DE2053551A1 - Ionenaustauscher - Google Patents

Description

• Ionenaustauscher Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ionenaustauscher, der aus einem Behälter und ggfs. einem darin angeordneten Filterboden , einer Austauschermasse und einem Puffermaterial besteht, wobei die Austauschermasse vor dem Einsatz in einen einheitlichen Beladungszustand Ubergeftihrt wird und durch Aufspülen umgelagert wird und das Puffermaterial aus einer Mischung von elastischem, zusammendrückbarem und nach Druckaufhebung seine urstrüngliche Form oder annähernde Form annehmenden Material und einem hartelastischen bzw. unelastischen Puffermaterial besteht.
• In den Gebrauchsmustern 1 959 125 und 1 955 636 sowie in dem Gebrauchsmuster 6 752 649 haben wir bereits einen aus einem innerhalb eines Behälters angeordneten Filterboden und einer darüber gelagerten Austauschermasse bestehenden Ionenaustauscher vorgeschlagen, der ein Puffermaterial enthält.
• Dieses elastische zusammendrückbare und nach Druckaufhebung seine ursprüngliche oder annähernde Form annehmende Puffermaterial kann in der Austauschermasse eingebettet sein, wird Jedoch vorzugsweise in einer Schicht über der Austauschermasse als Abgrenzungsmaterial zum Rückspülraum angeordnet, wobei ggfs. auch die zum Rückspülraum angeordnete Sieb- oder Filterplatte bzw. bewegliche Siebplatte entfallen kann. Ein derartig aufgebauter Ionenaustauscher ist besonders vorteilhaft, weil auch eine bewegliche Lochplatte bzw. Siebplatte zum RückspUlraum hin entfallen kann und somit Verkantungen der Lochplatte als Fehlerquelle von vornherein ausgeschaltet werden. Darüber hinaus ist es möglich, ohne erheblichen Material- und Arbeitsaufwand die bisher noch im Gleichstromprinzip arbeitenden Ionenaustauscher umzustellen. Weiterhin ist es möglich, erforderliche Kontrolleinrichtungen weitgehend einzusparen. Als weitere Vorteile dieser Vorrichtung sind ein geringerer Salzsäureeinsatz, kürzere Regenerierungszeiten, geringerer Waschwasserbedarr, bessere Nutzung der Normalvolumenkapazität und einfachere Bedienung durch eine geringere Anzahl von Arbeitsvorgängen zu nennen.
• Das dabei verwendete Puffermaterial hat Jedoch häufig die Eigenschaft, daß die aneinander berührenden elastischen Kunststoffteilchen leicht verkleben, sich verdichten und damit den Durchgang der Flüssigkeit hemmen oder ganz blockieren können. Dabei können sie sich so formieren, daß sie vorzugsweise in einer Schicht in der Mitte des Behälters zusammengedrückt sind und so eine Wölbung bilden. Durch diese Formierung der Puffrmaterialteilcen kann auch eine unerwünschte Umschichtung der Austauschermasse herbeigeführt werden.
• Ein weiterer schwerwiegender Nachteil ergibt sich dadurch, daß nach den üblichen Verfahren ( vgl. z.B. belg. Patent 707 808 ) die Austauschermassen nach ca. 5 - 50 Arbeitsspielen ( Arbeitszyklen \ einer Überspülung des Puffermaterials in einem zusätzlichen Behälter mit nachfolgender Rückspülung der Austauschermasse unterworfen werden muß.
• Dadurch ergeben sich zusätzliche Arbeitsgänge, eine Kapazität verminderung und ein Mehrverbrauch an Regenerierungsmitteln, Chemikalien und dgl..
