EP2188217A1 - Vorrichtung und verfahren zum abbau von schadstoffen in einer flüssigkeit sowie verwendung einer solchen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum abbau von schadstoffen in einer flüssigkeit sowie verwendung einer solchen vorrichtung

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EP2188217A1
EP2188217A1 EP08803481A EP08803481A EP2188217A1 EP 2188217 A1 EP2188217 A1 EP 2188217A1 EP 08803481 A EP08803481 A EP 08803481A EP 08803481 A EP08803481 A EP 08803481A EP 2188217 A1 EP2188217 A1 EP 2188217A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid
electrode
electrodes
pollutants
separator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08803481A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Hahn
Jochen Straub
Klaus Strätz
Manfred Waidhas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2188217A1 publication Critical patent/EP2188217A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/467—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
    • C02F1/4672—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electrooxydation
    • 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
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • 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
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material

Definitions

  • the invention relates to a device, a method and the use of such a device for the degradation of pollutants in a liquid, in particular for the degradation of pollutants in an aqueous medium.
  • the degradation of harmful substances is mainly due to the oxidizing effect of OH radicals.
  • the liquid is treated to degrade the pollutants in a device having an array of positively and negatively charged electrodes disposed in a container flooded by the liquid.
  • the electrodes are each separated from each other to form a working space. For continuous treatment of the liquid this is supplied by means of an inlet and outlet to the working space.
  • Such a device and a method for operating such a device are, for example, in the non-prepublished application:
  • humic substances are generally weakly brown to black colored, usually formed in humus soils, understood organic substances that have no reproducible chemical structure and lent properties and different properties have.
  • One possible method for purifying such effluents is by oxidation of the corresponding lignin or humic substances.
  • the oxidation takes place by introducing ozone (O 3 ) into the wastewater. After being introduced into water, ozone decomposes into OH radicals which have an oxidizing effect.
  • ozonizers are used to purify wastewater with ozone.
  • Ozonizers use pure oxygen as the starting material and generate ozone by means of a high voltage between 10 kV and 40 kV.
  • Ozonizers have a poor efficiency.
  • Electrochemical processes have a significantly higher overall efficiency compared to ozonizers.
  • OH radicals To generate OH radicals, a certain amount of charge is required, which depends on the type of reaction. In addition, parasitic side reactions take place, which limit the efficiency.
  • the power required to produce OH radicals is determined as the product of current (A) and voltage (V). The necessary energy from the product charge (A-s) and voltage (V).
  • Resistance between the electrodes determined.
  • the resistance between the electrodes in turn depends on the electrolyte present between the electrodes and the distance between the electrodes.
  • the amount of energy for the electrochemical generation of OH radicals decreases with decreasing distance of the electrodes from each other. Due to recombination effects, which counteract the OH radical formation, the distance of the electrodes can not be arbitrarily reduced.
  • the device and method should have an improved yield with respect to the electrochemical generation of OH radicals.
  • the object of the invention is achieved with respect to the device with the in claim 1, procedurally with the in claim 17 and use related with the measures mentioned in claim 32 or features.
  • the invention is based on the following considerations and findings:
  • the required amount of energy decreases with decreasing distance between the electrodes.
  • Recombinant effects prevent the plate spacing from being arbitrarily reduced to further increase the electrochemical chemical yield of OH radicals.
  • a separator which can be arranged between the electrodes, recombination effects can be reduced.
  • the electrode reactions themselves over which a certain voltage component drops, can not be reduced by a separator.
  • one of the two electrodes that is to say the positively or negatively charged electrode, is surrounded with a separator in such a way that direct contact of the liquid to be cleaned with the corresponding electrode is no longer possible.
  • the space between the corresponding electrode and the surrounding barrier is filled with a good conductive liquid.
  • the ohmic voltage drop between electrode and separator is greatly reduced.
  • the distance at which the voltage applied between the electrodes drops that is, the effective electrode gap can be reduced to the distance between a separator and the electrode not surrounded by the separator, while at the same time suppressing recombination effects.
  • the ones not surrounded by the separator Electrodes are also commonly referred to as a working electrode.
  • a separator is understood as meaning a body made of a porous or microporous material, it being possible to use as the material a hydrophilic polymer or a hydrophilized by appropriate surface treatment polymer, such as, for example, polypropylene, polytetrafluoroethylene.
  • the separator can be made of glass, glass mesh or fleece.
  • the separator may have a pore volume of between 25% and 95%, whereby non-accessible pores (closed porosity) are not taken into account by the surface of the separator.
  • the invention relates to a device for reducing pollutants in a liquid, in particular for decomposing organic pollutants, in an aqueous medium by the oxidizing effect of OH radicals, this device comprising an arrangement of positively and negatively charged electrodes, which are formed a workspace are separated from each other.
  • the device further comprises an inlet and outlet through which the working space, for the continuous processing of the liquid, this is supplied.
  • At least one of the positively or negatively charged electrodes is enclosed in the contact area between the liquid and the electrode with a separator to form an electrode space, wherein the electrode space reduces the working space between the electrodes.
  • the electrode space is further filled with a supporting electrolyte.
  • Liquid in particular the degradation of pollutants in a liquid, can be achieved.
  • the device allows thus the cheaper degradation of pollutants in the liquid.
  • the device according to the invention can still have the following features:
  • At least one negatively charged electrode may be enclosed by a separator, and the electrode space may be filled with an alkaline conduction electrolyte.
  • at least one positive electrode may be enclosed by a separator and the electrode space may be filled with an acidic electrolyte.
  • the degradation of the pollutants present in the liquid always takes place at the working electrode, ie at that electrode which is not enclosed by a separator.
  • the negative or positively charged electrode is correspondingly provided with a separator.
  • the device according to the invention can be made flexible. All positive or negative charged electrodes may be enclosed by a separator.
  • the separator may be made of microporous material.
  • a separator made of a microporous material prevents the reaction of the liquid to be cleaned at the relevant, surrounded by the separator electrode.
  • the ionic line is separated by a microporous separator. but not interrupted, whereby the relevant for the voltage drop distance between the electrodes can be reduced.
  • the electrodes can be designed as plane-parallel surfaces. If the electrodes are formed as plane-parallel surfaces, such a construction of the device allows the lowest possible working volume, based on the total volume of the device. In this way, the device can be made compact.
  • One of the electrodes and the separator may be formed as hollow cylinders arranged substantially concentrically with one another, the further electrode may be arranged in the center of the hollow cylinders.
  • a closed arrangement for the treatment of the pollutant-containing liquid can be specified, whereby in particular the foaming during the treatment of the liquid can be prevented.
  • the electrodes can be surface-structured. By surface structuring of the electrodes, their surface area can be increased, which leads to an improvement in the effectiveness of the device.
  • the electrodes may be formed of an MMO material.
  • platinum, silicon carbide, tungsten carbide, titanium carbide, titanium nitrite and / or titanium carbon nitrite can be used.
  • An MMO material is particularly suitable for designing the electrons of a device according to the above embodiment.
  • As a material for a positively charged electrode can be consuming material such as iron, stainless
  • Electrodes steel alloys, aluminum, aluminum alloys and / or carbon are used. Furthermore, as a material for a negatively charged electrode, iron, stainless steel alloys, carbon and / or aluminum may be used. The aforementioned materials are particularly suitable for designing a positively charged electrode or a negatively charged electrode.
  • There may be means for cleaning the electrodes in particular mechanical wipers / scrapers, ultrasound and / or additives of floats in the liquid. Impurities of the electrodes lead to a deterioration of the overall efficiency of the device. By cleaning the electrodes, the efficiency can be improved again. Furthermore, the reliability of the device is improved by an electrode cleaning. There may be a separator for oxygen and / or hydrogen.
