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Dokumentenidentifikation DE102006028168A1 20.12.2007
Titel Vorrichtung zur elektrochemischen Wasseraufbereitung
Anmelder Uhde GmbH, 44141 Dortmund, DE
Erfinder Kiefer, Randolf, Dr., 45892 Gelsenkirchen, DE;
Dulle, Karl-Heinz, 59399 Olfen, DE;
Woltering, Peter, 48485 Neuenkirchen, DE;
Oelmann, Stefan, 58675 Hemer, DE;
Bäumer, Ulf-Steffen, Dr., 44263 Dortmund, DE;
Stolp, Wolfram, Prof. Dr., 59071 Hamm, DE
DE-Anmeldedatum 16.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028168
Offenlegungstag 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse C02F 1/461(2006.01)A, F, I, 20060616, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C02F 1/467(2006.01)A, L, I, 20060616, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung richtet sich auf eine Elektrolysevorrichtung zur Reinigung von sauren Wässern, die eine Kathode, eine Anode und eine Ionenaustauschmembran umfasst, wobei die Membran zwischen der Kathode und Anode angeordnet ist und mindestens umlaufend im Randbereich gehalten wird, wobei auf dem oberen und unteren Randbereich der Elektrolysevorrichtung eine Vielzahl von Zu- und Abläufen angeordnet sind, die mit dem Kathoden- beziehungsweise dem Anodenraum verbunden sind, so dass sich im Kathoden- und dem Anodenraum eine Pfropfenströmung ausbildet, die im idealen Fall ein laminares Profil aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung richtet sich auf eine Elektrolysevorrichtung zur Reinigung von sauren Wässern, die eine Kathode, eine Anode und eine Ionenaustauschmembran umfasst, wobei die Membran zwischen der Kathode und Anode angeordnet ist und mindestens umlaufend im Randbereich gehalten wird, wobei auf dem oberen und unteren Randbereich der Elektrolysevorrichtung eine Vielzahl von Zu- und Abläufen angeordnet sind, die mit dem Kathoden- beziehungsweise dem Anodenraum verbunden sind, so dass sich im Kathoden- und dem Anodenraum eine Pfropfenströmung ausbildet, die im idealen Fall ein laminares Profil aufweist.

Die Sanierung schwefelsaurer Wässer aus Tagebaurestseen wird aufgrund der großen Wassermengen zur Zeit vor allem durch die Flutung mit ggf. konditioniertem Fremdwasser durchgeführt. Dieses Verfahren ist jedoch unter anderem stark begrenzt durch das zur Verfügung stehende Wasserangebot, den Aufwand zur Überleitung und die abzupuffernde Basenkapazität. Eine Sanierung der Restlochgewässer durch Kalkung ist in den meisten Fällen wegen des hohen stöchiometrischen Überschusses an basischen Stoffen unwirtschaftlich.

In der DE 196 24 023 B1 wird ein Verfahren zur Aufbereitung saurer Wässer offenbart, bei welchem der Wasseraufbereitungsprozess ohne die Beimengung von Zusatzstoffen zum aufzubereitenden Wasser durchgeführt wird. Der Aufbereitungseffekt wird im Gegensatz zur üblichen Neutralisation nicht durch die Zudosierung von Lauge zum Wasser mit hohem pH-Wert erreicht, sondern durch Abtrennung von Protonen infolge ihrer elektrochemischen Abscheidung in der kathodischen Teilreaktion des Elektrolyseprozesses, wie in den nachstehenden Bruttoreaktionsgleichungen gezeigt: 4H+ + 4e → 2H2 (1) 4H2O + 4e → 2H2 + 4OH (2)

In gleicher Weise wirkt prinzipiell die simultan ablaufende elektrochemische Reduktion von im Wasser gelösten Sauerstoff zu Hydroxidionen neutralisierend. 2H2O + O2 + 4e → 4OH (3)

