DE4410536A1 - Einrichtung zur Bestimmung der Menge an organisch gebundenem Kohlenstoff (TOC) in einer Festkörpersubstanz, z. B. Klärschlamm - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Menge an organisch gebundenem Kohlenstoff (TOC) in einer Festkörpersubstanz, insbesondere in Klärschlamm, mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist bekannt, zur Feststellung der Qualität von Wasser, z. B. von Abwässern aus industriellen oder städtischen Kläranlagen, eine bestimmte Meßmenge solchen Wassers durch eine entsprechende Einrichtung zu fördern, um deren Gesamtgehalt an organisch gebundenem Kohlenstoff (TOC = total organic carbon) zu ermitteln. Die Messung des TOC erfolgt in der Weise, daß das Wasser mittels einer Dosierpumpe in definierter Menge in den Verbrennungsraum eines Oxidationsofens gefördert wird. Dort verdampft das Wasser, während seine organischen Bestandteile unter Bildung von Kohlendioxid verbrennen. Das entstandene Gasgemisch, das in der Hauptsache aus Wasserdampf und Kohlendioxid besteht, wird über einen Gaskühler geführt, um Wasserdampf auszukondensieren, während die Menge des Kohlendioxids in einem Gasanalysator bestimmt wird. Diese gibt den gewünschten Rückschluß auf den TOC des Wassers.

Es ist weiterhin auch erwünscht, den TOC von Festkörpersubstanzen, in der Hauptsache von zu einem Agglomerat gebundenen Festkörpern wie Klärschlamm, zu bestimmen. Dies läßt sich jedoch analog zu dem vorstehend geschilderten Verfahren nicht ausführen, weil die Festkörpersubstanz nicht kontinuierlich wie ein strömendes Medium bewegt werden kann, sondern chargenweise eingeführt werden muß. Im Stand der Technik erfolgt die Untersuchung und Bestimmung des TOC von Festkörpersubstanzen in der Form, daß die Meßmenge in einen Oxidationsofen eingebracht wird, dessen Brennraum evakuierbar ist und von einem Lichtbogen auf hohe Temperatur (etwa 2000°C) gebracht wird. Diese Einrichtung, die eine universelle Zweckbestimmung hat, ist jedoch aufwendig und daher teuer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die bei einwandfreier Meßfunktion einfacher aufgebaut und daher wenig aufwendig ist. Insbesondere soll die Möglichkeit geschaffen werden, den für die Durchführung des eingangs geschilderten Verfahrens zur Feststellung des TOC von Wasser bekannten Oxidationsofen so umzugestalten, daß diese Einrichtung wahlweise auch für die Bestimmung des TOC in Festkörpersubstanzen eingesetzt werden kann.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe gelöst durch die Ausgestaltung gemäß Anspruch 1.

Der Erfindungsgedanke beruht auf der Überlegung, daß für die Bestimmung des TOC von Festkörpersubstanzen der hier in Frage kommenden Art diejenige Verbrennungstemperatur ausreicht, die auch bei dem eingangs geschilderten Verfahren zur Messung des TOC in Wasser zur Anwendung kommt (etwa 950°C). Weiterhin wurde erkannt, daß beim Einbringen einer zu untersuchenden Meßmenge der Festkörpersubstanz in den Oxidationsofen der störende Einfluß der dadurch in den Oxidationsofen eingeschleppten, in der Luft enthaltenen Kohlendioxidmenge ausgeschaltet werden kann, indem die Meßmenge vorübergehend noch außerhalb des heißen Ofenbereichs gehalten wird, bis der Gasanalysator den Kohlendioxidgehalt des aus dem Oxidationsofen austretenden Gases mit Null anzeigt. Infolge der weitgehend gasdichten Gleitführung für den Einbringstab, an dessen unterem Ende die zu untersuchende Meßmenge gehalten ist, ist der Oxidationsofen während des Verbrennungsvorganges gegen das weitere Eintreten von Luft und damit Kohlendioxid gesichert.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die eine Verwendung des Oxidationsofens gestattet, welcher bei dem eingangs geschilderten Verfahren zur Messung des TOC in Wasser eingesetzt wird, ist der Anschlußstutzen des Tiegeldeckels durch einen mit dem Deckel einstückigen, mit einem Kegelschliff versehenen Teil und einen die Gleitführung enthaltenden, auf den Kegelschliff aufsteckbaren Adapterteil gebildet. Der Adapterteil kann deshalb an die Stelle des Eintropfrohres treten, durch welche bei dem bekannten Verfahren die zu untersuchende Wassermenge kontinuierlich eingeführt wird. Der Adapterteil hingegen ist an den Einbringstab bezüglich seiner Abmessungen so angepaßt, daß sowohl die erwünschte weitgehend gasdichte Gleitführung gebildet ist als auch die Fixierung des Einbringstabes in den beiden Einbringstellungen möglich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt (in Sprengdarstellung) des Oxidationsofens, der erfindungsgemäß zum Einsatz kommt;

