DE102022110583A1

DE102022110583A1 - Abwasserreinigung durch Elektrokoagulation

Info

Publication number: DE102022110583A1
Application number: DE102022110583.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Weimer; Ehsan Jafari
Original assignee: Spiraltec GmbH
Current assignee: Spiraltec GmbH
Priority date: 2022-04-29
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2023-11-02
Also published as: WO2023208731A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Abwasserreinigung durch Elektrokoagulation.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Abwasserreinigung durch Elektrokoagulation.
Beschreibung des Standes der Technik
Die Elektrokoagulation (EC = Electrocoagulation) ist eine elektrochemische Technologie zur Behandlung von Wasser und Abwasser durch die in-situ-Erzeugung von Metallkoagulantien durch elektrolytische Auflösung von Anodenmaterialien, ausgelöst durch den über die Elektroden angelegten elektrischen Strom. Die aus der Anode gebildeten Metallionen, vorzugsweise Fe- oder Al-Ionen, bilden im Elektrolyten mit den an der Kathode gebildeten OH- Ionen in wässrigen Lösungen unlösliche Verbindungen, die dann als Koagulantien wirken. Im Gegensatz zur chemischen Koagulation durch Zugabe von löslichen Fe- oder Al-Salzen resultiert bei der Elektrokoagulation kein Abwasser mit erhöhtem Salzgehalt.
EC wird erfolgreich zur Entfernung von Verunreinigungen aus wässrigen Lösungen eingesetzt. Typische Verunreinigungen sind organische Stoffe, Schwefel und Phenole, Farbstoffe, sonstige Schwebstoffe, emulgiertes Öl und Schwermetalle.
Ein konventioneller Apparat zur Elektrokoagulation ist in US 8 133 382 B2 beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Vielzahl von beabstandeten rechteckigen Reaktionsplatten, die innerhalb einer Reaktionskammer angeordnet sind. An ausgewählte Reaktionsplatten wird eine Spannung angelegt, um ein elektrisches Feld innerhalb der Elektrokoagulationskammer zu erzeugen. Die Platten sind vertikal angeordnet, wodurch ein vertikaler Flüssigkeitsstrom durch eine Vorrichtung induziert wird.
Die WO 2009 / 009 465 A1 offenbart einen Elektrokoagulationsreaktor und Wasserreinigungssysteme und -verfahren, die den Reaktor verwenden. Der Elektrokoagulationsreaktor hat eine spiralförmig gewickelte Anordnung, in der die Elektrokoagulationsbehandlung stattfindet. Die spiralförmig gewickelte Anordnung umfasst Elektrodenblätter, die mit Abstand voneinander spiralförmig gewickelt sind, mit einem Bereich für Fluidströmung in dem Raum zwischen den Elektrodenblättern.
Die WO 2021 / 034 580 A2 betrifft Eisen-Elektrokoagulationsreaktoren (Fe-EC) zum Entfernen von Verunreinigungen aus Wasser, bestehend aus einer Anordnung von gefalteten oder spiralförmig gewickelten eisenhaltigen Anoden- und Kathodenplatten, die durch perforierte isolierende Abstandshalter getrennt sind. Dem verunreinigten Wasser kann ein Oxidationsmittel zugesetzt werden, um die Oxidation von aus der Anode freigesetzten Fe(II)-lonen zu beschleunigen und/oder die Verunreinigung zu oxidieren.
Das zu behandelnde Fluid durchströmt bei beiden Reaktoren die durch die Elektroden gebildeten Spiralen in axialer Richtung, wodurch eine gleichmäßige Durchströmung der Kanäle schwierig zu gewährleisten ist. Beide Reaktoren sind nur für die Behandlung von schwach belasteten Fluiden geeignet, die nicht zur Schaumbildung neigen und nur einen sehr geringen Feststoffausfall aufweisen.
Aus der WO 2004 / 089 832 A1 ist ein Elektrokoagulationsreaktor bekannt, in dem zwei im Wesentlichen parallele Platten spiralförmig koaxial angeordnet sind, so dass Fluid, das in den innersten zylindrischen Bereich eintritt, einem spiralförmigen Weg nach außen folgt und dann beim Erreichen eines äußersten zylindrischen Bereichs entlang einem spiralförmigen Weg zwischen den zwei Platten geleitet wird zurück zum innersten zylindrischen Bereich. Hierbei sind die spiralförmigen Strömungskanäle unten und oben durch die Elektroden abgedichtet, so dass auch dieser Reaktor nicht geeignet für die Behandlung von stark belasteten Abwässern ist, die zur Schaumbildung neigen und große Mengen an Feststofflocken bilden.
Aufgabe der Erfindung
Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Elektrokoagulation auch für stark belastete Fluide/Abwässer bereitzustellen, die einen hohen Abscheidegrad und einen geringen Energiebedarf aufweisen und eine gute und schnelle Vermischung der produzierten Koagulantien mit den Verunreinigungen bewirken.
Kurzbeschreibung der Abbildungen

