DE102007028580A1

DE102007028580A1 - Vorrichtung zum Reinigen und Entkeimen von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102007028580A1
Application number: DE200710028580
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Hartmann; Michael Dr. Römheld; Franz-Josef Dr. Spieß
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2008-12-24
Also published as: WO2008155315A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Reinigen und Entkeimen von Flüssigkeiten durch Beaufschlagung der Flüssigkeit mit Hochspannungsimpulsen, insbesondere zur Wasseraufbereitung, strömt die Flüssigkeit durch einen Behälter, der einen Einlass und einen Auslass aufweist und wobei im Strömungsweg der Flüssigkeiten einander gegenüberstehende Elektroden vorhanden sind, die die Flüssigkeit mit gepulsten Korona-Entladungen beaufschlagen, wobei erfindungsgemäß mindestens eine Elektrode auf der der anderen Elektrode zugewandten Seite mit einer porösen Keramikschicht beschichtet ist. Dabei sind erfindungsgemäß die Elektroden als flächenhafte ebene Elektroden (20, 20') ausgebildet und mittels einer Impulsgeneratorschaltung (30-35) mit Feldstärken von mindestens 100 kV/cm beaufschlagbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Reinigen und Entkeimen von Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Reinigung und Entkeimung speziell von Wasser bekommt angesichts der weltweit knapper werdenden Ressourcen an Frischwasser einen immer höheren Stellenwert. Vom Stand der Technik sind unterschiedliche methodische Vorgehensweisen zur Wasseraufbereitung bekannt, bei denen elektrische Mittel zum Einsatz kommen. Bei den zugehörigen Vorrichtungen geht es dabei im Wesentlichen um die Reaktor- und Elektrodengestaltung einerseits und die zugehörige Impulserregerschaltung andererseits. In der Veröffentlichung Czech. J. of Physics, Vol. 52, SUPPL. D, p. 800–806 (Lukes et al. 2002) wird dazu eine rotationssymmetrische Anordnung mit Zylinderelektroden beschrieben, bei der die innere Elektrode (Anode) eine poröse keramische Beschichtung aufweist und an den Tripelpunkten Metall-Keramik-Wasser in der durchströmenden Flüssigkeit Korona-Entladungen generiert werden, die in bestimmungsgemäßer Weise der Wasseraufbereitung dienen.
Von obigem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich ihrer Effektivität zu verbessern.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Reinigen und Entkeimen von Flüssigkeiten durch Beaufschlagung der Flüssigkeit mit Hochspannungsimpulsen, wobei die Flüssigkeit durch einen Behälter strömt, der einen Einlass und einen Auslass aufweist. Im Strömungsweg der Flüssigkeit befinden sich einander gegenüberstehende Elektroden, die die Flüssigkeit mit gepulsten Korona-Entladungen beaufschlagen, und von denen mindestens eine Elektrode (z. B. die Kathode) auf der der anderen (z. B. der Anode) zugewandten Seite mit einer porösen Keramikschicht beschichtet ist. Dabei sind die Elektroden als flächenhafte ebene Elektroden ausgebildet, die mittels einer Impulsgeneratorschaltung mit Feldstärken von mindestens 100 kV/cm beaufschlagbar sind.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die keramischen Beschichtungen vorzugsweise aus einem solchen Material, das eine effektive Dielektrizitätskonstante ε_r zwischen etwa 4 und 15 hat, gebildet. Dies sind insbesondere Aluminiumoxid oder Siliciumoxid mit ε_r-Werten zwischen ca. 4 und 10.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind vorzugsweise gleich große rechteckförmige Elektroden vorhanden, die im Abstand von bis zu einigen mm gegenüberstehen. Mit einer Impulsgeneratorschaltung können die Elektroden mit Spannungsimpulsen beaufschlagt werden, die eine Amplitude von bis zu 35 kV bei einer Pulsbreite im Bereich einiger 10 bis einiger 100 ns besitzen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik und zwar:

– eine große aktive, skalierbare Elektrodenoberflächen, die erheblich größer und besser skalierbar ist als in (Lukes et al. 2002)
– ein geringer minimaler Spannungsbedarf von typisch 12 ... 15 kV gegenüber 25 ... 30 kV (Lukes et al. 2002; Spitze-Platte-Anordnungen) oder sogar 120 kV (A. Abou-Ghazala et al., 28th IEEE Intern. Conf. On Plasma Science and 13th IEEE Intern Pulsed Power Conf., Las Vegas, Nevada, June 17–22, 2001)
– ein guter Wirkungsgrad
– eine sehr gute Durchmischung der durch die Hochspannungsimpulse erzeugten Radikale im Wasser, da die Plasmalänge vergleichbar mit dem Elektrodenabstand ist
– ein einfacher, kostengünstiger Aufbau des Reaktors
– eine kostengünstige Herstellung der beschichteten Elektroden, z. B. durch Plasmaspritzen auf kostengünstige Edelstahlplatten bzw. -bleche.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung
1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Wasseraufbereitung,
2 einen Schnitt durch 1 längs der Linie II-II und
3 eine Impulsgeneratorschaltung für die Vorrichtung der 1 und 2.
