DE19606633B4

DE19606633B4 - Einrichtung zur physikalischen Wasseraufbereitung

Info

Publication number: DE19606633B4
Application number: DE1996106633
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Walder; Klaus Dr. Leiter
Original assignee: Individual
Current assignee: Walder Gerhard Dr Zirl At Leiter Klaus Dr
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1996-02-22
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2016-02-23
Also published as: DE19606633A1; ATA18596A; AT402919B

Abstract

Einrichtung zur physikalischen Wasseraufbereitung mit einer Keimbildungsvorrichtung zur Bildung und/oder Bereitstellung von mindestens einer gelösten Komponente, insbesondere von Kalkkristallkeimen, für den Eintrag in eine Wasserinstallation, dadurch gekennzeichnet, daß der genannten Keimbildungsvorrichtung (2) ein Reaktortank (3) zur Verlängerung der mittleren Aufenthaltsdauer der gelösten Komponente, vorzugsweise der Kalkkristallkeime, vor Eintritt in die Wasserinstallation nachgeschaltet ist, wobei aus dem Reaktortank (3) behandeltes Wasser entnehmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur physikalischen Wasseraufbereitung mit einer Keimbildungsvorrichtung zur Bildung und/oder Bereitstellung von mindestens einer gelösten Komponente, insbesondere von Kalkkristallkeimen, für den Eintrag in eine Wasserinstallation.
In der chemischen Verfahrenstechnik ist das Ausfällen von gelösten Stoffen in Form eines unlöslichen Niederschlags eine häufig verwendete Methode. Die meisten Verfahren zielen darauf ab, das Löslichkeitsprodukt für eine bestimmte Phase kritisch zu überschreiten (übersättigen), denn nur dann erfolgt ein spontaner Niederschlag. Eine solche kritische Übersättigung ist ohne Zugabe geeigneter Substanzen meist nicht möglich.
In der Trinkwasseraufbereitung findet man Fällungstechniken bei der Enteisenung bzw. bei der Entmanganisierung aber auch für die Enthärtung des Wassers.
Eine großtechnische Methode der Wasserenthärtung ist das Ausfällen von Ca² ⁺-Ionen als CaCO₃, indem man kalkhaltigem Wasser Kalkmilch (CaOH) zusetzt. Die Kalkmilch bewirkt zweierlei: Einmal wird die Ca²⁺-Ionenkonzentration erhöht; zum anderen erhöht sich dramatisch der pH-Wert. Bei hohen pH-Werten verschiebt sich das Verhältnis der im Wasser gelösten Carbonatspezies HCO₃ ^– bzw. CO₃ ^2– zugunsten von CO₃ ^2– (siehe 1, welche die Anteile der Kohlensäureformen CO₂, HCO₃ ^–, CO₃ ^2– an der Gesamtsumme Ct = [CO₂] + [HCO₃ ^–] + [CO₃ ^2–] zeigt). Das für die Löslichkeit von Kalk relevante Löslichkeitsprodukt L = Ca²⁺ × CO₃ ^2– erhöht sich dramatisch (hochgradige Übersättigung) und es kommt zur (spontanen) homogenen Keimbildung und in der Folge zum raschen Wachstum dieser Keime. Die Ca²⁺-Ionen fallen als CaCO₃ aus.
Im Bereich mäßiger Übersättigung bezüglich Kalk ist das Wasser metastabil, dh obwohl das Löslichkeitsprodukt überschritten ist, fällt kein Kalk aus. Die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Kalkristallkeimen ist zu klein. Gibt man in diese Lösungen homogene oder heterogene Keime (Kalkpulver, Al₂O₃-Pulver), so bemerkt man eine allmähliche Abnahme der Übersättigung – die überschüssigen Ionen fallen an den hineingegebenen Kristallkeimen ("Saat") aus. Die Geschwindigkeit des Abbaus der Übersättigung ist abhängig von der Zahl der hineingegebenen Kristalle, vom Grad der Übersättigung (Überschreitung des Löslichkeitsprodukts), dem Stofftransport an die Oberflächen der Saat (Diffusion, Rühren) und der Temperatur des Wassers. In der Wasseraufbereitung bezeichnet man diese Füllungstechnik als "seeding".
In der PCT/AT/95/00067 (WO 95/26931) ist eine Vorrichtung zur Keim- oder Kristallbildung an einer Oberfläche eines mit einer Lösung in Berührung stehenden Dielektrikums gezeigt. Dabei wird eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes im Dielektrikum verwendet.
Die EP 0 568 159 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Entkalken von Wasser mit einem Reaktor, einem Bett aus körnigem Material, das durch einen Wasserfluss fluidisiert wird, Fällmittel zum Ausfällen von Calcium (CaCO₃) an dem körnigen Material und Begrenzungsmittel zum Halten des Sättigungsindexes (SI) des Calciums unter einem vorbestimmten Wert.
Die EP 0 434 484 B1 zeigt einen Reaktor zur Wasserenthärtung, bei dem im unteren Teil eingespritztes Wasser durch ein alkalisches Mittel im Innern eines feinkörnigen Materials behandelt wird, das als Kristallisationskeim für die Bildung von Calciumkarbonkugeln dient.
Physikalische Wasseraufbereitungsverfahren arbeiten damit, daß sie durch die Wirkung mechanischer, elektrischer oder magnetischer Kräfte lokal das Löslichkeitsprodukt von Kalk stark überschreiten und homogene oder heterogene Keimbildung auslösen. Die gebildeten Kalkkristallkeime gelangen in den Wasserstrom und werden in der Hauswasserinstallation verteilt. Das Wachstum dieser Kristallkeime erfolgt in Konkurrenz zur Ablagerung von Kalk an Rohr- bzw. Boilerwänden.
Die Wachstumsgeschwindigkeit der Kristallkeime und deren Anzahl stellt für letztere Behandlungsverfahren einen limitierenden Leistungsparameter dar. In bestimmten Anwendungsfällen kann es vorkommen, daß die Zahl und die Wachstumsgeschwindigkeit der Kristallkeime im Boiler nicht ausreicht, um eine gleichzeitige Ablagerung an Fremdoberflächen wirkungsvoll zu verhindern.
Um dieses Problem zu lösen, sieht die Erfindung eine Einrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 vor.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von physikalischen Wasserbehandlungsanlagen Vorkehrungen bedarf, die folgendes bewirken:

– Erhöhung der Zahl der gebildeten Kalkkristallkeime und/oder
Reduzierung des Kalkabscheidepotentials (teilentkarbonisieren)

Die Zahl der Kalkkristallkeime läßt sich dadurch erhöhen, indem man das Wasser mehrmals "behandelt", dh öfters durch ein Wasserbehandlungsgerät hindurch schickt. Dies geschieht am einfachsten in einem Kreislauf.
Eine Entkarbonisierung erreicht man, wenn man den Kristallkeimen genügend Zeit zu ihrem Wachstum gibt; dies läßt sich im einfachsten Falle bewerkstelligen, indem man die mittlere Aufenthaltsdauer der Kristallkeime vor Eintritt in die eigentliche Wasserinstallation verlängert. Im einfachsten Fall geschieht dies durch das Hineinschalten eines Puffertankes (Reaktortank).
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert:
Die 1 zeigt die Anteile der Kohlesäureformen CO₂, HCO₃ ^–, CO₃ ^2– in Abhängigkeit vom pH-Wert.
Die 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung in einer schematischen Darstellung.
Die 3 bis 6 zeigen weitere Ausführungsbeispiele.
Die 4a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum Entfernen von Kohlendioxid, wie sie in den 4, 5 und 6 zum Einsatz kommt.
Die 4b zeigt die Anordnung eines Schnüffelventiles, wie es ebenfalls in den 4, 5 und 6 zur Anwendung kommt.
In 2 ist mit 1 der Wasserzulauf mit einem Einlaßventil bezeichnet. Aus dem Reaktortank 3 führt eine Umwälzleitung 6 über eine Umwälzpumpe 5 wieder in den Reaktortank zurück. In dieser Umwälzleitung 6 ist eine Keimbildungsvorrichtung 2 zur Auslösung der Kristallkeimbildung der gelösten Komponenten angeordnet. Ein Beispiel für eine derartige Einrichtung ist in der internationalen Anmeldung PCT/AT95/00067 (WO 95/26931) beschrieben. Reaktortanks zur Entkalkung von Wasser sind an sich zum Beispiel aus der EP 0 434 484 A1 und der EP 0 568 159 A1 bekannt.
Im Reaktortank 3 erfolgt das Weiterwachsen der in der Keimbildungsvorrichtung 2 gebildeten Kristallkeime. Man könnte daher den Reaktortank auch als Reifetank bezeichnen. Über die Größe des Tanks wird die mittlere Aufenthaltsdauer der Kristallkeime im Reaktortank definiert; diese bestimmt wiederum die mittlere Größe der aus Kristallkeimen heranwachsenden Kristalle und damit letztlich das Ausmaß der gewünschten Entkarbonisierung. Über die Auslaßleitung 4 kann das Wasser in die Hausinstallation übernommen werden.
Das Entlüftungsventil 7 dient zum Entlüften des Reaktortanks 3 bei der ersten Befüllung und zur Entlüftung für den Fall, daß sich bei den Füllungsprozessen größere Gasmengen, insbesondere Kohlendioxid (CO₂) entwickeln. über die Abschlammleitung und das Abschlammventil 8 können ausgefüllte Stoffe von Zeit zu Zeit aus dem Reaktortank entfernt werden. Zusätzlich ist noch eine Reinigungs- und Wartungsöffnung, die mit einem Deckel 9 verschließbar ist, vorgesehen.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein Bodensatz als Filter und/oder zum heterogenen Aufwachsen von Kalk vorgesehen. Der Filter wird von unten nach oben durchströmt, wenn die Umwälzpumpe 5 läuft.
