DE60026602T2

DE60026602T2 - Mikroporöser diffusor und verfahren zur wasserwiederaufbereitung

Info

Publication number: DE60026602T2
Application number: DE60026602T
Authority: DE
Inventors: B. William Falmouth KERFOOT
Original assignee: K-V ASSOCIATES Inc MASHPEE; K-V Associates Inc
Current assignee: K-V ASSOCIATES Inc MASHPEE; K-V Associates Inc
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: US20060175265A1; US20030155288A1; US20050016935A1; US6984329B2; EP1239978B1; DE60026602D1; US20020108895A1; US7264747B2; US6596161B2; CA2394824C; EP1239978A2; US6780329B2; US6436285B1; US20030047501A1; US7572368B2; CA2394824A1; WO2001045869A3; US20080047905A1; WO2001045869A2

Description

Hintergrund
Diese Erfindung bezieht sich auf einen mikroporösen Diffuser und ein Verfahren zur Wiederaufbereitung von Wasser. Es besteht ein anerkanntes Bedürfnis, Verunreinigungen zu beseitigen, die in Grund- und Oberflächenwasser existieren. Insbesondere gibt es eine Art eines Umweltverschmutzungsproblems, das weit verbreitet ist, das heißt die Kontaminierung von Oberflächengewässern oder unterirdischen Gewässern, die ihren Weg zur Oberfläche finden, wie z.B. in einer verunreinigten Quelle. Solche Oberflächengewässer können mit verschiedenen Bestandteilen kontaminiert sein, wie z.B. flüchtigen Kohlenwasserstoffen wie gechlorten Kohlenwasserstoffen einschließlich Trichlorethen (TCE) und Tetrachlorethen (PCE).
Im Stand der Technik sind mehrere Wasserwiederaufbereitungssysteme bekannt. US 5879108 beschreibt eine Luftblasen/Bodendampf-Extraktionsvorrichtung, die in einem Bohrloch positionierbar ist, das sich tief in einen Bodenbereich hinein erstreckt, der durch Umweltgifte stark kontaminiert ist. Eine Austragung von durch eine Rohranordnung eingespritzter Luft zwingt druckbeaufschlagte Luft durch den kontaminierten Boden, wodurch sich die Luft verflüchtigt und Verunreinigungen bzw. kontaminierende Stoffe aus dem Boden entfernt. In US 5620593 ist ein Brunnen-Einbaussystem (in-well system) zum gleichzeitigen Behandeln und Extrahieren von Grundwasser durch Einspritzen von Druckgas durch das Wasser in Mehrfachstufen, wenn dieses aus dem Brunnen gepumpt wird, beschrieben. Das Grundwasser wird dazu gezwungen, separate konzentrische Durchgangswege zu durchlaufen, um die chemischen, physikalischen oder radiologischen Eigenschaften des Wassers vor dessen Austragung aus dem Brunnen zu ändern. Das System der US 5967230 behandelt Wasser in-situ, um gegenüber der Umwelt neutrale Spezies aus Kohlenwasserstoff-Schadstoffen zu erzeugen. Ein Katalysator wird in die Wasserstelle eingespritzt und wird zum Diffundieren durch das Wasser gebracht. Die anschließende Einleitung eines Oxidationsmittels in das Wasser fördert die Freigabe von freien Radikalen, die auf die Schadstoffe einwirken, um neutrale Spezies zu bilden. Ein weiteres Wasser-Durchblasverfahren ist in US 5425598 beschrieben, in dem ein Brunnengehäuse mit durchlässigen Seitenwänden in einen Brunnen eingesetzt ist. Das Gehäuse umfasst ein Einspritzrohr, durch das druckbeaufschlagtes Gas aus dem unteren Ende des Rohrs in das im Brunnengehäuse gesammelte Grundwasser gezwungen wird. Die Gasbewegung treibt Konvektionsströme an und fördert eine Beseitigung und einen biologischen Abbau von Schadstoffen.
In der EP 546335 ist ein System zum Durchlüften von Abwasser beschrieben, wobei Gas durch eine membranartige Wand eines unterhalb des Wasserpegels angeordneten Gasverteilers gezwungen wird. Die Wand umfasst eine Vielzahl von Gasauslassöffnungen.
Ein biologisches Wasseraufbereitungssystem ist in der EP 402158 beschrieben, bei dem eine unterirdische Oberflächen-Pumpvorrichtung eine Phase verunreinigten Grundwassers für eine Entsorgung außerhalb der Behandlungsstelle trennt und gefährliche Substanzen abbauende Mikroorganismen in das System einspeist, um das restliche Wasser vor einem eventuellen Recyceln an die kontaminierte Stelle zu behandeln.
Ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung zur Grundwasser-Wiederaufbereitung ist in dem erteilten US-Patent 5855775 (entsprechend WO 98/21152) beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus mehreren mikroporösen Diffusern zum Einspritzen mikrofeiner Blasen, die Oxidationsgas enthalten, in das verunreinigte Wasser. Die mikrofeinen Blasen oxidieren aufgelösten Kohlenwasserstoff und Chlorkohlenwasserstoff-Produkte zu unschädlichen Nebenprodukten, wodurch sie Schadstoffe aus dem Umgebungs-Grundwasser entziehen und sie in die in jeder Blase enthaltene Mini-Atmosphäre ziehen.
Abriss
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein mikroporöser Diffuser ein erstes längliches Element, das mindestens eine Seitenwand mit mehreren mikroskopischen Öffnungen aufweist, wobei die Seitenwand einen inneren hohlen Abschnitt des Elements festlegt, und ein zweites längliches Element mit einer zweiten Seitenwand mit mehreren mikroskopischen Öffnungen, wobei das zweite Element durch den hohlen Bereich des ersten Elements hindurch angeordnet ist, eine Endabdeckung zum Abdichten eines ersten Endes des mikroporösen Diffusers, und eine Einlassabdeckung, die an einem zweiten Ende des mikroporösen Diffusers angeordnet ist, wobei die Einlassabdeckung ein Paar Öffnungen zum Überführen eines ersten Fluids zu den inneren Abschnitten des ersten Elements und eines zweiten Fluids zu den inneren Abschnitten des zweiten Elements aufweist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Wasserwiederaufbereitung bereitgestellt, wie es in Anspruch 18 definiert ist.
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen klarer hervor, in denen zeigen:
1 eine diagrammartige Ansicht eines typischen Beispiels von Oberflächen-Wasserbehandlung,
2 ein Blockdiagramm einer bei dem Behandlungsprozess eingesetzten Vorrichtung,
3A und 3B jeweils schematisiert eine Draufsicht und eine Aufrissansicht eines bei der Vorrichtung der 2 verwendeten Quellkastens,
3C und 3D eine Draufsicht und eine Aufrissansicht von weiteren Quellkastenanordnungen,
4A und 4B Longitudinalschnitt- und Querschnittansichten eines mikroporösen Diffusers, der in dem Quellkasten der 3A und 3B von Nutzen ist,
5A, 5B jeweils Längsschnitt- und Querschnittansichten eines alternativen mikroporösen Diffusers, der in dem Quellkasten der 3A und 3B von Nutzen ist,
6A und 6B Schnittansichten von Seitenwänden des mikroporösen Diffusers der 4A, 4B oder 5A, 5B zur Darstellung beispielhafter Aufbaudetails,
7A, 7B Längsschnitt- bzw. Querschnittansichten eines weiteren alternativen mikroporösen Diffusers, der in dem Quellkasten der 3A-3B von Nutzen ist,
8A und 8B jeweils eine schematisierte Draufsicht und Aufrissansicht einer kreisförmigen Quellkastenanordnung mit einem Mischmerkmal, das auch bei der Vorrichtung von 2 von Nutzen ist,
9 eine Schnittansicht zur Darstellung eines alternativen Behandlungsbeispiels, und
10 eine graphische Darstellung einer Beseitigungsrate von PCE für eine zu 120 ppb äquivalente wässrige Lösung gegenüber unterschiedlichen Blasengrößen.
Detaillierte Beschreibung
