DE3733583A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung feinster luftblasen zur flotation von schlaemmen - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung feinster Gas- und Luftblasen in vorrangig wäßrigen Flüssigkeiten, die sich durch ihre Oberflächenspannungen an feinste Feststoffe ablagern und so zur Flotation von Schlämmen, insbesondere von Biomassen aus mikrobiologischen Prozessen, benötigt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Flotation von Schlämmen verschiedener Art wird in zuneh­ mendem Maße zur großtechnischen Fest-Flüssig-Trennung eingesetzt.

Von den verschiedenen Methoden zur Blasenbildung hat sich in den vergangenen Jahren die Methode der Entspannungsflotation durchgesetzt.

Prof. Dr. Ing. H. Roediger beschreibt im Sonderdruck der Zeitschrift Kommunalwirtschaft 9/81 die Grundlagen der Entspannungsflotation wie folgt:

"Das von Henry und Dalton gefundene Absorptionsgesetz besagt, daß die im Wasser lösbare Luftmenge nicht nur temperaturabhängig ist, sondern auch proportional mit dem Druck steigt oder fällt. Beim Absenken des Drucks muß also die überschüssige Luftmenge frei werden, die zwar beim höheren Druck in Lösung war, die aber beim neuen niedrigeren Druck nicht mehr in Lösung bleiben kann. Diese nicht mehr lösbare Luft wird in feinsten, gut verteilten Blasen frei, deren Flotationswirkung unübertrefflich ist. Hanisch hat dieses Verfahren in seiner Dissertation 1960 an der Universität Stuttgart wissenschaftlich behandelt und damals "Überdruckflotation" genannt.

Bei einer richtig dimensionierten, konstruierten und betriebenen Entspannungs-Flotationsanlage entstehen Luftblasen mit etwa 0,05 mm Durchmesser. Die Steigge­ schwindigkeit solch kleiner Luftblasen beträgt etwa 0,15 cm/Sekunde, also 9 cm/Minute.

Die bei plötzlichen Entspannung aus dem gelösten in den gasförmigen Zustand übergehende, also "frei werdende" Luft bildet einen ganzen Schwarm oder Schleier von außerordentlich feinen und gleichmäßig verteilten Bläschen. Bei solch kleinen Luftblasen bewirkt die Oberflächenspannung eine völlige Stabilität, d. h. diese sehr kleinen Blasen sind praktisch unzerstörbar. Sie vereinigen sich nicht zu größeren Blasen und sie treten auch nicht ohne weiteres an der Wasseroberfläche aus. Sie steigen nach ihrem Entstehen langsam auf und kommen hierbei mit den absinkenden, mit den schwebenden und mit den zu langsam aufsteigenden Schmutzteilchen und Schlammflocken in Berührung. Durch Adhäsion bleiben sie an diesen Stoffen hängen und tragen sie als winzig kleine Luftballons nach oben an die Wasseroberfläche. Dort bilden sie eine ganze Schicht aus unzählig vielen, kleinen, stabilen Blasen, welche die flotierten Stoffe beliebig lange an der Wasseroberfläche halten. Zugleich bewirkt der summierte, äußerst starke Auftrieb dieser unendlich vielen Bläschen, daß die Schwimmschlammdecke, also die Summe der flotierten Schmutzteilchen, ganz außergewöhnlich stark eingedickt wird."

Auf der Grundlage dieses theoretischen Wissens werden Über­ druckflotationsanlagen gebaut und betrieben.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den bisher bekannten Vorgang der Mikroblasenbildung genauer zu beschreiben, um unter Zugrundelegung dieser neuen Erkenntnisse die für die Flotation notwenige Gerätetechnik zur Verringerung erforderlicher Energien und zur besseren Steuerung der Verfahrenstechnik zu verändern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Das Wesen der Erfindung ist es, den bei der Charakterisierung der bekannen technischen Lösungen dargestellte Wissensstand zur Mikroblasenbildung zu erweitern und darauf aufbauende Vorrichtungen zur Senkung des Energieaufwandes und zur Verfahrensführung darzustellen.

Merkmale der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung der technischen Aufgabe besteht darin, daß die Einrichtungen zur Druckreduzierung der begasten Flüssigkeiten und die Einrichtungen der Mikroblasenbildung gesondert gestaltet werden.

