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Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeit und
insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Elektrokoagulation
von Flüssigkeiten
durch elektrolytische Behandlung, um Verunreinigungen aus der Flüssigkeit
zu entfernen oder abzuscheiden.
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Stand der
Technik
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Es ist nach dem Stand der Technik
bekannt, Flüssigkeiten
elektrolytisch zu behandeln, um das Abscheiden einer Vielzahl von
Verunreinigungen, wie z. B. Metalle, Festkörper, Krankheitserreger, Kolloide
und andere unerwünschte
Substanzen, zu ermöglichen.
Die elektrolytische Behandlung geschiet unter Verwendung eines elektrischen
Feldes, das an eine in einer Kammer befindlichen Flüssigkeit
angelegt wird, um in der Flüssigkeit
befindliche Verunreinigungen zu koagulieren oder andernfalls Entfernung
zu ermöglichen.
Ein Beispiel einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur elektrolytischen
Behandlung nach dem Stand der Technik ist in der PCT-Veröffentlichung
Nr. WO 9640591 offenbart. Gemäß dieser
Erfindung wird ein Abwasserstrom zunächst durch ein Polarisierungsmittel
geleitet, das ein vom Endungspotential verschiedenes elektrisches
Potential hat, und anschließend
durch eine Elektrokoagulationskammer mit mehreren länglichen
Elektroden oder Elektrokoagulationsblätter, die im Vergleich zueinander
unterschiedliche elektrische Potentiale haben, geleitet. In den
Elektroden sind mehrere Öffnungen
zur Turbulenzbildung im Abwasserstrom vorgesehen, durch welche sich
wiederum der Wirkungsgrad der Elektrokoagulation erhöht. Wenngleich
diese Vorrichtung für
ihren Verwendungszweck geeignet ist, besteht ein Nachteil dieser
Vorrichtung darin, dass aufgrund der verschlungenen Strömungsbahn
des Abwasserstroms beim Durchleiten durch die Vorrichtung die Elektroden
oder Elektrokoagulationsblätter
eine hohe Festigkeit haben müssen,
um dem hohen Wasserdruck, der zum Verhindern der Verklumpung des
Abwasserstroms erforderlich ist, standhalten zu können. Da
die Blätter
dieser Vorrichtungen eine beträchtliche
Größe und Festigkeit
aufweisen, können
sie nur in begrenzter Anzahl in einem bestimmten Volumen verwendet
werden, so dass der zur Elektrokoagulationsbehandlung tatsächlich zur
Verfügung
stehende Oberflächenbereich
gering ist. Darüber
hinaus bei diesen Elektrokoagulationsblättern zur Erzeugung der Sollstromstärke zwischen
den Blättern
im elektrischen Feld höhere
Eingangsnetzspannungen erforderlich, da deren Oberflächenbereiche
durch den hohen Druck begrenzt sind. Kleinere Platten können zwar
höheren Drucken
standhalten, aber die Fähigkeit,
die Sollstromstärke
aufrechtzuerhalten, nimmt dadurch ab, da der in einer Elektrokoagulationsvorrichtung
zur Verfügung
stehende Oberflächenbereich
eines Blattes direkt mit der zuführbaren
Stromstärke
zusammenhängt.
Darüber
hinaus entstehen durch die verschlungene Bahn auch Probleme aufgrund
von eingeschlossenen Gasen, die bei der elektrolytischen Reaktion
in der Kammer entstehen, durch die der Druck auf die Blätter zunimmt.
Folglich muss eine Hochleistungspumpe verwendet werden, um der natürlichen
Tendenz zur Verstopfung des Abwasserstromes in der Kammer entgegenzuwirken.
Diese PCT-Veröffentlichung
betrifft denselben Gegenstand, wie er in den US Patenten Nr. 5,611,907
von Herbst, et al. und 5,423,962 von Herbst offenbart ist und umfasst
darüber
hinaus einen Gegenstand, der den anderen Patenten nicht zu entnehmen
ist.
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Weitere Beispiele von elektrolytischen
Behandlungsvorrichtungen sind im US Patent Nr. 4,293,400 von Liggett
und im US Patent Nr. 4,872,959 von Herbst, et al. offenbart. Bei
diesen Vorrichtungen werden Elektroden in Form von Metallrohren
oder -leitungen verwendet, wobei jedoch die Reparatur oder das Austauschen der
Rohre aufwendig ist. Diese langen Ausfallzeiten sind bei vielen
industriellen Anwendungen nicht akzeptierbar.
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Das US Patent Nr. 5,043,050 von Herbst
offenbart flache Elektroden, die in einer Koagulationskammer verwendet
werden, jedoch ist es bei der Verwendung der Vorrichtung dieser
Erfindung erforderlich, die Kanten der Koagulationskammer gut schließend abzudichten.
Bei längerem
Einsatz ist es schwierig, die Dichtung aufrechtzuerhalten.
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Das US Patent Nr. 3,925,176 von Okert
offenbart die Verwendung mehrerer Elektrodenplatten zur elektrolytischen
Behandlung von Flüssigkeiten.
Jedoch können
diese Platten weder als Ganzes noch einzeln entfernt werden. Darüber hinaus
kann die in dieser Entgegenhaltung offenbarte Vorrichtung nicht
in einer elektrischen Reihenschaltung, die in vielen Fällen vorteilhaft
ist, betrieben werden.
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Das US Patent Nr. 5,302,273 von Kemmerer
offenbart eine lonenreaktionsvorrichtung, umfassend ein rohrförmiges Gehäuse mit
mehreren kreisförmigen
Elektrodenplatten zur Behandlung eines Fluids. Aufgrund der in der
Reaktionskammer dieser Vorrichtung verwendeten verschlungenen Bahnen
sind hohe Drucke erforderlich, um die Flüssigkeit durch die Vorrichtung
zu leiten, und die Vorrichtung ist anfällig für Verstopfung und übermäßige Gasentwicklung.
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Die zuvor genannten Entgegenhaltungen
nach dem Stand der Technik haben den Nachteil, dass keine Mittel
vorgesehen sind, um die Eingangsnetzspannung auf die zur Optimierung
der Elektrokoagulationsbehandlung erforderliche Spannung, ohne einen
separaten Transformator verwenden zu müssen, transformieren zu können. D.
h., dass die Elektrokoagulationskammern selbst nicht in der Lage
sind, die Eingangsnetzspannung auf eine Sollspannung und eine Sollstromstärke im elektrischen
Feld der Elektrokoagulationsvorrichtung zu transformieren.
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Ein weiterer Nachteil nach dem Stand
der Technik, bei dem eine verschlungene Strömungsbahn verwendet wird, besteht
darin, dass Präzisionsöffnungen
zum Verbolzen von Dichtungen zwischen den Blättern in die Elektroden oder
Elektrokoagulationsblätter
geschnitten werden müssen,
um dem aufgrund der verschlungenen Bahn erzeugten Druck standhalten
zu können.
Darüber
hinaus müssen
die Blätter
mittels eines Lasers mit hoher Präzision zugeschnitten werden,
um die exakte Sollbahn beizubehalten. Abweichungen von einer vorgegebenen
Bahn können
ein Verstopfen aufgrund der Bildung von koagulierten Festkörpern, die
sich zwischen ungenau ausgerichteten Blättern verklemmen, zur Folge
haben. Diese Herstellungserfordernisse tragen erheblich zu den Produktionskosten
einer Elektrokoagulationsvorrichtung bei.
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Ein weiterer Nachteil nach dem Stand
der Technik betreffend alle zuvor genannten Dokumente besteht darin,
dass die Blätter
zum Austauschen oder Reinigen nicht in einfacher Weise abnehmbar
sind. Insbesondere ist bei Kammern mit einer verschlungenen Bahn
eine große
Anzahl von Bolzen und Dichtungen erforderlich, um diese ausgerichtet
in Position zu halten. Folglich müssen diese Befestigungsteile
zum Austauschen der Blätter
abgenommen werden.
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Die zuvor genannten Nachteile werden
durch die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung
beseitigt. Darüber
hinaus werden durch die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden
Erfindung weitere Vorteile erreicht, die im Folgenden näher beschrieben
werden.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß eines Aspektes der vorliegenden
Erfindung wird eine Vorrichtung zur Elektrokoagulationsbehandlung
von Flüssigkeiten
vorgeschlagen. In ihrer einfachsten Form umfasst die Vorrichtung
oder die Anlage ein Gehäuse,
welches eine Reaktionskammer bildet, und mehrere voneinander beabstandete
Reaktionsplatten/blätter,
die sich vertikal in der Reaktionskammer erstrecken. Ein Einlaß ist vorgesehen,
um einen bestimmten Flüssigkeitsstrom
in die Reaktionskammer und in die Abstände oder Räume zwischen den Blättern zu
leiten. Ein Auslass ist stromabwärts
vom Einlass in einer dazu angehobenen Position vorgesehen, um den
Flüssigkeitsstrom
aus der Kammer zu ermöglichen,
nachdem die Flüssigkeit
in der Kammer behandelt wurde. Ausgewählte Blätter sind an elektrische Leitungen,
die eine Eingangsnetzspannung führen,
angeschlossen. In der Kammer wird zwischen den elektrisch angeschlossenen Blättern ein
elektrisches Feld erzeugt. Die elektrischen Leitungen können an
ausgewählte
Blätter
angeschlossen werden, um der Reaktionskammer die Sollspannung und
-stromstärke
zur Optimierung der Elektrokoagulation der speziellen Flüssigkeit
zuzuführen.
Die Fähigkeit
zur Veränderung
der Spannung und der Stromstärke
im elektrischen Feld der Kammer kann ohne die Verwendung eines separaten
Transformators erreicht werden. Der Flüssigkeitsstrom verläuft in einer
nach oben gerichteten Flussrichtung durch die Kammer in den Abständen zwischen
den Platten/Blättern.
