DE3838181A1 - Verfahren und vorrichtung zur entfernung von stickstoffverbindungen aus waessrigen loesungen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur entfernung von stickstoffverbindungen aus waessrigen loesungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von
Stickstoffverbindungen aus wäßrigen Lösungen sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, daß bestimmte in Abwasser oder
Trinkwasser enthaltene Stickstoffverbindungen
umweltschädigende bzw. gesundheitsschädliche Wirkungen
aufweisen. Einerseits steigt der Nitratgehalt im
Grundwasser z.B. aufgrund landwirtschaftlicher
Überdüngung der Felder ständig an, andererseits nehmen
Eutrophierungserscheinungen in Oberflächengewässern
z.B. infolge unzureichender Nitratentfernung in
Kläranlagen zu. Um eine Gesundheitsgefährdung der
Bevölkerung durch nitrathaltiges Trinkwasser bzw.
Umweltschäden durch nitratbelastetes Abwasser
auszuschließen, müssen daher die Stickstoffverbindungen
aus dem Trinkwasser bzw. Abwasser weitgehend entfernt,
also möglichst in elementaren Stickstoff umgewandelt
werden. Die herkömmlichen Verfahren zur
Stickstoffelimination, wie z.B. biologische
Nitrifikation und Denitrifikation, lonenaustausch und
Membrantrennung, erlauben keine 100%ige Entfernung der
Stickstoffverbindungen. Insbesondere bei der
Trinkwasseraufbereitung fehlen bislang wirtschaftliche
Methoden, mit denen eine weitestgehende Umwandlung des
Nitrats in elementaren Stickstoff erreicht werden
könnte.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Entfernung von
Stickstoffverbindungen aus wäßrigen Lösungen
bereitzustellen, durch das eine weitestgehende
Entfernung von Stickstoffverbindungen aus der wäßrigen
Lösung auf wirtschaftliche Weise erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die wäßrige Lösung durch eine Elektrolysezelle
hindurchgeleitet wird, wobei die wäßrige Lösung in
engen Kontakt mit einer eine große Oberfläche
aufweisenden Kathode gebracht wird und eine elektrische
Potentialdifferenz zwischen der Kathode und einer Anode
angelegt wird.
Es ist zwar bekannt, Schwermetalle aus Abwasser bzw.
Trinkwasser mittels Elektrolyse zu entfernen, bislang
fehlen jedoch Elektrolyseverfahren, die eine
weitgehende Entfernung von Stickstoffverbindungen aus
einer wäßrigen Lösung ermöglichen. Der Erfindung liegt
die Erkenntnis zugrunde, daß eine elektrolytische
Umsetzung der Stickstoffverbindungen, insbesondere von
Nitrat und Nitrit, zu elementarem Stickstoff möglich
ist, wenn bestimmte Anforderungen an die Elektroysezelle
gestellt werden. Es wurde gefunden, daß eine wesentliche
Voraussetzung für eine weitestgehende
Stickstoffelimination darin besteht, einen engen Kontakt
zwischen der wäßrigen Lösung und der Kathode
herzustellen. Damit im wesentlichen die gesamte wäßrige
Lösung mit der Kathode in Berührung kommt, muß die
Kathode eine große Oberfläche aufweisen. Auf diese Weise
werden Spannungsverluste durch den Ohmschen Widerstand
der wäßrigen Lösung, der bei Trinkwasser besonders hoch
ist, gering gehalten. Insbesondere wird mit der
Erfindung eine weitestgehende Reduktion des im
Trinkwasser enthaltenen Nitrats zu elementarem
Stickstoff erreicht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird vor dem Hindurchleiten der wäßrigen
Lösung durch die Elektrolysezelle auf die Kathode eine
Metallschicht aufgebracht. Vorzugsweise geschieht dies
dadurch, daß in die Elektrolysezelle eine Metallionen
enthaltende Lösung eingebracht und die Metallionen
kathodisch abgeschieden werden. Es ist noch nicht
abschließend geklärt, worauf die die
Stickstoffelimination fördernde Wirkung des
abgeschiedenen Metalls beruht. Möglicherweise wirkt das
abgeschiedene Metall katalytisch auf die Umwandlung der
Stickstoffverbindungen zum elementaren Stickstoff.
Ebenso könnte der bei der Elektrolyse gebildete
Wasserstoff in Verbindung mit dem Metall eine Umsetzung
der Stickstoffverbindungen zum elementaren Stickstoff
bewirken.