Nachfolgend werden die Figuren jeweils einzeln beschrieben. Dabei haben die wesentlichen Elemente, welche die gleiche Funktion beinhalten, die gleichen Bezugszeichen.
In 1 und 2 sind zwischen einem Einlass 1 und einem Auslass 2 konische Durchflussteile 3, 4 eines Gehäuses 5 angeordnet, das insgesamt als Flachbehälter 10 bzw. Durchflussreaktor ausgebildet ist. Im Flachbehälter 10 sind zwei einander gegenüberstehende flächenhafte Elektroden 20 und 20' beispielsweise der Größe 50 × 100 mm angeordnet. Die Elektroden 20 und 20' sind gleich groß und haben einen Abstand von beispielsweise etwa 2 mm. Der Abstand der Elektroden liegt typisch zwischen 1 und 3 mm.
Wenigstens eine der Elektroden 20 bzw. 20' ist mit einer porösen keramischen Beschichtung 21 versehen, die insbesondere aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehen kann. Die Schmalseiten der Elektroden 20 und 20' sowie deren Rückseiten können vorteilhafterweise isolierend beschichtet sein, was in der 2 nicht im Einzelnen dargestellt ist.
Die Größe der Elektroden ist auf die jeweilige Anwendung skalierbar. Als poröse keramische Beschichtung ist auch Quarz (SiO₂) verwendbar. Als dünne poröse Schichten können diese Materialien insbesondere durch Plasmaspritzen auf Stahlelektroden aufgebracht werden.
Es ist so ein Flüssigkeits-Korona-Reaktor gebildet, der hinsichtlich der Effektivität zur Wasserreinigung optimiert ist. Durch die Verwendung von Aluminium-Keramik-Beschichtungen mit einer Dielektrizitätskontanten von ε_r ≈ 8 ergibt sich in einer wässrigen Umgebung mit ε_r ≈ 81 eine wesentliche Erhöhung der lokalen elektrischen Feldstärke an den Tripelpunkten Elektrodenmaterial/Wasser/Aluminiumoxid entsprechend ε_water/ε_alumina um den Faktor von etwa 10. Entsprechend niedriger ist die Hochspannung an den Elektroden, die zu einem Einsetzen von Koronaentladungen an den Tripelpunkten führt. Durch diese Koronaentladungen werden in Wasser als Flüssigkeit eine Vielzahl von oxidierenden Radikalen – wie beispielsweise OH', O', HO₂' – generiert, die den Abbau schädlicher chemischer oder biologischer Stoffe und insbesondere eine Entkeimung bewirken.
