DE102011012832A1

DE102011012832A1 - Apparat zur Wasseraufbereitung mittels Filtration oder Membrantrennverfahren

Info

Publication number: DE102011012832A1
Application number: DE102011012832A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Egner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2012-04-26

Abstract

Apparat zur Wasseraufbereitung umfassend ein als Membrane oder Filterfläche ausgebildetes Mittel zur mechanischen Abtrennung, vorgeschlagen wird, dass das Mittel zur mechanischen Abtrennung als eine Anode ausgebildet ist und eine Kathode dazu beabstandet angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Apparat zur Wasseraufbereitung mittels Filtration oder Membrantrennverfahren.
Zur Aufbereitung von Roh-, Prozess- oder Abwasser werden verschieden Verfahren in separaten Prozessstufen eingesetzt. Bekannt ist eine mechanische Reinigung durch Filtration oder ein Membrantrennverfahren. Bei Filtern, die im Dead-End-Betrieb eingesetzt werden, aber auch Membranen die im sogenannten Cross-Flow, betrieben werden, bildet sich im Laufe der Zeit eine Deckschicht. Diese Deckschicht beeinträchtigt die Funktionalität der Filter oder Membran und muss mit hohem energetischem und apparatetechnischem Aufwand entfernt werden. Teilweise sind die Deckschichtbildungen irreversibel, so dass eine Entfernung nicht möglich ist und die gesamte Membran ausgetauscht werden muss. Außerdem neigen die Membrane oder Filter zu einer Verkeimung durch Mikroorganismen wie Algen oder Bakterien, so dass Chemikalien, die unerwünschte Nebenprodukte bilden, zur Desinfektion eingesetzt werden müssen.
Als eine weitere Prozessstufe erfolgt eine chemische Behandlung der Roh-, Prozess- oder Abwässer durch elektrolytische Oxidation. Dabei werden durch elektrochemische Vorgänge desinfizierend wirkende Stoffe aus dem Wasser selbst und seinen natürlichen Inhaltsstoffen erzeugt. Durch Elektrolyse wird Wasser in die Elemente Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. In Nebenreaktionen bilden sich auch die desinfizierend wirkenden Substanzen Ozon (O₃) und OH-Radikale an der Anode und Wasserstoffperoxid (H₂O₂) an der Kathode. Zusätzlich werden durch Umwandlung, der nativ im Trinkwasser enthaltenen Chlorid-Ionen (Cl^–) in unterchlorige Säure (HOCl) bzw. Hypochlorit-Ionen (ClO^–), desinfizierend wirkende Komponenten erzeugt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Behandlung von Trink- und Prozesswasser bereit zu stellen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine Membran aus einem inerten, leitfähigen Material herzustellen, so dass sie sowohl für mechanische Trennverfahren, als auch als Anode zur Bildung von Hydroxylradikalen und reaktivem Sauerstoff bei der elektrolytischen Oxidation dient. Damit wird erfindungsgemäß eine vorteilhafte Möglichkeit geschaffen, Membrantrennverfahren und chemische Reinigungsverfahren in der Wasserbehandlung zu verbinden. Wodurch Anlagen und Apparate kompakter, energieeffizienter und kostengünstiger zu gestalten sind.
Besonders hilfreich ist es, wenn die Membran aus keramischen, polymeren oder metallischen Materialien hergestellt ist. Keramische oder Polymere Materialien sind in der Regel chemisch inert und können beispielsweise durch Beimischen leitfähiger Komponenten zum Ausgansmaterial in einfacher Art und Weise leitfähig gemacht werden. Noch einfacher lässt sich die Erfindung realisieren, wenn Membran beispielsweise aus metallischen Materialen, beispielsweise Folien, hergestellt wird. Diese sind schon per se leitfähig.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Anode auf einer Permeatseite angeordnet ist. Damit werden die Oxidationsmittel, welche bevorzugt an der Anode gebildet werden, wie beispielsweise Hypochlorit-Ionen, Ozon oder Hydroxid-Radikale, direkt in dem zu oxidierenden Medium gebildet und die beiden Prozessschritte der mechanischen Abtrennung einerseits und der der elektrolytischen Oxidation andererseits werden in vorteilhafter Weise zusammengefasst. Dadurch können die Apparate zur Wasserbehandlung kompakter, energie- und kosteneffizienter gebaut werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Kathode auf einer Retentatseite angeordnet ist. Damit werden die Oxidationsmittel bevorzugt im Feedstrom gebildet und wirken somit auf die Membranoberfläche. Durch die oxidierende und damit auch desinfizierende Wirkung werden mikrobiologische Aktivitäten auf bzw. in der Membran unterbunden. Ein Rückspülen zur Entfernung einer mikrobiellen Deckschicht, verbunden mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten, die einen entsprechend hohen energetischen und apparativen Aufwand benötigen, ist nicht erforderlich. Insbesondere wird damit eine irreversible Verlegung mit Algen von keramischen Membranen, beispielsweise bei der Meerwasserentsalzung, reduziert. Irreversibel bedeutet hier, dass die durch das Algenwachstum auf der Membranoberfläche eine Deckschicht gebildet wird, die nicht durch Rückspülen oder Zugabe entsprechender Chemikalien entfernt werden kann und somit den vorzeitigen Austausch der Membran erzwingt. Somit wird durch die erfindungsgemäße Anordnung die Membran länger nutzbar.