EP0362233A1 - Verfahren zur abtrennung von inhaltsstoffen aus einer flüssigkeit und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur abtrennung von inhaltsstoffen aus einer flüssigkeit und vorrichtung zur durchführung des verfahrens

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Publication number
EP0362233A1
EP0362233A1 EP88904175A EP88904175A EP0362233A1 EP 0362233 A1 EP0362233 A1 EP 0362233A1 EP 88904175 A EP88904175 A EP 88904175A EP 88904175 A EP88904175 A EP 88904175A EP 0362233 A1 EP0362233 A1 EP 0362233A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid
ultrasonic
sound
flow
particles
Prior art date
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Pending
Application number
EP88904175A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Dipl.-Ing. Stuckart
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0362233A1 publication Critical patent/EP0362233A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D21/00—Separation of suspended solid particles from liquids by sedimentation
    • B01D21/28—Mechanical auxiliary equipment for acceleration of sedimentation, e.g. by vibrators or the like
    • B01D21/283—Settling tanks provided with vibrators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D43/00—Separating particles from liquids, or liquids from solids, otherwise than by sedimentation or filtration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/10—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing sonic or ultrasonic vibrations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/52—Treatment of water, waste water, or sewage by flocculation or precipitation of suspended impurities
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/34—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations
    • C02F1/36—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations ultrasonic vibrations

Definitions

  • the invention relates to a process for flocculation, precipitation, agglomeration or coagulation of ingredients or microorganisms dissolved, colloidally dissolved, suspended or emulsified in a liquid and for separating these substances or microorganisms from this liquid, the one loaded with the ingredients or microorganisms to be separated Liquid is subjected to the field effect of ultrasonic waves, which bring about an accumulation of particles to be separated in the vibration node regions or antinode regions of the ultrasonic wave, and the particles thus collected are separated from the liquid, which separation takes place in particular by sedimentation.
  • suspended particles or microorganisms which can also have submicroscopic dimensions, from liquids by sedimentation or by filtration in a reasonably short time, they have to be combined into larger particles or attached to larger particles. It can be made possible in a disperse system by removing the electrostatic surface charges of the particles (destabilization; and by supplying kinetic energy (transport; coagulation processes.
  • the sound radiation pressure conveys the particles into the rapid abdominal areas of the ultrasound field, i.e. to those places where the deflection of the water mouse is greatest. If the ultrasound frequency exceeds a certain cut-off frequency fo, the particles only minimally follow the vibration of the water. In the fast bellies there is therefore maximum relative movement between the particles and the oscillating water.
  • the Wassermoieküie periodically pass through the rapid abdominal areas at right angles with maximum sound velocity. Due to the particles accumulated in the rapid abdominal areas, which only minimally participate in the vibration of the water, there is a reduction in the cross-section that can be flowed through. The speed of the oscillating water must therefore increase between the particles, which inevitably results in a local reduction in the pressure between the particles while maintaining the total energy. This relative negative pressure between the particles causes their mutual attraction, which according to the invention is used to coagulate the particles.
  • the method according to the invention of the type mentioned at the outset is characterized in that the liquid loaded with ingredients or microorganisms is exposed to one or more fields of ultrasound waves, the ultrasound frequency f being greater than one seventh of the limit frequency fo, the range above half the limit frequency fo being preferred is and applies to fo:
  • standing ultrasonic wave fields can be done simply by exciting piezoelectric electro-acoustic transducers in the resonance frequency or in one of the odd-numbered harmonics of the sound reinforcement room forming a resonator, so that a standing ultrasonic wave field builds up in the sound reinforcement room, although as a resonator the package of all sounded acoustic waves Rails including those OR surfaces on which the sound waves are reflected is to be understood.
  • the forces of a standing and flat ultrasonic wave field acting on the liquid to be cleaned cause the particles to be arranged in surfaces perpendicular to the direction of sound propagation.
  • the distance between the surfaces corresponds to half the length of the ultrasonic waves in the liquid in question.
  • the particles agglomerate in the respective areas. Agglomerates that are so large that they can be easily separated from the liquid by sedimentation or filtration.
  • the liquid is sonicated in the flow. It is furthermore favorable if the liquid is passed through one or more fields of standing ultrasonic waves in a flow approximately at right angles to the direction of sound propagation of the ultrasound. It is also advantageous if the liquid flows in a laminar manner.
  • the particles When the suspension flows through the ultrasonic field, the particles are held there and agglomerated, while the liquid leaves the sound field after cleaning.
  • an attachment room can be provided below the PA. If the direction of sound propagation is horizontal, the particles arrange themselves in vertical planes and, after they have joined together to form larger agglomerates, sink into the sedimentation space following gravity.
  • the flow rate of the liquid in the sound system can also be chosen so high that the coagulates are discharged with the liquid; the ingredients are then separated from the liquid by sedimentation or filtration.
  • the liquid can also be passed through the ultrasound field in or against the direction of sound propagation of the ultrasound field.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the liquid is sonicated in a standing ultrasonic wave field that is formed between two parallel and oppositely arranged ultrasonic transducers, the opposite ultrasonic transducers being excited with electrical vibrations of the same frequency, the mutual phase angle of which changes constantly and so a slow relative movement of the wave field in relation to the ultrasonic transducers.
  • the particular advantage of this embodiment is that the particles, which have been arranged in the Sehnelledauch vom, follow the relative movement of the ultrasonic field, which is advantageously selected transversely to the direction of flow of the liquid, and in this way coagulate with a particularly low energy expenditure and simply from the liquid can be separated.
  • Another embodiment of the method according to the invention provides that the liquid is exposed to two ultrasound fields, which overlap one another spatially within the coating area and act on the liquid simultaneously or alternately, preferably using two flat ultrasound fields which intersect at right angles, whereby the intersection lines of the vibration node planes run parallel to the direction of flow of the liquid.
  • a particular advantage of this embodiment is then that the particles are arranged in lines and thereby concentrate there to a much greater extent than with a one-dimensional sound system.
  • the lines in which the particles arrange themselves represent the intersection of the rapid abdominal planes of the two ultrasound fields.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized in that the liquid is in a cylindrical ultrasonic field, the oscillation nodes of which are approximately cylindrical and coaxial surfaces and through which the liquid is guided approximately parallel to the geometric axis of the field, or in succession in several such fields is sonicated.
  • the ultrasound treatment is carried out under pressure to avoid cavitation in closed containers or pipes leads, which is higher than the sum of the vapor pressure of the liquid and the pressure amplitude of the ultrasonic vibration.
  • the pass-through liquid path is advantageously chosen to be less than 1 m, with a preference for the range below 0.6 m.
  • the power of the electrical oscillation with which the ultrasonic transducers are excited is advantageously chosen with less than 3 watts per cm 2 of the controlled ultrasonic transducer surface, the range between 0.5 and 2 watts / cm 2 being preferred.
  • the energy input per m 3 of suspension is advantageously selected between 0.05 and 10 kWh, depending on its density and the electrostatic surface charge of the suspended particles, the range between 0.1 and 4 kWh being preferred.
  • sonication with ultrasonic frequencies between fo / 3 and 10 fo is advantageously used, with frequencies between fo / 2 and 4 fo being particularly favorable for widely graded particle size distributions.
  • frequencies between fo / 2 and 4 fo are particularly favorable for widely graded particle size distributions.
  • frequencies between 2 fo and 12 fo are advantageous to work at frequencies between 2 fo and 12 fo, the range between 3 fo and 5 fo being preferred.
  • Ultrasound frequencies between fo / 2 and 10 fo are advantageous for the coagulation of coal particles, which are in water, and for their separation, a particularly intensive flocculation in the range between fo and 4 fo being achieved.