• Wird nach dem Verfahren ein Schichtbettfilter betrieben, so besteht die Cefahr, daß bei öfterem Rückspülen der Austauschermassen, sich diese nicht mehr exakt trennen lassen, da z.B. durch Aufnahme von organischen substanzen sich die Wichte der einzelnen Austauschermassen verschoben hat. Dabei kann sich die Trennzone in einem Schichtbettfilter in eine Mischzone umwandeln, die die funktion des Ionenaustausches in Frage stellt.
• Ziel und rufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, die bisher erforderliche Überspülung des Puffermaterials und die Rückspülung der Austauschermasse, die sich daraus ergebenden zusätzlichen Arbeitsvorgänge, Kapazitätsverminderungen weitgehend zu vermeiden sowie zusätzliche Behälter und auchdie für die Regenerierung erforderlichen Chemikalien in einem größeren T'mfang einsparen bzw. einen Ausfall eines echichtbettfilters zu vermeiden.
• s sollte so erreicht werden, daß auch nach längerer Zeit eine Rückspülung nicht erforderlich wird.
• Es sollte daher nach Möglichkeit eine einheitliche beladene Austauschermasse eingesetzt und diese der größe nach geordnet werden, d.h., daß die großen Teile in der Nähe des Filterbodens lagern sollten während die Körnung nach oben hin gleitend abnimmt. Damit sollte erreicht werden, daß der Durchfluß durch das gesamte lonenaustauscherbett gleichmäßig erfolgt und eine Bildung sog. Nester, hervorgerufen durch die Formierung von kleinen Teilchen, die verdichtete Zonen darstellen und somit über dasganze Filterbett verteilt einen gleichmäßigen Durchtritt des Wassers nicht erlauben, vermieden wird. Eine sog. Straßenbildung in der Austauschermasse, die ein öfteres Rückspülen erforderlich macht, sollte somit verhindert werden.
• Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es weiterhin, die vorgenannten STachteile zu vermeiden und ein Puffermaterial zu finden, das auch bei längerem Einsatz keine unerwünschten Verklebungen aufweist. Das Puffermaterial soll auch nach mehrmaligem Einsatz keine Bildung von Klumpen, un- oder teildurchlässiger verklebter chichten usw. zeigen, der durchgeführten Flüssigkeit somit auch keinen erhöhten Widerstand, d.h. auch keinen nur stellenweise erhöhten Widerstand entgegensetzen und im übrigen die vorgenannten Vorteile des Puffermaterials aufweisen.
• Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß diese Aufgaben und Ziele durch einen Ionenaustauscher gelöst werden, bei den. die Austauschermasse mit Ionen einer einzigen bestimmten Ionenart vor ihren bestimmungsgemäßen Einsatz behandelt wird, bis eine Änderung der eingefÜhrten Ionenkonzentration nach dem Durchtritt durch die Austauschermasse nicht mehr stattfindet und die Austauschermasse somit in einer einzigen bestimmten Beladungsform vorliegt. Danach erfolgt ein Auswaschen der Austauschermasse mit vollentsalztem bzw. destilliertem Wasser unter gleichzeitiger oder nachfolgender Aufspülung, die eine freie Beweglichkeit bzw. Umlagerung der Teilchen nach ihrer Größe ermöglicht. Durch diese Behandlung der Austauschermasse wird erreicht, daß die nach etwa 5 -50 Arbeitsspielen ( Arbeitszyklen ) erforderliche Rückspülung nicht mehr zu erfolgen brau cht bzw. in ihrem Zeitraum weitgehend verschoben werden kann. Bei einem Ionenaustauscher gemäß der vorliegenden Erfindung wurde selbst nach 250 Arbeitsspielen ( Arbeitszyklen ) ein AufspUlen nicht erforderlich. Daraus ergibt sich u.a. eine erhebliche Erhöhung der Kapazität, z.B. durch Einsparungen an Arbeitszeit, kürzere Regenerierzeiten usw.
