DE4126914A1 - Einrichtung zum trennen von oel-in-wasser-emulsionen - Google Patents

Description

In den meisten Fertigungsbetrieben versursachen die anfallen­ den Bohrölemulsionen, nach den Lackschlämmen, die zweitgrößte Menge an Sonderabfall. Zur Behandlung und Beseitigung dieser Sonderabfälle ist eine Emulsionsspaltung erforderlich, die bislang jedoch noch nicht zufriedenstellend gelöst werden konnte. So erfordern die bekannten Verfahren zur Emulsions­ spaltung hohe Investitionskosten und die Verwendung von kost­ spieligen Hilfschemikalien wie Adsorptionsmitteln oder Säuren. Außerdem entstehen bei der Emulsionsspaltung aufgrund des ho­ hen Wasseranteils und der im Abfall teilweise verbleibenden Hilfschemikalien relativ große Abfallmengen. Durch die Verun­ reinigungen ist eine gezielte Wideraufarbeitung der an fallen­ den Ölschlämme mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.

Bei Bohrölemulsionen handelt es sich um sog. Öl-in-Wasser- Emulsionen, bei denen das Öl in der kontinuierlichen Phase Wasser dispergiert ist. Die Stabilität derartiger Emulsionen wird durch grenzflächenaktive Substanzen, die sog. Emulgato­ ren erreicht. Ein Emulgator besteht aus einem polaren, d. h. hydrophilen Teil und einem unpolaren, d. h. lipophilen Teil, wobei der hydrophile Teil im Wasser verankert ist, während der lipophile Teil in die Ölphase hineinragt.

Der hydrophile Teil eines Emulgators besteht aus ionogenen Gruppen wie Carboxylen, Sulfaten, Sulfonaten und Phosphaten, während der lipophile Teil durch eine niedermolekulare Kohlen­ wasserstoffkette gebildet wird. Voraussetzung für die Stabili­ tät von Öl-in-Wasser-Emulsionen ist die gleichnamige Ladung der dispergierten Öltröpfchen und die dadurch bewirkte gegen­ seitige Abstoßung. Der hydrophile Teil des verwendeten Emulga­ tors erhöht dabei die elektrostatische Abstoßung der disper­ gierten Öltröpfchen.

Um eine Öl-in-Wasser-Emulsion zu spalten, muß eine Koagulation der geladenen Öltröpfchen herbeigeführt werden. Unter Koagula­ tion versteht man dabei eine Entstabilisierung des Systems durch vollständige oder teilweise Neutralisation der Ladungen der dispergierten Öltröpfchen.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu­ grunde, eine Einrichtung zum Trennen von Öl-in-Wasser-Emulsionen zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und unter Verzicht auf schädliche Hilfschemikalien eine umweltfreundliche und kostengünstige Emulsionsspaltung ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch die Hintereinanderschaltung von Elektrolysezelle und Ölabscheider bei kontinuierlicher Umwälzung des Öl-Wasser-Gemisches eine effektive Trennung durchgeführt werden kann, wobei der an­ fallende Ölschlamm nahezu Wasser frei ist und auch die abge­ trennte Wasserphase frei von sichtbaren Ölanteilen ist. Im Vergleich zu den bekannten Methoden der Emulsionsspaltung kann mit der erfindungsgemäßen Einrichtung die Menge des verblei­ benden Abfalls erheblich reduziert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden in der Elektro­ lysezelle die Ladungen der emulgierten Öltröpfchen über Elek­ troden abgeführt, d. h. die gegenseitige Abstoßung aufgrund gleichnamiger Ladungen wird verhindert und durch die von der Waals′schen Anziehungskräfte kann eine Koagulation erfolgen. Die feindispersen Öltröpfchen vereinigen sich zu größeren Tropfen, die separierbar sind und in dem nachgeordneten Öl­ abscheider durch Aufschwimmen an die Oberfläche abgetrennt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen 2-6 angegeben.

Die Weiterbildung nach Anspruch 2 gewährleistet einen Zulauf aus dem Oberflächenbereich der Elektrolysezelle zum Ölabschei­ der und damit einen hohen Anteil an koagulierten und aufge­ stiegenen Öltropfen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 ermöglicht eine raumsparen­ de Anordnung der Elektroden in der Elektrolysezelle.

Die Weiterbildung nach Anspruch 4 ermöglicht die Realisierung großer Elektrodenflächen bei gleichzeitiger Begünstigung des Aufstiegs der entladenen Öltröpfchen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 5 gewährleistet eine hohe Standzeit der aus korrosionsbeständigem Titan bestehenden Elektroden.