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Kathode auf der Zufluss- bzw. Retentatseite und eine zweite Kathode auf der Permeatseite angeordnet ist. Damit können elektrische Felder zur Erzeugung von desinfizieren wirksamen Substanzen ohne großen konstruktiven oder finanziellen Aufwand zeitgleich auf der Retentatseite und der Permeatseite gebildet werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden das Retentat, das Permeat und die Membran gleichzeitig_desinfiziert. Dadurch werden die Kosten für eine separate Apparatur zur Desinfektion von Permeat oder Retentat eingespart.
Weiterhin wird vorgeschlagen, einen Apparat zur Wasseraufbereitung, umfassend eine Filterfläche, betrieben in als Dead-End-Filtration, so zu gestalten, dass die Filterfläche als Anode ausgebildet ist. Dadurch vereint die Filterfläche zwei für die Wasseraufbereitung wesentliche Funktionen. Zum einen dient sie als Filtermedium bei der Filtration, zu anderen kann sie als Anode bei der elektrolytischen Desinfektion genutzt werden. Dadurch können die mechanische Reinigung der Abwässer durch Filtration und eine chemische Behandlung durch elektrolytische Oxidation in vorteilhafter Weise apparativ kombiniert werden, wodurch die Anlagen zur Wasserbehandlung kompakter und kostengünstiger werden.
Eine fertigungstechnische einfache Lösung ist es, wenn die Filterfläche aus Papier oder Gewebe hergestellt ist. Papier oder Gewebe aus Natur- oder Kunstfasern sind in der Regel inert und die Einbringungen leitfähiger Fasern kann in einfacher Art und Weise bewerkstelligt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Kathode auf einer Filtratseite angeordnet ist. Dadurch werden die zur Desinfektion erforderlichen oxidierenden Substanzen durch Elektrolyse direkt im zu desinfizierenden Medium und aus dem Medium selbst gebildet. Dadurch kann auf die Zugabe von gefährlichen Chemikalien, die eventuell auch giftige Nebenprodukte bilden, verzichtet werden. Weiterhin wird auch auf eine komplexe Anlagentechnik, wie sie beispielsweise die Ozonierung von Trinkwasser erfordert, nicht benötigt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Apparates sieht vor die Kathode auf einer Zuflussseite anzuordnen. Damit wirken die durch Elektrolyse gebildeten oxidierenden Substanzen auf in der Filteroberfläche bzw. im Filterkuchen und können dort Schadstoffe oder Mikroorganismen sofort zerstören, so dass die Gefahr eines Filterdurchtritts minimiert wird.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Kathode auf der Zuflussseite und eine zweite Kathode auf der Filtratseite angeordnet sind. Damit können elektrische Felder zur Erzeugung von desinfizieren wirksamen Substanzen ohne großen konstruktiven oder finanziellen Aufwand zeitgleich auf der Zuflussseite und der Filtratseite gebildet werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden der Filterkuchen, das Filtrat und der Filter gleichzeitig desinfiziert. Dadurch werden die Kosten für eine separate Apparatur zur Desinfektion von Filtrat oder Filterkuchen eingespart.
Besonders hilfreich ist es, wenn die Anode inert, mit einer Oberfläche aus Platin oder Diamant ausgeführt ist. Bei der Elektrolyse von Wasser zeichnen sich Anoden mit entsprechender Oberfläche dadurch aus, dass an ihnen eine besonders große Menge an oxidierenden Substanzen gebildet wird. Insbesondere werden an Diamantoberflächen bevorzugt Hydroxid-Radikale (OH^–) gebildet. Diese Hydroxid-Radikale sind äußerst reaktiv und stellen damit ein sehr gutes Desinfektionsmittel dar.
Günstig ist es ferner, wenn eine Opferanode in Strömungsrichtung vor oder nach der Membran bzw. der Filterfläche angeordnet und konstruktiv mit dieser verbunden ist. Durch Verwendung nicht-inerter Materialien für die Anode, wie beispielsweise Eisen oder Aluminium, können durch die Elektrolyse gezielt Hydroxid-Flocken gebildet werden. Diese Chemikalien eignen sich für eine gezielte Wasserbehandlung. So hat beispielsweise Eisenhydroxid eine fäulnishemmende Wirkung, während Aluminiumhydroxid phosphatbindend wirkt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den nachfolgenden Zeichnungen, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in den Zeichnungen, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Die Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung:
1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer ersten Anordnung für Membrantrennverfahren
2 eine zweite Anordnung für Membrantrennverfahren,
3 eine dritte Anordnung für Membrantrennverfahren
4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer ersten Anordnung für Filtrationsverfahren,
