DE102013010217A1 - Verfahren und Vorrichtung zur elektrochemischen Oxidation von sulfidhaltigen Abwässern - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung verfolgt das Ziel, die Sulfide in Elektrolysezellen anodisch zu Schwefelsauerstoffverbindungen zu oxidieren, wobei aber mindestens ein Teil der Sulfide als elementarer Schwefel abgeschieden und ausgeschleust werden soll. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Elektrolyse in ungeteilten vorzugsweise Platten-Elektrolysezellen mit Anoden aus mit Edelmetallmischoxiden beschichtetem Titan bei anodischen Stromdichten zwischen 0,05 und 0,20 A/cm2 durchgeführt wird, wobei sich der feinteilig anfallende elementare Schwefel bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 bis 0,3 m/s in den Elektrodenzwischenräumen leicht von der Anode ablöst und mittels eines in den Elektrolytkreislauf integrierten Klärers (Schräg- oder Lamellenklärer) bei deutlich verringerter Strömungsgeschwindigkeit abgeschieden werden kann. Nach der Elektrolyse kann auch eine Fällung mit Eisen-III-Chlorid und eine abschließende Neutralisation mit Kalkmilch vorteilhaft sein, wodurch Restgehalte an Sulfid und gelöstem Polysulfid sicher entfernt werden können. Die Erfindung ermöglicht eine effiziente Aufarbeitung von sulfidhaltigen Abwässern aus Raffinerien und aus der Zellstoffindustrie. Da für die Umwandlung von Sulfid zum Schwefel nur 2 F/Mol erforderlich sind, während für die Oxidation bis zum Sulfat sogar 8 F/Mol benötigt werden, führt die Erfindung sowohl zur Einsparung von Elektrolysestrom, als auch zu einem geringeren Gehalt an höheroxidierten Schwefelsauerstoffverbindungen im elektrochemisch behandelten Abwasser.
Description
- Bei einer Reihe von Verfahren zur Raffination von Erdöl oder Altölen entstehen Abwässer, die u. a. Sulfide enthalten. Aber auch bei Abwässern, die bei der Papier- und Zellstoffherstellung sowie der Lederbearbeitung anfallen, sind teilweise große Mengen an Sulfiden enthalten.
- Die Erfindung verfolgt das Ziel, die Sulfide in Elektrolysezellen anodisch zu Schwefelsauerstoffverbindungen zu oxidieren, wobei aber mindestens ein Teil der Sulfide als elementarer Schwefel abgeschieden und ausgeschleust werden kann. Da für die Umwandlung eines Mols Sulfid zum Schwefel nur 2 Faraday erforderlich sind, während für die Oxidation zum Sulfit 6 und zum Sulfat sogar 8 Faraday benötigt werden, führt das nicht nur zur Einsparung von Elektrolysestrom, sondern auch zu einem geringeren Gehalt an höheroxidierten Schwefelsauerstoffverbindungen im elektrolytisch behandelten Abwasser.
