DE19844329B4 - Process for the treatment of microorganisms and pollutants - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Behandlung von mit Mikroorganismen und Schadstoffen belasteten Flüssigkeiten, bei dem die Flüssigkeit zur elektrokatalytischen Behandlung in einem Gefäß, dessen Gefäßwand eine elektrische Katode bildet, als Elektrolyt der anodischen Wirkung von elektrisch leitfähigem, unterstöchiometrischem Titanoxid ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit zum Zweck einer langzeitlichen reinigenden und entkeimenden Wirkung auf die zu behandelnde Flüssigkeit eine Anode aus kompakter und elektrisch leitfähiger, unterstöchiometrischer Titanoxidkeramik im Gefäß um- oder durchströmt und dass die Flüssigkeit gleichzeitig durch geeignete Mittel filtriert wird.Process for the treatment of microorganisms and pollutants in which the liquid for electrocatalytic treatment in a vessel whose vessel wall forms an electrical cathode is exposed as the electrolyte to the anodic action of electrically conductive, substoichiometric titanium oxide, characterized in that the liquid for Purpose of a long-term cleansing and sterilizing effect on the liquid to be treated an anode of compact and electrically conductive, substoichiometric titanium oxide ceramic in the vessel flows around or through and that the liquid is simultaneously filtered by suitable means.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von mit Mikroorganismen und Schadstoffen belasteten Flüssigkeiten und wird angewendet zur Reinigung und biologischen Entkeimung dieser Wässer.The The invention relates to a method for the treatment of microorganisms and pollutants contaminated liquids and is used for cleaning and biological sterilization of these Waters.
Es
gibt bereits eine Reihe von Veröffentlichungen,
welche die desinfizierende und entkeimende Wirkung der Elektrolyse
beschreiben (beispielsweise
Ein
in der Elektrolyse häufig
verwendetes Metall ist Titan, welches aufgrund seiner Affinität zu Sauerstoff
in der Umgebungsatmosphäre
immer eine dünne
passivierende Schicht von Titanoxid aufweist. Titandioxid als Keramik
oder keramische Schicht wird in vielen chemischen Prozessen als
Katalysator verwendet. So schreiben die meisten der oben angeführten Schutzrechtsveröffentlichungen
auch in dieser Anwendung dem Titandioxid eine katalytische Wirkung
zu, die durch Zugabe verschiedener Elemente noch gesteigert werden
soll. So werden insbesondere die Zugabe von Rutheniumdioxid (RuO2) empfohlen (
Alle
diese Verfahren beruhen jedoch darauf, dass auf dem Metall Titan
eine Schicht aufgebracht wird, die Titandioxid enthält. Lediglich
in der Veröffentlichung
Auch
bei der Schutzrechtsveröffentlichung
Die
besagten Schichten bringen jedoch hinsichtlich der Haftung auf einem
Substrat erhebliche Probleme mit sich. Wird die Schicht beispielsweise durch
mechanische Belastung beschädigt,
was bei der Anwendung relativ schnell passieren kann, kommt das
Substrat selbst mit der zu behandelnden Flüssigkeit in Kontakt, und wird
von dieser, ggf. sogar bis zur Auflösung, angegriffen. Bei den
Technologien zur Aufbringung der Schichten, Flamm- oder Plasmaspritzen
(
Zusammenfassend ist zu sagen, dass die desinfizierende Wirkung, die Flockung und die Beeinflussung der Kalkabscheidung der elektrokatalytischen Wirkung des Titanoxids zugeschrieben wird. Die aufgeführten Publikationen unterscheiden sich vom Grundsatz lediglich darin, wie ein Zellaufbau mit einer Titandioxid enthaltende Schicht als Anode mit elektrischem Strom versorgt werden kann.In summary is to say that the disinfecting effect, the flocculation and the influence of lime deposition of the electrocatalytic effect attributed to the titanium oxide. The listed publications differ the principle only in how a cell structure with a Titanium dioxide-containing layer as an anode with electric current can be supplied.
