DE69713873T2

DE69713873T2 - Elektrodeionionisierungsvorrichtung mit geometrischer anordnung von ionenaustauschmaterial

Info

Publication number: DE69713873T2
Application number: DE69713873T
Authority: DE
Inventors: Florian Tessier; Denis Toupin; Glenn Towe
Original assignee: Glegg Water Conditioning Inc
Current assignee: GE Water Technologies Inc
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1997-01-13
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2017-01-14
Also published as: ATE220347T1; EP0874689A1; CN1100619C; KR19990077217A; IL125290A0; EP0874689B1; IL125290A; DE69713873D1; RU2170141C2; AU1362797A; US6156180A; TW423989B; GB9600633D0; CN1220618A; HK1017292A1; JP2000507150A; WO1997025147A1; BR9706937A; AR005457A1; CA2242549A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Elektro-Deionisation und Entfernung von Ionen aus einer wässrigen Flüssigkeit in einer Elektro-Deionisationsvorrichtung und insbesondere einen porösen und permeablen Ionenaustauscher, eine Vorrichtung zum Entsalzen (Demineralisierung) einer wässrigen Flüssigkeit, ein Verfahren zum Entsalzen von Wasser sowie Verfahren zum Herstellen eines porösen und permeablen Ionenaustauschers. Die Elektro-Deionisationsvorrichtung kann mehrere Verdünnungs- Kompartimente und Konzentrations-Kompartimente sowie eine kontinuierliche Phase eines ersten Ionen-Austauschermaterials mit einer dispergierten Phase eines zweiten Ionen-Austauschermaterials aufweisen, wobei durch ein Demineralisierungs-, insbesondere Entsalzungsverfahren Ionen aus einer wässrigen Flüssigkeit in einer derartigen Vorrichtung zum Deionisieren entfernt werden.

Hintergrund der Erfindung

Die Reinigung von Flüssigkeit hat in vielen Industrien erheblich an Bedeutung gewonnen. Insbesondere wird reines Wasser statt nur als Trinkwasser für viele industrielle Zwecke verwendet. Reines Wasser wird beispielsweise bei Prozessen zur Herstellung von Halbleiterchips, in Kraftwerken, in der Erdölindustrie und für viele andere Zwecke verwendet.
Ionenaustauscherharze, Umkehrosmosefiltration und Elektrodialysetechniken wurden verwendet, um die Konzentration von Ionen in einer Flüssigkeit zu reduzieren.
Elektro-Deionisationsvorrichtungen wurden in letzter Zeit häufiger verwendet, um die Konzentration von Ionen in einer Flüssigkeit zu reduzieren. Der Begriff "Elektro- Deionisation" bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung von Flüssigkeiten, welche Ionenaustauscherharze (ion exchange "resins"), Ionen-Austauschermembranen und Elektrizität kombinieren, um die Flüssigkeiten zu reinigen. Ein Elektro-Deionisationsmodul umfasst alternierende Anordnungen von für Kationen durchlässigen Membranen und für Anionen durchlässigen Membranen, welche dazwischen Kompartimente (Kammern) definieren. Ionenaustauscherstoff ist in alternierenden Kompartimenten bereitgestellt. Diese Kompartimente sind als Verdünnungs-Kompartimente (diluting compartments) bekannt. Die Kompartimente, die im allgemeinen kein Ionenaustauscherharz enthalten, sind als Konzentrations- Kompartimente bekannt. Ionen wandern durch Einspeisung von Strom von den Verdünnungskompartimenten durch Ionen-Austauscherharz und für Ionen durchlässige Membranen in die Konzentrations-Kompartimente. Die durch die Konzentrations- Kompartimente strömende Flüssigkeit wird verworfen oder teilweise wiederaufbereitet und die durch die Verdünnungs-Kompartimente strömende, gereinigte Flüssigkeit wird als deionisiertes Flüssigkeitsprodukt zurückgewonnen.
Das französische Patent 2,292,504 offenbart eine Elektrolyseeinrichtung, bei der Ionenaustauscherharze mit alternierender Polarität, bei geringfügiger Infiltration eines Schichtmaterials in das andere, bereitgestellt sind.
Das US-Patent 3,755,135 offenbart eine elektrische Entsalzungsseinrichtung mit alternierenden Schichten von Anionenaustauscherharzkügelchen, welche zwischen Schichten von auf Kationen ansprechenden Teilchen eingestreut sind, um alternierende Bänder transversal in einer Säule auszubilden.
Das US-Patent 4,636,296, erteilt am 13. Januar 1987 an Kunz, offenbart eine Einrichtung und ein Verfahren zur Entsalzung von wässrigen Lösungen. Eine wässrige Flüssigkeit wird durch alternierende separate Schichten von Kationenaustauscherharz und Anionenaustauscherharz hindurchgeleitet. Diese Vorgehensweise ist umständlich, elektrodenintensiv und gewisse Verzerrungen der Schichten treten wahrscheinlich während des Betriebes auf.
Das US-Patent 5,308,467, erteilt am 3. Mai 1994 an Sugo et al., offenbart eine elektrisch regenerierbare Entsalzungsseinrichtung, die ein Entsalzungskompartiment aufweist. Ionenaustauschergruppen sind auf Monofilamenten, Webstoffen aus Monofilamenten oder Vliesstoffen aus Monofilamenten durch strahlungsinitiierte Graftpolymerisation angeordnet. Dieses Ionenaustauschermaterial ist in dem Entsalzungskompartiment enthalten.
Die Verwendung von derartigen Monofilamenten in Entsalzungsseinrichtungen ist teuer und wurde daher von den Käufern von Flüssigkeitsreinigungseinrichtungen nicht bereitwillig angenommen.
Es ist erwünscht, über eine Anordnung von Ionen-Austauschermaterial in den Verdünnungs-Kompartimenten einer Elektro-Deionisationsvorrichtung zu verfügen, die keine Monofilamente verwendet und es ermöglicht, verschiedene Arten von Ionen- Austauschermaterial in dem Verdünnungs-Kompartiment in ungeschichteter (non-layer) Anordnung zu arrangieren, jedoch der zu reinigenden Flüssigkeit einen Kontakt mit diskreten Zonen zweier Arten von Ionen-Austauschermaterial erlaubt.