Folglich ist der Auslass an einer höheren Position oberhalb des
Einlasses angeordnet. Eine Pumpe kann stromaufwärts vom Einlass vorgesehen
sein, um einen zusätzlichen
Druck für
den Flüssigkeitsstrom,
der durch die Vorrichtung geleitet wird, bereitzustellen. Mehrere
Vorfilter oder andere Vorkonditionierungsmittel können in
Reihe mit der Pumpe und auch stromaufwärts des Einlasses angeordnet
sein, um Festkörper
oder andere Materialien, die andernfalls die Reaktionskammer verstopfen,
zu entfernen. Die zugeführte
Netzwechselspannung wird durch eine Steuereinheit in eine Gleichspannung
umgewandelt. Über
elektrische Leitungen werden die Blätter an die von der Steuereinheit
bereitgestellten Gleichspannung angeschlossen. Zusätzlich zum
Gleichrichten der zugeführten
Netzspannung kann die Steuereinheit mehrere andere Funktionen umfassen,
die zur Steuerung der Vorrichtung dienen, wie z. B. ein Mittel zum
Steuern der Geschwindigkeit der Pumpe und ein Voltmeter und ein
Amperemeter zur Überwachung
der Bedingungen in der Kammer. Die Steuereinheit benötigt jedoch keinen
Transformator, da die elektrischen Verbindungen, die durch die Blätter geschaffen
werden, das Einstellen der Sollspannung und -stromstärke darin
ermöglichen,
wie im Folgenden weiter beschrieben wird. Darüber hinaus kann die Steuereinheit
in Form einer programmierbaren Logiksteuerung vorgesehen sein, die
nicht nur die Statuszustands-Eingangssignale anzeigen kann, sondern
auch Ausgangssignale erzeugen kann, um den Elektrokoagulationsvorgang
zu steuern. Z. B. kann die Polarität der Spannung der elektrischen
Leitungen, die von der Steuereinheit wegführen, basierend auf einer durch
die Steuerung vorgegebenen Zeitsequenz umgepolt werden. Bei einem
weiteren Beispiel kann die Steuereinheit die Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms
messen und entsprechend entweder durch das Verändern der Pumpgeschwindigkeit
oder durch das Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit durch
ein stromaufwärts
vom Einlass angeordnetes Ventil einstellen. Nachdem der Flüssigkeitsstrom
elektrolytisch behandelt wurde, kann der Flüssigkeitsstrom durch eine Entwicklungskammer
und/oder durch eine sekundäre
Trennkammer geleitet werden, um Klumpen von Verunreinigungen, die
noch im Flüssigkeitsstrom
vorhanden sind, zu entfernen. Es ist bei der Elektrokoagulationsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung beabsichtigt, dass die Entfernung der
Klumpen von Verunreinigungen in einer sekundären Trennbehandlung durchgeführt wird.
Obwohl einige Verunreinigungen am Boden der Reaktionskammer aus
dem Flüssigkeitsstrom
ausfällen,
ist es vorteilhaft, die Flüssigkeit
in der Reaktionskammer zu behandeln und danach durch die Kraft des
Flüssigkeitsstroms
die Verunreinigungen zu einer stromabwärtigen sekundären Trennbehandlungsstelle
zu leiten. Wenn sich der Hauptteil der Verunreinigungen innerhalb der
Reaktionskammer aus dem Flüssigkeitsstrom
ablagern könnte,
müsste
die Reaktionskammer häufiger
gereinigt und gewartet werden. Eine sekundäre Trennbehandlung kann durch
mehrere Vorrichtungen, die stromabwärts der Reaktionskammer angeordnet
sind, erfolgen. Z. B. kann eine sekundäre Trennung durch Klärungsmittel,
Filter, Zentrifugalabscheider oder Zentrifugen erfolgen. Jede dieser
Vorrichtungen kann bei der hierin angegebenen sekundären Trennung
verwendet werden, wobei diese Vorrichtungen abhängig von der Art des behandelten
Flüssigkeitsstroms
einzeln oder in Kombination verwendet werden können.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Elektrokoagulation durch
elektrolytisches Behandeln eines Flüssigkeitsstroms vorgeschlagen.
Das Verfahren kann die Schritte des Durchleitens des Flüssigkeitsstroms
durch ein Vorfilter und eine Pumpe und anschließend durch die Reaktionskammer
in einer nach oben gerichteten Flussrichtung umfassen. Das Verfahren
kann weiterhin die Schritte des Durchleitens des Flüssigkeitsstroms
durch einen Auslass der Reaktionskammer und anschließend durch
eine Entwicklungskammer und/oder eine sekundäre Trennkammer umfassen.
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Additive können dem Flüssigkeitsstrom zugeführt werden,
um die Elektrokoagulation auf eine spezielle Verunreinigung zu richten.
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Bei allen Ausführungsformen können die
Elektrokoagulationskammern die gleichgerichtete Eingangsnetzspannung
auf die Spannung und Stromstärke
im elektrischen Feld in der Reaktionskammer transformieren, um die
Elektrokoagulationsbehandlung zu optimieren. Diese transformierenden
Elektrokoagulationskammern ermöglichen
es daher, dieselbe Spannungsversorgung, die für die Elektrokoagulationskammer
vorgesehen ist, für
eine Vielzahl von zugeführten
Netzspannungen zu verwenden. Folglich ist ein separater Transformator
nicht erforderlich, wodurch Kosten bei der Realisierung einer Elektrokoagulationsvorrichtung
im erheblichen Maße
eingespart werden können.
Darüber
hinaus ist es möglich,
da die Netzspannung oder die Eingangsnetzspannung transformiert
werden kann, die Erfindung in vielen Ländern, in denen unterschiedliche Standard-Spannungsnetze
oder Leitungsspannungen verwendet werden, einzusetzen.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der
Erfindung kann die Kammer unter Vakuum betrieben werden. Durch das
Betreiben unter Vakuum wird das durch den Elektrokoagulationsprozess
erzeugte Gas schneller aus der Kammer entfernt. Darüber hinaus
wird durch die Verwendung eines Vakuums für die Kammer der Anteil der
im Flüssigkeitsstrom
gelösten
Luft reduziert. Es gibt Situationen, in denen die Falschluft den
Elektrokoagulationsprozess abhängig
von der Art der behandelten Flüssigkeit
und den zu entfernenden Verunreinigungen bremst. Zusätzlich wird
durch das Beaufschlagen des Flüssigkeitsstroms
mit einem Vakuum erreicht, dass sich nutzbare Gase vor oder nach
der Koagulation wirksamer im Flüssigkeitsstrom
lösen.
Z. B. kann, wenn der Anteil des im Flüssigkeitsstrom gelösten Sauerstoffs
erhöht
werden soll, der Flüssigkeitsstrom
durch ein Vakuum geleitet werden, um die gelöste Luft zu entfernen, und
anschließend
Sauerstoff oder Ozon dem Flüssigkeitsstrom über ein
Venturi-Rohr wieder zugeführt
werden. Als weiteres Beispiel könnte
zur Verringerung des pH-Wertes
des Flüssigkeitsstroms
Stickstoff oder Ammoniak zugeführt
auf dieselbe Weise verwendet werden, um den pH-Wert des Flüssigkeitsstroms
zu erhöhen.
Obwohl die Verwendung eines Vakuums möglich ist, kann die Anlage
bei Umgebungsdruck betrieben werden.
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Ein weiterer Vorteil des Betreibens
der Kammer unter Vakuum ist das Abführen von verflüchtigten
Gasen und Verbindungen, die bei hohem Umgebungsdruck normalerweise
im Flüssigkeitsstrom
verbleiben würden.
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Gemäß eines weiteren Aspektes der
Erfindung kann das Beaufschlagen der Anlage der vorliegenden Erfindung
mit einem Vakuum durch eine Vakuumhaube erfolgen, die über der
Reaktionskammer angeordnet wird oder alternativ kann die gesamte
Reaktionskammer in einem abgedichteten Container oder Druckbehälter, der
mit einer Vakuumquelle in Verbindung steht, angeordnet werden. Wird
ein Druckbehälter
verwendet, so kann nicht nur ein Vakuum erzeugt werden, sondern
die Kammer kann darüber
hinaus mit Druck beaufschlagt werden. Eine mit Druck beaufschlagte
Reaktionskammer ist in Situationen vorteilhaft, in denen die Anlage
in Reihe mit einer kommunalen Wasserversorgung, die bereits unter
Druck steht, angeordnet ist. Folglich sind keine Pumpe oder andere
externe Druckmittel erforderlich, um den Flüssigkeitsstrom durch die Vorrichtung
zu leiten.
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Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung
kann die Stromstärke
und die Spannung in der Kammer durch das Anordnen eines nicht-leitenden
Blattes oder einer Abschirmung zwischen elektrisch miteinander verbundenen
Blättern
eingestellt werden. Ein derartiges nicht-leitendes Blatt oder eine
derartige Abschirmung kann aus Kunststoff oder PVC hergestellt sein
und in derselben Weise wie die leitenden Blätter aus der Kammer entfernt
oder hinzugefügt
werden. Die Spannung und die Stromstärke des elektrischen Feldes
kann auch durch das Verändern
des Oberflächenbereichs
eines elektrisch angeschlossenen Blattes, der mit dem Flüssigkeitsstrom
in Kontakt steht, modifiziert werden. Dies wird in einfacher Weise
durch das Anheben oder Absenken eines elektrisch angeschlossenen
Blattes im Flüssigkeitsstrom
erreicht. Folglich besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der
Größe des wirksamen
Oberflächenbereichs
und dem Strom, der im elektrischen Feld und durch den Flüssigkeitsstrom
fließt.
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Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung
kann die Turbulenz des Flüssigkeitsstroms
durch das Vorsehen einer Pumpe des Hydrocyclone- oder Diaphragmatyps
stromaufwärts
der Reaktionskammer vergrößert werden.
Durch eine Turbulenz vergrößert sich
der Wirkungsgrad des elektrolytischen Prozesses. Die Turbulenz kann
auch durch das Zuführen
von Luft in den Flüssigkeitsstrom
stromaufwärts
des Einlasses der Reaktionskammer vergrößert werden.
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Gemäß einer ersten bevorzugten
Ausführungsform
kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung für den Hausgebrauch
konfiguriert sein. Alternativ können
die Ausmaße
der ersten Ausführungsform
bei einer zweiten Ausführungsform
maßstabsgetreu
vergrößert sein,
um die industrielleren Anwendungen, bei denen größere Mengen an behandelter
Flüssigkeit
erforderlich sind, handhaben zu können. Bei einer dritten bevorzugten
Ausführungsform
kann die Anlage der vorliegenden Erfindung für die mobile Anwendung maßstabsgetreu
erheblich verkleinert werden. Bei einer vierten bevorzugten Ausführungsform
kann die Anlage der vorliegenden Erfindung in einem Druckbehälter angeordnet
sein, durch den die Umgebung, in der die elektrolytische Behandlung
stattfindet, mit Druck beaufschlagt oder druckentlastet werden kann.
Die dritte Ausführungsform unterscheidet
sich von den anderen Ausführungsformen
dadurch, dass keine Strömung
durch die Vorrichtung erfolgt. Stattdessen wird eine statische Flüssigkeitsmenge
behandelt und anschließend
einem Verwendungszweck zugeführt.
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Bei keiner der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung haben die Elektrokoagulationskammern
eine verschlungene Strömungsbahn.
Durch das Eliminieren einer verschlungenen Strömungsbahn des Flüssigkeitsstroms
können
dünnere
Blätter
verwendet werden, da der Druck innerhalb der Kammer geringer ist.
Durch die Verwendung von dünneren
Blättern
können
eine größere Anzahl
von Blättern
in einer Kammer verwendet werden. Durch das Erhöhen der Anzahl von Blättern in
der Kammer wird der mit dem Flüssigkeitsstrom
in Kontakt stehende Oberflächenbereich
der Blätter
vergrößert, wodurch
die elektrolytische Behandlung des Flüssigkeitsstroms gefördert wird.
D. h., dass die chemischen Reaktionen, die innerhalb der Kammer
stattfinden, an den Oberflächen
der Blätter
stattfinden. Folglich wird durch das Erhöhen der Anzahl von Blättern in einem
festgelegten Volumen eine umfangreichere elektrolytische Behandlung
ermöglicht.
