DE19536971A1

DE19536971A1 - Strömungsreaktor mit kapillaren Strömungskanälen sowie Anlage zur katalytischen Reduzierung von Nitrat und/oder Nitrit in mit Wasserstoff beladenem Wasser sowie Verfahren zum Betreiben der Anlage

Info

Publication number: DE19536971A1
Application number: DE19536971A
Authority: DE
Inventors: Hanno Dr Wenske
Original assignee: ELWATEC ELEKTROLYSE und WASSER
Current assignee: ELWATEC ELEKTROLYSE und WASSER
Priority date: 1995-10-04
Filing date: 1995-10-04
Publication date: 1997-04-10
Also published as: WO1997013577A2; WO1997013577A3

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsreaktor gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1, der für verschiedenartige chemische Prozesse - wie beispielsweise die Synthese, die Spaltung oder die Hydrierung von Stoffen - Anwendung finden kann. Die Reaktanten können dabei in der flüssigen und/oder gasförmigen Phase vorliegen. Darüber hinaus umfaßt die Erfindung eine Anlage zur katalytischen Reduzierung von Nitrat und/oder Nitrit in mit Wasserstoff beladenem Wasser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11 beziehungsweise 17, die aber auch zur Beseitigung des im Wasser von Heizkreisläufen und von Kesselspeisewasser gelösten Sauerstoff geeignet ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Anlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 25. Die bezeichnete Anlage sowie das Verfahren zu ihrem Betrieb ermöglichen eine kostengünstige Wasserbehandlung ohne zu entsorgende Abfallprodukte.

Aus dem Stand der Technik sind katalytisch arbeitende Strömungsreaktoren mit kapillaren oder kapillarähnlichen Strömungsquerschnitten bekannt, deren Füllungen den Reaktanten eine große Oberfläche bieten. In Abhängigkeit von den spezifischen Einsatzbedingungen kommen unterschiedlichste Materialien und geometrische Konfigurationen zum Einsatz. Die Palette reicht von zu Vliesen verarbeiteter Metallwolle, über feinkörnige, mit Katalysatormaterial beschichtete metallische und nichtmatallische (z. B. keramische) Schüttgüter bis zu porösen, schwammartigen Festkörpern mit einer für den Stoffstrom durchgängigen Porenstruktur.

Allen vorangenannten Reaktorstrukturen haftet der Nachteil an, daß die anzutreffenden kapillaren Abstände innerhalb einer Packung sehr stark differieren und deshalb lokal unterschiedliche Strömungsverhältnisse verursachen, wodurch auch die Effizienz des Reaktors lokal sehr unterschiedlich sein kann. Außerdem weisen die bekannten Füllungen oft einen sehr hohen hydraulischen Widerstand auf, da sich die unzähligen kapillaren Strömungsquerschnitte der Reaktorfüllung nicht unidirektional mit Richtung des Hauptstromes in Übereinstimmung bringen lassen. Hohe Strömungsverluste bedingen neben erhöhten Betriebskosten auch höhere anlagentechnische Aufwendungen, z. B. für zusätzliche oder leistungsstärkere Pumpen.

Aus DE-A1 38 30 850 ist ein kontinuierlich durchführbares Verfahren zur Entfernung oder Verminderung des Nitrit- und/oder Nitratgehaltes in Wasser bekannt, bei dem das belastete Wasser mit Wasserstoffgas begast und mit einem geeigneten Metallkatalysator kontaktiert wird. Als Katalysatormaterialien werden Paladium und/oder Rhodium und als Aktivator ein Metall der Kupfergruppe, sofern Nitrat und/oder Nitrit im Wasser vorkommen, vorgeschlagen. Als Katalysatorträger sind poröse Teilchen, vorzugsweise auf der Basis von Aluminiumoxid, mit einer bimodalen Porenradienverteilung mit einem mindestens 20%igen Anteil bezogen auf das Gesamtporenvolumen an den Makroporen mit einem Mindestradius von 2000 Å vorgesehen. Alternativ dazu wird vorgeschlagen, Teilchen kleiner 20 µm zu verwenden, wobei das Metall auf der Oberfläche konzentriert sein soll. Zur Vermeidung einer NH₄⁺-Bildung soll der pH-Wert des Wassers nicht über pH 8 ansteigen.

Die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Anlage besteht im wesentlichen aus einer Vorbehandlungsstufe, in der eine Filtration und - soweit erforderlich - eine Entkeimung und pH-Werteinstellung des Wassers vorgenommen wird. Daran schließt sich ein mit einer Wasserstoffquelle verbundenes H₂-Begasungsmodul an. Anschließend wird das Wasser durch einen oder mehrere hintereinander geschaltete Strömungsreaktoren geleitet, in denen sich die katalytisch wirkende Füllung befindet.

Von Nachteil ist, daß die vorgeschlagene katalytisch wirkende Reaktorfüllung einen vergleichsweise hohen hydraulischen Widerstand aufweist. Außerdem sind Vorkehrungen erforderlich, die sicherstellen, daß der Flüssigkeitsstrom die nur staubkorngroßen Katalysatorträger nicht aus der Anlage ausspült.

Aus DE-C3 27 14 074 ist ein Verfahren zur katalytischen Reduktion von mit Reduktionsmitteln reduzierbaren Schadstoffen in einer wäßrigen Lösung bekannt, das sich bei Verwendung von Katalysatoren, wie sie bei Elektroden von Brennstoffzellen zum Einsatz kommen, unter anderem zur Beseitigung von Chromat-Ionen und Natriumnitrit geeignet sein soll. In die mit Wasserstoffgas begaste wäßrige Lösung ist Aktivkohlepulver suspendiert, das mit einem Katalysatormetall (z. B. Platin oder Wolframcarbid) beladen wurde. Auch hier verursacht der pulverförmige Katalysatorträger die schon vorangenannten Nachteile.

Bekannt ist auch die rein elektrochemische Umsetzung von Schadstoffen an den Elektroden einer Elektrolysezelle. Die EP-A1 0412 175 beschreibt eine Anlage und ein Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus Flüssigkeiten, wobei die Hydrierung der Stickoxide - und gegebenenfalls von Nitrat - unter Zusatz eines sogenannten Fe(EDTA)-Komplexes (Eisenmethylenaminsäure) und einer dissoziierbaren Bromverbindung unter direkter Einbeziehung der elektrochemischen Reaktion der Elektrode, also ohne die Bildung gasförmigen Wasserstoffs, erfolgt. Als Zwischenprodukt entsteht dabei Ammoniak. Aufgrund der zu verwendenden zusätzlichen Chemikalien eignet sich das beschriebene Verfahren nicht zur Aufbereitung von nitratbelastetem Trinkwasser.

Zur Aufbereitung von Trinkwasser sind auch Ionenaustauschverfahren bekannt, die - in Abhängigkeit vom Verfahrenstyp - unterschiedliche spezifische Nachteile aufweisen. Im allgemeinen werden relativ hohe Anforderungen an eine möglichst gleichbleibende Qualität des eingesetzten Wassers gestellt. In den meisten Fällen kommt es gegenüber dem Rohwasser zu einer starken Reduzierung des Salzgehaltes, so daß das Kalk-Kohlensäure- Gleichgewicht nachträglich hergestellt werden muß. Wegen der notwendigen Regenerierungsphasen der Ionenaustauschharze, wobei erhebliche Mengen an Chemikalien eingesetzt werden müssen, können die Verfahren nur diskontinuierlich betrieben werden. Nicht zuletzt aufgrund des erforderlichen nicht unerheblichen anlagentechnischen Aufwands arbeiten Ionenaustauschverfahren nur wenig wirtschaftlich.