  • Ultrasonic frequencies between fo / 7 and 10 fo are advantageously used for the coagulation of ingredients of higher density, such as metal dusts, the range between fo / 6 and fo / 2 being preferred in view of an economical use of energy.
  • the coagulates grow, their radius R increases and the limit frequency fo, which is dependent on R, becomes smaller.
  • the agglomerates formed in the first stage can then be combined again in the subsequent stages.
  • the radius R of the agglomerates can grow up to a quarter of the respective ultrasonic wavelength.
  • sonication with amplitude-modulated ultrasound can achieve significantly faster coagulation.
  • Amplitude modulation with frequencies DIS 20 kHz has proven to be particularly advantageous, the modulation signal being e.g. Sine and square wave signals can be used.
  • Activated carbon or other surface-active substances e.g. some clays, used as adsorption media for liquid ingredients, which can also be dissolved.
  • a powdery introduction of the adsorption media results in a more intimate mixing with the liquid and thus enables shorter contact times, thereby avoiding desorption processes.
  • the agglomerated particles can be separated from the liquid by sedimentation or filtration.
  • the ultrasound treatment can also promote the attachment of the liquid contents to the adsorption medium.
  • the coal separation in the water can be improved by the formation of larger and more stable flakes.
  • the invention further relates to a device for performing the method according to the invention.
  • an advantageous embodiment of such a device is characterized in that the sound reinforcement chamber of the device is formed by a straight tube, which is sealed at one end by an ultrasound transducer and at the other end by a preferably reverberant reflector at right angles and tightly, near the side of the two tube ends the supply and discharge lines for the liquid to be sonicated are attached.
  • the sound reinforcement chamber of the device is formed by a straight tube, which is sealed at right angles and tightly at its lower end by an ultrasonic transducer and is open at its upper end, near the side of the two tube ends the inlet and outlet for the liquid to be sonicated are attached.
  • a very simply constructed device is characterized in that the device has a cladding tank, on the bottom of which one or more ultrasonic transducers are mounted horizontally.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention has a preferably cuboid sound tank, which can also be open at the top, and forms the sound reinforcement of the liquid; this coating tank has one or more ultrasonic transducers on a side wall parallel to the horizontal direction of flow of the liquid and sound reflectors on the opposite parallel side wall. The sound is spread horizontally and at right angles to the direction of flow.
  • the inlet and outlet for the liquid are located on the two rare walls perpendicular to the direction of flow.
  • One or more, preferably funnel-like, settling spaces, which have removal devices at their lowest points, are provided in the bottom of the sonication tank.
  • the sedimentation spaces are preferably separated from the casing tank by a horizontal grid-like flow orifice. After the inlet and before the outlet, vertical calming grids can be provided, which are at right angles to the direction of flow.
  • a baffle in the sonication tank Immediately in front of the inlet opening and the outlet opening, you can attach a baffle in the
  • a further embodiment of the device according to the invention is characterized in that the sound reinforcement chamber of the device is formed by a sound reinforcement chamber, through which the liquid flows horizontally, so that one or more ultrasonic transducers or ultrasonic transducers can be found on the two rare walls of the sound reinforcement chamber that run at right angles to the direction of flow and refiectors are arranged opposite and parallel to each other, and that one or more funnel-shaped sedimentation chambers are provided in the bottom of the sound-absorbing chamber, which are preferably delimited at the top by flow baffles and have removal devices for the sunken particles at their lowest points.
  • the chamber of the device is formed by a vessel in the form of a straight line Cylinder is made of preferably sound-resistant material, in which a cylindrical, radially vibrating ultrasonic transducer is installed coaxially.
  • a cylindrical, radially vibrating ultrasonic transducer is installed coaxially.
  • the common axis of the transducer and the vessel can be perpendicular, the liquid being first passed from top to bottom through the interior of the tubular ultrasonic transducer and then exiting at its lower end into the outer vessel and flowing up there while the Coagulates sink down and are separated from the liquid.
  • a further embodiment of the device according to the invention is characterized in that the sound reinforcement chamber of the device is formed by a flow-through cuboid sound reinforcement tank, into which two planar walls, at right angles to one another, are built, which groups of ultrasonic transducers carry, these walls facing the side surfaces
  • Public address tank run parallel and preferably cut each other within the public address room so that the public address room is divided into two or more flowable sub-rooms.
  • the flow through the peeling tank can e.g. can be divided into four sub-rooms, which can also have a different cross-section and can be flowed through both in parallel and in series, the individual sub-rooms can also be flowed through in opposite directions.
  • Another embodiment of the device according to the invention is characterized in that a parallel plate separator is arranged in the sound reinforcement area of the device, through which the intermediate spaces between the separating plates the liquid is passed, and that two planes Groups of ultrasonic generators are arranged parallel to the separating plate pack, the entire separating plate pack lying between the ultrasonic transducers, and the thickness of the separating plates preferably corresponding to an odd multiple of a quarter of the wavelength of the ultrasound in these separating plates and the surface roughness of the separating plates not exceeding one tenth of the ultrasonic wavelength.
  • a standing wave field is generated which moves relative to the ultrasonic transducers in such a way that the vertical component of the relative movement is directed downward.
  • the particular advantage of this embodiment is that the particles are coagulated in the ultrasonic field and, following the movement of the field, are conveyed to the separating plates and sedimented there, as a result of which a much higher separation performance is achieved than in conventional parallel plate separators.
  • ultrasound transducers made of piezoelectric plastics such as e.g. Find polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the device according to the invention in section
  • Fig. 2a shows a second embodiment of the device according to the invention in horizontal section along the line Ila-IIa in 2b and Fig. 2b this embodiment in section along the line IIb-IIb,
  • FIG. 3a shows another embodiment of the device according to the invention in longitudinal section along the line IIIa-IIIa in FIG. 3b and FIG. 3b this embodiment in section along the line III-IIIb,
  • FIG. 4a a further embodiment of the device according to the invention in vertical section and FIG. 4b this embodiment in section along the line IVb-IVb, in which a coaxial cylindrical wave field is generated in a tube,
  • FIG. 5 shows an embodiment of the device according to the invention, in which the free liquid surface serves as a sound reflector, in vertical section,
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the device according to the invention in a vertical section, in which a tub is sonicated from below,
  • FIG. 9a a further embodiment of the device according to the invention in vertical section and FIG. 9b this embodiment in section along the line IXb-IXb,
  • Fig. 10 shows an embodiment of the device according to the invention in a view in which a two-dimensional sonication takes place
  • Fig. 11 is a schematic diagram of an embodiment of the device according to the invention provided with a parallel plate separator.
  • a straight pipe 1 is provided as the sound reinforcement chamber, which pipe 6 introduces the liquid 6 via a feed pipe 2 and out via a discharge pipe 3.
  • One pipe end 1a is sealed at right angles and tightly by an ultrasonic transducer 4, the other pipe end 1b by a reflector 5 designed as a rigid metal plate.
  • the ultrasonic transducer 4 is fed with high-frequency current.
  • a public address tank 8 is provided in all public address rooms, in the bottom 7 of which settling funnels 9 are installed, which have drainage nozzles 10 which can be closed at their lowest points.
  • the settling funnels 9 are separated from the sonication tank by a grille-like flow nozzle 11.
  • Ultrasonic transducers 4 and ultrasonic reflectors 12 are attached to the two side walls 13 and 14 of the sonication tank 8, which are parallel to the flow direction 6a, and are opposite and parallel to one another.
  • Flow orifices 15 and 16 and calming grilles 17 and 18 are arranged after the inlet pipe 2 and before the outlet pipe 3.
  • the flow direction 6a runs at right angles to the direction of sound propagation.