- Der Stand der Technik bei der Behandlung von sulfidhaltigen Abwässern ist insbesondere gekennzeichnet durch oxidative chemische Verfahren zur Umwandlung in Schwefelsauerstoffverbindungen wie Thiosulfat, Sulfit und Sulfat. Als Oxidationsmittel dient entweder ein Überschuss von Luftsauerstoff, teilweise unter Druck und bei höherer Temperatur (
DE 2334 994 ) sowie mit Beteiligung von Katalysatoren (US 3576738 ), oder es wird technisch reiner Sauerstoff mit eisenhaltigen Katalysatoren eingesetzt (DE 2534 892 ). Dabei kann der Sauerstoff auch durch Elektrolyse direkt im oder vor dem Reaktor gebildet werden (EP 0535 320 ). Auch die Verwendung von Oxidationsmitteln wie Wasserstoffperoxid (DE 3125 452 ), Ozon (DE 2335 520 ), oder Peroxodisulfat (DE 2336 996 ) wurde vorgeschlagen. Es sind auch Kombinationsverfahren bekannt, bei denen die Hauptmenge des Sulfids mit Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid oxidiert wird, während die schwerer abbaubare Restmenge des Sulfids bis unter den Grenzwert von 2 mg/l durch Oxidation mit Kaliumpermanganat entfernt wird (DE 3811789 ). Auch Oxidation sulfidhaltiger Abwässer mit geregelter Zufuhr von katalytisch wirkenden Ni-II-, Co-II- oder Mn-II-salzlösungen bei Luftoxidation wurde vorgeschlagen (DD 287 240 EP 623 554A1 - Die vorliegende Erfindung verfolgt das Ziel, das Sulfid in Abwässern, insbesondere in Raffinerieabwässern, mittels anodischer Oxidation in elementaren Schwefel und höher oxidierte Schwefelsauerstoffverbindungen wie Sulfit und Sulfat umzuwandeln, wobei zumindest ein Teil des Sulfids als elementarer Schwefel abgeschieden und ausgeschleust werden soll. Dadurch kann der spezifische Elektroenergieverbrauch minimiert werden und der Gehalt an Schwefelsauerstoffverbindungen im behandelten Abwasser wird verringert.
- Erfindungsgemäß wird die Elektrolyse in ungeteilten Elektrolysezellen mit Anoden aus mit Edelmetallmischoxiden beschichtetem Titan bei anodischen Stromdichten zwischen 0,05 und 0,20 A/cm2 durchgeführt. Es wurde gefunden, dass es mit Edelmetallmischoxiden beschichteten Anoden, vorzugsweise mit Ir/Ta-Mischoxid beschichteten Titananoden gelingt, zumindest einen Teil des Sulfids zum elementaren Schwefel zu oxidieren und an der Anode abzuscheiden. Um einen möglichst hohen Anteil von maximal ca. 35% des Sulfids in Form von Schwefel abzuscheiden und größere Anteile von höheroxidierten Schwefelverbindungen zu vermeiden, ist bei der anodischen Sauerstoffabscheidung eine möglichst niedrige Überspannung einzuhalten. Dazu ist es erforderlich, die anodische Oxidation mit relativ geringer Stromdichte durchzuführen. Dabei ist eine aus wirtschaftlicher Sicht optimale Stromdichte anzustreben, bei der einerseits ein mit zunehmender Stromdichte höherer Gehalt an höheroxidierten Schwefelverbindungen minimiert wird und bei der andererseits der bei zu niedrigen Stromdichten erforderliche hohe Elektrodenflächenbedarf begrenzt wird. Es wurde gefunden, dass bei Stromdichten zwischen 0,05 und 0,2 A/cm2 die in diesem Sinne optimalen Ergebnisse erreicht werden. Dabei werden die höheren Stromdichten von 0,1 bis 0,2 A/cm2 bevorzugt bei hohen Sulfidkonzentrationen von ≥ 3 g/l, die niedrigeren von 0,05 bis 0,1 A/cm2 bevorzugt bei geringen Sulfidkonzentrationen ≤ 1 g/l eingesetzt. Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, die Elektrolyse bei hohen Sulfidkonzentrationen mit höherer Stromdichte zu beginnen und nach Erreichen einer geringeren Konzentration an Sulfid die Elektrolyse bei niedrigeren Stromdichten weiterzuführen und abzuschließen.
- Um den anodisch abgeschiedenen Schwefel möglichst von der Anode abzulösen und mit dem Elektrolytstrom mitzuführen, müssen die Elektrodenzwischenräume mit einer bevorzugten Geschwindigkeit von 0,1 bis 0,3 m/s durchströmt werden. Es wurde gefunden, dass sich damit eine Ablagerung von Schwefel an der Anodenoberfläche zwar nicht völlig vermeiden lässt, dass sich aber ein stationärer Zustand mit einem geringen Schwefelbelag einstellt, bei dem die Funktion der Anode noch voll erhalten bleibt. Es ist außerdem von Vorteil, dass sich bei dieser Strömungsgeschwindigkeit die kathodisch und anodisch gebildeten Gasblasen schnell austragen lassen bei minimalem Einfluss des verbleibenden geringen Gasphasenanteils auf den Ohmschen Wiederstand und damit auf die Zellspannung.
