AT402919B

AT402919B - Einrichtung zur physikalischen wasseraufbereitung

Info

Publication number: AT402919B
Application number: AT18596A
Authority: AT
Original assignee: Maitron Gmbh
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1996-02-01
Publication date: 1997-09-25
Also published as: DE19606633B4; DE19606633A1; ATA18596A

Description

AT 402 919 B

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur physikalischen Wasseraufbereitung mit einer Vorrichtung zur Keimbildung mindestens einer gelösten Komponente, vorzugsweise zur Bildung von Kalkkristallkeimen.

In der chemischen Verfahrenstechnik ist das Ausfällen von gelösten Stoffen in Form eines unlöslichen Niederschlags eine häufig verwendete Methode. Die meisten Verfahren zielen darauf ab, das Löslichkeitsprodukt für eine bestimmte Phase kritisch zu überschreiten (übersättigen), denn nur dann erfolgt ein spontaner Niederschlag. Eine solche kritische Übersättigung ist ohne Zugabe geeigneter Substanzen meist nicht möglich.

In der Trinkwasseraufbereitung findet man Fällungstechniken bei der Enteisenung bzw. bei der Entmanganisierung aber auch für die Enthärtung des Wassers.

Eine großtechnische Methode der Wasserenthärtung ist das Ausfällen von Ca2+-Ionen als CaC03, indem man kalkhältigem Wasser Kalkmilch (CaOH) zusetzt. Die Kalkmilch bewirkt zweierlei: Einmal wird die Ca2+-lonenkonzentration erhöht; zum anderen erhöht sich dramatisch der pH-Wert. Bei hohen pH-Werten verschiebt sich das Verhältnis der im Wasser gelösten Carbonatspezies HC03- bzw. C032‘ zugunsten von CO32"(siehe Fig. 1, welche die Anteile der Kohlensäureformen CO2, HCO3', CO32* an der Gesamtsumme Ct= [CO2] + [HCO3·] + [CO32'] zeigt). Das für die Löslichkeit von Kalk relevante Löslichkeitsprodukt L = Ca2+ x CO32' erhöht sich dramatisch (hochgradige Übersättigung) und es kommt zur (spontanen) homogenen Keimbildung und in der Folge zum raschen Wachstum dieser Keime. Die Ca2+-lonen fallen als CaC03 aus.

Im Bereich mäßiger Übersättigung bezüglich Kalk ist das Wasser metastabil, dh obwohl das Löslichkeitsprodukt überschritten ist, fällt kein Kalk aus. Die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Kalkristallkeimen ist zu klein. Gibt man in diese Lösungen homogene oder heterogene Keime (Kalkpulver, AI2O3-Pulver), so bemerkt man eine allmähliche Abnahme der Übersättigung · die überschüssigen Ionen fallen an den hineingegebenen Kristallkeimen ("Saat") aus. Die Geschwindigkeit des Abbaus der Übersättigung ist abhängig von der Zahl der hineingegebenen Kristalle, vom Grad der Übersättigung (Überschreitung des Löslichkeitsprodukts), dem Stofftransport an die Oberflächen der Saat (Diffusion, Rühren) und der Temperatur des Wassers. In der Wasseraufbereitung bezeichnet man diese Fällungstechnik als "seeding".

Physikalische Wasseraufbereitungsverfahren arbeiten damit, daß sie durch die Wirkung mechanischer, elektrischer oder magnetischer Kräfte lokal das Löslichkeitsprodukt von Kalk stark überschreiten und homogene oder heterogene Keimbildung auslösen. Die gebildeten Kalkkristallkeime gelangen in den Wasserstrom und werden in der Hauswasserinstallation verteilt. Das Wachstum dieser Kristallkeime erfolgt in Konkurrenz zur Ablagerung von Kalk an Rohr- bzw. Boilerwänden.

Die Wachstumsgeschwindigkeit der Kristallkeime und deren Anzahl stellt für letztere Behandlungsverfahren einen limitierenden Leistungsparameter dar. In bestimmten Anwendungsfällen kann es Vorkommen, daß die Zahl und die Wachstumsgeschwindigkeit der Kristallkeime im Boiler nicht ausreicht, um eine gleichzeitige Ablagerung an Fremdoberflächen wirkungsvoll zu verhindern.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von physikalischen Wasserbehandlungsanlagen Vorkehrungen bedarf, die folgendes bewirken: - Erhöhung der Zahl der gebildeten Kalkkristallkeime und/oder - Reduzierung des Kalkabscheidepotentials (teilentkarbonisieren)

Die Zahl der Kalkkristallkeime läßt sich dadurch erhöhen, indem man das Wasser mehrmals "behandelt", dh öfters durch ein Wasserbehandlungsgerät hindurch schickt. Dies geschieht am einfachsten in einem Kreislauf.