Es wird nun auf 1 eingegangen, in der ein Beispiel 10 der Anwendung einer Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächenwässer oder zur in-situ-Beseitigung von Schadstoffen aus Wasser gezeigt ist. In 1 ist ein Einsatzort 11 dargestellt, der eine unterirdische Oberflächenwasserader 14 aufweist, die Oberflächengewässer 12 z.B. über eine Quelle bzw. einen Brunnen erzeugt. Ein Quellenkasten-Behandlungssystem 20 ist am Einsatzort 11 angeordnet. Das Quellenkasten-Behandlungssystem 20 ist so angeordnet, dass es das Oberflächenwasser 12 auffängt und das Oberflächenwasser in das Quellenkasten-Behandlungssystem 20 ablenkt, um Verunreinigungen bzw. Schadstoffe, wie z.B. flüchtige Kohlenwasserstoffe, und insbesondere Chlorkohlenwasserstoffe zu entfernen, die in dem Wasser in der Wasserader 14 vorhanden sein können. Das Quellkasten-Behandlungssystem 20 gibt einen Wasserstrom 16 ab, der im wesentlichen schadstofffrei ist.
Schadstoffe, die mittels des Quellkasten-Behandlungssystems 20 behandelt oder entfernt werden können, umfassen Kohlenwasserstoffe und insbesondere flüchtige Chlorkohlenwasserstoffe, wie z.B. Tetrachlorethen, Trichlorethen, Cis-Dichlorethen, Trans-Dichlorethen, 1-1-Dichlorethen und Vinylchlorid. Im einzelnen können auch andere Materialien aus dem Strom entfernt werden, wie z.B. Chloralkane, wie 1,1,1-Trichlorethan, 1,1-Dichlorethan, Methylenchlorid und Chloroform; Benzol, Toluol, Ethylbenzol, O-Xylen, p-Xylen, Naphtalen und Methyltetrabutylether (MTBE). Es ist anzumerken, dass die Verwendung des Quellkasten-Behandlungssystems 20 nicht auf strömendes Oberflächenwasser begrenzt ist, sondern auch auf die Behandlung von gepumptem oder gespeichertem Wasser angewendet werden kann.
Es wird nun auf 2 eingegangen, in der das Quellkasten-Behandlungssystem 20 einen Quellkasten 30 und einen Luftkompressor 22, einen Kompressor-/Pumpensteuermechanismus 24 sowie einen Ozon(O₃)-Generator 26 umfasst. Der Luftkompressor 24 kann einen Luftstrom in den Quellkasten 30 einleiten, während der Kompressor-/Pumpensteuermechanismus 24 einen mit Ozon (O₃) von dem Ozon-Generator 26 gemischten Luftstrom in den Quellkasten 30 einleitet, um im wesentlichen eine Beseitigung der oben erwähnten oder ähnlicher Arten von Schadstoffen durchzuführen. Optional oder zusätzlich dazu kann die Vorrichtung 20 auch eine Pumpe 28 aufweisen, die ein flüssiges Schadstoffbeseitigungsmittel, wie z.B. Wasserstoffperoxid, oder ein Katalysatormittel, wie z.B. Verbindungen enthaltendes Eisen, z.B. Eisensilikate oder Palladium oder palladisierten Kohlenstoff, liefert. Um biologische Abbaureaktionen zu fördern, kann die eingeleitete Flüssigkeit ein Mehrstoffgemisch aus Stickstoff (Ammoniak oder Nitrat), Phosphor und Kalium zusammen mit Sauerstoff als Gas sein, um Oxidationsreaktionen oder Kohlendioxid und Wasserstoffsulfit zu fördern, um Reduktionsreaktionen zu fördern.
Der Quellkasten 30 verwendet hauptsächlich eine Gas-Gas-Reaktion zwischen Schadstoffdämpfen und Ozon (nachstehend beschrieben). Diese Reaktion kann durch eine Flüssigphasenreaktion ergänzt werden. Ein flüssiger Schadstoffbeseitiger, wie z.B. Wasserstoffperoxid, kann ebenfalls verwendet werden. Der Einsatz von Wasserstoffperoxid als Dünnfilmbeschichtung auf den Blasen fördert die Zersetzungsrate durch Hinzufügen einer Sekundär-Flüssigphasen-Reaktionsgrenzfläche, wenn flüchtige Verbindungen in die Gasphase eintreten. Sie expandiert auch die Arten von Verbindungen, die wirksam beseitigt werden können. Alternativ kann die Pumpensteuerung 28 einfach Wasser einspeisen.
Es wird nun auf die 3A und 3B eingegangen, in denen eine Anordnung eines Quellkastens 30 gezeigt ist. Der Quellkasten umfasst einen Behälter 31, der aus einer Seitenwand 32 aus dauerhaftem Material, wie z.B. Beton, besteht, über dem eine wasserdichte Abdeckung 33 angeordnet oder befestigt ist, die ebenfalls aus Beton besteht. Innerhalb des Quellkastens 30 ist eine Einlassöffnung 42 vorgesehen, um das Wasser aus der Quelle aufzunehmen, sowie mehrere teilweise geschlossene Kammern 40a-40d, die im Innern des Quellkastens durch Wände oder Trennwände 38a-38c gebildet sind. Innerhalb jeder der Kammern 40a-40d sind mehrere mikroporöse Diffuser angeordnet, wie z.B. die in Zusammenhang mit meinem veröffentlichten US-Patent Nr. 5855775 gezeigten. Alternativ können mikroporöse Diffuser 59,70, wie sie weiter unten in Zusammenhang mit den 4A, 4B oder den 5A und 5B beschrieben sind, eingesetzt werden.
In der in 3A gezeigten Anordnung ist ein erstes Paar mikroporöser Diffuser 50a, 50b oder 70a, 70b mit einer üblichen Gas-/Flüssigkeits-Einspeiseanordnung 36a gekoppelt, die beispielsweise von einem Kompressor/einer Pumpe 24 und einem Kompressor 28 gespeist werden können (2). Der Quellkasten 30 umfasst auch eine zweite Einspeise anordnung 37a, bei der in dieser Ausführungsform einer der mikroporösen Diffuser 50c, 70c mit einer Kombination aus Luft, Ozon und Luft, Ozon und Flüssigkeit wie oben gespeist wird, und bei der der zweite mikroporöse Diffuser 50d, 70d nur mit Luft gespeist wird, um ein Abziehen von etwaigem restlichem Ozon durch Luft vor dem Austritt des behandelten Wassers bereitzustellen.
Wie in 3B gezeigt ist, sind die mikroporösen Diffuser in einer Erhebung über dem Boden des Quellkastens 30 innerhalb eines von der Quelle oder einer anderen Oberflächenwasserquelle versorgten Wasserbeckens 39 angeordnet.
3C und 3D zeigt aber noch weitere alternative Quellkastenanordnungen. In der Anordnung 30' der 3C sind die Diffuser 50 oder 70 in Reihe geschaltet, während 3D Diffuser 50, 70 zeigt, die so angeordnet sind, dass mittels der mikroporösen Diffuser sie in der Erhebung über der Höhe des Quellkastens versetzt angeordnet sind. Der Quellkasten 30 ist ein Ozon-Reaktorgefäß, in dem Ozon in das Wasserbecken gepumpt wird. Die mikroporösen Diffuser sind in dem in Behandlung befindlichen Wasser angeordnet und übertragen Ozon in das Wasser in der Form von mikrofeinen oder feinen Bläschen, die rasche Gas/Wasserreaktionen mit flüchtigen organischen Verbindungen, insbesondere bei Präsenz eines Katalysators oder eines Verstärkers fördern, die an der gasförmigen Phase der Reaktion teilnehmen können, statt lediglich eine Zersetzung einer wässrigen Lösung und entsprechende Reaktionen zu verbessern. Außerdem werden mit der optionalen Verwendung der Flüssigkeitsöffnung bei der Vorrichtung die Gas/Gas-Reaktionen optimiert und umfassen Gas-Gas-Reaktionen innerhalb der gasförmigen Phase ebenso wie das Induzieren von Wasserreaktionen in der wässrigen Phase, um eine Gesamtzersetzungsrate innerhalb der gasförmigen Phase und der wässrigen Phase aus den zweiten Wasserreaktionen zu erzielen. Beispielsweise kann die Verwendung von Wasserstoffperoxid als Laminatbeschichtung auf den Blasen die Zersetzungsraten verbessern, wie nachstehend beschrieben ist.
Die Mikron-Kunststoffblasen können auch mit einer Außenschicht aus Aktivkohle oder Aktivkohle mit Palladium beschichtet sein oder diese in ihren Aufbau gesintert haben, um sich gleichzeitig anzusammeln und eine Zersetzung von Chlorethene zu fördern.
