-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Deionisieren von Wasser und ein Verfahren zum Deionisieren von Wasser.
-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Deionisieren von Wasser beziehungsweise zur Wasseraufbereitung bekannt. Ein vielversprechendes Verfahren stellt das kapazitive Deionisieren von Wasser dar, bei dem mittels Elektroden und an diese Elektroden angelegter Spannung im Wasser befindliche Ionen zu den Elektroden hinbewegt und an den Elektroden neutralisiert werden können. Dabei kann auch ein sogenanntes Interkalationsverfahren zum Einsatz kommen, bei dem sich die Ionen innerhalb der Elektroden anlagern, beispielsweise in Graphitelektroden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, besonders energieeffizient zu sein, also besonders wenig Energie pro Volumen des aufbereiteten Wassers zu verbrauchen.
-
Nachteilig ist jedoch, dass sich Schwermetalle und/oder bioaktive Materialien ebenfalls an beziehungsweise in den Elektroden anlagern können und dabei eine Degradation der Elektroden verursachen. Dies bedeutet, dass insbesondere die Haltbarkeit und die Funktionalität der Elektroden mit der Anlagerung der Schwermetalle beziehungsweise bioaktiven Materialien beeinträchtigt wird und dadurch die Alterung und der Wartungsaufwand der Anlage zur Wasseraufbereitung negativ beeinflusst wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, diese die Degradation der Elektroden zur Folge habenden Stoffe möglichst energieeffizient aus dem Wasser zu entfernen und hierzu eine entsprechende Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
-
Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Eine Vorrichtung zum Deionisieren von Wasser weist eine Zelle zum kapazitiven Deionisieren von Wasser auf. Ferner ist der Vorrichtung zum Deionisieren von Wasser ein Filter zum Ausfiltern von Schwermetallen und/oder bioaktiven Materialien zugeordnet. Die Zelle zum kapazitiven Deionisieren von Wasser kann dabei wie aus dem Stand der Technik aufgebaut sein mit einer oder mehreren Elektroden, die beispielsweise als Graphitelektroden ausgestaltet sein können. Durch den der Vorrichtung zugeordneten Filter zum Ausfiltern von Schwermetallen und/oder bioaktiven Materialien kann erreicht werden, dass Schermetalle und/oder bioaktive Materialien nicht mehr zu den Elektroden gelangen und somit die Elektroden eine längere Lebensdauer aufweisen. Dies ermöglicht eine zusätzliche, energieeffiziente Reinigungsstufe, wodurch die Gesamtbetriebskosten der Vorrichtung zum Deionisieren von Wasser geringer gehalten werden können trotz eines eventuell notwendigen Austauschs des Filters.
-
In einer Ausführungsform ist der Filter ein Amyloid-Filter. Amyloid-Filter haben sich als geeignet zum Ausfiltern von Schwermetallen und/oder bioaktiven Materialien gezeigt.
-
In einer Ausführungsform weist der Filter ein Molke-Protein auf. Molke-Proteine sind gut geeignet, um Schwermetalle und/oder bioaktive Materialien auszufiltern.
-
In einer Ausführungsform weist der Filter ein feinmaschiges Gewebe als Träger auf. Durch das feinmaschige Gewebe lässt sich insbesondere erreichen, den Amyloid-Filter einfach und effizient in der Vorrichtung zum Deionisieren von Wasser unterzubringen. Unabhängig davon können auch andere Filter ein entsprechendes feinmaschiges Gewebe als Träger aufweisen.
-
In einer Ausführungsform weist der Träger Zellulose auf. Zellulose ist ein Material, welches gut geeignet ist, ein feinmaschiges Gewebe als Träger bereitzustellen. Dadurch kann einfacher und kostengünstiger Aufbau des Filters erreicht werden.
-
In einer Ausführungsform weist der Filter Aktivkohle auf. Aktivkohle ist ebenfalls geeignet, Schwermetalle und insbesondere bioaktive Materialien auszufiltern. Dadurch kann die Filterwirkung des Filters weiter verbessert werden. Es kann dabei insbesondere vorgesehen sein, dass der Filter sowohl Aktivkohle als auch Amyloid aufweist. Dies kann beispielsweise auf einem Träger, der beide der genannten Stoffe aufweist, realisiert werden oder es können im Filter zwei Träger vorgesehen sein, wobei der Amyloid-Filter auf einem ersten Träger und die Aktivkohle auf einem zweiten Träger angeordnet ist. Die Träger können dann wie bereits beschrieben ausgestaltet sein.
-
In einer Ausführungsform weist der Filter eine Substanz auf, die Schwermetalle adsorbiert. Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, Arsen, Blei, Zink beziehungsweise Uran zu adsorbieren. Die Substanz, die Schwermetalle adsorbiert, kann dabei das Amyloid sein oder eine weitere Substanz, die beispielsweise auf demselben Träger oder einem weiteren Träger angeordnet ist.
-
In einer Ausführungsform ist der Filter zwischen einem Einlass der Vorrichtung und der Zelle angeordnet. Dadurch kann erreicht werden, die für die Elektroden schädlichen Materialien beziehungsweise Stoffe bereits vor Erreichen der Zelle zum kapazitiven Deionisieren zu entfernen.