5 eine zweite Anordnung für Filtrationsverfahren und
6 eine dritte Anordnung für Filtrationsverfahren
1 zeigt ein erstes Anwendungsbeispiel der Erfindung bei einem Membrantrennverfahren. Dargestellt ist in schematischer Darstellung ein Gehäuse 10 eines Apparates zur Wasserbehandlung. Darin angeordnet ist eine als Anode ausgebildete Membran 12, die eine Zufluss- oder Retentatseite 14 des Apparates von einer Abflussseite 16 trennt. Auf der Abflussseite 16 angeordnet ist eine Kathode 18.
Die als Feed 20 zugeführte Flüssigkeit passiert die Membran 12. Dabei verbleiben die abzutrennenden Stoffe auf der Zuflussseite 14 und werden dort aufkonzentriert und als Retentat 22 abgeführt. Gleichzeitig führt eine zwischen Kathode 18 und Anode angelegte elektrische Gleich- oder Wechselspannung zur Bildung von oxidierend bzw. desinfizierend wirkenden Substanzen auf der Basis von Sauerstoff oder Chlor. Dabei wird Wasser durch elektrochemische Reaktionen in die Elemente Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Als Nebenprodukte entstehen dabei an der Anode 18 Ozon (O₃) und OH-Radikale, an der Kathode 12 Wasserstoffperoxid (H₂O₂). Diese Stoffe besitzen eine desinfizierende Wirkung. Nativ im Wasser enthaltene Chlorid-Ionen (Cl^–) reagieren unter Gleichspannung zu unterchloriger Säure (HOCl) bzw. Hypochlorit-Ionen (ClO^–), welche ebenfalls desinfizierend wirken.
Die auf diese Weise gebildeten Substanzen gehen direkt in das zu behandelnde Wasser auf der Zuflussseite 14 über und gereinigtes Wasser 24 verlässt den Apparat auf der Abflussseite 16.
Die Art und Menge der oxidierenden bzw. desinfizierend wirkenden Substanzen ist u. a. von dem verwendeten Anodenmaterial und den Wasserinhaltsstoffen abhängig.
2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Anordnung für Membrantrennverfahren, wobei die Kathode 18 auf der Zuflussseite 14 angeordnet ist. Hierbei werden die oxidierend bzw. desinfizierend wirkenden Substanzen auf der Zuflussseite 14 gebildet und bewirken dort die Oxidation bzw. Desinfektion des Retentats 22 und der Oberfläche der Kathode 12.
In 3 ist eine dritte erfindungsgemäße Anordnung für Membrantrennverfahren dargestellt. Dabei ist eine Kathode 18 auf der Zuflussseite bzw. Retentatseite 14 angeordnet und eine zweite Kathode 25 auf der Permeatseite 16. Dazwischen ist die als Anode ausgebildete Membran 12 angeordnet. Durch Anlegen einer elektrischen Gleich- oder Wechselspannung entsteht zwischen den Kathoden 18 und 25 und der Anode 12 ein elektrisches Feld, unter dessen Einfluss die desinfizierend wirkenden Substanzen gebildet werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden die Substanzen sowohl auf der Permeatseite 16 als auch auf der Retentatseite 14 gebildet. Damit erfolgt die Desinfektion und Oxidation von Retentat 22, Membranoberfläche und Permeat 24 zeitgleich.
In 4 ist ein Anwendungsbeispiel der Erfindung bei einem Filtrationsverfahren dargestellt. Dabei wird eine Filterfläche 26 als Anode ausgebildet. Die Filterfläche 26 trennt im Gehäuse 10 die Zuflussseite 14 von der Abflussseite 16. Die Kathode 18 ist auf der Zuflussseite 14 angeordnet. Die als Feed 20 zugeführte Flüssigkeit passiert die Filterfläche 26. Die im Feed 20 mitgeführten Substanzen werden an der Filterfläche 26 abgeschieden und bilden sukzessive einem Filterkuchen (nicht dargestellt). Ein Filtrat 28 verlässt das Gehäuse 10 auf der Abflussseite 16. Zwischen Kathode 18 und der als Anode ausgebildeten Filterfläche 26 bilden sich durch Anlegen einer Gleichspannung desinfizierende und oxidierende Substanzen nach dem identischen Mechanismus wie bei den vorausgehend beschriebenen Membrantrennverfahren.
Diese unterbinden biologische Aktivitäten im Filterkuchen und bauen Schadstoffe in der Filterfläche 26 oder dem Filterkuchen ab.
5 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Anordnung für Filtrationsverfahren. Die Anode 18 ist dabei auf der Abflussseite 16 angeordnet. Die oxidierenden und desinfizierenden Substanzen werden im Filtrat 28 gebildet und wirken dort, so dass desinfiziertes, oxidiertes Filtrat 28 abgeführt wird.
In 6 ist eine dritte Anordnung der Erfindung für Filtrationsverfahren dargestellt. Dabei ist eine Kathode 18 auf der Zuflussseite 14 angeordnet und eine zweite Kathode 25 auf der Filtratseite 16. Dazwischen ist die als Anode ausgebildete Filterfläche 26 angeordnet. Bei Anlegen eine elektrischen Gleich- oder Wechselspannung entsteht zwischen den Kathoden 18 und 25 und der Anode 26 ein elektrisches Feld, unter dessen Einfluss die desinfizierend wirkenden Substanzen gebildet werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden die Substanzen sowohl auf der Filtratseite 16 als auch auf der Zuflussseite 14 gebildet. Damit erfolgt die Desinfektion und Oxidation von Filterkuchen, Filterfläche 26 und Filtrat zeitgleich.

