DE3303910A1

DE3303910A1 - Membranstapeleinheit fuer mehrkammerprozesse

Info

Publication number: DE3303910A1
Application number: DE19833303910
Authority: DE
Inventors: Klemens 2054 Geesthacht Kneifel; Uwe 2059 Hohnsdorf Martens; Hartwig Dr. 2058 Lauenburg Voß
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1983-02-05
Filing date: 1983-02-05
Publication date: 1984-08-09
Also published as: DE3303910C2

Abstract

Die anaerobe Aufbereitung bzw. Reinigung furfurolhaltiger Abwässer und insbesondere des Brüdenkondensats der Sulfitablaugeneindickung bei der Zellstoffabrikation in Abwesenheit von sulfatreduzierenden und methanogenen Bakterien kann gemäß der Erfindung durch Zusatz furfurolabbauender Bakterien ohne weiteres gestartet und gesteuert werden. Solche furfurolabbauenden Bakterien wurden ausgehend von einer Quelle für anaerobe Bakterien wie Moor, Sumpf oder insbesondere Klärschlamm unter Zwischenanreicherung in kontinuierlicher Flüssigkultur unter Zufütterung furfurolhaltiger Lösung durch eine spezielle Selektionstechnik erreicht, bei der die Bakterien (in unterschiedlichen Konzentrationen) in Agar fixiert werden, der mit einer verdünnten Lösung von Furfurol überschichtet wird, das als einzige Kohlenstoffquelle dient und beim Eindiffundieren in den Agar einen Konzentrationsgradienten ausbildet, innerhalb dessen auf alle Fälle ein für die Bakterien verträglicher Konzentrationsbereich vorhanden ist. Auf diese Weise wurden diskusförmige, beigefarbene Einzelkolonien von furfurolabbauenden Bakterien erhalten, die stark beweglich sind, leicht S-förmig gebogene Stäbchen mit Geißel darstellen und morphologisch dem Desulfovibrio gigas ähnlich sind.