  • the device shown in FIGS. 3a and 3b has a sound reinforcement chamber 19 as the sound reinforcement chamber, on the front side walls 20 and 21 of which the ultrasonic transducer 4 and the reflector 12 are attached.
  • a sound reinforcement chamber 19 as the sound reinforcement chamber, on the front side walls 20 and 21 of which the ultrasonic transducer 4 and the reflector 12 are attached.
  • funnel-shaped settling spaces 9 are provided, at the lowest points of which closable removal nozzles 10 are attached.
  • the settling rooms 9 are separated from the sonication chamber 19 by a grille-like flow orifice 11.
  • the liquid is supplied via the inlet connection 2 and derived via the discharge pipe 3.
  • the flow direction 6a runs in the direction of sound propagation.
  • the front side walls 20, 21 run at right angles to the flow direction.
  • a vessel 22 in the form of a straight, cylindrical tube made of sound-resistant material is provided as the PA, in which a cylindrical, radially oscillating ultrasonic transducer 23 is installed coaxially.
  • a coaxial cylindrical ultrasonic field is generated in the vessel 22 .
  • the device shown in FIG. 5 consists of a straight vertical tube 1, into which the liquid is introduced via a nozzle 2 and is discharged via a further nozzle 3.
  • the lower tube end 1 a is sealed off by an ultrasonic transducer 4.
  • the upper tube end 1b is open.
  • the free liquid surface 37 acts here as a sound-soft reflector.
  • the device shown in FIG. 6 has a sound reinforcement pool 38 which is open at the top and on the bottom of which an ultrasonic transducer 4 is mounted horizontally.
  • the free liquid surface 37 acts as a sound-soft reflector.
  • the experimental arrangement shown in FIG. 8 is provided with a device according to the invention, the ultrasonic transducer 27 of which is fed by a broadband amplifier 33, this broadband amplifier being controlled by a high-frequency signal generator 32.
  • the public address room of the device is formed by a public address pool 24.
  • the ultrasonic transducer 27 is mounted on a brass plate 26 on a narrow side 25 of the soundproofing basin 24 and a reflector in the form of a brass plate 31 is arranged on the opposite narrow side 30 of the soundproofing basin 24.
  • the device shown in FIGS. 9a and 9b has a vertical cylindrical sound tank 39 as the sound chamber, which is closed at the bottom by a funnel-shaped settling chamber 9 which has a closable removal nozzle 10.
  • a tubular ultrasonic transducer 40 through which the liquid is guided into the PA, is coaxially installed in the PA tank 39.
  • the liquid 6 to be sonicated first flows through the ultrasonic transducer 40 and then flows upwards on the outside of this transducer in the sonication tank 39, after which it is conducted via the channel 41.
  • FIG. 10 shows a device which has a cuboid-shaped PA tank, in which two walls 43 and 44 are installed, which carry ultrasonic transducers 4.
  • the walls 43 and 44 run parallel to the side surfaces 45, 46, 47, 48 of the sound reinforcement tank 42 and are at right angles to one another and intersect one another, so that the sound reinforcement space is divided into four flowable spaces 50, 51, 52, 53.
  • the ultrasonic transducers form ultrasonic fields in the subspaces, which intersect at right angles.
  • the device shown in FIG. 11 has a parallel plate separator with a group of inclined and mutually parallel separator plates 54 and two ultrasonic transducers 4 parallel to the separator plates.
  • the coal content of suspension 28 was approx. 10 g / l.
  • the grain size distribution curve of the suspended carbon particles is shown in Fig. 7. Before the sonication test, the quickly settable grain size fraction was separated from the coal suspension 28 by sedimentation.
  • an approximately 3 mm thick brass plate 31 was immersed perpendicularly and parallel to the piezoceramic disc 27 in the suspension 28.
  • a high-frequency alternating voltage with a frequency of 1.1 MHz was then applied to the piezoceramic disk.
  • the high-frequency voltage was generated by means of a signal generator 32 and a British band amplifier 33.
  • the leading and the reflected electrical power were measured using a high-frequency wattmeter 34. In the experiment at hand, the leading power was measured at 7 watts. There was practically no reflected performance.
  • the carbon particles arranged in vertical planes 36 which were at a mutual normal distance of about 0.7 mm and were parallel to the piezoceramic disk 27.

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Description

"Verfahren zur Abtrennung von Inhaltsstoffen aus einer Flüssigkeit und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Flockung, Fällung, Agglomeration oder Koagulation von in einer Flüssigkeit gelosten, kolloidal gelösten, suspendierten oder emulgierten Inhaltsstoffen oder Mikroorganismen und zur Abtrennung dieser Stoffe oder Mikroorganismen aus dieser Flüssigkeit, wobei die mit den abzutrennenden Inhaltsstoffen oder Mikroorganismen beladene Flüssigkeit der Feldwirkung von Ultraschallwellen unterworfen wird, welche eine Ansammlung abzutrennender Teilchen in den Schwingungsknotenoereichen oder Schwingungsbauchbereichen der Ultraschallwelle bewirken, und die so angesammelten Teilchen von der Flüssigkeit abgetrennt werden, welche Abtrennung insbesondere durch Sedimentation erfolgt.
Um suspendierte Partikel oder Mikroorganismen, welche auch submikroskopische Abmessungen nahen Können, in vertretbar kurzer Zeit aus Flüssigkeiten mittels Sedimentation oder mittels Filtration abscheiden zu können, müssen diese zu größeren Teilchen vereinigt oder an größere Teilchen angelagert werden. Es können m einem dispersen System durch Aböau der elektrostatischen Oberflächenladungen der Partikel (Entstabilisierung; und durch Zufuhr von Bewegungsenergie (Transport; Koagulationsvorgange ermöglicht werden.
Es ist ein Verfahren eingangs erwähnter Art bekannt, bei oem in Flüssigkeiten suspendierte Partikel dadurch, daß die Detreffende Flüssigkeit einem Ultraschallwellenfeld ausgesetzt wird, geflockt werden und das geflockte Material dann von der Flüssigkeit abgetrennt wird (US-PS 4 055 491).
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren eingangs erwähnter Art zu schaffen, oei dem auf möglichst wirkungsvolle Weise bei einfachem und energiesparendem Verfahrensablauf Flüssigkeiten, lnsossondere Wasser, zum Zweck der Reinigung sowie auch Suspensionen zur Gewinnung und Ruckgewinnung von Rohstoffen urd Mikroorganismen behandelt werden können. Es soll auch die Gewinnung von feinkörniger Kohle aus kohlehaltigen Suspensionen, auch wenn diese Suspensionen noch andere Stoffe beinhalten, möglich sein.
