Die vorliegende Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Behandlung und Modifizie¬ rung von lonenaustauschmaterial, das in lonenaustauschprozessen eingesetzt wird, sowie auch eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens. Das Verfahren vermag die Um¬ weltverträglichkeit von lonenaustauschprozessen erheblich zu verbessern, weil chemische Reagenzien eingespart werden können.

Ionenaustauschprozesse werden in vielen Varianten in der chemischen Industrie, namentlich in der Metallurgie, aber auch in der der Medizin, in der Elektronikindustrie, sowie ganz all¬ gemein in der Wasseraufbereitung und somit auch in der Energieversorgung eingesetzt, wo immer Wasserkreisläufe vorhanden sind. Wärmekraftwerke, welche die Fernwärmeversor¬ gung sicherstellen, müssen das Wasser unabhängig von seiner Herkunft, das heisst egal, ob es von einem Fluss oder See oder vom Grundwasser kommt, einer Reinigung und Entsal¬ zung unterziehen, bevor es in die Kesselanlagen kommt. Der Zweck der Entsalzung des Wassers ist es, Ablagerungen an den Kesselwänden zu verhindern, weil es sonst zu Ueber- hitzungen und damit zur Zerstörung der Kessel kommen kann. Eine tiefe Entsalzung von Wasser erreicht man mit Hilfe von Ionenaustauschern Das sind Materialien von zumeist synthetischen Kunststoffen in Granulatform, die mit dem vorbeiströmenden Medium Ionen

austauschen. Es ist bekannt, dass während des Ionenaustauschprozesses und bei der Sepa¬ rierung der Komponenten der flüssigen Phase, zum Beispiel bei der tiefen Entsalzung von Wasser, das lonenaustauschmaterial durch Mineralstoffe und Stoffe organischer Herkunft stark verschmutzt wird. Proportional zum Ausmass der Verschmutzung der inneren und äusseren Oberfläche der Ionenaustauscher verschlechtern sich deren physikalisch-chemi¬ schen Eigenschaften, wodurch die aktive Austauschkapazität gesenkt wird. Diese Tatsache fuhrt zu einer Erhöhung des Bedarfs an chemischen Reagenzien (Säuren und Basen), die zur Regenerierung der Ionenaustauscher verwendet werden, sowie zu einer Verschlechterung der ökologischen Parameter des Ionenaustauschprozesses und bedingt in letzter Konse¬ quenz eine Senkung der Ressourcen der Arbeitskapazität des Ionenaustauschmaterials. Eine typische lonenaustausch-Füterkette eines grossen Wärme-Kraftwerkes besteht aus bis zu sieben Reinigungsstufen. In diesen Reinigungsstufen in Form von Filterpaketen, in denen nacheinander geschaltete lonenaustauschprozesse ablaufen, werden dem Wasser durch den Ionenaustausch Salze entzogen. Verschiedene Salze werden dabei durch verschiedene Ionenaustauscher extrahiert. Die am stärksten belastete Stufe ist logischerweise die erste Reinigungsstufe, weil hier das Wasser noch am meisten verschmutzt ist. Von Stufe zu Stufe ist das Wasser weniger mit den Schmutzstoffen belastet. Es ist klar, dass deshalb die Filter¬ pakete der ersten Reinigungsstufe am wenigsten lange eingesetzt werden können. Bei einer siebenstufigen Reinigungsanlage eines grossen Wärme-Kraftwerkes müssen daher die Ionenaustauscher der ersten Reinigungsstufe oft schon nach fünf Stunden regeneriert wer¬ den, wogegen die Ionenaustauscher der siebenten Stufe, welche von schon zum grössten Teil gereinigtem Wasser durchlaufen wird, bis zu sieben Tagen im Einsatz stehen kann, ehe sie regeneriert werden müssen. Diese Regeneration erfolgt mittels Durchspülens des Ionen¬ austauschmaterials mit Säuren oder Basen. Diese bewirken einen "umgekehrten" Ionenaus- tauschprozess und vermögen die angelagerten Stoffe zum Teil zu lösen und fortzuschwem¬ men, sodass das lonenaustauschmaterial seinen Urzustand erlangt.

