DE69737481T2

DE69737481T2 - Vorrichtung und methode zur elektrodeionisierung

Info

Publication number: DE69737481T2
Application number: DE69737481T
Authority: DE
Inventors: Gary C. Lexington Ganzi; Felice Rocky Hill DIMASCIO; Anthony J. North Andover GIUFFRIDA; Frederick Pepperell Wilkins; Paul Springthorpe
Original assignee: USFilter Corp; United States Filter Corp
Current assignee: Siemens Water Technologies Holding Corp
Priority date: 1996-09-23
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: EP0946301A1; US5858191A; US5868915A; DE69737481D1; EP0946301B1; WO1998011987A1; JP2001500783A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektroentionisierungsvorrichtung und ein Elektroentionisierungsverfahren und insbesondere auf eine Elektroentionisierungsvorrichtung und ein Elektroentionisierungsverfahren, die ein spezialisiertes elektrochemisch aktives Mittel inkorporieren, um einem chemischen Angriff, Temperaturdegradation und Verschmutzung gegenüber beständig zu sein, während die Verteilung von elektrischem Strom und die Entionisierungsleistung verbessert werden.
Beschreibung verwandter Techniken
Die Elektroentionisierung (EDI) ist ein Prozess, der unter Verwendung von elektrisch aktiven Mitteln und einem elektrischen Potential zur Beeinflussung des Ionentransports ionisierbare Spezies aus Flüssigkeiten entfernt. Die elektrisch aktiven Mittel können dazu dienen, alternierend ionisierbare Spezies zu sammeln und abzugeben oder den Transport von Ionen durch ionische oder elektronische Substitutionsmechanismen kontinuierlich zu erleichtern. EDI-Geräte können Mittel mit dauerhafter oder temporärer Ladung beinhalten und können periodisch, diskontinuierlich oder kontinuierlich betrieben werden. EDI-Geräte können betrieben werden, um elektrochemische Reaktionen zu bewirken, die spezifisch ausgestaltet sind, um Leistung zu erzielen oder aufzuwerten, und können elektrisch aktive Membranen wie zum Beispiel semipermeable Ionenaustausch- oder bipolare Membranen beinhalten.
Bei kontinuierlicher Elektroentionisierung (CEDI), die Prozesse wie etwa kontinuierliche Entionisierung, Elektrodialyse gefüllter Zellen oder Elektrodiarese (EDR) umfasst, sind die lonentransporteigenschaften der elektrisch aktiven Mittel die wichtigste Bemessungsgröße. Diese Prozesse werden zum Beispiel von Kollsman in US-Patent Nr. 2,815,320; Pearson in US-Patent Nr. 2,794,777; Kressman in US-Patent Nr. 2,923,674; Parsi in US-Patenten Nr. 3,149,061 und 3,291,713; Korngold et al. in US-Patent Nr. 3,686,089; Davis in US-Patent Nr. 4,032,452; US-Patent Nr. 3,869,376; O'Hare in US-Patent Nr. 4,465,573; Kunz in US-Patenten Nr. 4,636,296 und 4,687,561 und Giuffrida et al. in US-Patent Nr. 4,632,745 beschrieben.
Ein typisches CEDI-Gerät beinhaltet alternierende elektrochemisch aktive semipermeable Anionen- und Kationen-Ionenaustauschmembranen. Die Räume zwischen den Membranen sind konfiguriert, um Flüssigkeitsflusskammern mit Einlassöffnungen und Auslassöffnungen zu schaffen. Ein transversales elektrisches Gleichstromfeld wird von einer externen Stromquelle unter Verwendung von Elektroden an den Grenzen der Membranen und der Kammern auferlegt. Oft werden Elektrolytkammern bereitgestellt, so dass Reaktionsprodukte von den Elektroden von den anderen Flusskammern getrennt werden können. Durch das Auferlegen des elektrischen Feldes werden die Ionen in der Flüssigkeit von ihren jeweiligen Gegenelektroden angezogen. Die Kammern, die durch die der Anode gegenüberstehende elektrochemisch aktive Anionenmembran und die der Kathode gegenüberstehende elektrochemisch aktive Kationenmembran begrenzt sind, werden ionisch abgereichert, und die Kammern, die durch die der Kathode gegenüberstehende elektrochemisch aktive Anionenmembran und die der Anode gegenüberstehende elektrochemisch aktive Kationenmembran begrenzt sind, werden ionisch konzentriert. Das Volumen innerhalb der Ionendepletionskammern, und vorzugsweise innerhalb der Ionenkonzentrationskammern, beinhaltet ebenfalls elektrisch aktive Mittel. Bei kontinuierlichen Entionisierungsgeräten können die Mittel innig gemischte Anionen- und Kationenaustauschharze beinhalten. Das Ionenaustauschmittel wertet den Transport von Ionen innerhalb der Kammern auf und kann ebenfalls als ein Substrat für kontrollierte elektrochemische Reaktionen dienen. Die Konfiguration ist bei Elektrodiaresegeräten ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Mittel getrennte und manchmal alternierende Schichten von Ionenaustauschharz beinhalten. Bei diesen Geräten beinhaltet jede Schicht im Wesentlichen Harze der gleichen Polarität (entweder Anionen- oder Kationenharz), und die zu entionisierende Flüssigkeit fließt sequenziell durch die Schichten.
Eine Anzahl an CEDI-Geräten und -Prozessen ist erfolgreich kommerzialisiert worden, zum Beispiel wie von Giuffrida in US-Patent Nr. 4,298,442; Giuffrida et al. in US-Patent Nr. 4,632,745; Siu et al. in US-Patent Nr. 4,747,929; Palmer in US-Patent Nr. 4,804,451; Giuffrida et al. in US-Patent Nr. 4,925,541; Giuffrida in US-Patent Nr. 4,931,160 und 4,956,071; White in US-Patent Nr. 5,116,509; Oren et al. in US-Patent Nr. 5,154,809; Giuffrida et al. in US-Patent Nr. 5,211,823; und Ganzi et al. in US-Patenten Nr. 5,308,466 und 5,316,637 offenbart.
Zusätzlich dazu ist eine große Auswahl verschiedener Geräte in der Literatur beschrieben worden, einschließlich Walters et al., „Concentration of Radioactive Aqueous Wastes", Ind. Eng. Chem., Band 47, 1, S. 61-67 (1955); Sammon et al., „An Experimental Study of Electrodeionization and Its Application to the Treatment of Radioactive Wastes", AERE-R3137, Chemistry Division, U.K. AEA Research Group, Atomic Energy Research Establishment, Harwell (Juni 1960); Glueckauf, „Electrodeionization Through a Packed Bed", British Chemical Engineering, S. 646-651 (Dezember 1959); Matȇjka, „Continuous Production of High Purity Water by Electrodeionization", J. Appl. Chem. Biotechnol., Band 21, S. 117-120 (April 1971); Shaposhnik et al., „Demineralization of Water by Electrodialysis with Ion-Exchanger Packing Between the Membranes", Zhurnal Prikladnoi Khimii, Band 46, 12, S. 2659-2663 (Dezember 1973); Korngold, „Electrodialysis Processes Using Ion Exchange Resins Between Membranes", Desalination, Band 16, Nr. 2, S. 225-233 (1975); und Kedem et al., „Reduction of Polarization by Ion-Conduction Spacers", Desalination, Band 27, S. 143-156 (1978).
