DE2144251A1 - Process for removing salts from an aqueous solution - Google Patents
Process for removing salts from an aqueous solutionInfo
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Description
DIPL.-ING. HANS W. GROENINGDIPL.-ING. HANS W. GROENING
DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN 21 4425 IDIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN 21 4425 I.
PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS
S/R 14-66 zbS / R 14-66 e.g.
Rohm and Haas Company, Independence Mall West, Philadelphia,Rohm and Haas Company, Independence Mall West, Philadelphia,
Pa. 19105/USAPa. 19105 / USA
Verfahren zur Entfernung von Salzen aus einer wäßrigen LösungProcess for removing salts from an aqueous solution
Die Erfindung betrifft die Entfernung von Salzen und anderen Elektrolyten aus Lösungen unter Verwendung von Ionenaustauscherharzen. Die Erfindung ist besonders auf die Entfernung von Salzen aus wäßrigen Lösungen anwendbar, aus welchen 1) die Salze so vollständig als möglich entfernt werden sollen, wobei 2) die Ionenaustauscherharze so wirksam als möglich regeneriert werden sollen» und wobei es unerwünscht ist, daß der pH der Lösung merklich von dem Neutralpunkt während des Verfahrens abweicht. Die Erfindung eignet sich auch zur Entfernung von Verunreinigungen, beispielsweise für eine dritte Abwasserbehandlung, sowie zur Behandlung von Abwässern aus bestimmten Entionisierungseinheiten.The invention relates to the removal of salts and others Electrolytes from solutions using ion exchange resins. The invention is particularly applicable to the removal of salts applicable from aqueous solutions, from which 1) the salts should be removed as completely as possible, with 2) the ion exchange resins are to be regenerated as effectively as possible and it is undesirable that the pH of the Solution noticeably deviates from the neutral point during the procedure. The invention is also suitable for removing Impurities, for example for a third waste water treatment, as well as for the treatment of waste water from certain Deionization units.
Es ist bekannt, daß Salze aus wäßrigen Lösungenin der Weise entfernt werden können, daß die Lösung durch ein Bett aus It is known that salts can be removed from aqueous solutions in such a way that the solution is passed through a bed
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β MÜNCHEN 2« · ZYVEIIUlOCKENSTR. β · POSTFACH 0 · KABEL·: ΠΗΙΙΝΡΑΤΕΝΤ · TELEFON (0811) 29 βθ 01 / 2B 01β MUNICH 2 «· ZYVEIIUlOCKENSTR. β POST BOX 0 CABLE: ΠΗΙΙΝΡΑΤΕΝΤ TELEPHONE (0811) 29 βθ 01 / 2B 01
bestimmten Kationenaustauscherharzen in ihrer Wasserstofform und dann durch ein Bett aus einem Anionenaustauscherharz geschickt wird. Es wurde ferner gefunden, daß durch Verwendung bestimmter Anionenaustauscherharze, in denen die polaren Gruppen quaternäre Ammoniumgruppen sind, diese Reihenfolge umgedreht werden kann. Bei Einhaltung einer jeden beliebigen Reihenfolge unterscheidet sich jedoch der pH-Wert der das erste Bett verlassenden Lösung merklich von demjenigen der ursprünglichen Lösung. In vielen Fällen ist dies'ein unerwünschter Zustand, der die Anwendbarkeit von Ionenaustauscherverfahren zur Entfernung von Salzen einengt. Es ist bekannt, daß Salze aus Lösungen unter Verwendung von Mischbetten aus Anionenaustauscherharzen in der basenregenerierten Form und Kationenaustauscherharzen in der Säureform entfernt werden können. Wenn auch viele derartiger Mischbettsysteme untersucht worden sind, so haben sich dennoch nur diejenigen als wirksam und technisch interessant erwiesen, welche quaternäre Ammoniumanionenaustauscherharze als Anionenaustauscherharzkomponente enthalten. Das Mischbettsystem, welches das stark basische quaternäre Amiaoniumanionenaustauscherharz und das stark saure Sulfonsäurekationenaustauscherharz enthält, wurde in breitem Umfange verwendet, da es den äußersten erreichbaren Grad an Salzentfernung ermöglicht, und da die Ionenaustauseherharzkomponenten in einfacher Weise getrennt und die einzelnen Ionenaustauscherharze in der üblichen Weise in der ursprünglichen Ionenaustauscherharzkolonne regeneriert werden können (vgl. beispielsweise die USA-Patentschrift 2 578 937).certain cation exchange resins in their hydrogen form and then passed through a bed of anion exchange resin will. It has also been found that by using certain anion exchange resins in which the polar groups are quaternary ammonium groups, this order can be reversed. If you follow any order however, the pH of the solution leaving the first bed differs markedly from that of the original Solution. In many cases, this is an undesirable condition affecting the applicability of ion exchange methods for removal constricts from salts. It is known that salts can be extracted from solutions using mixed beds of anion exchange resins in the base-regenerated form and cation exchange resins in the acid form can be removed. Even if many of those Mixed bed systems have been studied, however, only those have proven to be effective and technically interesting proven which contain quaternary ammonium anion exchange resins as the anion exchange resin component. The mixed bed system, which is the strongly basic quaternary ammonium anion exchange resin and the strong acid sulfonic acid cation exchange resin has been used extensively as it enables the utmost degree of salt removal achievable, and because the ion exchange resin components are easily removed separately and the individual ion exchange resins in the usual manner in the original ion exchange resin column can be regenerated (see, for example, U.S. Patent 2,578,937).
