EP1558531A1 - Verfahren und reaktor zum entkalken und gleichzeitigem entfernen von schadstoffen - Google Patents

Verfahren und reaktor zum entkalken und gleichzeitigem entfernen von schadstoffen

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EP1558531A1
EP1558531A1 EP03757920A EP03757920A EP1558531A1 EP 1558531 A1 EP1558531 A1 EP 1558531A1 EP 03757920 A EP03757920 A EP 03757920A EP 03757920 A EP03757920 A EP 03757920A EP 1558531 A1 EP1558531 A1 EP 1558531A1
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EP
European Patent Office
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reactor
water
plate
heating
outlet
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03757920A
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English (en)
French (fr)
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Massoud Karimnia
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Original Assignee
Individual
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Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1558531A1 publication Critical patent/EP1558531A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F5/00—Softening water; Preventing scale; Adding scale preventatives or scale removers to water, e.g. adding sequestering agents
    • C02F5/02—Softening water by precipitation of the hardness
    • C02F5/025—Hot-water softening devices
    • 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
    • C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
    • 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
    • C02F1/20—Treatment of water, waste water, or sewage by degassing, i.e. liberation of dissolved gases
    • 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
    • C02F1/72—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/74—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation with air
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2301/00—General aspects of water treatment
    • C02F2301/02—Fluid flow conditions
    • C02F2301/024—Turbulent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/04—Disinfection
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2307/00—Location of water treatment or water treatment device
    • C02F2307/04—Location of water treatment or water treatment device as part of a pitcher or jug
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies
    • Y02W10/37—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies using solar energy

Definitions

  • the invention relates to a method for. Descaling 'water and removing pollutants at the same time, disinfecting and killing bacteria and permanent forms of parasites in a reactor with inlet and outlet according to the preamble of claim 1.
  • ion exchangers In the case of ion exchangers, calcium and magnesium ions are exchanged for other ions which are questioned in drinking water treatment because of their health effects, since they lower the pH value by releasing protons to the water. Added to this are the bacteriological concerns and the fact that they have to be regenerated with chemicals after exhaustion and thus pollute the environment.
  • a disadvantage of small devices that are used in households and decalcify water with the help of ion exchangers is, besides the reduction of the pH value below the set limit in the drinking water ordinance and fluctuation in performance, as well as the unreliability of their effectiveness during use of exhaustion is not possible.
  • ion exchangers are housed in exchangeable plastic cartridges in household appliances. It is reported that in drinking water treatment devices that are made of plastic, plasticizers are released through them into the water.
  • the object of the present invention is now to improve the method mentioned at the outset in such a way that it avoids the problems described and decalcify water without great expenditure on equipment and maintenance, and at the same time eliminates pollutants from the water. niert and cause the disinfection and killing of permanent forms of parasites.
  • Another goal is to define the lime-carbonic acid equilibrium and to set it beforehand in such a way as to prevent incrustation (so-called fouling) of the installations.
  • Limescale deposits should also detach from the heat transfer surfaces in both continuous and discontinuous reactor devices and should not lead to permanent incrustation.
  • the task and the objective are achieved in terms of the procedure by the method characterized in claim 1 or by the reactor according to claim 2.
  • the plate (s) used in the reactor with air gassing converts the laminar flow into a turbulent and convective flow.
  • this turbulence is directed as close as possible to the phase interface (reactor wall), in order to increase the mass transfer there and to accelerate the heterogeneous nucleation, since in the case of heterogeneous nucleation, the critical nucleation work and thus the nucleus radius are reduced due to the surface energy of the alien phase , For this reason, heterogeneous and secondary nucleation take place with lower supersaturation.
  • the plate (s) offers further areas for preferred heterogeneous nucleation.
  • the crystallization of hardness formers in water is the precipitation crystallization.
  • crystallization in precipitation crystals on only with higher supersaturation and the heterogeneous plays a larger role than the homogeneous nucleation.
  • the nucleation and crystal growth are also promoted by the appropriate material and rough mass transfer area between the reactor wall and water. It is reported that gas bubbles as foreign particles also support heterogeneous nucleation.
  • the invention also takes advantage of the property of the gases that on the one hand their solubility in water decreases as the temperature rises and on the other hand gases can be expelled mechanically from the water with the aid of a stripping gas.
  • an increase in temperature coupled with gassing leads to more effective outgassing of volatile and medium-volatile compounds, lime precipitation, precipitation of certain salts and oxidation of oxidizable substances.
  • Atmospheric oxygen is known to be an oxidizing agent and is often used to treat drinking water.
  • the method according to the invention also makes use of the possibility of better heat transfer, chemical reactions at elevated temperatures and pH increase, and convective mixing through gassing with air and the boiling process if the water heats up to the boil should be.
  • the speed of nucleation, crystal growth during precipitation crystallization and other reactions within the treatment room depend on various parameters. Among them are Supersaturation of the precipitated salts, foreign particles in the water, desorption of the resulting gas, the material of the reactor (surface energy and wettability) and the surface structure (roughness) of the mass transfer surface and finally the flow velocity of the water at the phase interface, which enables more intensive surface renewal at the phase interfaces ,
  • the nucleation work on areas with good wettability by water is reduced.
  • the reason is that such a material forms a small contact angle with the water drop.
  • the nucleation on these surfaces or the contact angle between the water and the material surface also depend to a large extent on the roughness of the reactor and plate surface. If a smooth surface can be wetted relatively well, the wettability is further improved by dewatering. Very important when roughening, however, the microscopic and less the macroscopic roughness.
  • turboidal turbid substances in the water e.g. humic substances
  • gases, volatile and medium-volatile substances other than carbon dioxide, such as Chlorine, ammonia, hydrogen sulfide and other organic substances that have a higher vapor pressure than water, including volatile organic hydrocarbons (LHKW), by-products of the chlorination of water, etc., which occur as water contamination are removed from the water.
  • volatile organic hydrocarbons LHKW
  • this plate / s Another function of this plate / s is that the limescale deposits by intensive mixing and possibly boiling the water do not form vertically growing crystals, but layer crystals with a lower adhesive strength.
  • turbulent flow as is well known, strong, locally acting increases in the liquid velocity in the vicinity of the surfaces occur in the form of various eddies (so-called bursts).
  • bursts eddies
  • the layer crystals are removed as platelets and released into water. This is irrespective of whether the reactor is heated by direct or indirect heating. This prevents calcification of the reactor and heat transfer due to calcification of the heating surface is not reduced.
  • the simplest embodiment of this device according to the invention is a discontinuously operated device or reactor which is operated with the aid of a external energy source is heated and ventilated from below.
  • a plate at a distance from the floor for guiding the flow and increasing turbulence is not attached to the reactor wall, but to the cover of the treatment room.
  • the plate is arranged horizontally and centrally so that the above conditions are optimized.
  • the plate has a perforated border and therefore also has the function of collecting and retaining the missing residues on the plate. When the water is poured out, the residues remain on the plate (s) and the water on the plate (s) can leak through holes, so that there is no water on the plate (s) when the plate (s) is removed.
  • the treatment room In order to reduce the volume of the water remaining in the treatment room, the treatment room is somewhat narrowed at the bottom during discontinuous operation. Even in the case of small reactors, the water may only be removed from the treatment room through the outlet, otherwise the residues and water will mix.
  • the water treated in this way can be removed from the treatment room immediately after the treatment, or it may only be necessary to remove it after cooling in the treatment room, since compounds at low temperatures often have a lower solubility.
  • the use of the plate (s) with simultaneous heating contributes to the fact that an intensive partial mixing takes place below the plate (s).
  • the heating generally causes a flow with increasing diffusion speed in the water, which results in a mixing of the water.
  • the air entry not only accelerates the desorption of the carbon dioxide, but also contributes to the homogeneous macro and micro mixing of the water. Micro-mixing plays a particularly important role in precipitation crystallization.
