DE4307204A1 - Anordnung zur Reinigung von Flüssigkeiten und/oder Gasen - Google Patents
Anordnung zur Reinigung von Flüssigkeiten und/oder GasenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Reinigung von Flüssigkeiten und/oder
Gasen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung wird vorteilhaft dort eingesetzt, wo organische Giftstoffe, die in
Flüssigkeiten oder Gasen enthalten sind, zu Kohlendioxid, Wasser und anderen
vergleichsweise umweltverträglichen Produkten, z. B. Salzsäure, zersetzt werden
sollen.
UV-Strahlung wird schon seit einigen Jahrzehnten zur Entkeimung von
Trinkwasser und zur Sterilisierung von speziellen Räumen in Kliniken erfolgreich
eingesetzt. Dabei wird das zu entkeimende Wasser üblicherweise mit der UV-
Strahlung von Niederdruck-Quecksilber-Dampflampen bestrahlt (z. B.: Prospekt:
UV-Entladungsanlagen, WDECO-GmbH, Herford; UviTox, Fa. VitaTec UV-
Systeme GmbH, Freigericht).
Seit einigen Jahren werden mittels UV-Strahlen Substanzen, zum Beispiel
chlorsubstituierte Kohlenwasserstoffe, Tenside, AOX, POX, CSB, Pestizide,
Cyanide, erfolgreich oxidativ abgebaut oder ihre Konzentration in Abwässern
zumindest stark reduziert. Die Stoffe werden dabei, abhängig von der
Ausgangssubstanz zu vergleichsweise harmlosen Produkten wie Kohlendioxid,
Wasser, Salzsäure usw., umgewandelt.
Als Strahlungsquellen dienen Quecksilberhochdruck- und Niederdruck
entladungslampen (z. B. Prospekte: Ultra-Systems UV-Oxidation, Heidelberg;
VitaTec UV-Systeme GmbH, Freigericht).
In sauerstoffhaltigen Medien entsteht dabei als Nebenprodukt Ozon. Ozon ist
eine stark oxidierende Substanz. Die oxidierende Wirkung von Ozon wird durch
Anwesenheit von UV-Strahlung noch erhöht. Durch UV-Strahlung wird in Wasser
gelöstes Ozon mit hoher Quantenausbeute in Hydroxylradikale zerlegt. Die
Hydroxylradikale sind bekanntlicherweise die wirkungsvollsten Oxidanten.
Die bekannten Fotoreaktoren auf der Basis von Quecksilberdampflampen haben
einige Nachteile:
Die Quecksilberdampflampe selbst oder die strömende Flüssigkeit (bzw. das Gas)
sind von einem (meist zylinderförmigen) Mantel aus Quarzglas umgeben.
Quarzglas ist UV-durchlässig. Diese Quarzglasröhre muß häufig gereinigt
werden, da sich an ihren Wänden oft Schichten ablagern, die die UV-Strahlung
absorbieren. Die Wirksamkeit des Fotoreaktors wird stark gemindert.
Die kurzwellige UV-Strahlung bewirkt im Quarzglas die Bildung von Farbzentren.
Das Quarzglas verfärbt sich gelb-braun und absorbiert die UV-Strahlung in
erhöhtem Maße.
Röhren aus Quarzglas sind teuer und sehr zerbrechlich.
Die beabsichtigten Fotoreaktionen zur Bildung von Ozon aus Luftsauerstoff sowie
die Fotoreaktion der organischen Giftstoffe selbst verlaufen nur bei kurzwelliger
UV-Stahlung (λ 200 nm) mit genügend hohen Quantenausbeuten. Gerade in
diesem Spektralbereich sind die Intensitäten von Quecksilberdampflampen
außerordentlich gering. Ein großer Teil der Strahlungsenergie wird bei höheren
Wellenlängen als Wärmestrahlung emittiert. Die Lampen unterliegen
Alterungserscheinungen, die ihre Wirkung mindern.
Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine Anordnung zur Entgiftung von Flüssigkeiten
und Gasen auszugeben, die mit einem hohen Wirkungsgrad, kontinuierlich,
zeitlich beständig und vergleichsweise kostengünstig Flüssigkeiten und Gase
entgiftet. Im Reaktor sollen Röhren aus Quarzglas wegen ihrer oben genannten
Nachteile nicht verwendet werden.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Anordnung erfindungsgemäß durch
die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
In die Wandung eines rohrförmigen Durchflußreaktors ist mindestens ein
Lichteintrittsfenster eingebaut. Ein Excimerlaser ist so vor dem Lichteintrittsfenster
angeordnet, daß Laserlicht über mindestens ein Lichteintrittsfenster in den
Innenraum des Durchflußreaktors einstrahlt. Die zu reinigenden Medien (Gase,
Flüssigkeiten) strömen durch den Durchflußreaktor und werden der Lichtstrahlung
ausgesetzt.
Der Durchflußreaktor hat verschiedene Formen, die eine verschieden gründliche
und effektive Reinigungswirkung gewährleisten. Im einfachsten Fall ist der
Durchflußreaktor ein Rohr, vorzugsweise mit einem verengtem Querschnitt an
der Stelle des Lichteintrittsfensters.
Der Durchflußreaktor kann auch als ein T-Stück, ein Kreuz-Stück oder ein
Doppelkreuz-Stück ausgebildet sein.
Ein Durchflußreaktor in der Ausbildung als Prallstrahlreaktor gewährleistet für
bestimmte Anwendungen die größte Effektivität der Reinigungswirkung.
Der Prallstrahlreaktor besteht aus mindestens zwei Zuleitungen für das zu
reinigende Medium, Düsen in weiteren Zuleitungen zum zusätzlichen Einleiten
von Reaktionsmedien und/oder Katalysatoren in die Zuleitungen des zu
reinigenden Mediums und mindestens einem Abfluß.
Die Austrittsöffnungen der Zuleitungen für das zu reinigende Medium liegen
einander so gegenüber, daß die Medienströme aufeinandertreffen. Die
Austrittsöffnungen der Zuleitungen münden in ein vorzugsweise rechtwinklig
verbundenes Innenrohr ein.
Gegenüber dem mindestens einen Austrittsende des Innenrohres ist mindestens
ein Lichteintrittsfenster in der Wandung des Prallstrahlreaktors eingebaut, auf das
die Strömung trifft. Vor jedem Lichteintrittsfenster ist außerhalb des
Durchflußreaktors ein Excimerlaser angeordnet, dessen Laserlicht den
Flüssigkeits- und/oder Gasstrom durch das Lichteintrittsfenster bestrahlt.
Der Prallstrahlreaktor ist vorzugsweise so ausgebildet, daß die mindestens zwei
Zuleitungen für den Flüssigkeits- und/oder Gasstrom etwa mittig in einem Mantel
eines beidseitig offenen Innenrohres enden und dort den Reaktionsraum (4) zur
Verwirbelung bilden. An einem Ende des Innenrohres ist in einem Abstand das
Lichteintrittsfenster für das Laserlicht gegenüberliegend angeordnet. Das
Innenrohr ist von einer Außenwand des Durchflußreaktors so umgeben, daß sich
ein Rückströmkanal bildet, in dem der Teil des nicht unmittelbar am
Lichteintrittsfenster vorbeiströmenden Stoffgemisches nochmals dem
Reaktionsraum zugeführt wird. Die rohrförmigen Querschnitte sind so ausgelegt,
daß der teilweiser Strömungsrücklauf vom fensterseitigen Austrittsende des
Innenrohres durch den Rückströmkanal zum Reaktionsraum gewährleistet ist. Die
Rückführung des weniger intensiv bestrahlten Stoffgemisches gewährleistet einen
hohen Grad der Reinigung.
Als UV-Strahlungsquelle kommt ein Multigasexcimerlaser zum Einsatz.
Excimerlaser sind gepulste Gaslaser und zeichnen sich durch hohe mittlere
Leistungen bei den Wellenlängen λ = 308 nm, 248 nm, 193 nm, 157 nm aus.
