DE69923683T2

DE69923683T2 - Wasserreinigungssystem und verfahren

Info

Publication number: DE69923683T2
Application number: DE69923683T
Authority: DE
Inventors: Alan Kirkpatrick
Original assignee: CLEAR WATER 42 HOLDING ASA; CLEAR WATER 42 HOLDING ASA TRO
Current assignee: CLEAR WATER 42 HOLDING ASA, TROLLASEN, NO
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: EP1094986A1; AU3044599A; WO2000002816A1; CN1312775A; IL140711A0; DE69923683D1; AU766526B2; CN1226195C; EP1094986B1; ATE288879T1; NO20010060L; PT1094986E; DK1094986T3; AR019909A1; ZA200100199B; AR034745A2; ES2237093T3; NO20010060D0; IL140711A; NZ509183A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Wasserreinigung und auf Wasserreinigungssysteme.
Der Einsatz von Aktivkohle in Wasserreinigungssystemen zur Entfernung von im Wasser enthaltenen organischen Verunreinigungen und Chlor ist üblich. Die Aktivkohle ist typischerweise körnig, sie kann aber auch pulverförmig sein und zu porösen Blöcken oder Zylindern gegossen sein.
Wasserreinigungssysteme, die poröse Keramikfilterelemente enthalten, sind auch bekannt. Die Keramikfilterelemente in diesen Systemen haben typischerweise Poren, die eine Größe über ihre größte Abmessung aufweisen, die im Bereich von 0,7 bis 1,0 Mikron (μm) liegt. Die Größe der Poren ist klein genug, um 99,0 bis 99,9 % der meisten krankheitserregenden Bakterien zu entfernen, sie ist aber nicht klein genug, um einen Schutz gegen durch Wasser übertragene Krankheiten zu garantieren. Obwohl es möglich ist, Keramikfilterelemente mit kleineren Porengrößen, z.B. hinunter bis auf 0,2 Mikron, herzustellen, sind diese Elemente überdies tendenziell zu zerbrechlich, als dass sie in Wasserreinigungssystemen, wo ein Riss im Element verhängnisvoll sein könnte, sicher eingesetzt werden könnten.
Bei der Reinigung von Wasser ist auch die Verwendung von Redoxlegierungen aus Zink und Kupfer bekannt. Diese Materialien weisen die Fähigkeit auf, Wasser verunreinigende, toxische Metallionen und Chlor zu entfernen, indem sie Elektronen an die verunreinigenden Stoffe abgeben oder von diesen erlangen. Die Legierungen leiden jedoch unter dem Nachteil, dass sie in das Wasser Zink und Kupfer freisetzen, die ihrerseits für die Gesundheit des Menschen abträglich sind und von daher nur in kleinen Mengen verwendet werden können.
Andere bekannte Verfahren zur Sterilisierung von Wasser bedingen den Einsatz von Chlor, Jod, Ozon und ultravioletter Strahlung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Wasserreinigungssystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Reinigen von Wasser nach Anspruch 24 bereitgestellt.
Das Wasserreinigungssystem umfasst einen Aktivkohlefilter mit einer partikelförmigen Aktivkohle, die Partikel aus wasserunlöslicher Asche in einer gemäß ASTM 2866 bestimmten Menge von mindestens 1 Gew.-% enthält.
Dieser Filter ist vorzugsweise ein Wasserfilter und nimmt typischerweise die Form einer Filterpatrone an, die eine Kammer umfasst, welche die Aktivkohle als Bett oder Schicht enthält.
Die Aktivkohle hat eine Affinität für positiv geladene Metallionen (Kationen), wie Chrom und Zink, was bestimmte Vorteile haben kann, wenn die Kohle in einem Wasserreinigungssystem zusammen mit einer Redoxlegierung verwendet wird. Diese Vorteile werden im Folgenden erörtert. Vorzugsweise hat die Aktivkohle eine Affinität für Zink.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die teilchenförmige Aktivkohle in Plättchenform vor. Die Plättchen aus Aktivkohle haben vorzugsweise eine mittlere Dicke im Bereich von 0,02 bis 0,2 mm, eine mittlere Partikelgröße über ihre größte Abmessung im Bereich von 0,2 bis 0,6 mm und ein Seitenverhältnis (womit das Verhältnis der größten Abmessung zur Dicke der Plättchen gemeint ist) im Bereich von 20:1 bis 10:3. Noch bevorzugter haben die Aktivkohleplättchen eine mittlere Dicke im Bereich von 0,05 bis 0,1 mm; eine mittlere Partikelgröße über ihre größte Abmessung im Bereich von 0,25 bis 0,55 mm, insbesondere im Bereich von 0,32 bis 0,52 mm; und ein Seitenverhältnis im Bereich von 25:2 bis 4:1, insbesondere im Bereich von 10:1 bis 20:3.
Die in der Aktivkohle enthaltene Asche ist ein vollständig verbrannter Rückstand, der infolge der kleinen Menge an Sauerstoff entsteht, welcher während des Aktivierungsprozesses vorhanden ist.
Der gemäß ASTM 2866 bestimmte Aschegehalt der Aktivkohle liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugter im Bereich von 2 bis 12 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 3 bis 7 Gew.-% und ganz besonders im Bereich von 4 bis 6 Gew.-%, z.B. 5 bis 6 Gew.-%. Die Asche wird vorzugsweise durch im Wesentlichen sphärische Partikel gebildet, wobei diese Partikel typischerweise eine mittlere Größe über ihre größte Abmessung im Bereich von 0,1 bis 1,0 μm, vorzugsweise im Be reich von 0,2 bis 0,5 μm und insbesondere im Bereich von 0,3 bis 0,4 μm haben. Die ASTM 2866 findet man im ASTM-Normenbuch Kohle.