Ferner ist bekannt, kompakte Elektroden aus Titanoxid für elektrolytische Synthesezwecke einzusetzen.Further is known, compact electrodes of titanium oxide for electrolytic synthesis purposes use.
So
beschreibt die
Die
Darüber hinaus
ist eine Elektrodenzelle zur anodisch oxidierenden Wasserentkeimung
bekannt (
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Mikroorganismen und/oder Schadstoffen belastete Flüssigkeiten auch in großen Mengen zuverlässig, mit hoher Ausbeute und reproduzierbar zu reinigen, wobei das Behandlungsverfahren möglichst aufwandgering, universell anwendbar sowie in weiten Grenzen beeinflussbar und auf die jeweils gegebenen Einsatzbedingungen und -voraussetzungen anpassbar ist und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine hohe Lebensdauer sowie chemisch-physikalische Beständigkeit aufweist.Of the Invention is based on the object with microorganisms and / or Pollutants contaminated liquids also in big ones Quantities reliable, with high yield and reproducible to clean, the treatment process preferably aufwandgering, universally applicable and influenced within wide limits and to the given conditions of use and conditions is adaptable and an apparatus for performing the method a high Life and chemical-physical resistance has.
Erfindungsgemäß wird eine Anode aus kompakter und elektrisch leitfähiger, unterstöchiometrischer Titanoxidkeramik in einem Gefäß von der zu behandelnden Flüssigkeit um- oder durchströmt. Gleichzeitig wird die Flüssigkeit durch geeignete Mittel filtriert. Diese Mittel zur Filtrierung können durch geeignete Porosität der kompakten und elektrisch leitfähigen, unterstöchiometrischen Titanoxidkeramik selbst realisiert werden und/oder auch aus anderen Siebelementen, einschließlich Elementen zur Halterung, Befestigung bzw. elektrischen Isolation der Titanoxidkeramik, im Gefäß bestehen.According to the invention is a Anode of compact and electrically conductive, substoichiometric Titanoxidkeramik in a vessel of the to be treated liquid flows around or through. simultaneously becomes the liquid filtered by suitable means. These means of filtration can by suitable porosity the compact and electrically conductive, substoichiometric Titanium oxide ceramic itself be realized and / or from other sieve elements, including Elements for mounting, fastening or electrical insulation of titanium oxide ceramics, in the vessel.
In einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens durchströmt die zu behandelnde Flüssigkeit ein vorzugsweise rohrförmiges Gefäß, dessen Gefäßwand und ggf. ein Rohrmittelleiter für eine elektrokatalytische Behandlung der Flüssigkeit mit einem negativen elektrischen Potential und dessen Anode aus mindestens einem strömungs- und drucksicher im Gefäß angeordneten ring- bzw. scheibenförmigen Anodenelement aus kompakter und elektrisch leitfähiger Titanoxidkeramik mit dem entsprechenden anodischen Spannungspotential beaufschlagt sind. Dieser Elektrodenaufbau führt zu inhomogenen Feldern mit hohen Felddichten, die senkrecht zur Fließrichtung der zu behandelnden Flüssigkeit verlaufen, woraus eine effiziente Durchdringung und Oxidation resultiert. Zusätzlich zu der durch die Elektrokatalyse hervorgerufenen Anreicherung von atomarem Sauerstoff in der Flüssigkeit wird diese gefiltert, so dass das Gefäß eine gleichzeitige Oxidations- und Filtrierwirkung auf die durchströmende Flüssigkeit ausübt. Die Filtrierung wird zweckmäßig durch eine definierte Porosität des mindestens einen Anodenelementes aus Titanoxidkeramik selbst bewirkt, kann aber auch durch die besagten weiteren Siebelemente, insbesondere Befestigungs-, Halterungs-, und Isolationselemente für die Anode, erfolgen oder unterstützt werden.In an advantageous device for carrying out the proposed method flows through the liquid to be treated a preferably tubular Vessel, whose Vascular wall and possibly a pipe center conductor for an electrocatalytic treatment of the liquid with a negative electrical Potential and its anode from at least one flow and pressure-safe arranged in the vessel annular or disk-shaped Anode element made of compact and electrically conductive titanium oxide ceramic with the corresponding anodic voltage potential are applied. This electrode structure leads to inhomogeneous fields with high field densities perpendicular to the flow direction the liquid to be treated which results in efficient penetration and oxidation. additionally to the enrichment of. by electrocatalysis atomic oxygen in the liquid this is filtered so that the vessel has a simultaneous oxidation and exerts filtering action on the liquid flowing through. The Filtration is appropriate a defined porosity of the at least one anode element made of titanium oxide ceramic itself causes but can also by the said other sieve elements, in particular Fastening, mounting, and insulation elements for the anode, done or supported become.