  • the last step can be carried out in a further simple bubble column with ventilation and without additional heating, where a larger material transfer due to the missing plate (s) than the first reactor (Fig. 8). It is also possible to work with a larger air throughput than in the first reactor.
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view through a reactor according to the invention in its simplest embodiment, which has a gassing device.
  • Fig. 2 schematic cross-sectional views of two further to 3 reactors according to the invention with their own electrical direct and indirect heating devices and external gassing.
  • Fig. 4 is a schematic representation of another
  • Fig. 5 is a schematic representation of another
  • Fig. 6 is a schematic representation of yet another embodiment of a reactor according to the invention for discontinuous operation with several plates and additional lateral heating;
  • Fig. 7 is a schematic representation of yet another embodiment of a double-walled reactor according to the invention for continuous operation with several plates;
  • Fig. 8 is a schematic representation of yet another embodiment of a reactor according to the invention with several plates, lateral heating and a downstream bubble column for continuous operation;
  • Fig. 1 shows the simplest embodiment of the reactor, which consists of the following parts: the treatment room 1, cover 2, the rods 3 that connect the plate 4 to the cover, perforated border 5, the air distributor 6, the ventilation pump 7, the is connected to the distributor via a check valve 8, the activated carbon filter 10 and can be heated from below with the aid of external energy sources 11.
  • Fig. 2 u. 3 shows two further reactors with their own electric heating 11 and electric controller 12 and a housing as a stand, which either indirectly or directly heat the water and, by increasing the distance of the treatment room from the floor, make it easier for the water to be poured out through the outlet.
  • the air on the suction side can be passed through an activated carbon filter 10 in order to prevent the water from being contaminated by any pollutants in the air introduced.
  • aeration pump 7, activated carbon filter 10, heating 11 and controller 12 are all integrated in housing 13 under the treatment room.
  • a bimetal is not provided for regulating the power supply in the reactors according to the invention, as is customary in the case of kettles, but rather an electronic controller which regulates the output of the heating as desired.
  • heat is interrupted when the water reaches a certain temperature.
  • the water may need a longer period of uninterrupted energy supply for effective treatment, so that it cannot be regulated with bimetal.
  • the medium needs less energy to keep its temperature constant at a certain level.
  • the control can be carried out manually or automatically according to a schedule.
  • the standards for larger reactors for discontinuous operation can be observed while observing the above. Optimizations can be enlarged as required, additionally heated laterally and the number of plates can be increased. In order to save energy, the treatment room can also be provided with insulating material, thereby reducing heat loss.
  • the reactor has an additional outlet valve 9 for sludge removal and an inclined bottom 14 at the lowest point of the treatment room.
  • a larger discontinuous reactor can be equipped with several plates with a border, which can be heated not only from the bottom, but also from the side, or can be double-walled (Fig. 6 and 7).
  • the system consists of a reactor and a bubble column, where the water after treatment in the first reactor is only further aerated here (Fig.8) and a sedimentation basin (Fig.9).
  • the inside of the reactor is equipped with several plates horizontally centered or offset and can be double-walled and additionally heated from the side. It is also irrelevant here whether the heating is carried out directly or indirectly. With direct heating are the opposite for the above-mentioned laid-open publication DE 19727357 A1, the heating rods are not arranged obliquely, but horizontally and in the lower region of the plates. In this reactor the water is heated to the desired temperature and aerated at the same time.
  • the water enters a bubble column, where the water is only aerated, and finally there is a sedimentation basin, which is also a heat exchanger.
  • the water reaches the consumer from there and the sediments are drawn off through the drain valve. If for some reason the use of a bubble column is not possible, the process can be carried out without it, but with a somewhat longer residence time in the first reactor (see Fig.10).
  • the continuously operating reactor can also only be used to reduce lime or adjust the lime-carbonic acid equilibrium in water to be set at the respective temperature, in order to avoid calcifications in installations.
  • the pollutants that can occur in the water are very numerous, and all of these cannot be removed from the water without the addition of chemicals using the aforementioned process. In order that other pollutants can be removed from the water at elevated temperature according to the invention, it is sometimes necessary to use chemicals or other gases for this purpose.
  • iron and aluminum chloride are used for water treatment to eliminate phosphates, humic substances, colloids and heavy metals. These form microflakes in the water at room temperature with intensive stirring, which absorb these pollutants in the form of hydroxo complexes and so on withdraw from the water. These microflakes are difficult to sediment at normal room temperature ranges. In order to produce removable macro flakes from micro flakes, additional polymers (flocculation aids) are required. A production of liquid polymers and their addition together with iron and. Aluminum chloride with precisely calculated stirring intensities is very complex and difficult, so that it can only be used for larger water and wastewater treatment plants (e.g. in the so-called third cleaning stage or simultaneous precipitation of municipal sewage treatment plants).
  • flocculants dissolve completely in water only at higher temperatures and mix ideally in the water without great effort.
  • mixing also takes place automatically by heating the water.
  • these initially form micro- and after further cooling also without flocculants, macro-flakes that settle easily.
  • This process does not only require an intensive stirring process, but also the use of polymers. In this way, these chemicals can also be used very effectively and inexpensively in smaller reactors without the aid of stirrers, etc. This process runs even better through ventilation, so that from temperatures of approx. 30 ° C large and easily sedimentable flakes are formed, which fail after ventilation and cooling have been switched off.
  • This method is particularly suitable for the treatment of large quantities of water and waste water for warm regions, where the water can easily be brought to high temperatures with the help of solar energy.
  • a further device when the reaction is carried out batchwise.
  • a sloping sedimentation basin and a second drain valve in addition to the residues on the plate, which are disposed of externally, residues under the plate can also be removed from below. Ventilation takes place through a valve and chemicals are added manually to the treatment room (see Fig. 6).
  • the chemical thermal process can be carried out without further ado in the continuous plant according to the invention and a metering pump is used for metering chemicals.
  • these or other chemicals and gases can be added to the water as required.
  • the thermal reactor according to the invention is a high-performance reactor for carrying out chemical reactions at higher temperatures, in particular in dilute solutions with a small proportion of reactants, which can also be used in other areas of chemical reaction control.
  • the treatment room can be heated not only electrically, but also by changing it with the help of fossil or renewable energy sources.
  • the reactor according to the invention for the treatment of water can generally be used for decentralized drinking water treatment for consumers and especially in regions without an electrical power connection and disaster areas.
  • Batteries are used because the air pumps have a very low power requirement.
  • reactor and the plate (s) have different shapes, such as round and cylindrical,
  • hot steam or hot oil is used as the heating source for heating the double-walled reactor

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Reaktor zum Entkalken von Wasser und gleichzeitigem Entfernen von Schadstoffen, sowie Desinfektion und Abtötung von Dauerformen von Parasiten. Der Stand der Technik arbeitet mit relativ grossem apparativem und energiemässigem Aufwand, wobei die erzielten Ergebnisse häufig unzureichend sind. Die Erfindung schafft hier Abhilfe dadurch, dass das Wasser direkt oder indirekt im Behandlungsraum erwärmt wird, dass eine oder mehrere horizontal verlaufende Platten mit perforierter Umrandung zur Umlenkung der Wasserströmung und Aufnahme von Rückständen im unteren Bereich des Reaktors beabstandet von seinem Boden und seiner Seitenwand befestigt sind, und dass eine Begasungsvorrichtung ausserhalb des Reaktors vorgesehen wird, die eine mittig in den Reaktor hinein führende Leitung mit Gasverteiler aufweist, welche unterhalb der Platte(n) endet, und dass bei diskontinuierlich betriebenen Reaktor der Auslauf zwischen dem Reaktorboden und der bzw. den Platte(n) angeordnet ist, während der Auslauf bei kontinuierlich betriebenen Reaktor oberhalb der Platte(n) liegt.