Die Reaktion (3) trägt jedoch nur geringfügig zur kathodischen Wasseraufbereitung bei. Durch den Einsatz einer Ionenaustauschmembran zwischen Anoden- und Kathodenraum der Elektrolysezelle wird zusätzlich erreicht, dass zur Anhebung des pH-Wertes, und der damit einher gehenden Hydrolyse und Fällung von Aluminium- und Schwermetallionen, auch der Salzgehalt der Wässer erheblich vermindert wird. Dabei wird eine Kopplung des kathodischen Wasseraufbereitungsprozesses mit einem anodischen Syntheseprozess vorgesehen. Bei Vorhandensein von Sulfationen können anodisch folgende Reaktionen ablaufen: 2H2O → 4H+ + O2 + 4e (4) 2SO4 2– → S2O8 2– + 2e (5)

Bei einer Reaktion gemäß der Gleichung (4) werden die entstehenden Protonen durch die in den Anodenraum wandernden Sulfationen abgesättigt, wobei zunächst Schwefelsäure gebildet und aufkonzentriert wird. Im zweiten Fall werden Sulfationen zu Peroxodisulfat oxidiert und im Anodenraum angereichert. Durch nachfolgende Prozesse ist eine Gewinnung dieser Produkte möglich. In ähnlicher Weise kann der in der Kathodenreaktion gebildete Wasserstoff nachfolgend als Produkt verwertet werden.

GB 2057507 A oder DE 36 14 005 A1 beschreiben prinzipiell geeignete Elektrolysevorrichtungen für dieses vorgenannte Verfahren. Elektrolysenzellen, wie sie für den industriellen Einsatz bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse bekannt sind, werden in der DE 196 41 125, DE 197 40 637 oder DE 19641 125 beschrieben. Diese Zellen bestehen unter anderem aus einer kathodischen und anodischen Halbschale, in welchen die Kathode beziehungsweise die Anode angeordnet sind. Zwischen den Elektroden ist die Ionenaustauschmembran lokalisiert, und der Innenraum jeder Halbschale wird durch die Elektrode in einen Elektrodenraum und einen Elektrodenrückraum geteilt. Der Elektrodenraum wird von der Membran und der Elektrode und der Elektrodenrückraum von der Elektrode und der jeweiligen Zellenrückwand begrenzt. Jede Zelle weist einen Zu- und einen Ablauf auf.

An diesen im Prinzip bekannten Verfahren und den bekannten Vorrichtungen ist nachteilig, dass bei den bekannten Elektrolysevorrichtungen sehr hohe Stromspannungen angelegt werden müssen, um Fluide zu reinigen, deren Ionenkonzentration im Vergleich zu klassischen Elektrolyseverfahren, wie bspw. der Chlor-Alkali-Elektrolyse, sehr gering sind und entsprechend schlecht leiten.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung zu offenbaren, die für Fluide mit geringen Ionenkonzentrationen geeignet ist und sich im bestimmungsgemäßen Betrieb durch einen geringen Energiebedarf auszeichnet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung offenbart wird, die eine Kathode, eine Anode und eine Ionenaustauschmembran aufweist, wobei die Ionenaustauschmembran zwischen der Kathode und Anode angeordnet ist und mindestens umlaufend im Randbereich gehalten wird. Dabei sind auf dem oberen und unteren Randbereich der Elektrolysevorrichtung eine Vielzahl von Zu- und Abläufen angeordnet, die mit dem Kathoden- bzw. dem Anodenraum fluidisch verbunden sind.

