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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung
einer Emulsion, bei der eine oder mehrere dispergierte Phasen mittels
Tensiden als Tropfen in einer kontinuierlichen Phase emulgiert sind,
sowie Verwendungen für
ein solches Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung.
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In
den Branchen Automobil(zuliefer)industrie, Petrochemie und Metallbearbeitung
fallen große Mengen
zu entsorgender Emulsionen an. So werden z. B. in der Metallbearbeitung
fast 27.000 t/a wassermischbare bzw. wasserlösliche Kühlschmierstoffe in Deutschland
eingesetzt. Hieraus entstehen 540.000 t/a gebrauchte Öl/Wasser-Emulsionen
mit Ölgehalten
von 1 bis 20 Gew.-%.
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Die
Betriebe müssen
die gebrauchten Emulsionen aufwendig in Öl- und Wasserphasen spalten oder
kostenintensiv entsorgen. Die Behandlung der entsorgten Emulsionen
erfolgt in Entsorgungsbetrieben oder betriebsintern mit Emulsionsspaltanlagen. Diese
Emulsionsspaltung ist für
die Betriebe notwendig, um Entsorgungsvolumina und -kosten für Ölemulsionen
zu verringern, Wasser zum Wiedereinsatz als Prozeßwasser
(wenn möglich)
zurückzugewinnen, Öl für eine mögliche thermische
Verwertung aufzukonzentrieren oder ggf. wieder als Kühlschmiermittel
einzusetzen, und um umweltrechtliche Anforderungen (Einhaltung von
Grenzwerten) zu erfüllen.
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Die
aus der Praxis bekannten mechanischen, thermischen und chemischen
Verfahren weisen eine Vielzahl von Nachteilen auf. Diese liegen
z. B. im hohen Verschleiß der
Anlagenteile (Zentrifugen), Verkrustungen, Bildung von Crack-Produkten und
Korrosion aufgrund von stark salzhaltigen Destillatphasen (Verdampfer).
Gravierende Nachteile weist die weit verbreitete chemische Emulsionsspaltung auf.
Hierbei erfolgt der Einsatz von und ein Umgang mit umwelt- und gesundheitsgefährdenden
Stoffen (z. B. Säuren),
die besondere Maßnahmen
im Bereich des Arbeitsschutzes sowie der Logistik (Lagerung, Handhabung,
Entsorgung) erfordern. Des Weiteren ist oftmals eine Nachbehandlung
(Neutralisation) der erzeugten Wasserphase erforderlich. Dabei fallen
beträchtliche
Mengen Hydroxidschlamm an, die kostenintensiv und umweltbelastend
entsorgt werden müssen.
Der betriebliche Wiedereinsatz der Wasserphase ist aufgrund von
hohen Salzgehalten bzw. organischen Belastungen nicht bzw. nur nach einem
weiteren Aufbereitungsschritt möglich.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung einer Emulsion, bei
der eine oder mehrere dispergierte Phasen mittels Tensiden als Tropfen
in einer kontinuierlichen Phase emulgiert sind, vorzuschlagen, die
zumindest einen der vorgenannten Nachteile nicht aufweist sowie
mögliche
Verwendungen für
ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung vorzuschlagen.
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Die
Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, elektromagnetische Strahlung
mit einer Frequenz aus dem Mikrowellen-Bereich in die Emulsion einzustrahlen
und macht sich dabei die Erkenntnis zu nutze, daß mit elektromagnetischer Strahlung
aus dem Mikrowellen-Bereich eine mechanische Belastung der Tenside
herbeigeführt
werden kann, mit der die polare (hydrophile) von der unpolaren (oleophilen)
Tensidkomponente abgeschert werden kann. Dadurch werden die Abstoßungskräfte zwischen
den einzelnen Tropfen herabgesetzt, so daß größere Tropfen entstehen können, die
aufschwimmen und eine geschlossene Schicht bilden können. Das
elektromagnetische Wechselfeld führt
insbesondere zu einer Anregung der polaren Komponenten der Tenside.
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Die
Mikrowellenspaltung erlaubt den Verzicht auf Spaltchemikalien und
kurze Behandlungszeiten. Ferner kann ein Mikrowellenspaltreaktor
mit Peripherie (Netzgerät,
etc.) auch mit geringem Raumbedarf ausgebildet werden.
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Erfindungsgemäß wird unter
einer Emulsion ein disperses System verstanden, also ein feinverteiltes
Gemisch von zwei oder mehreren Phasen verschiedener nicht miteinander
mischbarer Flüssigkeiten.
Die Emulsion besteht aus einer äußeren, kontinuierlichen
Phase sowie einer oder mehreren dispergierten Phasen. Besonders
bevorzugt findet die Erfindung Einsatz bei einer Öl-Wasser-Emulsion.