1 zeigt zwei perspektivische Ansichten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 zeigt den Spannungsverlauf über die Zeit in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einem Elektrokoagulationsreaktor des Standes der Technik;
3 zeigt einen Vergleich der Schaumentwicklung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einem Elektrokoagulationsreaktor des Standes der Technik;
4 zeigt den Spannungsverlauf über die Zeit in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei verschiedenen Rührgeschwindigkeiten;
5 zeigt einen Vergleich der Sedimentation von in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und in einem Elektrokoagulationsreaktor des Standes der Technik produzierten Flocken nach 15 min Standzeit;
6 zeigt eine Aufsicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
7 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung aus 6;
8 zeigt eine Aufsicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
9 zeigt eine Aufsicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Elektroden.

Zusammenfassung
Es wird eine Vorrichtung zur Elektrokoagulation mit spiralförmig gewickelten Elektroden bereitgestellt, die in einem vorzugsweise zylinderförmigen Zentralraum angeordnet sind, wobei die Längsachse des Zentralraums die Mittelachse der Spiralen bildet. Die Elektroden umfassen spiralförmig gewickelte Elektrodenblätter für Kathode und Anode, die mit Abstand voneinander angeordnet sind. Das zu behandelnde Fluid strömt radial durch die spiralförmigen Kanäle, wodurch auch bei mehreren Elektroden eine gleichmäßige Durchströmung gewährleistet ist, und die Kanäle sind in axialer Richtung offen, um auch bei stark belasteten Fluiden eine Verblockung der Kanäle durch Schaum und gebildete Feststoff-Flocken sicher zu verhindern.
Außerdem wird ein Verfahren zur Elektrokoagulation mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verfügung gestellt. Die Zwischenräume zwischen den Elektrodenblättern sind mit der zu behandelnden Flüssigkeit gefüllt. Durch Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden werden elektrochemisch Koagulantien erzeugt, während die Flüssigkeit radial in den Kanälen der erfindungsgemäßen Vorrichtung strömt. Die erzeugten Koagulantien bewirken ein Ausflocken der in der Flüssigkeit enthaltenen Verunreinigungen, die anschließend leicht abgetrennt werden können.
Detaillierte Beschreibung
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Elektrokoagulation, welche spiralförmig gewickelte Elektrodenblätter für Kathode(n) und Anode(n) umfasst, die beabstandet voneinander in einem vorzugsweise zylinderförmigen Zentralraum angeordnet sind, wobei die Längsachse des Zentralraums die Mittelachse der Spiralen bildet. Erfindungsgemäß sind die zwischen den Elektrodenblättern ausgebildeten Kanäle in axialer Richtung geöffnet, um einen sicheren Betrieb auch mit Abwässern zu gewährleisten. Eine Verblockung der Kanäle durch Schaum und gebildete Feststoff-Flocken wird dadurch auch bei stark belasteten Fluiden sicher verhindert, da aufgrund der Dichteunterschiede diese nach oben bzw. unten aus den Spiralkanälen austreten. Das zu behandelnde Fluid strömt radial durch die spiralförmigen Kanäle, wodurch auch bei mehreren Elektroden eine gleichmäßige Durchströmung gewährleistet ist.
Der zylinderförmige Zentralraum ist nach unten durch einen Boden begrenzt, der von den Spiralen beabstandet ist, um einen Abtransport von gebildeten Feststoffen aus den Spiralkanälen nach unten zu gewährleisten. In einer Ausführungsform der Vorrichtung weist der zylinderförmige Zentralraum mindestens einen Flüssigkeitseinlass auf. In einer weiteren Ausführungsform ist der Flüssigkeitseinlass nahe des unteren Endes des Zylinders angeordnet. In einer Ausführungsform weist der zylinderförmige Zentralraum mindestens einen Flüssigkeitsauslass auf. In einer weiteren Ausführungsform ist der Flüssigkeitsauslass nahe des oberen Endes des Zylinders angeordnet.
In einer Ausführungsform ist das obere Ende des zylinderförmigen Zentralraums offen, so dass Flüssigkeit über den oberen Rand des zylinderförmigen Zentralraums austreten kann. In einer anderen Ausführungsform ist der zylinderförmige Zentralraum nach oben durch einen Deckel begrenzt, der dann ebenfalls von den Spiralen beabstandet ist, um einen Abtransport von gebildeten Schäumen aus den Spiralkanälen zu gewährleisten.
In einer Ausführungsform besteht die Wand des zylinderförmigen Zentralraums aus Kunststoff. Da sich in der Regel korrosive Chemikalien und Gase in der zu behandelnden Flüssigkeit befinden, sollte das Material des Behälters korrosionsbeständig sein. Beispiele geeigneter Kunststoffe sind Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), oder Polyvinylchlorid (PVC). In einer weiteren Ausführungsform ist der Kunststoff Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat („Plexiglas“).