Es verbleibt ein Bedarf an Geräten und Prozessen mit verbesserter Zuverlässigkeit und der Fähigkeit, unter strengeren Bedingungen, mit reduziertem Stromverbrauch und einer reduzierten Membranfläche zu arbeiten. Der begrenzende Faktor bei der Anwendbarkeit von CEDI ist oftmals die Fähigkeit der elektrochemisch aktiven Mittel innerhalb des Geräts, den Temperaturbedingungen, chemischen Bedingungen und Verschmutzungsbedingungen der zu verarbeitenden Flüssigkeit zu widerstehen. Eine Schwierigkeit beim Spezifizieren derartiger elektrochemisch aktiver Mittel entsteht aus dem Bedarf, bei den meisten Anwendungen sowohl Anionen- als auch Kationenmittel innerhalb der Kammern und der Membranen zu inkorporieren. Die Bedingungen sind häufig relativ günstig für Mittel mit einer gegebenen festen Ladung, sind aber durch die Mittel mit Gegenladung begrenzt. Die Anwesenheit von Eisen in der zu verarbeitenden Flüssigkeit kann zum Beispiel zur Verschmutzung des Kationenaustauschharzes und der Kationenaustauschmembran führen, würde aber die Leistung des Anionenaustauschharzes oder der Anionenaustauschmembran nicht beeinflussen. Umgekehrt kann die Anwesenheit von hoher Temperatur, Chlor oder schwachen organischen Verbindungen mit einer mittleren relativen Molekülmasse zur Degradation, Oxidation oder Verschmutzung des Anionenaustauschharzes und der Anionenaustauschmembran führen, würde aber die Leistung des Kationenaustauschharzes oder der Kationenaustauschmembran nicht beeinflussen. In anderen Fällen ist die Leistung von CEDI durch die Schwierigkeit des Bereitstellens eines wirksamen Reinigungsprogramms beschränkt, wenn ein Gerät verschmutzt oder mit Niederschlag bedeckt wird. Strategien zum Reinigen umfassen Verfahren zum Einführen von Reinigungschemikalien in das Gerät, wie zum Beispiel von Giuffrida et al. in US-Patent Nr. 4,753,681 offenbart ist. Diese Strategie ist oftmals durch die chemische oder Temperaturbeständigkeit einer der elektrochemisch aktiven Bestandteile des Geräts beschränkt. In anderen Fällen ist keine Reinigungschemikalie vorhanden, die für das vollständige Entfernen eines Schmutzstoffes aus dem aktiven Mittel wirksam ist (eine Grundursache ist die übliche Gepflogenheit des Inkorporierens eines Mittels mit einer dauerhaften ionischen Ladung). Auf unabhängige Art und Weise oder in Kombination mit chemischem Reinigen umfassen andere entschmutzende und Niederschlag entfernende Strategien die Gepflogenheit des Umkehrens der Polarität der externen Stromquelle, wie zum Beispiel von Giuffrida et al. in US-Patent Nr. 4,956,071 und Katz et al. in US-Patent Nr. 5,026,465 beschrieben. Obwohl sie mitunter wirksam ist, ist diese Gepflogenheit ebenfalls durch die Angliederung eines chemikalienbeständigen Mittels mit Kältebeständigkeit oder eines Mittels von dauerhafter fester Ladung beschränkt.
Die Leistung von CEDI kann weiterhin durch die Schwierigkeit beim Erhalten der gewünschten Verteilung des elektrischen Stroms mit dem Gerät beschränkt werden. Elektrochemisch aktive Mittel mit einer dauerhaften Ladung können ihre Eigenschaften des elektrischen Widerstands abhängig von ihrer ionischen Form auf unerwünschte Art und Weise ändern. Bei der Ionensubstitution von Natrium durch Wasserstoffionen während der EDR werden zum Beispiel die meisten Kationenaustauschharze vorzugsweise Wasserstoffionen anstatt des gewünschten Transports von Natriumionen transportieren. Dies führt zu elektrischer Ineffizienz und kann unter bestimmten Umständen pH-Wert-Verschiebungen bewirken, die gegenüber wertvollen Produkten innerhalb der Flüssigkeit schädlich sind. In einem anderen Beispiel kann ein gegebenes elektrochemisch aktives Mittel wünschenswert für Transporteigenschaften sein, wie etwa die Anionenmembran und -harze des Typs II zur kontinuierlichen Entionisierung und EDR, kann jedoch die unerwünschten Eigenschaften des Katalysierens der Ionisierungsreaktion von Wasser zu Wasserstoff und Hydroxidionen aufweisen.
Des Weiteren kann die Anwesenheit von Gasen, schlechter Flussverteilung, niedriger Temperatur und/oder Flüssigkeiten mit einer niedrigen Leitfähigkeit innerhalb der Elektrolytenkammern für die Verteilung des elektrischen Stroms schädlich sein, wodurch die Effizienz der Entionisierung reduziert wird. Als Ergebnis der Oxidations- oder Reduktionsbedingungen, die innerhalb der Elektrolytenkammern üblich sind, können jedoch elektrochemisch aktive Standardmittel wie etwa Ionenaustauschharze oder Aktivkohle (z.B. Kohlenstoffe, die vorbereitet werden, indem Kohle zu einem kleinen unregelmäßigen Granulat, das einen Grenzflächenbereich in der Größenordnung von ungefähr 10 m²/g aufweist und bis zu 20 % Aschenverunreinigung enthält, pyrolysiert wird) aufgrund ihrer beschränkten chemischen Beständigkeit nicht innerhalb der Elektrolytenkammern inkorporiert werden.
Bei elektrochemischem Ionenaustausch (EIX) und kapazitiver Entionisierung (CapDI) sind sowohl Transport als auch Kapazität der elektrochemisch aktiven Mittel wichtige Bemessungsgrößen. Beim EIX produzieren die Elektrodenreaktionen Ionen, die für ionische Substitutionsreaktionen innerhalb der elektrochemisch aktiven Mittel verwendet werden. Typische EIX-Geräte, wie zum Beispiel von Hobro et al. in „Recycling of Chromium from Metal Finishing Waste Waters Using Electrochemical Ion Exchange," Electrochemical Society, Symposium an Water Purification, PV94-19, S. 173-183 (1994) beschrieben, können Ionenaustauschmembranen beinhalten oder nicht. Ähnlich den CEDI-Prozessen ist die Leistung der EIX-Geräte oftmals durch die Verwendung von dauerhaft geladenen Mitteln, Mitteln mit einer begrenzten Temperatur- und/oder einer beschränkten chemischen Beständigkeit und/oder Mitteln mit unerwünschten Ionentransporteigenschaften beschränkt. Bei der CapDI werden Elektroden mit einem großen Oberflächenbereich, die gewöhnlich Kohleelektroden sind, zum Adsorbieren von Ionen beim Auferlegen der Polarität und dann zum Desorbieren von Ionen beim Entfernen oder Umkehren des elektrischen Feldes, verwendet. Wie bei anderen Prozessen können typische CapDI-Geräte ebenfalls durch die Verwendung von Elektroden mit einer niedrigen chemischen Beständigkeit oder durch Beschränkungen der Mittel beschränkt werden, um ebenso gut oder auf die gewünschte Art und Weise bei der Verwendung als sowohl Kationen- als auch Anionenadsorber oder als sowohl Ionenadsorber als auch -desorber zu wirken.