Description

Verfahren und Reaktor zum Entkalken und gleichzeitigem Entfernen von Schadstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum. Entkalken' von Wasser und gleichzeitigem Entfernen von Schadstoffen, sowie Desinfektion und Abtötung von Bakterien und Dauerformen von Parasiten in einem Reaktor mit Zu- und Aus- lauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Entkalkuαg von Wasser sind Kalkhydratfällung, Imp'f- geräte zur Calciumcarbonatbildung und Ionenaustauscher verbreitet. Bei diesen Verfahren handelt es sich um chemische Aufbereitung. Es gibt auch Verfahren, die auf physikalischer Basis arbeiten. Darunter sind Entkalkung durch Veränderung der Kristallstruktur im Magnetfeld, z.B. die DE 43 36 388, Kavitation, Umkehrosmose, Membranfiltration. Es gibt ferner thermische Behandlungsverfahren, z.B. Patentanmeldung DE 197 27 357 A1 , die eine Verhinderung der Kalkablagerung in Hausinstallationen zum Ziel hat, wird mit Hilfe von Wärmezufuhr im Bereich 50-90 °C in einer kontinuierlich arbeitenden Anlage eine Kalkbildung hervorgerufen, damit es in Hausinstallationen zu keiner weiteren Kalkbildung, kommt.
Allen genannten Verfahren wird zumeist eine positive Beeinflussung der Kaikabscheidung oder Verhinderung der Kalkbildung in Installationen .bescheinigt . Nachteilig hierbei ist jedoch, dass diese Verfahren eine gleichzeitige effektive Kalkreduktion und Schadstoffeliminierung in Wasser, sowie dessen Konditionierung nicht zum Ziel haben und somit für weitere Zwecke zur Behandlung von z.B. Trinkwasser, Grundwasser und Oberflächenwasser gar nicht öder nur bedingt in Frage kommen. Bei einigen Ver¬ fahren ist die angewandte Technik aufwendig und können -meistens für größere Wassermengen praktikabel und rentabel sein.
Nachteilig »beim thermischen Verfahren, Offenlegungs schrift DE 197 27 357 A1 , ist aber, dass es bezüglich der Reaktionsführung uneffektiv und energieintensiv ist. Ferner uss mit langen Verweilzeiten gearbeitet werden und Schadstoffe werden damit nicht bzw. unzureichend eliminiert. Außerdem sind die vorbekannte Vorrichtung und das Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser in diskontinuierlich arbeitenden Anlagen und kleinem Maßstab (z.B. Haushalte) nicht geeignet.
Im Fall von Ionenaustauschern werden Calcium- und Magnesium-Ionen gegen andere Ionen ausgetauscht, die bei der Trinkwasseraufbereitung wegen ihrer gesundheitlichen Wirkungen in Frage gestellt sind, da sie durch Abgabe von Protonen an das Wasser den pH-Wert erniedrigen. Hinzu kommen die bakteriologischen Bedenken und die Tatsache, dass sie nach Erschöpfung mit Chemikalien regeneriert werden müssen und dadurch die Umwelt belasten. Nachteilig bei kleinen Geräten, die in Haushalten eingesetzt werden und mit Hilfe von Ionenaustauschern Wasser entkalken, ist außer der Reduzierung des pH-Wertes bis unter dem festgesetzten Grenzwert in der Trinkwasserverordnung und Schwankung der Leistung sowie Unzuverlässig- keit ihrer Effektivität während des Einsatzes, eine Feststellung der Erschöpfung nicht möglich. Bekanntlich werden Ionenaustauscher in Haushaltsgeräten in wechsel- baren Kunststoff-Patronen untergebracht. Es wird berichtet, dass bei Trinkwasserbehandlungsgeräten, die aus Kunststoff bestehen, Weichmacher durch diese an das Wasser abgegeben werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, das eingangs genannte Verfahren derart zu verbessern, dass es die geschilderten Probleme vermeiden und ohne großen apparativen Aufwand und Wartung Wasser entkalken, gleichzeitig Schadstoffe aus dem Wasser elimi- niert und die Desinfektion und Abtötung von Dauerformen von Parasiten bewirken. Ein weiteres Ziel ist es, das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht definiert und vorher bestimmbar so einzustellen, um eine Verkrustung (sog. Fou- ling) der Installationen zu unterdrücken. Auch sollten sich Kalkablagerungen sowohl bei kontinuierlich, als auch diskontinuierlich arbeitenden Reaktorvorrichtungen von den Wärmeübertragungsflächen lösen und nicht zu einer permanenten Verkrustung führen.
Erfindungsgemäß werden die Aufgabe und das Ziel in ablaufgemäßer Hinsicht durch das in Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. durch den Reaktor gemäß Anspruch 2 gelöst.
Die Strömung bei Erwärmung von Wasser ist mehr oder weniger laminar und findet mehr oder weniger im inneren Bereich des Wassers statt. Durch die eingesetzte/n Platte/n in den Reaktor mit Luft-Begasung wird erfindungsgemäß zum einem die laminare Strömung in eine turbulente und konvektive Strömung umgewandelt. Daneben wird diese Turbulenz möglichst in die Nähe der Phasengrenzfläche (Reaktorwand) geleitet, um so den Stoffaustausch dort zu vergrößern und die heterogene Kristallkeimbildung zu beschleunigen, da bei der heterogenen Keimbildung aufgrund der Oberflächenenergie der artfremden Phase die kritische Keimbildungsarbeit und somit auch der Keimradius sich verringert. Aus diesem Grund laufen die heterogene und sekundäre Keimbildung bei niedrigerer Übersättigung ab. Zum anderen bietet/n die Platte/n weitere Flächen zur bevorzugten heterogenen Kristallkeimbildung.
Bei der Kristallisation von Härtebildnern im Wasser handelt es sich um die Fällungskristallisation. Bekanntlich setzt die Kristallisation bei der Fällungskristallisati- on erst bei höherer Übersättigung ein, und dabei spielt die heterogene eine größere Rolle als die homogene Keimbildung. Die Keimbildung und das Kristallwachstum werden darüber hinaus durch das geeignete Material und rauhe Stoffaustauschfläche zwischen der Reaktorwand und Wasser gefördert. Es wird berichtet, dass auch Gasblasen als fremde Partikel die heterogene Keimbildung unterstützen.
Einen positiven Effekt auf die Keimbildung bei Fällungskristallisation hat ebenfalls nicht nur die Makro-, sondern auch die Mikrovermischung der Reaktionspartner. Die Begasung und Herstellung einer intensiven Vermischungszone unterhalb der Platte (n) it gleichzeitiger Desorpti- on des Kohlendioxids bewirken, dass die Kristallisation insgesamt mit erheblich geringerer Übersättigung als sonst stattfindet. Eine Kristallisation bei geringerer Übersättigung bedeutet ferner, dass dadurch mehr Kalk und Kohlendioxid aus dem Wasser entfernt wird. Dieser Effekt hat ebenfalls zur Folge, dass der pH-Wert des Wassers mit Hilfe dieses Verfahrens höher ansteigt als bei der Entkalkung in herkömmlichen Reaktoren, was zu einer besseren Ausfällung von Schwermetallhydroxiden führt .
Calcium- und Magnesiumcarbonat sowie Calciumsulfat besitzen im Gegensatz zu weiteren Salzen die Eigenschaft, dass ihre Löslichkeit mit zunehmender Temperatur im Wasser abnimmt. Daraus folgt, dass die Übersättigung an wärmeren Kontaktflächen (Heizfläche und Reaktorwand) zur Keimbildung eher erreicht wird als im Wasser. Deshalb findet die Kristallisation dieser Salze in erster Linie auf diese Flächen. Die Umlenkung der Wasserstromung an die Nähe der Reaktorwand bewirkt eine Verkleinerung der laminaren Schicht in diesem Bereich und begünstigt den Stoff- und Energieaustausch. Aus diesem Grund gewinnt insbesondere die Fläche der wärmeren Austauschfläche (Schlankheitsgrad des Reaktors) eine bedeutende Rolle bei der Fällungskristallisation der Härtebildner im Wasser. Ferner wird verständlich, dass erfindungsgemäß eine zusätzliche seitliche Erwärmung des Reaktors die Kristallisation weiter fördert. Diese lässt sich sowohl durch elektrische Ringheizkörper als auch durch einen doppel- wandigen Reaktor, dessen Mantel mit Hilfe von Heißdampf oder Heißöl erwärmt wird, bewerkstelligt.