  • Oxygen and / or hydrogen can improve the overall efficiency of the device.
  • the object is achieved with the following measures:
  • the method according to the invention comprises the following steps.
  • the liquid is fed continuously by means of an inlet and outlet to a working space which is formed between the spaced-apart positive and negative electrodes of an arrangement.
  • OH radicals are generated electrochemically in the liquid, wherein at least one of the positively or negatively charged electrodes in the contact region between the liquid and the electrode is enclosed by a separator to form an electrode space.
  • the separator reduces the working space between the electrodes, the electrode space is filled with a supporting electrolyte.
  • Pollutants which are present in the liquid are oxidatively degraded by OH radicals on the positive electrode or reductively on the negative electrode.
  • the method according to the invention can be combined with the features of one, in particular with those of several subclaims. Accordingly, the method according to the invention may additionally have the following features:
  • the electrochemical generation of OH radicals can be carried out with a voltage of ⁇ 5V. Due to the low voltage, on the one hand the C-efficiency increases [energetically] and on the other hand maintenance-friendly and finger-safe constructions with low voltage can be realized. In contrast, ozonizers are high-voltage systems.
  • the generation of OH radicals is done with a DC voltage. -
  • the current density on the electrode surfaces can be between 2 mA / cm 2 and 500 mA / cm 2 .
  • the efficiency can be optimized depending on the supporting electrolyte and the drive electrolyte and optionally regulated.
  • the DC voltage can be pulsed.
  • the effects of diffusion processes are thereby limited, which means that the liquid transport of the reactants and the elimination of disruptive gas bubbles are reduced.
  • the electrochemical generation of the OH radicals can be carried out with an alternating current, which in particular can take the form of a triangular, sinusoidal and / or plateau oscillation.
  • the frequency of the alternating current can be between 10 ⁇ 3 Hz and 1 Hz.
  • Advantages are additionally extended lifespan when using wearing electrodes.
  • the COD value can be used as a measure of the pollutant concentration, a degradation of the pollutants can be measured by a reduction of the COD value.
  • a reduction of non-biodegradable COD can take place.
  • biodegradable COD can be generated.
  • a reduction of non-biodegradable COD or the generation of biodegradable COD or a reduction of the COD value is an important goal of wastewater treatment. Accordingly, a method which changes the COD value according to the above embodiments can be used particularly advantageously.
  • a mechanical pre-shredding of solid constituents present in the liquid can take place before the electrochemical treatment of the liquid.
  • a Zer- Smaller solid components can be used to avoid mistakes, for example as a result of blockages in the process. In this way, an increase in the reliability of the method is achieved.
  • the liquid can be UV-activated. The UV activation can specifically support specific electrode reactions.
  • Oxygen produced in the process can be separated and used to occupy a biological clarifier. By separating off oxygen which has formed in the process, it can be advantageously used for occupying biological clarification tanks without the need for additional oxygen.
  • the dyes may be mainly organic dyes, the organic dyes may be natural dyes or synthetic dyes. Dyes are a heavy burden of wastewater. Reduction of dyes is therefore particularly advantageous in wastewater treatment.
  • the device according to the invention or an embodiment according to one of claims 2 to 16, can be used in particular in the paper or pulp industry of the printing or textile industry for the degradation of lignin or humic acid in industrial wastewaters.
  • lignin or humic constitutes an essential component of wastewater contamination.
  • Use of the device according to the invention or one of its developments is therefore particularly advantageous.
  • FIG. 1 shows a device for reducing pollutants in cross section
  • FIG. 2 shows such a device in plan view
  • FIG. 3 shows a tube-shaped device for reducing pollutants in cross-section
  • Figure 4 shows a device for water treatment and Figure 5 shows such a device with a foam separator.
  • FIG. 1 shows an apparatus 100 which is only partially embodied for reducing pollutants in a liquid, in particular for decomposing organic pollutants in an aqueous medium. Further details of the device 100 are indicated in FIG.
  • the device 100 is shown in cross-section in FIG.
  • a liquid to be purified is fed via a feed 101 to a container 103, which leaves the liquid F via the outlet 102 again.
  • the flow of the liquid F within the container 103 is partially indicated by arrows.
  • the container 103 may be filled with the liquid F to be purified up to the height L.
  • Within the container 103 is an array of positively charged electrodes 104a to 104c and negatively charged electrodes 105a to c.
  • the electrodes can be configured as plates aligned in a plane-parallel manner. Between the electrodes 104a to 104c, 105a to 105c there is a working space A whose width is determined by the electrode spacing 106.
  • At least one negatively charged electrode 105 preferably some of the negatively charged electrodes 105 or, more preferably, all the negatively charged electrodes 105a... C are likewise surrounded by a separator 107.
  • the separator 107 completely surrounds the negative electrodes 105a... C so that there is no direct contact between the one in the Container 103 present to be cleaned liquid F and the actual electrode 105a ... c is possible.
  • the separator 107 surrounds the electrodes 105a... C, in particular in a contact region predetermined by the height L of the liquid F in the container 103.
  • the separator 107 which may be made of a microporous material in particular, reduces the size of the working space (A) between the electrodes 104a... 104c and 105a... 105c by reducing the electrode gap 106 to an effective electrode gap 108.
  • the separator 107 surrounds the electrodes 105a... 105c to form an electrode space 109.
  • the electrode space 109 is filled with a highly conductive electrolyte E. According to the embodiment shown in FIG. 1, in which the electrodes 105a... 105c surrounded by the separator 107 are negatively charged, it is an alkaline conducting electrolyte E. Between the alternately charged electrodes 104a... 104c and 105a. 105c typically has an electrical voltage of less than 5V.
  • the electrolytic decomposition of water is carried out in accordance with Equation 1 above to produce OH radicals.
  • the H + ions are removed by ionic conduction.
  • the H + ions pass through the microporous separator 107 in the process unhindered, and arrive at the negatively charged electrodes 105a ... 105c.
  • the microporous separator 107 is designed in such a way that mixing of the liquid F to be cleaned in the container 103 in the region of the negatively charged electrodes 105a... 105c can be avoided. However, ion conduction to the correspondingly negatively charged electrodes 105a... 105c can take place unhindered.
  • the microporous separator 107 further prevents recombination effects, since N 2 does not pass directly from the negative electrode to the positive. Furthermore, no O 2 and OH formed on the positive side can depolarize the negative electrode.
  • the electrical conductivity of a liquid F to be purified is generally on the order of a few mS (for example between 1 and 10 mS) and is typically 4 mS.
  • the electrode space 109 is filled with a highly conductive electrolyte E, which typically has an electrical conductivity of several orders of magnitude greater than 1000 mS.
  • the positively charged electrodes 105a... 105c In the area of the positively charged electrodes 105a... 105c, an increased concentration of OH radicals is formed as a result of the processes described above.
  • the OH radicals develop an oxidizing effect on the pollutants present in the liquid F and thus promote their degradation.
  • Those electrodes, specifically in the embodiment shown in FIG. 1, the positively charged electrodes 105a... C are referred to below as working electrodes, since the degradation of the pollutants of the pollutants present in the liquid F takes place in the region of these electrodes.
  • Related to the entire device is oxidative conversion of pollutants according to the embodiment shown in Figure 1.
  • a device for reducing pollutants in a liquid F can be constructed analogously to the same principle in such a way that the polarity of the negatively and positively charged electrodes is reversed. In this case, a reductive conversion of the pollutants would take place.
  • the electrodes shown in FIG. 1 as positively charged electrodes 104a... C would then be negatively charged and the electrodes 105a... C shown in FIG. 1 as negatively charged electrodes would be positively charged.
  • a foam separator 110 In the aforementioned processes of oxidative or reductive conversion of pollutants which are present in the liquid F may be present in a device 100 to foam.
