DE10015144A1 - Verfahren und Einheit zur Desinfektion und Reaktion - Google Patents

Abstract

Herkömmliche Elektrolyseelektroden, die z. B. zur Wasserdesinfektion eingesetzt werden, arbeiten zwar effektiv, verlieren aber durch Ablagerungen schnell ihre Aktivität. Ultraschallverfahren werden gleichfalls zur Reinigung, Reaktionsbeschleunigung und Desinfektion eingesetzt, sind aber allein häufig nicht effizient genug. Vorgeschlagen werden deshalb ein Verfahren und eine Einheit zur Reaktion und Desinfektion, bestehend aus der Anwendung elektrochemischer Reaktionsführung und Bewegungsenergie, bevorzugt Ultraschall, die dadurch gekennzeicnet sind, daß mindestens ein vom sogenannten Vibrationsgenerator mittelbar oder unmittelbar zur Bewegung angeregtes leitfähiges, nicht primär als Elektrolyseelektrode ausgeführtes Teil, hier als Vibrationsgeber bezeichnet, gleichzeitig als elektrochemische Elektrode verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Apparateeinheit zur Behandlung von zu desinfizie­ renden Wässern oder anderen Systemen, die einer Einwirkung von Bewegung/Vibration/Ultra­ schall und Elektrolyse ausgesetzt werden sollen, wobei auch zeitliche Verschiebungen bzw. Teil­ betrieb bezüglich der beiden Methoden Bewegung/Vibration/Ultraschall und Elektrolyse möglich sind. Anwendungen sind somit chemische Systeme jeder Art, wobei der Schwerpunkt auf zu be­ handelnden Flüssigsystemen liegt, die jedoch neben molekular gelösten Stoffen auch z. B. als Emulsion oder Suspension vorliegen können bzw. die Organismen enthalten können. Eine bevor­ zugte Anwendung dürfte bei der Desinfektion von Trink-, Brauch- oder Abwasser gegeben sein. Zur Desinfektion von Wässern existiert eine Vielzahl von Verfahren. Dazu gehören das Desinfi­ zieren durch Temperaturerhöhung, die Zugabe oder in situ-Erzeugung von Chemikalien, die Zer­ störung durch Ultraschall, die Bestrahlung, elektrostatische bzw. Hochspannungsverfahren (EP 0765 843, UK 2196954, WO 97/23285, WO 97/04858) sowie verschiedene Kombinationsverfah­ ren. In Deutschland regelt die Trinkwasserverordnung die Desinfektion von Trinkwässern; bezüg­ lich der Desinfektion anderer Wässer ergeben sich größere Freiräume in der Methodenanwendung.

Vor verschiedenen Hintergrundbetrachtungen wie z. B. der globalen Wasserversorgungsproblema­ tik, den autark versorgten Systemen (DE 297 09 241, EP 0803476) oder der Verfahrensverbesse­ rung und Kostenverringerung sind in den letzten Jahren verstärkt innovative Verfahren in den Mittelpunkt von Untersuchungen und Entwicklungen geraten. Dazu gehören die Organismenzer­ störung mittels Ultraschall sowie die Elektrolyse. Ultraschallanwendungen im kleineren Frequenz­ bereich eignen sich besonders zum Aufbrechen der Zellwand von Mikroorganismen bzw. Klein­ krebsen. Kommerziell wird auch die in zwei nachfolgenden Schritten verlaufende Kombination von UV-Bestrahlung mit Ultraschall angewandt. Die Elektrolyse kann z. B. verwendet werden, um Chlor bzw. chlorhaltige Verbindungen zu erzeugen und sie in die zu desinfizierenden Systeme zu dosieren. Dazu verwendet man angesetzte Solen oder Meerwasser. Eine andere elektrochemische Methode ist die seit Jahrzehnten bekannte in situ-Erzeugung von desinfizierenden Spezies an di­ rekt in die Lösungen eingetauchten Elektroden (neuere Anmeldungen sind u. a.: EP 0841 305, DE 295 21 558, WO 98/40536, DE 198 12 801, DE 299 10 724). In Abhängigkeit vom Chloridgehalt bilden sich auch hier chlorhaltige Verbindungen. Andere entstehende und desinfizierend wirkende Stoffe sind Wasserstoffperoxid und Ozon oder Radikale. Verfahren mit sich anodisch bildenden Ionen wie Kupfer oder Silber (WO 97/19896, DE 35 43 223) basieren auf der keimtötenden Wir­ kung dieser Ionen. Gelegentlich wird auch auf die direkte Reaktion von Mikrorganismen an Elektroden verwiesen (DE 196 33 342, DE 44 11 333, US 4384943, EP 0175123); diese Mecha­ nismen sind jedoch nicht zweifelsfrei nachgewiesen. Bekannt sind jedoch Mikroorganismenanlage­ rungen an Elektroden und Ausrichtungen im elektrischen Feld, wenn zuvor die Mikroorganismen von ihren Zellwänden befreit wurden. Die Kontaktierung intakter oder bereits vorgeschädigter Organismen mit der Elektrode hängt in jedem Fall ab von statistischen Verteilungen sowie Strö­ mungsprofilen und Transportvorgängen in Elektrodengrenzschichten.