Ls gibt viele Fälle, in denen es zweckmäßig wäre, das stark basische quaternäre Ammoniumanionenaustauscherharz durch ein schwach basisches Anionenaustauscherharz zu ersetzen. Dies würde beträchtliche wirtschaftliche Vorteile zur Folge haben,There are many cases in which it would be useful to use the strongly basic to replace quaternary ammonium anion exchange resin with a weakly basic anion exchange resin. this would result in significant economic benefits,
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da das schwach basische Harz in wirtschaftlicherer Weise regeneriert werden kann als das erstgenannte Harz. Ferner wäre es möglich, Lösungen zu entsalzen, die Substanzen enthalten, welche mit der stark alkalischen Umgebung reagieren können, die im Falle von quaternären Ammoniumanionenaustauscherharzen in Hydroxydform in Kauf zu nehmen sind. Derartige Systeme wurden untersucht. Ihre Verwendung liess sich jedoch nicht realisieren, da extrem schlechte Ergebnisse in reproduzierbarer Weise erzielt wurden. Da schwach basische Anionenaustauscherharze in erster Linie als Säureadsorbantien angesehen worden sind, wurde die schlechte Wirkungsweise des Mischbettsystems, das aus einen stark sauren Kationenaustauscherharz und einem schwach basischen Anionenaustauscherharz besteht, dem ungünstigen Gleichgewicht zugeschrieben, das in derartigen Betten vorliegt.since the weakly basic resin regenerates in a more economical manner can be called the former resin. It would also be possible to desalinate solutions that contain substances which can react with the strongly alkaline environment, which in the case of quaternary ammonium anion exchange resins are to be accepted in hydroxide form. Such systems have been investigated. However, their use could not be realized, since extremely poor results were obtained in a reproducible manner. Since weakly basic anion exchange resins in First and foremost, as acid adsorbents, the poor mode of operation of the mixed bed system was made up of a strongly acidic cation exchange resin and a weakly basic anion exchange resin, the unfavorable one Ascribed to the equilibrium that exists in such beds.
In überraschender Weise wurde nunmehr gefunden, daß es möglich ist, Mischbetten aus stark sauren Kationenaustauscherharzen und bestimmten schwach basischen Anionenaustauscherharzen herzustellen, deren Wirkungsweise bei weitem die Wirkungsweise derartiger bekannter Mischbetten übertrifft. In überraschender Weise läßt sich die Wirkungsweise derartiger Mischbetten durch die kinetische Wirkungsweise der schwach basischen Anionenaustauscherharzkomponente und nicht durch das Gleichgewicht des Mischbettsystems steuern. Es wurde ferner gefunden, daß es möglich ist, die Eignung der Anionenaustauscherharzkomponente dieses Hischbettsystems unter Bezugnahme auf eine kinetische Halbwertszeit des Anionenaustauscherharzes zu definieren.It has now surprisingly been found that it is possible is to produce mixed beds from strongly acidic cation exchange resins and certain weakly basic anion exchange resins, their mode of action by far exceeds the mode of action of such known mixed beds. In surprising The mode of action of such mixed beds can be determined by the kinetic mode of action of the weakly basic anion exchange resin component and not steer through the equilibrium of the mixed bed system. It was also found that it is possible, the suitability of the anion exchange resin component of this mixed bed system with reference to a kinetic To define the half-life of the anion exchange resin.
Die schlechten Ergebnisse, die bisher unter Verwendung derartiger Mischbetten im Vergleich zu Vielfachbetten oder in Reihe geschalteten Betten aus stark sauren Kationenaustauscherharzen und schwach basischen AnionenaustauscherharzenThe poor results previously obtained using such mixed beds compared to multiple beds or in Series-connected beds made of strongly acidic cation exchange resins and weakly basic anion exchange resins
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erhalten wurden, werden durch das Beispiel 1 belegt (die in den Beispielen angegebenen mesh-Zahlen beziehen sich auf die US-Standard-Siebreihe).obtained are demonstrated by Example 1 (the mesh numbers given in the examples relate to the US standard sieve series).