Bei der Denitrifikation von Trinkwasser auf der Basis mikrobieller Stoffwechselprozesse werden überwiegend Festbettreaktoren eingesetzt. Als Trägermaterialien für die Mikroorganismen dienen Materialien mit möglichst großer spezifischer Oberfläche und guter Haftung für die Mikroorganismenkolonien. Bewährt haben sich hierfür Blähton und Styroporkugeln. Vielfach ist der Einsatz einer zusätzlichen Kohlenstoffquelle, z. B. von Äthanol, notwendig. Nach dem Verlassen des Bioreaktors muß das Wasser aus korrosionstechnischen Gründen und wegen des Geschmacks mit Sauerstoff angereichert werden. Abgestorbene Mikroorganismen und anorganische Trübstoffe werden über spezielle Filter, gegebenenfalls unter Zugabe von Flockungsmitteln, aus der Anlage ausgeschleust. In einer Endreinigungsstufe kommen Aktivkohlefilter zum Einsatz, die - bei heterotrophen Verfahren - Restsubstrat und wasserunlösliche, organische Stoffwechselprodukte der Mikroorganismen zurückhalten. Abschließend wird das Wasser desinfiziert und das Kalk- Kohlensäure-Gleichgewicht eingestellt.

Biologische Technologien zur Trinkwasseraufbereitung verursachen, auch wegen der durch hohe Verweilzeiten erforderlichen sehr großen Behälter, erhebliche anlagentechnische Aufwendungen. Von Nachteil ist auch die Gefahr der Ansiedlung unerwünschter Mikroorganismenkulturen, die etwa eine Epidemie auslösen könnte, falls durch einen Defekt entsprechend verseuchtes Wasser in die Nahrungskette gelangen sollte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsreaktor mit kapillaren Strömungskanälen zu entwickeln, der sich durch eine hohe Wirksamkeit bei gleichzeitig geringem Strömungswiderstand auszeichnet. Die Kapillarstruktur soll einfach und kostengünstig herstellbar und an die Bedingungen unterschiedlichster chemischer bzw. verfahrenstechnischer Prozesse anpaßbar sein. Eine weitere Teilaufgabe liegt in der Entwicklung einer Anlage zur katalytischen Reduzierung von Nitrat und/oder Nitrit in mit Wasserstoff beladenem Wasser sowie eines Verfahrens zum Betreiben der Anlage. Die Anlage soll bei einem vergleichsweise geringen technischen Aufwand mit hoher Effizienz arbeiten und einfach regelbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1, 11, 17 und 25 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben Vorzugsvarianten der Erfindung wieder.

Die kapillaren Strömungskanäle des erfindungsgemäßen Strömungsreaktors verlaufen im wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung der Reaktanten und weisen vorzugsweise eine verhältnismäßig glatte Oberfläche auf. So wird sichergestellt, daß der Strömungsreaktor trotz seiner großen inneren Oberfläche einen vergleichsweise geringen hydraulischen Widerstand verursacht. Dies ermöglicht höhere Strömungsgeschwindigkeiten, was sich positiv auf die Reaktionskinetik auswirkt und so zu einer erhöhten Effektivität des Strömungsreaktors führt. Insbesondere bei chemischen Prozessen, die unter Anwesenheit einer flüssigen Phase durchgeführt werden, beeinflussen erhöhte Strömungsgeschwindig keiten die Dynamik im Grenzflächenbereich (Helmholtz-Schicht) von Flüssigphase und Wandung des Strömungskanals vorteilhaft. Die sogenannte Nernstsche Schichtdicke verringert sich erheblich, was insbesondere bei katalytisch Prozessen zu einer erhebliche Beschleunigung des Reaktionsablaufs führt.

Untersuchungen an Strömungsreaktoren, aufgebaut aus einer Vielzahl aneinander gestapelter folienartiger Elemente auf der Basis eines sehr glatten glasmetallischen, amorphen Werkstoffs, haben ergeben, daß etwa ab einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,05 m/s in den kapillaren Kanälen optimale Reaktionsbedingungen erreicht werden. Die als Spalten ausgebildeten kapillaren Kanäle wiesen eine mittlere Weite von 0,08 mm bis 0,4 mm auf. Es versteht sich von selbst, daß die genannte Strömungsgeschwindigkeit nur einen Richtwert darstellen kann. Die jeweils optimale Strömungsgeschwindigkeit sollte unter realen Prozeßbedingungen und unter Einsatz des vorgesehenen Reaktors ermittelt werden.

Der erfindungsgemäße Strömungsreaktor mit seinen im wesentlichen unidirektionale gerichteten Strömungskanälen kann unter Anwendung verschiedenster Materialien auf unterschiedliche Weise gestaltet sein. Beispielsweise können die kapillaren Spalten von aufeinandergestapelten folienartigen Elementen gebildet sein, wobei die kapillaren Spalten von Profilierungen fixiert werden, die wenigstens jedes zweite der folienartigen Elemente aufweist. Solche Profilierungen können quer zur Längsachse der folienartigen Elemente verlaufende Wellungen oder Prägungen, aber auch Materialauftragungen sein.

Die Materialien können nahezu beliebig gewählt werden, d. h., entsprechend des konkreten Anwendungsfalls wird ein geeignetes Material eingesetzt. In Frage kommen unter anderem metallische Werkstoffe. Soweit eine katalytische Wirkung erzielt werden soll und die Herstellung der folienartigen Elemente aus dem Katalysatorwerkstoff unwirtschaftlich ist, kann der Katalysator auch nachträglich aufgetragen werden oder Bestandteil einer Legierung sein, die Basis für die Herstellung der folienartigen Elemente ist. Letzteres ist besonders dann vorteilhaft, wenn für die Durchführung des chemischen Prozesses die zusätzliche Anwesenheit eines Aktivators erforderlich ist.

Als besonders aktivierend gelten Metalle beziehungsweise Metallegierungen mit amorphen oder feinkörnigen Strukturen. Eine kostengünstige Methode zur Erzeugung amorpher folienartiger Bänder besteht in der Anwendung des sogenannten Schmelz-Spinn-Verfahrens. Hierdurch können auch Legierungen erzeugt werden, die man in kristalliener Form nicht erhalten würde. Dies gilt sowohl hinsichtlich der Möglichkeiten der Auswahl der Legierungspartner als auch hinsichtlich ihrer anteilmäßigen Zusammensetzung. Die Dicke derart erzeugter Bänder liegt im allgemeinen zwischen 10 µm und 100 µm.

Weiterhin sind alle diejenigen Materialien zur Ausbildung folienartiger Elemente einsetzbar, die eine hinreichende Flexibilität aufweisen. Selbst Kunststoffe und Glas können zum Einsatz kommen. Extrudierbare keramische Werkstoffe sollten jedoch eher zu kompakten Reaktoreinsätzen mit den erfindungsgemäßen kapillaren Strömungskanälen geformt werden, deren Oberflächen bei Bedarf mit Katalysatoren und/oder Aktivatoren zu beschichten sind.

