DE102015006706A1 - Continuous process for removal of micro-contaminants from biologically clarified municipal wastewater - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches, physikalisches Verfahren – basierend auf Elektrolyseprozesse – zur Entfernung von Mikroverunreinigungen aus dem Wasser, welches automatisiert abläuft. Dieses geschieht unter optimierten Bedingungen wo eine elektrolytische Koagulation, chemische Oxidation und AOP-Methoden als advanced oxidation process integriert wurden. Hier werden Mikroverunreinigungen durch Generierung von OH*-Radikalen mineralisiert und aus dem Wasser entfernt.The invention relates to a continuous, physical process - based on electrolysis processes - for the removal of micropollutants from the water, which runs automatically. This happens under optimized conditions where an electrolytic coagulation, chemical oxidation and AOP-methods have been integrated as an advanced oxidation process. Here, micropollutants are mineralized by the generation of OH * radicals and removed from the water.
Description
Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches, physikalisches Verfahren durch Einsatz von Elektrolysetechnologie, um organische Verbindungen aus Wasser zu entfernen. Es wird in Reaktoren die in Reihe geschaltet werden, mit unterschiedlichen Elektroden und Anregungen gearbeitet, wobei das Wasser konstant durch Pumpen mit entsprechendem Durchfluss, durch die verfahrenstechnische Anlage strömt.The invention relates to a continuous, physical process using electrolysis technology to remove organic compounds from water. It is in reactors connected in series, worked with different electrodes and suggestions, the water flows constantly through pumps with appropriate flow, through the process plant.
Eine erst in dem letzten Jahrzehnt erkannte und ernst zu nehmende Gefahr geht von der Anreicherung von chemischen Verbindungen im Grundwasser aus. Durch den täglichen Gebrauch von Arzneimitteln, Pflanzenschutzmitteln, Korrosionsinhibitoren, Fracking-Fluiden, Bioziden, Röntgenkontrastmitteln, Antibiotika, Kosmetika u.v.a.m. reichern sich diese Stoffe im Grundwasser an. Diese Stoffe sind in allen Wässern inzwischen zu finden und weisen Wirkungen auf alle biologische Systeme auf, die als toxisch eingestuft werden können, aber bisher kaum in Langzeitauswirkungen detailliert erforscht wurden. Die Mikroverunreinigungen (micro-pollutants) liegen hauptsächlich in Konzentrationen zwischen 0,1 und 100 μg pro Liter Wasser oder anders formuliert in nano-g bis micro-g vor und sind durch biologische Abwasser-Behandlung nicht zu entfernen.A danger that has only been recognized and serious in the last decade is based on the accumulation of chemical compounds in the groundwater. Through the daily use of drugs, pesticides, corrosion inhibitors, fracking fluids, biocides, X-ray contrast agents, antibiotics, cosmetics, and the like. These substances accumulate in the groundwater. These substances are now found in all waters and have effects on all biological systems that can be classified as toxic, but have so far hardly been researched in detail in long-term effects. The micro-pollutants are mainly in concentrations between 0.1 and 100 micrograms per liter of water or in other words formulated in nano-g to micro-g and can not be removed by biological wastewater treatment.
Dieses Thema wurde erst in den letzten 2–3 Jahren intensiv bearbeitet und in verschiedenen Forschungsprojekten bearbeitet und publiziert. Die Wahl zur Lösung dieser Problematik ist die Anwendung von PAC (Aktivkohle) und/oder Ozon. Die beste erreichbare Ausbeute liegt im Schnitt im Maximum bei 80% bis 90% Entfernung der Mikroverunreinigungen.This topic has been intensively developed only in the last 2-3 years and edited and published in various research projects. The solution to this problem is the use of PAC (activated carbon) and / or ozone. The best achievable yield is on average at 80% to 90% removal of micropollutants.
Zwei technische Prozesse wurden erprobt und zur Entfernung von Mikro-Verunreinigungen (mp) empfohlen und eingesetzt:
- • Ozonierung – Addition von Ozon (O3) nach einer klassischen, biologischen Abwasserbehandlung in einem Kontakt-Turm mit einer HRT von etwa 20 Minuten gefolgt von einer biologischen Filtrationsstufe oder Bett-Reaktor um Oxidations-Beiprodukte abzubauen bzw. zu entfernen
- • Aktivkohle Adsorption – PAC wird in Tanks zugesetzt und mit einer HRT von 30–60 Minuten reagieren gelassen. Ein Filtrationsschritt ist notwendig um von Aktivkohle wieder abzutrennen. Es kann auch über Aktivkohle direkt abfiltriert werden mit entsprechender HRT.
- • ozonation - addition of ozone (O 3 ) after a classical biological wastewater treatment in a contact tower with an HRT of about 20 minutes followed by a biological filtration stage or bed reactor to remove or remove oxidation by-products
- • Activated Carbon Adsorption - PAC is added to tanks and allowed to react with HRT for 30-60 minutes. A filtration step is necessary to separate again from activated carbon. It can also be filtered off directly via activated charcoal with appropriate HRT.
Die
Beim Stand der Technik sieht man zu dieser Zeit folgende Techniken: a) Aktivierte Kohle – Aktivkohle/PAC (powder activated carbon); b) direkter Einsatz von Ozon; c) AOP-Methoden (Advanced Oxidation Process). Es ergab sich durch Laborversuche und Technikums-Versuche/Pilotanlagen, dass folgende organische Verbindungen als Indikator für die Effektivität zur Entfernung von micropollutants eines Verfahrens herangezogen und bewertet wurden. Tabelle 1 Substanzen zur Messung des Reinigungseffektes durch Ozonbehandlung
Mit der Entwicklung und Anwendung der Antibiotika konnten bakterielle Infektionskrankheiten zunächst mit Erfolg bekämpft werden. Mit Abwässern aus urbanen Bereichen sowie Krankenhäusern gelangen grosse Mengen an antibiotikaresistenten Bakterien in die Umwelt, da konventionelle Kläranlagen als „Umsteigebahnhöfe” für Resistenzen dienen. Dieses gilt für alle biologischen Typen von Aufbereitungsanlagen auch für den Membranbioreaktor. Typisch für Abwässer aus oben genannten Bereichen sind Gehalte von Hormonen, Antibiotika, Zytostatika, Psychopharmaka, Röntgenkontrast-mittel, Antiphlogistika/Analgetika wie Ibuprofen, Dichlophenac etc. und Desinfektionsmittel sowie anderen Arzneimitteln bzw. deren Metabolite, die von konventionellen (biologischen) Kläranlagen (Belebungsverfahren) nicht entfernt werden können, sondern im Wasser verbleiben. In Kläranlagen wurden bereits Antibiotika-Gehalte gemessen, die in einigen Fällen weit über der Wirkkonzentration liegen. Diese Stoffe reichern sich über die Zeit im Grundwasser und somit Trinkwasser an und können als latente Gefahr für biologische Zellsysteme aufgefasst werden.With the development and application of the antibiotics, bacterial infectious diseases could initially be successfully combated. With effluents from urban areas and hospitals, large amounts of antibiotic-resistant bacteria are released into the environment, as conventional treatment plants serve as "transfer stations" for resistance. This applies to all biological types of treatment plants also for the membrane bioreactor. Typical of wastewater from the above areas are levels of hormones, antibiotics, cytostatics, psychotropic drugs, X-ray contrast agents, anti-inflammatory drugs / analgesics such as ibuprofen, dichlophenac, etc. and disinfectants and other drugs or their metabolites, from conventional (biological) wastewater treatment plants ) can not be removed, but remain in the water. In sewage treatment plants, antibiotic levels have already been measured, which in some cases are well above the active concentration. These substances accumulate over time in the groundwater and thus drinking water and can be regarded as a latent danger for biological cell systems.
Basierend auf Erfahrungen von Einzelanlagen in der Schweiz und in Deutschland kann man ungefähr von Jahreskosten von ca. 0,1 Euro/m3 bei einer 250.000 EW Anlage und 0,25 Euro/m3 bei einer 25.000 EW Anlage ausgehen. Bei einem Abwasseranfall von 150–200 I/EW/d ergibt das etwa 5–7 Euro/EW bei der großen Anlage und 15–20 Euro/EW bei der kleineren Anlage. Da bei den Einwohnerwerten (EW) auch der gewerbliche und industrielle Abwasseranteil inkludiert ist, ergeben sich schließlich Jahreskosten je Einwohner von rund 10–15 Euro bei der 250.000 EW Anlage und 20–40 Euro bei der 25.000 EW Anlage. Insbesondere für kleinere Anlagen schwanken die bisher zur Verfügung stehenden Kostenangaben sehr.Based on the experience of individual plants in Switzerland and Germany, one can assume an annual cost of approx. 0.1 Euro / m 3 for a 250,000 PE plant and 0.25 Euro / m 3 for a 25,000 PE plant. For a wastewater of 150-200 l / hp / d, this gives about 5-7 Euro / pe for the large plant and 15-20 Euro / pe for the smaller one. Since the population equivalents (EW) also include industrial and industrial wastewater, annual costs per inhabitant are around 10-15 euros for the 250,000-euro plant and 20-40 euros for the 25,000-euro plant. Especially for smaller systems vary the previously available cost information very.
Deutlich wird aber in jedem Fall, dass die weitergehende Abwasserreinigung mit erheblichen Kosten verbunden ist. Die Investitionskosten für eine nach geschaltete Ozon-Behandlung liegt für kleine Anlagen bis etwa 25.000 EW bis 500'000 CHF/€ und für große Anlagen 250.000 EW bis 1,1 Mio CHF/€. In der Schweiz tritt per 2016 ein Gesetz in Kraft wonach der Bund (nach BAFU-Angaben) für etwa 100 Anlagen 1,2 Milliarden CHF budgetiert hat. In anderen Ländern der EU sind unterschiedliche zur gesetzlichen Regelung getroffen worden oder in Vorbereitung.It is clear, however, in any case that the advanced wastewater treatment is associated with significant costs. The investment costs for downstream ozone treatment are up to around 25,000 PE to 500,000 CHF / € for small plants and 250,000 PE to 1.1 million CHF / € for large plants. In Switzerland, a law will come into force in 2016 according to which the federal government (according to FOEN information) has budgeted 1.2 billion CHF for about 100 installations. In other EU countries, different legal provisions have been or are being prepared.