Ein Bodensatz, beispielsweise bestehend aus Quarzsand mittlerer Körnung (0,5 mm bis 5 mm), verlängert die mittlere Aufenthaltsdauer der Kristallkeime im Reaktortank 3 und verbessert damit die Füllungseffizienz (je größer die Kristallkeime wachsen, umso länger brauchen diese für die Durchquerung des Sedimentationsfilters; ab einer bestimmten Größe bleiben die Kristalle überhaupt im Filter hängen). Ein Bodensatz aus Kalkpulver verstärkt die Entkarbonisierung, da zusätzliche Kristallwachstumszentren vorhanden sind.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform weist der Deckel des Reaktortanks 3 eine spezielle Ausgestaltung (beispielsweise konkave Form) auf, um aus dem Wasser austretendes Gas sammeln zu können. über einen Niveausensor 11 kann oberhalb des Wasserspiegels eine definierte Gasblase aufrecht erhalten werden.
Am Ende der Umwälzleitung 6 ist bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß 4 eine Einrichtung 12 zum Entfernen von Kohlendioxid (CO₂) aus dem Wasser angeordnet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Einrichtung 12 zum Entfernen von Kohlendioxid eine Wasserstrahlpumpe 15 auf, der eine Verrieselungskaskade 18, 19 nachgeschaltet ist, wie dies in 4a dargestellt ist. Die Wasserstrahlpumpe 15 kann beispielsweise so ausgebildet sein, wie es in dem Buch "Technische Strömungslehre" von Willi Bohl, Vogelverlag (9. Auflage, 1991) auf Seite 88 in 5 dargestellt ist. Die Wasserstrahlpumpe 15 weist eine Düse 16 auf, durch die gemäß dem Pfeil 20 einströmendes Wasser geführt ist. Gemäß dem Pfeil 21 wird Luft bzw. Gas eingesaugt und es entsteht ein Wasser-Gas-Gemisch; im Wasser gelöstes CO₂ diffundiert in die Gasbläschen. Durch den Aufprall auf die Verrieselungskaskade mit der Lochblende 18 und der Prallplatte 19 wird die Oberfläche des Wasserstrahls stark vergrößert und das zuvor angesaugte Gas (Luft) entweicht mit dem CO₂ aus dem Wasser. Es wird also dem umgewälzten Wasser laufend Kohlensäure entzogen. Die unmittelbare Folge des Absinkens des CO₂-Partialdruckes im Wasser ist, daß der pH-Wert und damit die Übersättigung im Wasser ansteigt. Damit wird die Kristallkeimbildung und das Wachstum der Kalkkristallkeime beschleunigt. Die ständige Entgasung des Wassers im Kreislauf ist deshalb sinnvoll, da beim Kalkwachstum ständig Kohlensäure als Reaktionsprodukt anfällt.
Das gebildete Kohlendioxid kann grundsätzlich über das Entlüftungsventil 7 in die Umgebung abgelassen werden. Es scheint jedoch günstiger, das Kohlendioxid in das Ablaufwasser aus der Luftblase oberhalb des Wasserspiegels in das Ablaufwasser einzubringen. Dazu dient die Einrichtung 13 in der Ablaufleitung 4, welche ein Schnüffelventil 22 aufweist. Das Einbringen von CO₂ in das Ablaufwasser senkt dessen pH-Wert. Damit wird neben der Entkarbonisierung eine zusätzliche Senkung der Übersättigung des entnommenen Wassers erreicht.
