert ist,

ergibt sich bei Verwendung von CO2 als Arbeitsgas, wenn es bei 1 bar desorbiert wird und dem herangezogenen Meerwasser 5% 2o des Wassers entzogen werden, ein Energieaufwand von etwa 8 kWh je m3 gewonnen Wassers. Erfolgt die Desorption in einer Entspannungskolonne, kann ein wesentlicher Teil dieser Energie eingespart werden.

Für eine Serie derartiger Stufen, in der 112 nicht konstant ist, ergibt sich durch doppelte Integration ein Energieaufwand von

G='/2-R-T-(ln—)2-^5

n0 n2-n0

Bei komplexen Lösungen, wie Fruchtsäften, Milch, Abwässern etc., in denen durch Ausfällung, Koagulation, Assoziation etc. die Aktivität weitgehend konstant bleibt, gilt für eine nahezu vollständige Konzentrierung die erste, vereinfachte Gleichung.

Milch kann nach diesem Verfahren mit Hilfe von Ammoniak nahezu zur Trockene konzentriert werden.

Die Membran 4 kann beispielsweise aus einem, mit Kollodium imprägnierten Stützgewebe, das eine Maschenweite von etwa 1-2 mm aufweist, bestehen.

Bei einer Schichtdicke des Films 5 von 0,2 mm und CO2 als Arbeitsgas werden bei 23° C stündlich etwa 201 Wasser je m2 Membranfläche gewonnen. Voraussetzung hierfür ist aber, dass die jenseits der Membran 4 gelösten Teilchen geringere Molekular-, Ionengewichte etc. haben, als die Gasmoleküle. Vorteilhaft ist, wenn in der Konzentrationskammer 2 Turbulenzen erzeugt werden, die die Diffusion in diesem Raum unterstützen. Letzteres kann dadurch erreicht werden, dass die zu konzentrierende Lösung zwischen zwei nahe zueinander parallel angeordnete und gefaltete Membran geleitet wird.

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1 Blatt Zeichnungen