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Verfahren zur Verminderung des Elektrolytgehaltes von Lösungen Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur Verminderung des Elektrolytgehaltes von Lösungen
mit Hilfe von Elektrolytlösungen.
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Zur Durchführung des Verfahrens (vgl. Abb. 1) wird die Lösung, deren
Elektrolytgehalt vermindert werden soll, z. B. IV, auf zwei Wegen, und zwar einmal
über eine Anionenmembran 3, eine leitende Flüssigkeit II und eine Kationenmembran
1 zum anderen über eine Kationenmembran 4, eine leitende Flüssigkeit III und eine
Anionenmembran 2 mit einer Elektrolytlösung I in Verbindung gebracht, deren Zusammensetzung
so zu wählen ist, daß sich an den Membranen 1 und 2 Membranpotentiale in der Richtung
ausbilden, daß II gegenüber III ein positives Potential annimmt.
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Werden die vier durch die Membranen gebildeten RäumeI bis IV mit
der gleichen Elektrolytlösung, z. B. Meerwasser, gefüllt, so ändert sich die Zusammensetzung
der Lösungen in den vier Räumen nicht, d. h., die Lösungen in allen vier Räumen,
in diesem Falle das Meerwasser, behalten die gleiche Zusammensetzung. Wird aber
in einem der vier Räume, z. B. 1, beispielsweise die Elektrolytkonzentration erhöht,
z. B. durch Zusatz fester Salze, Säuren oder Laugen, so wandern in die benachbarten
Räume II und III durch die Kationenmembran 1 Kationen oder H-Ionen und durch die
Anionenmembran 2 Anionen oder 0 H-Ionen unter Ausbildung von Membranpotentialen.
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Diese Membranpotentiale bewirken ein Abwandern der Ionen aus dem gegenüberliegenden
Raum IV durch die entsprechenden Membranen in die Räume II und III. Hierdurch tritt
in den Räumen II und III eine Zunahme und im Raum IV eine Abnahme des Elektrolytgehaltes
ein.
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Dieses Verfahren eignet sich für diskontinuierlichen Betrieb, indem
die Apparatur, nachdem die gewünschte Abnahme des Elektrolytgehaltes im Raum IV
eingetreten ist, entleert und anschließend neu beschickt wird. Darüber hinaus kann
das Verfahren auch kontinuierlich betrieben werden (s. Abb. 2), indem z. B. die
Flüssigkeiten in den Räumen II und III im Gegenstrom zu der des Raumes IV geführt
werden, während die Elektrolytkonzentration im Raum 1 durch Zusatz von z. B. festen
Salzen auf etwa ursprünglicher Höhe gehalten wird. Anstatt der Lösung im Raum I
feste Elektrolyte zuzusetzen, kann deren Konzentration auch durch Zusatz konzentrierter
Elektrolytlösungen oder durch Umpumpen durch einen Elektrolytlösebehälter wieder
aufgefrischt werden.
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Andererseits kann auch so verfahren werden, daß die Elektrolytlösung
im Raum I entweder im Gleichstrom zu den Lösungen der Räume II und III oder im Gegenstrom
zu diesen geführt wird. Dieses Vorgehen ist besonders dann angebracht, wenn weder
feste Elektrolyte noch konzentrierte Elektrolytlösungen zum Auffrischen der Lösung
im Raum I zur Verfügung stehen.
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Bedingungen dafür, daß eine Verminderung des Elektrolytgehaltes gemäß
der Erfindung eintritt, ist in allen Fällen, daß die Lösung II gegenüber der Lösung
III ein positives Potential besitzt. Diese Bedingung kann durch entsprechende Konzentrations-bzw.
Aktivitätserhöhung in der Lösung IV und/oder durch Wahl von solchen Elektrolyten,
deren Ionen eine höhere Beweglichkeit als die Ionen der anderen Lösungen besitzen,
erreicht werden.
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Bei Anwendung des Verfahrens auf die Entsalzung von Meerwasser, z.
B. zur Herstellung von Trinkwasser, ist es vorteilhaft, als Ausgangsflüssigkeit
das Meerwasser selbst zur Füllung aller vier Räume zu verwenden und durch kontinuierlichen
Zusatz von z. B. festem Kochsalz nur zu Raum I dessen Elektrolytkonzentration auf
gleicher Höhe zu halten und in den Räumen II und III Meerwasser zu führen.