Eine solche Regenerierung kann nur eine beschränkte Anzahl von Malen wiederholt werden. Die Ionenaustauschfähigkeit nimmt stetig ab. Ausserdem sind die lonenaustauschmateria- lien, weil sie aneinander und am Wasser und seinen Schmutzstoffen reiben, einem mechani¬ schen Verschleiss unterworfen, sodass die einzelnen Granulatkügelchen immer kleiner wer-

den und und schliesslich aus dem Filter geschwemmt werden Der mechanische Verschleiss beträgt in Abhängigkeit der Qualität der Ionenaustauscher und der Wasserdurchlaufmenge bis zu 20% pro Jahr Dazu kommt der Veschleiss infolge der Verschmutzung Dieser be¬ trägt in der ersten Stufe je nach Qualität des Wassers bis zu 100% pro Jahr, und in der sie¬ benten Stufe noch zwischen 10% und 20% pro Jahr. Bei einem grossen Wärmekraftwerk durchlauft das Wasser mehrere hundert Tonnen von lonenaustauschmaterial, weswegen das regelmässig nötige Regenerieren mittels Chemikalien sowie der regelmassige Ersatz infolge Verschleiss ein erheblicher Kostenfaktor im Betrieb des Kraftwerks darstellt

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Behandlung und Modifizierung von lonenaustauschmaterial, sowie zur Verbesserung der Umweltverträg¬ lichkeit von lonenaustauschprozessen anzugeben, sodass dieselben effizient gereinigt und regeneriert werden können und somit langer im Einsatz stehen können, und im weiteren ist es die Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, welche eine solche Behand¬ lung und Modifizierung des Ionenaustauschmaterials ermöglicht. Mit der Erfindung soll eine erhebliche Reduktion des Verbrauchs an Regenerations-Chemikalien erzielt werden und insgesamt eine grosse Kostensenkung der Wasseraufbereitung verbunden sein

Diese Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren zur Behandlung von lonenaustauschmate¬ rial, das sich dadurch auszeichnet, dass dieses unter einem Druck von 1.3 bis 4 0 bar einer akustischen Ultraschall-Schwingung von einer Frequenz von 15-60 kHz bei einer Intensität von mindestens 3 5 Watt/cm ² ausgesetzt wird

Weiter wird die Aufgabe gelöst von einer Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens, die sich dadurch auszeichnet, dass sie aus einem Druckgefass besteht, das dazu bestimmt ist, von Wasser und lonenaustauschmaterial durchströmt zu werden, und in dessen Innerem mindestens ein von einem Ultraschall-Generator betriebener Ultraschallschwinger vorhan¬ den ist, sodass dessen Schwingungen auf das durchströmende Material wirksam sind

In den Figuren sind beispielsweise Vorrichtungen gezeigt, anhand derer das Verfahren nach¬ folgend erläutert wird

Es zeigt

Figur 1 Eine Vorrichtung zur Behandlung von lonenaustauschmaterial, in einem Schnitt von der Seite her gesehen,

Figur 2 Eine Anordnung zur Behandlung des Inhalts eines lonenaustauscherbehälters, wobei nach der Behandlung des Ionenaustauschmaterials in der Vorrichtung dieses in einen anderen Behälter umgelagert wird,

Figur 3 Eine Anordnung zur Behandlung des Inhalts eines lonenaustauscherbehälters, wobei nach der Behandlung das lonenaustauschmaterial in der Vorrichtung die¬ ses durch einen Kreislauf direkt wieder in den lonenaustauscherbehalter zurück¬ geführt und dieser erneut damit befullt wird