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mindestens zwei Elektroden, abwechselnd jeweils Anode und Kathode, in Form von mindestens zwei kombinierten archimedischen Spiralen derart gewickelt, dass zwischen Anoden und Kathoden spiralförmige Strömungskanäle ausgebildet sind, die im Betrieb radial mit Flüssigkeit durchströmt werden.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung wird die radiale Strömung durch mindestens ein im zylinderförmigen Zentralraum angeordnetes Rührwerk erzeugt. In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist ein Rührwerk oberhalb der Elektroden angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist ein Rührwerk unterhalb der Elektroden angeordnet. In wieder einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist im Kern der Spiralen ein zylindrischer Bereich freigehalten, in dem sich mindestens ein Rührwerk befindet. Auch eine Kombination von Rührwerken ist möglich. Bei Anordnung des Rührwerks unter den Elektroden werden die gebildeten Flocken durch das Rührwerk nicht beschädigt. Eine besonders gute Durchströmung der Spiralkanäle und eine gute Abscheideleistung werden mit einem zentralen Rührwerk unterhalb des Spiralkörpers erreicht.
Das mindestens eine Rührwerk hat einen signifikanten Einfluss auf die Effektivität der Entfernung von Verunreinigungen und den Energieverbrauch in der Vorrichtung. In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit aktivem Rührwerk ist die Spannungszunahme während des Betriebs erheblich geringer als in einer Vorrichtung ohne Rührwerk, die gebildeten Flocken sind viel größer und können leichter abgetrennt werden, und es wird ein signifikant höherer Anteil der Verunreinigungen entfernt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Batchbetrieb betrieben. In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese für den kontinuierlichen Betrieb vorgesehen und weist mindestens einen Flüssigkeitseinlass und mindestens einen Flüssigkeitsauslass auf, die beabstandet voneinander angeordnet sind, beispielsweise einander gegenüberliegend auf dem Mantel des zylinderförmigen Zentralraums oder in der Nähe des oberen und unteren Endes des zylinderförmigen Zentralraums. In dieser Ausführungsform ist ein Rührwerk optional.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung enthält die Anode metallisches Eisen, Aluminium, oder Titan. In einer weiteren Ausführungsform besteht die Anode aus metallischem Eisen, Stahl, Aluminium, oder Titan. In einer weiteren Ausführungsform bestehen Anode und Kathode aus demselben Material. In einer anderen Ausführungsform bestehen Anode und Kathode aus unterschiedlichen Materialien. In einer weiteren Ausführungsform enthält die Kathode Graphit oder metallisches Kupfer.
Bei der Auswahl der Elektrodenmaterialien sollten zwei Faktoren berücksichtigt werden: erstens die Verfügbarkeit der Metalle und zweitens der pH-Wert des Feeds. Da es sich bei der Anode um ein Verbrauchsteil handelt, das von Zeit zu Zeit ersetzt werden muss, sind Eisen und Aluminium aufgrund ihrer Verfügbarkeit die wichtigsten Materialien. Das Material der Opferanode hängt auch vom pH-Wert und der Art der Verunreinigungen ab. Liegt der pH-Wert beispielsweise über 9, wird eine Eisenelektrode bevorzugt. Liegt der pH-Wert zwischen 5 und 8, ist eine Al-Elektrode geeignet.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung einen koaxial zum zylinderförmigen Zentralraum angeordneten zylinderförmigen Außenraum auf, der einen größeren Durchmesser aufweist als der zylinderförmige Zentralraum und der dafür eingerichtet ist, am Kopf des zylinderförmigen Zentralraums austretende Flüssigkeit aufzunehmen. In einer weiteren Ausführungsform bildet der zylinderförmige Außenraum einen Kragen um den zylinderförmigen Zentralraum. Dieser Kragen dient dazu, die möglicherweise gebildeten Schäume zu sammeln. In einer weiteren Ausführungsform ist die Länge des zylinderförmigen Außenraums kleiner als die Länge des zylinderförmigen Zentralraums. In einer weiteren Ausführungsform ist der zylinderförmige Außenraum so um den zylinderförmigen Zentralraum angeordnet, dass sich der obere Rand des zylinderförmigen Außenraums auf gleicher Höhe wie der obere Rand des zylinderförmigen Zentralraums befindet.
In einer Ausführungsform besteht die Wand des zylinderförmigen Außenraums aus korrosionsbeständigem Kunststoff, was die Behandlung von sauren oder basischen Lösungen ermöglicht. In einer weiteren Ausführungsform ist der Kunststoff Polypropylen oder PVC.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Behandlung von Verunreinigungen enthaltendem Wasser (Feed) durch Elektrokoagulation. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Verunreinigungen enthaltende Wasser in eine erfindungsgemäße Vorrichtung gefüllt. Das Verunreinigungen enthaltende Wasser wird in der Vorrichtung durch das mindestens eine Rührwerk kontinuierlich umgewälzt. Es wird eine Gleichspannung an die Elektroden angelegt und ein elektrischer Strom durch die Vorrichtung geleitet, wodurch elektrochemisch Metallhydroxide erzeugt werden, die eine Ausflockung der Verunreinigungen bewirken. Die ausgeflockten Verunreinigungen werden anschließend abgetrennt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Verunreinigungen nach der Behandlung mit EC in ein Absetzbecken geleitet. Da sich Flocken aufgrund ihrer hohen Dichte absetzen, können sie ohne Filtration entsorgt werden. Die Absetzzeit ist abhängig von der Konzentration der Verunreinigungen im Feed, liegt aber in der Regel zwischen 10 und 30 Minuten. Der Rest fließt einem Filtrationsprozess zu.