Die
Erfindung erfüllt
somit eine Doppelfunktion, die überraschend
gute Behandlungsergebnisse zeigt:
Zum einen ist das Material
gegenüber
den eingangs genannten und vielfach in der Literatur beschriebenen
und auf Substraten aufzubringenden Titanschichten dauerhaft haltbar,
unempfindlich gegen abrasive oder korrosive Beschädigung der
Anode und dadurch mit hoher Lebenserwartung der Vorrichtung robust
und universell anwendbar. Durch geeignete und an sich bekannte Herstellungsverfahren
kann eine kompakte unterstöchiometrische
Titanoxidkeramik gefertigt werden, die eine ausreichend hohe Leitfähigkeit
aufweist, so dass die Keramik selbst als verschleißfeste Elektrode
mit ausgezeichneter chemischer und thermischer Beständigkeit
verwendet werden kann. Der Einsatz dieses Materials ist daher sowohl
in sehr sauren wie auch in sehr basischen Flüssigkeiten möglich, es
können
beispielsweise salzhaltige oder sonstige chemisch belastete, wie
auch abrasiv wirkende Flüssigkeiten
(z. B. Schleifemulsionen, sand- oder sonstige feststoffhaltige Suspensionen),
und anderes mehr behandelt werden. Titanoxidkeramik ist außerdem in
einer Auswahl genormter Materialeigenschaften, wie beispielsweise
Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit,
herstellbar, die definierte, konstante und reproduzierbare technisch-physikalische Eigenschaften
und damit sehr zuverlässige Anwendungen
gestatten.The invention thus fulfills a dual function which shows surprisingly good treatment results:
On the one hand, the material is durably durable compared to the titanium layers described at the beginning and many of them described in the literature and applied to substrates, insensitive to abrasive or corrosive damage of the anode and thus robust and universally applicable with high life expectancy of the device. By suitable and per se known manufacturing methods, a compact substoichiometric titanium oxide ceramic can be produced, which has a sufficiently high conductivity, so that the ceramic itself can be used as a wear-resistant electrode with excellent chemical and thermal resistance. The use of this material is therefore possible both in very acidic and in very basic liquids, it can be, for example, saline or other chemically contaminated, as well as abrasive liquids (eg grinding emulsions, sand or other solids-containing suspensions), and more be treated. Titanium oxide ceramics can also be produced in a selection of standardized material properties, such as, for example, strength and electrical conductivity, which permit defined, constant and reproducible technical-physical properties and thus very reliable applications.
Zum anderen wird gleichzeitig mit dieser elektrokatalytischen Wirkung eine Filtrierung der Flüssigkeit bewirkt, so dass im selben Behandlungsgang u. a. Ausfällungen und eventuellen Kristallisierungen der durch das Titanoxid hervorgerufenen Elektrokatalyse, wie auch sonstigen Schwebstoffen in der Flüssigkeit, begegnet werden kann.To the Others will be simultaneously with this electrocatalytic effect a filtration of the liquid causes, so u in the same treatment. a. precipitations and possible crystallizations of the titanium oxide-induced electrocatalysis, as well as other suspended matter in the liquid, can be encountered.