50 ml (16 - 50 mesh) eines starken Sulfonsäurekationenaustauscherharzes
aus einem sulfonierten gelartigen vernetzten Polystyrolharz (erhältlich beispielsweise unter dem Warenzeichen
Amberlite IR-120) und ein gleiches Volumen eines
schwach basischen gelartigen Polystyrol/Polyamin-Anionenaustauscherharzes
(20 - 50 mesh) (erhältlich beispielsweise unter dem Warenzeichen Amberlite IR-45), hergestellt gemäß
der US-Patentschrift 2 591 57H, werden jeweils getrennt in 100 ml-Glasbüretten gegeben, die unter Verwendung von Kunststoff
schläuchen in Reihe geschaltet sind (System B), wobei die Bürette, welche das Kationenaustauscherharz enthält, vor
die Bürette geschaltet ist, welche das schwach basische Aniorienaustauscherharz
enthält. Das stark saure Kationenaustauscherharz befindet sich in der Wasserstofform, während
das schwach basische Anionenaustauscherharz in Form der
freien Base vorliegt. Eine andere 100 ml-Glasbürette wird
mit 100 ml einer Mischung gepackt, die 50 ml eines jeden
der vorstehend erwähnten Ionenaustauscherharzes (System A) enthält. Eine Lösung, die 500 ppm NaCl enthält, wird dann
durch die Systeme A und B geschickt, und zwar parallel bei einer Kontaktzeit von ungefähr 2 Minuten. Die Abflüsse aus
beiden Systemen A und B werden durch Leitfähigkeitsmessungen überwacht. Es werden folgende Ergebnisse erhalten:50 ml (16-50 mesh) of a strong sulfonic acid cation exchange resin made from a sulfonated gel-like crosslinked polystyrene resin (available for example under the trademark Amberlite IR-120) and an equal volume of one
Polystyrene / polyamine weakly basic gel-type anion exchange resin (20-50 mesh) (available for example under the trademark Amberlite IR-45), manufactured in accordance with US Pat Plastic hoses are connected in series (system B), the burette containing the cation exchange resin being connected in front of the burette containing the weakly basic anion exchange resin. The strongly acidic cation exchange resin is in the hydrogen form, while the weakly basic anion exchange resin is in the form of
free base is present. Another 100 ml glass burette is packed with 100 ml of a mixture, the 50 ml of each
the above-mentioned ion exchange resin (system A). A solution containing 500 ppm NaCl is then passed through systems A and B in parallel with a contact time of approximately 2 minutes. The outflows from both systems A and B are monitored by conductivity measurements. The following results are obtained:
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AbflußDrain
elektrischer Widerstand des Abflusseselectrical resistance of the drain
BettvolumenBed volume
1)1)
Bettvolumen = kombiniertes Volumen aus Anionen- und KationenaustauscherharzBed volume = combined volume of anion and cation exchange resin
Der spezifische Widerstand in Ohm-cm einer 500 ppm NaCl-Lösung beträgt ungefähr 1 000.The resistivity in ohm-cm of a 500 ppm NaCl solution is about 1,000.
Da sich der elektrische Widerstand des abfließenden Wassers direkt mit seiner Reinheit ändert, ist der Widerstand umso höher, je reiner das Wasser ist. Die Wirkungsweise des üblichen Zweibettsystem^ -(B) ist gegenüber der Wirkungsweise des Mischbettsystems (A) überlegen, wenn die vorstehend angegebenen Ionenaustauscherharze verwendet werden.Since the electrical resistance of the draining water changes directly with its purity, so is the resistance higher, the purer the water is. The mode of action of the usual two-bed system ^ - (B) is compared to the mode of action of the Superior to mixed bed system (A) when the above ion exchange resins are used.
Ersetzt man das Anionenaustauscherharz von Beispiel 1 durch ein makroretikulares schwach basisches tertiäres Aminanionenaustauscherharz (mit einer solchen Teilchengröße,The anion exchange resin of Example 1 is replaced by a macroreticular weakly basic tertiary amine anion exchange resin (with such a particle size,
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daß die Teilchen durch ein 25 mesh-Sieb hindurchgehen und zu 95 % auf einem 50 mesh-Sieb zurückbleiben) und wiederholt die Arbeitsweise von Beispiel 1, dann erhält man die weiter unten angegebenen Ergebnisse.particles pass through a 25 mesh screen and 95% remain on a 50 mesh screen) and repeated The procedure of Example 1 is then obtained results given below.
Das makroretikulare schwach basische Anionenaustauscherharz enthält eine tertiäre Amxnfunktionalität auf einer Styrol/Divinylbenzol-Matrix und weist eine starke fixierte Porosität in der Harzbettstruktur auf. Dieses schwach basische makroretikulare Harz besitzt eine Dichte von ungefähr 0,6408 g/ccm (40 lbs./cu. ft.) und weist ungefähr 40 % Leerstellen auf und besitzt eine minimale Austauscherkapazität von ungefähr 124 g (21 kilograin) (als Calciumcarbonat) pro 0,028 m (cubic foot). Diese makroretikularen Harze sind bekannte Materialien und können nach bekannten Methoden hergestellt werden, beispielsweise nach den in den britischen Patentschriften 932 125 und 9 32 126 beschriebenen Methoden. Das vorstehend erwähnte makroretikulare schwach basische Harz ist beispielsweise unter dem Warenzeichen Amberlite XE-270 erhältlich.The macroreticular weakly basic anion exchange resin contains a tertiary amine functionality on a styrene / divinylbenzene matrix and has a strong fixed porosity in the resin bed structure. This weakly basic macroreticular Resin has a density of about 0.6408 g / ccm (40 lbs./cu. Ft.) And has about 40% voids and has a minimum exchange capacity of approximately 124 g (21 kilograins) (as calcium carbonate) per 0.028 m (cubic foot). These macroreticular resins are known materials and can be produced by known methods, for example according to the methods described in British Patents 932 125 and 9 32 126. The macroreticular mentioned above weakly basic resin is available, for example, under the trademark Amberlite XE-270.