Eine Entkarbonisierung erreicht man, wenn man den Kristallkeimen genügend Zeit zu ihrem Wachstum gibt; dies läßt sich im einfachsten Falle bewerkstelligen, indem man die mittlere Aufenthaltsdauer der Kristallkeime vor Eintritt in die eigentliche Wasserinstallation verlängert. Im einfachsten Fall geschieht dies durch das Hineinschalten eines Puffertankes (Reaktortank).

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert:

Die Fig. 1 zeigt die Anteile der Kohlesäureformen CO2, HC03~, CO32' in Abhängigkeit vom pH-Wert.

Die Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung in einer schematischen Darstellung.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen weitere Ausführungsbeispiele.

Die Fig. 4a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum Entfernen von Kohlendioxid, wie sie in den Fig. 4, 5 und 6 zum Einsatz kommt.

Die Fig. 4b zeigt die Anordnung eines Schnüffelventiles, wie es ebenfalls in den Fig. 4, 5 und 6 zur Anwendung kommt. in Fig. 2 ist mit 1 der Wasserzulauf mit einem Einlaßventil bezeichnet. Aus dem Reaktortank 3 führt eine Umwälzleitung 6 über eine Umwälzpumpe 5 wieder in den Reaktortank zurück. In dieser Umwäizlei- 2

AT 402 919 B tung 6 ist eine Keimbildungsvorrichtung 2 zur Auslösung der Kristallkeimbildung der gelösten Komponenten angeordnet. Ein Beispiel für eine derartige Einrichtung ist in der internationalen Anmeldung (WO 95/26931) beschrieben.

Im Reaktortank 3 erfolgt das Weiterwachsen der in der Keimbildungsvorrichtung 2 gebildeten Kristallkeime. Man könnte daher den Reaktortank auch als Reifetank bezeichnen. Über die Größe des Tanks wird die mittlere Aufenthaltsdauer der Kristallkeime im Reaktortank definiert; diese bestimmt wiederum die mittlere Größe der aus Kristallkeimen heranwachsenden Kristalle und damit letztlich das Ausmaß der gewünschten Entkarbonisierung. Über die Auslaßleitung 4 kann das Wasser in die Hausinstallation übernommen werden.

Das Entlüftungsventil 7 dient zum Entlüften des Reaktortanks 3 bei der ersten Befüllung und zur Entlüftung für den Fall, daß sich bei den Fällungsprozessen größere Gasmengen, insbesondere Kohlendioxid (CO2) entwickeln. Über die Abschlammleitung und das Abschlammventil 8 können ausgefällte Stoffe von Zeit zu Zeit aus dem Reaktortank entfernt werden. Zusätzlich ist noch eine Reinigungs- und Wartungsöffnung, die mit einem Deckel 9 verschließbar ist, vorgesehen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein Bodensatz als Filter und/oder zum heterogenen Aufwachsen von Kalk vorgesehen. Der Filter wird von unten nach oben durchströmt, wenn die Umwälzpumpe 5 läuft.

Ein Bodensatz, beispielsweise bestehend aus Quarzsand mittlerer Körnung (0,5 mm bis 5 mm), verlängert die mittlere Aufenthaltsdauer der Kristallkeime im Reaktortank 3 und verbessert damit die Fällungseffizienz (je größer die Kristallkeime wachsen, umso länger brauchen diese für die Durchquerung des Sedimentationsfilters; ab einer bestimmten Größe bleiben die Kristalle überhaupt im Filter hängen). Ein Bodensatz aus Kalkpulver verstärkt die Entkarbonisierung, da zusätzliche Kristallwachstumszentren vorhanden sind.

Bei der in Fig. 4 dargesteliten Ausführungsform weist der Deckel des Reaktortanks 3 eine spezielle Ausgestaltung (beispielsweise konkave Form) auf, um aus dem Wasser austretendes Gas sammeln zu können. Über einen Niveausensor 11 kann oberhalb des Wasserspiegels eine definierte Gasblase aufrecht erhalten werden.