Fig. 1a eine Seitenansicht eines Eintropfrohres, das bei der Durchführung des bekannten Verfahrens zum Messen des TOC in Wasser in Kombination mit dem Oxidationsofen gemäß Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 2 eine Seitenansicht in Sprengdarstellung ein Ausführungsbeispiel des an die Stelle des in Fig. 1a gezeigten Eintropfrohres tretenden Teils der erfindungsgemäßen Einrichtung, und

Fig. 3 eine Blockdarstellung der erfindungsgemäßen Gesamteinrichtung, deren Oxidationsofen durch den in Kombination aus den Fig. 1 und 2 hervorgehenden Aufbau gebildet ist.

Der in Fig. 1 gezeigte Oxidationsofen besteht im wesentlichen aus einem Keramiktiegel 1, der durch eine Halterung 3 in nicht näher gezeigter Weise in einem elektrischen Heizmantel 5 gehalten ist. Die Temperatur des Heizmantels 5 ist durch einen Temperaturfühler 6 erfaßbar und mittels eines Thermostat 7 einstellbar.

Der Keramiktiegel 1 ist durch einen Glasdeckel 10 mit einem dazwischen liegenden O-Ring 11 luftdicht verschließbar. Zur Befestigung des Deckels 10 sind mehrere Schrauben 12 (von denen nur eine gezeigt ist) vorgesehen, die einen Spannring 13 durchsetzen und in einen an der Außenfläche des Keramiktiegels 1 befestigten Ring 14 einschraubbar sind.

Der aus Quarzglas bestehende Deckel 10 weist einen einstückig mit dem Deckel ausgebildeten, nach oben ragenden Anschlußstutzen 15 auf, dessen oberer Teil einen äußeren Kegelschliff 16 trägt. Von der Unterseite des Deckels 10 springt, ebenfalls einstückig ausgebildet, ein Rohrstutzen 18 vor. Einstückig mit dem Deckel 10 ist weiterhin ein eine Gasabfuhröffnung bildender Krümmer 17 ausgebildet.

Der Rohrstutzen 18 ragt nach unten in ein Einbringrohr 20 hinein, das sich bis in den eigentlichen Verbrennungsraum 21 am unteren Ende des Keramiktiegels 10 erstreckt. Der Verbrennungsraum 21 ist von einem Schutztiegel 22 umschlossen, der an seinem oberen Ende durch eine Lochscheibe 23 abgedeckt ist. Über der Lochscheibe 23 ist der das Einbringrohr 20 umgebende Raum des Keramiktiegels 1 mit einer Packung von Füllkugeln 24 aufgefüllt, die eine Schicht von Katalysatorkugeln 25 enthält.

Unter der Lochscheibe 23, am unteren Ende des Einbringrohres 20, ist weitgehend zentrisch im Brennraum 21 eine Platinplatte 26 über einer Schicht von Schamottegranulat 27 auf nicht näher gezeigte Weise befestigt.

