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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung verunreinigter Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, ohne Zusatz von Chemikalien, mittels einer Kombination von mehreren Reinigungseinheiten.
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Es sind Anlagen, wie Vorrichtungen zur Desinfektion von Wasser, beispielsweise aus der
DE 60 2004 008 584 T2 bekannt, bei denen Elektrolyseeinheiten zur Oxidation von Mikroorganismen verwendet werden. Dabei wird durch entsprechende Beschaltung der Elektroden, wie Kathoden und Anoden sowie deren Anordnung angestrebt, die Reaktionsprodukte in Lösung zu halten oder auszugasen.
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Weiterhin sind beispielsweise aus der
DE 20 2005 015 370 U1 Trinkwasseraufbereitungs-/Desinfektionsvorrichtungen bekannt, bei denen Filtriereinheiten vor Beginn der weiteren Aufbereitung eingesetzt werden, um zur Erzielung einer effizienten Wasserdesinfektion Feststoffe aus dem Wasser zu filtern.
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Aus der
DE 198 35 592 A1 ist ein Verfahren zur Abwasserbehandlung im Bereich Grobverschmutzung bzw. Kläranlagenschlamm mit einem gelochten Rohr und einem Anodenstab in der Verwendung als Opferanode bekannt.
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Derartige Anlagen sind nicht geeignet, eine Flüssigkeit mit einer großen Menge an Belastungspotential aufzubereiten. Vielmehr eignen sich diese nur für die Aufbereitung von Wasser mit geringen Belastungen, beispielsweise zur Abtötung von Mikroorganismen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von verunreinigten Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, zu schaffen, das auch für höhere Belastungen geeignet ist.
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Dies wird erreicht durch eine Kombination von mehreren Reinigungseinheiten unterschiedlicher Wirkprinzipien in Verbindung mit einer Elektrolyseeinheit und ihr nachgeschaltet eine Filtrationseinheit und daran anschließend ein oder mehrere rotierende Feinstofffilter, wobei die Flüssigkeit zuerst der Elektrolyseeinheit mit einem oder mehreren Elektrodenpaaren zugeführt und eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird. Als Flüssigkeiten können neben Wasser organische Lösungsmittel, beispielsweise Alkohole sowie deren Mischungen verwendet werden.
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Nach einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung ist im Meerwasserbereich eine Doppelbelegung innerhalb der Elektrolyseeinheit vorgesehen, also ein Wärmefluss von Minus nach Plus wie auch von Plus nach Minus, wobei die Anoden nicht formgleich, sondern in S-Form gedreht sind. Solcherart werden die Atome verschränkt und es wird eine Beschleunigung der Ausflockung erzielt.
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Eine Aufbereitungsanlage gemäß dem erfinderischen Verfahren dient der Herstellung von Reinwasser in Trinkwasserqualität als Filtrationsergebnis aus verunreinigten Flüssigkeiten, insbesondere verunreinigtem Wasser, so z. B. Abwasser aus Schlachtereien, Meerwasser, Ballastwasser von Schiffen, Brackwasser und dergleichen. Die vorgesehene Kombination einer Elektrolyseeinheit mit einer nachgeschalteten Filtrationseinheit geht von einem geänderten Wirkungsprinzip der Elektrolyseeinheit aus. Zur groben Reinigung der verunreinigten Flüssigkeit kann zur Vermeidung einer Verstopfung der Elektrolyseeinheit ein Grobstofffilter vorgeschaltet werden, das ebenfalls als Filtrationseinheit mit zumindest einem rotierenden Feinstofffilter ausgebildet sein kann.
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Abhängig von den in der Flüssigkeit, die zumindest eine vorgegebene, für die Behandlung mittels einer Elektrolyseeinheit notwendige elektrische Leitfähigkeit aufweist – dies trifft insbesondere für verunreinigtes Wasser zu –, enthaltenen Verunreinigungen wird Art, Material, Anzahl, Fläche und Abstand der Elektroden, die als Anoden und Kathoden in einem elektrischen Schaltkreis betrieben werden, vorgegeben. Die Beschaltung der Elektroden kann dabei abhängig vom Anwendungsfall in Form von Gleichstrom mit einer fest eingeprägten Spannung und/oder in Form von Strom-Spannungsprofilen, beispielsweise Wechselstrom mit einer auf die zu erwartenden Verunreinigungen, die Art der Flüssigkeit und dergleichen abgestimmten Auswahl der Spannungsamplituden und Frequenzen erfolgen, wobei entsprechende Regenerationszyklen zur Regeneration der Elektroden vorgesehen werden können. Im Weiteren wird die an die Elektroden angelegte Spannung insbesondere nach Gesichtspunkten der elektrochemischen Spannungsreihe, an den Elektroden auftretenden Überspannungen und den elektrochemischen Eigenschaften sowie Konzentration der Verunreinigungen mittels eines Steuergeräts vorgegeben. Die Verunreinigungen und Teile der Flüssigkeit werden hierbei elektrochemisch an den Elektroden umgesetzt und zersetzen sich hierbei in ausflockende Feststoffe und gasförmige Komponenten, beispielsweise Wasserstoff, Sauerstoff, Chlor und andere Reaktionsprodukte der vorwiegend organischen und/oder als anorganische Salze vorliegenden Verunreinigungen. Wird dieser Prozess in ausreichender Intensität ausgeführt, resultiert daraus eine ausreichende Reinheit der Flüssigkeit, beispielsweise Wasser in Trinkwasserqualität.