Die Jodzahl der Aktivkohle liegt typischerweise im Bereich von 1000 bis 1400 mg/g, vorzugsweise im Bereich von 1100 bis 1300 mg/g und insbesondere im Bereich von 1250 bis 1300 mg/g.
Die Aktivkohle hat vorzugsweise auch eine gemäß der BET-Stickstoffisothermenmethode bestimmte, spezifische Oberfläche im Bereich von 1000 bis 1400 m²/g, bevorzugter im Bereich von 1100 bis 1300 m²/g und insbesondere im Bereich von 1175 bis 1200 m²/g; ein gemäß ASTM 3838 bestimmtes Porenvolumen im Bereich von 0,5 bis 0,7 ml/g, bevorzugter im Bereich von 0,55 bis 065 ml/g und insbesondere im Bereich von 0,6 bis 0,62 ml/g; eine gemäß ASTM 3802 bestimmte Härte im Bereich von 90 bis 100 %, bevorzugter im Bereich von 95 bis 100 % und insbesondere im Bereich von 98 bis 100 %; einen gemäß der AARL-Methode bestimmten K-Wert der Goldbeladung im Bereich von 15 bis 30 mg Au/g, bevorzugter im Bereich von 20 bis 25 mg Au/g und insbesondere im Bereich von 23 bis 25 mg Au/g; und einen gemäß der AARL-Methode bestimmten R-Wert der Goldkinetik im Bereich von 45 bis 75 %, bevorzugter im Bereich von 50 bis 70 % und insbesondere im Bereich von 55 bis 60 %.
Die Aktivkohle stammt aus Kokosnussschalen, indem die Schalen zur Herstellung von Kohle verbrannt werden und dann die sich ergebende Kokosnussschalenkohle einem Aktivierungsprozess unterzogen wird, in dem sie in einer Umgebung, die bezogen auf das Volumen Sauerstoff in typischerweise bis zu 5000 Teile pro Million (ppm) enthält, überhitzt wird. Obwohl die Umgebung, in der der Aktivierungsprozess vonstatten geht, bezogen auf das Volumen typischerweise weniger als 5000 ppm Sauerstoff enthält, ist dennoch eine kleine Menge an Sauerstoff notwendig, um den erforderlichen Aschegehalt zu erzeugen.
Der Prozess zur Herstellung der Aktivkohle umfasst das Behandeln der aus der Verbrennung der Kokosnussschalen erzeugten Kohle durch einen Aktivierungsprozess, in dem sie in einer Umgebung, die bezogen auf das Volumen Sauerstoff zu weniger als 5000 ppm enthält, für einen Zeitraum im Bereich von 10 bis 50 Minuten auf eine Temperatur im Bereich von 1000 bis 3500 °C aufgeheizt wird.
Der Aktivierungsprozess läuft typischerweise unter Verwendung eines überhitzten Gases ab, vorzugsweise unter Verwendung von überhitztem Dampf, und geht in einer bevorzugten Ausführungsform bei einer Temperatur im Bereich von 2000 bis 3500 °C vonstatten, bevorzugter im Bereich von 2800 bis 3100 °C und insbesondere im Bereich von 2950 bis 3000 °C.
Die Dauer des Aktivierungsprozesses hat sich auch als wichtig herausgestellt; er wird vorzugsweise für einen Zeitraum im Bereich von 15 bis 45 Minuten ausgeführt, bevorzugter im Bereich von 25 bis 35 Minuten und insbesondere im Bereich von 28 bis 32 Minuten. Offensichtlich hängt die Dauer des Aktivierungsprozesses, dem die Kokosnussschalenkohle unterworfen wird, zu einem gewissen Grad von der im Prozess verwendeten Temperatur ab. Der Aktivierungsprozess dauert jedoch typischerweise wesentlich länger als herkömmliche Aktivierungsprozesse, und anders als bei herkömmlichen Aktivierungsprozessen besteht das Ziel darin, eine Aktivkohle mit dem erforderlichen Aschegehalt zu erzeugen. Bei herkömmlichen Aktivierungsprozessen ist das Ziel, die Aschebildung insgesamt zu vermeiden.
Die Umgebung, in der der Aktivierungsprozess vonstatten geht, enthält bezogen auf das Volumen Sauerstoff zu 1 bis 2000, vorzugsweise 1 bis 500 und insbesondere 5 bis 50 ppm.
Der Aktivierungsprozess kann in jedem geeigneten Aktivierungsofen oder -brennofen der Bauart ablaufen, die gewöhnlicherweise zur Herstellung der bekannten, körnigen Form der Aktivkohle verwendet wird.
Die Umwandlung der Aktivkohle der Erfindung in eine Plättchenform lässt sich durch den bekannten industriellen Prozess der Chelatbildung bewerkstelligen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Wasserreinigungssystem darüber hinaus ein poröses Keramikfilterelement auf, das eine Mehrzahl von Poren aufweist, wobei ein Anteil der Poren teilweise mit Partikeln, die eine Größe über ihre größte Abmessung aufweisen, die kleiner als die Größe der Poren über ihre größte Abmessung ist, ver schlossen ist, um Poren zu ergeben, die eine effektive Größe über ihre größte Abmessung aufweisen, die kleiner als die wahre Größe über ihre größte Abmessung ist.