Bei dem in 5 dargestellten einfacheren Ausführungsbeispiel kommt man ohne Keimbildungsvorrichtung aus. Es wird lediglich eine Entkarbonisierung im laufenden Endkreislauf erreicht.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist im wesentlichen eine Kombination der Ausführungsbeispiele gemäß 3 und 4. Damit der Bodensatz 10 von unten nach oben mit Wasser durchströmt werden kann, wird der Wasserstrom nach der Umwälzpumpe entsprechend aufgeteilt, wobei die Aufteilung über eine Regelventil 14 einstellbar ist.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß 4, 5 und 6 wird die Höhe des Wasserspiegels bzw. die Größe der darüberliegenden Gasblase geregelt. Dies ist sowohl im drucklosen Betrieb mit freiem Auslauf als auch unter dem Wasserdruck der Hausinstallation stehendem Betrieb möglich. Beim drucklosen Betrieb ist im Wasserzulauf ein steuerbares Ventil angeordnet. Die Wasserentnahme erfolgt über eine (selbstansaugende) Pumpe.
Beim Erstbefüllen des Tanks steuert der Niveauregler 11 über das Einlaßventil 1 die Geräte der Gasblase.
Während der Stagnationsphasen wird über die Pumpe 5 Wasser im Kreislauf gepumpt. Das aus der Keimbildungseinheit strömende Wasser trifft mit hoher Geschwindigkeit auf die Verrieselungskaskade und die im Wasser gelösten Gase, insbesondere CO₂, entweichen in die Gasblase. Dadurch kommt es zu deren Vergrößerung. In diesem Falle muß der Niveauregler das Entlüftungsventil steuern, sodaß ein bestimmtes Volumen der Gasblase nicht überschritten wird.
Während der Wasserentnahme über die selbstansaugende Pumpe saugt die in der Entnahmeleitung installierte Strahlpumpe aus der Luftblase Gase, insbesondere CO₂, aus der Gasblase in den Wasserstrom. Da der Diffusor direkt im Auslaufstutzen endet und keine Entspannung des Wassers erfolgt, können die Gasbläschen nicht aus dem Wasser entweichen. Das in den Luftbläschen enthaltene CO₂ diffundiert in das Wasser und wird dort physikalisch gelöst. Dies führt zu einer vorteilhaften Erniedrigung des pH-Wertes.
Beim Betrieb unter Druck der Hauswasserleitung sind beim Befüllen des leeren Behälters zunächst alle Ventile im Auslaufbereich sowie Abschlamm- und Entlüftungsventil geschlossen.
Die Luft im Tank wird unter dem Hauswasserdruck komprimiert (zB bei einem 30-l-Behälter und einen Hauswasserdruck erfolgt eine Kompression auf 6 l entsprechend p1V1 = p2V2).
Während der Stagnationsphase wird der Tankinhalt im Kreislauf gepumpt. CO₂, welches durch den Aufprall auf der Verrieselungskaskade bzw. durch die Keimbildung und Wachstum von Kalkkristallen entsteht, entweicht in die Gasblase und vergrößert deren Volumen. Der Niveauregler steuert das Entlüftungsventil, sodaß eine konstante Größe der Gasblase sichergestellt werden kann.
Bei der Wasserentnahme wird die Gasblase und damit insbesondere CO₂ über die in der Entnahmeleitung installierte Strahlpumpe in den abfließenden Wasserstrom entleert. Es ist von Vorteil, durch eine Steuerung des Schnüffelventils über einen Niveauregler eine minimale Gasblase im Tank aufrecht zu erhalten.
Der Niveauregler ist also mit 2 Schaltpunkten ausgeführt, wobei der untere Schaltpunkt über das Schnüffelventil das Minimum der Gasblase regelt und der obere Schaltpunkt über das Entlüftungsventil das Maximum der Gasblase. Der Abstand der beiden Schaltpunkte ist frei wählbar und der Größe des Tanks sowie den Betriebsbedingungen und Wassereigenschaften anzupassen.