Die Weiterbildung nach Anspruch 6 bietet schließlich die Mög­ lichkeit, die erfindungsgemäße Einrichtung zum Trennen von Öl- in-Wasser-Emulsionen mit einer vorausgehenden Ultrafiltration zu kombinieren. Bei einer Ultrafiltration von Öl-in-Wasser- Emulsionen hat das Retentat einen hohen Wasseranteil von etwa 50-70%. Durch die Nachbehandlung in der erfindungsgemäßen Einrichtung kann dann der Wassergehalt erheblich gesenkt und damit der verbleibende Abfall stark reduziert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in stark vereinfachter schemati­ scher Darstellung eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Tren­ nen von Öl-in-Wasser-Emulsionen in der Draufsicht bzw. im Schnitt.

Die zu trennende Öl-in-Wasser-Emulsion wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe 1 in einem geschlossenen Kreislauf durch eine Elektrolysezelle 2 und einen Ölabscheider 3 gefördert, wobei der Zulauf 4 des Ölabscheiders 3 durch einen Überlauf der Elektrolysezelle 2 gebildet ist. Ein Ablauf 5 des Ölabschei­ ders ist über eine Rückführleitung 6 mit einem im Bodenbereich angeordneten Zulauf 7 der Elektrolysezelle 2 verbunden, wobei in der Rückführleitung 6 in Strömungsrichtung gesehen nachein­ ander die bereits erwähnte Umwälzpumpe 1 und ein Regulierven­ til 8 zur Einstellung der Umlaufmenge angeordnet sind.

Im Bodenbereich der Elektrolysezelle 2 sind aus Titan-Streck­ metall bestehende und horizontal im Abstand zueinander ausge­ richtete Elektroden 9 und 10 angeordnet, zu deren Befestigung zwei Distanzhalter 11 und 12 aus PVC vorgesehen sind. Die untere Elektrode 9 ist dabei als Anode an den Pluspol einer nicht näher dargestellten Gleichstromquelle angeschlossen, während die obere Elektrode 10 als Kathode an den Minuspol dieser Gleichstromquelle angeschlossen ist.

Die Ladungen der emulgierten Öltröpfchen werden über die Elek­ troden 9 und 10 abgeführt. Da eine gegenseitige Abstoßung auf­ grund gleichnamiger Ladungen dann nicht mehr möglich ist, kann eine Koagulation durch die von der Waals′schen Anziehungs­ kräfte erfolgen. Die feindispersen Öltröpfchen vereinigen sich zu größeren separierbaren Tropfen, die an die Oberfläche auf­ steigen. Das Aufsteigen der koagulierten Öltröpfchen wird da­ bei durch an den Elektroden 9 und 10 entstehenden Wasserstoff und Sauerstoff beschleunigt. Der entstehende Wasserstoff und Sauerstoff ist in Fig. 2 durch aufsteigende Gasblasen 13 ange­ deutet.

Das im Oberflächenbereich in der Elektrolysezelle 2 durch die aufsteigenden Öltropfen mit Öl angereicherte Öl-Wasser-Gemisch gelangt über den als Überlauf ausgebildeten Zulauf 4 in eine erste Kammer 14 des Ölabscheiders 3. Die Zwischenwand 15 zwi­ schen dieser ersten Kammer 14 und einer daran anschließenden zweiten Kammer 16 ist als Überlaufwehr ausgebildet, so daß insbesondere das in der ersten Kammer 12 aufschwimmende Öl in die zweite Kammer 16 überläuft. Die endgültige Abtrennung des Öls durch Aufschwimmen an die Oberfläche erfolgt dann in der zweiten Kammer 16 und in einer dritten Kammer 17, wobei diese beiden Kammern durch eine Tauchwand 18 voneinander getrennt sind. Das in der zweiten Kammer 16 und der dritten Kammer 17 aufschwimmende Öl ist in Fig. 2 durch die Bezugsziffern 19 und 20 gekennzeichnet. Die Abführung des aufgeschwommenen Öls 19 und 20 kann beispielsweise über in der Zeichnung nicht darge­ stellte Überlaufrinnen vorgenommen werden. Die Rückführung des vom aufgeschwommenen Öl 19 und 20 befreiten Öl-Wasser-Gemi­ sches erfolgt über den bereits erwähnten Ablauf 5 und die Rückführleitung 6, wobei die Ansaugöffnung des Ablaufs 5 in der dritten Kammer 17 unterhalb der durch das aufgeschwommene Öl 20 gebildeten Schicht liegt.