Es hat sich herausgestellt, dass das poröse Keramikfilterelement, zusammen mit einem annehmbaren Wasserdurchsatz unter normalen Wasserdruckbedingungen, sehr gut mit Bakterien fertig werden kann.
Das poröse Keramikelement umfasst typischerweise Poren mit einer mittleren Größe über ihre größte Abmessung im Bereich von 0,2 bis 1,2 μm, vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,9 μm, bevorzugter im Bereich von 0,3 bis 0,8 μm und insbesondere im Bereich von 0,5 bis 0,7 μm.
Das poröse Keramikelement hat vorzugsweise auch eine Gesamtporosität im Bereich von 30 bis 80 %, vorzugsweise im Bereich von 45 bis 75 %, bevorzugter im Bereich von 50 bis 70 % und insbesondere im Bereich von 58 bis 62 %.
Ein Teil der Poren im Keramikelement ist typischerweise mit Partikeln verschlossen. Typischerweise haben diese Partikel eine mittlere Größe über ihre größte Abmessung im Bereich von 0,1 bis 1,0 μm, vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,5 μm und insbesondere im Bereich von 0,3 bis 0,4 μm, um Poren zu ergeben, die eine effektive mittlere Größe über ihre größte Abmessung im Bereich von 0,09 bis 0,7 μm, vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,5 μm, bevorzugter im Bereich von 0,2 bis 0,4 μm und insbesondere im Bereich von 0,2 bis 0,35 μm haben. Auf diese Weise ist das Filtervermögen des Keramikelements erhöht, weil die teilweise verschlossenen Poren für das Entfernen von im Wasser enthaltenen Fremdstoffen bis hinunter zur effektiven Porengröße sorgen können. Vorzugsweise haben die verschließenden Partikel eine im Wesentlichen sphärische Form.
Die Poren im Keramikelement haben vorzugsweise einen allgemein augenförmigen Querschnitt und die verschließenden Partikel sind vorzugsweise im Wesentlichen sphärisch und so groß, dass sie in den Ecken der augenförmigen Poren im Keramikelement sitzen.
Das poröse Keramikelement kann aus porösen Keramikfilterelementen der Art hergestellt sein, wie sie herkömmlicherweise für die Reinigung von Wasser verwendet wird. Diese Elemente haben typischerweise Poren größen im Bereich von 0,3 bis 0,9 μm, beispielsweise im Bereich von 0,5 bis 0,7 μm.
Das teilweise Verschließen von einigen der Poren im Keramikelement kann mittels eines separaten Prozessschritts erreicht werden, der durchgeführt wird, bevor das Element seiner beabsichtigten Verwendung zugeführt wird.
Wenn jedoch das Keramikelement in ein Wasserreinigungssystem integriert werden soll, wird das teilweise Verschließen vorzugsweise an Ort und Stelle ausgeführt, indem man das Keramikelement und einen Filter, der die Aktivkohle des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung enthält, hintereinander schaltet, so dass sich das Keramikelement stromab des die Aktivkohle enthaltenden Filters befindet. Auf diese Weise nimmt Wasser, das durch den die Aktivkohle enthaltenden Filter hindurch läuft, wenigstens einen Teil der in der Aktivkohle enthaltenen, unlöslichen Aschepartikel mit und transportiert diese Partikel zu dem porösen Keramikelement, wo sie sich in den Poren absetzen, die sich in den Zonen des Elements befinden, wo das Wasser eintritt, wodurch das teilweise Verschließen dieser Poren bereitgestellt wird.
Der Aktivkohlefilter und das Keramikfilterelement sind in Reihe geschaltet, z.B. mittels einer Anordnung aus Rohrleitungen, wobei sich das Keramikfilterelement stromab des Aktivkohlefilters befindet, so dass im Gebrauch das Wasser zuerst durch den Aktivkohlefilter und dann durch das Keramikfilterelement hindurch tritt.
Der Aktivkohlefilter nimmt typischerweise die Form einer Filterpatrone an, die eine Kammer aufweist, welche die Aktivkohle als Bett oder Schicht enthält. Die Filterpatrone ist vorzugsweise zylindrisch. Die Aktivkohle kann ein Bett in der Filterpatrone bilden und die Auslegung der Patrone kann derart sein, dass man im Gebrauch das Wasser auf seinem Weg von einem Ende der Patrone zum anderen in Längsrichtung durch das Bett aus Aktivkohle fließen lässt. Alternativ dazu kann die Filterpatrone eine rohrförmige Auslegung haben, bei der die Aktivkohle eine ringförmige Schicht zwischen einer inneren und äußeren Hülse aus einem porösen, wasserdurchlässigen Material bildet, so dass man im Gebrauch das Wasser auf seinem Weg vom Inneren der Filterpatrone nach außen hin – oder umgekehrt – seitlich durch die Aktivkohle fließen lässt. Die Filterpatrone kann mit einem Einlass- und Auslassverbindungsstück versehen sein, an dem Rohrleitungen zum Zuführen von Wasser zu der Patrone bzw. Abführen von Wasser von der Patrone angebracht werden können. Alternativ kann die Filterpatrone so ausgelegt sein, dass sie in ein Filtergehäuse passt, das mit den Einlass- und Auslassverbindungsstücken versehen und dazu ausgelegt ist, Wasser zu der die Aktivkohle beinhaltenden Filterpatrone hin- bzw. von dieser wegzuführen.
