DE19722920A1

DE19722920A1 - Apparatur zur photolytischen Behandlung von fluiden Medien

Info

Publication number: DE19722920A1
Application number: DE1997122920
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl Chem Schmidt; Guenter Dr Rer Nat Kreisel
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 1997-05-31
Filing date: 1997-05-31
Publication date: 1998-12-03

Description

Die Erfindung betrifft eine Apparatur zur photolytischen Behandlung von fluiden Medien, insbesondere zum Abbau von ein- oder mehrfach halogenierten, aromatischen Kohlenwasserstoffen mit Hilfe von UV- Strahlung, Oxidationsmitteln und Photokatalysatoren. Die Apparatur, mit der beispielsweise Abwässer aus den Bereichen Brauch- und Grundwasser gereinigt werden können, besteht im wesentlichen aus einem Dünnfilm-UV- Reaktor mit einer in dessen Innern senkrecht angeordneten UV- Strahlungsquelle.

Photochemische Reaktionen, vor allem bei Synthesen spezieller organischer Substanzen, sind hinlänglich bekannt. In gleichem Maße wird davon Gebrauch gemacht, daß UV-Strahlung geeignet ist, unterschiedliche organische Substanzen in flüssigen Strömen abzubauen. So werden beispielsweise kontaminierte Grundwasser und vorgereinigte kommunale Abwässer durch UV-Behandlung von organischen Schadstoffen gereinigt. Hierzu wurden bereits mehrere Verfahren zur photolytischen Reinigung kontaminierter Wässer unter Verwendung der Rieselfilm-/Fallfilmtechnik vorgeschlagen [z. B. DE 43 31 071 A1 oder Young- Ju Kim, Erwin Thomanetz in Wasser-Abwasser, 136 (1995) S. 152 ff.].

Herkömmliche Vorrichtungen zur Durchführung photochemischer Reaktionen sind in unterschiedlichen Varianten bekannt. Grundsätzlich lassen sich zwei Wirkprinzipien unterscheiden:

Zum einen sind Vorrichtungen (z. B. Tauchreaktoren, wie in DE 195 17 039 A1, Labor-UV-Reaktorsystem Fa. Heraeus Noblelight) bekannt, bei denen die Strahlungsquelle und die zu reinigende Substanz im unmittelbaren Kontakt miteinander stehen.

Zum anderen werden Vorrichtungen ohne direkten Kontakt zwischen Strahlungsquelle und Substanz (z. B. Fallfilm-/Rieselfilmreaktoren, wie in DE 40 05 488 A1 oder DE 92 03 187 U1) unterschieden.

Ein generelles Problem der ersten Gruppe besteht darin, daß die Verfügbarkeit der Lichtquanten im Reaktionsmedium durch den Einfluß der Absorption, beschrieben durch das Lambert-Beer'sche Gesetz, eingeschränkt ist und daher in starkem Maße von den Eigenschaften der Strahlungsquellen und dem entsprechenden Extinktionskoeffizienten des Reaktionsgemisches abhängt. Große Extinktionskoeffizienten und hohe Konzentrationen lassen das UV-Licht nur relativ kurze Wegstrecken im Medium eindringen und bewirken dadurch eine uneffektive Ausnutzung der Lichtquanten durch Absorption.

Vorrichtungen nach dem Prinzip der Fallfilm-/Rieselfilmreaktoren besitzen aufgrund der geringeren Filmdicke des zu bestrahlenden Mediums und der damit verbundenen kürzeren Wegstrecken im Medium eine erheblich höhere Effizienz.