Im Falle, dass die Filtration der zu behandelnden Flüssigkeit durch die besagte Porosität der Titanoxidkeramik und auf diese Weise mit der Titanoxidkeramik selbst bewirkt wird, erfüllt diese eine Doppelfunktion, in dem die kompakte, und elektrisch leitende, unterstöchiometrische Titanoxidkeramik sowohl die elektrokatalytische als auch filtrierende Funktion ausübt.in the Trap that the filtration of the liquid to be treated through said porosity the titanium oxide ceramic and in this way with the titanium oxide ceramic itself is effected, fulfilled this a dual function in which the compact, and electrically conductive, stoichiometric Titania ceramics both the electrocatalytic and the filtering function exercises.
Die sintertechnologische Herstellung einer solchen Keramik ermöglicht eine sehr gute Fertigung poröser Ringe bzw. Scheiben, wobei Maschenweiten beliebiger Größe bis hin zur Ultrafiltration realisiert werden können. Durch an sich bekannte keramische Formgebungsverfahren, wie Pressen, Extrudieren, Spritzgießen, (Druck-)Schlickergießen etc., wird aus dem Ausgangspulver eine Vorformung (Grünling) hergestellt, die gegebenenfalls mechanisch bearbeitet werden kann, z. B. Einbringen von Bohrungen. Auf diese Art können größere Kanäle eingebracht werden. Hieran schließt sich ein Sinterprozess oberhalb von 1200°C an. Durch das Einbringen von Opferphasen, wie organische Binder, oder anorganische Phasen, wie Graphitfasern, können definierte Porenkanäle erzeugt werden, was auch durch die Verwendung von Treibmitteln, wie Wasserstoffperoxid, möglich ist. Mit unterschiedlichen Korn- und Partikelgrößen des Ausgangspulvers lässt sich die Mikroporosität einstellen bis hin zu einem gradierten Gefüge in den Anodenelementen selbst, also einer zunehmend feineren Porosität. Die Aufbringung einer nanoskaligen Schicht, beispielsweise durch die bekannte Sol-Gel-Technik, erlaubt auch die Erzeugung nanoskaliger Porenstrukturen.The sintered technological production of such a ceramic allows a very good production porous Rings or discs, with mesh sizes of any size up to can be realized for ultrafiltration. By known per se ceramic forming processes, such as pressing, extruding, injection molding, (pressure) slip casting, etc., is made from the starting powder a preform (green compact), if necessary can be mechanically processed, for. B. Introduction of holes. On this kind can larger channels are introduced. This concludes a sintering process above 1200 ° C at. By introducing Sacrificial phases, such as organic binders, or inorganic phases, such as Graphite fibers, can defined pore channels generated by the use of propellants, like hydrogen peroxide, possible is. With different grain and particle sizes of the starting powder can be the microporosity set up to a graded structure in the anode elements themselves, So an increasingly finer porosity. The application of a nanoscale Layer, for example, by the known sol-gel technique allowed also the generation of nanoscale pore structures.
Die Anodenelemente aus Titanoxidkeramik können mit definiert ausgewählten technischen Parameter (Durchmesser, Stärke, Form, Porosität etc.) im Gefäßrohr kaskadiert werden, so dass sich gezielt auswählbare und auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnittene technisch physikalische Wirkungen sowohl für die elektrokatalytische als auch filtrierende Behandlung der anfallenden Flüssigkeit bestimmen und durch Austausch von Anodenelementen auch verändern lassen. Damit werden das Verfahren und der Einsatz der Vorrichtung für viele Anwendungen möglich und modifizierbar. Da die Keramikelemente hochtemperaturstabil und strahlungsbeständig sind, können sie problemlos sterilisiert und so auch für Reinstanwendungen eingesetzt werden.The Anode elements of titanium oxide ceramic can be defined with selected technical Parameters (diameter, thickness, Shape, porosity etc.) cascaded in the vessel tube be, so that can be selected selectively and on the respective Use case tailored technical physical effects both for the electrocatalytic as well as filtering treatment of accumulating liquid determine and also change by replacing anode elements. This will be the method and use of the device for many Applications possible and modifiable. Because the ceramic elements are high temperature stable and radiation resistant are, can they are easily sterilized and thus also used for clean applications become.