Vorzugsweise wird auf die Kathode Eisen, Zinn, Blei,
Nickel, Mangan oder ein Gemisch dieser Komponenten
aufgebracht. Besonders hohe Eliminationsraten sind bei
Aufbringung von Kupfer auf die Kathode zu erzielen.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die
Elektrolysezelle mit einer Potentialdifferenz von ca.
0,5 bis ca. 50 Volt, vorzugsweise ca. 1 bis ca. 5 Volt,
zu betreiben. Das Anlegen dieser Spannung
reicht im Normalfall aus, eine weitestgehende
Elimination der Stickstoffverbindungen zu bewirken.
Je nach Volumen der Elektrolysezelle ergeben sich
verschiedene Stromstärken. Bei einem Zellvolumen von
z.B. 100 Litern wird bevorzugt eine Stromstärke von ca.
0,5 bis ca. 100 Ampere, vorzugsweise ca. 5 bis ca. 25
Ampere, in der Elektrolysezelle aufrechterhalten, wobei
bei der Behandlung von Abwasser höhere und bei der
Trinkwasseraufbereitung niedrigere Stromstärken
erforderlich sind.
In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist
vorgesehen, die wäßrige Lösung vor und/oder nach dem
Hindurchleiten durch die Elektrolysezelle zu filtrieren.
Bei der Trinkwasseraufbereitung kann auf einen
vorgeschalteten Filter verzichtet werden, da Trinkwasser
in der Regel keine Feststoffe enthält. Der
nachgeschaltete Filter soll eine Beladung des
elektrolytisch behandelten Trinkwassers mit eventuell
aus der Elektrolysezelle ausgeschwemmten Feststoffen
verhindern. Bei der Behandlung von Abwasser ist eine
Filterung vor der Elektrolysezelle dagegen
zweckdienlich, um eine Verstopfung der Elektrolysezelle
durch im Abwasser enthaltene Feststoffe zu vermeiden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht
aus einer einen Zulauf und einen Ablauf aufweisenden
Elektrolysezelle. In der Elektrolysezelle ist eine eine
große Oberfläche aufweisende Kathode angeordnet sowie
eine von der Kathode durch eine elektrisch nicht
leitende Trennschicht getrennte Anode.
Vorzugsweise nimmt die Kathode nahezu das gesamte
Volumen der Elektrolysezelle ein, so daß die zu
behandelnde wäßrige Lösung vollständig mit der Kathode
in engen Kontakt kommt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die Elektrolysezelle quaderförmig oder
zylinderförmig aufgebaut. In der Mitte des Quaders bzw.
auf der Achse des Zylinders ist die Anode angeordnet.
Die Anode ist stabförmig ausgebildet und von der
elektrisch nicht leitenden Trennschicht zylinderförmig
umgeben. An der Zylinderwand bzw. den Wänden des Quaders
sind Ableiter aus elektrisch leitfähigem Material
angeordnet, die mit dem Minuspol einer Spannungsquelle
in Verbindung stehen. Das verbleibende Volumen der
Elektrolysezelle ist weitgehend von der Kathode
ausgefüllt.
Eine zweckmäßige Variante der Erfindung sieht vor, daß
die Kathode als Festbettschüttung aus Metallteilchen
ausgebildet ist. Die Festbettschüttung nimmt im
wesentlichen das gesamte Volumen der Elektrolysezelle
ein und ermöglicht einen engen Kontakt mit der zu
behandelnden wäßrigen Lösung. In einer anderen Variante
ist die Festbettschüttung aus Graphitgranulat aufgebaut.
Mit dieser Festbettschüttung können besonders hohe
Stickstoffeliminationsraten erzielt werden. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, die Kathode als
Filz oder Vlies aus Graphit auszubilden.
Bevorzugterweise ist die Kathode mit einem Metall
beschichtet. Hier hat sich Kupfer als besonders
vorteilhaft erwiesen, aber auch eine Präparierung der
Kathode mit Eisen, Zinn, Blei, Nickel, Mangan bzw.
einem Gemisch dieser Komponenten ist möglich.
Die Anode und die die Kathode kontaktierenden Ableiter
sind vorzugsweise aus hochleitendem Graphit gefertigt.
Aber auch die Verwendung von Metallen, wie Kupfer,
Eisen, Edelstahl, deren Legierungen mit Nickel und
Mangan ist möglich.