Nach dem Verfahren zur Behandlung von lonenaustauschmaterial wird dieses unter einem Druck von 1 3 bis 4 0 bar einer akustischen Ultraschall-Schwingung von einer Frequenz von 15-60 kHz bei einer Intensität von mindestens 3 5 Watt/cnr ausgesetzt Dabei wird etwa Raumtemperatur vorausgesetzt Hierzu dient eine Vorrichtung wie sie in Figur 1 gezeigt ist Das lonenaustauschmaterial wird mit Wasser als Tragermaterial durch diese Vorrichtung gepumpt Sie besteht im gezeigten Beispiel aus einem Reaktor 3 in Form einer zylindrischen Druckgefass-Kammer 7, die vorzugsweise aus einem Rohrabschnitt aus Stahl oder Chrom¬ stahl besteht An beiden Enden der Kammer 7 sind Rohrstucke angeflanscht, die auf der linken Seite im Bild einen Eingangsstutzen 6 bilden, und rechts im Bild einen Ausgangs¬ stutzen 13 Die Flansche 5,14 an den Enden der beiden Stutzen 6,13 dienen zum Einbau der Vorrichtung in eine Rohrleitung, wie das in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist Im Ausgangsstutzen 13 ist noch ein Ventil 12 in Form eines Schiebers oder eines Kugelhahns 12 eingebaut, der zum Beispiel aus Polypropylen gebaut sein kann Im Innern der zylindrischen Druckgefass-Kammer 7 erstrecken sich in deren Längs- bzw Axialrichtung drei Ultraschall-Schwinger 15 vom einen Kammerende zum anderen Diese drei Ultraschall- Schwinger 15 sind längs des Umfangs der Kammer 7 gleichmassig verteilt Der Sinn und Zweck dieser Anordnung ist es, dass jeder Punkt im Innern der Kammer 7 nicht weiter als

ein maximales Mass von wenigen Zentimetern radial von den Schwingern 15 entfernt ist, um die nach dem Verfahren geforderte lntenstitat von mindestens 3 5 Watt/cnr an jeder Stelle zu erreichen Die Schwinger 15 selbst sind handelsübliche Produkte und werden zum Beispiel unter dem Namen PUSH-PULL einschliesshch der zum Betrieb notigen POWERSONIC* Ultraschallgeneratoren von der Firma Martin Walter Ultraschalltechnik GmbH, Hardtstrasse 13, D-75332 Straubenhardt, Bundesrepublik Deutschland, angeboten Bei den vorgenannten Schwingern 15 handelt es sich um Stabe aus einer Titan-Legierung mit einem Durchmesser von 50mm Je nach Ausfuhrung ist die Lange des Schall abgebenden Teils zum Beispiel 198mm bei einer Gesamtlange von 438mm, oder in der längsten angebotenen Version ist die Lange des Schall abgebenden Teils 1287mm bei einer Gesamtlange von 1527mm Die zugehörigen empfohlenen Ultraschall-Generatoren geben eine Leistung von 0 6 kW bis 2 0 kW ab Im gezeigten Beispiel ist der Ultraschall-Generator 16 neben dem Reaktor 3 auf einer Tischplatte 18 angeordnet Der Reaktor 3 ist dabei auf entsprechend geformten Stutzelementen 21 auf dem Tisch aufgebaut Vorteilhaft ist die Tischplatte auf einem hohenverstellbaren Gestell 17 montiert Dadurch kann die Vorrichtung für eine Behandlung temporar in eine Rohrleitung als Zwischenstuck eingesetzt werden und nach erfolgter Behandlung leicht an einen anderen Einsatzort verschoben werden Es versteht sich, dass je nach Grosse der Kammer, die ja je nach dem zu bewältigenden Durchsatz ausgelegt wird, auch nur ein zum Beispiel zentral längs der zylindrischen Kammerachse angeordneter Schwinger vorgesehen sein kann, oder aber bei grosseren Kammerdurchmessern eine Vielzahl von Schwingern die Kammer parallel zueinander in etwa gleichen Abstanden voneinander durchmessen In der hier gezeigten Ausführung weist die Kammer 7 auf ihrer Oberseite noch ein Manometer 8 auf, sowie ein Sichtfenster 9 zur Beobachtung des Durchflusses Der Durchfluss kann mittels eines Durchflussmessers ermittelt werden, der im gezeigten Beispiel ein Schwebe-Korper- Durchflussmesser ist 10, welcher am Eingangsstutzen 6 angebaut ist Der Schwebekorper 19 besteht zum Beispiel aus Polypropylen und ist mit einem Durchfluss- Widerstandskorper verbunden, der in den Eingangsstutzen ragt Die mit dem Wasser vorbeistromenden Ionenaustauscher sind Granulatkorner von 0 5mm bis 1 4mm Durchmesser Je hoher nun ihre Stromungsgeschwindigkeit ist, umso mehr vermögen sie den Widerstandskorper und damit den Schwebekorper nach unten zu drucken Die Lage des Schwebekorpers 19 ist