Durch das Wickeln der beschriebenen, mit Profilierungen zur kapillaren Beabstandung versehenen folienartigen Elemente zu einer Spirale entsteht eine Vielzahl quer zur Spiralebene verlaufender kapillaren Spalten. Die erforderliche Reaktorlänge erreicht man durch die Aneinanderreihung einer entsprechenden Anzahl von Spiralkörpern.

Eine weitere Erfindungsvariante geht von bandartigen Elementen aus, deren Längsachse im wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung der Reaktanten verläuft. Sie tragen zur Aufrechterhaltung des kapillaren Abstandes zwischen benachbarten Elementen nur auf einem kleinen Teil ihrer Breite Profilierungen, die sich ebenfalls entlang der Längsachse der folienartigen Elemente erstrecken. Bei der Verwendung von metallischen Elementen sollten die Profilierungen vorzugsweise als Wellungen oder Schränkungen des Materials gestaltet sein und sich auf wenigstens einen Randbereich des Elements beschränken.

Der Vorteil der zuletzt beschriebenen Erfindungsvariante besteht darin, daß Reaktoren bis zur mehreren Metern Länge mit nur einem kapillarstrukturierten Reaktoreinsatz gebaut werden können. Das heißt also, für eine bestimmte Reaktorlänge sind nur wenige hintereinander angeordnete Reaktoreinsätze notwendig. Dadurch treten weniger druckverlustverursachende Übergänge zwischen den einzelnen Reaktoreinsätzen auf, so daß sich der hydraulische Gesamtwiderstand des Strömungsreaktors verringert.

Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet für den Strömungsreaktor ist die Entfernung von Sauerstoff aus dem Wasser von Heizkreisläufen und insbesondere aus sogenanntem Kesselspeisewasser, um der Korrosion von Behältern und Rohrleitungen entgegenzuwirken. Zu diesem Zweck wird die Oberfläche des Strömungsreaktors mit einem geeigneten Katalysatormaterial, vorzugsweise aus der Platingruppe beschichtet und das zu behandelnde Wasser im stöchiometrischen Verhältnis mit Wasserstoff beladen. Der Katalysator ermöglicht die Umsetzung des gelösten Sauerstoffs mit dem zugeführten Wasserstoff zu Wasser, so daß kein aus der Anlage auszuschleusendes Reaktionsprodukt entsteht.

In besonderem Maße ist der Strömungsreaktor zum Einsatz in einer Anlage zur katalytischen Umsetzung von Reaktanten geeignet, die in unterschiedlicher Phase vorliegen, wie dies beispielsweise bei der Denitrifikation von Wasser unter Zugabe von gasförmigem Wasserstoff der Fall ist.

Die erfindungsgemäße Anlage zur katalytischen Reduzierung von Nitrat und/oder Nitrit in Wasser, insbesondere in Trinkwasser, geht von der Vermutung aus, daß in der katalytischen Phase der aus verschiedenen Zwischenschritten aufgebauten Summenreaktion vorrangig die Reaktionspartner in eine Art "präaktiven Zustand" aneinander gebunden werden müssen. Die abschließenden Reaktionsschritte, bei denen das Nitrat und/oder Nitrit unter Verbindung mit dem zugeführten Wasserstoff endgültig zu Wasser und Stickstoffgas umgesetzt wird, können auch außerhalb der katalytischen Umgebung des Reaktors unter Einhaltung einer hinreichend großen Verweilzeit und vorzugsweise unter Anwesenheit eines Aktivators in einem Nachreaktor durchgeführt werden. Natürlich muß ein hinreichender Abschluß der katalytischen Phase sichergestellt sein, da ansonsten der Nachreaktor seine Aufgabe nicht genügend erfüllen kann. Diese Voraussetzung ist im allgemeinen dann hinreichend erfüllt, wenn mindestens 30% des Soll-Umsatzes im (katalytischen) Reaktor erreicht werden; der Rest-Umsatz erfolgt im Nachreaktor. Vorzugsweise sollte jedoch der Umsatz im Reaktor 50% bis 60% betragen.

Erfindungsgemäß ist zwischen dem Reaktor und dem Nachreaktor eine Gasausschleusung zur Abführung des im Reaktor gebildeten Stickstoffs vorgesehen, um zu vermeiden, daß es bei einem eventuellen Wasserstoffmangel zu einer Neubildung von Nitrat und/oder Nitrit aus Stickstoff und dem im Wasser gelösten Sauerstoff kommen kann.

Der Einsatz eines Reaktors und/oder eines Nachreaktors mit einer gerichteten Kapillarstruktur, wie sie oben beschrieben wurde (siehe auch Ansprüche 1 bis 10), schafft Voraussetzungen, die sich besonders günstig auf die Reaktionskinetik des Prozesses auswirken. Optimale Bedingungen werden ab einer Fließgeschwindigkeit von etwa 0,05 m/s in den kapillaren Spalten erreicht, weil dann die sogenannte Nernstsche Schichtdicke in wirksamer Weise verringert ist. Die hohe Effizienz der Anlage erlaubt - insbesondere bei gleichzeitiger Ausrüstung von Reaktor und Nachreaktor mit der erfindungsgemäßen Kapillarstruktur - einen hohen Wasserdurchsatz bei vergleichsweise geringem technischen Aufwand. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß sich sowohl der Kapillarspalt-Reaktor beziehungsweise Kapillarspalt-Nachreaktor als auch die voranstehend beschriebene Anlage in Kombination mit bekannten Festbettreaktoren zur Denitrifikation betreiben lassen.

Die Erfindung erlaubt einen effektiveren Einsatz von teuren Katalysatormaterialien und sieht deshalb in einer Vorzugsvariante vor, Katalysatoren und Aktivatoren ausschließlich im (ersten) Reaktor einzusetzen, während die Kapillarstruktur des Nachreaktors nur Aktivatoren tragen soll. Soweit als Aktivatormaterial vergleichsweise preiswerte Grundstoffe wie z. B. Eisen, Nickel oder Kupfer einsetzbar sind, sollte die Kapillarstruktur des Nachreaktors auf der Basis dieser Grundstoffe und der beschriebenen folienartigen Elemente hergestellt werden. Besonders günstig ist dabei die Erzeugung der Elemente mittels des Schmelz-Spinn- Verfahrens.

Soweit die kapillaren Strukturen des Reaktors oder Nachreaktors auf der Basis eines Kunststoffs oder einer Keramik gebildet sind, werden die erforderlichen Katalysatoren und Aktivatoren auf deren Oberfläche nachträglich abgeschieden. Entsprechend dem vorbekannten Stand der Technik kann aus einer Vielzahl zum Teil sehr unterschiedlicher Verfahren zur Aktivierung von Oberflächen ausgewählt werden, die aber hier nicht näher erläutert werden sollen. In der Regel muß die Auswahl eines geeigneten Verfahrens in Abhängigkeit von der Art des Substratträgers, des Substrats und den zu erwartenden Prozeßbedingungen getroffen werden.

Zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit kann es von Vorteil sein, die Reaktanten mit Energie zu beaufschlagen. Als Energiequelle kann beispielsweise ein Ultraschallgenerator fungieren, der nach Möglichkeit den gesamten Raum des Haupt- und oder Nachreaktors erfaßt. Aber auch andere Energiearten, wie zum Beispiel UV-Strahlung oder Wärme, können einen positiven Einfluß auf die Reaktionskinetik ausüben.