Deswegen bleibt ein Bedarf an einer verbesserten Elektroentionisierungsvorrichtung bestehen, die ein elektrochemisch aktives Mittel bereitstellt, das einem chemischen Angriff, Temperaturdegradation und Verschmutzung gegenüber resistent ist. Zusätzlich dazu verbleibt ein Bedarf an einer Elektroentionisierungsvorrichtung mit einer verbesserten Verteilung des elektrischen Stroms und einer verbesserten Entionisierungsleistung. Das elektrochemisch aktive Mittel sollte bei der Anwesenheit von dauerhaft geladenen Mitteln, verschiedenen chemischen oder elektrochemisch induzierten Umgebungen und/oder der Anwesenheit, Abwesenheit oder Umkehrung eines extern auferlegten elektrischen Feldes die Fähigkeit aufweisen, seine Ladung und Transporteigenschaften zu ändern. Zudem besteht ein Bedarf an einer Entionisierungsvorrichtung, die elektrochemische Wasserspaltung in Abhängigkeit ihrer chemischen Umgebung fördert oder beschränkt. Schließlich besteht ein Bedarf an der Bereitstellung verbesserter Verfahren zum Betrieb einer Elektroentionisierungsvorrichtung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Elektroentionisierungsvorrichtung, die Folgendes beinhaltet:
eine Ionenkonzentrationskammer,
eine Ionendepletionskammer,
eine Anolytkammer und
eine Katholytkammer und
ein elektrochemisch aktives Mittel, das in mindestens einer von der Ionenkonzentrations- und Ionendepletionskammer positioniert ist, wobei das elektrochemisch aktive Mittel Anionenharzmaterial mit funktionellen quaternären Ammoniumgruppen des Typs I in Kombination mit Anionenharzmaterial, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Anionenharzmaterial mit Schwache-Base-Gruppen, Anionenharzmaterial mit funktionellen Dimethylethanolamingruppen des Typs II und Mischungen daraus, beinhaltet und wobei das elektrochemisch aktive Mittel mit Anionenaustauschharzkügelchen und Kationenaustauschharzkügelchen gemischt ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Reinigen einer Flüssigkeit in einer Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 3.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Elektroentionisierungsvorrichtung, die Elektrolytkammern, eine Ionenkonzentrations- und Ionendepletionskammer umfasst, wobei ein mindestens innerhalb einer Kammer positioniertes elektrochemisch aktive Mittel chemikalien-, temperatur- und verschmutzungsbeständige, synthetische, kohlenstoffhaltige Adsorptionsmittel beinhaltet, die eine kohlenstoffhaltige künstliche Kohle mit katalytischen Eigenschaften, weniger als 0,5 % Aschenverunreinigungen und einem mittleren Partikeldurchmesser zwischen ungefähr 0,5 und 1,0 mm sind.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Elektroentionisierungsvorrichtung bereitgestellt, die Elektrolytkammern, eine Ionenkonzentrations- und eine Ionendepletionskammer umfasst, wobei ein elektrochemisch aktives Mittel, das innerhalb mindestens einer Kammer positioniert ist, chemisch, temperatur- und verschmutzungsbeständige hypervernetzte Sorbentharze beinhaltet, die polymere Adsorbensharzkügelchen sind, die in einem angeschwollenen Zustand hypervernetzt sind.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Elektroentionisierungsvorrichtung bereitgestellt, die Elektrolytkammern, eine Ionenkonzentrations- und eine Ionendepletionskammer umfasst, wobei ein elektrochemisch aktives Mittel, das innerhalb mindestens einer Kammer positioniert ist, ein chemisch, temperatur-, und verschmutzungsbeständiges hypervernetztes Sorbentharz beinhaltet, das polymere Adsorbensharzkügelchen sind, die durch das Alkenbrückenbilden zwischen haloalkylierten porogenmodifizierten vernetzten Copolymerkügelchen vorbereitet werden, die Mikroporositäten in dem Bereich von etwa 0,2 und 0,5 cm³/g, Mesoporositäten von mindestens etwa 0,5 cm³/g und eine Gesamtporosität von mindestens etwa 1,5 cm³/g aufweisen.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Elektroentionisierungsvorrichtung bereitgestellt, die Elektrolytkammern, eine Ionenkonzentrations- und eine Ionendepletionskammer umfasst, wobei elektrochemisch aktive Mittel, die innerhalb mindestens einer Kammer positioniert sind, entweder innig mit herkömmlichen Ionenaustauschharzen gemischt sind oder in einem Schichtbett mit herkömmlichen Ionenaustauschharzen platziert sind.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Elektroentionisierungsvorrichtung bereitgestellt, die Elektrolytkammern, eine Ionenkonzentrations- und eine Ionendepletionskammer umfasst, wobei die Kammern durch semipermeable und permeable Membranen getrennt sind, wobei synthetische, kohlenstoffhaltige Adsorbenzien, hypervernetzte Sorbentharze, polymere Adsorbensharze und dergleichen elektrochemisch aktive Bestandteile der Membranen sind. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann eine Elektroentionisierungsvorrichtung unter den Bedingungen des zyklischen Durchlaufens chemisch gelöster Substanzen oder eines Temperaturwechsels und/oder dem zyklischen Durchlaufen oder der Umkehrung der Polarität eines elektrischen Felds betrieben werden.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Elektroentionisierungsvorrichtung bereitgestellt, die Elektrolytkammern, eine Ionenkonzentrations- und eine Ionendepletionskammer umfasst, wobei ein elektrochemisch aktives Mittel, das innerhalb mindestens einer Kammer positioniert ist, chemisch, temperatur- und verschmutzungsbeständige, synthetische, schwach ionisierte Ionenaustauschharze oder dergleichen beinhaltet.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Elektroentionisierungsvorrichtung bereitgestellt, die Elektrolytkammern, eine Ionenkonzentrations- und eine Ionendepletionskammer umfasst, wobei das elektrochemisch aktive Mittel, das innerhalb mindestens einer Kammer positioniert ist, chemisch, temperatur- und verschmutzungsbeständige, synthetische, schwach ionisierte Ionenaustauschharze und dergleichen beinhaltet, die entweder innig mit herkömmlichen Ionenaustauschharzen gemischt sind oder in einem Schichtbett mit herkömmlichen Ionenaustauschharzen platziert sind. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die schwach ionisierten Harze allein oder in Kombination mit stark ionisierten Ionenaustauschmembranbestandteilen (die die gleiche oder entgegengesetzte Ladung aufweisen) elektrochemisch aktive Bestandteile von semipermeablen und permeablen Membranen, die die Elektrolyt-, Ionenkonzentrations- und Ionendepletionskammern in der Elektroentionisierungsvorrichtung trennen. Die Elektroentionisierungsvorrichtung wird zyklisch betrieben, so dass entweder: (1) der pH-Wert der Flüssigkeit in Kontakt mit den schwach ionisierten Bestandteilen zyklisch geändert wird, so dass die schwach ionisierten Harze von der ionisierten Form zyklisch in die relativ nicht verschmutzende, nichtionisierte Form wechseln; (2) die Stärke und/oder Polarität des elektrischen Feldes modifiziert oder umgekehrt wird, um lokalisierte Wasserspaltungsreaktionen zu erzeugen, so dass die schwach ionisierten Harze aus der ionisierten Form zyklisch in die relativ nicht verschmutzende, nicht ionisierte Form wechseln; und/oder (3) die Flüssigkeit eine geladene gelöste Substanz, typischerweise mehrwertig oder von hoher Molekülmasse, beinhaltet, die mit den schwach ionisierten Harzen reagiert, um einen eng gebundenen Komplex zu bilden, der die ursprünglich feste Ladung des Harzes umkehrt, wobei ein betriebsfähiges, chemisch umkehrbares Harz mit halb fester Ladung geschaffen wird, das imstande ist, Ionen entgegengesetzter Polarität zu übertragen, die, basierend auf dem unbehandelten, ursprünglichen, schwach ionisierten Harz, normalerweise nicht übertragen werden würden, oder dies in Kombination auftritt.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Elektroentionisierungsvorrichtung bereitgestellt, die Elektrolytkammern, eine Ionenkonzentrations- und eine Ionendepletionskammer umfasst, wobei ein elektrochemisch aktives Mittel, das innerhalb mindestens einer Kammer positioniert ist, temperaturbeständiges, stark ionisiertes Ionenaustauschharz, wie zum Beispiel durch Tomoi et al. in US-Patent Nr. 5,518,627 offenbart oder ein lineares Polymer, das mit einem ringförmigen Molekül verbunden ist, das funktionelle Ionenaustauschgruppen beinhaltet, um Rotaxan zu bilden, wie zum Beispiel von Fauteux et al. in US-Patent Nr. 5,538,655 oder dergleichen offenbart, beinhaltet.
