Einfach- und Mehrfachelektrolysezellen sowie Anordnun¬ gen davon zur Entionisierung von wässrigen Medien

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrochemische Zelle gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von An¬ spruch 1 , auf Mehrfachelektrolysezellen sowie auf An¬ ordnungen von Einfach- und Mehrfachelektrolysezellen.

Für die Entionisierung von wäßrigen Lösungen, insbeson¬ dere bei der Herstellung von Reinstwasser, sind heute Elektrodialysezellen mit Mischbett-Technik in Gebrauch. Dabei ist eine Elektrodialyseeinheit gemäß der euro- päischen Patentanmeldung 0 170 895 so konzipiert, daß zwischen Kathode und Anode Kanäle ausgebildet sind, die voneinander durch kationen- und anionenper eable Mem¬ branen getrennt sind. Die jeweils an den beiden seitli¬ chen Enden der Zelle angeordneten Elektrodenräume sind als Soleräume ausgebildet, die einen Solestrom führen. Auf beide Solekanäle folgt zum Inneren der Zelle hin jeweils ein mit Ionenaustauscher gefüllter Raum, die ein Mischbett aus sowohl Anionen- als auch Kationenaus¬ tauscherharz enthalten. Beide Harzkanäle werden wie- derum durch einen in der Mitte der Elektrodialyseein¬ heit angeordneten Solekanal voneinander getrennt (vgl. auch GIT Fachz. Lab. 3/94, S. 190-198). Eine solche Elektrodialysezelle läßt sich erweitern, indem zwischen den als Soleräumen ausgebildeten Elektrodenräumen weitere Harz- und Solekanäle in alternierender Folge zwischengeschaltet

werden .

Derartige mit Mischharzen gefüllte Elektrodialysezellen haben jedoch den Nachteil, daß eine elektrochemische Regeneration des Ionenaustauscherbettes nur gewährlei¬ stet ist, wenn Wasser in Protonen und Hydroxylionen dissoziiert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrochemische Zelle zu schaffen, die durch das angelegte elektrische Feld und den angelegten elektrischen Strom direkt kon¬ trolliert und geregelt werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, Mehrfachelektrolysezellen sowie Anordnungen von Einfach- und Mehrfachelektrolysezellen zu schaffen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Elektrodenräume mit Ionenaustauscherma¬ terial gefüllt sind, und zwar der Kathodenraum mit Anionenaustauscher und der Anodenraum mit Kationenaus¬ tauscher, und daß sich die Elektroden in direktem Kon¬ takt mit den Anionen- bzw. Kationenaustauscherharz- betten befinden, und daß weiterhin der Soleraum unmit¬ telbar an die Elektrodenräume angrenzt. Dies hat zur Folge, daß die zur Regeneration der Harzbetten nötigen H ⁺ - bzw. OH ^~ -Ionen direkt im Harzbett erzeugt werden und dadurch den entsprechenden Ionenaustauscher regene¬ rieren, was einen kontinuierlichen Betrieb der Zelle ermöglicht und eine elektrochemische Regeneration der Harzbetten vom Eingang bis Ausgang der Harzkammern be¬ wirkt. Die Regeneration und der stationäre Beladungszu¬ stand des Harzes kann bei der erfindungsgemäßen Zelle durch Variation der angelegten Stromdichte kontrolliert und geregelt werden. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Zelle durch den vereinfachten Zellaufbau mit nur weni-

gen Zellräumen und nur wenigen Membranen sehr bedie- nungs- und wartungsfreundlich.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zelle be- steht darin, daß durch die Entwicklung oxidativer Gase an den Anoden direkt im Hauptstrom des zu behandelnden Wassers eine mögliche Keimbildung im Harzbett und im Reinstwasser vermieden oder vermindert wird.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zelle be¬ steht darin, daß durch Umsetzung von gelöstem Sauer¬ stoff an den Kathoden Anionenaustauscherharze, insbe¬ sondere solche mit guarternären Trimethylammoniumgrup- pen gegen oxidativen Abbau geschützt werden. Der ent- stehende Wasserstoff an den Kathoden verstärkt diese Wirkung noch.

Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle kann wei¬ terhin zu einer Mehrfachelektrolysezelle ausgebaut wer- den, indem mindestens zwei der Zellen derart nebenein¬ ander angeordnet werden, daß gleichen Elektroden zuge¬ ordnete Elektrodenräume nebeneinander liegen und eine gemeinsame Elektrode besitzen oder daß unterschiedli¬ chen Elektroden zugeordnete Elektrodenräume nebeneinan- der liegen und diese durch eine bipolare Membran oder eine bipolare Elektrode voneinander getrennt sind. Der¬ art aufgebaute Mehrfachelektrolysezellen sind insbeson¬ dere von Vorteil für eine effektive Nutzung der Elek¬ troden. Es kann allein durch Hinzufügen einer Elektrode und zweier Ionenaustauschermembranen die Kapazität der Zelle verdoppelt werden. Durch den Aufbau von Mehrfach¬ elektrolysezellen wird ebenfalls die örtliche Strom¬ dichte über die Kammerlänge konstanter gehalten. Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Mehrfach- elektrolysezellen, die aus einer beliebigen Kombination

von Zellen mit Elektrodenräumen, die eine gemeinsame Elektrode besitzen, und solchen, die durch eine bipo¬ lare Membran oder eine bipolare Elektrode voneinander getrennt sind, bestehen.