Einige Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens (z.B. Betriebszeit oder Stromdichte) hängen von der Qualität des Feeds ab und werden entsprechend der Konzentration an Verunreinigungen im Feed eingestellt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt der pH-Wert des Feeds von pH 3 bis pH 12. In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt das Verhältnis (S/V) der Elektrodenoberfläche (S) zum Volumen des Feeds (V) 0,5 bis 0,7. In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Elektrodenoberfläche (S) 700 bis 900 cm². In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Drehzahl des mindestens einen Rührwerks von 100 bis 800 U/min, beispielsweise von 200 bis 600 U/min, insbesondere von 400 bis 500 U/min.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen die im Wasser enthaltenen Verunreinigungen organische Stoffe. In einer weiteren Ausführungsform umfassen die im Wasser enthaltenen Verunreinigungen Phenole. In einer anderen Ausführungsform umfassen die im Wasser enthaltenen Verunreinigungen Schwefel. In einer anderen Ausführungsform umfassen die im Wasser enthaltenen Verunreinigungen Farbstoffpartikel. In einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen die im Wasser enthaltenen Verunreinigungen Schwebstoffe. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens umfassen die im Wasser enthaltenen Verunreinigungen emulgiertes Öl. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens umfassen die im Wasser enthaltenen Verunreinigungen (Schwer-)metalle oder Halbmetalle, beispielsweise Kupfer, Zink, Chrom, Cadmium oder Silizium.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich besonders für den Einsatz in Ölraffinerien und der petrochemischen Industrie, in der Lebensmittelindustrie, der Metallindustrie und der Textilindustrie.
Bei der Bewertung des Einsatzes von EC ist der Energieverbrauch der entscheidende Betriebskostenfaktor. Aus energetischen Gründen sind sowohl die Effizienz der Elektrolyse und die benötigte Leistung des Rührwerks sehr wichtig. Diese Variablen werden maßgeblich durch die Geometrie des Reaktors beeinflusst. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Konfigurationen der Elektroden und des Reaktors so gestaltet, dass sich die elektrochemisch erzeugten Koagulantien sehr gut und sehr schnell mit den Verunreinigungen vermischen, damit sich Flocken bilden können.
An der Kathodenelektrode findet eine Elektrolyse statt, die zur Bildung von Gasblasen führt, die bei schlechter Anströmung an der Elektrodenoberfläche anhaften können und einen erheblichen zusätzlichen Widerstand und Spannungsanstieg verursachen. Durch den runden Querschnitt des zylinderförmigen Zentralraums arbeitet das mindestens eine Rührwerk sehr effektiv und erzielt in den spiralförmigen Kanälen eine gleichmäßige Überströmung der Elektrodenoberflächen, was zu einer Verbesserung der Elektrolyseeffizienz führt. Aufgrund der Form der Elektroden ist die Strömungsgeschwindigkeit an der Oberfläche der Elektroden hoch, und es erfolgt eine gründliche Durchmischung der Flüssigkeit, was zu geringerer Schaumbildung führt. Für Feststoffe, emulgiertes Öl und (Halb-)Metalle, beispielsweise Kupfer, Chrom, Blei, Quecksilber oder Silizium, wird eine Entfernungseffizienz von mehr als 90 Prozent erreicht.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet im Vergleich zu konventionellen EC-Systemen mit Plattenelektroden zahlreiche Vorteile: einen geringeren Energiebedarf aufgrund der Entfernung der Passivierung durch das Strömungsmuster; einen geringeren Platzbedarf durch Integration dreier Prozesse (Elektrokoagulation, Elektroflotation und Sedimentation) in ein System; eine geringere Behandlungszeit aufgrund der guten Vermischung von Koagulantien und Verunreinigungen; einen geringeren Filtrationsaufwand aufgrund der gebildeten gro-ßen Flocken und eine geringere Schaumbildung aufgrund der höheren Geschwindigkeit der Fließoberfläche. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Abbildungen.
Beispiele
1 zeigt zwei perspektivische Ansichten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Die linke Abbildung zeigt eine Seitenansicht, die rechte Abbildung eine Ansicht von schräg oben.
Ein zylinderförmiger Zentralraum 11 der Vorrichtung 10 ist aus einem durchsichtigen Kunststoff hergestellt und ist am oberen Ende offen. Um den zylinderförmigen Zentralraum 11 ist ein zylinderförmiger Außenraum 12 angeordnet, der einen Kragen des zylinderförmigen Zentralraums 11 bildet und ebenfalls aus durchsichtigem Kunststoff gefertigt ist. Der zylinderförmige Zentralraum 11 weist nahe seinem unteren Ende eine Flüssigkeitszufuhr 13 auf, der zylinderförmige Außenraum 12 weist nahe seines oberen Randes eine Flüssigkeitsabfuhr 14 auf. Im inneren des zylinderförmigen Zentralraums 11 sind spiralförmig gebogene Elektrodenblätter 15 in Form von zwei kombinierten archimedischen Spiralen so angeordnet, dass zwischen Anode und Kathode spiralförmige Strömungskanäle ausgebildet sind. Die Spiralen 15 sind beabstandet vom Boden 17 des zylinderförmigen Zentralraums 11 angeordnet.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer Elektrokoagulationsvorrichtung des Standes der Technik mit in einem rechteckigen Gehäuse parallel angeordneten rechteckigen planen Plattenelektroden, unter denen ein Rührwerk angeordnet ist, wurden jeweils mehrere Betriebsversuche unterschiedlicher Dauer durchgeführt und es wurden jeweils der Verlauf der Spannung über die Zeit gemessen und die Schaumbildung beobachtet.