Eine andere erfindungsgemäße Anlage zur katalytischen Reduzierung von Nitrat und/oder Nitrit in Wasser sieht vor, den Reaktor direkt mit einem Wasserelektrolyseur als Wasserstoffquelle zu verbinden. Vorzugsweise ist der Wasserelektrolyseur vom SPE-Typ und innerhalb des Gehäuses des Reaktors in dessen Fußbereich angeordnet. Dabei weist der Elektrolyseur eine an die Kathodenseite der ionenleitenden Membran angrenzende Kapillarstruktur auf, die die wesentlichen Gestaltungsmerkmale des Strömungsreaktors realisiert und wenigsten einem der Patentansprüche 5 bis 8 entspricht.

Wird nun wenigstens ein Teil des zu behandelnden Wassers durch die kathodenseitige Kapillarstruktur des Wasserelektrolyseurs geleitet und herrschen gleichzeitig hinreichend hohe, den Reaktionsverlauf begünstigende Strömungsgeschwindigkeiten, so erfolgt die gewünschte Anlagerung des Wasserstoffs an das Nitratmolekül schon an dessen Entstehungsort, der Kathode. Die Bildung gasförmigen Wasserstoffs wird weitestgehend ausgeschlossen. Aber auch unter weniger günstigen hydrodynamischen Bedingungen, bei denen es zur Entstehung gasförmigen Wasserstoffs kommt, kann eine Denitrifizierung erfolgreich und kostengünstig durchgeführt werden. Es entstehen allenfalls sehr feine Wasserstoffbläschen, da diese unmittelbar nach ihrer Ablösung von der Kathode in die Kapillarstruktur abgegeben und vom Wasserstrom mitgerissen werden, noch bevor sie mit anderen Gasbläschen zu größeren Gasansammlungen koagulieren können. Komplizierte und teure Begasungsvorrichtungen werden dadurch überflüssig, zumal die erfindungsgemäße Anlage einen wesentlich höheren Dispersionsgrad des Wasserstoffs im Wasser erreichen läßt. Da nur an den Phasengrenzflächen die gewünschten Reaktionen erwartet werden können, besitzt der Dispersionsgrad des Wasserstoffs einen herausragenden Einfluß auf die Wirksamkeit der Anlage.

Für die direkte Begasung des Wassers im Elektrolyseur sollte unbedingt eine Zelle vom SPE-Typ verwendet werden, da sie wegen ihrer ionenleitenden Membran ohne einen Wasserübertritt zwischen Kathodenraum und Anodenraum auskommt. Im zu behandelnden Wasser gelöste Salze, die in den Anodenraum übertreten, würden den Elektrolyseprozeß beeinträchtigen. Insbesondere Natriumchlorid würde an der Anode zur Bildung von Chlor und zu ihrer schnellen Zerstörung führen, falls nicht entsprechend resistente Materialien (zum Beispiel: Titan) eingesetzt sind.

Gemäß einer Vorzugsvariante der Erfindung trägt die kathodenseitige Kapillarstruktur des Wasserelektrolyseurs Katalysator- und Aktivatormaterial zur Umsetzung des im Wasser enthaltenen Nitrats und/oder Nitrits, wodurch der Elektrolyseur selbst zusätzlich zum Strömungsreaktor wird. Das heißt, neben seiner Aufgabe als Wasserstoffquelle fungiert der Elektrolyseur auch als hochwirksame Begasungseinrichtung und darüber hinaus zur Verbindung des Nitrats und/oder Nitrits mit dem Wasserstoff, wobei Wasser und Stickstoff entstehen.

Bevor nun das mit Wasserstoff beladene Wasser in eine der nächsten Stufen der Anlage weitergeleitet wird, erfolgt eine Ausschleusung des bis dahin gebildeten Stickstoffs über spezielle dafür vorgesehene Mittel, um die nachfolgenden Prozesse nicht negativ zu beeinflussen.

Besonders vorteilhaft ist die kombinierte Anwendung der Anlagenvarianten gemäß den Patentansprüchen 11 und 17, weil dadurch sowohl die Vorzüge der kombinierten Verwendung von (Haupt-)Reaktor und Nachreaktor, als auch die Vorzüge einer direkten Begasung des Wassers in einem Elektrolyseur zum Tragen kommen. Es sei darauf hingewiesen, daß unter gegebenenfalls günstigen Bedingungen der Wasserelektrolyseur gleichzeitig als (Haupt-)Reaktor fungieren kann, so daß das zu behandelnde Wasser direkt in den sogenannten Nachreaktor geleitet werden kann. Auch für diesen Fall gilt, daß wenigsten 30% des Soll-Umsatzes im Reaktor, also im Elektrolyseur, erreicht sein sollen.

Gemäß dem Verfahren zum Betreiben der mit einem integrierten Wasserelektrolyseur versehenen Anlage ist vorgesehen, daß zumindest ein Teilstrom des zu behandelnden Wassers durch den Kathodenraum des Elektrolyseurs geleitet wird. Die Steuerung der Leistung des SPE-Wasserelektrolyseurs - und damit die Steuerung der Wasserstoffbildung - erfolgt in Abhängigkeit des Gesamtwasserdurchsatzes der Anlage sowie der Eingangs- und Ausgangskonzentration von Nitrat und/oder Nitrit beziehungsweise in Abhängigkeit von der umzusetzenden Nitrat-/Nitrit-Menge, so daß der Wasserstoff in einem entsprechenden stöchiometrischen Verhältnis gebildet und an das Wasser abgegeben wird. Die genau dosierte Bereitstellung der Wasserstoffmenge sowie ihre möglichst 100%ige Umsetzung tragen wesentlich zur Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen bei.

Die Fließgeschwindigkeit durch die kapillaren Spalten der kathodenseitigen Kapillarstruktur soll vor allem dann einen Wert von etwa 0,05 m/s nicht unterschreiten, wenn der Elektrolyseur gleichzeitig als Strömungsreaktor zur Denitrifikation genutzt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen sowie der dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Teil eines aus folienartigen Elementen aufgebauten Strömungsreaktors;

Fig. 2 stark vergrößerte perspektivische Darstellung eines einzelnen folienartigen Elements mit Distanzstegen;

Fig. 3 perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer aus mehreren Packungseinheiten bestehenden Reaktorpackung;

Fig. 4 aus zwei folienartigen Bändern zu einer Spirale gewickelte Packungseinheit;

Fig. 5 aus mehreren spiralförmig gewickelten Packungseinheiten bestehende Reaktorpackung;

Fig. 6a perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer Packungseinheit mit gewelltem Folienrand und daran angrenzendem Kapillarspalt;

Fig. 6b perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer Packungseinheit mit geschränktem Folienrand und daran angrenzendem Kapillarspalt;

Fig. 7 Querschnitt durch eine Packungseinheit mit mittigem Elastizitätsbereich und beidseitig profilierten Folienrändern;

Fig. 8 aufgebrochene Packungseinheit mit profilierten folienartigen Elementen, wie sie in Fig. 7 angedeutet sind;

Fig. 9 schematische Darstellung eines Wasserelektrolyseurs zur direkten Begasung von Rohwasser mit Wasserstoff für eine Anlage zur Denitrifikation;

Fig. 10 Anlagenschema zur Denitrifikation von Trinkwasser unter Verwendung eines Wasserelektrolyseurs zur direkten Beladung des Wassers mit Wasserstoff sowie unter Verwendung eines dem Reaktor nachgeschalteten Nachreaktors.