Das Keramikfilterelement sitzt typischerweise auch in einem Filtergehäuse mit einem Einlass- und Auslassverbindungsstück zur Verbindung mit Rohrleitungen, um Wasser zum Filter hin- bzw. von diesem wegzuführen. Das Keramikfilterelement ist vorzugsweise mit einem Sterilisierungsmittel behandelt, üblicherweise Silber, um zu verhindern, dass Mikroorganismen das Element besiedeln.
Wenn das bevorzugte Wasserreinigungssystem der vorliegenden Erfindung zum ersten Mal verwendet wird, wird ein Teil der in der Aktivkohle enthaltenen, unlöslichen Aschepartikel von dem die Aktivkohle durchströmenden Wasser mitgenommen und zu dem porösen Keramikelement transportiert, wo sie sich ablagern, um ein poröses Keramikelement zu ergeben, bei dem ein Teil der Poren im Keramikelement teilweise mit den Aschepartikeln verschlossen ist. Die teilweise verschlossenen Poren sitzen tendenziell in dem Bereich, wo das Wasser, das gereinigt wird, in das Keramikelement eintritt.
Die im Wasserreinigungssystem verwendete Redoxlegierung ist ein körniges Material und vorzugsweise eine Legierung aus Zink und Kupfer. Bevorzugte Redoxlegierungen aus Zink und Kupfer sind diejenigen, die 30 bis 70 Gew.-% Zink und 70 bis 30 Gew.-% Kupfer, bevorzugter 40 bis 60 Gew.-% Zink und 60 bis 40 Gew.-% Kupfer und insbesondere ca. 50 Gew.-% sowohl von Zink als auch Kupfer enthalten. Eine besonders bevorzugte Redoxlegierung aus Zink und Kupfer ist diejenige, die unter der Marke KDF-55 (von KDF Fluid Systems Inc. erhältlich) verkauft wird.
Der Redoxlegierungsfilter bildet typischerweise einen Teil einer Filterpatrone, die eine Kammer umfasst, welche die Redoxlegierung als Bett oder Schicht enthält. Die Filterpatrone ist vorzugsweise zylindrisch.
Die Redoxlegierung kann ein Bett in der Filterpatrone bilden und die Auslegung der Patrone kann derart sein, dass man Wasser auf seinem Weg von einem Ende der Patrone zum anderen in Längsrichtung durch das Bett aus der Redoxlegierung fließen lässt. Alternativ dazu kann die Filterpatrone eine rohrförmige Auslegung haben, bei der die Redoxlegierung eine ringförmige Schicht zwischen einer inneren und äußeren Hülse aus einem porösen, für Wasser durchlässigen Material bildet, so dass man im Gebrauch das Wasser auf seinem Weg vom Inneren der Filterpatrone nach außen – oder umgekehrt – seitlich durch die Redoxlegierung hindurchfließen lässt. Die Filterpatrone kann mit einem Einlass- und Auslassverbindungsstück versehen sein, an denen Rohrleitungen zum Zuführen von Wasser zu der Patrone bzw. Abführen von Wasser von dieser befestigt werden können. Alternativ kann die Filterpatrone so ausgelegt sein, dass sie in ein Filtergehäuse passt, welches mit dem Einlass- und Auslassverbindungsstück versehen und dazu ausgelegt ist, Wasser zu der die Redoxlegierung enthaltenden Filterpatrone hinzuführen bzw. von dieser wegzuführen.
Wir schließen natürlich nicht die Möglichkeit aus, dass der Redoxlegierungsfilter und der Aktivkohlefilter des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung in eine einzige Filterpatrone integriert werden können, und es ist eine einfache Angelegenheit, die Betten oder Schichten der Redoxlegierung und der Aktivkohle so anzuordnen, dass das Wasser, welches gereinigt wird, zuerst durch die Redoxlegierung und dann durch die Aktivkohle hindurchströmt.
In herkömmlichen Wasserreinigungssystemen können Redoxlegierungen, die zum Entfernen von toxischen Metallionen und Chlor verwendet werden, nur in kleinen Mengen eingesetzt werden, weil sie in das Wasser Zink und Kupfer freisetzen, die ihrerseits der menschlichen Gesundheit abträglich sind. Dagegen haben wir herausgefunden, dass Redoxlegierungen bei den Wasserreinigungssystemen der vorliegenden Erfindung in viel größeren Mengen eingesetzt werden können, und daher die Entfernung von viel größeren Mengen toxischer Metallionen und Chlor gestatten, weil der Aktivkohlefilter, der sich an den Redoxlegierungsfilter anschließt, die Metalle, insbesondere Zink und Kupfer, die von der Redox legierung in das Wasser freigesetzt werden, maskieren oder unschädlich machen kann.
Das Wasserreinigungssystem umfasst vorzugsweise auch einen zweiten Aktivkohlefilter, der sich stromabwärts des Keramikfilterelements befindet, so dass im Gebrauch das das Keramikfilterelement verlassende Wasser durch den zweiten Aktivkohlefilter hindurch tritt. Die im zweiten Aktivkohlefilter verwendete Aktivkohle sollte von der Art sein, die herkömmlicher Weise in Wasserreinigungssystemen zur Entfernung von organischen Verbindungen verwendet wird, und wird typischerweise zu einem porösen Block gegossen.
Der zweite Aktivkohlefilter sitzt typischerweise in einem Filtergehäuse, das Einlass- und Auslassverbindungsstücke zur Verbindung mit Rohrleitungen umfasst, um Wasser zum Filter hin- bzw. von diesem wegzuführen.
