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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Lösungen aus
Ozon und Sauerstoff in Wasser
Die Frfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Lösungen aus
Ozon und Sauerstoff in Wasser.
Es ist bekannt, kleine Wassermengen in feinster Tropfenform oder in dünner Schicht in kleinen Gas- räumen mit Ozon in Kontakt zu bringen. Auch sind Vorrichtungen zum Ozoniseren von Flüssigkeiten bekannt, welche poröse Zwischenwände aufweisen, durch die hindurch das Ozon der zu begasenden Flüssig- keit zugeführt wird.
Hiebei kommt es darauf an, Wasser (bzw. beliebige Lösungsmittel) mit Ozon-Gasgemischen (bzw. mit beliebigen Gasen) durch feine Verteilung des einen Mediums im andern bzw. umgekehrt (d. h. in Tropfen oder Blasen) oder auch in dünner Schicht in innigen Kontakt zu bringen. In der Anwendung Wasser-Ozongemisch bezwecken alle derartigen Verfahren und Vorrichtungen, das Ozon möglichst weitgehend aus dem Gasgemisch herauszuholen, was auch mehr oder weniger gut damit gelingt. Eine Herstellung hochkonzentrierter Ozonlösungen mit möglichst kleinem Sauerstoffgehalt ist nach diesen bekannten Verfahren weder beabsichtigt, noch ist sie mit der erwähnten Vorrichtung überhaupt möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gemisch zu erzielen, um den grösstmöglichen Anteil des am leichtesten löslichen Gases im Verhältnis zu dem der schwerer löslichen Gase in die Lösung zu bringen.
Soll eine Lösung von Ozon in hoher Konzentration hergestellt werden, so kommt es darauf an, einen möglichst hohen Gehalt von Ozon in Sauerstoff zu erzielen und die Sättigung des Wassers mit dem Gasgemisch unter Bedingungen auszuführen, die geeignet sind, die beiden Gase im günstigsten Verhältnis, d. h. möglichst viel Ozon und möglichst wenig Sauerstoff, in Lösung zu bringen.
Die erste Bedingung lässt sich durch die bekannte Führung des Gases im Kreislauf, Insbesondere aber dadurch erfüllen, dass die in der Zeiteinheit durch den Ozonerzeuger (Ozoneur) geführte Gasmenge klein gehalten wird. Das vom Ozoneur kommende Gasgemisch wird zur Sättigung des Wassers benutzt und anschliessend, da es noch erhebliche Ozonmengen enthält, nach Trocknung dem Ozoneur wieder zugeführt.
Vor Eintritt in den Ozoneur wird das in Lösung gegangene Gas durch zusätzlichen Sauerstoff ersetzt. Im Ozoneur wird dann der noch vorhandene Ozongehalt gewissermassen "aufgestockt", wobei sich mit zunehmender Konzentration des Ozons im Gase schliesslich ein Gleichgewicht einstellt, bei dem genau so viel Ozon im Wasser gelöst wird, wie der Ozoneur nachliefert.
Ist auf diese Weise schon ein erhöhter Ozongehalt erreichbar, so kann dieser durch eine Drosselung des Gasumlaufs noch erheblich gesteigert werden. So ergaben Versuche mit einem Ozoneur gewöhnlicher Bauart, der unter vorgeschriebenen normalen Betriebsbedingungen aus 100 1 Sauerstoff 2, 2 g Ozon mit einem Stromverbrauch von 8 - 9 Wh pro g Ozon lieferte, dass bei Drosselung der Sauerstoffmenge auf 1/3 die Ozonkonzentration auf 5, 5 g in 100 1 bei zirka 11 Wh pro g Ozon stieg, bei Drosselung auf 1/5 aber zirka 8 g bei etwa 14 Wh pro g Ozon ergab.
Diese Gehalte wurden aus frischem Sauerstoff ohne anfänglichen Ozongehalt erhalten. Wird das im Kreislauf befindliche Gas, das nach der Sättigung des Wassers noch einen erheblichen Gehalt an Ozon hat, nun wiederum langsam durch den Ozoneur geführt, so erhält man leicht Gehalte von 10 g und mehr
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Ozon in 100 l, d. h. über 5 Vol.-%. Damit lassen sich Lösungen herstellen, die annähernd gleiche Teile Ozon und Sauerstoff enthalten.