Eine vorher nicht erwähnte Möglichkeit einer Reinigung von Trinkwasser für Mikroverunreinigungen ist die Reverse-Osmose – leider mit dem Nachteil, dass wirklich alles entfernt wird, auch lebensnotwendige Salze. Osmose hat aber weiter den Nachteil, dass etwa ein Drittel des eingesetzten Abwassers verloren gehen würde und eine Vorfiltration mindestens über ein 5 micron Filter erfolgen müsste. Dieses ist aber für grosse Abwassermengen kaum möglich und unwirtschaftlich. Es wurden auch Verfahren beschrieben, die eine Kombination aus 3 Technologien darstellt – nämlich: Koagulation, Aktivkohle-Adsorption und elektrochemische Oxidation (
Die Kritik am Stand der Technik geht dahin, dass bei der Ozonierung
- • Nebenprodukte entstehen, die wieder entfernt werden müssen;
- • dass Sauerstoff in Tanks oder Flaschen zur Erzeugung von Ozon eingesetzt werden;
- • dass der erzeugte Überschuss von Ozon wieder zerstört werden muss;
- • dass die Infrastruktur in verfahrenstechnische Anlagen für die Ozonierung aufwendig und teuer ist, um entsprechende Verweilzeiten (HRT von 20 Minuten) zu garantieren;
- • dass die klassische Erzeugung von Ozon relativ teuer ist.
- • dass die Rate der Entfernung von organischen Verbindungen nur 80 bis 90% beträgt.
- • By-products are formed, which must be removed again;
- • that oxygen is used in tanks or bottles to produce ozone;
- • that the surplus of ozone generated must be destroyed again;
- • That the infrastructure in process plants for the ozonation is complex and expensive, in order to guarantee appropriate residence times (HRT of 20 minutes);
- • that the classical generation of ozone is relatively expensive.
- • that the rate of removal of organic compounds is only 80 to 90%.
Die Kritik am Stand der Technik kann dahingehend weitergeführt werden, dass der Wirkungsgrad von maximal 80–90% von allen oben aufgeführten drei Technologien einer Entfernung von unerwünschten Stoffen einfach zu gering ist – sowie die Verfahrensweise im Batch-Betrieb bei der PAC-Methode bzw. semi-kontinuierlich bei Ozonbehandlung ist und bei Ozon-Einsatz zu viele Nebenprodukte entstehen können, die wieder entfernt werden müssen. Ozon in direkter Behandlung von Abwasser welches Nitrobenzol enthält ist nicht sehr geeignet und zeigt nur etwa knapp eine 80%-ige Entfernung.The criticism of the prior art can be continued to the effect that the efficiency of a maximum of 80-90% of all three abovementioned technologies of removal of undesirable substances is simply too low - and the procedure in batch mode in the PAC method or is semi-continuous with ozone treatment and ozone can cause too many by-products to be removed. Ozone in direct treatment of wastewater containing nitrobenzene is not very suitable and shows only about 80% removal.
Ozon ist ein toxisches Gas und als Klimakiller bekannt. Da bis zu 0,6 g O3 pro Liter oder mehr temperaturabhängig eingesetzt werden, ist die Löslichkeitsgrenze unter Normalbedingung sehr schnell erreicht. Man kämpft um jedes ppm Ozon in der Anwendung bei Raumtemperatur. Ein Überschuss an Ozon bedeutet aber auch unerwünschte Nebenprodukte, die wieder entfernt werden müssen. Ozon ist instabil in Wasser. Die Halbwertszeit reicht von Sekunden bis Stunden in Abhängigkeit vom pH, NOM (normal organic matter).Ozone is a toxic gas known as a climate killer. Since up to 0.6 g of O 3 per liter or more are used depending on the temperature, the solubility limit is reached very quickly under normal conditions. It fights for every ppm ozone in the application at room temperature. An excess of ozone means but also unwanted by-products that need to be removed again. Ozone is unstable in water. The half-life ranges from seconds to hours depending on pH, NOM (normal organic matter).
Ein weiterer Nachteil ist vor allen Dingen keine voll kontinuierliche Verfahrensweise und der Wirkungsgrad, der bei der aktivierten Karbon-Adsorption maximal etwa 80–90% der micropollutants entfernen kann und etwa gleich zu sehen ist mit der Ozonierung. Ein anderer Nachteil ist der hohe apparative Aufwand von diversen Becken, Tanks und anderer Apparate, die bei grossen Volumina eine grössere Grundfläche und somit auch Landfläche benötigen.Another disadvantage is above all not a fully continuous procedure and the efficiency that can remove a maximum of about 80-90% of the micropollutants in the activated carbon adsorption and is about the same with the ozonation. Another disadvantage is the high expenditure on equipment of various basins, tanks and other apparatus, which require a larger base area and thus land area for large volumes.
Ausserdem ist Aufnahme von Stoffen bei Anwendung der Aktivkohle begrenzt, die nicht nur proportional zur aktiven Oberfläche zu sehen ist. Da die polare Oberfläche alles adsorbiert, muss immer ein gewisser Überschuss vorhanden sein, welches sich auch in anderen Parametern widerspiegelt (
Der Einsatz von Aktivkohle (AK) hat sich nicht durchgesetzt, da für die AK grosse Becken, Rührwerke und gegebenenfalls auch eine Temperierung notwendig wird. Auch ist die Wiederaufbereitung/Regenerierung von AK mit entsprechendem Transport zu aufwendig und teuer. Die Ergebnisse erreichten aber im Durchschnitt nicht oder nur gerade die Werte der Ozonbehandlung. Nach Abwägung der Vorteile und Nachteile der Ozonbehandlung sind die Kosten für eine Investition und die Betriebskosten doch erheblich gross. Somit ist eine Technologie, die kostengünstiger gleich gute oder gar bessere Resultate erzielt, von hohem Nutzen.The use of activated carbon (AK) has not gained acceptance, because the AK requires large basins, agitators and possibly also a temperature control. Also, the reprocessing / regeneration of AK with appropriate transport too expensive and expensive. The results did not reach the values of ozone treatment on average or only just. After weighing the advantages and disadvantages of ozone treatment, the costs for an investment and the operating costs are considerably high. Thus, a technology that achieves better or even better results at a lower cost is of great benefit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein kontinuierliches Verfahren bereit zu stellen, das bisherige Nachteile nicht aufweist. Somit ist die Aufgabe der vorgeschlagenen Erfindung eine Reduktion bzw. Eliminierung von Mikroverunreinigungen durchzuführen, mit der Maßgabe einen höheren Prozentsatz bei der Entfernung zu erreichen unter reduzierten Kosten im Vergleich zur voran beschriebenen Ozonbehandlung. Dieses ist prinzipiell möglich für biologisch geklärtes Abwasser, die in der Regel einen reduzierten CSB-Level mit reduziertem Gesamt-Stickstoff-Anteil aufweisen, sowie auch für Grundwässer.The invention is based on the object to provide a continuous process that does not have previous disadvantages. Thus, the object of the proposed invention is to carry out a reduction or elimination of micropollutants, with the proviso of achieving a higher percentage of removal at a reduced cost compared to the previously described ozone treatment. This is in principle possible for biologically clarified wastewater, which generally has a reduced COD level with a reduced total nitrogen content, as well as for groundwaters.
Als technische Lösung der Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, eine elektrolytische Behandlung durchzuführen, die in erster Stufe eine Elektrokoagulation durchführt.As a technical solution to the problem is proposed by the invention to carry out an electrolytic treatment, which performs an electrocoagulation in the first stage.
In dieser ersten Stufe werden parallel mehrere Sachverhalte gelöst.:
- • Reduktion des Härtegrades mit Beseitigung von Karbonat-Ionen und Phosphat
- • Bindung von organischen Verbindungen im erzeugten Metallhydroxid und deren Entfernung durch Filtration
- • Erzeugung von Radikalen wie Hydroxyl-Radikal – Im ersten Schritt entsteht das Superoxide Anion Radikal: ·O2 – (Reaktion erster Ordnung) gefolgt von der Formation vom Hydroxyl-Radikal (Reaktion 2.-ter Ordnung).
- • Reduction of hardness with elimination of carbonate ions and phosphate
- • Binding of organic compounds in the produced metal hydroxide and their removal by filtration
- • Generation of radicals such as hydroxyl radical - In the first step, the superoxide anion radical is formed: · O 2 - (first-order reaction) followed by the formation of the hydroxyl radical (second-order reaction).
Im folgenden Schritt wird eine Luftoxidation durch Einblasen von Luft durchgeführt, die zu einer Verbesserung der Koagulation führt und leicht oxidierbare Verbindungen wie polare funktionelle Gruppen wie z. B. Zucker und Alkohole oxidiert. Ausserdem ist eine Reduktion des Ammoniumgehaltes in alkalischem pH-Bereich möglich, welches allgemein als gas-stripping bekannt ist, wobei freies Ammoniak ausgetrieben wird. Auch wird Eisen-II- zu Eisen-III- oxidiert. Dieses Verfahren läuft automatisch gesteuert, kontinuierlich ab und ist somit eine Lösung zur Entfernung von Mikroverunreinigungen in nahezu Echtzeit.In the following step, an air oxidation is carried out by blowing in air, which leads to an improvement in the coagulation and readily oxidizable compounds such as polar functional groups such. As sugars and alcohols oxidized. In addition, a reduction of the ammonium content in the alkaline pH range is possible, which is generally known as gas stripping, wherein free ammonia is expelled. Also, ferrous iron is oxidized to ferric III. This process is automatically controlled, continuous and thus provides a solution for the removal of micropollutants in near real time.
Nach Kostenberechnungen, die bei der Technologie allein auf Massenflüsse pro Zeiteinheit ausgerichtet sind, werden die Investitionskosten mit etwa 30 bis 50% weniger, im Vergleich zu Ozonanlagen, kalkuliert. Die Betriebskosten erfahren in gleicher Größenordnung eine Reduktion. Reduziert man die Kosten auf etwa 1/3 erniedrigen sich die Kosten pro Einwohner pro Jahr auf Werte von 3,3 bis 5 CHF/€ und für kleine Anlagen auf ca. 10 CHF/€.According to cost calculations, which are based solely on mass flow per unit time for the technology, the investment costs are calculated with about 30 to 50% less, compared to ozone plants. The operating costs experience a reduction of the same order of magnitude. If the costs are reduced to about 1/3, the costs per inhabitant per year are reduced to values of 3.3 to 5 CHF / € and for small investments to about 10 CHF / €.
