DE202012006736U1

DE202012006736U1 - Vorrichtung für eine Elektrolyse / Elektro-Koagulation zur kontinuierlichen Behandlung von Prozess- und Abwasser zur Dekontamination von Inhaltsstoffen

Info

Publication number: DE202012006736U1
Application number: DE201220006736
Authority: DE
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Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2012-10-23
Anticipated expiration: 2022-07-13

Abstract

Vorrichtung für eine Elektrolyse/Elektro-Koagulation zur kontinuierlichen Behandlung von Prozess- und Abwässern zur Dekontamination bzw. Entfernung von Inhaltsstoffen dadurch gekennzeichnet, dass eine „up-down-stream” Lösung durch die spezielle Elektrodenanordnung mit Reaktor-Raumteilung in einem Reaktor integriert wird, wobei eine erhöhte Raum-Zeit-Ausbeute bei der Oxidation durch Radikale erreicht wird unter gleichzeitiger Bildung von Metall-Hydroxiden.

Description

Die vorgeschlagene Vorrichtung wird in einem physikalischen, chemischen Prozess-Schritt eingesetzt, das für den Einsatz bei bestimmten elektrolytischen Verfahren zur Dekontamination von Prozess- und Abwässern aus unterschiedlichen Bereichen eingesetzt wird. Im Besonderen werden hierbei charakteristische Parameter (CSB, BSB, TOC, AOX, Färbung, Trübung, Leitfähigkeit) reduziert und der pH-Wert erhöht. Zur Behandlung unter Normalbedingungen und erhöhten Temperaturen sind hierbei Werkstoffe und Verfahrensschritte zu kombinieren, um einen besseren Wirkungsgrad, zu erzielen.
Stand der Technik
Bisherige Techniken und Verfahren zur Behandlung von Prozess- und Abwässern arbeiten nach bekannten, klassischen Vorgehensweisen, wie anaerobe oder aerobe Vorbehandlung (Bio-Fermentations-Reaktor) oft kombiniert als Membranbioreaktor. Diese arbeiten mit grösseren, verfahrenstechnischen Anlagen, die in der Regel Flotations-, Sedimentations- und Filtrations-Schritte beinhalten, wobei grosse Mengen an Schlamm anfallen. Membranreaktoren (mit Ultrafiltrations-Membrane) trennen hierbei die Biomasse ab.
Diese Verfahrenstechnik benötigt grosse Stellflächen, ist zeitaufwendig und teuer. Fermentationsanlagen (aerobe oder anaerobe) benötigen eine metabolisch aktive Biomasse um erfolgreich eine Biodegradation umzusetzen.
Klassische Kläranlagen zur Wasseraufbereitung arbeiten nach gleichen Prinzipien.
Eine klassische, chemische Behandlung von Abwasser erfolgt mit Flockungsmitteln (Eisen-III-Chlorid, Kalkmilch, Polyacrylamid etc.) und aufwendiger Verfahrenstechnik wie Flotation, Sedimentation und Filtration. Diese Technologie ist zeitaufwendiger und teurer, da Chemikalien eingesetzt werden und Überschüsse von Reagenzien eingesetzt werden. Sie beruht ausserdem nur auf Fällungsreaktionen um primär Partikel mit einigen Inhaltsstoffen abzutrennen. Eine Redox-Reaktion, elektrolytisch hervorgerufen, findet nicht statt – ebenso keine Inaktivierung von Mikroben durch gebildete Radikale.
Die elektrolytische Koagulations-Technologie (EC-Technologie) formt elektrolytisch grössere, mechanisch stabilere Metall-Hydroxid-Flocken, die wesentlich besser filtrierbar sind und besser, zu entwässern.
Die elektrolytische Oxidation findet beispielsweise anodisch an einer Eisen-Elektrode statt. Nach Larue et al (2003) erfolgt die Bildung von Fe(OH)₂/Fe(OH)₃ mit anschliessender, elektrophoretischer Aufkonzentration von Kolloiden – normal negativ geladen in Umgebung der Anode. Partikel reagieren mit dem Fe(OH)₃ und werden durch oberflächliche Komplex-bildung oder elektrostatische Anziehung (Mollah et al 2001, Daneshvar 2003, 2004, 2006) gebunden.
Generell können aber nur wässrige Flüssigkeiten elektrolytisch behandelt werden – nicht aber Feststoffe, deren Anteil möglichst auf ein akzeptables Mass vorher abgetrennt werden sollten. Natürlich können aber Abwässer mit hoher Partikelfracht elektrolytisch behandelt werden.
Die von verschiedenen Instituten und Universitäten in den Jahren 2003 bis 2011 durchgeführten Arbeiten mit einer Elektrokoagulation verwendeten statische Arbeitsweisen mit einem fixen Volumen von Abwasser bzw. Prozesswasser, wobei unter Rühren ein statischer Elektrolyse-Prozess durchgeführt wurde. Nach Behandlung wurde entweder in Flotations-Einheiten mit Luftzufuhr (Blasenbildung) überführt und nachgeschaltet eine Sedimentation durchgeführt. Diese Arbeitsweise gleicht der bekannten chemischen Verfahrenstechnik. Auch die geometrische Form eingesetzter Elektroden und dadurch bedingte Kontaktfläche und damit Kontaktzeit waren nachteilig. Generell ist diese Verfahrenstechnik als „Batch-Mode” zu charakterisieren und zeigt damit ebenfalls nachteilig, keine vorteilhafte, kontinuierliche Arbeitsweise, die für eine Bewältigung grosser Massenflüsse unabdingbar ist.
Die Vorrichtung hat die Aufgabe eine kontinuierliche Prozessführung zu ermöglichen. Wobei Reaktionskammern bzw. Reaktoren parallel oder hintereinander geschaltet werden. Eine grosse Elektrodenfläche ist notwendig im Verhältnis zum Volumen einer Flüssigkeit – hier 1 m³ – unter Beachtung, dass geforderte Parameter wie z. B. CSB-Absenkung erreicht werden, um eine berechnete, maximale Elektrolysekapazität zur Verfügung, zu stellen.
Da je nach Betriebsmode der Elektrolyse monopolar oder biopolare Elektroden-Anordnung möglich ist, unterscheiden sich hier die Arbeitspannungen und Stromstärken erheblich. So kommt es zur Ausbildung einer Reaktorengrösse, die ohne zu hohen technischen Aufwand für Strom und Spannung, ein Handling zu geringen Investitionskosten ermöglicht.
Als Lösung der Aufgabe wurde ein Reaktor konzipiert der folgende Merkmale aufweist:

1 Anordnung von langen Elektroden etwa 100 cm lang und 10 cm breit -parallel im Reaktor;
2 dadurch bei Anwendung einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 m/s eine erhöhte Kontaktzeit von mindestens 20 Sekunden zwischen Elektrode und Fluid;
3 Anordnung eines „up-down stream” Konzepts in einem Reaktor, um bei möglichst kleiner Bauhöhe und Grundfläche eine optimale Reaktionszeit zu realisieren;
4 Abführung des Gases als Reaktionsnebenprodukt am Kopf des Reaktors zur Ableitung in einen Behälter oder Brennstoffzelle zur Energiegewinnung;
5 Integration eines Filtrationsschrittes nach oder zwischen geschalteten Reaktoren mit entsprechender Partikelausschlussgrösse;
6 Direkter Kontakt durch von aussen zugeführte Schrauben zum Anschluss der Elektroden ohne Zwischenstücke;
7 Aufsetzen der schweren Elektroden in Führungen einer Bodenplatte, die unten eine Titanplatte mit Profil enthält und durch den Bodendruck eine elektrisch leitende Verbindung getrennt für Anode und Kathode ermöglicht;
8 Einström-Öffnung/Ausström-Öffnung unten oberhalb der Bodenplatte mit Anschlussmöglichkeit als lösbare Verschraubung zum Verbinden einer beliebigen Anzahl von Reaktoren;
9 Erzeugung von laminar strömenden Flüssigkeiten durch Betrieb einer vor – geschalteten Pumpe mit einem Druck von 0,5 bis 4 bar um eine Filtrationseinheit entsprechender Kapazität, zu betreiben.
10 Die Oberfläche der „Opfer-Anoden” weist eine Fläche von 10000 cm² auf = 1,0 m² für jeden Reaktor mit 0,8 m² aktiver Oberfläche.