  • a device 100 to foam For this purpose, such a device as shown in Figure 1, a foam separator 110 have.
  • FIG. 2 shows a device 100 for reducing pollutants in a liquid F in plan view.
  • the flow of the liquid F in the device is partially indicated by arrows.
  • FIG. 3 shows a device 100 for reducing pollutants in a liquid F in a cross-sectional view, wherein at least one electrode and a separator 107 are configured tubular.
  • the positively charged electrodes 104a... 104c, as well as the corresponding separators 107 can be designed as hollow cylinders arranged substantially concentrically with one another, the negatively charged electrodes 105a... 105c each being substantially in the center of the associated hollow cylinders.
  • the apparatus 100 for reducing pollutants may be a closed arrangement to which the liquid F to be purified is fed via an inlet and outlet. By such a closed arrangement, in particular the foaming during the process can be reduced.
  • the electrodes can be used to increase their length
  • the electrodes may be formed of an MMO material (mixed metal oxide).
  • MMO material mixed metal oxide
  • diamond, platinum, silicon carbide, tungsten carbide, titanium carbide, titanium nitrite and / or titanium carbon nitrite can be used for the construction of the positively charged electrodes 104a... 104c.
  • positively charged electrodes 104a... 104c can be made of consumable material such as, in particular, iron, stainless steel alloys, aluminum, aluminum alloys and / or carbon.
  • the negatively charged electrodes 105a... 105c may in particular be made of iron, stainless steel alloys, carbon and / or aluminum.
  • a device 100 for reducing pollutants according to one of the exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 3 can furthermore be provided with means for cleaning the electrodes.
  • means for electrode cleaning for example, mechanical wipers or scrapers are suitable.
  • the electrodes can be cleaned by means of ultrasound. It is also possible to clean the electrodes by floats present in the liquid F to be cleaned.
  • FIG. 4 shows a device which has a container 103 in which n electrodes are arranged plane-parallel to one another. In each case there are in the container 103 n positively charged electrodes 104a... 104c and n negatively charged electrodes 105a... 105n. The negatively charged electrodes 105a... 105n are each surrounded by a separator 107.
  • a liquid F to be purified is supplied to the container 103 through an inlet 101, the purified liquid F leaves the container 103 via the outlet 102.
  • the liquid F to be purified in the container 103 is additionally conveyed via a circulating pump 401 and a shower-like unit - Expensive circulated above the electrode device such that a uniform coverage of the electrodes is ensured.
  • appropriate measures must be taken so that the liquid F to be purified does not mix with the highly conductive electrolyte E located inside the electrode space 109.
  • FIG. 5 shows a further device which has a foam separator 110.
  • the container 103 has a drainage edge 501 for foam separation.
  • the foam separated in this way is treated in a further circulation by a further circulating pump 103.
  • the electrochemical generation of the OH radicals can take place with a voltage of less than 5 V.
  • the voltage for generating the OH radicals can be a DC voltage. This DC voltage may continue to be pulsed.
  • the electrochemical generation of OH radicals can be carried out with an alternating voltage. This alternating voltage may be in the form of a triangle, in particular
  • the process for OH radical production can be carried out galvanostatically, wherein the current density on the electrode surfaces can be between 2 mA / cm 2 and 500 mA / cm 2 .
  • the degradation of pollutants can be measured by the COD value (chemical oxygen demand) as a measure of the pollutant concentration.
  • COD value chemical oxygen demand
  • a reduction of non-biodegradable COD or the generation of biodegradable COD can take place in particular.
  • liquid F Before electrochemical treatment of the liquid F to be purified, mechanical pre-shredding of any solids present in the liquid F can take place.
  • the liquid F can still be UV-activated.
  • Oxygen or hydrogen formed during the process can be used for further processes.
  • a biological clarifier be revived.
  • the pollutants present in the liquid F to be purified may in particular be organic dyes. These organic dyes may be natural or synthetic dyes.
  • the aforementioned method according to one of the embodiments or the aforementioned device according to one of the embodiments can be used in particular in the paper or textile industry and / or the printing or textile industry for the degradation of lignin or humic acid in the industrial wastewater.

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Abstract

Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit (F) durch oxidierend wirkende OH-Radikale. Die Vorrichtung (100) weist eine Anordnung aus positiv und negativ geladenen Elektroden (104a... 104n, 105a... 105n) auf, wobei zumindest eine der positiv oder negativ geladenen Elektroden (104a... 104n, 105a... 105n) zumindest im Kontaktbereich zwischen der Flüssigkeit (F) und der Elektrode (104a... 104n, 105a... 105n) von einem Separator (107) umschlossen ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit sowie Verwendung einer solchen Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren sowie die Verwendung einer solchen Vorrichtung zum Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit, insbesondere zum Abbau von Schadstoffen in einem wässrigen Medium. Der Abbau der Schad- Stoffe erfolgt im Wesentlichen durch die oxidierende Wirkung von OH-Radikalen . Die Flüssigkeit wird zum Abbau der Schadstoffe in einer Vorrichtung behandelt, die eine Anordnung von positiv und negativ geladenen Elektroden aufweist, die in einem von der Flüssigkeit durchfluteten Behältnis angeordnet sind. Die Elektroden sind jeweils unter Ausbildung eines Arbeitsraums voneinander getrennt. Zur kontinuierlichen Behandlung der Flüssigkeit wird diese mittels eines Zu- und Ablaufes dem Arbeitsraum zugeführt. Eine derartige Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung sind beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung:
DE 10 2006 034 895.8 mit dem Titel: Verfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus Flüssigkeiten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vom 25.07.2006 vorgeschlagen.
In den Abwässern der Papier- oder Zellstoffindustrie und weiterhin der Druck- oder Textilindustrie finden sich Lignin, Harze und Huminstoffe. Unter Lignin (lat. Lignum = Holz,) wird ein phenolisches Makromolekül verstanden. Lignin im Holz ist ein fester, farbloser Stoff, der in der pflanzlichen Zellwand eingelagert ist, und so die Verholzung der Zelle bewirkt (sogenannte Lignifizierung) . Als Huminstoffe werden allgemein schwach braune bis schwarz gefärbte, in der Regel in humosen Böden gebildete, organische Substanzen verstanden, die keine reproduzierbare chemische Struktur aufweisen und unterschied- liehen Eigenschaften und Zusammensetzungen haben. Lignin und Huminstoffe werden im Sinne der vorliegenden Erfindung als die wesentlichen Schadstoffe im Abwasser der vorgenannten Industriezweige verstanden. Derartige Industrieabwässer besitzen einen hohen CSB-Wert (CSB = chemischer ^Sauerstoffbedarf) . Solche Abwässer bedürfen vor ihrer Einleitung in das allgemeine Abwassersystem der Reinigung.
Ein mögliches Verfahren zur Reinigung derartiger Abwässer ist die Oxidation der entsprechenden Lignin oder Huminstoffe. Die Oxidation erfolgt durch das Einleiten von Ozon (O3) in das Abwasser. Nach dem Einleiten in Wasser zerfällt Ozon in OH- Radikale, die eine Oxidationswirkung besitzen.
Zur Reinigung von Abwässern mit Ozon werden sogenannte Ozonisatoren verwendet. Ozonisatoren verwenden als Ausgangsstoff reinen Sauerstoff und erzeugen mittels einer Hochspannung zwischen 10 kV und 40 kV Ozon. Ozonisatoren besitzen einen schlechten Wirkungsgrad.
Aufgrund des schlechten Wirkungsgrads und der Tatsache, dass für technische Prozesse meist reiner Sauerstoff als Ausgangsmaterial verwendet wird, ist die Herstellung von Ozon mit einem Ozonisator teuer.