Die verfahrenstechnische Gestaltung einer Anlage sieht so aus, dass im ersten Schritt ein Reaktor mit Eisen-Elektroden, die phosphatarm sind aber einen Mangananteil enthalten dürfen. Nach dieser Reaktionsstufe die den pH-Wert ins Alkalische verschiebt, wird Luft eingeblasen. Die Zugabe von Luft oxidiert organische Verbindungen, die aufgrund ihrer Struktur dieses zulassen und fördert die Koagulation, wobei auch noch Ammoniakspuren entfernt werden. Weiter tritt eine Reduktion von Karbonat ein, die bei der Reaktion mit auftretenden Radikalen störend ist, da Karbonat als Radikalfänger bekannt ist. Das auftretende Eisenhydroxid, welches in grossen, stabilen Flocken auftritt, wird abfiltriert und so dem Kreislauf entzogen. Hierbei bindet es Anteile von organischen Verbindungen, die mit durch Filtration entfernt werden.The procedural design of a plant looks like that in the first step, a reactor with iron electrodes that are low in phosphates but may contain a manganese content. After this reaction stage, which shifts the pH to alkaline, air is blown. The addition of air oxidizes organic compounds, which due to their structure allow this and promotes coagulation, while also ammonia traces are removed. Further, a reduction of carbonate occurs, which is troublesome in the reaction with occurring radicals, since carbonate is known as radical scavenger. The occurring iron hydroxide, which occurs in large, stable flakes, is filtered off and thus removed from the circulation. Here it binds shares of organic compounds, which are removed by filtration.
In zweiter Stufe wird ein Reaktor mit Aluminium-Elektroden eingesetzt. Der pH-Wert bleibt im alkalischen Level stehen. Wieder gefolgt von einer Lufteinblasung wird der bereits vorher beschriebene Effekt wiederholt. In dritter Stufe wird ein Reaktor mit Titanelektroden bestückt. Hier ändert sich der pH-Wert und geht ins schwach Saure über. Im Gesamtprozess wird nacheinander in den drei Stufen die Salzfracht und somit die Leitfähigkeit reduziert, Karbonat entfernt, um in letzter und vierter Stufe einen advanced-oxidation-process (AOP) durchzuführen. Als bisher als tauglich befundene Elektroden ergeben sich drei Arten: Diamant-Elektroden (bbd), Bleidioxid-Elektroden auf Titan als Träger (Ti/PbO2) und Edelstahl-Gitter-Elektroden. Während die ersten Elektroden unter Gleichstrombedingungen ablaufen, wird die Edelstahl-Gitter-Elektrode unter Wechselstrombedingung gefahren. Damit wird in der ersten bis dritten Stufe schon eine deutliche Verringerung von „micropoluttants” erreicht.In the second stage, a reactor with aluminum electrodes is used. The pH remains in the alkaline level. Again followed by an air injection, the previously described effect is repeated. In the third stage, a reactor is equipped with titanium electrodes. Here, the pH changes and goes into weak acid. In the overall process, the salt load and thus the conductivity is reduced in succession in the three stages, carbonate removed to perform in the last and fourth stages of an advanced oxidation process (AOP). There are three types of electrodes that have been found suitable so far: diamond electrodes (bbd), lead dioxide electrodes on titanium as support (Ti / PbO 2 ) and stainless steel grid electrodes. While the first electrodes are under DC conditions, the stainless steel grid electrode is driven under AC condition. Thus, in the first to third stage already a significant reduction of "micropoluttants" achieved.
Diese vierte und letzte Stufe erzeugt nur Radikale wie Hydroxyl-Radikal – wobei das Superoxide Anion Radical: ·O2 – (Reaktion erster Ordnung) gefolgt von der Formation vom Hydroxyl-Radikal (Reaktion 2.-ter Ordnung) zu sehen ist. Das Redoxpotential ist weitaus höher im Vergleich zum Ozon und es entstehen, auch da die Reaktion im Durchfluss erfolgt, keine Oxidationsnebenprodukte.This fourth and final step generates only radicals, such as hydroxyl radicals, where the superoxide anion Radical: · O 2 - (first-order reaction) is followed by the formation of the hydroxyl radical (second-order reaction). The redox potential is much higher compared to the ozone and, since the reaction is carried out in the flow, there are no oxidation by-products.
AOP-Methoden sind sehr unterschiedlich zu sehen. Um Mikroverunreinigungen (micropollutants) oxidativ zu „cracken” bedarf es Radikale – z. B. OH*-Radikale mit sehr hohem Redoxpotential, um eine endständige Oxidation organischer Moleküle zu Wasser und Kohlendioxid, die über Zwischenstufen verläuft, aufzuoxidieren. Somit sind UV-basierte Anwendungen – direkte Photolyse wie UV/H2O2, UV/O3 und UV/TiO2 – UV/Fentons-Reagens als Photokatalyse eine bekannte Lösungsmöglichkeit. Wichtig für diese Technologie ist der generelle Mechanismus wie Kontaminanten entfernt werden, Faktoren welche die Performance beeinflussen und praktische Überlegungen bei Anwendung und Ausführung wie Energie-Einsatz und Zeit.AOP methods are very different. To "crack" micro-pollutants (micropollutants) oxidatively requires radicals - z. For example, OH * radicals with very high redox potential to oxidize a terminal oxidation of organic molecules to water and carbon dioxide, which proceeds via intermediates. Thus, UV-based applications - direct photolysis such as UV / H 2 O 2 , UV / O 3 and UV / TiO 2 - UV / Fentons reagent as photocatalysis are a known solution. Important to this technology is the general mechanism of how contaminants are removed, factors that affect performance, and practical application and execution considerations such as energy use and time.
Eine Elektrokoagulation allein nach bekannten und beschriebenen Verfahren ist nicht in der Lage diverse Mikroverunreinigungen vollends zu entfernen bzw. zu mineralisieren. Einige im Abwasser befindlichen Stoffe bzw. Moleküle lassen sich aber kaum auf diese Weise entfernen. Zu diesen Stoffen gehören Sulfide/Sulfit, Mercaptane und Ammonium-Verbindungen, wie auch flüchtige Fettsäuren-Essigsäure bis Propionsäure (C2 bis C5) und wenige, andere Verbindungen, wie polare Verbindungen wie Zucker und Alkohole. Um diese Stoffe zu entfernen bedarf es einem Einsatz von speziellen Elektroden, die vorher genannt wurden.Electrocoagulation alone by known and described methods is not able to completely remove or mineralize various micropollutants. However, some substances or molecules in the wastewater can hardly be removed in this way. These substances include sulfides / sulfites, mercaptans and ammonium compounds, as well as volatile fatty acid-acetic acid to propionic acid (C 2 to C 5 ) and few, other compounds, such as polar compounds such as sugars and alcohols. In order to remove these substances it is necessary to use special electrodes, which were mentioned before.
Es sind Publikationen mit dem Thema Elektro-Koagulation bekannt aus fast allen Bereichen der industriellen Abwasserbehandlung. Als Nachteil ist allerdings anzumerken, dass die Reaktion vorzugsweise vom sauren in den basischen pH-Bereich gut abläuft. Ist dieser pH-Wert erreicht, macht es oft wenig Sinn den Prozess fortzusetzen. Beim Abbau der bekannten Summenparameter passiert dann kaum noch etwas. Oft muss ein Schritt der Homogenisierung voran gestellt werden, um Partikelgehalt, Partikelverteilung, pH-Wert zu vereinheitlichen, wobei durch Ultraschall oder Erhitzen entgast werden kann oder durch Dampfeinleitung von zu hohen Anteilen an Methangas oder Ammoniak sowie flüchtigen Fettsäuren befreit wird. Auch kann ein Prozess-Schritt der als gas-stripping bekannt ist vorgeschaltet werden, der leicht flüchtige Verbindungen z. B. im alkalischen Medium NH3 austreibt durch Einleiten von Luft. Auch ist eine Entgasung mit Ultraschall möglich wobei in Abhängigkeit vom pH-Wert und Temperaturerhöhung des Wassers leicht flüchtige Stoffe auf gleiche Weise ausgetrieben werden. Hier können auch wasserdampfflüchtige Komponenten ausgetrieben werden.There are publications with the topic of electro-coagulation known from almost all areas of industrial wastewater treatment. As a disadvantage, however, it should be noted that the reaction preferably proceeds well from the acidic to the basic pH range. When this pH is reached, it often makes little sense to continue the process. When breaking down the known sum parameters then hardly anything happens. Often, a step of homogenization must be made in advance to standardize particle content, particle distribution, pH, which can be degassed by ultrasound or heating or freed by steam introduction of excessive amounts of methane gas or ammonia and volatile fatty acids. Also, a process step which is known as gas stripping is preceded, the volatile compounds z. B. in alkaline medium NH 3 expels by introducing air. Also, a degassing with ultrasound is possible whereby light volatile substances are expelled in the same way depending on the pH and temperature increase of the water. Here also steam-volatile components can be expelled.