Die Erfindung macht sich ferner die Eigenschaft der Gase zunutze, dass einerseits bei steigender Temperatur ihre Löslichkeit im Wasser abnimmt und andererseits Gase mit Hilfe eines Strippgases mechanisch aus dem Wasser ausgetrieben werden können. Darüber hinaus führt eine Temperaturerhöhung gekoppelt mit Begasung zur effektiveren Ausgasung von leicht- und mittelflüchtigen Verbindungen, Kalkausscheidung, Ausfällung von bestimmten Salzen und Oxidation von oxidierbaren Stoffen. Luftsauerstoff ist bekanntlich ein Oxidationsmittel und wird oft zur Trinkwasserbehandlung eingesetzt.
Je nach Konsistenz des Wassers, pH-Wert, Konzentrationen von Härtebildnern und weiteren Parametern des Wassers und den gewünschten Zielen bei der Behandlung wird nicht nur das Wasser erhitzt und belüftet, sondern nötigenfalls entweder dessen Temperatur durch geringere Wärmezufuhr als vorher in diesem Temperaturbereich konstant gehalten und/oder die Luft-Begasung länger fortgesetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt weiterhin die Möglichkeit einer besseren Wärmeübertragung, chemische Reaktionen bei erhöhten Temperaturen und pH-Erhöhung sowie konvektive Durchmischung durch Luft-Begasung und den Siedevorgang, falls das Wasser bis zum Sieden erhitzt werden sollte.
Die Geschwindigkeit von Kristallkeimbildung, Kristallwachstum bei Fällungskristallisation und weiteren Reaktionen innerhalb des Behandlungsraumes hängen von verschiedenen Parametern ab. Darunter sind u.a. Übersättigung der ausfallenden Salze, artfremde Partikel im Wasser, Desorption des entstehenden Gases, das Material des Reaktors (Oberflächenenergie und Benetzbarkeit) und die Oberflächenstruktur (Rauhigkeit) der Stoffaustauschflache und zuletzt die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers an der Phasengrenzfläche, die eine intensivere Flächenerneuerung an den Phasengrenzflächen ermöglicht.
Was das Reaktormaterial bezüglich der Fällungskristallisation anbelangt, wird die Keimbildungsarbeit an Flächen mit guter Benetzbarkeit durch Wasser reduziert. Der Grund ist, dass solch ein Material mit dem Wassertropfen einen kleinen Kontaktwinkel bildet. Die Keimbildung an diese Flächen bzw. der Kontaktwinkel zwischen Wasser und Materialoberfläche hängen allerdings auch in starkem Maß von der Rauhigkeit der Reaktor- und Platten-Oberfläche ab. Ist eine glatte Oberfläche relativ gut benetzbar, dann wird die Benetzbarkeit durch Afrauung weiter verbessert. Sehr wichtig bei Aufrauung jedoch die mikroskopische und weniger die makroskopische Rauhigkeit.
Bei bekannten Behandlungsverfahren mit Hilfe von thermischer Energie werden die spezifischen Eigenschaften einzelnen chemischen und physikalischen Prozesse in Wasser insofern wenig beachtet, als dass es sich bei Kalkbildung um eine zeit- und energieabhängige Reaktion, verbunden mit Stoff- und Energieaustauschprozessen und Kom- plexeierungsreaktionen sowie Kristallisat on handelt, deren Effektivität wie alle chemischen und physikali- sehen Reaktionen von einer Optimierung der Reaktionsfüh- rung abhängig ist .
Im Fall von Reaktionen im Wasser in herkömmlichen Reaktoren kann eine effektive kombinierte Entkalkung und Schadstoffeliminierung ohne Zusatz von Chemikalien erst bei Siedetemperatur und sehr lange Verweilzeiten zustande kommen, da durch Turbulenzen, die durch entstehenden Dampfblasen erzeugt werden, nicht nur eine erhöhte Diffusionsgeschwindigkeit ermöglicht, sondern infolge einer verstärkten mechanischen Durchmischung auch ein noch besserer Stoffaustausch verursacht wird (Stoßtheorie) .
Bekanntlich ist Kohlendioxid je nach pH-Wert des Wassers nicht nur physikalisch, sondern auch chemisch in Form von Kohlensäure im Wasser gelöst, weshalb läuft seine Austreibung aus dem Wasser nicht leicht ab. Diese kann aber durch eine mechanische Umwälzung (z.B. Begasung) beschleunigt werden.
Im Wasser findet bei Kalkbildung vereinfachend folgende Reaktionen statt:
C02 + H20 = HC03" + H+ (1)
HC03" = C032" + H+ (2)
Ferner läuft bei der Umwandlung von Hydrogencarbonat zum Carbonat folgende Reaktion ab:
2 HC03" = C032- + C02 + H20 (3)
Diese Gleichgewichtsreaktionen hängen entscheidend von der Temperatur, dem pH-Wert und der Konzentration des Kohlendioxids ab, in welcher Richtung sie sich verschieben. Bekanntlich kann man durch Entfernen der in einer Reaktion beteiligten Partner aus dem Reaktionsraum ein Gleichgewicht in die gewünschte Richtung verschieben. Eine Entstehung weniger Hydrogencarbonat und damit Ver- Schiebung des Gleichgewichtes nach links bei Reaktion (1) hängt von einer Entfernung von Kohlendioxid ab. Das gilt auch für Reaktion (2) bei Bildung von Carbonat und Verschiebung der Reaktion nach rechts.
Wenn man nun das gelöste und entstehende Kohlendioxid aus dem System entfernt, wird der pH-Wert des Wassers erhöht und dadurch wird zum einen weniger Hydrogencarbonat und auch weniger Carbonat gebildet. Aus diesem Grund wird dadurch im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren auch erheblich weniger Kalk und damit Verkrustung im Reaktor gebildet.
Da die Löslichkeit der Gase mit steigender Temperatur abnimmt, findet automatisch eine Teil-Strippung von C02 aus dem Wasser durch Diffusion bis zur Gleichgewichtkonzentration bei jeweiliger Temperatur statt. Dieser Pro- zess ist aber langsam und stellt somit den geschwindig- keitsbetimmende Schritt bei Carbonatfällung dar.
Die Temperaturerhöhung, die Entfernung von C02, die Verweilzeit, die Kristallkeimbildung, das Kristallwachstum und die geometrische sowie hydrodynamischen Verhältnisse im Reaktor spielen also für eine effektive Kalkreduzierung und Schadstoffeliminierung alle eine Rolle. Die Reaktionen laufen deshalb durch einfache Temperaturerhöhung nicht von selbst schnell und optimal ab, sondern müssen durch andere Maßnahmen unterstützt werden.
Anders ausgedrückt, wenn Dampfbildung beim Sieden des Wassers u.a. auch eine mechanische Arbeit leistet und für Turbulenz sorgt, kann diese mechanische Energie z.B. mit Hilfe der Begasung bei kleineren Temperaturen dem System zugeführt und dadurch die Entkalkung mit geringerem Energieeinsatz sowie kürzerer Verweilzeit bewerkstelligt werden. In diesem Fall wird beobachtet, dass das Wasser durch Belüftung und eingesetzte/n horizontale/n Platte/n auch bei niedrigeren Temperaturen (z.B. 80 °C) gleiche Effekte bezüglich der Kalkbildung zeigt wie beim Sieden und die Umwandlung von Hydrogencarbonat zu Kohlendioxid und Carbonat bei weit geringerer Temperatur stattfindet als bislang angenommen wurde. Der Unterschied zwischen mechanischer und thermischer Energie besteht jedoch darin, dass die Erste erheblich weniger Energie verbraucht .