Wie oben gesagt, ist die im zweiten Aktivkohlefilter verwendete Aktivkohle typischerweise von der Art, die herkömmlicher Weise in Wasserreinigungssystemen zum Entfernen von organischen Verbindungen verwendet wird. In herkömmlichen Wasserreinigungssystemen verbraucht sich diese Art von Aktivkohle jedoch typischerweise sehr schnell, indem sie das im Wasser enthaltene Chlor entfernt. Im Ergebnis ist ihre Wirksamkeit von sehr kurzer Lebensdauer. Beim Wasserreinigungssystem der vorliegenden Erfindung jedoch kann die Redoxlegierung in ausreichenden Mengen verwendet werden, um das Chlor vollständig oder im Wesentlichen vollständig zu entfernen, so dass der zweite Aktivkohlefilter dahingehend befreit ist, dass er nur noch organische Stoffe bewältigen muss. Diese organischen Stoffe umfassen die organischen Bestandteile von jeglichen Bakterien, die sich innerhalb des Keramikelements zersetzen, wie z.B. Endotoxinen.
Aus dem oben Gesagten sollte klar sein, dass ein bevorzugtes Wasserreinigungssystem nacheinander (1) einen Redoxlegierungsfilter, (2) einen Aktivkohlefilter, (3) ein Keramikfilterelement und (4) einen zweiten Aktivkohlefilter umfasst, die so angeordnet sind, dass im Gebrauch Wasser nacheinander durch die Filter (1), (2), (3) und (4) läuft. Diese Filter können in eine einzige Filterpatrone integriert sein.
Das Wasserreinigungssystem kann darüber hinaus einen Anionenharzfilter umfassen. Wenn dieser eingesetzt wird, befindet er sich typischerweise zwischen dem Keramikfilterelement und dem zweiten Aktivkohlefilter.
Das Wasserreinigungssystem der vorliegenden Erfindung kann auch einen Vorfilter zum Entfernen von größeren Schwebstoffen, wie Sand, Abrieb, Rost, Ruß, Torf, Moos und Algen umfassen. Diese Partikel haben typischerweise eine Größe im Bereich von 1 bis 100 μm, z.B. im Bereich von 5 bis 50 μm.
Wenn er eingesetzt wird, bietet dieser Vorfilter eine erste, grobe Stufe der Filtrierung und befindet sich daher stromaufwärts von sowohl dem Aktivkohlefilter als auch dem Redoxlegierungsfilter.
Bei dem Wasserreinigungssystem liegt das Gewichtsverhältnis von Redoxlegierung zu Aktivkohle im Redoxlegierungsfilter und Aktivkohlefilter des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung im Bereich von 1:1 bis 1:2 und insbesondere im Bereich von 1:1,4 bis 1:1,6. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden für jeweils 250 g an verwendeter Redoxlegierung 375 g Aktivkohle eingesetzt, und diese Menge an Kohle enthält ausreichend viel Asche, um 0,054 m² einer 60 % porösen Keramik teilweise zu verschließen, die Poren mit einer mittleren Größe über ihre größte Abmessung im Bereich von 0,5 bis 0,7 μm enthält.
Das Wasserreinigungssystem der vorliegenden Erfindung kann auch eine Pumpe umfassen, um das zu reinigende Wasser durch die sich anschließende Anordnung aus Filtern zu treiben. Diese Pumpe kann von Hand betätigt oder motorgetrieben sein, z.B. mittels Strom oder durch einen Verbrennungsmotor.
Die vorliegende Erfindung wird nun mittels eines Beispiels und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung eines Wasserreinigungssystems der vorliegenden Erfindung ist, in der die Anordnung der verschiedenen Filter gezeigt ist.
In 1 umfasst das Wasserreinigungssystem 1 einen Redoxlegierungsfilter 2, einen Aktivkohlefilter 3 gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein poröses Keramikfilterelement gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung und ein poröses Kohleblock-Filterelement 5.
Der Redoxlegierungsfilter 2 und der Aktivkohlefilter 3 sind zu einer einzigen, zylindrisch geformten Filterpatrone zusammengefasst, die eine Kammer enthält, in der die Aktivkohle und die Redoxlegierung als separate Betten angeordnet sind, so dass im Gebrauch das Wasser, welches gereinigt wird, auf seinem Weg von einem Ende der Filterpatrone zum anderen in Längsrichtung durch die Filterbetten strömt.
Die Filterpatrone passt in ein erstes, zylindrisch geformtes Filtergehäuse (nicht gezeigt), das an seinen Enden mit Einlass- und Auslassverbindungsstücken zum Anschluss an Rohrleitungen versehen ist, um Wasser zu den Filtern (nicht gezeigt) bzw. von diesen wegzuführen. Das erste Filtergehäuse ist so ausgelegt, dass es Wasser zu der Filterpatrone hin- bzw. von dieser wegführt, und zwar so, dass es zuerst durch das Bett aus der Redoxlegierung und dann durch das Aktivkohlebett hindurch tritt.
Das poröse Keramikfilterelement 4 ist zylindrisch geformt und hat eine rohrförmige Auslegung. Das poröse Kohleblock-Filterelement 5 ist auch zylindrisch geformt und befindet sich in der mittigen Kammer, die durch das rohrförmige Keramikfilterelement 4 bereitgestellt ist. Der Durchmesser des porösen Kohleblock-Filterelements 5 ist dergestalt, dass es mit engem Sitz im Inneren des Keramikfilterelements 4 sitzt und die gesamte Filteranordnung sitzt innerhalb eines zweiten, zylindrisch geformten Filtergehäuses (nicht gezeigt), das Einlass- und Auslassverbindungsstücke zum Anschluss an Rohrleitungen umfasst, um Wasser zu den Filtern (nicht gezeigt) bzw. von diesen wegzuführen. Das zweite Filtergehäuse ist so ausgelegt, dass man Wasser seitlich durch das Keramikfilterelement 4 fließen lässt und dann weiter zum Kohlefilterelement 5, wo es allgemein in Längsrichtung zum Auslassende des Filtergehäuses hinströmt.