Das nächstliegende Mittel, um eine hohe Konzentration eines Gases in Lösung zu erreichen, ist die Erhöhung des Druckes. Nun steigt tatsächlich die Löslichkeit von Gasen proportional der Druckerhöhung, so dass die absolute Menge des gelösten Gases sich entsprechend erhöht. Auf die relative Menge der aus einem Gasgemisch gelösten Gase, auf ihr Mengenverhältnis, hat jedoch die Erhöhung des Druckes keinen Einfluss, da dafür nur der Partialdruck der einzelnen Gase massgebend ist. Für die folgenden Überlegungen kann deshalb der absolute Druck beiseite gelassen werden.
Soll eine Flüssigkeit mit einem Gase gesättigt werden, so kommen dafür zwei prinzipiell zu unterscheidende Verfahren in Betracht :
Nach dem einen Verfahren wird das Gas mit der Flüssigkeit ausgewaschen, indem die Flüssigkeit durch Verregnen oder Verrieseln, oder aber durch Versprühen bzw. Verdüsen unter Druck im Gasraum fein verteilt wird.
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auf langem Wege durch die Flüssigkeit geleitet, wobei letztere zweckmässig im Gegenstrom, d. h. von oben nach unten, geführt wird.
Gleiche Bedingungen (Druck, Temperatur) vorausgesetzt, sollten beide Verfahren zu demselben Er- gebnis, nämlich der gleichen gesättigten Gaslösung, führen. Eine genaue Betrachtung zeigt jedoch, dass dies nur für die Lösungen einheitlicher Gase gelten kann, keineswegs aber für Gasgemische. Am Beispiel der Lösung eines Ozon-Sauerstoff-Gemisches sei dargestellt, dass und warum die beiden Verfahren verschiedene, aber nicht die besten überhaupt erreichbaren Resultate geben.
Hat man durch die schon beschriebenenMassnahmen ein Gasgemisch mit hohem Ozongehalt zur Verfügung, so kommt es darauf an, so viel Ozon, aber so wenig Sauerstoff zu lösen, wie es durch Sättigen von Wasser mit dem gegebenen Gasgemisch überhaupt möglich ist.
Wäscht man nun nach dem ersten Verfahren das Gasgemisch mit Wasser aus, so geschieht folgendes :
Jeder einzelne Wassertropfen sättigt sich zunächst mit Ozon und Sauerstoff, wie es der hohen Ozonkonzentration im Gasgemisch entspricht. Da aber Ozon um ein Vielfaches löslicher ist als Sauerstoff, wird dem Gasgemisch weit mehr Ozon als Sauerstoff entzogen, so dass die anfängliche Ozonkonzentration schnell absinkt. Würde das Auswaschen des Gases ohne Nachschub neuen ozonreichen Gases fortgesetzt, so würde das Verhältnis Ozon : Sauerstoff in der Lösung bald ein sehr schlechtes werden. Da jedoch im Kreislauf immer neues Gasgemisch zugeführt wird, stellt sich im Gasraum ein Gleichgewichtszustand ein, der von der Geschwindigkeit des Nachschub, aber auch von der Konzentration des Ozons im nachströmenden Gas abhängt.
Wird aber neues Gasgemisch schnell nachgeführt, so sinkt die Ozonkonzentration im Gas selbst, da nur die Drosselung. d. h. langsamer Strom des Gases durch den Ozoneur, zu hohen Ozongehalten führt. Leitet man umgekehrt das Gas langsam durch den Ozoneur, so hat das nachströmende Gas zwar einen hohen Ozongehalt, aber im ausgewaschenen Gasraum wird der Ozongehalt trotzdem absinken, weil jetzt der Nachschub zu langsam erfolgt. In jedem Falle ergibt sich im ausgewaschenen Gasraum eine erheblich kleinere Ozonkonzentration als im ursprünglichen Gasgemisch ; das letzterem entsprechende günstigste Ozon-Sauerstoff-Verhältnis kann infolgedessen nicht einmal annähernd erreicht werden.