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In Ausgestaltung des erfinderischen Gedankens hat es sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn der Elektrolyseeinheit die rotierende Filtrationseinheit nachgeschaltet wird, um zur Filtrierung der in größeren Mengen bei der elektrochemischen Behandlung der Flüssigkeit entstehenden Feststoffe von der Flüssigkeit unmittelbar nach ihrer Entstehung zu trennen.
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Dabei richtet sich die Porenweite des zumindest einen Feinstofffilters der nachgeschalteten Filtrationseinheit nach der Porengröße des an den Elektroden entstehenden Feststoffs, der aufgrund der an den Elektroden entstehenden Feststoffs, der aufgrund der an den Elektrodenflächen stattfindenden Umsetzungsreaktionen ausflockt und damit fein verteilt ist, so dass eine Porenweite von ca. 0,1 Mikrometern bis 0,5 Mikrometern erforderlich sein kann.
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Unter einem rotierenden Feinstofffilter ist eine gegenüber einem Gehäuse des Feinstofffilters mit einem Zulauf der zu filtrierenden Flüssigkeit rotierenden Welle mit einem Ablauf der filtrierten Flüssigkeit zu verstehen, wobei zwischen dem Zulauf und dem Ablauf ein rotierender Filter auf der Welle angeordnet ist, so dass beispielsweise genügend Umdrehungen pro Minute, die auf dem Filter abgelagerten Feststoffanteile infolge der Fliehkraft abgetragen werden können und durch eine im Gehäuse vorgesehenen Ablauf abgeführt werden. Dabei ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Filtrationseinheit vorgesehen, in der ein oder mehrere parallel und/oder seriell angeordnete rotierende Feinstofffilter vorgesehen sind. Dieser bzw. diese Feinstofffilter bestehen aus zumindest einer Filtereinheit mit mehreren axial aneinander um die Welle, beispielsweise an einer rotierenden Ablaufhülse angeordnete und an dieser befestigten Filterscheiben. Die Oberflächen dieser Filterscheiben werden mit dem Gemisch beaufschlagt und die gefilterte Flüssigkeit wird in die Ablaufhülse eingeleitet. Der Feinstofffilter wird durch die entstehende Wasserkraft als solches angetrieben oder ersatzweise mit einem Elektromotor.
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Nach dem erfinderischen Gedanken sind die Filterscheiben aus Kunststoff, beispielsweise Polyethylen, hergestellt. Dabei hat es sich aus Gründen eines breiten Einsatzgebiets als vorteilhaft erwiesen, wenn die Filterscheiben aus einer einzigen Kunststoffkomponente hergestellt sind, beispielsweise aus einem Granulat beziehungsweise Pulver vorgegebener Partikelgröße gesintert, so dass bei gezielten Einsatzbedingungen lediglich nur eine Kunststoffkomponente zu beachten ist. Mehrere Filterscheiben können axial miteinander, wie z. B. durch Verschmelzen, miteinander verbunden sein, so dass auch an dieser Stelle keine zusätzlichen, als Klebstoff verwendeten Komponenten, eingesetzt werden müssen.
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Die Ausführung der Filterscheiben kann bezüglich eines optimierten Flusses der Flüssigkeit bezüglich der Verteilung der Porengröße in der Filterscheibe so ausgestattet sein, dass die Filterscheiben einen Kern aus grobporigen und einen Mantel aus feinporigem Material aufweisen, wobei der grobporige Kern lediglich als Träger für den feinporigen, die Filterung der Flüssigkeit bewirkenden und daher bezüglich einer Schichtdicke gegenüber dem Kern bevorzugter Weise dünn ausgeführten Mantel dient.