Von der oberen Stirnseite des Heizmantels 5 her ragt in dessen Inneres ein Winkelrohr 8, in welchem eine Reihe von Absorberkugeln 9 aufgenommen ist. Das Winkelrohr 8 ist, wie nachfolgend noch näher beschrieben ist, mit einer nicht gezeigten Saugleitung verbunden, über welche aus dem Inneren des Heizmantels 5 Luft angesaugt, durch die Absorberkugeln 9 von Kohlendioxid befreit und als Trägergas für das bei der Verbrennung einer Festkörpersubstanz entstehende Dampf-Gas-Gemisch verwendet wird. Der Heizmantel 5 umschließt den Keramiktiegel 1 in einer Weise, daß in sein Inneres Luft von außen nachgeführt werden kann. Außerdem ist der Heizmantel selbst zumindest im Bereich des im Inneren liegenden Endes des Winkelrohres 8 für die Luft durchlässig ausgebildet.

Der vorstehend beschriebene Aufbau des in Fig. 1 gezeigten Oxidationsofens ist bekannt und im Rahmen des bekannten Verfahrens zur Bestimmung des TOC in Wasser in Verbindung mit dem aus Fig. 1a hervorgehenden Eintropfrohr im Einsatz. Bei diesem bekannten Verfahren wird durch das Eintropfrohr während des Meßvorganges kontinuierlich die zu untersuchende Meßmenge an Wasser zusammen mit einem von Kohlendioxid freien Trägergas eingetragen. Das Eintropfrohr ist dabei mit seinem konischen unteren Abschnitt auf den Kegelschliff 16 des Anschlußstutzens 15 gasdicht aufgesteckt.

Erfindungsgemäß tritt an die Stelle des in Fig. 1a gezeigten Eintropfrohres als Ausführungsbeispiel eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung gemäß Fig. 2. Diese umfaßt einen im Ganzen mit 30 bezeichneten Adapterteil, dessen unterer Abschnitt 31 an seiner Innenseite so kegelig geschliffen ist, daß er - vergleichbar mit dem Eintropfrohr gemäß Fig. 1a - gasdicht auf den Kegelschliff 16 des Anschlußstutzens 15 aufsteckbar ist. In etwa halber Höhe ist ein Einlaßstutzen 32 vorgesehen, der in eine durch eine Ausbauchung 33 gebildete Erweiterung mündet, von der aus sich nach oben ein zylindrischer Rohrteil 34 erstreckt. Der Rohrteil 34, der eine Länge von beispielsweise 8 cm haben kann, weist an seiner Innenseite eine geschliffene Gleitführung 35 auf. An seinem oberen und unteren Ende hat der Adapterteil 30 Randwülste, die der Bruchsicherung dienen.

In den Adapterteil 30 ist von oben her ein Einbringstab 40 einführbar, der an seinem unteren Ende einen einstückig angeformten Haken 41 zum Aufhängen eines Meßbehälters 42 besitzt. Der Durchmesser des Einbringstabes 40 ist auf die Gleitführung 35 mit einer Schiebepassung so abgestimmt, daß bei voll eingeführtem Einbringstab die Gleitführung 35 mit der genannten Länge des Rohrteils 34 weitgehend gasdicht ist. Der Meßbehälter 42, der beispielsweise zur Aufnahme von 1 cm³ an zu untersuchender Festkörpersubstanz ausgelegt ist, hat einen Außendurchmesser, der etwas geringer als der Durchmesser des Einbringstabes 40 ist und infolgedessen ein verkantungsfreies Durchlassen des Meßbehälters durch den Adapterteil 30 gestattet. Es versteht sich, daß im übrigen der Innendurchmesser des Anschlußstutzens 15 und des Rohrstutzens 16 an dem Deckel 10 und des Einbringrohres 20 ausreichend groß ist, um den Einbringstab 40 mit dem daran befindlichen Meßbehälter 42 sowie durch den Einlaßstutzen eintretendes Gas passieren zu lassen.