Wie bekannt ist, befördert der Schallstrahlungsdruck die Partikel in die Schnellebauchflächen des Ultraschallfeldes, an jene orte also, an denen die Ausienkung der Wassermoieküie am größten ist. Wenn die Ultraschallfrequenz eine bestimmte Grenzfrequenz fo übersteigt, dann folgen die Partikel nur minimal der Schwingung des Wassers. In den Schnellebäuchen herrscht somit maximale Relativbewegung zwischen den Partikeln und dem oszillierenden Wasser. Die Wassermoieküie passieren periodisch die Schnellebauchflächen im rechten Winkel mit maximaler Schallschnelle. Durch die in den Schnellebauchflächen angesammelten Partikel, welche die Schwingung des Wassers nur minimal mitmachen, ist dort eine Verringerung des durchströmbaren Querschnittes gegeben. Die Geschwindigkeit des schwingenden Wassers muß sich daher zwischen den Partikeln erhöhen, wodurch sich dort bei Erhaltung der Gesamtenergie zwangsläufig eine örtliche Verringerung des Druckes zwischen den Partikeln ergibt. Dieser relative Unterdruck zwischen den Partikeln bewirkt deren gegenseitige Anziehung, weichs erfindungsgemäß zur Koagulation der Partikel benutzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eingangs erwähnter Art ist dadurch gekennzeichnet, daß die mit Inhaltsstoffen oder Mikroorganismen beladene Flüssigkeit einem oder mehreren Feldern stenender Ultraschallwellen ausgesetzt wird, wobei die UltraschalIfrequenz f größer ist als ein Siebentel der Grsnzfrequenz fo, wobei der Bereich oberhalb der Hälfte der Grenzfrequenz fo bevorzugt ist und für fo gilt:
fo (Hz) = 0,4775 n/R2 ; hiebei ist n die kinematische Viskosität der Flüssigkeit in m2/s und R der wirksame Partikelradius in m; der wirksame Partikeiradius R ist bei kugelförmigen Partikeln gleich deren Radien; für Partikel amderer Gestalt ist R der Radius jener Kugel aus gleichem Stoff, welche der oszillierenden Flüssigkeit den gleichen Strömungswiderstand entgegensetzt. Durch diese Maßnahmen kann der vorstehend angeführten Zielsetzung gut entsprochen werden. Es wird bei geringem Energiebedarf eine rasche Koagulation bzw. Zusammenballung der Inhaltsstoffe der Flüssigkeit erzielt. Hiebei üben die vorgesehene Wahl der Ultraschallfrequenz und die Beschallung in einem stehenden Wellenfeld einen sehr vorteilhaften Einluß aus.
Die Bildung stehender Ultraschallwellenfelder kann einfach dadurch erfolgen, daß piezoelektrische elektro-akustische Wandler in der Resonanzfrequenz oder in einer der ungeradzahligen Oberwellen des einen Resonator bildenden Beschallungsraumes angeregt werden, so daß sich im Beschallungsraum ein stehendes Ultraschallwellenfeld aufdaut, wodei als Resonator das Paket aller durchschallten akustischen Schienten einschließlich jener Oderflächen, an welchen die Schallwellen reflektiert werden, zu verstehen ist.
Die auf die zu reinigende Flüssigkeit wirkenden Kräfte eines stehenden und ebenen Ultraschallwellenfeldes bewirken, daß sich die Partikel in rechtwinkelig zur Schallausbreitungsrichtung stehenden Flächen anordnen. Der Abstand der Flächen entspricht der halben Länge der Ultraschallwellen in der betreffenden Flüssigkeit. In den jeweiligen Flächen kommt es in der Folge zu einem Agglomerieren der Partikel. Dabei entstenen Agglomerate, die so groß sind, daß sie durch Sedimentation oder Filtration von der Flüssigkeit leicht abgetrennt werden können. Es ist in den meisten Fällen vorteilhaft, wenn die Flüssigkeit im Durchfluß beschallt wird. Hiebei ist es weiter günstig, wenn die Flüssigkeit in anähernd im rechten Winkel zur Schallausbreitungsrichtung des Ultraschalles verlaufendem Durchfluß durch ein oder mehrere Felder stehender Ultraschallwellen hindurchgeleitet wird. Es ist dabei weiters vorteilhaft, wenn die Flüssigkeit laminar strömt.
Wenn die Suspension durch das UltraschalIfeld fließt, werden dort die Partikel festgehalten und agglomeriert, während die Flüssigkeit gereinigt das Schallfeld verläßt. Zur Entnahme der Agglomerate kann unterhalb des Beschallungsraumes ein Ansetzraum vorgesehen werden. Wenn nun die Schallausbreitungsrichtung horizontal ist, ordnen sich die Partikel in vertikalen Ebenen an und sinken dort, nachdem sie sich zu größeren Agglomeraten zusammengeschlossen haben, der Schwerkraft folgend in den Absetzraum.
Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Beschallungsaum kann jedoch auch so hoch gewählt werden, daß die Koagulate mit der Flüssigkeit ausgetragen werden; dabei erfolgt darauffolgend das Abtrennen der Inhaltsstoffe von der Flüssigkeit durch Sedimentation oder Filtration.
Man kann auch die Flüssigkeit in oder gegen die Schallausbreitungsrichtung des Ultraschallfeldes durch das UltraschalIfeld leiten.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sisht vor, die Flüssigkeit in einem stehenden Ultraschallwellenfeld, das zwischen zwei parallelen und einander gegenüberliegend angeordneten UltraschalIwandlern gebildet wird, beschallt wird, wobei die einander gegenüberliegenden UltraschalIwandler mit elektrischen Schwingungen gleicher Frequenz angeregt werden, deren gegenseitiger Phassnwinkel sich stetig ändert und so eine langsame Relativbewegung des Wellenfeldes in bezug auf die UltraschalIwandler nerdeigeführt wird. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß die Partikel, welche sich in den Sehnelledauchflächen angeordnet haben, der Relativbewegung des Ultraschallfeldes, welche vorteilhaft quer zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit gewählt wird, folgen und auf diese Weise mit besonders geringem Energieaufwand koaguliert und einfach von der Flüssigkeit abgetrennt werden können.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Flüssigkeit zwei Ultraschallfeidern ausgesetzt wird, welche einander räumlich innerhalb des Beschailungsraumes überschneiden und gleichzeitig oder alternierend auf die Flüssigkeit einwirken, wobei vorzugsweise zwei ebene Ultraschallfelder, die einander im rechten Winkel schneiden, angewendet werden, wobei die Schnittlinien der Schwingungsknotenebenen parallel zur Fließrichtung der Flüssigkeit verlaufen. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform besteht dann, daß sich die Partikel in Linien anordnen und sich dadurch dort in weit hoherem Ausmaß konzentrieren als oei einer eindimensionalen Beschallung. Die Linien, in weichen sich die Partikel anordnen, stellen den Schnitt der Schnellebauchebenen der beiden Ultraschallfelder dar.
Eine weitere günstige Ausführungsform des erfmoungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in einem zylindrischen Ultraschallfeld, dessen Schwingungsknoten m annähernd zylindrischen und zueinander koaxialen Flächen liegen und durch das die Flüssigkeit annähernd parallel zur geometrischen Achse des Feldes hindurchgsleitet wird, oder aufeinanderfolgend in mehreren solchen Feldern beschallt wird.
Insbesondere bei hohem Energieeintrag ist es vieitach günstig, daß die Ultraschallbehandlung zur Vermeidung von Kavitation in geschlossenen Behältern oder Rohren unter einem Druck durchge führt wird, der höher ist als die Summe des Dampfdruckes der Flüssigkeit und der Druckamplitude der Ultraschallschwingung. Die durchschallte Flüssigkeitsstrecke wird vorteilhaft kleiner als 1 m, mit Bevorzugung des Bereiches unter 0,6 m, gewählt.
Die Leistung der elektrischen Schwingung, mit welcher die UltraschalIwandler erregt werden, wird vorteilhaft mit weniger als 3 Watt pro cm2 der angesteuerten UltraschalIwandleroberfläche gewählt, wobei der Bereich zwischen 0,5 und 2 Watt/cm2 bevorzugt ist.
Der Energieeintrag pro m3 Suspension wird abhängig von deren Dichte und der elektrostatischen Oberflächenladung der suspendierten Partikel vorteilhaft zwischen 0,05 und 10 kWh gewählt, wobei der Bereich zwischen 0,1 und 4 kWh bevorzugt ist.
Für Mineralstoffsuspensionen eieht man vorteilhaft eine Beschallung mit Ultraschallfrequenzen zwischen fo/3 und 10 fo vor, wobei bei weitgestuften Korngrößenverteilungen die Verwendung von Frequenzen zwischen fo/2 und 4 fo besonders günstig ist. Für suspendierte organische Stoffe oder Stoffe, deren Dichte annähernd der Dichte der Flüssigkeit entspricht, ist es günstig, bei Frequenzen zwischen 2 fo und 12 fo zu arbeiten, wobei der Bereich zwischen 3 fo und 5 fo bevorzugt ist.