• sowie eine Verringerung der eingesetzten Regenerierungsmittel.
• Nach der erfolgten Umlagerung der Teilchen der Austauschermasse wird Puffermaterial Uber der Austauschermasse aufgebracht. Das verwendete Puffermaterial besteht erfindungsgemäß aus einer Mischung von elastischem zusammendrückbarem und nach Druckaufhebung seine ursprUngliche Form oder annähernde Form annehmenden Material und einem hartelastischen Puffermaterial.
• Das harte Puffermaterial besitzt andere mechanische Materialeigenschaften und verhindert ein Zusammenklumpen der elastischen Teile weitgehend. Das harte Puffermaterial kann unterschiedlich elastische Eigenschaften aufweisen, beispielsweise von hartelastischen bis nahezu unelastischen Eigenschaften. Die aus unterschiedlich elastischen bzw. unelastischen Teilchen bestehende puffermaterialmischung ist besonders vorteilhaft über der Au tauschermasse angeordnet. Die verwendeten Puffermaterialteilchen können beliebige Formen aufweisen, z.B. Streifen, StUcke, Scheiben, Körner, Granulate. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Kugeln oder kugelähnlichen Formen.
• Erfindungsgemäß wurde weiterhin festgestellt, daß besondere Vorteile hinsichtlich einer Vermeidung der Bildung verklebender Schichten und dgl. erreicht werden, wenn das Verhältnis der hartelastischen bzw. unelastischen Puffermaterialteile, vorzugsweise Kugeln, zu den elastischen zusammendrUckbaren und nach Druckaufhebung die ursprUngliche Form oder annähernde Form annehmenden Puffermaterialteile, vorzugsweise Kugeln, in der Mischung 1 : 0,5 bis 1 : 10 ist. Besonders zweckmäßig ist die Verwendung des Mischungsverhältnisses von l : 3 bis 1 : 5. Die elastischen zusammendrückbaren und nach Druckaufhebung die ursprUngliche Form oder annähernde Form annehmenden Puffermaterialteilchen, vorzugsweise Kugeln, bestehen zweckmäßigerweise aus Kunststoffen ( Homo- oder Mischpolymerisaten ), Gummi, vulkanisiertem Kautschuk oder vulkanisierten Kautschukkunststoffgemischen, wobei die Teilchen ein spezifisches Gewicht kleiner als 1,0 kg/dm) aufweisen sollen. Die verwendeten Gummiteilchen oder Kautschukkunststoffgemische sind vorher zweckmäßig unter Druck vulkanisiert. Die vorgenannten Materialien sollen dabei elastisch verformbare Eigenschaften aufweisen, Jedoch so, daß nach Druckaufhebung das Material in seine ursprüngliche Form oder annähernde Form zurückgeht.
• Die elastischen Eigenschaften des Materials sollen so beschaffen sein, daß sie bei den im Tonenaustauscher auftretenden Drucken sich zeitweise verformen können und nach Druckaufhebung das Material seine ursprüngliche Form oder annähernde Form annimmt.
• Dic harten Teilchen sollen diese hohen elastischen Eigenschaften nicht aufweisen und beispielsweise nur bei sehr hohen Drucken auf eine Verformung ansprechen. Besonders vorteilhaft ist auch bei diesen Teilchen eine gewisse Elastizität, so daß bevorzugt hartelastische Teilchen,insbesondere Kugeln, verwendet werden sollten.