Am Ende der Umwälzleitung 6 ist bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 eine Einrichtung 12 zum Entfernen von Kohlendioxid (CO2) aus dem Wasser angeordnet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Einrichtung 12 zum Entfernen von Kohlendioxid eine Wasserstrahlpumpe 15 auf, der eine Verrieselungskaskade 18, 19 nachgeschaltet ist, wie dies in Fig. 4a dargestellt ist. Die Wasserstrahlpumpe 15 kann beispielsweise so ausgebildet sein, wie es in dem Buch "Technische Strömungslehre" von Willi Bohl, Vogelverlag (9. Auflage, 1991) auf Seite 88 in Abbildung 5 dargestellt ist. Die Wasserstrahlpumpe 15 weist eine Düse 16 auf, durch die gemäß dem Pfeil 20 einströmendes Wasser geführt ist. Gemäß dem Pfeil 21 wird Luft bzw. Gas eingesaugt und es entsteht ein Wasser-Gas-Gemisch; im Wasser gelöstes CO2 diffundiert in die Gasbläschen. Durch den Aufprall auf die Verrieselungskaskade mit der Lochblende 18 und der Prallplatte 19 wird die Oberfläche des Wasserstrahls stark vergrößert und das zuvor angesaugte Gas (Luft) entweicht mit dem C02 aus dem Wasser. Es wird also dem umgewälzten Wasser laufend Kohlensäure entzogen. Die unmittelbare Folge des Absinkens des CO2-Partialdruckes im Wasser ist, daß der pH-Wert und damit die Übersättigung im Wasser ansteigt. Damit wird die Kristallkeimbildung und das Wachstum der Kalkkristallkeime beschleunigt. Die ständige Entgasung des Wassers im Kreislauf ist deshalb sinnvoll, da beim Kalkwachstum ständig Kohlensäure als Reaktionsprodukt anfällt.

Das gebildete Kohlendioxid kann grundsätzlich über das Entlüftungsventil 7 in die Umgebung abgelassen werden. Es scheint jedoch günstiger, das Kohlendioxid in das Ablaufwasser aus der Luftblase oberhalb des Wasserspiegels in das Ablaufwasser einzubringen. Dazu dient die Einrichtung 13 in der Ablaufleitung 4, welche ein Schnüffelventil 22 aufweist. Das Einbringen von CO2 in das Ablaufwasser senkt dessen pH-Wert. Damit wird neben der Entkarbonisierung eine zusätzliche Senkung der Übersättigung des entnommenen Wassers erreicht.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten einfacheren Ausführungsbeispiel kommt man ohne Keimbildungsvorrichtung aus. Es wird lediglich eine Entkarbonisierung im laufenden Endkreislauf erreicht.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist im wesentlichen eine Kombination der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 3 und 4. Damit der Bodensatz 10 von unten nach oben mit Wasser durchströmt werden kann, wird der Wasserstrom nach der Umwälzpumpe entpsrechend aufgeteilt, wobei die Aufteilung über eine Regelventil 14 einstellbar ist.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4, 5 und 6 wird die Höhe des Wasserspiegels bzw. die Größe der darüberliegenden Gasblase geregelt. Dies ist sowohl im drucklosen Betrieb mit freiem Auslauf als auch unter dem Wasserdruck der Hausinstallation stehendem Betrieb möglich. Beim drucklosen Betrieb ist im Wasserzulauf ein steuerbares Ventil angeordnet. Die Wasserentnahme erfolgt über eine (selbstansaugende) Pumpe. 3