Es wurde gefunden, dass sich ein weitgehend laminares Strömungsprofil mit relativ engem Verweilzeitspektrum, das durch eine Propfenströmung beschrieben werden kann, sich in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausbildet. Beim Einsatz dieser Vorrichtung konnten sehr gute Abbauergebnisse, bei gleichzeitig geringem Stromverbrauch beobachtet werden. Zum Aufbau einer stabilen laminar geschichteten Strömung und gleichzeitig geringem Stromverbrauch beträgt der Elektrodenabstand von der Ionentauschermembran maximal 5 mm und unterschreitet 1,5 mm nicht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass die Elektrolysenvorrichtung in der Bauweise von Einzelzellen konstruiert ist. Eine derartige Einzelzelle besteht im Wesentlichen aus zwei Halbschalen, wobei der äußerste Rand der Halbschalen als umlaufender Flansch ausgebildet ist, an den sich nach einer umlaufenden Kante ein Zellenrand anschließt, der die Zellenrückwand umrandet. Die Elektroden sind mittels Stegen von innen an der jeweiligen Zellenrückwand befestigt und den Stegen gegenüber, auf der der Membran zugewandten Elektrodenseite, sind Abstandselemente zur Fixierung der Membran und Kraftdurchleitung angeordnet. Dadurch wird die Elektrode sowie der Anoden- und Kathodenraum in mehrere parallele Kompartimente unterteilt.

Im bestimmungsgemäßen Betrieb werden eine Vielzahl derartiger Einzelzellen in einer Haltevorrichtung planparallel hintereinander aufgehängt, miteinander verspannt und nacheinander senkrecht zu den Membran bzw. Elektrodenflächen vom Strom durchflossen.

Vorteilhafter Weise sind die Zu- und Abläufe von der Membran aus gesehen hinter der Elektrode angeordnet und jedem Kompartiment ist mindestens ein Zulauf und ein Ablauf zugeordnet. Eine weitere Verbesserung besteht darin, dass der Raum zwischen Zellenrückwand und Elektrode, also der Elektrodenrückraum, über 90% mit einem inerten Material gefüllt ist, so dass das Wasser im bestimmungsgemäßen Betrieb bis auf geringe Randströmungen in dem Raum zwischen Elektrode und Membran geleitet wird. Idealerweise wird der Elektrodenrückraum vollständig geschlossen.

Zur verbesserten Strömungsführung für die Zu- und Ableitung von Fluiden ist das inerte Material im Bereich der Zu- und Abläufe so geformt oder weist eine entsprechende Aussparung auf, dass parallel zur oberen und unteren Zellenwand ein oder mehrere Kanäle ausgebildet sind. Das Fluid strömt dann durch den Spalt in den Kathoden- oder Anodenraum, welcher sich zwischen dem Rand der jeweiligen Elektrode und dem Zellenrand ergibt. Idealerweise ist dieser Spalt zwischen oberer und unterer Kante der Elektroden und Zellenrand mindestens 0,5 mm und maximal 5 mm breit.

Da der Volumenstrom auf in der Kathodenhalbschale sehr groß ist, weist die Kathode zusätzlich an der oberen und an der unteren Kante, Aussparungen, Bohrungen oder dergleichen auf. Das in den Kathodenrückraum einströmende Wasser kann somit in geeigneter Weise in den Kathodenraum geleitet werden, ohne dass der Druck in der Zuleitung stark erhöht werden muss.

Idealerweise ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Anode als Streckmetall und die Kathode als ebene Platte ausgebildet. Die den Elektrodenrückraum ausfüllenden Füllkörper, sind vorteilhafterweise an den senkrecht verlaufenden Kanten zur Entwässerung des Elektrodenrückraums und zur Vermeidung von Korrosion abgefasst.

Von der Erfindung ist ebenfalls umfasst, eine Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung, die in der Bauweise einer Filterpresse konstruiert ist, und aus einer Vielzahl aneinander gereihter Einzelzellen besteht. Jede dieser Einzelzellen weist einen Anoden- und einen Kathodenraum auf sowie ein dazwischen liegendes Diaphragma oder eine Ionenaustauschmembran. Gegen die Nachbarzelle ist eine Einzelzelle durch bipolare Zellwände abgeschlossen. Der Anoden- und Kathodenraum kann dabei mit strömungsoffenen und elastischen Matten gefüllt sein, die dazu dienen, die Ionenaustauschmembran zu fixieren.

Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass auf der der Membran zugewandten Elektrodenseite, Abstandselemente zur Fixierung der Membran und Kraftdurchleitung angeordnet sind, wodurch die Elektrode und der Zwischenraum zwischen Elektrode und Membran in mehrere Kompartimente unterteilt wird, und jedem Kompartiment mindestens ein Zulauf und ein Ablauf zugeordnet ist.

Die Vorrichtung kann dahingehend verbessert werden, dass das Dichtungsmaterial, welches oberhalb und unterhalb des Kathoden- und des Anodenraumes angeordnet ist derart geformt ist, dass die vielzähligen Zu- und Ableitungen durch dieses Dichtungsmaterial hindurch geführt werden können und idealerweise mit diesem verschraubbar sind.

Nachfolgend werden in 1 bis 3 vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher beschrieben. 1 zeigt die Elektrolysezelle 1 in einer Draufsicht. Am umlaufenden Zellenflansch 2 sind in regelmäßigen Abständen Schraubendurchführungen 3 vorgesehen. Am oberen Zellenrand 4, der in der 1 nicht zu erkennen ist, sind eine Vielzahl von Zuläufen 5 angeordnet. Am ebenfalls nicht dargestellten unteren Zellenrand 6 befinden sich eine identische Anzahl von Abläufen 7.

Die gesamte Elektrolysezelle 1 ist in Kompartimente 8 aufgeteilt, wobei jedem Kompartiment 8 ein Zulauf 5 und ein Ablauf 7 zugeordnet ist. Die Schnittdarstellung 2 zeigt den Zulaufbereich der Elektrolysezelle 1 in einer vertikalen Schnittdarstellung entlang der Linie A. Die Kathodenhalbschale 9 weist zwischen der Kathode 10 und der Ionenaustauschmembran 11 einen Kathodenraum 12 auf. In den Kathodenrückraum 13 ist ein Füllkörper 14 aus einem Kunststoff eingelegt, der gegenüber dem Zulauf 5 winklig angeschnitten ist, so dass unterhalb des Zellenrandes 6 ein Kanal 15 mit dreieckigem Querschnitt entsteht. Der Verschluss des Kathodenrückraumes 13 führt zu einer vollständigen Umlenkung des Fluids in den Zellen über den Randspalt 16 und Öffnungen 17 in der Kathode 10 im Bereich des Kanals 15 in den Kathodenraum 12. Auf der Zellenrückwand ist weiterhin die Kontaktleiste 20 dargestellt, über welche benachbarte Elektrolysezellen 1 elektrisch leitend miteinander in Kontakt stehen.

Der Aufbau der Anodenhalbschale 18 und der dort enthaltenen Komponenten ist im Wesentlichen identisch. Nicht vorgesehen sind zusätzliche Öffnungen 17 in der Anode 19 in der Nähe des Randspaltes 16, da die Volumenströme kleiner sind als auf der Kathodenseite.

3 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie B der 1. Zu erkennen sind die Füllkörper 14, die in den Rückräumen der Elektroden eingebracht sind, wobei jeder Füllkörper 14 genau ein Kompartiment 8 ausfüllt und die Kompartimente 8 durch die Stege 21 gebildet werden, welche die Elektroden halten und mit der Rückwand der jeweiligen Zellenhalbschale verbunden sind. In dem Kathodenraum 12 und dem Anodenraum 22 sind im Bereich der Stege 21 Abstandshalter 23 angeordnet, welche die Ionenaustauschmembran 11 lokal fixieren.