• Besonders vorteilhaft ist der Einsatz minaestens zweier unterschiedlicher Teilchengrößen des Puffermaterials. Dabei wurde festgestellt, daß die beste Wirksamkeit der tuffermaterialteilchen eintritt, wenn die elastischen zusammendrückbaren und nach pIuekaufhebung die ursprüngliche Fcrm oder annähernde Form annehmenden puffermaterialteilchen, vorzugsweise Kugeln, einen größeren mittleren Durchmesser aufweisen als die harten Puffermaterialteilchen. Die elastischen zusammendrUckbaren und nach Druelcaufhebung die ursprüngliche Form oder annähernde Form annehmenden Puffermaterialteilchen, vorzugsweise Kugeln, sollen zweckmäßig rnit unelastischen, vorzugsweise hartelastischen Teilchen bzw. Kugeln, gemischt werden, deren Volumen gleich, vorzugsweise größer ist als der Abstand in den von den elastischen Materialien gebildeten Hohlräumen.
• Wenn der Radius der harten Teilchen mit (Rh) wiedergegeben wird und der Radius der elastischen Teilchen mit (je), so sollte die Radiusgröße der harten Teilchen größer sein als Re (TJT- 1 ), vorzugsweise größer als Re ( y5' - 1 ), jedoch kleiner als Re Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Puffermaterialteilchen ein spezifisches Gewicht kleiner als 1,o kg/dm) besitzen und über der Austauscherschicht gelagert sind. Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform verwendet man als elastisches, zusammendrückbares und nach Druckaufhebung die ursprüngliche Form oder annähernde Form annehmendes Puffermaterial Gummi, vulkanisierten Kautschuk oder vulkanisierte Kautschukkunststoffgemische ( vorzugsweise unter Druck vulkanisiert ) mit einem spezifischen Gewicht kleiner als l,0 kg/dmS. Als hartes Material hat sich besonders Polypropylen mit entsprechenden hartelastischen Eigenschaften als geeignet erwiesen. Das Puffermaterial kann mit 0berflächenschichten überzogen werden, die ein Verkleben verhindern. Das Puffermaterial kann zusätzlich an sich bekannte Füllstoffe oder andere Zusatzmaterialien bzw. -mittel enthalten.
• Nach einer Ausführungsform kann das Puffermaterial von einem Netz umschlossen werden. Dabei sollte die Maschengröße des Netzes kleiner sein als die kleinste gewählte Puffermaterialteilchengröße.
• Nach einer Ausführungsform kann oberhalb des Netzes eine Schwimmvorrichtung angebracht werden, die das Netz mit dem Puffermaterial trägt und beispielsweise ebenfalls ein spezifisches Gewicht unter 1 besitzt. Bei der letztgenannten Ausführungsform ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die Puffermaterialteilchen ein spezifisches Gewicht kleiner als 1,0 kg/dm3 aufweisen.
• In der Zeichnung ist der Ionenaustauschbehälter (1) mit einer Einfüll- und Kontrollöffnung (6) versehen, durch die insbesondere Puffermaterial nachgefülli werden kann ( Fig. 1 ).
• Unter Ziffer 2 ist ein Filterboden bzw. PUsenboden dargestellt, auf dem die Ionenaustauschermasse (3) angeordnet ist. Die Anordnung der Ionenaustauschermasse erfolgt vorteilhaft so, daß vom Düsen- oder Filterboden an die Teilchen mit abnehmendem Durchmesser angeordnet sind. Die Größendarstellung der Teilchen und die Größenunterschiede sind schematisch und entsprechen nicht den tatsächlichen Größen- bzw. Teilchenunterschi eden.
• Oberhalb der Ionenaustauschermasse ()) ist das Puffermaterial (4,5) angeordnet; die harten bzw. hartelastischen Teilchen (5) haben vorzugsweise einen kleineren Teilchendurchmesser als die elastischen Teilchen (4).
• An der Crenze zwischen der jonenaustauschermasse und dem Puffermaterial kann nach einer Ausführungsform eine Schicht aus gleichmäßig großen Puffermaterialteilohen angeordnet sein.