Anode und Ableiter sind bevorzugt mit Kupferschienen
versehen, die mit der Spannungsquelle in Verbindung
stehen. Auf diese Weise kann Gleichstrom geringer
Spannung, aber hoher Stromstärke nahezu verlustfrei den
Elektroden zugeführt werden. Dies stellt u.a. eine
wesentliche Voraussetzung für eine weitestgehende
elektrolytische Umsetzung der Stickstoffverbindungen
dar.
Die Wandungen der Elektrolysezelle selbst und die nicht
leitende Trennschicht zwischen Anode und Kathode sind
vorzugsweise aus Polyethylen oder Polypropylen
gefertigt. Es entsteht so eine leichte und
strapazierfähige Elektrolysezelle, die auch an
verschiedene Einsatzorte gebracht werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße
Vorrichtung können sowohl zur Abwasserreinigung als auch
zur Trinkwasseraufbereitung verwendet werden. Mit der
Erfindung wird insbesondere ein kontinuierliches
Verfahren zur Trinkwasserreinigung bereitgestellt, das
eine nahezu 100%ige Reduktion des Nitrats zu elementarem
Stickstoff ermöglicht und keimfreies Wasser liefert.
Positiv ist ferner, daß keine Chemikalienzusätze
erforderlich sind, was bei der Trinkwasseraufbereitung
immer problematisch ist. Das Graphitfestbett erlaubt
hohe Standzeiten. Die Energiekosten sind aufgrund guter
Ausnutzung der elektrischen Energie gering.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in einer
Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
Die Figur zeigt ein Schnittbild einer Elektrolysezelle
mit einem vor- und einem nachgeschalteten Filter.
Nitrathaltiges Trinkwasser wird über eine Zulaufleitung
1 einem Filter 2 zugeführt, wo eventuell vorhandene
Feststoffe aus der wäßrigen Lösung entfernt werden.
Das filtrierte Trinkwasser wird über Leitung 3 in die
Elektrolysezelle 4 eingeleitet. Die Elektrolysezelle 4
ist zylinderförmig ausgebildet und besitzt ein Gehäuse
aus Polyethylen. Auf der Zylinderachse ist die aus
Graphit bestehende, stabförmige Anode 5 angeordnet. Sie
ist zylinderförmig von der Trennschicht 6 umgeben, die
aus Polyamid besteht. An der Wandung 7 der
Elektrolysezelle 4 sind Ableiter 8 aus Graphit
angeordnet, die mit der Festbettschüttung 9 aus
Graphitgranulat in Kontakt stehen. Das Festbett 9 nimmt
im wesentlichen das gesamte Volumen der Elektrolysezelle
4 zwischen der Trennschicht 6 und den Ableitern 8 ein.
Das Festbett 9 wurde vor Einleiten des Trinkwassers mit
Kupfer beschichtet. Hierzu wurde eine Kupferlösung in
die Elektrolysezelle 4 eingeleitet und das Kupfer
kathodisch abgeschieden. Dadurch wird die Umsetzung des
Nitrats zum elementaren Stickstoff gefördert. Die
Ableiter 8 stehen über Leitungen 10 mit dem Minuspol der
Spannungsquelle 12 in Verbindung. Die Anode 5 ist über
Leitung 11 mit dem Pluspol der Spannungsquelle 12
verbunden. Trinkwasser wird durch das Festbett 9
hindurchgeleitet und tritt dabei mit dem Festbett 9 in
engen Kontakt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung
von ca. 2 bis ca. 5 Volt wird das Nitrat zu elementarem
Stickstoff elektrolytisch reduziert, der gasförmig
entweicht. Dabei wird eine Stromstärke von ca. 5 Ampere
aufrechterhalten. Das gereinigte Trinkwasser wird über
Leitung 15 abgezogen und durch einen Filter 14
hindurchgeleitet, in dem evtl. aus der Elektrolysezelle
ausgeschwemmte Feststoffe aus dem Trinkwasser entfernt
werden. Das filtrierte Trinkwasser verläßt schließlich
über Ablauf 15 die Vorrichtung und steht als keimfreies
und weitgehend nitratfreies Trinkwasser zum weiteren
Gebrauch zur Verfügung.
Im folgenden wird anhand von Versuchsergebnissen die
Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Beweis
gestellt.
Es wird Trinkwasser mit einer Elektrolysezelle
gereinigt, die folgende Zellparameter aufweist:
| Zellvolumen:|17 l | |
| Graphitgranulateinwaage: | 15 kg |
| Maximale Klemmspannung: | 4 Volt |
| Maximale Stromstärke: | 50 Ampere |
| Maximaler Durchfluß: | 250 l/h |
Das zu reinigende Trinkwasser besitzt eine
Leitfähigkeit von 600 µS/cm und einen Nitratgehalt von
ca. 24 mg/l.