Die Erzeugung von Mikroblasen und die Auswahl einer geeigneten Größenverteilung werden für einen optimierten Gasaustausch durch ein hohes Oberflächenbereich-zu-Volumen-Verhältnis und eine lange Verweilzeit innerhalb der zu behandelnden Flüssigkeit ausgewählt. Die Mikroblasen werden mittels mikroporöser Materialien in dem mikroporösen Diffuser 50 erzeugt, welcher als Blasenkammer dient, wie in der Ausführungsform 50 (4A bis 4B) gezeigt ist, oder alternativ durch die Ausführungsform 70 des mikroporösen Diffusers der 5A bis 5B. Die Vorrichtung 20 fördert die kontinuierliche Erzeugung von Mikroblasen und minimiert dabei eine Zusammenballung oder Anhaftung. Die eingespritzte Luft-/Flüssigkeitskombination bewegt sich als Fluid in das Wasser, um behandelt zu werden, während mikro-eingekapseltes Ozon innerhalb der mikrofeinen Blasen ein Abziehen von flüchtigen organischen Stoffen in-situ fördert und gleichzeitig eine normal reversible Henry'sche Reaktion beendet.
Es wird nun auf die 4A bis 4B eingegangen, in denen ein mikroporöser Diffuser 50 gezeigt ist. Der mikroporöse Diffuser 50 umfasst ein erstes zylindrisches Element 56, das aus hydrophobem Material besteht, welches eine äußere zylindrische Umhüllung für den mikroporösen Diffuser 50 bereitstellt. Das zylindrische Element 56 hat eine Seitenwand 56a, die aus einer Vielzahl von Mikroporen besteht. Ein zweites zylindrisches Element 60 ist koaxial innerhalb des ersten zylindrischen Elements 56 angeordnet. Das zweite zylindrische Element 60 besteht aus hydrophobem Material und hat eine Seitenwand 60a, die eine Vielzahl von Mikroporen umfasst. Ebenfalls innerhalb der Grenzen des ersten zylindrischen Elements angeordnet sind mehrere zylindrische Elemente 58, hier vier, die Seitenwände 58a mit einer Vielzahl von Mikroporen aufweisen und ebenfalls aus hydrophobem Material bestehen.
Ein proximales Ende des zentralen zylindrischen Elements 60 ist mit einer ersten Einlassöffnung 52a gekoppelt, die an einer ersten Einlassabdeckung 52 vorgesehen ist, und proximale Enden der mehreren zylindrischen Elemente 58 sind mit den allgemein mit 52b bezeichneten zweiten Einlassöffnungen gekoppelt. An dem dem mikroporösen Diffuser 50 gegenüberliegenden Ende deckt eine Endabdeckung 54 distale Enden der zylindrischen Elemente 56 und 60 ab. Hierbei sind die distalen Enden der mehreren zylindrischen Elemente 58 durch separate Abdeckungen 57 abgedichtet, könnten aber auch von der Endkappe bzw. Endabdeckung 54 abgeschlossen sein. Die Endabdeckung 54 zusammen mit der Abdeckung 52 dichtet die distalen Enden des mikroporösen Diffusers ab. Jedes der zylindrischen Elemente 56, 58 und 60 ist hier von zylindrischer Form und hat mehrere mikroskopische Öffnungen, die durch Seitenwände 56a, 58a bzw. 60a eingebracht sind, deren Porengröße einer Porengröße angepasst ist bzw. diese erzeugt, welche für das Induzieren von Gas/Gas-Reaktionen in dem Quellkasten wirksam sind. Seitenwände jedes der zylindrischen Elemente können einen Porendurchmesser in einem Bereich von 1 bis 200 Mikron, vorzugsweise 1 bis 50 Mikron und noch bevorzugter 5 bis 20 Mikron aufweisen. Die Kombination der Einlassabdeckung 52 und der Endabdeckung 54 dichtet den mikroporösen Diffuser 50 ab und gestattet Flüssigkeit und Gas ein Entweichen durch den porösen Aufbau der Seitenwände des mikroporösen Diffusers.
Der mikroporöse Diffuser 50 kann mit einem mikroporösen Material, wie z.B. Mikrokügelchen mit Füllgrößen von 20 bis 200 oder einer Sandpackung oder porösem hydrophilem Kunststoff gefüllt sein, um ein Einleiten einer Flüssigkeit in die Porenzwischenräume zu ermöglichen, wo Flüssigkeit austritt.
Es wird nun auf die 5A und 5B eingegangen, in der eine alternative Ausführungsform 70 eines mikroporösen Diffusers gezeigt ist. Der mikroporöse Diffuser 70 umfasst ein äußeres zylindrisches Element 76 mit einer Seitenwand 76a, innerhalb der ein inneres zylindrisches Element 78 mit einer Seitenwand 78a angeordnet ist. Das innere zylindrische Element 78 ist von der Seitenwand des äußeren zylindrischen Elements beabstandet. Der Zwischenraum 77 zwischen dem inneren und äußeren zylindrischen Element 76 und 78 ist mit einem Packungsmaterial gefüllt, das aus Glaskügelchen oder Silikapartikeln (Siliziumdioxid) oder porösem Kunststoff besteht, die allgemein von hydrophiler Natur sind. Dieser Zwischenraum ist mit einer Eingangsöffnung 72b gekoppelt, die Flüssigkeit sowie Katalysatoren und/oder Nährstoffe von der Pumpe 39 (2), aufnimmt. Der mikroporöse Diffuser 70 hat ein inneres zylindrisches Element 78, das koaxial oder konzentrisch zu dem zylindrischen Element 76 angeordnet ist. Seitenwände jedes der zylindrischen Elemente können einen Porendurchmesser in einem Bereich von 1 bis 200 Mikron, vorzugsweise 1 bis 50 Mikron und noch bevorzugter 5 bis 20 Mikron aufweisen. Ein proximales Endes des inneren zylindrischen Elements ist mit einer Einlassöffnung 72a gekoppelt, der ein Luft-Ozon-Gemisch von einer Pumpe 36 zugeführt wird. Der mikroporöse Diffuser umfasst auch eine Endabdeckung 74, die in Kombination distale Enden der Zylinder 76 und 78 sichern. Die Kombination der Einlassabdeckung 72 und Endabdeckung 74 dichtet den mikroporösen Diffuser ab und ermöglicht es, dass Flüssigkeit und Gas durch den porösen Aufbau der Seitenwände des mikroporösen Diffusers entweichen.
Es wird nun auf die 6A, 6B eingegangen, in denen Aufbaudetails für die länglichen zylindrischen Elemente für den mikroporösen Diffuser 50, 70 gezeigt sind. Wie in 6a gezeigt ist, können Seitenwände der Elemente aus einer metallischen oder einer Kunststoff-Halterungsschicht 91 gebaut sein, die breite (wie gezeigt) oder feine Perforationen 91a aufweisen, über denen eine Schicht von gesinterten, das heißt, bei Hitze geschmolzenen mikroskopischen Partikeln aus Kunststoff angeordnet ist. Der Kunststoff kann irgendein hydrophobes Material, wie z.B. Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyethylen, Polytetrafluorethylen, hochdichtes Polyethylen (HDPE) sowie ABS sein. Die Halterungs- bzw. Trägerschicht 91 kann feine oder grobe Öffnungen aufweisen und kann aus anderen Materialtypen sein. 6B zeigt eine alternative Anordung 94, bei der Seitenwände der Elemente aus gesinterten, das heißt bei Hitze geschmolzenen, mikroskopischen Teilchen aus Kunststoff gebildet sind. Der Kunststoff kann irgendein hydrophobes Material, wie z.B. Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyethylen, Polytetrafluorethylen, hochdichtes Polyethylen (HDPE) sowie Alkylbenzolsulfonat (ABS) sein.
Die Fittings (die Einlässe in 4A, 5A) können mit Gewinde versehen sein und sind an den Einlassabdeckelementen durch Epoxyharz, Hitzeschmelzen, ein Lösemittel oder Verschweißen mit Wärmebehandlung verbunden, um flüchtige Lösemittel oder andere sich ihnen annähernde Stoffe zu entfernen. Ein Standardgewinde kann verwendet werden, beispielsweise NPT (National Pipe Thread) oder ein API-Muttergewinde (F480). Die Fittings sind auf diese Weise sicher an den mikroporösen Diffusern derart angebracht, dass gewährleistet ist, dass die mikroporösen Diffuser Drücke bewältigen können, die beim Einspritzen der Luft/des Ozons und der Flüssigkeit auftreten.