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Des weiteren erzeugen, da keine verschlungene
Strömungsbahn
existiert, Gase, die beim elektrolytischen Prozesses entstehen,
keine Lufteinschlüsse,
durch die sich die Blätter
und die Kammer andernfalls verziehen und der zum Pumpen eines konstanten
Flüssigkeitsstroms
durch die Kammer erforderliche Druck erhöhen kann. Die einfache Strömungsbahn
zwischen den Blättern
vom unteren Bereich zum oberen Bereich der Kammer ermöglicht den
durch den elektrolytischen Prozess entstandenen Gasen aufgrund ihres
natürlichen
Auftriebs als Blasen aufzusteigen, die sich dann in der Atmosphäre verflüchtigen
oder durch eine Vakuumquelle abgesaugt werden. Darüber hinaus
bewegen sich die Blasen in Richtung des Flüssigkeitsstroms, so dass weiterhin
ein Verstopfen verhindert und der Druck, der zum Leiten der Flüssigkeit
durch die Vorrichtung erforderlich ist, reduziert wird.
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Da der Gesamtoberflächenbereich
der Blätter
in der Kammer vergrößert ist,
kann die Elektrokoagulationseinheit mit einem minimalen Energieverbrauch
betrieben werden. Die Elektrokoagulationsbehandlung hängt im Allgemeinen
vom Strom im elektrischen Feld ab, der mit dem Flüssigkeitsstrom
in Kontakt steht. Wird die Spannung im elektrischen Feld auf einem
Schwellenwert größer 2 Volt
gehalten, erfolgt die elektrolytische Reaktion, bei der Metallionen
von den Blättern
in den Flüssigkeitsstrom
gelangen, so dass die Blätter
mit der Zeit verbraucht werden. Die Spannung im elektrischen Feld
stellt üblicherweise
lediglich ein Problem dar, wenn sie nicht oberhalb von 2 Volt aufrechterhalten
werden kann. Der Gesamtoberflächenbereich
der Blätter
in der Kammer wird bei jeder Ausführungsform ausreichend vergrößert, um
den minimalen Schwellenwert von 2 Volt aufrechtzuerhalten, während gleichzeitig
der für
eine wirksame Behandlung erforderliche elektrische Strom aufrechterhalten
wird. D. h., dass die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit
niedrigeren Spannungen als nach dem Stand der Technik betrieben
werden kann, wodurch sich der Energieverbrauch verringert. Es besteht
ein direkter Zusammenhang zwischen der Spannung, die in einem elektrischen
Feld aufrechterhalten werden kann, und der aufgrund des zur Verfügung stehenden
Oberflächenbereichs
vorgegebenen elektrischen Stroms. Durch einen vergrößerten Oberflächenbereich
kann eine bestimmte Stromstärke
bei geringer Spannung aufrechterhalten werden. Ist beispielsweise
zur Durchführung
der Behandlung der Flüssigkeit
ein Ampere erforderlich und kann durch die größeren Oberflächenbereiche
der Blätter
der vorliegenden Erfindung der elektrische Strom von einem Ampere
bei 2 Volt aufrechterhalten werden, beträgt die benötigte Leistung lediglich 2
Watt. Benötigt
ein Blatt nach dem Stand der Technik mit einem, z. B. zehnfach,
kleineren Oberflächenbereich
eine Spannung von 20 Volt, um ein Ampere aufrechtzuerhalten, würde sich
der Energieverbrauch auf 20 Watt erhöhen. Wie oben beschrieben,
ist der zur Verfügung
stehende Oberflächenbereich
bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wesentlich größer als
bei vielen Blättern
nach dem Stand der Technik. Typischerweise sind die Blätter nach
dem Stand der Technik präzise
herzustellen daher kostenintensiv in der Produktion. Darüber hinaus
müssen
die Blätter
nach dem Stand der Technik eine minimale Größe einhalten, um dem Druck
in der Reaktionskammer standzuhalten. Zur Umgehung dieser Größenlimitierung
können
die Blätter
nicht einfach dicker hergestellt werden, da sich dadurch wiederum
der zur Verfügung
stehende Oberflächenbereich
der Blätter
in der Reaktionskammer verringern würde. Durch das Vergrößern oder
Verbreitern der Blätter
nach dem Stand der Technik ohne die Dicke zu vergrößern wäre weniger
Druck in der Reaktionskammer erforderlich, was jedoch eine massive
Verstopfung oder einen kompletten Strömungsabbruch zur Folge haben
kann. Folglich muss die Größe derartiger
Blätter
nach dem Stand der Technik minimal gehalten werden.
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Durch die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung können
viele Arten von Flüssigkeiten,
wie z. B. Wasser, Öl
und Frostschutzmittel, um nur einige zu nennen, behandelt werden.
Diese und weitere Vorteile werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren
näher beschrieben.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Elektrokoagulationsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung gemäß einer
ersten Ausführungsform,
bei der ein Teil der Seitenwand herausgebrochen ist;
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2 ist
eine teilweise perspektivische Ansicht, ähnlich der in 1, zeigt jedoch weiterhin das Innere der
Reaktionskammer und eine abnehmbare Abdeckung;
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3 ist
eine Draufsicht in 1,
bei der aus Gründen
der Vereinfachung alle Rekationsplatten mit Ausnahme einer Platte
weggelassen wurden;
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4 ist
ein Blockschaltbild der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung,
das die Hauptkomponenten gemäß einer
gattungsgemäßen Ausführungsform
zeigt;
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5 ist
eine maßstabsgetreue,
stark verkleinerte perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, die für
die Massenproduktion bei industriellen Anlagen eingesetzt werden
kann;
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6 ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer dritten Ausführungsform,
die nicht in den Schutzbereich der Erfindung fällt, und zwar in Form einer
tragbaren Einheit oder Reiseeinheit;
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7 ist
eine perspektivische Ansicht der Reaktionsplatten oder Blätter, die
als eine einzelne Einheit abgenommen und ausgetauscht werden können;
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8 ist
eine stark vergrößerte teilweise
Draufsicht eines Reaktionsplattenpaares, das mit entsprechenden
Abstandshaltern in der Reaktionskammer befestigt ist;
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9 ist
eine teilweise perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform
der Erfindung, bei der eine abgedichtete Hülle oder ein Druckbehälter verwendet
wird, um einen Solldruck oder ein Sollvakuum in der Reaktionskammer
aufrechtzuerhalten;
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10 ist
eine teilweise perspektivische Ansicht einer gattungsgemäßen Reaktionskammer
und ein Beispiel dafür,
wie ausgewählte
Reaktionsplatten an eine zugeführte
gleichgerichtete Eingangsnetzspannung angeschlossen werden können, um
eine Sollspannung und einen Sollstrom im elektrischen Feld der Reaktionskammer
zu erzeugen; und
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11 ist
eine weitere teilweise perspektivische Ansicht einer gattungsgemäßen Reaktionskammer mit
Reaktionsplatten, die an die Eingangsnetzspannung in verschiedenen
Konfigurationen angeschlossen werden, um verschiedene Spannungen
und Ströme
im elektrischen Feld der Reaktionskammer zur Verfügung zu
stellen.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 10 zur Elektrokoagulation gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung. Diese spezielle Ausführungsform ist charakteristisch
für den
Vorrichtungstyp, der für
die Behandlung von Wasser im häuslichen
Bereich eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung 10 umfasst
eine Reaktionskammer 12, die von den Seitenwänden 14 gebildet
wird. Ein Unterteil 16 zum Sammeln von Abwasser ist mit
dem Kammergehäuse 12 durch
einen oberen Flansch 18 der Reaktionskammer 12 und
einen entsprechenden unteren Flansch 20 des Unterteils 16 verbunden.
Oberhalb der Reaktionskammer 12 ist eine Auffangkammer
oder Entwicklungskammer 22 angeordnet. Wie gezeigt, ist
die Auffangkammer 22 breiter und tiefer, jedoch von geringerer
Höhe als
die Reaktionskammer 12. Die Auffangkammer 22 wird
von mehreren Seitenwänden 24 und
einer Bodenwand 36, wie in 3 gezeigt,
die direkt mit den Seitenwänden 14 verbunden
ist, gebildet. Mehrere Reaktionsplatten oder Blätter 26 sind in der
Reaktionskammer 12 angeordnet. Wie gezeigt, verlaufen die
Reaktionsplatten 26 in der Reaktionskammer vertikal und
sind derart nebeneinander angeordnet, dass zwischen gegenüberliegenden
Seiten der Platten kleine Abstände
vorhanden sind. Ausgewählte
Reaktionsplatten 26 können
integrale Plattenreiter 27 aufweisen, die sich oberhalb
der Seitenwände 24 erstrecken.
Obwohl in 1 alle Reaktionsplatten 26 mit
entsprechenden Plattenreitern versehen sind, sind selbstverständlich nur bestimmte
Reaktionsplatten mit entsprechenden Plattenreitern 27 erforderlich,
wie im Folgenden näher
beschrieben. Durch ein Einlassrohr 28 kann der Flüssigkeitsstrom
in die Vorrichtung 10 in der Nähe deren Bodenteil eintreten.
Ein Auslassrohr oder eine Auslassleitung 32 ist im oberen
Bereich der Vorrichtung 10 vorgesehen. Wie in 3 gezeigt, ist das Auslassrohr
32 an
der in der Bodenwand 36 gebildeten Auslassöffnung 34 angebracht.
Folglich verläuft
das Flüssigkeitsstrom
durch die Vorrichtung nach oben durch die Abstände zwischen den Platten 26 über die
Oberkante 37 der Seitenwände 14 in die Auffangkammer 22.
Der Flüssigkeitsstrom
tritt danach durch das Auslassrohr 32 aus. Während des
elektrolytischen Prozesses kann es erforderlich sein, einige Festkörperteile
oder Schlamm, die bzw. der aus dem Flüssigkeitsstrom ausfällt und
der bzw. die von dem Flüssigkeitsstrom
nicht aus der Reaktionskammer befördert werden, zu entfernen.
Daher umfasst das Unterteil 16 einen Abfluss 38 zum
Entfernen dieser Materialien sowie zum Bereitstellen eines Mittels,
um die Flüssigkeit
zum Reinigen oder Warten der Reaktionskammer abzulassen. Der durch
das Einlassrohr 28 in die Vorrichtung eintretende Flüssigkeitsstrom
kann gleichmäßig zwischen
den Reaktionsplatten 26 durch mehrere Öffnungen 29, die entlang
des sich in der Reaktionskammer befindlichen Teils des Rohres 28 vorgesehen
sind, verteilt werden.
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Wie in 2 gezeigt,
kann optional eine obere Abdeckung 42 vorgesehen sein,
um den direkten Zugriff zur Reaktionskammer zu verhindern. Abhängig vom
elektrischen Strom in der Reaktionskammer dient die obere Abdeckung
als Sicherheitsvorrichtung, um eine unbeabsichtigte Berührung eines
Bedieners mit den Reaktionsplatten oder dem Flüssigkeitsstrom zu verhindern.