Es ist eine spezielle Vorrichtung (DE 43 31 071 A1) zur Durchführung photochemischer Reaktionen bekannt. Das Aufbringen der Flüssigkeit erfolgt über ein rotierendes Becken. Die Ausbildung des Flüssigkeitsfilmes erfolgt durch Abtraufen an der Reaktorinnenwand und wird durch senkrecht angeordnete Abstreifer unterstützt. Bedingt durch die Konstruktion können ausschließlich Lösungen behandelt werden. Lösungen mit Feststoffpartikeln versetzen die Verteilerkonstruktion. Ebenfalls können keine viskosen Medien in den Reaktor eingebracht werden. Hinsichtlich der Reaktionsfläche und der Strahlungsintensität kann nicht flexibel und problembezogen gearbeitet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine Vielzahl photolytischer Behandlungen fluider Medien möglichst flexibel, anwendungsspezifisch, effizient und universell durchgeführt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Apparatur gelöst, bei welcher der an sich bekannte senkrecht stehende Zylinder als Reaktorraum, eine obere und eine untere Fassung des Zylinders, der ebenfalls an sich bekannte Verteiler für das zu behandelnde fluide Medium sowie mindestens eine Strahlungsquelle als jeweils austauschbare Module zusammengesetzt sind.

Die Unteransprüche 2-4 beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung.

Durch den Modulaufbau der Apparatur kann diese an beliebige Behandlungsaufgaben von fluiden Medien, auch von Suspensionen, angepaßt werden. So kann beispielsweise der Reaktorraum durch einen speziell für die Arbeitsaufgabe vorgesehenen Zylinder entsprechender Größe (Länge und Durchmesser) sowie Innenbeschichtung (z. B. Photokatalysatoren) und ggf. mit einem Doppelmantel zur Temperierung des Reaktionsraumes realisiert werden.

Gleichermaßen können die obere und untere Fassung für den Zylinder bezüglich des Zu- und Ablaufes, des Verteilereinsatzes sowie hinsichtlich der Anschlüsse für eine Be- oder Entgasung oder des Einsatzes des bzw. der Strahlungsquellen je nach Arbeitsaufgabe gewählt werden. Für den Verteiler sind insbesondere der Flüssigkeitsdurchsatz und die Winkelgeschwindigkeit relevant, um je nach Beschaffenheit des zu behandelnden fluiden Mediums einen gleichmäßig dünnen und durch die Schwerkraft abtraufenden Film an der Innenwand des Reaktionsraumes zu gewährleisten.

Der Zulauf des fluiden Mediums wird zweckmäßigerweise unmittelbar über den Verteiler realisiert. Es wäre jedoch denkbar, für bestimmte Arbeitsaufgaben Fassungen einzusetzen, die einen oder mehrere Zuläufe getrennt von der Aufnahme für den Verteiler aufweisen.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, Flüssigkeiten über mit dem Verteiler rotierende Wischerrollen abzustreifen. Wenngleich eine solche Vorrichtung nicht für jede Anwendung zweckmäßig erscheint, kann die Apparatur selbst auf ein derartiges Verteiler- und Abstreifsystem in kürzester Zeit umgerüstet werden.

Um ein schnelles und ökonomisches Zusammensetzen und Austauschen der Module zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, die obere und untere Fassung mit dem dazwischen angeordneten Zylinder mittels einer gut und praktikabel (ggf. auch vor Ort) handhabbaren form- und kraftschlüssigen Verbindung, z. B. leicht lösbare Spannschrauben, zusammenzuhalten.

Eine Erhöhung der Effizienz der Apparatur kann zum einen durch ein scale up und zum anderen durch eine Aneinanderreihung mehrerer Apparaturen erreicht werden.

Mit der Erfindung kann die Apparatur, die in der Regel für eine festgelegte Aufgabe konzipiert ist, an die gegebenen Anwendungsbedingungen einer Vielzahl photolytischer Reaktionsarten angepaßt und jeder Zeit verändert werden. Der technische und wirtschaftliche Aufwand hierfür ist gering, abgesehen davon, daß auch einzelne Module ersetzt oder nachgerüstet werden können, was nicht zuletzt auch für den Einsatz der Vorrichtung sowie für Wartungs- und Reparaturzwecke interessant ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Modulsystem zur photolytischen Behandlung wäßriger Flüssigkeiten;

Fig. 2 Modulsystem zur photolytischen Behandlung von Suspensionen.