AbflußDrain
lot t.vo'Lumenlot t.vo'Lumen
elektrischer Widerstand des Abflusseselectrical resistance of the drain
System A (Mischbett) System A (mixed bed)
5 000 0005,000,000
6 000 ooo 6 000 000 4 000 000 1 000 0006,000,000 6,000,000 4,000,000 1,000,000
800 000800,000
0hm-cm0hm-cm
System B
(Reihe) System B
(Line)
2 000 000 2 000 000 2 000 000 2 000 000 1 000 000 800 0002,000,000 2,000,000 2,000,000 2,000,000 1,000,000 800,000
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BAD ORIQfMALBAD ORIQfMAL
Aus den vorstehenden Werten ist ersichtlich, daß der Ersatz des schwach basischen Gelharzes in dem Mischbett durch das makroretikulare schwach basische Anionenaustauscherharz eine bemerkenswerte Wirkung erzielt.From the above values it can be seen that the replacement of the weakly basic gel resin in the mixed bed with the macroreticular weakly basic anion exchange resin achieved a remarkable effect.
Die Beispiele 1 und 2 basieren auf Kationenaustauscherharzen, die vollständig in die Wasserstofform regeneriert worden sind. Unter normalen Betriebsbedingungen wird das Kationenaustauscherharz gewöhnlich auf Gehalte von 25 bis 50 % der Gesamtmenge regeneriert, die in die Wasserstofform regeneriert werden kann. Das Beispiel 3 beschreibt Versuche, bei deren Durchführung das Kationenaustauscherharz in einem derartigen Ausmaß regeneriert worden ist.Examples 1 and 2 are based on cation exchange resins that have been fully regenerated to the hydrogen form. Under normal operating conditions the cation exchange resin will usually regenerated to levels of 25 to 50% of the total that can be regenerated to the hydrogen form. Example 3 describes experiments which, when carried out, regenerate the cation exchange resin to such an extent has been.
Die in Beispiel 2 beschriebene Arbeitsweise wird wiederholt mit der Ausnahme, daß das Kationenaustauscherharz auf einen Gehalt von 50 % in die Wasserstofform regeneriert wird. Es werden folgende Werte erzielt:The procedure described in Example 2 is repeated with the exception that the cation exchange resin is reduced to one content is regenerated by 50% into the hydrogen form. The following values are achieved:
(500 ppm NaCl-Zufluß)Drainage loss (%)
(500 ppm NaCl inflow)
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Aus den vorstehenden Werten geht die Wirksamkeit des Mischbettsystems im Vergleich zu dem Zweibettsystem unter prakti schen Regenerierungsbedingungen und Betriebsbedingungen her vor.The effectiveness of the mixed bed system is based on the above values in comparison to the two-bed system under practical regeneration conditions and operating conditions before.
a) Ein Mischbettsystem wird gemäß Beispiel 2 hergestellt, mit der Ausnahme, daß als stark saures Sulfonsäurekationenaustauscherharz ein makroretikulares sulfoniertes vernetztes Polystyrolharz und anstelle des schwach basischen Harzes ein makroretikulares schwach basisches tertiäres Aminoxydharz (-25 + 50 mesh), das ungefähr 20 % Aminoxydfunktionalität (kinetische Halbwertszeit von weniger als 7 Minuten) enthält, verwendet wird. Die Qualität des abfließenden Wassers (wobei eine 500 ppm NaCl-Lösung verwendet wird) nach 10 Bettvoluminaa) A mixed bed system is prepared according to Example 2, with the exception that the strongly acidic sulfonic acid cation exchange resin is used a macroreticular sulfonated crosslinked polystyrene resin and in place of the weakly basic resin Macroreticular weak base tertiary amine oxide resin (-25 + 50 mesh) containing approximately 20% amine oxide functionality (kinetic half-life of less than 7 minutes) is used. The quality of the draining water (where a 500 ppm NaCl solution is used) after 10 bed volumes
7
beträgt ungefähr 10 0hm-cm.7th
is approximately 10 ohm-cm.
b) Ein Mischbettsystem wird nach der in Beispiel 2 beschriebenen Methode hergestellt, mit der Ausnahme, daß anstelle des schwach basischen Harzes ein schwach basisches vernetztes Gelharz (-25 + 50 mesh) verwendet wird, das durch Kondensation von Polyäthylenimin und Äthylendichlorid hergestellt worden ist (das Harz besitzt eine anionische Austauscherkapazität von ungefähr 16,5 mÄ/g Trockensubstanz und eine kinetische Halbwertszeit von weniger als 7 Minuten)'. Die Qualität des aus diesem Mischbett abfließenden Wassers (wobei wiederum eine 500 ppm-NaCl-Lösung als Eluiermittel verwendet wird) beträgt ungefähr 3 bis 4 Millionen 0hm-cm nach 10 bis 15 Bettvolumina.b) A mixed bed system is prepared according to the method described in Example 2, with the exception that instead of the weakly basic resin, a weakly basic crosslinked gel resin (-25 + 50 mesh) is used which is formed by condensation of polyethyleneimine and ethylene dichloride (the resin has an anionic exchange capacity of approximately 16.5 meq / g dry matter and a kinetic half-life of less than 7 minutes) '. The quality of this Mixed bed of runoff water (again being a 500 ppm NaCl solution used as eluant) is approximately 3 to 4 million ohm-cm after 10 to 15 bed volumes.