Insbesondere im Bereich λ 200 nm existieren gegenwärtig keine vergleichbaren
intensiven Strahlungsquellen. Die Excimerlaser emittieren keine zusätzliche
Strahlung im IR-Bereich, die zu Erwärmungen und damit zu Energieverlusten
führen würde.
Die gerichtete Strahlung des Excimerlasers wird durch ein UV-
strahlungsdurchlässiges Fenster (z. B. aus CaF2, MgF2 oder LiF) in den
Durchflußreaktor eingekoppelt. Diese Materialien sind auch bei λ 150 nm noch
sehr gut strahlendurchlässig. Ein Fenster ist bei Verschmutzung oder
Beschädigung wesentlich leichter zu reinigen oder zu wechseln als die üblichen
Quarzröhren.
Der Durchflußreaktor ist aus chemisch resistentem Material (z. B. Kynar) gefertigt.
Eine weitere Möglichkeit ist, daß die Innenwandungen eines metallischen
Reaktors mit einem Fluorkunststoff (z. B. Teflon) ausgekleidet sind. Diese
Kunststoffe sind stabil gegen aggressive Gase (HCl, F2) und/oder Flüssigkeiten.
Weiterhin zeichnen diese Stoffe sich dadurch aus, daß Schmutzpartikel schlecht
auf ihrer Oberfläche haften.
Zur Erhöhung der Effektivität der Zersetzung der Giftstoffe wird Luftsauerstoff
oder reiner Sauerstoff mittels Düsen in das zu reinigende Medium eingeblasen
und nach dem Prinzip des sogenannten "Prallstrahlreaktors" gut mit vermischt.
Die entstehenden Wirbel und Blasen bewirken weiterhin, daß Schichtbildungen
auf dem Eintrittsfenster und an den Reaktorwänden vermindert werden.
Mit Hilfe der Erfindung ist eine selektive Zersetzung der Verunreinigungen
dadurch möglich, daß bestimmte Stoffe durch die Auswahl einer bestimmten
Laserwellenlänge oder einer bestimmten Bestrahlungsdauer zersetzt werden.
Zur Aktivierung der chemischen Reaktionen wird ein Katalysator in der
Reaktionszone des Durchflußreaktors angeordnet, der vorzugsweise aus Eisen,
Mangan, Titanoxid und Zusatzstoffen besteht. Katalysatoren können aber auch
über die Zuleitungen der Medien kontinuierlich zugegeben werden.
Die Erfindung soll an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 Anordnung zum Entgiften von Flüssigkeiten und Gasen
- a) Rohr als Durchflußreaktor
- b) verengtes Rohr als Durchflußreaktor
- c) T-Stück als Durchflußreaktor
- d) Kreuzstück als Durchflußreaktor
Fig. 2 Anordnung zum Entgiften von Flüssigkeiten und Gasen
als Prallstrahlreaktor.
Die Anordnung zur Entgiftung von Flüssigkeiten und/oder Gasen besteht gemäß
Fig. 1a) aus einem Rohr, das eine Zuleitung 1 und eine Ableitung 7 hat. In den
Mantel des Rohres ist ein Lichteintrittsfenster 5 aus CaF2 eingebaut.
Ein Eximerlaser 6 ist vor dem Lichteintrittsfenster 5 so angeordnet, daß Laserlicht
in den Innenraum des Rohres gelangt. Das am Lichteintrittsfenster
vorbeiströmende Medium (Flüssigkeiten und /oder Gase) wird intensiv bestrahlt
und dadurch entgiftet.
Der Querschnitt des Rohres ist gemäß Fig. 1b) verengt, damit das am
Lichteintrittsfenster vorbeiströmende Medium großflächiger am
Lichteintrittsfenster 5 vorbeiströmt und in der Reaktionszone 2 intensiver bestrahlt
wird.