Claims

Einrichtung zur physikalischen Wasseraufbereitung mit einer Keimbildungsvorrichtung zur Bildung und/oder Bereitstellung von mindestens einer gelösten Komponente, insbesondere von Kalkkristallkeimen, für den Eintrag in eine Wasserinstallation, dadurch gekennzeichnet, daß der genannten Keimbildungsvorrichtung (2) ein Reaktortank (3) zur Verlängerung der mittleren Aufenthaltsdauer der gelösten Komponente, vorzugsweise der Kalkkristallkeime, vor Eintritt in die Wasserinstallation nachgeschaltet ist, wobei aus dem Reaktortank (3) behandeltes Wasser entnehmbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ständig oder intermittierend arbeitende Umwälzpumpe (5), die aus dem Reaktortank (3) Wasser über die Keimbildungsvorrichtung (2) zurück in den Reaktortank (3) pumpt.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserzulauf (1) in den Reaktortank (3) mündet.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktortank (3) eine vorzugsweise mit einem Deckel (9) verschließbare Reinigungsöffnung aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktortank (3) oben einen vorzugsweise konkav gekrümmten Gassammelabschnitt aufweist, der eine verschließbare Entlüftungseinrichtung (7) aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktortank (3) unten eine verschließbare Abschlammeinrichtung (8) aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktortank (3) ein vom Wasser durchströmter Bodensatz (10) als Filter und/oder zum heterogenen Aufwachsen von Kalk eingebracht ist.
Einrichtung nach Anspruch 2 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Umwälzpumpe (5) und die Keimbildungsvorrichtung führende Umwälzleitung (6) im Bereich des Bodensatzes (10) in den Reaktortank (3) mündet, so daß der Bodensatz (10) von unten nach oben durchströmt wird.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodensatz (10) Quarzsand, vorzugsweise mit einer Körnung von 0,5 mm bis 5 mm, aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodensatz (10) Kalkpulver aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Fassungsvermögen von 25 Liter bis 100 Liter aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Keimbildungsvorrichtung (2) ein mit dem Wasser in Berührung stehendes Dielektrikum aufweist und daß eine Einrichtung (12) zum Erzeugen eines elektrischen, vorzugsweise elektrostatischen Feldes im Bereich der Oberfläche des Dielektrikums vorgesehen ist.
Einrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende einer in den Reaktortank (3) führenden Zulaufleitung (1) und/oder am Ende einer vom Reaktortank heraus und in diesen wieder zurückführenden Umwälzleitung (6) eine Einrichtung (12) zum Entfernen von Kohlendioxid aus dem strömenden Wasser angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (12) zum Entfernen von Kohlendioxid oberhalb des Wasserspiegels im Reaktortank (3) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (12) zum Entfernen von Kohlendioxid (CO₂) eine gasansaugende Wasserstrahlpumpe oder eine Düse umfaßt.
Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstrahlpumpe (15) eine vorzugsweise eine Prallplatte (19) aufweisende Verrieselungskaskade (18, 19) nachgeschaltet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 gekennzeichnet durch eine mindestens einen Niveausensor (11) aufweisende Nivelliereinrichtung zur Aufrechterhaltung eines definierten Wasserspiegels unterhalb einer Gasblase im Reaktortank.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß in der aus dem Reaktortank (3) führende Ablaufleitung (4) ein Schnüffelventil (13) zum Ansaugen von Gas, insbesondere CO₂ aus einer oberhalb des Wasserspiegels liegenden Gasblase in das ausströmende Wasser angeordnet ist.