Die Versuchsbedingungen sind in den Tabellen 1-3 zusammengefasst. Als Feed wurde eine halogenfreie Bearbeitungsemulsion mit einem Ölgehalt von 8 Gew.-% und einem Feststoffgehalt von <5 Gew.-%, pH 9,0 eingesetzt, die 136 mg/l Ammonium, <2 mg/l Cadmium, 2 mg/l Blei, 7 mg/l Kupfer, 13 mg/l Zink, 6 mg/l Chrom, 0,076 Gew.-% Schwefel, 921 mg/l Phosphor, 2.182 mg/l Aluminium und 11.800 mg/l Silizium enthielt. 2 zeigt den Spannungsverlauf über die Zeit in der erfindungsgemäßen Vorrichtung (durchgezogen) und dem Elektrokoagulationsreaktor des Standes der Technik (gestrichelt). Für die drei durchgeführten Versuche wurden die jeweiligen Betriebszeiten entsprechend der Verunreinigungskonzentration im Feed gewählt. Höhere Konzentrationen erfordern eine längere Betriebszeit. Die unterschiedlichen Ausgangsspannungen sind ebenfalls auf die Konzentrationsunterschiede zurückzuführen. Tabelle 1

	Spiralelektrode	Plattenelektrode
Zeit [min]	20	20
Feedkonzentration [Vol.-%]	20	20
Leitfähigkeit µS/cm] Start	1,788	1,731
Leitfähigkeit µS/cm] Ende	1,439	1,483
pH Start	8,86	8,92
pH Ende	8,99	9,04
Temperatur [°C] Start	15,4	15,2
Temperatur [°C] Ende	20,8	21
Spannung [V] Start	2,97	3,07
Spannung [V] Ende	3,23	3,6