- Dagegen haben Versuche zur Verwendung von durch Kationenaustauschermembranen geteilten Elektrolysezellen ergeben, dass die Membranen durch die Ablagerung von Schwefel schon nach kurzer Betriebsdauer stark verkrusten und infolge der dadurch schnell ansteigenden Zellspannungen erneuert werden müssen. Es war überraschend, dass bei der Elektrolyse mit ungeteilten Elektrolysezellen annähernd die gleichen Stromausbeuten für die Schwefelabscheidung erreicht wurden wie mit geteilten Elektrolysezellen, aber mit deutlich geringeren Zellspannungen und damit auch mit niedrigerem spezifischen Elektroenergieverbrauch.
- Zur Abscheidung des Schwefels ist es vorteilhaft, in den Elektrolytkreislauf bei deutlich verringerter Strömungsgeschwindigkeit einen Abscheidebehälter bzw. einen Klärer (Schräg- oder Lamellenklärer) in den Elektrolytkreislauf einzuschalten.
- Da der Schwefel oft sehr feinkörnig und schlecht filtrierbar abgeschieden wird, ist es nach einem weiteren Merkmal der Erfindung meist von Vorteil, nach der Elektrolyse eine Fällung mit Eisen-III-Chloridlösung vorzusehen. Dadurch und durch die anschließende Neutralisation mit Kalkmilch wird nicht nur der Schwefel in eine besser filtrierbare Form umgewandelt, sondern darüber hinaus wird auch eine während der Elektrolyse sich bildende geringe Menge eines gelöst vorliegenden Polysulfids zu Eisensulfid umgesetzt und aus der Lösung entfernt. Durch Einsatz eines Flockungsmittels kann die Filtrierbarkeit der schwefelhaltigen Fällung weiter verbessert werden. Nach völliger Entfernung der sulfidischen Bestandteile aus dem Abwasser kann dieses einer abschließenden biologischen Reinigung zugeführt werden.
- Wenn eine solche Fällung mit Eisen-III-Chloridlösung nach der Elektrolyse ohnehin vorgesehen ist, kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Elektrolyse auch nach Erreichen einer Sulfidkonzentration im Bereich von ≤ 1 g/l abgebrochen werden und das Restsulfid als Eisen-III-Sulfid ausgefällt werden. Das hat den Vorteil, dass man die gesamte Elektrolyse bei höherer Stromdichte bis zur Oxidation von 80–90% des Sulfids durchführen kann, wodurch der für die Elektrolyse ungünstigere Bereich zur Oxidation des Restsulfids bei niedrigerer Stromdichte und geringerer Ausbeute vermieden werden kann. Das auf diese Weise durch Elektrolyse und nachfolgende Fällung vom Sulfid (einschließlich Polysulfid) vollständig befreite und neutralisierte Abwasser kann, wenn erforderlich, direkt in eine biologische Abwasserreinigung eingeleitet werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich bevorzugt in Elektrolysezellen durchführen, in denen mehrere Anodenplatten mit beidseitiger Mischoxidbeschichtung abwechselnd mit Kathodenplatten aus Edelstahl in einem gemeinsamen Elektrolysebehälter angeordnet sind, und die Elektrodenzwischenräume mittels Umlaufpumpe mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 0,3 m/s durchströmt werden, wobei die Anoden beidseitig elektrochemisch wirksam sind.
- Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können mehrere Elektrolysezellen mit Elektrolyt-Umlaufsystemen elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet werden und nacheinander vom Elektrolyten im Sinne einer Reaktorkaskade durchströmt werden.