Kurzfassung der Erfindung

Die Nachteile des Standes der Technik lassen sich durch Bereitstellen einer Elektro-Deionisationsvorrichtung überwinden, die eine kontinuierliche Phase eines ersten Ionenaustauschermateriais mit einer darin enthaltenen dispergierten Phase von Clustern eines zweiten Ionenaustauschermaterials in den Verdünnungs-Kompartimenten aufweist, sowie eines Verfahrens zum Entfernen von Ionen aus einer wässrigen Flüssigkeit in einer Elektro-Deionisationsvorrichtung mit einer derartigen Anordnung von Ionen- Austauschermaterialien in den Verdünnungskammern. Diese Anordnung erlaubt eine Erhöhung der Dicke und Größe, wodurch mehr Harz (resin) in den Verdünnungskompartimenten angeordnet und die Anzahl der Membranbereiche verringert werden kann, die für eine entsprechende Strömungserhöhung erforderlich sind.
Gemäß einem allgemeinen Aspekt der Erfindung wird daher ein Verfahren zum Herstellen eines porösen und permeablen Ionenaustauschers nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3 vorgeschlagen. Somit umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines porösen und permeablen Ionenaustauschers, bei dem man ein Templat ("template") mit einer planaren Deckplatte mit mehreren geformten, dünnwandigen Hohlelementen mit offenen oberen und unteren Enden, die davon nach unten herabhängen, über einem (dafür) designierten Aufnahmebereich positioniert und der Schablone oder Vorlage eine wässrige Aufschlämmung einer Art von Ionen- Austauscherharzteilchen (Kationen-Austauscherharzteilchen oder Anionen- Austauscherharzteilchen) zuführt, um eine kontinuierliche Phase der Ionenaustauscherharzteilchen auszubilden, und den mehreren geformten, dünnwandigen Hohlelementen eine wässrige Aufschlämmung der anderen Art von Ionen-Austauscherharzteilchen (Kationen-Austauscherharzteilchen oder Anionen- Austauscherharzteilchen) zuführt, um mehrere in dispergierter Phase vorliegende Gebiete der anderen Art von Ionenaustauscherharzteilchen (Kationenaustauscherharzteilchen bzw. Anionenaustauscherharzteilchen) auszubilden, Alternativ ein Verfahren zur Herstellung eines porösen und permeablen Ionenaustauschers, bei dem man ein Array aus Abgabedüsen zur selektiven Abgabe einer wässrigen Aufschlämmung von Kationenaustauscherharzteilchen oder Anionenaustauscherharzteilchen über einem designierten Aufnahmebereich positioniert und dem designierten Bereich eine wässrige Aufschlämmung einer ersten Art von Ionenaustauscherharzteilchen (Kationen-Austauscherharzteilchen oder Anionen- Austauscherharzteilchen) zuführt, um eine kontinuierliche Phase der Ionen- Austauscherharzteilchen auszubilden, und eine wässrige Aufschlämmung einer anderen Art von Ionenaustauscherharzteilchen (Kationenaustauscherharzteilchen bzw. Anionenaustauscherharzteilchen) in einem vorbestimmten Muster zuführt, um mehrere in dispergierter diskontinuierlicher Phase vorliegende Cluster der anderen Art von Ionenaustauscherharzteilchen (Kationenaustauscherharzteilchen oder Anionen- Austauscherharzteilchen) auszubilden. Alternativ ein Verfahren zur Herstellung eines porösen und permeablen Ionenaustauschers, bei dem man mehrere geformte Cluster von Kationen-Austauscherharzteilchen oder Anionen-Austauscherharzteilchen aus einem ersten Flächengebilde aus den Harzteilchen herausgetrennt oder ausstanzt, um eine kontinuierliche Phase der Ionenaustauscherharzteilchen mit mehreren darin enthaltenen Löchern auszubilden, mehrere identische Cluster der anderen Art von Ionenaustauscherharzteilchen (Kationenaustauscherharzteilchen oder Anionenaustauscherharzteilchen) aus einem zweiten Flächengebilde aus den Harzteilchen ausstanzt und die ausgestanzten Cluster der anderen Art von Ionenaustauscherharzteilchen (Kationenaustauscherharzteilchen oder Anionenaustauscherharzteilchen) in die Löcher des ersten Flächengebildes einpasst.
Der Ionenaustauscher kann über einer Ionenaustauschermembran, für einen engen oder innigen Kontakt der dispergierten Phase von Ionenaustauscherteilchen mit der Membran, in einem Abstandhalterrahmen oder einer Einspanneinrichtung geformt werden, wobei der Ionenaustauscher in dem Abstandhalterrahmen oder der Einspanneinrichtung zum Transfer eingefroren wird.
Die Erfindung umfasst außerdem den Schritt des Einsetzens einer geformten Netzvorform (Preform) mit einer Maschengröße, die kleiner ist als die durchschnittliche Teilchengröße, in die Hohlelemente zur Einarbeitung in die diskreten, in diskontinuierlicher Phase vorliegenden Gebiete oder in die kontinuierliche Phase der Ionenaustauscherharzteilchen.
Die geformte Vorform kann die Form eines geraden Zylinders, eines geraden Rechtecks, eines geraden Sechsecks oder eines geraden Mehr-Facettenprismas aufweisen.
Ein Netz in Wabenform oder -muster kann in mindestens eines der in dispergierter Phase vorliegenden Gebiete oder/und die kontinuierliche Phase eingearbeitet werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das Ionen- Austauschermaterial einen porösen und permeablen Ionenaustauscher mit Kationenaustauscherharzteilchen und Anionenaustauscherharzteilchen zur Verwendung bei der Deionisierung einer wässrigen Flüssigkeit mit einer porösen und permeablen kontinuierlichen Phase einer Art von Ionenaustauscherharzteilchen (Kationenaustauscherharzteilchen oder Anionenaustauscherharzteilchen) und einer porösen und permeablen dispergierten Phase von Clustern der anderen Art von Ionenaustauscherharzteilchen (Kationenaustauscherharzteilchen bzw. Anionenaustauscherharzteilchen) in der kontinuierlichen Phase, wobei der Ionenaustauscher in Form eines flachen Betts mit gegenüberliegenden planaren Bettoberflächen vorliegt und die in dispergierter Phase vorliegenden Cluster an mindestens eine der planaren Bettoberflächen angrenzen. Die in dispergierter Phase vorliegenden Cluster können sich durch das flache oder dicke Bett erstrecken und an die gegenüberliegenden planaren Bettoberflächen des Betts angrenzen. Die Cluster können flache Zylinder oder Ellipsen oder transversal mehrfacettig sein. Die Kationen- Austauscherharzteilchen und Anionen-Austauscherharzteilchen sind bevorzugt durch ein polymeres Bindemittel zu einem kohäsiven Bett gebunden.