In den 7A bis 7B ist ein alternativer mikroporöser Diffuser 90 gezeigt. Der mikroporöse Diffuser 90 umfasst ein erstes zylindrisches Element 96, das aus hydrophobem Material besteht, welches eine äußere zylindrische Umhüllung für den mikroporösen Diffuser 90 bereitstellt. Das zylindrische Element 96 hat eine Seitenwand 96a, die aus einer Vielzahl von Mikroporen besteht. Ein proximales Ende des zylindrischen Elements 96 ist mit einer ersten Einlassöffnung 92a gekoppelt, die von einer ersten Einlassabdeckung 92 aus vorgesehen ist, und ein distales Ende des zylindrischen Elements 96 ist mit einer Endabdeckung 94 gekoppelt. Die Endabdeckung 94 zusammen mit der Abdeckung 92 dichtet die Enden des mikroporösen Diffusers 90 ab. Seitenwände der zylindrischen Elemente 96 sind mit einer Schicht aus einem Katalysator oder einem Reaktionsförderer oder einem Absorptionsmaterial versehen. Beispiele umfassen eine Schicht 99 aus Aktivkohle, die durch Abtragung in die Oberfläche eingetragen wird oder in die Oberfläche gesintert wird. Zusätzlich könnte auch palladisierte Aktivkohle verwendet werden. Wie oben erläutert wurde, kann die Schicht 93 bei der Zersetzung der Schadstoffe in dem Wasser helfen. Seitenwände jedes der zylindrischen Elemente können einen Porendurchmesser in einem Bereich von 1 bis 200 Mikron, vorzugsweise 1 bis 50 Mikron und bevorzugter 5 bis 20 Mikron aufweisen.
Die Verwendung von durch Absorptionsmaterialien getragenen Katalysatoren, wie z.B. von palladisierter Aktivkohle, kann für Verbindungen besonders wirksam sein, die gegenüber Aktivkohle eine Absorptionsaffinität aufweisen. Die Verbindungen, wie z.B. TCE, sind nahe der Abgabestelle der Ozon-Mikrobläschen konzentriert und ermöglichen eine wirksamere Reaktion für niedrige Konzentrationen von TCE enthaltendes Wasser, wie oben erläutert wurde. Die Schicht 93 kann auch bei den anderen obigen Ausführungsformen 50, 70 bereitgestellt werden, zum Beispiel auf einem oder auf beiden zylindrischen Element(en), vorzugsweise aber auf den Elementen, die Ozon in das Wasser abgeben.
Es wird nun auf 8A und 8B eingegangen, in denen eine alternative Anordnung eines Quellkastens 110 gezeigt ist. Der Quellkasten 110 umfasst einen kreisförmigen Behälter 111, der aus einer Seitenwand 112 aus dauerhaftem Material, wie z.B. Beton besteht, über dem eine wasserdichte Abdeckung 113 angeordnet oder befestigt ist, die ebenfalls aus Beton besteht. Innerhalb des Quellkastens 110 ist eine Einlassöffnung 115a vorgesehen, um das Wasser von der Quelle aufzunehmen. Innerhalb des kreisförmigen Behälters sind mehrere mikroporöse Diffuser angeordnet, wie die in Zusammenhang mit meinem veröffentlichten US-Patent Nr. 5955775 gezeigten. Alternativ können mikroporöse Diffuser 50, 70, 90, wie sie weiter oben in Zusammenhang mit den 4A und 4B, 5A und 5B oder 7A bis 7B beschrieben wurden, eingesetzt werden.
Bei der in 8A gezeigten Anordnung sind die mikroporösen Diffuser 116 mit einem gewöhnlichen Drehgelenk 117 gekoppelt, das eine Gas-/Ozon-Einspeiseanordnung 86a bereitstellen kann, die beispielsweise von dem Kompressor/der Pumpe 24 und dem Kompressor 28 (2) versorgt werden kann. Wie in 8B gezeigt ist, sind die mikroporösen Diffuser in einer Erhebung über dem Boden des Quellkastens 110 innerhalb eines Wasserbeckens 119 angeordnet, das von der Quelle oder einer anderen Oberflächenwasserquelle versorgt wird. Das Drehgelenk 117 ermöglicht eine Drehung der mikroporösen Diffuser in dem Wasser, und damit eine wirksamere Vermischung des Ozons mit dem Wasser. Der Quellkasten 110 kann Sand oder eine andere Matrix 120 umfassen, die einen Reaktionsförderer enthält, z.B. einen schon erwähnten Katalysator.
Der Quellkasten 110 ist ein Ozon-Reaktionsgefäß, in dem Ozon mittels der mikroporösen Diffuser in das Wasserbecken gepumpt wird. Die mikroporösen Diffuser 116 sind in dem behandelten Wasser angeordnet und übertragen Ozon in Form von mikrofeinen oder feinen Blasen in das Wasser, welche rasche Gas/Gas-Wasser-Reaktionen mit flüchtigen organischen Verbindungen, insbesondere bei Vorhandensein eines Katalysators oder eines Verstärkers fördern, welche an der gasförmigen Reaktionsphase teilnehmen können, statt lediglich eine wässrige Lösungszersetzung und Reaktionen derselben zu verstärken.
Außerdem kann eine optionale Flüssigkeitsöffnung (nicht gezeigt) an dem Drehgelenk vorgesehen sein, um Gas/Gas-Reaktionen innerhalb der gasförmigen Phase sowie die Einleitung von Wasserreaktionen in der wässrigen Phase bereitzustellen, um eine Gesamtzersetzungsrate innerhalb der gasförmigen Phase und der wässrigen Phase aus den Sekundär-Wasserreaktionen zu erzielen. Beispielsweise kann die Verwendung von Wasserstoffperoxid als Laminatbeschichtung auf den Blasen die Zersetzungsraten verbessern, wie oben erwähnt wurde.
Es wird nun auf 9 eingegangen, in der ein alternatives Beispiel des Einsatzes der mikroporösen Diffuser 50, 70 gezeigt ist. Das Beispiel zeigt einen Einspitzbrunnen zur Behandlung von unterirdischen Wässern einer Wasserader. Die Anordnung umfasst einen Brunnen mit einem Gehäuse mit einem Einlasssieb und einem Auslasssieb, um eine Rezirkulation von Wasser in das Gehäuse, wie durch den umgebenden Bodenbereich zu fördern. Das Gehäuse haltert den Boden um den Brunnen herum. Durch das Gehäuse hindurch sind mikroporöse Diffuser, z.B. 50 oder 60, angeordnet. Das Einspritz-Brunnen-Behandlungssystem 140 umfasst auch einen Luftkompressor 512, einen Kompressor/Pumpen-Mechanismus 154 und einen Ozon (O₃)-Generator 156. Der Luftkompressor 154 kann einen Luftstrom in den mikroporösen Diffuser 50 einleiten, während die Kompressor/Pumpensteuerung 154 einen mit Ozon (O₃) gemischten Luftstrom von dem Ozon-Generator 156 in den mikroporösen Diffuser einleitet, um eine weitgehende Beseitigung der oben erwähnten oder ähnlicher Arten von Schadstoffen durchzuführen. Optional oder zusätzlich hierzu kann das Behandlungssystem 140 auch eine Pumpe 108 aufweisen, die ein flüssiges Dekontaminierungsmittel, wie z.B. Wasserstoffperoxid, liefert, sowie Nährstoffe, wie z.B. Katalysator-Wirkstoffe, die Verbindungen, wie z.B. Eisensilikate enthaltendes Eisen oder Verbindungen, wie z.B. palladisierten Kohlenstoff enthaltendes Palladium umfassen. Außerdem können weitere Materialien wie Platin verwendet werden.
Das Behandlungssystem 140 nutzt eine Gas-Gas-Reaktion von Schadstoffdämpfen und Ozon (nachstehend beschrieben), die durch eine Flüssigphasenreaktion ergänzt werden kann. Der Einsatz von Wasserstoffperoxid als Dünnfilmbeschichtung auf den Blasen fördert die Zersetzungsrate durch Hinzufügen einer sekundären Flüssigphasen-Reaktionsgrenzfläche, wenn flüchtige Verbindungen in die gasförmige Phase eintreten. Sie erweitert auch die Arten von Verbindungen, die wirksam beseitigt werden können. Alternativ kann die Pumpensteuerung 108 einfach Wasser einspeisen.