- Anhand der
1 und2 soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Die1 zeigt das Verfahrensschema für eine technische Elektrolyseanlage zum Sulfidabbau, die diskontinuierlich (Batch) betrieben wird. Die Elektrolysezelle1 und der Umlauf/Absetzbehälter2 werden mit dem sulfidhaltigen Abwasser gefüllt. Mittels der Umlaufpumpe3 wird das Abwasser über die Elektrolysezelle im Kreislauf gefördert. In der Elektrolysezelle sind abwechselnd die Kathodenplatten4 und die mischoxidbeschichteten Titan-Anodenplatten5 angeordnet. Der Elektrolysestrom wird auf die Anfangs-Stromdichte, z. B. auf 0,15 A/cm2 bei einem Sulfidgehalt von ca. 6 g/l eingestellt. Mit abnehmendem Sulfidgehalt kann die Stromdichte schrittweise bis auf ca. 0,05 A/cm2 abgesenkt werden. Nach Beendigung der Elektrolyse wird mittels der Hochdruck-Schlammpumpe6 das Abwasser zusammen mit den Schwefelschlamm-Anteilen der Filterpresse7 zugeführt. Mit der Umlaufpumpe3 wird der Inhalt der Elektrolysezelle in den Behälter2 überführt und ebenfalls durch die Filterpresse gefördert. Das vom Sulfid weitgehend befreite Filtrat tritt bei 8 aus der Filterpresse aus. Der Schwefel-Schlamm wird bei9 der Filterpresse entnommen. Danach kann die Elektrolyseanlage für den nächsten Zyklus wieder mit dem sulfidhaltigen Abwasser gefüllt werden. -
2 zeigt das Verfahrensfließbild für die technische Anlage zur elektrochemischen Oxidation des sulfidhaltigen Raffinerieabwassers mit anschließender Fällung des Restsulfids mit Eisen-III-Chlorid und nachfolgender Schlammabtrennung. Vom Vorratsgefäß1 des Abwassers wird der erforderliche Volumenstrom mittels der Dosierpumpe2 der ungeteilten Elektrolysezelle3 zugeführt. Diese besteht aus dem Elektrolysebehälter mit darin abwechselnd angeordneten Plattenkathoden aus Edelstahl und den beidseitig mit Ir/Ta-Mischoxid beschichteten Platten-Anoden aus Titan. Mittels der Umlaufpumpe4 wird der Elektrolyt durch die Elektrodenzwischenräume zurück in den Elektrolytumlaufbehälter5 im Kreislauf gefördert. Die Elektrolysegase treten durch den Tropfenabscheider6 aus und werden mittels des Ventilators7 mit einem zur Wasserstoffverdünnung unter die untere Explosionsgrenze erforderlichen Luftstrom in die Umgebung abgeleitet. - Der Überlauf des elektrochemisch behandelten Abwassers mit dem feinteiligen Schwefel und einem Restgehalt von Sulfid bzw. Polysulfid gelangt in den Rührbehälter
11 und wird aus den Behältern8 und9 mit dem Fällungsmittel Eisen-III-Chlorid und einem Flockungsmittel versetzt. Im Rührbehälter12 erfolgt die Neutralisation mit Kalkmilch aus dem Behälter10 mit kontrollierter pH-Einstellung. Mittels der Förderpumpe13 wird der gebildete Dünnschlamm in den Klärer14 (Schräg- oder Lamellenklärer) geleitet. Der abgetrennte Schlamm wird mittels der Hochdruck-Schlammpumpe15 durch die Filterpresse16 gefördert. Das behandelte und vom Feststoff getrennte Abwasser aus der Filterpresse gelangt zusammen mit dem Überlauf vom Klärer in die Vorlage17 und kann von dort erforderlichenfalls zur biologischen Reinigung weitergeleitet werden. - Die folgenden Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung näher erläutern.