Werden die Ergebnisse der vorstehenden geschilderten Beispiele zusammenfassend interpretiert, dann gelangt man zu dem Schluß, daß ein Mischbett aus einem SuIfonsäurekationenaustauscherharζAre the results of the above examples interpreted in summary, one arrives at the conclusion that a mixed bed of a sulfonic acid cation exchanger har
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und einem schwach basischen Anionenaustauscherharz entweder um Größenordnungen besser oder schlechter ist als ein übliches Zwexbettentionisierungssystem, das auf dem gleichen Typ von Ionenaustauscherharzen basiert. Es wurde jedoch gefunden, daß die Wirkung in erster Linie von der Natur des schwach basischen Ionenaustauschers, insbesondere von den kinetischen Eigenschaften, abhängt, und zwar im Gegensatz zu der bisher vorherrschenden Meinung, daß das Gleichgewichtsverhalten die steuernde Funktion ausübt. Ferner wurde gefunden, daß die kinetischen Eigenschaften des schwach basischen Anxonenaustauscherharzes kritisch sind. Liegt die Austauschgeschwindigkeit (Kinetik) des schwach basischen Anxonenaustauscherharzes unterhalb eines bestimmten Wertes, dann ist die Wirkung des Materials in dem Mischbett beträchtlich schlechter als dies dann der Fall ist, wenn das Material in dem Zwexbettentionisierungssystem verwendet wird. Liegt die Geschwindigkeit oberhalb dieses Wertes, dann wird die Wirkung so merklich verbessert, daß sie diejenige des Zweibettsys+^ms übersteigt. Wenn auch die Bedeutsamkeit der Kinetik in der Ionenaustauschertechnologie bekannt ist, so wurde dennoch bisher noch niemals die extreme Empfindlichkeit des Mischbettsystems, basierend auf einem Sulfonsäurekationenaustauscherharz und einem schwach basischen Anionenaustauscherharz, in bezug auf die Kinetik des zuletzt genannten Ionenaustauschers realisiert.and a weakly basic anion exchange resin is either orders of magnitude better or worse than a conventional one Two-bed deionization system based on the same type of ion exchange resins. However, it was found that the effect depends primarily on the nature of the weakly basic ion exchanger, especially the kinetic ones Properties, in contrast to the prevailing opinion that the equilibrium behavior depends on the exercises a controlling function. It has also been found that the kinetic properties of the weakly basic anion exchange resin are critical. Is the exchange rate (kinetics) of the weakly basic anion exchange resin below a certain value, the effect of the material in the mixed bed is considerably worse than this is the case when the material is used in the double deionization system. If the speed is above this value, the effect is so noticeably improved, that it exceeds that of the two-bed system + ^ ms. if Even the importance of kinetics in ion exchange technology is known, but has never been so before the extreme sensitivity of the mixed bed system on one sulfonic acid cation exchange resin and one weak basic anion exchange resin, realized with respect to the kinetics of the last-mentioned ion exchanger.
Das kinetische Verhalten von schwach basischen Anionenaustauscherharzen kann durch Messen der Halbwertszeit der Reaktion zwischen den regenerierten schwach basischen Anionenaustauscherharzen und einer gemessenen Menge einer Standardchlorwasserstoff säure verglichen werden. Die kinetische Halbwertszeitmessung wird wie folgt durchgeführt:The kinetic behavior of weakly basic anion exchange resins can by measuring the half-life of the reaction between the regenerated weakly basic anion exchange resins and a measured amount of a standard hydrochloric acid can be compared. The kinetic half-life measurement is carried out as follows:
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- ίο -- ίο -
10 Milliäquivalente des Anionenaustauscherharzes, dessen kinetische Halbwertszeit bestimmt werden soll, werden mit 2000 ml einer 0,01 η-Chlorwasserstoffsäure bei Zimmertemperatur (20 - 25°C) kontaktiert, worauf die Mischung gerührt wird. Proben der Säure werden dann periodisch entnommen und auf ihre Acidität solange untersucht, bis 5 mÄ verbraucht worden sind. Die bis zur Erreichung diese Säureneutralisationsgrades erforderliche Zeitspanne wird als kinetische Halbwertszeit der Zeit aufgetragen» die dazu erforderlich ist, daß die Hälfte der Kapazität des Anionenaustauscherharzes neutralisiert ist.10 milliequivalents of the anion exchange resin whose kinetic half-life is to be determined with 2000 ml of 0.01 η-hydrochloric acid at room temperature (20-25 ° C) contacted, whereupon the mixture is stirred. Samples of the acid are then taken periodically and examined for their acidity until 5 mÄ have been consumed. Until this level of acid neutralization is reached The time required is plotted as the kinetic half-life of the time required for this is that half the capacity of the anion exchange resin is neutralized.