Ausführungsbeispiel 1

Eine wäßrige Lösung von halogenierten aromatischen Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise 2-Flourphenol, mit der Konzentration c₀ = 10^-3 mol/l wird bei Raumtemperatur in einer Apparatur gemäß Fig. 1 behandelt.

Die Apparatur besteht aus einem senkrecht angeordneten Zylinder 1 aus Glas (∅ 100 mm, l = 300 mm), der durch eine obere Fassung 2 und eine untere Fassung 3 gehalten wird. Der Zylinder 1 sowie die Fassungen 2 und 3 sind über Spannschrauben 4 form- und kraftschlüssig miteinander verbunden. Die obere Fassung 2 besitzt eine Aufnahme 5 für einen rotierenden Verteiler 6 über den die durch einen Zulauf 7 (∅ 8 mm) in den Verteiler 6 gelangende wäßrige Lösung durch Fliehkraftwirkung auf eine Innenwandung 8 des Zylinders 1 gelangt und dort durch Schwerkraftwirkung abtrauft. Der rotierende Verteiler 6 (∅ 95 mm) ist durch eine Verschraubung 9 befestigt. Die untere Fassung 3 weist eine Aufnahme 10 (Strahlersockel N 29) für einen Hg-Strahler (∅ = 254 mn, 1 = 190 mm, I₀ = 15 W) als Strahlungsquelle 11 auf, die in einen Reaktorraum 12 im Innern des Zylinders I hineinragt und dort die an der Innenwandung 8 abtraufende wäßrige Lösung mit UV-Licht bestrahlt. Die so behandelte wäßrige Lösung fließt über einen Ablauf 13 (∅ 8 mm) in der unteren Fassung 3 ab. Sowohl die obere Fassung 2 als auch die untere Fassung 3 besitzen jeweils einen Be- und Entgasungszugang 14 bzw. 15.

Zur Überprüfung des Reaktionsverlaufes werden jede zehn Minuten Proben zur Analyse (HPLC, Fluorid-Bestimmung) entnommen. Nach der Behandlung läßt sich kein Edukt mehr nachweisen.

Ausführungsbeispiel 2

Eine Abwasserprobe mit Schwebstoffen und Verunreinigungen durch Mineralölkraftstoffe (c ≦ 100 mg/l), wird bei Raumtemperatur in einer Apparatur gemäß Fig. 2 behandelt.

Die Apparatur ist wie im Ausführungsbeispiel 1 aus dem senkrecht stehenden Zylinder 1 sowie der oberen und unteren Fassung 2 und 3 aufgebaut, die durch die Spannschrauben 4 zusammengehalten werden. Da es sich bei dem zu behandelnden fluiden Medium nicht um eine wäßrige Lösung, sondern um eine Suspension handelt, sind der Durchsatz des Zulaufes 7 (∅ 10 mm) in der oberen Fassung 2 sowie des Ablaufes 13 (ebenfalls ∅ 10 mm) in der unteren Fassung 3 vergrößert. Konstruktiver Unterschiede zu Fig. 1 ergeben sich auch aus den Abmaßen des Zylinders 1 (Reaktionsrohr aus Glas mit ∅ 100 mm und 1 = 600 mm) sowie aus dem Verteiler 6, der zur Vermeidung des Zusetzens von Durchströmlöchern (vgl. Fig. 1) durch die Schwebstoffe und Verunreinigungen der Suspension als offener Verteilerteller (∅ 95 mm) realisiert ist. Desweiteren besitzt die untere Fassung 3 nicht nur einen, sondern zwei Strahlersockel N 29 als Aufnahmen 10 für zwei Strahlungsquellen 11 (Hg-Strahler mit λ = 254 nm, l = 550 mm und I₀ = 40 W). Zwischen den Aufnahmen 10 befindet sich der Ablauf 13 für die behandelte Suspension. In der Apparatur nach Fig. 2 befindet sich nur in der oberen Fassung 2 der Be- und Entgasungszugang 14.