Description

Membranstapeleinheit für Mehrkammer-
prozesse (Zusatz zur Patentanmeldung P 32 19 869.8) Beschreibung: Die Erfindung betrifft eine Membranstapeleinheit der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.
Das Prinzip der Elektrodialyse, die Konstruktion eines Membranstapels für das Entsalzen einer Kochsalzlösung mit zwei Lösungsströmen sowie die Grundkonzeption eines Dichtungsrahmens sind aus der DE-AS 29 02 247 bekannt. Mit dieser vorgeschlagenen Konstruktion des Membranstapels können jedoch keine Mehrkreisprozesse durchgeführt werden mit dem Ziel, aus Lösungen und Abwässern unter wirtschaftlichen Bedingungen Wertstoffe zu gewinnen bzw. durch Rückführung wiederzuverwenden oder umweltbelastende Stoffe abzutrennen, da sie nicht die Zu- und Abführung von mehr als 2 Lösungsströmen vorsieht und auch nicht durch einfache technische Maßnahmen ermöglicht.
Es sind weiterhin Laborapparate bekannt, bei denen die Kammern einzeln angeströmt werden. Diese Kammern sind jedoch 5 mm dick, was bei einer Erhöhung der Kammerzahl zu erheblichen Abmessungen des Membranstapels und zu Schwierigkeiten bei der Anbringung von gemeinsamen Zu- und Ableitungen führen würde.
Sind bis zu vier getrennte Ströme erforderlich, um bestimmte Aufgaben zu lösen, dann ist es zwar in einigen Fällen möglich, den Prozeß in zwei nacheinander ablaufenden Schritten mit zwei in Serie geschalteten konventionellen Membran stapeln durchzuführen, der Mehraufwand ist aber erheblich durch höhere Apparatekosten und einen größeren Energieverbrauch.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Membranstapeleinheit der e.g. Art so auszubilden, daß sie in einem Arbeitsgang die Abtrennung und gegebenenfalls Umwandlung mehrerer Komponenten in einer Lösung ermöglicht, also für mehr als die Elektrodialyse verwendbar wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Merkmal des Anspruches 1 wiedergegeben.
Die übrigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung auf.
Einer der wesentlichsten Vorteile der Erfindung besteht darin, daß mit jeweils einem einzigen Typ von Dichtungs- und Umlenkrahmen und Endplatte Membranstapel (auch wiederholt hintereinander liegend) erstellt werden können, die Trenn- und Umwandlungsaufgaben durchführbar machen, die bis zu 4 voneinander unabhängige Lösungsströme erfordern. Hierdurch wird es möglich u.a. umweltbelastende Stoffe aus Lösungen abzutrennen,wie sie bei der Metalloberflächenbehandlung und der chemischen'Verfahrenstechnik anfallen.
Die Erfindung ermöglicht demnach in einem Arbeitsgang die Abtrennung und gegebenenfalls Umwandlung mehrerer in Wasser gelöster Komponenten dadurch, daß in einem Membranstapel bis zu vier verschiedene Flüssigkeitsströme gefahren werden können, die durch eine geeignete - dem Prozeß angepaßte - Kombination von Membranen (Kationenaustauscher-, Anionenaustauscher- und Neutralmembranen) getrennt sind. Der Stofftransport durch die Membranen kann dabei durch elektrische Überführung und Diffusion bzw. Dialyse erfolgen, sowohl gleichzeitig als auch jeweils allein.
Dazu sind spezielle Dichtrahmen, Endplatten und Umlenkkonzepte zur Verlängerung des Verfahrensweges entwickelt worden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele mittels der Fig 1 - 5 näher erläutert.
Die Ausführung des verwendeten, einheitlichen Dichtungsrahmens geht von der in der DE-AS 29 o2 247 beschriebenen Grundkonzeption aus. An den sich gegenüberliegenden Seitenrändern 1 und 2 (Fig. 1) des quadratischen Dichtungsrahmens 3 ist eine Mehrzahl Schlitze 4, 5 vorgesehen, die für die Zufuhr und die Abfuhr von Lösung in die von Dichtungsrahmen 3 umfaßten Kammer 6 sorgen.
Die Schlitze 4, 5 führen als relativ enge Kanäle in das Innere des Dichtungsrahmens 3, welcher als Abstandshalter für beidseitig aufzulegende Membranen ein eingesetztes netzförmiges Gewege 7 enthält. Die Kanäle d.«vergieren untereinem Winkel n 9001 so daß eine zick-zack-förmige Konfiquration der Kammerbegrenzung an den gegenüberliegenden Seitenrändern 1 u.2 entsteht.
Die Schlitze 4, 5 stehen mit den Versorgungs und Verbindungsbohrungen 8, 9 in Verbindung. Diese gehen durch den Dichtrahmen 3 hindurch und korrespondieren mit Bohrungen der Membranen und Endplatten. Neben den Bohrungen 8, 9 sind abwechselnd weitere Versorgungs- und Verbindungsbohrungen 10, 11 vorgesehen, die lediglich durch die Seitenränder hindurchtreten und mit einer anderen Kammer in Verbindung gebracht werden können.
Die beiden übrigen Seitenränder 12, 13 des Dichtungsrahmens 3 weisen weitere durchgehende Versorgungs- und Verbindungsbohrungen 14, 15 bzw. 16, 17 auf, die wiederum Zu- und Abfuhrleitungen für weitere Lösungsströme (1 oder zwei weitere) bilden und zu Dichtungsrahmen führen, die um 900 bzw. 2700 zum dargestellten versetzt in der Membranstapeleinheit liegen. Sie werden jeweils mit, den Schlitzen 4 und 5 entsprechenden Schlitzenanderer Kammern verbunden.