Im einzelnen werden mit den mikroporösen Diffusern 50 und 70 und der Verwendung der optionalen Öffnung zum Einleiten einer Flüssigkeit, wie z.B. Wasserstoffperoxid oder Wasser in die Kammer die Mikroblasen in dem mikroporösen Diffuser durch Luftblasen/Ozon über den zentralen Zylinder des mikroporösen Diffusers in diesem und in den den mikroporösen Diffusers umgebenden Außenbereichen erzeugt. Gleichzeitig wird eine Flüssigkeit in die mikroporösen Diffuser 50/70 eingeleitet und laminiert eine Außenfläche der von dem Gas gebildeten Blasen. Die Flüssigkeit bildet eine Flüssigkeitssperre zwischen dem zu behandelnden Wasser und dem darin befindlichen Gas, das Luft/Ozon enthält. Die Anordnung kann somit in eine Schlämme eingespritzt werden, welche einen Katalysator, beispielsweise ein Silikat, Eisensilikat, Palladium, palladisierten Kohlenstoff oder Titandioxid enthält, um rasche Reaktionen zur Zersetzung von Schadstoffen innerhalb des in dem Quellkasten 30 enthaltenen Wasserbeckens herzustellen. Die Reaktionen können wie folgt vor sich gehen:
Der Prozess wendet eine Einspritzung mikrofeiner Blasen an, um gleichzeitig Extraktions-/Zersetzungsreaktionen im Gegensatz zu der einfachen Erzeugung immer kleiner dimensionierter Bläschen zum Zweck der Einspritzung in freies Wasser zu erzeugen. Der Prozess beinhaltet die Erzeugung feiner Bläschen, welche rasche Gas/Gas/Wasser-Reaktionen mit flüchtigen organischen Verbindungen fördern können, bei der ein Substrat (ein Katalysator oder Verstärker) teilnimmt, statt lediglich eine Zersetzung einer wässrigen Lösung und Reaktionen darin zu verstärken. Die Erzeugung von Mikrobläschen und die Auswahl einer angemessenen Größenverteilung wird mittels mikroporösen Materials und einer Bläschenkammer zum Optimieren eines Gasaustauschs durch ein hohes Oberflächenbereich-zu-Volumen-Verhältnis und eine lange Verweilzeit in der zu behandelnden Flüssigkeit bereitgestellt. Die Anlage fördert die kontinuierliche Erzeugung von Mikrobläschen, während sie eine Zusammenballung oder ein Anhaften minimiert.
Die eingespritzte Luft-/Flüssigkeitskombination bewegt sich als Fluid in das zu behandelnde Wasser. Die Verwendung von mikro-eingekapseltem Ozon verstärkt und fördert das Abziehen flüchtiger organischer Stoffe in-situ und beendet gleichzeitig die normal reversible Henry'sche Reaktion. Der Prozess umfasst das gleichzeitige Fördern eines Abziehens flüchtiger organischer Verbindungen (VOC = Volatile Organic Compounds) in-situ und eine Zersetzung im gasförmigen Zustand mit Feuchtigkeit (Wasser) und einem Substrat (Katalysator oder Verstärker). Der Reaktionsmechanismus ist keine wässrige Lösungsreaktion. In einigen Fällen kann bei Cis- oder Trans-DCE die wässrige Lösungsreaktion die vorherrschende Gasphasenreaktion unterstützen.
Der ferngesteuerte Prozesscontroller und -monitor befähigt zu einer Sensor-Rückkoppelung und zu einer Fernkommunikation zu der Pumpensteuerung 24 und dem Ozon-Generator 26 (oder für Sauerstoff oder beides), um ein bestimmtes Niveau an Gasgehalt (z.B. gelöster Sauerstoff, Ozon oder ein anderes Gas), und an einer Gemischrate zu erzielen, um wirksame Reaktionen zu fördern. Dies wird durch Sensoren 39 (3A, 3B) durchgeführt, die in den Blasenkammern in bestimmten Abständen von den mikroporösen Diffusern 50, 70 angeordnet sind. Der Sauerstoffgehalt, das Redox-Potential und die Konzentration gelöster VOCs des Wassers kann in dem Behandlungssystem überwacht werden. Die Bedienungsperson kann auf die Information zugreifen, Arbeitsgänge modifizieren und den Zustand der Einheit über Telefonmodem oder Satelliten-Funktelefon diagnostizieren. Dies stellt eine Prozesseinschätzung vor Ort und eine Einstellung bzw. Anpassung bereit ohne die Notwendigkeit, dass die Bedienungsperson vor Ort präsent sein muss.
Angemessen dimensionierte mikrofeine Bläschen können in einer kontinuierlichen oder pulsierenden Weise erzeugt werden, was einen alternierenden Wasser/Bläschen/Wasser/Bläschen-Fluidstrom ermöglicht. Die mikrofeinen Bläschen beschleunigen wesentlich die Transferrate flüchtiger organischer Verbindungen wie PCE aus dem wässrigen in den gasförmigen Zustand. Die Verringerung der Größe der Bläschen zu mikrofeinen Größen, z.B. 5 bis 50 Mikron, kann Extraktionsraten beschleunigen bzw. verstärken. Diese Größen verstärken Austauschraten und tendieren nicht dazu, Aufstiegszeiten um eine zu kleine Größe zu verzögern. Wenn ein Oxidationsgas (Ozon) den Mikrobläschen hinzugefügt wird, wird die Extraktionsrate weiter verstärkt, indem eine niedrige innere Konzentration (Intra-Bläschen-Konzentration) von PCE aufrecht erhalten wird, während gleichzeitig das PCE durch eine /Gas/Gas/Wasser-Reaktion zersetzt wird. Die Kombination der beiden gleichzeitig wirkenden Prozesse stellt ein einmalig rasches Beseitigungssystem bereit, das durch eine logarithmische PCE-Beseitigungsrate gekennzeichnet ist sowie durch ein charakteristisches Verhältnis des Wirkungsgrads, das sich stark von Ozon-Reaktionen wässriger Lösung unterscheidet. Die für gewöhnlich behandelten Verbindungen sind HVOCs (flüchtige organische Halogenverbindungen), PCE, TCE, DCE, Vinylchlorid (VC), Petroleumverbindungen (DTEX: Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylole).
Im folgenden wird eine Analyse des Reaktionsmechanismus dargestellt. Ein gasförmiger Austausch ist proportional zu einem verfügbaren Oberflächenbereich. Bei konstant gehaltenen Teildrücken und Gemischen flüchtiger Gase würde eine Halbierung des Radius von Bläschen die Austauschrate vervierfachen. Wenn bestenfalls ein Standard-Brunnensieb Luftblasen von der 200fachen Größe einer Medium-Sandporosität erzeugt, erzeugt ein mikroporöser Diffuser von 5 bis 20 Mikron Größe ein Bläschen mit 1/10 des Durchmessers und dem 6-10fachen des Volumen-Oberflächen-Verhältnisses, wie in Tabelle 1 gezeigt ist.
Tabelle 1
Theoretisch zeigen die mikroporösen Bläschen eine Austauschrate, die das Zehnfache einer Rate eines vergleichbaren Bläschen aus einem standardmäßigen 10-Schlitz-Brunnensieb beträgt.
Tabelle 2 Änderungen des Oberflächen/Volumen-Verhältnisses (A/V) in Abhängigkeit von der Bläschengröße, wenn das Bläschenvolumen zunimmt
Bei der Abwasserbehandlung ist die Übertragungsrate zwischen gasförmigen und flüssigen Phasen allgemein proportional zu dem Kontakt-Oberflächenbereich und der Differenz zwischen der existierenden Konzentration und der Gleichgewichtskonzentration des in Lösung befindlichen Gases. Einfacher ausgedrückt, wenn das Verhältnis von Kontaktfläche zu Volumen erhöht wird, erhöht sich auch die Austauschrate, wie in Tabelle 2 veranschaulicht ist. Falls das in das Bläschen (oder den durch den Flüssigkeitsfilm umgrenzten mikroporösen Raum) eintretende Gas (VOC = Volatile Organic Compounds) aufgebraucht ist, wird die Differenz auf einer höheren Eintrittsrate gehalten als wenn das VOC zu einem Sättigungsgleichgewicht gebracht wird. Im Fall einer flüchtigen organischen Halogen-Kohlenstoff-Verbindung (HVOC), PCE, wird dies durch eine Gas/Gas-Reaktion von PCE zu den Nebenprodukten HCl, CO₂ und H₂O bewerkstelligt. Im Fall von Petroleum-Erzeugnissen, wie BTEX (Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylole) reagiert das in die Blasen eintretende Benzol, um sich zu CO₂ und H₂O zu zersetzen. Die normale Gleichung für die Zweischicht-Theorie einer Gasübertragung ist wie folgt: rm = KgA (Cg – C), wobei