Eine erste Variante zur Gestaltung des erfindungsgemäßen Strömungsreaktors besteht in der parallelen Anordnung einer Vielzahl von folienartigen Elementen 1a, 1b, wobei sich gerade Elemente 1a und durch Wellung profilierte Elemente 1b abwechseln. Fig. 1 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt der beschriebenen Anordnung. Hierbei bilden sich zwischen den Elementen 1a, 1b kapillare Strömungskanäle 10a, deren Querschnitt von der Höhe der Wellungen abhängig ist. Durch Zusammendrücken der aneinandergelagerten folienartigen Elemente kann der Querschnitt der kapillaren Strömungskanäle 10a praktisch beliebig reduziert und so optimal an die jeweils herrschenden Bedingungen angepaßt werden.

Soweit eine metallische Kapillarstruktur vorgesehen ist, läßt sich diese in vielen Fällen besonders günstig durch bandförmige Folien-Elemente 1a, 1b herstellen, die nach dem sogenannten Schmelz-Spinn-Verfahren erzeugt wurden. Dabei wird die gewünschte Legierung, gegebenenfalls unter Zusatz von Katalysator- und Aktivatormaterial, im flüssigen Zustand aus einer Kokille auf eine rotierende, gekühlte Trommel gegeben, wo die Schmelze mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 Mio°K pro Sekunde abgeschreckt und der amorphe Zustand der Schmelze eingefroren wird. Das Material weist eine vergleichsweise glatte Oberfläche auf. Derzeit kann es mit einer Dicke von ca. 10 µm bis 120 µm und einer Breite bis zu ca. 0,5 m hergestellt werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel aus einer Vielzahl von Möglichkeiten zur Anformung von Profilelementen, die den kapillaren Abstand zwischen den benachbarten folienartigen Elementen gewährleisten. Danach stellen die Distanzstege 11 des Elements 1c quer über dessen Breite 12 verlaufende Materialerhebungen dar. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Höhe der Distanzelemente 11, welche den kapillaren Abstand definiert, etwa der Dicke 13 des Elements 1c. Die geometrischen Abmessungen der Elemente sind im wesentlichen von der Wahl des Werkstoffs und dem Herstellungsverfahren der Folienelemente abhängig. Neben metallischen Werkstoffen können auch Kunststoffe und keramische Werkstoffe zum Einsatz kommen. Bei Anwendung eines Extrusions- oder Strangpreßverfahrens, beispielsweise bei dem ein Formwerkzeug zum Einsatz kommt, sollten die Distanzstege 11 schon während des urformgebenden Prozesses angeformt werden, so daß die Distanzstege 11 entlang der Längserstreckung des Bandes verlaufen. Bei einem durch Walzen hergestellten Element könnte die profilerzeugende Matrize der Walzenoberfläche auch so beschaffen sein, daß sich die Distanzstege 11 quer zur Längsachse des Bandes erstrecken.

Fig. 3 zeigt schematisch eine aus vier Packungseinheiten 14 bestehende Reaktorpackung, deren kapillare Struktur aus den voranbeschriebenen folienartigen Elementen 1a, 1b oder 1c oder ähnlichen Elementen aufgebaut wurde. Ihre, den kapillaren Abstand 10 zwischen benachbarten Elementen 1 gewährleistenden Profilierungen (Wellungen oder Distanzstege), erstrecken sich parallel zur Strömungsrichtung der Reaktanten und damit quer zur Längserstreckung der bandförmigen Elemente 1. Die übereinander gestapelten Packungseinheiten 14 sind zu den benachbarten jeweils um 90 Grad verdreht, so daß sich die einzelnen Elemente 1 kreuzen.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer kapillaren Struktur auf der Basis folienartiger Elemente 1a, 1b zeigt Fig. 4. Dementsprechend werden das gerade, unprofilierte bandförmige Element 1a und das gewellte Element 1b gemeinsam zu einer spiralförmigen Packungseinheit 14a gewickelt, die aufgrund ihrer kreisrunden äußeren Kontur besonders für den Einsatz in einem zylindrischen Reaktor geeignet ist. Fig. 5 stellt eine aus mehreren gewickelten Packungseinheiten 14a aufgebaute Reaktorpackung dar. Auch hier können die kapillaren Strömungskanäle 10a durch mehr oder weniger straffes Wickeln dimensioniert und so an die herrschenden Bedingungen angepaßt werden.

In Fig. 8 ist ein Ausschnitt einer kapillarstrukturierten Packungseinheit 14b dargestellt, deren bandförmige Elemente 1f sich entlang der Strömungsrichtung 17 erstrecken. Deshalb erstrecken sich auch die in Form von Wellungen ausgeführten Profilierungen 15 entlang der Strömungsrichtung 17. So schließen die in ihrem Randbereich gewellten Elemente 1f zwischenliegende Kapillarspalten 10b ein. Fig. 7 zeigt einen kleinen Teil der Packungseinheit 14b im Querschnitt.

Zwei Varianten der zuletzt beschriebenen und in Fig. 8 dargestellten Packungseinheit 10b zeigen die Fig. 6a und 6b in stark vergrößerter perspektivischer Darstellung. Gemäß Fig. 6a besteht die Packungseinheit aus einseitig durch Wellungen 15 profilierte Einzelelemente 1d, wobei die Wellungen 15 der benachbarten Elemente 1d alternierend links beziehungsweise rechts angeordnet sind. Die kapillaren Spalten 10b erstrecken sich ebenfalls entlang der Strömungsrichtung 17 der Reaktanten. Der darunter dargestellte Packungsausschnitt besteht aus abwechselnd angeordneten profilierten Elementen 1ee und unprofilierten Elementen 1e, wobei die profilierten Elemente 1ee in beiden Randbereichen Materialschränkungen 16 tragen. Zur Erzeugung der Profilierungen 15, 16 ist insbesondere eine Vorrichtung mit Profilierungsrollen geeignet.

Fig. 9 zeigt schematisch einen Wasserelektrolyseur 2 zum Einsatz in einer Anlage zur Denitrifizierung von Trinkwasser. Erfindungsgemäß erfolgt die Beladung des Rohwassers direkt im Kathodenraum des Wasserelektrolyseurs 2, indem zumindest ein Teil des zu behandelnden Wassers über die Zuleitung 24 durch den Elektrolyseur 2 geleitet wird. Der Anodenraum wird von der Zuleitung 23 mit destilliertem Wasser versorgt. Vorzugsweise kommt eine sogenannte SPE-Zelle zur Anwendung, die im wesentlichen durch ein ausschließlich ionenleitendes Trennelement 20 mit darauf aufgebrachten Elektroden 21 an, 21ka gekennzeichnet ist. Dadurch wird verhindert, daß im Rohwasser gelöste Bestandteile, wie etwa Salze, in den Anodenraum eindringen können. Diese Verunreinigungen können den Elektrolyseprozeß erheblich beeinträchtigen und gegebenenfalls die Anode 21an zerstören. Anode 21an und Kathode 21ka sind mit der Stromversorgung 28/29 verbunden.

Der Vorteil der direkten Begasung des Rohwassers mit Wasserstoff liegt insbesondere darin, daß die Fluidströmung des Rohwassers die Gasblasen des noch nicht direkt an die Nitratmoleküle angelagerten Wasserstoffs von der Kathode mitreißt sobald diese den kritischen Blasenablösedurchmesser erreicht haben; eine Koagulation der Wasserstoffblasen wird weitestgehend verhindert. Somit wird eine außergewöhnlich feine und gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs erzielt, was eine entsprechend große Reaktionsfläche schafft.