Claims

Apparat zur Wasseraufbereitung umfassend eine Membran (12) und eine Kathode (18), betrieben als Cross-Flow-Filtration, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) als Anode ausgebildet ist, die mit der beabstandet angeordneten Kathode (18) bei Anlegen einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung ein elektrisches Feld bildet.
Apparat zur Wasseraufbereitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (12) aus keramischen, polymeren oder metallischen Materialien hergestellt ist.
Apparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathode (18) auf einer Permeatseite (16) angeordnet ist.
Apparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (18) auf einer Zufluss- bzw. Retentatseite (14) angeordnet ist.
Apparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (18) auf der Zuflussseite oder Retentatseite (14) und eine zweite Kathode (25) auf der Permeatseite (16) angeordnet ist.
Apparat zur Wasseraufbereitung umfassend eine Filterfläche (26) und eine Kathode (18), betrieben als Dead-End-Filtration, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterfläche (26) als Anode ausgebildet ist und mit der beabstandet angeordneten Kathode (18) bei Anlegen einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung ein elektrisches Feld bildet.
Apparat zur Wasseraufbereitung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterfläche (26) aus Papier oder Gewebe hergestellt ist.
Apparat nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathode (18) auf einer Filtratseite (16) angeordnet ist.
Apparat nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet dass, die Kathode (18) auf einer Zuflussseite (14) angeordnet ist.
Apparat nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (18) auf der Zuflussseite (14) und die zweite Kathode (25) auf der Filtratseite (16) angeordnet ist.
Apparat nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (18) inert, mit einer Oberfläche aus Platin oder Diamant ausgeführt ist.
Apparat nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Opferanode in Strömungsrichtung vor oder nach der Membran 12 bzw. der Filterfläche 28 angeordnet und konstruktiv mit dieser verbunden ist.