Gemäß Fig. 1c) ist der Durchflußreaktor als T-Stück aufgebaut. Das T-Stück hat
eine Zuleitung 1 am T-Grund und zwei Ableitungen 7 am Topf. Gegenüber dem
T-Grund ist am T-Kopf das Lichteintrittsfenster 5 in die Wandung des T-Stückes
eingebaut.
Der Flüssigkeits- oder Gasstrom trifft vom T-Grund kommend auf das
Lichteintrittsfenster auf. Die Strömung verwirbelt in der Reaktionszone 2 am T-
Kopf und verläßt nach der Behandlung mit den UV-Strahlen das T-Stück durch
die Ableitungen 7.
Das Doppel-T-Stück gemäß Fig. 1d) hat vier Ableitungen 7. Diese Anordnung
gewährleistet durch geichmäßigere Strömungsverhältnisse eine intensivere
Behandlung des zu reinigenden Mediums.
Fig. 2 stellt eine Ausführung eines Prallstrahlreaktors dar und ist als eine
spezielle Ausbildung des T-Stückes gemäß Fig. 1c) anzusehen.
Die Anordnung wird für die Verwendung zur Reinigung von Abwasser
beschrieben.
Das zu reinigende Abwasser fließt durch mehrere Zuleitungen 1 in den
Reaktionsraum 4 des Prallstrahlreaktors hinein. Der Prallstrahlreaktor ist aus dem
Fluorkunststoff Kynar gefertigt.
In den Zuleitungen 1 sind Düsen 3 angeordnet, die Luft oder reinen Sauerstoff mit
ausreichend hohem Druck in das Abwasser einblasen. Die O2-Konzentration im
Abwasser wird erhöht und durch die entstehenden Blasen wird eine genügend
große Reaktionsoberfläche erzeugt.
Die mit Sauerstoff angereicherten Abwasserströme sind im Reaktionsraum 4
aufeinander gerichtet und verwirbeln intensiv. Der Reaktionsraum 4 wird durch
die Eintrittsöffnungen und den mittleren Bereich eines beidseitig offenen,
zentrisch gelagerten Innenrohres 9 gebildet. Der Vermischungseffekt wird durch
das Aufeinanderprallen der O2 - H2O - vorvermischten Ströme im Reaktionsraum
4 noch erhöht (Prinzip des Prallstrahlreaktors).
Das Abwasser-Gasgemisch strömt im Innenrohr 9 in Richtung der Ableitungen 7.
Auf diesem Weg prallt das Gemisch auf das Lichteintrittsfenster 5 und wird durch
Laserstrahlung des außen, vor dem Lichteintrittsfenster 5 angeordneten
Eximerlasers intensiv bestrahlt. In den Bereichen hoher Intensität, d. h. nahe der
Fensterinnenoberfläche finden die wesentlichen Abbaureaktionen statt. Über die
Abflußleitungen 7 verläßt das gereinigte Abwasser den Reaktor. Durch geeignete
Dimensionierung der Querschnitte der Zuleitungen 1, des Reaktionsraumes 4,
des Rückströmkanals 8, der Außenwand 10 und der Ableitungen 7 und durch
Ventile für das zu- bzw. abfließende Abwasser werden geeignete
Strömungsverhältnisse so geschaffen, daß die durch Bereiche niedriger
Lichtbestrahlungs-Intensität geflossenen Abwasserströme über einen zylindrisch
ringförmigen Rückströmkanal 8, der durch die Innenseite der Außenwand 10 des
Prallstrahlreaktors und die Außenseite des Innenrohres 9 gebildet ist, wieder dem
Verwirbelungsraum 4 zugeführt, in Richtung Lichteintrittsfenster 5 bewegt und
erneut bestrahlt werden.