Tabelle 2

	Spiralelektrode	Plattenelektrode
Zeit [min]	30	30
Feedkonzentration [Vol.-%]	30	30
Leitfähigkeit µS/cm] Start	1,703	1,72
Leitfähigkeit µS/cm] Ende	1,157	1,163
pH Start	8,86	8,86
pH Ende	9,27	9,34
Temperatur [°C] Start	14,2	14,1
Temperatur [°C] Ende	22,1	23,2
Spannung [V] Start	3,24	3,58
Spannung [V] Ende	3,94	5,45

Tabelle 3

	Spiralelektrode	Plattenelektrode
Zeit [min]	70	70
Feedkonzentration [Vol.-%]	70	70
Leitfähigkeit µS/cm] Start	3,28	2,24
Leitfähigkeit µS/cm] Ende	3,32
pH Start	8,72	8,68
pH Ende	9,4	9,4
Temperatur [°C] Start	14,1	16,6
Temperatur [°C] Ende	30	34,36
Spannung [V] Start	2,57	3,26
Spannung [V] Ende	4,57	5,7

Die beiden Elektrokoagulationsvorrichtungen, deren Elektroden jeweils aus Aluminiumblechen mit einer Fläche von 836 cm² bestanden, wurden in allen Versuchen jeweils mit 1300 ml Flüssigkeit befüllt und es wurde für die jeweilige Zeitdauer ein Strom von 5 A durch die Vorrichtung geleitet. Die Feedkonzentration wurde durch Mischung entsprechender Volumina Wasser mit dem Feed eingestellt. Das Rührwerk wurde jeweils mit einer Rührerdrehzahl von 400 U/min betrieben, um die Flüssigkeit kontinuierlich in der Vorrichtung zirkulieren zu lassen. Die Leitfähigkeit der Flüssigkeit, ihr pH-Wert, die Flüssigkeitstemperatur und die anliegende Spannung wurden jeweils zu Beginn des Versuchs (Start) und nach Beendigung des Versuchs (Ende) gemessen.
Wie aus 2 ersichtlich, zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen deutlich geringeren Spannungsbedarf und somit einen reduzierten Energiebedarf bei gleicher Stromstärke als die Vorrichtung des Standes der Technik.
3 zeigt die Schaumentwicklung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung (linke Reihe) und dem Elektrokoagulationsreaktor des Standes der Technik (rechte Reihe) im Vergleich nach 5, 10, 15 und 20 Minuten Betriebsdauer. Wie auf den Bildern der 3 zu sehen ist, wurde in der Vorrichtung des Standes der Technik auf der Flüssigkeitsoberfläche ein großes Volumen an Schaum erzeugt. Das deutet darauf hin, dass die Plattenelektroden als Barriere für eine gute Vermischung von Al-Ionen und OH-Ionen für die Produktion von Koagulantien sowie für die Vermischung der produzierten Koagulantien mit den Verunreinigungen wirken, was zu einer geringeren Abscheideeffizienz und somit Schaumbildung beim Rühren führt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung jedoch ist die Geschwindigkeit an der Oberfläche aufgrund der spiralförmigen Konfiguration hoch, was zu einer guten Durchmischung und vernachlässigbarer Schaumbildung und somit auch höherer Effizienz führt.