Es wurde gefunden, daß unter Druck begaste Flüssigkeiten nicht wie bisher beschrieben bei einer plötzlichen Entspannung aus der freiwerdenden Luft in der Flüssigkeit feinste Blasen bilden, sondern, daß das Entstehen großer Mengen von Mikroblasen auf Kavitationszustände in den Entspannungsorganen zurückzuführen ist. Das bedeutet, daß beispielsweise durch die Strömung an den Ventilkanten ein solcher Unterdruck entsteht, daß die Grenze des Dampfdruckes der Flüssigkeit unterschritten wird und sich dadurch für einen kurzen Moment kleinste Dampfblasen bilden. Erst an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf und unter dem hohen Vakuum besteht für das Gas die Möglichkeit, aus der Flüssigkeit zu entweichen. Außerhalb der Ventilkanten bricht der Unterdruck sofort zusammen und der Flüssigkeitsdampf kondensiert sofort. Zurück bleiben winzige Gasblasen in die nur die Luftmenge noch nachträglich eindringt, die unter dem niedrigeren Druckniveau hinter dem Entspannungsventil nicht in gelöster Form in der Flüssigkeit verbleiben kann.

Der Druckausgleich und der Stoffaustausch in den Mikroblasen erfolgt in kurzer Zeit. Danach verbleiben kleine stabile Mikroblasen als Blasenschleier in der Flüssigkeit.

Erfindungsgemäß läßt sich die gefundene Erkenntnis auf zwei Wegen nutzen:

• 1. Gestaltung der Entspannungsorgane für Überdruckflota­ tion mit dem Ziel der Erzeugung des Kavitationsfeldes mit geringstem Flüssigkeitsdruck, dargestellt im Beispiel 1,
• 2. Trennung der Einrichtungen zur Druckreduzierung von den Einrichtungen zur Mikroblasenerzeugung mit dem Ziel der Energieeinspannung bei der Druckwassererzeugung duch die Nutzung der Entspannungsenergie zum Befüllen des Begasungsbehälters.
  Dazu wird über ein Austauschersystem mit geringstem Energieaufwand die zu begasende Flüssigkeitsmenge in den Begasungsdruckbehälter und die gleiche begaste Menge aus dem Behälter gebracht. Die für die Lösung der Luft erforderliche Druckerhöhung erfolgt ausschließlich durch die einzubringende Druckluft.
  Das Ein- und Ausbringen der Flüssigkeit erfolgt:
  • - diskontinuierlich über Ventile unter Verwendung von drei Druckbehältern, von denen jeweils einer zum drucklosen Befüllen, einer zum Begasen und einer zum drucklosen Entleeren genutzt wird, oder
  • - quasikontinuierlich über ventil- oder schiebergesteu­ erte Flüssigkeitsaustauscher mit einem Begasungsbehäl­ ter mit Transport- und Umwälzpumpe oder
  • - mit zwei gekoppelten Zahnradpumpen, wobei eine Pumpe zum Beschicken und die zweite Pumpe zur Entnahme aus dem Begasungsbehälter verwendet wird, dargestellt im Beispiel 2.

Bei der Verwendung von Flüssigkeitsaustauschern sind die Leckverluste mit einer kleinen Druckpumpe zu ersetzen. Die so erzeugte entspannte gasübersättigte Flüssigkeit wird zur Mikroblasenbildung durch ein Kavitationsfeld geleitet. Die Erzeugung eines solchen Feldes erfolgt durch eine Ultraschallsonde.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Wie in der Zeichnung zum Beispiel 1 dargestellt, wird aus einem Begasungsdruckbehälter einer Überdruckflotationsanlage das unter Druck stehende gasgesättigte Wasser (1) einer Hohlkegeldüse zugeleitet und in dieser entspannt. In Abhängigkeit vom Durchmesser der Düse in der Düsenplatte (2) befindet sich hinter derselben eine Abdeckplatte (3), die den sich bildenden Hohlkegel (4) voll abdeckt. Dieser Hohlkegel wird durch die, über einen vor der Düse angeordneten Drallkörper (5) geleitete, rotierende Flüssigkeit gebildet. Durch die Abdeckung kann keine Flüssigkeit in den Hohlkegel zurückströmen. Es entsteht ein Unterdruck, der größer ist als der Dampfdruck der Flüssigkeit. Der Hohlkegel ist damit ständig mit Wasserdampf gefüllt, so daß bereits hier erste Luftanteile in den Dampfraum diffundieren können. Der intensive Flüssigkeitsstrom reißt ständig kleinste Teile dieses Dampf-Luft-Gemisches mit. Aus den Gaspartikeln bildet sich in der entspannten Flüssigkeit (6) der Mikroblasen­ schleier.