Vorteilhaft ist es, das erwähnte und vorzugsweise rohrförmige Gefäß mit der Titanoxidkeramik als Filtrieroxidationseinheit in eine prozessgesteuerte Anwendung, bei der die Flüssigkeit durch eine oder mehrere Pumpen durch das Gefäß bewegt wird, zu integrieren. Die Pumpleistung und damit die Filtrierwirkung sowie die elektrischen Kennwerte der Titanoxid-Katalyse werden dann in Abhängigkeit der gemessenen Durchflussmenge gesteuert. Auch hier kann das Verfahren durch die definierte Auswahl und die technisch-physikalischen Eigenschaften der Titanoxidkeramik gezielt beeinflusst werden. Dabei sind lösbare Verbindungen bei der konstruktiven Anordnung der Titanoxidkeramikelemente aus Handhabungs- und Universalitätsgründen zweckmäßig.Advantageous is it, that mentioned and preferably tubular Vessel with the Titanium oxide ceramic as filtration oxidation unit in a process controlled application, at the liquid is moved through the vessel by one or more pumps. The pumping power and thus the filtering effect as well as the electrical Characteristics of titanium oxide catalysis are then dependent controlled the measured flow rate. Again, the process can through the defined selection and the technical-physical properties the titanium oxide ceramics are specifically influenced. There are detachable connections in the constructive arrangement of Titanoxidkeramikelemente Handling and Universalitätsgründen appropriate.
Vorteilhaft ist auch eine Anwendung in Kühlwasserkreisläufen, in denen besonders biologische Belastungen auftreten. Die teilweise offen konstruierten Ausführungen und Betriebsweisen bieten für das mikrobiologische Wachstum sehr gute Bedingungen, die je nach Belastung zu großen Problemen bei den Betreibern führen. So verschlechtern sich die Wärmeübergänge an den Plattentauschern, die Rohre werden teilweise zugesetzt und neben den generellen gesundheitlichen Risiken entsteht Bio-Korrosion. Zur Verminderung dieser Probleme werden aus technologischen, wirtschaftlichen und materialspezifischen Aspekten verstärkt Mikrobiozide eingesetzt. Die Mikrobiozide hemmen zeitweise je nach Anwendung ein biologisches Wachstum. Der Einsatz von Mikrobiziden ist entsprechend der Kontinuität relativ teuer und in seiner Wirksamkeit hinsichtlich Resistenten, der Zugabe eventuell anderer notwendiger Konditionierungsmittel sowie geltenden Umweltschutzgesetzgebungen, begrenzt. Durch Nachschaltung der erfindungsgemäßen Filtrieroxidationseinheit nach dem Kondensatspeicher des Kühlers sowie einer erzwungenen Kühlwasserkondensatzirkulation mittels Pumpe und Zirkulationsleitung in den Kondensatspeicher wird die biologische Belastung ohne Zugabe von Mikrobioziden im Kühlwasser stark vermindert. Die Wirksamkeit der Kühlwasserreinigung hängt von dem Durchsatz bzw. dem Verbrauch des Kühlwasserkondensates ab. Damit eine effiziente Reinigung entsprechend der Menge im Kondensatkühlwasserspeicher realisiert werden kann, wird die Zu- und Abflusswassermenge aktuell mittels Durchflussmengenzähler ermittelt und der Zirkulationsumlauf sowie die Stromstärke durch die Filtrieroxidationseinheit mittels der Steuereinheit geregelt.Advantageous is also an application in cooling water circuits, in which particularly biological loads occur. The partial open designed designs and provide operating modes for microbiological growth very good conditions depending on Burden too big Cause problems for the operators. Thus, the heat transfer to the deteriorate Plate exchangers, the tubes are partially added and next to The general health risks are caused by bio-corrosion. to Reduction of these problems will be technological, economic and material-specific aspects reinforced microbicides used. The Microbiocides temporarily inhibit a biological, depending on the application Growth. The use of microbicides is relatively expensive according to continuity and in its effectiveness in terms of resistance, possibly adding other necessary conditioning agents and applicable environmental legislation, limited. By downstream of the Filtrieroxidationseinheit invention the condensate tank of the cooler and a forced Kühlwasserkondensatzirculation means Pump and circulation line in the condensate storage is the biological load without addition of microbicides in cooling water greatly reduced. The effectiveness of cooling water purification depends on the throughput or consumption of the cooling water condensate. In order to efficient cleaning according to the amount in the condensate cooling water tank can be realized, the inflow and outflow water is current determined by flow meter and the circulation circulation and the current through the Filtrieroxidationseinheit controlled by the control unit.