Dieses bedeutet prinzipiell, dass nach einer spezifischen Elektro-Koagulation für beispielsweise Abwasser, eine elektrochemische Oxidation durchgeführt wird, mit Einsatz von OH-Radikalen. Als alternativer, dritter Schritt, der durch Einsatz einer DSA-Elektroden Typ Metalloxide auf Titanbasis (IrO2/Ta2O3) oder Ti/SnO2 oder Pb/PbO2 hohe Mengen an Sauerstoff generiert wird eine Oxidation von Molekülen erreicht, die einem Angriff von Hydroxyl-Radikalen nicht zugänglich sind. Die Bleioxid-Anode ist bei noch kleiner Ionen-Konzentration (ca. 0,2 g/l NaCl) bei ca. 25 mA/cm2 Stromdichte, im alkalischen pH-Bereich, bei Raumtemperatur (20°C) eine der besten und preiswertesten Elektroden. OH-Radikale reagieren unselektiv, unspezifisch, wobei wenige Moleküle bestimmter Strukturen nicht ausreichend oxidiert werden können und einer Behandlung in-situ mit Sauerstoff-Spezies, der integriert im Verfahren abläuft, besser gerecht wird und erfolgreicher ist. Eine Elektrokoagulation allein oder Luftoxidation allein ist nie in der Lage Mikroverunreinigungen zu eliminieren.This means in principle that after a specific electro-coagulation for example wastewater, an electrochemical oxidation is carried out with the use of OH radicals. As an alternative, third step, which generates high amounts of oxygen by using a DSA electrodes type titanium-based metal oxides (IrO 2 / Ta 2 O 3 ) or Ti / SnO 2 or Pb / PbO 2 , an oxidation of molecules is achieved, the one Attack of hydroxyl radicals are not accessible. The lead oxide anode is at a low ion concentration (about 0.2 g / l NaCl) at about 25 mA / cm 2 current density, in the alkaline pH range, at room temperature (20 ° C) one of the best and cheapest electrodes. OH radicals are nonselective, nonspecific, with few molecules of certain structures being insufficiently oxidized and better able to cope and be more successful in-situ treatment with oxygen species integrated into the process. Electrocoagulation alone or air oxidation alone will never be able to eliminate micropollutants.
Im Verfahren selbst ist dieses von aussen oberflächlich nicht ersichtlich, da Reaktoren nur mit anderen Elektroden und gegf. Power-Supplies ausgerüstet werden. Wichtig für die Lösung der Aufgabe ist eine zeitnahe Behandlung von Wasser, welches Mikroverunreinigungen enthält, wobei das vorgeschlagene Verfahren zur Entfernung dieser Stoffe, so in dieser Form noch nicht beschrieben wurde. Ein weiterer Vorteil über die zeitnahe, schnellere Behandlung hinaus, ist ein höherer Wirkungsgrad der bis zu 99% aller Stoffe entfernt und insgesamt als umweltfreundlich eingestuft werden kann, da die Energiebilanz positiv ausfällt, da Elektroden wie auch Metallhydroxid vollständig recycelt werden können und entstehender Wasserstoff zur Energiegewinnung herangezogen werden kann.In the process itself, this is superficially not visible from the outside, since reactors only with other electrodes and gegf. Power supplies are equipped. Important for the solution of the problem is a timely treatment of water containing micropollutants, the proposed method to remove these substances, so in this form has not been described. Another advantage over the timely, faster treatment beyond, is a higher efficiency of up to 99% of all substances removed and can be classified as environmentally friendly, since the energy balance is positive, since electrodes as well as metal hydroxide can be fully recycled and resulting hydrogen to Energy can be used.
Durch Zusatz von Säure, bei Beginn der Elektrokoagulation, um den pH-Wert zu halten und die Reaktionszeit somit zu verlängern, ist nicht unbedingt notwendig. Je nach eingestellter Polaritätsumschaltung von 10 bis 60 Sekunden kann mehr Stoffumsatz erreicht werden und damit vermehrt OH-Radikale generiert werden, die zu einem höheren Mineralisierungsgrad führen. Sind aber reaktive Verbindungen vorhanden, die mit Eisen-Ionen spontan, bevorzugt reagieren, wie bei Sulfit/Sulfid oder oft durch organische Verbindungen wie z. B. Mercapto-Verbindungen, die als Komplexbildner fungieren, macht es wenig Sinn die pH saure Reaktionsphase zu verlängern. Diese Stoffe werden wie vorangehend beschrieben entfernt.By adding acid, at the start of electrocoagulation, to maintain the pH and thus prolong the reaction time is not absolutely necessary. Depending on the set polarity switching of 10 to 60 seconds, more material turnover can be achieved and thus more OH radicals are generated, which lead to a higher degree of mineralization. But are reactive compounds present, which react spontaneously with iron ions, preferably, as in sulfite / sulfide or often by organic compounds such. B. Mercapto compounds that act as complexing agents, it makes little sense to extend the pH acidic reaction phase. These substances are removed as described above.
Man entfernt besser diese Verbindungen, die sich als Niederschlag abscheiden aus der Matrix und behandelt die gewonnene Flüssigkeit weiter in einem zweiten Reaktor. Wesentlich für den Erfolg des Prozesses ist eine mechanische Vorstufe um Feststoffe abzutrennen, da nur Flüssigkeiten für die Elektrolyse eingesetzt werden können. Ein kleiner Anteil an Feststoffpartikeln kann allerdings toleriert werden. Bei der Ausfällung des Eisenhydroxids bilden sich stabile Flocken mit einer Grösse etwa 10 bis 30 micron, welche die Kleinstpartikel mit bindet und durch eine Filtrationsstufe entfernt.It is better to remove these compounds which precipitate out of the matrix and further treat the recovered liquid in a second reactor. Essential for the success of the process is a mechanical precursor to separate solids, as only liquids for electrolysis can be used. However, a small proportion of solid particles can be tolerated. In the precipitation of the iron hydroxide, stable flakes with a size of about 10 to 30 microns form, which binds the smallest particles and removed by a filtration step.
Da bei dem Verfahren Wasserstoff und Sauerstoff entsteht, kann dieser gesammelt werden und für die Energiegewinnung eingesetzt werden. Die Zwischenprodukte wie Eisenhydroxid liegen hier in gereinigter Form vor und können nach Wasserentzug wo dann Eisenoxid vorliegt, durch Mischen mit Kohle im Hochofen reduziert werden. Die Ausbeute an reinem Eisen ist mehr als 10-mal so hoch im Vergleich zur Verwendung von Eisenerz. Damit kann ein Kreislauf im Recycling geschlossen werden, der das vorgeschlagene Verfahren als wirklich umweltfreundlich charakterisiert.Since the process produces hydrogen and oxygen, it can be collected and used for energy production. The intermediates such as iron hydroxide are present here in purified form and can after dehydration where iron oxide is then reduced by mixing with coal in the blast furnace. The yield of pure iron is more than 10 times higher compared to the use of iron ore. This will allow a recycling cycle to be closed, which will characterize the proposed process as truly environmentally friendly.
Die theoretischen Grundlagen für die Elektro-Koagulation sind bekannt und im Einzelnen an der Kathode:
Da die OH-Ionen-Konzentration an bzw. nahe der Kathode ansteigt, erhöht sich der pH-Wert des Mediums. Während die Anode abnimmt und Eisen-Ionen in die Lösung abgibt – verdeutlicht nachfolgende Gleichung
Für die weitere modellhafte Betrachtung kann die Elimination von Farbstoffen/Pestiziden u.v.a.m. durch die Kombination von den Prozessen der Flokkulation/Koagulation mit Eisen-Ionen (Fe3 +), deren Precipitation, Reduktion zu kleinen Molekülen an der Kathode, Formation einer kompetitiven Reaktion an der Anode als:
Dye-H + (OH)OFe → Dye-OFe + H2O verstanden werden.For further model consideration, the elimination of dyes / pesticides and much more by the combination of the processes of flocculation / coagulation with iron ions (Fe 3 + ), their Precipitation, reduction to small molecules at the cathode, formation of a competitive reaction at the Anode as:
Dye-H + (OH) OFe → Dye-OFe + H 2 O.
Das Precipitat als Niederschlag wird dann durch Sedimentation und Fitration im Prozess kontinuierlich entfernt. Es ist hier anzumerken, dass schon in den ersten Stufen einer Elektrokoagulation Hydroxylradikale gebildet werden. The precipitate as precipitate is then removed by sedimentation and filtration in the process continuously. It should be noted here that hydroxyl radicals are formed in the first stages of electrocoagulation.
Durch die vereinfachte Darstellung einer anodischen Oxidation und kathodischen Reduktion:
Die Darstellung von atomaren Wasserstoff (H*) ist einer der Zwischenzustände bei der Reaktion von molekularem Wasserstoff der kathodischen Reduktion. Hier initiiert der atomare Wasserstoff folgende Sequenz der Reaktion:
In dem Fall, wo die Elektroden aus Metall (M) bestehen, tritt Hydrogenperoxid auf und wird Teil der Reaktion zur Generierung von Hydroxylradikalen:
Der dargestellte Gesamt-Prozessschritt läuft dynamisch, kontinuierlich ab, so dass immer eine Flüssigkeit ohne zu hohen Partikelgehalt in den nächsten Reaktor übertragen wird. Je nach Konzentration der Belastung an micropollutants benötigt man eine entsprechend grosse Elektrodenoberfläche, Kontaktzeit (HRT) und davon abhängig der Durchfluss mit einer adäquaten Stromdichte in mA/cm2. Weitere Parameter sind der Start-pH-Wert – vorzugsweise leicht sauer – und die Elektrolytkonzentration, die sich als Leitfähigkeit widerspiegelt, bei niederer Temperatur von beispielsweise Raumtemperatur unter Normaldruck.The overall process step shown runs dynamically, continuously, so that always a liquid without excessive particle content is transferred to the next reactor. Depending on the concentration of micropollutants, a correspondingly large electrode surface area, contact time (HRT) and, depending thereon, the flow rate with an adequate current density in mA / cm 2 are required. Other parameters are the starting pH - preferably slightly acidic - and the electrolyte concentration, which is reflected as conductivity, at low temperature of, for example, room temperature under atmospheric pressure.
Der Prozess der ersten Stufe einer Elektro-Koagulation ist dann beendet, wenn charakteristische Werte erreicht werden: Für einige Farbstoffe erreicht man bei einem pH-bereich von 7–9 die höchste Effektivität zur Entfernung bei der Reaktion von Eisen mit Hydroxyd-Ionen (OH–). Bei einem pH-Wert niedriger als 6 ist kein Niederschlag zu erwarten da Fe(OH)3 in löslicher Form als Fe3+ vorliegt. Ist hingegen der pH-Wert höher als 9 ist Fe(OH)3 wiederum in löslicher Form als {Fe(OH)4 –} zu finden. Da die Bildung von Fe(OH)3 wesentlich ist bei der Entfernung von z. B. Farbstoffen, sollte der pH-Wert nicht wesentlich höher sein als 8–9.The process of the first stage of an electric coagulation is terminated when characteristic values are achieved: For some dyes can be reached at a pH range of 7-9, the highest efficiency for the removal from the reaction of iron with hydroxide ions (OH - ). At a pH lower than 6, precipitation is not expected since Fe (OH) 3 is present in soluble form as Fe 3+ . If, on the other hand, the pH is higher than 9, Fe (OH) 3 can again be found in soluble form as {Fe (OH) 4 - }. Since the formation of Fe (OH) 3 is essential in the removal of z. As dyes, the pH should not be much higher than 8-9.