Alle Bohrungen und Schlitze 4, 5, 8 - 11 und 14 - 17 werden von Dichtmaterialbeschichtungsteilen 18 - 20 gegeneinander bzw. gegen den Innenraum der Kammer 6 und die Umgebung sowie die Umlenkrahmen (s Fig. 2) bei der Zusammenfassung von Membranen und Endplatten zur Membranstapeleinheit abgedichtet. Die Bohrungen 21 und Dichtungen 22 an den Ecken des Dichtungsrahmens 3 dienen zur Aufnahme durchgehender Halteelemente.
Für die interne Umlenkung der Lösungsströme im Membranstapel erfolgt die Verlängerung des Verfahrensweges durch Umlenkeinheiten (s.Fig. 2), die für n Lösungsströme durch n+l undurchlässige Kunststoffmembranen bzw. -platten 24 und n dazwischen angeordneten Umlenkrahmen 23 gebildet werden, die in der Art und Weise ausgeführt sind, wie in der Patentanmeldung P 32 19 869.8 beschrieben. In Fig. 2 sind die Wege 25, 26 zweier Lösungen eingezeichnet.
Als Umlenkrahmen 23 werden Rahmen der gleichen Geometrie wie die Dichtungsrahmen 3, aber mit einer größeren Dicke eingesetzt, die z.B. für den Zwei-0 strom-Gegenstrom-Fall um 180 gegeneinander verdreht sind (s.Fig. 2 ). Gesteuert wird die Umlenkung durch die Lösungsein- und austrittsschlitze der Umlenkkammer 23 und die beiden äußeren Membranplatten 24 der Umlenkeinheit, die nur Durchgangsbohrungen an zwei benachbarten Seiten des Quadrates aufweisen, aber um 1800 gegeneinander verdreht angeordnet sind.
Fig. 3 zeigt für den Zweistrom-Gegenstrom-Fall eine Trennstufe A mit parmeablen - Membranen 27 sowie einer angrenzenden Umlenkeinheit B mit undurchlässigen Membranen 24. Die Anzahl der Trennstufen pro Stapel beträgt bei m Umlenkeinheiten B m+l und richtet sich nach dem erforderlichen Verfahrensweg. Pro Stufe lassen sich 2 bis 200 Dichtungsrahmen 3 einsetzen.
Die interne Umlenkung ist auf eine noch einfachere Weise möglich, allerdings kehrt sich bei diesem .direkten Umlenkkonzept die Strömungsrichtung der Lösungswege 25, 26 in den Kammern zweier aufeinander folgender Trenneinheiten A und A' um (Fig. 4). Erreicht wird die Umlenkung durch den Einsatz undurchlässiger Kunststoffmembran 28 zwischen den Trennstufen A, At, die nur Durchgangsbohrungen an zwei benachbarten Seiten des Quadrates aufweist und jeweils gegenüber der nächsten um 1800 verdreht angeordnet ist.
Es besteht auch die Möglichkeit, statt der undurchlässigen eine permeable Membran einzusetzen. Nur in diesem Fall erhält man einen Stapel, der die elektrische Überführung von Ionen erlaubt.
Beispiel für die Elektrometathese: Es soll die ionale Zusammensetzung der Kationen bzw.
Anionen in einer Lösung aus CaC12 verändert werden, ohne den Gesamtelektrolytgehalt wesentlich zu beeinflussen. Gelöst wird das Problem mit einer Dreistromausführung gem. Fig. 5 des Membranstapels und folgenden sich wiederholenden Membrananordnungen Hierbei bedeuten (K=Kationenaustauschermembran, A=Anionenaustauschermembran).
Kationenaustausch: A,K,K Anionenaustausch: K,A,A Zwischen den beiden Kationenaustauschermembranen K befindet sich die Prozeßlösung II, deren Kationenzusammensetzung geändert werden soll. Bei angelegtem elektrischen Feld werden aus der angrenzenden Donatorlösung III Kationen in die Prozeßlösung II transportiert, deren Konzentration erhöht werden soll, und in gleichem Maße Kationen, deren Konzentration erniedrigt werden soll, aus der Prozeßlösung II in die andere angrenzende Lösung (Akzeptorlösung I) überführt.
Beispiel für die Dialyse Es soll eine mit Salz verunreinigte Säure (z.B.Beizsäure oder Säure, die beim Regenerieren von Kationenaustauschern anfällt), gereinigt werden, ohne die Säure wesentlich zu verdünnen, wobei eine Einheit gemäß Fig. 3 oder 4 verwendbar ist, Gelöst wird das Problem mit einer Zweistromanordnung des Membranstapels, dessen Verfahrensweg durch interne Umlenkung der Lösungen verlängert sein kann, und den Einsatz von Dialysemembranen, die Säure durchlassen und Salze zurückhalten.
Beschreibung des Dialyseprozesses: Im Gegenstrom wird zum einen die verunreinigte Säure und zum anderen Wasser durch den Membranstapel geschickt.
Die Säure diffundiert dabei durch die für sie durchlässigen Membranen in das Wasser und es wird als Produkt eine Säure erhalten, deren Konzentration etwas niedriger als die der verunreinigten Säure ist. Weiter wird eine saure Lösung des Salzes gewonnen Es können mit einem Dichtungs-, End- und Umlenkrahmentyp Membranstapel erstellt werden, die es erlauben, Trenn- und Umwandlungsaufgaben mittels Elektrodialyse Elektrometathese und Dialyse durchzuführen, die 2, 3 oder 4 Lösungsströme erfordern, wobei die Strömungsrichtung in benachbarten Kammern je nach Anordnung der Dichtrahmen und der Anzahl der Lösungsströme parallel und/oder um 900 gegeneinander verschoben ist.
Unter Hinzunahme der beschriebenen Umlenkkonzepte werden Membranstapel mit einem verlängerten Verfahrensweg, die besonders für den Dialyseprozeß geeignet sind, erhalten.
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Claims