• Nach einer anderen Ausführungsform kann oberhalb des Puffermaterials noch zusätzlich eine bewegliche Siebplatte angebracht sein, die zweckmäßig eine oder mehrere Öffnungen zum Nachfüllen von Puffermaterlalteilchen aufweist.
• Nach einer anderen Ausführungsform ( Fig. 2 \ ist eine netzartige Schicht (7) zwischen der Ionenaustauschermasse und dem puffermaterial, vorzugsweise ohne direkten Kontakt mit der lonenaustauschermasse in der unteren Schicht des Puffermaterials eingetettet. Die netzartige Schicht (7) kann auch eine geeignete Gewebeeinlage darstellen und innerhalb des Puffermaterials in Form von mehreren Schichten vorhanden sein. Die netzartige Schicht trennt das Puffermaterial kleiner Teilchengröße von den großen Puffermaterialt.eilchen und verhindert ein Abwandern der kleinsten Puffermaterialteilchen in die verbleibenden Zwischenräume der größeren Puffermaterialteilchen (4,5). Nach einer anderen Ausführungsform kann die netzartige Schicht auch direkt auf der Austauschermasse aufliegen.
• In Fig. 5 ist nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform das Puffermaterial (4,5) von einer Siebplatte (8) beispielsweise einer Sieb- oder ähnlichen durchlässigen Abdeckung überlagert.
• Die Siebplatte kann dabei Führungsstücke (9) aufweisen. In der schematischen Zeichnung soll unter (5) sowohl elastisches als auch unelastisches Puffermaterial zusammengefaßt dargestellt werden. Nach dieser Ausführungsform können die weichelastischen Puffermaterialteilehen in ihrer Anzahl stark reduziert werden.
• In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform unter Verwendung einer Siebplatte (8) in Kombination mit einem Puffer (11) abgebildet.
• Der Puffer kann direkt auf der Siebplatte oder über ein Stützsystem oberhalb der Siebplatte gelagert sein.
• In Fig. 4 sind unter (5) hart- und weichelastische Puffermateri-Teilchen zusammengefaßt dargestellt. Die Anzahl der weichelastischen Teilchen kann bei dieser Ausführungsform sehr stark verringert werden bzw. fast völlig wegfallen. Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ( vgl. Fig. 2 ) schließt sich oberhalb der Austauschermasse eine Puffermaterialschicht kleinsten Körnungsdurchmessers, z.B. in Granulatform an, wobei auch Schichten unterschiedlicher Körnungsgrößen Verwendung finden können. Die Anordnung sollte so erfolgen, daß die kleinste Körnungsgröße des Puffermaterials auf der kleinsten Körnungsgröße der Austauschermasse aufliegt. An diese Schicht können sich Schichten mit einem größeren Teilchendurchmesser anschließen.
• Oberhalb dieser Schichten befinden sich dann die hart- und weichelastischen Teilchen mit größeren Teilchendurchmessern, vorzugsweise in Kugelform.
• Die Teilchengr'ße der Austauschermasse und des Puffermaterials ist in der eichnung schematisch dargestellt. Die Teilchengrößen der Aussausehermassen liegen in den an sich bekannten Bereichen, vorugsweise in der Größenordnung von ca. 0,1 - 1,5 mm.
• Die Fuffermat;erialteilchen können Je nach Schichten oder Ausführungsform unterschiedliche Größe aufweisen. Nach einer Ausführungsform war die Teilehengr(5ße des puffermaterials, die sich an die Ionenaustauschermasse anschließt ca. 1 - 2 mm im Durchmesser, während die kugelförmigen weichelastischen Teilchen des ruffermaterials einen Durchmesser von ca. 25 mm aufweisen, Jedoch können auch Teilchen mit größerem oder kleinerem Durchmesser Verwendung finden.