Besseren Erfolg hat die zweite Methode, bei der das Wasser dem von unten in feinen Blasen aufsteigenden Gase entgegenströmt. Dabei kommt jedoch das Wasser zuerst mit Gas in Kontakt, welches viel weniger Ozon als das ursprüngliche enthält, da das Gas beim Aufsteigen vornehmlich Ozon an das Wasser abgibt, und dabei an Ozon verarmt. Erst unmittelbar über dem Gaseintritt kommt das Wasser mit wirklich ozonreichem Gas in Berührung. Da das Wasser dann aber schon gesättigt ist, aber mit viel Sauerstoff und wenig Ozon, muss sich in der Lösung immer wieder ein neuer Zustand einstellen, indem bei Kontakt mit immer ozonreicheren Gasblasen immer mehr Sauerstoff aus der Lösung verdrängt wird. Dafür ist Zeit er- forderlich, ausserdem aber verdünnt der verdrängte Sauerstoff jeweils das Ozongemisch selbst.
Infolgedessen wird sich auch hier das günstigste Verhältnis Ozon : Sauerstoff nicht einstellen, wenn es auch besser als bei dem erstgenannten Verfahren ausfallen kann, de das Wasser wenigstens für kurze Zeit mit Gas von grösster Ozonkonzentration in Kontakt kommt.
Man könnte daran denken, die Schichthöhe des Wassers zu verringern, damit nicht das aufsteigende Gas allzusehr an Ozon verarmt und das entgegenströmende Wasser sich nicht zuerst mit dem ozonarmen Gase sättigt. In diesem Falle würde jedoch die Kontaktzeit des Wassers mit dem entgegensteigenden Gase so weit verkürzt, dass sie zur vollen Sättigung nicht mehr ausreicht. Eine Wasserführung im Gleichstrom mit dem Gas führt zwar zu einem guten Ozon-Sauerstoff-Verhältnis, jedoch ebenfalls zu ungesättigten Lösungen, da die benötigten Gasmengen im. Verhältnis zur Wassermenge zu gross sind, als dass sie in ge-
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nügend feiner Verteilung gehalten werden könnten ; die anfangs feinen Gasbläschen schliessen sich zu grossen Blasen zusammen. die schnell steigen und ungenutzt entweichen.
Mit den üblichen Verfahren ist demnach, da die Ozonkonzentration im Gas während des Sättigungsvorganges fällt, eine volle Sättigung in dem der ursprünglichen Konzentration entsprechenden OzonSauerstoff-Verhältnis nicht erreichbar.
Das günstigste Ozon-Sauerstoff-Verhältnis stellt sich beim erfindungsgemässen Verfahren ein ; dieses besteht darin, dass ein möglichst hoher Anteil des am leichtesten löslichen Gases dadurch in die Lösung gebracht wird, dass eine relativ kleine Wassermenge in kleinster Tropfenform oder in kleinster Schicht für eine zur Sättigung ausreichende Zeit mit dem hochkonzentrierten Ozongas in Kontakt gehalten wird, so dass das Ozon durch den Sättigungsvorgang nicht dem Gasgemisch weitgehend entzogen wird, sondern darin noch in beträchtlicher Konzentration, etwa in der Grössenordnung von 1/2 bis 2/3 der ursprünglichen Menge, verbleibt.
Diese Lehre lässt sich nach der Erfindung praktisch dadurch verwirklichen, indem 1) entweder das Wasser möglichst fein im Gasraum verteilt wird, wobei aber der Gasraum sehr klein
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in kurzer Zeit passiert, aber auch von einer kleinen Gasmenge schnell durchströmt, so dass sich die Zusammensetzung des Gases nicht allzusehr ändert. Der ganze Vorgang muss wegen der Kürze der Kontaktzeit mehrfach wiederholt werden, bis Sättigung eintritt ;
2) das Wasser von oben nach unten in niedriger Schichthöhe dem Gas engegenströmt oder auch
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;3) das horizontal in flacher Schicht langsam fliessende Wasser von unten her mit dem feinverteilten Gasgemisch behandelt wird. Das Aufsteigen der Bläschen durch die flache Wasserschicht geschieht so schnell, dass die Konzentrationsverhältnisse im Gasgemisch sich nicht wesentlich ändern.
Das langsam strömende Wasser wiru über eine so lange Fliessstrecke geführt, dass die Kontaktzeit für die vollständige Sättigung ausreicht.
Die aufgeführten drei erfindungsgemässen Möglichkeiten führen zu einem günstigen Lösungsverhält- nis des leichter löslichen zum schwerer löslichen Gasanteil.