Bezugszeichenliste
1 Zuleitung
2 Reaktionszone
3 Düsen
4 Reaktionsraum
5 Lichteintrittsfenster
6 Excimerlaser
7 Ableitung
8 Rückströmkanal
9 Innenrohr
10 Außenwand
2 Reaktionszone
3 Düsen
4 Reaktionsraum
5 Lichteintrittsfenster
6 Excimerlaser
7 Ableitung
8 Rückströmkanal
9 Innenrohr
10 Außenwand
Claims (10)
1. Anordnung zur Entgiftung von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bei der der
Flüssigkeits- oder Gasstrom in einem Durchflußreaktor führbar ist, in dessen
Innenraum Licht einer UV-Lichtquelle einkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchflußreaktor für die Medien (Gase, Flüssigkeiten) mit mindestens
einem Excimerlaser (6) so verbunden ist, daß Laserlicht über mindestens ein
Lichteintrittsfenster (5) in die im Durchflußreaktor strömenden Flüssigkeiten
und/oder Gase einstrahlt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchflußreaktor ein Durchflußrohr, vorzugsweise mit einem verengtem
Querschnitt im Bereich des Lichteintrittsfensters (5) ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchflußreaktor ein T-Stück oder davon entsprechend gebildete Vielfache, zum
Beispiel ein Kreuz-Stück oder Doppelkreuz-Stück, ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Durchflußreaktor
ein Prallstrahlreaktor ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche von 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchflußreaktor mit resistentem Material, vorzugsweise aus Edelstahl
oder aus Kynar hergestellt oder damit ausgekleidet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Eintrittsfenster (5) aus einem UV-durchlässigem Material, vorzugsweise aus
CaF2, MgF2 oder LiF2 hergestellt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aktivierung
der chemischen Reaktionen ein Katalysator in der Reaktionszone (2) des
Durchflußreaktors angeordnet ist, der vorzugsweise aus Eisen, Mangan,
Titanoxid und Zusatzstoffen besteht.
8. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Prallstrahlreaktor aus mindestens zwei Zuleitungen (1) für das zu reinigende
Medium, Düsen (3) in weiteren Zuleitungen zum zusätzlichen Einleiten von
Reaktionsmedien und/oder Katalysatoren und mindestens einem Abfluß (7)
besteht, wobei
die Austrittsöffnungen der Zuleitungen (1) einander gegenüberliegend sind,
die Austrittsöffnungen der Zuleitungen in ein Innenrohr (9) einmünden und dieser Bereich einen Reaktionsraum (4) zur Verwirbelung bildet,
gegenüber dem mindestens einem Austrittsende des Innenrohres (9) mindestens ein Lichteintrittsfenster (5) in der Wandung des Prallstrahlreaktors eingebaut ist
und vor jedem Lichteintrittsfenster (5), außerhalb des Durchflußreaktors, ein Excimerlaser (6) angeordnet ist.
die Austrittsöffnungen der Zuleitungen (1) einander gegenüberliegend sind,
die Austrittsöffnungen der Zuleitungen in ein Innenrohr (9) einmünden und dieser Bereich einen Reaktionsraum (4) zur Verwirbelung bildet,
gegenüber dem mindestens einem Austrittsende des Innenrohres (9) mindestens ein Lichteintrittsfenster (5) in der Wandung des Prallstrahlreaktors eingebaut ist
und vor jedem Lichteintrittsfenster (5), außerhalb des Durchflußreaktors, ein Excimerlaser (6) angeordnet ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens
zwei Zuleitungen (1) etwa mittig in einem Mantel eines beidseitig offenen
Innenrohres (9) enden und dort den Reaktionsraum (4) zur Verwirbelung bilden,
an einem Ende des Innenrohres (8) in einem Abstand das Lichteintrittsfenster (5)
gegenüberliegend angeordnet ist,
das Innenrohr (9) von einer Außenwand (10) des Durchflußreaktors so umgeben
ist, daß sich ein Rückströmkanal (8) bildet, wobei die rohrförmigen Querschnitte
so ausgelegt sind, daß ein teilweiser Strömungsrücklauf vom fensterseitigen
Austrittsende des Innenrohres (9) durch den Rückströmkanal (8) zum
Reaktionsraum (4) gewährleistet ist.
10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Reaktionszone (2) des Durchflußreaktors ein Katalysator angeordnet ist.
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