In 3 ist die zugehörige Erregerschaltung zur Pulsbeaufschlagung der Elektroden 20, 20' aus den 1 und 2 dargestellt: Die Pulsgenerierung besteht im Einzelnen aus einer Kondensatorentladung mit nachfolgender Hochtransformation in einem Pulstransformator und sich anschließender zweistufiger magnetischer Pulskompression. Die auf der Primärseite 31 eines 1:10 Transformators 30 befindliche Entladekapazität Cp = 1 μF wird durch ein Gleichspannungs-Ladegerät 33 über einen Ladewiderstand R_ch bis zu ca. 3.3 kV aufgeladen und durch ein von einem Triggergenerator 34 verursachtes Schließen des Schalters 35 in die Primärwicklung 31 des Transformators 30 entladen. Der Schalter 35 kann beispielsweise als Hochleistungs-Halbleiterschalter ausgeführt sein.
Der vom Transformator hochtransformierte Puls lädt den auf der Sekundärseite 32 befindliche 10 μF Pulskondensator C1 innerhalb von 2.1 μs bis auf 30 kV auf. Der sättigbare Magnetschalter MSI isoliert zunächst C1 von einer weiteren Stufe MSII. Wenn MSI bei ausreichend hohem Strom in Sättigung geht, wird C1 in weniger als 400 ns in den Pulskondensator C2 der zweiten Stufe MSII entladen. Der sättigbare Magnetschalter MSII ist so bemessen, dass er dann in Sättigung geht, wenn die Spannung über C2 etwa 32 kV erreicht hat. Bei der Sättigung von MSII entlädt sich C2 dann über die Last R_load mit einer Anstiegszeit von ungefähr 80 bis 100 ns. Die Spannungsamplitude über der Last ist wesentlich vom Lastwiderstand R_load mitbestimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Czech. J. of Physics, Vol. 52, SUPPL. D, p. 800–806 (Lukes et al. 2002) [0002]
- Lukes et al. 2002 [0008]
- Lukes et al. 2002 [0008]
- A. Abou-Ghazala et al., 28th IEEE Intern. Conf. On Plasma Science and 13th IEEE Intern Pulsed Power Conf., Las Vegas, Nevada, June 17–22, 2001 [0008]

Claims

Vorrichtung zum Reinigen und Entkeimen von Flüssigkeiten durch Beaufschlagung der Flüssigkeit mit Hochspannungsimpulsen, insbesondere zur Wasseraufbereitung, wobei die Flüssigkeit durch einen Behälter strömt, der einen Einlass und einen Auslass aufweist und wobei im Strömungsweg der Flüssigkeiten einander gegenüberstehende Elektroden vorhanden sind, die die Flüssigkeit mit gepulsten Korona-Entladungen beaufschlagen, und mindestens eine Elektrode (bspw. die Kathode) auf der der anderen Elektrode (bspw. der Anode), zugewandten Seite mit einer porösen Keramikschicht beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden als flächenhafte ebene Elektroden (20, 20') ausgebildet sind und mittels eines Impulsgenerators (30–35) mit Feldstärken von mindestens 100 kV/cm beaufschlagt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 20') mit einem Abstand von einigen mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm einander gegenüber stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse keramische Beschichtung (21) eine Stärke von einigen μm bis einigen 100 μm hat.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse keramische Beschichtung (21) aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Quarz (SiO₂) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse keramische Beschichtung (21) eine effektive Dielektrizitätskonstante ε_r zwischen 4 und 15, vorzugsweise etwa hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmalseiten der Elektroden (20, 20') sowie deren Rückseiten isolierend beschichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Beschichtung aus Keramik oder Glas besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 20') rechteckförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 20') gleich groß sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 20') aus rostfreien Edelstahl als Basismaterial bestehen, auf dem die poröse Keramikschicht (21) aufgebracht ist, so dass bei Wasser als durchströmender Flüssigkeit Tripelpunkte: Metall/Keramik/Wasser gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochspannungs-Impulsgenerator (30–35) vorhanden ist, der auf dem Prinzip einer Kondensator-Entladung und transformatorischen Übertragung beruht.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der transformatorisch übertragene Puls von einem Hochleistungs-Halbleiterschalter (35) erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der transformatorisch übertragene Puls durch sättigbare magnetische Schalter (MSI, MSII) zeitlich auf weniger als 500 ns verkürzt wird.