Darüber
hinaus kann eine Schaumstoffabdeckung 40 in Form eines
flachen Teils aus Stytrolschaumstoff® oder
eines anderen geeigneten Materials zunächst über den Reaktionsplatten angeordnet
werden, wobei sich die Plattenreiter 27 durch Öffnungen
erstrecken können. Die
obere Abdeckung 42 kann auch eine kontinuierliche Öffnung oder
mehrere Schlitze 46 aufweisen, durch die sich die Reaktionsreiter
erstrecken können.
Weiterhin ist ein Schaumabsaugrohr 44 vorgesehen, um den Schaum
während
des Betriebs aus der Vorrichtung abzuführen.
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Wie am besten in den 2, 3 und 8 zu sehen ist, sind eine
Gruppe von oberen Abstandshaltern 47 und eine Gruppe von
unteren Abstandshaltern 48 als Führungen zur richtigen Positionierung
der Reaktionsplatten 26 vorgesehen. In 3 sind alle Blätter/Platten 26 mit
Ausnahme einer Platte entfernt, um das Innere der Reaktionskammer
besser sehen zu können.
Wie in 8 gezeigt, sind
die Abstandshalter 47 und 48 einfach geschlitzte
Führungen,
in denen die Enden 49 der Reaktionsplatten befestigt werden
können.
Die Abstandshalter sind aus einem nicht-leitenden Material hergestellt.
Die Schlitzführungen
gewährleisten,
dass ein bestimmter Abstand G zwischen den Platten beibehalten wird.
Wie in 8 gezeigt, sind
die Platten im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist
der Flüssigkeitsdruck,
dem die Reaktionsplatten 26 ausgesetzt sind, minimal im
Vergleich zu den meisten Vorrichtungen nach dem Stand der Technik.
Da die Vorrichtung in die Atmosphäre entlüftet werden kann, tragen die
beim elektrolytischen Prozess erzeugten Gase nicht zur Erhöhung des
durch den Flüssigkeitsstrom
erzeugten Flüssigkeitsdruckes
bei. Derartige Gase bilden Blasen und steigen in der Flüssigkeit
infolge des Auftriebs auf. Die Blasen erzeugen einen Schaum, der
in einfacher Weise entfernt werden kann. Daher hat die Festigkeit
der Blätter
keine wesentliche Bedeutung, so dass als Blätter häufiger reine Metalle, die im
Vergleich zu Legierungen keine guten Festigkeitseigenschaften haben,
verwendet werden. Darüber
hinaus wird, da die Reaktionsplatten in einer Niedrigdruckumgebung
betrieben werden, ihre Lebensdauer verlängert, da die Platten nicht
vorzeitig in Folge des übermäßigen Drucks
brechen. Wie oben beschrieben, kann, da die Blätter dünner ausgeführt werden können, eine
größere Anzahl
von Platten innerhalb eines bestimmten Volumens verwendet werden.
Folglich erhöht
sich die Anzahl der Abstände
zwischen den Blättern,
wodurch sich wiederum der Berührungsbereich
des Flüssigkeitsstroms
zur elektrolytischen Behandlung vergrößert.
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Zum Entfernen können die Reaktionsplatten 26 in
einfacher Weise entlang der Abstandshalter 47 und 48 nach
oben aus der Reaktionskammer herausgehoben werden. Die Abstandshalter 47 und 48 bilden
ein einfaches Mittel, durch welches die Platten ohne viele zusätzliche
Bauteile befestigt und ausgetauscht werden können, was andernfalls ein Austauschen
der Platten erschweren würde.
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Um das Abführen von Luftblasen, die während des
elektrolytischen Prozesses entstehen, zu erleichtern, kann die Reaktionskammer
mit einer Vorrichtung versehen sein, die ein akustisches Signal
oder Radiofrequenzen emittiert. Diese (nicht gezeigte) Vorrichtung
kann in einfacher Weise an den Seitenwänden 14 angebracht
und mit dem Inneren der Reaktionskammer verbunden werden.
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Wie in 4 gezeigt,
ist eine gattungsgemäße Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung in Form eines Blockschaltbildes angegeben,
um die Hauptkomponenten zu zeigen und darüber hinaus das Verfahren der
Erfindung besser erläutern
zu können.
Die unbehandelte Flüssigkeit 51 kann
durch eine Pumpe 53 in den Einlass 28 gepumpt
werden oder direkt der Reaktionskammer 12 zugeführt werden,
wenn sie wie im Falle der kommunalen Wasserversorgung bereits mit
Druck beaufschlagt ist. Die unbehandelte Flüssigkeit 51 kann zum
Entfernen von Festkörperteilen
auch durch ein Vorfilter 52 geleitet werden. Der Flüssigkeitsstrom
tritt in die Reaktionskammer 12 ein und wird einer elektrolytischen
Behandlung unterzogen. Eine Steuereinheit 54 führt den Reaktionsplatten über elektrische
Leitungen 56 eine gleichgerichtete Netzspannung zu. Die
elektrischen Leitungen 56 sind an ausgewählten Plattenreitern 27 angebracht.
Der Flüssigkeitsstrom
tritt aus dem Auslass 32 aus und kann durch eine Entwicklungskammer 60 geleitet
werden. Eine Rückführungsleitung 58 kann
verwendet werden, um einen bestimmten Teil des Flüssigkeitsstroms
zur weiteren Behandlung zurückzuführen. Im Falle
der ersten Ausführungsform
in den 1 bis 3 ist die Entwicklungskammer 60 in
Form der Auffangkammer 22 vorgesehen, durch welche der
durch das aufsteigende Gas erzeugte Schaum abgeführt werden kann. Bei anderen
Ausführungsformen
schafft die Entwicklungskammer 60 eine zusätzliche
Möglichkeit,
den Flüssigkeitsstrom
mit Additiven oder anderen chemischen Substanzen zur Konditionierung
der Flüssigkeit
für die endgültige Verwendung
zu behandeln. Sekundäre
Trennmittel 62 können
stromabwärts
der Entwicklungskammer 60 angeordnet sein, um Verunreinigungen
oder koagulierte Materialien vor der Verwendung des behandelten
Flüssigkeitsstroms
zu trennen und herauszufiltern.
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5 zeigt
eine zweite bevorzugte Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Diese Ausführungsform
wird nach den selben Prinzipien wie die erste Ausführungsform
betrieben, stellt jedoch einfach eine alternative Anordnung dar,
die eher für
Situationen geeignet ist, bei denen hohe Mengen von behandelter
Flüssigkeit
für industrielle
Anlagen erforderlich sind. Wie gezeigt, umfasst die Elektrokoagulationsvorrichtung 70 der
vorliegenden Ausführungsform
einen Rohtank oder Tank 72 für unbehandelte Flüssigkeit,
dem eine Flüssigkeit
durch den Einlass 73 zugeführt wird. Ein Reaktionstank 74 und
ein Tank 76 für
behandelte Flüssigkeit
sind nebeneinander mit dem Tank 72 für unbehandelte Flüssigkeit
angeordnet. Durch eine Pumpe 80 wird die unbehandelte Flüssigkeit über Pumpleitungen 82 in
den Reaktionstank 74 gepumpt. Wie gezeigt, sind eine Schaumstoffabdeckung 84 und
eine obere Sicherheitsabdeckung 86 auf den Reaktionstank 74 aufgesetzt.
Ein Sicherheitsschalter 88 ist in der oberen Lippe 89 des
Reaktionstanks 74 angeordnet, um einem Benutzer zu signalisieren,
dass die obere Abdeckung abgenommen ist. Der Sicherheitsschalter 88 kann
ein industrieller Kontakt- oder Begrenzungsschalter sein, der mit
der Steuereinheit 94 verdrahtet ist. Wie gezeigt, ist die
Steuereinheit 94 am Reaktionstank 74 angebracht,
um den Zugriff zu erleichtern. Reaktionsplatten 90 sind
im Reaktionstank 74 angeordnet und verlaufen wie bei der
ersten Ausführungsform
vertikal durch den Reaktionstank und sind voneinander beabstandet
angeordnet. Bei dieser Ausführungsform
gibt es im Vergleich zur ersten Ausführungsform eine größere Anzahl
von Platten. Folglich ist bei dieser Ausführungsform eine höhere Eingangsnetzspannung,
wie z. B. 440 Volt, erforderlich, die bei den meisten industriellen
Anlagen bereits zur Verfügung
steht. Die erste Ausführungsform
wird üblicherweise
mit einer Eingangsnetzspannung von 110 Volt betrieben, die in Wohngebieten
am häufigsten
vorkommt. Abstandshalter, wie sie bei der ersten Ausführungsform
(Abstandshalter 47/48) verwendet werden, können auch
bei dieser Ausführungsform
zur Befestigung der Platten vorgesehen sein. Mehrere Reaktionsplattenreiter
oder -verlängerungen 92 erstrecken
sich oberhalb der Schaumstoftabdeckung 84. Elektrische
Leitung 96 führen
von der Steuereinheit 94 weg und sind an den Reaktionsplattenreitern
oder -verlängerungen 92 angeschlossen.
Wie bei der ersten Ausführungsform können ausgewählte Reaktionsplatten
der Reaktionsplatten 90 mit den Reaktionsplattenverlängerungen 92 versehen
sein, um den Sollstrom und die Sollspannung im elektrischen Feld
des Reaktionstanks zu erzeugen. Durch einen „wier"-Abfluss oder eine Überlaufrinne 98 kann
der Flüssigkeitsstrom
aus dem Reaktionstank 74 austreten. Die Schaumstoftabdeckung
ermöglicht,
dass sich die Reaktionsplattenverlängerungen 92 durch
sie hindurch erstrecken, jedoch der Schaum und der Flüssigkeitsstrom
aus der Kammer über
die Überlaufrinne 98 geleitet
werden. Die obere Abdeckung 86 deckt zum Zwecke der Sicherheit
alle elektrischen Verbindungen ab. Die elektrischen Leitungen 96 können mit
einem bereits bekannten Mittel, wie z. B. mit Quetschklemmen oder Anschlussklemmen,
die bei industriellen Batterien verwendet werden, an die jeweiligen
Reaktionsplattenverlängerungen
angeschlossen werden. Der offene Bereich zwischen der Schaumstoftabdeckung 84 und
der Überlaufrinne 98 ermöglicht es,
den Schaum abzusaugen oder falls gewünscht, auf eine andere Weise
zu entfernen. Die behandelte Flüssigkeit,
die sich im Tank 76 für
behandelte Flüssigkeit
befindet, kann gespeichert oder, falls erforderlich, entfernt werden.