Für die Koagulation von Kohlepartikeln, dis sich in Wasser befinden, sowie für deren Abtrennung sind Ultraschallfrequenzen zwischen fo/2 und 10 fo vorteilhaft, wobei eine besonders intsnsivs Flockung im Bereich zwischen fo und 4 fo erreicht wird. Für die Koagulation von Inhaltsstoffen höherer Dichte wie z.B. Metallstäube - werden vorteilhaft UltraschalIfrequenzen zwischen fo/7 und 10 fo verwendet, wobei im Hinblick auf einen wirtschaftlichen Energieeinsatz der Bereich zwischen fo/6 und fo/2 zu bevorzugen ist. Mit dem Heranwachsen der Koagulate vergrößert sich deren Radius R und die von R abhängige Grenzfrequenz fo wird kleiner. In bestimmten Fällen ist es günstig, die Ultraschallbehandlung in zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Stufen mit abnehmender Frequenz durchzuführen. Die in der ersten Stufe gebildeten Agglomerate können dann in den nachfolgenden Stufen nachmals vereint werden. Der Radius R der Agglomerate kann maximal bis zum Viertel der jeweiligen Ultraschaliwellenlänge heranwachsen.
Vielfach kann durch ein Beschallen mit amplitudenmoduliertem Ultraschall eine deutlich raschere Koagulation erreicht werden. Besonders vorteilhaft erwies sich eine Amplitudenmodulation mit Frequenzen DIS 20 kHz, wobei als Modulationssignal z.B. Sinus- und Rechtecksignale verwendet werden können.
Unabhängig von einer allfälligen Modulation ist es mitunter günstig, die Ultraschallbehandlung intermittierend durchzuführen.
Vielfach finden Aktivkohle oder andere oberflächenaktive Stofie, wie z.B. manche Tone, Anwendung als Adsorptionsmedien für Flüssigkeitsinhaltsstoffe, die auch gelöst sein können. Eine pulverförmige Einbringung der Adsorptionsmedien bewirkt eine innigere Vermischung mit der Flussigkeit und ermöglicht dadurch kürzere Kontaktzeiten, wodurch Desorptionsvorgange vermieden werden. Nach einer Ultraschallbehandlung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren können die agglomerierten Partikel durch Sedimentation oder Filtration von der Flüssigkeit adgetrennt werden. Daruberhmaus kann die Ultraschallbehandlung auch die Anlagerung der Flüssigkeitsinnaltsstofie an das Adsorptionsmedium begünstigen.
Zur Erleichterung der gegenseitigen Annäherung der Partikel ist es alt vorteilhaft, allenfalls vorhandene elektrostatische Oberflächenladungen der Partikel durch Zudosieren von Flockungsmitteln zu verringern oder zu neutralisieren. Mitunter kann auch die Zudosierung von Polymeren als Flockungshilfsmittel zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Agglomerate zweckmäßig sein.
Durch den Zusatz von bis zu 5 % öl kann die Kohleabscheidung im Wasser durch die Bildung von größeren und stabileren Flocken verbessert werden.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine vorteilhafte Ausführungsform einer solchen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Beschallungsraum der Vorrichtung durch ein gerades Rohr gebildet ist, das an einem Ende durch einen UltraschalIwandler und am anderen Ende durch einen vorzugsweise schallharten Reflektor rechtwinkelig und dicht abgeschlossen ist, wobei nahe der beiden Röhrenden seitlich die Zuleitung und die Ableitung für die zu beschallende Flüssigkeit angebracht sind.
Eine andere günstige Ausführungsform einer solchen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Beschallungsraum der Vorrichtung durch ein gerades Rohr gebildet ist, das an seinem unteren Ende durch einen Ultraschallwandler rechtwinkelig und dicht abgeschlossen ist und an seinem oberen Ende offen ist, wobei nahe der beiden Rohrenden seitlich die Zuleltung und die Ableitung für die zu beschallende Flüssigkeit angebracht sind.
Eine sehr einfach gebaute Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Beschällungsbecken aufweist, an dessen Boden horizontal ein oder mehrere Ultraschallwandler angebracht sind.
Eine bevorzugte Ausführungeform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat einen vorzugsweise quaderförmigen Beschallungstank, der oben auch offen sein kann, und den Beschallungsraum der Flussigkeit bildet; dieser Beschällungstank weist an einer zur horizontalen Durchflußrichtung der Flüssigkeit parallelen Seitenwand einen oder mehrere UltraschalIwandler und an der gegenüberliegenden parallelen Seitenwand Schallreflektoren auf. So erfolgt die Schallausbreitung horizontal und im rechten Winkel zur Stromungsrichtung. An den beiden rechtwinkelig zur Stromungsrichtung stehenden Seltenwänden befinden sich der Zulauf und der Ablauf für die Flüssigkeit. Im Eαden des Beschallungstanks sind ein oder mehrere, vorzugsweise trichterartige, Absetzraume, die an ihren tiefsten Punkten Entnahmevorrichtungen aufweisen, vorgesehen. Die Absetzraume sind vorzugsweise durch eine norizontale gitterrostartige Stromungsblende vom Beschällungstank getrennt. Nach dem Zulauf und vor dem Ablauf kann man lotrechte, im rechten Winkel zur Strömungsrichtung stehende Beruhigungsgitter vorsenen. Unmittelbar vor der Zulauföffnung und der Ablauföffnung kann man im Beschallungstank je eine Umlenkblende anbringen.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Beschallungsraum der Vorrichtung durch eine Beschallungskammer gebildet ist, wslche von der Flussigkeit horizontal durchströmt wird, daß an den beiden zur Stromungsrichtung im rechten Winkel verlaufenden Seltenwänden der Beschallungskammer ein oder menrere Ultraschallwandler oder Ultraschal Iwand ler und Refiektoren emanoer gegenüberliegend und parallel zueinander angeordnet sind, und daß im Boden der Beschal lungskammer ein oder mehrere trichterförmige Absetzraume vorgesehen sind, welche vorzugsweise oben durch Stromungsblenden begrenzt sind und an ihren tiefsten Stellen Entnahmevorrichtungen für die abgesunkenen Partikel auiweisen.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der erf mdungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Eesrnai lungsraum der Vorrichtung durch ein Gefäß in Form eines geraden Zylinders aus vorzugsweise schallhartem Material gebildet ist, in welchen ein zylindrischer, radial schwingender Ultraschallwandler koaxial eingebaut ist. Hiebei ergibt sich eins vorteilhafte Weiterbildung, wenn man vorsieht, daß der zylindrische Ultraschallwander rohrförmige Gestalt hat und sowohl in seinem Inneren von der Flüssigkeit durchströmt als auch außen von der Flüssigkeit umströmt wird. Bei dieser Ausbildung kann die gemeinsame Achse des Wandlers und des Gefäßes lotrecht sein, wobei die Flüssigkeit zueret von oben nach unten durch das Innere des rohrförmigen UltraschalIwandlers geieitet wird und danach an dessen unterem Ende in das äußere Gefäß austritt und dort nach oben strömt, während die Koagulate nach unten sinken und dadurch von der Flüssigkeit getrennt werden.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Beschallungsraum der Vorrichtung durch einen durchströmbaren quaderförmigen Beschallungstank gebildet ist, in den zwei zueinander im rechten Winkel stehende und ebene Wände eingebaut eind, welche Gruppen von UltraschalIwandlern tragen, wobei diese Wände zu den Seitenflächen es Beschallungstankes parallel verlaufen und einander innerhalb des Beschallungsraumes vorzugsweise so schneiden, daß der Beschallungsraum in zwei oder mehrere durchströmbare Teilräume geteilt wird. Der durchströmbare BeschälIungstank kann auf diese Weise z.B. in vier Teilräume unterteilt werden, welche auch einen unterechiedlichen Querschnitt haben können und sowohl parallel als auch in Serie geschaltet durchströmt werden können, wobei die einzelnen Teilräume auch in entgegengesetzten Richtungen durchströmt werden können.