Das Pourbaix-Diagramm gibt Aufschluss über diesen Sachverhalt. Diese charakteristischen Werte sind:
- • Erreichen eines basischen pH-Wertes
- • Signifikante Änderung des Redox-Wertes – mit Stoffumsatz
- • Erniedrigung der Leitfähigkeit
- • Absinken der Stromstärke/Stromdichte bei konstanten Verhältnissen
- • Erniedrigung der Trübung
- • Keine signifikante Ausfällung von Eisen-Hydroxid mehr sichtbar
- • Reduktion der Farbstärke – bei Messung im UV-Abnahme bzw. der UV-Absorption u. a.
- • reaching a basic pH
- • Significant change in redox value - with material turnover
- • reduction of conductivity
- • Drop in current / current density at constant conditions
- • reduction of turbidity
- • No significant precipitation of iron hydroxide more visible
- • Reduction of the color intensity - when measuring in UV reduction or UV absorption, among others
Für die Reduktion des CSB-Levels ist es wichtig, dass Bedingungen vorherrschen, die eine Generierung von ·OH*-Radikalen erlauben. Diese ·OH*-Radikale sind instabil bei basischem pH-Wert: COx (adsorbiert HO*) → COx + ½O2 + H+ + e; Carbonat ist ein Radikalfänger. Diese Messungen der Summenparameter können teilweise online erfolgen oder aber in Vorversuchen festgelegt werden. Man sollte darauf achten eine vollständige Eisen-Hydroxid Fällung, zu erreichen.For the reduction of the COD level, it is important that conditions prevail that allow the generation of · OH * radicals. This • OH * radicals are unstable at alkaline pH: CO x (adsorbed HO *) → CO x + ½O2 + H + + e; Carbonate is a radical scavenger. These measurements of the sum parameters can partly be done online or determined in preliminary tests. Care should be taken to achieve complete iron hydroxide precipitation.
Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf Beseitigung des Karbonats im Wasser und kann dann erst im zweiten Schritt eine Reaktion durch erzeugte Radikale, wie Hydroxylradikale, zur Mineralisierung erreichen. Da bei leicht saurem pH-Wert ein Gleichgewicht von Ca(HCO3)2 und gelöstem CO2 im Wasser besteht, würde beim Austreiben von CO2 der pH-Wert ansteigen und ins leicht Alkalische driften und damit eine kritische Übersättigung bezüglich des CaCO3 erreicht und Calcit abgeschieden. Weiter hat die Anwesenheit von Eisen-III-Ionen und dem vorherrschenden Potential in mV nach dem Pourbaix-Diagramm, Einfluss auf eine Calcitabscheidung, einer anderen Konfiguration/Struktur von CaCO3. Abgeschieden werden das Calcit bei Fe3+-Konzentratiionen, siehe Poubaix-Diagramm, unterhalb von 0,1 mmol/l und beschleunigen die Keimkristallbildung und damit das resultierende CaCO3-Kristallwachstum.The proposed method is based on removal of the carbonate in the water and then in the second step, a reaction by generated radicals, such as hydroxyl radicals, reach the mineralization. Since a slightly acidic pH equilibrium of Ca (HCO 3 ) 2 and dissolved CO 2 in the water, the expulsion of CO 2, the pH would rise and drift into the slightly alkaline and thus reached a critical supersaturation with respect to the CaCO 3 and calcite deposited. Furthermore, the presence of ferric ions and the prevailing potential in mV according to the Pourbaix diagram has an influence on calcite deposition, another configuration / structure of CaCO 3 . The calcite is deposited at Fe 3+ - Concentrations, see Poubaix diagram, below 0.1 mmol / l and accelerate the seed crystal formation and thus the resulting CaCO 3 crystal growth.
Mit Ausnahme der Alkali-Carbonate sind nur wenig wasserlöslich, so dass die meisten Metalle bei Reaktion mit Alkalicarbonaten ausgefällt werden. Die Carbonationen reagieren mit Wasser zu Hydrogencarbonat- und Hydroxidionen als Säure-Base-Reaktion. Das vorgeschlagene Verfahren beruht also auf einer Entfernung oder Minimierung von Carbonat-Ionen, da sonst keine Reaktion organischer Verbindungen mit Hydroxylradikalen erfolgen kann. So ist im Verlaufe der Reaktion mit Eisen- und Aluminium-Elektroden der pH-Wert basisch, wird aber bei Einsatz in dritter Stufe von Titanelektroden ins leicht Saure verschoben. Kohlendioxid lässt sich bei einem sauren pH-Wert als Gas aus dem Wasser austreiben. Saures Medium/saurer pH-Wert: -Redox-Potential E° [V]
Resistente Mikroverunreinigungen werden besser von Hydroxylradikalen abgebaut und sind im Vergleich besser als Ferrat oder Ozon zu sehen. Die Anwesenheit von Hydroylradikalen und Konzentration, wird detektiert als „spin trap” Methode mit N,N-dimethyl-p-nitrosoaniline (RNO) und die Halbwertszeit beträgt etwa 10e–9 Sekunden. Die Reaktion läuft im Temperaturbereich von 20 bis 37°C und zeigt Konzentrationen von etwa 10e6 bis 10e9 Hydroxylradikale pro ml Wasser.Resistant micropollutants are better degraded by hydroxyl radicals and, in comparison, are better seen as ferrate or ozone. The presence of hydroxyl radicals and concentration is detected as a "spin trap" method with N, N-dimethyl-p-nitrosoaniline (RNO) and the half-life is about 10e-9 seconds. The reaction runs in the temperature range of 20 to 37 ° C and shows concentrations of about 10e6 to 10e9 hydroxyl radicals per ml of water.
Nach Erreichen gewünschter Werte in einer kontinuierlichen „Erst-Stufen-Behandlung” befindet sich in folgenden Reaktoren eine klassische Elektrolyse-Einheit, die im Durchfluss für höhere Massenflüsse ausgelegt ist. Die Auswahl der Elektroden erfolgt nach voran gegangenen Messungen bzw. Untersuchungen. Die Elektroden können hier dimensionsstabile Anoden sein oder andere Formen auch als „mixed-electrodes”, die sich primär nach den Eigenschaften des Wassers richten. Mixed – electrodes sind in diesem Fall eine Mischung aus Eisenelektroden mit DSA-Elektroden.After reaching the desired values in a continuous "first-stage treatment", the following reactors contain a classic electrolysis unit designed for higher mass flows. The selection of the electrodes takes place after previous measurements or investigations. The electrodes can here be dimensionally stable anodes or other forms also as "mixed-electrodes", which primarily depend on the properties of the water. Mixed - electrodes are in this case a mixture of iron electrodes with DSA electrodes.
Mixed electrodes wurden im Zusammenhang mit der Entfernung von Mikroverunreinigungen noch nicht beschrieben. Gemischte Elektroden wurden nur bei der Elektro-Koagulation – Beispiel Aluminium mit Eisen – beschrieben. Industrielle Abwässer sind unterschiedlich zu urbanen Wässern. Der pH-Wert muss vor Start der Behandlung eingestellt werden, da DSA-Elektroden keine alkalischen Bedingungen erlauben.Mixed electrodes have not yet been described in connection with the removal of micropollutants. Mixed electrodes have been described only in electrocoagulation - for example, aluminum with iron. Industrial wastewater is different from urban water. The pH must be adjusted before the start of the treatment as DSA electrodes do not allow alkaline conditions.
Die Auswahl der Elektroden richtet sich primär nach den Anforderungen einer soliden Oxidation. Die Aktivität von katalytischen Oxiden korreliert mit der Möglichkeit zwischen Elektronen-Valenz-Status im Redox-Prozess und des Potentials im Bereich des Sauerstoff-Prozesses. Die gebräuchlichsten katalytischen Oxide sind RuO2 und IrO2. Diese DSA-Elektrode arbeitet in chloridhaltigen Medien und erniedrigt nicht signifikant den CSB-Wert, da die entstehenden Verbindungen schwächere Oxidationsmittel sind – ist also oft weniger gut geeignet. Verschiedene DSA-Elektroden für die Erzeugung von Sauerstoff sind bekannt und beschrieben. Diese sind Metalloxide von z. B. Ir, Ru, In, Co bis Ta u. a. die auf einem Titanträger aufgebrachte Mischung von Metalloxiden als Elektroden fungieren oder Ti/SnO2 und Pb/PbO2.The choice of electrodes depends primarily on the requirements of a solid oxidation. The activity of catalytic oxides correlates with the possibility of electron-valence state in the redox process and the potential in the region of the oxygen process. The most common catalytic oxides are RuO 2 and IrO 2 . This DSA electrode works in chloride-containing media and does not significantly lower the COD value, as the resulting compounds are weaker oxidants - so it is often less suitable. Various DSA electrodes for the generation of oxygen are known and described. These are metal oxides of z. As Ir, Ru, In, Co to Ta, inter alia, act on a titanium substrate applied mixture of metal oxides as electrodes or Ti / SnO 2 and Pb / PbO 2 .
Neben der bdd-Elektrode (boron doped diamond) die in einem weiten pH-Bereich arbeitet und in chloridfreiem Medium OH*-Radikale erzeugt, sind aber auch andere Elektroden möglich. Eine Publikation, die dieses beschreibt ist z. B. – Oxidation of organic pollutants on BDD anodes using modulated current electrolysis – M. Panizza, A. Kaplaka und Ch. Comninellis – UNI Genua, EPFL – Lausanne. In dieser Publikation ist eine Effizienz von nahezu 100% – bei der Oxidation von 3,4,5,-Trihydroxy-Benzoesäure beschrieben. Diamant-Elektroden generieren in einem z. B. chloridfreien Medium OH-Radikale, bilden aber in Gegenwart von Chlorid auch Chlor-/Sauerstoff-Radikale und einfaches Chlor, welches zu HOCl pH-Wert abhängig reagiert.In addition to the bdd electrode (boron doped diamond), which works in a wide pH range and generates OH * radicals in chloride-free medium, other electrodes are also possible. A publication that describes this is z. B. - Oxidation of organic pollutants on BDD anodes using modulated current electrolysis - M. Panizza, A. Kaplaka and Ch. Comninellis - UNI Genoa, EPFL - Lausanne. In this publication, an efficiency of nearly 100% - described in the oxidation of 3,4,5-trihydroxy-benzoic acid. Diamond electrodes generate in a z. B. chloride-free medium OH radicals, but in the presence of chloride and chlorine / oxygen radicals and simple chlorine, which reacts to HOCl pH dependent.