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Bei einer dritten Ausführungsform,
die nicht in den Schutzbereich der Erfindung fällt, ist eine tragbare Elektrokoagulationsvorrichtung 100 vorgesehen,
wie in 6 gezeigt. Diese
tragbare Vorrichtung 100 kann eingesetzt werden, wenn kein
Trinkwasser zur Verfügung
steht und eine geringe Wassermenge zum Trinken, Kochen oder anderen ähnlichen
Verwendungszwecken benötigt
wird. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen dadurch, dass
kein Flüssigkeitsstrom
durch die Vorrichtung existiert, jedoch stattdessen das Behandeln
einer ruhenden und vorgegebenen Flüssigkeitsmenge durchgeführt wird.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Reaktionskammer 102,
in der mehrere Reaktionsplatten 104 angeordnet sind, die
vertikal durch die Reaktionskammer verlaufen und voneinander beabstandet
sind. Ausgewählte
Reaktionsplatten 104 können
Reiter 106 aufweisen. Abstandsthalter/Teilvorrichtungen 107 sind
vorgesehen, um die Reaktionsplatten zueinander beabstandet zu halten.
Anschlüsse 108 sind
an den Reitern 106 angebracht, um eine einfache elektrische
Verbindung zu schaffen. Ein Zusatzgehäuse 110 ist an der
Reaktionskammer angebracht. Das Zusatzgehäuse 110 kann eine
Spannungsquelle, wie z. B. eine Batterie 112, umfassen.
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Elektrische Leitungen 113 verbinden
die Batterie 112 mit den Anschlüssen 108 der Reiter 106.
Das Zusatzgehäuse 110 kann
darüber
hinaus verwendet werden, um zusätzliche
elektrische Kabel oder Leitungen 114, die zum Anschließen einer
Spannungs- oder Energiequelle an die Vorrichtung 100 dienen,
wie z. B. die einer Fahrzeugbatterie, unterzubringen. Eine obere
Abdeckung 116 mit einem Abdichtungsmittel 118 um
deren Unterkante wird zur Abdeckung der Vorrichtung 100 verwendet.
Nachdem die Flüssigkeit
behandelt wurde, kann die Flüssigkeit über eine
Düse 120 entnommen
werden. Ein Filter 122 ist zum Herausfiltern von Festkörpern oder
Verunreinigungen vorgesehen. Wie gezeigt, ist der Filter 122 in
einfacher Weise an die Innenseite der oberen Abdeckung 116 angebracht.
Die obere Abdeckung 116 kann aus einem elastischen Material
bestehen und das Abdichtmittel 118 kann in Form einer Dichtung
des Tupperwarentyps® vorgesehen sein, um ein Auslaufen
von Flüssigkeit
zu verhindern.
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Im Betrieb der tragbaren Elektrokoagulationsvorrichtung 100 ist
die obere Abdeckung abgenommen, wird die Flüssigkeit einfach der Reaktionskammer 102 zugeführt und
die Spannung durch eine Batterie 112 oder eine andere über Kabel 114 angeschlossene
Spannungsquelle an die Reaktionsplatten 104 angelegt. Der elektrolytische
Prozess kann abhängig
von der Art der behandelten Flüssigkeit über eine
bestimmte Zeitdauer erfolgen, um die ausgewählten Verunreinigungen zu entfernen.
Die behandelte Flüssigkeit
ist dann durch das Öffnen
der Düse 120 verfügbar. Es
wird davon ausgegangen, dass bei dieser speziellen Ausführungsform
eine Behandlung von wenigstens 255/5 g Wasser pro Füllung möglich ist.
Diese Ausführungsform
umfasst vorzugsweise sechs abnehmbare Reaktionsplatten oder -blätter. Das
Filter 122 kann ein Filter mit 16 bis 24 Mikron sein, das
darüber
hinaus zum Reinigen abgenommen werden kann. Diese tragbare Elektrokoagulationseinheit behandelt
in wirksamer Weise Wasser eines im Freien befindlichen Wasserlaufs,
um pathogenfreies Wasser zu erzeugen. In einem Laborversuch wurde
die Gesamtzahl der coliformen E. coli und Enterokokken auf eine erträgliche Zahl
reduziert (weniger als 10 most probable number (mpn)), wobei derartige
Krankheitserreger üblicherweise
in einer Anzahl von 12000 bzw. 120 bzw. 83 mpn nachgewiesen wurden.
Zusätzlich
zu den zuvor beschriebenen Krankheitserregern ist es nach dem Stand
der Technik bekannt, dass die Elektrokoagulation und Filtration
auch bei der Entfernung von Metallionen, Schwebestoffen, Pestiziden,
Herbiziden und Kolloidpartikeln wirksam einsetzbar ist.
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Wie in 7 gezeigt,
können,
wenn das Entfernen und Austauschen der Blätter/Reaktionsplatten in einer
der Ausführungsformen
erforderlich ist, entweder einzelne Blätter oder der gesamte Satz
der bei der Vorrichtung verwendeten Blätter entfernt werden. Wird
der gesamte Satz von Blättern
entfernt, können
mehrere nicht leitende Stangen 126 verwendet werden, um
die Reaktionsplatten miteinander zu verbinden. Die nicht leitenden
Stangen 126 sind so dimensioniert, dass sie in die speziell
verwendete Reaktionskammer passen. Diese Stangen dienen nicht nur
zur Stabilisierung der Platten in der Reaktionskammer sondern auch
dazu, die Reaktionsplatten im Sollabstand G von einander beabstandet
zu halten. Zum Zwecke der Darstellung ist der Abstand G zwischen
den jeweiligen Reaktionsplatten 26 vergrößert, um
besser darstellen zu können,
wie die Reaktionsplatten mittels Stangen 126 miteinander
befestigt werden können.
Durch die Verwendung von nicht leitenden Stangen 126 ist
die Verwendung von Abstandshaltern 47/48 nicht
erforderlich. Wie darüber
hinaus in 7 gezeigt
ist, können
die Reaktionsplatten so ausgerichtet sein, dass die Plattenreiter 27 so
angeordnet sind, um ein einfaches Anschließen der elektrischen Leitungen
zu ermöglichen.
Dadurch, dass die Reiter versetzt zueinander angeordnet sind, kann
ein Kreuzen oder ein Verheddern der Leitungen vermieden werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 9 gezeigt. Bei
dieser Ausführungsform
kann die Elektrokoagulationsvorrichtung 130 durch ein Reaktionskammergehäuse 132,
welches völlig
von der Umgebung isoliert ist, in einem druckbeaufschlagten oder
druckentlasteten Zustand gehalten werden. Das Rekationskammergehäuse 132 kann
ein Druckbehälter
des bekannten Typs sein, der sowohl Druck als auch Vakuum standhalten
kann. Diese spezielle Ausführungsform
ist für
die Verwendung in denjenigen Situationen zweckmäßig, in denen sich der Flüssigkeitsstrom
in einem mit Druck beaufschlagten Zustand befindet, wie z. B. bei
der kommunalen Wasserversorgung. Durch die Verwendung des Reaktionskammergehäuses 132 sind
folglich eine Pumpe oder irgendwelche andere Mittel, um den Flüssigkeitsstrom durch
die Vorrichtung 130 zu zwängen, nicht erforderlich. Die
Arbeitsweise dieser speziellen Ausführungsform ist mit der der
ersten und zweiten Ausführungsform
identisch, bei der ein Flüssigkeitsstrom
durch die Vorrichtung geleitet wird. Mehrere Reaktionsplatten 134 verlaufen
senkrecht durch die Reaktionskammer und sind voneinander beabstandet
angeordnet. Eine bestimmte Anzahl von Reaktionsplattenreitern oder – verlängerungen 136 erstrecken
sich über
den Reaktionsplatten 134 ohne Reiter in Richtung nach oben.
Ein Einlass 138 steht mit dem unteren Teil des Reaktionskammergehäuses 132 in
Verbindung. Eine Schaumstoffhaube oder – kammer 140 ist dichtfest
auf das Reaktionskammergehäuse 132 aufgesetzt.
Ein Schaumabsaugrohr 142 steht mit dem oberen Ende der
Schaumstofthaube 140 in Verbindung. Ein Flüssigkeitsstrom-Auslass 144 ist
oberhalb der Reaktionskammer 132 und unterhalb des Schaumabsaugrohres 142 an
der Schaumstoffhaube 140 angebracht. Beim Verlassen der
Reaktionskammer durch den Auslass 144 kann der Flüssigkeitsstrom
dann durch ein Venturi-Rohr 146 geleitet werden, um ein
bestimmtes Gas, wie z. B. Sauerstoff, dem Flüssigkeitsstrom zuzuführen. Durch
eine Venturi-Zuführleitung 148 kann
das gewünschte
Gas in das Venturi-Rohr 146 eintreten. Folglich enthält das Rohr 149 stromabwärts des
Venturi-Rohres 146 eine Mischung aus dem behandelten Flüssigkeitsstrom
und dem über
die Zuführleitung 148 zugeführten Gas.
Durch das Zuführen
von Sauerstoff oder anderen Gasen kann die Behandlung des Flüssigkeitsstroms
unterstützt
werden. Zusätzlich
zu einem bestimmten Gas können
Chemikalien oder andere Wirkstoffe dem Flüssigkeitsstrom an dieser Stelle
zur weiteren Behandlung der Flüssigkeit
zugeführt
werden. Eine Steuereinheit 150 führt den Reaktionsplatten über elektrische
Leitungen 152 eine gleichgerichtete Netzspannung zu. Die
elektrischen Leitungen 152 sind an abgedichtete Anschlussklemmen 154,
die jeweils mit den entsprechenden Reaktionsplattenreitern 136 elektrisch gekoppelt
sind, angeschlossen. Obwohl nur ein Paar Reaktionsplattenreiter 136 gezeigt
ist, kann selbstverständlich
der Strom und die Spannung in der Reaktionskammer wie bei den vorhergehenden
Ausführungsformen
durch das Vorsehen von zusätzlichen
abgedichteten Anschlussklemmen 154 zusammen mit entsprechenden
ausgewählten
Reaktionsplattenreitern 136 verändert werden.
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Diese abgedichteten Anschlussteile 154 stellen
mit den Leitungen 152 außerhalb des Reaktionskammergehäuses 132 einen
Kontakt her. Der Elektrokoagulationsvorrichtung in 9 kann sich stromabwärts eine Entwicklungskammer
und eine Dreiphasen-Zentrifugalschleuder (nicht gezeigt) oder ein
Rückstaufilter (nicht
gezeigt) anschließen.
Diese Art der Behandlung ist ideal für den Hausgebrauch, für Heizröhre oder
anderen Anwendungen, bei denen eine Flüssigkeitsbehandlung in einem
unter Druck stehenden Systems erforderlich ist. Verunreinigungen
können
aus dem Flüssigkeitsstrom
entfernt werden und die gereinigte Flüssigkeit kann bei Gebrauch
ohne Unterbrechung fließen.
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Eine (nicht gezeigte) Vakuumquelle
kann an das Schaumrohr 142 angeschlossen werden, um das
Entfernen von Schaum, der sich in der Schaumstoffhaube 140 bildet,
zu unterstützen.