Bei Erwärmung von Wasser spielt Wärmeübertragung von Heizfläche auf Wasser eine Rolle. Durch die eingebrachte Platte/n mit gleichzeitiger Belüftung wird dieser Pro- zess durch intensive Durchmischung des Wassers erhöht und findet somit im Reaktor ein schneller Wärmeausgleich statt. Wegen erhöhter Turbulenz und Herstellung von Mikrovermischung insbesondere unterhalb der Platte/n geschieht der Wärmeausgleich hier besonders schnell.
Aus diesen Gründen ist es verständlich, dass im Gegensatz zum dargestellten Verfahren in Offenlegungsschrift DE 197 27 357 A1 die Herstellung eines neuen Kohlensäure-Gleichgewichtes bei einer bestimmten Temperatur durch eine Kombination von Temperaturerhöhung und Luft- Begasung energetisch erheblich günstiger und bei niedrigeren Temperatur abläuft. Außerdem wird mit Hilfe von hydrodynamischer Optimierung der Reaktionsführung (Einsatz von Platte/n) im Reaktor die notwendige Verweilzeit für Kristallisation, als weiterer geschwindigkeitsbe- stimmender Schritt verkürzt und das Volumen des Behandlungsraumes viel kleiner wird, so dass der Reaktor kompakter gestaltet werden kann.
Wie oben erläutert verursacht eine Entfernung von C02 aus dem Wasser eine Reduzierung der Kohlensäure- Konzentration im Wasser und diese führt je nach Pufferkapazität des Wassers zu einer pH-Wert-Erhöhung bis weit über eine Einheit. Bekanntlich bilden einige Metalle und Schwermetalle (z.B. Eisen, Mangan, Kupfer, Nickel, Cad- ium, Blei, Arsen und Radionuklide) schwerlösliche Car- bonate und im basischen Bereich schwerlösliche Hydroxide im Wasser, die alle als schwerlösliche Verbindungen bekannt sind, und entsprechend ihren Löslichkeitsprodukten als Niederschlag ausfallen.
Auch kolloidal vorhandenen Trübstoffe im Wasser (z.B. Hu- minstoffe) werden durch Carbonate und komplexe Verbindungen teilweise adsorbiert und nach Beendigung des Prozesses sedimentiert . Daneben werden Gase, leicht- und mittelflüchtige Stoffe außer Kohlendioxid, wie z.B. Chlor, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und weitere organische Stoffe, die einen größeren Dampfdruck als Wasser besitzen, darunter leichtflüchtige organische Kohlenwasserstoffe (LHKW) , Nebenprodukte der Chlorierung von Wasser usw. , die als Kontamination im Wasser vorkommen, aus dem Wasser entfernt. Der Ablauf dieser Vorgänge wird genauso wie beim Kohlendioxid durch gleichzeitige Temperaturerhöhung und Strippung verursacht.
Bekanntlich werden manche anorganische wie organische Verbindungen in Anwesenheit vom Sauerstoff als Oxidati- onsmittel oxidiert und als schwerlösliche Salze aus dem Wasser entfernt, z.B. Eisen, Mangan. Eine Oxidation läuft bekanntlich bei höheren Temperaturen schneller ab (sog. Nassoxidation) . Die Oxidationsreaktionen können ferner durch Einsatz von z.B. Ozon ermöglicht bzw. beschleunigt werden.
Eine weitere Funktion dieser Platte/n besteht darin, dass die Kalkablagerungen durch intensives Vermischen und evtl. Sieden des Wassers keine senkrecht wachsende Kristalle, sondern Schichtkristalle bilden, die eine geringere Haftfestifkeit besitzen. Bei turbulenter Strömung treten bekanntlich verstärkt starke, lokal wirkende Überhöhungen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Nähe der Oberflächen in Form verschiedenster Wirbelbildungen (sog. bursts)auf. Durch auftretende Spannungen werden von Zeit zu Zeit die Schichtkristalle als Plättchen abgelöst und ins Wasser abgegeben. Das ist unabhängig davon, ob der Reaktor durch direkte oder indirekte Beheizung erwärmt wird. Dadurch wird eine Verkalkung des Reaktors vermieden und Wärmedurchgang durch Verkalkung der Heizfläche nicht reduziert.
Bei Behandlung vom Trinkwasser in dem erfindungsgemäßen Reaktor wird wie vorhin erwähnt neben der Schadstoffeliminierung einen höheren pH-Wert erzielt. Zahlreiche Mediziner berichten, dass bestimmte Krankheiten durch grundsätzliche Versäuerung von Lebensmitteln und damit unserem Körper durch industrielle Produktion von Lebensmitteln verursacht werden und deshalb alkalische Lebensmittel zum Verzehr empfehlen. Es dürfte ferner einleuchten, dass Wasser nach der Behandlung eine deutliche Geschmacksverbesserung zeigt. Diese beiden Effekte können als Konditionierung des Wassers bezeichnet werden. In der Offenlegungsschrift DE 198 29 984 A1 wird berichtet, dass eine grundsätzliche Verbesserung des Geschmacks durch Mischung des Wassers mit Luft erreicht wird. Zuletzt wirkt eine Erwärmung des Wassers oberhalb von 70 °C als eine sichere Methode zur Entkeimung des Wassers und Abtötung der Legionellen im Wasser.
Bei der erfindungsgemäßen einfachsten Ausführung dieser Vorrichtung handelt es sich um eine diskontinuierlich betriebene Vorrichtung bzw. Reaktor, der mit Hilfe einer externen Energiequelle von unten erwärmt und belüftet wird. In dem Behandlungsraum dieses Reaktors ist eine Platte mit einem Abstand vom Boden zur Lenkung der Strömung und Verstärkung von Turbulenz nicht an Reaktorwand befestigt, sondern am Deckel des Behandlungsraums. Die Platte ist horizontal und zentrisch so angeordnet, dass die o.a. Bedingungen optimiert sind. Die Platte besitzt eine gelochte Umrandung und hat deshalb zusätzlich die Funktion, die ausfallenden Rückstände auf der Platte aufzufangen und zurückzuhalten. Beim Ausgießen des Wassers bleiben die Rückstände auf die Platte (n) zurück und das Wasser auf die Platte (n) kann durch Löcher auslaufen, so dass sich beim Abnehmen der Platte (n) kein Wasser mehr drauf befindet. Der größte Anteil der gebildeten Verkrustungen, die sich von Reaktorwand und Heizfläche in Form von Plättchen abgelöst haben fallen nachher auf die horizontale Platte und der Rest auf den Boden des Behandlungsraums . Nach der Sedimentation der Rückstände kann das Wasser durch den Auslauf entnommen werden und, da dieser sich oberhalb des Bodens befindet, bleiben restliche Rückstände mit etwas Wasser im Behandlungsraum zurück. Durch Abnehmen des Deckels können nach Entleerung des Behandlungsraums die Rückstände, die sich auf der am Deckel befestigten Platte befinden, extern abgewaschen werden. Somit bedarf der erfindungsgemäße Reaktor bis auf das Auswaschen der Rückstände keiner weiteren Wartung oder dgl. Die restlichen Rückstände und das Wasser auf dem Boden des Behandlungsraumes können im Behandlungsraum bleiben, da die Platte die Funktion des Austrags der Rückstände erfüllt.