Insbesondere ist die Elektro-Deionisationsvorrichtung, die dafür ausgelegt ist, Ionen aus einer wässrigen Flüssigkeit zu entfernen, bereitgestellt durch eine Vorrichtung zur Demineralisierung einer wässrigen Flüssigkeit, die ein Anodenkompartiment mit einer Anode und ein Kathodenkompartiment mit einer Kathode sowie mehrere Kationenaustauschermembranen und Anionenaustauschermembranen umfasst, die zwischen dem Anodenkompartiment und dem Kathodenkompartiment alternierend angeordnet sind, um Entsalzungskompartimente, die jeweils anodenseitig durch eine Anionenaustauschermembran und kathodenseitig durch eine Kationenaustauschermembran definiert sind, und Konzentrations-Kompartimente auszubilden, die jeweils anodenseitig durch eine Kationenaustauschermembran und kathodenseitig durch eine Anionenaustauschermembran definiert sind, wobei die Entsalzungskompartimente mit einem porösen und permeablen, vorstehend genannten Ionenaustauscher gefüllt sind. Somit sind mehrere alternierende Verdünnungs- Kompartimente und Konzentrations-Kompartimente zwischen der Kathode und der Anode angeordnet, wobei die Verdünnungs- und Konzentrations-Kompartimente durch für Anionen und Kationen durchlässige Membranen definiert sind, und poröses und permeables Ionenaustauschermaterial ist in den Verdünnungskompartimenten angeordnet, wobei das poröse und permeable Ionenaustauschermaterial eine poröse und permeable kontinuierliche Phase einer Art von Ionenaustauscherharzteilchen (Kationen-Austauscherharzteilchen oder Anionen-Austauscherharzteilchen) und eine dispergierte Phase von Gebieten der anderen Art von Ionenaustauscherharzteilchen (Kationen-Austauscherharzteilchen oder Anionen-Austauscherharzteilchen) in der kontinuierlichen Phase umfasst. Der Ionenaustauscher liegt bevorzugt in Form eines flachen Bettes oder Flächengebildes mit gegenüberliegenden planaren Bettoberflächen vor, wobei die in dispergierter Phase vorliegenden Gebiete an zumindest eine der planaren Bettoberflächen angrenzen. Die in dispergierter Phase vorliegenden Cluster erstrecken sich bevorzugt durch das flache Bett und grenzen an die gegenüberliegenden planaren Bettoberflächen des Bettes an. Die Cluster können flache oder längliche Zylinder oder Ellipsen oder transversal mehrfacettig sein, wie etwa längliche oder flache Sechsecke. Die Kationen-Austauscherharzteilchen und Anionen- Austauscherharzteilchen sind bevorzugt durch ein polymeres Bindemittel zu einem kohäsiven Bett gebunden, wobei das Bett das Verdünnungskompartiment füllt.
Die in dispergierter Phase vorliegenden Cluster von Kationen- oder Anionenaustauscherharzteilchen liegen zumindest mit einem Ende frei, welches an eine planare Oberfläche des Bettes angrenzt, um mit der für Anionen durchlässigen Membran oder der für Kationen durchlässigen Membran derselben Art in Kontakt zu stehen, d. h. die Cluster aus Kationenaustauscherharzteilchen berühren die für Kationen durchlässige Membran und die Cluster aus Anionenaustauscherharzteilchen berühren die für Anionen durchlässige Membran, wobei sich bevorzugt die in dispergierter Phase vorliegenden Cluster durch die kontinuierliche Phase erstrecken und an die gegenüberliegenden planaren Oberflächen des in kontinuierlicher Phase vorliegenden Bettes angrenzen, um sowohl an der für Anionen durchlässigen Membran als auch an der für Kationen durchlässigen Membran anzuliegen und mit diesen in Kontakt zu stehen, um dadurch die Verdünnungskompartimente zu übergreifen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Entfernen von Ionen aus einer wässrigen Flüssigkeit in einer Elektro-Deionisationsvorrichtung bereitgestellt durch ein Verfahren zum Entsalzen von Wasser in einer Vorrichtung, die ein Anodenkompartiment mit einer Anode und ein Kathodenkompartiment mit einer Kathode sowie mehrere Kationenaustauschermembranen und Anionen- Austauschermembranen umfasst, die zwischen dem Anoden-Kompartiment und dem Kathoden-Kompartiment alternierend angeordnet sind, um Entsalzungs- Kompartimente, die jeweils anodenseitig durch eine Anionenaustauschermembran und kathodenseitig durch eine Kationen-Austauschermembran definiert sind, und Konzentrations-Kompartimente auszubilden, die jeweils anodenseitig durch eine Kationenaustauschermembran und kathodenseitig durch eine Anionenaustauschermembran definiert sind, wobei die Entsalzungs-Kompartimente mit einem porösen und permeablen, vorstehend genannten Ionenaustauscher gefüllt sind, bei dem man den Entsalzungs-Kompartimenten zu entsalzendes Wasser zuführt, zwischen der Kathode und der Anode einen elektrischen Strom durchleitet und aus der Vorrichtung entsalztes Wasser entnimmt. Somit wird die zu reinigende, wässrige Flüssigkeit durch die Verdünnungskompartimente geführt, wobei die Verdünnungskompartimente eine kontinuierliche Phase eines ersten Ionenaustauschermaterials mit einer dispergierten Phase von Clustern eines zweiten Ionenaustauschermaterials aufweisen, die Cluster der dispergierten Phase an die für Anionen und/oder die für Kationen durchlässige Membran desselben Zeichens angrenzen und daran anliegen, sich die Cluster der dispergierten Phase bevorzugt durch die kontinuierliche Phase erstrecken und sowohl an das für Anionen als auch an das für Kationen durchlässige Element angrenzen und daran anliegen, ein elektrischer Strom zwischen der Kathode und der Anode hindurchgeleitet und die gereinigte wässrige Flüssigkeit aus der Vorrichtung entnommen wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bekannten Elektro-Deionisationsvorrichtung,
Fig. 2 eine fragmentarische Schnittansicht entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Anordnung des erfindungsgemäßen Ionenaustauschermaterials,
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 aus Fig. 3, und
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer anderen Anordnung des erfindungsgemäßen Ionenaustauschermaterials,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Ausbilden des erfindungsgemäßen Ionenaustauschers, und
Fig. 7 eine Seitenansicht der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung montiert in einem Kompartiment-Abstandhalterrahmen.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Bezug nehmend auf Fig. 1 ist eine bekannte Elektro-Deionisationsvorrichtung 10 gezeigt, durch die Ionen aus einer Flüssigkeit entfernt werden können. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden Ionen, wie etwa Natriumionen und Chloridionen, aus Wasser entfernt.
Die Elektro-Deionisationsvorrichtung 10 hat einen rechteckigen Rahmen 12. Der Rahmen 12 umfasst eine starre Frontplatte 14 und eine starre Rückplatte 16, die aus Metall geformt sind. Die Frontplatte 14 und die Rückplatte 16 sind durch mehrere Verbindungsstangen oder -bolzen 18 miteinander verbunden. Jede Verbindungsstange 18 ist in ein Loch 20, die unter gleichem Abstand um die Peripherie der Frontplatte 14 angeordnet sind, und in entsprechende Löcher 18a in der Rückplatte 16 eingesetzt. Eine durch das Bezugszeichen 22 (Fig. 2) bezeichnete Kathode befindet sich in der Nähe der Frontplatte 14 in einem Kathodenkompartiment 23 und eine durch das Bezugszeichen 24 bezeichnete Anode befindet sich in der Nähe der Rückplatte 16 in einem Anodenkompartiment 25. In der Frontplatte 14 befinden sich Öffnungen 26, damit Flüssigkeit in die Elektrodeionisationsvorrichtung 10 zur Behandlung eintreten kann. Ein isolierender Elektrodenblock 28, der ein Elektrodenkompartiment bildet, liegt am Umfang der Frontplatte 14 an und ein isolierender Elektrodenblock 30, der ein Elektrodenkompartiment bildet, liegt gleichmäßig am Umfang der Rückplatte 20 an. Die Elektrodeionisationsvorrichtung 10 weist mehrere alternierende für Kationen durchlässige Membranen und für Anionen durchlässige Membranen auf, die zwischen den isolierenden Elektrodenblöcken 28 und 30 dargestellt und durch das Bezugszeichen 32 bezeichnet sind. Die für Kationen und Anionen durchlässigen Membranen 32 definieren alternierende Konzentrations- und Verdünnungskompartimente, die noch beschrieben werden.