Der durch den elektrolytischen Prozess entstehende Schaum fällt zusammen,
so dass sich sein Volumen während
des Abführens durch
das Rohr 142 reduziert. Durch die Verwendung eines solchen
Vakuums kann darüber
hinaus das Entfernen von Verunreinigungen aus der Flüssigkeit
vor, während
oder nach der Elektrokoagulation unterstützt werden oder eine größere Sättigung
von nutzbaren Gasen in der Flüssigkeit
erreicht werden. Z. B. kann der Flüssigkeitsstrom in der Reaktionskammer
mit einem bestimmten Gas, wie z. B. Sauerstoff oder Kohlendioxid, versetzt
werden, das über
einen weiteren Einlass, der in der Reaktionskammer gebildet ist
(nicht gezeigt), zugeführt
wird, wobei das Gas alternativ auch direkt durch den existierenden
Einlass zugeführt
werden. Die Verwendung des Vakuums zur Erzeugung einer Niedrigdruckumgebung
fördert
die Sättigung
derartiger Gase im Flüssigkeitsstrom
beim Durchlaufen der Elektrokoagulationskammer. Die Schaumstoffhaube 140 kann
auch als ein Destillationsturm dienen, durch den verschiedene Komponenten
aus dem Flüssigkeitsstrom
abgeschieden werden können.
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Bei jeder der Ausführungsformen
ist die Form der Blätter
unkritisch. Obwohl bei den bevorzugten Ausführungsformen die Blätter eine
rechtswinklige Form haben, können
sie selbstverständlich
der speziellen Form und Größe der verwendeten
Reaktionskammer angepasst werden. Die unteren Enden oder Abschnitte
der Blätter
können
sich bezüglich
der oberen Enden oder oberen Abschnitte verjüngen. Durch eine Verjüngung der Blätter in
dieser Weise können
die Blätter
einfacher aus einer Reaktionskammer entfernt und ausgetauscht werden.
Wenngleich die Blätter
der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen flach ausgebildet sind,
müssen die
Blätter
bei der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
nicht zwangsläufig
eine spezielle Form aufweisen. Die Hauptproblematik in Bezug auf
die Form der Blätter
besteht darin, dass die Blätter
dem Flüssigkeitsstrom
ermöglichen,
im Wesentlichen in einer nach oben gerichteten Flussrichtung durch
die Reaktionskammer zu fließen,
so dass die bei den elektrolytischen Reaktionen entstehenden Gase
aus dem Flüssigkeitsstrom
entfernt werden können.
Folglich ist es nicht beabsichtigt, eine Horizontal- oder Querströmung durch
die Reaktionskammer durch das Vorsehen von Löchern oder Öffnungen in der Platte zu ermöglichen, wie
es bei vielen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik der Fall
ist. Man beachte jedoch, dass Öffnungen oder
Löcher
ein Merkmal der Blätter
der vorliegenden Erfindung sein können, welches keine Horizontal-
oder Querströmung
erzeugt. Die Platten können
z. B. aus einem gitterähnlichen
Material hergestellt sein, wobei eine Vielzahl von Öffnungen
oder Löchern
in Längsrichtung
des Blattes vorgesehen sind. Trotzdem dienen die Löcher und Öffnungen
nicht dazu, eine Horizontalströmung
herbeizuführen,
sondern vielmehr dazu, der für
die Blätter
verwendeten Materialart Elastizität zu verleihen. Es ist darüber hinaus
innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung beabsichtigt,
dass ein Haufen oder ein Stapel eines metallischen Materials in
der Kammer angeordnet werden kann und dadurch die beabsichtigten
elektrolytischen Reaktionen, ohne eine unerwünschte Horizontalströmung herbeizuführen, stattfinden
können.
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Bei den bevorzugten Ausführungsformen
kann der Abstand zwischen den Blättern
3,175 mm gering sein. Je näher
die Blätter
beieinander liegen, desto größer ist
der zur Verfügung
stehende Oberflächenbereich, an
dem in einem bestimmten Volumen eine Elektrokoagulation erfolgen
kann. Je näher
jedoch die Blätter
beieinander liegen, desto schwieriger wird es, die Flüssigkeit
durch die Abstände
zwischen den Blättern
zu drängen
und desto wahrscheinlicher ist es, dass eine Verstopfung zwischen
den Blättern
durch die Brückenbildung von Festkörperpartikeln
oder Schmutz eintritt. Darüber
hinaus ist auch die Dicke Gegenstand praktischer Überlegungen,
da, je dünner
die Blätter
sind, desto größer der
zur Elektrokoagulationsbehandlung in einem bestimmten Volumen zur
Verfügung
stehende Oberflächenbereich
ist. Wenn die Blätter
zu dünn
sind, sind sie aufgrund ihrer höheren
Elastizität
schwieriger zu installieren. Außerdem
können,
wenn der zu behandelnden Flüssigkeit
Metallionen von den Blättern
zugeführt
werden müssen,
dickere Blätter über eine
längere
Zeitdauer Metallionen, ohne sich aufzulösen, abgeben. Wenn sich die
Blätter
auflösen,
sehen sie ähnlich
einer Fensterscheibe mit unregelmäßigen Löchern aus. Der Elektrokoagulationsprozess
wird fortgesetzt, solange eine Oberfläche für eine zu erfolgende Reaktion
vorhanden ist. Bei jeder der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
ist eine Dicke des Blattes von 3.175 mm ausreichend. Die Blätter können aus
Aluminium, Eisen, rostfreiem Stahl, Karbon oder einem anderen leitenden
Material hergestellt sein. Die Auswahl des Materials für die Blätter ist
abhängig
von der Flüssigkeit,
die einer Elektrokoagulation zugeführt werden soll, den Verunreinigungen,
die aus dem Flüssigkeitsstrom
entfernt werden sollen, dem Material, das im Flüssigkeitsstrom zurückbleiben
soll, und dem Material, welches als Schlamm abgeschieden werden
soll.
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Anstelle der isolierten Abstandshalter 47/48 und 107 können nicht-leitende
Materialstreifen oder Dichtungen zwischen den Blättern angeordnet werden. Diese
alternativen Abstandshaltertypen können mittels nicht-leitenden
Bolzen oder anderen leitenden Befestigungsteilen in Position gehalten
werden. Die Abstände oder
Räume,
die sich zwischen den Blättern
bilden, müssen
nicht notwendigerweise genau parallel zueinander oder gleichmäßig sein.
Der Elektrokoagulationsprozess ist flexibel und kann stattfinden,
solange ein Oberflächenbereich
als Kontaktbereich mit dem Flüssigkeitsstrom
vorhanden ist. Aus praktischen Gründen wird jedoch beabsichtigt,
Verstopfungsstellen oder vergleichsweise enge Abstände zu vermeiden,
so dass eine unerwünschte
Brückenbildung
von Festkörperteilen
verhindert werden kann.
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Bei der ersten, zweiten und vierten
Ausführungsform
verlaufen die elektrisch angeschlossenen Blätter durch die Flüssigkeitssäule und
am Schaumablass vorbei nach oben und erstrecken sich durch die Schaumstoffabdeckung
und die obere Abdeckung, um zu verhindern, dass Schaum oder Flüssigkeit
bis zu den Plattenreitern gelangt. Bei der dritten Ausführungsform
ist die obere Abdeckung während
der Behandlung abgenommen, wobei sich jedoch die Plattenreiter weiterhin
oberhalb der Flüssigkeitssäule befinden,
um sie trocken zu halten. Die Reiter müssen trocken gehalten werden,
um eine Korrosion zu verhindern.
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Bei jeder der Ausführungsformen
ist es durch die Elektrokoagulationsvorrichtung der vorliegenden
Erfindung auch möglich,
einen Teil des Flüssigkeitsstroms
am elektrischen Feld zwischen den Blättern vorbeizuleiten, ohne
dadurch die Fähigkeit
der Vorrichtung zur wirksamen Behandlung des Flüssigkeitsstroms zu beeinträchtigen.
Die Flüssigkeit,
die nicht durch das elektrische Feld geleitet wird, transportiert
dennoch Elektronen, da sie mit der Flüssigkeit, die durch das elektrische
Feld geleitet wurde, in Verbindung steht. Z. B. könnte, da
die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung keine präzise geschnittenen
Blätter
benötigt
und die Blätter
von den Abstandshaltern 47 und 48 abgenommen werden
können,
ein kleiner Anteil des Flüssigkeitsstroms
um das elektrische Feld geleitet werden, in dem er durch schmale
Abstände
zwischen den Blätterenden 49 und den
Abstandshaltern geleitet wird. Folglich wird dennoch eine wirksame
Behandlung des Gesamtvolumens des Flüssigkeitsstroms erreicht, da
eine natürliche
Vermischung durch die Reaktionskammer hindurch stattfindet. Abhängig von
der Art der zu entfernenden Verunreinigungen muss bei einigen Behandlungsvorrichtungen lediglich
ein geringer Teil der gesamten Flüssigkeit dem elektrischen Feld
ausgesetzt werden, wobei anschließend die behandelten und unbehandelten
Flüssigkeiten
vermischt werden, um eine ausreichende Behandlung des gesamten Flüssigkeitsvolumens
zu bewirken. Folglich kann, wie in 4 gezeigt,
die Entwicklungskammer, die stromabwärts der Reaktionskammer angeordnet
ist, zum weiteren Vermischen von behandelten und nicht behandelten
Teilen des Flüssigkeitsstroms,
die während
des Strömens
durch die Reaktionskammer nicht vermischt wurden, verwendet werden.
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Wie zuvor flüchtig beschrieben, sind die
Elektrokoagulationskammern, die bei den verschiedenen bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, in der Lage, die gleichgerichtete Eingangsnetzspannung
oder die Starkstromspannung zu transformieren, um die Elektrokoagulationsbehandlung
zu optimieren. Üblicherweise
werden bei Koagulationsvorrichtungen nach dem Stand der Technik
separate Transformatoren verwendet, um die Eingangsnetzspannung
aufzunehmen, gleichzurichten und die Leiterspannung auf eine Spannung
oder Gruppe von Spannungen zu transformieren, mit denen die Reaktionskammer
wirksam betrieben werden kann. Bei der vorliegenden Erfindung wird
die Energie direkt über
die Eingangsnetzspannung oder das Starkstromnetz zugeführt, durch
eine gemeinsame Diode oder einen Gleichrichter in der Steurereinheit
gleichgerichtet und anschließend
direkt an die Elektrokoagulationskammer übertragen. Transformatoren
des Typs, der zum Transformieren der Eingangsnetzspannung auf eine
verwendbare Spannung in einer Reaktionskammer benötigt wird,
sind sehr teuer und bilden daher einen Hauptanteil der Gesamtkosten
zur Herstellung einer Elektrokoagulationsvorrichtung. Darüber hinaus
sind derartige Transformatoren extrem schwer, so dass der Transport
und die Installation problematisch sind. Wird ein herkömmlicher
Transformator verwendet, um die Eingangsnetzspannung auf einen für die Verwendung
in einer Elektrokoagulationsvorrichtung akzeptierbaren Pegel zu
verringern, muss der zur Behandlung des Flüssigkeitsstroms erforderliche
Strom bei niedriger Spannung vom Transformator zur Kammer übertragen
werden. Da elektrische Drähte bezüglich der
Stromstärke
im speziellen und der Spannung im allgemeinen klassifiziert oder
dimensioniert sind, sind bei einem Draht, der eine niedrige Spannung
und einen hohen Strom sicher leiten kann, die Dimension und die
Kosten wesentlich größer als
bei Drähten,
die zum Leiten von hohen Spannungen und geringen Strömen verwendet
werden. Daher verteilen Energiekonzerne die Elektrizität über ein
Energienetz von einem Erzeugungspunkt aus mit hohen Spannungen und
geringen Stromstärken
und transformieren anschließend die
Energie in der Nähe
des Verwendungsortes (d. h. in der Nähe der Wohnung oder der Fabrik)
auf geringe Spannungen und hohe Stromstärken. Folglich können durch
das Übertragen
der Elektrizität
mit hoher Spannung und niedriger Stromstärke Vorteile hinsichtlich der
Größe und Kosten
erreicht werden.