Als Alternative zu einem Ozonisator existieren elektrochemi- sehe Verfahren. Mittels derartiger Verfahren werden auf elektrochemischem Weg direkt in der zu reinigenden Flüssigkeit OH-Radiale erzeugt. Elektrochemische Verfahren besitzen gegenüber Ozonisatoren einen deutlich höheren Gesamtwirkungsgrad .
Mit der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung der Anmelderin AZ 10 2006 034 895 mit der Bezeichnung: „Verfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus Flüssigkeiten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens" wird ein Verfah- ren zur elektrochemischen Erzeugung von OH-Radikalen zur Reinigung von Industrieabwässern insbesondere zur Reinigung der Abwässer der Papierindustrie vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren wird die zu reinigende Flüssigkeit durch eine kammar- tige Anordnung von alternierend positiv und negativ geladenen Elektroden geführt. Die zu reinigende Flüssigkeit steht somit in direktem Kontakt mit den Elektroden.
Zur Erzeugung von OH-Radikalen ist eine bestimmte Ladungsmenge notwendig, die von der Art der Reaktion abhängig ist. Zusätzlich finden parasitäre Nebenreaktionen statt, die den Wirkungsgrad begrenzen. Die zur Erzeugung von OH-Radikalen notwendige Leistung bestimmt sich als Produkt aus Strom (A) und Spannung (V) . Die notwendige Energie entsprechend aus dem Produkt Ladung (A-s) und Spannung (V) .
Im Folgenden soll lediglich eine Betrachtung hinsichtlich der Energie durchgeführt werden.
Von den beiden Parametern Strom (A) und Spannung (V) die die für die OH-Radikal - Erzeugung notwendige Energie bestimmen ist lediglich der Spannungsanteil direkt durch einen apparativen Aufbau zu beeinflussen, da der Stromanteil (A) , wie oben erwähnt, durch die chemische Reaktion der OH-Radikal- Bildung vorgegeben ist.
Der Spannungsanteil (V) ist zum einen durch die an den Elektroden stattfindenden Halbreaktionen bestimmt. Gemäß Ohm'schem Gesetz U=RI ist der Spannungsanteil (V) aber auch durch den
Widerstand zwischen den Elektroden bestimmt. Der zwischen den Elektroden vorhandene Widerstand ist wiederum abhängig von dem zwischen den Elektroden vorhandenen Elektrolyt und dem Abstand der Elektroden voneinander.
Die Energiemenge für die elektrochemische Erzeugung von OH- Radikalen sinkt mit sinkendem Abstand der Elektroden voneinander. Aufgrund von Rekombinationseffekten, die der OH- Radikalbildung entgegenwirken, kann der Abstand der Elektro- den nicht beliebig verringert werden.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Abbau von Schadstof- fen in einer Flüssigkeit anzugeben, die hinsichtlich der im Stand der Technik vorhandenen technischen Probleme verbessert sind. Insbesondere sollen die Vorrichtung und das Verfahren eine verbesserte Ausbeute in Bezug auf die elektrochemische Erzeugung von OH-Radikalen aufweisen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird vorrichtungsbezogen mit den in Anspruch 1, verfahrensbezogen mit den in Anspruch 17 und verwendungsbezogen mit den in Anspruch 32 genannten Maßnahmen bzw. Merkmalen gelöst.
Der Erfindung liegen folgende Überlegungen und Erkenntnisse zugrunde: Bei der elektrochemischen Erzeugung von OH-Radikalen in wässriger Umgebung sinkt die benötigte Energiemenge mit geringer werdendem Abstand der Elektroden zueinander. Rekombinationseffekte verhindern, dass zur weiteren Steigerung der elektrochemischen chemischen Ausbeute von OH-Radikalen der Plattenabstand beliebig verringert werden kann. Mittels eines Separators, welcher zwischen den Elektroden angeordnet werden kann, können Rekombinationseffekte verringert werden. Die Elektrodenreaktionen selbst, über welche ein gewisser Spannungsanteil abfällt, kann jedoch durch einen Separator nicht verringert werden. Zur Verringerung des effektiven Elekrodenabstandes wird eine der beiden Elektroden, also die positiv oder die negativ geladene Elektrode, mit einem Separator derart umgeben, so dass kein direkter Kontakt der zu reinigenden Flüssigkeit mit der entsprechenden Elektrode mehr möglich ist. Der Raum zwischen der entsprechenden Elektrode und der sie umgebenden Barriere wird mit einer gut leitfähi- gen Flüssigkeit gefüllt. Dadurch wird der ohmsche Spannungsabfall zwischen Elektrode und Separator stark herabgesetzt. Auf diese Weise kann die Distanz, auf welcher die zwischen den Elektroden anliegende Spannung abfällt, d.h. der effektive Elektrodenabstand, auf die Distanz zwischen einem Separa- tor und der jeweils nicht vom Separator umgebenen Elektrode verringert werden, wobei gleichzeitig Rekombinationseffekte unterdrückt werden können. Die nicht vom Separator umgebenen Elektroden werden im Allgemeinen auch als Arbeitselektrode bezeichnet .
Unter einem Separator wird in letzterem Zusammenhang ein Kör- per aus einem porösen oder mikroporösen Material verstanden, wobei als Material ein hydrophiles oder durch entsprechende Oberflächenbehandlung hydrophiliertes Polymer, wie beispielsweise Polyproylen, Polytetrafluorethylen eingesetzt werden kann. Weiterhin kann der Separator aus Glas, Glasgeflecht oder Flies bestehen. Der Separator kann ein Porenvolumen zwischen 25 % und 95 % aufweisen, wobei von der Oberfläche des Separators nicht zugängliche Poren (geschlossene Porosität) nicht berücksichtigt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorrichtungsbezogen die Aufgabe mit den folgenden Maßnahmen gelöst. Es wird eine Vorrichtung zum Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit, insbesondere zum Abbau von organischen Schadstoffen, in einem wässrigen Medium durch die oxidierende Wirkung von OH-Radika- len angegeben, wobei diese Vorrichtung eine Anordnung aus positiv und negativ geladenen Elektroden, die unter Ausbildung eines Arbeitsraumes voneinander getrennt sind, umfasst. Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Zu- und Ablauf, durch welche dem Arbeitsraum, zur kontinuierlichen Bearbeitung der Flüssigkeit, diese zugeführt wird. Zumindest eine der positiv oder negativ geladenen Elektroden ist im Kontaktbereich zwischen der Flüssigkeit und der Elektrode mit einem Separator unter Ausbildung eines Elektrodenraums umschlossen, wobei der Elektrodenraum den Arbeitsraum zwischen den Elektroden ver- ringert. Der Elektrodenraum ist weiterhin mit einem Leitelektrolyten gefüllt.
Mit Hilfe der vorgenannten erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich, auf elektrochemischem Wege einen besseren Wirkungs- grad zu erreichen, wodurch eine effektivere Reinigung der
Flüssigkeit, insbesondere der Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit, erreicht werden kann. Die Vorrichtung erlaubt somit den kostengünstigeren Abbau von Schadstoffen in der Flüssigkeit .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor, wobei die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines Unteranspruchs, oder insbesondere mit den Merkmalen mehrerer Unteransprüche, weitergebildet werden kann .