Es wurden Versuche durchgeführt, um den Effekt des Rührens auf die Elektrokoagulation in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Elektrokoagulationsvorrichtung, deren Elektroden jeweils aus Aluminiumblechen mit einer Fläche von 836 cm² bestanden, wurde in allen Versuchen jeweils mit 1300 ml Flüssigkeit befüllt und es wurde für 10 min ein Strom von 5 A durch die Vorrichtung geleitet. Die Leitfähigkeit der Flüssigkeit, ihr pH-Wert, die Flüssigkeitstemperatur und die anliegende Spannung wurden jeweils zu Beginn des Versuchs (Start) und nach Beendigung des Versuchs (Ende) gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Tabelle 4

Versuch Nr.	1	2	3
Rührgeschwindigkeit [U/min]	400	500	0
Leitfähigkeit [mS/cm] Start	0,65	0,675	0,65
Leitfähigkeit [mS/cm] Ende	0,54	0,585	0,55
pH Start	8,88	8,8	8,63
pH Ende	9,1	9,1	9,41
Temperatur [°C] Start	15,5	14,8	13,2
Temperatur [°C] Ende	20,1	19,9	20,5
Spannung [V] Start	4,95	4,7	5,1
Spannung [V] Ende	6,39	5,88	9,23

4 zeigt den Spannungsverlauf über die Zeit in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei den verschiedenen Rührgeschwindigkeiten.
Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass Rühren bei der Elektrokoagulation (EC) einen wichtigen Einfluss auf die Entfernung von Verunreinigungen und den Energieverbrauch hat. Aus den Versuchen ergibt sich, dass die Spannungszunahme während der EC ohne Rühren etwa dreimal größer ist als mit Rühren. Die Effizienz der Entfernung der Verunreinigungen (gemessen anhand der Trübung der Flüssigkeit) bei EC mit Rührgeschwindigkeiten von 400 bis 500 U/min beträgt 82-90%, während ohne Rühren nur 56% erreicht werden.
Die im Betrieb mit Rühren gebildeten Flocken sind sehr groß und können leicht abgetrennt werden. Ohne Rühren sind die gebildeten Flocken sehr klein und müssen mit hohem Filtrationsaufwand abgetrennt werden. 5 zeigt einen Vergleich der Sedimentation der durch EC gebildeten Flocken 15 min nach Ende der EC-Behandlung, links (a) durch EC mit Rühren behandelte Flüssigkeit und rechts (b) durch EC ohne Rühren behandelte Flüssigkeit.
6 zeigt eine Aufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20; 7 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung 20.
Der Batch-Reaktor 20 ist auf einem Gestell 29 montiert und 20 verfügt über einen Zulauf 21 mit einem Einlassventil 22 für die Zufuhr von zu behandelnder Flüssigkeit in den Batch-Reaktor 20. Ein Rührwerk 24 ist an einem Rührerhalter 23 befestigt und wird über einen Elektromotor 25 angetrieben. Im Inneren des Batch-Reaktors 20 befinden sich spiralförmig ausgestaltete Aluminiumelektroden 26. An der tiefsten Stelle des Batch-Reaktors 20 ist ein Ablauf 28 mit einem Auslassventil 27 angeordnet, über den sich der Batch-Reaktor 20 entleeren lässt.
8 zeigt eine Aufsicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30. Im Inneren eines zylindrischen Behälters sind eine Kathode 31 und eine Anode 32 aus spiralförmig aufgerollten Blechen so angeordnet, dass sie sich nicht berühren. Im Zentrum der Elektroden 31, 32 verläuft die Achse eines Rührwerks 33, dessen Flügel unterhalb der Elektroden 31, 32 angeordnet sind.
9 zeigt eine Aufsicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 40 mit mehreren Elektroden 41, 42. Im Inneren eines zylindrischen Behälters sind mehrere Kathoden 41 und Anoden 42 jeweils abwechselnd so angeordnet, dass sie sich nicht berühren. Die einzelnen Bleche der Kathoden 41 und Anoden 42 sind jeweils so gebogen, dass alle Elektroden 41, 42 gemeinsam einen Wirbel bilden. Entlang der Mittelachse der Vorrichtung 40 verläuft die Achse eines Rührwerks 43, dessen Flügel unterhalb der Elektroden 41, 42 angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

