DE2757854A1

DE2757854A1 - Vorrichtung und verfahren zum entkeimen von fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2757854A1
Application number: DE19772757854
Authority: DE
Inventors: N Dr Ing Kirmaier; A Prof Dr Med Reis; M Dipl Ing Schoeberl
Original assignee: Institut fur Biomedizinische Technik
Current assignee: Institut fur Biomedizinische Technik
Priority date: 1977-12-23
Filing date: 1977-12-23
Publication date: 1979-07-05

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Entkeimen von Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten mittels der anodischen Oxydation mit einer Mehrzahl von durchströmten bzw. umströmten Haupt- und Hilfselektroden sowie ein Verfahren zum Entkeimen von Flüssigkeiten mittels anodischer Oxydation.
Aus der DE-OS 23 24 795 ist eine Vorrichtung zur Behandlung von Abwassern mit einer elektrolytischen Zelle bekannt, welche zwei parallel zur Strömungsrichtung angeordnete Hauptelektroden und stabförmige Hilfselektroden, die in zu den Hauptelektroden parallelen Ebenen angeordnet sind, aufweisen. Damit verläuft die Strömung parallel zu den Elektrodenebenen. Die jeweils in Ebenen liegenden stabförmigen Hilfselektroden haben Totwassergebiete zwischen den Stäben einer Ebene zur Folge, und die einzelnen Stäbe einer Elektrodenebene wirken ähnlich wie tangential angeströmte Plattenelektroden. Dadurch gelangt nur ein geringer Teil der Flüssigkeit in den Grenzschichtbereich der Anoden, so daß die in dem Fluid enthaltenen Keime nur unvollständig erfaßt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der eine hohe Entkeimungsrate und ein hoher elektrischer Wirkungsgrad der anodischen Oxydation erreicht wird. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine hohe Entkeimungsrate und ein hoher elektrischer Wirkungsgrad der anodischen Oxydation bei der Entkeimung von Flüssigkeiten erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Elektroden/elektrisch sind, daß die Flüssigkeit einen Bereich mit sich änderndem Potential durchläuft.
Das Verfahren zur Entkeimung von Flüssigkeiten mittels anodischer Oxydation ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit einen Bereich sich ändernden Potentials unter Durchwirbelung durchläuft und daß die Richtung der Potentialänderung periodisch gewechselt wird.
Weitere Merkmale und Zweckmäßgkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Zelle zum Entkeimen von Flüssigkeiten, teilweise in gebrochener Darstellung; Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungstrm der Haupt- und Hilfselektroden in perspektivischer Darstellung; Fig. 3 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform von in einer Ebene liegenden Elektroden; und Fig. 4 eine perspektivische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform von Elektroden.
Die Vorrichtung besteht aus einem aus elektrisch isolierendem Kunststoff gebildeten Zellengehäuse 1 mit einem Eingang 2 am unteren Teil des Zellengehäuses und einem Ausgang 3 am oberen Teil zum Ableiten der entkeimten Flüssigkeit. ueber dem Eingang 2 ist über den ganzen inneren Querschnitt des Zellengehäuses ein siebartiger Flüssigkeitsgleichrichter 4 vorgesehen. In dem darüber befindlichen Raum ist eine Vielzahl von Elektrodenstäben 8, 9 vorgesehen, die jeweils in in der Gehäusewand vorgesehene Löcher eingeschoben und mit einem geeigneten Kitt abgedichtet gehalten werden.
Die Elektrodenstäbe sind senkrecht zur Strömungsrichtung und parallel zueinander angeordnet, wobei jeweils eine Gruppe von Elektrodenstäben in einer Ebene liegt und die verschiedenen Ebenen solcher Elektrodenstäbe einen Abstandvoneinander aufweisen.
Ferner sind die Elektrodenstäbe einer Ebene Jeweils in. der aus der Figur 1 ersichtlichen Weise um einen halben Abstand zwischen zwei benachbarten Stäben einer Ebene seitlich gegen die Stäbe der nächst folgenden Ebene versetzt.