Alle Verbindungen und Permutationen der elektrochemisch aktiven Medien und Betriebsverfahren sind bei Bedarf für den Einsatz in verschiedenen Flüssigkeitsentionisierungsanwendungen erhältlich. Die Elektroentionisierungsvorrichtung und das Elektroentionisierungsverfahren der vorliegenden Erfindung können zum Beispiel auf Prozesse angewandt werden, die gegenwärtig aufgrund des Mangels an Niederschlags- und Verschmutzungsbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit, chemischer Beständigkeit oder elektrischer Wirksamkeit praktisch nicht möglich sind. Typische Anwendungen wären die Reinigung und Enthärtung von relativ unbehandeltem Trinkwasser, relativ unbehandeltem Brunnenwasser und Brackwasser, und Wasser, das Schmutzstoffe wie etwa Polyelektrolyten, Tannine, Lignine, Fulvinsäure und andere polare oder schwach ionisierte oder große, ionisierte organische Verbindungen, Schmutzstoffe wie etwa Eisen, Sulfid, Phosphate, Silicate und andere mehrwertige Ionen enthält. Andere Anwendungen wären bei der Behandlung und Verarbeitung von Nahrungsmitteln und Getränken, Zuckern und verschiedenen Zuckerfraktionierungen und chemischen Modifizierungen, Stärken, Milch und Milchnebenprodukten, Nebenprodukten aus der Käseherstellung wie etwa Molke, bei der Reinigung und Fraktionierung von Proteinen, Produkten aus verschiedenen Fermentationsprozessen wie etwa alkoholischen Getränken, pharmazeutischen Produkten und dergleichen, Prozessen in den chemischen, pharmazeutischen, Nahrungsmittel- und Getränkeindustrien, welche Ionensubstitutionen in der Anwesenheit von Schmutzstoffen und chemischen Oxidantien erfordern, gemischten chemisch gelösten Substanzen in niedrigradioaktiven Abfallströmungen, Abwasserströmungen, die Schwermetalle und organische Verbindungen enthalten, und Flüssigkeiten bei Industrien wie etwa den Nahrungsmittel- und Getränkeindustrien, den chemischen, pharmazeutischen, Strom- und chemischen Industrien, bei denen der Betrieb bei erhöhten Temperaturen erforderlich ist oder wo die Sterilisation oder die Hygienisierung durch Hitze oder chemische Oxidantien erforderlich ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte, nicht einschränkende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine schematische Schnittansicht durch eine Elektroentionisierungsvorrichtung ist, die spezialisierte, elektrochemisch aktive Mittel in einer Ionendepletions- und einer Ionenkonzentrationskammer der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung inkorporiert;
2 eine schematische Schnittansicht durch eine Elektroentionisierungsvorrichtung ist, die spezialisierte, elektrochemisch aktive Mittel in Elektrolytkammern der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung inkorporiert; und
3 eine schematische Schnittansicht durch eine Elektroentionisierungsvorrichtung ist, die spezialisierte, elektrochemisch aktive Mittel in Ionendepletions-, Ionenkonzentrations- und Elektrolytkammern der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung inkorporiert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Elektroentionisierungsvorrichtung und ein Elektroentionisierungsverfahren, die ein elektrochemisch aktives Mittel umfassen, das einem chemischen Angriff, Temperaturdegradation und Verschmutzung gegenüber beständig ist. Die Elektroentionisierungsvorrichtung weist eine verbesserte Verteilung des elektrischen Stroms und eine verbesserte Entionisierungsleistung auf und kann elektrochemische Wasserspaltung, abhängig von ihrer chemischen Umgebung, fördern oder beschränken. Das elektrochemisch aktive Mittel kann bei der Anwesenheit von dauerhaft geladenen Mitteln, verschiedenen chemischen oder elektrochemisch induzierten Umgebungen und/oder der Anwesenheit, Abwesenheit oder Umkehrung eines extern auferlegten elektrischen Feldes seine Ladungs- und Transporteigenschaften ändern. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann eine Elektroentionisierungsvorrichtung auf Technologien wie etwa kontinuierlicher Elektroentionisierung, Elektrodiarese, Elektrodialyse gefüllter Zellen, elektrochemischem Ionenaustausch, kapazitiver Entionisierung und dergleichen basieren. Zudem kann eine Elektroentionisierungsvorrichtung auf verschiedenen Konfigurationen wie etwa einer schraubenförmigen Ausgestaltung, wie zum Beispiel von Rychen et al. in US-Patent Nr. 5,376,253 offenbart, einer Platten- und Rahmenausgestaltung und einer kreisförmigen Ausgestaltung, die elektrisch inerte scheibenförmige Abstandhalter beinhaltet, die eine zentrale Nabe und eine obere und eine untere Oberfläche aufweisen, wie zum Beispiel von Lang et al. in US-Patent Nr. 5,292,422 offenbart, basieren.
Wie in einer Schnittansicht in 1 gezeigt, umfasst eine Ausführungsform einer Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Ionendepletionskammer 10 und eine Ionenkonzentrationskammer 12. Die Kammern umfassen ionenpermeable Membranen 13 und 14 und Abstandhalter (nicht gezeigt), die typischerweise aus einem unbiegsamen Material gebildet sind. Die ionenpermeablen Membranen 13 und 14 sind typischerweise an der Peripherie beider Seiten der Kammern abgedichtet. Ein spezialisiertes elektrochemisch aktives Mittel 15 wird innerhalb eines zentralen Raums aufgenommen, der typischerweise Stege (nicht gezeigt) umfasst, die zwischen den ionenpermeablen Membranen 13 und 14 gebildet sind. Im Betrieb wird eine zu reinigende Flüssigkeit durch mindestens eine Einheit in der Elektroentionisierungsvorrichtung geführt, die eine Ionendepletionskammer 10 und eine Ionenkonzentrationskammer 12 und Membranen 13 und 14 beinhaltet. Typischerweise sind zwischen 5 bis 100 derartige Einheiten in einer Elektroentionisierungsvorrichtung vorhanden, um eine adäquate Flüssigkeitsdurchflusskapazität bereitzustellen.
Das spezialisierte elektrochemisch aktive Mittel 15, das in der Ionendepletionskammer 10 und der Ionenkonzentrationskammer 12 benutzt wird, kann eine Menge an Anionenharzmaterialien umfassen, die in ihren Oberflächenbereichen Schwache-Base-Gruppen wie etwa tertiäre Alkylaminogruppen oder Anionenharzmaterialien, die funktionelle Dimethylethanolamingruppen des Typs II enthalten, aufweisen. Diese Materialien können auch in Kombination mit Harzmaterialien, die in ihren Oberflächenbereichen funktionelle Gruppen des Typs I (quaternäre Ammoniumgruppen) enthalten, verwendet werden. Wie von Simons in „The Origin and Elimination of Water Splitting in Ion Exchange Membranes During Water Demineralization by Electrodialysis", Desalination, 28 (1979) 41-42 offenbart, wird Wasser bei Stromwerten über dem Grenzstrom nur an den Grenzflächen zwischen Materialien mit Gegenladung dissoziiert, wo das Anionenmaterial Schwache-Base-Gruppen in den Oberflächenbereichen, wie etwa tertiäre Alkylaminogruppen, enthält. Diese Materialien sind im Handel erhältlich, zum Beispiel als DOWEX^TM WBA-Anionenharze (Marke von Dow Chemical Company, Midland, Michigan). Zusätzlich dazu können Anionenmaterialien, die funktionelle Gruppen des Typs II in den Oberflächenbereichen enthalten, zum Beispiel Dimethylethanolamin, mit oder anstatt Materialien mit Schwache-Base-Gruppen verwendet werden. Diese Materialien sind im Handel erhältlich, zum Beispiel als AMBERJET^TM 4600-Anionenharze des Typs II (Marke von Rohm & Haas Corporation, Philadelphia, Pennsylvania), und DOWEX^TM SAR-Anionenharze des Typs II (Marke von Dow Chemical Company, Midland, Michigan).
Wasserdissoziation findet nicht mit Anionenharzmaterialien, die funktionelle Gruppen des Typs I (quaternäre Ammoniumgruppen) in ihren Oberflächenbereichen enthalten statt, es sei denn, die quaternären Ammoniumgruppen werden wie folgt zu tertiären Alkylaminogruppen oxidiert:
Das tertiäre Alkylamin durchläuft dann eine Protonierungsreaktion,
Das R-CH₂N(CH₃)₂H⁺ wird dann zur Reaktion gebracht, wodurch tertiäres Alkylamin und Wasserstoffionen gebildet werden.