Demgemäß kann die erfindungsgemäße Vorrichtung noch die folgenden Merkmale aufweisen:
Zumindest eine negativ geladene Elektrode kann von einem Separator umschlossen sein, und der Elektrodenraum kann mit einem alkalischen Leitungselektrolyten gefüllt sein. Alternativ kann zumindest eine positive Elektrode von einem Separator umschlossen sein und der Elektrodenraum mit einem sauren Elektrolyten gefüllt sein. Der Abbau, der in der Flüssigkeit vorhandenen Schadstoffe, erfolgt stets an der Arbeitselektrode, d.h. an derjenigen Elektrode, welche nicht von einem Separator umschlossen ist. Je nach dem ob die in der Flüssigkeit vorhandenen Schadstoffe oxi- dativ oder reduktiv umgesetzt werden, wird entsprechend die negativ bzw. die positiv geladene Elektrode mit einem Separator versehen. Gemäß den vorgenannten Ausführungsformen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung flexibel ausgestaltet werden. Alle positiv oder alle negativ geladenen Elektroden können von einem Separator umschlossen sein. In dem alle positiv oder alle negativ geladenen Elektroden von einem Separator umschlossen sind, kann die Gesamteffektivität der Vorrichtung verbessert werden. Der Separator kann aus mikroporösem Material gefertigt sein. Ein Separator aus einem mikroporösen Material verhindert die Reaktion der zu reinigenden Flüssigkeit an der betreffenden, von dem Separator umgebenen Elektrode. Die Ionenleitung wird durch einen mikroporösen Separator je- doch nicht unterbrochen, wodurch der für den Spannungsabfall relevante Abstand zwischen den Elektroden verringert werden kann.
Die Elektroden können als planparallele Flächen ausgebil- det sein. Werden die Elektroden als planparallele Flächen ausgebildet, so erlaubt eine derartige Konstruktion der Vorrichtung ein möglichst geringes Arbeitsvolumen, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorrichtung zu erreichen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung kompakt ausgestaltet wer- den.
Eine der Elektroden und der Separator können als im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete Hohlzylin- der ausgebildet sein, die weitere Elektrode kann im Zentrum der Hohlzylinder angeordnet sein. Gemäß der vorstehen- den Ausführungsform kann eine geschlossene Anordnung zur Behandlung der schadstoffhaltigen Flüssigkeit angegeben werden, wodurch insbesondere der Schaumbildung bei der Behandlung der Flüssigkeit vorgebeugt werden kann. Die Elektroden können oberflächenstrukturiert sein. Durch eine Oberflächenstrukturierung der Elektroden kann deren Oberfläche vergrößert werden, was zu einer Verbesserung der Effektivität der Vorrichtung führt. Die Elektroden können aus einem MMO-Material gebildet sein. Weiterhin kann insbesondere Platin, Siliziumcarbid, Wolframcarbid, Titancarbid, Titannitrit und/oder Titankohlenstoffnitrit verwendet werden. Ein MMO-Material ist zur Ausgestaltung der Elektronen einer Vorrichtung gemäß der vorstehenden Ausführungsform besonders geeignet. Als Material für eine positiv geladene Elektrode kann sich verzehrendes Material wie insbesondere Eisen, rostfreie
Stahllegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen und/oder Kohlenstoff verwendet werden. Weiterhin kann als Material für eine negativ geladene Elektrode Eisen, rostfreie Stahllegierungen, Kohlenstoff und/oder Aluminium verwendet werden. Die vorgenannten Materialien sind zur Ausgestaltung einer positiv geladenen Elektrode bzw. einer negativ geladenen Elektrode besonders geeignet. Es können Mittel zur Elektrodenreinigung, insbesondere mechanische Wischer/Schaber, Ultraschall und/oder Zusätze von Schwimmkörpern in der Flüssigkeit vorhanden sein. Verunreinigungen der Elektroden führen zu einer Verschlechte- rung des Gesamtwirkungsgrades der Vorrichtung. Durch eine Reinigung der Elektroden kann der Wirkungsgrad wieder verbessert werden. Weiterhin wird durch eine Elektrodenreinigung die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert. Es kann eine Abtrennvorrichtung für Sauerstoff und/oder Wasserstoff vorhanden sein. Durch die Rückgewinnung von
Sauerstoff und/oder Wasserstoff kann die Gesamteffektivität der Vorrichtung verbessert werden.
Verfahrensbezogen wird die Aufgabe mit den folgenden Maßnah- men gelöst: Zum Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit, insbesondere zum Abbau von organischen Schadstoffen in einem wässrigen Medium umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte. Die Flüssigkeit wird kontinuierlich mittels eines Zu- und Ablaufes einem Arbeitsraum zugeführt, wel- eher zwischen den untereinander beabstandeten positiv und negativ geladenen Elektroden einer Anordnung gebildet ist. OH- Radikale werden elektrochemisch in der Flüssigkeit erzeugt, wobei zumindest einer der positiv oder negativ geladenen Elektroden im Kontaktbereich zwischen der Flüssigkeit und der Elektrode von einem Separator unter Ausbildung eines Elektrodenraums umschlossen ist. Der Separator verringert den Arbeitsraum zwischen den Elektroden, der Elektrodenraum ist mit einem Leitelektrolyten gefüllt. Schadstoffe, welche in der Flüssigkeit vorhanden sind, werden oxidativ durch OH-Radikale an der positiven Elektrode oder reduktiv an der negativen Elektrode abgebaut.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den von Anspruch 17 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen eines, insbesondere mit denen mehrerer Unteransprüche kombiniert werden. Demgemäß kann das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich die folgenden Merkmale aufweisen: Die elektrochemische Erzeugung der OH-Radikale kann mit einer Spannung von <5 V erfolgen. Durch die geringe Spannung erhöht sich einerseits die C-Effizienz [energetisch] und andererseits können wartungsfreundliche und berührungssichere Aufbauten mit Niederspannung realisiert werden. Demgegenüber sind Ozonisatoren Hochspannungsanlagen. Die Erzeugung der OH-Radikale erfolgt mit einer Gleichspannung . - Die Stromdichte auf den Elektrodenflächen kann zwischen 2 mA/cm2 und 500 mA/cm2 betragen. Dadurch kann die Effizienz in Abhängigkeit des Leitelektrolyten und des Antriebselektrolyten optimiert und ggf. geregelt werden. Die Gleichspannung kann gepulst sein. Die Einflüsse von Diffusionsvorgängen werden dadurch begrenzt, was bedeutet, dass der Flüssigkeitstransport der Reaktanten und die Beseitigung störender Gasblasen verringert werden. Die elektrochemische Erzeugung der OH-Radikale kann mit einem Wechselstrom erfolgen, der insbesondere die Form einer Dreieck-, Sinus- und/oder Plateauschwingung haben kann. Weiterhin kann die Frequenz des Wechselstroms zwischen 10~3 Hz und 1 Hz liegen. Als Vorteile ergeben sich zusätzlich Lebensdauerverlängerungen bei Verwendung von verschleißenden Elektroden. - Der CSB-Wert kann als Maß für die Schadstoffkonzentration verwendet werden, ein Abbau der Schadstoffe kann anhand eines Abbaus des CSB-Wertes gemessen werden. Insbesondere kann ein Abbau von biologisch nicht abbaubarem CSB erfolgen. Weiterhin kann biologisch abbaubarer CSB generiert werden. Eine Verminderung von biologisch nicht abbaubarem CSB bzw. die Generierung von biologisch abbaubarem CSB bzw. eine Verringerung des CSB-Wertes ist ein wichtiges Ziel der Abwasserreinigung. Entsprechend kann ein Verfahren, welches den CSB-Wert gemäß den vorstehenden Ausfüh- rungen verändert, besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Vor der elektrochemischen Behandlung der Flüssigkeit kann eine mechanische Vorzerkleinerung von in der Flüssigkeit vorhandenen Festbestandteilen erfolgen. Durch eine Zer- kleinerung von Festbestandteilen können Fehler, beispielsweise in Folge von Verstopfungen, in den Verfahren vermieden werden. Auf diese Weise wird eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Verfahrens erreicht. - Die Flüssigkeit kann UV-aktiviert werden. Durch die UV- Aktivierung können gezielt bestimmte Elektrodenreaktionen unterstützt werden. Selektiver Abbau, bzw. Steigerung der Effizienz . In dem Verfahren entstehender Sauerstoff kann abgetrennt werden und zur Belegung von biologischem Klärbecken verwendet werden. Durch die Abtrennung von im Verfahren entstehendem Sauerstoff kann dieser vorteilhaft zur Belegung von biologischen Klärbecken eingesetzt werden, ohne dass zusätzlicher Sauerstoff benötigt wird. - Die Farbstoffe können vor allem organische Farbstoffe sein, bei den organischen Farbstoffen kann es sich um natürliche Farbstoffe oder synthetische Farbstoffe handeln. Farbstoffe stellen in großem Umfang eine Belastung von Abwässern dar. Eine Verringerung von Farbstoffen ist daher bei der Abwasserbehandlung besonders vorteilhaft.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung oder eine Ausführungsform nach einem der Ansprüche 2 bis 16, kann insbesondere in der Papier- oder Zellstoffindustrie der Druck- oder Textilindus- trie zum Abbau von Lignin oder Humin in den Industrieabwässern verwendet werden.