Ein großes Problem bei der elektrochemischen Behandlung von Wässern ist das Auftreten von Ablagerungen, bevorzugt an Kathoden, da dort in der Regel pH-Wertabsenkungen stattfinden und Wasserverunreinigungen sich blockierend an der Oberfläche der Elektroden absetzen können. Die periodische Reinigung mit Essigsäure ist umständlich und kann zudem die Elektroden schädigen. Gelegentlich vorgeschlagene Hilfsvorrichtungen wie Schaber, Kratzer, Bürsten etc. (DE 37 08 947, DE 33 27 578)) sind wartungsintensiv und verteuern die Anlage. Umpolungen oder Ausschaltun­ gen stellen einen Ausweg dar (EP 0332951, WO 95/27684); jedoch verkürzt sich die Lebensdauer der Elektroden und man benötigt zusätzliche elektronische Vorrichtungen zur Stromversorgung und getakteten Umpolung. Hinsichtlich der Größenwahl für die Elektroden hat man zudem kaum Freiheitsgrade. In der Schrift DE 195 34 736 wird vorgeschlagen, Ultraschallschwingungen in ei­ ne Lösung einzutragen. Der ungeschützte Schwinger ist jedoch nicht leitend mit der Elektrode verbunden und kann einen Großteil seiner Energie nicht nachteilsmindern einsetzen. Elektroden können nicht eingespart werden.

Somit kann festgestellt werden, daß derzeit kein Verfahren existiert, das die beschriebenen Nacht­ eile zufriedenstellend beseitigt.

Es konnte jedoch jetzt überraschenderweise gefunden werden, daß sich diese Nachteile auf einfa­ che Weise überwinden lassen, wenn sich Desinfektionselektrolyse und Schwingung, bevorzugt Ul­ traschall, apparativ vereinigen lassen, wobei Bauteile gemeinsame Funktionen übernehmen.

Die Aufgabe der Erfindung wird - ausgehend vom Oberbegriff des 1. Patentanspruches - gemäß den Merkmalen im gekennzeichneten Teil gelöst. Danach werden mindestens eine im elektroche­ mischen Definitionsgefüge als Anode und mindestens eine als Kathode bezeichnete Elektroden verwendet, von denen mindestens eine mittelbar und stromleitend (z. B. über eine Zwischenschei­ be) oder unmittelbar und stromleitend z. B. als Vibrationsgeber ausgeführt ist. D. h., als Vibrations­ geber wird hier das Teil verstanden, das über seine Oberfläche Vibrationen direkt in den Elektro­ lyten eingibt. Konkret ist also das vibrationsabgebende Teil (z. B. die Sonotrode oder Schwingflä­ che eines Ultraschallschwingers) gleichzeitig elektrochemische Elektrode. Damit unterscheidet sich die Erfindung signifikant und konstruktiv von einer gefertigte Elektrode, die zusäzlich in Be­ wegung versetzt wird. Die Vibration oder Bewegung müssen nicht gleichmäßig sein oder im Ultraschallbereich liegen, dieser hat sich jedoch als besonders effektiv erwiesen. Zusätzlich kann die angeregte Vibration oder Bewegung nicht zeitgleich mit der Elektrolyse sondern zeitversetzt bzw. periodisch bzw. bei zeitweilig abgeschalteter Elektrolyse erfolgen. Das Betriebsregime der Elektrolyse kann aus verschiedenen Überlegungen gewählt sein und z. B. stromkonstant, span­ nungskonstant, potentialkonstant, abgestuft, wechselstromüberlagernd, pulsartig, reversartig oders anders sein.

Die vorgeschlagene Erfindung erlaubt neben der Abstellung der gezeigten Nachteile, wie der opti­ malen Ablösungen von Elektrodenverunreinigungen, unerwartete Synergieffekte, die im folgenden kurz beschrieben werden.