Patentansprüche: Membranstapeleinheit für Mehrkammerprozesse mit Dichtungsrahmen, Endplatten sowie Membranen, die an sich gegenüberliegenden Seitenrändern korrespondierende Versorgungs- und Verbindungsbohrungen für zu behandelnde Lösungen enthalten, die am Dichtungsrahmen alternierend über Zu- und Abflußrinnen mit dem Innern der Kammern in Verbindung stehen und wobei in weiteren sich gegenüberliegenden Seitenrändern der Dichtungsrahmen sowie Membranen andere durchgehende Versorgungs-und Verbindungsbohrungen vorgesehen sind, die ebenfalls alternierend mit Zu- und Abflußrinnen weiterer Kammern in Verbindung stehen' und die Endplatten mehrere Sammelöffnungen für Versorgungs-und Verbindungsbohrungen aufweisen (gemäß Patentanmeldung P 32 19 869.8) gekennzeichnet durch ihre Verwendung für die Elektrodialyse, die Elektrometa--these und Dialyse sowie deren Kombinationen, wobei Umlenkrahmen mit gleicher Geometrie aber größerer Dicke als die der Dichtungsrahmen (3) vorsehbar sind.
2. Membranstapeleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungs- und Verbindungsbohrungen (8 =. 11, 14 - 17) auf den Seitenrändern (1, 2, 12, 13) eines Quadrates liegen und daß die Dichtungsrahmen (3) fortlaufend um 900 und/oder 1800 der gewünschten Prozeßlösungsführung angepaßt,versetzt angeordnet sind.
3. Membranstapeleinheit nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsrahmen (3) alle von gleicher Bauart sind.
4. Membranstapeleinheit nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die durchgehenden Versorgungs- und Verbindungsbohrungen 8 - 11, 14 - 17) mit Dichtmaterialbeschichtungen (18 - 20) gegeneinander und gegen die Umgebung abgedichtet sind.