Die vorgenannten und zum ersten Ausführungsbeispiel unterschiedlichen Module (Zylinder 1, untere Fassung 3 mit den Aufnahmen 10 und den Strahlungsquellen 11 sowie Verteiler 6) sind zur Apparatur in Fig. 1 ausgetauscht. Zu diesem Zweck werden die Spannschrauben 4 gelöst und die Apparatur den neuen Behandlungserfordernissen entsprechend mit den ausgewechselten Modulen wieder zusammengesetzt.

Zur Überprüfung des Reaktionsverlaufes werden jede zehn Minuten Proben zur Analyse DIN 38 409 Teil 18 entnommen. Nach der Behandlung läßt sich kein Edukt mehr nachweisen.

Es ist prinzipiell denkbar (in der Zeichnung nicht dargestellt), den Zulauf 7 in der oberen Fassung 2 unmittelbar über die Aufnahme 5 für den Verteiler 6 zu realisieren. In diesem Fall würde eine entsprechend gestaltete obere Fassung 2 in die Apparatur eingesetzt.

Jede Strahlungsquelle 11 besteht aus einem UV-durchlässigen Schutzrohr, in dem sich je ein Hg-Strahler befindet (in der Zeichnung nicht explizit dargestellt).

Bezugszeichenliste

1

Zylinder

2

obere Fassung

3

untere Fassung

4

Spannschraube

5

Aufnahme für Verteiler

6

Verteiler

7

Zulauf

8

Innenwandung des Zylinders

9

Verschraubung

10

Aufnahme für Strahlungsquelle

11

Strahlungsquelle

12

Reaktorraum

13

Ablauf

14

Be- und Entgasungszugang in der oberen Fassung

15

Be- und Entgasungszugang in der unteren Fassung

Claims

1. Apparatur zur photolytischen Behandlung von fluiden Medien, insbesondere zum Abbau von halogenierten, aromatischen Kohlenwasserstoffen mit Hilfe von UV-Strahlung, Oxidationsmitteln und Photokatalysatoren, bestehend aus einem senkrechten Zylinder als Reaktorraum, in dessen Innern mindestens eine Strahlungsquelle zur Bestrahlung der über einen rotierenden Verteiler an die Innenwandung des Zylinders aufgebrachten und an dieser abtraufenden fluiden Mediums angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Zylinder (1),
- eine obere Fassung (2) des Zylinders (1), enthaltend eine Aufnahme (5) für den Verteiler (6), mindestens einen Zulauf (7) für das zu behandelnde fluide Medium und enthaltend mindestens einen Zugang (14) zur Be- und Entgasung des Reaktorraumes (12),
- der Verteiler (6),
- eine untere Fassung (3) des Zylinders (1), enthaltend eine Aufnahme (10) für mindestens eine Strahlungsquelle (11), mindestens einen Ablauf (13) der behandelten fluiden Medien und enthaltend vorzugsweise mindestens einen Zugang (15) zur Be- und Entgasung des Reaktorraumes (12), sowie
- mindestens eine Strahlungsquelle (11) als jeweils austauschbare Module zusammengesetzt sind.

2. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (1) sowie dessen obere und untere Fassung (2, 3) durch Spannschrauben (4) form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

3. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der oberen Fassung (2) der Zulauf (7) des zu behandelnden fluiden Mediums in den Verteiler (6) unmittelbar über dessen Aufnahme (5) erfolgt.

4. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Strahlungsquelle (11) aus einem UV-durchlässigen Schutzrohr besteht, in dem sich mindestens ein Strahler befindet.