Die allgemeine Reaktion ist die Dissoziation von Wasser.
Deswegen sind Anionenharze wie etwa, aber nicht ausschließlich, DOWEX^TM MARATHON^TM A-, DOWEX^TM 11-, oder AMBERJET^TM 4200-Harze, die quaternäre Ammoniumgruppen enthalten, in einem Elektroentionisierungsgerät notwendig, da sie in Lösungen über den gesamten pH-Bereich dissoziieren können und neutrale Salze spalten und austauschen können. Die spezialisierten, elektrochemisch aktiven Mittel der vorliegenden Erfindung umfassen ebenfalls ein Anionenharz mit Dimethylethanolamin- oder tertiären Alkylamingruppen, um den katalytischen Anforderungen der Wasserdissoziation nachzukommen, wobei Hydroxylionen erhältlich gemacht werden, um das Anionenharz zu regenerieren. Die überschüssige Wasserdissoziation kann die notwendige Hydroxylionenkonzentration bereitstellen, um die Entfernung von schwach ionisierten Spezies wie etwa Kohlenstoffdioxid und Siliciumdioxid aufzuwerten.
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Anionenharzmaterialien, die funktionelle Gruppen des Typs I (quaternäre Ammoniumgruppen) enthalten, deswegen so modifiziert, dass sie die Fähigkeit aufweisen, in Lösungen über den gesamten pH-Bereich zu dissoziieren, neutrale Salze zu spalten und auszutauschen und Wasser zu dissoziieren. Verfahren zum Modifizieren des Anionenharzes, das quaternäre Ammoniumgruppen enthält, umfassen zum Beispiel (1) die Zugabe einer kleinen Menge an Anionenharz, das Dimethylethanolamin- oder tertiäre Alkylamingruppen enthält, zu dem Anionenharz, das quaternäre Ammoniumgruppen enthält, (2) die chemische Oxidation des Anionenharzes, das quaternäre Ammoniumgruppen enthält, durch Kontaktieren des Harzes mit einer starken alkalischen Salzlösung oder (3) die Wärmeoxidation des Anionenharzes, das quaternäre Ammoniumgruppen enthält, durch Kontaktieren des Harzes mit heißem Wasser oder einer Salzlösung.
Wie in einer Schnittansicht in 2 gezeigt, wird eine andere Ausführungsform einer Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die eine Ionendepletionskammer und eine Ionenkonzentrationskammer (nicht gezeigt) aufweist, typischerweise von einer Anolytkammer 20 und einer Katholytkammer 21 umrandet. Typischerweise sind Endblöcke angrenzend an Endplatten (nicht gezeigt) positioniert, um eine Anode 22 und eine Kathode 23 aufzunehmen, und, wie gezeigt, kann ein spezialisiertes elektrochemisch aktives Mittel 24 angrenzend an die Anode und die Kathode aufgenommen werden. Die ionenpermeablen Membranen 13 und 14 sind an der Peripherie sowohl der Anolyt- 20 als auch der Katholytkammer 21 abgedichtet. In die Anolyt- und die Katholytkammer gespeiste Flüssigkeit kann entweder eine verdünnte oder eine konzentrierte Lösung sein, die in Folge oder parallel entweder stromaufwärts oder stromabwärts fließt.
In kontinuierlichen Elektroentionisierungsgeräten werden Elektronen als Mittel verwendet, um den Elektronenstrom, der den Metallelektroden in den erforderlichen Ionenstrom zugeführt wurde, zu transformieren. Wasserstoffionen werden an der Kathode in der Katholytkammer zu Wasserstoffgas reduziert, wobei eine basische Umgebung geschaffen wird, und Hydroxylionen sowie Chloridionen werden an der Anode in der Anolytkammer oxidiert, wobei eine saure Umgebung geschaffen wird. Diese Produkte werden in dem Entionisierungsprozess nicht verwendet und bieten in dem Prozess keine positive Rolle.
Der Ionenstrom wird für die Entionisierung in den Ionendepletionskammern verwendet. Es ist von Bedeutung, dass die von den Elektrolytkammern geschaffenen Widerstände auf ein Minimum beschränkt werden, um die auf das Modul zur Entionisierung angewandte Leistung effizient zu verwenden.
Im Allgemeinen verwenden herkömmliche Elektrolytkammern ein Durchflusspolyestersieb, um zu ermöglichen, dass ein Fluid durch die Zelle fließt, um die Membran zu stützen und um Turbulenzen zu fördern. Das inerte Polyestersieb weist jedoch schlechte Leit-Eigenschaften auf und weist einen zu etwa 50 % offenen Bereich auf, der den Fluss von Gleichstrom inhibiert. Es stellt ebenfalls nicht die maximal mögliche Stützoberfläche und den für einen Kontakt freigelegten maximal möglichen Membranbereich bereit. Diese Faktoren können zu einem hohen ohmschen Potential-Abfall führen, und wenn die Leitfähigkeit der in die Kammer gespeisten Flüssigkeit abgeschwächt ist, wie bei einem Umkehrosmose(UO)-Permeat, wird der ohmsche Potential-Abfall wesentlich.
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in 2 gezeigt, kann das in der Anolyt- 20 und der Katholytkammer 21 verwendete, spezialisierte, elektrochemisch aktive Mittel 24 Ionenaustauschharze wie etwa Harze der Reihe DOWEX^TM MARATHON^TM, DOWEX^TM WBA-Anionenharz, DOWEX^TM 11-Anionenharz, DOWEX^TM SAR-Anionenharz, Harze der Reihe AMBERJET^TM, synthetische Aktivkohlen, hypervernetzte Sorbentharze wie etwa PUROLITE^TM-HYPERSOL-MACRONET^TM-Sorbentharze (Marken der Purolite Company, Bala Cynwyd, Pennsylvania), synthetische kohlenstoffhaltige Adsorbenzien wie etwa kohlenstoffhaltige AMBERSORB^TM-Adsorbenzien (Marke der Rohm & Haas Corporation) und G-BAC^TM-Adsorbenzien (Marke von Kureha Chemical Industry Co., Ltd., Japan), polymere Adsorbensharzkügelchen, die durch Alkylinbrücken bildende, halogenalkylierte, porogenmodifizierte, quervernetzte Copolymerkügelchen vorbereitet werden, die Mikroporositäten in dem Bereich von ungefähr 0,2 und 0,5 cm³/g, Mesoporositäten von mindestens ungefähr 0,5 cm³/g und eine Gesamtporosität von mindestens ungefähr 1,5 cm³/g aufweisen, wie etwa von Stringfield in US-Patent Nr. 5,460,725 offenbart, und katalytische Kohle, wie zum Beispiel von Hayden in US-Patent Nr. 5,444,031 und Matviya et al. in US-Patent Nr. 5,356,849 offenbart, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein. Die bevorzugten spezialisierten elektrochemisch aktiven Mittel 24, die in der Anolyt- 20 und der Katholytkammer 21 verwendet werden, sind chemikalien-, temperatur- und verschmutzungsbeständige, synthetische, kohlenstoffhaltige Adsorptionsmittel. Dieses Material ist eine kohlenstoffhaltige künstliche Kohle, die katalytische Eigenschaften, weniger als 0,5 % Aschenverunreinigungen und einen mittleren Partikeldurchmesser zwischen etwa 0,5 und 1,0 mm aufweist.
Es ist bekannt, dass Kohlenstoff- und Ionenaustauschharze gute Leit-Eigenschaften aufweisen. Wenn diese Materialien als ein statischer Filter in Anolyt- oder Katholytkammern verwendet werden, bilden sie eine stützende leitfähige Brücke zwischen der angrenzenden Membran und der Elektrodenoberfläche. Jedes dieser Materialien leitet Elektrizität auf andere Art und Weise. Kohlenstoff ist durch den Transfer von Elektronen leitfähig, wohingegen Ionenaustauschharze durch den Transfer von Ionen leiten.