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Der von den Filterscheiben durch deren Rotation abgetragene und von der Flüssigkeit getrennte Feststoff kann mittels einer Feststoffpresse verdichtet und in einem Feststoffbehälter gesammelt werden.
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Es hat sich gemäß dem erfinderischen Verfahren für den Betrieb einer darauf ausgerichteten Anlage, insbesondere aus ökologischen und umweltrelevanten Gesichtspunkten als vorteilhaft erwiesen, wenn die in der Elektrolyseeinheit entstehenden Gase, beispielsweise Wasserstoff, Sauerstoff, Chlor und dergleichen weiterverwertet werden. Beispielsweise können diese aufgefangen, gegebenenfalls aufgetrennt, komprimiert und weiterverwertet werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die entstehenden und entsprechend aufgefangenen Gase in einer Energiekonversionsmaschine zu verbrennen, um dann deren Energie zu nutzen. Auf diese Weise kann zumindest ein Teil der in der Elektrolyseeinheit aufgewendeten Energie zurück gewonnen werden.
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Die Energiekonversionsmaschine kann beispielsweise eine Brennkraftmaschine sein, die abhängig von den entstehenden Gasen als Knallgas, Chlorknallgasmotor, als Brennstoffzelle oder dergleichen betrieben wird.
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Dabei wird im Falle der Verwendung einer Brennstoffzelle elektrische Energie und bei Verwendung einer Brennkraftmaschine kinetische Energie gewonnen. Letztere kann bei Nachschaltung eines Stromgenerators zumindest teilweise ebenfalls in elektrische Energie umgewandelt werden.
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Die Erfindung wird anhand der 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Übersicht einer dem Verfahren zugrunde liegende Anlage zur Flüssigkeitsaufbereitung
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2 einen Schnitt durch einen schematisch dargestellten, rotierenden Feinstofffilter
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3 eine Elektrolyseeinheit im Schnitt
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4 eine Filtereinheit in Funktion
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5 einen Filter im Schnitt
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1 zeigt eine Anlage 1 zur Aufbereitung von verunreinigten Flüssigkeiten am Beispiel einer Aufbereitung von verunreinigtem Wasser, wie Abwasser oder Meerwasser in Form eines schematisch dargestellten Blockschaltbilds. in den Zulauf 2 wird dabei das verunreinigte Wasser unter Druck zugeführt, beispielsweise mittels Schwerkraft oder einer Pumpe. Vor der Elektrolyseeinheit 3 kann ein Pufferspeicher angeordnet werden. In der Elektrolyseeinheit 3 wird das Wasser an zueinander beabstandeten Elektrodenpaaren wie Anoden und Kathoden vorbeigeführt, wobei abhängig vom zu bewältigendem Fluss mehrere Elektrodenpaare im Wasserfluss parallel und/oder seriell angeordnet sein können. Hierbei können bei einer seriellen Anordnung von Elektrodenpaaren diese in Form einer Kaskade unterschiedlich eingestellter elektrochemischer Parameter wie Elektrodenabstand, Elektrodenmaterial, aufgeprägte Spannung und dergleichen beschaltet sein. Durch das Anlegen der Spannung auf die Elektroden entstehen aus dem Wasser elektrolytisch gebildete Gase wie Wasserstoff und Sauerstoff. Weiterhin werden unter den elektrochemischen Bedingungen, gegebenenfalls unter Mitwirkung der gebildeten Gase, die im Wasser enthaltenen Verunreinigungen an den Elektroden zumindest teilweise oxidiert, beziehungsweise reduziert. Daraus können zusätzliche Gase, beispielsweise im Falle von organischen Verunreinigungen, wie beispielsweise Eiweiße und Fette, im Falle von Schlachtabwässern beispielsweise Methan und abhängig vom pH-Wert des Wassers, Kohlendioxid entstehen.
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Die entstandenen Gase können abgeleitet und der Brennkraftmaschine 4 zugeführt werden, die diese beispielsweise vorwiegend als Knallgas oder im Falle einer hohen Konzentration von Chlorid als Verunreinigung – beispielsweise bei der Meerwasserentsalzung – als Chlorknallgas vorliegenden Gase verbrennt. Die dabei entstehende Energie kann direkt verwertet werden oder unter der von der Brennkraftmaschine angetriebenen Energiekonversionsmaschine 5 in eine andere Energieform überführt werden. Wird die Energiekonversionsmaschine 5 als Stromgenerator vorgesehen, kann elektrische Energie gewonnen werden, die der Anlage zur Verfügung stehen und einen Stromakkumulator aufladen kann und/oder nach entsprechender Spannungsangleichung in ein Stromnetz eingespeist werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Energiekonversionsmaschine 5 als Klimaanlage ausgebildet sein oder einen Stromgenerator ersetzen oder diesem zugeschaltet werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Verwertung der in der Elektrolyseeinheit 3 entstehenden Gase in der Brennkraftmaschine 4 können diese im Gassammler 6 aufgefangen, gegebenenfalls dort getrennt und separat verwertet werden, oder – sicherheitstechnisch problemlose Zusammensetzung vorausgesetzt – verdichtet und einer anderweitigen Verwertung zugeführt werden.