Die in Fig. 9 dargestellte Ausführungsvariante sieht vor, den Wasserelektrolyseur 2 zusätzlich auch als Strömungsreaktor zum Abbau von Nitrat und/oder Nitrit einzusetzen. Zu diesem Zweck ist zumindest der Kathodenraum mit einer kapillaren Struktur ausgerüstet, wie sie durch den Patentanspruch 1 charakterisiert und in den Fig. 1 bis 8 erläutert ist. Vorzugsweise besitzt die direkt an die Kathode 21ka angrenzende Kapillarstruktur 22ka einen Aufbau, wie in einer der Fig. 6a bis 8 dargestellt, wobei die Kapillarstruktur 22ka vorzugsweise den gesamten Querschnitt des Kathodenraumes ausfüllen sollte, so daß der Fluidstrom ausschließlich die Spalten der Kapillarstruktur 22ka passieren kann. Um einen Umsatz von Nitrat und/oder Nitrit zu gewährleisten, trägt die Kapillarstruktur 22ka geeignete Katalysatoren und Aktivatoren. Als praktikabel haben sich Metalle der Platingruppe für Katalysatoren und Metalle der Kupfergruppe für Aktivatoren erwiesen.

Die Doppelfunktion des Wasserelektrolyseurs 2 als Begasungsapparat für das Rohwasser und gleichzeitig als Strömungsreaktor zur Umsetzung von Nitrat führt nicht nur zu einer größeren Kompaktheit der Gesamtanlage sondern wegen der wesentlich besseren Effektivität aufgrund optimaler Prozeßbedingungen auch zu nennenswerten Einsparungen von Betriebskosten.

Während des Betriebs wird der in der SPE-Kathode 21ka gebildete Wasserstoff an das Nitrat/Nitrit angelagert und entstehende Gasbläschen werden frühzeitig in die kapillaren Spalten der Struktur 22ka des Strömungsreaktors "hineingesaugt" und dort von der Strömung des Rohwassers erfaßt. Durch die dort herrschende Geschwindigkeit von vorzugsweise mindestens 0,05 m/s gelangen die Reaktionspartner in einen intensiven Kontakt mit dem Katalysator beziehungsweise Aktivator. In Abhängigkeit von der Verweilzeit, der Strömungsgeschwindigkeit und dem zurückgelegten Strömungsweg wird ein mehr oder weniger großen Umsatz von Nitrat und/oder Nitrit zu Wasser und Stickstoff schon im Elektrolyseur 2 erzielt. Zur Umsetzung des restlichen Nitrats/Nitrits wird das mit Wasserstoff beladene Rohwasser über die Ableitung 27 einem speziellen Reaktor zugeführt. Zuvor sollte jedoch der bereits gebildete Stickstoff aus der Anlage über die Ableitung 26 ausgeschleust werden, um zu verhindern, daß im Reaktor beim Auftreten eines eventuellen Sauerstoffüberschusses eine Rückreaktion zur Bildung von Nitrit führt.

Um gleichwertig gute Prozeßbedingungen im Anoden- und Kathodenraum zu schaffen, sollte auch der Anodenraum mit einer erfindungsgemäßen Kapillarstruktur 22an ausgerüstet sein. Sie gewährleistet, daß der gebildete Sauerstoff schnell von der Anode 21an abgeführt wird, was den ohmschen Widerstand des Elektrolyseurs 2 senkt.

Ein Anlagenschema zur Denitrifikation von Trinkwasser unter Verwendung eines Wasserelektrolyseurs, insbesondere des voranbeschriebenen Wasserelektrolyseurs 2 zur direkten Beladung des Wassers mit Wasserstoff, zeigt Fig. 10. Darüber hinaus verwendet die Anlage einen dem Reaktor 3 nachgeschalteten Nachreaktor 4, in dem in wirtschaftlicher Art und Weise der Restumsatz erfolgen soll. Die kombinierte Anwendung der erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten gemäß den Patentansprüchen 1, 11 und 17 vereinigt deren spezifische Vorteile zu einer verfahrenstechnisch und anlagentechnisch optimalen Variante.

Danach wird der Wasserelektrolyseur (vorzugsweise vom SPE-Typ) über die Zuleitung 24 mit Rohwasser beschickt, das zu entfernendes Nitrat und/oder Nitrit enthält. Ein Bypass 24a ermöglicht, einen Teil des Rohwassers unter Umgehung des Elektrolyseurs 2 dem nachgeschalteten Reaktor 3 zuzuführen, nachdem es in der Leitung 27 mit dem wasserstoffbeladenen Wasser vermischt wurde. Dieser Bypassstrom kann beispielsweise dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn aus Gründen des gewünschten Gesamtumsatzes an NO₃ oder des Druckverlustes die Hindurchführung der gesamten Rohwassermenge durch den Elektrolyseur 2 die wirtschaftliche Fahrweise der Anlage in Frage stellen würde. Natürlich ist sicherzustellen, daß der Elektrolyseur 2 entsprechend der Gesamtmenge an umzusetzendem Nitrat und/oder Nitrit im gesamten Rohwasserstrom genügend Wasserstoff produziert.

Gesteuert wird die Wasserstoffproduktion von einer Meß- und Regeleinrichtung 5, die über eine Signalleitung 50 mit dem Stromsteller 500 in Verbindung steht, mittels dem die elektrische Leistung des Elektrolyseurs eingestellt wird. Grundlage hierfür sind zwei Meßstellen 510, 520 zur Ermittlung des Nitrat- und/oder Nitritgehalts im Rohwasserzulaufs 1 beziehungsweise im Trinkwasser der Leitung 42. Diese Meßstellen 510, 520 stehen über die Meßstrecken 51, 52 mit der Meß- und Regeleinrichtung in Verbindung. Sie stellt sicher, daß entsprechend dem abzubauenden Nitrat/Nitrit im richtigen stöchiometrischen Verhältnis Wasserstoff produziert wird.

Über die Zuleitung 23, in der - falls erforderlich - eine Pumpe 7 angeordnet ist, wird der Anodenraum des Elektrolyseurs 2 aus dem Tank 6 mit destilliertem Wasser versorgt. Am Kopf des Anodenraums zweigt eine Leitung 25 ab, die in den Tank 6 gasförmigen Sauerstoff und destilliertes Wasser zurückführt. Über das Ventil 61 und die Leitung 60 gelangt der Sauerstoff ins Freie, falls er nicht in nachgeschalteten Speichern aufgefangen oder weiterverarbeitet wird.

Sollte der Elektrolyseur 2 ausschließlich zur Begasung des Rohwassers geeignet und verwendet werden, so gelangt das wasserstoffbeladene Wasser über die Leitung 27 in den Reaktor 3, der mit einer erfindungsgemäßen Kapillarstruktur ausgestattet ist. Zumindest seine Oberfläche weist für den Abbau von Nitrat und/oder Nitrit geeignete Katalysatoren und Aktivatoren auf. Die Kapazität des Strömungsreaktors 3 ist so dimensioniert, daß wenigstens 30%, vorzugsweise 50 bis 60% des Sollumsatzes darin erbracht werden können. Der Restumsatz soll erfindungsgemäß in einem Nachreaktor 4 erfolgen, der über die Leitung 32 mit dem vorbehandelten Wasser versorgt wird, das den Kopf des Reaktors 3 verläßt. Zuvor ist jedoch der im Reaktor 3 gebildete Stickstoff über die Leitung 30 und das Ventil 31 aus der Anlage auszuschleusen.

