DE4307204C2 - Anordnung zur Reinigung von Flüssigkeiten und/oder Gasen - Google Patents

Anordnung zur Reinigung von Flüssigkeiten und/oder Gasen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Reinigung von Flüssigkeiten und/oder Gasen. Sie 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, GSB, 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 (λ200 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.
In DE 35 41 824 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Entschwefelung und Entstickung von Rauchgasen beschrieben. Es wird Laserlicht in eine Bestrahlungskammer eingekoppelt, um SO₂ und NOx in Rauchgasen zu dissoziieren, die in einem Reaktionsraum in gebundene (feste) Stoffe umgewandelt werden. Die Anlage hat gemäß der Fig. 1 und 2 und nach Anspruch 9 in Rauchgasrichtung mehrere nacheinander angeordnete Bestrahlungskammern 1 und Reaktionszonen 3 und einen Reaktionsraum 2. Die Umwandlungsreaktionen finden nicht im Bestrahlungsraum statt. Es werden dazu zusätzliche technische Mittel benötigt.
Grundlegend ist bei dieser Lösung, daß die Bestrahlung der Abgase an einem Ort erfolgt und die chemische Umwandlungsreaktion einiger Komponenten der Gase an einem zweiten Ort erfolgt, wobei eine Umwandlung von gasförmigen Stoffen in feste Stoffe erfolgt.
In DE 34 00 776 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verringerung von Emissionen gefährlicher molekularer Stoffe beschrieben. Die Schadstoffe werden in einer Strahlungskammer mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt.
In der Strahlungskammer sind reflektierende Wände vorgesehen, um die Strahlung besser auszunutzen.
Durch die in der Praxis auftretenden Verschmutzungen der Innenwände (Lichteintrittsfenster und Spiegelflächen) und die Absorption der Strahlung durch das zu reinigende Medium ist die Wirkung der Vorrichtung auf Dauer nicht gesichert und nicht stabil.
Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine Anordnung zur Entgiftung von Flüssigkeiten und Gasen anzugeben, 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 Anspruchs 1.
In die Wandung eines Reaktors, der als Prallstrahlreaktor bezeichnet wird, ist mindestens ein Lichteintrittsfenster eingebaut. Ein Excimerlaser ist so vor dem Lichteintrittsfenster angeordnet, daß Laserlicht in den Innenraum des Prallstrahlreaktors einstrahlt.
Die zu reinigenden Medien (Gase, Flüssigkeiten) strömen durch den Prallstrahlreaktor und werden der Lichtstrahlung ausgesetzt.
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 Prallstrahlreaktors 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 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 Prallstrahlreaktors 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 ein 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 λ200 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 Prallstrahlreaktor eingekoppelt. Diese Materialien sind auch bei λ150 nm noch sehr gut strahlendurchlässig. Ein Fenster ist bei Verschmutzung oder Beschädigung wesentlich leichter zu reinigen oder zu wechseln als die üblichen Quarzröhren.
Der Prallstrahlreaktor 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 miteinander 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 Prallstrahlreaktors 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 einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 Anordnung zum Entgiften von Flüssigkeiten und Gasen als Prallstrahlreaktor.
Fig. 1 stellt eine Ausführung eines Prallstrahlreaktors dar. 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 Excimerlasers 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

Claims (6)

1. Anordnung zur Reinigung von Flüssigkeiten und/oder Gasen,
  • - in der der Flüssigkeits- und/oder Gasstrom in einem Prallstrahlreaktor führbar und verwirbelbar ist und
  • - in dessen Innenraum Licht mindestens eines Excimerlasers (6) so einkoppelbar ist, daß Laserlicht über mindestens ein Lichteintrittsfenster (5) in die im Prallstrahlreaktor strömenden Flüssigkeiten und/oder Gase einstrahlt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, 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 einen 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.
3. Anordnung nach Anspruch 2, 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 (9) 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.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallstrahlreaktor aus resistentem Material, vorzugsweise aus Edelstahl oder aus Kynar hergestellt oder damit ausgekleidet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsfenster (5) aus einem UV-durchlässigen Material, vorzugsweise aus CaF₂, MgF₂ oder LiF hergestellt ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionszone (2) zur Aktivierung der chemischen Reaktionen ein Katalysator angeordnet ist, der vorzugsweise aus Eisen, Mangan, Titanoxid und Zusatzstoffen besteht.
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