Die unterste Reihe Elektrodenstäbe ist mit einem Verbindungselement 11 und die oberste Reihe der Elektrodenstäbe durch ein Verbindungselement 10 elektrisch zusammengefaßt. An die Verbindungselemente 10, 11 werden über Zuleitungen die entsprechenden Potentiale angelegt.
Im Betrieb läuft die in der Regel schwach leitende Flüssigkeit durch den Eingang 2 in das Zellengehäuse 1 hinein, durch den Flüssigkeitsgleichrichter hindurch und umströmt die Hauptelektrode 5, die zwischen den beiden Hauptelektroden 5 und 6 liegenden Nebenelektroden 7 und die zweite Hauptelektrode 6 und tritt durch den Ausgang 3 nach draußen.
Die einzelnen Gitterelektroden sind im definierten Längsteilungsverhältnis S1/d zu einem vertikal oder horizontal durchströmten Bündel zusammengefaßt. Dabei können die Stab- oder Drahtlagen von Elektrode zu Elektrode als versetztes, fluchtendes oder unregelmäßiges Parallel- oder Kreuzgitter-bündel angeordnet sein.
Für die weitere Beschreibung wird vom Parallelgitterbündel mit versetzten Stäben und vertikal von unten nach oben durchströmten Elektroden ausgegangeii. Wird das Parallelgitterbündel mit versetzten Stäben durchströmt, so wirken aufgrund der starken Querschnittsänderungen und Umlenkungen hohen Beschleunigungs- und Verzögerungskräfte längs der Strombahn auf das Fluid. Diese bewirken wiederum eine intensive Wirbelbewegung zwischen den einzelnen Elektrodenlagen. Die Intensität der Wirbelbewegung und somit der Durchmischung im Fluid läßt sich bei konstanter Reynoldszahl Re durch die WiderstandszahlE und den Druckverlust aP ausdrücken. Dabei ist nur noch eine Abhängigkeit von dem Querverteilungsverhältnis Sq/d, nicht aber vom Längsteilungsverhältnis S1/d gegeben, da der Strömungswiderstand vornehmlich durch die Umlenkungen bestimmt wird: Es bedeuten sP Druckverlust, w Geschwindigkeit im engsten freien Querschnitt, d Stabdurchmesser, Sund YDichte und kinematische Viskosität des Fluids und n1 die Zahl der in Strömungsrichtung hintereinander liegenden Stablagen. Die oben genannten Gleichungen gelten nur für n1 >10, andernfalls erhöht sich die Widerstandszahl.
Aufgrund der hohen Strömurigsgeschwindigkeit in den engsten freien Querschnitten des Stabgitterbündels und den ausgeprägten Wirbelgebieten hinter jedem einzelnen Stab werden die Adhäsionskräfte der Gasblasen auf den Staboberflächen schon im Anfangsstadium ihrer Entstehung durch Schwerkräfte des Fluids überwunden, so daß für eine stetige Gasabfuhr und somit für eine ständige Aktivierung der Elektrodenoberfläche gesorgt ist. Damit an den Gasblasen, welche die Staboberfläche im einer sehr dünnen Schicht bedecken, Scherkräfte wirksam werden können, ist eine geringe Grenzschichtdicke Voraussetzung. Diese ist bei dünnen Stäben (d = 1 bis 3mm) aufgrund des kurzen Strömungsweges senkrecht zur Stabachse gegeben.
Die intensive Wirbelbewegung im Stabbündel bedingt ferner einen guten Fluidaustausch an der Elektrodengrenzschicht, so daß bei genügend großer Elektrodenzahl n1 ein Großteil des zu entkeinenden Fluids in den Grenzschichtbereich der Stabelektroden gerät.
Bei der beschriebenen Anordnung mit durchströmten Elektroden werden die wässrige Lösung und die in ihr enthaltenen Keime zwangsweise durch die anodische oder kathodische Grenzschicht hindurchgeführt. Dabei wird das gesamte Potentialgefälle von 0 bis beispielsweise 11 V durchwandert, so daß im Vergleich zu tangential angeströmten Elektroden, gleichgültig welcher Art, durch beide Effekte eine höhere chemische Umsetzungsrate erzielt wird.