Die Lösung der Aufgabe beinhaltet als weitere vorteilhafte Ausbildung die Verwendung von Kunststoff-Bauteilen vorzugsweise aus Polypropylen (PP) die eine bestimmte Wandstärke von 20 bis 50 mm aufweist, um eine Integration einer Dichtung für die Abdeckung am Kopf des Gehäuses durch Verschraubungen zu ermöglichen und Gewinde in den Seitenteilen, zu schneiden. Polypropylen (PP) eignet sich deshalb besonders gut, da eine Temperaturstabilität und chemische Stabilität gegeben ist, wobei PP durch die meisten Lösungsmittel und chemische Verunreinigungen nicht angegriffen wird.
Es sind aber auch andere geeignete Kunststoffe zugelassen.
Als weitere vorteilhafte Ausbildung wird eine professionelle Entlüftung von Flüssigkeiten mit drucksensiblem Schwimmer mittig in der Kopfplatte, mit Gewinde zum Einschrauben installiert, der bereits bei 0,01 bar auslöst und entgast mit einem maximalen Volumen von ca. 160 m³ Gas pro Stunde. Die Entlüftung ist aus thermostabilem Nylon oder in Edelstahl-Ausführung zu wählen.
Beidseitig – in Opposition – im unteren Drittel des Reaktors wird ein Stahl-Schaltschrank zur Aufnahme der nötigen Spannungsversorgung mit Regelung installiert, um kurze Kabelwege zu ermöglichen. Hierbei wird eine Reaktorhälfte mit der nötigen Spannung und Stromstärke versorgt, die wie hier z. B. aus fünf Elektroden besteht. Es ist im Handling wirtschaftlicher mit kleineren Power-Supplies zu arbeiten, als sehr grosse Reaktoren, zu betreiben.
Nachteilig bei bisherigen Lösungen einer Elektrokoagulation beim Stand der Technik ist eine diskontinuierliche Arbeitsweise, die gefolgt von einer Flotation und Sedimentation mit Partikelabtrennung durch Filtration geschieht. Die vorgeschlagene Vorrichtung führt eine Elektrolyse mit Elektrokoagulation durch und verzichtet auf die Verfahrensschritte der Flotation und Sedimentation, da mechanisch stabilere, grössere Hydroxide gebildet werden, die eine bessere Filtration ermöglichen. Da die Filtrationseinheit ebenfalls kontinuierlich betrieben wird, ist das gesamte Verfahren als kontinuierliche Prozessführung möglich.
Die bevorzugten Ausbildungen der Vorrichtung sind in den bis sichtbar und geben nur Grundzüge der Konstruktion wider.
Zeichnungserklärung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Zeichnung 1
Eine schematische Schnitt-Ansicht der Vorderseite eines Reaktors gemäss einer Ausführungsform.
Zeichnung 2

Eine Darstellung von Zeichnung 1 Aufsicht von oben

Zeichnung 3

Eine schematische Schnitt-Ansicht der Seite eines Reaktors

Zeichnung 4

Eine schematische Seiten-Ansicht einer Elektrode

Bezugszeichenliste

1: Wand aus Kunststoff mit z. B. Polypropylen
2: Elektroden (1, 3, 5) und (2, 4)
3: Bodenplatte PP
4: Wasser-Einlauf
5: Wasser-Ausfluss
6: Entgasungseinheit
7: Trennwand als Überlauf
8: Boden-Kontakt-Profil
9: Schaltschrank für Stromversorgung
10: Strom-Anschluss (V, A)-
11: Bohrung M8 bis M10
12: Titan-Profil-Bodenplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Larue et al (2003) [0007]
Mollah et al 2001, Daneshvar 2003, 2004, 2006 [0007]

Claims

Vorrichtung für eine Elektrolyse/Elektro-Koagulation zur kontinuierlichen Behandlung von Prozess- und Abwässern zur Dekontamination bzw. Entfernung von Inhaltsstoffen dadurch gekennzeichnet, dass eine „up-down-stream” Lösung durch die spezielle Elektrodenanordnung mit Reaktor-Raumteilung in einem Reaktor integriert wird, wobei eine erhöhte Raum-Zeit-Ausbeute bei der Oxidation durch Radikale erreicht wird unter gleichzeitiger Bildung von Metall-Hydroxiden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im laminaren Durchfluss mit angepassten Flussraten von z. B. 0,1 m/s eine erhöhte Kontaktzeit erreicht wird – hier 20 Sekunden –, um durch Zusammenschaltung mehrerer Reaktoren eine Absenkung relevanter Parameter wie CSB, BSB, TOC, AOX, Färbung, Trübung und Leitfähigkeit u. v. a. m. bei Erhöhung des pH-Wertes in nahezu Echtzeit erreicht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenabstände vorzugsweise im Bereich von 3 bis 6 mm gewählt werden, wobei auch kleinere oder grössere Abstände zugelassen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Profil-Titan-Bodenplatte Kontakt durch Eigengewicht für die Elektroden 1, 3 und 5 sowie 2 und 4 ermöglicht, die bei Polaritätsumschaltung entsprechend wechseln, die als Beispiel hier genannt wurden, wobei jede beliebige Anzahl von Elektroden – vorzugsweise als ungerade Anzahl – erlaubt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein kontinuierlich arbeitendes Filter zwischen zwei Einheiten geschaltet wird, um so kontinuierlich den Partikelanteil von Metallhydroxiden abzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung der einzelnen Elektroden durch Titan-Schrauben der Grösse von z. B. M8 bis M12 erfolgt um bei erhöhter Stromstärke arbeiten zu können, die direkt von der Seite eingeschraubt werden, ohne Zwischenkontaktflächen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktions-Gasabführung durch einen drucksensiblen Schwimmkörper geregelt wird ohne dass Flüssigkeit austreten kann – aber ein hohes Gas-Volumen von z. B. 160 m³ pro Stunde erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden in monopolarer oder bipolarer oder als Mix betrieben werden können um Stromstärken abzusenken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren für Leitfähigkeit, pH, CSB, Temperatur in den Deckel als Oberteil integriert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsmessung und Photozelle zur Messung der UV-Absorption im Einfluss oder Ausfluss integriert werden.