Beispiel 2

Wie in der Zeichnung zum Beispiel 2 dargestellt, wird die zu flotierende Flüssigkeit (1) kontinuierlich in den Flota­ tionsbehälter (2) eingeleitet, aus dem der aufkonzentrierte Schlamm (3) mit einer Fördereinrichtung (4) ausgetragen wird. Über ein einstellbares Wehr (5) wird das gereinigte Wasser (6) aus der Anlage abgeleitet. Ein Teilstrom des Wassers wird von der ersten Zahnradpumpe (7) der mit einem Motor (8) angetriebenen Austauschereinheit in den Begasungsbehälter (9) gedrückt. Das Druckniveau wird durch die, die Flüssigkeit begasende, Druckluft (10) erzeugt. Das gasgesättigte Wasser wird von der zweiten Zahnradpumpe (11), die als Generator arbeitet aus dem unter Druck stehenden System entnommen und nun unter dem niedrigeren Druckniveau gasübersättigt dem Ultraschallgerät (12) zugeleitet. Hier bilden sich innerhalb des Kavitationsfeldes die Mikroblasen aus. Sie werden mit dem Wasser als Mikroblasenschleier in den Flotationsbehälter gebracht, lagern sich dort an die Feststoff- und Suspensionspartikel an, so daß diese aufstei­ gen und als Schlamm ausgetragen werden können.

Die in der Austauschereinheit entstehenden Leckverluste können entweder durch eine entsprechend größere Auslegung der Zahnradpumpe (7) oder durch eine kleine Druckpumpe (13) ausgeglichen werden.

Zur besseren Lösung der Luft kann außerdem ein interner Kreislauf mit einer Pumpe (14) zur Vermischung von Luft und Wasser installiert werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroblasen aus druckbe­ gasten Flüssigkeiten in Überdruckflotationsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die begaste Flüssigkeit duch eine Hohlkegeldüse gedrückt wird, über der sich im kurzen, einstellbaren Abstand eine Abdeckplatte befindet.

2. Verfahren zur Herstellung von feinsten Gasblasen in Flüs­ sigkeiten zur Flotation von Schlämmen unter Nutzung der Lösung des Gases unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Druckbegasung der Flüssigkeit und die Einrichtungen der Mikroblasenbildung getrennt vonein­ ander gestaltet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu begasende Flüssigkeit in einen Behälter eingelei­ tet, dort eingeschlossen, von unten mit Druckluft begast, auf das entsprechende Druckniveau gebracht und danach entspannt wird und somit in einem niedrigeren Druckniveau gasübersättigt zur Verfügung steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem eingestellten Druckniveau zur schnelleren Sättigung mit Hilfe der Oberflächenvergrößerung eine interne Durchmischung der Luft und der Flüssigkeit im Behältersystem zur Anwendung kommt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begasung in einen Druckbehälter erfolgt und die Zuführung von unbegaster Flüssigkeit und die Entnahme von begaster Flüssigkeit über zwei ventil- oder schieberge­ steuerte Austauscher erfolgt, wobei die Schaltzeiten so mit den Flüssigkeitsgeschwindigkeiten abgestimmt sind, daß die Menge der begasten Flüssigkeit, die in das drucklose System, und die Menge der unbegasten Flüssigkeit, die in das unter Druck stehende System gefördert wird, gleich ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleich große Zahnradpumpen miteinander gekoppelt werden, so daß der Druck, der aus dem Begasungsdruck­ behälter kommenden Flüssigkeit an die unbegaste, in die­ sen Behälter zu fördernde Flüssigkeit abgegeben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gasübersättigte drucklose Flüssigkeit durch Einrichtungen zur Erzeugung von Unterdrücken im Bereich der dampfbla­ senbildenden Kavitation geleitet wird, dadurch kurzzeitig übersättigte Luft in die Dampfblasen entweicht und im Strömungsfeld beständige Mikrogasblasen gebildet werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gasübersättigte drucklose Flüssigkeit durch ein System geleitet wird, in welchem Ultraschallschwingungen die Kavitation erzeugen.