Eine andere Ausführungsform der erfindungegemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß im Beschallungsraum der Vorrichtung ein Parallelplattenabscheider angeordnet ist, durch dessen zwischen den Abscheideplatten liegende Zwischenräume die Flüssigkeit hindurchgeleitet wird, und daß zwei ebene Gruppen von Ultraschallerzeugern parallel zum Abscheideplattenpaket angeordnet sind, wobei das gesamte Abscheideplattenpaket zwischen den UltraschalIwandlern liegt, und die Dicke der Abscheideplatten vorzugsweise einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Ultraschalles in diesen Abscheideplatten entspricht und die Oberflächenraunigkeit der Abscheideplatten ein Zehntel der UltraschalIwellenlange nicht übersteigt. Es wird ein stehendes Wellenfeld erzeugt, welches sich relativ zu den Ultraschallwandlern so bewegt, daß die Vertikalkomponente der Relativbewegung nach unten gerichtet ist. Der besondere Vorteil dieser Ausfünrungsform besteht darin, daß die Partikel im Ultraschallfeld koaguliert werden und der Bewegung des Feldes folgend zu den Abscheideplatten befördert werden und dort sedimentieren, wodurch eine wesentlich höhere Abscheideleistung als in herkömmlichen Parallelplattenabscheidern erreicht wird.
Neben den gebräuchlichen elektroakustischen Ultraschallwandlern aus piezokeramischen Materialien können vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung - speziell für höhere Frequenzen - auch Ultraschallwandler aus piezoelektrischen Kunststoffen, wie z.B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) Verwendung finden. Bei der Herstellung eines PVDF-Wandlers wird eine Metallplatte porenfrei mit PVDF beschichtet. Nachfolgend wird die PVDF-Schicht polarisiert und die freie Oberfläche metallisch - vorzugsweise mit Gold -deschichtet.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Beispiele, welche in der Zeichnung dargestellt sind, weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt,
Fig. 2a eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im horizontalen Schnitt nach der Linie lla-IIa in Fig. 2b und Fig. 2b diese Ausführungsform im Schnitt nach der Linie Ilb-IIb,
Fig. 3a eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt nach der Linie Illa-IIIa in Fig. 3b und Fig. 3b diese Ausführungsform im Schnitt nach der Linie Illb-IIIb,
Fig. 4a eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im vertikalen Schnitt und Fig. 4b diese Ausführungsform im Schnitt nach der Linie IVb-IVb, bei welcher in einem Rohr ein koaxiales zylinderförmiges Wellenfeid erzeugt wird,
Fig. 5 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher die freie Flüssigkeitsobsrfläche als Schallreflektor dient, im vertikalen Schnitt,
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgsmäßen Vorrichtung in einem vertikalen Schnitt, bei welcher eine Wanne von unten beschallt wird,
Fig. 7 die Korngrößenverteilungelinie eines Kohlepulvers, welches in wässeriger Suspension vorliegt,
Fig. 8 eine Versuchsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 9a eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im vertikalen Schnitt und Fig. 9b diese Ausführungsform im Schnitt nach der Linie IXb-IXb,
Fig. 10 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht, bei welcher einE zweidimensionale Beschallung erfolgt, und Fig. 11 eine Prinzipekizze einer mit einem Parallelplattenabscheider versehenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist als Beschallungsraum ein gerades Rohr 1 vorgesehen, m welches die Flussigkeit 6 über einen Zuleitungsstutzen 2 eingeleitet und über einen Ableitungsstutzen 3 ausgeleitet wird. Das eine Rohrende 1a ist durch einen UltraschalIwandler 4, das andere Rohrende 1b durch einen als steife Metallplatte ausgebildeten Reflektor 5 rechtwinkelig und dicht abgeschlossen. Der UltraschalIwandler 4 wird mit hochfrequentem Strom gespeist.
Bei der in Fig. 2a und Fig. 2b dargestellten Vorrichtung ist ale Beschallungsraum ein Beschallungstank 8 vorgesehen, in dessen Boden 7 Absetztrichter 9 eingebaut sind, welche an ihren tiefsten Stellen verschließdare Ablaufstutzen 10 aufweisen. Die Absetztrichter 9 sind vpm Beschallungstank durch eine gitterrostartige Strömungsdlende 11 getrennt. An den beiden zur Durchflußrichtung 6a parallelen Seitenwänden 13 und 14 des Beschallungstanks 8 sind einander gegenüderliegend und parallel zueinander UltraschalIwandler 4 und Ultraschallreflektoren 12 angebracht. Nach dem Zuleitungsstutzen 2 und vor dem Ableitungsstutzen 3 sind Strömungsblenden 15 und 16 und Beruhigungsgitter 17 und 18 angeordnet. Die Durchflußrichtung 6a verlauft im rechten Winkel zur Schallausbreitungsrichtung.
Die in Fig. 3a und 3b dargestellte Vorrichtung hat als Beschallungsraum eine Beschallungskammer 19, an deren Stirnseitenwänden 20 und 21 der UltraschalIwandler 4 und der Reflektor 12 angebracht sind. Im Boden der Beschallungskammer 19 sind trichterförmige Absetzräume 9 vorgesehen, an deren tiefsten Stellen verschließbare Entnahmestutzen 10 angebracht sind. Die Absetzräume 9 sind von der Beschallungskammer 19 durch eine gitterrostartige Strömungsblende 11 getrennt. Die Flussigkeit wird uber den Zuleitungsstutzen 2 zugeleitet und über den Ableitungsstutzen 3 abgeleitet. Die Durchflußrichtung 6a verläuft in Schallausbreitungsrichtung. Die Stirnseitenwände 20, 21 verlaufen im rechten Winkel zur Durchflußrichtung.
Bei der in Fig. 4a und 4b dargestellten Vorrichtung ist als Beschallungsraum ein Gefäß 22 in Form eines geraden, aus schallhartem Material bestehenden, zylindrischen Rohres vorgesehen, in welchem ein zylinderförmiger, radial schwingender UltraschalIwandler 23 koaxial eingebaut ist. Im Gefäß 22 wird ein dazu koaxiales zylindrisches Ultraschallfeld erzeugt.
Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem geraden lotrechten Rohr 1, in welches die Flüssigkeit über einen Stutzen 2 eingeleitet und über einen weiteren Stutzen 3 ausgeleitet wird. Das untere Röhrende 1a ist durch einen UltraschalIwandler 4 dicht abgeschlossen. Das obere Rohrende 1b ist offen. Die freie Flüssigkeitsoberfläche 37 wirkt hier als schalIweicher Reflektor.
Die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung hat als Beschallungsraum ein oben offenes Beschallungsbecken 38, an dessen Boden ein Ultraschallwandler 4 horizontal angebracht ist. Die freie Flüssigkeitsoberfläche 37 wirkt als schallweicher Reflektor.