einsehbar und erlaubt Rückschlüsse auf die Strömungsgeschwindigkeit und somit auf die

Durchflussmenge. Am hinteren Ende der zylindrischen Kammer 7 schliesst ein

Abflusstrichter 11 an, um das durchfliessende Material in den Ausgangsstutzen 13 zu leiten.

Die Ultraschall-Schwinger 15 sind am hinteren Ende von einer sternförmigen Halterungen

20 gehalten. Typischerweise durchströmt das zu behandelnde lonenaustauschmaterial die

Kammer 7 in Wasser mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 0.035m/s, wobei das

Material etwa während 30 Sekunden der akustischen Schwingung ausgesetzt ist. Die

Durchfluss- bzw. Behandlungskapazität einer solchen Vorrichtung liegt bei etwa Im ³ bis zu

4m ⁵ lonenaustauschmaterial pro Stunde.

Versuche haben gezeigt, dass diese Einwirkungen zu einer Tiefenreinigung der äusseren und inneren Oberfläche des Ionenaustauschmaterials von organischen Verschmutzungen fuhren. Mit einer periodischen Reinigung der Ionenaustauscher kann eine Regenerierung von bis zu 95% deren ursprünglicher Austauschvoluminas und gleichzeitig eine Verminderung der Menge von chemischen Reagenzien erreicht werden, die sonst zur Regenerierung angewen¬ det werden müssten, das heisst, es lässt sich praktisch eine Wiederherstellung der ursprüng¬ lichen Arbeitskapazität des Ionenaustauschmaterials erzielen. Deswegen wird die Einsatz¬ fähigkeit des Ionenaustauschmaterials bei der Anwendung dieses Behandlungsverfahrens faktisch nur durch den Zeitpunkt beschränkt, zu dem sein physischer Verschleiss infolge der mechanischen Abnutzung soweit fortgeschritten ist, dass die Granulatkörner zu klein ge¬ worden sind, um von den Filternetzen noch gehalten werden zu können.

Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass bei der Einwirkung von akustischen Schwin¬ gungen unter den angegebenen Bedingungen eine Reinigung der Tansportporen des Ionen¬ austauschmaterials von Produkten verschmutzender Sopolimere erfolgt, die im Verlauf des Syntheseprozesses der Ionenaustauscher nicht in eine chemische Verbindung treten, z.B. Monomere, Aligormere und andere. Im Resultat der Reinigung, nämlich der Oeffnung der Transportporen, stieg der Koeffizient der inneren Diffusion auf das Drei- bis Fünffache an, und infolge dessen erhöhte sich die Geschwindigkeit des lonenaustausches nach der Rege¬ nerierung der Ionenaustauscher. Die Erhöhung der Geschwindigkeit des lonenaustauschs fuhrt zu einer Verminderung des Verbrauchs an chemischen Reagenzien, die im Prozess der