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In der Elektrolyseeinheit 3 fallen die Verunreinigungen des Wassers als Feststoff an, der beispielsweise während der elektrolytischen Behandlung an den Elektroden gebildet und in feiner Form ausflockt. Der auf diese Weise amorph, kolloidal oder in anderer Weise vorhandene Feststoff wird mit der elektrolytisch gereinigten wässrigen Phase des in der Elektrolyseeinheit 3 entstandenen Gemisches direkt in die Filtrationseinheit 8 oder – wie gezeigt – vorher in den Pufferspeicher 7 und von dort in die Filtrationseinheit überführt. Dabei kann der Pufferspeicher 7 bereits der Sedimentierung des Feststoffs dienen, wobei aus dem Puffer 7 bereits sich absetzende Anteile des Feststoffes abgelassen werden können und entsprechend dem – später beschriebenen – Filterkuchen aufgearbeitet werden können.
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Die Filtrationseinheit 8 mit dem dargestellten rotierenden Feinstofffilter trennt das Gemisch in den Feststoff und die wässrige Phase. Der Feststoff wird aus der Filtrationseinheit 8 in die Feststoffpresse 9 abgeschieden und dort verdichtet, wobei überschüssiges Wasser ausgepresst und gegebenenfalls wieder der Filtrationseinheit 8 oder dem Pufferspeicher 7 zugeführt wird. Aus der Feststoffpresse 9 wird der Feststoff in den Feststoffbehälter 10 überführt, der als Austauschbehälter vorgesehen sein kann. Abhängig von den Verunreinigungen des aufzubereitenden Wassers kann der den Filterkuchen bildende Feststoff beispielsweise bei Schlachtabwässern organisch verwertbare Anteile, bei Aufarbeitung von Abwässern aus der Kaliindustrie beispielsweise Anteile an weiterverwertbaren Alkali-Ionen und bei der Entsalzung von Meerwasser Salze, insbesondere Kochsalz und Jod-Salze enthalten.
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Das gefilterte Wasser wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dem Pufferbehälter 11 zugeführt oder kann auch direkt in die Ultrafiltrationseinheit 12 überführt werden. Der Pufferbehälter 11 kann – bei Auslegung der Ultrafiltrationseinheit 12 auf Spitzenbelastung – entfallen.
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An Pufferbehälter 11 schließt sich eine mögliche Ultrafiltrationseinheit 12 an, die beispielsweise als Membranfiltrationseinheit ausgelegt, verbliebene Schwebstoffe und Trübstoffe sowie je nach Ausbildung der Membranen noch verbliebene Reste von Mikroorganismen filtert.
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Die mögliche Ultrafiltrationseinheit 12 kann stufenweise Einheiten aufweisen, die zusätzlich eine Stufe mit Ionenaustauschmembranen enthält, die insbesondere zur Erzielung von Trinkwasserqualität des gereinigten Wassers, zum einen eine erhöhte Ionenkonzentration reduzieren und zum anderen einen vorgegebenen pH-Wert einstellen kann.
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Das komplett gereinigte Wasser wird aus der Ultrafiltration direkt über den Ablauf 15 einer weiteren Verwendung zugeführt, beispielsweise in eine Versorgungsleitung eingespeist oder wahlweise in dem Wassertank 13 zwischengespeichert. Zur Verteilung des Wasserstroms kann ein lediglich schematisch an dieser Stelle angeordnetes, geregeltes Ventil 14 vorgesehen werden. Zusätzlich oder alternativ können weitere Ventile beispielsweise zwischen Ultrafiltrationseinheit 12 und Wassertank 13 vorgesehen werden.
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In der Anlage 1 ist eine Steuereinheit vorgesehen, die die beschriebenen Vorgänge steuert. Hierzu können an einer Vielzahl von Stellen entsprechende Sensoren wie Füllstandsensoren, Durchflusssensoren und dergleichen vorgesehen sein. Abhängig von diesen Signalen wird die Anlage 1 gemäß dem Verfahren, beispielsweise die Elektrolyseeinheit 3, der Wasserfluss und dergleichen gesteuert und die nötige Energie, wie elektrische Energie bereitgestellt, die die als Stromgenerator ausgeführten Energiekonversionsmaschine 5 geregelt und gegebenenfalls elektrische Energie abgeleitet.