An dem Schaft des Einbringstabes 40 ist eine Fixiervorrichtung 43 vorgesehen, die aus einem geschlitzten Klemmring 44 und einer beidseits des (nicht gezeigten) Schlitzes angreifenden Aufweit-Handhabe 45 besteht. Die Aufweit-Handhabe 45 besteht aus zwei nach Art einer Spreizzange über eine Gelenkachse 46 miteinander verbundenen und gegeneinander drückbaren Griffen, deren beide an dem Klemmring 44 befestigte Enden sich beim Zusammendrücken der äußeren Enden voneinander entfernen und dadurch den Klemmring 44 aufweiten. In dem nicht aufgeweiteten Zustand hält sich der Klemmring 44 mittels Reibschluß an dem Umfang des Einbringstabes 40 so fest, daß durch das Aufliegen des Klemmringes oder der Aufweit- Handhabe 45 an dem oberen Ende des Adapterteils 30 der Einbringstab 40 an einem weiteren Einsinken in den Adapterteil 30 gehindert wird. Auf diese Weise läßt sich die Position des Klemmringes 44 stufenlos längs dem Schaft des Einbringstabes 40 verstellen und damit eine beliebige Einbringstellung des Meßbehälters 42 bestimmen. Anstelle dieser Fixiervorrichtung kann eine solche auch durch einen handelsüblichen Reagenzglashalter gebildet sein.

Die höherer Temperatur ausgesetzten Teile wie Einbringrohr, Einbringstab, Meßbehälter, Adapter usw. bestehen zweckmäßigerweise aus Quarzglas.

Die Einrichtung, in deren Rahmen der gemäß den Fig. 1 und 2 aufgebaute Oxidationsofen zum Einsatz kommt, enthält gemäß Fig. 3 anschließend an den Oxidationsofen einen mit der Gasabfuhröffnung 17 verbundenen Gaskühler 50, einen daran anschließenden Gasanalysator 51 und eine diesem folgende Anzeige- und/oder Meßeinrichtung 52, mit der Meßergebnisse in Form der Menge an den Oxidationsofen verlassendem Kohlendioxid festgehalten werden können. An der Unterseite des Gaskühlers 50 ist ein Kondensatsammler 53 zur Aufnahme des in dem Gaskühler 50 entstehenden Kondensats installiert. Mit dem Oxidationsofen ist eine Dosierpumpe 54 verbunden, deren Saugleitung an das Winkelrohr 8 des Heizmantels 5 angeschlossen ist, während die Druckleitung davon mit dem Einlaßstutzen 32 des Adapterteils 30 in Verbindung steht.

Wenn die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Fig. 3 ständig zur Messung des TOC einer Festkörpersubstanz, z. B. Klärschlamm, bestimmt ist, dann hat der dazu erforderliche Oxidationsofen ständig den aus Fig. 1 und Fig. 2 hervorgehenden Aufbau, bei dem der Adapterteil 30 auf den Kegelschliff 16 des Anschlußstutzens 15 aufgesteckt ist. In diesem Fall könnte anstelle der insoweit lösbaren Befestigung des Adapterteils 30 an dem Deckel 10 der Anschlußstutzen 15 von vornherein so gestaltet sein, daß er die Ausbauchung 33 mit dem Einlaßstutzen 32 und den Rohrteil 34 mit der Gleitführung 35 enthält.