Hier stellt Wasser die äußere, kontinuierliche
Phase und das Öl
die innere, dispergierte Phase dar. Die nachfolgende Beschreibung
der Erfindung verwendet teilweise das Beispiel einer Öl-Wasser-Emulsion als Platzhalter
für Emulsionen,
ohne die einzelnen Ausführungsformen
auf die Verwendung bei Öl-Wasser-Emulsionen
zu beschränken.
Die nachgenannten Ausführungsformen
sind ohne Einschränkung
auch für
andere Emulsionen einsetzbar und werden insoweit auch für andere
Emulsionen beansprucht.
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Das Öl kann ein
pflanzliches, mineralisches oder synthetisches Öl sein. Eine tensidstabilisierte Öl-Wasser-Emulsion
kann beispielsweise ein ölhaltiges
Waschwasser oder ein Kühlschmierstoff-Emulsion,
beispielsweise eine sog. Walszemulsion sein.
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Die Öl-Wasser-Emulsion
kann neben dem Öl,
dem Wasser und den Tensiden noch weitere Inhaltsstoffe aufweisen.
Beispielsweise können
in der Öl-Wasser-Emulsion
noch Reibwertveränderer,
Verschleißschutzwirkstoffe,
Korrosionsschutzinhibitoren, Fremdöle, Feststoffe (beispielsweise
Abrieb, Staub), Konservierungsstoffe und/oder Oxidationsinhibitoren
enthalten sein.
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Als
elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz aus dem Mikrowellen-Bereich
wird insbesondere eine elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz
zwischen 0,3 GHz bis 300 GHz verstanden. In einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird eine erste elektromagnetische Strahlung mit
einer ersten Frequenz, nämlich
einer Frequenz aus dem Mikrowellen-Bereich, und eine zweite elektromagnetische
Strahlung mit einer zweiten Frequenz, vorzugsweise einer Frequenz
aus dem Mikrowellen-Bereich,
in die Emulsion eingestrahlt. Es ist zu erwarten, daß die erfindungsgemäß herbeizuführende mechanische
Belastung der Tenside durch die elektromagnetische Strahlung, insbesondere
das Abscheren der polaren (hydrophilen) von der unpolaren (oleophilen)
Tensidkomponente bei einem Tensid besonders gut erfolgt, wenn dieses
in mehreren Frequenzbereichen angeregt wird. Bzw. bei mehreren in der
Emulsion vorhandenen Tensiden ist es zu erwarten, daß das jeweils
eine bei Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung mit einer ersten
Frequenz und das andere bei Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung
mit einer anderen Frequenz besonders effektiv angeregt werden kann.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird die elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz eingestrahlt,
bei der die polare (hydrophile) von der unpolaren (oleophilen) Tensidkomponente
abgeschert wird. Es gibt für
jede Tensidkomponente eine optimale Frequenz, mit der die Anregung
und das Abscheren mit minimaler Strahlungsenergie erreicht werden
kann. Erfindungsgemäß wird nur
elektromagnetische Strahlung mit dieser optimalen Frequenz/diesen
optimalen Frequenzen eingestrahlt. Dadurch kann der Energieaufwand
reduziert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform schwimmen
die sich aufgrund des abgescherten hydrophilen Teils nunmehr einander
anziehenden Tropfen als größere Tropfen
auf. Es bildet sich eine aufschwimmende Schicht, die in einer bevorzugten
Ausführungsform
abgeschieden wird. Insbesondere bevorzugt wird die Schicht mechanisch
abgeschieden, insbesondere mittels eines Skimmers oder eines Lamellenklärers oder
einem Absetzbehälter.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Emulsion versprüht und die elektromagnetische
Strahlung in die versprühte
Emulsion eingestrahlt wird. Dadurch wird ein möglichst intensiver Kontakt
zwischen den emulgierten Tropfen und der Mikrowellenstrahlung (elektromagnetisches Wechselfeld)
herbeigeführt.
Alternativ kann die Emulsion beispielsweise einen Film bilden, in
den die elektromagnetische Strahlung Film eingestrahlt wird. Auch
hier ergibt sich ein intensiver Kontakt zwischen den emulgierten
Tropfen und der Mikrowellenstrahlung. Es ist natürlich auch möglich, die
elektromagnetische Strahlung in einen Behälter einzustrahlen, in dem
die Emulsion stationär
gehalten wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Emulsion nach der Einstrahlung der elektromagnetischen
Strahlung bewegt, insbesondere in einem oder durch einen Abscheider.
Dadurch können
die sich nun anziehenden Tropfen näher aneinander geführt werden
und so die Bildung größerer Tropfen
unterstützt
werden. Diese Bewegung der Emulsion erfolgt vorzugsweise sanft,
um die mechanische Spaltung bereits gebildeter größerer Tropfen
zu vermeiden. Beispielsweise kann eine Umlenkung der Emulsion nach
dem Einstrahlen der elektromagnetischen Strahlung vorgesehen sein.