Die Elektrolysezelle wird zunächst 30 Min. mit einem
Durchfluß von ca. 20 l/h betrieben. Die Stromstärke
beträgt ca. 5 Ampere bei einer Spannung von ca. 2,8
Volt. Vom gereinigten Trinkwasser wird eine Probe
entnommen und der Nitratgehalt festgestellt. Er beträgt
1,5 mg/l. Die Leitfähigkeit des gereinigten
Trinkwassers beträgt 650 µS/cm. Anschließend wird der
Durchfluß auf ca. 160 l/h gesteigert und bei
gleichbleibender Spannung die Stromstärke auf ca. 8,5
Ampere erhöht. Das gereinigte Trinkwasser weist nun
einen Nitratgehalt von ca. 3,7 mg/l auf.
Claims (16)
1. Verfahren zur Entfernung von Stickstoffverbindungen
aus wäßrigen Lösungen, dadurch gekennzeichnet, daß
die wäßrige Lösung durch eine Elektrolysezelle (4)
hindurchgeleitet wird, wobei die wäßrige Lösung in
engen Kontakt mit einer eine große Oberfläche
aufweisenden Kathode (9) gebracht wird und eine
elektrische Potentialdifferenz zwischen der Kathode
(9) und einer Anode (5) angelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem Hindurchleiten der wäßrigen Lösung auf
die Kathode (9) eine Metallschicht, vorzugsweise
durch kathodische Abscheidung, aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß Kupfer auf die Kathode (9) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Potentialdifferenz von ca.
0,5 bis ca. 50 Volt, vorzugsweise ca. 1 bis 5 Volt,
angelegt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Elektrolysezelle (4) eine
Stromstärke von ca. 0 5 bis ca. 100 Ampere,
vorzugsweise ca. 3 bis ca. 25 Ampere,
aufrechterhalten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die wässrige Lösung vor
und/oder nach dem Hindurchleiten durch die
Elektrolysezelle (4) filtriert wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch
eine einen Zulauf (1) und einen Ablauf (15)
aufweisende Elektrolysezelle (4) , in der eine eine
große Oberfläche aufweisende Kathode (9) und eine
von der Kathode (9) durch eine elektrisch nicht
leitende Trennschicht (6) getrennte Anode (5)
angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kathode (9) nahezu das
gesamte Volumen der Elektrolysezelle (4) einnimmt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolysezelle (4)
quaderförmig oder zylinderförmig aufgebaut ist,
wobei in der Mitte der Elektrolysezelle (4) die
Anode (5) angeordnet ist, die stabförmig ausgebildet
ist und von der elektrisch nicht leitenden
Trennschicht (6) zylinderförmig umgeben ist, während
an der Wandung (7) der Elektrolysezelle (4) Ableiter
(8) angeordnet sind, die mit dem Minuspol der
Spannungsquelle (12) verbunden sind, und daß das
verbleibende Volumen der Elektrolysezelle (4)
weitgehend von der Kathode (9) ausgefüllt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (9) als
Festbettschüttung aus Metallteilchen ausgebildet
ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (9) als
Festbettschüttung aus Graphitgranulat ausgebildet
ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (9) als Filz
oder Vlies aus Graphit ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (9) mit
Metall, insbesondere Kupfer, beschichtet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (5) und die
Ableiter (8) aus Graphit gefertigt sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ableiter (8) und die
Anode (5) mit Kupferschienen versehen sind, die mit
der Spannungsquelle in Verbindung stehen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen (7) der
Elektrolysezelle (4) und die nicht leitende
Trennschicht (6) aus Polyethylen oder Polypropylen
gefertigt sind.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19883838181 DE3838181A1 (de) | 1988-11-10 | 1988-11-10 | Verfahren und vorrichtung zur entfernung von stickstoffverbindungen aus waessrigen loesungen |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19883838181 DE3838181A1 (de) | 1988-11-10 | 1988-11-10 | Verfahren und vorrichtung zur entfernung von stickstoffverbindungen aus waessrigen loesungen |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3838181A1 true DE3838181A1 (de) | 1990-05-23 |
Family
ID=6366911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19883838181 Withdrawn DE3838181A1 (de) | 1988-11-10 | 1988-11-10 | Verfahren und vorrichtung zur entfernung von stickstoffverbindungen aus waessrigen loesungen |
Country Status (1)
| Country | Link |
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