Für die Funktion zu Erzeugung von Radikalen, die sehr vermindert auch bei DSA-Elektroden auftreten, ist allerdings genau dieser Gehalt an Radikalen über der Zeit entscheidend wobei ein zu hoher Überschuss von Hydroxylradikalen dimerisiert und H2O2 bildet, der allerdings in Gegenwart von zweiwertigen Metallen wieder zu Hydroxylradikalen reagiert. Mit welchem Erfolg organische Verbindungen/Moleküle aufoxidiert werden können und bei welchen Bedingungen ist für eine Reduktion der Summenparameter CSB und DOC u. a. die entscheidende Frage. Nur eine spezielle DSA-Elektrode im Mix mit Stahl bzw. Eisenelektroden wird dieser Situation gerecht bei entsprechende Überspannung eine höherer Stromstärke.However, it is precisely this content of radicals over time that is crucial for the function of generating radicals which occur very diminished even in the case of DSA electrodes, whereby an excessive excess of hydroxyl radicals dimerizes and forms H 2 O 2 , but in the presence of divalent Metals reacts again to hydroxyl radicals. The success with which organic compounds / molecules can be oxidized and with which conditions is the decisive question for a reduction of the sum parameters COD and DOC. Only a special DSA electrode in the mix with steel or iron electrodes will do justice to this situation with a corresponding overvoltage of a higher current intensity.
Man benötigt also nicht in jedem Fall eine teure Diamant-Elektrode um OH-Radikale zu erzeugen. Urbane Abwässer sind in der Regel auch nie frei von Chlorid. Die Elektrokoagulation ist allerdings in der Lage den Chloridgehalt neben Phosphat und anderen Spezies zu reduzieren. Es gelten generell für elektrolytische Prozesse die Gesetze nach Faraday, die bei einer höheren Stromdichte einen erhöhten Stoffumsatz bescheinigen. Die Anregung – Pulsung einer DC-Spannung, Polaritätsumschaltung in kurzen Intervallen, Einsatz von Wechselstrom bei unterschiedlichen Frequenzen z. B. 50 Hz usw. – wie Elektroden angeordnet werden, monopolar oder bipolar, sind schon ein Faktor der mit entscheidet, wie die Elektrode arbeitet und wie Radikale besser erzeugt werden. Für die „Hochstrom-Elektrolyse” ist eine bipolare Konfiguration möglich, wird hier aber oft nicht eingesetzt. So you do not always need an expensive diamond electrode to generate OH radicals. Urban wastewater is usually never free of chloride. However, electrocoagulation is able to reduce the chloride content in addition to phosphate and other species. The laws of Faraday generally apply to electrolytic processes, which certify increased substance conversion at a higher current density. The excitation - pulsation of a DC voltage, polarity switching in short intervals, use of alternating current at different frequencies z. B. 50 Hz, etc. - how electrodes are arranged, monopolar or bipolar, are already a factor in deciding how the electrode works and how radicals are better produced. For the "high-current electrolysis" a bipolar configuration is possible, but is often not used here.
Untersuchungen einer chrono-amperometrischen Methode haben ergeben, bei Aufnahme einer Kennlinie von unterschiedlichen Eisenlegierungen, dass eine Auswahl möglich ist zwischen Elektroden, die über die Zeit unter gleichen Bedingungen viel Eisen-Ionen freisetzten und wenig Eisen-Ionen. Man kann dieses photometrisch bestimmen. Dieses bedeutet aber gleichzeitig bei einer Stromdichte von etwa 60 mA/ cm2 Elektrodenfläche eine unterschiedliche Freisetzung bzw. Bildung von Radikalen bei Opferanoden. Diese ist abweichend von der Betrachtung des Arbeitspotentials in Volt einer Elektrode im Verhältnis zur Normal-Wasserstoff-Elektrode, wo eine OH-Radikal-Bildung erst ab ca. 2,7 V möglich ist.Investigations of a chrono-amperometric method have revealed, when taking a characteristic of different iron alloys, that a choice is possible between electrodes which release a great deal of iron ions over time under the same conditions and few iron ions. You can determine this photometrically. However, this means at the same time at a current density of about 60 mA / cm 2 electrode surface a different release or formation of radicals in sacrificial anodes. This is different from the consideration of the working potential in volts of an electrode in relation to the normal hydrogen electrode, where an OH radical formation is possible only from about 2.7V.
Für den ersten Schritt der Elektro-Koagulation wurden 4 Materialien getestet: GG (Grauguss), St 37 (Schwarzblech),
Hiermit fokussiert sich alles auf den zweiten, nachfolgenden Schritt der elektrochemischen Oxidation von Mikroverunreinigungen, um den noch bestehenden „Rest” zu entfernen. Damit ist konkret die Möglichkeit angesprochen in einem geeigneten Verfahren möglichst viel Radikale, bevorzugt Hydroxyl-Radikale, zu erzeugen. Generell wurde deutlich, dass OH-Radikal nicht als Ein-Elektronen-Akzeptor reagiert, sondern entweder ein H (Proton) abstrahiert oder sich an Mehrfachbindungen anlagert. Verbindungen, bei denen beide Reaktionen nicht möglich oder energetisch benachteiligt sind, sind daher durch den Angriff von einem Hydroxyl-Radikal nur schwer abbaubar.This is all focused on the second, subsequent step of electrochemical oxidation of micropollutants to remove the remaining "residue". This specifically addresses the possibility of producing as many radicals as possible, preferably hydroxyl radicals, in a suitable process. In general, it became clear that OH radical does not react as a single-electron acceptor, but either abstracts an H (proton) or attaches itself to multiple bonds. Compounds in which both reactions are not possible or energetically disadvantaged are therefore difficult to degrade by the attack of a hydroxyl radical.
Darum ist es ausschlaggebend bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Entfernung von Mikroverunreinigungen drei elementare Prozess-Schritte zu integrieren und zu optimieren.
- •
Elektrokoagulation mit 3 verschiedenen Elektroden-Materialien (Fe, Al, Ti), - • Nach jeder einzelnen Koagulationsstufe ein gas-stripping mit verbesserter Koagulation durchzuführen um auch leichtflüchtige Stoffe zu entfernen,
- • Luft oder Sauerstoff einzuleiten, um eine Oxidation von organischen Stoffen zu ermöglichen,
- • in letzter Stufe eine elektrochemische Oxidation durchzuführen mit unterschiedlichen Elektroden, die vorhergehend beschrieben wurden.
- Electrocoagulation with 3 different electrode materials (Fe, Al, Ti),
- • After each coagulation stage, perform gas-stripping with improved coagulation to remove even volatile substances,
- • introduce air or oxygen to allow oxidation of organic matter,
- • perform last-stage electrochemical oxidation with different electrodes previously described.
Nur dieses Verfahren in der beschriebenen Anordnung setzt sehr unterschiedliche Oxidationsverfahren ein, die garantieren, dass ein höchstmöglicher Anteil von organischen Stoffen oxidiert werden kann.Only this method in the described arrangement uses very different oxidation methods, which guarantee that the highest possible proportion of organic substances can be oxidized.
Der Einsatz von bdd-Elektroden (boron doped diamond) wurde in zahlreichen Publikationen beschrieben und ist eine Alternative der Elektrodenauswahl, bringt aber in Praxis bei chloridhaltigen Wässern nur wenig bzw. keine Vorteile. Die favorisierte Wahl ist allerdings eine Eisenlegierung die Edelstahl nahe kommt. Reiner Edelstahl mit hohem Chromanteil sollte nur unter Wechselstrombedingungen eingesetzt werden, da hier keine Ionen an die Matrix abgegeben werden. Bei der Elektrolyse unter Gleichstrombedingung kann Chromat entstehen, was beim Trinkwasser unerwünscht bzw. nicht erlaubt ist. Die Elektro-Koagulation ist allerdings in der Lage nahezu alles trivalentes Chrom wieder aus dem Wasser zu entfernen. Bdd-Elektroden sind beim technischen Einsatz mit sehr grossen Elektrodenflächen einfach zu teuer bei der Investition und somit unwirtschaftlich.The use of bdd electrodes (boron doped diamond) has been described in numerous publications and is an alternative to the selection of electrodes, but brings little or no advantages in practice with chloride-containing waters. The favored choice, however, is an iron alloy that comes close to stainless steel. Pure stainless steel with a high chromium content should only be used under alternating current conditions, since no ions are emitted to the matrix here. In the case of electrolysis under DC conditions, chromate may form, which is undesirable or not permitted in drinking water. However, electro coagulation is able to remove almost all trivalent chromium from the water. Bdd electrodes are simply too expensive to invest in, and thus uneconomic, for industrial use with very large electrode areas.
Um Hydroxylradikale zu generieren sind folgende Möglichkeiten realistisch:
- • Einsatz von Eisen-Legierungen unter den Bedingungen einer Elektrolyse mit
- a. Gleichstrom unter kurzer Polaritätsumschaltung zur Erzeugung eines Spannungs-Strom-Stosses z. B. alle 10 bis 30 bzw. 60 Sekunden b. Einsatz von Wechselstrom bei z. B. 50 Hz oder c. Pulsung von Gleichstrom
- • Einsatz von Eisenlegierungen bei elektrolytischen Bedingungen einer elektrochemischen Oxidation unter Addition von Ultraschall bei z. B. hohen Frequenzen (500 kHz), wo primär Hydroxylradikale in Wasser gebildet werden.