Claims (13)

patentansprüche:

1. Ionenaustauscher, bestehend aus einem Behälter und einem darin angeordneten Filterboden und ggf. einem oberhalb des Filtermaterials bzw. der Austauschermasse und dgl.

vorhandenen Puffermaterial unJ/oder einer beweglicher oder starren Siebplatte, Lochplatte, Filtertuchabdeckung und dgl., dadurch gekennzeichnet, daß die Austauschermass mit Ionen einer einzigen bestimmten Ionenart vor ihrem b. t s.timmungsgemäßen Einsatz behandelt wird, bis eine Änderung der eingeführten Ionenkonzentration nach dem Durchtritt durch die Austauschermasse nicht mehr stattfindet und die Austauschermasse scmit in einer einzigen bestimmten Beladeform vorliegt, daß danach ein Auswaschen der Austauschermasse mit vollentsalztem bzw. destilliertem Wasser unter gleichzeitiger oder nachfolgender Aufspülung, die eine freie Beweglichkeit bzw. IJmlagerung der Teilchen nach ihrer Größe ermöglicht, durchgeführt wird und nach erfolgter Umlagerung das Puffermaterial über der Austauschermasse aufgebracht wird.

2. Ionenaustauscher, bestehend aus einem Behälter und ggf. einem darin angeordneten Filterboden, einer Austauschermasse und einem Puffermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicEhnet, daß das Puffermaterial aus einer Mischung von elastischem, zusammendrückbarem und nach Druckaufhebung seine ursprüngliche Form oder annähernde Form annehmenden Material und einem hartelastischen Puffermaterial besteht.

3. Ionenaustauscher nach Ansprüchen 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus unterschiedlich elastischen Teilchen bestehende Puffermaterialmischung vorzugsweise über der Aus tauschermasse angeordnet ist' und aus Streifen, Stücken, Scheiben, Körnern, Granulaten und ähnlichen Formen, vorzugsweise Kugeln, besteht.

4. Ionenaustauscher nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der harteastischen bzw. unelastischen Puffermaterialteile, vorzugsweise Kugeln, zu den elastischen leicht zusammendrückbaren und nach Druckaufhebung seine ursprüngliche Form oder annähernde Form annehmenden Puffermaterialteile, vorzugsweise Kugeln in der Mischung 1 : 0,5 bis ca. 1 : 10, vorzugsweise 1 : 3 bis 1 : 5 ist.

5. Ionenaustauscher nach Ansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen, leicht zusammendrückbaren und nach Druckaufhebung die ursprüngliche Form oder annähernde Form annehmenden Puffermaterialteilchen, vorzugsweise Kugeln, aus Kunststoffen ( Homo- ouer Mischpolymerisaten ), Gummi, vulkanisiertem Kautschuk oder vulkanisierten Kautschukkunststoffgemischen bestehen, die ein spezifisches Gewicht kleiner als 1,0 kg'dm3 bs1tzen.

6. jonenaustauschei nach Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Puffermaterialteilchen mindestens zwei unterschiedliche Teilchengrößen aufgeisen.

7. Ionenaustauscher nach Ansprüchen 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elastichen leight zusammendrückbaren und nach Druckaufhebung die ursprüngliche Form oder annähernde Form annehmenden Puffermaterialteilchen, vorzugsweise Kugeln, einen größeren mittleren Durchmesser aufweisen als die hartelasatichen bzw. unelastichen Puffermaterialteilchen.

8. Ionenaustauscher nach Ansprüchen 1 - 7, dadurch gekennzeichneet, daß die elastischen, Leicht zusammendrückbaren Puffermaterialteile, vorzugsweise Kugeln, mit hartelastischen oder unelastischen Teilchen, vorzugsweise Kugeln, gemischt sind, aeren Durchmesse@ die Größe der vcn dem elastischen Material gebilceten Hohlräume übertrifft.

9. Ionenaustauscher nacl. Ansprüchen 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Puffermaterial v.n. einem Netz umschlossen wird.

10. Ionenaustauscher nach Ansprüchen 1 - 9, dadurch gekennzeichnetm daß die Maschengröße des Netzes kleiner ist als die kleinste gewählte Puffermaterialteilchengröße.

11. Ionenaustauscher nach Ansprücher I - C, dadurch gekenneichnet, daß an den Netz, verzugsweise oberhalb des Netzes eine Schwimmvorrichtung angebracht ist, die vorzugsweise ein spezifisches Gewicht unter 1 besitzt.

i2. Ionenaustauscher nach Ansprüchen 1 - 11, dadurch gekennzei hnet, daß der Ionenaustauscherbehälter im oberen Teil eine verschließbare Rffnung zum Nachfüllen bz. Einbringen des Puffermaterials, Netzes und dgl. enthält.

13. Ionenaustauscher nach Ansprüchen l - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die oberhalb des Puffermaterials angebrachte Siebplatte auf dem Puffermaterial direkt, das heißt ohne Zwtschenschaltung eines hohlraumes aufliegt.

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