Weiterhin können die erfindungsgemäßen Einfach- oder Mehrfachelektrolysezellen in beliebiger Kombination in Serie hintereinandergeschaltet werden. Derartige Schal¬ tungen haben die vorteilhafte Wirkung, daß in den ver- schiedenen Zellen unterschiedliche Stromdichten ange¬ legt werden können, so daß beide Zellen jeweils unter der Grenzstromdichte betrieben werden können. Dadurch ist eine verbesserte Stromausbeute des Systems gegeben.

Ein weiterer Vorteil von in Serie geschalteten

Mehrfachelektrolysezellen besteht darin, daß zwischen den Zellen ein solcher räumlicher Abstand aufgebaut werden kann, daß die Teilentionisierung in einer Zen¬ tralstation und die Vollentionisierung zu Reinstwasser nahe am Endverbraucher durchgeführt wird.

Wenn zudem die Solezuführung im Hinblick auf die mit¬ einander kombinierten Elektrolysezellen im Gegenstrom zu der durch Ionenaustausch zu behandelnden Lösung er- folgt, führt dies außerdem zu der vorteilhaf en Wir¬ kung, daß durch Verminderung der Rückdiffusion in der zweiten Elektrolysezelle die Reinstwasserqualität ver¬ bessert wird.

Vorzugsweise wird desweiteren die Solezuführung vom Zu¬ lauf für die durch Ionenaustausch zu behandelnde Lösung abgezweigt. Dies hat den Vorteil, daß der Solestrom nach dem Durchströmen der Soleräume wieder der zu be¬ handelnden Lösung in einer Vorbehandlungsstufe zuge- führt werden kann und damit die Entstehung von Soleab-

wasser vermieden wird.

Zusätzlich werden die den Solestrom führenden Soleräume der erfindungsgemäßen Zellen mit netzartigem Spacer und/oder mit Ionenaustaustauscherharz(en) gefüllt, wo¬ bei das Ionenaustauscherharz sowohl Anionenaustauscher- als auch Kationenaustauscherharz oder auch ein Mischung von beiden sein kann. Durch die Harzfüllung wird die Ionenleitfähigkeit im Soleraum erhöht und dadurch die Gesamtzellspannung wesentlich vermindert. Nach Beendi¬ gung des Deionisationsprozesses kann der Solestrom dann in eine Vorbehandlungsstufe zurückgeführt werden, z.B. auf den Eingang einer vorgeschalteten Umkehrosmose, so daß letztendlich nur entionisiertes Medium entsteht und das Verhältnis von Reinstwasser zu Rohwasser verbessert wird.

Eine weitere vorteilhalfte Ausgestaltung der erfin¬ dungsgemäßen Zellen ist, daß die Membranen, die die So- leräu e von den Elektrodenräumen trennen, Anionenaus- tauscher- und Kationenaustauschermembrane sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeich¬ nungen schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert:

Figur 1 zeigt eine einfache elektrochemische Zelle, bei der der Kathodenraum 1 mit Anionenaustauscher und der Anodenraum 3 mit Kationenaustauscher gefüllt ist. An Kathodenraum 1 und Anodenraum 3 grenzt unmittelbar der Soleraum 2 an, der von den beiden Elektrodenräumen durch die Anionenaustauschermembran 4 und die Kationen¬ austauschermembran 5 getrennt ist. Über den Zulauf 6 wird die zu behandelnde Lösung zunächst durch den Ka- thodenraum 1 über den dort enthaltenden Anionenaustau-

scher und anschließend durch den Anodenraum 3 über den dort enthaltenden Kationenaustauscher geleitet. Das entionisierte Medium wird schließlich über den Ablauf 7 abgeführt. Vom Zulauf 6 des Hauptstroms zweigt die So¬ lezuführung 8 ab, über die der Solestrom durch den So¬ leraum 2 geleitet wird. Dort nimmt der Solestrom die durch die Membranen 4 und 5 durchtretenden Anionen bzw. Kationen auf, die anschließend mit dem Solestrom über die Ableitung 9 abgeführt werden.