Wenn Kohlenstoff mit einer Elektrode in Kontakt ist, wird der Kohlenstoff auf die gleiche Polarität wie die Elektrode polarisiert, wobei er im Wesentlichen als eine Erweiterung der Elektrode wirkt. An der Kathode greift der Kohlenstoff Elektronen auf und zieht einen Überschuss an Kationen ein. Der umgekehrte Prozess tritt an der Anode auf. Die Anode zieht Elektronen aus dem Kohlenstoff zurück, der dann Elektronen aus dem Kohlenstoff abstößt, der dann Kationen abstößt und Anionen anzieht. Das Nettoergebnis besteht darin, dass Natriumionen zu der Kathode gezogen werden, die Anode Elektronen empfängt und Anionen zu der Anode gezogen werden, wenn die Kathode Elektronen zuführt. Dieser Elektrosorptionsprozess kann Strom mit der geringsten Menge an Widerstand durchlassen, wobei der ohmsche Potential-Abfall in den Elektrolytkammern reduziert wird. Elektrosorption wurde von Kedem et al., in US-Patenten Nr. 4,226,688 und 5,240,579; und Kedem et al. „Sealed Cell Electrodialysis", Desalination, 46 (1983) 291-299 untersucht. Cooper, in US-Patent Nr. 5,434,020; und Nayak, in US-Patent Nr. 4,473,450, offenbaren die Verwendung von Kohlenstoffmaterial in Verbindung mit Metallelektroden.
Wenn Ionenaustauschharzmaterial in den Elektrolytkammern verwendet wird, wirken sie als ein unbeweglicher Elektrolyt. Sie stellen ein Mittel zur Ionenwanderung sowie ein Mittel zur Adsorption bereit. Harze weisen eine relative hohe Konzentration geladener Stellen auf, typischerweise in der Größenordnung von 2 Äquivalenten pro Liter. Sie erhöhen das leitfähige Netzwerk zwischen den Elektroden und erhöhen den Transfer von Ladung durch Aufwerten der Wanderung der Ionen. Die Verwendung von Ionenaustauschharz in den Elektrolytkammern wurde von Parsi, in US-Patenten Nr. 3,149,061 und 3,291,713; Kressman, in US-Patent Nr. 2,923,674; Cawlfield et al., in US-Patent Nr. 5,254,227; Kazcur et al., in US-Patenten Nr. 5,223,103, 5,092,970, 5,106,465 und 5,084,148; Bell, in US-Patent Nr. 5,451,309; und DiMascio et al. „Electrochemical Deionization", Electrochemical Society, Proceedings of the Symposium an Water Purification by Photocatalytic, Photochemical, und Electrochemical Processes, PV 94-19, S. 164-172 (1994) offenbart.
Wie in einer Schnittansicht in 3 gezeigt, umfasst eine andere Ausführungsform einer Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Ionendepletionskammer 10, eine Ionenkonzentrationskammer 12 und ionenpermeable Membranen 13 und 14. Ein erstes spezialisiertes, elektrochemisch aktives Mittel 15 wird zwischen den ionenpermeablen Membranen aufgenommen. Zusätzlich dazu umfassen die Anolytkammer 20 und die Katholytkammer 21, die eine Anode 22 bzw. Kathode 23 aufnehmen, andere spezialisierte, elektrochemisch aktive Mittel 24, die an die Anode und die Kathode angrenzen.
Das elektrochemisch aktive Mittel kann ebenfalls als ein dynamischer Filter verwendet werden, wobei diese Materialien während des Betriebs durch die Elektrolytkammern kontinuierlich aufgeschlämmt werden. Dies wird als eine Suspensionselektrode bezeichnet. Die Verwendung von Kohlenstoffsuspensionselektroden, um pH-Veränderungen durch die Elektrolytkammern während einer Transport- und Polarisationsstudie zu vermeiden, wird von Warshawsky et al. in „Thermally Regenerable Polymerable Polymeric Crown Ethers", J. Polymer Science, S. 579-584 offenbart.
Die Verwendung dieser Materialien in den Ionenkonzentrationskammern weisen die gleiche Wirkung auf wie in den Elektrolytkammern. Sie können entweder als ein statischer oder dynamischer Filter verwendet werden, der eine stützende leitfähige Brücke zwischen angrenzenden Membranen bildet.
Diese Materialien reduzieren den ohmschen Potential-Abfall in den Konzentratkammern durch Reduzieren des Widerstands des Mittels, durch das der Strom gehen muss, wobei der Fluss von elektrischem Strom aufgewertet wird. Sie stellen die maximal mögliche Stützoberfläche für die Membran bereit und stellen den maximal möglichen Membranbereich bereit, der für einen Kontakt freigelegt ist, wobei ermöglicht wird, dass der Strom gleichmäßiger durch das Modul fließt.
In einem anderen Aspekt der Erfindung kann eine Elektroentionisierungsvorrichtung unter den Bedingungen des zyklischen Durchlaufens chemisch gelöster Substanzen oder eines Temperaturwechsels und/oder des zyklischen Durchlaufens oder der Umkehrung der Polarität eines elektrischen Felds betrieben werden. Die Leistung der Elektroentionisierung ist durch die Schwierigkeit beim Reinigen eines Geräts, das verschmutzt oder mit Niederschlag bedeckt ist, beschränkt. Die Reinigungsprozeduren der Elektroentionisierung umfassen zum Beispiel chemische Reinigung mit oder ohne zyklischem Durchlaufen oder Umkehrung der Polarität eines elektrischen Felds, Temperaturwechsel und/oder zyklischem Durchlaufen chemisch gelöster Substanzen (oder PH-Wechsel).
Bei elektrochemisch aktiven Mitteln, die schwach ionisierte Bestandteile enthalten, wird die chemische Beschaffenheit des Mittels durch die Säure- oder Basestärke der funktionellen Gruppen kontrolliert. Schwache-Säure-Gruppen wie etwa -COO^– werden nur bei hohem pH-Wert ionisiert. Bei niedrigem pH-Wert werden sie mit H⁺ kombiniert, wobei sie nicht dissoziiertes -COOH bilden und somit nicht länger als eine funktionelle Gruppe wirken. In ähnlicher Art und Weise verlieren Schwache-Base-Gruppen wie etwa -NH₃ ⁺ ein Proton, wobei sie ungeladenes -NH₂ bilden, wenn der pH-Wert hoch ist.
Deswegen können ein oder alle Bestandteile des elektrochemisch aktiven Mittels zyklisch von der ionisierten in die nichtionisierte Form wechseln, wenn der pH-Wert der Kontaktflüssigkeit zyklisch gewechselt wird, wobei ein Verfahren zur Schmutzbeseitigung bereitgestellt wird.
Wenn die elektrische Feldstärke und/oder Polarität modifiziert oder umgekehrt wird, um lokalisierte Wasserspaltungsreaktionen zu erzeugen, können ein oder alle der Bestandteile der elektrochemisch aktiven Mittel zyklisch von der ionisierten in die nichtionisierte Form wechseln, wobei ein Verfahren zur Schmutzbeseitigung bereitgestellt wird.
Ein Temperaturwechsel kann ebenfalls in Kombination mit einem zyklischen Durchlaufen oder der Umkehrung der Polarität eines elektrischen Felds und/oder einem zyklischen Durchlaufen chemisch gelöster Substanzen (oder pH-Wechsel) oder unabhängig einem Mittel zur Entsorgung verwendet werden. Ein derartiger Temperaturwechsel umfasst das Aufstocken der Temperatur von Raumtemperatur auf 85 °C in etwa 15 Minuten, wobei diese Temperatur etwa 60 Minuten lang beibehalten wird, und das Abkühlen der Temperatur von 85 °C auf Raumtemperatur in etwa 15 Minuten.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele weiter dargestellt, wobei die Beispiele lediglich der Darstellung dienen und nicht den Bereich der Erfindung einschränken sollen.