Regenerierung üblicherweise eingesetzt werden. Mit Anwendung dieses Verfahrens wird eine Einsparung von 25% bis 50% der sonst nötigen Chemikalien erreicht. Die Einwirkung der akustischen Schwingungen auf das lonenaustauschmaterial fuhrt ausserdem zur Oeff- nung der "physischen Knoten oder Klumpen" und der verstopften Transportporen. Dabei wird eine Erhöhung der vollständigen statischen Austauschkapazität von im Durchschnitt um 15% bis 20% erzielt. Es ist erwiesen, dass Ionenaustauscher, die mit akkustischen Schwingungen bearbeitet wurden, eine höhere bakteriologische Widerstandsfähigkeit auf¬ weisen. Der Einwirkung von akustischen Schwingungen können auch Ionenaustauscher un¬ terzogen werden, die bisher noch nicht in Betrieb waren, wobei bei ihnen eine analoge Ver¬ besserung der physikalisch-chemischen Eigenschaften erzielt wird. Zahlreiche Forschungs¬ arbeiten haben gezeigt, dass Ionenaustauscher, die mit akustischen Schwingungen behandelt wurden, unter Versuchsbedingungen ihre Struktur faktisch nicht verändert haben Dabei beträgt der physische Abnutzungsgrad 0.2% bis 0.3%, was dem internationalen Standard entspricht

In Figur 2 ist ein Ionenaustauscher-Behälter 1 gezeigt, an den oben eine Rohrleitung 2 an¬ geschlossen ist Diese Rohrleitung 2 fuhrt in die erfindungsgemasse Vorrichtung 3, in deren Innerem sich mindestens ein Ultraschallschwinger befindet. Aus der Vorrichtung 3 fuhrt die Rohrleitung weiter in einen Auffangbehälter 4 Zum Durchfuhren des Verfahrens wird das lonenaustauschmaterial im Behälter 1 mittels Druckwasser von unten nach oben herausge¬ spült Es gelangt mit dem Wasser durch die Rohrleitung 2 in die Vorrichtung 3, die es unter einem Druck von 1.3 bis 4 bar durchströmt. Der Druck kann dabei mit einem Kugelhahn reguliert werden, welcher nach der Vorrichtung 3 in die Rohrleitung 2 montiert ist Nach der Behandlung mit den akustischen Schwingungen strömt das lonenaustauschmaterial mit dem Wasser durch die Leitung 2 weiter in den Auffangbehälter 4, in welchem es abtropft und dann zur Wiederverwendung in einem Ionenaustauschprozess bereit ist

Die Figur 3 zeigt eine Variante, bei der die Vorrichtung 3 direkt in einen Kreislauf 2 einge¬ baut ist. Das lonenaustauschmaterial wird mittels Druckwasser im Uhrzeigersinn durch den Kreislauf gepumpt und durchläuft die Vorrichtung 3 ein oder mehrmals Nach einer hinrei-

chenden Behandlung wird das lonenaustauschmaterial schliesslich im Behälter 1 zurückge¬ halten und steht dann wieder für lonenaustauschprozesse zur Verfugung.

Mit Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens kann davon ausgegangen werden, dass die Intervalle, nach denen der Inhalt der einzelnen Reinigungsstufen einer Ionenaustausch- Anlage regeneriert werden muss, erheblich verlängert werden können. So kann bei einer siebenstufigen Anlage zum Beispiel bei der ersten Reinigungsstufe von einem Regene- rieungsintervall von 5 Stunden auf ein solches von ca. 7 Stunden umgestellt werden, wäh¬ rend bei der siebenten Stufe das Intervall von 7 Tagen auf 10 Tage verlängert werden kann, mit einer entsprechenden Einsparung der eingesetzten Chemikalien.