10: Elektrokoagulationsvorrichtung
11: zylindrischer Reaktorraum
12: zylindrischer Außenraum / Überlauf
13: Flüssigkeitszufuhr
14: Flüssigkeitsabfuhr
15: Spiralelektroden
16: Rührwerk
17: Boden
20: Batch-Reaktor
21: Zulauf
22: Einlassventil
23: Rührerhalter
24: Rührwerk
25: Elektromotor
26: Aluminiumelektrode
27: Auslassventil
28: Ablauf
29: Gestell
30: Elektrokoagulationsvorrichtung
31: Kathode
32: Anode
33: Rührwerk
40: Elektrokoagulationsvorrichtung
41: Kathode
42: Anode
43: Rührwerk

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8133382 B2 [0004]
WO 2009/009465 A1 [0005]
WO 2021/034580 A2 [0006]
WO 2004/089832 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung (10) zur Elektrokoagulation, welche spiralförmig gewickelte Elektrodenblätter (15) für Kathode und Anode umfasst, die beabstandet voneinander in einem zylinderförmigen Zentralraum (11) angeordnet sind, wobei die Längsachse des Zentralraums (11) die Mittelachse der Spiralen (15) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderförmige Zentralraum nach unten durch einen Boden (17) begrenzt ist, der von den Spiralen (15) beabstandet ist,
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin in dem zylinderförmigen Zentralraum (11) mindestens ein Rührwerk (16) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, worin mindestens ein Rührwerk (16) unterhalb der Elektroden (15) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, worin mindestens ein Rührwerk (16) oberhalb der Elektroden (15) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, worin im Kern der Spiralen (15) ein zylindrischer Bereich freigehalten ist, in dem mindestens ein Rührwerk (16) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der zylinderförmige Zentralraum (11) mindestens einen nahe des unteren Endes des Zylinders angeordneten Flüssigkeitseinlass (13) aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche einen koaxial zum zylinderförmigen Zentralraum (11) angeordneten zylinderförmigen Außenraum (12) aufweist, der einen größeren Durchmesser aufweist als der zylinderförmige Zentralraum (11) und der dafür eingerichtet ist, am Kopf des zylinderförmigen Zentralraums (11) austretende Flüssigkeit aufzunehmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Anode metallisches Eisen, Aluminium, oder Titan enthält.
Verfahren zur Behandlung von Verunreinigungen enthaltendem Wasser durch Elektrokoagulation, bei dem das Verunreinigungen enthaltende Wasser in eine Vorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche gefüllt wird, das Verunreinigungen enthaltende Wasser in der Vorrichtung (10) kontinuierlich radial durch die zwischen den spiralförmig gewickelten Elektrodenblättern (15) ausgebildeten spiralförmigen Kanäle geführt wird, Gleichspannung an die Elektroden (15) angelegt wird, wodurch elektrochemisch Metallhydroxide erzeugt werden, die eine Ausflockung der Verunreinigungen bewirken, und die ausgeflockten Verunreinigungen anschließend abgetrennt werden.