-
Das Potential zwischen der Eingangsenergie
oder Netzspannung und den Blättern
in der Reaktionskammer kann bei jeder der Ausführungsformen im Allgemeinen
wie folgt transformiert werden:
- 1. Durch eine
der Kammer über
Starkstromleitungen zum ersten und letzten Blatt (Nr. 1 und 219,
wie im folgenden beschrieben) zugeführte Spannung wird die Eingangsnetzspannung
wie folgt transformiert: Die Spannung in der Kammer ist die Eingangsnetzspannung
geteilt durch die Anzahl der Abstände zwischen den Blättern. Die
Stromstärke
in der Kammer entspricht dem Strom, der durch die Eingangsnetzspannung bewirkt
wird.
- 2. Durch eine der Kammer über
Starkstromleitungen zu jedem Blatt, abwechselnd zwischen positiven
und negativen Leitungen (Tabelle 2 darunter) zugeführte Spannung
wird die Eingangsnetzspannung wie folgt transformiert: Die Spannung
in der Kammer entspricht der Eingangsnetzspannung und der Strom
entspricht dem gesamten Strom, der durch die Eingangsnetzspannung
bewirkt wird, geteilt durch die Anzahl der Abstände zwischen den Blättern.
- 3. Die Höhe
des durch die Eingangsnetzspannung bewirkten Stroms kann durch das
Verändern
des Oberflächenbereichs
der elektrisch angeschlossenen Blätter gesteuert werden. Es besteht
ein linearer Zusammenhang zwischen dem Obertlächenbereich und dem gezogenen
Strom; z. B. ist der Strom doppelt so groß, wenn der Oberflächenbereich
der elektrisch angeschlossenen Blätter, der mit der Flüssigkeit
in Kontakt steht, verdoppelt wird.
- 4. Der Strom und die Spannung, die in der Kammer erzeugt werden,
können
durch das Anschließen
der Eingangsnetzspannung an die Blätter in einer Kombination,
wie zuvor im Bezug auf Nummer 1, 2 und 3 beschrieben, gesteuert
werden. Wie in Tabelle 1 gezeigt, können dadurch der Strom und
die Spannung zwischen den Blättern
in einem weiten Bereich gesteuert werden.
-
Einige praktische Beispiele werden
im folgenden in Bezug auf die Art und Weise beschrieben, wie die Elektrokoagulationsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung die Eingangsnetzspannung auf die erforderliche Stromstärke und
Spannungsstärke
im elektrischen Feld transformiert werden kann. In Bezug auf die 10 und 11 und der folgenden Tabelle 1 umfasst
eine Reaktionskammer 160 mehrere Reaktionsplatten oder
-blätter.
Eine Steuereinheit 162 führt die gleichgerichtete Eingangsnetzspannung über eine
positive Leitung 164 und eine negative Leitung 166 zu.
In der Kammer sind insgesamt 219 Blätter vorgesehen, die aus einem
Aluminiumstreifen von 3,175 mm hergestellt sind und um 3,175 mm
voneinander beabstandet sind. Die Blätter können bei diesem Beispiel in
etwa 152.4 mm breit und 1219.2 mm lang sein. Unter der Annahme,
dass die Eingangsnetzspannung eine übliche Dreiphasenwechselspannung
von 440 Volt ist, wird die Netzwechselspannung von 440 Volt durch
eine Diode oder einen Gleichrichter in der Steuereinheit 162 auf
560 Volt Gleichspannung gleichgerichtet (entsprechend Standardformeln
zum Gleichrichten, bei denen die gleichgerichtete Gleichspannung
gleich der Wechselspannung multipliziert mit der Wurzel aus 2 und
minus 10% Gleichrichterverlust). Die Leitungen 164 und 166 sind
oberhalb des Flüssigkeitspegels
derart angeschlossen, dass sich die Verbindungen an einer trockenen
Stelle befinden. Unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes, bei dem
die Spannung gleich dem Strom multipliziert mit dem Widerstand ist,
und unter der Annahme, dass der Widerstand gleich dem Abstand zwischen
den Blättern
mit Spannungsanschlüssen
ist, kann die folgende Tabelle generiert werden:
-
TABELLE
1
TRANSFORMIEREN DURCH DAS ANBRINGEN VON LEITUNGEN AN AUSGEWÄHLTE BLÄTTER
-
-
10 zeigt
die elektrischen Verbindungen zwischen der Steuereinheit und der
Reaktionskammer gemäß Beispiel
3 in Tabelle 1. Wie gezeigt, ist eine positive Leitung 164 an
den Blättern 168 und 172 angebracht, die
jeweils den Blattnummern 1 bzw. 145 entsprechen. Die negative
Leitung 166 ist an den Blättern 170 und 174 angebracht,
die den Blattnummern 73 und 219 entsprechen. Bei dieser Verbindungskonfiguration
beträgt die
Stromstärke
zwischen den Blättern
30 Ampere. Die Spannung zwischen den Blättern beträgt jeweils 7,7 Volt (gleichgerichtete
Gleichspannung von 560 Volt geteilt durch die Anzahl der Abstände zwischen
den Blätterpaaren,
denen Energie zugeführt
wird, die in diesem Falle 72 ist). D. h., dass den Blattnummern
1, 73, 145 und 219 Energie zugeführt
wird, wodurch die Kammer in wirksamer Weise in drei Hauptbereiche,
die mit dem Bezugszeichen 178, 180 und 182 angegeben
sind, unterteilt wird. Folglich ergibt 219 geteilt durch 3 separate Bereiche
gleich 72 Abstände
zwischen elektrisch angeschlossenen Blätterpaaren, und 560 geteilt
durch 72 gleich 7,7. Wie darüber
hinaus in Tabelle 1 gezeigt ist, zieht die Elektrokoagulationskammer 90 Ampere
von der Eingangsetzspannungsquelle.
-
11 zeigt
die Verbindungen entsprechend dem Beispiel 2 in Tabelle 1, bei dem,
wie gezeigt, die positive Leitung 164 an den Platten 168 und 174 entsprechend
den Plattennummern 1 bzw. 219 angebracht ist. Die negative Leitung 166 ist
am Blatt 176 entsprechend der Blattnummer 110 angebracht.
Folglich beträgt die
Stromstärke
zwischen den Blättern
20 Ampere und die Spannung zwischen den Blättern 5,1 V (560 Volt geteilt
durch 109). D. h., dass die Spannung zwischen den Blättern die
zugeführte
Gleichspannung geteilt durch die Anzahl der Abstände zwischen den elektrisch
angeschlossenen Blattpaaren ist. Wie in 11 gezeigt, wird durch die Anordnung
der elektrischen Leitungen an den Blattnummern 1, 110 und 219 die
Kammer in wirksamer Weise in zwei Hauptbereiche, die als Bereiche 184 und 186 angegeben
sind, aufgeteilt. Darüber hinaus
zieht bei diesem Beispiel die Elektrokoagulationskammer 40 Ampere
von der Eingangsnetzspannungsquelle. Tabelle 1 zeigt acht verschiedene
Typen von Verbindungen, die zum Erreichen von verschiedenen Spannungen
und Stromstärken
in der Reaktionskammer verwendet werden können. Selbstverständlich können andere
Spannungen und Stromstärken
in der Reaktionskammer durch das Entwickeln von anderen Verbindungskonfigurationen
erzeugt werden.
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Die folgende Tabelle 2 zeigt das
Verfahren, mit dem Vorrichtungen nach dem Stand der Technik konfiguriert
werden, um eine Eingangsetzspannungsquelle einer Reaktionskammer
zuzuführen.
Wie gezeigt, muss mit jeder der Platten in der Kammer eine elektrische
Verbindung hergestellt werden. Anschließend wird ein separater Transformator
verwendet, um der Kammer unterschiedliche Eingangsnetzspannungen
zuzuführen.
Wie gezeigt, muss zur Erzeugung von 2,6 Volt zwischen den Platten
von der Kammer ein hoher Strom von der angelegten Netzspannungsquelle
gezogen werden. Aufgrund dieser erhöhten Stromanforderung sind
wesentlich größere Leiter
zur Energieübertragung
an die Blätter
im Vergleich zur Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erforderlich.
Darüber
hinaus ist eine solche Vorrichtung nach dem Stand der Technik komplizierter und
aufgrund der Größe und Anzahl
der erforderlichen elektrischen Verbindungen teuerer in der Herstellung.
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TABELLE
2
STAND DER TECHNIK
TRANSFORMATION DURCH DAS ANBRINGEN
VON LEITUNGEN AN JEDES BLATT
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Es ist weiterhin beabsichtigt, dass
die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in gefährlichen
Bereichen einsetzbar ist. Die elektrischen Verbindungen zwischen
der Steuereinheit und der Reaktionskammer können isoliert sein, um den
Standards für
explosionssichere Vorrichtungen zu entsprechen. Z. B. können die
elektrischen Verbindungen an den Blättern so isoliert sein, dass
sich eine Isolierschicht über
den elektrisch angeschlossenen Blättern bis auf eine Höhe etwas
unterhalb des Flüssigkeitspegels
in der Reaktionskammer erstreckt.
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Bei der Elektrokoagulationsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung wird die der Steuereinheit zugeführte Energie
durch Eingangsnetzspannung eingestellt und der Strombedarf in der
Elektrokoagulationskammer gesteuert. Der Strom in der elektrisch
angeschlossenen Reaktionskammer kann (1) durch das Verändern des
Oberflächenbereichs
der elektrisch angeschlossenen Reaktionsplatten oder – blätter, die
mit dem Flüssigkeitsstrom
in Kontakt stehen; (2) durch das Einstellen des Abstandes zwischen
den elektrisch angeschlossenen Blättern; (3) durch das Hinzufügen von
nicht-leitenden Isolierblättern;
und (4) durch das Einstellen der Leitfähigkeit der Flüssigkeit
durch das Zuführen
von Chemikalien, die entweder die Fähigkeit der Flüssigkeit
zum Transportieren von Elektronen verbessert oder verschlechtert,
gesteuert werden. Die Stromstärke
kann auch durch das Anordnen eines Schalters zwischen der Eingangsnetzspannung
und der Reaktionskammer, der die Energiezufuhr periodisch „EIN" – und „AUS" – schaltet,
gesteuert werden.