- Beispiel 1:
- In einer kleintechnischen Elektrolyseanlage, die entsprechend der
1 aufgebaut war, wurde die anodische Oxidation in einem diskontinuierlichem Prozess betrieben. Die eingesetzte Elektrolysezelle enthielt 5 Anodenplatten aus Titan von der Fläche von 100 × 20 mm (H × B), die abwechselnd mit 6 Kathodenplatten gleicher Größe im Elektrolysebehälter angeordnet waren. Die Titananoden waren beidseitig mit Ir/Ta-Mischoxid beschichtet, so dass sie beidseitig elektrochemisch wirksam wurden. Es ergab sich eine wirksame Anodenfläche von 5 × 40 cm2 = 200 cm2. Die Kathoden bestanden aus Edelstahl und waren im Abstand von 3 mm von den Anoden positioniert. Die aus Elektrolysezelle und Umlaufsystem bestehende Anlage wurde mit 2 l eines Raffinerieabwassers gefüllt, welches etwa 6 g/l Sulfid enthielt. Mittels der Elektrolytumlaufpumpe wurden ca. 500 l/h des Abwassers zwischen der Elektrolysezelle und dem Umlauf/Absetzbehälter im Kreislauf gefördert. Bei einem sich ergebenden durchströmten Querschnitt der insgesamt 10 Elektrodenzwischenräume ergab sich eine Strömungsgeschwindigkeit von etwas über 0,2 m/s. - In einem ersten Versuch wurde die Elektrolyse mit einer Stromstärke von 30 A (i = 0,15 A/cm2) betrieben, aller 15 min wurde eine Probe entnommen und der Sulfidgehalt bestimmt. Nach einer Elektrolysedauer von 1,5 h war sämtliches Sulfid abgebaut, also 2 l × 6 g/l = 12 g. Die mittlere Zellspannung über die Elektrolysedauer lag bei 4,5 V, so dass sich ein Gleichstromverbrauch von 1,5 h × 30 A × 4,5 V = 202,5 Wh ergibt. Der spez. Gleichstromverbrauch beträgt 16,9 kWh/kg.
- In einem zweiten Versuch wurde die Elektrolyse unter sonst gleichen Bedingungen nur über 60 min mit der Stromstärke von 30 A betrieben. Danach wurde die Stromdichte auf 15 A reduziert (i = 0,075 A/cm2), die Zellspannung verringerte sich auf 3,8 V. Nach weiteren ca. 45 min bei dieser Stromdichte war das Sulfid vollständig abgebaut. Der Gleichstromverbrauch ergab sich zu (1 h × 30 A × 4,5 V) + (0,75 h × 15 A × 3,8 V) = 177,8 Wh. Der spezifische Elektroenergieverbrauch verringerte sich von 16,9 auf 14,8 kWh (87,6%). Bei beiden Versuchen wurden etwa 25 +/– 3% des Schwefels aus dem Sulfid in Form von Schwefel abgeschieden und als Schwefelschlamm im Filter rückgewonnen.
- Beispiel 2:
- Eine Technikums-Elektrolyseanlage mit nachgeschalteter Eisen-III-Chloridfällung des Restsulfids war in Anlehnung an die
2 aufgebaut. Lediglich die Abtrennung des gebildeten Schwefels und des ausgefällten Eisen-III-Sulfids wurde in Anbetracht des relativ geringen Durchsatzes vereinfacht wie im Beispiel 1 ausgeführt. - Die Technikums-Elektrolysezelle enthielt 4 beidseitig mit Ir/Ta-Mischoxid beschichtete Anodenplatten aus Titan und 5 Kathodenplatten aus Edelstahl, die im Abstand von ca. 3 mm angeordnet waren. Die Elektroden hatten die Abmessungen 40 × 20 cm (H × B), das entspricht bei beidseitiger Wirksamkeit einer Elektrodenfläche von 800 cm2, insgesamt von 3.200 cm2 für die vier Anoden. Mit einer eingestellten Gesamtstromstärke von 1.000 A ergab sich eine Stromdichte von 0,156 A/cm2. Es wurden in den Elektrolytumlauf 50 l/h des wieder ca. 6 g/l Sulfid enthaltenden Abwassers kontinuierlich eingespeist, einem spezifischen Stromeintrag von 20 Ah/l entsprechend. Am Austritt aus dem Elektrolytumlaufbehälter wurde ein Restsulfidgehalt von 0,6 g/l bestimmt, das heißt, ca. 10% des Na-Sulfids blieb unumgesetzt und musste zusammen mit dem gelöst vorliegenden Polysulfid durch die nachfolgende Fällung mit Eisen-III-Chlorid entfernt werden. Für die Elektrolysestufe ergab sich mit der Zellspannung von ca. 4,5 V ein spezifischer Gleichstromverbrauch von 20 × 50 × 4,5/50 × 5,4 = 16,7 kWh/kg. Aus der Schwefelbilanz wurde ein Anteil gebildeter elementarer Schwefel von ca. 26% berechnet.