Fig. 2 zeigt repräsentative Konzentrations-Kompartimente 44, 46 und ein zwischen den Konzentrationskompartimenten liegendes, repräsentatives Verdünnungskompartiment 48 in größerem Detail. Für Kationen durchlässige Membranen 36 und 38 und für Anionen durchlässige Membranen 40 und 42 definieren die Konzentrationskompartimente und die Verdünnungskompartimente. Abstandhalter (nicht gezeigt) sind zwischen den Membranen in den Verdünnungskompartimenten und Konzentrationskompartimenten angeordnet. Die Abstandhalter in den Verdünnungskompartimenten 48 haben Öffnungen zur Anordnung von Ionenaustauschermaterial, wie etwa Ionenaustauscherharzkügelchen 49. Es versteht sich, dass das Ionenaustauscherharz ("resin") auch in den Konzentrationskompartimenten angeordnet werden kann.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine bevorzugte Anordnung des erfindungsgemäßen Ionenaustauschermaterials zur Verwendung in dem in Fig. 2 gezeigten Verdünnungskompartiment 48. Ein Bett 40 aus poröser und permeabler kontinuierlicher Phase, d. h. eine Matrix, aus Ionenaustauschermaterial 50 weist mehrere voneinander beabstandete Zylinder aus porösen und permeablen Clustern aus einem zweiten Ionenaustauschermaterial 52 auf, von denen einer in Fig. 3 gezeigt ist, welche in der Matrix 50 transversal zur Bettebene verteilt sind. Die Ionenaustauschermaterialien 50 und 52 sind bevorzugt Ionenaustauscherharzteilchen in Form von Kügelchen. Das Ionenaustauschermaterial 50 und das Ionenaustauschermaterial 52 tauschen entgegengesetzt geladene Ionen aus. Beispielsweise ist, wenn das in kontinuierlicher Phase vorliegende Ionenaustauschermaterial 50 ein Kationen-Austauschermaterial ist, das feste negative Ladungen zum Auffangen von Kationen aufweist, das in dispergierter Phase vorliegende Ionenaustauschermaterial 52 ein Anionen-Austauschermaterial, das feste positive Ladungen zum Auffangen von Anionen aufweist. Die transversale (Quer-)Anordnung von Clustern des in dispergierter Phase vorliegenden Ionenaustauschermaterials, das die Verdünnungskompartimente übergreift oder überspannt, gewährleistet, dass die wässrige Flüssigkeit, die in den Verdünnungskompartimenten 48 strömt, mit beiden Formen von Ionenaustauscherstoff in Kontakt kommt, damit Kationen und Anionen effizient ausgetauscht werden.
Bezug nehmend auf die Fig. 1, 2, 3 und 4 strömt die zu behandelnde, wässrige. Flüssigkeit durch die Öffnungen 26 und durch die Konzentrationskompartimente 44 und 46 und die Verdünnungskompartimente 48. Flüssigkeitsströme, die durch die Pfeile 54 und 56 dargestellt sind, strömen durch die Konzentrationskompartimente 44 bzw. 46 und ein durch den Pfeil 58 dargestellter Flüssigkeitsstrom strömt durch das Verdünnungskompartiment 48. Die wässrige Flüssigkeit enthält Ionen, wie Natrium- und Chloridionen.
Elektrischer Strom fließt zwischen der Kathode 22 im Kathodenkompartiment 23 und der Anode 24 im Anodenkompartiment 25. Der über die Kathode 22 und die Anode 24 fließende Strom kann variiert werden, um die Gesamteffizienz (Wirkungsgrad) des Elektro-Deionisationsprozesses zu steuern.
Wenn die zu reinigende Flüssigkeit durch das Verdünnungskompartiment 48 strömt, wie durch den Pfeil 58 angezeigt, kommt sie mit Ionenaustauscherharzkügelchen in Kontakt, wie bei der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Anordnung.
Kationenaustauscherharz 50 hat fixe negative Ladungen und fängt Kationen auf, wie etwa in der Flüssigkeit vorhandene Natriumionen. Das Anionenaustauscherharz 52 hat fixe positive Ladungen und fängt Anionen auf, wie etwa in der Flüssigkeit vorhandene Chloridionen. Wenn der Ionenaustausch zwischen der zu reinigenden Flüssigkeit und den Kationen-Austauscherharz-Kügelchen 50 und den Anionen-Austauscherharz- Kügelchen 52 stattfindet, bewirkt die Spannung, dass die unerwünschten Kationen und Anionen, welche durch Natriumionen bzw. Chloridionen typisiert sind, durch die Membranen 38 und 40 und in die benachbarten Konzentrations-Kompartimente 46 und 44 wandern. Das Ionenaustauscherharz ist in einer transversalen Anordnung relativ zum Flüssigkeitsstrom angeordnet, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Diese Anordnung gewährleistet, dass der Großteil der durch das Verdünnungskompartiment 48 strömenden Flüssigkeit mit dem Ionen-Austauschermaterial 50 und 52 in Kontakt kommt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird Wasser in der Elektro- Deionisationsvorrichtung 10 gereinigt. Der Strom bewirkt eine gewisse Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Hydroxylionen. Die Wasserstoff-Ionen werden durch das Kationenaustauscherharz 50 zur Kationenaustauschermembran 38 transportiert und durch die Kationenaustauschermembran 38 in das Konzentrationskompartiment 46, wie durch die Pfeile 66 gezeigt. Die Hydroxyl-Ionen werden durch das Anionenaustauscherharz 52 zur für Anionen durchlässigen Membran 40 befördert und durch die für Anionen durchlässige Membran 40 in das Konzentrationskompartiment 44, wie durch die Pfeile 62 gezeigt. Somit werden das Ionenaustauscher-Harzmaterial 50 und das Ionenaustauscher-Harzmaterial 52 kontinuierlich regeneriert.
Anionische Unreinheiten, beispielsweise Chlorid-Ionen, im in der Verdünnungskammer 48 zu reinigenden Wasser werden von dem Anionenaustauscherharzmaterial 52 durch den üblichen Ionenaustauschermechanismus aufgenommen und dann zusammen mit den Hydroxylionen durch den Anionenaustauscherstoff bis zur und durch die für Anionen durchlässige(n) Membran 40 in das Konzentrationskompartiment 44 transportiert, wie durch die Pfeile 60 gezeigt. Gleichzeitig wird eine äquivalente Menge an Wasserstoffionen und Verunreinigungskationen von einem benachbarten Verdünnungskompartiment in die Konzentrationskammer 44 befördert, wie durch die Pfeile 70 gezeigt.
Kationische Unreinheiten, beispielsweise Natriumionen, im in der Verdünnungskammer 48 zu reinigenden Wasser werden von dem Kationen- Austauscherharzmaterial 50 durch den üblichen Ionenaustauscher-Mechanismus aufgenommen und dann zusammen mit den Wasserstoffionen durch das Kationenaustauscherharz bis zur und durch die für Kationen durchlässige(n) Membran 38 in das Konzentrationskompartiment 46 befördert, wie durch die Pfeile 64 gezeigt. Gleichzeitig wird eine äquivalente Menge an Hydroxylionen und Verunreinigungsanionen von einem benachbarten Verdünnungskompartiment in die Konzentrationskammer 46 transportiert, wie durch die Pfeile 68 gezeigt.
Das Wasser strömt durch die Konzentrationskompartimente 44 und 46 zu einem Abwasserbehälter (nicht gezeigt) oder wird wiederaufbereitet. Das gereinigte Wasser, das durch das Verdünnungskompartiment 48 strömt, wird als Produkt zurückgewonnen.