BEISPIELE
Die folgenden Beispiele verwendeten kompakte Module zur kontinuierlichen Entionisierung. Ein Um kehrosmosepermeatstrom wurde bei einer Leitfähigkeit von zwischen ungefähr 1,0 μS/cm und ungefähr 3,0 μS/cm bei einer Temperatur von 15 bis 18 °C in jedem Beispiel (außer wenn vermerkt) als die Zufuhr verwendet. Die Module wurden bei einer nominalen Fließgeschwindigkeit von ungefähr 200 ml/Zellenpaar mit einer Produktaufarbeitung von ungefähr 67 Prozent betrieben. Die auf die Module angelegte Gleichspannung lag zwischen 3 und 4 Volt pro Zellenpaar.
Durch die Beispiele hindurch wurden die Messungen der Inline-Leitfähigkeit mit einer digitalen Leistungswiderstandsanzeige 832 (erhältlich von Thorton, Waltham, Massachusetts) vorgenommen, die Wassertemperatur wurde mit einem GT-300 Inline-Thermometer (erhältlich von Tel-Tru Manufacturing Co., Rochester, New York) gemessen, und die Wasserflussgeschwindigkeiten wurden mit einem 0,4 bis 4,0 LPM Durchflussmesser (erhältlich von Blue White, Westminster, Kalifornien) gemessen. Die Leistung wurde den Modulen mit einem Leistungsversorgungsgerät konstanter Spannung/Stromstärke (erhältlich von BK Precision, Chicago, Illinois) zugeführt. Die CO₂-Konzentration wurde durch volumetrische Titration mit Natriumhydroxid auf einen Phenolphthaleinendpunkt des pH-Werts 8,3 festgelegt.
BEISPIEL I
Die Wirksamkeit der Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine herkömmliche Elektroentionisierungsvorrichtung bewertet, die standardmäßiges Starke-Säure-Kationenaustauschharz und Starke-Base-Anionenaustauschharz in der Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammer benutzt. Die Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung benutzte ein spezialisiertes, elektrochemisch aktives Mittel, wobei ein Prozentsatz des Starken-Base-Anionenaustauschharzes in der Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammer mit Schwache-Base-Anionenharz oder Anionenharz des Typs II ersetzt wurde, wie in 1 gezeigt. Die Einheiten wurden in Hinsicht auf CO₂-Entfernung und elektrischen Widerstand bewertet.
Zwei Elektroentionisierungsmodule wurden durch Gießen eines gemessenen Volumens entweder einer herkömmlichen Ionenaustauschharzmischung oder einer Mischung aus spezialisiertem elektrochemisch aktivem Mittel und herkömmlichem Ionenaustauschharz in jeden Modulabstandhalter, um das Zeltvolumen vollständig zu füllen, und Platzieren und Abdichten einer Membran auf dem Abstandhalter zusammengebaut. Ein Kontrollmodul wurde durch Füllen der Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammer mit einer herkömmlichen Ionenaustauschharzmischung vorbereitet, die ein 70:30-Verhältnis von DOWEX^TM MARATHON^TM A-Anionenharzen und DOWEX^TM MARATHON^TM C-Kationenharzen (Marken von Dow Chemical Company, Midland, Michigan) aufweist. Das zweite Modul, Modul A, wurde durch Füllen der Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammer mit einer Mischung aus spezialisierten, elektrochemisch aktiven Mitteln und einem herkömmlichen Ionenaustauschharz vorbereitet, die ein 6317/30-Verhältnis von DOWEX^TM MARATHON^TM A-Anionenharzen, AMBERJET^TM 4600-Anionenharzen des Typs II und DOWEX^TM MARATHON^TM C-Kationenharzen aufweist.
Die CO₂-Konzentration in dem Zufuhrwasser wurde auf 20 ppm erhöht, und die Leistung der Module wurde in Hinsicht auf CO₂-Entfernung und elektrischen Widerstand bewertet, wie unten in Tabelle 1 angezeigt.
TABELLE 1
Wie in Tabelle 1 angezeigt, war der Produktleistungswiderstand auf beiden Modulen bei dem 20 ppm-CO₂-Speisepegel größer als 18 MΩ-cm, wobei angedeutet wird, dass der Großteil an CO₂ entfernt wurde und der elektrische Widerstand von Modul A war etwa 14 % niedriger als das Kontrollmodul.
Die CO₂-Konzentration in dem Speisewasser wurde dann auf 40 ppm erhöht, und die Leistung der Module wurde in Hinsicht auf CO₂-Entfernung und elektrischen Widerstand bewertet, wie unten in Tabelle 2 angezeigt. TABELLE 2
Wie in Tabelle 2 angezeigt, war der Produktleistungswiderstand von Modul A bei dem 40 ppm-CO₂-Speisepegel größer als das Kontrollmodul und mehr als 97 % von dem CO₂ wurden entfernt. Der elektrische Widerstand des Moduls A betrug etwa 30 % weniger als das Kontrollmodul.
Deswegen induzierte die Zugabe des Anionenharzes des Typs II zu dem Starke-Base-Anionenharz in Modul A Wasserdissoziation und stellte die notwendige Hydroxylionenkonzentration bereit, um die CO₂-Entfernung bei hohen CO₂-Pegeln aufzuwerten, während der elektrische Widerstand gemindert wurde.
BEISPIEL II
Die Wirksamkeit der Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine herkömmliche Elektroentionisierungsvorrichtung bewertet, die in den Elektrolytkammern ein standardmäßiges Polyestersieb benutzte. Die Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wurde mit spezialisierten, elektrochemisch aktiven Mitteln in den Elektrolytkammern bewertet, wie in 2 gezeigt. Die Einheiten wurden in Hinsicht auf elektrischen Widerstand bewertet.
Drei Elektroentionisierungsmodule wurden durch Platzieren eines Modulendrahmens (der eine vertiefte Elektrode enthält) auf einer Endplatte und Gießen eines gemessenen Volumens an entweder synthetischem Kohlenstoffadsorbens oder einer Mischung aus Ionenaustauschharz in den ausgesparten Bereich (auf der Elektrode) und Platzieren und Abdichten einer Membran auf dem Material zusammengebaut. Ein Kontrollmodul wurde durch Verwenden eines herkömmlichen Polyestersiebs in den Elektrolytkammern vorbereitet. Das zweite Modul, Modul A, wurde durch Verwenden von 100 % synthetischem G-BAC^TM-Kohlenstoffadsorbens in den Elektrolytkammern vorbereitet. Das dritte Modul, Modul B, wurde mit einer Mischung aus Ionenaustauschharz, das ein 70:30-Verhältnis von DOWEX^TM MARATHON^TM A-Anionenharzen und DOWEX^TM MARATHON^TM C-Kationenharzen in den Elektrolytkammern aufweist, vorbereitet.
Die Leistung der Module wurde in Hinsicht auf den elektrischen Widerstand bewertet, wie unten in Tabelle 3 angezeigt. TABELLE 3
Wie in Tabelle 3 angezeigt, wurde der elektrische Widerstand des Moduls um 12x gemindert, als das synthetische Kohlenstoffadsorbens in den Elektrolytkammern verwendet wurde, wobei keine Veränderung des Produktleistungswiderstands auftrat. Der elektrische Widerstand des Moduls wurde um 11x gemindert, als das Ionenaustauschharz in den Elektrolytkammern verwendet wurde. Der Produktleistungswiderstand war größer als 18 MΩ-cm und wurde nach 300 Stunden Betrieb fortschreitend gemindert. Der durchschnittliche Produktleistungswiderstand im Verlauf der gesamten Bewertung war größer als 16 MΩ-cm. Das Modul begann als ein Ergebnis des Anschwellens von natürlichem Harz aus seinen abgebauten zu regenerierten Formen nach 300 Stunden auszulaufen. Das Auslaufen kann die Fluidverteilung in den Elektrolytkammern und durch das gesamte Modul hindurch beeinträchtigt haben, was zu einer Minderung des Produktleistungswiderstands führte.