r_m: = Massenübertragungsrate
K_g: = Diffusionskoeffizient für Gas
A: = Fläche, durch die das Gas diffundiert
C_g: = Sättigungskonzentration von Gas in Lösung
C: = Konzentration von Gas in Lösung

Die Neuformulierung der Gleichung zur Berücksichtigung des inneren Transfers der Phasenänderung von gelöstem HVOC zu gasförmigem HVOC innerhalb des Bläschens wäre wie folgt:

C_S: = Sättigungskonzentration der Gasphase von HVOC oder VOC im Bläschen
C: = anfängliche Konzentration der Gasphase von HVOC oder VOC in Bläschenvolumen

Bodendampf-Konzentrationen beziehen sich auf zwei beherrschende Systeme: die Wasserphase und (die nicht-wässrige) Produktphase. Üblicherweise werden die Henry'schen und Raoult'schen Gesetze verwendet, um Gleichgewichts-Dampfkonzentrationen zu verstehen, welche die Verflüchtigung aus Flüssigkeiten beherrschen. Wenn Böden feucht sind, hängt die relative Flüchtigkeit vom Henry'schen Gesetz ab. Unter normalen Bedingungen (produktfrei), bei denen flüchtige organische Kohlenstoffe (VOCs) relativ gering sind, wird angenommen, dass ein Gleichgewicht von Boden, Wasser und Luft existiert. Die Tetrachlorethen-Verbindung (PCE) hat eine hohe Austauschkapazität von der gelösten Form zur gasförmigen Form. Falls das Oberflächen-Volumen-Verhältnis um das mindestens Zehnfache modifiziert wird, sollte die Beseitigungsrate wesentlich beschleunigt werden. 10 zeigt eine graphische Darstellung der Beseitigungsrate von PCE für eine wässrige Lösung äquivalent zu 120 ppb bei verschiedenen Bläschengrößen. Das Luftvolumen und Wasservolumen wird konstant gehalten. Die einzige Änderung ist der Durchmesser der durch die Flüssigkeit geschickten Bläschen aus Luft, die von einem Diffuser abgegeben werden.
Ozon ist ein wirksames Oxidationsmittel, das zum Aufbrechen organischer Verbindungen bei der Wasserbehandlung benutzt wird. Das Hauptproblem in der Wirksamkeit besteht darin, dass Ozon eine kurze Lebensdauer hat. Falls Ozon mit Schmutz enthaltendem Wasser über den Erdboden vermischt wird, beträgt die Halbwertszeit normalerweise nur Minuten. Ozon reagiert quantitativ mit PCE, um die Spaltprodukte Chlorwasserstoffsäure bzw. Salzsäure, Kohlendioxid und Wasser zu ergeben.
Um die kurze Lebensdauer zu verlängern, wird das Ozon mit mikroporösen Diffusem eingespritzt und verbessert die Selektivität der Wirkung des Ozons. Durch Einkapseln des Ozons in feine Blasen extrahieren die Blasen vorzugsweise Verbindungen wie PCE aus den Gemischen lösbarer organischer Verbindungen, auf die sie treffen. Bei diesem Prozess werden flüchtige organische Stoffe selektiv in die feinen Luftblasen hineingesaugt. Gas, das in eine kleine Blase eines Volumens (4 π³) eintritt, nimmt zu, bis es einen asymptotischen Sättigungswert erreicht. Falls wir die Oberfläche der Blase als Membran betrachten, kann eine Gleichung erster Ordnung für die monomolekulare Reaktion der ersten Ordnung beschrieben werden. Die Reaktion kann wie folgt geschrieben werden:
wobei X die zeitlich variierende Konzentration des Stoffs in der Blase ist, Q die externe Konzentration des Stoffs ist und K die Absorptionskonstante ist. X =Q(l – eKi)
Wenn zu einem Zeitpunkt T = 0, X = 0 ist, dann
Die Konstante K ergibt sich durch Multiplizieren sowohl des Zählers als auch des Nenners mit V, dem Volumen der Blase, wodurch wir erhalten:
Was das Verhältnis zwischen der Menge bzw. dem Umfang des Stoffs ist, der in das gegebene Volumen pro Zeiteinheit eintritt, und die Menge v (Q – X), die benötigt wird, um den asymptotischen Wert zu erreichen. Durch Analysieren der Konzentrationsänderung innerhalb der feinen Blasen, die durch eine poröse Matrix mit einer mit der Matrix (Sand) in Interaktion tretenden gesättigten Lösung (Wasserfüllung) geschickt wird, und Bestimmen der Zersetzungsrate der Produkte (TCE + Ozon = CO₂ + HCl) und (Benzol + Ozon = CO₂ + HOH), können die kinetischen Reaktionsraten gekennzeichnet werden. Die Rate, mit der die Menge k₁QV des Stoffs in einer Zeiteinheit aus einer wässrigen Lösung in die Blase strömt, ist proportional zu der Henry'schen Konstante. Die zweite Zersetzungsrate innerhalb der Blase kann als k₁ betrachtet werden, eine zweite Reaktionsrate (–k₂X), wobei
und, im Gleichgewicht, wenn dx/dt = 0, ergibt sich:
Wenn jedoch die Zersetzungsreaktion sehr rasch ist, so geht –k₂X auf 0 zu, und die Reaktionsrate würde sich maximieren, k₁ Q, das heißt, proportional zu der Henry'schen Konstante sein, und die Extraktionsrate maximieren, da eine VOC-Sättigung innerhalb der Blasen nicht auftritt.
Die Kombination von Mikroblasen-Extraktion und von Ozon-Zersetzung kann verallgemeinert werden, um die für eine rasche Beseitigung verfügbaren flüchtigen organischen Verbindungen vorauszusagen. Die Wirksamkeit der Extraktion ist direkt proportional zu der Henry'schen Konstante. Die Multiplikation der Henry'schen Konstante (der Abscheidung von VOCs aus Wasser in die Gasphase) mit der Reaktivitätsraten-Konstante von Ozon für eine bestimmte VOC ergibt die von dem Mikroblasenprozess zu erwartende Zersetzungsrate.
Die in der Blase erwartete HVOC-Konzentration ist eine Konsequenz der Invasionsrate und der Beseitigungsrate. In der Praxis ist die Ozon-Konzentration so eingestellt, dass sie eine 0-Konzentration zum Zeitpunkt der Ankunft an der Oberfläche ergibt. rVOC = –KLaVOC(C – CL), wobei