So kann durch Beeinflussung der elektrochemischen Grenzschicht der Elektrolysestrom und somit die Desinfektionsleistung (entsprechend resultiert eine mögliche Apparateverkleinerung) bis auf das zehnfache, d. h. um eine Größenordnung, gesteigert werden, im Vergleich zu eingetauchten Schwingern, bei denen lediglich Verdopplungen und Verdreifachungen in eigenen Untersuchun­ gen beobachtet wurden. Außerdem können bestimmte Mikroorganismen durch den Ultraschall leichter beschädigt werden, was den Zutritt zum Zellinneren von zerstörenden, d. h. desinfizierend wirkenden Spezies aus der Elektrolyse, erleichtert. Der polarisierte Schwinger erlaubt somit eine optimale Überlagerung und Aktivierung von Reaktionen auch rein chemischer Natur, da an der Oberfläche sowohl das Elektrodenpotential als auch die eingetragene Leistungsdichte am größten sind. Durch die Überlagerung kann bei der Desinfektion weiterhin erreicht werden, daß der Ein­ trag von Chemikalien (zusätzlich oder in situ) verringert werden kann, da die Mikroorganismen­ zerstörung effektiver ist. Bekanntlich sind viele chlororganischen Verbindungen gesundheitlich be­ denklich. Durch die vorgeschlagenen Methode kann auf das Umpolen von Elektroden verzichtet werden. Bei angewandter kathodischer Polarisierung an den Geber ist weiterhin ein zusätzlicher Korrosionsschutz gegeben. Die Verwendung des schwingungsgebenden Teiles als Elektrode ver­ einfacht signifikant die Konstruktion, da auf eine sonst erforderliche zusätzliche Elektrode ver­ zichtet werden kann. Somit ergeben sich unerwartet eine Vielzahl positiv wirkender Nebeneffek­ te, die jedoch auch als beabsichtigte Haupteffekte genutzt werden können.

Die Fig. 1 bis 5 zeigt Merkmale des Anspruchs 1. Die Bezeichnungen bedeuten im einzelnen: 1 - Anode oder Gegenelektrode, 2 - Stromzuführung der Kombielektrode, 3 - schwingungsabgebende Fläche und 4 - Stoffstrom). Fig. 1 ähnelt einer Schwingungswanne, deren schwingende Metallflä­ che über den Schwingungsgenerator und/oder Zusatzkontakte elektrisch kontaktiert wird. Fig. 2 zeigt einen durchströmten Kanal, in den der polarisierte, leitfähige Schwinger als Elektrode ein­ taucht. Fig. 3 zeigt einen leitfähigen Kanal oder ein Rohr, in dem sich z. B. konzentrisch als eine Elektrode ein Stab oder Draht befindet und dessen Oberfläche mit dem polarisierenden Schwin­ gungsgenerator verbunden ist. Weitere Hilfskontakte sind möglich und angedeutet. Fig. 4 und Fig. 5 zeigen schließlich eingetauchte elektrochemisch polarisierte Schwinger unterschiedlicher Anregung.

Die Ausführung der Erfindung wird mit Hilfe eines Beispiels näher erklärt.

Die Wanne eines 2 × 60 W Ultraschallbades wurde zunächst potentialfrei gemacht und anschlie­ ßend mit einem kathodischen Stromanschluß versehen. In die Wanne, die zeitweilig Wasser ent­ hielt, das mit einer E. coli-Kultur von 1000/ml versetzt wurde bzw. zeitweilig mit nichtkontami­ niertem Wasser gefüllt wurde, tauchten mischoxidbeschichtete Titanblechanoden ein. Die Elektro­ lyse wurde stundenweise mit je einer Stromdichte von 100, 200, 300, 400, und 500 A/m² betrie­ ben. Der Ultraschall wurde der Elektrolyse nach jeweils 15 Minuten für 5 Minuten überlagert. Nach jeder Stunde wurde das Wasser gewechselt. Auch nach mehreren hundert Versuchen war keine Belagbildung an der Kathode zu beobachten. Nach wenigen Minuten war die Bakterienkon­ zentration auf den Wert 0 gefallen.

Claims (7)

1. Verfahren und Einheit zur Desinfektion und Reaktion, bestehend aus der Anwendung elektro­ chemischer Reaktionsführung mit mindestens einer Anode und mindestens einer Kathode sowie von einem Generator angeregten Bewegungen bzw. Vibrationen, bevorzugt Ultraschallerzeu­ gungsverfahren, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein vom Vibrationsgenerator mittelbar oder unmittelbar zur gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Schwingung bzw. Bewegung angereg­ tes leitfähiges, nicht primär als Elektrolyseelektrode ausgeführtes Teil, hier als Vibrationsgeber bezeichnt, gleichzeitig als elektrochemische Elektrode verwendet wird.

2. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Vibration und Elektroly­ se zeitlich versetzt durchgeführt werden.

3. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die erzeugten Vibratio­ nen einheitlicher oder nichteinheitlicher Art außerhalb des Ultraschallbereiches liegen.

4. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das in Vibration versetz­ te Teil oder die versetzten Teile mit einer äußeren Spannungsquelle polarisiert werden.

5. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch daß die Polarisation des in Vibration versetzten Teiles oder der versetzten Teile primär induktiv hervorgerufen wird.

6. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein kontinuierlicher Durchsatz des zu behandelnden Systemes erfolgt.

7. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die Elektrodenpolari­ sation ein spezielles elektrochemisches Regime wie z. B. Konstantspannung, Konstantstrom, Kon­ stantpotential angewendet wird.