Grundsätzlich können nicht nur die beiden die Hauptelektroden 5,6 bildenden Reihen von Stabelektroden an entsprechende Potentiale sondern auch jede Reihe von Stabelektroden einzeln angeschlossen werden. Eine solche mehrfach bipolare Schaltung hat den Vorteil, daß die Gesamtspannung auf einen Bruchteil herabgesetzt werden kann. Wird beispielsweise Leitungswasser behandelt, so sind dazu wegen der geringen Leitfähigkeit ca. 600 V erforderlich, die bei einer Aufteilung in drei bipolare Bereiche auf jeweils 200 V herabgesetzt werden kann. Bei entsprechender Unterteilung ist es möglich, schon mit sehr geringen Spannungen in der Größenordnung von 2 bis 3 V auszukommen, was ermöglicht, eine derartige Vorrichtung als Entkeimungsanlage in sehr sonnenreichen Ländern über Solarzellen, die nur geringe Spannungen erzeugen, ohne Transformation zu betreiben.
Eine weitere Steigerung der Gasblasenabfuhr läßt sich durch Vibration der Elektroden im niederfrequenten Bereich erzielen.
Zu diesem Zweck ist am Zellengehäuse ein schematisch dargestellter Schwinger 12a vorgesehen. Die von diesem erzeugten niederfrequenten Wellen werden über die Gehäusewandung auf die Elektrodenstäbe übertragen.Durch die Vibration werden die Adhäsionskräfte der Gasblasen auf der schwingenden Elektrodenoberfläche wesentlich vermindert, so daß die Abfuhr durch den Flüssigkeitsstrom weiter erleichtert wird.
Trotz der durch die oben beschriebene Anordnung erreichten guten Wirbelbildung kann sich auf der Kathodenseite der Elektrodenstäbe eine Karbonatablagerung bilden, die einen Teil der Elektroden-oberfläche inaktivieren würde. Um eine solche Ablagerung zu verhindern, ist am Boden des Gehäuses eine Ultraschallquelle 12 vorgesehen. Die durch diese erzeugte Vibration verhindert eine solche Ablagerung. Für den Fall, daß sich darüberhinaus trotzdem eine Ablagerung bildet, wird das an die Hauptelektroden angelegte Potential in seiner Richtung periodisch bespielsweise alle 15 Minuten umgepolt. Dadurch springt ein eventuell entstandener Belag von der Elektrodenfläche ab, so daß wieder die gesamte Oberfläche wirksam ist.
Sollte einmal die dünne Beschichtung des Elektrodenstabes beschädigt werden, kann aufgrund der beschriebenen Befestigungsweise der Elektrodenstäbe in der Wandung des Zellengehäuses jeder einzelne Elektrodenstab durch einfaches Herausdrücken auf der einen Seite und anschließendes Herausziehen des Stabes entfernt und durch einfaches Einschieben und anschließendes Verkitten. eines neuen Stabes ausgewechselt werden.
Ergänzend sei ausgeführt, daß der Abstand der Stäbe einen direkten Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit der Zelle hat, weil das Abwasser mit dem ihm zukommenden Ohm-schen Widerstand einen elektrischen Verlust zufolge hat. Der elektrische Verlust läßt sich dadurch reduzieren, daß der Abstand so klein wie möglich gemacht wird. Die untere Grenze für den Abstand zwischen den Stäben wird von dem zu behandelnden Medium und den darin befindlichen Verunreinigungen bestimmt. Der Abstand der Stäbe muß nämlich mindestens so groß sein, daß von der Flüssigkeit mitgeführte Partikelchen nicht zwischen den Elektrodenstäben hängenbleiben, da es sonst zu einer Verstopfung kommt. Der Abstand der Elektrodenstäbe wird also so gewählt, daß er gerade etwas größer ist als der maximale Durchmesser der von der zu behandelnden Flüssigkeit mitgeführten Teilchen.