Der Nachreaktor 4 weist keine Katalysatoren, sondern ausschließlich Aktivatoren auf. Seine Packung sollte vorzugsweise ebenfalls die erfindungsgemäße Kapillarstruktur des Strömungsreaktors 3 aufweisen. Von der Erfindung erfaßt sein soll auch eine Anlage zur Denitrifizierung von Wasser, die die Funktionen des Reaktors 3 und des Nachreaktors 4 apparatetechnisch nicht trennt, sondern in einem einzigen (nicht dargestellten) Gehäuse zusammenfaßt, wobei in einem unteren Bereich des Gehäuses die mit Katalysatoren versehene kapillare Packung und in dem sich daran anschließenden Bereich die ausschließlich Aktivatoren aufweisende Packung angeordnet ist. Natürlich können auch Maßnahmen vorgesehen sein, die eine zwischenzeitliche Ausschleusung von bis dahin gebildetem Stickstoff ermöglichen.

Der erfindungsgemäße Vorschlag zur aufeinanderfolgenden Kombination von katalysatorbehafteten und katalysatorfreien Reaktorpackungen beruht auf der Entdeckung, daß auch bei ausschließlicher Anwesenheit von Aktivatormaterial ein guter Umsatz von Nitrat und/oder Nitrit erzielt wird, wenn die Wasserstoffbeladung des zu behandelnden Rohwassers zuvor in einem ausreichenden Kontakt mit dem Katalysatormaterial gestanden hat. Dies ist im allgemeinen dann der Fall, wenn wenigsten 30% des Sollumsatzes im Reaktor 3 beziehungsweise in der mit Katalysatormaterial behafteten Reaktorpackung erzielt werden. Somit läßt sich also die gewünschte Denitrifizierung auch unter verringertem Einsatz des teuren Katalysatormaterials durchführen.

Offensichtlich ist das Katalysatormaterial für das Zustandekommen der letzten Reaktionsstufe beziehungsweise Reaktionsstufen nicht verantwortlich, zumindest aber nicht Voraussetzung. Wahrscheinlich ist die Anwesenheit des Katalysators nur Voraussetzung zum Erreichen einer hinreichenden Affinität der Reaktionspartner und gegebenenfalls zur Erlangung eines erhöhten Anregungszustandes, der in der Lage ist, die Startreaktion zu ermöglichen.

Für den Fall, daß der Wasserelektrolyseur 2 mit einer zusätzlichen katalysatormaterialtra genden kapillarstrukturierten Packung ausgerüstet sein sollte, so daß er neben der Begasung auch als Reaktor zur Denitrifizierung arbeiten kann, besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit des vollständigen Ersatzes des in Fig. 10 dargestellten Reaktors 3. Dazu ist lediglich erforderlich, daß der Nitrat-/Nitrit-Umsatz in der apparativen Einheit von Elektrolyseur und Reaktor 30% oder mehr des Sollumsatzes beträgt. Somit würde das den Anodenraum verlassende vorbehandelte Wasser direkt dem sogenannten Nachreaktor 4 zugeführt, der kein Katalysatormaterial enthalten soll.

Bezugszeichenliste

1 folienartiges Element
1a folienartiges Element (gerade)
1b folienartiges Element (gewellt)
1c folienartiges Element mit Distanzstegen
1d folienartiges Element (Randbereich einseitig profiliert, gewellt)
1e folienartiges Element (nicht profiliert)
1ee folienartiges Element (Randbereich beidseitig profiliert, geschränkt)
1f folienartiges Element (Randbereich beidseitig profiliert, gewellt)
10 Kapillarspalt, Strömungskanal
10a Kapillarspalt, Strömungskanal
10b Kapillarspalt, Strömungskanal
11 Distanzsteg
12 Breite des folienartigen Elements
13 Dicke des folienartigen Elements
14 Packungseinheit
14a Packungseinheit
15 Wellung des Randbereichs
16 Schränkung des Randbereichs
17 Strömungsrichtung
2 Wasserelektrolyseur, vorzugsweise vom SPE-Typ
20 ionenleitende Membran
21an Elektrode, Anode
21ka Elektrode, Kathode
22an anodenseitige Kapillarstruktur
22ka kathodenseitige Kapillarstruktur
23 Zuleitung für destilliertes Wasser
24 Zuleitung für Rohwasser
24a Rohwasser-Bypass
25 Ableitung für Sauerstoff
26 Ableitung für Stickstoff
27 Ableitung für mit Wasserstoff beladenes Rohwasser
28 anodenseitige Stromversorgung, Plus-Pol
29 kathodenseitige Stromversorgung, Minus-Pol
3 Reaktor
30 Ableitung für Stickstoff
31 Ventil
32 Verbindungsleitung zum Nachreaktor für teilbehandeltes Rohwasser
4 Nachreaktor
40 Ableitung für Stickstoff
41 Ventil
42 Ableitung für aufbereitetes Wasser, Trinkwasser
5 Meß- und Regeleinrichtung
50 Signalleitung zur Steuerung des Stromstellers
51 Meßstrecke zur Nitrat-/Nitritmessung im Trinkwasser
52 Meßstrecke zur Nitrat-/Nitritmessung im Rohwasser
500 Stromsteller
510 Meßstelle zur Nitrat-/Nitritmessung im Trinkwasser
520 Meßstelle zur Nitrat-/Nitritmessung im Rohwasser
6 Tank für destilliertes Wasser
60 Ableitung für Sauerstoff
61 Ventil
7 Pumpe

Claims

1. Strömungsreaktor mit kapillaren Strömungskanälen zur Durchführung chemischer Prozesse in flüssiger und/oder gasförmiger Phase, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (10, 10a, 10b) im wesentlichen parallel und in Richtung der Hauptströmung (17) verlaufen.

2. Strömungsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (10, 10a, 10b) im Form kapillarer Spalten von einer Vielzahl aufeinandergestapelter folienartiger Elemente (1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1ee, 1f) begrenzt sind, wobei zum Fixieren der kapillaren Spalten (10, 10a, 10b) wenigstens jedes zweite folienartige Element (1, 1b, 1c, 1d, 1ee, 1f) Profilierungen (11, 15, 16) aufweist.

3. Strömungsreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierungen (11) eine quer zur Längsachse der folienartigen Elemente (1b, 1c) verlaufende Struktur aufweisen und insbesondere als Materialwellungen ausgebildet sind.

4. Strömungsreaktor nach wenigstens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein folienartiges Element - oder mehrere aufeinandergestapelte folienartige Elemente (1a, 1b) gleichzeitig - zu einer Spirale (14a) gewickelt sind, so daß die Spirale (14a) eine Vielzahl quer zur Spiralebene verlaufende kapillare Strömungskanäle (Spalten 10a) bildet.

5. Strömungsreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Profilierungen (15, 16) der folienartigen Elemente (1d, 1ee, 1f) auf nur einem kleinen Teil der Breite und entlang der Längsachse der folienartigen Elemente (1d, 1ee, 1f) erstrecken, so daß kapillare Strömungskanäle (10b) gebildet sind, die sich durchgehend über die gesamte Länge der Elemente (1d, 1ee, 1f) erstrecken.

6. Strömungsreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Profilierungen auf wenigstens einen Randbereich der folienartigen Elemente (1d, 1ee, 1f) beschränken und daß die Profilierungen vorzugsweise als Wellungen (15) oder Schränkungen (16) des Materials ausgebildet sind.

7. Strömungsreaktor nach wenigstens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die folienartigen Elemente (1, 1a, 1b) aus einem nach dem Schmelz- Spinn-Verfahren hergestellten amorphen (sogenannten glasmetallischen) Werkstoff bestehen.

8. Strömungsreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphen folienartigen Elemente (1, 1a, 1b) mit einem Katalysator und/oder Aktivator dotiert sind.

9. Strömungsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle Bestandteil eines feinstrukturierten Extrusionskörpers, zum Beispiel auf der Basis eines keramischen Werkstoffs, sind, dessen Oberfläche vorzugsweise eine glatte Struktur aufweist.

10. Strömungsreaktor nach wenigstens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser von mehreren entlang des Weges der Hauptströmung (17) angeordneten Packungseinheiten (14, 14a) mit im wesentlichen unidirektional ausgerichteten kapillaren Spalten (10, 10a) gebildet ist.

11. Anlage zur katalytischen Reduzierung von Nitrat und/oder Nitrit in mit Wasserstoff beladenem Wasser, bestehend im wesentlichen aus

- einer Quelle für gasförmigen Wasserstoff,
- einer Begasungseinrichtung zur möglichst homogenen Beladung des zu behandelnden Wassers mit Wasserstoff,
- einem Reaktor zur katalytischen Umsetzung von Nitrat und/oder Nitrit an einem Katalysatorträger mit kapillarer Struktur und
- einer Gasausschleusung am Kopf des Reaktors zur Abführung des bei der Reaktion gebildeten Stickstoffs sowie
- Mitteln zum Steuern und Regeln der Anlage, dadurch gekennzeichnet,

daß dem Reaktor (3) ein Nachreaktor (4) nachgeschaltet ist, wobei der Umsatz von Nitrat und/oder Nitrit zu Stickstoff und Wasser im (ersten) Reaktor (3) mindestens 30% des Soll- Umsatzes beträgt und im Nachreaktor (4) der Rest-Umsatz erfolgt, und daß zwischen dem Reaktor (3) und dem Nachreaktor (4) eine zusätzliche Gasausschleusung (30) zur Abführung des bis dahin gebildeten Stickstoffs vorgesehen ist und daß die Kapillarstruktur des Reaktors (3) und/oder des Nachreaktors (4) eine gerichtete Kapillarstruktur gemäß wenigstens eines der Patentansprüche 1 bis 10 aufweist, wobei der freie Querschnitt der Kapillarstruktur derart mit dem Wasserdurchsatz abgestimmt ist, daß in den kapillaren Spalten (10, 10a, 10b) wenigstens eine Fließgeschwindigkeit von 0,05 m/s herrscht.

12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsatz von Nitrat und/oder Nitrit zu Stickstoff und Wasser im (ersten) Reaktor vorzugsweise 50% bis 60% des Soll-Umsatzes beträgt.

13. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich im (ersten) Reaktor (3) Katalysatoren und Aktivatoren vorgesehen sind, während die Kapillarstruktur des Nachreaktors (4) ausschließlich Aktivatoren trägt.

14. Anlage nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gerichtete Kapillarstruktur des Nachreaktors (4) auf der Basis des Aktivatormaterials gebildet ist.

15. Anlage nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gerichtete Kapillarstruktur des Nachreaktors (4) auf der Basis eines Nichtmetalls, zum Beispiel Kunststoff oder Keramik, gebildet ist, worauf nachträglich das Aktivatormaterial abgeschieden wird.

16. Anlage nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschleunigung des Umsatzes der Haupt- und/oder Nachreaktor mit einer Energiequelle, insbesondere mit einer Quelle für Ultraschall, UV-Strahlung oder Wärme, verbunden ist.

17. Anlage zur katalytischen Reduzierung von Nitrat und/oder Nitrit in mit Wasserstoff beladenem Wasser, bestehend im wesentlichen aus

- einer Quelle für gasförmigen Wasserstoff,
- einer Begasungseinrichtung zur möglichst homogenen Beladung des zu behandelnden Wassers mit Wasserstoff,
- einem Reaktor zur katalytischen Umsetzung von Nitrat und/oder Nitrit an einem Katalysatorträger mit kapillarer Struktur und
- einer Gasausschleusung am Kopf des Reaktors zur Abführung des bei der Reaktion gebildeten Stickstoffs sowie
- Mitteln zum Steuern und Regeln der Anlage,

dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (3) mit einem Wasserelektrolyseur (2) in Verbindung steht, der zur Begasung des zu behandelnden Wassers mit Wasserstoff vorgesehen ist.

18. Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserelektrolyseur (2) vom SPE-Typ ist.

19. Anlage nach den Ansprüchen 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserelektrolyseur innerhalb des Gehäuses des Reaktors, vorzugsweise in seinem Fußbereich, angeordnet ist.

20. Anlage nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Kathodenseite des SPE-Wasserelektrolyseurs (2) an eine Kapillarstruktur mit unidirektionalen Kapillarspalten gemäß wenigstens eines der Patentansprüche 5 bis 8 angrenzt, so daß der gebildete Wasserstoff direkt in die Kapillarspalten abgegeben wird.

21. Anlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur des SPE-Wasserelektrolyseurs (2) Katalysatormaterial und Aktivatormaterial zur Umsetzung des im Wasser enthaltenen Nitrats und/oder Nitrits trägt.

22. Anlage nach Anspruch 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß der SPE- Wasserelektrolyseurs (2) derart dimensioniert ist, daß sein Anteil am Soll-Umsatz des im Wasser enthaltenen Nitrats und/oder Nitrits wenigstens 30% beträgt und daß sein Ausgang für vorbehandeltes Wasser mit einem Nachreaktor (4) in Verbindung steht, dessen Packung ausschließlich Aktivatormaterial, zum Beispiel Nickel oder Kupfer trägt.

23. Anlage nach Anspruch 21. dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserelektrolyseur (2) Mittel zur Ausschleusung des darin gebildeten Stickstoffgases aufweist.

24. Anlage nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß diese kombiniert mit den Merkmalen der Anlage gemäß Patentanspruch 11 verwendet wird.

25. Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit den Merkmalen wenigstens eines der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teilstrom des zu behandelnden Wassers zur Beladung mit Wasserstoff durch den Kathodenraum des SPE- Wasserelektrolyseurs (2) geleitet wird und daß die Leistung des SPE-Wasserelektrolyseurs (2) in Abhängigkeit vom Wasserdurchsatz der Gesamtanlage und der Eingangskonzentration von Nitrat/Nitrit gesteuert wird, so daß Wasserstoff in einem etwa stöchiometrischen Verhältnis zu dem umzusetzenden Nitrat/Nitrit an das durchströmende Wasser abgegeben wird.

26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Wasser direkt durch die kapillaren Spalten der an die Kathodenseite des SPE- Wasserelektrolyseurs (2) angrenzenden Kapillarstruktur geleitet wird, wobei die Fließgeschwindigkeit des Wassers in den kapillaren Spalten wenigstens 0,05 m/s beträgt.