Die beiden erstgenannten Verfahren unterscheiden sich von den üblichen durch die Verkürzung der Kontaktzeit und die mehrfach wiederholte Anwendung des Lösungsvorganges mit immer wieder neuem hochkonzentriertem Gasgemisch bis zur Sättigung.
Das dritte Verfahren unterscheidet sich von den üblichen und von den beiden erstgenannten wesentlich durch die horizontale Führung des Wassers in flacher Schicht über eine längere Begasungsstrecke, wodurch eine kontinuierlich fortschreitende Sättigung unter Kontakt mit nur höchstkonzentriertem Gasgemisch ermöglicht wird.
Das letztgenannte Verfahren ist besonders wirksam und lässt sich in einfacher Weise verwirklichen.
Man kann ohne Schwierigkeiten unter beliebigen Drücken arbeiten. Das letztgenannte Verfahren soll daher nachstehend noch genauer an Hand einer beispielsweisen Ausführung erläutert werden, die in der Zeichnung veranschaulicht ist. Es zeigen Fig. l einen Längsschnitt durch die Vorrichtung und die Fig. 2 und 3 Ansichten der Stirnseiten des Aufnahmeraumes der Fig. 1.
Man erkennt in der Zeichnung einen Aufnahmeraum 1, den man auch als Ozonlösungs-bzw. Begasungskammer bezeichnen kann. Die Kammer wird von dem zu sättigenden Wasser 2 in flacher Schicht 3 horizontal durchflossen. Das Wasser fliesst über eine poröse Platte 4, unterhalb derer das Ozon-Sal'erstoff- Gemisch bei 5 eingedrückt wird, so dass das Gas auf der ganzen Fläche mit sehr kurzem Wege, daher geringer Konzentrationsänderung, durch das Wasser aufsteigt, während anderseits das Wasser auf seinem langen Weg durch die Begasungskammer 1 immer wieder von frischem Gasgemisch durchperlt und schliesslich voll gesättigt wird, wobei das gelöste Gas die beiden Komponenten Ozon und Sauerstoff im günstig- sten erreichbaren Verhältnis enthält.
Die Begasungskammer besteht aus einem liegenden Rohr von geeignetem Durchmesser, beispielsweise 1000 mm, das an beiden Enden mit Flanschendeckeln 6 und 7 verschlossen ist. In etwa 40 cm Höhe ist der poröse Boden 4, bestehend aus einem Rost und porösem keramischen Material, angeordnet. Die Abdichtung des Rostes gegen die Flanschdeckel wird nach dem Aufschrauben der Deckel von in diesen angebrachtenMannlöchern 8 und 9 aus durchgeführt. Die Kammer selbst und alle inneren Teile bestehen aus geeignetem ozonfesten Werkstoff, z. B V2A-Stahl und PVC. Die Flanschdeckel sind ausser mit Mannlöchern mit Anschlüssen für das Gasgemisch und das Lösungswasser versehen.
Auf der einen Seite befindet sich der Wasserein. : ritt 10, der Auslass 11 für den noch ozonhaltigen Restsauerstoff, sowie eine Ableitung 12 für das
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Wasser, welches sich bei Stillstand der Anlage unter dem Begasungsboden 4 sammelt. Diese Ableitung 12 ist mit dem Schwimmerventil 13 versehen, welches das vollständige Ablaufen dieses Wassers und damit ein Entweichen des Gasgemisches durch die Ableitung verhindert. Der gegenüberliegende Deckel trägt die Anschlüsse für den Ozongaseintritt 5 sowie den Wasserablauf 14. Ein Rückschlagen des Wassers in die Gasleitung wird durch Ventile ausserhalb der Begasungskammer verhindert.
Das durch die Begasungskammer geleitete Gas wird im Kreislauf geführt ; nach dem Austritt aus der Begasungskammer ist es mit Wasserdampf gesättigt und passiert zunächst einen Trocknungsapparat. Hinter diesem wird frischer Sauerstoff zugesetzt, u. zw. so viel, wie durch die Sättigung des Wassers mit Ozon und Sauerstoff aus dem Kreislauf verloren gegangen ist. Das mit Sauerstoff ergänzte Gasgemisch geht dann langsam durch den Ozonerzeuger, in dem der noch vorhandene Restozongehalt wieder auf die ursprüngliche Höhe gebracht wird, mit der das Gas dann wieder in die Begasungskammer eintritt.