In Figur 2 ist eine andere Ausführungsform der Haupt- und Hilfselektroden gezeigt. Jede Elektrode besteht aus einem Rahmen 13 aus einem leitenden Metall und einem mit diesem elektrisch verbundenen und von dem Rahmen gehaltenen Drahtpressgewebe 14. Die Rahmen werden nach Abnehmen eines Deckels einzeln in das Zellengehäuse eingesetzt und durch isolierende Abstandshalter in einem Abstand voneinander gehalten. Die jeweils äußersten Rahmen 13, 15 sind mit elektrischen Anschlußelementen 16,17 verbunden, an die das jeweilige elektrische Potential angelegt wird. Die Zwischenrahmen 18,19, die die Nebenelektroden bilden, sind in dem gezeigten Beispiel nicht direkt mit Spannungsquellen verbunden.
In Figur 3 ist in vergrößertem Maßstab ein Metallgeflecht 21 gezeigt, welches als eine Elektrodenebene verwendet werden kann.
Bei dieser Ausführungsform werden mehrere solche geflochtenen Ebenen in einem Abstand voneinander und isoliert gegeneinander in das Zellengehäuse eingesetzt, wobei wie bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel an die beiden äußersten Ebenen, die die Hauptelektroden bilden, das Potential angelegt wird, während die dazwischen liegenden Ebenen die Nebenelektroden bilden. In Figur 4 ist in vergrößertem Maßstab eine Elektrodenanordnung gezeigt, bei der die Elektrodenstäbe 28,29,30 jeweils in einer Ebene parallel zueinander und in jeweils aufeinander folgender Ebenen unter einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind, so daß eine Art Kreuzgitterbündel entsteht. Die Elektrodenstäbe sind wie bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in der Gehäusewandung befestigt und gegeneinander isoliert.
Lediglich die Stäbe 28,30 der beiden äußersten Ebenen sind wiederum durch Verbindungselemente elektrischmlteinander verbunden, so daß das Potential an diese als Hauptelektroden wirkenden Elektrodenebenen angelegt werden kann. Die Durchströmung dieses Kreuzgitterbündels erfolgt in der durch den Pfeil 20 angedeuteten Richtung senkrecht zu den Ebenen.
L e e r s e i t e

Claims

Vorrichtung und Verfahren zum Entkeimen von Flüssigkeiten Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten mittels der anodischen Oxydation mit einer Mehrzahl von durchströmten bzw. umströmten Haupt- und Hilfselektroden, dadurch gekennzeichnet, daß an den Elektroden ein derartiges elektrisches Potential anliegt, daß die Flüssigkeit sinen Bereich mit sich änderndem Potential durchläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch>1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektroden am stroma'ufwärts gelegenen Eingang und stromabwärts gelegenen Ausgang des Elekrodenbereichs sich über den ganzen Strömungsquerschnitt erstrecken und Unterbrechungen zum Durchtritt der Flüssigkeit aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektroden durch eine Mehrzahl von in einer Ebene quer zur Strömungsrichtung liegenden elektrisch miteinander verbundenen Stäben, die zueinander parallel und in einem Abstand voneinander angeordnet sind, und die Nebenelektroden durch in dazu parallelen Ebenen und gegeneinander versetzt und elektrisch gegeneinander isoliert angeordnete Stäbe gebildet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden als in Strömungsrichtung hintereinander liegende Drahtpressgewebe ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden von der Wandung eines den Strömungskanal bildenden Gehäuses gehalten werden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse ein auf die Elektroden Schwingungen übertragender Ultraschallgenerator vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Flüssigkeitszulauf und Elektrodenbereich ein FlUssigkeitsgleichrichter vorgesehen ist.
8. Verfahren zur Entkeimung von Flüssigkeiten mittels anodischer Oxydation, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit einen Bereich sich ändernden Potentials unter Durchwirbelung durchläuft und daß die Richtung der Potentialänderung periodisch gewechselt wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwinger vorgesehen ist, der über das Gehäuse auf die Elektrodenstäbe niederfrequente Wellen zur Abscherung der Gasblasen überträgt.