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Soll andererseits eine praktisch restlose Entsalzung von Meerwasser,
z. B. zur Herstellung von Kesselspeisewasser, erfolgen, so ist es unter Umständen
erforderlich, einen Teil des im Raum IV entsalzten Wassers in die Räume II und III
zu bringen, um somit das Konzentrationsgefälle zwischen dem Raum I und den Räumen
II und III zu erhöhen und andererseits ein höheres Konzentrationsgefälle zwischen
dem Raum IV und den Räumen II und III zu erzeugen.
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Sollen andererseits Lösungen, wie biologische Flüssigkeiten, Zuckerdünnsaft,
Melasse, Molke usw., nach dem Verfahren der Erfindung von ihrem Elektrolytgehalt
befreit werden, so ist es bei kontinuierlichem Arbeiten zweckmäßig, in dem Raum
I beispiels-
weise eine Kochsalzlösung zu verwenden und durch die
Räume II und III beispielsweise normales Brunnenwasser zu führen. Die Lösung, deren
Elektrolytgehalt herabgesetzt werden soll, wird dann in dem Raum IV im Gegenstrom
zu dem Brunnenwasser in den Räumen II und III geführt. Selbstverständlich kann an
Stelle von Brunnenwasser auch destilliertes Wasser, an Stelle der Kochsalzlösung
eine verdünnte Säure oder Lauge Verwendung finden. Handelt es sich des weiteren
um die Verminderung der Acidität bzw. Alkalität saurer bzw. alkalischer Lösungen,
so kann auch hier eine Salzlösung geeigneter Konzentration Anwendung finden.
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Finden als leitende Flüssigkeiten in den Räumen II und III solche
Anwendung, deren elektrisches Leitvermögen sehr gering ist, so kann es zweckmäßig
sein, in diesen Räumen körnige Ionenaustauscher bzw.
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Ionenaustauschergemische einzufüllen.
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Das gleiche kann ferner auch Anwendung finden für den Raum IV, wenn
die Elektrolytherabsetzung so weit getrieben werden soll, daß sie zu einer Lösung
führt, die nur sehr geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt.
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Darüber hinaus kann in weiterer Ausbildung des Verfahrens zur Erzielung
eines schnellen Ablaufes der Elektrolytverminderung eine Anordnung gemäß z. B.
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Abb. 3 angewendet werden. Auch hier ist IV die Elektrolytlösung, deren
Elektrolytgehalt vermindert werden soll. III, 112 und IIIt, III2 sind leitende Flüssigkeiten
und 11, 12, I3 Elektrolytlösungen höheren Elektrolytgehaltes bzw. Elektrolytlösungen
mit Ionen höhererBeweglichkeit. 1 sind Kationen- und 2 Anionenmembranen. Bedingung
für das Eintreten der Elektrolytverminderung in IV ist auch hier, daß in den vier
benachbarten Flüssigkeiten II, gegenüber III1 ein positives Potential besitzt.
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Gegenüber der Anordnung nach Abb. 1 bzw. 2 bietet die Anordnung nach
Abb. 3 den Vorteil, daß bei Verwendung gleicher Lösungen zwischen II1 und III1 eine
größere Potentialdifferenz besteht als zwischen II und III.
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Die Ausführung des Verfahrens nach Abb 3 ist auch dann am Platze,
wenn als I nur Elektrolytlösungen zur Verfügung stehen, die bei einer Anordnung
nach Abb. 1 keine oder nur eine geringe Potentialdifferenz zwischen II und III ergeben,
z. B. bei der Entsalzung von Brackwasser mit Hilfe von Meerwasser, sowie ferner
dann, wenn Membranen geringer Festionenkonzentration benutzt werden, die nur bei
geringen Elektrolytkonzentrationen eine hinreichende Selektivität besitzen.