- • Use of iron alloys under the conditions of electrolysis with
- a. DC under short polarity switching to generate a voltage-current surge z. B. every 10 to 30 or 60 seconds b. Use of alternating current at z. B. 50 Hz or c. Pulsation of direct current
- • Use of iron alloys in electrolytic conditions of an electrochemical oxidation with addition of ultrasound at z. B. high frequencies (500 kHz), where primary hydroxyl radicals are formed in water.
Wie aus verschiedenen Versuchen zu entnehmen war, ist eine Stromdichte von 60 mA/cm2 eine gute und noch wirtschaftliche Wahl. Durch genügend hohen Durchfluss von Wasser ist ein Temperaturanstieg bei der eingesetzten Zellkonstante mit 3 mm Elektrodenabstand gering. Kaltes Wasser von etwa 20°C sollte beim Start eingesetzt werden. Mit Erhöhung der Stromdichte erfolgt eine Beschleunigung der Reaktion und Ausbeute als Stoffumsatz. Durch hintereinander und parallel geschaltete Reaktoren wird die diskontinuierliche Arbeitsweise aufgehoben und ein höherer Massenfluss möglich. Hierbei sind klassische Stufen der Verfahrenstechnik wie gas-stripping, Koagulation, Flokkulation, Sedimentation, Filtration integriert.As can be deduced from various experiments, a current density of 60 mA / cm 2 is a good and still economical choice. Due to the sufficiently high flow rate of water, a temperature rise at the cell constant used with a 3 mm electrode gap is small. Cold water of about 20 ° C should be used at the start. With an increase in the current density, the reaction and the yield are accelerated as a metabolic rate. By successive and parallel reactors, the discontinuous operation is canceled and a higher mass flow possible. Here, classical stages of process engineering such as gas-stripping, coagulation, flocculation, sedimentation, filtration are integrated.
Der alkalische pH-Wert aus den ersten beiden Stufen, des vorgeschlagenen Verfahrens, wird in dritter Stufe nach Behandlung mit Titan-Elektroden ins Saure verschoben. Es wurde im Laborversuch eine AOP-Methode, durch Zusatz von H2O2 eine Reaktion nach Fenton, allerdings unter elektrolytischen Bedingungen mit Eisenelektroden durchgeführt. Fenton's Reaktion wird gestört und gestoppt durch Phosphat, Sulfat, Fluorid, Bromid, Chlorid-Ionen. Die Inhibition kann zu einer Ausfällung von Eisen-Verbindungen die HO·-Radikale wegfangen oder in eine lösliche Form von Fe(III)-Verbindungen führen, die weniger reaktive Komplexe bilden (
Das erfindungsgemässe Verfahren weist weiterhin den Vorteil auf, dass a. im laminaren Strömungsbild zeitlich nur Wasser, welches im Kontakt mit der Oberfläche der Elektrode ist, einen äquivalenten Stoffumsatz erlaubt – also keine Überschüsse generiert und b. im kontinuierlichen Fluss ein begrenzter Massentransfer als Oxidation zu verzeichnen ist, der weniger Nebenprodukte erzeugt; c. alle Nebenprodukte die entstehen, wie Eisenhydroxid vollständig recycelt werden können. Alle eingesetzten Ausgangsmaterialien wie Eisenelektroden sind kostengünstig erhältlich und können nach Gebrauch recycelt werden.The inventive method further has the advantage that a. In the laminar flow pattern, only water that is in contact with the surface of the electrode allows an equivalent conversion of material over time - ie no surpluses are generated and b. in continuous flow there is a limited mass transfer as oxidation which produces fewer by-products; c. all by-products that arise as iron hydroxide can be fully recycled. All starting materials used, such as iron electrodes, are available at low cost and can be recycled after use.
Ob bei einer Elektrokoagulation oder elektrochemischen Oxidation Ultraschall addiert werden soll, hängt letztendlich von der Frage einer zeitnahen Behandlung grosser Wassermengen ab. Ein Ultraschalleinsatz reduziert ausserdem drastisch die normal benötigte Elektroden-Fläche für ein Wasservolumen pro Zeiteinheit im Durchfluss und ist auch besonders für Frac-Backflow/Lagerstättenwasser geeignet. Für grosse kommunale Abwassermengen sind aber die Reaktoren ausgerüstet mit Ultraschall zu teuer und von der Dimension weniger geeignet. Die Addition von Ultraschall erhöht signifikant den Wirkungsgrad – damit wird Addition auch zu einem wirtschaftlichen Faktor. Weitere umfangreiche Untersuchungen sind hierfür notwendig, um letztendlich Aussagen zu erhalten, unter genau welchen Bedingungen für ein Matrix-System bzw. Applikation ein Optimum liegt.Whether ultrasound should be added during electrocoagulation or electrochemical oxidation ultimately depends on the question of timely treatment of large quantities of water. An ultrasonic insert also drastically reduces the normally required electrode area for a water volume per unit time in the flow and is also particularly suitable for frac backflow / deposit water. However, for large municipal effluent volumes, the reactors equipped with ultrasound are too expensive and less suitable for the dimension. The addition of ultrasound significantly increases the efficiency - thus addition also becomes an economic factor. Further extensive investigations are necessary in order to finally obtain statements under exactly which conditions an optimum lies for a matrix system or application.
Der verfahrenstechnische Ablauf ist folgender:
- 1. Homogenisation (Vorfiltration – etwa 100 micron, pH-Einstellung, Temperierung)
- 2. Reaktor-Einleitung für die elektrolytische Koagulation mit den benannten Elektroden (Fe, Al, Ti) im Durchfluss
- 3. Überleitung zur Lufteinleitung als integrierte Bogensieblösung mit Abtrennung von Schaum, Feststoff und Wasserphase – deren Metallhydroxidschaum über eine Pressfilteranlage verdichtet wird und nach Trocknung als Eisenoxid recycelt werden kann.
- 4. Einleitung in
Reaktor 4 für die elektrochemische Oxidation mit unterschiedlichen Elektroden – vorzugsweise Edelstahlgitter-Elektrode - 5. Filtration über ein Sand- bzw. Karbonfilter mit Membrane
- 6. UV-Messung im Durchfluss zur Kontrolle – mit Rückleitungsmöglichkeit
- 7. Mögliche anschliessende Ultrafiltration für Trinkwassergewinnung
- 1. Homogenization (prefiltration - about 100 micron, pH adjustment, temperature control)
- 2. Reactor initiation for electrolytic coagulation with the designated electrodes (Fe, Al, Ti) in the flow
- 3. Transfer to the air inlet as integrated Bogensieblösung with separation of foam, solid and water phase - whose Metallhydroxidschaum is compressed via a press filter unit and can be recycled after drying as iron oxide.
- 4. Introduction in
reactor 4 for the electrochemical oxidation with different electrodes - preferably stainless steel mesh electrode - 5. Filtration through a sand or carbon filter with membrane
- 6. UV measurement in the flow for control - with return possibility
- 7. Possible subsequent ultrafiltration for drinking water production
Das vorgeschlagene Verfahren einer integrierten Elektrokoagulation mit elektrochemischer Oxidation als dynamisches Verfahren, welches kontinuierlich ablaufen kann, ist ein ökologisches und ökonomisches Verfahren.The proposed method of integrated electrocoagulation with electrochemical oxidation as a dynamic process, which can proceed continuously, is an ecological and economical process.
Beispiel 1 example 1
Als Beispiel wurde eine Behandlung von Presswasser bei der Instant-Kaffee-Herstellung durchgeführt. Gerösteter, gemahlener Kaffee wir unter hohem Druck bei erhöhter Temperatur eingesetzt zur Extraktion. Dieses Wasser besteht aus 2 Fraktionen-Presswasser und Hydrolysat. Es enthält einige hundert organische Verbindungen, wie Alkaloide (Coffein, Theophylin etc.), 2-Fufurylthiol, Chlorogensäure, Polysaccharide, Trigonellin, Lignin, Purine und Aromastoffe unterschiedlicher Struktur wie Aldehyde, Ketone und Carbonsäuren. Deshalb eignet sich dieses Beispiel besonders, wegen der Vielfalt von Verbindungen, die in höheren Konzentrationen vorliegen als Mikroverunreinigungen im biologisch behandeltem Abwasser. Das im Prozess anfallende Hydrolysat ist einer klassischen Fällung mit Fällungsmitteln wie Polyacrylamid, Eisenchlorid oder Kalkmilch u. a. nicht zugänglich. Es wurde vorher überprüft, wie hoch der Anteil an Carbonat-Anionen im Original-Wasser war. Im Gegensatz zu Mikroverunreinigungen, die im μg-Bereich vorliegen, ist hier die Konzentration wesentlich höher und liegt bis im höheren mg-Bereich vor.As an example, a treatment of press water was carried out in the instant coffee production. Roasted, ground coffee is used under high pressure at elevated temperature for extraction. This water consists of 2 fractions press water and hydrolyzate. It contains several hundred organic compounds such as alkaloids (caffeine, theophylin etc.), 2-fufurylthiol, chlorogenic acid, polysaccharides, trigonelline, lignin, purines and flavorings of different structure such as aldehydes, ketones and carboxylic acids. Therefore, this example is particularly suitable because of the variety of compounds present in higher concentrations than micropollutants in the biologically treated wastewater. The resulting in the process hydrolyzate is a classic precipitation with precipitants such as polyacrylamide, iron chloride or milk of lime u. a. inaccessible. It was previously checked how high the content of carbonate anions in the original water was. In contrast to micropollutants, which are present in the μg range, the concentration is much higher here and is present in the higher mg range.