Unter Einhaltung dieser Arbeitsweise wird die kinetische Halbwertszeit (oder Halbneutralisationszeit) des gelartigen schwach basischen Anionenaustauscherharzes, das gemäß Beispiel 1 eingesetzt wird, zu ungefähr 30 Minuten bestimmt, während der entsprechende Wert des makroretikularen schwach basischen Anionenaustauscherharzes von Beispiel 2 eine kinetische Halbwertszeit von ungefähr 3 Minuten besitzt. Wenn auch die vorstehenden Beispiele und Untersuchungen zeigen, daß eine kinetische Halbwertszeit von 30 Minuten zu groß ist, so braucht dennoch die kinetische Halbwertsreaktionszeit nicht nur 3 Minuten betragen. Eine vernünftige obere Grenze liegt bei etwa 7 Minuten. Für eine wirksame Durchführung der vorliegenden Erfindung ist es daher erforderlich, daß das schwach basische Anionenaustauscherharz eine kinetische Halbwertsreaktionszeit (oder Neutralisationszeit) von ungefähr 7 Minuten oder weniger besitzt. Die kinetische Halbwertsreaktionszeit des schwach basischen Anionenaustauscherharzes muß bei ungefähr 7 Minuten oder darunter liegen, damit dieses Harz in einem Mischbett, in welchem die Kationenaustauscherharzkomponente ein SuXfonsäurekationenaustauscherIf this procedure is followed, the kinetic half-life becomes (or half-neutralization time) of the gel-like weakly basic anion exchange resin used according to Example 1 is determined to be about 30 minutes while the corresponding value of the macroreticular weak base anion exchange resin of Example 2 has a kinetic half-life of approximately 3 minutes. Even if the above examples and studies show that a kinetic half-life of 30 minutes is too long kinetic half-life reaction time should not be just 3 minutes. A reasonable upper limit is around 7 minutes. For effective practice of the present invention therefore requires that the weakly basic anion exchange resin has a kinetic half-life reaction time (or neutralization time) of about 7 minutes or less. the kinetic half-life reaction time of the weakly basic anion exchange resin must be about 7 minutes or less for this resin to be in a mixed bed in which the cation exchange resin component a sulfonic acid cation exchanger
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ist, in entsprechender Weise wirkt.is, acts in a corresponding manner.
Bei einer Verfahrensdurchführung in technischem Maßstabe wird das Mischbett in einer Kolonne betrieben, welcher die zu behandelnde Lösung in üblicher Weise in Abwärtsrichtung zugeführt wird. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß in der Praxis Fälle auftreten, in welchen die Lösung durch das Mischbett in einer Aufwärtsrichtung geschickt wird. Ferner gibt es Installationen, in welchen die Harzmischung kontinuierlich im Gegenstrom zu der Richtung des Flüssigkeitsstromes geführt wird. Die Erfindung ist auf alle diese Installationen und Betriebsweisen anwendbar.If the process is carried out on a technical scale the mixed bed operated in a column, to which the solution to be treated is fed in the usual manner in the downward direction will. It should be noted, however, that in practice there are cases in which the solution through the mixed bed in is sent in an upward direction. There are also installations in which the resin mixture is continuously countercurrent is guided to the direction of liquid flow. The invention is applicable to all of these installations and modes of operation applicable.
Nachdem die Harzmischung erschöpft ist, kann sie in der Weise in ihre Komponenten aufgetrennt werden, daß ein Wasserstrom oder ein Strom aus einer anderen geeigneten Flüssigkeit in Aufwärtsrichtung durch die Mischung mit einer solchen Geschwindigkeit geschickt wird, daß die weniger dichten schwach basischen Anionenaustauscherteilchen ausgetragen werden und die dichteren Kationenaustauscherteilchen zurückbleiben. Die geeignetste Geschwindigkeit, mit der das Wasser in Aufwärtsrichtung strömt, hängt von der Teilchengröße der Harze, ihrer relativen Dichte, der Gleichmäßigkeit der Teilchengröße, der Temperatur des Wassers sowie von anderen Faktoren ab. Das durch ein Bett aus einem Anionenaustauscherharz nach oben strömende Wasser hat zur Folge, daß sich das Bett ausdehnt, wobei die Ausdehnung mit steigender Geschwindigkeit des äufwärtsströmenden Wassers solange zunimmt, bis das Harz vollständig durch das Wasser ausgetragen worden ist. Die Strömungsgeschwindigkeit, welche zur Folge hat, daß ein bestimmtes Ionenaustauscherharz durch das Wasser ausgetragen wird, wird nachstehend als "Fluidisierungsgeschwindigkeit" des Ionenaustauscherharzes bezeichnet. ZurAfter the resin mixture is exhausted, it can be separated into its components in such a way that a stream of water or a stream of other suitable liquid upwardly through the mixture at such a rate is sent that the less dense weakly basic anion exchange particles are discharged and the denser cation exchange particles remain. The most suitable The speed at which the water flows upwards depends on the particle size of the resins, their relative Density, the uniformity of the particle size, the temperature of the water and other factors. That by a Bed of an anion exchange resin, water flowing upwards has the consequence that the bed expands, the expansion with increasing speed of the upstream water increases until the resin has been completely carried out by the water. The flow velocity that leads to the Has the consequence that a certain ion exchange resin is carried out by the water, is hereinafter referred to as "fluidization rate" of the ion exchange resin. To the