In Figur 2 sind 2 Zellen der in Figur 1 gezeigten Zelle so nebeneinander angeordnet, daß zwei Anodenräume nebeneinander liegen und eine gemeinsame Anode besitzen. Der dadurch entstandene Anodenraum 3 wird von den beiden Kathodenräumen 1,1' durch die beiden

Soleräume 2,2' getrennt, wobei die Räume untereinander wiederum durch die Anionenaustauschermembranen 4, 4' und die Kationenaustauschermembranen 5, 5' abgegrenzt werden. Weiterhin ist beispielhaft skizziert, wie Haupt- und Solestrom durch eine solche

Mehrfachelektrolysezelle geleitet werden können: Im dargestellten Fall wird über den Zulauf 6 die zu behandelnde Lösung im Gleichstrom zunächst durch beide Kathodenräume 1, 1' geleitet. Beide Teilströme werden anschließend wieder zu einem Hauptstrom zusammengeführt, der im Anodenraum 3 weiter deionisiert und schließlich über den Ablauf 7 abgeleitet wird. Der vom Zulauf 6 des Hauptstroms über die Zuführung 8 abgezweigte Solestrom wird zunächst durch den Soleraum 2 und anschließend durch den Soleraum 2' ge¬ leitet, so daß der Durchfluß dieses Stromes im Hinblick auf den Hauptstrom sowohl im Gleich- als auch im Gegen¬ strom erfolgt.

Die in Figur 2 gezeigte Mehrfachelektrolysezelle kann

je nach Bedarf weiter ausgebaut werden, indem eine oder mehrere der in Figur 1 dargestellten Zelle so zugefügt werden, daß weitere, gleichen Elektroden zugeordnete Elektrodenräume nebeneinander liegen und eine gemein- same Elektrode besitzen, so daß Kathoden- und Anoden¬ raum in alternierender Weise aufeinanderfolgen und je¬ weils durch Soleräume voneinander getrennt werden.

Die in Figur 3 dargestellte Mehrfachelektrolysezelle unterscheidet sich von der in Figur 2 gezeigten Zelle insofern, als dort zwei Zellen gemäß Figur 1 so neben¬ einander angeordnet sind, daß an den Anodenraum 3 di¬ rekt der Kathodenraum 1' der angefügten Zelle an¬ schließt, wobei beide Räume durch eine bipolare Membran 10 oder eine bipolare Elektrode 10 voneinander abge¬ grenzt sind. Auch in dieser Zeichnung ist beispielhaft der Durchfluß von Haupt- und Solestrom durch die ein¬ zelnen Räume der Zelle skizziert: Im hier dargestellten Fall erfolgt die Leitung der Ströme durch die Kammern der Zelle in alternierender Weise.

Auch die in Figur 3 dargestellte Mehrfachelektrolyse¬ zelle kann weiter ausgebaut werden, indem ein oder meh¬ rere weitere Zellen gemäß Figur 1 in entsprechender Weise zugefügt werden.

Desweiteren können Zellen gemäß Figur 1 sowohl nach dem in Figur 2 als auch in Figur 3 dargestellten Prinzip aneinandergefügt werden, so daß Mehrfachelektrolysezel- len entstehen, in denen sowohl gleichen Elektroden zu¬ geordnete Elektrodenräume mit gemeinsamer Elektrode als auch unterschiedlichen Elektroden zugeordnete Elektro¬ denräume, die durch ein bipolares Element voneinander getrennt sind, nebeneinander liegen.

In Figur 4 sind 2 der in Figur 2 dargestellten Zellen hintereinander geschaltet. Dabei wird der Hauptstrom der zu behandelnden Lösung zunächst durch die Zelle I wie bereits in Figur 2 dargestellt und oben beschrieben geleitet. Nach Deionisierung des Mediums im Anoden¬ raum 3 wird der Strom zur Zelle II geleitet und durch¬ strömt diese in gleicher Weise wie Zelle I . Die Solezu¬ führung erfolgt dagegen im Hinblick auf die beiden mit¬ einander kombinierten Zellen im Gegenstrom zum Haupt- ström, d.h. der vom Hauptstrom abgezweigte Solestrom wird zunächst zur Zelle II geleitet. Dort durchströmt der Solestrom die beiden Soleräume 2 und 2 ' im Gleich¬ strom, wird danach der Zelle I zugeleitet und durch¬ strömt dort ebenfalls die beiden Soleräume im Gleich- ström. Bei einer konkreten Ausführung gemäß Figur 4 be¬ trug der Hauptstrom 6 durch die Zellen I und II 130 1/h. Die Leitfähigkeit am Eingang betrug etwa 30 με/cm, am Ausgang der Zelle I 0,8 - 0,5 μs/cm und am Ausgang 7 der Zelle II 0,055 μs/cm (25°C). Der Sole- ström 8 betrug etwa 10 1/h mit einer Leitfähigkeit von ca. 150 μs/cm. Dieser Teilstrom kann über eine vorge¬ schaltete UO-Anlage wieder in den Prozess zurückgeführt werden. Die an die Zellen I und II angelegten elektri¬ schen Ströme betrugen 5 und 1 Ampere bei Harzvolumina von 0,8 1 für Anionen- und Kationenharz pro Zelle.

In den Figuren 5 und 6 sind weitere Möglichkeiten der Hauptströmungsführung durch hintereinandergeschaltete Zellen dargestellt, wobei der Hauptstrom gemäß Figur 5 über den Kathodenraum und gemäß Figur 6 über den An¬ odenraum zugeleitet wird. Selbstverständlich sind die dargestellten Hauptströmungsführungen durch die hinter- einandergeschalteten Zellen in beliebiger Weise ko binierbar.