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Die 2 zeigt einen Schnitt durch ein schematisch dargestelltes rotierendes Feinstofffilter 16 der Filtrationseinheit 8 der 1. Das Feinstofffilter 16 ist aus einem Gehäuse 17 gebildet, das die beispielsweise von einem Elektromotor in Richtung des Pfeils 18 angetriebene Welle 19, die als Ablaufhülse 20 für das gefilterte Wasser mit dem einseitig offenen Ablauf 21 ausgebildet ist, verdrehbar und abgedichtet aufgenommen.
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Das Gehäuse 17 besitzt einen Zulauf 22 für das in der Elektrolyseeinheit 3 der 1 erzeugte Gemisch aus Wasser und Feststoff und eine Ausbringungsöffnung 23, durch die der verbliebene Feststoff ausgeleitet wird. Zur Vereinfachung der Ausbringung des Feststoffs kann am Boden 27 des Gehäuses 17 eine nicht dargestellte Förderschnecke oder dergleichen angeordnet sein.
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An der Welle 19 sind mehrere axial zueinander angeordnete Filterscheiben 24 befestigt, die an ihrer Mantelfläche ein feinporiges Filter 25 aufweisen, das auf einen grobporigen Kern 26, der als Träger für das Filter 25 dient, aufgebracht ist.
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Hierdurch ergibt sich folgende Funktion: bei Zufuhr des Gemisches über den Zulauf 22 wird die wässrige Phase des Gemisches durch die Filter 25 der Filterscheiben 24 über deren grobporigen Kern 26 in die Ablaufhülse 20 gedrückt und von dort über den Ablauf 21 der weiteren Verarbeitung beispielsweise in der UV-Behandlungseinheit 11 der 1 zugeführt. Durch die Rotation der Welle 19, beispielsweise mit ca. 500 U/min wird der sich auf den Filtern 25 absetzende Feststoff abgelöst und über die Ausbringungsöffnung 23 der Feststoffpresse 9 der 1 zugeführt.
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Die 3 zeigt eine Elektrolyseeinheit 3 im Schnitt mit der speziellen Ausformung der Anoden 28 in S-Konfiguration.
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Die 4 stellt eine Filtereinheit als Kombinationsfilter 29 in Funktion dar, geeignet sowohl für Schmutzwasser, wie aber auch Meerwasseraufbereitung, wobei ein Selbstreinigungseffekt mittels Innen- und Außendruck über Schleuder und Abschabkanten der Filterscheiben 24 erfolgt. Die Filterrotation der Filterscheiben 24 wird durch einen an der Anschlussstelle 34 der Welle 19 mit dieser fest, aber lösbar, in der Figur nicht gezeigtem E-Motor, erzeugt.
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Mit Pos. 33 ist der Rohwasserzulauf, mit den Pos. 30 und Pos. 31 sind die Reinwasserabläufe und mit Pos. 32 ist der Schmutzwasserablauf 32 gekennzeichnet, mit Pos. 35 die Entlüftung.
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Die 4 zeigt einen Filter mit den Filterscheiben 24 im Schnitt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anlage
- 2
- Zulauf
- 3
- Elektrolyseeinheit
- 4
- Brennkraftmaschine
- 5
- Energiekonversionsmaschine
- 6
- Gassammler
- 7
- Pufferspeicher
- 8
- Filtrationseinheit
- 9
- Feststoffpresse
- 10
- Feststoffbehälter
- 11
- Pufferbehälter
- 12
- Mögliche Ultrafiltrationseinheit
- 13
- Wassertank
- 14
- Ventil
- 15
- Ablauf
- 16
- Feinstofffilter
- 17
- Gehäuse von 16
- 18
- Pfeil
- 19
- Welle
- 20
- Ablaufhülse
- 21
- Ablauf
- 22
- Zulauf
- 23
- Ausbringöffnung
- 24
- Filterscheiben
- 25
- Feinporige Filter an 24
- 26
- Kern von 24
- 27
- Boden
- 28
- Anoden in S-Form
- 29
- Kombinationsfilter für Schmutz- und Meerwasser
- 30
- Reinwasser
- 31
- Reinwasser
- 32
- Schmutzwasser
- 33
- Rohwasser
- 34
- E-Motor/oder Wasserkraft
- 35
- Entlüftung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 602004008584 T2 [0002]
- DE 202005015370 U1 [0003]
- DE 19835592 A1 [0004]