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In Umkehrung der Anordnung nach Abb. 3 kann erfindungsgemäß auch
eine Anordnung nach Abb. 4 verwendet werden. Hierin enthält nur ein Raum die Lösung
höheren Elektrolytgehaltes, während in drei Räumen die Verminderung des Elektrolytgehaltes
der Lösung IV (IV1, IV2, IV3) erfolgt. Diese Anordnung gestattet eine weitgehende
Ausnutzung des Konzentrationsgefälles des Elektrolyts I zur Entsalzung der Elektrolytlösung
IV.
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Bei kontinuierlicher Durchführung des Verfahrens in der Anordnung
nach Abb. 3 und 4 können die Lösungen in ähnlicher Weise, wie dies für die Anordnung
nach Abb. 1 durch die Abb. 2 wiedergegeben ist, geführt werden. Darüber hinaus bietet
sich jedoch die Möglichkeit, die Lösungen, z. B. I, nacheinander durch die Räume
Ii, 12, I3 oder umgekehrt zu führen.
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Entsprechendes gilt für die Lösungen II, III und IV.
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Des weiteren besteht die Möglichkeit, zunächst in einer Anordnung
nach Abb. 4 eine Teilentsalzung des
Elektrolyts IV durchzuführen und daran anschließend
den teilentsalzten Elektrolyt eine Apparatur nach Abb. 3 durchlaufen zu lassen,
um eine weitergehende Entsalzung zu erreichen.
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Die Anzahl der zu verwendenden Membranen ist nicht auf die in den
Abb. 1 bis 4 angegebenen beschränkt. Zur Durchführung des Verfahrens sind mindestens
vier Membranen erforderlich, doch kann eine beliebige Anzahl weiterer Membranen
verwendet werden.
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Beispiel Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachstehend
am Beispiel der Entsalzung von Meerwasser näher erläutert. Die vier Kammern eines
nach Abb. 2 aufgebauten Apparates, der je zwei Kationen-, 1 und 4, und zwei Anionenmembranen,
2 und 3, von 200 cm2 Größe enthielt, wurden von Meerwasser durchflossen, und zwar
so lange, bis durch entsprechende Formierung der Membranen Zu-und Ablauf die gleiche
Zusammensetzung aufwiesen.
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Diese Formierung war nach längstens 12 Stunden beendet. Von dieser
Zeit an zeigten sämtliche Abläufe die gleiche Zusammensetzung wie das eingesetzte
Meerwasser. Eine Veränderung des Salzgehaltes in irgendeiner Kammer trat hierbei
nicht ein. Nunmehr wurde durch die Kammer I an Stelle des Meerwassers eine 150/oige
Kochsalzlösung geleitet, während durch die anderen Kammern weiterhin Meerwasser
geführt wurde. Bei einem Abstand der Membranen von 3 mm und einer Durchflußgeschwindigkeit
von 100 cm3 je Stunde durch die Entsalzungskammer IV sank der Salzgehalt des Meerwassers
von 3,5 auf 3 O/o.
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Durch Verringerung der Durchfluß geschwindigkeit auf 10 cmS je Stunde
ließ sich eine Verminderung des Salzgehaltes auf 2°/o erreichen. Um den Salzgehalt
noch weiter zu senken, wurde daraufhin so verfahren, daß der Ablauf aus der Entsalzungskammer
IV durch die Kammern II und III an Stelle von Meerwasser geleitet wurde. Bei einem
Durchfluß von 100 cm3 je Stunde durch Kammer IV und je 50 cmS durch die Kammern
II und III ließ sich im Verlauf eines Tages ein Salzgehalt von 1,50/0 erreichen,
sofern durch intensive Rührung in den Kammern I und IV für eine gute Durchmischung
Sorge getragen wurde. Anstatt durch die Kammer I 150/oige Kochsalzlösung zu leiten,
kann erfindungsgemäß auch so verfahren werden, daß die Kammer I mit festem Kochsalz
gefüllt und anschließend mit Kochsalz gesättigtes Meerwasser durch die Kammer geführt
wird. Im Verlauf des Versuches geht dann allmählich der feste Elektrolyt (das feste
Kochsalz) in Lösung, und zwar in etwas stärkerem Maße, als dem erreichten Entsalzungseffekt
entspricht, da infolge der nicht ausreichenden Selektivität der verwendeten Membranen
eine Diffusion durch diese stattfindet, was einen höheren Verbrauch an Kochsalz
gegenüber der Theorie bedingt.