Bei der anhand der Fig. 1 und 2 geschilderten Einrichtung handelt es sich um eine Versuchseinrichtung mit einem Fas­ sungsvermögen von insgesamt 15 Litern. Die Elektrolysezelle 2 besteht aus PVC, der Ölabscheider 3 aus PP. Die beiden Elek­ troden 9 und 10 weisen jeweils eine Oberfläche von 5,2 dm² auf. Der Abstand zwischen den Elektroden 9 und 10 beträgt vor­ zugsweise 1 mm, wobei jedoch auch Elektrodenabstände bis zu 30 mm möglich sind.

Die in der geschilderten Einrichtung aufgearbeitete Bohröl­ emulsion bestand aus 7 Gewichtsprozent Konzentrat. Das Kon­ zentrat hat folgende Eigenschaften:

• - Bezeichnung: BLASOCUT® 2000 Universal, Artikelnummer 870 der Firma Blaser & Co. AG/Schweiz
• - Mineralölgehalt: 62%
• - Dichte (20°C): 0.951 g/ml
• - Chlor (inaktiv): 3%.

Die Emulsion wurde mit Leitungswasser angesetzt. Sie besteht aus etwa 7 Gewichtsprozent Konzentrat und enthält somit un­ gefähr 43 g Mineralöl pro Liter. Bei der Durchführung des Ver­ suchs wurde an die Elektroden 9 und 10 eine konstante Gleich­ spannung von 30 V angelegt. Bereits nach einigen Stunden Elek­ trolysezeit war im Ölabscheider 3 deutlich aufschwimmendes Öl erkennbar. Nach 75 Stunden Elektrolysezeit war eine weitge­ hende Abtrennung des Öls erfolgt. Die verbliebene wäßrige Lösung war geruchlos, grünlich klar und frei von sichtbaren Ölanteilen. Die Ursache der Grünfärbung konnte bislang nicht geklärt werden. Die Betriebsdaten bei der Durchführung des Versuchs können wie folgt zusammengefaßt werden:

• - Spannung: 30 V DC (konstant)
• - Strom: 0,5 A (gleichbleibend)
• - Stromdichte: 0,1 A/dm²
• - Temperatur: Raumtemperatur (geringfügige Erwärmung durch Elektrolyse und Umwälzpumpe)
• - pH: gleichbleibend etwa 8
• - Volumen: 15 l.

Für den industriellen Einsatz einer erfindungsgemäßen Einrich­ tung können noch Optimierungen im Hinblick auf die Elektroden­ zahl, den Elektrodenabstand, das Elektrodenmaterial und den Einfluß der Strömung zur Verkürzung der Elektrolysezeit durch­ geführt werden. In Kombination mit einer Ultrafiltration kann die Elektrolyse eine optimale Ergänzung sein, denn das Reten­ tat von Ultrafiltrations-Anlagen hat einen relativ hohen Wassergehalt (50-70%). Mit einer Elektrolyse als Nachbe­ handlung kann der Wassergehalt gesenkt und damit der ver­ bleibende Abfall reduziert werden.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung gegenüber kon­ ventionellen Methoden können wie folgt zusammengefaßt werden:

• - Wegfall von Hilfschemikalienkosten
• - Verringerung des Abfalls
• - Wegfall von aufwendigen Meß- und Steuereinrichtungen
• - Einfache, wenig komplexe Verfahrensschritte
• - Einfacher Aufbau der Einrichtung
• - Geringer Energiebedarf (beim geschilderten Versuch 75 kWh für 1 m³ Emulsion).

Claims (6)

1. Einrichtung zum Trennen von Öl-in-Wasser-Emulsionen, ins­ besondere Bohrölemulsionen, mit

• - einer Elektrolysezelle (2) zur Entladung der emulgierten Öl­ tröpfchen an mindestens zwei entgegengesetzt gepolten Elek­ troden (9, 10),
• - einem Ölabscheider (3) zur Abtrennung der Ölphase des aus der Elektrolysezelle (2) kontinuierlich zulaufenden Öl-Wasser- Gemisches und
• - einer Umwälzpumpe (l) zur kontinuierlichen Rückführung des in dem Ölabscheider (3) vom aufschwimmenden Öl (19, 20) getrenn­ ten Öl-Wasser-Gemisches in die Elektrolysezelle (2).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (4) des Öl-Wasser-Gemisches zum Ölabscheider durch einen Überlauf der Elektrolysezelle (2) gebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9, 10) horizontal im Abstand zueinander angeordnet sind.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9, 10) sieb- oder gitterförmig ausgebil­ det sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9, 10) aus Titan-Streckmetall bestehen.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolysezelle (2) mit dem Retentat einer Ultrafil­ trations-Einrichtung zum Trennen von Öl-in-Wasser-Emulsionen gefüllt ist.