Die in Fig. 8 dargestellte Versuchsanordnung ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung versehen, deren Ultraschallwandler 27 von einem Breitbandverstärker 33 geepeist wird, wobei dieser Breitbandverstärker von einem HochfrequenzSignalgenerator 32 gesteuert wird. Der Beschallungsraum der Vorrichtung ist durch ein Beschallungsbecken 24 gebildet. An einer Schmalseite 25 des Bsschallungsbeckens 24 ist der UltraschalIwandler 27 auf einer Messingplatte 26 angebracht und es ist an der gegenüberliegenden Schmalseits 30 des Beschallungsbeckens 24 ein Reflektor in Form einer Messingplatts 31 angeordnet. Die in Fig. 9a und 9b dargestellte Vorrichtung weist als Beschallungsraum einen lotrechten zylindrischen Beschallungstank 39 auf, welcher unten durch einen trichterförmigen Absetzraum 9 abgeschlossen ist, der einen verschließbaren Entnahmestutzen 10 besitzt. Im Beschallungstank 39 ist ein rohrformiger UltraschalIwandler 40, durch welchen die Flüssigkeit in den Beschallungsraum geleitet wird, koaxial eingebaut. Am oberen Ende des Beschallungstanks 39 befindet sich eine horizontale, kreisringförmige Rinne 41 zur Ableitung der gereinig ten Flüssigkeit. Die zu beschallende Flüssigkeit 6 durchström zuerst den UltraschalIwandler 40 und strömt dann an der Außenseite dieses Wandlers im Beschallungstank 39 nach oben, wonach sie über die Rinne 41 adgeleitst wird.
Die Fig. 10 zeigt eine Vorrichtung, die einen quaderförmigen Beschallungstank 42 aufweist, in welchen zwei Wände 43 und 44 eingebaut sind, welche UltraschalIwandler 4 tragen. Die Wände 43 und 44 verlaufen parallel zu den Seitenflächen 45, 46, 47, 48 des Beschallungsttanks 42 und stehen im rechten Winkel zueinander und schneiden einander, so daß oer Beschallungsraum in vier durchströmbare Teilraume 50, 51, 52, 53 geteilt wird. Die UltraschalIwandler bilden m den Teilräumen Ultraschallfelder, die einander im rechten Winkel schneiden.
Die in Fig. 11 dargestellte Vorrichtung weist einen Parallelplattenabscheider mit einer Gruppe geneigter und zueinander paralleler Abscheideplatten 54 und zwei zu den Abscheideplatten parallele UltraschalIwandler 4 auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend an Hand eines Beispiels weiter erläutert:
B e i s p i e l : Es wurde eins Versuchsanordnung nach Fig. 8 verwendet und das quaderförmige Beschallungsbecken 25 der Vorrichtung, welches die Abmessungen 12 x 6 x 5 cm hatte, mit wässeriger Kohlesuspension 28 gefüllt. Der Kohleanteil der Suspension 28 war ca. 10 g/I. Die Korngrößenverteilungekurve der suspendierten Kohlepartikel ist in Fig. 7 dargestellt. Vor dem Beschallungsversuch wurde die rasch absetzbare Korngrößenfraktion durch Sedimentation von der Kohlesuspension 28 abgetrennt.
An einer Schmalseite 25 des Beschallungsbeckens 24 wurde eine auf eine Messingplatte 26 leitend aufgeklebte Piezokeramikscheibe 27 mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von ca. 2 mm in lotrechter Lage der Messingplatte 26 in die Suspension 28 getaucht. An der gegenüberliegenden Schmalseite 30 des Beschallungsbeckens 24 wurde eine ca. 3 mm dicke Messingplatte 31 lotrecht und parallel zur Piezokeramikschsibe 27 in die Suspension 28 getaucht.
Sodann wurde eine hochfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz von 1,1 MHz an die Piezokeramikscheibe angelegt. Die Hochfrequenzspannung wurde mittels eines Signalgenerators 32 und eines Brsitbandverstärkers 33 erzeugt. Die vorlaufende sowie die reflektierte elektrische Leistung wurden mittels eines Hochfrquenzwattmeters 34 gemessen. Im gegenständlichen Versuch wurde die vorlaufende Leistung mit 7 Watt gemessen. Es trat praktisch keine refiektierte Leistung auf. Etwa 20 Sekunden nach Beginn der Beschallung ordneten sich dis Kohlepartikel in lotrechten Ebenen 36 an, welche einen gegenseitigen Normalabstand von etwa 0,7 mm hatten und zur Piezokeramikscheibe 27 parallel waren.
Nach etwa weiteren 20 Sekunden konnte eine Koagulation der Kohlepartikel in den Ebenen 36 mit freiem Auge deutlich beobachtet werden. Die Koagulate begannen bereits während der Beschallung, welche nach ca. 4 Minuten beendet wurde, zu sedimentieren. Die Koagulate waren auch nach Beendigung der Beschallung stabil.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Verfahren zur Flockung, Fällung, Agglomeration oder Koagulation von in einer Flüssigkeit gelösten, kolloidal gelösten, suspendierten oder emulgierten Inhaltsstoffen oder Mikroorganismen und zur Abtrennung dieser Stoffe oder Mikroorganismen aus dieser Flüssigkeit, wobei die mit den abzutrennenden Inhaltsstoffen und/oder Mikroorganismen beladene Flüssigkeit der Feldwirkung von Ultraschallwellen unterworfen wird, weiche eine Ansammlung abzutrennender Teilchen in den Schwigungsknotenbereichen oder Schwingungsbauchbereichen der Ultraschallwellen bewirken, und die so angesammelten Teilchen von der Flüssigkeit abgetrennt werden, welche Abtrennung insbesondere durch Sedimentation erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Inhaltsstoffen oder Mikroorganismen beladene Flüssigkeit einem oder mehreren Feldern stehender Ultraschallwellen ausgesetzt wird, wobei die Ultraschallfrequenz f großer ist als ein Siebentel der Grenzfrequenz fo, wobei der Bereich oberhalb der halben Grenzfrequenz fo bevorzugt ist und für fo gilt:
fo (Hz) = 0,4775 n/R2; hiebei ist n die kinematische Viskosität der Flüssigkeit in m2/s und R der wirksame Partikelradius in m; der wirksame Partikeiradius R ist bei kugelförmigen Partikeln gleich deren Radien, für Partikel anderer Gestalt ist R der Radius jener Kugel aus gleichem Stoff, welche der oszillierenden Flüssigkeit den gleichen Strömungswiderstand entgegensetzt.
2 . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Durchfluß beschallt wird.
3. Verführer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in annähernd im rechten Winkel zur Schallausbrei tungsrichtung des Ultraschalles verlaufendem Durchfluß durch ein oder mehrere Felder stehender UltraschalIwellen hindurchgeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in laminarer Strömung durch das Ultraschallfeld beziehungsweise die Ultraschallfelder geleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüchs 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in einem stehenden Ultraschallwellenfeld, das zwischen zwei parallelen und einander gegenüberliegend angeordneten Ultraschallwandlern gebildet wird, beschallt wird, wobei die einander gegenüberliegenden Ultraschallwandler mit elektrischen Schwingungen gleicher Frequenz, jedoch sich stetig änderndem Phasenwinkel zwischen den beiden Erregersignalen angeregt werden und so eins langsame Relativbewegung des Wellenfeldes in bezug auf die UltraschalIwandler herbeigeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüchs 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit zwei Ultraschallfeldern ausgesetzt wird, welche einander räumlich innerhalb des Beschallungsraumes überschneiden und gleichzeitig oder alternierend auf die Flüssigkeit einwirken, wobei vorzugsweise zwei ebene Ultraschallfelder, die einander im rechten Winkel schneiden, angewendet werden, wobei die Schnittlinien der Schwingungsknotenebenen parallel zur Durchflußrichtung der Flüssigkeit verlaufen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in einem zylindrischen Ultraschallfeld, dessen Schwingungsknoten in annähernd zylindrischen und zueinander koaxialen Flächen liegen, und durch das die Flüssigkeit annähernd parallel zur geometrischen Achse des Feldes hindurchgeleitet wird, oder aufeinanderfolgend im mehreren solchen Feldern, beschallt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß den für die Beschallung verwendeten Ultraschallwandlern eine elektrische Schwingung mit einer Leistung von weniger als 3 Watt/cm2 der Wandleroberfläche zugeführt wird, wobei der Bereich zwischen 0,5 und 2 Watt/cm2 bevorzugt ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zu behandelnden Flüssigkeit eine Ultraschallenergie zwischen 0 , 05 und 10 kWh pro m3 zugeführt wird, wobei der Bereich zwischen 0,1 und 4 kWh bevorzugt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallbehandlung zur Vermeidung von Kavitation in geschlossenen Behältern oder Rohren unter einem Druck durchgeführt wird, der höher ist als die Summe des Dampfdruckes der Flüssigkeit und der Druckamplitude der Ultraschallschwingung.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Behandlung von Mineralstoffsuspensionen Ultraschallfrequenzen zwischen fo/3 und 10 fo mit Bevorzugung des Bereiches zwischen fo und 4 fo verwendet werden.