Das erste Filtergehäuse, das den Redoxlegierungsfilter 2 und den Aktivkohlefilter 3 enthält, und das zweite Filtergehäuse, das das poröse Keramikfilterelement 4 und das poröse Kohleblock-Filterelement 5 enthält, sind durch eine Anordnung aus Rohrleitungen (nicht gezeigt) in Reihe geschaltet, wobei sich das zweite Filtergehäuse stromab des ersten Filtergehäuses befindet, so dass im Gebrauch Wasser nacheinander durch den Redoxlegierungsfilter 2, den Aktivkohlefilter 3, das poröse Keramikfilterelement 4 und das poröse Kohleblock-Filterelement 5 hindurch tritt. Das erste Filtergehäuse wird dann an eine Quelle von zu reinigendem Wasser angeschlossen.
Im Gebrauch ist der Strom aus Wasser durch das Wasserreinigungssystem allgemein wie mit den verstärkten Pfeilen gezeigt ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die folgenden Beispiele dargestellt, jedoch nicht darauf beschränkt.
Beispiel 1
Das oben mit Bezug auf 1 beschriebene Wasserreinigungssystem wurde dazu verwendet, 10.000 Liter Leitungswasser zu reinigen, welches mit folgenden Verunreinigungen verschmutzt war.

Chlor (Cl₂ ^–) Ionen – 10 mg/l
Eisen (Fe²⁺) Ionen – 50 mg/l
Blei (Pb²⁺) Ionen – 100 μg/l
Aluminium (Al³⁺) – 100 μg/l
Chloroform – 10 mg/l
Trichlorethan – 10 mg/l

Der Aktivkohlefilter 3 umfasste ein Bett aus Aktivkohleplättchen, die eine mittlere Dicke von ca. 0,1 mm hatten, eine mittlere Partikelgröße über ihre größte Abmessung von ca. 0,5 mm und ein Seitenverhältnis von ca. 5:1. Die Aktivkohle enthielt Partikel aus wasserunlöslicher Asche in einer gemäß ASTM 2866 bestimmten Menge von ca. 6,0 Gew.-%. Die Aschepartikel waren im Wesentlichen sphärisch mit einer mittleren Größe über ihre größte Abmessung von ca. 0,3 μm. Die Aktivkohle hatte auch folgende Eigenschaften:

Eine Iodzahl von ca. 1300 mg/g.
Ein gemäß der BET-Stickstoffisothermenmethode bestimmte spezifische Oberfläche von ca. 1200 m²/g.
Ein gemäß ASTM 3838 bestimmtes Porenvolumen von ca. 0,6 ml/g. Eine gemäß ASTM 3802 bestimmte Härte von ca. 99 %.
Einen gemäß dem AARL-Verfahren bestimmten K-Wert der Goldbeladung von ca. 24 mg Au/g.
Einen gemäß der AARL-Methode bestimmten R-Wert der Goldkinetik von ca. 58 %.

Der Redoxlegierungsfilter 2 umfasste ein Bett aus KDF-55, welches von KDF Fluid Systems Inc. erhältlich ist.
Das poröse Keramikfilterelement 4 war ein im Handel erhältliches Produkt, das man von Fairey Industrial Ceramics unter der Produktbezeichnung Imperial Supercarb erwerben kann. Das Filterelement umfasste allgemein augenförmige Poren mit einer mittleren Größe über ihre größte Abmessung von ca. 0,9 μm, und hatte eine Gesamtporosität von ca. 65 %.
Das poröse Kohleblock-Filterelement 5 war ein im Handel erhältliches Produkt, welches von Ametek Inc. unter der Produktbezeichnung CBC10 zu beziehen ist.
Das Gewichtsverhältnis von Redoxlegierung zu Aktivkohle im Redoxlegierungsfilter 2 und dem Aktivkohlefilter 3 war derart, dass für jeweils 375 g Aktivkohle 250 g von der Redoxlegierung vorgesehen waren. Diese Menge an Kohle enthielt genügend Asche, um 0,054 m² des porösen Keramikfilterelements 4 teilweise zu verschließen.
Das verunreinigte Leitungswasser wurde durch das Wasserreinigungssystem mit einem Durchfluss von 2 Litern pro Minute geleitet und es wurden dem System in Abständen von jeweils 1000 Litern Wasserproben entnommen und unter Verwendung einer Spektroquant-Ausrüstung von Merck in Verbindung mit einem Spektrophotometer im sichtbaren UV-Bereich auf Verunreinigungen hin analysiert. Nach Durchlaufen des Wasserreinigungssystems waren die Grade der Verunreinigungen im Wasser für jede Probe unterhalb der Nachweisgrenzen, einschließlich der letzten Probe, die entnommen wurde, nachdem das gesamte Wasser durch das System hindurchgelaufen war.
Beispiel 2
Das oben mit Bezug auf 1 beschriebene Wasserreinigungssystem wurde verwendet, um 1.000 Liter Leitungswasser zu reinigen, welches mit den folgenden Bakterien verunreinigt war.