r_VOC: = Rate der VOC-Massenübertragung (μ_g/ft³·h)
(K₁a)_VOC: = Gesamt-VOC-Massenübertragungskoeffizient, (1/h)
C: = Konzentration von VOC in einer Flüssigkeit
C_L: = Sättigungskonzentration von VOC in einer Flüssigkeit μ_g/ft³ (μ_g/m³)

Die Sättigungskonzentration einer VOC in Abwasser ist eine Konzentration des Teildrucks der VOC in der Atmosphäre in Kontakt mit dem Abwasser.

C_g: = Konzentration einer VOC in der Gasphase μ_g/ft³ (μ_g/m³)
C_L: = Sättigungskonzentration einer VOC in Flüssigkeit μ_g/ft³ (μ_g/m³)
H_C: = Henry'sche Konstante

Die Zersetzungsrate einer organischen Verbindung C_g (wenn sie mit einer Konzentration (C) vorhanden ist) durch Ozon
kann durch die folgende Gleichung formuliert werden, oder nach Integration für den Fall eines Stapelreaktors:
wobei

(O₃): = Konzentration von Ozon, gemittelt über der Reaktionszeit (t)
(C_g)₀: = anfängliche Konzentration des Halogen-Kohlenstoffs,
(c_g)_end: = Endkonzentration des Halogen-Kohlenstoffs

Substitution:
Die Zersetzungsrate wird nun so eingestellt, dass sie dem Gesamt-HVOC, das in die Blase eintritt, gleichkommt. EINSTELLUNG: (H₄·C₄) = K₀(O₃)(C_g) (Gleichung 5) Daher beträgt die Oberflächenkonzentration = 0.
Dieser Zustand beschleunigt die Extraktionsrate, da die VOC nie ein Gleichgewicht oder eine Sättigung in der Blase erreicht.
Die Tabelle gibt die Henry'schen Konstanten (H_C) für eine ausgewählte Anzahl organischer Verbindungen sowie die zweiten Ratenkonstanten (R₂) für die Ozon-Radikal-Reaktionsrate in nur wässrigen Reaktionen, bei Superoxid- und Hydroxid-Reaktionen dominieren, an. Die dritte Spalte gibt Raten des Beseitungsprozesses wieder. Tabelle 4 Beseitigungsraten-Koeffizienten

a) aus Hoigne und Bader, 1983, "Rate of Constants of Direct Reaction of Ozone with Organic and Inorganic Compounds in Water – I. Nondissociating Compounds" Water Res/17:173-184.
b) aus EPA 540/1-86/060, Superfund Public Health Evaluation, Manual EPA 540/1-86/060 (OSWER) Directive 9285.4-1) Office of Emergency and Remedial Response, Office of Solid Waste and Emergency Response.
c) siehe US Patent 5855775.

Die rasche Beseitigungsrate dieses Prozesses folgt nicht den Raten-Konstanten von Hoigne und Bader (1983). Es besteht jedoch eine enge Korrelation zu der Henry'schen Konstante, wie aus Gleichung 5 zu erwarten ist. Die Präsenz des Substrats (Sand) und von Feuchtigkeit ist notwendig, um die Reaktion abzuschließen. Der aktive Zusatz in der Sandmatrix scheint ein Eisensilikat zu sein. Die Aufbrechprodukte umfassen CO₂ und verdünnte HCl.
Zwei Gleichungssätze sind an den Reaktionen beteiligt: gelöste halogenisierte Verbindungen:
gelöste Petroleum-Destillate:
Exemplarische Verbindungen sind normalerweise ungesättigt (Doppelbindung), halogenisierte Verbindungen wie PCE, TCE, DCE, Vinylchlorid, EDB oder aromatische Ringverbindungen wie Benzol-Derivate (Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylole).
Außerdem scheinen Pseudo-Criegee-Reaktionen mit dem Substrat und Ozon wirksam bei der Reduzierung gewisser gesättigter Olefine, wie Trichloralkane (1,1-TCR), Tetrachlorkohlenstoff (CCl4), Chloroform und Chlorobenzol, z.B.
Die folgenden Eigenschaften der Schadstoffe scheinen für eine Reaktion erwünscht.

Henry'sche Konstante 10^–2 bis 10^–9 m³

.atm/mol

Löslichkeit 10 bis 20.000

mg/l

Dampfdruck 1 bis 3.000 mm hg

Sättigungskonzentration 5 bis 9000 g/m³
Absorption-Zerstörung
Absorptive Substrate wie Aktivkohle und bestimmte Harze dienen zur Beseitigung gelöster flüchtiger organischer Kohlenstoffverbindungen durch Absorption an der Oberfläche. Die aktive Oberfläche von Partikeln enthält Stellen, an die sich die Verbindungen heften. Die Oberflächenabsorption wird für gewöhnlich mathematisch mittels eines Gleichungssatzes von Langmuir oder Freunlich für bestimmte Partikelgrößen oder den gesamten Oberflächenbereich modelliert, falls das Material in Zylinder oder in aufeinanderfolgenden Platten präsentiert wird.
Die Ableitung der Langmuir'schen Isotherme legte eine begrenzte Anzahl von Absorptionsstellen auf der Oberfläche des Feststoffs fest. Die Absorption eines Lösemittels auf der Oberfläche macht die Entfernung eines Lösemittel-Moleküls notwendig. Ein Gleichgewicht wird dann zwischen der absorbierten Fraktion und der restlichen Konzentration in Lösung erreicht. Falls eine kontinuierliche Gasphase von Mikroblasen aus einer porösen Oberfläche freigegeben wird, kann diese das absorbierte Molekül entfernen und es zersetzen, würde sich die Reaktion viel schneller abwickeln als in einer wässrigen Phase ohne die Sammelfläche.
wobei

Q₁: = fraktionierte Oberflächenabdeckung eines Lösemittels
K_L1: = Gleichgewichtskonstante
C_L1: = Lösemittelkonzentration

Weitere Ausführungsformen
Es ist anzumerken, dass die Erfindung zwar in Zusammenhang mit ihrer detaillierten Beschreibung dargestellt wurde, dass die vorangehende Beschreibung aber nur dazu dienen soll, den Schutzumfang der Erfindung, die durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche definiert ist, zu veranschaulichen und nicht zu begrenzen.