Um das Volumen des restlich im Behandlungsraum befindlichen Wasser zu verringern, ist der Behandlungsraum bei diskontinuierlichem Betrieb unten etwas verengt. Das Wasser darf auch bei kleinen Reaktoren nach der Behandlung nur durch den Auslauf aus dem Behandlungsraum entnommen werden, da sonst eine Vermischung der Rückstände und Wasser stattfindet.
Das so behandelte Wasser kann je nach Aufgabenstellung zur Entkalkung und Reduzierung der Schadstoffe sofort nach der Behandlung aus dem Behandlungsraum entnommen werden oder die Entnahme erst nach einer Abkühlung im Behandlungsraum erforderlich sein, da häufig Verbindungen bei kleinen Temperaturen eine geringere Löslichkeit haben.
Zusammenfassend geht die Erfindung von folgendem aus:
Der Einsatz der Platte (n) unter gleichzeitiger Erhitzung trägt dazu bei, dass unterhalb der Platte (n) eine intensive partielle Vermischung zustandekommt. Die Erhitzung verursacht allgemein eine Strömung mit zunehmender Diffusionsgeschwindigkeit im Wasser, die eine Vermischung des Wassers zur Folge hat. Der Lufteintrag beschleunigt nicht nur die Desorption des Kohlendioxids, sondern trägt auch zur homogenen Makro- und Mikrovermischung des Wassers bei. Bei der Fällungskristallisation spielt insbesondere die Mikrovermischung eine entscheidende Rolle.
Sollte aus irgendeinem Grund keine Belüftung möglich sein, reicht der Einsatz der Platte (n) und optimierten hydrodynamischen Verhältnisse unter gleichzeitiger Erwärmung genauso aus, weil einer der entscheidenden Schritte die Herstellung von Mikrovermischung unterhalb der Platte (n) ist. Es ist aber verständlich, dass der Prozess unter diesen Umständen etwas länger dauert als unter gleichzeitiger Belüftung. Bekanntlich läuft der Prozess der heterogenen Kristallkeimbildung und des Kristallwachstums an artfremde Flächen und Partikel als homogene Keimbildung, und die heterogene Keimbildung spielt bei der Fällungskristallisation eine größere Rolle als die homogene. Ferner ist die höhere Temperatur an den Reaktorwänden bei der Kristallisation von Härtebildnern von größerer Bedeutung. Daraus folgt, dass a- der optimierte Schlankheitsgrad des Behandlungsraums ebenfalls eine nicht zu unterschätzende Rolle bei der Entkalkung spielt und b- nicht nur eine Erwärmung des Reaktors von unten, sondern seine seitliche Erwärmung ebenfalls den Prozess beschleunigt. Die seitliche Erwärmung kann sowohl mit Hilfe von elektrischen Ringerhitzern oder aber auch in Form von doppelwandigem Reaktor, der mit Öl oder Dampf beheizt wird, gewährleistet werden (Abb.6 u. 7) .
-• Bei dem Prozess der Entkalkung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde erklärt, dass zunächst das zugehörige und aggressive Kohlendioxid aus dem Wasser gestrippt wird, und die entstandene Übersättigung zur Keimbildung führt. Im nächsten Schritt geschieht die Umwandlung des Hydrogencarbonats zum Schwerlöslichen Calcium- und Magnesiumcarbonat sowie Kohlendioxid. In diesem Stadium hängt der Fortschritt der Reaktion in erster Linie von der Geschwindigkeit der Entfernung des Kohlendioxids vom Wasser ab.
Aus diesem Grund kann beim kontinuierlichem Betrieb des Verfahrens der letzte Schritt in einer weiteren einfachen Blasensäule mit Belüftung und ohne zusätzliche Beheizung durchgeführt werden, wo auf Grund von fehlender (n) Platte (n) ein größerer Stoffüber- gangskoeffizient zur Strippung hergestellt werden kann als im ersten Reaktor (Abb. 8) . Dazu ist es auch möglich, mit größerem Luft-Durchsatz als im ersten Reaktor zu arbeiten.
Durch diese Maßnahme wird die Verweilzeit des Wassers im ersten Reaktor verkürzt und der Energieverbrauch reduziert .
Was das Reaktormaterial bezüglich der Fällungskristallisation anbelangt, wird bekanntlich die Keimbildungsarbeit an Flächen mit guter Benetzbarkeit durch Wasser reduziert. Der Grund ist, dass so ein Material mit Wasser einen kleinen Kontaktwinkel bildet. Die Keimbildung an diese Flächen bzw. der Kontaktwinkel zwischen Wasser und das Materialoberfläche hängen allerdings auch in starkem Maß von die Rauhigkeit des Reaktormaterials und Platte (n) ab. Ist eine glatte Oberfläche relativ gut benetzbar, dann wird die Benetzbarkeit durch Aufrauung weiter verbessert. Entscheidend bei der Aufrauung ist jedoch die i- kroskpische, weil dadurch der Kontaktwinkel weiter verkleinert wird.
Weitere Vorteile und Merkmale gehen aus den Unteransprüchen hervor, die auch gemeinsam mit dem Hauptanspruch von erfinderischer Bedeutung sein können. Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zum besseren Verständnis derselben anhand der Zeichnung näher erläutert. Es dürfte einleuchten, dass die Erfindung auf die gezeigten Beispiele nicht beschränkt ist. Es zeigt:
Abb. 1 eine schematische Querschnittsansicht durch einen erfindungsgemäßen Reaktor in seiner einfachsten Ausführungsform, die eine Begasungsvorrichtung aufweist . Abb. 2 schematische Querschnittsansichten von zwei weiteren bis 3 erfindungsgemäßen Reaktoren mit eigenen elektrischen direkten und indirekten Heizvorrichtungen sowie externer Begasung.
Abb. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors mit interner Heizeinrichtung und Belüftung;
Abb. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors mit Schrägem Boden und Ablassventil für Rückstände;
Abb. 6 eine schematische Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors zur diskontinuierlicher Betriebsführung mit mehreren Platte und zusätzlicher seitlicher Erwärmung;
Abb. 7 eine schematische Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen dop- pelwandigen Reaktors zur kontinuierlicher Betriebsführung mit mehreren Platte;
Abb. 8 eine schematische Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors mit mehreren Platte, seitlicher Erwärmung und einer nachgeschalteten Blasensäule zur kontinuierlichen Betriebsführung;
Abb. 9 eine schematische Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen dop- pelwandigen Reaktors und eine nachgeschaltete Blasensäule sowie das Sedimentationsbecken zur kontinuierlicher Betriebsführung; und Abb. 10 eine schematische Darstellung einer noch weiteren einfachen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors mit direkter Beheizung und dem Sedimentationsbecken zur kontinuierlicher Betriebsführung.
Abb. 1 stellt die einfachste Ausführungsform des Reaktors dar, der aus folgenden Teilen besteht: der Behandlungsraum 1, Deckel 2, die Stangen 3, die die Platte 4 an das Deckel verbinden, gelochte Umrandung 5, der Luftverteiler 6 , die Belüftungspumpe 7 , die über ein Rückschlagventil 8 mit dem Verteiler angeschlossen ist, der Aktivkohle-Filter 10 und mit Hilfe von externen Energiequellen 11 von unten beheizt werden kann.
In Abb. 2 u. 3 sind zwei weitere Reaktoren mit eigener elektrischer Heizung 11 und elektrischer Regler 12 und einem, Gehäuse als Ständer dargestellt, die entweder indirekt oder direkt das Wasser beheizen und durch Erhöhung des Abstands des Behandlungsraums vom Boden ein Ausgießen des Wassers durch den Auslauf erleichtern. Zur Belüftung kann die Luft auf der Saugseite über ein Aktivkohlefilter 10 geleitet werden, um eine Belastung des Wassers durch evtl. Schadstoffe in der eingeleiteten Luft zu unterbinden.
In Abb.4 sind Belüftungspumpe 7, Aktivkohle-Filter 10, Heizung 11 und Regler 12 alle in Gehäuse 13 unter dem Behandlungsraum integriert .