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Auftrennung der Mischung aus Ionenaustauscherharzen sollte eine Kolonne verwendet werden, deren Volumen größer ist als das der zu behandelnden Ionenaustauscherharzmenge. Vorzugsweise sollte das Volumen das 1 1/2- bis 2-fache des Volumens des zu behandelnden Harzes betragen. Das durch die Kolonne in Aufwärtsrichtung strömende Wasser expandiert das Bett. Da das Bett in seinem expandierten Zustand gehalten wird, hat der Dichteunterschied zwischen den zwei Ionenaustauscherharzen zur Folge, daß sich die leichteren Harze oben ansammeln und die schwereren unten anreichern. Zur Bewirkung einer Trennung der Mischung aus Ionenaustauscherharzen kann die Fließgeschwindigkeit des aufwärtsströmenden Wassers allmählich solange erhöht werden, bis die Geschwindigkeit zwischen der Fluidisierungsgeschwindigkeit des schwach basischen Anionenaustauscherharzes und der Fluidisierungsgeschwindigkeit des Kationenaustauscherharzes liegt. Die Geschwindigkeit kann auch zuerst bis zu einem Punkt erhöht werden, an welchem eine vorherbestimmte Expandierung des Ionenaustauscherbettes vorliegt, beispielsweise eine 100-%ige Expandierung, worauf die Geschwindigkeit auf diesem Wert gehalten wird, so daß eine teilweise oder vollständige Trennung der Ionenaustauscherharzkomponenten erfolgt, worauf die Fließgeschwindigkeit bis zu einem solchen Punkt erhöht wird, daß das schwach basische Anionenaustauscherharz fluidisiert wird. Nachdem das anionische und das kationische Austauscherharz einmal auf diese Weise getrennt sind, können sie gleichzeitig in der gleichen Einheit regeneriert werden, beispielsweise nach der in der US-Patentschrift 2 578 9 beschriebenen Technologie.Separation of the mixture of ion exchange resins should be a Columns are used whose volume is greater than that of the amount of ion exchange resin to be treated. Preferably the volume should be 1 1/2 to 2 times the volume of the resin to be treated. That through the column in an upward direction pouring water expands the bed. Since the bed is kept in its expanded state, the Density difference between the two ion exchange resins causes the lighter resins to collect on top and enrich the heavier ones below. To effect a separation of the mixture of ion exchange resins, the flow rate of the upward flowing water can be increased gradually until the speed is between the fluidization speed the weakly basic anion exchange resin and the fluidization rate of the cation exchange resin lies. The speed can also first be increased to a point at which a predetermined Expansion of the ion exchange bed is present, for example a 100% expansion, whereupon the speed is kept at this value so that a partial or complete separation of the ion exchange resin components takes place, whereupon the flow rate is increased to such a point that the weakly basic anion exchange resin is fluidized. After the anionic and the cationic exchange resin are separated once in this way, they can be regenerated at the same time in the same unit, for example according to that in US Pat. No. 2,578,9 described technology.
Die vorstehenden Beispiele erläutern die Erfindung unter Bezugnahme auf eine einfache wäßrige Kochsalzlösung. Die Erfin-The above examples explain the invention by reference to a simple aqueous saline solution. The Invention
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dung ist jedoch in gleicher Weise auch auf andere wäßrige Lösungen ionisierbarer Materialien anwendbar, beispielsweise auf Lösungen von Salzen der Alkalien, Erdalkalien und Schwermetalle mit Mineralsäuren, wie beispielsweise Halogensäuren, Schwefelsäure oder Phosphorsäure, sowie mit organischen Säuren, wie beispielsweise Ameisensäure, Essigsäure, Oxalsäure, Bernsteinsäure, Apfelsäure und Zitronensäure. Andere Materialien kommen ebenfalls in Frage.However, training is also applicable in the same way to other aqueous solutions of ionizable materials, for example on solutions of salts of alkalis, alkaline earths and heavy metals with mineral acids, such as halogen acids, Sulfuric acid or phosphoric acid, as well as with organic acids such as formic acid, acetic acid, oxalic acid, Succinic acid, malic acid and citric acid. Other materials can also be used.
In ähnlicher Weise ist die Erfindung nicht auf die Entionisierung von Wasser allein beschränkt, sondern kann auch auf die Reinigung von Lösungen organischer Materialien, die polare Verunreinigungen enthalten, angewendet werden, beispielsweise auf die Entfernung von Salzen aus Zuckerlösungen, um beispielsweise saure Bedingungen während der Zuckerraffination zu vermeiden.Similarly, the invention is not limited to the deionization of water alone, but can also apply to the purification of solutions of organic materials containing polar impurities can be applied, for example on the removal of salts from sugar solutions, for example acidic conditions during sugar refining to avoid.
Im allgemeinen ist das Verfahren unter Verwendung von schwach basischen Anxonenaustauscherharzen mit einem spezifischen Gewicht in Wasser von weniger als 1,15 und mit Kationenaustauscherharzen mit einem spezifischen Gewicht in Wasser von mehr als 1,2 anwendbar.In general, the process is using weak base anion exchange resins of specific gravity in water of less than 1.15 and with cation exchange resins with a specific weight in water of more applicable as 1.2.