E-coli – 2,5 × 10⁷ cfu/ml
Salmonellen – 2,5 × 10⁷ cfu/ml
cfu = Kolonie bildende Einheiten

Der Aktivkohlefilter 3 umfasste ein Bett aus Aktivkohleplättchen, die eine mittlere Dicke von ca. 0,1 mm, eine mittlere Partikelgröße über ihre größte Abmessung von ca. 0,5 mm und ein Seitenverhältnis von ca. 5:1 hatten. Die Aktivkohle enthielt Partikel aus wasserunlöslicher Asche in einer gemäß ASTM 2866 bestimmten Menge von ca. 6,0 Gew.-%. Die Aschepartikel waren im Wesentlichen sphärisch mit einer mittleren Größe über ihre größte Abmessung von ca. 0,3 μm. Die Aktivkohle hatte auch die folgenden Eigenschaften:

Der Redoxlegierungsfilter 2 umfasste ein Bett aus KDF-55, welches von KDF Fluid Systems Inc. erhältlich ist.
Das poröse Keramikfilterelement 4 war ein im Handel erhältliches Produkt, das man von Fairey Industrial Ceramics unter der Produktbezeichnung Imperial Supercarb erwerben kann. Das Filterelement umfasste allgemein augenförmige Poren mit einer mittleren Größe über ihre größte Abmessung von ca. 0,9 μm, und hatte eine Gesamtporosität von ca. 65 %.
Das poröse Kohleblock-Filterelement 5 war ein im Handel erhältliches Produkt, welches von Ametek Inc. unter der Produktbezeichnung CBC10 zu beziehen ist.
Das Gewichtsverhältnis von Redoxlegierung zu Aktivkohle im Redoxlegierungsfilter 2 und dem Aktivkohlefilter 3 war derart, dass für jeweils 375 g Aktivkohle 250 g von der Redoxlegierung vorgesehen waren. Diese Menge an Kohle enthielt genügend Asche, um 0,054 m² des porösen Keramikfilterelements 4 teilweise zu verschließen.
Das verunreinigte Leitungswasser wurde durch das Wasserreinigungssystem mit einem Durchfluss von 2 Litern pro Minute geleitet und dem System wurden in Abständen von je 100 Litern Wasserproben entnommen und diese unter Verwendung eines Standardschalenzählverfahrens auf Bakterien analysiert. Nachdem 900 Liter des verunreinigten Leitungswassers durch das System gelaufen waren, wurde unterbrochen und man ließ es 48 Stunden lang stehen. Das System wurde dann wieder in Gang gesetzt und die restlichen 100 Liter des verunreinigten Wassers wurden durch das System geleitet. Auch davon wurden Proben entnommen und unter Verwendung eines Standardschalenzählverfahrens auf Bakterien hin analysiert.
Die Kolonienzahlen für alle Proben waren gleich Null.

Claims

Wasserreinigungssystem mit einem Aktivkohlefilter und einem Redoxlegierungsfilter, der stromaufwärts des Aktivkohlefilters angeordnet ist, so dass in der Verwendung Wasser, das den Redoxlegierungsfilter verlässt, dann durch den Aktivkohlefilter hindurch tritt, wobei die Aktivkohle teilchenförmig ist, in der Lage ist, Zink und Kupfer zu maskieren, Teilchen aus wasserunlöslicher Asche in einer gemäß ASTM 2866 bestimmten Menge von mindestens 1 Gewichtsprozent enthält und durch einen Prozess erhältlich ist, der das Unterwerfen von Kohle, die durch die Verbrennung von Kokosnussschalen hergestellt ist, unter einen Aktivierungsprozess aufweist, in dem die Kohle in einer Umgebung, die bezogen auf das Volumen Sauerstoff in 1 bis 2000 Teilchen pro Million (ppm) enthält, für einen Zeitraum im Bereich von 10 bis 50 min. auf eine Temperatur in dem Bereich von 1000 bis 3500 °C aufgeheizt wird, und wobei das Gewichtsverhältnis von Redoxlegierung zu Aktivkohle in dem Redoxlegierungsfilter und dem Aktivkohlefilter in dem Bereich von 1:1 bis 1:2 liegt.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 1, wobei die Redoxlegierung eine Legierung von Zink und Kupfer ist.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Redoxlegierungsfilter und der Aktivkohlefilter in eine einzige Filterpatrone integriert sind.
Wasserreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gewichtsverhältnis von Redoxlegierung zu Aktivkohle in dem Redoxlegierungsfilter und dem Aktivkohlefilter in dem Bereich von 1:1,4 bis 1:1,6 liegt.
Wasserreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das weiterhin ein poröses Keramikfilterelement aufweist, das eine Vielzahl von Poren aufweist, wobei ein Anteil der Poren teilweise mit Partikeln, die eine Größe über ihre größte Abmessung aufweisen, die kleiner als die Größe der Poren über ihre größte Abmessung ist, verschlossen ist, um Poren zu ergeben, die eine effektive Größe über ihre größte Abmessung aufweisen, die kleiner als die wahre Größe über ihre größte Abmessung ist, wobei der Aktivkohlefilter und das Keramikfilterelement in Reihe geschaltet sind, wobei das Keramikfilterelement stromabwärts des Aktivkohlefilters angeordnet ist, so dass in der Verwendung Wasser nacheinander durch den Aktivkohlefilter und durch das Keramikfilterelement hindurch tritt.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 5, wobei das poröse Keramikfilterelement eine Vielzahl von Poren mit einer mittleren Größe über ihre größte Abmessung in dem Bereich von 0,2 bis 0,1 μm aufweist, wobei ein Anteil der Poren teilweise mit Partikeln, die eine Größe über ihre größte Abmessung aufweisen, die kleiner als die Größe der Poren über ihre größte Abmessung ist, verschlossen ist, um Poren zu ergeben, die eine effektive Größe über ihre größte Abmessung aufweisen, die kleiner als die wahre Größe über ihrer größte Abmessung ist.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 6, wobei das poröse Keramikfilterelement eine Gesamtporosität in dem Bereich von 30 bis 80 % aufweist.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei die verschließenden Partikel eine mittlere Größe über ihre größte Abmessung in dem Bereich von 0,1 bis 1,0 μm aufweisen, um Poren zu ergeben, die eine effektive mittlere Größe über ihre größte Abmessung in dem Bereich von 0,09 bis 0,7 μm aufweisen.
Wasserreinigungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Poren in dem Keramikelement allgemein einen augenförmigen Querschnitt aufweisen.
Wasserreinigungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die verschließenden Partikel im Wesentlichen sphärisch sind.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktivkohle plättchenförmig ist.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 11, wobei die Plättchen der Aktivkohle eine mittlere Dicke in dem Bereich von 0,02 bis 0,2 mm, eine mittlere Partikelgröße über ihre größte Abmessung in dem Bereich von 0,2 bis 0,6 mm und ein Seitenverhältnis in dem Bereich von 20:1 bis 10:3 aufweisen.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der gemäß ASTM 2866 bestimmte Aschegehalt der Aktivkohle in dem Bereich von 1 bis 20 Gewichtsprozent liegt.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 13, wobei der gemäß ASTM 2866 bestimmte Aschegehalt der Aktivkohle in dem Bereich von 3 bis 7 Gewichtsprozent liegt.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Asche durch im Wesentlichen sphärische Partikel ausgebildet ist.
Wasserreinigungssystem nach Anspruch 15, wobei die Aschepartikel eine mittlere Größe über ihre größte Abmessung in dem Bereich von 0,1 bis 1,0 μm aufweisen.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Iodzahl der Aktivkohle in dem Bereich von 1000 bis 1400 mg/g liegt.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktivkohle eine gemäß der BET-Stickstoffisothermenmethode bestimmte spezifische Oberfläche in dem Bereich von 1.000 bis 1.400 m²/g aufweist.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktivkohle ein gemäß ASTM 3838 bestimmtes Porenvolumen in dem Bereich von 0.5 bis 0.7 ml/g aufweist.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktivkohle eine gemäß ASTM 3802 bestimmte Härte in dem Bereich von 90 bis 100 aufweist.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktivkohle einen gemäß der AARL-Methode bestimmten K-Wert der Goldbeladung in dem Bereich von 15 bis 30 mg Au/g aufweist.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktivkohle einen gemäß der AARL-Methode bestimmten R-Wert der Goldkinetik in dem Bereich von 45 bis 75 % aufweist.
Wasserreinigungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aktivkohle erhältlich ist aus Kokosnussschalen durch Verbrennen der Schalen, um Kohle herzustellen und anschließendes Unterwerfen der resultierenden Kokosnussschalenkohle einem Aktivierungsprozess, in dem sie in einer Umgebung, die bezogen auf das Volumen Sauerstoff in 1 bis 500 Teilen pro Million (ppm) enthält, bei einer Temperatur von 2800 bis 3100°C überhitzt wird.
Verfahren zum Reinigen von Wasser, wobei das Verfahren das Hindurchleiten des Wassers durch einen Redoxlegierungsfilter und dann durch einen Aktivkohlefilter aufweist, in dem die Aktivkohle teilchenförmig ist, in der Lage ist, Zink und Kupfer zu maskieren, Partikel von wasserunlöslicher Asche in einer gemäß ASTM 2868 bestimmten Menge von mindestens 1 Gewichtsprozent enthält und durch einen Prozess erhältlich ist, der das Unterwerfen von Kohle, die durch die Verbrennung von Kokosnussschalen hergestellt ist, unter einen Aktivierungsprozess aufweist, in dem sie in einer Umgebung, die bezogen auf das Volumen Sauerstoff in 1 bis 2000 Teile pro Million (ppm) enthält, für einen Zeitraum in dem Bereich von 10 bis 15 min, auf eine Temperatur in dem Bereich von 1000 bis 3500°C aufgeheizt wird, wobei das Gewichtverhältnis von Redoxlegierung zu Aktivkohle in dem Redoxlegierungsfilter und dem Aktivkohlefilter in dem Bereich von 1:1 bis 1:2 liegt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Redoxlegierung eine Legierung von Zink und Kupfer ist.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei das Gewichtsverhältnis von Redoxlegierung zu Aktivkohle in dem Redoxlegierungsfilter und dem Aktivkohlefilter in dem Bereich von 1:1,4 bis 1:1,6 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei der Aktivkohlefilter Aktivkohle enthält, wie sie in einem der Ansprüche 11 bis 23 definiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei als Resultat des Hindurchführens des Wassers durch den Redoxlegierungsfilter Zink und Kupfer in das Wasser freigesetzt werden und der Aktivkohlefilter dann das Zink und das Kupfer aus dem Wasser entfernt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei das Wasser, das den Aktivkohlefilter verlässt, dann durch ein poröses Keramikfilterelement hindurchgeführt wird, wie es in einem der Ansprüche 5 bis 10 definiert ist.