-
In einem Verfahren zum Deionisieren von Wasser werden Schwermetalle und/oder bioaktive Materialien mittels Filter ausgefiltert und anschließend das Wasser kapazitiv deionisiert. Dies ermöglicht eine Bereitstellung eines effizienten Verfahrens zum Deionisieren von Wasser, bei dem eine Degradation der Elektroden, die zum kapazitiven Deionisieren notwendig sind, möglichst reduziert wird.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Deionisieren von Wasser;
- 2 einen Filter;
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Deionisieren von Wasser;
- 4 einen Querschnitt durch einen Filter;
- 5 einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Deionisieren von Wasser; und
- 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Filters, der in den Vorrichtungen der 1, 3 und 5 verwendet werden kann.
-
1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Deionisieren von Wasser, welche eine Zelle 110 zum kapazitiven Deionisieren von Wasser aufweist. Die Zelle 110 weist eine erste Elektrode 111 und eine zweite Elektrode 112 auf, die an eine Spannungsquelle 113 angeschlossen sind. Mittels der Spannungsquelle 113 kann eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 111 und der zweiten Elektrode 112 derart bereitgestellt werden, dass die erste Elektrode 111 negativ und die zweite Elektrode 112 positiv geladen ist. Die Zelle 110 ist dabei Bestandteil eines Rohres 130, in welches zusätzlich ein Filter 120 eingesetzt ist. Im Rohr 130 befindet sich Wasser 131, welches in einer Fließrichtung 132 zunächst durch den Filter 120 und anschließend durch die Zelle 110 fließt. Im Wasser 131 befinden sich Kationen 133, Anionen 134, Schwermetalle 135 und bioaktive Materialien 136. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit sind nicht alle Kationen 133, Anionen 134, Schwermetalle 135 und bioaktiven Materialien 136 mit einem Bezugszeichen versehen. Der Filter 120 ist dabei eingerichtet, Schwermetalle 135 und bioaktive Materialien 136 auszufiltern, sodass sich in Fließrichtung 132 hinter dem Filter 120 nur noch Kationen 133 und Anionen 134 im Wasser 131 befinden. Innerhalb der Zelle 110 werden die Kationen 133 von der ersten Elektrode 111 und die Anionen 134 von der zweiten Elektrode 112 angezogen, sodass dass das Wasser 131 hinter der Zelle 110 weder Kationen 133 noch Anionen 134 noch Schwermetalle 135 noch bioaktive Materialien 136 aufweist und somit deionisiert ist.
-
Durch den Filter 120, der Schwermetalle 135 und bioaktive Materialien 136 ausfiltert, kann erreicht werden, dass die erste Elektrode 111 und die zweite Elektrode 112 nicht durch Schwermetalle 135 beziehungsweise bioaktive Materialien 136 beeinträchtigt werden und somit eine Lebensdauer der ersten Elektrode 111 beziehungsweise der zweiten Elektrode 112 erhöht ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die erste Elektrode 111 und/oder die zweite Elektrode 112 als Graphitelektrode ausgestaltet ist, da sich Schwermetalle 135 und bioaktive Materialien 136 leicht in das Graphit einlagern können (Schwermetalle 135) beziehungsweise Graphit angreifen können (bioaktive Materialien 136).
-
Die Schwermetalle 135 können dabei alle bekannten Schwermetalle 135 umfassen, insbesondere Arsen, Blei, Zink und Uran. Die bioaktiven Materialien 136 können beispielsweise Bakterien umfassen, die die erste Elektrode 111 beziehungsweise die zweite Elektrode 112 angreifen.
-
Im Gegensatz zur Darstellung der 1, bei der das Wasser 131 sowohl Schwermetalle 135 als auch bioaktive Materialien 136 enthält, kann es vorgesehen sein, dass das Wasser 131 entweder Schwermetalle 135 oder bioaktive Materialien 136 enthält, das Funktionsprinzip des Ausfilterns am Filter 120 bleibt jedoch gleich.
-
2 zeigt eine Draufsicht auf einen Filter 120, wobei der Filter 120 ein Amyloid-Filter 121 ist, der Molke-Proteine 122 aufweist. Der Amyloid-Filter 121 ist dabei auf ein feinmaschiges Gewebe 125 aufgebracht, wobei das feinmaschige Gewebe 125 aus Zellulose bestehen kann. Amyloid-Filter 121 und insbesondere Molke-Proteine 122 haben sich als effizient zum Ausfiltern von Schwermetallen 135 beziehungsweise bioaktiven Materialien 136 erwiesen. Durch das feinmaschige Gewebe 125 kann ein Filter 120 bereitgestellt werden, der effizient aufgebaut werden kann, wobei der Amyloid-Filter 121 beziehungsweise die Molke-Proteine 122 effizient in die Vorrichtung 100 eingebracht werden können.