Es versteht sich, dass das dispergierte Ionenaustauscher-Clustermaterial 52 im Ionenaustauschermatrixmaterial 50 jede beliebige geometrische Form haben kann, z. B. zylindrisch, konisch, kegelstumpfförmig oder elliptisch im Querschnitt, oder mehrfacettig im Querschnitt, wie etwa ein sechseckiges gerades Prisma, um den Oberflächenbereich der Cluster zu vergrößern.
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der Anordnung des erfindungsgemäßen Ionenaustauscherharzmaterials 50 und 52 in den Verdünnungskompartimenten einer Elektrodeionisationsvorrichtung, wobei die in zylindrischer Form vorliegende dispergierte Cluster-Phase 60 mit dem Verdünnungskompartiment transversal ausgerichtet ist und mit einer für Ionen derselben Ladung, d. h. desselben Vorzeichens, durchlässigen Membran zusammenhängt und in Kontakt mit dieser steht. Ein Anionenaustauscherharz-Cluster 60 würde beispielsweise an eine für Anionen durchlässige Membran 62 angrenzen und diese berühren. Die Ionenaustauscher-Cluster oder -Inseln erstrecken sich bevorzugt durch die kontinuierliche Phase und grenzen an die gegenüberliegenden Stirnflächen 64, 66 des Bettes 49 an, wie in Fig. 3 dargestellt, wodurch die dispergierten Cluster sowohl an die für Anionen durchlässige Membran als auch an die für Kationen durchlässige Membran angrenzen, anliegen und mit dieser in Kontakt stehen.
Die Cluster 50 können aus einem flachen Bett oder Flächengebilde aus einer kontinuierlichen Phase von Ionenaustauscherharzteilchen eines ersten oder zweiten Ionenaustauschermaterials gebildet, durch ein polymeres Bindemittel gebunden und durch Ausstanzen von Clustern der gewünschten Größe und Form aus dem Flächengebilde geformt werden. Ein Flächengebilde aus einer kontinuierlichen Phase aus Ionenaustauscherharzteilchen aus einem Ionenaustauschermaterial mit einer entgegengesetzten Ladung, das durch ein polymeres Harz mit mehreren Löchern gebunden ist, die in Größe und Form den daraus ausgestanzten Clustern 50 entsprechen, kann die ausgeschnittenen Cluster 50 mit der entgegengesetzten Ladung in eng anliegendem Reibschluß aufnehmen, um die Ionenaustauscher auszubilden. Ein thermoplastisches polymeres Bindemittel, wie etwa ein Polyethylen mit niedriger Dichte, Polyethylen mit linearer niedriger Dichte oder dergleichen, in einer Menge, die ausreichend ist, ein kohäsives Flächengebilde oder eine kohäsive Bettstruktur zu bilden, das/die zur Handhabung geeignet ist, wobei eine gute Porosität, Flüssigkeits- Durchlässigkeit und Ionenaustauscher-Kapazität erhalten bleiben, kann dazu verwendet werden, die Ausgangsflächengebilde ("sheets") des ersten und zweiten Ionenaustauschermaterials auszubilden.
Die porösen und permeablen Ionenaustauscher können in den Verdünnungs- Kompartimenten durch Verwendung eines Arrays von Abgabedüsen in situ ausgebildet werden, um zugemessene Mengen eines ersten Ionenaustauschermaterials und Mengen eines zweiten Ionenaustauschermaterials als Aufschlämmungen an einen Verdünnungskammerrahmen oder einer Verdünnungskammer-Vorlage genau und effizient abzugeben, um das erforderliche Muster der Konfiguration einer kontinuierlichen Phase eines ersten Ionenaustauschermaterials mit einer diskontinuierlichen Phase eines zweiten Ionenaustauschermaterials auszubilden. Die erwünschte Anzahl an einzelnen dispergierten Gebieten, d. h. zylindrischen Clustern des zweiten Ionenaustauschermaterials, kann direkt ausgebildet werden. Einzelne dispergierte Gebiete des zweiten Ionenaustauschermaterials unterschiedlicher Formen, wie etwa zylindrisch oder sechseckig gerade prismatisch, konisch, kegelstumpfförmig und dergleichen, können durch Variieren der Anzahl, Form und Position der Abgabedüsen und durch Variieren der Abgaberate des zweiten Ionenaustauschermaterials in - Koordination mit der Abgabe der kontinuierlichen Phase des ersten Ionenaustauschermaterials ausgebildet werden. Die kontinuierliche Phase des ersten Ionenaustauschermaterials kann unter Verwendung mehrerer Abgabedüsen durch Variieren der Anzahl, Größe und geometrischen Anordnung dieser Dosierdüsen, der relativen Mengen an durch die entsprechenden Düsen abgegebenen Ionenaustauschermaterialien und durch die relative Abgaberate leicht ausgebildet werden. Die Zumessung der Ionenaustauschermaterialien kann auf mehrere Weisen erreicht werden, die die Verwendung von Schneckenaufgebern, Verdrängungsaufgebern, Gravität (Gravitation bzw. Schwerkraft) und dergleichen umfassen. Das Array von Düsen stellt das gewünschte Muster der Ionenaustauschermaterialien bereit, es kann jedoch aus einer Teilmenge desselben bestehen, wobei das gesamte gewünschte Muster durch Verändern der relativen Positionen der Anordnung von Abgabedüsen und des Verdünnungskammerrahmens oder -templats aufgebaut wird.
Ein gemustertes oder gestaltetes "Templat" (als Vorlage oder Schablone) kann dazu verwendet werden, die gewünschten Mengen eines ersten Ionenaustauschermaterials und eines zweiten Ionenaustauschermaterials als Aufschlämmungen genau und effizient abzugeben, um die erforderliche gemusterte Konfiguration einer kontinuierlichen Phase eines ersten Ionenaustauschermaterials mit einer diskontinuierlichen Phase eines zweiten Ionenaustauschermaterials auszubilden. Ein Beispiel eines derartigen Templats für zylindrische Gebiete ist in den Fig. 6 und 7 gezeigt. Das Templat 101, das dem gewünschten Muster entspricht, umfasst mehrere geformte, dünnwandige, hohle, endseitig offene Elemente 102, wie etwa hohle Zylinder, die den Umfang der gewünschten isolierten Gebiete des zweiten Ionenaustauschermaterials definieren und von einer planaren Deckplatte 103 herabhängen. Die Abdeckung 103 definiert die gewünschten Fläche der kontinuierlichen Phase des ersten Ionenaustauschermaterials. Speiserohre 104 zum Einführen des ersten Ionenaustauschermaterials in Form einer Aufschlämmung des in Wasser suspendierten Ionenaustauschermaterials und Ablaufrohre 105 zum Entfernen von überschüssigem Wasser oder einem anderen Fluid, das beim Transport des ersten Ionenaustauschermaterials verwendet wurde, ragen von der Deckplatte 103 nach oben. Eine Umfangswand 106 kann sich, sofern erwünscht, um den Rand der Schablone 101 nach unten erstrecken und ein Umfangsflansch 107 kann sich vom Rand des Templats koplanar mit der Deckplatte 103 nach außen erstrecken. Beim Gebrauch wird das "Templat" in einem Verdünnungskompartiment-Abstandhalterrahmen 110 (Fig. 7) angeordnet, wobei die Wand 106 an einer Ionenaustauschermembran 111 anliegt und mit dieser in Kontakt steht. Das erste Ionenaustauschermaterial wird über die Speiserohre 104 und die Ablaufrohre 105 in das Templat ausgeschwemmt, wie durch die Pfeife 112 und 113 angezeigt, wodurch die gewünschte kontinuierliche Phase des ersten Ionenaustauschermaterials bereitgestellt wird. Eine wässrige Aufschlämmung des zweiten Ionenaustauschermaterials kann auf die Deckplatte 103 geflutet werden, um die Rohre 102 mit dem zweiten Ionenaustauschermaterial zu füllen, wobei überschüssiges Ionenaustauschermaterial mittels eines Abstreifers durch Abstreifen des überschüssigen zweiten Ionenaustauschermaterials auf gleiche Höhe mit der Deckplatte 103 oder durch Überschwemmen der Deckplatte 103 mit Wasser zum Abspülen von überschüssigem Feststoffmaterial entfernt wird. Die Deckplatte 103 kann wiederum eine Abdeckung (nicht gezeigt) aufweisen, die von dieser beabstandet ist, um einen flachen Durchgang zu bilden, der parallel zu der Breite und Länge der Deckplatte 103 ist, um die wässrige Aufschlämmung gleichmäßig über die Deckplatte 103 zu leiten und eine Kanalbildung zu vermeiden, um das zweite Ionenaustauschermaterial in den Gebietsröhren 102 gleichmäßig abzulagern. Die Füllrate der Röhren zum Formen der diskontinuierlichen Phasengebiete kann durch Variieren der Strömungsrate der Aufschlämmung und der Aufschlämmungsdichte gesteuert werden.