Claims

Mikroporöser Diffuser (50, 70), mit: einem ersten länglichen Element (96, 76), das mindestens eine Seitenwand (56a, 76a) mit mehreren mikroskopischen Öffnungen aufweist, wobei die Seitenwand einen inneren hohlen Abschnitt des Elements festlegt, einem zweiten länglichen Element (60, 78) mit einer zweiten Seitenwand (60a, 78a) mit mehreren mikroskopischen Öffnungen, wobei das zweite Element durch den hohlen Bereich des ersten Elements hindurch angeordnet ist, einer Endabdeckung (54, 74) zum Abdichten eines ersten Endes des mikroporösen Diffusers, und einer Einlassabdeckung (52, 72), die an einem zweiten Ende des mikroporösen Diffusers angeordnet ist, wobei die Einlassabdeckung ein Paar Öffnungen (52a, 52b, 72a, 72b) zum Überführen eines ersten Fluids zu den inneren Abschnitten des ersten Elements und eines zweiten Fluids zu den inneren Abschnitten des zweiten Elements aufweist.
Mikroporöser Diffuser (50, 70) nach Anspruch 1, ferner mit: ersten und zweiten Fittings, die mit dem Paar Öffnungen (52a, 52b, 72a, 72b) in der Einlassabdeckung (52, 72) gekoppelt sind, und wobei ein zwischen den ersten und zweiten länglichen Elementen (56, 76; 60, 78) des mikroporösen Diffusers festgelegter Bereich mit einem Katalysator-Suspensionsmaterial gefüllt ist, und die ersten und zweiten Fittings mit den ersten und zweiten länglichen Elementen gekoppelt sind, um eine Überführung der Fluide zu ermöglichen.
Mikroporöser Diffuser (50, 70) nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten länglichen Elemente (56, 76; 60, 78) Zylinder sind und das zweite längliche Element (60, 78) konzentrisch zu dem ersten länglichen Element (56, 76) angeordnet ist.
Mikroporöser Diffuser (50, 70) nach Anspruch 3, wobei ein zwischen den ersten und zweiten länglichen Elementen (56, 76; 60, 78) des mikroporösen Diffusers festgelegter Bereich mit einem Katalysator-Suspensionsmaterial gefüllt ist, und wobei die Einlassabdeckung (54, 74) ein mit dem zweiten länglichen Element gekoppeltes Fitting hat, um die Überführung einer Flüssigkeit durch das zweite Element zu ermöglichen.
Mikroporöser Diffuser (50, 70) nach Anspruch 1, wobei die Endabdeckung (54, 74) erste Enden der ersten und zweiten länglichen Elemente (56, 76; 60, 78) abdichtet.
Mikroporöser Diffuser (50) nach Anspruch 1, wobei das zweite längliche Element (60) eines von mehreren zweiten länglichen Elementen (58) ist, die durch das erste längliche Element (56) hindurch angeordnet sind, und wobei die Einlassabdeckung (54) mehrere Fittings aufweist, von denen jedes mit einem entsprechenden der mehreren zweiten länglichen Elemente gekoppelt ist, um das Überführen einer Flüssigkeit durch die zweiten Elemente zu ermöglichen.
Mikroporöser Diffuser (50) nach Anspruch 6, wobei die mehreren zweiten länglichen Elemente (58) über einen wesentlichen Teil einer Länge des ersten länglichen Elements (56) angeordnet sind.
Mikroporöser Diffuser (50) nach Anspruch 7, ferner mit: mehreren Abdeckungen (57), um Enden der zweiten länglichen Elemente (58), die in dem hohlen Abschnitt des sten länglichen Elements angeordnet sind, abzuschließen.
Mikroporöser Diffuser (50) nach Anspruch 6, wobei ein zwischen den ersten und zweiten länglichen Elementen (56, 76; 60, 78) des mikroporösen Diffusers festgelegter Bereich mit einem Katalysator-Suspensionsmaterial gefüllt ist.
Mikroporöser Diffuser (50, 70) nach Anspruch 2 oder Anspruch 4 oder Anspruch 9, wobei das Katalysator-Suspensionsmaterial Glaskügelchen oder Silikapartikel ist.
Mikroporöser Diffuser (50, 70) nach Anspruch 10, wobei ein Katalysator in den Glaskügelchen oder dem Silika angeordnet ist, und der Katalysator Eisen enthält.
Mikroporöser Diffuser (50, 70) nach Anspruch 11, wobei das Eisen die Form von Eisensilikaten hat.
Mikroporöser Diffuser (50, 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten länglichen Elemente (56, 76; 60, 78) aus durch Hitze ge- bzw. verschmolzenen mikroskopischen Kunststoffteilchen bestehen.
Mikroporöser Diffuser (50, 70) nach Anspruch 13, wobei die ersten und zweiten länglichen Elemente (56, 76; 60, 78) ferner aus einer zylindrischen Halterung mit mehreren Öffnungen bestehen, an denen die bei Hitze ge- bzw. verschmolzenen mikroskopischen Kunststoffteilchen anhaften.
Mikroporöser Diffuser (50, 70) nach Anspruch 14, wobei die Halterung aus einem Kunststoff oder einem Metall hergestellt ist.
Mikroporöser Diffuser (50, 70) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die bei Hitze ge- bzw. verschmolzenen mikroskopischen Kunststoffteilchen aus einem Kunststoff bestehen, der aus der aus Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyäthylen, Polytetrafluoräthylen, hochdichtem Polyäthylen (HDPE und ABS) bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
Mikroporöser Diffuser (50, 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mikroskopischen Öffnungen einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 200 μm (Mikron) aufweisen.
Verfahren zur Wasserwiederaufbereitung, umfassend: Behandeln von verunreinigtem Wasser durch Einleiten mikrofeiner Bläschen mit einem Oxidationsgas in das Wasser, wobei die mikrofeinen Bläschen eine Beschichtung von Wasserstoffperoxid über den mikrofeinen Bläschen, die das Oxidationsgas enthalten, aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die mikrofeinen Bläschen mittels eines mikroporösen Diffusers (50, 70) eingeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Behandlung durch ein Katalysiermittel in dem mikroporösen Diffuser (50, 70) katalysiert wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Behandlung durch ein Katalysiermittel katalysiert wird, das eines aus den folgenden umfasst: Eisen enthaltende Verbindungen, Palladium enthaltende Verbindungen sowie Platin.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei der mikroporöse Diffuser (50, 70) eine Absorptionsschicht über einer Oberfläche des Diffusers aufweist, um aufgelöste flüchtige organische Kohlenstoffverbindungen durch Absorption an der Oberfläche zu entfernen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die mikrofeinen Bläschen mittels mikroporöser Materialien in dem mikroporösen Diffuser (50, 70) erzeugt werden, wobei die Materialien einen Porendurchmesser im Bereich von 1 bis 200 μm (Mikron) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die mikroporösen Materialien einen Porendurchmesser im Bereich von 1 bis 50 μm (Mikron) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die mikroporösen Materialien einen Porendurchmesser im Bereich von 5 bis 20 μm (Mikron) aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, wobei die mikrofeinen Bläschen, die eine Beschichtung von Wasserstoffperoxid haben, auch eine Wasserschicht aufweisen, die zum Umschließen des Oxidationsgases angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 26, wobei das Oxidationsgas Ozon ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 26, wobei das Oxidationsgas Ozon umfasst und mit dem Ozon Luft in den Bläschen enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Behandlung umfasst: Einleiten eines Luft-Ozonstroms durch einen mikroporösen Diffuser (50, 70), der in dem verunreinigten Wasser angeordnet ist, Erzeugen mikrofeiner Bläschen von Luft-Ozoneinschließendem Wasser, und Einleiten einer Wasserstoffperoxid enthaltenden Flüssigkeit durch den mikroporösen Diffuser, um Oberflächen der mikrofeinen Bläschen mit einer Beschichtung des Wasserstoffperoxids zu beschichten, um die mikrofeinen Bläschen mit einer Beschichtung von Wasserstoffperoxid über den mikrofeinen Bläschen, welche das oxidierende Gas einschließt, zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 29, wobei die mikrofeinen Bläschen durch Diffusion von einer zentralen Kammer des mikroporösen Diffusers (50, 70) durch mikroporöse Materialien erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die mikroporösen Materialien einen Porendurchmesser im Bereich von 1 μm (Mikron) bis 200 μm (Mikron) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die mikrofeinen Bläschen von der zentralen Kammer zu einer zweiten Kammer diffundieren, in der sie mit dem Wasserstoffperoxid beschichtet werden, um die Beschichtung mit Wasserstoffperoxid zu erzeugen, und durch zweite mikroporöse Materialien passieren, um mikrofeine Bläschen mit einer Beschichtung von Wasserstoffperoxid über den mikrofeinen Bläschen, welche das Oxidationsgas einschließt, zu erzeugen.