Claims

AT 402 919 B Beim Erstbefüllen des Tanks steuert der Niveauregler 11 über das Einlaßventil 1 die Größe der Gasblase. Während der Stagnationsphasen wird über die Pumpe 5 Wasser im Kreislauf gepumpt. Das aus der Keimbildungseinheit strömende Wasser trifft mit hoher Geschwindigkeit auf die Verrieselungskaskade und die im Wasser gelösten Gase, insbesondere CO2, entweichen in die Gasblase. Dadurch kommt es zu deren Vergrößerung. In diesem Falle muß der Niveauregler das Entlüftungsventil steuern, sodaß ein bestimmtes Volumen der Gasblase nicht überschritten wird. Während der Wasserentnahme über die selbstansaugende Pumpe saugt die in der Entnahmeleitung installierte Strahlpumpe aus der Luftblase Gase, insbesondere CO2, aus der Gasblase in den Wasserstrom. Da der Diffusor direkt im Auslaufstutzen endet und keine Entspannung des Wassers erfolgt, können die Gasbläschen nicht aus dem Wasser entweichen. Das in den Luftbläschen enthaltene CO2 diffundiert in das Wasser und wird dort physikalisch gelöst. Dies führt zu einer vorteilhaften Erniedrigung des pH-Wertes. Beim Betrieb unter Druck der Hauswasserleitung sind beim Befüllen des leeren Behälters zunächst alle Ventile im Auslaufbereich sowie Abschlamm- und Entlüftungsventil geschlossen. Die Luft im Tank wird unter dem Hauswasserdruck komprimiert (zB bei einem 30-l-Behälter und eimen Hauswasserdruck erfolgt eine Kompression auf 6 I entsprechend p1V1 = p2V2). Während der Stagnationsphase wird der Tankinhalt im Kreislauf gepumpt. CO2, welches durch den Aufprall auf der Verrieselungskaskade bzw. durch die Keimbildung und Wachstum von Kalkkristallen entsteht, entweicht in die Gasblase und vergrößert deren Volumen. Der Niveauregler steuert das Entlüftungsventil, sodaß eine konstante Größe der Gasblase sichergestellt werden kann. Bei der Wasserentnahme wird die Gasblase und damit insbesondere CO2 über die in der Entnahmeleitung installierte Strahlpumpe in den abfließenden Wasserstrom entleert. Es ist von Vorteil, durch eine Steuerung des Schnüffelventils über einen Niveauregler eine minimale Gasbiase im Tank aufrecht zu erhalten. Der Niveauregler ist also mit 2 Schaltpunkten ausgeführt, wobei der untere Schaltpunkt über das Schnüffelventil das Minimum der Gasblase regelt und der obere Schaltpunkt über das Entlüftungsventil das Maximum der Gasblase. Der Abstand der beiden Schaltpunkte ist frei wählbar und der Größe des Tanks sowie den Betriebsbedingungen und Wassereigenschaften anzupassen. Die Endteile 11 sind auch in einer unteren Zusatzführung 14 geführt, wie dies die Fig. 7b zeigt. Patentansprüche 1. Einrichtung zur physikalischen Wasseraufbereitung mit einer Vorrichtung zur Keimbildung mindestens einer gelösten Komponente, vorzugsweise zur Bildung von Kalkkristallkeimen, dadurch gekennzeichnet, daß der genannten Keimbildungsvorrichtung ein Reaktortank (3) nachgeschaltet ist, aus dem behandeltes Wasser entnehmbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ständig oder intermittierend arbeitende Umwälzpumpe (5), die aus dem Reaktortank (3) Wasser über die Keimbildungsvorrichtung (2) zurück in den Reaktortank (3) pumpt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserzulauf (1) in den Reaktortank (3) mündet.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktortank (3) eine vorzugsweise mit einem Deckel (9) verschließbare Reinigungsöffnung aufweist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktortank (3) oben einen vorzugsweise konkav gekrümmten Gassammelabschnitt aufweist, der eine verschließbare Entlüftungseinrichtung (7) aufweist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktortank (3) unten eine verschließbare Abschlammeinrichtung (8) aufweist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktortank (3) ein vom Wasser durchströmter Bodensatz (10) als Filter und/oder zum heterogenen Aufwachsen von Kalk eingebracht ist. 4 AT 402 919 B
8. Einrichtung nach Anspruch 2 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Umwälzpumpe (5) und die Keimbildungsvorrichtung führende Umwälzleitung (6) im Bereich des Bodensatzes (10) in den Reaktortank (3) mündet, sodaß der Bodensatz (10) von unten nach oben durchströmt wird.
9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodensatz (10) Quarzsand, vorzugsweise mit einer Körnung von 0,5 mm bis 5 mm, aufweist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodensatz (10) Kalkpulver aufweist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Fassungsvermögen von 25 Liter bis 100 Liter aufweist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Keimbildungsvorrichtung (2) ein mit dem Wasser in Berührung stehendes Dielektrikum aufweist und daß eine Einrichtung (12) zum Erzeugen eines elektrischen, vorzugsweise elektrostatischen Feldes im Bereich der Oberfläche des Dielektrikums vorgesehen ist.
13. Einrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende einer in den Reaktortank (3) führenden Zulaufleitung (1) und/oder am Ende einer vom Reaktortank heraus und in diesen wieder zurückführenden Umwälzleitung (6) eine Einrichtung (12) zum Entfernen von Kohlendioxid aus dem strömenden Wasser angeordnet ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (12) zum Entfernen von Kohlendioxid oberhalb des Wasserspiegels im Reaktortank (3) angeordnet ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (12) zum Entfernen von Kohlendioxid (COa) eine gasansaugende Wasserstrahlpumpe oder eine Düse umfaßt.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstrahlpumpe (15) eine vorzugsweise eine Prallplatte (19) aufweisende Verrieselungskaskade (18, 19) nachgeschaltet ist.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 gekennzeichnet durch eine mindestens einen Niveausensor (11) aufweisende Nivelliereinrichtung zur Aufrechterhaltung eines definierten Wasserspiegels unterhalb einer Gasblase im Reaktortank.
18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß in der aus dem Reaktortank (3) führenden Ablaufleitung (4) ein Schnüffelventil (13) zum Ansaugen von Gas, insbesondere CO2 aus einer oberhalb des Wasserspiegels liegenden Gasblase in das ausströmende Wasser angeordnet ist. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 5