Die Vorlage 101 wird dann aus dem Abstandhalterrahmen 110 entfernt, wobei das gewünschte Muster der kontinuierlichen Phase des ersten Ionenaustauschermaterials mit in diskontinuierlicher dispergierter Phase vorliegenden Clustern des zweiten Ionenaustauschermaterials im Abstandhalterrahmen zurückbleibt.
Der sich nach außen erstreckende Umfangsflansch 107 liegt auf der Oberseite des Abstandhalterrahmens 110 auf, wodurch die Umfangswand 106 nicht an der Ionenaustauschermembran 111 anliegen muss, sofern dies bevorzugt wird.
Dieses Verfahren kann auch unter Verwendung einer Bearbeitungs- Einspanneinrichtung (nicht gezeigt) anstelle des Verdünnungs- Abstandhalterrahmens 110 durchgeführt werden. Ein auf einer Kunststofffolie sitzender Einspannrahmen mit einer darauf aufliegenden Ausführungsform der Deckplatte 103 kann kontinuierliche und diskontinuierliche Phasen von Ionen- Austauscherteilchenmaterial mit entgegengesetzten Ladungen durch Ausschwemmen oder Fluten von Schlämmungen des Ionenaustauschermaterials in die entsprechenden Hohlräume aufnehmen, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt. Alternativ können mehrere Abgabedüsen dazu verwendet werden, eine gewünschte gemusterte Konfiguration von kontinuierlichen und diskontinuierlichen Phasen in einer Einspanneinrichtung auszubilden. Das aus den kontinuierlichen und diskontinuierlichen Phasen bestehende Bett kann an einen Ort zum Verpacken in ein Verdünnungskompartiment transportiert werden.
Die Herstellungsverfahren können dazu verwendet werden, Muster mit unterschiedlich geformten Gebieten zu erhalten, indem die Vorlage entsprechend verändert wird. Die vorliegenden Herstellungsverfahren können auch dazu verwendet werden, andere Muster und Konfigurationen herzustellen, bei denen keine Phase des Materials kontinuierlich ist.
Die erforderliche Konfiguration einer kontinuierlichen Phase, die aus einem ersten Ionenaustauschermaterial mit einer diskontinuierlichen Phase eines zweiten Ionenaustauschermaterials besteht, kann durch ein feines Netz stabilisiert werden, das die jeweiligen kontinuierlichen und diskontinuierlichen Regionen definiert. Die Öffnungen im Netz ermöglichen die Strömung des zu behandelnden Wassers. Die Öffnungen im Netz sind etwas kleiner als die zu trennenden Ionenaustauscher-Kügelchen. Bevorzugt ist die relative Größe der Netzöffnungen und der Ionenaustauscher-Kügelchen so bemessen, dass die Ionenaustauscher-Kügelchen, im in einer Verdünnungskammer erreichten verdichteten Zustand, auf jeder Seite des Netzes miteinander in Kontakt geraten. Die De-Ionisierung kann auch mit einem feineren Netz erreicht werden, wobei sich die Ionenaustauscher-Kügelchen auf jeder Seite des Netzes eng beieinander befinden, bis zu einigen wenigen Kügelchendurchmessern, sich jedoch nicht berühren.
Zylindrische Vorformen oder (kurze) Rohrstücke aus Netzmaterial können in die vorstehend beschriebene Mustervorlage in dem Bereich aufgenommen sein, der der diskontinuierlichen Phase entspricht. Nach dem Durchschleusen der zwei Harze und dem Entfernen der Vorlage bleiben die zylindrischen Netzelemente in dem sich ergebenden Muster des Ionenaustauschermaterials eingebettet zurück. Eine einzelne Vorform oder mehrere Vorformen können außerdem in dem Bereich der Mustervorlage angeordnet werden, der der kontinuierlichen Phase entspricht.
Die Ionenaustauscherkügelchen können durch die vorstehend beschriebenen Abgabedüsen selektiv in einem Muster hinzugefügt werden, wobei die einzelne Vorform oder die mehreren Vorformen eine oder beide der kontinuierlichen und diskontinuierlichen Phasen einnehmen.
Das feine Netz kann in Form von einzelnen Vorformzellen oder mehreren miteinander verbundenen Vorformzellen in Gestalt eines geraden Kreises oder geraden Rechtecks, Sechsecks oder dergleichen geraden Prismas bereitgestellt werden, wobei die einzelnen Zellen einen Durchmesser oder eine Breite von beispielsweise ungefähr 0,5 cm aufweisen, um in ein diskretes zylindrisches Gebiet mit einem Durchmesser von ungefähr 3 cm zu passen. Mehrere miteinander verbundene Netzzellen mit einer Wabenkonfiguration 122, die ein im allgemeinen zylindrisches Gebiet mit einem Durchmesser von 3 cm bilden, wobei einzelne Zellen mit einer Breite von 0,5 cm die Gebiete füllen, zwängen das Ionenaustauschermaterial effektiv in dem Gebiet ein, das in dem Gebiet eingebettet wird, und erleichtern die Einführung des Ionenaustauschermaterials durch die Abgabedüsen.
Eine längliche feinmaschige Wabenplatte 124, deren Abmessungen so gewählt sind, dass das Kompartiment ausgefüllt wird, kann für eine oder beide der kontinuierlichen und diskontinuierlichen Phasen verwendet werden, um das Harzmaterial aus den Düsen aufzunehmen und zu stabilisieren.
Feinmaschige Wabenvorformen können durch Schneiden zu einer gewünschten Gestalt geformt und in zylindrische Löcher in einer Mustervorlage eingepasst werden und/oder derartige Vorformen können in einen integralen Abschnitt der kontinuierlichen Phase des Templats eingesetzt werden und dieses ausmachen.
Die erforderliche Konfiguration einer kontinuierlichen Phase, die aus einem ersten Ionenaustauschermaterial mit einer diskontinuierlichen Phase aus einem zweiten Ionenaustauschermaterial besteht, kann in einer Einspanneinrichtung hergestellt und eingefroren werden, wobei sie zur bequemeren Handhabung während des stapelweisen Zusammenbaus in gefrorenem Zustand mit Wasser befeuchtet wird. Die erforderliche Konfiguration kann auch in einer Einspanneinrichtung mit einer Ionenaustauschermembran und/oder mit einem Konzentrations- oder Verdünnungsabstandhalterrahmen hergestellt werden, um eine Untergruppe zu erhalten, die während des stapelweisen Zusammenbaus in gefrorenem Zustand bequem zu handhaben ist. Sobald er zusammengebaut ist, lässt man den Stapel auftauen, wodurch die gewünschten gemusterten Ionenaustauschermaterialien erhalten werden, welche in den Verdünnungskammern eingezwängt und stabilisiert sind.
Es versteht sich, dass diese Verfahren auch dazu verwendet werden können, gemusterte Ionenaustauschermaterialien in Konzentrations- und Elektrodenabstandhalterrahmen sowie in nicht elektrochemischen Ionenaustauschereinrichtungen zu formen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden nun unter Bezugnahme auf das folgende nicht einschränkende Beispiel beschrieben.