1
Elektrolysezelle
2
Zellenflansch
3
Schraubendurchführungen
4
Zellenrand (oberer)
5
Zulauf
6
Zellenrand (unterer)
7
Ablauf
8
Kompartiment
9
Kathodenhalbschale
10
Kathode
11
Ionenaustauschmembran
12
Kathodenraum
13
Kathodenrückraum
14
Füllkörper
15
Kanal
16
Randspalt
17
Öffnungen
18
Anodenhalbschale
19
Anode
20
Kontaktleiste
21
Steg
22
Anodenraum
23
Abstandshalter


Anspruch[de]
Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung, umfassend eine Kathode, eine Anode und eine Ionenaustauschmembran, die zwischen der Kathode und Anode angeordnet ist und mindestens umlaufend im Randbereich gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem oberen und unteren Randbereich der Elektrolysevorrichtung eine Vielzahl von Zu- und Abläufen angeordnet sind. Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysevorrichtung in der Bauweise von Einzelzellen konstruiert ist und im Wesentlichen aus zwei Halbschalen gebildet wird, wobei der äußerste Rand der Halbschalen als umlaufender Flansch ausgebildet ist, an den sich nach einer umlaufenden Kante ein Zellenrand anschließt, der die Zellenrückwand umrandet, wobei die Elektroden mittels Stegen von innen an der jeweiligen Zellenrückwand befestigt sind und den Stegen gegenüber, auf der der Membran zugewandten Elektrodenseite, Abstandselemente zur Fixierung der Membran und Kraftdurchleitung angeordnet sind, wodurch die Elektrode sowie der Anoden- und Kathodenraum, die sich zwischen der jeweiligen Elektrode und der Membran bilden, in mehrere parallele Kompartimente unterteilt werden. Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und Abläufe von der Membran aus gesehen hinter der Elektrode angeordnet sind und jedem Kompartiment mindestens ein Zulauf und ein Ablauf zugeordnet ist. Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen Zellenrückwand und Elektrode über 90% mit einem inerten Material gefüllt ist, so dass das Wasser im bestimmungsgemäßen Betrieb bis auf geringe Randströmungen in den Raum zwischen Elektrode und Membran geleitet wird. Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Material im Bereich der Zu- und Abläufe so geformt ist oder eine entsprechende Aussparung aufweist, dass parallel zur Zellenwand ein oder mehrere Kanäle ausgebildet sind. Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die obere und untere Kanten der Elektroden mindestens 0,5 mm und maximal 5 mm Abstand zum Zellenrand aufweisen. Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode an der oberen und an der unteren Kante, die den Zu- beziehungsweise den Abläufen gegenüberliegen, Öffnungen, Aussparungen oder dergleichen aufweisen. Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode als Streckmetall und die Kathode als ebene Platte ausgebildet ist. Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung gemäß Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllkörper an den senkrecht verlaufenden Kanten zur Entwässerung der Elektrodenrückwand abgefasst sind. Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysenvorrichtung in der Bauweise einer Filterpresse konstruiert ist, bestehend aus einer Vielzahl aneinander gereihter Einzelzellen, wobei jede Einzelzelle einen Anolyt- und einen Kathodenraum sowie ein dazwischen liegendes Diaphragma oder eine Ionenaustauschmembran aufweist und gegen die Nachbarzelle durch bipolare Zellwände abgeschlossen ist. Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Membran zugewandten Elektrodenseite Abstandselemente zur Fixierung der Membran und Kraftdurchleitung angeordnet sind, wodurch die Elektrode und der Zwischenraum zwischen Elektrode und Membran in mehrere Kompartimente unterteilt wird und jedem Kompartiment mindestens ein Zulauf und ein Ablauf zugeordnet ist. Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmaterial, welches oberhalb und unterhalb des Zwischenraums von Membran und Elektrode angeordnet ist, derart geformt ist, dass die Zu- und Ableitungen durch dieses Dichtungsmaterial hindurch geführt werden können und idealerweise mit diesem verschraubbar sind. Elektrolysevorrichtung zur Wasserreinigung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das der lotrechte Elektrodenabstand von der Ionentauschermembran zwischen 5 mm und 1,5 mm liegt.






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