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Weiterhin kann, wie unter (1) beschrieben,
der Strombedarf in der Reaktionskammer durch das Einstellen der
Flüssigkeitsberührungslänge der
elektrisch angeschlossenen Blätter
gesteuert werden. In Bezug auf Tabelle 1, Beispiel 1, benötigt ein
152,4 mm breites und ein 1219,2 mm langes Blatt 10 Ampere bei einer bestimmten
Flüssigkeit.
Der erforderliche Strombedarf der Reaktionskammer kann durch das
Verkürzen
des Blattes Nr. 1 oder des Blattes Nr. 219 verringert werden. Der
Strombedarf würde
sich auf 7,5 Ampere verringern, wenn die Länge des Blattes Nr. 1 auf eine
Länge von
1214,2 mm reduziert würde.
Der Stromverbrauch würde
sich auf 5 A verringern, wenn die Länge des Blattes Nr. 1 auf eine
Länge von
609,6 mm verkürzt
wäre. Folglich
besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem Strombedarf und Flüssigkeitskontaktlänge der elektrisch
angeschlossenen Blätter.
Der Strombedarf kann auf dieselbe Weise durch das Anordnen eines nicht-leitenden
Blattes zwischen elektrisch angeschlossenen Blättern gesteuert werden. Es
bestehen keine speziellen Anforderungen in Bezug auf die Anordnung
eines solchen nichtleitenden Blattes; es muss lediglich zwischen
bestimmten elektrisch angeschlossenen Blättern angeordnet werden. Durch
das nicht-leitende Blatt verringert sich die Leitfähigkeit
zwischen den mehreren Blättern
in der Reaktionskammer in demselben Maße wie durch das Entfernen
eines elektrisch angeschlossenen Blattes aus der Flüssigkeit.
Z. B. würde
sich bei dem obigen Beispiel der Strombedarf auf 7,5 Ampere verringern,
wenn ein nicht-leitendes Blatt mit einer Länger von 304,8 mm in der Flüssigkeit
in der Reaktionskammer zwischen den Blättern Nr. 1 und 219 angeordnet wäre. Der
Strombedarf würde
sich auf 5 Ampere verringern, wenn ein nicht-leitendes Blatt mit
einer Länge
von 609,6 mm zwischen dem Blatt Nr. 1 und 219 angeordnet wäre, und
der Strombedarf würde
sich auf 2,5 A verringern, wenn ein nicht-leitendes Blatt mit einer
Länge von
1219,2 mm zwischen den Blättern
Nr. 1 und 219 angeordnet wäre.
Die Längen
der elektrisch angeschlossenen oder nicht-leitenden Blätter kann
in der Flüssigkeit
manuell oder mechanisch eingestellt werden. Z. B. kann die innere
Oberfläche
des Elektrokoagulationskammergehäuses
mit mehreren vertikal einstellbaren Flanschen versehen sein, die
wahlweise in verschiedenen Ebenen in der Reaktionskammer angeordnet
und auf ein bestimmtes elektrisch angeschlossenes Blatt ausgerichtet
werden können.
Das Blatt kann an diesen vertikal einstellbaren Flanschen befestigt
werden, um in wirksamer Weise den Oberflächenbereich des elektrisch
angeschlossenen Blattes, der mit der Flüssigkeit in Kontakt steht,
zu vergrößern oder
zu verkleinern.
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Bei der ersten, zweiten und vierten
Ausführungsform
kann die Strömung
des Flüssigkeitsstroms
durch die Kammer vergrößert oder
verringert werden, um weiterhin die Stromstärke in der Reaktionskammer
zu steuern. Üblicherweise
hat eine höhere
Strömung
der Flüssigkeit
durch die Kammer eine Abnahme der Stromstärke zur Folge, da Metallionen
von den Blättern
schneller entfernt werden können,
so dass die Leitfähigkeit
der Flüssigkeit
abnimmt. Wie oben beschrieben, kann die Steuereinheit mit einem
Amperemeter ausgestattet sein, um die Stromstärke in der Kammer anzuzeigen.
Die Steuereinheit kann dann eine Zunahme oder Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit
des Flüssigkeitsstroms
durch die Vorrichtung durch das Steuern eines Ventils oder einer
Pumpe mit veränderlicher
Geschwindigkeit stromaufwärts
des Einlasses steuern.
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Bei jeder der Ausführungsformen
können
die Blätter
mit der Zeit mit einer/einem nicht-leitenden Schicht oder Belag überzogen
werden. Die Schicht kann von den Blättern durch das Umpolen der
Gleichspannung an den elektrisch angeschlossenen Blättern entfernt
werden. Folglich wird durch die vorliegende Erfindung beabsichtigt,
die Polarität
der Gleichspannung, die den Blättern
durch die Steuereinheit zugeführt
wird, gemäß einer
zeitgesteuerten Sequenz oder aufgrund einer erhöhten Stromstärke, die
eine geringere Leitfähigkeit
infolge des Belags anzeigt, zu schalten.
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Um veränderliche Stromstärken und
Spannungen in Tabelle 1 zu erreichen, müssen lediglich neun Blätter Plattenreiter
aufweisen. Da die Blätter
ohne weiteres abnehmbar sind, können
die Blätter
oder Platten mit Reitern an die gewünschten Stellen in der Reaktionskammer
bewegt werden. Die Schaumstoffabdeckung, die über die oberen Enden der Blätter durch
die in die Abdeckung geschnittenen Schlitze gestülpt wird, vergrößert sich,
so dass das Blatt durchgeführt
werden kann. Wenn ein Blatt entfernt wird, vergrößert sich die Schaumstoffabdeckung,
um eine wasserdichte Isolierung an den Schlitzen zu bilden.
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Bei der ersten, zweiten und vierten
Ausführungsform
werden, obwohl aus Sicherheitsgründen
eine obere Abdeckung empfohlen wird, die Vorrichtungen ohne eine
obere Abdeckung betrieben, solange das Anschließen der elektrischen Leitungen
oberhalb der Flüssigkeitslinie
erfolgt, so dass typische Korrosionsprobleme, die in Verbindung
mit nassen Elektrodenanschlüssen
stehen, beseitigt sind.
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Gemäß dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung kann die Behandlung eines Flüssigkeitsstroms durch das Anlegen
eines elektrischen Feldes an einen Flüssigkeitsstrom erfolgen. Die
Strömung
der Flüssigkeit
erfolgt in einer nach oben gerichteten Richtung, so dass Gase, die
bei den elektrolytischen Reaktionen entstehen, zur Oberfläche der
Flüssigkeitssäule aufsteigen
und in die Atmosphäre
entweichen können.
Die Klumpen von koagulierten Partikeln werden einer zweiten Trennung
zugeführt,
wobei irgendwelche Restpartikel infolge der Schwerkraft in den unteren
Teil oder Sockel der Kammer zur anschließenden Entnahme fallen. Die
Stromstärke
und die Spannung des elektrischen Feldes in der Elektrokoagulationskammer
können
durch das Anschließen
der elektrischen Leitungen an ausgewählte Platten verändert werden.
Vor dem Eintreten in die Kammer kann der Flüssigkeitsstrom gefiltert werden
oder es können
geeignete Chemikalien zugeführt
werden, um die Reaktionen in der Kammer zu fördern. Falls erforderlich kann
eine Pumpe verwendet werden, um die Flüssigkeit in der Reaktionskammer
in Richtung nach oben zu drängen.
Alternativ kann die elektrolytische Reaktion in einer abgedichteten
Hülle,
wie z. B. ein Druckbehälter,
erfolgen, so dass eine Pumpe nicht mehr erforderlich ist, wenn der
Flüssigkeitsstrom
bereits mit Druck beaufschlagt ist. Durch die Verwendung eines Druckbehälters kann
die elektrolytische Reaktion in einem Vakuum erfolgen, wobei eine
Vakuumquelle an die Kammer angeschlossen wird. Nachdem der Flüssigkeitsstrom
dem elektrischen Feld ausgesetzt wurde und die elektrolytischen
Reaktionen stattgefunden haben, kann der Flüssigkeitsstrom in einer Entwicklungskammer
weiterbehandelt werden und einem zweiten Trennungsprozess zugeführt werden.
Die Turbulenz des Flüssigkeitsstroms
kann vor dem Eintreten in die Kammer erhöht werden, um die elektrolytischen
Reaktionen zu fördern.
Falls erforderlich, kann auch eine Rückführungsleitung vorgesehen sein,
um den behandelten Flüssigkeitsstrom
zur weiteren Behandlung zurückzuführen.
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Die Vorteile der Vorrichtung und
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wurden im vorangegangenen
beschrieben. Durch die Elektrokoagulationskammer kann eine Eingangsnetzspannung
oder Eingangsleiterspannung auf eine Spannung und eine Stromstärke, die
zum Optimieren der Elektrokoagulationsbehandlung erforderlich sind,
transformiert werden. Da die Kammer einen einfachen Aufbau hat,
wird der Flüssigkeitsstrom
nicht durch eine verschlungene und gewundene Bahn geleitet, so dass
der Flüssigkeitsdruck
erheblich gesenkt wird. Da der Flüssigkeitsstrom in einer nach
oben gerichteten Bahn durch die Kammer geleitet wird, kann Gas,
das bei den elektrolytischen Reaktionen gebildet wird, Blasen bilden
und zur Oberseite der Flüssigkeitssäule zum
einfachen Entfernen aufsteigen. Darüber hinaus wird durch die Blasenbildung
des Gases in der gleichen Richtung wie der Flüssigkeitsstrom eine Gasansammlung
in der Kammer verhindert werden, wodurch die durch die Blätter herbeigeführten Drucke
weiter verringert werden. Die Blätter
der Vorrichtung können
in einfacher Weise durch die Verwendung von Abstandshaltern entfernt
werden, durch die die Blätter
in Bezug aufeinander in einer vertikalen Richtung und nebeneinander
angeordnet ausgerichtet werden. Falls erforderlich, kann die Kammer
in einer abgedichteten Hülle,
wie z. B. ein gemeinsamer Druckbehälter, angeordnet sein, so dass
eine Pumpe nicht erforderlich ist, wenn der zugeführte Flüssigkeitsstrom
bereits mit Druck beaufschlagt ist. Die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung kann als tragbare Einheit oder Reiseeinheit ausgeführt sein,
so dass sie bei extremen Bedingungen einsetzbar ist. Alternativ
kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in einem erheblich
größeren Maßstab gebildet
sein, so dass sie bei industriellen Anlagen, bei denen größere Mengen
von behandeltem Wasser erforderlich sind, einsetzbar ist. Die Blätter können einzeln abgenommen
werden oder als ein ganzer Satz abgenommen werden, wodurch sich
die Vielseitigkeit der Vorrichtung erhöht. Obwohl die vorliegende
Erfindung detailliert anhand ihrer besonderen Ausführungsformen
beschrieben wurde, können
eine Vielzahl von weiteren Modifizierungen innerhalb des Schutzbereichs
der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