BEISPIEL 1

Exemplarisches Vergleichsverhalten von gemusterten Ionenaustauschermedien gegenüber Mischbett-Ionenaustauschermedien

Vergleichsversuche wurden unter Verwendung einer Elektro- Deionisationsvorrichtung mit drei Verdünnungskompartimenten durchgeführt. Die Vorrichtung bestand in Folge aus: einer 1,8 cm dicken Endplatte aus rostfreiem Stahl; einem 2,5 cm dicken PVC-Isolierelektrodenblock; einer mit Platin beschichteten Titananode; und einem ungefähr 0,1 cm dicken Elektrodenkompartiment-Abstandhalter, bestehend aus Polypropylennetz in einem Elastomerrahmen, welcher Rahmen dazu diente, die Einheit abzudichten und Fluidverteilungskanäle zu definieren; einer ungefähr 0,07 cm dicken, für Kationen durchlässigen Membran; einem ungefähr 0,1 cm dicken Konzentrationskompartiment-Abstandhalter, bestehend aus Polypropylennetz in einem Elastomerrahmen, welcher Rahmen dazu diente, die Einheit abzudichten und Fluidverteilungskanäle zu definieren; drei in Reihe angeordneten Verdünnungs- bzw. Konzentrationspaaren, bestehend jeweils aus einer ungefähr 0,07 cm dicken, für Anionen durchlässigen Membran, einem 0,8 cm dicken Verdünnungskompartiment bestehend aus einem offenen Polypropylenrahmen zur Abdichtung und Fluidverteilung und zur Aufnahme des zu bewertenden Ionenaustauschermaterials, einem Fluidverteiler und einem Fluidsammler, welcher mit Siebschlitzen ausgestattet war, um die Ionenaustauscherkügelchen in dem Verdünnungskompartiment zurückzuhalten, einer 0,07 cm dicken für Kationen durchlässigen Membran und einem ungefähr 0,1 cm dicken Konzentrationskompartiment-Abstandhalter; einer ungefähr 0,07 cm dicken, für Kationen durchlässigen Membran, einem ungefähr 0,1 cm dicken Elektrodenkompartiment- Abstandhalter, einer Kathode aus rostfreiem Stahl, einem 2,5 cm dicken PVC- Isolierelektrodenblock und einer 1,8 cm dicken Endplatte aus rostfreiem Stahl. Die Abmessungen des Arbeitsbereichs der Fluidkompartimente (Elektroden-, Konzentrations- und -Verdünnungskompartimente) und der Elektroden betrugen 13 cm in der Breite und 39 cm in der Länge in der Richtung des Fluidstroms. Die Komponenten des Elektro- Deionisationsstapels wurden durch 16 mit Gewinde versehenen Verbindungsstangen mit einem Durchmesser von 1,0 cm gedrückt zusammengehalten, welche in Löchern angeordnet waren, die um den Umfang der Endplatten aus rostfreiem Stahl positioniert waren. Die Vorrichtung war in üblicher Weise mit Fluidkanälen versehen, die durch Öffnungen in den Abstandhaltern und Membranen für die folgenden Zwecke definiert waren: zum Zuführen von zu reinigendem Wasser an die Verdünnungskompartimente, zum Entnehmen von gereinigtem Wasser aus den Verdünnungskompartimenten, zum Zuführen von Wasser an die Konzentrations- und Elektrodenkompartimente, zum Entfernen von Wasser aus den Konzentrationskompartimenten und zum Entfernen von Wasser aus den Elektrodenkompartimenten. Das in den Versuchen zu reinigende Wasser bestand aus städtischem Trinkwasser, das zunächst mit Aktivkohle gefiltert, mit einer Natriumkationen-Austauschereinheit enthärtet, durch Umkehrosmose teilweise deionisiert und in einem 3028 l (800 gal) Polypropylen-Speicherbehälter gelagert worden war. Dadurch wurde Speisewasser mit einer Leitfähigkeit von ungefähr 3 uS/cm erhalten. Den Konzentrations- und Eiektrodenkompartimenten wurde gefiltertes und enthärtetes Wasser mit einer Leitfähigkeit von ungefähr 350 uS/cm zugeführt.
Ein erster Versuch wurde durchgeführt, wobei die drei Verdünnungskompartimente jeweils mit ungefähr 270 g eines gebundenen innigen Gemisches, in einem 50/50-Volumenanteil aus stark saurem und stark basischem Trocken-Diaion-Ionenaustauscherharz, in Natrium- und Chloridform, gefüllt waren. Der Elektro- Deionisationsstapel wurde dann durch Hindurchführen von zu reinigendem Wasser mit einer Strömungsrate von ungefähr 0,8 gpm durch die Verdünnungskompartimente, Hindurchführen von Wasser durch die Konzentrations- und Elektrodenkompartimente mit einer Strömungsrate von ungefähr 0,2 gpm und Anlegen eines Stromes von ungefähr 1 A regeneriert. Die Strömungsrate zu den Verdünnungskompartimenten wurde auf ein Ziel von ungefähr 1,3 gpm gesteigert, der Strom auf 2,0 A erhöht und die Speiseleitfähigkeit betrug 3,09 uS/cm. Unter diesen Bedingungen ergab sich ein spezifischer elektrischer Widerstand des Produktwassers von 11,2 MΩcm im stationären Zustand.
Ein zweiter Versuch wurde durchgeführt, wobei die drei Verdünnungs- Kompartimente jeweils mit einer gemusterten gebundenen Anordnung von stark saurem und stark basischem Trocken-Diaion-Ionenaustauscherharz, in Natrium- und Chloridform, gefüllt waren. Das verwendete Muster bestand aus einer ersten kontinuierlichen Phase aus ungefähr 147 g trockenem, gebundenem Anionen-Austauscherharz, das 72 Stück 1,9 cm große zylindrische Gebiete aus einer zweiten dispergierten Phase aus ungefähr 123 g gebundenem Kationen-Austauscherhärz enthielt. Der Elektro-Deionisationsstapel wurde zunächst regeneriert durch Hindurchführen von zu reinigendem Wasser mit einer Strömungsrate von ungefähr 0,3 gpm durch die Verdünnungs-Kompartimente, Hindurchführen von Wasser durch die Konzentrations- und Elektroden-Kompartimente mit einer Strömungsrate von ungefähr 0,1 gpm und Anlegen eines Stromes von ungefähr 1 A. Die Strömungsrate zu den Verdünnungs-Kompartimenten wurde auf das Ziel von ungefähr 1,3 gpm gesteigert, der Strom auf 2,0 A erhöht und die Speiseleitfähigkeit betrug 2,74 uS/cm. Unter diesen Umständen ergab sich ein spezifischer elektrischer Widerstand des Produktwassers von 17,88 MΩcm im stationären Zustand.
Es versteht sich natürlich, dass Modifikationen an den Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung durchgeführt werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines porösen und permeablen Ionenaustauschers, bei dem eine Vorlage (Templat) mit einer planaren Deckplatte mit mehreren geformten, dünnwandigen Hohlelementen mit offenen oberen und unteren Enden, die davon nach unten herabhängen, über einem vorgesehenen Aufnahmebereich, positioniert wird und der Vorlage eine wässrige Aufschlämmung von einem von Kationen-Austauschermaterialteilchen oder Anionen-Austauschermaterialteilchen zugeführt wird, um eine kontinuierliche Phase der bzw. dieser Ionenaustauscher- Materialpartikel zu erhalten, und den mehreren geformten, dünnwandigen Hohlelementen eine wässrige Aufschlämmung von den anderen von Kationen- Austauschermaterialteilchen oder Anionen-Austauscher-Materialteilchen zugeführt wird, um mehrere in dispergierter Phase vorliegende Cluster dieser bzw. den anderen Ionenaustauscher-Materialteilchen zu erhalten.

2. Verfahren zur Herstellung eines porösen und permeablen Ionenaustauschers, bei dem man ein Array aus Abgabedüsen zur selektiven Abgabe einer wässrigen Aufschlämmung von Kationen-Austauscherharzteilchen oder Anionen- Austauscherharzteilchen über einem designierten Aufnahmebereich positioniert und dem designierten Aufnahmebereich eine wässrige Schlämmung Kationen- Austauscherharzteilchen oder Anionen-Austauscherharzteilchen zuführt, wobei man eine kontinuierliche Phase dieser Ionen-Austauscherharzteilchen erhält, und eine wässrige Schlämmung von Anionen-Austauscherharzteilchen bzw. Kationen- Austauscherharzteilchen in einem vorbestimmten Muster zuführt, wobei man mehrere in dispergierter diskontinuierlicher Phase vorliegende Cluster dieser (anderen) Ionenaustauscherharzteilchen erhält.

3. Verfahren zur Herstellung eines porösen und permeablen Ionenaustauschers, bei dem man mehrere geformte Cluster von Kationen-Austauscherharzteilchen oder Anionenaustauscherharzteilchen aus einem ersten Flächengebilde aus den (diesen) Harzteilchen ausstanzt oder abtrennt, wobei man eine kontinuierliche Phase der Ionenaustauscher-Harzteilchen mit mehreren darin enthaltenen Löchern erhält, mehrere identische Cluster der anderen (Art) von Kationen- Austauscherharzteilchen bzw. Anionen-Austauscherharzteilchen aus einem zweiten Flächengebilde aus den bzw. diesen Harzteilchen ausstanzt oder abgetrennt und die ausgestanzten Cluster der anderen Ionen- Austauscherharzteilchen (Kationen-Austauscherharzteilchen bzw. Anionen- Austauscherharzteilchen) in die Löcher des ersten Flächengebildes einpasst.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem man den Ionenaustauscher über einer Ionenaustauschermembran herstellt, so dass sich ein inniger Kontakt der dispergierten Phase von Ionenaustauscher-Harzteilchen mit der Membran ergibt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem man den Ionenaustauscher in einem Abstandhalterrahmen herstellt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem man den Ionenaustauscher in einer Einspannvorrichtung oder Montagegestell über einer Folie aus Trägerkunststoff zum Transfer zu einem Abstandhalterrahmen herstellt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem man den Ionenaustauscher in dem Abstandhalterrahmen einfriert.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem man den Ionenaustauscher in der Einspannvorrichtung oder dem Gestell zum Transfer des Ionenaustauschers zu einem Abstandhalterrahmen (spacer frame) einfriert.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man eine geformte Netzvorform mit einer Maschengröße, die kleiner als die Teilchengröße ist, in die Hohlelemente einsetzt.

10. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem man an den diskreten, in diskontinuierlicher Phase vorliegenden Clustern eine geformte Netzform mit einer Maschengröße, die kleiner als die durchschnittliche Größe der Harzteilchen ist, anordnet.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die geformte Vorform die Form eines geraden Zylinders, eines geraden Rechtecks, eines geraden Sechsecks oder eines geraden Mehrfacettenprismas aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem man mehrere geformte Netzvorformen mit einer Maschengröße, die kleiner als die durchschnittliche Größe der Harzteilchen ist, in dem Aufnahmebereich anordnet, welcher die kontinuierliche Phase der Ionen-Austauscherharzteilchen bestimmt.

13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem man im Aufnahmebereich selektiv ein Wabennetz vorsieht, zum Einbau in mindestens einen von - in dispergierter Phase vorliegenden - Cluster oder die kontinuierliche Phase.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 9-13, bei dem man den Ionenaustauscher zum Transport einfriert.

15. Poröser und permeabler Ionenaustauscher hergestellt bzw. herstellbar nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Kationen- Austauscherharzteilchen und Anionen-Austauscherharzteilchen zur Verwendung bei der Deionisation einer wässrigen Flüssigkeit mit einer porösen und permeablen kontinuierlichen Phase von entweder Kationen- Austauscherharzteilchen oder Anionen-Austauscherharzteüchen und einer porösen und permeablen dispergierten Phase von Clustern der anderen Art von entweder Anionen-Austauscherharzteilchen oder Kationen- Austauscherharzteilchen in der kontinuierlichen Phase, wobei der Ionenaustauscher die Form eines flachen Betts mit gegenüberliegenden planaren Bettoberflächen aufweist und die in dispergierter Phase vorliegenden Cluster an mindestens eine der planaren Bettoberflächen angrenzen.

16. Ionenaustauscher nach Anspruch 15, in dem die in dispergierter Phase vorliegenden Cluster sich durch das flache Bett erstrecken und an die gegenüberliegenden planaren Bettoberflächen des Betts angrenzen.

17. Ionenaustauscher nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Cluster flache Zylinder oder Ellipsen sind.

18. Ionenaustauscher nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Cluster langgestreckte Zylinder oder Ellipsen sind.

19. Ionenaustauscher nach Anspruch 15 oder 16, in dem die Cluster transversal mehrfacettig (multi-facetted) sind.

20. Anionen-Austauscher (Ein Ionenaustauscher) nach Anspruch 15 oder 16, in dem die Cluster die Form eines geraden Zylinders, eines geraden Rechtecks, eines geraden Sechsecks oder eines geraden Mehrfacettenprismas aufweisen.

21. Ionenaustauscher nach Anspruch 16, in dem die Kationen- Austauscherharzteilchen und die Anionen-Austauscherharzteilchen durch ein polymeres Bindemittel zu einem kohäsiven Bett gebunden sind.

22. Ionenaustauscher nach den Ansprüchen 16-21, in dem die in dispergierter Phase vorliegenden Cluster und/oder die kontinuierliche Phase ein oder mehrere geformte Netzvorformen eingebettet aufweisen, die eine Maschengröße aufweisen, die kleiner als die durchschnittliche Größe der Harzteilchen ist, und die Vorformen die Form eines geraden Zylinders, eines geraden Rechtecks, eines geraden Sechsecks oder eines geraden Mehrfacettenprismas aufweisen.

23. Ionenaustauscher nach den Ansprüchen 16-21, in dem die in dispergierter Phase vorliegenden Cluster oder/und die kontinuierliche Phase ein Wabennetz mit einer Maschengröße, die kleiner als die durchschnittliche Größe der Harzteilchen ist, eingebettet haben.

24. Ionenaustauscher nach Anspruch 23, in dem das Wabennetz eine Zellenbreite aufweist, die kleiner als die Breite oder der Durchmesser der in dispergierter Phase vorliegenden Cluster ist.

25. Vorrichtung zur Entsalzung (Demineralisierung) einer wässrigen Flüssigkeit mit einem Entsalzungskompartiment mit einer Kationen-Austauschermembran auf einer Seite des Kompartiments und einer Anionen-Austauschermembran auf der anderen Seite des Kompartiments, wobei das Kompartiment mit einem porösen und permeablen Bett einer kontinuierlichen Phase einer (ersten) Art von Ionen- Austauscherharzteilchen (Kationen-Austauscherharzteilchen oder Anionen- Austauscherharzteilchen) und einer porösen und permeablen dispergierten Phase von Clustern der anderen Art von Ionenaustauscherharzteilchen (Kationen- Austauscherharzteilchen oder Anionen-Austauscherharzteüchen) in der kontinuierlichen Phase nach einem der Ansprüche 15 bis 24 gefüllt ist.

26. Vorrichtung zur Entsalzung (Demineralisierung) einer wässrigen Flüssigkeit, mit einem Anodenkompartiment mit einer Anode und einem Kathodenkompartiment mit einer Kathode, mit mehreren Kationen-Austauschermembranen und Anionen- Austauschermembranen, die zwischen dem Anodenkompartiment und dem Kathodenkompartiment alternierend angeordnet sind, um Entsalzungskompartimente zu bilden, die jeweils anodenseitig durch eine Anionen-Austauschermembran und kathodenseitig durch eine Kationen- Austauschermembran bestimmt oder festgelegt werden, und Konzentrations- Kompartimente, die jeweils anodenseitig durch eine Kationen- Austauschermembran und kathodenseitig durch eine Anionen- Austauschermembran bestimmt oder festgelegt werden, zu bilden, wobei die Demineralisierungs- bzw. Entsalzungskompartimente mit einem porösen und permeablen Jonenaustauscher nach einem der Ansprüche 15 bis 24 gefüllt sind.

27. Verfahren zur Entsalzung (Demineralisierung) von Wasser in einer Vorrichtung mit einem Anodenkompartiment mit einer Anode und einem Kathodenkompartiment mit einer Kathode, mit mehreren Kationen- Austauschermembranen und Anionen-Austauschermembranen, die zwischen dem Anoden-Kompartiment und dem Kathoden-Kompartiment abwechselnd angeordnet sind, zur Bildung von Entsalzungskompartimenten, die jeweils anodenseitig durch eine Anionen-Austauschermembran und kathodenseitig durch eine Kationen-Austauschermembran begrenzt oder festgelegt werden, und Konzentrations-Kompartimenten, die jeweils anodenseitig durch eine Kationen- Austauschermembran und kathodenseitig durch eine Anionen- Austauschermembran begrenzt oder festgelegt werden, wobei die Demineralisierung- bzw. Entsalzungskompartimente mit einem porösen und permeablen Ionenaustauscher nach einem der Ansprüche 15 bis 24 gefüllt sind, bei welchem Verfahren den Entsalzungs-Kompartimenten zu entsalzendes Wasser zugeführt, zwischen der Kathode und der Anode ein elektrischer Strom durchgeleitet und aus der Vorrichtung demineralisiertes bzw. entsalztes Wasser entnommen wird.