12. Ver f ah ren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Behandlung von Flüssigkeiten mit Inhaltsstoffen, deren Dichte annähernd der Dichte der Flüssigkeit entspricht, Ultraschallfrequenzen zwischen 2 fo und 15 fo verwendet werden, wobei der Bereich zwischen 3 fo und 5 fo bevorzugt ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Koagulation von Kohlepartikeln, die sich in Wasser befinden, Ultraschallfrequenzen zwischen fo/2 und 10 fo verwendet werden, wobei der Bereich zwischen fo und 4 fo bevorzugt ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Koagulation von Inhaltsstoffen, deren Dichte sich wesentlich von der Dichte der Flüssigkeit unterscheidet, insbesondere zur Koagulation suspendierter Metallstäube, Ultraschallfrequenzen zwischen fo/7 und 10 fo mit Bevorzugung des Bereiches zwischen fo/6 und fo/2 verwendet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallfrequenz im Zuge der Beschallung der Flüssigkeit - insbesondere stufenweise verändert, vorzugsweise herabgesetzt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüchs 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschallung der Flüssigkeit intermittierend vorgenommen wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschallung der Flüssigkeit mit amplitudenmoduliertem Ultraschall vorgenommen wird, wobei der Modulationsgrad vorzugsweise größer als 70 % gewählt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschall, der mit einer unter 20 kHz liegenden Frequenz amplitudenmoduliert ist, verwendet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüchs 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeit vor der Beschallung ein pulverförmiges Adsorptionsmittel, vorzugsweise Aktivkohle, beigemengt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeit vor der Beschallung zur Ermöglichung oder Verbesserung der Koagulation ihrer Inhaltsstoffe Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel zudosiert werden.
21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschallungsraum der Vorrichtung durch ein gerades Rohr gebildet ist, das an einem
Ende (1a) durch einen Ultraschallwandler (4) und am anderen Ende (1b) durch einen vorzugsweisen schallharten Reflektor (5) rechtwinkelig und dicht abgeschlassen ist, wobei nahe der beiden Rohrenden seitlich die Zuleitung (2) und die Ableitung (3) für die zu beschallende Flüssigkeit (6) angebracht sind (Fig. 1).
22. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschallungsraum der Vorrichtung durch ein gerades Rohr (1) gebildet ist, das an seinem unteren Ende (1a) durch einen Ultraschallwandler (4) rechtwinkelig und dicht abgeschlossen ist und an seinem oberen Ende (1b) offen ist, wobei nahe der beiden Rohrenden
(1a, 1b) seitlich die Zuleitung (2) und die Ableitung (3) für die zu beschallende Flüssigkeit (6) angebracht sind (Fig.5).
23. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Beschallungsbecken (38) aufweist, an dessen Boden horizontal ein oder mehrere Ultraschallwandler (4) angebracht sind (Fig. 6).
24. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschallungsraum der Vorrichtung durch einen Beschallungstank (8) gebildet ist, der an oder in einer zur horizontalen Durchlfußrichtung der Flüssigkeit (6) parallelen Seitenwand (13) ein oder mehrere Ultra¬schalIwandler (4) und an der gegenüberliegenden zur Durchflußrichtung parallelen Seitenwand (14) Schallreflektoren (12) aufweist und in dessen Tankboden (7) ein oder mehrere vorzugsweise trichterförmige Absetzräume (9) vorgesehen sind, welche vorzugsweise oben durch Strömungsblenden (11) begrenzt sind und an deren tiefsten Stellen Entnahmevorrichtungen (10) für die abgesunkenen Partikel angebracht sind (Fig. 2a, 2b).
25. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschallungsraum der Vorrichtung durch eine Beschallungskammer (19) gebildet ist, welche von der Flüssigkeit horizontal durchströmt wird, daß an den beiden zur Durchflußrichtung im rechten Winkel verlaufenden Seitenwänden (20, 21) der Beschallungskammer (19) ein oder mehrere UltraschalIwandler (4) oder UltraschalIwandler und Reflektoren einander gegenüberliegend und parallel zueinander angeordnet sind und daß im Boden der Beschallungskammer (12) ein oder mehrere trichterförmige Absetzräume (9) vorgesehen sind, welche vorzugsweise oben durch Strömungsblenden (11) begrenzt sind und an ihren tiefsten Stellen Entnahmevorrichtungen (10) für die abgesunkenen Partikel aufweisen Fig. 3a,
3b).
26. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschallungsraum der Vorrichtung durch einen durchströmbaren quaderförmigen Beschallungstank (42) gebildet ist, in den zwei zueinander im rechten Winkel stehende und ebene Wände (43, 44) eingebaut sind, welche Gruppen von UltraschalIwandlern (4) tragen, wobei diese Wände (43, 44) zu den Seitenflächen (45, 46, 47, 48) des Beschallungstankes (42) parallel verlaufen und einander innerhalb des Beschällungsraumes vorzugsweise so schneiden, daß der Beschallungsraum in zwei oder mehrere durchströmbare Teilräume (50, 51, 52, 53) geteilt wird (Fig. 10).
27. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschallungsraum der Vorrichtung durch ein Gefäß (22) m Form eines geraden Zylinders aus vorzugsweise schallhartem Material gebildet ist, in weichen ein zylindrischer, radial schwingender UltraschalIwandler (23) koaxial eingebaut ist (Fig. 4a, 4b).
28. Vorrichtung nach Ansprüch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische UltraschalIwandler (23) rohrförmige Gestalt hat und sowohl in seinem Inneren von der Flüssigkeit (6) durchströmt als auch außen von der Flüssigkeit umströmt wird
(Fig. 9a, 9b).
29. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Beschallungsraum der Vorrichtung ein Parallelplattenabscheider (55) angeordnet ist, durch dessen zwischen den Abscheideplatten (56) liegenden Zwischenräumen (57) die Flüssigkeit (6) hindurchgeleitet wird, und daß zwei ebene Gruppen von Ultraschallwandlern (4) parallel zum Abscheideplattenpaket angeordnet sind, wobei das gesamte Abscheideplattenpaket zwischen den UltraschalIwandlern liegt, und die Dicke der Abscheideplatten (56) vorzugsweise einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Ultraschalles in diesen Abscheideplatten entspricht und die Oberflächenrauhigkeit der Abscheideplatten ein Zehntel der UltraschalIwellenlänge nicht übersteigt (Fig. 11).
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß UltraschalIwandler aus piezoelektrischen Kunststoffen, vorzugsweise aus Polyvinylidenfluorid, vorgesehen sind.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die UltraschalIwandler aus Schichten eines polarisierbaren Stoffes aufgebaut sind, die als Pulverbesch ichtung auf Tragplatten aufgebracht sind.
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