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Die
zu behandelnde Emulsion kann kontinuierlich durch einen mit Mikrowellen
bestrahlten Reaktionsraum geführt
werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Behandlung einer Emulsion, bei der eine oder mehrere dispergierte
Phasen mittels Tensiden als Tropfen in einer kontinuierlichen Phase
emulgiert ist, weist eine Strahlenquelle, die elektromagnetische
Strahlung mit einer Frequenz aus dem Mikrowellen-Bereich in die Emulsion
einstrahlen kann, und einen Abscheider für eine auf einer Flüssigkeit
aufschwimmende Schicht agglomerierte Tropfen, beispielsweise als Ölschicht, auf,
dem die Emulsion nach dem Einstrahlen der elektromagnetischen Strahlen
zugeführt
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Vorrichtung einen Reaktionsraum auf, in den die Strahlenquelle
die elektromagnetische Strahlung einstrahlt, und eine Düse, mit
der die Emulsion in den Reaktionsraum eingesprüht wird. Alternativ kann die Vorrichtung
beispielsweise einen Reaktionsraum aufweisen, in den die Strahlenquelle
die elektromagnetische Strahlung einstrahlt, und einen Filmbildner, durch
den die Emulsion in Filmform gebracht wird und der so ausgebildet
ist, daß der
Film zumindest in dem Reaktionsraum gebildet wird.
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Der
Abscheider ist insbesondere bevorzugt ein mechanischer Abscheider.
Beispielsweise kann ein Skimmer, beispielsweise ein Band- oder Schlauch-Skimmer,
ein Lamellenklärer
oder einen Absetzbehälter
als Abscheider eingesetzt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind mechanische Mittel zum Bewegen der an ihnen vorbeigeführten Emulsion
vorgesehen, an denen die Emulsion nach dem Einstrahlen der elektromagnetischen
Strahlung vorbeigeführt
wird. Diese Mittel können
aktiv angetrieben sein, wie beispielsweise bewegte Mixelemente,
aber auch passiv eine Bewegung der Emulsion bewirken, dadurch, daß die Emulsion
an ihnen vorbeigeführt
wird. Insbesondere bevorzugt weist die Vorrichtung ein Umlenkblech
auf.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung sind grundsätzlich für alle technisch erzeugten
Emulsionen, z. B. aus der Metallindustrie oder der Automobilindustrie
geeignet. Besonders bevorzugt werden sie für Emulsionen aus der Metallverarbeitung
eingesetzt, insbesondere bevorzugt für Emulsionen, die beim mechanischen
Bearbeiten von Metallen, insbesondere beim spanabhebenden Bearbeiten,
eingesetzt werden. Ebenso bevorzugt werden sie für Emulsionen, die bei der spanlosen
Bearbeitung, beispielsweise in Kaltwalzwerken eingesetzt werden,
verwendet.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung
näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 ein
Ablaufschema des durch die Mikrowellen-Spaltung in der Öl-Wasser-Emulsion herbeigeführten Prozesses
und
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2 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die 1 zeigt
in einer Bildreihenfolge von oben nach unten verschiedene Stadien
der Emulsionsspaltung. Zuoberst ist der Aufbau des Öltropfens mit
den daran angelagerten Tensiden dargestellt. Die nächsten beiden
Bilder in der Bildreihenfolge zeigen, wie sich der hydrophile Teil
mit dem elektromagnetischen Wechselfeld bewegt und abschert. Dadurch wird
die Emulsion destabilisiert. Die Öltropfen bilden Agglomerate,
vereinigen sich und schwimmen auf.
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In 2 ist
ein Reaktionsraum 1 mit einer daran angeordneten Strahlenquelle 2,
die elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz aus dem Mikrowellen-Bereich
in die Öl-Wasser-Emulsion
einstrahlen kann, dargestellt. Eine Öl-Wasser-Emulsion, bei der
das Öl
mittels Tensiden als Öltropfen
in dem Wasser emulgiert ist, wird der Vorrichtung über eine Zufuhr 3 zugeführt und über eine
Düse 4 in
den Reaktionsraum eingesprüht
wird. Die elektromagnetische Strahlung wird in die eingedüste Öl-Wasser-Emulsion
eingestrahlt. Am Boden des Reaktionsraums 1 sammelt sich
die nun behandelte Öl-Wasser-Emulsion und
fließt über einen
Kanal zu einem Abscheider 5 für eine auf einer Flüssigkeit
aufschwimmende Ölschicht.
Dort wird die sich in dem Behälter 6 des
Abscheiders auf der Flüssigkeit
ausbildende, durch die aufschwimmenden Öltropfen-Agglomerate (größere Öltropfen) gebildete Ölschicht 7 mittels
eines Band-Skimmers abgeschieden.