DE3733583C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroblasen aus begasten Flüssigkeiten für die Flotation von Schlämmen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroblasen aus begasten Flüssigkeiten für die Flotation von Schlämmen, indem die begaste Flüssigkeit durch eine Entspannungsdüse gedrückt wird.

Die Erfindung betrifft damit die Erzeugung feinster Gas- und Luftblasen in vorrangig wäßrigen Flüssigkeiten, die sich durch ihre Oberflächenspannung an feinste Feststoffe anlagern und so zur Flotation von Schlämmen, insbesondere von Biomasse aus mikrobiologischen Prozessen, herangezogen werden können.

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 plötzlicher 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.

So ist aus der DE-PS 8 10 146 eine Vorrichtung bekannt, bei der mittels Druckentspannung in einer Flüssigkeit gelöstes Gas in Form von Mikroblasen freigesetzt wird. Die Druckentspannungsvorrichtung ist in Form eines Scheibenventiles ausgebildet, dessen Wirksamkeit wesentlich von den Drücken abhängt, mit denen die begaste Flüssigkeit der Entspannungsanordnung zugeführt wird. Die Praxis hat gezeigt, daß eine zufriedenstellende Mikroblasenausbeute erst ab einer Druckbeaufschlagung mit 4-5 bar erhalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, die bei verringertem Energieaufwand eine zufriedenstellende Ausbeute an Mikroblasen bei vergleichsweise niedrigen Betriebsdrücken ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in dem Vorsehen einer Entspannungsdüse in Gestalt einer Hohlkegeldüse zur Bildung eines Flüssigkeitshohlkegels mit einer davon in Abstand angeordneten Abdeckplatte für den Flüssigkeitshohlkegel. Es wurde festgestellt, daß mit einer erfindungsgemäßen Ausbildung der Entspannungsdüse eine Druckreduzierung der begasten Flüssigkeit auf 2-2,5 bar möglich ist und dennoch eine zufriedenstellende Ausbeute an Mikroblasen vorliegt.

Zwar ist es aus der DE-PS 7 04 592 bekannt, zur Einführung eines Gases in eine Flüssigkeit das Gas und einen Teil der Flüssigkeit gegen einen Prallteller strömen zu lassen und auf diese Weise in Mischung miteinander zu bringen. Diese Art der Gasblasenbildung hat jedoch nichts zu tun mit einer Mikroblasenbildung nach der vorliegenden Erfindung, die auf der Ausscheidung von Gas in einer druckbegasten Flüssigkeit beruht.

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 durch 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.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in längsgeschnittener Ansicht eine erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroblasen,

Fig. 2 in schematischer Ansicht eine Anlage zur Flotation von Schlämmen.

Anmerkung: jede Figur und jedes Beispiel haben einen eigenen Satz Bezugsziffern.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Wie in der Fig. 1 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 Fig. 2 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 (3)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroblasen aus begasten Flüssigkeiten für die Flotation von Schlämmen, indem die begaste Flüssigkeit durch eine Entspannungsdüse gedrückt wird, gekennzeichnet durch eine Entspannungsdüse in Gestalt einer Hohlkegeldüse zur Bildung eines Flüssigkeitshohlkegels mit einer davon in Abstand angeordneten Abdeckplatte (3) für den Flüssigkeitshohlkegel.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aufstromseitig der Hohlkegeldüse eine Dralleinrichtung (5) vorgesehen ist, um der der Hohlkegeldüse zugeführten Flüssigkeit einen Drall zu verleihen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Abdeckplatte (2) von der Hohlkegeldüse einstellbar ist.