Dient der Oxidationsofen hingegen auch als fester Bestandteil der bekannten Einrichtung zur Messung des TOC in Wasser (was im vorliegenden Fall erfindungsgemäß beabsichtigt ist) und sollte es bei vorübergehender Nichtbenutzung der Einrichtung erforderlich sein, den TOC beispielsweise von Klärschlamm zu messen, dann wird von dem Kegelschliff 16 das Eintropfrohr gemäß Fig. 1a abgenommen und durch den Adapterteil 30 ersetzt. Der Austauschvorgang findet zweckmäßigerweise bereits in einem Zustand statt, bei dem die zu untersuchende Meßmenge an Klärschlamm in den Meßbehälter 42 eingebracht ist, dieser in den Haken 41 des Einbringstabes 40 eingehängt ist und zusammen mit dem Einbringstab bereits in den Adapterteil 30 soweit eingeschoben ist, daß sich der Meßbehälter 42 in der Erweiterung 33 befindet. Der Klemmring 44 an dem Schaft des Einbringstabes 40 ist zu diesem Zweck entsprechend an die Stelle verbracht, an der er bzw. die Aufweit-Handhabe 45 am oberen Ende des Rohrteils 34 aufliegt. Außerdem ist der Einlaßstutzen 32 bereits mit der Druckleitung der Dosierpumpe 54 verbunden.

Durch den Austausch des Eintropfrohres gemäß Fig. 1a in der beschriebenen Anordnung der Einrichtungsteile gemäß Fig. 2 bleibt der Anschlußstutzen 15 nur für kurze Zeit geöffnet, so daß allenfalls eine geringe Luftmenge mit dem entsprechenden Kohlendioxidgehalt in das Innere des Keramiktiegels 1 eintreten kann. Ist das Innere des Keramiktiegels 1 noch von einem vorhergehenden Meßvorgang aufgeheizt, so wird durch aus dem Anschlußstutzen 15 austretendes Gas aus dem Inneren des Keramiktiegels 1 ein Lufteintritt weitgehend verhindert.

Nach dem Aufstecken des Adapterteils 30 auf den Kegelschliff 16 wird die Einrichtung in Betrieb genommen, d. h. der Heizmantel 5 des Oxidationsofens solange aufgeheizt, bis im Brennraum 21 des Keramiktiegels 1 die für die Verbrennung der Festkörpersubstanz erwünschte Temperatur (z. B. 950°C) erreicht wird. Der Meßbehälter 42 verbleibt zu dieser Zeit in der Erweiterung 33, in der während dieser Zeit die Temperatur praktisch bei Umgebungstemperatur bleibt. Die Dosierpumpe 54 läuft und saugt dabei über das Winkelrohr 8 von Kohlendioxid befreite Luft an und führt diese als Trägergas in definierter Menge über den Einlaßstutzen 32 in die Erweiterung 33 des Adapterteils 30 ein. In diesem Stadium wirkt das Trägergas zunächst als Spülgas, durch das das Innere des Keramiktiegels 1 von evtl. eingetretenem störendem Kohlendioxid befreit wird. Soweit zu diesem Zeitpunkt an der Anzeige- und/oder Schreibeinrichtung 52 ein Gehalt an Kohlendioxid in dem aus dem Keramiktiegel 1 austretenden Gemisch festgestellt wird, handelt es sich dabei um die Kohlendioxidmenge, die durch das Eintreten von Umgebungsluft in das Innere des Keramiktiegels 1 bei dem Austausch des Eintropfrohres eingetreten ist. Da die eingetretene Luftmenge nur gering sein kann, wird bereits nach relativ kurzer Zeit (z. B. 1 Minute) die Anzeige für Kohlendioxid auf Null absinken. Zu diesem Zeitpunkt ist der Oxidationsofen für die Messung des TOC in der Festkörpersubstanz bereit. Nunmehr kann der Klemmring 44 durch Betätigung der Aufweit-Handhabe 45 gelöst und an eine Stelle nahe dem oberen Ende des Einbringstabes 40 verbracht werden, welche das weitere Einschieben des Einbringstabes 40 nicht behindert. Wenn die bei dem geschilderten Ausführungsbeispiel vorhandene Platinplatte 26 (die als Tropfplatte bei der Messung des TOC in Wasser dient) vorhanden ist, kann der Meßbehälter 42 soweit in den Keramiktiegel 1 eingebracht werden, bis er auf der Platinplatte 26 aufsitzt. An dieser Stelle ist ein weiteres Einbringen ohnehin nicht mehr möglich, so daß der Klemmring 44 keine entsprechend dieser Position definierte Stellung einnehmen muß. Ist hingegen eine Platinplatte 26 nicht vorhanden, weil die erfindungsgemäße Einrichtung ausschließlich zur Messung des TOC in Festkörpersubstanzen bestimmt und daher eine Tropflatte nicht nötig ist, dann befindet sich der Klemmring 44 an einer die Lage des Meßbehälters 42 in dem Brennraum 21 definierenden, zweckmäßigerweise markierten Position.