Für die Regelung der Stromzufuhr bei den erfindungsgemäßen Reaktoren ist nicht wie bei Wasserkochern üblich ein Bimetall vorgesehen, sondern ein elektronischer Regler, der beliebig die Leistung der Heizung reguliert. Im Fall vom Bimetall wird Wärme nach Erreichen einer bestimmten Temperatur unterbrochen dem Wasser zugeführt. Erfin- dungsgemäß braucht das Wasser aber zur effektiven Behandlung evtl. etwas längere Zeit an ununterbrochene Energiezufuhr, so dass diese mit Bimetall nicht geregelt werden können. Außerdem braucht das Medium weniger an Energie, um seine Temperatur auf ein bestimmtes Grad konstant zu halten. Die Regelung lässt sich per Hand oder automatisch nach zeitlicher Schaltung durchzuführen.
Die Maßstäbe für größere Reaktoren zur diskontinuierlichen Betriebsführung können unter Einhaltung der o.a. Optimierungen beliebig vergrößert, zusätzlich auch seitlich erwärmt und die Zahl der Platten erhöht werden. Zur Einsparung von Energie kann weiterhin der Behandlungsraum mit Isoliermaterial versehen werden und dadurch der Wärmeverlust verringert werden.
In Abb. 5 hat der Reaktor an tiefster Stelle des Behandlungsraums noch ein zusätzliches Auslauf-Ventil 9 zum Schlamm-Entfernung und einen schrägen Boden 14.
Ein größerer diskontinuierlich arbeitender Reaktor kann mit mehreren Platten mit Umrandung ausgestattet sein, der nicht nur vom Boden, sondern auch seitlich erwärmt werden kann oder doppelwandig sein (Bild 6 u. 7) .
Für eine kontinuierliche Betriebsführung der erfindungs- gemäßen Vorrichtung besteht die Anlage aus einem Reaktor und einer Blasensäule, wo das Wasser nach Behandlung in ersten Reaktor hier nur weiter belüftet wird (Abb.8) und ein Sedimentationsbecken (Abb.9). Der Reaktor ist im Inneren mit mehreren Platten horizontal zentrisch oder versetzt ausgestattet und kann doppelwandig sein und zusätzlich seitlich beheizt werden. Hier ist es auch unbedeutend, ob das Beheizen direkt oder indirekt bewerkstelligt wird. Beim direktem Beheizen sind im Gegenteil zu o.a. Offenlegungsschrift DE 19727357 A1 die Heizstangen nicht schräg, sondern waagerecht und im unteren Bereich der Platten untergebracht. In diesem Reaktor wird das Wasser bis auf gewünschte Temperatur erhitzt und gleichzeitig belüftet. Danach gelangt das Wasser in eine Blasensäule, wo das Wasser nur belüftet wird, und schließlich ist ein Sedimentationsbecken nachgeschaltet, das auch als Wärmetauscher gilt. Das Wasser gelangt von dort zum Verbraucher und die Sedimente werden durch das Ablassventil abgezogen. Wenn aus irgendeinem Grund der Einsatz von einer Blasensäule nicht möglich ist, kann der Prozess ohne diese aber mit etwas längerer Verweilzeit im ersten Reaktor durchgeführt werden (siehe Abb.10) .
Der kontinuierlich arbeitende Reaktor kann auch nur zur Kalk-Reduzierung bzw. Einstellung des bei jeweiliger Temperatur einzustellenden Kalk-Kohlensäure- Gleichgewicht in Wasser eingesetzt werden, um Verkalkungen in Installationen zu vermeiden.
Die Schadstoffe, die im Wasser vorkommen können sind se.hr zahlreich, und alle diese lassen sich nicht mit dem vorgenannten Verfahren ohne Zusatz von Chemikalien aus dem Wasser entfernen. Damit weitere Schadstoffe bei erhöhter Temperatur erfindungsgemäß aus dem Wasser entfernt werden können, ist es zu diesem Zweck manchmal erforderlich Chemikalien oder andere Gase einzusetzen.
Bekanntlich werden zur Wasseraufbereitung z.B. Eisen und Aluminiumchlorid (Flockungsmittel) zur Eliminierung von Phosphaten, Huminstoffen, Kolloiden und Schwermetallen eingesetzt. Diese bilden im Wasser bei Raumtemperatur unter intensivem Rühren Mikroflocken, die diese Schadstoffe in Form von Hydroxokomplexen absorbieren und so dem Wasser entziehen. Diese Mikroflocken sind bei normalen Raumtemperaturbereichen nicht oder sehr schwer sedi- mentierbar. Um aus Mikroflocken aber absetzbare Makroflocken herzustellen, werden zusätzlich Polymere (Flockunghilfsmittel) benötigt. Eine Herstellung von flüssigen Polymeren und dessen Zugabe zusammen mit Eisen- u. Aluminiumchlorid unter genau berechneten Rührintensitäten ist sehr aufwendig und schwierig, so dass ihren Einsatz nur für größere Wasser- und Abwasserreinigungsanlagen möglich ist (z.B. in der sog. dritten Reinigungsstufe oder Simultanfällung kommunaler Kläranlagen) .
Erfindungsgemäß lösen sich Flockungsmittel nur bei höheren Temperaturen in Wasser völlig auf und vermischen sich ohne großen Aufwand ideal im Wasser. Beim erfindungsgemäßen Reaktor findet durch Erwärmung des Wassers automatisch auch eine Vermischung statt. Bei Abkühlung des Wassers bilden diese zunächst Mikro- und nach weiterer Abkühlung auch ohne Flockunghilfsmittel Makroflok- ken, die sich leicht absetzen. Für diesen Vorgang erübrigt sich also nicht nur ein intensiver Rührvorgang, sondern auch der Einsatz von Polymeren. Auf diese Art lassen sich diese Chemikalien also auch in kleineren Reaktoren, ohne Zuhilfenahme von Rührgeräten usw. sehr effektiv und preiswert einsetzen. Dieser Vorgang läuft durch Belüftung noch besser, so dass ab Temperaturen von ca. 30 °C große und leicht sedimentierbare Flocken entstehen, die nach Ausschaltung von Belüftung und Abkühlung ausfallen. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zur Behandlung von größeren Wassermengen und Abwasser für warme Regionen, wo das Wasser leicht mit Hilfe der Sonnenenergie auf hohe Temperaturen gebracht werden kann. Um Wasser nach diesem gekoppelten chemisch thermischen Verfahren schonend behandeln zu können, wird es bei diskontinuierlicher Reaktionsführung bevorzugt, eine weitere Vorrichtung verwendet . Mit Hilfe eines schräg errichteten Absetzbeckens und eines zweiten Ablassventils können, außer der Rückstände auf der Platte, die extern entsorgt werden, auch Rückstände unter der Platte von unten abgezogen werden. Die Belüftung erfolgt durch ein Ventil und Chemikalien werden manuell in den Behandlungsrum zugesetzt (siehe Abb. 6). Das chemisch thermische Verfahren kann ohne weiteres in der erfindungsgemä- ßen kontinuierlichen Anlage durchgeführt werden und zur Dosierung von Chemikalien wird es Dosierpumpe verwendet.
Weitere Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Reaktors und Verfahrens unter Einsatz dieser Chemikalien sind z.B. Trinkwasser-, Oberflächenwasser- und Abwasseraufbe- reitung sowie Schlammbehandlung im allgemeinen. Die Vorteile dieses chemischen Verfahrens beim Einsatz dieser Chemikalien bestehen in einem geringeren Chemikalienverbrauch, einer besseren Filtrierbarkeit , weniger Schlammproduktion wegen Reduzierung der Einsatzmenge dieser Chemikalien, Entfallen der Polymere und zuletzt weniger Kosten bei der Schlammentsorgung.