- Für die nachgeschaltete Fällung mit 10%iger Eisen-III-Chloridlösung wurde ein 20%iger Überschuss zum stöchiometrischen Verbrauch eingesetzt, das waren ca. 23 l/h. Mittels Kalkmilch wurde der pH-Wert auf etwa 8 eingestellt, womit sich ein Fe-Restgehalt in dem so gereinigten und filtrierten Abwasser von ca. 2 mg/l ergab. Der Niederschlag, bestehend aus Eisensulfid, Eisenhydroxid und elementarem Schwefel fiel in einer gut filtrierbaren Form an. Das so gereinigte sulfidfreie Abwasser könnte einer nachgeschalteten biologischen Reinigungsstufe zugeführt oder direkt in den Vorfluter eingeleitet werden.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 2334994 [0003]
- US 3576738 [0003]
- DE 2534892 [0003]
- EP 0535320 [0003]
- DE 3125452 [0003]
- DE 2335520 [0003]
- DE 2336996 [0003]
- DE 3811789 [0003]
- DD 287240 [0003]
- EP 623554 A1 [0003]
Claims (10)
- Verfahren zur elektrochemischen Oxidation von sulfidhaltigen Abwässern, gekennzeichnet dadurch, dass in ungeteilten Elektrolysezellen unter Verwendung von mit Edelmetallmischoxiden beschichteten Anoden elektrolysiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass vorzugsweise Ir/Ta-Mischoxid beschichtete Titananoden verwendet werden.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass mit Stromdichten zwischen 0,05 und 0,2 A/cm2 elektrolysiert wird.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Elektrolytlösung in den Elektrodenzwischenräumen auf 0,1 bis 0,3 m/s eingestellt wird.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Elektrolyse bei höherer Sulfidkonzentration mit Stromdichten von 0,1 bis 0,2 A/cm2 begonnen wird und nach Erreichen einer Sulfid-Restkonzentration im Bereich von ≤ 1 g/l die Stromdichte auf 0,05 bis 0,09 A/cm2 abgesenkt wird.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass zur Abscheidung des Schwefels ein Klärer (Schräg- oder Lamellenklärer) in den Elektrolytkreislauf eingeschaltet wird.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass nach der Elektrolyse eine Fällung mittels Eisen-III-Chlorid und eine abschließende Neutralisation mit Kalkmilch vorgenommen wird.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Elektrolyse bei einer Stromdichte von 0,1 bis 0,2 A/cm2 bis zur Oxidation von 80 bis 90% des Sulfids durchgeführt wird und der Sulfid-Restgehalt durch die nachfolgende Fällung mit Eisen-III-Chloridlösung als Eisensulfid entfernt wird.
- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Anodenplatten mit beidseitiger Mischoxidbeschichtung abwechselnd mit Kathodenplatten aus Edelstahl in einem gemeinsamen Elektrolysebehälter angeordnet sind, der vom Elektrolyten mittels Umlaufpumpe mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 0,3 m/s durchströmt wird, sodass die Anoden beidseitig elektrochemisch wirksam sind.
- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elektrolysezellen mit Elektrolyt-Umlaufsystemen gemäß Anspruch 9 elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet werden und nacheinander vom Elektrolyten im Sinne einer Reaktorkaskade durchströmt werden.
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