Die synthetischen Kohlenstoffadsorbenskügelchen reduzierten den elektrischen Widerstand um bis zu 14x. Es wurde bestimmt, dass, wenn der Widerstand der Elektrolytkammern eliminiert würde, sich der elektrische Widerstand des Moduls um etwa 7x reduzieren würde. Dies deutet an, dass nicht nur der elektrische Widerstand der Elektrolytkammern reduziert wurde, sondern die Stromverteilung durch das gesamte Modul hindurch verbessert wurde, wobei der wirksame Bereich des Moduls vergrößert wurde.
BEISPIEL III
Die Wirksamkeit der Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine herkömmliche Elektroentionisierungsvorrichtung bewertet, die standardmäßig Starke-Säure-Kationenaustauschharze und Starke-Standardbase-Anionaustauschharze in der Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammer und ein Standardpolyestersieb in den Elektrolytkammern benutzte. Die Elektroentionisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung benutzte ein spezialisiertes elektrochemisch aktives Mittel, wobei ein Prozentsatz des Starke-Base-Anionenaustauschharzes in der Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammer mit Schwache-Base-Anionenharz oder Anionenharz des Typs II ersetzt wurde und ein spezialisiertes elektrochemisch aktives Mittel in den Elektrolytkammern verwendet wurde, wie in 3 gezeigt. Die Einheiten wurden in Hinsicht auf CO₂-Entfernung bei niedrigen Temperaturen bewertet.
Zwei Elektroentionisierungsmodule wurde zusammengebaut. Ein Kontrollmodul wurde durch Füllen der Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammer mit einer herkömmlichen Ionenaustauschharzmischung, die ein 70:30-Verhältnis von DOWEX^TM MARATHON^TM A-Anionenharzen und DOWEX^TM MARATHON^TM C-Kationenharzen aufwies, und durch Verwenden eines herkömmlichen Polyestersiebs in den Elektrolytkammern vorbereitet. Das zweite Modul, Modul A, wurde durch Füllen der Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammer mit einer Mischung aus spezialisiertem, elektrochemisch aktivem Mittel und einem herkömmlichen Ionenaustauschharz, die ein 63:7:30-Verhältnis von DOWEX^TM MARATHON^TM A-Anionenharzen, AMBERJET^TM 4600-Anionenharzen des Typs II und DOWEX^TM MARATHON^TM C-Kationenharzen aufwies, und durch Verwenden von 100 % synthetischem G-BAC^TM-Kohlenstoffadsorbens in den Elektrolytkammern vorbereitet.
Die CO₂-Konzentration in dem Speisewasser wurde auf 20 ppm erhöht, und die Temperatur des Speisewassers wurde auf etwa 7 °C gesenkt. Die Leistung der Module wurde in Hinsicht auf CO₂-Entfernung und elektrischen Widerstand bewertet, wie unten in Tabelle 4 angezeigt. TABELLE 4
Die Daten deuten an, das das Modul, das die mit synthetischem Kohlenstoffadsorbens gefüllten Elektrolytkammern und die 7 %-Mischung von Anionenharz des Typs II in der Ionendepletions- und Ionenkonzentrationskammer verwendet, imstande war, CO₂ aus Wasser mit niedriger Temperatur zu entfernen. Der elektrische Widerstand des Moduls wurde um etwa 9x vermindert mit einer bedeutenden Erhöhung des Produktleistungswiderstands.
Das synthetische Kohlenstoffadsorbens scheint das beste Mittelmaterial für eine Elektrolytkammer zu sein. Ein Ionenaustauschharz ist aufgrund des Anschwellens und niedriger Toleranz gegenüber oxidierenden Chemikalien und Temperatur weniger wünschenswert. Kohlenstoff in Kügelchenform stellt die maximal mögliche Stützoberfläche für die angrenzende Membran bereit und stellt den maximal möglichen Bereich, der für einen Kontakt freigelegt ist, bereit, wobei ermöglicht wird, dass der Strom gleichmäßiger fließt.
Obwohl besondere Ausführungsformen der Erfindung zur Veranschaulichung im Detail beschrieben worden sind, können verschiedene Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden, ohne den Bereich und Sinn der Erfindung zu verlassen. Dementsprechend soll die Erfindung außer durch die beigelegten Patentansprüche nicht eingeschränkt werden.
Folgendes wird beansprucht:

Claims

Eine Elektroentionisierungsvorrichtung, die Folgendes beinhaltet: eine Ionenkonzentrationskammer, eine Ionendepletionskammer, eine Anode und eine Kathode, eine Anolytkammer und eine Katholytkammer und ein elektrochemisch aktives Mittel, das mindestens in einer von der Ionenkonzentrations- und Ionendepletionskammer positioniert ist, wobei das elektrochemisch aktive Mittel Anionenharzmaterial mit funktionellen quaternären Ammoniumgruppen des Typs I in Kombination mit Anionenharzmaterial, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Anionenharzmaterial mit Schwache-Base-Gruppen, Anionenharzmaterial mit funktionellen Dimethylethanolamingruppen des Typs II und Mischungen daraus, beinhaltet und wobei das elektrochemisch aktive Mittel mit Anionenaustauschharzkügelchen und Kationenaustauschharzkügelchen gemischt ist.
Elektroentionisierungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Kammern durch semipermeable oder permeable Membranen getrennt sind und das elektrochemisch aktive Mittel ein elektrochemisch aktiver Bestandteil der Membranen ist.
Ein Verfahren zum Reinigen einer Flüssigkeit in einer Elektroentionisierungsvorrichtung, das Folgendes beinhaltet: Bereitstellung einer Elektroentionisierungsvorrichtung, einschließlich einer Ionenkonzentrationskammer und einer Ionendepletionskammer und einer Anode und einer Kathode; Positionierung eines ersten elektrochemisch aktiven Mittels in mindestens einer von der Ionenkonzentrations- und Ionendepletionskammer zur Förderung der Dissoziation von Wassermolekülen über den gesamten pH-Bereich, wobei das erste elektrochemisch aktive Mittel Anionenharzmaterial mit funktionellen quaternären Ammoniumgruppen des Typs I in Kombination mit Anionenharzmaterial, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Anionenharzmaterial mit Schwache-Base-Gruppen, Anionenharzmaterial mit funktionellen Dimethylethanolamingruppen des Typs II und Mischungen daraus, beinhaltet und wobei das elektrochemisch aktive Mittel mit Anionenaustauschharzkügelchen und Kationenaustauschharzkügelchen gemischt ist: Anlegung eines elektrischen Stroms über die Elektroentionisierungsvorrichtung; und Leitung der Flüssigkeit durch die Kammern.
Verfahren gemäß Anspruch 3, das ferner Folgendes beinhaltet: zyklisches Betreiben der Elektroentionisierungsvorrichtung unter Bedingungen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus dem zyklischen Durchlaufen chemisch gelöster Substanzen, dem zyklischen Durchlaufen des elektrischen Feldes, dem Temperaturwechsel und Kombinationen daraus, so dass schwach ionisierte Bestandteile des elektrochemisch aktiven Mittels von einer ionisierten Form in eine nichtionisierte Form zyklisch wechseln, und wobei die Flüssigkeit eine geladene gelöste Substanz oder eine gelöste Substanz mit hoher relativer Molekülmasse beinhaltet, so dass eine feste Harzladung umgekehrt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, das ferner Folgendes beinhaltet: zyklisches Betreiben der Elektroentionisierungsvorrichtung unter Bedingungen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus dem zyklischen Durchlaufen chemisch gelöster Substanzen, dem zyklischen Durchlaufen des elektrischen Feldes, dem Temperaturwechsel und Kombinationen daraus, so dass schwach ionisierte Bestandteile des Elektroentionisierungsmittels von einer ionisierten Form in eine nichtionisierte Form zyklisch wechseln und wobei die Flüssigkeit eine geladene gelöste Substanz oder eine gelöste Substanz mit hoher relativer Molekülmasse beinhaltet, so dass auf dem elektrochemisch aktiven Mittel eine Ladung erzeugt wird.