Falls also eine thermische Behandlung des Wassers zur Eliminierung von Schadstoffen im erfindungsgemäß entwik- kelten Reaktor nicht allein ausreicht, können je nach Bedarf dem Wasser diese oder andere Chemikalien und Gase (wie z.B. reiner Sauerstoff oder Ozon) zugesetzt werden.
Es ist ebenfalls möglich, das Deckel des Reaktors aus Glas zu nehmen und durch Anbringen eines UV-Strahlers am Kopf des Reaktors, den Reaktorinhalt gleichzeitig bestrahlen, um eine Oxidation von weiteren Schadstoffen zu ermöglichen bzw. zu beschleunigen. Abgesetzte Rückstände können dann zusammen mit den Verkrustungen durch das Ablassventil im unteren Teil des Behandlungsraums aus dem Behandlungsraum entfernt werden.
Im Grunde handelt es bei erfindungsgemäßem thermischem Reaktor um einen Hochleistungsreaktor für chemische Reaktionsführung bei höheren Temperaturen, insbesondere in verdünnten Lösungen mit geringem Anteil an Reaktionspartnern, die auch in anderen Bereichen der chemischen Reaktionsführung Verwendung finden kann.
Die Beheizung des Behandlungsraums kann nicht nur elektrisch, sondern auch durch entsprechende Änderung mit Hilfe von fossilen- oder erneuerbaren Energiequellen bewerkstelligt werden. Insofern ist der erfindungsgemäße Reaktor zur Behandlung vom Wasser im allgemeinen für dezentrale Trinkwasseraufbereitung beim Verbrauchern und vor allem in Regionen ohne elektrischen Energieanschluss und Katastrophengebieten einsetzbar. Zur Belüftung können u.a. Batterien eingesetzt werden, da die Luftpumpen einen sehr geringen Strombedarf haben.
Des weiteren können noch folgende Merkmale allein oder auch gemeinsam für die Erfindung bedeutsam sein:
- dass zur Erwärmung des Wassers mit integriertem Beheizungsaggregat fossile Brennstoffe und erneuerbare Energien mit entsprechender Änderung des Heizaggregats verwendet werden,
- dass zum Rühren, Begasen, Strippen und chemische Oxidation eine Gaspumpe mit regelbarer Durchflussmenge eingesetzt wird,
- dass zur Begasungen Rohr mittig in den Reaktor mit einem Gasverteiler eingesetzt wird,
- dass zur Vorreinigung des Gases ein Aktivkohlefilter auf der Ξaugseite eingesetzt wird,
- dass der Reaktor und die Platte/n abweichende Formen wie rund und zylindrisch besitzen,
- dass bei chemischer Aufbereitung mit Hilfe von Chemikalien der Reaktorboden im diskontinuierlich betriebenen Reaktor schräg ausgestattet ist,
- dass in diskontinuierlich betriebenem Reaktor im tiefsten Punkt desselben ein zweites Ablassventil für Schlammentnahme vorgesehen ist,
- dass in der kontinuierlich betriebenen Anlage die Platten an Reaktorwänden befestigt sind,
- dass zur Beheizung des Reaktors Ringheizkörper eingesetzt wird,
- dass zur Beheizung des Wassers ein doppelwandiger Reaktor eingesetzt wird,
- dass zur Beheizung des doppelwandigen Reaktors als Heizquelle Heißdampf oder heißes Öl verwendet wird,
- dass zur Einstellung des kalk-Kohlensäure- Glaichgewichtes für Verwendung in Hausinstallationen ab 20 °C und der chemischen Fällung ab 30 °C gearbeitet wird,
- dass der Reaktor mit Hilfe von Isoliermaterialien Wärme isoliert ist.
Bezugsliste der Teile
1- Behandlungsraum ein- bzw. doppelwandig
2- Deckel
3- Stab (Stäbe) zur Befestigung der Platte (n)
4- Platte (n)
5- Gelochte Umrandung der Platte (n)
6- Mittig angeordneter Luftverteiler
7- Luftpumpe
8- Rückschlagventil
9- Ein- bzw. Auslauf-Ventil
10- Aktivkohle-Filter 11 - Beheizung
12- Elektrischer Regler
13- Gehäuse als Ständer für den Behandlungsraum
14- Schräger Boden
15- Durchflussmessgerät
16- Blasensäule
17- Rohrschlange
18- Ξedimentationsbecken

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Entkalken von Wasser und gleichzeitigem Entfernen von Schadstoffen, sowie Desinfektion und Abtötung von Dauerformen von Parasiten in einem Reaktor mit Zu- und Auslauf unter a) Erwärmung des Wassers, wodurch die Löslichkeit des C02 im Wasser verringert und die Desorption des C02 eingeleitet wird, die durch die bewirkte pH- Erhöhung ebenfalls gesteigert wird (2 HC03 ~ _._> C02 + C03 2~) , und wobei durch eine b) gleichzeitige Begasung mittels Lufteintrag der C02-Austag erhöht wird, und c) Vorsehen und Anordnen von einer oder mehreren abnehmbaren oder befestigten Platte (n) im Reaktionsraum mit intensiver Vermischung unter Umlenkung der Wasserströmung an die Reaktorwand, sowie zur verstärkten Kristallkeimbildung und -Wachstum an der Wand, wobei das erwärmte Wasser nötigenfalls auf erhöhter Temperatur gehalten und begast wird oder die weitere Begasung ohne Wärmezufuhr erfolgt und dass der entstandene Kalk und die Ver- krustungen, die sich unter der bzw. den Platten und auf Heizflächen bzw. den Reaktorwänden festgesetzt haben durch Verwirbelung abgelöst und durch das Wasser ausgetragen werden.
2. Reaktor zum Entkalken von Wasser und gleichzeitigem Entfernen von Schadstoffen, sowie Desinfektion und Abtötung von Dauerformen von Parasiten,
- umfassend einen Behandlungsraum mit Zulauf für das zu behandelnde Wasser und einen Auslauf für das behandelte Wasser, - mit einer direkten oder indirekten Heizvorrichtung für das Wasser,
- eine oder mehrere horizontal verlaufende abnehmba- • re Platten zur Umlenkung der Wasserströmung, die im unteren Bereich des Reaktors beabstandet von seinem Boden und seiner Seitenwand befestigt ist/sind,
- eine Begasungsvorrichtung außerhalb des Reaktors , die eine mittig in den Reaktor hinein führende Leitung mit einem Gasverteiler aufweist, welche unterhalb der Platte (n) endet ,
- wobei bei diskontinuierlich betriebenem Reaktor der Auslauf zwischen dem Reaktorboden und der oder den Platte (n) -angeordnet ist, während der Auslauf bei kontinuierlich .betriebenem Reaktor oberhalb der Platte (n) liegt.
3. Reaktor nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten mittels ein oder mehrerer Edelstahlstäbe am Deckel des Reaktors befestigt sind.
4. Reaktor nach Anspruch 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass er zusammen mit den Platte (n) aus rostfreiem Edelstahl oder jedem thermisch resistenten Werkstoff mit großer Oberflächenenergie besteht .
5. Reaktor nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (n) eine perforierte Umrandung besitzt oder besitzen.
6. Reaktor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche der Reaktorwand mit Wasser eine Rauhigkeit besitzt.
7. Reaktor nach Anspruch 1 bis 6 , dadurch gekennzeich- net, dass beim kontinuierlichen Betrieb eine zweite Blasensäule nachgeschaltet wird.
8. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung des Wassers mit integriertem elektrischen Beheizungsaggregat die Wärmezufuhr in den Reaktor direkt oder indirekt von unten und/oder seitlich durchgeführt wird.
9. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung des Wassers ein doppelwandiger Reaktor eingesetzt werden kann, in dem mittels Dampf oder heißem Öl und durch Wärmeaustausch der Reaktorinhalt beheizt werden kann.
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