Bei der im Brennraum 21 herrschenden Temperatur wird nunmehr die im Meßbehälter 42 befindliche Meßmenge verbrannt und die ggf. darin enthaltene Flüssigkeitsmenge verdampft. Das entstehende Dampf-Gasgemisch tritt zusammen mit der fortlaufend über den Einlaßstutzen 32 zugeführten Trägerluft durch die Löcher der Lochscheibe 23 aus dem Brennraum 21 nach oben aus, durchwandert die Kugelpackung 24, 25 und verläßt den Keramiktiegel 1 durch die Gasabfuhröffnung 17. Von dort gelangt sie in den Gaskühler 50, aus dem das aus dem Dampf entstehende Kondensat austritt und in den Kondensatsammler 53 gelangt. Die verbleibende Gasmenge durchsetzt den Gasanalysator, in welchem die Kohlendioxidmenge bestimmt und als Meßergebnis angezeigt wird.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Bestimmung der Menge an organisch gebundenem Kohlenstoff (TOC) in einer Festkörpersubstanz, z. B. Klärschlamm, mit einem Oxidationsofen (1, 5), in welchem die Festkörpersubstanz verbrannt und der organisch gebundene Kohlenstoff zu Kohlendioxid oxidiert wird, mit einer Pumpe (54) zur Förderung des Kohlendioxids und mit einem Gasanalysator (51) zur Bestimmung der Menge an aus dem Oxidationsofen ausgetretenem Kohlendioxid, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationsofen einen in einem Heizmantel (5) angeordneten Tiegel (1) aufweist, dessen gasdicht befestigter Deckel (10) eine Zufuhröffnung mit einem Anschlußstutzen (15) und eine mit dem Gasanalysator (51) verbundene Gasabfuhröffnung (17) aufweist, und daß der Anschlußstutzen (15, 30) eine weitgehend gasdichte Gleitführung (35) für einen Einbringstab (40) bildet, der an seinem unteren Ende einen durch den Anschlußstutzen einführbaren Behälter (42) für die Festkörpersubstanz trägt und in mindestens zwei unterschiedlichen Einbringstellungen feststellbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbringstab an seinem unteren Ende ein Aufhängeelement (41) aufweist, in das der Behälter (42) einhängbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbringstellungen durch eine Fixiervorrichtung (43) bestimmbar sind und daß die Fixiervorrichtung ein den Einbringstab umfassendes, durch Reibschluß an dem Einbringstab gehaltenes Klemmelement (44) ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (1) ein den Anschlußstutzen in das Tiegelinnere fortsetzendes, durch eine Füllkugel­ beschickung (24, 25) hindurch in den Brennraum (21) des Tiegels führendes Rohr (20) enthält, unter dessen unterem Ende, in einem Abstand davon, eine quer zur Rohrachse gerichtete Platte (26) befestigt ist, und daß die die Verbrennung der Festkörpersubstanz bestimmende Einbringung des Einbringstabes (40) durch das Aufsitzen des Behälters (42) auf der Platte (26) bestimmt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußstutzen durch einen mit dem Deckel (10) des Tiegels (1) einstückigen, mit einem Kegelschliff (16) versehenen Teil und einen die Gleitführung (35) enthaltenden, auf den Kegelschliff aufsteckbaren Adapterteil (30) gebildet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Adapterteil (30) eine die erste Einbringstellung definierende Erweiterung (33) enthält.