In den vorgenannten Industrien stellt Lignin oder Humin einen wesentlichen Bestandteil der Abwasserverunreinigung dar. Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder eine ihrer Weiterbildungen ist daher besonders vorteilhaft.
Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abbau von Schadstoffen sowie dem erfindungs- gemäßen Verfahren zum Abbau von Schadstoffen gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie insbesondere aus der stark schematisierten Zeichnung hervor. Dabei zeigen Figur 1 eine Vorrichtung zum Abbau von Schadstoffen im Querschnitt,
Figur 2 eine solche Vorrichtung in Draufsicht, Figur 3 eine röhrenförmig ausgestaltete Vorrichtung zum Abbau von Schadstoffen im Querschnitt,
Figur 4 eine Vorrichtung zur Wasseraufbereitung und Figur 5 eine solche Vorrichtung mit einem Schaumabscheider.
In der Zeichnung sind sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Nicht näher erläuterte Teile sind allgemein bekannter Stand der Technik.
Figur 1 zeigt eine nur teilweise ausgeführte Vorrichtung 100 zum Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit, insbesondere zum Abbau von organischen Schadstoffen in einem wässrigen Medium. Weitere Einzelheiten der Vorrichtung 100 sind in Figur 4 angedeutet. Die Vorrichtung 100 ist in Figur 1 im Querschnitt dargestellt. Eine zu reinigende Flüssigkeit wird über einen Zulauf 101 einem Behältnis 103 zugeführt, welches die Flüssigkeit F über den Ablauf 102 wieder verlässt. Die Strömung der Flüssigkeit F innerhalb des Behältnisses 103 ist teilweise mit Pfeilen angedeutet. Das Behältnis 103 kann mit der zu reinigenden Flüssigkeit F bis zur Höhe L gefüllt sein. Innerhalb des Behältnisses 103 befindet sich eine Anordnung von positiv geladenen Elektroden 104a bis 104c und negativ geladenen Elektroden 105a bis c. Die Elektroden können insbesondere als planparallel zueinander ausgerichtete Platten ausgestaltet sein. Zwischen den Elektroden 104a bis 104c, 105a bis 105c befindet sich ein Arbeitsraum A, dessen Weite durch den Elektrodenabstand 106 bestimmt ist.
Zumindest eine negativ geladene Elektrode 105, vorzugsweise einige der negativ geladenen Elektroden 105 oder weiterhin vorzugsweise alle negativ geladenen Elektroden 105a... c sind in gleicher Weise mit einem Separator 107 umgeben. Der Separator 107 umgibt die negativen Elektroden 105a... c derart vollständig, dass kein direkter Kontakt zwischen der in dem Behältnis 103 vorliegenden zu reinigenden Flüssigkeit F und der eigentlichen Elektrode 105a... c möglich ist. Der Separator 107 umgibt die Elektroden 105a... c, insbesondere in einem durch die Höhe L der Flüssigkeit F in dem Behältnis 103 vor- gegebenen Kontaktbereich.
Der Separator 107, welcher insbesondere aus einem mikroporösen Material gefertigt sein kann, verringert die Größe des Arbeitsraumes (A) zwischen den Elektroden 104a...104c und 105a...105c dadurch, dass der Elektrodenabstand 106 auf einen effektiven Elektrodenabstand 108 verringert wird. Der Separator 107 umgibt die Elektroden 105a...105c unter Ausbildung eines Elektrodenraumes 109. Der Elektrodenraum 109 ist mit einem gut leitfähigen Elektrolyten E gefüllt. Gemäß der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform, in der die von dem Separator 107 umgebenen Elektroden 105a...105c negativ geladen sind, handelt es sich um einen alkalischen Leitelektrolyten E. Zwischen den alternierend geladenen Elektroden 104a...104c und 105a...105c liegt typischerweise eine elektrische Span- nung von weniger als 5 V an .
Innerhalb der zu reinigenden Flüssigkeit F, die sich innerhalb des Behälters 103 befindet, wird Wasser an der positiven Elektrode elektrolytisch nach der Gleichung
H2O → H+ + OH* + e" (1)
zersetzt .
An den positiv geladenen Elektroden 104a...104c erfolgt gemäß oben stehender Gleichung 1 die elektrolytische Zersetzung von Wasser unter Erzeugung von OH-Radikalen . Der Abtransport der Elektronen (e~) erfolgt über die positiv geladenen Elektroden 104a...104c.
Ein Abtransport der H+-Ionen erfolgt mittels Ionenleitung. Die H+-Ionen passieren den mikroporösen Separator 107 dabei ungehindert, und gelangen zu den negativ geladenen Elektroden 105a...105c.
Der mikroporöse Separator 107 ist gemäß dem in Figur 1 ge- zeigten Ausführungsbeispiel derart ausgestaltet, dass eine Vermischung der in dem Behältnis 103 befindlichen zu reinigenden Flüssigkeit F im Bereich der negativ geladenen Elektroden 105a...105c vermieden werden kann. Eine Ionenleitung zu den entsprechend negativ geladenen Elektroden 105a...105c kann aber ungehindert stattfinden. Der mikroporöse Separator 107 verhindert weiterhin Rekombinationseffekte, da N2 von der negativen Elektrode nicht direkt zur positiven gelangt. Weiterhin kann auch kein auf der positiven Seite entstehender O2 und OH die negative Elektrode depolarisieren.
Die elektrische Leitfähigkeit einer zu reinigenden Flüssigkeit F liegt im Allgemeinen in der Größenordnung einiger mS (z.B. zwischen 1 und 10 mS) und beträgt typischerweise 4 mS . Der Elektrodenraum 109 ist mit einem gut leitfähigen Elektro- lyten E gefüllt, welcher typischerweise eine um mehrere Größenordnungen höhere elektrische Leitfähigkeit von beispielsweise 1000 mS aufweist. Der Abfall, der an die Elektroden 104a...104c und 105a...105c angelegten Spannung von typischerweise weniger als 5 V erfolgt folglich nicht über den Elektrodenabstand 106, sondern über den effektiven Elektrodenabstand 104, welcher durch den Abstand des Separators 107 zu der positiv geladenen Elektrode 104a...104c bestimmt ist.
Im Bereich der positiv geladenen Elektroden 105a...105c bil- det sich infolge der zuvor beschriebenen Prozesse eine erhöhte Konzentration von OH-Radikalen aus. Die OH-Radikalen entfalten eine oxidierende Wirkung auf die in der Flüssigkeit F vorhandenen Schadstoffe und fördern so deren Abbau. Diejenige Elektroden und zwar in dem in Figur 1 dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel die positiv geladenen Elektroden 105a... c werden nachfolgend als Arbeitselektroden bezeichnet, da der Abbau der Schadstoffe der in der Flüssigkeit F vorhandenen Schadstoffe im Bereich dieser Elektroden erfolgt. Bezogen auf die gesamte Vorrichtung erfolgt ein oxidativer Umsatz der Schadstoffe gemäß dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel .
Alternativ zu dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann eine Vorrichtung zum Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit F nach gleichem Prinzip derart analog aufgebaut werden, dass die Polung der negativ und positiv geladenen Elektroden vertauscht wird. In diesem Fall würde ein redukti- ver Umsatz der Schadstoffe erfolgen. Gemäß einem solchen nicht in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wären dann die in Figur 1 als positiv geladene Elektroden 104a... c dargestellten Elektroden negativ geladen und die in Figur 1 als negativ geladene Elektroden dargestellten Elektroden 105a... c positiv geladen.
Der vorstehend beschriebene Prozess wird als reduktiver Umsatz bezeichnet.
In diesem Fall gibt es keine OH-Radikale und keinen oxidati- ven Umsatz. Der Abbau erfolgt reduktiv, d.h. :
- Die Kohlenstoffmoleküle werden im Extremfall bis zum Methan (CH4) reduziert und entweichen normalerweise weniger wahrscheinlich. - Es werden Methanol (CH3OH) - oder Ethanol (C2H5OH) -Gruppen reduktiv abgespalten, die entweder teilweise entweichen, d.h. abdampfen oder aber sehr gut biologisch abbaubar sind. Dadurch kommt es zur Generierung von BSB, z.B. bei
Carboxyl -Gruppen O 1+
I I I
R-C + 3H2 → H-C-OH + R-H + H2O I I
OH H (Methanol) - Es werden langkettige Moleküle reduktiv auseinandergebrochen, d.h. es kommt zur Generierung von BSB.
In den zuvor genannten Prozessen des oxidativen oder redukti- ven Umsatzes von Schadstoffen, welche in der Flüssigkeit F vorliegen, kann es in einer Vorrichtung 100 zu Schaumbildung kommen. Zu diesem Zweck kann eine derartige Vorrichtung wie in Figur 1 gezeigt, einen Schaumabscheider 110 aufweisen.
Figur 2 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit F in Draufsicht. Die Strömung der Flüssigkeit F in der Vorrichtung ist teilweise mit Pfeilen angedeutet .
Figur 3 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit F in Querschnittsansicht, wobei zumindest eine Elektrode und ein Separator 107 rohrförmig ausgestaltet sind. So können die positiv geladenen Elektroden 104a...104c, sowie die entsprechenden Separatoren 107 als im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete Hohlzylinder ausgebildet sein, wobei sich die negativ geladenen Elektroden 105a...105c jeweils im Wesentlichen im Zentrum der zugehörigen Hohlzylinder befinden. Gemäß dem in Figur 3 im Querschnitt gezeigten Ausführungsbeispiel kann es sich bei der Vorrichtung 100 zum Abbau von Schadstoffen um eine geschlossene Anordnung handeln, der über einen Zu- und Ablauf die zu reinigende Flüssigkeit F zugeführt wird. Durch eine derart geschlossene Anordnung kann insbesondere die Schaumbildung während der Prozessführung verringert werden.
Alle zuvor genannten Ausführungsbeispiele können im Folgenden mit den nachfolgend genannten Maßnahmen weitergebildet werden .
Beispielsweise können die Elektroden zur Vergrößerung ihrer
Oberfläche oberflächenstrukturiert sein. Weiterhin können die Elektroden aus einem MMO-Material (Mixed Metal Oxid) gebildet sein. Weiterhin kann beispielsweise Diamant, Platin, Silizi- umcarbid, Wolframcarbid, Titancarbid, Titannitrit und/oder Titankohlenstoffnitrit für die Konstruktion der positiv geladenen Elektroden 104a...104c Verwendung finden. Insbesondere können positiv geladene Elektroden 104a...104c aus sich verzehrendem Material wie insbesondere Eisen, rostfreien Stahl- legierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen und/oder Kohlenstoff gebildet sein. Die negativ geladenen Elektroden 105a...105c können insbesondere aus Eisen, rostfreien Stahllegierungen, Kohlenstoff und/oder Aluminium gefertigt sein .
Eine Vorrichtung 100 zum Abbau von Schadstoffen gemäß einem der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele kann weiterhin mit Mitteln zur Elektrodenreinigung versehen sein. Als Mittel zur Elektrodenreinigung sind beispielsweise mechanische Wischer oder Schaber geeignet. Alternativ oder zusätzlich kann eine Reinigung der Elektroden mittels Ultraschall erfolgen. Ebenfalls möglich ist eine Reinigung der Elektroden durch in der zu reinigenden Flüssigkeit F vorhan- dene Schwimmkörper.
Figur 4 und 5 zeigen Vorrichtungen, anhand derer der Arbeitsablauf bei der Wasseraufbereitung ersichtlich ist. So zeigt Figur 4 eine Vorrichtung, welche einen Behälter 103 aufweist, in dem planparallel zueinander n Elektroden angeordnet sind. Jeweils alternierend befinden sich in dem Behälter 103 n positiv geladene Elektroden 104a...104c und n negativ geladene Elektroden 105a...105n. Die negativ geladenen Elektroden 105a...105n sind jeweils von einem Separator 107 umgeben. Eine zu reinigende Flüssigkeit F wird dem Behälter 103 durch einen Zulauf 101 zugeführt, die gereinigte Flüssigkeit F ver- lässt den Behälter 103 über den Ablauf 102. Die in dem Behälter 103 befindliche zu reinigende Flüssigkeit F wird zusätzlich über eine Umwälzpumpe 401 und einem duscheähnlichem Ver- teuer oberhalb der Elektrodeneinrichtung derart umgewälzt, dass eine gleichmäßige Bedeckung der Elektroden gewährleistet wird. In diesem Zusammenhang sind geeignete Maßnahmen zu treffen, so dass sich die zu reinigende Flüssigkeit F nicht mit dem innerhalb des Elektrodenraums 109 befindlichen gut leitfähigen Elektrolyten E vermischt.
Figur 5 zeigt eine weitere Vorrichtung, welche einen Schaumabscheider 110 aufweist. Hierzu verfügt der Behälter 103 über eine Ablaufkante 501 zur Schaumabtrennung. In einem nachge- ordneten Auffangbehälter 502 wird der auf diese Weise abgetrennte Schaum in einem weiteren Kreislauf von einer weiteren Umwälzpumpe 103 behandelt.
Im Folgenden werden weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten eines Verfahrens zum Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit F gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert. So kann die elektrochemische Erzeugung der OH-Radikale mit einer Spannung von weniger als 5 V erfolgen. Weiterhin kann es sich bei der Spannung zur Erzeugung der OH-Radikale um eine Gleichspannung handeln. Diese Gleichspannung kann weiterhin gepulst sein. Alternativ kann die elektrochemische Erzeugung von OH-Radikalen mit einer Wechselspannung erfolgen. Diese Wechselspannung kann insbesondere die Form einer Dreieck-,
Sinus- und/oder Plateauschwingung mit einer Frequenz zwischen 10~3 Hz und 1 Hz aufweisen. Allgemein kann das Verfahren zur OH-Radikalerzeugung galvanostatisch durchgeführt werden, wobei die Stromdichte auf den Elektrodenoberflächen zwischen 2 mA/cm2 und 500 mA/cm2 betragen kann.
Der Abbau von Schadstoffen kann anhand des CSB-Wertes (chemischer Sauerstoffbedarf) als Maß für die Schadstoffkonzentration gemessen werden. Es kann weiterhin insbesondere ein Ab- bau von biologisch nicht abbaubarem CSB bzw. die Generierung von biologisch abbaubarem CSB erfolgen.