Die ständige Zirkulation des Kühlwasserkondensates durch die Filtrieroxidationseinheit kann eine generelle Verminderung der biologischen Belastungen ohne Zugabe von Mikrobioziden ermöglichen. Dadurch werden die Betriebskosten verringert, der manuelle Arbeitsaufwand gesenkt und die Betriebssicherheit der Anlagen erhöht. Es können prinzipiell auch mehrere Filtrieroxidationseinheiten parallel betrieben bzw. kaskadiert werden.The permanent Circulation of the cooling water condensate through the Filtrieroxidationseinheit can a general reduction allow the biological stresses without the addition of microbicides. Thereby the operating costs are reduced, the manual work effort lowered and increased the reliability of the plants. It can in principle also several Filtrieroxidationseinheiten operated in parallel or cascaded become.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The Invention will be described below with reference to an illustrated in the drawing embodiment be explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
In
Darüber hinaus
sind axialsymmetrisch im Gefäß
Die
Positionierung des Systems erfolgt durch Haltescheiben
Die
Anode der Filtrieroxidationseinheit zur Bildung atomaren Sauerstoffs
in der Flüssigkeit
Die
Reinigung der Filtrierelemente (die porösen Titanoxidkeramik-Scheiben
In
Es
ist, insbesondere für
große
Durchflussmengen, prinzipiell möglich
(in der Zeichnung nicht dargestellt), mehrere Filtrieroxidationseinheiten
(Gefäß
In
- 11
- Gefäß (Filtrieroxidationseinheit)Vessel (filtration oxidation unit)
- 22
- Gefäßwandvessel wall
- 33
- Flüssigkeitliquid
- 4, 134, 13
- Elektrodeelectrode
- 55
- RohrmittelleiterTube center conductor
- 66
- Titanoxidkeramik-ScheibenTitanium oxide ceramic discs
- 7, 97, 9
- Isolationsringeinsulation rings
- 88th
- Haltescheibenholding discs
- 1010
- Titanoxidkeramik-RingeTitanium oxide ceramic rings
- 1111
- Abstandsringespacer rings
- 1212
- Isolationshülseinsulation sleeve
- 14, 17, 1814 17, 18
- Rohrpipe
- 1515
- Speichergefäßstorage vessel
- 1616
- Pumpepump
- 19, 2019 20
- DurchflussmengenzählerFlow Meter
- 21, 22, 24, 2621 22, 24, 26
- Leitungencables
- 2323
- Steuereinheitcontrol unit
- 2525
- Stromversorgungpower supply
- 27, 2827 28
- Elektrodenzuleitungenelectrode leads
- 2929
- Ausdrehungrecess
- 3030
- BundFederation
- 3131
- Phasephase
- 3232
- Einstichpuncture
- 3333
- Ringschneideserrated
- 3434
- Innenkegelinner cone
- 3535
- Außenkegelouter cone
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R082 | Change of representative |
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R081 | Change of applicant/patentee |
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