-
3 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 zum Deionisieren von Wasser 131, welche der Vorrichtung der 1 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Zusätzlich zum Filter 120 weist die Vorrichtung 100 einen weiteren Filter 129 auf. Dabei ist der Filter 120 eingerichtet, bioaktive Materialien 136 auszufiltern und Schwermetalle 135 durchzulassen. Die Schwermetalle 135 werden anschließend vom weiteren Filter 129 ausgefiltert. Sowohl der Filter 120 als auch der weitere Filter 129 können dabei wie in 2 gezeigt aufgebaut sein. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, für den Filter 120 ein anderes Material oder einen anderen Träger vorzusehen als für den weiteren Filter 129. Ebenso kann es vorgesehen sein, den weiteren Filter 129 nicht wie in 3 gezeigt in Fließrichtung 132 hinter dem Filter 120 anzuordnen, sondern vor dem Filter 120. In diesem Fall würden zunächst die Schwermetalle 135 vom weiteren Filter 129 und anschließend die bioaktiven Materialien 136 vom Filter 120 ausgefiltert werden. Die Kationen 133 und Anionen 134 werden wiederum von der Zelle 110 ausgefiltert.
-
4 zeigt einen Querschnitt durch einen Schichtaufbau eines Filters 120, der grundsätzlich auch im weiteren Filter 129 vorkommen kann. Ein feinmaschiges Gewebe 125 bildet einen Träger des Filters 120. Das feinmaschige Gewebe 125 kann dabei aus Zellulose bestehen, es sind jedoch auch andere Materialien wie beispielsweise Kunststoffe denkbar. Auf das feinmaschige Gewebe 125 ist Aktivkohle 123 aufgebracht. Aktivkohle 123 eignet sich insbesondere zum Ausfiltern von bioaktiven Materialien 136 wie beispielsweise Bakterien. Oberhalb der Aktivkohle 123 ist das feinmaschige Gewebe 125 von einem Amyloid-Filter 121 bedeckt, der Molke-Proteine 122 aufweisen kann. Ein solcher Filteraufbau ist einfach herzustellen und gut geeignet, Schwermetalle 135 beziehungsweise bioaktive Materialien 136 auszufiltern. Die Aktivkohle 123 ist dabei optional und nicht zwingend für den Filter 120 erforderlich. Dies bedeutet, dass der Amyloid-Filter 121 bestehend aus den Molke-Proteinen 122 auch bereits auf das feinmaschige Gewebe 125 aufgebracht werden kann.
-
In einem Ausführungsbeispiel ist der Amyloid-Filter 121 in Form einer Amyloid-Membran ausgestaltet. In einem Ausführungsbeispiel weist der Filter 120 eine Substanz auf, die Schwermetalle 135 adsorbiert.
-
Die in den 1 und 3 gezeigte Vorrichtung 100 ist derart aufgebaut, dass der Filter 120 beziehungsweise der weitere Filter 129 in Fließrichtung 132 vor der Zelle 110 angeordnet ist. Insbesondere weist die Vorrichtung 100 beziehungsweise das Rohr 130 einen Einlass 137 auf, durch den das Wasser 131 in die Vorrichtung 100 gelangt. Der Filter 120 beziehungsweise der weitere Filter 129 sind also zwischen dem Einlass 137 der Vorrichtung 100 und der Zelle 110 angeordnet. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn mittels des Filters 120 beziehungsweise des weiteren Filters 129 eine Lebensdauerverkürzung der ersten Elektrode 111 und der zweiten Elektrode 112 vermieden werden soll.
-
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 zum Deionisieren von Wasser 131, welche der Vorrichtung 100 der 1 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Der Filter 120 ist in Fließrichtung 132 hinter der Zelle 110 angeordnet. Der Filter 120 kann in diesem Fall insbesondere zum Ausfiltern von Schwermetallen 135 geeignet sein, wobei die Schwermetalle 135 die Zelle 110 passieren können, ohne sich an der ersten Elektrode 111 beziehungsweise der zweiten Elektrode 112 anzulagern und somit nicht zu einer Lebensdauerverkürzung der Elektroden 111, 112 beitragen. Auch in diesem Fall kann der Filter 120 wie in den 2 und 4 gezeigt aufgebaut sein und insbesondere einen Amyloid-Filter 121 auf einem feinmaschigen Gewebe 125 zum Ausfiltern der Schwermetalle 135 aufweisen.
-
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Filters 120, der in den Vorrichtungen 100 der 1, 3 und 5 verwendet werden kann. Auf einem feinmaschigen Gewebe 125 als Träger ist eine Filterschicht 124 angeordnet, welche Aktivkohle 123 und Amyloid-Fibrillen 126 enthält. Amyloid-Fibrillen 126 sind dabei lange Ketten des Amyloid-Filters 121. Diese Amyloid-Fibrillen 126 können mit der Aktivkohle 123 vermischt werden und dadurch eine einfache Herstellung des Filters 120 ermöglichen. Die Aktivkohle 123 kann dabei granuliert vorliegen, wobei ein Durchmesser des Aktivkohlegranulats auf die zu entfernenden Schadstoffe, also die zu entfernenden Schwermetalle 135 beziehungsweise bioaktiven Materialien 136 angepasst werden kann.
-
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