Vor einer elektrochemischen Behandlung der zu reinigenden Flüssigkeit F kann eine mechanische Vorzerkleinerung von ge- gebenenfalls in der Flüssigkeit F vorhandenen Festbestandteilen erfolgen. Die Flüssigkeit F kann weiterhin UV-aktiviert werden .
Während des Verfahrens entstehender Sauerstoff bzw. Wasser- Stoff kann für weitere Verfahren Verwendung finden. Beispielsweise kann mittels des entstehenden Sauerstoffes, welcher aus dem Verfahren abgetrennt werden kann, ein biologisches Klärbecken belebt werden. Bei den in der zu reinigenden Flüssigkeit F vorhandenen Schadstoffen kann es sich insbesondere um organische Farbstoffe handeln. Diese organischen Farbstoffe können natürli- che oder synthetische Farbstoffe sein.
Das vorgenannte Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele bzw. die vorgenannte Vorrichtung gemäß einem der Ausführungsbeispiele kann insbesondere in der Papier- oder ZeIl- Stoffindustrie und/oder der Druck- oder Textilindustrie zum Abbau von Lignin oder Humin in den Industrieabwässern verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit (F) , insbesondere zum Abbau von organischen Schadstoffen in einem wässrigen Medium, durch oxidierend wirkende OH-Radikale mit
- einer Anordnung aus positiv und negativ geladenen Elektroden (104a ...104n, 105a ...105n), die unter Ausbildung eines Arbeitsraumes (A) voneinander getrennt sind und
- einem Zu- und Ablauf (101, 102), durch den der Arbeitsraum
(A) zur kontinuierlichen Bearbeitung der Flüssigkeit (F) für diese zugänglich ist, wobei - zumindest eine der positiv oder negativ geladenen Elektroden (104a ...104n, 105a ...105n) zumindest im Kontaktbereich zwischen der Flüssigkeit (F) und der Elektrode (104a ...104n, 105a ...105n) von einem Separator (107) unter Ausbildung eines Elektrodenraums (109) umschlossen ist, wel- eher den Arbeitsraum (A) zwischen den Elektroden
(104a ...104n, 105a ...105n) verringert und
- der Elektrodenraum (109) mit einem Leitelektrolyten (E) gefüllt ist.
2. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine negativ geladene Elektrode (105a ...105n) von einem Separator (107) umschlossen ist und der Elektrodenraum (109) mit einem alkali- sehen Leitelektrolyten (E) gefüllt ist.
3. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine positive Elektrode (104a ... 104n) von einem Separator (107) um- schlössen ist und der Elektrodenraum (109) mit einem sauren Leitelektrolyten (E) gefüllt ist.
4. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle positiven oder alle negativ geladenen Elektroden jeweils von einem Separator (107) umschlossen sind.
5. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (107) aus einem mikroporösen Material gefertigt ist.
6. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (104a ...104n, 105a ...105n) als planparallele Flächen ausgebildet sind.
7. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden (104a ...104n, 105a ...105n) und der Separator
(107) als im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnete Hohlzylinder ausgebildet sind und die weitere Elektrode im Zentrum der Hohlzylinder angeordnet ist.
8. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (104a ...104n, 105a ...105n) oberflächenstrukturiert sind.
9. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die positiven Elektroden (104a ...104n) aus MMO (Mixed Metal Oxide) -Material gebildet sind.
10. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Elektrode aus mindestens einem Material der Materialgruppe, Diamant,
Platin (Pt) , Siliziumcarbid (SiC) , Wolframcarbid (WC) , Titan- carbid (TiC) , Titannitrit (TiN) , Titankohlenstoffnitrit (TiCN) gewählt ist.
11. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für eine positiv geladene Elektrode (104a ...104n) sich verzehrendes Material aus mindestens einem Material der Materialgruppe, Eisen (Fe) , rostfreie Stahllegierungen, Aluminium (Al) , Aluminiumlegierungen, Kohlenstoff (C) gewählt ist.
12. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für eine negativ geladene Elektrode (105a ... 105n) aus mindestens einem Material der Materialgruppe, Eisen (Fe) , rostfreie Stahllegierungen, Kohlenstoff (C) , Aluminium (Al) gewählt ist.
13. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Elektrodenreinigung vorhanden sind.
14. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Elektrodenreinigung mechanische Wischer/Schaber, Ultraschall und/oder Zusätze von Schwimmkörpern in der Flüssigkeit (F) sind.
15. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaumabscheider (110) vorhanden ist.
16. Vorrichtung (100) zum Abbau von Schadstoffen nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Abtrennvorrichtung für Sauerstoff (O2) und/oder Wasserstoff
(H2) .
17. Verfahren zum Abbau von Schadstoffen in einer Flüssigkeit (F) , insbesondere zum Abbau von organischen Schadstoffen in einem wässrigen Medium, die folgende Schritte umfassen: kontinuierliches Zuführen der Flüssigkeit (F) mittels eines Zu- und Ablaufes (101, 102) in einen Arbeitsraum (A), der zwischen voneinander getrennten, positiv und negativ geladenen Elektroden (104a ... 104n, 105a ... 105n) einer Anordnung gebildet ist, elektrochemische Erzeugung von OH-Radikalen in der Flüssigkeit (F) , wobei zumindest eine der positiv oder negativ geladenen Elektroden (104a ... 104n, 105a ... 105n) zumindest im Kontaktbereich zwischen der Flüssigkeit (F) und der Elektrode (104a ... 104n, 105a ... 105n) von einem Separator (107) unter Ausbildung eines Elektrodenraums (109) umschlossen ist, und der Separator (107) den Arbeitsraum (A) zwischen den Elektroden (104a ... 104n, 105a ... 105n) verringert, wobei der Elektrodenraum (109) mit einem Leit- elektrolyten (E) gefüllt ist, abbauen von Schadstoffen in der Flüssigkeit (F) durch OH- Radikale .
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Erzeugung der OH-Radikale mit einer
Spannung von < 5 V erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung eine Gleichspannung ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet durch eine galvanostatische Durchführung, wobei die Stromdichte auf den Elektrodenflächen zwischen 2 mA/cm2 und 500 mA/cm2 beträgt.
21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung gepulst ist.
22. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeich- net, dass die elektrochemische Erzeugung der OH-Radikale mit einem Wechselstrom erfolgt, insbesondere mit einem Wechselstrom in Form einer Dreieck-, Sinus- und/oder Plateau- Schwingung, wobei die Frequenz des Wechselstroms zwischen 10"3 Hz und 1 Hz liegt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch ge- kennzeichnet, dass der CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) -Wert als Maß für die Schadstoffkonzentration verwendet wird und ein Abbau der Schadstoffe anhand eines Abbaus des CSB-Wertes gemessen wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch einen Abbau von biologisch nicht abbaubarem CSB.
25. Verfahren nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch eine Generierung von biologisch abbaubarem CSB.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass vor der elektrochemischen Behandlung der Flüssigkeit (F) eine mechanische Vorzerkleinerung von in der Flüssigkeit (F) vorhandenen Festbestandteilen erfolgt.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (F) UV-aktiviert wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27, gekenn- zeichnet durch eine Abtrennung von in dem Verfahren entstehendem Sauerstoff (O2) und Verwendung des Sauerstoffs (O2) zur Belebung biologischer Klärbecken.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Schadstoffe vor allem organische Farbstoffe sind.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Farbstoffe natürliche Farbstoffe sind.
31. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Farbstoffe synthetische Farbstoffe sind.
32. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in der Papier- oder Zellstoffindustrie, der Druckoder Textilindustrie zum Abbau von Lignin oder Humin in den Abwässern der jeweiligen Industrie.
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