Es wurden Versuche im Labor bis 1 bis 2 Liter Flüssigkeit und im kleinen Technikums-Massstab von maximal 140 Liter durchgeführt. Das Presswasser zuerst über Nacht stehen gelassen, wobei eine Sedimentation etwa 1 bis 2% Feststoff ergab. Danach einer Filtration unterworfen über ein 10–20 micron Filter und in die Apparatur bzw. den Reaktor eingeführt. Das dunkel-braune Prozesswasser wurde einer Elektro-Koagulation unterworfen in drei Reaktoren mit Eisen-, Aluminium- und Titan-Elektroden. Nach jeder Stufe wurde ein erhaltener Niederschlag abfiltriert und jeweils 10 Minuten mit einem porösen Aquarium-Stein Luft in die Lösung eingeblasen. Die durchschnittliche Reaktionszeit mit den Elektroden in einer Elektrokoagulations-Stufe betrug 20 Minuten, welche als HRT gewertet wurde.Experiments were carried out in the laboratory up to 1 to 2 liters of liquid and in the small technical scale of a maximum of 140 liters. The press water was allowed to stand overnight first, with sedimentation giving about 1 to 2% solids. Thereafter subjected to filtration through a 10-20 micron filter and introduced into the apparatus or the reactor. The dark brown process water was electrocoagulated into three reactors with iron, aluminum and titanium electrodes. After each step, an obtained precipitate was filtered off and blown air into the solution for 10 minutes with a porous aquarium stone. The average reaction time with the electrodes in an electrocoagulation step was 20 minutes, which was considered HRT.
Bei ca. 60 mN/cm2 Stromdichte mit Änderung der Polarität als Spannungsstoss, wurden Eisenelektroden mit einer aktiven Fläche von 2200 cm2 und im Labor-Massstab von 200 cm2 eingesetzt. Mit einem Durchfluss von 300 bis 500 l/h wurde ca. 1,8 Stunden im Halb-Technikums-Massstab in einem Reaktor mit Eisenelektroden behandelt und ein extrem konsistenter Schaum an der Oberfläche erhalten. Dieser Schaum war so stabil, dass er abgeschöpft werden konnte. Es wurden drei Fraktionen erhalten: 1. sehr stabiler Schaum, 2. gelblich, trübes Wasser und 3. wenig schwarzes Sediment. Das Wasser wurde einer weiteren Filtration unterworfen und ein schwach gelbliches, klares Filtrat erhalten, welches dann nacheinander in Reaktoren mit Aluminium- und Titan-Elektroden behandelt wurde. Die Retentionszeit betrug immer etwa 20 Minuten pro Elektrokoagulationsreaktor.At about 60 mN / cm 2 current density with change in polarity as a surge, iron electrodes were used with an active area of 2200 cm 2 and on a laboratory scale of 200 cm 2 . With a flow rate of 300 to 500 l / h, about 1.8 hours were treated on a semi-pilot plant scale in a reactor with iron electrodes and an extremely consistent foam was obtained on the surface. This foam was so stable that it could be skimmed off. Three fractions were obtained: 1. very stable foam, 2. yellowish, turbid water and 3. little black sediment. The water was subjected to further filtration to obtain a pale yellowish clear filtrate, which was then sequentially treated in reactors with aluminum and titanium electrodes. The retention time was always about 20 minutes per electrocoagulation reactor.
Im anschliessenden Laborversuchen mit 1–2 Litern Dieses Filtrat wurde einer elektrochemischen Oxidation unterworfen unter Einsatz von Edelstahl-Gitter-Elektroden bei 50 Hz, 20–40 Volt behandelt und eine weitere Probe im letzten Schritt mit DSA-Elektroden zur Sauerstoffgenerierung unterworfen. Nach einer Filtration über ein 0,22 micron Filter war die erhaltene Flüssigkeit klar und farblos. Der Scan im UV-Spektrum wurde von 190 nm bis auf 720 nm gefahren. Es zeigte sich keine UV-Absorption – sondern nur eine gerade Basislinie. Das erhaltene Filtrat wurde weiter im Rotationsverdampfer auf das halbe Volumen eingeengt und einer klassischen CSB-Analyse unterworfen. Es wurde kein ablesbarer Wert mehr erhalten. Eine Messung des Filtrates in einem IC-MS-System ist in Arbeit – das Ergebnis steht noch aus.In the subsequent laboratory experiment with 1-2 liters of this filtrate was subjected to electrochemical oxidation using stainless steel grid electrodes at 50 Hz, treated 20-40 volts and subjected to another sample in the last step with DSA electrodes for oxygen generation. After filtration through a 0.22 micron filter, the resulting liquid was clear and colorless. The scan in the UV spectrum was driven from 190 nm to 720 nm. There was no UV absorption - just a straight baseline. The resulting filtrate was further concentrated in a rotary evaporator to half volume and subjected to classical COD analysis. No readable value was received anymore. A measurement of the filtrate in an IC-MS system is in progress - the result is still pending.
Beispiel 2Example 2
2 Liter des Ablaufs nach aerober Behandlung einer Kläranlage wurde dem gleichen Prozess unterworfen. Nach Filtration über ein 100 Mikron Filter wurde das Wasser in 3 Koagulationsstufen jeweils mit einer HRT von 20 Minuten, Abfiltration des Niederschlages und 10 minütiger Belüftung – nacheinander mit Fe-, Al- und Ti-elektroden. Die Stromdichte betrug auch hier etwa 60 mA/cm2. Der letzte Schritt einer elektrochemischen Oxidation durch Hydroxylradikale wurde mit Edelstahlgitterelektroden bei 50 Hz und 20–40 Volt bei konstantem Durchfluss mit 15 Liter pro Stunde im Kreislauf durchgeführt. Nach 30 Minuten wurde wieder über ein 0,2 Mikron Filter abfiltriert. Es wurde eine klares, farbloses Wasser erhalten, welches im UV-Spektrum nur eine Basislinie ohne Absorptionswert ergab. Eine Menge von etwa 100 ml wurde im Rotationsverdampfer und auf etwa 25 ml eingeengt und der Rückstand einer CSB-Messung unterworfen. Es konnte kein Wert abgelesen werden.2 liters of the effluent after aerobic treatment of a sewage treatment plant was subjected to the same process. After filtration through a 100 micron filter, water was added in 3 coagulation stages each with HRT of 20 minutes, filtration of the precipitate and 10 minutes of aeration - sequentially with Fe, Al and Ti electrodes. The current density was also about 60 mA / cm 2 here . The final step of hydroxyl radical electrochemical oxidation was cycled with stainless steel mesh electrodes at 50 Hz and 20-40 volts at constant flow at 15 liters per hour. After 30 minutes, filtration was continued through a 0.2 micron filter. A clear, colorless water was obtained, which gave only a baseline without absorption value in the UV spectrum. An amount of about 100 ml was concentrated in a rotary evaporator and about 25 ml and the residue subjected to a COD measurement. No value could be read.
In einem Nebenversuch wurde nach Behandlung mit Edelstahlelektroden zur Generierung von Hydroxylradikalen Ultraschall mit 20 kHz addiert. Die Spannungsversorgung Elektroden wurden durch ein pulsierendes, elektrisches Feld bei 50 Hz mit einer bei einer Spannung von 20 bis 40 Volt mit einer Stromdichte von etwa 60 mA/cm2 gefahren. Die Bedingungen wie Elektrodenfläche, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit wurden gleich gehalten. Hier zeigte sich eine Halbierung der Kontaktzeit auf etwa 11 Minuten, für ein gleiches Ergebnis, nach einer Filtration über ein 0,22 micron Filter, welches als UV-Adsorption und CSB-Wert gemessen wurde. Die erhaltene Flüssigkeit war am Ende der Behandlung klar und farblos. Der Scan im UV-Spektrum wurde von 190 nm bis auf 720 nm gefahren. Das erhaltene Filtrat wurde im Rotationsverdampfer auf das halbe Volumen eingeengt und einer klassischen CSB-Analyse unterworfen. Es wurde kein ablesbarer Wert mehr erhalten. Eine Messung des Filtrates in einem IC-MS-System steht noch aus.In a secondary experiment, ultrasound at 20 kHz was added after treatment with stainless steel electrodes to generate hydroxyl radicals. The voltage supply electrodes were driven by a pulsating electric field at 50 Hz with one at a voltage of 20 to 40 volts with a current density of about 60 mA / cm 2 . The conditions such as electrode area, temperature, flow rate were kept the same. Here, the contact time was halved to about 11 minutes, for the same result, after filtration through a 0.22 micron filter, which was UV adsorption and COD was measured. The resulting liquid was clear and colorless at the end of the treatment. The scan in the UV spectrum was driven from 190 nm to 720 nm. The resulting filtrate was concentrated in a rotary evaporator to half the volume and subjected to a classical COD analysis. No readable value was received anymore. A measurement of the filtrate in an IC-MS system is still pending.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Wasser-VorratsbehälterWater reservoir
- 22
-
Reaktor 1 mit Fe-Elektroden
Reactor 1 with Fe electrodes - 33
- Bogensieb mit integrierter LufteinblasungCurved screen with integrated air injection
- 44
-
Reaktor 2 mit Al-Elektroden
Reactor 2 with Al electrodes - 55
- Bogensieb mit integrierter LufteinblasungCurved screen with integrated air injection
- 66
-
Reaktor 3 mit Ti-Elektroden
Reactor 3 with Ti electrodes - 77
- Bogensieb mit integrierter LufteinblasungCurved screen with integrated air injection
- 88th
- Elektrochemische ReaktionsstufeElectrochemical reaction stage
- 99
- Pumpenpump
- 1010
- Bandfilter oder FilterpresseBand filter or filter press
- 1111
- Sandfiltersand filter
- 1212
- Karbonfilter mit MembraneCarbon filter with membrane
- 1313
- UV-DetektorUV detector
- 1414
- LufteinblasungAir injection
- 1515
- Ablauf – gereinigtes WasserDrain - purified water
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- Dept. Enviro. Eng. TU Kreta, Griechenland – Feb. 2008, Michael Mavros et al. [0010] Dept. Enviro. Closely. TU Crete, Greece - Feb. 2008, Michael Mavros et al. [0010]
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Water Science & Technology Vol 66 No 10 pp 2115–2121, 2012 und Drink. Water Eng. Science 2, 57–62, 2009 [0015] Water Science & Technology Vol 66 No 10 pp 2115-2121, 2012 and Drink. Water Eng.
Science 2, 57-62, 2009 [0015] - ”Treatment options for wastewater effluents from pharmaceutical companies” in Int. J. Environ. Sci. Tech. 8 (3), 649–666 – 2011 [0015] "Treatment options for wastewater effluents from pharmaceutical companies" in Int. J. Environ. Sci. Tech. 8 (3), 649-666 - 2011 [0015]
- Standard-Stahl 1.1730 [0054] Standard steel 1.1730 [0054]
- Pignatello et al., 2006 [0061] Pignatello et al., 2006 [0061]
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