Wenn auch die vorstehenden Beispiele die wirksame Verwendung eines gelartigen stark sauren Kationenaustauscherharzes in Kombination mit einem makroretikularen schwach basischen Anxonenaustauscherharz zeigen, so ist die Erfindung dennoch auch sowohl mit gelartigen Harzen als auch mit einem makroretikularen schwach basischen Anxonenaustauscherharz und sowohl mit gelartigen Harzen als auch makroretikularen Harzen oder irgendwelchen Kombinationen dieser Harze durchführbar, solange die kinetische Halbwertszeit des schwach basischenAlthough the above examples demonstrate the effective use of a gel-like strong acid cation exchange resin in Combination with a macroreticular weakly basic anxon exchange resin show, so the invention is nonetheless also with both gel-type resins and with a macroreticular weak base anxon exchange resin and both feasible with gel-like resins as well as macroreticular resins or any combination of these resins, as long as the kinetic half-life of the weakly basic
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Harzes aufrechterhalten wird. Vorzugsweise handelt es sich jedoch bei dem schwach basischen Harz um ein makroretikulares Harz. Die Kationenaustauscherharze, die in dem Mischbett verwendet werden können, sind beispielsweise die sulfatierten oder sulfonierten Phenol/Formaldehyd-Harze, beispielsweise die in den US-PatentSchriften 2 191 853, 2 228 159 und 2 258 160 beschriebenen Harze, die sulfonierten Styrol/Divinylbenzol-Harze, die in der US-Patentschrift 2 366 007 beschrieben sind, insbesondere diejenigen, die 5 % oder mehr Divinylbenzol als Vernetzungsmittel in dem Copolymeren enthalten, sowie die vernetzten Polymeren polymerisierbarer Säuren, welche in den US-Patentschriften 2 340 110 und 2 3UO 111 beschrieben werden.Resin is maintained. However, the weakly basic resin is preferably a macroreticular one Resin. The cation exchange resins used in the mixed bed are, for example, the sulfated or sulfonated phenol / formaldehyde resins, for example the in U.S. Patent Nos. 2,191,853, 2,228,159 and 2,258,160 Resins, the sulfonated styrene / divinylbenzene resins, described in U.S. Patent 2,366,007, in particular those containing 5% or more of divinylbenzene as a crosslinking agent in the copolymer, as well as the crosslinked ones Polymers of polymerizable acids described in U.S. Patents 2,340,110 and 2,3UO,111.
Wie vorstehend erwähnt, können die schwach basischen Harze entweder gelartig oder makroretikular sein. In chemischer Hinsicht können die schwach basischen /^ionenaustauscherharze aus den Reaktionsprodukten eines primären Amins oder eines sekundären Amins oder einer Mischung aus zwei derartigen Amintypen und einem unlöslichen vernetzten Copolymeren aus einem aromatischen Monovinylkohlenwasserstoff und einem aromatischen Diviny!kohlenwasserstoff bestehen, wobei das Copolymere Halogenalkylgruppen der Formel "CnH2nX- enthält, worin X für ein Chlor- oder Bromatom steht und -c n H2n"~ e^ne Alkylengruppe ist, in welcher η eine ganze Zahl von 1 bis 4 bedeutet. Harze dieses Typs werden in der US-Patentschrift 2 591 574 beschrieben. Andere schwach basische Harze, die ebenfalls verwendet werden können, sind beispielsweise die · Kondensatharze, die durch Kondensation von beispielsweise Epichlorhydrin mit einem Polyalkylenpolyamin hergestellt werden (vgl. beispielsweise die US-Patentschriften 2 898 309 und 3 005 786). Andere schwach basische Harze, die verwendet werden können, sind die neueren schwach basischen Anionenaustauscherharze, die eineAs mentioned above, the weakly basic resins can be either gel-like or macroreticular. From a chemical point of view, the weakly basic / ^ ion exchange resins can consist of the reaction products of a primary amine or a secondary amine or a mixture of two such amine types and an insoluble crosslinked copolymer of an aromatic monovinyl hydrocarbon and an aromatic divinic hydrocarbon, the copolymer being haloalkyl groups of the formula "C n H 2n X comprises wherein X stands for a chlorine or bromine atom, and - c n H 2n" ~ ne ^ e alkylene group, in which η is an integer of 1 to 4 Resins of this type are described in U.S. Patent 2,591,574. Other weakly basic resins which can also be used are, for example, the condensate resins which are prepared by the condensation of, for example, epichlorohydrin with a polyalkylene polyamine (see, for example, US Pat. Nos. 2,898,309 and 3,005,786). Other weak base resins that can be used are the newer weak base anion exchange resins, the one
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tertiäre Aminoxydfunktionalität enthalten und beispielsweisecontain tertiary amine oxide functionality and, for example
in der deutschen Patentschrift (Patentanmeldungin the German patent specification (patent application
P 20 HO 618.2) beschrieben werden. Andere schwach basische Harze kommen ebenfalls in Frage. Diese schwach basischen Harze können solange verwendet werden, als sie in geeigneter Form eingesetzt werden können, um eine kinetische Halbwertszeit von ungefähr 7 Minuten oder weniger zu ergeben. Wenn auch die Teilchengröße des Harzes innerhalb der gewöhnlich in der Technik akzeptierten Bereiche schwanken kann, so ist es dennoch vorzuziehen, daß die Teilchengröße und die Teilchengrößenverteilung möglichst eng und gleichmäßig sind. Insbesondere sollte die Teilchengröße *25' + 50, d.h. -25 oder Durchfällen durch ein 25 mesh-Sieb betragen, wobei die Hauptmenge auf einem 50 mesh-Sieb zurückgehalten wird.P 20 HO 618.2) . Other weakly basic resins can also be used. This weakly basic resins may be used as long as they can be used in a suitable form to a kinetic half-life of approximately 7 minutes to give or less. While the particle size of the resin can vary within the ranges commonly accepted in the art, it is still preferred that the particle size and particle size distribution be as narrow and uniform as possible. In particular, the particle size should be * 25 ' + 50, ie -25 or fall through a 25 mesh sieve, with the majority being retained on a 50 mesh sieve.
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