Die Sauerstoffzufuhr wird durch einen Schwimmer von derBegasungskammer her gesteuert ; dieser Schwimmer 15 hat einen Wasseranschluss in einem der beiden Mannlöcher und liegt selbst ausserhalb der Begasungskammer in einer besonderen Schwimmerkammer 16, in welcher der Druck des Sauerstoffs auf dem Niveau steht. Das Niveau kann am Schwimmer entsprechend dem kleinen Überdruck, der für die Überwindung des Widerstandes in dem porösenBegasungsboden durch das Gas erforderlich ist, mit mehr oder weniger Differenz zu dem Niveau des oberhalb des Begasungsbodens fliessenden Wassers reguliert werden.
Die beschriebene Begasungskammer kann unter beliebigem Druck betrieben werden, soweit dies der zur Verfügung stehende Ozoneur zulässt. Es ist auch möglich, die gesättigte Ozonlösung drucklos zu entnehmen oder den in der Begasungskammer herrschenden Überdruck z. B. zum Betrieb einer Wirbeldüse zu benutzen, wenn man die konzentrierte Ozonlösung einer grösseren Wassermenge etwa beim Einlauf des Wassers in einen Sammelbrunnen oder sonstigen Behälter unter guter Vermischung zudosieren will.
Verluste an Ozon sind bei einem derartigen Zusatz, auch wenn er unter Atmosphärendruck erfolgt, nicht zu befürchten, da sowohl die Menge des Ozons als auch die des miteingebrachten Sauerstoffs bei normalem Zusatz (bis zu 3, auch bis zu 4 g 0 3/M 3) unter der Löslichkeit beider Gase in Wasser bleibt, u. zw. deshalb, weil die Begasungskammer aus einem Gasgemisch mit zirka 5 Vol.-% Ozon, wie es ein guter Ozoneur im Kreislauf liefert, Ozon und Sauerstoff im Verhältnis von mindestens 2 : 3, vielleicht sogar fast l : l in Lösung bringt. Eine Erhöhung des Druckes ändert an diesem Verhältnis nichts, es wird damit nur entsprechend mehr Gas gleicher Zusammensetzung in Lösung gebracht.
In diesem Falle kommt man zwar mit einer kleineren Wassermenge für die Lösung gleicher Mengen Ozon und damit für die Zumessung aus, ohne aber weniger Sauerstoff pro g Ozon in das zu behandelnde Wasser zu bringen. Es muss noch erwähnt werden, dass es vorteilhaft sein karn, das für die Herstellung der gesättigten Ozonlösung benötigte Wasser aus dem bereits vorozonierten Hauptwasserstrom zu entnehmen und vor dem Eintritt in die Begasungskammer zu filtrieren. Dies trifft insbesondere auf Wasser zu, welches wegen eines sonst nicht störenden geringen Eisengehaltes nicht aufbereitet wird, da auch sehr kleine Eisenmengen eventuell den porösen Begasungsboden mit der Zeit zusetzen können und eine Reinigung notwendig machen. Mangan ist in dieser Hinsicht weniger störend, da kleine Mengen durch überschüssiges Ozon prompt zu löslichem Permanganat oxydiert werden.
Die Begasungskammer kann an sich beliebig gross, insbesondere für kleineren Ozonbedarf auch erheblich kleiner gemacht werden. Bei normalem bzw. grossem Bedarf empfiehlt es sich jedoch. nicht, mit dem Durchmesser wesentlich über 1000, allenfalls 1200 mm zu gehen. Die Gasräume würden dann unverhältnismässig gross, da sie mit dem Quadrat des Durchmessers wachsen, im Gegensatz zum möglichen Durchsatz, der bei gleichbleibender Schichthöhe von zirka 20 cm nur linear mit dem Durchmesser wächst.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Lösungen aus Ozon und Sauerstoff in Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass ein möglichst hoher Anteil des am leichtesten löslichen Gases dadurch in die Lösung gebracht wird, dass eine relativ kleine Wassermenge in kleinster Tropfenform oder in kleinster Schicht für eine zur
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Ozon durch den Sättigungsvorgang nicht dem Gasgemisch weitgehend entzogen wird, sondern darin noch in beträchtlicher Konzentration, etwa in der Grössenordnung von 1/2 bis 2/3 der ursprünglichen Menge, verbleibt.